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  制衣材料有“记忆” 服装上演“变形记”
2021-11-03
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  近日,俄罗斯斯科尔科沃科学技术学院的研究人员利用挤压成型工艺制成了一种形状记忆材料,这种材料能在变形后恢复原来的形状。

  南开大学化学学院教授、博士生导师刘遵峰告诉科技日报记者,这是一种属于智能材料的形状记忆材料,其能够“记住”第一次成型时的初始形状,在适当条件下它会呈现临时形状,但当受到热、光、电等外界刺激时,其又可以从临时形状回到初始形状。形状记忆材料展示出的自我感知、自我调节、自我适应等一系列智能响应特性,使得它们的发展速度不断加快,在航空航天、生物医学、汽车工业等多个领域的应用也越来越广泛。

  近年来,形状记忆材料与纺织品也碰撞出科技感十足的“火花”,让服装变得有记忆、更“聪明”。

  让纺织品长“记性”的智能材料

  如何才能让纺织品长“记性”?目前可谓条条大路通罗马,能实现形状记忆功能的方法途径非常多。

  最常见的也是最早被应用于纺织品中的是形状记忆合金。1932年,瑞典人奥兰德首次观察到某种合金在室温中变形后,再将其加热到一定温度,材料会发生结构逆转变,自动恢复其原有形状。直到1963年,美国海军军械研究室发现具有形状“记忆”的镍钛合金材料,才让形状记忆合金名声大噪。这种镍钛合金可制成女性文胸的钢圈,也可制成镍钛合金纤维直接加工成纺织品。

  在形状记忆合金后,20世纪80年代又发展起一种应用非常广泛的新型形状记忆材料——形状记忆聚合物。这种材料可以作为功能性涂层覆盖在纺织品上。当外部环境以特定的方式和规律发生变化时,具有涂层的纺织物也会随着变化周而复始地改变形状。

  目前在纺织服装领域中应用的形状记忆聚合物主要是聚氨酯这种高分子化合物,其形状记忆功能,可使纺织物的防水性、透气性等随体温变化,从而达到调节体温的作用。还可设置合适的触发温度,使聚氨酯纺织品褶皱时能恢复到初始的记忆形状,从而达到抗皱的效果。

  此外,随着科技的发展进步,近年来也有科学家利用“人工肌肉”技术,实现纺织品的“记忆”功能。

  制备出蚕丝“人工肌肉”的刘遵峰向记者介绍,“人工肌肉”并不像大众想象的那样是一种人工制造的生物肌肉,而是一种受到外部刺激(例如温度、湿度、电流、压力、光照等)可以快速响应,并产生可逆的膨胀、旋转和伸缩等变化的柔性智能材料。制备“人工肌肉”的时候,可选用体积膨胀时会发生伸缩和旋转的纤维纱线,如多壁碳纳米管、纳米线、石墨烯、尼龙、氨纶、蚕丝、棉线等纤维材料,通过在纤维中加入周期性的螺旋结构,将材料的体积膨胀进行放大。用这种柔性智能材料编制的织物,可以在一定的条件下产生“记忆”。

  随着3D打印等技术的发展,哈佛大学的研究人员用角蛋白(存在于头发、指甲和贝壳中的纤维蛋白)研发出一种生物相容性材料。他们从废弃羊毛中提取角蛋白,将这些角蛋白作为墨水,3D打印成扁平星形、环形和扁平条形等不同形状的纸张。研究人员选取一种形状的纸,将其放入过氧化氢和磷酸二氢钠溶液中,纸张现有的形状就会被预设成永久形状,当纸张拥有新形状后,只要放入水中即可恢复为预设的永久形状。

  形状记忆材料解锁服装更多功能

  目前,形状记忆材料在服装中应用最广泛的就是形状记忆合金。比如镍钛合金最早被应用于文胸内,起托垫保形作用。即使在清洗穿戴过程中发生变形,也会被体温“暖”回原形。如今这种文胸在市场上已不鲜见。

  随着技术的不断进步,镍钛合金形状记忆纤维也越来越多地应用于纺织服装中。比较常见的是把镍钛合金形状记忆纤维加入“体型庞大”的婚纱或者演出服中,这样在运输和储存过程中便于折叠。在使用前,只需用电吹风吹一下,就会立刻恢复“出厂设置”。

  也有英国防护服装和纺织品机构把镍钛合金形状记忆纤维应用到防烫伤服装中。通过把镍钛合金形状记忆纤维加工成宝塔式螺旋弹簧状,再进一步加工成平网状,然后固定在服装面料内。当该服装表面接触高温时,形状记忆纤维的形变被触发,纤维迅速由平网状变回宝塔状,在两层织物内形成很大的空腔,使高温远离人体皮肤。

  不过由于含有合金纤维,衣服不可避免地会带着一些金属特有的灰色调,这对需要布料的颜色、质感丰富多样的服装行业来说,无疑是拖了后腿。而且由于原材料、加工技术等限制,合金纤维形状记忆纺织物很难被大范围推广。

  而具有形状记忆功能的聚氨酯类新材料则可以很好地解决这些问题,以最常见的由PTT(聚对苯二甲酸丙二醇酯)高聚物制作的形状记忆纺织品为例,它属于力与体温联合刺激诱发形状记忆功能的材料,靠体温或者用手抚摸,就能“熨”平服装。关键是这种材料的分子链为直连结构,易于纺丝加工,还容易染色,耐气候性和耐溶性好,因此更容易被应用于纺织材料中。目前已经开发的产品主要有毛精纺面料、针织面料、经编面料、无缝内衣、毛衫、地毯等,这些产品已经逐步走向市场。而我国开发的PTT长丝系列也已经达到较高水平,规格齐全、品种多样。

  日本三菱重工的一家子公司也开发出一种聚氨酯类新材料,其与外衣面料层压复合,使服装能在环境温度较高时产生散热和水汽通道。目前已有此种材料的商业化产品问世,如智能运动服、登山服等。

  未来可能会出现更“聪明”的具有形状记忆功能的服装。“由蚕丝‘人工肌肉’纤维制成的运动服在人体发热出汗时,会自动缩短成短袖短裤,便于排热排汗;在人身体干燥时,又会变成长袖长裤以实现保暖性。通过这样的方式可以让穿戴者获得更好的体验。”刘遵峰表示。

  形状记忆纺织品有待质与量的突破

  国外在形状记忆纺织品的研究起步较早,整体技术水平比较高,积累了丰富的数据源,可实现的智能化程度也比较高。与国外相比,国内在形状记忆纺织品方面的研究虽然较多,但很多都处于试验阶段,用料比较单一,整体创新度不够,且大多为跟踪研究,许多新的品种尚在开发中,实现规模化工业生产尚有难度。

  对于已经研发出的一些形状记忆材料,由于成本较高,材料加工性能较差以及记忆效应的稳定性不佳,因此很难进行大规模生产和推广。

  同时,在这一领域存在人才队伍相对薄弱、竞争乏力、投入少、开发力度不够等问题。比如毛衫类是PTT最有特色的品种,加入这种材料,可以改善毛衫的蓬松度和毛型感。但这个产品产业链长,纺纱、染纱、织造等分属于不同企业,导致产品开发滞后,需要上下游企业加强合作,才能早日实现产品在量和质上的突破。

  不过随着形状记忆材料制备加工技术和纺织服装合成技术的不断发展,以及形状记忆材料基础理论的日趋完善,形状记忆材料的应用将遍及纺织服装工业的各个领域,它对开发纺织产品和服装设计的促进作用将是无法估量的。

  (来源:科技日报)

 

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