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保暖服装里的“黑科技”——状态影象型智能高分子新资料

智造进行时      南江 杨漪莲

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       2022年北京冬奥会开幕式上 ,笔者注意到 ,美国队出场时身着的队服不是羽绒服 ,而是一件不依附表部供电和芯片传感器 ,可能随着表部气温变动在厚度方向进行扩大 ,并形成一层空气隔温层的热胀冷缩的智能保暖表套 ,以此来应对表部极端的寒冷。

       这件队服保温的奥秘就来自于它的资料 ,一种“智能保温”(Intelligent Insulation)科技。这件衣服是由一种能够随着温度的变动做出卷曲或可逆伸缩的特殊纱线织成。当温度降低时 ,面料的夹层变厚 ,进入保温模式。当温度升高时 ,面料的夹层变薄 ,进入常温模式。这样 ,不论穿戴者是置身于室表的雪窖冰天 ,或是开足暖气的温暖室内 ,一件表套就足够应酬两种极端的气温。

       笔者通过检索和查阅公开资料与有关报导 ,为各人一路来扒一扒、探一探这件服装的“黑科技”。

       据公开资料显示 ,这项技术起源于Skyscrape科技公司 ,利用这种技术的面料会自动变形 ,使穿戴的人不会有过热的感触。在低温环境下 ,面料变回原来的状态 ,提供更多的空气隔热层来达到隔热成效。实现单件服装能够逾越三个不温度的季节 ,从室内温暖环境无缝过渡到室表寒冷环境。该面料选取的是“Skyscrape Intelligent Insulation”智能保温绝缘专利技术 ,由80%涤纶20%再生涤纶资料造作而成 ,表壳和保温层由100%再生聚酯资料造成。坊间以为这款智能保温资料 ,是几年前出现过的“热适应性资料”。

       在2017年美国先进能源钻研打算署(ARPA-E)成就展示大会上 ,曾展示过一款可随温度变动而自动伸缩的控温资料 ,这种能凭据温度扭转隔热性的衣服可能在一个更大的温度变动领域内让人们维持舒服感。据此理论 ,科研团队Otherlab利用ARPA-E的资金支持 ,研发了一款被称为“热适应资料”(Thermally Adaptive Materials)的织物。

       “热适应资料”造成的织物由于它凭据温度而产活泼态隔离变动 ,因而被称为自动变动资料(self-poofing fabric)。若是太热 ,这个资料就会自动伸展 ,缩幼空气夹层的间距达到减幼隔热性;当温度过低时 ,这个资料就会通过膨胀(向内填充空气)来提升隔热性。这种资料从扁平到膨胀可能只有1分钟左右 ,在收缩至最扁平的状态下 ,这种资料的穿戴感仅相当于一件厚T恤;而膨胀到最松软的状态时 ,就相当于一件超厚的户表表套。其隔热能力能够增长到最薄时的3倍 ,能够适应15℃的温差变动。

       这种资料齐全靠温度驱动自动扭转厚度 ,毋庸芯片传感器、电源、接线和节造单元 ,仅仅是通常合成纤维的集中体 ,但每根合成纤维都有分歧的热膨胀个性。钻研者将两种分歧热反映系数的资料编织起来 ,利用了它们在分歧的温度下分歧的扩大能力。当温度变动时 ,这两种资料的长度变动将会分歧 ,其中一种纤维伸展速度快于另一种纤维 ,这将会在整体纺织结构中产生一个弯曲空间 ,使其造成一个可能包容空气的、有开口的波浪形织物资料 ,从而让厚度产生变动。

       凭据上述资料所体现出来的个性 ,能够判断这是一款使用了热致感应型状态影象高分子资料造成的织物。热致感应型状态影象高分子资料是使用现代高分子物理学理论和高分子合成及改性技术 ,对通用高分子资料进行分子组合和改性 ,如对聚乙烯、聚酰胺、共聚酰胺、聚氨酯等高分子资料进行分子设计及分子结构的调整 ,使它们在常温领域内拥有塑胶的性质 ,即硬性、状态不变性;在肯定温度下(影象温度下) ,拥有橡胶的个性 ,重要阐发为资料的可变形性和状态回复性 ,即资料的影象机能。

       状态影象高分子资料(SMP)都拥有两相结构(结晶与无定型两种状态) ,由有影象肇始状态的固定相和随温度变动能可逆的固化和软化的可逆相组成 ,固定相可为物理交联结构和化学交联结构 ,可逆相为物理交联结构。热致感应型状态影象高分子资料(SMP)(交联或拥有多相结构)通常是在已赋形后 ,加热到肯定温度 ,施加表力使其变形 ,在变状态态下冷却 ,冻结分子间应力 ,当再次加热到肯定温度时 ,资料的应力开释 ,使其自动回复到原来的赋状态态。

       状态影象资料(SMP)都有一个影象触发温度(Ts) ,对于纺织品织物而言 ,这一影象触发温度可设定为人体穿戴的不舒服温度。当环境温度低于Ts时 ,其聚合物大分子链段的活动处于冻结状态 ,分子链分列致密 ,阻止了热和气体的传递 ,因而 ,在低温环境下拥有优良的保暖性。当环境温度高于Ts时 ,高分子链段解冻 ,其链间间隙的自由体积显著增大 ,织物的透气性和透湿性显著提高 ,因而 ,在高温下拥有优良的透气、透湿性 ,利于人体热气和湿气的消散 ,使穿戴者不会感触闷热。

       随着科技的急剧进取 ,以及在新资料方面钻研和技术创新的不休深刻 ,一波波层出不穷的、合用于纺织服装的先进智能资料正向我们走来 ,未来除了通例纱线和面料 ,智能纺织新资料值得我们等待。它们在给我们带来惊喜的同时 ,也对出产系统带来了挑战 ,必将推动纺织服装行业的改革与进取。新资料、新工艺、新挑战 ,让我们一路来 ,多相识它们、懂得它们 ,使我们在出产中能更好地驾驭它们吧!

       试想一下 ,如果用这种资料织一件细针款 ,有着距离式元筒组织或同化有相分离夹层组织的毛衫 ,保温机能是否会更好呢?又或是 ,由拥有两相结构(结晶与无定型两种状态)的纱线织出的毛衫 ,随着表部环境温度变动而出现出分歧粗(蓬松)和细(紧实)状态 ,来为穿戴者提供最佳的穿戴履历呢?


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