CN110054837A - 一种安全帽用轻质材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种安全帽用轻质材料的制备方法，属于塑料制品技术领域。本发明以聚丙烯和聚碳酸酯为主体原料，用芳纶纤维改性聚乙烯，经过溶剂溶胀和溶解后制得混合凝胶，将混合凝胶进行预牵伸、干燥等处理后制得复合纤维作为增强填料，结合紫外光吸收剂等助剂，通过手糊模压工艺，制备出安全帽用轻质材料；聚碳酸酯强度高、蠕变也小，耐热老化性和耐溶剂性较好；聚丙烯具有良好的力学性能、耐热性、化学稳定性和耐候性；芳纶纤维具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能，用芳纶纤维改性聚乙烯制备的复合纤维具有重量轻、强度高等优点，制备出的安全帽用轻质材料质量轻、耐冲击性能好。

Description

一种安全帽用轻质材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种安全帽用轻质材料的制备方法，属于塑料制品技术领域。
背景技术
目前建筑、采矿、机械工业等行业普遍使用ABS材质的安全帽。安全帽作为一种个人头部防护用品，能有效地防止和减轻工人在生产作业中遭受坠落物体和自坠落时对人体头部的伤害，它广泛的适用于建筑、冶金、矿山、化工、电力、交通等行业。
帽壳材料根据GB/T2811-2007《安全帽》要求，所选树脂必须冲击韧性高，耐燃性好，强度高。玻璃钢安全帽，此材料纤维强度较高，耐热性和电绝缘性能优良，同时具有优良的耐酸和耐水性、阻燃、变形小等特点，在世界各国都有这种材料的安全帽。这种树脂在生产过程中有大量的废弃物、边角料以及安全帽使用期过后的垃圾回收很难处理，造成环境污染，不符合低碳经济。且目前使用的玻璃钢安全帽普遍存在重量超标现象，重量超标对颈椎所造成的潜在危害是非常严重的，如何在不丧失安全性能的前提下降低重量、提高强度，这是急需解决的问题。
ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂)具有耐热、表面硬度高、尺寸稳定的优点，同时电绝缘性能良好，很少受温度、湿度的影响，而且在很大的频率变化范围内保持恒定。另外其化学性能也很好，对水、无机盐、碱及酸类几乎没有影响。但ABS安全帽的缺点是不耐燃烧，不耐低温，抗老化性能较差，在恶劣环境下使用力学性能下降得很快，往往因未及时更换对佩戴者失去保护。
HDPE高密度聚乙烯，此材料具有较高的表面硬度和较好的耐热性、电绝缘性和尺寸稳定性，广泛应用于安全帽生产。但是材料耐压强度差，必须加强抗侧压设计，改善帽壳内部结构及产品壁厚设计，否则容易发生侧压试验不合格。
PC(聚碳酸酯)具有冲击强度高、抗蠕变、尺寸稳定性好、耐热、透明、介电性能优良等优点；但同时也存在加工流动性差、容易发生应力开裂、对缺口敏感、耐磨性差等缺点。由于其材料价格昂贵，很少使用这种材料。
实践证明，选购性能优良的安全帽，能够真正起到对人体头部的防护作用。
无论什么类型的安全帽，都必须使安全帽的设计符合使用要求，其中最重要的是保护使用者头部不受伤害，佩戴舒适。目前，市场上仍有大量价格低廉的劣质安全帽，他们大部分是用回收的废塑料加工生产，质量极差，根本起不到对人体头部的防护作用，对广大使用者的生命安全构成了极大的威胁。
PC与和ABS按一定的比例合成的合金材料性能上可互补。不仅共混合金的耐热性、冲击强度以及拉伸强度优于ABS，而且其熔体粘度比PC低，加工性能好，制品内应力和冲击强度对制品厚度的敏感性都大大降低。用于安全帽的PC/ABS合金要求高韧性、抗老化、抗静电，通常采用有界面改性作用的弹性体以改善两者间的粘结，力求赋予复合材料高的冲击韧性，而往往在提高材料冲击强度的同时，材料的拉伸强度下降。而采用增韧剂和刚性增容剂对PC/ABS合金进行增韧改性，在一定程度上减小材料强度方面损失的同时，显著提高了材料的缺口冲击强度，取得了良好的效果。含卤阻燃剂PC/ABS复合材料的阻燃中有较多的应用，但其存在一些显著的缺陷，例如材料在燃烧过程中会产生较多的烟和有毒气体，对环境的影响非常大。随着人们环保和安全意识的增强，对环境友好性的要求越来越高，国际上也开始限制含卤阻燃剂的使用，相继出台了多部指令，使用无卤阻燃剂成为现今的潮流和趋势。
中国发明专利申请公开说明书CN101643578A公开了一种新型复合材料，它是以下述组份用量之和100％重量比为基准，其中聚氧化乙烯颗粒8-12％聚丙烯树脂颗粒8-12％聚酰胺树脂颗粒20-27％聚乙二胺乙二酸树脂颗粒20-27％短切碳纤维颗粒28-32％石墨1-3％。经混合搅拌均匀,挤出,造粒制得成品;它可用于加工安全帽。
材料根据GB/T28122007(安全帽)要求所选材料必须要求冲击性能高、能耐低温，质量轻变形小等特点。
市场现有常见的安全帽大多为玻璃钢材料的安全帽，这种材料玻璃纤维含量高、耐热性好、耐低温性能差，质量超重，质量超重对人体的颈椎造成的潜在伤害是非常危险的，在生产过程时会产生大量的废弃物，边角料和回收报废的安全帽很难处理，造成了环境污染。目前开发出安全帽用高耐冲击强度、抗老化、抗静电、无卤阻燃的安全帽用材料对保护广大劳动者的人身安全有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对市场现有常见的安全帽大多为玻璃钢材料的安全帽，这种材料耐低温性能差，质量超重，质量超重对人体的颈椎造成的潜在伤害是非常危险的问题，提供了一种安全帽用轻质材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
（1）取聚乙烯、芳纶纤维、白油、抗氧化剂1076，将聚乙烯、芳纶纤维和白油混合，搅拌处理，即得混合液A，在混合液中加入抗氧化剂1076，继续搅拌5～10min，即得混合液B，将混合液B置于双螺杆挤出机中，混合处理后，通过喷丝板挤出，并浸泡在凝固浴中1～2h，即得初生纤维；
（2）将初生纤维和二甲苯混合，超声萃取，即得粗纤维，将粗纤维置于温度为60～70℃的烘箱中干燥至恒重，即得干燥纤维，将干燥纤维进行三级热牵伸，冷却至室温即得复合纤维；
（3）将复合纤维切割成50～60mm长，并随机均匀铺陈在网带上，在铺陈的纤维表面上均匀涂布聚乙烯醇，即得坯体，将坯体固化处理，冷却至室温即得纤维布；
（4）取聚丙烯、聚碳酸酯、纤维布、增韧剂顺丁橡胶、苯丙三唑类光稳剂、聚乙烯蜡，将聚丙烯、聚碳酸酯、纤维布、增韧剂顺丁橡胶、苯丙三唑类光稳剂和聚乙烯蜡混合，在搅拌速度为500～600r/min下混合20～30min，即得前驱体物料，将前驱体物料置于双螺杆挤出机中挤出，冷却至室温，即得安全帽用轻质材料。
步骤（1）所述的聚乙烯、芳纶纤维、白油、抗氧化剂1076之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取20～30份聚乙烯、10～20份芳纶纤维、40～50份白油、1～5份抗氧化剂1076。
步骤（1）所述的搅拌处理步骤为：将聚乙烯、芳纶纤维和白油混合，在搅拌速度为300～400r/min下搅拌10～15min。
步骤（1）所述的混合处理步骤为：将混合液B置于双螺杆挤出机中，在温度为280～290℃，挤出速率为10～12r/min下混合20～30min。
步骤（1）所述的凝固浴为常温去离子水。
步骤（2）所述的超声萃取步骤为：按质量比1∶12将初生纤维和二甲苯混合，在超声功率为300～350W下超声萃取3～5min，重复萃取2～3次。
步骤（2）所述的三级牵伸处理步骤为：将干燥纤维在温度为70～150℃下进行三级热牵伸。
步骤（3）所述的固化处理步骤为：将坯体在压力为0.1～0.5MPa，温度为60～80℃下固化1～2h。
步骤（4）所述的聚丙烯、聚碳酸酯、纤维布、增韧剂顺丁橡胶、苯丙三唑类光稳剂、聚乙烯蜡之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取20～30份聚丙烯、20～30份聚碳酸酯、10～20份纤维布、0.1～0.3份增韧剂顺丁橡胶、0.3～0.7份苯丙三唑类光稳剂、1～3份聚乙烯蜡。
步骤（4）所述的挤出步骤为：将前驱体物料置于双螺杆挤出机中，在温度为200～240℃，螺杆转速为200～300r/min下挤出。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明以聚丙烯和聚碳酸酯为主体原料，用芳纶纤维改性聚乙烯，经过溶剂溶胀和溶解后制得混合凝胶，将混合凝胶进行预牵伸、干燥等处理后制得复合纤维作为增强填料，结合紫外光吸收剂等助剂，通过手糊模压工艺，制备出安全帽用轻质材料；聚碳酸酯强度高、耐疲劳性、尺寸稳定、蠕变也小（高温条件下也极少有变化），耐热老化性和耐溶剂性较好；聚丙烯具有良好的力学性能、耐热性、化学稳定性和耐候性；芳纶纤维具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能，用芳纶纤维改性聚乙烯制备的复合纤维具有重量轻、强度高等优点，制备出的安全帽用轻质材料质量轻、耐冲击性能好；
（2）本发明中芳纶纤维的大分子结构是酰胺键联接在苯环的对位形成的一种近似刚性直链的拟网状交联的结晶高聚物结构，芳纶纤维是由近似于刚性伸直链的芳纶分子以网状交联的结晶结构高聚物，分子中酰胺键与苯环基团形成共轭结构，内旋位能相当高，大分子构型为沿轴向伸展的刚性链结构，分子排列规整，取向度和纤维结晶度高，链段排列规则，且存在很强的分子间氢键，相邻的氢键平面间由范德华力结合在一起，这些因素共同赋予芳纶纤维以很高的拉伸模量和强度；芳纶纤维具有优异的力学、化学、热学等性能，具有高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、减震、耐磨、耐冲击、抗疲劳、尺寸稳定等优异的力学和动态性能，良好的耐化学腐蚀性，高耐热、低膨胀、低导热、不燃、不熔等突出的热性能以及优良的介电性能；
（3）本发明中聚乙烯纤维具有耐低温性能以及润滑的特性，不仅如此，它的耐疲劳和耐摩擦性能也十分优良，其具有极高的强度，强度甚至能比优质钢丝高出14倍，但密度确是前者的八分之一，比水还小，拥有极高的比模量；在其大分子结构中并没有活性基团，如氨基、羟基等，并且纤维的结晶程度较大，所耐酸、耐碱等，表现出较为稳定的化学性质；它还具有高能量吸收特性，尤其是在低速环境中，这种高吸能性和良好的应力波传递能力，使其在防刺领域中的应用十分广泛；用芳纶纤维改性聚乙烯纤维，使得制备的复合纤维具有良好的机械强度和耐热性能，且质量轻，因此制备的安全帽用轻质材料重量轻，不会对人的颈椎造成伤害。
具体实施方式
按重量份数计，分别称取20～30份聚乙烯、10～20份芳纶纤维、40～50份白油、1～5份抗氧化剂1076，将聚乙烯、芳纶纤维和白油混合，在搅拌速度为300～400r/min下搅拌10～15min，即得混合液A，在混合液中加入抗氧化剂1076，继续搅拌5～10min，即得混合液B，将混合液B置于双螺杆挤出机中，在温度为280～290℃，挤出速率为10～12r/min下混合20～30min后，通过喷丝板挤出，并浸泡在凝固浴中1～2h，即得初生纤维；按质量比1∶12将初生纤维和二甲苯混合，在超声功率为300～350W下超声萃取3～5min，重复萃取2～3次，即得粗纤维，将粗纤维置于温度为60～70℃的烘箱中干燥至恒重，即得干燥纤维，将干燥纤维在温度为70～150℃下进行三级热牵伸，冷却至室温即得复合纤维；将复合纤维切割成50～60mm长，并随机均匀铺陈在网带上，在铺陈的纤维表面上均匀涂布聚乙烯醇，即得坯体，将坯体在压力为0.1～0.5MPa，温度为60～80℃下固化1～2h，冷却至室温即得纤维布；按重量份数计，分别称取20～30份聚丙烯、20～30份聚碳酸酯、10～20份纤维布、0.1～0.3份增韧剂顺丁橡胶、0.3～0.7份苯丙三唑类光稳剂、1～3份聚乙烯蜡，将聚丙烯、聚碳酸酯、纤维布、增韧剂顺丁橡胶、苯丙三唑类光稳剂和聚乙烯蜡混合，在搅拌速度为500～600r/min下混合20～30min，即得前驱体物料，将前驱体物料置于双螺杆挤出机中，在温度为200～240℃，螺杆转速为200～300r/min下挤出，冷却至室温，即得安全帽用轻质材料。
按重量份数计，分别称取20份聚乙烯、10份芳纶纤维、40份白油、1份抗氧化剂1076，将聚乙烯、芳纶纤维和白油混合，在搅拌速度为300r/min下搅拌10min，即得混合液A，在混合液中加入抗氧化剂1076，继续搅拌5min，即得混合液B，将混合液B置于双螺杆挤出机中，在温度为280℃，挤出速率为10r/min下混合20min后，通过喷丝板挤出，并浸泡在凝固浴中1h，即得初生纤维；按质量比1∶12将初生纤维和二甲苯混合，在超声功率为300W下超声萃取3min，重复萃取2次，即得粗纤维，将粗纤维置于温度为60℃的烘箱中干燥至恒重，即得干燥纤维，将干燥纤维在温度为70℃下进行三级热牵伸，冷却至室温即得复合纤维；将复合纤维切割成50mm长，并随机均匀铺陈在网带上，在铺陈的纤维表面上均匀涂布聚乙烯醇，即得坯体，将坯体在压力为0.1MPa，温度为60℃下固化1h，冷却至室温即得纤维布；按重量份数计，分别称取20份聚丙烯、20份聚碳酸酯、10份纤维布、0.1份增韧剂顺丁橡胶、0.3份苯丙三唑类光稳剂、1份聚乙烯蜡，将聚丙烯、聚碳酸酯、纤维布、增韧剂顺丁橡胶、苯丙三唑类光稳剂和聚乙烯蜡混合，在搅拌速度为500r/min下混合20min，即得前驱体物料，将前驱体物料置于双螺杆挤出机中，在温度为200℃，螺杆转速为200r/min下挤出，冷却至室温，即得安全帽用轻质材料。
按重量份数计，分别称取25份聚乙烯、15份芳纶纤维、45份白油、3份抗氧化剂1076，将聚乙烯、芳纶纤维和白油混合，在搅拌速度为300～400r/min下搅拌13min，即得混合液A，在混合液中加入抗氧化剂1076，继续搅拌7min，即得混合液B，将混合液B置于双螺杆挤出机中，在温度为285℃，挤出速率为11r/min下混合25min后，通过喷丝板挤出，并浸泡在凝固浴中1.5h，即得初生纤维；按质量比1∶12将初生纤维和二甲苯混合，在超声功率为325W下超声萃取4min，重复萃取2次，即得粗纤维，将粗纤维置于温度为65℃的烘箱中干燥至恒重，即得干燥纤维，将干燥纤维在温度为105℃下进行三级热牵伸，冷却至室温即得复合纤维；将复合纤维切割成55mm长，并随机均匀铺陈在网带上，在铺陈的纤维表面上均匀涂布聚乙烯醇，即得坯体，将坯体在压力为0.3MPa，温度为70℃下固化1.5h，冷却至室温即得纤维布；按重量份数计，分别称取25份聚丙烯、25份聚碳酸酯、15份纤维布、0.2份增韧剂顺丁橡胶、0.5份苯丙三唑类光稳剂、2份聚乙烯蜡，将聚丙烯、聚碳酸酯、纤维布、增韧剂顺丁橡胶、苯丙三唑类光稳剂和聚乙烯蜡混合，在搅拌速度为550r/min下混合25min，即得前驱体物料，将前驱体物料置于双螺杆挤出机中，在温度为220℃，螺杆转速为250r/min下挤出，冷却至室温，即得安全帽用轻质材料。
按重量份数计，分别称取30份聚乙烯、20份芳纶纤维、50份白油、5份抗氧化剂1076，将聚乙烯、芳纶纤维和白油混合，在搅拌速度为400r/min下搅拌15min，即得混合液A，在混合液中加入抗氧化剂1076，继续搅拌10min，即得混合液B，将混合液B置于双螺杆挤出机中，在温度为290℃，挤出速率为12r/min下混合30min后，通过喷丝板挤出，并浸泡在凝固浴中2h，即得初生纤维；按质量比1∶12将初生纤维和二甲苯混合，在超声功率为350W下超声萃取5min，重复萃取3次，即得粗纤维，将粗纤维置于温度为70℃的烘箱中干燥至恒重，即得干燥纤维，将干燥纤维在温度为150℃下进行三级热牵伸，冷却至室温即得复合纤维；将复合纤维切割成60mm长，并随机均匀铺陈在网带上，在铺陈的纤维表面上均匀涂布聚乙烯醇，即得坯体，将坯体在压力为0.5MPa，温度为80℃下固化2h，冷却至室温即得纤维布；按重量份数计，分别称取30份聚丙烯、30份聚碳酸酯、20份纤维布、0.3份增韧剂顺丁橡胶、0.7份苯丙三唑类光稳剂、3份聚乙烯蜡，将聚丙烯、聚碳酸酯、纤维布、增韧剂顺丁橡胶、苯丙三唑类光稳剂和聚乙烯蜡混合，在搅拌速度为600r/min下混合30min，即得前驱体物料，将前驱体物料置于双螺杆挤出机中，在温度为240℃，螺杆转速为300r/min下挤出，冷却至室温，即得安全帽用轻质材料。
将本发明制备的安全帽用轻质材料进行检测，具体检测结果如下表表1：
测试方法：
对实施例1-3制备的安全帽用轻质材料，性能进行测试，采用日本东芝卧式注塑机注塑成型标准试样，注塑压力30MPa，保压时间10s，冷却时间15s，样条的测试方式如下：
热变形温度：按照ASTM-D-648标准进行测试。
弯曲模量：按照ASTM-D-790标准进行测试。
拉伸强度：按照ASTM-D-638标准进行测试。
断裂伸长率：按照ASTM-D-638标准进行测试。
Izod缺口冲击性能：按照ASTM-D-256标准进行测试。
表1安全帽用轻质材料性能表征
由表1可知本发明制备的安全帽用轻质材料，质量轻、耐冲击性能好，耐低温性能优异，佩戴舒适度高，安全度高，防护性能好。

Claims (10)

1.一种安全帽用轻质材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）取聚乙烯、芳纶纤维、白油、抗氧化剂1076，将聚乙烯、芳纶纤维和白油混合，搅拌处理，即得混合液A，在混合液中加入抗氧化剂1076，继续搅拌5～10min，即得混合液B，将混合液B置于双螺杆挤出机中，混合处理后，通过喷丝板挤出，并浸泡在凝固浴中1～2h，即得初生纤维；
（2）将初生纤维和二甲苯混合，超声萃取，即得粗纤维，将粗纤维置于温度为60～70℃的烘箱中干燥至恒重，即得干燥纤维，将干燥纤维进行三级热牵伸，冷却至室温即得复合纤维；
（3）将复合纤维切割成50～60mm长，并随机均匀铺陈在网带上，在铺陈的纤维表面上均匀涂布聚乙烯醇，即得坯体，将坯体固化处理，冷却至室温即得纤维布；
（4）取聚丙烯、聚碳酸酯、纤维布、增韧剂顺丁橡胶、苯丙三唑类光稳剂、聚乙烯蜡，将聚丙烯、聚碳酸酯、纤维布、增韧剂顺丁橡胶、苯丙三唑类光稳剂和聚乙烯蜡混合，在搅拌速度为500～600r/min下混合20～30min，即得前驱体物料，将前驱体物料置于双螺杆挤出机中挤出，冷却至室温，即得安全帽用轻质材料。
2.根据权利要求1所述的一种安全帽用轻质材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的聚乙烯、芳纶纤维、白油、抗氧化剂1076之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取20～30份聚乙烯、10～20份芳纶纤维、40～50份白油、1～5份抗氧化剂1076。
3.根据权利要求1所述的一种安全帽用轻质材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的搅拌处理步骤为：将聚乙烯、芳纶纤维和白油混合，在搅拌速度为300～400r/min下搅拌10～15min。
4.根据权利要求1所述的一种安全帽用轻质材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的混合处理步骤为：将混合液B置于双螺杆挤出机中，在温度为280～290℃，挤出速率为10～12r/min下混合20～30min。
5.根据权利要求1所述的一种安全帽用轻质材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的凝固浴为常温去离子水。
6.根据权利要求1所述的一种安全帽用轻质材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的超声萃取步骤为：按质量比1∶12将初生纤维和二甲苯混合，在超声功率为300～350W下超声萃取3～5min，重复萃取2～3次。
7.根据权利要求1所述的一种安全帽用轻质材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的三级牵伸处理步骤为：将干燥纤维在温度为70～150℃下进行三级热牵伸。
8.根据权利要求1所述的一种安全帽用轻质材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的固化处理步骤为：将坯体在压力为0.1～0.5MPa，温度为60～80℃下固化1～2h。
9.根据权利要求1所述的一种安全帽用轻质材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的聚丙烯、聚碳酸酯、纤维布、增韧剂顺丁橡胶、苯丙三唑类光稳剂、聚乙烯蜡之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取20～30份聚丙烯、20～30份聚碳酸酯、10～20份纤维布、0.1～0.3份增韧剂顺丁橡胶、0.3～0.7份苯丙三唑类光稳剂、1～3份聚乙烯蜡。
10.根据权利要求1所述的一种安全帽用轻质材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的挤出步骤为：将前驱体物料置于双螺杆挤出机中，在温度为200～240℃，螺杆转速为200～300r/min下挤出。
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