具有弹性空心纤维的硅橡胶多孔材料阵列及其制备方法与流程

本发明属于多孔材料增材制造技术领域，具体涉及一种具有弹性空心纤维的硅橡胶多孔材料阵列及其制备方法。

背景技术：

随着科学技术的不断进步，越来越多的柔性电子产品和缓冲减振产品转向柔性化和个性化定制，如可穿戴设备和集成芯片的缓冲层等，这些产品不仅要求电子元件的正常运转，还要求电子元件可随着用户的需要进行弹性形变，也就需要其具有较好的缓冲减振及自恢复功能，这样的需求无疑对传统制造产生巨大挑战。现有柔性电子的相关研究制造，是通过铸模的方式将导电材料嵌入到弹性材料中并进行封装成型。但是现有弹性泡沫的相关研究制造存在以下局限性：（1）现有的传统铸模方式需要事先制造模具，生产成本很高，并且如果根据不同的需要进行不同的工艺调整，还要根据需要进行模具的更换，造成人力、时间和成本的大量浪费；（2）现有的缓冲减振功能件由于设计周期较长，导致无法随时按需求变更结构种类或尺寸形状，难以满足用户越来越多的个性化定制要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种具有弹性空心纤维的硅橡胶多孔材料阵列及其制备方法。本发明以多层空心纤维阵列结构作为基材，形成的缓冲减振产品或柔性电子产品，具有较好的压缩与自恢复能力，解决了现有技术中的工艺复杂和成本高的问题，具有结构简单以及节省人力和时间等成本的优势。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有弹性空心纤维的硅橡胶多孔材料阵列及其制备方法，其特征在于，该多孔材料阵列及其制备方法具有以下特征：

一种具有弹性空心纤维的硅橡胶多孔材料阵列，包括两层或两层以上空心纤维阵列结构，相邻层空心纤维阵列结构彼此互相交叉，夹角为θ，0<θ≤90°。

所述空心纤维阵列结构包括多根平行设置的弹性空心纤维，弹性空心纤维包括弹性壳体和壳体内的空气层，其中，空气层形成缓冲气囊阵列，弹性壳体形成缓冲气囊保形外壳。

一种具有弹性空心纤维的硅橡胶多孔材料阵列的制备方法，包括以下步骤：

s110、提供基底、壳体材料和牺牲材料；

s120、提供壳体材料与牺牲材料挤出方法；

s130、提供运动控制方法；

s140、将壳体材料和牺牲材料装入挤出装置；

s150、设置壳体材料与牺牲材料挤出参数；

s160、根据挤出参数挤出装置将壳体材料和牺牲材料挤出到基底上并开展设定的运动轨迹，形成两层或两层以上彼此互相交叉的网格结构；

s170、加热至70~90℃并保持2~3小时，经固化后形成中心为空气层，外壁为弹性外壳的结构。

所述空气层的直径为100~600μm。

所述外壳的壁厚为200~800μm。

所述牺牲材料为挥发性液体材料，挥发性液体材料在加热固化后挥发。

所述壳体材料为热固性或热塑性橡胶、热固性或热塑性树脂中的一种或多种。

所述挤出装置包括第一挤出机构、第二挤出机构和喷头结构，喷头结构包括内芯结构和外腔结构，外腔结构环绕内芯结构隔离设置，内芯结构的入口与第一挤出机构的出口连接，外腔结构的入口与第二挤出结构的出口连接。

所述挥发性液体材料为去离子水、无水乙醇和乙酸乙酯中的一种或多种。

所述第一挤出机构用于盛放空气层的牺牲材料并能够将空气层的牺牲材料挤出至内芯结构，第二挤出机构用于盛放壳体材料并能够将壳体材料挤出至外腔结构，内芯结构的出口和外腔结构的出口同时将壳体材料和空气层的牺牲材料喷出至基底上。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明提供的空心纤维阵列结构，通过设置两层或两层以上空心纤维阵列结构，相邻层空心纤维阵列以一定角度彼此互相交叉，每层空心纤维阵列结构均包括多根平行设置的弹性空心纤维，每根所述弹性空心纤维均包括壳体和壳体内的空气层，空气层形成缓冲气囊阵列，弹性壳体形成缓冲气囊外壳。这种多层空心纤维阵列结构作为基材，形成的缓冲减振产品或柔性电子产品，具有较好的压缩与自恢复能力，且由于不同于现有的空心硅橡胶制造技术，解决了现有技术中的工艺复杂和成本高的问题，具有结构简单以及节省人力和时间等成本的优势，避免了传统的空心硅橡胶利用模具或者手动的繁琐生产工艺，能够满足不同用户对3d图形、几何尺寸等不同的要求，同时该制造方法所生产的缓冲减振功能件具有成型好、连续程度高、过程不间断、可大批量生产等诸多优点，节约人力、时间和生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例1空心纤维阵列结构的结构示意图。

图2为本发明实施例2空心纤维阵列结构的结构示意图。

图3为本发明实施例2空心纤维阵列结构的主视图。

图4为本发明挤出装置的结构示意图。

图5为本发明实施例2空心纤维阵列结构打印过程的路径规划示意图。

图6为本发明空心纤维阵列结构制备方法的流程图。

附图标记说明：100.空心纤维阵列结构；110.弹性空心纤维；111.弹性壳体；112.空气层；1.第一挤出机构；2.第二挤出机构；3.喷头结构；31.内芯结构；32.外腔结构。

下面将结合实施例及附图对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1

一种具有弹性空心纤维的硅橡胶多孔材料阵列，所述弹性空心纤维的硅橡胶多孔材料阵列包括：8层空心纤维阵列结构100，每层空心纤维阵列结构100均包括多根平行设置的弹性空心纤维110，相邻两层空心纤维阵列结构100的弹性空心纤维以45°彼此互相交叉，每根弹性空心纤维110均包括弹性壳体111和壳体内的空气层112，空气层112形成缓冲气囊阵列，所弹性壳体111形成缓冲气囊保形外壳。

一种具有弹性空心纤维的硅橡胶多孔材料阵列的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硅片浸没在体积分数为1%的氟化硅烷的乙醇溶液中，静置24h后取出硅片并晾干，作为基底；

（2）在第一挤出机构1中装入去离子水，第二挤出机构2中装入道康宁se1700硅橡胶；

（3）将第一挤出机构1、第二挤出机构2与喷头结构3平行排布，并将第一挤出机构1、第二挤出机构2通过导管分别与喷头结构3的内芯结构31和外腔结构32连通；所述喷头结构3的内芯结构31的内径具体为0.4mm，外腔结构32的内径为1.5mm；

（4）设定第一挤出机构1的注射泵流速为5μl/s、第二挤出机构2的挤出气压为65psi，喷头结构3以6mm/s的打印速度将同轴线打印在打印基底上，打印路径如附图5所示，可堆积成为网格形状；

（5）采用80℃加热热固化方式并保持2小时固化，使步骤（3）得到的网格形状的空心纤维阵列结构固化成型，得到长度尺寸为40*40mm的8层中心为空气层，外壁为弹性外壳的空心纤维阵列结构，见附图1和2所示，其中每根弹性空心纤维的外径为1.4mm，内芯直径为0.4mm。

所述空气层直径范围为400μm。

所述壳体的壁厚范围为500μm。

所述挤出装置包括第一挤出机构1、第二挤出机构2和喷头结构3，喷头结构3包括内芯结构31和外腔结构32，外腔结构32环绕内芯结构31隔离设置，内芯结构31的入口与第一挤出机构1的出口连接，外腔结构32的入口与第二挤出结构2的出口连接。

所述第一挤出机构1用于盛放空气层的牺牲材料并能够将空气层的牺牲材料挤出至内芯结构31，第二挤出机构2用于盛放壳体的制作材料并能够将壳体的制作材料挤出至外腔结构32，内芯结构31的出口和外腔结构32的出口同时将壳体的制作材料和空气层的牺牲材料喷出至基底上。

具体地，将第一挤出机构1、第二挤出机构2、喷头3安装于多自由度运动的执行末端；在第一挤出机构1中装入空气层的牺牲材料，在第二挤出机构2中装入壳体的制作材料；利用运动控制技术与挤出系统控制协同工作，在运动过程中挤出同轴硅橡胶于基底之上，利用壳体层制作材料的高储能模量的特性完成自支撑，同时内部挤出牺牲材料得到空心纤维阵列结构。

实施例2

一种具有弹性空心纤维的硅橡胶多孔材料阵列，所述弹性空心纤维的硅橡胶多孔材料阵列包括：8层空心纤维阵列结构100，每层空心纤维阵列结构100均包括多根平行设置的弹性空心纤维110，相邻两层空心纤维阵列结构100的弹性空心纤维以90°彼此互相交叉，每根弹性空心纤维110均包括弹性壳体111和壳体内的空气层112，空气层112形成缓冲气囊阵列，所弹性壳体111形成缓冲气囊保形外壳。

一种具有弹性空心纤维的硅橡胶多孔材料阵列的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硅片浸没在体积分数为1%的氟化硅烷的乙醇溶液中，静置24h后取出硅片并晾干，作为基底；

（2）在第一挤出机构1中装入去离子水，第二挤出机构2中装入道康宁se1700硅橡胶；

（3）将第一挤出机构1、第二挤出机构2与喷头结构3平行排布，并将第一挤出机构1、第二挤出机构2通过导管分别与喷头结构3的内芯结构31和外腔结构32连通；所述喷头结构3的内芯结构31的内径具体为0.4mm，外腔结构32的内径为1.5mm；

（4）设定第一挤出机构1的注射泵流速为5μl/s、第二挤出机构2的挤出气压为65psi，喷头结构3以6mm/s的打印速度将同轴线打印在打印基底上，打印路径如附图5所示，可堆积成为网格形状；

（5）采用80℃加热热固化方式并保持3小时固化，使步骤（3）得到的网格形状的空心纤维阵列结构固化成型，得到长度尺寸为40*40mm的8层中心为空气层，外壁为弹性外壳的空心纤维阵列结构，见附图1和2所示，其中每根弹性空心纤维的外径为1.4mm，内芯直径为0.4mm。

所述空气层直径范围为400μm。

所述壳体的壁厚范围为500μm。

所述挤出装置包括第一挤出机构1、第二挤出机构2和喷头结构3，喷头结构3包括内芯结构31和外腔结构32，外腔结构32环绕内芯结构31隔离设置，内芯结构31的入口与第一挤出机构1的出口连接，外腔结构32的入口与第二挤出结构2的出口连接。

所述第一挤出机构1用于盛放空气层的牺牲材料并能够将空气层的牺牲材料挤出至内芯结构31，第二挤出机构2用于盛放壳体的制作材料并能够将壳体的制作材料挤出至外腔结构32，内芯结构31的出口和外腔结构32的出口同时将壳体的制作材料和空气层的牺牲材料喷出至基底上。

具体地，将第一挤出机构1、第二挤出机构2、喷头3安装于多自由度运动的执行末端；在第一挤出机构1中装入空气层的牺牲材料，在第二挤出机构2中装入壳体的制作材料；利用运动控制技术与挤出系统控制协同工作，在运动过程中挤出同轴硅橡胶于基底之上，利用壳体层制作材料的高储能模量的特性完成自支撑，同时内部挤出牺牲材料得到空心纤维阵列结构。

针对不同材料的固化情况，可以选择性地配置热固化加热板、加热光源等辅助固化设备，在打印过程中加热固化包覆材料以期获得更好的包覆效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。