CN107339913B - 超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置，属于防弹头盔制备领域。所述纤维卷固定于旋转活动支架上；导丝头与导轨活动连接，并固定在底座外盘上，导丝头能够沿着导轨上下移动；导丝头正对阴模；底座内盘置于底座外盘内侧；转轴穿过底座内盘正中心；底座内盘能够绕转轴旋转；阴模活动安装在底座内盘上，需保证阴模能够水平旋转；阳模悬空在底座内盘的上方，需保证阳模下降后能够与阴模接触；本发明通过纺丝技术与纤维缠绕技术的结合，简化了防弹头盔的制备过程，并且可连续不间断生产，大大提高了效率；连续的纤维缠绕保证头盔壳体内纤维的完整性，避免了叠片产生的纤维端部影响头盔防弹性能的问题。

Description

超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置
技术领域
本发明涉及一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置，属于防弹头盔制备领域。
背景技术
传统的防弹头盔一般使用金属材料制成，这种头盔质量重，影响佩戴者的机动性，并且佩戴舒适性差。随着高性能纤维材料的出现与发展，现在逐渐采用高性能纤维代替金属制备防弹头盔。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是一种由平均相对分子质量在100万以上的聚乙烯纺制而成的纤维，是继碳纤维和芳纶纤维之后出现的又一种高强度、高模量的高性能纤维，并且其密度很小，只有0.97g/cm3，在所有高强高模纤维中相对密度最小。超高分子量聚乙烯纤维因其优越的性能而在防弹材料领域倍受关注。
现有复合材料头盔通常由多层纤维布模压制成，盔体具有明显的层状结构特点。盔体成型通常需要经过织造、预浸、叠层、模压成型、装配等几个主要生产工序，过程比较复杂。由于头盔的半球型结构，为防止头盔成型时产生皱纹，叠层过程主要通过风车状裁片进行迭合，这会使得在叶片结合处存在纤维的端部，影响子弹冲击力沿着纤维轴向方向的传播，可能会影响头盔的防弹性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决制备过程导致现有超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔防弹性能差的问题，提供一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置。本发明利用纤维缠绕，简化防弹头盔的制备过程，并且避免风车状裁片叠层产生的纤维端部问题，保证头盔壳体内纤维的完整而不产生皱纹。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置，包括纺丝系统和头盔壳体成型系统；
所述纺丝系统用于制造超高分子量聚乙烯纤维；
所述纺丝系统包括：混合器、双螺杆挤出机、喷丝板、冷却水槽、萃取箱、干燥箱、热拉伸箱、纤维卷绕装置；将超高分子量聚乙烯于混合器中溶解于以石蜡油、石蜡、煤油等为主的烷烃类有机溶剂中；溶液经双螺杆挤出机挤出形成均匀凝胶后通过喷丝板挤出得到凝胶原丝；凝胶原丝经过冷却水槽冷却凝固；然后经过萃取箱萃取掉凝胶原丝中的溶剂，萃取剂选用碳氢化合物、氯代碳氢化合物、氯代氟代碳氢化合物等，其中以沸点较低、易挥发且不易燃的己烷、氯甲烷和三氯三氟乙烷较为理想；然后经过干燥箱除去萃取剂；然后在热拉伸箱中进行超倍拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维；最后将超高分子量聚乙烯纤维缠绕在纤维卷绕装置上；
所述头盔壳体成型系统包括：纤维卷、导轨、导丝头、阴模、底座内盘、底座外盘、阳模和转轴；
纤维卷固定于旋转活动支架上；导丝头与导轨活动连接，并固定在底座外盘上，导丝头能够沿着导轨上下移动；导丝头正对阴模；底座内盘置于底座外盘内侧；转轴穿过底座内盘正中心；底座内盘能够绕转轴旋转；阴模活动安装在底座内盘上，需保证阴模能够水平旋转；阳模悬空在底座内盘的上方，需保证阳模下降后能够与阴模接触；
所述阴模数量为两个，两个阴模成180°水平安装在底座内盘上；此时，阳模位于远离导丝头的阴模的正上方；
头盔壳体成型系统还包括：浸胶槽、挤胶辊和玻璃纤维卷；两个导轨固定在底座外盘上，导丝头能够沿着导轨上下移动；挤胶辊和浸胶槽位于导轨的进丝侧，即超高分子量聚乙烯纤维和玻璃纤维分别经过浸胶槽和挤胶辊后进入导轨；
所述阴模数量为三个，三个阴模成120°安装在底座内盘上；两个导轨上的导丝头分别正对其中两个阴模；此时，阳模位于第三个阴模的正上方；
所述阴模和阳模为半椭球形壳体结构；所述阴模的尺寸为头盔壳体内部尺寸；
在较高压力下，超高分子量聚乙烯纤维可在低于其熔点的温度下融合而不发生明显的融化，利用超高分子量聚乙烯纤维这个性质，结合本发明的特点，可以省略浸胶过程，直接通过超高分子量聚乙烯纤维在阴模上连续的交叉缠绕然后热压使纤维融合得到头盔壳体；另外，完整的纤维有利于子弹冲击应力的传播，提高了头盔的防弹性能。
工作过程：将纤维卷上的超高分子量聚乙烯纤维经过导丝头与阴模相连，底座内盘不动，阴模顺时针旋转，使得超高分子量聚乙烯纤维能均匀缠绕在阴模上，同时导丝头沿着导轨上下移动，则实现了超高分子量聚乙烯纤维的交叉缠绕；根据需要，能够使用多个纤维卷同时进行超高分子量聚乙烯纤维的缠绕，以提高效率；缠绕所需的厚度后，切断超高分子量聚乙烯纤维，使底座内盘绕转轴顺时针旋转，阴模旋转到阳膜下方，使用阳模对阴模上缠绕完成的超高分子量聚乙烯纤维进行热压固化，得到预成型的头盔壳体，预成型的头盔壳体进行后期加工处理制备成完整的头盔；
将纤维卷上的超高分子量聚乙烯纤维经过浸胶槽浸胶后，通过挤胶辊除去气泡和多余的胶，然后经过导丝头与阴模相连，底座内盘不动，阴模顺时针旋转，使得超高分子量聚乙烯纤维能均匀缠绕在阴模上，同时导丝头沿着导轨上下移动，则实现了超高分子量聚乙烯纤维的交叉缠绕；缠绕所需的厚度后，切断超高分子量聚乙烯纤维纤维，使底座内盘绕转轴顺时针旋转，阴模旋转到正对玻璃纤维卷的位置；将玻璃纤维经过浸胶槽和挤胶辊，然后通过导丝头与阴模相连，底座内盘不动，阴模顺时针旋转，使得玻璃纤维能均匀缠绕在阴模上，同时导丝头沿着导轨上下移动，则实现了玻璃纤维的交叉缠绕；缠绕所需的厚度后，切断玻璃纤维，使底座内盘绕转轴顺时针旋转，阴模旋转到阳膜下方，使用阳模对阴模上缠绕完成的超高分子量聚乙烯纤维和玻璃纤维进行热压固化，得到预成型的头盔壳体，预成型的头盔壳体进行后期加工处理制备成完整的头盔。
有益效果
本发明通过纺丝技术与纤维缠绕技术的结合，简化了防弹头盔的制备过程，并且可连续不间断生产，大大提高了效率；连续的纤维缠绕保证头盔壳体内纤维的完整性，避免了叠片产生的纤维端部影响头盔防弹性能的问题。
附图说明
图1为本发明及实施例1构造示意图；
图2为实施例2构造示意图。
其中，1—混合器、2—双螺杆挤出机、3—喷丝板、4—冷却水槽、5—萃取箱、6—干燥箱、7—拉伸热箱、8—纤维卷绕装置、9—纤维卷、10—导轨、11—导丝头、12—第一阴模、13—第二阴模、14—底座内盘、15—底座外盘、16—阳模、17—转轴、18—浸胶槽、19—挤胶辊、20—第三阴模、21—玻璃纤维卷。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
使用碳纳米管增强超高分子量聚乙烯纤维的拉伸强度制备防弹头盔。
一种防弹头盔制备装置，如图1所示，包括纺丝系统和头盔壳体成型系统；
所述纺丝系统包括：混合器1、双螺杆挤出机2、喷丝板3、冷却水槽4、萃取箱5、干燥箱6、热拉伸箱7、纤维卷绕装置8；将超高分子量聚乙烯于混合器1中溶解于以石蜡油、石蜡、煤油等为主的烷烃类有机溶剂中；溶液经双螺杆挤出机2挤出形成均匀凝胶后通过喷丝板3挤出得到凝胶原丝；凝胶原丝经过冷却水槽4冷却凝固；然后经过萃取箱5萃取掉凝胶原丝中的溶剂；然后经过干燥箱6除去萃取剂；然后在热拉伸箱7中进行超倍拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维；最后将超高分子量聚乙烯纤维缠绕在纤维卷绕装置8上；
所述头盔壳体成型系统包括：纤维卷9、导轨10、导丝头11、第一阴模12、第二阴模13、底座内盘14、底座外盘15、阳模16和转轴17；
纤维卷9固定于旋转活动支架上；导轨10与导丝头11活动连接，并固定在底座外盘15上，导丝头11能够沿着导轨10上下移动；导丝头11正对第一阴模12；底座内盘14置于底座外盘15内侧；转轴17穿过底座内盘14正中心；底座内盘14能够绕转轴17旋转；第一阴模12和第二阴模13活动安装在底座内盘14上，需保证其能够水平旋转；阳模16悬空在底座内盘14的上方，需保证阳模16下降后能够与第二阴模13接触；
第一阴模12和第二阴模13成180°水平安装在底座内盘14上，此时，将第一阴模12的位置记为A，第二阴模13的位置记为B；此时，阳模16位于B的正上方；
所述第一阴模12、第二阴模13和阳模16为半椭球形壳体结构；所述第一阴模12和第二阴模13的尺寸为头盔壳体内部尺寸；
工作过程：将用硫酸和硝酸混合溶液处理过的碳纳米管于石蜡油中超声震荡，使碳纳米管均匀分散于石蜡油中；将溶液转移到混合器1中，加入分子量为4.5×106的超高分子量聚乙烯以及抗氧化剂，制成超高分子量聚乙烯质量分数为5％的溶液；其中碳纳米管相对于超高分子量聚乙烯质量分数为5％；上述溶液经双螺杆挤出机2挤出后成均匀凝胶，经过喷丝板3挤出得到凝胶原丝，出口直径为1mm，挤出温度为250℃；凝胶原丝经过冷却水槽4冷却凝固，经过萃取箱5中的二氯甲烷萃取掉凝胶原丝中的溶剂石蜡油，然后经过干燥箱6蒸发掉萃取剂二氯甲烷；然后经过热拉伸箱7中120℃下拉伸50倍得到高强度的超高分子量聚乙烯纤维；最后将超高分子量聚乙烯纤维缠绕在纤维卷绕装置8上；
将上述纺制的超高分子量聚乙烯纤维经过导丝头11与阴模12相连，底座内盘14不动，阴模12顺时针旋转，使得超高分子量聚乙烯纤维能均匀缠绕在阴模12上；同时导丝头11沿着导轨10上下移动，则实现了超高分子量聚乙烯纤维的交叉缠绕；根据需要，能够使用多个纤维卷9同时进行超高分子量聚乙烯纤维的缠绕，以提高效率；缠绕所需的厚度后，切断超高分子量聚乙烯纤维，使底座内盘14绕转轴17顺时针旋转180°，此时阴模13转动到A位置，阴模12转动到B位置；此时在阴模13上缠绕超高分子量聚乙烯纤维；同时使用阳模16对阴模12上缠绕完成的超高分子量聚乙烯纤维进行热压固化，在压力20MPa，温度135℃下保温保压5分钟使阴模12上缠绕完成的超高分子量聚乙烯纤维相互融合得到预成型的头盔壳体；预成型的头盔壳体进行后期加工处理制备成完整的头盔；阴模13上完成超高分子量聚乙烯纤维的缠绕后，使底座内盘14再绕转轴17顺时针旋转180°，使用阳模16对阴模14上的纤维进行热压固化。
实施例2
以玻璃纤维作为增强材料的超高分子量聚乙烯/玻璃纤维复合结构防弹头盔。
一种防弹头盔制备装置，如图2所示，包括：混合器1、双螺杆挤出机2、喷丝板3、冷却水槽4、萃取箱5、干燥箱6、热拉伸箱7、纤维卷绕装置8、纤维卷9、导轨10、导丝头11、第一阴模12、第二阴模13、底座内盘14、底座外盘15、阳模16、转轴17、浸胶槽18、挤胶辊19、第三阴模20、玻璃纤维卷21；
纤维卷9固定于旋转活动支架上；导轨10与导丝头11活动连接，并固定在底座外盘15上，导丝头11能够沿着导轨10上下移动；两个导丝头11分别正对第一阴模12和第二阴模13；底座内盘14置于底座外盘15内侧；转轴17穿过底座内盘14正中心；底座内盘14能够绕转轴17旋转；阴模活动安装在底座内盘14上，需保证阴模能够水平旋转；阳模16悬空在底座内盘14的上方，需保证阳模16下降后能够与阴模接触；
浸胶槽18和挤胶辊19位于导轨10的进丝侧，即超高分子量聚乙烯纤维和玻璃纤维分别经过浸胶槽18和挤胶辊19后进入导轨10；
所述阴模数量为三个，三个阴模成120°安装在底座内盘14上；此时，将第一阴模12的位置记为A，第二阴模13的位置记为B，第三阴模20的位置记为C；此时，阳模16位于C的正上方；
所述第一阴模12、第二阴模13、第三阴模20和阳模16为半椭球形壳体结构；所述第一阴模12、第二阴模13和第三阴模20的尺寸为头盔壳体内部尺寸；
工作过程：在硅烷偶联剂存在下，将纳米二氧化硅超声震荡分散于二甲苯中，制成质量分数为0.5％的溶液作为萃取液；将分子量为4.5×106的超高分子量聚乙烯于混合器1中溶解于石蜡油中，制成质量分数为5％的溶液，并加入抗氧化剂；上述溶液经双螺杆挤出机2挤出后成均匀凝胶，经过喷丝板3挤出得到凝胶原丝，出口直径为1mm，挤出温度为250℃；凝胶原丝经过冷却水槽4冷却凝固；经过萃取箱5中的萃取液超声萃取5分钟，萃取掉溶剂石蜡油的同时将纳米二氧化硅引入到超高分子量聚乙烯凝胶原丝的表面，以增强其与树脂的粘附强度；然后经过干燥箱6蒸发掉二甲苯；然后经过热拉伸箱7中120℃下拉伸50倍得到高强度的超高分子量聚乙烯纤维；最后将超高分子量聚乙烯纤维缠绕在卷绕装置8上；玻璃纤维卷21上为玻璃纤维；
将上述纺制的超高分子量聚乙烯纤维经过浸胶槽18中的环氧树脂，使超高分子量聚乙烯纤维上浸满足量的环氧树脂；然后超高分子量聚乙烯纤维通过调节好间隙的挤胶辊19，挤掉气泡和多余的树脂，同时使超高分子量聚乙烯纤维上树脂的含量均匀；然后使超高分子量聚乙烯纤维通过导丝头11与第一阴模12相连，底座内盘14不动，第一阴模12顺时针旋转，使得超高分子量聚乙烯纤维能均匀缠绕在第一阴模12上，同时导丝头11沿着导轨10上下移动，则实现了超高分子量聚乙烯纤维的交叉缠绕；缠绕所需厚度后，切断超高分子量聚乙烯纤维；使底座内盘14绕转轴17顺时针旋转120°，第一阴模12转动到B位置，第三阴模20转动到A位置；此时，在第一阴模12上缠绕经过环氧树脂浸渍的玻璃纤维，同时在第三阴模20上缠绕超高分子量聚乙烯纤维；超高分子量聚乙烯纤维缠绕层数与玻璃纤维缠绕层数比例为4:1；使用数量比例为4:1的纤维卷9和玻璃纤维卷21，使两种纤维缠绕时间相同；当第一阴模12上玻璃纤维缠绕完成时，第三阴模20上超高分子量聚乙烯纤维也完成缠绕；将底座内盘14绕转轴17顺时针旋转120°，第二阴模13转动到A位置进行超高分子量聚乙烯纤维的缠绕，第三阴模20转动到B位置进行玻璃纤维的缠绕，第一阴模12转动到C位置，使用阳模16对第一阴模12上缠绕完成的超高分子量聚乙烯纤维和玻璃纤维进行热压固化，压力10MPa，温度120℃下保温保压5分钟得到预成型的头盔壳体，预成型的头盔壳体进行后期加工处理制备成完整的头盔；当第三阴模20上的玻璃纤维和第二阴模13上的超高分子量聚乙烯纤维缠绕完成后，使底座内盘14再绕转轴17顺时针旋转120°，重复上述过程。
以上实施例对本发明做了具体描述，但本发明并不限制于以上描述的实施例，在本发明的核心思想和方法内所做出的修改、同等替换等，应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置，包括纺丝系统；其特征在于：还包括头盔壳体成型系统；
所述头盔壳体成型系统包括：纤维卷(9)、导轨(10)、导丝头(11)、阴模、底座内盘(14)、底座外盘(15)、阳模(16)和转轴(17)；
纤维卷(9)固定于旋转活动支架上；导丝头(11)与导轨(10)活动连接，导轨(10)固定在底座外盘(15)上，导丝头(11)能够沿着导轨(10)上下移动；导丝头(11)正对阴模；底座内盘(14)置于底座外盘(15)内侧；转轴(17)穿过底座内盘(14)正中心；底座内盘(14)能够绕转轴(17)旋转；阴模活动安装在底座内盘(14)上，需保证阴模能够水平旋转；阳模(16)悬空在底座内盘(14)的上方，需保证阳模(16)下降后能够与阴模接触。
2.如权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置，其特征在于：所述阴模数量为两个，两个阴模成180°水平安装在底座内盘(14)上；此时，阳模(16)位于远离导丝头(11)的阴模的正上方。
3.如权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置，其特征在于：头盔壳体成型系统还包括：浸胶槽(18)、挤胶辊(19)和玻璃纤维卷(21)；两个导轨(10)固定在底座外盘(15)上，导丝头(11)能够沿着导轨(10)上下移动；挤胶辊(19)和浸胶槽(18)位于导轨(10)的进丝侧，即超高分子量聚乙烯纤维和玻璃纤维分别经过浸胶槽(18)和挤胶辊(19)后进入导轨(10)。
4.如权利要求1或2所述的一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置，其特征在于：所述阴模数量为三个，三个阴模成120°安装在底座内盘(14)上；两个导轨(10)上的导丝头(11)分别正对其中两个阴模；此时，阳模(16)位于第三个阴模的正上方。
5.如权利要求1或2所述的一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置，其特征在于：所述阴模和阳模(16)为半椭球形壳体结构；所述阴模的尺寸为头盔壳体内部尺寸。
6.如权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置，其特征在于：所述纺丝系统用于制造超高分子量聚乙烯纤维。
7.如权利要求1或6所述的一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置，其特征在于：所述纺丝系统包括：混合器(1)、双螺杆挤出机(2)、喷丝板(3)、冷却水槽(4)、萃取箱(5)、干燥箱(6)、热拉伸箱(7)、纤维卷绕装置(8)；将超高分子量聚乙烯于混合器(1)中溶解于烷烃类有机溶剂中；溶液经双螺杆挤出机(2)挤出形成均匀凝胶后通过喷丝板(3)挤出得到凝胶原丝；凝胶原丝经过冷却水槽(4)冷却凝固；然后经过萃取箱(5)萃取掉凝胶原丝中的溶剂，萃取剂选用碳氢化合物、氯代碳氢化合物或氯代氟代碳氢化合物；然后经过干燥箱(6)除去萃取剂；然后在热拉伸箱(7)中进行超倍拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维；最后将超高分子量聚乙烯纤维缠绕在纤维卷绕装置(8)上。
8.如权利要求7所述的一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置，其特征在于：所述烷烃类有机溶剂为石蜡油、石蜡或煤油；所述萃取剂为沸点较低、易挥发且不易燃的己烷、氯甲烷或三氯三氟乙烷。
9.如权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置，其特征在于：所述装置制备方法为：将纤维卷(9)上的超高分子量聚乙烯纤维经过导丝头(11)与阴模相连，底座内盘(14)不动，阴模顺时针旋转，使得超高分子量聚乙烯纤维能均匀缠绕在阴模上，同时导丝头(11)沿着导轨(10)上下移动，则实现了超高分子量聚乙烯纤维的交叉缠绕；根据需要，能够使用多个纤维卷(9)同时进行超高分子量聚乙烯纤维的缠绕，以提高效率；缠绕所需的厚度后，切断超高分子量聚乙烯纤维，使底座内盘(14)绕转轴(17)顺时针旋转，阴模旋转到阳模(16)下方，使用阳模(16)对阴模上缠绕完成的超高分子量聚乙烯纤维进行热压固化，得到预成型的头盔壳体，预成型的头盔壳体进行后期加工处理制备成完整的头盔。
10.如权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔的制备装置，其特征在于：所述装置制备方法为：将纤维卷(9)上的超高分子量聚乙烯纤维经过浸胶槽(18)浸胶后，通过挤胶辊(19)除去气泡和多余的胶，然后经过导丝头(11)与阴模相连，底座内盘(14)不动，阴模顺时针旋转，使得超高分子量聚乙烯纤维能均匀缠绕在阴模上，同时导丝头(11)沿着导轨(10)上下移动，则实现了超高分子量聚乙烯纤维的交叉缠绕；缠绕所需的厚度后，切断超高分子量聚乙烯纤维纤维，使底座内盘(14)绕转轴(17)顺时针旋转，阴模旋转到正对玻璃纤维卷(21)的位置；将玻璃纤维经过浸胶槽(18)和挤胶辊(19)，然后通过导丝头(11)与阴模相连，底座内盘(14)不动，阴模顺时针旋转，使得玻璃纤维能均匀缠绕在阴模上，同时导丝头(11)沿着导轨(10)上下移动，则实现了玻璃纤维的交叉缠绕；缠绕所需的厚度后，切断玻璃纤维，使底座内盘(14)绕转轴(17)顺时针旋转，阴模旋转到阳模(16)下方，使用阳模(16)对阴模上缠绕完成的超高分子量聚乙烯纤维和玻璃纤维进行热压固化，得到预成型的头盔壳体，预成型的头盔壳体进行后期加工处理制备成完整的头盔。
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