形状记忆PTT纤维的技术发展及其应用

形状记忆PTT纤维的技术发展及其应用形狀記憶PTT纖維的技術發展及其應用

紡織綜合研究所劉湘仁

一、前言

由於新材料的開發,表面機能領域獲得創新的面貌及藝術設計系統的整合,使得服裝新的應用逐漸被開發出來。進入二十一世紀,高科技材料的發展日新月異,具有記憶功能的智慧纖維,將我們的生活帶入了夢幻般的奇妙世界。智慧型紡織品,源自於80年代初期可穿戴運算,Wearable Computing,的概念,希望透過無線通訊架構與電腦科技的結合,讓電腦的影響無遠弗屆。當你一人孤獨的行走時,身上的衣服能夠發出動聽的音樂,伴你愉悅前行不再寂寞,當你不慎遭遇危險時,身上的衣服會發出救援信號,幫你儘快逃離險境,當你駕駛汽車時,駕駛座上的坐墊會根據你的坐姿,自動調節成貼合身體的曲線形狀,使你舒適行駛減輕疲勞,這些都是具有記憶功能的“有智慧的衣服”,它為我們的生活帶來樂趣和便利。智慧型紡織品在最近十年內日益受到重視並開始有商業化的構想,根據VDC(Venture Development Corporation)2008年最新調查報告,智慧型紡織品整體市場在2004到2008年間的五年平均成長率保守估計為11.30%,然而依據VDC 2008年實際市場調查數據顯示SFIT(Smart Fabrics/Interactive Textiles智慧型紡織品,的市場銷售值達6.4億美元以上,而實際平均成長率,出乎意料高出預估值約2.5倍達到27.0%。

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本文將探討具有形狀記憶功能的纖維- PTT(PolyTrimethylene Terephthalate 是聚對苯二甲酸丙二酯纖維的簡稱)纖維的技術發展及其應用。具具有形狀記憶功能的纖維是智慧材料的一個重要分支,用智慧材料製成的紡織品具有對外界刺激感知和反應的能力。近一年以來,由PTT高聚物製做的形狀記憶布料在國際市場

上非常搶手,臺灣、韓國生產的形狀記憶布料的出廠價每米在180元左右,形狀記憶織物已經成為高附加值紡織品。而PTT纖維的各項物理機械指標和性能都優於PET 性能。形狀記憶PTT纖維的開發成功,將逐步替代部份彈性及尼龍纖維。另外,PTT 纖維兼有聚酯和聚胺的特性,除防汙性能好外,還有易於染色、手感柔軟、富有彈性、易乾等特性。因此,PTT纖維將逐步成為21世紀重要纖維。

二、形狀記憶纖維的原理簡述

具有形狀記憶的材料有記憶合金、陶瓷、高分子聚合物、凝膠、纖維等。形狀記憶材料具有記憶、回應、回復、抗震及適應性等優良特性。形狀記憶效應,則是指通過熱、化學、機械、光、磁、電等外界刺激,觸發材料回應,從而改變材料的形狀、位置、應變、硬度、抗震、摩擦性能等。這些形狀記憶材料可以製成薄膜、纖維、絲線、顆粒等品種形式,也可以與其他材料結合製成複合材料,因而其發展也越來越受到重視。

形狀記憶纖維則是指纖維一次成型時,能記憶外界賦予的初始形狀和特性,定型後的纖維可以任意地發生形變,並在較低的溫度下將此形變固定下來,二次- 2 -

成形,或者是在外力的強迫下將此變形固定下來。但當已經變形的纖維在遇到特定的外部刺激時,形狀記憶纖維可回復至原始形狀,也就是說最終的產品具有對纖維最初形狀記憶的特性,使用該種形狀記憶纖維製得的織物被稱為形狀記憶織物。一般高分子材料在其玻璃化轉變溫度,Tg,附近,機械性能會發生明顯變化。Tg以下則表現為剛性與脆性,Tg以上則表現為彈性與柔性。這些性能由玻璃態向高彈態的變化,正可以利用此特性賦予其特殊的功能,即形狀記憶功能。具有形狀記憶功能的聚合物,它是由具有兩種不同玻璃化溫度的高分子材料聚合而成的嵌段共聚物,均具有兩相結構。低玻璃化溫度的部分稱為軟段,高玻璃化溫變的稱為硬段。硬段保持固定形狀稱為固定相,軟段在某種溫度下能發生軟化,硬化可逆循環變化稱為可逆

相。固定相的作用是初始形狀的記憶和恢復,第二次變形和固定則由可逆相來完成。固定相可以是聚合物中的交聯結構、部分結晶結構等,可逆相則為發生玻璃態與高彈態可逆轉變的非晶相結構或產生結晶與結晶熔融可逆變化的部分結晶結構等,以聚乳酸交鏈體及其再回收料的摻合物的形狀記憶效應說明如圖一。

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圖一、聚乳酸交鏈體及其再回收料的摻合物的形狀記憶效應

從廣義上講,凡是具有固定相和軟化,硬化可逆相結構的聚合物都可以作為形狀記憶聚合物,但其應用價值取決於可逆相轉變所需的外界條件。柔性的軟段區,也稱可逆相,在其玻璃化轉變溫度,Tg,以上,能產生很大的形變,而在硬段區,也稱固定相,內,分子被其相互間的物理交聯作用所固定。由於軟硬段的共價交聯而抑制了鏈的塑性移動,從而產生了回彈性。軟段在室溫範圍內是結晶的,或玻璃化轉變溫度必須高於室溫,即具有塑膠的特性,在二次成型時,當溫度升到軟段的結晶態熔點或高彈態時,軟段的微觀布朗運動加劇而易產生形變,而當溫度下降到其玻璃態時,形變被“凍結”固定下來,如果再次加熱至軟段的結晶態熔點或高彈態時,使軟段區,可逆相,軟化,但硬段仍處於玻璃態或結晶態,阻止分子鏈產生滑移,抵抗形變,從而產生回彈性,即記憶性,使製品又可恢復到初始的形狀。在聚合物的三種形態,玻璃態、高彈態和粘流態,只有其處於高

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彈態時在理論上才具有形狀記憶功能,當聚合物處於玻璃態和粘流態時,不可能產生形狀記憶功能。結晶度高的聚合物,由於主要顯示其結晶相的性質,不可能顯示其形狀記憶功能。例如,PET高聚物同樣具有兩相結構,理論上可用作形狀記憶材料,但是它80?的相轉變溫度,Tg,與人體溫度和環境溫度都相差較遠,使它在日常生活

中很難體現形狀記憶功能。PTT的可逆相轉變溫度低於PET數十度,而且可以通過

調節結晶度等內部結構調節其轉變溫度,這是開發PTT形狀記憶布料非常有利的條件。

三、PTT纖維特性

PTT是對苯二甲酸丙二醇酯,PolyTrimethylene Terephthalate,之簡稱,原料是丙二醇,PDO,與對苯二酸,TPA,所聚合而成之高分子,其分子式如圖二。

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圖二對苯二甲酸丙二醇酯 PTT分子式

其中PDO單體早在1940年代便已進入研究階段,但因為生產成本過高而無法商業化,一直到了1990年代Shell公司進一步改善製程將PDO之製程能力提- 5 -

高,而使生產PTT樹酯之成本下降,終於達到商業化之目的,並且投入生產PTT

樹酯之生產。

PTT纖維與PET,聚對苯二甲酸乙二酯,纖維、PBT,聚對苯二甲酸丁二酯,纖維同屬聚酯纖維,由同類聚合物紡絲而成,PTT纖維之CH2基團的數量為三,形成特殊之

奇碳效應,所以在三度空間的分子排列便和PET纖維有明顯的不同,反而與Nylon比