智能紡織纖維材料的應用研究

丁 帥，萬 艷，李勝凱

(1.山東省紡織科學研究院，山東 青島 266032； 2.山東省特種紡織品加工技術重點實驗室， 山東 青島 266032； 3.青島市產品質量檢驗技術研究所，山東 青島 266000)

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智能紡織纖維材料的應用研究

丁 帥1，2，萬 艷3，李勝凱1

(1.山東省紡織科學研究院，山東 青島 266032； 2.山東省特種紡織品加工技術重點實驗室， 山東 青島 266032； 3.青島市產品質量檢驗技術研究所，山東 青島 266000)

智能紡織品作為高技術、高附加值的紡織產品，代表著未來紡織行業發展的方向，智能紡織纖維材料是發展智能紡織品的基礎。本文詳細介紹了目前智能紡織纖維的種類、功能及原理，著重介紹了熱能存儲纖維、電子纖維和智能紡織材料三種智能纖維特性及應用，為相關研究人員、科研機構及企業提供一定參考。

智能紡織品；熱存儲纖維；電子纖維

1 引言

智能材料不再是只存在于科幻電影中的想象，而是真實的材料，已經應用于我們生活的各個方面，它能夠對感官和周圍環境做出相應地反應，實現智能調節。智能材料有很多種類，包括熱調節材料、形狀記憶材料、含鉻材料、發光材料、傳導材料、光電池材料、薄膜材料和應用于軍事上的智能材料[1]，這篇文章主要探討了智能材料在紡織方面的應用。

智能紡織材料能夠對感官和環境條件做出反應，針對機械、熱、化學、電能或磁等刺激實現不同的功能。不斷革新的技術和不同領域的需求會推動智能材料的發展進入新的階段。根據智能材料的不同功能，可以將其分為4類：被動智能材料即只能對環境條件起反應；積極智能材料即能夠感知或者對刺激和特定條件起反應；聰明材料即能夠根據條件感知、反應或者調整自己；智能材料即能夠反應或者激活一定功能。

目前的智能材料必須配有感應器等將物理信號轉化為電信號的電子元件。傳統的感應器或者測量器由于機械構造和元件組成的原因不與紡織材料相匹配，隨著科技迅猛發展，新一代感應器已被研發出來。感應器的五個主要功能是：感應、數據處理、執行機構、存儲和交流。

圖1 智能紡織材料的工作流程

2 執行系統的概念

感應器像神經系統一樣檢測信號，并且紡織品本身也可作為感應器。處理器分析和評估信號，執行器據此做出動作。系統的協調工作可以實現使材料運動、加熱、發出聲音、釋放物質或執行其他操作。

智能紡織纖維材料特點在于可以從不同層次引入，可以引入到纖維層或涂層，其線材可以設置在紡織材料中，緊密連接獨立應用元件。大多數元件會將信號轉化為電信號，電導材料對于智能材料是至關重要的。因此，研究人員應致力于以下領域的探索：光敏材料、光學纖維、傳導聚合物、熱敏材料、形狀記憶材料、智能涂層、化學反應材料、微膠囊和納米材料[2-3]。

3 應用于智能紡織的纖維材料

3.1 熱存儲纖維

3.1.1 原理

在加熱過程中，任何材料都會吸收熱量而溫度升高。在反向降溫過程中，材料吸收的熱量將會釋放到環境中去，在這個過程中，材料溫度不斷降低。正常的紡織材料吸收熱量的速率為1 kJ/kg ，溫度上升1℃。比較而言，相變材料在融化過程中吸收的熱量大大增加。相變材料的溫度在結晶過程中不變化，其在融化和結晶過程中，雖有大量熱能傳輸，但并沒有溫度的變化，這一點使得相變材料非常適合存儲熱能。石蠟相變材料融化狀態下，吸收熱量的速率大約是200 kJ/kg。對于其它紡織材料，若要吸收等量熱量，溫度將會升高176.85℃。石蠟在融化過程中吸收的高熱能在冷卻過程中可以從結晶溫度開始，釋放到周圍環境中。很明顯相對于常規紡織品，在紡織品中加入石蠟，能大大提高紡織品的儲熱能力。在完全的融化過程中，石蠟的溫度和周圍環境保持一致。應用于紡織品中的石蠟是固體或者液體。為防止石蠟溶解，可將它們置于只有幾微米大小的塑料膠囊中，這些膠囊因此也稱為相變材料微膠囊。石蠟微膠囊化以后可以永久鎖定在丙烯酸纖維中或者涂抹在織物表面[4]。

圖2 熱能調節材料

3.1.2 應用

服用性好的衣物應該能夠在穿衣者運動時，使身體產生的熱能和散發到環境中的熱能之間達到平衡，普通紡織材料做不到這一點，穿衣者在運動中所產生的熱量不能全部散發到環境中，造成熱能堆積。如果穿衣者接下來休息，由于身體產生的熱能大大減少，穿衣者又很可能陷入低體溫的境況。熱存儲纖維此時就顯示出了獨特的作用，當身體產生大量熱能時，可以將這些熱能收集起來，當人體處于相對靜止的時候時，又將熱能釋放出來，在以人體為中心的小環境中達到熱能平衡。

3.2 電子纖維

3.2.1 性能

電子纖維主要由兩種組成，第一種電子纖維是將二極管、晶體管和太陽能電池等現成的電子元件直接編織到紡織品中，稱為纖維電子件。第二種是傳統電子元件與纖維共同使用，例如集成電路、導線、LED和織造在服裝中的傳統電池，這是最常見的一種電子纖維產品。

將電子纖維應用到醫學領域，可以監測病人的血壓、脈搏和體溫等指標。目前，研發人員已經開發出一種智能監測服裝，不但能夠準確讀出穿戴者的各種體征指標，還能將這些數據和GPS定位一起發到信息中心。這樣，如果病人遇到緊急情況，信息中心就會通知急救中心，并告知具體病情，使病人能夠第一時間得到救治[5]。通常情況下，會在智能服裝的腋窩位置安裝靈敏溫度傳感器，讀數實時同步顯示在一塊腕表上，方便穿戴者自己隨時了解身體狀況。

傳導纖維是一種新型電子纖維，在信號傳輸方面應用廣泛，效果良好。以歐旦紗,又名柯根紗為例，可將其覆蓋在絲織物的表面。緯紗是絲綢纏繞在細銅箔上，經紗是平紋絲綢，這種結構類似于導線外面包裹了一層膠布，傳導性非常強。絲綢有張力很高，能承受與機器摩擦產生的高溫，纖維之間的空隙使織物好像是一條一條的“電纜”，以實現其功能性。

3.2.2 應用

walkie-talkie—步話機服飾是將音頻傳輸系統用魔術貼或者其他方式固定在衣服表面，并在恰當的位置安裝好發射器和接收器，它們可以分別用來發射和接收信號，兩者距離越近，所產生的信號越強。電能提供采用9 V電池，衣服里面的金屬纖維當做“導線”，此時，步話機服飾就可以實現其功能。

3.3 智能紡織品

3.3.1 智能紡織品與醫療保健的緊密聯系

醫護領域需要使用大量的藥物保健功能紡織品，因此這是高附加值尖端紡織品的用武之地。目前，在醫護領域已經出現并且得到應用的一項發明就是“可穿著計算機”。還有一種傳導纖維，可以通過發射器把感應信號發送到一個帶有接收器的智能襯衣。這些智能服裝可以與因特網相連，并且顯示、分析、記錄、存儲、傳輸生理數據，便于醫護人員精準掌握穿衣者的健康狀態。

現在人們普遍要面對新的問題：生活期望值的提高，人口老齡化，讓殘疾人更好地融入到社會生活中和不斷增加的慢性病。控制疾病也就變得非常重要。據統計，70%～80%的死亡病例都是因為七大疾病：心臟病、癌癥、糖尿病、關節炎、慢性支氣管炎、流感和哮喘。對于這些疾病，早期干預是非常有效的。因為早期干預的醫療成本非常昂貴，所以可穿著的電子元件和智能紡織品的重要性就浮現出來了。智能服裝可以長期監控穿衣者的健康狀態，并且不干擾穿著者的正常生活，因此可以解決許多困擾，比如脊椎有傷的病人，感知困難的人，居家老人或者小嬰兒。由于它價格相對低廉，能與穿衣者很好地融合，所以發展前景非常廣闊。智能衣物可以把穿戴者的生理指標實時遠程地發送給監測中心，醫務人員可以根據這些數據準確掌握情況，并在必要的情況下開處方藥[6]。

由于穿戴醫用智能紡織品的客戶多為有特殊需求的病人，所以智能纖維除了要有傳統紡織品的吸濕、透氣和環保功能以外，還需要符合其他的特殊要求。智能纖維的原材料在成分、耐穿性、織造方式、強力和色牢度等方面要符合國家相關標準，目前應用的纖維主要有色譜纖維、傳導纖維和記憶存儲纖維等。

3.3.2 應用

智能纖維紡織材料在醫用護理方面上的應用非常廣泛，也非常有必要。主要有三方面的作用，即感應作用、傳輸作用和執行作用，其中最常見的應該是感應作用、傳輸作用。相對于傳統纖維，智能纖維材料特殊，不僅要具備傳統服裝的舒適和耐穿特性，還需要一些特殊的、有針對性的維護，這樣才能保證智能原件對身體的不同信號做出準確、靈敏的反饋。另外，很多智能纖維還可以作為“存儲U盤”，保存生理指標數據，以便于日后分析。

4 結論

新型智能化紡織品是高科技功能型紡織品。它可以提高生活質量、增加產品附加值、改善勞動條件、滿足特種行業需求，勢必將更多地出現在應用市場上。同時，由于此類產品日益引起人們的興趣，必然會促進消費，推動消費引導型經濟不斷向前。開發智能型紡織品需要染、整、纖維、剪、裁、縫、紡、織的全面配合和多學科的共同作用。將來一定會有更多的科技人才涌入到這一全新領域，使人們的生活發生翻天覆地的變化。

[1] 庾莉萍.金屬纖維特性及其開發應用[J]. 金屬制品，2009， 35(3)：45—49.

[2] 楊曉，劉妍.金屬纖維混紡織物力學性能研究[J].青島大學學報(工程技術版)，2008， 23(1)：18—20.

[3] 胡志波，武繼松，蔡少林.導電纖維及其抗靜電織物設計[J].陜西紡織，2011，(1)：58—59.

[4] 金永良.金屬纖維的性能特點及產品開發[J].棉紡織技術，2003，31(5)：28—31.

[5] 石風俊，鄭德均.金屬纖維混紡屏蔽織物屏蔽功能[J].紡織科技進展，2006，(3)：37—38.

[6] 王建忠，奚正平，湯慧萍，等.金屬纖維電磁屏蔽材料的研究進展[J].稀有金屬材料與工程，2011，40(9)：1688—1692.

Research and Application of Intellectual Textile Fiber Material

DingShuai1,2,WanYan3,LiShengkai1

(1.Shandong Textile Science& Research Institute, Qingdao 266032, China; 2.Shandong province key laboratory of special textile process technology, Qingdao 266032, China; 3.Qingdao Product Quality Inspection Institute, Qingdao 266000, China)

Intelligent textile is high technology and high added value product, it represents development direction of textile. Intellectual textile fiber is the basis of developing intellectual textile. In this paper, types, function and principle of intellectual textile were summarized. Characteristics and applications of thermal storage fiber, electric fiber and intelligent fabric material were particularly presented. It provides references to relative researchers, research institutions and enterprises.

intelligent textile; heat restore fiber; electric fiber

2017-03-15

丁 帥(1978—)，女，山東青島人，高級工程師。

TS102.52

A

1009-3028(2017)03-0054-03