CN109667152A - 一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料 - Google Patents

一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料 Download PDF

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Abstract

一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料，包括：交联剂、改性剂、水性聚氨酯、芳纶纤维；利用所述交联剂，与所述水性聚氨酯中的羟基和羧基反应，将热塑性的水性聚氨酯弹性体变成热固性水性聚氨酯弹性体；再加入改性剂后，得到改性水性聚氨酯；对于所述芳纶纤维，使用滚筒缠绕机，通过张力的控制及水性聚氨酯的粘度控制，调节水性聚氨酯对芳纶纤维的浸润性，再通过调整刮刀的高度，来控制水性聚氨酯的含量；该发明的成品柔韧性好，使用方便，采用该预浸料制备的芳纶抗弹复合材料制品韧性好、质量轻、防弹性能优异，适用于人体防护及装甲防护领域，同时大大降低了对生态环境的破坏。

Description

一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料
技术领域
本发明属于装甲防护材料技术领域，涉及部分浸渗预浸料以及相、复合材料以及人体防护技术，尤其是一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料。
背景技术
在人体防护领域，特别是防弹头盔，对抗弹性能要求高，并且对受弹体冲击后的鼓包也有很高的要求，冲击后较大的鼓包对佩戴者头部依然会造成较大的伤害，因此，需要使用兼具防护功能和结构强度的高性能纤维复合材料，以确保具有很好的抗弹性能，同时满足受弹体冲击后鼓包的要求；
芳纶纤维具有高强度、高模量等特点，因此高性能纤维防弹复合材料多采用芳纶纤维为增强体。聚氨酯树脂具有优异的柔韧性、耐低温性能、力学性能，是理想的热塑性基体树脂。但聚氨酯树脂也存在耐高温性能差、需要较低温度出模等缺点，因此对聚氨酯树脂进行耐高温改性非常重要，通过使用交联剂交联聚氨酯分子链中的羧基、羟基，使热塑性的聚氨酯弹性体，变成热固性的聚氨酯弹性体，改善其耐温性能和工艺性能；对水性聚氨酯改性的研究很多，但针对防弹复合材料特别是头盔用防弹复合材料的改性研究却很少。
部分浸渗预浸料作为一种特殊的预浸料，与普通预浸料的主要不同是固化阶段前，部分纤维保持干的和未浸渍的状态；目前对于部分预浸料的研究和应用很少，例如：
1、公开号为CN101492573A真空成型大型制品用预浸料的专利，涉及热固性树脂体系的不完全预浸料，但非防弹用，不能应用在防护头盔等制造领域；
2、公开号为CN102909920A一种改性酚醛树脂半浸渗芳纶纤维预浸料的专利，基体树脂都为改性的热固性脆性酚醛树脂，其缺点在于，抗弹性能不佳，防护效果有效，而且除了防护效果有待提高外，上述发明使用酒精、丙酮、乙酸乙酯等溶剂，涂布过程中直接排放，对环境造成污染。
发明内容
本发明的目的是，提供一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料，在增加了防护性能的同时，大大增强了材料整体的各项性能，同时还克服环境污染问题，实现了清洁生产。
一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料，包括：交联剂、改性剂、水性聚氨酯、芳纶纤维；利用所述交联剂，与所述水性聚氨酯中的羟基和羧基反应，将热塑性的水性聚氨酯弹性体变成热固性水性聚氨酯弹性体；再加入改性剂后，得到改性水性聚氨酯；
进一步的，对于所述芳纶纤维，使用滚筒缠绕机，通过张力的控制及水性聚氨酯的粘度控制，调节水性聚氨酯对芳纶纤维的浸润性，再通过调整刮刀的高度，来控制水性聚氨酯的含量；
进一步的，通过对所述滚筒缠绕机的机速、烘箱温度的梯度以及风速控制，进一步调整水性聚氨酯部分浸渍芳纶材料；
作为一种举例说明，所述改性水性聚氨酯所用改性剂的质量百分比介于5％～15％之间；
作为一种优选举例说明，所述改性剂选自新戊二醇二缩水甘油醚、丙三醇三缩水甘油醚、季戊四醇四缩水甘油醚和异氰尿酸三缩水甘油酯中的一种或其组合；
进一步的，一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料中，所述改性水性聚氨酯浸渍部分芳纶纤维，浸渍率介于20％～ 50％之间；
作为一种举例说明，所述改性水性聚氨酯浸渍部分芳纶纤维，浸渍率优选范围介于30％～40％之间；
进一步的，一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料中，预浸料中所述水性聚氨酯的质量百分比介于10％～30％之间；
作为一种优选举例说明，一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料中，所述水性聚氨酯的质量百分比优选范围介于 15％～25％之间；
进一步的，所述芳纶纤维选用强度大于18CN/dtex的芳纶纤维；
作为一种举例说明，所述芳纶纤维是UD布、平纹布、斜纹布、篮纹布中的一种；
进一步的，本发明采用水性聚氨酯作为主要基体树脂材料，水性聚氨酯作为弹性树脂，抗弹性能优于热固性树脂(参见《芳纶防弹板的研制》工程塑料应用Vol.26 P1–3)，同时使用水作为界质，排放后对环境友好，不会造成环境污染；
本发明的有益效果：
本发明所涉及的改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料，其成品柔韧性好，使用方便，采用该预浸料制备的芳纶抗弹复合材料制品韧性好、质量轻、防弹性能优异，适用于人体防护及装甲防护领域，同时大大降低了对生态环境的破坏。
具体实施方式
下面结合优选实施例对本发明进行详细说明。
一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料，包括：交联剂、改性剂、水性聚氨酯、芳纶纤维；利用所述交联剂，与所述水性聚氨酯中的羟基和羧基反应，将热塑性的水性聚氨酯弹性体变成热固性水性聚氨酯弹性体；再加入改性剂后，得到改性水性聚氨酯；
进一步的，对于所述芳纶纤维，使用滚筒缠绕机，通过张力的控制及水性聚氨酯的粘度控制，调节水性聚氨酯对芳纶纤维的浸润性，再通过调整刮刀的高度，来控制水性聚氨酯的含量；
进一步的，通过对所述滚筒缠绕机的机速、烘箱温度的梯度以及风速控制，进一步调整水性聚氨酯部分浸渍芳纶材料；
作为一种举例说明，所述改性水性聚氨酯所用改性剂的质量百分比介于5％～15％之间；
作为一种优选举例说明，所述改性剂选自新戊二醇二缩水甘油醚、丙三醇三缩水甘油醚、季戊四醇四缩水甘油醚和异氰尿酸三缩水甘油酯中的一种或其组合；
进一步的，一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料中，所述改性水性聚氨酯浸渍部分芳纶纤维，浸渍率介于20％～ 50％之间；
作为一种举例说明，所述改性水性聚氨酯浸渍部分芳纶纤维，浸渍率优选范围介于30％～40％之间；
进一步的，一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料中，预浸料中所述水性聚氨酯的质量百分比介于10％～30％之间；
作为一种优选举例说明，一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料中，所述水性聚氨酯的质量百分比优选范围介于 15％～25％之间；
进一步的，所述芳纶纤维选用强度大于18CN/dtex的芳纶纤维；
作为一种举例说明，所述芳纶纤维是UD布、平纹布、斜纹布、篮纹布中的一种；
进一步的，本发明采用水性聚氨酯作为主要基体树脂材料，水性聚氨酯作为弹性树脂，抗弹性能优于热固性树脂(参见《芳纶防弹板的研制》工程塑料应用Vol.26 P1–3)，同时使用水作为界质，排放后对环境友好，不会造成环境污染；
实施例一：
使用面密度为410g/m2的日本帝人芳纶3360纱线织出的平纹布为增强材料，以PU665水性聚氨酯(固含量30％)为树脂基体，以丙三醇三缩水甘油醚作为交联剂，混合搅拌均匀，制成改性水性聚氨酯，使用增稠剂调节粘度大于90s(涂-4杯，下同)；
使用自动涂布机涂布，干基涂布量为100g/m2，通过对机速、烘箱温度的梯度、风速等调整，树脂浸渍率为35％，树脂含量19.6％；
用该预浸料20层制备的防弹头盔盔壳重量1.07Kg，用54式手枪7.62mm手枪弹按照GA293-2012 Ⅱ级标准进行试验，5发弹均未穿透，背鼓小于10.5mm，弹速在435m/s～455m/s之间；
采用1.1g模拟破片，按照GJB5115A-2012标准进行测试常温、高温和低温的V50值分别为672m/s、685m/s、660m/s。
实施例二：
使用面密度为300g/m2的美国杜邦K-129芳纶纤维平纹布为增强体，以PU8030水性聚氨酯(固含量30％)为树脂基体，以新戊二醇二缩水甘油醚和季戊四醇四缩水甘油醚(1:1)作为交联剂，混合搅拌均匀，制成改性水性聚氨酯，使用增稠剂调节粘度大于90s；
使用自动涂布机涂布，干基涂布量为75g/m2，通过对机速、烘箱温度的梯度、风速等调整，树脂浸渍率为35％，树脂含量20％；
用该预浸料30层制备的防弹头盔盔壳重量1.08Kg，用54式手枪7.62mm手枪弹按照GA293-2012 Ⅱ级标准进行试验，5发弹均未穿透，背鼓小于9.5mm，弹速在435m/s～455m/s之间；
采用1.1g模拟破片，按照GJB5115A-2012标准进行测试，测常温、高温和低温的V50值分别为680m/s、695m/s、663m/s。
实施例三：
使用面密度为340g/m2的日本帝人芳纶1100纱线织出的斜纹布为增强材料，以PU400水性聚氨酯(固含量30％)为树脂基体，以新戊二醇二缩水甘油醚和异氰尿酸三缩水甘油酯(1:1)作为交联剂，混合搅拌均匀，制成改性水性聚氨酯，使用增稠剂调节粘度大于90s；
使用自动涂布机涂布，干基涂布量为70g/m2，通过对机速、烘箱温度的梯度、风速等调整，树脂浸渍率为36％，树脂含量20％；
用该预浸料28层制备的防弹头盔盔壳重量1.07Kg，用54式手枪7.62mm手枪弹按照GA293-2012 Ⅱ级标准进行试验，5发弹均未穿透，背鼓小于10.0mm，弹速在435m/s～455m/s之间；
采用1.1g模拟破片，按照GJB5115A-2012标准进行测试，测常温、高温和低温的V50值分别为685m/s、694m/s、667m/s。
实施例四：
使用面密度为500g/m2的美国杜邦K-129芳纶纤维蓝纹布为增强体，以PU628水性聚氨酯(固含量30％)为树脂基体，以季戊四醇四缩水甘油醚作为交联剂，混合搅拌均匀，制成改性水性聚氨酯，使用增稠剂调节粘度大于90s；
使用自动涂布机涂布，干基涂布量为120g/m2，通过对机速、烘箱温度的梯度、风速等调整，树脂浸渍率为33％，树脂含量19.3％；
用该预浸料16层制备的防弹头盔盔壳重量1.08Kg，用54式手枪7.62mm手枪弹按照GA293-2012 Ⅱ级标准进行试验，5发弹均未穿透，背鼓小于8.0mm，弹速在435m/s～455m/s之间；
采用1.1g模拟破片，按照GJB5115A-2012标准进行测试，测常温、高温和低温的V50值分别为658m/s、667m/s、645m/s。
实施例五：
使用日本帝人芳纶930纱线，使用滚筒缠绕机，以PU8030水性聚氨酯(固含量30％)为树脂基体，以新戊二醇二缩水甘油醚和异氰尿酸三缩水甘油酯(1:1)作为交联剂，混合搅拌均匀，制成改性水性聚氨酯，使用增稠剂调节粘度大于40s；
通过张力控制和树脂粘度控制，树脂浸渍率为37％，树脂含量 18.9％，生产出面密度为220g/m2 UD布，用该预浸料48层制备的防弹头盔盔壳重量1.06Kg，用54式手枪7.62mm手枪弹按照GA293-2012 Ⅱ级标准进行试验，5发弹均未穿透，背鼓小于12.0mm，弹速在 435m/s～455m/s之间；
采用1.1g模拟破片，按照GJB5115A-2012标准进行测试，测常温、高温和低温的V50值分别为682m/s、715m/s、673m/s。
实施例六：
使用杜邦芳纶1100纱线，使用滚筒缠绕机，以PU8030水性聚氨酯(固含量30％)为树脂基体，以新戊二醇二缩水甘油醚和季戊四醇四缩水甘油醚(1:1)作为交联剂，混合搅拌均匀，制成改性水性聚氨酯，使用增稠剂调节粘度大于40s；
通过张力控制和树脂粘度控制，树脂浸渍率为37％，树脂含量 19.6％。生产出面密度为220g/m2 UD布，用该预浸料48层制备的防弹头盔盔壳重量1.06Kg，用54式手枪7.62mm手枪弹按照GA293-2012 Ⅱ级标准进行试验，5发弹均未穿透，背鼓小于11.6mm，弹速在 435m/s～455m/s之间；
采用1.1g模拟破片，按照GJB5115A-2012标准进行测试，测常温、高温和低温的V50值分别为678m/s、712m/s、669m/s。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料，包括：交联剂、改性剂、水性聚氨酯、芳纶纤维；其特征在于，利用所述交联剂，与所述水性聚氨酯中的羟基和羧基反应，将热塑性的水性聚氨酯弹性体变成热固性水性聚氨酯弹性体；再加入改性剂后，得到改性水性聚氨酯；
对于所述芳纶纤维，使用滚筒缠绕机，通过张力的控制及水性聚氨酯的粘度控制，调节水性聚氨酯对芳纶纤维的浸润性，再通过调整刮刀的高度，来控制水性聚氨酯的含量；所述水性聚氨酯的质量百分比介于10％～30％之间；
通过对所述滚筒缠绕机的机速、烘箱温度的梯度以及风速控制，进一步调整水性聚氨酯部分浸渍芳纶材料；浸渍率介于20％～50％之间；
所述芳纶纤维选用强度大于18CN/dtex的芳纶纤维。
2.根据权利要求1所述的一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料，其特征在于，所述改性剂的质量百分比介于5％～15％之间。
3.根据权利要求2所述的一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料，其特征在于，所述改性剂选自新戊二醇二缩水甘油醚、丙三醇三缩水甘油醚、季戊四醇四缩水甘油醚和异氰尿酸三缩水甘油酯中的一种或其组合。
4.根据权利要求1所述的一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料，其特征在于，所述改性水性聚氨酯浸渍部分芳纶纤维，浸渍率范围介于30％～40％之间。
5.根据权利要求1所述的一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料，其特征在于，所述水性聚氨酯的质量百分比范围介于15％～25％之间。
6.根据权利要求1所述的一种改性水性聚氨酯弹性体树脂部分浸渗芳纶材料预浸料，其特征在于，所述芳纶纤维是UD布、平纹布、斜纹布、篮纹布中的一种。
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