1智能紡織品的研究方向
1·1溫敏智能紡織品
纖維的某些性能隨溫度改變而發(fā)生可逆變化的纖維稱為溫敏纖維。溫敏纖維是通過在纖維中引入溫敏化合物而制得，其制備方法主要有五種，即：共聚；交聯(lián)；共混；復合紡絲和涂層[3]。溫敏智能紡織品在紡織服裝業(yè)具有很大的發(fā)展空間，因為無論是對于日常生活中的舒適性，還是在極端環(huán)境下的勞動保護都已為人們所關注。此類紡織品有以下兒種：
1·1·1相變調溫紡織品
相變調溫紡織品是利用相變材料在環(huán)境溫度發(fā)生變化時，伴隨紡織品中所包含的相變物質發(fā)生可逆相變，產生吸熱或放熱，在紡織品周圍形成溫度基本恒定的微氣候，來阻止溫度的急劇變化，從而實現(xiàn)溫度調節(jié)功能。這種吸熱和放熱過程是自動、可逆和無限次的。如在中空纖維中填入相變材料(PCMs)，或利用微膠囊等技術將相變材料包裹其中，來達到蓄熱調溫的目的[4-6]。由美國outlast公司生產的奧特佳(熱敏材料)登月空調纖維，就是一種利用相變材料微膠囊技術開發(fā)的新型纖維，能通過不間斷的吸收和釋放熱量來雙向調節(jié)溫度，給人以舒適感[7]。苗曉光等[8]通過采用適宜的相變材料和負離子發(fā)射材料，并與以酪蛋白質改性的濕法紡(聚)丙烯脂噴絲液共混，通過濕法紡絲工藝加工，制造出同時具有智能調溫和負離子發(fā)射功能的牛奶蛋白纖維。另外，也有將相變材料采用涂層的辦法處理到織物上去的研究，美國Polytech公司推出的Ureatech即為此類產品[9]。
用在蓄熱調溫微膠囊上的相變材料主要是石蠟類烷烴。石蠟具有不同的熔點和結晶點，在相變過程中改變不同烷烴的混合比例，可得到理想的相變溫度范圍。而且石蠟無毒、不腐蝕，其熱性能在長期使用中保持穩(wěn)定。因此選擇石蠟類烷烴做相變材料較普遍[10-11]。除石蠟類烷烴外，馬曉光等選用聚乙二醇(PEG)作為相變材料，其晶態(tài)相變溫度接近自然環(huán)境，相變潛熱較高，具有較強的蓄熱調溫能力[12-13]。穿著這種織物制作的服裝，當外界溫度變化時，由于相變材料的蓄熱功能，可抑制衣服內表面溫度變化，從而人體感受不到環(huán)境溫度的變化。冬天穿著會使人體感到溫暖，而夏天又會感到涼爽。
1·1·2溫敏變色紡織品
溫敏變色紡織品是指能夠隨著環(huán)境溫度改變而自動變色的紡織品。它是利用物理、化學的方法，使織物上的變色染料/顏料的分子結構或排列方式根據(jù)溫度的不同而發(fā)生變化，從而發(fā)生顏色的改變。
生產溫敏變色紡織品主要有纖維技術、染色、印花及涂層等幾種方法。纖維技術是將變色材料加入到紡絲液中，通過干法、濕法或熔法紡絲，使生產的纖維具有溫敏變色性能；染色方法是采用變色染料對織物進行染色；印花及涂層是采用變色涂料進行印花或涂層，以使織物獲得溫敏變色的效果。近年來，為改善溫敏變色紡織品的耐洗滌性及耐光性，有采用向聚合物中添加溫致變色顯色劑的方法，變色溫度范圍達到-40℃～80℃[3]。
1·2壓敏智能紡織品
壓敏智能紡織品是由傳統(tǒng)的纖維編織而成，織物具有較強的柔韌性?？椢镏袑щ娎w維經緯向交織形成一個矩陣，可以準確感知到織物的受壓部位。因此被運用到柔性襯墊、柔性遙控器、柔性鍵盤以及柔性電話中[14]。基于溶液-凝膠(sol-ge1)法制備壓電陶瓷纖維的技術較為成熟，制成的纖維直徑在30µm以下[15]。近年來含有壓電晶體粉末的服用纖維也得到了深入的研究。利用這種纖維中的壓電晶體粉末受外力作用后發(fā)生放電現(xiàn)象，可以使纖維具有良好的消除疲勞、抗菌、防臭和負離子發(fā)生作用[16]。
1·3光響應型智能紡織品
在光的作用下，紡織品的某些性能，如顏色、力學性能等發(fā)生可逆變化，稱為光響應型智能紡織品。在光響應型智能紡織品中，研究的熱點是光致變色紡織品。光致變色紡織品在可見光或紫外光的照射下會發(fā)生變色，而當光線消失之后又會可逆地回復到原來的顏色。由于其顏色的可逆變化，因此不但能滿足當代消費者追求新穎的消費心理，而且具有一些常規(guī)纖維制品所無法比擬的優(yōu)勢，可用在軍事、特種防護等方面。
光致變色纖維的研究在日本、美國等發(fā)達國家取得了較大進展，如松井色素化學工業(yè)公司制成的光致變色纖維，無陽光不變色，在陽光或紫外光的照射下顯深綠色。美國Clemson大學和Georgia理工學院等幾所大學近年來正在探索在光纖中摻入變色染料或改變光纖的表面涂層材料，使纖維的顏色能夠實現(xiàn)自動控制[17]。
1·4 pH響應性凝膠紡織品
自從1978年Tanaka發(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺(PAAm)水凝膠在水/丙酮(V/V)比例為一定值時存在相轉變現(xiàn)象后，凝膠的研究引起了相關科研工作者的廣泛關注。pH響應性凝膠纖維是隨pH值的變化而產生體積或形態(tài)改變的凝膠纖維。20世紀90年代，日本和美國在pH響應性凝膠纖維的研究方面取得了重大的進展。如日本工業(yè)科技機構工程實驗室將高含量(10%-15%)的PVA溶液與相對分子質量為170000的聚丙烯酸酯類樹脂混合，在-25℃～-45℃冷凍，然后融化，重復10至20次，直至PVA交聯(lián)，成為橡膠狀固體。將這種固體加工成直徑為1.8mm的纖維，它能根據(jù)溶液pH值的變化而迅速溶脹和收縮，從而具有智能[18-19]。
1·5形狀記憶紡織品
所謂"形狀記憶"，是指具有某一原始形狀的制品，經形變并定形之后，在特定的外界條件下，如加熱等外部刺激手段的處理，又可使其恢復初始形狀的現(xiàn)象。目前，棉織物形狀記憶整理技術主要有：樹脂整理、多元羧酸免燙整理、聚氨酯涂層整理、超柔軟桃皮整理、液氨整理等；真絲綢形狀記憶整理技術有：樹脂整理、三甘醇縮水甘油醚整理等；毛織物形狀記憶整理技術有："機可洗"整理、"洗可穿"整理等。
在紡織領域，具有形狀記憶功能的聚氨酯材料，既可通過紡絲以賦予紗線記憶功能，也可作為功能性涂層劑對織物進行涂層加工，還可作為整理劑對織物進行形狀記憶功能性整理[20]。日本三菱重工業(yè)公司用形狀記憶聚氨酯涂層的織物Diary和Azekura不僅可以防水透氣，而且其透濕氣量可以通過體溫加以控制，達到調節(jié)體溫的作用，使穿著者更為舒適[21-22]。
意大利的毛羅·塔利亞尼設計了一款"懶人襯衫"，他在襯衫里料中加入了鎳、鈦和尼龍纖維，從而使其具有"形狀記憶"功能。當外界氣溫偏高時，襯衫的袖子會在兒秒鐘之內自動從手腕卷到肘部；當溫度降低時，袖子能自動復原。若人體出汗，衣服也能改變形態(tài)。這種襯衫還具有超強的抗皺能力，不論是揉作一團、被塞進箱子里或是被皮帶長時間束住下擺，它都能在30s內恢復挺括的原狀[23]。
1·6電子紡織品(e-textile)
電子紡織品是基于電子枝術，將傳感、通訊、人工智能等高科技手段應用到紡織技術上，而開發(fā)出的新型紡織品，現(xiàn)在國際上對電子紡織品研究較多，如美國高級防御研究計劃機構(DARPA)已經著手研究電子紡織品，通過使用聲音信號來幫助在戰(zhàn)場上鎖定敵人的位置，其功能像靈敏的探測器一樣，尋找微弱聲音的峰值，尤其是遠距離武器的聲音[24]。
麻省理工學院(MIT)的一個研究小組研制的音樂夾克衫在無需大量電子元件和繁瑣電路的情況下，仍可以演奏音樂。這種夾克衫是一種帶有鍵盤、合成器和擴音器的音樂設備，另外，MIT的Maggie Orth發(fā)明了一種裙子，稱為"熒火蟲"，帶有集成光發(fā)射二級管(LEDs)，通過不斷變化的光來修飾美化穿著者的動作。德國霍亨斯坦協(xié)會(Hohenstein Institute)和斯圖加特大學(University of Stuttgart)發(fā)明了一種肩部帶有太陽能電池的服裝。這種柔薄的太陽能電池，能夠為袖珍收音機提供充足的電源[25]
1·7基于納米技術的智能紡織品
人們由荷葉的自清潔現(xiàn)象得到啟發(fā)，通過研究荷葉的表面，發(fā)現(xiàn)荷葉的表面分布著無數(shù)"納米-微米"結構的乳狀突起，正是這些肉眼看不見的乳狀突起物，使得荷葉具有極強的疏水性能和自清潔效果。從而提出了納米-微米的表面結構具有自清沾功能的"荷葉效應""中科院化學所的仿生材料專家徐堅等研制出人工仿生荷葉薄膜，若將這種材料應用到服裝面料上，會使織物保持不沾水和自清潔的功能[26]。近幾年，環(huán)糊精作為一種環(huán)保型的納米級助劑，越來越受到染整工作者的重視，其技術也被廣泛地應用到染整加工中，從染色到后整理、水洗以及印染廢水處理都有所應用[27]。江南大學的王潮霞等利用β-環(huán)糊精制備的香味微膠囊，具有持久的貯香和釋香功能[28]。
2智能紡織品在不同領域中的應用
2·1軍用智能紡織品
2·1·1納米"隱身"軍服
納米"隱身"軍服由四種不同顏色的變形圖案組成，這些圖案是由計算機對大量叢林、沙漠、巖石等背景環(huán)境進行統(tǒng)計分析而模擬出來的。穿上這種隱身軍服，在可見光照射下，從近距離看，是明暗反差較大的迷彩；從遠距離看，其細碎的圖案與周圍環(huán)境究全吻合，即使作活動時也難以被對方發(fā)現(xiàn)[29]。
美國有人模仿變色蜥蜴的皮膚所具有的在不同環(huán)境下呈現(xiàn)出與背景相一致的顏色，從而具有隱蔽和保護白己的智能，制成變色軍服。這種變色軍服在雪中變成白色，在沙地中則變成黃沙色，在熱帶叢林中可以變成綠色。穿上這種偽裝服，有利于隨時隱蔽自己[30]。
2·1·2納米信息軍服
內置電子裝置的智能夾克配備有個人局域網，其實就是一個被織進夾克衫的電子線路。衣服中的個人局域網也有數(shù)據(jù)傳輸、功率和數(shù)字信號，可以接入多個裝置，通過一個配有小型顯示器的遙控設備對這些裝置進行集中控制。由于這種智能服裝具有通信功能，遠程治療將成為可能[31]。
美國軍方研制一種可穿的"sensor net"紡織品，可用它來探測聲音，探測正在前進的車輛位置。線路的連接處被縫在厚重的衣服里，分散的擴音器安裝在適合的地方，而這些最終會被壓電薄膜傳感器所代替。薄膜的傳感性不同于擴音器，它可以感知更大的區(qū)域[32]。
2·1·3士兵作戰(zhàn)服
作戰(zhàn)服的面料中嵌人pH感應傳感器，這些傳感器在探測到生物化學藥劑、有毒物質、電磁能量波等后就會發(fā)叫警告，以保護士兵免受傷害，從而提高士兵的作戰(zhàn)和生存能力。這些智能作戰(zhàn)服還可制作成消防戰(zhàn)士、從事危險工作以及其他暴露在有毒環(huán)境中的工作人員的防護服[33]。
英國研究人員研究發(fā)現(xiàn)，雉雞刺毛獨特的結構甚至有吸收子彈的功能。羽毛的彈力源于松軟的泡沫狀內部結構和其角質狀的保護體。在實驗中，這種刺毛竟然經得起各種口徑和各種速度槍支的射擊。雷丁大學的科研人員已著手研制用雉雞羽毛開發(fā)新一代防彈衣[34]。
2·1·4智能型抗浸服
抗浸服裝系飛行員必備的一種水上救生服。其作用是當飛行員墜入水中后，阻止水浸入服裝內，從而延長生存時間，等待救援人員來營救。在纖維表面引入刺激響應性高分子凝膠層，利用其可在一定條件下發(fā)生體積轉變的特點制成抗浸服面料，可以顯著增加水浸入服裝內的時間，提高落水者獲救生還的機會[35]。
2·1·5宇航員專用服裝
由于特殊的穿著環(huán)境，宇航服在智能化方面的要求極高。楊利偉遨游太空時所穿的宇航服，使用二十多種材料，采用極其精細的結構，是我國宇航服研究人員十多年的研究成果[36]。美國國家航空和宇航局已開發(fā)出保持飛行員手溫暖的手套，可以使在太空中飛行的宇航員免受極度寒冷氣候的傷害[33]。
2·1·6軍用智能帳篷
軍用智能帳篷的材料應該能夠抵御氣候、化學藥劑、導彈或其它危害，而且還要能夠改變形狀來降低風力載荷。這種帳篷可根據(jù)周圍環(huán)境發(fā)生顏色和形狀的改變，它還可提供使士兵免于被熱傳感器或者電磁探測器探測到的防護。帳篷還可以把太陽光轉變?yōu)殡娔?，給計算機、無線電廣播發(fā)射機和柔性顯示裝置供電[37]。
2·1·7智能降落傘
在跳傘士兵失去控制無法拉開開傘繩時，能夠觸發(fā)儲備的降落傘，使其自動打開。智能降落傘能夠檢測空中和地面的危險性，及時改變飛行方向和速度，并以最佳的方式著落[25]。
2·2在體育運動方面的應用
2·2·1智能運動鞋
美國Reebok公司生產的智能運動鞋，能準確地向穿著者顯示跑或走的路程、節(jié)奏的快慢和消耗的熱量。今后的發(fā)展將可以測出穿著者的心率，并根據(jù)心跳有選擇地播放某種特定的音樂，必要時還會對音樂的旋律進行調整，使穿著者聽了音樂后跑得更快或慢下來[38]。
2·2·2內置加熱體系的滑雪衫
在1998年冬季奧林匹克運動會上200名瑞士運動員和300名記者就穿著了Descente的Mobile thermo滑雪衫，這種滑雪衫內置了加熱體系，從而保證了內部溫度控制精確性[39]。
2·2·3植入電子設施的織物
非利浦公司生產出一種具有電子跟蹤功能的兒童滑雪服裝，監(jiān)護者可在任何時候了解兒童所處的確切位置。其研制的袖內嵌入傳感器的高爾夫茄克衫，可監(jiān)測和記錄運動員打球時的手臂擺動角度與節(jié)奏，以便和冠軍運動員的記錄做比較[40]。
2·2·4運動型調溫調濕織物
日本東洋紡公司對聚丙烯酸分子鏈進行高親水化處理，開發(fā)出具有調溫調濕智能的纖維"愛克蘇"，在標準狀態(tài)下，它的吸濕能力約是棉的3.5倍。與天然纖維相比，"愛克蘇"的吸濕和放熱速度比較緩慢，可以均勻地釋放，從而使衣內溫度調節(jié)緩和，能防止出汗后的冷感。用此類纖維加工的紡織品適合于制作運動衣[5]。
2·3在特種防護方面的應用
2·3·1自發(fā)光纖維及其制品
自發(fā)光纖維一般是由合成纖維在生產過程中加入少量的蓄光劑而制成。這種纖維經光線照射10-20min，即可持續(xù)發(fā)光8-IOh，發(fā)出的光線有黃、綠、藍等顏色。由自發(fā)光纖維制成的紡織品有安全性或危險警示作用，尤其是一些信號性的顏色在某種特殊的情況下可以作為警示信號，可制成狩獵服、救生衣、交警服，同時在船舶領域中也得到廣泛的應用[41]。
2·3·2隔熱服裝
英國研制的防燙傷隔熱服裝，是把鎳鐵合金纖維加工成寶塔式螺旋彈簧狀，再進一步加工成平面狀，然后固定在服裝的夾層內。當服裝表面接觸高溫時，合金纖維的形變被觸發(fā)，纖維迅速由平面狀變成寶塔狀，兩層織物之間形成很大的空腔，使得人體皮膚遠離高溫，從而防止燙傷發(fā)生[36]。
2·3·3防電磁輻射織物
以聚丙烯脯纖維(PAN)為非導電成分的主體，利用其分子結構中存在的氰基可與某些金屬離子相配位的特點，再經還原生成金屬而穩(wěn)定地沉積在腈綸表面。這層連續(xù)的金屬膜具有優(yōu)良持久的導電性，當金屬膜受到外界磁場作用時產生感應電流，這種感應電流又產生與外界磁場反方向的磁場，從而與外界磁場相抵消，達到對外界電磁場的屏蔽作用[42]。
2·3·4抗沖擊智能防護織物
超微纖維和碳納米管的重量僅為鋼鐵的1/6，而強度卻是其100倍。最近，巳能把電紡絲纖維紡成紗，應用于頭盔及背心中。在三維納米纖維網絡中加入含Al203及B4C的陶瓷顆粒，能夠改進其缺陷及輕度沖擊帶來的損害，將電紡絲納米纖維結合到層狀結構中，將增加其抗裂解性及抗損傷性[43]。
3結語
智能紡織品是繼功能紡織品之后出現(xiàn)的又一類型的高科技紡織品，它在增加服裝舒適性、提高人們的生活質量、改善人們的勞動條件、滿足某些特種行業(yè)和特種場合的需要等方面正在發(fā)揮越來越重要的作用。
隨著科技的進步及多學科的相互交叉、滲透和融合,紡織材料的研究開發(fā)已經進入到一個新的領域,正在向著高功能、高附加值的方向發(fā)展。智能紡織品的加工技術也在不斷地深入,相信在不遠的將來,其品種會越來越豐富,應用范圍也將越來越廣。
