CN106799852A - 一种轻质高强度缓冲复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻质高强度缓冲复合材料的制备方法。该方法是将热塑性树脂浸渍到高强度纤维中制成的高强度纤维板加热到热塑性树脂熔点以上后快速模压冷却定型，将一次性制成的高强度纤维壳放入模具中，再将植物油基软骨仿生缓冲减震材料注入高强度纤维壳中，在模具的上模面固定有表面贴有TPU膜的布料，TPU膜在靠近缓冲材料一侧，锁住模具待植物油基软骨仿生缓冲减震材料发泡固化定型，即得到该缓冲复合材料。该方法生产效率高，在高强度纤维片的冷压定型环节，使生产时间显著缩短，从现有的30‑35分钟/模提升至1‑3分钟/模，提高了约10倍。在安全与防暴、运动防护产品、智能装备震动保护产品、医疗减震与防护产品中可广泛应用。

Description

一种轻质高强度缓冲复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于缓冲材料的技术领域，具体涉及一种轻质高强度缓冲复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
传统的运动防护产品，为了提高抗击打能力，一般会采用钢片外壳再加上缓冲材料，或者使用ABS塑料与缓冲材料组合，这样使防护体具有强硬的外壳可以抗击打不变形，但同时又有缓冲材料的减震功能，使穿戴者能够更好地在一般激烈运动或场景保护身体不受伤害，比如冰球运动员的护胫，护膝；防暴警察的头盔，护肘，护膝，盾牌，安全鞋的包头，医疗夹具，机器人护甲。但同时也存在以下缺陷：1.采用钢片会比较笨重，使穿戴者会增加工作负荷，使运动员会表现不佳；2.采用ABS塑料如果材料薄一些会轻便，但抗打击能力会不如钢片，并且不防穿刺。
目前，由于轻便而且强度超高的纤维制品具有超高的比强度，优异的耐温性，使其代替钢片成为一种趋势，然而对高强度纤维制备的研究和应用刚起步，大多高强度纤维主要应用在建筑增强和箱包外壳领域，尚未见有关在运动防护产品上的应用，究其原因如下：(1)在发明专利CN103847166A中指出，现有方法通常使用连续单向纤维布浸渍热固性树脂后热压成型做成纤维板，然后作为建筑增强件。这种方法制作的板材表面粗糙，仅能用作建筑板材这种表面要求不高的产品。(2)另一种方法是将高强度纤维在已制的壳模具内进行铺设，然后再放入树脂，模压并加温固化，见发明专利CN104401012A。因为这种做法的人工成本高，加之生产效率低，一个产品的成型时间达到30-35分钟，这样生产的制品单位模具成本高，人工成本也高，很难大量工业化生产。(3)发明专利CN105690907A是将高强度纤维先与热固性树脂拉制成板材，然后再模压成型应用到箱包壳体，其成功制备了高强度外壳，但因没有与缓冲材料结合，不能用于轻质高强度而又具备缓冲减震的防护产品中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，本发明的首要目的在于提供一种轻质高强度缓冲复合材料的制备方法。该方法生产效率高，在高强度纤维片的冷压定型环节，使生产时间显著缩短，从现有的30-35分钟/模提升至1-3分钟/模，提高了约10倍。
本发明的另一目的在于提供上述方法制备的轻质高强度缓冲复合材料。
本发明的再一目的在于提供上述轻质高强度缓冲复合材料的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：
一种轻质高强度缓冲复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：
S1.将热塑性树脂浸渍到高强度纤维中制成高强度纤维板，将高强度纤维板切割成高强度纤维板片；
S2.将步骤S1切割的高强度纤维片加热1-3min后，在1-5秒内放到30-80℃的定型模具的下模上，启动冷压机，下模以100-500毫米/秒的速度上升至上模与下模夹持到高强度纤维片的位置，再以0.1-50毫米/秒的速度继续往上挤压到使模具完全夹持住高强度纤维片，然后定型30-120秒后，得到定型的高强度纤维壳；
S3.将制得的高强度纤维壳放入成品模具中，将植物油基软骨仿生缓冲减震材料注入到高强度纤维壳中，将表面粘有TPU膜的布料固定在成品模具的上模面，TPU膜在靠近植物油基软骨仿生缓冲减震材料一侧，盖上上模后，锁住模具待植物油基软骨仿生缓冲减震材料发泡固化定型后，即得轻质高强度缓冲复合材料。
优选地，步骤S1中所述热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚异丁烯、聚氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯醚或热塑性聚氨酯。
优选地，步骤S1中所述高强度纤维为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、分子量大于100万的聚乙烯中的一种或任意两种。
优选地，步骤S2中所述定型模具为下模表面抛光并喷有铁氟龙涂层的金属模具，所述金属为熔点为400℃以上的固体金属。
优选地，步骤S2中所述加热的温度为高于所述热塑性树脂的熔点5-10℃。
优选地，步骤S3中所述植物油基软骨仿生缓冲减震材料为专利申请号201610979730.X所述材料。
上述方法制备的轻质高强度缓冲复合材料，包括热塑性树脂、高强度纤维、植物油基软骨仿生缓冲减震材料、TPU膜和布料。
优选地，所述TPU膜的厚度为0.015～1毫米，所述布料为网布，布料的克重为100-400克/平方米。
优选地，所述布料为多孔透气网布。
更为优选地，所述布料为涤纶或锦纶。
上述方法制备的轻质高强度缓冲复合材料及其在安全与防暴、运动防护产品、智能装备震动保护产品、医疗减震与防护产品中的应用。
本发明中在制备定型的高强度纤维壳中的关键点在于，材料放到模具上要迅速启动冷压机，这里需要让纤维片不要冷却，保持溶融状态，使材料在液相向固相转变的过程中，在机械力的作用下，逐渐定形为模具设定的形状。当冷压机刚开始启动时到上下模具靠近至夹持到纤维片这个过程的速度为100-500毫米/秒，但到达上下模具夹持到纤维片位置后，速度立刻降低至0.1-50毫米/秒，这是为了防止速度太快将纤维片拉坏，并继续挤压并最终达到模具的完全夹持纤维片的状态，然后定型30-120秒后，上下模具会再次完全合拢，利用模具上设置的切边刀将已定型的纤维片多余边料切除，然后上下模具会自动分开，从模具中取出定型的高强度纤维壳。这样使定型的高强度纤维壳表面美观，成型角度饱满美观，而且边角料通过模具自动切除，省去人工修边的工序和成本。
本发明的定型高强度纤维壳的模具优选为铜，铁，铝中一种以上，这是由于工艺操作温度限制，并且模具要承受挤压力而必须具有一定强度，故所述金属为熔点为400℃以上的固体金属，且经济成本低廉。表面抛光和喷涂铁氟龙涂层是因为模具的下模表面光滑可以使纤维壳制品表面光滑美观，生产制品时更容易脱模。
本发明在缓冲复合材料中设置有布料，使缓冲复合材料在后续加工制成防护制品时，可以直接与穿戴装置缝合，无需将缓冲复合材料放置在穿戴装置的保护罩中，使本缓冲复合材料的高强度纤度外壳直接外露。这样的优势有四个：(1)使成品制作更加简单，无需制作复杂的保护罩而用简单的固定带取代；(2)高强度纤维外壳外露，增加了防护制品的美观感和实在感；(3)在防护时因高强度纤度外壳作为最先接触撞击物，最终的防护性更好，在摩擦加撞击损伤时的防护状态不会出现因保护罩强度不够破裂而造成防护制品脱落，失去保护功效；(4)多孔透气网布有利于散热，使穿戴者不易出汗，穿着舒适，布料只作为固定而非耐摩擦与防撞击材料，具有一定的强度即可保证穿戴的稳固性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的缓冲复合材料制作工艺的生产效率高，在高强度纤维片的冷压定型环节，使生产时间显著缩短，从现有的30-35分钟/模提升至1-3分钟/模，提高了约10倍，模具设计具有切边装置，省去修边工序，使生产成本降低。
2.本发明采用抛光并喷涂铁氟龙表面涂层的金属模具，生产制品时更容易脱模，且不需要抛光打磨喷漆工序，就能使成品外观达到光滑细腻的效果，使所制得缓冲复合材料的外观美观。
3.本发明制备的缓冲复合材料兼具高强度和高缓冲特性，并且质量轻盈，外壳强度可与钢片媲美，表面抗穿刺强度达到1200N以上，整体缓冲性能在13毫米厚度即可达EN1621-1的2级水平。
4.本发明在缓冲复合材料中设置有布料，在后续加工制成防护制品时，无需制作复杂的保护罩而用简单的固定带取代，可以将缓冲复合材料直接与穿戴装置缝合，使本缓冲复合材料的高强度纤度外壳直接外露，增加了防护制品的美观感，同时多孔透气网布也有利于散热，使穿戴者不易出汗，穿着舒适。
附图说明
图1为本发明轻质高强度缓冲复合材料的结构示意图。
图2为制备轻质高强度缓冲复合材料的流程示意图。
图3为制备轻质高强度缓冲复合材料的流程示意图中a步骤示意图。
图4为制备轻质高强度缓冲复合材料的流程示意图中b步骤示意图。
图5为制备轻质高强度缓冲复合材料的流程示意图中c步骤示意图。
图6为制备轻质高强度缓冲复合材料的流程示意图中d步骤示意图。
图7为制备轻质高强度缓冲复合材料的流程示意图中e步骤示意图。
图8为制备轻质高强度缓冲复合材料的流程示意图中f步骤示意图。
图9为制备轻质高强度缓冲复合材料的流程示意图中g步骤示意图。
图10为制备轻质高强度缓冲复合材料的流程示意图中h步骤示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
图1为本发明轻质高强度缓冲复合材料的结构示意图。其中，1为高强度纤维壳，2为植物油基软骨仿生缓冲减震材料，3为TPU膜，4为布料。
图2为本发明制备轻质高强度缓冲复合材料的流程示意图，具体步骤如下：
(a)将切割的高强度纤维片加热1-3min后，在1-5秒内放到30-80℃的定型模具的下模上；
(b)启动冷压机，让下模以100-500毫米/秒的速度上升至上模与下模夹持到高强度纤维片的位置；
(c)下模上升速度降低至0.1-50毫米/秒，然后继续往上挤压到使模具完全夹持住纤维片，然后定型30-120秒；
(d)上下模具再次完全合拢，利用模具上设置的切边刀切除已定型的高强度纤维片上的多余边料；
(e)然后下模具会自动分开，得到定型的高强度纤维壳；
(f)将混合好的植物油基软骨仿生缓冲减震材料注入到已放置好高强度纤维壳的成品模具中，上模固定有表面粘有TPU膜的布料，TPU膜在靠近缓冲材料一侧；
(g)盖住上模并锁紧，待植物油基软骨仿生缓冲减震材料发泡固化完成；
(h)打开模具，取出本发明的轻质高强度缓冲复合材料。
图3-10为本发明制备轻质高强度缓冲复合材料的流程示意图中步骤a-h的示意图。其中，5为纤维壳定型模具的上模，6为纤维壳定型模具的下模，7为切边刀，8为纤维片，9为高强度纤维壳，10为多余边料，11为预混料A，12为异氰酸酯混合物B，13为将AB料混合，14为植物油基软骨仿生缓冲减震材料，15为粘在布料上的TPU膜，16为布料，17为成品模具的下模，18为成品模具的上模，19为本发明轻质高强度缓冲复合材料。
在实施例1-5中：
所述热塑性树脂PC，熔点为150℃，密度为1.2g/cm3，PC的弯曲模量为2200MPa。
所述热塑性树脂PA66，熔点为260℃，密度为1.14g/cm3。
所述热塑性聚氨酯为聚醚型，熔点为200℃，密度为1.05g/cm3。
所述碳纤维的拉伸强度为5GPa，拉伸模量为580GPa，密度1.6g/cm3。
所述芳纶纤维为烟台泰和新材的Tametar。
所述玻璃纤维，熔点为680℃，密度为2.5g/cm3，抗拉强度6.5g/d。
所述植物油基软骨仿生缓冲减震材料为见中国专利申请号201610979730.X所述材料，具体包括以下步骤：
(1)将20重量份的植物油基多元醇、20重量份的聚醚多元醇1型、30重量份的聚醚多元醇2型、30重量份的聚合物多元醇、0.5重量份的水、0.8重量份的硅酮表面活性剂、3.0重量份的乙二醇、0.6重量份催化剂、3.0重量份的泡孔调节剂混合均匀，得到预混料A，并恒温保持在35℃；
(2)将聚醚多元醇改性异氰酸酯与六亚甲基二异氰酸酯按75:25重量比例混合形成异氰酸酯混合物B，并恒温保持在35℃；
(3)将预混料A与异氰酸酯混合物B按照-OH与-NCO比例100:105进行高速混合均匀(高速混合转速为5000rpm，混合的时间为0.2秒)后，置于模具中成型(成型温度为60℃，成型时间为7分钟)，常温静置5h，得到具有高缓冲性能的缓冲减震材料，密度为0.28g/cm3。
所述纤维壳定型模具为45#钢制模具，下模表面抛光并喷涂铁氟龙涂层，表面粗糙度<Ra0.1。
所述表面抗穿刺强度的测试方法：试验机上装有一压板，压板上装有试验钉，试验钉为一个截去尖端的头，钉头的硬度应大于60HRC。将试样放在试验机的底盘上，位置可使试验钉通过试样进行刺穿，试验机以10mm/min±3mm/min的速度刺穿试样，直到穿透为止，记录所需的最大值，即为表面抗穿刺强度(N)。
实施例1
1.将PC浸渍到碳纤维中制作而成的高强度纤维板，根据制成品的切割成对应每边增加5毫米的片。
2.然后将第一步切割好的高强度纤维片放到烤箱中加温1分钟，烤箱的温度设置在155℃。然后将加热后的碳纤维片，用1秒的时间放到模温为30℃的纤维壳定型模具上，然后启动冷压机，以300毫米/秒的速度使上模迅速升至上模与下模夹持到纤维片的位置，然后再以0.1毫米/秒的速度地往上挤到上下模完全夹持住纤维片到上下模完全夹持住纤维片，然后定型30秒后，上下模具会再次完全合拢，利用模具上设置的锋利切边刀将已定形好的纤维片多余边料切除，然后上下模具会自动分开，从模具中取出定型好的高强度纤维壳。
3.将制作好的高强度纤维壳放入成品模具中，再用灌注生产工艺将植物油基软骨仿生缓冲减震材料注入高强度纤维壳中，成品模具的上模面固定有表面粘有厚度为0.015MM的TPU膜的锦纶网布，布料的克重为300g/m2，TPU膜在靠近缓冲材料一侧，盖上上模后，锁住模具待缓冲材料发泡固化定型后，开模取出，修边去掉多余废料即得到缓冲复合材料，制成缓冲复合材料的厚度为13毫米。
实施例2
1.将PA66浸渍到芳纶纤维中制作而成的高强度纤维板，根据制成品切割成对应每边增加20毫米的片。
2.然后将第一步切割好的高强度纤维片放到烤箱中加温3分钟，烤箱的温度设置在270℃。然后将加热后的芳纶纤维片，在2秒的时间放到模温为80℃的纤维壳定型模具上，然后启动冷压机，以500毫米/秒的速度将上模迅速升至上模与下模夹持到纤维片的位置，到达上下模具夹持到纤维片位置后，再以50毫米/秒的速度往上挤到上下模完全夹持住纤维片，然后定型120秒后，上下模具会再次完全合拢，利用模具上设置的锋利切边刀将已定形好的纤维片多余边料切除，然后上下模具会自动分开，从模具中取出定型好的高强度纤维壳。
3.将制作好的高强度纤维壳放入成品模具中，再用灌注生产工艺将植物油基软骨仿生缓冲减震材料注入高强度纤维壳中，成品模具的上模面固定有表面粘有厚度为0.1毫米的TPU膜的涤纶网布，布料的克重为200g/m2，TPU膜在靠近缓冲材料一侧，盖上上模后，锁住模具待缓冲材料发泡固化定型后，开模取出，修边去掉多余废料即得到缓冲复合材料，制成复合材料的厚度为13毫米。
实施例3
1.将热塑性聚氨酯浸渍到玻璃纤维中制作而成的高强度纤维板，根据制成品的大小切割成对应每边增加10毫米的片。
2.然后将第一步切割好的高强度纤维片放到烤箱中加温2分钟，烤箱的温度设置在205℃。然后将加热后的玻璃纤维片，在3秒时间放到模温为65℃的纤维壳定型模具上，然后启动冷压机，以400毫米/秒的速度将上模迅速升至上模与下模夹持到纤维片的位置，到达上下模具夹持到纤维片位置后，再以15毫米/秒的速度往上挤到上下模完全夹持住纤维片，然后定型50秒后，上下模具会再次完全合拢，利用模具上设置的锋利切边刀将已定形好的纤维片多余边料切除，然后上下模具会自动分开，从模具中取出定型的高强度纤维壳。
3.将制作好的高强度纤维外壳放入成品模具中，再用灌注生产工艺将植物油基软骨仿生缓冲减震材料注入高强度外壳中，成品模具的上模面固定有表面粘有厚度为0.08毫米的TPU膜的涤纶网布，布料的克重为100g/m2，TPU膜在靠近缓冲材料一侧，盖上上模后，锁住模具待缓冲材料发泡固化定型后，开模取出，修边去掉多余废料即得到缓冲复合材料，制成复合材料的厚度为13毫米。
实施例4
1.将热塑性聚氨酯浸渍到玻璃纤维中制作而成的高强度纤维板，根据制成品的大小切割成对应每边增加10毫米的片。
2.然后将第一步切割好的高强度纤维片放到烤箱中加温1.5分钟，烤箱的温度设置在210℃。然后将加热后的玻璃纤维片，在5秒时间放到模温为80℃的纤维壳定型模具上，然后启动冷压机，以100毫米/秒的速度将上模迅速升至上模与下模夹持到纤维片的位置，到达上下模具夹持到纤维片位置后，再以25毫米/秒的速度缓慢地往上挤到上下模完全夹持住纤维片，然后定型80秒后，上下模具会再次完全合拢，利用模具上设置的锋利切边刀将已定形好的纤维片多余边料切除，然后上下模具会自动分开，从模具中取出定型的高强度纤维壳。
3.将制作好的高强度纤维壳放入成品模具中，再用灌注生产工艺将植物油基软骨仿生缓冲减震材料注入高强度纤维壳中，成品模具的上模面固定有表面粘有厚度为1毫米的TPU膜的锦纶网布，布料的克重为400g/m2，TPU膜在靠近缓冲材料一侧，盖上上模后，锁住模具待缓冲材料发泡固化定型后，开模取出，修边去掉多余废料即得到缓冲复合材料，制成复合材料的厚度为13毫米。
实施例5
1.将热塑性聚氨酯浸渍到碳纤维中制作而成的高强度纤维板，根据制成品的切割成对应每边增加15毫米的片。
2.然后将第一步切割好的高强度纤维片放到烤箱中加温2.5分钟，烤箱的温度设置在210℃。然后将加热后的碳纤维片，用5秒的时间放到模温为80℃的纤维壳定型模具上，然后启动冷压机，以350毫米/秒的速度使上模迅速升至上模与下模夹持到纤维片的位置，然后再以1毫米/秒的速度往上挤到上下模完全夹持住纤维片到上下模完全夹持住纤维片，然后定型100秒后，上下模具会再次完全合拢，利用模具上设置的锋利切边刀将已定形好的纤维片多余边料切除，然后上下模具会自动分开，从模具中取出定型的高强度纤维壳。
3.将制作好的高强度纤维壳放入成品模具中，再用灌注生产工艺将植物油基软骨仿生缓冲减震材料注入高强度纤维壳中，成品模具的上模面固定有表面粘有厚度为0.05毫米的TPU膜的锦纶网布，布料的克重为300g/m2，TPU膜在靠近缓冲材料一侧，盖上上模后，锁住模具待缓冲材料发泡固化定型后，开模取出，修边去掉多余废料即得到缓冲复合材料，制成缓冲复合材料的厚度为13毫米。
表1 实施例1-5中缓冲复合材料的性能测试
注：EN1621-1标准：1级低于35000N，2级低于20000N。
表1为实施例1-5中缓冲复合材料的性能测试。从表1中可知，本发明的缓冲复合材料表面抗穿刺强度高，而且体积密度低，与普通发泡护具相当，而且缓冲性能优异，在材料仅有13毫米的厚度的情况下，轻松通过EN1621-1的2级缓冲测试。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轻质高强度缓冲复合材料的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
S1.将热塑性树脂浸渍到高强度纤维中制成高强度纤维板，将高强度纤维板切割成高强度纤维板片；
S2.将步骤S1切割的高强度纤维片加热1-3min后，在1-5秒内放到30-80℃的定型模具的下模上，启动冷压机，下模以100-500毫米/秒的速度上升至上模与下模夹持到高强度纤维片的位置，再以0.1-50毫米/秒的速度继续往上挤压到使模具完全夹持住高强度纤维片，然后定型30-120秒后，上下模具再次完全合拢，利用模具上设置的切边刀切除已定形好的纤维片上的多余边料，然后上下模具会自动分开，得到定型的高强度纤维壳；
S3.将制得的高强度纤维壳放入成品模具中，将植物油基软骨仿生缓冲减震材料注入到高强度纤维壳中，将表面粘有TPU膜的布料固定在成品模具的上模面，TPU膜在靠近植物油基软骨仿生缓冲减震材料一侧，盖上上模后，锁住模具待植物油基软骨仿生缓冲减震材料发泡固化定型后，开模，取出，修边去掉废料，即得轻质高强度缓冲复合材料。
2.根据权利要求1所述轻质高强度缓冲复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚异丁烯、聚氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯醚或热塑性聚氨酯。
3.根据权利要求1所述轻质高强度缓冲复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述高强度纤维为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、分子量大于100万的聚乙烯中的一种或任意两种。
4.根据权利要求1所述轻质高强度缓冲复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述定型模具为下模表面抛光并喷有铁氟龙涂层的金属模具，所述金属为熔点为400℃以上的固体金属。
5.根据权利要求1所述轻质高强度缓冲复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述加热的温度为高于所述热塑性树脂的熔点5-10℃。
6.根据权利要求1所述轻质高强度缓冲复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述植物油基软骨仿生缓冲减震材料为专利申请号201610979730.X所述材料。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述方法制备的轻质高强度缓冲复合材料。
8.根据权利要求7所述轻质高强度缓冲复合材料，其特征在于，包括热塑性树脂、高强度纤维、植物油基软骨仿生缓冲减震材料、TPU膜和布料。
9.根据权利要求8所述轻质高强度缓冲复合材料，其特征在于，所述TPU膜的厚度为0.015～1毫米；所述布料为网布，布料的克重为100-400克/平方米，优选为多孔透气网布，进一步优选为涤纶或锦纶。
10.权利要求7-9所述的轻质高强度缓冲复合材料在安全与防暴、运动防护产品、智能装备震动保护产品、医疗减震与防护产品中的应用。
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