智能服装中高分子材料的应用

清华大学张莹莹团队最新综述：先进碳材料在柔性智能穿戴领域中的应用研究进展

2018-10-14

你是否幻想过机器人拥有和人类一样的具有灵敏感知能力的软体皮肤？

你是否幻想过残障人士可通过佩戴智能装备恢复感知与反馈能力？

你是否幻想过日常服装能实时检测健康数据、及时提醒和智能给药，为人类健康保驾护航？

柔性可穿戴智能领域的蓬勃发展正在让这些曾经的天方夜谭逐渐变成现实！

理想的柔性可穿戴电子器件需要具备柔性、可拉伸性以及透气性、人体友好性等特征。新型电子材料的开发是构筑高性能柔性器件的基石。碳材料，特别是具有sp2杂化结构的低维碳材料，因本征或结构柔性、良好的导电性、优异的化学和热稳定性、可调的表面/电子结构、丰富的形貌结构、轻质、以及丰富的来源而成为一类很有潜力的柔性可穿戴电子材料。

清华大学张莹莹团队长期活跃在碳材料与蚕丝材料的制备科学、物性调控、和其在柔性器件应用方面的研究前沿，形成了系统的研究成果和丰富的研究经验，应邀在国际著名刊物《先进材料》(Advanced Materials)上发表了题为“Advanced Carbon for Flexible and Wearable Electronics” 的综述文章。该文系统综述了新型碳材料在柔性可穿戴电子器件中的最新应用进展，所述碳材料包括碳纳米管、石墨烯、碳织物等，所述柔性电子器件包括应变/压力传感器、温度/湿度传感器、电化学传感器、电极/导线、能源器件以及多模式集成系统等。该文由浅入深，系统总结了碳材料的结构设计和控制制备、柔性器件的工作机理、器件性能、可穿戴应用以及柔性可穿戴系统的集成方法，并指出了该领域面临的主要挑战、潜在机遇和未来前景。相信终有一天，碳材料基智能可穿戴会走进人们的生活，为人类带来超能力。

碳材料在柔性可穿戴器件中的应用

张莹莹研究团队介绍：

课题组隶属于清华大学化学系 ，兼属清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心 。主要围绕纳米碳材料和丝蛋白材料的制备科学、物理与化学性能开展研究，重点发展面向柔性可穿戴系统的新型电子材料。

清华大学张莹莹课题组：桑蚕丝智能纤维与织物

2018-10-11

随着世界文明的进程，纤维革命已在悄然酝酿之中，纤维被赋予感知和信息处理功能，从而使于人们息息相关的日常服饰拥有智慧、应答与反馈能力。智能纺织品应运而生，智能纤维作为智能纺织品的一部分，是指既能够感知到外界环境或内部状态变化、刺激，并能够做出反应（ 响应） 的纤维，是真正意义上的智能可穿戴产品。遗憾的是传统服装行业的纤维虽然具有各种优良性能，但并不具有导电性，所以无法实现智能化。

自古以来，中国生产的丝绸以其色泽光丽、质地柔软的特性，深受各国人民的喜爱。中国是蚕丝的发源地，种桑养蚕制丝织绸是我国古代对世界物质文明和精神文明的重大贡献。在智能纺织品萌芽和发展的今天，如能赋予桑蚕丝新的功能，无疑会为丝绸业的发展注入新的活力。然而，目前报道的再生蚕丝往往具有脆性，这限制了其在柔性电子纺织品中的实际应用。

为了开拓桑蚕丝在智能纤维领域的运用，清华大学的张莹莹课题组利用静电纺丝技术将桑蚕丝材料与碳纳米管相结合，成功在蚕丝纤维中嵌入了超强导电的碳纳米管纤维，从而制得了超柔、超轻、超强的桑蚕丝缆线。此外，研究人员展示了这种智能蚕丝的防水溅功能。进一步的，他们展示了这种纤维在柔性电子织物中的运用，所得的电子织物具备了智能变色、无线充电等功能。

▲导电蚕丝制备示意图

该导电桑蚕丝表现出高电导（31000 S/m）、高机械强度（16

cN/tex）、优异的耐疲劳性（1000次弯曲）和耐湿性（RH=70%）。作为柔性电子织物，该导电桑蚕丝还具有良好的透气性和质轻的特点。加之桑蚕丝本身的天然材料属性，这种桑蚕丝在穿戴电子织物中具有很大优势。

此外研究人员表示，这种利用静电纺丝制备包芯结构纤维的方法也可用于制造其他功能纤维。期待该类智能纤维有朝一日为传统纺织产业带来颠覆性的变化。

相关研究报告以Splash-Resistant and Light-Weight Silk-Sheathed Wires for Electronic Textiles为题发表于《Nano

智能纺织品概述

1.定义

智能纺织品源于智能材料，是对环境因素的刺激有感知和能做出响应的纺织品，如在光、热、电、湿、机械和化学物质等因素的作用下，它们能通过颜色、振动、电性能、能量储藏等变化，对外界刺激做出响应。它比普通的纺织品具有更多的功能，其命名通常是与其功能紧密联系的，所以也属于功能性纺织品。智能纺织品最早是1979年在日本提出的，它把形状记忆蚕丝称之为机敏纺织品，但是智能纺织品的概念到20世纪90年代后期才被人们普遍认知，它先后被称为技术纺织品、功能性纺织品和智能纺织品。1999年，在Heriot-Watt大学召开的智能纺织品研讨会上，智能纺织品被宣扬为“能独立思考的纺织材料”。经过二十几年的研究，智能纺织品已经由一个不可想象的产品变为21世纪新时尚哲学的基础，并广泛应用于电子电工、医疗保健品或军用纺织品的开发，一些专家将智能纺织品看作纺织服装工业的未来，作为“第二皮肤”的生物纺织品或智能纺织品将会有非常好的市场前景。

智能纺织品通常是由传感器、驱动单元和控制单元三部分组成或具有感知、反馈和响应三大要素，因此，具体判断某纺织品是否是智能纺织品，首先可以检查分析其是否存在感知、反馈和响应的元件；其次，因为“智能”是模仿生命系统的一种概念，如果某一系统的输入输出关系是线性的，或者该系统只有一个自变量，没有兼顾其他变量进行思考的能力，则这样的系统还是“机械”的，还停留在功能材料的智慧水平。这一判据实际上考核的是系统的运算的复杂性，即与生物的相似程度。

2.分类

广义上来看，智能纺织品指的是纺织品具备对来自外界的刺激如温度、湿度、光线、压力、电子磁场等因素有感知，并做出反应的功能；狭义上来看，智能纺织品指的是电子信息智能纺织品，它融合了信息、电子和计算机等多学科技术，且能够采集信号并做出一系列相应的处理。参照美国R.E.Newnham教授对智能材料的分类方法，将其分为以下三种类型：

（1）消极智能纺织品 这类智能纺织品仅能感知外界环境的变化或刺激，不能自动控制。如光纤传感技术就属于这种类型，光纤具有感知和单向传输功能，主要用于检测应变、温度、位移、压力、电流、磁场等这些材料和环境的性能；光导纤维、抗紫外线服装及压敏织物等均为现有的消极智能纺织品的应用。消极智能纺织品主要包括有士兵作战服、消极智能衬衫、导电纺织品、压敏纺织品等。

形状记忆纤维

进入二十一世纪，高科技材料的发展日新月异，具有记忆功能的智能纤维，将

我们的生活带入了梦幻般的奇妙世界。你能想象一下吗，当你一人孤独的旅行时，

身上的衣服能够发出动听的音乐，伴你愉悦前行不再寂寞；当你不慎遭遇险情时，

身上的衣服会发出救援信号，帮你尽快逃离危险；当你驾驶汽车时，驾驶位上的坐

垫会根据你的坐姿，自动调节成贴合身体的曲线形状，使你舒适行驶减轻疲劳。还

有许多……，这些都是具有记忆功能的“聪明衣服”，为我们的生活带来乐趣和便

利。

其实具有形状记忆功能的纤维，它是智能材料的一个重要分支。用智能材料制

成的纺织品具有对外界刺激感知和反应的能力。从广义讲，能够被“记忆”的特性

很多，如形状、热能、光、电、磁、化学特性等。

迄今为止，具有形状记忆的材料有记忆合金、陶瓷、高聚物、凝胶等。形状记

忆材料具有记忆、响应、回复、抗震及适应性等优良特性。形状记忆效应，则是指

通过热、化学、机械、光、磁、电等外界刺激，触发材料响应，从而改变材料的形

状、位置、应变、硬度、频率、抗震、摩擦等动态或静态技术参数。这些形状记忆

材料可以制成薄膜、纤维、丝线、颗粒等品种形式，也可以与其他材料结合制成复

合材料。因而其发展也越来越受到重视。

U询国内外纺织企业推出的各种形状记忆纤维:有高分子材料纤维、银钛合金

纤维等。高分子材料形状记忆纤维，其原理就是运用现代高分子物理学和高分子合

成改性技术，对通用高分子材料进行分子组合和改性。如对聚乙烯、聚酯、聚异戊

二烯、聚氨酯等高分子材料进行分子组合及分子结构调整，使它们同时具备塑料和

橡胶的共性，在常温范围内具有塑料的性质，即硬性、形状稳定恢复性，同时在一

定温度（所谓记忆温度）下具有橡胶的特性，主要表现为材料的可变形性和形状恢复

性，也就是材料的记忆功能，即“记忆初始态 ---- 固定变形 ------ 恢复起始态”

的循环。

将形状记忆纤维运用到织物上做成服装，服装就具有了某种记忆功能而变得智