1智能纖維2第七章智能纖維智能纖維——指能夠感知環境的變化或刺激，如機械、熱、化學、光、濕度、電和磁等，并做出反應的纖維。包含：傳感器、執行器和可能含有的中央處理器或具有傳感、執行、調節適應的功能。傳感器：探測環境的變化或刺激產生信號執行器：對來自傳感器或中央處理器的信號做出反應。中央處理器：認知、推理和判斷。37.1纖維傳感器

7.1.1智能材料中傳感系統的選擇對傳感器的基本要求

(1)滿足強度相容要求傳感系統：測量材料自身溫度應變及多種環境參數，是智能材料自診斷、自適應的基礎。★不應使原材料強度下降或下降很小；★傳感器的測量動態范圍(如應變、扭轉、撓曲等)應與基體材料的工作強度和外加載荷相匹配。4(2)滿足界面相容要求★傳感介質表面應與基體材料有良好的親合能力；★兩者應具有近似的熱膨脹系數。(3)滿足工藝相容要求★傳感系統的埋入不應給基體材料的生產工藝帶來困難；★傳感介質能經受基體材料制作工藝中壓力、溫度、電場、真空條件等的考驗。5(4)滿足場分布相容要求傳感系統不應影響基體材料內各種物理場(如應力場、電磁場、振動模式等)的分布。(5)滿足尺寸相容要求埋入的傳感系統應有足夠小的體積，不對基體材料組分和物理性能的連續性產生影響。67.1.2光學纖維傳感器(1)定義、機理光纖傳感器：將被測對象的狀態轉換成光信號來進行檢測的光學傳感器。本質上是一種器件。組成：光源光纖探測器7機理：將一光源發出的光學性質保持不變的光通過某種固定的耦合方法入射到光纖，經光纖送入調制區，在調制區內外界物理量、化學量、生物量等被測參數與進入調制區的光相互作用，使光的光學性質如光的強度、波長、頻率、相位偏振態等發生變化成為被調制的信號光，再經光纖送入光探測器檢測而獲得被測參數和被測對象的狀態。測量物理量：溫度、壓力、速度、流量、應變、位移、電磁場、化學物質濃度等特點：具有抗電磁干擾、電絕緣、尺寸小、重量輕、靈敏度高、耐化學腐蝕、被測量范圍廣，不會影響與復合材料的結構統一性。當前智能材料首選的信息傳感和傳輸的理想載體。8光纖材料的種類無機材料：石英玻璃、多組分玻璃、紅外玻璃、摻稀土元素玻璃、藍寶石晶體等；有機材料：具有極好光學性能的塑料。9光纖傳感器的種類

測光強、光干涉及光柵傳感器。布拉格光纖光柵及其衍生光柵：最好的多點和分布情況探測傳感器。10含有光纖傳感器的智能復合材料復合材料中埋入光纖傳感器和執行器是應用前景最廣、技術基礎最成熟的一種智能材料。智能結構：大型智能構件(如橋梁、建筑物、大壩的水泥預制件，核反應堆、火箭發射臺的基座，航天飛行器、陸地戰車和潛艇的框架等)。測量：結構的載荷大小、振動幅度、溫度和應力分布、應變、扭曲、蠕變、層解、微裂及其它損傷用于：載荷引起的結構疲勞和地震災害預測等軍用及民用大型設施。11功能：與內部執行器配合，自動檢測和控制殼體振動、流體與表面引起的噪音，自動檢測和調節材料的多種性能(如反光性能、反輻射性能、電或熱導性能、通風滲透性能等)，或改變自身形狀。飛行器在戰斗中損傷后：能識別損傷類別、范圍和程度，評價損傷對整機性能的影響，幫助飛行員做出決策。

機翼復合材料：及時探測機翼損壞情況，以便及時進行修復或實現自動修復。智能蒙皮：用于機翼、潛艇外殼，推進器葉片等。12光纖傳感器植入降落傘中，即時探測降落傘飛行過程中的動態應力變化情況；導電聚合物包敷的光纖傳感器植入織物，用于戰場上化學或生物物質的探測；塑料光纖傳感器植入襯衣探測心率的變化；判斷戰場上士兵受傷部位和受傷程度；兒童和病人的日常健康監護。137.1.3導電纖維傳感器成功和普遍應用在柔性材料方面。導電聚合物和金屬兩類。導電塑料1977年日本筑波大學白川英樹首次合成。聚合物具有導電性的條件：●具有共軛的π電子體系；●經過化學或電化學摻雜，即通過氧化還原過程使聚合物鏈得到或失去電子。14導電塑料的分類(1)結構型導電塑料(本征型導電塑料)

本身結構或經過摻雜某些元素后具有導電功能。合成方法：化學方法(無規共聚或接枝共聚)，如聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等。(2)復合型導電塑料在塑料中加入各種導電性物質。制備方法：物理共混(分散復合、層壓復合及被覆表面導電膜等）15導電聚合物的電導率依賴于溫度、濕度、氣體和雜質等因素。導電聚合物纖維傳感器的分類光學傳感器(輸出信號：光)

電流傳感器(輸出信號：電流)

電導傳感器(輸出信號：傳導率)

以質量和電阻為反應方式的傳感器。導電金屬纖維：刺繡工藝中用的金銀線;

不銹鋼、金、銀、銅纖維；金屬鍍層的芳綸纖維。傳感原理16導電纖維傳感器的應用檢測的量：溫度、應力、電磁輻射、化學物質種類和濃度等。★聚吡咯涂層纖維：制成織物傳感器★聚吡咯：直接用于氨和酸的探測與其他聚合物結合可組成探測氣體混合物的傳感器。★聚吡咯涂層萊卡纖維制成織物，可感受外力拉伸而探測出手指運動情況。17★用不銹鋼纖維在織物上刺繡出不同的電路：制成織物軟鍵盤。用于新型服裝：閃爍發光的連衣裙、音樂甲克等。★導電纖維和絕緣纖維紗線交替編織：制成可測壓力的織物。187.2纖維執行器驅動方式：光、電、磁、機械、熱和化學物質等刺激。電驅動纖維執行器功能性電化學器件：電致變色顯示器、電化學傳感器、人工肌肉等。原理：導電聚合物在氧化還原摻雜過程會發生長度、體積、顏色和力學性能等性能的可逆轉變19聚苯胺纖維執行器：利用聚苯胺在氧化-還原過程中的軸向伸縮作用；彎曲機：利用聚吡咯纖維在電場作用下摻雜和脫摻雜過程中的不均勻收縮導電聚合物人工肌肉——第二代人工肌肉

20化學驅動纖維執行器堿處理后的聚丙烯腈絲束在所處環境的酸堿度發生變化時，可發生長度的可逆收縮和伸長，遇酸收縮，遇堿伸長，長度在原來長度的10％～4倍之間變化，每平方厘米的絲束可以承受40N的拉力。低pH值時：分子鏈去離子化，水從網狀分子鏈中排出進入溶液，分子鏈網發生收縮；高pH值時：聚丙烯腈分子鏈離子化，水從溶液中進入網狀高分子鏈，分子鏈網發生伸長。機理：不同pH下分子鏈上的極性基團的離子化和去離子化。217.3形狀記憶纖維熱成型時(一次成型)能記憶外界賦予的形狀(初始形狀),冷卻時可以任意形變,并在更低溫度下將此形變固定下來(二次成型),當再次加熱時可逆地恢復到原始形狀的纖維。形狀記憶的誘因物理因素：熱能、光能、電能和聲能等；化學因素：酸堿度、螯合反應和相變反應等。鎳鈦合金纖維：研究和應用最普遍典型應用：將鎳鈦合金纖維鋪設于絕緣基體中制成的自診斷、自愈合智能復合材料；防燙傷服裝。22形狀記憶絲綢

將絲浸入水解后的纖維性的角朊和骨膠原中,然后干燥、卷曲、再次浸水、110℃高壓(0.2-0.3MPa)熱定形10min后制成。絲被退捻到無卷曲狀態后,通過60℃熨燙就可使之恢復卷曲。廣泛用于：外套、襯衣和舞蹈緊身衣。形狀記憶聚合物纖維聚酯、聚氨酯、聚酯醚等。用于：包裝材料、免熨襯衣、頭套、領帶和尿布等。237.4防水透濕織物

(1)微孔膜型防水透濕織物美國Gore公司Gore－Tex聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜；聚偏氟乙烯(PVDF)微孔膜；聚氨酯微孔膜機理：孔徑尺寸介于水滴和水蒸氣之間，水蒸氣可以順利通過該膜，而水滴卻無法通過該膜。Gore-Tex聚四氟乙烯微孔膜孔徑0.2-5μm24(2)親水性無孔防水透濕膜織物

利用高分子間“孔”和親水基團透濕；利用薄膜本身的連續性和較大的膜面張力防水。高分子膜在玻璃化溫度(Tg)以上時，大分子鏈段開始運動，鏈段運動的空間構成了“孔”，能允許水分子通過；在大分子鏈上引入親水性鏈段，將其制成薄膜，水分子在親水性膜兩側的水蒸氣壓力差驅動下以親水性鏈段上的親水基作為階梯石，按“吸附一擴散一解吸”的方式，由高濕度側傳遞到低濕度側，從而達到透濕目的。透濕性決定于高分子膜本身的性能、厚度；薄膜兩側水蒸氣分壓之差。25材料：聚酯、聚氨酯、聚對苯二甲酸丁二酯－聚乙二醇嵌段共聚物（Sympatex）、聚酰胺等親水基團：聚乙二醇26溫敏親水性無孔防水透濕膜織物能感知外界溫度的變化，并通過其透濕性的變化發生響應——主動智能型防水透濕織物。

典型代表：聚氨酯機理：在玻璃化溫度以上：分子鏈微布朗運動驟然加劇，導致自由體積急劇增大，為水蒸汽的通過提供更多的途徑，使透濕量迅速增加；在玻璃化溫度以下：分子鏈微布朗運動減慢，分子鏈間排列緊密，阻止濕氣的通過，透濕量減少，27硬段軟段無定形區28猶如人體皮膚，主動智能型防水透濕——會呼吸的防水透濕織物隨人體溫度的變化，透濕量隨之改變，透濕量隨溫度的變化恰好與運動時人體的排汗規律相吻合29(3)親水性涂層無孔膜防水透濕織物在織物的內側表面涂層整理特定組成的聚氨酯（以分子量為400～2000的聚乙二醇為軟段，含量25％～45％）透濕量：隨聚合物中聚乙二醇含量和聚乙二醇嵌段分子量的增大而增大，但防水性能和強度隨之下降。

產品：英國Baxenden公司

Witcofles。30防水透濕織物的應用防雨服裝防寒服裝面料冬季鞋、靴面料包裝材料帳篷及建筑屋頂材料潛水服317.5變色纖維具有特殊組成或結構的，在受到光、熱、壓力、水分或輻射等外界刺激后可逆、自動改變顏色的纖維。光敏變色纖維、熱敏變色纖維、電致變色纖維(1)光敏變色纖維：某些物質在一種波長的光的照射下發生變色，而在另一種波長的光的作用下又會發生可逆變化，回到原來的顏色——光敏變色光敏變色材料：具有異構體的有機物：螺吡喃、萘吡喃、螺亞嗪、降冰片烯衍生物等。32光敏變色機理：①分子異構化；②分子自由基離解；③分子離子裂解；④氧化還原反應。制備工藝：●將光致變色材料和高聚物共混通過溶液紡絲、共混紡絲或復合紡絲技術制得的纖維；●將光敏化合物包裹在微膠囊中對纖維進行印花。33光致變色紗線：在紫外光照射下能產生橙、紫、藍、洋紅、黃、紅和綠等顏色。光敏變色纖維應用：娛樂服裝安全服裝飾品防偽制品日本：將螺吡喃類光敏化合物包裹在微膠囊中用于紡織品印花。印花織物在350－400nm的紫外線照射后，由無色變為淺藍色或深藍色。T恤衫：1989年供應市場34(2)熱敏變色纖維

隨溫度變化顏色發生變化的纖維。

制備：將熱敏變色劑充填到纖維內部；將含熱敏變色微膠囊的氯乙烯聚合物溶液涂于纖維表面，經熱處理使溶液成凝膠狀。熱敏變色材料：有機、無機35熱敏變色機理：●螺旋體結構，對白光選擇性吸收，并反射某些波長的偏振光，表面反射和透射兩種不同顏色的光；●反射和透射的顏色隨螺旋結構的伸長或縮短而變化；●螺旋結構對溫度非常敏感，伸縮隨溫度的變化而變化；●液晶本身的光學各向異性也會產生顏色變化。液晶類：膽甾型液晶36熱敏變色機理：通過對溫度敏感的物質使介質pH值發生變化，從而引起結構的變化，進而導致顏色的變化。

隨溫度改變發生分子重排的染料：三芳甲烷類、熒烷類、螺毗喃類等。溫敏物質：在一定溫度下發生熔融的有機溶劑應用思路：制成微膠囊后再進行紡織品的印花或涂層加工。37溫度低于溶劑熔點時：顯色劑與色素結合顯現一種顏色；溫度高于溶劑熔點時：顯色劑和染料分離并溶于溶劑的熔融體中，消色。微膠囊內包含：熱敏變色染料、顯色劑和溶劑(消色劑，在低溫下為固態)。調整三者組成比例，就可實現變色溫度的選擇性、顏色自由組合和變色的明顯度變化，且這種變化是可逆的。38日本東麗Sway

將熱敏染料密封在直徑3～4μm的膠囊內，然后涂層在織物表面。四種基色，可組合成64種不同的顏色。滑雪服變色溫度：11～19℃；婦女服裝變色溫度：13～22℃；燈罩布變色溫度：24～32℃。美國：“變色龍”軍服變色顏料分子結構和排列方式隨溫度的不同而發生變化；隨周圍環境的變化而自動變色，呈現與背景相一致的顏色。397.6調溫纖維在一定的溫度范圍內，可根據環境溫度的變化自由調節溫度的纖維，一般用來做成調溫紡織品。當環境溫度高于或低于人體溫度時，調溫紡織品可以吸收熱量或釋放熱量，從而起到調節溫度以及動態保溫的作用。原理相變材料在相變過程中的吸收和釋放熱量的效應：407.6.1相變材料及其熱效應相變材料：在一定的明確的溫度范圍(相變溫度范圍)內可以改變物理狀態的材料。●當外界溫度升高時，材料吸收并貯藏熱量發生熔化，材料由固相變為液相，直至完全熔化，停止貯熱；●當外界溫度降低時，材料將貯藏的熱向環境釋放，同時由液相變為固相。●在相變過程中，材料本身的溫度幾乎保持不變。41水0℃

：冰水相變潛熱：335kJ水的比熱容：4.2kJ/(kg·℃)用于纖維和紡織品的相變材料：無機相變材料：MgC12·6H2O、CaCl2·6H20、Na2SO4·l0H20、Na2HP04·12H20等。相變溫度：35℃以下，相變熱：120－300kJ/kg。不同的水合鹽混合，可調節相變溫度。有機相變材料：脂肪酸類、多元醇類、高級烷烴類和有機酯類等。聚乙二醇：相變性能決定于分子量及整理工藝條件。含12－24個碳原子的直鏈烷烴。42相變材料的添加方法①充填法利用特殊加工技術將一定長度的中空尼龍纖維浸于一定濃度的相變鹽水溶液中，使中空部分充滿相變材料溶液，干燥后，將纖維兩端封閉，即可制得調溫纖維。②浸軋法通過傳統的浸軋(含相變材料的整理液)－烘干－焙烘整理工藝，將不同分子量的聚乙二醇通過交聯劑交聯到織物上，形成一層相變薄膜，該薄膜具有顯著的貯熱和釋熱功能。43③微膠囊法利用微膠囊技術將相變材料包裹在直徑為幾微米的微膠囊中，然后通過加入到高聚物溶液中紡制纖維、加入到泡沫液中進行織物涂層或加入到膠粘劑中用于非織造布等方式制取調溫纖維或紡織品，利用微膠囊貯熱、釋熱。447.6.2蓄熱調溫纖維

能夠根據外界環境溫度的變化，纖維中所包含的室溫相變物質發生液－固可逆相變，或從環境中吸收熱量儲存于纖維內部，或放出纖維中儲存的熱量，在纖維周圍形成溫度相對恒定的微氣候，從而在一定時間內實現溫度自動調節功能。20世紀80年代，NASA“Outlast”織物以烷烴碳氫化合物為相變材料，451997年初市場化：服裝、繃帶、滑雪衫、靴、手套、襪、帽等，體育運動服裝的各個方面。2000年初：汽車頂棚用調溫紡織品和汽車內裝飾織物。467.6.3調溫、調濕纖維原理●水分子由氣態轉變為附著在纖維表面的液態，伴隨這一過程放出一定的熱量；●溫度升高或環境濕度下降時，水分子由吸附態變為氣態，從纖維或環境中吸收一定的熱量，造成纖維的溫度下降。吸濕積分熱：干重1g的纖維從某一回潮率開始吸濕到完全濕潤時所放出的熱量羊毛：112.62J/g；棉花：46.05J/g；聚酯纖維：5.44J/g。47聚丙烯酸分子鏈進行高親水化處理(金屬鹽型)，分子鏈中引入NH2-、-COOH基團，并進行交聯處理。

日本東洋紡公司：愛克蘇調溫性：●它的相對濕度從0變化到85％時，1g纖維放出的熱量可使1杯水的溫度上升約1℃，放熱能力是羊毛和羽絨的2倍左右。●吸濕和放熱速度比較緩慢，可均勻地釋放，從而使衣內溫度緩和調節，也能防止出汗后的冷感，故穿著空間能經常保持舒適的溫度區間。48調濕性：●親水性基團含量超過任何一種天然纖維，故吸濕性很高，吸濕能力約是木棉的3.5倍(20℃和相對濕度65％)。●吸濕放熱和脫濕吸熱過程較平穩且可調，吸濕和放濕速度可以