CN111909489B - 一种纤维树脂复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于防护材料技术领域，提供了一种纤维树脂复合材料及其制备方法与应用，所述纤维树脂复合材料由包括以下步骤的方法制备得到：将无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层叠合形成预制件；利用真空辅助成型，将树脂体系灌注到所述预制件中，得到所述纤维树脂复合材料；所述无机纤维立体织物层的织物和Kevlar纤维立体织物层的织物的编织方式均为三维角联锁或三维正交组织。本发明提供的纤维树脂复合材料以无机纤维立体织物层作为“抗冲击层”，以Kevlar纤维立体织物层作为“能量吸收层”，使纤维树脂复合材料具有轻质、抗多次碰撞、抗多次冲击等一体化特点。
Description
技术领域
本发明涉及防护材料技术领域，尤其涉及一种纤维树脂复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
有研究表明，涉及电动车、摩托车等道路交通事故伤亡人员中，大部分是因头部受伤导致的伤亡。如果正确使用头盔，可以大大减轻事故对骑乘人员的直接伤害，有效降低事故的伤亡率。
同时还要注意，实际使用中，劣质头盔非但不能起到对头部应有的保护作用，甚至还会因碰撞引起部件碎裂，从而对骑乘人员造成其它二次伤害。
传统的头盔用材料一般分为三种：第一种是全塑料的，存在抗冲击性能差、撞击易碎裂等缺陷；第二种是短纤维掺杂在塑料中；第三种是一层又一层的织物铺层，再浸渍树脂。但是上述三种头盔用材料均存在质量稳定性差、质量大、抗冲击性能弱、易分层等不足。
因此，开发轻质、抗碰撞、抗冲击一体化的头盔用纤维树脂复合材料具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纤维树脂复合材料及其制备方法与应用，本发明提供的纤维树脂复合材料具有质轻、抗碰撞、抗冲击的优点。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种纤维树脂复合材料，由包括以下步骤的方法制备得到：将无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层叠合形成预制件；利用真空辅助成型，将树脂体系灌注到所述预制件中，得到所述纤维树脂复合材料；
所述无机纤维立体织物层中无机纤维立体织物由无机纤维以三维角联锁或三维正交组织的形式编织而成；
所述Kevlar纤维立体织物层中Kevlar纤维立体织物由Kevlar纤维以三维角联锁或三维正交组织的形式编织而成。
优选地，所述预制件中无机纤维立体织物层与Kevlar纤维立体织物层的质量比为1:1～1:15。
优选地，所述纤维树脂复合材料中，无机纤维立体织物层与Kevlar纤维立体织物层的质量之和与树脂体系的质量比为1:1～1.3:1。
优选地，所述无机纤维为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维。
优选地，所述无机纤维立体织物的规格为：层数为3～10层，经密为3～100根/cm，纬密为10～200根/cm，面密度为150～2000g/m2；当所述无机纤维为碳纤维时，线密度为1k～12k，当所述无机纤维为玻璃纤维或玄武岩纤维时，线密度为50～1000Tex。
优选地，所述Kevlar纤维立体织物的规格为：线密度为50～1000D，层数为10～30层，经密为7～350根/cm，纬密为10～400根/cm，面密度为500～4000g/m2。
优选地，所述树脂体系为环氧树脂体系或不饱和聚酯体系；所述环氧树脂体系包括环氧树脂和胺类固化剂，所述环氧树脂和胺类固化剂的质量比为3:1～5:1。
优选地，所述不饱和聚酯体系包括不饱和聚酯与乙烯基单体，所述不饱和聚酯和乙烯基单体的质量比1:1～4:1。
本发明还提供了上述技术方案所述的纤维树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层叠合形成预制件；
采用真空辅助成型工艺，将树脂体系灌注到所述预制件中，经干燥，得到所述纤维树脂复合材料。
本发明还提供了上述技术方案所述的纤维树脂复合材料作为头盔主体材料的应用。
本发明提供了一种纤维树脂复合材料，由包括以下步骤的方法制备得到：将无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层叠合形成预制件；利用真空辅助成型，将树脂体系灌注到所述预制件中，得到所述纤维树脂复合材料；所述无机纤维立体织物层中无机纤维立体织物由无机纤维以三维角联锁或三维正交组织的形式编织而成；所述Kevlar纤维立体织物层中Kevlar纤维立体织物由Kevlar纤维以三维角联锁或三维正交组织的形式编织而成。本发明提供的纤维树脂复合材料以无机纤维立体织物层作为“抗冲击层”，以Kevlar纤维立体织物层作为“能量吸收层”，使纤维树脂复合材料具有抗多次碰撞、抗多次冲击一体化特点；同时，以无机纤维立体织物和Kevlar纤维立体织物形成预制件，能够以较小的面密度实现优越的力学性能，即质轻的同时还能保证力学性能；可广泛用作电动车、摩托车骑乘人员的头部防护材料，具有极好的发展前景。实施例的数据表明，本发明提供的纤维树脂复合材料作为头盔主体材料制得的头盔具有优异的抗多次碰撞和抗多次冲击性。
具体实施方式
本发明提供了一种纤维树脂复合材料，由包括以下步骤的方法制备得到：将无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层叠合形成预制件；利用真空辅助成型，将树脂体系灌注到所述预制件中，得到所述纤维树脂复合材料；
所述无机纤维立体织物层中无机纤维立体织物由无机纤维以三维角联锁或三维正交组织的形式编织而成；
所述Kevlar纤维立体织物层中Kevlar纤维立体织物由Kevlar纤维以三维角联锁或三维正交组织的形式编织而成。
制备本发明提供的纤维树脂复合材料的原料包括无机纤维立体织物层；所述无机纤维立体织物层中无机纤维立体织物由无机纤维以三维角联锁或三维正交组织的形式编织而成。本发明采用三维角联锁或三维正交组织的形式编织无机碳纤维，使无机纤维在压制成头盔形貌时，贴合度高，不易产生褶皱。在本发明中，所述无机纤维立体织物的规格为：层数优选为3～10层，进一步优选为4～6层；经密优选为3～100根/cm，进一步优选为8～80根/cm；纬密优选为10～200根/cm，进一步优选为30～150根/cm，更优选为50～150根/cm；面密度优选为150～2000g/m2，进一步优选为300～1500g/m2，更优选为500～1000g/m2；当所述无机纤维为碳纤维时，线密度优选为1k～12k，进一步优选为1k～6k；当所述无机纤维为玻璃纤维或玄武岩纤维时，线密度优选为50～1000Tex，进一步优选为100～500Tex。在本发明中，所述无机纤维优选为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维，进一步优选为碳纤维。
本发明提供的纤维树脂复合材料以无机纤维立体织物层作为“抗冲击层”，能够第一时间通过“硬碰硬”的方式消耗掉大部分的外力冲击，从而减缓外力的冲击作用。
制备本发明提供的纤维树脂复合材料的原料包括Kevlar纤维立体织物层；所述Kevlar纤维立体织物层中Kevlar纤维立体织物由Kevlar纤维以三维角联锁或三维正交组织的形式编织而成。在本发明中，所述Kevlar纤维立体织物的规格为：线密度优选为50～1000D，进一步优选为200～800D；层数优选为10～30层，进一步优选为20～22层；经密优选为7～350根/cm，进一步优选为10～300根/cm，更优选为12～200根/cm；纬密优选为10～400根/cm，进一步优选为100～300根/cm，更优选为200～240根/cm；面密度优选为500～4000g/m2，进一步优选为1000～3900g/m2，更优选为1500～3500g/m2。
在本发明中，Kevlar纤维属于有机高性能纤维，以其为原料制成的Kevlar纤维立体织物，能够利用Kevlar纤维自身的高模量、高强度、高断裂伸长率，再加上立体结构特性，可以很好地吸收冲击能，以及将冲击能以波的形式沿着立体织物中的经纱和纬纱扩散，从而有效减缓外力撞击或冲击；即Kevlar纤维立体织物层可以作为“能量吸收层”。
制备本发明提供的纤维树脂复合材料的原料包括树脂体系；所述树脂体系为环氧树脂体系或不饱和聚酯体系。在本发明中，所述环氧树脂体系优选包括环氧树脂和胺类固化剂，所述环氧树脂和胺类固化剂的质量比优选为3:1～5:1。在本发明中，所述环氧树脂优选为E51型环氧树脂或E44型环氧树脂；所述胺类固化剂优选包括脂肪胺或芳香族多元胺，所述脂肪胺优选为乙二胺或二乙烯三胺；所述芳香族多元胺优选为聚醚胺或间苯二胺。在本发明中，所述不饱和聚酯体系优选包括不饱和聚酯和乙烯基单体，所述不饱和聚酯和乙烯基单体的质量比优选为1:1～4:1，进一步优选为1:2～1:3。在本发明中，所述不饱和聚酯优选为不饱和二元羧酯与二元醇缩聚而成的不饱和聚酯；所述乙烯基单体优选为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯和邻苯二甲酸二烯丙酯中的一种或多种。
本发明的树脂体系采用真空辅助成型工艺灌注到无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层叠合而成的预制件中，即树脂体系渗透进无机纤维立体织物和Kevlar纤维立体织物中，并将两层粘合在一起，能够赋予纤维树脂复合材料轻质、抗冲击、抗撞击、吸能等性能。
在本发明中，所述预制件中，无机纤维立体织物层与Kevlar纤维立体织物层的质量比优选为1:1～1:15，进一步优选为1:5～1:15，更优选为1:10；所述纤维树脂复合材料中，无机纤维立体织物层与Kevlar纤维立体织物层的质量之和与树脂体系的质量比优选为1:1～1.3:1，进一步优选为1.1:1～1.2:1。
本发明提供的纤维树脂复合材料以无机纤维立体织物层作为“抗冲击层”，以Kevlar纤维立体织物层作为“能量吸收层”，使纤维树脂复合材料具有轻质、抗碰撞、抗冲击一体化特点，可广泛用作电动车、摩托车骑乘人员的头部防护材料，具有极好的发展前景。
本发明还提供了上述技术方案所述的纤维树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层叠合形成预制件；
采用真空辅助成型工艺，将树脂体系灌注到所述预制件中，经干燥，得到所述纤维树脂复合材料。
本发明将无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层叠合形成预制件。
本发明对所述无机纤维立体织物和Kevlar纤维立体织物的叠合方式不做具体限定。
在本发明中，所述预制件中无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层的质量比优选与上述技术方案一致在此不再赘述。
得到预制件后，本发明采用真空辅助成型工艺，将树脂体系灌注到所述预制件中，经干燥，得到所述纤维树脂复合材料。
在本发明中，所述真空辅助成型的操作优选包括以下步骤：将所述预制件密封后抽真空，然后将所述树脂体系灌注到预制件中。在本发明中，所述抽真空的真空度优选为10-5～102Pa；本发明对所述灌注的方式不做具体限定。
在本发明中，所述干燥的方式优选包括烘干或自然晾干；所述烘干的温度优选为60～80℃，进一步优选为70℃；所述干燥的时间优选为2～3h；所述自然晾干的时间优选为24h。
本发明还提供了上述技术方案所述的纤维树脂复合材料作为头盔主体材料的应用。
在本发明中由于所述纤维树脂复合材料具有质轻、抗碰撞和抗冲击的特点，使其能够作为头盔主体材料。
在本发明中，所述头盔的制备方法优选包括以下步骤：
将无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层叠合形成预制件；
采用真空辅助成型工艺，借助头盔模型，以无机纤维立体织物层为头盔外层，将树脂体系灌注到所述预制件中，经干燥，得到头盔坯体；
将所述头盔坯体进行帽沿切割、打磨和抛光后，得到头盔裸盔；再添加悬挂系统、衬垫、外包层，得到所述头盔。
本发明对所述无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层的叠合方式不做具体限定。
在本发明中，所述真空辅助成型工艺的参数优选包括：
将预制件中的Kevlar纤维立体织物层与头盔模型的内壳层接触，将所述预制件密封于头盔模型后抽真空，然后将所述树脂体系灌注到预制件中。在本发明中，所述抽真空的真空度优选为10-5～102Pa；本发明对所述灌注的方式不做具体限定。
在本发明中，所述头盔模型包括内壳层和外壳层，所述内壳层和外壳层之间有一定的空隙，用于填充预制件和树脂体系；当所述头盔模型内壳层和外科层之间的距离大于预制件的总厚度时，只要保证Kevlar纤维立体织物与头盔模型的内壳层接触即可，由于Kevlar纤维立体织物和无机纤维立体织物均是以三维角联锁或三维正交组织的形式编织的，可拉伸性比较强，在灌注树脂体系时，树脂体系会将Kevlar纤维立体织物和无机纤维立体织物撑起，使Kevlar纤维立体织物和无机纤维立体织物和树脂体系完全复合在一起，并充满头盔模型内壳层和外壳层之间的空隙。
本发明对所述帽沿切割、打磨和抛光的方法和参数不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。在本发明中，所述头盔裸盔的质量优选为0.3～1.2kg/个。
本发明对所述悬挂系统、衬垫、外包层的操作不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的技术手段。
下面结合实施例对本发明提供的纤维树脂复合材料及其制备方法与应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将碳纤维立体织物层(以三维角联锁的方式编织，线密度为6k，层数为6层，经密为8根/cm，纬密为50根/cm，面密度为500g/m2，厚度为1.8mm)和Kevlar纤维立体织物层(以三维角联锁的方式编织，线密度为800D，层数为20层，经密10根/cm，纬密200根/cm，面密度3500g/m2，厚度为8mm)层叠合，得到预制件；其中，碳纤维立体织物层与Kevlar纤维立体织物层的质量比为1:7；
采用真空辅助成型工艺，借助头盔模型，以碳纤维立体织物层为头盔的外侧，将树脂体系(E51型环氧树脂和聚醚胺的质量比为3:1)灌注到所述预制件中，然后放置在70℃的烘箱中干燥3h，或放置在空气中自然干燥24h，得到头盔坯件；其中，头预制件(无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层)与树脂体系的质量比1：1；
将上述头盔坯件进行帽沿切割、打磨、抛光，即得头盔裸盔，头盔裸盔质量1kg/个；头盔裸盔的主体厚度为13.5mm；
在所述头盔裸盔上添加悬挂系统、衬垫、外包层，得到头盔。
采用GB 811-2010标准测试头盔裸盔的耐穿透性能，具体过程为：采用质量为3kg、直径25mm、锥角60°的钢锥，从3m坠落，对头盔裸盔进行穿透试验，结果：钢锥没有穿透头盔裸盔，说明该头盔裸盔具有优异的抗碰撞和抗冲击性能。
采用GB 811-2010标准测试对头盔裸盔进行二次耐穿透性能测试，结果为：钢锥仍然没有穿透头盔裸盔，说明该头盔裸盔具有优异的抗多次次碰撞和抗多次次冲击性能。
实施例2
碳纤维立体织物(以三维正交的形式进行编织，线密度为6k，层数为4层，经密8根/cm，纬密30根/cm，面密度300g/m2，厚度为1mm)和Kevlar纤维立体织物(以三维角联锁的方式编织，线密度为1000D，层数为22层，经密12根/cm，纬密240根/cm，面密度3900g/m2，厚度为8.5mm)叠合形成预制件，其中，所述碳纤维立体织物层与Kevlar纤维立体织物层的质量比为1:13；
采用真空辅助成型工艺，借助头盔模型，将碳纤维立体织物层为头盔的外层，将树脂体系(E51型环氧树脂和聚醚胺的质量比为4:1)灌注到所述预制件中，然后放置在70℃的烘箱中干燥3h，或放置在空气中自然干燥24h，即得头盔坯件；其中，预制件(无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层)与树脂体系的质量比1.2：1；
将上述头盔坯件进行帽沿切割、打磨、抛光，即得头盔裸盔，头盔裸盔质量0.96kg/个；头盔裸盔的主体厚度为13mm；
在所述头盔裸盔上添加悬挂系统、衬垫、外包层，得到头盔。
采用GB 811-2010标准测试头盔裸盔的耐穿透性能，具体过程为：采用质量为3kg、直径25mm、锥角60°的钢锥，从3m坠落，对头盔裸盔进行穿透试验，结果为：钢锥没有穿透头盔裸盔，说明该头盔裸盔具有优异的抗碰撞和抗冲击性。
采用GB 811-2010标准测试对头盔裸盔进行二次耐穿透性能测试，结果为：钢锥仍然没有穿透头盔裸盔，说明该头盔裸盔具有优异的抗多次次碰撞和抗多次次冲击性能。
实施例3
将玻璃纤维立体织物层(以三维角联锁的方式编织，线密度为300Tex，层数为5层，经密为8根/cm，纬密为40根/cm，面密度为500g/m2，厚度为2mm)和Kevlar纤维立体织物层(以三维角联锁的方式编织，线密度为800D，层数为20层，经密10根/cm，纬密200根/cm，面密度3500g/m2，厚度为8mm)层叠合，得到预制件；其中，玻璃纤维立体织物层与Kevlar纤维立体织物层的质量比为1：7；
采用真空辅助成型工艺，借助头盔模型，以碳纤维立体织物层为头盔的外侧，将树脂体系(E51型环氧树脂和聚醚胺的质量比为3：1)灌注到所述预制件中，然后放置在70℃的烘箱中干燥3h，或放置在空气中自然干燥24h，得到头盔坯件；其中，头预制件(无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层)与树脂体系的质量比1：1；
将上述头盔坯件进行帽沿切割、打磨、抛光，即得头盔裸盔，头盔裸盔质量1.2kg/个；头盔裸盔的主体厚度为13.8mm；
在所述头盔裸盔上添加悬挂系统、衬垫、外包层，得到头盔。
采用GB 811-2010标准测试头盔裸盔的耐穿透性能，具体过程为：采用质量为3kg、直径25mm、锥角60°的钢锥，从3m坠落，对头盔裸盔进行穿透试验，结果：钢锥没有穿透头盔，说明该头盔裸盔具有优异的抗碰撞和抗冲击性。
采用GB 811-2010标准测试对头盔裸盔进行二次耐穿透性能测试，结果为：钢锥仍然没有穿透头盔裸盔，说明该头盔裸盔具有优异的抗多次次碰撞和抗多次次冲击性能。
对比例1
市售材质为尼龙塑料的头盔，厚度为16mm，拆掉悬挂系统、衬垫和外包层，得到头盔裸盔，头盔裸盔的质量为1.5kg/个。
采用GB 811-2010标准测试头盔裸盔的耐穿透性能，具体过程为：采用质量为3kg、直径25mm、锥角60°的钢锥，从3m坠落，对头盔裸盔进行穿透试验，结果：钢锥没有穿透头盔裸盔，但是头盔出现凹坑、变形等现象；
采用GB 811-2010标准测试对头盔裸盔进行二次耐穿透性能测试，结果为：头盔完全穿透，且变形严重。
由上述实施例可以看出，本发明的提供的纤维树脂复合材料用作头盔主体材料时，无机纤维立体织物层为外侧，经两次耐穿透测试后，钢锥仍然没有穿透头盔裸盔，而普通的尼龙塑料头盔经两次耐穿透测试后，头盔被完全穿透，且变形严重。同时，本发明提供的头盔裸盔在较轻的重量下就具有比较优异的抗碰撞和抗冲击性能，符合头盔对抗碰撞和抗冲击性的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种纤维树脂复合材料作为头盔主体材料的应用，所述头盔的制备方法的具体步骤为：将无机纤维立体织物层和Kevlar纤维立体织物层叠合形成预制件；
采用真空辅助成型工艺，借助头盔模型，以无机纤维立体织物层为头盔外层，将树脂体系灌注到所述预制件中，经干燥，得到头盔坯体；
将所述头盔坯体进行帽沿切割、打磨和抛光后，得到头盔裸盔；再添加悬挂系统、衬垫、外包层，得到所述头盔；
所述无机纤维立体织物层中无机纤维立体织物由无机纤维以三维角联锁或三维正交组织的形式编织而成；所述无机纤维为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维；所述无机纤维立体织物的规格为：层数为3～10层，经密为3～100根/cm，纬密为10～200根/cm，面密度为150～2000g/m2；当所述无机纤维为碳纤维时，线密度为1k～12k，当所述无机纤维为玻璃纤维或玄武岩纤维时，线密度为50～1000Tex；
所述Kevlar纤维立体织物层中Kevlar纤维立体织物由Kevlar纤维以三维角联锁或三维正交组织的形式编织而成；所述Kevlar纤维立体织物的规格为：线密度为50～1000D，层数为10～30层，经密为7～350根/cm，纬密为10～400根/cm，面密度为500～4000g/m2。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述预制件中无机纤维立体织物层与Kevlar纤维立体织物层的质量比为1:1～1:15。
3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述纤维树脂复合材料中，无机纤维立体织物层与Kevlar纤维立体织物层的质量之和与树脂体系的质量比为1:1～1.3:1。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述树脂体系为环氧树脂体系或不饱和聚酯体系；所述环氧树脂体系包括环氧树脂和胺类固化剂，所述环氧树脂和胺类固化剂的质量比为3:1～5:1。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述不饱和聚酯体系包括不饱和聚酯与乙烯基单体，所述不饱和聚酯和乙烯基单体的质量比1:1～4:1。
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