CN104960143A - 一种注塑成型柔性防刺复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种注塑成型柔性防刺复合材料及其制备方法，注塑成型柔性防刺复合材料，包括工程塑料与纤维集合体，其特征在于，注塑时，工程塑料以流动相形式对纤维集合体充分浸渍，并在纤维集合体表面形成带有“规则凸起”的独特结构，所述流动相的工程塑料本体具有粘性和渗透性，实现与纤维集合体之间接触界面的界面粘结及整体成型效果，塑料流体冷却后将纤维集合体固化在其中，两者充分混合，达到一体成型。本发明防刺效果好、生产效率高、适用范围广、整体成型良好、可加工性强、多层次结构提供不同防护需求。

Description

一种注塑成型柔性防刺复合材料及其制备方法

[技术领域]

本发明属于防护材料及其制备领域，着重描述了一种注塑成型柔性防刺复合材料及其制备方法。

[背景技术]

目前，各种形式的社会暴力犯罪事件不断增多，士兵、警察、各种从事安全保卫工作的特殊人员及普通民众的生命安全面临着日益严重的挑战。在我国等枪支管制国家，防护服需要保护个体重要的脏器不受刺刀、匕首等尖锐利器的伤害，其防刺性能显得尤为重要。

防刺服经历了由硬质向半硬质再到软质防刺服的发展历程。就防护效果而言，硬质防刺服早已满足相关防刺标准，但由于重量、服用性能上的缺陷，其使用效果将大打折扣。从研究热点和发展趋势上讲，软质防刺服出现和普及是必然的。

软质防刺服主要以纤维集合体的形式出现。就纺织结构而言，主要有机织物、针织物、非织造布、编织物、层叠结构等；就纤维原料而言，芳纶、超高分子量聚乙烯等高性能纤维是软质防护服制备的重要原材料；就基体材料而言，纳米剪切增稠液，耐冲击、抗撕裂树脂、高强度的工程塑料等均为现下应用广泛的材料。然而高性能纤维等原材料成本过高，也是软质防护服未能普及的原因。因此，获得一种优质的柔性防护材料及廉价的制备工艺是个体防护装备发展亟待解决的问题。

[发明内容]

本发明旨在提供一种注塑成型柔性防刺复合材料及其制备方法，该发明能作为防刺服、 护臂、护膝、耐切割手套等防刺装备内层而广泛应用，具备较强的隐蔽性和优良的防穿刺性能。该发明所提供的柔性防刺复合材料制备方法，能满足警用、民用不同的防护需求，产品适用领域广。

本发明制备的柔性防刺复合材料，包括工程塑料与纤维集合体，其特征在于，采用注塑工艺，注塑时，工程塑料以流动相形式对纤维集合体充分浸渍，并在纤维集合体表面形成带有规则凸起的独特结构，所述流动相的工程塑料本体具有粘性和渗透性，实现与纤维集合体之间接触界面的界面粘结及整体成型效果，塑料流体冷却后将纤维集合体固化在其中，两者充分混合，将耐冲击、耐穿刺性工程塑料与纤维集合体一体成型，提高了整体材料的防护效果。

所述纤维集合体是由一维纱线结构中的一种或若干种组成的，即纤维、纱线、绳、缆；组合形式包括机织物、针织物、非织造布、编织物中的一种或若干种；纤维原料可以是芳纶、超高分子量聚乙烯等高性能纤维，也可以是涤纶、锦纶等化学纤维。

所述工程塑料物料形式可以为粉料、粒料、分散体；种类可以为聚苯乙烯(PS)、ABS树脂、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等树脂及其改性材料，也可以为尼龙玻纤、尼龙碳纤、PC玻纤、PC/ABS合金等工程材料。

针对防刺体的各级结构做出下述说明：

以下定义该柔性防刺体初级结构，即最小模块称防刺单元，详见附图1，其特征为：防刺单元的水平面尺寸为1-30mm，高度为0.1-5mm。相邻独立单元间的间隙为0.1-3mm。防刺单元正面或反面或正反两面边缘形成一圈“规则凸起”，即防刺单元边缘高出0.2-2mm，“凸起”宽度范围为0.5-3mm。防刺单元正面或反面为平面、加筋结构或粗糙表面。

所述防刺单元形状可以是圆形、三角形、四边形、五边形、多边形以及不规则多边形的一种或多种组合。

以下定义该柔性防刺体二级结构，称单层防刺片材。其特征为以一种或多种排列方式的若干防刺单元集合，防刺单元间存在连接点。单层防刺片材是纤维集合体与工程塑料复合的整体形式。典型图案如图2、图3所示。

所述的防刺单元排列方式可以为矩阵式、错位式、多样式、多尺寸式以及多样式多尺寸式中的一种或多种。

以下定义该柔性防刺体三级结构，称防刺内芯，详见附图4、图5。其特征为若干层单层防刺片材以一定角度交错叠层的整体，层间加固方式包括缝纫、热粘合、粘着剂胶合中的一种或若干种。

该柔性防刺复合材料制备的具体流程如下：

利用现代常用切割技术，把纤维集合体按样板形状要求裁剪好，特征形状如图6所示；

将物料进行烘燥，去除多余水分；

将裁剪好的纤维集合体通过一定方式固定于注塑模具内，并预热一段时间；

接着把物料加入注塑机漏斗，待形成稳定、均质的注塑流体后，经冲模、压实、保压、冷却、固化、脱模等过程后，即得到片状柔性防刺复合材料；

利用机械或人工的方法消除防刺复合材料片材之间的连接点，对若干层片状柔性防刺复合材料进行交错叠层后，即得柔性防刺内芯。

针对具体流程做出下述说明：

鉴于原料、机械的使用广泛性要求，在此以热塑性塑料和螺杆注塑机为例描述，但不仅限于此，热固性塑料及柱塞式注塑机或其他材料与方式同样适用。

所述纤维集合体裁剪方式可以为剪具作用、刀具切割、激光切割等，其选择以精确切割，且不严重破坏纤维集合体结构、物理机械性能及纤维化学性能为标准。所裁剪的纤维集合体边缘伸出“舌头”，便于固定于注塑模具上。“舌头”可以为圆形、方形等任意形状。

所述纤维集合体预热温度以不严重破坏纤维集合体物理化学性能为限，并使成型过程中熔料与纤维集合体温差尽可能减小，起到一定的热料补缩作用。 

所述工程塑料的预热方式选择以工程塑料特性、生产规模等为依据。小批量生产采用热风循环或红外加热；批量化生产采取沸腾干燥或气流干燥；高温氧化型材料应采取真空干燥方式。

所述注塑工艺在首次注塑或更换原料时要进行料筒清理，即在形成稳定、均质注塑流体前连续对空注射。

所述稳定均质流体其特征为熔料内部温度分布范围较窄，表征加热效率在0.85以上。

注塑过程中温度、压力及各阶段时间设定应满足下述条件：

纤维集合体应能长时间承受所设模具温度、保压压力及注塑瞬时强热，即应保证其物理化学性能不发生明显损失。

防刺复合材料的内部定向程度降低、结晶程度提高、表面光洁程度良好。

获得固化防刺复合材料后应进行后处理，消除内部残余应力，以改善提高其性能与尺寸稳定性，后处理方式包括退火、调湿等。

本发明新型柔性防刺材料的生产工艺优势在于：

1.生产效率高、适用范围广。该新型防刺复合材料直接利用注塑工艺将工程塑料与纤维集合体复合，一体成型，免去了对化学粘着剂依赖的同时，大大缩短工艺流程，显著提高了生产效率。高性能纤维集合体及大部分化纤类基布均适用于该工艺。

2.整体成型良好、可加工性强。由于注塑过程中塑料流体的流动和渗透，改善了两种材料间的粘结效果和界面性能，该防刺材料的层内整体性极佳。而注塑温度、压力的可调可控，模具的可设计性则促成了多种工艺加工的实现。

3.“规则凸起”提升防刺性能。在防刺单元边缘设计成“规则凸起”，能有效阻挡刀具穿刺时刺入防刺单元间的缝隙。同时，该“凸起”与纤维集合体的不规则表面增加了层间摩擦，使防刺体整体性增加，整体防刺性能显著提升。

4.多层次结构提供不同防护需求。该防刺复合材料三级结构的存在，使生产者可通过改变每级防刺结构的数量、排列方式、形状、叠合角度等满足不同领域、不同防护等级、不同防护装备的需求。

[附图说明]

图1是最小模块防刺单元示意图

图2是六边形防刺单元构成的单层防刺片材示意图

图3是圆形防刺单元构成的单层防刺片材示意图

图4是六边形单层防刺片材构成的防刺内芯示意图

图5是圆形单层防刺片材构成的防刺内芯示意图

图6裁剪好的纤维集合体示意图

图中：1凸起 2六边形 3纤维集合体 4连接点 5圆形 6舌头

[具体实施方式]

实施例1

芳纶—尼龙玻纤防刺复合材料制备

防刺材料的主体为尼龙玻纤复合材料，其玻纤含量为35％，且添加质量分数为3％的增强剂，适量的抗氧剂、润滑剂、阻燃剂等助剂；以此来制备二级防刺结构，其基本防刺单元为六边形结构，六边形边长为8mm、厚度为1.5mm，且六边形正面边缘设有厚度为0.5mm、宽度为1mm的“凸起”，反面边缘设有厚度为0.2mm、宽度为0.5mm的“凸起”，各结构单元的间隙为0.3mm；防刺材料的基布为芳纶平纹布，其克重为180g/m²，经纬密度为110×110根/10cm。防刺体由四层单层防刺片材以30°铺设角组合得到，并采用缝纫等方式将各单层边缘固定。本防刺服根据公安部《GA68-2008》标准中24J能量进行穿刺测试，结果表明防刺服完全符合标准中所规定的各项技术要求。

具体制备流程及相关工艺参数如下：

1.注塑准备阶段 

芳纶平纹布根据设计要求裁剪为指定形状和尺寸，并通过模具预设的固定点使其固定于模具内部，模具预热温度设为90℃，预热30min。尼龙玻纤复合材料粒料于90±5℃卧式沸腾干燥机中干燥预热备用，干燥时间4h。

2.注塑阶段

注塑工艺参数如下：螺杆注塑机螺杆转速80rpm，直通式喷嘴温度设为270±1℃，料筒三段温度(前中后)分设为260±3℃，270±3℃,240±3℃。在130MPa注射压力，注射时间10-12秒条件下完成注射，75MPa压力下保压15s，背压5MPa。

3.注塑后处理阶段

对所得防刺片材进行调湿处理，即放在65％恒湿室中约5h，调节吸湿量至4％。

4.防刺内芯制备阶段

以机械轧辊轧断防刺单元间连接，四层单层防刺片材以30°铺设角组合叠层，并采用缝纫方式将各单层边缘缝合得到防刺内芯。

5.成衣阶段

将防刺内芯插入现有成衣，固定缝合即得成品。

实施例2

涤纶-聚碳酸酯防刺材料制备

防刺材料主体为聚碳酸酯，其相对分子质量为3万，相对分子质量分布为2.05，添加质量分数为5％的增强剂、质量分数为3％的色粒等助剂，制备如附图2所示的单层防刺片材。其基本防刺单元为六边形结构，六边形边长为6mm，单元高度为2mm，单元间隙为0.5mm，正面边缘规则性“凸起”高度为0.5mm，宽度为1mm，反面边缘设有厚度为0.2mm、宽度为0.5mm的“凸起”。加筋部分高度为0.5mm，宽度为1mm。防刺材料基布为涤纶牛津布，其克重为220g/m²，经纬密度为192×144(根/10cm)。防刺体由四层单层防刺片材交错叠层， 以缝纫方式加固为防刺内芯。本防刺服根据公安部《GA68-2008》标准按照24J能量进行穿刺测试，结果表明防刺服完全符合标准中所规定的各项技术要求。

具体制备流程及相关工艺参数如：

1.注塑准备阶段 

涤纶牛津布根据设计要求裁剪为指定形状和尺寸，并通过模具预设的固定点使其固定于模具内部，模具预热温度设为110℃，预热30min。PC粒料于90±5℃卧式沸腾干燥机中干燥预热备用，干燥时间4h。

2.注塑成型

注塑工艺参数如下：螺杆注塑机螺杆转速50rpm，延伸式喷嘴温度设为230±2℃，料筒三段温度(前中后)分设为260±3℃，280±3℃,270±3℃。在130MPa注射压力，注射时间4-5秒条件下完成注射，在75MPa压力下保压10s，背压5MPa。

3.注塑后处理阶段

对所得防刺片材进行调湿处理，即放在65％恒湿室中约5h，调节吸湿量至4％。

4.防刺内芯制备阶段

以机械轧辊轧断防刺单元间连接，四层单层防刺片材以30°铺设角组合得到，并采用缝纫等方式将各单层边缘固定得到防刺内芯。

5.成衣阶段

将防刺内芯插入现有成衣，固定缝合即得成品。

实施例3

锦纶-耐冲击ABS防刺材料制备 

防刺材料主体为耐冲击ABS塑料，添加质量分数为8％的增强剂、质量分数为5％的色粒等助剂，制备如附图2所示的单层防刺片材。其基本防刺单元为圆形，单元直径为8mm，单元高度为1.3mm，单元间隙为0.2mm，单元正面边缘的“凸起”为0.5mm，宽度为1mm。防刺材料基布为尼龙牛津布，其克重为240g/m²，经纬密度为236×188(根/10cm)。防刺体由四层单层防刺片材交错叠层，以缝纫方式加固为防刺内芯。本防刺服根据公安部《GA68-2008》标准按照24J能量进行穿刺测试，结果表明防刺服完全符合标准中所规定的各项技术要求。

具体制备流程及工艺参数如下：

1.注塑准备阶段 

尼龙牛津布根据设计要求裁剪为指定形状和尺寸，并通过模具预设的固定点使其固定于模具内部，模具预热温度设为100℃，预热30min。高抗冲ABS粒料于90±5℃卧式沸腾干燥机中干燥预热备用，干燥时间1h。

2.注塑成型

注塑工艺参数如下：螺杆注塑机螺杆转速40rpm，直通式喷嘴温度设为210±2℃，料筒三段温度(前中后)分设为210±3℃，220±3℃,190±3℃。在80MPa注射压力，注射时间3-4秒条件下完成注射，在40MPa压力下保压10s，背压5MPa。

3.注塑后处理阶段

对所得防刺片材进行调湿处理，即放在65％恒湿室中约5h，调节吸湿量至4％。

4.防刺内芯制备阶段

以机械轧辊轧断防刺单元间连接，四层单层防刺片材以30°铺设角组合得到，并采用缝纫等方式将各单层边缘固定得到防刺内芯。

5.成衣阶段

将防刺内芯插入现有成衣，固定缝合即得成品。

Claims (9)

1.一种注塑成型柔性防刺复合材料，包括工程塑料与纤维集合体，其特征在于，注塑时，工程塑料以流动相形式对纤维集合体充分浸渍，并在纤维集合体表面形成带有规则凸起的独特结构，所述流动相的工程塑料本体具有粘性和渗透性，实现与纤维集合体之间接触界面的界面粘结及整体成型效果，塑料流体冷却后将纤维集合体固化在其中，两者充分混合，达到一体成型。

2.如权利要求1所述的一种注塑成型柔性防刺复合材料，其特征在于，所述纤维集合体是由一维纱线结构中的一种或若干种组成的，即纤维、纱线、绳、缆；组合形式包括机织物、针织物、非织造布、编织物中的一种或若干种；纤维原料可以是芳纶、超高分子量聚乙烯等高性能纤维，也可以是涤纶、锦纶化学纤维。

3.如权利要求1所述的一种注塑成型柔性防刺复合材料，其特征在于，所述工程塑料物料形式可以为粉料、粒料、分散体；种类可以为聚苯乙烯PS、ABS树脂、聚酰胺PA、聚碳酸酯PC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA等树脂及其改性材料，也可以为尼龙玻纤、尼龙碳纤、PC玻纤、PC/ABS合金等工程材料。

4.如权利要求1所述的一种注塑成型柔性防刺复合材料，其特征在于，所述注塑成型柔性防刺复合材料同一水平面上可分隔为若干防刺单元组合而成，所述防刺单元形状可以是圆形、三角形、四边形、五边形、多边形以及不规则多边形的一种或多种组合；所述注塑成型柔性防刺复合材料同一垂直面上可由若干层单层防刺片材叠合而成，若干层单层防刺片材以一定角度交错叠层的整体，层间加固方式包括缝纫、热粘合、粘着剂胶合中的一种或若干种。

5.如权利要求4所述的一种注塑成型柔性防刺复合材料，其特征在于，所述防刺单元为柔性防刺体的最小模块，采用正六边形，水平面尺寸为1-30mm，高度为0.1-5mm；相邻独立单元间的间隙为0.1-3mm；防刺单元正面或反面或正反两面边缘形成一圈规则凸起，即防刺单元边缘高出0.2-2mm，凸起宽度范围为0.5-3mm，防刺单元正面或反面为平面、加筋结构或粗糙表面。

6.如权利要求4所述的一种注塑成型柔性防刺复合材料，其特征在于，所述的防刺单元排列方式可以为矩阵式、错位式、多样式、多尺寸式以及多样式多尺寸式中的一种或多种。

7.一种如权利要求1所述的注塑成型柔性防刺复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)注塑准备阶段

把纤维集合体按样板形状要求裁剪切割，将裁剪好的纤维集合体通过模具预设的固定点使其固定于模具内部，预热30min，模具预热温度设为90℃，接着将工程塑料物料于90±5℃卧式沸腾干燥机中干燥预热备用，干燥时间4h；

(2)注塑阶段

工程塑料物料进行烘燥，去除多余水分，接着加入螺杆注塑机漏斗，螺杆注塑机螺杆转速50-80rpm，直通式喷嘴温度设为230-270℃，料筒前中后三段温度分设为260±3℃，270-280℃,240-270℃，待形成稳定、均质的注塑流体后，在130MPa注射压力，注射时间4-12秒条件下完成注射，75MPa压力下保压10-15s，背压5MPa，流动相的工程塑料对纤维集合体的充分浸渍；

(3)注塑后处理阶段

对所得防刺片材进行调湿处理，即放在65％恒湿室中约5h，调节吸湿量至4％，塑料流体冷却后把纤维集合体固化在其中，两者充分混合；

(4)防刺内芯制备阶段

经冲模、压实、保压、冷却、固化、脱模等过程后，即得到片状柔性防刺复合材料，以机械轧辊轧断防刺单元间连接，四层单层防刺片材以30°铺设角组合得到，并采用缝纫等方式将各单层边缘固定，利用机械或人工的方法消除防刺复合材料片材之间的连接点，对若干层片状柔性防刺复合材料进行交错叠层后，即得柔性防刺内芯；

(5)成衣阶段

将防刺内芯插入现有成衣，固定缝合即得成品。

8.如权利要求7所述注塑成型柔性防刺复合材料的制备方法，其特征在于，所述纤维集合体裁剪方式可以为剪具作用、刀具切割、激光切割，其选择以精确切割，且不严重破坏纤维集合体结构、物理机械性能及纤维化学性能为标准，所裁剪的纤维集合体边缘伸出“舌头”，“舌头”可以为圆形、方形等任意形状。

9.如权利要求7所述注塑成型柔性防刺复合材料的制备方法，其特征在于，所述工程塑料的预热方式采用热风循环或红外加热或沸腾干燥或气流干燥或真空干燥方式，所述纤维集合体预热温度以不严重破坏纤维集合体物理化学性能为限，并使成型过程中熔料与纤维集合体温差尽可能减小，起到一定的热料补缩作用。