紡織業(yè)智能材質(zhì)的應(yīng)用研討

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本文作者：孫熊、姜懷 單位：上海工程技術(shù)大學(xué)

基于智能材料對(duì)外界刺激反饋的不同作用原理，可以著重研究溫敏、光敏、磁敏等智能材料及組元，來(lái)開(kāi)發(fā)具有多用途、特殊功能的智能紡織品。由具有形狀記憶功能的纖維織制的紡織品并包含藥物，可以在醫(yī)療領(lǐng)域用作智能繃帶。如經(jīng)聚乙二醇處理過(guò)的棉、聚酯或尼龍／聚氯酯共聚纖維，含有交聯(lián)的多元醇，這種編織或機(jī)織的紡織品遇到血液或酒精/水混合物等極性消毒溶液時(shí)會(huì)收縮。用這種紡織品做繃帶，它在血液中收縮時(shí)使傷口上所產(chǎn)生的壓力可以止血，而繃帶干燥時(shí)可回復(fù)至原始尺寸，壓力去除。因此，它可以用于身體某些部位出血時(shí)的包扎。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)颊叩脑\斷需要大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，而生物傳感器可測(cè)定如溫度、聲音、超聲波、運(yùn)動(dòng)、壓力和輻射等參數(shù)，因此這些帶有生物傳感器的智能服裝就有了“用武之地”。用塑料光纖傳感器和電子傳導(dǎo)纖維編織而成的“智能T恤”來(lái)探測(cè)心跳、體溫、血壓、呼吸等生理指標(biāo)，能將患者的流血傷口愈合情況準(zhǔn)確地告訴醫(yī)生以協(xié)助治療。

此外，近年來(lái)興起的納米纖維制備技術(shù)如靜電紡絲等制備出的具有良好生物相容性的無(wú)紡布納米纖維膜以及載藥介質(zhì)，可以模擬天然的細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生物功能；人的大多數(shù)組織、器官在形式和結(jié)構(gòu)上與納米纖維類似，這為納米纖維用于組織和器官的修復(fù)提供了可能；一些電紡原料具有很好的生物相容性及可降解性，可作為載體進(jìn)入人體，并容易被吸收；加之納米纖維還有大的比表面積、孔隙率等優(yōu)良特性，因此，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了研究者的持續(xù)關(guān)注，并已在人工肌肉、創(chuàng)傷修復(fù)、生物組織工程等方面得到了很好的應(yīng)用。

在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

航空航天領(lǐng)域使用的材料需要經(jīng)受住惡劣環(huán)境的影響，它需要對(duì)自身狀況進(jìn)行診斷，并能自動(dòng)加固或自動(dòng)修復(fù)材料中的傷痕或裂紋，從而避免大災(zāi)難事故的發(fā)生。航空航天飛行器的結(jié)構(gòu)要求輕質(zhì)、高可靠性、高維護(hù)性、高生存能力，為此，必須增加材料的智能性。目前智能材料結(jié)構(gòu)在航空飛行器上的應(yīng)用有智能蒙皮、自適應(yīng)機(jī)翼、振動(dòng)噪聲控制和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等。

未來(lái)智能纖維及智能紡織品將會(huì)在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，紡織纖維及其制品如各種結(jié)構(gòu)的預(yù)制件應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域不僅可以大幅度減輕器材的重量，而且也會(huì)提高整個(gè)產(chǎn)品的抗震性，更重要的是紡織纖維及其制品可以賦予器材相應(yīng)的智能化應(yīng)用。復(fù)合材料在生產(chǎn)過(guò)程中的工藝性不穩(wěn)定，如何避免構(gòu)件內(nèi)部的缺陷，對(duì)飛機(jī)的安全非常重要。智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)就能有效解決這一問(wèn)題，它能夠快速超前地預(yù)報(bào)損傷點(diǎn)和嚴(yán)重程度。光導(dǎo)纖維材料就可應(yīng)用于對(duì)復(fù)合材料的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與損傷評(píng)估，即在材料或結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位埋置光導(dǎo)纖維及其傳感器制品，這些材料及其特殊結(jié)構(gòu)能夠?qū)ζ凇⒏g、沖擊、磨損或操作失誤、溫度等環(huán)境條件引起的結(jié)構(gòu)損壞實(shí)現(xiàn)及時(shí)探測(cè)、定位并作出評(píng)價(jià)，并可在損壞到達(dá)臨界狀態(tài)之前發(fā)出警告，以便及時(shí)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行修理或更換。

在航空領(lǐng)域，高性能纖維制品增強(qiáng)復(fù)合材料具有重要用途，未來(lái)在復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用上，可以通過(guò)纖維的智能化或者植入具有智能功能的組元，來(lái)獲得整體上具有智能作用的部件。通過(guò)在纖維中加入溫敏物質(zhì)來(lái)獲得溫敏纖維，并制造發(fā)動(dòng)機(jī)外罩，這樣可以監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況，同時(shí)可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的震動(dòng)。未來(lái)航空航天領(lǐng)域凡需要智能材料發(fā)揮作用的部件，可以嘗試通過(guò)材料的智能化設(shè)計(jì)、智能組元的植入，結(jié)構(gòu)的特殊化設(shè)計(jì)等來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如航天員用的多功能宇航服等。

智能自修復(fù)紡織品能夠感受外界環(huán)境的變化，集感知、驅(qū)動(dòng)和信息處理于一體，形成類似于生物體的具感知、自診斷、自修復(fù)功能的材料。這種材料及紡織品的自修復(fù)功能主要是將內(nèi)含黏結(jié)劑的空心膠囊或玻璃纖維滲入材料中，一旦材料在外力作用下發(fā)生開(kāi)裂，部分膠囊或纖維破裂，粘接液流出滲入裂紋，粘接液可使材料裂紋重新愈合，空心膠囊或玻璃纖維內(nèi)部含一種催化劑或促進(jìn)劑，一旦材料在外力作用下發(fā)生開(kāi)裂，部分膠囊或纖維破裂，催化劑或促進(jìn)劑流出促使材料內(nèi)部產(chǎn)生生化反應(yīng)而自動(dòng)愈合。用這種材料預(yù)制件制備的增強(qiáng)復(fù)合材料，可作為飛機(jī)的機(jī)翼材料或者航天器的器件，這種材料在使用過(guò)程中，如果出現(xiàn)部分損壞，能夠及時(shí)修復(fù)，使材料的整體功能不至于突然喪失，減少事故的發(fā)生。

在環(huán)境衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用

環(huán)保用智能紡織材料在未來(lái)環(huán)境領(lǐng)域?qū)?huì)有重要的應(yīng)用前景，比如具有清潔功能的智能紡織品，它的開(kāi)發(fā)可以沿著兩條思路進(jìn)行，一是利用紡織品表面特有的幾何尺寸的形狀界面結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)材料界面技術(shù)處理后，由于織物表面尺寸低凹的表面可使吸附氣體原子穩(wěn)定存在，所以在宏觀表面上相當(dāng)于有一層穩(wěn)定的氣體薄膜，使油和水無(wú)法與材料的表面直接接觸，從而顯示出卓越的拒水和拒油性能，而對(duì)纖維的原有理化性能如纖維強(qiáng)度、染料親和力、透氣性等沒(méi)有影響，甚至還能增加殺菌、防輻射、防霉等特殊效果。當(dāng)這類材料表面粘附灰塵后，在有水滴出現(xiàn)時(shí)，水滴就會(huì)將灰塵帶走，還原來(lái)紡織品表面一個(gè)清潔的原貌。這就是所謂的抗灰塵、防水智能紡織品。另一條途徑是通過(guò)紡織品后整理，通過(guò)在纖維表面改性整理，引入具有光催化降解功能的二氧化鈦，紡織品在紫外光照射下，其表面的有機(jī)污染物被分解，進(jìn)而被去除，恢復(fù)到原有的清潔表面。

在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

在軍事方面智能材料也有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。如智能材料應(yīng)用于潛水艇上，能夠改變形狀，清除湍流，使流動(dòng)的噪聲減弱，潛艇隱蔽性更好，這些智能材料或其組元材料可以通過(guò)使用特種紡織纖維或紡織品織物來(lái)實(shí)現(xiàn)。

自然界中，蜘蛛絲具有很高的強(qiáng)度、很高的彈性和韌性，能夠捕捉昆蟲(chóng)。通過(guò)模仿蜘蛛絲的這種特殊結(jié)構(gòu)，研究人員利用嵌段的軟段聚氨酯與硬段聚氨酯制成彈性纖維，用這些彈性纖維織成的紡織品在一定受力范圍內(nèi)具有良好的彈性恢復(fù)能力，也即是具有形狀記憶功能。這種紡織品有望應(yīng)用于水下潛艇表面或飛機(jī)機(jī)翼表面上智能系統(tǒng)的組元部件。當(dāng)潛艇在水下航行時(shí)，由于水的阻力，其表面能夠適應(yīng)阻力而變形，這樣能夠減小潛艇的整個(gè)阻力，當(dāng)潛艇停止航行時(shí)，其表面又恢復(fù)原樣。

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜，士兵應(yīng)穿高度智能化的作戰(zhàn)服。服裝能夠感知可能來(lái)臨的危險(xiǎn)，避免生化武器和自然環(huán)境帶來(lái)危害，既有隱蔽功能，還要輕便、易穿著。未來(lái)的這種智能作戰(zhàn)服設(shè)計(jì)思路，可從自然界仿生學(xué)的角度出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)其功能。如松果殼根據(jù)環(huán)境濕度能夠自動(dòng)開(kāi)啟和閉合；水藻的眼點(diǎn)對(duì)不同的光會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色；含羞草對(duì)外界的刺激會(huì)作出收縮曲張反應(yīng)。根據(jù)自然界中這些奇特的現(xiàn)象，可以通過(guò)士兵穿著服裝上的傳感器探測(cè)其周圍的氣體，當(dāng)探測(cè)到某種毒氣時(shí)，傳感器發(fā)出信號(hào)使頭盔中的透氣孔自動(dòng)關(guān)閉，避免士兵受毒氣傷害；由對(duì)不同光照具有變色功能的纖維制成的作戰(zhàn)服，在一定條件下，能夠更好地隱蔽；嵌有生化感應(yīng)器和超微感應(yīng)器的軍服，可監(jiān)測(cè)士兵的心率、血壓和體表溫度等指標(biāo)，辨別出受傷部位，使該部位周圍的軍服收縮，并釋放出軍服自備的消毒抗菌材料或血凝藥物等，具有一定的治療功能。

未來(lái)智能紡織品在作戰(zhàn)軍服上的應(yīng)用是一個(gè)多學(xué)科交叉的問(wèn)題，涉及仿生學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、物理、機(jī)械和電子技術(shù)等領(lǐng)域。隨著納米技術(shù)的興起，它與智能紡織材料的結(jié)合，將為今后納米智能紡織品的研究與開(kāi)發(fā)提供巨大的空間。如美國(guó)最新研制的納米軍裝及納米防彈頭盔，頭盔中的超微計(jì)算機(jī)具有防護(hù)、通訊、指揮分析以及全天候火力瞄準(zhǔn)等功能；軍服材料上的納米太陽(yáng)能傳導(dǎo)電池與超微存貯器相連，確保整個(gè)系統(tǒng)的能量供應(yīng)。當(dāng)遇到生化攻擊時(shí)，服裝材料內(nèi)的織物分子就會(huì)發(fā)生變化，不讓生物毒素進(jìn)入身體內(nèi)部。通過(guò)傳感器植入技術(shù)，在其中嵌入一些光導(dǎo)纖維傳感器，一旦傳感器接觸到某些氣體、電磁能、生物化學(xué)或其他有毒介質(zhì)時(shí)，被激發(fā)產(chǎn)生一種報(bào)警信號(hào)，提醒暴露在有毒氣體中的士兵，以提高生存能力，這就是傳感器檢測(cè)智能作戰(zhàn)服。

此外，指揮系統(tǒng)最好能夠掌握每位士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上的情況，這就需要一種智能定位紡織品或者將此項(xiàng)功能加入到作戰(zhàn)軍服上。這種服裝配有個(gè)人局域網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、電子指南針及速度檢測(cè)器。衣服中的個(gè)人局域網(wǎng)有數(shù)據(jù)傳輸、功率和信號(hào)控制等功能，可以聯(lián)入幾個(gè)裝置，它們通過(guò)一個(gè)配有小型顯示器的遙控設(shè)備進(jìn)行集中控制，小型顯示器可以置于衣袖上或佩戴在頭上。

在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

利用智能材料的自診斷、自調(diào)節(jié)、自修復(fù)功能，可快速檢測(cè)環(huán)境濕度、溫度，取代溫控線路和保護(hù)線路；利用熱電效應(yīng)和熱記憶效應(yīng)的聚合物材料可用于智能化多功能自動(dòng)報(bào)警和智能紅外攝像，取代檢測(cè)線路；利用智能纖維制作的混凝土，可取代復(fù)雜的檢測(cè)線路。未來(lái)智能紡織品在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要可以從材料本身的智能特性和具體使用環(huán)境角度考慮，利用智能纖維或紡織品的特性來(lái)構(gòu)筑智能混凝土，使之成為具有自感知、記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)等特性的多功能材料。這些特性可以有效地預(yù)報(bào)混凝土材料內(nèi)部的損傷、滿足結(jié)構(gòu)自我安全檢測(cè)需要、防止結(jié)構(gòu)潛在的脆性破壞，并能根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行修復(fù)，從而顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

將碳纖維和玻璃纖維強(qiáng)化的樹(shù)脂置于混凝土中，碳纖維是導(dǎo)體，假如碳纖維混凝土受壓炸裂，切斷碳纖維，整個(gè)建筑物的電阻增加，導(dǎo)電量改變，成為建筑物出現(xiàn)問(wèn)題的信號(hào)，而玻璃纖維卻仍保持完好，使建筑物不至于突然坍塌。這種特殊的混凝土可以用于海底建筑物，也可以用于建筑高速公路和跨海大橋。隨著自修復(fù)材料的發(fā)展，具有自修復(fù)功能的智能纖維及其制品也可以應(yīng)用到這種混凝土中，當(dāng)混凝土發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，隨著纖維的斷裂，會(huì)從纖維中釋放出“黏結(jié)劑”把裂紋牢牢地焊接在一起，對(duì)混凝土的斷裂起到一定的修復(fù)作用。

在混凝土磚及大壩上，工程結(jié)構(gòu)的過(guò)量位移或變形會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)并造成破壞。運(yùn)用光纖技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩結(jié)構(gòu)連續(xù)可靠的監(jiān)測(cè)。將光纖位移極限信號(hào)裝置潛入土工布，置于大壩底端或相應(yīng)的中間層中，可用于檢測(cè)大壩縫隙變化，光纖應(yīng)變計(jì)可用于縫隙或不透水瀝青混凝土水壩狀態(tài)變化的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，環(huán)形光纖傳感器分為兩路，分別連接壩體的兩邊，用一特別的材料封裝在大壩混凝土中心。當(dāng)應(yīng)變計(jì)用力鎖定模式安裝時(shí)，徑向變化可引起傳感器傳輸性質(zhì)的變化。光纖技術(shù)的這一特性，能為大水壩、橋梁和重要性的工程結(jié)構(gòu)所用，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的在線檢測(cè)和傷害評(píng)估。

在日常生活領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著高科技的發(fā)展和材料科學(xué)的進(jìn)步，材料的加工技術(shù)日新月異，這給智能材料尤其是智能紡織品的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。智能纖維、智能紡織品以及由他們作為組元材料構(gòu)建的智能系統(tǒng)，不但在生物、醫(yī)學(xué)、航空航天、環(huán)境衛(wèi)生、軍事、建筑等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，而且在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用也越來(lái)越廣泛。

隨著生活水平的提高，人們對(duì)服裝的追求不再是簡(jiǎn)單的保暖御寒，越來(lái)越多的新穎、特殊且智能的元素被引入進(jìn)去，不僅滿足了人們的基本需求，而且實(shí)現(xiàn)了一些特殊的功能。如變色紡織品，與普通紡織品一樣穿著舒適，可隨意折疊、洗滌和進(jìn)行各種整理，在此基礎(chǔ)上植入其它特殊功能，同時(shí)各種電子產(chǎn)品直接嵌入面料中，使變色紡織品與普通紡織品看起來(lái)沒(méi)什么兩樣。尤其是針對(duì)普通消費(fèi)者的紡織品，不僅要有強(qiáng)大的功能性，還要符合美學(xué)和時(shí)尚的要求，它需要將時(shí)尚與科技結(jié)合到紡織品中，才能被人們所喜愛(ài)。智能防水透紡織品是使水滴（或液滴）不能滲入織物，而人體散發(fā)的汗氣能通過(guò)織物擴(kuò)散傳遞到外界，不致于在衣服和皮膚間積累或冷凝，感覺(jué)不到發(fā)悶現(xiàn)象的功能性織物。它是在人類為抵御大自然的侵害、不斷提高自我保護(hù)的情況下出現(xiàn)的，集防風(fēng)、雨、雪；御寒保暖；美觀舒適于一身的高技術(shù)紡織品。以蓄熱調(diào)溫纖維基元材料開(kāi)發(fā)的智能保溫紡織品，具有積極式的主動(dòng)保溫功能，穿著智能調(diào)溫紡織品的人體與外界環(huán)境之間的熱量流動(dòng)減少或者被中斷，從而在人體與外界環(huán)境之間建立一種相對(duì)的動(dòng)態(tài)熱平衡，對(duì)人體起到積極的溫度調(diào)節(jié)作用。不僅能令人們?cè)趪?yán)冬感到溫暖如春，在酷暑也能感到絲絲涼意。形狀記憶纖維可以制成不同的產(chǎn)品，如泳衣、緊身衣等?？梢灾苯訖C(jī)織成針織品、襪口和其他衣物的領(lǐng)口、袖口。此外，通過(guò)在服裝中植入智能元件和電子產(chǎn)品，可開(kāi)發(fā)音樂(lè)服裝、電子服裝等，隨著今后電子信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，智能電子服裝必將受到越來(lái)越多的關(guān)注，多功能與多智能化將成為主流趨勢(shì)。此外，一些特殊的智能材料如光致變色纖維、熱致變色纖維和溫敏變色纖維及其組元系統(tǒng)，已被逐漸應(yīng)用在床罩、燈罩、浴罩、窗簾、汽車內(nèi)飾等裝飾領(lǐng)域，并且顯示出良好的前景。