CN111231461A - 一种防爆防护复合材料及其制备方法和防爆防护服 - Google Patents

Abstract

本发明适用于安全防护材料技术领域，提供了一种防爆防护复合材料及其制备方法和防爆防护服，该复合材料包括外层、中间层和内层，外层为采用多种不同性能的纤维编织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层，其兼具各种高性能纤维的自身性能并且结构十分稳定，因而具有优异的防刺防弹和防爆性能；内层设计为内部填充有相变蓄冷组合物的柔性材料层，采用柔性材料更加贴合人体，且填充的相变蓄冷组合物具有较大的相变潜热和合适的相变温度，能够很好地缓解穿戴者在作业时产生的闷热感，提高了穿戴者的穿着舒适感。因此，该复合材料兼具舒适性好及防护性能优异的特点，可满足人们的多样化需求。

Description

一种防爆防护复合材料及其制备方法和防爆防护服

技术领域

本发明属于安全防护材料技术领域，尤其涉及一种防爆防护复合材料及其制备方法和防爆防护服。

背景技术

防爆服又称防爆盔甲服，用来保护人体免受爆炸物的危害，广泛应用于防爆、大规模暴乱的镇压等领域。

目前的防爆防护服可以实现阻燃、抗紫外线辐射、抗生物侵蚀、防电离辐射、防生化侵蚀等功能，但是随着新的高危环境的不断变化，对于防爆防护服的综合防护性能要求也越来越高。

然而，现有的防爆防护服的舒适性及防护性能仍未能充分满足人们的多样化需求。

发明内容

本发明实施例提供一种防爆防护复合材料，旨在解决现有的防爆防护服的舒适性及防护性能仍未能充分满足人们的多样化需求的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种防爆防护复合材料，包括外层、中间层和内层；所述外层为采用至少两种不同的高性能纤维交织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层；所述内层包括为内部填充有相变蓄冷组合物的柔性材料层。

本发明实施例还提供了一种防爆防护复合材料的制备方法，包括如下步骤：采用多种不同的高性能纤维交织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层；制备带有若干盲孔的柔性基层，将相变蓄冷组合物灌注到各个所述盲孔内，再在所述柔性基层的盲孔孔口朝上的一面覆盖上覆盖层，得内部填充有相变蓄冷组合物的柔性材料层；将所述复合材料层和柔性材料层分别放置在涂有胶黏剂的中间层的相对两侧面，采用压印机进行热压合，形成防爆防护复合材料；其中，热压合的温度为55~65℃。

本发明实施例还提供了一种防爆防护服，所述防爆防护服由上述的防爆防护复合材料制备得到。

本发明实施例提供的防爆防护复合材料，包括外层、中间层和内层，外层为采用多种不同性能的纤维编织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层，多种不同性能的纤维交织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层，不仅能够充分发挥各种纤维本身的材料性能特点，而且还可以借助该Steiner最小树拓扑结构的结构特点，综合提升该复合材料层的稳定性和防刺防弹和防爆性能。此外，为了保证防爆防护服的防爆防护性能，一般防爆防护服的密闭性会较强，穿戴者穿戴作业时间也一般会比较长，因此常常会感觉到闷热，而本发发明通过将内层设计为内部填充有相变蓄冷组合物的柔性材料层，采用柔性材料更加贴合人体，且填充的相变蓄冷组合物具有较大的相变潜热和合适的相变温度，冷冻后蓄冷剂不会变得坚硬，释冷缓慢，能保持合适的柔软度，更能贴合人体，并且能够很好地缓解穿戴者在作业时产生的闷热感，提高了穿戴者的穿着舒适感。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种防爆防护复合材料的结构示意图。

图2是Steiner最小树拓扑结构的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的一种防爆防护复合材料的外层结构示意图。

图4是本发明实施例提供的一种防爆防护复合材料的内层结构局部剖面视图。

图5是本发明实施例提供的一种防爆防护复合材料的内层结构俯视图。

图6是本发明实施例提供的另一种防爆防护复合材料的内层结构俯视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的防爆防护复合材料，包括外层、中间层和内层，外层为采用多种不同性能的纤维编织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层，多种不同性能的纤维的交织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层，不仅能够充分发挥各种纤维本身的材料性能特点，而且还可以借助该Steiner最小树拓扑结构的结构特点，综合提升该复合材料层的稳定性和防刺防弹和防爆性能。通过将内层设计为内部填充有相变蓄冷组合物的柔性材料层，采用柔性材料更加贴合人体，且填充的相变蓄冷组合物具有较大的相变潜热和合适的相变温度，冷冻后蓄冷剂不会变得坚硬，释冷缓慢，能保持合适的柔软度，更能贴合人体，并且能够很好地缓解穿戴者在作业时产生的闷热感，提高了穿戴者的穿着舒适感。

如图1所示，本发明实施例提供了一种防爆防护复合材料，包括外层1、中间层2和内层3；外层1为采用至少两种不同的高性能纤维交织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层；内层3为内部填充有相变蓄冷组合物的柔性材料层。

作为本发明的优选实施例，外层1为采用至少两种不同的高性能纤维交织成具有Steiner最小树拓扑结构的经编织复合材料层。经编织物在使用过程中，其网眼结构容易发生改变，但是仍然可以用拓扑学的图形概念确定不会发生改变的纤维束空间拓扑结构。

“Steiner最小树”现象普遍存在于自然界中，如干旱的土地，C₆₀，碳纳米管，剑麻纤维和纳米纤维等，其拓扑结构非常稳定，能量传递均匀。作为本发明的优选实施例，外层可为采用至少两种不同性能的纤维交织成如图2所示的Steiner最小树拓扑结构的经编织复合材料层。具有Steiner最小树拓扑结构的经编织复合材料层不仅具有良好的抗撕裂破坏性，具有良好的自愈能力，而且还兼具多种不同性能的纤维本身的特性。

在本发明的一个示例性实施例中，可以采用两种具有不同的高性能纤维，例如，可以采用具有良好的耐冲击性、柔软弯曲性以及耐磨性能，吸收能量较强的纤维和具有质轻、热膨胀系数低、抗疲劳性好的纤维进行交织形成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层。该复合材料层不仅能够充分发挥其自身的材料性能，且编织成Steiner最小树拓扑结构更有利于提升复合材料的整体结构稳定性和抗破坏性能，从而综合提升复合材料的防爆防护性能。对于采用何种性能的纤维进行交织，可以根据实际情况进行选择，在本发明中不做具体限制。

在本发明的另一个优选实施例，该防爆防护复合材料的外层采用超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维和聚砜基酰胺纤维交织成的具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层。

超高分子量聚乙烯纤维，其具有良好的耐冲击性、柔软弯曲性以及耐磨性能，吸收能量较强，并且强力高，能达到优质钢的15倍，在防爆服中具有轻柔、防破甲和穿甲的性能。芳纶纤维，其强度比碳纤维高，质量比玻璃纤维、碳纤维都轻，热膨胀系数低，抗疲劳性能好，且密度是钢丝的1/5，强度是钢丝的5倍，能在-192~182℃的范围内保持稳定的尺寸和性能，不会燃烧不会熔融，具有较高的应变速率敏感性，其可以随着冲击速度的增加而变得更坚硬。聚砜基酰胺纤维，其系由4,4-二氨基二苯砜，3,3-二氨基二苯砜和对苯二甲酰氯的缩聚物制成的纤维，具有优异的耐热性能、电绝缘性能和化学稳定性能，在防爆服中可起到较好的阻燃效果。

采用上述三种性能的纤维交织形成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层，不仅具有这三种纤维的自身性能，且交织形成的Steiner最小树拓扑结构还具有良好的稳定性和抗破坏性，从而整体提升了该外层材料的防爆防护性能。

结合图3，在本发明的又一个优选实施例中，该防爆防护复合材料的外层1包括两层或者多层采用至少两种不同的高性能纤维交织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层。例如，该外层包括两层采用至少两种不同性能的纤维交织成具有Steiner最小树拓扑结构的纺织层11、12。其中，纺织层11为采用具有良好的隔热性能的PBO纤维与具有良好阻燃性能的间位芳纶两种高性能纤维交织成具有Steiner最小树拓扑结构的材料层。纺织层12为采用质轻、高强、耐腐蚀的碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维交织成具有Steiner最小树拓扑结构的材料层。纺织层11和纺织层12之间可以用黏胶材料进行粘合处理形成该防爆防护复合材料的外层1。

在本发明实施例中，该防爆防护复合材料的内层3为内部填充有相变蓄冷组合物的柔性材料层，柔软的材料更加贴合人体，且舒适度高，另外内层3内部填充有相变蓄冷组合物，可以持续释冷，有利于吸收人体散发出来的热量，及时降低人体的体温，缓解穿戴者长时间作业下的闷热感，提升穿戴者的整体舒适度。

在本发明的实施例中，上述相变蓄冷组合物按重量份数计，包括如下组分的原料：甘油1~2份、聚乙二醇11~13份和水50~70份。

该相变蓄冷组合物采用的原料来源广泛且成本低廉，并且无毒、无味、无污染、无腐蚀性，可重复利用。此外，还具有较大的相变潜热和合适的相变温度，冷冻后不会变得坚硬，可以保持合适的柔软度，更加贴合人体，且舒适感高。

在本发明实施例中，上述相变蓄冷组合物由如下方法制备得到：

将聚乙二醇溶液投入容器中，加入部分水，加热至85~95℃，搅拌使其溶解，得聚乙二醇溶液；趁热向所述聚乙二醇溶液中加入甘油和剩余部分的水，搅拌均匀，即得所述相变蓄冷组合物。该制备方法工艺简单，且操作简易，生产成本低，可以大规模生产。

图4示出了本发明实施例提供的一种防爆防护复合材料的内层结构的局部剖面视图，如图4所示，本发明实施例提供的防爆防护复合材料的内层3包括带若干盲孔311的柔性基层31，以及覆盖在柔性基层31的盲孔311孔口朝上的一面，可将各个盲孔311相互独立封闭的覆盖层32。

通过将覆盖层32覆盖在柔性基层31的盲孔311孔口朝上的一面，使各个盲孔311相互独立封闭起来，防止了填充在盲孔311内的相变蓄冷组合物相互流动，避免了相变蓄冷组合物因流动而分布不均，造成降温效果不均的现象。将相变蓄冷组合物相互独立封闭在盲孔311内，还可以延长其释冷的时间，并可提高其稳定性。

如图5示出了该内层3的俯视图（从盲孔朝上的一面往下看），如图5所示，在本发明的一个实施例中，若干盲孔311可以是横纵方向均匀排布设置在柔性基层31上。

如图6所示，在本发明的另一个实施例中，若干盲孔311还可以是错位均匀排布设置在柔性基层311上。

可以理解的是，盲孔311在柔性基层311上还可以是其他的排布方式，只要其满足均匀分布在柔性基层311上，且盲孔311的总体积占柔性基层31的体积总和的70~80%即可，在本发明实施例中不做具体限制。

作为本发明的一个优选实施例，为了进一步提高内层3的亲肤感，可以在覆盖层32的外面增加一层柔软亲肤性较好的棉质面料层（图中未示出），以避免穿戴者刚穿上可能出现的“骤冷”感。

在本发明的实施例中，为了保持内层3的高度柔软度和拉伸性能，使之能更好地贴合人体，并实现相变蓄冷组合物在盲孔311内的均匀填充，优选盲孔311的孔径大小为2~3cm，更为优选的，盲孔311的孔径大小为2cm。

在本发明的优选实施例中，盲孔311的体积总和占柔性基层31的体积总和的70~80%，在此体积范围内，内层3的柔软度高，且抗拉性能好。更为优选的，盲孔311的体积总和占柔性基层31的体积总和的75%时，其柔软度最高且抗拉伸性能最好。

在本发明实施例中，中间层2为涂布有聚氨酯胶黏剂、橡胶胶黏剂或者有机硅胶胶黏剂中的任意一种的涂层结构。优选的，中间层2为涂布有有机硅胶胶黏剂的基布层。

本发明实施例还提供了一种防爆防护复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤101，采用至少两种不同的高性能纤维交织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层。

步骤102，制备带有若干盲孔的柔性基层，将相变蓄冷组合物灌注到各个所述盲孔内，再在所述柔性基层的盲孔孔口朝上的一面覆盖上覆盖层，制得内部填充有相变蓄冷组合物的柔性材料层。

步骤103，将所述复合材料层和柔性材料层分别放置在涂有胶黏剂的中间层的相对两侧面，采用压印机进行热压合，形成防爆防护复合材料；其中，热压合的温度为55~65℃。

在步骤101中，可以采用两种或者两种以上不同的高性能纤维，应用现有的全自动经纬网编织机进行编织，形成具有如图2所示的Steiner最小树拓扑结构的复合材料层。

在步骤102中，柔性基层可为硅胶材料层。在制备带有若干盲孔的柔性基层的过程中，先将加成型液体硅胶注入到带有盲孔的柔性基层模具中，再对加成型液体硅胶进行加热固化处理，即得。然后，再往成型的柔性基层的盲孔内灌注相变蓄冷组合物，灌注的体积占盲孔的体积的95%以上；之后再在柔性基层的盲孔孔口朝上的一面覆盖上覆盖层，即制得内部填充有相变蓄冷组合物的柔性材料层。

本发明实施例还提供了一种防爆防护服，该防爆防护服应用上述防爆防护复合材料制备得到。该防爆防护服的耐冲击性能、击打能力吸收性能、防刺性能和阻燃性能均满足“新版GA420-2008系列标准警用防爆服”中的相关安全技术指标的要求。

针对本发明实施例提供的相变蓄冷组合物的性能测试结果如下：

对上表1的各实施例和对比例制得的相变蓄冷组合物用同等规格材质的塑封袋封装好，降至室温，然后将其放在-10℃以下冷冻12小时，取出，用手指挤压或用勺子按压经冷冻后的相变蓄冷组合物，记录其压痕和弯折情况，结果详见下表2。

采用差示扫描量热仪测定对表1的各实施例和对比例制得的相变蓄冷组合物进行相变潜热测试，测试结果如下表3所示。

从上表2和3的测试结果可知，本发明实施例提供的相变蓄冷组合物经冷冻后仍能保持较好的柔软度，且具有较大的相变潜热，是一种性能较好的相变蓄冷组合物。

从对比例1与实施例3的对比结果可知，添加甘油所制得的相变蓄冷组合物，其经冷冻后能够保持更好的柔软度，且相变潜热也较未添加甘油的相变蓄冷组合物要大。从对比例2~4与实施例3的对比结果可知，添加聚乙二醇所制得的相变蓄冷组合物，其经冷冻后能够保持更好的柔软度，但是其相变潜热相对较小；而聚乙二醇的添加量占相变蓄冷组合物的总份数的11~13份时，其所制得的相变蓄冷组合物，其经冷冻后能够保持更好的柔软度，且相变潜热较大，小于11份或者大于13份时，其所制得的相变蓄冷组合物的相变潜热均小于在11~13份范围内所制得的相变蓄冷组合物。

上述结果表明，聚乙二醇的添加量对于相变蓄冷剂的相变潜热影响较大，添加甘油则对所制得的相变蓄冷组合物的柔软度影响较大，并且合适添加比例的甘油和聚乙二醇的配合可以使得制得的相变蓄冷组合物既具有良好的柔软度，又兼具较大的相变潜热，从而得到性能优异的相变蓄冷组合物。

针对具有不同盲孔孔径，或者盲孔的体积总和占柔性基层的体积总和的不同体积比的内层材料进行如下性能测试：测试条件为，在室温25℃条件下，以人体小臂皮肤为实验对象，实验对象的温度为32℃，将内层材料放置在-20℃下冷冻24小时，测试时，将内层材料从冰箱中去除放置一分钟，然后贴到实验对象的小臂皮肤上3分钟，记录受试对象使用后的皮肤温度，结果详见下表4。

由上表4的测试结果可知，当盲孔孔径为2cm，盲孔体积总和占柔性基层体积总和的比例为75%时，该内层的降温效果最佳。

综上所述，本发明实施例提供的防爆防护复合材料，包括外层、中间层和内层，外层为采用多种不同性能的纤维编织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层，多种不同性能的纤维的交织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层，不仅能够充分发挥各种纤维本身的材料性能特点，而且还可以借助该Steiner最小树拓扑结构的结构特点，综合提升该复合材料层的稳定性和防刺防弹和防爆性能。通过将内层设计为内部填充有相变蓄冷组合物的柔性材料层，采用柔性材料更加贴合人体，且填充的相变蓄冷组合物具有较大的相变潜热和合适的相变温度，冷冻后蓄冷剂不会变得坚硬，释冷缓慢，能保持合适的柔软度，更能贴合人体，并且能够很好地缓解穿戴者在作业时产生的闷热感，提高了穿戴者的穿着舒适感。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防爆防护复合材料，其特征在于，包括外层、中间层和内层；

所述外层为采用至少两种不同的高性能纤维交织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层；

所述内层为内部填充有相变蓄冷组合物的柔性材料层。

2.如权利要求1所述的防爆防护复合材料，其特征在于，所述内层包括带若干盲孔的柔性基层，以及覆盖在所述柔性基层的盲孔孔口朝上的一面、可将各个盲孔相互独立封闭的覆盖层；

各个所述盲孔内部填充有相变蓄冷组合物。

3.如权利要求2所述的防爆防护复合材料，其特征在于，所述盲孔的孔径大小为2~3cm。

4.如权利要求2所述的防爆防护复合材料，其特征在于，所述盲孔的体积总和占所述柔性基层的体积总和的70~80%。

5.如权利要求2所述的防爆防护复合材料，其特征在于，所述相变蓄冷组合物按重量份数计，包括如下组分的原料：

甘油1~2份、聚乙二醇11~13份和水50~70份。

6.如权利要求5所述的防爆防护复合材料，其特征在于，所述相变蓄冷组合物由如下方法制备得到：

将聚乙二醇溶液投入容器中，加入部分水，加热至85~95℃，搅拌使其溶解，得聚乙二醇溶液；

趁热向所述聚乙二醇溶液中加入甘油和剩余部分的水，搅拌均匀，即得所述相变蓄冷组合物。

7.如权利要求1所述的防爆防护复合材料，其特征在于，所述外层为采用超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维和聚砜基酰胺纤维三种不同性能的纤维交织成的具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层。

8.如权利要求1所述的防爆防护复合材料，其特征在于，所述中间层为涂布有聚氨酯胶黏剂、橡胶胶黏剂或者有机硅胶胶黏剂中的任意一种的涂层结构。

9.一种防爆防护复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用至少两种不同的高性能纤维交织成具有Steiner最小树拓扑结构的复合材料层；

制备带有若干盲孔的柔性基层，将相变蓄冷组合物灌注到各个所述盲孔内，再在所述柔性基层的盲孔孔口朝上的一面覆盖上覆盖层，得内部填充有相变蓄冷组合物的柔性材料层；

将所述复合材料层和柔性材料层分别放置在涂有胶黏剂的中间层的相对两侧面，采用压印机进行热压合，形成防爆防护复合材料；其中，热压合的温度为55~65℃。

10.一种防爆防护服，其特征在于，所述防爆防护服由如权利要求1~8任意一项所述的防爆防护复合材料制备得到。

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