CN111101261B - 一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法，属于纺织材料技术领域。本发明以玄武岩石粉作为增强剂，采用静电纺丝法制备复合聚氨酯橡胶纤维，以石墨为增强材料，采用静电纺丝法制备环氧树脂纤维，将复合聚氨酯橡胶纤维、环氧树脂纤维和尼龙纤维经过编织，制备出一种防护性能良好的防护低速冲击的纺织组合材料；经过玄武岩石粉的添加，使得制备的复合聚氨酯橡胶纤维具有良好的抗冲击性能；经石墨改性制备的环氧树脂纤维具有良好的拉伸强度；尼龙纤维最突出的优点为耐磨性较其它纤维优越，其次为它的弹性佳，使得制备的防护低速冲击的纺织组合材料具有良好的抗冲击性。

Description

一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法，属于纺织材料技术领域。
背景技术
近年来，随着城市化进程中高层建筑的增多，高空抛物成为可能会危害他人的大都市顽疾；交通事故产生的碰撞以及工程实施过程中的机械撞击等，诸如此类的现象轻则会产生非贯穿性损伤，重则伤筋断骨，严重时甚至会夺取人的生命。因而，对于人类的安全防护即个体防护装备提出了越来越高的要求。
上世纪后期随着合成纤维技术的出现，人们开始采用高性能纤维复合材料制作防弹、防刺等防护材料。目前较多通常采用硬质的装甲类材料作为防护产品，比如头盔、护膝、防护面罩等，外层均为硬质材料，并未充分考虑冲击能量的快速传递和损耗。随着高强度高模量的高性能纤维的应用，人们着眼于高性能纤维增强复合材料对冲击能量的传递与吸收，使其在防护领域得以广泛应用。为了适应各种不同的防护要求，研究人员开发了各种不同的织物形式，从传统的机织物、针织物、无纺布到针织轴向织物以及单向布材料，品种众多，形式多样。
纺织复合材料的定义是在复合材料的基础上定义的。复合材料是指两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，由基体、界面和增强体三部分组成。纺织组合材料是基于复合材料基础上提出的，组合成分可能既含有一种或几种不同单一材料，也可含有纺织复合材料；通过实验研究其不同的组合顺序，寻求可使各单一材料或纺织复合材料对抗冲击贡献最大化的优化组合，充分发挥各种材料在不同冲击时段的效能。考虑到针对单一材料的研究较多，这里着重分析纺织复合材料的组成、优缺点及其对抗冲击的影响因素。
在纺织复合材料中，基体为复合材料中的连续相，将增强体粘结成整体，并赋予复合材料一定形状，传递外界作用力，保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。常用基体有环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等。增强体作为高性能结构复合材料的关键组分，在复合材料中起着增强强度、改善性能的作用，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、陶瓷纤维等。界面即为复合材料中增强体与基体接触构成的界面。按照一定要求复合而成的新材料具有成分中任一单一材料所不具备的特性。纤维是主承载部分，起增强作用；树脂将纤维粘接成一个整体，赋予复合材料各种优良的性能。
目前，纺织复合材料已经大量替代金属构件，应用于防护工程具有广泛的应用潜力。在军事方面，纺织复合材料主要应用于载重装甲车辆、飞机、轮船、士兵服装、舰载兵抗震缓冲靴等领域；在民用方面，有车辆内饰、安全防护、土木建筑、运动器械等领域。得益于本身纤维和自身机体材料，纺织复合材料在冲击载荷下具有独特的应力应变效应，以及复杂多样的吸收、缓冲破坏机理。使得单位质量结构器件的纺织复合材料在冲击能量吸收和缓冲方面优越于金属材料。
复合材料损伤机理是研究在冲击载荷作用下，不同的破坏模式能量吸收的方式不同，破坏模式和能量吸收又受到各种因素的影响，如冲击速率、增强纤维特性、织物结构与纤维铺设方向等。
纺织复合材料的能量吸收过程有初始阶段，由于冲击阻力较小，吸收的能量也较少，吸收能量的途径为材料的弯曲变形、基体的变形和开裂以及基体与纤维脱粘；随着位移的增加，冲头与试样的接触面积增大，导致冲击阻力增加，试样的挠度也相应增加，此时能量吸收的主要途径是大量的纤维断裂，曲率呈线性增加。因此，组分材料的性能是复合材料性能的基础，尤其纤维作为复合材料的增强体，它在应变率下的力学性能与复合材料的冲击损伤关系巨大。
防护材料中冲击能量的耗散形式以应力波的扩散为主，结合材料自身的粘弹性能将能量转化。因此，在冲击载荷作用下，设计低速冲击组合材料应关注以下几点：受冲击面的材料应有效、及时地将冲击应力沿冲击轴线垂直平面扩散；在平行的两个界面中充分利用应力波反射引起的能量耗散效应；受冲击面材料应当有较高的刚度和弯曲断裂功，以利用材料的破裂消耗冲击动能；柔性缓冲层应有合适的压缩模量，以使刚性层在受冲击后不过分被挤压，冲击动能在刚性层以受力移动的方式将动能充分转化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对现有防护材料防护性能较差的问题，提供了一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
（1）取聚氨酯橡胶、玄武岩石粉、分散剂BYK-110、二氯甲烷，将聚氨酯橡胶和二氯甲烷混合，进行高速搅拌处理，即得反应液，在反应液中加入玄武岩石粉和分散剂BYK-110，继续搅拌1～2h，静置脱泡，即得纺丝液A；
（2）将纺丝液A注入到注射器中静电纺丝，即得复合纤维A；
（3）将石墨、环氧树脂和混合溶液混合，进行磁力搅拌处理，即得纺丝液B；
（4）将纺丝液B注入注射器中静电纺丝，即得复合纤维B；
（5）将复合纤维A、复合纤维B和尼龙纤维进行搓制，即得基体纤维，将基体纤维送入织样机中，按照纹板图进行织造，即得防护低速冲击的纺织组合材料。
步骤（1）所述的聚氨酯橡胶、玄武岩石粉、分散剂BYK-110、二氯甲烷之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取10～20份聚氨酯橡胶、1～5份玄武岩石粉、0.1～0.5份分散剂BYK-110、80～100份二氯甲烷。
步骤（1）所述的高速搅拌处理步骤为：将聚氨酯橡胶和二氯甲烷混合，在搅拌速度为1200～1500r/min下高速搅拌8～12h。
步骤（2）所述的静电纺丝步骤为：将纺丝液A注入到注射器中，铝箔作为接收装置，在纺丝电压为15～25kV，接收距离为8～14cm下静电纺丝。
步骤（3）所述的混合溶液的制备步骤为：按体积比1∶1将1-甲氧基-2-丙醇和丁酮混合均匀，即得混合溶液。
步骤（3）所述的磁力搅拌处理步骤为：按质量比1∶5∶20将石墨、环氧树脂和混合溶液混合，在搅拌速度为900～1000r/min下磁力搅拌3～5h。
步骤（4）所述的静电纺丝步骤为：将纺丝液B注入注射器中，铝箔作为接收装置，在纺丝电压为15～20kV，接收距离为8～12cm，推进速率为2.5～3.0mL/h下静电纺丝。
步骤（5）所述的搓制步骤为：将复合纤维A、复合纤维B和尼龙纤维进行搓制，复合纤维A为2股，复合纤维B为2股，尼龙纤维为3股。
步骤（5）所述的纹板图为“8”型三维机织整体中空织物的纹板图。
步骤（5）所述的织造步骤为：按照纹板图进行织造，纱线细度为52～56tex，经密为48～50根/cm，纬密为60～62根/cm。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明以玄武岩石粉作为增强剂，采用静电纺丝法制备复合聚氨酯橡胶纤维，以石墨为增强材料，采用静电纺丝法制备环氧树脂纤维，将复合聚氨酯橡胶纤维、环氧树脂纤维和尼龙纤维经过编织，制备出一种防护性能良好的防护低速冲击的纺织组合材料；玄武岩石粉具有抗压强度大、压碎值低、耐磨、吸水率低、导电性弱、抗腐蚀性强、沥青粘附性强等特点，聚氨酯橡胶具有硬度高、强度好、缓冲减震性好、高弹性、高耐磨性、耐撕裂、耐老化、耐臭氧、耐辐射及良好的导电性等优点，经过玄武岩石粉的添加，使得制备的复合聚氨酯橡胶纤维具有良好的抗冲击性能；石墨具有良好的耐高温性、导电、导热性、化学稳定性、润滑性、可塑性和抗热震性，经石墨改性制备的环氧树脂纤维具有良好的拉伸强度；尼龙纤维最突出的优点为耐磨性较其它纤维优越，其次为它的弹性佳，使得制备的防护低速冲击的纺织组合材料具有良好的抗冲击性；
（2）本发明利用高性能纤维材料对冲击能量进行有效扩散与平面传递，扩大冲击载荷作用面积，降低冲击力的峰值；通过三维间隔织物对冲击能量进行缓冲，使得冲击能量大幅降低；在纺织复合材料中，基体为复合材料中的连续相，将增强体粘结成整体，并赋予复合材料一定形状，传递外界作用力，保护增强体免受外界环境侵蚀的作用；纤维是主承载部分，起增强作用；树脂将纤维粘接成一个整体，赋予复合材料各种优良的性能；
（3）本发明制备的防护低速冲击的纺织组合材料中冲击能量的耗散形式以应力波的扩散为主，结合材料自身的粘弹性能将能量转化；主要首先利用特殊结构的高性能纤维集合体对冲击能量进行分散与平面传递，再以具有缓冲性能的纺织材料隔断冲击，使得人体接受到的能量大幅降低，使得制备的防护低速冲击的纺织组合材料具有良好的防护性能。
具体实施方式
按重量份数计，分别称取10～20份聚氨酯橡胶、1～5份玄武岩石粉、0.1～0.5份分散剂BYK-110、80～100份二氯甲烷，将聚氨酯橡胶和二氯甲烷混合，在搅拌速度为1200～1500r/min下高速搅拌8～12h，即得反应液，在反应液中加入玄武岩石粉和分散剂BYK-110，继续搅拌1～2h，静置脱泡，即得纺丝液A；将纺丝液A注入到注射器中，铝箔作为接收装置，在纺丝电压为15～25kV，接收距离为8～14cm下静电纺丝，即得复合纤维A；按体积比1∶1将1-甲氧基-2-丙醇和丁酮混合均匀，即得混合溶液，按质量比1∶5∶20将石墨、环氧树脂和混合溶液混合，在搅拌速度为900～1000r/min下磁力搅拌3～5h，即得纺丝液B；将纺丝液B注入注射器中，铝箔作为接收装置，在纺丝电压为15～20kV，接收距离为8～12cm，推进速率为2.5～3.0mL/h下静电纺丝，即得复合纤维B；将复合纤维A、复合纤维B和尼龙纤维进行搓制，复合纤维A为2股，复合纤维B为2股，尼龙纤维为3股，即得基体纤维，将基体纤维送入织样机中，按照“8”型三维机织整体中空织物的纹板图进行织造，纱线细度为52～56tex，经密为48～50根/cm，纬密为60～62根/cm，即得防护低速冲击的纺织组合材料。
实施例1
取聚氨酯橡胶、玄武岩石粉、分散剂BYK-110、二氯甲烷，将聚氨酯橡胶和二氯甲烷混合，进行高速搅拌处理，即得反应液，在反应液中加入玄武岩石粉和分散剂BYK-110，继续搅拌1h，静置脱泡，即得纺丝液A；将纺丝液A注入到注射器中静电纺丝，即得复合纤维A；将石墨、环氧树脂和混合溶液混合，进行磁力搅拌处理，即得纺丝液B；将纺丝液B注入注射器中静电纺丝，即得复合纤维B；将复合纤维A、复合纤维B和尼龙纤维进行搓制，即得基体纤维，将基体纤维送入织样机中，按照纹板图进行织造，即得防护低速冲击的纺织组合材料。聚氨酯橡胶、玄武岩石粉、分散剂BYK-110、二氯甲烷之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取10份聚氨酯橡胶、1份玄武岩石粉、0.1份分散剂BYK-110、80份二氯甲烷。高速搅拌处理步骤为：将聚氨酯橡胶和二氯甲烷混合，在搅拌速度为1200r/min下高速搅拌8h。静电纺丝步骤为：将纺丝液A注入到注射器中，铝箔作为接收装置，在纺丝电压为15kV，接收距离为8cm下静电纺丝。混合溶液的制备步骤为：按体积比1∶1将1-甲氧基-2-丙醇和丁酮混合均匀，即得混合溶液。磁力搅拌处理步骤为：按质量比1∶5∶20将石墨、环氧树脂和混合溶液混合，在搅拌速度为900r/min下磁力搅拌3h。静电纺丝步骤为：将纺丝液B注入注射器中，铝箔作为接收装置，在纺丝电压为15kV，接收距离为8cm，推进速率为2.5mL/h下静电纺丝。搓制步骤为：将复合纤维A、复合纤维B和尼龙纤维进行搓制，复合纤维A为2股，复合纤维B为2股，尼龙纤维为3股。织造纹板图为“8”型三维机织整体中空织物的纹板图。织造步骤为：按照纹板图进行织造，纱线细度为52tex，经密为48根/cm，纬密为60根/cm。
实施例2
取聚氨酯橡胶、玄武岩石粉、分散剂BYK-110、二氯甲烷，将聚氨酯橡胶和二氯甲烷混合，进行高速搅拌处理，即得反应液，在反应液中加入玄武岩石粉和分散剂BYK-110，继续搅拌1h，静置脱泡，即得纺丝液A；将纺丝液A注入到注射器中静电纺丝，即得复合纤维A；将石墨、环氧树脂和混合溶液混合，进行磁力搅拌处理，即得纺丝液B；将纺丝液B注入注射器中静电纺丝，即得复合纤维B；将复合纤维A、复合纤维B和尼龙纤维进行搓制，即得基体纤维，将基体纤维送入织样机中，按照纹板图进行织造，即得防护低速冲击的纺织组合材料。聚氨酯橡胶、玄武岩石粉、分散剂BYK-110、二氯甲烷之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取15份聚氨酯橡胶、3份玄武岩石粉、0.3份分散剂BYK-110、90份二氯甲烷。高速搅拌处理步骤为：将聚氨酯橡胶和二氯甲烷混合，在搅拌速度为1350r/min下高速搅拌10h。静电纺丝步骤为：将纺丝液A注入到注射器中，铝箔作为接收装置，在纺丝电压为20kV，接收距离为11cm下静电纺丝。混合溶液的制备步骤为：按体积比1∶1将1-甲氧基-2-丙醇和丁酮混合均匀，即得混合溶液。磁力搅拌处理步骤为：按质量比1∶5∶20将石墨、环氧树脂和混合溶液混合，在搅拌速度为950r/min下磁力搅拌4h。静电纺丝步骤为：将纺丝液B注入注射器中，铝箔作为接收装置，在纺丝电压为18kV，接收距离为10cm，推进速率为2.8mL/h下静电纺丝。搓制步骤为：将复合纤维A、复合纤维B和尼龙纤维进行搓制，复合纤维A为2股，复合纤维B为2股，尼龙纤维为3股。织造纹板图为“8”型三维机织整体中空织物的纹板图。织造步骤为：按照纹板图进行织造，纱线细度为54tex，经密为49根/cm，纬密为61根/cm。
实施例3
取聚氨酯橡胶、玄武岩石粉、分散剂BYK-110、二氯甲烷，将聚氨酯橡胶和二氯甲烷混合，进行高速搅拌处理，即得反应液，在反应液中加入玄武岩石粉和分散剂BYK-110，继续搅拌2h，静置脱泡，即得纺丝液A；将纺丝液A注入到注射器中静电纺丝，即得复合纤维A；将石墨、环氧树脂和混合溶液混合，进行磁力搅拌处理，即得纺丝液B；将纺丝液B注入注射器中静电纺丝，即得复合纤维B；将复合纤维A、复合纤维B和尼龙纤维进行搓制，即得基体纤维，将基体纤维送入织样机中，按照纹板图进行织造，即得防护低速冲击的纺织组合材料。聚氨酯橡胶、玄武岩石粉、分散剂BYK-110、二氯甲烷之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取20份聚氨酯橡胶、5份玄武岩石粉、0.5份分散剂BYK-110、100份二氯甲烷。高速搅拌处理步骤为：将聚氨酯橡胶和二氯甲烷混合，在搅拌速度为1500r/min下高速搅拌12h。静电纺丝步骤为：将纺丝液A注入到注射器中，铝箔作为接收装置，在纺丝电压为25kV，接收距离为14cm下静电纺丝。混合溶液的制备步骤为：按体积比1∶1将1-甲氧基-2-丙醇和丁酮混合均匀，即得混合溶液。磁力搅拌处理步骤为：按质量比1∶5∶20将石墨、环氧树脂和混合溶液混合，在搅拌速度为1000r/min下磁力搅拌5h。静电纺丝步骤为：将纺丝液B注入注射器中，铝箔作为接收装置，在纺丝电压为20kV，接收距离为12cm，推进速率为3.0mL/h下静电纺丝。搓制步骤为：将复合纤维A、复合纤维B和尼龙纤维进行搓制，复合纤维A为2股，复合纤维B为2股，尼龙纤维为3股。织造纹板图为“8”型三维机织整体中空织物的纹板图。织造步骤为：按照纹板图进行织造，纱线细度为56tex，经密为50根/cm，纬密为62根/cm。
对照例：东莞某公司生产的纺织组合材料。
将实施例及对照例制备得到的纺织组合材料进行检测，具体检测如下：
冲击试验均在英斯特公司的InstronDynatup9250HV型落重冲击试验机上进行，参考的标准为美国材料与试验协会的ASTM标准D7136/D7136M-05。
试验使用半球形锤头，锤头直径为12.7mm，落锤质量为6.5kg，所有试验均在室温下进行。落锤高度、冲击能量、冲击速度（冲头刚接触到样品时的速度）可以设定，其中1个值设定后，其他的2个值将由系统自动生成.试验设定冲击能量为4.45kJ/mm。试验开始后，只要输入所需的初始冲击能量，系统软件就会自动计算出相应的落重高度，冲击头在下落冲击试样前便会移到此高度。
具体测试结果如表1。
表1性能表征对比表
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由表1可知，本发明制备的防护低速冲击的纺织组合材料具有良好的抵抗损伤的能力。

Claims (9)

1.一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）取聚氨酯橡胶、玄武岩石粉、分散剂BYK-110、二氯甲烷，将聚氨酯橡胶和二氯甲烷混合，进行高速搅拌处理，即得反应液，在反应液中加入玄武岩石粉和分散剂BYK-110，继续搅拌1～2h，静置脱泡，即得纺丝液A；
（2）将纺丝液A注入到注射器中静电纺丝，即得复合纤维A；
（3）将石墨、环氧树脂和混合溶液混合，进行磁力搅拌处理，即得纺丝液B；所述的混合溶液的制备步骤为：按体积比1∶1将1-甲氧基-2-丙醇和丁酮混合均匀，即得混合溶液；
（4）将纺丝液B注入注射器中静电纺丝，即得复合纤维B；
（5）将复合纤维A、复合纤维B和尼龙纤维进行搓制，即得基体纤维，将基体纤维送入织样机中，按照纹板图进行织造，即得防护低速冲击的纺织组合材料。
2.根据权利要求1所述的一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的聚氨酯橡胶、玄武岩石粉、分散剂BYK-110、二氯甲烷之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取10～20份聚氨酯橡胶、1～5份玄武岩石粉、0.1～0.5份分散剂BYK-110、80～100份二氯甲烷。
3.根据权利要求1所述的一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的高速搅拌处理步骤为：将聚氨酯橡胶和二氯甲烷混合，在搅拌速度为1200～1500r/min下高速搅拌8～12h。
4.根据权利要求1所述的一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的静电纺丝步骤为：将纺丝液A注入到注射器中，铝箔作为接收装置，在纺丝电压为15～25kV，接收距离为8～14cm下静电纺丝。
5.根据权利要求1所述的一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的磁力搅拌处理步骤为：按质量比1∶5∶20将石墨、环氧树脂和混合溶液混合，在搅拌速度为900～1000r/min下磁力搅拌3～5h。
6.根据权利要求1所述的一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的静电纺丝步骤为：将纺丝液B注入注射器中，铝箔作为接收装置，在纺丝电压为15～20kV，接收距离为8～12cm，推进速率为2.5～3.0mL/h下静电纺丝。
7.根据权利要求1所述的一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的搓制步骤为：将复合纤维A、复合纤维B和尼龙纤维进行搓制，复合纤维A为2股，复合纤维B为2股，尼龙纤维为3股。
8.根据权利要求1所述的一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的纹板图为“8”型三维机织整体中空织物的纹板图。
9.根据权利要求1所述的一种防护低速冲击的纺织组合材料的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的织造步骤为：按照纹板图进行织造，纱线细度为52～56tex，经密为48～50根/cm，纬密为60～62根/cm。
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