CN109955570A - 一种复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合材料及其制备方法和应用，该复合材料包括泡沫塑料；以及包含聚氨酯并且形成在泡沫塑料的表面上的缓冲材料。本发明通过将具有高吸能效果的缓冲材料和泡沫塑料进行复配，实现抗冲击性能优异的头盔缓冲材料的制备，同时对其整体重量影响不大，能够有效地降低骑行者在发生事故时头部受伤的几率，从而更好地保障骑乘者的生命安全。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料，更具体地，涉及一种复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
摩托车头盔是保障骑乘人员安全的重要安全保护装置，在很多事故中摩托车驾驶员的头部往往会承受第一次碰撞，其受到的冲击往往会伤及头部甚至危及生命。目前市场上所售的摩托车头盔种类很多，泡沫类材料由于密度小而被广泛应用于头盔内部的缓冲材料，但是在受到高速碰撞冲击时，这种材料由于其缓冲性能不佳，仍然会给骑乘者的生命安全带来巨大的威胁。
目前，头盔缓冲层通常采用EPS(聚苯乙烯泡沫塑料)、EPO(聚苯乙烯聚乙烯混合泡沫塑料)或EPP(聚丙烯泡沫塑料)等泡沫塑料，其主要通过泡沫体的大变形来抵挡从外壳传来的冲击力，然而在实际使用中，泡沫被压缩的变形距离是有限的，在较大的冲击力作用下，其所形成的缓冲效果并不理想，佩戴者头部仍然会有受伤的危险。
因此，急需一种能够改善头盔内部的缓冲性能的材料。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种复合材料，能够改善头盔内部泡沫塑料缓冲性能不佳的问题，从而更好地保障骑乘者的生命安全。
本发明提供了一种复合材料，包括：泡沫塑料；以及包含聚氨酯并且形成在所述泡沫塑料的表面上的缓冲材料。
在以上复合材料中，所述缓冲材料的密度为0.26-0.42g/cm3。
在以上复合材料中，所述泡沫塑料包括聚苯乙烯泡沫塑料、聚苯乙烯聚乙烯混合泡沫塑料和聚丙烯泡沫塑料的一种或多种。
本发明还提供了一种制备复合材料的方法，所述方法包括：
将聚氨酯、硅烷偶联剂和助剂混合，得到混合液，将所述混合液进行熟化以及发泡，得到缓冲材料；以及将缓冲材料形成在泡沫塑料的表面上，得到所述复合材料。
在以上方法中，所述聚氨酯、所述硅烷偶联剂和所述助剂的质量比为80～90:5～8:1～3。
在以上方法中，所述硅烷偶联剂包括KH-560(γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷)、A-1100(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)、A-187(γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷)和A-172(乙烯基-三(2-甲氧基乙氧基)硅烷)中的一种或多种。
在以上方法中，所述助剂包括分散剂、乳化剂、增塑剂以及发泡剂中的至少一种。
在以上方法中，所述熟化的时间为20～24h。
在以上方法中，所述熟化的温度为常温。
在以上方法中，所述发泡的温度为115～125℃
本发明还提供了以上复合材料在头盔中的应用。
本发明通过将具有高吸能效果的缓冲材料和泡沫塑料进行复配，实现抗冲击性能优异的头盔缓冲材料的制备，同时对其整体重量影响不大，能够有效地降低骑行者在发生事故时头部受伤的几率，从而更好地保障骑乘者的生命安全。
附图说明
图1是使用复合材料的头盔的示意图(1-内衬；2-泡沫塑料；3-缓冲材料；4-空气间隙；5-外壳)。
具体实施方式
下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明提供的复合材料包括泡沫塑料2以及形成(包括但不限于粘贴、层压等)在泡沫塑料2表面上的缓冲材料3(见图1)，其中，缓冲材料3的主要成分是聚氨酯，并且测得该缓冲材料3的密度为0.26-0.42g/cm3；当有外界冲击力时，该缓冲材料3可以通过材料内部的摩擦、弯曲(或扭转)、弹塑性(或黏弹性)滞回变形来耗散或吸收冲击所产生的能量，然后使其转变为热能，能够吸收70％-90％以上的冲击力，同时平缓地释放以延长速度变化的时间，从而达到尽可能减小冲击力的目的。
此外，将该缓冲材料3与泡沫塑料2复配使用，可以保证在提高缓冲性能的同时而对尽量减少头盔的重量。
本发明提供了一种复合材料，包括：泡沫塑料；以及包含聚氨酯并且形成在所述泡沫塑料的表面上的缓冲材料。
其中，所述泡沫塑料包括聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)、聚苯乙烯聚乙烯混合泡沫塑料(EPO)和聚丙烯泡沫塑料(EPP)的一种或多种。
本发明还提供了一种制备复合材料的方法，该方法包括：将聚氨酯、硅烷偶联剂和助剂混合，得到混合液，将所述混合液在常温下进行熟化20-24h，之后在115-125℃的温度下进行发泡，冷却至室温，得到缓冲材料；以及将缓冲材料形成在泡沫塑料的表面上，得到复合材料；
之后将该复合材料沾粘于头盔外壳(外壳材质可为碳纤维、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)等)中，再在泡沫塑料内表面贴上一层织物(如芳纶布)，对泡沫塑料起到固定作用，得到头盔。
在以上方法中，硅烷偶联剂包括但不限于KH-560(γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷)、A-1100(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)、A-187(γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷)和A-172(乙烯基-三(2-甲氧基乙氧基)硅烷)；该助剂包括但不限于分散剂、乳化剂、增塑剂以及发泡剂，分散剂包括但不限于磷酸钙、磷酸钠和醋酸钠；乳化剂包括但不限于十二烷基苯磺酸钠、十三烷醇聚醚-4羧酸和十二烷基硫酸钠；所述增塑剂包括但不限于磷酸三丁酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯和邻苯二甲酸二异壬基酯；发泡剂包括但不限于过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酸叔丁酯和偶氮二异丁腈；在该缓冲材料中，硅烷偶联剂和助剂的使用使得聚氨酯的分散体系稳定，并且使得聚氨酯发泡时可获得整泡效果的优点。
在以上方法中，聚氨酯、硅烷偶联剂和助剂的质量比为80～90:5～8:1～3，当聚氨酯在这个范围内时，制备成的缓冲材料缓冲效果较好，可以有效地减小冲击力；当聚氨酯过少时，不能起到较好的缓冲效果，当聚氨酯过多时，不能较好的分散，因而使得体系不稳定，从而不能达到良好的缓冲效果。
在以上方法中，熟化的温度和时间以及发泡的温度的设置均是为制备缓冲材料提供良好的发泡环境，其中，熟化是为聚氨酯发泡做准备，以在材料膨胀的同时，粒子表面可以相互因热的作用而融合，从而形成缓冲性能优良的缓冲材料。
实施例1
将质量比为85:6:2的聚氨酯、KH-560硅烷偶联剂和助剂(分散剂、乳化剂、增塑剂以及发泡剂)混合，得到混合液，将所述混合液在常温下进行熟化22h，之后在120℃的温度下进行发泡，冷却至室温，得到聚氨酯缓冲材料；
剪取50块大小相同(1cm×1cm)，厚度为0.5-1mm的聚氨酯缓冲材料，通过胶黏剂将其粘贴在EPS泡沫塑料的表面上直至完全包覆头盔内部的泡沫塑料(EPS)表面，得到复合材料，之后，将该复合材料沾粘于头盔外壳(外壳材质为碳纤维)中，再在泡沫塑料内表面贴上一层织物，形成内衬，得到头盔。
实施例2
将质量比为87:7:2的聚氨酯、A-1100硅烷偶联剂和助剂(分散剂和发泡剂)混合，得到混合液，将所述混合液在常温下进行熟化21h，之后在120℃的温度下进行发泡，冷却至室温，得到聚氨酯缓冲材料；
剪取5块大小相同(5cm×5cm)，厚度为0.5-2mm的聚氨酯缓冲材料，分别通过胶黏剂将其粘贴于头盔内部的泡沫塑料(EPO)的上方，以及前、后、左、右表面，得到复合材料，之后，将该复合材料沾粘于头盔外壳(外壳材质为PC)中，再在泡沫塑料内表面贴上一层织物，形成内衬，得到头盔。
实施例3
将质量比为80:6:2的聚氨酯、A-187和A-172(质量比为1:1)硅烷偶联剂和助剂(包括分散剂、乳化剂以及发泡剂)混合，得到混合液，将所述混合液在常温下进行熟化21h，之后在116℃的温度下进行发泡，冷却至室温，得到聚氨酯缓冲材料；
剪取20块大小相同(1cm×1cm)，厚度为0.5-2mm的聚氨酯缓冲材料，分别通过胶黏剂将其粘贴于头盔内部泡沫塑料(EPP)的整个外表面，缓冲材料块之间的间隔大概为1cm，得到复合材料，之后，将该复合材料沾粘于头盔外壳(外壳材质为ABS)中，再在泡沫塑料内表面贴上一层织物，形成内衬，得到头盔。
实施例4
将质量比为80:5:1的聚氨酯、KH-560硅烷偶联剂和助剂(包括发泡剂)混合，得到混合液，将所述混合液在常温下进行熟化20h，之后在115℃的温度下进行发泡，冷却至室温，得到聚氨酯缓冲材料；
剪取50块大小相同(1cm×1cm)，厚度为0.5-1mm的聚氨酯缓冲材料，通过本领域中常用的方法将其层压在泡沫塑料的表面上直至完全包覆头盔内部泡沫塑料(EPS)表面，得到复合材料，之后，将该复合材料沾粘于头盔外壳(外壳材质为碳纤维)中，再在泡沫塑料内表面贴上一层织物，形成内衬，得到头盔。
实施例5
将质量比为90:8:3的聚氨酯、KH-560硅烷偶联剂和助剂(包括分散剂和发泡剂)混合，得到混合液，将所述混合液在常温下进行熟化24h，之后在125℃的温度下进行发泡，冷却至室温，得到聚氨酯缓冲材料；
剪取5块大小相同(5cm×5cm)，厚度为0.5-2mm的聚氨酯缓冲材料，通过本领域中常用的方法将其层压在头盔内部泡沫塑料(EPS)的上方，以及前、后、左、右表面，得到复合材料，之后，将该复合材料沾粘于头盔外壳(外壳材质为ABS)中，之后再在泡沫塑料内表面贴上一层织物，形成内衬，得到头盔。
实施例6
将质量比为80:8:3的聚氨酯、A-1100硅烷偶联剂和助剂(包括分散剂、乳化剂、增塑剂以及发泡剂)混合，得到混合液，将所述混合液在常温下进行熟化24h，之后在115℃的温度下进行发泡，冷却至室温，得到聚氨酯缓冲材料；
剪取20块大小相同(1cm×1cm)，厚度为0.5-2mm的聚氨酯缓冲材料，分别通过胶黏剂将其粘贴于头盔内部泡沫塑料(EPO)的整个外表面，缓冲材料块之间的间隔大概为1cm，得到复合材料，之后，将该复合材料沾粘于头盔外壳(外壳材质为PC)中，之后再在塑料泡沫塑料内表面贴上一层织物，形成内衬，得到头盔。
根据《GA295-2001》警用摩托车头盔测试实施例1至实施例6中制备的头盔的安全性能，并且采用本领域中常用的方法测试实施例1至实施例6中制备的缓冲材料的密度，测试结果如下表1所示：
表1
由上表1可知，通过本发明的方法制备的缓冲材料，密度在0.26-0.42g/cm3之间，并且将该缓冲材料与泡沫塑料复配使用，可以保证在提高缓冲性能的同时而对尽量减少头盔的重量，使得头盔的重量保持在0.5-0.7Kg之间。
此外，通过本发明的方法制备的头盔通过《GA295-2001》标准测试，其缓冲性能和安全性能较好，这是由于缓冲材料的使用，使得当有外界冲击力时，可以通过材料内部的摩擦、弯曲(或扭转)、弹塑性(或黏弹性)滞回变形来耗散或吸收冲击所产生的能量，然后使其转变为热能，能够吸收70％-90％以上的冲击力，同时平缓地释放以延长速度变化的时间，从而达到尽可能减小冲击力的目的，从而提高了头盔的缓冲性能和安全性能。
综上，通过本发明的方法制备的复合材料可应用于摩托车头盔或安全帽，用以解决目前头盔内部使用的缓冲泡沫缓冲性能不佳的问题，从而降低骑行者在发生事故时头部受伤的几率，更好地保障骑乘者的生命安全。
本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。
Claims (10)
1.一种复合材料，其特征在于，包括：
泡沫塑料；以及
缓冲材料，包括聚氨酯并且形成在所述泡沫塑料的表面上。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述缓冲材料的密度为0.26-0.42g/cm3。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述泡沫塑料包括聚苯乙烯泡沫塑料、聚苯乙烯聚乙烯混合泡沫塑料和聚丙烯泡沫塑料的一种或多种。
4.一种制备复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括：
将聚氨酯、硅烷偶联剂和助剂混合，得到混合液，将所述混合液进行熟化以及发泡，得到缓冲材料；以及
将所述缓冲材料形成在泡沫塑料的表面上，得到所述复合材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述聚氨酯、所述硅烷偶联剂和所述助剂的质量比为80～90:5～8:1～3。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂包括KH-560、A-1100、A-187和A-172中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述助剂包括分散剂、乳化剂、增塑剂以及发泡剂中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述熟化的时间为20～24h，所述熟化的温度为常温。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述发泡的温度为115～125℃
10.根据权利要求1-3中任一项所述的复合材料在头盔中的应用。
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| CN110684229A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-01-14 | 浙江远景体育用品有限公司 | 一种自行车安全头盔用发泡复合材料及制备方法 |
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2017
- 2017-12-26 CN CN201711435763.9A patent/CN109955570A/zh active Pending
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