李喆，渠夢瑋

(1.北京服裝學院中國生活方式設計研究院，北京 100029；2.北京服裝學院材料設計與工程學院，北京 100029)

1 引 言

隨著科學技術的發(fā)展，高分子材料的開發(fā)，以及新材料在紡織品領域的不斷創(chuàng)新，擁有多重功能的智能面料成為時下紡織品領域發(fā)展的新趨勢[1]?？v觀整個紡織產業(yè)，智能紡織品的出現改變了大家對傳統(tǒng)紡織品領域的認知，不同功能性的紡織產品為日常生活領域提供了新的便利以及新的趨勢化發(fā)展[2-3]。我國國內紡織品行業(yè)研究成果目前主要集中于紋樣圖案及工藝延展探討，相關纖維結構及新材料研究相對欠缺。對比國外相關領域，新型材料與智能面料開發(fā)已成為企業(yè)與科研機構的重要研究方向。該領域的設計者正在纖維、材料、紡織面料的結構和智能化處理技術等細分的行業(yè)前沿不斷進行新的嘗試[4]。

當下將合適的科技成果運用到紡織品設計領域，是現實發(fā)展的趨勢。紡織品設計師可以在展示材料多樣性的同時，為紡織面料創(chuàng)造出新的發(fā)展前景，使得功能紡織品一步步發(fā)展成為現在的智能化紡織品[5-6]。例如光導纖維與紡織面料相結合開發(fā)的智能發(fā)光紡織面料；通過在面料中添加保溫材料，實現其調溫功能的智能溫控紡織面料[7]；以及與變色纖維材料相結合的智能變色功能面料等等[8-9]。智能紡織面料與其他紡織面料相比較，區(qū)別在于智能紡織面料提升了基礎紡織面料的功能；當功能被拓寬的同時，其應用領域也在不斷的拓寬，在運動服飾、產品設計、運動裝備、時裝、建筑、醫(yī)療、軍事等多領域均有應用[10-14]。

通過對智能紡織面料發(fā)展現狀與應用領域的前期調研總結中可以發(fā)現，目前智能紡織纖維與智能紡織面料的開發(fā)研究還有很大的發(fā)展空間。在跨學科語境下，紡織品設計與材料科學的結合，不僅拓寬了紡織品設計專業(yè)的外延，也給設計師提供了深入探究面料結構再創(chuàng)造的可能性。當下智能紡織品受制于大量電線及電路產品，進而影響了產品的穿著質感[15-16]。因此如何更好地解決紡織品發(fā)展的局限性是當下智能化設計發(fā)展需要解決的問題。同時，如何找到新材料的功能實現方式及其性能的實用性轉化途徑也是現代科學發(fā)展需要解決的問題。智能化設計領域的快速發(fā)展，推動著新材料走出實驗室，也讓紡織品脫離了常規(guī)化，帶動紡織面料擺脫傳統(tǒng)工藝的局限性，為紡織品設計創(chuàng)造更多的科技形態(tài)及實現多重現代化功能性。因此，整合不同學科的資源，實現高性能材料在紡織面料領域的應用是本文探討的問題關鍵。

2 智能紡織面料的設計研究

2.1 實驗材料

2.1.1 基礎材料

聚丙烯酰胺，英文名稱Poly(acrylamide)，分子式為(C3H5NO)n，分子量100萬～500萬(表1)。是一種線型高分子聚合物，主要有干粉和膠體兩種形式。按其結構又可分為非離子型、陰離子型和陽離子型。聚丙烯酰胺是丙烯酰胺均聚物或與其他單體共聚而得聚合物的統(tǒng)稱，是水溶性高分子中應用最廣泛的品種之一。由于聚丙烯酰胺結構單元中含有酰胺基、易形成氫鍵，使聚丙烯酰胺具有良好的水溶性和很高的化學活性，可以改性制取許多聚丙烯酰胺的衍生物[17]。這樣也就使該聚合物擁有更廣泛的應用范圍。

表1 聚丙烯酰胺的基本情況

聚丙烯酰胺是水溶性高分子聚合物中的品種之一,具有水溶性、吸附性和增稠性，是重要的功能性聚合物，廣泛用于水處理、造紙、石油、采礦及建筑等領域。[18]

2.1.2 雙組分材料

聚丙烯酰胺本身具有高吸水的功能，為了更好地發(fā)揮其功能性，在基礎性能之上開發(fā)出了更加突出性能的雙組分聚合物，拓寬了聚丙烯酰胺應用領域，也為新材料開發(fā)應用提供了新的思路。改性后的聚合物在合成思路上，是對高分子材料合成方式進行了新的改變，形成了雙組分聚合物。雙組分聚合物配比見表2。

表2 雙組分聚合物配比

其中交聯劑和引發(fā)劑組成第一個組分，丙烯酰胺和TEMD組成第二個組分。將第二個組分加到第一個組分中混合形成新的聚合物。

潛山市的旅游精準扶貧工作在政府的領導下取得了良好的成績，居民收入顯著提高，脫貧率大大升高，但在扶貧過程中仍存在許多問題。

新聚合物的性能在通過改性之后，擁有了更加突出的特性功能。雙組分聚合物黏度大，不溶于水，不易流動，吸水性能好，可以在一定的時間內完成吸放水的過程。固體含量降低，吸水量增大，與面料之間的黏合力增強，脆性下降，韌性增強。在玻璃板上模具中澆鑄并干燥后，可得到半透明、硬脆的薄片。該聚合物具有感溫感濕功能，體積膨脹率為1 300%，質量吸水比為800%，其可以在濕潤環(huán)境中迅速吸水，體積擴大；在干燥環(huán)境中蒸發(fā)水分，體積縮小，在整個反應過程中產生力的作用。為突出其高性能，最終材料合成方式采用雙組分同時擠出并混合合成的方式。

2.2 實驗過程

2.2.1 實驗方案設計

為了更加準確地測試聚合物的性質以及在紡織面料上的反應情況，在實驗過程中采用了設計思維與數學邏輯相結合的方法。通過調整樣品與材料間的變量和不變量，共設計了四組實驗。實驗方案見表3。

表3 四組實驗

在整個實驗過程中，通過不斷整合實驗數據，總結實驗結果，確定聚合物的適用面料及開合結構，預定場合及尋找實現功能的特定環(huán)境，最大程度展示新材料功能。通過結構造型運動軌跡展示材料性能，使隱性實驗數據顯性化，實現面料的智能變化，即在濕潤環(huán)境下產生自我形變。實驗邏輯框架如圖1所示。

2.2.2 材料合成及性能測試

(1)材料合成與測試。通過單體種類和比例調控聚合物的特性，一共進行了兩大類響應性聚合物的合成，實驗中分別對兩類聚合物進行測試，觀察其反應原理和對環(huán)境的響應功能，進而確定材料配比和聚合物的選擇。

圖1 實驗方案設計

第一階段實驗是單組分聚合物的實驗測試，單組分聚合物共測試了3種濃度，在對材料性能進行測試后得出表4中實驗結果：

表4 單組分聚合物實驗匯總

總結以上實驗結果發(fā)現，單組分聚合物對材料的選擇具有局限性，無法在面料纖維中產生反應。因此，為了更好地與其他面料種類進行結合，在調整材料之后，開發(fā)出了雙組分聚合物。

第二階段的實驗中，雙組分聚合物共有12種材料，實驗中將其分為7組配比，通過對7組配比的聚合物進行實驗，進而分析總結實驗結果，找出最優(yōu)聚合物配比，實現結果見表5。

在雙組分聚合物的性能測試實驗中，總結以上實驗結果，發(fā)現雙組分聚合物性能良好。其中19 ∶1和1 ∶1的配比材料在面料上反應明顯，并且在和面料進行復合后具有對環(huán)境產生響應特性。在濕潤環(huán)境下面料狀態(tài)為展平方式，在干燥環(huán)境下發(fā)生收縮，實現自形變。

(2)復合紡織面料選擇與測試。這組實驗使用不同比例的雙組分聚合物進行面料復合研究，進行面料纖維結構測試。共測試了聚合物在12種面料上的反應情況，分別是TPU、彈力網紗、高彈面料、復合仿木面料、兩種水洗牛皮紙、杜邦紙、PVC、空氣層面料、防水布、真絲綃和歐根紗。實驗結果如圖3所示。

表5 雙組分聚合物實驗匯總

圖2 7組聚合物實驗現象圖示

圖3 面料纖維實驗

該實驗中采用雙組聚合物中19 ∶1和1 ∶1兩組配比的聚合物，并對12種面料進行材料實驗，通過圖片實驗結果可以發(fā)現，在與兩種配比的聚合物的結合中，真絲綃的反應明顯且復合效果較好。在此基礎上為更好地解決聚合物在面料上的附著性，增加表面摩擦力，后期又對真絲綃復合了單面膠襯，使其成為雙層復合面料，從而優(yōu)化了面料與聚合物的黏合性。

為進一步驗證面料與材料的附著效果，通過接觸角測試儀進行接觸角測試實驗，進一步觀察在不同面料上材料的浸潤性及其本身的復合效果，實驗結果見表6。

表6 接觸角實驗數據

以上實驗結果表明，整體上真絲綃較為疏水，材料在不易深入織物組織內部的同時可以更好地附著于織物表面。其中在真絲綃復合單面膠襯的復合面料上，兩組分材料與面料的接觸角分別為102.8 °、116.9 °，對比單層真絲綃的接觸角數值可以發(fā)現，在雙層復合面料上，材料與面料的表面吸附狀態(tài)更好。

2.2.3 紡織面料結構設計與反應路徑模擬

為了更好地展示面料的運動路徑，實現其在濕潤環(huán)境下的自形變，共設計了8種結構來測試其反應效果。通過觀察實驗現象并從中得出3種基本單元的反應結構較為明顯(圖4)。在模擬了四組路徑的運動軌跡之后，總結出聚合物在不同結構上的開合路徑規(guī)律。在實現單個單元開合效果的基礎上，進行了連續(xù)開合結構設計，共10種結構(圖5)。

圖4 3種基本反應單元

圖5 10種開合結構

在3種基本反應單元的基礎上開發(fā)設計出的10種單片面料結構，是后期智能面料的展示方式，在更好地展示材料特性的同時，也展示了紡織品的延展方式。

2.2.4 材料與面料復合方式

在整個前期設計中，涂抹材料的方式一直為手動涂抹，其缺點為液體擠出量不好控制，且在面料上的涂抹路徑不能保證與預想位置重合，這樣便容易造成結構開合力的偏移。為了解決這些問題并且實現智能面料后期的大面積及批量化制作，本文運用了數字建造技術。但因為聚合物的特殊性質，傳統(tǒng)意義的打印工藝并不能完成制作打印[19]。針對本文研究目標要解決的問題，需要實現的技術難點是兩組分聚合物如何實現按不同比例并同時擠出。為實現上述目標，在實驗過程中對傳統(tǒng)的打印機器進行了結構重新設計和參數設置。在調整機器結構的基礎上采用了雙頭混合擠出并打印的方法，實現兩組分材料在擠出的同時混合打印，設計特定路徑后，在面料上進行移動打印(圖6、圖7)。

圖6 打印路徑設定

圖7 數字打印機器

3 結果與討論

在該智能面料設計中，通過觀察實驗現象，總結規(guī)律，進而得到雙組分聚合物的數據以及機器參數選擇，同時還有面料材質的對比分析與成品結構設計以及兩者的復合方式。通過對上述所有實驗現象的觀察與總結，可以得出以下實驗結果(表7)。

表7 實驗結果

運用以上所有實驗結果，制作出來的成品智能紡織面料實現了其環(huán)境響應特性。即在濕潤環(huán)境中的可以產生自我形變，在干燥環(huán)境中面料結構打開，在濕潤環(huán)境中面料結構閉合。實現面料從二維平面到三維立體的變化。

圖8 面料成品圖

4 結論與展望

本文研發(fā)的智能面料是一種具有環(huán)境感應特性的自調節(jié)面料，該面料的結構形狀可以根據濕度變化自行調節(jié)自身開合程度。它在干燥環(huán)境的狀態(tài)下會張開，在遇水環(huán)境中會閉合，實現了對濕度溫度的自調節(jié)。目前具有環(huán)境響應特性的智能面料的局限性有很多，調溫功能限制于單個領域以及帶有電子元件的智能紡織品對身體具有安全隱患，同時在回收之后，也會對環(huán)境產生污染。但本文研發(fā)的具有感濕功能性的智能面料在數字建造技術的支撐下，將聚合物處理在織物表面，所以并未改變織物本身結構。同時該智能紡織面料還可以應用于多個領域，其本身的感濕自形變功能不僅僅可應用于功能性服裝領域，還可應用于建筑表皮設計，實現調節(jié)環(huán)境溫度的作用。由于其本身并無電子原件限制，還可以更好地還原材質本身的輕薄質感，回收處理后也不會對環(huán)境造成污染。

隨著技術的不斷進步，智能纖維及智能紡織品的研究與開發(fā)使得紡織品領域有了新的發(fā)展方向與趨勢，同時跨領域的合作和交叉學科的融合也在紡織品領域有了更多的應用，在提高紡織品功能性的同時也創(chuàng)造出更好的用戶體驗，從而提高了產品的核心競爭力[20-22]。未來紡織品及紡織纖維必然向著更加智能化的方向發(fā)展，更加注重功能性及用戶體驗。但是實現產品的智能化轉換，其中最重要的就是完成技術的發(fā)展和材料的開發(fā)，加深跨專業(yè)的合作，實現智能纖維和智能紡織品更加專業(yè)化和商業(yè)化的發(fā)展。