自修复织物研究进展及其医疗防护应用展望

王心淼 房艳华 朱孟府 吴金辉

（1.中国人民解放军军事科学院系统工程研究院，北京，100166；2.国家生物防护装备工程技术研究中心，天津，300161）

自然界中，生物体具有一定的自修复能力，在生物组织受伤后能够再生和恢复，实现伤口的自动愈合。科研工作者受此启发，设计研发出可自动修复损伤的自修复材料，并将其应用在高分子材料［1-2］、树脂基复合材料［3-5］、混凝土材料［6］及金属涂层材料［7-9］等多个领域。

20世纪90年代以来，社会经济和纺织技术快速发展，人们对织物面料的个性化需求越来越高，节能、环保、健康等多功能化和可感知、可调节等智能化织物理念的兴起，多种新型织物得以研发问世。科研工作者将自修复理念引入纺织领域，应用于织物面料基底，研发出智能化自修复织物，实现了织物在外力破损后可快速自我修复，不仅延长了织物的使用寿命，还为服装优化设计奠定了必要的技术基础。

1 自修复织物分类

根据自修复织物的构成形式和自修复机理，将自修复织物分为两类，分别为外援型自修复织物和本征型自修复织物。

1.1 外援型自修复织物

外援型自修复织物通过在织物中添加外援型自修复材料制备而成。一般分为两种，一种是将自修复材料如微胶囊整理到织物表面，另一种是在织物的纤维或纱线生产过程中直接植入自修复材料。外援型自修复织物使用的自修复材料主要是由修复剂和催化剂（或称引发剂）组成的自修复微胶囊。织物中植入自修复微胶囊后，当织物结构发生破损时，破损处的自修复微胶囊会被刺破，从而释放出修复剂和催化剂，二者发生化学反应，将裂纹或缺口愈合，从而达到修复目的［10］。

1.2 本征型自修复织物

本征型自修复织物使用的自修复材料一般为自修复高分子聚合物，不需添加任何修复剂，在特定条件下，仅凭自身化学结构特性就可实现自修复过程的本征型自修复材料。其自修复机理是基于键态的重组，具有可逆性，理论上可以重复修复。在一般情况下，内部的自修复是通过物理相互作用实现的，在诱导因素的作用下导致聚合物链的扩散，然后形成新的纠缠，从而导致裂纹的闭合［11-12］。

2 自修复织物研究进展

2.1 外援型自修复织物

欧美发达国家在自修复织物的材料及技术研发上已取得一定进展，部分成果投入了军事与商用。美国陆军纳蒂克士兵研究开发与工程中心（NSRDEC）、马萨诸塞大学洛厄尔分校、Triton系统公司合作进行了自修复涂层技术的开发并将其用于修复生化防护服［13］。目前该技术已被应用到美国三军轻便一体化服装技术（JSLIST）项目及三军飞行员防护套装（JPACE）项目中，其防护机理是将一种嵌入微胶囊的反应式选择性渗透膜充当自修复的辅助性阻隔材料，当薄膜破裂时，微胶囊将打开并在大约60 s的时间内修复裂口，借助于间隙填补技术进行裂口填补。

国内外援型自修复织物方面的研究起步相对较晚。

徐亚维［14］研发了一种具有自修复功能的仿穿山甲鳞片结构的纺织面料，由形状记忆纺织基布和自修复涂层组成。该面料需首先以超细纤维和形状记忆纤维为原料，织造具有凸条结构的形状记忆纺织基布，再在基布的表面涂覆含包覆壳聚糖、光固化活性单体和桐油的脉醛树脂微胶囊、环氧树脂和角蛋白构成的自修复涂层，进行仿鳞片结构处理后，得到机械性能、耐磨性能和自修复性能优异的纺织面料。

邹汉涛等［15］研发了一种光引发自预警自修复的微胶囊涂层织物。采用界面聚合与原位聚合相结合的方法制备出光响应微胶囊后，将包埋光响应微胶囊的涂层涂覆在普通织物或光纤织物表面，如图1所示。当涂层织物破损时，引起破损位置处的微胶囊破裂，光响应性材料流出，此时用特定UV光或可见光照射涂层织物，或利用光纤涂层织物的光纤将特定UV光或可见光引入到织物内部，光响应性材料接收到光信号后会产生光响应，从而进行涂层织物的自预警或自修复。

图1 光响应微胶囊

苏州棠华纳米科技有限公司利用纳米微胶囊技术对面料进行改性，使面料纤维表面形成胶囊鞘并在胶囊鞘中引入含有紫外光激发的自修复基团，获得具有自我修复功能的纳米微胶囊超轻薄羽绒服面料［16］。

其中aBn为集合Bn中元素的策略状态，an0表示用户n退出信道竞争时的策略状态，aBn/n为用户n的相邻用户在n退出信道竞争时的策略状态.然而博弈过程中，n只对集合In中的用户产生干扰，则有：

刘淑强等［17］用原位聚合法制备单层微胶囊后，将固化剂二氨基二苯砜吸附在单层微胶囊表面，以MUF再次包覆制成双层微胶囊，最后将双层微胶囊涂覆到玄武岩织物表面，制备了自修复双层微胶囊涂层玄武岩织物，如图2所示。玄武岩纤维在裂纹产生后实现自修复，改善了其抗折性能，有效避免织物脆断［18］。

图2 适用于玄武岩织物的双层微胶囊

外援型自修复是目前较为成熟的技术，在非纺织基底的材料如高分子材料、树脂基复合材料、混凝土材料及金属防腐涂层材料中被广泛使用，在纺织领域也有一些研发应用。外援型自修复织物的自修复功能依靠添加的修复剂，存储量有限，且仅能实现一次性自修复，修复剂一旦被消耗完，织物则丧失自修复功能。

2.2 本征型自修复织物

美国Imperoal Motion公司研究推出一种具有自修复功能的特殊轻质腈纶防撕裂面料，如图3所示，主要用于帐篷产品［19］。其修复机理为采用特殊的纳米固化涂层结合特殊的织物结构和纱线脉络，使得织物被外物刺穿时并不会损毁纱线，只是将织物结构的网格向四周推开，面料的纤维滑移到一旁而不会被割断，当外物离开后用手指揉搓几下，滑移的纤维材料便能回复到原来的位置，被推开的网格再次聚集重新恢复原状，同时涂层可以像橡皮泥一样通过手指的温度和摩擦作用重新均匀地涂在面料表面。

图3 美国Imperial Motion 公司帐篷面料自修复示意图

美国宾夕法尼亚州立大学研发出纳米修复材料及自动修补技术［20］，已应用于夹克、背包等产品，如图4所示。采用该技术制备的自修复织物表面覆盖着聚对苯二甲酸乙二醇酯涂层，具有高黏度、高弹性和缓冲特性，用针戳破后轻揉几下便能恢复原样，其修复机理是由手指揉搓产生的热量使得布料分子之间被破坏的结构重构，纤维断裂处自动连接修复。

图4 自修复夹克

安踏体育用品有限公司研发了一种具有自修复功能的纺织面料，如图5所示，是由经硅油油雾处理的纱线织造而成的织物基底和涂覆在织物基底上的PU涂层两部分组成。当织物被刺破，在织物表面只形成由纱线滑移而产生的小洞，纱线仅发生滑移而不会断裂，而表面破洞在外力揉搓下通过织物表面上高弹性的PU涂层便可以恢复原状，实现织物的自我修复［21］。

图5 自修复面料

卢敬平［22］研发了具有相同自修复原理的面料，面料本体的上表面黏接有PET自愈合层，利用PET涂层具有高黏度、高弹性和缓冲特性实现面料自动修复，在修复过程中只需要轻轻揉几下产生热量，使得布料分子之间被破坏的结构重构，纤维的断裂处便自动连接恢复原样。

通过耦合作用将包覆十八烷的TiO2纳米胶囊负载于改性石墨烯表面，再将TiO2纳米胶囊改性石墨烯与多氨基支化梳状聚氨酯混合后涂敷在织物表面，制备了一种自修复型储能导电涂层织物。该织物涂层在外力损伤后能够在38 ℃及以上温度下完成自我修复，并恢复其导电性。

本征型自修复织物可实现重复自修复，但通常需要特定外部诱导方能触发自修复功能，其中温度是最常见的自修复诱导因素，光刺激、湿刺激和电刺激等也可作为诱导因素。而在常态下，自修复织物自修复速度缓慢，有的甚至需要数十小时才能完成破损处的愈合。

2.3 自修复织物发展存在的问题

国内外在自修复织物材料理论、制备技术以及实用方法研究方面已取得一定进展，但仍存在以下几方面需进一步解决的问题。

（1）自修复材料虽已在非纺织基底的材料领域中被广泛使用，用于实现损伤后的自动修复，但适用于这些基底材料的大部分自修复材料对织物基底的适应性较差，且工艺生产成本高、难以达到批量生产。当前国内自修复织物的研究已取得一些进展，但未正式投入使用。未来应在自修复材料与织物的适应性以及实际应用方面继续深入研究。

（2）针对自修复织物破损后可修复的损伤面积、完成自修复所需的时间、自修复后效果评估等参考数据较少，未来应继续推进自修复织物相关性能的试验研究，推动自修复织物的评价体系及相关标准制定。

（3）目前自修复织物材料仍是多借助外部能量等特定条件实现的半自动修复，并不是严格意义上的全自动修复，实际应用受到诸多限制。未来应重点研究非特异性自修复理论和合成技术，使自修复材料真正实现广泛应用。

3 自修复织物在医疗防护领域的应用展望

世界各国对医疗防护领域防护装备的技术与创新都十分重视，智能材料、智能感知和先进能源供应技术正在密集研发。未来医疗防护装备应包括智能感知、主动防护、高度适应等主要特点。自修复织物在医疗防护领域具有巨大的应用前景。将自修复织物应用到医用防护领域中，是将防护装备从被动防御转变为主动防护的一个重要体现，不仅对传染病研究、突发疫情控制等具有重要意义，还可为医疗防护装备的优化设计、工程制造、制定风险规避策略和提高使用安全性奠定必要的技术基础。

自修复织物未来可应用于医用帐篷、医用防护口罩及医用防护服等不同医疗防护装备。

3.1 医用帐篷

医用帐篷能够满足在不同地形上搭建和快速移动的需求，实现户外空间下的短期临时高效利用。新冠疫情期间，具有轻便性、机动性和功能齐全等优点的医用帐篷在军事中和灾难紧急医学救援时得到广泛应用［23-24］。医用帐篷的优势在于能更快适应突发公共卫生事件的要求，在较短时间内建立较为完善的应急管理体系，并提供更大的患者就诊空间，减少交叉感染。

若将自修复织物及其制备技术用于开发具备自修复功能的医用帐篷，可快速修复在户外环境因意外导致的破损，以确保刮风降雨等恶劣天气下的有效防护，增加帐篷的可靠性并延长使用寿命。

3.2 医用防护口罩

医疗防护领域中，医用防护口罩是个人医用防护装备中的一个重要组成部分，具有呼吸防护和阻隔液体穿透的作用，可保护工作人员不受污染或感染。现在国内外使用的医用防护口罩，多为一次性非织造口罩，使用方便且有良好的透气性和透湿性［25-26］。但是这种口罩内外层均是非织造布，质地很薄，材料的拉伸性能和刺破性能较弱，容易因意外导致破损。在污染环境下，医用防护口罩一旦破损，极易给人员造成感染风险。

因此，若能将自修复织物应用于医用防护口罩的开发，实现医用防护口罩破损后的快速自修复，则可以为呼吸防护增加一重保障。

3.3 医用防护服

医用防护服是个人医用防护装备中另一个重要的组成部分，其中一次性医用防护服使用最为广泛［27-28］。常用的一次性医用防护服可细分为一次性医用防护衣、一次性医用手术衣和一次性防疫隔离衣。一次性医用防护衣为医护人员在接触传染病患者或病原体时所穿的一次性防护用品，起到单向隔离作用，可防止医护人员被感染；而一次性医用手术衣和一次性防疫隔离衣在医护人员和患者之间建立防护屏障，起到双向防护作用，既能防止医护人员被感染，又可防止病人被感染或产生交叉感染。一次性医用防护服对保护医护人员和病人起到了重要作用，但是其具有质地薄、材料力学性能较弱等缺点，容易因意外导致破损给工作人员带来感染风险。

将自修复织物制备技术应用于医用防护服的研发中，实现防护服面料在外力破损后快速自我修复，将有助于提高装备在恶劣环境下的安全性，防止因表面结构破损造成的有毒有害物质泄漏，降低人员的意外风险。

未来5至10年，在解决大规模生产及成本控制问题后，自修复医用帐篷、自修复医用防护口罩和自修复医用防护服等智能化医疗防护装备，或将成为医疗防护领域的核心力量。

4 结语

自修复织物作为一种新型智能化织物，对推动功能性服装和智能化医疗防护装备的创新应用具有重要意义。自修复织物未来的发展应着重解决当前存在的问题并适应未来的需求，创新研发适用性强、具备快速高效自修复功能的织物。随着自修复技术的不断进步，自修复织物将会在纺织、医疗、航空航天、建筑工业等众多领域等得到更广泛的应用。