全面认识纺织工业

科学的魅力东华大学胡学超2008年5月1科学的魅力在哪里?

在于对无穷的未知的探索。那么我们的领域有无东西需探索?有无高科技？

有2高水平的学科中国纺织大学五星级学科与高分子的渊源产学研特色人才3创始人钱宝钧教授方柏容教授1954年由钱宝钧、方柏容教授创建“化学纤维”专业全国最早建立的高分子材料类专业之一师从意大利米兰工学院诺贝尔奖获得者Natta教授获得首届中国工程科学技术奖4大量高科技的研究内容高科技的开发及未知科学问题的解答增添了无穷兴趣与魅力下面大体介绍一下5兴趣靠积累物理数学化学纤维计算机模拟仿生学—动植物6纺织服装航空航天国防军工电子信息生物医学能源环境

纤维材料不单是衣着用的材料而且是国防建设的重要基础材料和战略物资7纤维材料在服用外的其他用途军用纺织品医用纺织品建筑用纺织品农业用纺织品交通工具内装饰水利,交通工程用纺织品特殊服装复合材料8军用纺织品碳纤维增强复合材料（碳-碳复合、碳-硅复合、碳-环氧树脂复合）洲际导弹、隐形飞机每架波音777飞机要用约1万磅碳纤维每架A380所用碳纤维复合材料达40%,27吨

高性能纤维装甲车,钢盔、防暴盾牌、防弹车、防弹衣高强高摸PE,PBO,Kevlar智能纤维能信息交流的智能服装，美军将于2010年装备自动抗生物,化学毒试剂服9PAN基碳纤维力学性能最佳应用面最广需求量最大发展最快机身材料的50％为碳纤维复合材料碳纤维在风力发电叶轮中应用碳纤维用于海上采油平台结构材料可作结构材料的PAN基碳纤维10有机高性能纤纤维材料是航航天航空、国国防军工等急急需的关键材材料高强高模PE纤维芳纶PBO纤维有机高性能纤纤维材料11医用纺织材料料纺织品或纤-维增强复合合材料中空纤维———人工肾、人人工肝、人工工肺无纺布——人人工皮肤、药药物释放材料料医用缝合线人造血管、喉喉管、人体管管道介入治疗用器器械可自动止血的的服装人体可自动吸吸收,分解的的纤维材料12建筑用纺织品品膜结构建筑涤纶为底涂聚聚氯乙烯（目目前）玻纤为底涂四四氟乙烯（发发展中）气囊结构大桥吊索———碳纤维纤维防裂水泥泥、纤维增强强水泥居室装潢13农用纺织品增强膜、天膜膜、地膜（含含无纺布）、、遮挡膜无土栽培基质质输液管防沙漠化的草草皮（无纺布布）吸水材料（聚聚乙烯醇）水产业用网14交通工具内装装饰汽车、飞机、、船用座椅抗静电、阻燃燃、防晒、耐耐脏、美观、、舒适安全带、安全全气囊、油气气过滤、刹车车片高强高模帘子子线复合材料车壳壳、保险杠飞机中隔热垫垫料15水利交通工程程用纺织品各种基础设施施建设需要各各类土工材料料水库建设、水水坝、水闸河堤、港口、、河道改良机场、高速公公路、高速铁铁路16特殊服装方面面航天服保健服各类特殊运动动服跳伞攀岩蹦极登山潜水科学考察17服用材料方面面随着人们生活活水平的提高高，对服装的的要求会越来来越高舒适易处理保型色泽鲜亮，色色彩丰富透气保湿18新技术在纺织织业中的应用用生物技术纳米技术信息技术智能纺织材料料19生物技术在纺纺织、纤维方方面的应用以植物为原料料制备高分子子材料PTT纤维（（1-3异丙丙醇）聚乳酸纤维素淀粉纤维纺生技术的应应用蜘蛛丝桑蚕丝发酵生产蛋白白质20纳米技术高聚物与无机机纳米材料共共混阻燃、易染、、抗静电、抗抗菌纤维纳米纤维储氢材料、燃燃料电池、导导电材料、过过滤材料制备方法电力纺丝分子纺丝板纺纺丝法聚合成型法21信息技术可快速传递有有关时尚信息息，加速设计计、销售QRS，数字字纺织由纤维性能,织造结构,通过计算机机软件计算得得到面料性能能导电材料、纳纳米材料、光光电纤维带有键盘和和母板的时装装美军的新式式作战服22智能纺织材料料感知外界信息息，并作出反反应改变颜色、发发生振动、膨膨胀导电、计算、、储存能量潜水衣（测温温、导电、加加热）滑雪服（相转转变材料）传感器降落伞（变色色材料）生物传感器纳米传感器抗毒反应型纳纳米服执行器（Actuators）可做成织物的的柔性光电池池、光电织物物军用导电纳米米复合材料、、光电半导体体装置抗微生物材料料仿人工肌肉材材料23'ExtremeTextiles'ComeofAge纽约时报2005年4月月11日报道道新的纺织时时代的到来所说内容本文文多已提到请看一些照片片24REHEATBEFOREUSINGWhenheated,carbonfibersturnpliable.ILCDoverInc.inDelawarehasdevelopedstructuresthatcanbefoldedbeforelaunchingandthenreheatedandunfoldedinspace.Themilitarywillusethetechnologyforaspace-basedradar,andNASAcoulduseitinthefutureforlargespacetelescopes.25BUILDINGWITHAIRTheArmy'sAirBeamisdesignedforeasilyerectedtemporarybuildingslikemedicalbuildingsandaircrafthangars."Youjustunrollit,inflateitandyourtentisstandingup,"saidJeanHampeloftheArmySoldierNatickCenter,whichisdevelopingthetechnology.AprototypeisbeingusedforamedicalaidcenterinIraq.26SOFTSWITCHInternationalFashionMachinesofSeattlehasmadealightswitchintheshapeofapompom.Conductivefibersdetectthepressofahand."WhatIdoismakefuzzy,beautiful,conductivethings,"saidDr.MargaretOrth,thecompany'sfounder."Youjustsqueezethepompom,andthelightsgoonoroff."Dr.Orthsaidsheexpectedherfabricswitchestoreachstoreslaterthisyear.27POLYMERSKINAprocesscalledelectrospinningmakesfibersoutofanelectricallychargedsolutioncontainingdissolvedpolymersandsticksthemontoanelectricallychargedsurface.Thefibersfallrandomlybutformauniformlayer,evenonathree-dimensionalsurface."It'ssortoflikespray-onGore-Tex,"saidDr.HeidiSchreuder-GibsonoftheArmyNatickSoldierCenter."It'sverybreathable,justlikeskin."28BODYENGINEERINGEmbroideredoutofsuturethread,thispieceoftextilewouldbesandwichedinanartificialshoulderjoint.Thestarburstshape,5.75incheswide,allowsthesurgeondifferentoptionsforsecuringthejointinplace29CARBONTOWERPeterTesta,anarchitectinSantaMonica,Calif.,hasdesigneda40-storyskyscraperthatwoulddoawaywithsteelforthestructure.Instead,Mr.Testa's"wovenbuilding,"showninamodelabove,wouldbeheldupbyacrosshatchedlatticemadeofcarbonfiber,whichisseveraltimesstrongerthansteel.Thebuilding'sinteriorwouldbecompletelyopenexceptfortheelevatorshafts.30DESTINATIONMARSAcocoonof24airbagscushionedthelandingofNASA'sPathfinderroverin1997.TheairbagsconsistedoffourlayersofVectran,ahigh-strengthfiberthatisacousintoKevlarthatbecomesstrongeratcoldertemperatures.SimilarairbagssurroundedtheNASAroversSpiritandOpportunitywhentheylandedonMarslastyear31HOTHANDConductivefibersinthisprototypespacesuitgloveallowcircuitrytobewovenin.Thefibersaremoredurablethanwires32Glass/PPCommingledYarnNylonWrappedCarbonRovingHybridYarnDevelopmentUseofhybridyarnsincombinationwithtextilepreformsenhancesthepotentialoftextilepreformcompositesinhighperformanceapplications.Hybridyarnscanbemanufacturedthroughdifferentwaysincludingco-wrapping,corespinningandcommingling,aimingtogiveuniformdistributionofmatrixandreinforcementfibersaswellastoreducethedamageofreinforcingfibers.Currentlyworkiscarriedoncomminglingandwrappedyarns.33生物技术在制备纤维上上，有两种考考虑：生物可降解，，分解为水和和CO2，参加自然界界的大循环。。原料来自生物物体，不耗用用燃料资源，，利用太阳能能，将CO2和水由叶绿素素来合成高分分子或高分子子原料，典型型的例子是：：Lyocell和Ingeo，将将详细介绍仿生技术：这这是更新一代代的技术，其其实早就开始始了，棉（中中空），麻、、丝（异形）），毛（复合合）。现在在在更高层次上上仿生。34玉米纤维35纤维材料开发发的新思路天然可再生资源的利利用,源源源不绝、环境境友好的概念念多从自然界动动植物中寻求求灵感从事绿色材料、、仿生材料的的研究36美國新經濟雜雜誌預言，「「仿生」是是未來人類開開創更美好新新世界的八大大科技之一！！自然界生物的的各种奇妙功功能：蜘蛛絲的强韧韧性；蜻蜓出色的飞飞行本领；苍蝇的多种特特殊功能；孔雀、蝴蝶美美丽的翅膀；；夜间活动型蛾蛾（NightMoth）的眼蜂巢奇妙的构构造蟑螂灵敏的感感知能力啄木鳥的腦殼殼有最緊密組組織的抗震骨骨骼；

墨魚魚的瞬間加速速可以達到每每小時20哩哩；

蜂鳥飛飛行600哩哩旅程耗費不不到十分之一一盎司的能量量；

荷花叶叶面有絕佳的的抗污性(self-cleaningproperties)和撥水性(waterrepellent)；生物的骨骼構構造比鋼鐵強強硬；自然生命世界界蘊藏所有科科技的奧秘與與答案……。37蜻蜓出色的飞飞行本领飞行速度：150公里/小时飞行耐力：1000公里里飞行之王！！！！38蝇眼眼的的視視覺覺功功能能複眼眼為許許多多單單眼眼的的結結合合，可使使焦焦距距大大幅幅縮縮短短350度度的的视视角角能看看清清快快速速移移动动物物(紫紫外外光光））應用用複複眼眼機機制制，，可可製製造造出出極極薄薄的的感感知知器器、、复复眼眼相相机机等等應用用快快速速追追踪踪本本领领，，可可製製造造出出飞飞机机地地速速指指示示器器39蟑螂螂灵灵敏敏的的感感知知能能力力從感感知知風風速速到到逃逃跑跑只只需需0.044秒秒，人類類需需要要0.3秒秒尾肢可對對2公分分/秒的的風做出出反應可做微流流速感知知器40建築功能能41荷叶絕佳的抗抗污性和和撥水性性帝人开发发的MicroftLectuce织物物，模仿仿了荷叶叶的撥水作用42仿天然纤纤维丝：光泽丝丝鸣←←异异形形纵纵向向凹陷棉：保暖性等等←←中中空毛：卷曲弹性性←←并并列型组组分（正正皮质质、、副皮质质细胞））麻：凉爽←←扁扁平43成功在失失败之后后蜘蛛丝研研究过程程44仿蜘蛛丝研究背景景蜘蛛牵引引丝力学学性能优优良，被被誉为““生物钢”i强度高、、弹性好好、初始始模量大大、断裂裂功大ii比强度是是钢的5倍，韧韧性是Kevlar的的3倍ⅲ它是一种种以蛋白白质为基基质的高高强材料料，集高高强、高高韧、轻轻质、可可生物降降解等优优点于一一身蜘蛛牵引引丝的用用途在防弹衣衣、微型型手术缝缝合线、、航空材材料、复复合材料料等领域域有着巨巨大潜在在的用途途。45奇妙的蜘蜘蛛丝46蜘蛛丝和和蚕丝之之优异的的力学性性能材料伸长率（%）初始模量（N/m2)强度（N/m2）

断裂功（J/Kg）

蜘蛛

牵引丝9.8~32.1(1~30)×109

1×109

1×105

家蚕丝15~355×109

6×108

7×104

尼龙18~263×109

5×108

8×104

棉5.6~7.1(6~11)×109

(3~7)×108

(5~15)×103

钢8.02×1011

1×109

5×103

凯夫拉4.01×1011

4×109

3×104

橡胶1×106

8×104

Ref:VollrathF.,StrengthandStructureofSpiders’Silks,ReviewsinMolecularBiotechnology,2000,74:67-8347蜘蛛和蚕蚕之合理理的纺丝丝技术常温常压压水溶液高浓度液晶纺节能、经经济环保高效耗能小、、产品高高性能历经数亿亿年演化化48蜘蛛丝仿仿生纺丝丝的关键键技术12蜘蛛丝蛋白的制备纺丝过程的仿生利用转基基因技术术，将蜘蜘蛛的相相关基因因转移到到细菌、、植物体体、哺乳乳动物的的乳腺上上皮或肾肾细胞中中，进行行表达，，生成蜘蜘蛛丝蛋蛋白质，，并进行行提纯蜘蛛所用用的“纺纺丝液””是水作作溶剂。。“纺丝丝”前，，“纺丝丝液”在在丝腺内内呈液晶晶态，并并以α晶晶型为主主。在其其成丝流流动过程程中，αα结构构向β反反向平行行折叠结结构转变变并且丝丝条从水水中分相相出来，，丝条一一旦形成成了β反反平行结结构就不不再溶于于水。49国外的研研究重点点——蜘蜘蛛蛛丝蛋白白的制备备转基因技技术转基因动动物:山山羊(NexiaCANADA)转基因植植物:烟烟草,土豆豆细菌,酵酵母成功获得得重组蜘蜘蛛丝蛋蛋白50纺丝技术术同样非非常重要要人造蜘蛛蛛丝的纺纺丝研究究现状必须模仿仿蜘蛛的的干法成丝过程程我们的观观点天然蜘蛛蛛丝蛋白白六氟异丙丙醇甲酸盐溶液重组蜘蛛蛛丝蛋白白水湿纺湿纺51吐丝口压丝部共通管后区中区前区后部丝腺腺中部丝腺腺＊合成丝素素＊弯弯曲曲曲的细细管＊分子形形态：SilkI＊无规卷卷曲、α螺旋＊溶液状状态：凝凝胶＊蛋白质质浓度：：12~15%＊粘度：：中＊无光学学活性＊高的含含水量＊合成丝丝胶,水分流失失＊较粗＊分子形形态：SilkI＊无规卷卷曲、α螺旋＊溶液状状态:凝胶→凝胶→溶胶＊蛋白质质浓度：：25%＊粘度：：高→高高→中等等＊微双折折射＊水分流流失,离子交换换，pH下降，粘粘度减少少。＊逐渐变变细，象象一个圆圆锥形的喷丝丝头＊无规卷卷曲、少少量β结构＊溶液状状态：溶胶→向列型液液晶＊蛋白质质浓度：：30%＊粘度：：低吐丝管＊SilkII＊60%水流失＊反平行行β结构直径:2.0→2.5→1.2mm剪切速率:0.006→0.003→0.03/spH:5.6→5.2→5.0直径:0.05-0.3mm剪切速率:2-400/s(400-2000/s)pH:4.8前部丝腺直径:0.4-0.8mm剪切速率:0.1-0.8/spH:6.9蚕的成丝丝流程示示意图调整Ca2+、Mg2+、K+等浓度浓度渐高高、pH值渐小小、ββ-折叠叠构象渐渐多无规卷曲曲52众多因素协同作用高粘度可纺RSF凝胶状液体低粘度不可纺RSF溶液协同作用用后，溶溶液（2）表观粘度度提高数数个数量量级53FutureApplicationsSpidersilkcanimproveorreplaceexistingmaterials,ieKevlarorcompositeingredientsSuperstrongpartsStrandofspidersilkpencilthickcanstopaBoeing747(Ref.4)54蜘蛛七种种分泌腺腺体55蜘蛛的喷喷丝头56SilkExcretionWhenthesilkproteinsreachthespinneretsthesilkproteinshavehardenedfromtheirpreviousliquidform.Thecrystallinestructureoftheproteinshavealignedthemselvestocreatethesilkstructure.Thefinalproductisastrongflexibleproteinstandspunatambienttemperatureandpressurefromasmallyetintricatesystemofglands.Spinneretsexcretingsilk(Ref.1)57ASpiderAssemblyline(cont.)Silkreleasingtubes.58圆蛛属7种丝腺腺体产生生的丝及及其功能能丝腺名丝名及其功能大囊状腺牵引丝、放射状丝、构成网骨架的框丝小囊状腺牵引丝、螺旋框丝（非粘性）管状腺包卵的卵茧丝鞭毛状腺网的横丝梨状腺附着盘葡萄状腺捕获丝等集合状腺横丝表面的粘性物质59再生蚕丝丝蛋白质质水溶液液中蚕丝蛋白白质分子子结构转转变的影影响因素素时间浓度剪切作用用拉伸作用用PH金属离子子温度60蜘蛛丝与与蚕丝的的氨基酸酸组成氨基酸蚕丝蜘蛛丝甘氨酸42.937.1丙氨酸30.021.1丝氨酸12.24.5酪氨酸4.8—天门冬氨酸/天门酰氨酸1.92.5精氨酸0.57.6组氨酸0.20.5谷氨酸/谷氨酸盐1.49.2赖氨酸0.40.5缬氨酸2.51.8亮氨酸0.63.8异亮氨酸0.60.9苯丙氨酸0.70.7脯氨酸0.54.3苏氨酸0.91.7蛋氨酸0.10.4半光氨酸痕量0.3色氨酸—2.961蚕丝蛋白白的纤维维化类似蜘蛛蛛丝，蚕丝形成成过程中中是丝素蛋白白由α螺旋结结构向ββ-折叠叠结构变化的过过程丝素分子子发生取取向和结结晶化纤维化后后的丝素素蛋白质质难溶于于水由光学各各向同性性向各向向异性转转化62家蚕在不不同的人人为吐丝丝速度下下形成的的蚕丝的力力学性能能及结构构参数比比较吐丝速度(cms-1)吐丝口剪切速率（s-1）纤度(dtex)断裂伸长（％）强度（GPa）初始模量（N/m2）×10-9断裂能（Jkg-1）×10-5双折射△n*红外结晶指数**0.5113.61.8938.60.3603.220.8120.02130.3721.0227.32.7937.20.4013.580.8010.02510.5171.5340.92.4734.80.4183.640.8950.02910.5152.1477.31.7633.70.4543.880.8800.03130.5822.6590.91.5826.40.4283.880.6550.03200.245*由于采采用的贝贝瑞克补补偿法是是基于纤纤维截面面为圆形形基础上上的，而而蚕丝截截面呈三三角形，