CN101629794B - 一种防弹成型件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种防弹成型件的制备方法,包括步骤:a)将两层以上高性能纤维无纬布叠加,施加0.1MPa~1MPa的压力后使无纬布之间的空气逸出,再将无纬布升温至110℃~120℃后施加1MPa~3MPa的压力进行预压成型;b)将预压成型后的无纬布在温度为120℃~130℃、压力小于0.5kpa的真空条件下保温20min~120min;c)将真空处理后的无纬布在温度为120℃~130℃的热压模具内施加10MPa~20MPa的压力保温保压20min~60min后,冷却至室温得到防弹成型件。由于无纬布中的胶粘剂在高温下具有很好的流动性,因此将无纬布预压成型再进行真空处理后可以使纤维和胶粘剂的结合更加均匀,减少孔隙等缺陷,提高无纬布的防弹性能。

Description

一种防弹成型件的制备方法
技术领域
本发明涉及个人防护装备的制备方法,具体涉及一种防弹成型件的制备方法。
背景技术
防弹成型件是指防弹衣、防弹头盔等在特定环境下为了保证人的生存而穿戴的个体防护装备,它能吸收和耗散弹头、破片的动能,阻止穿透,有效保护人体的受防护部位。
传统钢制材料的防护装备虽然能够满足防弹要求,但是由于钢制材料具有重量大、刚性太强及舒适性差缺点,不但会令使用者的活动能力受到限制,而且还存在跳弹伤人的危险。随着材料科学的不断进步,芳纶(Kevlar)纤维和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维等高科技合成纤维的问世为防弹材料的发展带来了革命性的变化,这类合成纤维与钢铁材料相比都具有较高的比强度和比模量,因此能量吸收能力远胜于钢铁材料,用于制作防弹衣或防弹头盔等个体防护装备时,质量较轻,舒适性强,使用者的活动能力不会受到限制。研究表明,超高分子量聚乙烯纤维的防弹性能超过以Kevlar为代表的芳族聚酰胺纤维。而且,超高分子量聚乙烯纤维比芳纶纤维的耐气候老化性能越好,并且不吸水,不吸潮,因而对环境的适应性更好。
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维也称高强高模聚乙烯(HSHMPE)纤维或伸长链(ECPE)聚乙烯纤维,是指相对分子质量在(1~7)×106的聚乙烯,经纺丝-超拉伸后制成的超高分子质量聚乙烯纤维。由超高分子量纤维制成的无纬布(又称UD布,或者经向布,单向布)因为具有良好的能量吸收能力而广泛用于防弹成型件中。无纬布是由美国联合信号(Allied Signal)公司发明的技术,又称单项排列技术。制备无纬布复合材料时,先将超高分子量聚乙烯纤维在一个方向并排与树脂复合制成无纬布,然后再将多层无纬布叠加,放在模具内,在一定温度和压力下热压成型,相邻无纬布纤维排列成非零角度。由于无纬布中没有连接点,因此子弹产生的应力波不会因为共振而叠加,有利于消释子弹的动能。
中国专利CN1182012A公开了一种采用聚乙烯纤维制作防弹产品的方法,在该专利中,先将多层超高分子量聚乙烯纤维无纺布在110℃~120℃时施加10t~20t压力进行多次预压成型,然后再将多次预压后的无纺布升温到125℃~130℃,施加200t的压力保温保压定型,冷却后制成防弹产品。由于无纺布之间不可避免的存在空气,因此直接预压成型时,在内部会留有孔隙等缺陷。
中国专利CN1515869A公开了一种无纬布防弹头盔的制作方法,在该专利中,将多层超高分子量聚乙烯纤维无纺布正交叠加后,先施加5MPa的压力使空气逸出,再升温到125℃~130℃后施加18MPa~20MPa的压力保温保压,冷后后得到防弹头盔。该技术对专利CN1182012A进行了改进,在成型前先对无纬布加压使空气逸出然后再进行热压定型,可以减少复合材料的缺陷。但是,该技术没有预压成型过程,由于无纬布中的树脂与纤维的复合并不是很均匀的,而预压成型可以使树脂在纤维中分布的更加均匀,因此该方法会增加防弹件的缺陷,降低防弹成型件的防弹性能。
因此,需要一种可以减少缺陷,提高防弹性能的防弹成型件的制备方法。
发明内容
本发明解决的技术问题在于,提供一种可以减少缺陷,提高防弹性能的防弹成型件的制备方法。
为了解决以上技术问题,本发明提供一种防弹成型件的制备方法,包括步骤:
a)将两层以上高性能纤维无纬布叠加,施加0.1MPa~1MPa的压力后使无纬布之间的空气逸出,再将无纬布升温至110℃~120℃后施加1MPa~3MPa的压力进行预压成型;
b)将预压成型后的无纬布在温度为120℃~130℃、压力小于0.5kpa的真空条件下保温20min~120min;
c)将真空处理后的无纬布在温度为120℃~130℃的热压模具内施加10MPa~20MPa的压力保温保压20min~60min后,冷却至室温得到防弹成型件。
为了达到本发明的目的,所述高性能烯纤维无纬布是指将纤维通过均匀、平行、挺直排成连续带之后,选择合适的胶粘剂对其进行浸胶、干燥得到单取向纤维的连续预浸带。所述的高性能纤维的强度至少为10cN/dtex、模量至少为300cN/dtex。高性能纤维可以是无机纤维或者有机纤维,无机纤维可以为玻璃纤维、陶瓷纤维或者碳纤维;优选的有机纤维可以为芳族聚酰胺纤维、对苯二甲酰胺纤维、液晶聚合物纤维、聚苯并咪唑梯形纤维(PBO)、聚烯烃纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维(PAN)。优选的,高性能纤维为聚烯烃纤维或者芳纶纤维或者它们的混合物。更优选的,高性能纤维是线性聚乙烯纤维,线性聚乙烯纤维是指每100个C原子中具有小于一个的侧链,优选每300个碳原子中小于1个的侧链。更优选的,线性聚乙烯纤维具有超高分子量,即线性聚乙烯纤维的分子量可以为(1~7)×106,更优选的,线性聚乙烯纤维的分子量可以为(1.5~4.5)×106
超高分子量聚乙烯纤维的强度至少为15cN/dtex、模量至少为390cN/dtex;优选的,超高分子量聚乙烯纤维强度至少为20cN/dtex、模量至少为800cN/dtex;更优选的,超高分子量聚乙烯纤维强度至少为28cN/dtex、模量至少为1200cN/dtex。超高分子量聚乙烯纤维可以通过例如在GB2042414A或WO01/73173中所描述的凝胶纺丝工艺来制备。凝胶纺丝工艺由以下步骤组成:制备具有高特性黏度的线性聚乙烯的溶液,将该溶液在高于溶解温度的温度下纺成丝,将该丝冷却到凝胶温度以下以产生凝胶,并且在除去溶剂之前、期间或以后拉伸丝以得到超高分子量聚乙烯纤维。
无纬布中的胶粘剂是指使纤维粘合到一起并可以全部或者部分包裹纤维的一种材料,可以选用的胶粘剂为聚合基质材料。优选的,胶粘剂为热塑性材料,可以选用的热塑性材料为聚氨酯、聚乙烯基聚合物、聚丙烯酸类、聚烯烃或热塑性弹性嵌段共聚物。优选的,胶粘剂选自聚苯乙烯三嵌段共聚体(SIS,苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯),如科腾(KARTON)公司生产的KARTOND-1107、KARTON D-1161,或氢化聚苯乙烯三嵌段共聚体(SEBS,苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯),如科腾公司生产的KARTON G-1650、KARTON D-1651。
胶粘剂的加入形式可以为溶剂型,所用的溶剂可以选自苯、甲苯、氯仿、四氯化碳、己烷、环己烷、氯化环己烷、二乙醚、甲基异丁基醚、醋酸乙酯、醋酸戊酯等。在胶粘剂溶液中,胶粘剂与溶剂的重量比为10~40∶90~60,优选的,胶粘剂与溶剂的重量比为15~35∶85~65;更优选的,胶粘剂与溶剂的重量比为20~30∶80~70。
由于无纬布中胶粘剂的作用主要是将纤维粘合在一起作为防弹材料,因此应该控制无纬布中适当的胶粘剂量。在无纬布中,胶粘剂的含量可以为10~30wt%,优选的,胶粘剂的含量为14~30wt%,更优选的,胶粘剂的含量为16~28wt%,更优选的,胶粘剂的含量为18~24wt%。
采用无纬布制作防弹成型件时,需要将多层无纬布叠层,然后热压复合在一起,放到模具内进行热压成型。所述多层无纬布至少为两层,也可以为两层以上,在将无纬布叠层时,相邻无纬布中的纤维所成角度为0°~90°,优选的,相邻无纬布中的纤维所成角度为45°~90°,更优选的,相邻无纬布中的纤维所成角度为80°~90°。无纬布可以采用美国专利4457985、4748064、4916000、4403012、4623573、4737402中描述的方法来制备。
制作防弹成型件时,将多层无纬布叠层叠加后,由于无纬布之间会残留空气,因此首先施加0.1MPa~1MPa的压力后使空气逸出,优选的,施加0.2MPa~1MPa使空气逸出。将无纬布中的空气逸出后,将无纬布升温至100℃~110℃后施加1MPa~3MPa的压力进行预压成型;优选的,将无纬布升温至114℃~120℃后进行预压成型。
将多层无纬布预压成型后,将多层无纬布放在温度为120℃~130℃、压力小于0.5kpa的真空条件下保温20min~120min进行处理,优选的,真空处理的温度为125℃~130℃,更优选的,真空处理时的压力小于0.2kpa。将预压成型后的无纬布在高温下进行真空处理时,由于胶粘剂具有很好的流动性,因此在高温真空下有利于加强纤维和胶粘剂之间的相互作用,可以减小孔洞等缺陷的产生,增强无纬布的防弹能力。对无纬布进行真空处理时,可以放在真空烘箱内或真空炉内。
将预压成型后的无纬布采用高温真空处理后,在真空炉内冷却至室温,再放入温度为120℃~130℃的热压模具内施加10MPa~20MPa的压力保温保压20min~60min后,冷却至室温得到防弹成型件;优选的,在热压模具内对无纬布施加15MPa~20MPa进行保温保压得到防弹成型件;更优选的,热压模具的温度为125℃~130℃;更优选的,在热压模具内保温保压30min~60min后得到防弹成型件。
按照本发明,所述防弹成型件可以为防弹头盔或者防弹衣等个体防护装备,所述的热压模具可以为制备防弹衣、防弹头盔、防弹板的热压模具。
本发明提供一种防弹成型件的制备方法。本发明先将多层无纬布在110℃~120℃进行预压成型,再将预压成型后的无纬布放在温度为120℃~130℃的真空烘箱内进行处理,然后将真空处理后的无纬布放在温度为120℃~130℃的模具内热压成型得到防弹成型件。将预压成型后的无纬布在高温下进行真空处理时,无纬布中的胶粘剂在高温下具有很好的流动性,因此可以使纤维和胶粘剂的结合更加均匀,减少孔隙等缺陷,提高无纬布的防弹性能。
附图说明
图1为本发明制备防弹成型件工艺流程图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
参见图1,为本发明制备防弹成型件工艺流程图。将具有支数为200根,荷兰DSM公司生产的Dyneema SK75(强度为35cN/dtex、模量为1100cN/dtex)纤维在平面上平行取向,将科腾公司生产的KRATON G-1650按照重量比22%溶于120号溶剂油(2,3-丁二酮)中作为胶粘剂与纤维复合后制成面密度为40g/m2的单层无纬布,单层无纬布中的纤维的重量为32g。
取65层上述的单层无纬布相互叠加,相邻无纬布中的纤维成0°/90°排列,对无纬布叠层施加0.3MPa的压力使叠层之间的空气选出后升温至115℃后施加2.5MPa的压力进行预压成型。
将预压成型后的无纬布压层放在温度为125℃的真空烘箱内保温60min,真空烘箱的真空度为0.2kpa,保温后在真空烘箱内冷却至室温将无纬布取出。再将真空处理后的无纬布压层放在热压模具内升温至125℃施加16MPa的压力保温30min,冷却至室温得到防弹板。
采用美国NIJ0101.04防弹衣测试标准对该防弹板进行防弹性能测试,当该防弹成型件受到9mmFMJ型枪弹(8g)冲击时,V50为422m/s,受到357MagJSP型枪弹(10.2g)冲击时,V50为431m/s。
实施例2
将具有支数为200根,DSM公司生产的Dyneema SK75的纤维在平面上平行取向,将科腾公司生产的KRATON D-1107按照重量比18%溶于120号溶剂油中作为胶粘剂与纤维复合后制成面密度为38g/m2的单层无纬布,单层无纬布中的纤维的重量为31.5g。
取66层上述的单层无纬布相互叠加,相邻无纬布中的纤维成0°/90°排列,对无纬布叠层施加0.4MPa的压力使叠层之间的空气逸出,再升温至115℃施加2.5MPa的压力进行预压成型。
将预压成型后的无纬布压层放在温度为128℃的真空烘箱内保温60min,真空烘箱的真空度为0.18kpa,保温后在真空烘箱内冷却至室温将无纬布取出。将真空处理后的无纬布压层放在热压模具内升温至127℃施加16MPa的压力保温30min,冷却至室温得到防弹板。
采用与实施例1相同的标准进行防弹性能测试,当该防弹板受到9mmFMJ型枪弹(8g)冲击时,V50为393m/s,受到357Mag JSP型枪弹(10.2g)冲击时,V50为398m/s。
实施例3
将具有支数为200根,荷兰DSM公司生产的Dyneema 76(强度为37cN/tex、模量为1200cN/tex)纤维在平面上平行取向,将科腾公司生产的KRATON G-1650按照重量比22%溶于120号溶剂油(2,3-丁二酮)中作为胶粘剂与纤维复合后制成面密度为39.6g/m2的单层无纬布,单层无纬布中的纤维的重量为31.6g。
取64层上述的单层无纬布相互叠加,相邻无纬布中的纤维成0°/90°排列,对无纬布叠层施加0.3MPa的压力使叠层之间的空气逸出后升温至115℃后施加2.5MPa的压力进行预压成型。
将预压成型后的无纬布压层放在温度为125℃的真空烘箱内保温60min,真空烘箱的真空度为0.2kpa,保温后在真空烘箱内冷却至室温将无纬布取出。再将真空处理后的无纬布压层放在热压模具内升温至125℃,然后施加16MPa的压力保温30min,冷却至室温得到防弹板。
采用与实施例1相同的标准进行防弹性能测试,当该防弹板受到9mmFMJ型枪弹(8g)冲击时,V50为446m/s,受到357Mag JSP型枪弹(10.2g)冲击时,V50为452m/s。
实施例4
将具有支数为200根,DSM公司生产的Dyneema SK76的纤维在平面上平行取向,将科腾公司生产的KRATON D-1107按照重量比18%溶于120号溶剂油中作为胶粘剂与纤维复合后制成面密度为40g/m2的单层无纬布,单层无纬布中的纤维的重量为31.6g。
取63层上述的单层无纬布相互叠加,相邻无纬布中的纤维成0°/90°排列,对无纬布叠层施加0.4MPa的压力使叠层之间的空气逸出,再升温至115℃施加2.5MPa的压力进行预压成型。
将预压成型后的无纬布压层放在温度为128℃的真空烘箱内保温60min,真空烘箱的真空度为0.18kpa,保温后在真空烘箱内冷却至室温将无纬布取出。再将真空处理后的无纬布压层放在热压模具内升温至127℃施加16MPa的压力保温30分钟后,冷却至室温得到防弹板。
采用与实施例1相同的标准进行防弹性能测试,当该防弹板受到9mmFMJ型枪弹(8g)冲击时,V50为428m/s,受到357Mag JSP型枪弹(10.2g)冲击时,V50为432m/s。
比较例1
将具有支数为200根,荷兰DSM公司生产的Dyneema SK76的纤维在平面上平行取向,将科腾公司生产的KRATON D-1107按照重量比18%溶于120号溶剂油中作为胶粘剂与纤维复合后制成面密度为40g/m2的单层无纬布,单层无纬布中的纤维的重量为31.6g。
取63层上述的单层无纬布相互叠加,相邻无纬布中的纤维成0°/90°排列,对无纬布叠层施加0.4MPa的压力使叠层之间的空气选出,再升温至115℃施加2.5MPa的压力进行预压成型。
将预压成型无纬布压层放在热压模具内升温至127℃施加16MPa的压力保温30分钟后,冷却至室温得到防弹板。
采用与实施例1相同的标准进行防弹性能测试,当该防弹板受到9mmFMJ型枪弹(8g)冲击时,V50为372m/s,受到357Mag JSP型枪弹(10.2g)冲击时,V50为378m/s。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种防弹成型件的制作方法,包括步骤:
a)将两层以上高性能纤维无纬布叠加,施加0.1MPa~1MPa的压力后使无纬布之间的空气逸出,再将无纬布升温至110℃~120℃后施加1MPa~3MPa的压力进行预压成型;
b)将预压成型后的无纬布放在温度为120℃~130℃的真空烘箱内保温20min~120min进行真空处理,真空烘箱内的压力小于0.5kpa;
c)将真空处理后的无纬布从真空烘箱内取出放在温度为120℃~130℃的热压模具内施加10MPa~20MPa的压力保温保压20min~60min后,冷却至室温得到防弹成型件。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于步骤a)中将无纬布升温至114℃~120℃进行预压成型。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于步骤a)中对无纬布施加0.2MPa~1MPa的压力使空气逸出。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述真空烘箱的温度为125℃~130℃。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于步骤c)中将无纬布放在温度为125℃~130℃的热压模具内对无纬布加压。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于步骤a)中相邻两层无纬布中纤维以0°/90°排列。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法,其特征在于所述高性能纤维为超高分子量聚乙烯纤维。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于所述防弹成型件为防弹头盔或防弹衣。
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