CN112941727B - 柔性抗静态穿刺材料的制备方法 - Google Patents

柔性抗静态穿刺材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性抗静态穿刺材料的制备方法，其包括如下步骤：将针刺布烘干至恒重，所述针刺布由多根涤纶长丝相互交织缠绕而成。制备浓度为5～13wt％的聚氨酯溶液。将烘干至恒重的针刺布置于所述聚氨酯溶液中浸渍处理0.5～1.5h。将浸渍处理后的针刺布取出进行脱液处理，使其带液率在40～50％之间。将带液率在40～50％之间的针刺布置于烘箱中处理，使任意一根涤纶长丝和与其相邻的涤纶长丝之间粘结，即得所述柔性抗静态穿刺材料。本发明柔性抗静态穿刺材料的制备方法所制备得到的材料不仅具有良好的抗静态穿刺性能，且仍保持较好的柔性。

Description

柔性抗静态穿刺材料的制备方法
技术领域
本发明涉及高性能材料的加工技术领域，具体是一种柔性抗静态穿刺材料的制备方法。
背景技术
目前，防护产品的研发日益得到重视。土工布、医用防护产品、产业防护产品等逐渐进入人们的视野，旨在不同的领域保护人体免受外界的伤害，而提高材料的抗静态穿刺性能也是一种保护人体免受外界伤害的方式。
现有技术中，对于抗静态穿刺材料的制备主要包括以下几种：
方法一、将原材料浸渍于含有增强颗粒的剪切浸渍液中，使增强粒子附着于材料中，当尖锐物刺向材料时，增强粒子能够与尖锐物产生摩擦，使尖锐物穿透材料需要消耗更高的能量，达到增强材料抗静态穿刺性的作用。采用此方法制备得到的材料，其抗静态穿刺性能达不到较好的效果。
方法二、采用轻质高性能材料进行复杂的组织结构设计，使尖锐物穿过复杂的结构时会受到阻力，从而提高了材料的抗静态穿刺性能。采用此方法制备材料，其加工困难性较大。
方法三、将高硬度值的材料和低硬度值的柔性材料进行复合叠层，利用高硬度值材料来对尖锐物造成阻力，这种方法会降低材料的柔性，使得材料的应用范围变小。
方法四、在材料的表面涂覆增强涂层。这种方法只能提高材料表层的抗静态穿刺性，因而抗静态穿刺性能有限。
基于上述，有必要提出一种抗静态穿刺材料的制备方法，以能解决上述技术问题。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种柔性抗静态穿刺材料的制备方法，制备得到的材料不仅具有良好的抗静态穿刺性能，且仍保持较好的柔性。
本发明公开了一种柔性抗静态穿刺材料的制备方法，包括如下步骤：
将针刺布烘干至恒重，所述针刺布由多根涤纶长丝相互交织缠绕而成。此结构使得涤纶长丝针刺布具有能够对尖锐物产生较好阻力的潜能。
制备浓度为5～13wt％的聚氨酯溶液。为了使得聚氨酯溶液对针刺布浸渍均匀，需要控制好聚氨酯浸渍液的浓度。若聚氨酯溶液的浓度过低，则浸渍液中的聚氨酯含量过少，对针刺布的长丝纤维之间包覆量过少，无法使长丝纤维间产生较好的粘结作用。若聚氨酯浓度过高，一方面，聚氨酯溶液的粘度会大大增加，导致浸渍液的流动性差，浸渍时间需要加长，否则会难以浸渍充分，从而降低了加工效率。另一方面聚氨酯浓度过高会使得针刺布长丝纤维间的空隙被填满，使得制备的材料刚性增加，柔性降低。本发明通过控制聚氨酯溶液浓度5～13wt％，能够提高材料的抗静态穿刺性能，且使得材料仍保持较好的柔性。本发明选用聚氨酯溶液作为浸渍液，由于其具有良好的延展性，成膜容易，能够包裹在涤纶长丝表面并使材料保持柔性。
将烘干至恒重的针刺布置于所述聚氨酯溶液中浸渍处理0.5～1.5h，使得针刺布的涤纶长丝能够和聚氨酯溶液充分接触，保证聚氨酯可以包覆住涤纶长丝，且能在涤纶长丝纤维间产生粘结。
将浸渍处理后的针刺布取出进行脱液处理，使其带液率在40～50％之间。通过轧车轧去多余的溶液时，轧车会对针刺布进行挤压，使针刺布的层间长丝纤维间产生粘结。聚氨酯不会改变涤纶长丝针刺布内的长丝纤维排布，长丝纤维仍是无序的排布，但长丝纤维间产生了粘结。
将带液率在40～50％之间的针刺布置于烘箱中处理，使任意一根涤纶长丝和与其相邻的涤纶长丝之间粘结，即得所述柔性抗静态穿刺材料。
作为优选，所述聚氨酯为聚醚型聚氨酯或聚酯型聚氨酯。
作为优选，所述烘干至恒重的针刺布的质量为m1，所述柔性抗静态穿刺材料的质量为m2，增重率为R1，
Figure GDA0003546203480000021
18％≤R1≤85％。
作为优选，所述烘干至恒重的针刺布的厚度为h1，所述柔性抗静态穿刺材料的厚度为h2，增厚率为R2，
Figure GDA0003546203480000022
12％≤R2≤60％。
作为优选，所述步骤“将带液率在40～50％之间的针刺布置于烘箱中处理”中，烘箱温度为40～70℃，处理时间为2～3h。
作为优选，所述步骤“将针刺布烘干至恒重”中，将针刺布置于50～60℃的烘箱中烘干至恒重。
作为优选，所述步骤“制备浓度为5～13wt％的聚氨酯溶液”中，将聚氨酯溶液置于二甲基甲酰胺中，20～25℃下搅拌8～14h即得聚氨酯溶液。
作为优选，所述步骤“将浸渍处理后的针刺布取出进行脱液处理”中，采用轧车对浸渍处理后的针刺布进行脱液处理。
本发明的有益效果如下：
本发明柔性抗静态穿刺材料的制备方法所制备得到的材料，通过采用聚氨酯浸渍针刺布，使得针刺布的涤纶长丝之间产生粘结，涤纶长丝之间建立了更紧密的联系，通过粘结作用使涤纶长丝之间的滑移阻力增大，刺针等尖锐物刺穿材料时，多个涤纶长丝之间不会出现纤维滑移，尖锐物必须要破坏多个涤纶长丝，使得多个涤纶长丝断裂在材料上形成孔洞，才能够刺穿材料，而刺断涤纶长丝需要向其提供一个作用力，使涤纶长丝纤维拉伸变形直到断裂，由此穿透材料需要消耗更高的能量，难度更大，从而提高了材料的抗静态穿刺性能。
本发明柔性抗静态穿刺材料的制备方法所制备的材料采用了具有柔性的涤纶长丝针刺布，以及具有高弹性能的聚氨酯，使得制备得到的材料不仅具有良好的抗静态穿刺性能，且仍保持较好的柔性。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明对比例中针刺布被刺破后的扫描电镜图；
图2是本发明实施例1中柔性抗静态穿刺材料被刺破后的扫描电镜图；
图3是本发明实施例2中柔性抗静态穿刺材料被刺破后的扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明实施例1～20以及对比例中采用的针刺布为市场上常见的涤纶长丝非织造布。实施例1～20以及对比例中采用的针刺布为相同的针刺布。
本发明实施例1～20以及对比例中采用的涤纶长丝的长度在1000m-3000m。
本发明实施例1～20中所述的将针刺布烘干至恒重，即，将针刺布烘干至其质量不再改变，每干燥1h取出针刺布进行称量，当针刺布当前质量与前一次称量的质量相同时，即达到了恒重状态。
实施例1～10中柔性抗静态穿刺材料的制备方法包括如下步骤：
将长20cm，宽为2cm的针刺布在60℃烘箱中烘干至恒重，针刺布由多根涤纶长丝相互交织缠绕而成。
以二甲基甲酰胺为溶剂，以聚酯型聚氨酯为溶质，将聚酯型聚氨酯溶液置于二甲基甲酰胺中，20～25℃下搅拌12h即得聚酯型聚氨酯溶液。
将烘干至恒重的针刺布置于所述聚酯型聚氨酯溶液中浸渍处理1h。
将浸渍处理后的针刺布取出，采用轧车进行脱液处理，使其带液率在40～50％之间。
将带液率在40～50％之间的针刺布置于烘箱中处理，烘箱温度为60℃，处理时间为2h，使任意一根涤纶长丝和与其相邻的涤纶长丝之间通过聚酯型聚氨酯粘结，任意一根涤纶长丝被聚酯型聚氨酯包覆，即得柔性抗静态穿刺材料。
实施例11～20中柔性抗静态穿刺材料的制备方法包括如下步骤：
将长20cm，宽为2cm的针刺布在60℃烘箱中烘干至恒重，针刺布由多根涤纶长丝相互交织缠绕而成。
以去离子水为溶剂，以聚醚型聚氨酯为溶质，将聚醚型聚氨酯溶液置于去离子水中，20～25℃下搅拌12h即得聚醚型聚氨酯溶液。
将烘干至恒重的针刺布置于所述聚醚型聚氨酯溶液中浸渍处理1h。
将浸渍处理后的针刺布取出，采用轧车进行脱液处理，使其带液率在40～50％之间。
将带液率在40～50％之间的针刺布置于烘箱中处理，烘箱温度为60℃，处理时间为2h，使任意一根涤纶长丝和与其相邻的涤纶长丝之间通过聚醚型聚氨酯粘结，任意一根涤纶长丝被聚醚型聚氨酯包覆，即得柔性抗静态穿刺材料。
实施例1～20中所采用的聚氨酯种类和聚氨酯溶液浓度参见下表1：
表1
Figure GDA0003546203480000051
对比例
本对比例为不做处理的针刺布，针刺布长20cm，宽为2cm，针刺布由多根涤纶长丝相互交织缠绕而成。将针刺布进行性能测试，与实施例中性能测试结果做比较。
对实施例1～20中制备得到的柔性抗静态穿刺材料进行增重率和增厚率的计算。
以实施例1为例，分别称量烘干至恒重的针刺布和制备完成的柔性抗静态穿刺材料，得到烘干至恒重的针刺布的质量为m1，柔性抗静态穿刺材料的质量为m2，柔性抗静态穿刺材料的增重率为R1，
Figure GDA0003546203480000052
其中，共做三组平行试验，取三组平行试验的平均值作为最终值。
采用螺旋测微器对烘干至恒重的针刺布和制备完成的柔性抗静态穿刺材料进行厚度测试，烘干至恒重的针刺布的厚度为h1，柔性抗静态穿刺材料的厚度为h2，柔性抗静态穿刺材料的增厚率为R2，
Figure GDA0003546203480000053
其中，共做三组平行试验，取三组平行试验的平均值作为最终值。
测试得到柔性抗静态穿刺材料的质量和厚度后，根据体积密度公式计算样品的体积密度并记录，体积密度ρ＝m2/h2。
实施例2～20中的柔性抗静态穿刺材料增重率、增厚率、体积密度的计算方法和实施例1中相同。
同时测试对比例中针刺布的厚度和重量，并计算其体积密度值。
对实施例1～20中制备得到的柔性抗静态穿刺材料以及对比例中的针刺布，进行刺破力学性能测试，得到比强度值，比强度值为载荷/体积密度所得。载荷为将材料刺破时的作用力。采用的实验仪器为万能材料试验机Instron 5967，采用的夹具为铝合金材质的长方体，长为10cm，宽1.5cm，高3.5cm，盖板采用的是透明玻璃板，所采用的刺针的上夹持面为长方体状，尺寸为30mm长，20mm宽，5mm厚，在长方体的正中刺针上部直径为2.5mm，刺针长为60mm，下切削角为30°，测试后记录力学性能数据。
测试结果见下表2。
表2
增重率/％ 增厚率/％ 体积密度(g/cm<sup>3</sup>) 比强度/(N·cm<sup>3</sup>/g)
实施例1 21.58 41.09 0.254±0.003 71.98
实施例2 28.62 28.53 0.258±0.005 76.47
实施例3 33.89 28.30 0.262±0.002 82.85
实施例4 45.84 38.91 0.270±0.013 105.94
实施例5 47.00 25.94 0.266±0.017 75.23
实施例6 18.59 35.19 0.243±0.006 72.87
实施例7 23.39 49.54 0.262±0.009 110.61
实施例8 28.31 49.60 0.262±0.004 109.47
实施例9 28.21 58.14 0.248±0.003 115.00
实施例10 36.44 36.38 0.240±0.004 89.22
实施例11 27.80 13.40 0.292±0.004 66.79
实施例12 44.43 17.69 0.318±0.002 68.66
实施例13 45.81 18.14 0.322±0.004 72.41
实施例14 55.92 25.63 0.337±0.010 73.93
实施例15 84.15 34.24 0.232±0.011 116.15
实施例16 28.94 25.39 0.255±0.006 68.74
实施例17 42.76 12.20 0.271±0.007 74.08
实施例18 51.48 72.55 0.279±0.010 97.22
实施例19 62.48 20.27 0.301±0.011 97.26
实施例20 77.12 53.15 0.318±0.020 97.17
对比例 - - 0.269±0.002 27.99
由上表2可知，本发明实施例1～20中所制备的柔性抗静态穿刺材料的增重率在12％～60％之间，增厚率在18％～85％之间。说明经过聚氨酯溶液浸渍后，聚氨酯能够渗入涤纶长丝针刺布中，以使得任意一根涤纶长丝和与其相邻的涤纶长丝之间通过聚氨酯粘结，任意一根涤纶长丝被聚氨酯包覆。
由上表2可知，本发明实施例1～20中所制备的柔性抗静态穿刺材料，其抗静态穿刺性能得到了大幅提高。聚醚型聚氨酯浓度变化对材料的影响较小，其原因为：聚醚型聚氨酯浓度变化时，溶液粘度变化不大，故，聚醚型聚氨酯浓度变化时，浸渍至涤纶长丝表面的聚氨酯量变化不大。
本发明制备的柔性抗静态穿刺材料，采用了涤纶长丝针刺布，其由涤纶长丝无序杂乱排布，并进行层层铺层，最后采用针刺进行各层间结合而得到。涤纶长丝针刺布的结构和蚕茧本身的蚕丝排布相似，均为长丝无序杂乱排布，这种结构使得涤纶长丝针刺布具有能够对尖锐物产生较好阻力的潜能。但由于非织造材料本身的密度较小，涤纶长丝纤维间空隙较大且不均匀，涤纶长丝纤维相对松散，对尖锐物的阻隔性能较差。因此，本发明采用聚氨酯包裹涤纶长丝，增加穿刺时尖锐物与涤纶长丝之间的摩擦，提高材料的抗静态穿刺性能。
采用聚氨酯包裹涤纶长丝同时使涤纶长丝之间产生粘结，通过粘结作用使涤纶长丝之间的滑移阻力增大。参考附图1，若涤纶长丝之间无粘结，则刺针等尖锐物刺穿材料时，能够从多个涤纶长丝之间划过，最终穿透材料，材料的抗穿刺性所依靠的更多的是涤纶长丝和尖锐物之间的摩擦阻力，以及涤纶长丝间的联系对尖锐物产生阻碍，尖锐物推开涤纶长丝并穿透材料时，涤纶长丝对尖锐物产生反作用力，而这些阻力的作用有限，由此，刺穿材料的难度较低。
参考附图2～3，本发明实施例1和实施例2中制备得到的材料，其涤纶长丝之间有粘结，通过粘结作用使涤纶长丝之间的滑移阻力增大，刺针等尖锐物刺穿材料时，多个涤纶长丝之间不会出现纤维滑移，尖锐物必须要破坏多个涤纶长丝，使得多个涤纶长丝断裂而在材料上形成孔洞，才能够刺穿材料，由此穿透材料需要消耗更高的能量，难度更大，从而提高材料的抗静态穿刺性能。从附图2～3中可以明显看到，材料被刺穿所形成的孔洞，其边缘具有大量断裂的涤纶长丝，说明孔洞是由涤纶长丝断裂而形成的。
对于本发明实施例中的样品，聚氨酯使涤纶长丝之间建立了更紧密的联系，刺针等尖锐物在刺穿材料时，需要克服的有尖锐物和涤纶长丝之间的摩擦阻力、涤纶长丝纤维间的联系对尖锐物产生的反作用力，以及使涤纶长丝纤维断裂时涤纶长丝对尖锐物产生的反作用力。并且，由于涤纶长丝之间的联系加强，尖锐物很难将涤纶长丝推开，即使推开，也只能推开较少的位移而使尖锐物难以刺穿材料，从而尖锐物必须刺断涤纶长丝纤维才能做到穿透材料，而刺断涤纶长丝需要提供一个作用力使纤维拉伸变形直到断裂，由此，穿透材料的难度较大。
本发明的制备方法，改善了非织造材料针在抗静态穿刺性能方面的缺陷，解决了纤维易被推开，易滑移，结构较松散等问题。由于涤纶长丝针刺布本身具有柔性，且聚氨酯具有高弹性能，从而使得制备得到的材料不仅具有良好的抗静态穿刺性能，且仍保持较好的柔性。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种柔性抗静态穿刺材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将针刺布烘干至恒重，所述针刺布由多根涤纶长丝相互交织缠绕而成；
制备浓度为5～13wt％的聚氨酯溶液；
将烘干至恒重的针刺布置于所述聚氨酯溶液中浸渍处理0.5～1.5h；
将浸渍处理后的针刺布取出进行脱液处理，使其带液率在40～50％之间；
将带液率在40～50％之间的针刺布置于烘箱中处理，使任意一根涤纶长丝和与其相邻的涤纶长丝之间粘结，即得所述柔性抗静态穿刺材料。
2.根据权利要求1所述的柔性抗静态穿刺材料的制备方法，其特征在于，所述聚氨酯为聚醚型聚氨酯或聚酯型聚氨酯。
3.根据权利要求1所述的柔性抗静态穿刺材料的制备方法，其特征在于，所述烘干至恒重的针刺布的质量为m1，所述柔性抗静态穿刺材料的质量为m2，增重率为R1，
Figure FDA0003546203470000011
18％≤R1≤85％。
4.根据权利要求1所述的柔性抗静态穿刺材料的制备方法，其特征在于，所述烘干至恒重的针刺布的厚度为h1，所述柔性抗静态穿刺材料的厚度为h2，增厚率为R2，
Figure FDA0003546203470000012
12％≤R2≤60％。
5.根据权利要求1所述的柔性抗静态穿刺材料的制备方法，其特征在于，所述步骤“将带液率在40～50％之间的针刺布置于烘箱中处理”中，烘箱温度为40～70℃，处理时间为2～3h。
6.根据权利要求1所述的柔性抗静态穿刺材料的制备方法，其特征在于，所述步骤“将针刺布烘干至恒重”中，将针刺布置于50～60℃的烘箱中烘干至恒重。
7.根据权利要求1所述的柔性抗静态穿刺材料的制备方法，其特征在于，所述步骤“制备浓度为5～13wt％的聚氨酯溶液”中，将聚氨酯溶液置于二甲基甲酰胺中，20～25℃下搅拌8～14h即得聚氨酯溶液。
8.根据权利要求1所述的柔性抗静态穿刺材料的制备方法，其特征在于，所述步骤“将浸渍处理后的针刺布取出进行脱液处理”中，采用轧车对浸渍处理后的针刺布进行脱液处理。
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