CN103478988A - 一种特殊复合材料结构的安全防护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特殊复合材料结构的安全防护装置，所述安全防护装置是由多层叠加形成的预制品热压复合得到，所述的预制品包括至少4层基底层和至少1层加强层，每层基底层呈半圆形或类半圆形或T形或类T形，并且当基底层呈半圆形或类半圆形时具有放射状裁切口，所述的基底层至少包括两种结构形式，基底层的面积按照叠加顺序梯度减小，所述的加强层的面积均小于最小的基底层的面积，所述的加强层位于基底层之间或者预制品的表面；所述的基底层或加强层是通过在连续纤维或纤维织布上均匀涂覆热固性树脂物料而获得，所述的热固性树脂物料包括热固性树脂、固化剂、促进剂和增韧剂但不含溶剂。本发明的安全防护装置具有很强的力学性能且重量轻便。

Description

一种特殊复合材料结构的安全防护装置

一、技术领域

本发明涉及一种特殊复合材料结构的安全防护装置，特别涉及劳保鞋、安全鞋、安全帽。 

二、背景技术

我国每年发生的各类安全事众多，其中有36%的工业事故是由于踩踏物件或遭重物砸伤引起的，结果往往导致足部或头部受伤，甚至残疾。因此生产出具有优异性能的安全鞋或安全帽对于广大的劳工是极其重要的。 

市售的安全防护装置一般分为三种，即金属制、树脂制、复合材料制。下面以安全鞋头的制作材料及制作方法为例来说明现有安全防护装置存在的一些问题。金属制鞋头一般指的就是在国内应用较多的钢制鞋头，这种鞋头虽然可以防止重物砸伤，但由于其鞋头太厚、重量较重，使穿者行动不便导致足部容易疲劳。同时，钢制鞋头不能通过机场、火车站的磁场检测，影响人们的出行。后来也有人开发出钛合金制鞋头，其优点是强度高、比重轻，但由于其价格昂贵不适宜一般劳保鞋的制作。基于以上钢制鞋头的缺点，目前已经开发出树脂制鞋头、纤维增强热塑和热固性树脂的复合材料鞋头。树脂制鞋头和纤维增强热塑性树脂制的安全鞋头，虽然工艺较为简单，但难以满足更高安全标准的要求，应用范围较窄。现在市面上以纤维/热固性树脂复合材料制的安全鞋头应用较为广泛，但也存在着一定的不足之处。现有工艺中采用浸渍的方法即将纤维织布置于热固性树脂的溶液中，常需添加一些有毒溶剂（如甲苯、丙酮等）以降低树脂粘度，而且还需要对浸渍过的纤维织布进行烘干，整个工作车间充满了挥发性气体，难闻且有毒，严重伤害了工人们的身体健康，这样就造成工艺复杂和工作环境恶劣，并且存在一定的安全隐患，还无形中增加了能耗。另外这种鞋头虽然相对于钢制鞋头质量较轻，但由于其结构设计简单，仍然较重。 

三、发明内容

鉴于现有方法中所存在的缺点和缺陷，本发明人的目的是提供一种具有很强的力学性能 且重量轻便的安全防护装置，其制备方法简单、高效。 

为实现上述目的，可通过以下方案构成： 

一种安全防护装置，所述安全防护装置是由多层叠加形成的预制品热压复合得到，所述的预制品包括至少4层基底层和至少1层加强层，每层基底层呈半圆形或类半圆形或T形或类T形，并且当基底层呈半圆形或类半圆形时具有放射状裁切口，所述的基底层至少包括两种结构形式，基底层的面积按照叠加顺序梯度减小，所述的加强层的面积均小于最小的基底层的面积，所述的加强层位于基底层之间或者预制品的表面；所述的基底层或加强层是通过在连续纤维或纤维织布上均匀涂覆热固性树脂物料而获得，所述的热固性树脂物料包括热固性树脂、固化剂、促进剂和增韧剂但不含溶剂，其中热固性树脂、固化剂、促进剂和增韧剂的质量比为1：0.4～1.2：0.005～0.05：0.03～0.5。 

本发明的安全防护装置可以是安全鞋头、安全帽等，本领域技术人员可以根据安全防护装置所需要的形状对基底层进行裁剪。 

进一步，所述的预制品还可以包括至少一层补强层，每层补强层位于预制品的内表面或外表面或中间某一层，所述的补强层是通过在连续纤维或纤维织布或薄膜上均匀涂覆热固性树脂物料而获得，所述的热固性树脂物料包括热固性树脂、固化剂、促进剂和增韧剂但不含溶剂，其中热固性树脂、固化剂、促进剂和增韧剂的质量比为1：0.4～1.2：0.005～0.05：0.03～0.5。所述的补强层的形状和大小不限，补强层的加入可以对安全防护装置的某些区域起到补强作用。优选补强层位于预制品的外表面。 

本发明中，基底层和加强层以一定的顺序叠加，其中基底层的面积按照叠加顺序梯度减小，所述的“梯度”可以是一层基底层（即每层基底层的面积都不同，按照由大到小的顺序叠加），也可以是几层基底层（即若干层同一面积的基底层叠加成为基底层组，不同面积的基底层或基底层组按照面积由大到小的顺序叠加）。一般基底层有4-20层，增强层有1-20层。叠加方式可以包括1层基底层+2层加强层、2层基底层+3层增强层等，总层数在5-40层不等。优选的，基底层的层数在8～15层，加强层的层数在4～8层。另外可以在预制品内外表面 各增加一层补强层或在预制品中间某一层或某两层或某三层增加补强层。这样的结构不仅可以防止褶皱的产生，而且能够对产品某些区域起到补强作用，以此来增强防护装置的机械强度。相同强度下，可以减少防护装置厚度、减轻重量、降低成本。 

本发明中，所述的连续纤维可以是、但不局限于玻璃纤维、碳纤维、植物纤维、合成纤维（例如聚酯纤维，聚酰胺纤维，聚丙烯腈纤维等）中的一种或几种，所述的连续纤维在使用时可根据需要造型，比如团成一团再涂覆热固性树脂物料。所述的纤维织布可以、但不局限于由玻璃纤维、碳纤维、植物纤维、合成纤维（例如聚酯纤维，聚酰胺纤维，聚丙烯腈纤维等）中的一种或几种制成，其可以是不同经线、纬线大小的纤维织布，优选在叠层时使用不同经线、纬线大小的纤维织布的组合，即在叠层时相邻两层采用经线、纬线大小不同的纤维织布，比如某一层采用某一种经线、纬线大小的纤维织布，内外表面采用另一种经线、纬线大小的纤维织布，或在叠层时使用某两种、某三种不同经线、纬线大小的纤维织布的交叉使用；同时，优选在叠层时使得相邻两层的经线方向不同。所述的薄膜可以是聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚酯薄膜中的一种或几种。进一步，本发明优选使用纤维织布、尤其是不同经纬线大小的纤维织布的组合来制备所述的基底层和加强层；优选使用合成纤维织布来制备所述的补强层。 

本发明中，所述的热固性树脂物料包括热固性树脂、固化剂、促进剂和增韧剂但不含溶剂，所述的热固性树脂可以是环氧树脂、酚醛树脂、不饱和树脂等。所述的固化剂可以是脂肪胺类、酸酐类、芳香胺类固化剂中的一种或几种。所述的促进剂可以是叔胺类、季胺盐类、咪唑类促进剂中的一种或几种。所述的增韧剂可以是端羧基丁腈橡胶、端氨基丁腈橡胶、端羟基丁腈橡胶中的一种或几种。所述的热固性树脂物料中还可以包括内脱模剂（例如硬脂酸类内脱模剂）、抗老化剂（例如抗氧剂V76-P等）、流动助剂（例如有机硅类流动助剂）、消泡剂（例如陶氏化学消泡剂类）等助剂，其中内脱模剂的含量可在0.1%～20%，抗老化剂的含量可在0.1%～20%，流动助剂的含量可在0.1%～20%，消泡剂的含量可在0.1%～20%。 

进一步，本发明优选采用连续施胶的工艺将热固性树脂物料均匀涂覆到连续纤维或纤维 织布或薄膜上，该连续施胶方法是使用辊涂技术在连续纤维或纤维织布或薄膜的表面连续施胶，使得连续纤维或纤维织布或薄膜能够均匀地涂覆有热固性树脂物料，并且可以通过调节辊来控制树脂物料在连续纤维或纤维织布或薄膜表面的厚度。辊可以使用双辊或三辊或多辊组合，在辊的压力下将树脂物料粘贴在纤维、纤维织布或薄膜上，从而实现连续化、自动化。 

本发明中，由多层叠加形成的预制品通过热压复合得到所述的安全防护装置，即将预制品置入模具中，在适当的压力、温度和时间下进行固化，脱模后经修整，得产品。所述的模具包括阳模和阴模，阴模下面有一顶杆帮助成形后样品脱模，该顶杆的形状与产品顶部的形状相吻合，例如鞋头的顶部具有一定弧度，故顶杆也设计成一定弧度与鞋头顶部弧度吻合，这样就可以方便的脱模，而且不对鞋头造成破坏。所述的固化温度优选为50～250℃，固化压力为5～100MPa，固化时间为2～30min。 

与现有技术相比，本发明的有益效果在于： 

（1）本发明制得的安全防护装置机械强度高，重量轻便，在相同强度下，可以减少防护用品厚度、减轻重量、降低成本。 

（2）本发明采用连续施胶工艺，相比于以往使用的手敷法或浸渍法，效率高，施胶厚度容易控制，而且由于不需要用到溶剂，具有绿色、环保的特点。 

（3）本发明对顶杆结构进行了改进，使得可以方便的脱模，而且不对产品造成破坏。 

四、附图说明：

图1为本发明安全鞋头的结构示意图，其中1代表顶部，2代表侧面，3代表底边； 

图2为一种特殊结构的安全鞋头制作方法的流程图； 

图3为本发明连续施胶涂布示意图； 

图4-7为本发明基底层纤维织布裁剪方式示意图； 

图8-10为本发明增强层纤维织布裁剪方式示意图； 

图11为本发明叠层预制示意图； 

图12为本发明模具示意图，其中4代表阳模，5代表阴模，6代表顶杆。 

图13为本发明的安全鞋头测试装置的示意图，其中7代表铁锤，8代表鞋头，9代表橡皮泥。 

五、具体实施方式

为了能进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明中关于安全鞋头及其制作的详细说明与附图，安全帽制作方法类似，可以根据实际需要进行改进，然而所附图和实施例仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。 

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7及图8，其中模具由一个阳模（4）和一个阴模（5）组成，阴模（5）的下面有一顶杆（6），顶杆（6）与鞋头接触的部分面积约400-900mm²，且此接触部分与鞋头的表面弧度一致。 

本发明一种安全鞋头的制造方法，包括： 

第一步涂覆：在连续施胶机上，对纤维织布、薄膜进行辊压连续施胶，并且可以通过调节辊来控制热固性树脂物料在纤维表面的厚度（0.1～5mm），实现在下面一步压制成形时没有树脂物料的流出，即最终产品的质量接近预制品的质量。 

第二步裁剪：对第一步中施胶过的纤维织布或薄膜，按照特定形状和大小进行裁切。大小取决于鞋码以及成型时纤维织布或薄膜所处的位置。形状如图4，基底层纤维可按照图4a、4b、4c、4d裁剪，所述形状的裁切可由切刀对纤维织布进行裁切。 

请参阅图4a、4b、4c是一基底层，呈半圆形或类半圆形，每块纤维布都以发射状剪切豁口；4d是另一基底层形状，呈T形或类T形；图5e、5f、5g为加强层，其形状为任意样；基体裁切时应注意使不同层的纤维布经线角度存在一定的变化。补强层可与基底层4a、4b、4c、4d样式一样。 

上述对纤维织布基底层固定形状的裁切方式，决定了整块纤维织布在切除这些固定形状后，剩下的是一些不规则形状的纤维织布，可用作没有形状限制的加强层，这样能够充分利用废料，减少浪费。 

上述纤维织布材料，可以是玻璃纤维布、碳纤维布、涤纶纤维布、芳纶纤维布、植物纤 维布等。 

上述薄膜可以是聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚酯薄膜等。 

上述热固性树脂，可以是环氧树脂、酚醛树脂、不饱和树脂等。 

第三步叠加预制成形：将裁切好的连续纤维布，按照大小进行一层一层的叠放，可放置1层基底层+2层增强层纤维织布或2层基底层+3层增强层纤维织布。一般基底层有4-20层，增强层有1-20层，一般共有5-40层，具体层数根据鞋头码数和叠加方式进行调整。补强层纤维可置于预制样的内外表面或中间某一层、某两层、某三层，一般有2-4层。 

上述的叠加方式应保持每个基底层之间对应边界大小的梯度，一般来说，鞋头外表面放置的纤维布应最大，往里逐渐减小，鞋头最里面即贴近脚背部分的纤维布应最小。 

上述的安全鞋头的相对于钢制鞋头的一个特征是质量较轻，所述的复合材料鞋头质量大约在50-52g，可以通过在叠层时的称量调节来实现，即根据经验在将数层基底层和纤维层叠加在一起后，称量预制品的质量，与所述质量（50～52g）比较，以此来增减层数。 

第四步压制成形：将上述叠层后预制鞋头样置入模具中，在适当的压力、温度和时间下进行固化，脱模后经修整，得产品。 

下面实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。 

安全鞋头的冲击试验是根据欧洲标准EN12568:2010，测试装置如图8所示，橡皮泥（9）位于鞋头帽下，高度为30mm，在重锤（7）施加能量水平为（200±4）J冲击后，鞋头（8）下的残留的橡皮泥（9）高度若不小于21mm，则产品是合格的。此外鞋头不得出现锋利的边缘或任何能穿过的物质裂缝（即光通过时可以被看出）。比较橡皮泥残留高度的大小可以看出鞋头的抗冲击能力大小，即如果残留高度越大，鞋头的抗冲击能力越好。 

实施例1 

称取环氧树脂（E-51）40g，固化剂（邻苯二甲酸酐）24g，促进剂（乙二胺）1.5g，增 韧剂（端羟基丁腈橡胶）5g，混合搅拌得到热固性树脂物料。将玻璃纤维织布（EWR300）按照基底层（2张4a，4张4b，2张4c，4张4d）、加强层（4张5e）的样式和数量裁剪，面积按照a＞b＞c＞d，e的面积相当于d面积的四分之一，然后将环氧树脂物料涂覆在玻璃纤维织布上，涂胶厚度约1mm，按照4a（2张）→4b（4张）→5e（2张）→4c（2张）→4d（4张）→5e（2张）的顺序从下往上依次叠加，形成一预压制品。然后置于模具中在压力20MPa，温度120℃下压制10min，热压完成后利用顶杆取出鞋头样品，打磨。接下来按照欧洲标准进行测试。 

对比例1 

对实施例1热固性树脂物料配方中的增韧剂质量减少至1g，纤维织布和结构设计不变，压制鞋头后测试。 

对比例2 

依然采用实施例1中热固性树脂物料的配方，纤维织布采用玻璃纤维织布（EWR300），但玻璃纤维织布形状只采用7张4a，6张4b，并且a与b的面积相差不大，叠加方式按照7张4a在下，7张4b在上，然后压制鞋头、测试。 

实施例2 

依然采用实施例1中热固性树脂物料的配方，纤维织布采用玻璃纤维织布（EWR300），按照基底层（2张4a，3张4b，2张4c，3张4d）、加强层（4张5e）的样式和数量裁剪，大小与实施例1中相同，按照4a（2张）→4b（3张）→5e（2张）→4c（2张）→4d（3张）→5e（2张）的顺序从下往上依次叠加，形成一预压制品，但在叠层预制后在预制品的内外两侧各增加一层聚酰胺纤维织布作为补强层，大小与4c相同，然后压制鞋头、测试。 

实施例3 

依然采用实施例1中热固性树脂物料的配方，纤维织布采用玻璃纤维织布（EWR300），按照基底层（2张4a，3张4b，2张4c，3张4d）、加强层（4张5e）的样式和数量裁剪，大小与实施例1中相同，按照4a（2张）→4b（3张）→5e（2张）→4c（2张）→4d（3张） →5e（2张）的顺序从下往上依次叠加，形成一预压制品，但在叠层预制后在预制品的内外两侧各增加一层EWR200的玻璃纤维织布作为补强层，大小与4c相同，然后压制鞋头、测试。 

实施例4 

依然采用实施例1中热固性树脂物料的配方，纤维织布采用玻璃纤维织布，但在4a和4c的上面各增加一层聚乙烯薄膜作为补强层（薄膜厚度对于鞋头质量几乎没有影响），大小与4c相同，然后压制鞋头、测试。 

实施例5 

依然采用实施例1中的热固性树脂物料的配方，但加入有机硅类流动助剂1g，纤维织布、叠加方式及实施工艺也与实施例1中一样，然后压制鞋头、测试。 

实施例6 

依然采用实施例1中的热固性树脂物料的配方，玻璃纤维织布全部采用EWR400，按照基底层（2张4a，3张4b，2张4c，3张4d）、加强层（4张5e，4张5f，4张5g）的样式和数量裁剪，面积按照a＞b＞c＞d，f、g的面积相当于d面积的四分之一，然后将环氧树脂物料涂覆在玻璃纤维织布上，涂胶厚度约1.2mm，按照4a（2张）→5e（2张）→4b（3张）→5f（4张）→4c（2张）→5e（2张）→4d（3张）→5g（4张）的顺序从下往上依次叠加，形成一预压制品。然后压制鞋头、测试。 

实施例7 

依然采用实施例1中的热固性树脂物料的配方，玻璃纤维织布全部采用EWR300，按照基底层（2张4a，2张4b，2张4c，2张4d）、加强层（4张5e）的样式和数量裁剪，大小与实施例1中相同，但在4a、4b、4c、4d的上面各增加一层EWR400的玻璃纤维布，EWR400的样式为4a、4b、4c、4d，分别叠加于基底层4a、4b、4c、4d的上面。然后压制鞋头、测试。 

测试结果列于表1中. 

表1 

从表1中可以看出经过配方设计和织态结构的设计，鞋头的抗冲击能力更好，这样就可以把鞋头做的更薄，也相应降低了成本。 

Claims (10)

1.一种安全防护装置，其特征在于：所述安全防护装置是由多层叠加形成的预制品热压复合得到，所述的预制品包括至少4层基底层和至少1层加强层，每层基底层呈半圆形或类半圆形或T形或类T形，并且当基底层呈半圆形或类半圆形时具有放射状裁切口，所述的基底层至少包括两种结构形式，基底层的面积按照叠加顺序梯度减小，所述的加强层的面积均小于最小的基底层的面积，所述的加强层位于基底层之间或者预制品的表面；所述的基底层或加强层是通过在连续纤维或纤维织布上均匀涂覆热固性树脂物料而获得，所述的热固性树脂物料包括热固性树脂、固化剂、促进剂和增韧剂但不含溶剂，其中热固性树脂、固化剂、促进剂和增韧剂的质量比为1：0.4～1.2：0.005～0.05：0.03～0.5。

2.如权利要求1所述的安全防护装置，其特征在于：所述的预制品还可以包括至少一层补强层，每层补强层位于预制品的内表面或外表面或中间某一层，所述的补强层是通过在连续纤维或纤维织布或薄膜上均匀涂覆热固性树脂物料而获得。

3.如权利要求1或2所述的安全防护装置，其特征在于：所述的连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维、植物纤维、合成纤维中的一种或几种，所述的纤维织布是由玻璃纤维、碳纤维、植物纤维、合成纤维中的一种或几种制成。

4.如权利要求2所述的安全防护装置，其特征在于：所述的薄膜是聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚酯薄膜中的一种或几种。

5.如权利要求1或2所述的安全防护装置，其特征在于：所述的基底层和增强层使用纤维织布制备，并使得相邻两层使用的纤维织布的经纬线大小不同。

6.如权利要求2所述的安全防护装置，其特征在于：所述的补强层使用合成纤维织布制备，且补强层位于预制品的外表面。

7.如权利要求1或2所述的安全防护装置，其特征在于：所述的热固性树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、或不饱和树脂；所述的固化剂选自脂肪胺类、酸酐类、芳香胺类固化剂中的一种或几种；所述的促进剂选自叔胺类、季胺盐类、咪唑类促进剂中的一种或几种；所述的增韧剂选自端羧基丁腈橡胶、端氨基丁腈橡胶、端羟基丁腈橡胶中的一种或几种。

8.如权利要求2所述的安全防护装置，其特征在于：使用辊涂技术在连续纤维或纤维织布或薄膜的表面连续施胶，使得连续纤维或纤维织布或薄膜能够均匀地涂覆有热固性树脂物料。

9.如权利要求1或2所述的安全防护装置，其特征在于所述的热压复合具体如下：将预制品置入模具中，所述的模具包括阳模和阴模，阴模下面有一顶杆帮助成形后样品脱模，所述顶杆的形状与安全防护装置顶部的形状相吻合，在50～250℃、5～100MPa的条件下固化2～30min，脱模后经修整，得安全防护装置产品。

10.如权利要求1或2所述的安全防护装置，其特征在于：所述的安全防护装置为安全帽或安全鞋头。

Images