CN115181405B - 一种高防护性抗冲帽及其加工工艺 - Google Patents

一种高防护性抗冲帽及其加工工艺 Download PDF

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Abstract

本申请涉及安全设备制造技术领域，具体公开了一种高防护性抗冲帽及其加工工艺。高防护性抗冲帽包括刚性外层与柔性内层，刚性外层包括高强纤维布与刚性树脂混合液，柔性内层包括弹性纤维布与柔性树脂混合液；刚性树脂混合液包括以下原料：间苯树脂70‑90份、乙烯基树脂70‑90份、无机填充粉料4‑8份，增白剂3‑8份，消泡剂0.5‑3份，固化剂0.3‑0.7份，阻燃剂1‑4份；柔性树脂混合液包括以下原料：不饱和聚酯树脂25‑36份，铝的氧化物粉末0.5‑1.5份，消泡剂0.1‑0.25份，固化剂0.01‑0.03份。本申请的抗冲帽刚性高、低温性能与阻燃性能优越，可以有效提高对佩戴者的防护效果。

Description

一种高防护性抗冲帽及其加工工艺
技术领域
本申请涉及安全设备制造技术领域，更具体地说，它涉及一种高防护性抗冲帽及其加工工艺。
背景技术
在建筑、矿井等作业现场，容易出现高空坠物，会对人体头部造成伤害，抗冲帽是施工过程中一种必备的劳动保护设施。
抗冲帽需要抵抗外部的撞击，因此要求抗冲帽材料具有良好的抗冲击性能、抗穿刺性能和刚性。现在市面上常用的抗冲帽材料有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂、HDPE高密度聚乙烯、聚碳酸酯等。
针对上述相关技术，申请人认为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂不耐燃烧，不耐低温，抗老化性能较差，在恶劣环境下使用力学性能下降得很快；HDPE高密度聚乙烯耐压强度差；聚碳酸酯容易发生开裂。因此，生产一种刚性高，耐低温的抗冲帽来提高对佩戴者的防护性能是很有必要的。
发明内容
为了提高抗冲帽的刚性与低温韧性，提高对抗冲帽佩戴者的防护效果，本申请提供一种高防护性抗冲帽及其加工工艺。
第一方面，本申请提供一种高防护性抗冲帽，采用如下的技术方案：
一种高防护性抗冲帽，包括刚性外层与柔性内层，刚性外层包括高强纤维布与刚性树脂混合液，柔性内层包括弹性纤维布与柔性树脂混合液；
所述刚性树脂混合液包括以下重量份原料：间苯树脂70-90份、乙烯基树脂70-90份、无机填充粉料4-8份，增白剂3-8份，消泡剂0.5-3份，固化剂0.3-0.7份，阻燃剂1-4份；
所述柔性树脂混合液包括以下重量份原料：不饱和聚酯树脂25-36份，铝的氧化物粉末0.5-1.5份，消泡剂0.1-0.25份，固化剂0.01-0.03份。
通过采用上述技术方案，间苯树脂有较好的力学性能、坚韧性和耐热性，间苯树脂与乙烯基树脂配合作为刚性树脂，引入无机填充粉料，无机填充粉料与刚性树脂基体之间的界面解离-空穴化以及无机填充料之间的基体树脂发生剪切应变来消耗大量的能量，提高了刚性树脂的韧性，同时，还可以提高抗冲帽的阻燃性能。刚性树脂与高强纤维布混合作为刚性外层，柔性树脂与弹性纤维布混合作为柔性内层，刚性外层在外起到主要抵抗冲击的作用，同时，刚性外层内的高强纤维布以及柔性内层对刚性外层起到支撑拉拽作用，提高了抗冲帽的冲击韧性。在实际的生产中，柔性内层内还可以设置内衬层，内衬层包括帽箍、顶带、护带等，其中帽箍可以为橡塑海绵外包裹皮革的内衬材质，进一步为使用者头部进行缓冲与保护。
刚性外层与柔性内层相互配合，使得抗冲帽在刚性冲击下的最大形变可以达到33.7-36.5mm，残余形变可以达到7.9-10.6mm，低温下的传递应力可以达到2014-2053N。
优选的，所述刚性树脂混合液包括以下重量份原料：间苯树脂75-85份、乙烯基树脂75-85份、无机填充粉料5-7份，增白剂4-6份，消泡剂0.7-2份，固化剂0.4-0.6份，阻燃剂1.5-3份；
所述柔性树脂混合液包括以下重量份原料：不饱和聚酯树脂28-33份，铝的氧化物粉末0.8-1.2份，消泡剂0.15-0.23份，固化剂0.015-0.025份。
通过采用上述技术方案，进一步优化刚性树脂混合液与柔性树脂混合液的原料配比，提升抗冲帽的抗压强度与冲击韧性。
优选的，所述无机填充粉料包括重量比为1：(1-2)的硫酸钡颗粒与轻质碳酸钙颗粒。
通过采用上述技术方案，在刚性外层复合体系中，由于碳酸钙颗粒与硫酸钡颗粒等无机粒子的存在，而碳酸钙与硫酸钡与刚性树脂基体间的界面结合效应不同，在受到外力作用时，在粒子的周围会形成应力集中区域，这种应力集中容易使粒子周围产生三维应力场，而且在碳酸钙与硫酸钡粒子周围产生不同的应力场；同时，由于受到高速冲击载荷的作用，处于碳酸钙与硫酸钡粒子之间的基体更容易形成不同的剪切屈服。这两种过程均将消耗大量的能量而大幅提高抗冲帽的冲击韧度。
优选的，所述硫酸钡颗粒的粒径为0.1-0.5μm，轻质碳酸钙的粒径为1-2μm。
通过采用上述技术方案，不同粒径的碳酸钙与硫酸钡粒子在刚性树脂基体中的弥散分布，在刚性树脂的塑性变形过程中起到了明显的钉扎效应，能够在一定程度上限制刚性基体的塑性变形，从而使得填充有无机填料的刚性树脂材料的弹性模量上升，提高抗冲帽的冲击韧性。
优选的，所述高强纤维布为玻璃纤维布。
通过采用上述技术方案，玻璃纤维布化学性质稳定，且韧性好，不易变形，抗冲击行性能好，在重力等冲击下，发生形变，但是因为其韧性比较好，在受到承受范围内的力时又会恢复到原状，有利于提高抗冲帽的抗冲击性能。
优选的，所述玻璃纤维布为用介孔材料MCM-41修饰的玻璃纤维布，修饰方法为：
1)制备MCM-41分散液；
2)将玻璃纤维布完全浸润在分散液中，在55-65℃条件下反应25-35min，然后干燥得到介孔材料MCM-41修饰的玻璃纤维布。
玻璃纤维布虽然综合性能优越，但玻璃纤维布与树脂基体的界面结合性差，用介孔材料MCM-41对玻璃纤维布进行修饰，介孔材料MCM-41含有丰富的活性羟基，可以接枝在玻璃纤维上，一方面，使得玻璃纤维通过MCM-41与树脂基体进行化学键的连接；另一方面，接枝在玻璃纤维表面的MCM-41起到了类似铆钉的作用，增加了玻璃纤维的表面粗糙度，使得树脂可以更好的和玻璃纤维进行嵌接，提高玻璃纤维与树脂基体的连接性，进而提高抗冲帽的综合性能。
优选的，所述介孔材料MCM-41为经过乙烯基修饰的MCM-41，修饰方法为：
将MCM-41分散在分散剂中，然后加入乙烯基三乙氧基硅烷与催化剂，在超声辅助下反应1-1.5h，反应完后进行冷凝回流，得到的粉末进行抽滤干燥，制得经过乙烯基修饰的MCM-41。
通过采用上述技术方案，用乙烯基三乙氧基硅烷对MCM-41进行修饰，在MCM-41上接枝乙烯基双键，乙烯基可以与树脂上的不饱和建形成新的共价键，进一步加强树脂与玻璃纤维之间的连接作用。
优选的，所述刚性树脂混合液中的增白剂为二氧化钛，消泡剂为硅油，固化剂为苯甲酸叔丁酯，阻燃剂为磷系阻燃剂。
优选的，所述柔性树脂混合液中的消泡剂为硅油，固化剂为过氧化苯甲酰。
通过采用上述技术方案，根据树脂的特性匹配不同的助剂，保证树脂的成型，保证抗冲帽的综合性能。
第二方面，本申请提供一种高防护性抗冲帽的加工工艺，采用如下的技术方案：一种高防护性抗冲帽的加工工艺，以下步骤：
S1.制备刚性树脂混合液：将间苯树脂、乙烯基树脂、无机填充粉料，在38-42℃下搅拌30-35min，然后加入增白剂和消泡剂，继续搅拌15-20min，再加入固化剂搅拌10-15min，最后加入阻燃剂搅拌均匀得到刚性树脂混合液；
S2.制备柔性树脂混合液：将不饱和聚酯树脂与铝的氧化物粉末在58-62℃下搅拌30-35min，然后加入消泡剂与固化剂搅拌15-20min，得到柔性树脂混合液；
S3.固化成型：在模具中依次加入高强纤维布三层、步骤1所得的刚性树脂混合液、弹性纤维布两层、步骤2所得的柔性树脂混合液，其中刚性树脂混合液与柔性树脂混合液的重量比为(6-8)：3，然后在130-150℃，18-22MPa的条件下固化成。
通过采用上述技术方案，对高强纤维布的层数以及弹性纤维布的层数，以及钢线树脂混合液与柔性树脂混合液的配比进行限定，进一步提升抗冲帽的抗压强度与韧性；另外，本申请加工工艺对加工设备没有特殊要求，操作简单，适合工业化生产。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请间苯树脂、乙烯基树脂、无机填充粉料配合作为刚性树脂混合液，刚性树脂混合液与高强纤维布配合作为刚性外层，柔性树脂混合液与弹性纤维布配合作为柔性内层，柔性内层与刚性外层固化成型得到抗冲帽，生产的抗冲帽在刚性冲击下的最大形变可以达到33.7-36.5mm，残余形变可以达到7.9-10.6mm，低温下的传递应力可以达到2014-2053N，抗冲帽刚性与低温性能优越。
2、本申请中优选采用介孔材料MCM-41对玻璃纤维布进行接枝修饰，提高了玻璃纤维布与树脂基体的界面结合效果，进一步提高了抗冲帽的刚性与低温性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
原料和中间体的制备例
原料
本申请实施例的原料均可通过市售获得：
不饱和聚酯树脂为天马树脂196；
弹性纤维布型号为P1902；
分散液为乙醇。
制备例
制备例1
一种用介孔材料MCM-41修饰的玻璃纤维布，其制备方法为：
1)玻璃纤维预处理：将玻璃纤维布用丙酮浸泡24h，然后真空烘干，烘干后的玻璃纤维布浸泡在重量比为60℃的1：1浓硫酸与浓硝酸的混酸中，浸泡2h，之后用去离子水彻底清洗纤维并且在60℃的真空干燥箱中干燥24h；
2)制备MCM-41分散液：将1kg介孔材料MCM-41在超声作用下分散在含稀硫酸的乙醇溶液中，其中稀硫酸与乙醇的体积比为1:15，得到分散液；
3)将玻璃纤维布完全浸润在分散液中，在60℃条件下反应30min，然后干燥得到介孔材料MCM-41修饰的玻璃纤维布。
制备例2
一种经过乙烯基修饰的MCM-41，其制备方法为：
1)将1kgMCM-41溶解在50L溶剂中，得到溶解液：
2)向溶解液中加入0.06kg醋酸作为催化剂，然后加入1L乙烯基三乙氧基硅烷，得到混合液：
3)将混合液在超声辅助下反应1h，之后，反应在80℃下冷凝回流6h，得到粉末，对额粉末进行抽滤，然后干燥得到经过乙烯基修饰的MCM-41。
制备例3
与制备例1不同的是，制备例3中用等量来自制备例2的经过乙烯基修饰的MCM-41替换MCM-41。
实施例
实施例1-5
一种高防护性抗冲帽，其加工工艺为：
S1.制备刚性树脂混合液：按照表1配比将间苯树脂、乙烯基树脂、无机填充粉料，在40℃下搅拌30min，然后加入增白剂和消泡剂，继续搅拌15min，再加入固化剂搅拌10min，最后加入阻燃剂搅拌均匀得到刚性树脂混合液；
S2.制备柔性树脂混合液：按照表1将不饱和聚酯树脂与铝的氧化物粉末在60℃下搅拌30min，然后加入消泡剂与固化剂搅拌15min，得到柔性树脂混合液；
S3.固化成型：在模具中依次加入高强纤维布三层、步骤1所得的刚性树脂混合液、弹性纤维布两层、步骤2所得的柔性树脂混合液，其中刚性树脂混合液与柔性树脂混合液的重量比为7：3，然后在140℃，20MPa的条件下固化成型，得到抗冲帽外壳体；
S4.安装内衬：在S3得到的抗冲帽外壳体内部固定安装内衬，内衬帽箍为橡塑海绵外包裹皮革的材质。
表1实施例1-5原料配比表(kg)
其中无机填充粉料为轻质碳酸钙的，粒径为1-2μm。
实施例6
与实施例3不同的是，实施例6中刚性树脂混合液与柔性树脂混合液的重量比为6：3。
实施例7
与实施例3不同的是，实施例7中刚性树脂混合液与柔性树脂混合液的重量比为8：3。
实施例8
与实施例3不同的是，实施例8中刚性树脂混合液与柔性树脂混合液的重量比为5：3。
实施例9
与实施例3不同的是，实施例9中刚性树脂混合液与柔性树脂混合液的重量比为9：3。
实施例10
与实施例3不同的是，实施例10中无机填充粉料的不同，详见表2。
表2实施例3与实施例10-13中无机填充粉料配比表(kg)
实施例3 实施例10 实施例11 实施例12 实施例13
碳酸钙 6 0 3 3.5 4
硫酸钡 0 6 3 2.5 2
其中碳酸钙的粒径为1-2μm，硫酸钡的粒径为0.1-0.5μm。
实施例14
与实施例12不同的是，实施例14中硫酸钡的粒径为1-2μm。
实施例15-16
与实施例12不同的是，实施例15-16中分别用来自制备例1、制备例3的用介孔材料MCM-41修饰的玻璃纤维布替换玻璃纤维布。
对比例
对比例1
与实施例1不同的是，对比例1中用等量间苯树脂替换乙烯基树脂。
对比例2
与实施例1不同的是，对比例2中用等量乙烯基树脂替换间苯树脂。
对比例3
与实施例1不同的是，对比例3中不含无机填充粉料。
对比例4
与实施例1不同的是，抗冲帽不包含柔性内层，柔性树脂混合液用等量刚性树脂混合液替换。
性能检测试验
检测方法/试验方法
按照《安全帽测试方法》GB/T2812-2006，对抗冲帽的刚性、耐低温性能、阻燃性能进行检测，检测结果见表3。
表3性能检测结果
结合实施例1-16与对比例1-4，并结合表3可以看出，实施例1-16中的抗冲帽的刚性、低温性能均优于对比例1-4，且实施例1-16中抗冲帽的阻燃性能也优越，这说明本申请制得的抗冲帽的刚性、低温性能、阻燃性能等综合性能更优。
结合实施例1与对比例1-2，并结合表3可看出，对比例1与对比例2中使用间苯树脂或乙烯基树脂中一种作为刚性树脂，制得的抗冲帽的刚性与低温性能均低于实施例1，这可能是因为间苯树脂或乙烯基树脂复配使用不仅可以提高树脂基体的强度，还可以提高树脂基体与无机填充粉料之间的界面结合效应，提高了抗冲帽的刚性与低温韧性。
结合实施例1与对比例3，并结合表3可以看出，树脂基体中不添加无机填充粉料，制得的抗冲帽的刚性与低温韧性均、阻燃性能有所下降，这可能是因为无机填充粉料与刚性树脂基体之间的界面解离-空穴化以及无机填充料之间的基体树脂发生剪切应变来消耗大量的能量，提高了刚性树脂的韧性，同时，还无机填充粉料本身的阻燃性提高了抗冲帽的阻燃性能。
结合实施例1与对比例4，并结合表3可以看出，对比例4中不含柔性内层，虽然刚性树脂混合液的用量增加，使得刚性外层的厚度增加，但对比例4中抗冲帽的刚性与低温性能均下降，这可能是因为柔性内层对刚性外层起到支撑与拉拽作用，提高了抗冲帽的刚性与低温韧性。
结合实施例3与实施例6-9，并结合表3可以看出，柔性树脂混合液与刚性树脂混合液的配比的不同对抗冲帽的性能会产生影响，模具不变，则抗冲帽的厚度不变，调整柔性树脂混合液与刚性树脂混合液的配比的不同，使得柔性内层与刚性内层的厚度变化，在本申请限定的柔性内层与刚性外层厚度配比的范围内，制得抗冲帽的综合性能更优。
结合实施例3与实施例10-13，并结合表3可以看出，实施例11-13中抗冲帽的刚性与低温性能均优于实施例3与实施例10，这可能是因为碳酸钙颗粒与硫酸钡颗粒复配作为填料，在受到外力作用时，在碳酸钙与硫酸钡粒子周围产生不同的应力场；同时，由于受到高速冲击载荷的作用，处于碳酸钙与硫酸钡粒子之间的基体更容易形成不同的剪切屈服，这两种过程均将消耗大量的能量而大幅提高抗冲帽的低温韧性。
结合实施例12与实施例15-16可以看出，实施例15-16中抗冲帽的刚性与低温性能均优于实施例12，这可能是因为对玻璃纤维布进行改性处理，提高了玻璃纤维布与树脂基体之间的界面结合效果，从而提高了抗冲帽的性能。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，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，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种高防护性抗冲帽，其特征在于，包括刚性外层与柔性内层，刚性外层包括高强纤维布与刚性树脂混合液，柔性内层包括弹性纤维布与柔性树脂混合液；
所述刚性树脂混合液包括以下重量份原料：间苯树脂70-90份、乙烯基树脂70-90份、无机填充粉料4-8份，增白剂3-8份，消泡剂0.5-3份，固化剂0.3-0.7份，阻燃剂1-4份；
所述柔性树脂混合液包括以下重量份原料：不饱和聚酯树脂25-36份，铝的氧化物粉末0.5-1.5份，消泡剂0.1-0.25份，固化剂0.01-0.03份；
所述无机填充粉料包括重量比为1：（1-2）的硫酸钡颗粒与轻质碳酸钙颗粒；
所述高强纤维布为玻璃纤维布。
2.根据权利要求1所述的一种高防护性抗冲帽，其特征在于：所述刚性树脂混合液包括以下重量份原料：间苯树脂75-85份、乙烯基树脂75-85份、无机填充粉料5-7份，增白剂4-6份，消泡剂0.7-2份，固化剂0.4-0.6份，阻燃剂1.5-3份；
所述柔性树脂混合液包括以下重量份原料：不饱和聚酯树脂28-33份，铝的氧化物粉末0.8-1.2份，消泡剂0.15-0.23份，固化剂0.015-0.025份。
3.根据权利要求1所述的一种高防护性抗冲帽，其特征在于：所述硫酸钡颗粒的粒径为0.1-0.5μm，轻质碳酸钙的粒径为1-2μm。
4.根据权利要求1所述的一种高防护性抗冲帽，其特征在于：所述玻璃纤维布为用介孔材料MCM-41修饰的玻璃纤维布，修饰方法为：
1）制备MCM-41分散液；
2）将玻璃纤维布完全浸润在分散液中，在 55-65℃条件下反应 25-35min，然后干燥得到介孔材料MCM-41修饰的玻璃纤维布。
5.根据权利要求4所述的一种高防护性抗冲帽，其特征在于：所述介孔材料MCM-41为经过乙烯基修饰的MCM-41，修饰方法为：
将MCM-41分散在分散剂中，然后加入乙烯基三乙氧基硅烷与催化剂，在超声辅助下反应1-1.5h，反应完后进行冷凝回流，得到的粉末进行抽滤干燥，制得经过乙烯基修饰的MCM-41。
6.根据权利要求1所述的一种高防护性抗冲帽，其特征在于：所述刚性树脂混合液中的增白剂为二氧化钛，消泡剂为硅油，固化剂为苯甲酸叔丁酯，阻燃剂为磷系阻燃剂。
7.根据权利要求1所述的一种高防护性抗冲帽，其特征在于：所述柔性树脂混合液中的消泡剂为硅油，固化剂为过氧化苯甲酰。
8.一种权利要求1-7任一所述的高防护性抗冲帽的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1.制备刚性树脂混合液：将间苯树脂、乙烯基树脂、无机填充粉料，在38-42℃下搅拌30-35min，然后加入增白剂和消泡剂，继续搅拌15-20min，再加入固化剂搅拌10-15min，最后加入阻燃剂搅拌均匀得到刚性树脂混合液；
S2.制备柔性树脂混合液：将不饱和聚酯树脂与铝的氧化物粉末在58-62℃下搅拌30-35min，然后加入消泡剂与固化剂搅拌15-20min，得到柔性树脂混合液；
S3.固化成型：在模具中依次加入高强纤维布三层、步骤1所得的刚性树脂混合液、弹性纤维布两层、步骤2所得的柔性树脂混合液，其中刚性树脂混合液与柔性树脂混合液的重量比为（6-8）：3，然后在130-150℃，18-22MPa的条件下固化成型。
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