CN113733692A - 一种轻质复合防护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轻质复合防护结构，属于防护结构技术领域。所述防护结构由复合织物层与PE层压板交替排列组成的复合层状结构，该防护结构中复合织物层与PE层压板的质量比为1:1.2～1:4，复合织物层是由改性的单层纤维织物和未改性的单层纤维组成，迎弹面为复合织物层中改性的单层纤维织物，背板面为PE层压板。所述防护结构利用波阻抗的扰动效应以增强防护结构的整体防弹能力，而且能够明显减少与人体接触的背板变形以降低对人体的伤害；并通过调控复合织物层与PE层压板的质量比例，在相同的面密度下，可以使防护结构的防护性能达到最好的水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻质复合防护结构，属于防护结构技术领域。
背景技术
剪切增稠液，是一种非牛顿流体，在一定剪切速率的条件下，剪切增稠液体体系粘度会随着剪切速率的提高而迅速提高。将纤维织物浸渍到剪切增稠液中，它的存在增加纱线间的摩擦力，一方面提高纤维织物的个体防护能力；另一方面，由于纱线间摩擦力的增加，纤维织物结构的整体性得到提高，浸渍纤维织物受到冲击时会增加背部结构的受力面积，使得应力分散更加均匀，对弹丸的吸能增加。然而，对于多层纤维织物防护结构，由于纤维织物间存在微小的间隙，第一层纤维织物受到冲击时，变形会牵动后方的纤维织物，但是此时弹丸并不与后方的纤维织物接触就已经提前使纤维织物变形，致使后方纤维织物的防护性能减弱，因此将多层纤维织物叠放在一起会降低纤维织物的防护效率。又由于纤维织物的柔韧性较好，致使在受到冲击时会产生较大的形变，但是在防护结构中，不希望在靠近人体的部分出现大变形，以减少对人体的损伤。
发明内容
针对目前多层纤维织物防护结构存在的问题，本发明提供一种轻质复合防护结构，在由两层纤维织物组成的复合织物层后面设置PE(聚乙烯)层压板，使复合织物层与PE层压板交替排列，利用波阻抗的扰动效应以增强防护结构的整体防弹能力，而且能够明显减少与人体接触的背板变形以降低对人体的伤害；并通过调控复合织物层与PE层压板的质量比例，在相同的面密度下，可以使防护结构的防护性能达到最好的水平。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种轻质复合防护结构，所述防护结构是由复合织物层与PE层压板交替排列组成的复合层状结构，其中，迎弹面为复合织物层，背板面为PE层压板，所述防护结构中复合织物层与PE层压板的质量比为1:1.2～1:4；
所述复合织物层是由改性的单层纤维织物和未改性的单层纤维组成，迎弹面为复合织物层中改性的单层纤维织物，复合织物层中未改性的单层纤维与与其之后的PE层压板接触；改性的单层纤维织物是经过剪切增稠防护液浸渍处理的单层纤维织物。
进一步地，所述防护结构中复合织物层与PE层压板的质量比为1:1.5～1:3。
进一步地，所述防护结构中复合织物层的总层数为4～18层。
进一步地，纤维织物为芳纶纤维织物。
进一步地，剪切增稠防护液可以选用目前已经公开报道的剪切增稠防护液，优选采用B4C改性的剪切增稠防护液对单层纤维织物进行浸渍处理，以B4C改性的剪切增稠防护液的总质量为100％计，B4C改性的剪切增稠防护液的组成成分及各成分的质量百分数如下：聚乙二醇(PEG)65％～75％，纳米二氧化硅粉末10％～30％，及碳化硼粉末5％～15％。采用B4C改性的剪切增稠防护液对纤维织物进行浸渍时，可以先按照(1～2)：1的质量比采用无水乙醇对B4C改性的剪切增稠防护液进行稀释，再将纤维织物浸渍到稀释后的B4C改性的剪切增稠防护液中，之后取出并干燥即可得到改性的纤维织物。
进一步地，聚乙二醇采用摩尔质量为200g/mol或400g/mol的聚乙二醇；纳米二氧化硅粉末的粒径为40nm～400nm；碳化硼粉末的粒径为1μm～10μm。
进一步地，相对于未改性的单层纤维织物，改性的单层纤维织物的质量增加20％～35％。
有益效果：
(1)本发明所述的防护结构中，通过剪切增稠防护液浸渍改性的纤维织物，其纱线表面的粗糙程度增加，纱线之间和纱线与弹丸之间的摩擦耗能增加，同时纤维织物的受力面积增加，应力分布更为均匀，从而能改善纤维织物的防护效果。
(2)本发明所述的防护结构中，将改性的单层纤维织物和未改性的单层纤维复合在一起作为一个复合织物层，避免了多层纤维织物复合在一起使得防弹效率降低的问题；复合织物层与PE层压板交替排列，使复合织物层间隔式的排列，可以充分发挥每一个复合织物层的防弹能力；在每一个复合织物层之后设置一块PE层压板，迎弹面纤维织物的应力分布均匀可以使PE层压板更充分地发挥对弹丸的阻碍作用，同时由于PE层压板的密度小、弹性模量大以及应力波的波速要大于复合织物层，所以利用应力波的扰动作用可以增强防护结构的整体抗弹能力。
(3)本发明所述防护结构既保证了复合织物层对弹丸摩擦损耗和拉伸吸能的柔性防护，还保证了PE层压板的硬质防护，减少与人体接触的背板变形，最小化对人体的伤害。在考虑整体结构防护性能的同时，兼顾了改性的纤维织物的低密度和柔软的特性，使得整个防护结构轻便舒适，而且通过合理调控复合织物层与PE层压板的质量比例，在相同的面密度下，可以使防护结构防护性能达到最大化。本发明所述防护结果可以广泛用于不同类型的防护装备领域，比如将其用于个人防刺服以及个人防弹服。
附图说明
图1为对比例5所述防护结构中复合织物层与PE层压板的排布结构示意图。
图2为实施例1所述防护结构中复合织物层与PE层压板的排布结构示意图。
图3为实施例2所述防护结构中复合织物层与PE层压板的排布结构示意图。
图4为实施例3所述防护结构中复合织物层与PE层压板的排布结构示意图。
图5为实施例4所述防护结构中复合织物层与PE层压板的排布结构示意图。
图6为实施例5所述防护结构中复合织物层与PE层压板的排布结构示意图。
图7为实施例7所述防护结构中复合织物层与PE层压板的排布结构示意图。
其中，阴影部分为复合织物层，非阴影部分为PE层压板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1
(1)先将粒径为80nm的纳米SiO2粉末加入PEG-200(摩尔质量为200g/mol的聚乙醇)中，超声分散均匀后，再加入粒径为1μm～10μm的B4C粉末，继续超声波分散，分散均匀后转移至真空干燥箱中干燥24h以除去气泡，得到B4C改性的剪切增稠防护液；
其中，纳米SiO2粉末的质量分数为20％，B4C粉末的质量分数为10％，PEG-200的质量分数为70％；
(2)无水乙醇与B4C改性的剪切增稠防护液按照10:7的质量比进行混合，混合均匀，得到稀释的B4C改性的剪切增稠防护液；
(3)将单层纤维织物(Twaron CT709)浸入稀释的B4C改性的剪切增稠防护液中，然后取出并置于80℃恒温环境下真空干燥1h，干燥得到改性的单层纤维织物；其中，与未改性的单层纤维织物相比，改性的单层纤维织物的质量增加22.2％，而且改性的单层纤维织物的面密度为244.4g/m2；
(4)将改性的单层纤维织物与未改性的单层纤维织物(Twaron CT709)叠加在一起作为复合织物层，复合织物层的面密度为444.4g/m2；将9层总质量为360g的复合织物层与22层总质量为440g的PE层压板(面密度为222.2g/m2)交替排列(一层复合织物层与两层PE层压板作为一个重复周期，剩余的四层PE层压板与最后一个周期中的两层PE层压板叠加在一起作为背板)，其中，迎弹面为复合织物层中改性的单层纤维织物，背板面为PE层压板，得到面密度为8.89kg/m2的轻质复合防护结构，如图2所示。
实施例2
步骤(1)～(3)与实施例1步骤(1)～(3)相同；
(4)将改性的单层纤维织物与未改性的单层纤维织物(Twaron CT709)叠加在一起作为复合织物层，复合织物层的面密度为444.4g/m2；将8层总质量为320g的复合织物层与24层总质量为480g的PE层压板(面密度为222.2g/m2)交替排列(一层复合织物层与三层PE层压板作为一个重复周期)，其中，迎弹面为复合织物层中改性的单层纤维织物，背板面为PE层压板，得到面密度为8.89kg/m2的轻质复合防护结构，如图3所示。
实施例3
步骤(1)～(3)与实施例1步骤(1)～(3)相同；
(4)将改性的单层纤维织物与未改性的单层纤维织物(Twaron CT709)叠加在一起作为复合织物层，复合织物层的面密度为444.4g/m2；将7层总质量为280g的复合织物层与26层总质量为520g的PE层压板(面密度为222.2g/m2)交替排列(一层复合织物层与三层PE层压板作为一个重复周期，剩余的五层PE层压板与最后一个周期中的三层PE层压板叠加在一起作为背板)，其中，迎弹面为复合织物层中改性的单层纤维织物，背板面为PE层压板，得到面密度为8.89kg/m2的轻质复合防护结构，如图4所示。
实施例4
步骤(1)～(3)与实施例1步骤(1)～(3)相同；
(4)将改性的单层纤维织物与未改性的单层纤维织物(Twaron CT709)叠加在一起作为复合织物层，复合织物层的面密度为444.4g/m2；将6层总质量为240g的复合织物层与28层总质量为560g的PE层压板(面密度为222.2g/m2)交替排列(一层复合织物层与四层PE层压板作为一个重复周期，剩余的四层PE层压板与最后一个周期中的四层PE层压板叠加在一起作为背板)，其中，迎弹面为复合织物层中改性的单层纤维织物，背板面为PE层压板，得到面密度为8.89kg/m2的轻质复合防护结构，如图5所示。
实施例5
步骤(1)～(3)与实施例1步骤(1)～(3)相同；
(4)将改性的单层纤维织物与未改性的单层纤维织物(Twaron CT709)叠加在一起作为复合织物层，复合织物层的面密度为444.4g/m2；将5层总质量为200g的复合织物层与30层总质量为600g的PE层压板(面密度为222.2g/m2)交替排列(一层复合织物层与六层PE层压板作为一个重复周期)，其中，迎弹面为复合织物层中改性的单层纤维织物，背板面为PE层压板，得到面密度为8.89kg/m2的轻质复合防护结构，如图6所示。
实施例6
(1)先将粒径为80nm的纳米SiO2粉末加入PEG-200中，超声分散均匀后，再加入粒径为1μm～10μm的B4C粉末，继续超声波分散，分散均匀后转移至真空干燥箱中干燥24h以除去气泡，得到B4C改性的剪切增稠防护液；
其中，纳米SiO2粉末的质量分数为20％，B4C粉末的质量分数为15％，PEG-200的质量分数为65％；
(2)无水乙醇与B4C改性的剪切增稠防护液按照10:7的质量比进行混合，混合均匀，得到稀释的B4C改性的剪切增稠防护液；
(3)将单层纤维织物(Twaron CT709)浸入稀释的B4C改性的剪切增稠防护液中，然后取出并置于80℃恒温环境下真空干燥1h，干燥得到改性的单层纤维织物；其中，与未改性的单层纤维织物相比，改性的单层纤维织物的质量增加25％，而且改性的单层纤维织物的面密度为250g/m2；
(4)将改性的单层纤维织物与未改性的单层纤维织物(Twaron CT709)叠加在一起作为复合织物层，复合织物层的面密度为450g/m2；将7层总质量为283.5g的复合织物层与26层总质量为520g的PE层压板(面密度为222.2g/m2)交替排列(一层复合织物层与三层PE层压板作为一个重复周期，剩余的五层PE层压板与最后一个周期中的三层PE层压板叠加在一起作为背板)，其中，迎弹面为复合织物层中改性的单层纤维织物，背板面为PE层压板，得到面密度为8.93kg/m2的轻质复合防护结构。
实施例7
步骤(1)～(3)与实施例1步骤(1)～(3)相同；
(4)将改性的单层纤维织物与未改性的单层纤维织物(Twaron CT709)叠加在一起作为复合织物层，复合织物层的面密度为444.4g/m2；将4层总质量为160g的复合织物层与32层总质量为640g的PE层压板(面密度为222.2g/m2)交替排列(一层复合织物层与八层PE层压板作为一个重复周期)，其中，迎弹面为复合织物层中改性的单层纤维织物，背板面为PE层压板，得到面密度为8.89kg/m2的轻质复合防护结构，如图7所示。
对比例1
将40层总质量为800g的PE层压板(面密度为222.2g/m2)叠放在一起，得到面密度为8.89kg/m2的复合防护结构。
对比例2
将45层总质量为810g未改性的单层纤维织物(Twaron CT709)叠放在一起，得到面密度为9kg/m2的复合防护结构。
对比例3
将16层总质量为288g未改性的单层纤维织物(Twaron CT709)与26层总质量为520g面密度为222.2g/m2的PE层压板交替排列在一起(两层未改性的单层纤维织物与三层PE层压板作为一个重复周期，剩余的两层PE层压板与最后一个周期中的三层PE层压板叠加在一起作为背板)，其中，迎弹面为未改性的单层纤维织物，背板面为PE层压板，得到面密度为8.98kg/m2的复合防护结构。
对比例4
将16层总质量为288g未改性的单层纤维织物(Twaron CT709)与26层总质量为520g的PE层压板(面密度为222.2g/m2)按先纤维织物后PE层压板的顺序叠放在一起(即16层未改性的单层纤维织物全部位于26层PE层压板之前)，其中，迎弹面为未改性的单层纤维织物，背板面为PE层压板，得到面密度为8.98kg/m2的复合防护结构。
对比例5
步骤(1)～(3)与实施例1步骤(1)～(3)相同；
(4)将改性的单层纤维织物与未改性的单层纤维织物(Twaron CT709)叠加在一起作为复合织物层，复合织物层的面密度为444.4g/m2；将10层总质量为400g的复合织物层与20层总质量为400g的PE层压板(面密度为222.2g/m2)交替排列(一层复合织物层与两层PE层压板作为一个重复周期)，其中，迎弹面为复合织物层中改性的单层纤维织物，背板面为PE层压板，得到面密度为8.89kg/m2的轻质复合防护结构，如图1所示。
对比例6
步骤(1)～(3)与实施例1步骤(1)～(3)相同；
(4)将改性的单层纤维织物与未改性的单层纤维织物(Twaron CT709)叠加在一起作为复合织物层，复合织物层的面密度为444.4g/m2；将3层总质量为120g的复合织物层与34层总质量为680g的PE层压板(面密度为222.2g/m2)交替排列(一层复合织物层与十一层PE层压板作为一个重复周期，剩余的一层PE层压板与最后一个周期中的十一层PE层压板叠加在一起作为背板)，其中，迎弹面为复合织物层中改性的单层纤维织物，背板面为PE层压板，得到面密度为8.89kg/m2的轻质复合防护结构。
采用八个直径为14mm的钢制螺栓将压环(用于压住防护结构，防止其过度变形)、实施例或对比例所制备的防护结构、加工有中心通孔的钢板(用于对防护结构固定，防止其受到弹丸冲击脱离靶板)按顺序固定连接在一起，作为靶板；在靶板之前设置一个弹托挡板(2mm～4mm厚的钢板)来阻挡弹托和飞散的火药颗粒，防止对实验参数的测试产生干扰；采用直径为13mm的球形弹丸冲击靶板，控制弹丸的着靶点均为防护结构迎弹面中心，弹丸与防护结构的距离只需满足能使弹丸稳定飞行即可，对实施例以及对比例所制备的防护结构进行的弹道性能测试结果详见表1。
表1
根据对比例3和对比例4的弹道性能测试结果可知，芳纶纤维织物和PE层压板结合时，芳纶纤维织物的排布对防护结构的弹道性能有显著影响，芳纶纤维织物的间隔式排列可以充分发挥每一层芳纶纤维织物的变形性能特性。根据实施例1-5、实施例7以及对比例5～6的弹道性能测试结果可知，在相同面密度下，复合织物层和PE层压板的质量比例会显著影响防护结构的弹道性能，复合织物层与PE层压板的质量比过小或过大都不利于弹道性能的改善。根据实施例2和对比例3的弹道性能测试结果可知，将改性的单层纤维织物与未改性的单层纤维织物复合使用有利于改善防护结构的弹道性能。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种轻质复合防护结构，其特征在于：所述防护结构是由复合织物层与PE层压板交替排列组成的复合层状结构，其中，迎弹面为复合织物层，背板面为PE层压板，所述防护结构中复合织物层与PE层压板的质量比为1:1.2～1:4；
所述复合织物层是由改性的单层纤维织物和未改性的单层纤维组成，迎弹面为复合织物层中改性的单层纤维织物，改性的单层纤维织物是经过剪切增稠防护液浸渍处理的单层纤维织物。
2.根据权利要求1所述的一种轻质复合防护结构，其特征在于：所述防护结构中复合织物层与PE层压板的质量比为1:1.5～1:3。
3.根据权利要求1或2所述的一种轻质复合防护结构，其特征在于：所述防护结构中复合织物层的总层数为4～18层。
4.根据权利要求1所述的一种轻质复合防护结构，其特征在于：纤维织物为芳纶纤维织物。
5.根据权利要求1所述的一种轻质复合防护结构，其特征在于：采用B4C改性的剪切增稠防护液对单层纤维织物进行浸渍处理；
其中，以B4C改性的剪切增稠防护液的总质量为100％计，B4C改性的剪切增稠防护液的组成成分及各成分的质量百分数如下：聚乙二醇65％～75％，纳米二氧化硅粉末10％～30％，及碳化硼粉末5％～15％。
6.根据权利要求5所述的一种轻质复合防护结构，其特征在于：聚乙二醇采用摩尔质量为200g/mol或400g/mol的聚乙二醇；纳米二氧化硅粉末的粒径为40nm～400nm；碳化硼粉末的粒径为1μm～10μm。
7.根据权利要求1所述的一种轻质复合防护结构，其特征在于：相对于未改性的单层纤维织物，改性的单层纤维织物的质量增加20％～35％。
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