CN105856789A - 防弹用芳纶复合材料的制备方法 - Google Patents

防弹用芳纶复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种防弹用芳纶复合材料的制备方法，属于特种防护材料制备技术领域。包括的步骤：选取组织结构为平纹的芳纶平纹布并通过浸渍树脂而得到芳纶平纹预浸布，同时选取组织结构为斜纹的芳纶斜纹布并通过浸渍树脂而得到芳纶斜纹预浸布；将得到的芳纶平纹预浸布以及芳纶斜纹预浸布按上层、中层和下层三层叠加方式进行叠加，其中：上层和下层为芳纶平纹预浸布，而中间层为纺纶斜纹预浸布，得到叠层芳纶预浸布；将得到的叠层芳纶预浸布引入热压复合装置进行热压复合，并且控制热压温度、控制热压压力和控制保温保压时间，得到防弹用芳纶复合材料。减少叠加层数而减轻重量，满足极致的防弹性能要求。

Description

防弹用芳纶复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于特种防护材料制备技术领域，具体涉及一种防弹用芳纶复合材料的制备方法，由该方法制备的防弹用芳纶复合材料并非限于地用于制作军用、警用头盔或各种防弹服的原料。
背景技术
上面提及的特种防护材料主要指用于抵挡子弹的高能冲击而藉以起到有效保护生命体的作用的防弹用复合材料如高强力有机纤维布，高强力有机纤维布如芳纶纤维布、高强度聚乙烯纤维布等。由高强度聚乙烯纤维制成的防弹材料虽然具有重量轻的长处，但凹陷度大，耐热性脆弱系其缺陷，而芳纶兼有质量轻、耐热性优异的长处。
考量防弹用复合材料的防弹性能的优劣主要有两个方面：一是抵挡子弹而藉以防止贯穿伤害的能力；二是在抵挡子弹冲击时的最小凹陷度而藉以避免非贯穿钝伤的能力。
由于芳纶纤维属于高强性有机纤维，具有强度高、质量轻和耐热性能优异等特点，因而用芳纶纤维做成的防弹复合材料相比采用金属的复合材料重量更轻，而且比较柔软，穿着舒适性较好。但是由于芳纶在常态下易吸水，而吸水后的芳纶由于水具有润滑作用，于是在受到子弹冲击时往往易被击穿。另外，芳纶对紫外光敏感，在紫外线辐射下会导致纤维强度下降，所以作为用于制作前述军、警用的头盔和防弹服(如防弹背心)的芳纶布一般经过树脂涂布后形成芳纶预浸布，然后将芳纶浸渍布叠加在一起形成前述的防弹用芳纶复合材料。
已有技术中的防弹用芳纶复合材料普遍用多层相同的芳纶预浸布直接叠加在一起，然后在一定的温度和压力下热压复合在一起。毫无疑问，防弹效果与叠加的层数有关，芳纶预浸布叠加层数越多其防弹效果越好，但是往往会产生顾此失彼的问题，具体而言，随着叠加层数的增加重量也相应增加。因此如何在芳纶预浸布的防弹效果与减少重量之间寻找到合理的平衡点的问题长期以来困扰于业界并且期望有所突破。目前，人们往往将目光注重于树脂含量与芳纶纤维布之间的关系上，但是实践证明无法满足预期之要求。
在公开的中国专利文献中可见诸防弹用芳纶复合材料以及制备方法的技术信息，如CN102529196B推荐有“一种芳纶纤维预浸料及层叠复合材料的制备方法”，通过对该专利的说明书的阅读可知，由于其是对芳纶纤维束在均匀铺展状态下实施上胶的，因而得到的目标产物并非为真正意义上的芳纶预浸布，具体可参见该专利的说明书第0038至0044段。又如CN102632665A提供有“一种芳纶纤维增强树脂基防刺复合材料”，其是利用芳纶纤维平纹织物的高强度高模量和改性乙烯基树脂的高硬度抵抗刀具的刺穿，将芳纶纤维平纹织物和基体树脂加工单层浸胶织物，根据防护能力设计叠合层数，叠合后约束各层，得到目标产品，即得到芳纶纤维增强树脂基防刺复合材料(具体可参见说明书第0008段)。该专利申请方案对于制备芳纶预浸布具有启示意义，并且对于制备防弹用芳纶复合材料也具有技术上的可借鉴性。
再如CN102909920A介绍有“一种改性酚醛树脂半浸渗芳纶纤维预浸料”，由改性酚醛树脂与芳纶纤维织物组成，具体可参见其说明书第0017-0027段，该专利申请方案对于制备芳纶预浸布具有启示意义。
并非限于上面例举的专利对于如何在合理减少芳纶预浸布的叠加层数而藉以减轻重量与确保拔萃的防弹性能之间获得良好的平衡点均未给出有益的启示。
针对上述已有技术，本申请人作了持久而有益的探索并且进行了非有限次数的试验，终于找到了解决问题的办法，同时形成了下面将要介绍的技术方案。
发明内容
本发明的任务在于提供一种防弹用芳纶复合材料的制备方法，由该方法得到的防弹用芳纶复合材料既可减少叠加层数而藉以减轻重量又能满足优异的防弹性能要求。
本发明的任务是这样来完成的，一种防弹用芳纶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A)原料选择，选取组织结构为平纹的芳纶平纹布并通过浸渍树脂而得到芳纶平纹预浸布，同时选取组织结构为斜纹的芳纶斜纹布并通过浸渍树脂而得到芳纶斜纹预浸布；
B)叠层，将由步骤A)得到的芳纶平纹预浸布以及芳纶斜纹预浸布按上层、中层和下层三层叠加方式进行叠加，其中：上层和下层为芳纶平纹预浸布，而中间层为纺纶斜纹预浸布，得到叠层芳纶预浸布；
C)复合，将由步骤B)得到的叠层芳纶预浸布引入热压复合装置进行热压复合，并且控制热压温度、控制热压压力和控制保温保压时间，得到防弹用芳纶复合材料。
在本发明的一个具体的实施例中，步骤A)中所述的芳纶平纹布以及芳纶斜纹布的克重为200-600g/m2。
在本发明的另一个具体的实施例中，步骤A)中所述的芳纶平纹预浸布的克重为260-660g/m2，而所述芳纶斜纹预浸布的克重为240-630g/m2。
在本发明的又一个具体的实施例中，所述芳纶平纹预浸布浸渍所述树脂的量为所述芳纶平纹布重量的10-30％，所述芳纶斜纹预浸布浸渍所述树脂的量为所述芳纶斜纹布重量的5-20％。
在本发明的再一个具体的实施例中，步骤A)中所述的芳纶平纹预浸布由层数为2至20层的所述芳纶平纹布叠加组成；所述的芳纶斜纹预浸布由层数为5至30层的所述芳纶斜纹布叠加组成。
在本发明的还有一个具体的实施例中，所述芳纶平纹布由强度为24-28g/d的高强型芳纶丝织造而成。
在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的芳纶斜纹布由强度为21-24g/d的普通型芳纶丝织造而成。
在本发明的进而一个具体的实施例中，步骤C)中所述的控制热压温度是将热压温度控制为150-200℃；所述的控制热压压力是将热压压力控制为13-20MPa；所述的控制保温保压时间是指在150-200℃和13-20MPa下保持20-40min。
在本发明的又更而一个具体的实施例中，所述的树脂为固含量为50-55％的酚醛树脂。
在本发明的又进而一个具体的实施例中，所述的芳纶为芳纶1414。
本发明提供的技术方案开创性地采用了芳纶平纹预浸布与芳纶斜纹预浸布相组合，结构分上层、中层和下层三部分，既可显著减少叠加层数而减轻重量，又能满足极致的防弹性能要求，因为上、下两部分为芳纶平纹预浸布，而中间部分采用芳纶斜纹预浸布，于是在抵挡子弹冲击的时候，最上面部分的芳纶平纹预浸布首先发生变形减少子弹的冲击能量，待到中间部分的芳纶斜纹预浸布时，由于斜纹布的斜向交叉，可以有效的吸收和分散掉子弹的冲击能量，使得防弹织物的凹陷度最小化，最下面部分的芳纶平纹预浸布可以进一步减小凹陷度和防止贯穿。
附图说明
图1为本发明方法得到的防弹用芳纶复合材料的截面示意图。
图2为本发明方法得到的防弹用芳纶复合材料抵挡子弹冲击的示意图。
图3为芳纶平纹预浸布与芳纶斜纹预浸布的粘着力对比图。
具体实施方式
请参见图1，本发明方法制备的防弹用芳纶复合材料由上层1、中层2和下层3共三层叠加构成，图1中的上层1为芳纶平纹预浸布，中层2为芳纶斜纹预浸布，下层3为芳纶平纹预浸布。
请参见图2，图2中自左向右依次表示：子弹一次破碎和变形，减小弹能；网状效果减小二次弹能；凹陷程度最小化。具体而言，上层1用于一次减少子弹冲击能量，中层2用于二次减少和分散子弹冲击能量并降低复合材料的凹陷度，下层3为复合材料下面部分芳纶平纹预浸布用于防止子弹贯穿和使得凹陷度最小化。
实施例1：
A)原料选择，选取组织结构为平纹的芳纶平纹布并通过浸渍树脂而得到芳纶平纹预浸布，同时选取组织结构为斜纹的芳纶斜纹布并通过浸渍树脂而得到芳纶斜纹预浸布，在本步骤中，芳纶平纹布以及芳纶斜纹布的克重均为200g/m2(即密度为200g/m2)，芳纶平纹布浸渍前述树脂的量为芳纶平纹布重量的30％，而前述芳纶斜纹布浸渍前述树脂的量为芳纶斜纹布重量的20％，并且芳纶平纹预浸布由20层芳纶平纹布叠加(叠合)组成，而芳纶斜纹预浸布由30层的芳纶斜纹布叠加(叠合)组成，芳纶平纹布经浸渍树脂后所得到的芳纶平纹预浸布的克重为260g/m2，而芳纶斜纹布经浸渍树脂后所得到的芳纶斜纹预浸布的克重为240g/m2，其中：芳纶平纹布由强度为28g/d的高强型芳纶丝(也可称高强型芳纶纤维)织造而成，而芳纶斜纹布由强度为22g/d的普通型芳纶丝(也可称普通型芳纶纤维)织造而成，本步骤中所述的树脂为固含量为55％的酚醛树脂并且所述的芳纶为芳纶1414；
B)叠层，将由步骤A)得到的芳纶平纹预浸布以及芳纶斜纹预浸布按上层1、中层2和下层3三层叠加方式进行叠加，其中：上层1和下层3为芳纶平纹预浸布，而中间层2为纺纶斜纹预浸布，得到叠层芳纶预浸布；
C)复合，将由步骤B)得到的叠层芳纶预浸布引入热压复合装置进行热压复合，热压温度控制为200℃、热压压力控制为20MPa并且在200℃和20MPa下保持20min，得到由图1所示的由上、下层1、3为芳纶平纹预浸布与中层2为芳纶斜纹预浸布构成的防弹用芳纶复合材料。
比较例：
采用强度为22g/d的普通型芳纶丝织成克重为200g/m2(即密度为200g/m2)的芳纶平纹布并且经浸渍树脂后形成芳纶平纹预浸布，树脂的含量为芳纹平纹布重量的30％，由50层(注：相对于实施例1共50层)自下而上叠加在一起，按实施例1的步骤C)的工艺要素复合，得到由100％的芳纶平纹预浸布构成的防弹用芳纶复合材料。
应用例：
将实施例1以及比较例得到的防弹用芳纶复合材料分别放入预热好的头盔成型模具并由模压机压制成头盔，将头盔进行打靶实验，测试标准按照美国军用标准MIL-STD-662F测试V50:600-700m/s和凹陷度。测试结果下表所示。
由上表可以看出本发明实施例1所采用的芳纶平纹预浸布与芳纶斜纹预浸布叠加的防弹用芳纶材料具有较佳的防弹效果。
实施例2：
A)原料选择，选取组织结构为平纹的芳纶平纹布并通过浸渍树脂而得到芳纶平纹预浸布，同时选取组织结构为斜纹的芳纶斜纹布并通过浸渍树脂而得到芳纶斜纹预浸布，在本步骤中，芳纶平纹布以及芳纶斜纹布的克重均为460g/m2(即密度为460g/m2)，芳纶平纹布浸渍前述树脂的量为芳纶平纹布重量的16％，而前述芳纶斜纹布浸渍前述树脂的量为芳纶斜纹布重量的12％，并且芳纶平纹预浸布由10层芳纶平纹布叠加(叠合)组成，而芳纶斜纹预浸布由5层芳纶斜纹布叠加(叠合)组成，芳纶平纹布经浸渍树脂后所得到的芳纶平纹预浸布的克重为534g/m2，而芳纶斜纹布经浸渍树脂后所得到的芳纶斜纹预浸布的克重为515g/m2，其中：芳纶平纹布由强度为24g/d的高强型芳纶丝(也可称高强型芳纶纤维)织造而成，而芳纶斜纹布由强度为21g/d的普通型芳纶丝(也可称普通型芳纶纤维)织造而成，本步骤中所述的树脂为固含量为50％的酚醛树脂并且所述的芳纶为芳纶1414；
B)叠层，将由步骤A)得到的芳纶平纹预浸布以及芳纶斜纹预浸布按上层1、中层2和下层3三层叠加方式进行叠加，其中：上层1和下层3为芳纶平纹预浸布，而中间层2为纺纶斜纹预浸布，得到叠层芳纶预浸布；
C)复合，将由步骤B)得到的叠层芳纶预浸布引入热压复合装置进行热压复合，热压温度控制为175℃、热压压力控制为13MPa并且在175℃和13MPa下保持40min，得到由图1所示的由上、下层1、3为芳纶平纹预浸布与中层2为芳纶斜纹预浸布构成的防弹用芳纶复合材料，由于比较例、应用例以及测试与实施例1类似，因而不再赘述。
实施例3：
A)原料选择，选取组织结构为平纹的芳纶平纹布并通过浸渍树脂而得到芳纶平纹预浸布，同时选取组织结构为斜纹的芳纶斜纹布并通过浸渍树脂而得到芳纶斜纹预浸布，在本步骤中，芳纶平纹布以及芳纶斜纹布的克重均为600g/m2(即密度为600g/m2)，芳纶平纹布浸渍前述树脂的量为芳纶平纹布重量的10％，而前述芳纶斜纹布浸渍前述树脂的量为芳纶斜纹布重量的5％，并且芳纶平纹预浸布由2层芳纶平纹布叠加(叠合)组成，而芳纶斜纹预浸布由20层芳纶斜纹布叠加(叠合)组成，芳纶平纹布经浸渍树脂后所得到的芳纶平纹预浸布的克重为660g/m2，而芳纶斜纹布经浸渍树脂后所得到的芳纶斜纹预浸布的克重为630g/m2，其中：芳纶平纹布由强度为26g/d的高强型芳纶丝(也可称高强型芳纶纤维)织造而成，而芳纶斜纹布由强度为24g/d的普通型芳纶丝(也可称普通型芳纶纤维)织造而成，本步骤中所述的树脂为固含量为52.5％的酚醛树脂并且所述的芳纶为芳纶1414；
B)叠层，将由步骤A)得到的芳纶平纹预浸布以及芳纶斜纹预浸布按上层1、中层2和下层3三层叠加方式进行叠加，其中：上层1和下层3为芳纶平纹预浸布，而中间层2为纺纶斜纹预浸布，得到叠层芳纶预浸布；
C)复合，将由步骤B)得到的叠层芳纶预浸布引入热压复合装置进行热压复合，热压温度控制为150℃、热压压力控制为16MPa并且在150℃和16MPa下保持30min，得到由图1所示的由上、下层1、3为芳纶平纹预浸布与中层2为芳纶斜纹预浸布构成的防弹用芳纶复合材料，由于比较例、应用例以及测试类似于实施例1，因而不再赘述。
试验例：
请参见图3，将密度分别为200g/m2、460g/m2和600g/m2的芳纶平纹布经过树脂涂布后形成芳纶平纹预浸布，树脂含量分别为30％，16％，10％；将密度分别为200g/m2、460g/m2和600g/m2的芳纶斜纹布经过树脂涂布后形成芳纶斜纹预浸布，树脂含量同样为20％，12％，5％。测试两层芳纶预浸布的粘着力。可见在同样树脂含量下芳纶斜纹预浸布的粘着力要大于芳纶平纹的预浸布的粘着力。

Claims (10)

1.一种防弹用芳纶复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A)原料选择，选取组织结构为平纹的芳纶平纹布并通过浸渍树脂而得到芳纶平纹预浸布，同时选取组织结构为斜纹的芳纶斜纹布并通过浸渍树脂而得到芳纶斜纹预浸布；
B)叠层，将由步骤A）得到的芳纶平纹预浸布以及芳纶斜纹预浸布按上层、中层和下层三层叠加方式进行叠加，其中：上层和下层为芳纶平纹预浸布，而中间层为纺纶斜纹预浸布，得到叠层芳纶预浸布；
C)复合，将由步骤B）得到的叠层芳纶预浸布引入热压复合装置进行热压复合，并且控制热压温度、控制热压压力和控制保温保压时间，得到防弹用芳纶复合材料。
2.根据权利要求1所述的防弹用芳纶复合材料的制备方法，其特征在于步骤A）中所述的芳纶平纹布以及芳纶斜纹布的克重为200-600g/㎡。
3.根据权利要求1所述的防弹用芳纶复合材料的制备方法，其特征在于步骤A）中所述的芳纶平纹预浸布的克重为260-660g/㎡，而所述芳纶斜纹预浸布的克重为240-630g/㎡。
4.根据权利要求1所述的防弹用芳纶复合材料的制备方法，其特征在于所述芳纶平纹预浸布浸渍所述树脂的量为所述芳纶平纹布重量的10-30%，所述芳纶斜纹预浸布浸渍所述树脂的量为所述芳纶斜纹布重量的5-20%。
5.根据权利要求1所述的防弹用芳纶复合材料的制备方法，其特征在于步骤A）中所述的芳纶平纹预浸布由层数为2至20层的所述芳纶平纹布叠加组成；所述的芳纶斜纹预浸布由层数为5至30层的所述芳纶斜纹布叠加组成。
6.根据权利要求1或2或4或5所述的防弹用芳纶复合材料的制备方法，其特征在于所述芳纶平纹布由强度为24-28g/d的高强型芳纶丝织造而成。
7.根据权利要求1或2或4或5所述的防弹用芳纶复合材料的制备方法，其特征在于所述的芳纶斜纹布由强度为21-24g/d的普通型芳纶丝织造而成。
8.根据权利要求1所述的防弹用芳纶复合材料的制备方法，其特征在于步骤C）中所述的控制热压温度是将热压温度控制为150-200℃；所述的控制热压压力是将热压压力控制为13-20MPa；所述的控制保温保压时间是指在150-200℃和13-20MPa下保持20-40min。
9.根据权利要求1或4所述的防弹用芳纶复合材料的制备方法，其特征在于所述的树脂为固含量为50-55%的酚醛树脂。
10.根据权利要求1至5任一权利要求所述的防弹用芳纶复合材料的制备方法，其特征在于所述的芳纶为芳纶1414。
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