产业用纺织品的技术应用

产业用纺织品的技术应用

现代科学技术的进步，尤其是一些高性能纤维的出现，使航天航空、防护、建筑、土木工程、能源、医疗等高科技应用领域进入了应用的前沿。这些应用领域的开发,不仅是纺织学科发展的结果,更重要的是纺织学科和相关学科交叉合作、共同开发的结果,并使产业用纺织品大步进入了孕育着无限商机、前景看好的高技术、高性能和高附加值的产业用纺织品大市场。下面结合举例对高技术产业用纺织品的开发和应用情况进行阐述。1基布的织物结构工农业的持续发展必需有充足的电能来支持。我国是风能大国,可开发储量达5.3亿kW,政府很重视风电的发展。在我国除北部、西北和东北的草原、戈壁滩具有丰富的风能资源外,东部沿海的浅海海上风电开发前景同样广阔。对风力发电,其发电机的关键部件之一是风机叶片,一般大型风力发电机对风能的撷取量约与叶轮直径平方成正比,因此愈来愈大的叶片对叶片材料的要求愈来愈高。现代风机的叶片都采用纺织复合材料,叶片是一个大型的复合材料结构,图1所示为纤维增强的叶片截面图。叶片使用的纤维常为玻璃纤维、碳纤维,叶片层合板主要由单向层及±45°层组成。单向层可选用单向织物或单向纤维铺设,以承受由离心力和气动弯矩产生的轴向应力;±45°层可采用针织轴向织物或机织物铺设,以承受主要由扭矩产生的剪切应力。目前应用较多的额定功率为600kW的风机单片风叶长度为22.1m,重量为1.35t。德国的E112型风机,其容量达4.5MW,每一叶片长52m,重20t。每台发电机一般使用3个叶片,叶片重量的90%由复合材料组成。如采用国产的600kW发电机,每发1000万kW的电约需15385台发电机,共需用61540t复合材料。由此可见,风力发电是纺织复合材料的一个巨大的潜在市场。我国风力发电产业还刚刚起步,这为纺织工业提供了一个新的发展机遇。过去用于复合材料的基布大都使用经纬交织的机织物,但近年来开发出的轴向经编/纬编织物,作为复合材料的增强基布显示了比机织物更为明显的优势。图2所示为单轴向经编织物,图3所示为双轴向经编织物,图4所示为多轴向经编织物,图5所示为纬编双轴向多层衬纱织物。这类轴向织物承受截荷的纱线按要求呈直线排列,并由成圈纱绑缚在一起,伸直纱线的强力可以得到充分利用。而机物中纱线呈波浪形弯曲,从而导致大约20%的强力损失。图6表示了机织物中纱线层与单轴向经编织物中纱线层的状态比较。图7所示为一浅海风力发电场。西欧在开发风能方面已经走在了前面,其中德国名列前茅,占全球大约1/3的风能生产,而丹麦所使用的能源有20%来自风能。2医用纺织品领域医用纺织品是具有极好开发前景的产业用纺织品之一。医用纺织品需要医疗界和纺织界跨学科协作开发,内容涉及生物医疗、新材料和纺织加工等领域。其中有的产品有很高的科技含量,如血液透析装置、人造血管、支架等。当前我国医疗单位不仅大型检测仪器设备都是进口,而常用的医用消耗材料,诸如支架、人造血管、心脏支撑装置(CSD)、疝修补网、缝合线、甚至医用导管都是进口的,这也是我国医疗费用高昂的原因之一。大力开发医用纺织品不仅具有很大的经济价值,同时也具有很好的社会效益。下面列举一些极有价值的医用纺织品。2.1未来的手术治疗在医院中,患疝气病需施疝修补术的病人很多。传统的疝修补网是合成纤维的经编网状织物,克重在60～120g/m2之间,是相对比较重的,而且柔性也不够。因为这种修补网要求永久植入人体内,发炎的潜在性和随后可能需要的费时的介入治疗的可能性是相当大的。现在新型的疝修补网是在经编合成纤维网上涂上钛,构成了专门用于外科手术的钛网(TiMesh)。钛金属是一种公认的非常好的生物兼容性材料,标准型的钛网重量为35g/m2,轻型的为16g/m2。目前这类疝修补网都依赖进口,价格昂贵。图8所示为一种疝修补经编网的结构照片图,它是在KS2经编机上生产的,机号为E24,原料为尼龙。2.2织物上的可转染纤维有许多人是因为心肌扩大而导致患上心脏病的。美国AcomCardiovascular公司开发了一种专利的心脏支撑装置(CSD),它是由一个袋状的弹力经编网组成,所用的原料是PET变形丝。这种原料有生物适应性,并且与心脏的外膜表面非常相容。这种织物采用经缎结构,保证了正反两面平滑,并且赋予织物所需的弹性。它不仅能包住肥大的心包,同时又能起到有效的支撑作用。经编织物是在一定的条件下制作并在一定的温度下成型为袋状的,它就象第二层皮肤一样包在心包上。CSD方式能有效防止心脏尺寸的增大,改善心脏功能,而且CSD没有直接与血液接触。在外科领域,高科技的经编织物对手术成功起到极大的帮助,图9所示为CSD(CardiacSupportDevice)经编支撑装置。2.3在生物可纺织物上的应用人造血管是人的血管的“取代组织”,用于治疗血管的创伤及循环系统的疾病。化学纤维中的变形涤纶(如24dtexpolyestertext)可用于人造血管的制造,用PET纤维制造的人造血管具有较好的生物相容性。在制织成管状组织织物后,经热定形使它具有很高的弹性。经编人造血管是在拉舍尔双针床经编机上织制的,可以是直管,也可以是Y形枝管。图10所示是在DR16EEW-STE30的双针床经编机上制织的Y形人造血管。人造血管的经济价值很高,仅消耗价值约几美分的纱线原料就可生产出售价300～1000美元的人造血管产品。2.4以竞争物模型的织物图5所示的纬编双轴向多层针织物具有良好的可成型性能,它可以采用玻璃纤维做衬线,甚至捆绑纱线也可以采用玻璃纤维。这类织物涂上光敏树脂,然后敷于受伤的部位,例如手臂和脚部,利用织物的可成型性能,织物能贴敷成与受伤部位一样的形状,在阳光或紫外(UV)光下,织物能凝固,达到固定受伤部位的目的。图11是这种织物用树脂一起固化成型的脚部成型夹板。图12是这种织物用树脂一起固化成型的手臂部位成形夹板,用来替代石膏固定受伤部位。2.5医学2.5.1双针床针织的间隔织物及其透湿褥疮是一种危害很大的压力伤疮,除了长期卧床的老年病人外,当外科手术持续较长时间后,病人身体的特殊部位受长时间压力时,如果压力太高,血管被压缩,循环中断,相关的皮肤会产生缺氧,最终导致“褥疮”。图13是一种双针床编织的间隔织物及其透湿效果图。用这种织物做床垫,作用在病人身体上的压力可以比原来用氯丁橡胶垫降低25%。2.5.2成书的u3000预防热凝胶合合成功能座椅垫必须能够在较长时间内保持良好的弹性,并能够有效地缓解压力,而且坐上去感觉舒适。经编间隔织物制成坐垫后,不管坐垫内填充的是泡沫材料、凝胶体还是空气,这种坐垫不但能缓解压力,而且能避免热凝聚。图14所示是一种由经编间隔织物制成的较好的柔软垫子,轮椅使用者非常满意,它在欧洲市场上引起了很大的反响。2.5.3高厚度涤纶间隔织物HDR6EL型机器能生产厚度高达60mm的间隔经编织物。用这种三维织物材料制成的床垫,适合人体的形态并将重量分布在一个更大的表面上,因而能有效防止非自然的睡觉姿势、睡觉被打搅或是身体局部麻木和肌肉酸痛。这种纺织品的面层和底层之间能容纳空气,这一空气层为床创造了理想的气候环境。这种高厚度涤纶间隔织物被称之为是“无形的空调床垫”。这是一种新型的床垫材料,通常使用的厚度为40mm。3纺织纤维材料在个体防护中的应用美国“9.11”事件发生以来,个体防护材料的研制和开发得到了快速的发展。纺织纤维材料用于个体防护具有重量轻、可设计性强及可实现大面积防护等特点。使用的原料以芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维为主。3.1药代动力学—防弹头盔用于制造防弹头盔的织物形式主要包括机织物、UD材料和针织轴向织物。用机织物制造防弹头盔的主要缺点是模压过程中不可避免的起皱现象,因为经纬交织结构使成型所必须的剪切受到限制。因此,利用机织物模压头盔时,一般都需要剪裁,这样不仅浪费材料,而且还会降低头盔的防弹性能。利用UD材料制造头盔同样也会出现起皱现象,如图15所示,为半球冲压(0°/90°)UD铺层的起皱情况。目前防弹头盔的主体还是用机织或UD材料来制造,但是一种新型的纬编双轴向多层衬纱织物(见图5),因其具有极好的可成型性能,能够利用一整块织物无需裁剪而一次模压成型,可以形成非常光滑而无任何褶皱的盔壳曲面,因此已引起人们的广泛关注。图16是一顶正在开发的一次成型的飞行员头盔。最近国外正在研制采用成型机织加工,在此织机上直接生产无缝机织3D形状织物。用这种3D织机完全能自动地制造出预成型件,这是一个值得注意的研究动向。图17所示是这种织机的样机和它所生产的头盔预成型件。3.2双轴向多层衬纱防弹衣材料通常采用芳纶纤维及超高分子量聚乙烯纤维作原料,织物形式以机织物及UD片材为主,如图18所示。对于女用防弹背心,纬编双轴向多层衬纱织物以其极好的可成型性能而极具潜力。芳纶纤维及超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料可以用作汽车防弹装甲,用于汽车门及外壳的防弹内衬,如图19所示。3.3密度和密度大的织物图20为一种用超细高性能纤维编织成的密度很大的轻质织物,以抵抗锐器的穿刺。图21为各种Dyneema防割手套和Kevlar防割不燃手套及臂套。4过滤功能图22为经编土工隔栅,使用的原料根据工程需要可以采用玻璃纤维,也可以使用高强度涤纶等化纤原料。土工隔栅如需要提供过滤功能,则可同时制织入过滤用无纺纤维网,达到在增强的同时还具有过滤功能的目的。图23所示为堤岸加固材料,可以防止堤岸因长期浸泡而导致滑坡和塌方。图24为土工合成材料经编隔栅用于公路建设,可大大提高公路使用寿命。图25所示为双轴向经编涂层织物用作屋顶材料。图26所示为轴向经编织物用于钢筋混凝土柱的修复。5支撑性成布、培养基、水封件、模具图27所示为用碳纤维等高性能纤维织成的基布用特制缝纫机缝合后再经树酯固化而成的叶轮。图28所示为缝制的预制成型基布。图29所示为由机器人控制的特种缝纫机及被缝制件的夹具。可以缝制玻纤、碳纤等高性能纤维织物,缝纫线可以用玻纤等高性能纤维。6石墨纤维长丝卷绕图30是在美国DURA-WoundInc公司制造的自动长丝卷绕机(“Cobra”Model11A)上用石墨纤维长丝卷绕制成的轻重量、高强度的火箭发动机外壳。图31的工字梁也是在该机上用1