智能材料在纺织品中的运用

智能材料在纺织品中的运用
概述：在日常生活中，参加体育运动是我们强身健体的最常见方式。

然而在运动的过程中，护具的佩戴是必不可少的。

但凡人们在设计和制造防具时，无非主要是考虑其帮助运动员在激烈的运动中剧烈碰撞时吸收外部能量能力的大小。

在本篇文章中，我们就是向大家展示智能材料在纺织品中的防护功能的应用。

1、智能抗性材料
1.1什么是凝胶
那么，到底什么是凝胶呢？根据定义：“交联的体型聚合物网络中包含溶剂或者单体、低聚物时为凝胶状态，称作凝胶”，即凝胶是由三维网络结构的高分子和充塞在高分子链段间隙中的介质构成，介质可以是气体、液体，而一般情况下多为液体，因此，可将凝胶看作是高分子三维网络包含了液体的膨润体。

凝胶作为一种新型材料，其含水量高、生物相容性好、对于外界环境条件的刺激具有响应性等优点，可赋予传统纺织品更多的功能性和智能性。

基于凝胶的智能纺织品在舒适性能方面具有保冷、保温，防水透湿的特点，同时在保健方面还具有抗菌除臭，防紫外线，抗外力冲击等优点，其在纺织服装及产业用纺织品领域有着广阔的应用前景。

由于凝胶的合成一般是由乙烯基单体与乙烯基化合物（交联剂）在溶液中进行自由基共聚而成，当交联剂用量较多时，凝胶形成紧密的三维网络结构。

当凝胶受到外界应力时，连接成三维网络的大分子链伸展时能够均匀分散应力，防止分子链的相对位移甚至断裂。

聚合度高，说明凝胶的平均分子量较大，能有效地防止分子链的相对滑移。

凝胶这种较好的回弹性可以在与外界发生冲撞的过程中吸收外界部分能量，有缓和冲击的作用，因此其可用于防护功能纺织品如护腕、护肘、护膝和足垫等的开发。

1.2、D30
道康宁公司推出了一项利用硅橡胶的专利抗冲击技术, 可用于多项体育运动防护。

在这项技术中, 采用一种用硅橡胶涂层处理的三维织物衬垫。

这种“智能”织物衬垫在常态下保持柔软和可屈挠, 当受到冲击时立即变硬, 冲击力消失后又立即恢复到可屈挠状态。

这种织物衬垫的效能得益于它能够吸收和分散冲击能。

道康宁说, 这种材料可以直接加到范围广泛的产品中。

道康宁在以下5 个领域应用了该项技术: 高性能服装、工业用布、医疗设备、军用和民用防护以及建筑工程。

当积极防护系统在冲击下立即变硬时, 它吸收并分散了整个防护面上的能量, 显著减小了传递的冲击力, 与刚性防护体系相比, 防护作用启动快, 而作用持续时间长2 倍以上。

采用这项技术制作的高性能服装有许多优点, 包括结构透气性好、柔软和质量小, 因此穿着舒适, 便于运动。

《每日电讯报》报道，这种凝胶名为“d3O”，可放置在士兵头盔内侧，能将子弹或弹片的冲力减弱一半，进而阻止它们穿透头盔。

发明者帕尔默说，静止或缓慢移动状态下，这种凝胶的分子之间互相分离，而“一旦受到高速冲击，分子将互相交错并锁在一起，变得坚固。

外力作用消失后，凝胶自动恢复柔软。

这种胶状物眼下已经用于制造滑雪手套、芭蕾舞鞋、护腕等体育用品。

2、缓冲减振多元组合抗冲击防护材料的开发
传统的抗冲击防护材料都使用类似的硬装甲原理, 其发展只是由金属向非金属、由重质材料向轻质复合材料过渡, 但仍是以刚性互抗来减缓或抵抗冲击。

这种抗冲击的方式无法减缓冲击物的强大动能, 冲击动能使得被冲击者或物体的运动状态改变; 也可能由于冲击动能的作用在被冲击体产生强力振动造成对被冲击体的损害。

因此, 具有缓冲减振能力的抗冲击防护材料, 更具有应用价值和使用前景。

具有缓冲减振能力的抗冲击防护材料可以为多层复合结构, 可采用多元组合的复合材料。

选用高强高韧性的纤维材料的基布、塑料发泡材料的填充物、模压树脂、金属钢片、弹簧, 将这些材料进行合理的位置配合和空间结构的配置, 充分发挥各材料的优良特性, 设计出了具有缓冲减振能力的抗冲击防护材料。

2. 1纤维原料的选择
具有缓冲减振能力的抗冲击防护材料的基布选用芳纶作纤维原料, 因为芳纶强度高、韧性大、耐热性好。

2. 2发泡减振材料选择
发泡材料主要起减振作用, 因此要体现质轻、弹性好、填充性好、与其他材料配合好、在受冲击时不易破坏的特点, 所以可采用橡胶、聚酯、聚氨酯材料进行发泡。

软性发泡材料在外力的作用下, 以压缩变形量来获得减振的性能。

3、在纺织品中的应用实例和数据分析
3.1在护膝中的应用
膝关节是人体最大，最重要的关节之一。

它承受人体的全部重量，经常处于活动状态，很容易受到损伤。

而传统护膝对人们的膝关节能起到一定的保护作用，且它就是针对膝关节的防护和病变而设计的。

但对于大多数运动员来讲，在剧烈的运动过程中，膝关节难免会与地（摔倒），他人膝关节有强度较大的对碰等情况发生而受到损伤。

将凝胶材料填充在护膝中可以改善和提升护膝保护膝盖的能力。

当膝盖受到剧烈的外力作用时，凝胶填料为了阻止分子内部分子链的相对滑移会迅速地均匀分散应力。

在此过程中，原本巨大的能量会在短时间内被其吸收大部分，从而起到保护作用。

另外，使用护膝还可以防止运动中摔伤时对表皮的损伤。

多为排球、篮球、羽毛球等球类运动者所采用，举重、健身等进行大负荷运动的人也常常使用。

天津市华农摩托车防护用品厂新近研制了一种带荧光的狗皮护膝, 并获国家专利。

该产品主要结构分三层, 外层是荧光皮革条, 中层是钢丝, 内层是狗皮裘里。

外层荧光皮革条在夜间可以反光, 引起对方车辆的注意, 避免交通事故) 中间层是按照人体膝盖形状制成的弧形钢丝层, 它可以耐一定程度的冲击, 使摩托牟驾驶员避免或减轻意外伤害) 内层的狗皮裘里具有保温、防风、生热、御寒的功能。

更进一步地，我们可以将一种或多种弹性好，高抗性的智能材料嵌入其中，那对于它的防护效果又是一个更大的一个提升。

3.2在头盔中的应用
头盔多为溜冰、滑板、骑车、攀岩等运动者所用，头盔可以减轻甚至消除物体对头部的撞击伤害，以保证安全。

头盔的减震作用，分为软保护和硬保护两种。

软保护在冲击中，通过增加冲击距离减低冲撞的力量，撞击的动能全部转移到头部；而如果将一定硬度的新型防护材料嵌入到头盔中合适的位置则可以显著增强其抗冲击的能力。

如凝胶材料保冷、保温，防水透湿的特性可大大改善其舒适程度。

更进一步说，如果计算得当，完全可以将传统头盔中的软保护层用质量轻且体积小的凝胶材料来代替。

这样的头盔无论是体积还是质量和性能
上都优于传统头盔。

硬保护没有增加冲击距离，而是通过自身的碎裂消化动能。

1 摩托车头盔防护
1．1 摩托车头盔作用减轻和避免脑损伤。

与汽车相比较，车身没有保护装置，摩托车的稳定性较弱。

在高速行驶的过程中，一旦发生碰撞，摩托车的乘坐人员和驾驶人常常会被抛出。

摩托车遭碰撞后，乘员的头部受伤有两种情况，一是前额被碰受伤，间接伤害的是后脑，这是运动中的人体（主要指头部）产生惯性的缘故。

二是被撞倒后，大多数人是后脑勺先着地，直接损伤脑干，间接伤害在前面的脑组织。

1．2 头盔构造，功能介绍：
头盔构造，头盔的主要构件与功能如下：
壳体：具有抵挡穿刺能力，表面光滑可分散冲击能力，以免冲击力集中在一处。

缓冲层：吸收并缓和分散冲击力。

舒适衬垫：保证头部佩戴舒适的衬垫。

佩戴装置：保证头盔牢固地佩戴于头部的部件。

护目镜：遮挡眼面部又不影响观察的眼面部防护部件。

1.3摩托车头盔安全技术近年发展
（1） 2005 年年底，奥地利KTM—公司宣布将生产新式头盔。

该头盔在研制过程中，参考了优秀摩托车骑乘者和制造工程师的意见，能够适应高速运动和抵抗最高级别的冲击。

（2） 2010 年1 月，英国报道英国人造出救命头盔。

在普通头盔中增加了两包东西，一包是水，另外一包是硝酸铵。

当车祸发生时，撞击会导致二者混合，从而降低头盔中（大脑）的温度，并可持续45min 之久，有效提升伤者的生还率。

（3）法国研究小组于2005 年开始研制新型头盔， 2010 年2 月研制成功。

此头盔能够对驾、乘摩托车的人给予更好的保护。

与普通头盔采用的塑料材料不同，新头盔采用的是由环氧树脂和玻璃纤维合成的层合塑料。

测试显示，在两个物体以30km/h 的速度相撞的情况下，佩戴新型头盔者的受伤几率为30％，而佩戴传统头盔者的受伤几率高达80％。

（4） 2010 年6 月，德制成新型摩托车头盔材料。

德国弗劳恩霍夫协会的科研人员研制出了一种新型摩托车头盔材料，它在受压产生细微裂纹后就会散发出香味，提醒使用者更换头盔。

（5） 2010 年12 月，据美国物理学家组织网报道，美国开发出可减少爆炸危害的新型头盔。

美国麻省理工学院的研究人员利用三维计算机模型对爆炸冲击波穿透人脑的情形进行了模拟。

研究人员借助该模型来确定减轻脑损伤的方式。

与普通头盔相比，这种头盔增加了一个由聚碳酸酯制成的透明面罩。

实验显示，该头盔在一定程度上延迟了爆炸冲击波到达头部的时间，并减小了大脑受冲击的面积。

该保护装置还能在民用领域发挥作用，减少因
车祸和运动造成的损伤。

3.3在护腕中的应用
多为排球、篮球、羽毛球等球类运动者所采用。

护腕可以有效地减轻手腕部位的过度屈伸，特别是网球的球速非常快。

凝胶材料具有一定程度的支撑作用，当手腕屈伸时，因为其良好的回弹性能和支撑作用，会将手掌部分局限在一定的屈伸范围内，避免手腕过度弯曲而受伤，减少球触拍瞬间手腕所受到的冲击力，保护手腕。

护腕中有二块护板是用作固定腕关节的，在护板的内测添加厚度适当且弹性适当的凝胶，既可以维持护板的稳固性，又能使手腕所受的作用力得到一定程度的缓冲而保护手腕。

此外，弹性的凝胶能使手腕被护腕紧密而舒适地包缠起来，使使用者更为应心地使用手腕。

将凝胶材料应用于护腕中，可有效提高护腕的保护手腕的能力。

此外，还增强了护腕的舒适性，透气透湿，不会使运动员再有闷热的不适之感。

3.4在护踝与护腿板中的应用
一般为田径项目中短跑和跳跃运动或模斯跑步机时采用较多。

使用护踝可以对踝关节起固定保护作用，防止踝关节扭伤，还能对跟腱起防止过度拉长的作用。

对踝关节损伤的运动者来说，它还能有效地减少关节活动的范围，减轻疼痛，加快恢复。

在护踝中填充凝胶材料可以缓解硬性固定关节所带来的疼痛感，且能保持关节处的温度，吸收汗液，这样有助于损伤的回复。

护腿板为足球运动者专用。

它主要是防止运动员在踢球或者铲球中伤及迎面骨，避免和减少受伤。

无论是护踝还是护腿板，甚至在于其他的防具中应用智能材料，其防护性能和舒适性能都将有所增强。

结论：
作为一种新型材料中的新星，凝胶对于外界环境条件的刺激具有响应性，可与传统纺织品结合研究出更多的功能性和智能性的纺织品。

基于凝胶材料良好的弹性回复性，有效地提高纺织品的抗伤害能力，开发用于运动过程中的防护类功能纺织产品；另外，凝胶的智能纺织品在舒适性能方面具有保冷、保温，防水透湿的特点，同时在保健方面还具有抗菌除臭，防紫外线等优点，其在纺织服装及产业用纺织品领域有着广阔的应用前景。

参考文献：。