石頭竟能拉絲做衣服?這種石頭地球和月球上都有!
來(lái)源:科普中國
發(fā)布時(shí)間:2024-06-26
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我們身上穿的衣服,說(shuō)到材質(zhì)基本都會(huì )是棉、纖維等,你見(jiàn)過(guò)用石頭做成的衣服嗎?聽(tīng)到這里,有人會(huì )不會(huì )冷笑一聲,說(shuō):怎么可能?不過(guò),這可能會(huì )成真,石頭不僅能做成衣服,而且還能做成會(huì )“發(fā)電”的衣服。

會(huì )“發(fā)電”的衣服

玄武巖是一種常見(jiàn)的普通鋪路石料,在地球和月球上的含量都很豐富,但經(jīng)過(guò)特殊手段處理后,它卻能改變形態(tài),變成一種泛著(zhù)金屬光澤的高性能纖維材料——玄武巖纖維。

玄武巖纖維成品

這種纖維的強韌度是鋼材的5到10倍,重量卻是同體積鋼材的1/3左右。它還兼具隔熱、絕緣、防輻射的特性。更可貴的是,制造玄武巖纖維的過(guò)程中基本沒(méi)有有害物質(zhì)排出,對環(huán)境污染很小。因此,有人形象地把它的制造技術(shù)稱(chēng)為“點(diǎn)石成金術(shù)”。

我國已把玄武巖纖維列為重點(diǎn)發(fā)展的四大纖維材料之一,實(shí)現了工業(yè)化生產(chǎn)。它的應用范圍也十分廣泛,在航空、航天、建筑建材、道路橋梁建設、艦艇船舶制造、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域都能大展身手。

目前來(lái)看,玄武巖纖維的應用主要還是在復合材料的增強上,但已有人開(kāi)始了將玄武巖纖維用作服裝面料的大膽創(chuàng )新-。有科研人員采用模擬月壤為原材料,生產(chǎn)出可定制化的玄武巖纖維,進(jìn)而制備出一種摩擦電玄武巖紡織品,這種紡織品不僅可做成衣服,而且可讓衣服變成一種可穿戴設備。

摩擦電玄武巖紡織品進(jìn)行高溫火焰煅燒實(shí)驗

經(jīng)過(guò)拍打,這種紡織品會(huì )“發(fā)電”,能像充電寶一樣給手表或手機充電。這是因為利用摩擦起電效應,在玄武巖纖維中,科學(xué)家添加了一種聚酰亞胺纖維,當兩種不同的纖維發(fā)生摩擦接觸時(shí),就可以將人體運動(dòng)產(chǎn)生的能量轉化為電能。

除了會(huì )“發(fā)電”,科學(xué)家還開(kāi)發(fā)了一種可穿戴極端溫度報警系統,這讓摩擦電玄武巖紡織品在火災中,不僅能“毫發(fā)無(wú)傷”,穿戴者通過(guò)拍打它,甚至可以向救援人員發(fā)送求救信號。

經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗證明,這種新型紡織品可以在極端高溫(520℃)或極端低溫(-196℃)環(huán)境中發(fā)電,未來(lái)有望應用在高低緯度、高海拔、沙漠,甚至于太空等極端環(huán)境中。

不“聽(tīng)話(huà)”的石頭

普通人在低電量通話(huà)中,他們的衣服能為手機充電;消防隊員在火海中沖鋒,他們的衣服能夠隔熱、耐高溫;宇航員們在太空遨游,他們的衣服能阻擋輻射。但把堅硬的石頭變成衣服,且是功能性的衣服,并非易事。

玄武巖是一種不那么“聽(tīng)話(huà)”的石頭,它屬于天然產(chǎn)物,化學(xué)成分波動(dòng)性較大,因此,在制備中玄武巖纖維的性能本身就不穩定。其次,從玄武巖礦石到玄武巖纖維需要經(jīng)過(guò)熔融和拉絲兩個(gè)過(guò)程。在玄武巖熔融過(guò)程中,礦石中的多種礦物逐步融化,一旦有未完全融化的晶相存在,便很容易形成二次結晶的晶核;在玄武巖拉絲過(guò)程中,玄武巖熔融體也有不同程度的析晶傾向。這種析晶是需要盡量避免的,否則將影響纖維的特性和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

熔融和拉絲兩個(gè)過(guò)程,都對溫度的要求非??量?。先把大塊的玄武巖放置在高溫1500℃下熔融2至4小時(shí),碎成均勻的小顆粒,再把小顆粒置于紡絲設備中,在1350℃下拉制成玄武巖單絲。在熔融階段,溫度太低,玄武巖可能沒(méi)有完全熔化,還有小顆粒摻雜在里面,很容易出現氣泡、結石,形成新的顆粒;在拉絲階段,熔融溫度太高,玄武巖熔體的粘度下降,降低拉絲效率及纖維強度。

玄武巖

除了溫度,拉絲的速度也會(huì )影響玄武巖纖維的質(zhì)量。剛出的絲就像嬰兒,出生時(shí)很脆弱,需要小心呵護。如果用力過(guò)大,一下就會(huì )把絲拉斷;等嬰兒長(cháng)大,就需要加快速度,給它一個(gè)牽伸的力,促使它成長(cháng)。

為了提高玄武巖纖維品質(zhì),科學(xué)家對熔融、拉絲溫度和技術(shù)進(jìn)行了大量攻關(guān)研究,雖然我國對玄武巖纖維的研究起步較晚,但經(jīng)過(guò)不斷的艱難探索,科研人員攻克了不少制造技術(shù)的難關(guān),使中國成為目前全世界少數幾個(gè)掌握了玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)的國家。

將石頭變成纖維不易,讓玄武巖紡織品真正可穿,也是世界性難題。石頭纖維的手感會(huì )硬一些,有一些刺癢感,用作工業(yè)設備的防火隔熱沒(méi)有問(wèn)題,但作為服裝必須通過(guò)舒適性和親膚性的處理。

玄武巖纖維斜紋布

如何讓玄武巖紡織品變柔軟?科學(xué)家提出在每一束玄武巖纖維外包上舒適性纖維做成復合紗線(xiàn)的想法,目前已成功應用于消防服面料中。主流的消防服面料芳綸,它的耐熱極限為300℃,而玄武巖紡織品的耐熱極限可達到1000℃,可在600℃下長(cháng)期使用,耐曲折次數超過(guò)1萬(wàn)次,且單價(jià)僅為芳綸的1/3。

除做成復合紗線(xiàn),也有科學(xué)家設想在玄武巖纖維成型后,通過(guò)涂油器在纖維表面涂覆一層浸潤劑,進(jìn)而增強纖維的柔軟度。

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,當今的紡織品已不再局限于滿(mǎn)足傳統需求,玄武巖紡織品亦如此。摩擦電玄武巖紡織品就是將紡織品變成可穿戴設備的一個(gè)初步嘗試。雖然目前它的發(fā)電效率還較低,只能用于手表或手機的應急充電;雖然可穿戴極端溫度報警系統的信號傳遞也都是有線(xiàn)的,為提升紡織品器件的信號穩定性與人體舒適性,仍須向無(wú)線(xiàn)改進(jìn);但摩擦電玄武巖紡織品向前邁出的一步,無(wú)疑讓大家對讓新型紡織品衣物實(shí)現更多功能的探索多了一份期待。

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