智能纺织品的发展及应用浅析

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抗瓜蓬
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1 智能纺织品及服装的发展与应用实践随着纺织科技的日新月异, 智能纺织品正在纺织领域掀起一场新的变革一直在军用领域独受青睐的智能纺织品, 渐渐融入人们的生产生活中, 成为时尚与科技相结合的纺织新宠, 一些专家甚至推崇其为纺织工业的未来电影谍中谍 4 中, 汤姆克鲁斯凭借一双壁虎手套, 便能像蜘蛛侠一样在哈利法塔外墙面上来去自如 ; 而杰瑞米雷纳则身穿超导磁悬浮服装, 悬浮在冷却风扇上方如此不可思议的装备也许将不久的将来, 就将披着智能纺织品的标签, 呈现在我们眼前 20 世纪六七十年代, 可穿戴的计算机面世, 最初的产品中, 纺织品仅仅作为电缆和连接器的载体, 其上简单地安装着电子元件其体积庞大功能单一, 还不能称为真正的智能纺织品 20 世纪 80 年代以来, 在外界条件刺激下能够发生可逆相转变的智能凝胶引起了研究人员的特殊关注, 很多学者尝试将水凝胶与纺织品结合以获取智能纺织品 1988 年 9 月, 美国陆军研究办公室组织了首届智能材料与结构的专题研讨会 1989 年, 日本的高木俊宜教授将信息科学融于材料物性和功能, 首先提出了智能材料的概念之后的数十年, 智能纺织品的发展迅速 2000 年 11 月, 第一届 Avantex 国际未来服装用纺织品和技术论坛于法兰克福召开, 智能纺织品掀开了神秘的面纱 1 智能纺织品的概念与分类就人类而言, 从感觉到记忆到思维这一过程, 称为智慧, 智慧的结果就产生了行为和语言, 将行为和语言的表达过程称为能力, 两者合称智能, 将感觉去记回忆思维语言行为的整个过程称为智能过程, 它是智力和能力的表现而智能纺织品 (smart textile), 即是一种能够模仿生命系统, 能感知环境变化并能适时改变自身的一种或多种参数, 做出所期望的能与变化后的环境相适应的是指一类具有高智能化的纺织品 ; 其综合了纺织电子化学生物医学等多学科知识, 是传统的纺织服装技术与材料科学结构机理传感技术和先进的加工工艺通讯技术人工智能生物技术的有机结合对于智能纺织品的分类, 业内仍无众说不一, 以下几种分类可作参考按照其智能属性, 可分为物理型化学型分离型和生物型 4 大类按照对感知和响应状态的不同, 可分为被动智能型主动智能型和非常智能型 3 大类就用途而言, 智能纺织品目前有以下几种 : 智能调温纺织品形状记忆纺织品防水透

2 湿纺织品变色纺织品仿生纺织品安全防护纺织品电子纺织品等根据加工方式的不同, 可分为改性智能纺织品合成型智能纺织品等从应用领域来区分, 目前主要有军用民用和医疗用智能纺织品等其他常见的概念有交互式智能纺织品纳米智能纺织品和仿生智能纺织品等 2 应用领域与产品 2.1 军用智能纺织品随着现代战争高技术化的发展, 装备水平不断提高, 对军用纺织品的功能性也提出了更高的要求在军用领域, 智能纺织品的发展较早也较为成熟, 目前已研发出具有各种功能的智能军服 1) 军服上带有的纳米传感器, 能够感应空气中生化指标变化, 当有害气体或物质指标突然升高, 军装会立即将头盔和其他通气部分的透气口关闭, 并释放生化武器的解毒剂起到预防效果 2) 军服中的特殊材料, 在接收到纳米传感器发出的信号后, 能够根据不同情况改变材料的物理状态 : 如果士兵意外受伤, 这种材料可当作石膏使用 ; 如士兵需要休息, 材料会变成松软 3) 军服上带有的纳米生化感应装置, 可监视士兵的心率血压体内及体表温度等多项重要指标, 以及辨识体表流血部位 ; 甚至能够使该部位周边军服膨胀收缩, 起到止血带的作用 4) 军服中微型装置, 能够将士兵伤情数据向战地医生的个人电脑系统发送, 军医可远程操控军服进行简单治疗 5) 军服所使用的特种纤维中将大量掺入利用纳米技术制造的微型发光粒子, 从而可以感知周围环境的颜色并做出相应调整, 使军服变成与周围环境一致的隐蔽色有效对付战场侦察雷达被动夜视仪探测人体气味的感应器感应各种武器钢铁部件的磁性探测器及其它电子和光学器材的侦察 2.2 民用智能纺织品也许在不久的将来, 人们穿上用智能裤子后, 只要按一下电钮, 腰围就会随意加宽或缩小 ; 转一下旋钮, 就能凭心情改变套头衫的颜色近年来, 智能纺织品在民用领域已崭露头角

3 2.2.1 智能调温纺织品德国海恩斯坦研究院 (Hohenstein Institute) 与 Denkendorf 的 ITCF 研究所共同研发了一种半透明的智能遮光纺织品材料传统面料在遮挡可见光时, 也阻挡了热能传递, 而这种智能面料可以允许红外线辐射穿过或被自动反射它的热反射和半透明性使其对环境温度具有适应性, 当外界温度变低时, 辐射的红外线会起到加热作用 ; 而当外界气温升高时, 红外线辐射装置会阻止纺织品过热这种遮光面料可用于遮篷和防晒窗帘, 能够节约取暖和制冷的成本英国科学家研制出全天候智能服装, 当人体过热时, 服装面料有降温功能 ; 在在寒冷时, 能够阻止热量流失这种智能服装的特殊功能归功于独特的双层智能面料这种仿生学面料的设计模仿了松球原理, 利用最新微观技术制成的面料表层分布着无数微小的凸起, 这些凸起由羊毛等吸水性强的材料制成, 直径不超过 5 微米, 其功能类似松球上的鳞片当人体变热出汗时, 面料上凸起的鳞片在水分作用下打开, 外界空气进入孔隙, 使水分蒸发, 从而起到降温作用 ; 水分蒸发完毕, 鳞片会恢复最初的关闭状态面料的底层是一种致密材料, 能防止表层鳞片开启时人可能被雨水淋湿据说, 用这种智能面料制成的大衣帽子手套裤子等等也将陆续问世形状记忆纺织品 2001 年, 意大利人毛罗塔利亚尼设计出一款懒人衬衫, 在衬衫面料里加入镍钛和尼龙纤维, 使之具有形状记忆功能的特性当外界气温偏高时, 衬衫的袖子会在几秒钟之内自动从手腕卷到肘部 ; 当温度降低时, 袖子能自动复原设计师称, 这种衣服并非只对外界温度作出反应如果人体出汗, 衣服也能改变形态懒人衬衫具有超强的抗皱能力, 不论如何揉压, 都能在 30 秒内恢复挺括据说, 目前这种衬衫全世界只有 200 件, 并且只有灰色这一种颜色, 每件售价美元防水透湿纺织品防水透湿纺织品又被称为可呼吸织物, 近年来被广泛应用于户外装备美国 W.L.GORE 公司于 1976 年就研发成功的 GORE-TEX 是和乐斯菲斯 (TNF) 公司 HyVent 是这一领域的佼佼者, 此外, Columbia 公司的专利 Omni-Tech, 德国品牌 SympaTex,JackWolfSkin 公司的 exapore 等产品也并不逊色防水透湿纺织品的主要加工方法有以下几种 :1) 将水响应型高聚物以纤维的形式织入布料中 2) 将具有防水透湿的高聚

4 物如氯丁橡胶聚氯乙烯聚氨酯等通过涂层方式整理到织物表面 HyVent 产品主要采用这种方法, 利用聚氨酯进行涂层, 由 Hyvent 面料制成的一款外套曾被在 2010 年 7 月获得了欧洲户外产业奖的服饰类银奖, 颁奖评语为 : 它标志着业界在提升超轻防水型外衣的压缩性能方面取得了突破性进展 3) 用超细纤维制作防水透湿超高密织物, 如 GORE-TEX 产品的核心 GORE-TEX 薄膜其每平方英寸上的微孔多达 90 亿个, 微孔大小只有一滴水的两万分之一, 但是比一个水分子的体积大 700 倍, 这样,GORE-TEX 薄膜就可以在彻底防水的同时让汗水排放到薄膜之外此外, 薄膜中还添加了一种疏油性物质, 能防止体油或驱虫剂对薄膜的损害 4) 业内也正在对磁控溅射法制备防水透湿织物和采用纳米技术以增加织物防水性进行研究防寒抗浸纺织品 20 世纪 80 年代以来, 学者开始尝试将水凝胶与纺织品结合, 特别是将聚 (N- 异丙基丙烯酰胺 ), 简称 PNIPAAm, 接枝共聚在织物上获得具有各种功能性的智能纺织品防寒抗浸服为一个成功例子智能防寒抗浸服在纤维表面引入智能高分子凝胶层, 在干态时, 与普通织物没什么区别 ; 当浸入水中时, 织物上凝胶吸水溶胀, 将织物组织的孔隙堵塞, 阻止水向衣服内层渗透, 实现了良好的抗浸性能 ; 织物晾干后, 凝胶失水收缩, 恢复原有的透气性电子智能运动服飞利浦公司生产的智能运动服, 能够追踪检测运动员的身体状况, 并提高运动员在运动场或在极限运动中的表现传感器还能记录胳膊的动作来改进打高尔夫或网球时手臂的摆动美国 Sensatex 公司计划推出一款运动 T 恤, 可监视心率体温呼吸以及身体消耗的热量通过测量这些特征, 服装能够分析穿着者的运动情况, 从而给出运动时间和强度的建议它包含人性化的训练程序, 当检测到穿着者感到疲倦时, 会鼓励他坚持下去或更改次日的训练程序若穿着者出现心脏病发作或虚脱时, 智能服装还能及时报警德国米尔哈公司专为骑马和骑自行车的运动员制造了一个移动气囊, 出事故时气囊可立刻充气以保护运动员的颈部和脊椎芬兰 Reima-Tutta Oy 服装厂与 Tampere 工程技术大学和诺基亚三方合作研究的 Reima Smart Shout, 使得基于 GSM 技术的定位与交流成为可能, 它就像个电话分机, 可应用于

5 运动服, 特别是滑雪爱好者, 可适用于老人和儿童, 在发生紧急情况时, 可随时定位与跟踪穿着者保护型智能纺织品 Wollongong 大学研发出一款智能胸衣, 专为热爱运动的女士而设计它能够根据用户名胸部的运动情况来改变自身的形态, 以更好地支持和保护胸部可导性的聚合物织物作为传感器, 压力出现变化, 背带会随之拉紧或放松, 罩杯随之变硬或松弛, 以限制胸部的运动还有研究人员发明了一种侍卫胸衣, 当穿着者感到害怕时, 会自动报警它主要是通过植入胸衣中的脉冲探测器探测穿戴者的心律一般运动引起的心律变化与恐慌或疾病引起的心律变化不同, 这款智能胸衣的设计十分精密, 只有在心律变化异常时才会感应并触发毕业于英国皇家艺术学院的理查德帕尔默发明了一种名叫 d3o 的智能分子, 在普通形态下跟其他分子没什么区别, 当受到强烈冲击时就能像一张网一样, 吸收几乎全部的冲击能量将其应用于抗震防摔纺织品, 能够很好地保护运动员或是老年人免于摔伤娱乐型智能纺织品澳大利亚科学工业研究组织研发出一件智能感应衬衫, 能感应穿着者的动作并把动作转化为音乐输出穿上这种衬衫, 只要做出弹吉他的动作就能弹出动听的音乐, 甚至外门汉也能学着规范自己的动作从而弹出悦耳的音乐由 CuteCircuit 公司制造的拥抱衬衫可以把动作通过衬衫传递到手机, 再从手机到手机, 最后传递到对方衬衫上, 从而实现情侣的远程拥抱自德国的 Infineon Technologies 生产出第一件可穿着袖子带有键盘的 MP3 音乐运动服后, 可穿计算机成为电子信息智能纺织品的代表作麻省理工学院 (MIT) 研制的音乐夹克衫无需大量电子元件和繁琐电路, 即可演奏音乐这种夹克衫是一种带有键盘合成器和扩音器的音乐设备, 键盘是缝制在衣服上的导线, 当触摸它的时候, 就会产生一个信号并传递给处理器, 然后依次传递给合成器声音的传递是通过衣服口袋中的微型扩音器进行的整件衣服重量小于 0.45kg(1 磅 ), 大部分重量集中在电池和扩音器的盒子上美国 Aeolab 公司研发出一种遇水可发光的塑料雨衣, 被称为雨珠外套这种雨衣以尼龙为基体材料, 在背面和左边袖子上都安装有雨水传感器, 这些传感器通过内置电子

6 装置和雨衣前面的电导发光板连接 ; 当雨水珠碰到其中的一个传感器时, 雨衣前面相应的灯就会闪亮, 由此随着雨水的滴落一闪一闪地发光下雨时穿着发光雨衣, 使雨中漫步颇具情调飞利浦公司成功开发出一套能感知穿着者情绪的服装, 通过生物群系传感器对穿着者情绪的感知, 并将其体现于服装的色彩变化而英国智能服装设计者 Jenny Tillotson 设计的智能服装则是根据穿衣人的心情有选择地释放不同气味的气体, 以达到调节心情的作用 2.3 医疗用智能纺织品在服装内置入微型系统, 是一件很有趣, 也很有意义的研究服装与传感器的结合使得随时监控身体指标成为可能美国 Exmovere 生物医学工程公司研制出一种智能婴儿服装, 其中安装有生物传感器体温计心律监控器和动作传感器, 这些设备记录的数据能够展现出婴儿的情绪状态, 并且每分钟更新一次数据, 勾勒出一幅婴儿心情图配套开发的电脑及智能手机程序, 能够将婴儿的状态数据将以电子邮件或手机短信的形式发送给父母 ; 服装还能对自身的潮湿度进行监测, 及时通知父母为孩子换尿布 ; 这套聪明的衣服还有学习功能, 父母可以通过手动调节, 让衣服记录下孩子的某种状态以及其动机, 比如饥饿疲劳等, 这样系统就可以根据数据提前预测孩子出现该状态的时刻此外, 这套智能衣服可以水洗美国南加利福尼亚州 VivoMetrics 健康信息与监测公司研制出救生衬衫这种衬衫穿在身上可以起到心电图仪器的作用, 通过嵌入其中的传感器和掌上电脑监测, 可记录 30 多种生理征候, 包括每一次心跳和情绪波动的状况, 如每一次叹息每一次吞咽和每一次咳嗽记录下来的信息通过数据卡和网络传到 VivoMetrics 公司, 经过分析后再发送给医生纽约的 Sensatex 公司也研制出另一种类似的智能衬衫, 可以监测各种主要的生理指标, 如心率心电图呼吸和血压, 用于医疗和康复 3 结语智能纺织品及服装是纺织领域的一次重大革新, 带动了整个领域智能化理念的深入, 产生更多附加值的同时更促进了纺织业的发展随着纺织技术与其他学科的交叉, 结合人们新需求的出现, 智能化会成为纺织工业发展的主流趋势但是在实际应用中仍存在一些需要攻克的难题, 如智能纺织品的柔软性和弹性最大程度的形变量纺织品的健康与安全性产品的耐用性与耐洗性外界的评价产品的标准化及生产成本等将智能纺织品被大众市场所

7 接受, 需要更多的研究与努力

材料导报研究篇年月下第卷第期种球的制备单步溶胀法制备分子印迹聚合物微球洗脱处理种子溶胀聚合机理种球用量的影响

材料导报研究篇年月下第卷第期种球的制备单步溶胀法制备分子印迹聚合物微球洗脱处理种子溶胀聚合机理种球用量的影响水相中组氨酸单分散分子印迹聚合物微球的合成表征及其识别性能研究李思平等李思平徐伟箭较佳工艺条件下在水性体系中选用无皂乳液聚合法制得的单分散微米级聚苯乙烯微球为种球分别以组氨酸甲基丙烯酸或丙烯酸胺乙二醇二甲基丙烯酸酯为模板分子功能单体和交联剂合成了组氨酸分子印迹聚合物微球研究了形貌粒径及其分布以及模板分子与功能单体之间的相互作用分别以激光粒度分析仪紫外分光光度法和红外光谱表征功能单体与交联剂之间的共聚情况