CN101684990A

CN101684990A - 一种防弹成型件及其制备方法

Info

Publication number: CN101684990A
Application number: CN200810161474A
Authority: CN
Inventors: 周成程
Original assignee: Ningbo Rongyi Chemical Fiber Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Ningbo Rongyi Chemical Fiber Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2008-09-27
Filing date: 2008-09-27
Publication date: 2010-03-31

Abstract

本发明公开一种防弹成型件，包括至少两个阻挡层和阻挡层之间的缓冲层，所述阻挡层和缓冲层包括多张叠加的无纬布，所述无纬布包括强度至少为15cN/dtex、模量至少为390cN/dtex的纤维，所述缓冲层中相邻无纬布中的纤维所成角度为40度～60度，所述阻挡层中相邻无纬布中的纤维所成角度为为85度～95度。本发明还提供了一种制备防弹成型件的方法。由于阻挡层强度高，可以有效降低子弹速度，而缓冲层由于趋于各向同性的作用，有利于吸收和扩散子弹的动能，因此在阻挡层和缓冲层的交替作用下，本发明提供的防弹成型件具有良好的防弹作用，作为防弹头盔或者防弹衣可以保护穿戴者防止受到子弹的创伤。

Description

一种防弹成型件及其制备方法

技术领域

本发明涉及个人防护装备，具体涉及一种防弹成型件及其制备方法。

背景技术

防弹衣、防弹头盔是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、弹片的动能，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水平虽然能够满足防弹要求，但是由于钢制材料具有重量太大、刚性太强及舒适性差等缺点，不但会令穿戴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，芳纶纤维(Kelar)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，用于防弹头盔或防弹衣等个体防护装备时，质量较轻，舒适性强，穿戴者的活动能力不会受到限制。芳纶纤维的主要特点是密度低、重量轻、强度高、韧性好、耐高温、耐化学腐蚀，绝缘性和纺织性能好，易于加工和成型。

合成纤维用于个体防护装备时，根据不同情况制成各种防弹织物，然后再将防弹织物与合适的树脂复合制成复合材料。防弹织物的防弹机理是通过织物中由纤维构成的纱线的变形和破坏来消释弹头的动能。防弹织物主要分为针织物、机织物、无纬布和针刺非织造毡等。

无纬布又称单向布或者经向布，是美国联合信号(Allied Signal)公司针对超高分子量聚乙烯纤维发明的技术，又称单向排列技术，是指将超高分子量聚乙烯纤维经过均匀、平行、挺直排成连续带之后对此进行浸胶、干燥、获得单取向纤维的连续预浸带。制备纤维增强复合材料时，将多张无纬布叠加在一定的温度和压力下初步成型，相邻无纬布中的纤维随性能要求可呈(0/90°)_n、(0°)_n、(0/+45°/-45°/90°)_n(n表示无纬布的张数)等多种分布，初步成型后，进行加压固化制成纤维增强复合材料。其中，纤维排列方式对于复合材料的最终性能有着重要的影响，例如当相邻无纬布中的纤维成(0/90°)_n排列时，由于纤维只在两个方向上保持一致的取向，因此无纬布具有很好的强度，但是延伸性较差；当相邻无纬布中纤维成(0/+45°/-45°/90°)_n排列时，复合材料表现出很好的各向同性作用，具有很好的延伸率，但是强度会下降。

同经纬纺织布相比，单取向预浸带制成的纤维增强复合材料避免了经纬纱线的交织，纤维不会发生多次的折压弯曲，因此不会降低纤维的原始力学性能；另外，经纬交织处容易空隙，影响复合材料性能，而单取向预浸带则是纤维平行排列，因此复合材料会在最大程度上继承着纤维的力学性能，作为防弹成型件具有良好的性能，参见美国专利US5354605，US5173138和US4623574。

中国专利CN1469803A公开了一种耐冲击复合材料及制造方法，该专利提供的耐冲击复合材料由多个单取向纤维层组成(即无纬布)，相邻纤维层中单丝的方向彼此旋转成90℃(即纤维成(0/90°)_n排列)。作为防弹件，当纤维成(0/90°)_n时，虽然可以使防弹件最大程度的限度继承纤维的强度性能，但是由于这种纤维排列方式的复合材料延伸率较低，因此缓冲子弹动能的性能较差，由于各向异性的作用，子弹的应力波只在两个方向上传递，不利于能量的吸收和扩散，从而降低了防弹衣的防弹性能。

因此，需要一种即具有较高强度又有利于吸收和扩散子弹动能的防弹成型件。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种即具有较高强度又有利于吸收和扩散子弹动能的防弹成型件。

为解决以上技术问题，本发明提供一种防弹成型件，包括至少两个阻挡层和阻挡层之间的缓冲层，所述阻挡层和缓冲层包括多张叠加的无纬布，所述无纬布包括强度至少为15cN/dtex、模量至少为390cN/dtex的纤维，所述缓冲层中相邻无纬布中的纤维所成角度为40度～60度，所述阻挡层中相邻无纬布中的纤维所成角度为85度～95度。

本文中，所述的无纬布(UD布)又称经向布或单向布，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。无纬布可以采用美国专利4457985、4748064、4916000、4403012、4623573、4737402、4916000中描述的方法来制备。本文所述的缓冲层是指防弹成型件中纤维成角为40度～50度排列的多张叠加无纬布组成的部分，优选的，缓冲层中相邻无纬布中的纤维成角为45度；本文所述的阻挡层是指防弹成型件中纤维成角为85度～95度排列的多张叠加的无纬布组成的部分，优选的，阻挡层中相邻无纬布中的纤维成角为90度。无纬布中的纤维强度至少为15cN/dtex、模量至少为390cN/dtex、断裂能至少为28J/g。优选的，纤维强度至少为20cN/dtex、模量至少为800cN/dtex、断裂能至少为35J/g。更优选的，纤维强度至少为28cN/dtex、模量至少为1200cN/dtex、断裂能至少为40J/g。

无纬布中的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；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)。更优选的，无纬布中的纤维为线性聚乙烯纤维，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，如科腾(KARTON)公司产的KARTON D-1107、KARTON D-1161，或氢化聚苯乙烯三嵌段共聚体，如KARTON G-1650、KARTON D-1651。

无纬布中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％。

本发明还提供一种防弹成型件的制备方法，包括步骤：

a)将多张单层无纬布按照相邻无纬布中纤维所成角度为40度～50度的方式叠加后进行预压成型得到缓冲层，将多张无纬布按照相邻无纬布中纤维所成角度为85度～95度的方式叠加后预压成型得到阻挡层；

b)将所述阻挡层和缓冲层在120℃～130℃进行真空保温；

c)将缓冲层放在至少两个阻挡层之间叠加后在120℃～130℃施加10MPa～20MPa的压力得到防弹成型件。

按照本发明，制备缓冲层时，优选将多张无纬布按照相邻无纬布中纤维所成角度为45度的方式叠加进行预压成型；制备阻挡层时，优选将多张无纬布按照相邻无纬布中纤维所成角度为90度的方式叠加后进行预压成型。进行所述预压成型工艺时，成型温度可以为90℃～110℃，施加的压力可以为1MPa～10MPa；优选的，成形温度可以为95℃～105℃，施加的压力可以为1MPa～3MPa。对于缓冲层或者阻挡层中单层无纬布的层数，本发明并无特别的限制。为了防止损伤纤维，在缓冲层和阻挡层的两面可以复合光滑膜，光滑膜可以为高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)或中密度聚乙烯(MDPE)，优选的，光滑膜为低密度聚乙烯。

预压成型得到缓冲层和阻挡层后，再将缓冲层和阻挡层放在温度为120℃～130℃的真空烘箱内进行真空保温，优选的，进行真空保温的温度为125℃～130℃。进行真空保温的时间可以为20min～120min，优选的，真空保温的时间为20min～80min。将预压成型得到的缓冲层和阻挡层进行真空保温处理时，由于胶粘剂具有很好的流动性，因此在真空条件下有利于加强纤维和胶粘剂之间的相互作用，可以减小孔隙等缺陷的产生，增强无纬布的防弹能力。进行真空保温时，真空压力可以小于1.5kpa，优选的，真空压力小于0.5kpa。

真空保温处理后，将缓冲层和阻挡层在真空烘箱内冷却至室温取出，将缓冲层放在多个阻挡层之间叠加后放入温度为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，在热压模具内对叠加的阻挡层和缓冲层施加15MPa～20MPa的压力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。为了达到更好的防弹效果，防弹成型件中阻挡和缓冲层的重量比为1∶1～10∶1，优选的，阻挡层和缓冲层的重量比为5∶1～10∶1。

本发明提供一种防弹成型件，包括至少两个阻挡层和阻挡层之间的缓冲层，阻挡层中相邻无纬布中的纤维所成角度为85度～95度，缓冲层中相邻无纬布中的纤维所成角度为40度～50度。当子弹击中防弹成型件与阻挡层接触后，由于阻挡层中的相邻层中的纤维基本垂直，这样的纤维排列方式使阻挡层很好的继承了纤维的强度，因此会有效降低子弹的速度；当子弹与缓冲层接触后，由于缓冲层中的相邻层中的纤维在各个方向上分布比较均匀，使缓冲层的力学性能趋于各向同性，这样的结构有利于子弹应力波的迅速扩散，有利于吸收和扩散子弹的动能，因此子弹在阻挡层和缓冲层的交替作用下，子弹动能得到有效的消释，本发明提供的防弹成型件具有良好的防弹作用，作为防弹头盔或者防弹衣可以保护穿戴者防止受到子弹的创伤。

附图说明

图1是本发明制备的防弹成型件示意图。

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

取荷兰DSM公司生产的纤度为400旦的Dyneema SK75型(强度为35cN/dtex、模量为1100cN/dtex)的超高分子量聚乙烯纤维，将KRATONG-1650按照重量比为22％溶于120号溶剂油(2，3-丁二酮)作为胶粘剂，将上述纤维与胶粘剂按照专利US4916000中的方法复合制成面密度为38g/m²的单取向无纬布。无纬布中纤维与胶粘剂的重量比为88∶12。

取4层无纬布按照纤维排列为[0°/90°]₂的方式叠在一起，放在热压模具内预压成型，为保护产品与外界摩擦而损伤，四层布的两侧复合有LDPE保护膜，预压成型温度为100℃，成型压力为2.5MPa，恒温保压15分钟得到阻挡层。

再取4层无纬布按照纤维排列为[0/+45°/-45°/90°]的方式叠在一起，放在热压模具内预压成型，为保护产品与外界默察而损伤，四层布的两侧复合有LDPE保护膜，预压成型温度为100℃，成型压力为2.5MPa，恒温保压15分钟得到缓冲层。

取35张阻挡层和6张缓冲层放在温度为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阻挡层和缓冲层取出。参见图1，将阻挡层101和缓冲层102叠加放置，每隔5张阻挡层放1张缓冲层，在阻挡层部分，相邻无纬布中纤维成90度角，将叠加好的阻挡层和缓冲层在温度为125℃、压力为16MPa的条件下热压20min得到成型件。

参照美国NIJ0101.04防弹衣测试标准对该成型件进行性能测试，当受到9mm(FMJ)型枪弹(8g)冲击时，V₅₀为432m/s。

实施例2

取荷兰DSM公司生产的纤度为400旦的Dyneema SK75型(强度为35cN/dtex、模量为1100cN/dtex)超高分子量聚乙烯纤维，将KRATON D-1107按照重量比为24％溶于120号溶剂油作胶粘剂，将上述纤维与胶粘剂按照和实施例1相同的方法复合制成面密度为40g/m²的单取向无纬布。无纬布中纤维与胶粘剂的重量比为86∶14。

再取4层无纬布按照纤维排列为[0/+45°/-45°/90°]的方式叠在一起，放在热压模板内预压成型，为保护产品与外界默察而损伤，四层布的两侧复合有LDPE保护膜，预压成型温度为100℃，成型压力为2.5MPa，恒温保压15分钟得到缓冲层。

取36张阻挡层和5张缓冲层放在温度为120℃的真空烘箱内保温60min，真空烘箱内的真空度为0.3kpa，保温后在真空烘箱内冷却至室温将阻挡层和缓冲层取出。将阻挡层和缓冲层叠加放置，每隔6张阻挡层放1张缓冲层，在阻挡层部分，相邻无纬布中纤维成90度角，将叠加好的阻挡层和缓冲层在温度为128℃、压力为18MPa的条件下热压20min得到成型件。

参照美国NIJ0101.04防弹衣测试标准对该成型件进行性能测试，当受到9mm(FMJ)型枪弹(8g)冲击时，V₅₀为422m/s。

实施例3

取荷兰DSM公司生产的纤度为800旦的Dyneema SK75型(强度为35cN/dtex、模量为1100cN/dtex)超高分子量聚乙烯纤维，将KRATON G-1650按照重量比22％溶于120号溶剂油作为胶粘剂，将上述纤维与胶粘剂按照和实施例1相同方法复合制成面密度为79g/m²的单取向无纬布。无纬布中纤维与胶粘剂的重量比为88∶12。

取16张阻挡层和3张缓冲层放在温度为125℃的真空烘箱内保温60min，真空烘箱内的真空度为0.3kpa，保温后在真空烘箱内冷却至室温将阻挡层和缓冲层取出。将阻挡层和缓冲层叠加放置，每隔4张阻挡层放1张缓冲层，在阻挡层部分，相邻无纬布中纤维成90度角，将叠加好的阻挡层和缓冲层在温度为128℃、压力为20MPa的条件下热压20min得到成型件。

参照美国NIJ0101.04防弹衣测试标准对该成型件进行性能测试，当受到9mm(FMJ)型枪弹(8g)冲击时，V₅₀为435m/s。

比较例1

取41张阻挡层叠加后在温度为125℃、压力为16MPa的条件下热压20min得到成型件。

参照美国NIJ0101.04防弹衣测试标准对该成型件进行性能测试，当受到9mm(FMJ)型枪弹(8g)冲击时，V₅₀为396m/s。

比较例2

取4层无纬布按照纤维排列为[0/+45°/-45°/90°]的方式叠在一起，放在热压模板内预压成型，为保护产品与外界默察而损伤，四层布的两侧复合有LDPE保护膜，预压成型温度为100℃，成型压力为2.5MPa，恒温保压15分钟得到缓冲层。

取41张缓冲层叠加后在温度为128℃、压力为18MPa的条件下热压20min得到成型件。

参照美国NIJ0101.04防弹衣测试标准对该成型件进行性能测试，当受到9mm(FMJ)型枪弹(8g)冲击时，V₅₀为362m/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

1、一种防弹成型件，包括至少两个阻挡层和阻挡层之间的缓冲层，所述阻挡层和缓冲层包括多张叠加的无纬布，所述无纬布包括强度至少为15cN/dtex、模量至少为390cN/dtex的纤维，所述缓冲层中相邻无纬布中的纤维所成角度为40度～50度，所述阻挡层中相邻无纬布中的纤维所成角度为85度～95度。

2、根据权利要求1所述的防弹成型件，其特征在于所述阻挡层中相邻无纬布中的纤维基本垂直。

3、根据权利要求1所述的防弹成型件，其特征在于所述阻挡层与缓冲层的重量比为1∶1～10∶1。

4、根据权利要求1至3任一项所述的防弹成型件，其特征在于所述纤维为芳酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、金属纤维或它们的混合物。

5、根据权利要求4所述的防弹成型件，其特征在于所述纤维为超高分子量聚乙烯纤维。

6、根据权利要求5所述的防弹成型件，其特征在于所述超高分子量聚乙烯纤维占无纬布的重量百分比为70％～90％。

7、根据权利要求1至6任一项所述的防弹成型件的制备方法，包括步骤：

a)将多张无纬布按照相邻无纬布中纤维所成角度为40度～50度的方式叠加后在100℃～110℃施加1MPa～3MPa的压力进行预压成型得到缓冲层，将多张无纬布按照相邻无纬布中纤维所成角度为85度～95度的方式叠加后在100℃～110℃施加1MPa～3MPa的压力进行预压成型得到阻挡层；

b)将阻挡层和缓冲层在120℃～130℃进行真空保温；

c)将缓冲层叠加在至少两个阻挡层之间在120℃～130℃施加10MPa～20MPa的压力进行热压成型得到防弹成型件。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于步骤b)中进行真空保温的时间为20min～120min。

9、根据权利要求7所述的方法，其特征在于步骤b)中进行真空保温时的压力小于0.5kpa。

10、根据权利要求7所述的方法，其特征在于步骤b)中进行真空保温的温度为125℃～130℃。