新型功能性紗線的現狀和發展趨勢

夏治剛 吳展鵬 陳定偉 唐文楊 付馳宇

（1.省部共建紡織新材料與先進加工技術國家重點實驗室，湖北武漢，430200；2.武漢紡織大學，湖北武漢，430200）

紗線作為紡織品的必要組成部分，幾千年來一直伴隨著人類文明的發展。將纖維加捻成紗線的歷史可以追溯到舊石器時代晚期，它是人類歷史上最早的工業化技術之一［1］。如今，隨著人們生活條件的改善，傳統紗線已無法滿足現代社會人們對紡織品功能性日益增長的需求。紗線及其紡織品的主要功能和用途已不再局限于遮羞、蔽體、保暖、防護和時尚。順應時代需求，新型功能性紗線極大地豐富了人們的生活環境［2］。與攜帶、附著、包裹和嵌入等其他傳統功能紡織品相比，新型功能性紗線可以無縫結合防護功能、電氣功能、調溫功能等，從而為紡織品提供多功能的設計和廣泛的服務平臺［3］。

纖維材料的發展是功能性紗線開發的基礎。紡織纖維材料從天然纖維、合成纖維、增強纖維、功能纖維、導電纖維，再到智能纖維的發展轉變，催生了一系列功能化紗線。例如，抗菌、電磁屏蔽、儲能、供能、傳感、響應、個人熱管理和高防護等紗線。紗線的成形技術及結構設計是構建紗線功能性的關鍵［4］。基于紗線成形技術設計的結構紗線包含長絲紗、短纖紗、多股紗、過捻紗、包芯紗、編織紗、包纏紗和花式紗等。

本文綜述了功能性紗線及其紡織品的發展現狀，重點介紹了現階段功能性紗線的結構設計、制備方法以及目前面臨的困難與挑戰，展望了功能性紗線的發展方向和前景，以期能全面了解功能性紗線，為功能性紡織品的研究和應用提供新的設計思路。

1 功能性紗線的制備方法

功能性紗線種類多樣，功能各異，根據不同紗線的功能性要求，優選制備加工方法，能有效促進紗線的材料功能和結構功能相互協調、相互促進。目前制備功能性紗線的通用紡紗方法有環錠紡、摩擦紡、包纏紡、靜電紡、溶液紡、條帶紡和液流紡等。

1.1 環錠紡

環錠紡是由錠子和鋼領、鋼絲圈進行加捻，由羅拉進行牽伸的一種機械紡紗的方法，是目前應用范圍最為廣泛的紡紗技術［5］。基于環錠紡衍生出的復合紡紗技術如包芯紡、包纏紡、嵌入紡等紡紗方法，是制備導電紗線、傳感紗線、人工肌肉紗線的常用方法。早期研究人員使用棉粗紗和碳納米管（CNT）在環錠細紗機上制備出了柔性導電紗線［6］。CHEN L等［7］以TPU 紗線作為芯紗，涂有銀的聚酰亞胺紗線作為包覆層，在環錠紡紗機上制備出了具有復合結構的負泊松比的紗線用于能量收集和自供電傳感。類似地，CHEN W等［8］在環錠細紗機上制備出了以銅絲為芯，滌綸為鞘的包芯紗線，用于人體運動能量收集和自供電傳感。盡管環錠紡工藝簡單，紗線結構易于調控，但該技術由于需要對纖維須條進行牽伸并加捻，導致該技術對纖維原料的品質如長度、模量等都有較高要求，并不適用于所有功能性紗線的生產。

1.2 摩擦紡

摩擦紡也叫塵籠紡，是一種新型紡紗方法。其成紗原理是喂入的纖維條經過刺輥梳理分離后被負壓吸風凝聚在旋轉的塵籠上，并搓捻成紗［9］。由于其獨特的成紗原理，摩擦紡對纖維的長度和模量要求要遠低于環錠紡，表現出低速高產、適紡原料廣、成紗品種多和工藝流程短的優勢。目前大多數無機功能性纖維原料如聚酰亞胺、玄武巖、石英纖維的可紡性較低，無法在環錠紡上成紗，摩擦紡則彌補了這一缺陷。筆者研究團隊利用摩擦紡制備了一系列隔熱［10］、傳感［11］108078，［12］101695、防護［13］110238功能性紗線，提高了功能性材料的可紡性能，擴大了難紡材料在功能性紡織品的應用范圍。然而，摩擦紡在成紗過程中幾乎不發生纖維的內外轉移，導致紗線強力偏低，并且紗線號數偏高，阻礙了功能性紗線在紡織品中的進一步應用。

1.3 包纏紡

包纏紡是另一種制備功能性紗線常見的方法。包纏紡可分為環錠包纏和空心錠包纏，這里主要討論空心錠包纏紡。空心錠包纏紡紗是短纖維粗紗經過牽伸后進入空心錠，然后經長絲包纏形成包纏紗的紡紗方法［14］。空心錠包纏紡的芯紗可以是短纖維須條，也可以是長絲，外包紗既可用短纖紗也可用長絲，故而該紡紗方法可以加工多種紗線品種，易于功能性紗線進行結構調控。例如，PERERA T等［15］利用空心錠子紡紗原理，采用不銹鋼長絲和鍍銀錦綸紗線開發了兩種導電可拉伸雙包覆紗線，用于傳感針織紡織品。但空心錠包纏紡由于芯紗缺乏捻度，同樣面臨著紗線機械性能偏低的挑戰。

1.4 靜電紡

靜電紡是通過對納米纖維進行收集、取向、集束、加捻和連續卷繞的一種新型紡紗方法［16］。根據其取向集束加捻的成紗原理，目前靜電紡纖維紡紗方法主要分為高速旋轉法［17］、水浴成紗法［18］、尖端誘導共軛集束法［19］等。納米纖維紗線由于其納米纖維具有超高比表面積和取向結構，為功能性紡織品的設計與開發提供了方向。例如，LEVITT A等［20］通過接地水浴收集的靜電紡紗法制備的聚酰亞胺/MXene 復合納米纖維紗線，具有高達1 195 S/cm 的電導率，在智能可穿戴領域具有明顯優勢。但是，靜電紡纖維的制備效率低下以及較差的綜合力學性能，仍然制約著靜電紡功能紗線的發展。

1.5 溶液紡

溶液紡是指高聚物溶液經噴絲孔被定量擠出，溶液細流經過凝固浴或熱空氣或惰性氣體牽伸固化成纖維的紡絲方法［21］。溶液紡絲可分為干法和濕法兩種。其中，濕法紡絲可通過調節噴絲孔的結構和數量達到調控纖維結構和功能的目的。ZHANG Z等［22］基于溶液紡制備了聚合物發光電化學池纖維，在13 V 電壓下可以達到亮度609 cd/cm2。目前，溶液紡還存在紡絲速度慢、溶劑污染大及回收等問題，在大批量工業化應用中比較受限。

1.6 條帶紡

條帶紡又稱網覆式成紗法，是一種采用非織造布條帶包覆功能粉體材料的新型紡紗方法。高功能材料，如稀土、石墨以及納米材料，多以粉體形態存在。然而粉體材料顆粒小、連續性差、宏觀長度短，現有技術難以成紗。筆者研究團隊利用非織造面材和功能性粉體材料在倍捻機上制備了一系列功能紗線。WANG R等［23］2107682通過將聚四氟乙烯薄膜纏繞在聚丙烯非織造布上，嵌入NdFeB 粉末制備出了具有芯鞘結構的磁性紗線，用于磁電服裝發電機。這種可擴展的條帶紡紗技術，以及靈活的磁性織物設計，可以為能量收集和緊急戶外通信提供高效和商業化的處理途徑。

1.7 液流紡

液流紡是筆者研究團隊針對流體功能材料無法成紗的技術難題，提出的另一種新型功能性紗線紡紗方法。功能流體材料，如剪切增稠液流體、液態金屬等材料無法制備成柔性布態結構，并且無法保證流體的均勻分散以及與紗體的穩定結合，導致其紡織品功能性降低。液流紡將難紡流體材料用彈性薄膜封裝并纏繞成具有芯鞘結構的紗線，制備的紗線除了具有抗沖擊、高導電、調溫等功能性外，還具有耐磨、透氣、柔軟等紡織品固有特性。例 如，MIAO Y等［24］109972利用將相變材料石蠟注入中空硅膠管中后，外包阻燃短纖維，制備出了一種具有調溫、防火、耐磨、透氣的功能紗線。該紗線為人體和汽車提供了比商用織物更好的溫度調節性能，在熱管理和防護服方面擁有廣泛的應用前景。

1.8 后整理

除紡紗方法外，功能性后整理也是制備不同功能紗線的常用方法。功能后整理制備功能性紡織品包括物理整理、化學整理和生態整理［25］。其中物理整理包括浸漬、浸軋、涂層法等，其優勢在于成本低，方法簡單，但嚴重影響紗線及其紡織品的風格和手感。化學整理包括共聚、原位聚合、接枝等，具有耐用性好的優勢，但技術要求高，生產難度大。生態整理采用生物酶對制備的紗線進行后處理，具有安全、綠色環保等特點。

2 功能性紗線的結構設計

紗線的功能往往與結構緊密相關。正如上面提到的，基于不同紡紗方法制備的功能紗線具有不同的紗線結構。針對不同的紗線功能，紗線的結構設計顯得尤為重要。例如，抗菌紗線的常見結構有包覆紗、包芯紗等。抗菌纖維作為鞘層能增加有效接觸面積，提高抗菌性能，但抗菌持久性差。當抗菌纖維作為芯層時，能兼顧紗線的舒適性和抗菌耐久性。對于發電、儲能型功能紗線，同軸、核殼或股線結構是紗線普遍采用的結構設計。通常由內部纖維電極和外部封裝層組成，其中外部纖維層充當介電層和保護層。紗線的過捻結構則常適用于制備人工肌肉紗線。紗線在受到外部刺激時，紗體膨脹或收縮引起的解捻或加捻作用，能被過捻結構放大，增強人工肌肉紗線的輸出性能。

總之，紗線的結構設計是發展高性能功能紗線的重要手段。紗線的材料、工藝、結構對功能性紗線有著重要的影響，3 個要素之間相互聯系、相互影響。

3 功能性紗線的分類和應用現狀

功能性紗線種類繁多，是組成功能性紡織品不可或缺的原材料。根據紗線功能性的不同，大致可分為能源型紗線、傳感型紗線、響應型紗線、熱管理型紗線和防護型紗線。在智能可穿戴［26］1902670、生物醫學［27］、大健康［28］、傳感［29］等領域具有廣泛的應用潛力。

3.1 能源型紗線

隨著可穿戴電子設備的迅速發展，人們對可穿戴能源型紡織品的需求越來越大。目前對可穿戴能源紡織品的研究通常集中在具有三明治結構的平面柔性電池上。然而，傳統的電池由于缺乏靈活性、舒適性和輕便性，很大程度上阻礙了可穿戴電子產品的實用性、可持續性和廣泛應用。與傳統的大體積或平面結構能源系統相比，能源型紗線具有高兼容性、透氣性和靈活性的優勢，在智能可穿戴電子設備中發揮著越來越大的作用。能源型紗線大致可分為能源收集和能源存儲紗線。

能源收集型紗線是將人體運動機械能或外部環境能量如太陽能、熱能、化學能等轉變為電能的功能性紗線。根據能源收集原理可以大致分為電磁感應、摩擦電效應、光伏效應、熱電效應和壓電效應型紗線［30］。

來自風、波、機器振動和人體運動等自然和人工環境的機械能是電磁發電機紗線的主要驅動力。線圈、磁場和設備的機械位移是使用導體和磁鐵產生電能 的關鍵因素。WANG R等［23］2107682通過條帶紡將聚四氟乙烯薄膜條包覆釹磁鐵粉末，展示了一種可擴展制造的柔性磁電紗線發電機，通過手臂的擺動可以產出96 mW 的峰值功率。通過編織法也能制備具有優異發電性能的磁電紗線，如LIU Z等［31］用絕緣棉纖維編織包裹碳纖維束制備了導電紗線線圈旗幟，風可以迫使線圈旗幟繞著磁繩擺動，導致穿過旗中線圈的磁通量發生變化，從而在線圈中產生感應電壓。該紗線制備的旗幟在6.3 m/s 的風速下，可以產生3.5 V 的峰值開路電壓和13 mA 的超高峰值短路電流。然而，磁電紗線的質量、發電區域還有紗線與感應線圈之間的距離對該紗線的應用提出了挑戰。

另一種能收集機械能的發電機是摩擦納米發電機（TENG），其發電原理基于摩擦起電和靜電感應效應［32］。所以，纖維材料表面的電荷密度是影響摩擦電材料產生電能的關鍵因素。紗線表面形成的表面摩擦電荷極性由摩擦電序列決定，這些電荷通過具有特定電位差的外部電路引起電流。如DONG K等［33］通過鍍銀錦綸紗線和硅橡膠彈性體，制備了具有同軸芯-鞘和內置彈簧狀螺旋纏繞結構的高拉伸紗線摩擦納米發電機。該紗線可以編織成大面積能量收集織物，能夠點亮發光二極管、為商用電容器充電、為智能手表供電。FU C等［11］108078利用液流紡將液態金屬封裝在 彈性硅膠管內并外包錦綸短纖，制備了可以大規模生產的具有雙螺旋結構的TENG 紗線。該紗線不僅可以監測人體運動，還能為可穿戴電子設備持續供電。盡管TENG 紗線具有許多優勢，但與電磁紗線相比，仍然面臨著輸出功率低、能量難以有效利用、耐磨性能差等挑戰。

基于光伏效應的太陽能紗線電池，最近也被廣泛應用在智能可穿戴紡織品中［34］。對于紗線基太陽能電池，作為活性成分的鈣鈦礦是一個熱點，這要歸功于該材料已知的光電功能。為了制造更靈活、耐腐蝕和耐用的鈣鈦礦太陽能電池紗線，LI R等［35］報道了一種雙螺旋太陽能電池紗線。該紗線具有3.03%的功率轉化效率，經1 000 次循環彎曲后性能沒有明顯下降。但是基于鈣鈦礦的太陽能紗線，面臨著電極接觸不良、過高的內阻、耐久性差、毒性等缺陷［26］1902670，所以需要對紗線基太陽能電池的不同層進行更多創新和先進的工程設計，以推動自供電可穿戴電子產品的發展。

紗線基熱電發電機（TEG）由于其出色的機械性能、熱濕舒適性和低成本，在可穿戴應用中受到了廣泛關注［36］。簡單的熱電器件由p 型和n 型兩種半導體材料組成，紗線基熱電發電機通常的制備方法是將p 型和n 型半導體同時在一根紗線上實現交替的周期性電串聯［37］。有機熱致發電材料通常是可溶液加工的，因此它們可以通過紡絲技術或簡便的溶液涂覆方法制成長絲或紗線。ITO M等［38］通過濕法紡絲制備了直徑約為40 μm的聚乙二醇（PEG）/CNT 復合熱致發電纖維。當PEG 質量分數為0.01%時，纖維的功率因數可達90 μW/（m·K2）。對于無機熱致發電材料，蒸鍍法和磁控濺射等物理沉積方法是制備無機熱致發電紗線的主要手段。2008 年，YADAV A等［39］通過熱蒸鍍法將Ni 和Ag 涂覆到柔性二氧化硅纖維上制備熱致發電纖維。LEE J A等［40］將靜電紡絲與磁控濺射相結合，分別制備了p 型Sb2Te3和n型Bi2Te3熱致發電紗線。盡管紗線基熱電發電機在智能可穿戴電子產品中的應用前景廣闊，但研究仍處于起步階段，成本高、靈活性有限和制造工藝復雜是目前存在的主要挑戰。

此外，能源收集型紗線還包括濕氣發電、壓電、電化學等類型［41］。盡管在能源收集方面已經做了大量的研究工作，但它們的可擴展開發和實際應用仍然受到兩個瓶頸的制約，即功率輸出較低和過于依賴外部因素（如室外陽光、溫度梯度、濕度梯度等）。表面/界面改性、材料選擇/優化、結構設計/分析、電源管理和環境控制可以提高這些紗線的功率密度。但制備過程大都需要依賴專業儀器、復雜的制備技術、繁瑣的加工過程，甚至特殊的環境條件，要想實現低成本、大規模、高質量的制備還需大量工作。

能源存儲型功能紗線擁有獨特的一維結構，具有優異的柔韌性、小型化潛力、形變適應性以及與傳統紡織工業的兼容性等優點，特別有利于可穿戴應用［42］。能源存儲型紗線可分為超級電容器紗線和紗線電池。早期的纖維/紗線狀電池大約在10 年前出現，并很快引起了廣泛的研究興趣［43］。迄今為止，纖維狀鋰離子電池（LIBs）一直在蓬勃發展，其他類型的電池系統，如鋰硫（Li-S）電池、鈉基電池（SBs）、水系鋅電池（AZBs）和金屬空氣電池（MABs）等，在短短幾年內也相繼被發明和開發出來［44-46］。最近，基于深入研究的材料［包括金屬有機骨架（MOF）和液態金屬］的新型線型電池系統已開始成為主流，為新一代可穿戴電源系統的發展開辟了嶄新的道路。除高功率密度外，多功能性、可集成性和可拓展性也是近期纖維/紗線基電池的研究熱點。為了實現穩定和高性能的電化學性能，需要對材料、紗線結構和制備工藝進行精確設計［47］。除優異的電化學性能外，還需要提高紗線的防水、防火、自修復、形狀記憶等環境適應能力。針對可集成性和可拓展性，則需要選擇合適的紡織加工技術和工藝設計。此外，紗線電池同樣面臨著許多挑戰，例如長線性結構帶來的高內阻、微米尺度內隔膜制備困難以及封裝困難、紗線的尺寸過大、機械強度偏低、人體舒適性差、多功能集成困難等，均制約著紗線基可穿戴電池的發展。

3.2 傳感型紗線

智能可穿戴系統需要開發柔性傳感器來收集、量化和鑒定人體相關信息。基于紗線的柔性傳感器因其直徑小、比表面積高、質量輕以及適合集成到紡織品中而極具吸引力。目前，基于各種傳感機理開發出了電阻式、電容式、電壓式（TENG、PENG）、熱電式等紗線傳感器，用于監測如壓力、應變、距離和溫度。紗線傳感器已被證明用于包括生物醫學、安全、運動和軟體機器人等領域。

電阻式紗線傳感器利用柔性導電材料將機械刺激（例如應變或力）轉換為電阻信號變化［48］。由于導電材料的電阻R=ρL/S，當機械刺激導致導電材料的電阻率（ρ）、長度（L）或橫截面積（S）發生變化時，它將引起紗線的電阻變化。電阻式紗線傳感器的傳感響應取決于以下幾個因素的相互作用：紗線響應機械刺激的電阻的內在變化；紗線結構的幾何變化；紗線導電網絡的變化。其中，靈敏度、應變范圍、響應速度、遲滯回復性以及耐久性是評價電阻式紗線傳感器性能的主要指標。電阻式紗線傳感器往往具有靈敏度高、檢測范圍廣、精度高等優點。由于紗線在沿長度方向具有較大的形變，所以電阻式紗線往往被用作應變傳感器。如DOU L等［12］101695通過摩擦紡制備了一種基于液態金屬、CNT 和聚酯纖維的復合紗線應變傳感器。該紗線有著特殊的層級結構，內層應變范圍高達300%，外層作為傳感層靈敏度達6.73，并且在1 000 次循環拉伸后仍然具有出色的導電性和傳感性能。該紗線可以作為便攜式導線、加熱器件和可穿戴傳感器。但傳統電阻式紗線傳感器信號漂移大、耐久性差、滯后現象明顯是制約其實際應用的關鍵問題。

電容式紗線傳感器主要由電極和介電層組成。通常具有芯鞘結構或雙螺旋結構，即介電層包覆2 個電極之間。通過施加壓力或者拉伸，紗線傳感器的電容由于材料的彈性變形而發生變化。由于傳感機理的限制，電容式紗線應變傳感器的靈敏度一般較低。通常，提高傳感器靈敏度的有效途徑有3 種：在電介質或電極表面構建微結構；在高分子彈性體中加入導電填料形成復合電介質；在介電層中引入微孔。ZHANG Q等［49］提出了一種電容式應變傳感紗線，可以直接編織到衣服、繃帶和其他產品的織物中。該紗線通過將兩根包芯紗捻成一根細雙股紗而制成。包芯紗是用棉纖維包覆鍍銀錦綸，并用聚氨酯固定而成。顯示出出色的傳感線性度，在10 000 次耐久性測試循環中具仍然具有高介電穩定性。類似的，FU C等［11］108078提出了一種雙螺旋結構包芯紗，介電層為硅膠管，電極為液態合金。芯紗經過合股之后外層包覆錦綸，使得紗線具有良好的介電耐久性和親膚透氣性。

壓電式紗線傳感器包括壓電傳感和摩擦電傳感。這里主要介紹壓電傳感器，壓電傳感紗由具有壓電效應的柔性材料制成，其工作原理是將機械刺激轉換為電壓信號。壓電材料的壓電常數決定了壓電傳感器將機械能轉化為電能的性能。常用的壓電材料包括復合材料、聚合物、陶瓷、單晶等。壓電傳感紗在受到外部壓力時可以產生內部電壓，這使得它們在實現壓力傳感的同時能夠自供電。這類紗線通常具有響應時間快和靈敏度高的優點，因此在可穿戴設備中具有廣闊的前景。KANG J等［50］提 出了一種 基于靜電 紡絲和2D 編織技術的壓電紗線傳感器，用于健康監測，它可以產生大約1 V 的電壓，并在4 Hz 的高頻下維持長期循環。但紗線基壓電傳感器仍然存在一些不足：生物相容性、封裝集成性、多功能性、耐磨性等均有待提高。

3.3 響應型紗線

除能源型功能紗線外，因外部刺激如光、電、磁、熱、濕度、pH 等而發生可逆收縮、膨脹或旋轉的紗線稱為響應型功能紗線，也叫人工肌肉紗線［51］。人工肌肉紗線是一個高度跨學科的研究領域，具有很強的交叉性，與材料科學、化學工程、機械工程、電氣工程和化學等各個領域都有交叉。輸出應變、應力、功率密度、循環壽命、效率等是衡量人工肌肉紗線的主要指標。麥克本氣動執行器是最古老的人工肌肉之一，具有固有的順應性、質量輕和高功率密度等優點，已被廣泛應用于構建軟體機器人。筆者研究團隊利用編織技術制備了一種具有感知功能的氣動紗線執行器［52］。該紗線在90 kPa 氣壓和0.5 kg 負載下實現了7%的可逆驅動。此外，由于紗線的特殊編織結構，該紗線還具有感知執行器各種驅動狀態的能力。

碳納米管加捻紗線是一種常見的人工肌肉紗線，被廣泛用于扭轉和收縮執行器［53］。FOROUGHI J等［54］于2011 年首次報道了基于CNT 紗線的電化學驅動可逆扭轉執行器。由于電荷注入使CNT 紗線的體積膨脹，該CNT 紗線表現出可以提供可恢復的15 000°和590 捻/min 的旋轉。然而這種電化學驅動器的缺點是驅動系統需要液態電解質，并且輸出應變有限。為了進一步提高紗線執行器的驅動性能，提高紗線的捻度形成過捻結構是常用的策略之一。通過集成CNT 紗線和熱塑性聚氨酯（TPU）可開發出一種大應變致動器。CNT 紗線的收縮是由TPU 的熱膨脹引發的，它在不使用電解質等額外介質的情況下可以產生13.8%的應變和33 MPa 的應力。對于紗線執行器在軟體機器人中的應用，充分理解如何在軟體機器人中集成傳感、驅動和交互仍然是一個挑戰。

3.4 個人熱管理紗線

近10 年來，節能需求和多樣化的個人體溫調節要求以及可穿戴電子產品和智能紡織品的出現使個人熱管理（PTM）技術重新興起［55］。個人熱管理紡織品包括個人冷卻、加熱、絕緣和溫度調節，比傳統的人體空氣/液體冷卻服裝更加靈活和廣泛［56］。個人熱管理紗線是PTM 紡織品不可或缺的組成部分，大致可以分為熱濕舒適性紗線、輻射制冷紗線、相變紗線、發熱紗線等［57］。

熱濕舒適性紗線在環境溫濕度變化時，可以通過自身結構、性能及時調節人體的溫度和相對濕度，保持人體的舒適度。如TONG J K等［58］提出了紅外透明但可見的紗線概念，基于PET/PE材料設計出了一種高紅外透過紗線，該紗線利用人體熱輻射原理作為降溫機制。具體來說，為了減少反向散射損耗，紗線中纖維的尺寸被設計為與可見光波長相當，以便通過弱瑞利散射最大限度地減少紅外反射，該織物對紅外線透過率達97.2%，同時由于強米氏散射在可見波長范圍內保持光學不透明。然而PET 材料無法針對特定紅外線進行透過，需要開發不同紅外透過率的新型紡織材料來填補技術空白。在設計熱濕舒適性紗線時，也應考慮調溫穩定性、機械性能和透氣舒適性。

新型輻射制冷紗線擁有高太陽光譜反射率和超高的大氣窗口發射率，能以電磁波的形式散發熱量［59］。人體在34 °C 時會發出7 μm～14 μm 波長的中紅外輻射，對應于波長范圍為8 μm～13 μm的透明大氣窗口。由不同氣體組成的天空大氣在此范圍內表現為透明窗口。這個波長范圍被命名為大氣窗口散熱器，可用于任何高于絕對零度的地面物體。基于此原理，ZENG S等［60］通過二氧化鈦（TiO2）納米顆粒及微米級的聚乳酸（PLA）聚合物纖維制備出了多層級的輻射冷卻紗線，基于該紗線復合而成的織物在無源輸入條件下，可實現全天低于環境溫度2 ℃～10 ℃的輻射制冷效果。針對輻射制冷的效率，還需要進一步優化和探索纖維的結構特征以提高制冷效率，有望通過輻射冷卻和汗液蒸發的聯合作用解決這一難題。

基于相變材料（PCM）的復合紗線采用的是另一種有效的溫度調節方式。傳統的PCM 如冰、干冰、石蠟、十六烷等長期以來一直用于個人體溫調節，利用其巨大的潛熱來保持相對較低的溫度［61］。但傳統的相變織物通常將PCM 材料涂覆在織物表面，這不利于織物的透氣，且對織物的耐磨性能也提出了挑戰。筆者研究課題組提出的液流紡相變復合紗線［24］109972，通過內置石蠟、外包傳統短纖維，解決了PCM 織物透氣差，耐磨性差等挑戰。并且基于該紗的織物調溫性能遠優于商用調溫紡織品。然而，由于體積大、質量重、調溫范圍有限，這些PCM 紡織品仍面臨著許多挑戰，未來的工作應圍繞解決質量重、不適當的相變溫度和間歇工作時間而可能引起的人體工程學問題和不適感等開展。

3.5 防護型功能紗線

人類作為大自然的一部分，常受到外界環境如光、熱、電、力、微生物等威脅。針對這些外界傷害，已開發出各種具有防護性的，如防火、隔熱、電磁屏蔽、抗沖擊、抗菌、抗病毒等功能紗線。

防火型功能紗線的制備方法主要有兩種，一是以本體功能性纖維為原料進行紡紗；二是紗線的后功能化表面處理［62］。制備具有防火性的纖維是將功能基團引入大分子鏈中或者在紡絲合成加工過程中加入功能性助劑［63］。對紗線的表面處理是在紗線表面引入功能結構或構筑防火涂層。前者防火阻燃性好，但是步驟繁瑣，適用基材單一。后者往往存在紗線耐久性、手感、熱濕舒適性差等問題。針對這些缺陷，筆者研究團隊提出了一種玄武巖基聚酰亞胺纖維復合紗，所制備的織物具有較好的親膚性且能耐受高達1 142 ℃的高溫火焰［13］110238。值得注意的是，由于紗線以玄武巖為芯絲，聚酰亞胺為包覆層，使得所制備的織物即使經過300 次機械摩擦也表現出良好的皮膚友好性，且與芳綸1313 紗線相比，其成本更低，防火性更好。

抗沖擊功能紗線是指能夠抵抗高沖擊載荷的吸能紗線。隨著社會的發展，人們對防護裝備的種類和性能要求日益提高，對其性能的要求如輕便、高性能、柔軟性也變得更加嚴格。目前，剪切增稠液（STF）因其獨特的性能被廣泛用于制備抗沖擊紡織品［64］。然而，目前大多數STF 材料僅僅通過直接浸漬或與織物或其他基材結合而應用于保護材料，這大幅降低了抗沖擊紡織品的抗沖擊性能、透氣性能和耐久性。最近ZHANG J等［65］提出了一種類似于液流紡的STF 智能紗線，該紗線用中空硅膠管封裝STF 后，在表面涂覆CNT，最后以PDMS 封裝，制備出的紗線具有優異抗沖擊性能和沖擊監測性能。該研究為構建多功能智能織物提供了一種可行的方法，在人體安全防護和實時運動監測方面具有廣闊的應用前景。

抗菌、抗病毒等生物防護型紗線具有有效抑制或殺滅細菌、真菌、病毒等微生物且具有衛生保健功能的新型紗線［66］。目前，根據其制備方法可以分為兩類，即通過本征抗菌活性纖維原料制備的紗線，以及后整理賦予紗線抗菌性能的紗線。天然纖維如殼聚糖纖維、木棉纖維、海藻纖維、麻纖維和竹纖維等，由于其本身所含的麻甾醇、黃酮、酚類物質、蒽醌類物質、黃酮類和三萜類物質等可以與細菌細胞壁及蛋白質發生作用，導致細菌失活［67］。因此具有良好的抗菌性，但由于這些纖維的可紡性較差，并且價格昂貴，導致在抗菌紡織品中應用受限。20 世紀80 年代開發的無機抗菌整理劑使得紗線的抗菌性能大幅提升。無機抗菌整理劑主要分為金屬型如銀、銅、鋅等離子化合物和光響應性金屬氧化物如ZnO、ZrO2、TiO2等。由于這些無機抗菌整理劑具有即時高效且廣泛的抗菌性、良好的化學穩定性、人體友好性，符合當前綠色環保的趨勢，具有廣泛的應用前景。未來的抗菌防護紗線，應是化學、生物、醫學、紡紗加工等多學科交叉的產物，對不同菌種的選擇性、高效性和安全性是其未來發展的一大趨勢。

4 結語

通過全面概述新型功能性紗線的最新進展，回顧了功能性紗線的制備方法并討論了其優缺點。重點強調了纖維原料、紗線結構設計以及制備工藝在功能性紗線構建中的構效關系。介紹了能源型、傳感型、響應型、防護型、熱管理型等新型功能紗線及其應用，并簡述了其發展趨勢。

（1）多功能的集成。單一功能的紗線越來越無法滿足人們在不同場景中的應用，例如，對于先進的智能可穿戴設備，開發多功能的，集成傳感、能源存儲和信息傳輸等多種功能是非常有必要的。這對紗線的材料、制備工藝以及集成系統提出了挑戰，是未來需要攻克的難題。

（2）大批量的高效綠色制備。目前，部分報道的功能性紗線都是在實驗室規模制造的，在轉向工業規模生產方面存在許多挑戰。針對制備過程中存在的廢水處理、試劑回收等問題，需要開發新的策略，實現全流程制備的綠色環保無污染。

（3）標準的建立與制定。傳統的紗線及紡織品標準并不完全適用于功能性紗線的評價以及測定。因此，需要制定與之對應的功能性紗線標準，以期實現對紗線及其紡織品的有效對比。