CN102501491B - 聚乙烯复合防弹板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种聚乙烯复合防弹板及其制备方法，属于防护装备领域。该聚乙烯复合防弹板包括：由两层以上浸渍阻燃环氧树脂的阻燃纤维织物叠合组成的阻燃层；由两层以上聚乙烯无纬布叠合组成的防弹芯层；粘接在所述阻燃层和所述防弹芯层之间、由预设厚度的聚氨酯泡沫板组成的隔热层。本发明的技术方案能够得到耐热及阻燃性能优良的聚乙烯复合防弹板，并且能够降低生产成本，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及防护装备领域，具体涉及一种耐热及阻燃性能优良的聚乙烯复合防弹板及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，高性能纤维的开发和应用，使防弹材料有了很大突破，加速了防弹材料向轻量化、舒适化的方向发展，也极大地拓展了防弹材料的空间，而且使得防弹材料的防弹性能不断增强。从20世纪70年代至今，先进的纤维复合材料在装甲防护中得到广泛的应用。高性能纤维防弹复合材料保留了组份材料的主要特点，减少或克服组份材料的缺陷，甚至产生组份材料所没有的优异性能。防弹复合材料的物理机械性能优良，其比强度、比模量高于防弹金属材料，动能吸收性良好，“二次杀伤效应”小，材料的挠曲性也好，所以不但具有优良的防弹性能和较大的防护范围，而且具有良好的制作工艺性，能够使防弹装甲的质量大大减轻，有很高的机动性和灵活性。
超高分子量聚乙烯纤维，是一种由平均相对分子质量在100万以上的聚乙烯纺制而成的纤维，是继碳纤维和芳纶纤维之后出现的又一种高强度、高模量的高性能纤维。它具有密度小的特点和高度取向的分子结构，是目前投入使用的防弹吸能性能最为优异的纤维材料。因此，超高分子量聚乙烯纤维是制作防弹复合材料的极佳材料。但因该聚乙烯纤维存在熔点低和高温环境下与树脂粘接性能差等缺陷，限制了它的应用。特别是作为防弹装甲材料，不可避免会面临高温炙烤环境，甚至火灾，而在这种情况下，优良的防弹能力对战斗单元的生命力和战斗力更有价值。因此，使超高分子量聚乙烯纤维在高温环境下发挥优异的防护性能具有重要意义。
目前，已有大量学者进行试验，研究了超高分子量聚乙烯纤维的改性处理，力求提高超高分子量聚乙烯纤维的使用温度，但收效甚微。现有的纤维织物复合材料板和聚乙烯无纬布防弹板生产技术，整个压制加工过程是在一台模具上完成。该过程需要对这台模具反复多次的加热升温、冷却降温，不但会带来巨大的能量损耗，造成加工成本较高；并且反复的升温、降温需要很长的时间来完成，造成生产周期长，生产效率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种聚乙烯复合防弹板及其制备方法，能够得到耐热及阻燃性能优良的聚乙烯复合防弹板，并且能够降低生产成本，提高生产效率。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：
一方面，提供一种聚乙烯复合防弹板的制备方法，包括以下步骤：
(a)将两层以上浸渍阻燃环氧树脂的阻燃纤维织物叠合在热压成型模具上，在120-140℃的温度下施加8-10Mpa的压力，保温保压15-25分钟；
(b)将所述两层以上纤维织物从所述热压成型模具中取出放入冷压成型模具中，施加8-10MPa的压力5-10分钟，得到阻燃层；
(c)选取预设厚度的聚氨酯泡沫板制作隔热层；
(d)将两层以上聚乙烯无纬布叠合在热压成型模具上，在125-135℃的温度下施加20-25Mpa的压力，保温保压15-25分钟；
(e)将所述两层以上聚乙烯无纬布从所述热压成型模具中取出放入冷压成型模具中，施加20-25MPa的压力5-10分钟，得到防弹芯层；
(f)将所述阻燃层、隔热层和防弹芯层粘合在一起，得到聚乙烯复合防弹板。
本发明实施例还提供了一种以上述方法制备的聚乙烯复合防弹板，包括：
由两层以上阻燃浸渍环氧树脂的阻燃纤维织物叠合组成的阻燃层；
由两层以上聚乙烯无纬布叠合组成的防弹芯层；
粘接在所述阻燃层和所述防弹芯层之间、由预设厚度的聚氨酯泡沫板组成的隔热层。
进一步地，所述纤维织物为玄武岩纤维织物、玻璃纤维织物、碳纤维织物和陶瓷纤维织物中的至少一种。
优选地，所述纤维织物为玄武岩纤维织物。
进一步地，所述纤维织物的编织方式为单向、平纹、斜纹、缎纹、三维机织、或三维编织。
优选地，所述纤维织物的编织方式为平纹。
进一步地，所述纤维织物的树脂含量为25-35％。
优选地，所述纤维织物的树脂含量为28％。
进一步地，所述阻燃层的厚度为0.5-5mm。
优选地，所述阻燃层的厚度为1-3mm。
进一步地，所述隔热层的聚氨酯泡沫板可以为软质或者硬质。
优选地，所述聚氨酯泡沫板为高阻燃性硬质聚氨酯泡沫。
进一步地，所述防弹芯层包括强度至少为26cN/dtex、模量至少为800cN/dtex的聚乙烯纤维。
优选地，所述防弹芯层包括强度至少为30cN/dtex、模量至少为1200cN/dtex的聚乙烯纤维。
进一步地，所述防弹芯层中聚乙烯纤维的重量百分比为75％-90％。
优选地，所述防弹芯层中聚乙烯纤维的重量百分比为80％-85％。
进一步地，所述防弹芯层也可为聚乙烯陶瓷复合防弹板。
进一步地，所述阻燃层、隔热层和防弹芯层为利用常温固化的耐高温胶粘剂粘合在一起。
本发明的实施例具有以下有益效果：
上述方案中，为了使聚乙烯无纬布防弹板在面临高温环境时，还能够表现出优异的防弹性能，在聚乙烯无纬布防弹板表面粘接隔热性能好、热稳定性好和表面粘接性好的聚氨酯泡沫；另外为了使聚氨酯泡沫板不暴露在空气中，不直接与火焰发生接触，在聚氨酯泡沫板表面粘接阻燃、隔热性好、具有一定防弹能力的耐高温阻燃纤维织物。本发明的聚乙烯复合防弹板不仅具有防弹能力，而且具有环境防护能力，能经受高低温、热循环和潮湿而不降低防弹能力。此外，本发明聚乙烯复合防弹板的防弹芯层采用聚乙烯无纬布，使得防弹芯层重量更轻，具有很好的机动性和灵活性；本发明利用隔热层、阻燃层制作夹芯式结构，使聚乙烯复合防弹板在提高使用温度和阻燃性能的同时，具有较高的防弹吸能特性；本发明的聚乙烯复合防弹板，由于前置由耐高温阻燃纤维织物组成的阻燃层和由聚氨酯泡沫板组成的隔热层，使聚乙烯纤维表面在开始受到侵彻时，不会直接与高温弹体接触，从而避免表面纤维发生熔断现象。
本发明的聚乙烯复合防弹板的制备过程中分别使用热压成型模具和冷压成型模具，能够缩短生产周期，提高生产效率；并且解决了现有技术需要对模具反复升温降温带来的能耗问题，减少了能耗，降低了加工成本。
附图说明
图1为本发明实施例的聚乙烯复合防弹板的结构示意图；
图2为本发明实施例的聚乙烯复合防弹板的另一结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明的实施例针对现有技术中制作纤维织物复合材料板和聚乙烯无纬布防弹板生产技术时加工成本较高，并且生产周期长，生产效率低的问题，提供一种聚乙烯复合防弹板及其制备方法，能够得到耐热及阻燃性能优良的聚乙烯复合防弹板，并且能够降低生产成本，提高生产效率。
本发明实施例的聚乙烯复合防弹板的制备方法，包括以下步骤：
(a)将两层以上浸渍阻燃环氧树脂的阻燃纤维织物叠合在热压成型模具上，在120-140℃的温度下施加8-10Mpa的压力，保温保压15-25分钟；
(b)将两层以上纤维织物从热压成型模具中取出放入冷压成型模具中，施加8-10MPa的压力5-10分钟，得到阻燃层；
(c)选取预设厚度的聚氨酯泡沫板制作隔热层；
(d)将两层以上聚乙烯无纬布叠合在热压成型模具上，在125-135℃的温度下施加20-25Mpa的压力，保温保压15-25分钟；
(e)将两层以上聚乙烯无纬布从热压成型模具中取出放入冷压成型模具中，施加20-25MPa的压力5-10分钟，得到防弹芯层；
(f)将阻燃层、隔热层和防弹芯层粘合在一起，得到聚乙烯复合防弹板。
其中，所用环氧树脂为高性能的阻燃材料，纤维织物在浸渍环氧树脂后成为耐高温阻燃纤维织物。
本发明在制作隔热层时，可以根据应用环境、应用条件及需要达到的隔热效果来设计聚氨酯泡沫板的厚度。
本发明在制备聚乙烯复合防弹板时，为了使聚乙烯无纬布防弹板在面临高温环境时，还能够表现出优异的防弹性能，在聚乙烯无纬布防弹板表面粘接隔热性能好、热稳定性好和表面粘接性好的聚氨酯泡沫；另外为了使聚氨酯泡沫板不暴露在空气中，不直接与火焰发生接触，在聚氨酯泡沫板表面粘接阻燃、隔热性好、具有一定防弹能力的耐高温阻燃纤维织物。本发明制备出的聚乙烯复合防弹板不仅具有防弹能力，而且具有环境防护能力，能经受高低温、热循环和潮湿而不降低防弹能力。本发明的聚乙烯复合防弹板的制备过程中分别使用热压成型模具和冷压成型模具，能够缩短生产周期，使生产效率至少提高一倍；并且解决了现有技术需要对模具反复升温降温带来的能耗问题，减少了能耗，降低了加工成本。
图1为本发明实施例的聚乙烯复合防弹板的结构示意图，如图1所示，本实施例包括：
由两层以上浸渍阻燃环氧树脂的阻燃纤维织物叠合组成的阻燃层1；
由两层以上聚乙烯无纬布叠合组成的防弹芯层3；
粘接在阻燃层1和防弹芯层3之间、由预设厚度的聚氨酯泡沫板组成的隔热层2。
其中，阻燃层1、隔热层2和防弹芯层3利用特种胶粘剂粘合在一起，该特种胶粘剂为常温固化的耐高温胶粘剂。
如图1所示，防弹芯层3包裹在隔热层2中间，隔热层2包裹在阻燃层1中间，形成夹芯式结构，这种夹芯式结构可以应用在纤维增强复合材料非金属防弹头盔上。进一步地，如图2所示，隔热层2和阻燃层1还可以仅位于防弹芯层3的一面。
其中，所用环氧树脂为高性能的阻燃材料，纤维织物在浸渍环氧树脂后成为耐高温阻燃纤维织物。纤维织物为玄武岩纤维织物、玻璃纤维织物、碳纤维织物和陶瓷纤维织物中的至少一种，优选地，纤维织物为玄武岩纤维织物；纤维织物的编织方式为单向、平纹、斜纹、缎纹、三维机织、或三维编织，优选地，纤维织物的编织方式为平纹。在浸渍环氧树脂后，纤维织物的树脂含量为25-35％，优选地，纤维织物的树脂含量为28％。纤维织物的面密度优选为150-400g/m2。
其中，阻燃层1的厚度可以为0.5-5mm，优选地，阻燃层1的厚度为1-3mm。
隔热层2的聚氨酯泡沫板可以为软质或者硬质，优选地，聚氨酯泡沫板为高阻燃性硬质聚氨酯泡沫。
进一步地，防弹芯层3包括强度至少为26cN/dtex、模量至少为800cN/dtex的聚乙烯纤维，优选地，防弹芯层3包括强度至少为30cN/dtex、模量至少为1200cN/dtex的聚乙烯纤维。进一步地，防弹芯层3中聚乙烯纤维的重量百分比为75％-90％，优选地，防弹芯层3中聚乙烯纤维的重量百分比为80％-85％。进一步地，防弹芯层3也可以为聚乙烯陶瓷复合防弹板。
本发明的耐热及阻燃性能优良的聚乙烯复合防弹板可以作为防弹车辆装甲板、人体防护插板、防弹盾牌、防弹柜台、军用方舱材料使用。同时，本发明的这种夹芯式结构还可以应用在防弹头盔上。
本发明的聚乙烯复合防弹板不仅具有防弹能力，而且具有环境防护能力，能经受高低温、热循环和潮湿而不降低防弹能力。此外，本发明聚乙烯复合防弹板的防弹芯层采用聚乙烯无纬布，使得防弹芯层重量更轻，具有很好的机动性和灵活性；本发明利用隔热层、阻燃层制作夹芯式结构，使聚乙烯复合防弹板在提高使用温度和阻燃性能的同时，具有较高的防弹吸能特性；本发明的聚乙烯复合防弹板，由于前置由耐高温阻燃纤维织物组成的阻燃层和由聚氨酯泡沫板组成的隔热层，使聚乙烯纤维表面在开始受到侵彻时，不会直接与高温弹体接触，从而避免表面纤维发生熔断现象。
下面结合具体的实施例对本发明的聚乙烯复合防弹板的制备方法进行进一步介绍。
实施例1：
将10层浸渍高性能阻燃环氧树脂的玄武岩纤维织物叠合在热压模具上，温度升高至130℃，成型压力为8Mpa，保温保压15分钟；之后将玄武岩纤维织物取出迅速放入冷压模具中，压力为8MPa，保持5分钟，开模得到玄武岩纤维复合材料板阻燃层1；选取厚度为20mm的高阻燃性硬质聚氨酯泡沫板，得到隔热层2；将286层孚聚乙烯无纬布正交叠合在热压模具上，温度升高至125℃，成型压力为20Mpa，保温保压15分钟；取出聚乙烯无纬布迅速放入冷压模具中，压力为20MPa，保持5分钟，开模得到防弹芯层3；将上述的阻燃层1、隔热层2、防弹芯层3通过特种胶粘剂粘合在一起，得到耐热及阻燃性能优良的聚乙烯复合防弹板。
采用上述方法制作耐热及阻燃性能优良的聚乙烯复合防弹板2块，编号分别为A，B。
将防弹板A在温度100℃的条件下处理2小时，利用14.7mm弹道枪发射的10g破片模拟弹，分别对高温处理后的防弹板A与未经高温处理的防弹板B进行弹道测试，经测试发现防弹板A、B的V50值相当。因此可以看出，本实施例制备的聚乙烯复合防弹板具有优良的耐热性能。
实施例2：
将5层浸渍高性能阻燃环氧树脂的玄武岩纤维织物叠合在热压模具上，温度升高至130℃，成型压力为8Mpa，保温保压15分钟，取出玄武岩纤维织物迅速放入冷压模具中，压力为8MPa，保持5分钟，开模得到玄武岩纤维复合材料板阻燃层1；选取厚度为25mm的高阻燃性硬质聚氨酯泡沫板，得到隔热层2；将267层孚聚乙烯无纬布正交叠合在热压模具上，温度升高至125℃，成型压力为20Mpa，保温保压15分钟，取出迅速放入冷压模具中，压力为20MPa，保持5分钟，开模得到防弹芯层3；将上述的阻燃层1、隔热层2、防弹芯层3通过特种胶粘剂粘合在一起，并在隔热层2与防弹芯层3之间夹上测温热电偶。得到耐热及阻燃性能优良的聚乙烯复合防弹板。
采用上述方法制作耐热及阻燃性能优良的聚乙烯复合防弹板2块，编号分别为C，D。
将防弹板C按照GB/T 2812-2006进行阻燃性能测试，测试结果满足GB2811-89中9.2.2的阻燃性能要求，说明本实施例制备的聚乙烯复合防弹板具有很好的阻燃性能。
将防弹板D用140℃水蒸气熏蒸洗消1小时后，测试隔热板2和防弹芯层3之间的温度，测试温度为61℃，远低于超高分子量聚乙烯纤维强度发生明显下降的温度80℃。通过傅立叶(Fourier)导热定律推算的理论温度值与实际测试温度基本吻合，说明本实施例制备的聚乙烯复合防弹板具有很好的隔热性能。
综上所述，本发明制备出的聚乙烯复合防弹板具有很好的阻燃、隔热性能，使得超高分子量聚乙烯纤维防弹芯层在面临火灾、高温环境时还能表现出优良的防弹性能。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种聚乙烯复合防弹板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)将两层以上浸渍阻燃环氧树脂的阻燃纤维织物叠合在热压成型模具上，在120-140℃的温度下施加8-10Mpa的压力，保温保压15-25分钟；
(b)将所述两层以上纤维织物从所述热压成型模具中取出放入冷压成型模具中，施加8-10MPa的压力5-10分钟，得到阻燃层；
(c)选取预设厚度的聚氨酯泡沫板制作隔热层；
(d)将两层以上聚乙烯无纬布叠合在热压成型模具上，在125-135℃的温度下施加20-25Mpa的压力，保温保压15-25分钟；
(e)将所述两层以上聚乙烯无纬布从所述热压成型模具中取出放入冷压成型模具中，施加20-25MPa的压力5-10分钟，得到防弹芯层；
(f)将所述阻燃层、隔热层和防弹芯层粘合在一起，得到聚乙烯复合防弹板。
2.一种以权利要求1所述的方法制备的聚乙烯复合防弹板，其特征在于，包括：
由两层以上浸渍阻燃环氧树脂的阻燃纤维织物叠合组成的阻燃层；
由两层以上聚乙烯无纬布叠合组成的防弹芯层；
粘接在所述阻燃层和所述防弹芯层之间、由预设厚度的聚氨酯泡沫板组成的隔热层。
3.根据权利要求2所述的聚乙烯复合防弹板，其特征在于，所述纤维织物为玄武岩纤维织物、玻璃纤维织物、碳纤维织物和陶瓷纤维织物中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的聚乙烯复合防弹板，其特征在于，所述纤维织物的编织方式为单向、平纹、斜纹、缎纹、三维机织、或三维编织。
5.根据权利要求4所述的聚乙烯复合防弹板，其特征在于，所述纤维织物的树脂含量为25-35％。
6.根据权利要求5所述的聚乙烯复合防弹板，其特征在于，所述阻燃层的厚度为0.5-5mm。
7.根据权利要求2所述的聚乙烯复合防弹板，其特征在于，所述防弹芯层包括强度至少为26cN/dtex、模量至少为800cN/dtex的聚乙烯纤维。
8.根据权利要求7所述的聚乙烯复合防弹板，其特征在于，所述防弹芯层中聚乙烯纤维的重量百分比为75％-90％。
9.根据权利要求8所述的聚乙烯复合防弹板，其特征在于，所述防弹芯层为聚乙烯陶瓷复合防弹板。
10.根据权利要求2所述的聚乙烯复合防弹板，其特征在于，所述阻燃层、隔热层和防弹芯层为利用常温固化的耐高温胶粘剂粘合在一起。
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