CN115725037A - 防爆炸冲击波的聚脲复合材料及制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防爆炸冲击波的聚脲复合材料及制备方法和应用，其该材料由甲、乙组分组成，甲：乙的重量比为3~8:1，其中，甲组分由异氰酸酯和聚碳酸酯二元醇组成；乙组分由胺类扩链剂组成。本发明所述材料具有超高强度、良好柔韧性，可有效抵御爆炸产生的冲击波，减轻爆炸冲击波对动物的损伤程度。可用于人体防护装备、防爆器材等爆炸冲击波防护领域。

Description

防爆炸冲击波的聚脲复合材料及制备方法和应用

技术领域

本发明属于防爆复合材料技术领域，特别涉及一种防爆炸冲击波的聚脲复合材料及制备方法和应用。

背景技术

近年来，国内外恐怖活动、局部战争、安全生产事故爆炸时有发生，爆炸产生的冲击波已成为爆炸现场人员致伤、致死和救援人员安全威胁的主要因素，防爆抗冲击研究越来越引起人们的重视。典型的爆炸冲击波波形包含具有较高压力幅值的正压区与作用时间较长的负压区，同时伴随着较大的压力冲量，这是引起人员损伤的关键。如何减少爆炸冲击波对人员损伤，研发具有高效衰减冲击波的防护材料和防护装备对于人们的生命安全意义重大。

传统的冲击波防护材料先后研究了石膏、泡沫、凯夫拉、多孔介质发泡镍、钢棉、玻璃纤维等对爆炸冲击波的衰减作用，但这些材料有面密度大、对强冲击波防护效果不佳、甚至加重冲击波致伤作用等缺点，因此轻质、高效衰减冲击波材料成为研究热点。

聚脲是一种防爆抗冲击性能较好的新型轻质高分子材料，是由异氰酸酯组分（R-N=C=O）与氨基化合物（R-NH₂）组分反应生成的一种微相分离的嵌段共聚物，由硬段和软段构成，化学性质稳定，理化性能优异，不仅可以通过调节异氰酸酯和氨基化合物的含量和种类，获得不同力学性能的聚脲弹性体，还可以在成型过程中加入纳米颗粒、玻璃微珠、石墨烯等材料，获得力学性能更优异、阻燃性能更好的聚脲复合材料。聚脲复杂的内部微结构、软硬段含量配比、加载速度、温度等是影响其力学性能和冲击波防护性能的主要因素。因此聚脲复合材料的组分调配、制备条件调整及与功能性填料复合是获取高效衰减爆炸冲击波材料的方法。有研究通过挤压、喷涂和刷涂不同成型工艺评估筛选出具有高效抗爆性能的砌体墙加固修复聚脲材料，却发现在背爆面涂覆3-9mm厚度聚脲时，抗爆性能随厚度增加而增强，进一步采用聚脲作为夹层，复合钢板/纤维树脂结构具有更好的抗爆性能；因此，合理应用聚脲材料能够增加结构的防爆抗冲击性能，但如果应用不合理，反而会减弱防护结构的抗爆性能。聚脲材料衰减冲击波机理研究认为冲击波促使聚脲软硬段的重排、结晶与硬化，氢键的断裂与重组，材料内部的粘性耗散，以及卸载波和加载波的相互作用是聚脲吸收、消散冲击能量的主要方式。因此，基于聚脲材料的软硬段分子结构设计及其配比、聚脲层厚度等开发新型复合材料对于制备抗爆炸冲击波聚脲材料具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种防爆炸冲击波的聚脲复合材料及制备方法和应用，该材料具有超高强度、良好柔韧性，可有效抵御爆炸产生的冲击波，减轻爆炸冲击波对动物的损伤程度。可用于人体防护装备、防爆器材等爆炸冲击波防护领域。

本发明的技术方案是：

防爆炸冲击波的聚脲复合材料，由甲、乙组分组成，甲：乙的重量比为3~8:1，其中，甲组分由二异氰酸酯和聚碳酸酯二元醇组成；乙组分由胺类扩链剂组成。

所述甲组分由30~60重量份二异氰酸酯和40~70重量份聚碳酸酯二醇组成；

乙组分由100重量份的胺类扩链剂组成。

所述的二异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、环己烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或两种以上的组分；优选地，所述异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯。

所述的聚碳酸酯二元醇选自聚碳酸亚丙酯二醇、聚碳酸丁二酯二醇、聚碳酸新戊二酯二醇、聚碳酸己二酯二醇、聚碳酸戊二酯二醇中的一种或两种以上的组分，分子量为600-2000。

所述的聚碳酸酯二元醇为聚碳酸亚丙酯二醇。

所述的胺类扩链剂选自二乙基甲苯二胺、3,5-二氨-4-氯苯甲酸异丁醇酯、异佛尔酮二胺、二甲硫基甲苯二胺中的一种或两种以上的组分；优选地，所述胺类扩链剂为二甲硫基甲苯二胺和3,5-二氨-4-氯苯甲酸异丁醇酯。

上述防爆炸冲击波的聚脲复合材料的制备方法，有以下步骤：

1）制备甲组分：

按上述的重量份取聚碳酸酯二元醇和二异氰酸酯，聚碳酸酯二元醇加入容器中，升温至100-120℃，高真空下脱水1-2h，直至水含量低于50ppm，冷却至40-60℃；

解除真空，加入二异氰酸酯，待体系自然升温停止后，缓慢加热升温， 80-85℃下反应2-3h，测残余NCO含量，降至室温（24-26℃），停止反应，抽真空脱泡，得到甲组分；

2）制备聚脲复合材料：

取甲组份，70℃下真空干燥预热1h， 抽真空脱泡10min；按上述的配比取乙组分；

将乙组分倒入甲组份中，搅拌混合，搅拌速度800~1000转/min，搅拌时间3-5min；浇筑成型，自然干燥24h后脱模，得到聚脲复合材料。

步骤1）所述催化剂为月桂酸丁锡。

步骤2）所述的搅拌时避免产生气泡。

有益效果

本发明依据聚脲分子结构中的软硬段结构的差异，在分子成型过程中会形成具有微相分离的结构，而微相分离程度会直接影响聚脲材料的物理性能。软段种类和链长会对软硬段混合的热力学相容性、软硬段之间的相互作用和相微区的有序排列产生影响。

本发明中合成预聚体选用聚碳酸酯多元醇作为聚脲复合材料的软段成分，聚碳酸酯主链分子结构内聚能高，抗冲击、抗撕裂等力学性能优异；同时长链段聚碳酸酯多元醇极性强，表现出更大程度的微相分离，使得聚脲弹性体具有更优异的静态力学性能和抗冲击性能。

本发明通过优选聚脲软硬段组分、组分配比、复合材料厚度进行结构设计，制备出具有超高强度、良好柔韧性，可高效抵御爆炸产生的冲击波，减轻爆炸冲击波对动物致伤的新型聚脲复合材料。

附图说明

图1为生物激波管内大鼠防护效应评估试验示意图；

图2为防护组与无防护组大鼠肺损伤大体解剖图；

图3为防护组与无防护组大鼠死亡率与肺损伤伤情等级；

图4为现场实爆山羊防护效应评估试验示意图；

图5为防护组与无防护组山羊肺损伤大体解剖图；

图6为防护组与无防护组山羊肺损伤程度和肺功能差异图。

具体实施方式

除特指试剂外，本实施例所述试剂均采用商售的分析纯试剂。

实施例 l 制备防爆炸冲击波的聚脲复合材料

防爆炸冲击波的聚脲复合材料由甲组分和乙组分组成，所述甲组分是由37.5重量份异佛尔酮二异氰酸酯IPDI（巴斯夫）和62.5重量份聚碳酸酯二元醇Nippollan 963（日本东曹TOSOH）组成；所述乙组分选用二甲硫基甲苯二胺；甲、乙组分的重量比为8:1。

制备防爆炸冲击波聚脲复合材料，包括以下步骤 ：

将62.5重量份聚碳酸酯二元醇Nippollan 963加入配有搅拌器、温度计、真空系统和电加热套的三口反应烧瓶中，升温至100-120℃，高真空下脱水1-2h，直至水含量低于50ppm，然后冷却至40-60℃。解除真空，加入37.5重量份异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）和0.2重量份月桂酸丁锡（催化剂），反应热使体系自然升温，待体系自然升温停止后，缓慢加热升温，在80-85℃下反应2-3h，测残余NCO含量，待达到反应终点降温停止反应。最后抽真空脱泡，装桶充干燥氮气封装，得到甲组分；

所述聚脲复合材料的制备方法：在敞口容器中称量100份的甲组分，然后放入70℃的真空干燥箱中预热30min，粘度变小后抽真空脱泡10min；取20份的乙组分；将乙组分倒入甲组分容器中，然后用高速搅拌器进行搅拌混合，搅拌时避免产生气泡，搅拌速度800~1000转/min，搅拌时间3-5min；搅拌均匀后倒入8mm厚度的中空模具中浇筑成型，自然干燥24小时后脱模，得到聚脲复合材料。

8mm厚度防爆炸冲击波物理性能测试结果见表1所述。

表1 聚脲复合材料的主要物理性能

实施例2 冲击波测试方法及测试示意图

本发明采用BST-I型生物激波管产生冲击波方法，对材料冲击波衰减情况进行分析。

将压缩空气送入驱动段，利用破膜后驱动段末端挡板发射的稀疏波追赶激波，产生具有正压波和负压波的典型爆炸冲击波，经过固定在测试装置上的待测材料时，同时检测材料前和材料后的冲击波波形，分析材料对冲击波的衰减能力，爆炸冲击波由压力传感器（美国Endevco 8530C-100）测出，测试结果显示在5.5Mpa驱动压力下冲击波超压峰值衰减76.9%-86.2%。

实施例3 小动物防护效应评估方法及效果

采用防爆炸冲击波聚脲复合材料制备为圆筒状防护模具，其厚度8mm、内径4.8cm、长度13cm，与成年大鼠（180-200g）躯干部贴合（参见图1），选择成年SD大鼠（180-200g），采用BST-I型生物激波管在5.5Mpa驱动压力下进行生物防护效应评估，分为穿戴防护材料组和未穿戴防护材料组，共进行3次爆炸冲击波模拟试验。大鼠布放位置处侧壁入射超压为194.3±17.1kPa，反射超压为496.2±46.5 kPa，正压持续时间为54.4±4.9ms。

实验结果显示防护组致伤后6小时内均存活，无防护组死亡率为20%，防护组肺出血程度显著轻于无防护组，由重度-极重度降为中度-轻度，肺出血表面积占整个肺表面积比较无防护组明显降低（6.5%±11.1% vs. 63.0%±19.8%）（参见图2和图3）。

实施例4 大动物防护效应评估方法及效果

采用防爆炸冲击波聚脲复合材料制备为分离式片状防护装具，其与成年山羊（20-25kg）躯干部贴合的（参见图4），采用8kgTNT当量模拟某型温压弹，炸药放置高度为0.8米，在旷场空爆条件下，观察距离爆心3米处穿戴与不穿带躯干部防护材料山羊肺损伤程度，并检测致伤后6小时内山羊肺功能（血气），比较防爆炸冲击波复合材料对真实爆炸条件下肺冲击伤的防护作用，山羊布放位置处0.8米高冲击波超压为247.0±32.4kPa，正压持续时间为2.4±0.6ms。

试验结果显示防护组致伤后6小时内均存活，无防护组死亡率为50%，防护组肺出血程度显著轻于无防护组，由重度-极重度降为轻度（参见图5），肺出血表面积占整个肺表面积比较无防护组明显降低（6.6%±3.0% vs. 61.5%±18.4%），防护组肺水肿程度较无防护组明显减轻（10.2±1.5 vs. 21.9±4.5），防护组山羊肺功能恢复时间显著快于无防护组（参见图6）。

结论：通过衰减冲击波性能测试，模拟不同爆炸条件下大、小动物防护效应评估表明采用本发明所述方法制备的新型聚脲复合材料具有较好的衰减冲击波性能，减轻爆炸冲击波致肺损伤程度和降低动物死亡率。

Claims (10)

1.一种防爆炸冲击波的聚脲复合材料，其特征在于，该材料由甲、乙组分组成，甲：乙的重量比为3~8:1，其中，甲组分由二异氰酸酯和聚碳酸酯二元醇组成；乙组分由胺类扩链剂组成。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述甲组分由30~60重量份二异氰酸酯和40~70重量份聚碳酸酯二元醇组成；

乙组分由100重量份的胺类扩链剂组成。

3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述的二异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、环己烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或两种以上的组分；优选地，所述异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯。

4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述的聚碳酸酯二元醇选自聚碳酸亚丙酯二醇、聚碳酸丁二酯二醇、聚碳酸新戊二酯二醇、聚碳酸己二酯二醇、聚碳酸戊二酯二醇中的一种或两种以上的组分，分子量为600-2000。

5.根据权利要求4所述的复合材料，其特征在于：所述的聚碳酸酯二元醇为聚碳酸亚丙酯二醇。

6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述的胺类扩链剂选自二乙基甲苯二胺、3,5-二氨-4-氯苯甲酸异丁醇酯、异佛尔酮二胺、二甲硫基甲苯二胺中的一种或两种以上的组分；优选地，所述胺类扩链剂为二甲硫基甲苯二胺和3,5-二氨-4-氯苯甲酸异丁醇酯。

7.权利要求1所述的防爆炸冲击波的聚脲复合材料的制备方法，其特征在于，有以下步骤：

1）制备甲组分：

按权利要求1所述的重量份取聚碳酸酯二元醇和二异氰酸酯，聚碳酸酯二元醇加入容器中，升温至100-120℃，高真空下脱水1-2h，直至水含量低于50ppm，冷却至40-60℃；

解除真空，加入二异氰酸酯和催化剂，待体系自然升温停止后，缓慢加热升温， 80-85℃下反应2-3h，测残余NCO含量，降至室温，停止反应，抽真空脱泡，得到甲组分；

2）制备聚脲复合材料：

取甲组份，70℃下真空干燥预热1h， 抽真空脱泡10min；按权利要求1所述的配比取乙组分；

将乙组分倒入甲组份中，搅拌混合，搅拌速度800~1000转/min，搅拌时间3-5min；浇筑成型，自然干燥24h后脱模，得到聚脲复合材料。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤1）所述催化剂为月桂酸丁锡。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤2）所述的搅拌时避免产生气泡。

10.权利要求1-6任一所述复合材料在制备用于防爆炸冲击波的防护用具中的应用。

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