形狀記憶紡織品及其評價方法的研究進展

余弘，張小琪，成嫣

（1.上海市質量監督檢驗技術研究院，上海200040；2.東華大學生態紡織教育部重點實驗室，上海201620）

述評

形狀記憶紡織品及其評價方法的研究進展

余弘1，張小琪2，成嫣1

（1.上海市質量監督檢驗技術研究院，上海200040；2.東華大學生態紡織教育部重點實驗室，上海201620）

介紹了形狀記憶紡織品的定義、特點和分類，闡述了熱致形狀記憶紡織品和力致形狀記憶紡織品的發展歷程、作用機制和研究現狀，分析比較了針對紡織品形狀記憶性能的評價方法。指出客觀、有效的評價手段有待進一步完善，測試過程應真實模擬形狀記憶效應所需的環境刺激條件。

紡織品；熱致形狀記憶；力致形狀記憶；評價方法

0 引言

形狀記憶紡織品是指一類具有某一原始形狀，經過形變后，在特定條件下能固定其暫時形變并在外界條件下回復其原始形狀的紡織品。形狀記憶紡織品的加工方法主要有形狀記憶纖維織造和對紡織品進行形狀記憶整理兩大類方法[1]。

狹義的“形狀記憶”功能主要是指形狀記憶紡織品具有易成形和易打理的優異性能，如穿著后產生的褶皺可在一定的外界條件刺激下恢復平整。廣義的“形狀記憶”功能則可賦予紡織品眾多品類的附加功能，包括阻熱隔熱、防水透濕、抗浸保溫等，如由形狀記憶水凝膠制成的智能型抗浸服，一旦落水水凝膠吸水溶脹，阻止水進入服裝，晾干后，水凝膠脫水恢復原狀[2]。促使形狀記憶紡織品回復其原始形態的外界條件存在不同的種類，目前市場上主要可分為熱致形狀記憶紡織品和力致形狀記憶紡織品。文中主要介紹了上述兩類形狀記憶紡織品及其評價方法的發展歷程和研究現狀。

1 熱致形狀記憶紡織品

熱致形狀記憶紡織品是指通過外界環境溫度的刺激可恢復原始形態的一類紡織品，主要包括形狀記憶合金紡織品和形狀記憶聚氨酯紡織品。

1.1 形狀記憶合金紡織品

20世紀30年代，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首先觀察到“記憶”效應，即合金的形狀被改變后一旦加熱到一定的躍變溫度時，其又可變回到原來的形狀[3]。隨后形狀記憶合金被廣泛應用在航空航天、醫學外科、通信、工業機器人等領域。直至上世紀80年代，日本首次將絲徑較小的鎳鈦合金絲混紡至紡織織物中，開啟了形狀記憶合金應用于紡織加工的時代[4]。

形狀記憶合金中具有高溫相奧氏體相和低溫相馬氏體相兩種。形狀記憶合金之所以具有變形回復能力，是因為變形過程中材料內部發生的熱彈性馬氏體相變。形狀記憶效應可分為單程記憶效應、雙程記憶效應和全程記憶效應三大類[5]。在較低的溫度下形狀記憶合金變形，加熱后可恢復變形前的形狀，這種只有加熱過程中存在的形狀記憶現象稱為單程記憶效應；某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀，稱為雙程記憶效應；加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變為形狀相同而取向相反的低溫相形狀，稱為全程記憶效應。

意大利公司采用鎳鈦記憶合金絲和尼龍以1∶5的比例混紡，制作了一件具有形狀記憶性能的襯衣。當環境溫度升高時，該襯衣的袖子可自動卷起；當產生褶皺時，可通過人體體溫將其“熨平”[6]。日本將形狀記憶合金絲織入窗簾中制成百葉窗，其可根據一天的日曬程度自動調節陽光的進入量，有效控制室內的舒適溫度和避免強烈日光對人體視力的影響[7]。

在國內的相關報道中，形狀記憶合金在紡織領域主要被用作內襯支撐材料，此類內襯可用于由各種紡織品為面料制成的文胸、禮服。周星等人[8]采用形狀記憶合金絲網并收口組成文胸內襯，形成特定的包裹收口結構，透氣性好，形狀保持能力強，與普通產品相比具有明顯優勢。

盡管形狀記憶合金具有優異的形狀記憶性能，但由于其硬度高、彈性大、抱合力低、成本高等特點，形狀記憶合金在紡織領域的應用仍受到諸多的限制。

1.2 形狀記憶聚氨酯紡織品

相較于形狀記憶合金，形狀記憶聚氨酯具有加工成型容易、適用范圍廣、形變量大和質輕價廉等優點，自20世紀末以來得到迅速發展。日本三菱重工業公司首次開發得到形狀記憶聚氨酯，并通過深入的研究開發出一系列綜合性能優異的形狀記憶聚氨酯材料[9]。

聚氨酯是由多異氰酸酯與多羥基化合物通過逐步加成聚合反應而制得的聚氨基甲酸酯。大多數聚氨酯是由軟段（長鏈的低聚物二醇）及硬段（二異氰酸酯及擴鏈劑）所組成的線性（或體型）嵌段聚合物，其中硬段之間通過氫鍵形成硬段微相區，分布于軟段基體中，形成一種物理性交聯點[10]。聚氨酯的性能隨著軟段和硬段的品種、配比及分子量的不同而有所變化，且并不是所有的聚氨酯材料都具有形狀記憶性能。形狀記憶聚氨酯的軟段是可隨著溫度的變化可逆改變形狀的可逆相，硬段則是在形狀記憶過程中保持固定形狀的固定相[11]。經研究表明[12]，要得到形狀記憶聚氨酯材料，須具備兩個必要條件：①軟段具有良好的結晶性，其相對分子質量需達到某一臨界相對分子質量；②硬段聚集形成微區，起到物理交聯點的作用。

形狀記憶聚氨酯的作用機制可理解為：當溫度升高至硬段玻璃化溫度以上，對材料進行加工成型，冷卻至軟段玻璃化溫度以下形成初始形態；當溫度升高至軟段的玻璃化溫度以上，在外力的作用下冷卻至軟段玻璃化溫度以下形成變形態；再當溫度升高至軟段的玻璃化溫度以上時，應力釋放，形變恢復至初始形態。形狀記憶聚氨酯的形狀記憶行為實質是軟段中柔性分子鏈的運動，其對溫度的依賴性取決于軟段的玻璃化轉變溫度；而形狀記憶的恢復率和恢復速度則決定于硬段區域的穩定性[13]。

目前應用于紡織領域的形狀記憶聚氨酯存在多種形式，其中包括纖維、紗線、織物、整理劑等[14]。香港理工大學形狀記憶研究中心采用形狀記憶聚氨酯通過濕法紡絲制備出形狀記憶纖維，具有良好的形狀記憶效果和優良的彈性，其形變固定率和形變回復率均在90%以上[15]。形狀記憶聚氨酯纖維既可純紡也可和其他天然、合成纖維混紡制備多種具有形狀記憶功能的織物。形狀記憶纖維的初始形態可根據不同的使用需求設計成直線形、波浪形、螺旋形或其他形狀。

除由形狀記憶聚氨酯纖維織造而成的織物，大部分織物是通過使用形狀記憶聚氨酯層壓或整理的方式獲得形狀記憶功能。香港理工大學開發的形狀記憶聚氨酯整理液的形變回復溫度為60℃，整理后織物在穿著或貯存過程中產生褶皺和變形時，只需放入60℃的溫水中或用常規水洗后在60℃的溫度下烘干，褶皺和變形就會自動消失，恢復定型的初始形狀[14]。此外，利用形狀記憶聚氨酯溫度的可設計性，可將聚氨酯的記憶觸發溫度設計為人體穿著不適溫度，從而獲得具有防水保暖透濕功能的織物。當環境溫度低于觸發溫度時，聚氨酯大分子鏈段排列緊密，阻止熱量的傳遞，織物具有保暖性；當溫度高于觸發溫度時，高分子鏈段解凍，其間隙增大，使織物在高溫下具有透氣透濕性，且其涂層的空隙小于水分子的直徑，兼具防水性。

2 力致形狀記憶紡織品

近十年間，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得到了廣泛的關注和迅猛的發展。PTT纖維最早是由殼牌化學公司與美國杜邦公司分別從石油工藝路線及生物玉米工藝路線通過PTA（對苯二甲酸）與PDO（丙二醇）聚合、紡絲制成的新型[16]。PTT纖維綜合了PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）纖維的剛性和PBT（聚對苯二甲酸丁二醇酯）的柔性，有易染色、手感柔軟、富有彈性等特性，由PTT纖維織造而成的織物具有易塑形、易回復的“形狀記憶”特性。

PTT雖然是熱塑性聚合物，具有可逆相和固定相的兩相結構，其玻璃化轉變溫度為41.7℃，但溫度對PTT形狀記憶織物回復原始形態無明顯作用，經研究表明[17]，力是使PTT形狀記憶織物回復原始性狀的主要因素，因此PTT形狀記憶織物被定義為一類力致形狀記憶紡織品，其發生形態可逆轉變的內因可能不是高聚物的兩相結構，而是纖維間的摩擦鏈接結構和纖維的高彈性。

PTT形狀記憶紡織品具有優異的保形性，能夠保持一定的弧度和褶裥，且造型更加隨意、生動，具有立體感，因此自上市以來就受到服裝生產商的廣泛關注和消費者的青睞，國內外著名企業紛紛投入大量資金研發該產品。PTT紡織品的“形狀記憶”效果表現為可以通過簡單的用手折疊或抓捏塑造成不同的造型，且僅需要通過手摸的動作回復到原始形狀。該性能對于夾克、風衣等寬松挺括類面料非常重要，故PTT形狀記憶織物的出現使得夾克、風衣面料的面密度能夠降至約100 g/m2，大幅提高了面料的舒適性和多樣性[18]。

隨著PTT形狀記憶紡織品的流行與發展，其相關的仿品也逐漸走進市場，如PET仿記憶面料。很多廠家為了降低成本，采用普通的PET長絲加捻的織造方式制成仿記憶面料，但此類面料相較于PTT形狀記憶面料大多手感生澀，韌性不強，形變后彈性回復差。同時市場上也存在一類經紗用PTT長絲、緯紗用PET長絲織造的半記憶面料。

3 形狀記憶紡織品評價方法研究現狀

現存的關于紡織品形狀保持和折皺回復的相關標準可分為主觀和客觀兩大類，其中主觀方法為通過對比樣照評價織物平整度或褶裥保持性的程度，如AATCC 124—2014《重復家庭洗滌后織物的外觀平整度》、AATCC 88C—2011《織物經多次家庭洗滌后褶裥保持性測定》；客觀方法為通過折皺回復角評價織物回復平整的性能，如AATCC 66—2014《機織物折皺回復性的測定回復角法》、GB/T 3819—1997《紡織品織物折痕回復性的測定回復角法》。然而，目前國內外均無針對紡織品“形狀記憶”性能的檢測方法和標準，既無評價形狀記憶紡織品“易塑形性”的客觀方法，又未包括形狀記憶紡織品回復初始狀態時必需的“刺激條件”。因此，針對逐漸發展和流行于市場的形狀記憶紡織品，急需相關的檢測方法對“形狀記憶”性能進行客觀評價，從而保障消費者的合法權益，避免市場上以次充好、以假亂真的現象。

針對熱致形狀記憶紡織品，胡金蓮[19]采用JIS L 1061方法B在Instron 4411型試驗機上對棉形狀記憶聚氨酯包芯紗織物進行起拱回復性能的測試，并將試樣置于70℃熱水中進行形狀恢復，通過對比其與純棉織物、棉氨綸包芯紗織物的起拱回復性能，可知形狀記憶聚氨酯紡織品具有較好的形狀記憶性能。劉曉霞[20]將形狀記憶聚氨酯整理后的織物分別置于60℃恒溫水浴和烘箱中測試其折皺回復角，并發現其在熱水介質中的折皺回復速度大于在熱空氣介質中的回復速度。上述方法均通過客觀的測試手段評價了熱致形狀記憶紡織品的“形狀記憶”性能，但引發“形狀記憶”效應的溫度不是某一特定溫度，其根據形狀記憶材料的不同或軟硬鏈段構成不同而存在很大的差別，故暫無某一特定方法可用于評價市場上存在的所有熱致形狀記憶紡織品的形狀記憶性能。

針對力致形狀記憶紡織品，陳思霞[4]采用自制的弧度塑性裝置使PTT形狀記憶織物產生弧度造型，并用弧度塑性高度H表征織物塑形性的強弱；秦麗[21]則采用KES-F4純彎曲性能測試儀測試形狀記憶織物的彎曲變形曲線，并采用彎矩為零時織物上的殘留曲率考核織物的弧度可塑性。楊建慧[22]等人通過一個溫度為（35±2）℃、質量為100 g的小重物模擬手摸作用在織物折痕處平撫一次，織物靜置5 min后測試其折皺回復角；陳思霞[4]設計一運動壓條在牽引裝置（由導輥、滑輪、牽引線和砝碼組成）的作用下拖動運動壓條在試樣上方做直線運動，并分別通過“折痕回復角”和“折痕回復長度”表征形狀記憶織物的折痕回復率。力致形狀記憶紡織品在實際使用中回復原始形狀主要是通過手摸的動作，而用手撫平折皺織物時，既有張力的作用又有壓力的作用，因此通過何種手段達到模擬真實手摸作用是評價力致形狀記憶紡織品形狀記憶性能的關鍵。

4 總結

熱致形狀記憶紡織品和力致形狀記憶紡織品均具有良好的易塑形性和易回復性，可廣泛夾克、風衣等外套的形狀保持和回復，但目前國內外用以評價紡織品的形狀記憶性能的檢測方法并不完善，急需針對不同類型的形狀記憶紡織品發展相應的客觀試驗方法，以維護市場的交易秩序和消費者的合法權益。

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Research progress and evaluation methods in shape memory textiles

YU Hong1,ZHANG Xiaoqi2,CHENG Yan1
1.Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research,Shanghai 200040,China; 2.Key Laboratory of Science&Technology of Eco-Textile,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China

The definition,characteristics and categories of shape memory textiles are introduced.The de?velopment,mechanism and research status of thermo-stimulative shape memory textiles and forcestimulative shape memory textiles are summarized respectively.The evaluation methods of shape mem?ory property for textiles are compared and analyzed.It is proposed that an objective and effective evalua?tion method needs to be developed,and actual environmental condition that shape memory effect need should be simulated during testing process.

textiles,thermo-stimulative shape memory,force-stimulative shape memory,evaluation methods

TS107

A

1001-7046（2017）03-0001-05

2017-04-01

余弘(1989-)，女，博士，主要從事功能紡織品檢測方法研究。