[發(fā)明專利]一種受啟于蛛網(wǎng)的仿生復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110665428.8
• 申請(qǐng)日: 2021-06-16
• 公開（公告）號(hào): CN113372687B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘇春英;陳然;包福兵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國計(jì)量大學(xué)
• 主分類號(hào): C08L63/00
• 分類號(hào): C08L63/00;C08L77/00;C08L71/02;D01F8/12;D01F8/16;D01D5/00
• 代理公司: 杭州奧創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33272
• 代理人: 王佳健

本發(fā)明公開了一種受啟于蛛網(wǎng)的仿生復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明通過搭建用于制備仿生復(fù)合材料纖維骨架的制備裝置，優(yōu)化電場并設(shè)計(jì)程序，快速高效制備了具有蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的微尺度纖維；通過調(diào)整電場中規(guī)律性突變的周期與制備裝置中針頭和收集板在紡絲階段的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度控制纖維上環(huán)狀結(jié)構(gòu)的間距；通過改變程序參數(shù)可調(diào)節(jié)每層纖維陣列的取向；通過控制制備裝置中針頭與收集板在進(jìn)給階段的相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)仿生復(fù)合材料纖維骨架中單層纖維陣列的密度；在材料選擇方面，范圍廣泛，可根據(jù)所需功能選擇不同聚合物溶液，且用量少成本低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電紡絲領(lǐng)域，具體涉及一種受啟于蛛網(wǎng)的仿生復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

當(dāng)今世界的科技發(fā)展水平日新月異，人們對(duì)相繼出現(xiàn)的復(fù)合材料要求也不斷提高，尤其是航天和軍事領(lǐng)域所需材料不僅要求高強(qiáng)度，還需要良好的抗沖擊性。因此，具有超強(qiáng)力學(xué)性能的材料吸引了大批研究者的關(guān)注。

人們發(fā)現(xiàn)蜘蛛網(wǎng)是自然界中最強(qiáng)韌的纖維材料之一，它的強(qiáng)度是等體積的鋼絲的5倍。除此之外，蜘蛛網(wǎng)獨(dú)特的力學(xué)耗散性能也受到關(guān)注。肌腱等生物材料在受到?jīng)_擊的時(shí)候，只有10%的能量被耗散；而蜘蛛網(wǎng)因?yàn)槠洵h(huán)狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可以耗散掉70%的沖擊能量，所以蜘蛛網(wǎng)在捕獲昆蟲時(shí)不會(huì)因沖擊和掙扎而斷裂。通過重建蜘蛛網(wǎng)的微觀結(jié)構(gòu)和形貌有望將復(fù)合材料的性能推上一個(gè)新的高度。

然而目前天然界中蜘蛛絲的產(chǎn)量十分有限，人工制備的蜘蛛絲仿生結(jié)構(gòu)多以宏觀尺度存在且制備方式較為復(fù)雜，因此開發(fā)一種高產(chǎn)量，低成本且具有獨(dú)特力學(xué)耗散特性的蛛網(wǎng)仿生復(fù)合材料的制備方法尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種受啟于蛛網(wǎng)仿生復(fù)合材料及其制備方法。

本發(fā)明的一方面提供了一種受啟于蛛網(wǎng)的仿生復(fù)合材料。

該仿生復(fù)合材料是由類蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的纖維骨架和填充材料構(gòu)成。其中纖維骨架為平面纖維陣列在厚度方向的堆疊結(jié)構(gòu)，各層纖維陣列中纖維取向一致且纖維呈現(xiàn)為微尺度環(huán)狀結(jié)構(gòu)與直線交錯(cuò)的形態(tài)。

進(jìn)一步說，構(gòu)成該仿生復(fù)合材料纖維骨架的基本單元為微納米纖維，纖維直徑在100nm-20μm之間。

進(jìn)一步說，該仿生復(fù)合材料所用微納米纖維骨架中微納米纖維帶有呈規(guī)律性排列的微尺度環(huán)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)狀結(jié)構(gòu)平均直徑在1μm-200μm之間。

進(jìn)一步說，纖維骨架中相鄰兩平面纖維陣列的取向具有夾角，夾角角度在0.1o-90o之間。

本方面的另一方面提供了一種制備受啟于蛛網(wǎng)的仿生復(fù)合材料的方法，具體步驟如下：

（1）一定條件下，配制所需質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚合物溶液，加入溶液進(jìn)給裝置待用；

（2）搭建用于制備仿生復(fù)合材料纖維骨架的制備裝置，該制備裝置由可相對(duì)運(yùn)動(dòng)的針頭和收集板構(gòu)成，將高壓交流放大器的兩個(gè)電極分別接到針頭和收集板上，適當(dāng)調(diào)節(jié)針頭到收集板的距離；

（3）使用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器讀取規(guī)律性突變的交變電場，所輸出的信號(hào)由高壓放大器放大。通過溶液進(jìn)給裝置將聚合物溶液進(jìn)給至針頭中，其中交變電場的波形中含有規(guī)律性的突變，該電場突變導(dǎo)致電射流流量增加10%-50%，進(jìn)而使得電射流噴射過程中發(fā)生繞轉(zhuǎn)從而在纖維上產(chǎn)生環(huán)狀結(jié)構(gòu)；同時(shí)，通過程序控制針頭與收集板間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而控制電射流沉積構(gòu)成微納米纖維的取向；

（4）持續(xù)微納米纖維制備過程一段時(shí)間，即可得到單層沿單一取向的平面纖維陣列；

（5）通過程序調(diào)整針頭與收集板間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向并持續(xù)一段時(shí)間，可在之前得到的平面纖維陣列上堆疊一層不同取向的平面纖維陣列，重復(fù)該過程，最終得到受啟于蛛網(wǎng)的仿生復(fù)合材料的纖維骨架；

（6）向所得的仿生復(fù)合材料纖維骨架中注入可流動(dòng)的填充材料，待填充材料固化后即得到蛛網(wǎng)仿生復(fù)合材料。