光导纤维及基于光纤的智能纺织品研究

王奕予 ,李 敏,2,3,*

(1.东华大学 服装与艺术设计学院,上海 200051；2.东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室,上海 200051；3.同济大学 上海国际设计创新研究院,上海 200092)

随着社会的不断发展,服装对于消费者的意义不再局限于遮羞、保暖、美观等功能,近年来服装与科技的结合使得服装朝着智能纺织品的方向不断发展。其中,光导纤维的服用可能性赋予了纺织品更多的可能,它作为光传输新媒介在一定程度上满足了消费者对于服装智能化、独特化的需求。

在光导纤维研究的早期阶段,研究成果主要运用于医疗、航空、军事领域,在纺织领域以商用性质出现多是与运动或保健相关。我国学者相对西方学者而言,对于智能服装及光导纤维的服用性研究起步较晚,20世纪70～80年代起开始进行系统性研究。当前,基于光导纤维的智能可穿戴设备开发及发光面料的独特视觉效果使很多学者、高校、企业都对光导纤维的服用性研发产生了兴趣。利用塑料光纤[1―2]、微弯光纤[3]和多模光纤传输的异芯光纤[4],将光纤传感器编织到纺织织物中的智能纺织品也已制造出来,成为近年来纺织服装领域的一大研究热点。

1 光导纤维概况

1.1 光导纤维的发展

据考古学研究发现,公元前一世纪,巴勒斯坦人用小色块玻璃拼凑人像,后来发展成为一种装饰镶嵌工艺。这些事件可以看作是光导纤维最早的运用起点。最早的文献记载是由英国物理学家约翰·丁达尔(John Tyndall))于1854年在英国皇家研究院发现光沿着水管喷射出来的水柱折射前进情况。1927 年美国学者Hansell申请了有关可挠透明纤维束的专利。1954年美国学者Hopkins和Kapany发表了利用传感束传送图像的报告。1967 年美国杜邦公司首次将聚光纤维(polymer optical fibers,简称POF)应用于纺织结构中,并将其作为一项专利发布(Derick and Synder,1967)。但由于其较低的光衰减和较高的信号传输频宽,20世纪90年代的市场需求很少[5]。如今随着光学纤维与多种新型纺织技术的不断发展,光纤织物的实现有了更多可能。

1.2 光导纤维的分类

光导纤维的分类方式多种多样,按制造材料可以分为玻璃光纤、石英光纤和塑料光纤[6]；按使用性能可以分为无机光纤和有机光纤(也称聚合物光纤)[7]。聚合物光纤按照发光原理又可以分为端面发光光纤和侧面发光光纤[8]；按传输模式可以分为多模光纤和单模光纤[9]；按纤维结构可以分为皮芯型光纤和梯度型光纤[10]等。

1.3 光导纤维的性能

由于光纤分类多样,国内外学者也分别对不同类型的光纤进行了性能研究。如折胜飞等[11]对大芯径氟化光纤的性能进行了研究,认为该种光纤具有重量轻、体积小、传输能量损耗低、化学稳定性高等优势。孔德鹏等[12]对塑料光纤在通信、传像、光纤激光的性能表现进行了综述,认为POF兼具柔性、轻质、可见光高透、性价比高等特点。其他对波移光纤、多芯光纤、远红外光纤、耐高温光纤的性能研究有很多,进一步证明了光纤可以有广阔的应用前景,但将光纤应用于服装领域仍存在不耐磨、不易清洗等局限性。

2 发光光纤织物的研究现状

2.1 光纤发光织物的制造方法

随着发光织物研究的不断深入,也有大量学者对利用光导纤维得到光纤织物的织造方法及光纤结构对不同织造方法的影响进行了深入研究。

张建武等[13]于2018年公开了一种新型聚合物光纤发光织物的发明专利,他们设计了一种使得聚合物光纤与光源进行偶联的良好连接件,且不会影响聚合物光纤本身的弹性、抗弯刚度等性能,使光纤和光源进行了安全有效的连接。肖红等[14]于2019年公开了一种可呈现动态画面的光纤织物及其制备方法的发明专利,通过构成图案的光纤多点侧发光和控制光纤端面是否入射光线,达到光纤织物图案以动态呈现的效果,该织物结构易于操作,美观实用,解决了以往动态画面发光织物的制备难题。刘宇清等[15]于2020年公开了一种聚合物光纤及发光织物的发明专利,芯层的材料包括折射率为1.55～1.59聚碳酸酯,皮层的材料包括折射率为1.45～1.50的改性聚对苯二甲酸乙二酯和/或折射率为1.47～1.52透明锦纶。该种发光织物兼具极佳的韧性、较低的光损耗,而且价格更低廉,制备方法更简单和快捷,尤其适用于装饰用面料。

2.2 光纤发光织物的实际运用

早在1970年,Richard Balley[16]利用端面发光聚合物纤维就开发出发光服装,经过设计师程序和电路的设计不仅达到使服装发光的效果,还使服装上的图案能够有所变化。近年来,意大利Luminex公司展示出一种由光纤编织成的发光织物,并在之后相继推出将该种面料运用到服装、抱枕、餐桌布等家具纺织品。深圳智裳科技有限公司展示出一款支持APP 远程操控、一键变色的智能发光婚纱,婚纱中所用特殊可发光面料完全由智裳科技自主研发,是利用光的传导原理结合特殊的纺织工艺制成。新媒体艺术家Malin Bobeck Tadaa也展示出系列发光纺织艺术品,艺术品中的提花织物织有光纤,达到导光发亮的效果。这些产品中的光导纤维无论是用在服装还是纺织品领域,都展示了光导纤维在纺织领域巨大的艺术可塑性。

3 光纤传感智能服装的研究现状

光导纤维在智能服装传感器中的运用变得越来越重要,但智能在制造过程中始终面临的一大难题就是实现无缝和无形集成所需的电子织物。因此,材料研究人员需要在不牺牲强度、舒适度和美学吸引力的情况下,生产出具有所需电子功能的纤维。面对这一智能面料的传感性能需求,光导纤逐步成为优先选择,它能够作为多种传感器来检测和测量参数,包括温度、湿度、压力、有机和无机化合物的存在、风速和折射率等。在1967年,美国杜邦公司申请的POF专利中,就提到该面料可以作为压力和压敏传感器。与传统电力传感器相比,光纤传感器具有明显的优势,使用安全、易于处理、不发热,对电磁辐射和放电不敏感,由此在智能服装的研发过程中受到重视。

3.1 光纤传感器的基本原理

通常来说,传感原理是基于3个主要的交互作用,首先是机械波动(压力、应力、应变)在纤维中造成细微弯曲,前文提到的杜邦第一个POF专利是在织物表面施加压力或在织物平面施加拉力会致POF弯曲,实现传感功能；其次是纤维芯或外壳材料添加剂(掺杂物和染料)与分子相互作用或从环境中吸收辐射。Rothmaier等发现由于POFs的橡胶材料特性,它被挤压但不会弯曲,改变了它的横截面,提出更简单的压力传感器原理。Baur等[17]展示了他们开发的光学传感座椅,希望提高汽车中人员的安全性,具体原理是光纤传感器分布于座椅或坐垫内,以检测坐垫上人员的运动。在这3种相互作用的情况下都会导致透射光能量的变化,产生传感。

3.2 光纤传感智能服装的运用研究

在光纤传感器的实际应用研究中,Zhi Feng Zhang等[18]提出一种同时测量剪切应力和正向应力的基于聚合物光纤光栅(PFBGs)的软光纤传感器,传导原理是施加正向应力或剪切应力导致光栅变形。研究结果表明,这种软传感器特别适用于涉及人体皮肤和组织的接触应力的高精度测量。Marco Ciocchetti等[19]提出一种基于光纤的、能够在核磁共振检测期间工作的呼吸监测系统,该系统的工作是基于穿着者上胸部的2个光纤光栅传感器,试验通过对志愿者呼吸期、吸气期、呼气期等系统性能评估,验证了该系统可以在核磁共振检测期间依然运行。Koyama等[20]提出一种将异形芯光纤与羊毛织物编织在一起的新型智能纺织品,这种纺织品可以直接应用到服装制作中,它是使用单模异芯光纤传感器来检测穿着者的生命体征,如心跳和呼吸等,为穿着者提供一个随时随身的检测系统。Murat等[21]探讨了智能服装用廉价印刷可拉伸连接件的拉伸性和疲劳寿命,研究中弯曲可拉伸的光纤连接线显示了100%的拉伸能力和20%应变力下1 000次循环的疲劳寿命,由此提出了一种保持纺织品舒适性和耐磨性,实现纺织品电子一体化的廉价方法。Arnaldo等[22]提出了一种智能纺织品和一种基于聚合物光纤的传感器系统。该智能纺织品可以检测由呼吸和心跳引起的身体变化情况,传感器系统可以检测穿着者氧饱和度、呼吸频率、步态频率和心率,且误差降低到仅约1%。这种系统不仅可以为远程医疗保健提供便捷,也可以作为云端机器人的传感器反馈,达到人机交互的效果。

4 结语

概括了光导纤维在纺织领域的主要发展历程,并举例说明了光纤发光织物的最新制造方法、光纤传感器的工作原理,并结合近几年光导纤维在发光服装领域和传感智能服装领域的运用案例进行了分析。

总体说,在光纤发展历程中,20世纪50年代起光导纤维的研发开始具备一定的形态,美国最先进行了大量创新性的工作。随着研究的深入和技术的进步,新的应用和产品不断涌现,光纤发光织物和光纤传感器在智能服装领域将发挥更加重要和独特的作用,也将具有更广阔的市场应用前景。但是,光纤在纺织服装领域的实际运用也存在一些明显的短板,如光纤织物应用中面临的易损伤问题、高能量传输中的低损伤阈值问题等。由此对于光纤服用性的研究领域仍有大量空白,在未来光导纤维在纺织服装领域智能化、多样化、广泛化的发展趋势下,仍需要学者们进行不断探索与深入研究。