CN117841484A - 一种抗冲击缓冲吸能复合结构 - Google Patents
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Abstract
一种抗冲击缓冲吸能复合结构，该结构包括冲击防护层、能量分散层和缓冲吸能层；冲击防护层采用甲基二苯基硅烷改性聚脲掺杂的Kevlar纤维，起到抗破片穿透的功能；能量分散层采用改性超高分子量聚乙烯纤维，增强了纤维的韧性，起到进一步分散冲击能量的作用。该改性超高分子量聚乙烯纤维由掺杂甲基二苯基硅烷改性聚脲共混得到。缓冲吸能层采用掺杂聚丙烯酸甲酯微元及三聚磷酸铝粒子的缓冲吸能弹性体；该缓冲吸能弹性体不仅在常温和低温下表现出良好的缓冲吸能效果，在高温环境中仍能保持良好的缓冲吸能特性。
Description
技术领域
本发明涉及抗冲击防护结构技术领域，涉及一种抗冲击缓冲吸能复合防护结构。
背景技术
在军事、消防、建筑等诸多工程和技术领域，工作人员可能面临来自碰撞、振动和冲击的潜在危险。需要一种高效、可靠的抗冲击解决方案，满足不同工作环境下工作人员的防护需求。目前对于抗冲击防护的研究大都聚焦于提升材料性能及单一材料结构的设计，能在不同层次上吸收和分散冲击能量，实现多层次缓冲吸能功能的文献和专利相对较少。
专利202310120431.0公开了一种快速装配并实现可编辑的抗冲击的吸能装置，可实现紧急情况的抗冲击需求，其不足之处是材料选择和耐久性难以保证，且该发明虽然提供了灵活性和可编辑性，但装置的参数、层数和球形结构的排布方式如何根据实际需要进行准确的调整，以获得最佳的力学性能和吸能特性，仍然、需要一定的技术知识和实验验证。
专利201310602701.8公开了一种抗冲击吸能材料及其制备方法，可形成逐层防护体系，降低冲击波对整个复合板造成的破坏，进而提高该材料的抗冲击吸能性能。其不足之处是尽管橡胶作为连接体具有很高的弹性和塑性，但其与金属面板和泡沫材料的兼容性以及长期使用下的耐久性需要进行详细的研究和测试。橡胶可能会受到环境条件、温度变化和化学物质的影响，可能影响连接的强度和稳定性。
专利CN201811571780.X公开了一种复合防弹衣，该防弹衣依靠吸弹层、防护层、缓冲层以及吸能层防止穿戴者受到子弹的伤害。铝泡沫层夹杂于两碳纤维层之间的吸弹结构用于避免流弹的产生；缓冲层用于将点冲击转化为面冲击；吸收层则用于吸收缓冲层的变形。其不足之处是碳纤维材料易断裂，选择该材料作为迎弹层在一定程度上削弱了抗弹效果。另外，该发明并未直接规定防护层氧化铝陶瓷板的厚度，且刚性防护材料增大了防弹结构的重量，难以保证轻便性与舒适性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗冲击性能强、缓冲吸能效果优异、抗疲劳强度高、环境适应性好的抗冲击缓冲节能复合结构，用于冲击作用下人员的防护，实现多层次分散吸收冲击能量，较广泛的温度范围内维持缓冲吸能特性的功能，同时保证缓冲吸能性能、结构重量和体积等因素，兼具轻量化特点。
一种抗冲击缓冲吸能复合结构，该结构包括冲击防护层、能量分散层和缓冲吸能层；冲击防护层采用甲基二苯基硅烷改性聚脲掺杂的Kevlar纤维，起到抗破片穿透的功能；能量分散层采用改性超高分子量聚乙烯纤维，增强了纤维的韧性，起到进一步分散冲击能量的作用。该改性超高分子量聚乙烯纤维由掺杂甲基二苯基硅烷改性聚脲共混得到。缓冲吸能层采用掺杂聚丙烯酸甲酯微元及三聚磷酸铝粒子的缓冲吸能弹性体。该缓冲吸能弹性体不仅在常温和低温下表现出良好的缓冲吸能效果，在高温环境中仍能保持良好的缓冲吸能特性。
具体的，所述抗冲击缓冲吸能复合结构由三层冲击防护层、一层能量分散层和一层缓冲吸能层构成。
通过三层结构，合理分散冲击能量，既起到抗破片穿透的效果，又分散了能量，起到缓冲吸能效果。冲击防护层能有效抗击破片穿透效果，抵御破片的直接伤害。能量分散层依靠其高韧性特点，进一步防止破片穿透，并通过形变分散能量，避免能量集中作用于一点。缓冲吸能层不仅能吸收大部分冲击残余能量，还可以有效降低结构的背凸，适用于人体抗冲击钝伤的防护。
具体的，所述冲击防护层采用的甲基二苯基硅烷改性聚脲掺杂的Kevlar纤维制作步骤为：
S1：将质量比为40％甲基二苯基硅烷(纯度为90％)与60％合成聚脲的胺类化合物乙二胺于40-50℃下混合，搅拌10-20min后，静置2-3小时得到含甲基二苯基硅烷骨架的胺类化合物；将继续用于与由异氰酸酯半预聚物反应，得到甲基二苯基硅烷改性聚脲(A)；
S2：为了更好的实现浸渍作用，将质量比为90％脂肪族胺类固化剂与10％甲基二苯基硅烷改性聚脲(A)混合，并在300rpm速度下搅拌30min，而后超声处理10min，最后置于真空环境下干燥90min；
S3：将Kevlar纤维浸泡在稀释后的甲基二苯基硅烷改性聚脲(B)30min，而后干燥72h，得到改性Kevlar纤维。
具体的，所述能量分散层中采用的改性超高分子量聚乙烯纤维制备步骤为：
A1：将质量比为10％甲基二苯基硅烷与90％环氧树脂融合，并在500rpm速度下搅拌30min，而后超声处理10min。然后将脂肪族胺类固化剂添加进混合溶液中，按照质量比10:1比例，并在500rpm速度下搅拌30min，而后超声处理10min，得到树脂基溶液；
A2：将步骤1中得到的树脂基溶液与热熔后得到的超高分子量聚乙烯按质量比1:25混合，并充分搅拌后降温，得到改性超高分子量聚乙烯。
具体的，所述缓冲吸能层中采用掺杂聚丙烯酸甲酯微元及三聚磷酸铝粒子的制备步骤如下：
B1：在反应容器中，将一定比例的丙烯酸甲酯单体、交联剂、阳离子表面活性剂和分散剂，在500rpm转速下高速搅拌10min-20min后添加引发剂，将搅拌后的溶液置于45-65℃环境下反应3-4小时，得到聚丙烯酸甲酯微元。
B2：将乙二醇甲醚作为含有羟基官能团的醚单体，并与阻聚剂、引发剂、有机溶剂混合，在500rpm转速下高速搅拌20-30min后于室温下反应3-5小时，得到含有羟基的聚醚预聚物；
B3：将质量比为67.5％含有羟基的聚醚预聚物与25％聚丙烯酸甲酯微球单元三聚磷、7.5％三聚酸铝粒子溶液混合，滴加10-20滴异氰酸酯，并置于45-65℃环境下反应6-8h，而后倒入去离子水中并快速搅拌，静置进行发泡。最终得到改性的抗冲击弹性体材料。
具体的，所述三层冲击防护层、一层能量分散层和一层缓冲吸能层层间通过热压粘结而成。
具体的，所述所述三层冲击防护层、一层能量分散层和一层缓冲吸能层热压粘结条件为0.75MPa，135℃下压制10min得到。
具体的，所述交联剂采用质量分数为0.25％的二乙二烯二甲酸酐，所述阳离子表面活性剂采用质量分数为0.3％的十六烷基三甲基溴化铵，所述分散剂采用质量分数为0.2％的聚乙烯醇，引发剂采用质量分数为0.2％的过硫酸铵。
具体的，所述阻聚剂为质量分数为2％的甲基丙烯酸甲酯，所述引发剂为质量分数为0.2％的过硫酸铵，所述有机溶剂为质量分数为40％的二甲基甲酰胺。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种抗冲击缓冲吸能复合结构，该结构具有以下优点：
1、本发明包含不同材料的层叠组合，实现在不同层次上吸收和分散冲击能量，达到多层次吸能的效果。
2、本发明针对材料进行了改性处理，增强了Kevlar的抗冲击性能；进一步增大了超高分子量聚乙烯纤维的韧性，避免被破片穿透，增强了能量分散性能；得到了耐疲劳性更强、温度适应性更强的改性缓冲吸能弹性体，在较广泛的温度范围内维持缓冲吸能特性，具有很好的耐久性。
3、采用本发明，可实现高速冲击下阻挡子弹及破片穿透、分散冲击能量，满足不同工作环境下人体的防护需求。
附图说明
图1抗冲击缓冲吸能结构示意图
1-冲击防护层；2-能量分散层；3-缓冲吸能层；4-层间连接
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例
具体实施例1
如图1所示，一种抗冲击缓冲吸能复合结构，具体包括冲击防护层1、能量分散层2和缓冲吸能层3；其中抗冲击缓冲吸能复合结构由三层防护层1、一层分散层2和一层缓冲吸能层3通过热压粘结而成，热压粘结条件为0.75MPa，135℃下压制10min。
其中，冲击防护层1采用甲基二苯基硅烷改性聚脲掺杂的Kevlar纤维，起到抗破片穿透的功能；能量分散层2采用改性超高分子量聚乙烯纤维，增强了纤维的韧性，起到进一步分散冲击能量的作用；该改性超高分子量聚乙烯纤维由掺杂甲基二苯基硅烷改性聚脲共混得到；缓冲吸能层3采用掺杂聚丙烯酸甲酯微元及三聚磷酸铝粒子的缓冲吸能弹性体；该缓冲吸能弹性体不仅在常温和低温下表现出良好的缓冲吸能效果，在高温环境中仍能保持良好的缓冲吸能特性。
通过三层结构，合理分散冲击能量，既起到抗破片穿透的效果，又分散了能量，起到缓冲吸能效果；冲击防护层能有效抗击破片穿透效果，抵御破片的直接伤害；能量分散层依靠其高韧性特点，进一步防止破片穿透，并通过形变分散能量，避免能量集中作用于一点；缓冲吸能层不仅能吸收大部分冲击残余能量，还可以有效降低结构的背凸，适用于人体抗冲击钝伤的防护。
需要说明的是，冲击防护层1采用的甲基二苯基硅烷改性聚脲掺杂的Kevlar纤维制作步骤为：
S1：将质量比为40％甲基二苯基硅烷(纯度为90％)与60％合成聚脲的胺类化合物乙二胺于40-50℃下混合，搅拌10-20min后，静置2-3小时得到含甲基二苯基硅烷骨架的胺类化合物。将继续用于与由异氰酸酯半预聚物反应，得到甲基二苯基硅烷改性聚脲(A)。
S2：为了更好的实现浸渍作用，将质量比为90％脂肪族胺类固化剂与10％甲基二苯基硅烷改性聚脲(A)混合，并在300rpm速度下搅拌30min，而后超声处理10min，最后置于真空环境下干燥90min，超声处理并干燥后用于浸泡Kevlar纤维。
S3：浸泡30min并干燥72h后即可得到改性Kevlar纤维织物。
需要说明的的是，能量分散层2中采用的改性超高分子量聚乙烯纤维制备步骤为：
A1：将质量比为10％甲基二苯基硅烷与90％环氧树脂融合，并在500rpm速度下搅拌30min，而后超声处理10min。然后将脂肪族胺类固化剂添加进混合溶液中，按照质量比10:1比例，并在500rpm速度下搅拌30min，而后超声处理10min，得到树脂基溶液。
A2：将树脂基溶液与热熔后得到的超高分子量聚乙烯按质量比1:25混合，并充分搅拌后降温，得到改性超高分子量聚乙烯。而后将其与十氢萘在145-165℃下混合，充分搅拌降温后可得到用于制备超高分子量聚乙烯纤维的改性材料。
需要说明的的是，缓冲吸能层3中采用掺杂聚丙烯酸甲酯微元及三聚磷酸铝粒子的制备步骤如下：
B1：将丙烯酸甲酯单体、质量分数为0.25％的二乙二烯二甲酸酐、质量分数为0.3％的十六烷基三甲基溴化铵和质量分数为0.2％的聚乙烯醇混合，按照质量比为69％丙烯酸甲酯单体、20.5％二乙二烯二甲酸酐、5.5％十六烷基三甲基溴化铵和5％聚乙烯醇混合。然后使用高速搅拌机搅拌15min。而后使用质量分数为0.2％的过硫酸铵作为引发剂，并控制温度在55℃，反应3-4小时得到聚丙烯酸甲酯微元。
B2：将乙二醇甲醚作为含有羟基官能团的醚单体，并与2％甲基丙烯酸甲酯、0.2％过硫酸铵、40％二甲基甲酰胺混合，高速搅拌25min后，于室温下反应4小时，得到含有羟基的聚醚预聚物。
B3：将含有羟基的聚醚预聚物与质量分数为30％的聚丙烯酸甲酯微球单元、质量分数为10％三聚磷酸铝粒子溶液混合，滴加异氰酸酯，并置于50℃环境下反应7h，而后倒入去离子水中并快速搅拌，而后静置进行发泡，最终得到改性的抗冲击缓冲吸能材料。
下面为抗冲击缓冲吸能复合结构经弹道冲击实验验证，本发明所用复合防护结构(工况3)大大降低了结构凹陷深度，且未发生穿透现象，保证了能量吸收效率。在300m/s，1.1g破片的冲击作用下，改性Kevlar/改性超高分子量聚乙烯/改性缓冲吸能结构的凹陷深度相较于未改性、采用EVA泡沫为缓冲层结构(工况2)降低了75.62％，能量吸收效率提升了11.46％，有效防止了破片穿透；比未改性、采用聚氨酯弹性体结构(工况1)降低了65.16％
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。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的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可做很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (9)
1.一种抗冲击缓冲吸能复合结构，其特征在于：抗冲击缓冲吸能复合结构包括冲击防护层(1)、能量分散层(2)和缓冲吸能层(3)；
所述冲击防护层(1)采用甲基二苯基硅烷改性聚脲掺杂的Kevlar纤维，起到抗破片穿透的功能；
所述能量分散层(2)采用改性超高分子量聚乙烯纤维，增强了纤维的韧性，起到进一步分散冲击能量的作用；所述改性超高分子量聚乙烯纤维由掺杂甲基二苯基硅烷改性聚脲共混得到。
所述缓冲吸能层(3)采用掺杂聚丙烯酸甲酯微元及三聚磷酸铝粒子的缓冲吸能弹性体。
2.根据权利要求1所述一种抗冲击缓冲吸能复合结构，其特征在于：所述抗冲击缓冲吸能复合结构由冲击防护层(1)、一层能量分散层(2)和一层缓冲吸能层(3)构成。
3.根据权利要求1所述一种抗冲击缓冲吸能复合结构，其特征在于：所述冲击防护层(1)采用的甲基二苯基硅烷改性聚脲掺杂的Kevlar纤维制作步骤为：
S1：将质量比为40％甲基二苯基硅烷(纯度为90％)与60％合成聚脲的胺类化合物乙二胺于40-50℃下混合，搅拌10-20min后，静置2-3小时得到含甲基二苯基硅烷骨架的胺类化合物；将继续用于与由异氰酸酯半预聚物反应，得到甲基二苯基硅烷改性聚脲(A)；
S2：为了更好的实现浸渍作用，将质量比为90％脂肪族胺类固化剂与10％甲基二苯基硅烷改性聚脲(A)混合，并在300rpm速度下搅拌30min，而后超声处理10min，最后置于真空环境下干燥90min；
S3：将Kevlar纤维浸泡在稀释后的甲基二苯基硅烷改性聚脲(B)30min，而后干燥72h，得到改性Kevlar纤维。
4.根据权利要求1所述一种抗冲击缓冲吸能复合结构，其特征在于：所述能量分散层(2)中采用的改性超高分子量聚乙烯纤维制备步骤为：
A1:将质量比为10％甲基二苯基硅烷与90％环氧树脂融合，并在500rpm速度下搅拌30min，而后超声处理10min。然后将脂肪族胺类固化剂添加进混合溶液中，按照质量比10:1比例，并在500rpm速度下搅拌30min，而后超声处理10min，得到树脂基溶液；
A2：将步骤1中得到的树脂基溶液与热熔后得到的超高分子量聚乙烯按质量比1:25混合，并充分搅拌后降温，得到改性超高分子量聚乙烯。
5.根据权利要求1一种抗冲击缓冲吸能复合结构，其特征在于：所述缓冲吸能层(3)中采用掺杂聚丙烯酸甲酯微元及三聚磷酸铝粒子的制备步骤如下：
B1：在反应容器中，将一定比例的丙烯酸甲酯单体、交联剂、阳离子表面活性剂和分散剂，在500rpm转速下高速搅拌10min-20min后添加引发剂，将搅拌后的溶液置于45-65℃环境下反应3-4小时，得到聚丙烯酸甲酯微元；
B2：将乙二醇甲醚作为含有羟基官能团的醚单体，并与阻聚剂、引发剂、有机溶剂混合，在500rpm转速下高速搅拌20-30min后于室温下反应3-5小时，得到含有羟基的聚醚预聚物；
B3：将质量比为67.5％含有羟基的聚醚预聚物与25％聚丙烯酸甲酯微球单元三聚磷、7.5％三聚酸铝粒子溶液混合，滴加10-20滴异氰酸酯，并置于45-65℃环境下反应6-8h，而后倒入去离子水中并快速搅拌，静置进行发泡。最终得到改性的抗冲击弹性体材料。
6.根据权利要求2所述一种抗冲击缓冲吸能复合结构，其特征在于：所述三层冲击防护层(1)、一层能量分散层(2)和一层缓冲吸能层(3)层间通过热压粘结而成。
7.根据权利要求6所述一种抗冲击缓冲吸能复合结构，其特征在于：所述所述三层冲击防护层(1)、一层能量分散层(2)和一层缓冲吸能层(3)热压粘结条件为0.75MPa，135℃下压制10min得到。
8.根据权利要求5所述一种抗冲击缓冲吸能复合结构，其特征在于：所述交联剂采用质量分数为0.25％的二乙二烯二甲酸酐，所述阳离子表面活性剂采用质量分数为0.3％的十六烷基三甲基溴化铵，所述分散剂采用质量分数为0.2％的聚乙烯醇，引发剂采用质量分数为0.2％的过硫酸铵。
9.根据权利要求5所述一种抗冲击缓冲吸能复合结构，其特征在于：所述阻聚剂为质量分数为2％的甲基丙烯酸甲酯，所述引发剂为质量分数为0.2％的过硫酸铵，所述有机溶剂为质量分数为40％的二甲基甲酰胺。
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