形状记忆材料及其在纺织中的应用

刘 森， 王 磊

（广东职业技术学院， 广东 佛山 528531）

形状记忆材料是一种特殊的功能性材料，同时具有驱动和感知作用的新型智能材料结构。由于形状记忆材料具有良好的形状记忆效应、良好的抗震性和适应性、 高的恢复形变, 而且容易加工成薄膜、 线、 颗粒或纤维等形式， 在纺织、服装以及医用纺织品上具有很大的优势[1]。 本文主要介绍了形状记忆材料及其原理， 同时介绍其在纺织中的应用。

1 形状材料的介绍及特点

形状记忆效应是具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后， 通过加热到这种材料某一临界温度以上时， 材料又自动恢复到初始形状的现象。 具有这种效应的材料称为形状记忆材料。 它可以通过热、 机械、 化学、 磁、 光或电等外界作用使材料作出反应, 从而改变材料的形状、 摩擦、 应变、 硬度和静态或动态等特征技术参数。

2 形状记忆材料的原理

2. 1 形状记忆合金的原理

形状记忆合金材料是通过马氏体相变来表现形状记忆效应。 马氏体相变具有可逆性。 形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相经过加热向高温相相互转变的结果。 当具有一定形状的合金材料从高温降低至室温形成马氏体相， 再将材料变形， 经过加热到一定温度以上， 由于材料特有的结构特性， 会自动恢复到原来的形状。

图1 形状记忆机理示意图

具有马氏体逆转变， 且加热和冷却时马氏体相变的开始温度相差 （称为转变的热滞后）很小的合金， 将其冷却到转变时的开始温度以下， 随着温度下降马氏体晶核逐渐长大； 温度升高时， 反之马氏体相又同步地缩小。 所以说马氏体相的数量随温度的变化而发生变化。 在转变开始温度以上某个温度对合金施加外力也可以促使马氏体的相发生转变， 若热弹性马氏体相变受到的力较小时， 在低于转变的开始温度下， 通过降温进行热弹性马氏体相变， 从而呈现形状记忆效应。 因此形状记忆效应是热弹性马氏体相变的低温相经过加热向高温相进行相互转变的结果[2]。

2. 2 形状记忆聚合物的原理

图2 热激发的形状记忆效应的分子机理

形状记忆聚合物的固定相具有较高的结晶熔融温度(Tm) 或玻璃转化温度(Tg) ；而可逆相具有较低的Tm 或Tg 的结构。 当外界环境的温度高于可逆相转化温度(Ttran) 时， 可逆相的分子就会处于弹性态， 受外力的作用下会发生形变， 而此时由于固定相具有较高的Tm 或Tg，因此仍然处于玻璃态或结晶态。 当温度低于Ttran 时， 可逆相将处于冻结状态， 外力去除后，可逆相的形变就被固定下来。 当外界温度再次升高到Ttran， 由于其可逆相的弹性回复， 形状记忆聚合物就恢复到它的起始状态。 至此， 完成 “记忆起始态一固定变形态一恢复起始态”的循环[3]。

3 形状记忆材料在纺织中的应用

3. 1 形状记忆合金在纺织上的应用

（1） 国外的研究

英国研发出一种防烫伤的服装[4]， 它的制造方法是将镍钛形状记忆合金丝加工成螺旋弹簧状， 然后在合金马氏体状态时将其加工成平面形状， 再将其固定在服装面料中。 当服装接触高温时， 因为镍钛丝的特定的性质， 金属丝就由平面状变为螺旋弹簧状， 这样在织物内部形成很大的空间， 从而使人体皮肤与高温隔开，避免烫伤。 在服装中加入形状记忆合金丝通过升温变形产生空隙而产生的绝热性， 可提供在特殊环境中服装的保暖性。

意大利公司用形状记忆合金纤维做成了一件智能化衬衣[5]， 使用的材料是钛镍记忆合金纤维和尼龙,钛镍合金丝和尼龙丝的比例是1 : 5 进行混织。 当周围环境的温度升高时, 该智能衬衣的袖子会立即自动卷起。 而且该衬衣还具有抗皱的能力, 即使将衬衣揉成一团, 只要用电吹风吹一下， 衬衣马上就能恢复到原来的样子, 甚至可以通过人的体温将其自动熨平。

苏格兰Herior - Watt 大学的教授[6]利用已经开发出的形状记忆合金材料纺出的短纤竹节纱、 雪尼尔线、 花边线、 粗松螺旋花线等花式纱线。 这些花式纱线采用包芯纱的结构, 形状记忆合金纤维作为纱芯。 在外界环境影响下促使纱芯进行形状记忆的活动。 包覆在外面的彩色纱线， 则随着纱芯的伸展、 扭曲， 变化出不同的样式和图案。

（2） 国内研究

国内主要研究是合金丝用于内衬和文胸。专利号CN2443628 是高弹性的形状记忆合金嵌入在鞋面内[7]， 这样嵌入到运动鞋内高弹性形状记忆合金可以阻止外部冲击和足部扭伤。 专利号CN2419851[8]， 是将形状记忆合金单丝、 细丝或片用来作鞋帽包中某部分的内衬或用硅胶来包覆合金丝网， 硅胶包覆合金丝网来做内衬，使鞋帽保持原有形状。 这种内衬可置于鞋、 帽、包中某一部分作为内衬， 制成以各种织品、 无纺布、 鞋、 帽、 包、 及服装垫肩等。

专利号CN1422563， 是采用NiTi 合金丝网来做文胸的内衬， 这种记忆合金丝网做成的文胸透气性好， 而且保型性优良。 同时将合金丝网包覆， 避免了NiTi 合金丝对人体皮肤产生刺激， 而且采用NiTi 合金做成的收口可以增强内衬的保形性[9]。 另外， 北京的NiTi 诺科技公司开发的婴儿被可以根据外界温度的变化改变棉被的厚度。

3. 2 形状记忆材料在纺织中的应用

（1） 在湿度感应织物中的应用

美国Topolkaraev 等发明了一种通过湿度来刺激激发形状记忆的材料。 当处于潮湿或多水的环境中时， 该材料具有至少一个方向的变形和部分回复的能力； 当受到一个或几个外力作用时， 材料至少在某一方向上产生变形； 当解除外力后， 至少在一个方向材料可保持一定程度的变形[10]。 使用这种材料制成的纺织产品可最大限度锁住变形， 从而防止水分渗漏。 这种形状记忆材料具有可回复变形性， 而且材料保存一定程度的变形， 当暴露于潮湿环境中时， 可部分恢复织物原样。

（2） 在抗皱织物中的应用

日本Kazuyuki K 把具有形状记忆的高分子粉末用树脂黏合剂黏接到织物上， 在织物表面形成一层薄膜[11]。 经过黏结整理后的织物,手感挺括。 如果织物发生形变， 将其放入热空气中或者穿在人体上， 当织物受到的温度高于分子的玻璃化相转变温度时， 形状记忆高分子就会吸收热量， 发生相的转变。 因其本身的特殊结构， 恢复到原来的形状， 这样就达到抗皱和保形的能力。

香港理工大学的胡金莲利用具有形状记忆水溶性聚氨酯组合对织物进行整理[12]， 经过整理后的织物， 若在穿着过程或折叠过程中出现折痕， 将织物放在30 ～100 ℃热空气或热水中，不久织物就恢复到原来形状， 该织物还具有手感舒适、 透湿透气性好等特点。

（3） 在防水透气织物中的应用

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Diaplex 产品， 通过层压的方式获得， 其防水性达到20 000 ～40 000 mm H20 水柱压力， 而且透气性达到8 000 ～12 000／m2·24h。该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。由于这样的织物具有良好的抗冷凝性， 而且其防水透气和保暖性能随温度变化而变化。 它不仅适合一般条件下的穿着， 而且在极端环境条件下也适合穿着。

Hayashi.S 等用形状记忆PUs 涂层织物。他们是以聚四亚甲基氧二元醇( PTMO)、 聚环氧乙烷二元醇(PEG) 为混合软段, 分别以1, 4- BDO 及EDO 扩链的MDI 为硬段,通过在DMF溶剂中合成形状记忆PUs 。 这种PUs 在较高温度下具有高透湿气性, 在较低温度下具有隔热性。 用该形状记忆PUs 作为涂层整理的服装面料, 具有高透气性， 而且能对不同的外界温度作出反应, 给人恒温的感觉。

（4） 在调温织物中的应用

美国Vigo Frost 等通过聚已二醇 (PEG) 涂层整理的面料， 具有储存热量的功能。 当面料受到热量时， 就吸收外界热量， 当遇到冷的环境时放出热量[13]。 这种技术应用于聚氨酯织物涂层上， 使PEG 的玻璃化转变温度处于人体感觉舒适的温度范围， 这样， 当外界环境温度高于临界温度时， 高聚物发生相变吸热， 同时体积发生膨胀， 热运动加快， 亲水基团空间增大，使透湿气量增加， 排热排汗加快， 使人感到凉爽； 当环境温度低于高聚物临界温度时， 高聚物相变放出热量， 织物的透气性能降低， 能够起到防风保温作用。 这样透湿气性随着温度变化而变化， 穿着者在不同环境温度情况下， 都会感到舒适。

4 结语

随着社会的发展和技术的不断创新, 形状记忆材料的性能和技术不断提高。 形状记忆材料作为一种新型的智能材料, 在纺织、 服装和医用纺织品等领域会得到更广泛的发展。

参考文献：

[1] Wei Z G, Sandstrom R , Mlyazaki S. Review Shapememory Materials and Hybrid Composites for Smart Systems [J] .Journal of Materials Science,1998,33 : 3743 - 3762 .

[2] Gordon R F. Shape memory polyurethanes has biomedical applications [J] . Advanced Materials &Processes , 1994 (3) : 9 .

[3] 于伟东， 储才元. 纺织物理[M] . 上海: 中国纺织大学出版社， 2001: 72 - 78， 352 - 365 .

[4] 周莉莉， 寿建宏. 形状记忆合金在服装防火隔热中的应用[J] . 消防技术与产品信息， 2002 (3) :56 - 59 .

[5] 巩继贤. 智能服装的现状及展望[J] . 现代纺织技术， 2004， 12 （l） : 47 - 49 .

[6] 杨杰， 吴月华. 形状记忆合金及其应用[M] . 合肥: 中国科学技术大学出版社， 1993: 321 - 342 .

[7] 周星. 一种保形保健文胸内衬、 文胸和内衣： 中国,02151907. 2 [P] . 2003 - 6 - 11 .

[8] 周星， 朱明, 王思泉, 等. 一种具有形状记忆能力的内衬: 中国, 99236045. 5 [P] . 2001 - 2 - 21 .

[9] 杨恒, 王兰英, 尹胜宁, 等. 网格状记忆合金超弹性文胸托杯:中国， 00221362.1 [P] .2001-9-12.

[10] ToPolkaraev， et al. Methods of making humidity activated materials Having shape-memory:US,6627 673 [P] . September 30， 2003 .

[11] Kobayashi K , Hayashi S. Shape Memory Fibro us Sheet and Met hood of Imparting Shape Memory Property to Fibrous Sheet Product： USA, 5 , 098 ,776 [P] .

[12] 杨卓鸿， 胡金莲. 具有形状记忆性的聚氨酯、 含其的组合物及其制备的形状记忆织物： 中国，200410002552. 2 [P] . 2005 - 08 - 03 .

[13] 张兴祥. 新型保温、 调温功能纤维和纺织品[J] .产业用纺织品. 1999， 14 (5) : 4 - 7 .