智能針織產品的研究現狀及發展趨勢

魏志偉,孟家光

(西安工程大學,陜西 西安 710048)

科技水平的提高和人們對美好生活的向往,促使智能化在生活的方方面面生根發芽。紡織行業是中國的傳統優勢行業,為中國的經濟發展作出了重要貢獻,在科技愈發成熟的今天,紡織智能化成為傳統紡織業的突破口。紡織與科技的深度結合符合我國“十三五”規劃中“智能紡織”的發展目標,也順應了“十四五”規劃與“2035年遠景目標”的發展理念。針織工業作為國家的傳統支柱工業,在進行轉型、與互聯網結合過程中具有一定的基礎和優勢。目前,針織行業在互聯網應用方面取得了顯著的成效,自動化的生產車間、智能化的管理控制系統、電商化的營銷模式,智能可穿戴產品在近幾年長足發展,為針織行業向智能化和科技化的進一步發展提供了新的機會[1]。紡織行業正在經歷變革,針織服裝因其優良的服用性能在紡織服裝領域的占比越來越大,智能針織產品已經成為紡織服裝行業的重點發展方向和重要的經濟增長點,發展前景廣闊。

闡述智能針織的發展以及智能針織產品的研究進展,包括智能監測針織產品、智能發熱調溫針織產品、智能形狀記憶針織產品、智能變色針織產品的研究狀況,并對智能針織產品的發展趨勢做出歸納和展望。

1 智能針織簡介

智能針織是將針織工藝智能化,包括針織設備智能化、針織產品設計智能化及針織產品智能化[2]。利用針織技術與傳感器、信息控制、材料等高新技術的結合,生產出滿足用戶監測生理信號、信息處理、變色、調溫、形變等功能的智能針織產品,讓無生命的紡織材料具有越來越多的生物特性是智能針織的目標[3-4]。針織設備智能化是將計算機技術應用在針織設備上,在2019年的國際紡織機械展覽會上,圣東尼展出的SM8-TR1S型單面無縫圓機、斯托爾展出的ADF 830-24ki W 型和CMS 830 ki型織可穿電腦橫機、島精展出的MACH2VS213型全成形電腦橫機、寧波慈星展出的KS系列電腦橫機,都可以實現完整服裝的成形編織,減少了工業生產過程中人力的使用,極大提高了生產效率,是針織行業提高競爭力、加快轉型升級的重要途徑[5-6]。針織產品智能化設計也是當前針織技術的研究熱點[7],對針織CAD 系統、3ds Max三維設計等軟件都投入了大量研究,不僅在織物結構、版型、花型等設計方面更加高效精確快捷,還能實現織物的仿真建模、虛擬展示、織物分析和產品查詢等功能[8],提高了智能針織產品多樣性和市場競爭力。

智能針織品應用廣泛,在醫療保健、體育健身領域為使用者提供科學可視的數據,通過對使用者生理指標或動作行為進行監測,來達到改善動作、提高安全性等目的;在航空航天、軍事、人工智能等領域,智能針織產品為在極端環境下工作的研究人員、士兵和其他工作者提供安全舒適的庇護,為國土安全、科學研究、經濟建設事業保駕護航。智能纖維的研究推動了智能服裝產品質量以及功能多樣化的發展,包括蓄熱調溫智能纖維、形狀記憶智能纖維、變色智能纖維等都是近些年來智能服裝領域研究的熱點[9-10]。此外,導電纖維是智能電子針織服裝制作中不可缺少的部分,其中以金屬納米材料、導電高分子聚合物、納米碳材料及新型二維材料MXene為代表,在柔性智能針織品領域有著巨大的應用價值[11-12]。柔性導電纖維具備導電性與服用性能,是開發柔性電子元器件的理想材料,通過鍍層、涂覆、高分子復合等方式制備[13],在傳統紡織用纖維上涂覆導電材料是使纖維獲得電氣性能的常用方法,例如Shi等[14]將導電的多壁碳納米管沉積在涂有聚多巴胺的芳綸纖維表面,制備了性能更好的復合纖維,而金屬導電纖維成本高,不能在服裝中大量使用,一般只在具有電子器件的智能服裝上作為導電線路使用。

針織工藝智能化改變了傳統針織工藝流程,顛覆針織產品生產方式,擴大原料來源,增加銷售模式,設計過程數字化,生產過程和制造管控自動化、智能化。提高針織產品質量,加快針織產品多樣化發展,是實現針織工業向高效率、可持續的現代化工業轉型的關鍵。

2 智能針織品的研究現狀

按照業內普遍接受的分類方式,將智能紡織品分為消極智能紡織品、積極智能紡織品、高級智能紡織品。消極智能紡織品是第一代智能紡織品,僅能接收外界環境的變化;積極智能紡織品為第二代智能紡織品,可以對外界的刺激做出相應的反應;高級智能紡織品是第三代智能紡織品,融入多種學科技術,不但能對外界刺激做出相應的反應,還能通過自調節來適應外界環境的改變[15-17]。但也有部分學者認為僅具有感知功能的消極智能紡織品應歸于功能性紡織品,其并不具備反饋和響應功能[18]。

2.1 智能監測針織產品

健康問題是人類社會生活永恒不變的話題,伴隨著人類科技文明的發展,心腦血管疾病、老年癡呆、糖尿病等疾病的發病率也在逐年升高。基于傳感器等電子元件的智能監測針織服裝的出現滿足了老年人、家人、醫護人員隨時隨地了解使用者生理狀態的要求,同時也對運動員、健身愛好者等的訓練起到了指導作用。許黛芳等[19]設計了一款智能針織安全監護服裝,其結構圖如圖1所示。位于腋下的溫度傳感器和右袖口處的心率、血壓傳感器對患者的生理狀態進行監測,數據實時傳輸至控制器進行存儲、分析,在阿爾茨海默癥老人出現異常數據時,無線通信模塊會將患者數據及位置發送到親屬或醫護人員設備上,以便老人及時得到治療。該服裝設計時,將石墨烯柔性傳感器等模塊嵌織在衣縫旁,模塊之間采用導電紗線連接,有效避免了模塊對舒適性能的影響。Luo等[20]在襪子中集成了超過200個同軸壓阻纖維傳感器,如圖2所示,用來感知收集人類做出各種動作時腳部的壓力分布及變化數據并傳輸到搭建的觸覺學習平臺進行分析,得到的結果對運動員有很大幫助。傳感器是智能電子紡織品中使用比較廣泛的電子元件,其他元件如Gaubert等[21]在針織內衣上結合的紡織生物電極可以用來判斷膀胱是否充盈。鄭賢宏等[22]設計的纖維狀電容器在智能針織產品上都有非常好的應用。

圖1 阿爾茨海默病老人針織智能監護服結構圖

圖2 全尺寸觸覺傳感可穿戴針織產品

2.2 智能發熱調溫針織產品

具有發熱調溫功能的智能針織品深受廣大消費者的喜愛,是在寒冷環境下工作、運動、生活所需的服飾[23]。目前,智能發熱調溫針織品的能量轉換方式有利用相變材料的吸熱/放熱以及導電材料的電能/熱能2種方式。利用相變材料固液間轉換時熱量的傳遞對織物進行調溫,但是相變材料的調溫范圍有限,限制了其應用范圍,而利用導電紗、碳纖維或石墨烯的導電導熱性設計的發熱調溫服,具備高效、安全、輕便、舒適等優點[24-26]。如圖3 所示的智能電加熱衫是李潔瓊等[27]利用針織工藝將鍍銀紗線集圈為加熱部件連接熱敏傳感器和電源編織而成。隨著對加熱調溫服裝進一步研究,用導電紗進行加熱的方式已經略顯過時,因為相對于導電紗來說,基于碳纖維、石墨烯的加熱調溫服裝的效率更高且安全舒適。許冰等[28]在沖鋒衣中嵌入了柔性石墨烯發熱膜片,通過擋位控制發熱膜進行持續均勻的發熱,這種發熱方式讓使用者覺得更加舒適。更高的舒適性和溫度可調的智能性是戶外愛好者選擇智能調溫針織服裝的原因,但不可避免,電源的存在會影響穿戴者的體驗。值得一提的是,為了更好實現織物的發熱調溫功能,服裝須具備隔熱性能,那么在調溫織物中加入形狀記憶材料,增大織物氣隙可以有效隔熱,這同樣為火警消防服提供了新的選擇。

圖3 智能電加熱毛衫

2.3 智能形狀記憶針織產品

形狀記憶材料是近幾年紡織行業的研究熱門,推動了紡織行業與其他行業的融合發展,其形狀改變行為和自我修復能力引領設計復雜的智能紡織品和時尚產品[29]。耶魯大學利用可變剛度纖維和可打印傳感器研制出了一種可閉鎖控制的機器人織物[30],研究人員在氨綸針織物上印刷的傳感器感知到損壞信號,會觸發織物的收束壓縮并且能在不消耗能量的情況下保持不變,該機器人織物可以作為特種作業人員的防護服,為受傷人員提供止血保護,提升了作業人員的安全性。Alenka?alej Lah等[31]用形狀記憶金屬鎳鈦合金開發出了可用于智能消防服的緯編針織面料,這種絎縫織物在遇到75 ℃以上高溫時,口袋中的鎳鈦單絲針織物會變形撐開織物,增大織物中的氣隙,達到隔熱的目的,如圖4所示。Shi等[32]在聚氨酯中加入納米纖維獲得了比形狀記憶聚氨酯恢復性能更好的形狀記憶復合材料。形狀記憶纖維可以在不同的響應條件下產生不同的形變,并能在初始條件下回到最初狀態,為功能性和智能紡織品的研發提供了新的思路。

圖4 織物在2種環境中的變形情況

2.4 智能變色針織產品

智能變色針織產品可以根據刺激源的變化產生可逆性變色,通常有電致變色、光致變色、溫敏變色等變色針織物。智能變色在針織產品上的應用主要由兩類方法實現:一類是將變色微膠囊直接涂覆、粘合到織物上;另一類是將可逆變色聚合物、化合物紡成變色纖維絲[33-34]。劉曉妮等[35]通過浸漬法將微膠囊粘合到棉針織物上,實現了靈敏的顏色變化,且整理后的棉針織物服用性能良好。變色纖維的顏色快速切換以及在不同環境下的穩定性,在軍事偽裝、柔性顯示屏等方面有巨大潛力[36-37]。Fan等[38]研究了可以進行多種顏色變化的電致變色纖維,研究人員用這種纖維加工出了電致變色針織品,如圖5所示,運用到軍事上,做成篷布或作戰服,通過電子控制改變織物顏色,起到偽裝的作用。由不同紫外線波長引發的光致變色也可運用到軍事偽裝上,例如叢林迷彩和沙漠迷彩的轉換,不需要借助電源就可實現顏色的變化,對同時涉及這2種作戰環境中的軍事行動幫助更大,能更大程度提高軍事目標成活率。在普通服裝市場上,智能變色針織產品的時尚新奇對青少年有很大的吸引力,綜上可知智能變色針織產品的市場前景廣闊。

圖5 電致變色針織品

3 智能針織產品的發展趨勢

時代在前進,科技在發展。智能+針織的深度結合給紡織業的未來帶來無限可能。市場上的智能針織產品應用人群相較于整個社會群體來說只是一小部分,產品功能的特殊性、舒適性和價格是影響其應用范圍的主要因素,隨著科學技術的革新,未來的智能針織產品是面向社會和大眾的。

3.1 智能纖維的制備

自然纖維在紡織行業的發展中被開發得非常完善,已經不能滿足現代人對時尚便捷生活的需求。智能纖維有著比自然纖維更優良的特性,其用途更加廣泛,在紡織、醫學、建筑、航天等領域都有應用,利用復合材料研發具備傳統纖維舒適柔軟的智能纖維和導電纖維。

3.2 柔性、微型電子元件的開發

電子智能針織產品已經進入大眾的視野,但是其缺點同樣不可忽視,移動電源不便攜、導電紗不安全、傳感器和電容器等模塊耐洗性差、影響織物舒適度等都是研究人員面臨的難題。開發編織成型電子元件或者開發柔性微型電子元件嵌入織物中可以改變電子元件的劣勢,都是值得嘗試的研究方向。

3.3 多功能集成智能針織品

由于智能化程度不高,目前的智能針織產品功能單一,一種產品只能滿足使用者的特定需求。多功能集成智能針織品可以針對消費者群體的不同或者環境的變換來設計產品,例如沙漠中晝夜溫差大,在光致變色迷彩服上加入發熱調溫材料,提高士兵的連續作戰能力和生存幾率。將不同功能有機集合于一身,能更大程度上滿足現代人追求快捷便利的心理。

3.4 高級智能針織品的研究

高級智能針織產品的研究已經較大程度上脫離紡織針織的范疇,它結合了人工智能、生物信息等眾多高新技術,其涉及學科技術領域之多僅靠針織領域的研究人員難以完成。目前文獻中并沒有看到真正意義上的高級智能針織產品,如何讓沒有生命的針織產品具備“生命力”,需要多學科研究人員共同協作,是未來智能針織產品的主要目標。

4 結束語

智能針織產品是在傳統針織產品基礎上與科學技術不斷融合發展的產物,智能針織產品以其優越的舒適性、功能性,成為紡織行業重要風口。在多學科、新技術不斷融合推動下,多元的功能、舒適的觸感、合理的價格使智能針織產品成為生活中隨處可見的商品。紡織+智能的深度結合、綠色環保的紡織材料、數字化的生產車間、電商化的銷售模式、個性化的定制服務,推動了紡織行業的變革,提高了人們的生活水平,為我國實體經濟建設注入新生力量。