纖維科學(xué)專業(yè)知識(shí)市公開課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

1科學(xué)魅力東華大學(xué)胡學(xué)超5月第1頁2科學(xué)魅力在哪里?

在于對(duì)無窮未知探索。那么我們領(lǐng)域有沒有東西需探索?

有沒有高科技？

有第2頁3高水平學(xué)科中國紡織大學(xué)五星級(jí)學(xué)科與高分子淵源產(chǎn)學(xué)研特色人才第3頁4創(chuàng)始人錢寶鈞教授方柏容教授1954年由錢寶鈞、方柏容教授創(chuàng)建“化學(xué)纖維”專業(yè)全國最早建立高分子材料類專業(yè)之一師從意大利米蘭工學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)取得者Natta教授取得首屆中國工程科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)第4頁5大量高科技研究內(nèi)容高科技開發(fā)及未知科學(xué)問題解答增添了無窮興趣與魅力下面大致介紹一下第5頁6興趣靠積累物理數(shù)學(xué)化學(xué)纖維計(jì)算機(jī)模擬仿生學(xué)—?jiǎng)又参锏?頁7紡織服裝航空航天國防軍工電子信息生物醫(yī)學(xué)能源環(huán)境

纖維材料不單是衣著用材料而且是國防建設(shè)主要基礎(chǔ)材料和戰(zhàn)略物資第7頁8纖維材料在服用外其它用途軍用紡織品醫(yī)用紡織品建筑用紡織品農(nóng)業(yè)用紡織品交通工具內(nèi)裝飾水利,交通工程用紡織品特殊服裝復(fù)合材料第8頁9軍用紡織品碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（碳-碳復(fù)合、碳-硅復(fù)合、碳-環(huán)氧樹脂復(fù)合）洲際導(dǎo)彈、隱形飛機(jī)每架波音777飛機(jī)要用約1萬磅碳纖維每架A380所用碳纖維復(fù)合材料達(dá)40%,27噸

高性能纖維裝甲車,鋼盔、防暴盾牌、防彈車、防彈衣高強(qiáng)高摸PE,PBO,Kevlar智能纖維能信息交流智能服裝，美軍將于裝備自動(dòng)抗生物,化學(xué)毒試劑服第9頁10PAN基碳纖維力學(xué)性能最正確應(yīng)用面最廣需求量最大發(fā)展最快機(jī)身材料50％為碳纖維復(fù)合材料碳纖維在風(fēng)力發(fā)電葉輪中應(yīng)用碳纖維用于海上采油平臺(tái)結(jié)構(gòu)材料可作結(jié)構(gòu)材料PAN基碳纖維第10頁11

有機(jī)高性能纖維材料是航天航空、國防軍工等急需關(guān)鍵材料高強(qiáng)高模PE纖維芳綸PBO纖維有機(jī)高性能纖維材料第11頁12醫(yī)用紡織材料紡織品或纖-維增強(qiáng)復(fù)合材料中空纖維——人工腎、人工肝、人工肺無紡布——人工皮膚、藥品釋放材料醫(yī)用縫合線人造血管、喉管、人體管道介入治療用器械可自動(dòng)止血服裝人體可自動(dòng)吸收,分解纖維材料第12頁13建筑用紡織品膜結(jié)構(gòu)建筑滌綸為底涂聚氯乙烯（當(dāng)前）玻纖為底涂四氟乙烯（發(fā)展中）氣囊結(jié)構(gòu)大橋吊索——碳纖維纖維防裂水泥、纖維增強(qiáng)水泥居室裝潢第13頁14農(nóng)用紡織品增強(qiáng)膜、天膜、地膜（含無紡布）、遮擋膜無土栽培基質(zhì)輸液管防沙漠化草皮（無紡布）吸水材料（聚乙烯醇）水產(chǎn)業(yè)用網(wǎng)第14頁15交通工具內(nèi)裝飾汽車、飛機(jī)、船用座椅抗靜電、阻燃、防曬、耐臟、美觀、舒適安全帶、安全氣囊、油氣過濾、剎車片高強(qiáng)高模簾子線復(fù)合材料車殼、保險(xiǎn)杠飛機(jī)中隔熱墊料第15頁16水利交通工程用紡織品各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要各類土工材料水庫建設(shè)、水壩、水閘河堤、港口、河道改良機(jī)場、高速公路、高速鐵路第16頁17特殊服裝方面航天服保健服各類特殊運(yùn)動(dòng)服跳傘攀巖蹦極登山潛水科學(xué)考查第17頁18服用材料方面伴隨人們生活水平提升，對(duì)服裝要求會(huì)越來越高舒適易處理保型色澤鮮亮，色彩豐富透氣保濕第18頁19新技術(shù)在紡織業(yè)中應(yīng)用生物技術(shù)納米技術(shù)信息技術(shù)智能紡織材料第19頁20生物技術(shù)在紡織、纖維方面應(yīng)用以植物為原料制備高分子材料PTT纖維（1-3異丙醇）聚乳酸纖維素淀粉纖維紡生技術(shù)應(yīng)用蜘蛛絲桑蠶絲發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)第20頁21納米技術(shù)高聚物與無機(jī)納米材料共混阻燃、易染、抗靜電、抗菌纖維納米纖維儲(chǔ)氫材料、燃料電池、導(dǎo)電材料、過濾材料制備方法電力紡絲分子紡絲板紡絲法聚合成型法第21頁22信息技術(shù)可快速傳遞相關(guān)時(shí)尚信息，加速設(shè)計(jì)、銷售QRS，數(shù)字紡織由纖維性能,織造結(jié)構(gòu),經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算得到面料性能導(dǎo)電材料、納米材料、光電纖維帶有鍵盤和母板時(shí)裝美軍新式作戰(zhàn)服第22頁23智能紡織材料感知外界信息，并作出反應(yīng)改變顏色、發(fā)生振動(dòng)、膨脹

導(dǎo)電、計(jì)算、儲(chǔ)存能量潛水衣（測溫、導(dǎo)電、加熱）滑雪服（相轉(zhuǎn)變材料）傳感器降落傘（變色材料）生物傳感器納米傳感器抗毒反應(yīng)型納米服執(zhí)行器（Actuators）可做成織物柔性光電池、光電織物軍用導(dǎo)電納米復(fù)合材料、光電半導(dǎo)體裝置抗微生物材料仿人工肌肉材料第23頁24'ExtremeTextiles'ComeofAge

紐約時(shí)報(bào)4月11日?qǐng)?bào)道新紡織時(shí)代到來所說內(nèi)容本文多已提到請(qǐng)看一些照片第24頁25REHEATBEFOREUSINGWhenheated,carbonfibersturnpliable.ILCDoverInc.inDelawarehasdevelopedstructuresthatcanbefoldedbeforelaunchingandthenreheatedandunfoldedinspace.Themilitarywillusethetechnologyforaspace-basedradar,andNASAcoulduseitinthefutureforlargespacetelescopes.第25頁26BUILDINGWITHAIRTheArmy'sAirBeamisdesignedforeasilyerectedtemporarybuildingslikemedicalbuildingsandaircrafthangars."Youjustunrollit,inflateitandyourtentisstandingup,"saidJeanHampeloftheArmySoldierNatickCenter,whichisdevelopingthetechnology.AprototypeisbeingusedforamedicalaidcenterinIraq.第26頁27SOFTSWITCHInternationalFashionMachinesofSeattlehasmadealightswitchintheshapeofapompom.Conductivefibersdetectthepressofahand."WhatIdoismakefuzzy,beautiful,conductivethings,"saidDr.MargaretOrth,thecompany'sfounder."Youjustsqueezethepompom,andthelightsgoonoroff."Dr.Orthsaidsheexpectedherfabricswitchestoreachstoreslaterthisyear.第27頁28POLYMERSKINAprocesscalledelectrospinningmakesfibersoutofanelectricallychargedsolutioncontainingdissolvedpolymersandsticksthemontoanelectricallychargedsurface.Thefibersfallrandomlybutformauniformlayer,evenonathree-dimensionalsurface."It'ssortoflikespray-onGore-Tex,"saidDr.HeidiSchreuder-GibsonoftheArmyNatickSoldierCenter."It'sverybreathable,justlikeskin."第28頁29BODYENGINEERINGEmbroideredoutofsuturethread,thispieceoftextilewouldbesandwichedinanartificialshoulderjoint.Thestarburstshape,5.75incheswide,allowsthesurgeondifferentoptionsforsecuringthejointinplace第29頁30CARBONTOWERPeterTesta,anarchitectinSantaMonica,Calif.,hasdesigneda40-storyskyscraperthatwoulddoawaywithsteelforthestructure.Instead,Mr.Testa's"wovenbuilding,"showninamodelabove,wouldbeheldupbyacrosshatchedlatticemadeofcarbonfiber,whichisseveraltimesstrongerthansteel.Thebuilding'sinteriorwouldbecompletelyopenexceptfortheelevatorshafts.

第30頁31DESTINATIONMARSAcocoonof24airbagscushionedthelandingofNASA'sPathfinderroverin1997.TheairbagsconsistedoffourlayersofVectran,ahigh-strengthfiberthatisacousintoKevlarthatbecomesstrongeratcoldertemperatures.SimilarairbagssurroundedtheNASAroversSpiritandOpportunitywhentheylandedonMarslastyear第31頁32HOTHANDConductivefibersinthisprototypespacesuitgloveallowcircuitrytobewovenin.Thefibersaremoredurablethanwires

第32頁33Glass/PPCommingledYarnNylonWrappedCarbonRovingHybridYarnDevelopment

Useofhybridyarnsincombinationwithtextilepreformsenhancesthepotentialoftextilepreformcompositesinhighperformanceapplications.

Hybridyarnscanbemanufacturedthroughdifferentwaysincludingco-wrapping,corespinningandcommingling,aimingtogiveuniformdistributionofmatrixandreinforcementfibersaswellastoreducethedamageofreinforcingfibers.

Currentlyworkiscarriedoncomminglingandwrappedyarns.

第33頁34生物技術(shù)在制備纖維上，有兩種考慮：生物可降解，分解為水和CO2，參加自然界大循環(huán)。原料來自生物體，不耗用燃料資源，利用太陽能，將CO2和水由葉綠素來合成高分子或高分子原料，經(jīng)典例子是：Lyocell和Ingeo，將詳細(xì)介紹仿生技術(shù)：這是更新一代技術(shù)，其實(shí)早就開始了，棉（中空），麻、絲（異形），毛（復(fù)合）?，F(xiàn)在在更高層次上仿生。第34頁35玉米纖維第35頁36纖維材料開發(fā)新思緒天然可再生資源利用,源源不絕、環(huán)境友好概念多從自然界動(dòng)植物中尋求靈感從事綠色材料、仿生材料研究第36頁37美國新經(jīng)濟(jì)雜誌預(yù)言，

「仿生」是未來人類開創(chuàng)更美好新世界八大科技之一！

自然界生物各種奇妙功效：蜘蛛絲強(qiáng)韌性；蜻蜓出眾飛行本事；蒼蠅各種特殊功效；孔雀、蝴蝶漂亮翅膀；夜間活動(dòng)型蛾（NightMoth）眼

蜂巢奇妙結(jié)構(gòu)蟑螂靈敏感知能力啄木鳥腦殼有最緊密組織抗震骨骼；

墨魚瞬間加速能夠達(dá)到每小時(shí)20哩；

蜂鳥飛行600哩旅程耗費(fèi)不到十分之一盎司能量；

荷花葉面有絕佳抗污性(self-cleaningproperties)和撥水性(waterrepellent)；生物骨骼構(gòu)造比鋼鐵強(qiáng)硬；自然生命世界蘊(yùn)藏全部科技奧秘與答案……。第37頁38蜻蜓出眾飛行本事飛行速度：150公里/小時(shí)飛行耐力：1000公里飛行之王！?。〉?8頁39蠅眼視覺功效複眼為許多單眼結(jié)合，可使焦距大幅縮短350度視角能看清快速移動(dòng)物(紫外光）應(yīng)用複眼機(jī)制，可製造出極薄感知器、復(fù)眼相機(jī)等應(yīng)用快速追蹤本事，可製造出飛機(jī)地速指示器第39頁40蟑螂靈敏感知能力從感知風(fēng)速到逃跑只需0.044秒，人類需要0.3秒尾肢可對(duì)2公分/秒風(fēng)做出反應(yīng)可做微流速感知器第40頁41

建築功效第41頁42荷葉絕佳抗污性和撥水性帝人開發(fā)MicroftLectuce織物，模仿了荷葉撥水作用第42頁43仿天然纖維絲：光澤絲鳴←異形縱向凹陷棉：保暖性等←中空毛：卷曲彈性←并列型組分（正皮質(zhì)、副皮質(zhì)細(xì)胞）麻：清涼←扁平第43頁44成功在失敗之后蜘蛛絲研究過程第44頁45仿蜘蛛絲研究背景蜘蛛牽引絲力學(xué)性能優(yōu)良，被譽(yù)為“生物鋼”

i強(qiáng)度高、彈性好、初始模量大、斷裂功大

ii比強(qiáng)度是鋼5倍，韌性是Kevlar3倍

ⅲ它是一個(gè)以蛋白質(zhì)為基質(zhì)高強(qiáng)材料，集高強(qiáng)、高韌、輕質(zhì)、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)于一身蜘蛛牽引絲用途

在防彈衣、微型手術(shù)縫合線、航空材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域有著巨大潛在用途。

第45頁46

奇妙蜘蛛絲第46頁47蜘蛛絲和蠶絲之優(yōu)異力學(xué)性能材料伸長率（%）初始模量（N/m2)強(qiáng)度（N/m2）

斷裂功（J/Kg）

蜘蛛

牽引絲9.8~32.1(1~30)×109

1×109

1×105

家蠶絲15~355×109

6×108

7×104

尼龍18~263×109

5×108

8×104

棉5.6~7.1(6~11)×109

(3~7)×108

(5~15)×103

鋼8.02×1011

1×109

5×103

凱夫拉4.01×1011

4×109

3×104

橡膠1×106

8×104

Ref:

VollrathF.,StrengthandStructureofSpiders’Silks,ReviewsinMolecularBiotechnology,,74:67-83

第47頁48蜘蛛和蠶之合理紡絲技術(shù)常溫常壓水溶液高濃度液晶紡節(jié)能、經(jīng)濟(jì)環(huán)境保護(hù)高效耗能小、產(chǎn)品高性能歷經(jīng)數(shù)億年演化第48頁49蜘蛛絲仿生紡絲關(guān)鍵技術(shù)12蜘蛛絲蛋白制備紡絲過程仿生利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將蜘蛛相關(guān)基因轉(zhuǎn)移到細(xì)菌、植物體、哺乳動(dòng)物乳腺上皮或腎細(xì)胞中，進(jìn)行表示，生成蜘蛛絲蛋白質(zhì)，并進(jìn)行提純蜘蛛所用“紡絲液”是水作溶劑。“紡絲”前，“紡絲液”在絲腺內(nèi)呈液晶態(tài)，并以α晶型為主。在其成絲流動(dòng)過程中，α結(jié)構(gòu)向β反向平行折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變而且絲條從水中分相出來，絲條一旦形成了β反平行結(jié)構(gòu)就不再溶于水。第49頁50國外研究重點(diǎn)——

蜘蛛絲蛋白制備轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物:山羊(NexiaCANADA)轉(zhuǎn)基因植物:煙草,土豆細(xì)菌,酵母成功取得重組蜘蛛絲蛋白第50頁51紡絲技術(shù)一樣非常主要人造蜘蛛絲紡絲研究現(xiàn)實(shí)狀況必須模仿蜘蛛干法成絲過程我們觀點(diǎn)天然蜘蛛絲蛋白六氟異丙醇甲酸鹽溶液重組蜘蛛絲蛋白水濕紡濕紡第51頁52吐絲口壓絲部共通管后區(qū)中區(qū)前區(qū)后部絲腺中部絲腺＊合成絲素＊彎彎曲曲細(xì)管＊分子形態(tài)：Silk

I＊無規(guī)卷曲、α螺旋＊溶液狀態(tài)：凝膠＊蛋白質(zhì)濃度：12~15%＊粘度：中＊無光學(xué)活性＊高含水量＊合成絲膠,水分流失＊較粗＊分子形態(tài)：Silk

I＊無規(guī)卷曲、α螺旋＊溶液狀態(tài):凝膠→凝膠→溶膠＊蛋白質(zhì)濃度：25%＊粘度：高→高→中等＊微雙折射＊水分流失,離子交換，

pH下降，粘度降低。＊逐步變細(xì)，象一個(gè)圓錐形噴絲頭＊無規(guī)卷曲、少許β結(jié)構(gòu)＊溶液狀態(tài)：溶膠→向列型液晶＊蛋白質(zhì)濃度：30%＊粘度：低吐絲管

＊SilkII＊60%水流失＊反平行β結(jié)構(gòu)直徑:2.0→2.5→1.2mm剪切速率:0.006→0.003→0.03/spH:5.6→5.2→5.0直徑:0.05-0.3mm剪切速率:2-400/s(400-/s)pH:4.8

前部絲腺直徑:0.4-0.8mm剪切速率:0.1-0.8/spH:6.9蠶成絲流程示意圖調(diào)整Ca2+、Mg2+、K+等濃度濃度漸高、pH值漸小、β-折疊構(gòu)象漸多無規(guī)卷曲第52頁53眾多原因協(xié)同作用高粘度可紡RSF凝膠狀液體低粘度不可紡RSF溶液協(xié)同作用后，溶液（2）表觀粘度提升數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)第53頁54FutureApplicationsSpidersilkcanimproveorreplaceexistingmaterials,ieKevlarorcompositeingredientsSuperstrongpartsStrandofspidersilkpencilthickcanstopaBoeing747(Ref.4)第54頁55蜘蛛七種分泌腺體第55頁56蜘蛛噴絲頭第56頁57SilkExcretionWhenthesilkproteinsreachthespinneretsthesilkproteinshavehardenedfromtheirpreviousliquidform.Thecrystallinestructureoftheproteinshavealignedthemselvestocreatethesilkstructure.Thefinalproductisastrongflexibleproteinstandspunatambienttemperatureandpressurefromasmallyetintricatesystemofglands.Spinneretsexcretingsilk(Ref.1)第57頁58ASpiderAssemblyline(cont.)Silkreleasingtubes.第58頁59圓蛛屬7種絲腺體產(chǎn)生絲及其功效絲腺名絲名及其功效大囊狀腺牽引絲、放射狀絲、組成網(wǎng)骨架框絲小囊狀腺牽引絲、螺旋框絲（非粘性）管狀腺包卵卵繭絲鞭毛狀腺網(wǎng)橫絲梨狀腺附著盤葡萄狀腺捕捉絲等集合狀腺橫絲表面粘性物質(zhì)第59頁60再生蠶絲蛋白質(zhì)水溶液中

蠶絲蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變影響原因時(shí)間濃度剪切作用拉伸作用PH金屬離子溫度第60頁61蜘蛛絲與蠶絲氨基酸組成氨基酸蠶絲蜘蛛絲甘氨酸42.937.1丙氨酸30.021.1絲氨酸12.24.5酪氨酸4.8—天門冬氨酸/天門酰氨酸1.92.5精氨酸0.57.6組氨酸0.20.5谷氨酸/谷氨酸鹽1.49.2賴氨酸0.40.5纈氨酸2.51.8亮氨酸0.63.8異亮氨酸0.60.9苯丙氨酸0.70.7脯氨酸0.54.3蘇氨酸0.91.7蛋氨酸0.10.4半光氨酸痕量0.3色氨酸—2.9第61頁62蠶絲蛋白纖維化類似蜘蛛絲，蠶絲形成過程中是絲素蛋白由α螺旋結(jié)構(gòu)向β-折疊結(jié)構(gòu)改變過程絲素分子發(fā)生取向和結(jié)晶化

纖維化后絲素蛋白質(zhì)難溶于水

由光學(xué)各向同性向各向異性轉(zhuǎn)化第62頁63

家蠶在不一樣人為吐絲速度下形成蠶絲力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)比較吐絲速度(cms-1)吐絲口剪切速率（s-1）纖度(dtex)斷裂伸長（％）強(qiáng)度（GPa）初始模量（N/m2）×10-9斷裂能（Jkg-1）×10-5雙折射△n*紅外結(jié)晶指數(shù)**0.5113.61.8938.60.3603.220.8120.02130.3721.0227.32.7937.20.4013.580.8010.02510.5171.5340.92.4734.80.4183.640.8950.02910.5152.1477.