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 纺织技术论文
纺织业智能材质的应用研讨
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本文作者:孙熊、姜怀 单位:上海工程技术大学

基于智能材料对外界刺激反馈的不同作用原理,可以着重研究温敏、光敏、磁敏等智能材料及组元,来开发具有多用途、特殊功能的智能纺织品。由具有形状记忆功能的纤维织制的纺织品并包含药物,可以在医疗领域用作智能绷带。如经聚乙二醇处理过的棉、聚酯或尼龙/聚氯酯共聚纤维,含有交联的多元醇,这种编织或机织的纺织品遇到血液或酒精/水混合物等极性消毒溶液时会收缩。用这种纺织品做绷带,它在血液中收缩时使伤口上所产生的压力可以止血,而绷带干燥时可回复至原始尺寸,压力去除。因此,它可以用于身体某些部位出血时的包扎。在医学领域对患者的诊断需要大量的观测数据,而生物传感器可测定如温度、声音、超声波、运动、压力和辐射等参数,因此这些带有生物传感器的智能服装就有了“用武之地”。用塑料光纤传感器和电子传导纤维编织而成的“智能T恤”来探测心跳、体温、血压、呼吸等生理指标,能将患者的流血伤口愈合情况准确地告诉医生以协助治疗。

此外,近年来兴起的纳米纤维制备技术如静电纺丝等制备出的具有良好生物相容性的无纺布纳米纤维膜以及载药介质,可以模拟天然的细胞外基质的结构和生物功能;人的大多数组织、器官在形式和结构上与纳米纤维类似,这为纳米纤维用于组织和器官的修复提供了可能;一些电纺原料具有很好的生物相容性及可降解性,可作为载体进入人体,并容易被吸收;加之纳米纤维还有大的比表面积、孔隙率等优良特性,因此,其在生物医学领域引起了研究者的持续关注,并已在人工肌肉、创伤修复、生物组织工程等方面得到了很好的应用。

在航空航天领域的应用

航空航天领域使用的材料需要经受住恶劣环境的影响,它需要对自身状况进行诊断,并能自动加固或自动修复材料中的伤痕或裂纹,从而避免大灾难事故的发生。航空航天飞行器的结构要求轻质、高可靠性、高维护性、高生存能力,为此,必须增加材料的智能性。目前智能材料结构在航空飞行器上的应用有智能蒙皮、自适应机翼、振动噪声控制和结构健康监测等。

未来智能纤维及智能纺织品将会在航空航天领域发挥越来越重要的作用,纺织纤维及其制品如各种结构的预制件应用于航空航天领域不仅可以大幅度减轻器材的重量,而且也会提高整个产品的抗震性,更重要的是纺织纤维及其制品可以赋予器材相应的智能化应用。复合材料在生产过程中的工艺性不稳定,如何避免构件内部的缺陷,对飞机的安全非常重要。智能复合材料结构就能有效解决这一问题,它能够快速超前地预报损伤点和严重程度。光导纤维材料就可应用于对复合材料的状态进行监测与损伤评估,即在材料或结构的关键部位埋置光导纤维及其传感器制品,这些材料及其特殊结构能够对疲劳、腐蚀、冲击、磨损或操作失误、温度等环境条件引起的结构损坏实现及时探测、定位并作出评价,并可在损坏到达临界状态之前发出警告,以便及时对构件进行修理或更换。

在航空领域,高性能纤维制品增强复合材料具有重要用途,未来在复合材料的设计和应用上,可以通过纤维的智能化或者植入具有智能功能的组元,来获得整体上具有智能作用的部件。通过在纤维中加入温敏物质来获得温敏纤维,并制造发动机外罩,这样可以监控发动机的工作情况,同时可以减轻发动机的震动。未来航空航天领域凡需要智能材料发挥作用的部件,可以尝试通过材料的智能化设计、智能组元的植入,结构的特殊化设计等来实现,例如航天员用的多功能宇航服等。

智能自修复纺织品能够感受外界环境的变化,集感知、驱动和信息处理于一体,形成类似于生物体的具感知、自诊断、自修复功能的材料。这种材料及纺织品的自修复功能主要是将内含黏结剂的空心胶囊或玻璃纤维渗入材料中,一旦材料在外力作用下发生开裂,部分胶囊或纤维破裂,粘接液流出渗入裂纹,粘接液可使材料裂纹重新愈合,空心胶囊或玻璃纤维内部含一种催化剂或促进剂,一旦材料在外力作用下发生开裂,部分胶囊或纤维破裂,催化剂或促进剂流出促使材料内部产生生化反应而自动愈合。用这种材料预制件制备的增强复合材料,可作为飞机的机翼材料或者航天器的器件,这种材料在使用过程中,如果出现部分损坏,能够及时修复,使材料的整体功能不至于突然丧失,减少事故的发生。

在环境卫生领域的应用

环保用智能纺织材料在未来环境领域将会有重要的应用前景,比如具有清洁功能的智能纺织品,它的开发可以沿着两条思路进行,一是利用纺织品表面特有的几何尺寸的形状界面结构,经过材料界面技术处理后,由于织物表面尺寸低凹的表面可使吸附气体原子稳定存在,所以在宏观表面上相当于有一层稳定的气体薄膜,使油和水无法与材料的表面直接接触,从而显示出卓越的拒水和拒油性能,而对纤维的原有理化性能如纤维强度、染料亲和力、透气性等没有影响,甚至还能增加杀菌、防辐射、防霉等特殊效果。当这类材料表面粘附灰尘后,在有水滴出现时,水滴就会将灰尘带走,还原来纺织品表面一个清洁的原貌。这就是所谓的抗灰尘、防水智能纺织品。另一条途径是通过纺织品后整理,通过在纤维表面改性整理,引入具有光催化降解功能的二氧化钛,纺织品在紫外光照射下,其表面的有机污染物被分解,进而被去除,恢复到原有的清洁表面。

在军事领域的应用

在军事方面智能材料也有应用优势。如智能材料应用于潜水艇上,能够改变形状,清除湍流,使流动的噪声减弱,潜艇隐蔽性更好,这些智能材料或其组元材料可以通过使用特种纺织纤维或纺织品织物来实现。

自然界中,蜘蛛丝具有很高的强度、很高的弹性和韧性,能够捕捉昆虫。通过模仿蜘蛛丝的这种特殊结构,研究人员利用嵌段的软段聚氨酯与硬段聚氨酯制成弹性纤维,用这些弹性纤维织成的纺织品在一定受力范围内具有良好的弹性恢复能力,也即是具有形状记忆功能。这种纺织品有望应用于水下潜艇表面或飞机机翼表面上智能系统的组元部件。当潜艇在水下航行时,由于水的阻力,其表面能够适应阻力而变形,这样能够减小潜艇的整个阻力,当潜艇停止航行时,其表面又恢复原样。

现代战场情况十分复杂,士兵应穿高度智能化的作战服。服装能够感知可能来临的危险,避免生化武器和自然环境带来危害,既有隐蔽功能,还要轻便、易穿着。未来的这种智能作战服设计思路,可从自然界仿生学的角度出发来设计其功能。如松果壳根据环境湿度能够自动开启和闭合;水藻的眼点对不同的光会呈现出不同的颜色;含羞草对外界的刺激会作出收缩曲张反应。根据自然界中这些奇特的现象,可以通过士兵穿着服装上的传感器探测其周围的气体,当探测到某种毒气时,传感器发出信号使头盔中的透气孔自动关闭,避免士兵受毒气伤害;由对不同光照具有变色功能的纤维制成的作战服,在一定条件下,能够更好地隐蔽;嵌有生化感应器和超微感应器的军服,可监测士兵的心率、血压和体表温度等指标,辨别出受伤部位,使该部位周围的军服收缩,并释放出军服自备的消毒抗菌材料或血凝药物等,具有一定的治疗功能。

未来智能纺织品在作战军服上的应用是一个多学科交叉的问题,涉及仿生学、材料学、化学、物理、机械和电子技术等领域。随着纳米技术的兴起,它与智能纺织材料的结合,将为今后纳米智能纺织品的研究与开发提供巨大的空间。如美国最新研制的纳米军装及纳米防弹头盔,头盔中的超微计算机具有防护、通讯、指挥分析以及全天候火力瞄准等功能;军服材料上的纳米太阳能传导电池与超微存贮器相连,确保整个系统的能量供应。当遇到生化攻击时,服装材料内的织物分子就会发生变化,不让生物毒素进入身体内部。通过传感器植入技术,在其中嵌入一些光导纤维传感器,一旦传感器接触到某些气体、电磁能、生物化学或其他有毒介质时,被激发产生一种报警信号,提醒暴露在有毒气体中的士兵,以提高生存能力,这就是传感器检测智能作战服。

此外,指挥系统最好能够掌握每位士兵在战场上的情况,这就需要一种智能定位纺织品或者将此项功能加入到作战军服上。这种服装配有个人局域网、全球定位系统、电子指南针及速度检测器。衣服中的个人局域网有数据传输、功率和信号控制等功能,可以联入几个装置,它们通过一个配有小型显示器的遥控设备进行集中控制,小型显示器可以置于衣袖上或佩戴在头上。

在建筑领域的应用

利用智能材料的自诊断、自调节、自修复功能,可快速检测环境湿度、温度,取代温控线路和保护线路;利用热电效应和热记忆效应的聚合物材料可用于智能化多功能自动报警和智能红外摄像,取代检测线路;利用智能纤维制作的混凝土,可取代复杂的检测线路。未来智能纺织品在建筑领域的应用主要可以从材料本身的智能特性和具体使用环境角度考虑,利用智能纤维或纺织品的特性来构筑智能混凝土,使之成为具有自感知、记忆、自适应、自修复等特性的多功能材料。这些特性可以有效地预报混凝土材料内部的损伤、满足结构自我安全检测需要、防止结构潜在的脆性破坏,并能根据检测结果自动进行修复,从而显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。

将碳纤维和玻璃纤维强化的树脂置于混凝土中,碳纤维是导体,假如碳纤维混凝土受压炸裂,切断碳纤维,整个建筑物的电阻增加,导电量改变,成为建筑物出现问题的信号,而玻璃纤维却仍保持完好,使建筑物不至于突然坍塌。这种特殊的混凝土可以用于海底建筑物,也可以用于建筑高速公路和跨海大桥。随着自修复材料的发展,具有自修复功能的智能纤维及其制品也可以应用到这种混凝土中,当混凝土发生开裂时,随着纤维的断裂,会从纤维中释放出“黏结剂”把裂纹牢牢地焊接在一起,对混凝土的断裂起到一定的修复作用。

在混凝土砖及大坝上,工程结构的过量位移或变形会导致结构失稳并造成破坏。运用光纤技术可以实现对大坝结构连续可靠的监测。将光纤位移极限信号装置潜入土工布,置于大坝底端或相应的中间层中,可用于检测大坝缝隙变化,光纤应变计可用于缝隙或不透水沥青混凝土水坝状态变化的长期监测,环形光纤传感器分为两路,分别连接坝体的两边,用一特别的材料封装在大坝混凝土中心。当应变计用力锁定模式安装时,径向变化可引起传感器传输性质的变化。光纤技术的这一特性,能为大水坝、桥梁和重要性的工程结构所用,实现结构的在线检测和伤害评估。

在日常生活领域的应用

随着高科技的发展和材料科学的进步,材料的加工技术日新月异,这给智能材料尤其是智能纺织品的发展带来了新的契机。智能纤维、智能纺织品以及由他们作为组元材料构建的智能系统,不但在生物、医学、航空航天、环境卫生、军事、建筑等领域发挥着重要作用,而且在人们日常生活中的应用也越来越广泛。

随着生活水平的提高,人们对服装的追求不再是简单的保暖御寒,越来越多的新颖、特殊且智能的元素被引入进去,不仅满足了人们的基本需求,而且实现了一些特殊的功能。如变色纺织品,与普通纺织品一样穿着舒适,可随意折叠、洗涤和进行各种整理,在此基础上植入其它特殊功能,同时各种电子产品直接嵌入面料中,使变色纺织品与普通纺织品看起来没什么两样。尤其是针对普通消费者的纺织品,不仅要有强大的功能性,还要符合美学和时尚的要求,它需要将时尚与科技结合到纺织品中,才能被人们所喜爱。智能防水透纺织品是使水滴(或液滴)不能渗入织物,而人体散发的汗气能通过织物扩散传递到外界,不致于在衣服和皮肤间积累或冷凝,感觉不到发闷现象的功能性织物。它是在人类为抵御大自然的侵害、不断提高自我保护的情况下出现的,集防风、雨、雪;御寒保暖;美观舒适于一身的高技术纺织品。以蓄热调温纤维基元材料开发的智能保温纺织品,具有积极式的主动保温功能,穿着智能调温纺织品的人体与外界环境之间的热量流动减少或者被中断,从而在人体与外界环境之间建立一种相对的动态热平衡,对人体起到积极的温度调节作用。不仅能令人们在严冬感到温暖如春,在酷暑也能感到丝丝凉意。形状记忆纤维可以制成不同的产品,如泳衣、紧身衣等。可以直接机织成针织品、袜口和其他衣物的领口、袖口。此外,通过在服装中植入智能元件和电子产品,可开发音乐服装、电子服装等,随着今后电子信息技术的发展和应用,智能电子服装必将受到越来越多的关注,多功能与多智能化将成为主流趋势。此外,一些特殊的智能材料如光致变色纤维、热致变色纤维和温敏变色纤维及其组元系统,已被逐渐应用在床罩、灯罩、浴罩、窗帘、汽车内饰等装饰领域,并且显示出良好的前景。

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