CN108688138B - 一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法及用途，本发明方法是利用三维建模软件建模，将模型导入可以打印出双组分材料的3D打印机中，3D打印机打出横向比纵向材料更软、更有弹性的拉胀结构面料。制备的各向异性弹性拉胀面料可以用作服装、背包、口罩、人造血管、过滤材料等。本发明的特点加工方便，可以一体化成型，材料粘结性好，使用原材料广。
Description
技术领域
本发明涉及一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法及用途，属于纺织材料与技术领域。
背景技术
负泊松比效应，是指受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀；而受压缩时，材料的横向反而发生收缩。近年来发现的一些特殊结构的材料具有负泊松比效应，由于其奇特的性能而倍受材料科学家和物理学家们的重视。
狭义的拉胀织物是指沿经向(或纬向)拉伸，纬向(或经向)发生膨胀的织物。广义的拉胀织物则是指织物在非拉伸力方向上发生膨胀。目前主要研究集中在针织物和三维织物，其中具有负泊松比效应的间隔织物也引起了人们的兴趣。Ugbolue根据Hook等的设计理念设计了由开口编链与嵌入纱结合构成的经编结构。其中开口编链使用较粗的低刚度长丝纱；嵌入纱为高刚度的长丝纱。当纵向拉伸时，嵌入纱趋向于伸直状态，此时编链弯曲，环绕在嵌入纱周围，呈现拉胀效应。随后他们根据内凹结构设计出经编衬垫结构，并对其拉胀效应进行了测试。Ugbolue填充纱线进入经编针织布，并研究了经编织物中垫纱的运动，进行了理论分析；后认真分析了链的路程、纱线类型和应变水平。Alderson等学者设计了内凹六边形结构的衬纬经编针织物，以编链组织为地组织，由2-6把梳栉编结而成经编增强织物，当织物受经向拉伸时，由于所称纬纱的模量和刚度较大、弹性伸长率较低，在拉伸过程中首先伸直，从而带动线圈发生横向扩张，形成拉胀效应。近年来胡红等学者根据Grima和Evans等学者的理论，赋予针织物的内旋折叠矩形衔接结构，织造了具有较大尺度的拉胀性织物。还根据内凹结构原理制织拉胀织物，当织物受到轴向的拉伸，夹角逐渐增大，解折叠的内凹作用逐渐减小，织物在垂直方向上扩张，产生拉胀效应。这些方法均是基于对纺织针织技术的熟练掌握，例如采用平纹针织结构正反面搭配编织成折叠V字结构，其结构特点是随着拉伸应变的增加，负泊松比效应减小，最高负泊松比可达-1.3，最大拉伸应变高达300％，为该织物在实际中的应用提供了广阔的空间。随后，胡红等受到以上结构和内凹结构的启发，重新设计两款具有拉胀结构的纬编针织结构，同时根据具有负泊松比的旋转模型，设计了另外一种纬编针织结构。胡红还设计了一种新颖的拉胀间隔织物，通过间隔织物与平行四边形形成一种特殊几何结构的经编隔离结构，采用压缩和热定型来固定织物结构，由于其不同寻常的性质，他们可以应用在一些功能性服装，防护垫和运动鞋中。形状上的球面嵌合能力也证明了织物出色的同向弯曲性能，且此织物可以大规模制造。出色的外形拟合能力使得它们也在拟合人体的外形高度所需的各种应用总引起很大兴趣，如胸罩杯、为保护膝盖和肘部的垫片和鞋盖等。此外，葛朝阳织造三维机织物，研究其产生负泊松比的压缩变形机理并讨论其结构参数对负泊松比的影响。该结构包括经纱、纬纱及捆绑纱，其结构特点是经纬纱多层排列，不进行交织，层间垂直交叉排列，层内纱线一隔一或完全平行排列，同时由织针在垂直于经纬纱交叉排列平面的方向编织经编编链结构形成捆绑纱。结果表明，该类结构在一向具有负泊松比，此结构在压缩过程中产生负泊松比性能的原因是弯曲刚度大的一组纱线一隔一排列。
以上所报道的二维负泊松结构纺织材料均采用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。三维负泊松比织物更是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。而3D打印作为一种近年来发展迅速的成型技术，在设计及制作特定结构、赋予材料独特性能方面有着常规成型方式无法比拟的优势。美国佐治亚理工学院的Wang K[98]等研究人员利用双材料打印技术，设计制作了一种具有弹性连接点和刚性梁结构的拉胀超材料，梁臂部分选用刚性材料，梁臂铰接处选用弹性材料，在Objet Connex350 3D打印机上制作出实物，该材料在大应变下仍然具有稳定的负泊松比。
各向异性是指物质的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化，在不同的方向上呈现出差异的性质。各向异性是材料和介质中常见的性质，在尺度上有很大差异，从晶体到日常生活中各种材料，再到地球介质，都具有各向异性。采用3D打印技术才可以将拉胀效应与各向异性弹性相结合，将组合效应面料一次性打印出来。不仅方便快捷、生产成本也低。
发明内容
本发明的目的是：方便快捷地制成具有负泊松比效应和各向异性弹性的面料。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据要求和用途不同，设计面料的材料、形状与尺寸，使面料具有拉胀结构；
步骤2、用三维建模软件建模，构建两种材料的对应三维模型；
步骤3、将建好的三维模型导入软件中装配并做切片，然后将切片导入3D打印机中；
步骤4、根据设计目的选择3D打印机材料，保证横向材料的弹性大于纵向材料；
步骤5、根据设计目的不同，对利用3D打印技术打印好的面料进行后处理，得到拉胀结构材料。
优选地，所述拉胀结构的图案包括内凹蜂窝、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。
优选地，所述拉胀结构的横向结构和纵向结构的细度均为微米尺度，范围0.5-200微米，所形成的拉胀结构图案单元的尺寸为：长度和宽度范围均为0.1-2毫米；拉胀结构的孔隙比例可调，范围为0％-95％。
优选地，所述的面料的横向与纵向拉伸弹性存在差异，当纵向拉伸较硬时，横向拉伸弹性较大；当纵向拉伸较软时，横向拉伸弹性更软。
优选地，所述的面料的纤维材料的横向部分材料为尼龙材料、棉与氨纶混纺材料、莫代尔与氨纶混纺材料、橡胶材料、聚氨酯类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体、聚烯烃类热塑性弹性体、苯乙烯类热塑性弹性体；纵向部分材料为是棉、毛、丝、麻，各种再生纤维和化学纤维。
优选地，所述的三维建模软件为SolidWorks、Pro/E、UG、3Ds Max、Rhino、Maya、Softimage或CATIA。
优选地，所述3D打印技术为3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术；所述3D打印机根据采用3D打印技术而定。
优选地，所述3D打印机至少含有两个喷嘴以及分别与两个喷嘴相连的双料槽或双料箱以满足两种材料同时打印。
优选地，所述后处理包括涂层镀膜、染色、阻燃、抗菌、抗起球、抗静电、免烫、抗皱或拒水疏油。
本发明的另一个技术方案是提供了一种根据上述的制备方法得到的各向异性弹性拉胀面料的应用，其特征在于，所述各向异性弹性拉胀面料可被裁剪和缝制，以制作服装或家用、医用、清洁、过滤纺织品；或用做人造成形瓣膜、人造血管、食管内支架、口罩、绷带、创可贴等医疗用品，汽车安全带、安全座椅、运动防护服装及装备，网、耳机膜、清洁抹布等功能纺织品，童装、孕妇装、文胸等普通服用产品。
本发明的特点和有益效果在于：
(1)本发明方法可快速制作的穿着面料，所述的面料将拉胀效应和各向异性弹性将结合，赋予面料更多的性能和使用用途。
(2)本发明可以快速生成各向异性弹性拉胀面料，整个制作过程简便易操作，工艺简单，成本低廉，对环境友好。
(3)本发明适用范围和用途广，任何3D建模软件都可以建模、可以采用多种3D打印技术，面料原材料可选择范围，成型产品可以用做医疗用品、功能纺织品、普通服用、家用纺织品就等。
(4)本发明根据材料性能和使用目的不同，可以建议不同形状和尺寸的模型，以得到各种尺寸、形状结构、和拉胀效应的各向异性弹性拉胀面料。
附图说明
图1为内凹六角形各向异性弹性拉胀面料整体示意图；
图2为内凹六角形各向异性弹性拉胀面料的横向材料模型；
图3为内凹六角形各向异性弹性拉胀面料的纵向材料模型。
附图标记说明：
1一横向结构，2一纵向结构。
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。
本发明的目的是提供一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法和用途，可以方便快捷地制成具有负泊松比效应和各向异性弹性的面料。其成型产品适用于医疗用品，功能纺织品；普通服用和家用纺织产品等。
为了达到上述目的，本发明提供的一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法包括以下步骤：
步骤1、根据要求和用途不同，设计面料的材料、形状与尺寸，使面料具有拉胀结构；
步骤2、用三维建模软件建模，构建两种材料的对应三维模型；
步骤3、将建好的三维模型导入软件中装配并做切片，然后将切片导入3D打印机中；
步骤4、根据设计目的选择3D打印机材料，保证横向材料的弹性大于纵向材料；
步骤5、根据设计目的不同，对利用3D打印技术打印好的面料进行后处理，得到拉胀结构材料。
拉胀结构的图案包括内凹蜂窝、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。拉胀结构的图案优选内凹六角蜂窝结构，星型结构，人字形结构及手性结构等。
拉胀结构的横向结构和纵向结构的细度均为微米尺度，范围0.5-200微米，所形成的拉胀结构图案单元的尺寸，长度和宽度范围均为0.1-2毫米；拉胀结构的孔隙比例可调，范围为0％-95％。
面料的横向与纵向拉伸弹性存在差异，当纵向拉伸较硬时，横向拉伸弹性较大；当纵向拉伸较软时，横向拉伸弹性更软；当纵向拉伸较软时，横向拉伸弹性也可以与纵向拉伸弹性接近，为较软。
面料的纤维材料选择性比较广，横向部分材料可以是尼龙材料、棉与氨纶混纺材料、莫代尔与氨纶混纺材料、橡胶材料、聚氨酯类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体、聚烯烃类热塑性弹性体、苯乙烯类热塑性弹性体等；纵向部分材料可以是棉、毛、丝、麻，各种再生纤维和化学纤维等。
建模软件多种多样，可以是SolidWorks，Pro/E，UG，3Ds Max，Rhino，Maya，Softimage，CATIA等，掌握以上任何一种技术的人都可以为此发明建模。
3D打印技术及相应的3D打印机可以是多种形式，包括3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等机器相应的3D打印机。
3D打印机至少含有两个喷嘴，两个喷嘴分别连接双料槽或双料箱以满足两种材料同时打印。
后处理方式很多，包括涂层镀膜，染色，阻燃，抗菌，抗起球，抗静电，免烫，抗皱，拒水疏油等。
制备得到的各向异性弹性拉胀面料可以被裁剪和缝制，以制作服装、家用、医用、清洁、过滤纺织品等。
制备得到的各向异性弹性拉胀面料用途广泛，可以用做人造成形瓣膜、人造血管、食管内支架、口罩、绷带、创可贴等医疗用品，汽车安全带、安全座椅、运动防护服装及装备，滤网、耳机膜、清洁抹布等等功能纺织品；童装、孕妇装、文胸等普通服用产品。
图1为内凹六角形各向异性弹性拉胀面料整体示意图，图2为内凹六角形各向异性弹性拉胀面料的横向材料模型，图3为内凹六角形各向异性弹性拉胀面料的纵向材料模型。建模软件里要分别建好图2和图3，然后将两个软件导入3D打印机切片软件里装配组合成图1模型，并将最终的模型数据放在3D打印机中，进行配料打印。所打出的面料实物如图1所示。
本发明涉及的一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法及用途，具体涉及如下5个实施例。实施例1-5中的原材料及设备为国家重点研发计划(2016YFC0802802)资助项目。实施例1)四韧带图案抗菌口罩；实施例2)内凹六角形清洁抹布；实施例3)星型孕妇用服装面料；实施例4)人字形创可贴；
实施例5)三角形沙发布。
对5个实施例所涉及的构成部件进行对应的参数设置，包括(1)模型参数设计，根据最终产品的质量、厚度尺寸要求，设计模型的尺寸；(2)纤维的选择，根据产品质量和性能要求，选择两种不同弹性性能的纤维；(3)3D打印参数的选择，根据产品用途和原料选择相应的3D打印技术及相应的打印参数；(4)后处理设计，根据产品使用用途，设计面料后处理工艺。该实施例的设置参数见表1所示。
表1
Claims (10)
1.一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据要求和用途不同，设计面料的材料、形状与尺寸，使面料具有拉胀结构；
步骤2、用三维建模软件建模，构建两种材料的对应三维模型；
步骤3、将建好的三维模型导入软件中装配并做切片，然后将切片导入3D打印机中；
步骤4、根据设计目的选择3D打印机材料，保证横向材料的弹性大于纵向材料；
步骤5、根据设计目的不同，对利用3D打印技术打印好的面料进行后处理，得到拉胀结构材料。
2.根据权利要求1所述的一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法，其特征在于，所述拉胀结构的图案包括内凹蜂窝、星形网络、内凹菱形、正十二面体、三角格栅、手性蜂窝及其组合。
3.根据权利要求1所述的一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法，其特征在于，所述拉胀结构的横向结构和纵向结构的细度均为微米尺度，范围0.5-200微米，所形成的拉胀结构图案单元的尺寸为：长度和宽度范围均为0.1-2毫米；拉胀结构的孔隙比例可调，范围为0％-95％。
4.根据权利要求1所述的一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法，其特征在于，所述的面料的横向与纵向拉伸弹性存在差异，当纵向拉伸较硬时，横向拉伸弹性较大；当纵向拉伸较软时，横向拉伸弹性更软。
5.根据权利要求1所述的一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法，其特征在于，所述的面料的纤维材料的横向部分材料为尼龙材料、棉与氨纶混纺材料、莫代尔与氨纶混纺材料、橡胶材料、聚氨酯类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体、聚烯烃类热塑性弹性体、苯乙烯类热塑性弹性体；纵向部分材料为是棉、毛、丝、麻，各种再生纤维和化学纤维。
6.根据权利要求1所述的一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法，其特征在于，所述的三维建模软件为SolidWorks、Pro/E、UG、3Ds Max、Rhino、Maya、Softimage或CATIA。
7.根据权利要求1所述的一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法，其特征在于，所述3D打印技术为3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术；所述3D打印机根据采用3D打印技术而定。
8.根据权利要求1所述的一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法，其特征在于，所述3D打印机至少含有两个喷嘴以及分别与两个喷嘴相连的双料槽或双料箱以满足两种材料同时打印。
9.根据权利要求1所述的一种各向异性弹性拉胀面料的制备方法，其特征在于，所述后处理包括涂层镀膜、染色、阻燃、抗菌、抗起球、抗静电、免烫、抗皱或拒水疏油。
10.根据权利要求1所述的制备方法得到的各向异性弹性拉胀面料的应用，其特征在于，所述各向异性弹性拉胀面料可被裁剪和缝制，以制作服装或家用、医用、清洁、过滤纺织品；或用做医疗用品，汽车安全带、安全座椅、运动防护服装及装备，功能纺织品。
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