Textilie s tvarovou pamětí jsou textilní materiály schopné reagovat na vnější podněty tak, že se mohou deformovat a po deformaci obnovit svůj původní tvar.^[1][2]

Ve 2. dekádě 21. století byl ve světě zaznamenán intenzivní výzkum materiálů s tvarovou pamětí (SMM). V textilním oboru bylo zveřejněno asi 200 zpráv o projektech se zaměřením na technické textilie (aktuátory v elastických robotech, stenty aj) a oděvy (např. proměnlivá prodyšnost, odstranění mačkavosti). Zatímco v jiných oborech se prodávají výrobky s tvarovou pamětí za cca 10 miliard USD ročně, je praktické použití SMM na textiliích (v roce 2021) jen málo známé.^[3]

Princip tvarové paměti

Tvarová paměť se může vyvolávat u určitých kovových slitin, polymerů, gelů a keramických materiálů. Funkce paměťového efektu je u nich závislá zejména na spirálové struktuře, příčné vazbě molekul, vodíkovém můstku a existenci separátních fází.^[4] Jako stimuátor efektu tvarové paměti může působit: světlo, teplota, vodíkový exponent pH, magnetizmus, elektřina nebo vlhkost.^[5]

Mechanizmus termálně stimulované tvarové paměti polymerů se dá zjednodušeně znázornit cyklem:

původní tvar polymeru → zahřívání nad bod tavení → programování požadovaného tvaru → chlazení → programovaný tvar → zahřívání → znovunabytí původního tvaru^[6] (Na nákresu vpravo je T = výchozí teplota a Tg = teplota skelného přechodu)

Schopnost materiálu k programování mechanické deformace a „zapamatovat si „ přechodný a původní tvar se dá hodnotit dvěma parametry:

koeficient fixace pnutí (strain fixity ratio)

${\displaystyle R_{f}(N)={\frac {E_{u}(N)}{E_{m})}}}$ x 100%

koeficient obnovení pnutí (strain recovery ratio)

${\displaystyle R_{r}={\frac {E_{m}-E_{p}(N)}{E_{m}-E_{p}(N-1)}}}$ x 100%

kde Eu = programované napětí polymeru

Em = maximální napětí dosažené po chlazení

Ep = obnovené napětí

N = počet termomechanických cyklů^[5]

Druhy materiálů s tvarovou pamětí (SMM) pro textilie

Z materiálů s tvarovou paměti jsou pro textilní výrobky vhodné zejména polymery (SMP) a některé kovové slitiny (SMA).^[7]

Molekulová struktura polymerů je tvořena polymerní sítí, která sestává ze dvou segmentů. Jeden je vysoce elastický a druhý funguje jako molekulární spínač nebo reaguje na vnější podnět snížením tuhosti.^[8]

U slitin účinkuje tvarová paměť většinou na principu teplotního simulátoru. Slitina přechází z martenzitové do austenitové fáze, v austenitové fázi je aktivována a vrací se do naprogramovaného tvaru.^[2]

Hlavní vlastnosti SM polymerů a slitin ukazuje následující tabulka:

^[9]

Polymery s tvarovou pamětí (SMP)

byly poprvé představeny v Japonsku v roce 1984. V odborné literatuře je sice popisována řada možných aplikací zejména pro medicínské účely, senzory a aktuátory, ale na trhu se najde jen nepatrný počet textilií z polymerů s tvarovou pamětí.^[10] V roce 2021 se odhadoval celosvětový výnos z prodeje výrobků z SMP na 450 milionů USD.^[11]

V literatuře jsou uvedeny příklady

• potenciálního použití SMP:

v tzv. chytrých textiliích^[12] americký patent na materiál aktivovaný vlhkostí, kopolymery na bázi poly-ethylen-oxidu a poly-ethylen-telftálatu reagující na změnu teploty

• komerčně vyráběné: membrány Diaplex s SMP z polyuretanu s teplotní reakcí, pryskyřice s tvarovou pamětí Veriflex jako kompozitní matrice^[10]

Slitiny s tvarovou pamětí (SMA)

Za nejstarší známý materiál s tvarovanou pamětí (SMM) je považována slitina Au/ Cd s tzv. pseudoelastickým efektem vynalezená Švédem Olanderem v roce 1932. První průmyslově vyrobené slitiny s tvarovou pamětí (SMA) přišly začátkem 60. let 20. století z USA pod značkou Nitinol.^[10] V roce 2022 dosáhl výnos z prodeje slitin SMA celosvětově 9,2 miliard USD. Údaje o podílu SMA pro textilní účely nebyly dosud publikovány.^[13]

Slitiny SMA se vyrábějí ve formě tyčí, pásů, drátů, vláken, trubiček, fólie aj. Tavení se musí provádět ve vakuu, mechanické vlastnosti finálního výrobku jsou závislé především na způsobu chlazení.^[10]

Na „textilní drát“ se používají většinou slitiny Ni/Ti. Ingoty z předchozí tavby se extrudují ve vakuu (VIM plant) při 950-1050°C. Extrudované předvýrobky (tyče) se při strojním obrábění odoxidují a při 900°C rozloží na příčné řezy po 50 mm², ze kterých se vyrábí tažením za horka a za studena drát^[14][15] s tloušťkou 0,025-4 mm.^[16]

Drát se většinou povrstvuje např. s PTFE nebo s jinými polymery, používá se však také nepovrstvený.^[17]

Dráty se také často obeskávají s polymerními filamenty (např. Ni/Ti drát 0,2-0,3 mm obeskaný PU filamentem s tloušťkou 0,15-0,35 mm). Příze se dá použít na téměř všechny druhy plošných textilií.

Z pokusné výroby jsou známé:

• Textilní aktuátor se vyrobený jako pletenina z aktivní, kovové niti (drát opředený polyesterovými vlákny) a neaktivní niti z běžných textilních vláken. Pletenina se dá vyrábět např. ve tvaru prstů, které působí jako svorka.^[18][19][20]
• Ochranný oděv pro hasiče (z roku 2020) ve složení: Drátěné pružiny (0,36 g/kus) konického tvaru s tvarovou pamětí (55 % Ni/45 % Ti) mezi vnější laminovanou tkaninou a podšívkou z aramidových vláken. Při změně teploty se tloušťka pružné vrstvy může zvýšit ze 6 na 20 mm. Po 50 cyklech se vrací 79 % tvaru. Účinnost ochranného oděvu pro hasiče se zvýší oproti konvenčním až o 30 % a nemění se ani po 50 vypráních.^[21][22]

• Kompozity z kombinace drát s tvarovou pamětí/textilní vlákna jako výztuž (matrice z epoxidové pryskyřice) přináší podstatné zvýšení účinku tvarové paměti. Výzkumné práce s kompozity s podobnou strukturou dokazují podstatné zvýšení účinku tvarové paměti. Ve 2. dekádě 21. století bylo ve světě zveřejněno asi 500 teoretických prací na toto téma^[23] včetně návodů k instalaci výrobního zařízení.^[24] Celosvětový výnos z prodeje hybridních kompozitů obnášel v roce 2022 přes 525 milionů USD, výrobky s tvarovou pamětí však nejsou v této částce obsaženy.^[25]

4D textilie s tvarovou pamětí

Příklady:

Kompozit z PLA s tvar. pamětí potiskovaný na tkanině z polyamidu se termomechanicky deformuje a zahříváním vrací k původní formě.

Kruhově splétaný předvýrobek zhotovený z PLA 3D tiskem se částečně ponoří do matrice z elastického silikonu. Tak se dá vyrobit „otevřená“ trubice s vysokou návratností po deformaci, která se rozřezává a formuje do tvaru svorek.^[3]

4D textilie s tvarovou pamětí se mohou v budoucnu použít zejména v biomedicíně. V roce 2022 se tato technika nacházela (celosvětově) teprve ve stádiu výzkumu.^[26]

Odkazy

Reference

Literatura

• Kyosev/Mahltig/Swarz-Pfeiffer: Narrow and Smart Tetiles, Springer Cham 2017, ISBN 978-3-319-69050-6
• Denninger: Lexikon technische Textilien, Deutscher Fachverlag 2009, ISBN 978-3-86641-093-0, str. 136
• Hu: Shape Memory Polymers and Textiles, Woodhead Publishing 2007, ISBN 9781845693060

Související články

• Funkční textilie
• Outlast (materiál)
• Slitiny s tvarovou pamětí
• Fázový přechod

Zdroj