形状记忆纺织品及其评价方法的研究进展

余弘，张小琪，成嫣

（1.上海市质量监督检验技术研究院，上海200040；2.东华大学生态纺织教育部重点实验室，上海201620）

述评

形状记忆纺织品及其评价方法的研究进展

余弘1，张小琪2，成嫣1

（1.上海市质量监督检验技术研究院，上海200040；2.东华大学生态纺织教育部重点实验室，上海201620）

介绍了形状记忆纺织品的定义、特点和分类，阐述了热致形状记忆纺织品和力致形状记忆纺织品的发展历程、作用机制和研究现状，分析比较了针对纺织品形状记忆性能的评价方法。指出客观、有效的评价手段有待进一步完善，测试过程应真实模拟形状记忆效应所需的环境刺激条件。

纺织品；热致形状记忆；力致形状记忆；评价方法

0 引言

形状记忆纺织品是指一类具有某一原始形状，经过形变后，在特定条件下能固定其暂时形变并在外界条件下回复其原始形状的纺织品。形状记忆纺织品的加工方法主要有形状记忆纤维织造和对纺织品进行形状记忆整理两大类方法[1]。

狭义的“形状记忆”功能主要是指形状记忆纺织品具有易成形和易打理的优异性能，如穿着后产生的褶皱可在一定的外界条件刺激下恢复平整。广义的“形状记忆”功能则可赋予纺织品众多品类的附加功能，包括阻热隔热、防水透湿、抗浸保温等，如由形状记忆水凝胶制成的智能型抗浸服，一旦落水水凝胶吸水溶胀，阻止水进入服装，晾干后，水凝胶脱水恢复原状[2]。促使形状记忆纺织品回复其原始形态的外界条件存在不同的种类，目前市场上主要可分为热致形状记忆纺织品和力致形状记忆纺织品。文中主要介绍了上述两类形状记忆纺织品及其评价方法的发展历程和研究现状。

1 热致形状记忆纺织品

热致形状记忆纺织品是指通过外界环境温度的刺激可恢复原始形态的一类纺织品，主要包括形状记忆合金纺织品和形状记忆聚氨酯纺织品。

1.1 形状记忆合金纺织品

20世纪30年代，瑞典人奥兰德在金镉合金中首先观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变后一旦加热到一定的跃变温度时，其又可变回到原来的形状[3]。随后形状记忆合金被广泛应用在航空航天、医学外科、通信、工业机器人等领域。直至上世纪80年代，日本首次将丝径较小的镍钛合金丝混纺至纺织织物中，开启了形状记忆合金应用于纺织加工的时代[4]。

形状记忆合金中具有高温相奥氏体相和低温相马氏体相两种。形状记忆合金之所以具有变形回复能力，是因为变形过程中材料内部发生的热弹性马氏体相变。形状记忆效应可分为单程记忆效应、双程记忆效应和全程记忆效应三大类[5]。在较低的温度下形状记忆合金变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只有加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应；某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应；加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

意大利公司采用镍钛记忆合金丝和尼龙以1∶5的比例混纺，制作了一件具有形状记忆性能的衬衣。当环境温度升高时，该衬衣的袖子可自动卷起；当产生褶皱时，可通过人体体温将其“熨平”[6]。日本将形状记忆合金丝织入窗帘中制成百叶窗，其可根据一天的日晒程度自动调节阳光的进入量，有效控制室内的舒适温度和避免强烈日光对人体视力的影响[7]。

在国内的相关报道中，形状记忆合金在纺织领域主要被用作内衬支撑材料，此类内衬可用于由各种纺织品为面料制成的文胸、礼服。周星等人[8]采用形状记忆合金丝网并收口组成文胸内衬，形成特定的包裹收口结构，透气性好，形状保持能力强，与普通产品相比具有明显优势。

尽管形状记忆合金具有优异的形状记忆性能，但由于其硬度高、弹性大、抱合力低、成本高等特点，形状记忆合金在纺织领域的应用仍受到诸多的限制。

1.2 形状记忆聚氨酯纺织品

相较于形状记忆合金，形状记忆聚氨酯具有加工成型容易、适用范围广、形变量大和质轻价廉等优点，自20世纪末以来得到迅速发展。日本三菱重工业公司首次开发得到形状记忆聚氨酯，并通过深入的研究开发出一系列综合性能优异的形状记忆聚氨酯材料[9]。

聚氨酯是由多异氰酸酯与多羟基化合物通过逐步加成聚合反应而制得的聚氨基甲酸酯。大多数聚氨酯是由软段（长链的低聚物二醇）及硬段（二异氰酸酯及扩链剂）所组成的线性（或体型）嵌段聚合物，其中硬段之间通过氢键形成硬段微相区，分布于软段基体中，形成一种物理性交联点[10]。聚氨酯的性能随着软段和硬段的品种、配比及分子量的不同而有所变化，且并不是所有的聚氨酯材料都具有形状记忆性能。形状记忆聚氨酯的软段是可随着温度的变化可逆改变形状的可逆相，硬段则是在形状记忆过程中保持固定形状的固定相[11]。经研究表明[12]，要得到形状记忆聚氨酯材料，须具备两个必要条件：①软段具有良好的结晶性，其相对分子质量需达到某一临界相对分子质量；②硬段聚集形成微区，起到物理交联点的作用。

形状记忆聚氨酯的作用机制可理解为：当温度升高至硬段玻璃化温度以上，对材料进行加工成型，冷却至软段玻璃化温度以下形成初始形态；当温度升高至软段的玻璃化温度以上，在外力的作用下冷却至软段玻璃化温度以下形成变形态；再当温度升高至软段的玻璃化温度以上时，应力释放，形变恢复至初始形态。形状记忆聚氨酯的形状记忆行为实质是软段中柔性分子链的运动，其对温度的依赖性取决于软段的玻璃化转变温度；而形状记忆的恢复率和恢复速度则决定于硬段区域的稳定性[13]。

目前应用于纺织领域的形状记忆聚氨酯存在多种形式，其中包括纤维、纱线、织物、整理剂等[14]。香港理工大学形状记忆研究中心采用形状记忆聚氨酯通过湿法纺丝制备出形状记忆纤维，具有良好的形状记忆效果和优良的弹性，其形变固定率和形变回复率均在90%以上[15]。形状记忆聚氨酯纤维既可纯纺也可和其他天然、合成纤维混纺制备多种具有形状记忆功能的织物。形状记忆纤维的初始形态可根据不同的使用需求设计成直线形、波浪形、螺旋形或其他形状。

除由形状记忆聚氨酯纤维织造而成的织物，大部分织物是通过使用形状记忆聚氨酯层压或整理的方式获得形状记忆功能。香港理工大学开发的形状记忆聚氨酯整理液的形变回复温度为60℃，整理后织物在穿着或贮存过程中产生褶皱和变形时，只需放入60℃的温水中或用常规水洗后在60℃的温度下烘干，褶皱和变形就会自动消失，恢复定型的初始形状[14]。此外，利用形状记忆聚氨酯温度的可设计性，可将聚氨酯的记忆触发温度设计为人体穿着不适温度，从而获得具有防水保暖透湿功能的织物。当环境温度低于触发温度时，聚氨酯大分子链段排列紧密，阻止热量的传递，织物具有保暖性；当温度高于触发温度时，高分子链段解冻，其间隙增大，使织物在高温下具有透气透湿性，且其涂层的空隙小于水分子的直径，兼具防水性。

2 力致形状记忆纺织品

近十年间，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得到了广泛的关注和迅猛的发展。PTT纤维最早是由壳牌化学公司与美国杜邦公司分别从石油工艺路线及生物玉米工艺路线通过PTA（对苯二甲酸）与PDO（丙二醇）聚合、纺丝制成的新型[16]。PTT纤维综合了PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）纤维的刚性和PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）的柔性，有易染色、手感柔软、富有弹性等特性，由PTT纤维织造而成的织物具有易塑形、易回复的“形状记忆”特性。

PTT虽然是热塑性聚合物，具有可逆相和固定相的两相结构，其玻璃化转变温度为41.7℃，但温度对PTT形状记忆织物回复原始形态无明显作用，经研究表明[17]，力是使PTT形状记忆织物回复原始性状的主要因素，因此PTT形状记忆织物被定义为一类力致形状记忆纺织品，其发生形态可逆转变的内因可能不是高聚物的两相结构，而是纤维间的摩擦链接结构和纤维的高弹性。

PTT形状记忆纺织品具有优异的保形性，能够保持一定的弧度和褶裥，且造型更加随意、生动，具有立体感，因此自上市以来就受到服装生产商的广泛关注和消费者的青睐，国内外著名企业纷纷投入大量资金研发该产品。PTT纺织品的“形状记忆”效果表现为可以通过简单的用手折叠或抓捏塑造成不同的造型，且仅需要通过手摸的动作回复到原始形状。该性能对于夹克、风衣等宽松挺括类面料非常重要，故PTT形状记忆织物的出现使得夹克、风衣面料的面密度能够降至约100 g/m2，大幅提高了面料的舒适性和多样性[18]。

随着PTT形状记忆纺织品的流行与发展，其相关的仿品也逐渐走进市场，如PET仿记忆面料。很多厂家为了降低成本，采用普通的PET长丝加捻的织造方式制成仿记忆面料，但此类面料相较于PTT形状记忆面料大多手感生涩，韧性不强，形变后弹性回复差。同时市场上也存在一类经纱用PTT长丝、纬纱用PET长丝织造的半记忆面料。

3 形状记忆纺织品评价方法研究现状

现存的关于纺织品形状保持和折皱回复的相关标准可分为主观和客观两大类，其中主观方法为通过对比样照评价织物平整度或褶裥保持性的程度，如AATCC 124—2014《重复家庭洗涤后织物的外观平整度》、AATCC 88C—2011《织物经多次家庭洗涤后褶裥保持性测定》；客观方法为通过折皱回复角评价织物回复平整的性能，如AATCC 66—2014《机织物折皱回复性的测定回复角法》、GB/T 3819—1997《纺织品织物折痕回复性的测定回复角法》。然而，目前国内外均无针对纺织品“形状记忆”性能的检测方法和标准，既无评价形状记忆纺织品“易塑形性”的客观方法，又未包括形状记忆纺织品回复初始状态时必需的“刺激条件”。因此，针对逐渐发展和流行于市场的形状记忆纺织品，急需相关的检测方法对“形状记忆”性能进行客观评价，从而保障消费者的合法权益，避免市场上以次充好、以假乱真的现象。

针对热致形状记忆纺织品，胡金莲[19]采用JIS L 1061方法B在Instron 4411型试验机上对棉形状记忆聚氨酯包芯纱织物进行起拱回复性能的测试，并将试样置于70℃热水中进行形状恢复，通过对比其与纯棉织物、棉氨纶包芯纱织物的起拱回复性能，可知形状记忆聚氨酯纺织品具有较好的形状记忆性能。刘晓霞[20]将形状记忆聚氨酯整理后的织物分别置于60℃恒温水浴和烘箱中测试其折皱回复角，并发现其在热水介质中的折皱回复速度大于在热空气介质中的回复速度。上述方法均通过客观的测试手段评价了热致形状记忆纺织品的“形状记忆”性能，但引发“形状记忆”效应的温度不是某一特定温度，其根据形状记忆材料的不同或软硬链段构成不同而存在很大的差别，故暂无某一特定方法可用于评价市场上存在的所有热致形状记忆纺织品的形状记忆性能。

针对力致形状记忆纺织品，陈思霞[4]采用自制的弧度塑性装置使PTT形状记忆织物产生弧度造型，并用弧度塑性高度H表征织物塑形性的强弱；秦丽[21]则采用KES-F4纯弯曲性能测试仪测试形状记忆织物的弯曲变形曲线，并采用弯矩为零时织物上的残留曲率考核织物的弧度可塑性。杨建慧[22]等人通过一个温度为（35±2）℃、质量为100 g的小重物模拟手摸作用在织物折痕处平抚一次，织物静置5 min后测试其折皱回复角；陈思霞[4]设计一运动压条在牵引装置（由导辊、滑轮、牵引线和砝码组成）的作用下拖动运动压条在试样上方做直线运动，并分别通过“折痕回复角”和“折痕回复长度”表征形状记忆织物的折痕回复率。力致形状记忆纺织品在实际使用中回复原始形状主要是通过手摸的动作，而用手抚平折皱织物时，既有张力的作用又有压力的作用，因此通过何种手段达到模拟真实手摸作用是评价力致形状记忆纺织品形状记忆性能的关键。

4 总结

热致形状记忆纺织品和力致形状记忆纺织品均具有良好的易塑形性和易回复性，可广泛夹克、风衣等外套的形状保持和回复，但目前国内外用以评价纺织品的形状记忆性能的检测方法并不完善，急需针对不同类型的形状记忆纺织品发展相应的客观试验方法，以维护市场的交易秩序和消费者的合法权益。

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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，主要从事功能纺织品检测方法研究。