理论教育 电子信息智能纺织品:创新时尚的未来之路

电子信息智能纺织品:创新时尚的未来之路

时间:2023-06-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:电子信息智能纺织品作为一类新型功能面料,其智能化来自织物中加入的特殊成分。目前对于电子信息智能纺织品的研究主要有柔性压敏材料、纺织品柔性显示器、电子系统嵌入式智能纺织品和纳米电子智能型面料等。“智能衬衫”的传感器是基于聚吡咯或含碳橡胶涂层的纤维。这家公司还致力于将高科技,诸如微控制、全球定位系统、移动通信、无线电自动识别技术,以及生物传感器嵌入纺织品中,推出各种智能纺织品。

电子信息智能纺织品:创新时尚的未来之路

电子信息智能纺织品作为一类新型功能面料,其智能化来自织物中加入的特殊成分。这些成分可以是电子装置、特殊构造聚合物或者是染化试剂。目前对于电子信息智能纺织品的研究主要有柔性压敏材料、纺织品柔性显示器、电子系统嵌入式智能纺织品和纳米电子智能型面料等。

(一)柔性压敏材料

柔性压敏材料是通过把轻质的导电性织物和一层极薄的具有独特电子性能的复合材料组合在一起实现的。在复合材料中,金属粒子紧密地分布在基质中,但相互之间没有任何接触,当含有这种复合材料的织物被按压并发生变形时,金属粒子之间的距离就会减到很小,直至电子可以在金属粒子之间发生转移,具有了导电性。这种织物可以根据压力的大小进行程度控制,用于需要进行程度控制的电子设备。

柔性压敏织物具有隐藏性,可随意地制成产品表面,不易被人发觉。同时,由于柔性压敏系统从织物键盘到传送信号的数据传输总线再到连接器,全部都由纺织品构成,作为面型结构可以很容易地被卷起、清洗,使用方便。柔性压敏产品的生产方式有织造(针织、机织)、刺绣、印花、涂层等,产品易于处理和回收。除上述特点以外,柔性压敏织物不必直接与其控制的装置连接在一起,可以通过在织物上配置一个很小的无线电频率发射器把指令发回到电子产品上,这样,无线技术与柔性压敏技术的结合就可以使遥感界面加入纺织品中,实现控制或与附近的环境相沟通。

美国麻省理工学院的研究人员用不锈钢纤维在织物上刺绣出不同的电路,可以织成织物软键盘,通过将导电纤维和绝缘纤维纱线的交替编织,制成可测压力的织物。这种织物由三层组成,上下两层是电阻率为10Ω/cm的金银线与普通纱线的交织织物,中间是起隔离上下两层织物作用的较为稀疏的尼龙网。当在织物上施加压力时,上下两层织物通过尼龙网的空隙实现接触,引起电信号的变化。

日本太阳工业公司用碳纤维开发了检测最大应变的传感器,可用于建筑物、道路、工厂、飞机、烟囱、索道等结构安全的诊断。

英国Durhum大学研制的导电聚苯胺纤维具有半导体的特性,电导率高达1900S/cm,可以作为传感器使用。美国Milliken研究公司发明的聚吡咯涂层纤维技术,通过气相沉积或溶液聚合的方法,将导电的聚吡咯涂层在纤维表面制成织物传感器。意大利Pisa大学的De RossiL将聚吡咯涂层在莱卡纤维表面制成智能手套,手指在弯曲或伸展时莱卡纤维产生应变,从而使聚吡咯的导电性能产生变化,记录和分析电信号的变化,可探测出手指运动情况。欧盟Electro Textiles公司于1999年利用导电纤维技术开发了压力敏感织物,这种织物可以准确地探测出受压力的部位。

“智能衬衫”的传感器是基于聚吡咯(polypyrrole)或含碳橡胶涂层的纤维。它的感观体系结构可分为两部分:纺织品平台,可穿性装置由此平台获取生物机械信息;硬件软件平台,无线通信系统在电调节后向此平台发送所获取的数据。这种纺织品可用来创建可穿性装置,能够读取穿着这一类纺织品的人的姿势及运动状况。

(二)纺织品柔性显示器

美国Auhum大学研究的光敏纤维,可以发生光诱导可逆性光学变化和热反射变化,因而可以利用它的这种特性来制造柔性显示器。美国Clemson大学纺织学院把在电磁波可见区能够发生颜色变化的分子和低聚物掺入纤维中或附着在纤维上,再施加静态或者动态电场,得到可以光敏性变色的纤维和纤维复合材料。颜色的变化是由于不同波长的光产生的,随着所施加电磁场的变化导致物质结构发生变化,从而引起光的变化。导电纤维可提供颜色变化所需电场的电源,这类材料可用于制作变色墙壁和地板覆盖物,用于制备包含施加电场的柔性显示器的智能服装和通信服装。(www.daowen.com)

以色列Visson公司在0.2mm薄型纺织品上制成显示器样本。该样本显示屏用导电丝编织成XY结构,由此产生行列式电极网络,每根导电纤维被极薄的电场发光物质层覆盖。在行列方向同时施加电压,在相应纤维交叉点上产生的电场导致该点上的电场发光物质发出辐射。还有用纳米复合纤维来开发柔性显示器。这类纤维的高温力学性能得到改善,而且具有优良的光学性质和电学性质。纺织品柔性显示器在智能服装汽车设备、家用设备和装饰材料等诸多前沿领域有着广泛的应用前景。

(三)电子系统嵌入式智能纺织品

将电子系统加入纤维和织物中制成智能纺织品。特种电子传感器能被集成在服装上,甚至已有把微细传导纤维与普通纤维一起通过机织或针织制成服装。通过这种方式,可以生产轻型传感器和开关装置,它们几乎可适应任何三维形状。然而,无论采用何种方式把电子系统置入服装,服装必须保持原有风格,手感不能削弱,同时必须足够坚牢以承受在使用过程中的水洗、干洗和磨损。在未来,所需的能量可由穿衣者的运动或直接输入太阳能来替代。

德国慕尼黑Infineon技术公司已在这项技术上取得了很大的进展,其高度集成化的芯片和传感器技术,推进了纺织产品与电子技术的全面集成。目前已开发了一些样机和设计模型,芯片和非常小的传感器被封装在一个特殊“盒”中,固定在织物内,所需的电子连接由织物中优良的传导材料提供。应用范围从个人娱乐、通信到商业、保健和安全设施等领域。这家公司还致力于将高科技,诸如微控制、全球定位系统(GPS)、移动通信(GSM)、无线电自动识别技术(RFID),以及生物传感器嵌入纺织品中,推出各种智能纺织品。

一种新型的硅基热能发电芯片,利用温度差发电,可输出每平方厘米几微瓦的电量。研究显示,在普通的环境下,服装与皮肤表面之间的温差至少在5℃以上。在此条件下,该新型温差发电芯片能输出1.0μW/cm2和5V/cm2以上的电力和电压,其电力可用作特殊的医用探头或微电子芯片的能源。将该芯片集成在织物内所制成的智能服装,配合使用合适的器械,通过衣服内的传感器将测得人体的重要信息(如脉搏、心跳、体温等)通过无线传输传送至监测中心,医生就可了解被监护人的情况,对异常状况尽快采取措施并及时治疗。Infineon公司还研制出一种智能商标芯片,经过特殊的封装,集成在织物内,用作织物的智能标签。智能标签由可以存储各种信息的微型芯片构成,这种芯片带有一个天线,使用户之间可进行无线的数据交换而不需要单独的电源。智能标签可用于洗衣机的程序设定,可用于控制物流以简化仓储。另一种用途就是在智能商标上储存防伪特征和密码,在全球范围控制对品牌商品的盗版。

电子系统嵌入式智能纺织品可被应用于休闲娱乐、医疗保健、电子智能标签等领域,如德国Master时装学校的学生已设计出带有MP3播放机的服装,并将要投放市场。MP3播放机的电子元件直接集成在服装的面料内,并经过特殊的封装。这种纺织品可以洗涤而不会损坏内部的电子元件。整个MP3播放机,包括集成在一个微型芯片内的用于声控的微处理器和一张用来存储音乐菜单的可更换多媒体卡。在系统、存储器耳机、话筒以及织物键盘之间用导电的织物相连接。

(四)纳米电子智能型面料

国外有人利用纳米技术开发了一种灵敏且程序可控的面料,其基本思想就是将小的多孔单元通过“螺丝”互相连结成面料,装有小型电动机的计算机控制这些微孔,以调节它们与“螺丝”间的相对间隙,通过选择“螺丝”的松紧,产品的形状就可以改变,以符合使用者的需要。通过形状的快速变化或某些微孔间的短暂失去连结,固态的刚性物质就能像织物一样柔软;反之,松散的键合单元与刚性骨架相连,柔软的织物就会变得刚硬。因此,织物与其他材料之间的区别就变得很模糊。程序可控面料的概念并不仅局限于织物,还有许多潜在的应用,例如太空服可类似于人体皮肤一样活动自如;嵌入式计算机应变仪相结合,能感应出穿衣者想做的运动,从而对面料作相应的调整;外层的反射系数可进行改变以吸收来自面向太阳一面的热量,并输送至冷的部分;而面料的绝热性能会防止穿衣者的热量散失,过剩的热量也可转移至冷的一面。

纺织品的电子信息智能化在德国、英国、日本等国家很受重视,被指定为研发的重点课题。电子信息智能纺织品在赋予纺织品新时尚的同时也给予了我们许多常规纺织品远不能及的功能和智能,随着电子信息技术与智能纺织品领域交叉学科的不断发展,它们无疑是未来纺织品发展的重要特征,并且将日益成为人们日常生活的一部分。

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