形状记忆材料纺织用形状记忆材料的应用开发

1、形状记忆材料纺织用形状记忆材料的应用开发本文对形状记忆合金和形状记忆聚合物的形状记忆机理进行了阐述，并结合研究成果，介绍了迄今研发的各类形状记忆纺织品。作者指出今后对形状记忆材料的研究应继续深化，同时在纤维加工、纱线生产和织物织造技术等方面作进一步研究 探索，以不断提高形状记忆材料在纺织领域的应用价值。Inthispaper,themechanismofshapememoryalloysandpolymersw asdescribed.Combinedwithresearchresults,theauthorintrod ucedvarioustypesofshapememorytextile

2、s.Itwaspointedoutth attheshapememorymaterialsshouldbestudiedfurther,meanwhi le,fiberprocessing,yarnproductionandweavingtechnologyal sorequirefullyresearch,inordertoraisingtheapplicationva lueoftheshapememorymaterialsintextileindustry.随着社会的发展和生活节奏的加快，人们对服装易成型与易打理的要求也不断提高，形状记忆纺织品逐渐引起了人们的 关注。自从 20 世纪 6

3、0 年代以来，形状记忆材料以其独特的性能引起了人们极大的兴趣和关注。热、化学、机械、光、磁或电等外界刺激均可触发形状记忆材料作出响应，从而改变材料的技术参数，诸如形状、位置、应变、硬度、频率、摩擦和动态或静态特征等。形状记忆材料通常可以分为三大类：形状记忆陶瓷、形状记忆合金（SMA和形状记忆聚合物材料，目前在纺织领域应用的主要是后两类。1 形状记忆材料1.1 形状记忆合金自从1932年奥兰德首次在 Au-Cd合金中观察到记忆效应以来，各种合金（如 Cu-Zn-Al 合金、 Fe-Mn-Si 合金和 Fe-Ni-C合金等）的形状记忆功能相继被人们所发现。合金的形状记忆机理在于当合金材料从高温冷却

4、时，其相态即由立方对称的奥氏体相转变为对称性较低的马氏体相，此时可对材料赋以任意形变，而当温度升高至相态转变温度以上时，合金材料即可回复至高对称性的奥氏体态。形状记忆合金的特点在于其相态转变温度比较高，如 NiTi 合金的相转变温度达450；同时形变量不是很大，通常仅为 8%左右。形变和回复具备双向性，即两种形状之间的互变仅通过温度即可控制。记忆合金的开发迄今不过30 年左右的时间，但因其在各领域独特的应用效果而备受重视。迄今为止，研究和应用最普遍的形状记忆合金是NI-Ti 合金。1.2 形状记忆聚合物作为智能材料的一种，形状记忆聚合物受特定的外界条件刺激后其形状及性能可做出预定的反应，从而具

5、备形状记忆功能。外界条件包括热能、光能、电能等物理因素以及酸、碱相转变反应和螯合化学反应等化学因素。此类高分子材料包括聚降冰片烯、苯乙烯丁二烯共聚物、交联聚乙烯、聚氨酯（PU）以及含氟高聚物、聚酰胺等。1.2.1 温敏形状记忆聚合物的记忆机理首先，聚合物被加热到Tm以上，在特定模具中将其与交联剂共混而发生交联反应，然后冷却结晶，得到初始形状。接着进行二次加热至Tm以上，同时施加外力使之产生形变，此时分子链受外力作用而发生取向，维持外力的同时将聚合物冷却至室温，从而得到二次成型形状，此为变形态。在去除外力后，这种变形态可在室温下进行长期存放。而当再次加热到Tm以上时，被拉伸的分子链在熵弹性作用下

6、发生自然卷曲，聚合物回复至初始形状。整个过程如图 1 所示。1.2.2 温敏形状记忆聚氨酯温敏形状记忆聚氨酯（PU9具有良好的生物相容性和力学性能，通过调节各组分的组成和配比，可以得到具有不同转变温度的材料。形状记忆聚氨酯纤维纺丝工艺包括溶液干法、溶液湿法、熔融挤出法和化学反应法等，目前所采用的主要是溶液湿法和熔融挤出法。通过控制形状记忆聚氨酯硬段相和软段相的质量百分含量，可以纺制出转变温度在-10100c之间的形状记忆聚氨酯纤维。表 1 为所开发纤维的物性指标。2 形状记忆纱线研发2.1 形状记忆合金纱线如要获得形状记忆功能，合金丝在纺纱之前须在极高的温度加工4h左右，然后被加工成 0.10

7、0.30mm的细丝。可作为单丝纱使用，也可与不同的纤维组合生产各种包缠纱。形状记忆合金在包缠纱中主要用作纱芯。外包纤维可采用粘胶、Tencel ? 、羊绒、合成纤维等。利用形状记忆合金可纺成具有各种外观的花式纱线。在花式包缠纺纱机上，通过改变计算机程序可控制牵伸罗拉中合金丝线的位置，从而生产出各种不同风格的花式纱线。作为纱芯的合金丝在外界环境影响下进行形状记忆的活动，外包彩色纱线则随着纱芯的伸展、扭曲、翻转而变幻出不同的图案和形态。2.2 形状记忆聚氨酯纱线形状记忆聚氨酯纤维的应用类型主要包括：裸丝、包覆纱和包芯纱，其中裸丝主要用于针织中。形状记忆聚氨酯包芯纱加工可在改进的A512 型短纤包芯

8、机上完成，其工艺路线如下：外包纤维：清梳棉f并条（二道）f粗纱f牵伸f加捻f包芯纱记忆纤维：预牵伸外包纤维分别有竹纤维（32S、 40S） 、棉（40S） 、粘胶（30S）和天丝？ （32S）等。形状记忆聚氨酯包覆纱是采用机械包覆的方式纺制的，可采用 xxxx-1 型氨纶包覆丝机，包覆工艺流程如下：记忆纤维丝筒倒筒外包覆纱线以上流程可纺制记忆丝/ 棉包覆纱，记忆丝/ 竹纤维包覆纱等多个品种。此外，形状记忆聚氨酯纤维可以与多种纤维混纺并通过设置初始定形，开发出各种各样的花式纱线。例如采用单根形状记忆纤维作芯纱，以棉为外包纤维纺成包芯纱。形状记忆聚氨酯纤维形变恢复温度设计为4550C,其原始形状设

9、计为卷曲状。常温下纱线呈平直状，但在其被置于50左右或以上的水中时，则因芯纱的形状回复作用而收缩形成多圈状纱。在温度降到常温同时不受外力作用的情况下，纱线依然保持这种多圈状形态。3 形状记忆织物研发3.1 形状记忆合金织物在纺织服装领域中，形状记忆合金最早的应用实例是文胸托垫，其在冷水中可任意洗涤，带在身上后因体温而回复初始形状，同时仍保持优良的弹性。随着技术的发展，形状记忆合金在纺织上的应用日趋广泛。3.1.1 形状记忆合金机织物通过织物设计参数的优化，并与花形设计进行有效配合，可增强形状记忆效果。如不同的织物经向密度配置可得到不同的形状记忆效果和图案造型；利用花式穿筘法可在布面产生稀密相间

10、的织纹。借助于织物组织结构的变化和形变回复条件的激发可获得三维结构的形状记忆机织物。常态下呈平整二维结构的织物，一旦受到激发可展现凸起、起皱与膨胀的形状记忆效果。3.1.2 形状记忆合金针织物合金丝线延展性差的特性导致其无法用来编织较复杂结构。开发形状记忆合金针织物最为可行的方式是将合金丝线局部加入针织结构中。例如巧妙利用植入织物不同位置的形状记忆合金受激发时响应速率的差异，使织物展现出环绕人体移动的奇妙的视觉效果。利用形状记忆合金的记忆效果还可设计开发双重颜色或质地效果的织物。合金的形状记忆效果未被激发时，织物显现表层的色泽和质地；一旦记忆效果被激发就会引起结构打开，织物随即展现出里层的色泽

11、或质地。3.2 形状记忆聚氨酯织物形状记忆聚氨酯纤维裸丝、包覆纱和包芯纱，可单独织造或与其他纱线进行交织获得各种机织、针织织物。不同的组织结构、不同纱线配置、不同织造工艺、不同花型设计结合不同的形状记忆纱线的加入方式，可产生千变万化的织物。3.2.1 形状记忆聚氨酯机织物形状记忆聚氨酯机织物能够赋予服饰优良的保形功能，如衬衣的领口、袖口的形状保持要求，上衣肘部和裤子膝盖部位的起拱回复要求等。形状记忆花式织物可用于时装、窗帘布、台布等，可产生独特的美学效果。此外，形状记忆机织物还可以用作医疗纱布、绷带等。形状记聚氨酯机织物开发实例如表2 所示，其在外观上与不含记忆纤维的同种规格的普通机织物无异。

12、形状记忆聚氨酯机织物织造加工工艺流程：形状记忆聚氨酯包芯纱一整经一浆纱-穿经-上轴一织造。染整加工工艺流 程：坯布一前处理一预定形-染色一定形。3.2.2 形状记忆聚氨酯针织物形状记忆聚氨酯针织物以用于制作内衣为主。利用织物对人体皮肤零压力或恒压力的独特功能，使人体的束缚感极小，穿着异常舒适。裹胸或腹带使用变形伸长后，可依赖人的体表温度进行热回复，回归至原来的长度。形状记忆针织物开发实例如表3 所示，其在外观上与不含记忆纤维的同种规格的普通针织物无异。4 结语（ 1）形状记忆合金材料的应用主要集中在美学方面如具有形状记忆效果的各种花式纱线、面料、服装、装饰织物，以及特殊功能用途方面，具有巨大的开发应用潜力和广阔的市场前景。然而此种材料迄今的研究应用主要在国外展开，今后国内应加强研发力度。（ 2）形状记忆聚氨酯材料制造技术已渐趋成熟，且在国内开展了应用研究，其在智能型、功能性服饰方面