服装被称为人类的“第二层皮肤”,随着材料科学的进步,人们对服装纺织品的要求也越来越高。人们既希望服装能够为人体保温,又希望它柔软、结实且富有弹性;此外,人们还希望服装在保持其形状和颜色的同时,又能够易于护理和清洁;同时希望它们在制造时消耗的能源更少,而且是可持续的、可再生的。如今,设计师和科学家正在联手大力开发智能服装,依据不同的功能要求设计研发智能服装,使其朝着舒捷化、轻型化、智能化和多元化的方向不断发展。
一、智能服装材料分类
根据功能的不同,智能服装材料可以分为三类:被动材料、主动材料以及非常智能材料,每一类智能材料都有一定层次的技术与之对应。
第一类也是最基本的一类智能材料是被动智能材料,这种智能材料与传感器类似,可以通过感知环境或刺激来接收信息,并显示在它们身上的变化,如热阻率、电阻率、颜色变化等等。具体到服装领域来说,例如,光致变色油墨可以在一定温度下受到触发而改变其色调,带有这种油墨的服装材料,可以根据人体温度变化而改变自身颜色。
第二类是主动智能材料,这种材料一方面可以感知外界刺激,另一方面能对外界刺激作出反应,能够同时扮演传感器和驱动器的角色。许多主动智能材料在遇到压力、振动、酸碱值、磁场或温度变化时会产生电压,以压电材料为例,对这种材料施加应力就会产生电压;反之,对这种材料施加电压时就会产生应力。
第三类是非常智能材料。这些材料充当传感器并接受刺激,它们能够及时对信息作出反应,并重塑自己以适应环境变化。非常智能材料是当下智能服装材料研究中的一个非常热门的领域,具体包括形状记忆合金材料、智能聚合材料、智能流体材料和其他智能复合材料。
二、智能服装的应用
1、日常领域
近年来,智能抗菌织物比较热门,智能抗菌织物主要是因为在纤维内部包有抗菌剂,因而大大提升了纤维的安全系数和耐用系数,获得人们青睐。将压电材料粉末加入到纤维后,压电粉末在受力后发生放电现象,从而使得纤维具有良好的抗菌、防臭、消除纤维疲劳等功能。日本曾经掀起形状记忆合金衬衫热,主要是因为该类衬衫使用了某种特殊的纤维,因而具备了不缩不皱、洗后即干的优点,受到一批家庭主妇和单身上班族的追捧。自动调温纺织品具有自动吸收、储存、分配和放出热量的功能,是将相变蓄热技术与纺织品制造技术相结合而开发出的一种高技术产品,
2、体育领域
智能服装材料在前不久的北京冬奥会上发挥了不小的作用。天津工业大学“科技冬奥”项目组致力于智能电热服装研究,为北京冬奥会参赛运动员捐赠了可以实现智能控温的手套和头套,以此来助力运动员们发挥出更好的水平。智能电热服装主要由加热元件、柔性电路、控温模块和服装构成。加热元件是实现服装保暖的关键部件,采用电学性能和导热性良好的碳纸导电加热材料,不仅可以加热,还可以产生远红外辐射,具有红外理疗功能。智能控温主要是通过项目组自主研发的控温模块来实现调控加热元件的功率密度,比如,程序算法通过调节加热模块的功率大小来平衡服装内部的温度,简单来说就是服装内部温度低于设定温度时,适当调高加热功率,启动加热以达到设定温度,高于设定温度时调低加热功率,自动停止加热,这样既可以让服装内部处在人体舒适的温度,又能有效节约能源,提高电能的使用效率。
3、军事领域
除了日常领域,智能服装在军事领域也有着广阔的应用前景。智能服装融入军事领域最重要的任务之一就是预警,其设计点在于各种系统提供的弹道导弹攻击、空中攻击或其他潜在威胁的早期预警。目前军用智能纺织品的研究包括提高防弹水平,以及在服装、背包或帐篷中开发具有集成传感器和嵌入式传感技术的新设计。
智能服装在军事领域的应用的另一重要任务就是伪装。例如,当一个士兵从沙漠转移到雨林时,这种衣服可以像变色龙一样改变颜色。同时,通过整合电子纺织品和形状记忆材料,还可以使衣服的颜色能随着时间或者其他环境因素而改变。
三、问题分析及前景展望
智能服装虽然给我们带来了丰富的性能和体验感的提升,但在智能服装的研发过程中,关键问题仍然是如何将各电子组件集成于纺织品,并同时保证纺织品的可洗涤性和耐穿性以及电子产品的智能性。电子元件的微型化和柔性化则是另一个难题。同时,也需要谨慎考虑传感系统以及供电材料的选择、灵敏度和安全性的方面。
在当前积极提倡绿色经济和可持续发展,建设社会主义生态文明的国内大背景下,除了以上技术方面的问题,智能服装中所使用的各种原件以及服装加工过程中会造成环境的污染。同时也需要提防,智能服装的各个元件以及面料在后期回收率的保障。
几个世纪以来,为了使其能够对外界的温度、湿度、光线、压力等因素有感知并作出反应,赋予其更“智能”的功能,人类一直在开发和改进新的纺织材料。人们对服装功能要求不断提高,因此服装材料智能化是其发展的必然趋势。随着前沿技术的不断发展,智能服装产品的关键问题将是技术集成的程度,以降低产品的笨拙性,提高用户友好性和适销性。为了解决智能服装的舒适性和可持续发展的问题,未来柔性材料、压电材料等会广泛应用于智能服装领域。另一方面,智能材料的研发也会趋于系统化,从而降低研发成本,向商业化发展。