纖維的替代與創(chuàng)新

文/王春蕾

人類的下一代紗線

由美國得州大學(xué)達拉斯分校和韓國漢陽大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)頭的國際研究組開發(fā)出一種高科技紗線，當(dāng)被拉伸或扭曲時它會產(chǎn)生電力。在近期發(fā)表的美國《科學(xué)》雜志上的一篇論文詳細描述了這種名為“Twistron”的發(fā)電紗線以及適用的領(lǐng)域，比如它能從海浪中或溫度波動中收集能量；縫進襯衫時，它又會充當(dāng)自供電的呼吸監(jiān)測儀。這個發(fā)現(xiàn)引起全世界紡織品服裝業(yè)、能源問題專家、研究員、新興技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)界的高度關(guān)注。這份報道集中體現(xiàn)了各行各業(yè)共同的利益與擔(dān)憂。

翻閱舊報紙和雜志，你會發(fā)現(xiàn)過去也不乏精彩的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明，其中有些片段還會讓你大吃一驚，讓你重思過去。電子紡織品或智能紡織品并不新奇。維基百科針對電子紡織解釋是這樣的：構(gòu)成電子紡織品、導(dǎo)電線和織物所需的基本材料已存在了千余年。特別是，幾個世紀以來，技工一直用細金屬箔，大多是用金和銀包裹織物線。比如說，伊麗莎白女王一世的許多禮服都用金絲線纏繞。如今的研究嘗試并不新奇，只是越來越好。

某個時候，若是在網(wǎng)上搜索棉花替代品，很可能讓人聯(lián)想到與紡織品相關(guān)創(chuàng)新的報道，這些報道人們閱讀起來饒有興趣，因為在過去就有人大致預(yù)言到了今天的發(fā)展狀況。

在上個世紀初，英國約克郡有個富有的染色匠，名叫米爾頓爵士。他在當(dāng)時的《紡織學(xué)院學(xué)報》上稱：棉花的高成本可能促使替代性纖維的發(fā)展。他也不是先知，他沒有預(yù)言將來會發(fā)生什么。不過，他還是指出了其他纖維成為棉花的替代品將成為一種需求。反過來說，尋找替代品纖維不是什么新鮮事：在近100年間，這個話題一次又一次被人們討論。

最近一次國際染色協(xié)會舉辦的年度會議上，業(yè)界專家在發(fā)表講話時說，棉花貿(mào)易糟糕的狀況主要是因為原材料的價格過高。然而，他也表達了自己的意見：將棉花制造業(yè)從完全依賴世界上的棉花作物中解放出來的期望已到來。科學(xué)研究若能正確引導(dǎo)，即可能研發(fā)出更好的纖維制造方法，雖然這種纖維還不能完全替代棉花，但可補充棉花的供應(yīng)，就像人造絲替代天然絲一樣。除了提到的這種可能性以外，他還認為人類終究有一天會發(fā)現(xiàn)另一種植物能生產(chǎn)數(shù)量充足的綠色纖維，而且在種植它時可比種植棉花少很多環(huán)節(jié)、顧慮和風(fēng)險。

自米爾頓爵士在一個世紀前表達了他對棉花問題的擔(dān)心以來，業(yè)界明顯感覺到技術(shù)已解決了這一困擾。現(xiàn)今，人們尋找的是一種能夠可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品，無論是傳統(tǒng)的天然纖維還是現(xiàn)行的人造纖維，新一代纖維必定智能化，多功能化。

糾結(jié)的發(fā)展，躁動的業(yè)界

達拉斯分校發(fā)表的一份聲明概括了研究人員的興奮之情：Twistron是由直徑為發(fā)絲萬分之一制成的彈性紗線，即碳納米管構(gòu)成物。研究員首先將碳納米管捻成高強度的輕量紗線。為使紗線具備高彈性，他們加大環(huán)繞圈數(shù)，紗線便可像捻過度的橡皮筋一樣卷成圈。為了發(fā)電，紗線必須浸入或涂上電離子導(dǎo)電材料或電解質(zhì)，這種材料很簡單，可以是普通食鹽和水的混合物。雖然簡單它卻是一個技術(shù)奇跡。這令科研人員興奮，而外行人卻難以理解。

研究員興奮不已，只因一根比家蠅還要細的紗線竟能給一盞小LED燈供電，每當(dāng)這根紗線被拉伸時，燈就亮了。為了展示這種紗線可從環(huán)境中收集廢熱能量，他們又將這種紗線與聚合物人造肌連接，當(dāng)加熱或冷卻時，人造肌就會收縮和擴張。這種細紗可將聚合肌產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化成電能。研究員把它縫入襯衫，讓人穿上呼吸時，它竟能在正常呼吸情況下因拉伸產(chǎn)生電信號，這證明它具備了自供電的功能，可用于呼吸傳感器。此時，旁邊的每一個人都充滿期待感嘆道：“哇！”

納米技術(shù)研究所主管，電信技術(shù)記者雷伊·鮑曼說：“這對可穿戴織品有著極其重要的商業(yè)價值，但它怎樣才能運轉(zhuǎn)呢？從人類運動中收集電能是消除對電池需求的一種策略。與文獻報道的其他可編織的纖維相比，這種紗線在拉伸時產(chǎn)生的電能比過去高出100倍。”

但是由于很多原因，在很長一段時間內(nèi)，它還停留在理論上。在規(guī)模化生產(chǎn)達到一定水平前，它不會改變高成本和規(guī)模化的經(jīng)濟效益。一直到那時，Twistron還只是學(xué)術(shù)界感興趣的話題。

美好未來，依靠創(chuàng)新

無論如何，Twistron在新聞報道中屬于新型的概念，也可能是最令人激動的創(chuàng)新和發(fā)明。最近全世界的紡織業(yè)和服裝業(yè)都在舉辦各種活動，公司也在研發(fā)方面投入大筆資金。他們最迫切的問題僅僅停留在如何降低成本上，僅希望滿足消費者對可持續(xù)時尚的需求。而對Twistron的了解少之又少。然而已有先例可循，幾年前，美國亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院研究員就宣稱，他們已開發(fā)出一種既能從太陽光中收集能量，又能從運動中收集能量的織物。2016年9月美國《自然能源雜志》報道了這個研究成果后，他們又宣布：“把兩種發(fā)電的方式結(jié)合到一種紡織品里，就可為智能手機或全球定位系統(tǒng)等設(shè)備提供能源，且為智能服裝鋪平了道路。”

這是種混紡品，也被看作是“新奇的充電設(shè)備的解決方案，其原理就像晴天刮風(fēng)一樣簡單”。研究小組用一臺商用紡織機，把輕質(zhì)聚合物纖維制成的太陽能電池與基于纖維的帶摩擦生電的納米發(fā)電機相結(jié)合，即摩擦納米發(fā)電機產(chǎn)生的電結(jié)合摩擦帶電效應(yīng)和靜電效應(yīng)，通過機械運動如旋轉(zhuǎn)、滑動或振動則產(chǎn)生了少量電能。其劣勢是這種織物只有320μm厚，若與幾股羊毛纖維編織在一起，它就可結(jié)合為帳篷、窗簾或其他可編織服裝的原材料。現(xiàn)在可以確定的是，這是一種高彈性的、透氣的、輕量級的并適合多種用途的織物，且可發(fā)電的用材。

很明顯，無論是利用太陽能、風(fēng)能還是熱能，在大多數(shù)研究剛開始時都被看作是新纖維、紗線和織物的基本驅(qū)動因素之一。2017年夏，美國田納西州范德堡大學(xué)也宣布一項科研成果。該大學(xué)納米材料與能量設(shè)備實驗室開發(fā)的一種新型超薄能量收集系統(tǒng)，與服裝融合即可很快給手機、健身追蹤器和其他個人電子設(shè)備充電。基于《美國化學(xué)能量》雜志發(fā)表的一篇論文中所描述的系統(tǒng)步驟，該大學(xué)宣稱：這種電池技術(shù)僅由幾個原子層厚的黑磷制成，這種新設(shè)備當(dāng)彎曲或受擠壓甚至在人類運動的頻率極低時也能產(chǎn)生少量電能。

這一事實表明與米爾頓爵士所提到的替代纖維預(yù)期是一致的。人類對電子紡織品的調(diào)研由來已久。只有在19世紀末，人們才有可能用電力來驅(qū)動小裝置。而且只有現(xiàn)在，同樣的知識才被應(yīng)用到可穿戴設(shè)備上。只是創(chuàng)新頻率越大，它就會變得更好。