一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺

1.本发明属于包覆纱技术领域，具体地说，本发明涉及一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺。

背景技术：

2.复合纺纱自上世纪50年代后期出现至今，为纱线结构性能的改善和功能化等提供了更大的空间和更多的选择。但基本上还是局限在多轴系的物质含量、纺纱装备上的改造和关键工艺优化上做努力。通常传统材料在拉伸时，表现为正泊松比，即拉伸时材料变窄，压缩时变宽。而负泊松比材料受拉膨胀或受压收缩，在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收等方面比传统材料更具优势，因而负泊松比材料在智能可呼吸服装服饰、生物医学、防护装备、国防等诸多领域具有较广泛的应用前景。
3.人工肌肉是近些年发展的一类新型纤维状肌肉行为材料，属于一种智能形状记忆材料，可在外界条件刺激下，如：光、电、热、磁、溶剂、湿度等的作用下，能够自身响应参数不同形变的驱动器。可以可逆地完成伸缩、弯曲或扭转等动作，且可以通过不同结构设计、人工肌肉的复合装配以及协调合作，实现其它复杂运动，如：跳跃、多自由度旋转弯曲等。上世纪50年代，由美国mckibben最早提出气动型人工肌肉，以限制变形的支撑材料作为骨架，骨架内部是可膨胀气囊结构，通过气囊膨胀和收缩来执行各种动作，但存在驱动器体积大且受辅助系统限制等缺陷。近年来，电活性、热响应、湿驱动人工肌肉等被广泛研究。
4.其中，电活性聚合物人工肌肉材料是指能在电流或电场刺激下产生形变的聚合物材料，其显著特征是能够将电能转化成机械能。但严格的引发要求限制电活性人工肌肉的推广和使用。电热聚合物人工肌肉材料受温度变化发生体积的变化或者相形态的转变。除驱动电压低、无需化学电解质工作环，还具有响应快、能量密度大、制备简单、廉价等优点。但存在形变不可预知、响应速度慢、价格昂贵、迟滞性等不足之处。水/湿驱动聚合物人工肌肉材料巧妙利用聚合物材料的吸湿性质，来完成伸缩、扭转等动作。这种湿驱动具有环境友好特性，无需外界施加能量，且没有严格的引发要求就能够实现“自驱动”。
5.本发明旨在将湿驱动人工肌肉材料与纱线负泊松比效应相结合，构筑一种在湿态环境下具有稳健负泊松比效应的纱线。如何合理配置各组分纱体模量、设计并优化负泊松比纱线结构，是本发明亟待解决的技术重难点。

技术实现要素：

6.本发明提供一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺，以解决上述背景技术中存在的问题。
7.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺，包括具体包括以下步骤，
8.步骤s1：鞘层材料的制备，将一定根数的单根湿度敏感纱线合股后施加强捻，形成螺旋线圈；具体地，针对性改造纱线捻度仪，加装定滑轮、砝码、竖直滑槽关键组部件；将1-6
根单根湿度敏感纱线平行排列形成湿度敏感合股纱，将湿度敏感合股纱一端固定在纱线捻度仪的一端，另一端悬挂10-200g砝码后置于竖直滑槽中，然后施加强捻，控制捻速50-100rpm，形成螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料；
9.步骤s2：组分纱体的喂入，将芯层的低模量高伸长柔性长丝绕经积极喂入罗拉调节预牵伸倍数后喂入空心锭包缠纺纱机的空心锭中心管，将鞘层的螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料卷绕于嵌套在空心锭中心管的空心锭上；
10.步骤s3：包覆成型，在导纱钩处，鞘层呈螺旋线圈状均匀包覆在芯层表面，形成湿态环境下具有负泊松比效应的纱线。
11.优选的，所述步骤s1中的单根湿度敏感纱线为富含亲水基团的纱线，例如：棉纤维、毛纤维、麻纤维、粘胶纤维的天然或再生纤维纱线中的一种。
12.优选的，所述步骤s2中芯层的低模量高伸长柔性长丝为氨纶丝、莱卡丝、聚烯烃基弹性丝、橡皮筋、松紧线具有弹性功能的柔性纤维材料中的一种。
13.优选的，所述步骤s1中形成的螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料进行等离子体表面刻蚀法或表面活性剂浸渍法或生物酶整理法或低共熔溶剂整理法处理。
14.优选的，所述步骤s1中形成的螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料(23)进行定伸长循环机械训练，设定训练次数，使其在初始态下相邻线圈的间隙或线圈螺距增大；具体训练过程是：通过反复拉伸和去除拉伸，即将人工肌肉材料通过悬挂砝码拉伸至设定的训练应变值后，去除砝码让其恢复至初始态，循环往复作用直至达到既定的训练次数。
15.优选的，一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺制备的纱线，湿态环境下具有负泊松比效应的纱线包括芯层和鞘层，所述芯层为低模量高伸长柔性长丝，所述鞘层为螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料。
16.采用以上技术方案的有益效果是：
17.1、本发明的湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺，将湿驱动人工肌肉材料和负泊松比纱线结构相结合，构筑在湿态环境下具有负泊松比效应的纱线，制备工艺操作简单、实施方便。同时湿驱动方式具有环境友好、经济环保、安全可靠度高等多重特点。
18.2、本发明的湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺，仅需在纱线捻度仪上加装定滑轮、砝码、竖直滑槽关键组部件，即可实现鞘层螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料的可控制备。进一步，基于现有空心锭包缠纺纱机，即可纺制所需的纱线结构。可规模化生产，便于推广实施。
19.3、本发明的湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺，湿驱动人工肌肉材料采用螺旋结构，提高了人工肌肉的驱动性能，螺旋结构的伸缩行为较为方便。并且通过定伸长循环机械训练，增大初始态下相邻线圈螺距，提升湿敏收缩动程。
20.4、本发明的湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺制备的相关产品，在智能敷料、智能雨伞等领域具有较好的应用前景和推广价值。例如：在智能敷料方面，本发明纱线纺制的敷料贴附在伤口表面，伤口表面的血浆、组织液等会使敷料产生驱动收缩行为而同步使伤口贴合在一起，有效促进伤口愈合。在智能雨伞方面，基于本发明纱线纺制密度较稀疏的雨伞面料。在阳光天气里，适量的紫外线能够透过面料组织间隙照射到人体，促进人体对钙质的吸收，对预防骨质疏松和佝偻病有好处；当遇到阴雨天气时，雨水会使面料产生快速收缩，使织物中纱线紧密靠拢，达到较好的避雨效果。
附图说明
21.图1是本发明的湿驱动人工肌肉材料成型装置示意图；
22.图2是本发明的湿驱动人工肌肉材料制备原理和实物图；
23.图3是本发明的湿态环境下具有负泊松比效应的纱线加工装置示意图；
24.图4是本发明的湿态环境下具有负泊松比效应的纱线结构和在湿态环境下的结构变化示意图；
25.图5是基于湿度不敏感纱/本发明的湿态环境下具有负泊松比效应的纱线织制的湿驱动智能纺织品示意图；
26.图6是根据实施例1所得人工肌肉材料在循环机械训练前后的结构变化对比图；
27.图7是根据实施例1所得人工肌肉材料经表面活性剂浸渍前后亲水性能的改善图；
28.图8是根据实施例1所得人工肌肉材料在湿态环境下的收缩动程及循环稳定性图；
29.其中：
30.1-低模量高伸长柔性长丝；2-湿驱动人工肌肉材料；21-单根湿度敏感纱线；22-湿度敏感合股纱；23-螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料；3-定滑轮；4-砝码；5-竖直滑槽；6-积极喂入罗拉；70-空心锭；71-空心锭中心管；8-导纱钩；9-湿态环境下具有负泊松比效应的纱线。
具体实施方式
31.下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
32.如图1至图8所示，本发明是一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺，将螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料与纱线负泊松比结构巧妙结合，构筑的纱线仅需湿激励即可实现“自驱动”，产生显著、稳健的负泊松比效应。
33.具体的说，如图1至图8所示，一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺，具体包括以下步骤，
34.步骤s1：鞘层材料的制备，将一定根数的单根湿度敏感纱线21合股后施加强捻，形成螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料23；具体地，针对性改造纱线捻度仪，加装定滑轮3、砝码4、竖直滑槽5关键组部件；将1-6根单根湿度敏感纱线21平行排列形成湿度敏感合股纱22，将湿度敏感合股纱22一端固定在纱线捻度仪的一端，另一端悬挂10-200g砝码4后置于竖直滑槽5中，然后施加强捻，控制捻速50-100rpm，形成螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料23；
35.步骤s2：组分纱体的喂入，将芯层的低模量高伸长柔性长丝1绕经积极喂入罗拉6调节预牵伸倍数后喂入空心锭包缠纺纱机的空心锭中心管71，将鞘层的螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料23卷绕于嵌套在空心锭中心管71的空心锭70上；
36.步骤s3：包覆成型，在导纱钩8处，鞘层呈螺旋线圈状均匀包覆在芯层表面，形成湿态环境下具有负泊松比效应的纱线9。
37.所述步骤s1中的单根湿度敏感纱线21为富含亲水基团的纱线，例如：棉纤维、毛纤维、麻纤维、粘胶纤维的天然或再生纤维纱线中的一种。
38.所述步骤s2中芯层的低模量高伸长柔性长丝为氨纶丝、莱卡丝、聚烯烃基弹性丝、
橡皮筋、松紧线具有弹性功能的柔性纤维材料中的一种。
39.所述步骤s1中形成的螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料23进行等离子体表面刻蚀法或表面活性剂浸渍法或生物酶整理法或低共熔溶剂整理法处理。
40.所述步骤s1中形成的螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料23进行定伸长循环机械训练，设定训练次数，使其在初始态下相邻线圈的间隙或线圈螺距增大；具体训练过程是：通过反复拉伸和去除拉伸，即将人工肌肉材料通过悬挂砝码拉伸至设定的训练应变值后，去除砝码让其恢复至初始态，循环往复作用直至达到既定的训练次数。
41.一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺制备的纱线，湿态环境下具有负泊松比效应的纱线9包括芯层和鞘层，所述芯层为低模量高伸长柔性长丝1，所述鞘层为螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料。将纱线9置于干态环境中，芯层不受鞘层约束，以伸直态位于纱线9的中心位置；将纱线9置于湿态环境中，鞘层螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料能感知外界湿度变化而实现轴向收缩，且可产生一定的收缩应力。芯层在鞘层收缩应力压迫作用下逐步弯曲成螺旋状，鞘层则由螺旋状趋于伸直态。最终形成具有负泊松比效应的纱线9。
42.一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺制备的纱线，在智能敷料和智能雨伞领域中的应用。
43.以下用具体实施例对具体工作方式进行阐述：
44.下面具体实施例1-4是选择不同成纱原料和关键工艺参数，按照本发明所提及的制备工艺所做的在湿态环境下具有负泊松比效应的纱线9。
45.纱线负泊松比效应优劣的评判标准：本发明纱线按其负泊松比效应显著程度分为四个档次，即“优”、“良”、“中”、“差”。
46.实施例1：
47.将3根84.5tex纯亚麻纱线平行排列后合股，将合股纱线的一端固定在纱线捻度仪一端，另一端悬挂50g砝码后置于竖直滑槽中。手动控制纱线捻度仪的速度，不断施加捻度直至强捻，加捻速度约60rpm，保证螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料的制备。对人工肌肉进行15％定伸长50次循环机械训练，确保其具有一定的螺旋线圈间隙。为提升人工肌肉材料的湿响应速率，将其浸渍于1％表面活性剂tx-100溶液中15min，随后放置于105℃烘箱中烘燥2h直至完全干燥，至此，具有优良湿响应的亚麻纤维人工肌肉材料(直径约1.4mm)即制得。进一步，将黑实心皮筋(直径约2mm)作为芯层喂入空心锭中心管，为实现稳态喂入，控制预牵伸倍数1.05；将上述人工肌肉材料均匀包缠于氨纶弹力丝芯层表面，调节外包覆密度为500t/m。纺纱过程中锭速控制在8000r/min。最终，一种单包缠纱线即纺制而成。使用喷壶对其表面均匀实施喷洒，鞘层人工肌肉材料能迅速感知外界湿度变化而产生轴向收缩，与此同时，产生的收缩应力压迫芯层弹力丝由初始伸直态逐步弯曲成螺旋状，芯鞘层发生位置和状态的互换。最终，一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线即纺制而成。通过目测观察法，本实施例所得纱线的负泊松比效应档次为“良”。
48.由图6可知，将3根麻纤维纱合股后加强捻制成的人工肌肉材料在经受15％定伸长50次循环机械训练后，相邻线圈螺距明显增大，由致密紧靠态变为稍微松弛态；且该松弛状态具有良好的保形性。
49.由图7a芯吸高度、7b瞬时润湿性、7c接触角可知，将3根麻纤维纱合股后加强捻制
成的人工肌肉经表面活性剂浸渍整理后，亲水性能明显改善。
50.由图可知，将3根麻纤维纱合股后加强捻制成的人工肌肉的一端悬挂20g砝码，其最大收缩动程可达约23％；且具有较好的循环稳定性。
51.实施例2：
52.将4根32s纯棉纱线平行排列后合股后喂入纱线捻度仪，悬挂重量为30g，不断施加捻度直至强捻，捻速约75rpm，得到螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料。对人工肌肉进行10％定伸长50次循环训练，确保其具有一定的螺旋线圈间隙。为提升人工肌肉材料的湿响应速率，将其放置hd-1b辉光放电低温等离子体仪空腔内进行刻蚀处理(10pa，100w，90s)，具有优良湿响应的棉纤维人工肌肉材料(直径约2.4mm)即制得。进一步，将直径约为3mm的实心橡皮筋作为芯层喂入空心锭中心管，为实现稳态喂入，控制预牵伸倍数1.1；将上述人工肌肉材料均匀包缠于皮筋芯层表面，调节外包覆密度为650t/m。纺纱过程中锭速为7600r/min。最终，一种单包缠纱线即纺制而成。将其置于一密封透明箱体内，在其内部放置一加湿器，鞘层人工肌肉材料能迅速感知外界湿度变化而产生轴向收缩，与此同时，产生的收缩应力压迫芯层橡皮筋由初始伸直态逐步弯曲成螺旋状，芯鞘层发生位置和状态的互换。最终，一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线即可制得。通过目测观察法，本实施例所得纱线的负泊松比效应档次为“优”。
53.实施例3：
54.将3根60nm/2纯羊毛纱平行排列后合股后喂入纱线捻度仪，悬挂重量为45g，不断施加捻度直至强捻，捻速约55rpm，得到螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料。对人工肌肉进行20％定伸长50次循环训练，确保其具有一定的螺旋线圈间隙。为提升人工肌肉材料的湿响应速率，将其放置hd-1b辉光放电低温等离子体仪空腔内进行刻蚀处理(10pa，100w，90s)，具有优良湿响应的毛纤维人工肌肉材料(直径约1.6mm)即制得。进一步，将直径约为4.5mm的实心橡皮筋作为芯层喂入空心锭中心管，为实现稳态喂入，控制预牵伸倍数1.08；将上述人工肌肉材料均匀包缠于橡皮筋芯层表面，调节外包覆密度700t/m。纺纱过程中锭速为8500r/min。最终，一种单包缠纱线即纺制而成。使用喷壶对其表面均匀实施喷洒，鞘层羊毛纤维人工肌肉材料能迅速感知外界湿度变化而产生轴向收缩，与此同时，产生的收缩应力压迫芯层橡皮筋由初始伸直态逐步弯曲成螺旋状，芯鞘层发生位置和状态的互换。最终，一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线即可制得。通过目测观察法，本实施例所得纱线的负泊松比效应档次为“良”。
55.实施例4：
56.将8根150d/44f粘胶长丝纱线平行排列后合股后喂入纱线捻度仪，悬挂重量为25g，不断施加捻度直至强捻，捻速约50rpm，得到螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料。对人工肌肉进行12％定伸长100次循环训练，确保其具有一定的螺旋线圈间隙。为提升人工肌肉材料的湿响应速率，将其浸渍于1.5％表面活性剂tx-100溶液中30min，随后放置于105℃烘箱中烘燥2h直至完全干燥，一种具有优良湿响应的粘胶纤维人工肌肉材料(直径约1mm)即制得。进一步，将直径约为1.8mm氨纶弹力丝作为芯层喂入空心锭中心管，为实现稳态喂入，控制预牵伸倍数1.1；将上述人工肌肉材料均匀包缠于氨纶丝芯层表面，调节外包覆密度为720t/m。纺纱过程中锭速为8500r/min。最终，一种单包缠纱线即可纺制而成。使用一注射针管在纱线中央鞘层位置处注入一滴水，鞘层粘胶纤维人工肌肉材料能迅速感知外界湿度变
化而产生轴向收缩，与此同时，产生的收缩应力压迫芯层橡皮筋由初始伸直态逐步弯曲成螺旋状，芯鞘层发生位置和状态的互换。最终，一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线即可制得。通过目测观察法，本实施例所得纱线的负泊松比效应档次为“优”。
57.以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺，其特征在于：具体包括以下步骤，步骤s1：鞘层材料的制备，将一定根数的单根湿度敏感纱线(21)合股后施加强捻，形成螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料(23)；具体地，针对性改造纱线捻度仪，加装定滑轮(3)、砝码(4)、竖直滑槽(5)关键组部件；将1-6根单根湿度敏感纱线(21)平行排列形成湿度敏感合股纱(22)，将湿度敏感合股纱(22)一端固定在纱线捻度仪的一端，另一端悬挂10-200g砝码(4)后置于竖直滑槽(5)中，然后施加强捻，控制捻速50-100rpm，形成螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料(23)；步骤s2：组分纱体的喂入，将芯层的低模量高伸长柔性长丝(1)绕经积极喂入罗拉(6)调节预牵伸倍数后喂入空心锭包缠纺纱机的空心锭中心管(71)，将鞘层的螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料(23)卷绕于嵌套在空心锭中心管(71)的空心锭(70)上；步骤s3：包覆成型，在导纱钩(8)处，鞘层呈螺旋线圈状均匀包覆在芯层表面，形成湿态环境下具有负泊松比效应的纱线(9)。2.根据权利要求1所述的一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺，其特征在于：所述步骤s1中的单根湿度敏感纱线(21)为富含亲水基团的纱线，例如：棉纤维、毛纤维、麻纤维、粘胶纤维的天然或再生纤维纱线中的一种。3.根据权利要求1所述的一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺，其特征在于：所述步骤s2中芯层的低模量高伸长柔性长丝为氨纶丝、莱卡丝、聚烯烃基弹性丝、橡皮筋、松紧线具有弹性功能的柔性纤维材料中的一种。4.根据权利要求1所述的一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺，其特征在于：所述步骤s1中形成的螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料(23)进行等离子体表面刻蚀法或表面活性剂浸渍法或生物酶整理法或低共熔溶剂整理法处理。5.根据权利要求1所述的一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺，其特征在于：所述步骤s1中形成的螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料(23)进行定伸长循环机械训练，设定训练次数，使其在初始态下相邻线圈的间隙或线圈螺距增大；具体训练过程是：通过反复拉伸和去除拉伸，即将人工肌肉材料通过悬挂砝码拉伸至设定的训练应变值后，去除砝码让其恢复至初始态，循环往复作用直至达到既定的训练次数。6.根据权利要求1所述的一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺制备的纱线，其特征在于：湿态环境下具有负泊松比效应的纱线(9)包括芯层和鞘层，所述芯层为低模量高伸长柔性长丝(1)，所述鞘层为螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料。

技术总结

本发明公开了一种湿态环境下具有负泊松比效应的纱线制备工艺，具体包括以下步骤，步骤S1：将一定根数的单根湿度敏感纱线合股后施加强捻，形成螺旋线圈状湿驱动人工肌肉材料；步骤S2：将芯层的低模量高伸长柔性长丝绕经积极喂入罗拉调节预牵伸倍数后喂入空心锭包缠纺纱机的空心锭中心，将步骤S1制备的湿驱动人工肌肉材料卷绕与嵌套在空心锭中心管的空心锭上；步骤S3：在导纱钩处，鞘层呈螺旋线圈状均匀包覆在芯层表面，形成湿态环境下具有负泊松比效应的纱线。基于本发明制备的负泊松比纱线具有驱动方式环境友好、经济环保、安全可靠度高、负泊松比效应稳健等多重特点，在智能敷料和智能雨伞等诸多领域具有潜在应用前景，值得推广。推广。推广。