智能纖維在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展探究范文

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摘要：介紹智能纖維的分類、智能材料及功能，詳細(xì)闡述智能纖維近年來的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。重點(diǎn)介紹智能纖維在安全防護(hù)紡織品、醫(yī)療紡織品及運(yùn)動(dòng)健身紡織品中的應(yīng)用。最后闡述未來智能纖維的發(fā)展趨勢(shì)，指出未來智能纖維將向高舒適、高智能、高功能、多功能、低成本、美觀、生態(tài)環(huán)保、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能纖維；智能材料；智能紡織品；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)；應(yīng)用

隨著人們生活質(zhì)量的提高，傳統(tǒng)單一的纖維已經(jīng)不能滿足人們的需求和生產(chǎn)需要，智能纖維的出現(xiàn)解決了這種問題。《智能制造發(fā)展計(jì)劃（2016—2020年）》中指出，以智能制造為基礎(chǔ)建立中國(guó)支撐體系，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。如今，在以加快智能制造裝備發(fā)展、加強(qiáng)關(guān)鍵共性技術(shù)創(chuàng)新以及建設(shè)智能制造標(biāo)準(zhǔn)等為戰(zhàn)略任務(wù)的背景下，人們對(duì)纖維的性能要求越來越高，如要求纖維可以使人體機(jī)能隨著所在環(huán)境的變化處于最佳狀態(tài)。

1智能纖維概述

1989年，日本學(xué)者將信息科學(xué)融于材料的構(gòu)成和功能中，并提出智能材料概念，又稱為機(jī)敏材料和靈巧材料［1］。智能材料涉及微電子學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、機(jī)械等領(lǐng)域，它的3大基本要素為感知、反饋、響應(yīng)。智能纖維是指通過智能材料處理得到的對(duì)外部環(huán)境與內(nèi)部狀態(tài)具有感知、可響應(yīng)及功能發(fā)現(xiàn)能力的纖維［2］。

1．1智能材料及其功能

智能材料有3種形式，其中1種是智能纖維，即纖維狀智能材料［3］。目前智能材料有形狀記憶合金、光導(dǎo)纖維材料、相變材料、變色材料、智能凝膠材料、壓電材料、光驅(qū)動(dòng)型聚合物等［4］。材料仿生設(shè)計(jì)和材料的多功能復(fù)合是智能材料設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，其概念的出現(xiàn)標(biāo)志著第5代材料的誕生，推進(jìn)了航天、紡織、醫(yī)學(xué)及深海探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展［5］。智能材料系統(tǒng)具有傳感功能、反饋功能、信息識(shí)別與積累功能、響應(yīng)功能、自診功能、自修復(fù)能力及自調(diào)節(jié)能力等生命特征和智能功能，其中傳感功能是指智能材料能夠感知外部與內(nèi)部環(huán)境，并且可以檢測(cè)識(shí)別外界刺激，如光、熱、應(yīng)力、核輻射及磁強(qiáng)度變化等［6］。

1．2智能纖維分類

較早出現(xiàn)的智能纖維是形狀記憶絲綢，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，智能纖維可分為光纖傳感器纖維、蓄熱調(diào)溫纖維、智能凝膠纖維、智能釋放纖維、變色纖維、電子智能纖維等，這些智能纖維如今已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)［1］。形狀記憶纖維是指具有形狀記憶效應(yīng)的纖維，形狀記憶效應(yīng)是指纖維材料在一定條件下產(chǎn)生塑性變形后，在滿足特定情況時(shí)能夠回復(fù)到纖維初始狀態(tài)［2，7］。形狀記憶纖維可以與其他纖維結(jié)合形成高性能復(fù)合材料，也可以制成絲線、顆粒或薄膜等形式，如今形狀記憶纖維的發(fā)展越來越受人們重視。意大利一家公司利用形狀記憶合金纖維制造出一件智能化襯衣，當(dāng)周圍環(huán)境溫度升高時(shí)，該智能襯衣的袖子會(huì)自動(dòng)卷起，還能夠自動(dòng)熨平。蓄熱調(diào)溫纖維是利用蓄能材料的熱活性相變化實(shí)現(xiàn)吸熱、放熱，在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中達(dá)到改善織物舒適性的效果。蓄熱調(diào)溫纖維可以純紡也可以混紡，是一種新型紡織材料，在消防服、手套、帽子及戶外服裝中應(yīng)用較多。智能調(diào)溫纖維紡織用微膠囊調(diào)溫原理。此外，還有根據(jù)外界條件變化呈現(xiàn)變色效果的變色纖維。

2智能纖維發(fā)展現(xiàn)狀

從美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)CraigRogers博士提出智能材料概念，到1989年日本學(xué)者高木俊宜將信息科學(xué)融于材料的構(gòu)成和功能中并詮釋了智能材料，再到20世紀(jì)80年代智能材料作為新材料開始發(fā)展，如今纖維形式的智能材料正處在高速發(fā)展階段［3］。近年來，不同學(xué)科的知識(shí)不斷交叉融合，電子信息技術(shù)、納米技術(shù)、微膠囊技術(shù)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得先進(jìn)技術(shù)在智能纖維中得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)纖維狀智能材料的研究與開發(fā)取得成效［8］。目前智能纖維和智能紡織品表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2．1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

目前我國(guó)對(duì)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和制造業(yè)振興的渴望不亞于發(fā)達(dá)國(guó)家，但由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等原因，全球?qū)嶓w經(jīng)濟(jì)處于疲軟態(tài)，曾引領(lǐng)歐美工業(yè)革命的紡織工業(yè)一度被稱為夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)［9］，所以業(yè)界想通過纖維做出改變，其中革命性纖維和織物的出現(xiàn)可能會(huì)顛覆紡織業(yè)態(tài)趨勢(shì)，而革命性纖維和織物是一種多功能、多結(jié)構(gòu)及多材料的智能纖維和織物。2017年我國(guó)智能纖維的發(fā)展趨勢(shì)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)如圖3和圖4所示。目前,我國(guó)智能纖維的生產(chǎn)技術(shù)已逐漸成熟，如恒天海龍股份有限公司生產(chǎn)出了變儲(chǔ)能黏膠智能纖維，煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司生產(chǎn)出了導(dǎo)電間位芳綸智能纖維，江蘇中杰澳新材料有限公司生產(chǎn)出了導(dǎo)電滌錦復(fù)合智能纖維［10］。

2．2國(guó)外現(xiàn)狀

從國(guó)外態(tài)勢(shì)來看，各國(guó)對(duì)紡織領(lǐng)域核心纖維原料格外重視，特別是智能纖維、高性能纖維、革命性纖維被多次提出。2007年，《自然》雜志報(bào)道了智能紡織品及高性能纖維；2014年，德國(guó)建立了名為“未來紡織”的項(xiàng)目，該項(xiàng)目戰(zhàn)略判斷紡織行業(yè)是基于節(jié)能環(huán)保、新材料、智能纖維及智能產(chǎn)品等的全新行業(yè)，而不僅僅是傳統(tǒng)行業(yè)；2016年4月1日，美國(guó)政府發(fā)起革命性纖維和織物制造的創(chuàng)新計(jì)劃，該計(jì)劃以研究開發(fā)未來纖維和織物為目標(biāo)，以加速美國(guó)紡織制造業(yè)的復(fù)蘇［9］。

3智能纖維在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

智能紡織研究和開發(fā)理念是針對(duì)特定功能要求，結(jié)合功能或智能纖維制造整理方式來加工紡織品，開發(fā)出滿足人們需求的新產(chǎn)品［11］。如今智能紡織品不僅應(yīng)用于服裝、安全防護(hù)領(lǐng)域，也多應(yīng)用于軍事、醫(yī)療及健身領(lǐng)域。

3．1安全防護(hù)紡織品

智能紡織集合各種高科技，其紡織品可以抵抗不良環(huán)境條件并提供更好防護(hù)。因智能紡織品具有許多突出功能，如變色功能、形狀記憶功能及調(diào)溫功能，很適合用來研究和開發(fā)防護(hù)服及各種安全防護(hù)紡織品。英國(guó)紡織品和防護(hù)服機(jī)構(gòu)研發(fā)出一款防燙傷智能服裝，它是將鎳鈦合金經(jīng)過兩次加工形成不同形狀，然后再將其與智能服裝面料組合，當(dāng)防燙傷服接觸高溫時(shí)，鎳鈦合金記憶纖維被激發(fā)產(chǎn)生形變，形變的兩次形狀在織物間起到隔絕熱源的作用，防止皮膚被燙傷［2］。美國(guó)學(xué)者研究出一款自動(dòng)報(bào)警智能服裝，在戰(zhàn)場(chǎng)和具有放射性及有毒物質(zhì)的環(huán)境里能夠保障人體安全［12］。此外，還有智能防護(hù)帽子和智能防護(hù)手套等，如圖5所示。

3．2醫(yī)療紡織品

智能纖維在醫(yī)療紡織品中的應(yīng)用也十分廣泛，其紡織品對(duì)人體有保護(hù)、治療和恢復(fù)作用。如今智能紡織品不僅要具有健康、防護(hù)、舒適功能，還要具有儲(chǔ)存、檢查和檢測(cè)身體數(shù)據(jù)及功能傳遞作用［13］。目前智能纖維在醫(yī)療領(lǐng)域中應(yīng)用主要是處理和執(zhí)行功能、遠(yuǎn)程醫(yī)療、作為載體材料以及集傳感于一體，智能纖維對(duì)藥物釋放系統(tǒng)具有關(guān)鍵作用。Steckmann和Prieb設(shè)計(jì)出隨溫度變化具有形狀記憶效應(yīng)并通過加熱和電流可以激活的智能繃帶［13］；美國(guó)一家公司研發(fā)出一種可以測(cè)氧氣濃度、細(xì)菌數(shù)量及濕度并自動(dòng)記錄在計(jì)算機(jī)中的智能繃帶；Sensoria公司研制出具有摔倒感應(yīng)、測(cè)量足底壓力功能的智能醫(yī)療短襪；奧胡斯大學(xué)教授研發(fā)出一款便于醫(yī)護(hù)人員對(duì)病人心臟衰竭進(jìn)行監(jiān)控的Edema智能長(zhǎng)襪［14］；德國(guó)科學(xué)家研制出一種含有環(huán)式糊精糖分子的智能醫(yī)療功能內(nèi)衣［15］。

3．3運(yùn)動(dòng)健身紡織品

智能纖維在運(yùn)動(dòng)健身紡織品領(lǐng)域中的應(yīng)用前景十分廣闊，預(yù)計(jì)2026年，智能運(yùn)動(dòng)健身紡織品將占智能紡織品整體的46．8％，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到15．3億美元［16］。智能運(yùn)動(dòng)健身紡織品可以為運(yùn)動(dòng)員提供健身建議，提升運(yùn)動(dòng)人員表現(xiàn)效能，以及記錄運(yùn)動(dòng)人員的呼吸、心率等。此外，隨著智能紡織技術(shù)在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成熟，智能面料具有了緩解疲勞、吸濕快干、感測(cè)生理及溫度調(diào)劑等多種功能。Athos研制出可以檢測(cè)穿著者呼吸頻率、心率、肌肉活動(dòng)及加速情況的智能運(yùn)動(dòng)衣和短褲［17］。

4智能纖維發(fā)展趨勢(shì)

智能紡織品一直走在科技變革和創(chuàng)新前沿，智能纖維的地位越來越高，其智能產(chǎn)品具有廣闊的發(fā)展前景。智能材料雖然存在智能驅(qū)動(dòng)材料載荷小、輸出功率小、難以承受負(fù)荷較大作用、材料效率低、耗電、磁致伸縮材料應(yīng)用范圍較窄、制作成本高、難以應(yīng)用在大型機(jī)械裝備及建筑行業(yè)中等問題［10］，但各工業(yè)強(qiáng)國(guó)已經(jīng)開展智能材料及智能產(chǎn)品的研發(fā)工作，智能纖維相關(guān)技術(shù)被認(rèn)為是航天、深海探測(cè)及新材料等行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，此外，智能纖維在紡織領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用潛力很大，其中智能紡織品的應(yīng)用范圍涉及生物醫(yī)學(xué)、土木工程及安全防護(hù)等領(lǐng)域。目前紡織業(yè)正處在轉(zhuǎn)型升級(jí)期，智能纖維及智能紡織正在向中國(guó)2025和工業(yè)4．0方向發(fā)展，未來智能纖維將向高舒適、高智能、高功能、多功能、低成本、美觀、生態(tài)環(huán)保及產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展［11］。隨著人們生活質(zhì)量的提高，智能纖維的需求也會(huì)逐漸增多，全球紡織市場(chǎng)的主流將是智能纖維及其紡織品。

5結(jié)束語(yǔ)

智能纖維即纖維狀智能材料，由于智能材料系統(tǒng)具有傳感功能、反饋功能、信息識(shí)別與積累功能、響應(yīng)功能、自診功能、自修復(fù)能力以及自我調(diào)節(jié)能力等多種特征和智能功能，因此對(duì)智能纖維的研究開發(fā)具有很大的市場(chǎng)潛力。從國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀來看，為了紡織制造業(yè)的復(fù)蘇，各國(guó)對(duì)紡織領(lǐng)域核心纖維原料格外重視，發(fā)起了研發(fā)未來纖維和織物及革命性纖維的項(xiàng)目，特別是智能纖維、高性能纖維，智能纖維雖然存在智能驅(qū)動(dòng)材料載荷小、磁致伸縮材料應(yīng)用范圍較窄以及制作成本高等問題，但各國(guó)已開展智能材料及智能產(chǎn)品研發(fā)工作，尤其是在防護(hù)紡織品、醫(yī)療紡織品及運(yùn)動(dòng)健身紡織品等方面，智能纖維的相關(guān)技術(shù)被認(rèn)為是各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。未來智能纖維的發(fā)展趨勢(shì)是高舒適、高智能、高功能、多功能、低成本、美觀、生態(tài)環(huán)保和產(chǎn)業(yè)化。

參考文獻(xiàn)

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作者:黃梅花 楚久英 單位:江西服裝學(xué)院