（纺织工程专业论文）微波低温等离子体引发聚合p（ampsnipa）凝胶及其智能纺织品的研究.pdf

摘要 摘要 本文以设计的新型p ( a m p s n i p a ) 二元智能凝胶为机敏材料，将其应用于纺织品 上，研发具有温度和p h 值双响应能力的智能纺织品。通过凝胶的吸水溶胀和失水收 缩作用，封闭或敞开纺织品的纱线及纤维问的缝隙，使得织物的耐静水压、透湿性、 透气性等服用性能指标得以智能调节，随外界环境因素( 如：温度和p h 值) 的变化而 变化。 首先用删p s ( 2 一丙烯酰胺一2 一甲基丙磺酸) 单体的微波低温等离子体引发聚 合了p a m p s 凝胶，通过正交设计初步探讨了微波低温等离子体处理时间、功率、交联 剂浓度、单体浓度和聚合温度等因素对p a m p s 凝胶性能的影响：并对凝胶的p h 敏感 性和温度敏感性进行了研究。结果表明，p a m p s 凝胶具有很高的吸水能力和溶胀比， 同时对p h 值有较强的响应能力。 在此基础上，结合n i p a ( n 一异丙基丙烯酰胺) 的结构特征和p n i p a 的温敏性， 用微波低温等离子体引发聚合了p ( a m p s n i p a ) 二元智能凝胶，详细探讨了微波低 温等离子体处理功率、处理时间、总单体浓度、a m p s 单体浓度、交联剂浓度及聚合 反应温度等因素对p ( a m p s n i p a ) 二元凝胶溶胀性能的影响；并对其三维交联结构、 热稳定性、失水一吸水动力学、温度敏感性、p h 敏感性、体积复原性等进行了研究： 确定了适合微波低温等离子体引发聚合p ( a m p s n i p a ) 一- - 元智能凝胶的最佳工艺。研 究表明，p ( a m p s n i p a ) 二元智能凝胶具有高的溶胀比，较好的失水吸水可逆性、 体积复原性和响应速率，同时对温度和p h 值有良好的响应性。 此后用微波低温等离子体引发纺织材料的接枝聚合反应，分别研究了棉针织物接 枝a m p s 和棉、涤棉混纺针织物接枝a m p s n i p a 二元单体，使智能凝胶以接枝的方 式添加到纺织材料上；详细探讨了微波低温等离子体处理功率和时间、总单体浓度、 a m p s 单体浓度、交联剂浓度及聚合反应温度和时间等因素对增重率( 接技率) 的影 响，通过正交设计、方差分析及数理统计对各影响因子进行分析，确定了微波低温等 离子体引发接枝聚合的最佳工艺条件；对接枝纺织材料的失水一吸水动力学、温度敏 感性、p h 敏感性等进行了研究；对接技前后棉、涤棉混纺针织物的静水压、透湿性 和顶破强力等服用性能指标进行了对比和综合评价。研究表明，p ( a m p s n i p a ) 二元 智能凝胶接枝到纺织材料后，仍具有较好的温度敏感性、p h 值敏感性以及较好的失 水一吸水可逆性和响应速率，但溶胀比有所下降；接技后织物的耐静水压有大幅度提 高，透湿性有所下降，顶破强力有所降低。 关键词：微波低温等离子体，引发聚合，凝胶，智能纺织品，p ( a m p s n i p a ) 二元 智能凝胶，温度敏感性，p h 敏感性 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a sas m a r tm a t e r i a l t h ep ( a m p s n i p a ) d u a l i s t i ch y d r o g e l ，w h i c hw a s n e w - s t y l ea n di n t e l l i g e n t ，w a sa p p l i e dt ot e x t i l e st od e v e l o pi n t e l l i g e n tt e x t i l e sw h i c hh a d b o t ht e m p e r a t u r ea n dp hr e s p o n s i v ec a p a b i l i t y t h eg a p sb e t w e e ny a m so rf i b e r sb e c a m e c l o s e do ro p e n e db ym e a n so f t h es w e l l i n ga c t i o na f t e ra b s o r b i n gw a t e ro rs h r i n k i n ga c t i o n a f t e rr e l e a s i n gw a t e ro ft h eh y d r o g e l ，w h i c hc o u l dm a k et h ep e r f o r m a n c e sa n di n d e x e so f t h em o d i f i e dt e x t i l e ( s u c ha sh y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，m o i s t u r ep e r m e a b i l i t y , g a st r a n s m i s s i o n ， e t c ) a d j u s t e di n t e l l i g e n t l ya n dc h a n g e dw i t ht e m p e r a t u r ea n dp hv a l u e f i r s t l y , p a m p sh y d r o g e lw a ss y n t h e s i z e dw i t h2 - a c r y l a m i d o - - 2 - m e t h y lp r o p a n es u l f o n i c a c i d ( a m p s ) ，w h i c hw a si n i t i a t e db ym i c r o w a v el o wt e m p e r a t u r ep l a s m a t h ei n f l u e n c e s o ft h ef a c t o r so nt h ep r o p e r t i e so fp a m p sh y d r o g e l ，s u c ha st r e a t m e n tt i m ea n dp o w e ro f p l a s m a , c o n c e n 仃a t i o n so fc r o s s l i n k i n ga g e n ta n dm o n o m e r , p o l y m e r i z i n gt e m p e r a t u r ee t c ， w e r ed i s c u s s e dt h r o u g ho r t h o g o n a ld e s i g n p h - s e n s i t i v i t ya n dt e m p e r a t u r e - s e n s i t i v i t yo f p a m p sh y d r o g e lw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp a m p sh y d r o g e lh a d h i g h e rc a p a b i l i t y o fa b s o r b i n gw a t e r , l a r g e r s w e l l i n gr a t i oa n ds t r o n g e rr e s p o n s i v e c a p a b i l i t yt op hv a l u e s e c o n d l y ,a c c o r d i n g t o t h ec o n s t r u c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co ft h e n i s o p r o p y l a e r y l a m i d e ( n i p a ) a n dt h et e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y o fp n i p ah y d r o g c l ， p ( a m p s n i p a ) d u a l i s t i ch y d r o g e lw a ss y n t h e s i z e db ym i c r o w a v el o wt e m p e r a t u r ep l a s m a t h ee f f e c t so ft h ef a c t o r so nt h es w e l l i n gc h a r a c t e r i s t i co fp ( a m p s n i p a ) d u a l i s t i c h y d r o g e l ，s u c ha st r e a t m e n tt i m ea n dp o w e ro f p l a s m a , c o n c e n t r a t i o n so f c r o s s l i n k i n ga g e n t a n dt o t a lm o n o m e r s ，p r o p o r t i o no fa m p s ，p o l y m e r i z i n gt e m p e r a t u r ee t c ，w a sd i s c u s s e di n d e t a i l t h et h r e ed i m e n s i o n s s t r u c t u r e ，t h e r m o s t a b i l i t y ， r e v e r s i o n a lv o l u m e ， s w e l l i n g d e s w e l l i n gk i n e t i c s ，t e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t ya n dp h - s e n s i t i v i t yo ft h eh y d r o g e l w e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h eo p t i m a ls y n t h e s i z i n gt e c h n i c so fp ( a m p s n i p a ) d u a l i s t i c h y d r o g e li n i t i a t e db ym i c r o w a v el o wt e m p e r a t u r ep l a s m aw a sc o n f i r m e d t h ei n v e s t i g a t i o n d e m o n s t r a t e dt h a tt h ep ( a m p s n i p a ) d u a l i s t i ch y d r o g e lh a dl a r g es w e l l i n gr a t i o ，g o o d t e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y ，p h s e n s i t i v i t y ，s w e l l i n g d e s w e l l i n gr e v e r s i b i l i t ya n dr a p i d r e s p o n s i v ea b i l i t y f i n a l l y , t h eg r a f t i n gp o l y m e r i z a t i o no ft e x t i l em a t e r i a l si n i t i a t e db ym i c r o w a v el o w t e m p e r a t u r ep l a s m aw a sc o n d u c t e d k n i t t e dc o t t o nf a b r i cw a sg r a f t e db ya m p sf i r s t ，t h e n k n i t t e dc o t t o na n dt e r y l e n e c o t t o nf a b r i c sw e r eg r a f t e dw i t ha m p s n i p ad u a l i s t i c m o n o m e r sr e s p e c t i v e l y b ym e a n so f g r a f t i n gp o l y m e r i z a t i o n ，t h ep ( a m p s n i p a ) d u a l i s t i c a b s t r a c t i n t e l l i g e n th y d r o g e lw a sa d d e dt ot e x t i l e t h ei n f l u e n c e so ft h ef a c t o r so na d d o n ( g r a f t i n gr a t i o ) ，s u c ha st r e a t m e n tt i m ea n d p o w e ro fp l a s m a ，c o n c e n t r a t i o n so fe r o s s l i n k i n ga g e n ta n dt o t a lm o n o m e r s ，p r o p o r t i o no f a m p s ，p o l y m e r i z i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m ee t c ，w a ss t u d i e df u l l y t h eo p t i m a lc o n d i t i o n s o fg r a f t i n g p o l y m e r i z a t i o n i n i t i a t e d b ym i c r o w a v el o wt e m p e r a t u r ep l a s m aw e r e d e t e r m i n e db yo r t h o g o n a id e s i g n ，v a r i a n c ea n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sm e t h o ds o a st o a n a l y z e t h em a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r s t h e ns w e l l i n g d e s w e l l i n gk i n e t i c s ， t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v i t ya n dp n s e n s i t i v i t yo f g r a f t e dt e x t i l ew e r es t u d i e d t h ep e r f o r m a n c e i n d e x e so fh y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，m o i s t u r ep e r m e a b i l i t ya n db u r s t i n gs t r e n g t ho ft h ek n i t t e d c o t t o na n dt e r y l e n e e o t t o nf a b r i c sb e f o r ea n da f t e rg r a f t i n gw e r ec o m p a r e da n de v a l u a t e d s y n t h e t i c a l l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta f t e rp ( a m p s n i p a ) h y d r o g e lw e r eg r a f t e do nt h e t e x t i l e s ，g o o dt e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y , p h s e n s i t i v i t y , s w e l l i n g d e s w e l l i n gr e v e r s i b i l i t ya n d r a p i dr e s p o n s i v ea b i l i t yc o u l ds t i l lb eo b t a i n e do nt h em o d i f i e df a b r i c s ，b u tt h es w e l l i n g r a t i od e c l i n e do b v i o u s l y t h eh y d r o s t a t i cp r e s s u r eo fg r a f t e df a b r i c si n c r e a s e dg r e a t l y t h e m o i s t u r ep e r m e a b i l i t ya n dt h eb u r s t i n gs t r e n g t ho ft h eg r a f t e df a b r i c sd e c r e a s e d s l i g h t l y f k e yw o r d s j m i c r o w a v el o wt e m p e r a t u r ep l a s m a , i n i t i a t i n gp o l y m e r i z a t i o n ，h y d r o g e l ，i n t e l l i g e n tt e x t i l e ， p ( a m p s n i p a ) d u a l i s t i ci n t e l l i g e n th y d r o g e l ，t e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y , p h s e n s i t i v i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得丞注王、业盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：勇谁知 笺字b 期2 砰年堋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼姜些叁堂奄关保留、使用学位论文的规定。特 授权丞整王些态堂可以将学位论文的全部或部内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编文供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印j 牛和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：马蛳挪签名= 叼妒红 签字日期j 卯争年，工月二d 目 签字目期：z 和年土月却目 论文的创新点 本论文的主要创新点 1 结合智能纺织品对机敏材料的特殊要求，对智能凝胶的结构特点、敏 感性产生机理以及结构对性能的影响等方面进行了研究；针对一元凝 胶的不足，提出了研发种具有温度和p h 值双响应能力的高溶胀比 智能凝胶的设想，并对其结构进行了设计：将具有高吸水能力和p h 敏感性的f ) a m p s 凝胶与典型的温度敏感性凝胶p n i p a 相结合，合成制 备了环境敏感性优良且体积相变显著的p ( a m p s n i p a ) 新型二元( 单体) 智能凝胶。研究表明，这种p ( a m p s n i p a ) 二元智能凝胶集a m p s 和n i p a 的基本特征结构于一体，兼有p a m p s 和p n i p a 的特性，即：很高的吸 水能力和溶胀比，同时具有温度和p h 值双响应能力，符合实际应用 的要求。 2 采用微波低温等离子体引发聚合的方法，制备p a m p s 和p ( a m p s n i p a ) 二元智能凝胶。这种聚合方法用反应单体( 固、液、气相均可) 自身蒸 气的等离子体对反应单体进行短时间处理，完成引发过程：再将被引 发单体在适当条件下进行聚合，这是一种全新的聚合方法。它是以放 电频率为2 4 5 g h ：的微波低温等离子体为引发源，反应速度快，无需 加入引发剂、催化剂；产品纯度高，可大大降低有害物排放，减少对 环境的污染，与传统的化学引发聚合法相比有着明显的优势。目前这 种以微波低温等离子体引发合成p ( a m p s n i p a ) 二元智能凝胶的方法 尚未见报导。 3 以凝胶为机敏材料，将p ( a j l 4 p s n i p a ) 二元智能凝胶与纺织材料相结 合，研发具有温度和p h 值双响应能力的智能纺织品。采用a r 微波低 温等离子体引发，使a m p s n i p a 二元单体在棉和涤棉针织物上接枝聚 合，将p ( a m p s n i p a ) 二元智能凝胶添加到纺织品上，使织物的透湿性、 透气性、静水压等服用指标具有随环境温度、p h 值等因素的变化而自 动调节的智能性；在智能纺织品的发展过程中进行了一种新的尝试并 提供了一个新的途径，此种研发路线及方法目前尚未见报导。 第一章绪论 1 1 智能纺织品及其发展 第一章绪论 1 1 1 “智能”的概念与智能纺织品 智能原指生物体所具备的对外界刺激产生响应的本能。随着科学技术的不断发 展，人类在仿生学领域的重大突破，智能的概念已不再是仅仅局限于生物体的范畴， 如今它已被广义为物质能获取、存储知识并运用知识解决问题的能力，它临摹生物体 的感知、反馈和响应三大要素。 传统的服装主要通过控制人体与外界环境之间的热辐射、热传导和热对流，来起 到维持体内正常温度的作用，这是服装最基本的也是最原始御寒功能。自古以来，服 装用纺织品的性能几乎完全取决于纤维原料自身的性质，服装的功能长期未能摆脱单 一的御寒保温作用。然而，从2 0 世纪7 0 年代末，尤其是8 0 年代初，生活水平的提 高，使人们改变了对服装的认识，对服装的要求有了很大的变化，逐步转变为对服装 的“舒适性”、“功能性”、“智能性”的追求，服装生理学和功能、智能纺织品的 概念开始引入市场，传统的纺织品市场突然开发了一条新的机会，并受到国际纺织业 的关注。 智能纺织品( i n t e l l i g e n tt e x t i l e ) 是近些年才出现的纺织新品种，它具有对外 界刺激感知和反应的能力，并且具有适应外界环境的能力，它是机敏材料与纺织品的 有机结合，同时也是传统的纺织服装技术与材料科学、仿生科学、传感技术、通讯技 术、人工智能、生物技术和先进的加工工艺有机的结合。通常智能纺织品除了具有较 多功能性外，它总是或应是能感应外部条件来改变其性质而给纺织品带来新的益处， 所以又被称为“能独立思考的纺织品”。由于智能纺织品的性能直接取决于添加于其 上的机敏材料，远远超出了纤维原料自身的性质，因此智能纺织品的研发往往与机敏 材料的研究成果密切相关，而且具有与多学科相交叉和综合的特点。 1 1 2 用于纺织品的机敏材料 智能纺织品的发展首先要取决于机敏材料的开发水平，这是智能纺织品开发的前 提，也是各国纺织工作者多年来重点研究的课题。所谓机敏材料( s m a r tm a t e r i a l ) 就是指对某给定的特别的激励能进行判别并按预定方式做出反应，具有感知、反馈 和响应三重功能的材料。它通过自身的或外界的某种反馈机制，能够实时地将材料的 一种或多种性质改变，并作出人们所期望的某种响应：它不仅具有感知功能、信息处 理功能和执行功能，还可以自动调节，并具有自诊断、自适应、自修复、损伤抑制、 寿命预报等能力，表现出动态的自适应性。 第一章绪论 目前从国内、夕 的研究状况来看，可用于纺织品的机敏材料按其对外显示的特性 分主要有以下几类： 1 1 2 1 相变材料 此类相变材料( p h a s ec h a n g em a t e r i a l ) ，在一定环境温度下，能发生相的转变： 即在高温时吸收热能、储存能量，呈熔融相，当环境温度降低时，又可释放热能，将 放出能量，呈结晶相。它的相变温度应接近自然环境温度：相变热要较高，热储、放 能力要强。 许多实用的相变材料正处于深入研发阶段，相变材料热量储、放性能在服装中的 应用已有文献报道“1 。当热通过相变材料被吸收或释放时，在穿衣者和环境之间建 立了热阻，使得通过服装的热流被阻断，起到了恒温作用。实际应用时，相变温度是 最重要的因素，通常应接近自然环境变化的温度；另外成本、毒性和实用性等因素也 要予以考虑。 1 1 2 2 光( 热) 敏变色材料 颜色在织物纺织品中起着重要的作用。此类变色材料( c o l o u rc h a n g eg a t e r _ i a j ) 在特定的外界刺激下( 如：光、热等) ，也可以选择性改变颜色或显出颜色。 已成功应用在纺织品上的变色材料有：液晶类和分子异构、重排类两种。 光敏变色材料利用液晶对光的选择性反射而引起了颜色的变化。反射光的波长 由液晶折射指数和分子螺旋反排列的间距决定，间距长度随外界条件( 如：温度) 变 化时，反射光波长也发生改变，导致了色谱的逐渐变化。 热敏变色材料是当温度改变时材料分子结构的产生异构或重排，而使颜色发生 变化。 目前在亚洲已经开发了许多具有热变色和光变色性能的纺织品，研究表明，有 多种变色材料适合应用于纺织品。 1 1 2 3 可呼吸材料 促进水及汗气的调节是现代纺织品的重要指标之一。可呼吸材料( b r e a t h a b l e m a t e r i a l ) 结构内含有贯通的、弹性的孔腔，当材料弯曲形变时，孔腔也随着变形， 并产尘虹吸现象，构成可排除汗气的微型“泵”。这种材料被复合到织物上后能保持 较高的温度以阻止汗水冷凝，滞留于织物下部的蒸气被该材料中的微型“泵”排除。 每个“泵”基本上是由一个变形孔腔和一个出气口组成。在使用过程中，依靠织物的 弯曲作用，蒸气从孔腔中释放。随着身体活动的加剧，泵的功能也相应提高，因而材 料的排除汗气能力与穿着者运动出汗的程度相适应。 第章绪论 1 1 2 4 形状记忆材料 目前的形状记忆材料( s h a p em e m o r ym a t e r i a l ) 主要包括形状记忆高聚物和形 状记忆合金两大类。 形状记忆高聚物发生形变至某一形状时，若将其置于某一环境温度下即可恢复至 原有形状，而达到形状记忆效果。目前新型的形状记忆高聚物主要是聚氨酯类物质， 恢复温度从一3 0 至1 0 0 不等。将这种形状记忆材料施加于服装的两料相邻层内，可 提供在极端热或冷情况下更广泛的保护：当衣服外部温度显著降低时，聚氨酯膜作出 响应，膜从平面状变成凹凸不平的皱面，使衣服层间的空气孔变大，增大了空气层的 热阻，防止服装内部热量的外流，可起到很好的热保护作用。反之，当外部温度显著 升高时，服装具用很好的散热作用。 形状记忆合金( 如镍钛合金) 存在一个激活温度。在激活温度上下显示出不同 的性能：在激活温度以下合金很容易变形。当达到激活温度时，合金很容易恢复至原 有预设置的形状并变得更坚硬。激活温度可通过改变镍和钛在合金中的比例来调节。 实际上形状记忆合金在激活温度以下一般都是弹簧状，但在激活温度以上则变成伸展 状。如把此种物质置于服装的织物层间，在激活温度以上层间的空隙就明显扩大，从 而增大了空气层的热阻，起到很好的热保护作用。反之，则具用很好的散热作用。 1 1 2 5 光敏显示材料 美国a u b u r n 大学开发的研究课题涉及到属于纺织材料的光敏纤维9 。通过把在 电磁波可见区能够发生颜色变化的分子和低聚物掺入到纤维中或纤维上，再施加静态 或者动态电场，研制出可以调节颜色的纤维和纤维复合材料。这种光敏纤维可以发生 可逆性光学变化和热反射变化，因而可以利用它的这种特性来制造纺织柔性显示器。 光敏显示材料( p h o t o s e n s i t i v i t yd i s p l a ym a t e r i a l ) 颜色的变化是由不同波 长的光诱导的，将其添加至导电纤维上即可外接电信号，提供颜色变化所需的电场。 随着所施加的电磁场的变化导致物质发生结构上的变化，从而引起了颜色的变化，最 终将电信号转换成不同颜色有规则的集合，在宏观上形成了图象。这种纤维构成的织 物可用于变色墙壁和地板覆盖物，更重要的是可用于制各带有柔性显示器的智能服装 和通讯服装。 1 1 2 6 电子信息材料 这种电子信息材料( e l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nm a t e r i a l ) 实际上是一种超微型 的集成电子芯片，将电子芯片加入纤维和织物中制成电子信息智能纺织品1 。电子芯 片嵌入式智能纺织品可被应用于休闲娱乐，医疗保健，电子智能标签等领域，给今后 智能纺织品的发展带来了无限的想像空间，使开发带有p c 和g p s 定位系统的智能纺 织品成为可能。 第一章绪论 例如飞利浦公司和l e v i s 公司合作生产，将电子芯片( 包含一个简易的网络系统) 埋入衣料内，并将这些电子产品连接起来，通过景入织物的软键盘，实现对手机和播 放机的控制，在衣领内有一个微型麦克风和一对可随意调节左右声道的立体声耳机， 可以与外界对话和收听广播。 1 1 2 7 压敏材料 压敏材料( p r e s s u r es e n s i t i v em a t e r i a l ) 不同寻常之处在于通常状态下它是 绝缘体，但若受挤压或扭曲则会降低它的电阻真到它具有像金属一样的导电性。比如， 手指的压力可以使其电阻从数亿欧姆减小到不足1 欧姆。它产生导电性的机械原理是 一种叫做“场感应量子隧道效应”的现象，即，在压敏材料中，金属粒子紧密地分= f 【i 在基质中，但相互之间没有任何接触，当含有这种材料被按压并使其发生变形时，金 属粒子之间的距离就会减少到很小，直至电子可以在金属粒子之间发生转移，从而便 具有了导电性。 所谓柔性压敏织物就是这种压敏材料在纺织品上的应用3 ，柔性压敏织物的电阻 可以有很大范围的变化，其程度决定于所施加的压力。这种特性使其在需要进行程度 控制的电子设备上具有广泛的用途。例如：柔性压敏技术可以使服装与就近环境或工 作场合中的电子装置进行无线遥控沟通或给服装增加更多的仿真功能，还可以在大众 服装上加入电子产品，使电子产品可以被身体的动作或姿势来控制，以此来增加品牌 服装的魅力。 1 1 2 8 体积溶胀材料 体积溶胀材料( v o l u m es w e l l i n gm a t e r i a l ) 在外界环境因素( 如：光、电场、 磁场、外加应力、温度、p h 值、溶剂、电解质、特异化学物质等等) 刺激下，其体 积能发生可逆的突跃性变化，溶胀比可达上千倍。这类材料典型的代表是吸水高分子 凝胶( 俗称水凝胶) ，又称环境响应型凝胶或智能凝胶。 将环境响应型凝胶与纺织品相结合，可以开发出以体积变化传感的多种智能纺 织品。如将其接枝到纺织品上，使织物平时具有很好的服用性能和透湿性；但当浸入 水中时，纤维上凝胶吸水膨胀，堵塞了织物上的孔隙，提高了织物的密闭性，从而达 到阻止水向服装内部渗透的目的；同时可防止体内热量向服装外部扩散，维持局部恒 温。另外此类纺织品还可以用于特种服装领域，如：消防服及油田工作服等。 1 1 ，3 智能纺织品的分类 智能纺织品按其感知、反馈和响应的形式可以大体分为以下几类： 4 第一章绪论 1 1 3 1 非常智能型 非常智能型是该类产品的极品，是属于纺织品与人工智能最完美的结合，其智能 程度已达到相当高的水平。它可以既是普通的服装，但又附加了犹如人的大脑的思 维和计算机的程序处理。在孤独的旅途中，衣服可以发出动听的音乐；在不幸遇险时， 它会发出救援信号；它可以让你掌握心率、血糖、体温等生理指标，以便及时就医； 汗衫在自然环境下还会热了卷起，凉了放下，象个风扇：在主人受到攻击时，服装会 自动收紧并发出尖厉的呼叫：还有耐磨、耐洗、耐撕以及阻挡手机辐射危害等种种奇 异的功能。 1 1 3 2 主动智能型 主动智能型纺织品具有较好的感知、反馈和响应能力，并具备简单的自控功能。 用它做成的服装，可通过中央处理系统，进行造型、记忆、防风、防水、排汗等功能 的自控运转；服装可以在晚上发光：在遇到污染时会变成橙红色发出警报；可以吸收 并重新分配热量等等，这种材质已经用于潜水服。 1 1 3 3 被动智能型 被动智能型纺织品仅能感受外界刺激，具有预警能力，却不能自动调控，它属- 智能纺织品的初级阶段。 目前蟹篚纺鳃晶撞甚蟹篚属性亘佥盏丝工丛娄： 物理型智能纺织品 涉及具有电气、电子、热学、光学及物理形态等智能的织物，如形态记忆、电子 信息记忆、电子娱乐、蓄热调温等智能纺织品。 化学型智能纺织品 涉及具有化学、光化学反应等智能的织物，如环境刺激敏感、光变色、光致变性 等智能纺织品。 分离型智能纺织品 涉及具有分离性、吸附交换等智能的织物，如反渗透、选择吸收等智能纺织品。 生物型智能纺织品 涉及具有医学、保健、生物等智能的织物，如卫生保健、生物吸收等智能纺织品。 另外，智能纺织品按其用途也可以分为衣料用，装饰用和产业用等三大类。 1 1 4 智能纺织品的加工方式 智能纺织品研发的加工方式总的原则是将一种和多种机敏材料( 如：感知材料、 执行材料和信息传输材料等) 与纺织基质有机地复合或集成在一体。 第一章绪论 目前将机敏材料添加到纺织品上的方法主要有以下几种 1 1 4 1 夹层法 先将机敏材料研碎成粉末，然后散布于以织物等为基料的表面，再用基料盖住， 辊压成材，使机敏材料夹在两层基料之间。诸如可呼吸织物、形状记忆织物、卫生用 品、医用纺织品等就是采用这种方法生产的。 1 1 4 2 浸渍法 先将机敏材料制成分散液，然后通过涂刷或喷涂方式涂在织物表面，或将织物放 在这种分散液中浸渍，使机敏材料固定在织物的孔隙中。这种方法加工的产品牢度较 差、不耐洗，一般为一次性使用。 1 1 4 3 涂层法 将机敏材料加入聚氨酯( p u ) 、聚丙烯酸酯( p a ) 等涂层剂中，配成涂层浆，以 涂层加工方式将其添加至纺织品上。这种方法涂布工艺简单，流程短；但存在机敏材 料与涂层剂相容问题，另外由于有涂层剂的干扰，智能效果也相对受到影响。 1 1 4 4 填充纤维法 将机敏材料填充到中空纤维之中，再经纺、织制成智能织物”“。这种方法可使机 敏材料保持其原有物理状态，不参与任何化学反应，故产品具有较高的智能效果。但 该法填充工艺复杂，成本高，纤维两端封口技术难度大，给实际生产带来一定困难。 1 1 4 5 微胶囊法 将机敏材料置于直径约4u 左右的封闭微胶囊中，这种含有机敏材料的微胶囊通 过粘合剂的作用。被粘附到织物的表面，从而使织物获得智能效果。这种方法工艺简 单、操作方便，可结合涂料染色及印花加工工艺进行。该类微胶囊的制备是关键，大 面积粘合剂的使用会影响织物的手感和风格。 1 1 4 6 交联法 将机敏材料在交联剂的存在下，与纺织纤维发生交联反应，形成纾维一聚合物线 性或网状粘接模式，而沉积、固着在纤维上“3 3 。这种方法具有工艺简单、流程短、操 作方便、成本低等特点。智能效果具有耐久性。但由于机敏材料经交联反应后，不能 保持原有的物理状态，结构发生变化，故使织物的智能效果有所下降；另外交联反应 一般对纺织纤维的强力也有较大影响。 6 第一章绪论 1 1 4 7 纤维接枝法 将机敏材料通过接枝聚合的方法添加到纺织纤维上，制成智能纺织品。这种方法 可获得耐久的智能效果，且对纺织纤维的强力影响较小。引发接枝聚合的方法有化学 引发法和物理辐射引发法等，工艺相对复杂；合理控制接枝率是关键。 1 1 4 8 成纤法 将机敏材料制成熔( 溶) 体，再用于法纺丝或湿法纺丝，把机敏材料制成纤维， 完成由机敏材料到智能纤维的转变，最后由纤维织成智能纺织品。这种方法工艺复杂， 技术性强，难于操作；另外适于纺丝及具用服用性能的机敏材料也极有限，故实际应 用很少。目前国外已有将高吸水凝胶纺丝成纤，制成凝胶织物的报道。 1 1 5 智能纺织品的发展 智能纺织品无疑是今后纺织品发展的重点，它包括种类繁多的织物和服装，并且 将日益成为人们日常生活的一部分。这类纺织品在纺织时尚行业中显得越来越重要。 无论是何种智能作用。智能纺织品总是响应外部条件来改变其性质，满足消费者多方 面的需求或提供其他益处。1 9 9 9 年在h e r i o t w a t t 大学召开的智能纺织品研讨会上， 这些智能纺织品被宣称为“能独立思考的纺织材料”。 智能纺织品虽然在很大程度上还处于发展初期，但今天它的出现为我们的f = | 常 生活提供了丰富多彩的新产品，同时给予了我们所需的额外保护。智能纺织品的应用 将具有十分广泛的领域，且发展迅速，正日益受到工业发达国家的重视。它预示着未 来的服装不仅时尚、保暖，还可用以呵护肌肤，维护健康；甚至远离危险，保障安全。 智能纺织品将引导未来纺织服装工业的产业革命，国外如美国、德国、日本已先后研 制开发出用于生物医学、防护、运动、娱乐休闲活动的智能纺织品，并力求将应用范 围扩大到结构材料、土工纺织材料和工程纺织材料等方面3 。 目前，我国智能纺织品的设计开发虽取得了长足的进步，但由于多方面的原因， 它的发展受到了一定的制约，这也给我们的纺织行业提出了更高的要求。伴随着现代 科技的高度发展，智能纺织品的研究开发仍任重而道远。 近年来，随着科学水平的发展，生活水平的提高，人们对智能纺织品的需求越来 越高这在一定程度上也推动了智能纺织品的开发进程，可以预测，今后纺织品的智 能性将成为其生存和发展的决定性因素纵观纺织品市场，智能纺织品的发展趋势可 以从以下几方面得到体现。 1 1 5 1 智能性与当代科技紧密结合 智能新材料的涌现，使得智能纺织品的开发融入了当代高科技的含量，集新材判、 新工艺、新技术为一体是智能纺织品的突出特征，目前已涉及到光学、电学、微电子 第一章绪论 学、热学、机械学、生物学、高分子化学等多门学科领域，充分体现了学科的交叉、 思维的交叉；每种智能的获得，都是当代科技与纺织技术相结合的结晶。如光敏智能 纺织品、电子信息智能纺织品、蓄热调温纺织品等。 1 1 5 2 向高智能方向发展 对于某些特种领域( 如军工、航空、航海等) ，具有简单、低层次的智能已不能 满足行业的要求。发展方向由被动智能型逐步转向高层次的主动智能型和非常智能型 产品的开发。因而，开发高智能纺织品也已受到各国纺织科技工作者的重视，如相继 出现了隐身智能纺织品，纳米信息智能纺织品，变色智能纺织品等。 1 1 5 3 向多智能融于一体的方向发展 在现代生产节奏中，人们总是希望使用智能齐全完备的物品，以满足多方面的需 求，智能纺织品的开发也应迎合人们的这种需求。因此尽管要走的路还很长，但由智 能单一性到多智能融于一体已成为智能纺织品的发展方向之一。 1 1 5 4 应用领域不断拓宽 智能纺织品的开发，除向高智能方向的深度发展外，还向应用广度的方向发展， 应用领域不断拓宽。随着物质文化水平的提高，生活中人们对纺织品的智能提出了新 的要求，智能纺织品更加贴近人们的日常生活，这是一个新的市场、一个非常好的动 向。如出现了护肤智能织物、保健智能纺织品、营养智能纺织品、电子娱乐智能纺织 品等等。 1 1 5 5 强调环保意识 智能纺织品的开发必须强调所用机敏材料是否具有环境污染性和人体伤害性，这 是十分重要的一点，在智能纺织品研发的初期往往被忽略。目前在机敏材料的研制、 选用和纺织品后整理加工工艺上，都十分注重服装对环境和人体的无害化，强调绿色 纺织品和清洁生产。 总之。智能纺织品作为一类重要的纺织产品，其研究和开发j 下方兴未艾，并且显 示了良好的应用前景。纺织行业能否在新的历史时期，与时俱进，不断创新，跟上智 能纺织品快速发展的步伐，提高我国纺织行业的竞争实力，这是摆在我们纺织科技工 作者面前的一大课题，也是历史赋予我们的神圣职责。 第一章绪论 1 2 智能凝胶及其在纺织品上的应用 1 2 1 智能凝胶含义 智能凝胶( i n t e l li g e n th y d r o g e lo rs m a r th y d r o g e l ) 是指对外界环境因素刺激 能产生敏感响应的商分子凝胶。它是分子链经一定条件下聚合而成的三维网络或珏穿 网络与溶剂( 通常是水) 组成的多元体系。其大分子主链或倒链上含有离子基、极性基、 亲水基或疏水性基团，交联结构使之不溶解而保持一定的形状，是可吸收水但不溶于 水的聚合物；其在典型的外界环境因素( 如：光、电场、磁场、外加应力、温度、p i 值、溶剂、电解质、特异化学物质等等) 刺激下能产生一定的响应( 一般表现为体积 的变化) ，即发生可逆的、不连续的体积变化( 即突跃性交化) ，使体积骤然发生溶胀 或收缩，其溶胀比从几倍、几十倍到成百上千倍，如图卜l 所示。 埘尊。_ _ _ - _ _ - _ 一- _ 。_ 田卜l 麓肢体积琏环境变犯( 瀑度、；舞虞、 p h 值兜、电场、磺焉等) 雨变化 由于智能凝胶对外界刺激的响应一般表现为突跃性的体积变化，即形成了所谓 “开”和“关”两种状态，利用这种特性在化学转换器、记忆元件开关、传感器、药 物的控制释放体系、人造肌肉、化学存储器、分子分离体系、建筑、纺织业、医疗保 健及仿生工程等领域有着潜在的应用价值。 1 2 2 智能凝胶的分类 1 2 2 1 温敏凝胶 温敏凝