智能纤维的现状与未来

1、第 30 卷 第 3 期棉纺织技术2002 年 3 月Cotton Textile Technology13911智能纤维的现状与未来陶肖明 张兴祥( 香港理工大学)摘要: 介绍了几种智能纤维即光学纤维、导电纤维、形状记忆纤维、变色纤维、调温纤维、压电纤维和智能抗菌纤维的特性和应用。指出智能纤维的研究与开发近年来受到发达国家的高度重视, 并将其视为纺织和服装工业的未来。关键词:智能纤维; 特性; 应用; 智能纺织品; 智能服装中图分类号: TS102. 52+ 8文献标识码: A文章编号: 1001 7415( 2002) 03 0011 06近年来, 一类新颖的高新技术纤维 智能纤维正日益受

2、到工业发达国家的重视, 一些专家将智能纺织品和智能服装看成是纺织服装工业的未来 1, 2 。智能纤维( Smart Fiber) 能够感知环境的变化或刺激( 如机械、热、化学、光、湿度、电磁等) , 并能做出反应 3 。目前光纤传感器、导电纤维、变色纤维、形状记忆纤维、调温纤维和选择性抗菌纤维等已经实现了规模化生产。1 光学纤维石英、蓝宝石或塑料光纤技术同时具有信号探测和传输功能, 在复合材料、水泥结构的智能高速公路、桥梁和飞机蒙皮等方面有广泛的应用。光纤传感器可以探测应变、温度、位移、物质化学浓度、加速度、压强、电流、磁场以及其他一些信号, 是迄今为止发展最为成熟的纤维传感器 3 。布拉格光

3、纤光栅( Optic Fiber Bragg Grating) 及其衍生光栅被认为是最好的多点和分布情况探测传感器。在水泥和复合材料等刚性体系中的应用已经较为成熟。光纤在柔性体系中的应用研究也已经展开。香港理工大学应用具有超结构的光栅化情况 5 。还将用聚乙炔和聚苯胺等为包敷层的光纤传感器镶嵌织物, 利用聚苯胺吸收酸性或碱性物质后光谱吸收性能的变化来实现物质探测,希望用于战时的化学或生物物质的探测 6 。在美国国防部资助下, Georgia 理工学院将塑料光纤传感器植入衬衣来探测心率的变化 3 , 并计划根据光纤断裂后光传输信号的变化, 用于判断战场上士兵的受伤部位和受伤程度。据预测该衬衣用于

4、儿童和病人的日常健康监护也有很好的前景, 已准备由美国 Sensa Tex 公司产业化。传感器实现了温度和应力的同步探测 3 , 并成功地实现了纱线上应力分布的探测, 扭转信号的探测技术也在研究中。美国 Drexel 大学的研究人员将光纤传感器镶嵌在降落伞中, 即时探测降落伞的动态应力变作者简介: 陶肖明, 女, 1957 年生, 教授, 香港收稿日期: 2001 10 20图 1压力敏感织物结构示意图加拿大 Tactex Controls 公司新近推出了一种压力敏感织物, 它通过将光纤传感器的网络植入泡沫而织制成。发光二极管发出的光线在通过光纤时, 会由于光纤的弯曲而改变方向或反射, 探测多

5、根光纤中光线传输情况的变化, 可以监测织物所受压力的情况, 精确设计光纤排布, 可以获得很棉纺织技术第 30 卷 第3 期12140Cotton Textile Technology2002 年 3 月高的探测灵敏性, 用于乐器和游戏机键盘具有很一个方面, 导电纤维传感器在柔性材料方面的应好的前景。图 1 为压力敏感织物的结构示意图。用非常成功和普遍。根据导电聚合物的反应方式, 可以有光学传感器( 输出信号是光) 、电流传感2 导电纤维器( 输出信号是电流) 和电导传感器( 输出信号是传导率) , 另外也有以质量和电阻为反应方式的传电信号的探测和传输是探测技术中很重要的感器。目前已应用的导电纤

6、维特征见表 1。表 1导电纤维特征导电纤维名称组成特征制造方法直 径电 导率断裂强度断裂伸长稳定性柔韧性/ m/ S cm- 1/ MPa/ %铜丝铜模口拉伸12106105好中等不锈钢丝不锈钢模口拉伸5105好中等Oganza丝绸 金属金属膜缠绕蚕50010好好丝Gorix碳纤维聚丙烯腈炭化810- 1好好Aracon金属镀层/ 芳香化学沉积15103中等好聚酰胺聚苯胺纤维聚苯胺湿法纺丝30144023141. 2中等好超细聚苯胺纤维絮片聚苯胺/ 聚乙二静电纺丝0. 9510- 1好醇聚对苯二甲酸对苯酯聚对苯二甲酸湿法纺丝1210- 1160好好聚苯胺纤维对苯酯/ 聚苯胺聚吡咯纤维聚吡咯电化

7、学沉积20102差88% 聚乙炔/ 聚聚 乙烯凝胶纤聚乙炔纤维维 乙炔气相沉100600030050乙烯积聚乙炔纳米纤维网聚乙炔齐格勒 纳塔催0. 02417化剂气相沉积聚吡咯涂层纤维聚吡咯/ 芳香聚气相沉积1010- 35中等中等酰胺聚吡咯涂层纤维聚吡咯 聚酯纤气相沉积155. 2中等好维等20 世纪 70 年代末以来, 导电聚合物技术的快速发展为传感器技术进步奠定了基础, 目前导电聚合物与光纤传感器结合或单独用于温度、应力、电磁辐射、化学物质种类和浓度等的检测。近年来由英国 Durham 大学等研制出的导电聚苯胺纤维具有半导体的特性, 电导率高达 1900 S/ cm, 可以做为传感器使用

8、 7 。由美国Milliken 研究公司发明的聚吡咯涂层纤维技术, 通过气相沉积或溶液聚合的方法, 将导电的聚吡咯涂层在纤维表面制成了织物传感器,美国 Florida 大学利用聚吡咯分子链上的掺杂物质变化引起纤维导电信号变化的特点, 直接用于氨和酸的探测。聚吡咯与其他聚合物结合可组成探测气体混合物的传感器。面制成的织物, 在受到外力拉伸后产生伸缩, 聚吡咯的导电性能产生变化, 记录和分析电信号的变化, 可探测出手指运动情况 8 ( 见图 2) 。图 2智能手套的电信号输出意大利Pisa 大学将聚吡咯涂层在莱卡纤维表第 30 卷 第 3 期棉纺织技术2002 年 3 月Cotton Textil

9、e Technology14113美国麻省理工学院的研究人员用不锈钢纤维在织物上刺绣出不同的电路, 可以制成织物软键盘 9 。通过将导电纤维和绝缘纤维纱线的交替编织, 制成了可测压力的织物。这种织物由三层组成, 上下两层是电阻率为 10 / cm 的金银线与普通纱线的交织织物, 中间是结构较为稀疏的尼龙网起隔离上下两层织物的作用, 当在织物上施加压力时, 上下两层织物通过尼龙网的空隙实现接触, 引起电信号的变化。研究人员将织物键盘用于新型服装的开发, 制造出了能够象萤火虫一样不断闪烁的连衣裙。在走动过程中, 织物之间的挤压和摩擦, 使两层织物中的导电纤维之间随机导通, 有微弱的电流通过, 这样

10、连接在两层织物上的发光二极管就发光。欧盟 Electro Textiles 公司于 1999 年利用导电纤维技术开发了压力敏感织物。这种织物可以准确地探测出受压力的部位。织物卷成 5 mm 的筒状也不会影响 X 方向和Y 方向的探测灵敏度, 并可使用100 万次以上。利用导电纤维在织物上刺绣的技术, Philip 公司已经开发出了音乐夹克、音乐键盘和运动夹克等系列产品 10 , 并通过将移动电话与服装相连接, 实现服装的电子化和数字化。其中运动夹克中利用织物受拉伸以后, 导电纤维导电性能的变化来探测手臂的运动情况, 研究人员估计这种服装在姿态矫正方面也会有市场。近年来开发的类似产品还有芬兰的智

11、能服装( Smart Clothing) , 原型具有通讯、导航、使用者监测环境以及电加热四项功能, 第一代夏季产品预计在 2001 年夏天已推出, 比利时 Starlab 的智能服装( Wear) 由多层构成, 其中之一是传感器层;德国FAC 服装设计公司推出的智能服装中集成了手机、录音机、MP3 和 GPS 系统的功能; 由美国 BioKey 公司开发的智能绷带将多种传感器植入织物, 可以探测细菌数量、湿度和氧气浓度等, 并记录在计算机中, 为治疗方案的改进提供依据。3 形状记忆纤维形状记忆纤维是热成形时( 第一次成形) 能记忆外界赋予的形状( 初始形状) , 冷却时可任意形变, 并在更低

12、温度下将此形变固定下来( 第二次成形) , 当再次加热时能可逆地恢复原始形状。根据外部环境变化, 促使形状记忆纤维完成上述循环的因素还可以有光能、电能和声能等物理因素以及酸碱度、螯合反应和相变反应等。迄今为止, 研究和应用最普遍的形状记忆纤维是镍钛合金纤维 , 如瑞士Microfil Industries 公司生产的一种镍钛合金( 镍含量为 50. 63% ) 纤维直径为 300 m, 一种镍钛形状记忆纤维的基本性能见表 2。表 2 镍钛形状记忆纤维的性能项目参数纤维直径/ mm0. 38奥氏体起始温度/ ()94.0奥氏体终止温度/ ()120. 0马氏体起始温度/ ()85.0马氏体终止温

13、度/ ()78.0奥氏体杨氏模量/ Psi3 170600马氏体杨氏模量/ Psi7 500000最大回复形变/ %) - 15. 5马氏体应力影响系数/ Psi (1487. 2奥氏体应力影响系数/ Psi () - 11452. 8应力诱发马氏体起始极限应力/ Psi12 000应力诱发马氏体终止极限应力/ Psi15 000在英国防护服装和纺织品机构研制的防烫伤服装中, 镍钛合金纤维首先被加工成宝塔式螺旋弹簧状 11 , 再进一步加工成平面状, 然后固定在服装的面料内, 当服装表面接触高温时, 形状记忆合金纤维的形变被触发, 纤维迅速由平面状变化为宝塔状, 在两层织物之间形成很大的空腔,

14、 使高温远离人体皮肤, 防止烫伤发生。形状记忆丝绸是应用最早的形状记忆纤维之一。形状记忆丝绸的制造工艺是将丝浸入水解后的纤维性的角朊和骨胶原中, 然后干燥、卷曲、再次浸水、110高压( 2. 03 105 Pa 3. 04 105 Pa)热定形 10 min 后制成。当成品加热到 60湿热处理时, 纤维变得卷曲和皱折。由于丝的捻回被记忆固定下来, 即使丝被退捻到无卷曲状态, 再通过熨烫仍然可以使之恢复卷曲 4 。形状记忆丝绸目前被广泛用于外套、衬衣和舞蹈紧身衣。4 变色纤维所谓变色纤维是一种具有特殊组成或结构,在受到光、热、水分或辐射等外界刺激后具有可逆性自动改变颜色的纤维。4 1光敏变色纤维

15、光敏变色( Photochromic) 是指某些物质在一定波长光的照射下会发生变色, 而在另一种波长的光或热的作用下又会发生可逆变化到原来颜色的现象。在越南战争期间, 美国 Cyanamide 公司为满足美军对作战服装的要求, 开发了一种可以吸棉纺织技术第 30 卷 第3 期14142Cotton Textile Technology2002 年 3 月收光线后改变颜色的织物, 这是感光变色纤维最早的实例。具有光敏变色特性的物质通常是一些具有异构体的有机物, 如螺吡喃、萘吡喃、螺亚嗪和降冰片烯衍生物等 12 , 图 3 中为一光敏变色物质的结构变化实例。这些化学物质因光的作用发生与两种化合物相

16、对应的键合方式或电子状态的变化, 可逆地出现吸收光谱不同的两种状态即可逆地显色、褪色或变色。图 3光敏变色物质结构变化实例原中国纺织大学采用淡黄绿色的 1, 3, 3 三甲基螺 吲哚啉 2, 3 ( 3H) 萘并( 2, 1 b) ( 1, 4) 亚嗪为光敏剂, 与聚丙烯切片共混后制成切片, 再经240 熔融纺丝制成含有 1% 2% 光敏剂的聚丙烯纤维 13 , 纤维的细度可以达到 2. 59 dtex, 纤维的拉伸断裂强度为 3. 94 cN/ dtex, 断裂伸长率为22. 5% 。该纤维经紫外线照射后能够迅速由无色变为蓝色, 光照停止, 又迅速恢复无色, 并且具有良好的耐皂洗性能和一定的

17、光照耐久性。除聚丙烯外, 其他聚合物也可以用做光敏变色纤维的原料, 其颜色变化范围也有多种, 如美国 Solar Active 国际公司生产的纱线在紫外线照射下有橙、紫、蓝、洋红、黄、红和绿等多种颜色。日本 Kanebo 公司将吸收 350 nm 400 nm 波长紫外线后由无色变为浅蓝色或深蓝色的螺吡喃类光敏物质包敷在微胶囊中, 用于印花工艺制成光敏变色织物。微胶囊化可以提高光敏剂的抗氧化能力, 从而延长使用寿命。采用这种技术生产的光敏变色 T 恤衫已于 1989 年供应市场, 近年来, 国内也有类似的产品销售。美国 Clemson 大学和Georgia 理工学院等几所大学近年来正在探索在光

18、纤中掺入变色染料或改变光纤的表面涂层材料, 使纤维的颜色能够实现自动控制 14 , 其中噻吩衍生物聚合后特有的电和溶剂敏感性受到格外重视。美国军方研究人员认为, 采用光导纤维与变色染料相结合, 可以最终实现服装颜色的自动变化。光敏变色纤维主要用于娱乐服装、安全服和装饰品以及防伪制品等。4. 2热敏变色( Themochromic) 纤维1988 年东丽公司开发了一种温度敏感的织物 Sway 。这种织物是将热敏染料密封在直径 3 m 4 m 的胶囊内, 然后涂层整理在织物表面。这种玻璃基材的微胶囊内包含了三种主要成分: ( 1) 热敏变色性色素; ( 2) 与色素结合能显现另一种颜色的显色剂;

19、( 3) 在某一温度下能使相结合的色素和显色剂分离并能溶解色素或显色剂的醇类消色剂。调整三者组成比例就可以得到颜色随温度变化的微胶囊, 而且这种变化是可逆的。Sway是一种多颜色的织物, 它的基色有四种, 但可以组合成 64 种不同的颜色, 它在温差超过 5 时发生颜色变化, 可以在- 40 85 温度范围发生作用, 针对不同的用途可以有不同的变色温度, 例如滑雪服装的变色温度为 11 19, 妇女服装的变色温度为 13 22, 灯罩布的变色温度为 24 32等。5 调温纤维5. 1 蓄热调温纤维20 世纪 80 年代以来, 美国宇航总署为了研制新型宇航服和保护精密仪器免受环境温度剧裂变化的影

20、响, 先后资助美国Triangle 公司和农业部南方实验室开展了具有热能吸收储存和释放功能纺织品的研究工作, 随后, 美国空军、海军和美国科学基金也先后资助该领域的研究工作。这是一种能够根据外界环境温度变化, 伴随纤维中所包含的相变物质发生液 固可逆相变, 或从环境中吸收热量储存于纤维内部, 或放出纤维中储存热量, 在纤维周围形成温度相对恒定的微观气候,从而在一定时间内实现温度调节功能。由于蓄热调温纤维中含有一定的相变物质,所以这种纤维在 10 40 温度范围具有一定吸、放热量的能力。用蓄热调温纤维加工成的纺织品( 服装) 除具有传统纺织品( 服装) 的保温功能外 , 还具有温度调节功能。由蓄

21、热调温纤维加工成的纺织品除具有常规纺织品的静态保温作用外 , 还具有由于相变物质的吸放热引起的动态保温作用 15 。试穿结果已经证明了这一特征。1997 年初, 蓄热调温纤维制品在美国产业化, 包括服装、绷带、滑雪衫、靴、手套、袜和帽等产品, 几年来产品销量逐年增加。目前世界上一些体育运动用品公司已将蓄热调温纤维或泡沫用于第 30 卷 第 3 期棉纺织技术2002 年 3 月Cotton Textile Technology14315其新产品开发, 产品包括体育运动服装的各方面。物。几种典型工艺的蓄热调温纤维见表 3。2000 年初, 蓄热调温纺织品被用于汽车内装饰织表 3几种典型工艺的蓄热调

22、温纤维研 制单 位三角研究公司三角研究公司农业部南方实验室日本酯公司天津工业大学制造方法微胶囊微胶囊聚乙二醇脂肪族聚酯石蜡烃熔融溶液纺丝熔融纺丝填充中空纤维熔融复合纺丝复合纺丝相变物质含量( 重量) / %6324纤维理论吸、放热量/ J g- 115*7*50*50*吸热温度/ ()3629343132放热温度/ ()2818422纤维细度/ dtex2 222. 15 0使用稳定性好好差中等中等生产形式规模生产实验室实验室专利申请实验室注: * 为根据纤维组成估算值。5. 2 调温调湿纤维日本东洋纺公司对聚丙烯酸分子链进行高亲水化处理( 金属盐型) , 分子链中引入 NH2 、COOH基团

23、, 并进行交联处理, 开发出了具有调温、调湿功能的纤维 爱克苏 16 。由于这种纤维的亲水性基团含量超过了任何一种天然纤维, 所以它的吸湿性很高, 温度 20 和相对湿度 65% 的标准状态下, 它的吸湿能力约是木棉的 3. 5 倍。而且通过调整纤维的结构, 使纤维的吸湿放热和脱湿吸热过程得以较为平稳地进行, 吸湿和放湿速度可以调节到木棉纤维的一半左右。与天然纤维相比, 爱克苏 的吸湿和放热速度比较缓慢, 可以均匀地释放, 从而使衣内温度调节缓和, 也能防止出汗后的冷感。它的相对湿度从 0% 变化到 85% 时, 1 g 纤维放出的热量可使 1 杯水的温度上升约 1 , 放热能力是羊毛和羽绒的

24、 2 倍左右。日本东丽公司推出的称之为 能量感应 的吸湿放热布料可以吸收人体排出的水气, 并将之转化为热能, 这种布料作成的衣物比传统衣物保暖2 5 , 而衣内湿度相对下降。温度和湿度调节纤维目前主要用于睡衣、运动衣和床上用品, 如被、褥等。6 压电纤维20 世纪 90 年代初即已开始研究直径小于 30m 的压电陶瓷纤维制造技术, 文献中至少报道了三种不同的技术 17 , 最为成熟的是基于溶液凝胶( Sol gel) 法的工艺路线, 制成的纤维直径在30 m 以下, 同时烧结温度较低( 小于 1000 ) , 较低的烧结温度使得制取单丝成为可能。通过调整化学配比可以得到组成是 PbO3 的 P

25、ZT ( Zr0. 53,Ti0. 47) 纤维。溶液 凝胶法纺制的 PZT 纤维中没有微孔, 完全由直径 2 m 4 m 的晶粒组成,抗张强度可以达到 300 MPa, 杨氏模量达到 70 GPa。目前这类纤维主要用于智能结构。早在20 世纪 70 年代就对聚氯乙烯的纺丝进行过大量研究, 并实现了规模生产, 但这些聚氯乙烯纤维主要用做阻燃纤维。加工成纺织品用作内衣 , 在外力作用下可产生大量的电荷, 其放电现象用于辅助治疗关节炎取得了良好的效果。近年来含有压电晶体粉末的服用纤维也得到了深入的研究, 利用这种纤维中的压电晶体粉末受外力作用后发生放电现象, 可以使纤维具有良好的消除疲劳、抗菌、防

26、臭和负离子发生作用。预计未来几年内, 该纤维的产量将会有所增长。7 智能抗菌纤维美国 Nylstar 公司新近制造出了一种 智能聚酰胺纤维 18 , 通过将抗菌剂包藏在纤维内部, 保障了纤维的耐久性和安全性, 可以耐 30 次洗涤,这种纤维区别于一般抗菌纤维之处在于无论是轻微活动时还是剧烈运动时, 它都可以既不能让细菌任意繁衍, 也不能杀死全部细菌, 控制皮肤表面细菌的数量维持在正常水平( 见图4) 。图 4智能抗菌纤维抗菌性能对比棉纺织技术第 30 卷 第3 期16144Cotton Textile Technology2002 年 3 月这种抗菌尼龙 66 纤维已经通过了美国的口behav

27、ior of parachutes J . J of Intelligent Materials Sys腔、皮肤和眼睛接触检测, 获准推广使用, 预计可tems and Structures, 2000; 11( 5) : 351 359.以用于体育运动服装、内衣、袜子、鞋衬、医疗用布 6 El Sherif MA, Yuan JM and Mac Diarmid A Fiber Optic和产业用布。Sensors and Smart Fabrics J. J. of Intelligent MaterialsSystems and Structures, 2000; 11( 5) : 40

28、7 414.8智能纤维的未来 7 P N Adams, P J Laughin and A P Monkman. Low temperature sysnthesis of high molecular weight polyanilineJ. Polymer, 37( 15) : 34113417智能纤维、智能结构的纺织品具有十分光明 8 D De Rossi A Della Santa and A Mazzoldi Dressware:的未来。智能纤维可以根据环境温度和新陈代谢wearable hardware J . Materials Science and Engineering速度

29、调节自身的蓬松( 卷曲) 程度, 用于服装保温C 7, 1999: 31 35.衬层, 可以实现热阻的自由调节, 用于消防或防烫 9 Post ER, Orth M 1st International Symposium on Wear服装, 可减少伤亡; 可以根据外界环境变化改变颜able Computers D : MA . Cambridge, 1997: 167 168.色,用于军用服装面料可以实现隐身; 可以根据外 10Soft switching helps make smart clothing fact not fiction界环境或人的情绪变化放出香味,甚至放出上次JTech

30、nical Textiles International, 2000; ( 9) : 1819 11DCongalton Shape memory alloys for use in themally ac休假地的气息, 调节人的情绪, 达到心理治疗的效tivated clothing , protection against flame and heatJFire果; 可以根据受到威胁的情况改变织物的电磁信and Materials, 1999; 23: 223226号、强度或硬度和气体或液体透过性能, 达到智能 12松本喜代一 高性能纤维 高机能纤维 96J染防御导弹、子弹或化学武器袭击的

31、目的。色工业, 1996; 45( 1) : 2 23 13 冯杜永, 倪恨美, 梁春梅等光敏变色聚丙烯纤维参考文献:的研究 J 合成纤维, 1998; 27( 5) : 20 23 14Richard V Gregory, RobertJ Samuels and T imHan 1 Leitch P,T assinari T. H Interactibe Textiles: New MateriksChameleon fibers: Dynamic color change from tunableals in the New Millennium( Patr 1) J . Journal

32、of Indusmolecular and oligomeric devices JNational Textiletrial Textiles, 2000; 29( 3) : 173191.Center Annual Report, 1999; ( 11) :M 98 C01 2 Avntex shows that intellingentgarments are the future 15Pause B Development of Heat and Cold Insulating MemJ . Technical Textiles Intenational, 2001; ( 1/ 2) : 11 brane Structures with phase Change Material JJournal16.of Coated Fabrics, 1995; ( 25) : 7 3 Tao XM Smart fibres, Babrics and Clothing, Fundamental 16TM 具有调节功能的纤维 J 纤维科学,and Application J . Woodhead Publisthing Limited,1997; ( 1) : 3