自修復織物研究進展及其醫療防護應用展望

王心淼 房艷華 朱孟府 吳金輝

（1.中國人民解放軍軍事科學院系統工程研究院，北京，100166；2.國家生物防護裝備工程技術研究中心，天津，300161）

自然界中，生物體具有一定的自修復能力，在生物組織受傷后能夠再生和恢復，實現傷口的自動愈合。科研工作者受此啟發，設計研發出可自動修復損傷的自修復材料，并將其應用在高分子材料［1-2］、樹脂基復合材料［3-5］、混凝土材料［6］及金屬涂層材料［7-9］等多個領域。

20世紀90年代以來，社會經濟和紡織技術快速發展，人們對織物面料的個性化需求越來越高，節能、環保、健康等多功能化和可感知、可調節等智能化織物理念的興起，多種新型織物得以研發問世。科研工作者將自修復理念引入紡織領域，應用于織物面料基底，研發出智能化自修復織物，實現了織物在外力破損后可快速自我修復，不僅延長了織物的使用壽命，還為服裝優化設計奠定了必要的技術基礎。

1 自修復織物分類

根據自修復織物的構成形式和自修復機理，將自修復織物分為兩類，分別為外援型自修復織物和本征型自修復織物。

1.1 外援型自修復織物

外援型自修復織物通過在織物中添加外援型自修復材料制備而成。一般分為兩種，一種是將自修復材料如微膠囊整理到織物表面，另一種是在織物的纖維或紗線生產過程中直接植入自修復材料。外援型自修復織物使用的自修復材料主要是由修復劑和催化劑（或稱引發劑）組成的自修復微膠囊。織物中植入自修復微膠囊后，當織物結構發生破損時，破損處的自修復微膠囊會被刺破，從而釋放出修復劑和催化劑，二者發生化學反應，將裂紋或缺口愈合，從而達到修復目的［10］。

1.2 本征型自修復織物

本征型自修復織物使用的自修復材料一般為自修復高分子聚合物，不需添加任何修復劑，在特定條件下，僅憑自身化學結構特性就可實現自修復過程的本征型自修復材料。其自修復機理是基于鍵態的重組，具有可逆性，理論上可以重復修復。在一般情況下，內部的自修復是通過物理相互作用實現的，在誘導因素的作用下導致聚合物鏈的擴散，然后形成新的糾纏，從而導致裂紋的閉合［11-12］。

2 自修復織物研究進展

2.1 外援型自修復織物

歐美發達國家在自修復織物的材料及技術研發上已取得一定進展，部分成果投入了軍事與商用。美國陸軍納蒂克士兵研究開發與工程中心（NSRDEC）、馬薩諸塞大學洛厄爾分校、Triton系統公司合作進行了自修復涂層技術的開發并將其用于修復生化防護服［13］。目前該技術已被應用到美國三軍輕便一體化服裝技術（JSLIST）項目及三軍飛行員防護套裝（JPACE）項目中，其防護機理是將一種嵌入微膠囊的反應式選擇性滲透膜充當自修復的輔助性阻隔材料，當薄膜破裂時，微膠囊將打開并在大約60 s的時間內修復裂口，借助于間隙填補技術進行裂口填補。

國內外援型自修復織物方面的研究起步相對較晚。

徐亞維［14］研發了一種具有自修復功能的仿穿山甲鱗片結構的紡織面料，由形狀記憶紡織基布和自修復涂層組成。該面料需首先以超細纖維和形狀記憶纖維為原料，織造具有凸條結構的形狀記憶紡織基布，再在基布的表面涂覆含包覆殼聚糖、光固化活性單體和桐油的脈醛樹脂微膠囊、環氧樹脂和角蛋白構成的自修復涂層，進行仿鱗片結構處理后，得到機械性能、耐磨性能和自修復性能優異的紡織面料。

鄒漢濤等［15］研發了一種光引發自預警自修復的微膠囊涂層織物。采用界面聚合與原位聚合相結合的方法制備出光響應微膠囊后，將包埋光響應微膠囊的涂層涂覆在普通織物或光纖織物表面，如圖1所示。當涂層織物破損時，引起破損位置處的微膠囊破裂，光響應性材料流出，此時用特定UV光或可見光照射涂層織物，或利用光纖涂層織物的光纖將特定UV光或可見光引入到織物內部，光響應性材料接收到光信號后會產生光響應，從而進行涂層織物的自預警或自修復。

圖1 光響應微膠囊

蘇州棠華納米科技有限公司利用納米微膠囊技術對面料進行改性，使面料纖維表面形成膠囊鞘并在膠囊鞘中引入含有紫外光激發的自修復基團，獲得具有自我修復功能的納米微膠囊超輕薄羽絨服面料［16］。

其中aBn為集合Bn中元素的策略狀態，an0表示用戶n退出信道競爭時的策略狀態，aBn/n為用戶n的相鄰用戶在n退出信道競爭時的策略狀態.然而博弈過程中，n只對集合In中的用戶產生干擾，則有：

劉淑強等［17］用原位聚合法制備單層微膠囊后，將固化劑二氨基二苯砜吸附在單層微膠囊表面，以MUF再次包覆制成雙層微膠囊，最后將雙層微膠囊涂覆到玄武巖織物表面，制備了自修復雙層微膠囊涂層玄武巖織物，如圖2所示。玄武巖纖維在裂紋產生后實現自修復，改善了其抗折性能，有效避免織物脆斷［18］。

圖2 適用于玄武巖織物的雙層微膠囊

外援型自修復是目前較為成熟的技術，在非紡織基底的材料如高分子材料、樹脂基復合材料、混凝土材料及金屬防腐涂層材料中被廣泛使用，在紡織領域也有一些研發應用。外援型自修復織物的自修復功能依靠添加的修復劑，存儲量有限，且僅能實現一次性自修復，修復劑一旦被消耗完，織物則喪失自修復功能。

2.2 本征型自修復織物

美國Imperoal Motion公司研究推出一種具有自修復功能的特殊輕質腈綸防撕裂面料，如圖3所示，主要用于帳篷產品［19］。其修復機理為采用特殊的納米固化涂層結合特殊的織物結構和紗線脈絡，使得織物被外物刺穿時并不會損毀紗線，只是將織物結構的網格向四周推開，面料的纖維滑移到一旁而不會被割斷，當外物離開后用手指揉搓幾下，滑移的纖維材料便能回復到原來的位置，被推開的網格再次聚集重新恢復原狀，同時涂層可以像橡皮泥一樣通過手指的溫度和摩擦作用重新均勻地涂在面料表面。

圖3 美國Imperial Motion 公司帳篷面料自修復示意圖

美國賓夕法尼亞州立大學研發出納米修復材料及自動修補技術［20］，已應用于夾克、背包等產品，如圖4所示。采用該技術制備的自修復織物表面覆蓋著聚對苯二甲酸乙二醇酯涂層，具有高黏度、高彈性和緩沖特性，用針戳破后輕揉幾下便能恢復原樣，其修復機理是由手指揉搓產生的熱量使得布料分子之間被破壞的結構重構，纖維斷裂處自動連接修復。

圖4 自修復夾克

安踏體育用品有限公司研發了一種具有自修復功能的紡織面料，如圖5所示，是由經硅油油霧處理的紗線織造而成的織物基底和涂覆在織物基底上的PU涂層兩部分組成。當織物被刺破，在織物表面只形成由紗線滑移而產生的小洞，紗線僅發生滑移而不會斷裂，而表面破洞在外力揉搓下通過織物表面上高彈性的PU涂層便可以恢復原狀，實現織物的自我修復［21］。

圖5 自修復面料

盧敬平［22］研發了具有相同自修復原理的面料，面料本體的上表面黏接有PET自愈合層，利用PET涂層具有高黏度、高彈性和緩沖特性實現面料自動修復，在修復過程中只需要輕輕揉幾下產生熱量，使得布料分子之間被破壞的結構重構，纖維的斷裂處便自動連接恢復原樣。

通過耦合作用將包覆十八烷的TiO2納米膠囊負載于改性石墨烯表面，再將TiO2納米膠囊改性石墨烯與多氨基支化梳狀聚氨酯混合后涂敷在織物表面，制備了一種自修復型儲能導電涂層織物。該織物涂層在外力損傷后能夠在38 ℃及以上溫度下完成自我修復，并恢復其導電性。

本征型自修復織物可實現重復自修復，但通常需要特定外部誘導方能觸發自修復功能，其中溫度是最常見的自修復誘導因素，光刺激、濕刺激和電刺激等也可作為誘導因素。而在常態下，自修復織物自修復速度緩慢，有的甚至需要數十小時才能完成破損處的愈合。

2.3 自修復織物發展存在的問題

國內外在自修復織物材料理論、制備技術以及實用方法研究方面已取得一定進展，但仍存在以下幾方面需進一步解決的問題。

（1）自修復材料雖已在非紡織基底的材料領域中被廣泛使用，用于實現損傷后的自動修復，但適用于這些基底材料的大部分自修復材料對織物基底的適應性較差，且工藝生產成本高、難以達到批量生產。當前國內自修復織物的研究已取得一些進展，但未正式投入使用。未來應在自修復材料與織物的適應性以及實際應用方面繼續深入研究。

（2）針對自修復織物破損后可修復的損傷面積、完成自修復所需的時間、自修復后效果評估等參考數據較少，未來應繼續推進自修復織物相關性能的試驗研究，推動自修復織物的評價體系及相關標準制定。

（3）目前自修復織物材料仍是多借助外部能量等特定條件實現的半自動修復，并不是嚴格意義上的全自動修復，實際應用受到諸多限制。未來應重點研究非特異性自修復理論和合成技術，使自修復材料真正實現廣泛應用。

3 自修復織物在醫療防護領域的應用展望

世界各國對醫療防護領域防護裝備的技術與創新都十分重視，智能材料、智能感知和先進能源供應技術正在密集研發。未來醫療防護裝備應包括智能感知、主動防護、高度適應等主要特點。自修復織物在醫療防護領域具有巨大的應用前景。將自修復織物應用到醫用防護領域中，是將防護裝備從被動防御轉變為主動防護的一個重要體現，不僅對傳染病研究、突發疫情控制等具有重要意義，還可為醫療防護裝備的優化設計、工程制造、制定風險規避策略和提高使用安全性奠定必要的技術基礎。

自修復織物未來可應用于醫用帳篷、醫用防護口罩及醫用防護服等不同醫療防護裝備。

3.1 醫用帳篷

醫用帳篷能夠滿足在不同地形上搭建和快速移動的需求，實現戶外空間下的短期臨時高效利用。新冠疫情期間，具有輕便性、機動性和功能齊全等優點的醫用帳篷在軍事中和災難緊急醫學救援時得到廣泛應用［23-24］。醫用帳篷的優勢在于能更快適應突發公共衛生事件的要求，在較短時間內建立較為完善的應急管理體系，并提供更大的患者就診空間，減少交叉感染。

若將自修復織物及其制備技術用于開發具備自修復功能的醫用帳篷，可快速修復在戶外環境因意外導致的破損，以確保刮風降雨等惡劣天氣下的有效防護，增加帳篷的可靠性并延長使用壽命。

3.2 醫用防護口罩

醫療防護領域中，醫用防護口罩是個人醫用防護裝備中的一個重要組成部分，具有呼吸防護和阻隔液體穿透的作用，可保護工作人員不受污染或感染。現在國內外使用的醫用防護口罩，多為一次性非織造口罩，使用方便且有良好的透氣性和透濕性［25-26］。但是這種口罩內外層均是非織造布，質地很薄，材料的拉伸性能和刺破性能較弱，容易因意外導致破損。在污染環境下，醫用防護口罩一旦破損，極易給人員造成感染風險。

因此，若能將自修復織物應用于醫用防護口罩的開發，實現醫用防護口罩破損后的快速自修復，則可以為呼吸防護增加一重保障。

3.3 醫用防護服

醫用防護服是個人醫用防護裝備中另一個重要的組成部分，其中一次性醫用防護服使用最為廣泛［27-28］。常用的一次性醫用防護服可細分為一次性醫用防護衣、一次性醫用手術衣和一次性防疫隔離衣。一次性醫用防護衣為醫護人員在接觸傳染病患者或病原體時所穿的一次性防護用品，起到單向隔離作用，可防止醫護人員被感染；而一次性醫用手術衣和一次性防疫隔離衣在醫護人員和患者之間建立防護屏障，起到雙向防護作用，既能防止醫護人員被感染，又可防止病人被感染或產生交叉感染。一次性醫用防護服對保護醫護人員和病人起到了重要作用，但是其具有質地薄、材料力學性能較弱等缺點，容易因意外導致破損給工作人員帶來感染風險。

將自修復織物制備技術應用于醫用防護服的研發中，實現防護服面料在外力破損后快速自我修復，將有助于提高裝備在惡劣環境下的安全性，防止因表面結構破損造成的有毒有害物質泄漏，降低人員的意外風險。

未來5至10年，在解決大規模生產及成本控制問題后，自修復醫用帳篷、自修復醫用防護口罩和自修復醫用防護服等智能化醫療防護裝備，或將成為醫療防護領域的核心力量。

4 結語

自修復織物作為一種新型智能化織物，對推動功能性服裝和智能化醫療防護裝備的創新應用具有重要意義。自修復織物未來的發展應著重解決當前存在的問題并適應未來的需求，創新研發適用性強、具備快速高效自修復功能的織物。隨著自修復技術的不斷進步，自修復織物將會在紡織、醫療、航空航天、建筑工業等眾多領域等得到更廣泛的應用。