仿生纺织品的设计及应用

蜘蛛丝蛋白的合成
蜘蛛蛋白丝产生的三种途径： (1) 利用动物（奶牛或奶羊）来生产蜘蛛蛋白; (2) 利用微生物来生产蜘蛛蛋白； (3) 利用植物来生产蜘蛛蛋白。
仿生纺织品的设计思路
• 仿生智能纺织品
• 纳米技术的应用
• 仿生智能纺织品 利用人工材料模仿自然界生物体的结 构和性能来设计纺织品，使纺织品获得 由这些结构带来的“功能”，即为仿生 智能纺织品。
层压结构纱 示意图
PET与Ny层压结构纱纺丝示意图
光显色纤维截面电镜照片
• 模仿植物叶子呼吸原理开发的有呼吸功 能的纺织品
保护细胞
孔
气孔
植物叶子气孔结构
弹性气室
泵吸作用
微 气 候 皮 肤
Stomatex作用示意图
• 仿鲨鱼皮织物
鲨鱼皮肤表面denticles鳞片结构 Fastskin™游泳服所用织物
谢
谢
2006.12
Hale Waihona Puke Baidu
NanospereTM 织物的拒水防污功能
仿生纺织品的发展前景
• 仿生学作为生物学和技术学相结合的学 科，旨在技术方面模仿自然界生物体的 功能，在生物学和技术之间架起一座桥 梁，通过生物学原理的再现，寻找解决 技术问题的方案。随着仿生技术、纳米 技术等高新技术和纺织技术的融合，为 仿生纺织品的开发提供了全新的途径， 有极为广阔的发展前景。
仿生纺织品研究开发举例
• 模仿蛾的角膜结构开发的超微坑纤维 • 模仿荷叶表面凹凸粗糙结构开发的超拒水织物 • 模仿蝴蝶翅膀的结构开发的光显色纤维（结构 生色纤维） • 模仿植物叶子呼吸原理开发的有呼吸功能的纺 织品 • 仿鲨鱼皮织物 • 仿蜘蛛丝的研究
蛾眼睛角膜表面防反射层结构
可见光与纤维的作用方式
指标 135 2.5 L0=100 L20=90
备注 JISL 1096 JISL 1096(摆锤法) JISL 喷淋法
拒水性（滚动角）/° 耐水压/mm 透气性/[cm3/(cm2· s)] 透湿性/[g/(m2· 24h)]
L0=7 L20=9 600-700 0.5 ≥8000
帝人法 JISL 1079（低水压法） JISL 1079 JISL （杯子法）
Fastskin™织物工作原理示意图
• 仿蜘蛛丝的研究
六喷丝孔
四喷丝孔
喷丝套管
蜘蛛丝的性能：
(1) 丝细强度高、柔韧性弹性好、耐冲击力强。 Nephila Clavipes 热带蜘蛛丝 直径：0.74~1.16dtex；强度（6.4~8.2）N/dtex (2) 耐低温：-40 ℃仍有弹性。 (3) 生物可降解。
仿生纺织品的设计与应用
天津工业大学 纺织学院 顾振亚
什么是仿生学
• 从生物体优异的功能中得到启迪，通过 模仿生物体的结构、形态、功能和行为 或从中得到启示来设计和制备智能材料 以解决所面临的技术问题的认知方法， 即为“仿生”。 • 仿生学是“模仿生物的科学”。
仿生纺织品的研究开发
• 基于仿生的思路，模仿生物体的结构和 特性，对纺织品进行仿生设计，制备具 有生物体特殊功能（智能）的纺织品， 称为“仿生纺织品”。
Microft®<Rectas>®结构
100
Microft.<Rectas>
拒水性 喷淋法
80 60 40 20 0 0 5 10 15 洗涤次数 20 25 30
高密度棉织物
普通高密度透湿 拒水织物 耐纶塔夫绸
MicroftR <Rectas>拒水性的耐洗性
项目 面密度/（g/m2） 撕破强力/kg 拒水性
超微坑纤维的表面微细凹凸结构
• 模仿荷叶表面凹凸粗糙结构开发的超拒 水织物 • 荷叶效应
荷叶表面的微观结构
水滴在荷叶表面形成滚动的小球
荷叶表面尘土随水滴一起滚落去除
水溶性胶水也能从荷叶表面滚落
荷叶表面上的油性污垢也能被水滴洗除
疏水粗糙表面和光滑表面除尘方式比较示意图
• 超拒水织物Microft-Lotus
• 模仿蝴蝶翅膀的结构开发的光显色纤维 （结构生色纤维） 闪蛱蝶
Morpho didius闪蛱蝶
Morpho didius翅瓣结构电镜照片
入射光 干射
0.54μm
0.16μm
薄片
翼鳞粉
1.8μm 1.7μm
0.08μm 0.14μm
0.70μm
横肋 支撑细条
0.12μm
翅瓣截面结构图
• 显色纤维Morphotex
仿松果的智能纺织品
• 纳米技术的应用 拒水、防污自洁织物NanosphereTM
无Nanosphere结构的织物表面
Nanosphere结构的织物表面
NanospereTM 织物表面结构
Nanosphere 结构织物表 面滴 水 尘土
Nanosphere 结构织物表面，尘 土粘附于水滴上
水滴滚落时，尘土也随之冲去