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智能纺织品“智力冲关”
/文 2013/07/31

在美国佛罗里达州日前举办的国际产业用纺织品会议上,国际产业用纺织品协会的工作人员、著名高校教授,以及相关企业代表齐聚一堂,集中研讨了产业用纺织品的未来发展趋势,特别是重点讨论了智能纺织品的开发远景。
智能纺织品作为一个全新领域,它是高新技术在纺织行业应用的集中体现,涉及材料、化学化工、生物、电子、信息等多种学科,智能纺织品的设计开发使人们看到了纺织工业的希望和未来。通过此次会议,人们对新兴的产业用纺织品技术有了更加深入的了解,一些尖端技术得以公诸于世。
值得一提的是,美国马萨诸塞州麻省理工大学的科学家们已经成功制造出了一种具有二极管功能的精细纤维,并提供了一种将普通自旋半导体材料拉成纤维的工艺技术,有望给未来的高精电子设备和光子设备开辟一条制造新途径。
今后的智能纺织品会脱离融合技术或是安置技术,随着交叉学科领域不断拓展将成为未来纺织品进步的重要方向。很多潜在的应用都需要不断更新的纳米材料扮演重要角色,这将为纺织行业创造新的就业机会以及新产品的增长空间。

普通纤维如何迈向全能纤维?
国际产业用纺织品协会安全与技术产品部 大卫•钱德勒

近来人们开始关注半导体光纤的潜在应用,它结合了光电子和半导体两方面优点。将通常无法直接编织的材料制成织物,使纤维也能作为一种微型固态化学反应器。这也创造了更多机会,可以看作是迈向“全能纤维”的重要一步。
除了照明装饰领域外,光纤在许多方面的应用都是看不见的,如传感器之类的,描述起来十分枯燥,不过现在终于到了让我们眼前一亮的时候。
盐水太妃糖和智能纺织品有什么共通之处?直到最近,美国麻省理工学院的科学家们发现了一种可以“拉”的纤维,这种纤维的制造过程类似于太妃糖。二极管是现代电子设备中的核心元件,麻省理工大学的研究人员成功制造出了一种具有二极管功能的精细纤维,并提供了一种将普通自旋半导体材料拉成纤维的工艺技术,有望给未来的高精电子设备和光子设备开辟一条制造新途径。

像太妃糖一样的材料拉丝新方法
目前的宽带通讯领域,大部分光纤用纤维拉丝技术来生产,但这些技术会受到材料的限制,只有在合适温度下才能将所用材料拉成丝。而新的研究成果展示了在拉丝过程中,将新材料合成复合纤维的方法,包括那些熔点高的普通纤维。
在拉丝之前需要准备一种粗加工的预成品,比如一个较大的玻璃棒,类似于所生产纤维的特大号模型。把该预成品加热,让它变得像太妃糖一样柔软黏稠,然后拉成纤维。虽然材料的尺寸要比预成品小很多,但组成成分保持不变。我们所用的预成品中包含了硒、硫、锌和锡,还涂上了一层高分子材料,拉丝过程是在260℃中完成的,而结合这些材料形成的纤维包含了硒化锌,这种化合物的熔点高达1530℃,具有非常重要的电学属性和光学属性。包含硒化锌的复合纤维能作为光子线路,就像传统电路中的电子流动,只不过把电子换成了光束。
以前所有关于纤维拉丝的方法,对我们所用的新材料都不起作用。只有用新方法、新材料才能拉丝成型。最后的成品纤维很简单,但却有二极管半导体设备的功能,能够单向导电。此前的二极管都无法用这种方法制造。
研究还表明,也可以用以前从未考虑过的其他材料来组合拉成纤维。因为纤维材料的物理结构和预成品中的一样,我们最终有望利用这些纤维自身的结构,组合出更多更复杂的电路。这种纤维可以作为光线、温度或其他环境下的传感器,还能用于纺织,比如制造太阳能电池织物。

一根纤维可以精细到什么程度
新研究起始于“一根纤维可以精细到什么程度”这个最基本的问题。最近几十年里,人们在制造各种形式的电子设备方面取得了很大进步,但在整体的功能性、纤维精度与织造技术等方面却少有进展,还在用人类早期发明的形式。新研究有望使纤维拉丝也成为一种人工合成新材料的绝佳途径。
研究人员制造出了15种各不相同的纤维二极管设备,如果进一步研究还可能得到上百种,最终能把它们互相连接起来形成电路。
近来人们开始关注半导体光纤的潜在应用,它结合了光电子和半导体两方面优点。将通常无法直接编织的材料制成织物,使纤维也能作为一种微型固态化学反应器。这也创造了更多机会,可以看作是迈向“全能纤维”的重要一步,能产生、传播、传感并控制光子、电子以及声子。
光纤开发之初,仅用于汽车照明灯的控制和装饰。现在则主要用于医学、装饰、汽车、船舶等方面,以显示元件为主。在通信和图像传输方面,光纤的应用日益增多,工业上用于光导向器、显示盘、标识、开关类照明调节、光学传感器等。

交叉学科鼎力塑造高级纺织品
伦敦艺术大学教授 玛丽•奥马奥尼

早期塑料行业的错误可以说是被重复了一遍又一遍,作为一种替代现有材料或产品的技术,更小、更快、更薄的产品才是好的产品,而且只有出现当设计师抛开对材料及技术的成见并重新审视时,才可以提供一些新的进展。
对我来说,智能纺织品一直是最令人兴奋的领域之一。其实智能纺织品已存在了数年,但现在才开始真正走进我们的视野。这里面有很多原因,比如技术进步,社会、人口、经济和环境因素等。今后的智能纺织品会脱离融合技术或者是安置技术,随着交叉学科领域的不断发展,将成为未来纺织品发展的重要方向。

锂离子电池解决可穿戴电子产品难题
智能纺织品分为消极纺织品、积极纺织品和高级纺织品。消极纺织品对外界条件和刺激仅能感知;积极纺织品能够感应外界环境的刺激并有所相应,可与特定环境相协调;高级纺织品除了对外界环境刺激能感知和有所反应外,还能自动调节以适应。
可穿戴电子产品在很长一段时间里的发展都不是很理想,因为技术的问题,电源显得过大。洗涤衣物之前,要先摘掉电池等设备,在我看来并不是真正的“可穿戴”。后来随着锂离子电池的出现,电源变得不再是问题,而且电子设备本身也变得不再那么笨重。
让我看到有变化的产品是RipCurl公司的氢弹潜水衣。它沿潜水衣的脊柱集成了一个发热元件,并由小型锂电池供电。这使其变得更加“苗条”、不显眼,不仅可以在淡水中,也可以在盐水中使用,所以对我来说是这才是真正的“可穿戴”产品。
近年来科学家们一直在对智能纺织品进行改良。10年前,智能纺织品的原材料通常来自日本,它们在技术上是先进的,但是在产品的处理上以及审美上是有一定问题的,所以没有西方市场做得成功。现如今,我们能够提供具有更好性能、良好手感和悬垂性以及外表美观的面料。另外,除了掌握一些现成的技术,如嵌入式和可拉伸电子设备及传感器,还有一些比较有趣的解决方案也在不断涌现,如大小与一张信用卡相当的电池等。

想象力是智能纺织品发展的最大障碍
除了良好的设计,想象力也是智能纺织品发展的最大障碍之一。早期塑料行业的错误可以说是被重复了一遍又一遍,作为一种替代现有材料或产品的技术,更小、更快、更薄的产品才是好的产品,而且只有出现当设计师抛开对材料及技术的成见并重新审视时,才可以提供一些新的进展。有些概念车的设计,例如宝马的吉娜,其车身由弹性织物制成,但消费者却提出这样一个问题:为什么这个车的面料是硬的而不是软的?
此外,纳米技术的可扩展性仍然是一个问题。我们已经看到了一些伟大的进步,如海伦层的催化服装,这种产品采用了纳米涂层,可以净化空气。我也在密切关注光伏发电技术,从字面上就可以看出它们有多灵活。
由于到处都是老人和病人的护理场所、健身场所和工作场所,监控和自诊断产品将变得更加复杂。
还有一些有趣的新的商业模式出现在这个领域,我希望这种情况持续下去。所有这一切都可能会积极造福社会、用户、制造商和开发商。我看到不断发展的第三个趋势是,既定的经济体和新兴经济体之间的关系。这些已经开始改变,我们会看到其中一些已经取得了突破性的进展,相信未来10年内所有人都能受益。
随着科技的进步以及多学科的相互交叉、渗透和融合,纺织材料的研究开发已经进入到了一个新的领域,正在向着高功能、高附加值的方向发展。智能纺织品的加工技术也在不断地深入,相信在不远的将来,其品种会越来越丰富,应用范围也将越来越广。

纳米材料在纺织领域机会无限
美国德克萨斯大学教授 布莱恩

在碳纳米管改性棉纤维中加入白蛋白抗体后,探测到了白蛋白的存在。该功能有望用于探测伤者的出血状况。也许,纺织品将有能力感知环境中的化学或生物武器,所有这些潜在的应用都需要大规模制造纳米材料。
我的研究方向主要集中在开发纳米材料化学研究的新方法上,最终目标是找出纳米材料的独特性能。参与先进纺织材料的研究对于我来说是一个比较新的领域,我认为在纺织品中使用纳米材料具有很广阔的发展前景,如今我们正在研究半导体纳米线。今后,有可能将其添加到面料中,以增强面料的功能,如能量收集和储存、光学和化学传感功能,以及独特的机械强度和韧性的组合。

整合纺织品纳米材料处于起步阶段
我听说过的纳米材料制造的面料产品,已注册成银纳米粒子面料,并取得了巨大进展。这些材料通过启用碳纳米管的方式,把它们编织在一起,使其成为具有高吞吐量的新材料。然而在一般情况下,能够整合成纺织品的纳米材料仍然处于研究的起步阶段。
处在这个阶段有两个问题亟须解决:一是制造方法,可以制造足够的所需物质仍有待开发,纳米材料本身的基本性质,特别是在纺织行业中,在很大程度上是未知的。世界各地的许多研究小组都在研究纳米线,但较为常见的是在电子或光学上的应用,需要相对较少的材料,以及微小的结构变化。但是在纺织品应用中,如果电线太短或不分散在一个特定的溶剂中,它们根本就无法正常工作。此外耐久性也特别重要。
另一个问题是需要进一步研究纳米材料的毒性和对环境的影响。不过,碳纳米管改性纤维对人体的影响尚无定论。虽然大量的细胞培养数据表明这类碳纳米管涂层是无害的,但长期接触皮肤的影响还需进一步研究。

半导体纳米线将太阳能转换成电能
从某种意义上说,纳米材料是一种非常有趣的材料,且具有一些潜在属性,例如我们已经开发了大量硅和锗纳米线。纳米线是结晶的,但它们非常脆,机械性能也不是很好。纳米线的纤维结构,使它们适合用于纺织品行业。例如由纳米线制成的半导体材料硅,是电子行业的核心材料,如今他们利用新材料组合性能以及新的光学和电子的特点将有可能做成纺织品。我们相信,应用这些材料制成的新纺织品将存在着巨大的潜力。
具有更多功能的纺织品似乎逐渐成为一个新兴市场,例如半导体纳米线。将他们纳入纺织品类别是适合的,因为这些纳米材料具有一些独特的属性,它们能够满足纺织品结构上的需要,同时还能使纺织品带有一些有趣的功能,如能够将吸收的太阳能转换成电能。现在,新的合成方法使得这些材料的数量增多,并提高了它们的性能研究。目前,我们正在研究这种纳米线,希望将来能够满足纺织品市场的需求。

纺织进入生命探测系统不再是梦境
碳纳米管是在纳米水平上操纵碳原子制成的超细材料,数万根碳纳米管并排排列起来才有一根头发丝那么宽。与此前的智能纤维制造方法相比,这种方法更为简单、成本也更低。研究人员将普通的棉线放入碳纳米管溶液当中反复浸渍,再使其干燥。这一过程不需要使用任何附加的电子设备。如此几次之后,棉纤维就具有了导电性。此外,在碳纳米管改性棉纤维中加入白蛋白抗体后,探测到了白蛋白的存在。白蛋白是血液中的一种关键蛋白质,该功能有望用于探测伤者的出血状况。
也许,纺织品将有能力感知环境中的化学或生物武器,所有这些潜在的应用都需要大规模制造纳米材料,这可能为纺织行业创造新的就业机会,以及新产品的增长空间。

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