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颠覆传统,趋向未来!智能交互纺织品的新材料应用研究


近年来,智能交互纺织品成为世界纺织品行业的一大热门技术,该技术随着新型材料的性能发展而逐渐得到应用。国内受制于新材料成本以及相关配套技术不成熟等问题,对于该技术的介绍及应用方面的研究较少。本文从智能交互纺织品的概念及国内外应用现状出发,阐释了新材料技术对智能纺织品的影响,并对其未来的发展前景进行了展望。


一、智能交互纺织品的研究和应用现状

1.智能交互纺织品的概念

在智能交互纺织品概念中,除了具备智能这一特性 之外,交互能力是其另一大显著特征。作为智能交互纺织品的技术前身,交互织物的技术发展也为智能交互纺织品做出了巨大贡献。智能交互纺织品的交互方式通常被分为被动交互和主动交互两种。具备被动交互功能的智能纺织品通常只能感知外界环境的变化或刺激而无法做出有效回馈;具备主动交互功能的智能纺织品在感知外界环境变化的同时,能够及时对这些变化做出回应。传统纺织品的交互往往是被动的,而智能交互纺织品是结合现有科技,基于传统织物功能进行的拓展延伸,能够在保留传统纺织产品的原有功能,例如保暖、美观、舒适性以及防护等基础上,通过加入导电纤维或其他功能纤维以及传感器来赋予纺织品更多主动的功能,从而实现织物的主动交互。因此,满足交互能力的织物并不一定智能,同样智能的织物并不一定能够同使用者进行优秀的交互。

智能交互纺织品的迅速发展离不开电子、纳米、仿生以及材料科学技术等诸多领域的进步。同时,智能纤维、织物及服装等产品随着这些领域的不断进步带来的更加人性化、实用化的产品,也成为了时尚产业的关注焦点。20世纪七八十年代,日本科学家率先提出了“智能材料”的概念,这一概念的提出为智能织物的发展打下了基础,一定程度上可以认为其就是智能织物的前身。图1 展示了Google(谷歌)开发的智能织物原理模型。

2.智能交互纺织品的研究及应用现状

1996年,佐治亚理工学院的学者们于军事领域率先开展了对于智能交互纺织品的研究与应用,通过将光纤及导电纤维技术植入产品中打造出了一款全新的智能服装。该智能服装采用了Wearable Motherboard?提供的光电纺织产品,能收集穿着者的身体指标数据,并将传感器发送的数据传输到网关,利用综合监控软件对数据归纳,总结出健康建议并发送给用户。该平台构成了一个集传感、监控和信息处理设备于一体的多功能框架,可应用于生物医学监测和智能可穿戴领域。

谷歌联合美国服装品牌Levi’s(李维斯)在智能交互织物研究中开发了一款能够兼容智能手机和MP3、iPod 等产品的牛仔裤(图 2)。通过使用者在面料上的触控, 该产品能够直接控制多媒体设备,比如切换歌曲或暂停/ 播放以及音量控制。此产品能够支持市面上绝大多数的 iPod产品。

3.在智能交互纺织品用材料领域的研究实践

近几年我国众多纤维制造商实现了技术突破,从纤维角度为智能交互纺织品的发展奠定了坚实的原材料基础,相继完成了导电间位芳纶智能纤维、相变储能粘胶智能纤维、铜系聚丙烯腈基导电纤维、智能调温再生纤维素纤维等产品的开发工作。

常熟市翔鹰特纤有限公司生产的铜系聚丙烯腈基导电纤维利用铜离子在纤维中构筑导电网络、采用耐久性聚丙烯腈纤维表面导电层结构控制技术制备而成,该纤维具有良好的导电性、抑菌性以及较好的透气性和抗皱性,在防静电服、电磁屏蔽纺织品以及传感型材料应用领域有着极大优势。

新乡化纤股份有限公司推出的光致变色再生纤维素纤维使用纳米级材料,利用在线添加技术解决了再生纤维素纤维染色难且染色不均匀的问题。在制备技术上其采用了专用的光致变色剂,与纺丝原液共混,采用湿法纺丝制得光致变色再生纤维素纤维。该产品亲肤柔软且有独特的光泽,同时光变灵敏、光泽鲜艳,能够吸收紫外线从而具备防护作用,且无需染色,从制造源头解决了产品加工的二次污染。


二、新材料及新制备技术对智能交互纺织品的影响

1.金属纤维 —— 智能交互织物领域的首选

镀金属纤维是近年来备受瞩目的一种功能性纤维,其以特有的抗菌、抗静电和杀菌除臭等特性,现已在贴身服装、医疗、运动、家纺以及特殊服装领域得到了广泛的应用。

虽然具备某些物理性能的金属织物并不能称之为智能交互织物,但是金属织物能够作为电子电路的载体,其本身也能够成为电子电路的组成部分,因此成为交互织物的首选材料。

2.制备技术对智能交互纺织品的影响

现有的智能交互纺织品制备工艺主要以电镀和化学镀为主。由于智能织物承载功能多,需要较高的可靠性,而真空镀膜技术难以获得较厚的镀层。由于没有更好的技术革新,智能材料的应用受到了物理镀膜技术的限制。而电镀和化学镀的结合成为了解决这一问题的折中办法。通常,在制备具有导电性能的织物时,会首先利用化学镀工艺制成的导电纤维来编织面料,此技术制备的面料镀层与直接使用电镀技术得到的面料相比,涂层更加均匀。此外还可以将导电纤维与普通纤维按比例混纺,在保证功能的基础上降低成本。

目前,纤维涂层技术最大的问题是涂层的结合力和牢固程度。织物在实际应用中需要经历水洗、折叠、揉捏等多种状况,因此导电纤维需要进行耐用性测试,这也对制备工艺以及涂层的附着力提出了更高要求。如果涂层质量不佳则会导致其在实际应用中开裂和脱落。这对电镀工艺在纤维织物上的应用提出了很高的要求。

近年来微电子打印技术在智能交互织物开发中逐渐展现出技术优势,该技术可以使用打印设备将导电墨水精确地沉积到基材上,从而按需制造高度可定制的电子产品。尽管微电子打印可以在各种基材上对各种功能的电子产品进行快速原型制作,具备周期短和高度定制化等潜力,但目前阶段该技术成本仍然较高。

此外,导电水凝胶技术在制备智能交互织物上也展现了其独特的优势。导电水凝胶结合导电性和柔软性,可以模仿人体皮肤的机械和感觉功能,在过去几十年里在可穿戴设备、可植入生物传感器和人工皮肤等领域引起了极大的关注。由于导电网络的形成,水凝胶具有快速的电子传递和较强的机械性能。作为一种导电性可调的导电聚合物,聚苯胺可以利用植酸(Phytic acid)和聚电解质作为掺杂剂制造各种类型的导电水凝胶。尽管具有令人满意的导电性,但是相对较弱且脆的网络严重阻碍了其实际应用。因此其在实际应用中有待开发。

3.新材料技术开发的智能交互纺织品

(1)形状记忆纺织品

形状记忆纺织品通过织造和整理将具有形状记忆功能的材料引入纺织品,使纺织品具有形状记忆特性(图3)。该产品能够同记忆金属一样,经过任意变形之后,通过达到特定条件后调整其形态至最初。

形状记忆纺织品品类主要包括棉、蚕丝、毛纺织物 以及水凝胶织物等。香港理工大学研发的一款形状记忆纺织品由棉麻制成,受热后可迅速恢复平整挺括,且具备良好的吸湿性,长时间使用不会变色,并具有耐化学腐蚀性。

具备绝缘、耐热、透湿、透气性、耐冲击性等功能需求的产品是形状记忆纺织品的主要应用平台。同时,在时尚消费品领域,形状记忆材料在设计师手中也成为了表达设计语言的优秀材料,赋予了产品更多独特的表达效果。

(2)电子智能信息化纺织品

通过在织物中植入柔性微电子元件及传感器,能够制备出电子信息智能化纺织品。美国Auburn University (奥本大学)开发了一款能够发出热反射变化及光诱导可逆性光学变化的纤维产品,该材料在柔性显示等设备制造领域具备极大的技术优势。近年来,随着主营移动科技产品的科技公司对柔性显示技术展现出的极大需求,柔性纺织品显示技术的研究得到更多的关注和发展动力。

(3)模块化技术纺织品

将电子元件通过模块化技术集成到纺织品中制备织物是当前实现织物智能化的技术最优解。谷歌通过“Project Jacquard”项目致力于实现智能织物的模块化应用,目前已经和李维斯、Saint Laurent(圣罗兰)、Adidas (阿迪达斯)等多个品牌合作推出了面向不同消费者群体的多款智能织物产品,图 4 为该项目与圣罗兰合作开 发的智能背包。

智能交互纺织品的蓬勃发展离不开新材料的不断开发以及各种配套工艺的完美配合。得益于现今市场上的各种新型材料成本日益降低,生产技术日趋成熟,未来会有更多大胆的想法得到尝试与践行,以为智能纺织品行业提供新的灵感与方向。


三、智能交互纺织品的未来展望及应用前景

相较于传统纺织品,智能交互纺织品在功能和应用上更丰富全面,能够接收外界的变化及收集必要信息,并做出及时的响应和反馈。航空、军事领域率先开展智能交互纺织品的开发与应用,随后,智能服装的设计和制造也开始利用智能纺织品来完成,但智能纺织品真正意义上应用于消费领域还需要将相关技术同时尚性、实用性、耐用性等需求相结合。

智能交互纺织品在不同应用场景中也通过不同的形材料、造型层面颠覆市面上现有的智能可穿戴产品。而应用于服装领域的智能交互纺织品不仅能够实现各种美观的需求,更能够满足各种特殊的功能性需求,例如军用、消防、医疗等领域。


四、结 论

智能交互纺织品在防护、体育运动、医疗、军事等领域有着巨大的发展潜力及使用需求。该技术的发展不仅带动了纺织服装业,也推动了计算机、电子、化工、材料等行业的发展。

随着电子设备的轻型化、小型化以及导电纤维技术的发展,未来的科技产物能够越来越多地应用在织物领域,这些设备将与服装、家纺等产品实现更好、更全面的集成。得益于新材料技术的发展与进步,各种生产智能织物所必须的材料与技术成本将下降到能够为普通消费者服务的阶段。在这样的新时代背景下,充分了解智能交互织物的功能及其开发流程、掌握核心技术、保持与开拓新的产品应用场景才是智能交互纺织品开发的最重要环节。艺术与科技的融合诞生出了无数美妙且过去无法想象的新产物,而人类社会的进步与发展离不开这样的融合。随着智能交互织物在技术领域的不断创新,相信未来以此为基础研发的更多智能化产品将会面世。