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蓬勃发展的智能纺织材料(二):形状记忆材料

发布日期:2016-10-11 03:30:56 作者:admin来源:本站 浏览次数:395

    随着社会的发展和生活节奏的加快,人们对服装易成型与易打理的要求也不断提高,形状记忆材料逐渐引起了人们的关注。形状记忆材料通常包括形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物,目前在纺织领域应用的主要是后两类。其共同特性是:经形变固定之后,通过加热等外部条件刺激,又可恢复到预先设定的状态。

    形状记忆合金在纺织领域应用的典型例子是防烫伤服装:钛-镍合金纤维首先被加工成宝塔形或螺旋弹簧状,再进一步加工成平面形状,然后固定在服装夹层内。服装表面接触高温时,形状记忆合金丝被触发,迅速由平面状(似压扁的弹簧)变化成宝塔状,在两层织物内形成很大的空隙,使高温离开人体皮肤,有效防止烫伤。

    但是,形状记忆合金存在密度大、形变量小等缺点。而形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer,SMP)赋予传统聚合物材料以形状记忆的智能特性,通过响应外界(如热、光、电、磁、力)的刺激能够恢复至初始形状,具有密度小(一般为1.0~1.3g/cm3)、变形量大、赋形容易、响应温度可调等特点,是理想的纺织智能材料,广泛应用于医疗、航空等终端领域。

    1.形状记忆聚合物的形状记忆效应机理

    SMP具有两相结构,即固定性和可逆相,其中固定相是指材料结构中可以记忆材料初始形状的成分,其不受温度影响;而可逆相是指结构中随着温度的变化可发生软化和硬化转变的成分(以热驱动为例)。当温度在转变温度(Ttrans)以下时,分子链段处于冻结状态,材料形状固定不变;当温度在Ttrans以上时,分子链段处于高弹状态,可在外力作用下发生伸展,或者在固定相作用下恢复至卷曲状态,材料在宏观上发生形状恢复行为。

热致形状记忆效应的分子机理示意图

    2.形状记忆聚合物的驱动方式

    (1)热驱动#p#分页标题#e#

    热驱动是目前最普遍且最直接的驱动方法之一,通常热量由外部环境直接传递(对流、辐射等)给SMP来激发其发生形状记忆效应。

I-PTFE (polytetrafluoroethylene), II-PLA (polylactide) 和III-EVA(ethylene-vinyl acetate)的热驱动形状记忆功能

    (2)电驱动

    电驱动是将电压施加在导电的SMP材料上,由于电流的阻热效应使电能转化为热能,从而驱动形状记忆效应。这种驱动方式能量损耗较少,很有应用前景,但其应用对象仅限于具有导电功能的SMP材料,现有的研究主要是针对填充了导电物质(如碳黑、金属粉末和导电聚合物等)的SMP复合材料。


PU/CB复合材料在30V电压下的形状恢复过程

    (3)光驱动

    光驱动主要是用紫外波段的光定向、定点地照射在聚合物材料上,通过其分子链上的光致变色基团来实现形状记忆效应。光驱动方式具有效率高、能量损耗低、可远程控制等优点,但对材料的特征结构要求相对较为苛刻,即材料内部必须含有光致变色基团。已见报道的光致变色基团有肉桂酸等,可存在于高分子主链和侧链中。

光照(a0~a5)和红外线(b0~b5)照射下聚合物的形状恢复过程

    (4)磁驱动#p#分页标题#e#

    磁驱动通过外加高频交变磁场的作用诱导磁性粒子发生取向的高频变化,粒子与基体之间产生的摩擦力将磁场能转化成热能,驱动材料形状恢复。磁驱动的特征在于非接触方式,且仅限于驱动填充了磁性纳米颗粒的SMP复合材料。

磁致形状记忆聚己内酯在交流磁场中的形状恢复

    (5)化学驱动

    常见的化学驱动方式有PH值变化、平衡离子置换、螫合反应、相转变和氧化还原反应等;除此之外,水、湿气以及有机溶剂的作用也可驱动SMP形状记忆效应的发生。

    3.形状记忆聚合物材料的应用

    (1)航空航天

    NASA使用SMP制作了一系列的航天航空特种器件。例如,利用SMP制作空间可展开结构的驱动器,包括可展开铰链、可展开天线、太阳能电池阵和可展开梁体结构等器件,这些驱动器不但轻质,且在火箭发射前能进行有效的折叠装载,当进入空间轨道后,施加驱动使之发生形状恢复,从而使整个结构展开,实现预期的目的。

用于空间可展开太阳能电池阵的形状记忆聚合物铰链

形状记忆聚合物可展开天线#p#分页标题#e#

    (2)生物医学

    SMP在临床医学领域和植入医疗设备领域中有着巨大的应用前景。德国的GKSS研究所报道了一系列前瞻性的研究成果。例如,用SMP材料制作微创手术医疗器械,利用其形状记忆效应,在使用前通过预变形来缩小器械的体积,通过手术切口进入人体后再变形恢复至所需形状,从而最大限度地减小手术切口和创伤;利用可降解的SMP制备医用手术缝合线,预拉伸后的缝合线用以缝合伤口,在人体可承受的温度下进行加热逐步收缩恢复,伤口被闭合,实现对手术创口的缝合;SMP还可以用于药物释放装置,在超声波的作用下,材料受热温度高于自身的玻璃化转变温度,发生形状恢复且使置于SMP中的药物在生物体中进行扩散,一旦停止超声,药物释放停止。


形状记忆聚合物微创手术医疗器械

形状记忆聚合物外科手术缝合线

聚焦超声控制物释放

    (3)纺织服装

#p#分页标题#e#    SMP因具有良好的形状记忆特性而被广泛应用于湿度感应织物、抗皱织物、防水透气织物、调温织物的制备。香港理工大学利用形状记忆聚氨酯通过湿法或熔融纺丝制备出形状记忆纤维,可制成多种具有形状记忆功能的纺织品,不仅具有抗皱和保型的能力,而且还具有耐磨、柔软舒适、透气性好等特点;日本三菱公司用形状记忆聚氨酯生产的高防水透气涂层织物不仅具有防水透气的作用,而且还可以通过体温控制透(湿)气性,达到调节体温的作用。

(4)温度及防伪指示

    SMP在特定温度下发生形貌变化的特性也可用于温度指示和防伪指示。图示为2种不同的SMP防伪标签。通过图案在预设的特定温度或光照下的恢复性能可判定商品真伪。这种多层次防伪标签仿造难度高,结构简单且成本低廉。


热驱动多层次防伪标签

光驱动合物防伪标签光照前后的变化


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