TWI579327B - 防護材料 - Google Patents
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Description
本揭露關於防護材料，更特別關於含有防護材料之防護結構與其應用。
剪切增稠(shear thickening)現象常見於一般的懸浮流體中，過去的研究主要在強調如何避免剪切增稠現象的發生，以免突發性的剪切增稠現象，破壞生產設備，近年來隨著膠體科學技術的發展，剪切增稠現象被更徹底的了解且應用在防護用途的研究中。
具剪切增稠現象的材料可運用於防護用途，例如是在遭遇高速衝擊時，快速吸收能量變硬，提供防護效果，能量卸除後，短時間內恢復原有可塑狀態。
綜上所述，開發剪切增稠速度更快或防護效果更佳的剪切增稠配方與護具是重要的課題。
本揭露一實施例提供之防護材料，包括：聚合物，係由單體聚合而成，且單體包括丙烯醯胺單體，其結構為：
或，其中R各自獨立，係H或
C1-3之烷基；其中R’係C2-5之烷撐基；以及多個氧化矽粒子，且
該些氧化矽粒子與該聚合物之重量比約介於1.5：1至4：1之間。
本揭露一實施例提供之防護材料，包括：聚合物，係由單體聚合而成，且單體包括丙烯醯胺單體，其結構為：
或，其中R各自獨立，係H或
C1-3之烷基；其中R’係C2-5之烷撐基；以及多個氧化矽粒子。在一實施例中，氧化矽粒子與聚合物之重量比約介於1.5：1至4：1之間。若氧化矽粒子之比例過高，則形成團塊狀不流動的固體。若氧化矽粒子之比例過低，則無法產生剪切增稠效果的液體。
在一實施例中，聚合物的重均分子量(Mw)約介於1000至50000之間，或約介於5000至20000之間。若聚合物之重均分子量過低，則欲達到防護效果，需要厚度更厚的材料組成。上述聚合物之重均分子量的量測方法如下：取0.5g的固化樣品，放入5mL之四氫呋喃(Tetrahydrofuran)中攪拌溶解後，先用0.45μm濾膜過濾，再用0.22μm濾膜過濾。之後以液態色層分析儀(WATERS HIGH PERFORMANCE GPC SYSTEM)量測濾液中的聚合物之重均分子量。
在另一實施例中，聚合物之單體除了丙烯醯胺單
體外，還包含丙烯酸酯之單體或寡聚物，比如二丙烯酸氨酯寡聚物、丙烯酸異辛酯、丙烯酸羥乙酯、或其他丙烯酸酯之單體或寡聚物。丙烯醯胺單體與該丙烯酸酯之單體或寡聚物的重量比約大於或等於2.5。若上述比例過低，則無法產生剪切增稠效果的液體。在一實施例中，氧化矽粒子之形狀為球狀或不規則。另一方面，若將氧化矽粒子置換為其他常見無機填充劑如黏土、氧化鋁、或氫氧化鋁，則複合材料亦不具有防護功能。在一實施例中，氧化矽粒子之尺寸約介於50nm至1mm。
上述防護材料可搭配基材以形成防護結構。舉例來說，可先將基材含浸於單體、起始劑、與氧化矽粒子組成之剪切增稠流體(STF)中，再加熱使STF中的單體固化形成剪切增稠膠體(STG)。如此一來，基材將含浸於STG之防護材料中。在另一實施例中，可直接固化STF以形成STG後，再將其置於基材上。上述基材可為纖維、泡棉、塗層、或金屬箔。在一實施例中，防護結構之厚度約介於1mm至5mm之間，比現有之防護結構之厚度(7mm至14mm之間)薄。
上述防護結構可置於物體上，使施加至物體的力量消散於防護結構中。當上述物體為人體，且施加至物體的力量來自於擊發的子彈時，此防護結構即俗稱的防彈衣。除此之外，防護結構亦可用於運動護墊、電池外殼、鞋墊、或其他防護用具中。防護結構可視需求應用於各種物體，並不以上述應用為限。
為了讓本揭露之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例作詳細說明如下。
實施例
實施例1
將10.0g之二氧化矽(Megasil 550 silica，購自Sibelco Asia Pte Ltd.-Bao Lin Branch，粒徑範圍2~3μm)與6.0g之N,N-二甲基丙烯醯胺(DMAA，CAS#：2680-03-7，購自合記化學)於室溫下攪拌3小時，即得到剪切增稠流體配方膠水(varnish)。此剪切增稠流體於25℃之初始黏度為122251cps，於剪切率3.11s-1下具有最大黏度345711cps。將上述膠水加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上，冷卻後形成固態試片。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第1表所示。
實施例2
將12.0g之二氧化矽(Megasil 550 silica，購自Sibelco Asia Pte Ltd.-Bao Lin Branch，粒徑範圍2~3μm)與6.0g之DMAA於室溫下攪拌3小時，即得到剪切增稠流體配方膠水(varnish)。此剪切增稠流體於25℃之初始黏度為33534cps，於剪切率3.11s-1下具有最大黏度386624cps。將上述膠水加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上，冷卻後形成固態試片。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙
(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第1表所示。
實施例3
將13.5g之二氧化矽(Megasil 550 silica，購自Sibelco Asia Pte Ltd.-Bao Lin Branch，粒徑範圍2~3μm)與6.0g之DMAA於室溫下攪拌3小時，即得到剪切增稠流體配方膠水(varnish)。此剪切增稠流體於25℃之初始黏度為169641cps，於剪切率3.11s-1下具有最大黏度429582cps。將上述膠水加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上，冷卻後形成固態試片。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第1表所示。
實施例4
將24.0g之二氧化矽(Megasil 550 silica，購自Sibelco Asia Pte Ltd.-Bao Lin Branch，粒徑範圍2~3μm)與12.0g之DMAA於室溫下攪拌3小時，即得到剪切增稠流體配方膠水(varnish)。此剪切增稠流體於25℃之初始黏度為33534cps，於剪切率3.11s-1下具有最大黏度386624cps。將上述膠水加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上，冷卻後形成固態試片。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙
(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第1表所示。
比較例1
將7.2g之二氧化矽(Megasil 550 silica，購自Sibelco Asia Pte Ltd.-Bao Lin Branch，粒徑範圍2~3μm)與6.0g之DMAA於室溫下攪拌3小時，即得到流體。此流體並無剪切增稠現象。將上述流體加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱流體至90℃後反應1小時，以聚合DMAA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上，冷卻後形成固態試片。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第1表所示。
比較例2
將6.0g之奈米黏土(Laponite RD clay，D=25nm，t=0.92nm，購自Rockwood Co.)與35.29g之DMAA於室溫下攪拌3小時，即得到流體配方膠水(varnish)。此流體並無剪切增稠現象。將上述流體加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱流體至90℃後反應1小時，以聚合DMAA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上。由於上述產物並非剪切增稠膠體(STG)，故無法進行衝擊實驗。上述組成如第1表所示。
比較例3
將12.0g之奈米黏土(Laponite RD clay，D=25nm，t=0.92
nm，購自Rockwood Co.)與6.0g之DMAA於室溫下攪拌3小時，即得到流體。此流體並無剪切增稠現象。將上述流體加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱流體至90℃後反應1小時，以聚合DMAA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上。由於上述產物並非剪切增稠膠體(STG)，故無法進行衝擊實驗。上述組成如第1表所示。
比較例4
將12.0g之氧化鋁(AlO-010-A1，購自FNAMI Co.，平均粒徑2μm)與6.0g之DMAA於室溫下攪拌3小時，即得到流體。此流體並無剪切增稠現象。將上述流體加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱流體至90℃後反應1小時，以聚合DMAA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上。由於上述產物並非剪切增稠膠體(STG)，故無法進行衝擊實驗。上述組成如第1表所示。
比較例5
將12.0g之氫氧化鋁(H-42M，購自日本昭和電工，平均粒徑1μm)與6.0g之DMAA於室溫下攪拌3小時，即得到流體。此流體並無剪切增稠現象。將上述流體加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱流體至90℃後反應1小時，以聚合DMAA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上。由於上述產物並非剪切增稠膠體(STG)，故無法進行衝擊實驗。上述組成如第1表所示。
比較例6
使用PBDMS防護材(D3O Six Six One Evo護膝護具)，依
據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此防護材之衝擊試驗結果如第1表所示。
比較例7
使用熱固性聚氨酯防護材(G-FORM SPORT Knee Pad Black護膝護具)，依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此防護材之衝擊試驗結果如第1表所示。
比較例8
使用矽膠片(厚度3.3mm，購自泓明科技股份有限公司)，裁切成9cm2大小，依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此防護材之衝擊試驗結果如第1表所示。
實施例5
將16.0g之二氧化矽(SO-E2 silica，購自Denka Co.，平均粒徑500nm)與6.0g之DMAA於室溫下攪拌3小時，即得到剪切增稠流體配方膠水(varnish)。此剪切增稠流體於25℃之初始黏度為45369cps，於剪切率3.11s-1下具有最大黏度342643cps。將上述膠水加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上，冷卻後形成固態試片。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第2表所示。
實施例6
將17.0g之二氧化矽(SO-E2 silica，購自Denka Co.，平均粒徑500nm)與6.0g之DMAA於室溫下攪拌3小時，即得到剪切增稠流體配方膠水(varnish)。此剪切增稠流體於25℃之初始黏
度為86793cps，於剪切率3.11s-1下具有最大黏度402478cps。將上述膠水加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上，冷卻後形成固態試片。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第2表所示。
實施例7
將17.0g之二氧化矽(PLV-4 silica，購自Tatsumori,Ltd.，平均粒徑3.4μm)與6.0g之DMAA於室溫下攪拌3小時，即得到剪切增稠流體配方膠水(varnish)。此剪切增稠流體於25℃之初始黏度為72985cps，於剪切率3.11s-1下具有最大黏度344177cps。將上述膠水加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上，冷卻後形成固態試片。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第2表所示。
實施例8
將21.0g之二氧化矽(PLV-6 silica，購自Tatsumori,Ltd.，平均粒徑5.2μm)與6.0g之DMAA於室溫下攪拌3小時，即得到剪切增稠流體配方膠水(varnish)。此剪切增稠流體於25℃之初
始黏度為92711cps，於剪切率3.11s-1下具有最大黏度377419cps。將上述膠水加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上，冷卻後形成固態試片。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第2表所示。
由第1表與第2表可知實施例1~8皆具有良好剪切增稠特性，剪切率低於4s-1即有超過300000cps之黏度。實施例1~8皆具有良好耐衝擊特性，相同條件下明顯優於比較例1~6，將剪切增稠流體聚合成固態防護材後，不僅吸收衝擊能量，更將衝擊能量分散，增加受力面積，進而提升防護特性。在相同防護力(實施例1~3、5~8)下僅商用護具(比較例7)厚度之四分之一，實施例4僅商用護具(比較例7)厚度之一半，且防護特性明顯優於商品護具(比較例7與8)。
實施例9
將12.0g之二氧化矽(Megasil 550 silica，購自Sibelco Asia Pte Ltd.-Bao Lin Branch，粒徑範圍2~3μm)、5.4g之DMAA、與0.6g之二丙烯酸氨酯寡聚物(urethane diacrylate oligomers，DM 541，購自雙鍵化工股份有限公司)於室溫下攪拌3小時，即得到剪切增稠流體配方膠水(varnish)。此剪切增稠流體於25℃之初始黏度為74958cps，於剪切率3.11s-1下具有最大黏度382533cps。將上述膠水加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA與DM 541之總重量為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA與DM 541。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上，冷卻後形成固態試片。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第3表所示。
實施例10
將12.0g之二氧化矽(Megasil 550 silica，購自Sibelco Asia
Pte Ltd.-Bao Lin Branch，粒徑範圍2~3μm)、4.9g之DMAA、與1.1g之丙烯酸異辛酯(2-EHA，購自第一化工原料股份有限公司)於室溫下攪拌3小時，即得到剪切增稠流體配方膠水(varnish)。此剪切增稠流體於25℃之初始黏度為126245cps，於剪切率3.11s-1下具有最大黏度393273cps。將上述膠水加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA與2-EHA之總重量為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA與2-EHA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上，冷卻後形成固態試片。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第3表所示。
實施例11
將12.0g之二氧化矽(Megasil 550 silica，購自Sibelco Asia Pte Ltd.-Bao Lin Branch，粒徑範圍2~3μm)、4.5g之DMAA、與1.5g之丙烯酸羥乙酯(2-HEA，購自第一化工原料股份有限公司)於室溫下攪拌3小時，即得到剪切增稠流體配方膠水(varnish)。此剪切增稠流體於25℃之初始黏度為143468cps，於剪切率3.11s-1下具有最大黏度372816cps。將上述膠水加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA與2-HEA之總重量為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA與2-HEA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上，冷卻後形成固態試片。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限
公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第3表所示。
比較例9
將12.0g之二氧化矽(Megasil 550 silica，購自Sibelco Asia Pte Ltd.-Bao Lin Branch，粒徑範圍2~3μm)、4.25g之DMAA、與1.75g之DM 541於室溫下攪拌3小時，即得流體。此流體並無剪切增稠現象。將上述流體加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA與DM 541之總重量為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA與DM 541。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上，冷卻後形成固態試片。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第3表所示。
比較例10
將12.0g之二氧化矽(Megasil 550 silica，購自Sibelco Asia Pte Ltd.-Bao Lin Branch，粒徑範圍2~3μm)、4.25g之DMAA、與1.75g之2-EHA於室溫下攪拌3小時，即得流體。此流體並無剪切增稠現象。將上述流體加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA與2-EHA之總重量為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA與2-EHA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上。由於上述產物並非剪切增稠膠體(STG)，故無法進行衝擊實驗。上述組成如第3表所示。
比較例11
將12.0g之二氧化矽(Megasil 550 silica，購自Sibelco Asia
Pte Ltd.-Bao Lin Branch，粒徑範圍2~3μm)、4.25g之DMAA、與1.75g之2-HEA於室溫下攪拌3小時，即得流體。此流體並無剪切增稠現象。將上述流體加熱至55℃後，添加1phr(以DMAA與2-HEA之總重量為基準)之熱起始劑AIBN，再加熱膠水至90℃後反應1小時，以聚合DMAA與2-HEA。將反應後之產物倒入直徑7.56mm之鋁盤上。由於上述產物並非剪切增稠膠體(STG)，故無法進行衝擊實驗。上述組成如第3表所示。
由第3表可知實施例9至11皆具有良好耐衝擊特性，相同條件下明顯優於比較例7至9。將剪切增稠流體聚合成
固態防護材後，不僅吸收衝擊能量，更將衝擊能量分散，增加受力面積，進而提升防護特性。在相同防護力(實施例2、9、10、11)下僅商用護具(比較例7)厚度之四分之一，防護力與防護特性明顯優於商品護具(比較例7、8)。上述實施例所提供之固態防護材兼具薄型、吸能、與耐衝擊之特性，明顯優於比較例之常用防護材料。
實施例12
將Twaron平織布(CT714 WRT，190g/m2，購自Teijin Aramid Co.Ltd.)含浸於實施例2之剪切增稠流體中，再進行固化反應，使Twaron平織布CT714 WRT包埋在實施例2之防護材料中。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第4表所示。
實施例13
將實施例2之固化後產品裁切成直徑6mm之STG圓盤狀試片，再將其置於比較例12之TPU(EL96，90kg/m3，喬福泡綿股份有限公司)圓盤凹槽中。依據BS EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第4表所示。
比較例12
將喬福泡綿股份有限公司之惰性泡綿TPU(EL96，90kg/m3)，經圖案化壓成蜂巢狀、直徑6mm之圓盤凹槽。依據BS
EN 1621-1標準進行衝擊試驗，並以富士Prescale中壓感壓紙(Model：MS，單片式，麥思科技有限公司)評估衝擊後殘留之壓力值。此固態防護材組成及衝擊試驗結果如第4表所示。
由第4表可知實施例12、13仍有較佳之吸收衝擊能量與防護特性，尤其是實施例13將比較例12之載具置入實施例2之固態防護材，其能量消散特性可大幅提升20%。
雖然本揭露已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何本技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (5)
- 一種防護材料，包括：一聚合物，係由單體聚合而成，且上述單體包括丙烯醯胺單體，其結構為：
- 如申請專利範圍第1項所述之防護材料，其中該聚合物之重均分子量介於1000至50000之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之防護材料，其中上述單體更包含丙烯酸酯之單體或寡聚物，且該丙烯醯胺單體與該丙烯酸酯之單體或寡聚物的重量比大於或等於2.5。
- 如申請專利範圍第1項所述之防護材料，其中該些氧化矽粒子之形狀為球狀或不規則。
- 如申請專利範圍第1項所述之防護材料，其中該些氧化矽粒子之尺寸介於50nm至1mm之間。
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| TW105140215A TWI579327B (zh) | 2015-12-17 | 2015-12-17 | 防護材料 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2015-12-17 TW TW105140215A patent/TWI579327B/zh active
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| TWI650245B (zh) * | 2017-11-30 | 2019-02-11 | 財團法人工業技術研究院 | 防護結構 |
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