CN113211819A - 复合防爆桶及纤维复合曲面构件成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种危险品处置装置，特别涉及一种防爆桶。一种复合防爆桶，包括：两端开口且中心的环形桶身，设置在桶身内部的内置网兜以及盖装在桶身顶部开口处的桶顶盖；桶身为多层结构，从外向内依次为外包覆层、缓冲层、纤维防弹层、中间复合层和内冲击波吸收层；其中中间复合层包括沿轴向位于桶身中间位置的中层冲击波吸收层、位于中层冲击波吸收层上方的顶部灭火层以及位于中层冲击波吸收层下方的底部防泄漏层。该复合防爆桶具有质量轻，防护能力强，二次伤害低，可靠性高的特点。此外，本发明提供一种桶身中的纤维防弹层的一体化成型制作方法，可以改进当前柔性防爆毯、防爆桶防护层生产方法普遍采用的防弹高性能纤维布叠层缝合制作工艺，提升防护能力，减轻产品重量。

Description

复合防爆桶及纤维复合曲面构件成型方法
技术领域
本发明涉及一种危险品处置装置，特别涉及一种复合防爆桶。
背景技术
防弹防爆是当前国际公共安全、工业安全与军事安全中的重要领域。防爆装备目前主要有两种：一种是通过本身结构硬防护，如钢制防爆桶，刚性防爆板、混凝土墙体等。其中钢制防爆桶主要制作过程是采用无缝钢管或半球，通过机加和焊接而成。其一般为圆筒形或球形。刚性防爆板采用金属结构为主，可通过冲压、折弯、机加、焊接、3D打印等多种成型方式，可以针对各类复杂异型结构进行设计。混凝土结构也可以根据设计进行较为复杂的结构的施工。这种采用传统金属结构和混凝土具有加工简单，成本低廉的特点，但是装备重量大，容易产生二次伤害。
另一种是通过复合材料制成，由于复合材料具有各自的特点，会针对自身特点进行设计装备。碳纤维、玻璃纤维、UHMWPE、芳纶材料是当前防护领域最为常用的防护材料。针对防爆毯来说，主要防弹结构是通过多层纤维布(主要为PE布)叠加而成，纤维布层之间无连接，该结构具有质量轻，二次伤害弱的特点；但是其存在防护能力弱，产品尺寸较大缺点。还有的是将纤维布(主要为芳纶布)通过缠绕后灌胶进行制作，层间连接强度弱，由于灌胶本身的防弹防爆能力弱，所以达到相同级别的防护水平，制成的装备厚度大，重量大。针对防弹衣来说，对于低速弹片，主要将UHMWPE/芳纶布裁剪后作为芯片安装在衬衣外套内，对于高速弹片，一般将PE不进行热压成板材提高其防弹性能，然后作为芯片安装在衬衣外套内。
此外，典型的防弹板主要通过热压机将纤维材料压制成板材，此种板材具有工艺简单、生产成本低的特点，广泛应用于防弹防爆领域。由于一般的板材为平面形状或简单弧面，在稍微复杂形状的防护结构中无法应用，典型结构如圆柱面无法通过常规的压机工艺进行生产。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种复合防爆桶，能够满足爆炸防护需求和装备轻量化设计需求。
本发明的技术方案是：一种复合防爆桶，包括：两端开口且中空的环形桶身，设置在桶身内部的内置网兜以及盖装在桶身顶部开口处的桶顶盖；其特征在于：
所述桶身从外向内依次为：外包覆层、缓冲层、纤维防弹层、中间复合层和内冲击波吸收层；
所述内冲击波吸收层的外表面内凹形成用于容纳所述中间复合层的环形腔；所述中间复合层沿轴向从上往下依次为：顶部灭火层、中层冲击波吸收层和底部防泄漏层；
所述纤维防弹层采用一体式的层压结构，为通过纤维复合布热压而成的纤维复合板。
在上述方案的基础上，进一步的，用于形成所述纤维防弹层的纤维复合布为芳纶纤维、PE纤维、玻璃纤维、PEO纤维中的任一种或一种以上的混合。
在上述方案的基础上，进一步的，所述桶顶盖包括：顶盖主体、顶盖防弹层以及顶盖封装；
所述顶盖主体采用密度为5～25kg/m3的泡沫制备；所述顶盖主体具有中心盲孔，盲孔内部填充防爆灭火液体；所述防爆灭火液体表面依次设置顶盖防弹层和顶盖封装以封闭该盲孔。
在上述方案的基础上，进一步的，所述防爆灭火液体中添加有无机纳米多孔吸附粒子。
在上述方案的基础上，进一步的，所述内置网兜位于桶身高度的1/3～2/5位置处。
在上述方案的基础上，进一步的，所述内冲击波吸收层采用密度为50～200kg/m3的多孔泡沫材料制成。
在上述方案的基础上，进一步的，所述内冲击波吸收层从内向外采用密度不同的多孔泡沫材料，且从内向外多孔泡沫材料的密度递增。
在上述方案的基础上，进一步的，所述底部防泄漏层内部填充多孔液体防护材料或混合有纳米材料的多孔液体防护材料。
在上述方案的基础上，进一步的，所述中层冲击波吸收层采用密度为所述内冲击波吸收层密度1.5～2倍的多孔泡沫材料。
在上述方案的基础上，进一步的，所述缓冲层采用密度为5～25kg/m3的泡沫材料。
此外，本发明提供一种纤维复合曲面构件成型方法，用于制备上述纤维防弹层；其制作工艺如下：
步骤1：根据设计好的纤维布尺寸和层数，裁剪纤维布；
步骤2：将纤维布围绕成型模具进行铺层作业，并使用高温胶带进行的铺层与成型模具固定，同时使用阳模贴合铺层并紧固；铺层完成后使用耐高温真空袋对其进行整体包覆，并抽真空至设定值，得到真空袋包覆件；
步骤3：真空加压高温热压罐预成型：
将真空袋包覆件置于热压罐中，关闭釜门；通过热压罐对真空袋包覆件进行高温热压，由此得到预成型纤维复合曲面构件；
步骤4：温等静压压制工艺：
将预成型纤维复合曲面构件放入温等静压机中，压制温度高于预成型最高温度10℃，压力为18MPa～30MPa，保压设定时间；
步骤5：压制完成后，保压降温，温度降至设定值后卸压。
步骤6：取出复合好的纤维复合曲面构件，拆除真空袋、阳模及高温胶带。
有益效果：
(1)该复合防爆桶具有质量轻，防护能力强，二次伤害低，可靠性高的特点。
(2)桶身中的纤维防弹层采用一体化成型方法制作，可以改进当前柔性防爆毯、防爆桶防护层生产方法普遍采用的防弹高性能纤维布叠层缝合制作工艺，提升防护能力，减轻产品重量。
附图说明
图1为本发明的复合防爆桶的整体图；
图2为复合防爆桶顶盖结构图；
图3为复合防爆桶桶身结构图；
图4为复合防爆桶网兜结构图。
其中：1-桶顶盖，2-桶身，3-内置网兜；1.1-防爆灭火液体；1.2-顶盖防弹层，1.3-顶盖封装，1.4-顶盖主体；2.1-内冲击波吸收层，2.2-底部防泄漏层，2.3-中层冲击波吸收层，2.4-纤维防弹层，2.5-缓冲层，2.6-外包覆层，2.7-顶部灭火洗消层；3.1-魔术贴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例提供一种能够满足爆炸防护需求和装备轻量化设计需求的复合防爆桶。
如图1所示，该复合防爆桶包括：两端开口且中空的环形桶身2，设置在桶身2内部的内置网兜3以及盖装在桶身2顶部开口处的桶顶盖1。
如图3所示，桶身2为多层结构，从外向内依次为外包覆层2.6、缓冲层2.5、纤维防弹层2.4、中间复合层和内冲击波吸收层2.1；其中中间复合层包括沿轴向位于桶身中间位置的中层冲击波吸收层2.3、位于中层冲击波吸收层2.3上方的顶部灭火层2.7以及位于中层冲击波吸收层2.3下方的底部防泄漏层2.2；内冲击波吸收层2.1的外表面具有内凹面形成用于容纳中间复合层的环形腔(即内冲击波吸收层2.1的上下端向外延伸环形凸台从而在其外表面形成环形容纳腔)。
其中，内冲击波吸收层2.1采用低密度多孔泡沫材料制成(密度为50～200kg/m3)，如聚氨酯泡沫，聚乙烯泡沫或聚烯烃泡沫等；利用发泡材料中的多孔结构，形成很多个腔室，使得爆炸产生的冲击波在这些腔室内形
成压缩，减少爆炸冲击波威力。进一步的，内冲击波吸收层2.1从内向外可采用梯度密度(即从内向外采用密度不同的多孔泡沫材料)，靠近内层采用密度较低的泡沫，靠近外层采用密度较高的泡沫，即从内向外采用密度递增的多孔泡沫材料，这样会更加有利于冲击波的能量吸收。
底部防泄漏层2.2采用高强度的袋，其内部灌装多孔液体防护材料或混合有纳米材料的多孔液体防护材料(即混合液体)。多孔液体防护材料常温下成流动态，其内部的单元分子具有稳定的空腔结构，在爆炸瞬间，摧毁其内部的空腔结构，同时多孔的空腔结构能够有效的将冲击波在腔室内部进行反射折射，衰减抵消冲击波超压；底部防泄漏层2.2能够有效的避免冲击波从底部泄出，从而造成底部冲击波压力较高的现象。
中层冲击波吸收层2.3采用高密度的多孔泡沫材料(密度为内冲击波吸收层2.1的1.5～2倍，密度在75～400kg/m3)；由于高密度的多孔泡沫腔室更小更多，可以将内冲击波吸收层2.1打散的冲击波进行进一步吸收、反射折射弥散，降低冲击波压力峰值。
纤维防弹层2.4采用一体式的层压结构，为通过纤维复合布热压而成的纤维复合板，作为防弹装甲板；纤维复合布为芳纶纤维、PE纤维、玻璃纤维、PEO纤维中的任一种或一种以上的混合。采用一体式结构能够有效的针对破片和冲击波作用；由于相同防弹作用下，纤维复合板较常规的纤维缝制缠绕层要提高25％以上，相同的纤维复合板较传统的钢材重量减轻70％左右，能够极大的提高防爆防弹装备的使用灵活性。
防弹装甲板(即纤维防弹层2.4)的防弹机制是：纤维受冲击时，会把冲击波能量快速扩散开、纤维断裂时需吸收断裂能、板材整体弯曲变形及其层间滑移等过程中都要吸收弹头的能量，这些机制共同将弹头(或破片)的动能消耗殆尽，从而达到防弹的目的；而传统防弹高性能纤维布叠层的防弹机制主要依靠防弹纤维本身，其耗能、吸能防护能力低于防弹装甲板。参照《GA141-2010警用防弹衣》防护等级3级测试标准，相同材质在相同测试条件下，压制成装甲板结构面密度为5kg/㎡可有效防护79式7.62mm轻型冲锋枪射击的51式7.62mm手枪弹，而防弹高性能纤维布叠层结构则需达到面密度为6.5kg/㎡才能实现相同防护效果。采用装甲板结构可实现重量减轻23％的轻量化设计需求。
缓冲层2.5为大变形缓冲层，采用EVA、PE、EPS，泡沫密度为5～25kg/m3；在冲击波和破片作用下能够发生大变形以进行缓冲；缓冲层2.5内表面与纤维防弹层2.4通过粘接相连，外表面喷涂弹性材料；如果没有缓冲层2.5，直接将聚脲喷涂在用于形成纤维防弹层2.4纤维复合板上就会由于聚脲密度较大，且具有一定的硬度；纤维复合板在发生大变形过程中如果没有较好的缓冲层，就会降低防弹效能。
外包覆层2.6采用防火阻燃防水牛津布，在防火阻燃防水牛津布表面喷涂绝缘防静电漆，避免因为在处置过程中防爆桶存在静电，从而导致爆炸物意外爆炸。
如图2所示，桶顶盖1包括：顶盖主体1.4、顶盖防弹层1.2以及顶盖封装1.3；顶盖主体1.4采用泡沫，如EVA、PE、EPS，泡沫密度为5～25kg/m3；顶盖主体1.4具有中心盲孔，盲孔内部填充防爆灭火液体1.1；防爆灭火液体1.1采用泡沫灭火剂或水基灭火剂；进一步的，为提高其防爆性能，可以在防爆灭火液体1.1中添加无机纳米多孔吸附粒子，如纳米碳酸氢钠、活性炭、纳米沸石等，通过多孔的结构吸附冲击波和爆轰产物中的有害物质，同时由于其微粒结构，不会产生二次伤害。在防爆灭火液体1.1表面依次设置顶盖防弹层1.2和顶盖封装1.3以封闭该盲孔；顶盖防弹层1.2采用多层防弹纤维布层，如PE、芳纶、PBO纤维布等；顶盖封装1.3采用与顶盖主体1.4相同的泡沫材料，顶盖封装1.3与顶盖主体1.4之间通过粘接进行封装。封装完成后，在桶顶盖1外表面喷涂1-2mm聚脲再次进行封装，最后包裹防火阻燃防水牛津布进行外包装，在外包装表面喷涂绝缘防静电漆，避免因为在处置过程中装备存在静电，从而导致爆炸物意外爆炸。
如图4所示，网兜3采用尼龙网兜，通过其圆周方向的魔术贴3.1牢固连接在桶身2的内壁上。由于当爆炸物处于防爆桶的中心处时，具有最为良好的防爆效果，所以网兜3的位置设置为中间偏下一点，优先的，网兜3位于桶身2高度的1/3～2/5位置处；网兜3通过沿周向均布的8个魔术贴连接在桶身2的内壁上，网兜3承受的重量为15kg。网兜3的位置可以通过魔术贴进行调整。
采用该复合防爆桶对爆炸物的处置方式主要有两种：一种是非接触处置，抬动复合防爆桶遮罩住爆炸物；另一种是通过排爆杆将爆炸物夹取到网兜3中。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，进一步给出纤维防弹层2.4的制作工艺。
纤维防弹层2.4属于纤维复合曲面构件，其制作工艺如下：
(1)根据设计好的纤维布尺寸和层数的参数，裁剪纤维布，使之满足曲面构件尺寸铺层设计的要求。
(2)将纤维布围绕成型模具进行铺层作业，并使用高温胶带(耐温≮150℃)进行必要的铺层与成型模具固定，同时使用阳模贴合铺层并紧固，以保证产品表面光洁度，完成后使用耐高温真空袋整体包覆，抽真空，使用真空计计数，保证真空度≯200Pa。
(3)真空加压高温热压罐预成型：
将真空袋包覆件置于热压罐中，关闭釜门，确保釜门密闭。先提高压力至0.5MPa，观察真空计数值是否有明显变化，如真空计数值升高至100Pa以上，则需开釜检查真空袋密闭性。如真空计数值可稳定在200Pa以下，则输入工艺参数进行自动复合，工艺参数见表1。自动复合流程完成后，放置半小时后开罐，由此得到预成型纤维复合曲面构件。
表1热压罐工艺参数
阶段 温度 压强 时间
一阶段 85℃ 0.8MPa 60min
二阶段 120℃ 1.1MPa 120min
三阶段 100℃ 1.1MPa 60min
(4)温等静压压制工艺：将预成纤维复合曲面构件放入温等静压机中，压制温度高于预成型最高温度10℃，压力为18～30MPa，保压时间60min。
(5)压制完成后，保压降温，温度降至45℃，卸压。
(6)取出复合好的纤维复合曲面构件，拆除真空袋、阳模、透气毡及高温胶带。
将上述制成的纤维复合曲面构件的上、下及外表面喷涂1-2mm聚脲进行保护，由于聚脲材料具有优良的抗老化性能、抗冲击性能和一定的结构支撑及防弹防爆功能。最后在聚脲表面喷涂防火涂层。
采用上述复合曲面构件的成型工艺，可大幅度减轻防爆桶的质量，提高防护能力。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (11)

1.复合防爆桶，包括：两端开口且中空的环形桶身(2)，设置在桶身(2)内部的内置网兜(3)以及盖装在桶身(2)顶部开口处的桶顶盖(1)；其特征在于：
所述桶身(2)从外向内依次为：外包覆层(2.6)、缓冲层(2.5)、纤维防弹层(2.4)、中间复合层和内冲击波吸收层(2.1)；
所述内冲击波吸收层(2.1)的外表面内凹形成用于容纳所述中间复合层的环形腔；所述中间复合层沿轴向从上往下依次为：顶部灭火层(2.7)、中层冲击波吸收层(2.3)和底部防泄漏层(2.2)；
所述纤维防弹层(2.4)采用一体式的层压结构，为通过纤维复合布热压而成的纤维复合板。
2.如权利要求1所述的复合防爆桶，其特征在于：用于形成所述纤维防弹层(2.4)的纤维复合布为芳纶纤维、PE纤维、玻璃纤维、PEO纤维中的任一种或一种以上的混合。
3.如权利要求1所述的复合防爆桶，其特征在于：所述桶顶盖(1)包括：顶盖主体(1.4)、顶盖防弹层(1.2)以及顶盖封装(1.3)；
所述顶盖主体(1.4)采用密度为5～25kg/m3的泡沫制备；所述顶盖主体(1.4)具有中心盲孔，盲孔内部填充防爆灭火液体(1.1)；所述防爆灭火液体(1.1)表面依次设置顶盖防弹层(1.2)和顶盖封装(1.3)以封闭该盲孔。
4.如权利要求3所述的复合防爆桶，其特征在于：所述防爆灭火液体(1.1)中添加有无机纳米多孔吸附粒子。
5.如权利要求1所述的复合防爆桶，其特征在于：所述内置网兜(3)位于桶身(2)高度的1/3～2/5位置处。
6.如权利要求1所述的复合防爆桶，其特征在于：所述内冲击波吸收层(2.1)采用密度为50～200kg/m3的多孔泡沫材料制成。
7.如权利要求6所述的复合防爆桶，其特征在于：所述内冲击波吸收层(2.1)从内向外采用密度不同的多孔泡沫材料，且从内向外多孔泡沫材料的密度递增。
8.如权利要求1所述的复合防爆桶，其特征在于：所述底部防泄漏层(2.2)内部填充多孔液体防护材料或混合有纳米材料的多孔液体防护材料。
9.如权利要求6所述的复合防爆桶，其特征在于：所述中层冲击波吸收层(2.3)采用密度为所述内冲击波吸收层(2.1)密度1.5～2倍的多孔泡沫材料。
10.如权利要求1所述的复合防爆桶，其特征在于：所述缓冲层(2.5)采用密度为5～25kg/m3的泡沫材料。
11.纤维复合曲面构件成型方法，其特征在于：用于制备权利要求1所述的纤维防弹层(2.4)；其制作工艺如下：
步骤1：根据设计好的纤维布尺寸和层数，裁剪纤维布；
步骤2：将纤维布围绕成型模具进行铺层作业，并使用高温胶带进行的铺层与成型模具固定，同时使用阳模贴合铺层并紧固；铺层完成后使用耐高温真空袋对其进行整体包覆，并抽真空至设定值，得到真空袋包覆件；
步骤3：真空加压高温热压罐预成型：
将真空袋包覆件置于热压罐中，关闭釜门；通过热压罐对真空袋包覆件进行高温热压，由此得到预成型纤维复合曲面构件；
步骤4：温等静压压制工艺：
将预成型纤维复合曲面构件放入温等静压机中，压制温度高于预成型最高温度10℃，压力为18MPa～30MPa，保压设定时间；
步骤5：压制完成后，保压降温，温度降至设定值后卸压。
步骤6：取出复合好的纤维复合曲面构件，拆除真空袋、阳模及高温胶带。
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