制衣材料有“記憶” 服裝上演“變形記”

業界 | 2021-11-03 09:16:46
時間:2021-11-03 09:16:46   /   來源: 科技日報      /   點擊數:()

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,折疊后只需用電吹風吹一下就會恢復原形;用聚氨酯類新材料制成的智能運動服、登山服,能在環境溫度較高時產生散熱和水汽通道;隨著“人工肌肉”纖維的應用,未來可能還會出現更“聰明”的具有形狀記憶功能的服裝。

近日,俄羅斯斯科爾科沃科學技術學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原來的形狀。

南開大學化學學院教授、博士生導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,在適當條件下它會呈現臨時形狀,但當受到熱、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、自我調節、自我適應等一系列智能響應特性,使得它們的發展速度不斷加快,在航空航天、生物醫學、汽車工業等多個領域的應用也越來越廣泛。

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,能實現形狀記憶功能的方法途徑非常多。

最常見的也是最早被應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,材料會發生結構逆轉變,自動恢復其原有形狀。直到1963年,美國海軍軍械研究室發現具有形狀“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80年代又發展起一種應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。當外部環境以特定的方式和規律發生變化時,具有涂層的紡織物也會隨著變化周而復始地改變形狀。

目前在紡織服裝領域中應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,從而達到調節體溫的作用。還可設置合適的觸發溫度,使聚氨酯紡織品褶皺時能恢復到初始的記憶形狀,從而達到抗皺的效果。

此外,隨著科技的發展進步,近年來也有科學家利用“人工肌肉”技術,實現紡織品的“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,并產生可逆的膨脹、旋轉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生伸縮和旋轉的纖維紗線,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構,將材料的體積膨脹進行放大。用這種柔性智能材料編制的織物,可以在一定的條件下產生“記憶”。

隨著3D打印等技術的發展,哈佛大學的研究人員用角蛋白(存在于頭發、指甲和貝殼中的纖維蛋白)研發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,紙張現有的形狀就會被預設成永久形狀,當紙張擁有新形狀后,只要放入水中即可恢復為預設的永久形狀。

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用最廣泛的就是形狀記憶合金。比如鎳鈦合金最早被應用于文胸內,起托墊保形作用。即使在清洗穿戴過程中發生變形,也會被體溫“暖”回原形。如今這種文胸在市場上已不鮮見。

隨著技術的不斷進步 ,鎳鈦合金形狀記憶纖維也越來越多地應用于紡織服裝中。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,這樣在運輸和儲存過程中便于折疊。在使用前,只需用電吹風吹一下,就會立刻恢復“出廠設置”。

也有英國防護服裝和紡織品機構把鎳鈦合金形狀記憶纖維應用到防燙傷服裝中。通過把鎳鈦合金形狀記憶纖維加工成寶塔式螺旋彈簧狀,再進一步加工成平網狀,然后固定在服裝面料內。當該服裝表面接觸高溫時,形狀記憶纖維的形變被觸發,纖維迅速由平網狀變回寶塔狀,在兩層織物內形成很大的空腔,使高溫遠離人體皮膚。

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,這對需要布料的顏色、質感豐富多樣的服裝行業來說,無疑是拖了后腿。而且由于原材料、加工技術等限制,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,它屬于力與體溫聯合刺激誘發形狀記憶功能的材料,靠體溫或者用手撫摸,就能“熨”平服裝。關鍵是這種材料的分子鏈為直連結構,易于紡絲加工,還容易染色,耐氣候性和耐溶性好,因此更容易被應用于紡織材料中。目前已經開發的產品主要有毛精紡面料、針織面料、經編面料、無縫內衣、毛衫、地毯等,這些產品已經逐步走向市場。而我國開發的PTT長絲系列也已經達到較高水平,規格齊全、品種多樣。

日本三菱重工的一家子公司也開發出一種聚氨酯類新材料,其與外衣面料層壓復合,使服裝能在環境溫度較高時產生散熱和水汽通道。目前已有此種材料的商業化產品問世,如智能運動服、登山服等。

未來可能會出現更“聰明”的具有形狀記憶功能的服裝。“由蠶絲‘人工肌肉’纖維制成的運動服在人體發熱出汗時,會自動縮短成短袖短褲,便于排熱排汗;在人身體干燥時,又會變成長袖長褲以實現保暖性。通過這樣的方式可以讓穿戴者獲得更好的體驗。”劉遵峰表示。

形狀記憶紡織品有待質與量的突破

國外在形狀記憶紡織品的研究起步較早,整體技術水平比較高,積累了豐富的數據源,可實現的智能化程度也比較高。與國外相比,國內在形狀記憶紡織品方面的研究雖然較多,但很多都處于試驗階段,用料比較單一,整體創新度不夠,且大多為跟蹤研究,許多新的品種尚在開發中,實現規?;I生產尚有難度。

對于已經研發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的穩定性不佳,因此很難進行大規模生產和推廣。

同時,在這一領域存在人才隊伍相對薄弱、競爭乏力、投入少、開發力度不夠等問題。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。但這個產品產業鏈長,紡紗、染紗、織造等分屬于不同企業,導致產品開發滯后,需要上下游企業加強合作,才能早日實現產品在量和質上的突破。

不過隨著形狀記憶材料制備加工技術和紡織服裝合成技術的不斷發展,以及形狀記憶材料基礎理論的日趨完善,形狀記憶材料的應用將遍及紡織服裝工業的各個領域,它對開發紡織產品和服裝設計的促進作用將是無法估量的。

標簽:Lucid

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