CN207224737U - 缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料及其制备方法，涉及结构复合材料技术领域。所述的复合材料由麻纤维材料作为芯层增强体，聚乳酸发泡材料作为芯层基体，面板则根据具体用途选取，将麻纤维材料制成麻绳，通过交叉编制形成二维编织为带有负泊松比效应的芯层，将芯层与面板缝合，将缝合后预制件置于模具型腔内并通过超临界发泡技术将其内部填充聚乳酸发泡材料。本实用新型将负泊松比增强纤维结构、缝合工艺与聚乳酸发泡材料的优点相结合，可设计性较强；本材料是具有比强度高、质量轻、吸能和环保等突出特点的功能复合材料，一定程度上满足国防、交通运输、建筑和室内装饰等领域对新材料的迫切需求。

Description

缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料

技术领域

本实用新型属于结构复合材料技术领域。

背景技术

随着交通运输、智能建筑和安全防护等领域的发展，人们对材料的轻量化、吸能减震、疲劳、环保等性能的要求越来越高。目前广泛应用的聚氨酯发泡材料虽然有着质量轻、保温、减震性能良好的优点，但是也存在回收利用困难、当应力超过一定值后性能急剧下降、容易发生脆性破坏等缺点。而缝合连接的编织复合材料有着比强度高、良好的稳定性和断裂韧性、抗冲击性能优异以及一体性好与抗剪切破坏等优点。由于现有的聚氨酯发泡材料其自身性能的限制，应用具有一定的局限性，因此需要开发一种符合环保要求的新型高性能缝合连接的编织结构复合材料以满足各领域对轻量化材料的巨大需求。

发明内容

本实用新型为了解决上述问题，提供一种吸能减震性能好、环保性能好、疲劳性能好、比强度高、质量轻、用途广泛、并具有负泊松比效应的缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料。

本实用新型中提供的缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料，该复合材料由上下两层面板层与中间的增强结构层构成，面板层与增强结构层之间通过缝合连接，增强结构层由麻纤维编织物骨架和骨架中填充的热塑性发泡塑料复合而成，面板层为汉麻纤维增强聚合物基复合板，所述的缝合连接的麻纤维编织物是以麻绳作为原料，麻绳之间通过交叉排布的方式二维编织得到编织层，多层编织层叠放罗列在一起作为增强结构层的骨架。作为原料使用的麻绳优选预先经过深冷脱胶和水洗处理的。所述热塑性发泡塑料优选聚乳酸、聚丙烯或聚乙烯发泡塑料。

缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料具体制备步骤如下：

步骤一：将麻纤维进行深冷脱胶、水洗、脱水和烘干得到精干麻，按照预制件工况条件设计麻绳的股数与捻度，在制绳机上制得直径约1～10mm，并且捻度符合要求的麻绳。

步骤二：把底层面板平铺于工作台上，四个限位架在间歇机构的带动下相对的两个限位架相对运动，所述的限位架由限位板和若干个悬臂梁组成，限位板上设有若干个限位孔A，悬臂梁安装于限位孔A两侧，限位孔A和悬臂梁分上下两层排列，上层的悬臂梁之间的距离d小于下层的悬臂梁之间的距离e；限位架在工作台上实现间歇性拆装，装配时悬臂梁之间组合形成预留麻绳孔洞a，组合后限位架置于底层面板之上，上层面板平铺于组合之后的限位架之上，之后对麻绳进行编织，形成交错排布的编织结构的芯层纤维。两预留麻绳孔洞a轴线之间的距离约为线径的1.5～3倍；预留麻绳孔洞a的最大宽度比线径大5％～10％。

得到交错排布的编织结构有下述的三个编织方案：

方案一为高速高成本方案，每一层上都设置一个携纱器都带动麻绳连续穿过限位架上的预留麻绳孔洞a实现编织，携纱器主运动方向为预留麻绳孔洞轴线方向，进给运动方向为轴线垂直方向。

方案二为中速方案中等成本方案，在相邻的第一层和第二层上设置携纱器带动麻绳连续穿过限位架预留麻绳孔洞a，第一层上携纱器主运动方向为该层预留孔洞轴线方向，进给运动方向为与之垂直方向，第二层主运动方向与进给运动方向与第一层正好相反，之后通过工作平台带动组合限位架变化两层高度，实现后两层编织。

方案三为低成本，低速方案只有第一层有携纱器，携纱器主运动方向为该层孔洞轴线方向，进给运动方向为与之垂直方向，一层编织完成后组合限位架旋转90°，工作台带动组合限位架下降或上升一层高度进行下一层编织即可得到多层的交错编织结构。

步骤三：通过缝纫机对面板与芯层纤维进行缝合。缝纫线可以采用玻璃纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、碳纤维、涤纶纤维或聚乙烯纤维线，线径可以取0.1～0.5mm，采用合理的缝纫机针距与缝合路径之后对其进行缝合。缝纫机针距为3～20mm；缝合的线迹可以采用锁式缝合线迹、高密度直缝、低密度直缝、45°斜缝或45°交叉线迹进行缝合。

缝合之后再通过间歇机构带动限位架分离，取出预制件。经过整型工序如裁剪、修边、增补等工序后得到与模具型腔贴合的缝合预制件，嵌入塑料连接件，再进行预浸处理。预浸处理具体为：将预制件置于中空干燥箱当中充分干燥之后，之后浸在浓度为1％～3％的马来酸酐溶液和浓度为4％～8％硅烷偶联剂的当中约2～6小时。

步骤四：将预浸后的预制件置于模具型腔之中，将超临界状态的二氧化碳(二氧化碳临界温度31.1℃临界压力7.4MPa)溶解到聚乳酸当中，得到聚乳酸/二氧化碳均相流体。在100℃～130℃的温度和11MPa～17MPa压力下，将混合之后的流体注入模具型腔中，之后对模具型腔进行减压，在5～15min的减压时间内，由于温度、压力的变化，气体在溶液中的溶解度下降，导致气体平衡浓度的降低，从而在聚合物基体中形成大量的气泡核，然后逐渐长大形成微小的泡孔。再经过降温、固化、脱模等操作之后得到缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料。

本实用新型的有益效果：本实用新型所制备的缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料具有负泊松比效应，还具有减震吸能性能好、比强度高、质量轻、良好的稳定性和断裂韧性、抗冲击性能优异的特点，可以广泛应用于交通运输、建筑、室内装饰、防护用品等领域，是一种新型的轻量化材料。

附图说明

图1为交错编织立体结构示意图；

图2为改进的锁式缝合线迹示意图；

图3a为单个限位架立体结构示意图；

图3b为单个限位架正面示意图；

图3c为单个限位架俯视图；

图3d为单个限位架后视图；

图4为限位架组合过程示意图；

图5a为完全组合后限位架俯视图；

图5b为完全组合后限位架正面示意图；

图6为高密度直缝缝合式样；

图7a为高密度直缝预制件立体结构示意图；

图7b为高密度直缝预制件正面示意图；

图8为低密度直缝缝合式样；

图9a为低密度直缝预制件立体结构示意图；

图9b为低密度直缝预制件正面示意图；

图10为45°斜缝缝合式样；

图11为45°斜缝预制件正面示意图；

图12为45°交叉缝合缝合式样；

图13为45°交叉缝合预制件正面示意图。

附图标记：1-第一层编织层、2-第二层编织层、3-第三层编织层、4-第四层编织层、5-下面板层、6-上面板层、7-缝纫线、a-预留麻绳孔洞、b-悬臂梁、c-预留缝合孔洞、d-上层的悬臂梁之间的距离、e-下层的悬臂梁之间的距离。

具体实施方式

下面以具体实施例的形式对本实用新型技术方案作进一步解释和说明。

实施例一：用作汽车零部件

本实用新型的缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料可以用作汽车外覆盖板、汽车车门内饰板、汽车顶棚和汽车座椅等。本实用新型的复合材料具有吸能减震性能好、抗剪切破坏、高断裂韧性、不易变形等优点，用于汽车座椅材料时能够在汽车发生意外事故时有效的保护乘员安全，并且麻纤维材料具有抗菌、透气等优点能够改善现有的汽车座椅的舒适度。本实用新型汽车内饰件时其良好的吸能性能也能够保护乘员安全，良好的刚度与强度使其能够适用于汽车外覆盖件。因此本实用新型的复合材料能够广泛应用于汽车领域，具有广阔的市场前景。

本实施例将详细叙述本实用新型用于汽车座椅的生产流程：

步骤一：将麻纤维原料进行深冷脱胶、水洗、脱水、烘干等步骤得到精干麻，在制绳机上生产3股，直径2mm，捻度为2000捻/米的麻绳。

步骤二：把经过化学防火处理的汉麻纤维板平铺于工作台上，四个订制的限位架在间歇机构的带动下实现间断性拆装，组合后限位架示意图如图5a和5b所示。限位架下半部分孔洞之间的距离较近，上半部分孔洞距离较远，以实现增强纤维含量在上下层不同分布。组合后限位架置于底层面板之上，上层汉麻纤维面板平铺于组合之后的限位架之上，之后对麻绳进行编织，共有二十层麻绳分别编织为如图1所示的交错结构，下10层两轴线平行麻绳距离为4mm,上10层两轴线平行麻绳距离为8mm,由于上下两层纤维含量不同，下层能提供较强支撑，上层则提供较好弹性。使用方案一进行编织。在每一层上都设置一个携纱器，携纱器带动麻绳连续穿过限位架上的预留麻绳孔洞(a)实现编织，携纱器主运动方向为预留麻绳孔洞轴线方向，进给运动方向为预留麻绳孔洞轴线的垂直方向。

步骤三：将编织好后的预制件置于缝纫机上，缝纫线为芳纶纤维线，线径为0.1mm，缝纫的针距为3mm，缝合样式为图7所示的低密度直缝样式，线迹则采用图2所示改进的锁式缝合线迹。缝合之后取出缝合预制件，经过整型工序如裁剪、修边、增补等工序后得到与汽车座椅模具型腔贴合的缝合预制件，并且将塑料连接件嵌入。再进行预浸处理。将预制件置于中空干燥箱当中充分干燥之后，之后浸在浓度为1％～3％的马来酸酐溶液和浓度为4％～8％硅烷偶联剂的当中约2～6小时得到预浸制件。

步骤四：预浸后的预制件置于模具型腔之中，超临界二氧化碳在转子的剪切力作用下溶解到聚乳酸当中，得到聚合物/气体均相体系。在100℃～130℃的温度和11MPa～17MPa压力下，将混合之后的流体注入模具型腔中，之后对模具型腔进行逐步减压，减压时间为5～15min。再经过降温、固化、脱模等操作之后得到用有负泊松比效应的缝合连接的麻纤维编织增强聚乳酸发泡夹层结构材料制造的汽车座椅填充层。

实施例二：用于建筑领域

缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料可以用于建筑保温板、隔音板、轻型砖等。本实用新型的复合材料具有保温、隔音、抗菌、除湿、透气、强度大、刚度好、质轻等优点。耐霉变、抗腐蚀、质量轻、保温、隔音这些优点使其可以直接用于建筑装饰类板材以及特殊用途的建筑材料如保温材料、隔音材料等。质轻、强度刚度大的优点则使其能够用于轻型砖的制造，并且它能够自然降解，相比传统建筑材料能够有效地保护环境。

本实施例将详细叙述本实用新型用于轻型砖的生产流程：

步骤一：将麻纤维原料进行深冷脱胶、水洗、脱水、烘干等步骤得到精干麻，在制绳机上生产4股，直径10mm，捻度为2500捻/米的麻绳。

步骤二：把经过防火处理的汉麻纤维板平铺于工作台上，四个订制的限位架在间歇机构的带动下实现间断性拆装，组合过程如图4所示，组合后限位架示意图如图5a和5b所示。组合后限位架置于底层面板之上，上层汉麻纤维面板平铺于组合之后的限位架之上，之后对麻绳进行编织，共有四层麻绳分别编织为如图1所示的交错结构，使用方案二进行编织。第一层和第二层上设置携纱器带动麻绳连续穿过限位架预留孔洞，第一层上携纱器主运动方向为该层预留孔洞轴线方向，进给运动方向为与之垂直方向，第二层主运动方向与进给运动方向与第一层正好相反，之后通过工作平台带动组合限位架变化两层高度，实现后两层编织。

步骤三：将编织好后的预制件置于缝纫机上，缝纫线为尼龙线，线径为0.3mm，缝纫的针距为20mm，缝合样式为图6所示的高密度直缝样式，线迹则采用图2所示改进的锁式缝合线迹。缝合之后的立体图如图7a所示，主视图如图7b所示。取出缝合预制件，经过整型工序如裁剪、修边、增补等工序后得到与轻型砖模具型腔贴合的缝合预制件，并且将金属连接件嵌入。再进行预浸处理。将预制件置于中空干燥箱当中充分干燥之后，之后浸在浓度为1％～3％的马来酸酐溶液和浓度为4％～8％硅烷偶联剂的当中约2～6小时得到预浸制件。

步骤四：预浸后的预制件置于模具型腔之中，超临界二氧化碳在转子的剪切力作用下溶解到聚乳酸当中，得到聚合物/气体均相体系。在100℃～130℃的温度和11MPa～17MPa压力下，将混合之后的流体注入模具型腔中，之后对模具型腔进行逐步减压，减压时间为5～15min。再经过降温、固化、脱模等操作之后得到用有负泊松比效应的缝合连接的麻纤维编织增强聚乳酸发泡夹层结构复合材料制成的轻型砖。

实施例三：用于安全保护装置

缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料可以用于手套、防护服、头盔等产品。本材料有负泊松比效应，并且有着质量轻、强度、刚度好的优点能够有效地防撞、防冲击、减震。相比传统的材料它有着更轻、更坚固、更稳定、性能效果更好的优点，并且它也有着透气性能好、抗菌、除湿的优点能够使佩戴防护用具的人员更加舒适、安全。这种材料能够以经济的方式进行生产和加工，具备很好的工业生产应用前景。

本实施例将详细叙述本实用新型用于护具生产流程

步骤一：将麻纤维原料进行深冷脱胶、水洗、脱水、烘干等步骤得到精干麻，在制绳机上生产4股，直径2mm，捻度为2500捻/米的麻绳。

步骤二：把亚麻纤维面板平铺于工作台上，四个订制的限位架在间歇机构的带动下实现间断性拆装，组合过程如图4所示，组合后限位架示意图如图5a和5b所示。组合后限位架置于底层面板之上，上层亚麻纤维面板平铺于组合之后的限位架之上，之后对麻绳进行编织，共有四层麻绳分别编织为如图1所示的交错结构，使用方案二进行编织。

步骤三：将编织好后的预制件置于缝纫机上，缝纫线为涤纶纤维线，线径为0.1mm，缝纫的针距为4mm，缝合样式为图12所示的45°交叉缝合样式，线迹则采用图2所示改进的锁式缝合线迹。缝合之后的主视图如图13所示。取出缝合预制件，经过整型工序如裁剪、修边、增补等工序后得到与护具模具型腔贴合的缝合预制件。再进行预浸处理。将预制件置于中空干燥箱当中充分干燥之后，之后浸在浓度为1％～3％的马来酸酐溶液和浓度为4％～8％硅烷偶联剂的当中约2～6小时得到预浸制件。

步骤四：预浸后的预制件置于模具型腔之中，超临界二氧化碳在转子的剪切力作用下溶解到聚乳酸当中，得到聚合物/气体均相体系。在100℃～130℃的温度和11MPa～17MPa压力下，将混合之后的流体注入模具型腔中，之后对模具型腔进行逐步减压，减压时间为5～15min。再经过降温、固化、脱模等操作之后得到用有负泊松比效应的缝合连接的麻纤维编织增强聚乳酸发泡基体复合材料制成的护具毛坯。

步骤五：把护具毛坯作为护具内部的保护层，外部增加绒布，绑带，装饰品等增加护具的舒适性与美观性，最后得到护具产品。

如图7～13所示，本实用新型中的缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料，包括上面板层6、下面板层5与图1所示麻纤维交错编织增强结构层缝合连接而成。图1所示的交错编织增强结构层为麻绳分层交叉排布而成，层数范围为三层到任意的条件允许范围内层数，面板层可以为单层或多层、同种类型或不同类型相组合，面板与增强结构层缝合后在模具中进行发泡。

上面板层6和下面板层5为汉麻纤维复合材料板，它是用50％～70％的汉麻纤维与30％～50％的丙纶纤维针刺制成的麻纤维毡，在热压和冷压机上压制得到的；所述的麻绳原料为经过深冷脱胶、水洗、烘干等工序得到的精干麻，在制绳机上制成两股交叉缠绕的直径约为2～10mm的麻绳。上面板层6和下面板层5也可以是组合材料面板，例如汉麻纤维板与碳纤维板组合、汉麻纤维板与玻璃纤维板组合、碳纤维板与芳纶纤维板组合、汉麻纤维板与芳纶纤维板组合。上下面板使用具体材料可以依据具体的材料使用工况来确定，必要时可以增加防火布/板、防水布等特殊功能材料来实现对材料某一方面性能的增强。所述的上面板层6和下面板层5在与编织增强结构芯层缝合连接后嵌入塑料连接件以实现后续的安装和连接。

麻绳的具体排布方式为一层一根麻绳连续穿过组合后的限位架上等距离分布的方形预留麻绳孔洞a，两预留麻绳孔洞a轴线之间的距离约为线径的1.5～3倍，孔洞的最大宽度比线径大5％～10％。两相邻层上预留麻绳孔洞a轴线交叉成90°，预留麻绳孔洞a轴线之间的距离各层相等，间隔层上孔洞轴线平行，与其相应间隔层的孔洞形成交错排布。

缝合线可以采用的种类多样，例如玻璃纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、碳纤维、涤纶纤维、聚乙烯纤维线等，也可以在易受损伤处使用高性能线，其他部位使用普通线。缝纫密度为1～25缝线每平方厘米，密度过低可能会导致材料易受剪切破坏，密度过高则会造成麻绳纤维过多的损伤。缝纫的针距与限位架预留的缝线孔距离相等以实现对麻绳的精准缝合，缝纫线迹为图2当中所示的改进的锁式缝合线迹示意图，缝纫式样可以采用直缝(图6与图8)、45°斜缝(图10)、45°交叉斜缝(图12)、Z型缝纫等形式。

缝合后的预制件当中填充有环保可降解的聚乳酸发泡材料，聚乳酸发泡采用超临界发泡工艺，可以在高压反应釜或者平板硫化机上得到聚合物/超临界气体均相流体，往模具中注射流体，减压、降温、固化得到发泡材料。发泡剂除了可以使用二氧化碳以外还可以使用氮气作为发泡剂。可以使用其他热塑性材料如聚乙烯、聚丙烯作为原料。

缝合的线迹则采用图2所示改进的锁式缝合线迹，缝纫机带动缝合线穿过麻绳和预留缝合孔洞c,这种方式有缝合线弯曲少，对面内纤维的损伤少，由缝合引起的应力集中也较小，复合材料具有相对更高的损伤容限的优点。缝合可以采取的缝合式样多种多样，例如图6所示高密度直缝、图8所示低密度直缝、图10所示45°斜缝、图12所示45°交叉缝合。

在一定范围内，缝合线直径越大，复合材料的层间断裂韧性和抗冲击损伤能力有所提高，对于一定的缝合密度的复合材料板来说，层合板的抗脱层开裂和抗冲击损伤能力都随缝合线的直径增加而提高，所以用大直径的缝合线缝制而成的复合材料具有高冲击抗力。不过，缝合线直径越大会引起越多的芯层麻纤维的损伤。因此需要选择恰当的线的种类与线径。

Claims (4)

1.一种缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料，其特征在于，该复合材料由上下两层面板层与中间的增强结构层构成，面板层与增强结构层之间通过缝合连接，增强结构层由麻纤维编织物骨架和骨架中填充的热塑性发泡塑料复合而成，面板层为汉麻纤维增强聚合物基复合板，所述的缝合连接的麻纤维编织物是以麻绳作为原料，麻绳之间通过交叉排布的方式二维编织得到编织层，多层编织层叠放罗列在一起作为增强结构层的骨架。

2.根据权利要求1所述的缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料，其特征在于，所述麻绳是预先经过深冷脱胶和水洗处理的。

3.根据权利要求1所述的缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料，其特征在于，所述热塑性发泡塑料为聚乳酸、聚丙烯或聚乙烯发泡塑料。

4.根据权利要求1所述的缝合连接的麻纤维编织增强发泡夹层结构复合材料，其特征在于，编织层叠放层数为3层以上。