CN105694205B - 一种爆炸保护膜及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种爆炸保护膜及其制作方法。所述爆炸保护膜包含依次叠加的高抗冲聚苯乙烯膜、含氧化石墨烯的聚丙烯膜与玻璃纤维增强聚碳酸酯膜。所述爆炸保护膜的制作方法为采用粘胶剂将高抗冲聚苯乙烯膜、含氧化石墨烯的聚丙烯膜与玻璃纤维增强聚碳酸酯膜依次叠加，经常温加压粘结成型。本发明由于采用不同化学成分、结构和厚度比的多层膜，并利用聚合物交联体系和无机/有机协同增效体系，爆炸保护膜具有优异的机械性能、抗老化性能和热稳定性。该爆炸保护膜还具有成本较低、重量较轻、易于运输的优势，在重要建筑和基础设施的爆炸防护领域具有良好的应用前景。

Description

一种爆炸保护膜及其制作方法
技术领域
本发明涉及防爆材料领域，具体是涉及一种爆炸保护膜及其制作方法，该膜可用于重要建筑和基础设施的防护。
背景技术
目前，除军事安全领域的传统防爆外，非传统安全领域的爆恐袭击，以及由各类石油化工原料、粉体烟尘、民用燃气、车辆撞击等等产生的意外爆炸事故频发，造成巨大人身和财产损失。
以基础设施和建筑为例，它们通常采用成本较低的普通建筑材料建成。爆炸发生后，这些建筑和设施的普通建材，如砖石、金属、玻璃、混凝土等在巨大冲击波的作用下会瞬间产生大量碎片，从而对建筑物内部的人员和装备造成致命伤害。传统方法上，如果要对这些建筑和基础设施进行防爆处理，必须采用价格昂贵的特殊材料，如高耐冲击玻璃，以及高强度、高韧性钢筋混凝土等，以提高其抗冲击性能。但是，这会大大增加建筑物的整体重量和建造成本，而且建造时间也将延长。
因此，对于重要建筑和基础设施的防护，亟需成本较低、重量较轻、易于运输且便于安装的防爆材料。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一个目的是提供一种爆炸保护膜，本发明的第二个目的是提供上述爆炸保护膜的制作方法。
本发明的第一个目的通过以下技术方案予以实现：
一种爆炸保护膜，包含依次叠加的高抗冲聚苯乙烯膜、含氧化石墨烯的聚丙烯膜与玻璃纤维增强聚碳酸酯膜。
优选地，所述玻璃纤维增强聚碳酸酯膜的厚度为1.2-2.0mm，所述高抗冲聚苯乙烯膜的厚度为0.75-1.5mm，所述含氧化石墨烯的聚丙烯膜的厚度为1.5-2.5mm。
本发明的第二个目的通过以下技术方案予以实现：
一种爆炸保护膜的制作方法，采用粘胶剂将高抗冲聚苯乙烯膜、含氧化石墨烯的聚丙烯膜与玻璃纤维增强聚碳酸酯膜依次叠加，经常温加压粘结成型。
优选地，所述含氧化石墨烯的聚丙烯膜采用如下方法制作：
(1)在室温下，向100-150份水中加入2.5-4份硅烷偶联剂，搅拌至完全溶解；然后加入8-12份氧化石墨烯，超声分散30min后，搅拌2h，再升温至55-57℃，搅拌24-32h后，将水减压蒸除，再将氧化石墨烯在50℃下真空干燥24小时后待用；
(2)将42-65份等规聚丙烯、4-6份苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、5-7份填料和上述步骤(1)备好的氧化石墨烯装入高速混合机中，在300-350r/min转速下分散1.5-2.5h后，升温至110-115℃，再加入2-4份增溶剂，在450-550r/min转速下分散10-15min后，放入冷混锅中冷却，待温度降到45℃时放料，得到初混料；
(3)将初混料置于温度为175-190℃、转速为60-85r/min的双螺杆挤出机中混炼0.5-1h后挤出，得到混炼料；
(4)采用平板硫化机，将混炼料在180-190℃、15-20MPa下热压成型5-7h，制备得到含氧化石墨烯的聚丙烯膜。所述含氧化石墨烯的聚丙烯膜的厚度为1.5-2.5mm。
优选地，氧化石墨烯在使用前需要处理为粉末，步骤如下：
在3-4℃下的140L浓硫酸中，加入200目的天然鳞片石墨11.5Kg，并控制温度3-4℃搅拌6h后，同时加入5Kg五氧化二磷和5.5Kg过硫酸钾，升温至22-24℃搅拌12h后，升温至50-52℃继续搅拌48h；然后在1.5h内缓慢加入520L水并搅拌5h，再在2h内缓慢加入28L双氧水，继续搅拌12h，得到亮黄色颗粒物的悬浊液；将亮黄色颗粒物滤出并用水洗净后，在70℃下真空干燥24h，得到氧化石墨烯粉末。
优选地，所述的硅烷偶联剂为美国联碳公司牌号为A-171硅烷偶联剂。
优选地，所述的增溶剂为马来酸酐接枝聚丙烯。
优选地，所述的填料为轻质碳酸钙，填料的粒径为1-50μm。
优选地，所述室温为15-35℃。
优选地，所述常温为20-35℃。
优选地，所述加压成型的压力为1.5-3MPa，加压时间为24-30h。
本发明由于采用聚合物交联体系和无机/有机协同增效体系，特别是采用了超级碳素纳米材料石墨烯，使爆炸保护膜具有优异的机械性能、抗老化性能和热稳定性。研究表明，石墨烯的杨氏模量高达1100GPa，断裂强度高达125GPa，是钢的200倍，硬度高于金刚石，是迄今发现的最强的材料；同时，石墨烯材料也具有相当的韧性，其碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子晶面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。
本发明爆炸保护膜包含不同化学成分、结构和厚度比的多层膜，具有高强度和高韧性，能对爆炸产生的冲击波和弹(碎)片的能量进行有效吸收与耗散。以厚度为6.3mm的爆炸保护膜为例，按GJB430-2002《军用防弹衣安全技术性能要求》，对该保护膜进行防破片等级测试，结果表明，其防破片性能V50＝670m/s，达到III级。
本发明爆炸保护膜可采用压敏胶方便地安装在各类重要的建筑和基础设施的外表面和内表面，能够对由爆炸产生的玻璃、金属、砖石和混凝土等材质的高速碎片进行有效防护。同时，该爆炸保护膜还具有重量较轻、成本较低、易于运输的优势。
附图说明
图1为本发明爆炸保护膜结构示意图。
附图标记：
高抗冲聚苯乙烯膜1，含氧化石墨烯的聚丙烯膜2，玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3。
具体实施方式
本发明采用粘胶剂将高抗冲聚苯乙烯膜1、含氧化石墨烯的聚丙烯膜2与玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3依次叠加，经常温加压粘结成型，得到一种可用于重要建筑和基础设施防护的爆炸保护膜。
本发明中使用的各原材料的主要指标如下：
优选地，所述的双氧水为市售浓度为30％的过氧化氢水溶液。
优选地，所述的等规聚丙烯树脂的主要指标：熔体流动速率：6g/10min(230℃，2.16kg)；密度：1.12g/cm3；压痕硬度：125Mpa；IZOD冲击强度：10J/m(23℃1/4"厚)；拉伸强度：105Mpa；弯曲强度：145Mpa；热变形温度：162℃(0.45Mpa，未退火)。
优选地，所述的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物的主要指标：熔体流动速率：5.0g/10min(200℃，5kg)；密度：1.01g/cm3；洛氏硬度：10；拉伸强度：18Mpa；断裂伸长率：250％；弯曲强度：21Mpa；热变形温度：60℃(1.8Mpa，未退火)。
所述的高抗冲聚苯乙烯膜为市售，厚度为0.75-1.5mm，并含1％的四溴双酚A阻燃剂。该膜采用高抗冲聚苯乙烯树脂，经挤出拉伸制成。其中，高抗冲聚苯乙烯树脂的主要指标：熔体流动速率：4.5g/10min(200℃，5kg)；密度：1.05g/cm3；洛氏硬度：L-75；IZOD冲击强度：8.0J/m(23℃1/4"厚)；拉伸强度：200Mpa；热变形温度：93℃。
所述的玻璃纤维增强聚碳酸酯膜为市售，厚度为1.2-2.0mm，其中玻璃纤维的含量为5％、10％和20％三种。以厚度为2mm，玻璃纤维的含量为20％的聚碳酸酯膜为例，其主要指标：密度：1.36g/cm3；分子量：2.01×10-4；RHM硬度：83.6；弯曲强度：155Mpa；摆锤式冲击强度(无缺口)：56J/m；拉伸强度：200Mpa；热变形温度：137℃(1.82Mpa，未退火)；阻燃性等级：UL94V-0。
所述粘胶剂为Henkel公司Loctite H4800或Loctite 3038中的一种。
用粘胶剂在高抗冲聚苯乙烯膜、玻璃纤维增强聚碳酸酯膜单面涂胶，在含氧化石墨烯的聚丙烯膜双面涂胶后，按顶层为高抗冲聚苯乙烯膜、中间层为含氧化石墨烯的聚丙烯膜、底层为玻璃纤维增强聚碳酸酯膜的次序，并以涂胶面与涂胶面相贴合的方式叠加，再经常温加压粘结成型。
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
1、含氧化石墨烯的聚丙烯膜的制作：
首先制备氧化石墨烯粉末：在3-4℃下的140L浓硫酸中，加入200目的天然鳞片石墨11.5Kg，并控制温度3-4℃搅拌6h后，同时加入5Kg五氧化二磷和5.5Kg过硫酸钾，升温至22-24℃搅拌12h后，升温至50-52℃继续搅拌48h；然后在1.5h内缓慢加入520L水并搅拌5h，再在2h内缓慢加入28L、30％的过氧化氢水溶液，继续搅拌12h，得到亮黄色颗粒物的悬浊液；将亮黄色颗粒物滤出并用水洗净后，在70℃下真空干燥24h，得到氧化石墨烯粉末。
在室温下，将3份A-171硅烷偶联剂加入到120份水中，搅拌至完全溶解；然后取氧化石墨烯粉末10份，加入到偶联剂水溶液中超声分散30min后，搅拌2h，升温至55℃，搅拌28h后，将水减压蒸除，再将氧化石墨烯在50℃下真空干燥24小时后待用。经过上述处理可以增加氧化石墨烯与聚合物膜的相容性。
将49份等规聚丙烯、4.5份苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、3份轻质碳酸钙和上述步骤备好的氧化石墨烯装入高速混合机中，在320r/min转速下分散2h后，升温至112℃，再加入马来酸酐接枝聚丙烯3份，在480r/min转速下分散12min后，放入冷混锅中冷却，待温度降到45℃时放料，得到初混料；然后将初混料置于温度为180℃、转速为70r/min的双螺杆挤出机中混炼0.5h后挤出，得到混炼料；再采用平板硫化机，将上述步骤制备好的混炼料在185℃、16MPa下热压成型6h，制备得到含氧化石墨烯的聚丙烯膜。该聚丙烯膜的厚度为2.0mm。
2、爆炸保护膜的制作：
选取厚度为1.0mm的高抗冲聚苯乙烯膜1，及玻璃纤维的含量为10％、厚度为1.5mm的玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3，采用Henkel公司Loctite H4800胶，将高抗冲聚苯乙烯膜1、玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3单面涂胶，将上述步骤1中的含氧化石墨烯的聚丙烯膜2双面涂胶后，按顶层为高抗冲聚苯乙烯膜1、中间层为含氧化石墨烯的聚丙烯膜2、底层为玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3的次序，并以涂胶面与涂胶面相贴合的方式叠加，再在30℃和2MPa的条件下加压时间26小时即粘结成型。该爆炸保护膜的厚度为4.7mm。
按GJB 430-2002《军用防弹衣安全技术性能要求》，模拟破片重量1.1g、口径5.385mm，对该爆炸保护膜进行防破片等级测试，结果表明，其防破片性能V50＝620m/s，达到II级，可应用于建筑和基础设施的防护。
实施例2
1、含氧化石墨烯的聚丙烯膜的制作：
氧化石墨烯粉末的制备步骤同实施例1。
在室温下，将4份A-171硅烷偶联剂加入到150份水中，搅拌至完全溶解；然后取氧化石墨烯粉末12份，加入到偶联剂水溶液中超声分散30min后，搅拌2h，升温至56℃，搅拌32h后，将水减压蒸除，再将氧化石墨烯在50℃下真空干燥24小时后待用。
将65份等规聚丙烯、6份苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、4份轻质碳酸钙和上述步骤备好的氧化石墨烯装入高速混合机中，在350r/min转速下分散2.5h后，升温至115℃，再加入马来酸酐接枝聚丙烯4份，在550r/min转速下分散15min后，放入冷混锅中冷却，待温度降到45℃时放料，得到初混料；然后将初混料置于温度为190℃、转速为85r/min的双螺杆挤出机中混炼1h后挤出，得到混炼料；再采用平板硫化机，将上述步骤制备好的混炼料在190℃、20MPa下热压成型7h，制备得到含氧化石墨烯的聚丙烯膜。该聚丙烯膜的厚度为2.5mm。
2、爆炸保护膜的制作：
选取厚度为1.5mm的高抗冲聚苯乙烯膜1，及玻璃纤维的含量为20％、厚度为2.0mm的玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3，采用Henkel公司Loctite H3038胶，将高抗冲聚苯乙烯膜1、玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3单面涂胶，将上述步骤1中的含氧化石墨烯的聚丙烯膜2双面涂胶后，按顶层为高抗冲聚苯乙烯膜1、中间层为含氧化石墨烯的聚丙烯膜2、底层为玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3的次序，并以涂胶面与涂胶面相贴合的方式叠加，再在35℃和3MPa的条件下加压时间30小时即粘结成型。该爆炸保护膜的厚度为6.3mm。
按GJB 430-2002《军用防弹衣安全技术性能要求》，模拟破片重量1.1g、口径5.385mm，对该爆炸保护膜进行防破片等级测试，结果表明，其防破片性能V50＝670m/s，达到III级，可应用于重要建筑和基础设施的防护。
实施例3
1、含氧化石墨烯的聚丙烯膜的制作：
氧化石墨烯粉末的制备步骤同实施例1。
在室温下，将2.5份A-171硅烷偶联剂加入到100份水中，搅拌至完全溶解；然后取氧化石墨烯粉末8份，加入到偶联剂水溶液中超声分散30min后，搅拌2h，升温至57℃，搅拌24h后，将水减压蒸除，再将氧化石墨烯在50℃下真空干燥24小时后待用。
将42份等规聚丙烯、4份苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、2.5份轻质碳酸钙和上述步骤备好的氧化石墨烯装入高速混合机中，在300r/min转速下分散1.5h后，升温至110℃，再加入马来酸酐接枝聚丙烯2份，在450r/min转速下分散10min后，放入冷混锅中冷却，待温度降到45℃时放料，得到初混料；然后将初混料置于温度为175℃、转速为60r/min的双螺杆挤出机中混炼0.5h后挤出，得到混炼料；再采用平板硫化机，将上述步骤制备好的混炼料在180℃、15MPa下热压成型5h，制备得到含氧化石墨烯的聚丙烯膜。该聚丙烯膜的厚度为1.5mm。
2、爆炸保护膜的制作：
选取厚度为0.75mm的高抗冲聚苯乙烯膜1，及玻璃纤维的含量为5％、厚度为1.2mm的玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3，采用Henkel公司Loctite H4800胶，将高抗冲聚苯乙烯膜1、玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3单面涂胶，将上述步骤1中的含氧化石墨烯的聚丙烯膜2双面涂胶后，按顶层为高抗冲聚苯乙烯膜1、中间层为含氧化石墨烯的聚丙烯膜2、底层为玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3的次序，并以涂胶面与涂胶面相贴合的方式叠加，再在20℃和1.5MPa的条件下加压时间24小时即粘结成型。该爆炸保护膜的厚度为3.6mm。
按GJB 430-2002《军用防弹衣安全技术性能要求》，模拟破片重量1.1g、口径5.385mm，对该爆炸保护膜进行防破片等级测试，结果表明，其防破片性能V50＝570m/s，达到I级，可应用于建筑和基础设施的防护。
实施例4
1、含氧化石墨烯的聚丙烯膜的制作：
氧化石墨烯粉末的制备步骤同实施例1。
在室温下，将3.5份A-171硅烷偶联剂加入到135份水中，搅拌至完全溶解；然后取氧化石墨烯粉末11份，加入到偶联剂水溶液中超声分散30min后，搅拌2h，升温至56℃，搅拌30h后，将水减压蒸除，再将氧化石墨烯在50℃下真空干燥24小时后待用。
将55份等规聚丙烯、5份苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、3.5份轻质碳酸钙和上述步骤备好的氧化石墨烯装入高速混合机中，在330r/min转速下分散2h后，升温至113℃，再加入马来酸酐接枝聚丙烯3.5份，在520r/min转速下分散13min后，放入冷混锅中冷却，待温度降到45℃时放料，得到初混料；然后将初混料置于温度为185℃、转速为75r/min的双螺杆挤出机中混炼1h后挤出，得到混炼料；再采用平板硫化机，将上述步骤制备好的混炼料在185℃、18MPa下热压成型6h，制备得到含氧化石墨烯的聚丙烯膜。该聚丙烯膜的厚度为2.2mm。
2、爆炸保护膜的制作：
选取厚度为1.2mm的高抗冲聚苯乙烯膜1，及玻璃纤维的含量为10％、厚度为1.8mm的玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3，采用Henkel公司Loctite H3038胶，将高抗冲聚苯乙烯膜1、玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3单面涂胶，将上述步骤1中的含氧化石墨烯的聚丙烯膜2双面涂胶后，按顶层为高抗冲聚苯乙烯膜1、中间层为含氧化石墨烯的聚丙烯膜2、底层为玻璃纤维增强聚碳酸酯膜3的次序，并以涂胶面与涂胶面相贴合的方式叠加，再在30℃和2.5MPa的条件下加压时间28小时即粘结成型。该爆炸保护膜的厚度为5.3mm。
按GJB 430-2002《军用防弹衣安全技术性能要求》，模拟破片重量1.1g、口径5.385mm，对该爆炸保护膜进行防破片等级测试，结果表明，其防破片性能V50＝650m/s，达到III级，可应用于重要建筑和基础设施的防护。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种爆炸保护膜，其特征在于，包含依次叠加的高抗冲聚苯乙烯膜、含氧化石墨烯的聚丙烯膜与玻璃纤维增强聚碳酸酯膜。
2.根据权利要求1所述的爆炸保护膜，其特征在于，所述玻璃纤维增强聚碳酸酯膜的厚度为1.2-2.0mm，所述高抗冲聚苯乙烯膜的厚度为0.75-1.5mm，所述含氧化石墨烯的聚丙烯膜的厚度为1.5-2.5mm。
3.一种爆炸保护膜的制作方法，其特征在于，采用粘胶剂将高抗冲聚苯乙烯膜、含氧化石墨烯的聚丙烯膜与玻璃纤维增强聚碳酸酯膜依次叠加，经常温加压粘结成型。
4.根据权利要求3所述的爆炸保护膜的制作方法，其特征在于，所述含氧化石墨烯的聚丙烯膜采用如下方法制作：
(1)在室温下，向100-150份水中加入2.5-4份硅烷偶联剂，搅拌至完全溶解；然后加入8-12份氧化石墨烯，超声分散30min后，搅拌2h，再升温至55-57℃，搅拌24-32h后，将水减压蒸除，再将氧化石墨烯在50℃下真空干燥24小时后待用；
(2)将42-65份等规聚丙烯、4-6份苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、5-7份填料和上述步骤(1)备好的氧化石墨烯装入高速混合机中，在300-350r/min转速下分散1.5-2.5h后，升温至110-115℃，再加入2-4份增溶剂，在450-550r/min转速下分散10-15min后，放入冷混锅中冷却，待温度降到45℃时放料，得到初混料；
(3)将初混料置于温度为175-190℃、转速为60-85r/min的双螺杆挤出机中混炼0.5-1h后挤出，得到混炼料；
(4)采用平板硫化机，将混炼料在180-190℃、15-20MPa下热压成型5-7h，制备得到含氧化石墨烯的聚丙烯膜。
5.根据权利要求4所述的爆炸保护膜的制作方法，其特征在于，氧化石墨烯在使用前需要处理为粉末，步骤如下：
在3-4℃下的140L浓硫酸中，加入200目的天然鳞片石墨11.5Kg，并控制温度3-4℃搅拌6h后，同时加入5Kg五氧化二磷和5.5Kg过硫酸钾，升温至22-24℃搅拌12h后，升温至50-52℃继续搅拌48h；然后在1.5h内缓慢加入520L水并搅拌5h，再在2h内缓慢加入28L双氧水，继续搅拌12h，得到亮黄色颗粒物的悬浊液；将亮黄色颗粒物滤出并用水洗净后，在70℃下真空干燥24h，得到氧化石墨烯粉末。
6.根据权利要求4所述的爆炸保护膜的制作方法，其特征在于，所述的增溶剂为马来酸酐接枝聚丙烯。
7.根据权利要求4所述的爆炸保护膜的制作方法，其特征在于，所述的填料为轻质碳酸钙，填料的粒径为1-50μm。
8.根据权利要求4所述的爆炸保护膜的制作方法，其特征在于，所述的硅烷偶联剂优选美国联碳公司牌号为A-171硅烷偶联剂。
9.根据权利要求4所述的爆炸保护膜的制作方法，其特征在于，所述室温为15-35℃，所述常温为20-35℃。
10.根据权利要求3所述的爆炸保护膜的制作方法，其特征在于，所述加压成型的压力为1.5-35MPa，加压时间为24-30h。
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