一种具有防弹功能的高强度纤维材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种具有防弹功能的高强度纤维材料及其制备方法。


背景技术：

2.防弹产品主要保护人体免受子弹或是高速运动物体的撞击，其主要原理在于依靠其中高强度纤维材料提供一定的剪切力，从而抵抗子弹的撞击力。但由于撞击情况较为复杂，所以为了解决实际的撞击情况，我们需要综合考虑芳纶纤维的高强度、高弹性以及低收缩性，从而获得最佳的防弹性能。
3.现有的主要的增强方式为浸没工艺制备，主要为将芳纶纤维浸渍在树脂中并且干燥树脂以制备预浸芳纶织物，通过浸没工艺制备预浸芳纶织物时，具有如下问题：由于浸渍树脂的量随着树脂溶液的浓度和挤胶压力而不同，因此不能得到均匀重量的预浸芳纶织物。并且，由于在芳纶织物的两面上都浸渍树脂，因此难以得到具有优异轻量性能的预浸芳纶织物。
4.而随着现代化工的发展，基于骨架结构进行增强材料的填充，该种工艺逐渐趋于成熟，而该种工艺如果应用于防弹纤维的制备中，其可以克服现有纤维材料厚度较大，质量不均匀等问题，并且可以获得单位体积条件下强度更好的防弹用高强度纤维材料。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决以上现有技术的不足，提供一种具有防弹功能的高强度纤维材料及其制备方法。
6.一种具有防弹功能的高强度纤维材料，包括位于中部的骨架层以及位于骨架层上下表面的芳纶纤维层；所述的骨架层中填充有50-100μm长度的碳纤维材料，碳纤维材料之间通过球形颗粒状的胶体物质进行形态保持。
7.为了保持纤维材料能够保持稳定的状态，从而能够更好的吸收来自子弹的冲击力，并通过自身的塑性变形来抵消冲击力，从而形成对人体的保护。所以在制备完成后，需要对纤维材料进行定型，以防止纤维材料在使用一段时候后位置产生改变，但这种定型物质的密度又不能影响整体防弹材料的单位克数，所以在此处采用密度极低的气凝胶材料。具体而言，所述的胶体物质为通过溶胶凝胶法制备的颗粒状气凝胶，包括硅气凝胶、单元、二元或多元氧化物气凝胶、有机气凝胶或碳气凝胶。值得注意的是，由于该种定型方式并不能保持长时间的稳定位置的保持，所以从机理层面而言，通过该种工艺制备的防弹材料的保质期要低于传统工艺制备得到的防弹材料的保质期。
8.上述具有防弹功能的高强度纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
9.s1、将聚乙烯纤维束与碳化硅纤维束分别作为经线与纬线进行编织，编织完成之后形成骨架结构；
10.s2、将芳纶纤维层涂覆在骨架结构的下表面上，并在骨架结构的上表面喷涂有机浆料；
11.s3、喷涂完成后，进行干燥，干燥完成后，通过超声振荡将骨架结构中的空气进行排出，排出完成后，在上表面涂覆一层芳纶纤维层；
12.s4、将上下表面均覆有芳纶纤维层的半成品送入辊压装置，在真空状态下，喷入雾化的粘连剂，并进行辊压压合，粘连剂通过芳纶纤维层本身的间隙进入内部，并固化完成粘连。
13.用于增强的纤维材料通过分散在浆料中的形式，对骨架进行填充，所述的有机浆料为：将碳纤维材料研磨至50-100μm，放置在有机溶剂中，再通过超声分散制备为悬浊液；完成分散后，再添加球形颗粒状的胶体物质，并制备呈浆料。
14.粘连剂通过芳纶纤维之间的缝隙侵入到内部，并完成粘连，该种方式与前期涂覆相比，其成本虽然有所提升，但是该种方式粘连剂不会过度影响内部纤维的排布情况，从而可以获得内部排布更加无序的纤维排布情况，以在后续的防弹使用中，从而能够解决正面子弹的同时，还可以防止流弹或是碎片的冲击，所述的粘连剂为水溶性聚氨酯或是丙烯酸树脂。
15.进一步的，所述芳纶纤维的纤度为1000d～2000d；
16.在芳纶纤维层中，芳纶纤维与芳纶纤维之间的间隙均小于50μm。
17.进一步的，有机浆料的制备中，在添加碳纤维材料的同时，同步加入改性聚乙烯纤维，改性聚乙烯纤维的制备方法如下：
18.将聚乙烯纤维浸泡在硝酸溶液中进行预处理，处理完成后取出烘干；
19.烘干完成后经过浸泡在硅烷偶联剂溶液中，完成浸泡后晾干。
20.改性聚乙烯纤维作为一种常见的增强材料，广泛应用于固体硬性材料中，如预制型的建筑模块，注塑形成的硬质塑料件等等，具有非常优异的强度增强效果。在此处，添加少量的改性聚乙烯，即可以有效的与碳纤维形成骨架结构，又可以进一步的降低整体制作成本。而且可以根据终端产品的柔性需求，从而控制改性聚乙烯的添加量，具体而言，随之改性聚乙烯的添加量的增加，其终端产品的柔性更好。
21.有益效果：
22.通过经纬线构建待填充的骨架结构，并通过整体骨架结构形成待填充的间隙结构，再将浆体填充在间隙结构中，从而构建一个用于由短纤维组成的吸能区域。在受到来自各个方向的子弹的冲击时，由于内部的纤维结构为无序状态，所以从理论上而言，可以吸收来自各个方向的冲击力，并且可以有效的通过纤维材料的塑性变形将冲击力进行有效的抵消。
23.其次，本技术公开了一种将碳纤维材料填充在骨架结构中的方法，通过分散呈浆料的方式，并通过胶状颗粒进行定型的方式，可以有效的将碳纤维材料固定在骨架结构中，并保证不会由于使用发生变形与重新排列的情况。该种方式形成的空间网状结构是一种基于物理法形成的空间网状结构，其与化学法存在一定的区别，并且该种方式能够更好的利用碳纤维轴向强度高的特点，且不需要对碳纤维进行改性，从而节约了制作成本，也最大程度的发挥了碳纤维轴向强度高的特点。
附图说明
24.图1是实施例一、实施例二与现有常见的防弹材料的相关参数的对比表；
25.图2是用直径3cm钢球，在500n的压力下进行压痕实验。
具体实施方式
26.为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
27.实施例一：
28.一种防弹功能的高强度纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
29.s1、将聚乙烯纤维束与碳化硅纤维束分别作为经线与纬线进行编织，编织完成之后形成骨架结构；
30.s2、将芳纶纤维层涂覆在骨架结构的下表面上，并在骨架结构的上表面喷涂有机浆料；所述的有机浆料为：将碳纤维材料研磨至60-80μm，放置在有机溶剂中，再通过超声分散制备为悬浊液；完成分散后，添加60-80μm改性聚乙烯纤维，其中改性聚乙烯纤维的制备方法如下：
31.将聚乙烯纤维浸泡在硝酸溶液中进行预处理，处理完成后取出烘干；
32.烘干完成后经过浸泡在硅烷偶联剂溶液中，完成浸泡后晾干。
33.其中改性聚乙烯纤维与碳纤维的比例为1:1。
34.再添加球形颗粒状的胶体物质，并制备呈浆料；
35.s3、喷涂完成后，进行干燥，干燥完成后，通过超声振荡将骨架结构中的空气进行排出，排出完成后，在上表面涂覆一层芳纶纤维层；
36.s4、将上下表面均覆有芳纶纤维层的半成品送入辊压装置，在真空状态下，喷入雾化的水溶性聚氨酯，并进行辊压压合，水溶性聚氨酯通过芳纶纤维层本身的的间隙进入内部，固化后完成粘连。
37.实施例二：
38.一种防弹功能的高强度纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
39.s1、将聚乙烯纤维束与碳化硅纤维束分别作为经线与纬线进行编织，编织完成之后形成骨架结构；
40.s2、将芳纶纤维层涂覆在骨架结构的下表面上，并在骨架结构的上表面喷涂有机浆料；所述的有机浆料为：将碳纤维材料研磨至80-100μm，放置在有机溶剂中，再通过超声分散制备为悬浊液；完成分散后，添加80-100μm改性聚乙烯纤维，其中改性聚乙烯纤维的制备方法如下：
41.将聚乙烯纤维浸泡在硝酸溶液中进行预处理，处理完成后取出烘干；
42.烘干完成后经过浸泡在硅烷偶联剂溶液中，完成浸泡后晾干。
43.其中改性聚乙烯纤维与碳纤维的比例为1.5:1。
44.再添加球形颗粒状的胶体物质，并制备呈浆料；
45.s3、喷涂完成后，进行干燥，干燥完成后，通过超声振荡将骨架结构中的空气进行排出，排出完成后，在上表面涂覆一层芳纶纤维层；
46.s4、将上下表面均覆有芳纶纤维层的半成品送入辊压装置，在真空状态下，喷入雾化的水溶性聚氨酯，并进行辊压压合，水溶性聚氨酯通过芳纶纤维层本身的的间隙进入内部，固化后完成粘连。
47.对比例：
48.采用与实施例一中相同的芳纶纤维层，通过复合制备而成的防弹材料，多层芳纶纤维之间直接通过粘连剂复合。
49.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。