仿生設(shè)計(jì)的功能紡織品和服裝的研究進(jìn)展

2021-01-06 05:35:20馬菡婧

毛紡科技 2020年7期

馬菡婧，尚淼，何源

(1.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西西安 710048； 2.西安培華學(xué)院建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西西安 710100； 3.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院，陜西西安 710049)

生物仿生學(xué)和仿生工程研究的迅速發(fā)展，激發(fā)了科學(xué)家和研究人員在技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)造力。已有古代工程師、建筑師及科學(xué)家模仿自然界中動(dòng)植物形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行設(shè)計(jì)的歷史，并在人類文明中留下輝煌的成果[1]。人類骨骼的精細(xì)結(jié)構(gòu)是巴黎著名建筑埃菲爾鐵塔的最初靈感，這種類似人體骨架的結(jié)構(gòu)，可以承載巨大負(fù)荷并兼具極高的穩(wěn)定性[2]。對(duì)骨骼的顯微分析得出其橫截面的多孔結(jié)構(gòu)是骨骼在持久的緊張和壓縮之間維持平衡的關(guān)鍵，這啟發(fā)了建筑學(xué)家設(shè)計(jì)出更加復(fù)雜而精妙的質(zhì)輕且具備高承載能力的建筑結(jié)構(gòu)[3]?，F(xiàn)在，隨著分析技術(shù)的革新，研究人員能夠在更小的分子和細(xì)胞微觀尺度中揭開大自然設(shè)計(jì)的秘密?？茖W(xué)家正通過深入了解自然界的精妙現(xiàn)象努力縮小人工制造藝術(shù)與自然藝術(shù)之間的差距。通過介觀尺度和納米微觀尺度上的分析與應(yīng)用，一系列基于仿生設(shè)計(jì)原理的研究成果促進(jìn)了現(xiàn)代工業(yè)化的快速發(fā)展，如多功能傳感器、新型太陽能電池、電子電路設(shè)備等[4]。

功能化紡織品和服裝因其重要的商業(yè)前景和應(yīng)用價(jià)值，在柔性電子、微納電子系統(tǒng)等高新技術(shù)領(lǐng)域中占據(jù)重要角色，其研發(fā)、制備和推廣已經(jīng)獨(dú)立于傳統(tǒng)紡織服裝行業(yè)的范疇[5-6]。功能化紡織品和服裝被定義為能夠感知環(huán)境條件或外界刺激的一類材料或結(jié)構(gòu)[7]。對(duì)功能紡織品和服裝材料仿生設(shè)計(jì)的目的是分析和利用自然界中的有益?zhèn)鞲泻万?qū)動(dòng)現(xiàn)象，使其能夠在人們?nèi)粘Ｊ褂没虼┲^程中發(fā)揮出同樣或近似功能的效果[8-9]。新型聚合物材料和微納米技術(shù)的進(jìn)步，為研發(fā)功能化紡織品和服裝奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備。仿生工程是將先進(jìn)的材料與技術(shù)在紡織和服裝行業(yè)中得以利用和發(fā)揮的一種有效途徑。

在生物界中，生物體材料的結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系為設(shè)計(jì)功能仿生材料提供了強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)[10-11]。利用仿生原理設(shè)計(jì)紡織品和服裝，不僅賦予其特殊的視覺特性和美學(xué)結(jié)構(gòu)[9,12]，還賦予其特殊的功能。比如，蜘蛛絲質(zhì)輕且具有極高的強(qiáng)度和韌性，通過對(duì)蜘蛛吐絲過程中的流變學(xué)分析，得出腺體分泌物質(zhì)的組成和吐絲速度是使蜘蛛絲具有優(yōu)異力學(xué)性能的關(guān)鍵因素[13-14]，將其運(yùn)用到人工紡絲技術(shù)中，通過合理配比紡絲液成分、合理設(shè)置紡絲速度和牽拉裝置，可以制作出接近蜘蛛絲特性的高性能纖維[15]。又如，通過對(duì)含羞草葉脈開閉現(xiàn)象原理進(jìn)行研究，可開發(fā)出具有力致驅(qū)動(dòng)的柔性織物[16]；對(duì)海洋中藻類生物視覺器官的光感應(yīng)機(jī)制進(jìn)行深入研究，可設(shè)計(jì)出能夠過濾電磁波譜中有害光線的感光服裝，其可作為光學(xué)保護(hù)裝置[17]。如對(duì)變色龍皮膚中多層色素細(xì)胞進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，每層均有獨(dú)立控制特定顏色和功能的細(xì)胞，研究人員據(jù)此可設(shè)計(jì)出根據(jù)環(huán)境改變顏色并具有極高隱匿性的迷彩服[18-19]。微納米科學(xué)技術(shù)加深了人們對(duì)荷葉超疏水現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，據(jù)此原理設(shè)計(jì)了防水防塵納米織物；利用刻蝕技術(shù)在手套表面形成多重微結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)壁虎觸角光滑且具有強(qiáng)大的吸附力的功能[3, 20]。

隨著生物仿生材料和聚合物材料交叉學(xué)科的進(jìn)步與發(fā)展，將研發(fā)出功能更加突出、細(xì)節(jié)更加精細(xì)的仿生功能紡織品和服裝，并廣泛應(yīng)用在未來人們的生產(chǎn)和生活中。本文對(duì)近些年國(guó)內(nèi)外基于仿生原理設(shè)計(jì)的紡織品和服裝的研究進(jìn)行綜合分析，介紹幾類典型仿生紡織品和服裝的概念、設(shè)計(jì)原理及其應(yīng)用，并對(duì)未來仿生紡織品和服裝的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 基于荷葉仿生設(shè)計(jì)的超疏水自清潔織物

荷葉具有優(yōu)異的防水、防塵和自清潔功能，這些功能特性來自葉面特殊的形貌結(jié)構(gòu)。荷葉的葉面角質(zhì)由可溶性脂質(zhì)組成，嵌入在聚酯基質(zhì)中。這種脂質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)在荷葉表面發(fā)生廣泛的折疊，在植物表面形成凸出的表皮細(xì)胞，使得葉面具有粗糙的微紋理結(jié)構(gòu)[20-21]。這種微結(jié)構(gòu)具有減少與水滴黏合力的特性。這是因?yàn)樵谌~面粗糙表面的間隙空氣層，使得液體與固體接觸面積減少，從而使荷葉表面不易黏附水和灰塵顆粒。同時(shí)極性的水分子由于增加內(nèi)聚性而趨于凝聚，使得表面水分子以團(tuán)聚形式附著在荷葉表面，在微風(fēng)作用下可使水滴因重力脫落，帶走附著的污垢顆粒，保持荷葉表面清潔。利用現(xiàn)代納米科學(xué)和微制造技術(shù)可以模擬類似荷葉表面的涂層結(jié)構(gòu)，將其融入織物中，以獲得超疏水和自清潔紡織品和服裝等。

為了實(shí)現(xiàn)這種超疏水自清潔功能，可在織物表面形成微納米分層結(jié)構(gòu)，以提高超疏水或疏油能力。通常使用表面能低的聚合物對(duì)織物進(jìn)行改性，形成的納米結(jié)構(gòu)材料表面穩(wěn)定吸附了一層空氣膜，使織物具備超疏水的特性。比如，疏水表面改性可以通過硅烷或氟碳鏈聚合物降低表面能。研究表明：僅通過化學(xué)方法難以在光滑物體表面實(shí)現(xiàn)超疏水自清潔的效果，這是因?yàn)閱我痪酆衔锊牧贤ǔＨ狈σ?guī)律性粗糙物理結(jié)構(gòu)，不能良好地將空氣層嵌入織物表面。因此，須采用機(jī)械加工方法將理想的微觀粗糙結(jié)構(gòu)賦予織物表面，才能在紡織品和服裝上更好地實(shí)現(xiàn)超疏水和自清潔功能。其中納米顆粒的超疏水整理在紡織品和服裝上的應(yīng)用和研究較為廣泛，這種方法是構(gòu)建物理粗糙結(jié)構(gòu)的有效途徑[22]?？椢锏募{米顆粒超疏水整理見圖1。

圖1 織物的納米顆粒超疏水整理

由圖1可以看出，納米顆粒如Nano-TiO2, Nano-SiO2等首先通過水熱處理工藝將納米顆粒溶液均勻并穩(wěn)固涂覆在織物表面，然后在表面活性劑作用下，發(fā)生納米顆粒的自組裝，從而獲得具有超疏水能力的織物。納米涂層越薄，織物柔順性越強(qiáng)；涂層黏合力越穩(wěn)固，則耐用性越高。因此，開發(fā)制備超薄且黏附強(qiáng)的納米顆粒材料至關(guān)重要。

除了納米顆粒超疏水整理外，靜電紡絲技術(shù)同樣能夠在織物表面獲得均勻且粗糙的微結(jié)構(gòu)。靜電紡絲疏水整理見圖2?？梢钥闯?，通過控制紡絲工藝，將優(yōu)化調(diào)配的聚合物溶液通過靜電紡絲技術(shù)，按照一定的方式均勻排布在棉織物表面，通過控制紡絲纖維在織物表面排布的間距和密度等參數(shù)，可以形成具有特殊物理結(jié)構(gòu)的Janus織物，Janus為2種化學(xué)組成在同一體系且具有明確分區(qū)結(jié)構(gòu)，因而具有雙重性質(zhì)，如親水/疏水、極性/非極性[23]。這種靜電紡絲方式制備的Janus織物，具有優(yōu)異的超疏水能力[24]。

圖2 靜電紡絲疏水整理

除了以上2類紡織材料的超疏水整理外，聚倍半硅氧烷(Polyhedral oligomeric silsesquioxan，POSS)超疏水整理是近年來研究的熱點(diǎn)。POSS是一種利用溶膠凝膠法合成的有機(jī)和無機(jī)結(jié)合的雜化材料，是具有三維結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅烷化合物。POSS分子的形貌結(jié)構(gòu)由中心有機(jī)硅氧烷分子決定，其中梯子狀結(jié)構(gòu)、雙層管和籠子結(jié)構(gòu)最為常見[25]。 POSS無機(jī)結(jié)構(gòu)部分由硅氧烷鍵(Si—O—Si)構(gòu)成，有機(jī)結(jié)構(gòu)部分則由側(cè)鏈的有機(jī)基團(tuán)決定。由于Si—O—Si骨架與長(zhǎng)烷基側(cè)鏈相互作用，POSS具有非常低的表面能和優(yōu)異的抗?jié)裉匦裕虼耍徔椘坊赑OSS表面整理的面料具有出色的防水性能[26]。POSS表面超疏水整理見圖3。

圖3 POSS表面超疏水整理

由圖3可以看出，原始織物首先經(jīng)過巰丙基三乙氧基硅烷(Mercaptopropyl triethoxysilane, MPTES)整理，形成巰基化織物，然后織物中的巰基基團(tuán)在光引發(fā)條件下，被MAPOSS(一種特定的POSS)取代，形成POSS表面整理的超疏水織物。

與POSS超疏水整理方法類似，知名商品化面料如Gore-Tex，使用氟化聚合物作為防水透氣服裝面料的涂層[27]，Gore-Tex面料結(jié)構(gòu)見圖4。該涂層保證Gore-Tex具有優(yōu)異的拒水抗污的功能且兼具透氣性。

圖4 Gore-Tex面料結(jié)構(gòu)

2 基于含羞草仿生設(shè)計(jì)的壓敏紡織服裝材料

觸摸響應(yīng)型植物如含羞草、食蟲草等與動(dòng)物肌肉神經(jīng)系統(tǒng)具有相似的快速感應(yīng)和驅(qū)動(dòng)功能，將外界壓力迅速轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，執(zhí)行觸摸敏感性驅(qū)動(dòng)。含羞草每個(gè)小葉和葉柄的底部都有一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)，稱為葉枕，葉枕內(nèi)側(cè)由薄壁細(xì)胞構(gòu)成，外側(cè)由厚壁細(xì)胞構(gòu)成[28]，這些細(xì)胞具有顯著的溶脹和收縮特性。在壓力的變化情況下，細(xì)胞內(nèi)水分在葉表皮的快速擴(kuò)張下驅(qū)動(dòng)。根據(jù)該原理，基于含羞草仿生設(shè)計(jì)的壓敏紡織服裝材料見圖5。利用這一原理，可為壓敏紡織品和服裝的設(shè)計(jì)提供靈感，設(shè)計(jì)出會(huì)因外部刺激(如觸摸、聲音或光線)而收縮或膨脹的織物。研究人員模擬葉枕吸水與失水功能，將具有溶脹和反溶脹的相變高分子材料如顆粒、微膠囊等通過黏合劑和交聯(lián)劑與織物底物結(jié)合，可設(shè)計(jì)觸覺敏感性織物面料。該功能材料具備觸摸治療功能，可配備在有驅(qū)動(dòng)器和傳感器的可穿戴織物上，佩戴者在行走時(shí)可實(shí)現(xiàn)織物的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)功能[29]。

圖5 基于含羞草仿生設(shè)計(jì)的壓敏紡織服裝材料

3 基于鯊魚皮仿生設(shè)計(jì)的低摩擦抗菌紡織服裝材料

水生動(dòng)物的皮膚具有特殊的表面結(jié)構(gòu)特征，能夠使其以低能耗在水中快速移動(dòng)。在水環(huán)境中，生物運(yùn)動(dòng)過程需要克服皮膚表面和水接觸產(chǎn)生的黏滯力。多數(shù)品種的鯊魚皮膚可以在較大程度上減少因運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的流體拖拽效應(yīng)，以達(dá)到在水中高效而快速移動(dòng)的效果。可以通過掃描電子顯微鏡觀察鯊魚皮膚的牙齒狀鱗片結(jié)構(gòu)。鯊魚皮上粗糙的V 形皺褶，在垂直渦流方向的高度為200～500 mm、間隔為100～300 mm，這種微觀尺度通過限制水流動(dòng)量轉(zhuǎn)移在鯊魚運(yùn)動(dòng)方向的縱向影響流體的運(yùn)動(dòng)，通過鱗片高度與尖端間距比例的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)減少縱橫向阻力的功能。鯊魚皮的這種微結(jié)構(gòu)因不同位置而異，其分布、排列與流體動(dòng)力學(xué)緊密相關(guān)，其另一個(gè)顯著特征是具有抗菌和抗污性，使微生物難以附著生存[30]。

受仿生設(shè)計(jì)的啟發(fā)，研究人員可據(jù)此設(shè)計(jì)出在水中具有低摩擦且無需化學(xué)處理的抗菌織物，對(duì)泳衣和海洋服裝進(jìn)行了技術(shù)革新。低摩擦抗菌紡織材料的仿生設(shè)計(jì)和機(jī)制見圖6。圖6(a)泳衣具有鯊魚皮膚的特殊紋理和表面結(jié)構(gòu)，其中鯊魚皮表面的V 形皺褶鱗片見圖6(b)，該鱗片結(jié)構(gòu)可大幅度降低摩擦阻力。利用纖維和編織技術(shù)通過疊加垂直方向的間隙來模仿鯊魚皮鱗片特征，可以抑制接觸水而產(chǎn)生的湍流，可使穿著者在游泳比賽中將水下阻力降到最低。此外，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鯊魚的皮膚總能在充滿海洋微生物的環(huán)境中保持光滑干凈[31]，這是因?yàn)轷忯~表皮由一層凹凸不平的微小鱗狀角質(zhì)層覆蓋，這種緊湊排列的鱗片呈齒狀且有序趨向同一方向，同時(shí)前后相臨的鱗片在邊緣形成重疊，這種結(jié)構(gòu)極大地降低了鯊魚皮的表面能。而微生物的附著通常需要分泌黏液潤(rùn)濕表面來實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)低表面能的表面浸潤(rùn)性差且難以附著，在水流或其他外力作用下很容易脫落，這種特殊構(gòu)造不利于細(xì)菌生存和繁殖，同樣病毒、真菌等病原體也難以附著。研究人員以鯊魚皮為靈感[16]，設(shè)計(jì)了一種模擬V型鱗片的織物，見圖6(c)。這種抗菌織物的仿生設(shè)計(jì)不依賴任何化學(xué)物質(zhì)，完全依靠織造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖6 低摩擦抗菌紡織材料的仿生設(shè)計(jì)和機(jī)制

4 其他仿生設(shè)計(jì)的紡織和服裝材料

除了上述基于仿生設(shè)計(jì)的紡織和服裝材料外， Stuart等[18]研究了基于變色龍仿生設(shè)計(jì)的光感紡織品，在織物中嵌入溫敏熱電偶，可改變液晶材料的顏色，這種紡織品材料可以通過匹配物體的背景顏色提供偽裝和自適應(yīng)的隱蔽功能。Yu等[17]以綠藻為靈感，開發(fā)出一類用于集成到紡織品中的感光聚合物纖維。這種感光纖維以聚甲基丙烯酸纖維作為包層，甲基丙烯酸酯共聚物作為芯層，在織物上形成光柵結(jié)構(gòu)，該材料具有很強(qiáng)的紫外線吸收率，可用于阻擋紫外線并對(duì)紫外線具有敏感的顏色響應(yīng)效果，用于保護(hù)皮膚和軟組織。White等[32]以生物組織的自愈合功能為靈感，設(shè)計(jì)了一種由自愈合微膠囊構(gòu)成的織物涂層，經(jīng)過該涂層整理的紡織品具有表面自愈合功能，可用于防割手套、柔性抗疲勞材料等。

5 結(jié)束語