第六章智能纤维案例.ppt

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1、智智 能能 纤纤 维维 一、概述一、概述智能的概念：智能的概念：狭义的智能是指高等动物的思维活动和思狭义的智能是指高等动物的思维活动和思维能力；广义的智能则是指一切生物体皆具备维能力；广义的智能则是指一切生物体皆具备的对外界刺激的反应能力。的对外界刺激的反应能力。蜥蜴皮肤的颜色随周蜥蜴皮肤的颜色随周围环境改变围环境改变 含羞草的叶子受到触含羞草的叶子受到触碰而闭合碰而闭合变色龙变色龙 1989年，高木俊宜将信息科学融于材料物性和功年，高木俊宜将信息科学融于材料物性和功能，首先提出智能材料能，首先提出智能材料(Intelligent Materials)概念。概念。智能材料：智能材料：指对环境具

2、有感知、可响应，并具有功指对环境具有感知、可响应，并具有功能发现能力的新材料。能发现能力的新材料。智智能能材材料料三维结构：块状、微球状三维结构：块状、微球状二维结构：薄膜状二维结构：薄膜状一维结构：纤维状一维结构：纤维状准零维结构：纳米粒子状准零维结构：纳米粒子状能随着外部条件的变化，而进行相应动作的高分子。能随着外部条件的变化，而进行相应动作的高分子。智能纤维：智能纤维：指当纤维所处的环境发生变化时，纤指当纤维所处的环境发生变化时，纤维的长度、形状、温度、颜色和渗透速率等随维的长度、形状、温度、颜色和渗透速率等随之发生敏锐响应，即突跃性变化的纤维。之发生敏锐响应，即突跃性变化的纤维。能够感

3、知环境的变化或刺激能够感知环境的变化或刺激(机械、热、化学、机械、热、化学、光、湿度、电磁等光、湿度、电磁等)，并能做出反应；，并能做出反应；具有普通纤维长径比大的特点，其机械性能高，具有普通纤维长径比大的特点，其机械性能高，能加工成多种产品。能加工成多种产品。智能纺织品在热、光、电、湿、机械和化学物质等因素刺激下，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分类被动智能型：仅能感知，如光导纤维主动智能型：传感器+执行器，如形状记忆、防水透湿、变色、蓄热调温等非常智能型：适应型二、智能纤维的制备技术二、智能纤维的制备技术1.1.智能成纤聚合物直接纺丝智能成纤聚合物直接纺丝 通过

4、分子设计的方法合成智能化的成纤聚合通过分子设计的方法合成智能化的成纤聚合物，直接纺制智能纤维。物，直接纺制智能纤维。例：采用界面缩聚的方法，将含金属钛例：采用界面缩聚的方法，将含金属钛(或锆或锆)的有机金的有机金属化合物与对苯二甲酸进行共缩聚，制得分子量为的属化合物与对苯二甲酸进行共缩聚，制得分子量为的104106 的聚合物，然后溶于适当的溶剂中，可以纺制的聚合物，然后溶于适当的溶剂中，可以纺制热致变色纤维。该纤维在常温下呈黄色，加热后随温热致变色纤维。该纤维在常温下呈黄色，加热后随温度变化呈不同颜色，可做测温仪表用的热敏元件度变化呈不同颜色，可做测温仪表用的热敏元件。2.2.接枝共聚接枝共聚

5、 将具有特殊效应或功能的基团接枝到纤维中将具有特殊效应或功能的基团接枝到纤维中聚合物的侧链上或聚合物的一端或两端上。聚合物的侧链上或聚合物的一端或两端上。例例1:Karlsson等采用臭氧活化纤维素，接枝丙烯酸单体制等采用臭氧活化纤维素，接枝丙烯酸单体制备了备了pH响应水凝胶纤维。响应水凝胶纤维。例例2：Vigo等以锰盐等复合引发剂，将分子量为等以锰盐等复合引发剂，将分子量为10004000的的PEG直接接枝于棉花、麻等的纤维素分子链上，制得直接接枝于棉花、麻等的纤维素分子链上，制得了湿致形状记忆纤维。这些纤维湿态时会收缩，收缩了湿致形状记忆纤维。这些纤维湿态时会收缩，收缩率可达率可达35，干

6、态时恢复到原始尺寸。干态时恢复到原始尺寸。制备智能纤维主要方法制备智能纤维主要方法例例3：聚：聚(N-异丙基丙烯酰胺异丙基丙烯酰胺)(PNIPA)在水溶液中的最低临在水溶液中的最低临界溶解温度界溶解温度(LCST)约为约为33，这种聚合物在，这种聚合物在LCST以下膨以下膨胀，在胀，在LCST以上收缩以上收缩 。将。将NIPA接枝于壳聚糖纤维上接枝于壳聚糖纤维上,在不同温度下退火处理在不同温度下退火处理10h,制得兼聚生物活制得兼聚生物活性和热敏性的纤维。性和热敏性的纤维。通过加入第三单体并改通过加入第三单体并改变其含量和链长等，可变其含量和链长等，可以制得以制得LCST不同的热不同的热敏纤维

7、。敏纤维。3.3.交联交联 交联反应主要由官能度大于交联反应主要由官能度大于2的单体的聚合过的单体的聚合过程发生。也可引发大分子链产生可反应自由基程发生。也可引发大分子链产生可反应自由基和官能团，从而使大分子间形成新的化学键。和官能团，从而使大分子间形成新的化学键。例例1:日本工业科技机构工程实验室将高浓度日本工业科技机构工程实验室将高浓度(10-15)的的聚乙烯醇聚乙烯醇(PVA)溶液与分子量为溶液与分子量为170000的聚丙烯酸酯类树的聚丙烯酸酯类树脂混合，在脂混合，在-25-45 冷冻，然后融化，重复冷冻，然后融化，重复10至至20次，次，直至直至PVA交联，成为橡胶状固体。他们将这种固

8、体加工交联，成为橡胶状固体。他们将这种固体加工成直径为成直径为1.8mm的纤维，这种纤维能根据溶液的纤维，这种纤维能根据溶液pH值的变值的变化而迅速膨胀和收缩。化而迅速膨胀和收缩。例例2:Sun等以等以NaOH溶液为凝固浴，采用湿法、干湿法纺丝溶液为凝固浴，采用湿法、干湿法纺丝技术制备了技术制备了CS-PEG凝胶纤维，通过在凝固浴中加入交凝胶纤维，通过在凝固浴中加入交联剂环氧氯丙烷和戊二醛形成交联网络。该凝胶纤维联剂环氧氯丙烷和戊二醛形成交联网络。该凝胶纤维在直流电场作用下具有电场响应性，同时具有典型的在直流电场作用下具有电场响应性，同时具有典型的环境溶液环境溶液pH响应性。响应性。例例3:顾

9、利霞等采用氧化还原体系引发剂，在顾利霞等采用氧化还原体系引发剂，在PVA水溶液中水溶液中原位聚合原位聚合AA单体，采用硫酸铵等凝固剂纺制了单体，采用硫酸铵等凝固剂纺制了PVA/PAA纤维。然后，采用热处理方法使纤维。然后，采用热处理方法使PAA发生脱水酸酐化及发生脱水酸酐化及PVA与与PAA之间发生酯化反应，形成大分子之间的交联，之间发生酯化反应，形成大分子之间的交联，制备了热诱导凝胶纤维。制备了热诱导凝胶纤维。4.4.共混与添加共混与添加 将本身具有智能化功能的聚合物、无机物或将本身具有智能化功能的聚合物、无机物或低分子有机物与成纤聚合物加以混合，然后低分子有机物与成纤聚合物加以混合，然后然

10、然后以传统的单组分加工方法后以传统的单组分加工方法制备纤维，在尽可制备纤维，在尽可能不影响纤维原有性能的情况下，赋予其智能能不影响纤维原有性能的情况下，赋予其智能化功能。化功能。是制备光致变色纤维或热致变色纤维常用是制备光致变色纤维或热致变色纤维常用的方法之一。的方法之一。普通纺普通纺例例1：Merian将光致变色化合物加入将光致变色化合物加入6cm宽、宽、30cm长的聚酰胺长丝。该染色纤维含有长的聚酰胺长丝。该染色纤维含有15mg/g的偶的偶氮染料，当暴露在氙灯下时，其长度缩短了氮染料，当暴露在氙灯下时，其长度缩短了0.33cmcm。它能在分子水平将光能直接转化为机。它能在分子水平将光能直接

11、转化为机械性能。械性能。例例2:日本帝人公司用粒径日本帝人公司用粒径5微米的热致变色显色微米的热致变色显色剂粉体加入聚酰胺熔体，制成了热致变色纤维。剂粉体加入聚酰胺熔体，制成了热致变色纤维。该纤维在该纤维在20显浅兰色，在显浅兰色，在35 不显色。不显色。5.5.复合纺丝与杂化复合纺丝与杂化 复合纺丝是将两种聚合物流体分别经各自复合纺丝是将两种聚合物流体分别经各自的流道，在喷丝孔入口处混合后一并挤出。由的流道，在喷丝孔入口处混合后一并挤出。由于液流很快固化，所以不会混合，形成界面清于液流很快固化，所以不会混合，形成界面清晰的复合纤维。晰的复合纤维。例例1：将热致变色或光致变色显色剂通过界面缩聚

12、包含于：将热致变色或光致变色显色剂通过界面缩聚包含于微胶囊中，然后与低熔点聚合物微胶囊中，然后与低熔点聚合物(例如聚乙烯例如聚乙烯)混合作混合作为芯部，高熔点成纤高聚物为芯部，高熔点成纤高聚物(例如聚酰胺、聚酯等例如聚酰胺、聚酯等)作作为鞘部。为鞘部。普通纺普通纺皮芯复合纺皮芯复合纺 杂化的基本思想是将原子、分子基团在纳米杂化的基本思想是将原子、分子基团在纳米数量级上进行复合。数量级上进行复合。例例2：热反应纤维热反应纤维 一种对温度反应特别敏感的调温一种对温度反应特别敏感的调温型防寒材料型防寒材料 将纳米粉体加入常规纤维，由于纳米粉体的微粒效将纳米粉体加入常规纤维，由于纳米粉体的微粒效应，制

13、得的杂化纤维可通过光束控制而在不同温度下应，制得的杂化纤维可通过光束控制而在不同温度下进行进行“逆向补充能量平衡逆向补充能量平衡”：在高温环境下，纳米粉：在高温环境下，纳米粉体控制和削弱原子和分子的运动，使织物更加紧密而体控制和削弱原子和分子的运动，使织物更加紧密而产生对热量的屏蔽作用；而在低温情况下，纳米粉体产生对热量的屏蔽作用；而在低温情况下，纳米粉体同样可以控制原子和分子的运动造成屏蔽，防止外界同样可以控制原子和分子的运动造成屏蔽，防止外界低温对人体皮肤的伤害。低温对人体皮肤的伤害。6.6.高分子化学反应高分子化学反应 通过分子设计，对现有的天然纤维、人造纤通过分子设计，对现有的天然纤维

14、、人造纤维或合成纤维进行高分子化学反应，赋予其智维或合成纤维进行高分子化学反应，赋予其智能化功能。能化功能。例例1：Katchalsky等用盐溶液等用盐溶液(例如例如LiBr、KSCN或尿素或尿素)处理处理羊毛纤维、胶原纤维使其交联结晶。处理后的羊毛纤羊毛纤维、胶原纤维使其交联结晶。处理后的羊毛纤维在维在LiBr的丙酮的丙酮/水溶液中急剧收缩。水溶液中急剧收缩。例例2 2：Umemoto等将等将PAAm纤维进行环化处理，去除未环化纤维进行环化处理，去除未环化的部分及未参加反应的物质，干燥后得到的部分及未参加反应的物质，干燥后得到PAAm凝胶纤维。凝胶纤维。该纤维在水中伸长，在丙酮中收缩。该纤维

15、在水中伸长，在丙酮中收缩。例例3：沈新元等以自制的：沈新元等以自制的超高分子量聚丙烯腈为原超高分子量聚丙烯腈为原料，通过凝胶纺丝制得了料，通过凝胶纺丝制得了多孔中空氧化纤维，然后多孔中空氧化纤维，然后通过皂化制备了多孔中空通过皂化制备了多孔中空凝胶纤维。凝胶纤维。7.7.后处理后处理 用本身就具有智能化功能的物质对现有的用本身就具有智能化功能的物质对现有的纤维进行后处理，也可以赋予其智能化功能。纤维进行后处理，也可以赋予其智能化功能。例例1:形状记忆真丝的制造形状记忆真丝的制造:将真丝浸渍在水解蛋白质溶液将真丝浸渍在水解蛋白质溶液中，然后将其去水干燥、卷曲、再在水中浸渍、最后中，然后将其去水干

16、燥、卷曲、再在水中浸渍、最后在高压且潮湿的环境中进行热定型。在高压且潮湿的环境中进行热定型。例例2:日本小松精练公司利用聚酯等合成纤维，镀上具有调日本小松精练公司利用聚酯等合成纤维，镀上具有调节温度功能的特殊蛋白微粒子节温度功能的特殊蛋白微粒子(10nm)超薄膜，制成了蓄超薄膜，制成了蓄热调温纤维热调温纤维Ai-Techno。例例3:美国美国Milliken研究公司发明了聚吡咯涂纤维技术，通过研究公司发明了聚吡咯涂纤维技术，通过气相沉积或溶液聚合的方法，将导电的聚吡咯涂层在气相沉积或溶液聚合的方法，将导电的聚吡咯涂层在纤维的表面，制成了作织物传感器的导电纤维纤维的表面，制成了作织物传感器的导电

17、纤维 。使用具有变色性能的染料或涂料赋予纤维使用具有变色性能的染料或涂料赋予纤维光致变色性和热致变色性，是常用的后加工光致变色性和热致变色性，是常用的后加工方法。方法。例例1:用二苯基硫代咔唑衍生物和钯等二价或三价金属化用二苯基硫代咔唑衍生物和钯等二价或三价金属化合物对纤维进行染色，得到的纤维受光照射时能从灰合物对纤维进行染色，得到的纤维受光照射时能从灰色变为青色。色变为青色。例例2:齐齐哈尔大学等用具有光致变色性的染料对聚酯和齐齐哈尔大学等用具有光致变色性的染料对聚酯和聚丙烯腈纤维进行染色，制得了光致变色纤维聚丙烯腈纤维进行染色，制得了光致变色纤维 。三、几类主要的智能纤维三、几类主要的智能

18、纤维 光敏纤维、温敏纤维、光敏纤维、温敏纤维、pH值响应性凝值响应性凝胶纤维、导电纤维、形状记忆纤维、蓄胶纤维、导电纤维、形状记忆纤维、蓄热调温纤维、智能抗菌纤维等。热调温纤维、智能抗菌纤维等。（一）一）光敏纤维光敏纤维 光敏纤维：指在光的作用下，某些性能光敏纤维：指在光的作用下，某些性能(颜色、颜色、导电性能等导电性能等)发生可逆变化的纤维。发生可逆变化的纤维。主要有主要有光敏变色纤维光敏变色纤维和和光导纤维光导纤维两种。两种。1.光敏变色纤维光敏变色纤维光敏变色纤维光敏变色纤维:指在太阳光和紫外光等的照射下指在太阳光和紫外光等的照射下颜色会发生可逆变化的纤维。颜色会发生可逆变化的纤维。18

19、99年年Marckwald发现某些固体和液体化合物有光敏性能发现某些固体和液体化合物有光敏性能最早光敏纤维的例子：越战期间，美国氰胺公司开发的最早光敏纤维的例子：越战期间，美国氰胺公司开发的可以改变颜色的作战服可以改变颜色的作战服。黄色黄色 绿色绿色图图1 1 光敏物质变色原理光敏物质变色原理 光敏变色体光敏变色体:在光作用下可逆发生颜色变化的化合物。在光作用下可逆发生颜色变化的化合物。光致变色往往与分子结构的变化联系在一起，如互光致变色往往与分子结构的变化联系在一起，如互变异构、顺反异构、开环闭环反应。变异构、顺反异构、开环闭环反应。例：含偶氮苯结构的聚合物受光激发后发生顺反异构化，例：含偶

20、氮苯结构的聚合物受光激发后发生顺反异构化，吸光后反式偶氮苯变为顺式，最大吸收波长从吸光后反式偶氮苯变为顺式，最大吸收波长从350nm蓝移蓝移到到310nm,顺式结构不稳定，在黑暗环境会恢复到稳定的反顺式结构不稳定，在黑暗环境会恢复到稳定的反式结构，恢复原来的颜色。式结构，恢复原来的颜色。光敏变色纤维通过在纤维中引入光敏变色体而制得。光敏变色纤维通过在纤维中引入光敏变色体而制得。光敏变色纤维的制备方法：光敏变色纤维的制备方法：(1)染色染色 使用具有变色性能的染料参与纤维的染色；使用具有变色性能的染料参与纤维的染色；例：美国例：美国Clemson大学和大学和Georgia理工学院近年来正在探索理

21、工学院近年来正在探索在光纤中掺人变色染料或改变光纤的表面涂层材料，在光纤中掺人变色染料或改变光纤的表面涂层材料，使纤维的颜色能够实现自动控制使纤维的颜色能够实现自动控制，其中噻吩衍生物聚，其中噻吩衍生物聚合受到格外重视。美国军方研究人员认为，采用光导合受到格外重视。美国军方研究人员认为，采用光导纤维与变色染料相结合，可以最终实现服装颜色的自纤维与变色染料相结合，可以最终实现服装颜色的自动变化。动变化。(2)共混共混 将光致变色体分散于纺丝熔体或溶液进行纺丝；将光致变色体分散于纺丝熔体或溶液进行纺丝；或将光致变色体通过界面缩聚封入微胶囊中，再与纺或将光致变色体通过界面缩聚封入微胶囊中，再与纺丝熔

22、体或溶液混合后进行纺丝。丝熔体或溶液混合后进行纺丝。例例1：日本日本Kanebo公司将吸收公司将吸收350 nm-400 nm波长紫外线后由波长紫外线后由无色变为浅蓝色或深蓝色的螺吡喃类光敏物质包敷在无色变为浅蓝色或深蓝色的螺吡喃类光敏物质包敷在微胶囊中，用于印花工艺制成光敏变色织物。微胶囊中，用于印花工艺制成光敏变色织物。例例2：东华大学用淡黄绿色的：东华大学用淡黄绿色的1,3,3-三甲基螺三甲基螺吲哚啉吲哚啉2,3-(3H)-萘并萘并(2,1-b)(1,4)亚嗪亚嗪为光敏剂，与聚丙烯切片共混后制成为光敏剂，与聚丙烯切片共混后制成切片，再经切片，再经240熔融纺丝制成含有熔融纺丝制成含有1%

23、2%光敏剂的聚丙光敏剂的聚丙烯纤维烯纤维。该纤维经紫外线照射后能够迅速由无色变为蓝。该纤维经紫外线照射后能够迅速由无色变为蓝色，光照停止，又迅速恢复无色，并且具有良好的耐皂色，光照停止，又迅速恢复无色，并且具有良好的耐皂洗性能和一定的光照耐久性。洗性能和一定的光照耐久性。例例3：蓄光型发光纤维：蓄光型发光纤维 蓄光纤维（自发光纤维、夜光纤维）是一种在黑暗蓄光纤维（自发光纤维、夜光纤维）是一种在黑暗中能自动发光的高科技功能纤维。该纤维在自然光或中能自动发光的高科技功能纤维。该纤维在自然光或日光灯照射日光灯照射1020min后，可在黑暗处持续发光后，可在黑暗处持续发光6小时以小时以上，且吸光、发光

24、可永久进行。上，且吸光、发光可永久进行。稀土材料为蓄光物质，与稀土材料为蓄光物质，与PET、PP等共混纺丝等共混纺丝用途：新型的无毒无害的环保型发光纤维材料，广泛应用途：新型的无毒无害的环保型发光纤维材料，广泛应用于建筑装潢、交通运输、航空航海，夜间作业、消用于建筑装潢、交通运输、航空航海，夜间作业、消防应急、日常生活及娱乐服装等领域。防应急、日常生活及娱乐服装等领域。(3)复合纺丝复合纺丝 通过复合纺丝将光致变色体置于纤维的芯层；通过复合纺丝将光致变色体置于纤维的芯层；(4)接枝共聚接枝共聚 将光敏单体接枝到成纤高聚物上，然后纺丝；将光敏单体接枝到成纤高聚物上，然后纺丝；或将光敏单体接枝到纤

25、维的大分子上，形成光敏或将光敏单体接枝到纤维的大分子上，形成光敏纤维。纤维。例：将螺苯并毗喃衍生物的螺环基团引入高分子链中，除例：将螺苯并毗喃衍生物的螺环基团引入高分子链中，除了上述光致变色现象外，还可以观察到有趣的光力学现了上述光致变色现象外，还可以观察到有趣的光力学现象。在恒定压力与温度下，随着光照，样品长度明显收象。在恒定压力与温度下，随着光照，样品长度明显收缩缩(约约2%-5)，停止光照则长度恢复，经过数次光与暗，停止光照则长度恢复，经过数次光与暗的循环，长度的收缩与伸长是完全可逆的。的循环，长度的收缩与伸长是完全可逆的。2.光导纤维光导纤维光导纤维：光导纤维：简称光纤，是一种把光能闭

26、合在纤维简称光纤，是一种把光能闭合在纤维中而产生导光作用的光学复合材料，具有感知中而产生导光作用的光学复合材料，具有感知和单向传输功能。和单向传输功能。自自1970年美国研制成功石英玻璃光导纤维以来，在年美国研制成功石英玻璃光导纤维以来，在高速公路、大桥、堤坝、建筑物等混凝土结构材料和高速公路、大桥、堤坝、建筑物等混凝土结构材料和飞机机翼方面的应用获得广泛的关注。飞机机翼方面的应用获得广泛的关注。光导纤维最著名的应用是作光纤传感器。它可以探光导纤维最著名的应用是作光纤传感器。它可以探测应变、温度、位移、物质化学浓度、加速度、压强、测应变、温度、位移、物质化学浓度、加速度、压强、电流、磁场以及其

27、他的一些信号，是迄今为止发展最电流、磁场以及其他的一些信号，是迄今为止发展最为成熟的纤维传感器为成熟的纤维传感器 。光光导导纤纤维维玻璃光纤玻璃光纤:石英、蓝宝石石英、蓝宝石塑料光纤塑料光纤长且容量大可长且容量大可用作公共通信用作公共通信光传导损失较大，但具有柔软可随光传导损失较大，但具有柔软可随意截取的特性，已被实际应用。意截取的特性，已被实际应用。例例1：美国：美国Drexel大学的研究人员将光纤传感器镶嵌在降落大学的研究人员将光纤传感器镶嵌在降落伞中，即时探测降落伞的动态应力变化情况。伞中，即时探测降落伞的动态应力变化情况。将用聚乙炔和聚苯胺等为包敷层的光纤传感器镶嵌到织将用聚乙炔和聚苯

28、胺等为包敷层的光纤传感器镶嵌到织物中，利用聚苯胺吸收酸性或碱性物质后光谱吸收性能的物中，利用聚苯胺吸收酸性或碱性物质后光谱吸收性能的变化来实现物质探测，希望用于战时的化学或生物物质的变化来实现物质探测，希望用于战时的化学或生物物质的探测探测 。例例2：美国：美国Georgia理工学院将塑料光纤传感器植入衬衣来理工学院将塑料光纤传感器植入衬衣来探测心率的变化，并设想根据光纤断裂后光传输信号探测心率的变化，并设想根据光纤断裂后光传输信号的变化来判断战场上士兵的受伤部位和受伤程度。的变化来判断战场上士兵的受伤部位和受伤程度。例例3：加拿大：加拿大Tactex Controls公司将公司将光纤传感器的

29、网络植入泡沫，光纤传感器的网络植入泡沫，发光二极管发出的光线在通过发光二极管发出的光线在通过光纤时，会由于光纤的弯曲而光纤时，会由于光纤的弯曲而改变方向或反射。探测多根光改变方向或反射。探测多根光纤中光线传输情况的变化，可纤中光线传输情况的变化，可以监测织物所受压力的情况。以监测织物所受压力的情况。精确设计光纤排布，可以获精确设计光纤排布，可以获得很高的探测灵敏性，可用于得很高的探测灵敏性，可用于乐器和游戏机键盘。乐器和游戏机键盘。(二二)温敏纤维温敏纤维 纤维的某些性能承受温度改变而发生可逆变纤维的某些性能承受温度改变而发生可逆变化的纤维称为温敏纤维。化的纤维称为温敏纤维。主要分为主要分为热

30、致变色纤维热致变色纤维和和温敏凝胶纤维温敏凝胶纤维1.1.热致变色纤维热致变色纤维 热致变色纤维的颜色能随着温度的改变而发生可热致变色纤维的颜色能随着温度的改变而发生可逆的变化。逆的变化。通过在纤维中引入热致变色物质而制得。通过在纤维中引入热致变色物质而制得。热致变色物质：热致变色物质：液晶类液晶类和和分子重排类分子重排类。两种类型的染。两种类型的染料都被包覆在微胶囊中，然后粘着在织物上料都被包覆在微胶囊中，然后粘着在织物上。当温度改变时，染料分子结构的重排螺内酯当温度改变时，染料分子结构的重排螺内酯例：结晶紫内酯例：结晶紫内酯 胆甾型液晶在某一温度范围内，胆甾型液晶在某一温度范围内，随着温度

31、的升高，在整个可见光随着温度的升高，在整个可见光范围内进行可逆显色，即颜色由范围内进行可逆显色，即颜色由红红 绿绿 紫。紫。将数种液晶混合，可以在希将数种液晶混合，可以在希望的温度范围内显示出所希望的望的温度范围内显示出所希望的颜色，且色浑鲜艳，反应灵敏。颜色，且色浑鲜艳，反应灵敏。将这些液晶引入纤维中，可以制将这些液晶引入纤维中，可以制备出热致变色纤维。备出热致变色纤维。热致变色体系中最重要的是热致变色体系中最重要的是胆甾型液晶胆甾型液晶。例例1：1988年日本东丽公司开发了一种对温度敏感的织物年日本东丽公司开发了一种对温度敏感的织物Sway。这种织物是将热敏染料密封在直径。这种织物是将热敏

32、染料密封在直径3-4m的胶囊的胶囊内，然后涂层整理在织物表面。在温差超过内，然后涂层整理在织物表面。在温差超过5时发生时发生颜色变化，可以在颜色变化，可以在-40-85温度范围发生作用，并且温度范围发生作用，并且针对不同的用途可以有不同的变色范围。针对不同的用途可以有不同的变色范围。滑雪衫的变色温度：滑雪衫的变色温度：1119 ；灯罩布的变色温度：灯罩布的变色温度：2432 为改善耐洗涤性及耐光性，采用聚合物添加热致变色为改善耐洗涤性及耐光性，采用聚合物添加热致变色显色剂的方法。热致变色显色剂制成粒径为显色剂的方法。热致变色显色剂制成粒径为520m的微的微胶囊。根据所用成纤聚合物种类，可以直接

33、共混于聚合胶囊。根据所用成纤聚合物种类，可以直接共混于聚合物中纺丝，也可将微胶囊与聚乙烯作芯部，以聚酰胺、物中纺丝，也可将微胶囊与聚乙烯作芯部，以聚酰胺、聚酯等为鞘部复合纺丝。聚酯等为鞘部复合纺丝。涂层法涂层法2.温敏凝胶纤维温敏凝胶纤维 水凝胶是由高分子的三维网络与水组成的多水凝胶是由高分子的三维网络与水组成的多元体系。元体系。人体的肌肉、血管、眼球等器官都是由水凝胶构成的人体的肌肉、血管、眼球等器官都是由水凝胶构成的海参：大部分都由水及凝胶材料组成海参：大部分都由水及凝胶材料组成 能够对外界的接触迅速做出响应，并能够从周围吸取能够对外界的接触迅速做出响应，并能够从周围吸取养分、繁殖子孙。养

34、分、繁殖子孙。智能水凝胶是能对外界刺激，如温度、智能水凝胶是能对外界刺激，如温度、p、离子强度、光和异化学物质等的变化做出响应的离子强度、光和异化学物质等的变化做出响应的水凝胶。水凝胶。聚异丙基丙烯酰胺聚异丙基丙烯酰胺(PNIPA)是一类对温度敏感的材料，是一类对温度敏感的材料，它的最低临界温度它的最低临界温度(LCST)为为33 左右。它在左右。它在LCST以下以下溶胀，在溶胀，在LCST以上收缩。以上收缩。分子中的亲水基团分子中的亲水基团-NHCO-和疏水基团和疏水基团-CH(CH3)2之间之间存在亲水存在亲水/疏水平衡。疏水平衡。溶胀溶胀收缩收缩25303420例例1:由由PNIPA 制

35、成的温敏凝胶纤维，当加热到制成的温敏凝胶纤维，当加热到LCST以上后能收缩到原体积的以上后能收缩到原体积的30%。除对温度。除对温度变化产生体积变化外，还具有吸放水性、分子变化产生体积变化外，还具有吸放水性、分子亲水和疏水性的变化以及透明性能的变化。亲水和疏水性的变化以及透明性能的变化。例例2:平佐等人用平佐等人用射线照射聚乙烯甲基醚射线照射聚乙烯甲基醚(PVME)使其产生交联，制备平均直径在使其产生交联，制备平均直径在200m的纤维，的纤维，该纤维在该纤维在20 长长40m，而，而40 长缩短到长缩短到20m。(三三)pH敏感的凝胶纤维敏感的凝胶纤维 pH响应性凝胶纤维是随响应性凝胶纤维是随

36、pH值的变化而产生体值的变化而产生体积或形态改变的凝胶纤维。积或形态改变的凝胶纤维。早在早在1950年，年，Katchalsky等就已以纤维或膜的形式等就已以纤维或膜的形式制成了一种制成了一种PAA凝胶，能在水中溶胀凝胶，能在水中溶胀,交替地加入交替地加入酸和碱，该纤维可发生可逆的收缩和溶胀，将化酸和碱，该纤维可发生可逆的收缩和溶胀，将化学能转化为机械能学能转化为机械能。聚丙烯酸聚丙烯酸聚丙烯酸聚丙烯酸N,N-二乙氨基乙酯二乙氨基乙酯聚电解质电离的聚电解质电离的pH依赖性依赖性 大分子网络中具有可解离的基团，其网络结构和电荷大分子网络中具有可解离的基团，其网络结构和电荷密度随介质密度随介质pH

37、值的变化而变化，并对凝胶网络的渗透压值的变化而变化，并对凝胶网络的渗透压产生影响，导致凝胶的体积发生不连续变化。产生影响，导致凝胶的体积发生不连续变化。例例1：将聚碳酸酯：将聚碳酸酯PC辉光放电处理一段时间后移入丙烯酸辉光放电处理一段时间后移入丙烯酸水溶液中进行接枝共聚，得到的水溶液中进行接枝共聚，得到的PAA-PC凝胶材料，在凝胶材料，在pH小于小于4时收缩时收缩,提高提高pH值则伸长。值则伸长。(PMMAPAA)、(PMMAPNIPAPAA)共聚共聚例例2：日本工业科技机构工程实验室将高浓度：日本工业科技机构工程实验室将高浓度(10l5)的的PVA溶液与分子量为溶液与分子量为l70000的

38、聚丙烯酸酯类树脂混合，的聚丙烯酸酯类树脂混合，在在-25-45冷冻。然后融化，重复冷冻。然后融化，重复l0至至20次，直至次，直至PVA交联，成为橡胶状固体。将这种固体加工成直径为交联，成为橡胶状固体。将这种固体加工成直径为1.8mmmm的纤维，它能根据溶液的的纤维，它能根据溶液的pH 值的变化而迅速溶值的变化而迅速溶胀和收缩。胀和收缩。交联交联例例3：Umemoto等人将聚丙烯腈等人将聚丙烯腈(PAN)纤维热处理后加水分解，纤维热处理后加水分解，制成了氰基和吡啶环共存的两性凝胶纤维。将其水解后，制成了氰基和吡啶环共存的两性凝胶纤维。将其水解后，氰基变成羧基，成为两性凝胶纤维。交替地加入酸和碱

39、，氰基变成羧基，成为两性凝胶纤维。交替地加入酸和碱，该纤维可发生交替的收缩和溶胀，将化学能转化成机械能。该纤维可发生交替的收缩和溶胀，将化学能转化成机械能。由于这类凝胶纤维的溶胀长度变化约为由于这类凝胶纤维的溶胀长度变化约为80，而收缩响应变而收缩响应变化时间不到化时间不到2s，因此有望作为人工肌肉而应用。，因此有望作为人工肌肉而应用。例例4：沈新元等研制的：沈新元等研制的PAN基中空凝胶纤维，在基中空凝胶纤维，在INNaOH溶溶液中伸长率达液中伸长率达90%以上，在以上，在1 mol HCI溶液中收缩率达溶液中收缩率达70 80%；而且在这些溶液的交替刺激下，伸长和收缩能反复；而且在这些溶液

40、的交替刺激下，伸长和收缩能反复进行，经过多次反复，其伸缩率和响应速率都非常接近。进行，经过多次反复，其伸缩率和响应速率都非常接近。（四）电场敏感的凝胶纤维 在电场的作用下，能观察到伸缩行为的凝在电场的作用下，能观察到伸缩行为的凝胶纤维。胶纤维。电敏感性水凝胶一般由分子链上带有可离子化基团的交电敏感性水凝胶一般由分子链上带有可离子化基团的交联聚电解质网络构成，其溶胀和消溶胀易受电场或电流的联聚电解质网络构成，其溶胀和消溶胀易受电场或电流的影响。在这类凝胶中，荷电基团的抗衡离子在电场中迁移，影响。在这类凝胶中，荷电基团的抗衡离子在电场中迁移，使凝胶网络内外离子浓度发生变化，导致凝胶体积或形状使凝胶

41、网络内外离子浓度发生变化，导致凝胶体积或形状改变。改变。Osada：利用电解质凝胶在电场中的运动行为成功地研制出：利用电解质凝胶在电场中的运动行为成功地研制出了人工爬虫了人工爬虫（Gel Looper），），首次使用凝胶材料人工实现了首次使用凝胶材料人工实现了动物一样的柔软动作。动物一样的柔软动作。例例1：费建奇等以过硫酸胺为引发剂：费建奇等以过硫酸胺为引发剂,在在PVA水溶液中原位水溶液中原位聚合丙烯酸单体聚合丙烯酸单体,得到的得到的PVA/PAA混合水溶液，在凝固混合水溶液，在凝固浴硫酸胺饱和水溶液中纺丝制备了物理缠结和氢键固浴硫酸胺饱和水溶液中纺丝制备了物理缠结和氢键固定网络形式的定网络

42、形式的PVA/PAA水凝胶纤维。该纤维于水凝胶纤维。该纤维于NaCl溶液溶液中在直流电场作用下具有电流中在直流电场作用下具有电流-刺激敏感性刺激敏感性,表现为溶表现为溶胀、收缩、弯曲行为。胀、收缩、弯曲行为。例例2：采用水解聚丙烯腈：采用水解聚丙烯腈（HPAN）和大豆分离蛋白和大豆分离蛋白（SPI）的共混水溶液复合得到纺丝原液，挤到含一定量戊二的共混水溶液复合得到纺丝原液，挤到含一定量戊二醛和浓硫酸的饱和醛和浓硫酸的饱和Na2SO4水溶液的凝固浴中，交联成型、水溶液的凝固浴中，交联成型、拉伸干燥得到拉伸干燥得到HPAN/SPI电刺激响应性水凝胶纤维。电刺激响应性水凝胶纤维。在电解质溶液中非接触

43、直流电场作用下，在电解质溶液中非接触直流电场作用下，HPAN/SPI水凝胶纤维具有电流刺激响应性，表现为凝胶纤维弯水凝胶纤维具有电流刺激响应性，表现为凝胶纤维弯曲现象。随着凝胶网络中曲现象。随着凝胶网络中-COOH含量的增加，纤维的含量的增加，纤维的弯曲度成阶段性增加，较高的聚丙烯腈含量使这种变弯曲度成阶段性增加，较高的聚丙烯腈含量使这种变化更为明显。化更为明显。（五）（五）导电纤维导电纤维 导电纤维最早是利用金属的导电性能而制成的金属导电纤维最早是利用金属的导电性能而制成的金属导电纤维，主要有不锈钢丝、铜丝等，或用金属喷涂导电纤维，主要有不锈钢丝、铜丝等，或用金属喷涂纤维表面，使纤维具有金属

44、一样的导电性能。纤维表面，使纤维具有金属一样的导电性能。含金属的导电纤维有铜丝、不锈钢丝、金属膜缠绕含金属的导电纤维有铜丝、不锈钢丝、金属膜缠绕蚕丝、金属镀层蚕丝、金属镀层/芳香聚酰胺芳香聚酰胺 上世纪上世纪60年代末，非金属合成导电纤维研制成功，年代末，非金属合成导电纤维研制成功，其导电原理在于纤维内部含有自由电子。因此，无湿其导电原理在于纤维内部含有自由电子。因此，无湿度依赖性，即使在低湿度下，也不会改变导电性能。度依赖性，即使在低湿度下，也不会改变导电性能。在普通纤维中混入在普通纤维中混入0.055的导电纤维进行纺织，就的导电纤维进行纺织，就可以解决织物的静电问题。可以解决织物的静电问题

45、。导电纤维的用途一般为防尘工作服、工业用材料，特导电纤维的用途一般为防尘工作服、工业用材料，特别是在半导体工业、电子精密工业、医学、生物科学等别是在半导体工业、电子精密工业、医学、生物科学等领域有广泛的用途。领域有广泛的用途。聚苯胺纤维、超细聚苯胺纤维絮片聚苯胺纤维、超细聚苯胺纤维絮片(聚苯胺聚苯胺/聚乙二聚乙二醇醇)、聚对苯二甲酸对苯酯、聚对苯二甲酸对苯酯-聚苯胺纤维、聚吡咯纤维、聚苯胺纤维、聚吡咯纤维、聚乙炔纤维、聚乙炔纳米纤维网、聚吡咯涂层纤维等。聚乙炔纤维、聚乙炔纳米纤维网、聚吡咯涂层纤维等。导电聚合物与光纤传感器结合或单独用于温导电聚合物与光纤传感器结合或单独用于温度、应力、电磁辐射

46、、化学物质种类和浓度等度、应力、电磁辐射、化学物质种类和浓度等的检测。的检测。例例1：英国：英国Durham大学等研制出的导电聚苯胺纤维具有半大学等研制出的导电聚苯胺纤维具有半导体的特性，电导率高达导体的特性，电导率高达1900 S/cm，可以做为传感器使，可以做为传感器使用。用。例例2：美国：美国Florida大学利用聚吡略分子链上的掺杂物质变大学利用聚吡略分子链上的掺杂物质变化引起纤维导电信号变化的特点，直接用于氨和酸的化引起纤维导电信号变化的特点，直接用于氨和酸的探测。聚吡咯与其他聚合物结合可组成探测气体混合探测。聚吡咯与其他聚合物结合可组成探测气体混合物的传感器。物的传感器。例例3：意

47、大利：意大利Pisa大学将聚吡咯涂层在莱卡纤维表面制成的大学将聚吡咯涂层在莱卡纤维表面制成的织物，在受到外力拉伸后产生伸缩，聚吡略的导电性织物，在受到外力拉伸后产生伸缩，聚吡略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。指运动情况。美国麻省理工学院的研究人员用不锈钢纤维在织物上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，可以制成织物软键盘。刺绣出不同的电路，可以制成织物软键盘。欧盟欧盟Electro Textiles公司利用导电纤维技术开发了压力敏公司利用导电纤维技术开发了压力敏感织物，可以准确地探测出受压

48、力的部位。感织物，可以准确地探测出受压力的部位。织物卷成织物卷成5 mm的筒状也不会影响探测灵敏度，并可使用的筒状也不会影响探测灵敏度，并可使用100万次万次以上。以上。Philip公司利用导电纤维在织物上刺绣的技术开发出了公司利用导电纤维在织物上刺绣的技术开发出了音乐夹克、音乐键盘和运动夹克等系列产品，并通过音乐夹克、音乐键盘和运动夹克等系列产品，并通过将移动电话与服装相连接，实现服装的电子化和数字将移动电话与服装相连接，实现服装的电子化和数字化。化。(六六)蓄热调温纤维蓄热调温纤维蓄热调温纤维：蓄热调温纤维：一种具有一种具有双向温度调节双向温度调节（温度升高时纤维冷却，温度（温度升高时纤维

49、冷却，温度降低时纤维发热）作用的新型纤维。降低时纤维发热）作用的新型纤维。能够根据外界环境温度的变化，从环境中吸收热量储能够根据外界环境温度的变化，从环境中吸收热量储存于纤维内部，或放出纤维中储存的热量，在纤维周存于纤维内部，或放出纤维中储存的热量，在纤维周围形成围形成温度基本恒定的微气候温度基本恒定的微气候，从而实现温度的调节，从而实现温度的调节功能。功能。蓄热调温纤维的这种吸热和放热过程是蓄热调温纤维的这种吸热和放热过程是自动的、可逆自动的、可逆的、无限次的的、无限次的。蓄热调温纤维与传统纤维的区别：蓄热调温纤维与传统纤维的区别：保温机理不同保温机理不同传统纤维：传统纤维：通过绝热方法避免

50、皮肤温度降低过通过绝热方法避免皮肤温度降低过多多,绝热效果主要取决于织物的厚度和密度。绝热效果主要取决于织物的厚度和密度。厚度约大，密度越小，滞留在织物内部的静止厚度约大，密度越小，滞留在织物内部的静止空气越多。空气越多。蓄热调温纤维：蓄热调温纤维：通过对水分和外界压力变化的通过对水分和外界压力变化的敏感响应，为人体提供舒适微气候环境的新的敏感响应，为人体提供舒适微气候环境的新的保温机理。保温机理。蓄热调温纤维是利用物质相变过程中的吸收蓄热调温纤维是利用物质相变过程中的吸收和释放潜热，温度保持不变的特性开发出来的，和释放潜热，温度保持不变的特性开发出来的，又称为又称为相变调温纤维。相变调温纤维