CN104848746B - 一种混杂纤维弹性织物复合材料防弹插板及其制备方法 - Google Patents
一种混杂纤维弹性织物复合材料防弹插板及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种混杂纤维弹性织物复合材料防弹插板及其制备方法，包括位于前部的混杂纤维迎弹面弹性织物层、位于中间的混杂纤维中间弹性织物层、位于后部的混杂纤维背弹面弹性织物层、沿所述防弹插板厚度方向的混杂纤维弹性织物整体缝编结构。由混杂组合编织制成“二维/单向/三维”立体编织结构，通过不同部位纤维用量调整使织物整体具备一定弹性延伸率，同时配合真空导入技术将热塑/热固复合树脂均匀浸渍形成弹性织物体预浸织物，利用该预浸织物较大的弹性变形特性，采用快速热冲压工艺配合快速冷却系统，将预浸织物一次成型为固定曲率的防弹插板，整个成型过程时间短，可实现高效率生产。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种混杂纤维弹性织物复合材料防弹插板及其制备方法。
背景技术
在世界和平发展的大背景下，各个国家内部的局部暴乱和恐怖袭击成为目前枪击威胁出现的主要环境，面对这种小范围、小规模的暴乱袭击事件，军用或警用的防弹插板制品应用要求也开始有了方向性转变，逐步由大规模战争环境下对爆炸物破片的防御功能转为轻型枪械少数袭击条件下对不同类型弹丸的防护功能。因此，防弹插板制品的防护重点是手枪、微型冲锋枪或半自动步枪等轻型武器，防护特性不仅要求有效抵制弹丸侵彻，而且要尽可能减小材料变形以减轻对人体的冲击伤害，同时更重要的是减轻防弹插板的重量以提高小规模枪击事件下单兵或单警的作战灵活机动性。
从20世纪70年代以来，高性能纤维增强的复合材料在防弹防爆领域得到不断应用，随着高级纤维研究的不断深入，纤维的力学综合特性不断升级，出现了以轻质、高强、高刚度的复合材料防弹防护制品为主导的新局面，以UHMWPE纤维复合材料、芳纶纤维复合材料、PBO纤维复合材料为典型材质，其中UHMWPE纤维复合材料在防弹防护领域的综合特性(低密度、高韧性、高强度)最佳。
超高分子量聚乙烯纤维(平均分子量在100万以上的聚乙烯纺制而成)是继芳纶纤维后出现的另一种高强度纤维，其密度低、韧性强、耐腐蚀性好、分子结构取向度高，比芳纶纤维具有更优异的防弹特性，但是UHMWPE纤维自身也有不可避免的缺点，其熔点低、高温环境力学性能差，用到防弹插板上会引起背弹面较大的鼓包问题，所以单纯UHMWPE纤维复合材料防弹插板的防弹性能仍需提高，此外目前UHMWPE复合材料防弹插板的制备仍采用传统的热模压成型技术，整个成型过程耗时一般在1.5-3小时左右，温度一般在50-140℃范围内，在长时间且接近UHMWPE纤维熔点的工艺条件下进行制品成型，不可避免会引起纤维力学强度的降低，因此直接影响防弹插板制品的防护水平。
发明内容
本发明的目的是制备一种混杂纤维弹性织物复合材料防弹插板及其制备方法，其中涉及混杂纤维弹性预浸织物的制备以及基于该弹性预浸织物的防弹插板的热冲压新型快速成型制备方法，能够得到一种重量轻、防弹背凸低、高低温环境形状稳定的混杂纤维复合防弹插板，可为军用、警用等各种领域提供高质量防弹插板材料。
本发明采取的技术方案为：
一种混杂纤维弹性织物复合材料防弹插板，包括立体编织结构和浸渍在所述立体编织结构上的树脂结构，其中，所述立体编织结构包括位于前部的混杂纤维迎弹面弹性织物层、位于中部的混杂纤维中间弹性织物层、位于后部的混杂纤维背弹面弹性织物层以及沿所述防弹插板厚度方向的混杂纤维弹性织物整体缝编结构。
优选的，所述混杂纤维迎弹面弹性织物层为混杂纤维编织的二维结构以叠层方式排布而成，所述叠层的厚度为2-7mm。
优选的，所述二维结构为平纹、斜纹、缎纹中的任意一种或多种的组合结构。
优选的，所述混杂纤维中间弹性织物层以单向纤维叠层排布而成，所述叠层厚度为5-10mm。
优选的，所述单向纤维采用0°、±30°、±45°、±60°或90°的任意组合的多轴向排布方式。
优选的，所述混杂纤维背弹面弹性织物层为三维结构，所述三维结构的厚度为4-8mm。
优选的，所述三维结构为三维四向、三维五向或三维六向中的任意一种。
一种混杂纤维弹性织物复合材料防弹插板的制备方法，包括如下步骤：
(1)对混杂纤维迎弹面弹性织物层、混杂纤维中间弹性织物层以及混杂纤维背弹面弹性织物层分别编织成型，然后将所述三个织物层从前往后依次排好，进行整体缝合，形成立体编织结构；
(2)在真空度为-0.6至-1.0MPa的条件下对所述立体编织结构浸渍树脂，得到含胶量为10-40％的预浸织物；将预浸织物在20-80℃真空烘箱中干燥1-1.5小时；
(3)将烘干的预浸织物进行热冲压一体成型，得到制件，冲压温度为60-140℃，作用在预浸织物上的压强为5-25MPa，冲压时间为2-20分钟；冲压结束后，在10分钟以内将冲压模具和制件的温度降低至室温。
优选的，所述混杂纤维迎弹面弹性织物层采用芳纶纤维和玄武岩纤维中的一种或两种与UHMWPE纤维混杂编织而成，其中，UHMWPE纤维的用量为50-60％，芳纶纤维和玄武岩纤维的总量为40-50％，以上百分比为质量分数。
优选的，所述混杂纤维中间弹性织物层采用芳纶纤维和PBO纤维中的一种或两种与UHMWPE纤维混杂编织而成，其中，UHMWPE纤维的用量为70-100％，芳纶纤维和PBO纤维的总量为0-30％，以上百分比为质量分数。
优选的，混杂纤维背弹面弹性织物层采用配合碳纤维和玄武岩纤维中的一种或两种与UHMWPE纤维混杂编织而成，其中，UHMWPE纤维的用量为40-50％，碳纤维和玄武岩纤维的总量为50-60％，以上百分比为质量分数。
优选的，所述缝合纤维为UHMWPE纤维，缝合用纤维的用量占立体编织结构整体纤维的10-20％。
优选的，所述树脂为热塑性/热固性复配树脂，其中，热塑性树脂为聚氨酯树脂、聚乙烯树脂、尼龙树脂以及聚苯硫醚树脂等一种或多种，热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂中的一种或两种。
整体织物的弹性延伸率在40-200％之间可调。
本发明的有益效果是：
(1)采用“二维/单向/三维”组合编织工艺，其中混杂纤维迎弹面弹性织物层可有效抵抗弹丸贯穿，促使弹丸头部变形；混杂纤维中间弹性织物层可高效吸收弹丸侵彻冲击能量；混杂纤维背弹面弹性织物层可有效兜住最终侵彻的弹丸，同时三维结构可有效减少分层，混杂纤维可减小背弹面的背凸问题。通过不同部位纤维用量调整使立体编织结构整体具备一定弹性延伸率，纤维用量根据防弹级别而灵活选定，可有效适应快速热冲压成型技术。
(2)利用混杂纤维预浸弹性织物的高延伸率，采用恒定温度快速热冲压技术，通过大型液压设备结合冲压模具在较短时间内快速将预浸织物高压冲制成固定曲率要求的防弹插板产品，整个成型过程时间短，配合快速冷却系统可实现高效率生产。
附图说明
图1为混杂纤维弹性预浸织物的结构示意图；
图2为基于混杂纤维弹性预浸织物的热冲压快速成型装备示意图，
其中，1、混杂纤维迎弹面弹性织物层，2、混杂纤维中间弹性织物层，3、混杂纤维背弹面弹性织物层，4、混杂纤维弹性织物整体缝编结构，5、液压设备，6、冲压模具；7、模具升温系统，8、模具快速冷却系统，9、制件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
由图1可知，一种混杂纤维弹性织物复合材料防弹插板，包括立体编织结构和浸渍在所述立体编织结构上的树脂结构，其中，所述立体编织结构包括位于前部的混杂纤维迎弹面弹性织物层1、位于中部的混杂纤维中间弹性织物层2、位于后部的混杂纤维背弹面弹性织物层3以及沿所述防弹插板厚度方向的混杂纤维弹性织物整体缝编结构4。
所述混杂纤维迎弹面弹性织物层1为混杂纤维编织的二维结构以叠层方式排布而成，二维结构为平纹、斜纹、缎纹中的任意一种或多种的组合结构，所述叠层的厚度为2-7mm。
所述混杂纤维中间弹性织物层以单向纤维叠层排布而成，单向纤维采用0°、±30°、±45°、±60°和90°多轴向排布，所述叠层厚度为5-10mm。
所述混杂纤维背弹面弹性织物层为三维结构，三维结构为三维四向、三维五向或三维六向中的任意一种，所述三维结构的厚度为4-8mm。
实施例1
混杂纤维迎弹面弹性织物层1的制备：以UHMWPE纤维为主体纤维，UHMWPE纤维比例为50％；采用芳纶纤维与UHMWPE纤维混杂，芳纶纤维混杂比例为50％。将上述混杂纤维采用平纹结构二维编织，二维编织体以叠层方式排布，叠层厚度为7mm。
混杂纤维中间弹性织物层2的制备：采用UHMWPE纤维为基本材质，其比例为70％，混杂配合芳纶纤维，混杂比例在30％，采用单向纤维叠层排布制备中间弹性织物层，单向纤维采用0°、±45°和90°多轴向排布，叠层厚度在6mm。
混杂纤维背弹面弹性织物层3的制备：采用UHMWPE纤维为主体纤维，碳纤维为混杂纤维制备背弹面三维弹性织物层，其中UHMWPE纤维的用量为40％，碳纤维比例为60％，采用三维四向立体编织工艺将上述两种纤维混杂编织，背弹面织物层厚度为7mm。
采用立体缝编技术，将迎弹面、中间层、背弹面织物叠合，沿着Z轴向采用UHMWPE纤维进行以上三种部位不同结构织物的整体缝合，缝合用纤维的用量占立体编织结构整体纤维的15％，整体织物弹性延伸率为100％。
将缝合后的立体编织结构置于真空袋囊中，采用热塑性/热固性复配树脂为基体，热塑性树脂选用聚氨酯树脂，热固性树脂选择环氧树脂，二者用量比例为2:1。利用真空导入技术将树脂胶液浸渍该立体编织结构，整个浸渍过程保持真空度在-0.6MPa，浸渍树脂含胶量在35％。将浸渍完毕的预浸织物体于40℃真空烘箱中干燥1.5小时备用，整体预浸织物的长度在320mm，宽度在270mm，厚度为20mm。
如图2所示，采用以上制备预浸织物，将其铺敷于液压设备5的冲压模具6内，通过冲压模具6的张力系统将预浸织物张紧固定，启动模具升温系统7，将冲压模具6温度升至80℃；启动压机在张紧的织物表面施加冲压力，作用在预浸织物上的压强在10MPa，整个冲压过程保证恒定模具温度，整个冲压时间为10分钟，得到制件9。冲压结束后启动模具快速冷却系统8，在5分钟内将冲压模具6及制件温度降低至20℃后，取出制件9，制备的防弹插板面密度为20kg/m2。
实施例2
混杂纤维迎弹面弹性织物层1的制备：以UHMWPE纤维为主体纤维，UHMWPE纤维比例为60％；采用玄武岩纤维与UHMWPE纤维混杂，玄武岩纤维混杂比例为40％。将上述混杂纤维采用斜纹结构二维编织，二维编织体以叠层方式排布，叠层厚度为6mm。
混杂纤维中间弹性织物层2的制备：采用UHMWPE纤维为材质，采用单向纤维叠层排布制备中间弹性织物层，单向纤维采用0°和90°正交排布方式，叠层厚度在8mm。
混杂纤维背弹面弹性织物层3的制备：采用UHMWPE纤维为主体纤维，碳纤维为混杂纤维制备背弹面三维弹性织物层，其中UHMWPE纤维的用量为45％，碳纤维比例为55％，采用三维四向立体编织工艺将上述两种纤维混杂编织，背弹面织物层厚度为4mm。
采用立体缝编技术，将迎弹面、中间层、背弹面织物叠合，沿着Z轴向采用UHMWPE纤维进行以上三种部位不同结构织物的整体缝合，缝合用纤维的用量占立体编织结构的整体纤维的16％，立体编织结构的弹性延伸率为150％。
将缝合后的立体编织结构置于真空袋囊中，采用热塑性/热固性复配树脂为基体，热塑性树脂选用聚乙烯树脂，热固性树脂选择酚醛树脂，二者用量比例为3:1。利用真空导入技术将树脂胶液浸渍该弹性织物，整个浸渍过程保持真空度在-0.8MPa，浸渍树脂含胶量在30％。将浸渍完毕的弹性预浸织物体于60℃真空烘箱中干燥1小时备用，整体弹性预浸织物的长度在330mm，宽度在280mm，厚度为18mm。
如图2所示，采用以上制备预浸织物，将其铺敷于液压设备5的冲压模具6内，通过冲压模具6的张力系统将预浸织物张紧固定，启动模具升温系统7，将冲压模具6温度升至110℃；启动压机在张紧的织物表面施加冲压力，作用在预浸织物上的压强在8MPa，整个冲压过程保证恒定模具温度，整个冲压时间为5分钟，得到制件9。冲压结束后启动模具快速冷却系统8，在3分钟内将冲压模具6及制件温度降低至30℃后，取出制件9，制备的防弹插板面密度为18kg/m2。
实施例3
混杂纤维迎弹面弹性织物层1的制备：以UHMWPE纤维为主体纤维，UHMWPE纤维比例为55％；采用芳纶纤维和玄武岩纤维与UHMWPE纤维混杂，芳纶纤维与玄武岩纤维之间比例为1:1，二者总用量为45％。将上述混杂纤维采用平纹结构和斜纹结构进行二维编织，两种织物结构比例为1:1，二维编织体以叠层方式排布，叠层厚度为4mm。
混杂纤维中间弹性织物层2的制备：采用UHMWPE纤维为基本材质，其比例为75％，配合混杂芳纶纤维和PBO纤维，二者比例为1：1，混杂纤维总体比例在25％，采用单向纤维叠层排布制备中间弹性织物层，单向纤维采用0°、±30°、±45°和90°多轴向排布，叠层厚度在10mm。
混杂纤维背弹面弹性织物层3的制备：采用UHMWPE纤维为主体纤维，碳纤维为混杂纤维制备背弹面三维弹性织物层，其中UHMWPE纤维的用量为50％，碳纤维比例为50％，采用三维五向立体编织工艺将上述两种纤维混杂编织，背弹面织物层厚度为2mm。
采用立体缝编技术，将迎弹面、中间层、背弹面织物叠合，沿着Z轴向采用UHMWPE纤维进行以上三种部位不同结构织物的整体缝合，缝合用纤维的用量占立体编织结构整体纤维的20％，整体织物弹性延伸率为120％。
将缝合后的立体编织结构置于真空袋囊中，采用热塑性/热固性复配树脂为基体，热塑性树脂选用尼龙树脂，热固性树脂选择环氧树脂，二者用量比例为1:1。利用真空导入技术将树脂胶液浸渍该弹性织物，整个浸渍过程保持真空度在-0.7MPa，浸渍树脂含胶量在30％。将浸渍完毕的预浸织物体于50℃真空烘箱中干燥1小时备用，预浸织物的长度在325mm，宽度在275mm，厚度为16mm。
如图2所示，采用以上制备预浸织物，将其铺敷于液压设备5的冲压模具6内，通过冲压模具6的张力系统将预浸织物张紧固定，启动模具升温系统7，将冲压模具6温度升至115℃；启动压机在张紧的织物表面施加冲压力，作用在预浸织物上的压强在7.5MPa，整个冲压过程保证恒定模具温度，整个冲压时间为6分钟，得到制件9。冲压结束后启动模具快速冷却系统8，在5分钟内将冲压模具6及制件温度降低至30℃后，取出制件9，制备的防弹插板面密度为16kg/m2。
实施例4
混杂纤维迎弹面弹性织物层1的制备：以UHMWPE纤维为主体纤维，UHMWPE纤维比例为60％；采用芳纶纤维和玄武岩纤维与UHMWPE纤维混杂，芳纶纤维与玄武岩纤维之间比例为2:1，二者总用量为40％。将上述混杂纤维采用平纹结构和斜纹结构进行二维编织，两种织物结构比例为3:1，二维编织体以叠层方式排布，叠层厚度为5mm。
混杂纤维中间弹性织物层2的制备：：采用UHMWPE纤维为基本材质，其比例为70％，配合混杂芳纶纤维和PBO纤维，二者比例为1:1，混杂纤维总体比例在30％，采用单向纤维叠层排布制备中间弹性织物层，单向纤维采用0°、±30°、±60°和90°多轴向排布，叠层厚度在8mm。
混杂纤维背弹面弹性织物层3的制备：采用UHMWPE纤维为主体纤维，碳纤维为混杂纤维制备背弹面三维弹性织物层，其中UHMWPE纤维的用量为55％，碳纤维比例为45％，采用三维六向立体编织工艺将上述两种纤维混杂编织，背弹面织物层厚度为4mm。
采用立体缝编技术，将迎弹面、中间层、背弹面织物叠合，沿着Z轴向采用UHMWPE纤维进行以上三种部位不同结构织物的整体缝合，得到立体编织结构，缝合用纤维的用量占立体编织结构的整体纤维的18％，整体织物弹性延伸率为110％。
将缝合后的立体编织结构置于真空袋囊中，采用热塑性/热固性复配树脂为基体，热塑性树脂选用聚乙烯树脂，热固性树脂选择环氧树脂，二者用量比例为2:1。利用真空导入技术将树脂胶液浸渍该弹性织物，整个浸渍过程保持真空度在-0.6MPa，浸渍树脂含胶量在35％。将浸渍完毕的预浸织物体于70℃真空烘箱中干燥1小时备用，整体预浸织物的长度在330mm，宽度在280mm，厚度为17mm。
如图2所示，采用以上制备预浸织物，将其铺敷于液压设备5的冲压模具6内，通过冲压模具6的张力系统将预浸织物张紧固定，启动模具升温系统7，将冲压模具6温度升至125℃；启动压机在张紧的织物表面施加冲压力，作用在预浸织物上的压强在10MPa，整个冲压过程保证恒定模具温度，整个冲压时间为6分钟，得到制件9。冲压结束后启动模具快速冷却系统8，在3分钟内将冲压模具6及制件温度降低至40℃后，取出制件9，制备的防弹插板面密度为17kg/m2。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种混杂纤维弹性织物复合材料防弹插板的制备方法，包括如下步骤：
(1)对混杂纤维迎弹面弹性织物层、混杂纤维中间弹性织物层以及混杂纤维背弹面弹性织物层分别编织成型，然后将所述三个织物层从前往后依次排好，进行整体缝合，形成立体编织结构；
(2)在真空度为-0.6至-1.0MPa的条件下对所述立体编织结构浸渍树脂，得到含胶量为10-40％的预浸织物；将预浸织物在20-40℃真空烘箱中干燥1-1.5小时；
(3)将烘干的预浸织物进行热冲压一体成型，得到制件，冲压温度为60-140℃，作用在预浸织物上的压强为5-25MPa，冲压时间为2-20分钟；冲压结束后，在10分钟以内将冲压模具和制件的温度降低至室温。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述混杂纤维迎弹面弹性织物层采用芳纶纤维和玄武岩纤维中的一种或两种与UHMWPE纤维混杂编织而成，其中，UHMWPE纤维的质量百分比为50-60％，芳纶纤维和玄武岩纤维总量的质量百分比为40-50％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述混杂纤维中间弹性织物层采用芳纶纤维和PBO纤维中的一种或两种与UHMWPE纤维混杂编织而成，其中，UHMWPE纤维的质量百分比为70-100％，芳纶纤维和PBO纤维总量的质量百分比为0-30％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：混杂纤维背弹面弹性织物层采用配合碳纤维和玄武岩纤维中的一种或两种与UHMWPE纤维混杂编织而成，其中，UHMWPE纤维的质量百分比为40-50％，碳纤维和玄武岩纤维总量的质量百分比为50-60％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：缝合用纤维为UHMWPE纤维，缝合用纤维的用量占立体编织结构整体纤维的10-20％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的树脂为热塑性/热固性复配树脂，其中，热塑性树脂为聚氨酯树脂、聚乙烯树脂、尼龙树脂以及聚苯硫醚树脂中的一种或多种，热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂中的一种或两种。
7.权利要求1-6任一所述制备方法制备的混杂纤维弹性织物复合材料防弹插板，其特征在于：包括立体编织结构和浸渍在所述立体编织结构上的树脂结构，其中，所述立体编织结构包括位于前部的混杂纤维迎弹面弹性织物层、位于中间的混杂纤维中间弹性织物层、位于后部的混杂纤维背弹面弹性织物层以及沿所述防弹插板厚度方向的混杂纤维弹性织物整体缝编结构。
8.根据权利要求7所述的防弹插板，其特征在于：所述混杂纤维迎弹面弹性织物层为混杂纤维编织的二维结构以叠层方式排布而成，所述叠层的厚度为2-7mm，所述二维结构为平纹、斜纹、缎纹中的任意一种或多种的组合结构。
9.根据权利要求7所述的防弹插板，其特征在于：所述混杂纤维中间弹性织物层以单向纤维叠层排布而成，所述叠层厚度为5-10mm，所述单向纤维采用0°、±30°、±45°、±60°或90°的任意组合的多轴向排布方式。
10.根据权利要求7所述的防弹插板，其特征在于：所述混杂纤维背弹面弹性织物层为三维结构，三维结构的厚度为4-8mm，所述三维结构为三维四向、三维五向或三维六向中的任意一种。
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