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1、第2 6 卷第6 期 2 0 0 5 年1 2 月 纺织学报 J o I l 工n d 0 fT e x t i kR e 8 e a r c h V 0 1 2 6 H o 6 D e c 2 0 0 5 形状记忆合金在纺织业应用的研究进展 刘晓霞1 ，胡金莲2 ( 1 上海工程技术大学服装学院，上海2 0 0 3 3 6 ；2 香港理工夫学服装与制衣学系，香港) 摘要综述形状记忆台金在各种花式纱线、动感织物中的形状记忆效果，在各种功能织物中的应用。 关键词形状记忆；合金；织物；纺织 中国分类号：m3 4 32 文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 5 )
2、0 6 一0 1 3 0 0 3 。A d V a n e 鹧i nd e v e l o p m e n ta n da p p l i t i o no fs h a p em e m o r ya l l o yi nt e x t 1 e s L 形X i a 0 、x i a l ，H UJ i 一l i a 玎2 ( 1 舶z 姆e 。，踟M ”，舶。昭 。踟j 椰时。，西刨n r ”wn c 肿始y ，s k 愕 毹2 0 0 3 3 6 ，吼l ； 2 慨砬出0 ，妇删c b 琥嘴，砚e 舶w 岛增P 0 枷扰h 出E m 如，舶增增，西f 抛) A b s 椭c tA no
3、州i e w0 ft hs h a p en 冲m o r y 出l o ya d d 陀s s e dl t ss h a p em e 脚r ye 妊刚i nf a n c yy 且册且r l dk m 髓t h e t i cf 曲五c s a n d 溉 8 p p l i c a t i o n 幻矗m c d o n a l 钯x t i l e 8 I 沁yw o r d ss h a p e 删r y ；a l l o y ；f a b 五c ；t 肛t i k 历史上的形状记忆材料一直用于生物医学和工 程。形状记忆材料主要包括形状记忆台金、形状记 忆聚合物和形状记忆陶瓷。这些
4、材料在纺织上的应 用刚刚开始，其中形状记忆聚合物主要集中在功能 性方面如免烫整理、透湿性、绝缘性、保暖性等，而形 状记忆合金主要集中在美学方面如具有形状记忆效 果的各种花式纱线、面料、服装和装饰织物和功能性 方面如绝缘服、医用器官等。本文主要沦述形状记 忆合金在纺织业的研究进展。 1 9 3 2 年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察 到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热 到一定的跃变温度时，它又可以变回到原来的形状， 人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合 金。记忆合金的开发迄今不过2 0 余年，但由于其在 各领域的特效应用，被世人所瞩目，被誉为“神奇的 功能材料”。“。 迄今
5、为止，研究和应用最普遍的形状记忆合金 是镍钛合金。如镍钛形状记忆合金在温度升高时， 具有大的形状回复率和高输出能量密度，使镍钛形 状记忆纤维可作为胸罩的托架，当温度升高( 从室温 到体温) 时，胸罩回复到预设最佳的形状以提供最优 美的身体曲线、舒适感和弹性。同理，镍钛合金纤维 植入婚纱可使衬裙更挺括，而且可以折叠、方便储存 和运输，在使用前，只需用电吹风吹一下，就可获得 理想的造形。利用与胸罩托架相同的原理，镍钛形 状记忆纤维还可应用于演出服装。 l 形状记忆合金纱线 1 1 合金纱加工 形状记忆金属首先被加工成O 1 0 O 3 0m m 的 细丝以供纺纱，然后金属丝与不同的纤维组合并通 过
6、不同的工艺生产出各种纱线，主要为单丝纱和各 种包缠纱。形状记忆合金在包缠纱中主要用作纱 芯。在纺纱之前，金属丝需要在极高的温度加工4h 左右以获得形状记忆功能”1 。 形状记忆纤维可纺成具有各种外观的花式纱 线。如苏格兰H 耐o r - w a t t 大学纺织学院的c h a n 等 在G e e la dD L I n s m o n e 花式包缠纺纱机上，将金属 丝纱线从一组牵伸罗拉喂人机器，作为芯纱被加捻 或包缠。通过改变计算机程序，控制罗拉中纱线的 位置，生产出品种繁多的花式线“1 。各种纱线组合 需要的加捻程度不一样。设计捻度时，需要考虑2 个因素，一个是金属丝的覆盖，一个是纱线要
7、适合于 终端用途。纱线可纺成各种线密度，并可与粘胶、金 银丝、T e n c d 、羊绒、合成纤维混纺。为了覆盖金属丝 以及避免纱芯被挤出，包缠纤维线密度要低。 1 2 合金纱形状记忆效果 形状记忆合金纱可设计出各种艺术效果。纺出 作者简介：刘晓霞( 1 9 6 2 一) ，士，副教授，博士生。主要研究领域包括纺织新技术、新材料等。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第6 期 纺织学报【1 3 1 】 的纱线有雪尼尔线、螺旋花式纱、
8、竹节纱、粗松螺旋 花线、花圈线等。图l 为几种形状记忆合金花式纱 线，展示了纱线的艺术效果。 围1 形状记忆花式纱线 动感是形状记忆效应的基本特征，光折射与动 感相结合的构想促使具有视幻艺术效应的纱线产 生。精致与粗犷的变化，色彩的深浅变化，表面粗糙 与光滑的配合以及捻度的变化增强都可增强形状记 忆效果。某些花式纱的形状记忆特征隐藏于其结构 中，当纱线受激发而打开结构时，特征即显现出来。 纱线的形状记忆特征表现为在不同温度条件下 有不同的形状特征。如常温下形状记忆纱芯为直 线，当温度上升到转换温度以上时，由于纱芯回复到 原始螺旋形状而使纱线变成明显的螺旋状。这归因 于形状记忆合金的马氏相态转换
9、。 2 形状记忆合金织物 在服装工业中记忆合金最早被用在文胸内起托 垫保形作用。这种托垫在冷水中可任意洗涤，而带 在身上因体温而回复原状，同时仍有很强的弹性。 随着技术的不断进步，形状记忆合金在纺织上的应 用越来越多。 2 1 机织物 形状记忆织物可在普通织机上织造。在织造过 程中，金属丝经纱的张力要保持均匀。织机上经纱 上下开口运动，所受的张力不能过大或过小，否则会 引起织造过程的经纱断头。织物通过不同的织造工 艺配置与形状记忆花形设计相结合，可增强形状记 忆效果。如每英寸经纱数不同形状记忆效果的花纹 和表现也不同；筘齿的穿法不同也可在布面产生稀 的或密的织纹。 形状记忆织物在条件激 发下，
10、借助于组织结构的变 化可获得三维结构。试样在 通常情况下，为定型的平整 二维结构，当受激发时试样 可模仿凸起、起皱与膨胀，展 现形状记忆效果。 图2 为一种形状记忆机 织物，是一种以褶皱的形式 构成的三维管状双层组织式 图2 形状记忆机织物 样。当形状记忆材料受温度感应激发时，这些褶皱 的管闭合，因而织物收缩；而当温度返回时，织物则 回复定型的形状。 2 2 针织物 与传统纱线不同，金属丝仅仅在相当大的压力 下才表现出弹性：由于缺乏延展性以及针织时纱线 易于变形，不可能编织较复杂的结构“。因此，考虑 采用最适当的方式将金属丝局部加入针织结构中。 赋予织物形状记忆效果后，从静态变成动态，产生 “
11、活”的效果。 图3 为一种形状记忆 针织物。它利用了不同位 置所采用的形状记忆材料 受激发时响应速率的不 同因此这种织物有环绕 人体移动的视觉效果。织 物还可设计成双重颜色或 质地。形状记忆效果被激 图3 形状记忆针织物 发时引起结构打开，展现 出里面一层的颜色或质地；而闭合时显现表面一层 的颜色和质地。形状记忆织物三维效果可运用于服 装设计。具有形状记忆效果的织物局部应用于服 装，产生新的服装表现形式。这种月昆装从静态向动 态变化，且展现出多维形态的变化形式。服装即使 放在橱窗里，没有人体模特穿着，也能有动感效果。 3 形状记忆功能织物 3 1 形状记忆绝缘织物 在英国防护服装和纺织品机构研
12、制的防旋伤服 装中，镍钛合金纤维首先被加工成宝塔式螺旋弹簧 状，再进一步加工成平面状，然后固定在服装面料 内“1 。该服装表面接触高温时，形状记忆纤维的形 变被触发，纤维迅速由平面状变成宝塔状，在两层织 物内形成很大的空腔，使高温远离人体皮肤，防止烫 伤发生。这类在夹层中加入形状记忆纤维从而产生 空气缝隙的面料由于赋予极佳的绝缘性，还可提供 适于极地环境穿着服装的保暖性。 图4 为形状记忆绝缘织物激发器结构。在英国 皇家海军作战服中，弹簧的一端连接到内层的绝缘 片，而另一端连接到外层的传导片。形状记忆合金 的特性需要热能来激发，热能也通过合金传导到内 层面料从而靠近皮肤，因此需要在内层面料加一
13、块 绝缘片与弹簧连接。同理为了加强外面的热向弹簧 外端传递，在外层面料与弹簧之间加装一块传导片。 这种织物可用于消防、封闭装置中驾驶员的服 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【1 3 2 】纺织学报2 0 0 5 年第6 期 图4 形状记忆绝绿织物激发器结构 装，如坦克驾驶员以及暴露于酷热下的人们。它的 另一个功能是环境调节，即反向使用可使热量不散 失。随着温度下降，织物分开而增加空气缝隙和热 绝缘性。 3 2 形状记忆结构器官织物 美国专利公开了一
14、种形状记忆结构器官的整体 织造方法。采取整体机织的方法形成直的或波浪形 的结构器官，当形成织物时结构器官为直线形，但它 可转换为记忆中的波浪形状”1 。 由纤维材料经针织或机织而成的管状织物，已 被用于修复损坏的人体管状器官，如被损坏的血管 结构。不健全的病人、损坏的血管结构以及其它人 体管状器官都能用这种移植方法治疗。将波浪形形 状记忆金属丝织人织物中，使金属丝记住其波浪形 状。经过形状记忆转换引起波浪形金属丝器官变 直，然后变直的金属丝经过形状记忆转换又可回复 记忆的波浪形状。这种机织物可用于移植组织，在 其它方面也有用。 3 3 聪明衬衫 意大利一家公司新近用形状记忆合金纤维织造 出一件
15、在炎热的夏天会自动把袖子卷起来的聪明衬 衫。这种衬衣使用镍钛记忆合金纤维和锦纶混织而 成，比例为5 根锦纶丝配1 根镍钛台金丝。当周围 温度升高时，形状记忆纤维被激发，衬衣的袖子会立 即自动卷起。该衬衣不怕起皱，即使揉成乱糟糟的 一团，用吹风机吹一下，马上就能复原，甚至人的体 温也可以自动把它“熨平”。此外，它还可以水洗、不 易引起皮肤过敏。但由于含有合金纤维，衣服不可 避免地带着一些金属特有的灰色调【“。 3 4 表面波智能移动 镍钛记忆合金纤维形成的激发装置可织进四周 围住液体的顶部织物中。它可使其表面的个别点在 纵横两个方向同时协调运动，从而产生周期性的表 面渡。这种激发装置可使卧床不起
16、的病人从床上移 动到椅子上或在椅子与卫生间之间移动，而不需体 力或外部作用”o 。 3 5 其它功能 利用其形状记忆效果，形状记忆织物还可以增 加外观变化，达到美观和提供某种功能( 如透气、凉 爽) 的目的。例如，形状记忆纤维制作的窗帘布可以 利用温度的变化调节室内的环境。如果室内的温度 低于一定值，织物就会自动关闭，它就像一个绝缘体 从而保持室内的温度。相反，如果室内的温度高于 一定值，具有形状记忆结构的织物自动打开，从而允 许空气自由流通，室内进行降温。所以可以用形状 记忆的织物做百叶窗，这种特殊设计编织的具有形 状记忆的织物对目晒非常敏感，白天百叶窗可以自 动调节阳光的进人量，晚上百叶窗
17、自动关闭。具有 形状记忆的百叶窗能够控制室内的舒适温度和避免 强烈日光对人体视力的影响。 4 结束语 形状记忆合金在纺织业的应用才刚刚开始，许 多方面如纤维加工、纱线生产、织物织造等尚需要进 一步研究探索。形状记忆合金的特性使其在功能上 能满足某些特殊需求，在织物外观上给人们较大的 视觉冲击动感、变化。随着研究的不断深入以 及加工技术的不断提高，形状记忆合金将在功能织 物和装饰织物方面发挥更大的作用。 参考文献： 1 刘岩神奇的形状记忆台金 E B 0 L h n p ：，c “ h t l T l ，D i “2 0 0 2 加6 ，1 8 ，7 9 4 4h 咖2 2 - 0 6 1 8
18、2 I o d 铲o nDE ，B i 锄锄RJs h 8 p e 叮出1 0 y s M c d 0 删a ， u s A ：s h 8 p eM e 啪qA p 曲c 且l i 帆h 嵋1 9 9 9 3 D a v 埘c o l l g a l t o n s h a p e m “吖a n o y s f o r 雠i n 山d l l y8 c t i v 咖d d 0 “n g M “c h e 乩e r U K ：D e mm c 慨M k 姆”y ， S d e n c e T e c h n 胡。野D i v i 0 n 【4J c h 叩YYF ，w 呲l l e 岫Rcc
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