專利名稱：一種具有新型樹(shù)脂基體的柔性防彈復(fù)合材料及加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及防彈材料領(lǐng)域，具體涉及一種具有新型樹(shù)脂基體的柔性防彈復(fù)合材料及加工方法，此復(fù)合材料適用于軟質(zhì)、硬質(zhì)防彈衣、防彈頭盔及防彈裝甲等防護(hù)材料。
背景技術(shù)：
近十幾年來(lái)，柔性材料為防彈層的軟質(zhì)防彈衣以其重量小、活動(dòng)輕便、隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn)逐步取代了以特種金屬材料為防彈層的硬質(zhì)防彈衣。目前世界上柔性防彈材料主要采用高強(qiáng)度纖維材料的織物或柔性復(fù)合材料。織物結(jié)構(gòu)成型容易，但防彈性能較低，原料成本高；柔性復(fù)合材料的防彈性能較高，綜合原料成本低。目前，世界上有專利報(bào)道的柔性防彈復(fù)合材料的基體樹(shù)脂主要采用熱塑性彈性嵌段共聚物SIS、SBS或水性的脂肪族聚氨酯。采用熱塑性彈性嵌段共聚物SIS、 SBS或水性的脂肪族聚氨酯加工的柔性復(fù)合材料均不同程度的存在生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境污染， 耐老化性差，500C以上的較高溫度下防彈性能下降幅度大，耐黃變性能差的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種具有新型樹(shù)脂基體的柔性防彈復(fù)合材料，采用該新型樹(shù)脂基體加工的復(fù)合材料在成型的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)污染，耐老性和耐黃變性能好，較高的溫度下防彈性能下降幅度小。本發(fā)明的另一目的是提供一種上述材料的加工方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案—種具有新型樹(shù)脂基體的柔性防彈復(fù)合材料，由長(zhǎng)絲纖維與基體樹(shù)脂復(fù)合而成， 所述基體樹(shù)脂為水性聚丙烯酸酯。
進(jìn)一步地，所述水性聚丙烯酸酯的聚合單體包括柔性單體和硬性單體，柔性單體為具有較高酯鏈碳原子數(shù)目的丙烯酸高級(jí)烷基酯，其酯鏈碳原子數(shù)目》8，硬性單體為甲基丙烯酸甲酯或苯乙烯。柔性單體與硬性單體的比率大于4 1，水性聚丙烯酸酯共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于-io°c。進(jìn)一步地，所述柔性單體與硬性單體的比率為9 1，水性聚丙烯酸酯共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于_20°C。進(jìn)一步地，所述水性聚丙烯酸酯由兩部分組成，一部分為非交聯(lián)型線型聚丙烯酸酯，另一部分為自交聯(lián)型聚丙烯酸酯，兩部分的比例為1 1。進(jìn)一步地，所述基體樹(shù)脂還包括聚烯烴，聚烯烴以薄膜的形式存在于復(fù)合材料的表面。進(jìn)一步地，所述聚烯烴為聚乙烯或聚丙烯。進(jìn)一步地，所述長(zhǎng)絲纖維的分布結(jié)構(gòu)包括下列兩種結(jié)構(gòu)的任一種或兩者的組合(1)同一平面內(nèi)纖維平行伸直排列，不同平面內(nèi)的纖維交互正交；(2)采用傳統(tǒng)的機(jī)織方法造的機(jī)織物，包括平紋、斜紋或緞紋，所述緞紋的纖維的
3浮長(zhǎng)線大于7。上述柔性防彈復(fù)合材料的加工方法，包括如下步驟(1)長(zhǎng)絲纖維在結(jié)構(gòu)成型中或成型后與水性聚丙烯酸酯浸潤(rùn)，經(jīng)脫水形成預(yù)浸片材；(2)在預(yù)浸片材的兩個(gè)表面分別涂布一定厚度的聚烯烴的膠液，或是在其兩個(gè)表面鋪設(shè)聚烯烴的薄膜；(3)經(jīng)板式熱壓機(jī)或具有加熱裝置的加壓熱輥在一定的溫度、壓強(qiáng)、時(shí)間下熱壓復(fù)合成型，使得纖維材料與基體樹(shù)脂緊密地復(fù)合成一體；所述復(fù)合成型的工藝為溫度 120-1400C ；壓強(qiáng) 5-14MPa ；時(shí)間 20_60min。進(jìn)一步地步驟(3)中的復(fù)合成型的工藝為溫度125-U8°C;壓強(qiáng)7_12MPa ；時(shí)間 30-40min。進(jìn)一步地，在步驟( 處理前，經(jīng)步驟(1)得到的預(yù)浸片材可采用熱交聯(lián)或紫外光交聯(lián)進(jìn)行外交聯(lián)；外交聯(lián)劑采用N-羥甲基丙烯酰胺、甲醛化羥甲基三聚氰胺或氨基樹(shù)脂； 外交聯(lián)劑占水性聚丙烯酸酯的0. 5% -1. 4% ；所述熱膠聯(lián)可在100-130°C的溫度下處理3-30min ；所述紫外交聯(lián)中光敏劑可選用二苯甲酮、苯偶姻或其醚類，紫外光源采用波長(zhǎng)為 3600--3650A的高壓汞燈；且在紫外交聯(lián)前，經(jīng)脫水的預(yù)浸片材先在110°C的熱箱中烘燥 5分鐘，然后在紫外光燈下30cm處進(jìn)行輻射交聯(lián)3-30秒。與現(xiàn)有技術(shù)相比，此種新型的柔性防彈復(fù)合材料的基體樹(shù)脂組成及此種材料的結(jié)構(gòu)與加工方法，防彈性能好、加工效率高、成本低、環(huán)境污染小，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，其用途涵蓋軟質(zhì)防彈衣、硬質(zhì)防彈衣、防彈頭盔及防彈裝甲等防護(hù)材料，具體有益效果如下1、本發(fā)明的基體樹(shù)脂采用水性聚丙烯酸酯，該新型基體樹(shù)脂具有在復(fù)合材料成型的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)污染，耐老性和耐黃變性能好，較高的溫度下防彈性能下降幅度小的優(yōu)點(diǎn)。2、本發(fā)明通過(guò)合理配置水性聚丙烯酸酯的聚合單體中柔性單體和硬性單體的比例以及共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使復(fù)合材料在低溫下具有良好的防彈性能和良好的手感。3、本發(fā)明通過(guò)限定水性聚丙烯酸酯的組成及比例，可使其在低溫脫水后仍保持一定的粘著性，并保持一定的成膜強(qiáng)度，以方便操作；同時(shí)，也可以在一定溫度下進(jìn)行熱定型處理。4、本發(fā)明通過(guò)在由水性聚丙烯酸酯與長(zhǎng)絲纖維構(gòu)成的復(fù)合材料片材外增加聚烯烴的薄膜層，以此來(lái)保護(hù)纖維與水性聚丙烯酸酯，并且在彈丸沖擊復(fù)合材料時(shí)，沖擊波會(huì)在其自由端和約束端面(與纖維和水性聚丙烯酸酯結(jié)合的界面)之間發(fā)生多次反射與震蕩， 從而起到分散和衰減沖擊波的作用，減少由于沖擊波多次反射疊加對(duì)纖維的破壞，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的防彈性能。5、本發(fā)明通過(guò)采用特殊的長(zhǎng)絲纖維的結(jié)構(gòu)，如，兩個(gè)組成系統(tǒng)相互交錯(cuò)機(jī)織物 (平紋、斜紋、緞紋)或是兩個(gè)組成系統(tǒng)不相互交錯(cuò)，但彼此正交的纖維單向排列的結(jié)構(gòu)，也可以是上述兩種結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)；上述結(jié)構(gòu)中纖維不僅具有較小的屈曲程度，還具有較為疏松的結(jié)構(gòu)，使得纖維可以較好的浸潤(rùn)在樹(shù)脂，有利于在承受彈丸沖擊時(shí)發(fā)揮材料的整體性能優(yōu)勢(shì)。6、本發(fā)明的具有新型樹(shù)脂基體的柔性防彈復(fù)合材料的加工方法，加工效率高、成本低。7、本發(fā)明通過(guò)在水性聚丙烯酸酯中加入一定量的外交聯(lián)劑，使樹(shù)脂成型后產(chǎn)生適度的交聯(lián)，以提高其耐水性，保證復(fù)合材料在潮濕環(huán)境中仍保持良好的防彈性能。下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明的柔性防彈復(fù)合材料中的長(zhǎng)絲纖維分布結(jié)構(gòu)圖(正交分布)；圖2為本發(fā)明的柔性防彈復(fù)合材料中的長(zhǎng)絲纖維分布結(jié)構(gòu)截面圖(緞紋織物)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明所述的柔性防彈復(fù)合材料由高強(qiáng)度長(zhǎng)絲纖維材料(彈丸沖擊波的主承載體)和樹(shù)脂1與樹(shù)脂2構(gòu)成的基體(彈丸沖擊波的分散體)兩大部分組成。高強(qiáng)度長(zhǎng)絲纖維材料是彈丸沖擊波的主承載體，可以通過(guò)自身的斷裂消耗絕大部分的彈丸沖擊功能。基體的作用是分散彈丸的沖擊波，使得沖擊波在最大的區(qū)域內(nèi)傳播，以調(diào)動(dòng)更多的纖維承受沖擊波，并減少由于沖擊波在纖維內(nèi)的反復(fù)疊加而造成的纖維斷裂。1.纖維材料高強(qiáng)度長(zhǎng)絲纖維選用拉伸斷裂強(qiáng)度大于20g/D，拉伸模量大于800g/D，斷裂伸長(zhǎng)率小于5%的有機(jī)纖維。這樣的纖維材料可以是超高分子量聚乙烯纖維、芳族聚酰胺纖維、 聚亞苯基苯并二噁唑纖維或超高分子量聚乙烯醇纖維。2.基體樹(shù)脂1基體樹(shù)脂1是以聚丙烯酸酯為主體的水溶性樹(shù)脂。聚丙烯酸酯的通式為
CH2-CH) η—C=O R 可以是-CH3, -C2H5，-C4H9, -(CH-C2H5) -C5H11 或-C8H17 等。 OR隨著酯基(-0R)碳鏈的增大，聚合物的柔性增加。本發(fā)明所述的基體樹(shù)脂1采用了柔性和硬性兩種單體及官能團(tuán)單體乳液共聚而成。柔性單體為具有較高酯鏈碳原子數(shù)目的丙烯酸高級(jí)烷基酯，其酯鏈碳原子數(shù)目> 8，硬性單體為甲基丙烯酸甲酯或苯乙烯。柔性單體起粘合性作用，賦予柔軟的成膜手感；硬性單體賦予膠粘性和內(nèi)聚力，提高成膜強(qiáng)度。 硬性單體含量過(guò)多會(huì)使得共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高，并且成膜較硬。為賦予復(fù)合材料在低溫下良好的防彈性能和良好的手感，柔性單體與硬性單體的比率應(yīng)大于4 1，最好為 9 1 ；共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)低于-10°C，最好低于-20°C。基體樹(shù)脂1應(yīng)滿足的工藝條件為在低溫脫水后仍保持一定的粘著性，但也需保持一定的成膜強(qiáng)度，以方便操作。并可以在一定溫度下進(jìn)行熱定型處理。此外，在制定成品后，此樹(shù)脂應(yīng)具有一定的防水性，保證材料在潮濕環(huán)境中的防彈性能不致大幅度降低。從工藝角度出發(fā)基體樹(shù)脂1由兩部分組成，一部分為非交聯(lián)型線型聚丙烯酸酯，在其涂布后具有一定的熱塑性，另一部分為自交聯(lián)型聚丙烯酸酯，在水分揮發(fā)后，保證成膜具有一定強(qiáng)度。這兩部分的比例最好為1 1。為保證樹(shù)脂1在成品中保持一定的防水性，在其中還需添加一定量的外交聯(lián)劑，它們可以是N-羥甲基丙烯酰胺，甲醛化羥甲基三聚氰胺、氨基樹(shù)脂等。含量在0.5%-1.4%。成品中樹(shù)脂1可選用熱膠聯(lián)。熱膠聯(lián)可在100_130°C的溫度下處理3-30min，使樹(shù)脂具有一定的膠聯(lián)度。膠聯(lián)度應(yīng)在合適的范圍內(nèi)，膠聯(lián)度過(guò)大，則樹(shù)脂較為脆硬，柔軟度和防彈性能均會(huì)下降；膠聯(lián)度過(guò)小，則成品的防水性差。成品中樹(shù)脂1的交聯(lián)也可選用紫外交聯(lián)。光敏劑可使用二苯甲酮、苯偶姻及其醚類。紫外光源采用1000W高壓汞燈，其波長(zhǎng)為3600-3600A。罩的形式是紫外光固化設(shè)備的中樞，可將其制成凹鏡形狀，使光線匯聚成一條直線。以保證一定的光強(qiáng)度，利于樹(shù)脂的交聯(lián)。已經(jīng)脫水的復(fù)合材料預(yù)浸料在紫外交聯(lián)前，在110°C的熱箱中烘燥5分鐘，然后在紫外光燈下30cm處進(jìn)行輻射交聯(lián)3-30秒。3.基體樹(shù)脂2本發(fā)明所述柔性復(fù)合材料所用的基體樹(shù)脂2為聚烯烴。可以選用的材料有聚乙烯、聚丙烯等。它們可以采用薄膜的形式與浸有基體樹(shù)脂的纖維預(yù)浸料熱壓復(fù)合，也可以溶解于溶劑中后涂覆在預(yù)浸料的外表面，待溶劑揮發(fā)后以薄膜形式存在復(fù)合材料的表面。基體樹(shù)脂2的作用是保護(hù)纖維與基體樹(shù)脂1，并在彈丸沖擊復(fù)合材料時(shí)沖擊波會(huì)在其自由端和約束端面(與纖維和樹(shù)脂基體1結(jié)合的界面)之間發(fā)生多次反射與震蕩，從而起到分散和衰減沖擊波的作用，減少由于沖擊波多次反射疊加對(duì)纖維的破壞，提高復(fù)合材料的防彈性能。4.纖維分布的結(jié)構(gòu)纖維分布的結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料防彈性能的影響極大。通過(guò)大量對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維分布結(jié)構(gòu)在沿纖維分布方向具有較大的拉伸模量時(shí)，即纖維沿長(zhǎng)度方向屈曲較小或無(wú)屈曲時(shí)，復(fù)合材料具有較好的防彈性能。本發(fā)明采用了兩種防彈性能較好的纖維分布結(jié)構(gòu)一種是同一平面內(nèi)纖維平行伸直排列，不同平面內(nèi)的纖維交互正交的纖維分布結(jié)構(gòu)(如圖1 所示)；另一種是采用傳統(tǒng)的機(jī)織方法造的緞紋組織織物，其纖維的浮長(zhǎng)線大于7 (截面如圖2所示)。在這兩種結(jié)構(gòu)中，纖維不僅具有較小的屈曲程度，而且具有較為疏松的結(jié)構(gòu)，使得纖維可以較好的浸潤(rùn)在樹(shù)脂中，有利于在承受彈丸沖擊時(shí)發(fā)揮材料的整體性能優(yōu)勢(shì)。5.復(fù)合材料的加工纖維材料可以在結(jié)構(gòu)成型中或成型后與基體樹(shù)脂1浸潤(rùn)，控制一定的含膠量，待水分揮發(fā)后形成預(yù)浸片材。在預(yù)浸片材的兩個(gè)表面分別涂布一定厚度的基體樹(shù)脂2的膠液，或是在其兩個(gè)表面鋪設(shè)基體樹(shù)脂2的薄膜。將這樣的預(yù)浸片材經(jīng)板式熱壓機(jī)或具有加熱裝置的加壓熱輥在一定的溫度、壓強(qiáng)、時(shí)間下熱壓復(fù)合成型，使得纖維材料與基體樹(shù)脂1 和基體樹(shù)脂2緊密地復(fù)合成一體。復(fù)合成型的工藝溫度為120-140°C，125-U8°C最佳；壓強(qiáng)為5-14MPa，7-12MPa最佳；時(shí)間為20-60分鐘，30-40分鐘最佳。最后應(yīng)說(shuō)明以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有新型樹(shù)脂基體的柔性防彈復(fù)合材料，由長(zhǎng)絲纖維與基體樹(shù)脂復(fù)合而成，其特征在于所述基體樹(shù)脂為水性聚丙烯酸酯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性防彈復(fù)合材料，其特征在于所述水性聚丙烯酸酯的聚合單體包括柔性單體和硬性單體，柔性單體與硬性單體的比率大于4 1，其中，柔性單體為具有較高酯鏈碳原子數(shù)目的丙烯酸高級(jí)烷基酯，其酯鏈碳原子數(shù)目》8，硬性單體為甲基丙烯酸甲酯或苯乙烯，水性聚丙烯酸酯共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于-io°c。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柔性防彈復(fù)合材料，其特征在于所述柔性單體與硬性單體的比率為9 1，水性聚丙烯酸酯共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于-20°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柔性防彈復(fù)合材料，其特征在于所述水性聚丙烯酸酯由兩部分組成，一部分為非交聯(lián)型線型聚丙烯酸酯，另一部分為自交聯(lián)型聚丙烯酸酯，兩部分的比例為1:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的柔性防彈復(fù)合材料，其特征在于所述基體樹(shù)脂還包括聚烯烴，聚烯烴以薄膜的形式存在于復(fù)合材料的表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柔性防彈復(fù)合材料，其特征在于所述聚烯烴為聚乙烯或聚丙烯。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柔性防彈復(fù)合材料，其特征在于所述長(zhǎng)絲纖維的分布結(jié)構(gòu)包括下列兩種結(jié)構(gòu)的任一種或兩者的組合(1)同一平面內(nèi)纖維平行伸直排列，不同平面內(nèi)的纖維交互正交；(2)采用傳統(tǒng)的機(jī)織方法造的機(jī)織物，包括平紋、斜紋或緞紋，所述緞紋的纖維的浮長(zhǎng)線大于7。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的柔性防彈復(fù)合材料的加工方法，其特征在于包括如下步驟(1)長(zhǎng)絲纖維在結(jié)構(gòu)成型中或成型后與水性聚丙烯酸酯浸潤(rùn)，經(jīng)脫水形成預(yù)浸片材；(2)在預(yù)浸片材的兩個(gè)表面分別涂布一定厚度的聚烯烴的膠液，或是在其兩個(gè)表面鋪設(shè)聚烯烴的薄膜；(3)經(jīng)板式熱壓機(jī)或具有加熱裝置的加壓熱輥在一定的溫度、壓強(qiáng)、時(shí)間下熱壓復(fù)合成型，使得纖維材料與基體樹(shù)脂緊密地復(fù)合成一體；所述復(fù)合成型的工藝為溫度120-140°C; 壓強(qiáng) 5-14MPa ；時(shí)間 20-60min。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的柔性防彈復(fù)合材料的加工方法，其特征在于步驟(3)中的復(fù)合成型的工藝為溫度125-U8°C ；壓強(qiáng)7-12MPa ；時(shí)間30-40min。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的柔性防彈復(fù)合材料的加工方法，其特征在于 在步驟( 處理前，經(jīng)步驟(1)得到的預(yù)浸片材可采用熱交聯(lián)或紫外光交聯(lián)進(jìn)行外交聯(lián)；外交聯(lián)劑采用N-羥甲基丙烯酰胺、甲醛化羥甲基三聚氰胺或氨基樹(shù)脂；外交聯(lián)劑占水性聚丙烯酸酯的0.5% -1.4% ；所述熱膠聯(lián)可在100-130°C的溫度下處理3-30min ；所述紫外交聯(lián)中光敏劑可選用二苯甲酮、苯偶姻或其醚類，紫外光源采用波長(zhǎng)為 3600--3650A的高壓汞燈；且在紫外交聯(lián)前，經(jīng)脫水的預(yù)浸片材先在110°C的熱箱中烘燥 5分鐘，然后在紫外光燈下30cm處進(jìn)行輻射交聯(lián)3-30秒。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有新型樹(shù)脂基體的柔性防彈復(fù)合材料，由長(zhǎng)絲纖維與基體樹(shù)脂復(fù)合而成，所述基體樹(shù)脂為水性聚丙烯酸酯，采用該新型基體樹(shù)脂加工的復(fù)合材料在成型的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)污染，耐老性和耐黃變性能好，較高的溫度下防彈性能下降幅度小；進(jìn)一步，所述基體樹(shù)脂還包括聚烯烴，其以薄膜的形式存在于復(fù)合材料的表面，可提高復(fù)合材料的防彈性能；進(jìn)一步，長(zhǎng)絲纖維采用特殊的成型結(jié)構(gòu)，也可提高復(fù)合材料的防彈性能；本發(fā)明還公開(kāi)了上述柔性防彈復(fù)合材料的加工方法，通過(guò)將長(zhǎng)絲纖維在結(jié)構(gòu)成型中或成型后與水性聚丙烯酸酯浸潤(rùn)，形成的預(yù)浸片材再涂敷上聚烯烴薄膜，熱壓復(fù)合成型，該加工方法成本低且加工效率高。
文檔編號(hào)B32B37/10GK102501521SQ2011103751
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者周慶 申請(qǐng)人:周慶