Korice tekstil 4_11.indd

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: alenka.salej@ntf.uni-lj.si; tatjana.rijavec@ntf.uni-lj.si
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: alenka.salej@ntf.uni-lj.si; tatjana.rijavec@ntf.uni-lj.si
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.