本發(fā)明涉及一種混合紡絲制備穩(wěn)定結(jié)構(gòu)柔性拉脹材料的方法，具體涉及一種利用混合紡絲方式制備具有拉脹結(jié)構(gòu)體與無(wú)序結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的柔性拉脹材料的方法，屬于拉脹結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

拉脹材料是指具有負(fù)泊松比效應(yīng)的材料，即材料在拉伸時(shí)垂直于拉伸方向變寬，壓縮時(shí)材料變厚的現(xiàn)象。拉脹材料被稱為21世紀(jì)智能材料之一，并不斷有具有拉脹效應(yīng)的泡沫材料、聚合材料和復(fù)合材料被制作出來(lái)。拉脹結(jié)構(gòu)采用柔性材料制作并呈現(xiàn)可以為其廣泛應(yīng)用提供基礎(chǔ)，目前利用拉脹結(jié)構(gòu)制備了多種柔性拉脹材料，包括拉脹纖維、拉脹紗線、拉脹織物等。

分析近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)柔性拉脹材料的研究，關(guān)于拉脹纖維的制備集中于從改變高聚物內(nèi)部微結(jié)構(gòu)入手，如改進(jìn)傳統(tǒng)熔融紡絲工藝，使高聚物長(zhǎng)絲成形后內(nèi)部具有微孔，從而具備拉脹效應(yīng)，如授予alderson等人的auxeticfilamentarymaterials(美國(guó)專利，發(fā)明專利號(hào)u.s.2007/7247265b2)；關(guān)于拉脹紗線的制備則主要采用傳統(tǒng)正泊松比長(zhǎng)絲通過(guò)螺旋結(jié)構(gòu)成形，使其在受軸向拉伸作用時(shí)，長(zhǎng)絲組分由于模量不同而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化，位置互換，表現(xiàn)為紗線的表觀直徑增大，如授予hook的usesofauxeticfibres(美國(guó)專利，發(fā)明專利號(hào)u.s.2011/8002879b2)，授予胡紅等人的一種負(fù)泊松比紗線結(jié)構(gòu)及其制造方法(發(fā)明專利號(hào)cn201210212844.3)；關(guān)于拉脹織物的制備主要采用針織結(jié)構(gòu)，在其中加入嵌入紗，使針織結(jié)構(gòu)在拉伸變形過(guò)程中由于嵌入紗的作用而打開(kāi)空隙，形成拉脹效應(yīng)，如授予starbuck等人的fabricshavingknitstructuresexhibitingauxeticpropertiesandgarmentsformedthereby(美國(guó)專利，發(fā)明專利號(hào)u.s.2008/0011021a1)，授予anand等人的auxeticknittedfabrics(美國(guó)專利，發(fā)明專利號(hào)wo2010/125397a1)，授予ugbolue等人的auxeticfabricstructureandrelatedfabricationmethods(美國(guó)專利，發(fā)明專利號(hào)u.s.2014/8772187b2)；此外還有直接采用高聚物制作拉脹網(wǎng)片的發(fā)明，如授予alberg等人的methodsofmakinganauxeticmesh(美國(guó)專利，發(fā)明專利號(hào)u.s.2014/8728369b2)；2016年胡紅教授公開(kāi)的一種負(fù)泊松比機(jī)織物及制造方法(發(fā)明專利公開(kāi)號(hào)cn106149150a)，由最小重復(fù)織物結(jié)構(gòu)單元重復(fù)組成，單元由經(jīng)紗和緯紗共同交織構(gòu)成，最小重復(fù)織物結(jié)構(gòu)單元的形狀結(jié)構(gòu)是內(nèi)凹多邊形、旋轉(zhuǎn)多邊形、星形蜂窩結(jié)構(gòu)、交聯(lián)多邊形或者內(nèi)凹折疊結(jié)構(gòu)，使機(jī)織物在其平面一個(gè)或多個(gè)方向上呈現(xiàn)負(fù)泊松比或零泊松比效應(yīng)；關(guān)于拉脹紡織品的應(yīng)用，可用于穿戴，如授予blakely等人的articlesofapparelwithauxeticfabrics(美國(guó)專利，發(fā)明專利號(hào)u.s.2014/0109286a1)，可用于過(guò)濾，如授予martin等人的filteringface-piecerespiratorhavinganauxeticmeshinthemaskbody(美國(guó)專利，發(fā)明專利號(hào)u.s.2015/8967147b2)，可用于沖擊防護(hù)，如授予rossow等人的blastcontrolblanket(美國(guó)專利，發(fā)明專利號(hào)u.s.2016/0040962a1)，授予eberlein等人的seatingunitwithauxeticsupport(美國(guó)專利，發(fā)明專利號(hào)u.s.2015/0320220a1)。

上述拉脹材料在制備過(guò)程中采用纖維或紗線，材料具有柔性，但主要工藝仍然是基于傳統(tǒng)的針織和機(jī)織工藝，織物產(chǎn)品變形過(guò)大；要擴(kuò)大拉脹材料的應(yīng)用，必須使成形的拉脹材料具備一定柔性和穩(wěn)定性，即有序部分需要?jiǎng)傂圆牧现我孕纬衫浶?yīng)，無(wú)序部分提供材料的柔性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是現(xiàn)有拉脹材料產(chǎn)品變形過(guò)大的問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種混合紡絲制備穩(wěn)定結(jié)構(gòu)柔性拉脹材料的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1)：采用近場(chǎng)電紡直寫技術(shù)、模板電紡技術(shù)或聚合物熔融直接沉積紡制并形成拉脹結(jié)構(gòu)體；

步驟2)：將溶液或熔體采用紡絲方式紡出纖維并收集在拉脹結(jié)構(gòu)體上，形成無(wú)序結(jié)構(gòu)體；

步驟3)：將具有拉脹結(jié)構(gòu)體和無(wú)序結(jié)構(gòu)體的柔性復(fù)合拉脹材料從收集裝置上剝離；

步驟4)：將柔性拉脹材料進(jìn)行后處理，以提高柔性拉脹材料的力學(xué)性能或賦予其功能。

優(yōu)選地，所述步驟1)中拉脹結(jié)構(gòu)體紡制時(shí)采用沉積裝置的圖案或結(jié)構(gòu)模板的成形，或者采用沉積裝置的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)成形。

優(yōu)選地，所述步驟3)中無(wú)序結(jié)構(gòu)體的紡絲方式為溶液靜電紡、熔體靜電紡、溶液吹紡、熔體噴紡或無(wú)紡布制備工藝。

優(yōu)選地，所述步驟1)與步驟2)還可以交替重復(fù)進(jìn)行，或者同步連續(xù)進(jìn)行。

優(yōu)選地，所述步驟4)中的后處理方式為加熱、加壓、針刺、水刺、拉伸、定型、化學(xué)粘合、抗菌處理、阻燃處理、防縮處理和碳化處理工序中的任意一種或幾種的組合。

優(yōu)選地，所述拉脹結(jié)構(gòu)體是指能夠通過(guò)拉伸、彎曲、旋轉(zhuǎn)、平移、鉸接等變形機(jī)理作用形成拉脹效應(yīng)的圖案或結(jié)構(gòu)，為二維或三維拉脹結(jié)構(gòu)。

更優(yōu)選地，所述拉脹結(jié)構(gòu)體為折疊結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)或兩者的結(jié)合。

更優(yōu)選地，所述拉脹結(jié)構(gòu)體為內(nèi)凹蜂窩、星形網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)凹菱形、正十二面體、三角格柵、中心旋轉(zhuǎn)矩形、中心旋轉(zhuǎn)三角形、中心旋轉(zhuǎn)四面體、手性蜂窩、中心旋轉(zhuǎn)多面體、鉸接六角形、鉸接四邊形和鉸接三角形中的任意一種或幾種的組合。

優(yōu)選地，所述拉脹結(jié)構(gòu)體的尺寸、剛度均大于無(wú)序結(jié)構(gòu)體。

本發(fā)明的原理在于通過(guò)近場(chǎng)電紡直寫或聚合物熔融直接沉積或模板電紡技術(shù)紡制具有較大尺寸與剛度的拉脹結(jié)構(gòu)體部分，同時(shí)或交替通過(guò)溶液或熔體靜電紡或者熔噴或溶吹等方式，或無(wú)紡布制備工藝沉積無(wú)序結(jié)構(gòu)體，之后通過(guò)定型、后處理等方式增強(qiáng)纖維集合體間作用力，提高纖維集合體的力學(xué)性能或賦予其功能。整體成形過(guò)程中，拉脹結(jié)構(gòu)體存在于整個(gè)無(wú)序結(jié)構(gòu)體中，纖維間相互作用，在外力作用下，具有較大尺寸和剛度的拉脹結(jié)構(gòu)體部分變形膨脹而產(chǎn)生整體材料的拉脹效應(yīng)，并提供材料基礎(chǔ)的力學(xué)性能；在拉脹結(jié)構(gòu)間沉積的大量較小尺寸和剛度的無(wú)序結(jié)構(gòu)體起穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，并提供變形后的恢復(fù)作用。特別是通過(guò)兩種混合紡絲方式制備的具有拉脹結(jié)構(gòu)體和無(wú)序結(jié)構(gòu)體的相互作用，使復(fù)合材料兼具拉脹性、柔性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

①采用兩種紡絲方式混合，可以制備具有拉脹結(jié)構(gòu)體與無(wú)序結(jié)構(gòu)體的柔性復(fù)合拉脹材料，材料不僅具有拉脹性，同時(shí)具有柔性，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；

②采用的紡絲方式多，材料的尺寸范圍大，適用的高聚物種類多，可采用單一種類聚合物，也可采用多種聚合物的混合；

③材料中拉脹結(jié)構(gòu)體部分提供拉脹效應(yīng)，無(wú)序排列的雜亂纖維提供結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和變形后的恢復(fù)力；

④可對(duì)柔性拉脹材料進(jìn)行后處理，以提高其力學(xué)性能或賦予其功能性；

⑤具有拉脹效果的柔性材料剪切性能、抗壓痕性好，并具有同向曲率，可以應(yīng)用于服裝、過(guò)濾材料、生物醫(yī)用、組織工程、光電材料、沖擊防護(hù)、柔性傳感器、復(fù)合材料等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊。

附圖說(shuō)明

圖1a為實(shí)施例1中拉脹結(jié)構(gòu)體的制備示意圖；

圖1b為實(shí)施例1中無(wú)序結(jié)構(gòu)體的制備示意圖；

圖2為實(shí)施例3中星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拉脹結(jié)構(gòu)體的示意圖；

圖3為實(shí)施例4中雙箭頭結(jié)構(gòu)的拉脹結(jié)構(gòu)體的示意圖；

圖中：1-拉脹結(jié)構(gòu)體紡絲裝置，11-拉脹結(jié)構(gòu)體；2-無(wú)序結(jié)構(gòu)體紡絲裝置，21-無(wú)序結(jié)構(gòu)體。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。

實(shí)施例1-5均采用本發(fā)明提供的一種混合紡絲制備穩(wěn)定結(jié)構(gòu)柔性拉脹材料的方法，所述方法包括：(a)采用近場(chǎng)電紡直寫或聚合物熔融直接沉積或模板電紡技術(shù)紡制具有較大尺寸與剛度的拉脹結(jié)構(gòu)體11；(b)采用溶液或熔體的靜電場(chǎng)牽引或風(fēng)力牽引紡絲方式紡出纖維并收集在(a)制備的拉脹結(jié)構(gòu)體11上，形成無(wú)序結(jié)構(gòu)體12；(c)將經(jīng)過(guò)(a)(b)收集到的具有拉脹結(jié)構(gòu)體11和無(wú)序結(jié)構(gòu)體12的柔性復(fù)合拉脹材料從收集裝置上剝離；(d)將柔性拉脹材料進(jìn)行后處理，以提高柔性拉脹材料的力學(xué)性能或賦予其功能。

實(shí)施例1

采用聚合物熔融直接沉積制備具有內(nèi)凹六角蜂窩結(jié)構(gòu)的拉脹結(jié)構(gòu)體11，并交替采用熔噴方式紡制無(wú)序結(jié)構(gòu)體12，制備時(shí)如圖1a-b所示。

實(shí)施例2

采用模板電紡制備具有手性旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的拉脹結(jié)構(gòu)體11，并同時(shí)采用熔體靜電紡絲方式紡制無(wú)序結(jié)構(gòu)體12，制得柔性復(fù)合拉脹材料。

實(shí)施例3

采用聚合物熔融直接沉積制備具有星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拉脹結(jié)構(gòu)體11，并交替采用熔噴方式紡制無(wú)序結(jié)構(gòu)體12，制得的柔性復(fù)合拉脹材料如圖2所示。

實(shí)施例4

采用近場(chǎng)電紡直寫技術(shù)制備具有雙箭頭結(jié)構(gòu)的拉脹結(jié)構(gòu)體11，并交替采用熔體靜電紡絲方式紡制無(wú)序結(jié)構(gòu)體12，制得的柔性復(fù)合拉脹材料如圖3所示。

實(shí)施例5

采用近場(chǎng)電紡直寫方式制備具有內(nèi)旋的二維柔性拉脹結(jié)構(gòu)的拉脹結(jié)構(gòu)體11，并同時(shí)采用熔體靜電紡絲方式紡制無(wú)序結(jié)構(gòu)體12。