CN108981467A - 一种复合结构的软质防刺材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合结构的软质防刺材料及其制备方法，采用了防切割、防刺穿吸能、抗变形的复合结构，以高性能纤维与金属纤维为原料，制成包覆纱及织物，以提高材料的防切割性能；再次，以高性能纤维为原料，制成三维机织物，并以自制的剪切增稠液浸渍三维机织物，以提高材料的能量吸收、抗刺穿等性能；最后，以高性能纤维为原料，采用平纹、重组织或双层组织制成二维机织物，并与热塑性树脂热压复合制成抗变形层；其使用上述方法制得的复合结构软质防刺材料具有轻质、柔软、穿着舒适、防刺效果佳等一体化特点，在24J撞击能量作用下，防刺材料不被穿透，且背衬材料变形深度≤20mm，可广泛用于警察安全部门和民用领域，具有极好的发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及防护装备研究技术领域，具体为一种复合结构的软质防刺材料及其制备方法。
背景技术
近年来，国际恐怖活动猖獗，极端组织和恐怖分子在世界各地制造了多起暴力袭击。在国外，恐怖活动多采用爆炸等恐怖袭击方式，如2015年11月13日，巴黎辖区内发生多起爆炸恐怖袭击，造成至少130人死亡、350多人受伤；2016年3月22日，比利时布鲁塞尔市郊的扎芬特姆机场和市内欧盟总部附近地铁站接连发生爆炸袭击，造成至少30人死亡、300人受伤等。在我国，由于枪械的使用受到了严格限制，而来自匕首、刺刀等锐器的威胁却无处不在，如2014年3月1日昆明火车站发生的恐怖分子持刀伤人恐怖事件，造成平民29人死亡、143人受伤；2014年7月28日新疆莎车县发生的恐怖分子持刀伤人恐怖事件，造成无辜群众37人死亡、13人受伤……这些恐怖袭击事件的发生令人十分痛心。因此，高性能防刺材料的研究与开发相当迫切，而且意义重大。
防刺材料发展至今大概经历了三个阶段，对应的产品分别是硬质防刺材料、半硬质防刺材料和软质防刺材料。早期的硬质和半硬质防刺材料主要采用金属材料或金属与纤维织物复合制成防刺产品，该类防刺材料均具有优良的防刺性能，但是普遍存在笨重、穿着不灵活等缺点，严重限制了其推广和商业化应用价值。进入21世纪，以UHMWPE、Kevlar等高性能纤维及其复合材料制成的软质防刺材料成为了防护领域的主力军，其最大优点是重量相比于硬质和半硬质防刺材料轻了许多，但是依然存在着重量较大、质地坚硬、穿着舒适性差等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合结构的软质防刺材料及其制备方法，采用“防切割/防刺穿/吸能/抗变形”的复合结构，具有轻质、柔软、穿着舒适、防刺效果佳等一体化优点，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种复合结构的软质防刺材料，包括由防切割层、防刺穿吸能层和抗变形层三种层面组成的复合结构；
所述防切割层选用高性能纤维与金属纤维为原料，制成金属纤维为芯、高性能纤维为皮的包覆纱，并以包覆纱为经纱、高性能纤维为纬纱制成的机织物；
所述防刺穿吸能层选用高性能纤维和自制剪切增稠液为原料制成三维结构机织物；
所述抗变形层选用高性能纤维为原料，并结合热塑性树脂膜复合成二维结构机织物。
优选的，所述高性能纤维为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维或芳纶(Kevlar)纤维，金属纤维为不锈钢纤维或镀铜不锈钢纤维，其中，高性能纤维线密度为50D～200D、金属纤维直径为35um～50um。
优选的，所述防切割层面密度为0.6～1.2kg/m2。
优选的，所述防刺穿吸能层面密度为4～8kg/m2。
优选的，所述抗变形层面密度为0.4～0.8kg/m2。
本发明提供另一种技术方案：一种复合结构的软质防刺材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：选用高性能纤维(UHMWPE纤维、Kevlar纤维)与金属纤维为原料，采用包覆纱工艺制成金属纤维为芯、高性能纤维为皮的包覆纱，并以包覆纱为经纱、高性能纤维为纬纱制成含机织物的防切割层；
S2：选用高性能纤维(UHMWPE纤维、Kevlar纤维)为原料，采用三维组织为基础制成三维结构机织物，并以自制剪切增稠液(STF)浸渍三维织物，最终得到含STF/UHMWPE(或Kevlar)三维织物复合材料的防刺穿吸能层；
S3：选用高性能纤维(UHMWPE纤维、Kevlar纤维等)为原料，采用平纹、重组织或双层组织为基础制成二维结构机织物，并以热塑性树脂膜(PU膜)与二维织物热压而成含二维织物复合材料的抗变形层；
S4：将S1中的防切割层、S2中的防刺穿吸能层和S3中的抗变形层的边缘处由外向内缝制在一起，即得具有三层复合结构的软质防刺材料。
优选的，采用上述方法制得的复合结构软质防刺材料，其防护面积≥0.3m2、厚度10～20mm、面密度5～10kg/m2，在24J撞击能量作用下，按0°、45°刺入角冲刺防刺材料，防刺材料不被穿透，且背衬材料变形深度≤20mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本复合结构的软质防刺材料及其制备方法，首先，防刺材料采用了防切割、防刺穿吸能、抗变形的复合结构；其次，以高性能纤维与金属纤维为原料，制成包覆纱及织物，以提高材料的防切割性能；再次，以高性能纤维为原料，制成三维机织物，并以自制的剪切增稠液浸渍三维机织物，以提高材料的能量吸收、抗刺穿等性能；最后，以高性能纤维为原料，采用平纹、重组织或双层组织制成二维机织物，并与热塑性树脂热压复合制成抗变形层；其使用上述方法制得的复合结构软质防刺材料具有轻质、柔软、穿着舒适、防刺效果佳等一体化特点，在24J撞击能量作用下，按0°、45°刺入角冲刺防刺材料，防刺材料不被穿透，且背衬材料变形深度≤20mm，可广泛用于警察安全部门(如公安、狱警)和民用领域(如击剑等运动防护、装修及建筑等工业防护、出租车司机及摩托赛车手的安全防护等)领域，具有极好的发展前景。
具体实施方式
以下将详细说明本发明实施例，然而，本发明实施例并不以此为限。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。
本发明实施例中：一种复合结构的软质防刺材料，包括由防切割层、防刺穿吸能层和抗变形层三种层面组成的复合结构；
其中，防切割层选用高性能纤维与金属纤维为原料，制成金属纤维为芯、高性能纤维为皮的包覆纱，并以包覆纱为经纱、高性能纤维为纬纱制成的机织物，其面密度为0.6～1.2kg/m2；防刺穿吸能层选用高性能纤维和自制剪切增稠液为原料制成三维结构机织物，其面密度为4～8kg/m2；抗变形层选用高性能纤维为原料，并结合热塑性树脂膜复合成二维结构机织物，其面密度为0.4～0.8kg/m2。
其中，高性能纤维为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维或芳纶(Kevlar)纤维，金属纤维为不锈钢纤维或镀铜不锈钢纤维，高性能纤维线密度为50D～200D、金属纤维直径为35um～50um。
基于上述描述的复合结构的软质防刺材料，为了进一步更好的解释说明本发明，还提供一种实施方案为：一种复合结构的软质防刺材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：选用高性能纤维(UHMWPE纤维、Kevlar纤维)与金属纤维为原料，采用包覆纱工艺制成金属纤维为芯、高性能纤维为皮的包覆纱，并以包覆纱为经纱、高性能纤维为纬纱制成含机织物的防切割层；
步骤二：选用高性能纤维(UHMWPE纤维、Kevlar纤维)为原料，采用三维组织为基础制成三维结构机织物，并以自制剪切增稠液(STF)浸渍三维织物，最终得到含STF/UHMWPE(或Kevlar)三维织物复合材料的防刺穿吸能层；
步骤三：选用高性能纤维(UHMWPE纤维、Kevlar纤维等)为原料，采用平纹、重组织或双层组织为基础制成二维结构机织物，并以热塑性树脂膜(PU膜)与二维织物热压而成含二维织物复合材料的抗变形层；
步骤四：将步骤一中的防切割层、步骤二中的防刺穿吸能层和步骤三中的抗变形层的边缘处由外向内缝制在一起，即得具有三层复合结构的软质防刺材料。
其中，采用上述方法制得的复合结构软质防刺材料，其防护面积≥0.3m2、厚度10～20mm、面密度5～10kg/m2。
实施例1：
将上述方法制得的复合结构的软质防刺材料用于警察安全部门，即制成一种防刺背心穿戴在身上，采用0.5kg、带有尖头的刀具分别从0°、45°等不同角度刺入该防刺背心，刺入速度为2m/s、5m/s、7m/s或10m/s等不同速度，经试验验证发现，只有当刺入速度达到10m/s时，才会给防刺背心造成轻微变形，但防刺背心不会被穿透，而10m/s的刺入速度已相当于100米世界冠军的速度差不多，因此，该刺入速度很少会在生活中出现，从而确保了该复合结构的软质防刺材料在警察安全部门使用时的实用性。
实施例2：
将上述方法制得的复合结构的软质防刺材料用于击剑项目的运动防护用品，即制成一种击剑运动服穿戴在身上，经过实际击剑运动的检测，在击剑最大受力范围内，无论对方以何种速度刺入，都不会影响到该击剑运动服的穿戴效果，其不仅不会刺穿，而且在受力的瞬间，防护服的变形范围小，自动恢复能力也较好，不会有任何触及皮肤的感觉，因此，该复合结构的软质防刺材料用于击剑项目等运动防护治具，大大提高了该领域防护用品的安全性。
综上所述：本复合结构的软质防刺材料及其制备方法，首先，防刺材料采用了防切割、防刺穿吸能、抗变形的复合结构；其次，以高性能纤维与金属纤维为原料，制成包覆纱及织物，以提高材料的防切割性能；再次，以高性能纤维为原料，制成三维机织物，并以自制的剪切增稠液浸渍三维机织物，以提高材料的能量吸收、抗刺穿等性能；最后，以高性能纤维为原料，采用平纹、重组织或双层组织制成二维机织物，并与热塑性树脂热压复合制成抗变形层；其使用上述方法制得的复合结构软质防刺材料具有轻质、柔软、穿着舒适、防刺效果佳等一体化特点，在24J撞击能量作用下，按0°、45°刺入角冲刺防刺材料，防刺材料不被穿透，且背衬材料变形深度≤20mm，可广泛用于警察安全部门(如公安、狱警)和民用领域(如击剑等运动防护、装修及建筑等工业防护、出租车司机及摩托赛车手的安全防护等)领域，具有极好的发展前景。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种复合结构的软质防刺材料，其特征在于，包括由防切割层、防刺穿吸能层和抗变形层三种层面组成的复合结构；
所述防切割层选用高性能纤维与金属纤维为原料，制成金属纤维为芯、高性能纤维为皮的包覆纱，并以包覆纱为经纱、高性能纤维为纬纱制成的机织物；
所述防刺穿吸能层选用高性能纤维和自制剪切增稠液为原料制成三维结构机织物；
所述抗变形层选用高性能纤维为原料，并结合热塑性树脂膜复合成二维结构机织物。
2.根据权利要求1所述的一种复合结构的软质防刺材料，其特征在于，所述高性能纤维为超高分子量聚乙烯纤维或芳纶纤维，金属纤维为不锈钢纤维或镀铜不锈钢纤维，其中，高性能纤维线密度为50D～200D、金属纤维直径为35um～50um。
3.根据权利要求1所述的一种复合结构的软质防刺材料，其特征在于，所述防切割层面密度为0.6～1.2kg/m2。
4.根据权利要求1所述的一种复合结构的软质防刺材料，其特征在于，所述防刺穿吸能层面密度为4～8kg/m2。
5.根据权利要求1所述的一种复合结构的软质防刺材料，其特征在于，所述抗变形层面密度为0.4～0.8kg/m2。
6.一种根据权利要求1所述的复合结构的软质防刺材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选用高性能纤维与金属纤维为原料，采用包覆纱工艺制成金属纤维为芯、高性能纤维为皮的包覆纱，并以包覆纱为经纱、高性能纤维为纬纱制成含机织物的防切割层；
S2：选用高性能纤维为原料，采用三维组织为基础制成三维结构机织物，并以自制剪切增稠液浸渍三维织物，最终得到含STF/UHMWPE三维织物复合材料的防刺穿吸能层；
S3：选用高性能纤维为原料，采用平纹、重组织或双层组织为基础制成二维结构机织物，并以热塑性树脂膜与二维织物热压而成含二维织物复合材料的抗变形层；
S4：将S1中的防切割层、S2中的防刺穿吸能层和S3中的抗变形层的边缘处由外向内缝制在一起，即得具有三层复合结构的软质防刺材料。
7.根据权利要求6所述的一种复合结构的软质防刺材料的制备方法，其特征在于：采用上述方法制得的复合结构软质防刺材料，其防护面积≥0.3m2、厚度10～20mm、面密度5～10kg/m2，在24J撞击能量作用下，按0°、45°刺入角冲刺防刺材料，防刺材料不被穿透，且背衬材料变形深度≤20mm。
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