三维负泊松比织物及其复合材料的加工装置、方法和用途与流程

本发明涉及纺织技术领域，具体涉及一种具有三维负泊松比效应的层合织物及其复合材料的加工装置、方法和用途。

背景技术：

负泊松比织物具有受拉时其垂直拉伸方向膨胀(拉胀性)和受挤压时其垂直压缩方向收缩(挤缩性)的特点。目前，负泊松比结构的纺织材料报道较少，虽有相关的二维负泊松结构纺织材料的编织和针织结构设计方法，具有较好的平面拉胀效应，但还仅限于理论报道和实验室结果。负泊松比织物由于良好的拉胀和挤缩效应，所成形的三维负泊松比织物及其复合材料将具有良好的力学缓冲减震性能，在航天航空、交通运输、体育用品、功能性服装等领域具有广泛的应用前景。而目前三维负泊松比结构织物的理论研究刚兴起，相关三维负泊松比织物的实际制备还处于探索阶段。虽然目前国内外有三维负泊松比针织物的制作方法(如专利申请号：201210047717.2)，具有一定的拉胀效应，然仅限于间隔针织物，且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。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种制备方法简单、生产效率高的三维负泊松比织物及其复合材料的加工装置、方法及用途。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种三维负泊松比织物的加工装置，其特征在于：包括

用于喂给二维负泊松比织物的喂布机构；

用于粘合多层二维织物的热熔粘合平台机构；

用于将数层叠合的二维织物挤压成三维织物的挤压成型机构；

用于为成型的三维织物提供后期定型及整理的定型整理机构；

用于将定型整理后的三维织物卷绕在卷辊上的卷绕机构。

优选地，所述二维负泊松比织物为具有拉胀效应和挤缩效应的二维负泊松比结构的平面织物。

更优选地，所述二维负泊松比结构为蜂窝拓扑结构，所述蜂窝拓扑结构包括内凹六边形、人字形、星形、三角形、双箭头形。

优选地，所述三维织物包括卷曲结构、折叠结构、凹凸结构的织物。

更优选地，所述三维织物在任意表面上均有负泊松比效应，并且整体三维方向上都有负泊松比效应。

优选地，所述热熔粘合平台机构包括平台，平台前端设有喇叭口和溶胶喷洒漏斗，平台两侧设有热风喷气孔，平台下方设有加热装置，平台后端设置有第一导布辊；

多层二维织物通过喇叭口集束叠加，进入平台，然后溶胶喷洒漏斗喷洒用于粘结织物层的粘结剂，对多层叠层的织物和粘结剂进行加热，使得粘结剂浸透多层织物，粘结好的层合织物经第一导布辊进入下一机构。

优选地，所述挤压成型机构包括挤压成型底座，挤压成型底座前端设有第二导布辊，挤压成型底座中后段设有一对具有沟槽的滚筒；所述沟槽用于将其间的层合织物碾压成型三维结构的层合织物。

优选地，所述定型整理机构包括定型整理底座，定型整理底座前端设有第三导布辊，定型整理底座两侧设有多个用于给三维织物进行冷却成型处理的冷风喷气孔。

本发明还提供了上述三维负泊松比织物的加工方法，特征在于，步骤为：

步骤1：喂布机构中的筒子架上安装有多个具有二维负泊松比效应的平面织物的卷装筒子，根据最终产品的质量、厚度尺寸要求，一次性匀速输出多个卷装筒子上的织物，织物通过喇叭口集束叠加进入热熔粘合平台机构；

步骤2：织物经由热熔粘合平台机构，其上的喷洒漏斗喷洒粘结剂，下方加热，同时在平台左右两侧装有热气流，使粘结剂在层合织物的层中渗透均匀；

步骤3：层合织物经由挤压成型机构，由一对具有沟槽的滚筒相互挤压成为卷曲的或折叠的或凹凸的三维结构，形成具有三维负泊松比效应的层合织物；

步骤4：挤压成型的层合织物进入定型整理机构平台，平台两边的喷气孔开始喷冷气，冷却固化；

步骤5：后整理好的具有三维负泊松比效应的层合织物经卷取机构卷绕在卷布辊上。

本发明还提供了一种三维负泊松比织物复合材料的加工装置，其特征在于：包括

用于喂给二维负泊松比织物的喂布机构；

用于粘合多层二维织物的热熔粘合平台机构；

用于将数层叠合的二维织物挤压成三维织物的挤压成型机构；

用于将三维织物与复合材料进行复合，制成三维负泊松比织物复合材料的复合机构平台；

用于为三维负泊松比织物复合材料提供后期定型及整理的后整理固化机构；

用于将定型及整理后的三维负泊松比织物复合材料与模具分离的脱模机构；

用于将脱模后三维负泊松比织物复合材料卷绕在卷辊上的卷绕机构。

优选地，所述脱模机构采用气压法脱模，压缩空气通过喷气孔进入三维负泊松比织物复合材料与模具界面层，利用压缩空气的膨胀力使之分离开。

优选地，所述脱模机构后侧设有模具下滑台；复合材料模具脱掉后由模具下滑台滑出工艺生产线。

本发明还提供了上述的三维负泊松比织物复合材料的加工方法，其特征在于，步骤为：

步骤1：喂布机构中的筒子架上安装有多个具有二维负泊松比效应的平面织物的卷装筒子，根据最终产品的质量、厚度尺寸要求，一次性匀速输出多个卷装筒子上的织物，织物通过喇叭口集束叠加进入热熔粘合平台机构；

步骤2：织物经由热熔粘合平台机构，其上的喷洒漏斗喷洒粘结剂，下方加热，同时在平台左右两侧装有热气流，使粘结剂在层合织物的层中渗透均匀；

步骤3：层合织物经由挤压成型机构，由一对具有沟槽的滚筒相互挤压成为卷曲的或折叠的或凹凸的三维结构，形成具有三维负泊松比效应的层合织物；

步骤4：具有三维负泊松比效应的层合织物进入复合机构平台，与复合材料进行复合，制成三维负泊松比织物复合材料；

步骤5：三维负泊松比织物复合材料经后整理固化机构固化定型，然后进入脱模机构脱模，脱模后的三维负泊松比织物复合材料经卷取机构卷绕在卷辊上。

本发明还提供了上述的三维负泊松比织物复合材料的用途，其特征在于：所述三维负泊松比织物复合材料用于制作具有缓冲、防弹防刺、减振、隔热、过滤作用的功能纺织品；

所述三维负泊松比织物复合材料用于制作人体防护用具，所述人体防护用具包括汽车安全带、安全座椅、运动防护服装及装备、赛车服、防震手套、防震头盔；

所述三维负泊松比织物复合材料用于制作普通防护用品，所述普通防护用品包括童装、孕妇装、文胸；

所述三维负泊松比织物复合材料用于制作医疗用品，所述医疗用品包括脊柱内固定器、人造成形瓣膜、人造血管、食管内支架。

本发明通过现有市场上成熟的铺层设备、定型设备和加固设备，即可快速、高效率实现织物的三维拉胀和挤缩效应。本发明通过将平面的二维负泊松比织物进行叠层，将叠层织物进行卷曲或折叠或凹凸成形处理，再通过热定型或粉末粘结或液体粘结或热粘或缝纫的方式加固成形，从而获得三维负泊松比织物。本发明制备的三维负泊松比织物，在宽、高、厚三个方向可以表现出拉胀效应，根据规格及纤维原料的不同可以用作：汽车安全带、安全座椅；运动防护服装及装备、赛车服、防震手套、防震头盔等人体防护用具；童装、孕妇装、文胸等普通防护用品；脊柱内固定器、人造成形瓣膜、人造血管、食管内支架等医疗用品；过滤器、热防护材料等产业用品。该织物可直接作为缓冲产品、防弹防刺产品，或作为缓冲防弹防刺的填充品，或与树脂形成防弹防刺缓冲复合材料使用。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明利用往复式漏斗添加粘结剂，不仅可以使层叠织物粘着均匀，产品质量好，并能节约原料。

(2)本发明利用形式多样的沟槽滚筒将三维负泊松比织物挤压成型，可以得到多种规格和尺寸的三维负泊松比织物，且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)本发明利用高清摄像头检测复合材料产品质量，使用循环往复式多角度转弯除尘刀自动清除杂质，提高了产品后整理的自动化程度，降低了人工劳动率，节约了成本。

(4)本发明制备的三维负泊松比织物，在宽、高、厚三个方向可以表现出拉胀效应，根据规格及纤维原料的不同可以用于不同方向。

附图说明

图1A为三维负泊松比织物成形设备整体结构示意图；

图1B为三维负泊松比织物成形设备右视图；

图1C为三维负泊松比织物成形设备上视图；

图1D为三维负泊松比织物成形设备下视图；

图2A为三维负泊松比织物复合材料成形设备整体结构示意图；

图2B为三维负泊松比织物复合材料成形设备右视图；

图2C为三维负泊松比织物复合材料成形设备上视图；

图2D为三维负泊松比织物复合材料成形设备下视图；

图2E为三维负泊松比织物复合材料成形设备等轴测视图；

图3A为单层三维内六角结构示意图；

图3B为单层三维星型结构示意图；

图3C为单层三维三角形结构示意图；

图3D为单层三维双箭头形结构示意图；

图3E为单层三维“人字形”结构示意图；

图3F为20层三维内六角结构示意图；

图4A为单层三维内六角结构织物整体示意图；

图4B为单层三维内六角结构织物近观示意；

图4C为单层三维内六角结构织物近观示意图。

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。

如图1A～1D所示，三维负泊松比织物成形设备包括用于喂给二维负泊松比织物的喂布机构11、用于粘合多层二维织物的热熔粘合平台机构12、用于将数层叠合的二维织物挤压成三维织物的挤压成型机构13、为三维成型织物提供后期定型及整理的定型整理机构14与卷绕机构15；三维负泊松比织物复合材料成形设备还包括如图2A～2E所示的，用于制作三维负泊松比织物复合材料的复合机构26、用于对复合材料进行整理固化的后整理固化机构27以及将复合材料与模具分离的脱模机构28。

所述的喂布机构11包括筒子架111，筒子架111上安装有多个二维织物卷装筒子112。可以根据最终产品的厚度尺寸要求，一次性输出多个卷装筒子上的织物。

所述的热熔粘合平台机构12包括平台，平台前端设置有喇叭口121和溶胶喷洒漏斗122。多层二维织物通过喇叭口121集束叠加，进入热熔粘合平台，然后溶胶喷洒漏斗122喷洒粉末、泡沫、液体等用于粘结织物层的物质，平台两侧有热风喷气孔123，平台下方设置有加热装置124，可对多层叠层的织物进行高温加热，同时对粘结剂进行加热，使得粘结剂浸透多层织物。为了增加层间的相互作用力，还可以通过针刺缝纫工艺通过弹力丝将多层的叠层织物进行缝纫加固。平台后端设置有第一导布辊125。

所述的挤压成型机构13包括挤压成型底座，挤压成型底座前端设有第二导布辊131；挤压成型底座中后段设有一对具有沟槽的滚筒132，这种滚筒可以根据用途要求不同，设置成不同规格的沟槽结构。

所述的定型整理机构14包括定型整理底座，定型整理底座前端设有第三导布辊141；定型整理底座两侧装有多个用于给三维织物进行冷却成型处理的冷风喷气孔142。

所述的卷绕机构15是由设于定型整理底座后方的第四导布辊151和卷布棍152组成，第四导布辊151位于卷布棍152的前上方。

如图2A～2E，三维负泊松比织物复合材料成形设备采用的喂布机构21与喂布机构11结构相同，热熔粘合平台机构22与热熔粘合平台机构12结构相同，挤压成型机构23与挤压成型机构13结构相同。喂布机构21包括：筒子架211、和筒子212；热熔粘合平台机构22包括：喇叭口221，溶胶喷洒漏斗222，热风喷气孔223、加热装置224、导布辊225；挤压成型机构23由导布辊231和一对具有沟槽的滚筒232组成。

所述的复合机构26由复合装置261、复合模具262以及加热装置263组成，复合模具262和加热装置263均位于复合装置261上。

所述的后整理固化机构27包括后整理装置271，后整理装置271两侧装有均匀排列、并使复合材料固化速度均匀的喷气孔272；后整理装置271上还设有用于检测三维负泊松比织物是否粘结均匀的高清摄像头273、中心报警装置274以及清除多余粘结剂的切除刀275。

所述的脱模机构28采用气压法脱模，包括脱模装置281，脱模装置281上设有模具282，压缩空气通过喷气孔282进入复合材料制成品与模具界面层，利用压缩空气的膨胀力使之分离开。

卷绕机构25是由导布辊251和卷布棍252、模具下滑台253组成。模具下滑台253设于脱模机构28后侧，导布辊251和卷布棍252设于模具下滑台253上方。三维负泊松比织物或其复合材料经导布辊251卷绕在卷布辊252上，复合材料模具脱掉后由卷绕机构中的模具下滑台253滑出工艺生产线。

多层二维负泊松比织物由喂布机构11喂入，经由喇叭口121集束将多层的二维负泊松比织物叠层后进入热熔粘合平台机构12粘结成毡，再由挤压成型机构13的一对具有沟槽的滚筒132相互挤压成型，挤压成型的三维织物经加固稳定后，最后冷却固化而成；从挤压成型机构13下来的三维负泊松比织物直接进入复合机构平台26，制成三维负泊松比织物复合材料，三维织物复合材料经后整理固化机构27固化定型，定型后的三维负泊松比复合材料进入脱模机构28进行脱模，脱模后的制成品绕过导辊卷绕在卷辊上。

所述的三维负泊松比织物可以根据使用要求不同，制备成不同的规格，其三维方向尺度通过使用不同规格的滚筒挤压来实现，其质量通过变化二维负泊松比织物铺层层数进行调控，其厚度通过变化二维负泊松比织物卷曲率或折叠率或凹凸率进行调控，其整体负泊松比效应通过变化单层二维负泊松比织物的负泊松比、以及多层二维负泊松比织物的整体质量和厚度进行调控。

由二维负泊松比织物经一对凹槽滚筒碾压成型的三维结构，为卷曲结构、折叠结构、凹凸结构；所述的三维结构在任意表面上均有负泊松比效应，并且整体三维方向上都有负泊松比效应。

所述的二维负泊松比织物的表面具有拉胀效应和挤缩效应的二维负泊松比结构，所述的二维负泊松比结构包括内凹六边形、人字形、星形、三角形、双箭头形等蜂窝拓扑结构。

一种具有三维负泊松比效应的层合织物及其复合材料的加工方法，其特征在于按以下步骤进行：

(1)喂布机构11中的筒子架111上安装有多个具有二维负泊松比效应的织物的卷装筒子112，根据最终产品的质量、厚度尺寸要求，一次性匀速输出多个卷装筒子上的织物，织物通过喇叭口121集束叠加进入热熔粘合平台机构12；

(2)织物经由热熔粘合平台机构12时，溶胶喷洒漏斗122喷洒粉末、泡沫、液体等粘结剂，下方加热装置124进行高温加热，同时在平台左右两侧的热风喷气孔123喷出热气流，使粘结剂在织物层中渗透均匀；

(3)织物层经由挤压成型机构13，由一对具有沟槽的滚筒132相互挤压成为卷曲的或折叠的或凹凸的三维负泊松比织物；

(4)挤压成型的三维负泊松比织物进入定型整理机构14，定型整理机构14两边的冷风喷气孔142开始喷冷气，冷却固化成三维成型织物；

(5)后整理好的三维负泊松比织物经卷绕机构15卷绕在卷布辊152上；

(6)从挤压成型机构13下来的三维负泊松比织物直接进入复合机构26，制成三维负泊松比织物复合材料，三维织物复合材料经后整理固化机构27固化定型，然后进入脱模机构28进行脱模工序，脱模后的制成品绕过导辊卷绕在卷辊上。

一种三维负泊松比织物及其复合材料的用途，所发明的三维负泊松比织物在宽、高、厚三个方向可以表现出拉胀效应，可用作缓冲、防弹防刺、减振、隔热、过滤等功能纺织品；汽车安全带、安全座椅、运动防护服装及装备、赛车服、防震手套、防震头盔等人体防护用具；童装、孕妇装、文胸等普通防护用品；脊柱内固定器、人造成形瓣膜、人造血管、食管内支架等医疗用品。

本发明涉及的一种三维负泊松比织物及其复合材料的用途在于用于制备三维负泊松比织物及其复合材料，下面介绍5个具体的实施例：实施例1三维负泊松比机织物及其复合材料成形方法；实施例2三维负泊松比针织物及其复合材料成形方法；实施例3三维负泊松比非织造布及其复合材料成形方法；实施例4三维负泊松比机织物/针织物/非织造布混合成形方法；实施例5三维负泊松比机织物/编织物混合成形方法。

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)喂布机构中的筒子架上安装有多个具有二维负泊松比效应的机织物的卷装筒子，根据最终产品的质量、厚度尺寸要求，一次性匀速输出多个卷装筒子上的织物，织物通过喇叭口集束叠加进入热熔粘合平台机构；(2)织物经由热熔粘合平台机构，其上喷洒漏斗喷洒粉末、泡沫、液体等粘结剂，下方高温加热，同时在平台左右两侧装有热气流，使粘结剂在织物层中渗透均匀；(3)织物层经由挤压成型机构，由一对具有沟槽的滚筒相互挤压成为卷曲的或折叠的或凹凸的三维负泊松比织物；(4)挤压成型的三维负泊松比织物进入定型整理机构平台，平台两边的喷气孔开始喷气，固化成三维成型织物；(5)后整理好的三维负泊松比织物经卷取机构卷绕在卷布辊上，为三维负泊松比织物；(6)或后整理好的三维负泊松比织物从挤压成型机构下来直接进入复合平台，制成三维负泊松比织物复合材料，定型后的三维负泊松比复合材料脱模后，绕过导辊卷绕在卷辊上。该实施例的设置参数见表1所示。

表1实施例的工艺参数数据表