智能纺织材料与智能纺织系统概述

罗胜利，张宇群，龚 龑，何 宁，黄倩瑜，陶肖明，刘 苏广州纤维产品检测研究院，广东 广州 57；.北京服装学院，北京 0009；3.烟台南山学院，山东 烟台 6573；.香港理工大学，香港特别行政区 999077）

智能纺织材料与智能纺织系统概述

罗胜利1，3，张宇群1，龚 龑2，何 宁2，黄倩瑜1，陶肖明4，刘 苏4
广州纤维产品检测研究院，广东 广州 511447；2.北京服装学院，北京 100029；3.烟台南山学院，山东 烟台 265713；4.香港理工大学，香港特别行政区 999077）

智能纺织品是纺织品发展的新趋势，是21世纪研究的热点。主要介绍了光致变色材料、相变材料、形状记忆材料、超吸收聚合物和凝胶、负泊松比结构材料、压电材料、电致发光材料、光电材料、电容性材料共9种智能纺织材料及其在纺织中的应用，同时根据能量和通信功能将智能纺织系统分成4类，并分别举例介绍了各类纺织系统。

智能材料；纺织材料；纺织系统

智能纺织材料是指除了具备普通纺织材料固有风格和服用性能外[1]，还能感知环境变化并能实时改变自身的一种或多种性能参数，做出与环境相适应的自我调整的一种新型材料[2，3]。智能纺织系统是指能够对外界环境刺激或外部信号等刺激物的刺激做出预期响应的一种纺织系统，该系统同时具有感知功能、反馈功能和响应功能[4]。

目前关于智能纺织材料、智能纺织系统的研究是纺织服装领域的热点，也是难点。现阶段智能纺织品的开发已取得实质性进展，尤其是在智能纺织材料开发方面，通过研究和制备新型材料，获得纤维外形的传感器、执行器，尤其是柔性纺织开关、太阳能电池、柔性电子线路板、大面积柔性集成电路等电子器件的出现，标志着智能纺织品已从概念阶段向实际应用阶段迈进[5～8]。

智能纺织材料及智能纺织品的出现，使人们看到了纺织工业的远大前景，同时也看到了电子技术、生物医疗技术、光学技术、信息技术等在纺织行业的重要应用和体现。织物的智能化是纺织品发展的必然趋势。

1 智能纺织材料分类及应用

智能纺织材料是指能够主动地与环境发生交互作用，即可通过自身对外界刺激进行感知、处理并将指令反馈给驱动器执行和完成相应的动作，对外界刺激做出适当的反应[9]。外界刺激一般包括光学刺激、机械刺激、化学刺激、电学刺激、热学刺激以及磁刺激，不同种类的刺激会导致智能纺织材料做出不同的响应（详见表1）[10]，如光学刺激可产生光学响应（光致变色），也可产生电学响应（光电效应），机械刺激可产生光学响应、力学响应、化学响应、电学响应以及热学响应。

表1 不同智能纺织材料对刺激的响应Tab.1 Stimulation-Response of different smart textile materials

1.1 光致变色材料

变色材料是指在外界刺激源（光、热、电等）的作用下，吸收、传输或反射的光随外界刺激的变化发生明显变化的一类材料。根据外部刺激源的不同，变色材料可分为光致变色材料、热致变色材料、压致变色材料、电致变色材料等[11～13]。

光致变色材料的制备方法主要有浸染法和丝网印刷法2种。采用浸染法的方式制备光致变色纤维或织物较为简便，直接通过染色浴加热对纤维、纱线或织物进行上染。丝网印刷工艺将光致变色化合物通过丝网转印到织物上，丝网印刷过程中为保护光致变色化合物，需要对其进行微胶囊化，采用的微胶囊尺寸较小，大约3～5 μm，可直接通过丝网印刷转移到织物上，此方法虽能增强对光致变色化合物的保护，但是降低了织物的手感

[1 4，1 5]。

光致变色织物在实际应用中需要重点考虑2方面问题，一是织物的耐光性，有些光致变色染料上染的织物长时间暴露在紫外光下会丧失光致变色效应；二是变色-消色速度，变色和消色速度可反映纤维或织物的颜色改变速度，变色速度从刚开始吸收紫外光到吸收最大值的一半所用的时间来表示，消色速度从吸收光的最大值消减至一半所用的时间

[1 6]。

变色材料是近些年来迅速发展的高技术功能纤维，具有高附加值和高效益，可用于医疗监测，如婴儿服装，通过衣服颜色的改变来监测婴儿是否发烧；也可用于特殊职业的安全防护，如穿着者曝露在化学危害物或辐射环境中，衣服颜色会发生改变；还可应用于时尚领域，如光致变色遮阳伞、光致变色窗帘、光致变色T恤等。

1.2 相变材料

相变材料是指能够感知环境温度的变化而智能调节温度的材料，相变物质通过发生状态改变（固态、液态或气态），可以存贮或释放大量能量，以维持基体温度恒定[17]。应用于纺织服装中的相变材料有严格的温度范围要求，一般是在10～40 ℃，同时还需具备较高的热存贮容量和释放容量、较小的体积变化、无腐蚀、无毒素、高导热性、不易分解等性能[18～21]。

目前较为常见的相变材料主要基于固-液和固-固2种相变状态制成的材料。固-固相变材料吸收和释放热量时本身不发生状态改变，仅在较窄的温度范围内变软或变硬，与固-液相变材料相比，固-固相变材料没有液体或气体的产生，材料的相变体积变化较小，但其缺点是潜热低，过冷度较小[22]。固-液相变材料吸收热量时会从固态转为液态，为防止液体材料在使用过程中流失，大多数固-液相变材料需密封在微胶囊中。固-液相变材料由于其较高的热存贮容量和较小的体积变化，在纺织上具有广泛的应用。

目前制备相变纺织材料最常用的方法是对纤维或织物进行涂层或浸渍，即采用相变材料微胶囊的高分子粘合剂对纤维或织物涂层或浸渍，此法制得的微胶囊位于纺织品表面，耐洗涤性能较差；也可以在纺丝过程中添加微胶囊制得相变调温纤维；或是将微胶囊填充到中空纤维的中空部分，然后用树脂将纤维进行包覆，防止相变微胶囊外露，从而达到持久调温效果[23]。还有采用层压的方式将相变材料以聚合物膜的形式压到纺织材料上。

相变材料最早应用在纺织服装领域，主要是航天服以及手套，目前也用于普通纺织品中，如以提高服装热舒适性为主的积极发热服装，如潜水服、防护服、降温背心等，也可用于医疗产品，如手术服、病人床上用品材料、绷带、药物可控释放，在汽车行业也有用到，如汽车内部的座椅以及车顶部位[2 4]。

1.3 形状记忆纺织材料

形状记忆材料是指受到外部刺激（温度、紫外光、湿度、磁场、pH值）后，材料外形、尺寸或内部结构发生改变后，在特定条件刺激下能回复初始形状的一类材料[10]。

形状记忆材料有以下3种[10]：

a）形状记忆聚合物：采用永久性物理交联或化学交联方法，并植入一个活动的基质而成的聚合物，该基质可存贮力学形变能量，待材料受外界刺激后可恢复形变；

b）形状记忆合金：经热刺激后可在2种不同的晶体结构间变换的金属合金，如镍钛合金；

c）形状记忆复合材料：形状记忆材料与可弹性回复材料制成的复合材料，如人造肌肉。

形状记忆聚合物可通过湿法纺丝、熔融纺丝、干法纺丝、静电纺等方法加工成纤维形式，纤维再通过不同方法制成纱线后，经机织或针织的方式制成织物。纤维成分及合成工艺的不同，会产生不同的形状记忆效应，如快速形状回复、逐步形状回复等。服装产品设计者应充分利用形状记忆纤维的形状记忆功能和力学性能，根据纺织品的不同用途，对形状记忆纤维提出不同的要求，如较高或较低的形状记忆性能，较大或较小的伸长、模量、线性密度等[25]。

形状记忆聚氨酯纤维/织物已经应用在纺织服装领域，如镍钛形状记忆纤维可作为胸罩的支架，在温度升高时，使胸罩恢复到预设最佳的形状[26]。形状记忆中空纤维的内径可在热刺激的作用下发生改变和回复，可用于热调节服装或作为枕头、床垫的填充物。纳米形状记忆纤维由于其多孔径、比表面积大等优势，在纺织上也有较为广泛的应用[27]。

目前较为常用的形状记忆纤维多半基于热效应，还应开发出对光、电、湿度等刺激物响应的多重响应形状记忆纤维在智能纺织品中的应用。不同的刺激通过2个开关（如湿度敏感和热敏感）的联合使用控制多重响应形状记忆纤维的形状记忆效应，可增强形状记忆纤维的控制力。一件热-湿敏感的形状记忆服装可同时实现对人体汗液和体温变化的形状记忆，并作出相应反应。形状记忆材料可以纱线的形式应用于纺织系统中，较多地应用在织物结构中或者作为织物涂层（如薄膜），如一件遇热发生长度收缩的服装或一张薄膜改变它的孔隙率以调整水蒸汽传输速率。

1.4 超吸收聚合物和凝胶

超吸收聚合物和凝胶能够最大限度地吸收和保留液体，使得自身超溶胀，并形成凝胶。高吸水性聚合物（水凝胶）通过氢键和水分子的结合吸收水分，吸水能力受溶液中的离子浓度影响，它能吸收自身质量500倍（自身体积的30～60倍）的蒸馏水或去离子水，而吸收浓度为0.9%的盐溶液的量仅为其自身质量的50倍。

超吸收聚合物的总吸收能力和膨胀能力由高分子的交联类型及交联度决定。低密度交联聚合物可形成较高吸收能力以及更柔软、更紧密的凝胶。高密度交联聚合物则形成较低吸收能力、更坚硬的凝胶，此种凝胶在较低压力下可保持自身形态。

超吸收聚合物和凝胶在纺织上有较大的应用价值，可采用织造或接枝的方式制成防水透湿膨胀织物，织物在干态时，由于织物上大量的孔隙使其具有良好的透气透湿性，当遇到湿

环境时，织物上凝胶吸水溶胀，将织物组织的孔隙堵塞，起到防水或抗浸作用[28，29]。可将湿

纺中的凝胶态纤维浸入抗菌防臭剂溶液，将抗菌防臭剂溶液封入内部，制成智能抗菌织物。

1.5 负泊松比结构纺织材料

常规材料在受到拉伸（或压缩）时，在垂直受力方向上会发生收缩（或膨胀），而负泊松比结构材料及其复合材料在受拉伸（或压缩）时，在垂直于受力方向发生膨胀（或收缩）。材料的负泊松比结构是由其宏观结构或微观结构形成，而不取决于其化学组成[30]。

负泊松比纱线，采用高弹性纤维为芯纱和高模量纤维为包缠纱，以一定的直径比和初始包缠角度进行包缠纺纱而成。当纱线受到轴向拉伸时，外包缠纱弹性伸长较小，而芯纱弹性伸长较大，2者位置发生互换，初始状态下芯纱直径比外包缠纱直径大得多，因而纱线直径是增大的，纱线发生横向膨胀[31]。

负泊松比纺织材料可应用在服装面料、航空航天、生物医用等领域，如窗帘、军用帐篷、飓风防护。

1.6 压电纺织材料

压电效应，是电介质材料中一种机械能与电能互换的现象。当材料在外界机械力作用下发生形变时，会在其2个相对的表面产生符号相反的正负电荷，即机械能转变为电能，此现象称为正压电效应；当对材料施加一个电场时，材料表面则会发生机械形变，即电能转变为机械能，此现象称为逆压电效应。

传统的压电传感器用于监测压力、加速度、应力等，压电传感器由于可在较小的应力或应变的条件下产生可测量信号，几乎可对任何类型的形变产生反应，且成本低、能耗低，在纺织领域有较大的应用潜能。高分子压电材料可制成非常薄的膜，可附着在几乎任意形状的表面上，偏二氟乙烯是压电纺织传感器最常用的材料，压电传感器常以薄膜的形式植入纺织品中[32]。

压电纺织传感器多用于压力监测，如带有压电传感器的汽车座椅，将PVDF压力计置于座椅面料与泡沫之间，实现压力监测。压电材料还能用作执行器，接受电信号后输出力或位移，也可作为机、电、声、光、热敏感材料，在传感器、换能器、通讯技术领域获得了广泛应用。如将压电传感器、印刷电路板、微控制器等织入纺织服装内，收集的压电数据通过蓝牙传送至处理器。

1.7 电致发光纺织材料

此类材料当有电流通过或对材料施加一个较强的电场时会发光，材料的发光层类似于三明治结构夹在2个电极之间，顶层是透明的便于传输发射光。发光层普遍用无机或有机半导体（薄膜或粉末），同时用掺杂物来决定颜色，或者无机材料如硫化锌掺杂铜、银或锰。

电致发光材料可与纺织相结合，如法国某公司运用纺织技术把塑胶光纤织成织物，然后加上LED光源和电池组，通电之后就成为可自发光光纤织物。该织物白天与普通面料没什么区别，晚上通电之后，会发出绚丽的光。

电致发光材料可以在较低压和较低电流下使用，可用于发光服装，如舞台服装，能够很好地融入和调节舞台灯光与自身服装的搭配效果。也可应用于警示服装，交警穿着的警示衣、儿童警示衣等，有效解决传统反光警示服在夜间光线不足、反光亮度低、反光不及时等缺陷，提高道路安全防护系数[33，34]。

1.8 光电纺织材料

在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流。光电材料中，光子的主要作用是激发半导体中电子从价带过渡到导带。光电材料主要由上电极、一个P型半导体/n型半导体和下电极组成。

光电材料在纺织领域的应用，主要是基于纤维或纺织材料制成光电池[35]，如太阳能电池，将无机半导体材料CdS涂层在涤纶纤维上以制备柔性的太阳能电池，该电池将照射在其表面的太阳光线直接转换成电能，作为独立的电源供应器。

1.9 电容性纺织材料

电容性纺织材料可以存贮电荷，电容结构一般由2个平行极板中间夹一层绝缘介质构成，外力引起的极板面积、极板间距的变化以及绝缘介质的介电常数的变化，都会引起电容材料电容量的变化。

电容材料可用于纺织品的柔性电容传感器，一般以导电纤维、纱线、织物等柔性导电材料通过机织、刺绣或印刷等方式制成纺织基电极板，以泡沫、间隔织物、橡胶等弹性材料为电介质层，这种柔性电容传感器与纺织品结合制成传感器，可通过接触式感应、非接触式感应、压力感应、肌肉活动感应、运动感应等方式进行传感，如压力传感器能够把压力产生的微小位移转化成电容的变化，从而反映外界条件的变化[36，37]。

电容传感器在纺织领域较多地用于医疗保健相关的生理监测，可监测人体大部分生理参数。用于人体活动监测的传感器，将电极放在人体脖子、胸膛、手腕及大腿部位监测人体肌肉运动产生的变化可获取人体咀嚼、吞咽、说话等动作信息。

柔软舒适的接触式纺织电容性传感器已实现商业化应用，相对较容易植入纺织品中，但是其包含的介电材料较容易受到环境湿度的影响，且需要一个最小的感应阈值。

2 智能纺织材料系统及其分类

一个完整的智能纺织材料系统至少包括感知单元、反馈单元和响应单元，感知单元能够对外界环境变化进行感知，如电、光、热等，处理器主要负责信息的分析处理，驱动器主要执行指令，控制材料结构状态发生变化适应环境[38]。此外，智能纺织材料系统还需要电源系统以及人机交互通信设备，人机交互设备主要分为输入设备和输出设备，电源系统包括传统的高效能电池以及收集人体能量、太阳能的供电系统[39]。

从智能纺织材料系统自身的功能来看，主要有“能量功能”和“外部通信功能”2种功能。能量功能是指智能纺织系统电源供应的方式，有能量功能的智能纺织系统包含高效能电池，系统自身可提供能量供应，当系统内部电池电量耗尽时需要更换电池。无能量功能的智能纺织系统不包含电池，系统自身不能提供能量，需要借助外部提供的能量才能正常工作，如人体运动产生的热能、太阳能等。外部通信功能是指智能纺织系统与外界是否发生信息交流，有通信功能的智能纺织系统包括与外界环境发生单向或双向通信交流。交流的方式可由用户直接感知，如人体通过视觉、听觉、嗅觉等感觉器官直接感知系统发出的信号；也可由电子元件感知后再传递给用户，如电子元件感知信号后，通过发出声响或发射电磁波、光波等形式将信号传递给用户。无通信功能的智能纺织系统不与外界环境发生交流，但是也不排除系统内部会发生交流，如一个自动调节系统，系统内部会发生信息交流。

基于智能纺织系统是否有“能量功能”和“外部通信功能”这2个功能，可以将智能纺织系统划分为4大类，即“无能量无通信功能（NoE-NoCom）”、“无能量有通信功能（NoE-Com）”“有能量无通信功能（ENoCom）”、“有能量有通信功能（E-Co m）”4类。

2.1 无能量无通信功能的智能纺织系统

无能量无通信功能的智能纺织系统不包含电池，同时系统也不与外界环境发生通信交流，系统借助外界光、电、热等刺激为系统提供能量，如形状记忆材料或相变材料制成的服装自身不含电池，由外部环境温度对系统提供热能，温度的升降作为刺激源，刺激材料发生行为改变。

2.2 有能量无通信功能的智能纺织系统

有能量无通信功能的智能纺织系统自身可提供能量，一般通过系统自带的电池提供电能，同时系统不与外界环境发生通信交流，此类系统一般包含能量转换电子元器件，可贮存能量以备电池用完后提供持续功能。如光伏纺织品，可以将光能转换成电能贮存起来，当纺织品自带的电池电量用完后可延缓一段时间更换电池，为用户提供方便[40]。再如，带有机电换能器的鞋子，机电换能装置可将人体运动产生的机械能转换成电能存贮起来，当系统自带电池电量用完后，可延缓一段时间，不必立即更换。

2.3 无能量有通信功能的智能纺织系统

无能量有通信功能的智能纺织系统自身不能提供能量，但是系统能与外界环境发生单向或双向的通信交流，如患者用呼吸监测器，该智能系统将作用于传感器的力学刺激转换成电信号传输给系统，系统接收信号进行分析处理后即对外界环境发射无线电波，医生通过探测器接收此无线电波，此种交流方式为系统感知信号再传递给用户[41]。由热致变色颜料染成的婴儿睡衣裤，当温度升高超过规定阈值，染料颜色发生改变，给父母或其他人员视觉的警告信号，此种交流方式为用户直接感知系统发出的信号。或者用光致变色纤维制成的床单、病号服，可通过床单颜色的变化实时观测病人体温变化，判断病人有无发烧情况[42，43]。

2.4 有能量有通信功能的智能纺织系统

有能量有通信功能的智能纺织系统自身可提供能量，且系统还能与外界环境发生单向或双向通信交流，如化工厂工人使用的监测和报警系统，该系统自带电池供电，将作用于传感器的化学刺激信息传递给内部系统，系统经过分析处理，随后将通过颜色的改变或发出声音的方式将信息传递给外界环境，由人眼或人耳接收。装有热探测器的消防防护服，自带电池提供能量，防护服的胸、背等部位装有热传感器，该系统可将作用于热传感器的热刺激物（温度）转换成电信号传送给系统内部，随后系统向外界环境发射光信号，消防员通过光信号判断消防服所经受的温度[44]。

3 结语

随着人们对材料技术、无线通信技术以及微电子技术研究的深入，给智能纺织品的研究开发提供了更广阔的空间。智能服装的出现不仅符合纺织服装行业“低碳经济”的发展理念，同时利用这种多学科交叉开发的高附加值的织物也促进了整个纺织行业的发展。

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Overview of smart textile material and smart textile system

LUO Sheng-li1, ZHANG Yu-qun1, GONG Yan2, HE Ning2, HUANG Qian-yu1
(1.Guangzhou Fiber Product Testing and Research Institute, Guangzhou, Guangdong 511447, China; 2.Beijing Institute of Fashion Technology, Beijing 100029, China; 3.Yantai Nanshan University, Yantai, Shandong 265713, China; 4.The Hong Kong polytechnic university, Hong Kong Special Administrative Region 999077, China)

Smart textiles, as a research hotspot in the 21st century, are the new developing trend of textiles. This paper mainly introduced nine kinds of smart textile materials and their application in the textile field, including photochromic textile material, phase change textile material, shape memory textile materials, super-absorbing polymers and gels, auxetic textile materials, piezoelectric textile material, electroluminescent textile materials, photovoltaic textile materials and capacitive textile materials. Then the paper classified the smart textile systems into four categories according to the energy function and communication function, and introduced each kind of textile system, respectively.

smart material; textile material; textile system

TB381

A

1001-5922（2017）03-0023-06

2016-10-31

罗胜利（1981-），女，博士，从事纺织品检测技术研究。E-mail：luoshengli20@163.com。

国家质检总局科研项目资助（项目编号2016QK036）。