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，來開發(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\斷需要大量的觀測數(shù)據(jù)，而生物傳感器可測定如溫度、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”來探測心跳、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)測等。

未來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)過程中的工藝性不穩(wěn)定，如何避免構(gòu)件內(nèi)部的缺陷，對飛機(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)用于對復(fù)合材料的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與損傷評(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?、腐蝕、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、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，未來在復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用上，可以通過纖維的智能化或者植入具有智能功能的組元，來獲得整體上具有智能作用的部件。通過在纖維中加入溫敏物質(zhì)來獲得溫敏纖維，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。另一條途徑是通過紡織品后整理，通過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。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使用特種紡織纖維或紡織品織物來實(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。通過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臨的危險(xiǎn)，避免生化武器和自然環(huán)境帶來危害，既有隱蔽功能，還要輕便、易穿著。未來的這種智能作戰(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)開啟和閉合；水藻的眼點(diǎn)對不同的光會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色；含羞草對外界的刺激會(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，可以通過士兵穿著服裝上的傳感器探測其周圍的氣體，當(dāng)探測到某種毒氣時(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發(fā)提供巨大的空間。如美國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，取代檢測線路；利用智能纖維制作的混凝土，可取代復(fù)雜的檢測線路。未來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)自我安全檢測需要、防止結(jié)構(gòu)潛在的脆性破壞，并能根據(jù)檢測結(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)對大壩結(jié)構(gòu)連續(xù)可靠的監(jiān)測。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)變化的長期監(jiān)測，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)用也越來越廣泛。

隨著生活水平的提高，人們對服裝的追求不再是簡單的保暖御寒，越來越多的新穎、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沒什么兩樣。尤其是針對普通消費(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。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的動(dòng)態(tài)熱平衡，對人體起到積極的溫度調(diào)節(jié)作用。不僅能令人們在嚴(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，通過在服裝中植入智能元件和電子產(chǎn)品，可開發(fā)音樂服裝、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越多的關(guān)注，多功能與多智能化將成為主流趨勢。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。