智能纤维及纺织品最新进展——神奇而实用

中国化学纤维科技大会智能纤维及纺织品最新进展——神奇而实用6月20～21日江苏海安前言•智能纤维、小型智能元器件和可穿戴式智能纺织品，在近年来发展神速。•仅1年半的国际智能纺织品展览会和学术会议就有5次，2016年3月15～16日伦敦可穿戴技术展览会开幕、2016年4月11日智能纺织品高峰论坛在华盛顿召开、2017年3月8～9日智能访织品会议在奥地利WoIfurt举行。•可穿戴式智能元器件及服装的发展，得益于纳米材料的发展、电池和计算器的小型化和轻量化、手机和移动网环境的普及、声音和画像识别及传感器等跨界先进技术的发展。•智能纤维及其纺织品的迅猛发展，为传统纺织品带来了革命性的变革和巨大的巿场机遇。一.全球智能纺织品市场与投资开发情况•早先的可穿戴式智能元器件主要是智能表类，有手表型、手腕带式或挂胸式和眼镜型产品，而最近出现在衣服里组装微型或薄型传感器，可测量身体的各种信息叫智能服装，到2016年其巿场已达到手腕型的规模。•前者主要用于检测脉搏和心跳数，来管理运动者日常的运动能力,而后者除脉搏和心跳外还可测定心电图等，使人们从自我健康管理发展到护理和医疗领域的身体信息管理。•根据国际产业用织物协会（IFAI）的统计，2015年美国智能纺织品的巿场份额约占全球45%，2016年将以27%的速率増长。•无论美国或全球市场的发展，都与世界人口、GDP、特别是中国高速工业化的发展密切相关。•约27%的最大智能纺织品巿场是交通运输，包括加热椅和安全带膨胀体，20%是产业和商用领域，主要是警察和消防员的常用智能纺织品装备，20%为体育和健康产业，8%为时装行业，7%为医用材料，而后者正以23%的年增长率发展。•据预测，今后5年内智能服装将比智能手机卖得好，这是由于全球人口的急增和新一代年轻人的青睐。•军工一直是高技术创新的＂现实孵化器＂，有助于促进智能纺织品巿场由摩托车服向体育休闲用品过度。•智能眼镜的装货量，2016年约1000万只，到2019年将増长至10亿只。•然而，2016年美军所消费的智能纺织品，却从2013年的22亿美元降至15亿美元，这是由于美军从伊拉克和阿畗汗撤退而缩减战争预算之故。•将来在产业、城市互联网年轻消费群体、需要运用高技术来及时跟踪其健康情况突发变化的孕妇、以及正在成长的长期对可穿戴技术纳米化和小型化感兴趣的人们，将有非常光明的市场前景。•前美国商务部长认为，商务部的作用在于在工业领域创造条件去帮助有风险和有创新理念的合作方提供资金支持，以最大限度扩充其企业并给企业带来繁荣，其中包括推动智能纺织品的发展。•美国国防部与麻省理工大学所组织的由89家制造商、大学和非盈利机构组成的国际合作组织，结成合作联盟开始研发革命性纤维及其纺织品。•美国政府赞助7500万美元，私人企业、非盈利机构和地方政府出资1.5亿美元，使时尚业巨头RaIphLauren看到消费者的实际需求、看到这是国家发展的新动力和人们追求创新与重振美国的愿望，决定投资该项目。•该公司将MP3置入服装内、将紧急呼叫装置嵌入滑雪运动员的夹克中，而最近的创新点是开发可测量消费者核心生物统计数据的衬衫，包括紧张程度、心跳和呼吸。•它是利用传感器把工人的健康数据输入仪器中，使管理者通过该衬衫和电话可及时掌握劳动者的工况，当他开始累了便及时更换工种，若操作者适应则可以加大工作量。•Intel公司也参与投资，因为智能纺织品带来的创新可开创和实现新市场，而且有㽖于加速现有业务的发展。•美国Propel公司是专研发智能纺织品并推向市场的厂家，也寻求扩大现有消防员的智能服系统的巿场。将生理监控技术附加入嵌有多种电子传感器的带子中，就能随时得知消防员在何处及其工作状况。•该公司还为美国海军开发智能一体化制服，可允许信息流进出。还为潛艇水兵创制新的先进制服，可以监控艇内的损坏情况。•欧洲的中小企业认为，把导热、导电和发电功能与轻量、防水智能纺织品结合起来，就可以应用于广阔的应用领域。•Denkendorf的纺织技术与工艺工程研究所（ITV），通过研发具有动力传递织物、发光纺织品和老年人救助系统的智能功能纺织品，为汽车、建筑、服装和内饰设计领域，带来了巨大的潜在收益，也为能量技术和医疗技术部门提供收益。•瑞士SefarHoIding公司是专业生产丝网印刷和过滤精密织物的厂家，最近开发电子用织物和用于透明和不透明导电纺织品，用于OLED（有机半导体照明）技术，还开发了在过滤过程能测量温度和降低热量的纺织品，年效益2.62亿欧元。•奥地利Texible公司瞄准老龄社会，开发了一种能给护理人员传递湿度的失禁床，2017年将投入市场，•德国StrickmanufakturZeIIa公司开发了一种伤残人用的智能夹克，可使使用者直观地通过袖套无线开关几种设备。•日本东洋纺开发开发了智能传感服，是把聚合和改性、加工、生物三大核心技术相结合制成的，即导电浆料、薄膜、树脂技术和舒适性评价技术相组合而成。•我国在智能纤维及纺识品研发方面相对滞后，但发展势头较快。二.智能纤维与智能纺织品的制备•智能纤维与纺织品须具备以下三种特点之一：a.能主动支持运动者的体能和身体功能，b.提供监控和传输功能等，c.遥控医疗应用与安全系统的相互作用。1.智能纤维•根据不同智能纺织品及可穿戴式电子产品的需求，可选用导电纤维、光导纤维、散射型光纤、纳米纤维及非织造布、压电纤维、调温纤维和变色纤维等基础功能纤维。1.1光导纳米纤维•欧盟基金有一项NANO-JETS计划，要开发釆用静电纺的更高效生产纳米尺寸的光散射纤维，用作智能服装传感器的核心纤维，可以和环境或可穿戴装备起作用。•意大利Salento大学承担该项目，利用上述纳米纤维可快速改进生物医疗器件，可使监控健康用的可穿戴和高柔性电子装备组装入服装中。•该150万欧元基金的五年计划将持续到2018年，计划达到的指标是纤维直径为1和100nm，具有警人的强度、柔曲性和导电性。•所用的设备是已商品化的㨗克Elmarco公司生产的，如图1所示。图1.EImarco公司的Nanospider静电纺装置NS451000U•所选用的聚合物要能在新型激光光源下有效散射出光芒，溶剂的选择致关重要，要在低氧和湿度的氮气氛中静电纺丝，所得纤维如图2所示。图2.欧盟基金支持的NANO-JETS计划所研制的聚合物纳米纤维的扫描电镜图1.2导电纳米纤维席•美、韩研究人员共同研发具有导电和透明的金属镀层纳米纤维，有了它就容易制备柔曲的LED、显示器、触摸屏、太阳能电池、智能窗等所需的透明导电电极。•镀层材料过去多选用铟-锡氧化物（lT0），因为可提供高透明性和低电阻间的合适平衡需求，问题是低电阻需高移动电荷载体，而这会降低透光性。•伊利诺斯大学、布法罗大学和韩国大学通过静电镀铜的静电纺丝聚合物纳米纤维，开创了高导电又透明的薄膜制造技术世界记录，如图3所示。图3.釆用静电纺和电镀法制成的自连接镀銅纳米纤维透明柔性膜（T=97%而Rs=0.42欧姆sq-1）•该法无需低温和高真空条件，就可大批量连续生产廉价的导电电极。1.3塑料光导纤维（P0F）•一般光通信或导光用塑料光纤，希望纤维侧面在光传输过程损耗小，而德国RWTHAachen大学和荷兰Maastricht大学，为研发夜间车内智能发光的内饰材料，研制了经向发光的新型P0F，即整条光纤发光。•这种内饰光所放出的合适光度可营造舒适的环境，有助于缓和司机的疲劳、増加乘客安全感和舒适感。•P0F材料为生物质热塑性聚氨酯，纺丝后将它组合入合适纺织结构的纺织品中，再与载体衬垫组装在一起，如图4所示。图4.开发一体化具有表面光亮的内饰部件的路经•图5a示出发光纺织品隔着半透明木材接触到单光源，5b示出0.3mm厚半透明木材被发亮纺织品照亮。图5•图6a示出显示器的图解设计，6b未点亮的显示器，6c点亮的显示器。图61.4生物变色纤维•哈佛大学和Exeter大学利用margaritarianobilis果的分子结构与一种弹性材料分子相结合而制成一种纤维，在受到拉伸时会不断改变颜色，显出彩虹全系列的人造变色纤维。•它具有优良的力学性能、色泽和可调色功能，其时尚纺织品或运动服在受热和压力作用下，如肌肉拉伸时就会变色，今后有望规模化生产。•图7是另一种变色纤维内衣，在手拍压力下会变色的纤维。图7.受压下即变色的休闲内衣1.5新型调温纤维•挪威SlNTEF、瑞典SwereaIVF和徳国TlTK公司承担欧盟研发基金，通过芯鞘型熔纺双组分纤维或在溶液纺纤维素纤维中均匀分散相变粉体（PCM）而达成。•前者适用的热塑性聚合物有PP、PLA、PET、PA6与PCM混成的调温纤维，如石蜡与P0粘度改性剂制成的双组份纤维，强度大于20cN/tex，在27～36℃范围内具有60J/g以上的潜热。•后者可选择含线形烷基醚作为PCM的纤维素，在硅酸盐纳米粘土存在下，以N-甲基吗啉-N-氧化物为溶剂纺成新型LyoceIl纤维，可进行后处理和染色。1.6压电纤维与线绳1.6.1聚偏氟乙烯芯-鞘型纤维•德国RWTHAachen纺织技术研究院等研发了渗透有碳纳米管（CNT）网的导电PP为芯材、具有压电特性的聚偏氟乙烯为鞘材，两者进行皮芯型复合熔纺而得。•图8示出其复合纺丝示意图，其中1为料斗，2为挤出机，3为纺丝泵，4为芯鞘型喷丝板，5为纺丝油剂，6为双辊，7为单辊，8为卷绕机。•图9示出导电PP/CNT芯、PVDF鞘和导电表面的熔纺双组份纤维示意图。图9.双组份压电纤维结构示意图1.6.2聚乳酸（PLA）纤维压电线绳或线带•帝人公司与关西大学共同开发了世界首创的使用PLA纤维的线带状可穿戴传感器＂压电线带＂，是由作为芯材的导电纤维上卷覆PLA压电纤维而成。•它具有同轴电缆和电磁学的同样功能，可以屏蔽电波和人所产生的噪音，并具备可穿戴用材料所需的高感度和低噪音。•纤维长度可对应从数cm到数m的区间，丝径为0.3～0.4mm，可进行刺绣和织布，当制成饰带时就成为只对脉搏等特定振动有感知的传感器。•所谓压电体是指受压时能产生电能，反之施加电能时具有伸缩特性的总称，可用于开关等传感器和音响等的执行元件。•2016年帝人将聚L乳酸与聚D乳酸纤维所积层的富有透明性和柔软性的压由织物，开发成具有依存荷重的电压产生和减退的＂压电罗拉＂。2.智能纺织品2.1全球首款智能联网衬衫问世•国外最近推出名为10eleven9的知能量衬衫，衣服胸部设磁铁元件，客户可自行更换所需的传感器模块，如内置的生物传感器就可发出振动来纠正你的坐姿或站姿。2.2东洋纺开发衣服中装有人体信息传感器的智能服•东洋纺所开发的COCOMI传感器电极和配线一体化薄膜片材，如图10所示。图10.COCOMl（商标）模式图•导电片材是釆用该公司生产的共聚聚酯＂Hylon＂薄膜上涂覆导电浆料制成，而具有伸缩性导电浆料制成的配线也有拉伸性，比电阻100μ欧姆•cm。•所构成的片状电极厚度为0.3mm，当接触皮肤时，由于人体的动作，电极和配线也随皮肤伸展，即使伸长2倍以上也不会断线。•如果加上硬件就产生独有的＂感觉检恻技术＂软件，嵌入衣服中后通过接触人体的衣服压，就可测得心电图、呼吸数、皮肤温度、发汗和血压等人体信息。•图11示出在T裇衫背面构成智能传感服的电极与配线的COCOMl图，而图12示出釆用COCOMl的智能传感服。图11.T裇衫背面示意图图12.COCOMl智能传感服•它比釆用导电纤维的传感器，电极和配线的形状和配置不受限，通过热压容易贴附，衣服的设计自由度高，通过利用感觉测定技术，可得到精确度更高的人体信息。2.3能检测心率的纺织品•JabilCircuit公司与创新智能服装厂家Peak、生产心率检测器厂家Suunto和运动、舒适度与健康生理分析提供者Firstbeat公司合作，共同推出能检测内率的纺织品。•Peak负责将嵌入电子元件的服装和纺织品，更舒适、耐久和方便。•Suunto负责无线发射器，把从服装传感器收集的精准测试数据传送到智能手机中，提供易于跟踪HRM数据的设备。•Firstbeat给予分析HRM数据的专利权，