[发明专利]高性能平板茧复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了高性能平板茧复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一：通过调节家蚕结茧环境，使家蚕在二维平面内吐丝；步骤二：通过改变熟蚕的数量和吐丝的时间来制备出不同面积大小与厚度的平板茧；步骤三：通过热压法对茧层结构进行优化；步骤四：将热压后的平板茧层与树脂薄膜交替铺设并通过热压工艺制备出高性能平板茧复合材料。本发明利用家蚕吐丝的本能制备平板茧层，采用具有天然茧层结构的平板茧层作为复合材料的增强体，可获得力学性能优异的复合材料。平板茧的大小、厚度都可以通过改变熟蚕的数量和吐丝的时间来调节，并且热压后其结构致密，可任意裁剪，制作方便，充分克服了普通蚕茧体积小、形状不规则等缺陷。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，特别是涉及高性能平板茧复合材料的制备方法。

背景技术

家蚕经过长期的自然选择过程进化出吐丝结茧保护蚕蛹的特殊本领，使其免于捕食者、辐照、湿气和病菌等的侵袭。作为其重要防护装置的蚕茧是一种拥有多孔细观结构的天然多层结构复合材料(其主要成分为丝素与丝胶)，具有多孔、舒适透气、坚韧及环保可再生的优点以及优异的抗冲击性能。然而，蚕茧的体积小、形状不规则、质量不均匀及茧层不规整等缺陷，严重限制了蚕茧作为防护结构材料的深入研发和规模化应用。

现有的大量研究往往是采用缫丝工艺获得的蚕丝与树脂基体复合的思路来制备强韧化的抗冲击复合材料，并已取得了系列卓有成效的成果。2019年Naturecommunications杂志的第10期文章号3786公开的文献“Integrating tough Antheraeapernyi silk and strong carbon fibres for impact-critical structuralcomposites”中管娟等人还将柞蚕丝和碳纤维混杂作为强韧相，构建了系列高强高模环氧树脂基复合材料，有望用于高缓冲吸能需求的结构材料如军用头盔等。2013年Fibers andPolymers杂志的第14期的127-132页公开的文献“An experimental investigation onthe response of woven natural silk fiber/epoxy sandwich composite panelsunder low velocity impact”中Ude等人采用仪表式落锤试验系统地研究了蚕丝/环氧树脂层合板低速冲击性能及破坏机理，结果表明其冲击失效模式主要包括层间基体开裂、层间脱粘、分层与纤维断裂。2014年Composites ScienceTechnology杂志第101期的173-183页公开的文献“Can silk become an effective reinforcing fibre？A propertycomparison with flax and glass reinforced composites”中Shah等人的研究表明具有非织造结构或平纹编织结构的蚕丝增强环氧树脂基复合材料拥有比亚麻增强环氧树脂基复合材料更为出色的抗冲击性能。

然而，传统的缫丝工艺彻底破坏了蚕茧的生物结构，在直接利用蚕茧制备具有特殊防护性能的复合材料制品方面：在2017年的中国发明专利CN201710243121.2公开的文献名称为高强蚕茧结构复合材料的制备方法中汪涛等人将蚕茧切成方块，然后拼接成完整的大面积蚕茧片，再将上述蚕茧片铺叠奇数层，最后向上述层叠材料中施加粘合剂，再经过热压成型制备得到了力学性能优异的蚕茧结构复合材料；在2015年公开的学位论文“高性能纤维/天然非织造材料复合制品设计及表征”中肖信香将天然柞蚕茧剪至条状，然后与芳纶纤维通过特殊“二系统经纱”织造手段将二者结合，制备而成的蚕茧/芳纶复合制品具有很好的抵御低速冲击的能力，但抵御高速弹道冲击的能力仍有限。由于传统蚕茧尺寸有限，直接利用蚕茧来制备复合材料的现有研究中，不得不对蚕茧进行裁剪制成条状、片状或颗粒状茧片，这些方法无法充分利用天然蚕茧多孔连续的生物结构以及优异的抗冲击特性，且现有的技术是将天然蚕茧剪切再拼接成平面茧，操作繁琐，生产效率低，且因单个蚕茧太小，所制成平面茧拼接较多，接口处性能受到严重影响。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了高性能平板茧复合材料的制备方法。