電子智能紡織品的評價方法研究

劉 宇 ，李林青，韓 琦，鄭開心

（1.上海市質量監督檢驗技術研究院纖維檢驗所，上海200040;2.上海交通大學中國城市治理研究院，上海200030）

0 引言

近年來，將傳感、通信、人工智能等高科技手段應用于紡織技術上而開發出的新型紡織品備受關注。電子元件的嵌入在為紡織品賦予新功能的同時，也給人們的健康和研究帶來了潛在的安全隱患和新的研究挑戰。如何對市場中的智能紡織品進行準確測試與評價已經成為相關監督部門和檢測機構迫切需要解決的問題。2019年5月，美國材料與試驗協會（ASTM）發布了ASTM D8248-191《智能紡織品標準術語》標準。此標準界定了與智能紡織品、技術紡織品、電子紡織品和可穿戴電子產品（包括纖維、紗線和最終產品）相關的術語。目前，紡織行業面臨的首要任務是建立用于規范電子智能紡織品質量的產品技術標準，對智能紡織品應用的測試方法、量化指標、評估安全要求，以及確定其在銷售和市場開發時所用的智能紡織品標識進行統一規定。本文從服用性與功能性兩個方面闡述了電子智能紡織品的評價方法，為建立完善的評價體系提供思路，對今后電子智能紡織品的開發具有重要的意義。

1 電子智能紡織品的研究進展

電子智能紡織品將各種電子元件如傳感器[1-2]、能量收集裝置[3]、場效應晶體管[4-5]和傳輸線[6]集成到織物中以實現紡織品的功能化。隨著可與紡織品整合的柔性可穿戴設備（如柔性傳感器、傳輸線、電子開關等）的飛速發展，新型電子智能紡織品的研發備受業界關注[7-8]，特別是基于紡織材料的壓力傳感器，由于其可集成在衣服和床品上，現已在不同領域得到廣泛應用，如照顧老年人[8]、診斷病情[9-10]、人體運動監測[11]等。

近年來，電子智能紡織品領域的市場發展勢頭迅猛，例如：著名內衣品牌Victoria’s Secret推出了可實施檢查佩戴者心跳的運動文胸；美國Sensoria公司開發的足部傳感器可以監測運動信號；奧地利Urban Tool公司的襯衣具有智能織物觸摸板，用于控制音樂播放器；Ambiotex、OM Signal、Under Armour等公司也均在市場上推出了可以采集人體體征信號的襯衫、胸帶和內衣。

因此，隨著電子智能紡織品領域產業的迅速發展，對其評估方法的建立已成為檢測領域新的挑戰。電子智能紡織品除了擁有傳統紡織品可穿戴的特性，還可以對環境的變化和外界的刺激產生響應，進行信號輸出以觸發其功能性，因而急需要開發出新的評估體系以適應產品的發展需求。

2 電子智能紡織品的組成及評價方法

2.1 電子智能紡織品的組成

電子智能紡織品可分為硬件和軟件兩個部分。其中，硬件部分指紡織品本身或是紡織品上已裝配的硬件傳感器、數字設備、芯片和配件等；軟件部分是指使智能服裝發揮作用的軟件協議或系統程序。

一般電子智能紡織品是通過導電紗線或柔性電路把包括控制器、傳感器、分析器、電池等各個部分連接起來形成回路，從而達到傳感、控制和執行等功能為準確建立電子智能紡織品的評估體系，結合市售產品和國內外的研究現狀，本項目收集并歸納了幾種典型電子智能紡織品的組成，詳見表1。

表1 電子智能紡織品的組成

2.2 電子智能紡織品的評價方法

一般對電子智能紡織品的性能評價可分為服用性和功能性兩部分進行。其中：對服用性能部分的評價包括對服裝的相容性、耐久性、材料等方面的評價；對功能性的評價包括與功能性相關的電氣∕電子性能和智能性能的評價。

2.2.1 電子智能紡織品的服用性能評價方法

電子智能紡織品應具有基本的服用性能，如尺寸變化、外觀變化和重金屬檢測等（見表2），其檢測方法可參考現行紡織品相關的國家標準和ISO標準。由于電子智能紡織品的信號感應和傳輸元件依附于紡織基材，因而對其洗滌性能或尺寸變化的評價是至關重要的，這也是與傳統紡織品相比存在的最大差異。因電子智能紡織品常直接接觸人體皮膚，以便監測人體體征信號，因而應符合國家紡織產品基本安全技術規范要求，且應重點關注產品中重金屬的含量。若紡織品上嵌入了電子元件，如傳感器、微處理器等，在對織物的撕破強度測試時，應對嵌入區域的接縫部位重點關注。此外，織物鍵盤、織物心電測試電極等在使用過程中經常彎折，故其彎折強度也應作為重點檢測項目。

表2 電子智能紡織品服用性能評價項目

2.2.2 電子智能紡織品的功能性評價方法

2.2.2.1 電子智能紡織品電氣/電子性能

電子智能紡織品額定輸入電壓較低，一般不大于12 V，屬于特低安全電壓的范疇，由于此類產品使用時直接穿戴在人體上，其電學安全性是首要的考核內容。電子智能紡織品裝備的電子元件應滿足相應電子電器的安全標準（見表3），對于內部含有電線的織物，檢測時也必須符合電線評估標準。

表3 電子智能紡織品電氣/電子性能評價項目應符合的標準

2.2.2.2 電子智能紡織品智能性能

電子智能紡織品的智能性能主要體現在體征信號監控、肢體運動檢測、織物鍵盤、智能控溫和能量收集等6個方面。

（1）體征信號監控 織物電極兼具透氣透濕、舒適、可與皮膚曲面貼合的特性，常用于人體長期生理信號的采集與監測過程。由于該類產品對輸出信號的容錯率極低，因此人體體征信號監控服裝在進入市場前及在使用過程中應定期對其監控性能進行測試，對應需要建立的評估方法應包括：①皮膚—織物電極的阻抗關系的評估[12]；②感應系統輸出信號可靠性、穩定性和正確性的評估（參考JJG1041—2008《數字心電圖機檢定規程》）；③長期使用舒適性的評價。

（2）肢體運動檢測 將導電織物制備為柔性傳感器袖管或褲管，可檢測人體肢體的運動。導電織物作為應變傳感器，是根據其電阻與應變的關系，將應變轉化為電信號來表征所受拉力，進而表征肢體的運動。柔性導電織物傳感器傳感性能的優劣評價標準主要取決于靈敏度、線性度、穩定性等[13]。除此之外，由于應用時導電織物兩端加載電壓，在導電織物形變過程中導電紗線之間會產生位移，使導電織物產生電感或者電容效應，對其應用的感應信號產生干擾，因而可通過監控導電織物在形變過程中的阻抗變化來評估其應用過程中的干擾信號[14]。

（3）織物鍵盤 織物鍵盤由導電紗線和絕緣紗線共同織造而成,通過按鍵開關可控制電路的接通斷開。穩定性和疲勞壽命是衡量柔性織物鍵盤開關的一個重要因素，評估方法可參考GB 16915.1─2014《家用和類似用途固定式電氣裝置的開關第1部分：通用要求》（等同于IEC 60669-1∶2017）、GB 15092.1─2010《器具開關第1部分：通用要求》（等同于IEC 61058-1∶2008）等標準中用于檢測家用和類似用途開關器具產品機械壽命的試驗。

（4）智能控溫 電加熱服裝是利用電能驅動衣服內的電熱元件進行工作的，對其發熱性能評估方法可參考ISO 13732-1∶2006《熱環境的人類工效學人對表面接觸的反應的評定方法第1部分：制熱表面》和GB 4706.8─2008《家用和類似用途電器的安全電熱毯電熱墊及類似柔性發熱器具的特殊要求》中關于電熱毯和電熱褥表面溫度及電熱元件升溫的項目進行評估。保溫率測試參照GB∕T 11048─2018《紡織品生理舒適性穩態條件下熱阻和濕阻的測定》方法進行。

（5）能量收集 電子智能紡織品的能量收集主要為壓電能量收集、摩擦能量收集和光伏能量收集3種方式。Qiyao Huang等[15]通過對儲能能力（單位長度、面積和體積的電容∕容量）、能量密度與功率密度和設備壽命3個方面評價能量收集類電子智能紡織品的性能，并建立測試方法，為相關產品的檢測提供了借鑒。

3 結論與展望

（1）電子智能紡織品是紡織、服裝和電子產業的融合產物，為人們日常生活提供便利的同時，也帶來不可估量的機遇和經濟效益。現階段業界主要關注電子智能紡織品在性能和應用程序的研發階段，下一階段則是建立相關標準體系，以及擴大市場規模，但這需要不同行業、不同城市間產學研等部門間的通力合作。

（2）從服用性能與功能性兩個方面闡述的電子智能紡織品的評價方法可作為科研單位和企業對電子智能紡織品質量控制的參考，同時也可為電子智能紡織品行業標準或國家標準的制訂提供有益的思路，促進此類涉及多學科領域產品標準的制訂，盡早彌補該領域的標準空白。