形狀記憶材料及其在紡織中的應(yīng)用

劉 森， 王 磊

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 佛山 528531）

形狀記憶材料是一種特殊的功能性材料，同時(shí)具有驅(qū)動(dòng)和感知作用的新型智能材料結(jié)構(gòu)。由于形狀記憶材料具有良好的形狀記憶效應(yīng)、良好的抗震性和適應(yīng)性、 高的恢復(fù)形變, 而且容易加工成薄膜、 線、 顆?；蚶w維等形式， 在紡織、服裝以及醫(yī)用紡織品上具有很大的優(yōu)勢[1]。 本文主要介紹了形狀記憶材料及其原理， 同時(shí)介紹其在紡織中的應(yīng)用。

1 形狀材料的介紹及特點(diǎn)

形狀記憶效應(yīng)是具有一定形狀的固體材料，在某一低溫狀態(tài)下經(jīng)過塑性變形后， 通過加熱到這種材料某一臨界溫度以上時(shí)， 材料又自動(dòng)恢復(fù)到初始形狀的現(xiàn)象。 具有這種效應(yīng)的材料稱為形狀記憶材料。 它可以通過熱、 機(jī)械、 化學(xué)、 磁、 光或電等外界作用使材料作出反應(yīng), 從而改變材料的形狀、 摩擦、 應(yīng)變、 硬度和靜態(tài)或動(dòng)態(tài)等特征技術(shù)參數(shù)。

2 形狀記憶材料的原理

2. 1 形狀記憶合金的原理

形狀記憶合金材料是通過馬氏體相變來表現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。 馬氏體相變具有可逆性。 形狀記憶效應(yīng)是熱彈性馬氏體相變產(chǎn)生的低溫相經(jīng)過加熱向高溫相相互轉(zhuǎn)變的結(jié)果。 當(dāng)具有一定形狀的合金材料從高溫降低至室溫形成馬氏體相， 再將材料變形， 經(jīng)過加熱到一定溫度以上， 由于材料特有的結(jié)構(gòu)特性， 會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到原來的形狀。

圖1 形狀記憶機(jī)理示意圖

具有馬氏體逆轉(zhuǎn)變， 且加熱和冷卻時(shí)馬氏體相變的開始溫度相差 （稱為轉(zhuǎn)變的熱滯后）很小的合金， 將其冷卻到轉(zhuǎn)變時(shí)的開始溫度以下， 隨著溫度下降馬氏體晶核逐漸長大； 溫度升高時(shí)， 反之馬氏體相又同步地縮小。 所以說馬氏體相的數(shù)量隨溫度的變化而發(fā)生變化。 在轉(zhuǎn)變開始溫度以上某個(gè)溫度對合金施加外力也可以促使馬氏體的相發(fā)生轉(zhuǎn)變， 若熱彈性馬氏體相變受到的力較小時(shí)， 在低于轉(zhuǎn)變的開始溫度下， 通過降溫進(jìn)行熱彈性馬氏體相變， 從而呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。 因此形狀記憶效應(yīng)是熱彈性馬氏體相變的低溫相經(jīng)過加熱向高溫相進(jìn)行相互轉(zhuǎn)變的結(jié)果[2]。

2. 2 形狀記憶聚合物的原理

圖2 熱激發(fā)的形狀記憶效應(yīng)的分子機(jī)理

形狀記憶聚合物的固定相具有較高的結(jié)晶熔融溫度(Tm) 或玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg) ；而可逆相具有較低的Tm 或Tg 的結(jié)構(gòu)。 當(dāng)外界環(huán)境的溫度高于可逆相轉(zhuǎn)化溫度(Ttran) 時(shí)， 可逆相的分子就會(huì)處于彈性態(tài)， 受外力的作用下會(huì)發(fā)生形變， 而此時(shí)由于固定相具有較高的Tm 或Tg，因此仍然處于玻璃態(tài)或結(jié)晶態(tài)。 當(dāng)溫度低于Ttran 時(shí)， 可逆相將處于凍結(jié)狀態(tài)， 外力去除后，可逆相的形變就被固定下來。 當(dāng)外界溫度再次升高到Ttran， 由于其可逆相的彈性回復(fù)， 形狀記憶聚合物就恢復(fù)到它的起始狀態(tài)。 至此， 完成 “記憶起始態(tài)一固定變形態(tài)一恢復(fù)起始態(tài)”的循環(huán)[3]。

3 形狀記憶材料在紡織中的應(yīng)用

3. 1 形狀記憶合金在紡織上的應(yīng)用

（1） 國外的研究

英國研發(fā)出一種防燙傷的服裝[4]， 它的制造方法是將鎳鈦形狀記憶合金絲加工成螺旋彈簧狀， 然后在合金馬氏體狀態(tài)時(shí)將其加工成平面形狀， 再將其固定在服裝面料中。 當(dāng)服裝接觸高溫時(shí)， 因?yàn)殒団伣z的特定的性質(zhì)， 金屬絲就由平面狀變?yōu)槁菪龔椈蔂睿?這樣在織物內(nèi)部形成很大的空間， 從而使人體皮膚與高溫隔開，避免燙傷。 在服裝中加入形狀記憶合金絲通過升溫變形產(chǎn)生空隙而產(chǎn)生的絕熱性， 可提供在特殊環(huán)境中服裝的保暖性。

意大利公司用形狀記憶合金纖維做成了一件智能化襯衣[5]， 使用的材料是鈦鎳記憶合金纖維和尼龍,鈦鎳合金絲和尼龍絲的比例是1 : 5 進(jìn)行混織。 當(dāng)周圍環(huán)境的溫度升高時(shí), 該智能襯衣的袖子會(huì)立即自動(dòng)卷起。 而且該襯衣還具有抗皺的能力, 即使將襯衣揉成一團(tuán), 只要用電吹風(fēng)吹一下， 襯衣馬上就能恢復(fù)到原來的樣子, 甚至可以通過人的體溫將其自動(dòng)熨平。

蘇格蘭Herior - Watt 大學(xué)的教授[6]利用已經(jīng)開發(fā)出的形狀記憶合金材料紡出的短纖竹節(jié)紗、 雪尼爾線、 花邊線、 粗松螺旋花線等花式紗線。 這些花式紗線采用包芯紗的結(jié)構(gòu), 形狀記憶合金纖維作為紗芯。 在外界環(huán)境影響下促使紗芯進(jìn)行形狀記憶的活動(dòng)。 包覆在外面的彩色紗線， 則隨著紗芯的伸展、 扭曲， 變化出不同的樣式和圖案。

（2） 國內(nèi)研究

國內(nèi)主要研究是合金絲用于內(nèi)襯和文胸。專利號(hào)CN2443628 是高彈性的形狀記憶合金嵌入在鞋面內(nèi)[7]， 這樣嵌入到運(yùn)動(dòng)鞋內(nèi)高彈性形狀記憶合金可以阻止外部沖擊和足部扭傷。 專利號(hào)CN2419851[8]， 是將形狀記憶合金單絲、 細(xì)絲或片用來作鞋帽包中某部分的內(nèi)襯或用硅膠來包覆合金絲網(wǎng)， 硅膠包覆合金絲網(wǎng)來做內(nèi)襯，使鞋帽保持原有形狀。 這種內(nèi)襯可置于鞋、 帽、包中某一部分作為內(nèi)襯， 制成以各種織品、 無紡布、 鞋、 帽、 包、 及服裝墊肩等。

專利號(hào)CN1422563， 是采用NiTi 合金絲網(wǎng)來做文胸的內(nèi)襯， 這種記憶合金絲網(wǎng)做成的文胸透氣性好， 而且保型性優(yōu)良。 同時(shí)將合金絲網(wǎng)包覆， 避免了NiTi 合金絲對人體皮膚產(chǎn)生刺激， 而且采用NiTi 合金做成的收口可以增強(qiáng)內(nèi)襯的保形性[9]。 另外， 北京的NiTi 諾科技公司開發(fā)的嬰兒被可以根據(jù)外界溫度的變化改變棉被的厚度。

3. 2 形狀記憶材料在紡織中的應(yīng)用

（1） 在濕度感應(yīng)織物中的應(yīng)用

美國Topolkaraev 等發(fā)明了一種通過濕度來刺激激發(fā)形狀記憶的材料。 當(dāng)處于潮濕或多水的環(huán)境中時(shí)， 該材料具有至少一個(gè)方向的變形和部分回復(fù)的能力； 當(dāng)受到一個(gè)或幾個(gè)外力作用時(shí)， 材料至少在某一方向上產(chǎn)生變形； 當(dāng)解除外力后， 至少在一個(gè)方向材料可保持一定程度的變形[10]。 使用這種材料制成的紡織產(chǎn)品可最大限度鎖住變形， 從而防止水分滲漏。 這種形狀記憶材料具有可回復(fù)變形性， 而且材料保存一定程度的變形， 當(dāng)暴露于潮濕環(huán)境中時(shí)， 可部分恢復(fù)織物原樣。

（2） 在抗皺織物中的應(yīng)用

日本Kazuyuki K 把具有形狀記憶的高分子粉末用樹脂黏合劑黏接到織物上， 在織物表面形成一層薄膜[11]。 經(jīng)過黏結(jié)整理后的織物,手感挺括。 如果織物發(fā)生形變， 將其放入熱空氣中或者穿在人體上， 當(dāng)織物受到的溫度高于分子的玻璃化相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)， 形狀記憶高分子就會(huì)吸收熱量， 發(fā)生相的轉(zhuǎn)變。 因其本身的特殊結(jié)構(gòu)， 恢復(fù)到原來的形狀， 這樣就達(dá)到抗皺和保形的能力。

香港理工大學(xué)的胡金蓮利用具有形狀記憶水溶性聚氨酯組合對織物進(jìn)行整理[12]， 經(jīng)過整理后的織物， 若在穿著過程或折疊過程中出現(xiàn)折痕， 將織物放在30 ～100 ℃熱空氣或熱水中，不久織物就恢復(fù)到原來形狀， 該織物還具有手感舒適、 透濕透氣性好等特點(diǎn)。

（3） 在防水透氣織物中的應(yīng)用

日本三菱公司用形狀記憶聚氨酯生產(chǎn)的高防水透氣涂層織物Diaplex 產(chǎn)品， 通過層壓的方式獲得， 其防水性達(dá)到20 000 ～40 000 mm H20 水柱壓力， 而且透氣性達(dá)到8 000 ～12 000／m2·24h。該織物不僅具有防水透氣的作用， 而且還可以通過體溫控制透濕氣性， 達(dá)到調(diào)節(jié)體溫的作用。由于這樣的織物具有良好的抗冷凝性， 而且其防水透氣和保暖性能隨溫度變化而變化。 它不僅適合一般條件下的穿著， 而且在極端環(huán)境條件下也適合穿著。

Hayashi.S 等用形狀記憶PUs 涂層織物。他們是以聚四亞甲基氧二元醇( PTMO)、 聚環(huán)氧乙烷二元醇(PEG) 為混合軟段, 分別以1, 4- BDO 及EDO 擴(kuò)鏈的MDI 為硬段,通過在DMF溶劑中合成形狀記憶PUs 。 這種PUs 在較高溫度下具有高透濕氣性, 在較低溫度下具有隔熱性。 用該形狀記憶PUs 作為涂層整理的服裝面料, 具有高透氣性， 而且能對不同的外界溫度作出反應(yīng), 給人恒溫的感覺。

（4） 在調(diào)溫織物中的應(yīng)用

美國Vigo Frost 等通過聚已二醇 (PEG) 涂層整理的面料， 具有儲(chǔ)存熱量的功能。 當(dāng)面料受到熱量時(shí)， 就吸收外界熱量， 當(dāng)遇到冷的環(huán)境時(shí)放出熱量[13]。 這種技術(shù)應(yīng)用于聚氨酯織物涂層上， 使PEG 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度處于人體感覺舒適的溫度范圍， 這樣， 當(dāng)外界環(huán)境溫度高于臨界溫度時(shí)， 高聚物發(fā)生相變吸熱， 同時(shí)體積發(fā)生膨脹， 熱運(yùn)動(dòng)加快， 親水基團(tuán)空間增大，使透濕氣量增加， 排熱排汗加快， 使人感到?jīng)鏊?當(dāng)環(huán)境溫度低于高聚物臨界溫度時(shí)， 高聚物相變放出熱量， 織物的透氣性能降低， 能夠起到防風(fēng)保溫作用。 這樣透濕氣性隨著溫度變化而變化， 穿著者在不同環(huán)境溫度情況下， 都會(huì)感到舒適。

4 結(jié)語

隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的不斷創(chuàng)新, 形狀記憶材料的性能和技術(shù)不斷提高。 形狀記憶材料作為一種新型的智能材料, 在紡織、 服裝和醫(yī)用紡織品等領(lǐng)域會(huì)得到更廣泛的發(fā)展。

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