CN113279083A - 一种用于防弹衣的弹性纤维织物及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于防弹衣的弹性纤维织物，是由生物纤维素纤维与氨纶纤维和金属纤维混纺制成。所述生物纤维素纤维、所述氨纶纤维、所述金属纤维之间的重量比例为5:3:2~7:2:1。所述生物纤维素纤维是将生物纤维素干燥后，溶解于溶剂体系中，经高速搅拌后得到纤维浆粕。所述金属纤维包括不锈钢纤维、铝纤维、镍纤维。本发明的弹性纤维织物具有质量轻、质地柔软透气，弹性大等特定，可有效吸收弹头或弹片的动能和热能，对手枪等低速弹头或弹片有明显的防护效果，并可织造为多种形式的弹性纤维织物，采用其制备成的防弹衣，具有可贴身穿着、透气吸汗、防护效果强等特点。

Description

一种用于防弹衣的弹性纤维织物及制备方法

技术领域

本发明涉及纺织技术领域，尤其是涉及一种用于防弹衣的弹性纤维织物及制备方法。

背景技术

防弹衣，又叫避弹衣，避弹背心，防弹背心，避弹服等，是一种单兵护体装具。用于防护弹头或弹片对人体的伤害。防弹衣主要由衣套和防弹层两部分组成。衣套常用化纤织品制作。防弹层是用金属（特种钢、铝合金、钛合金）、陶瓷片（刚玉、碳化硼、碳化硅、氧化铝）、玻璃钢、尼龙（PA）、凯芙拉（KEVLAR）、超高分子量聚乙烯纤维（DOYENTRONTEX Fiber）、液体防护材料等材料，构成单一或复合型防护结构。防弹层可吸收弹头或弹片的动能，对低速弹头或弹片有明显的防护效果，在控制一定的凹陷情况下可减轻对人体胸、腹部的伤害。

1945年6月，美国研制成功铝合金与高强尼龙组合的防弹背心，型号为M12步兵防弹衣。其中的尼龙66(学名聚酰胺66纤维)是当时发明不久的合成纤维，它的断裂强度(gf/d：克力/旦)为5.9～9.5，初始模量(gf/d)为21～58，比重为1.14克/(厘米)3，其强度几乎是棉纤维的二倍。70年代初，一种具有超高强度、超高模量、耐高温的合成纤维——凯夫拉(Kevlar)由美国杜邦(DuPont)公司研制成功，并很快在防弹领域得到了应用。这种高性能纤维的出现使柔软的纺织物防弹衣性能大为提高，同时也在很大程度上改善了防弹衣的舒适性。综上所述，近代防弹衣发展至今已出现了三代：第一代为硬体防弹衣，主要用特种钢、铝合金等金属作防弹材料。这类防弹衣的特点是：服装厚重，通常约有20千克，穿着不舒适，对人体活动限制较大，具有一定的防弹性能，但易产生二次破片。第二代防弹衣为软体防弹衣，通常由多层Kevlar等高性能纤维织物制成。其重量轻，通常仅为2～3千克，且质地较为柔软，适体性好，穿着也较为舒适，内穿时具有较好的隐蔽性，尤其适合警察及保安人员或政界要员的日常穿用。在防弹能力上，一般能防住5米以外手枪射出的子弹，不会产生二次弹片，但被子弹击中后变形较大，可引起一定的非贯穿损伤。另外对于步枪或机枪射出的子弹，一般厚度的软体防弹衣难以抵御。第三代防弹衣是一种复合式的防弹衣。通常以轻质陶瓷片为外层，Kevlar等高性能纤维织物作为内层，是目前防弹衣主要的发展方向。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种质量轻、质地柔软透气，弹性大，可有效吸收弹头或弹片的动能和热能，对手枪等低速弹头或弹片有明显的防护效果，并可织造为多种形式的弹性纤维织物，采用其制备成的防弹衣，具有可贴身穿着、透气吸汗、防护效果强等特点。

本发明采用的技术方案是：

一种用于防弹衣的弹性纤维织物，是由生物纤维素纤维与氨纶纤维和金属纤维混纺制成。

本发明的用于防弹衣的弹性纤维织物，其中所述生物纤维素纤维、所述氨纶纤维、所述金属纤维之间的重量比例为5:3:2~7:2:1。

本发明的用于防弹衣的弹性纤维织物，其中所述生物纤维素纤维是将生物纤维素干燥后，溶解于溶剂体系中，经高速搅拌后得到纤维浆粕。

本发明的用于防弹衣的弹性纤维织物，其中所述金属纤维包括不锈钢纤维、铝纤维、镍纤维。

本发明的用于防弹衣的弹性纤维织物，其中用于溶解生物纤维素的溶剂体系为碱溶液和二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基吡咯烷酮中的任一种的混合体系；所述碱溶液为氢氧化钠水溶液、氢氧化锂水溶液、氨水中的一种或几种的组合；所述氢氧化钠水溶液的浓度为4-10%；所述氢氧化锂水溶液的浓度为2-6%；所述氨水的浓度为30-40%。

本发明的用于防弹衣的弹性纤维织物，其中所述生物纤维素为采用可发酵生产生物纤维素的菌种接种入发酵培养基中进行静态发酵得到的膜状生物纤维素凝胶或动态发酵得到的粒状生物纤维素凝胶。

本发明的用于防弹衣的弹性纤维织物，其中所述可发酵生产生物纤维素的菌种包括醋酸菌属（Acetobacter）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）和八叠球菌属（Sarcina），优选为木葡糖酸醋杆菌。其中生物纤维素的发酵生产，可以使用任何能够为上述微生物提供生长繁殖条件的发酵培养基，优选使用含有椰子水的发酵培养基。

本发明的用于防弹衣的弹性纤维织物，生物纤维素干燥采用真空冷冻干燥或热风干燥。

本发明的用于防弹衣的弹性纤维织物，其中所述生物纤维素溶解后，优选再加入分散剂，经高速搅拌后得到纤维浆粕；所述分散剂为有机分散剂，包括Ｎ-甲基氧化吗啉、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇辛基苯基醚、聚乙烯基吡咯烷酮中的一种或两种。

本发明的用于防弹衣的弹性纤维织物的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备生物纤维素；

（2）将生物纤维素干燥后，溶解于溶剂体系中，经高速搅拌后得到纤维浆粕；

（3）在不断搅拌下，向步骤（2）的纤维浆粕中加入氨纶纤维和金属纤维，高速搅拌，制成纺丝原液；

（4）采用湿法纺丝，制成纤维，再织造为所述弹性纤维织物。

本发明的用于防弹衣的弹性纤维织物，创新性地使用生物纤维素这种新型材料作为吸收动能和热能的主要材料。生物纤维素（Biocellulose），又被称为细菌纤维素（Bacterial cellulose，BC），其是由醋酸菌属的微生物，如木醋杆菌等发酵制成的纤维素产品。目前多以废弃物，如椰子水、菠萝皮汁等作为发酵培养基培养得到，因此其成本低廉。得到的产品中含有高达95%以上的水分，因此又被称为生物纤维素凝胶。生物纤维素凝胶的制备方法是本领域已知的，如CN101671708、CN1840677A、CN101319242A中均有所公开。生物纤维素与植物纤维素相比无木质素、果胶和半纤维素等伴生产物，具有高结晶度（可达95%，植物纤维素的为65%）和高的聚合度(DP值2 000～8 000)；其具有超精细网状结构，生物纤维素纤维是由直径3～4 纳米的微纤组合成40～60 纳米粗的纤维束，并相互交织形成发达的超精细网络结构；其弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且抗张强度高；生物纤维素有很强的持水能力，同时具有较高的生物相容性、适应性和良好的生物可降解性。生物纤维素凝胶现有的产品主要用于食品、化妆品中，如用于制作果冻、酸奶，增加膳食纤维的摄入；或者用于制作面膜产品的载体；这些产品在制作过程中对生物纤维素的性状要求较高，一般均要经过切割，此时会产生很多的切割废弃物、边角料，通常情况下废弃不用。

本发明优选使用生物纤维素加工时的废弃物，如制作果冻或面膜时切割后的废弃边角料，或者发酵过程中成膜形状不好的废弃物等，不但可以降低成本，还可以将加工废弃物二次利用。刚生产得到的生物纤维素为凝胶性质的产品，纤维结晶程度高，但是具有高持水性和高弹性，无法直接将其用于纤维混纺。发明人研究将其干燥脱水后再溶于有机溶剂，可以打破生物纤维素分子结构中大量的氢键结构，降低天然生物纤维素的结晶程度，形成含有短切纤维的浆粕，再与氨纶纤维以及金属纤维混合后制备成纺丝原液，经混纺后得到纤维织物。由于生物纤维素纤维本身具有的比重轻、纯度高、弹性模量大等特性，与氨纶、金属纤维混纺后得到的纤维织物具有高弹性模量、质量轻、耐磨、弹性大、透气、可隔绝热量等特性。

进一步地，本发明提供一种防弹衣，包括弹性层，所述弹性层由上述的弹性纤维织物制成。本发明的弹性纤维织物可以直接织造制作为防弹背心，对于近距离手枪的动能和热能有良好的吸收作用，起到有效的防护；也可以再与某些外层复合，如轻质陶瓷片，复合后得到具有更强防护效果的防弹衣。所制作的防弹衣可以包括上衣、裤子、背心等等。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和对比实验来对本发明作进一步的说明，但是下文中的具体实施方法不应当被理解为对本发明的限制。本领域普通技术人员能够在本发明基础上显而易见地作出的各种改变和变化，应该均在本发明的范围之内。

一、制备生物纤维素。

实施例1

以椰子水作为培养基，接种经过活化的木葡糖酸醋杆菌，接种量为培养基重量的8%，28℃下浅盘静态发酵7天，在培养基表面获得生物纤维素膜，厚度为15mm。将其切割为适当形状的面膜产品后，剩余的边角小块凝胶产品备用。

实施例2

以葡萄糖3wt%、蔗糖2wt%、酵母膏1wt%、蛋白胨0.5wt%、磷酸氢二钠0.2wt%、磷酸氢二钾0.1wt%、硫酸镁0.1wt%、琼脂2wt%和91.1wt%的水配制成培养基，接种经过活化的木醋杆菌，接种量为培养基重量的10%，26℃下在摇瓶或其他容器中动态发酵5天，在培养基中获得球形的生物纤维素凝胶颗粒。

二、将生物纤维素干燥后，溶解于溶剂体系中，经高速搅拌后得到纤维浆粕。

实施例3

将实施例1得到的边角小块凝胶产品经热风干燥至含水量小于等于10%以下，然后溶于溶剂体系中，溶剂体系为6%的氢氧化钠水溶液和二甲基甲酰胺按体积比1:1的混合体系，连续搅拌，制得生物纤维素纤维浆粕。

实施例4

将实施例2得到的生物纤维素凝胶颗粒经真空冷冻干燥至含水量小于等于5%以下，然后溶于溶剂体系中，溶剂体系为4%的氢氧化锂水溶液和二甲基乙酰胺按体积比1:1的混合体系，连续搅拌，制得生物纤维素纤维浆粕。

实施例5

将实施例1得到的边角小块凝胶产品经热风干燥至含水量小于等于8%以下，然后溶于溶剂体系中，溶剂体系为40%的氨水和甲基吡咯烷酮按体积比1:1的混合体系，连续搅拌，制得生物纤维素纤维浆粕。

实施例6

将实施例2得到的生物纤维素凝胶颗粒经真空冷冻干燥至含水量小于等于5%以下，然后溶于溶剂体系中，溶剂体系为4%的氢氧化钠水溶液和2%的氢氧化锂水溶液和二甲基乙酰胺按体积比1:1:2的混合体系，连续搅拌，制得生物纤维素纤维浆粕。

实施例7

将实施例2得到的生物纤维素凝胶颗粒经真空冷冻干燥至含水量小于等于5%以下，然后溶于溶剂体系中，溶剂体系为4%的氢氧化锂水溶液和二甲基乙酰胺按体积比1:1的混合体系，再加入重量比2%的分散剂Ｎ-甲基氧化吗啉，连续搅拌，制得生物纤维素纤维浆粕。

实施例8

将实施例1得到的边角小块凝胶产品经热风干燥至含水量小于等于8%以下，然后溶于溶剂体系中，溶剂体系为40%的氨水和甲基吡咯烷酮按体积比1:1的混合体系，再加入重量比1%的分散剂聚乙烯基吡咯烷酮，连续搅拌，制得生物纤维素纤维浆粕。

三、在不断搅拌下，向步骤二的纤维浆粕中加入氨纶纤维和金属纤维，高速搅拌，制成纺丝原液。

实施例9

测定步骤二得到的纤维浆粕的黏度，再按照生物纤维素纤维与氨纶纤维、不锈钢纤维重量比为7:2:1的比例加入氨纶纤维（纤度为1-2D）、不锈钢纤维（纤度为1-2D），高速搅拌，制成纺丝原液。

实施例10

测定步骤二得到的纤维浆粕的黏度，再按照生物纤维素纤维与氨纶纤维、铝纤维重量比为6:2:2的比例加入氨纶纤维（纤度为1-2D）、铝纤维（纤度为1-2D），高速搅拌，制成纺丝原液。

实施例11

测定步骤二得到的纤维浆粕的黏度，再按照生物纤维素纤维与氨纶纤维、镍纤维重量比为5:3:2的比例加入氨纶纤维（纤度为1-2D）、镍纤维（纤度为1-2D），高速搅拌，制成纺丝原液。

四、采用湿法纺丝，制成纤维，再织造为所述弹性纤维织物。

实施例12

采用湿法纺丝工艺，纺丝原液经纺丝泵增压后通过直径为0.01-0.3mm的喷丝孔挤出，经凝固浴液形成纤维，然后经过50-70℃水洗、120-180℃烘干后，再经 270-450℃热处理，得到弹性很强的纤维，再织造为纤维织物。

按照上述方法制备得到的纤维，检测其物理性能如下：

表1 物理性能

纤密度

初始杨氏模量

断裂强度

最大拉伸强度

韧性

断裂伸长率

本发明得到的弹性纤维

3.1~5.9 dtex

52.9~75.8 cN/dtex

6.1~8.7 cN/dtex

120~190 cN/dtex

20~38 MJ/m<sup>3</sup>

50~80%

将上述纺丝纤维织造为面料，检测其弹性防弹性能，检测方法按照GA 950-2011防弹材料及产品V50试验方法中的有关要求以及规定来检测，其中弹道极限（BL）V50指的是某一种枪弹类型对试样形成穿透概率50%的着靶速度。检测结果发现本发明的弹性纤维织物V50可达650 m/s以上，具有良好的防弹性能。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (11)

1.一种用于防弹衣的弹性纤维织物，其特征在于：由生物纤维素纤维与氨纶纤维和金属纤维混纺制成。

2.根据权利要求1所述的用于防弹衣的弹性纤维织物，其特征在于：所述生物纤维素纤维、所述氨纶纤维、所述金属纤维之间的重量比例为5:3:2~7:2:1。

3.根据权利要求1所述的用于防弹衣的弹性纤维织物，其特征在于：所述生物纤维素纤维是将生物纤维素干燥后，溶解于溶剂体系中，经高速搅拌后得到纤维浆粕。

4.根据权利要求1所述的用于防弹衣的弹性纤维织物，其特征在于：所述金属纤维包括不锈钢纤维、铝纤维、镍纤维。

5.根据权利要求3所述的用于防弹衣的弹性纤维织物，其特征在于：所述溶剂体系为碱溶液和二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基吡咯烷酮中的任一种的混合体系；所述碱溶液为氢氧化钠水溶液、氢氧化锂水溶液、氨水中的一种或几种的组合；所述氢氧化钠水溶液的浓度为4-10%；所述氢氧化锂水溶液的浓度为2-6%；所述氨水的浓度为30-40%。

6.根据权利要求3所述的用于防弹衣的弹性纤维织物，其特征在于：所述生物纤维素为采用可发酵生产生物纤维素的菌种接种入发酵培养基中进行静态发酵得到的膜状生物纤维素凝胶或动态发酵得到的粒状生物纤维素凝胶。

7.根据权利要求6所述的用于防弹衣的弹性纤维织物，其特征在于：所述可发酵生产生物纤维素的菌种包括醋酸菌属（Acetobacter）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）和八叠球菌属（Sarcina），优选为木葡糖酸醋杆菌。

8.根据权利要求3所述的用于防弹衣的弹性纤维织物，其特征在于：所述干燥为真空冷冻干燥或热风干燥。

9.根据权利要求3所述的用于防弹衣的弹性纤维织物，其特征在于：所述生物纤维素溶解后，再加入分散剂，经高速搅拌后得到纤维浆粕；所述分散剂为有机分散剂，包括Ｎ-甲基氧化吗啉、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇辛基苯基醚、聚乙烯基吡咯烷酮中的一种或两种。

10.一种用于防弹衣的弹性纤维织物的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）制备生物纤维素；

（2）将生物纤维素干燥后，溶解于溶剂体系中，经高速搅拌后得到纤维浆粕；

（3）在不断搅拌下，向步骤（2）的纤维浆粕中加入氨纶纤维和金属纤维，高速搅拌，制成纺丝原液；

（4）采用湿法纺丝，制成纤维，再织造为所述弹性纤维织物。

11.一种防弹衣，其特征在于：包括弹性层，所述弹性层由权利要求1所述的弹性纤维织物制成。