CN101936684B

CN101936684B - 防刺复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101936684B
Application number: CN 201010230729
Authority: CN
Inventors: 冯向阳; 魏广恒; 薛东升; 季力强; 李晓洁
Original assignee: Beijing Tongyizhong Specialty Fiber Technology & Development Co Ltd
Current assignee: Beijing Tong Yi Zhong new material Polytron Technologies Inc
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2030-07-13
Also published as: CN101936684A

Abstract

本发明提供一种防刺复合材料及其制备方法，所述的防刺复合材料包括多个带微孔的单层复合材料，所述的单层复合材料包括高性能纤维形成的增强体、复合到增强体上的树脂基体。进一步地，所述的防刺复合材料还可以包括缓冲材料以制成软质舒适型防刺复合材料。

Description

防刺复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及防刺材料，具体涉及一种具有改进结构的防刺纤维复合材料及其应用。

背景技术

当前，各国特别是中国对枪械的控制非常严格，因此相比之下来自匕首等锐器的威胁要大于来自枪弹的威胁。从这个意义上讲，民用的防刺材料和防割材料比防弹材料的需求量更大。

早期的防刺材料是高性能合金冷轧制成整体造型的防刺背心或采用高强轻质(如铝合金)金属材料来制作成鳞片甲一样的防刺层，虽然这种防刺材料防穿透性能优异，但其质量和刚性对使用者的活动和穿着舒适性有较大的限制和影响。而后为了减轻质量，将金属丝加捻织造或者绕成金属环，端点点焊、互锁、一层或多层与织物等其他防刺材料复合。所用的金属丝有铁丝、钦丝等，此外还有将金属轻质薄片形成一定形状的偏斜层，用以增强材料防刺效果的。但是所有这些改进仍然没有改变其穿着不便、舒适性差的缺点。

随着Kevlar、UHMWPE、PBO、碳纤维等高性能合成纤维的出现，使部分或全部采用高性能纤维制成轻质柔韧、便于穿着的防刺材料成为可能。在上述高性能纤维中，UHMWPE(超高分子量聚乙烯纤维)密度最低(0.97g/cm³)，UHMWPE纤维比强度高、比模量高，能量吸收性能和阻尼性能也比Kevlar纤维优越，同时也弥补了高性能碳纤维、碳化硅纤维等断裂应变小的弱点。因此UHMWPE纤维是用于防刺材料的最优高性能纤维之一。

与中华人民共和国公安部GA68-2003《防刺服》标准相比GA68-2008标准所使用的刀具更加锋利，对防刺材料的耐穿刺性能要求也更高，同时现在市场上销售的防刺服均无法达到新标准的要求。因此开发一种满足新标准同时轻质舒适的新型防刺材料成为一种迫切的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种防刺复合材料，其包括多个带微孔的单层复合材料，所述单层复合材料包括高性能纤维形成的增强体和复合到增强体上的树脂基体。所述纤维为机械强度不低于30cN/dtex、密度不超过1g/cm³的超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)。所述纤维增强体包括机织物、针织物、编织物、非织造织物及他们的混合织物。所述树脂基体选自聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛的一种或多种，所述树脂基体优选经过颗粒物改性，改性颗粒为氧化硅、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氧化镁中的一种或多种，所述树脂基体中还可以含有增塑剂、耐老化剂成分。

本发明的防刺材料由各单层纤维复合材料组合而成，纤维复合材料复合方式采用喷胶复合、浸胶复合、涂胶复合中的一种或多种；复合过程为：纤维增强体预成型、上胶、脱溶剂、定型、后整理。复合成型后的纤维复合材料轻薄柔韧。所述单层复合材料具有0.01-0.5mm孔径的透气微孔，通过控制纤维增强体的厚度和松紧度形成，经过使用本发明制作的树脂基体涂层一定厚度后得到有效保留。上述具有不低于10％孔隙率的纤维复合材料使防刺材料的穿着舒适性得到有效提高。

本发明的另一个目的是提供所述防刺复合材料的制备方法，其包括如下步骤：准备原料——升温溶解——添加颗粒——上胶——室温干燥——热压成型。

本发明进一步的目的在于提供一种含有本发明所述防刺材料的软质舒适型防刺材料，其由多个单层复合材料与缓冲材料按照重量比(10-20)∶1，最优地按照17∶1一起叠层后制成轻便、穿着舒适度高的防刺材料。所述的软质舒适型防刺材料的制备方法是在上述防刺复合材料制备方法的基础上增加一个结构组合的步骤。所述缓冲材料选自聚氨酯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶中的一种或多种。缓冲材料的使用进一步提高了防刺材料的防刺性能和穿着舒适性。

本发明的防刺复合材料具有优异的防刺性能，且穿着轻便、舒适。

附图说明

图1(a)表示本发明实施的片状带微孔的单层复合材料；

图1(b)表示本发明实施的贴身舒适的缓冲材料；

图1(c)表示本发明实施的叠合后的层状防刺材料；

图2表示本发明实施例1的防刺材料复合结构；

图3表示本发明实施例2的防刺材料复合结构；

图4表示本发明实施例3的防刺材料复合结构；

图5表示本发明实施例4的防刺材料复合结构。

具体实施方式

下面结合附图通过具体的实施方式对本发明作进一步详细的描述。

本发明的防刺复合材料包括多个带微孔的单层复合材料，所述单层复合材料包括高性能纤维形成的增强体和复合到增强体上的树脂基体。

本发明所述的高性能纤维是指一类具有高机械强度和低密度的纤维的总称，机械强度不低于22cN/dtex，优选不低于30cN/dtex，密度优选不超过1g/cm³。本发明所述的高性能纤维包括但不限于碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维等，优选采用超高分子量聚乙烯纤维。

本发明所述的超高分子量聚乙烯纤维是指分子量为100万以上的聚乙烯纤维，优选为100万～500万；机械强度不低于22cN/dtex，优选不低于30cN/dtex；初始模量不低于750cN/dtex；密度优选不超过1g/cm³，进一步优选为0.97g/cm³。

本发明所采用的高性能纤维为超高分子量聚乙烯纤维，纤维密度不高于1g/cm³，纤维强度不低于30cN/dtex，优选为等于或大于33cN/dtex，更优选为等于或大于38cN/dtex。

所述纤维增强体包括机织物、针织物、编织物、非织造织物及其混合织物。所述机织物增强体优选为超高分子量聚乙烯纤维长丝织成，纱线线密度为100-1600D，优选为400-1600D；机械强度不低于30cN/dtex，优选为等于或大于32cN/dtex，更优选为等于或大于34cN/dtex，最优选为等于或大于36cN/dtex；机织布规格为经(纬)密75-380根/10cm，优选为75-150根/10cm；织物面密度为50-600g/m²，优选为50-200g/m²；织物厚度为0.15-1mm，优选为0.15-0.3mm。所述的非织造物包括无纺布、无纬布或其混合增强体。无纺布增强体为长度范围20-64mm的超高分子量聚乙烯短纤，优选为22-55mm，更优选为38-50mm；短纤经无纺布加工工艺制成定量为50-600g/m²面密度含微孔结构基布，优选为50-200g/m²；基布松散状态厚度1-5.5mm，优选为1-2.5mm；孔隙率不低于50％，优选为大于或等于60％；压紧后无纺布厚度0.15-1.5mm，优选为0.15-0.5mm，更优选为0.15-0.3mm；孔隙率不低于20％，优选为大于或等于25％，更优选为大于或等于30％。无纬布增强体为超高分子量聚乙烯纤维长丝织成，纱线线密度为100-1600D，优选为400-1600D；机械强度不低于30cN/dtex，优选为等于或大于33cN/dtex，更优选为等于或大于38cN/dtex；无纬布面密度为50-600g/m²，优选为50-200g/m²；织物厚度0.15-1mm，优选为0.15-0.3mm。

本发明所采用的树脂基体为选自聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛的一种或多种改性混合物。改性颗粒为粒径10-50nm的氧化物颗粒，该氧化物选自氧化硅、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氧化镁中的一种或多种，基体为溶剂型或水性树脂。氧化物颗粒通过超声分散、机械搅拌的方式分散到树脂体系中，通过纳米粒子与树脂分子的物理、化学作用达到对树脂改性的目的。所述树脂基体中还可以含有增塑剂、耐老化剂成分。具体操作过程为：首先配制一定固含量的树脂溶液，同时利用偶联剂和超声波分散法对纳米氧化物进行表面处理，然后将表面处理过的纳米氧化物通过超声波分散和机械搅拌的方式充分分散到树脂体系中，然后添加不高于5％重量比例的增塑剂、润湿剂、抗氧化剂、热稳定剂等中的一种或多种改性助剂，最终制备出分散均匀的具有优良性能的树脂体系。

本发明的所述防刺复合材料可采用本领域常规的制备方法进行制备；也可以采用本发明的制备方法，其包括如下步骤：准备原料——升温溶解——添加颗粒——上胶——室温干燥——热压成型。具体为：

(1)、准备原料

原料包括纤维增强体、固体胶粒、溶剂、纳米级氧化物颗粒。首先将纤维增强体预处理使布基密实。

(2)、升温溶解

溶剂中加入重量百分含量为10％-30％含量固体胶粒，升温至胶粒完全溶解。所述的溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮、甲乙酮、环己酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、乙酸丁酯中的一种或多种。

(3)、添加颗粒

在溶解后的溶液中按重量比例加入5-15％的氧化物颗粒。

(4)上胶

添加颗粒后将溶液搅匀，采用喷胶复合、浸胶复合、涂胶复合中的一种或多种复合方式上胶，上胶量为50-200g/m²，上胶厚度0.01-0.1mm。

(5)脱溶剂

上胶后的制品在室温或高温状态下使溶剂完全挥发。

(6)热压成型

干燥后的制品在平板压机上采用高温高压的方式成型。

本发明的软质舒适型防刺材料，其由多个单层复合材料与缓冲材料按照重量比(10-20)∶1，更优地按照17∶1的比例一起叠层后制成轻便、穿着舒适度高的防刺材料。所述的软质舒适型防刺材料的制备可在上述防刺复合材料制备方法的基础上增加一个结构组合的步骤，即可以通过铺层等组合方法将单层复合材料与缓冲材料组合成型。

本发明的轻便舒适防刺材料，经按照公安部标准GA68-2008在公安部第一研究所进行的穿刺实验验证，不高于9Kg/m2防刺面密度该防刺材料完全满足标准GA68-2008的要求；另通过公安部第一研究所进行的防破片实验验证，防破片性能优异，5Kg/m²面密度的该材料可防至少460m/s速度的1.1g标准破片。

实施例

以下通过实施例对本发明作具体的说明，但不作为对本发明的限制。

实施例1涂层无纺布加缓冲层结构防刺复合材料的制备

该防刺材料由片状带微孔的单层复合材料与缓冲材料按比例组合而成，该防刺材料包括由高强纤维无纺布增强体、复合到无纺布材料上的树脂基体和贴身舒适的缓冲材料。

无纺布增强体为北京同益中特种纤维技术开发有限公司生产，所用原料为长度50mm的超高分子量聚乙烯短纤，短纤经过开松、梳理成网、铺网后在针刺机上制成定量为200g/m²面密度的含微孔结构基布，基布松散状态厚度1-2.5mm，孔隙率60％；压紧后无纺布厚度0.15-0.3mm，孔隙率25％。

树脂体系的制备：乙醇中加入重量百分含量为10％的固体聚氨酯胶粒，升温至胶粒完全溶解，在溶解后的溶液中按重量比例加入5％的氧化硅颗粒，搅拌均匀。采用喷胶复合的方式上胶，上胶量为50g/m²，上胶膜厚度0.01mm。上胶后的制品在室温状态下使溶剂完全挥发，干燥后的制品在平板压机上采用高温高压的方式成型。最终制成图1(a)所示层状孔隙率15％的带微孔复合材料，38层带微孔复合材料层合后形成该实施例的主体防刺材料11；材料11与如图1(b)所示的乙烯-醋酸乙烯类贴身舒适缓冲材料层合形成图2所示的防刺材料。

根据公安部标准GA68-2008对该结构防刺材料进行穿刺实验，实验结果见表1，测试结果表明该结构防刺性能指标完全满足该标准的要求。另外该防刺复合结构在同等防刺级别的前提下，与金属防刺材料相比厚度更薄、穿着舒适性更强，与同类芳纶防刺材料相比具有相近的防刺面密度和更优的穿着舒适度，对比结果见表1。

实施例2软质舒适型防刺复合材料的制备

该防刺材料由片状带微孔的单层复合材料与缓冲材料按比例组合而成，该防刺材料包括由高强纤维机织布增强体、复合到机织布材料上的树脂基体和贴身舒适的缓冲材料。

机织布增强体选用北京同益中特种纤维技术开发有限公司生产的超高分子量聚乙烯纤维长丝织成，经过优选纱线线密度400D，机械强度33cN/dtex，机织布规格为经(纬)密150根/10cm，织物面密度100g/m²，织物厚度0.18mm。

树脂体系的制备：丙酮中加入重量百分含量为30％的固体聚丙烯酸酯胶粒，升温至胶粒完全溶解，在溶解后的溶液中按重量比例加入15％的氧化锌颗粒，搅拌均匀。采用浸胶复合的方式上胶，上胶量为200g/m²，上胶膜厚度0.1mm。上胶后的制品在室温状态下使溶剂完全挥发，干燥后的制品在平板压机上采用高温高压的方式成型。纤维机织布增强体在无梭织机上按照合纤长丝织物的加工工艺织制成含微孔结构的平纹织物；纤维复合材料复合方式采用浸胶复合；复合过程为：机织布预成型、上胶、脱溶剂、定型、后整理，最终制成图1(a)所示层状带微孔复合材料，40层带微孔复合材料层合后形成该实施例的主体防刺材料21；材料21与如图1(b)所示的丁苯橡胶类贴身舒适缓冲材料层合形成图3所示的防刺材料。

根据公安部标准GA68-2008对该结构防刺材料进行穿刺实验，实验结果见表1，测试结果表明该防刺复合结构在同等防刺级别的前提下，与同类芳纶防刺材料相比具有相近的防刺面密度；性能指标完全满足该标准的要求。

实施例3软质舒适型防刺复合材料的制备

该防刺材料包括高强纤维无纬布增强体、复合到无纬布材料上的树脂基体和贴身舒适的缓冲材料，其中增强纤维密度为0.97g/cm³，纤维强度为32cN/dtex。

无纬布增强体选用北京同益中特种纤维技术开发有限公司生产的超高分子量聚乙烯纤维长丝织成，经过优选纱线线密度800D，机械强度32cN/dtex，无纬布面密度140g/m²，织物厚度0.15mm。

树脂体系的制备：乙酸乙酯中加入重量百分含量为20％的固体聚丙烯酸酯胶粒，升温至胶粒完全溶解，在溶解后的溶液中按重量比例加入10％的氧化钛颗粒，搅拌均匀。采用涂胶复合的方式上胶，上胶量为100g/m²，上胶膜厚度0.05mm。上胶后的制品在室温状态下使溶剂完全挥发，干燥后的制品在平板压机上采用高温高压的方式成型。纤维无纬布增强体采用公开号为CN1465762的中国专利申请所述方法制成；纤维复合材料复合方式采用涂胶复合；复合过程为：无纬布预成型、上胶、脱溶剂、定型、后整理，最终制成图1(a)所示层状复合材料，73层纤维复合材料层合后形成该实施例的主体防刺材料31；材料31与如图1(b)所示的聚乙烯类贴身舒适缓冲材料层合形成图4所示的防刺材料。

根据公安部标准GA68-2008对该结构防刺材料进行穿刺实验，实验结果见表1，测试结果表明该防刺复合结构的厚度比其他实施例的防刺结构都薄，但防刺面密度较高。

实施例4软质舒适型防刺复合材料

该防刺材料由片状带微孔的单层复合材料与缓冲材料按比例组合而成，该防刺材料包括由高强纤维无纬布、无纺布混合增强体、复合到无纬布材料上的树脂基体和贴身舒适的缓冲材料。

无纺布和无纬布增强体分别同实施例1和3。

树脂体系的制备：二氯甲烷中加入重量百分含量为15％的固体聚丙烯酸酯胶粒，升温至胶粒完全溶解，在溶解后的溶液中按重量比例加入12％的氧化铝颗粒，搅拌均匀。采用喷胶复合、浸胶复合组合的方式上胶，上胶量为120g/m²，上胶膜厚度0.06mm。上胶后的制品在室温状态下使溶剂完全挥发，干燥后的制品在平板压机上采用高温高压的方式成型。纤维无纬布增强体采用实施例3中的无纬布加工工艺制成含微孔结构材料、纤维无纺布增强体采用实施例1中的无纺布加工工艺制成含微孔结构材料；纤维复合材料复合方式采用喷胶复合、浸胶复合的组合；复合过程为：增强体预成型、上胶、脱溶剂、定型、后整理，最终制成图1(a)所示层状复合材料，20层纤维无纬布复合材料层合后形成该实施例的上层防刺材料41；28层纤维无纺布复合材料层合后形成该实施例的中间层防刺材料51；材料41、51与如图1(b)所示的乙烯-醋酸乙烯类贴身舒适缓冲材料层合形成图5所示的防刺材料。

根据中国公安部GA68-2008标准对该结构防刺材料进行穿刺实验，实验结果见表1。测试结果表明该防刺复合结构均通过该标准测试合格。

对比例1

带金属芯片的复合防刺材料。上层(迎刀层)为钛合金材料，材料面密度3.3Kg/m²，厚度5mm，中层为PE无纬布材料，使用材料与实施例3所用无纬布相同，28层无纬布材料面密度共4.2Kg/m²，厚度5mm；下层为聚乙烯泡沫材料，材料面密度0.5Kg/m²，厚度18mm。依照GA68-2008防刺服测试标准在自制设备上测试，测试结果见表1。结果表明材料整体防刺面密度不高，但材料整体厚度过大大，柔软舒适性极差；测试分析金属层和PE无纬布层均被穿透，聚乙烯泡沫层因厚度较厚未露刀尖。可见该复合防刺材料穿着不便，安全系数也较低。

对比例2

芳纶涂层防刺材料。材料共32层叠层结构，其中所用单层材料为市场上选购的芳纶机织布涂胶产品，总面密度为9.1Kg/m²，总厚度15mm。依照GA68-2008防刺服测试标准在自制设备上测试，测试结果见表1。结果表明材料具有与本发明实施例相近的防刺面密度，但对比例材料经刀刺后在最后5-8层上均留下针尖大小刀孔，说明对比例材料在防刀尖方面有一定不足。

对比例3

纯软质无纺布防刺材料。材料为纯无纺布产品，无纺布基布与实施例1所用无纺布相同，单层无纺布基布面密度200g/m²，无纺布基布在平板压机上常温低压压制成型后通过叠层形成可自由移动的层合材料。依照GA68-2008防刺服测试标准在自制设备上测试，测试结果见表1。结果表明材料防刺面密度较高，但该对比例材料已经具有柔软、穿着舒适度高的优点。

表1：本发明防刺复合材料的防刺性能测试(依据GA68-2008标准)

通过上述实施例和对比例的结构描述及测试结果(表1)可以发现本发明所述防刺复合结构具有如下优点：

(1)厚度薄，例如实施例3所述结构达到公安部GA68-2008防刺服测试标准厚度仅需11.3mm；

(2)重量轻：例如实施例1所述结构达到公安部GA68-2008防刺服测试标准面密度仅需8.9Kg/m²；

(3)穿着舒适：所有实施例均为柔软带微孔的单层复合材料组合而成，在同等防刺级别的前提下，与金属复合防刺材料(对比例1)相比厚度更薄、穿着舒适性更强，与同类芳纶防刺材料(对比例2)相比具有相近的防刺面密度和更优的穿着舒适度；

(4)与前期纯PE无纺布防刺材料相比(对比例3)，防护面密度大大减少。

本发明提供了一种柔性耐穿刺防护层材料，可制成具有防破片功能的软质防刺服。与软质防弹层材料结合还可制成防刺防弹防护服。

本发明虽对此种软质防护层材料进行了较为详细的描述，但应理解为不需严格遵循这些细节，相反在此基础上本领域的技术人员可提出进一步的修正与改进，所有这些均落入附属权利书所定义的本发明范围内。

Claims

1.一种防刺复合材料，其特征在于其包括多个带微孔的单层复合材料，所述的单层复合材料包括高性能纤维形成的增强体、复合到增强体上的树脂基体，其中，

所述的高性能纤维具有至少30cN/dtex的机械强度，具有不超过1g/cm³的密度，所述高性能纤维为超高分子量聚乙烯纤维，

所述增强体为机织物、针织物、编织物、非织造织物的混合织物，所述混合织物中含有至少重量55％所述的高性能纤维，

所述机织物由超高分子量聚乙烯纤维长丝织成，纱线线密度为400-1600D；机械强度不低于33cN/dtex；机织布规格为经密和纬密为75-150根/10cm；织物面密度为50-200g/m²；织物厚度为0.15-0.3mm，

所述非织造物为无纬布，所述无纬布由超高分子量聚乙烯纤维长丝织成，纱线线密度为400-1600D；机械强度不低于32cN/dtex；无纬布面密度为50-200g/m²；织物厚度为0.15-0.3mm，

所述单层复合材料具有0.01-0.5mm的孔径，孔隙率不低于10％，

所述树脂基体选自聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛中的一种或多种改性混合物，所述树脂基体中含有改性颗粒，所述的改性颗粒为粒径10-50nm的氧化物颗粒，所述改性颗粒为氧化硅、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氧化镁中的一种或多种，

所述树脂基体中含有重量百分比不超过5％的改性助剂，所述的改性助剂选自增塑剂、润湿剂、抗氧化剂、热稳定剂中的一种或多种。

2.权利要求1所述的防刺复合材料的制备方法，包括准备原料，升温溶解，添加颗粒，上胶，室温干燥，热压成型。

3.权利要求2所述的制备方法，其中所述的上胶为胶与纤维复合，包括喷胶复合、浸胶复合、涂胶复合中的一种或多种。

4.一种软质舒适型防刺复合材料，其包括权利要求1所述的防刺复合材料，和缓冲材料。

5.根据权利要求4所述的软质舒适型防刺复合材料，其中所述缓冲材料选自聚氨酯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶中的一种或多种。