CN110126369A - 基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料 - Google Patents
基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料，其特征在于，包括自外向内依次复合的外层、缓冲层及内层；外层、缓冲层、内层均包括多孔结构的硅橡胶基体及以阵列形式分散在硅橡胶基体内的拉胀纱小球，其中，缓冲层内还设有拉胀网。本发明所形成的缓冲复合材料缓冲性能优异，制备流程简单，实施方便且成本较低，适于连续化生产及推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿生柚子皮缓冲复合材料，尤其是利用拉胀纱作为主要增强组成单元，属于纺织科学与技术领域。
背景技术
随着人类对大自然的了解越来越深入，研究者们开始意识到大自然生物的神秘与向生物学习的重要性，1960年研究者提出了仿生学的概念，介绍了仿生学的原则及分类，为科学研究领域开展了一门新兴学科。由于仿生学能很好的满足复合化、智能化、环保化的需求，因此利用仿生设计原理来实现缓冲新材料的开发可满足人类在不同情况下多样化的要求。
近年来学者们对于仿生材料的研究已取得一些进展，并将这些成果在实际中加以应用，jinhua Huang等对马前肢的骨孔结构进行了研究，模仿其孔和泡沫的结构制造出了抗冲击性能良好的防弹材料。Ali Miserez等受乌贼启发，作为一种软体动物，其坚硬的喙在受到冲击时能够保护自己不受到伤害，通过对乌贼喙的这种特性进行研究，研究者发现由于组成成分的比例不同，使得乌贼喙的坚硬程度呈现梯度分布，采用仿生设计原则，他们模仿制备出了缓冲性能良好的材料，并在工程领域加以应用。何霞等人通过对甲虫前翅的分析研究，采用环氧树脂作为基体，纤维作为增强体，模仿制备出具有甲虫前翅结构特征的缓冲减震复合材料。此外，韩立等人特别针对柚子皮的良好的减振缓冲性能进行研究，通过对柚子果皮的结构及力学特征进行观察分析，结合结构仿生设计原理，以纸浆纤维作为基质，羧甲基纤维素作为胶黏剂，通过采用偶氮二甲基酰胺发泡剂制备得到了具有梯度孔径尺寸大小的仿生柚子皮缓冲材料。并对其性能影响因素进行了详细探讨，为制备仿生减振缓冲材料提供了帮助。传统的缓冲材料主要以缓冲泡沫材料为主，而对于拉胀材料及仿生设计的研究还刚起步，虽然已有一些初步的成果，但由于成本高、不环保、柔性差等原因难以实现产业化。
柚子作为柑橘属中最大的果实，果实重约6公斤，果树的最大高度为15米，果实成熟后，柚子皮能够保护柚子囊从树上落下而不被损害，这一现象体现了柚子皮优异的缓冲减震性能；拉胀纱是指材料在拉伸(压缩)时，纱线在垂直于其受力方向上膨胀(收缩)的一类具有负泊松比值的纱线，其作为另一种具有优异缓冲减震性能的材料，若能将其与柚子皮结构相结合，设计出结构和组成单元双重保障的优异的轻质、缓冲减震材料，则意义重大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对目前对于轻质、缓冲性能优异的材料的需求，如何通过使拉胀纱线按照一定方式排列，而形成具有优异缓冲性能的仿生复合材料。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料，其特征在于，包括自外向内依次复合的外层、缓冲层及内层；外层、缓冲层、内层均包括多孔结构的硅橡胶基体及以阵列形式分散在硅橡胶基体内的拉胀纱小球，其中，缓冲层内还设有拉胀网，其作为仿生柚子的絮状网络将拉胀纱小球之间关联起来。
优选地，所述外层、缓冲层及内层的平均孔径自外向内依次递增。
更优选地，所述外层的多孔结构的孔径为10～300μm；缓冲层的多孔结构的孔径为300～450μm；里层的多孔结构的孔径为450～600μm。
优选地，所述外层、缓冲层及内层内的拉胀纱小球的直径自外向内依次递增。
优选地，所述拉胀纱小球由拉胀纱通过绕线器卷绕而成，其大小、松紧度由卷绕的转速来调节；或者，拉胀纱小球采用起球仪摩擦起球制备而成，即拉胀纱构成的非织造布毡，通过起球仪在毡表面的往复摩擦，从而制备成直径不同的拉胀纱小球，其大小、松紧度由摩擦的压力、速度和时间来调节。
更优选地，所述拉胀纱包括弹性芯纱及其外侧螺旋形包缠的刚性包缠纱。
进一步地，所述刚性包缠纱或拉胀网采用导电纱或温湿度响应纱。刚性包缠纱采用导电纱或温湿度响应纱可使拉胀纱小球兼具有缓冲和智能材料的功能，进而实现智能复合材料的制备。拉胀网是由短纤维组成的拉胀纤维网，其结构与柚子皮中间层的絮状网络类似，作为连接拉胀纱小球的主要结构，通过对拉胀纤维网进行导电、温湿度感应等功能处理，赋予拉胀复合材料导电、温湿度感应等性能。
优选地，所述拉胀网上设有依次排列的拉胀几何结构单元，拉胀几何结构单元的形状为内凹六边形、星形或凹四边形。
优选地，所述外层、缓冲层、内层之间通过热压工艺复合或采用低熔点热熔纤维网粘合。
优选地，所述仿生柚子皮缓冲复合材料的外观形状为平板状、圆柱状、蛋壳状或球状。
本发明可用于多种缓冲领域，包括缓冲鞋垫、头盔、护膝护腕等运动缓冲材料和汽车座椅、飞机蒙皮等领域。
本发明所述的仿生柚子皮缓冲复合材料制备工艺简单，实施方便且成本较低，适于连续化生产及推广应用。特别地，所述缓冲层拉胀纤维网可采用废弃纺织品经开松后的纤维，实现纺织品的循坏利用，达到高性能、高附加值、生态环保的产品开发。同时，本发明系统实施仅需要简单有效的纺纱加工装置和方法来制造负泊松比效应优、结构稳定的拉胀纱，进一步制备出具有优异缓冲性能的仿生复合材料。
本发明将制备得到的拉胀纱以拉胀纱小球的形式存在于最终的复合材料中，不仅赋予其多个方向上的拉胀效应，同时采用仿生柚子皮的多层复合结构，赋予整体结构优异的减震缓冲性能，以最终实现组成结构单元(拉胀纱)和整体仿生结构(柚子皮结构)两个尺度范围上的缓冲性能。
本发明着重于仿生柚子皮结构的缓冲复合材料设计，通过具有拉胀效应的拉胀纱，并将其以一定形态(球形颗粒状、线状凳)存在于最终的仿生复合材料中，同时在缓冲层附加拉胀纤维网，使最终的复合材料在多个方向和层次上都具有拉胀效应，
本发明的原理在于：负泊松比纱是由弹性的芯纱和刚性的包缠纱的以螺旋包缠的形式制备的，在受到轴向拉伸时，内外层纤维位置相互交换，进而表现出拉胀效应和良好的能量吸收性能，而拉胀网是具有拉胀几何结构的纤维网，在受到轴向拉伸力作用时，每个拉胀结构将伸展在垂直作用力方向产生膨胀，其合成作用使得纤维网整体的径向表观轮廓变大，进而赋予纱线明显的负泊松比效应和缓冲性能，此外，组成复合材料基质的硅橡胶也具有优异的缓冲性能，这三种结构的合成作用使得最终的复合材料呈现优异的缓冲性能。
本发明原理实现的技术方法是：复合材料由三层结构复合而成，其中拉胀纱以拉胀纱小球的方式存在与复合材料各层中，同时在缓冲层再附加拉胀网以作为主要缓冲层，三层结构最终通过热压复合工艺或低熔点热熔纤维网粘结复合。同时基于结构的灵活性，该复合材料的加工方法根据不同应用场合可制造成多种外观形状，如球形、蛋壳形、圆柱形等，实施方便且成本较低，适于连续化生产及推广应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、利用拉胀纱作为拉胀复合材料的增强体，同时作为缓冲减震材料，再结合柚子皮优异的缓冲减震结构，采用结构仿生设计，实现结构与材料双重减震缓冲，极大保证了其机械性能的优异。
2、将拉胀复合材料中的纱线按照特定形式排列，使得到的拉胀复合材料呈现各向同性，进而实现各个方向的缓冲减震性能。
3、基于结构的灵活性，该复合材料的加工方法根据不同应用场合可制造成多种外观形状，如球形、蛋壳形、圆柱形等，实施方便且成本较低，适于连续化生产及推广应用。
4、该复合材料是由拉胀纱、硅橡胶、拉胀纤维网构成的多层复合结构，能够实现多个层次上的缓冲性能，使最终产品可应用在多个领域。
附图说明
图1为本发明提供的基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料的剖面图；
图2为拉胀纱的结构示意图；
图3为实施例1中的拉胀网的示意图；
图4a-d为不同仿生柚子皮缓冲复合材料的外观形状；
图5a-c为不同拉胀几何结构单元的示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
如图1所示，为本实施例提供的一种基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料，其包括自外向内依次复合的外层1、缓冲层2及内层3，三者均为多孔结构；外层1、缓冲层2、内层3均包括硅橡胶基体及阵列分散在硅橡胶基体内的拉胀纱小球4，拉胀纱小球4由拉胀纱5卷绕成球状制成，其中，缓冲层2内还设有拉胀网6，其作为仿生柚子的絮状网络将拉胀纱小球4之间关联起来。外层1的多孔结构的孔径为150μm；缓冲层2的多孔结构的孔径为350μm；里层3的多孔结构的孔径为600μm。外层1、缓冲层2及内层3内的拉胀纱小球4的直径自外向内依次递增，直径分别为0.10mm，0.20mm，0.40mm(1：2：4)，各层拉胀纱小球的填充百分比为40％，20％，10％。拉胀纱小球4由起球仪摩擦起球而成，其大小、松紧度由摩擦的压力、转速和时间来调节。如图2所示，拉胀纱5包括弹性芯纱51及其外侧螺旋形包缠的刚性包缠纱52。刚性包缠纱52或拉胀网6采用导电纱或温湿度响应纱。
如图3、5a所示，拉胀网6上设有依次排列的拉胀几何结构单元，拉胀几何结构单元的形状为内凹六边形。
将拉胀纱小球4按点阵排列作为增强体，加入硅橡胶基质制备出复合材料外层1和内层3；对于缓冲层2，将拉胀纱小球4按点阵排列在拉胀网6上，加入硅橡胶基质固化后，再在顶层复合一层拉胀网6，再加入硅橡胶基质制备得到缓冲层2，然后将外层1、缓冲层2、内层3通过热压工艺依次复合得到平板状缓冲复合材料，如图4a所示。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，拉胀网6的拉胀几何结构单元基本结构单元为四角星形，如图5b所示。所得缓冲复合材料的外观形状为圆柱状，如图4b所示。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，拉胀网6的拉胀几何结构单元基本结构单元为四角星形，如图5b所示。所得缓冲复合材料的外观形状为蛋壳状，如图4c所示。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于，所得缓冲复合材料的外观形状为球状，如图4d所示。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于，拉胀网6的拉胀几何结构单元基本结构单元为内凹四边形，如图5c所示。所得缓冲复合材料的外观形状为蛋壳状，如图4c所示。
实施例1-5制得的缓冲复合材料的试验数据如表1所示。
表1
Claims (10)
1.一种基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料，其特征在于，包括自外向内依次复合的外层(1)、缓冲层(2)及内层(3)；外层(1)、缓冲层(2)、内层(3)均包括多孔结构的硅橡胶基体及以阵列形式分散在硅橡胶基体内的拉胀纱小球(4)，拉胀纱小球(4)由拉胀纱(5)卷绕成球状制成，其中，缓冲层(2)内还设有拉胀网(6)。
2.如权利要求1所述的基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料，其特征在于，所述外层(1)、缓冲层(2)及内层(3)的平均孔径自外向内依次递增。
3.如权利要求2所述的基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料，其特征在于，所述外层(1)的多孔结构的孔径为10～300μm；缓冲层(2)的多孔结构的孔径为300～450μm；里层(3)的多孔结构的孔径为450～600μm。
4.如权利要求1所述的基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料，其特征在于，所述外层(1)、缓冲层(2)及内层(3)内的拉胀纱小球(4)的直径自外向内依次递增。
5.如权利要求1所述的基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料，其特征在于，所述拉胀纱小球(4)由拉胀纱(5)通过绕线器卷绕而成，其大小、松紧度由卷绕的转速来调节；或者，拉胀纱小球(4)采用起球仪摩擦起球制备而成，即拉胀纱(5)构成的非织造布毡，通过起球仪在毡表面的往复摩擦，从而制备成直径不同的拉胀纱小球，其大小、松紧度由摩擦的压力、速度和时间来调节。
6.如权利要求5所述的基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料，其特征在于，所述拉胀纱(5)包括弹性芯纱(51)及其外侧螺旋形包缠的刚性包缠纱(52)。
7.如权利要求6所述的基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料，其特征在于，所述刚性包缠纱(52)或拉胀网(6)采用导电纱或温湿度响应纱。
8.如权利要求1所述的基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料，其特征在于，所述拉胀网(6)上设有依次排列的拉胀几何结构单元，拉胀几何结构单元的形状为内凹六边形、星形或凹四边形。
9.如权利要求1所述的基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料，其特征在于，所述外层(1)、缓冲层(2)、内层(3)之间通过热压工艺复合或采用低熔点热熔纤维网粘合。
10.如权利要求1所述的基于拉胀纱的仿生柚子皮缓冲复合材料，其特征在于，所述仿生柚子皮缓冲复合材料的外观形状为平板状、圆柱状、蛋壳状或球状。
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