光導纖維及基于光纖的智能紡織品研究

王奕予 ,李 敏,2,3,*

(1.東華大學 服裝與藝術設計學院,上海 200051；2.東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室,上海 200051；3.同濟大學 上海國際設計創新研究院,上海 200092)

隨著社會的不斷發展,服裝對于消費者的意義不再局限于遮羞、保暖、美觀等功能,近年來服裝與科技的結合使得服裝朝著智能紡織品的方向不斷發展。其中,光導纖維的服用可能性賦予了紡織品更多的可能,它作為光傳輸新媒介在一定程度上滿足了消費者對于服裝智能化、獨特化的需求。

在光導纖維研究的早期階段,研究成果主要運用于醫療、航空、軍事領域,在紡織領域以商用性質出現多是與運動或保健相關。我國學者相對西方學者而言,對于智能服裝及光導纖維的服用性研究起步較晚,20世紀70～80年代起開始進行系統性研究。當前,基于光導纖維的智能可穿戴設備開發及發光面料的獨特視覺效果使很多學者、高校、企業都對光導纖維的服用性研發產生了興趣。利用塑料光纖[1―2]、微彎光纖[3]和多模光纖傳輸的異芯光纖[4],將光纖傳感器編織到紡織織物中的智能紡織品也已制造出來,成為近年來紡織服裝領域的一大研究熱點。

1 光導纖維概況

1.1 光導纖維的發展

據考古學研究發現,公元前一世紀,巴勒斯坦人用小色塊玻璃拼湊人像,后來發展成為一種裝飾鑲嵌工藝。這些事件可以看作是光導纖維最早的運用起點。最早的文獻記載是由英國物理學家約翰·丁達爾(John Tyndall))于1854年在英國皇家研究院發現光沿著水管噴射出來的水柱折射前進情況。1927 年美國學者Hansell申請了有關可撓透明纖維束的專利。1954年美國學者Hopkins和Kapany發表了利用傳感束傳送圖像的報告。1967 年美國杜邦公司首次將聚光纖維(polymer optical fibers,簡稱POF)應用于紡織結構中,并將其作為一項專利發布(Derick and Synder,1967)。但由于其較低的光衰減和較高的信號傳輸頻寬,20世紀90年代的市場需求很少[5]。如今隨著光學纖維與多種新型紡織技術的不斷發展,光纖織物的實現有了更多可能。

1.2 光導纖維的分類

光導纖維的分類方式多種多樣,按制造材料可以分為玻璃光纖、石英光纖和塑料光纖[6]；按使用性能可以分為無機光纖和有機光纖(也稱聚合物光纖)[7]。聚合物光纖按照發光原理又可以分為端面發光光纖和側面發光光纖[8]；按傳輸模式可以分為多模光纖和單模光纖[9]；按纖維結構可以分為皮芯型光纖和梯度型光纖[10]等。

1.3 光導纖維的性能

由于光纖分類多樣,國內外學者也分別對不同類型的光纖進行了性能研究。如折勝飛等[11]對大芯徑氟化光纖的性能進行了研究,認為該種光纖具有重量輕、體積小、傳輸能量損耗低、化學穩定性高等優勢。孔德鵬等[12]對塑料光纖在通信、傳像、光纖激光的性能表現進行了綜述,認為POF兼具柔性、輕質、可見光高透、性價比高等特點。其他對波移光纖、多芯光纖、遠紅外光纖、耐高溫光纖的性能研究有很多,進一步證明了光纖可以有廣闊的應用前景,但將光纖應用于服裝領域仍存在不耐磨、不易清洗等局限性。

2 發光光纖織物的研究現狀

2.1 光纖發光織物的制造方法

隨著發光織物研究的不斷深入,也有大量學者對利用光導纖維得到光纖織物的織造方法及光纖結構對不同織造方法的影響進行了深入研究。

張建武等[13]于2018年公開了一種新型聚合物光纖發光織物的發明專利,他們設計了一種使得聚合物光纖與光源進行偶聯的良好連接件,且不會影響聚合物光纖本身的彈性、抗彎剛度等性能,使光纖和光源進行了安全有效的連接。肖紅等[14]于2019年公開了一種可呈現動態畫面的光纖織物及其制備方法的發明專利,通過構成圖案的光纖多點側發光和控制光纖端面是否入射光線,達到光纖織物圖案以動態呈現的效果,該織物結構易于操作,美觀實用,解決了以往動態畫面發光織物的制備難題。劉宇清等[15]于2020年公開了一種聚合物光纖及發光織物的發明專利,芯層的材料包括折射率為1.55～1.59聚碳酸酯,皮層的材料包括折射率為1.45～1.50的改性聚對苯二甲酸乙二酯和/或折射率為1.47～1.52透明錦綸。該種發光織物兼具極佳的韌性、較低的光損耗,而且價格更低廉,制備方法更簡單和快捷,尤其適用于裝飾用面料。

2.2 光纖發光織物的實際運用

早在1970年,Richard Balley[16]利用端面發光聚合物纖維就開發出發光服裝,經過設計師程序和電路的設計不僅達到使服裝發光的效果,還使服裝上的圖案能夠有所變化。近年來,意大利Luminex公司展示出一種由光纖編織成的發光織物,并在之后相繼推出將該種面料運用到服裝、抱枕、餐桌布等家具紡織品。深圳智裳科技有限公司展示出一款支持APP 遠程操控、一鍵變色的智能發光婚紗,婚紗中所用特殊可發光面料完全由智裳科技自主研發,是利用光的傳導原理結合特殊的紡織工藝制成。新媒體藝術家Malin Bobeck Tadaa也展示出系列發光紡織藝術品,藝術品中的提花織物織有光纖,達到導光發亮的效果。這些產品中的光導纖維無論是用在服裝還是紡織品領域,都展示了光導纖維在紡織領域巨大的藝術可塑性。

3 光纖傳感智能服裝的研究現狀

光導纖維在智能服裝傳感器中的運用變得越來越重要,但智能在制造過程中始終面臨的一大難題就是實現無縫和無形集成所需的電子織物。因此,材料研究人員需要在不犧牲強度、舒適度和美學吸引力的情況下,生產出具有所需電子功能的纖維。面對這一智能面料的傳感性能需求,光導纖逐步成為優先選擇,它能夠作為多種傳感器來檢測和測量參數,包括溫度、濕度、壓力、有機和無機化合物的存在、風速和折射率等。在1967年,美國杜邦公司申請的POF專利中,就提到該面料可以作為壓力和壓敏傳感器。與傳統電力傳感器相比,光纖傳感器具有明顯的優勢,使用安全、易于處理、不發熱,對電磁輻射和放電不敏感,由此在智能服裝的研發過程中受到重視。

3.1 光纖傳感器的基本原理

通常來說,傳感原理是基于3個主要的交互作用,首先是機械波動(壓力、應力、應變)在纖維中造成細微彎曲,前文提到的杜邦第一個POF專利是在織物表面施加壓力或在織物平面施加拉力會致POF彎曲,實現傳感功能；其次是纖維芯或外殼材料添加劑(摻雜物和染料)與分子相互作用或從環境中吸收輻射。Rothmaier等發現由于POFs的橡膠材料特性,它被擠壓但不會彎曲,改變了它的橫截面,提出更簡單的壓力傳感器原理。Baur等[17]展示了他們開發的光學傳感座椅,希望提高汽車中人員的安全性,具體原理是光纖傳感器分布于座椅或坐墊內,以檢測坐墊上人員的運動。在這3種相互作用的情況下都會導致透射光能量的變化,產生傳感。

3.2 光纖傳感智能服裝的運用研究

在光纖傳感器的實際應用研究中,Zhi Feng Zhang等[18]提出一種同時測量剪切應力和正向應力的基于聚合物光纖光柵(PFBGs)的軟光纖傳感器,傳導原理是施加正向應力或剪切應力導致光柵變形。研究結果表明,這種軟傳感器特別適用于涉及人體皮膚和組織的接觸應力的高精度測量。Marco Ciocchetti等[19]提出一種基于光纖的、能夠在核磁共振檢測期間工作的呼吸監測系統,該系統的工作是基于穿著者上胸部的2個光纖光柵傳感器,試驗通過對志愿者呼吸期、吸氣期、呼氣期等系統性能評估,驗證了該系統可以在核磁共振檢測期間依然運行。Koyama等[20]提出一種將異形芯光纖與羊毛織物編織在一起的新型智能紡織品,這種紡織品可以直接應用到服裝制作中,它是使用單模異芯光纖傳感器來檢測穿著者的生命體征,如心跳和呼吸等,為穿著者提供一個隨時隨身的檢測系統。Murat等[21]探討了智能服裝用廉價印刷可拉伸連接件的拉伸性和疲勞壽命,研究中彎曲可拉伸的光纖連接線顯示了100%的拉伸能力和20%應變力下1 000次循環的疲勞壽命,由此提出了一種保持紡織品舒適性和耐磨性,實現紡織品電子一體化的廉價方法。Arnaldo等[22]提出了一種智能紡織品和一種基于聚合物光纖的傳感器系統。該智能紡織品可以檢測由呼吸和心跳引起的身體變化情況,傳感器系統可以檢測穿著者氧飽和度、呼吸頻率、步態頻率和心率,且誤差降低到僅約1%。這種系統不僅可以為遠程醫療保健提供便捷,也可以作為云端機器人的傳感器反饋,達到人機交互的效果。

4 結語

概括了光導纖維在紡織領域的主要發展歷程,并舉例說明了光纖發光織物的最新制造方法、光纖傳感器的工作原理,并結合近幾年光導纖維在發光服裝領域和傳感智能服裝領域的運用案例進行了分析。

總體說,在光纖發展歷程中,20世紀50年代起光導纖維的研發開始具備一定的形態,美國最先進行了大量創新性的工作。隨著研究的深入和技術的進步,新的應用和產品不斷涌現,光纖發光織物和光纖傳感器在智能服裝領域將發揮更加重要和獨特的作用,也將具有更廣闊的市場應用前景。但是,光纖在紡織服裝領域的實際運用也存在一些明顯的短板,如光纖織物應用中面臨的易損傷問題、高能量傳輸中的低損傷閾值問題等。由此對于光纖服用性的研究領域仍有大量空白,在未來光導纖維在紡織服裝領域智能化、多樣化、廣泛化的發展趨勢下,仍需要學者們進行不斷探索與深入研究。