CN113063319A - 一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔及其制备方法，包括缓冲层、PE防弹层、增强层，缓冲层、PE防弹层和增强层由内至外依次叠合，在相邻层间涂覆胶黏剂，然后在高温下胶黏热固化。本发明通过独特结构设计及工艺操作，使PE防弹层的抗弹性能得到充分的发挥，大幅度提高防弹头盔的抗弹效果，多层复合的结构设计可以消耗大量的子弹冲击能，同时提高了防弹头盔的缓冲性能，显著降低头盔在子弹侵彻后的弹痕高度。本发明的头盔不仅面密度低(≤8.5kg/m2)，同时具有出色的抗凹陷性能，按照公安部标准《GA 293－2012警用防弹头盔及面罩》，采用1951年式7.62mm手枪弹(铅芯弹)对防弹头盔进行五发子弹的射击试验，五发子弹侵彻造成的动态凹陷值都低于25mm。
Description
技术领域
本发明涉及防弹头盔技术领域，特别涉及一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔及其制备方法。
背景技术
目前应用最广泛的轻质复合防弹头盔主要包括芳纶复合盔和PE复合盔两大类。相比之下，PE复合盔具有轻质、价格低廉等优点，是超轻质防弹头盔发展的主流方向之一。但现有的PE头盔因为采用整体成型工艺，难以做到在头盔的全部迎弹面都充分发挥PE防弹材料的防护性能，导致其抗弹防护等级较低，难以抵御手枪子弹的侵彻或者在子弹侵彻过程中产生过大的动态凹陷值。此外，由PE单一成分组成的头盔刚性较低，不能满足特定客户的需求。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔，解决了现有PE头盔防弹性能较差、动态凹陷较大的问题。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔，包括缓冲层、PE防弹层、增强层，所述缓冲层、PE防弹层和增强层由内至外依次叠合，在相邻层间涂覆胶黏剂，然后在高温下胶黏热固化。
作为优选，所述PE防弹层包括内外两层PE壳体，每层PE壳体分别包括五个模块，五个模块分别为头盔顶部模块和位于头盔四周的四个头盔侧部模块。
作为优选，外层PE壳体的头盔顶部模块的投影高度占整个头盔投影高度的1/6-1/7，内层PE壳体的头盔顶部模块的投影高度比外层壳体的头盔顶部模块大30-40mm；
作为优选，内外两层壳体的五个模块的连接缝相距大于或等于30mm。
作为优选，所述缓冲层由玻璃纤维复合材料组成。
作为优选，所述增强层由碳纤维复合材料、芳纶纤维复合材料、玻璃纤维复合材料的一种或多种组成。
作为优选，所述缓冲层、PE防弹层、增强层的面密度比例为1:5-7:1。
本发明的第二个目的是提供一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将头盔的PE防弹层分割为内外两层，每层包含五个模块，五个模块分别为头盔顶部模块和位于头盔四周的四个头盔侧部模块；
步骤二，在模具中将多层PE防弹材料叠加，在120-128℃和20-30MPa压力下高温保压25-30min，然后保持压力不变，降温至30-40℃，继续保压5-10min，得到相应的PE 防弹层的五个模块；
步骤三，将同一组的五个模块按照防弹头盔的形状组合在一起，放入定位模具内腔，并在相邻的模块之间涂上一层热塑性胶层，在定位模具中固化成型后取出，分别得到内、外两层PE壳体；
步骤四，在成形模具中，按照增强层、外层PE壳体、内层PE壳体、缓冲层的顺序叠合在一起，两层PE壳体之间涂上一层面密度为80-200g/m2的热塑性胶层；在增强层与外层PE壳体之间涂上一层80-200g/m2的热固性胶层，在缓冲层与内层PE壳体之间涂上一层80-200g/m2的热固性胶层；
步骤五，在成形模具中，将增强层、外层PE壳体、内层PE壳体、缓冲层在90-110℃和20-25MPa压力下保压40-60min，复合而成防弹头盔。
作为优选，步骤二中所述的PE防弹材料为PE纤维机织布、PE无纬布、PE膜的一种。
本发明的有益效果：
1、与已有的类似技术相比，本发明采用五块PE拼接成PE壳体的方法，组成每块板中的 PE纤维容易做到择优取向一致，且容易使PE防弹材料复合而成的每一个PE板的致密度超过 98％且均匀，充分发挥PE板的抗弹性能，显著提高了头盔的抗弹性能；
2、通过内外两层PE壳体错位复合形成PE整体防弹层的方法，保证了头盔所有迎弹面均具有相同的抗弹防护能力，从而为本发明所述PE防弹头盔的高防弹性能奠定了坚实基础；
3、本发明采用缓冲层、PE防弹层、增强层复合形成一种以PE防弹材料为基础的复合防弹材料头盔，发挥了三种不同材质在阻止子弹侵彻、降低弹击瞬间凹陷值等方面各自的优势，不但保持了PE防弹头盔超轻质高防护性能的优点，而且提高了防弹头盔的整体刚性，显著降低了头盔在子弹侵彻后的瞬间凹陷值。
附图说明
图1是本发明实施例中的防弹头盔剖面图；
图2是本发明实施例中PE防弹层的外壳体的五个模块的切割图；
图3是本发明实施例中PE防弹层的内壳体的五个模块的切割图；
图中：1-增强层，2-PE防弹层，201-外层PE壳体，202-内层PE壳体，3-缓冲层，4-头盔顶部模块，5-头盔前部模块，6-头盔后部模块，7-头盔左部模块，8-头盔右部模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后，可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例1：如图1、图2和图3所示，一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔，包括缓冲层3、PE防弹层2、增强层1，所述缓冲层3、PE防弹层2和增强层1由内至外依次叠合，在相邻层间涂覆胶黏剂，然后在高温下胶黏热固化。
缓冲层3、PE防弹层2、增强层1的面密度比例为1:7:1，缓冲层3由玻璃纤维复合材料组成，增强层1由碳纤维复合材料组成。
PE防弹层2包括外层PE壳体201和内层PE壳体202，每层PE壳体分别包括五个模块，五个模块分别为头盔顶部模块4和位于头盔四周的四个头盔侧部模块，其中四个头盔侧部模块分别为头盔前部模块5、头盔后部模块6、头盔左部模块7和头盔右部模块8。
其中外层PE壳体201的头盔顶部模块4的投影高度占整个头盔投影高度的1/6，内层PE 壳体202的头盔顶部模块4的投影高度比外层壳体201的头盔顶部模块4大35mm；内外两层壳体的五个模块的连接缝相距大于或等于30mm。
一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将头盔的PE防弹层2分割为内外两层，每层包含五个模块，五个模块分别为头盔顶部模块4和位于头盔四周的四个头盔侧部模块；其中外层PE壳体201的头盔顶部模块4 的投影高度占整个头盔投影高度的1/6，内层PE壳体202的头盔顶部模块4的投影高度比外层壳体201的头盔顶部模块4大35mm；内、外两层PE壳体四周的对应模块的相对转动角度为45°，并根据内外两层壳体的头盔顶部模块4的尺寸进行相应的调整。
步骤二，在模具中将多层预浸料PE无纬布叠加，在128℃和25MPa压力下高温保压25 min，然后保持压力不变，降温至35℃，继续保压10min，然后取出，得到相应的PE防弹层2的五个模块，五个模块的面密度为2.8kg/m2，致密度达到99.0％。
采用同样工艺，将适当数量的剪裁好尺寸的预浸料PE无纬布叠加在一起，在128℃和 25MPa压力下高温保压25min，保持压力不变，降温至35℃，继续保压10min，然后取出，得到面密度为2.8kg/m2的外层PE壳体的组成模块，每个PE模块的致密度达到99.0％。
步骤三，将同一组的五个模块按照防弹头盔的形状组合在一起，放入定位模具内腔，并在相邻的模块之间涂上一层热塑性胶层，热塑性胶层的面密度为60g/m2，在定位模具中固化成型后取出，分别得到内、外两层PE壳体。
步骤四，在成形模具中，按照增强层1、外层PE壳体、内层PE壳体、缓冲层3的顺序叠合在一起，两层PE壳体之间涂上一层面密度为120g/m2的热塑性胶层；在增强层1与外层 PE壳体之间涂上一层120g/m2的热固性胶层，在缓冲层3与内层PE壳体之间涂上一层120g/m2的热固性胶层；其中玻璃纤维缓冲层和碳纤维增强层的面密度都是0.8kg/m2。
步骤五，在成形模具中，将增强层1、外层PE壳体、内层PE壳体、缓冲层3在106℃和25MPa压力下保压60min，复合而成防弹头盔，头盔整体面密度为7.65kg/m2。
实施例2：如图1、图2和图3所示，一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔，包括缓冲层3、PE防弹层2、增强层1，缓冲层3、PE防弹层2和增强层1由内至外依次叠合，在相邻层间涂覆胶黏剂，然后在高温下胶黏热固化。
缓冲层3、PE防弹层2、增强层1的面密度比例为1:6:1，缓冲层3由玻璃纤维复合材料组成，增强层1由芳纶纤维复合材料组成。
一种超高分子量聚乙烯PE复合材料防弹头盔的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将头盔的PE防弹层2分割为内外两层，每层包含五个模块，五个模块分别为头盔顶部模块以及头盔四周分割为四块。其中外壳体顶部一块的投影高度为整个头盔高度的 1/7，内壳体投影高度比外壳体顶部投影高度大30mm；以头盔正视图中心线为核心，内层PE 壳体四周的四块按照以下弧度进行分割：第一块，-50°～+50°；第二块，+50°～+130°；第三块，+130°～+230°；第四块，+230°～+310°；外层PE壳体四周的组成部分与内层PE壳体对应模块的相对转动角度为45°；内外两层PE壳体四周模块的高度尺寸根据内外两层壳体的顶部模块的尺寸进行相应的调整。
步骤二，在相应的模具中，将适当数量的剪裁好尺寸的PE纤维机织物叠加在一起，在 126℃和30MPa压力下高温保压25min，保持压力不变，降温至35℃，继续保压10min，然后取出，得到面密度为2.7kg/m2的PE内层壳体组成模块，每个PE模块的致密度达到98.5％。
采用同样工艺，在相应的模具中，将适当数量的剪裁好尺寸的PE纤维机织物叠加在一起，在126℃和30MPa压力下高温保压25min，保持压力不变，降温至35℃，继续保压10min，然后取出，得到面密度为2.7kg/m2的PE外层壳体组成模块，每个PE模块的致密度达到98.5％。
步骤三，将同一壳层的五个PE防弹片按照防弹头盔的形状组合在一起，放入定位模具内腔，并在相邻的PE防弹片之间涂上一层面密度为80g/m2的热塑性胶层，在定位模具中固化成型后取出，分别得到内、外两层PE壳体；
步骤四，在成形模具中，按照防弹头盔预先设计好的位置，将玻璃纤维缓冲层、内外PE 防弹壳层、芳纶纤维增强层按照内外的次序叠合在一起，在内外两层PE壳体之间涂上一层面密度为160g/m2的热塑性胶层；在芳纶纤维增强层与外层PE壳体之间涂上一层200g/m2的热固性胶层，在玻璃纤维缓冲层与内层PE壳体之间涂上一层200g/m2的热固性胶层。其中玻璃纤维缓冲层和芳纶纤维增强层的面密度都是0.9kg/m2。
步骤五，在成形模具中，将上述各个组成部分叠合在一起，在108℃和25MPa压力保压45min复合而成防弹头盔，防弹头盔的整体面密度为7.84kg/m2。
实施例3：如图1、图2和图3所示，一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔，包括缓冲层3、PE防弹层2、增强层1，缓冲层3、PE防弹层2和增强层1由内至外依次叠合，在相邻层间涂覆胶黏剂，然后在高温下胶黏热固化。
缓冲层3、PE防弹层2、增强层1的面密度比例为1:5:1，缓冲层3由玻璃纤维复合材料组成，增强层1由玻璃纤维复合材料组成。
一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将头盔的PE防弹层2分割为内外两层，每层包含五个模块，五个模块分别为头盔顶部模块4和位于头盔四周的四个头盔侧部模块；其中外层PE壳体201的头盔顶部模块4 的投影高度占整个头盔投影高度的1/6，内层PE壳体202的头盔顶部模块4的投影高度比外层壳体201的头盔顶部模块4大40mm；内、外两层PE壳体四周的对应模块的相对转动角度为45°，并根据内外两层壳体的头盔顶部模块4的尺寸进行相应的调整。
步骤二，在模具中将多层PE膜叠加，在120℃和20MPa压力下高温保压30min，然后保持压力不变，降温至30℃，继续保压10min，然后取出，得到相应的PE防弹层2的五个模块，五个模块的面密度为2.75kg/m2，致密度达到99.0％。
采用同样工艺，将适当数量的剪裁好尺寸的PE膜叠加在一起，在120℃和20MPa压力下高温保压30min，保持压力不变，降温至30℃，继续保压10min，然后取出，得到面密度为2.75kg/m2的外层PE壳体的组成模块，每个PE模块的致密度达到99.0％。
步骤三，将同一组的五个模块按照防弹头盔的形状组合在一起，放入定位模具内腔，并在相邻的模块之间涂上一层热塑性胶层，热塑性胶层的面密度为100g/m2，在定位模具中固化成型后取出，分别得到内、外两层PE壳体。
步骤四，在成形模具中，按照增强层1、外层PE壳体、内层PE壳体、缓冲层3的顺序叠合在一起，两层PE壳体之间涂上一层面密度为200g/m2的热塑性胶层；在增强层1与外层 PE壳体之间涂上一层80g/m2的热固性胶层，在缓冲层3与内层PE壳体之间涂上一层80g/m2的热固性胶层，其中缓冲层3、增强层1的面密度均为1.1kg/m2。
步骤五，在成形模具中，将增强层1、外层PE壳体、内层PE壳体、缓冲层3在90℃和25MPa压力下保压60min，复合而成防弹头盔，头盔整体面密度为8.16kg/m2。
实施例4：如图1、图2和图3所示，一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔，包括缓冲层3、PE防弹层2、增强层1，所述缓冲层3、PE防弹层2和增强层1由内至外依次叠合，在相邻层间涂覆胶黏剂，然后在高温下胶黏热固化。
缓冲层3、PE防弹层2、增强层1的面密度比例为1:7:1，缓冲层3由玻璃纤维复合材料组成，增强层1由纶纤维复合材料组成。
一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将头盔的PE防弹层2分割为内外两层，每层包含五个模块，五个模块分别为头盔顶部模块4和位于头盔四周的四个头盔侧部模块；其中外层PE壳体201的头盔顶部模块4 的投影高度占整个头盔投影高度的1/6，内层PE壳体202的头盔顶部模块4的投影高度比外层壳体201的头盔顶部模块4大30mm；内、外两层PE壳体四周的对应模块的相对转动角度为45°，并根据内外两层壳体的头盔顶部模块4的尺寸进行相应的调整。
步骤二，在模具中将多层PE无纬布叠加，在120℃和30MPa压力下高温保压30min，然后保持压力不变，降温至40℃，继续保压5min，然后取出，得到相应的PE防弹层2的五个模块，五个模块的面密度为3.15kg/m2，致密度达到99.0％。
采用同样工艺，将适当数量的剪裁好尺寸的PE无纬布叠加在一起，在120℃和30MPa 压力下高温保压30min，保持压力不变，降温至40℃，继续保压5min，然后取出，得到面密度为3.15kg/m2的外层PE壳体的组成模块，每个PE模块的致密度达到99.0％。
步骤三，将同一组的五个模块按照防弹头盔的形状组合在一起，放入定位模具内腔，并在相邻的模块之间涂上一层热塑性胶层，热塑性胶层的面密度为60g/m2，在定位模具中固化成型后取出，分别得到内、外两层PE壳体。
步骤四，在成形模具中，按照增强层1、外层PE壳体、内层PE壳体、缓冲层3的顺序叠合在一起，两层PE壳体之间涂上一层面密度为100g/m2的热塑性胶层；在增强层1与外层PE壳体之间,缓冲层3与内层PE壳体之间均涂上一层100g/m2的热固性胶层。其中缓冲层3、增强层1的面密度均为0.9kg/m2。
步骤五，在成形模具中，将增强层1、外层PE壳体、内层PE壳体、缓冲层3在110℃和20MPa压力下保压40min，复合而成防弹头盔，头盔整体面密度为8.46kg/m2。
对比例1：一种超高分子量聚乙烯PE复合材料防弹头盔，包括玻璃纤维缓冲层、PE防弹层、碳纤维增强层，三层坯体的面密度比例为1:6:1，按照图1所示的次序叠合在一起，在相邻层间涂覆胶黏剂，然后在高温下胶黏热固化，得到防弹头盔。
一种超高分子量聚乙烯PE复合材料防弹头盔的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，在相应的模具中，将适当数量的剪裁好尺寸的PE纤维织物预浸料叠加在一起，在128℃和25MPa压力下高温保压25min，保持压力不变，降温至35℃，继续保压10min，然后取出，得到面密度为7kg/m2的防弹头盔的PE防弹层；
步骤二，在成形模具中，按照防弹头盔预先设计好的位置，将玻璃纤维缓冲层、PE防弹层、碳纤维增强层依次叠合在一起，其中玻璃纤维缓冲层和碳纤维增强层的面密度都是1 kg/m2，相邻两层之间涂上一层面密度为200g/m2的热固性胶黏剂；在108℃和25MPa压力保压45min复合而成防弹头盔，头盔的整体面密度为8.40kg/m2。
对比例2：一种超高分子量聚乙烯PE防弹头盔的制备方法包括如下步骤：
步骤一，按照图2和图3的方法分别将防弹头盔分割为两组，每组包含五个模块，五个组成模块分别为头盔顶部一块，以及头盔四周等弧度分割为四块。其中外壳体顶部一块的投影高度为整个头盔投影高度的1/6，内壳体投影高度比外壳体顶部投影高度大35mm；内、外两层PE壳体四周的组成部分的对应模块的相对转动角度为45°，并根据内外两层壳体的顶部模块的尺寸进行相应的调整；
步骤二，在相应的模具中，将适当数量的剪裁好尺寸的PE纤维织物预浸料叠加在一起，在128℃和25MPa压力下高温保压25min，保持压力不变，降温至35℃，继续保压10min，然后取出，得到面密度为4.1kg/m2的PE内壳层组成模块，每个PE模块的致密度达到99.0％；
采用同样工艺，在相应的模具中，将适当数量的剪裁好尺寸的PE纤维织物预浸料叠加在一起，在128℃和25MPa压力下高温保压25min，保持压力不变，降温至35℃，继续保压10min，然后取出，得到面密度为4.1kg/m2的PE外壳层组成模块，每个PE模块的致密度达到99.0％；
步骤三，将同一壳层的五个PE防弹片按照防弹头盔的形状组合在一起，放入定位模具内腔，并在相邻的PE防弹片之间涂上一层面密度为80g/m2的胶层，在定位模具中固化成型后取出，分别得到内、外两层PE壳体；
步骤四，在成形模具中，按照防弹头盔预先设计好的位置，将内、外PE防弹壳层叠合在一起，相邻两层之间涂上一层面密度为180g/m2的热塑性胶黏剂，在106℃和25MPa压力保压60min复合而成防弹头盔，防弹头盔的整体面密度为8.46kg/m2。
表1六种头盔在子弹侵彻时的平均动态凹陷值(mm)*
*检测依据为GA 293-2012警用防弹头盔及面罩。
Claims (9)
1.一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔，其特征在于：包括缓冲层(3)、PE防弹层(2)、增强层(1)，所述缓冲层(3)、PE防弹层(2)和增强层(1)由内至外依次叠合，在相邻层间涂覆胶黏剂，然后在高温下胶黏热固化。
2.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔，其特征在于：所述PE防弹层(2)包括内外两层PE壳体，每层PE壳体分别包括五个模块，五个模块分别为头盔顶部模块(4)和位于头盔四周的四个头盔侧部模块。
3.根据权利要求2所述的一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔，其特征在于：外层PE壳体的头盔顶部模块(4)的投影高度占整个头盔投影高度的1/6-1/7，内层PE壳体的头盔顶部模块(4)的投影高度比外层壳体的头盔顶部模块(4)大30-40mm。
4.根据权利要求3所述的一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔，其特征在于：内外两层壳体的五个模块的连接缝相距大于或等于30mm。
5.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔，其特征在于：所述缓冲层(3)由玻璃纤维复合材料组成。
6.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔，其特征在于：所述增强层(1)由碳纤维复合材料、芳纶纤维复合材料、玻璃纤维复合材料的一种或多种组成。
7.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔，其特征在于：所述缓冲层(3)、PE防弹层(2)、增强层(1)的面密度比例为1:5-7:1。
8.一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，将头盔的PE防弹层(2)分割为内外两层，每层包含五个模块，五个模块分别为头盔顶部模块(4)和位于头盔四周的四个头盔侧部模块；
步骤二，在模具中将多层PE防弹材料叠加，在120-128℃和20-30MPa压力下高温保压25-30min，然后保持压力不变，降温至30-40℃，继续保压5-10min，得到相应的PE防弹层(2)的五个模块；
步骤三，将同一组的五个模块按照防弹头盔的形状组合在一起，放入定位模具内腔，并在相邻的模块之间涂上一层热塑性胶层，在定位模具中固化成型后取出，分别得到内、外两层PE壳体；
步骤四，在成形模具中，按照增强层(1)、外层PE壳体、内层PE壳体、缓冲层(3)的顺序叠合在一起，两层PE壳体之间涂上一层面密度为80-200g/m2的热塑性胶层；在增强层(1)与外层PE壳体之间涂上一层80-200g/m2的热固性胶层，在缓冲层(3)与内层PE壳体之间涂上一层80-200g/m2的热固性胶层；
步骤五，在成形模具中，将增强层(1)、外层PE壳体、内层PE壳体、缓冲层(3)在90-110℃和20-25MPa压力下保压40-60min，复合而成防弹头盔。
9.根据权利要求8所述的一种超高分子量聚乙烯复合材料防弹头盔的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的PE防弹材料为PE纤维机织布、PE无纬布、PE膜的一种。
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