CN115769920A - 一种力热双重功能的智能防护衣及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种力热双重功能的智能防护衣及制备方法。所述智能防护服是由可弯曲膨胀的智能夹层结构，内层织物和外层衣物三层结构组成；其中智能夹层结构夹在内层织物和外层衣物之间。所述方法包括：制备剪切变硬胶，将所述剪切变硬胶与硅橡胶、形状记忆聚合物和过氧化苯甲酰混炼、硫化，并进行高于转化温度的加热处理，保持变形不变将其冷却至室温；所得的产物与硬质薄膜，铁氟龙胶带粘合组装；制备所述智能夹层结构；采用所述智能夹层结构制备力热双重智能防护衣。所述智能防护衣具有优异的力防护和保温隔热作用。所述智能夹层结构能够对温度刺激做出响应，在高温下弯曲变形，使得智能防护衣膨胀，从而进一步提高防护效果。

Description

一种力热双重功能的智能防护衣及制备方法

技术领域

本发明属于服装设计领域，具体涉及一种力热双重功能的智能防护衣及制备方法。

背景技术

人体经常在运动、自然灾害和战争中受伤。因此，设计具有抵抗冲击的防护服对人身安全防护具有重要意义。然而，一般的防护服沉重且不舒适。公开号为CN213179650U的中国实用新型公开了一种带有缓冲结构的防弹衣,由前防护衣、超高分子量聚乙烯纤维和乙烯-醋酸乙烯共聚物构成。公开号为CN208850697U的中国实用新型公开了一种柔性防护衣，是由多个包括有金属片的柔性防护块与弹性支撑柱连接而成。

另一方面，热防护对人体安全同样起着重要作用。日常的隔热服装是指在高温下防止热传播对人体造成不舒适感。公开号为CN210783016U的中国实用新型公开了一种隔热服装，其在隔热的同时可以实时对人体的健康状况进行监测。公开号为CN215075652U的中国实用新型公开了一种防化保温隔热服，该防化保温隔热服包括有表面涂有防火防水涂层的外衣面料、内衬衣料以及隔热层。

从目前所公开的专利来看，同时满足力防护和热防护的柔性防护服装的研究仍然较少。特别地，能够对外界刺激做出响应行为从而调整防护能力的智能防护服的研究极其缺乏。大部分智能防护衣制备工艺复杂、造价昂贵，难以满足大规模生产应用需求。

发明内容

本发明改进传统技术的不足，提供一种力热双重智能防护衣及制备方法。所述制备方法为一种力防护和热防护双重功能的智能防护服的制备方法。本发明拓展了传统衣物的多功能性，可以对外界环境温度产生响应。在温度的刺激下，衣物夹层可以弯曲膨胀，从而使力防护作用增强，隔热保温作用提升。基于此，该防护服在人体防护领域方面具有较大的潜力。

本发明采用以下技术方案：

一种力热双重功能的智能防护衣，所述智能防护服是由可弯曲膨胀的智能夹层结构，内层织物和外层衣物三层结构组成；其中智能夹层结构夹在内层织物和外层衣物之间。

本发明中智能是指智能响应温度，当温度超过转变温度时，夹层结构自主弯曲。

进一步地，所述的可弯曲膨胀的智能夹层结构通过如下方法制备：

a.将硼化物加入羟基硅油中混合；

b.将步骤a中获得的混合物在180摄氏度下多次搅拌；

c.将步骤b中获得的反应产物冷却至室温获得剪切变硬胶；

d.将步骤c中获得的剪切变硬胶与硅橡胶，形状记忆聚合物，过氧化苯甲酰使用炼胶机混炼均匀；

e.将步骤d中获得的产物压入模具并在170摄氏度，10兆帕下硫化30分钟；

f.将步骤e中获得的产物冷却至室温；

g.将步骤f中获得的产物裁剪为矩形条；

h.将步骤g中获得的产物进行高于转化温度的加热处理；

i.对步骤h中获得的产物进行外力加载，使其拉伸变形；

j.将步骤i中获得的产物保持变形并冷却至室温；

k.将步骤j中获得的产物与硬质薄膜，铁氟龙胶带分段三层粘合组装；

l.将步骤k得到的产物两层叠合；

m.若对步骤l中所获得的组装器件加热，将发生对温度响应的弯曲膨胀变形。

在本发明的一个实施方案中，所述硼化物为氧化硼、硼酸、硼酸盐或卤化硼的一种或者多种。

在本发明的一个实施方案中，所述硅油为羟基硅油。

在本发明的一个实施方案中，所述硅油与硼化物的质量比为20：1到30：1。

在本发明的一个实施方案中，所述加热处理方式为水浴加热、热风加热等的一种或多种。

在本发明的一个实施方案中，所述导电膜为铝箔，聚酯薄膜等的一种或者多种。

在本发明的一个实施方案中，所述形状记忆聚合物为发泡或非发泡的乙烯-醋酸乙烯共聚物、热塑性聚氨酯、聚氨酯等的一种或多种组合。

在本发明的另一个方面，提供一种制备如上所述的力热双重功能的智能防护衣的方法，所述方法包括以下步骤：

a.制备多个可弯曲膨胀的智能夹层结构；

b.将上述夹层结构排列整齐，使用缝纫机将其缝制至一层织物上；

c.制作一件单层的纯织物衣物；

d.将步骤b中获得的复合织物缝制到纯织物衣物的内层。

在本发明的一个实施方案中，所述织物为棉织物、丝织物、涤纶织物，防水面料等的一种或多种。

在本发明的一个实施方案中，所述纯织物衣物为棉织物、丝织物、涤纶织物，防水面料等制作的上衣和/或裤子的一种或多种。

本发明的有益技术效果为，当本发明的智能防护衣的温度超过转变温度时，其中间的夹层结构可以智能响应温度自主发生弯曲膨胀，从而使内外侧织物分开，形成中空膨胀结构。本发明的智能防护衣相对于普通织物即没有智能夹层结构的纯织物同时具有更强的冲击防护能力和增强的隔热性能。智能防护衣的冲击防护能力和隔热能力可以由使用者自由的调节。当需要力防护和热防护时，使用者只需要将智能防护衣加热，使中间夹层结构全部弯曲膨胀后，再冷却穿戴使用即可。

附图说明

图1为衣物可膨胀智能夹层结构实施例1响应温度变形前后的照片。

图2为一种智能防护衣实施例12的照片。

图3为智能防护衣实施例12在300毫米落锤冲击下的防护效果。

图4为智能防护衣实施例12在300毫米落锤冲击100次的最大冲击力。

图5为智能防护衣实施例12在底面接触温度为42摄氏度时的表面温度变化曲线。

图6为智能防护衣实施例12在底面接触温度为0摄氏度时的表面温度变化曲线。

图7为人体穿戴一种智能防护衣实施例12的红外温度对比图。

图8可弯曲膨胀夹层实施例1的结构示意图。

图中，1-硬质薄膜，2-复合材料。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。

下面的实施例所制得的样品的性能参数按照如下测试方法进行测试：

A.测量衣物夹层响应温度变形的具体方式如下：

将制备好的衣物夹层使用热吹风机加热，当夹层温度超过55摄氏度时，夹层发生变形。

B.测量智能防护衣在落锤冲击下的防护效果的具体方式如下：

首先制备3种样品，一种为纯织物无夹层(对比例1)，一种为有夹层的织物但无智能变形能力(对比例2)，还有一种为有夹层织物且在智能变形后(实施例12)，三种样品冲击面积相同。采用落锤试验装置进行抗冲击性能的研究。实验过程中，质量为0.57千克的平板冲击器从不同高度处自由落下，忽略下落时的摩擦力，并使用示波器记录冲击过程中的力信号。

C.测量智能防护衣在底板温度为42摄氏度时的表面温度变化曲线的具体方式如下：

将智能防护衣(实施例12)放置于温度为42摄氏度的加热台上，并使用红外相机(Image IR 8300，InfraTec，德国)实时记录智能防护衣上表面的红外温度，最后使用Matlab软件工具导出上述过程中温度的变化曲线。

D.测量智能防护衣在底板温度为0摄氏度时的表面温度变化曲线的具体方式如下：

将智能防护衣(实施例12)放置于温度为0摄氏度的装有冰水混合物的密封袋上，并使用红外相机(Image IR 8300，InfraTec，德国)实时记录智能防护衣上表面的红外温度，最后使用Matlab软件工具导出上述过程中温度的变化曲线。

E.测量人体穿戴一种智能防护衣的红外温度的具体方式如下：

将室温调整为20摄氏度，使用红外相机(Image IR 8300，InfraTec，德国)拍摄成年男子穿着一种智能防护衣(实施例12)前后的红外温度。

本发明以下实施例采用如下原料：

羟基硅油(国药集团化学试剂有限公司，羟基硅油)

硅橡胶(深圳市慕为科技有限公司，VMQ 110-2)

乙烯-醋酸乙烯共聚物粉末(远成塑化有限公司，EV含量18％)。

可弯曲膨胀夹层的制备方法举例：

实施例1：

可弯曲膨胀夹层的制备方法如下

取下列质量比的原料：

羟基硅油：硼酸＝30:1

剪切变硬凝胶：硅橡胶＝7：3

剪切变硬凝胶：过氧化苯甲酰＝140：19

以剪切变硬凝胶、硅橡胶、过氧化苯甲酰和乙烯-醋酸乙烯共聚物粉末的总质量计，乙烯-醋酸乙烯共聚物粉末的质量分数为50％。

将羟基硅油与硼酸混合均匀，放入温度为180摄氏度的烘箱中充分反应，将反应物冷却至室温得到剪切变硬胶。将剪切变硬胶、硅橡胶、过氧化苯甲酰和乙烯-醋酸乙烯共聚物粉末以上述比例使用炼胶机混炼均匀。将得到的混合物压入模具中，在170摄氏度，10兆帕下硫化30分钟，最后冷却至室温，得到厚度为2毫米的复合材料。

将上述得到的复合材料裁剪为60毫米×25毫米×2毫米，将其置于80摄氏度下加热1分钟，并将其长度方向拉伸至100毫米，保持变形不变冷却至室温。

图8所示为可弯曲膨胀夹层的结构示意图，硬质薄膜1成行排列在复合材料2上，硬质薄膜1的长度方向与复合材料的长度方向一致。所述硬质薄膜为铝箔。将铝箔(厚度0.1毫米)裁剪为18毫米×3毫米的条形，并以图8所示方式将三个所述条形排成一行置于复合材料表面中间位置，相邻两个条形之间列间距为1毫米。最后使用铁氟龙胶带将硬质薄膜所在一侧的复合材料表面完整贴合封装，得到组装材料。

将上述得到的组装材料两两对称叠合，得到可弯曲膨胀的智能夹层结构。将其温度升高至60度时，发生弯曲膨胀变形。

实施例2：

可弯曲膨胀夹层的制备方法如下

与实施例1的不同之处仅在于：

取下列质量比的原料：

羟基硅油：硼酸＝25:1

其它同实施例1。

实施例3：

可弯曲膨胀夹层的制备方法如下

与实施例1的不同之处仅在于：

取下列质量比的原料：

剪切变硬凝胶：硅橡胶＝5：5

其它同实施例1。

实施例4：

可弯曲膨胀夹层的制备方法如下

与实施例1的不同之处仅在于：

取下列质量比的原料：

剪切变硬凝胶：过氧化苯甲酰＝35：2

其它同实施例1。

实施例5：

可弯曲膨胀夹层的制备方法如下

与实施例1的不同之处仅在于：

取下列质量比的原料：

乙烯-醋酸乙烯共聚物粉末的质量分数为55％

其它同实施例1。

实施例6：

可弯曲膨胀夹层的制备方法如下

与实施例1的不同之处仅在于：

取下列质量比的原料：

乙烯-醋酸乙烯共聚物粉末的质量分数为60％

其它同实施例1。

实施例7：

可弯曲膨胀夹层的制备方法如下

与实施例1的不同之处仅在于：

将制备的复合材料裁剪为60毫米×25毫米×2毫米，将其置于80摄氏度下加热1分钟，并将其长度方向拉伸至110毫米，保持变形不变冷却至室温。

其它同实施例1。

实施例8：

可弯曲膨胀夹层的制备方法如下

将制备的复合材料裁剪为70毫米×15毫米×2毫米，将其置于80摄氏度下加热1分钟，并将其长度方向拉伸至120毫米，保持变形不变冷却至室温。

其它同实施例1。

实施例9：

可弯曲膨胀夹层的制备方法如下

将制备的复合材料裁剪为80毫米×15毫米×2毫米，将其置于80摄氏度下加热1分钟，并下将其长度方向拉伸至120毫米，保持变形不变冷却至室温。

其它同实施例1。

实施例10：

可弯曲膨胀夹层的制备方法如下

将铝箔(厚度为0.1毫米)裁剪为15毫米×4毫米的条形。

其它同实施例1。

实施例11：

可弯曲膨胀夹层的制备方法如下

将铝箔(厚度为0.1毫米)裁剪为16毫米×3.5毫米的条形。

其它同实施例1。

力热双重防护衣的制备方法举例：

实施例12：

力热双重防护衣的制备方法

将13个可弯曲膨胀夹层(实施例1制备的)为一列缝制到一层锦纶织物(翎裳旗舰店，白色轻薄防晒衣裁剪而得)上，共缝制8列(列间距为2厘米)，得到复合锦纶织物。准备一件纯锦纶的单层上衣(翎裳旗舰店，白色轻薄防晒衣)。将上述复合锦纶织物缝至纯锦纶的单层上衣(翎裳旗舰店，白色轻薄防晒衣)的内层，包括胸部和腰部的前后面。其中，可弯曲膨胀夹层位于所述的一层锦纶织物和纯锦纶的单层上衣之间。

实施例13：

力热双重防护衣的制备方法

将20个可弯曲膨胀夹层(实施例1制备的)为一列缝制到一层棉织物(永盛棉织厂，混纺白棉布)上，共缝制10列(列间距1厘米)，得到复合棉织物。制备一件纯棉单层上衣。将上述复合棉织物缝至纯棉单层上衣(永盛棉织厂，混纺白棉布)的内层，包括胸部和腰部的前后面及衣袖。其中，可弯曲膨胀夹层位于所述的一层棉织物和纯棉单层上衣之间。

实施例14：

力热双重防护衣的制备方法

将15个可弯曲膨胀夹层(实施例1制备的)为一列缝制到一层防水面料(国棉帆布厂，防水帆布料)上，共缝制8列(列间距2厘米)，得到复合防水面料。制备一件纯防水面料缝制的单层上衣(国棉帆布厂，防水帆布料)。将上述复合防水面料缝至纯防水面料缝制的单层上衣的内层，包括胸部和腰部的前后面及衣袖。其中，可弯曲膨胀夹层位于所述的一层防水面料和纯防水面料缝制的单层上衣之间。

实施例15：

力热双重防护衣的制备方法

将70个可弯曲膨胀夹层(实施例1制备的)为一列缝制到一层锦纶织物(翎裳旗舰店，白色轻薄防晒衣裁剪而得)上，共缝制8列(列间距2厘米)，得到复合锦纶织物。制备一件锦纶单层裤子(翎裳旗舰店，白色轻薄防晒衣裁剪而得)。将上述复合锦纶织物缝至锦纶单层裤子的内层，包括腰部和腿部。其中，可弯曲膨胀夹层位于所述的一层锦纶织物和锦纶单层裤子之间。

实施例16：

力热双重防护衣的制备方法

将100个可弯曲膨胀夹层(实施例1制备的)为一列缝制到一层棉织物(永盛棉织厂，混纺白棉布)上，共缝制8列(列间距2厘米)，得到复合棉织物。制备一件棉织物单层(永盛棉织厂，混纺白棉布)裤子。将上述复合棉织物缝至棉织物单层裤子的内层，包括腰部和腿部。其中，可弯曲膨胀夹层位于所述的一层棉织物和棉织物单层裤子之间。

实施例17：

力热双重防护衣的制备方法

将100个可弯曲膨胀夹层(实施例1制备的)为一列缝制到一层防水面料(国棉帆布厂，防水帆布料)上，共缝制20列(列间距1厘米)，制得复合面料织物。制备一件防水面料单层裤子。将上述复合面料织物缝至防水面料单层裤子(国棉帆布厂，防水帆布料)的内层，包括腰部和腿部。其中，可弯曲膨胀夹层位于所述的一层防水面料和防水面料单层裤子之间。

对比例1：

将一层锦纶织物(翎裳旗舰店，白色轻薄防晒衣裁剪而得)直接缝制到一件纯锦纶的单层上衣(翎裳旗舰店，白色轻薄防晒衣)的内层，中间无夹层结构。

对比例2：

首先制备不可弯曲膨胀夹层：

与实施例1的不同之处仅在于：制备的复合材料直接裁剪为100毫米×23毫米×2毫米。无需将其置于80摄氏度下加热1分钟，并将其长度方向拉伸至100毫米，保持变形不变冷却至室温。

硬质薄膜的排布方式于实施例1相同，铁氟龙胶带的封装方式也与实施例1相同。将上述得到的组装材料两两对称叠合，得到不可弯曲膨胀的夹层结构。将其温度升高时不会发生弯曲膨胀变形。

最后，制备防护衣对照例：

与实施例12的不同之处仅在于：可弯曲夹层改为不可弯曲膨胀夹层。

图1为衣物可膨胀智能夹层结构实施例1响应温度变形前后的照片。可弯曲膨胀夹层初始状态为平面状态，当温度超过转变温度时，夹层发生弯曲变形，产生中空的膨胀结构。

图2为一种智能防护衣实施例12的照片。防护衣柔软且舒适。

图3为智能防护衣实施例12在300毫米落锤冲击下的防护效果。在300毫米的落锤冲击下，无夹层纯织物(对比例1)的最大冲击力为3.4千牛，仅比没有防护的情况小0.1千牛，说明无夹层纯织物的抗冲击能力很差。而不可弯曲夹层织物(对比例2)和可弯曲膨胀夹层智能防护服(实施例12)的最大冲击力与无防护相比分别降低了48.6％和74.3％。同时，实施例12比对比例2的最大冲击力小，冲击时间延长，说明了实施例12具有更强的冲击力衰减性能。

图4为智能防护衣实施例12在300毫米落锤冲击100次的最大冲击力。可弯曲膨胀夹层智能防护衣(实施例12)在落锤连续冲击100次撞击，最大冲击力逐渐增大到1.80千牛，仍然小于不可弯曲夹层织物(对比例2)第一次撞击时的最大冲击力1.85千牛，且远小于无夹层纯织物(对比例1)第一次撞击时的最大冲击力3.42千牛。因此，本发明通过在服装中引入智能可弯曲膨胀变形的夹层结构是增强服装防护性能的有效策略。

图5为智能防护衣实施例12在底面接触温度为42摄氏度时的表面温度变化曲线。当底面接触温度为42摄氏度时，用红外摄像机记录了的各织物上表面中心点的红外温度变化。无夹层纯织物(对比例1)的中心温度经过155秒的加热温度迅速上升至39.3摄氏度，并在冷却前保持温度稳定。而不可弯曲膨胀夹层织物(对比例2)和可弯曲膨胀智能防护衣织物(实施例12)的温度在加热600秒后温度分别上升到37.1摄氏度和31.7摄氏度。实施例12显示出最低的加热和冷却速率，证实了其具有增强的隔热性能。

图6为智能防护衣实施例12在底面接触温度为0摄氏度时的表面温度变化曲线。当底面接触温度为0摄氏度时，用红外摄像机记录了的各织物上表面中心点的红外温度变化。无夹层纯织物(对比例1)的中心温度经过30秒后温度迅速降低至13.0摄氏度。而不可弯曲膨胀夹层织物(对比例2)和可弯曲膨胀智能防护衣织物(实施例12)的温度在降温600秒后温度分别降低到14.8摄氏度和19.7摄氏度。与对比例1和对比例2相比，实施例12的最低温度分别提高了59.3％和34.2％。说明了实施例12防护衣在低温下具有出色的保温能力。

图7为人体穿戴一种智能防护衣实施例12的红外温度对比图。在环境温度为20℃下，未穿智能防护服的人红外体温红外温度约为30℃。然而，穿戴智能防护衣(实施例12)后在有夹层的部分的温度立即从29.72摄氏度下降到23.83摄氏度,而无夹层处(对比例1)的温度仅降低了0.29摄氏度。充分说明了智能力热防护衣在热防护领域的应用潜力。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (15)

1.一种力热双重功能的智能防护衣，其特征在于，所述智能防护服是由可弯曲膨胀的智能夹层结构，内层织物和外层衣物三层结构组成；其中智能夹层结构夹在内层织物和外层衣物之间。

2.根据权利要求1所述的智能防护衣，其特征在于，所述内层织物为棉织物、锦纶织物、涤纶织物和防水面料中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的智能防护衣，其特征在于，所述外层衣物为棉织物、锦纶织物、涤纶织物和防水面料制成的上衣和/或裤子的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的智能防护衣，其特征在于，所述可弯曲膨胀的智能夹层结构是由智能复合材料，硬质薄膜和铁氟龙胶带叠层组装。

5.根据权利要求4所述的智能防护衣，其特征在于，所述硬质薄膜是0.1毫米的铝箔和聚酯薄膜中的一种或者多种。

6.根据权利要求4所述的智能防护衣，其特征在于，所述智能复合材料是由剪切变硬胶，硅橡胶，形状记忆聚合物和过氧化苯甲酰的混合物经高温高压处理及形状编程得到的产物。

7.根据权利要求6所述的智能防护衣，其特征在于，形状记忆聚合物为发泡或非发泡的乙烯-醋酸乙烯共聚物、热塑性聚氨酯和聚氨酯中的一种或多种组合。

8.根据权利要求6所述的智能防护衣，其特征在于，所述高温为70摄氏度到200摄氏度；优选地，所述高压为5兆帕到10兆帕。

9.根据权利要求6所述的智能防护衣，其特征在于，所述形状编程为将复合材料加热处理超过转化温度后加载变形，并保持变形冷却至室温以完成形状固定。

10.根据权利要求9所述的智能防护衣，其特征在于，所述加热处理方式为水浴加热和热风加热中的一种或多种。

11.根据权利要求6所述的智能防护衣，其特征在于，所述剪切变硬胶是由硅油和硼化物经180摄氏度处理得到的产物。

12.根据权利要求11所述的智能防护衣，其特征在于，所述硅油为羟基硅油。

13.根据权利要求11所述的智能防护衣，其特征在于，所述硼化物为氧化硼、硼酸、硼酸盐或卤化硼的一种或者多种。

14.根据权利要求11所述的智能防护衣，其特征在于，所述硅油与硼化物的质量比为20：1到30：1。

15.一种制备如权利要求1-14中任一项所述的智能防护衣的方法，所述方法包括以下步骤：

a.将硼化物加入羟基硅油中混合，并在180摄氏度下多次搅拌，冷却至室温获得剪切变硬胶；

b.将步骤a中获得的剪切变硬胶与硅橡胶，形状记忆聚合物，过氧化苯甲酰使用炼胶机混炼均匀；

c.将步骤b中获得的产物压入模具并在170摄氏度，10兆帕下硫化30分钟后，冷却至室温；

d.将步骤c中获得的产物裁剪为矩形条，并进行高于转化温度的加热处理；

e.对步骤d中获得的产物进行拉伸加载，保持变形不变将其冷却至室温；

f.将步骤e中获得的产物与硬质薄膜，铁氟龙胶带分段三层粘合组装；

g.将步骤f得到的产物两层叠合，制备多个可弯曲膨胀的智能夹层结构；

h.将上述可弯曲膨胀的智能夹层结构排列整齐，将其缝制至一层织物上；

i.制作一件单层的纯织物衣物；

j.将步骤h中获得的复合织物缝制到步骤i中获得的单层衣物的内层。

Images