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新时代纤维~纤维在物联网与人工智能时代的延伸

发布时间:12-14 10:47   来源:来源  点击:   发表评论

 

人类社会的发展与纤维息息相关,从原始社会的天然纤维,到工业社会的化学纤维,再到以物联网、人工智能等革新技术推动为代表的智慧社会……而今纤维的发展也正在跨入一个新时代——智能纤维。


 
那什么是智能纤维呢?智能纤维是指能够感知(外部或内部环境的变化)、信息处理并作出响应的纤维,其本质上是物联网和人工智能在纺织业的一个应用延伸。正是基于对它的应用,让传统的纤维拥有了生命和智能。


1、国内外支撑计划

 

早在2005年,法国在北部里尔的全国第二发达技术纺织品生产集聚区,建设了纤维新材料与产业用纺织品技术创新基地Up-tex,致力于智能纤维面料、生态科技纤维面料等方面的创新和生产。德国从2013年起就提出了名为“未来纺织”的国家级战略项目(futureTEX),立志将纺织业打造成为基于新材料、节能环保、智能产品等的创新基地,目标让新型纺织、纤维作为工业4.0的急先锋,成为德国最有创新活力的行业之一。欧盟于2014年发布“HORIZON2020”计划,对纤维产品高质化、专业化及其技术创新机制等方面进行全面布局,核心为高性能、多功能和智能化纤维。美国于2016年成立革命性纤维与织物制造国家创新机构(RFI-IMI),致力于开发多材料多结构多功能的智能纤维及织物,并且加强纤维材料的军用转民用,促进纺织纤维与多学科、多领域的交汇融合。

 


我国纤维行业紧跟《国家创新驱动发展战略纲要》、《中国制造2025》、供给侧结构性改革等政策步伐,明确高质量发展要求,推动新材料发展战略的实施,促进功能性纤维、生物基纤维等基础新材料,高性能纤维等关键新材料,石墨烯改性纤维等前沿新材料的创新发展。纤维领域与新兴科技交叉与融合,已形成前所未有的多维发展空间,呈现极限、多元、智能、绿色、融合、服务等新发展主题。


2、智能纤维的设计

 

01、从材料角度出发

 

多组分是构筑智能纤维的有效途径。以碳纳米管、石墨烯为代表的新兴材料具有特殊物性和优异性能,成为智能纤维的主体材料。石墨烯是由碳原子以蜂窝状链接起来的二维片状纳米材料,具有迄今为止最高的拉伸强度和杨氏模量,同时还有最快的载流子迁移率以及最快的传热速率,具有极大的应用潜力。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管,是一种一维纳米材料,具有优良的力学、电学和化学性能,碳纳米管纤维继承了碳纳米管的诸多优异性能。

 

02、从结构角度出发

 

多结构是构筑智能纤维的另一有效途径。不同的纤维截面形貌使得纤维具有额外特殊性能,例如将纤维制作成三角形,五边形,八边形时,可以将照射到纤维表面的光最大程度地散射出去,使织物看上去不会耀眼,且颜色更加鲜艳。同时中空结构、梯度结构、皮芯结构等结构将使得纤维更凸显出其智能化。


3、智能纤维的雏形

 

01、导电纤维


本研究团队以湿法纺丝方法连续制备得到石墨烯纤维,其导电率达到104S/m。另外,东华大学朱美芳团队通过表面工程化方法在聚苯硫醚织物上涂覆石墨烯,获得导电织物,其导电率可在10-2~101S/m区间调节,并且导电织物具有良好柔性,即使在弯折条件下导电性能仍然不受影响。这些导电纤维与织物在电子纺织品和可穿戴设备上具有广阔的应用前景。

 

02、发电纤维


复旦大学彭慧胜团队制备了一种碳纳米管/二氧化钛复合纤维,并且以此构建了太阳能电池纤维,其转化率为2.73%。后来该团队又制备了一种石墨烯/铂纳米颗粒复合纤维,并且以此构建了太阳能电池纤维,其转化率高达8.45%,接近12%。这个可实用化的转化率,为太阳能发电服提供了可能。

 

03、储能纤维


目前主要有超级电容器纤维和锂离子电池纤维。例如两根石墨烯/二氧化锰复合纤维相互缠绕,中间隔离电解液即可作为超级电容器纤维,该纤维可以持续点亮一个LED灯长达8小时。而对于锂离子电池纤维,如果采用碳纳米管/钛酸锂纤维作为负极,碳纳米管/锰酸锂纤维作为正极,该锂离子电池纤维如果编织成A4纸张大小的织物,可以为一部手机充电2~3次。

 

04、传感纤维


东华大学朱美芳研究团队制备了一种苯乙烯/碳纳米管复合纤维,可以实现对氨气、甲苯、丙酮、四氢呋喃等有害气体的精确检测,该纤维具有快速响应(小于40s),高灵敏性和重复使用等优点。

 

05、致动纤维


东华大学王宏志团队通过湿法纺丝获得石墨烯/聚丙烯酸钠复合纤维,该纤维对近红外光有强烈的感知能力,在光照下可以转动自身体重20倍的材料。北京理工大学曲良体团队制备了具有截面不对称结构的石墨烯纤维,对湿度拥有良好的响应特性,该纤维编织成的布料在不同的湿度环境下可以实现不同的弯折情况,并且随着湿度的周期性变化,实现布料的周期性运动,有望实现全新的机器人驱动方式。

总而言之,智能纤维正在蓬勃发展,但是目前还处于初级的阶段,从纤维组分、结构、制备工艺、设备到最终的应用领域,都将面临重大的挑战和革新。智能纤维不仅仅关乎材料学科、化纤和纺织行,还将会融合数学、IT、电子等众多学科和医疗、军工、航天等多学科、多行业。

 

1985年电影中出现的自动系鞋带鞋子到2016年才得以实现,那么2008年在电影中出现的钢铁侠战袍,什么时候能够实现?这对智能纤维提出了新的挑战。

 

 

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