形狀記憶紡織品及其評(píng)價(jià)方法的研究進(jìn)展

余弘，張小琪，成嫣

（1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海200040；2.東華大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620）

述評(píng)

形狀記憶紡織品及其評(píng)價(jià)方法的研究進(jìn)展

余弘1，張小琪2，成嫣1

（1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海200040；2.東華大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620）

介紹了形狀記憶紡織品的定義、特點(diǎn)和分類，闡述了熱致形狀記憶紡織品和力致形狀記憶紡織品的發(fā)展歷程、作用機(jī)制和研究現(xiàn)狀，分析比較了針對(duì)紡織品形狀記憶性能的評(píng)價(jià)方法。指出客觀、有效的評(píng)價(jià)手段有待進(jìn)一步完善，測(cè)試過程應(yīng)真實(shí)模擬形狀記憶效應(yīng)所需的環(huán)境刺激條件。

紡織品；熱致形狀記憶；力致形狀記憶；評(píng)價(jià)方法

0 引言

形狀記憶紡織品是指一類具有某一原始形狀，經(jīng)過形變后，在特定條件下能固定其暫時(shí)形變并在外界條件下回復(fù)其原始形狀的紡織品。形狀記憶紡織品的加工方法主要有形狀記憶纖維織造和對(duì)紡織品進(jìn)行形狀記憶整理兩大類方法[1]。

狹義的“形狀記憶”功能主要是指形狀記憶紡織品具有易成形和易打理的優(yōu)異性能，如穿著后產(chǎn)生的褶皺可在一定的外界條件刺激下恢復(fù)平整。廣義的“形狀記憶”功能則可賦予紡織品眾多品類的附加功能，包括阻熱隔熱、防水透濕、抗浸保溫等，如由形狀記憶水凝膠制成的智能型抗浸服，一旦落水水凝膠吸水溶脹，阻止水進(jìn)入服裝，晾干后，水凝膠脫水恢復(fù)原狀[2]。促使形狀記憶紡織品回復(fù)其原始形態(tài)的外界條件存在不同的種類，目前市場(chǎng)上主要可分為熱致形狀記憶紡織品和力致形狀記憶紡織品。文中主要介紹了上述兩類形狀記憶紡織品及其評(píng)價(jià)方法的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀。

1 熱致形狀記憶紡織品

熱致形狀記憶紡織品是指通過外界環(huán)境溫度的刺激可恢復(fù)原始形態(tài)的一類紡織品，主要包括形狀記憶合金紡織品和形狀記憶聚氨酯紡織品。

1.1 形狀記憶合金紡織品

20世紀(jì)30年代，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首先觀察到“記憶”效應(yīng)，即合金的形狀被改變后一旦加熱到一定的躍變溫度時(shí)，其又可變回到原來的形狀[3]。隨后形狀記憶合金被廣泛應(yīng)用在航空航天、醫(yī)學(xué)外科、通信、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域。直至上世紀(jì)80年代，日本首次將絲徑較小的鎳鈦合金絲混紡至紡織織物中，開啟了形狀記憶合金應(yīng)用于紡織加工的時(shí)代[4]。

形狀記憶合金中具有高溫相奧氏體相和低溫相馬氏體相兩種。形狀記憶合金之所以具有變形回復(fù)能力，是因?yàn)樽冃芜^程中材料內(nèi)部發(fā)生的熱彈性馬氏體相變。形狀記憶效應(yīng)可分為單程記憶效應(yīng)、雙程記憶效應(yīng)和全程記憶效應(yīng)三大類[5]。在較低的溫度下形狀記憶合金變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只有加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)；某些合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)；加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)。

意大利公司采用鎳鈦記憶合金絲和尼龍以1∶5的比例混紡，制作了一件具有形狀記憶性能的襯衣。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，該襯衣的袖子可自動(dòng)卷起；當(dāng)產(chǎn)生褶皺時(shí)，可通過人體體溫將其“熨平”[6]。日本將形狀記憶合金絲織入窗簾中制成百葉窗，其可根據(jù)一天的日曬程度自動(dòng)調(diào)節(jié)陽光的進(jìn)入量，有效控制室內(nèi)的舒適溫度和避免強(qiáng)烈日光對(duì)人體視力的影響[7]。

在國內(nèi)的相關(guān)報(bào)道中，形狀記憶合金在紡織領(lǐng)域主要被用作內(nèi)襯支撐材料，此類內(nèi)襯可用于由各種紡織品為面料制成的文胸、禮服。周星等人[8]采用形狀記憶合金絲網(wǎng)并收口組成文胸內(nèi)襯，形成特定的包裹收口結(jié)構(gòu)，透氣性好，形狀保持能力強(qiáng)，與普通產(chǎn)品相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

盡管形狀記憶合金具有優(yōu)異的形狀記憶性能，但由于其硬度高、彈性大、抱合力低、成本高等特點(diǎn)，形狀記憶合金在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用仍受到諸多的限制。

1.2 形狀記憶聚氨酯紡織品

相較于形狀記憶合金，形狀記憶聚氨酯具有加工成型容易、適用范圍廣、形變量大和質(zhì)輕價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)末以來得到迅速發(fā)展。日本三菱重工業(yè)公司首次開發(fā)得到形狀記憶聚氨酯，并通過深入的研究開發(fā)出一系列綜合性能優(yōu)異的形狀記憶聚氨酯材料[9]。

聚氨酯是由多異氰酸酯與多羥基化合物通過逐步加成聚合反應(yīng)而制得的聚氨基甲酸酯。大多數(shù)聚氨酯是由軟段（長鏈的低聚物二醇）及硬段（二異氰酸酯及擴(kuò)鏈劑）所組成的線性（或體型）嵌段聚合物，其中硬段之間通過氫鍵形成硬段微相區(qū)，分布于軟段基體中，形成一種物理性交聯(lián)點(diǎn)[10]。聚氨酯的性能隨著軟段和硬段的品種、配比及分子量的不同而有所變化，且并不是所有的聚氨酯材料都具有形狀記憶性能。形狀記憶聚氨酯的軟段是可隨著溫度的變化可逆改變形狀的可逆相，硬段則是在形狀記憶過程中保持固定形狀的固定相[11]。經(jīng)研究表明[12]，要得到形狀記憶聚氨酯材料，須具備兩個(gè)必要條件：①軟段具有良好的結(jié)晶性，其相對(duì)分子質(zhì)量需達(dá)到某一臨界相對(duì)分子質(zhì)量；②硬段聚集形成微區(qū)，起到物理交聯(lián)點(diǎn)的作用。

形狀記憶聚氨酯的作用機(jī)制可理解為：當(dāng)溫度升高至硬段玻璃化溫度以上，對(duì)材料進(jìn)行加工成型，冷卻至軟段玻璃化溫度以下形成初始形態(tài)；當(dāng)溫度升高至軟段的玻璃化溫度以上，在外力的作用下冷卻至軟段玻璃化溫度以下形成變形態(tài)；再當(dāng)溫度升高至軟段的玻璃化溫度以上時(shí)，應(yīng)力釋放，形變恢復(fù)至初始形態(tài)。形狀記憶聚氨酯的形狀記憶行為實(shí)質(zhì)是軟段中柔性分子鏈的運(yùn)動(dòng)，其對(duì)溫度的依賴性取決于軟段的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；而形狀記憶的恢復(fù)率和恢復(fù)速度則決定于硬段區(qū)域的穩(wěn)定性[13]。

目前應(yīng)用于紡織領(lǐng)域的形狀記憶聚氨酯存在多種形式，其中包括纖維、紗線、織物、整理劑等[14]。香港理工大學(xué)形狀記憶研究中心采用形狀記憶聚氨酯通過濕法紡絲制備出形狀記憶纖維，具有良好的形狀記憶效果和優(yōu)良的彈性，其形變固定率和形變回復(fù)率均在90%以上[15]。形狀記憶聚氨酯纖維既可純紡也可和其他天然、合成纖維混紡制備多種具有形狀記憶功能的織物。形狀記憶纖維的初始形態(tài)可根據(jù)不同的使用需求設(shè)計(jì)成直線形、波浪形、螺旋形或其他形狀。

除由形狀記憶聚氨酯纖維織造而成的織物，大部分織物是通過使用形狀記憶聚氨酯層壓或整理的方式獲得形狀記憶功能。香港理工大學(xué)開發(fā)的形狀記憶聚氨酯整理液的形變回復(fù)溫度為60℃，整理后織物在穿著或貯存過程中產(chǎn)生褶皺和變形時(shí)，只需放入60℃的溫水中或用常規(guī)水洗后在60℃的溫度下烘干，褶皺和變形就會(huì)自動(dòng)消失，恢復(fù)定型的初始形狀[14]。此外，利用形狀記憶聚氨酯溫度的可設(shè)計(jì)性，可將聚氨酯的記憶觸發(fā)溫度設(shè)計(jì)為人體穿著不適溫度，從而獲得具有防水保暖透濕功能的織物。當(dāng)環(huán)境溫度低于觸發(fā)溫度時(shí)，聚氨酯大分子鏈段排列緊密，阻止熱量的傳遞，織物具有保暖性；當(dāng)溫度高于觸發(fā)溫度時(shí)，高分子鏈段解凍，其間隙增大，使織物在高溫下具有透氣透濕性，且其涂層的空隙小于水分子的直徑，兼具防水性。

2 力致形狀記憶紡織品

近十年間，由PTT（聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯）高聚物制作的形狀記憶紡織品得到了廣泛的關(guān)注和迅猛的發(fā)展。PTT纖維最早是由殼牌化學(xué)公司與美國杜邦公司分別從石油工藝路線及生物玉米工藝路線通過PTA（對(duì)苯二甲酸）與PDO（丙二醇）聚合、紡絲制成的新型[16]。PTT纖維綜合了PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）纖維的剛性和PBT（聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯）的柔性，有易染色、手感柔軟、富有彈性等特性，由PTT纖維織造而成的織物具有易塑形、易回復(fù)的“形狀記憶”特性。

PTT雖然是熱塑性聚合物，具有可逆相和固定相的兩相結(jié)構(gòu)，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為41.7℃，但溫度對(duì)PTT形狀記憶織物回復(fù)原始形態(tài)無明顯作用，經(jīng)研究表明[17]，力是使PTT形狀記憶織物回復(fù)原始性狀的主要因素，因此PTT形狀記憶織物被定義為一類力致形狀記憶紡織品，其發(fā)生形態(tài)可逆轉(zhuǎn)變的內(nèi)因可能不是高聚物的兩相結(jié)構(gòu)，而是纖維間的摩擦鏈接結(jié)構(gòu)和纖維的高彈性。

PTT形狀記憶紡織品具有優(yōu)異的保形性，能夠保持一定的弧度和褶裥，且造型更加隨意、生動(dòng)，具有立體感，因此自上市以來就受到服裝生產(chǎn)商的廣泛關(guān)注和消費(fèi)者的青睞，國內(nèi)外著名企業(yè)紛紛投入大量資金研發(fā)該產(chǎn)品。PTT紡織品的“形狀記憶”效果表現(xiàn)為可以通過簡單的用手折疊或抓捏塑造成不同的造型，且僅需要通過手摸的動(dòng)作回復(fù)到原始形狀。該性能對(duì)于夾克、風(fēng)衣等寬松挺括類面料非常重要，故PTT形狀記憶織物的出現(xiàn)使得夾克、風(fēng)衣面料的面密度能夠降至約100 g/m2，大幅提高了面料的舒適性和多樣性[18]。

隨著PTT形狀記憶紡織品的流行與發(fā)展，其相關(guān)的仿品也逐漸走進(jìn)市場(chǎng)，如PET仿記憶面料。很多廠家為了降低成本，采用普通的PET長絲加捻的織造方式制成仿記憶面料，但此類面料相較于PTT形狀記憶面料大多手感生澀，韌性不強(qiáng)，形變后彈性回復(fù)差。同時(shí)市場(chǎng)上也存在一類經(jīng)紗用PTT長絲、緯紗用PET長絲織造的半記憶面料。

3 形狀記憶紡織品評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀

現(xiàn)存的關(guān)于紡織品形狀保持和折皺回復(fù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可分為主觀和客觀兩大類，其中主觀方法為通過對(duì)比樣照評(píng)價(jià)織物平整度或褶裥保持性的程度，如AATCC 124—2014《重復(fù)家庭洗滌后織物的外觀平整度》、AATCC 88C—2011《織物經(jīng)多次家庭洗滌后褶裥保持性測(cè)定》；客觀方法為通過折皺回復(fù)角評(píng)價(jià)織物回復(fù)平整的性能，如AATCC 66—2014《機(jī)織物折皺回復(fù)性的測(cè)定回復(fù)角法》、GB/T 3819—1997《紡織品織物折痕回復(fù)性的測(cè)定回復(fù)角法》。然而，目前國內(nèi)外均無針對(duì)紡織品“形狀記憶”性能的檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)，既無評(píng)價(jià)形狀記憶紡織品“易塑形性”的客觀方法，又未包括形狀記憶紡織品回復(fù)初始狀態(tài)時(shí)必需的“刺激條件”。因此，針對(duì)逐漸發(fā)展和流行于市場(chǎng)的形狀記憶紡織品，急需相關(guān)的檢測(cè)方法對(duì)“形狀記憶”性能進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，從而保障消費(fèi)者的合法權(quán)益，避免市場(chǎng)上以次充好、以假亂真的現(xiàn)象。

針對(duì)熱致形狀記憶紡織品，胡金蓮[19]采用JIS L 1061方法B在Instron 4411型試驗(yàn)機(jī)上對(duì)棉形狀記憶聚氨酯包芯紗織物進(jìn)行起拱回復(fù)性能的測(cè)試，并將試樣置于70℃熱水中進(jìn)行形狀恢復(fù)，通過對(duì)比其與純棉織物、棉氨綸包芯紗織物的起拱回復(fù)性能，可知形狀記憶聚氨酯紡織品具有較好的形狀記憶性能。劉曉霞[20]將形狀記憶聚氨酯整理后的織物分別置于60℃恒溫水浴和烘箱中測(cè)試其折皺回復(fù)角，并發(fā)現(xiàn)其在熱水介質(zhì)中的折皺回復(fù)速度大于在熱空氣介質(zhì)中的回復(fù)速度。上述方法均通過客觀的測(cè)試手段評(píng)價(jià)了熱致形狀記憶紡織品的“形狀記憶”性能，但引發(fā)“形狀記憶”效應(yīng)的溫度不是某一特定溫度，其根據(jù)形狀記憶材料的不同或軟硬鏈段構(gòu)成不同而存在很大的差別，故暫無某一特定方法可用于評(píng)價(jià)市場(chǎng)上存在的所有熱致形狀記憶紡織品的形狀記憶性能。

針對(duì)力致形狀記憶紡織品，陳思霞[4]采用自制的弧度塑性裝置使PTT形狀記憶織物產(chǎn)生弧度造型，并用弧度塑性高度H表征織物塑形性的強(qiáng)弱；秦麗[21]則采用KES-F4純彎曲性能測(cè)試儀測(cè)試形狀記憶織物的彎曲變形曲線，并采用彎矩為零時(shí)織物上的殘留曲率考核織物的弧度可塑性。楊建慧[22]等人通過一個(gè)溫度為（35±2）℃、質(zhì)量為100 g的小重物模擬手摸作用在織物折痕處平撫一次，織物靜置5 min后測(cè)試其折皺回復(fù)角；陳思霞[4]設(shè)計(jì)一運(yùn)動(dòng)壓條在牽引裝置（由導(dǎo)輥、滑輪、牽引線和砝碼組成）的作用下拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)壓條在試樣上方做直線運(yùn)動(dòng)，并分別通過“折痕回復(fù)角”和“折痕回復(fù)長度”表征形狀記憶織物的折痕回復(fù)率。力致形狀記憶紡織品在實(shí)際使用中回復(fù)原始形狀主要是通過手摸的動(dòng)作，而用手撫平折皺織物時(shí)，既有張力的作用又有壓力的作用，因此通過何種手段達(dá)到模擬真實(shí)手摸作用是評(píng)價(jià)力致形狀記憶紡織品形狀記憶性能的關(guān)鍵。

4 總結(jié)

熱致形狀記憶紡織品和力致形狀記憶紡織品均具有良好的易塑形性和易回復(fù)性，可廣泛夾克、風(fēng)衣等外套的形狀保持和回復(fù)，但目前國內(nèi)外用以評(píng)價(jià)紡織品的形狀記憶性能的檢測(cè)方法并不完善，急需針對(duì)不同類型的形狀記憶紡織品發(fā)展相應(yīng)的客觀試驗(yàn)方法，以維護(hù)市場(chǎng)的交易秩序和消費(fèi)者的合法權(quán)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，主要從事功能紡織品檢測(cè)方法研究。