全面认识纺织工业

科学的魅力东华大学胡学超2021年5月1科学的魅力在哪里?在于对无穷的未知的探求。那么我们的领域有无东西需探求?有无高科技？有2高程度的学科中国纺织大学五星级学科与高分子的渊源产学研特征人才3开创人钱宝钧教授方柏容教授1954年由钱宝钧、方柏容教授创建“化学纤维〞专业全国最早建立的高分子资料类专业之一师从意大利米兰工学院诺贝尔奖获得者Natta教授获得首届中国工程科学技术奖4大量高科技的研讨内容高科技的开发及未知科学问题的解答增添了无穷兴趣与魅力下面大体引见一下5兴趣靠积累物理数学化学纤维计算机模拟仿生学—动植物6纺织服装航空航天国防军工电子信息生物医学能源环境纤维资料不单是穿着用的资料而且是国防建立的重要根底资料和战略物资7纤维资料在服用外的其他用途军用纺织品医用纺织品建筑用纺织品农业用纺织品交通工具内装饰水利,交通工程用纺织品特殊服装复合资料8军用纺织品碳纤维加强复合资料〔碳-碳复合、碳-硅复合、碳-环氧树脂复合〕洲际导弹、隐形飞机每架波音777飞机要用约1万磅碳纤维每架A380所用碳纤维复合资料达40%,27吨

高性能纤维装甲车,钢盔、防暴盾牌、防弹车、防弹衣高强高摸PE,PBO,Kevlar智能纤维能信息交流的智能服装，美军将于2021年配备自动抗生物,化学毒试剂服9PAN基碳纤维力学性能最正确运用面最广需求量最大开展最快机身体料的50％为碳纤维复合资料碳纤维在风力发电叶轮中运用碳纤维用于海上采油平台构造资料可作构造资料的PAN基碳纤维10有机高性能纤维资料是航天航空、国防军工等急需的关键资料高强高模PE纤维芳纶PBO纤维有机高性能纤维资料11医用纺织资料纺织品或纤-维加强复合资料中空纤维——人工肾、人工肝、人工肺无纺布——人工皮肤、药物释放资料医用缝合线人造血管、喉管、人体管道介入治疗用器械可自动止血的服装人体可自动吸收,分解的纤维资料12建筑用纺织品膜构造建筑涤纶为底涂聚氯乙烯〔目前〕玻纤为底涂四氟乙烯〔开展中〕气囊构造大桥吊索——碳纤维纤维防裂水泥、纤维加强水泥居室装潢13农用纺织品加强膜、天膜、地膜〔含无纺布〕、遮挡膜无土栽培基质输液管防沙漠化的草皮〔无纺布〕吸水资料〔聚乙烯醇〕水产业用网14交通工具内装饰汽车、飞机、船用座椅抗静电、阻燃、防晒、耐脏、美观、温馨平安带、平安气囊、油气过滤、刹车片高强高模帘子线复合资料车壳、保险杠飞机中隔热垫料15水利交通工程用纺织品各种根底设备建立需求各类土工资料水库建立、水坝、水闸河堤、港口、河道改良机场、高速公路、高速铁路16特殊服装方面航天服保健服各类特殊运动服跳伞攀岩蹦极登山潜水科学调查17服用资料方面随着人们生活程度的提高，对服装的要求会越来越高温馨易处置保型色泽鲜亮，颜色丰富透气保湿18新技术在纺织业中的运用生物技术纳米技术信息技术智能纺织资料19生物技术在纺织、纤维方面的运用以植物为原料制备高分子资料PTT纤维〔1-3异丙醇〕聚乳酸纤维素淀粉纤维纺生技术的运用蜘蛛丝桑蚕丝发酵消费蛋白质20纳米技术高聚物与无机纳米资料共混阻燃、易染、抗静电、抗菌纤维纳米纤维储氢资料、燃料电池、导电资料、过滤资料制备方法电力纺丝分子纺丝板纺丝法聚合成型法21信息技术可快速传送有关时髦信息，加速设计、销售QRS，数字纺织由纤维性能,织造构造,经过计算机软件计算得到面料性能导电资料、纳米资料、光电纤维带有键盘和母板的时装美军的新式作战服22智能纺织资料感知外界信息，并作出反响改动颜色、发生振动、膨胀

导电、计算、储存能量潜水衣〔测温、导电、加热〕滑雪服〔相转变资料〕传感器降落伞〔变色资料〕生物传感器纳米传感器抗毒反响型纳米服执行器〔Actuators〕可做成织物的柔性光电池、光电织物军用导电纳米复合资料、光电半导体安装抗微生物资料仿人工肌肉资料23'ExtremeTextiles'ComeofAge

纽约时报2005年4月11日报道新的纺织时代的到来所说内容本文多已提到请看一些照片24REHEATBEFOREUSINGWhenheated,carbonfibersturnpliable.ILCDoverInc.inDelawarehasdevelopedstructuresthatcanbefoldedbeforelaunchingandthenreheatedandunfoldedinspace.Themilitarywillusethetechnologyforaspace-basedradar,andNASAcoulduseitinthefutureforlargespacetelescopes.25BUILDINGWITHAIRTheArmy'sAirBeamisdesignedforeasilyerectedtemporarybuildingslikemedicalbuildingsandaircrafthangars."Youjustunrollit,inflateitandyourtentisstandingup,"saidJeanHampeloftheArmySoldierNatickCenter,whichisdevelopingthetechnology.AprototypeisbeingusedforamedicalaidcenterinIraq.26SOFTSWITCHInternationalFashionMachinesofSeattlehasmadealightswitchintheshapeofapompom.Conductivefibersdetectthepressofahand."WhatIdoismakefuzzy,beautiful,conductivethings,"saidDr.MargaretOrth,thecompany'sfounder."Youjustsqueezethepompom,andthelightsgoonoroff."Dr.Orthsaidsheexpectedherfabricswitchestoreachstoreslaterthisyear.27POLYMERSKINAprocesscalledelectrospinningmakesfibersoutofanelectricallychargedsolutioncontainingdissolvedpolymersandsticksthemontoanelectricallychargedsurface.Thefibersfallrandomlybutformauniformlayer,evenonathree-dimensionalsurface."It'ssortoflikespray-onGore-Tex,"saidDr.HeidiSchreuder-GibsonoftheArmyNatickSoldierCenter."It'sverybreathable,justlikeskin."28BODYENGINEERINGEmbroideredoutofsuturethread,thispieceoftextilewouldbesandwichedinanartificialshoulderjoint.Thestarburstshape,5.75incheswide,allowsthesurgeondifferentoptionsforsecuringthejointinplace29CARBONTOWERPeterTesta,anarchitectinSantaMonica,Calif.,hasdesigneda40-storyskyscraperthatwoulddoawaywithsteelforthestructure.Instead,Mr.Testa's"wovenbuilding,"showninamodelabove,wouldbeheldupbyacrosshatchedlatticemadeofcarbonfiber,whichisseveraltimesstrongerthansteel.Thebuilding'sinteriorwouldbecompletelyopenexceptfortheelevatorshafts.

30DESTINATIONMARSAcocoonof24airbagscushionedthelandingofNASA'sPathfinderroverin1997.TheairbagsconsistedoffourlayersofVectran,ahigh-strengthfiberthatisacousintoKevlarthatbecomesstrongeratcoldertemperatures.SimilarairbagssurroundedtheNASAroversSpiritandOpportunitywhentheylandedonMarslastyear31HOTHANDConductivefibersinthisprototypespacesuitgloveallowcircuitrytobewovenin.Thefibersaremoredurablethanwires

32Glass/PPCommingledYarnNylonWrappedCarbonRovingHybridYarnDevelopment

Useofhybridyarnsincombinationwithtextilepreformsenhancesthepotentialoftextilepreformcompositesinhighperformanceapplications.

Hybridyarnscanbemanufacturedthroughdifferentwaysincludingco-wrapping,corespinningandcommingling,aimingtogiveuniformdistributionofmatrixandreinforcementfibersaswellastoreducethedamageofreinforcingfibers.

Currentlyworkiscarriedoncomminglingandwrappedyarns.

33生物技术在制备纤维上，有两种思索：生物可降解，分解为水和CO2，参与自然界的大循环。原料来自生物体，不耗用燃料资源，利用太阳能，将CO2和水由叶绿素来合成高分子或高分子原料，典型的例子是：Lyocell和Ingeo，将详细引见仿生技术：这是更新一代的技术，其实早就开场了，棉〔中空〕，麻、丝〔异形〕，毛〔复合〕。如今在更高层次上仿生。34玉米纤维35纤维资料开发的新思绪天然可再生资源的利用,源源不绝、环境友好的概念多从自然界动植物中寻求灵感从事绿色资料、仿生资料的研讨36美國新經濟雜誌預言，

「仿生」是未來人類開創更愉快新世界的八大科技之一！

自然界生物的各种奇妙功能：蜘蛛絲的强韧性；蜻蜓出色的飞行身手；苍蝇的多种特殊功能；孔雀、蝴蝶美丽的翅膀；夜间活动型蛾〔NightMoth〕的眼

蜂巢奇妙的构造蟑螂灵敏的感知才干啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；

墨魚的瞬間加速可以達到每小時20哩；

蜂鳥飛行600哩旅程耗費不到非常之一盎司的能量；

荷花叶面有絕佳的抗污性(self-cleaningproperties)和撥水性(waterrepellent)；生物的骨骼構造比鋼鐵強硬；自然生命世界蘊藏一切科技的奧秘與答案……。37蜻蜓出色的飞行身手飞行速度：150公里/小时飞行耐力：1000公里飞行之王！！！38蝇眼的視覺功能複眼為許多單眼的結合，可使焦距大幅縮短350度的视角能看清快速挪动物(紫外光〕應用複眼機制，可製造出極薄的感知器、复眼相机等應用快速追踪身手，可製造出飞机地速指示器39蟑螂灵敏的感知才干從感知風速到逃跑只需0.044秒，人類需求0.3秒尾肢可對2公分/秒的風做出反應可做微流速感知器40

建築功能41荷叶絕佳的抗污性和撥水性帝人开发的MicroftLectuce织物，模拟了荷叶的撥水作用42仿天然纤维丝：光泽丝鸣←异形纵向凹陷棉：保暖性等←中空毛：卷曲弹性←并列型组分〔正皮质、副皮质细胞〕麻：凉爽←扁平43胜利在失败之后蜘蛛丝研讨过程44仿蜘蛛丝研讨背景蜘蛛牵引丝力学性能优良，被誉为“生物钢〞i强度高、弹性好、初始模量大、断裂功大ii比强度是钢的5倍，韧性是Kevlar的3倍ⅲ它是一种以蛋白质为基质的高强资料，集高强、高韧、轻质、可生物降解等优点于一身蜘蛛牵引丝的用途

在防弹衣、微型手术缝合线、航空资料、复合资料等领域有着宏大潜在的用途。

45奇妙的蜘蛛丝46蜘蛛丝和蚕丝之优良的力学性能材料伸长率（%）初始模量（N/m2)强度（N/m2）

断裂功（J/Kg）

蜘蛛

牵引丝9.8~32.1(1~30)×109

1×109

1×105

家蚕丝15~355×109

6×108

7×104

尼龙18~263×109

5×108

8×104

棉5.6~7.1(6~11)×109

(3~7)×108

(5~15)×103

钢8.02×1011

1×109

5×103

凯夫拉4.01×1011

4×109

3×104

橡胶1×106

8×104

Ref:VollrathF.,StrengthandStructureofSpiders’Silks,ReviewsinMolecularBiotechnology,2000,74:67-83

47蜘蛛和蚕之合理的纺丝技术常温常压水溶液高浓度液晶纺节能、经济环保高效耗能小、产品高性能历经数亿年演化48蜘蛛丝仿生纺丝的关键技术12蜘蛛丝蛋白的制备纺丝过程的仿生利用转基因技术，将蜘蛛的相关基因转移到细菌、植物体、哺乳动物的乳腺上皮或肾细胞中，进展表达，生成蜘蛛丝蛋白质，并进展提纯蜘蛛所用的“纺丝液〞是水作溶剂。“纺丝〞前，“纺丝液〞在丝腺内呈液晶态，并以α晶型为主。在其成丝流动过程中，α构造向β反向平行折叠构造转变并且丝条从水中分相出来，丝条一旦构成了β反平行构培育不再溶于水。49国外的研讨重点——

蜘蛛丝蛋白的制备转基因技术转基因动物:山羊(NexiaCANADA)转基因植物:烟草,土豆细菌,酵母胜利获得重组蜘蛛丝蛋白50纺丝技术同样非常重要人造蜘蛛丝的纺丝研讨现状必需模拟蜘蛛的干法成丝过程我们的观念天然蜘蛛丝蛋白六氟异丙醇甲酸盐溶液重组蜘蛛丝蛋白水湿纺湿纺51吐丝口压丝部共通管后区中区前区后部丝腺中部丝腺＊合成丝素＊弯弯曲曲的细管＊分子形状：SilkI＊无规卷曲、α螺旋＊溶液形状：凝胶＊蛋白质浓度：12~15%＊粘度：中＊无光学活性＊高的含水量＊合成丝胶,水分流失＊较粗＊分子形状：SilkI＊无规卷曲、α螺旋＊溶液形状:凝胶→凝胶→溶胶＊蛋白质浓度：25%＊粘度：高→高→中等＊微双折射＊水分流失,离子交换，pH下降，粘度减少。＊逐渐变细，象一个圆锥形的喷丝头＊无规卷曲、少量β构造＊溶液形状：溶胶→向列型液晶＊蛋白质浓度：30%＊粘度：低吐丝管＊SilkII＊60%水流失＊反平行β构造直径:2.0→2.5→1.2mm剪切速率:0.006→0.003→0.03/spH:5.6→5.2→5.0直径:0.05-0.3mm剪切速率:2-400/s(400-2000/s)pH:4.8

前部丝腺直径:0.4-0.8mm剪切速率:0.1-0.8/spH:6.9蚕的成丝流程表示图调整Ca2+、Mg2+、K+等浓度浓度渐高、pH值渐小、β-折叠构象渐多无规卷曲52众多要素协同作用高粘度可纺RSF凝胶状液体低粘度不可纺RSF溶液协同作用后，溶液〔2〕表观粘度提高数个数量级53FutureApplicationsSpidersilkcanimproveorreplaceexistingmaterials,ieKevlarorcompositeingredientsSuperstrongpartsStrandofspidersilkpencilthickcanstopaBoeing747(Ref.4)54蜘蛛七种分泌腺体55蜘蛛的喷丝头56SilkExcretionWhenthesilkproteinsreachthespinneretsthesilkproteinshavehardenedfromtheirpreviousliquidform.Thecrystallinestructureoftheproteinshavealignedthemselvestocreatethesilkstructure.Thefinalproductisastrongflexibleproteinstandspunatambienttemperatureandpressurefromasmallyetintricatesystemofglands.Spinneretsexcretingsilk(Ref.1)57ASpiderAssemblyline(cont.)Silkreleasingtubes.58圆蛛属7种丝腺体产生的丝及其功能丝腺名丝名及其功能大囊状腺牵引丝、放射状丝、构成网骨架的框丝小囊状腺牵引丝、螺旋框丝（非粘性）管状腺包卵的卵茧丝鞭毛状腺网的横丝梨状腺附着盘葡萄状腺捕获丝等集合状腺横丝表面的粘性物质59再生蚕丝蛋白质水溶液中

蚕丝蛋白质分子构造转变的影响要素时间浓度剪切作用拉伸作用PH金属离子温度60蜘蛛丝与蚕丝的氨基酸组成氨基酸蚕丝蜘蛛丝甘氨酸42.937.1丙氨酸30.021.1丝氨酸12.24.5酪氨酸4.8—天门冬氨酸/天门酰氨酸1.92.5精氨酸0.57.6组氨酸0.20.5谷氨酸/谷氨酸盐1.49.2赖氨酸0.40.5缬氨酸2.51.8亮氨酸0.63.8异亮氨酸0.60.9苯丙氨酸0.70.7脯氨酸0.54.3苏氨酸0.91.7蛋氨酸0.10.4半光氨酸痕量0.3色氨酸—2.961蚕丝蛋白的纤维化类似蜘蛛丝，蚕丝构成过程中是丝素蛋白由α螺旋构造向β-折叠构造变化的过程丝素分子发生取向和结晶化纤维化后的丝素蛋白质难溶于水由光学各向同性向各向异性转化62家蚕在不同的人为吐丝速度下构成的蚕丝的力学性能及构造参数比较吐丝速度(cms-1)吐丝口剪切速率（s-1）纤度(dtex)断裂伸长（％）强度（GPa）初始模量（N/m2）×10-9断裂能（Jkg-1）×10-5双折射△n*红外结晶指数**0.5113.61.8938.60.3603.220.8120.02130.3721.0227.32.7937.20.4013.580.8010.02510.5171.5340.92.4734.80.4183.640.8950.02910.5152.1477.31.7633.