第六章智能纤维案例

例2：美国Georgia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 的变化来判断战场上士兵的受伤部位和受伤程度。
例3：加拿大Tactex Controls公司将 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 光纤时，会由于光纤的弯曲而 改变方向或反射。探测多根光 纤中光线传输情况的变化，可 以监测织物所受压力的情况。 精确设计光纤排布，可以获 得很高的探测灵敏性，可用于 乐器和游戏机键盘。
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
方法。
例1: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
灰色变为青色。
例2: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 。
三、几类主要的智能纤维
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。
(2)共混
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 丝熔体或溶液混合后进行纺丝。
例1：日本Kanebo公司将吸收350 nm-400 nm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 微胶囊中，用于印花工艺制成光敏变色织物。 例2：东华大学用淡黄绿色的1,3,3-三甲基螺[吲哚啉2,3’-(3H)萘并(2,1-b)(1,4)亚嗪]为光敏剂，与聚丙烯切片共混后制成 切片，再经240℃熔融纺丝制成含有1%－2% 光敏剂的聚 丙烯纤维 。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 皂洗性能和一定的光照耐久性。
光敏纤维、温敏纤维、pH值响应性凝 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。
（一）光敏纤维
光敏纤维：指在光的作用下，某些性能(颜色、 导电性能等)发生可逆变化的纤维。 主要有光敏变色纤维和光导纤维两种。 1. 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 颜色会发生可逆变化的纤维。
例3：沈新元等以自制的 超高分子量聚丙烯腈为原 料，通过凝胶纺丝制得了 多孔中空氧化纤维，然后 通过皂化制备了多孔中空 凝胶纤维。
7. 后处理 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。
例1: 形状记忆真丝的制造: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 在高压且潮湿的环境中进行热定型。 例2: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(10nm)超薄膜，制成了蓄 热调温纤维Ai-Techno。 例3: 美国Milliken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 在纤维的表面，制成了作织物传感器的导电纤维 。
黄色 绿色 图1 光敏物质变色原理
光敏变色纤维的制备方法：
(1) 染色
使用具有变色性能的染料参与纤维的染色；
例：美国Clemson大学和Georgia理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， 使纤维的颜色能够实现自动控制 ，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
长的聚酰胺长丝。该染色纤维含有15mg/g的偶
氮染料，当暴露在氙灯下时，其长度缩短了
0.33cm。它能在分子水平将光能直接转化为机
械性能。 例2: 日本帝人公司用粒径5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。 该纤维在20℃显浅兰色，在35 ℃不显色。
5. 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 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 晰的复合纤维。
1899年Marckwald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 可以改变颜色的作战服。
光敏变色纤维通过在纤维中引入光敏变色体而制得。 光敏变色体: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 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， 吸光后反式偶氮苯变为顺式，最大吸收波长从350nm蓝移 到310nm,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。
制备智能纤维主要方法
例3：聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPA)在水溶液中的最低临
界溶解温度(LCST)约为33℃，这种聚合物在LCST以下膨 胀，在LCST以上收缩 。将NIPA接枝于壳聚糖纤维上,
在不同温度下退火处理 10h, 制得兼聚生物活 性和热敏性的纤维。
通过加入第三单体并改 变其含量和链长等，可 以制得LCST不同的热 敏纤维。
6.
高分子化学反应
通过分子设计，对现有的天然纤维、人造纤 维或合成纤维进行高分子化学反应，赋予其智 能化功能。
例1：Katchalsky等用盐溶液(例如LiBr、KSCN或尿素)处理 羊毛纤维、胶原纤维使其交联结晶。处理后的羊毛纤 维在LiBr的丙酮/水溶液中急剧收缩。
例2：Umemoto等将PAAm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PAAm凝胶纤维。 该纤维在水中伸长，在丙酮中收缩。
智能纤维
一、概述
智能的概念：
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 的对外界刺激的反应能力。
蜥蜴皮肤的颜色随周 围环境改变
变色龙
含羞草的叶子受到触 碰而闭合
1989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(Intelligent Materials) 概念。
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。
例：采用界面缩聚的方法，将含金属钛(或锆)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 104－106 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 度变化呈不同颜色，可做测温仪表用的热敏元件 。
光 导 纤 维
玻璃光纤:石英、蓝宝石
塑料光纤
长且容量大可 用作公共通信
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。
例1：美国Drexel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。 将用聚乙炔和聚苯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 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 。
例2: Sun等以NaOH溶液为凝固浴，采用湿法、干湿法纺丝 技术制备了CS-PEG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 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pH响应性。
例3: 顾利霞等采用氧化还原体系引发剂，在PVA水溶液中
原位聚合AA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PAA发生脱水 酸酐化及PVA与PAA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。
2. 光导纤维
光导纤维：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 和单向传输功能。
自1970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 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 测应变、温度、位移、物质化学浓度、加速度、压强、 电流、磁场以及其他的一些信号，是迄今为止发展最 为成熟的纤维传感器 。
例1：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(例如聚乙烯)混合作 为芯部，高熔点成纤高聚物(例如聚酰胺、聚酯等)作 为鞘部。
普通纺
皮芯复合纺
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。
例2：热反应纤维 —— 一种对温度反应特别敏感的调温 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 应，制得的杂化纤维可通过光束控制而在不同温度下 进行“逆向补充能量平衡”：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 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 低温对人体皮肤的伤害。
3. 交联 交联反应主要由官能度大于2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 和官能团，从而使大分子间形成新的化学键。
例1:日本工业科技机构工程实验室将高浓度(10％ -15％)的 聚乙烯醇(PVA)溶液与分子量为170000的聚丙烯酸酯类 树脂混合，在-25～-45℃ 冷冻，然后融化，重复10至20 次，直至PVA交联，成为橡胶状固体。他们将这种固 体加工成直径为1.8mm的纤维，这种纤维能根据溶液pH 值的变化而迅速膨胀和收缩。
2. 接枝共聚
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。
例1: Karlsson等采用臭氧活化纤维素，接枝丙烯酸单体制 备了pH响应水凝胶纤维。
例2：Vigo等以锰盐等复合引发剂，将分子量为1000－4000 的PEG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 缩率可达35％，干态时恢复到原始尺寸。
(二) 温敏纤维
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。
主要分为热致变色纤维和温敏凝胶纤维
1.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 逆的变化。通过在纤维中引入热致变色物质而制得。 热致变色物质：液晶类和分子重排类。两种类型的染 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