CN102330355A

CN102330355A - 一种纤维织物复合吸能材料及其制备方法

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Publication number: CN102330355A
Application number: CN201110179886A
Authority: CN
Inventors: 李霞; 万军喜; 曹海琳; 赵金华; 王琨
Original assignee: Shenzhen Academy of Aerospace Technology
Current assignee: Shenzhen Academy of Aerospace Technology
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2012-01-25

Abstract

本发明公开了一种纤维织物复合吸能材料及其制备方法，所述制备方法包括先对剪切增稠流体进行雾化前预处理，然后对稀释后的剪切增稠流体进行雾化处理，再将雾化的稀释剪切增稠流体雾粒喷涂到高性能纤维织物上，最后进行真空复合压制。本发明提供的制备方法可方便地实现纤维织物复合吸能材料的大尺寸连续化制备，适用于工业化生产。采用本发明制备方法制备的纤维织物复合吸能材料成分可控、性能均匀、柔顺性好。由该复合材料做成的防护制品具有优良的防护性能，特别具有很强的防锥、刀等利器穿刺的性能；并且由于其柔顺性好，使得做成的防护制品穿着舒适。本发明提供的纤维织物复合吸能材料特别适合于军用或民用的防护制品制备。

Description

一种纤维织物复合吸能材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合吸能材料领域，特别涉及一种纤维织物复合吸能材料及其制备方法。

背景技术

吸能材料是指材料受到冲击时能吸收撞击能的一大类材料，在汽车、包装、防护等领域具有广泛的应用。用于制备防弹衣、防刺服等防护制品的材料就是此一类的吸能材料。传统的防弹衣、防刺服主要使用硬质钢板，超强铝合金等金属材料或是氧化铝、碳化硅等硬质非金属材料制备，由此制成的防护制品僵硬、穿着笨重、防护面积小、行动不便。随着科技的发展，高性能纤维成为了开发软体防护制品的吸能材料，该类材料具有质轻和防护全面的优势，但存在着钝伤大、防刺性能差等致命不足。迫切需要研发具有良好防护性能兼有织物的柔顺性的新型吸能材料，来满足现代复杂战况条件对软体防护制品越来越高的综合性能要求。

近年来，基于剪切增稠流体的流变特性，并将其与高性能纤维织物复合所研制的新型吸能复合材料因其突出的综合性能成为了各国研究开发的热点。Wagner早在2003年发表于Journal of Materials science第38期文章《The ballisticimpact characteristics ofwoven fabrics impregnated with a colloidal shearthickening fluid》里提到采用浸泡手动挤压工艺制备了该吸能复合材料。此后，对于该吸能复合材料的制备及性能，国内外开展了多方面的研究，归纳起来，制备方法大都是采用稀释的剪切增稠溶液浸渍高性能纤维织物，然后手工挤压去除多余的溶液，再经烘干得到吸能复合材料。该法尽管在实验室内可以制备出小尺寸的复合材料，但存在所制备吸能复合材料的成分难以控制、均匀性差、材料尺寸小、难量产等缺点。迫切需要开发适合于工业化生产的新型制备方法和工艺。

发明内容

本发明提供了一种新的纤维织物复合吸能材料的制备方法；以及由所述方法制备的纤维织物复合吸能材料。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明公开了一种纤维织物复合吸能材料的制备方法，所述制备方法采用剪切增稠流体与纤维织物进行复合处理，本发明的关键在于，所述制备方法包括在复合处理之前对剪切增稠流体雾化处理；所述复合处理包括采用雾化处理的剪切增稠流体对纤维织物进行喷涂。

进一步的，所述制备方法还包括在雾化处理之前采用有机溶剂对剪切增稠流体进行稀释处理，优选的，所述剪切增稠流体与有机溶剂的体积比为1∶0.5-10，更优选的体积比为1∶1-4。

更进一步的，所述制备方法还包括在雾化处理之前采用超声波对经过稀释处理的剪切增稠流体进行分散处理，使之分散均匀。

上述制备方法中，所述复合处理还包括将经过喷涂的纤维织物烘干，以去除在稀释处理中加入剪切增稠流体中的有机溶剂。

进一步的上述制备方法中，所述复合处理还包括对经过喷涂和烘干的纤维织物进行真空复合压制。

本发明中，优选的所述制备方法具体包括如下步骤：

a.稀释处理：采用有机溶剂稀释剪切增稠流体，使其失去剪切增稠性能，优选的，所述剪切增稠流体与有机溶剂的体积比为1∶0.5-10，更优选的体积比为1∶1-4；

b.分散处理和雾化处理：将步骤a中稀释好的剪切增稠流体放入雾化器，超声波分散均匀后进行雾化处理；

c.复合处理：对纤维织物进行至少一次循环的复合处理，所述一次循环的复合处理包括：喷涂、烘干、真空复合压制，即采用雾化处理的剪切增稠流体对纤维织物进行喷涂，然后将经过喷涂的纤维织物烘干，最后对经过喷涂和烘干的纤维织物进行真空复合压制。

本发明的优选方案中，在上述步骤c采用雾化处理的剪切增稠流体对纤维织物进行喷涂后，优选的先进行短暂浸润，浸润时间为2-8min，然后经过浸润的纤维织物再进入烘干室，进行烘干，以去除有机溶剂。需要指出的是，真空复合压制阶段，除了使剪切增稠流体与纤维织物压制复合以外，同样还具有进一步去除残余的稀释有机溶剂的作用；优选的，所述真空复合压制的真空度优选为0.02-0.08兆帕，温度优选为35-80℃，时间为10-600min，更优选的真空时间为10-60min。另外，还需要指出的是，上述步骤c的喷涂-烘干-真空复合压制视为一次循环的复合处理，在实际生产中，可以根据最终产品的结构设计或者防护性能要求，进行多次循环的复合处理。本发明的优选方案中，优选的喷涂次教为1-10次。

本发明中，所述分散处理的超声波功率为20-100kHZ；所述雾化处理的雾化速率为5-100mL/min；所述复合处理中喷涂的气流速率为0.08-3.5m³/h；所述复合处理中烘干的温度为40-80℃，烘干时间为10-120min。优选的，所述分散处理的超声波功率为40-80kHZ；所述雾化处理的雾化速率为20-80mL/min；所述复合处理中喷涂的气流速率为0.5-3m³/h；所述复合处理中烘干的烘干时间为10-60min

需要指出的是，上述步骤a中，稀释的作用在于便于剪切增稠流体的后续雾化处理，因此，稀释到使剪切增稠流体失去剪切增稠特性，能够用于超声分散及随后的雾化器处理即可，本发明的优选方案中，按照剪切增稠流体与有机溶剂的体积比为1∶0.5-10的比例进行稀释，更优选的体积比为1∶1-4；另外，还需要指出的是，所述用于稀释的有机溶剂优选为沸点100℃以下无毒易挥发的有机溶剂，更优选的，本发明中使用的有机溶剂为无水乙醇和丙酮中的至少一种。上述步骤b中超声波的作用在于使稀释后的剪切增稠流体分散均匀，超声波处理的时间优选为10-600min，更优选为20-60min。

所述制备方法中，所述纤维织物为高强度、高模量的高性能纤维织物，包括但不仅限于芳纶纤维织物、PBO纤维织物、高强尼龙纤维织物、超高分子量聚乙烯织物中的至少一种。

所述制备方法中，所述剪切增稠流体为合成无机氧化物、有机化合物、天然黏土中的至少一种在不易挥发的有机或无机溶剂中制备的流体；包括但不仅限于以下溶液中的至少一种：二氧化硅的聚乙二醇200溶液、聚苯乙烯的乙二醇溶液、二氧化钛的乙二醇溶液。

本发明还公开了一种由上述制备方法制备的纤维织物复合吸能材料。

所述纤维织物复合吸能材料中纤维织物与剪切增稠流体的质量比优选为1∶0.05-2，更优选为1∶0.2-1.5。

由于采用以上技术方案，本发明的有益效果在于：

本发明提供的制备方法能够有效的控制复合吸能材料产品中的成分，从而控制产品质量；同时，该方法可方便的实现纤维织物复合吸能材料的大尺寸、连续化制备，适用于工业化生产。采用本发明制备方法制备的纤维织物复合吸能材料性能均匀、柔顺性好；由该复合材料做成的防护制品具有优良的防护性能，特别具有很强的防锥、刀等利器穿刺的性能；并且由于其柔顺性好，使得做成的防护制品穿着舒适。本发明提供的纤维织物复合吸能材料特别适合于军用或民用的防护制品制备。

附图说明

图1是本发明实施例中纤维织物复合吸能材料制备方法的工艺示意图，其中1为雾化器、2为超声波发生器、3为容布器、4为雾化喷射器、5为纤维织物、6为烘干室、7为真空复合压制室。

具体实施方式

本发明提供了一种纤维织物复合吸能材料及其制备方法。所述制备方法的特点在于包括采用雾化处理，将剪切增稠流体雾化；然后使用雾化的剪切增稠流体对纤维织物进行复合处理；复合处理的特点在于具体使用了喷涂技术，将雾化的剪切增稠流体雾粒喷涂到高性能纤维织物上；更进一步的，其特点在于，喷涂后使用烘干处理经过喷涂的纤维织物。具体的，本发明优选的实施方案中，先采用有机溶剂将剪切增稠流体稀释，使其失去剪切增稠特性，以便于后续的处理；将稀释的剪切增稠流体放入雾化器容器内，并采用超声波将稀释的剪切增稠流体分散均匀；然后将采用雾化器将稀释的剪切增稠流体雾化，通过喷射器将雾化后的剪切增稠流体喷涂到需要处理的纤维织物上；然后，经过喷涂的纤维织物进入烘干室进行烘干，所述烘干的作用在于去除在稀释处理时加入剪切增稠流体中的有机溶剂，需要说明的是，采用烘干进行脱溶剂处理，有机溶剂在相对缓和的条件下均匀的蒸发，相对于其它处理方法，烘干能够更有效的去除溶剂，从而避免残余有机溶剂对复合材料的性能造成影响；经过烘干后，纤维织物进入真空复合压制室，进行真空复合压制，即获得所述的纤维织物复合吸能材料。

需要指出的是，本发明的优选方案中，在将雾粒喷涂到纤维织物上后，优选的先进行2-8min的短暂浸润后再烘干。另外，本发明中，所喷涂、烘干。真空复合压制为一次循环的复合处理，根据最终产品的结构设计，可以进行多次循环操作，从而获得特定结构或功能的复合材料产品。本发明的优选方案中，优选的喷涂次数为1-10次。

还需要指出的是，上述方法中，所述剪切增稠流体是一种具有剪切增稠特性的固液混合液；包括合成无机氧化物、有机化合物、天然黏土等物质与无毒无害、不易挥发、使用环境广的有机或者无机溶剂制备的流体；优选的，本发明实施例中使用的是二氧化硅的聚乙二醇200溶液、聚苯乙烯的乙二醇溶液和二氧化钛的乙二醇溶液。所述纤维织物为高强度、高模量的高性能纤维织物，包括但不仅限于芳纶纤维织物、PBO纤维织物、高强尼龙纤维织物、超高分子量聚乙烯织物中的至少一种。所述有机溶剂优选为沸点100℃以下无毒易挥发的有机溶剂；一方面可以用于稀释剪切增稠流体，另一方面也考虑到在后续的烘干步骤更利于将其去除，另外，无毒的要求也是出于大规模生产使用安全的考虑；因此，实际上只要能够将剪切增稠流体稀释的有机溶剂都是可以使用的，但是出于上述考虑，本发明中优选的使用乙醇和丙酮中的至少一种。

本发明实施例中，上述超声波的功率为20-100kHZ，优选为40-80kHZ，超声波处理的时间为10-600min，优选为20-60min；所述雾化的雾化速率为5-100mL/min，优选为20-80mL/min；所述喷涂的气流速率为0.08-3.5m³/h，优选为0.5-3m³/h，所述真空复合压制的真空度为0.02-0.08兆帕，温度条件为35-80℃，时间为10-600min，优选的真空复合压制时间为10-60min。

本发明的制备方法中，剪切增稠流体雾化处理后，使其能够均匀地覆盖于纤维织物上，提高复合材料的均匀性；并且通过调节雾化速率和气流速率可以控制剪切增稠流体和纤维织物的比例，将剪切增稠流体定量的复合于纤维织物上，从而实现了复合材料的成分可控，本发明的纤维织物复合吸能材料中，优选的纤维织物与剪切增稠流体的质量比为1∶0.05-2，更优选为1∶0.2-1.5；另外，还可以根据需要处理的纤维织物或者需要制备的复合材料的尺寸调整喷射器的喷射范围，从而制备大尺寸的复合材料。如图1的生产工艺示意图所示，本发明的超声波分散处理、雾化处理、喷涂、烘干、真空复合压制整个过程都是机械化操作，特别适合于工业化生产。

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步的详细说明。以下实施例仅仅用于对本发明进行进一步的说明，不应理解为对本发明的限制。

实施例1

本方案使用的剪切增稠流体为二氧化硅/聚乙二醇200剪切增稠流体。采用剪切增稠流体与无水乙醇体积比1∶4的比例，对剪切增稠流体进行稀释处理，并将其注入雾化器中，在频率为80kHZ的超声波条件下处理30min，使剪切增稠流体分散均匀；然后采用雾化率为50mL/min，气流速率为2m³/h的雾化条件将稀释后的剪切增稠流体雾化，用雾化喷射器将剪切增稠流体雾粒均匀的喷涂于超高分子量聚乙烯织物上；经过6min短暂浸润后，纤维织物被带入烘干室，在55℃下烘干40min，脱去无水乙醇；烘干后的纤维被带入真空复合压制室，在真空度为0.05兆帕，温度50℃的条件下真空复合压制30min，获得纤维织物与剪切增稠流体的复合材料；上述喷涂-烘干-真空复合压制为一个喷涂循环，本例中进行2个喷涂循环，最终制备出纤维织物复合吸能材料；制备的纤维织物复合吸能材料中超高分子量聚乙烯与剪切增稠流体的质量比为1∶0.8。

实施例2

本方案使用的剪切增稠流体为聚苯乙烯/乙二醇剪切增稠流体。采用剪切增稠流体与无水乙醇体积比1∶2.5的比例，对剪切增稠流体进行稀释；并将其注入雾化器中，在频率为50kHZ的超声波条件下处理35min，使剪切增稠流体分散均匀；然后采用雾化率为50mL/min，气流速率为1.5m³/h的雾化条件将稀释后的剪切增稠流体雾化，用雾化喷射器将剪切增稠流体雾粒均匀的喷涂于芳纶复合材料(凯夫拉)织物上；经过5min短暂浸润后，纤维织物被带入烘干室，在55℃下烘干20min，脱去无水乙醇；烘干后的纤维被带入真空复合压制室，在真空度为0.05兆帕，温度50℃的条件下真空复合压制20min，获得纤维织物与剪切增稠流体的复合材料；上述喷涂-烘干-真空复合压制为一个喷涂循环，本例中进行3个喷涂循环，最终制备出纤维织物复合吸能材料；制备的纤维织物复合吸能材料中超高分子量聚乙烯与剪切增稠流体的质量比为1∶0.6。

实施例3

本方案使用的剪切增稠流体为二氧化钛/乙二醇剪切增稠流体。采用剪切增稠流体与丙酮体积比1∶2的比例，对剪切增稠流体进行稀释，并将其注入雾化器中，在频率为50kHZ的超声波条件下处理40min，使剪切增稠流体分散均匀；然后采用雾化率为30mL/min，气流速率为1.5m³/h的雾化条件将稀释后的剪切增稠流体雾化，用雾化喷射器将剪切增稠流体雾粒均匀的喷涂于超高分子量聚乙烯织物上；经过8min短暂浸润后，纤维织物被带入烘干室，在40℃下烘干20min，脱去丙酮；烘干后的纤维被带入真空复合压制室，在真空度为0.06兆帕，温度45℃的条件下真空复合压制30min，获得纤维织物与剪切增稠流体的复合材料；上述喷涂-烘干-真空复合压制为一个喷涂循环，本例中进行4个喷涂循环，最终制备出纤维织物复合吸能材料；制备的纤维织物复合吸能材料中超高分子量聚乙烯与剪切增稠流体的质量比为1∶1。

实施例4

对上述实施例1-3制备的纤维织物复合吸能材料进行防刀、防锥测试。采用按照美国NIJ-0115.00标准制作的刀、锥，并按照GA68-2010标准测试进行防刀刺测试；按照美国NIJ-0115.00标准测试进行防锥刺测试。

表1 防护性能测试表(面密度单位：kg/m²)

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种纤维织物复合吸能材料的制备方法，所述制备方法包括将剪切增稠流体与纤维织物进行复合处理，其特征在于：所述制备方法包括雾化处理：在所述复合处理之前将剪切增稠流体雾化；所述复合处理包括采用雾化处理的剪切增稠流体对纤维织物进行喷涂。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述制备方法还包括稀释处理：在雾化处理之前采用有机溶剂稀释剪切增稠流体。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述制备方法还包括分散处理：在雾化处理之前采用超声波将经过稀释处理的剪切增稠流体均匀分散。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述复合处理还包括将经过喷涂的纤维织物烘干。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述复合处理还包括对经过喷涂和烘干的纤维织物进行真空复合压制。

6.根据权利要求1-5任一项所述制备方法，其特征在于：所述制备方法具体包括如下步骤：

a.稀释处理：采用有机溶剂稀释剪切增稠流体，使其失去剪切增稠性能；

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述超声波的功率为20-100kHZ；所述雾化的雾化速率为5-100mL/min；所述喷涂的气流速率为0.08-3.5m³/h；所述烘干的温度为40-80℃，时间为10-120min。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述纤维织物为高性能纤维织物，包括但不仅限于芳纶纤维织物、PBO纤维织物、高强尼龙纤维织物、超高分子量聚乙烯织物中的至少一种。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述剪切增稠流体为合成无机氧化物、有机化合物、天然黏土中的至少一种在不易挥发的有机或无机溶剂中制备的流体；包括但不仅限于以下溶液中的至少一种：二氧化硅的聚乙二醇200溶液、聚苯乙烯的乙二醇溶液、二氧化钛的乙二醇溶液。

10.一种根据权利要求1-9任一项所述的制备方法制备的纤维织物复合吸能材料。