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《产业用纺织品》
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科技资讯
【聚焦“十四五”】聚焦“纺织+”学科融合新战略,引领智能纺织品发展方向
时间:2022年7月13日

 

无限应用  广泛替代

高质产纺  华章日新

 

4月21日,工信部、国家发改委发布《关于产业用纺织品行业高质量发展的指导意见》。为全面、准确理解《指导意见》的重要精神,中产协特在官方微信开设【聚焦“十四五”】栏目,涵盖高端访谈、任务领航、领域直击、优企风采等内容板块,旨在高质量实现《指导意见》的总体要求和发展目标。

 

任务领航

合力攻坚

务实笃行

见证行业倍道兼程

砥砺奋进

 

任务之:两化融合

 

《指导意见》围绕发展目标,从科技创新、产业结构、两化融合、绿色发展、标准引领等方面,提出五项重点任务。在“促进两化融合,培育新业态新模式”部分指出:推进数字化智能化制造;加大智能纺织品开发推广;建设工业互联网平台。

 

本期,我们将围绕《指导意见》五项重点任务之一“促进两化融合,培育新业态新模式”展开,针对加大智能纺织品开发推广这一具体任务,聆听青岛大学纺织服装学院副院长田明伟讲述青岛大学纺织服装学院在智能纺织品开发推广方面的方向与成果。

 

 

近年来,青岛大学纺织服装学院不断聚焦“纺织+”学科发展战略,积极对接国家重大战略需求,突破重大共性关键技术,支撑行业绿色高质量发展。在纺织和医学交叉学科领域,面向世界科技前沿,研究运动健康用智能纺织品与可穿戴技术,引领纺织产业转型升级。

 

智能电子纺织品科研团队隶属于青岛大学智能可穿戴技术研究中心。平台聚焦智能穿戴技术和设备研发,在医疗监护、运动监测和智能服装等多个方面开展研究,在国内率先提出石墨烯对纺织纤维功能化改性的研究思路,重点开发石墨烯导电纤维、石墨烯导电纺织品等高品质石墨烯新产品,推动石墨烯在智能可穿戴、功能防护、健康医疗等领域的应用。

 

 

基础研究 

团队近年来围绕智能纺织品开发与推广,主要着眼于导电纤维微结构连续化调控机制及电子纺织品智能化构型两个关键科学问题,开展了系列基础研究工作,并取得了些许成果。团队在智能电子纺织品领域中基础理论研究的突破,对推动智能电子纺织品领域的应用提供了理论基础和指导,具有重要意义。

 

(1)智能导电纤维连续化构筑及微结构调控

 

智能导电纤维具有柔软、轻便、可编织等优点,打破了刚性电子器件的限制,然而,智能导电纤维内部结构复杂,其微结构难以调控及连续化制备,限制了智能导电纤维产业化应用。智能电子纺织品科研团队2012年提出将石墨烯引入到纺织新材料的研究思路,提出“碱脱氧弱还原”和自由基接枝改性的高效分散方案,制备了石墨烯/再生纤维素复合纤维。针对传统纺丝方法难以制备多元结构纤维的问题,提出了微流控与湿法纺丝相结合的创新思路,构建了可图案化纺丝通道的微流控连续化纺丝体系(图1,Carbon 2019, 152,106-113),揭示了微通道结构设计对纤维非对称结构的影响机制,纺制了结构丰富、多元化的功能纤维,微流控纤维在200%伸长率下GF值达450,实现了智能导电纤维连续化构筑。微流控纺丝对智能导电纤维连续化构筑及微结构调控具有广泛的适用性,为智能电子纺织品制备加工提供重要的技术支撑和理论指导。

 

图1. 微流控纺丝凝固成纤的演化规律(a)微流控纤维结构调控,(b)微流控芯片及微流体,(c)不同结构纤维力学性能。

 

(2)智能电子纺织品结构设计与传感构效关系

 

在高弹性电子导线方面,针对金属导线刚性大、不可拉伸的问题,受蠕虫爬行的启发,团队采用“预应力法”构筑了应变不灵敏性能的仿生结构高弹性导电纤维(图2,Nano Lett., 2019, 199: 6592-6599)。研究了高弹性导电纤维表面的蠕虫形褶皱状石墨烯导电微层的演化规律,表征了超大形变(ε >815%)下高弹性导线的可逆电信号响应,分析了电信号响应不灵敏性质及影响规律,明确了满足复杂形变中电信号传递的有效伸长区间,实现了应变不灵敏导电纤维在智能可穿戴中用作电信号传递的可行性,为柔性智能可穿戴的发展提供了新思路。

图2. 应变不灵敏性能的仿生结构高弹性导电纤维(a)制备工艺示意图,(b)SEM图,(c)外力场作用下电阻变化,(d)与常规导电纤维电阻响应对比。

 

(3)运动与健康多模态智能电子纺织品应用探索

 

基于纺织结构设计策略,构筑了“电阻式/电容式一体化”全纺织基拉力/压力双感传感织物。通过经典纺纱织造工艺,构筑了大形变(ε = 0~90%)包芯纱结构的电阻式拉力传感器;结合三维织物构型设计,构筑了大压力(0~110 kPa)下“三明治”结构的电容式压力传感器。系统研究了多尺度双感知阵列结构纺织品的双重传感响应规律,实现了竞技运动员动作与受力的同步监测(图3,Nano Energy, 2021, 85: 105941)。进一步基于纱线状柔性致动器驱动模型,制备了聚丙烯薄膜为主动层、锦纶长丝为被动层的纱线状柔性致动器,并受植物蒸腾作用启发,设计了一种基于纺织致动器的智能调温织物,该织物可根据外界温度环境自动调节皮肤温度,可应用于智能调温运动服(Nano Lett., 2021, 21, 19, 8126-8134)。

图3. 双感知电子织物(a)包缠纱结构拉力传感器和电极织物制备,(b)跆拳道应用示意图,(c)双感知电子织物示意图,(d)拉伸-电阻变化曲线,(e)压力-电容变化曲线。

 

应用研究和成果转化

在应用研究和成果转化方面,团队面向“智能纺织”产业需求,围绕“纤维基传感-高弹性导线-纺织基构型”研究主线,基于对“纺织结构”多级多尺度性的新认知,在导电纤维微结构连续化调控机制及电子纺织品智能化构型两个方面取得突破,解决了智能电子纺织品连续化构筑难、传感抗干扰性差、穿着舒适性低等技术瓶颈,构筑了纺织基多模态响应的运动与健康服饰,实现了智能纺织品在诸多领域的特效应用,为高品质智能电子纺织品的大规模加工制备提供了理论指导和技术支撑。

 

(1)超拉伸应变不灵敏型导电纤维

 

在国防军科委173专项等资助下,采用液态金属和聚氨酯这种“双低模”组合体系制备了一种可逆超拉伸导电纤维(LM@PHF),纤维具有典型的芯—鞘结构及优异的本征拒水特性,可避免水下使用造成的短路现象(图4)。利用同轴湿法纺丝工艺理论体系对芯—鞘流道的纺丝参数进行调控,其内部结构与力学性能、电学性能、热学性能的构效关系被进一步研究。导电通路在断路后因液态金属重新团聚具有良好的自修复特性,纤维通过调控可实现导电(~0.05 Ω·cm-1)、拉伸传感(~600%、30 ms)、压力传感(~30 MPa、30 ms)和电热(1.5 W, ~50 °C)等功能,可利用机织、针织、编织等常规纺织工艺将上述纤维制备系列不同结构的电子织物。前期,我们团队将其组装成一套水下智能手套系统,凭借该纤维优异的防水性、大形变下的传感性、独特的可恢复性及低功耗电热性能集成了运动感知、危险预警和热学防护的等多种功能,展示了在水下场景的应用的巨大潜力。

图4 可逆性液态金属电子织物的制备及应用

 

(2)电阻式智能压感电子织物

 

在山东省重大科技创新工程等项目资助下,通过“全纺织基”柔性传感结构构筑,自主研发了柔性纺织基多功能传感器件(图5,一种压力感知智能织物及其制备方法和应用ZL 202011220793.X)。该技术首次提出了“全纺织基”柔性传感阵列新结构概念,实现了压阻式传感阵列的超大面积织物力学(压力、拉力)传感,并进一步通过织物组织结构与纺织面料优化设计赋予传感器件良好柔软、透气、导湿等功能特点。该项产品技术整体水平达国际先进,压力感知范围可达100kg,响应时间低于50ms,可广泛应用于智能医疗床垫、力感知服装及鞋垫等系列高端纺织产品。相关产品可服务于各类人群,其中智能医疗床垫可为监测人体睡眠状态,给予人体睡眠姿态调整建议,提升人们睡眠质量;力感知服装及鞋垫可满足运动员健身爱好者的步态或脚步受力分析,为其运动状态及运动能力的提升提供可靠建议。相关技术与产品可广泛应用于智能坐垫、智能床垫等智能家居及交通驾驶等应用场景,为人们的休息、睡眠及工作状态等提供合理的分析与评价监测。

图5 全纺织基压力传感阵列柔性器件

 

(3)多模态感知智能压力织物

 

团队创新纺织结构设计策略,基于非接触/触摸双模态三维织物基传感器分别开发了两种应用于不同场景的智能可穿戴系统。将三维织物基传感器集成到训练服中,精确监测出拳速度和压力,实现柔性可穿戴服装上触觉和接近信号的连续智能数字化。另外,根据三维织物基传感器优秀的非接触性能制备了一个非接触“微雷达”预警系统(图6),在保护个人安全和减少交叉感染方面具有重要价值。三维间隔织物基传感器阵列布的可穿戴性、较高灵敏度和显著的通用性,以及其成本效益高的制造工艺,在人体身体战斗运动和周围微环境的实时监测中显示出巨大的应用潜力。

图6. 三维织物基传感器的预警系统

 

挑战与机遇

对于深耕智能纺织品交叉学科领域的高校科研人员,在科研和成果转化工作中面临还面临诸多问题:一是消费者对智能纺织品的认知度和接受度不高,当前智能纺织品市场还处于初级起步阶段,虽然经历了科技冬奥、谷歌华为等行业巨头的产品概念宣传,但在广大消费者群体中还未形成广泛的消费意识;二是多学科交叉融合问题,智能纺织品研究是一个非常复杂的系统工程,是由纺织、材料、电子甚至计算机、软件编程等学科交叉融合而成,但目前成熟的产品技术推广与创制依然面临着缺乏多学科融合、交流合作的问题;三是从样品到商品仍存在壁垒。高校实验室制备的往往仅能达到样品层级,而企业往往对“样品”信心不足,高校确没有“产品”的生产能力,因此“样品-产品-商品”成果转化的必由之路不是很通畅。对于智能电子纺织品更是需要多学科团队的联合攻关以实现“产品”落地,让更多的企业接受“产品”,从而真正实现“商品”突破。

 

《指导意见》中明确提到了“加大智能纺织品开发推广”,为智能纺织品科研高校和企业指明了方向,其中“开发推广体育运动、医疗健康、安全防护用智能可穿戴产品,拓展智能纺织品应用领域”也指明了研究课题。当下国家相关部门也逐步关注到了智能纺织品在体育运动、医疗健康、安全防护方面的应用前景与优势,结合我国老龄化速度加快的社会热点问题及主动健康医疗等“健康中国”战略,智能纺织品未来在上述相关领域将大有可为。最后,《指导意见》中提到了五个方面的保障措施:成果转化政策支持、产业用纺织品公共服务平台建设、人才队伍建设、跨行业交流、行业协会协调推动。这几方面的保障对高校科研工作者意义重大,一系列的保障措施保证了科研工作者们能更好地开展科技创新、促进行业发展、服务国家社会。

 
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