CN112941698A - 高性能纤维长短丝复合织物及含有该复合织物的复合材料 - Google Patents

高性能纤维长短丝复合织物及含有该复合织物的复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明实施例涉及防弹防刺材料技术领域，具体涉及一种高性能纤维长短丝复合织物及含有该复合织物的复合材料。高性能纤维长短丝复合织物是由高性能纤维长丝构成复合织物的骨架，高性能纤维短丝填充在复合织物的骨架间；所述高性能纤维为：初始模量不低于600g/d，断裂强度不低于15g/d，断裂伸长1.5‑8％，结晶度大于50％的纤维；所述高性能纤维长丝的纤度为100‑1600d，所述高性能纤维短丝的单丝纤度为0.8‑6d。本发明实施例的复合织物兼具防弹防刺性能。同时复合织物具有较低的面密度，耐切割性能以及传递能量性能均十分良好，其制备的防护服具有良好的舒适感。

Description

高性能纤维长短丝复合织物及含有该复合织物的复合材料
技术领域
本发明涉及防弹防刺材料技术领域，更具体地说，是涉及一种高性能纤维长短丝复合织物及含有该复合织物的复合材料。
背景技术
柔性防弹材料主要为芳纶长丝织物、芳纶、UHMWPE纤维无纬布等非织造布，具有优良的物理机械性能和良好的动能吸收性能，因而具有良好的防弹性能。但是，这种非织造布防弹材料结构松散、长丝纤维以伸直状态为主，其耐切割性能通常较差，因而这种非织造布防弹材料不具备防刺功能。
为了使材料兼具防弹防刺性能，使其制备的防护服达到《GA 68-2019警用防刺服》规定的A类标准，现有技术通常采用将防弹材料与高硬度抗冲击树脂组成复合材料，以高硬度抗冲击树脂对抗刀尖和刀刃的高硬度和高穿刺性，以提高复合材料整体的防刺性能。如申请号为201210108064.4的中国专利公开了一种芳纶纤维增强树脂基防刺复合材料，利用环氧树脂和乙烯基树脂等热固性树脂高硬度的特点以抵抗刀尖的穿刺作用，并利用芳纶织物结构提高环氧和乙烯基树脂的缺口冲击和耐切割性能，使该复合材料兼具防弹防刺性能。但是由于其复合的树脂为硬而脆的热固性树脂，芳纶纤维弯曲程度较高，复合材料受到子弹、破片等高速冲击时，传递能量的能力较弱，防弹的能力下降。此外该复合材料存在硬度过高、透气性差、面密度大等多种问题，导致使用其复合材料制备的防护服舒适度极差。
此外，还有部分研究人员采用将防弹材料和防刺材料简单组合的形式制备防护服。如申请号为CN201110437472.X专利公开了一种0/90度正交UD材料，申请号为CN200910250240.6的专利公开了一种45/45度正交UD材料，均是兼具防弹防刺功能的材料，但是其防弹效果相较于传统0/90度正交UD材料有所下降，防刺能力不及芳纶/热固性树脂类复合防刺材料，而且其仍具有硬度较高、面密度较大、透气性不佳、穿着舒适度不佳等问题。
总之，近十年内兼具防弹和防刺功能的材料进展缓慢，开发更为有效的防弹、防刺材料迫在眉睫。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
发明目的
为解决上述现有技术中有机防弹防刺材料的主要问题和缺陷，本发明的目的在于提供一种同时具有防弹防刺功能的长短丝复合织物及含有该复合织物的复合材料。本发明通过高性能纤维长丝复合高性能纤维短丝，利用长丝可以较大范围传递、吸收能量和冲击波的特性，使复合织物具有良好的防弹性能；利用短丝形状卷曲、在其复合织物内易位移的特点，使复合织物受到刀具冲击时，垫在刀刃与长丝之间，避免刀具直接切割高性能纤维的长丝，赋予复合织物防刺性能，从而提供一种兼具防弹防刺性能的复合织物。同时该复合织物具有较低的面密度，耐切割性能以及传递能量性能均十分良好，制备的防护服具有良好的舒适感。
解决方案
为实现本发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：
一种高性能纤维长短丝复合织物，高性能纤维长丝构成复合织物的骨架，高性能纤维短丝填充在复合织物的骨架间；
所述高性能纤维为：初始模量不低于600g/d，断裂强度不低于15g/d，断裂伸长1.5-8％，结晶度大于50％的纤维；所述高性能纤维长丝的纤度为100-1600d，所述高性能纤维短丝的单丝纤度为0.8-6d。
在一种可能的实现方式中，所述高性能纤维的断裂强度不低于25g/d，大于35g/d更佳。
在一种可能的实现方式中，高性能纤维短丝纱线的纤度1-40支；优选5-30支。这样更易于加工。
在一种可能的实现方式中，所述高性能纤维选自：超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维。
在一种可能的实现方式中，所述高性能纤维长短丝复合织物还包括非高性能短丝，所述非高性能短丝选自以下的一种或几种：棉、涤纶、锦纶、腈纶。这样可以提高高性能纤维短丝的可纺性。
在一种可能的实现方式中，所述高性能纤维长短丝复合织物还包括混纺无机纤维，所述混纺无机纤维选自玻璃纤维或玄武岩纤维。复合织物中混纺无机纤维质量比不超过高性能纤维长短丝复合织物总质量的20％。
在一种可能的实现方式中，所述织物经过封边处理。
在一种可能的实现方式中，所述高性能纤维短丝填充在复合织物的骨架间为短丝与长丝之间可为包缠、包覆关系，亦可有部分短丝与长丝织物仅为简单填充关系。高性能纤维短丝填充在长丝骨架间，呈卷曲状态，与长丝骨架共同组成织物，短丝与长丝之间可为包缠、包覆关系，亦可部分仅填充在长丝织物的间隙，但短丝不会从织物中脱落，织物结构相对稳定。
在一种可能的实现方式中，在所述复合织物的平面内，高性能纤维短丝在其相邻高性能纤维长丝方向的平均投影长度占其短丝总长度的0.1～0.95。
在一种可能的实现方式中，高性能纤维长丝占织物质量比为5-95％；高性能纤维短丝占织物质量比为95-5％。
在一种可能的实现方式中，所述非高性能短丝比例不超过短丝总量的50％。
在一种可能的实现方式中，所述高性能纤维长丝构成的复合织物的骨架为织造结构或非织造结构，其中：所述织造结构选自以下的一种或多种：平纹、方平、接结双层、及针织结构；所述非织造结构选自：无纬布。
在一种可能的实现方式中，所述复合织物的经向紧度大于65％，纬向紧度大于50％，总紧度大于70％。
一种高性能纤维长短丝复合织物的复合材料，包括上述高性能纤维长短丝复合织物，还包括树脂胶黏剂；所述树脂胶黏剂为橡胶胶黏剂、热塑性弹性体橡胶胶黏剂、热塑性树脂橡胶胶黏剂和热固性树脂橡胶胶黏剂中的一种或多种。
在一种可能的实现方式中，所述复合材料的结构为高性能纤维长短丝复合织物完全浸在树脂胶黏剂中，树脂胶黏剂占复合材料的质量百分比为5％-70％。
在一种可能的实现方式中，所述复合材料的结构为树脂胶黏剂与部分高性能纤维长短丝复合织物结合，形成网格状或散点状分布，树脂胶黏剂的覆盖面积为3-50％。
在一种可能的实现方式中，复合材料中还包括无机细颗粒和切碎短纤，如：玻璃微珠、二氧化硅粉、碳化硅粉、硅灰石粉、玻纤粉、玄武岩短纤、晶须等。复合材料中添加的无机细颗粒和切碎短纤的质量比不超过复合材料总质量的10％。可以继续提高复合材料的抗剪切性能。
有益效果
(1)本发明实施例中，发明人提供了一种高性能纤维长短丝复合织物，高性能纤维长丝构成复合织物的骨架，高性能纤维短丝填充在复合织物的骨架间。该复合织物中的长丝尽可能保持伸直有张力的状态，能够将能量传递出去，以提升防弹性能；复合织物中短丝呈一定松弛状态，在遇刀具侵彻时，短丝随着刀具刃口翻转或滑移，可以在刀刃和长丝间形成保护层，保护伸直状态下的长丝不被切割断裂；使复合织物兼具防弹防刺性能。该复合织物中高性能纤维长丝的纤度为100-1600d，高性能纤维短丝的单丝纤度为0.8-6d，在该范围下，复合织物具有较低的面密度，耐切割性能以及传递能量性能均十分良好，制备的防护服具有良好的舒适感。
(2)本发明实施例中，通过对长丝的纤度及短丝的单丝纤度限定，优化了复合织物的面密度。复合织物太紧密，长丝弯曲度高，不利于能量传递，织物太松散，经纬密度太低，刀具可轻易穿过复合织物间隙，复合织物就无法形成对刀具形成有效的阻滞作用。本发明中，当刀具侵彻时，上层织物虽被贯穿但结构仍然保持，短丝保护的长丝对刀具的阻滞作用仍然存在，至刀具侵彻到下层织物时，材料上下层整体给刀具一个大的反作用力，刀具的能量在这一刻会被立即吸收分散掉。
(3)本发明实施例中，对高性能纤维长丝和短丝的位置进行优化。由于短丝的存在对长丝具有保护的作用。在复合织物平面内，短丝在其相邻长丝方向的投影长度不宜过长也不宜过短。短丝在长丝外部太松散会导致复合织物难以加工。
(4)本发明实施例中，对复合织物的紧度进行限定优化。所述复合织物的经向紧度大于65％，纬向紧度大于50％，总紧度大于70％。复合织物的紧度过低会导致刀刃切割太少，不利于能量的吸收，且织物松散织物结构不稳定，防冲击性能下降。
(5)本发明实施例中，还提供一种包含高性能纤维长短丝复合织物的复合材料。复合材料中还包括树脂胶黏剂，可以进一步平衡复合材料在受到低速冲击时传递能量和分散能量的能力。树脂胶黏剂对复合织物进行网格涂覆，即用弹性体胶黏在复合织物表面和内部做弹性体网格，网格中间为复合织物，形成具有弹性体把持的长短丝复合织物的复合材料。可以进一步提高长丝抽动形变时织物吸收能量的能力。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实施例中，对于本领域技术人员熟知的原料、元件、方法、手段等未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
本发明实施例中所用水性聚氨酯购自烟台万华聚氨酯有限公司，生产型号为7390。
实施例1.
采用棉纺包芯纱工艺生产UHMWPE短丝包缠UHMWPE长丝复合纱线，以此为原料，通过机织方式制得面密度为400g/m2的平纹织物。其中所使用的UHMWPE短丝纱线的单丝纤度1.31d，断裂强度>32g/d，初始模量1250g/d。UHMWPE长丝的纤度350d，断裂强度>35g/d，初始模量1450g/d。
16层织物面密度6.4kg/m2，以GA68-2019规定的测试标准，可达到A类防护标准，以GA141-2010规定的测试标准，可达到1级防护标准要求，且面料柔软透气，穿着舒适。
实施例2.
采用棉纺包芯纱工艺生产UHMWPE短丝包缠芳纶纤维长丝复合纱线，以此为原料，通过机织方式制得面密度为350g/m2的平纹织物。其中所使用的UHMWPE短丝纱线的单丝纤度1.31d，断裂强度>32g/d，初始模量1250g/d。芳纶纤维长丝的纤度300d，断裂强度>28g/d，初始模量1100g/d。
以GA68-2019规定的测试标准，20层织物，面密度7kg/m2即可达到A类防护标准，且面料柔软透气，穿着舒适。
实施例3.
采用棉纺包芯纱工艺生产UHMWPE短丝包缠UHMWPE纤维长丝复合纱线，以此为原料，通过机织方式制得面密度为400g/m2的接结双平织物。其中UHMWPE短丝纱线的单丝纤度1.31d，断裂强度>32g/d，初始模量1250g/d。UHMWPE长丝的纤度350d，断裂强度>35g/d，初始模量1450g/d。
以GA68-2019规定的测试标准，17层织物面密度6.8kg/m2即可达到A类防护标准，且面料柔软透气，穿着舒适。
实施例4.
对实施例1取得的复合织物表面涂覆一种水性聚氨酯，形成复合材料。其中水性聚氨酯具有很高的断裂伸长，其占复合材料的质量百分比为20％，复合材料的面密度为500g/m2。
以GA68-2019规定的测试标准，12层复合材料片材，面密度6kg/m2即可达到A类防护标准，且面料柔软，穿着舒适。
实施例5.
对实施例2取得的复合织物表面涂覆一种水性聚氨酯，形成复合材料。其中水性聚氨酯具有很高的断裂伸长，其占复合材料的质量百分比为20％，复合材料的面密度440g/m2。
以GA68-2019规定的测试标准，15层复合材料片材，面密度6.6kg/m2即可达到A类防护标准，且面料柔软，穿着舒适。
实施例6.
采用棉纺包芯纱工艺生产UHMWPE短丝包缠UHMWPE纤维长丝复合纱线，以此为原料，添加水性聚氨酯作为树脂胶黏剂，通过非织造布的方式制得面密度为150g/m2的单向无纬布窄带。利用编织工艺得到正交无纬布编织布，而后利用热轧辊进行复合，制得面密度300g/m2的含有高性能纤维长短丝复合织物的无纬布复合材料。其中，UHMWPE短丝纱线的单丝纤度1.31d，断裂强度>32g/d，初始模量1250g/d。UHMWPE纤维长丝的纤度350d，断裂强度>35g/d，初始模量1450g/d，水性聚氨酯占复合材料的质量百分比为18％。
以GA68-2019规定的测试标准，18层复合材料片材，面密度5.4kg/m2即可达到A类防护标准，且面料柔软，穿着舒适。
实施例7.
对实施例2取得的复合织物表面涂覆一种水性聚氨酯，这种聚氨酯具有很高的断裂伸长，其占复合材料的质量百分比为20％。并在聚氨酯中还添加碳化硅粉(占聚氨酯固含量的10％)，获得一种高性能纤维长短丝复合织物的复合材料，复合材料的面密度为440g/m2。
以GA68-2019规定的测试标准，14层复合材料片材，总面密度6.16kg/m2即可达到A类防护标准，且面料柔软，穿着舒适。
实施例8.
为了提高UHMWPE短丝的可纺性，先在UHMWPE短丝中加入30％锦纶短丝，并采用棉纺包芯纱工艺生产添加了锦纶短丝的UHMWPE短丝包缠UHMWPE长丝复合纱线，以此为原料，通过机织方式制得面密度为150g/m2的平纹织物。其中UHMWPE短丝纱线的单丝纤度1.31d，断裂强度>32g/d，初始模量1250g/d。UHMWPE纤维长丝的纤度100d，断裂强度>38g/d，初始模量1650g/d。
以GA68-2019规定的测试标准，36层织物面密度5.4kg/m2即可达到A类防护标准，且面料非常柔软透气，穿着非常舒适。
实施例9.
采用长丝铺展浸胶的方式生产聚乙烯纤维长丝单向布，含胶量约20％，而后以单向布为基材，以非织造布的针刺工艺将平均25mm长的UHMWPE短丝刺入单向布中间，而后正交热压复合，得到面密度165g/m2的短丝填充长丝的无纬布，短丝占复合织物的质量比为25％。其中UHMWPE短丝纱线的单丝纤度1.31d，断裂强度>32g/d，初始模量1250g/d。UHMWPE纤维长丝纤度100d，断裂强度>38g/d，初始模量1650g/d，放大镜目测法测定短丝在相邻长丝方向的投影比例约21％。
以GA68-2019规定的测试标准，44层织物面密度7.2kg/m2即可达到A类防护标准，且面料柔软。
对比例1.
以UHMWPE纤维为原料加工面密度350g/m2的平纹织物，其中UHMWPE长丝的纤度600d，断裂强度>35.5g/d，初始模量1450g/d。
以GA68-2019规定的测试标准，30层织物面密度10.5kg/m2可达到A类防护标准，织物的面密度大，穿着舒适度差，UHMWPE长丝主要以被刀具挤开和被刀刃割断为主。
对比例2.
以UHMWPE短丝为原料，以非织造布的方式加工面密度200g/m2的无纺布，其中UHMWPE短丝的单丝纤度1.3d，断裂强度>32g/d，初始模量1250g/d。
以GA68-2019规定的测试标准，60层无纺布面密度12kg/m2仍无法达到A类防护标准的防护要求，此时材料厚度已经大于刀具长度。
对比例3.
以先单向铺展后热压复合的方式生产面密度160g/m2的正交无纬布，其中UHMWPE长丝的纤度800d，断裂强度>35.5g/d，初始模量1450g/d，所用树脂胶黏剂为一种聚醚型水性聚氨酯。
以GA68-2019规定的测试标准，72层无纬布面密度11.5kg/m2可以达到A类防护标准的防护要求，但织物面密度大，已经超过该标准对面密度的要求范围，穿着舒适度差，长丝主要以被刀刃切断为主。
对比例4.
以对比例1的平纹机织布和对比例2的无纺布交叠组成长丝织物和短丝无纺布叠加的复合织物，以GA68-2019规定的测试标准，复合面密度>12kg/m2仍无法达到A类防护标准，此时材料厚度接近刀具高度。织物无纺布占36％，UHMWPE平纹布展64％。
对比例5.
以实施例9生产的单向布为基材，将以非织造布的针刺工艺将4mm UHMWPE短丝刺入单向布中间，而后正交热压复合，得到面密度165g/m2的短丝填充长丝的无纬布，短丝占复合织物的质量比为25％。其中UHMWPE短丝纱线的单丝纤度1.31d，断裂强度>32g/d，初始模量1250g/d。UHMWPE纤维长丝纤度100d，断裂强度>38g/d，初始模量1650g/d，放大镜目测法测定短丝在相邻长丝方向的投影比例约8％。
以GA68-2019规定的测试标准，44层织物面密度7.2kg/m2无法达到标准要求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高性能纤维长短丝复合织物，其特征在于，高性能纤维长丝构成复合织物的骨架，高性能纤维短丝填充在复合织物的骨架间；所述高性能纤维为：初始模量不低于600g/d，断裂强度不低于15g/d，断裂伸长1.5-8％，结晶度大于50％的纤维；所述高性能纤维长丝的纤度为100-1600d，所述高性能纤维短丝的单丝纤度为0.8-6d。
2.根据权利要求1所述的高性能纤维长短丝复合织物，其特征在于：在复合织物的平面内，高性能纤维短丝在其相邻高性能纤维长丝方向的平均投影长度占其短丝总长度的0.1～0.95。
3.根据权利要求1所述的高性能纤维长短丝复合织物，其特征在于：所述高性能纤维长丝构成的复合织物的骨架为织造结构或非织造结构；所述高性能纤维短丝填充在复合织物的骨架间为短丝与长丝之间为包缠、包覆关系或简单填充关系。
4.根据权利要求1所述的高性能纤维长短丝复合织物，其特征在于：所述高性能纤维包括但不限于超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维。
5.根据权利要求1所述的高性能纤维长短丝复合织物，其特征在于：所述高性能纤维长短丝复合织物还包括非高性能短丝，所述非高性能短丝为棉、涤纶、锦纶、腈纶中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的高性能纤维长短丝复合织物，其特征在于：所述高性能纤维长短丝复合织物还包括混纺无机纤维，所述混纺无机纤维选自玻璃纤维或玄武岩纤维。
7.根据权利要求3所述的高性能纤维长短丝复合织物，其特征在于：复合织物的经向紧度大于65％，纬向紧度大于50％，总紧度大于70％。
8.一种复合材料，其特征在于：包括权利要求1～7任意一项所述的高性能纤维长短丝复合织物和树脂胶黏剂；所述树脂胶黏剂为橡胶胶黏剂、热塑性弹性体橡胶胶黏剂、热塑性树脂橡胶胶黏剂和热固性树脂橡胶胶黏剂中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的复合材料，其特征在于：所述复合材料的结构为高性能纤维长短丝复合织物完全浸在树脂胶黏剂中或树脂胶黏剂与部分高性能纤维长短丝复合织物结合形成网格状或散点状分布。
10.根据权利要求8所述的复合材料，其特征在于：还包括无机细颗粒和切碎短纤，所述无机细颗粒和切碎短纤包括但不限于玻璃微珠、二氧化硅粉、碳化硅粉、硅灰石粉、玻纤粉、玄武岩短纤、晶须。
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