形狀記憶纖維課件

形狀記憶纖維

主講者趙衛(wèi)國(guó)

基本常識(shí)

進(jìn)入二十一世紀(jì)，高科技材料的發(fā)展日新月異，具有記憶功能的智能纖維，將我們的生活帶入了夢(mèng)幻般的奇妙世界。你能想象一下嗎？當(dāng)你一人孤獨(dú)的旅行時(shí)，身上的衣服能夠發(fā)出動(dòng)聽(tīng)的音樂(lè)，伴你愉悅前行不再寂寞；當(dāng)你不慎遭遇險(xiǎn)情時(shí)，身上的衣服會(huì)發(fā)出救援信號(hào)，幫你盡快逃離危險(xiǎn)；當(dāng)你駕駛汽車時(shí)，駕駛位上的坐墊會(huì)根據(jù)你的坐姿，自動(dòng)調(diào)節(jié)成貼合身體的曲線形狀，使你舒適行駛減輕疲勞。還有許多……，這些都是具有記憶功能的“聰明衣服”，為我們的生活帶來(lái)樂(lè)趣和便利。其實(shí)具有形狀記憶功能的纖維，它是智能材料的一個(gè)重要分支。用智能材料制成的紡織品具有對(duì)外界刺激感知和反應(yīng)的能力。從廣義講，能夠被“記憶”的特性很多，如形狀、熱能、光、電、磁、化學(xué)特性等。形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)，則是指通過(guò)熱、化學(xué)、機(jī)械、光、磁、電等外界刺激，觸發(fā)材料響應(yīng)，從而改變材料的形狀、位置、應(yīng)變、硬度、頻率、抗震、摩擦等動(dòng)態(tài)或靜態(tài)技術(shù)參數(shù)。形狀記憶纖維分類原料來(lái)源分類：形狀記憶纖維主要分形狀記憶聚合物纖維和形狀記憶合金纖維兩大類。常見(jiàn)的聚合物纖維如聚氨酯形狀記憶纖維，可通過(guò)溶液濕法或熔法紡絲而制備，用這兩種方法所制備的形狀記憶纖維除具備一般纖維的優(yōu)良特性如彈性、強(qiáng)度、延伸性和力學(xué)性能外，還具有良好的形狀記憶特性。形狀記憶合金首先被加工成的細(xì)絲，然后，金屬絲需要在極高的溫度加工以獲得形狀記憶效果。形狀記憶纖維制作

形狀記憶纖維制作主要分為3類：第l類是利用20世紀(jì)60年代新興的形狀記憶合金、聚合物，直接制造或合成的形狀記憶纖維。形狀記憶合金在高溫下處理成一定形狀的金屬急冷下來(lái)后，在低溫相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀，然后加熱到高溫相成為穩(wěn)定態(tài)溫度時(shí)，通過(guò)馬氏體逆向相變，恢復(fù)到低溫塑性變形前的形狀現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)。具有這種效應(yīng)的金屬通常是由兩種以上金屬元素構(gòu)成的合金，這就是通常所說(shuō)的形狀記憶合金纖維。

對(duì)形狀記憶聚合物纖維，其紡絲工藝主要包括溶液干法、溶液濕法、熔融擠出法和化學(xué)反應(yīng)法等。這種纖維除了可以制造成特殊功能的服裝外，此類纖維可編織成具有特殊外觀的織物，或設(shè)計(jì)成美觀的花式紗線，織造成具有形狀記憶的布匹。簡(jiǎn)化了纖維的后整理工序，該纖維除具有第一類記憶纖維的功能以外，同時(shí)還可以設(shè)計(jì)成根據(jù)外界條件的變化產(chǎn)生形變的各式圖案花樣，在實(shí)用的基礎(chǔ)上增添服裝的趣味性。第2類是通過(guò)用聚合物后期整理的方法，賦予天然的或人造的纖維以形狀記憶的功能，同時(shí)也解決了普通纖維易起皺、縮水、定形不穩(wěn)定等問(wèn)題，這種整理技術(shù)大致經(jīng)歷了防皺防縮、洗可穿和耐久壓燙整理等幾個(gè)發(fā)展階段，這種纖維就是人們最早提出的形狀記憶纖維

。其作用原理主要是形狀記憶高分子在纖維上面生成連接點(diǎn)，當(dāng)形狀記憶高分子在一定條件下發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)拉動(dòng)纖維運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到纖維恢復(fù)到原始狀態(tài)的效果。形狀記憶聚氨酯纖維到目前為止，關(guān)于形狀記憶高分子材料的纖維，報(bào)道最多的是形狀記憶聚氨酯纖維。此類纖維的用途非常廣泛，如同氨綸一樣，形狀記憶聚氨酯纖維的主要產(chǎn)品類型包括：裸絲和包芯紗。用一根或兩根的普通紗或者用錦綸彈力絲、氨綸絲合并加捻而成為加捻絲。也可以形狀記憶纖維為芯紗，外包棉、滌棉、粘膠長(zhǎng)絲或毛紗。有以形狀記憶纖維為芯紗，外纏各種紗線制成的包纏紗，這種紗又有單包覆和雙包覆、緊包覆和松包覆之分。根據(jù)服裝的要求，形狀記憶纖維可以制成不同的產(chǎn)品。如泳衣、緊身衣等?？梢灾苯訖C(jī)織成針織品、襪口和其他衣物的領(lǐng)口、袖口。同時(shí)，形狀記憶纖維在醫(yī)療材料方面也有大量的使用。如制作繃帶，用于病人的護(hù)帶或護(hù)罩，以幫助病人在比較舒適的情況下恢復(fù)健康。形狀記憶聚氨酯纖維制作香港理工大學(xué)紡織及制衣學(xué)系使用常用工業(yè)聚氨酯的合成設(shè)備合成出形狀記憶聚氨酯，并且利用傳統(tǒng)的濕法紡絲工藝及設(shè)備制備了具有形狀記憶的纖維。形狀記憶聚氨酯纖維在采用熔融紡絲法時(shí)，由于其分解溫度較低，耐熱性比較差，因此過(guò)高的熔融溫度限制了它在熔體紡絲工藝上的發(fā)展。形狀記憶聚合物纖維的應(yīng)用形狀記憶聚合物纖維既可單織，也可和其他天然或合成纖維混織制備多種具有形狀記憶功能的紡織品，在醫(yī)學(xué)固形材料、運(yùn)動(dòng)護(hù)套、織物、人造頭發(fā)、醫(yī)用組織縫合線等領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景。形狀記憶纖維的復(fù)合材料在醫(yī)療材料、工程和航天方面的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用比較多。形狀記憶合金纖維形狀記憶纖維的特殊功能引導(dǎo)人們把此類纖維的應(yīng)用重點(diǎn)放在功能性上。然而形狀記憶纖維的功能性和裝飾性也可以合二為一。Herior一watt大學(xué)利用已有的形狀記憶合金材料和高分子形狀記憶材料生產(chǎn)形狀記憶纖維，并且將形狀記憶纖維設(shè)計(jì)成了各種美觀時(shí)尚的花式紗線，用不同的花式紗線編織成不同的服飾或裝飾布。加工好的形狀記憶金屬絲可與不同纖維組合以及通過(guò)不同的工藝生產(chǎn)出各種紗線，主要為單絲紗和各種包纏紗。形狀記憶合金生產(chǎn)包纏紗是因?yàn)槠湫螤钣洃涀冃翁匦远皇且驗(yàn)槠渫庥^，因此紡紗時(shí)主要用作紗芯。形狀記憶纖維的性能有塑料的性質(zhì),即硬性、形狀穩(wěn)定恢復(fù)性。有傳統(tǒng)的防皺、防縮功能外對(duì)溫度具有很強(qiáng)的熱敏感性。作為一種新型的功能材料,形狀記憶高分子不僅具有形變量大、賦形容易、形狀恢復(fù)溫度便于調(diào)整、加工方便的優(yōu)點(diǎn),而且種類豐富、質(zhì)輕價(jià)廉。形狀記憶效應(yīng)、高回復(fù)形變、良好的抗震

。其他形狀記憶纖維的應(yīng)用以為帶頭人的研究小組開(kāi)發(fā)的智能型纖維是利用涂層、輻射接枝、高密度紫外線輻射和濕法紡絲的方法制造的凝膠纖維。這種智能型的纖維能夠感受酸性環(huán)境、光線、外界溫度、電流變化的刺激從而使纖維的粗細(xì)發(fā)生變化。而且在纖維形狀變化的同時(shí)能夠帶動(dòng)其他物質(zhì)的吸收、釋放和轉(zhuǎn)移，所以該智能纖維既能夠控制纖維的形變，也能夠控制物質(zhì)的流動(dòng)變化。另外，形狀記憶真絲在亞洲是被研究得比較早的形狀記憶纖維形狀記憶真絲所采用的整理劑是水解后的纖維性角朊和骨膠原，絲的形狀定形為卷曲和皺折狀。當(dāng)絲被改變形狀后，消失的卷曲和折皺在熱濕的狀態(tài)下能夠回復(fù)。形狀記憶絲綢目前被廣泛用于外套、襯衣和舞蹈緊身衣。形狀記憶纖維不僅可用于加工智能服裝，也可應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。比如將形狀記憶溫度設(shè)置在人體體溫附近，那么用這種纖維制成的絲線，就可作為手術(shù)縫合線或醫(yī)療植入物。由于該材料具有記憶功能，它能以一個(gè)松散線團(tuán)的形式切入傷口，當(dāng)其被加熱到體溫時(shí)，材料“記憶”起事先設(shè)計(jì)好的形狀和大小，便會(huì)收縮拉緊傷口，待傷口愈合好后，材料自行分解，然后無(wú)害地為人體所吸收紗線的形狀記憶特征紗線的形狀記憶特征表現(xiàn)為，在不同溫度條件下表現(xiàn)出不同的形狀特征。如常溫下形狀記憶紗芯為直線，當(dāng)溫度上升到轉(zhuǎn)換溫度以上時(shí)，由于紗芯回復(fù)到原始形狀而使紗線變成明顯的螺旋狀。這歸因于形狀記憶合金的馬氏相態(tài)轉(zhuǎn)換。形狀記憶紗線形狀記憶織物類型按纖維構(gòu)成分：形狀記憶織物主要有聚合物織物和記憶合金織物織物的構(gòu)成方式分：有機(jī)織物、針織物和非織造織物。形狀記憶聚合物織物現(xiàn)已開(kāi)發(fā)的形狀記憶聚合物織物除了機(jī)織物、針織物以外，還有非織造織物。非織造織物需要將短纖維粘合在一起，這種形狀記憶織物存在一些缺點(diǎn)：織物較厚。由于粘合劑難于均勻分布，因而織物厚度和強(qiáng)力不均勻。由于粘合劑價(jià)格昂貴，因而織物成本較高。

形狀記憶織物形狀記憶聚合物織物特性織物的不同功能取決于形成織物的形狀記憶聚合物的形變回復(fù)溫度和固定相相變的溫度。當(dāng)形變回復(fù)溫度低于常溫，而固定相相變的溫度比形變回復(fù)溫度高很多時(shí)，織物在常溫下呈高彈態(tài)。故手感柔軟舒適，日常穿著、洗滌和儲(chǔ)存都不會(huì)產(chǎn)生折痕和變形。這類織物適宜于用作常溫平整度要求高、不易折皺和變形的服飾，如襯衣等。當(dāng)形變回復(fù)溫度高于常溫，而固定相相變的溫度比形變回復(fù)溫度高時(shí)，織物在常溫下手感較硬。在穿著、洗滌或長(zhǎng)期儲(chǔ)存中產(chǎn)生的折皺和變形，隨加熱到變形回復(fù)溫度以上而消除。這類織物適宜于制作領(lǐng)口、袖口、襯里和墊肩。該類織物盡管常溫下其手感偏硬，但不會(huì)產(chǎn)生不適感，與人體接觸后，隨溫度升高，手感會(huì)得到改善。形狀記憶聚合物織物的應(yīng)用形狀記憶織物在紡織上可用作襯衣、內(nèi)衣、外套、領(lǐng)帶、手套、家用裝飾等用途。尤其可滿足：襯衣的領(lǐng)口、袖口較高的形狀保持要求，上衣肘部和褲子膝蓋部位起拱后形狀回復(fù)要求，內(nèi)衣的貼身、彈性與舒適性要求，牛仔布的定形與彈性要求，褲腰或腹帶使用變形伸長(zhǎng)后經(jīng)過(guò)形變回復(fù)，又可回復(fù)原來(lái)的長(zhǎng)度，針織物的形狀穩(wěn)定要求。形狀記憶合金織物應(yīng)用在服裝工業(yè)中形狀記憶合金最早被用于在文胸內(nèi)起托墊保形作用。這種托墊在冷水中可任意洗滌，而穿在身上因體溫而回復(fù)原狀，同時(shí)仍有很強(qiáng)的彈性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，形狀記憶合金在紡織上的應(yīng)用越來(lái)越多