纤维科学专业知识公开课一等奖市优质课赛课获奖课件

1科学的魅力东华大学胡学超2008年5月2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3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4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5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6兴趣靠积累物理数学化学纤维计算机模拟仿生学—动植物7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8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9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10PAN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11

有机高性能纤维材料是航天航空、国防军工等急需的关键材料高强高模PE纤维芳纶PBO纤维有机高性能纤维材料12医用纺织材料纺织品或纤-维增强复合材料中空纤维——人工肾、人工肝、人工肺无纺布——人工皮肤、药物释放材料医用缝合线人造血管、喉管、人体管道介入治疗用器械可自动止血的服装人体可自动吸收,分解的纤维材料13建筑用纺织品膜结构建筑涤纶为底涂聚氯乙烯（目前）玻纤为底涂四氟乙烯（发展中）气囊结构大桥吊索——碳纤维纤维防裂水泥、纤维增强水泥居室装潢14农用纺织品增强膜、天膜、地膜（含无纺布）、遮挡膜无土栽培基质输液管防沙漠化的草皮（无纺布）吸水材料（聚乙烯醇）水产业用网15交通工具内装饰汽车、飞机、船用座椅抗静电、阻燃、防晒、耐脏、美观、舒适安全带、安全气囊、油气过滤、刹车片高强高模帘子线复合材料车壳、保险杠飞机中隔热垫料16水利交通工程用纺织品各种基础设施建设需要各类土工材料水库建设、水坝、水闸河堤、港口、河道改良机场、高速公路、高速铁路17特殊服装方面航天服保健服各类特殊运动服跳伞攀岩蹦极登山潜水科学考察18服用材料方面随着人们生活水平的提高，对服装的要求会越来越高舒适易处理保型色泽鲜亮，色彩丰富透气保湿19新技术在纺织业中的应用生物技术纳米技术信息技术智能纺织材料20生物技术在纺织、纤维方面的应用以植物为原料制备高分子材料PTT纤维（1-3异丙醇）聚乳酸纤维素淀粉纤维纺生技术的应用蜘蛛丝桑蚕丝发酵生产蛋白质21纳米技术高聚物与无机纳米材料共混阻燃、易染、抗静电、抗菌纤维纳米纤维储氢材料、燃料电池、导电材料、过滤材料制备方法电力纺丝分子纺丝板纺丝法聚合成型法22信息技术可快速传递有关时尚信息，加速设计、销售QRS，数字纺织由纤维性能,织造结构,通过计算机软件计算得到面料性能导电材料、纳米材料、光电纤维带有键盘和母板的时装美军的新式作战服23智能纺织材料感知外界信息，并作出反应改变颜色、发生振动、膨胀

导电、计算、储存能量潜水衣（测温、导电、加热）滑雪服（相转变材料）传感器降落伞（变色材料）生物传感器纳米传感器抗毒反应型纳米服执行器（Actuators）可做成织物的柔性光电池、光电织物军用导电纳米复合材料、光电半导体装置抗微生物材料仿人工肌肉材料24'ExtremeTextiles'ComeofAge

纽约时报2005年4月11日报道新的纺织时代的到来所说内容本文多已提到请看一些照片25REHEATBEFOREUSINGWhenheated,carbonfibersturnpliable.ILCDoverInc.inDelawarehasdevelopedstructuresthatcanbefoldedbeforelaunchingandthenreheatedandunfoldedinspace.Themilitarywillusethetechnologyforaspace-basedradar,andNASAcoulduseitinthefutureforlargespacetelescopes.26BUILDINGWITHAIRTheArmy'sAirBeamisdesignedforeasilyerectedtemporarybuildingslikemedicalbuildingsandaircrafthangars."Youjustunrollit,inflateitandyourtentisstandingup,"saidJeanHampeloftheArmySoldierNatickCenter,whichisdevelopingthetechnology.AprototypeisbeingusedforamedicalaidcenterinIraq.27SOFTSWITCHInternationalFashionMachinesofSeattlehasmadealightswitchintheshapeofapompom.Conductivefibersdetectthepressofahand."WhatIdoismakefuzzy,beautiful,conductivethings,"saidDr.MargaretOrth,thecompany'sfounder."Youjustsqueezethepompom,andthelightsgoonoroff."Dr.Orthsaidsheexpectedherfabricswitchestoreachstoreslaterthisyear.28POLYMERSKINAprocesscalledelectrospinningmakesfibersoutofanelectricallychargedsolutioncontainingdissolvedpolymersandsticksthemontoanelectricallychargedsurface.Thefibersfallrandomlybutformauniformlayer,evenonathree-dimensionalsurface."It'ssortoflikespray-onGore-Tex,"saidDr.HeidiSchreuder-GibsonoftheArmyNatickSoldierCenter."It'sverybreathable,justlikeskin."29BODYENGINEERINGEmbroideredoutofsuturethread,thispieceoftextilewouldbesandwichedinanartificialshoulderjoint.Thestarburstshape,5.75incheswide,allowsthesurgeondifferentoptionsforsecuringthejointinplace30CARBONTOWERPeterTesta,anarchitectinSantaMonica,Calif.,hasdesigneda40-storyskyscraperthatwoulddoawaywithsteelforthestructure.Instead,Mr.Testa's"wovenbuilding,"showninamodelabove,wouldbeheldupbyacrosshatchedlatticemadeofcarbonfiber,whichisseveraltimesstrongerthansteel.Thebuilding'sinteriorwouldbecompletelyopenexceptfortheelevatorshafts.

31DESTINATIONMARSAcocoonof24airbagscushionedthelandingofNASA'sPathfinderroverin1997.TheairbagsconsistedoffourlayersofVectran,ahigh-strengthfiberthatisacousintoKevlarthatbecomesstrongeratcoldertemperatures.SimilarairbagssurroundedtheNASAroversSpiritandOpportunitywhentheylandedonMarslastyear32HOTHANDConductivefibersinthisprototypespacesuitgloveallowcircuitrytobewovenin.Thefibersaremoredurablethanwires

33Glass/PPCommingledYarnNylonWrappedCarbonRovingHybridYarnDevelopment

Useofhybridyarnsincombinationwithtextilepreformsenhancesthepotentialoftextilepreformcompositesinhighperformanceapplications.

Hybridyarnscanbemanufacturedthroughdifferentwaysincludingco-wrapping,corespinningandcommingling,aimingtogiveuniformdistributionofmatrixandreinforcementfibersaswellastoreducethedamageofreinforcingfibers.

Currentlyworkiscarriedoncomminglingandwrappedyarns.

34生物技术在制备纤维上，有两种考虑：生物可降解，分解为水和CO2，参加自然界的大循环。原料来自生物体，不耗用燃料资源，利用太阳能，将CO2和水由叶绿素来合成高分子或高分子原料，典型的例子是：Lyocell和Ingeo，将详细介绍仿生技术：这是更新一代的技术，其实早就开始了，棉（中空），麻、丝（异形），毛（复合）。现在在更高层次上仿生。35玉米纤维36纤维材料开发的新思路天然可再生资源的利用,源源不绝、环境友好的概念多从自然界动植物中寻求灵感从事绿色材料、仿生材料的研究37美國新經濟雜誌預言，

「仿生」是未來人類開創更美好新世界的八大科技之一！

自然界生物的各种奇妙功能：蜘蛛絲的强韧性；蜻蜓出色的飞行本领；苍蝇的多种特殊功能；孔雀、蝴蝶美丽的翅膀；夜间活动型蛾（NightMoth）的眼

蜂巢奇妙的构造蟑螂灵敏的感知能力啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；

墨魚的瞬間加速可以達到每小時20哩；

蜂鳥飛行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量；

荷花叶面有絕佳的抗污性(self-cleaningproperties)和撥水性(waterrepellent)；生物的骨骼構造比鋼鐵強硬；自然生命世界蘊藏所有科技的奧秘與答案……。38蜻蜓出色的飞行本领飞行速度：150公里/小时飞行耐力：1000公里飞行之王！！！39蝇眼的視覺功能複眼為許多單眼的結合，可使焦距大幅縮短350度的视角能看清快速移动物(紫外光）應用複眼機制，可製造出極薄的感知器、复眼相机等應用快速追踪本领，可製造出飞机地速指示器40蟑螂灵敏的感知能力從感知風速到逃跑只需0.044秒，人類需要0.3秒尾肢可對2公分/秒的風做出反應可做微流速感知器41

建築功能42荷叶絕佳的抗污性和撥水性帝人开发的MicroftLectuce织物，模仿了荷叶的撥水作用43仿天然纤维丝：光泽丝鸣←异形纵向凹陷棉：保暖性等←中空毛：卷曲弹性←并列型组分（正皮质、副皮质细胞）麻：凉爽←扁平44成功在失败之后蜘蛛丝研究过程45仿蜘蛛丝研究背景蜘蛛牵引丝力学性能优良，被誉为“生物钢”

i强度高、弹性好、初始模量大、断裂功大

ii比强度是钢的5倍，韧性是Kevlar的3倍

ⅲ它是一种以蛋白质为基质的高强材料，集高强、高韧、轻质、可生物降解等优点于一身蜘蛛牵引丝的用途

在防弹衣、微型手术缝合线、航空材料、复合材料等领域有着巨大潜在的用途。

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奇妙的蜘蛛丝47蜘蛛丝和蚕丝之优异的力学性能材料伸长率（%）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,2000,74:67-83

48蜘蛛和蚕之合理的纺丝技术常温常压水溶液高浓度液晶纺节能、经济环保高效耗能小、产品高性能历经数亿年演化49蜘蛛丝仿生纺丝的关键技术12蜘蛛丝蛋白的制备纺丝过程的仿生利用转基因技术，将蜘蛛的相关基因转移到细菌、植物体、哺乳动物的乳腺上皮或肾细胞中，进行表达，生成蜘蛛丝蛋白质，并进行提纯蜘蛛所用的“纺丝液”是水作溶剂。“纺丝”前，“纺丝液”在丝腺内呈液晶态，并以α晶型为主。在其成丝流动过程中，α结构向β反向平行折叠结构转变并且丝条从水中分相出来，丝条一旦形成了β反平行结构就不再溶于水。50国外的研究重点——

蜘蛛丝蛋白的制备转基因技术转基因动物:山羊(NexiaCANADA)转基因植物:烟草,土豆细菌,酵母成功获得重组蜘蛛丝蛋白51纺丝技术同样非常重要人造蜘蛛丝的纺丝研究现状必须模仿蜘蛛的干法成丝过程我们的观点天然蜘蛛丝蛋白六氟异丙醇甲酸盐溶液重组蜘蛛丝蛋白水湿纺湿纺52吐丝口压丝部共通管后区中区前区后部丝腺中部丝腺＊合成丝素＊弯弯曲曲的细管＊分子形态：Silk

I＊无规卷曲、α螺旋＊溶液状态：凝胶＊蛋白质浓度：12~15%＊粘度：中＊无光学活性＊高的含水量＊合成丝胶,水分流失＊较粗＊分子形态：Silk

I＊无规卷曲、α螺旋＊溶液状态:凝胶→凝胶→溶胶＊蛋白质浓度：25%＊粘度：高→高→中等＊微双折射＊水分流失,离子交换，

pH下降，粘度减少。＊逐渐变细，象一个圆锥形的喷丝头＊无规卷曲、少量β结构＊溶液状态：溶胶→向列型液晶＊蛋白质浓度：30%＊粘度：低吐丝管

＊SilkII＊60%水流失＊反平行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:/spH:6.9蚕的成丝流程示意图调整Ca2+、Mg2+、K+等浓度浓度渐高、pH值渐小、β-折叠构象渐多无规卷曲53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溶液协同作用后，溶液（2）表观粘度提高数个数量级54FutureApplicationsSpidersilkcanimproveorreplaceexistingmaterials,ieKevlarorcompositeingredientsSuperstrongpartsStrandofspidersilkpencilthickcanstopaBoeing747(Ref.4)55蜘蛛七种分泌腺体56蜘蛛的喷丝头57SilkExcretionWhenthesilkproteinsreachthespinneretsthesilkproteinshavehardenedfromtheirpreviousliquidform.Thecrystallinestructureoftheproteinshavealignedthemselvestocreatethesilkstructure.Thefinalproductisastrongflexibleproteinstandspunatambienttemperatureandpressurefromasmallyetintricatesystemofglands.Spinneretsexcretingsilk(Ref.1)58ASpiderAssemblyline(cont.)Silkreleasingtubes.59圆蛛属7种丝腺体产生的丝及其功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60再生蚕丝蛋白质水溶液中

蚕丝蛋白质分子结构转变的影响因素时间浓度剪切作用拉伸作用PH金属离子温度61蜘蛛丝与蚕丝的氨基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—2.962蚕丝蛋白的纤维化类似蜘蛛丝，蚕丝形成过程中是丝素蛋白由α螺旋结构向β-折叠结构变化的过程丝素分子发生取向和结晶化

纤维化后的丝素蛋白质难溶于水

由光学各向同性向各向异性转化63

家蚕在不同的人为吐丝速度下形成的蚕丝的力学性能及结构参数比较吐丝速度(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