形狀記憶材料及其在紡織中的應用

劉 森， 王 磊

（廣東職業技術學院， 廣東 佛山 528531）

形狀記憶材料是一種特殊的功能性材料，同時具有驅動和感知作用的新型智能材料結構。由于形狀記憶材料具有良好的形狀記憶效應、良好的抗震性和適應性、 高的恢復形變, 而且容易加工成薄膜、 線、 顆粒或纖維等形式， 在紡織、服裝以及醫用紡織品上具有很大的優勢[1]。 本文主要介紹了形狀記憶材料及其原理， 同時介紹其在紡織中的應用。

1 形狀材料的介紹及特點

形狀記憶效應是具有一定形狀的固體材料，在某一低溫狀態下經過塑性變形后， 通過加熱到這種材料某一臨界溫度以上時， 材料又自動恢復到初始形狀的現象。 具有這種效應的材料稱為形狀記憶材料。 它可以通過熱、 機械、 化學、 磁、 光或電等外界作用使材料作出反應, 從而改變材料的形狀、 摩擦、 應變、 硬度和靜態或動態等特征技術參數。

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形狀記憶效應。 馬氏體相變具有可逆性。 形狀記憶效應是熱彈性馬氏體相變產生的低溫相經過加熱向高溫相相互轉變的結果。 當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， 經過加熱到一定溫度以上， 由于材料特有的結構特性， 會自動恢復到原來的形狀。

圖1 形狀記憶機理示意圖

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

2. 2 形狀記憶聚合物的原理

圖2 熱激發的形狀記憶效應的分子機理

形狀記憶聚合物的固定相具有較高的結晶熔融溫度(Tm) 或玻璃轉化溫度(Tg) ；而可逆相具有較低的Tm 或Tg 的結構。 當外界環境的溫度高于可逆相轉化溫度(Ttran) 時， 可逆相的分子就會處于彈性態， 受外力的作用下會發生形變， 而此時由于固定相具有較高的Tm 或Tg，因此仍然處于玻璃態或結晶態。 當溫度低于Ttran 時， 可逆相將處于凍結狀態， 外力去除后，可逆相的形變就被固定下來。 當外界溫度再次升高到Ttran， 由于其可逆相的彈性回復， 形狀記憶聚合物就恢復到它的起始狀態。 至此， 完成 “記憶起始態一固定變形態一恢復起始態”的循環[3]。

3 形狀記憶材料在紡織中的應用

3. 1 形狀記憶合金在紡織上的應用

（1） 國外的研究

英國研發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時將其加工成平面形狀， 再將其固定在服裝面料中。 當服裝接觸高溫時， 因為鎳鈦絲的特定的性質， 金屬絲就由平面狀變為螺旋彈簧狀， 這樣在織物內部形成很大的空間， 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生空隙而產生的絕熱性， 可提供在特殊環境中服裝的保暖性。

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 進行混織。 當周圍環境的溫度升高時, 該智能襯衣的袖子會立即自動卷起。 而且該襯衣還具有抗皺的能力, 即使將襯衣揉成一團, 只要用電吹風吹一下， 襯衣馬上就能恢復到原來的樣子, 甚至可以通過人的體溫將其自動熨平。

蘇格蘭Herior - Watt 大學的教授[6]利用已經開發出的形狀記憶合金材料紡出的短纖竹節紗、 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構, 形狀記憶合金纖維作為紗芯。 在外界環境影響下促使紗芯進行形狀記憶的活動。 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） 國內研究

國內主要研究是合金絲用于內襯和文胸。專利號CN2443628 是高彈性的形狀記憶合金嵌入在鞋面內[7]， 這樣嵌入到運動鞋內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CN2419851[8]， 是將形狀記憶合金單絲、 細絲或片用來作鞋帽包中某部分的內襯或用硅膠來包覆合金絲網， 硅膠包覆合金絲網來做內襯，使鞋帽保持原有形狀。 這種內襯可置于鞋、 帽、包中某一部分作為內襯， 制成以各種織品、 無紡布、 鞋、 帽、 包、 及服裝墊肩等。

專利號CN1422563， 是采用NiTi 合金絲網來做文胸的內襯， 這種記憶合金絲網做成的文胸透氣性好， 而且保型性優良。 同時將合金絲網包覆， 避免了NiTi 合金絲對人體皮膚產生刺激， 而且采用NiTi 合金做成的收口可以增強內襯的保形性[9]。 另外， 北京的NiTi 諾科技公司開發的嬰兒被可以根據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用

（1） 在濕度感應織物中的應用

美國Topolkaraev 等發明了一種通過濕度來刺激激發形狀記憶的材料。 當處于潮濕或多水的環境中時， 該材料具有至少一個方向的變形和部分回復的能力； 當受到一個或幾個外力作用時， 材料至少在某一方向上產生變形； 當解除外力后， 至少在一個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變形性， 而且材料保存一定程度的變形， 當暴露于潮濕環境中時， 可部分恢復織物原樣。

（2） 在抗皺織物中的應用

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]。 經過黏結整理后的織物,手感挺括。 如果織物發生形變， 將其放入熱空氣中或者穿在人體上， 當織物受到的溫度高于分子的玻璃化相轉變溫度時， 形狀記憶高分子就會吸收熱量， 發生相的轉變。 因其本身的特殊結構， 恢復到原來的形狀， 這樣就達到抗皺和保形的能力。

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

（3） 在防水透氣織物中的應用

日本三菱公司用形狀記憶聚氨酯生產的高防水透氣涂層織物Diaplex 產品， 通過層壓的方式獲得， 其防水性達到20 000 ～40 000 mm H20 水柱壓力， 而且透氣性達到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， 達到調節體溫的作用。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)、 聚環氧乙烷二元醇(PEG) 為混合軟段, 分別以1, 4- BDO 及EDO 擴鏈的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, 給人恒溫的感覺。

（4） 在調溫織物中的應用

美國Vigo Frost 等通過聚已二醇 (PEG) 涂層整理的面料， 具有儲存熱量的功能。 當面料受到熱量時， 就吸收外界熱量， 當遇到冷的環境時放出熱量[13]。 這種技術應用于聚氨酯織物涂層上， 使PEG 的玻璃化轉變溫度處于人體感覺舒適的溫度范圍， 這樣， 當外界環境溫度高于臨界溫度時， 高聚物發生相變吸熱， 同時體積發生膨脹， 熱運動加快， 親水基團空間增大，使透濕氣量增加， 排熱排汗加快， 使人感到涼爽； 當環境溫度低于高聚物臨界溫度時， 高聚物相變放出熱量， 織物的透氣性能降低， 能夠起到防風保溫作用。 這樣透濕氣性隨著溫度變化而變化， 穿著者在不同環境溫度情況下， 都會感到舒適。

4 結語

隨著社會的發展和技術的不斷創新, 形狀記憶材料的性能和技術不斷提高。 形狀記憶材料作為一種新型的智能材料, 在紡織、 服裝和醫用紡織品等領域會得到更廣泛的發展。

參考文獻：

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