新型功能性紗線的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

夏治剛 吳展鵬 陳定偉 唐文楊 付馳宇

（1.省部共建紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430200；2.武漢紡織大學(xué)，湖北武漢，430200）

紗線作為紡織品的必要組成部分，幾千年來一直伴隨著人類文明的發(fā)展。將纖維加捻成紗線的歷史可以追溯到舊石器時(shí)代晚期，它是人類歷史上最早的工業(yè)化技術(shù)之一［1］。如今，隨著人們生活條件的改善，傳統(tǒng)紗線已無法滿足現(xiàn)代社會(huì)人們對(duì)紡織品功能性日益增長的需求。紗線及其紡織品的主要功能和用途已不再局限于遮羞、蔽體、保暖、防護(hù)和時(shí)尚。順應(yīng)時(shí)代需求，新型功能性紗線極大地豐富了人們的生活環(huán)境［2］。與攜帶、附著、包裹和嵌入等其他傳統(tǒng)功能紡織品相比，新型功能性紗線可以無縫結(jié)合防護(hù)功能、電氣功能、調(diào)溫功能等，從而為紡織品提供多功能的設(shè)計(jì)和廣泛的服務(wù)平臺(tái)［3］。

纖維材料的發(fā)展是功能性紗線開發(fā)的基礎(chǔ)。紡織纖維材料從天然纖維、合成纖維、增強(qiáng)纖維、功能纖維、導(dǎo)電纖維，再到智能纖維的發(fā)展轉(zhuǎn)變，催生了一系列功能化紗線。例如，抗菌、電磁屏蔽、儲(chǔ)能、供能、傳感、響應(yīng)、個(gè)人熱管理和高防護(hù)等紗線。紗線的成形技術(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是構(gòu)建紗線功能性的關(guān)鍵［4］。基于紗線成形技術(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)紗線包含長絲紗、短纖紗、多股紗、過捻紗、包芯紗、編織紗、包纏紗和花式紗等。

本文綜述了功能性紗線及其紡織品的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了現(xiàn)階段功能性紗線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備方法以及目前面臨的困難與挑戰(zhàn)，展望了功能性紗線的發(fā)展方向和前景，以期能全面了解功能性紗線，為功能性紡織品的研究和應(yīng)用提供新的設(shè)計(jì)思路。

1 功能性紗線的制備方法

功能性紗線種類多樣，功能各異，根據(jù)不同紗線的功能性要求，優(yōu)選制備加工方法，能有效促進(jìn)紗線的材料功能和結(jié)構(gòu)功能相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)。目前制備功能性紗線的通用紡紗方法有環(huán)錠紡、摩擦紡、包纏紡、靜電紡、溶液紡、條帶紡和液流紡等。

1.1 環(huán)錠紡

環(huán)錠紡是由錠子和鋼領(lǐng)、鋼絲圈進(jìn)行加捻，由羅拉進(jìn)行牽伸的一種機(jī)械紡紗的方法，是目前應(yīng)用范圍最為廣泛的紡紗技術(shù)［5］?；诃h(huán)錠紡衍生出的復(fù)合紡紗技術(shù)如包芯紡、包纏紡、嵌入紡等紡紗方法，是制備導(dǎo)電紗線、傳感紗線、人工肌肉紗線的常用方法。早期研究人員使用棉粗紗和碳納米管（CNT）在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上制備出了柔性導(dǎo)電紗線［6］。CHEN L等［7］以TPU 紗線作為芯紗，涂有銀的聚酰亞胺紗線作為包覆層，在環(huán)錠紡紗機(jī)上制備出了具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比的紗線用于能量收集和自供電傳感。類似地，CHEN W等［8］在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上制備出了以銅絲為芯，滌綸為鞘的包芯紗線，用于人體運(yùn)動(dòng)能量收集和自供電傳感。盡管環(huán)錠紡工藝簡單，紗線結(jié)構(gòu)易于調(diào)控，但該技術(shù)由于需要對(duì)纖維須條進(jìn)行牽伸并加捻，導(dǎo)致該技術(shù)對(duì)纖維原料的品質(zhì)如長度、模量等都有較高要求，并不適用于所有功能性紗線的生產(chǎn)。

1.2 摩擦紡

摩擦紡也叫塵籠紡，是一種新型紡紗方法。其成紗原理是喂入的纖維條經(jīng)過刺輥梳理分離后被負(fù)壓吸風(fēng)凝聚在旋轉(zhuǎn)的塵籠上，并搓捻成紗［9］。由于其獨(dú)特的成紗原理，摩擦紡對(duì)纖維的長度和模量要求要遠(yuǎn)低于環(huán)錠紡，表現(xiàn)出低速高產(chǎn)、適紡原料廣、成紗品種多和工藝流程短的優(yōu)勢(shì)。目前大多數(shù)無機(jī)功能性纖維原料如聚酰亞胺、玄武巖、石英纖維的可紡性較低，無法在環(huán)錠紡上成紗，摩擦紡則彌補(bǔ)了這一缺陷。筆者研究團(tuán)隊(duì)利用摩擦紡制備了一系列隔熱［10］、傳感［11］108078，［12］101695、防護(hù)［13］110238功能性紗線，提高了功能性材料的可紡性能，擴(kuò)大了難紡材料在功能性紡織品的應(yīng)用范圍。然而，摩擦紡在成紗過程中幾乎不發(fā)生纖維的內(nèi)外轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致紗線強(qiáng)力偏低，并且紗線號(hào)數(shù)偏高，阻礙了功能性紗線在紡織品中的進(jìn)一步應(yīng)用。

1.3 包纏紡

包纏紡是另一種制備功能性紗線常見的方法。包纏紡可分為環(huán)錠包纏和空心錠包纏，這里主要討論空心錠包纏紡?？招腻V包纏紡紗是短纖維粗紗經(jīng)過牽伸后進(jìn)入空心錠，然后經(jīng)長絲包纏形成包纏紗的紡紗方法［14］。空心錠包纏紡的芯紗可以是短纖維須條，也可以是長絲，外包紗既可用短纖紗也可用長絲，故而該紡紗方法可以加工多種紗線品種，易于功能性紗線進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控。例如，PERERA T等［15］利用空心錠子紡紗原理，采用不銹鋼長絲和鍍銀錦綸紗線開發(fā)了兩種導(dǎo)電可拉伸雙包覆紗線，用于傳感針織紡織品。但空心錠包纏紡由于芯紗缺乏捻度，同樣面臨著紗線機(jī)械性能偏低的挑戰(zhàn)。

1.4 靜電紡

靜電紡是通過對(duì)納米纖維進(jìn)行收集、取向、集束、加捻和連續(xù)卷繞的一種新型紡紗方法［16］。根據(jù)其取向集束加捻的成紗原理，目前靜電紡纖維紡紗方法主要分為高速旋轉(zhuǎn)法［17］、水浴成紗法［18］、尖端誘導(dǎo)共軛集束法［19］等。納米纖維紗線由于其納米纖維具有超高比表面積和取向結(jié)構(gòu)，為功能性紡織品的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了方向。例如，LEVITT A等［20］通過接地水浴收集的靜電紡紗法制備的聚酰亞胺/MXene 復(fù)合納米纖維紗線，具有高達(dá)1 195 S/cm 的電導(dǎo)率，在智能可穿戴領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。但是，靜電紡纖維的制備效率低下以及較差的綜合力學(xué)性能，仍然制約著靜電紡功能紗線的發(fā)展。

1.5 溶液紡

溶液紡是指高聚物溶液經(jīng)噴絲孔被定量擠出，溶液細(xì)流經(jīng)過凝固浴或熱空氣或惰性氣體牽伸固化成纖維的紡絲方法［21］。溶液紡絲可分為干法和濕法兩種。其中，濕法紡絲可通過調(diào)節(jié)噴絲孔的結(jié)構(gòu)和數(shù)量達(dá)到調(diào)控纖維結(jié)構(gòu)和功能的目的。ZHANG Z等［22］基于溶液紡制備了聚合物發(fā)光電化學(xué)池纖維，在13 V 電壓下可以達(dá)到亮度609 cd/cm2。目前，溶液紡還存在紡絲速度慢、溶劑污染大及回收等問題，在大批量工業(yè)化應(yīng)用中比較受限。

1.6 條帶紡

條帶紡又稱網(wǎng)覆式成紗法，是一種采用非織造布條帶包覆功能粉體材料的新型紡紗方法。高功能材料，如稀土、石墨以及納米材料，多以粉體形態(tài)存在。然而粉體材料顆粒小、連續(xù)性差、宏觀長度短，現(xiàn)有技術(shù)難以成紗。筆者研究團(tuán)隊(duì)利用非織造面材和功能性粉體材料在倍捻機(jī)上制備了一系列功能紗線。WANG R等［23］2107682通過將聚四氟乙烯薄膜纏繞在聚丙烯非織造布上，嵌入NdFeB 粉末制備出了具有芯鞘結(jié)構(gòu)的磁性紗線，用于磁電服裝發(fā)電機(jī)。這種可擴(kuò)展的條帶紡紗技術(shù)，以及靈活的磁性織物設(shè)計(jì)，可以為能量收集和緊急戶外通信提供高效和商業(yè)化的處理途徑。

1.7 液流紡

液流紡是筆者研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)流體功能材料無法成紗的技術(shù)難題，提出的另一種新型功能性紗線紡紗方法。功能流體材料，如剪切增稠液流體、液態(tài)金屬等材料無法制備成柔性布態(tài)結(jié)構(gòu)，并且無法保證流體的均勻分散以及與紗體的穩(wěn)定結(jié)合，導(dǎo)致其紡織品功能性降低。液流紡將難紡流體材料用彈性薄膜封裝并纏繞成具有芯鞘結(jié)構(gòu)的紗線，制備的紗線除了具有抗沖擊、高導(dǎo)電、調(diào)溫等功能性外，還具有耐磨、透氣、柔軟等紡織品固有特性。例 如，MIAO Y等［24］109972利用將相變材料石蠟注入中空硅膠管中后，外包阻燃短纖維，制備出了一種具有調(diào)溫、防火、耐磨、透氣的功能紗線。該紗線為人體和汽車提供了比商用織物更好的溫度調(diào)節(jié)性能，在熱管理和防護(hù)服方面擁有廣泛的應(yīng)用前景。

1.8 后整理

除紡紗方法外，功能性后整理也是制備不同功能紗線的常用方法。功能后整理制備功能性紡織品包括物理整理、化學(xué)整理和生態(tài)整理［25］。其中物理整理包括浸漬、浸軋、涂層法等，其優(yōu)勢(shì)在于成本低，方法簡單，但嚴(yán)重影響紗線及其紡織品的風(fēng)格和手感。化學(xué)整理包括共聚、原位聚合、接枝等，具有耐用性好的優(yōu)勢(shì)，但技術(shù)要求高，生產(chǎn)難度大。生態(tài)整理采用生物酶對(duì)制備的紗線進(jìn)行后處理，具有安全、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。

2 功能性紗線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紗線的功能往往與結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。正如上面提到的，基于不同紡紗方法制備的功能紗線具有不同的紗線結(jié)構(gòu)。針對(duì)不同的紗線功能，紗線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。例如，抗菌紗線的常見結(jié)構(gòu)有包覆紗、包芯紗等。抗菌纖維作為鞘層能增加有效接觸面積，提高抗菌性能，但抗菌持久性差。當(dāng)抗菌纖維作為芯層時(shí)，能兼顧紗線的舒適性和抗菌耐久性。對(duì)于發(fā)電、儲(chǔ)能型功能紗線，同軸、核殼或股線結(jié)構(gòu)是紗線普遍采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通常由內(nèi)部纖維電極和外部封裝層組成，其中外部纖維層充當(dāng)介電層和保護(hù)層。紗線的過捻結(jié)構(gòu)則常適用于制備人工肌肉紗線。紗線在受到外部刺激時(shí)，紗體膨脹或收縮引起的解捻或加捻作用，能被過捻結(jié)構(gòu)放大，增強(qiáng)人工肌肉紗線的輸出性能。

總之，紗線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是發(fā)展高性能功能紗線的重要手段。紗線的材料、工藝、結(jié)構(gòu)對(duì)功能性紗線有著重要的影響，3 個(gè)要素之間相互聯(lián)系、相互影響。

3 功能性紗線的分類和應(yīng)用現(xiàn)狀

功能性紗線種類繁多，是組成功能性紡織品不可或缺的原材料。根據(jù)紗線功能性的不同，大致可分為能源型紗線、傳感型紗線、響應(yīng)型紗線、熱管理型紗線和防護(hù)型紗線。在智能可穿戴［26］1902670、生物醫(yī)學(xué)［27］、大健康［28］、傳感［29］等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

3.1 能源型紗線

隨著可穿戴電子設(shè)備的迅速發(fā)展，人們對(duì)可穿戴能源型紡織品的需求越來越大。目前對(duì)可穿戴能源紡織品的研究通常集中在具有三明治結(jié)構(gòu)的平面柔性電池上。然而，傳統(tǒng)的電池由于缺乏靈活性、舒適性和輕便性，很大程度上阻礙了可穿戴電子產(chǎn)品的實(shí)用性、可持續(xù)性和廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的大體積或平面結(jié)構(gòu)能源系統(tǒng)相比，能源型紗線具有高兼容性、透氣性和靈活性的優(yōu)勢(shì)，在智能可穿戴電子設(shè)備中發(fā)揮著越來越大的作用。能源型紗線大致可分為能源收集和能源存儲(chǔ)紗線。

能源收集型紗線是將人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能或外部環(huán)境能量如太陽能、熱能、化學(xué)能等轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿墓δ苄约喚€。根據(jù)能源收集原理可以大致分為電磁感應(yīng)、摩擦電效應(yīng)、光伏效應(yīng)、熱電效應(yīng)和壓電效應(yīng)型紗線［30］。

來自風(fēng)、波、機(jī)器振動(dòng)和人體運(yùn)動(dòng)等自然和人工環(huán)境的機(jī)械能是電磁發(fā)電機(jī)紗線的主要驅(qū)動(dòng)力。線圈、磁場和設(shè)備的機(jī)械位移是使用導(dǎo)體和磁鐵產(chǎn)生電能 的關(guān)鍵因素。WANG R等［23］2107682通過條帶紡將聚四氟乙烯薄膜條包覆釹磁鐵粉末，展示了一種可擴(kuò)展制造的柔性磁電紗線發(fā)電機(jī)，通過手臂的擺動(dòng)可以產(chǎn)出96 mW 的峰值功率。通過編織法也能制備具有優(yōu)異發(fā)電性能的磁電紗線，如LIU Z等［31］用絕緣棉纖維編織包裹碳纖維束制備了導(dǎo)電紗線線圈旗幟，風(fēng)可以迫使線圈旗幟繞著磁繩擺動(dòng)，導(dǎo)致穿過旗中線圈的磁通量發(fā)生變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。該紗線制備的旗幟在6.3 m/s 的風(fēng)速下，可以產(chǎn)生3.5 V 的峰值開路電壓和13 mA 的超高峰值短路電流。然而，磁電紗線的質(zhì)量、發(fā)電區(qū)域還有紗線與感應(yīng)線圈之間的距離對(duì)該紗線的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。

另一種能收集機(jī)械能的發(fā)電機(jī)是摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），其發(fā)電原理基于摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)［32］。所以，纖維材料表面的電荷密度是影響摩擦電材料產(chǎn)生電能的關(guān)鍵因素。紗線表面形成的表面摩擦電荷極性由摩擦電序列決定，這些電荷通過具有特定電位差的外部電路引起電流。如DONG K等［33］通過鍍銀錦綸紗線和硅橡膠彈性體，制備了具有同軸芯-鞘和內(nèi)置彈簧狀螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的高拉伸紗線摩擦納米發(fā)電機(jī)。該紗線可以編織成大面積能量收集織物，能夠點(diǎn)亮發(fā)光二極管、為商用電容器充電、為智能手表供電。FU C等［11］108078利用液流紡將液態(tài)金屬封裝在 彈性硅膠管內(nèi)并外包錦綸短纖，制備了可以大規(guī)模生產(chǎn)的具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的TENG 紗線。該紗線不僅可以監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，還能為可穿戴電子設(shè)備持續(xù)供電。盡管TENG 紗線具有許多優(yōu)勢(shì)，但與電磁紗線相比，仍然面臨著輸出功率低、能量難以有效利用、耐磨性能差等挑戰(zhàn)。

基于光伏效應(yīng)的太陽能紗線電池，最近也被廣泛應(yīng)用在智能可穿戴紡織品中［34］。對(duì)于紗線基太陽能電池，作為活性成分的鈣鈦礦是一個(gè)熱點(diǎn)，這要?dú)w功于該材料已知的光電功能。為了制造更靈活、耐腐蝕和耐用的鈣鈦礦太陽能電池紗線，LI R等［35］報(bào)道了一種雙螺旋太陽能電池紗線。該紗線具有3.03%的功率轉(zhuǎn)化效率，經(jīng)1 000 次循環(huán)彎曲后性能沒有明顯下降。但是基于鈣鈦礦的太陽能紗線，面臨著電極接觸不良、過高的內(nèi)阻、耐久性差、毒性等缺陷［26］1902670，所以需要對(duì)紗線基太陽能電池的不同層進(jìn)行更多創(chuàng)新和先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)，以推動(dòng)自供電可穿戴電子產(chǎn)品的發(fā)展。

紗線基熱電發(fā)電機(jī)（TEG）由于其出色的機(jī)械性能、熱濕舒適性和低成本，在可穿戴應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注［36］。簡單的熱電器件由p 型和n 型兩種半導(dǎo)體材料組成，紗線基熱電發(fā)電機(jī)通常的制備方法是將p 型和n 型半導(dǎo)體同時(shí)在一根紗線上實(shí)現(xiàn)交替的周期性電串聯(lián)［37］。有機(jī)熱致發(fā)電材料通常是可溶液加工的，因此它們可以通過紡絲技術(shù)或簡便的溶液涂覆方法制成長絲或紗線。ITO M等［38］通過濕法紡絲制備了直徑約為40 μm的聚乙二醇（PEG）/CNT 復(fù)合熱致發(fā)電纖維。當(dāng)PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)，纖維的功率因數(shù)可達(dá)90 μW/（m·K2）。對(duì)于無機(jī)熱致發(fā)電材料，蒸鍍法和磁控濺射等物理沉積方法是制備無機(jī)熱致發(fā)電紗線的主要手段。2008 年，YADAV A等［39］通過熱蒸鍍法將Ni 和Ag 涂覆到柔性二氧化硅纖維上制備熱致發(fā)電纖維。LEE J A等［40］將靜電紡絲與磁控濺射相結(jié)合，分別制備了p 型Sb2Te3和n型Bi2Te3熱致發(fā)電紗線。盡管紗線基熱電發(fā)電機(jī)在智能可穿戴電子產(chǎn)品中的應(yīng)用前景廣闊，但研究仍處于起步階段，成本高、靈活性有限和制造工藝復(fù)雜是目前存在的主要挑戰(zhàn)。

此外，能源收集型紗線還包括濕氣發(fā)電、壓電、電化學(xué)等類型［41］。盡管在能源收集方面已經(jīng)做了大量的研究工作，但它們的可擴(kuò)展開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用仍然受到兩個(gè)瓶頸的制約，即功率輸出較低和過于依賴外部因素（如室外陽光、溫度梯度、濕度梯度等）。表面/界面改性、材料選擇/優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/分析、電源管理和環(huán)境控制可以提高這些紗線的功率密度。但制備過程大都需要依賴專業(yè)儀器、復(fù)雜的制備技術(shù)、繁瑣的加工過程，甚至特殊的環(huán)境條件，要想實(shí)現(xiàn)低成本、大規(guī)模、高質(zhì)量的制備還需大量工作。

能源存儲(chǔ)型功能紗線擁有獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的柔韌性、小型化潛力、形變適應(yīng)性以及與傳統(tǒng)紡織工業(yè)的兼容性等優(yōu)點(diǎn)，特別有利于可穿戴應(yīng)用［42］。能源存儲(chǔ)型紗線可分為超級(jí)電容器紗線和紗線電池。早期的纖維/紗線狀電池大約在10 年前出現(xiàn)，并很快引起了廣泛的研究興趣［43］。迄今為止，纖維狀鋰離子電池（LIBs）一直在蓬勃發(fā)展，其他類型的電池系統(tǒng)，如鋰硫（Li-S）電池、鈉基電池（SBs）、水系鋅電池（AZBs）和金屬空氣電池（MABs）等，在短短幾年內(nèi)也相繼被發(fā)明和開發(fā)出來［44-46］。最近，基于深入研究的材料［包括金屬有機(jī)骨架（MOF）和液態(tài)金屬］的新型線型電池系統(tǒng)已開始成為主流，為新一代可穿戴電源系統(tǒng)的發(fā)展開辟了嶄新的道路。除高功率密度外，多功能性、可集成性和可拓展性也是近期纖維/紗線基電池的研究熱點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和高性能的電化學(xué)性能，需要對(duì)材料、紗線結(jié)構(gòu)和制備工藝進(jìn)行精確設(shè)計(jì)［47］。除優(yōu)異的電化學(xué)性能外，還需要提高紗線的防水、防火、自修復(fù)、形狀記憶等環(huán)境適應(yīng)能力。針對(duì)可集成性和可拓展性，則需要選擇合適的紡織加工技術(shù)和工藝設(shè)計(jì)。此外，紗線電池同樣面臨著許多挑戰(zhàn)，例如長線性結(jié)構(gòu)帶來的高內(nèi)阻、微米尺度內(nèi)隔膜制備困難以及封裝困難、紗線的尺寸過大、機(jī)械強(qiáng)度偏低、人體舒適性差、多功能集成困難等，均制約著紗線基可穿戴電池的發(fā)展。

3.2 傳感型紗線

智能可穿戴系統(tǒng)需要開發(fā)柔性傳感器來收集、量化和鑒定人體相關(guān)信息。基于紗線的柔性傳感器因其直徑小、比表面積高、質(zhì)量輕以及適合集成到紡織品中而極具吸引力。目前，基于各種傳感機(jī)理開發(fā)出了電阻式、電容式、電壓式（TENG、PENG）、熱電式等紗線傳感器，用于監(jiān)測(cè)如壓力、應(yīng)變、距離和溫度。紗線傳感器已被證明用于包括生物醫(yī)學(xué)、安全、運(yùn)動(dòng)和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域。

電阻式紗線傳感器利用柔性導(dǎo)電材料將機(jī)械刺激（例如應(yīng)變或力）轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)變化［48］。由于導(dǎo)電材料的電阻R=ρL/S，當(dāng)機(jī)械刺激導(dǎo)致導(dǎo)電材料的電阻率（ρ）、長度（L）或橫截面積（S）發(fā)生變化時(shí)，它將引起紗線的電阻變化。電阻式紗線傳感器的傳感響應(yīng)取決于以下幾個(gè)因素的相互作用：紗線響應(yīng)機(jī)械刺激的電阻的內(nèi)在變化；紗線結(jié)構(gòu)的幾何變化；紗線導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的變化。其中，靈敏度、應(yīng)變范圍、響應(yīng)速度、遲滯回復(fù)性以及耐久性是評(píng)價(jià)電阻式紗線傳感器性能的主要指標(biāo)。電阻式紗線傳感器往往具有靈敏度高、檢測(cè)范圍廣、精度高等優(yōu)點(diǎn)。由于紗線在沿長度方向具有較大的形變，所以電阻式紗線往往被用作應(yīng)變傳感器。如DOU L等［12］101695通過摩擦紡制備了一種基于液態(tài)金屬、CNT 和聚酯纖維的復(fù)合紗線應(yīng)變傳感器。該紗線有著特殊的層級(jí)結(jié)構(gòu)，內(nèi)層應(yīng)變范圍高達(dá)300%，外層作為傳感層靈敏度達(dá)6.73，并且在1 000 次循環(huán)拉伸后仍然具有出色的導(dǎo)電性和傳感性能。該紗線可以作為便攜式導(dǎo)線、加熱器件和可穿戴傳感器。但傳統(tǒng)電阻式紗線傳感器信號(hào)漂移大、耐久性差、滯后現(xiàn)象明顯是制約其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

電容式紗線傳感器主要由電極和介電層組成。通常具有芯鞘結(jié)構(gòu)或雙螺旋結(jié)構(gòu)，即介電層包覆2 個(gè)電極之間。通過施加壓力或者拉伸，紗線傳感器的電容由于材料的彈性變形而發(fā)生變化。由于傳感機(jī)理的限制，電容式紗線應(yīng)變傳感器的靈敏度一般較低。通常，提高傳感器靈敏度的有效途徑有3 種：在電介質(zhì)或電極表面構(gòu)建微結(jié)構(gòu)；在高分子彈性體中加入導(dǎo)電填料形成復(fù)合電介質(zhì)；在介電層中引入微孔。ZHANG Q等［49］提出了一種電容式應(yīng)變傳感紗線，可以直接編織到衣服、繃帶和其他產(chǎn)品的織物中。該紗線通過將兩根包芯紗捻成一根細(xì)雙股紗而制成。包芯紗是用棉纖維包覆鍍銀錦綸，并用聚氨酯固定而成。顯示出出色的傳感線性度，在10 000 次耐久性測(cè)試循環(huán)中具仍然具有高介電穩(wěn)定性。類似的，F(xiàn)U C等［11］108078提出了一種雙螺旋結(jié)構(gòu)包芯紗，介電層為硅膠管，電極為液態(tài)合金。芯紗經(jīng)過合股之后外層包覆錦綸，使得紗線具有良好的介電耐久性和親膚透氣性。

壓電式紗線傳感器包括壓電傳感和摩擦電傳感。這里主要介紹壓電傳感器，壓電傳感紗由具有壓電效應(yīng)的柔性材料制成，其工作原理是將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。壓電材料的壓電常數(shù)決定了壓電傳感器將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的性能。常用的壓電材料包括復(fù)合材料、聚合物、陶瓷、單晶等。壓電傳感紗在受到外部壓力時(shí)可以產(chǎn)生內(nèi)部電壓，這使得它們?cè)趯?shí)現(xiàn)壓力傳感的同時(shí)能夠自供電。這類紗線通常具有響應(yīng)時(shí)間快和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，因此在可穿戴設(shè)備中具有廣闊的前景。KANG J等［50］提 出了一種 基于靜電 紡絲和2D 編織技術(shù)的壓電紗線傳感器，用于健康監(jiān)測(cè)，它可以產(chǎn)生大約1 V 的電壓，并在4 Hz 的高頻下維持長期循環(huán)。但紗線基壓電傳感器仍然存在一些不足：生物相容性、封裝集成性、多功能性、耐磨性等均有待提高。

3.3 響應(yīng)型紗線

除能源型功能紗線外，因外部刺激如光、電、磁、熱、濕度、pH 等而發(fā)生可逆收縮、膨脹或旋轉(zhuǎn)的紗線稱為響應(yīng)型功能紗線，也叫人工肌肉紗線［51］。人工肌肉紗線是一個(gè)高度跨學(xué)科的研究領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的交叉性，與材料科學(xué)、化學(xué)工程、機(jī)械工程、電氣工程和化學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都有交叉。輸出應(yīng)變、應(yīng)力、功率密度、循環(huán)壽命、效率等是衡量人工肌肉紗線的主要指標(biāo)。麥克本氣動(dòng)執(zhí)行器是最古老的人工肌肉之一，具有固有的順應(yīng)性、質(zhì)量輕和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建軟體機(jī)器人。筆者研究團(tuán)隊(duì)利用編織技術(shù)制備了一種具有感知功能的氣動(dòng)紗線執(zhí)行器［52］。該紗線在90 kPa 氣壓和0.5 kg 負(fù)載下實(shí)現(xiàn)了7%的可逆驅(qū)動(dòng)。此外，由于紗線的特殊編織結(jié)構(gòu)，該紗線還具有感知執(zhí)行器各種驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的能力。

碳納米管加捻紗線是一種常見的人工肌肉紗線，被廣泛用于扭轉(zhuǎn)和收縮執(zhí)行器［53］。FOROUGHI J等［54］于2011 年首次報(bào)道了基于CNT 紗線的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)可逆扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器。由于電荷注入使CNT 紗線的體積膨脹，該CNT 紗線表現(xiàn)出可以提供可恢復(fù)的15 000°和590 捻/min 的旋轉(zhuǎn)。然而這種電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要液態(tài)電解質(zhì)，并且輸出應(yīng)變有限。為了進(jìn)一步提高紗線執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)性能，提高紗線的捻度形成過捻結(jié)構(gòu)是常用的策略之一。通過集成CNT 紗線和熱塑性聚氨酯（TPU）可開發(fā)出一種大應(yīng)變致動(dòng)器。CNT 紗線的收縮是由TPU 的熱膨脹引發(fā)的，它在不使用電解質(zhì)等額外介質(zhì)的情況下可以產(chǎn)生13.8%的應(yīng)變和33 MPa 的應(yīng)力。對(duì)于紗線執(zhí)行器在軟體機(jī)器人中的應(yīng)用，充分理解如何在軟體機(jī)器人中集成傳感、驅(qū)動(dòng)和交互仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3.4 個(gè)人熱管理紗線

近10 年來，節(jié)能需求和多樣化的個(gè)人體溫調(diào)節(jié)要求以及可穿戴電子產(chǎn)品和智能紡織品的出現(xiàn)使個(gè)人熱管理（PTM）技術(shù)重新興起［55］。個(gè)人熱管理紡織品包括個(gè)人冷卻、加熱、絕緣和溫度調(diào)節(jié)，比傳統(tǒng)的人體空氣/液體冷卻服裝更加靈活和廣泛［56］。個(gè)人熱管理紗線是PTM 紡織品不可或缺的組成部分，大致可以分為熱濕舒適性紗線、輻射制冷紗線、相變紗線、發(fā)熱紗線等［57］。

熱濕舒適性紗線在環(huán)境溫濕度變化時(shí)，可以通過自身結(jié)構(gòu)、性能及時(shí)調(diào)節(jié)人體的溫度和相對(duì)濕度，保持人體的舒適度。如TONG J K等［58］提出了紅外透明但可見的紗線概念，基于PET/PE材料設(shè)計(jì)出了一種高紅外透過紗線，該紗線利用人體熱輻射原理作為降溫機(jī)制。具體來說，為了減少反向散射損耗，紗線中纖維的尺寸被設(shè)計(jì)為與可見光波長相當(dāng)，以便通過弱瑞利散射最大限度地減少紅外反射，該織物對(duì)紅外線透過率達(dá)97.2%，同時(shí)由于強(qiáng)米氏散射在可見波長范圍內(nèi)保持光學(xué)不透明。然而PET 材料無法針對(duì)特定紅外線進(jìn)行透過，需要開發(fā)不同紅外透過率的新型紡織材料來填補(bǔ)技術(shù)空白。在設(shè)計(jì)熱濕舒適性紗線時(shí)，也應(yīng)考慮調(diào)溫穩(wěn)定性、機(jī)械性能和透氣舒適性。

新型輻射制冷紗線擁有高太陽光譜反射率和超高的大氣窗口發(fā)射率，能以電磁波的形式散發(fā)熱量［59］。人體在34 °C 時(shí)會(huì)發(fā)出7 μm～14 μm 波長的中紅外輻射，對(duì)應(yīng)于波長范圍為8 μm～13 μm的透明大氣窗口。由不同氣體組成的天空大氣在此范圍內(nèi)表現(xiàn)為透明窗口。這個(gè)波長范圍被命名為大氣窗口散熱器，可用于任何高于絕對(duì)零度的地面物體。基于此原理，ZENG S等［60］通過二氧化鈦（TiO2）納米顆粒及微米級(jí)的聚乳酸（PLA）聚合物纖維制備出了多層級(jí)的輻射冷卻紗線，基于該紗線復(fù)合而成的織物在無源輸入條件下，可實(shí)現(xiàn)全天低于環(huán)境溫度2 ℃～10 ℃的輻射制冷效果。針對(duì)輻射制冷的效率，還需要進(jìn)一步優(yōu)化和探索纖維的結(jié)構(gòu)特征以提高制冷效率，有望通過輻射冷卻和汗液蒸發(fā)的聯(lián)合作用解決這一難題。

基于相變材料（PCM）的復(fù)合紗線采用的是另一種有效的溫度調(diào)節(jié)方式。傳統(tǒng)的PCM 如冰、干冰、石蠟、十六烷等長期以來一直用于個(gè)人體溫調(diào)節(jié)，利用其巨大的潛熱來保持相對(duì)較低的溫度［61］。但傳統(tǒng)的相變織物通常將PCM 材料涂覆在織物表面，這不利于織物的透氣，且對(duì)織物的耐磨性能也提出了挑戰(zhàn)。筆者研究課題組提出的液流紡相變復(fù)合紗線［24］109972，通過內(nèi)置石蠟、外包傳統(tǒng)短纖維，解決了PCM 織物透氣差，耐磨性差等挑戰(zhàn)。并且基于該紗的織物調(diào)溫性能遠(yuǎn)優(yōu)于商用調(diào)溫紡織品。然而，由于體積大、質(zhì)量重、調(diào)溫范圍有限，這些PCM 紡織品仍面臨著許多挑戰(zhàn)，未來的工作應(yīng)圍繞解決質(zhì)量重、不適當(dāng)?shù)南嘧儨囟群烷g歇工作時(shí)間而可能引起的人體工程學(xué)問題和不適感等開展。

3.5 防護(hù)型功能紗線

人類作為大自然的一部分，常受到外界環(huán)境如光、熱、電、力、微生物等威脅。針對(duì)這些外界傷害，已開發(fā)出各種具有防護(hù)性的，如防火、隔熱、電磁屏蔽、抗沖擊、抗菌、抗病毒等功能紗線。

防火型功能紗線的制備方法主要有兩種，一是以本體功能性纖維為原料進(jìn)行紡紗；二是紗線的后功能化表面處理［62］。制備具有防火性的纖維是將功能基團(tuán)引入大分子鏈中或者在紡絲合成加工過程中加入功能性助劑［63］。對(duì)紗線的表面處理是在紗線表面引入功能結(jié)構(gòu)或構(gòu)筑防火涂層。前者防火阻燃性好，但是步驟繁瑣，適用基材單一。后者往往存在紗線耐久性、手感、熱濕舒適性差等問題。針對(duì)這些缺陷，筆者研究團(tuán)隊(duì)提出了一種玄武巖基聚酰亞胺纖維復(fù)合紗，所制備的織物具有較好的親膚性且能耐受高達(dá)1 142 ℃的高溫火焰［13］110238。值得注意的是，由于紗線以玄武巖為芯絲，聚酰亞胺為包覆層，使得所制備的織物即使經(jīng)過300 次機(jī)械摩擦也表現(xiàn)出良好的皮膚友好性，且與芳綸1313 紗線相比，其成本更低，防火性更好。

抗沖擊功能紗線是指能夠抵抗高沖擊載荷的吸能紗線。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)防護(hù)裝備的種類和性能要求日益提高，對(duì)其性能的要求如輕便、高性能、柔軟性也變得更加嚴(yán)格。目前，剪切增稠液（STF）因其獨(dú)特的性能被廣泛用于制備抗沖擊紡織品［64］。然而，目前大多數(shù)STF 材料僅僅通過直接浸漬或與織物或其他基材結(jié)合而應(yīng)用于保護(hù)材料，這大幅降低了抗沖擊紡織品的抗沖擊性能、透氣性能和耐久性。最近ZHANG J等［65］提出了一種類似于液流紡的STF 智能紗線，該紗線用中空硅膠管封裝STF 后，在表面涂覆CNT，最后以PDMS 封裝，制備出的紗線具有優(yōu)異抗沖擊性能和沖擊監(jiān)測(cè)性能。該研究為構(gòu)建多功能智能織物提供了一種可行的方法，在人體安全防護(hù)和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

抗菌、抗病毒等生物防護(hù)型紗線具有有效抑制或殺滅細(xì)菌、真菌、病毒等微生物且具有衛(wèi)生保健功能的新型紗線［66］。目前，根據(jù)其制備方法可以分為兩類，即通過本征抗菌活性纖維原料制備的紗線，以及后整理賦予紗線抗菌性能的紗線。天然纖維如殼聚糖纖維、木棉纖維、海藻纖維、麻纖維和竹纖維等，由于其本身所含的麻甾醇、黃酮、酚類物質(zhì)、蒽醌類物質(zhì)、黃酮類和三萜類物質(zhì)等可以與細(xì)菌細(xì)胞壁及蛋白質(zhì)發(fā)生作用，導(dǎo)致細(xì)菌失活［67］。因此具有良好的抗菌性，但由于這些纖維的可紡性較差，并且價(jià)格昂貴，導(dǎo)致在抗菌紡織品中應(yīng)用受限。20 世紀(jì)80 年代開發(fā)的無機(jī)抗菌整理劑使得紗線的抗菌性能大幅提升。無機(jī)抗菌整理劑主要分為金屬型如銀、銅、鋅等離子化合物和光響應(yīng)性金屬氧化物如ZnO、ZrO2、TiO2等。由于這些無機(jī)抗菌整理劑具有即時(shí)高效且廣泛的抗菌性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、人體友好性，符合當(dāng)前綠色環(huán)保的趨勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。未來的抗菌防護(hù)紗線，應(yīng)是化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、紡紗加工等多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，對(duì)不同菌種的選擇性、高效性和安全性是其未來發(fā)展的一大趨勢(shì)。

4 結(jié)語

通過全面概述新型功能性紗線的最新進(jìn)展，回顧了功能性紗線的制備方法并討論了其優(yōu)缺點(diǎn)。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了纖維原料、紗線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制備工藝在功能性紗線構(gòu)建中的構(gòu)效關(guān)系。介紹了能源型、傳感型、響應(yīng)型、防護(hù)型、熱管理型等新型功能紗線及其應(yīng)用，并簡述了其發(fā)展趨勢(shì)。

（1）多功能的集成。單一功能的紗線越來越無法滿足人們?cè)诓煌瑘鼍爸械膽?yīng)用，例如，對(duì)于先進(jìn)的智能可穿戴設(shè)備，開發(fā)多功能的，集成傳感、能源存儲(chǔ)和信息傳輸?shù)榷喾N功能是非常有必要的。這對(duì)紗線的材料、制備工藝以及集成系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)，是未來需要攻克的難題。

（2）大批量的高效綠色制備。目前，部分報(bào)道的功能性紗線都是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模制造的，在轉(zhuǎn)向工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)方面存在許多挑戰(zhàn)。針對(duì)制備過程中存在的廢水處理、試劑回收等問題，需要開發(fā)新的策略，實(shí)現(xiàn)全流程制備的綠色環(huán)保無污染。

（3）標(biāo)準(zhǔn)的建立與制定。傳統(tǒng)的紗線及紡織品標(biāo)準(zhǔn)并不完全適用于功能性紗線的評(píng)價(jià)以及測(cè)定。因此，需要制定與之對(duì)應(yīng)的功能性紗線標(biāo)準(zhǔn)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)紗線及其紡織品的有效對(duì)比。