一块看似寻常的地毯，能精准识别房屋主人与陌生人的脚印，还能及时上传入侵者的行走轨迹，这是下一代智能安防侦察地毯给人们带来的全天候安全守护；一款看似普通的枕头，能在人们入睡时完成头部受力分析、睡眠状况评价和睡姿调整，这是下一代压力枕套为人们提供的睡眠状态监测功能……

“智能化是下一代功能性纺织品的第一属性。”近日，西北工业大学教授刘旭庆接受记者采访时表示，随着人们对功能性纤维材料的深入研究，以及柔性微型电子器件和5G通讯技术的兴起，未来的功能纺织品通过多学科交叉、高技术融合，必将在智能化方面发展迅猛，逐步形成具备光伏、储能、触摸传感与显示等多功能集成的智能纺织品体系。

“我们的实验显示，耐高温芳砜纶发光纤维在室温到200℃范围内，其发光强度会随温度升高先增强后减弱，100℃时达到最大值。用该纤维制成的纺织品可用于消防员夜间救火、野外夜间及黑暗空间作业的警示和辨识等穿戴。”刘旭庆向记者介绍了一款基于微流控湿法纺丝工艺制备“皮芯”结构的发光纤维。以芳砜纶为内层，以稀土-芳砜纶发光层为皮层，学校研发团队通过控制凝固浴浓度，利用湿法纺丝制备了稀土含量2%-10%的耐高温芳砜纶发光纤维。以稀土含量为8%的耐高温芳砜纶发光纤维为例，该纤维总体发光强度维持在12MPa-24MPa之间，发光时间可持续6小时之久。同时，随着温度变化，该纤维发光颜色会发生明显变化，可以及时反映环境温度的变化。

赋予耐高温、防水等功能性纺织品主动发光和自我热管理等属性，是未来功能纺织品智能化发展方向之一。

防水电加热纱线的应用

“我们把电热纤维封装后编织成织物，缝合在潜水服表面，为身体进行加热，可防止在寒冷水域作业的潜水工作者发生水下失温而威胁生命。”谈到防水电加热纱线的研发，刘旭庆表示，学校研发团队对石墨烯高度取向的PAN（聚丙烯腈）导电纤维的研究发现，石墨烯-PAN纤维电热性能稳定，仅需6V电压，升温速率可达2.8℃/秒，叠加优异的防水性能，可以作为水下加热器使用。“我们利用石墨烯-PAN纤维这些特性，构建了水下电加热织物封装系统，通过手机App控制，研制出了加热性能快速可控的水下电加热织物。”刘旭庆说。

“室外测试显示，人体穿着一件由双组份纤维素制冷纤维制成的运动衣，在运动时的体表温度要比穿着普通棉或化纤运动衣低3℃-4℃，大大提高了人体运动时的舒适感。”谈到制冷纤维的研发，刘旭庆表示，学校研发团队将干喷湿法纺丝工艺与微流控相结合，以氮化硼 (BN)作为内芯层，其两边夹持二氧化钛/纤维素层，制备出了“三明治”夹心结构的双组份纤维素制冷纤维。其中BN取向的内芯层是导热层，其热传导率可达0.109瓦特/米·度，含二氧化钛的两个外边层具有反射太阳光的作用，反射率高达87.2%。用该纤维制成的制冷织物对内在热量发射率高达91.2%，显示了高超的散热效应，将来在竞技体育、高温作业防护等领域具有广泛的应用前景。 

无论是在智能安防地毯、睡眠监测枕套所需的压力传感织物中，还是在人体心率监测内衣、夜间救援警示防护服等智能可穿戴纺织品中，导电纤维、纺织传感器件、纤维结构的电极等电子纺织品已经成为必不可少的组件。如何让这些电子纺织品组件与普通纤维材料更紧密牢固融合，做到可洗可穿，易于护理，是未来功能纺织品智能化需要克服的一大课题。

瞬时电热焊接工艺过程

“我们首次提出使用‘瞬时电热焊接方法’加工纳米碳-宏观复合导电纤维，研制的玻璃纤维-碳纳米管（CNT）导电纤维具有良好的柔韧性,可实现打结和弯曲。”谈到功能纺织品智能化关键技术的突破，刘旭庆表示，学校研发团队将CNT涂覆在原纤维表面，经过105V电压、20毫秒瞬时电脉冲的多次循环，使纤维表面瞬时焊接温度在0.5秒内升高到1000℃，在快速耗氧的瞬间，CNT迅速嵌入融化的纤维表层，制备出表面具有CNT导电通路的纳米碳-宏观复合导电纤维，解决了碳纳米材料不能大规模使用，以及纳米与宏观纤维牢固结合问题。以芳纶纤维-CNT导电纤维为例，经瞬时焊接技术处理的纤维与其他化学处理法相比，其界面强度提高了100%，经5次以上、每次20分钟的超声洗涤实验显示，焊接的芳纶纤维CNT牢固而从未脱落。这项宏观纤维表面纳米瞬时电热焊接技术为导电纤维的柔性穿戴实现了制造技术的创新。

受到树干年轮的启发，刘旭庆教授团队研发了基于短碳纤维薄膜的“树干年轮”状电极。这种超强碳纤维结构电极设计，其压缩强度高达2.8Mpa，模量可达36.8Mpa。刘旭庆介绍，研发团队将长度小于5毫米的碳纤维垂直排列，构成厚度仅为200微米的薄膜；然后在薄膜上涂覆磷酸铁锂浆料，使电极颗粒均匀分布于竖直的碳纤维之间；最后将涂覆电极材料的碳纤维薄膜卷曲、切割得到圆形电极。CT扫描显示，这种电极呈现年轮结构、层与层之间接触紧密，竖直排列的碳纤维结构为电极导热提供了通道和可靠的力学强度。实验证明，短碳纤维薄膜的“树干年轮”状电级的热传导系数是1.2瓦特/米·度，是传统涂覆电极的3倍；阻抗仅是传统电极的1/3；在供电量为2毫安/平方厘米的前提下，其比容量为150毫安/克，远远大于传统电极的65 毫安/克，在未来柔性智能可穿戴应用领域具有明显的优势。

纤维电池是能源储存纺织品的核心，其进一步与导电纤维、纺织传感器件、纤维结构的电极等功能组件集成，可构建安全防护、健康监测等智能纺织品系统。

“我们在染色纤维的表面赋予基于Al?O?/PU(聚氨酯)薄膜的光扩散层和基于荧光粉/TiO?/聚偏氟乙烯共聚物P(VDF-HFP)薄膜的光转化层，研制出高效的多色纤维染料敏化太阳能电池。”上海第二工业大学副校长、东华大学教授丁彬向记者介绍了纤维电池最新研发成果，“这款太阳能纤维电池，其光转化层可以将紫外光等转换为染料分子可见光，进一步拓宽太阳光谱的利用范围，其光扩散层可通过米式散射，提高透光率。两者叠加，这款纤维电池的太阳能转换效率达13.11%，可集成到日常服装中进行智能健康监测。”

高性能纤维电池的集成

“我们研发的聚合物凝胶电解质纤维电池，其容量保持率大于80%，库伦效率大于98%，可为消防服电子设备，或是极寒环境下的加热服提供大功率、稳定的电源。”谈到纤维电池高功率输出与稳定性的研究，丁彬介绍，研发团队首先在纤维中构建了具备内、外双通道的网络结构，使凝胶能充分有效浸润，达到高性能储能的应用需求；然后将一种聚合物单体溶液通过对齐通道渗入阴极和阳极纤维上，聚合形成聚合物凝胶电解质；最终构建了聚合物凝胶电解质与电极纤维的紧密接触界面，提高了电池纤维的稳定性。经实验证明，该纤维电池被编织成大面积的电源纺织品，达到与传统商业电池相当的高容量输出。

当前，新能源电池的发展方兴未艾。从固态电解质纺织品到氢能燃料电池用纺织品，在解决制约产业发展的关键瓶颈问题上发挥着不可替代的作用。

“新能源汽车使用的锂电池面临着低温环境续航衰减快、高温环境易着火的难题，开发长续航、宽温区、高安全锂电池是产业发展的重要方向。我们利用固体电解质薄膜的对辊成型技术，实现了有机/无机复合电解质薄膜的可控制备，研制出了固态电解质纺织品。”谈到固态电解质纺织品在新能源领域的应用前景，丁彬表示，实验证明，以固态电解质纺织品为核心材料加工生产的固态锂电池，其能量密度高达280瓦时/千克，且从-60℃至190°C保持电池容量稳定，满足了长续航的要求；在210℃环境下，对其进行针刺、短路、过充、撞击、挤压等实验，电池不起火、不冒烟、不爆炸，满足了高安全性的要求。 

“氢燃料电池通过水裂解成氢和氧释放出能量，是完全洁净的能源，是新能源电池的未来。其中，碳纸作为一种分离材料，其技术是我国氢燃料电池发展的瓶颈。”丁彬介绍，碳纳米纤维纺织品是氢燃料用高性能碳纸的核心材料。目前，团队的碳纳米纤维碳纸研发将进入中试阶段，其可纺性、强度等指标处于领先水平。未来，在氢燃料电池碳纸、电极等方面都有很大的发展空间。

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