CN115352168A - 一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板及其制备方法，包括复合板主体，所述复合板主体的内部一体成型有刚性梯度多层接结织物板，所述复合板主体内部位于刚性梯度多层接结织物板的上端一体成型有高强度板材上板，所述复合板主体内部位于刚性梯度多层接结织物板的下端一体成型有高强度板材底板。本发明所述的一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板及其制备方法，将聚碳酸酯长丝与超高分子量聚乙烯长丝进行包芯纱混纺复合，能够通过控制每一层织物中复合包芯纱的刚性，和/或控制每一层织物的组织结构，实现对刚性梯度的控制，在多层接结织物的基础上，突破了树脂的负载量、均匀性和梯度性等制备难题。
Description
技术领域
本发明涉及防弹材料制备技术领域，特别涉及一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板及其制备方法。
背景技术
刚性梯度分布的多层接结织物复合板是一种高强度板材，超高分子量聚乙烯纤维是制作防弹、防破片、防割产品的基础材料之一，通过热层压复合技术，超高分子量聚乙烯无纬布可以被制备成不同厚度和面密度的防弹板材，在实际警用过程中展现出优良的防护性能，有效保护了佩戴人员的生命安全。然而，在军用领域，能量较高的枪械武器会对防弹板材造成极强的剪切作用，从而导致多层超高分子量聚乙烯无纬布制备的防弹板发生层间分离，弱化了防弹板材的防护性能。为了弥补多层超高分子量聚乙烯无纺布防弹板耐层间剪切力弱的缺陷，军用防弹板材的厚度和面密度不断增加，以提高其防护等级，但整体防护装备的质量也不断增加，极大弱化了防弹装备的携带便利性和佩戴舒适性，为了解决超高分子量聚乙烯无纬布防弹板材抗剪切力弱的缺陷，通常将超高分子量聚乙烯长丝进行多层接结织造，制备出2.5D或3D织物组织与结构，多层接结织造通过经纱将多层织物进行连接，极大增强了超高分子量聚乙烯织物的层间结合力，同时大幅度提高了超高分子量聚乙烯织物防弹板的抗剪切性能，进而实现防弹性能的最大化。现有多层接结织物组织与结构多设计为3层以上，甚至达到数十层织物的厚度，单层织物组织与结构包括三原组织和变化组织，层与层之间的连接方法包括上接下接结法、下接上接结法和联合接结法等等，多层接结织造技术和工艺开发的2.5D或3D织物可以有效的解决超高分子量聚乙烯织物及其防弹板材抗剪切性能差的问题，随着科技的不断发展，人们对于刚性梯度分布的多层接结织物复合板的制造工艺要求也越来越高。
现有的刚性梯度分布的多层接结织物复合板在使用时存在一定的弊端，首先，多层接结织物的树脂复合过程存在树脂浸润的均匀性和负载量的控制难题，对于单层织物，可以采用两种方法进行防弹板材的制备：一是采用单层织物的多层叠加，并在层间添加树脂膜（聚碳酸酯、聚氨酯等等），然后进行热压的层合复合技术，制备防弹板材；二是单层织物的多层叠加后，通过真空导入树脂（酚醛树脂、环氧树脂等等）和固化技术，制备防弹板材，由于单层织物厚度较薄（约1mm左右），上述两种方法均可实现树脂负载量和均匀性可控，然而，多层接结织物的层数均在3层以上，甚至数十层，层与层之间连接牢固，经纬纱紧度大，整体结构致密，无法采用层间添加树脂膜和热压复合技术制备防弹板材，如采用真空导入树脂和固化技术，多层接结织物的致密结构和较厚的厚度易导致树脂注入量和均匀性难以控制，造成产品的合格率较低，品控较为困难，不利于人们的使用，还有，多层接结织物难以进行力学性能梯度控制。防侵彻静电理论认为，迎弹面材料的刚度越大越好，背弹面材料的韧性越大越好，且具有一定的变形能力，这样能够有效的扩散冲击动能，起到最大化吸能的作用。单层织物可以通过层间织物的组织结构的变化并配合树脂的选配和定量，制备出在厚度方向具有力学梯度变化的防弹板材，例如：迎弹面采用超高分子量聚乙烯无纬布，中间层采用致密平纹，背弹面采用斜纹、缎纹或变化组织等，同时选配合适的树脂及其负载量，实现厚度方向力学性能梯度控制。然而，对于多层接结织物，即使在多层接结构中实现层间的不同织物组织结构的变化，但无法有效控制树脂的层负载量，难以实现织物单层与树脂的有效配置，导致多层接结织物防弹板材的防弹性能无法最优化，给人们的使用过程带来了一定的不利影响，为此，我们提出一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板及其制备方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板及其制备方法，将聚碳酸酯长丝与超高分子量聚乙烯长丝进行包芯纱混纺复合，能够通过控制每一层织物中复合包芯纱的刚性，和/或控制每一层织物的组织结构，实现对刚性梯度的控制，在多层接结织物的基础上，突破了树脂的负载量、均匀性和梯度性等制备难题，制备方法简单，可调控性高，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板及其制备方法，包括复合板主体，所述复合板主体的内部一体成型有刚性梯度多层接结织物板，所述复合板主体内部位于刚性梯度多层接结织物板的上端一体成型有高强度板材上板，所述复合板主体内部位于刚性梯度多层接结织物板的下端一体成型有高强度板材底板，所述刚性梯度多层接结织物板包括超高分子量聚乙烯长丝料、聚碳酸酯长丝料、复合包芯纱料、纬纱料与经纱料。
作为本申请一种优选的技术方案，所述复合板主体的一侧固定连接有第一固化边框，所述复合板主体的另一侧固定连接有第二固化边框，所述复合板主体的表面位置固定连接有金属纤维板面。
作为本申请一种优选的技术方案，所述超高分子量聚乙烯长丝料、聚碳酸酯长丝料、复合包芯纱料、纬纱料、经纱料之间多层接结织物织造且热固化一体成型，所述刚性梯度多层接结织物板、高强度板材底板、高强度板材上板之间热固化层压一体成型。
作为本申请一种优选的技术方案，所述复合板主体与第一固化边框、第二固化边框之间通过热合加工一体成型，所述复合板主体与金属纤维板面之间热合一体成型。
一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板的制备方法，包括以下操作步骤：
S1：超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱的制备，将聚碳酸酯长丝包覆在超高分子量聚乙烯长丝的表面，制备得到超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱；
S2：超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物的制备，将超高分子量聚乙烯长丝作为经纱，将步骤S1得到的所述超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱作为纬纱，进行多层接结织物的织造，得到超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物；通过控制每一层织物中所述超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱的强度和模量，和/或控制每一层织物的组织结构的纬纱密度和经纱密度比值，实现对刚性梯度的控制，其中，所述多层接结织物的面密度为0.4-25kg/m2；
S3：超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物的热固化成型，将步骤S2得到的所述超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物进行热固化成型，冷却后得到刚性梯度分布的多层接结织物复合板。
作为本申请一种优选的技术方案，在S2步骤中，所述纬纱密度是经纱密度的1.5-1.8倍，所述超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物的层数为3-50层。
作为本申请一种优选的技术方案，在步骤S1中，所述超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱通过加热式包芯纺纱技术制备得到，所述加热式包芯纺纱技术的加捻三角区温度为115-142℃，所述超高分子量聚乙烯长丝的线密度为1500-4500旦，所述聚碳酸酯长丝的线密度为200-800旦，所述包芯纱的捻系数为300-550，所述超高分子量聚乙烯长丝与所述聚碳酸酯长丝的混纺比为40：60-80：20。
作为本申请一种优选的技术方案，在步骤S3中，所述热固化成型依次包括预热和热固化两个阶段。
作为本申请一种优选的技术方案，所述预热的温度为150-190℃，预热时间为30-60min，所述热固化的温度为180-190℃，热固化时间为10-20min。
与现有技术相比，本发明提供了一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板及其制备方法，具备以下有益效果：该一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板及其制备方法，将聚碳酸酯长丝与超高分子量聚乙烯长丝进行包芯纱混纺复合，能够通过控制每一层织物中复合包芯纱的刚性，和/或控制每一层织物的组织结构，实现对刚性梯度的控制，在多层接结织物的基础上，突破了树脂的负载量、均匀性和梯度性等制备难题，制备方法简单，可调控性高；
1.本发明提供的刚性梯度分布的接结织物复合板的制备方法，通过将聚碳酸酯制成纤维长丝，然后包覆于超高分子量聚乙烯长丝表面，得到复合包芯纱；将其作为纬纱，超高分子量聚乙烯长丝作为经纱，进行多层接结织物的织造和热固化，并通过控制每一层织物中所述超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱的刚性，和/或控制每一层织物的组织结构，能够得到刚性梯度分布的多层接结织物复合板。本发明在多层接结织物的基础上，突破了树脂的负载量、均匀性和梯度性等制备难题，制备方法简单，可调控性高；
2.本发明通过控制超高分子量聚乙烯长丝与聚碳酸酯长丝的线密度、混纺比以及捻系数等参数，能够得到不同机械性能的复合包芯纱，包芯纱的制备可调控性和可重复性高，便于实现规模化制备，为后续刚性梯度分布的多层接结织物复合板的制备提供性能多样化的纺丝纱线；
3.本发明制备的刚性梯度分布的多层接结织物复合板，强度高，韧性好，抗剪切力作用强，能够有效的扩散冲击动能，起到最大化吸能的作用，可用于防弹掩体、防弹盾牌、防弹柜台、车体防弹内衬等军用防护材料，整个刚性梯度分布的多层接结织物复合板结构简单，操作方便，使用的效果相对于传统方式更好。
附图说明
图1为本发明一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板及其制备方法的整体结构示意图。
图2为本发明一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板及其制备方法中刚性梯度多层接结织物板的结构示意图。
图3为本发明一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板及其制备方法中复合板主体的结构示意图。
图中：1、复合板主体；2、刚性梯度多层接结织物板；3、高强度板材底板；4、高强度板材上板；5、聚碳酸酯长丝料；6、超高分子量聚乙烯长丝料；7、经纱料；8、纬纱料；9、复合包芯纱料；10、第一固化边框；11、金属纤维板面；12、第二固化边框。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-3所示，一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板及其制备方法，包括复合板主体1，复合板主体1的内部一体成型有刚性梯度多层接结织物板2，复合板主体1内部位于刚性梯度多层接结织物板2的上端一体成型有高强度板材上板4，复合板主体1内部位于刚性梯度多层接结织物板2的下端一体成型有高强度板材底板3，刚性梯度多层接结织物板2包括超高分子量聚乙烯长丝料6、聚碳酸酯长丝料5、复合包芯纱料9、纬纱料8与经纱料7。
所述复合板主体1的一侧固定连接有第一固化边框10，复合板主体1的另一侧固定连接有第二固化边框12，复合板主体1的表面位置固定连接有金属纤维板面11。
所述超高分子量聚乙烯长丝料6、聚碳酸酯长丝料5、复合包芯纱料9、纬纱料8、经纱料7之间多层接结织物织造且热固化一体成型，刚性梯度多层接结织物板2、高强度板材底板3、高强度板材上板4之间热固化层压一体成型。
所述复合板主体1与第一固化边框10、第二固化边框12之间通过热合加工一体成型，复合板主体1与金属纤维板面11之间热合一体成型。
一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板的制备方法，包括以下操作步骤：
S1.超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱的制备
将聚碳酸酯长丝包覆在超高分子量聚乙烯长丝的表面，制备得到超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱。
具体地，超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱通过加热式包芯纺纱技术制备得到。纺纱的加捻三角区温度为115-142℃。
超高分子量聚乙烯长丝的线密度为1500-4500旦，聚碳酸酯长丝的线密度为200-800旦。超高分子量聚乙烯长丝与聚碳酸酯长丝的混纺比为40:60-80:20。包芯纱的捻系数为300-550。
通过控制超高分子量聚乙烯长丝与聚碳酸酯长丝的线密度、混纺比以及捻系数等参数，能够得到不同机械性能的复合包芯纱，包芯纱的制备可调控性和可重复性高，便于实现规模化制备，为后续刚性梯度分布的多层接结织物复合板的制备提供性能多样化的纺丝纱线。
S2.超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物的制备
将超高分子量聚乙烯长丝作为经纱，将步骤S1得到的超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱作为纬纱，进行多层接结织物的织造，得到超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物；通过控制每一层织物中超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱的强度和模量，和/或控制每一层织物的组织结构的纬纱密度和经纱密度比值，实现对刚性梯度的控制，其中，多层接结织物的面密度为0.4-25kg/m2。在实际应用中，按照迎弹面材料的刚度越大越好，背弹面材料的韧性越大越好，对复合板的多层结构进行设计。例如，靠近迎弹面的织物层的刚性较大，因此可选择聚碳酸酯长丝的含量相对较高、捻度较大或者聚碳酸酯长丝相对较粗的超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱作为纬纱；或者，通过控制每一层的织物组织结构或者面密度等参数，得到刚性较大的织物层。
特别地，纬纱密度是经纱密度的1.5-1.8倍。超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物的层数优选为3-50层，例如5-10层、10-20层、20-30层等。
S3.超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物的热固化成型
将步骤S2得到的超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物进行热固化成型，冷却后得到刚性梯度分布的多层接结织物复合板。
具体地，热固化成型依次包括预热和热固化两个阶段。其中，预热的温度为150-190℃，预热时间为30-60min；热固化的温度为180-190℃，热固化时间为10-20min。通过预热和热固化处理，使得包芯纱表面的聚碳酸酯长丝逐步软化熔融，实现织物层与层之间的粘合，进一步克服剪切力弱的缺陷。
本发明制备的刚性梯度分布的多层接结织物复合板，强度高，韧性好，抗剪切力作用强，能够有效的扩散冲击动能，起到最大化吸能的作用。可用于防弹掩体、防弹盾牌、防弹柜台、车体防弹内衬等军用防护材料。
实施例1
一种刚性梯度分布的三层接结织物复合板的制备方法，按以下步骤进行：
a、超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱的制备
采用的加热式包芯纺纱技术，将聚碳酸酯长丝包覆在超高分子量聚乙烯长丝的表面，制备出超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱；其中，超高分子量聚乙烯长丝的线密度为3000旦，聚碳酸酯长丝的线密度为500旦，纺纱的加捻三角区温度为115-142℃，超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯的混纺比均为60:40，包芯纱的捻系数为450；
b、超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物的制备
将超高分子量聚乙烯长丝作为经纱，经步骤a得到的超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱作为纬纱，进行三层接结织物的织造，得到超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物，其中，纬纱密度依次为经纱密度的1.5倍（第一层）、1.6倍（第二层）和1.8倍（第三层）；
c、超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物的热固化成型
将经步骤b得到的高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物进行热固化成型，包括预热和热固化两个步骤，预热温度为150-190℃，预热时间为30-60min，热固化温度为180-190℃，热固化时间为10-20min，冷却后得到超高分子量聚乙烯复合板。
实施例2
一种刚性梯度分布三层接结织物复合板的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，三层接结织物的纬纱中，超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯的混纺比依次为40:60（第一层）、60:40（第二层）和80:20（第三层）。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
实施例3
一种刚性梯度分布三层接结织物复合板的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，三层接结织物的纬纱中，捻系数依次为300（第一层）、450（第二层）、550（第三层）。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
实施例4
一种刚性梯度分布三层接结织物复合板的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，三层接结织物的纬纱中，超高分子量聚乙烯长丝和聚碳酸酯长丝的线密度依次为1500旦和200旦（第一层）；2500旦和400旦（第二层）；4500旦和800旦（第三层）。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
表1 为实施例1-4的性能测试结果
从表1可以看出，将三层织物的超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯的混纺比进行梯度设置，单位面密度能量吸收BPI增大，三层之间的断裂强度和杨氏模量的梯度值发送变化，第一次的断裂强度增大，第三层的断裂强度和杨氏模量均增大。捻系数以及超高分子量聚乙烯长丝和聚碳酸酯长丝的线密度也对梯度值有重要影响，在实际使用中，通过对一种因素或者同事对多种因素的调控，能够制得性能多样的刚性梯度分布三层接结织物复合板，以满足应用需求。
综上，本发明提供的刚性梯度分布的接结织物复合板的制备方法，通过将聚碳酸酯制成纤维长丝，然后包覆于超高分子量聚乙烯长丝表面，得到复合包芯纱；将其作为纬纱，超高分子量聚乙烯长丝作为经纱，进行多层接结织物的织造和热固化，并通过控制每一层织物中超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱的刚性，和/或控制每一层织物的组织结构，能够得到刚性梯度分布的多层接结织物复合板。本发明在多层接结织物的基础上，突破了树脂的负载量、均匀性和梯度性等制备难题，制备方法简单，可调控性高。可广泛用于防弹掩体、防弹盾牌、防弹柜台、车体防弹内衬等军用防护材料。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (7)
1.一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板，包括复合板主体（1），其特征在于：所述复合板主体（1）的内部一体成型有刚性梯度多层接结织物板（2），所述复合板主体（1）内部位于刚性梯度多层接结织物板（2）的上端一体成型有高强度板材上板（4），所述复合板主体（1）内部位于刚性梯度多层接结织物板（2）的下端一体成型有高强度板材底板（3），所述刚性梯度多层接结织物板（2）包括超高分子量聚乙烯长丝料（6）、聚碳酸酯长丝料（5）、复合包芯纱料（9）、纬纱料（8）与经纱料（7）；所述复合板主体（1）的一侧固定连接有第一固化边框（10），所述复合板主体（1）的另一侧固定连接有第二固化边框（12），所述复合板主体（1）的表面位置固定连接有金属纤维板面（11）；所述超高分子量聚乙烯长丝料（6）、聚碳酸酯长丝料（5）、复合包芯纱料（9）、纬纱料（8）、经纱料（7）之间多层接结织物织造且热固化一体成型，所述刚性梯度多层接结织物板（2）、高强度板材底板（3）、高强度板材上板（4）之间热固化层压一体成型。
2.根据权利要求1所述的一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板，其特征在于：所述复合板主体（1）与第一固化边框（10）、第二固化边框（12）之间通过热合加工一体成型，所述复合板主体（1）与金属纤维板面（11）之间热合一体成型。
3.根据权利要求1所述的一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板的制备方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
S1：超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱的制备，将聚碳酸酯长丝包覆在超高分子量聚乙烯长丝的表面，制备得到超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱；
S2：超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物的制备，将超高分子量聚乙烯长丝作为经纱，将步骤S1得到的所述超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱作为纬纱，进行多层接结织物的织造，得到超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物；通过控制每一层织物中所述超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱的强度和模量，和/或控制每一层织物的组织结构的纬纱密度和经纱密度比值，实现对刚性梯度的控制，其中，所述多层接结织物的面密度为0.4-25kg/m2；
S3：超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物的热固化成型，将步骤S2得到的所述超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物进行热固化成型，冷却后得到刚性梯度分布的多层接结织物复合板。
4.根据权利要求3所述的一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板的备方法，其特征在于：在S2步骤中，所述纬纱密度是经纱密度的1.5-1.8倍，所述超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯多层接结织物的层数为3-50层。
5.根据权利要求3所述的一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述超高分子量聚乙烯/聚碳酸酯复合包芯纱通过加热式包芯纺纱技术制备得到，所述加热式包芯纺纱技术的加捻三角区温度为115-142℃，所述超高分子量聚乙烯长丝的线密度为1500-4500旦，所述聚碳酸酯长丝的线密度为200-800旦，所述包芯纱的捻系数为300-550，所述超高分子量聚乙烯长丝与所述聚碳酸酯长丝的混纺比为40：60-80：20。
6.根据权利要求3所述的一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述热固化成型依次包括预热和热固化两个阶段。
7.根据权利要求6所述的一种刚性梯度分布的多层接结织物复合板的制备方法，其特征在于：所述预热的温度为150-190℃，预热时间为30-60min，所述热固化的温度为180-190℃，热固化时间为10-20min。
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