蓬勃發展的智能紡織材料(二):形狀記憶材料

2021-01-13 紡織導報
蓬勃發展的智能紡織材料（二）：形狀記憶材料

發表時間：2016/6/6

隨著社會的發展和生活節奏的加快，人們對服裝易成型與易打理的要求也不斷提高，形狀記憶材料逐漸引起了人們的關注。形狀記憶材料通常包括形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷、形狀記憶聚合物，目前在紡織領域應用的主要是後兩類。其共同特性是：經形變固定之後，通過加熱等外部條件刺激，又可恢復到預先設定的狀態。


形狀記憶合金在紡織領域應用的典型例子是防燙傷服裝：鈦-鎳合金纖維首先被加工成寶塔形或螺旋彈簧狀，再進一步加工成平面形狀，然後固定在服裝夾層內。服裝表面接觸高溫時，形狀記憶合金絲被觸發，迅速由平面狀（似壓扁的彈簧）變化成寶塔狀，在兩層織物內形成很大的空隙，使高溫離開人體皮膚，有效防止燙傷。


但是，形狀記憶合金存在密度大、形變量小等缺點。而形狀記憶聚合物（Shape Memory Polymer，SMP）賦予傳統聚合物材料以形狀記憶的智能特性，通過響應外界（如熱、光、電、磁、力）的刺激能夠恢復至初始形狀，具有密度小（一般為1.0～1.3g/cm3）、變形量大、賦形容易、響應溫度可調等特點，是理想的紡織智能材料，廣泛應用於醫療、航空等終端領域。

1.形狀記憶聚合物的形狀記憶效應機理

SMP具有兩相結構，即固定性和可逆相，其中固定相是指材料結構中可以記憶材料初始形狀的成分，其不受溫度影響；而可逆相是指結構中隨著溫度的變化可發生軟化和硬化轉變的成分（以熱驅動為例）。當溫度在轉變溫度（Ttrans）以下時，分子鏈段處於凍結狀態，材料形狀固定不變；當溫度在Ttrans以上時，分子鏈段處於高彈狀態，可在外力作用下發生伸展，或者在固定相作用下恢復至捲曲狀態，材料在宏觀上發生形狀恢復行為。


熱致形狀記憶效應的分子機理示意圖

2.形狀記憶聚合物的驅動方式

（1）熱驅動

熱驅動是目前最普遍且最直接的驅動方法之一，通常熱量由外部環境直接傳遞（對流、輻射等）給SMP來激發其發生形狀記憶效應。




I-PTFE (polytetrafluoroethylene)， II-PLA (polylactide) 和III-EVA(ethylene-vinyl acetate)的熱驅動形狀記憶功能

（2）電驅動

電驅動是將電壓施加在導電的SMP材料上，由於電流的阻熱效應使電能轉化為熱能，從而驅動形狀記憶效應。這種驅動方式能量損耗較少，很有應用前景，但其應用對象僅限於具有導電功能的SMP材料，現有的研究主要是針對填充了導電物質（如碳黑、金屬粉末和導電聚合物等）的SMP複合材料。


PU/CB複合材料在30V電壓下的形狀恢復過程

（3）光碟機動

光碟機動主要是用紫外波段的光定向、定點地照射在聚合物材料上，通過其分子鏈上的光致變色基團來實現形狀記憶效應。光碟機動方式具有效率高、能量損耗低、可遠程控制等優點，但對材料的特徵結構要求相對較為苛刻，即材料內部必須含有光致變色基團。已見報導的光致變色基團有肉桂酸等，可存在於高分子主鏈和側鏈中。


光照（a0～a5）和紅外線（b0～b5）照射下聚合物的形狀恢復過程

（4）磁驅動

磁驅動通過外加高頻交變磁場的作用誘導磁性粒子發生取向的高頻變化，粒子與基體之間產生的摩擦力將磁場能轉化成熱能，驅動材料形狀恢復。磁驅動的特徵在於非接觸方式，且僅限於驅動填充了磁性納米顆粒的SMP複合材料。


磁致形狀記憶聚己內酯在交流磁場中的形狀恢復

（5）化學驅動

常見的化學驅動方式有PH值變化、平衡離子置換、螫合反應、相轉變和氧化還原反應等；除此之外，水、溼氣以及有機溶劑的作用也可驅動SMP形狀記憶效應的發生。

3.形狀記憶聚合物材料的應用

（1）航空航天

NASA使用SMP製作了一系列的航天航空特種器件。例如，利用SMP製作空間可展開結構的驅動器，包括可展開鉸鏈、可展開天線、太陽能電池陣和可展開梁體結構等器件，這些驅動器不但輕質，且在火箭發射前能進行有效的摺疊裝載，當進入空間軌道後，施加驅動使之發生形狀恢復，從而使整個結構展開，實現預期的目的。


用於空間可展開太陽能電池陣的形狀記憶聚合物鉸鏈


形狀記憶聚合物可展開天線

（2）生物醫學

SMP在臨床醫學領域和植入醫療設備領域中有著巨大的應用前景。德國的GKSS研究所報導了一系列前瞻性的研究成果。例如，用SMP材料製作微創手術醫療器械，利用其形狀記憶效應，在使用前通過預變形來縮小器械的體積，通過手術切口進入人體後再變形恢復至所需形狀，從而最大限度地減小手術切口和創傷；利用可降解的SMP製備醫用手術縫合線，預拉伸後的縫合線用以縫合傷口，在人體可承受的溫度下進行加熱逐步收縮恢復，傷口被閉合，實現對手術創口的縫合；SMP還可以用於藥物釋放裝置，在超聲波的作用下，材料受熱溫度高於自身的玻璃化轉變溫度，發生形狀恢復且使置於SMP中的藥物在生物體中進行擴散，一旦停止超聲，藥物釋放停止。



形狀記憶聚合物微創手術醫療器械


形狀記憶聚合物外科手術縫合線


聚焦超聲控制物釋放

（3）紡織服裝

SMP因具有良好的形狀記憶特性而被廣泛應用於溼度感應織物、抗皺織物、防水透氣織物、調溫織物的製備。香港理工大學利用形狀記憶聚氨酯通過溼法或熔融紡絲製備出形狀記憶纖維，可製成多種具有形狀記憶功能的紡織品，不僅具有抗皺和保型的能力，而且還具有耐磨、柔軟舒適、透氣性好等特點；日本三菱公司用形狀記憶聚氨酯生產的高防水透氣塗層織物不僅具有防水透氣的作用，而且還可以通過體溫控制透（溼）氣性，達到調節體溫的作用。


（4）溫度及防偽指示

SMP在特定溫度下發生形貌變化的特性也可用於溫度指示和防偽指示。圖示為2種不同的SMP防偽標籤。通過圖案在預設的特定溫度或光照下的恢復性能可判定商品真偽。這種多層次防偽標籤仿造難度高，結構簡單且成本低廉。


熱驅動多層次防偽標籤


光碟機動合物防偽標籤光照前後的變化

（來源：紡織導報）

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