传感纤维的纱线种类(纤维与纱线的鉴别与分析)

导读

据美国德雷塞尔大学官网近日报道，该校研究人员为标准的纤维素基纱线涂上导电的二维材料“MXene”，创造出高度导电、耐用的纱线。

背景

智能化，是传统纺织产业的新发展趋势之一。智能织物，也称“电子织物”、“智能服装”，是时下新兴的科技领域之一。它是电子、通信、新材料等新科技与传统纺织技术相互融合的产物。

（图片来源：Google ATAP）

智能织物不仅可由导电纤维、导电纱线、导电涂层、导电刺绣图案、导电叠片等各种导电材料制成，还可包含传感器、集成电路、LED、OLED、电池等各种电子器件。未来，智能衣服为我们带来许多惊喜的功能，例如显示、通信、储能、感知、供电等。

将高速光电半导体器件嵌入到纤维中做成具有通信功能的智能织物（图片来源：MIT）

可同时从阳光和运动中获取能量为智能手机等电子产品供电的智能织物（图片来源：乔治亚理工学院）

可洗涤、无需外部电源、基于织物的可穿戴显示模块（图片来源：KAIST)

弹性触敏纤维可作为人机接口使用（图片来源：北卡罗来纳州立大学）

然而，生产这些智能织物，或者说功能织物，实现我们想要的所有功能，同时又保留我们习惯的纺织品特征，并不是简单的任务。

创新

近日，美国德雷塞尔大学的两组研究人员找到了解决方案。其中一个研究小组领导着工业级功能织物生产技术的开发，另一个研究小组则是研究和应用目前强度最大、导电性最好的超级材料方面的先驱。

德雷塞尔大学功能织物中心传感领导着开发新型纱线和织物技术的研究。（图片来源：德雷塞尔大学）

他们改进了纺织品的一种基本原料：纱线，这种纤维让织物拥有特点、款式与触感。团队通过为这种纤维增添技术功能，将新功能编织到纺织品中，且不会损害其耐磨性。

（图片来源：德雷塞尔大学）

在一篇最近于《先进功能材料（Advance分析d Functional Materials）》期刊上发表的论文中，德雷塞尔大学工程学院教授 Yury Gogotsi 博士和韦斯特法尔媒体艺术与设计学院副教授、德雷塞尔大学功能织物中心主任 Genevieve Dion 为标准的纤维素基纱线涂上导电的二维材料“MXene”，创造出高度导电、耐用的纱线。

（图片来源：德雷塞纤维尔大学）

技术

遇到挑战

他们写道：“的目前的可穿戴产品使用了传统电池，它们庞大笨重、舒适度差，并将设计上的局限性强加于最终产品。因此，开发具备柔性、电化学活性和机电活性、可被织成全织物的纱线，为大规模生产基于织物的设备提供了新颖、实用的见解。”

例如，美国得克萨斯大学达拉斯分校（UTD）与韩国汉阳大学的科学家领导的国际科研团队开发出的高科技纱线“Twistron”，可以在自身被拉伸或者扭转时产生电能。这种纱线由碳纳米管构成，本质上是一种超级电容。研究人员称，将这种碳纳米管纱线浸入电解液时，纱线可通过电解液本身来充电，无需外加电源或者外加偏压。

（图片来源：UTD）

德雷塞尔大学的团队报告称，导电纱线将导电性更好的材料融合到纤维中，通过标准的工纤维业编织机织成电气性能一流的织物。这种功能与持久性的结合，在功能织物领域独树一帜。

（图片来源：德雷塞尔大学）

将织物转化为可穿戴技术的纱线大多数尝试都采用了僵硬的金属纤维，它们改变了织物的质地和物理行为。采用银纳米颗粒、石墨烯及其他碳材料制造导电织物的其他尝试，不仅带来了环境问题，也无法满足性能要求。涂覆法，能成功地将足够的材料涂到织物基底上使其高度导电，但也会使纱线和织物太脆，以至无法承受正常的磨损。

Dion 表示：“我们领域中最大的挑战就是，规模化地开发创新型功能纱线。这些纱线要足够结实，可集成到织物制造工艺中，并经得起洗涤。我们相信，处于实验阶段的任何新型导电纱线的可制造性都非常关键。导电纱线卓越的导电性能和电化学性能非常重要，但是能通过简单且可扩展的工艺制造，并具备合适的机械特性以整合到织物中，也同样重要。对于成功开发可像日常服装一样穿着的新一代设备来说，所有这一切都要考虑。”

获胜组合

Dion 过去一直是可穿戴技术领域的先驱，凭借她在时尚和工业设计领域的背景，为制造具有新技术功能的织物设计新的工艺。她的工作受到了美国国防部的认可。

美国国防部创建的美国先进功能织物联盟(the advanced functional fabrics of america，简称为 affoa)，是一个非营利性的研究和发展联盟，由89所大学、制造商以及由麻省理工学院领导的非营利性组织组成。该联盟将利用纤维和纱线来探索和开展工作，用以集成电路、发光二极管、太阳能电池，最终创造出智能织物，这些智能织物将实现视觉、听觉、感觉、交流、储能、调温、监测健康以及改变颜色等功能。

Dion 与二维导电材料领域的领军人物 Gogotsi 一起合作应对挑战，制造一种经得起编织、穿着和洗涤的导电纱线。

Gogotsi 的研究小组是德雷塞尔大学团队的一部分，该团队于2011年开发出高度导电的二维材料“MXene”，并从那时起一直探索 MXene 的特性与应用。MXene 是一种碳基、二维层状材料。其独特之处在于，能与液体（例如水和其他有机溶液）混合，同时保持导电性。

剥离的 Ti3AlC2 形成两层羟基封端 MXene 模型（图片来源分析：M. Kurtoglu）

他的团队曾演示通过合成混有水的 MXene，无需任何添加剂或者表面活性剂，就可以创造出油墨和喷涂层。这表明它们天生就适合制造功能织物所用的导电纱线。

直接 MXene 油墨印刷的示意图（图片来源：参考资料【1】）

Gogotsi 表示：“研究人员们一直在研究向纱线添加石墨烯和碳纳米管涂层，我们研究小组过去也研究过大量的碳涂层。但是，我们通过 MXenes 实现的高纱线导电性，迄今为止一直没能通过碳涂层实现。这种导电性正接近银纳米线涂覆的纱线的导电性，但是在纺织工业中，由于溶解以及对环境的有害影响，银的使用被严格限制。此外，MXenes 可以为织物增添电能存储、感知、电磁屏蔽以及许多有用的特性。”

由碳纳米管、MXene、聚合电解质交替组成的电磁屏蔽薄膜。（图片来源：纽约大学坦登工程学院）

由 MXene 喷涂而成的超薄天线（图片来源: 德雷塞尔大学）

碳化钛 MXene 的基本形式就像一种黑色粉末，但它实际上种类是由仅几个原子厚的小薄片组成，并能以不同的尺寸进行制造。薄片越大，意味着表面积越大，导电性越好。因此团队发现，以较小薄片渗透单根纤维，然后以较大的 MXene 薄片涂层来涂覆纱线本身，可以提升纱线的性能。

用导电的 MXene 薄片涂覆纤维素纱线创造出一种高度导电且耐用的材料。（图片来源：德雷塞尔大学

进行测试

团队用三种普通的纤维素基纱线：棉花、竹子和亚麻布制造导电纱线。在工业编织机（这种编织机用于制造你将在这个秋天看到的大多数毛衣和围巾。）上将它们编织成全织物之前，他们通过浸与涂工艺涂覆 MXene 材料，这是一种标准的染色工艺。

浸涂工艺（图片来源：德雷塞尔大学）

每种纱线被编织成三种不同的织物样本：单面汗布、半针距、双面布，以确保它们足够耐用，可适应任何织物，从紧密针织的毛衣到宽松针织的围巾。

下图所示： MXene 涂覆的纱线通过编织成三种普通图案（单面汗布、半针距、双面布）的织物来接收测试，从而确定编织导电纱线的最佳配置。

（图片来源：德雷塞尔大学）

研究人员写道：“采用不同针型来编织 MXene 涂覆的纤维素基纱线，使我们可以根据不同应用来控制织物的特性，例如孔隙度和厚度。”

为了在新技术应用中将新线用于测试，团队编织了一些触敏织物，这种类型的织物正作为谷歌“提花计划”的一部分由李维斯和伊夫圣罗兰开发。

（图片来源：德雷塞尔大学）

基于 MXene 的导电纱线不仅经受住了工业编织机的磨损，也经受住了一系列的测试，从而证明其耐用性。团队报告称，拉扯、扭曲、弯曲，并且最重要与的是洗涤，都不会削弱纱线的触摸感知能力，即使是经过几十次的纺纱周期。

未来

但研究人员表示，采用涂覆 MXene 的导电纱线来制造这些特殊织物的终极优势在于，所有的功能都能无缝地集成到织物中。因此，你无需添加一个外部电池为可穿戴设备供电，也无需无线连接至你的智能手机，这些能量存储设备和天线可由织物制成。字面意义上说，这种整合是“缝”起来的，但实际上它却是以一种更加“无缝”的方式来实现这项技术。

他们写道：“导电纱线对于可穿戴应用来说是最精华的，因为它们经过设计，可在各种各样的技术领域中实现特定的功能。”

下图所示：研究人员通过开发耐用的导电纱线，离生产具有各种功能并且时尚的可穿戴设备更近了一步。

（图片来源：德雷塞尔大学）

采用导电纱线也意味着，通过编织工艺，种类更加繁多的技术定制和创新变得可能。论文作者们表示：“未来，通过改变纱线的类型、针型、活性物质装载以及介电层，带来更高的电容变化，织成的压力传感器的性能将得到进一步提升。”

Dion 所在的功能织物中心的团队已经在一系列项目中将他们开发出的成果投入测试。

织物能量存储（图片来源：德雷塞尔大学）

这些项目包括与纺织品制造商 Apex Mills（汽车座椅和内饰的顶级生厂商之一） 合作。Gogotsi 表示，这项工艺的下一步将是调整涂布工艺，根据特殊用途向纱线添加适量的导电 MXene 材料。

Gogotsi 表示：“通过这种 MXene 纱线，许多应用都变得可能。你可以想象用它制造汽车座椅，这样汽车就可以知道乘客的尺寸和重量，从而优化安全设置；织物压力传感器能在运动服中监测运动表现，或者织成地毯以帮助联网的房屋判断家中有多少人。你的想象力限制了你能想到的应用。”

关键字

智能织物、MXene、纱线

种类

参考资料

【1】Chuanfang Zhang, Lorcan鉴别 McKeon, Matthias P. Kremer, Sang-Hoon Park, Oskar Ronan, Andrs Seral‐Ascaso, Sebastian Barwich, Cormac Coilein, Niall McEvoy, Hannah C. Nerl, Babak Anasori, Jonathan N. Coleman, Yury Gogotsi, Valeria Nicolosi. Additive-free MXene inks and direct printing of micro-supercapacitors. Natur的e Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-09398-1

【2】http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201905015

【3】https://drexel.edu/now/archive/2019/October/MXene-conductive-yarn/

【4】https://drexel.edu/now/archive/2019/April/MXene-inkjet-pr鉴别inting/

【5】https://drexel.edu/engineering/news-events/news/archive/2011/August/mxene-a-new-family-of-2-d-transition-metal-carbides-and-nitrides/

【6】https://drexel.edu/functional-fabr传感ics/research/projects/