CN103600536A - 一种用于防弹头盔的复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于防弹头盔的复合材料及其制备方法，属于人体防护用品技术领域。所述的复合材料是由芳纶无纬布层与树脂层交替叠放后，经模压制成，其中复合材料中所述的芳纶无纬层的重量百分含量为70-90%，所述树脂层的重量百分含量为10-30%。并公开了该复合材料的制备方法：将芳纶无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪；将芳纶无纬布层和树脂层交替叠合，放入普通的热压预成型模具中进行热固模压，使树脂层软化与芳纶无纬布交替粘结在一起制成用于防弹头盔的复合材料坯件；将坯件从热压预成型模具取出后放入冷压预成型模具中进行冷固模压，得用于防弹头盔的复合材料。该复合材料制得的头盔防弹性能好，质量轻。

Description

一种用于防弹头盔的复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于防弹头盔的复合材料及其制备方法，属于人体防护用品技术领域。

背景技术

防弹头盔是一种重要的单兵防护用具。最初防弹头盔的材料大多以优质合金钢为主，但由于钢盔的重量大，导热系数高，导电性强，反弹而引起二次杀伤等固有缺陷使得它的应用受到限制，而由于钢材本身的抗枪击能力和厚度成正比，所以提高抗枪击能力的唯一手段，是加大防弹头盔的厚度，而厚度的提高势必使得防弹头盔的重量加大，没有实用性。代替钢盔发展的是防护性能好、重量轻、导电率低的纤维增强复合材料，在纤维增强复合非金属头盔种类中，主要有玻璃纤维头盔、锦纶头盔、芳纶头盔、超高分子量聚乙烯头盔等。

目前，超高分子量聚乙烯纤维（PE纤维）是当今世界的一种高科技产品，具有高强度、高模量、高韧性、低密度的特点，是当今世界比强度最高的高性能纤维，是关系国家安全和国民经济发展的重要基础材料。研究表明，超高分子量聚乙烯纤维无纬布（PE无纬布）的防弹效果较好，在制备防弹头盔时，将多层无纬布叠加，放在模具内，在一定温度和压强下热压成型，相邻无纬布纤维排列成非零角度。由于无纬布的形成是“单向排列”，有利于冲击波的瞬间扩散范围的增大，产生协同的防弹效果。

现有技术中，中国发明专利（公开号：CN102555353A）公开了一种以PE纤维嵌入热塑性聚合物树脂的无纬布为内层主要材料，内外表面铺覆加固材料的防弹头盔。该防弹头盔通过在内外表面铺覆加固材料解决头盔表面需要经过喷砂、刮平等复杂的处理方法才能达到要求以及表面涂覆油漆的附着力不大等问题。此外，该防弹头盔因在内外表面铺覆加固材料，该加固材料需另外进行成型，导致该防弹头盔的制造方法相对较复杂。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于防弹头盔的复合材料，使防弹头盔的防弹性能好。

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种用于防弹头盔的复合材料，所述的复合材料是由芳纶无纬布层与树脂层交替叠放后，经模压制成，其中复合材料中所述的芳纶无纬层的重量百分含量为70-90%，所述树脂层的重量百分含量为10-30%。

本发明经实验研究，将用于防弹头盔的复合材料按芳纶无纬布层和树脂层交替叠合的复合结构可提高防弹头盔的综合性能。其原因在于，芳纶纤维具有优良的物理机械性能，其比强度、比模量比金属材料还高，其抗声震疲劳性、减震性也大大超过金属材料，且它具有很好的动能吸收性，无二次杀伤效应。用芳纶纤维加工而成的头盔复合材料重量大大减轻，防护效果好。而树脂在防弹头盔复合材料中的作用是传递载荷和均衡载荷，以使纤维发挥协同作用。若树脂质量分数过高，会导致复合材料的刚度偏高，纤维的拉伸断裂的比例越小，不利于弹体动能的吸收。若树脂质量分数偏低，复合材料成型不够，会限制纤维协同作用的发挥，从而导致复合材料制得的防弹头盔不能起到很好的防弹作用。适量树脂的存在，有利于应力波沿厚度方向的传递和投射，使头盔的防弹防刺性能达到最佳效果。

大量实验表明，在相同条件下，相对于各种结构形式的织物，如平纹布和穿刺无纬布，芳纶无纬布具有更好的抗弹性能。因为在芳纶无纬布的制造过程中，纤维材料已被充分展开，被胶粘剂固定，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，可以有更多的纤维参与，能量可以在较大的面积上得到吸收，所以可使头盔的抗弹性能较好。此外，芳纶无纬片的形式是“单向排列”，有利于增大冲击波的瞬间扩散范围，产生协同防弹效果。

在上述的用于防弹头盔的复合材料中，作为优选，所述复合材料中芳纶无纬层的重量百分含量为80-85%，树脂层的重量百分含量为15-20%。

其中，芳纶无纬布层的制备工艺如下所示：

（1）在PU预聚体中加入适量丙酮，搅拌均匀，制得胶液，待用；

（2）将芳纶固定于纱架上，牵出纤维的一端经过张力器、展开器后固定于缠绕机的缠绕辊上，开动缠绕机进行缠绕，并根据设计要求涂刷胶液，到达规定宽度后，将制得的预浸料沿缠绕辊母线割下，于通风处晾干；

（3）将预浸料按规定规格裁剪，按照0°/90°/0°的方式进行正交铺层，在压力成型机上进行热压成型，制得芳纶无纬布层。

作为优选，本发明芳纶无纬布层中的芳纶无纬布为凯夫拉纤维织物，凯夫拉纤维强度高达22cN/detx，热稳定性好，反复拉伸性能好。对普通有机溶剂、盐类溶液等有很好的耐化学药品性。凯夫拉纤维与同等粗细的钢丝相比，它的强度是钢丝的6倍，模量是钢丝的2倍，而比重则比钢丝小5.5倍，在温度200℃时强力不减；在-196℃下仍保持与常温时相同的韧性。凯夫拉纤维可以作为防弹纤维的原因在于，当枪弹击中头盔时，凯夫拉纤维被拉伸而将冲击能分散给织物中的其他纤维，继而被平行于弹途径的纤维吸收，整个头盔是一个整体，相当大的面积都能抵消枪弹的穿透作用，能有效地使枪弹中止前进。本发明采用芳纶无纬布层与树脂层制备得的用于防弹头盔的复合材料不仅质量轻，制得的头盔防弹性能、防水性能、防钝伤性能、防刺性能、舒适性能也十分良好。

在上述的用于防弹头盔的复合材料中，作为优选，所述的树脂层中的树脂为热固性聚合物树脂或热塑性聚合物树脂。

在上述的用于防弹头盔的复合材料中，进一步优选，所述的树脂为乙烯基酯、改性酚醛树脂、氨基树脂、聚酯树脂、环氧树脂、苯乙烯热塑性弹性体、热塑性聚氨酯弹性体中的一种。

其中，热塑性聚氨酯弹性体是带氰酸酯的单体与多元醇聚合的产物，粘结性能较好，不仅防子弹的比能量吸收高，至少达到100J/（kg/m²），对声波还具有一定的阻尼效果，在0.5MHz下，可使声强级降低至少20dB/cm。苯乙烯热塑性弹性体作为复合材料的基体，工艺较简单，可以将嵌段共聚物溶解在溶剂中，通过纤维浸胶后，挥发溶剂得到无纬片，再经过二次加压得到复合材料，这种方法的加工温度不高，溶解后可在纤维表层均匀涂覆，与凯夫拉纤维复合，可提高复合材料的比吸收能。

在上述的用于防弹头盔的复合材料中，作为优选，所述芳纶无纬布层中的布面密度为140-170g/cm²。芳纶无纬布面密度对头盔的抗弹性能有很大的影响。芳纶无纬布面密度越小，抗弹性能越优异，当无纬布面密度减小时，在等厚条件下芳纶无纬布和树脂界面增多，由于分层所引起的能量消耗增大，同时由于纤维与树脂的接触面积增加，由纤维“拔脱”所吸收弹体的能量部分也增加，提高芳纶无纬布的抗弹性能。

本发明的另一个目的在于提供一种如上述用于防弹头盔的复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1、将18-23层芳纶无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪成芳纶无纬布层；

S2、将芳纶无纬布层和树脂层交替叠合，放入普通的热压预成型模具中进行热固模压，热固模压的温度为110℃-130℃，压力为4MPa-6MPa，热固模压时间为12min-20min，热固模压使树脂层软化与芳纶无纬布交替粘结在一起制成用于防弹头盔的复合材料坯件；

S3、将上述制得的坯件从热压预成型模具取出后，迅速放入普通的冷压预成型模具中在室温条件下进行冷固模压，冷固模压时的压力2MPa-3MPa，模压时间为12min-20min，冷固模压后得到用于防弹头盔的复合材料。

热压复合材料吸收能量主要是通过纤维断裂和背面分层，而传统预浸工艺制备的复合材料仅仅通过纤维断裂吸能。在热压工艺中，树脂品质不同，其热塑温度有很大的差别。在树脂质量分数基本相同的情况下，材料的防弹防刺性能与成型压力关系密切。本发明采用二次加压成型，有利于提高防弹头盔的防弹能力。且，第一次热压预成型中，压力越高越好，至少为4MPa。当热压预成型模具中的压力小于3MPa时，所制得防弹头盔的防弹防刺性能较差。当热压预成型模具中的压力从3MPa提高到6MPa时，其防弹防刺性能明显提高。因为当树脂质量分数相同时，热压预成型模具中的压力升高，使头盔的紧密度提高，其防弹性能均有不同程度的提高，但当压力超过6MPa时，头盔的防弹防刺性能呈下降趋势。因为本发明将热压预成型模具中的压力控制在4MPa-6MPa，温度为110℃-130℃，时间为12min-20min。而第二次冷压预成型的压力低于3MPa即可。此外，芳纶无纬布与树脂制得的防弹头盔的防弹性能主要取决于制造方法：纤维所用的编织线和编织物的结构，以及纤维各层的层数都是防弹性能的关键因素。

在上述用于防弹头盔的复合材料的制备方法中，步骤S2、S3中的预成型模具分别为加热成型模具与冷却成型模具。

本发明具有如下优点：

1、本发明复合材料制得的头盔不仅防弹性能好，质量轻，头盔的防水性能、防钝伤性能、防刺性能、舒适性能也十分良好。

2、本发明用于防弹头盔的复合材料的制备方法简单可行，符合节能，高效且安全清洁化生产的要求，具有良好的产业化前景。

具体实施例

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

在PU预聚体中加入适量丙酮，搅拌均匀，制得胶液，待用；

将芳纶固定于纱架上，牵出纤维的一端经过张力器、展开器后固定于缠绕机的缠绕辊上，开动缠绕机进行缠绕，并根据设计要求涂刷胶液，到达规定宽度后，将制得的预浸料沿缠绕辊母线割下，于通风处晾干；

将预浸料按规定规格裁剪，按照0°/90°/0°的方式进行正交铺层，在压力成型机上进行热压成型，制得芳纶无纬布；

将20层芳纶无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪成芳纶无纬布层，其中，所述芳纶无纬布层中的布面密度为150g/cm²；

将80%芳纶无纬布层和20%热塑性聚氨酯弹性体层交替叠合，放入普通的热压预成型模具中进行热固模压，热固模压的温度为125℃，压力为5MPa，热固模压时间为15min，热固模压使树脂层软化与芳纶无纬布交替粘结在一起制成用于防弹头盔的复合材料坯件；

将上述制得的坯件从热压预成型模具取出后，迅速放入普通的冷压预成型模具中在室温条件下进行冷固模压，冷固模压时的压力2MPa，模压时间为15min，冷固模压后得到用于防弹头盔的复合材料。

实施例2

在PU预聚体中加入适量丙酮，搅拌均匀，制得胶液，待用；

将芳纶固定于纱架上，牵出纤维的一端经过张力器、展开器后固定于缠绕机的缠绕辊上，开动缠绕机进行缠绕，并根据设计要求涂刷胶液，到达规定宽度后，将制得的预浸料沿缠绕辊母线割下，于通风处晾干；

将预浸料按规定规格裁剪，按照0°/90°/0°的方式进行正交铺层，在压力成型机上进行热压成型，制得芳纶无纬布；

将18层芳纶无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪成芳纶无纬布层，其中，所述芳纶无纬布层中的布面密度为140g/cm²；

将85%芳纶无纬布层和15%热塑性聚氨酯弹性体层交替叠合，放入普通的热压预成型模具中进行热固模压，热固模压的温度为120℃，压力为4MPa，热固模压时间为12min，热固模压使树脂层软化与芳纶无纬布交替粘结在一起制成用于防弹头盔的复合材料坯件；

将上述制得的坯件从热压预成型模具取出后，迅速放入普通的冷压预成型模具中在室温条件下进行冷固模压，冷固模压时的压力2MPa，模压时间为12min，冷固模压后得到用于防弹头盔的复合材料。

实施例3

在PU预聚体中加入适量丙酮，搅拌均匀，制得胶液，待用；

将芳纶固定于纱架上，牵出纤维的一端经过张力器、展开器后固定于缠绕机的缠绕辊上，开动缠绕机进行缠绕，并根据设计要求涂刷胶液，到达规定宽度后，将制得的预浸料沿缠绕辊母线割下，于通风处晾干；

将预浸料按规定规格裁剪，按照0°/90°/0°的方式进行正交铺层，在压力成型机上进行热压成型，制得芳纶无纬布；

将22层芳纶无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪成芳纶无纬布层，其中，所述芳纶无纬布层中的布面密度为170g/cm²；

将75%芳纶无纬布层和25%热塑性聚氨酯弹性体层交替叠合，放入普通的热压预成型模具中进行热固模压，热固模压的温度为130℃，压力为6MPa，热固模压时间为20min，热固模压使树脂层软化与芳纶无纬布交替粘结在一起制成用于防弹头盔的复合材料坯件；

将上述制得的坯件从热压预成型模具取出后，迅速放入普通的冷压预成型模具中在室温条件下进行冷固模压，冷固模压时的压力3MPa，模压时间为20min，冷固模压后得到用于防弹头盔的复合材料。

对比例

现有技术中按普通成型工艺加工得到的超高分子量聚乙烯头盔。

将实施例1-3中的用于防弹头盔的复合材料按现有技术中普通制备方法制成防弹头盔，并与对比例中的防弹头盔进行实弹测试，测试结果如表1。

本发明的防弹头盔经检测，按GA293-2001标准，可以阻止中国制54式7.62mm手枪发射的54式7.62mm手枪弹的穿透。

表1：实弹测试结果

综上所述，本发明复合材料制备得到的防弹头盔的防弹性能较好。此外该防弹头盔的质量轻，防水性能、防钝伤性能、防刺性能、舒适性能也十分良好。且用于防弹头盔的复合材料的制备方法简单可行，符合节能，高效且安全清洁化生产的要求，具有良好的产业化前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于防弹头盔的复合材料，其特征在于，所述的复合材料是由芳纶无纬布层与树脂层交替叠放后，经模压制成，其中复合材料中所述的芳纶无纬层的重量百分含量为70-90%，所述树脂层的重量百分含量为10-30%。

2.根据权利要求1所述的用于防弹头盔的复合材料，其特征在于，所述复合材料中芳纶无纬层的重量百分含量为80-85%，树脂层的重量百分含量为15-20%。

3.根据权利要求1或2所述的用于防弹头盔的复合材料，其特征在于，所述的树脂层中的树脂为热固性聚合物树脂或热塑性聚合物树脂。

4.根据权利要求3所述的用于防弹头盔的复合材料，其特征在于，所述的树脂为乙烯基酯、改性酚醛树脂、氨基树脂、聚酯树脂、环氧树脂、苯乙烯热塑性弹性体、热塑性聚氨酯弹性体中的一种。

5.根据权利要求1或2所述的用于防弹头盔的复合材料，其特征在于，所述芳纶无纬布层中的布面密度为140-170g/cm²。

6.一种用于防弹头盔的复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1、将18-23层芳纶无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪成芳纶无纬布层；

S2、将芳纶无纬布层和树脂层交替叠合，放入普通的热压预成型模具中进行热固模压，热固模压的温度为110℃-130℃，压力为4MPa-6MPa，热固模压时间为12min-20min，热固模压使树脂层软化与芳纶无纬布交替粘结在一起制成用于防弹头盔的复合材料坯件；

S3、将上述制得的坯件从热压预成型模具取出后，迅速放入普通的冷压预成型模具中在室温条件下进行冷固模压，冷固模压时的压力2MPa-3MPa，模压时间为12min-20min，冷固模压后得到用于防弹头盔的复合材料。