CN102529196B - 一种芳纶纤维预浸料及层叠复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种芳纶纤维预浸料及层叠复合材料的制备方法，将多根芳纶束纤维从纱架上导出后，通过均匀铺展、平行排列、与下层的背衬纸以胶粘剂粘合而得到预浸料，经过加热烘干与冷却装置后，将预浸料收取在收料轴上，再将多层预浸料进行角度层叠复合制得复合材料，作为软质防弹衣的芯片材料。该制备方法根据要求能形成不同幅宽的预浸料，从而提高了产品的灵活性与实用性，可以根据版型来制定出合适省料的幅宽，提高了原材料的利用率；其关键是采用了一种新颖特殊的胶粘剂配方和配比及相关的工艺来完成的，从而对层叠复合工艺要求大大简化，提高了生产效率；纤维单取向均匀铺开无缝隙中的张力调节与控制也是本工艺的特色。
Description
技术领域
本发明属高分子复合材料制备领域，特别是涉及到一种芳纶纤维预浸料及层叠复合材料的制备方法。
背景技术
采用高性能的芳纶纤维作为预浸料的原材料，主要应用在防弹防刺等个体防护材料上，由于此类产品涉及到人身的安全，因此产品的稳定可靠性至关重要，由芳纶纤维单取向预浸料经角度层叠复合而成的叠合复合材料是一种特种复合材料，它是由芳纶纤维通过均匀铺展形成连续无缝隙的带状后经过上胶、干燥、冷却等形成单取向的预浸料，再由预浸料进行2层、4层层叠复合形成防弹或者防刺的芯片材料。
芳纶预浸料被广泛应用在软质防弹衣上，主要原因有：在预浸料的制造过程中，纤维材料已被充分展开，纤维被固定住，且纤维之间没有相互的交错点，在受到弹丸的冲击作用时，有利于能量的分散和应力波的传递，可以有更多的纤维参与能量的耗散，能量可以在较大的面积上得到吸收；其它织物形态纤维存在一定的屈曲和束缚，并且编织过程会产生一定的纤维强度损伤，从而使得能量吸收面积减小，能量吸收效率降低，无法发挥出芳纶纤维的高吸能的特性。
美国专利US4916000、US5149391，中国专利03109121.0、03158881.6和200710047455.9，公开了几种制作方法，这些专利中描述的制作方法，主要缺陷有以下：(1)制作小幅宽产品纤维数少，影响生产效率；大幅宽的纤维束数多，张力大，导致对机械零部件强度和韧性要求高；(2)张力不能有效均匀控制；(3)胶粘剂大多数采用的是溶剂型的，给车间环境和环保造成影响；(4)上胶环节采用的是刮刀方式或者是喷雾方式，其中刮刀方式中的刮刀会对纤维有一定的损伤，影响了纤维的强度；喷雾方式会对车间环境产生一定的影响，对操作人员的健康有一定的损害；(5)0/90°复合时，由于未采用新型热熔成分的胶粘剂体系，层叠复合时须添加胶粘剂，使得工艺复杂化，影响了生产效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种芳纶纤维预浸料及层叠复合材料的制备方法，该方法能克服上述缺陷，并且能实现稳定连续化生产。
为实现上述目的，本发明的制备方法步骤为：
(1)、纤维束从纱架上导出后，经过伸缩筘，对纤维进行初次定位和均匀铺开；
(2)、经过初次铺开的纤维束通过张力施加辊，使纤维束具有均匀一致的张力而使之均匀铺展开；
(3)、将展平的纤维平铺在上胶装置上进行上胶；
(4)、将上过胶的平铺纤维层与下层背衬纸复合后于90-180℃进行干燥定型；
(5)、然后经过水冷迅速冷却，再次定型后进行收卷，即得到芳纶纤维单取向预浸料。
(6)、将芳纶单向预浸料进行层叠复合，可以形成2层、4层甚至更多层结构的复合材料。
所述步骤(1)中的张力施加辊通过一对或者多对压辊进行张力施加，张力≤0.6g/D。
所述步骤(3)中的上胶装置采用的是光辊上胶方式，并且上胶量的调整可以通过上胶辊的主动速度来控制。
所述步骤(6)中进行多层层叠复合过程中，热压定型的压辊压力7.5～18MPa。
所述步骤(6)中进行多层层叠复合过程中，背衬纸进行回收。
所述的胶粘剂是EVA与丙烯酸酯类、聚氨酯类、聚烯烃类水性中的一种或多种复合，其中EVA：其它胶粘剂＝40∶60～20∶80(质量比)，上胶浓度为20％～60％。
所述的预浸料/胶粘剂固含量重量比是90∶10～75∶25。
本发明中的张力施加辊，其作用和原理是当几百束丝束平行进入同一水平线的伸缩筘时，采用两对压辊进行张力施加，通过控制两对压辊的速度差来调整纤维束所受张力大小，其中每对压辊中的下压辊采用磁粉控制器，可以有效均匀地控制张力。在现有的技术中，多数采用的是通过施加高压静电使得丝束展开，此方法电压高，对实际操作要求高，危险性大，安全系数低；采用摩擦静电的方法既产生了机械摩擦，损伤了纤维的强度，又使得摩擦产生的静电不均匀，导致丝束展开不均匀。
本发明中上胶装置采用的是光辊上胶方式，通过上胶辊的转速大小和浸入胶槽液面的高低来调整上胶量的大小，有效控制上胶量，确保上胶均匀。采用此种上胶方式，胶液对铺展开的纤维浸润很充分，在纵向运动张力的牵引下，使得纤维正反面胶粘得平整与均匀，有利于提高产品的稳定一致性。
本发明中所用的胶粘剂是水性胶粘剂和热熔胶粘剂的混合，属于新型的自配水性热熔胶粘剂，应用此种胶粘剂使得制备的单向布具有热熔特性，进行层叠复合时，复合时中间层不需胶粘剂，只需要对两个单向布在复合平台上进行加热加压，就能实现，简化了复合工艺，节约了成本，提高了生产效率。
本发明的优点：可以根据版型尺寸，定型产品的幅宽大小，有效提高产品的利用率，减小产品的浪费，节省原料；载体料背衬纸能进行回收，可以重复利用；采用新型的胶粘剂体系，大大简化了层叠复合工艺，大大提高了生产效率；采用特殊的上胶方式，保证上胶量均匀一致；采用对辊速度差的方式来调整和控制纤维束所受张力大小，保证纤维所受的张力均匀一致。
附图说明
图1是本发明工艺流程图。
图2是预浸料的横截面示意图。
图3是两层预浸料以0/90°层叠复合后横截面示意图。
1是筒子架，2是伸缩筘，3、4是二组张力控制棍，5是胶槽，6是上胶辊，7、9是两组夹送辊，8是加热烘干装置，10是背纸放卷辊，11是输送辊，12是水冷辊，13是收卷轴
下面结合图1说明本发明提供的方法
具体实施方式
如图1所示，将多根纤维从纱架1上导出后，利用伸缩筘2将纤维平行排列，纤维之间的间隔均匀一致，进行纤维的初步定位，纤维束依次经过对辊3和4，这两组对辊有一定的速度差，从而对幅面上的纤维产生均匀一致的张力，使得纤维均匀开，胶槽5中的胶液通过上胶辊6的旋转均匀地浸润纤维束，上过胶液的纤维与背衬纸放卷辊10放出的背衬纸经过输送辊11后在夹送对辊7进行复合，上过胶液的纤维束就平铺在背衬纸，经过热风烘干装置8，经过夹送辊9后，最后经过一组水冷辊12，将芳纶预浸料收在收卷辊13上。
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但本发明不受实施条件的限制。依照本发明公开的内容，本领域的技术人员基本能实现本发明，本发明给出的条件有一定的范围，只要在该范围内均能实现同样的效果。因此选择一个实施例进行详细说明。
本发明实施例中采用的防弹性能测试，按照美国司法部NIJ0101.06标准中NIJIIIA级进行测试，旨在测试采用本发明的芳纶纤维预浸料制备的无纬布制成防弹衣的抗弹性能。
本发明实施例中采用的主要原料如下：
芳纶纤维，荷兰阿克苏公司，牌号twaron-2000，线密度1680dtex，纤维直径9～12μm；
EVA热熔胶粉，温州华特热熔胶有限公司，牌号HT-E28，粉状；
聚氨酯胶粘剂，温州寰宇高分子有限公司，牌号UR303GNP，固含量为60％；
丙烯酸酯胶粘剂，泰兴市中纺助剂厂，牌号ZF-101，固含量为50％；
背衬纸，上海优特纸塑制品有限公司，型号UTP-8158，克重90g/m2
实施例1
如图1所示，将660只纱筒纤维束从纱架1上导出后，利用伸缩筘2将纤维平行排列，纤维之间的间隔均匀一致，进行纤维的初步定位，纤维束依次经过对辊3和4，这两组对辊有一定的速度差，从而对幅面上的纤维产生均匀一致的张力，使得纤维均匀开，胶槽5中的胶液通过上胶辊6的旋转均匀地浸润纤维束，本实施例中的胶粘剂是按照EVA∶ZF-101＝40∶60(质量比)，并将50％ZF-101型丙烯酸酯胶粘剂固含量调配至20％；上过胶液的纤维与背衬纸放卷辊10放出的背衬纸经过输送辊11后在夹送对辊7进行复合，上过胶液的纤维束就平铺在背衬纸，经过热风烘干装置8在150℃进行干燥定型后，经过夹送辊9，最后经过一组水冷辊12，将芳纶预浸料收取在收卷辊13上。
将芳纶单向预浸料按0/90°进行层叠复合，热压定型的压辊压力7.5～18Mpa，可以形成2层的正交复合布样，复合布样是以背衬纸揭下的形态存在的，制得面密度约为200g/m2层叠复合材料。
将正交层叠复合材料布样裁剪成400mm×400mm正方形布样，并将28片400mm×400mm正方形层叠布样摞在一起，用胶带进行井字形粘结。之后将PC板(400mm)用同样的方法粘结在粘好的布样上，制成靶片。按美国司法部NIJ0101.06中IIIA级标准进行测试，测得此层叠复合材料的V50＝590m/s
实施例2
与实施例1不同之处有：实施例1中的丙烯酸酯胶粘剂的固含量调至改为50％，并且按照EVA∶ZF-101＝20∶80(质量比)，其余条件与实施例1相同。测得此层叠复合材料的V50＝565m/s
实施例3
与实施例1不同之处有：实施例1中的丙烯酸酯胶粘剂改为聚氨酯胶粘剂，其余条件与实施例1相同。测得此层叠复合材料的V50＝565m/s。
Claims (9)
1.一种芳纶纤维预浸料的制备方法，其特征在于：
预浸料的制备是采用以下工艺进行的：
(1)、纤维束从纱架上导出后，经过伸缩筘，对纤维进行初次定位和均匀铺开；
(2)、经过初次铺开的纤维束通过张力施加辊，在每对压辊中的下压辊采用磁粉控制器有效均匀地控制张力，使纤维束具有均匀一致的张力而使之均匀铺展开；
(3)、将展平的纤维平铺在装有胶粘剂的上胶装置上进行上胶；
(4)、将上过胶的平铺纤维层与下层背衬纸复合后于90-180℃进行干燥；
(5)、然后经过水冷迅速冷却，再次定型后进行收卷，即得到芳纶纤维单取向预浸料。
2.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维预浸料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的张力施加辊通过多对对压辊进行张力施加，张力≤0.6g/D。
3.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维预浸料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的胶粘剂是EVA与丙烯酸酯类、聚氨酯类、聚烯烃类中水性胶粘剂的一种或多种复合，其中EVA∶其它胶粘剂＝40∶60～20∶80(质量比)，上胶浓度为20％～60％。
4.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维预浸料的制备方法，其特征在于：所述的预浸料/胶粘剂固含量重量比是90∶10～75∶25。
5.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维预浸料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的上胶装置采用的是光辊上胶方式，并且上胶量的调整是通过上胶辊的主动速度来控制。
6.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维预浸料的制备方法，其特征在于：层叠复合热压定型的压辊压力为7.5～18MPa。
7.一种芳纶纤维层叠复合材料的制备方法，其特征在于：将权利要求1所述制备的芳纶单取向预浸料进行层叠复合，形成2层、4层甚至更多层结构的复合材料。
8.根据权利要求7所述的一种芳纶纤维层叠复合材料的制备方法，其特征在于：所述芳纶单取向预浸料是采用权利要求1所述的步骤(5)中制得的芳纶单取向预浸料，将两层单取向预浸料按0/90°复合或者45°/45°复合，形成两层、四层甚至多层复合材料。
9.根据权利要求7所述的一种芳纶纤维层叠复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法中进行多层层叠复合过程中，背衬纸进行回收。
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