CN107059404B - 一种抗变形材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗变形材料及其制备方法和应用，主要由UD结构或者织物结构的高性能纤维和热固性树脂复合得到具有格栅结构的抗变形UD结构或者织物结构材料。该抗变形材料可以将纤维的优势发挥到极致，并且将热固性树脂用于制作UD结构或者织物结构，可以将热固性树脂的优势应用于抗变形材料中，提高其抗变形能力，由于织物结构或者UD结构本身柔软轻薄，从而提高抗变形材料的柔软程度。用该材料制作的防弹制品，不仅具有很好的防弹性能，且能够减小对人体的非贯穿性损伤，同时提高防弹制品的舒适程度。其制备方法具有方便、简单、易于操作等优点，适合大规模批量生产和广泛应用。

Description

一种抗变形材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，具体而言，涉及一种抗变形材料及其制备方法和应用。

背景技术

防弹衣的防弹性能主要体现在以下三个方面：(1)防手枪或步枪子弹。目前许多软质防弹衣都可防住手枪子弹，但要防住步枪子弹或更高能量的子弹，则需采用高性能纤维复合材料制成的硬质防弹插板、陶瓷或钢制的增强板。(2)防弹片：各种爆炸物如炸弹、地雷、炮弹和手榴弹等爆炸产生的高速破片是战场上的主要威胁之一；(3)防非贯穿性损伤：子弹在击中目标后会产生极大的冲击力，这种冲击力作用于人体所产生的伤害常常是致命的。这种伤害不呈现出贯穿性，但会造成内伤，重者危及生命。所以防止非贯穿性损伤也是体现和检验防弹衣防弹性能的一个重要方面。

近年来，防弹材料越来越追求轻薄和柔软，使用者穿着舒适度和活动灵活性越好，并且要求防弹复合材料进行弹道性能测试后，背衬胶泥的凹陷深度不能超过一定值，防止对使用者造成非贯穿性损伤。而两者之间存在一定的矛盾，防弹材料越硬，当受到子弹冲击后，背衬胶泥的凹陷越小，但是灵活性和柔软度均差。因此现有防弹材料不能兼顾材料轻柔和凹陷深度小这两方面性能。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种抗变形材料，以解决现有防弹材料不能兼顾材料轻柔和凹陷深度小这两方面性能的问题，所述的抗变形材料为具有格栅结构的UD或者织物结构材料，可以将纤维的优势发挥到极致，并且将热固性树脂用于制作UD结构或者织物结构，将热固性树脂的优势应用于抗变形材料中，提高其抗变形能力，由于织物结构或者UD结构本身柔软轻薄，从而可以提高抗变形材料的舒适程度，不影响穿着者行动的灵活性。采用该材料制作的防弹制品，不仅具有很好的防弹性能，且能够减小对人体的非贯穿性损伤。

本发明的第二目的在于提供一种所述的抗变形材料的制备方法，该方法先将一种或几种高性能纤维按照格栅结构的排列方式铺展成UD结构或者编织成织物结构的纤维布，然后采用特殊的加工工艺与热固性树脂复合制成，具有方便、简单、易于操作等优点，适合大规模批量生产和广泛应用。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种抗变形材料，主要由UD结构或者织物结构的高性能纤维和热固性树脂复合得到具有格栅结构的抗变形材料。

优选的，所述的抗变形材料，按照质量百分比计，所述高性能纤维为60％～90％，所述热固性树脂为10％～40％。

优选的，所述的抗变形材料，按照质量百分比计，所述高性能纤维为70％～90％，所述热固性树脂为10％～30％。

优选的，所述高性能纤维的强度大于17.6cN/dtex，弹性模量大于440cN/dtex。

优选的，所述织物结构中，格栅结构的相邻的两条经纱或者纬纱的距离小于5厘米，所述UD结构中，格栅结构的相邻的两条经纱的距离小于5厘米。

优选的，所述高性能纤维包括超高分子量聚乙烯纤维、芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维、碳纤维中的一种或者几种的组合；

优选的，所述超高分子量聚乙烯纤维的断裂强度≥28cN/dtex，模量≥800cN/dtex；

更优选的，所述超高分子量聚乙烯纤维的断裂强度≥30cN/dtex，模量≥1000cN/dtex；

优选的，所述芳族聚酰胺纤维断裂强度≥16cN/dtex，模量≥500cN/dtex；

更优选的，所述芳族聚酰胺纤维断裂强度≥20cN/dtex，模量≥700cN/dtex；

更优选的，所述玻璃纤维包括E级玻璃纤维、C级玻璃纤维、S级玻璃纤维和D级玻璃纤维中的一种或者几种组合。

优选的，所述热固性树脂包括乙烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、硅醚树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、不饱和树脂、聚氨酯和聚酰亚胺中的一种或者几种的组合；

优选的，所述环氧树脂的环氧值为0.1～1.0，优选的环氧值为0.5～0.9，更优选的环氧值为0.7～0.8。

所述的抗变形材料的制备方法，包括以下步骤：

将一种或几种高性能纤维按照格栅结构的排列方式铺展成UD结构或编织成织物结构的纤维布，然后通过溶液浸渍法，将热固性树脂与纤维布复合，得到具有格栅结构的UD结构或者织物结构的抗变形材料。

所述的抗变形材料在软质防弹衣、防弹胸插板、防弹头盔、防弹车等防护装甲中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本申请所提供的抗变形材料为具有格栅结构的UD结构或者织物结构材料，可以将纤维的优势发挥到极致，并且将热固性树脂用于制作UD结构或者织物结构，将热固性树脂的优势应用于抗变形材料中，提高其抗变形能力，由于织物结构或者UD结构本身柔软轻薄，可以提高抗变形材料的柔软程度。

(2)本申请所提供的抗变形材料，采用该材料制作的防弹制品，不仅可以具有很好的防弹性能，且能够减小对人体的非贯穿性损伤，同时提高防弹制品的舒适程度。

(3)本申请所提供的抗变形材料的制备方法，先将一种或几种高性能纤维按照格栅结构的排列方式铺展成UD结构或者织造成织物结构的纤维布，然后采用特定的方法与热固性树脂复合制成，具有方便、简单、易于操作等优点，适合大规模批量生产和广泛应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所提供的抗变形材料的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

一种抗变形材料，主要由UD结构或者织物结构的高性能纤维和热固性树脂复合得到具有格栅结构的抗变形材料。

织物结构一般指织物的几何结构，是经纱和纬纱在织物中相互之间的空间关系。织物结构对织物的机械物理性能有很大的影响，而且会影响织物的外观效应。

在本申请中，具有格栅结构的抗变形UD结构或者织物结构材料，由具有UD结构或者织物结构的高性能纤维和热固性树脂复合而成。高性能纤维是具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的化学纤维，优选的强度大于17.6cN/dtex，弹性模量在440cN/dtex以上的纤维。热固性树脂是指树脂加热后产生化学变化，逐渐硬化成型，再受热也不软化，也不能溶解的一种树脂。热固性树脂在固化后，由于分子间交联，形成网状结构，因此刚性大、硬度高、耐温高、不易燃、制品尺寸稳定性好。与高性能纤维复合形成复合材料后，其优异的刚性，对子弹或者弹片等高速弹形成了很大的阻力，能够较好的阻止高速弹对使用者造成非贯穿性损伤，使其背衬胶泥的凹陷深度较小。

子弹与复合材料作用过程中发生侵彻，表现出了多种不同的破坏模式，如纤维的拉伸断裂、层合板的分层、纤维和树脂的脱粘及材料产生的背凸等。弹体动能就是在这些破坏中被逐渐消耗，从而达到了防弹的效果。应力波是应力和应变扰动的传播形式，在可变形固体介质中机械扰动表现为质点速度和相应的应力、应变状态的变化。在弹道冲击中，子弹与靶板接触的瞬间产生的应力波以两个方向传播，一是以连续的脉冲沿纤维的轴向传播，受到冲击的纤维通过基体树脂及交错点的相互作用，应力波在很多纤维上扩散开来；二是应力波的沿靶板纵向传播，应力波在靶板的织物和基体界面及靶板自由面之间产生连续反射，使压力变成拉应力。应力波在两种不同的材料中传播时，当传至两种材料的界面会产生入射波和反射波。

UD材料是将纤维平行排布，并用树脂浸渍后，制成的纤维单向平行排列的预浸片。使用时，将两层或两层以上纤维单向平行排列的预浸片按照一定的纤维轴旋转角度进行交叉铺层，采用树脂基体之间的粘合结合在一起，从而制成可以使用的材料片层。在UD材料中，纤维处于伸直状态，没有交织。二维织物层合材料是将纤维首先织造成二维织物，然后再将其叠合在一起。其中，层中的纤维是交织在一起的，但层间没有交织。根据应力波传播机理，材料的交织点多，受弹击后，子弹的动能可通过交织点上纱线的相互作用得以传递，从而使子弹或弹片的冲击力能在较大区域内吸收。但与此同时，交织点又起了固定端的作用，在固定端所形成的的反射波与原来的入射波会产生同向叠加，使纱线受到的拉伸作用大大增强，在超过其断裂强度后断裂，从而对材料的防弹性能产生不利影响，且应力波在弯度小的纤维中传播相对于弯度大的快，而应力波传递越快，单位时间内传递能量越多，吸能效果越好，因此，要获得最好的抗冲击性能，需采用单向的、没有交织点的UD结构材料。

优选的，所述的抗变形材料，按照质量百分比计，所述高性能纤维为60％～90％，所述热固性树脂为10％～40％。

高性能纤维为主体结构，为抗变形材料提供柔软的骨架，其性能及含量直接影响着冲击侵彻过程中纤维的分布和受力状态，从而影响到材料的破坏模式和防弹性能。热固性树脂基体在复合材料中交联固化为三维网络结构，刚度较高、脆性较大、抗冲击和抗损伤的能力较差，基于上述原因，对复合材料中两种材料的比例进行优选，得到具有很好的防弹、且能够减小对人体的非贯穿性损伤的抗形变材料，同时提高防弹制品的舒适度和柔软度。

一方面树脂质量含量不能太低，防止树脂层过薄造成织物与树脂的界面黏结力过低，从而在子弹的高速冲击下易产生界面粘结破坏；另一方面，树脂含量也不能过高，而且树脂含量偏高，层间的树脂层变厚，使纤维塑化，而树脂层又是弱相，易发生脆性断裂，弹击时容易造成树脂基体内聚破坏，不能充分发挥纤维的作用。

优选的，按照质量百分比计，所述高性能纤维为70％～90％，所述热固性树脂为10％～30％。

在上述范围内对高性能纤维和热固性树脂的比例进行优选。

优选的，所述高性能纤维的强度大于17.6cN/dtex，弹性模量大于440cN/dtex。

优选的，所述织物结构中，格栅结构的相邻的两条经纱或者纬纱的距离小于5厘米；所述UD结构中，格栅结构的相邻的两条经纱的距离小于5厘米。

进行防弹性能测试时，要求每发弹之间的间距大于5厘米，因此，在设置格栅结构时，将格栅结构的距离设置为小于5厘米，保证每发弹射击在不同的格栅结构中，使得格栅结构充分发挥防弹性能。

优选的，所述高性能纤维包括超高分子量聚乙烯纤维、芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维和碳纤维中的一种或者几种的组合；

优选的，所述超高分子量聚乙烯纤维的断裂强度≥28cN/dtex，模量≥800cN/dtex；

更优选的，所述超高分子量聚乙烯纤维的断裂强度≥30cN/dtex，模量≥1000cN/dtex；

优选的，所述芳族聚酰胺纤维断裂强度≥16cN/dtex，模量≥500cN/dtex；

更优选的，所述芳族聚酰胺纤维断裂强度≥20cN/dtex，模量≥700cN/dtex；

更优选的，所述玻璃纤维包括E级玻璃纤维、C级玻璃纤维、S级玻璃纤维和D级玻璃纤维中的一种或者几种组合。

本申请中，超高分子量聚乙烯纤维的优越性能是由于它的超分子结构决定的，其传播应力波的速度相当于芳纶纤维的两倍。但超高分子量聚乙烯纤维在高温下使用强度低，其惰性的分子链就很难与通用的树脂基体粘接形成性能优良的复合材料。芳纶纤维的化学键主要由芳环构成，这种芳环刚性高，使聚合物链呈伸展状态，形成棒状结构，因而纤维具有高模量，并且具有极强的韧性。但是芳纶纤维是一种沿轴向排列的有规则的褶叠层结构，所以其横向强度低、压缩和剪切性能差且易劈裂。玻璃纤维由于韧性较低，在防弹复合材料中一般用于层合板的夹层，碳纤维则因为其较低的压缩强度限制了它在弹道性能方面的应用。因此，本申请格栅结构可以采用与UD或者织物结构不同的材料，以改善材料的缺陷，达到更好的防弹及抗变形效果。

超高分子量聚乙烯纤维(英文全称：Ultra High Molecular WeightPolyethylene Fiber，简称UHMWPE)，又称高强高模聚乙烯纤维，是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，其分子量在100万～500万的聚乙烯所纺出的纤维。

优选的，所述热固性树脂包括有乙烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、硅醚树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、不饱和树脂、聚氨酯和聚酰亚胺中的一种或者几种的组合。

聚氨酯中由于含有柔性分子链，故具有极好的抗弯、抗冲击性能，此外它还具有较强的剥离强度和化学稳定性以及优异的耐低温性能，使用高性能纤维增强无定形聚氨酯防弹复合材料可以防止由于受到弹击而产生大量的破损对使用者形成的伤害。乙烯基酯树脂由于对纤维具有较好的粘结性，因此乙烯基酯复合材料的吸能性高于聚氨酯基复合材料。环氧树脂、不饱和树脂等热固性树脂所具有高硬度使得它应用于防弹复合材料领域时，受到弹丸冲击产生较小的变形。

更优选的，所述环氧树脂的环氧值为0.1～1.0，优选的环氧值为0.5～0.9，更优选的环氧值为0.7～0.8。

环氧树脂的环氧值，环氧值是100g环氧树脂中所含环氧基团的物质的量。环氧值越大，粘度越小，与高性能纤维的浸润度越好，复合的效果越好，提高抗变形材料的抗冲击能力。

所述的抗变形材料的制备方法，包括以下步骤：将一种或几种高性能纤维按照格栅结构的排列方式铺展成UD结构或织造成织物结构的纤维布，然后通过溶液浸渍法，将热固性树脂与纤维布复合，得到具有格栅结构的抗变形UD结构或者织物结构材料。

所述的抗变形材料在软质防弹衣、防弹胸插板、防弹头盔、防弹车等防护装甲中的应用。

实施例1

将碳纤维作为格栅结构材料，与芳族聚酰胺纤维制备为UD结构的纤维布，然后通过溶液浸渍法将环氧树脂与纤维布复合，得到具有格栅结构的芳族聚酰胺-碳纤维-环氧树脂抗变形UD材料。

实施例2

将碳纤维作为格栅结构材料，与芳族聚酰胺纤维制备为织物结构的纤维布，然后通过溶液浸渍法将环氧树脂与纤维布复合，得到具有格栅结构的芳族聚酰胺-碳纤维-环氧树脂抗变形织物材料。

实施例3

将碳纤维作为格栅结构材料，与超高分子量聚乙烯纤维制备为UD结构的纤维布，然后通过溶液浸渍法将环氧树脂与纤维布复合，得到具有格栅结构的超高分子量聚乙烯-碳纤维-环氧树脂抗变形UD材料。

实施例4

将碳纤维作为格栅结构材料，与超高分子量聚乙烯纤维制备为织物结构的纤维布，然后通过溶液浸渍法将环氧树脂与纤维布复合，得到具有格栅结构的超高分子量聚乙烯-碳纤维-环氧树脂抗变形UD材料

对比例1实施例1所提供的芳族聚酰胺纤维作为格栅结构材料制备为UD结构的纤维布。

对比例2实施例2所提供的芳族聚酰胺纤维作为格栅结构材料制备为织物结构的纤维布。

对比例3实施例3所提供的超高分子量聚乙烯纤维作为格栅结构材料制备为UD结构的纤维布。

对比例4实施例4所提供的超高分子量聚乙烯纤维作为格栅结构材料维制备为织物结构的纤维布。

实验例1防弹性能影响

对实施例1-4进行防弹性能测试，测试其平均凹陷的深度。实验结果如表1所示。

表1防弹性性能测试结果

实验结果表明，本申请提供的抗变形材料，进行弹击实验测试后，背衬胶泥平均凹陷较小，产生的非贯穿性损伤小，可以起到很好的防弹效果。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (7)

1.一种抗变形材料，其特征在于，将两种高性能纤维按照格栅结构的排列方式铺展成UD结构的纤维布，然后通过溶液浸渍法，将环氧树脂与纤维布复合，得到具有格栅结构的UD结构的抗变形材料，其中，将碳纤维作为隔栅结构的材料，超高分子量聚乙烯纤维或芳族聚酰胺纤维作为UD结构材料；

所述UD结构中，格栅结构的相邻的两条经纱的距离小于5厘米；

按照质量百分比计，所述高性能纤维为60％-90％，所述环氧树脂为10-40％；

所述超高分子量聚乙烯纤维的断裂强度≥28cN/dtex，模量≥800cN/dtex；

所述芳族聚酰胺纤维断裂强度≥16cN/dtex，模量≥500cN/dtex；

所述环氧树脂的环氧值为0.1～1.0。

2.根据权利要求1所述的抗变形材料，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯纤维的断裂强度≥30cN/dtex，模量≥1000cN/dtex。

3.根据权利要求1所述的抗变形材料，其特征在于，所述芳族聚酰胺纤维断裂强度≥20cN/dtex，模量≥700cN/dtex。

4.根据权利要求1所述的抗变形材料，其特征在于，所述环氧树脂的环氧值为0.5～0.9。

5.根据权利要求1所述的抗变形材料，其特征在于，所述环氧树脂的环氧值为0.7～0.8。

6.根据权利要求1-5任一项所述的抗变形材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将两种高性能纤维按照格栅结构的排列方式铺展成UD结构的纤维布，然后通过溶液浸渍法，将环氧树脂与纤维布复合，得到具有格栅结构的UD结构的抗变形材料；其中，将碳纤维作为格栅结构材料，超高分子量聚乙烯纤维或芳族聚酰胺纤维作为UD结构材料；所述UD结构中，格栅结构的相邻的两条经纱的距离小于5厘米；所述抗变形材料中，按照质量百分比计，所述高性能纤维为60％～90％，所述环氧树脂为10％～40％；所述超高分子量聚乙烯纤维的断裂强度≥28cN/dtex，模量≥800cN/dtex；所述芳族聚酰胺纤维断裂强度≥16cN/dtex，模量≥500cN/dtex；所述环氧树脂的环氧值为0.1～1.0。

7.根据权利要求1-5任一项所述的抗变形材料在软质防弹衣、防弹胸插板、防弹头盔和防弹车中的应用。