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1、1科学的魅力 东华大学胡学超2008年5月2科学的魅力在哪里? 在于对无穷的未知的探索。 那么我们的领域有无东西需探索? 有无高科技？ 有3高水平的学科中国纺织大学五星级学科与高分子的渊源产学研特色人才4创始人钱宝钧教授钱宝钧教授方柏容教授方柏容教授1954年由钱宝钧、方柏容教授创建年由钱宝钧、方柏容教授创建“化学纤维化学纤维”专专业业全国最早建立的高分子材料类专业之一全国最早建立的高分子材料类专业之一师从意大利米兰工学院师从意大利米兰工学院诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者Natta教授教授获得首届获得首届中国工程科学技术奖中国工程科学技术奖5大量高科技的研究内容高科技的开发及未知科学问题的解答增
2、添了无穷兴趣与魅力下面大体介绍一下6兴趣靠积累物理数学化学纤维计算机模拟仿生学动植物7纺织服装纺织服装航空航空航天航天国防国防军工军工电子电子信息信息生物生物医学医学能源能源环境环境 纤维材料不单是衣着用的材料而且是国防建设的重要基础材料和战略物资8军用纺织品医用纺织品建筑用纺织品农业用纺织品交通工具内装饰水利,交通工程用纺织品特殊服装复合材料9军用纺织品碳纤维增强复合材料（碳-碳复合、碳-硅复合、碳-环氧树脂复合）洲际导弹、隐形飞机每架波音777飞机要用约1万磅碳纤维每架A380所用碳纤维复合材料达40%,27吨 高性能纤维装甲车, 钢盔、防暴盾牌、防弹车、防弹衣高强高摸PE, PBO, K
3、evlar智能纤维能信息交流的智能服装，美军将于2010年装备自动抗生物,化学毒试剂服10PAN基碳纤维基碳纤维力学性能最佳力学性能最佳应用面最广应用面最广需求量最大需求量最大发展最快发展最快机身材料的机身材料的50为为碳纤维复合材料碳纤维复合材料碳纤维在风力发碳纤维在风力发电叶轮中应用电叶轮中应用碳纤维用于海上采碳纤维用于海上采油平台结构材料油平台结构材料可作结构材料的PAN基碳纤维11 有机高性能纤维有机高性能纤维材料是航天航空、材料是航天航空、国防军工等急需的国防军工等急需的关键材料关键材料高强高模高强高模PE纤维纤维芳纶芳纶PBO纤维纤维有机高性能纤维材料有机高性能纤维材料12医用纺织
4、材料纺织品或纤-维增强复合材料中空纤维人工肾、人工肝、人工肺无纺布人工皮肤、药物释放材料医用缝合线人造血管、喉管、人体管道介入治疗用器械可自动止血的服装人体可自动吸收,分解的纤维材料13建筑用纺织品膜结构建筑涤纶为底涂聚氯乙烯（目前）玻纤为底涂四氟乙烯（发展中）气囊结构大桥吊索碳纤维纤维防裂水泥、纤维增强水泥居室装潢14农用纺织品增强膜、天膜、地膜（含无纺布）、遮挡膜无土栽培基质输液管防沙漠化的草皮（无纺布）吸水材料（聚乙烯醇）水产业用网15交通工具内装饰汽车、飞机、船用座椅抗静电、阻燃、防晒、耐脏、美观、舒适安全带、安全气囊、油气过滤、刹车片高强高模帘子线复合材料车壳、保险杠飞机中隔热垫料1
5、6水利交通工程用纺织品各种基础设施建设需要各类土工材料水库建设、水坝、水闸河堤、港口、河道改良机场、高速公路、高速铁路17特殊服装方面航天服保健服各类特殊运动服跳伞攀岩蹦极登山潜水科学考察18服用材料方面随着人们生活水平的提高，对服装的要求会越来越高舒适易处理保型色泽鲜亮，色彩丰富透气保湿19生物技术纳米技术信息技术智能纺织材料20生物技术在纺织、纤维方面的应用以植物为原料制备高分子材料PTT纤维（1-3异丙醇）聚乳酸纤维素淀粉纤维纺生技术的应用蜘蛛丝桑蚕丝发酵生产蛋白质21纳米技术高聚物与无机纳米材料共混阻燃、易染、抗静电、抗菌纤维纳米纤维储氢材料、燃料电池、导电材料、过滤材料制备方法电力纺
6、丝分子纺丝板纺丝法聚合成型法22信息技术可快速传递有关时尚信息，加速设计、销售QRS，数字纺织 由纤维性能,织造结构,通过计算机软件计算得到面料性能导电材料、纳米材料、光电纤维带有键盘和母板的时装美军的新式作战服 23智能纺织材料感知外界信息，并作出反应感知外界信息，并作出反应改变颜色、发生振动、膨胀改变颜色、发生振动、膨胀 导电、计算、储存能量导电、计算、储存能量潜水衣（测温、导电、加热）滑雪服（相转变材料）传感器降落伞（变色材料）生物传感器纳米传感器抗毒反应型纳米服执行器（Actuators）可做成织物的柔性光电池、光电织物军用导电纳米复合材料、光电半导体装置抗微生物材料仿人工肌肉材料24
7、纽约时报纽约时报20052005年年4 4月月1111日报道新日报道新的纺织时代的到来的纺织时代的到来所说内容本文多已提到所说内容本文多已提到请看一些照片请看一些照片25REHEAT BEFORE USING When heated, carbon fibers turn pliable. ILC Dover Inc. in Delaware has developed structures that can be folded before launching and then reheated and unfolded in space. The military will use the
8、 technology for a space-based radar, and NASA could use it in the future for large space telescopes.26BUILDING WITH AIR The Armys AirBeam is designed for easily erected temporary buildings like medical buildings and aircraft hangars. You just unroll it, inflate it and your tent is standing up, said
9、Jean Hampel of the Army Soldier Natick Center, which is developing the technology. A prototype is being used for a medical aid center in Iraq.27SOFT SWITCH International Fashion Machines of Seattle has made a light switch in the shape of a pompom. Conductive fibers detect the press of a hand. What I
10、 do is make fuzzy, beautiful, conductive things, said Dr. Margaret Orth, the companys founder. You just squeeze the pompom, and the lights go on or off. Dr. Orth said she expected her fabric switches to reach stores later this year.28POLYMER SKIN A process called electrospinning makes fibers out of
11、an electrically charged solution containing dissolved polymers and sticks them onto an electrically charged surface. The fibers fall randomly but form a uniform layer, even on a three-dimensional surface. Its sort of like spray-on Gore-Tex, said Dr. Heidi Schreuder-Gibson of the Army Natick Soldier
12、Center. Its very breathable, just like skin.29BODY ENGINEERING Embroidered out of suture thread, this piece of textile would be sandwiched in an artificial shoulder joint. The starburst shape, 5.75 inches wide, allows the surgeon different options for securing the joint in place30CARBON TOWER Peter
13、Testa, an architect in Santa Monica, Calif., has designed a 40-story skyscraper that would do away with steel for the structure. Instead, Mr. Testas woven building, shown in a model above, would be held up by a crosshatched lattice made of carbon fiber, which is several times stronger than steel. Th
14、e buildings interior would be completely open except for the elevator shafts.31DESTINATION MARS A cocoon of 24 air bags cushioned the landing of NASAs Pathfinder rover in 1997. The air bags consisted of four layers of Vectran, a high-strength fiber that is a cousin to Kevlar that becomes stronger at
15、 colder temperatures. Similar air bags surrounded the NASA rovers Spirit and Opportunity when they landed on Mars last year32HOT HAND Conductive fibers in this prototype spacesuit glove allow circuitry to be woven in. The fibers are more durable than wires33Glass/PP Commingled YarnNylon Wrapped Carb
16、on RovingHybrid Yarn Development Use of hybrid yarns in combination with textile preforms enhances the potential of textile preform composites in high performance applications. Hybrid yarns can be manufactured through different ways including co-wrapping, core spinning and commingling, aiming to giv
17、e uniform distribution of matrix and reinforcement fibers as well as to reduce the damage of reinforcing fibers. Currently work is carried on commingling and wrapped yarns. 34生物技术在制备纤维上，有两种考虑：生物可降解，分解为水和CO2，参加自然界的大循环。 原料来自生物体，不耗用燃料资源，利用太阳能，将CO2和水由叶绿素来合成高分子或高分子原料，典型的例子是：Lyocell和Ingeo，将详细介绍仿生技术：这是更新一代
18、的技术，其实早就开始了，棉（中空），麻、丝（异形），毛（复合）。现在在更高层次上仿生。3536纤维材料开发的纤维材料开发的新思新思路路天然可再生资源的利用, 源源不绝、环境友好的概念多从自然界动植物中寻求灵感从事绿色材料、仿生材料的研究37美國新經濟雜誌預言，仿生是未來人類開創更美好新世界的八大科技之一！ 自然界生物的各种奇妙功能：蜘蛛絲的强韧性；蜻蜓出色的飞行本领；苍蝇的多种特殊功能；孔雀、蝴蝶美丽的翅膀；夜间活动型蛾（Night Moth）的眼蜂巢奇妙的构造蟑螂灵敏的感知能力啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；墨魚的瞬間加速可以達到每小時20哩；蜂鳥飛行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能
19、量；荷花叶面有絕佳的抗污性 (self-cleaning properties )和撥水性 (water repellent )；生物的骨骼構造比鋼鐵強硬；自然生命世界蘊藏所有科技的奧秘與答案。 38蜻蜓出色的飞行本领飞行速度：150公里/小时飞行耐力：1000公里飞行之王！39蝇眼的視覺功能複眼為許多單眼的結合，可使焦距大幅縮短350度的视角能看清快速移动物(紫外光）應用複眼機制，可製造出極薄的感知器、复眼相机等應用快速追踪本领，可製造出飞机地速指示器40蟑螂灵敏的感知能力從感知風速到逃跑只需0.044秒，人類需要0.3秒尾肢可對2公分/秒的風做出反應可做微流速感知器41建築功能42荷叶絕佳
20、的抗污性和撥水性帝人开发的Microft Lectuce织物，模仿了荷叶的撥水作用43仿天然纤维丝：光泽 丝鸣 异形 纵向凹陷棉：保暖性等 中空毛：卷曲弹性 并列型组分（正皮 质、副皮质细胞）麻：凉爽 扁平44成功在失败之后蜘蛛丝研究过程45蜘蛛牵引丝力学性能优良，被誉为“生物钢 ”i强度高、弹性好、初始模量大、断裂功大 ii比强度是钢的5倍，韧性是Kevlar的3倍 它是一种以蛋白质为基质的高强材料，集高强、高韧、轻质、可生物降解等优点于一身蜘蛛牵引丝的用途在防弹衣、微型手术缝合线、航空材料、复合材料等领域有着巨大潜在的用途。46 奇妙的蜘蛛丝47蜘蛛丝和蚕丝之优异的力学性能材料 伸长率（%
21、）初始模量（N/m2)强度（N/m2） 断裂功（J/Kg） 蜘蛛牵引丝9.832.1 (130)109 1109 1105 家蚕丝1535 5109 6108 7104 尼龙1826 3109 5108 8104 棉5.67.1 (611)109 (37)108 (515)103 钢8.0 21011 1109 5103 凯夫拉4.0 11011 4109 3104 橡胶1106 8104 Ref: Vollrath F., Strength and Structure of Spiders Silks, Reviews in Molecular Biotechnology, 2000, 74
22、: 67-83 48蜘蛛和蚕之合理的纺丝技术常温常压水溶液高浓度液晶纺节能、经济节能、经济环保环保高效高效耗能小、产品高性能耗能小、产品高性能历经数亿年演化历经数亿年演化49蜘蛛丝仿生纺丝的关键技术蜘蛛丝蛋白蜘蛛丝蛋白的制备的制备纺丝过程纺丝过程的仿生的仿生利用转基因技术，将蜘蛛的相关基因转移到细菌、植物体、哺乳动物的乳腺上皮或肾细胞中，进行表达，生成蜘蛛丝蛋白质，并进行提纯蜘蛛所用的“纺丝液”是水作溶剂。“纺丝”前，“纺丝液”在丝腺内呈液晶态，并以晶型为主。在其成丝流动过程中， 结构向反向平行折叠结构转变并且丝条从水中分相出来，丝条一旦形成了反平行结构就不再溶于水。50国外的研究重点 蜘蛛丝
23、蛋白的制备转基因技术转基因动物: 山羊 (Nexia CANADA)转基因植物: 烟草, 土豆细菌, 酵母 成功获得重组蜘蛛丝蛋白成功获得重组蜘蛛丝蛋白51纺丝技术同样非常重要人造蜘蛛丝的纺丝研究现状必须模仿蜘蛛的干法成丝过程我们的观点湿纺湿纺湿纺湿纺52吐丝口压丝部共通管后区中区前区后部丝腺后部丝腺中部丝腺中部丝腺合成丝素合成丝素弯弯曲曲的细管弯弯曲曲的细管分子形态：分子形态：SilkI无规卷曲、无规卷曲、螺旋螺旋溶液状态：凝胶溶液状态：凝胶蛋白质浓度：蛋白质浓度：12 15%粘度：中粘度：中无光学活性无光学活性高的含水量高的含水量合成丝胶合成丝胶,水分流失水分流失较粗较粗分子形态：分子形态
24、：SilkI无规卷曲、无规卷曲、螺旋螺旋溶液状态溶液状态:凝胶凝胶凝胶凝胶溶胶溶胶蛋白质浓度：蛋白质浓度：25%粘度：高粘度：高高高中等中等微双折射微双折射水分流失水分流失,离子交换，离子交换， pH下降，粘度减少。下降，粘度减少。逐渐变细，象一个圆锥逐渐变细，象一个圆锥形的喷丝头形的喷丝头无规卷曲、少量无规卷曲、少量结构结构溶液状态：溶液状态：溶胶溶胶向列型液晶向列型液晶蛋白质浓度：蛋白质浓度：30%粘度：低粘度：低吐丝管 Silk II60%水流失水流失反平行反平行结构结构直径直径: 2.02.51.2mm剪切剪切速率速率: 0.0060.0030.03/s pH: 5.65.25.0直径
25、直径: 0.05-0.3mm 剪切剪切速速率率: 2-400/s (400-2000/s)pH: 4.8 前部前部丝腺丝腺直径直径: 0.4-0.8mm 剪切剪切速率速率: 0.1-0.8/spH: 6.9蚕的成丝流程示意图蚕的成丝流程示意图调整调整Ca2+、Mg2+、K+等浓等浓度度浓度渐高、浓度渐高、pH值渐小、值渐小、 -折叠构象渐多折叠构象渐多无规卷曲无规卷曲53众多因素协同作用高粘度可纺RSF凝胶状液体低粘度不可纺RSF溶液协同作用后，溶液（2）表观粘度提高数个数量级-4-2020123456.Regenerated silk fibroin solution(2)Silk fibr
26、oin solution in the middle glandRegenerated silk fibroin solution (1)Lg()/Pa sLg()/s-1.54Future ApplicationsSpider silk can improve or replace existing materials, ie Kevlar or composite ingredientsSuper strong partsStrand of spider silk pencil thick can stop a Boeing 747(Ref. 4)55蜘蛛七种分泌腺体56蜘蛛的喷丝头57S
27、ilk ExcretionWhen the silk proteins reach the spinnerets the silk proteins have hardened from their previous liquid form. The crystalline structure of the proteins have aligned themselves to create the silk structure. The final product is a strong flexible protein stand spun at ambient temperature a
28、nd pressure from a small yet intricate system of glands. Spinnerets excreting silk (Ref. 1)58A Spider Assembly line (cont.)Silk releasing tubes.59圆蛛属7种丝腺体产生的丝及其功能丝腺名丝名及其功能大囊状腺牵引丝、放射状丝、构成网骨架的框丝小囊状腺牵引丝、螺旋框丝（非粘性）管状腺包卵的卵茧丝鞭毛状腺网的横丝梨状腺附着盘葡萄状腺捕获丝等集合状腺横丝表面的粘性物质60再生蚕丝蛋白质水溶液中蚕丝蛋白质分子结构转变的影响因素蚕丝蛋白质分子结构转变的影响因素时间
29、浓度剪切作用拉伸作用PH金属离子温度61蜘蛛丝与蚕丝的氨基酸组成氨基酸 蚕丝蜘蛛丝甘氨酸42.937.1丙氨酸30.021.1丝氨酸12.24.5酪氨酸4.8天门冬氨酸/天门酰氨酸1.92.5精氨酸0.57.6组氨酸0.20.5谷氨酸/谷氨酸盐1.49.2赖氨酸0.40.5缬氨酸2.51.8亮氨酸0.63.8异亮氨酸0.60.9苯丙氨酸0.70.7脯氨酸0.54.3苏氨酸0.91.7蛋氨酸0.10.4半光氨酸痕量0.3色氨酸2.962蚕丝蛋白的纤维化类似蜘蛛丝，蚕丝形成过程中是丝素蛋白由螺旋结构向-折叠结构变化的过程丝素分子发生取向和结晶化 纤维化后的丝素蛋白质难溶于水 由光学各向同性向各向异
30、性转化 Silk stored In gland Globular molecules (w ater soluble) optically isotropic less shear sensitive; high viscosity Silk In duct Leading to spinneret anisotropic aggregates of globular molecules (water soluble) optically anisotropic (form birefringence) more shear sensitive; low viscosity (liquid
31、crystalline) Silk at spinneret Shear-induced transition To crystalline beta-sheet (insoluble in water) optically anisotropic (orientation birefringence) FIBRE hydrophobic hydrophilic 63 家蚕在不同的人为吐丝速度下形成的家蚕在不同的人为吐丝速度下形成的蚕丝的力学性能及结构参数比较蚕丝的力学性能及结构参数比较吐丝吐丝速度速度(cm s-1)吐丝口吐丝口剪切速率剪切速率（s-1）纤度纤度(dtex)断裂伸长断裂伸长（
32、）（）强度强度（GPa）初始模初始模量量（N/m2）10-9断裂能断裂能（J kg-1）10-5双折射双折射n*红外结晶红外结晶指数指数*0.5113.61.8938.60.3603.220.8120.02130.3721.0227.32.7937.20.4013.580.8010.02510.5171.5340.92.4734.80.4183.640.8950.02910.5152.1477.31.7633.70.4543.880.8800.03130.5822.6590.91.5826.40.4283.880.6550.03200.245*由于采用的贝瑞克补偿法是基于纤维截面为圆形基础上的
33、，而蚕丝截面呈三角形，所以实测值偏低。*红外结晶指数是根据红外光谱中，蚕丝在1530cm-1处的折叠结构特征峰与丝素膜在1550 cm-1处的无规结构特征峰的光密度值相比进行计算得到的，即D1530/ D1550。 0.5cm s-1 1.5cm s-1 2.6cm s-1不同吐丝速度下形成的蚕丝纤维的表面电镜照片 64蜘蛛丝力学性能蜘蛛牵引丝和其它纤维的力学性能比较 材料 伸长率（%）初始模量（N/m2)强度（N/m2） 断裂能量（J/Kg） 牵引丝9.832.1 (130)109 1109 1105 家蚕丝1535 5109 6108 7104 尼龙1826 3109 5108 8104
34、棉5.67.1 (611)109 (37)108 (515)103 钢8.0 21011 1109 5103 凯夫拉4.0 11011 4109 3104 橡胶1106 8104 65大腹圆蛛在不同的人为吐丝速度下形成的大腹圆蛛在不同的人为吐丝速度下形成的牵引丝的力学性能比较牵引丝的力学性能比较吐丝速度吐丝速度(cm s-1)丝直径丝直径（）断裂伸长断裂伸长（）（）强度强度（GPa）初始模量初始模量（N/m2）10-9断裂能断裂能（J Kg-1）10-50.55.5324.80.4948.150.7091.03.8324.20.7408.271.171.55.7723.30.6206.790.77466失败也是一种成功结果不一定与设想一致要允许失败67读书的方法关键文章精读从一本到几页再到几句读出文章中的错误之处不迷信权威68