132 A. ŠALEJ i sur.:Primjena legura nikla i titana (NiTi-NOL) u pametnim tekstilijama i odjeći, Tekstil 60 (4) 132-141 (2011.) Primjena legura nikla i titana (NiTi-NOL) u pametnim tekstilijama i odjeći Alenka Šalej, dipl.ing. David Bombač, dipl.ing. Prof.dr.sc. Peter Fajfar, dipl.ing. Doc.dr.sc. Tatjana Rijavec, dipl.ing.* Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta Oddelek za materiale in metalurgijo *Oddelek za tekstilstvo Ljubljana, Slovenija e-mail: [email protected]; [email protected] Prispjelo 31.1.2011. UDK 677.014:687:669.24 Pregled Legure nikla i titana (NiTi-NOLi) ubrajaju se u tzv. pametne materijale koji mijenjaju svoj oblik i superelastičnost pod utjecajem topline, odnosno tjelesne temperature i temperature okoliša. Primjenom legura sa svojstvom prisjetljivosti oblika moguće je projektirati i razvijati pametne tekstilije i odjeću s funkcijama samoprilagođavanja za primjenu u različitim područjima - od medicinskih tekstilija, osobne zaštitne opreme, tekstilije za unutarnje uređenje, tekstila za sport do geotekstila. Nitinol djeluje kao senzor za tjelesnu temperaturu i temperaturu okoliša ili kao aktuator dijelova tekstila u animiranoj kinetičkoj odjeći. Jezgra pređe, koja je izrađena od unaprijed programiranih Nitinol vlakana debljine manje od 100 µm, omotana je tekstilnim vlaknima. Nitinol žice debljine 100-300 µm i Nitinol opruge također nalaze primjenu u praksi. Zbog slabe rastezljivosti i visoke krutosti Nitinola, pređu je teško savijati i oblikovati u očice, zbog čega pletenje postaje vrlo složen proces. Osim visoke cijene, slaba strana Nitinola je složenost programiranja prisjetljivosti oblika koje je posebno zahtjevno kod upotrebe čistih Nitinol vlakana. Primjenom jednosmjerne prisjetljivosti oblika Nitinola razvijene su Velcro (čičak) trake, samoglačajuća odjeća, tekstil za regulaciju tjelesne temperature ili osvjetljenja prostorija. Dvosmjerna prisjetljivost oblika Nitinola primjenjuje se u oprugama za samopodešavanje termoizolacijskih svojstava zaštitne odjeće za vatrogasce. Svojstvo superelastičnosti Nitinola koriste za medicinske kompresijske čarape i grudnjake, a sposobnost apsorbiranja udarne energije dobro je iskorištena u proizvodnji neprobojnih prsluka. Ključne riječi: legure sa svojstvom prisjetljivosti oblika, SMAs, superelastičnost, Nitinol, kinetička haljina, samoglačajuća odjeća, odjeća za vatrogasce, neprobojni prsluci 1. Uvod Najveću komercijalnu primjenu među legurama koje imaju svojstvo prisjetljivosti oblika danas imaju le- gure nikla i titana, te njihov udio na tržištu iznosi čak 90 % [1]. William J. Buehler je u ranim 1960-im godinama, dok je istraživao legure otpor- ne na toplinu i koroziju, slučajno otkrio da legura sastavljena od 55 at. % nikla i 45 at. % titana ima neobično svojstvo koje se ispoljava tijekom za- A. ŠALEJ i sur.:Primjena legura nikla i titana (NiTi-NOL) u pametnim tekstilijama i odjeći, Tekstil 60 (4) 132-141 (2011.) grijavanja. Naime, pod utjecajem topline savijena žica izrađena od te legure uspostavila je svoj prvobitni oblik, što ukazuje na to da je taj oblik «zapamtila» [2]. Legura je nazvana NiTi-NOL, što je akronim kemijskog sastava legure (nikal-titan) i imena laboratorija (Naval Ordnance Laboratory) u kojem je razvijena. Danas je Nitinol generičko ime za porodicu legura izrađenih od nikla i titana koje, u ovisnosti o njihovim udjelima, imaju svojstva prisjetljivosti oblika i superelastičnosti. Uglavnom sadrže 48-60 at. % nikla, 40-52 at. % titana, te 0-0,1 at. % željeza, bakra ili niobija koji poboljšavaju svojstva legure. Od otkrića svojstva prisjetljivosti oblika Nitinola do njegove uspješne primjene u praksi prošlo je gotovo cijelo desetljeće. Znanstvenicima je u tom vremenu uspjelo poboljšati razmjerno slaba svojstva prisjetljivosti oblika Nitinola i smanjiti visoke proizvodne troškove. Nitinol je prvi put primijenjen u praksi 1970. godine, i to u visokotlačnom hidrauličkom sustavu za hidrauličke sklopke lovačkog zrakoplova F-14 Američke vojne mornarice [3, 4]. U usporedbi s drugim komercijalno dostupnim legurama, posebno legura s bakrom (CuZnAl, CuAlNi), Nitinol se ističe većom stabilnošću prisjetljivosti oblika, boljom superelastičnošću (do 8 % elastične deformacije) te sposobnošću apsorbiranja udarne energije i prigušivanja vibracija. Nitinol ima slaba elastična anizotropna svojstva, dobra mehanička svojstva, visoku duktilnost, dobru otpornost na koroziju i abraziju, otpornost na vlagu, a uz to je i elektrovodljiv i biokompatibilan. Unatoč visokoj cijeni, koja može biti čak 400 puta viša od cijene čelika, Nitinol se, zahvaljujući kombinaciji nabrojenih svojstava, uspješno afirmirao na brojnim područjima primjene. Unatoč tome što postoje već tisuće patenata za primjenu Nitinola [5] ipak je razmjerno mali broj komercijalno uspješnih proizvoda. To se može pripisati visokoj cijeni, koja je posljedica kompleksne proizvodne tehnologije Nitinola i nedostatnom poznavanju procesa programiranja njegovih toplinsko-mehaničkih svojstava. Primjena Nitinola smislena je ukoliko se radi o elementima malih dimenzija ili rješenjima koja bi se teško ostvarila primjenom klasičnih materijala i sustava. Nitinol se uglavnom primjenjuje u aeronautičkoj, svemirskoj i automobilskoj industriji za razvoj spojnih cjevastih elemenata i mikroelektromehaničkih sustava (antene mobilnih telefona). Zahvaljujući svojoj biokompatibilnosti, Nitinol se uspješno koristi u medicini (optometrija, ortopedija i zubna kirurgija) [6], najviše za samoprilagodljive ortodontske aparate, kirurške implantate za spajanje slomljenih kostiju ekstremiteta [7], i za okvire naočala. Nitinol se već nekoliko desetljeća koristi za alat za minimalno invazivne kirurške zahvate. Obradom površine Nitinola električnim poliranjem i nanošenjem dovoljno debelog sloja titanijevog dioksida (TiO2) na površinu sprječava se oslobađanje toksičnih iona nikla i njegovo prelaženje u tijelo. Zbog svoje niske energetske učinkovitosti, sporog odazivanja i visoke histereze, Nitinol se manje uspješno primjenjuje na području izrade robota i umjetnih mišića. U svojstvu aktuatora Nitinol razvija dovoljno velike sile zbog čega je učinkovit i u kompozitima u kojima je ugrađen u matricu u obliku žica ili vlakana. U krutoj kompozitnoj strukturi matrica sprječava povratak deformacije Nitinola u prvobitno stanje, zbog čega nastaju naprezanja koja se mogu u kompozitu funkcionalno upotrijebiti za nadzor statičkih i dinamičkih svojstava kompozita [8]. Novost na području primjene Nitinola su hibridi sa svojstvom prisjetljivosti oblika. Rezultat sinergističkog međudjelovanja klasičnog (visokoelastičnog) materijala i Nitinola (između kojih u pravilu ne postoji kemijska veza) su nova svojstva takvih hibrida. Primjer takvog svojstva je sposobnost višekratnog «samoiscjeljivanja» pukotina savitljivog 133 plastičnog elementa pomoću ugrađene opruge izrađene od Nitinola. Kada kroz istegnutu oprugu okruženu polimerom prolazi električna struja, dolazi do zagrijavanja uslijed otpora prolasku električnoj struji. Toplina izaziva prisjetljivost oblika opruge tako da se ona vraća u neistegnuto stanje i približava oba udaljena kraja polimera na mjestu pukotine, nakon čega se na mjestu pukotine, pod utjecajem topline, polimer zatali [8]. Izuzetna svojstva legura s efektom prisjetljivosti oblika također su privukla pažnju stručnjaka na tekstilnom i odjevnom području. Tekstilni materijali su fleksibilni materijali i mogu lako mijenjati svoj oblik prema obliku ugrađenih vlaknastih materijala sa svojstvom prisjetljivosti oblika. Za odjeću koja je u neposrednom kontaktu s kožom najprikladnije su legure sa svojstvom prisjetljivosti oblika koje su sposobne mijenjati svoj oblik u rasponu tjelesne temperature. Zasad je Nitinol jedina legura sa svojstvom prisjetljivosti oblika, koja je prikladna za ugradnju u tekstilne materijale. Radi boljeg razumijevanja, na početku članka opisani su efekt prisjetljivosti oblika i superelastičnost Nitinola te specifičnosti tehnoloških postupaka, a slijedi opis primjene Nitinola u tekstilnoj industriji s nekoliko zanimljivih rješenja. 2. Struktura i svojstva Nitinola Nitinol ima dvije različite metalurške faze koje su ovisne o temperaturi: visoko uređenu austenitnu fazu s kristalnom strukturom prostorno-centrirane jednostavne kubične ćelije (B2) i manje uređenu martenzitnu fazu s kristalnom strukturom plošno-centrirane monoklinske ćelije (B19´), sl.1. Poznate su 24 različite varijante martenzitne faze, koje nastaju tijekom mehaničke deformacije. Čista austenitna faza je visokotemperaturna, tvrda i kruta faza, dok je martenzitna faza niskotemperaturna, mekana i oblikovljiva faza. U čvrstom agregat- nom stanju dolazi do reverzibilnih faznih promjena iz martenzita u austenit zagrijavanjem, a iz austenita u martenzit hlađenjem ili naprezanjem. U kojoj će se fazi, austenitnoj, martenzitnoj ili fazi koegzistencije obiju faza, legura sa svojstvom prisjetljivosti oblika nalaziti ovisi, o temperaturi i vanjskim naprezanjima kojima je legura izložena u određenom trenutku, sl.2. Pomoću dijagrama na sl.2, koji prikazuje ovisnost o naprezanju i temperaturi, mogu se odrediti uvjeti koji su potrebni za martenzitnu ili austenitnu fazu, odnosno fazu koegzistencije. 2.1. Efekt prisjetljivosti oblika Makroskopske promjene oblika potaknute zagrijavanjem, hlađenjem ili mehaničkom deformacijom Nitinola u krutom stanju posljedica su promjena na razini mikroskopske strukture, a koje su već detaljno opisane u literaturi [10]. Radi se o reverzibilnoj strukturnoj pretvorbi iz mekane dvojnikovane martenzitne faze (twinned martensite), koja je pseudoelastički deformirana na niskoj temperaturi (detwinned martensite), u austenitnu fazu zagrijavanjem martenzitne faze Naprezanje A. ŠALEJ i sur.:Primjena legura nikla i titana (NiTi-NOL) u pametnim tekstilijama i odjeći, Tekstil 60 (4) 132-141 (2011.) 134 Temperatura Sl.2 Od austenitne do martenzitne faze uz uspostavljanje oblika koji je legura zapamtila tijekom toplinske obrade. Tijekom hlađenja austenitna faza se pretvara u nedeformiranu martenzitnu fazu bez mijenjanja svog makroskopskog oblika. To je tzv. jednosmjerna prisjetljivost oblika (oneway shape memory). Godine 1975. Delaey i njegovi suradnici otkrili su da je moguće Nitinolu «programirati» i tzv. dvosmjernu prisjetljivost oblika (two-way shape memory) [11]. Pomoću specifične toplinsko-mehaničke obrade (vježbanja odn. traininga), tj. odgovarajuće plastične deformacije martenzitne faze, može se postići dvosmjerna prisjetljivost oblika, što znači da legura tijekom a) b) Ti sloj Ni sloj Ti sloj Sl.1 Prikaz struktura NiTi legure: a) austenitna struktura, b) kristalna jedinična ćelija [9] hlađenja zauzme oblik koji je «zapamtila» na niskoj temperaturi, a zagrijavanjem se vrati u oblik koji je «zapamtila» na visokoj temperaturi. Preduvjet za aktiviranje efekta prisjetljivosti oblika je da su sve endotermičke strukturne pretvorbe, koje nastaju zagrijavanjem martenzitne faze, i sve egzotermne strukturne pretvorbe, koje nastaju hlađenjem austenitne faze, bezdifuzijske, što znači da martenzitna faza mora sačuvati sastav i raspored atoma austenita. Sve strukturne pretvorbe moraju biti potaknute smičnim i međusobno ovisnim pomicanjem atoma u pojedinim kristalnim ravninama [12]. Pretvorba martenzitne faze u austenitnu i natrag ne događa se pri točno određenoj temperaturi, već u određenom temperaturnom području, sl.3. To temperaturno područje je definirano temperaturom na kojoj pretvorba martenzitne u austenitnu fazu započne (As) i na kojoj ta pretvorba završi (Af), te temperaturom na kojoj pretvorba austenitne u martenzitnu fazu započne (Ms) i na kojoj ta pretvorba završi (Mf). Pretvorba martenzita u austenit dogodi se na višim temperaturama, dok se pretvorba austenita u martenzit dogodi na nižim temperaturama. Ova razlika, poznata kao toplinska histereza (T1), određuje razmak između temperatura Ms i As kada je pretvorba pojedinih faza 50 %. Histereza je nepoželjna, jer što je ona veća to su veći i gubici mehaničke energije [13]. Već i najmanja promjena u kemijskom sastavu (primjerice 0,1 mas. % nikla) u leguri Nitinola s oko 55 % nikla znatno utječe na promjenu temperature prijelaza, čak i za 10 °C, tab.1. Utjecaj kemijskog sastava tako je velik da je za karakterizaciju Nitinola u praksi bolje od njegovog kemijskog sastava navoditi temperature prijelaza (Ms, Mf, As, Af). Temperature prijelaza Nitinola kreću se između -50 °C i +166 °C [15]: Mf - Af: 40-70 °C Dužina Martenzit (%) A. ŠALEJ i sur.:Primjena legura nikla i titana (NiTi-NOL) u pametnim tekstilijama i odjeći, Tekstil 60 (4) 132-141 (2011.) Temperatura Sl.3 Dijagram temperatura prijelaza legure sa svojstvom prisjetljivosti oblika i reverzibilne martenzitne pretvorbe Pretvorbe oblika odvijaju se nečujno i povezane su s nastankom prilično velike sile koja se može upotrijebiti, primjerice, kao sila pokretanja u aktuatorima. Efekt prisjetljivosti oblika može se ponoviti čak više milijuna ciklusa. 2.2. Superelastičnost (pseudoelastičnost) Austenit Iznad temperature Af, kada se nalazi u čistom austenitnom stanju, u uskom temperaturnom području (Af-Md ≈ 50 °C) i pri konstantnom vanjskom naprezanju Nitinol pokazuje visoku neproporcionalnu superelastičnost koja se kreće od 8 % deformacije nakon jednog ciklusa do 6 % nakon 100 ciklusa i 4 % nakon 100 tis. ciklusa. Elastična deformacija rezultat je pretvorbe austenitne u martenzitnu fazu potaknute naprezanjem. Odmah nakon prestanka djelovanja naprezanja, martenzitna faza potaknuta naprezanjem vrati se u austenitnu fazu pri čemu se oporavi i deforma- Tab.1 Utjecaj udjela nikla u leguri na pretvorbu martenzita u austenit [14] Ni (at. %) 54,79 55,32 55,58 55,80 Ms (°C) 82,7 40,2 16,6 -8,5 cija. Povećanje naprezanja izaziva sličan strukturni proces kao sniženje temperature. Nitinol pripada nekolicini legura koje imaju superelastična svojstva u rasponu normalne tjelesne temperature [16]. Superelastičnost Nitinola može se iskoristiti jedino u slučaju kada je Af ispod temperature pri kojoj se konačni proizvod upotrebljava. Na sl.4 se prikazuje deformiranje mekane i duktilne martenzitne faze koja pokazuje visoke nepovratne deformacije pri konstantnom naprezanju (površina krivulje naprezanje/ deformacija). Superelastična deformacija austenitne faze dogodi se u temperaturnom području A f-M d (Af<Md) u kojem je moguća pretvorba u martenzit pod utjecajem vanjskog naprezanja (površina krivulje pri istezanju i povratku deformacije). Austenitna faza koja postoji na temperaturama iznad Md (najviša temperatura nastanka naprezanjem induciranog martenzita), ukazuje na čvrst i tvrd materijal. Mf (°C) 61,4 24,6 1,0 -24,9 As (°C) 93,8 53,7 29,5 5,7 Af (°C) 113,3 74,4 49,8 24,0 Naprezanje As -Af; Ms-Mf: 20-25 °C Af: 15-45 oC (ingot), 20-40 °C (tzv. Nitinol tjelesne temperature) Histereza pretvorbe kreće se između 25 i 50 °C. Sa svrhom poboljšanja svojstava Nitinola dodaju se male količine bakra ili željeza čime se smanji toplinska histereza, i niobija koji povisuje temperaturu As. Brzina pretvorbe iz martenzitnoga u austenitno stanje ne ovisi o vremenu već uglavnom o temperaturnom gradijentu zagrijavanja ili hlađenja legure. Za tanke elemente već zagrijavanje uslijed otpora električnoj struji, koje je brže od aerodinamičkog konvekcijskog zagrijavanja, predstavlja vrlo brzo zagrijavanje. Za razliku od klasičnih legura i metala, koji se pod utjecajem topline šire, Nitinol u obliku žice ili vlakna tijekom zagrijavanja anizotropično se skupi za 2-5 % u uzdužnom smjeru, što je posljedica strukturne pretvorbe martenzitne u austenitnu fazu u krutom stanju. 135 Superelastičnost Martenzit Deformacija Sl.4 Krivulje naprezanje/deformacija za različite faze Nitinola [17] 2.3. Fizikalna svojstva Fizikalna svojstva Nitinola (tab.2) ovise o kemijskom sastavu, proizvodnom procesu i toplinskoj obradi [18], a također i o temperaturi prostora u kojem se legura nalazi. Na tržištu su dostupna dva tipa Nitinola: superelastični Nitinol i Nitinol sa svojstvom prisjetljivosti oblika. Najviše se koristi Nitinol sa 55 at. % nikla i 45 at. % titanija (Tip 55) i to isključivo u obliku žica (oblikovanih u opruge ili u istegnutom obliku). 136 A. ŠALEJ i sur.:Primjena legura nikla i titana (NiTi-NOL) u pametnim tekstilijama i odjeći, Tekstil 60 (4) 132-141 (2011.) Tab.2 Fizikalna svojstva Nitinola Svojstva Nitinola Talište (°C) Gustoća (gcm-3) Električni otpor (µΩcm) Toplinska vodljivost (Wcm-1K-1) Vlačna čvrstoća (MPa) Prekidno istezanje (%) Youngov modul elastičnosti (GPa) Čvrstoća na granici tečenja (MPa) Poissonov broj Granica tečenja (MPa) 3. Tehnološki procesi Zbog osjetljivosti Nitinola na toplinu, njegova je obrada tehnološki izuzetno složen proces. Metode koje se u praksi najčešće upotrebljavaju za obradu Nitinola su lasersko rezanje, elektroerozija i poliranje. Pri rezanju austenitne faze dolazi do pretvorbe u martenzitnu fazu pod utjecajem naprezanja. Toplina koja se proizvede tijekom tog procesa «odgovorna» je za brzo habanje alata. 3.1. Oblikovanje žice Nitinol se proizvodi lijevanjem iz taline. Talina se dobiva zagrijavanjem nikla i titana postupkom vakuumskog ili indukcijskog taljenja kojim se postiže dobro miješanje metala i stvara minimalna količina nečistoća. Slijedi vruće valjanje ili kovanje ingota u šipke ili ploče na temperaturi oko 800 °C. Konačne dimenzije Nitinola sa željenim fizikalnim svojstvima dobiju se hladnom ili toplom obradom. Žice s okruglim poprečnim presjekom izrađuju se procesom istezanja (dye drawing). Hladnim istezanjem mogu se dobiti visoke elastične deformacije. Uz zadržavanje površinskog oksida i primjenom maziva, žice se istegnu čak tako jako da dostignu promjer od 2,5 do 0,1 mm. Debljina žica utječe na njihovu cijenu: što je manja debljina žice, to viša je njena cijena. Vrijednosti 1240-1310 6,4-6,5 oko 100 (austenit), oko 80 (martenzit) 0,18 (austenit); 0,086 (martenzit) 895 (potpuno toplinski obrađen) 1900 (deformacijski ojačan) 68,95-137,9 (martenzit) 241,3-689,5 (austenit) 25-50 (potpuno toplinski obrađen) 5-10 (deformacijski ojačan) 83 (austenit); 28-41 (martenzit) 195-690 (austenit); 70-140 (martenzit) 0,33 195-690 (austenit) 3.2. Programiranje prisjetljivosti oblika i superelastičnosti Prisjetljivost oblika i superelastičnost Nitinola mogu se programirati u širem temperaturnom rasponu od -100 do +100 °C odabirom odgovarajućeg kemijskog sastava (omjerom nikla i titana, dodatkom drugih tvari) i mijenjanjem uvjeta toplinske obrade (programiranje na visokim temperaturama). Tehnološki procesi oblikovanja Nitinola u različite oblike i okoliš u kojem se oni primjenjuju (temperatura, uvjeti opterećivanja, brzina zagrijavanja/hlađenja, brzina istezanja) utječu na svojstvo prisjetljivosti oblika i mehanička svojstva Nitinola. Prije programiranja prisjetljivosti oblika i superelastičnosti, koje će Nitinol imati u austenitnoj fazi, neophodno je da se utvrde temperature prijelaza za izlazni materijal (primjerice žicu). Obično se za tu namjenu koristi standardizirana metoda dinamičke diferencijalne pretražne kalorimetrije (DSC) [19]. Jednosmjerno pamćenje žice od Nitinola programira se oblikovanjem žice u željeni oblik u martenzitnom stanju. Slijedi toplinska obrada, tj. zagrijavanje Nitinola u željenom obliku u peći ili zagrijevanjem otporom električnoj struji na temperaturi iznad Af (obično blizu 500 °C, premda su prikladne i temperature od 350 do 450 °C), u trajanju od 5-25 minuta do nekoliko sati u inertnoj atmosferi. Nakon toplinske obrade slijedi brzo pothlađivanje Nitinola na temperaturu ispod Mf u forsiranom obliku. Temperatura, vrijeme i postupak toplinske obrade (u atmosferi ili otopini) utječu na temperaturu prijelaza unaprijed programiranog Nitinola. Osim toga polagano zagrijavanje od sobne temperature na više temperature i polagano hlađenje dovode do krhkosti i slabljenja pamćenja oblika materijala. 3.3. Spajanje Nitinol je teško spajati s drugim materijalima. Uspješnom se pokazala metoda laserskog zavarivanja korištenjem zaštitne atmosfere inertnih plinova koja sprječava pogoršanje svojstava prisjetljivosti oblika, superelastičnosti i mehaničkih svojstava Nitinola. Prikladno mehanički oblikovane (savijanjem, uvijanjem), žice od Nitinola mogu se spajati s drugim materijalima. 3.4. Površinski oksidi i premazi (nanosi) Oksidirana površina, koja uzrokuje žućkasto do plavo obojenje Nitinola, uklanja mehanički, tj. elektropoliranjem, ili kemijski, tj. jetkanjem. Mehaničko uklanjanje smanjuje otpornost Nitinola na koroziju. Polimerni premazi, odnosno naslojenja poput poliuretana p-ksilena i PTFE nanose se koekstruzijom, prskanjem i plazmom. 3.5. Istraživanja Kada se radi o primjeni Nitinola u tekstilijama, koje trebaju biti lagane, pogotovo kada se radi o odjevnim predmetima, poseban izazov predstavlja istraživanje poroznog Nitinola i njegovo nanošenje u tankom sloju na površinu tekstilnog materijala. Drugi izazov su nove tehnologije, kao što su nanošenje plazmom ili depozicija vodenom parom. A. ŠALEJ i sur.:Primjena legura nikla i titana (NiTi-NOL) u pametnim tekstilijama i odjeći, Tekstil 60 (4) 132-141 (2011.) 4. Primjena Nitinola u tekstilijama Pametni materijali, u koje pripadaju i legure sa svojstvom prisjetljivosti oblika, pružaju mogućnosti razvoja pametnih tekstilija koje se na promjene u okolišu odazivaju ili prilagođavaju. Tekstilije koje imaju takve pametne materijale ugrađene u obliku vlakana sposobne su obavljati visokointeligentne funkcije detektiranja (osjetnici odn. senzori), odzivanja (pokretnici odn. aktuatori) i različitih strukturnih promjena [20, 21]. Ugrađivanje Nitinol vlakana u tekstilne materijale ima slična ograničenja kao uporaba drugih metala (čelik, bakar, itd.) ili metaliziranih vlakana koji se već desetljećima dodaju tekstilnim materijalima kako bi se smanjio statički naboj (dodatak manje od 5 % metalnih vlakana), a danas se sve više koriste i za zaštitu od elektromagnetskog zračenja (1-1,5 % i više) i, u obliku elektrovodljivih filamenata, za izradu e-tekstilija. Metalna vlakna ne bi smjela znatno povećati masu tekstilije i umanjiti njezinu mekoću i fleksibilnost što je preduvjet za njegovo prilagođavanje najrazličitijim oblicima. Fleksibilnost vlakana neposredno je povezana s finoćom vlakana. Omjer debljine vlakana i njihove duljine mora biti što veći, a ni u kojem slučaju ne smije biti manji od 100. Vlakna su osnovni elementi pređe od koje se tkanjem, pletenjem ili drugim tehnikama izrađuju plošne ili trodimenzionalne konstrukcije. Za vrijeme oblikovanja plošne konstrukcije, pogotovo za vrijeme oblikovanja očica tijekom pletenja, pređa je izložena različitim deformacijama i naprezanjima pod čijim utjecajem vlakna poprimaju razne geometrijske oblike. Neophodno je da se vlakna prilagođavaju i rastežu zajedno s tekstilnim materijalom kako bi se izbjeglo nastajanje nabora ili mehanička oštećenja. Nitinol je u martenzitnoj fazi vrlo mekan, fleksibilan i duktilan, i kao takav prikladan za ugradnju u teksti- lni materijal primjenom klasičnih tekstilnih tehnika. Međutim, u austenitnoj fazi Nitinol je krut, pa ga je zbog toga teško oblikovati u trodimenzionalnu konstrukciju. Jezgra pređe izrađena je od unaprijed programiranih Nitinol vlakana debljine 100 µm i omotana tekstilnim vlaknima [22]. Omotač pređe mora biti pravilno optimiran kako bi se spriječilo otkrivanje jezgre tijekom savijanja. U tekstilije se ugrađuju žice (filamenti) od čistog Nitinola debljine 100-300 µm i opruge od Nitinola. Zbog niske istezljivosti i visoke krutosti Nitinola, pređu koja sadrži vlakna od Nitinola teško je savijati. Problem je izraženiji kod pletenja, gdje treba pređu oblikovati u očice, nego kod tkanja. Ipak, modifikacijom klasičnih kulirnih pletaćih strojeva i tkalačkih strojeva mogu se uspješno prerađivati filamenti od Nitinola debljine ispod 100 µm. Moguće je šivanje i spajanje tekstilnih materijala koji sadrže Nitinol [23, 24]. Promjena oblika tekstilije koja sadrži Nitinol inducirana je vanjskim izvorom topline, kao što su primjerice tjelesna temperatura, temperatura okoliša, sušilo za kosu ili zagrijavanje Nitinola otporom prolaženju električne struje kroz leguru. Nitinol se zagrijava neposredno uslijed otpora pri čemu se mora temperatura povisiti čak i za 40 °C da bi došlo do promjene oblika. Osim elektrovodljivih pređa i elektrovodljive epoksi smole koja se koristi za spajanje, koriste se i modularna rješenja krutih tiskanih krugova koji se na tekstiliju pričvrste pritisnim kopčama i skinu s tekstilije za potrebe pranja. Takva elektronika (tiskani krug) namjesti se u džepove kako bi bila zaštićena od mehaničkih oštećenja, vlage i vode. Sposobnost potpuno reverzibilnog mijenjanja oblika tekstilnog materijala ovisi o količini ugrađenog Nitinola i postotku izduljenja valovitih Nitinol vlakana u pređi. Nedostatak Nitinol žica, osim visoke cijene, je složenost programiranja pamćenja oblika osobito kod pletenih materijala izrađenih od pređe od 137 čistog Nitinola, i praktički neostvarljivo kod tekstilije izrađenih od pređe s jezgrom od Nitinola omotanom tekstilnim vlaknima. Ovo ograničenje pripisuje se slaboj toplinskoj stabilnosti organske tekstilije zbog čega je tekstiliju s ugrađenim Nitinolom praktički nemoguće toplinski obraditi na temperaturama između 400 i 500 °C. Potrebno je ugraditi već unaprijed fiksirane oblike, što svakako ograničava mogućnosti dizajniranja tekstila i konstrukcije. 4.1. Primjeri poboljšanja funkcionalnosti tekstilija iskorištavanjem superelastičnosti i svojstva prisjetljivosti oblika Nitinola Vlakna s 45 %-tnim udjelom nikla djeluju kao pokretači dimenzijskih promjena tekstilnog materijala s ciljem postizanja toplinsko-fiziološke udobnosti odjevnog predmeta. Talijanska tvrtka Corpo Nove u suradnji s tvrtkom d’Appolonia izradila je tkaninu od kombinacije Nitinol vlakana i tekstilnih vlakana (pamučna i poliesterska vlakna) s potpuno tekstilnim svojstvima. Upotrijebili su Nitinol filament promjera 76 µm. Udio Nitinola bio je 10 %. Konačna površinska masa iznosila je oko 200 gm-2. Vlakna u tkanini bila su ravno položena. Od tkanine su izradili pametnu mušku košulju s dugim rukavima. Rukavi košulje zavrnu se odnosno skrate kada temperatura okoliša poraste. Zavrnuti rukavi vrate se u svoj prvobitni oblik ako ih nekoliko sekundi zagrijavamo vrućim zrakom (primjerice sušilom za kosu) pri čemu se izravnaju i svi nabori na tkanini. Temperatura prijelaza iz martenzitnog u austenitno stanje bila je programirana pri tjelesnoj temperaturi od oko 37 °C. Martenzitna konačna temperatura kretala se u rasponu između 38 i 45 °C kada je tkanina s ugrađenim Nitinol vlaknima zauzela svoj konačni «naborani» oblik koji je omogućio rukavima da se zavrnu. Nitinol vlakna koja su bila utkana u druge dijelove košulje imala su austenitnu početnu temperaturu iznad 66 °C, zbog A. ŠALEJ i sur.:Primjena legura nikla i titana (NiTi-NOL) u pametnim tekstilijama i odjeći, Tekstil 60 (4) 132-141 (2011.) 138 čega je košulja imala sposobnost «samoglačanja». Na sl.5 prikazan je tijek dimenzijske promjene košulje: naborana košulja (sl.5b do 5e) izložena je toplom zraku (sl.5e i 5f) pod čijim se utjecajem odmah vrati u svoj prvobitni oblik (sl.5a i 5b). Sustav Velcro kopča (Hook & Loop) (sl.6) djeluje na sljedeći način: Nitinol kukice na površini muške trake Velcro kopče zagriju se i otvore pod utjecajem električne struje uslijed toplinskog otpora, a hlađenjem se vrate u svoj prvobitni oblik koji je prikladan za spajanje s omčama na ženskoj traci Velcro kopče [25]. Na taj se način Velcro kopče otvore nečujno, što je pogotovo prikladno za lovačku i vojničku odjeću. Vrlo uspješno se Nitinol primjenjuje za izradu potpornih žica za grudnjake. Zahvaljujući superelastičnim svojstvima Nitinola, grudnjak s takvom žičanom potporom prilagođava se tijelu pa je stoga vrlo udoban za nošenje. Osim toga ne deformira se tijekom pranja, što znači da je postojaniji i izdržljiviji [27]. Elastična kompresijska pletiva s ugrađenim filamentima od Nitinola koriste superelastično svojstvo Nitinola, sl.7 [28]. Primjenom takvih materijala ubrzava se liječenje i/ili ublažavaju teškoće pacijenata koji Sl.6 Velcro kopče: otvoren (lijevo) i zatvoren (desno) sustav kukica [26] boluju od krvožilnih oboljenja. Naime, zbog superelastičnosti, elastične kompresijske čarape bolje se prilagođavaju opterećenjima i bolje prianjaju Sl.7 Elastično kompresijsko pletivo [29] uz nogu, ili drugim riječima, zadržavaju konstantnu kompresiju. Još jedno zanimljivo područje na kojem se Nitinol vlakna uspješno primjenjuju su pametni zastori. Filamenti od Nitinola, koji su ugrađeni u takav zastor, skupe se pod utjecajem Sunčevih zraka puštajući pritom proreze kroz koje Sunčeva svjetlost prodire u prostoriju. Kada zastor nije izložen Suncu, ostane zagrnut zbog nepromijenjenog oblika Nitinol vlakana, sl.8 [30]. opterećenje rasterećenje hlađenje austenit 4.2. Primjer primjene Nitinola u unikatnoj animiranoj kinetičkoj odjeći Primjer takve odjeće predstavlja Vilkas haljina koju su razvili u laboratoriju XS Labs u Montrealu, sl.9. Posebnost ove haljine je da se njena duljina može mijenjati po želji. Nitinol vlakna, koja su ugrađena u rubni dio suknje, skupe se pri promjeni temperature [30]. Svoj rad su nastavili projektom The Skorpions u okviru kojeg su oblikovali kolekciju od pet silueta koje mijenjaju svoj oblik pomoću Nitinol žica ušivenih u odjeću. Sl.9 Vilkas haljina [30] razdvojeni martenzit dvojni martenzit Sl.8 Pametni zastor [28] zagrijavanje Sl.5 Shematski prikaz o temperaturi ovisnog mehaničkog ponašanja legura sa svojstvom prisjetljivosti oblika i prikaz efekta prisjetljivosti oblika muške košulje (s = f (T, e)) 4.3. Korištenje sposobnosti prigušivanja Nitinola za balističku zaštitu Osim navedenih mogućnosti primjene, koje proizlaze iz jedinstvenih svojstava Nitinola (jednosmjerni i dvosmjerni efekt prisjetljivosti oblika, superelastičnost), Nitinol se može učinkovito upotrijebiti i za apsorbiranje udarne energije i prigušivanje vibracija uslijed disipacije mehaničke energije unutrašnjim trenjem u čistoj martenzitnoj fazi i u prijelaznoj zoni A. ŠALEJ i sur.:Primjena legura nikla i titana (NiTi-NOL) u pametnim tekstilijama i odjeći, Tekstil 60 (4) 132-141 (2011.) gdje martenzitna i austenitna faza koegzistiraju. T.C. Kiesling je otkrio da se dodatkom 6 % Nitinola tekstiliji može povećati sposobnost apsorbiranja udarne energije za 41 % [31]. Istraživanja su usmjerena na optimizaciju filamenta od Nitinola u pogledu finoće i kemijskog sastava, optimizaciju konstrukcije plošne tekstilije primjenom raznih vlakana visokih svojstava (p-aramidi, PE-UHMW) u kombinaciji s Nitinolom, te na optimizaciju konstrukcije i broja zaštitnih slojeva neprobojnih prsluka. 4.4. Mogućnost primjene tekstilnih tehnika za izradu nadomjestaka (krvožilnih umetaka) od Nitinola Na rašel pletaćim strojevima uspješno je izrađeno kulirno pletivo za krvožilne umetke (stentove) [32]. Kao potka unosio se filament od SE Nitinola debljine 50 µm. Kakvoća pletiva ovisi o ravnomjernoj napetosti potke. Za vrijeme oblikovanja očica filamenti od Nitinola izloženi su plastičnoj deformaciji. Primijećena su oštećenja filamenta od Nitinola do kojih je došlo pri kontaktu s pletaćim iglama, što ima za posljedicu smanjenje prekidne sile i prekidnog istezanja Nitinola. Na uskom razboju tkanjem su izrađene tkanine s pravilnom poroznošću za filtre za krv. Laboratorijski eksperiment [30] izrade vrlo otvorene strukture sa najviše 23 potke na jedan centimetar na uskom razboju pokazao je da je tkanjem moguće izraditi vrlo pravilnu otvorenu strukturu s promjerom pora 90 µm. SE Nitinol debljine 50 µm pokazivao je velik otpor na savijanje i visok stupanj trenja. Zbog krutosti i vrlo niske rastezljivosti metalnih vlakana, često dolazi do prijeloma vlakana i površinskih oštećenja tijekom tkanja i pletenja, što je posljedica trenja metalnih dijelova i različitih vodilica. I održavanje tekstilije s ugrađenim metalnim vlaknima također je složenije. Naime, nepovratni nabori, koji se pojave za vrijeme mokrih postupaka pranja, znatno pogoršavaju estetski izgled takve tekstilije. Tekstilije s ugrađenim metalnim vlaknima mogu se uspješno šivati ako su brzine i napetosti male. Primijećene su visoke napetosti pređe na licu tekstilnog materijala, koje su bile «odgovorne» za često kidanje materijala. Zapažene su također i brojne nepravilne fleksure. 5. Zaključak Iako su polimeri sa svojstvom prisjetljivosti oblika jeftiniji od legura sa svojstvom prisjetljivosti oblika poput Nitinola, ne mogu ih zamijeniti na mnogim područjima primjene jer nemaju dovoljno velike sile koje bi bile sposobne micati dijelove tekstila. Osim toga, za razliku od elektrovodljivih legura, polimeri sa svojstvom prisjetljivosti oblika ne mogu se aktivirati električnom strujom. Legure sa svojstvom prisjetljivosti oblika su ograničeno kompatibilne s tekstilnim materijalima, jer povećavaju krutost tekstila, i jer su sklonije oštećenjima uslijed stalnog savijanja. Za ugradnju u tekstil najprikladnije su legure sa svojstvom prisjetljivosti oblika u obliku vlakana, pređe ili folije jer u takvom obliku ne pogoršavaju znatnije fleksibilnost konačnih proizvoda. Ipak, veći problem od krutosti, visoke gustoće i s time povezane udobnosti tekstila predstavlja ograničena ponuda legura sa svojstvom prisjetljivosti oblika koje su sposobne mijenjati svoj oblik u uskom temperaturnom rasponu, tj. u rasponu tjelesne temperature (30-40 °C) ili temperature na kojoj se tekstilija njeguje (20-96 °C). Najvažnija svojstva Nitinola za njegovu primjenu na području tekstilija i odjevnih predmeta su dovoljno velika finoća i s time povezana fleksibilnost, otpornost na abraziju, habanje i zamor, brzina zagrijavanja i s time povezana brzina promjene oblika te razumna cijena. Zbog visoke cijene legura sa svojstvom prisjetljivosti oblika, najčešće se razvijaju jedino unikatni proizvodi i prototipovi. 139 Bolje razumijevanje ovisnosti kemijske strukture, svojstava i tehnoloških parametara programiranja legura sa svojstvom prisjetljivosti oblika omogućilo je znanstvenicima da unaprijed programiraju i/ili nadziru geometrijske oblike i popratna mehanička svojstva (sile, deformacije, sposobnost mehaničkog prigušivanja, promjene električnog otpora) koja se pokažu na određenoj temperaturi prijelaza i koja se koriste za razvoj pametnih tekstilnih materijala i kompozita. Na području odjevnih predmeta, legure sa svojstvom prisjetljivosti oblika omogućuju: - automatsko podešavanje temperature odjevnog predmeta, - automatsko prilagođavanje propusnosti Sunčeve svjetlosti, - automatsko prilagođavanje veličine odjeće trenutnim potrebama tijela, - smanjenje potrebe za glačanjem, - nečujno otvaranje Velcro kopča, - nova rješenja u dizajniranju i estetskom izgledu [33] koja bi se teško ostvarila primjenom klasičnih materijala. Na području tehničkog tekstila, legure sa svojstvom prisjetljivosti oblika pridonose boljoj zaštiti od udara metaka i projektila (balistički zaštitni tekstil). Primjena Nitinola za kinetičku odjeću još je u početnoj fazi. Proizvodni procesi složeni su i skupi, što je razlog za oskudnu ponudu kinetičke odjeće na tržištu. Trenutno je na slovenskom tržištu samo jedan ponuđač pametnog tekstila na bazi legura sa svojstvom prisjetljivosti oblika. To je tvrtka Grado, koja svoj proizvod pod imenom Oricalco nudi univerzitetima i istraživačkim institutima za namjene istraživanja. Cijena tog materijala iznosi 2000 eura za jedan dužinski metar, a najmanja količina koja se može nabaviti je 20 metara. Visoka cijena onemogućava široku upotrebu i razvoj proizvoda od takvog materijala. Legure sa svojstvom prisjetljivosti oblika donose nove izazove tekstilnim radnicima i istraživačima u po- 140 A. ŠALEJ i sur.:Primjena legura nikla i titana (NiTi-NOL) u pametnim tekstilijama i odjeći, Tekstil 60 (4) 132-141 (2011.) gledu razvoja unikatnih i maloserijskih proizvoda. Omogućuju izradu odjeće koja je puno udobnija od odjeće izrađene od klasičnih materijala. Legure sa svojstvom prisjetljivosti oblika uspješno se primjenjuju na području unutrašnje opreme i tehničkog tekstila gdje imaju prednost medicinske tekstilije i osobna zaštitna oprema. Literatura: [1] Ptičar M. et al.: Prednosti in omejitve pri uporabi materialov z oblikovnim spominom za praktične uporabne, Strojniški vestnik 46 (2000) 780-788 [2] Buehler W.J., R.C. Wiley: Nickelbase alloys, US Patent 3 174 851 (1965) 1-5 [3] Honkala M.: Introduction to shape memory materials. Intelligent textiles and clothing, Woodhead Publishing, Boca Raton, Boston, New York, Washington 2006, 9093 [4] Cryofit. Couplings and compatibles Cryofit. [online] (2011) <http://www.aerofit.com/assets/ SMABook11-08.pdf> [5] Wu M.H., L. Mc D. Schetky: Industrial applications for shape memory alloys, Proceedings of the International Conference on Shape Memory and Superelastic Technolgies, Pacific Grove, California (2000) 171-182 [6] Brojan M. et al.: Shape memory alloys in medicine, RMZ- Materials and Geoenvironment 22 (2008) 173-189 [7] Memometal. Technology for Hand & Foot Surgery. [online] (2011) <http://uk.memometal.com> [8] Huang W.M. et al.: Shape memory materials. Materials Today 13 (2010) 7-8, 54-61 [9] Bhattacharya K. et al.: Crystal symmetry and the reversibility of martensitic transformations, Nature 428 (2004) 55-59 [10] Blažić M. et al.: Titanium and titanium alloy applications in medicine, Surface engineered surgical tools and medical devices. 1st ed., Springer, New York, London (2007) 533-576 [11] Delaey L., J. Thienel: Shape Memory Effects in Alloys, Plenum, New York (1975) 341-350 [12] Funakubo H.: Shape memory alloys, Gordon and Breach Science Publisher, New York (1987) [13] Lojen G., I. Anžel: Microstructure of rapidly solidified Cu- Al- Ni sape memory alloy ribbons, Materials Processing Technology 162163 (2005), 220 [14] Nitinol.. Nitinol superelastic and shape memory wire. [online] (2011) http://www.memry.com/ products-services/material/wire [15] Jackson C.M., H.J. Wagner, R.J. Wasilewski: 55-Nitinol-The Alloy with a memory: its physical metallurgy, properties, and applications. A report. Washington: NASA, (1972) [16] Duerig T.W. et al.: An overview of superelastic stent design. Minimally Invasive Ther. Allied Tech. 9 (2000), 235-246 [17] Ryhänen J.: Biocompatibility evaluation of nickel-titanium shape memory metal alloy, University of Oulu. [online] (2011) <http://herkules.oulu.fi/ isbn9514252217/index. html?lang=en> [18] Muraviev S., G. Ospanova: Estimation of force produced by nickel-titanium superelastic archwires at large deflections, Am J Orthod Dentofacial Orthop. 2001,119, 604-609 [19] ASTM F2004 - 05 Standard Test Method for Transformation Temperature of Nickel-Titanium Alloys by Thermal Analysis, 2005 [20] Textiles and properties – Smart textiles- Definitions, state of development, applications and standardisation needs. CEN/TC 248. Date: 2009-06. TC 248 WI.5. Technical Report. Working document. Version 2.2 [21] Scheibner W. i sur.: Tekstilnim materijalom spojeni zglobovi za primjenu u biomehatronici, Tekstil 55 (2006.) 1, 28-30 [22] Stylios G.K.: Engineering textile and clothing aesthetics using shape changing materials. In: Intelligent textiles and clothing. Ed. by H. R. Mattila. Boca Raton, Woodhead Publishing, Boston, New York, Washington, DC, 2006, 179 [23] Budillon F. i sur.: Pletiva od biokompatibilnog materijala s velikim potencijalima razvoja, Tekstil 55 (2006.) 11, 576-577 [24] Rachael Winchester C.C., G.K. Stylios: Designing knitted apparel by engineering the attributes of shape memory alloy, International Journal of Clothing Science and Technology 15 (2003) 359-366 [25] Marmaropoulos G.: Electrically releasable hook and loop fastener. World Intellectual Property Organization, WO/2003/085273 (2003) [26] Ritter A.: Smart Materials in Architecture, Interior Architecture and Design, Birkhäuser Architecture, Basel 2007, 62 [27] Grado Zero Espace: Oricalco. Shape memory fabric. [online] (2011) <http://www.gzespace. com/gzenew/index. php?pg=oricalco&lang=en> [28] Loose&Tight: Loose&tight. [online] (2011) <http://department.fzu. cz/ofm/sma//index.php?file=./projects/european/loosetight.html> [29] Deacon K.: Intelligent warp. [online] (2011) <http://we-make-money-not-art.com/archives/2007/05/carole-collets.php> [30] Berzowska J., M. Coelho: Kukkia and Vilkas: kinetic electronic garments. ISWC. [online] (2011) < h t t p : / / w w w. x s l a b s . n e t / kukkia&vilkas/> [31] Kiesling T.C. et al.: Impact failure modes of thin graphite epoxy composite embedded with superelastic Nitinol, Proceedings of 37th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, Salt Lake City, Utah 1996, 15-17 [32] Budillon F., T. Gries: Shape memory textiles. Proceedings of the International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies, 2006, 533-539, 2009 [online] http://asmcommunity.asinternational.org/portal/site/www/ AsmStore/ProductDetails/ [33] Vili Y.C.: Investigating smart textiles based on shape memory materials. Tex. Res. J. 77 (2007) 290300 A. ŠALEJ i sur.:Primjena legura nikla i titana (NiTi-NOL) u pametnim tekstilijama i odjeći, Tekstil 60 (4) 132-141 (2011.) 141 SUMMARY Application of Nickel-Titanium alloys (NiTi-NOL) in smart textiles and clothes A. Šalej, D. Bombač, P. Fajfar, T. Rijavec* Nickel-titanium alloys (NiTi-NOLs) are responsive smart materials which change their shape and superelasticity also within the range of human body or environment temperature. By using shape memory alloys, it is possible to design and develop smart textiles and clothes with self-adapting functions for diverse fields of application – from medical textiles, personal protective equipment, interior decoration, sport textiles to geotextiles. Nitinol performs as a temperature sensor (for body and environment temperature) or as an actuator for the movement of the parts of textiles in animated kinetic dresses. A yarn core, made from pre-programmed Nitinol fibres which are less than 100 µm thick, is wrapped with textile fibres. Nitinol wires of thickness 100-300 µm and Nitinol springs are used as well. Due to low extensibility and high rigidity of Nitinol, it is difficult to bend the yarn to create loops, which makes knitting a highly demanding process. Another disadvantage of thin Nitinol fibres, in addition to the high price, is programming of the memory which is especially demanding when knitting pure Nitinol fibres. By exploiting a one-way memory of Nitinol, Velcro fasteners, self-ironing clothes, textiles which automatically regulate the body temperature or the lightening of rooms have been developed, while a two-way memory of Nitinol has been exploited in springs for self-adjustment of the firefighters suits thermo-insulating properties. Due to its superelasticity, Nitinol imparts elasticity to medical compressive stockings and self-adaptation properties to bras. The capacity of Nitinol to absorb impact energy is favourably utilized in anti-ballistic jackets. Key words: shape memory alloys, superlelasticity, Nitinol, kinetic dress, self-ironing clothes, firefighter suits, antiballistic jackets University of Ljubljana, Faculty for Natural Sciences and Engineering Department for Materials and Metallurgy *Department of Textiles Ljubljana, Slovenia e-mail: [email protected]; [email protected] Received January 31, 2011 Anwendung von Nickel-Titan-Legierungen (NiTi-NOLs) in Smarten Textilien und Bekleidung Nickel-Titan-Legierungen (NiTi-NOLs) sind ansprechbare smarte Materialien, die ihre Form und Superelastizität auch im Bereich des menschlichen Körpers oder der Umgebungstemperatur verändern. Durch die Anwendung der Legierung mit Formgedächtnis-Eigenschaft ist es möglich, Smarten Textilien und Bekleidung mit Funktionen für die Anwendung auf den verschiedensten Gebieten zu entwerfen und zu entwickeln - von medizinischen Textilien, persönlicher Schutzausrüstung, Innenausstattung, Sporttextilien und Geotextilien. Nitinol dient als Temperaturfühler (Sensor) für die Körpertemperatur und die Umwelttemperatur oder als Aktuator der beweglichen Teile in der animierten kinetischen Bekleidung. Ein Garnkern aus vorprogrammierten Nitinol-Fasern, die weniger als 100 µm dick sind, ist mit textilen Fasern umgewickelt. Nitinol-Drähte mit einer Dicke von 100-300 µm und Nitinol-Federn werden auch eingesetzt. Aufgrund der geringen Dehnbarkeit und hoher Steifigkeit von Nitinol ist es schwierig, das Garn zur Maschenbildung zu biegen, so dass das Stricken ein sehr anspruchsvoller Prozess ist. Ein weiterer Nachteil der dünnen Nitinol Fasern, zusätzlich zum hohen Preis, ist die Speicherprogrammierung, die besonders anspruchsvoll beim Stricken reiner Nitinol-Fasern ist. Durch Ausnutzung des Einweg-Formgedächtnisses von Nitinol, wurden Klettverschlüsse, selbstügelnde Kleidung, Textilien, die automatisch die Körpertemperatur oder die Beleuchtung von Räumen regulieren, entwickelt, während das Zweiweg-Formgedächtnis von Nitinol in Federn für die Selbsteinstellung der thermoisolierenden Eigenschaften der Feuerwehrkleidung ausgenutzt wird. Aufgrund seiner Superelastizität vermittelt Nitinol Elastizität medizinischen Kompressionsstrümpfen und Selbstanpassungseigenschaften für Brusthälter. Die Kapazität von Nitinol zur Aufnahme der Aufprallenergie wird in kugelsicheren Westen sinnvoll verwendet. Copyright of Tekstil: Journal of Textile & Clothing Technology is the property of Croatian Association of Textile Engineers and its content may not be copied or emailed to multiple sites or posted to a listserv without the copyright holder's express written permission. However, users may print, download, or email articles for individual use.
© Copyright 2024 Paperzz
