CZ2015315A3 - Trojrozměrná textilie, způsob jejího použití a její výroby - Google Patents

Abstract

Trojrozměrná textilie obsahuje alespoň jeden filament, přičemž alespoň část filamentu je z materiálu s tvarovou pamětí. Jeden či více filamentů je provázáno v textilní vazbě vytvářející nejméně dvě vrstvy (11, 12), které jsou spojeny ve vazných bodech (22) vymezujících dutinné úseky (21) prostorového tvaru. Trojrozměrná textilie se termomechanicky přetváří tím způsobem, že se na textilii působí vnějším zatížením, které způsobuje deformaci průřezu textilie, a současně se změní teplota textilie, které způsobuje změnu efektivní tloušťky textilie. Trojrozměrnou textilii lze použít pro účely termoregulace, detekce teploty a akčních členů reagujících na změnu teploty. Trojrozměrná textilie se vytvoří nejméně dvěma vrstvami spojenými ve vazných bodech (22) vymezujících v textilii dutinné úseky (21), které jsou vytvarovány do prostorového tvaru vložením tvarovacího prostředku za současného působení tepla.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká trojrozměrných textilií, které mají výrazně větší tloušťku oproti klasickým textiliím a mají charakteristické vlastnosti ve všech třech prostorových rozměrech. Vynález se dále týká trojrozměrných textilií, které jsou schopné reagovat na změnu teploty okolí změnou tvaru a mechanických vlastností.

Dosavadní stav techniky

Trojrozměrné textilie mají výrazně větší tloušťku oproti klasickým textiliím a vykazují charakteristické vlastnosti ve všech třech prostorových rozměrech. Konstrukce trojrozměrných textilií jsou založené na využití speciálních textilních vazeb a technologií výroby, které jsou realizovány na speciálních textilních strojích, což vede k vyšším nákladům na výrobu oproti klasickým plošným textiliím.

Trojrozměrné pleteniny jsou známé pod pojmem distanční pleteniny. Distanční pleteniny jsou tvořeny dvěma osnovními nebo zátažnými pleteninami, mezi nimiž spojovací nitě udržují určitou mezeru.

V současné době se využívají textilie schopné reagovat na změnu teploty zejména jako termoregulační textilie, mající schopnost měnit své termoizolační vlastnosti v závislosti na vnějších podmínkách, zejména teplotě a vlhkosti. Tyto textilie se využívají zejména v oděvnictví pro výrobu oděvů, které poskytují vyšší komfort nošení. Textilie reagující na změnu teploty mohou zajišťovat větší tepelný komfort, ochranu proti teplu nebo další specifické funkce v oděvních a technických textiliích.

Princip fungování termoizolačních textilie je založen na využívání speciálních textilních konstrukcí a používání speciálních textilních materiálů. Kombinací těchto dvou principů byly vyvinuty polymerní membrány, které umožňují prostup tělesných par, ale zabraňují prostupu kapalin a vlhkosti z vnějšku.

Termoizolační textilie jsou dále založeny na principu trojrozměrných a vrstevnatých textilií, které vykazující vyšší tloušťku oproti klasickým textiliím a/nebo specifickou strukturu. Vyšší tloušťka zajišťuje lepší termoizolační vlastnosti. Specifická konstrukce může zajišťovat prostupnost tělesných par a zároveň neprostupnost kapalin a vlhkosti z vnějšku. S výhodou se využívá kombinace hydrofobních a hydrofilních materiálů.

Doposud známé textilie reagující na změnu teploty změnou tvaru či mechanických vlastností využívají buď kombinace materiálů o rozdílné teplotní roztažnosti, speciální textilní konstrukce nebo materiály s tvarovou pamětí.

Princip kombinace materiálů o rozdílné teplotní roztažnost spočívá ve vytvoření nestejnorodé textilie, jejíž některé oblasti jsou tvořeny dvěma vrstvami materiálů o rozdílné teplotní roztažnost. Při změně teploty dochází vlivem rozdílné roztažnosti k ohybové deformaci těchto oblastí. Tyto deformace jsou konstrukcí textilie převedeny na změny tloušťky nebo tvaru celé textilie. Nevýhodou tohoto principu je, že neumožňuje velké tvarové změny, zejména tloušťky, textilie.

Speciální textilní konstrukce, případně kombinovaná s vhodnou volbou materiálů, může zajistit změnu rozměrů textilie (např. tloušťky) a tím i změnu termoizolačních vlastností při změně teploty na jedné straně textilie.

Textilie používající materiály s tvarovou pamětí využívají vlastností některých polymerů (např. polyuretanové termoplasty) nebo slitin (např. téměř equiatomární slitiny niklu a titanu), které jsou schopné definovaně reagovat na změnu teploty změnou mechanických vlastností např. tuhosti a/nebo přechodem do předem definovaného tvaru, přičemž jsou schopny překonávat vnější síly.

Polymery s tvarovou paměti se pro účely textilií reagující na změnu teploty využívají ve formě textilních membrán vyrobených z vláken s polymerů s tvarovou pamětí. Princip fungování je založen na změnách porozity membrány v závislosti na teplotě. Tyto membrány se využívají v oděvních textiliích pro zvýšení komfortu při zvýšené fyzické aktivitě. Nevýhoda těchto textilií je, že vykazují pouze malé změny tvaru v závislosti na teplotě.

Slitiny s tvarovou pamětí se pro účely textilií reagujících na změnu teploty využívají ve formě diskrétních deformačních prvků, jako např. pružin, které jsou umístěné mezi dvě textilní vrstvy, které udržují pružinu ve stlačeném stavu při relativně nižších teplotách, při nichž je slitina s tvarovou pamětí relativně měkčí a tvárná. Při zvýšení teploty nad charakteristickou teplotu dochází k návratu pružiny do původního delšího stavu, čímž dochází ke zvětšení vzduchové mezery mezi dvěma vrstvami textilií a tím dochází ke zvýšení tepelně izolačních vlastností celého textilního celku. Nevýhodou tohoto přístupu je, že diskrétní prvky vyvolávají lokalizovanou odezvu na změnu teploty, proto je nutné použít velký počet prvků, což zvyšuje pracnost a složitost výroby celé textilie a snižuje možnost přizpůsobení tvaru celé textilie podle požadavků. Lokalizovaný tlak vyvolaný působením diskrétních prvků potom může snížit komfort nošení.

Trojrozměrné textilie, které by reagovaly na změnu teploty změnou tvaru nebo mechanických vlastností nejsou v současné době známy.

Cílem vynálezu je návrh textilie odstraňující nevýhody stavu techniky tak, že vykazuje trojrozměrnou strukturu, velký objem při relativně nízkém zaplnění a současně dokáže reagovat na změnu teploty změnou tvaru a mechanických vlastností. Dalším cílem vynálezu je návrh technologie výroby této textilie odstraňující nevýhody stavu techniky tak, že navržená technologie by umožnila výrobu trojrozměrné textilie o definovaném průřezu a tuhosti ve směru tloušťky textilie pomocí klasických textilních technologií výroby dvojrozměrných textilií. Navržená textilie by dále umožnila definovaně a opakovatelně měnit v širokém rozsahu svou tloušťku a kompresní odpor definovanou změnou teploty, a to i v případě přítomnosti vnějších tlaků působících proti zvětšování tloušťky. Vynález by umožnil návrh nových oděvních a technických textilií, které reagují na teplo a vykazují kompresní odpor, pro účely tepelné ochrany, tepelné izolace, a dále textilií které poskytují speciální kompresní chování ve směru tloušťky, jako např. pružnou nebo pružně plastickou odezvu na vnější namáhání, případně schopnost tlumit mechanické kmitání. Vynález by dále umožnil konstrukci nových snímačů teploty a akčních členů reagujících na změnu teploty.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je trojrozměrná textilie, která obsahuje alespoň jeden filament, přičemž alespoň část filamentu je z materiálu s tvarovou pamětí, přičemž uvedený jeden či více filamentů je provázáno v textilní vazbě vytvářející nejméně dvě vrstvy, které jsou spojeny ve vazných bodech vymezujících dutinné úseky prostorového tvaru. Dutinné úseky vytvářejí trojrozměrný charakter textilie a charakteristický tvar průřezu textilie. Maximální výška průřezu dutin určuje efektivní tloušťku textilie. Filament může být ve formě drátů, pásků, monofilů, multifilů, přízí. Filament může dále obsahovat několik spolu nedružených filamentů.

Trojrozměrná textilie podle vynálezu vykazuje díky své konstrukci nízké zaplnění vlákny. Díky tomu se její teplota rychle přizpůsobuje okolní teplotě a v důsledku dokáže rychle reagovat na změny okolní teploty. Konstrukce textilie dále umožňuje integrovat další součásti jako např. hadičky, kabely, výplňový materiál do dutinných úseků trojrozměrné textilie.

Filament obsahující materiál s tvarovou pamětí může s výhodou obsahovat materiál z podstatě ekviatomární slitiny niklu a titanu obsahující množství niklu v rozmezí 49 - 51 at.% Ni. Tato slitina je běžně označovaná jako Nitinol. Dále lze s výhodou použít slitiny niklu a titanu s případnou další možnou příměsí dalších prvků (Cu, Fe, Cr, Hf, Pd, Nb atd.). Filament může například obsahovat drát nebo pásek z Nitinolu nebo dalších slitin s tvarovou pamětí.

Dráty nebo pásky z Nitinolu lze tvarovat pomocí termomechanického zpracování, které se sestává z deformace drátu do požadovaného tvaru za současného působení tepla, s výhodou zahřátím na teplotu v rozmezí 200 - 600 °C a výdrží na této teplotě po dobu v rozmezí 1-60 min. Tím Nitinol umožňuje vytvarování dutinných úseků textilie podle vynálezu.

V závislosti na konkrétním složení Nitinolu, jeho tepelném zpracování a jeho teplotě lze v praxi pro potřeby trojrozměrné textilie využívat dvě jeho různé fázové martenzitické transformace, které lze vyvolat zatížením nebo změnou teploty. První z nich je transformace austenit-martenzit, což je transformace mezi vysokoteplotní fází austenit, jejíž krystalografické uspořádání odpovídá velmi symetrické kubické (krychlové) soustavě, a nízkoteplotní fází martenzit, jejíž krystalografické uspořádání odpovídá nízko symetrické monoklinické (jednoklonné), ortorombické (kosočtverečné) či jiné soustavě. Tato transformace poskytuje až 10% vratné tahové deformace drátu z Nitinolu, která je doprovázena velkými změnami modulu pružnosti. Mechanická odezva při zatížení a odtížení vykazuje silně hysterezní chování. Plocha hysterezní smyčky odpovídá energii zmařené v jednom cyklu, kterou lze využít pro aplikace tlumící mechanické vibrace.

Druhou z transformací je pak transformace austenit-R fáze, což je transformace mezi vysokoteplotní fází austenit, jejíž krystalografické uspořádání odpovídá velmi symetrické kubické (krychlové) soustavě, a tzv. premartenzitickou fází R-fáze, jejíž krystalografické uspořádání odpovídá nízko symetrické trigonální (klencové) soustavě. Tato transformace poskytuje až 1% vratné tahové deformace drátu z Nitinolu, která je doprovázena velkými změnami modulu pružnosti. Mechanická odezva při zatížení a odtížení vykazuje řádově menší hysterezi v porovnání s transformací austenit-martenzit.

Nitinolový drát nebo pásek může po transformaci austenit-R-fáze dále prodělat transformaci R-fáze-martenzit, což umožňuje zvětšit vratnou deformaci.

V závislosti na konkrétním složení Nitinolu, jeho tepelném zpracování a teplotě lze dále pro potřeby trojrozměrná textilie dle vynálezu využívat deformace Nitinolu pomocí tzv. dvojčatění martenzitické fáze nebo R-fáze. Tím Nitinolovému drátu nebo pásku v martenzitické fázi umožňuje tahovou deformaci v řádech několika procent (až 10%), která v materiálu zůstává po odlehčení a tím Nitinolový drát zůstává po odlehčení v prodlouženém stavu. Podobně Nitinolový drát nebo pásek v R-fázi umožňuje deformování v řádech několika desetin procent (až 1%). Nitinol může po deformaci dvojčatěním v R-fázi prodělat deformaci dvojčatěním v martenzitu. Tyto deformace dvojčatěním, které v matriálu zůstávají i po odlehčení, lze zotavit tepelně indukovanou transformací R-fáze-austenit nebo martenzit-austenit ohřevem nad transformační teplotu, což je teplota fázového přechodu martenzit-austenit nebo Rfáze-austenit. V případě současně působícího tahového zatížení, se drát nebo pásek z Nitinolu prodlužuje při ochlazování pod transformační teplotu fázových přechodů austenit-R-fáze, austenit-martenzit, nebo R-fáze-martenzit, a zkracuje při zpětném ohřevu nad transformační teplotu přechodů R-fáze-austenit nebo martenzit-austenit. Tato tepelně indukovaná změna délky drátu nebo pásku proti působícímu napětí dosahuje několik desetin procent (až 0.5%) v případě využívání transformace austenit-R-fáze-austenit a několika procent (až 8%) v případě využívaní transformace austenit-martenzit-austenit nebo austenit-R-fáze-martenzitaustenit.

Díky termomechanickým vlastnostem Nitinolu vykazuje textilie podle vynálezu tvořená alespoň z části filamentem z Nitinolu schopnost velkých vratných deformací, velkou tuhost při nízkém zaplnění filamentem, schopnost rychle reagovat na změnu teploty změnou tuhosti, přetvořením průřezu a změnou efektivní tloušťky textilie.

Vedle Nitinolu může filament obsahující materiál s tvarovou pamětí tvořit nebo obsahovat dalšími slitiny s tvarovou pamětí, jako např.:

slitinu Cu-Zn-Xi, kde Xi je prvek ze skupiny Si, Sn, AI, Ga, slitinu CU-AI-X2, kde X2 je prvek ze skupiny Ni, Mn, Zn, Be, slitinu N1-AI-X3, kde X3 je prvek ze skupiny Fe, Co, slitinu Fe-Ni-X4, kdeX4 je prvek ze skupiny Mn, Si, Co, Ti, slitinu Fe-Mn-Xs, kde X5 je prvek ze skupiny C, Si, Ce, slitinu ze skupiny slitina Cu-Sn, slitina Ni-AI, slitina Co-Ni-AI, slitina Ni-Mn-Ga, slitina Fe-Pt, slitina Fe-Pd, neboť tyto slitiny mají stejné nebo podobné vlastnosti jako Nitinol.

Vedle slitin s tvarovou pamětí může filament obsahující materiálu s tvarovou pamětí tvořit nebo obsahovat fyzikálně nebo chemicky síťovaný polymer s tvarovou pamětí, jako např. segmentové polyuretany, kopolymer polyetylentereftalátu, kopolymer polybutadienu.

Polymery s tvarovou pamětí vykazují modul pružnosti v tahu maximálně v řádech jednotek GPa, vratnou deformovatelnost až v řádech stovek procent, mez pevnosti v tahu řádech desítek MPa a při přechodu do původního tvaru dokáží překonávat napětí maximálně v jednotkách MPa.

Naproti tomu slitiny s tvarovou pamětí vykazují modul pružnosti v tahu v řádech desítek GPa, vratnou deformovatelnost v řádech jednotek procent, mez pevnosti v tahu v řádech stovek MPa a při přechodu do původního tvaru dokáží překonávat napětí ve stovkách MPa.

Rychlost přechodu do původního tvaru je v případě polymerů s tvarovou pamětí řádově pomalejší v porovnání se slitinami s tvarovou pamětí vlivem relativně nižší tepelné vodivosti polymerů v porovnání se slitinami.

Díky své konstrukci a obsahu filamentu, který obsahuje nebo tvoří materiál s tvarovou pamětí, vykazuje textilie podle vynálezu specifické termomechanické chování, při kterém se efektivní tloušťka textilie a přetvoření průřezu textilie mění v závislosti na teplotě. Působíme-li na textilie podle vynálezu vnějším zatížením, které způsobuje deformaci průřezu a tím i změnu efektivní tloušťky textilie, a současně měníme teplotu textilie, dochází při přechodu teplot fázových přechodů materiálu s tvarovou pamětí ke změně modulu pružnosti a deformačního chování filamentu obsahující tento materiál a případně k návratu tohoto filamentu do původního tvaru před zatížení a tím dochází jak ke změně efektivní tloušťky textilie, tak k přetvoření průřezu textilie. Díky konstrukci textilie, která zajišťuje nízké zaplnění objemu textilie vlákny, reaguje rychle na změny okolní teploty.

Díky svému specifickému termomechanickému chování lze trojrozměrnou textilii podle vynálezu použít pro termoregulační účely a dále pro účely tepelné ochrany. Trojrozměrnou textilii je vhodné integrovat do sendvičové textilie tak, že vymezuje termoizolační prostor mezi vnějšími vrstvami materiálu, které současně stlačují trojrozměrnou textilie a tím snižují její efektivní tloušťku a deformují její průřez. Termoizolační prostor vymezuje prostor s relativně nízkou tepelnou vodivostí. Při překročení teplot fázových přechodů materiálu s tvarovou pamětí dochází u tohoto materiálu ke změnám v modulu pružnosti, deformačním chování a případně k návratu do původního nezdeformovaného tvaru. V důsledku dochází ke změně tloušťky trojrozměrné textilie a tím i ke změně velikosti termoregulačního prostoru. Vnější vrstvy mohou být tvořené běžnými textiliemi, speciálními textiliemi odolnými proti působení tepla, žáru a dalších vnějších vlivů. Vnější vrstvy mohou být dále tvořené netextilními materiály, jako např. tenké kovové nebo keramické vrstvy. Tímto způsobem je dále možné zabudovat trojrozměrnou textilii podle vynálezu do stávajících oděvů nebo speciálních textilií, jako např. ochranné proti požární oděvy, pro zlepšení jejich termoregulačních a tepelně ochranných funkcí. Díky konstrukci textilie není změna tloušťky textilie doprovázená velkými změnami zbývajících dvou rozměru, což usnadňuje integrování této textilie mezi vnější textilní vrstvy.

Díky specifickému termomechanickému chování lze trojrozměrnou textilii podle vynálezu dále použít jako snímač teploty nebo akční člen reagující automaticky změnou objemu a tvaru na změnu teploty. Akční člen je mechanický prvek, který vyvolá mechanickou reakci na základě určitého signálu. Textilie podle vynálezu, tvořená alespoň z části materiálem z tvarovou pamětí, zabudovaná ve stlačeném stavu mezi dvěma deskami tak, že její efektivní tloušťka je zmenšená a její průřez je zdeformovaný, dokáže díky nízkému zaplnění vlákny okamžitě reagovat změnou tloušťky na překročení teplot fázových přechodů materiálu s tvarovou pamětí. Tuto změnu je možné použít k indikaci teploty nebo vyvolání mechanické reakce na změnu teploty.

Trojrozměrná textilie podle vynálezu se vyrobí z nejméně dvouvrstvé plošné textilie tvořené alespoň jedním filamentem, z něhož alespoň část je z materiálu s tvarovou pamětí, přičemž jednotlivé vrstvy textilie jsou spojené ve vazných bodech, které v plošné textilii vymezují dutinné úseky. Tyto dutinné úseky jsou vytvarovány do prostorového tvaru vložením tvarovaciho prostředku do dutinných úseků za současného působení tepla. Geometrie tvarovacích prostředků určuje tvar průřezu trojrozměrné textilie a její efektivní tloušťku. Geometrie tvarovacích prostředků je s výhodou prizmatická s různým tvarem průřezu, jako např. kruhovým, eliptickým, obdélníkovým se zaoblenými vrcholy. Velikost a rozložení dutinných úseků lze přizpůsobit volbou parametrů použité textilní vazby tak, aby výsledná trojrozměrná textilie vyhovovala požadavkům na rozměry, morfologii a mechanické vlastnosti. Vedle tvaru průřezu lze také vytvarovat tvar celé textilie, který nemusí být rovinný, ale zakřivený podle požadavků aplikace. Toto vytvarování lze provézt v průběhu tvarování průřezu nebo jako zvláštní operaci. Toto vytvarování spočívá ve vložení textilie, která může obsahovat tvarovací prostředky vložené do dutých úseků, mezi dva další tvarovací prostředky za současného působení tepla a tlaku. Tím lze například vytvořit trojrozměrnou textilie s válcovým zakřivením, kterou lze s výhodou použít v oděvních textiliích pro oblasti rukávů nebo nohavic.

Dvouvrstvou plošnou textilii lze s výhodou vytvořit zátažným pletením pomocí textilní vazby, která je vytvořena tak, že se první vrstva vytváří jednolícním řádkem pleteným na prvním lůžku s plným počtem jehel a druhá vrstva se vytváří oboulícním řádkem pleteným na prvním a druhém lůžku, přičemž vazné body, spojující obě vrstvy, se vytváří tak, že oboulícní řádek se plete střídavým vynecháváním určitého počtu jehel na prvním lůžku a s výhodou také určitého počtu jehel na druhém lůžku. Počet jehel vynechaných na prvním lůžku určuje šířku dutinných úseků a tím i maximální efektivní tloušťku textilie. Počet jehel vynechaných na druhém lůžku určuje velikost rozestupů mezi dutinnými úseky.

Dvouvrstvou plošnou textilii lze dále s výhodou vytvořit osnovním pletením pomocí textilní vazby, která je tvořena nejméně dvěma soustavami nití, které pomocí dvou kladecích přístrojů vytvářejí na předním lůžku a zadním lůžku jednolícní pleteniny, které se provážou ve sloupcích třetí soustavou nití, pomocí alespoň jednoho vzorového kladecího přístroje, který má jehly navlečené pouze v provazujících sloupcích, zatímco jeho nenavlečené jehly vymezující dutinné úseky. Počet a umístění navlečených jehel na vzorovém kladecím přístroji určují šířku dutinných úseků, maximální efektivní tloušťku textilie a velikost rozestupů mezi dutinnými úseky. Filament použitý ve třetí soustavě s výhodou neobsahuje materiál z tvarovou pamětí, protože tento filament se nepodílí deformačním chování duti.

Trojrozměrná textilie podle vynálezu je výrobně jednoduchá, protože vychází z použití klasických textilních technologií. Její tvar, tvar průřezu, efektivní tloušťku a tuhost lze snadno přizpůsobit konkrétním požadavkům změnou velikosti, tvaru a hustoty dutých úseků, čehož lze docílit změnou parametrů textilní vazby a tvarovacích prostředků. Textilie je objemná při malém zaplnění vlákny. Tvar, rozměry a mechanické vlastnosti textilie podle vynálezu se definovaně a vratně mění v závislosti na teplotě. Při použití drátů ze slitin niklu a titanu, lze vytvořit unikátní textilii vykazující schopnost velkých vratných deformací, velkou tuhost při malém zaplnění vlákny. Tyto textilie reagují okamžitě na změnu teploty díky malému zaplnění objemu textilie vlákny a velkému poměru plochy drátů z niklu a titanu k jejich objemu.

Objasnění výkresů

Obr. 1 - textilie podle vynálezu v první variantě provedení, obr. 1a - průřez, obr. 1b - pohled shora, obr. 1c - axonometrický pohled.

Obr. 2 - schéma vazby zátažného pletení použité pro textilní zpracování textilie podle vynálezu v první variantě provedení.

Obr. 3 - textilie podle vynálezu v první variantě provedení v nedokončeném stavu po textilním zpracováním a před vytvarováním dutinných úseků, obr. 3a - průřez, obr. 3b - pohled shora, obr. 3c - axonometrický pohled.

Obr. 4 - textilie podle vynálezu v první variantě provedení v nedokončeném stavu po textilním zpracováním a v průběhu tvarování dutinných úseků, obr. 4a - průřez, obr. 4b - pohled shora, obr. 4c - axonometrický pohled.

Obr. 5 - varianty vazby zátažného pletení textilie podle vynálezu v první variantě provedení, obr. 5a - obecný typ vazby s vynecháním jehel na obou lůžkách, obr. 5b - obecný typ vazby s vynecháním jehel na prvním lůžku, obr. 5c - konkrétní příklad vazby s vynecháním jedné jehly na prvním lůžku a jedné jehly na druhém lůžku, obr. 5d - konkrétní příklad vazby s vynecháním dvou jehel na prvním lůžku a jedné jehly na druhém lůžku, obr. 5e - konkrétní příklad vazby s vynecháním jedné jehly na prvním lůžku a tří jehel na druhém lůžku, obr. 5f - konkrétní příklad vazby s vynecháním jedné jehly na prvním lůžku, obr. 5g - konkrétní příklad vazby s vynecháním tří jehel na prvním lůžku.

Obr. 6 - vazba dvouvrstvého osnovního pletení textilie podle vynálezu v neznázorněné variantě.

Obr. 7 - tahové deformační chování Nitinolu využívající fázové transformace austenit-martenzit.

Obr. 8 - tahové deformační chování Nitinolu využívající fázové transformace austenit-R-fáze.

Obr. 9 - tahové deformační chování Nitinolu využívající deformaci dvojčatěním Rfáze.

Obr. 10-tahové deformační chování Nitinolu využívající deformaci dvojčatěním Rfáze a martenzitu.

Obr. 11 - tahové deformační chování Nitinolu v průběhu ohřevu a ochlazování při současném působení tahového zatížení, obr. 11a - tahové zatížení 400 MPa, obr. 11b- tahové zatížení 450 MPa.

Obr. 12 - elastické deformační chování průřezu textilie podle vynálezu v první variantě provedení při teplotě vyšší než teplota fázového přechodu do austenitu Af, obr. 12a - průřez nezatížené textilie, obr. 12b - průřez textilie zatížené tlakem p, obr. 12c - průřez odlehčené textilie.

Obr. 13 - pružně plastické deformační chování průřezu textilie podle vynálezu v první variantě provedení při teplotě nižší než teplota fázového přechodu do martenzitu Mt a návrat do původního tvaru po ohřátí nad teplotu fázového přechodu do austenitu, obr. 13a - průřez nezatížené textilie, obr. 13b - průřez textilie zatížené tlakem p, obr. 13c - průřez textilie po odlehčení, 13d - průřez textilie po odlehčení a ohřátí na teplotu vyšší než teplota fázového přechodu do austenitu At.

Obr. 14 - termomechanické deformační chování průřezu textilie podle vynálezu v první variantě provedení, obr. 14a - průřez nezatížené textilie při teplotě vyšší než teplota fázového přechodu do austenitu, obr. 14b - průřez textilie zatížené tlakem p při teplotě vyšší než teplota fázového přechodu do austenitu, obr. 14c - průřez textilie zatížené tlakem p a zchlazené pod teplotou fázového přechodu do R-fáze R_s, 14d - průřez textilie zatížené tlakem p a ohřáté nad teplotu fázového přechodu do austenitu Af.

Obr. 15 teplotní závislost efektivní tloušťky textilie podle vynálezu v první variantě provedení zatížené tlakem.

Příklady uskutečnění vynálezu

Struktura, technologie výroby a vlastnosti textilie podle vynálezu budou vysvětleny na jedné variantě provedení znázorněné na obr. 1a až obr. 1c V jiných neznázorněných variantách však může být tato textilie provedena způsobem, který je zřejmý odborníkovi v oboru, vzhledem ke konkrétním požadavkům a/nebo podmínkám použití.

Trojrozměrná textilie znázorněná v průřezu na obr. 1a, v pohledu shora na obr. 1b a v axonometrickém pohledu na obr. 1c je tvořena dvěma vrstvami textilie 11 a 12, které jsou vzájemně provázány v úsecích 22 vymezující dutinné úseky 21. Tyto dutinné úseky 21 jsou vytvarovány do válcového tvaru, vytvářející tak trojrozměrný charakter celé textilie.

Trojrozměrná textilie je vyrobena z dvouvrstvé zátažné pleteniny vytvořené pomocí textilní vazby zobrazené na obr. 2 sestávající se ze dvou střídajících se řádků 31 a 32, z nichž řádek 31 je pleten jako jednolícní na lůžku 41 s plným počtem jehel, řádek 32 je pleten jako oboulícní střídavě na lůžkách 41 a 42 s opakovaným vynecháním jedné jehly 51 na lůžku 41, a jedné jehly 52 na lůžku 42, čímž vznikají nevytvarované dutinné úseky 23. Použitím této textilní vazby je vytvořena plošná dvouvrstvá textilie znázorněná v průřezu na obr. 3a, v pohledu shora na obr. 3b a v axonometrickém pohledu na obr. 3c, ve které jsou obě vrstvy provázány v úsecích 22 vymezující nevytvarované dutinné úseky 23. Tyto dutinné úseky 23 jsou následně vytvarovány vložením prizmatických tvarovacích prostředků s kruhovým průřezem 6 (obr. 4a - obr. 4c) a současným tepelným působením, který vede k tomu, že po skončení tepelného působením, ochlazení na pokojovou teplotu a vyjmutí tvarovacích prostředků 6, textilie zaujímá tvar předepsaný tvarovacími prostředky 6 (obr. 1a - obr. 1b).

V jiných neznázorněných variantách muže být trojrozměrná textilie vyrobena z dvouvrstvé zátažné pleteniny vytvořené provázáním jednolícního řádku 31 a oboulícního řádku 32 pomocí zobecněných vazeb zobrazených odděleně pro každý řádek na obr. 5a - obr. 5b. Na obr. 5a je znázorněn obecný typ vazby dvouvrstvé zátažné pleteniny tvořené jednolícním řádkem 31 pleteným na lůžku 41 s plným počtem jehel a oboulícním řádkem 32 pleteným na lůžkách 41, 42 se střídavým vynecháním libovolného počtu jehel 51 na lůžku 41 a libovolného počtu jehel 52 na lůžku 42. Volbou počtu vynechaných jehel 51 a 52 je možné nastavit velikost a rozteč dutinných úseků. Na obr. 5b je znázorněn obecný typ vazby dvouvrstvé zátažné pleteniny tvořené jednolícním řádkem 31 pleteným na lůžku 41 s plným počtem jehel a oboulícním řádkem 32 pleteným na lůžkách 41, 42 se střídavým vynecháním libovolného počtu jehel 51 na lůžku 41. Volbou počtu vynechaných jehel 51 je možné nastavit velikost dutinných úseků. Příklady vazeb dvouvrstvé zátažné pleteniny odvozených od zobecněných variant na obr. 5a - obr. 5b jsou zobrazeny na obr. 5c

- obr. 5g. Na obr. 5c je znázorněna vazba dvouvrstvé zátažné pleteniny tvořená jednolícním řádkem 31 pleteným na lůžku 41 s plným počtem jehel a oboulícním řádkem 32 pleteným na lůžkách 41, 42 se střídavým vynecháním jedné jehly 51 na lůžku 41 a jedné jehly 52 na lůžku 42. Na obr. 5d je znázorněna vazba dvouvrstvé zátažné pleteniny tvořená jednolícním řádkem 31 pleteným na lůžku 41 s plným počtem jehel a oboulícním řádkem 32 pleteným na lůžkách 41, 42 se střídavým vynecháním dvou jehel 51 na lůžku 41 a jedné jehly 52 na lůžku 42. Na obr. 5e je znázorněna vazba dvouvrstvé zátažné pleteniny tvořená jednolícním řádkem 31 pleteným na lůžku 41 s plným počtem jehel a oboulícním řádkem 32 pleteným na lůžkách 41, 42 se střídavým vynecháním jedné jehly 51 na lůžku 41 a tří jehel 52 na lůžku 42. Na obr. 5f je znázorněna vazba dvouvrstvé zátažné pleteniny tvořená jednolícním řádkem 31 pleteným na lůžku 41 s plným počtem jehel a oboulícním řádkem 32 pleteným na lůžkách 41, 42 se střídavým vynecháním jedné jehly 51 na lůžku 41. Na obr. 5g je znázorněna vazba dvouvrstvé zátažné pleteniny tvořená jednolícním řádkem 31 pleteným na lůžku 41 s plným počtem jehel a oboulícním řádkem 32 pleteným na lůžkách 41, 42 se střídavým vynecháním tří jehel 51 na lůžku 41.

V dalších neznázorněných variantách textilie podle vynálezu může být textilie vyrobena z dvouvrstvé osnovní pleteniny vytvořené pomocí textilní vazby zobrazené na obr. 6. Tato dvouvrstvé osnovní pletenina je tvořena dvěma soustavami nití 71 a 73, které pomocí kladecích přístrojů 101 a 103 s plně navlečenými jehlami vytvářejí na předním lůžku 81 a zadním lůžku 82 jednolícní pleteniny, které jsou provázány ve sloupcích 9 třetí soustavou nití 72 pomocí vzorového kladecího přístroje 102, jehož navlečené jehly 111 vymezující dutinné úseky 112.

Trojrozměrná textilie podle vynálezu v první variantě provedení je vytvořena z drátu vyrobeného z podstatě ekviatomární slitiny niklu a titanu, běžně označované jako Nitinol. V závislosti na složení a tepelném zpracování mohou Nitinolové dráty vykazovat tři fázové přechody - austenit-R-fáze, austenit-martenzit, R-fázemartenzit.

Trojrozměrná textilie podle vynálezu v první variantě provedení je vytvarována vložením tvarovacích prostředků 6 (obr. 4a - obr. 4c) a současným ohřevem na teplotu 450°C a výdrží na této teplotě po dobu 30 min.

Byla připravena trojrozměrná textilie podle první varianty provedeni, která má obdélníkový půdorys o rozměrech 180x90 mm, obsahuje devět válcových dutin o průměru di=8mm (obr. 12a), a byla vyrobená z Nitinolového drátu o průměru 0.1 mm a chemickém složení 50.9 at.% Ni, 49.1 at.% Ti. Textilie byla vytvarována tepelným působení při teplotě 450°C po dobu 30 min. Teplota fázového přechodu do austenitu tohoto zpracovaného Nitinolového drátu je Af = 5°C. Tato konkrétní textilie se při teplotě T = 20°C, která je vyšší než teplota fázového přechodu do austenitu Af, a vnějším působícím zatížení 5 kPa (81 N) deformuje v průřezu tak, že efektivní tloušťka se zmenší na d2=2mm (obr. 12b). Po odlehčení se textilie vrací do původního tvaru průřezu o efektivní tloušťce di=8mm (obr. 12c).

Obdobně byla připravena trojrozměrná textilie podle první varianty provedeni, která má obdélníkový půdorysu o rozměrech 100x80 mm, obsahuje děvet válcových dutin o průměru di=8mm (obr. 13a), a byla vyrobena z Nitinolového drátu o průměru 0.1 mm a chemickém složení 49.8 at.% Ni, 50.2 at.% Ti. Textilie byla vytvarována tepelným působením při teplotě 450°C po dobu 30 min. Teplota fázového přechodu do austenitu tohoto zpracovaného Nitinolového drátu je Af = 85°C. Teplota fázového přechodu do martenzitu tohoto zpracovaného Nitinolového drátu je M_s = 25°C. Tato konkrétní textilie se při teplotě Ti = 20°C, která je nižší než teplota fázového přechodu do martenzitu Mf, a vnějším působícím zatížení 4,3 kPa (34,4 N) deformuje tak, že efektivní tloušťka ze zmenší na d₃=1,2 mm (obr. 13b). Po odlehčení se tloušťka textilie mírně zvýší na 04=1,9 mm (obr. 13c). Zahřátím odlehčené textilie nad teplotu 90°C, která je vyšší než teplota fázového přechodu do austenitu Af, se textilie vrací do původního tvaru průřezu o tloušťce di=8mm (obr. 13d).

Obdobně byla připravena trojrozměrná textilie podle první varianty provedeni, která má obdélníkový půdorysu o rozměrech 140x75 mm, obsahuje devět válcových dutin o průměru d-i=8mm (obr. 14a), a byla vyrobena z Nitinolového drátu o průměru 0.1 mm a chemickém složení 50.3 at.% Ni, 49.7 at.% Ti. Textilie byla vytvarována tepelným působením při teplotě 450°C po dobu 30 min. Teplota fázového přechodu do austenitu tohoto zpracovaného Nitinolového drátu je At = 60°C. Teplota fázového přechodu do R-fáze tohoto zpracovaného Nitinolového drátu je Rf = 50°C. Teplota fázového přechodu do martenzitu tohoto zpracovaného Nitinolového drátu je Mf = 50°C. Tato konkrétní textilie se při teplotě T = 75°C, která je vyšší než teplota fázového přechodu do austenitu Af, a vnějším působícím vnějším zatížení 0,86 kPa deformuje tak, že efektivní tloušťka se sníží na ds=7,7 mm (obr. 14b). Ochlazením na teplotu T = 35°C při stálém působení vnějšího zatížení dále poklesne tloušťka na hodnotu 06=5.7 mm (obr. 14c). Střídavý ohřev a ochlazování textilie mezi teplotami T = 75°C a 35°C způsobí střídavé zvyšování a snižování efektivní tloušťky textilie v rozmezí 7,7 - 5,7 mm. Odpovídající teplotní odezva efektivní tloušťky této konkrétní textilie je znázorněná na (obr. 15).

Průmyslová využitelnost

Trojrozměrná textilie je použitelná v oděvních a technických textiliích, které vyžadují definovaný kompresní odpor a/nebo dutinný průřez. Trojrozměrná textilie s malým zaplněním vlákny je vhodná pro účely textilií integrující dalších technické prvky jako např. kabely nebo hadičky. Trojrozměrná textilie, jejíž tuhost a tvar reagují rychle, definovaně a vratně na změnu teploty a vnějšího zatížení, je použitelná v oděvních a technických textiliích pro účely např. tepelné ochrany, tepelné izolace, proměnného kompresního působení, případně tlumení mechanického kmitání. Díky specifickému termomechanickému chování lze trojrozměrnou textilii podle vynálezu dále použít v průmyslových aplikacích jako objemový snímač teploty a akční člen reagující změnou objemu a tvaru na změnu teploty.

Claims (15)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Trojrozměrná textilie, vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jeden filament, přičemž alespoň část filamentu je z materiálu s tvarovou pamětí, přičemž uvedený jeden či více filamentů je provázáno v textilní vazbě vytvářející nejméně dvě vrstvy, které jsou spojeny ve vazných bodech vymezujících dutinné úseky prostorového tvaru.
2. 2. Trojrozměrná textilie podle nároku 1, vyznačující se tím, že filament obsahující materiál s tvarovou pamětí obsahuje v podstatě ekviatomární slitiny niklu a titanu.
3. 3. Trojrozměrná textilie podle nároku 1 vyznačující se tím, že filament obsahující materiál s tvarovou pamětí obsahuje slitiny ze skupiny: slitina Ni-Ti-Xi, kde Xi je prvek ze skupiny Cu, Fe, Cr, Hf, Pd, Nb, slitina Cu-Zn-X2, kde X2 je prvek ze skupiny Si, Sn, AI, Ga, slitina Cu-AI-Xa, kde X3 je prvek ze skupiny Ni, Mn, Zn, Be, slitina N1-AI-X4, kde X4 je prvek ze skupiny Fe, Co, slitina Fe-Ni-Xs, kdeXs je prvek ze skupiny Mn, Si, Co, Ti, slitina Fe-Mn-Xe, kde Xe je prvek ze skupiny C, Si, Ce, slitina Cu-Sn, slitina Ni-AI, slitina Co-Ni-AI, slitina Ni-Mn-Ga, slitina Fe-Pt, slitina Fe-Pd.
4. 4. Trojrozměrná textilie podle nároku 1 vyznačující se tím, že filament obsahující materiál s tvarovou pamětí obsahuje polymer s tvarovou pamětí.
5. 5. Způsob přetvoření trojrozměrné textilie podle kteréhokoliv z nároků 1-4, vyznačující se tím, že se na textilii působí vnějším zatížením, které způsobuje deformaci průřezu textilie, a současně se změní teplota textilie, přičemž se změní efektivní tloušťka textilie.
6. 6. Použití textilie podle kteréhokoliv z nároků 1-4 pro termoregulační účely.
7. 7. Použití podle nároku 6, kde se textilie umístí mezi dvě vrstvy materiálu, které vymezují termoizolační prostor a stlačují průřez textilie, přičemž se textilie ohřeje nad transformační teplotu a efektivní výška dutin textilie se zvýší a tím se zvýší i velikost termoizolačního prostoru.
8. 8. Použití podle nároku 6, kde se textilie umístí mezi dvě vrstvy materiálu, které vymezují termoizolační prostor a stlačují průřez textilie, přičemž se textilie ochladí pod transformační teplotu a efektivní výška dutin textilie se sníží a tím se sníží i velikost termoizolačního prostoru.
9. 9. Použití textilie podle kteréhokoliv z nároků 1-4 pro účely detekce teploty.
10. 10. Použití podle nároku 9, kde se textilie umístí mezi dvě vrstvy materiálu, které stlačují průřez textilie a vymezují prostor detekce teploty, přičemž se změna efektivní výšky dutin textilie použije pro indikaci překročení transformačních teplot.
11. 11. Použití textilie podle kteréhokoliv z nároků 1-4 pro účely akčních členů reagujících na změnu teploty.
12. 12. Použití podle nároku 11, kde se textilie umístí mezi dvě vrstvy materiálu, které stlačují průřez textilie a vymezují prostor detekce teploty, přičemž se změna efektivní výšky dutin textilie použije jako mechanická reakce na překročení transformačních teplot.
13. 13. Způsob výroby textilie podle kteréhokoliv z nároků 1-4, vyznačující se tím, že se z alespoň jednoho filamentu vytvoří textilie tvořená nejméně dvěma vrstvami spojenými ve vazných bodech vymezujících v textilii dutinné úseky, které jsou vytvarovány do prostorového tvaru vložením tvarovacího prostředku za současného působení tepla.
14. 14. Způsob výroby podle nároku 13, vyznačující se tím, že se textilie vytvoří pomocí dvouvrstvé textilní vazby, která je vytvořena zátažným pletením tak, že se první vrstva vytváří jednolícním řádkem (31) pleteným na lůžku (41) s plným počtem jehel a druhá vrstva se vytváří oboulícním řádkem (32) pleteným na lůžkách (42) a (41), přičemž vazné body, spojující obě vrstvy, se vytváří tak, že oboulícní řádek (32) se plete střídavým vynecháváním určitého počtu jehel na lůžku (41) a s výhodou také určitého počtu jehel na lůžku (42).
15. 15.Způsob výroby podle nároku 13, vyznačující se tím, že se textilie vytvoří osnovním pletením pomocí dvouvrstvé textilní vazby, která je tvořena nejméně dvěma soustavami nití (71) a (73), které pomocí kladecích přístrojů (101) a (103) vytvářejí na předním lůžku (81) a zadním lůžku (82) jednolícní pleteniny, které se provážou ve sloupcích (9) třetí soustavou nití (72), pomocí alespoň jednoho vzorového kladecího přístroje (102), jehož navlečené jehly (111) vymezující dutinné úseky (112).