表面改性凯夫拉纤维及其制备方法和用途与流程

1.本发明涉及俘弹材料技术领域，具体涉及一种表面改性凯夫拉纤维及其制备方法和用途。


背景技术：

2.在俘弹材料中，凯夫拉纤维一般出现在纤维编织层及纤维增强树脂层中。但是，凯夫拉纤维表面活性低，浸润性差，与基体间结合不紧密，从而影响了整个复合材料的力学性能。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本发明提供一种表面改性凯夫拉纤维及其制备方法和用途，通过加入三甲基氯硅烷，在凯夫拉纤维表面引入三甲基氯硅基，提高其表面活性，使其更易于与其他材料粘合在一起，提高俘弹材料性能。
4.具体技术方案为：
5.表面改性凯夫拉纤维的制备方法，包括以下步骤：
6.(1)先将凯夫拉纤维剪切成纤维段；
7.(2)二氯甲烷作为溶剂，三甲基氯硅烷作为改性试剂，与剪切后的凯夫拉纤维水浴搅拌；
8.(3)水浴搅拌结束后，于室温中静置30min，二氯甲烷清洗5次，在红外干燥箱中干燥6h，使纤维表面残留的溶剂完全挥发得到表面改性凯夫拉纤维。
9.步骤(1)将凯夫拉纤维剪切成3mm长的纤维段。
10.步骤(2)在35℃下水浴，搅拌的转子转速为310r/min，搅拌时间4h～12h。
11.本发明通过加入三甲基氯硅烷，在凯夫拉纤维表面引入三甲基硅基，三甲基硅基不稳定，c
‑
si键不稳定，易被氧化分解，最终三甲基硅基在凯夫拉表面转变为sio2。
12.由于凯夫拉纤维表面无活性基团，与其他材料结合能力差，使用三甲基氯硅烷对凯夫拉纤维进行改性。使用视频显微镜、傅里叶红外仪、扫描电子显微镜对改性后的凯夫拉纤维进行表征，发现经过三甲基氯硅烷改性后的凯夫拉纤维表面粗糙度提高，且存在本身不存在的基团。这一结果表明对凯夫拉纤维进行处理是有效果的。
13.本发明获得的表面改性凯夫拉纤维，作为制备仿生俘弹的材料。
14.本发明还提供一种仿生俘弹材料，包括正面和背板，所述的正面采用聚氨酯泡沫材料，背板采用凯夫拉纤维增强树脂，所述的凯夫拉纤维增强树脂为上述的表面改性凯夫拉纤维和树脂组成。
15.进一步的，所述的正面包括六层，依次为第一层聚氨酯软泡沫，第二层至第六层采用硬度不断增加的聚氨酯硬泡沫；第七层为背板，采用凯夫拉纤维增强树脂，七层材料通过热固性树脂粘结在一起。
16.聚氨酯泡沫部分的主要功能是俘获弹丸，包括铅弹、钢珠及塑料弹。纤维增强树脂
层主要承担防护作用，塑料弹及铅弹通常会停留在聚氨酯泡沫层，钢珠会击穿聚氨酯泡沫层而无法击穿凯夫拉纤维增强树脂层。
17.本发明基于生物鳞甲的结构特点，提供一种能够俘获不同非制式枪支发射弹丸的靶板材料，针对背板中使用的凯夫拉纤维存在表面活性低且强度不足的缺点，使用三甲基氯硅烷对凯夫拉纤维进行改性处理。结果表明，三甲基氯硅烷与凯夫拉纤维表面的氨基发生偶联，构成网状结构；通过光学显微镜和扫描电镜观察改性后凯夫拉纤维的形貌，发现三甲基氯硅烷粘附(锚固)在纤维表面；扫描电镜和能谱(sem
‑
eds)分析表明，与改性前的凯夫拉相比，三甲基氯硅烷改性后的凯夫拉表面含有硅元素；xps分析表明，改性后纤维表面硅元素以c
‑
si
‑
n形式存在；afm测试表明，改性后的表面粗糙度升高5.6％。
附图说明
18.图1a为实施例搅拌4h获得的凯夫拉纤维显微镜观测图；
19.图1b为实施例搅拌4h获得的凯夫拉纤维显微镜观测图；
20.图1c为实施例搅拌4h获得的凯夫拉纤维显微镜观测图；
21.图1d为实施例搅拌4h获得的凯夫拉纤维显微镜观测图；
22.图1e为实施例搅拌4h获得的凯夫拉纤维显微镜观测图；
23.图1f为实施例未改性凯夫拉纤维显微镜观测图；
24.图2a为实施例三甲基氯硅烷改性凯夫拉纤维sem图之一；
25.图2b为实施例三甲基氯硅烷改性凯夫拉纤维sem图之二；
26.图3为实施例三甲基氯硅烷改性12h后凯夫拉纤维的电镜图；
27.图4为实施例非制式弹丸示意图；
28.图5a为实施例俘弹靶板侧面示意图；
29.图5b为实施例俘弹靶板正面示意图；
30.图6a为实施例俘弹靶板用聚氨酯泡沫第一层显微镜图；
31.图6b为实施例俘弹靶板用聚氨酯泡沫第二层显微镜图；
32.图6c为实施例俘弹靶板用聚氨酯泡沫第三层显微镜图；
33.图6d为实施例俘弹靶板用聚氨酯泡沫第四层显微镜图；
34.图6e为实施例俘弹靶板用聚氨酯泡沫第五层显微镜图；
35.图6f为实施例俘弹靶板用聚氨酯泡沫第六层显微镜图；
36.图7为实施例凯夫拉纤维增强树脂视频显微镜图；
37.图8为实施例俘弹靶板俘获非制式弹丸示意图。
具体实施方式
38.结合实施例说明本发明的具体技术方案。
39.实施例1
40.对凯夫拉纤维表面改性处理，包括以下步骤：
41.(1)先将凯夫拉纤维剪切成约3mm长的纤维段，再取少量剪切后的凯夫拉纤维。
42.(2)二氯甲烷作为溶剂，稍过量的三甲基氯硅烷作为改性试剂，在35℃下水浴搅拌，转子转速为310r/min，共设置五组实验，变量为搅拌时间，分别为4h、6h、8h、10h、12h。
43.(3)水浴搅拌结束后，于室温中静置30min，二氯甲烷清洗5次，在红外干燥箱中干燥6h，使纤维表面残留的溶剂完全挥发。
44.表面改性凯夫拉纤维的表征：
45.(1)视频显微镜分析
46.视频显微镜在放大400倍条件下观察五组改性后的凯夫拉纤维，观测结果如图1a～图1e。图1a、图1b、图1c、图1d、图1e依次为使用三甲基氯硅烷改性4h、6h、8h、10h、12h后的凯夫拉纤维，图1f为未改性的凯夫拉纤维。通过视频显微镜观察可以看出，图1c、图1d、图1e可以看出凯夫拉纤维表面杂质颗粒变多，而图1a、图1b却很光滑，杂质较少。随着三甲基氯硅烷处理时间的增加凯夫拉纤维表面不再是光滑的，且有小的支链产生，凯夫拉纤维表面活性逐渐增加，这说明三甲基氯硅烷对凯夫拉纤维表面改性的效果随时间的增加而变得更好。
47.(2)扫描电子显微镜(sem)分析
48.经过三甲基氯硅烷改性12h后的凯夫拉纤维表面sem图如图2a和图2b所示。从图可以看出凯夫拉纤维表面黏附了一层物质，表面变得粗糙，比表面积增大。小的颗粒可能是凯夫拉表面的三甲基硅基氧化分解后形成的sio2。这一过程发生在凯夫拉纤维改性过程及干燥过程中。
49.经过三甲基氯硅烷改性(处理12h)后的凯夫拉纤维的mapping图如图3所示。图3图上左上为—碳，右上为—氧，左下为—氮，右下为—硅。
50.从图中可以看出改性后凯夫拉纤维表面有si元素出现，证明三甲基氯硅烷对凯夫拉纤维的改性是有效的。
51.(3)红外(ft
‑
ir)分析
52.改性后凯夫拉纤维特征频率在1303cm
‑1‑
1105cm
‑1之间出现了一个新峰，特征频率为1261.28cm
‑1。该峰为c
‑
o键的特征峰，证明在凯夫拉表面发生了多巴胺的聚合，并形成聚多巴胺黏附在凯夫拉纤维表面。
53.(4)afm分析
54.从图中可以看出，经过三甲基氯硅烷改性后的凯夫拉纤维表面粗糙度提高。改性前凯夫拉纤维的表面粗糙度为20.6％，改性后凯夫拉纤维表面粗糙度为26.2％，经过三甲基氯硅烷改性后凯夫拉纤维表面粗糙度提升了近5.6％，改性效果较好。
55.(5)x射线光电子能谱分析(xps)
56.对改性后的凯夫拉纤维进行x射线光电子能谱分析，在si的峰在100ev、160ev处，说明si元素以c
‑
si
‑
n、c
‑
si形式存在，表明三甲基氯硅烷对凯夫拉纤维的改性是有效的。在元素含量分析是，发现无法检测到si的含量，这是因为si的含量低，同时凯夫拉纤维不同于晶体，在检测时会出现较大误差。
57.(6)x射线能谱分析(eds)
58.对改性前的凯夫拉纤维进行x射线能谱分析，改性前凯夫拉纤维c元素含量为67.75％，o元素含量12.47％、n元素含量18.75％含量降低。改性后凯夫拉纤维与改性前相比c元素含量升高，n、o元素含量降低。这是由于三甲基氯硅烷中不含c、n元素，在凯夫拉纤维表面引入三甲基硅基，提高了c元素的含量。
59.实施例2
60.俘弹靶板的设计与性能测试
61.(1)仿生俘弹靶板的设计及组成结构
62.非制式枪弹主要包括铅弹、钢珠及塑料弹。这些弹丸的初速度和制式枪支发射的弹丸相比，初速度低、动能低。当非制式弹丸击中一般防弹材料时，会被弹飞，这是由于防弹材料表面硬度高，低速低动能弹丸无法击穿防弹材料。三种非制式弹丸如图4所示，图中从左到右依次为铅弹、钢珠、塑料弹。
63.为了能够保证俘弹靶板在俘获这三种弹丸的同时不会被击穿，在俘弹靶板的受弹面(正面)采用聚氨酯泡沫材料，背板采用凯夫拉纤维增强树脂使俘弹靶板不被上述三种弹丸击穿。由于三种弹丸之间存在速度差，且在射出枪口后拥有不同的动能，其中塑料弹的动能最小，也最容易被弹飞。所以俘弹靶板的第一层采用聚氨酯软泡沫；第二层至第六层采用硬度不断增加的聚氨酯硬泡沫；第七层采用凯夫拉纤维增强树脂。七层材料通过热固性树脂粘结在一起，构成俘弹靶板。靶板为正方形，边长250mm，厚度135mm。俘弹靶板成品如图5a和图5b所示。
64.俘弹靶板七层材料厚度：第一层25mm，第二层6mm，第三层30mm，第四层18mm，第五层30mm，第六层20mm，第七层(纤维增强树脂)6mm。
65.(2)聚氨酯泡沫材料视频显微镜分析
66.用于制作俘弹靶板的六层聚氨酯泡沫材料如图6a到图6f所示。在视频显微镜下可以看到聚氨酯材料拥有数量众多的气孔，不同硬度的聚氨酯材料气孔密度有很大差别。六种聚氨酯材料中，硬度最低的设计为第一层(着弹面)，六层聚氨酯泡沫材料按硬度升高的顺序粘合在一起形成聚氨酯层。
67.(3)凯夫拉纤维增强树脂(背板)视频显微镜分析
68.凯夫拉纤维增强树脂(背板)的视频显微镜图如图7所示。纤维作为增强材料、环氧树脂作为基体，凯夫拉纤维嵌入环氧树脂内，像水泥中的钢筋一样对整个复合板起到加固、支撑作用，比单纯的环氧树脂板的强度提高数倍。
69.(4)设计仿生俘弹材料打靶实验
70.为了验证俘弹靶板的俘弹效果及防弹性能，设计了一个打靶实验。将俘弹靶板固定，距靶板50m处放置一把气枪，以一定的初速度发射三种弹丸。用高速摄影机拍摄弹丸射入靶板的画面，并观察记录不同弹丸击穿靶板的层数。
71.理论上塑料弹会被俘弹靶板的第一层或第二层俘获，钢珠最多会击穿六层聚氨酯泡沫，停留在纤维增强树脂表面。铅弹的动能更大，可以击穿聚氨酯层并嵌入凯夫拉增强树脂层内，但不会击穿俘弹靶板。承受非制式弹丸射击后的俘弹靶板如图8所示。图中塑料弹在击中靶板后，一部分嵌在靶板第一层中，一部分击穿第一层停留在第二层聚氨酯层上。使用铅弹射击俘弹靶板，会在靶板聚氨酯层上留下较大的弹洞，但没有击穿靶板。
72.不同类型的弹丸对靶板的破坏程度不同，使用不同种类的非制式弹丸对靶板进行射击试验，通过对比靶板被破坏程度即可确定不同种类的弹丸威力的相对大小，从而制定统一的标准对非制式弹丸杀伤力进行规范化鉴定。