CN107338572A

CN107338572A - 一种二维负泊松比结构纺织品成型的复合针及其用途

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Publication number: CN107338572A
Application number: CN201710398384.0A
Authority: CN
Inventors: 杜赵群; 顾龙鑫; 何玲娥
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2017-11-10
Anticipated expiration: 2037-05-31
Also published as: CN107338572B

Abstract

本发明公开了一种二维负泊松比结构纺织品成型的复合针，包括针踵和固结在针踵上的针，所述的针为锥形体，所述的针踵为等截面的柱体，所述的针的下端截面与针踵的一端表面具有相同的截面形状；所述的针和针踵的截面形状均为负泊松比结构。该专利的用途是依据成型结构及尺寸不同，选择复合针(包括针和针踵)的高度和负泊松比形状，复合针通过一定的阵列形状排列形成针组，数个针组形成针床，可对大幅宽的纺织品进行加工，获得具有负泊松比效应的纺织品。其特点是简易、快速、高精度，适用于非织物、复合材料、泡沫、橡胶、膜、塑料、木材、金属等材料，通过穿刺加工即可构造相应的二维负泊松比结构材料，并赋予材料负泊松比效应。

Description

一种二维负泊松比结构纺织品成型的复合针及其用途

技术领域

本发明涉及一种二维负泊松比结构纺织品成型的复合针及其加工具有负泊松比效应的纺织材料的用途。

背景技术

自然界已发现多种具有负泊松比效应的物质，经研究发现具有负泊松比效应的材料拥有传统材料所没有的特殊性能，且其剪切刚度、断裂韧性、抗压能力、同向曲率、能量吸收能力、渗透性等比之传统材料都有所提高。这些优良的力学性能使负泊松比材料在汽车工业、人体防护、航空航天、生物医学及国防等领域有潜在应用。目前负泊松比结构材料的研究多集中在泡沫和聚合物材料中，纺织材料报道较少，虽有相关的二维负泊松结构纺织材料的编织和针织结构设计方法，具有较好的平面拉胀效应，但制作繁琐，生产效率低，且需要专门改进的针织设备，成本较高，难以满足市场上的大量需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维负泊松比结构纺织品成型的复合针，可以方便快捷地制成具有二维负泊松比效应的纺织材料等。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种二维负泊松比结构纺织品成型的复合针，其特征在于，包括针踵和固结在针踵一端上的针，所述的针和针踵的截面形状均为负泊松比结构。

优选地，所述针为锥形体，底部的表面形状为负泊松比结构；所述针踵为等截面的柱体，表面形状为负泊松比结构；针底部的负泊松比结构的表面形状尺寸与针踵的负泊松比结构的表面形状尺寸相同。

优选地，所述负泊松比结构包括内凹六边形、人字形、双箭头形、内凹蜂窝、星形网络、内凹菱形、正十二面体、三角格栅、中心旋转矩形、中心旋转三角形、中心旋转四面体、手性蜂窝、中心旋转多面体、铰接六角形、铰接四边形、铰接三角形及其组合。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的复合针的应用结构，其特征在于，上述的复合针通过一定的阵列形状排列构成针组，并依靠所述针踵的另一端固结在针床上。

优选地，所示复合针的棱具有一定倒角，为圆弧形，避免所述针穿过待成型材料时损伤材料。

本发明的另一个技术方案是提供了一种二维负泊松比结构纺织品成型的复合针的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)根据成型材料的厚度和表面负泊松比效应的纹理，选择如权利要求1所述的复合针的针和针踵，并对应选择针和针踵的截面形状、高度以及棱的倒角；

b)将针的底部对应固结在针踵上，形成上述的复合针；依据纺织品的成型结构及尺寸不同，将一定数量的复合针排成一定的阵列形状形成针组，数个针组在针床上形成更大的图案和尺寸，符合要求后，将该针组所用复合针的针踵固结在针床内；

c)利用物理作用力将针床上的复合针穿透纺织材料，使复合针周围的纱线、纤维或复合材料按照复合针的截面形状向四周扩散或挤压；

d)使针踵贯穿待成型材料，并在待成型材料中停滞适当时间，以便于材料形成稳定的二维负泊松比结构；

e)通过反向物理作用力提起针床，将复合针脱离材料，并进行下一部分压针成型工序；

f)通过定型工艺固化二维负泊松比结构的纺织材料，所得纺织材料具有负泊松比效应，形成具有二维负泊松比结构效应的纺织材料。

优选地，用于负泊松比结构加工，通过穿刺加工即可构造相应的二维负泊松比结构材料，并赋予材料负泊松比效应。

优选地，所述二维负泊松比结构材料根据使用方向和用途、材料性能、表面二维负泊松比结构与尺寸不同、材料厚度不同，制成的拉胀纺织品材料用作功能纺织品，或人体防护用具，或普通防护用品，或医疗用品；制成的拉胀泡沫材料用于易碎物品包装；制成的拉胀泡沫、拉胀塑料用作汽车坐垫、靠背、睡垫及床垫；制成的拉胀橡胶用作床垫；制成的高性能拉胀塑料用作深海作业、航天航空材料；制成的拉胀木材用作建筑材料；制成的拉胀金属用作航天航空材料。

本发明在于实现一种制备方法简单、生产效率高、适用范围广、生产成本低的二维负泊松比材料的加工方法。本发明专利通过将具有二维负泊松比形状结构的针完全穿透平面的二维负泊松比材料(包括织物、非织物、复合材料、塑料、泡沫、膜、橡胶、木材、金属等)，从而获得二维负泊松比材料。本发明专利所述的二维负泊松比结构包括内凹六边形、人字形、星形、三角形、双箭头形等蜂窝拓扑结构。所述的二维负泊松比材料，根据使用方向和用途，材料性能，表面二维负泊松比结构与尺寸不同，材料厚度不同，制成的拉胀纺织品材料可用作缓冲、防弹防刺、减振、隔热、过滤等功能纺织品；汽车安全带、安全座椅、运动防护服装及装备、赛车服、防震手套、防震头盔等人体防护用具；童装、孕妇装、文胸等普通防护用品；脊柱内固定器、人造成形瓣膜、人造血管、食管内支架等医疗用品。拉胀泡沫材料可用于易碎物品包装；拉胀泡沫、拉胀塑料可用作汽车坐垫、靠背、睡垫及床垫等；拉胀橡胶可用作床垫；高性能拉胀塑料可用作深海作业、航天航空材料；拉胀木材可用作建筑材料；拉胀金属用作航天航空材料等。

本发明制备的二维负泊松比结构成型复合针具有以下优点：

(1)本发明可以快速生成二维负泊松比效应材料，整个制作过程简便易操作，工艺简单，成本低廉，对环境友好，可适用于大规模批量生产。

(2)本发明适用范围广，可以应用在织物、泡沫、橡胶、塑料、木材、金属等材料上，满足该种材料在相应领域内的各种应用。

(3)本发明根据材料性能和使用目的不同，采用具有不同横截面结构、尺寸、针踵长度的针，通过改变针床上针对排列结构及排列尺寸对材料进行加工，可得到各种结构形状、尺寸、性能材料，满足市场各种要求。

附图说明

图1为内六角形截面针，其中：1A为前视图，1B为等轴测图，1C为立体结构示意图；1为针，2为针踵。

图2为“人”字形截面针，其中：2A为前视图，2B为等轴测图，2C为立体结构示意图；1为针，2为针踵。

图3为双箭头形截面针，其中：3A为前视图，3B为等轴测图，3C为立体结构示意图；1为针，2为针踵。

图4为星形截面针，其中：4A为前视图，4B为等轴测图，4C为立体结构示意图；1为针，2为针踵。

图5为三角形截面针，其中：5A为前视图，5B为等轴测图，5C为立体结构示意图；1为针，2为针踵。

图6为内六角形排针结构示意图，其中：6A为左视图，6B为前视图，6C 为等轴测图。

图7为“人”字形排针结构示意图，其中：7A为左视图，7B为前视图。

图8为双箭头形排针结构示意图，其中：8A为左视图，8B为前视图，8C 为等轴测图。

图9为星形排针结构示意图，其中：9A为左视图，9B为前视图，9C为等轴测图。

图10为三角形排针结构示意图，其中：10A为左视图，10B为前视图，10C 为等轴测图。

图11为内六角形负泊松比结构材料示意图，其中：11A为前视图，11B为立体示意图。

图12为“人”字形负泊松比结构材料示意图，其中：12A为前视图，12B 为立体示意图。

图13为双箭头形负泊松比结构材料示意图，其中：13A为前视图，13B为立体示意图。

图14为星形负泊松比结构材料示意图，其中：14A为前视图，14B为立体示意图。

图15为三角形负泊松比结构材料示意图，其中：15A为前视图，15B为立体示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供的一种二维负泊松比结构纺织品成型的复合针组合并固结在针床上的结构示意图如图6、图7、图8、图9、图10所示，包括针1、针踵2和针床3。另外图1、图2、图3、图4、图5是二维负泊松比结构纺织品成型的复合针结构示意图，它们的横截面结构分别是内六角形、“人”字形、双箭头形、星形、三角形。内六角和“人”字形每组针仅含一直针，针结构包括针1和针踵 2；双箭头形和星形每组针包括2支针，分为a针b针，通过增加a针和b针的个数，并调整其排列获得所需的针床，每支针结构同样为针1和针踵2；三角形针每组针含7支针，分别为a、b、c、d、e、f、g，每支针结构包括针1和针踵 2。

通过增加每种针的组数、调整针的排列，获得所需要的具有拉胀效应形状的针床，如图6、图7、图8、图9、图10所示，它们分别为内六角形结构针床、 “人字形”结构针床、双箭头形结构针床、星形结构针床及三角形针床。

通过物理作用力将针穿入织物、复合材料、泡沫、塑料、橡胶、木材、金属等材料时，针尖周围材料将向四周挤压扩散，随着针的穿入，材料孔洞形状变大，当针完全穿透材料时，材料的上下层将形成结构尺寸一致的形状，如图 11、图12、图13、图14、图15所示。它们分别是内六角形负泊松比结构材料示意图、“人”字形负泊松比结构材料示意图、双箭头形负泊松比结构材料示意图、星形负泊松比结构材料示意图、三角形负泊松比结构材料示意图。

本发明具体实施过程如下：

a)根据成型材料的厚度和表面负泊松比效应的纹理，选择复合针的针1和针踵2，并对应选择针1和针踵2的截面形状、高度以及棱的倒角；

b)将针1的底部对应固结在针踵2上，形成复合针；依据纺织品的成型结构及尺寸不同，将一定数量的复合针排成一定的阵列形状形成针组，数个针组在针床3上形成更大的图案和尺寸，符合要求后，将该针组所用复合针的针踵2固结在针床3内；

c)利用物理作用力将针床上的复合针穿透纺织材料，使复合针周围的纱线、纤维或复合材料按照复合针的截面形状向四周扩散或挤压：

f)通过定型工艺固化二维负泊松比结构的纺织材料，所得纺织材料具有负泊松比效应。

该发明通过纺织材料的连续输出和针床的连续穿透纺织材料，可对大幅宽或小幅宽的纺织品进行连续化加工，形成具有二维负泊松比结构效应的纺织材料。

本发明所述的二维负泊松比材料的表面具有拉胀效应和挤缩效应的二维负泊松比结构，所述的二维负泊松比结构包括内凹六边形、人字形、星形、三角形、双箭头形，内凹蜂窝、星形网络、内凹菱形、正十二面体、三角格栅、中心旋转矩形、中心旋转三角形、中心旋转四面体、手性蜂窝、中心旋转多面体、铰接六角形、铰接四边形、铰接三角形及其组合等蜂窝拓扑结构。

本发明所述的二维负泊松比材料，根据应用方向的不同，所发明的二维负泊松比材料的性能，形状，厚度尺寸不同。拉胀纺织品材料可用作缓冲、防弹防刺、减振、隔热、过滤等功能纺织品；汽车安全带、安全座椅、运动防护服装及装备、赛车服、防震手套、防震头盔等人体防护用具；童装、孕妇装、文胸等普通防护用品；脊柱内固定器、人造成形瓣膜、人造血管、食管内支架等医疗用品；拉胀泡沫材料可用于易碎物品包装；拉胀泡沫、拉胀塑料可用作汽车坐垫、靠背、睡垫及床垫等；拉胀橡胶可用作床垫；高性能拉胀塑料可用作深海作业、航天航空材料；拉胀木材可用作建筑材料；拉胀金属用作航天航空材料等。

本发明涉及的一种二维负泊松比结构纺织品成型的复合针及其用途，具体涉及如下5个实施例，其参数见表。

实施例1具有内凹六边形负泊松比结构的防刺割服的制备，其中原材料为机织物，复合针的针1和针踵2的截面形状为内凹六边形负泊松比结构，针1长30mm，针踵2的高度为5mm；针1和针踵2的棱的内倒角为0.5mm，外倒角为1mm；针踵截面积为45mm²，针床面积为1000mm*1000mm；定型方式为树脂固化；

实施例2具有双箭头形负泊松比结构的橡胶床垫的制备，其中原材料为橡胶，复合针的针1和针踵2的截面形状为双箭头负泊松比结构，针1长50mm，针踵 2的高度为8mm；针1和针踵2的棱的内倒角为0.5mm，外倒角为1.5mm；针踵截面积为700mm²，针床面积为1000mm*1000mm；定型方式为常温冷定型；

实施例3具有内凹六边形负泊松比结构的医用过滤血管的制备，其中原材料为聚氨酯薄膜，复合针的针1和针踵2的截面形状为内凹六边形负泊松比结构，针 1长0.15mm，针踵2的高度为0.03mm；针1和针踵2的棱的内倒角为0.005mm，外倒角为0.01mm；针踵截面积为0.00125mm²，针床面积为200mm*200mm；定型方式为高温热定型；

实施例4具有星形负泊松比结构的心脏瓣膜的制备，其中原材料为聚四氟乙烯薄膜，复合针的针1和针踵2的截面形状为星型负泊松比结构，针1高1mm，针踵2高0.3mm；针1和针踵2的棱的倒角分别为：a针内倒角为0.003mm，a 针外倒角为0.0045，b针倒角为0.006；针踵截面积为0.04mm²，针床面面积 200mm*200mm；定型方式为高温热定型；

实施例5具有三角形负泊松比结构的防震头盔的制备，其中原材料为复合针的针1和针踵2的截面形状为三角形负泊松比结构，针1高80mm，针踵2高20mm；针1和针踵2的棱的倒角为1mm；针踵截面积为100mm²，针床面面积 700mm*700mm；定型方式为常温冷定型。

实施例6具有三角形负泊松比结构的防弹衬垫的制备，其中原材料为复合针的针1和针踵2的截面形状为三角形负泊松比结构，针1高80mm，针踵2高20mm；针1和针踵2的棱的倒角为1mm；针踵截面积为100mm²，针床面面积 700mm*700mm；定型方式为常温冷定型。

表1实施例的工艺参数数据表

Claims

1.一种二维负泊松比结构纺织品成型的复合针，其特征在于，包括针踵(2)和固结在针踵(2)一端上的针(1)，所述的针(1)和针踵(2)的截面形状均为负泊松比结构。

2.根据要求1所述的一种二维负泊松比结构纺织品成型的复合针，其特征在于，所述针(1)为锥形体，底部的表面形状为负泊松比结构；所述针踵(2)为等截面的柱体，表面形状为负泊松比结构；针(1)底部的负泊松比结构的表面形状尺寸与针踵(2)的负泊松比结构的表面形状尺寸相同。

3.根据要求1所述的一种二维负泊松比结构纺织品成型的复合针，其特征在于，所述负泊松比结构包括内凹六边形、人字形、双箭头形、内凹蜂窝、星形网络、内凹菱形、正十二面体、三角格栅、中心旋转矩形、中心旋转三角形、中心旋转四面体、手性蜂窝、中心旋转多面体、铰接六角形、铰接四边形、铰接三角形及其组合。

4.一种如权利要求1所述的复合针的应用结构，其特征在于，如权利要求1所述的复合针通过一定的阵列形状排列构成针组，并依靠所述针踵(2)的另一端固结在针床(3)上。

5.根据权利要求4所述的一种应用结构，其特征在于，所示复合针的棱具有一定倒角，为圆弧形，避免所述针(1)穿过待成型材料时损伤材料。

6.一种二维负泊松比结构纺织品成型的复合针的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)根据成型材料的厚度和表面负泊松比效应的纹理，选择如权利要求1所述的复合针的针(1)和针踵(2)，并对应选择针(1)和针踵(2)的截面形状、高度以及棱的倒角；

b)将针(1)的底部对应固结在针踵(2)上，形成如权利要求1所述的复合针；依据纺织品的成型结构及尺寸不同，将一定数量的复合针排成一定的阵列形状形成针组，数个针组在针床(3)上形成更大的图案和尺寸，符合要求后，将该针组所用复合针的针踵(2)固结在针床(3)内；

d)使针踵(2)贯穿待成型材料，并在待成型材料中停滞适当时间，以便于材料形成稳定的二维负泊松比结构；

e)通过反向物理作用力提起针床(3)，将复合针脱离材料，并进行下一部分压针成型工序；

7.根据权利要求6所述的一种应用方法，其特征在于，用于负泊松比结构加工，通过穿刺加工即可构造相应的二维负泊松比结构材料，并赋予材料负泊松比效应。

8.根据权利要求7所述的一种应用方法，其特征在于，所述二维负泊松比结构材料根据使用方向和用途、材料性能、表面二维负泊松比结构与尺寸不同、材料厚度不同，制成的拉胀纺织品材料用作功能纺织品，或人体防护用具，或普通防护用品，或医疗用品；制成的拉胀泡沫材料用于易碎物品包装；制成的拉胀泡沫、拉胀塑料用作汽车坐垫、靠背、睡垫及床垫；制成的拉胀橡胶用作床垫；制成的高性能拉胀塑料用作深海作业、航天航空材料；制成的拉胀木材用作建筑材料；制成的拉胀金属用作航天航空材料。