纤维基材料的仿生学研究动向
邓肯道夫纺织技术与工艺研究所（德国）
摘要:纤维基技术的应用对仿生学的成功发展呈现出巨大的潜力,因为宇宙成物在生长过程、多毛结构和增强纤维方面具有许多相似性。约七年前,邓肯道夫纺织技术与工艺研究所协同众位生物学家一起开创了仿生学的研发,至今方兴未艾。
关键词:纤维基材料,仿生学,毛状表面,复合材料
在表面技术领域,研发人员以荷叶作为典型的自清洁表面,为减少水中的摩擦巳开发了贮气边界层。环境技术研究人员与工业界一起研制了一种装有新型过滤袋的自适应过滤系统,并提出了一种能量自给的液体传输用的纤维系统计划。能源技术采用的新型蓄热材料灵感来源于北极熊的毛皮。用于控制气候的可适应和可呼吸的隔膜也已经过测试。
轻质结构的研究集中在注重根据材料的承载需要进行纤维定向增强,以及特殊规格的微观/宏观拉挤成型秸杆状产品。
1纤维基材料在仿生学中的潜力
术语“仿生学”(bionics)是由术语“生物学”(biology)和“技术”(technology)构成的。它表达了从令人神往的大自然生物界分别到技术产品和技术系统的研究成果的创造性转化。自然科学家(如生物学家〕和工程技术人员多学科的紧密协作可认为是必不可少的前提,各个专业术语在这里也是密切相关的。
1.1从微观结构到宏观结构
如果要生产体积庞大的原材料,人类通常是通过技术手段先生产体积较小的部分,然后再拼装起来,然而,大自然则完全不同。受遗传基因的控制和环境的影响,物质先从最小的单元——原子和分子开始,然后逐步聚集,从最小的结构发展成为较大的结构。这种成长方式可以形成非常复杂的系统,它具有的功能以及物质和能量的消耗都远远超过了人类的技术产物。
纺织技术提供了大量的自然界物质的类似物,从单根纤维开始,有时甚至是只有几纳米的直径,通过工程技术手段逐步“复合”稍大的个体。这种方法的根本优势是不会产生大量的废料且几乎不消耗能源。
1.2毛状表面
自然界中表面性状差异最大的当属毛的表面结构。毛生长在昆虫的上体和下体,昆虫硬壳中的滑翔翼部分,鸟类的羽毛,动物的毛皮,以及蜘蛛网上。这些毛羽表面的功能繁多,但尚未完全为人所知。大多数各种各样的纤维加工、纤维取向和后整理的方法完全适用于将生物功能转化为技术产品。
1.3复合材料中的纤维
自然界中的纤维增强材料有很多形式,越是深入分析这些材料,就越会有惊人的发现。如果我们试图去寻找并复制它们,那么就会发现纳米级纤维,渐变结构、高强材料和功能截面等都可在自然界结构中出现。
复合材料以刚柔两种形式存在于骨骼、茎秆、叶子和表面中,由有机和无机两种物质组成。下面介绍邓肯道夫纺织技术与工艺研究所在仿生学上的研发活动。
2表面领域的研究活动
2、1自清洁表面
邓肯道夫纺织技术与工艺研究所研究得出防水整理后织物结构、表面构型和湿态性能之间的基本联系,它提供了开发具有“荷叶效应”的自清洁纺织品的基础。
早先的调查显示,由织物织纹和纱线类型生成的织物表面构型,会对织物在湿态下的性能造成很大的影响。水滴在疏水的织物上滚动,其滚动性取决于纱线的类型,如短纤维纱或长丝。长而表面突出的纤维,通常会增大液滴在织
物表面的滚动性,而环锭纱会阻止水滴的滚动。短而表面突出的高密度纤维,如非织造布上会在一个很小的区域内停留住水珠,从而产
生有益的“荷叶效应”,如图1所示。
图1 在具有“荷叶效应”的织物上的球状水滴
为了具有较好的自清洁功能,水必须能很方便地接触到污物。所以,不能说只要是具有多毛结构的试样若疏水性好,就会具有很好的自清洁能力。荷叶就是一个很好的证明,它有微米和纳米的疏水结构,却没有多毛结构,但超级疏水特性带来的是优异的自清洁能力。反观女士披风,毛羽椿在疏水层表面,它们可阻止雨水接触到真正的织物表面,然而,毛羽降低了小水滴的流动性。与此同时,邓肯遒夫纺织技术与工艺研究所在添加剂的研究上取得了进展,纺织品试样可以利用“荷叶效应”获得自清洁功能,如图2所示。
图2 自清洁表面的测试印章
2.2水下的贮气边界层
无论是动物还是植物,为了避免体表被水弄湿,它们都选择了疏水的、多毛体表,如鸟类,尤其是像矶鹞之类的水鸟,以及某些生活在水边的特殊的蜘蛛。
自然界的动植物不断追求可以在游泳和潜水时不被弄湿的方法,多毛体表无疑是最显著的特征。所以,纺织物因其纤维基结构,具有相当大的潜能形成疏水空气分隔层。多毛表面纺织品的代表是植绒产品,从疏水的、可湿润的低毛丛密度表面到超疏水的、不可湿润的高毛丛密度表面,水滴和毛丛间形成稳定的空气层,如图3所示。
图3 在疏水多毛织物上的水滴，从左到右毛丛密度由低到高
相关研究显示最优化的织物表面,由经过蓬松和疏水性整理的纱线织成,这种织物即使放入水中4天也不会被浸湿(图4)。
图4 由具有极佳的贮气能力的特殊膨体纱织成的织物
3环境技术领域的研究动向
3.1自适应微过滤系统
自然界有很多形式的自适应过滤系统,最新自适应微过滤系统的发展早先己报道过。
3.2无泵液体传输
最近基于纤维基系统的无泵液体传输发展迅速。在德国蒂宾根大学的合作下,用于长距离传输低粘度液体的新颖产业用纺织品已研制成功,这种产品是按蔬菜输水系统的模型设计的(图5)。
图5 聚合物中空泵纤维的横截面
树木尤其是攀藤植物,它们无需机械泵系统就可将水传输到相当的高度和距离,且不会消耗自己的能量。
太阳通过树枝末端的蒸发袖吸作用提供给树木所需能源,植物值得纺织材料效仿的,除了不用机械泵传输外,以下几点也颇有益处:
-传输的液体量严格按照植物所需供给,对液体需求取决于植物新陈代谢的过程和水分蒸发。
-传输液体绝对安全,避免了传输过程中遇到拴塞和进行修复。
攀藤植物有大量的输水细胞,它们通过数百米长的树干高效、安全地传输水分,攀藤植物的这一特性对机械传输具有参考价值。由于内压较高,输水细胞里有形成气泡的危险,会造成滴流中断,阻断水的传输(形成拴塞),所以植物要想安全地传输水分,必须依靠输水细胞的内表面和连接各输水细胞的隔膜管的微观形态和生物化学性能,这些不同的机构对阻止栓塞的出现帮助很大。迄今为止,在没有机械泵系统的情况下,尚未有任何技术方案解决超长距离输水这一难题。
新型无泵地下浇灌系统经济节省,特别适合节水的需要(从生态学上来说,水是非常宝贵的资源)。利用纺织品传输大量的液体用于制药业、制衣业和燃料电池(带走形成在燃料电池瞑上的水),这是仿生纺织品可能涉足的又一领域。
4能源技术与管理的研究活动
4.1用于太阳能应用的透明绝热材料
仿生学的开发热点是加强利用太阳能,目前研究者们参考北极熊的太阳增热功能皮毛,首次开发出柔性透明绝热材料。
4.2用于调节气候的可呼吸的适应性薄膜
研究所在蒂宾根大学的合作下分忻得出,植物生产新物质时要蒸发水分的这一原理可以应用到有自调节微孔的物质上,进行最优化的液体传输,如布料、家具布和绷带。为了达到这个目的,解剖学研究首次用于观察植物孔洞的结构,尤其是用于描述孔洞的微观结构,因为它是优化运水性能的关键(SEM,三维显微镜成像法),并可用计算机模仿草本植物孔洞内的透湿情况。显微镜观测植物截面的微观结构,计算机模仿孔洞以及表面活动的相互作用,揭示了特性不同的微细结构不同的透湿效果。研究结果显示,结构是透湿性能的关键。
上述研究得出,用纺织材料实现草本植物的蒸发效果有以下两点:
-具有湿感应系统的叶片的各层物质是不同的。两个多孔渗水的物质应当孔对孔堆叠起来,这些物质表面布满着可膨胀的介质,遇湿即胀,从而形成孔洞蒸发水分。
-将两种不同类型的纤维结合起来,一种对湿度极其敏感,遇湿后会变长,另一种遇湿不起变化,那么可形成类似草本植物的蒸发效果。
相关的织物试样已经开发,其透气透湿的适应性功能被证明确实有效。如要阻止水从外面渗入,可以在织物的表面涂上防水层。
5轻质结构领域里的研究活动
复合材料技术领域里的仿生学研究包括实现自然的最优化重量的结构,比如像骨骼、茎秆之类的高刚度物质。天然纤维最优化的取向与受力方向一致,这仅是为了满足纤维的需要。研究的目的是为了开发廉价的纺织技术,同时开发出增强纤维,利用纤维特殊的结构分散了外力,比如管状结构被用于承受弯曲、皱折和扭曲力。随着最近这个项目的立项,邓肯道夫纺织技术与工艺研究所的网络合作伙伴——德国弗赖堡大学的“植物仿生学小组”开发了相关的研究成果。研究成果利用了茎秆的结构,优化了复合材料的截面,它的比强度和比刚度都很大,并具有高度的承受动态压力的能力。
薄胞壁、带状加强结构的热定型中空双组分纤维,以及首个“产业用秸杆”的试样已由ITV拉挤成带设备生产出来(图6)。
图6 拉挤成带纤维的的轮廓产业用秸秆状产品
6发展前景
邓肯道夫纺织技术与工艺研究所在仿生学领域的研究是未来开拓纤维基材料市场的关键决策,项目由公共基金赞助,研究所才得以进行必要的基础研究,并取得了产品开发的重要进展。
戴自怡译 李毓陵校
