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《產業用紡織品》
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科技資訊
【聚焦“十四五”】聚焦“紡織+”學科融合新戰略,引領智能紡織品發展方向
時間:2022年7月13日

 

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無限應用  廣泛替代

高質產紡  華章日新

 

4月21日,工信部、國家發改委發布《關于產業用紡織品行業高質量發展的指導意見》。為全面、準確理解《指導意見》的重要精神,中產協特在官方微信開設【聚焦“十四五”】欄目,涵蓋高端訪談、任務領航、領域直擊、優企風采等內容板塊,旨在高質量實現《指導意見》的總體要求和發展目標。

 

任務領航

合力攻堅

務實篤行

見證行業倍道兼程

砥礪奮進

 

任務之:兩化融合

 

《指導意見》圍繞發展目標,從科技創新、產業結構、兩化融合、綠色發展、標準引領等方面,提出五項重點任務。在“促進兩化融合,培育新業態新模式”部分指出:推進數字化智能化制造;加大智能紡織品開發推廣;建設工業互聯網平臺。

 

本期,我們將圍繞《指導意見》五項重點任務之一“促進兩化融合,培育新業態新模式”展開,針對加大智能紡織品開發推廣這一具體任務,聆聽青島大學紡織服裝學院副院長田明偉講述青島大學紡織服裝學院在智能紡織品開發推廣方面的方向與成果。

 

 

近年來,青島大學紡織服裝學院不斷聚焦“紡織+”學科發展戰略,積極對接國家重大戰略需求,突破重大共性關鍵技術,支撐行業綠色高質量發展。在紡織和醫學交叉學科領域,面向世界科技前沿,研究運動健康用智能紡織品與可穿戴技術,引領紡織產業轉型升級。

 

智能電子紡織品科研團隊隸屬于青島大學智能可穿戴技術研究中心。平臺聚焦智能穿戴技術和設備研發,在醫療監護、運動監測和智能服裝等多個方面開展研究,在國內率先提出石墨烯對紡織纖維功能化改性的研究思路,重點開發石墨烯導電纖維、石墨烯導電紡織品等高品質石墨烯新產品,推動石墨烯在智能可穿戴、功能防護、健康醫療等領域的應用。

 

 

基礎研究 

團隊近年來圍繞智能紡織品開發與推廣,主要著眼于導電纖維微結構連續化調控機制及電子紡織品智能化構型兩個關鍵科學問題,開展了系列基礎研究工作,并取得了些許成果。團隊在智能電子紡織品領域中基礎理論研究的突破,對推動智能電子紡織品領域的應用提供了理論基礎和指導,具有重要意義。

 

(1)智能導電纖維連續化構筑及微結構調控

 

智能導電纖維具有柔軟、輕便、可編織等優點,打破了剛性電子器件的限制,然而,智能導電纖維內部結構復雜,其微結構難以調控及連續化制備,限制了智能導電纖維產業化應用。智能電子紡織品科研團隊2012年提出將石墨烯引入到紡織新材料的研究思路,提出“堿脫氧弱還原”和自由基接枝改性的高效分散方案,制備了石墨烯/再生纖維素復合纖維。針對傳統紡絲方法難以制備多元結構纖維的問題,提出了微流控與濕法紡絲相結合的創新思路,構建了可圖案化紡絲通道的微流控連續化紡絲體系(圖1,Carbon 2019, 152,106-113),揭示了微通道結構設計對纖維非對稱結構的影響機制,紡制了結構豐富、多元化的功能纖維,微流控纖維在200%伸長率下GF值達450,實現了智能導電纖維連續化構筑。微流控紡絲對智能導電纖維連續化構筑及微結構調控具有廣泛的適用性,為智能電子紡織品制備加工提供重要的技術支撐和理論指導。

 

圖1. 微流控紡絲凝固成纖的演化規律(a)微流控纖維結構調控,(b)微流控芯片及微流體,(c)不同結構纖維力學性能。

 

(2)智能電子紡織品結構設計與傳感構效關系

 

在高彈性電子導線方面,針對金屬導線剛性大、不可拉伸的問題,受蠕蟲爬行的啟發,團隊采用“預應力法”構筑了應變不靈敏性能的仿生結構高彈性導電纖維(圖2,Nano Lett., 2019, 199: 6592-6599)。研究了高彈性導電纖維表面的蠕蟲形褶皺狀石墨烯導電微層的演化規律,表征了超大形變(ε >815%)下高彈性導線的可逆電信號響應,分析了電信號響應不靈敏性質及影響規律,明確了滿足復雜形變中電信號傳遞的有效伸長區間,實現了應變不靈敏導電纖維在智能可穿戴中用作電信號傳遞的可行性,為柔性智能可穿戴的發展提供了新思路。

圖2. 應變不靈敏性能的仿生結構高彈性導電纖維(a)制備工藝示意圖,(b)SEM圖,(c)外力場作用下電阻變化,(d)與常規導電纖維電阻響應對比。

 

(3)運動與健康多模態智能電子紡織品應用探索

 

基于紡織結構設計策略,構筑了“電阻式/電容式一體化”全紡織基拉力/壓力雙感傳感織物。通過經典紡紗織造工藝,構筑了大形變(ε = 0~90%)包芯紗結構的電阻式拉力傳感器;結合三維織物構型設計,構筑了大壓力(0~110 kPa)下“三明治”結構的電容式壓力傳感器。系統研究了多尺度雙感知陣列結構紡織品的雙重傳感響應規律,實現了競技運動員動作與受力的同步監測(圖3,Nano Energy, 2021, 85: 105941)。進一步基于紗線狀柔性致動器驅動模型,制備了聚丙烯薄膜為主動層、錦綸長絲為被動層的紗線狀柔性致動器,并受植物蒸騰作用啟發,設計了一種基于紡織致動器的智能調溫織物,該織物可根據外界溫度環境自動調節皮膚溫度,可應用于智能調溫運動服(Nano Lett., 2021, 21, 19, 8126-8134)。

圖3. 雙感知電子織物(a)包纏紗結構拉力傳感器和電極織物制備,(b)跆拳道應用示意圖,(c)雙感知電子織物示意圖,(d)拉伸-電阻變化曲線,(e)壓力-電容變化曲線。

 

應用研究和成果轉化

在應用研究和成果轉化方面,團隊面向“智能紡織”產業需求,圍繞“纖維基傳感-高彈性導線-紡織基構型”研究主線,基于對“紡織結構”多級多尺度性的新認知,在導電纖維微結構連續化調控機制及電子紡織品智能化構型兩個方面取得突破,解決了智能電子紡織品連續化構筑難、傳感抗干擾性差、穿著舒適性低等技術瓶頸,構筑了紡織基多模態響應的運動與健康服飾,實現了智能紡織品在諸多領域的特效應用,為高品質智能電子紡織品的大規模加工制備提供了理論指導和技術支撐。

 

(1)超拉伸應變不靈敏型導電纖維

 

在國防軍科委173專項等資助下,采用液態金屬和聚氨酯這種“雙低模”組合體系制備了一種可逆超拉伸導電纖維(LM@PHF),纖維具有典型的芯—鞘結構及優異的本征拒水特性,可避免水下使用造成的短路現象(圖4)。利用同軸濕法紡絲工藝理論體系對芯—鞘流道的紡絲參數進行調控,其內部結構與力學性能、電學性能、熱學性能的構效關系被進一步研究。導電通路在斷路后因液態金屬重新團聚具有良好的自修復特性,纖維通過調控可實現導電(~0.05 Ω·cm-1)、拉伸傳感(~600%、30 ms)、壓力傳感(~30 MPa、30 ms)和電熱(1.5 W, ~50 °C)等功能,可利用機織、針織、編織等常規紡織工藝將上述纖維制備系列不同結構的電子織物。前期,我們團隊將其組裝成一套水下智能手套系統,憑借該纖維優異的防水性、大形變下的傳感性、獨特的可恢復性及低功耗電熱性能集成了運動感知、危險預警和熱學防護的等多種功能,展示了在水下場景的應用的巨大潛力。

圖4 可逆性液態金屬電子織物的制備及應用

 

(2)電阻式智能壓感電子織物

 

在山東省重大科技創新工程等項目資助下,通過“全紡織基”柔性傳感結構構筑,自主研發了柔性紡織基多功能傳感器件(圖5,一種壓力感知智能織物及其制備方法和應用ZL 202011220793.X)。該技術首次提出了“全紡織基”柔性傳感陣列新結構概念,實現了壓阻式傳感陣列的超大面積織物力學(壓力、拉力)傳感,并進一步通過織物組織結構與紡織面料優化設計賦予傳感器件良好柔軟、透氣、導濕等功能特點。該項產品技術整體水平達國際先進,壓力感知范圍可達100kg,響應時間低于50ms,可廣泛應用于智能醫療床墊、力感知服裝及鞋墊等系列高端紡織產品。相關產品可服務于各類人群,其中智能醫療床墊可為監測人體睡眠狀態,給予人體睡眠姿態調整建議,提升人們睡眠質量;力感知服裝及鞋墊可滿足運動員健身愛好者的步態或腳步受力分析,為其運動狀態及運動能力的提升提供可靠建議。相關技術與產品可廣泛應用于智能坐墊、智能床墊等智能家居及交通駕駛等應用場景,為人們的休息、睡眠及工作狀態等提供合理的分析與評價監測。

圖5 全紡織基壓力傳感陣列柔性器件

 

(3)多模態感知智能壓力織物

 

團隊創新紡織結構設計策略,基于非接觸/觸摸雙模態三維織物基傳感器分別開發了兩種應用于不同場景的智能可穿戴系統。將三維織物基傳感器集成到訓練服中,精確監測出拳速度和壓力,實現柔性可穿戴服裝上觸覺和接近信號的連續智能數字化。另外,根據三維織物基傳感器優秀的非接觸性能制備了一個非接觸“微雷達”預警系統(圖6),在保護個人安全和減少交叉感染方面具有重要價值。三維間隔織物基傳感器陣列布的可穿戴性、較高靈敏度和顯著的通用性,以及其成本效益高的制造工藝,在人體身體戰斗運動和周圍微環境的實時監測中顯示出巨大的應用潛力。

圖6. 三維織物基傳感器的預警系統

 

挑戰與機遇

對于深耕智能紡織品交叉學科領域的高校科研人員,在科研和成果轉化工作中面臨還面臨諸多問題:一是消費者對智能紡織品的認知度和接受度不高,當前智能紡織品市場還處于初級起步階段,雖然經歷了科技冬奧、谷歌華為等行業巨頭的產品概念宣傳,但在廣大消費者群體中還未形成廣泛的消費意識;二是多學科交叉融合問題,智能紡織品研究是一個非常復雜的系統工程,是由紡織、材料、電子甚至計算機、軟件編程等學科交叉融合而成,但目前成熟的產品技術推廣與創制依然面臨著缺乏多學科融合、交流合作的問題;三是從樣品到商品仍存在壁壘。高校實驗室制備的往往僅能達到樣品層級,而企業往往對“樣品”信心不足,高校確沒有“產品”的生產能力,因此“樣品-產品-商品”成果轉化的必由之路不是很通暢。對于智能電子紡織品更是需要多學科團隊的聯合攻關以實現“產品”落地,讓更多的企業接受“產品”,從而真正實現“商品”突破。

 

《指導意見》中明確提到了“加大智能紡織品開發推廣”,為智能紡織品科研高校和企業指明了方向,其中“開發推廣體育運動、醫療健康、安全防護用智能可穿戴產品,拓展智能紡織品應用領域”也指明了研究課題。當下國家相關部門也逐步關注到了智能紡織品在體育運動、醫療健康、安全防護方面的應用前景與優勢,結合我國老齡化速度加快的社會熱點問題及主動健康醫療等“健康中國”戰略,智能紡織品未來在上述相關領域將大有可為。最后,《指導意見》中提到了五個方面的保障措施:成果轉化政策支持、產業用紡織品公共服務平臺建設、人才隊伍建設、跨行業交流、行業協會協調推動。這幾方面的保障對高校科研工作者意義重大,一系列的保障措施保證了科研工作者們能更好地開展科技創新、促進行業發展、服務國家社會。

 
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