[科普中国]-形状记忆纤维

形状记忆纤维是指纤维第一次成型时，能记忆外界赋予的初始形状，定型后的纤维可以任意发生形变，并在较低的温度下将此形变固定下来（二次成型）或者是在外力的强迫下将此变形固定下来。当给于变形的纤维加热或水洗等外部刺激条件时，形状记忆纤维可回复原始形状，也就是说最终的产品具有对纤维最初形状记忆的功能。

简介进入二十一世纪，高科技材料的发展日新月异，具有记忆功能的智能纤维，将我们的生活带入了梦幻般的奇妙世界。你能想象一下吗？当你一人孤独的旅行时，身上的衣服能够发出动听的音乐，伴你愉悦前行不再寂寞；当你不慎遭遇险情时，身上的衣服会发出救援信号，帮你尽快逃离危险；当你驾驶汽车时，驾驶位上的坐垫会根据你的坐姿，自动调节成贴合身体的曲线形状，使你舒适行驶减轻疲劳。

其实具有形状记忆功能的纤维，它是智能材料的一个重要分支。用智能材料制成的纺织品具有对外界刺激感知和反应的能力。从广义讲，能够被“记忆”的特性很多，如形状、热能、光、电、磁、化学特性等。

材料迄今为止，具有形状记忆的材料有记忆合金、陶瓷、高聚物、凝胶等。形状记忆材料具有记忆、响应、回复、抗震及适应性等优良特性。形状记忆效应，则是指通过热、化学、机械、光、磁、电等外界刺激，触发材料响应，从而改变材料的形状、位置、应变、硬度、频率、抗震、摩擦等动态或静态技术参数。这些形状记忆材料可以制成薄膜、纤维、丝线、颗粒等品种形式，也可以与其他材料结合制成复合材料。因而其发展也越来越受到重视。

目前国内外纺织企业推出的各种形状记忆纤维：有高分子材料纤维、镍钛合金纤维等。高分子材料形状记忆纤维，其原理就是运用现代高分子物理学和高分子合成改性技术，对通用高分子材料进行分子组合和改性。如对聚乙烯、聚酯、聚异戊二烯、聚氨酯等高分子材料进行分子组合及分子结构调整，使它们同时具备塑料和橡胶的共性，在常温范围内具有塑料的性质，即硬性、形状稳定恢复性，同时在一定温度（所谓记忆温度）下具有橡胶的特性，主要表现为材料的可变形性和形状恢复性，也就是材料的记忆功能，即“记忆初始态———固定变形———恢复起始态”的循环。

发展20世纪70～80年代，美国Raychem．RDI(Radiation Dynamics Inc．)公司进一步将交联聚烯烃类形状记忆聚合物商品化，将记忆性材料广泛用于电线电缆、管道的接续和防护方面。至今这类记忆性材料在Boeing飞机的制造中仍发挥重要作用。

近年来，研究人员又先后发现了聚降冰片烯、反式聚异戊二烯、苯乙烯一丁二烯共聚物、聚氨酯、聚酯等聚合物也具有明显的形状记忆效应，并具有许多重要的应用价值。目前，形状记忆高分子材料的研究和开发备受材料界学者和相关企业的关注，国内外的研究进展迅猛，日本在该领域的研究所取得的成绩尤为突出，已开发了多种形状记忆功能高分子材料并推向了市场。具有低温形状记忆特性的反式聚异戊二烯、聚降冰片烯、聚氨酯等代替传统的石膏绷带，应用于医疗上创伤部位的固定材料，其方法是将形状记忆聚合物加工成创伤部位形状，用热水或热吹风使其软化，施加外力变形成为易于装配的形状，冷却后装配到创伤部位，再加热便可恢复原状起到固定作用；同样，加热软化后变形，取下也十分方便。形状记忆材料除了应用在医疗方面以外，还可以应用在航天航空、汽车制造、机械制造、石油化工管道等领域。1

分类形状记忆纤维是由形状记忆材料经过不同加工方法加工而成，以这些原料研制的形状记忆纤维的性能也各不相同。从原料上看，形状记忆纤维可分为形状记忆合金纤维、形状记忆聚合物纤维和形状记忆凝胶纤维三类。

1．形状记忆合金纤维：

这类纤维手感硬，回复力大。在纺织上可作为纱芯与其他各种纤维纺出具有形状记忆效果的花式纱，并织成动感织物。迄今为止，研究和应用最普遍的形状记忆合金纤维是镍金纤维。

2．形状记忆聚合物纤维：

与形状记忆合金纤维相比，形状记忆聚合物纤维在纺织上的应用潜力更大。主要表现在其手感较柔软，应变可达300%甚至更大，容易赋形，有较高的形状稳定性，机械性质可调节范围较大，即仅对其化学结构和组成进行细微的改变，就可以使其形状记忆转变温度和机械性质获得较大变化，从而生产出有多种形状记忆能力的产品。

香港理工大学形状记忆研究中心研发的形状记忆聚氨酯纤维(SMF)具有良好的形状记忆功能。目前，通过湿法纺丝和熔融纺丝已经成功制备了不同线密度、不同转变温度的形状记忆聚氨酯纤维，通过控制形状记忆聚氨酯硬段相和软段相的质量百分含量，可以纺制出转变温度在-10～100℃的形状记忆聚氨酯纤维。

举例说明将形状记忆纤维运用到织物上做成服装，服装就具有了某种记忆功能而变得智能化。下面举几个实例说明：

英国防护服装研究机构，研制出了一种用于防烫伤的服装，就是应用了形状记忆钛镍合金纤维。首先将形状记忆钛镍合金纤维加工成宝塔式螺旋弹簧状，然后再进一步加工成平面状，最后固定在服装面料内。当这种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化成宝塔状，在两层织物内形成很大的空腔，使高温远离人体的皮肤，从而防止烫伤的发生。这种服装在消防救火方面大有用武之地。

意大利某纺织品公司开发出智能化衬衣，是利用形状记忆钛镍合金纤维与合成纤维锦纶交织的方法。其织物纱线的设计比例为：五根锦纶丝配一根形状记忆钛镍合金丝。当你所处的周围环境温度升高时，这种智能衬衣的袖子会自动卷起。而且这种衬衣还不怕起皱，即使揉成乱糟糟的一团，用电吹风一吹，马上就能复原，甚至于人的体温也可以自动将其“熨平”。

用途形状记忆纤维不仅可用于加工智能服装，也可应用在医学领域。比如将形状记忆温度设置在人体体温附近，那么用这种纤维制成的丝线，就可作为手术缝合线或医疗植入物。由于该材料具有记忆功能，它能以一个松散线团的形式切入伤口，当其被加热到体温时，材料“记忆”起事先设计好的形状和大小，便会收缩拉紧伤口，待伤口愈合好后，材料自行分解，然后无害地为人体所吸收。

形状记忆纤维作为新出现的高科技智能材料，在服装、建筑、医学、军事等方面都有很大的应用潜力。但是就目前现状而言，在技术方面还有很多需要进一步完善解决的问题，所以智能纤维还没有形成产业化生产。

相信随着时间的推移和科技的进步，以及广大科技工作者的不懈努力，形状记忆纤维的批量化生产亦将成为可能，因此智能纤维的应用领域广泛，前景光明。

本词条内容贡献者为:

张尉 - 副教授 - 西南大学