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近日,俄羅斯斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)學(xué)院的研究人員利用擠壓成型工藝制成了一種形狀記憶材料,這種材料能在變形后恢復(fù)原來的形狀。
南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師劉遵峰告訴科技日報記者,這是一種屬于智能材料的形狀記憶材料,其能夠“記住”第一次成型時的初始形狀,在適當(dāng)條件下它會呈現(xiàn)臨時形狀,但當(dāng)受到熱、光、電等外界刺激時,其又可以從臨時形狀回到初始形狀。形狀記憶材料展示出的自我感知、自我調(diào)節(jié)、自我適應(yīng)等一系列智能響應(yīng)特性,使得它們的發(fā)展速度不斷加快,在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)等多個領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。
近年來,形狀記憶材料與紡織品也碰撞出科技感十足的“火花”,讓服裝變得有記憶、更“聰明”。
讓紡織品長“記性”的智能材料
如何才能讓紡織品長“記性”?目前可謂條條大路通羅馬,能實(shí)現(xiàn)形狀記憶功能的方法途徑非常多。
最常見的也是最早被應(yīng)用于紡織品中的是形狀記憶合金。1932年,瑞典人奧蘭德首次觀察到某種合金在室溫中變形后,再將其加熱到一定溫度,材料會發(fā)生結(jié)構(gòu)逆轉(zhuǎn)變,自動恢復(fù)其原有形狀。直到1963年,美國海軍軍械研究室發(fā)現(xiàn)具有形狀“記憶”的鎳鈦合金材料,才讓形狀記憶合金名聲大噪。這種鎳鈦合金可制成女性文胸的鋼圈,也可制成鎳鈦合金纖維直接加工成紡織品。
在形狀記憶合金后,20世紀(jì)80年代又發(fā)展起一種應(yīng)用非常廣泛的新型形狀記憶材料——形狀記憶聚合物。這種材料可以作為功能性涂層覆蓋在紡織品上。當(dāng)外部環(huán)境以特定的方式和規(guī)律發(fā)生變化時,具有涂層的紡織物也會隨著變化周而復(fù)始地改變形狀。
目前在紡織服裝領(lǐng)域中應(yīng)用的形狀記憶聚合物主要是聚氨酯這種高分子化合物,其形狀記憶功能,可使紡織物的防水性、透氣性等隨體溫變化,從而達(dá)到調(diào)節(jié)體溫的作用。還可設(shè)置合適的觸發(fā)溫度,使聚氨酯紡織品褶皺時能恢復(fù)到初始的記憶形狀,從而達(dá)到抗皺的效果。
此外,隨著科技的發(fā)展進(jìn)步,近年來也有科學(xué)家利用“人工肌肉”技術(shù),實(shí)現(xiàn)紡織品的“記憶”功能。
制備出蠶絲“人工肌肉”的劉遵峰向記者介紹,“人工肌肉”并不像大眾想象的那樣是一種人工制造的生物肌肉,而是一種受到外部刺激(例如溫度、濕度、電流、壓力、光照等)可以快速響應(yīng),并產(chǎn)生可逆的膨脹、旋轉(zhuǎn)和伸縮等變化的柔性智能材料。制備“人工肌肉”的時候,可選用體積膨脹時會發(fā)生伸縮和旋轉(zhuǎn)的纖維紗線,如多壁碳納米管、納米線、石墨烯、尼龍、氨綸、蠶絲、棉線等纖維材料,通過在纖維中加入周期性的螺旋結(jié)構(gòu),將材料的體積膨脹進(jìn)行放大。用這種柔性智能材料編制的織物,可以在一定的條件下產(chǎn)生“記憶”。
隨著3D打印等技術(shù)的發(fā)展,哈佛大學(xué)的研究人員用角蛋白(存在于頭發(fā)、指甲和貝殼中的纖維蛋白)研發(fā)出一種生物相容性材料。他們從廢棄羊毛中提取角蛋白,將這些角蛋白作為墨水,3D打印成扁平星形、環(huán)形和扁平條形等不同形狀的紙張。研究人員選取一種形狀的紙,將其放入過氧化氫和磷酸二氫鈉溶液中,紙張現(xiàn)有的形狀就會被預(yù)設(shè)成永久形狀,當(dāng)紙張擁有新形狀后,只要放入水中即可恢復(fù)為預(yù)設(shè)的永久形狀。
形狀記憶材料解鎖服裝更多功能
目前,形狀記憶材料在服裝中應(yīng)用最廣泛的就是形狀記憶合金。比如鎳鈦合金最早被應(yīng)用于文胸內(nèi),起托墊保形作用。即使在清洗穿戴過程中發(fā)生變形,也會被體溫“暖”回原形。如今這種文胸在市場上已不鮮見。
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步 ,鎳鈦合金形狀記憶纖維也越來越多地應(yīng)用于紡織服裝中。比較常見的是把鎳鈦合金形狀記憶纖維加入“體型龐大”的婚紗或者演出服中,這樣在運(yùn)輸和儲存過程中便于折疊。在使用前,只需用電吹風(fēng)吹一下,就會立刻恢復(fù)“出廠設(shè)置”。
也有英國防護(hù)服裝和紡織品機(jī)構(gòu)把鎳鈦合金形狀記憶纖維應(yīng)用到防燙傷服裝中。通過把鎳鈦合金形狀記憶纖維加工成寶塔式螺旋彈簧狀,再進(jìn)一步加工成平網(wǎng)狀,然后固定在服裝面料內(nèi)。當(dāng)該服裝表面接觸高溫時,形狀記憶纖維的形變被觸發(fā),纖維迅速由平網(wǎng)狀變回寶塔狀,在兩層織物內(nèi)形成很大的空腔,使高溫遠(yuǎn)離人體皮膚。
不過由于含有合金纖維,衣服不可避免地會帶著一些金屬特有的灰色調(diào),這對需要布料的顏色、質(zhì)感豐富多樣的服裝行業(yè)來說,無疑是拖了后腿。而且由于原材料、加工技術(shù)等限制,合金纖維形狀記憶紡織物很難被大范圍推廣。
而具有形狀記憶功能的聚氨酯類新材料則可以很好地解決這些問題,以最常見的由PTT(聚對苯二甲酸丙二醇酯)高聚物制作的形狀記憶紡織品為例,它屬于力與體溫聯(lián)合刺激誘發(fā)形狀記憶功能的材料,靠體溫或者用手撫摸,就能“熨”平服裝。關(guān)鍵是這種材料的分子鏈為直連結(jié)構(gòu),易于紡絲加工,還容易染色,耐氣候性和耐溶性好,因此更容易被應(yīng)用于紡織材料中。目前已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品主要有毛精紡面料、針織面料、經(jīng)編面料、無縫內(nèi)衣、毛衫、地毯等,這些產(chǎn)品已經(jīng)逐步走向市場。而我國開發(fā)的PTT長絲系列也已經(jīng)達(dá)到較高水平,規(guī)格齊全、品種多樣。
日本三菱重工的一家子公司也開發(fā)出一種聚氨酯類新材料,其與外衣面料層壓復(fù)合,使服裝能在環(huán)境溫度較高時產(chǎn)生散熱和水汽通道。目前已有此種材料的商業(yè)化產(chǎn)品問世,如智能運(yùn)動服、登山服等。
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形狀記憶紡織品有待質(zhì)與量的突破
國外在形狀記憶紡織品的研究起步較早,整體技術(shù)水平比較高,積累了豐富的數(shù)據(jù)源,可實(shí)現(xiàn)的智能化程度也比較高。與國外相比,國內(nèi)在形狀記憶紡織品方面的研究雖然較多,但很多都處于試驗(yàn)階段,用料比較單一,整體創(chuàng)新度不夠,且大多為跟蹤研究,許多新的品種尚在開發(fā)中,實(shí)現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)尚有難度。
對于已經(jīng)研發(fā)出的一些形狀記憶材料,由于成本較高,材料加工性能較差以及記憶效應(yīng)的穩(wěn)定性不佳,因此很難進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)和推廣。
同時,在這一領(lǐng)域存在人才隊(duì)伍相對薄弱、競爭乏力、投入少、開發(fā)力度不夠等問題。比如毛衫類是PTT最有特色的品種,加入這種材料,可以改善毛衫的蓬松度和毛型感。但這個產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈長,紡紗、染紗、織造等分屬于不同企業(yè),導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)滯后,需要上下游企業(yè)加強(qiáng)合作,才能早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在量和質(zhì)上的突破。
不過隨著形狀記憶材料制備加工技術(shù)和紡織服裝合成技術(shù)的不斷發(fā)展,以及形狀記憶材料基礎(chǔ)理論的日趨完善,形狀記憶材料的應(yīng)用將遍及紡織服裝工業(yè)的各個領(lǐng)域,它對開發(fā)紡織產(chǎn)品和服裝設(shè)計(jì)的促進(jìn)作用將是無法估量的。（科技日報 記者陳曦）
