智能紡織品的分類及其應用

白 潔

(中國紡織工程學會，北京 100025)

經過多年發展，紡織行業的內涵已經發生了質的飛躍，“科技、時尚、綠色”成為行業的新標簽，產業范圍涵蓋高品質高性能纖維制造業、高端紡織智能制造業、以服裝服飾品牌為代表的時尚產業等，產品應用也從生活衣著領域延伸到醫療與衛生、生態與環保、軍工與航天等領域。發達國家也相繼出臺了紡織領域的發展戰略，重新把國家經濟發展的重點聚焦在紡織領域，如美國提出了“智能紡織計劃”，成立了“革命性纖維與織物制造研究中心”；德國制定了“未來紡織”的國家戰略，并組建了“德國未來紡織聯盟”。而我國工業和信息化部印發的紡織工業“十三五”發展規劃中“智能紡織”這個關鍵詞也多次出現，提出要加強電子技術、信息技術與紡織技術的結合，發展智能紡織產品[1]。由此可見，紡織行業即將面臨大變革，智能紡織品的發展前景不可限量，智能紡織品將成為紡織服裝行業未來的重點發展方向和重要的經濟增長點。

本文在研究已有智能材料、智能紡織品等相關文獻的基礎上，從智能紡織品的基本概念入手，梳理總結了智能紡織品的主要種類及其應用情況，簡要預測了智能紡織品的發展趨勢，旨在為智能紡織品的研發提供理論依據。

1 基本定義

1.1 智能材料

“智能材料”這一概念最早是由日本的高木俊宜教授提出，他于1989年，將信息科學的內容與材料結構和功能相融合，提出了此概念。智能材料是指材料自身可感知外部刺激，并根據外部條件的變化，做出相應的反應、執行完成相應的行動[2]。一般來說，智能材料是具有傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應功能、自診斷能力、自修復能力和自適應能力等七大功能的新型功能材料。

1.2 智能紡織材料

智能紡織材料是指材料除了具備普通紡織材料的外觀風格和服用性能外，還能感知外部環境變化，通過改變自身的一種或多種性能參數做出反饋，從而響應外部環境，自我調整以達到與環境相適應的一種新型紡織材料[3]。

1.3 智能紡織品

智能紡織品是指以智能紡織纖維為原料，通過紡紗、織造等工藝最后獲得的紡織品，或者是將其他的智能材料與紡織品進行組合而得到的具有智能性的紡織品[4]。智能紡織品本身是一個包含感知單元、反饋單元和響應(執行)單元的體系，它相較于智能纖維更容易通過整合感知元件、反饋元件和響應元件，達到“智慧化”的目的[5]。

2 智能紡織品的分類

目前，智能紡織品分為消極(被動)智能紡織品、積極(主動)智能紡織品和高級智能紡織品[6]。

2.1 消極智能紡織品

消極智能紡織品僅僅能感知外界環境的變化或刺激，但不能根據外界變化進行自我調節，為第1代智能紡織品。如抗紫外線服裝、抗菌紡織品、陶瓷涂層紡織品、光導織物等都屬于消極智能紡織品。其實，消極智能紡織品還達不到嚴格意義上的智能紡織品的范疇，更準確的應該稱之為功能性紡織品。

2.2 積極智能紡織品

積極智能紡織品不僅能感知外界環境的變化或刺激，并可根據外界變化做出相應的反應，為第2代智能紡織品。如形狀記憶紡織品、防水透濕紡織品、相變蓄熱服裝、光熱致變色紡織品等都屬于積極智能紡織品。

2.3 高級智能紡織品

高級智能紡織品又稱超智能紡織品、適應型智能紡織品等，為第3代智能紡織品，涉及通信、傳感、人工智能、生物等多門高科技學科。它能感知外界環境的變化或刺激，并做出相應的反應，通過自我調節以適應外界環境[7]。目前，高級智能紡織品仍處于起步階段，有待進一步研究。

3 智能紡織品的主要種類及其應用

3.1 智能變色紡織品

3.1.1智能變色紡織品的定義及分類

智能變色紡織品是指隨外界刺激(如光、電、壓力、溫度等)的變化而發生色澤改變的紡織品。這類智能紡織品主要包括光致變色紡織品、溫致變色紡織品、電致變色紡織品、壓致變色紡織品、濕致變色紡織品等[8]。

光致變色紡織品是在不同光波作用下，物質A向其異構體物質B轉化而出現的變色效果，A、B 2種物質具有不同的吸收光譜和能級結構，撤去光源或者改換另一種光源，B再轉化成A，顏色又回到初始色澤[9]；溫致變色紡織品是由于織物上的顏料分子結構可隨溫度發生變化，從而引起顏色變化；電致變色紡織品是指材料的光學性能(反射率、吸收率、透光率等)在外加電場作用下產生穩定、可逆的顏色變化；壓敏變色紡織品是通過導電纖維經緯交織形成的矩陣感知織物受壓部位，發生的顏色變化。

3.1.2智能變色紡織品的應用

智能變色紡織品服用性能較好，可用于民用、軍用、高危行業等多個領域。軍用領域，可用于軍事偽裝，如可控變色迷彩服；醫用領域，可用于醫療監測，如嬰兒服裝，通過服裝顏色變化來監測嬰兒是否發燒；特殊職業的安全防護，如穿著者長期曝露在化學危害物或強輻射環境中，衣服顏色會變化；數碼領域，如電致變色服裝，可在服裝上實現電視屏幕一般的功能；時尚領域，如光致變色遮陽傘、光致變色T恤等。光致變色T恤見圖1[10]。

圖1 光致變色T恤

3.2 智能溫控紡織品

3.2.1智能溫控紡織品的定義及分類

智能溫控紡織品按照其對外界溫度的刺激反應方式，可分為保溫紡織品、降溫紡織品、自動調溫紡織品3大類[11]。

保溫紡織品是通過陽光蓄熱纖維或遠紅外纖維起到保溫效果。陽光蓄熱纖維是將吸收到的太陽光中的可見光和近紅外線，通過熱量形式輻射到人體，以達到保溫的效果；遠紅外纖維是將人體自身散發的熱量轉化成一定波長范圍的遠紅外線再重新輻射給人體，以加速血液循環的方式來降低熱量損失，達到保溫的效果，因此遠紅外纖維的保溫性能更好。

降溫紡織品主要包括紫外線和熱屏蔽織物、涼爽織物、散熱織物等。紫外線和熱屏蔽織物是在聚合物溶體中均勻摻入能反射紫外線的細陶瓷粉末再紡成纖維，其對可見光和近紅外線吸收率較低，從而使人體產生涼爽感，這種織物內的溫度比常規棉織物低2～4 ℃；涼爽織物是在聚酯纖維中添加金屬氧化物，通過金屬氧化物減弱服裝因紫外線和光照引起的褪色，使衣服內部涼爽，它比常規棉織物可降低5～10 ℃；散熱織物是在纖維內混合金屬粉末涂層，使人體散發的熱量能以Fe、Cu、Al、Zn等熱傳導性能高的金屬粉末為媒介，快速向外界散發[12]。

自動調溫紡織品可雙向調節溫度，一般是由相變技術與纖維制造技術相結合，它能夠根據環境溫度升降而相應的吸放熱能。

3.2.2智能溫控紡織品的應用

智能控溫紡織品可用于民用服裝，如降溫背心、運動服、滑雪服等，降溫背心見圖2[10]；職業服裝，如航天服、消防服、潛水服等；醫用方面，可制作恒溫繃帶保護傷口，防止局部溫度過高或過低；汽車制造方面，可用于汽車內部的座椅及車頂部位等[13]。

圖2 降溫背心

3.3 形狀記憶紡織品

3.3.1形狀記憶紡織品的定義及分類

形狀記憶紡織品是指受到外部刺激(如溫度、濕度、光、磁場、pH值)后，織物的外形、尺寸或內部結構可發生改變，但在特定條件刺激下又能回復初始狀態的紡織品[14]，主要包括形狀記憶合金類紡織品、形狀記憶聚合物類紡織品和形狀記憶水凝膠類紡織品。

形狀記憶合金類紡織品是指紡織品內的金屬合金經熱刺激后可在多種不同的晶體結構間變換，從而引起織物變化，如金鎘合金、鎳鈦合金、銅鋁鎳合金和鋁鋅合金等；形狀記憶聚合物類紡織品是通過永久性物理交聯或化學交聯方法，植入一個活動基質而成的聚合物， 該基質可儲存力學形變能量，待織物受外界刺激后可再恢復形變；形狀記憶水凝膠類紡織品是通過水凝膠這種能在水中溶脹，但不溶于水的高分子聚合物達到的形狀記憶[15]。

3.3.2形狀記憶紡織品的應用

形狀記憶紡織品主要用于免燙、抗沖擊等功能領域及美學領域，如防燙傷服裝，當服裝接觸高溫時，纖維由平面變成寶塔狀，以達到保護人體的效果；形狀記憶水凝膠類紡織品多用于海上工作人員制服；Grado Zero Espace公司研制的Oricalco服裝可在炎然的夏天自動卷起衣袖，Oricalco服裝見圖3[10]；形狀記憶纖維還多用于枕頭、床墊的填充物等。

圖3 Oricalco服裝

3.4 防水透濕紡織品

3.4.1防水透濕紡織品的定義及分類

防水透濕紡織品又稱“可呼吸的織物”，是指織物在一定的水壓下不被水潤濕，使之具有拒水性，同時，人體散發的汗液又能以水蒸氣的形式傳導到織物外側，不在人體表面和織物間積聚冷凝使人感到不舒適。主要包括防水透濕高密織物、微孔膜、無孔膜、智能型4種[16]。

防水透濕高密織物利用氣體分子從高濃度向低濃度擴散的原理，當人體出汗時，汗液可通過織物向外界擴散，而當織物滲濕時，纖維可橫向溶脹、間隙變小，達到防水效果；微孔膜防水透濕織物是通過雨滴直徑和水蒸氣分子直徑之間的大小差異來實現防水透濕的；無孔膜防水透濕織物是通過分子的親水性特點以提高薄膜的表面張力，以達到防水效果；智能型防水透濕織物是指織物可根據不同的環境特點自動調節透濕性的高低，如高溫下織物通過高透濕性以達到優良的散熱排汗效果，而低溫下織物通過低透濕性以達到降低散熱提高取暖性的效果。

3.4.2防水透濕紡織品的應用

防水透濕紡織品可用于軍用服裝，如飛行員服、艦艇防寒服等；特殊工種工服，如消防服、警服、手術服、極地保護服等；還可用于滑雪服、登山服、運動服、運動鞋、帳篷等[17]；日本三菱開發的Diary和Azekura織物可用作運動服和嬰幼兒尿布等，它可通過體溫來控制織物透濕性。防水透濕面料見圖4[10]。

圖4 防水透濕面料

3.5 電子信息智能紡織品

3.5.1電子信息智能紡織品的定義及分類

電子信息智能紡織品是將柔性微電子元件與紡織品結合為一體，使傳感器能感知外界環境的變化,信息處理器處理信息，并做出判斷發出指令,再通過驅動器改變材料的初始狀態,以適應外界環境的變化,從而實現自我診斷、自我調節、自我修復等功能。根據微電子元件和紡織品結合方式不同采取的主要技術為模塊化技術、嵌入式技術和基于纖維的技術等[18]。

模塊化技術是將電子元器件作為功能模塊直接集成在紡織品上，如在織物上直接加入各類傳感器，以實現對人體溫度、心律等數據的監測；嵌入式技術是將電子元件直接結合到部分織物中，如通過導電紗線連接電路板，基于織物的柔性傳感器，整合電路等[19]；基于纖維的技術是通過纖維或織物直接構成電子元件和傳感器，如紡織品柔性顯示器、柔性壓敏材料等。

3.5.2電子信息智能紡織品的應用

電子信息智能紡織品用途廣泛，是最有發展潛力的智能紡織品之一。可用于醫療健康方面，如medical襯衣，見圖5[10]，可監測穿著者的體溫、心跳、血壓等數據，以實現醫院對病人的遠程監護，發生緊急情況時，醫院可通過襯衣上的定位系統找到病人進行急救，還有智能襪子、智能嬰兒連體衣等類似用于醫療方面的智能服裝；用于運動健身方面，方便用戶查看自己的運動時間、強度、距離、能量消耗等運動參數[20]，如心率監測文胸見圖6[10]、Colmar智能運動衣等；用于多媒體數碼產品方面，如music外套見圖7[10]，它不僅能播放用戶事先儲存的音樂，還能收聽電臺節目，音樂播放功能由一個全布料電容鍵盤控制，能量主要來源是太陽能、風能等[21]；用于軍事方面，如嵌有超微感應器的作戰服，可識別戰士的受傷出血部位,該部位的軍服能馬上膨脹收縮,起到止血的功效，還有智能降落傘能檢測空中和地面情況及時改變飛行方向和速度等。

圖5 medical襯衣

圖6 心率監測文胸

圖7 music外套

4 智能紡織品的發展趨勢

智能紡織品不僅促進了紡織業的轉型升級，也將推動顛覆性新興產業的發展。未來，智能紡織品的發展趨勢如下。

①單品功能更加多樣。目前，大部分單件的智能紡織品功能比較單一，應將生理監測、防水透濕、溫度控制等功能集中在一件服裝上，以提高單品功能的多樣化。

②服用性能更加完善。智能紡織品的研究還處于起步階段，研究方向主要集中在功能性方面，而在服裝的洗滌性、可折疊性、穿著舒適性等方面還需要不斷完善。

③產品更加安全、環保。特別是電子信息智能紡織品不僅要減少如電磁輻射等對人體帶來的潛在危害，還要注意產品生產過程中的節能環保等問題。

④價格更加親民。智能紡織品只有價格親民，被消費者普通接受和使用，才會有更加廣闊的發展空間。

5 結束語

智能紡織品的應用領域十分廣泛，在醫療與衛生、運動休閑、航空航天、軍事等方面都將產生重大影響，在推動紡織服裝、電子信息、材料等領域技術發展的同時，也大大提高了人們的生活質量，為我們的美好生活增添了更多的可能性。