一种具有防护低速冲击功能的剪切增稠胶增强织物

1.本发明涉及一种冲击防护织物，具体涉及一种具有防护低速冲击功能的剪切增稠胶增强织物。


背景技术：

2.汽车撞击、高空坠物、运动摔伤或击打等速度不超过20m/s的外部低速冲击威胁着人们的生命健康与安全。与高速或中高速冲击相比，低速冲击发生频次更高，覆盖范围更广。传统的防护装备多为硬质材料，应用在人体穿戴上时显得笨重、僵硬，舒适性较差。尤其对于老人、妇女、儿童等普通人群，几乎无法承受笨重的硬质装备，因此对于轻质柔性防护材料的需求与日俱增。
3.剪切增稠胶是一种功能材料，在自然状态下呈胶体状，形态比较稳定，柔软并且富有弹性。一旦遭遇外界瞬间的冲击力作用，剪切增稠胶会迅速收缩变硬形成防护层，当外力撤去后，它又会恢复到原来的状态。与已被广泛研究的剪切增稠流体相比，剪切增稠胶的粘滞性更好，更易于封装和携带。与特定材料复合应用时，剪切增稠胶不仅能够有效地防止微纳米粒子从材料表面脱落，又可保持其在复合材料中的形态和特性，在防护冲击领域具备较大的应用潜力。
4.织物具备轻质柔性的特征，但其力学性能以及冲击防护潜力有限，而将其与剪切增稠材料复合后制备的柔性防护材料可实现理想的防护低速冲击效果。中国专利cn108867078a公开了一种剪切增稠液复合三维织物的制备方法，基于三维织物的空间特有形态，将剪切增稠流体与三维织物复合，当受外界冲击力作用时，各织物层间产生相互作用，从而缓冲和抵消外力，提高整体材料的理化性能。但是，该发明在防护外界冲击时重点凭借的是三维织物的结构特性，材料整体偏厚重，而剪切增稠流体的性能在防护冲击时发挥的作用不大。中国专利cn108642888a公开了一种剪切增稠凝胶的制备方法及其在防破织物上的应用，通过上胶机预浸、主浸，将剪切增稠胶涂覆在织物上，得到了具有剪切增稠效应的防破织物。虽然剪切增稠胶粘滞性较好，但无封装、直接附着在纱线表面仍导致不稳定、易流失的问题出现。
5.因此，虽然剪切增稠胶增强织物具备了一定防护外界低速冲击的潜力，但如何充分利用剪切增稠特性并且保证剪切增稠胶能够稳定地存在于织物内，从而实现优异的防护低速冲击功能，是相关领域研发的重要方向。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种具有防护低速冲击功能的剪切增稠胶增强织物，得到了一种轻质、柔性且适于多种人群穿戴的可防护低速冲击的剪切增稠胶增强织物。
7.本发明的目的通过以下技术方案实现：
8.一种具有防护低速冲击功能的剪切增稠胶增强织物，包括中空结构织物、灌注于
中空结构织物内部的剪切增稠胶以及涂覆于中空结构织物表面的封装助剂；
9.其中，所述的中空结构织物包括上表面层、中间层和下表面层；所述的剪切增稠胶包括分散相、连续相和增强相；所述的封装助剂涂覆于上表面层和下表面层上。
10.优选地，所述的中空结构织物与剪切增稠胶的质量比为1：2-6。保证增强织物不会因剪切增稠胶的含量过少而造成防护效果差，也不会因剪切增稠胶含量过多而引起增强织物的形态不稳定。
11.优选地，所述的剪切增稠胶的分散相和连续相的质量比为1：1，保证展现最优的剪切增稠效应；增强相的用量为剪切增稠胶质量的0-10％，保证不因增强相过多引起蠕流速度过低，进而影响剪切增稠胶的形状恢复性。
12.优选地，所述的中空结构织物为经编间隔织物、纬编间隔织物、机织间隔织物或编织间隔织物。
13.优选地，所述的分散相为纳米二氧化硅颗粒、二氧化钛颗粒、聚甲基丙烯酸甲酯颗粒、碳酸钙颗粒、聚苯乙烯颗粒、聚氯乙烯颗粒、淀粉颗粒、氧化铝颗粒、石英粉或硼酸。
14.优选地，所述的连续相为乙二醇、聚乙二醇、硅胶或羟基硅油。分散相可在连续相中均匀分散。
15.优选地，所述的增强相为短纤维、碳纳米材料或陶瓷颗粒。当受到外力刺激时，增强相的加入有利于分散相的连接和附着，增强颗粒团聚效应，从而促进剪切增稠现象的发生。同时，增强相的加入对分散相的移动(蠕流)也起到一定的阻碍作用，可以降低剪切增稠胶的蠕流速度，使其不易流失，提高剪切增稠胶在中空结构织物中的稳定性。
16.优选地，所述的剪切增稠胶的蠕流速度为0.0001-0.01m/s。当受到外力刺激时，剪切增稠胶的低蠕流速度可以降低其向周围流动的量，保证在增强织物受冲击的区域范围内能够有足够含量的剪切增稠胶存在，使得剪切增稠效应更为显著，进而能够保证该增强织物能够具有防护低速冲击的效果。
17.剪切增稠胶和中空结构织物的中间层还具有相互促进作用。剪切增稠胶受外力刺激后的变硬现象，可以增强中空结构织物的中间层对上表面层和下表面层的支撑作用；同时，中间层的存在，也可以降低剪切增稠胶的蠕流速度，两者的相互作用促进防护低速冲击性能的提升。
18.优选地，所述的封装助剂为聚酰胺类、脂肪族胺类、芳香族胺类、脂环族胺类、聚醚胺类、咪唑类、芳香族酸酐类、脂肪族酸酐类或脂环族酸酐类助剂。封装助剂对于剪切增稠胶具有固化作用，可以使接触的表面织物固化，进而能够封堵中空结构织物表面存在的空隙，防止剪切增稠胶泄露的可能。
19.优选地，所述的封装助剂的用量为上表面层和下表面层质量总和的1-5
‰
。该涂覆量既能够保证具有足够的封装助剂使最外侧的剪切增稠胶固化而封堵中空结构织物表面的空隙，又不会发生用量过多过厚，影响内部剪切增稠胶的流动性、稳定性以及防护性能的情况。
20.进一步优选，所述的封装助剂的用量为上表面层和下表面层质量总和的3
‰
。
21.通过在中空结构织物的表面(上表面层和下表面层表面)涂覆封装助剂，能够有效保证剪切增稠胶不会从增强织物的上表面层和下表面层漏出，进而可以保证增强织物的长期使用。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
23.1、本发明将剪切增稠胶灌注在中空结构织物的内部，并通过涂覆于中空结构织物表面的封装助剂使最外层剪切增稠胶固化，以保证剪切增稠胶不会由增强织物表面溢出。增强织物在受外力刺激时，剪切增稠胶会瞬间增稠变硬，表现出固体特性，该瞬间增稠效应能够有效吸收和耗散冲击能量，进而可以实现防护的效果；而在撤去外力后，剪切增稠胶又可以重新恢复至初始的胶体状态，能够循环使用。
24.2、本发明通过在剪切增稠胶中加入增强相，使得剪切增稠胶在中空结构织物内部的蠕流速度降低，可以保证在受到外力刺激时，能够产生显著的剪切增稠效应，表现出抗低速冲击的性能；同时较低的蠕流速度还可以提高剪切增稠胶在增强织物内部的稳定性。此外，通过控制中空结构织物与剪切增稠胶的质量比能够控制增强织物的防护效果和稳定性的平衡。
25.3、本发明的增强织物在受到外力刺激后，剪切增稠胶会瞬间增稠变硬，同时其会与中空结构织物的中间层发生相互促进作用，剪切增稠胶受外力刺激后的变硬现象，可以增强中间层对上下表面层的支撑作用；中间层的存在，也可以降低剪切增稠胶的蠕流速度，进而能够更进一步地提高防护低速冲击的效果。
26.4、本发明的增强织物既能够有效耗散低速冲击所产生的能量，其自身还具有轻质、柔性的特点，适用于多种人群的穿戴，更进一步地，本发明的增强织物与常规服饰相似，不会存在不适感和异样感，可以作为人们的常规服饰穿戴，以更好地保护人身安全。
附图说明
27.图1为本发明的增强织物的结构示意图；
28.图2为本发明中实施例1所制备的增强织物的实物图；
29.图3为本发明中实施例1所使用的剪切增稠胶在自然状态下的实物图；
30.图4为本发明中实施例1、实施例2、实施例3和对比例所使用的中空结构织物的实物图；
31.图1中：1-剪切增稠胶；2-中空结构织物；3-封装助剂。
具体实施方式
32.下面结合附图、具体实施例和对比例对本发明进行详细说明。
33.实施例1
34.如图1、2所示，本实施例提供了一种具有防护低速冲击功能的剪切增稠胶增强织物，包括剪切增稠胶1、中空结构织物2和封装助剂3；其中剪切增稠胶1作为基体材料，具备独特的剪切增稠性能，在受外力冲击时会增稠变硬，粘度急剧上升；中空结构织物2为中空结构的柔性材料，作为封装和骨架材料；剪切增稠胶1直接灌注至中空结构织物2的中空结构中，与中空结构织物2的上下表面层以及中间层接触，剪切增稠胶1在中空结构中能够蠕速流动，可以保持材料的柔性；封装助剂3涂覆于中空结构织物2表面，可以使接触到中空结构织物2的剪切增稠胶1(即最外层剪切增稠胶1)固化，进而能够有效封堵中空结构织物2表面的空隙，防止剪切增稠胶1或者其它内部成分从表面漏出。在外界低速冲击的作用下，柔性的剪切增稠胶增强织物主要凭借剪切增稠胶1产生的瞬间增稠效应，实现冲击能量的吸
收和耗散，以达到防护的效果。
35.在本实施例中，如图3所示，剪切增稠胶1在自然状态下呈胶体状，由多相组成，其中分散相选用聚甲基丙烯酸甲酯颗粒，连续相选用硅胶，质量比为1：1，增强相为短纤维，用量为剪切增稠胶质量的7.5％。如图4所示，中空结构织物2为具有中空结构的经编间隔织物，中间层的厚度为2mm，排列方式为“x”型，排列密度为96根/cm2。在中空结构织物2的间隔层内灌注剪切增稠胶1，两者的复合质量比例为1：3，中空结构织物2上下表面层涂覆封装助剂3(选用聚酰胺651固化剂)，用量为织物上下表面层总质量的3
‰
，制备得到剪切增稠胶增强织物。本实施例的剪切增稠胶的蠕流速度为0.001m/s。
36.利用落锤冲击试验机以3m/s的设定速度分别冲击长宽均为40mm的纯织物(经编间隔织物)和剪切增稠胶增强织物，其中冲击头为半球形，重量为2kg。两类织物的多项性能测试结果对比分别如表1所示。两类织物的质量和弯曲强度都不高，属于轻质、柔性材料。在低速冲击下，剪切增稠胶增强织物的冲击载荷峰值高于纯织物，表现出更强的冲击承载能力；剪切增稠胶增强织物的能量吸收值明显高于纯织物，说明其能够吸收更多外界冲击带来的能量，表现出更好的防护效果，具有较优的防护低速冲击功能。
37.表1实施例1与纯织物的低速冲击防护性能测试结果
38.织物类别质量/g弯曲强度/mpa冲击载荷峰值/n能量吸收值/j纯织物1.470.134404.57实施例14.410.275207.60
39.实施例2
40.如图1所示，本实施例提供了一种具有防护低速冲击功能的剪切增稠胶增强织物，包括剪切增稠胶1、中空结构织物2和封装助剂3；其中剪切增稠胶1作为基体材料，具备独特的剪切增稠性能，在受外力冲击时会增稠变硬，粘度急剧上升；中空结构织物2为中空结构的柔性材料，作为封装和骨架材料；剪切增稠胶1直接灌注至中空结构织物2的中空结构中，与中空结构织物2的上下表面层以及中间层接触，剪切增稠胶1在中空结构中能够蠕速流动，可以保持材料的柔性；封装助剂3涂覆于中空结构织物2表面，可以使接触到中空结构织物2的剪切增稠胶1(即最外层剪切增稠胶1)固化，进而能够有效封堵中空结构织物2表面的空隙，防止剪切增稠胶1或者其它内部成分从表面漏出。在外界低速冲击的作用下，柔性的剪切增稠胶增强织物主要凭借剪切增稠胶1产生的瞬间增稠效应，实现冲击能量的吸收和耗散，以达到防护的效果。
41.在本实施例中，剪切增稠胶1在自然状态下呈胶体状，由多相组成，其中分散相选用聚甲基丙烯酸甲酯颗粒，连续相选用硅胶，质量比为1：1，增强相为短纤维，用量为剪切增稠胶质量的7.5％。如图4所示，中空结构织物2为具有中空结构的经编间隔织物，中间层的厚度为2mm，排列方式为“x”型，排列密度为96根/cm2。在中空结构织物2的间隔层内灌注剪切增稠胶1，两者的复合质量比例为1：4，中空结构织物2上下表面层涂覆封装助剂3(选用聚酰胺651固化剂)，用量为织物上下表面层总质量的3
‰
，制备得到剪切增稠胶增强织物。本实施例的剪切增稠胶的蠕流速度为0.001m/s。
42.利用落锤冲击试验机以3m/s的设定速度分别冲击长宽均为40mm的纯织物(经编间隔织物)和剪切增稠胶增强织物，其中冲击头为半球形，重量为2kg。两类织物的多项性能测试结果对比分别如表2所示。两类织物的质量和弯曲强度都不高，属于轻质、柔性材料。在低
速冲击下，剪切增稠胶增强织物的冲击载荷峰值高于纯织物，表现出更强的冲击承载能力；剪切增稠胶增强织物的能量吸收值明显高于纯织物，并接近纯织物能量吸收值的两倍，说明其能够吸收更多外界冲击带来的能量，表现出更好的防护效果，具有较优的防护低速冲击功能。
43.表2实施例2与纯织物的低速冲击防护性能测试结果
44.织物类别质量/g弯曲强度/mpa冲击载荷峰值/n能量吸收值/j纯织物1.470.134404.57实施例25.880.305568.51
45.实施例3
46.如图1所示，本实施例提供了一种具有防护低速冲击功能的剪切增稠胶增强织物，包括剪切增稠胶1、中空结构织物2和封装助剂3；其中剪切增稠胶1作为基体材料，具备独特的剪切增稠性能，在受外力冲击时会增稠变硬，粘度急剧上升；中空结构织物2为中空结构的柔性材料，作为封装和骨架材料；剪切增稠胶1直接灌注至中空结构织物2的中空结构中，与中空结构织物2的上下表面层以及中间层接触，剪切增稠胶1在中空结构中能够蠕速流动，可以保持材料的柔性；封装助剂3涂覆于中空结构织物2表面，可以使接触到中空结构织物2的剪切增稠胶1(即最外层剪切增稠胶1)固化，进而能够有效封堵中空结构织物2表面的空隙，防止剪切增稠胶1或者其它内部成分从表面漏出。在外界低速冲击的作用下，柔性的剪切增稠胶增强织物主要凭借剪切增稠胶1产生的瞬间增稠效应，实现冲击能量的吸收和耗散，以达到防护的效果。
47.在本实施例中，剪切增稠胶1在自然状态下呈胶体状，由多相组成，其中分散相选用聚甲基丙烯酸甲酯颗粒，连续相选用硅胶，质量比为1：1，增强相为短纤维，用量为剪切增稠胶质量的10％。如图4所示，中空结构织物2为具有中空结构的经编间隔织物，中间层的厚度为2mm，排列方式为“x”型，排列密度为96根/cm2。在中空结构织物2的间隔层内灌注剪切增稠胶1，两者的复合质量比例为1：3，中空结构织物2上下表面层涂覆封装助剂3(选用聚酰胺651固化剂)，用量为织物上下表面层总质量的3
‰
，制备得到剪切增稠胶增强织物。本实施例的剪切增稠胶的蠕流速度为0.0001m/s。
48.利用落锤冲击试验机以3m/s的设定速度冲击长宽均为40mm的剪切增稠胶增强织物，其中冲击头为半球形，重量为2kg。两类织物的性能测试结果分别如表3所示。两类织物的质量和弯曲强度都不高，属于轻质、柔性材料。在低速冲击下，剪切增稠胶增强织物的冲击载荷峰值高于纯织物，表现出更强的冲击承载能力；剪切增稠胶增强织物的能量吸收值明显高于纯织物，说明其能够吸收更多外界冲击带来的能量，表现出更好的防护效果，具有较优的防护低速冲击功能。
49.表3实施例3与纯织物的低速冲击防护性能测试结果
50.织物类别质量/g弯曲强度/mpa冲击载荷峰值/n能量吸收值/j纯织物1.470.134404.57实施例34.410.295378.04
51.对比例
52.如图1所示，本对比例提供了一种具有防护低速冲击功能的剪切增稠胶增强织物，包括剪切增稠胶1、中空结构织物2和封装助剂3；其中剪切增稠胶1作为基体材料，具备独特
的剪切增稠性能，在受外力冲击时会增稠变硬，粘度急剧上升；中空结构织物2为中空结构的柔性材料，作为封装和骨架材料；剪切增稠胶1直接灌注至中空结构织物2的中空结构中，与中空结构织物2的上下表面层以及中间层接触，剪切增稠胶1在中空结构中能够蠕速流动，可以保持材料的柔性；封装助剂3涂覆于中空结构织物2表面，可以使接触到中空结构织物2的剪切增稠胶1(即最外层剪切增稠胶1)固化，进而能够有效封堵中空结构织物2表面的空隙，防止剪切增稠胶1或者其它内部成分从表面漏出。在外界低速冲击的作用下，柔性的剪切增稠胶增强织物主要凭借剪切增稠胶1产生的瞬间增稠效应，实现冲击能量的吸收和耗散，以达到防护的效果。
53.在本对比例中，剪切增稠胶1(不添加增强相)在自然状态下呈胶体状，由两相组成，其中分散相选用聚甲基丙烯酸甲酯颗粒，连续相选用硅胶，质量比为1：1。如图4所示，中空结构织物2为具有中空结构的经编间隔织物，中间层的厚度为2mm，排列方式为“x”型，排列密度为96根/cm2。在中空结构织物2的间隔层内灌注剪切增稠胶1，两者的复合质量比例为1：3，中空结构织物2上下表面层涂覆封装助剂3(选用聚酰胺651固化剂)，用量为织物上下表面层总质量的3
‰
，制备得到剪切增稠胶增强织物。本对比例的剪切增稠胶的蠕流速度为0.01m/s。
54.利用落锤冲击试验机以3m/s的设定速度冲击长宽均为40mm的剪切增稠胶增强织物，其中冲击头为半球形，重量为2kg。两类织物的性能测试结果分别如表4所示。在低速冲击下，实施例1、2和3的冲击载荷峰值和能量吸收值都高于不添加增强相的剪切增稠胶增强织物，说明增强相的加入提高了增强织物的防护低速冲击性能。
55.表4纯织物、实施例1-3与对比例的低速冲击防护性能测试结果
56.织物类别质量/g弯曲强度/mpa冲击载荷峰值/n能量吸收值/j纯织物1.470.134404.57实施例14.410.275207.60实施例25.880.305568.51实施例34.410.295378.04对比例4.410.234745.39
57.由表4可知，加入了剪切增稠胶的增强织物(实施例1、实施例2、实施例3与对比例)相较于纯织物而言，质量略微有所上升，但仍属于轻质织物；弯曲强度也有所提升，说明加入增强织物后，抗弯能力有一定提升；冲击载荷峰值和能量吸收值也都大于纯织物，说明增强织物能够有效吸收低速冲击的能量。对比实施例1、实施例3和对比例的结果可以发现，其他条件相同，添加的增强相越多，其冲击载荷峰值和能量吸收值的上升幅度越大，可以说明增强相的加入能够有效提升增强织物的防护低速冲击的性能。
58.上述的对实施例和对比例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。