仿生甲虫前翅复合防护材料制备方法及其复合防护材料

本发明属于纺织材料，具体涉及仿生甲虫前翅复合防护材料制备方法及其复合防护材料。

背景技术：

1、高性能人体防护材料在保障人们的生命安全和身体健康方面发挥着重要作用，其需求日益增长。无论是在军事、工业、医疗还是体育等领域，人们都在不断寻求更先进、更有效的防护材料，以保护人体免受各种潜在的伤害。为开发更轻量化的人体防护材料，从自然界中获得了灵感。甲虫经过长久的进化周期，其前翅可以助飞并保护身体，即具有重量轻、强度高的特点，是追求轻量化人体防护材料设计的理想仿生模型。甲虫前翅的微观结构是一种典型的三明治结构，上下层主要由几丁质纤维和蛋白质组成，并通过小梁进行连接。小梁也被称为钉柱结构，高密度的钉柱之间存在大量空隙，这是其重量轻的主要原因当甲虫受到外界压力时，应力和能量被分散在钉柱中，“钉柱”空隙也吸收了向内部传递的应力和能量，从而减小了变形，起到保护作用。

2、对于个人防护装备来说，甲虫前翅的耐冲击性、柔韧性和重量轻，可以适应设计更好的头盔、防弹衣和服装。鞘翅中空微结构对减轻甲虫撞击损伤的作用，可用作设计保护人体免受坠落冲击，耦合机制(机械互锁)也发挥了一定作用，在坠落过程中可以显著增加冲击能量的吸收。甲虫前翅三维空间结构及其层状结构与纺织领域的三维间隔结构类似，三维间隔织物具有独特的结构和优异的性能，在各行各业有着广泛应用。其由两个相互独立的织物层和一个间隔层组成，间隔丝可以支撑上下层织物，使其具有良好的压缩形变能力和回弹性，除此之外，还具有良好的缓冲性，抗冲击、能量吸收、热湿舒适性，其复合材料也具有优异的机械性能。

3、现有技术公开了一些仿生甲虫前翅和夹层材料的制备方法。例如，申请号cn106079015b玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材及其制备方法公开了：一种双螺旋铺层结构的玄武岩-秸秆连续纤维板，在纤维板中采用了按甲虫前翅双螺旋结构排布并起增强作用的玄武岩纤维和以环氧树脂为主体的胶黏基体材料。申请号cn117828882b一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法公开了：一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法，根据甲虫前翅微观小梁结构特点进行结构特征提取与内凹三角形结构融合，仿生甲虫前翅点阵结构在抗剪承载力、能量的吸收和抗断裂能力上比传统的结构具有更大的优势；申请号cn109732952b一种轻质高强复合材料结构及其制备方法提出了：一种轻质高强复合材料结构，利用仿生鞘翅结构，通过中空箱梁结构和格栅的组合、连接，使得该结构具备良好的力学性能和低密度高强度的特点；申请号cn106592856a一体化秸秆夹心填充墙体制备方法及一体化秸秆夹心填充墙体公开了：一种一体化秸秆夹心填充墙体，通过在压缩成型的秸秆块上开设按规则排列的通孔制备秸秆夹心层，并按照从下往上的制备工序一次整体浇注成型；申请号cn118636562a含功能结构的多层复合材料的一次压制成型工艺公开了：一种多层织物复合材料一次压制成型工艺，过压力机施加压力和温度，使得纤维布或纤维丝上的树脂溶液通过牛皮纸的孔隙浸润至牛皮纸的表面，从而将装饰层、纤维树脂层和功能层进行结合形成整体。申请号cn117507429a复合多层织物密封件及成型方法公开了：一种复合多层织物的制备方法，将若干片内层织物与硅橡胶预复合并平齐折叠，将外层织物包覆在折叠后的预复合硅橡胶多层织物半成品的外部，置于模具中用热压机硫化成型，开模冷却裁剪后得到最终产品。

4、综上所述，现有仿生甲虫前翅结构未涉及纺织材料领域，多层夹层结构复合材料多为层压结构，未涉及一体化制备多层针织结构领域。多层夹层结构的能量吸收性能远高于相应的单层结构，这意味着多层夹层结构相比传统的单层结构具有更优越的力学性能。甲虫前翅的间隔结构为多层间隔，对于仿生甲虫前翅一体化多层织物复合材料领域尚未涉及。因此，针对现有技术领域缺陷，提出了仿生甲虫前翅复合防护材料制备方法及其复合防护材料，旨在部分或全部解决层压结构易分层的问题，以满足现有防护领域中轻质高强人体防护装备的需求。

技术实现思路

1、本发明申请提供了仿生甲虫前翅复合防护材料制备方法及其复合防护材料，旨在部分或全部解决了现有防护材料技术领域中的技术问题，促进了一体化成形的仿生多层针织物复合防护材料类型和制备方法的技术创新，拓展了防护材料的商业价值和市场前景。为了实现上述目的，本发明申请采用如下技术方案：

2、第一方面，一种仿生甲虫前翅复合防护材料制备方法，包括以下步骤：一种仿生甲虫前翅复合防护材料制备方法，包括以下步骤：

3、步骤s100：制备多层织物，多层织物包括多个间隔织物层连接多个织物层；间隔织物层的个数比织物层的个数少一个；

4、步骤s200：制备剪切增稠液sft；

5、步骤s300：将制备的多层织物和制备的剪切增稠液stf进行复合，完成仿生甲虫前翅复合防护材料的制备；

6、可选地，步骤s100包括以下步骤：

7、步骤s101：在具有四针床的电脑横机上编织，至少编织第一间隔织物层，第一间隔织物层连接第一织物层和第二织物层；

8、步骤s102：在具有四针床的电脑横机上编织，至少编织第二间隔织物层，第二间隔织物层连接第二织物层和第三织物层：

9、步骤s103：在具有四针床的电脑横机上编织，至少编织第三间隔织物层，第三间隔织物层连接第三织物层和第四织物层：

10、步骤s104：将至少包括三个间隔织物层连接四个织物层的多层织物从电脑横机下机，对多层织物进行热定型处理。

11、可选地，步骤s200包括以下步骤：

12、步骤s201：将二氧化硅s io2纳米粒子放入烘箱中进行干燥，去除水分；

13、步骤s202：按比例称取一定质量的二氧化硅sio2和聚乙二醇peg；

14、步骤s203：在搅拌机下，将二氧化硅sio2少量多次加入聚乙二醇peg溶液中；

15、步骤s204：将溶液置于室温真空室中约24小时以除去气泡。

16、可选地，步骤s300包括以下步骤：

17、步骤s301：将剪切增稠液stf与无水乙醇按比例进行稀释；

18、步骤s302：将织物放入稀释过的溶液中浸渍，采用超声处理使其均匀；

19、步骤s303：浸渍过的织物用滚轴将多余溶液挤出；

20、步骤s304：将浸渍过的织物放入80℃对流烘箱中加热3h，以去除样品中的乙醇。

21、可选地，织物层至少使用成圈工艺、集圈工艺进行编织，间隔织物层至少使用集圈工艺、翻针工艺连接织物层。

22、可选地，织物层的用纱原料包括普通化纤复丝、高性能纤维中的一种或多种；和/或，间隔织物层的用料包括弹性纱线和非弹性纱线，弹性纱线和非弹性纱线的原料均为涤纶、锦纶、丙纶中的一种或多种，间隔织物层的弹性纱线和非弹性纱线的直径范围为0.05-0.2mm。

23、可选地，织物层的用纱原料选用840d的芳纶和4070氨纶包覆纱，间隔织物层的用料选用0.2mm的涤纶单丝和150d的热熔丝。

24、可选地，在步骤s300中，剪切增稠液stf包括二氧化硅sio2纳米粒子和聚乙二醇peg的混合物；二氧化硅sio2纳米粒子为球形sio2纳米粒子；和/或，球形sio2纳米粒子平均径粒为300nm，聚乙二醇peg优选为平均分子量约为600的peg600。

25、可选地，在步骤s300中，二氧化硅sio2和聚乙二醇peg的质量分数比例为7:3；剪切增稠液stf与无水乙醇的质量分数比例为1:4；

26、或，二氧化硅s io2和聚乙二醇peg的质量分数比例为65:35，剪切增稠液stf与无水乙醇的质量分数比例为1:2。

27、第二方面，一种仿生甲虫前翅复合防护材料，采用上述第一方面中任一所述的一种仿生甲虫前翅复合防护材料制备方法制备得到。

28、本发明申请取得的有益效果如下：

29、(1)在本发明申请中，在多层织物制备步骤中，多层织物包括三个间隔织物层连接四层织物层，间隔织物层由大量纱线(单丝)组成，纱线(单丝)之间存在空隙，质量较轻；织物层至少使用成圈工艺、集圈工艺进行编织而成，间隔织物层至少使用集圈工艺、翻针工艺连接织物层，织物层的线圈和间隔织物层的纱线(单丝)互相连接，形成了机械互锁结构，与甲虫前翅上的互锁结构有异曲同工之妙。线圈纱线互锁结构，有助于分布应力，调节界面处的能量耗散并提高机械性能，结构紧密的面层可以改善织物整体的结构稳定性，间隔层中的大量单丝可以分散所受应力，二者之间的连接点还可以提高界面性能，防止元件之间破裂或分层，提升仿生甲虫前翅复合防护材料的整体性能。

30、(2)在本发明申请中，仿生甲虫前翅复合防护材料采用stf与多层织物进行一体化成形复合，在织物结构的基础上增强了抗冲击和能量吸收性能，具有优异的缓冲性，能够作为轻质高强的人体防护装备。多层织物制备过程简单，多层织物可以采用横机编织一体成形，节省了人力物力，降低了企业生产成本，可大批量生产，具有良好的商业价值和市场前景。