新型功能性纱线的现状和发展趋势

夏治刚 吴展鹏 陈定伟 唐文杨 付驰宇

（1.省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室，湖北武汉，430200；2.武汉纺织大学，湖北武汉，430200）

纱线作为纺织品的必要组成部分，几千年来一直伴随着人类文明的发展。将纤维加捻成纱线的历史可以追溯到旧石器时代晚期，它是人类历史上最早的工业化技术之一［1］。如今，随着人们生活条件的改善，传统纱线已无法满足现代社会人们对纺织品功能性日益增长的需求。纱线及其纺织品的主要功能和用途已不再局限于遮羞、蔽体、保暖、防护和时尚。顺应时代需求，新型功能性纱线极大地丰富了人们的生活环境［2］。与携带、附着、包裹和嵌入等其他传统功能纺织品相比，新型功能性纱线可以无缝结合防护功能、电气功能、调温功能等，从而为纺织品提供多功能的设计和广泛的服务平台［3］。

纤维材料的发展是功能性纱线开发的基础。纺织纤维材料从天然纤维、合成纤维、增强纤维、功能纤维、导电纤维，再到智能纤维的发展转变，催生了一系列功能化纱线。例如，抗菌、电磁屏蔽、储能、供能、传感、响应、个人热管理和高防护等纱线。纱线的成形技术及结构设计是构建纱线功能性的关键［4］。基于纱线成形技术设计的结构纱线包含长丝纱、短纤纱、多股纱、过捻纱、包芯纱、编织纱、包缠纱和花式纱等。

本文综述了功能性纱线及其纺织品的发展现状，重点介绍了现阶段功能性纱线的结构设计、制备方法以及目前面临的困难与挑战，展望了功能性纱线的发展方向和前景，以期能全面了解功能性纱线，为功能性纺织品的研究和应用提供新的设计思路。

1 功能性纱线的制备方法

功能性纱线种类多样，功能各异，根据不同纱线的功能性要求，优选制备加工方法，能有效促进纱线的材料功能和结构功能相互协调、相互促进。目前制备功能性纱线的通用纺纱方法有环锭纺、摩擦纺、包缠纺、静电纺、溶液纺、条带纺和液流纺等。

1.1 环锭纺

环锭纺是由锭子和钢领、钢丝圈进行加捻，由罗拉进行牵伸的一种机械纺纱的方法，是目前应用范围最为广泛的纺纱技术［5］。基于环锭纺衍生出的复合纺纱技术如包芯纺、包缠纺、嵌入纺等纺纱方法，是制备导电纱线、传感纱线、人工肌肉纱线的常用方法。早期研究人员使用棉粗纱和碳纳米管（CNT）在环锭细纱机上制备出了柔性导电纱线［6］。CHEN L等［7］以TPU 纱线作为芯纱，涂有银的聚酰亚胺纱线作为包覆层，在环锭纺纱机上制备出了具有复合结构的负泊松比的纱线用于能量收集和自供电传感。类似地，CHEN W等［8］在环锭细纱机上制备出了以铜丝为芯，涤纶为鞘的包芯纱线，用于人体运动能量收集和自供电传感。尽管环锭纺工艺简单，纱线结构易于调控，但该技术由于需要对纤维须条进行牵伸并加捻，导致该技术对纤维原料的品质如长度、模量等都有较高要求，并不适用于所有功能性纱线的生产。

1.2 摩擦纺

摩擦纺也叫尘笼纺，是一种新型纺纱方法。其成纱原理是喂入的纤维条经过刺辊梳理分离后被负压吸风凝聚在旋转的尘笼上，并搓捻成纱［9］。由于其独特的成纱原理，摩擦纺对纤维的长度和模量要求要远低于环锭纺，表现出低速高产、适纺原料广、成纱品种多和工艺流程短的优势。目前大多数无机功能性纤维原料如聚酰亚胺、玄武岩、石英纤维的可纺性较低，无法在环锭纺上成纱，摩擦纺则弥补了这一缺陷。笔者研究团队利用摩擦纺制备了一系列隔热［10］、传感［11］108078，［12］101695、防护［13］110238功能性纱线，提高了功能性材料的可纺性能，扩大了难纺材料在功能性纺织品的应用范围。然而，摩擦纺在成纱过程中几乎不发生纤维的内外转移，导致纱线强力偏低，并且纱线号数偏高，阻碍了功能性纱线在纺织品中的进一步应用。

1.3 包缠纺

包缠纺是另一种制备功能性纱线常见的方法。包缠纺可分为环锭包缠和空心锭包缠，这里主要讨论空心锭包缠纺。空心锭包缠纺纱是短纤维粗纱经过牵伸后进入空心锭，然后经长丝包缠形成包缠纱的纺纱方法［14］。空心锭包缠纺的芯纱可以是短纤维须条，也可以是长丝，外包纱既可用短纤纱也可用长丝，故而该纺纱方法可以加工多种纱线品种，易于功能性纱线进行结构调控。例如，PERERA T等［15］利用空心锭子纺纱原理，采用不锈钢长丝和镀银锦纶纱线开发了两种导电可拉伸双包覆纱线，用于传感针织纺织品。但空心锭包缠纺由于芯纱缺乏捻度，同样面临着纱线机械性能偏低的挑战。

1.4 静电纺

静电纺是通过对纳米纤维进行收集、取向、集束、加捻和连续卷绕的一种新型纺纱方法［16］。根据其取向集束加捻的成纱原理，目前静电纺纤维纺纱方法主要分为高速旋转法［17］、水浴成纱法［18］、尖端诱导共轭集束法［19］等。纳米纤维纱线由于其纳米纤维具有超高比表面积和取向结构，为功能性纺织品的设计与开发提供了方向。例如，LEVITT A等［20］通过接地水浴收集的静电纺纱法制备的聚酰亚胺/MXene 复合纳米纤维纱线，具有高达1 195 S/cm 的电导率，在智能可穿戴领域具有明显优势。但是，静电纺纤维的制备效率低下以及较差的综合力学性能，仍然制约着静电纺功能纱线的发展。

1.5 溶液纺

溶液纺是指高聚物溶液经喷丝孔被定量挤出，溶液细流经过凝固浴或热空气或惰性气体牵伸固化成纤维的纺丝方法［21］。溶液纺丝可分为干法和湿法两种。其中，湿法纺丝可通过调节喷丝孔的结构和数量达到调控纤维结构和功能的目的。ZHANG Z等［22］基于溶液纺制备了聚合物发光电化学池纤维，在13 V 电压下可以达到亮度609 cd/cm2。目前，溶液纺还存在纺丝速度慢、溶剂污染大及回收等问题，在大批量工业化应用中比较受限。

1.6 条带纺

条带纺又称网覆式成纱法，是一种采用非织造布条带包覆功能粉体材料的新型纺纱方法。高功能材料，如稀土、石墨以及纳米材料，多以粉体形态存在。然而粉体材料颗粒小、连续性差、宏观长度短，现有技术难以成纱。笔者研究团队利用非织造面材和功能性粉体材料在倍捻机上制备了一系列功能纱线。WANG R等［23］2107682通过将聚四氟乙烯薄膜缠绕在聚丙烯非织造布上，嵌入NdFeB 粉末制备出了具有芯鞘结构的磁性纱线，用于磁电服装发电机。这种可扩展的条带纺纱技术，以及灵活的磁性织物设计，可以为能量收集和紧急户外通信提供高效和商业化的处理途径。

1.7 液流纺

液流纺是笔者研究团队针对流体功能材料无法成纱的技术难题，提出的另一种新型功能性纱线纺纱方法。功能流体材料，如剪切增稠液流体、液态金属等材料无法制备成柔性布态结构，并且无法保证流体的均匀分散以及与纱体的稳定结合，导致其纺织品功能性降低。液流纺将难纺流体材料用弹性薄膜封装并缠绕成具有芯鞘结构的纱线，制备的纱线除了具有抗冲击、高导电、调温等功能性外，还具有耐磨、透气、柔软等纺织品固有特性。例 如，MIAO Y等［24］109972利用将相变材料石蜡注入中空硅胶管中后，外包阻燃短纤维，制备出了一种具有调温、防火、耐磨、透气的功能纱线。该纱线为人体和汽车提供了比商用织物更好的温度调节性能，在热管理和防护服方面拥有广泛的应用前景。

1.8 后整理

除纺纱方法外，功能性后整理也是制备不同功能纱线的常用方法。功能后整理制备功能性纺织品包括物理整理、化学整理和生态整理［25］。其中物理整理包括浸渍、浸轧、涂层法等，其优势在于成本低，方法简单，但严重影响纱线及其纺织品的风格和手感。化学整理包括共聚、原位聚合、接枝等，具有耐用性好的优势，但技术要求高，生产难度大。生态整理采用生物酶对制备的纱线进行后处理，具有安全、绿色环保等特点。

2 功能性纱线的结构设计

纱线的功能往往与结构紧密相关。正如上面提到的，基于不同纺纱方法制备的功能纱线具有不同的纱线结构。针对不同的纱线功能，纱线的结构设计显得尤为重要。例如，抗菌纱线的常见结构有包覆纱、包芯纱等。抗菌纤维作为鞘层能增加有效接触面积，提高抗菌性能，但抗菌持久性差。当抗菌纤维作为芯层时，能兼顾纱线的舒适性和抗菌耐久性。对于发电、储能型功能纱线，同轴、核壳或股线结构是纱线普遍采用的结构设计。通常由内部纤维电极和外部封装层组成，其中外部纤维层充当介电层和保护层。纱线的过捻结构则常适用于制备人工肌肉纱线。纱线在受到外部刺激时，纱体膨胀或收缩引起的解捻或加捻作用，能被过捻结构放大，增强人工肌肉纱线的输出性能。

总之，纱线的结构设计是发展高性能功能纱线的重要手段。纱线的材料、工艺、结构对功能性纱线有着重要的影响，3 个要素之间相互联系、相互影响。

3 功能性纱线的分类和应用现状

功能性纱线种类繁多，是组成功能性纺织品不可或缺的原材料。根据纱线功能性的不同，大致可分为能源型纱线、传感型纱线、响应型纱线、热管理型纱线和防护型纱线。在智能可穿戴［26］1902670、生物医学［27］、大健康［28］、传感［29］等领域具有广泛的应用潜力。

3.1 能源型纱线

随着可穿戴电子设备的迅速发展，人们对可穿戴能源型纺织品的需求越来越大。目前对可穿戴能源纺织品的研究通常集中在具有三明治结构的平面柔性电池上。然而，传统的电池由于缺乏灵活性、舒适性和轻便性，很大程度上阻碍了可穿戴电子产品的实用性、可持续性和广泛应用。与传统的大体积或平面结构能源系统相比，能源型纱线具有高兼容性、透气性和灵活性的优势，在智能可穿戴电子设备中发挥着越来越大的作用。能源型纱线大致可分为能源收集和能源存储纱线。

能源收集型纱线是将人体运动机械能或外部环境能量如太阳能、热能、化学能等转变为电能的功能性纱线。根据能源收集原理可以大致分为电磁感应、摩擦电效应、光伏效应、热电效应和压电效应型纱线［30］。

来自风、波、机器振动和人体运动等自然和人工环境的机械能是电磁发电机纱线的主要驱动力。线圈、磁场和设备的机械位移是使用导体和磁铁产生电能 的关键因素。WANG R等［23］2107682通过条带纺将聚四氟乙烯薄膜条包覆钕磁铁粉末，展示了一种可扩展制造的柔性磁电纱线发电机，通过手臂的摆动可以产出96 mW 的峰值功率。通过编织法也能制备具有优异发电性能的磁电纱线，如LIU Z等［31］用绝缘棉纤维编织包裹碳纤维束制备了导电纱线线圈旗帜，风可以迫使线圈旗帜绕着磁绳摆动，导致穿过旗中线圈的磁通量发生变化，从而在线圈中产生感应电压。该纱线制备的旗帜在6.3 m/s 的风速下，可以产生3.5 V 的峰值开路电压和13 mA 的超高峰值短路电流。然而，磁电纱线的质量、发电区域还有纱线与感应线圈之间的距离对该纱线的应用提出了挑战。

另一种能收集机械能的发电机是摩擦纳米发电机（TENG），其发电原理基于摩擦起电和静电感应效应［32］。所以，纤维材料表面的电荷密度是影响摩擦电材料产生电能的关键因素。纱线表面形成的表面摩擦电荷极性由摩擦电序列决定，这些电荷通过具有特定电位差的外部电路引起电流。如DONG K等［33］通过镀银锦纶纱线和硅橡胶弹性体，制备了具有同轴芯-鞘和内置弹簧状螺旋缠绕结构的高拉伸纱线摩擦纳米发电机。该纱线可以编织成大面积能量收集织物，能够点亮发光二极管、为商用电容器充电、为智能手表供电。FU C等［11］108078利用液流纺将液态金属封装在 弹性硅胶管内并外包锦纶短纤，制备了可以大规模生产的具有双螺旋结构的TENG 纱线。该纱线不仅可以监测人体运动，还能为可穿戴电子设备持续供电。尽管TENG 纱线具有许多优势，但与电磁纱线相比，仍然面临着输出功率低、能量难以有效利用、耐磨性能差等挑战。

基于光伏效应的太阳能纱线电池，最近也被广泛应用在智能可穿戴纺织品中［34］。对于纱线基太阳能电池，作为活性成分的钙钛矿是一个热点，这要归功于该材料已知的光电功能。为了制造更灵活、耐腐蚀和耐用的钙钛矿太阳能电池纱线，LI R等［35］报道了一种双螺旋太阳能电池纱线。该纱线具有3.03%的功率转化效率，经1 000 次循环弯曲后性能没有明显下降。但是基于钙钛矿的太阳能纱线，面临着电极接触不良、过高的内阻、耐久性差、毒性等缺陷［26］1902670，所以需要对纱线基太阳能电池的不同层进行更多创新和先进的工程设计，以推动自供电可穿戴电子产品的发展。

纱线基热电发电机（TEG）由于其出色的机械性能、热湿舒适性和低成本，在可穿戴应用中受到了广泛关注［36］。简单的热电器件由p 型和n 型两种半导体材料组成，纱线基热电发电机通常的制备方法是将p 型和n 型半导体同时在一根纱线上实现交替的周期性电串联［37］。有机热致发电材料通常是可溶液加工的，因此它们可以通过纺丝技术或简便的溶液涂覆方法制成长丝或纱线。ITO M等［38］通过湿法纺丝制备了直径约为40 μm的聚乙二醇（PEG）/CNT 复合热致发电纤维。当PEG 质量分数为0.01%时，纤维的功率因数可达90 μW/（m·K2）。对于无机热致发电材料，蒸镀法和磁控溅射等物理沉积方法是制备无机热致发电纱线的主要手段。2008 年，YADAV A等［39］通过热蒸镀法将Ni 和Ag 涂覆到柔性二氧化硅纤维上制备热致发电纤维。LEE J A等［40］将静电纺丝与磁控溅射相结合，分别制备了p 型Sb2Te3和n型Bi2Te3热致发电纱线。尽管纱线基热电发电机在智能可穿戴电子产品中的应用前景广阔，但研究仍处于起步阶段，成本高、灵活性有限和制造工艺复杂是目前存在的主要挑战。

此外，能源收集型纱线还包括湿气发电、压电、电化学等类型［41］。尽管在能源收集方面已经做了大量的研究工作，但它们的可扩展开发和实际应用仍然受到两个瓶颈的制约，即功率输出较低和过于依赖外部因素（如室外阳光、温度梯度、湿度梯度等）。表面/界面改性、材料选择/优化、结构设计/分析、电源管理和环境控制可以提高这些纱线的功率密度。但制备过程大都需要依赖专业仪器、复杂的制备技术、繁琐的加工过程，甚至特殊的环境条件，要想实现低成本、大规模、高质量的制备还需大量工作。

能源存储型功能纱线拥有独特的一维结构，具有优异的柔韧性、小型化潜力、形变适应性以及与传统纺织工业的兼容性等优点，特别有利于可穿戴应用［42］。能源存储型纱线可分为超级电容器纱线和纱线电池。早期的纤维/纱线状电池大约在10 年前出现，并很快引起了广泛的研究兴趣［43］。迄今为止，纤维状锂离子电池（LIBs）一直在蓬勃发展，其他类型的电池系统，如锂硫（Li-S）电池、钠基电池（SBs）、水系锌电池（AZBs）和金属空气电池（MABs）等，在短短几年内也相继被发明和开发出来［44-46］。最近，基于深入研究的材料［包括金属有机骨架（MOF）和液态金属］的新型线型电池系统已开始成为主流，为新一代可穿戴电源系统的发展开辟了崭新的道路。除高功率密度外，多功能性、可集成性和可拓展性也是近期纤维/纱线基电池的研究热点。为了实现稳定和高性能的电化学性能，需要对材料、纱线结构和制备工艺进行精确设计［47］。除优异的电化学性能外，还需要提高纱线的防水、防火、自修复、形状记忆等环境适应能力。针对可集成性和可拓展性，则需要选择合适的纺织加工技术和工艺设计。此外，纱线电池同样面临着许多挑战，例如长线性结构带来的高内阻、微米尺度内隔膜制备困难以及封装困难、纱线的尺寸过大、机械强度偏低、人体舒适性差、多功能集成困难等，均制约着纱线基可穿戴电池的发展。

3.2 传感型纱线

智能可穿戴系统需要开发柔性传感器来收集、量化和鉴定人体相关信息。基于纱线的柔性传感器因其直径小、比表面积高、质量轻以及适合集成到纺织品中而极具吸引力。目前，基于各种传感机理开发出了电阻式、电容式、电压式（TENG、PENG）、热电式等纱线传感器，用于监测如压力、应变、距离和温度。纱线传感器已被证明用于包括生物医学、安全、运动和软体机器人等领域。

电阻式纱线传感器利用柔性导电材料将机械刺激（例如应变或力）转换为电阻信号变化［48］。由于导电材料的电阻R=ρL/S，当机械刺激导致导电材料的电阻率（ρ）、长度（L）或横截面积（S）发生变化时，它将引起纱线的电阻变化。电阻式纱线传感器的传感响应取决于以下几个因素的相互作用：纱线响应机械刺激的电阻的内在变化；纱线结构的几何变化；纱线导电网络的变化。其中，灵敏度、应变范围、响应速度、迟滞回复性以及耐久性是评价电阻式纱线传感器性能的主要指标。电阻式纱线传感器往往具有灵敏度高、检测范围广、精度高等优点。由于纱线在沿长度方向具有较大的形变，所以电阻式纱线往往被用作应变传感器。如DOU L等［12］101695通过摩擦纺制备了一种基于液态金属、CNT 和聚酯纤维的复合纱线应变传感器。该纱线有着特殊的层级结构，内层应变范围高达300%，外层作为传感层灵敏度达6.73，并且在1 000 次循环拉伸后仍然具有出色的导电性和传感性能。该纱线可以作为便携式导线、加热器件和可穿戴传感器。但传统电阻式纱线传感器信号漂移大、耐久性差、滞后现象明显是制约其实际应用的关键问题。

电容式纱线传感器主要由电极和介电层组成。通常具有芯鞘结构或双螺旋结构，即介电层包覆2 个电极之间。通过施加压力或者拉伸，纱线传感器的电容由于材料的弹性变形而发生变化。由于传感机理的限制，电容式纱线应变传感器的灵敏度一般较低。通常，提高传感器灵敏度的有效途径有3 种：在电介质或电极表面构建微结构；在高分子弹性体中加入导电填料形成复合电介质；在介电层中引入微孔。ZHANG Q等［49］提出了一种电容式应变传感纱线，可以直接编织到衣服、绷带和其他产品的织物中。该纱线通过将两根包芯纱捻成一根细双股纱而制成。包芯纱是用棉纤维包覆镀银锦纶，并用聚氨酯固定而成。显示出出色的传感线性度，在10 000 次耐久性测试循环中具仍然具有高介电稳定性。类似的，FU C等［11］108078提出了一种双螺旋结构包芯纱，介电层为硅胶管，电极为液态合金。芯纱经过合股之后外层包覆锦纶，使得纱线具有良好的介电耐久性和亲肤透气性。

压电式纱线传感器包括压电传感和摩擦电传感。这里主要介绍压电传感器，压电传感纱由具有压电效应的柔性材料制成，其工作原理是将机械刺激转换为电压信号。压电材料的压电常数决定了压电传感器将机械能转化为电能的性能。常用的压电材料包括复合材料、聚合物、陶瓷、单晶等。压电传感纱在受到外部压力时可以产生内部电压，这使得它们在实现压力传感的同时能够自供电。这类纱线通常具有响应时间快和灵敏度高的优点，因此在可穿戴设备中具有广阔的前景。KANG J等［50］提 出了一种 基于静电 纺丝和2D 编织技术的压电纱线传感器，用于健康监测，它可以产生大约1 V 的电压，并在4 Hz 的高频下维持长期循环。但纱线基压电传感器仍然存在一些不足：生物相容性、封装集成性、多功能性、耐磨性等均有待提高。

3.3 响应型纱线

除能源型功能纱线外，因外部刺激如光、电、磁、热、湿度、pH 等而发生可逆收缩、膨胀或旋转的纱线称为响应型功能纱线，也叫人工肌肉纱线［51］。人工肌肉纱线是一个高度跨学科的研究领域，具有很强的交叉性，与材料科学、化学工程、机械工程、电气工程和化学等各个领域都有交叉。输出应变、应力、功率密度、循环寿命、效率等是衡量人工肌肉纱线的主要指标。麦克本气动执行器是最古老的人工肌肉之一，具有固有的顺应性、质量轻和高功率密度等优点，已被广泛应用于构建软体机器人。笔者研究团队利用编织技术制备了一种具有感知功能的气动纱线执行器［52］。该纱线在90 kPa 气压和0.5 kg 负载下实现了7%的可逆驱动。此外，由于纱线的特殊编织结构，该纱线还具有感知执行器各种驱动状态的能力。

碳纳米管加捻纱线是一种常见的人工肌肉纱线，被广泛用于扭转和收缩执行器［53］。FOROUGHI J等［54］于2011 年首次报道了基于CNT 纱线的电化学驱动可逆扭转执行器。由于电荷注入使CNT 纱线的体积膨胀，该CNT 纱线表现出可以提供可恢复的15 000°和590 捻/min 的旋转。然而这种电化学驱动器的缺点是驱动系统需要液态电解质，并且输出应变有限。为了进一步提高纱线执行器的驱动性能，提高纱线的捻度形成过捻结构是常用的策略之一。通过集成CNT 纱线和热塑性聚氨酯（TPU）可开发出一种大应变致动器。CNT 纱线的收缩是由TPU 的热膨胀引发的，它在不使用电解质等额外介质的情况下可以产生13.8%的应变和33 MPa 的应力。对于纱线执行器在软体机器人中的应用，充分理解如何在软体机器人中集成传感、驱动和交互仍然是一个挑战。

3.4 个人热管理纱线

近10 年来，节能需求和多样化的个人体温调节要求以及可穿戴电子产品和智能纺织品的出现使个人热管理（PTM）技术重新兴起［55］。个人热管理纺织品包括个人冷却、加热、绝缘和温度调节，比传统的人体空气/液体冷却服装更加灵活和广泛［56］。个人热管理纱线是PTM 纺织品不可或缺的组成部分，大致可以分为热湿舒适性纱线、辐射制冷纱线、相变纱线、发热纱线等［57］。

热湿舒适性纱线在环境温湿度变化时，可以通过自身结构、性能及时调节人体的温度和相对湿度，保持人体的舒适度。如TONG J K等［58］提出了红外透明但可见的纱线概念，基于PET/PE材料设计出了一种高红外透过纱线，该纱线利用人体热辐射原理作为降温机制。具体来说，为了减少反向散射损耗，纱线中纤维的尺寸被设计为与可见光波长相当，以便通过弱瑞利散射最大限度地减少红外反射，该织物对红外线透过率达97.2%，同时由于强米氏散射在可见波长范围内保持光学不透明。然而PET 材料无法针对特定红外线进行透过，需要开发不同红外透过率的新型纺织材料来填补技术空白。在设计热湿舒适性纱线时，也应考虑调温稳定性、机械性能和透气舒适性。

新型辐射制冷纱线拥有高太阳光谱反射率和超高的大气窗口发射率，能以电磁波的形式散发热量［59］。人体在34 °C 时会发出7 μm～14 μm 波长的中红外辐射，对应于波长范围为8 μm～13 μm的透明大气窗口。由不同气体组成的天空大气在此范围内表现为透明窗口。这个波长范围被命名为大气窗口散热器，可用于任何高于绝对零度的地面物体。基于此原理，ZENG S等［60］通过二氧化钛（TiO2）纳米颗粒及微米级的聚乳酸（PLA）聚合物纤维制备出了多层级的辐射冷却纱线，基于该纱线复合而成的织物在无源输入条件下，可实现全天低于环境温度2 ℃～10 ℃的辐射制冷效果。针对辐射制冷的效率，还需要进一步优化和探索纤维的结构特征以提高制冷效率，有望通过辐射冷却和汗液蒸发的联合作用解决这一难题。

基于相变材料（PCM）的复合纱线采用的是另一种有效的温度调节方式。传统的PCM 如冰、干冰、石蜡、十六烷等长期以来一直用于个人体温调节，利用其巨大的潜热来保持相对较低的温度［61］。但传统的相变织物通常将PCM 材料涂覆在织物表面，这不利于织物的透气，且对织物的耐磨性能也提出了挑战。笔者研究课题组提出的液流纺相变复合纱线［24］109972，通过内置石蜡、外包传统短纤维，解决了PCM 织物透气差，耐磨性差等挑战。并且基于该纱的织物调温性能远优于商用调温纺织品。然而，由于体积大、质量重、调温范围有限，这些PCM 纺织品仍面临着许多挑战，未来的工作应围绕解决质量重、不适当的相变温度和间歇工作时间而可能引起的人体工程学问题和不适感等开展。

3.5 防护型功能纱线

人类作为大自然的一部分，常受到外界环境如光、热、电、力、微生物等威胁。针对这些外界伤害，已开发出各种具有防护性的，如防火、隔热、电磁屏蔽、抗冲击、抗菌、抗病毒等功能纱线。

防火型功能纱线的制备方法主要有两种，一是以本体功能性纤维为原料进行纺纱；二是纱线的后功能化表面处理［62］。制备具有防火性的纤维是将功能基团引入大分子链中或者在纺丝合成加工过程中加入功能性助剂［63］。对纱线的表面处理是在纱线表面引入功能结构或构筑防火涂层。前者防火阻燃性好，但是步骤繁琐，适用基材单一。后者往往存在纱线耐久性、手感、热湿舒适性差等问题。针对这些缺陷，笔者研究团队提出了一种玄武岩基聚酰亚胺纤维复合纱，所制备的织物具有较好的亲肤性且能耐受高达1 142 ℃的高温火焰［13］110238。值得注意的是，由于纱线以玄武岩为芯丝，聚酰亚胺为包覆层，使得所制备的织物即使经过300 次机械摩擦也表现出良好的皮肤友好性，且与芳纶1313 纱线相比，其成本更低，防火性更好。

抗冲击功能纱线是指能够抵抗高冲击载荷的吸能纱线。随着社会的发展，人们对防护装备的种类和性能要求日益提高，对其性能的要求如轻便、高性能、柔软性也变得更加严格。目前，剪切增稠液（STF）因其独特的性能被广泛用于制备抗冲击纺织品［64］。然而，目前大多数STF 材料仅仅通过直接浸渍或与织物或其他基材结合而应用于保护材料，这大幅降低了抗冲击纺织品的抗冲击性能、透气性能和耐久性。最近ZHANG J等［65］提出了一种类似于液流纺的STF 智能纱线，该纱线用中空硅胶管封装STF 后，在表面涂覆CNT，最后以PDMS 封装，制备出的纱线具有优异抗冲击性能和冲击监测性能。该研究为构建多功能智能织物提供了一种可行的方法，在人体安全防护和实时运动监测方面具有广阔的应用前景。

抗菌、抗病毒等生物防护型纱线具有有效抑制或杀灭细菌、真菌、病毒等微生物且具有卫生保健功能的新型纱线［66］。目前，根据其制备方法可以分为两类，即通过本征抗菌活性纤维原料制备的纱线，以及后整理赋予纱线抗菌性能的纱线。天然纤维如壳聚糖纤维、木棉纤维、海藻纤维、麻纤维和竹纤维等，由于其本身所含的麻甾醇、黄酮、酚类物质、蒽醌类物质、黄酮类和三萜类物质等可以与细菌细胞壁及蛋白质发生作用，导致细菌失活［67］。因此具有良好的抗菌性，但由于这些纤维的可纺性较差，并且价格昂贵，导致在抗菌纺织品中应用受限。20 世纪80 年代开发的无机抗菌整理剂使得纱线的抗菌性能大幅提升。无机抗菌整理剂主要分为金属型如银、铜、锌等离子化合物和光响应性金属氧化物如ZnO、ZrO2、TiO2等。由于这些无机抗菌整理剂具有即时高效且广泛的抗菌性、良好的化学稳定性、人体友好性，符合当前绿色环保的趋势，具有广泛的应用前景。未来的抗菌防护纱线，应是化学、生物、医学、纺纱加工等多学科交叉的产物，对不同菌种的选择性、高效性和安全性是其未来发展的一大趋势。

4 结语

通过全面概述新型功能性纱线的最新进展，回顾了功能性纱线的制备方法并讨论了其优缺点。重点强调了纤维原料、纱线结构设计以及制备工艺在功能性纱线构建中的构效关系。介绍了能源型、传感型、响应型、防护型、热管理型等新型功能纱线及其应用，并简述了其发展趋势。

（1）多功能的集成。单一功能的纱线越来越无法满足人们在不同场景中的应用，例如，对于先进的智能可穿戴设备，开发多功能的，集成传感、能源存储和信息传输等多种功能是非常有必要的。这对纱线的材料、制备工艺以及集成系统提出了挑战，是未来需要攻克的难题。

（2）大批量的高效绿色制备。目前，部分报道的功能性纱线都是在实验室规模制造的，在转向工业规模生产方面存在许多挑战。针对制备过程中存在的废水处理、试剂回收等问题，需要开发新的策略，实现全流程制备的绿色环保无污染。

（3）标准的建立与制定。传统的纱线及纺织品标准并不完全适用于功能性纱线的评价以及测定。因此，需要制定与之对应的功能性纱线标准，以期实现对纱线及其纺织品的有效对比。