CN108316016A - 一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高抗力防弹符合材料技术领域，公开的一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料及制备方法，该防弹复合材料由改性聚苯乙烯树脂与超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维复合而成，所述改性聚苯乙烯树脂是由高柔韧性、弹性、填料相容性的乙烯‑醋酸乙烯共聚物EVA对聚苯乙烯树脂进行改性而制成；所述聚苯乙烯树脂的单体苯乙烯自由基聚合而成得到的聚合物是无色、透明的，具有高刚性，并能改善改性树脂对纤维的浸润性。本发明的防弹复合材料具备密度低和比强度、比模量高、减震性、耐疲劳性和环境适应性好等优点，满足防弹需求。本发明制备方法具有步骤简单、可操作性强，并且能够批量生产。

Description

一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料及制备方法

技术领域

本发明涉及高抗力防弹符合材料技术领域，具体涉及一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料及制备方法。

背景技术

近年来，由于世界各地区冲突和战争不断，恐怖事件蔓延不止，军事装备工业得到迅猛发展，因此防弹材料的开发和研究越来越受到重视，投入应用的品种也越来越多，如防弹背心、头盔，以及坦克、飞机、舰船等的防护部件。

超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE），又被称为超高强-高模聚乙烯纤维（UHS-HMPE）或伸长链聚乙烯纤维（ECPE），是20世纪70年代由荷兰的Pennings首先成功地采用“凝胶纺丝-热拉伸”的方法得到，并由DSM公司进行工业化生产，其主要过程是将超高分子量聚乙烯树脂热溶解于溶剂中，在速冷的条件下形成凝胶后，高温下挤出呈纤维，在经过脱溶剂化处理和拉伸取向，得到高结晶度的超高强-高模聚乙烯纤维。在纺丝过程中，通过数十倍的高度拉伸时大分子链沿轴向充分舒展，形成了平行排列的伸直链结构，显著减少了内部缺陷，使UHMWPE纤维具有远高于常规PE材料的高结晶度和高取向度。通常其结晶度在85%以上，而取向度则高于95%。UHMWPE纤维不仅强度和模量比Kevlar高，而且密度比Kevlar还要低，只有0.97g/cm³，Kevlar为1.47 g/cm³，因而其应变波速比Kevlar要高出许多，纤维弹道防护性能超过了以Kevlar为代表的芳族聚酰胺纤维，断裂伸长率大于高强碳纤维，成为防弹领域里一种极具吸引力的高技术纤维。但是，聚乙烯纤维是一种非极性材料，经过凝胶热拉伸后，分子链完全伸展，纤维内部高度取向和高度结晶，表面会在拉伸应力下产生一层弱界面层（约10-100nm），UHMWPE纤维表面为惰性表面，不易被树脂润湿，即不能形成力学咬合作用，这些都对复合材料中UHMWPE纤维与树脂的粘附性有着负面的影响。为了充分利用UHMWPE纤维的潜能，需要发明一种新的制备方法以便能制造一种UHMWPE纤维防弹复合材料。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料及制备方法纤维防弹复合材料及制备方法，这种防弹复合材料具备密度低和比强度、比模量高、减震性、耐疲劳性和环境适应性好等优点，制备方法具有步骤简单、可操作性强、可批量生产。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料，由改性聚苯乙烯树脂与超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维复合而成，所述改性聚苯乙烯树脂是由高柔韧性、弹性、填料相容性的乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA对聚苯乙烯树脂进行改性而制成；所述聚苯乙烯树脂的单体苯乙烯自由基聚合而成得到的聚合物，是无色、透明的，具有高刚性，并能改善改性树脂对纤维的浸润性。

一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料，所述的改性聚苯乙烯树脂由乙烯醋酸乙烯共聚物EVA、的苯乙烯ST、偶氮二异丁腈AIBN、三烯丙基异氰脲酸酯TAIC和无水硫酸钠按照质量分数45%、32%、12%、6%、5%的比例混合改性而成。

一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料，所述的UHMWPE纤维为防护材料，其分子链上为无不饱和基团的纤维，对酸、碱和有机溶剂有很强的抗腐蚀性，并且耐光、热、老化性能优良，比强度和模量都很高，且能量吸收性和耐磨损性好。

一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的制备方法，由改性聚苯乙烯树脂与超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维复合而成，其具体步骤如下：

（1）准备工作，根据需要准备适当尺寸平板玻璃，并用壁纸刀对超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维进行割裁，之后放置在50℃烘箱中十分钟以减少纤维中的水分；

添加设定比例的交联剂的改性聚苯乙烯弹性体预聚体待用，树脂体系是将树脂基体和交联剂按照95:5的比例进行配制；树脂需现配，以防树脂基体粘度增大不易于成型加工；

最后准备含氟脱模布、导流网、真空袋、带孔脱模薄膜；

（2）树脂体系即改性聚苯乙烯树脂的制备，由高柔韧性、弹性、填料相容性的乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA颗粒对聚苯乙烯树脂进行改性而制成；采用的聚苯乙烯树脂的单体苯乙烯自由基是聚合而成得到的聚合物，无色、透明，具有高刚性，并能改善改性树脂对纤维的浸润性；

具体的方法是乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA颗粒与聚苯乙烯树脂混合，通过机械搅拌制成混合溶液，再加入偶氮二异丁腈AIBN、三烯丙基异氰脲酸酯TAIC和无水硫酸钠，其中乙烯醋酸乙烯共聚物EVA、的苯乙烯ST、偶氮二异丁腈AIBN、三烯丙基异氰脲酸酯TAIC和无水硫酸钠，按照质量分数45%、32%、12%、6%、5%的比例混合改性而成；

（3）制备，超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维在改性聚苯乙烯弹性体中充分浸渍后，放置在平板模具上，用真空袋整体密封；

平板模具采用玻璃板，首先玻璃板用丙酮清洗干净，待其表面风干，在玻璃板周边适合的位置贴黑色密封胶，之后顺序铺层，由下至上依次是底层的导流网、带孔脱模薄膜、含氟脱模布、UHMWPE纤维、含氟脱模布、带孔脱模薄膜、顶层的导流网；根据试样大小安放真空管，最后用真空袋把整个体系密封好；真空泵抽真空达到0.08MPa±0.01；铺层顺序决定着柔性复合材料的表面光洁度和制品质量；

其中在第二步骤中铺层的同时，用刮板把超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维用树脂浸润完全后，真空泵抽真空，真空度达到-0.08MPa±0.01；按照梯度固化的方式固化完全后脱模，得到制品；

其中改性聚苯乙烯弹性体的质量分数为40份，超高分子量聚乙烯纤维织物的质量分数为60份；

将制品继续按上述比例铺层后放入烘箱，将烘箱温度采用梯度升温的方式，固化温度为100℃/4h+120℃/4h，使得改性聚苯乙烯弹性体充分固化，冷却后得到柔性复合材料。

与现有技术相比，本发明取得的技术优越性是：

本发明提供了一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料及制备方法，发明的防弹复合材料具备密度低和比强度、比模量高、减震性、耐疲劳性和环境适应性好等优点，满足防弹需求。本发明制备方法具有步骤简单、可操作性强、可批量生产。

附图说明

图1为超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步的描述，当然下述实施案例不应理解为对本发明的限制。

一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料，由改性聚苯乙烯树脂与超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维复合而成，所述改性聚苯乙烯树脂是由高柔韧性、弹性、填料相容性的乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA对聚苯乙烯树脂进行改性而制成；所述聚苯乙烯树脂的单体苯乙烯自由基聚合而成得到的聚合物，是无色、透明的，具有高刚性，并能改善改性树脂对纤维的浸润性。

所述的改性聚苯乙烯树脂由乙烯醋酸乙烯共聚物EVA、的苯乙烯ST、偶氮二异丁腈AIBN、三烯丙基异氰脲酸酯TAIC和无水硫酸钠按照质量分数45%、32%、12%、6%、5%的比例混合改性而成。

所述的UHMWPE纤维为防护材料，其分子链上为无不饱和基团的纤维，对酸、碱和有机溶剂有很强的抗腐蚀性，并且耐光、热、老化性能优良，比强度和模量都很高，且能量吸收性和耐磨损性好。

一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的制备方法，是由改性聚苯乙烯树脂与超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维复合而成，其具体步骤如下：

（1）准备工作，根据需要的试样大小准备适当尺寸平板玻璃，并用壁纸刀对超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维进行割裁，之后放置在50℃烘箱中十分钟以减少纤维中的水分；添加设定比例的交联剂的改性聚苯乙烯弹性体预聚体待用，树脂体系是将树脂基体和交联剂按照95:5的比例进行配制；树脂需现配，以防树脂基体粘度增大不易于成型加工；最后准备含氟脱模布、导流网、真空袋、带孔脱模薄膜；

（2）树脂体系即改性聚苯乙烯树脂的制备，由高柔韧性、弹性、填料相容性的乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA颗粒对聚苯乙烯树脂进行改性而制成；采用的聚苯乙烯树脂的单体苯乙烯自由基是聚合而成得到的聚合物，无色、透明，具有高刚性，并能改善改性树脂对纤维的浸润性；

具体的方法是乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA颗粒与聚苯乙烯树脂混合，通过机械搅拌制成混合溶液，再加入偶氮二异丁腈AIBN、三烯丙基异氰脲酸酯TAIC和无水硫酸钠，其中乙烯醋酸乙烯共聚物EVA、的苯乙烯ST、偶氮二异丁腈AIBN、三烯丙基异氰脲酸酯TAIC和无水硫酸钠，按照质量分数45%、32%、12%、6%、5%的比例混合改性而成；

（3）制备，超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维在改性聚苯乙烯弹性体中充分浸渍后，放置在平板模具上，用真空袋整体密封；

平板模具采用玻璃板，首先玻璃板用丙酮清洗干净，待其表面风干，在玻璃板周边适合的位置贴黑色密封胶，之后顺序铺层，由下至上依次是底层的导流网、带孔脱模薄膜、含氟脱模布、UHMWPE纤维、含氟脱模布、带孔脱模薄膜、顶层的导流网；根据试样大小安放真空管，最后用真空袋把整个体系密封好；真空泵抽真空达到0.08MPa±0.01；铺层顺序决定着柔性复合材料的表面光洁度和制品质量；

其中在第二步骤中铺层的同时，用刮板把超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维用树脂浸润完全后，真空泵抽真空，真空度达到-0.08MPa±0.01；按照梯度固化的方式固化完全后脱模，得到制品；

其中改性聚苯乙烯弹性体的质量分数为40份，超高分子量聚乙烯纤维织物的质量分数为60份；

将制品继续按上述比例铺层后放入烘箱，将烘箱温度采用梯度升温的方式，固化温度为100℃/4h+120℃/4h，使得改性聚苯乙烯弹性体充分固化，冷却后得到柔性复合材料。

Claims (4)

1.一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料，其特征在于：由改性聚苯乙烯树脂与超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维复合而成，所述改性聚苯乙烯树脂是由高柔韧性、弹性、填料相容性的乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA对聚苯乙烯树脂进行改性而制成；所述聚苯乙烯树脂的单体苯乙烯自由基，通过聚合而得到的聚合物是无色、透明的，具有高刚性，并能改善改性树脂对纤维的浸润性。

2.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料，其特征在于：所述的改性聚苯乙烯树脂由乙烯醋酸乙烯共聚物EVA、的苯乙烯ST、偶氮二异丁腈AIBN、三烯丙基异氰脲酸酯TAIC和无水硫酸钠按照质量分数45%、32%、12%、6%、5%的比例混合改性而成。

3.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料，其特征在于：所述的UHMWPE纤维为防护材料，其分子链上为无不饱和基团的纤维，对酸、碱和有机溶剂有很强的抗腐蚀性，并且耐光、热、老化性能优良，比强度和模量都很高，且能量吸收性和耐磨损性好。

4.一种超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的制备方法，其特征在于：由改性聚苯乙烯树脂与超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维复合而成，其具体步骤如下：

（1）准备工作，根据需要准备适当尺寸平板玻璃，并用壁纸刀对超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维进行割裁，之后放置在50℃烘箱中十分钟以减少纤维中的水分；

添加设定比例的交联剂的改性聚苯乙烯弹性体预聚体待用，树脂体系是将树脂基体和交联剂按照95:5的比例进行配制；树脂需现配，以防树脂基体粘度增大不易于成型加工；最后准备含氟脱模布、导流网、真空袋、带孔脱模薄膜；

（2）树脂体系即改性聚苯乙烯树脂的制备，由高柔韧性、弹性、填料相容性的乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA颗粒对聚苯乙烯树脂进行改性而制成；采用的聚苯乙烯树脂的单体苯乙烯自由基是聚合而成得到的聚合物，无色、透明，具有高刚性，并能改善改性树脂对纤维的浸润性；

具体的方法是乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA颗粒与聚苯乙烯树脂混合，通过机械搅拌制成混合溶液，再加入偶氮二异丁腈AIBN、三烯丙基异氰脲酸酯TAIC和无水硫酸钠，其中乙烯醋酸乙烯共聚物EVA、的苯乙烯ST、偶氮二异丁腈AIBN、三烯丙基异氰脲酸酯TAIC和无水硫酸钠，按照质量分数45%、32%、12%、6%、5%的比例混合改性而成；

（3）制备，超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维在改性聚苯乙烯弹性体中充分浸渍后，放置在平板模具上，用真空袋整体密封；

平板模具采用玻璃板，首先玻璃板用丙酮清洗干净，待其表面风干，在玻璃板周边适合的位置贴黑色密封胶，之后顺序铺层，由下至上依次是底层的导流网、带孔脱模薄膜、含氟脱模布、UHMWPE纤维、含氟脱模布、带孔脱模薄膜、顶层的导流网；根据试样大小安放真空管，最后用真空袋把整个体系密封好；真空泵抽真空达到0.08MPa±0.01；铺层顺序决定着柔性复合材料的表面光洁度和制品质量；

其中在第二步骤中铺层的同时，用刮板把超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维用树脂浸润完全后，真空泵抽真空，真空度达到-0.08MPa±0.01；按照梯度固化的方式固化完全后脱模，得到制品；

其中改性聚苯乙烯弹性体的质量分数为40份，超高分子量聚乙烯纤维织物的质量分数为60份；

将制品继续按上述比例铺层后放入烘箱，将烘箱温度采用梯度升温的方式，固化温度为100℃/4h+120℃/4h，使得改性聚苯乙烯弹性体充分固化，冷却后得到柔性复合材料。