產(chǎn)業(yè)用紡織品的技術(shù)應(yīng)用

產(chǎn)業(yè)用紡織品的技術(shù)應(yīng)用

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是一些高性能纖維的出現(xiàn)，使航天航空、防護(hù)、建筑、土木工程、能源、醫(yī)療等高科技應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)入了應(yīng)用的前沿。這些應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā),不僅是紡織學(xué)科發(fā)展的結(jié)果,更重要的是紡織學(xué)科和相關(guān)學(xué)科交叉合作、共同開發(fā)的結(jié)果,并使產(chǎn)業(yè)用紡織品大步進(jìn)入了孕育著無限商機(jī)、前景看好的高技術(shù)、高性能和高附加值的產(chǎn)業(yè)用紡織品大市場。下面結(jié)合舉例對高技術(shù)產(chǎn)業(yè)用紡織品的開發(fā)和應(yīng)用情況進(jìn)行闡述。1基布的織物結(jié)構(gòu)工農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展必需有充足的電能來支持。我國是風(fēng)能大國,可開發(fā)儲量達(dá)5.3億kW,政府很重視風(fēng)電的發(fā)展。在我國除北部、西北和東北的草原、戈壁灘具有豐富的風(fēng)能資源外,東部沿海的淺海海上風(fēng)電開發(fā)前景同樣廣闊。對風(fēng)力發(fā)電,其發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件之一是風(fēng)機(jī)葉片,一般大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)對風(fēng)能的擷取量約與葉輪直徑平方成正比,因此愈來愈大的葉片對葉片材料的要求愈來愈高。現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的葉片都采用紡織復(fù)合材料,葉片是一個(gè)大型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu),圖1所示為纖維增強(qiáng)的葉片截面圖。葉片使用的纖維常為玻璃纖維、碳纖維,葉片層合板主要由單向?qū)蛹啊?5°層組成。單向?qū)涌蛇x用單向織物或單向纖維鋪設(shè),以承受由離心力和氣動彎矩產(chǎn)生的軸向應(yīng)力;±45°層可采用針織軸向織物或機(jī)織物鋪設(shè),以承受主要由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。目前應(yīng)用較多的額定功率為600kW的風(fēng)機(jī)單片風(fēng)葉長度為22.1m,重量為1.35t。德國的E112型風(fēng)機(jī),其容量達(dá)4.5MW,每一葉片長52m,重20t。每臺發(fā)電機(jī)一般使用3個(gè)葉片,葉片重量的90%由復(fù)合材料組成。如采用國產(chǎn)的600kW發(fā)電機(jī),每發(fā)1000萬kW的電約需15385臺發(fā)電機(jī),共需用61540t復(fù)合材料。由此可見,風(fēng)力發(fā)電是紡織復(fù)合材料的一個(gè)巨大的潛在市場。我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)還剛剛起步,這為紡織工業(yè)提供了一個(gè)新的發(fā)展機(jī)遇。過去用于復(fù)合材料的基布大都使用經(jīng)緯交織的機(jī)織物,但近年來開發(fā)出的軸向經(jīng)編/緯編織物,作為復(fù)合材料的增強(qiáng)基布顯示了比機(jī)織物更為明顯的優(yōu)勢。圖2所示為單軸向經(jīng)編織物,圖3所示為雙軸向經(jīng)編織物,圖4所示為多軸向經(jīng)編織物,圖5所示為緯編雙軸向多層襯紗織物。這類軸向織物承受截荷的紗線按要求呈直線排列,并由成圈紗綁縛在一起,伸直紗線的強(qiáng)力可以得到充分利用。而機(jī)物中紗線呈波浪形彎曲,從而導(dǎo)致大約20%的強(qiáng)力損失。圖6表示了機(jī)織物中紗線層與單軸向經(jīng)編織物中紗線層的狀態(tài)比較。圖7所示為一淺海風(fēng)力發(fā)電場。西歐在開發(fā)風(fēng)能方面已經(jīng)走在了前面,其中德國名列前茅,占全球大約1/3的風(fēng)能生產(chǎn),而丹麥所使用的能源有20%來自風(fēng)能。2醫(yī)用紡織品領(lǐng)域醫(yī)用紡織品是具有極好開發(fā)前景的產(chǎn)業(yè)用紡織品之一。醫(yī)用紡織品需要醫(yī)療界和紡織界跨學(xué)科協(xié)作開發(fā),內(nèi)容涉及生物醫(yī)療、新材料和紡織加工等領(lǐng)域。其中有的產(chǎn)品有很高的科技含量,如血液透析裝置、人造血管、支架等。當(dāng)前我國醫(yī)療單位不僅大型檢測儀器設(shè)備都是進(jìn)口,而常用的醫(yī)用消耗材料,諸如支架、人造血管、心臟支撐裝置(CSD)、疝修補(bǔ)網(wǎng)、縫合線、甚至醫(yī)用導(dǎo)管都是進(jìn)口的,這也是我國醫(yī)療費(fèi)用高昂的原因之一。大力開發(fā)醫(yī)用紡織品不僅具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,同時(shí)也具有很好的社會效益。下面列舉一些極有價(jià)值的醫(yī)用紡織品。2.1未來的手術(shù)治療在醫(yī)院中,患疝氣病需施疝修補(bǔ)術(shù)的病人很多。傳統(tǒng)的疝修補(bǔ)網(wǎng)是合成纖維的經(jīng)編網(wǎng)狀織物,克重在60～120g/m2之間,是相對比較重的,而且柔性也不夠。因?yàn)檫@種修補(bǔ)網(wǎng)要求永久植入人體內(nèi),發(fā)炎的潛在性和隨后可能需要的費(fèi)時(shí)的介入治療的可能性是相當(dāng)大的。現(xiàn)在新型的疝修補(bǔ)網(wǎng)是在經(jīng)編合成纖維網(wǎng)上涂上鈦,構(gòu)成了專門用于外科手術(shù)的鈦網(wǎng)(TiMesh)。鈦金屬是一種公認(rèn)的非常好的生物兼容性材料,標(biāo)準(zhǔn)型的鈦網(wǎng)重量為35g/m2,輕型的為16g/m2。目前這類疝修補(bǔ)網(wǎng)都依賴進(jìn)口,價(jià)格昂貴。圖8所示為一種疝修補(bǔ)經(jīng)編網(wǎng)的結(jié)構(gòu)照片圖,它是在KS2經(jīng)編機(jī)上生產(chǎn)的,機(jī)號為E24,原料為尼龍。2.2織物上的可轉(zhuǎn)染纖維有許多人是因?yàn)樾募U(kuò)大而導(dǎo)致患上心臟病的。美國AcomCardiovascular公司開發(fā)了一種專利的心臟支撐裝置(CSD),它是由一個(gè)袋狀的彈力經(jīng)編網(wǎng)組成,所用的原料是PET變形絲。這種原料有生物適應(yīng)性,并且與心臟的外膜表面非常相容。這種織物采用經(jīng)緞結(jié)構(gòu),保證了正反兩面平滑,并且賦予織物所需的彈性。它不僅能包住肥大的心包,同時(shí)又能起到有效的支撐作用。經(jīng)編織物是在一定的條件下制作并在一定的溫度下成型為袋狀的,它就象第二層皮膚一樣包在心包上。CSD方式能有效防止心臟尺寸的增大,改善心臟功能,而且CSD沒有直接與血液接觸。在外科領(lǐng)域,高科技的經(jīng)編織物對手術(shù)成功起到極大的幫助,圖9所示為CSD(CardiacSupportDevice)經(jīng)編支撐裝置。2.3在生物可紡織物上的應(yīng)用人造血管是人的血管的“取代組織”,用于治療血管的創(chuàng)傷及循環(huán)系統(tǒng)的疾病?；瘜W(xué)纖維中的變形滌綸(如24dtexpolyestertext)可用于人造血管的制造,用PET纖維制造的人造血管具有較好的生物相容性。在制織成管狀組織織物后,經(jīng)熱定形使它具有很高的彈性。經(jīng)編人造血管是在拉舍爾雙針床經(jīng)編機(jī)上織制的,可以是直管,也可以是Y形枝管。圖10所示是在DR16EEW-STE30的雙針床經(jīng)編機(jī)上制織的Y形人造血管。人造血管的經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高,僅消耗價(jià)值約幾美分的紗線原料就可生產(chǎn)出售價(jià)300～1000美元的人造血管產(chǎn)品。2.4以競爭物模型的織物圖5所示的緯編雙軸向多層針織物具有良好的可成型性能,它可以采用玻璃纖維做襯線,甚至捆綁紗線也可以采用玻璃纖維。這類織物涂上光敏樹脂,然后敷于受傷的部位,例如手臂和腳部,利用織物的可成型性能,織物能貼敷成與受傷部位一樣的形狀,在陽光或紫外(UV)光下,織物能凝固,達(dá)到固定受傷部位的目的。圖11是這種織物用樹脂一起固化成型的腳部成型夾板。圖12是這種織物用樹脂一起固化成型的手臂部位成形夾板,用來替代石膏固定受傷部位。2.5醫(yī)學(xué)2.5.1雙針床針織的間隔織物及其透濕褥瘡是一種危害很大的壓力傷瘡,除了長期臥床的老年病人外,當(dāng)外科手術(shù)持續(xù)較長時(shí)間后,病人身體的特殊部位受長時(shí)間壓力時(shí),如果壓力太高,血管被壓縮,循環(huán)中斷,相關(guān)的皮膚會產(chǎn)生缺氧,最終導(dǎo)致“褥瘡”。圖13是一種雙針床編織的間隔織物及其透濕效果圖。用這種織物做床墊,作用在病人身體上的壓力可以比原來用氯丁橡膠墊降低25%。2.5.2成書的u3000預(yù)防熱凝膠合合成功能座椅墊必須能夠在較長時(shí)間內(nèi)保持良好的彈性,并能夠有效地緩解壓力,而且坐上去感覺舒適。經(jīng)編間隔織物制成坐墊后,不管坐墊內(nèi)填充的是泡沫材料、凝膠體還是空氣,這種坐墊不但能緩解壓力,而且能避免熱凝聚。圖14所示是一種由經(jīng)編間隔織物制成的較好的柔軟墊子,輪椅使用者非常滿意,它在歐洲市場上引起了很大的反響。2.5.3高厚度滌綸間隔織物HDR6EL型機(jī)器能生產(chǎn)厚度高達(dá)60mm的間隔經(jīng)編織物。用這種三維織物材料制成的床墊,適合人體的形態(tài)并將重量分布在一個(gè)更大的表面上,因而能有效防止非自然的睡覺姿勢、睡覺被打攪或是身體局部麻木和肌肉酸痛。這種紡織品的面層和底層之間能容納空氣,這一空氣層為床創(chuàng)造了理想的氣候環(huán)境。這種高厚度滌綸間隔織物被稱之為是“無形的空調(diào)床墊”。這是一種新型的床墊材料,通常使用的厚度為40mm。3紡織纖維材料在個(gè)體防護(hù)中的應(yīng)用美國“9.11”事件發(fā)生以來,個(gè)體防護(hù)材料的研制和開發(fā)得到了快速的發(fā)展。紡織纖維材料用于個(gè)體防護(hù)具有重量輕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)及可實(shí)現(xiàn)大面積防護(hù)等特點(diǎn)。使用的原料以芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維為主。3.1藥代動力學(xué)—防彈頭盔用于制造防彈頭盔的織物形式主要包括機(jī)織物、UD材料和針織軸向織物。用機(jī)織物制造防彈頭盔的主要缺點(diǎn)是模壓過程中不可避免的起皺現(xiàn)象,因?yàn)榻?jīng)緯交織結(jié)構(gòu)使成型所必須的剪切受到限制。因此,利用機(jī)織物模壓頭盔時(shí),一般都需要剪裁,這樣不僅浪費(fèi)材料,而且還會降低頭盔的防彈性能。利用UD材料制造頭盔同樣也會出現(xiàn)起皺現(xiàn)象,如圖15所示,為半球沖壓(0°/90°)UD鋪層的起皺情況。目前防彈頭盔的主體還是用機(jī)織或UD材料來制造,但是一種新型的緯編雙軸向多層襯紗織物(見圖5),因其具有極好的可成型性能,能夠利用一整塊織物無需裁剪而一次模壓成型,可以形成非常光滑而無任何褶皺的盔殼曲面,因此已引起人們的廣泛關(guān)注。圖16是一頂正在開發(fā)的一次成型的飛行員頭盔。最近國外正在研制采用成型機(jī)織加工,在此織機(jī)上直接生產(chǎn)無縫機(jī)織3D形狀織物。用這種3D織機(jī)完全能自動地制造出預(yù)成型件,這是一個(gè)值得注意的研究動向。圖17所示是這種織機(jī)的樣機(jī)和它所生產(chǎn)的頭盔預(yù)成型件。3.2雙軸向多層襯紗防彈衣材料通常采用芳綸纖維及超高分子量聚乙烯纖維作原料,織物形式以機(jī)織物及UD片材為主,如圖18所示。對于女用防彈背心,緯編雙軸向多層襯紗織物以其極好的可成型性能而極具潛力。芳綸纖維及超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以用作汽車防彈裝甲,用于汽車門及外殼的防彈內(nèi)襯,如圖19所示。3.3密度和密度大的織物圖20為一種用超細(xì)高性能纖維編織成的密度很大的輕質(zhì)織物,以抵抗銳器的穿刺。圖21為各種Dyneema防割手套和Kevlar防割不燃手套及臂套。4過濾功能圖22為經(jīng)編土工隔柵,使用的原料根據(jù)工程需要可以采用玻璃纖維,也可以使用高強(qiáng)度滌綸等化纖原料。土工隔柵如需要提供過濾功能,則可同時(shí)制織入過濾用無紡纖維網(wǎng),達(dá)到在增強(qiáng)的同時(shí)還具有過濾功能的目的。圖23所示為堤岸加固材料,可以防止堤岸因長期浸泡而導(dǎo)致滑坡和塌方。圖24為土工合成材料經(jīng)編隔柵用于公路建設(shè),可大大提高公路使用壽命。圖25所示為雙軸向經(jīng)編涂層織物用作屋頂材料。圖26所示為軸向經(jīng)編織物用于鋼筋混凝土柱的修復(fù)。5支撐性成布、培養(yǎng)基、水封件、模具圖27所示為用碳纖維等高性能纖維織成的基布用特制縫紉機(jī)縫合后再經(jīng)樹酯固化而成的葉輪。圖28所示為縫制的預(yù)制成型基布。圖29所示為由機(jī)器人控制的特種縫紉機(jī)及被縫制件的夾具?？梢钥p制玻纖、碳纖等高性能纖維織物,縫紉線可以用玻纖等高性能纖維。6石墨纖維長絲卷繞圖30是在美國DURA-WoundInc公司制造的自動長絲卷繞機(jī)(“Cobra”Model11A)上用石墨纖維長絲卷繞制成的輕重量、高強(qiáng)度的火箭發(fā)動機(jī)外殼。圖31的工字梁也是在該機(jī)上用1