一種混雜纖維多維復(fù)合防彈胸插板及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及防護(hù)裝備領(lǐng)域，具體涉及一種混雜纖維多維復(fù)合防彈胸插板及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在世界各國(guó)和平化發(fā)展的大環(huán)境下，大規(guī)模戰(zhàn)爭(zhēng)情況已經(jīng)不復(fù)存在，而各國(guó)內(nèi)部的恐怖襲擊以及局部暴亂現(xiàn)象卻逐漸增多。在這種局勢(shì)下，軍用或警用防護(hù)用品的使用要求開(kāi)始有了導(dǎo)向性變化，其防護(hù)制品逐漸傾向于單兵或單警的防彈胸插板，防護(hù)重點(diǎn)為輕型武器，防護(hù)特性不僅要有效防止彈丸侵徹，而且要盡可能降低材料變形，同時(shí)最重要的一點(diǎn)就是要減輕材料重量，提高單兵或單警作戰(zhàn)的機(jī)動(dòng)性和靈活性。
[0003]隨著高性能纖維在防彈領(lǐng)域的研宄不斷深入，其復(fù)合材料制品在防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也逐漸拓展，這對(duì)防彈纖維材料的質(zhì)量和特性也提出了更高要求。從20世紀(jì)70年代以來(lái)，高性能纖維復(fù)合材料在裝甲防護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其中UHMWPE纖維、芳綸纖維、PBO纖維等高強(qiáng)、高韌纖維配以特種熱塑性樹(shù)脂基體，發(fā)揮整體協(xié)同效應(yīng)形成防護(hù)復(fù)合材料，在瞬間吸收彈丸沖擊能量的同時(shí)又具備金屬材質(zhì)所不及的重量輕特點(diǎn)，同時(shí)不存在對(duì)彈丸二次反彈問(wèn)題。因此以高性能纖維復(fù)合材料制備防彈胸插板，對(duì)于單兵單警作戰(zhàn)能力的提升具有重要作用。
[0004]超高分子量聚乙烯纖維(平均分子量在100萬(wàn)以上的聚乙烯紡制而成)是制備復(fù)合材料胸插板的較佳材料，它是繼芳綸纖維后出現(xiàn)的另一種高強(qiáng)度、高模量纖維，其密度低、韌性強(qiáng)、耐腐蝕性好、分子結(jié)構(gòu)取向度高，具有比芳綸纖維更優(yōu)異的防彈特性，但是聚乙烯纖維自身也有不可避免的缺點(diǎn)，其熔點(diǎn)較低、高溫環(huán)境下的力學(xué)性能差，應(yīng)用到防彈胸插板上會(huì)引起背彈面較大的鼓包問(wèn)題，所以單純超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料的防彈性能仍需提尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種混雜纖維多維復(fù)合防彈胸插板及其制備方法，在超高分子量聚乙烯纖維防彈特性的基礎(chǔ)上，集合其他高強(qiáng)纖維的防彈特性，優(yōu)選混雜纖維多向織物形式，采用二維/三維復(fù)合結(jié)構(gòu)兼整體剛性加固的工藝，制備的混雜纖維多維復(fù)合防彈胸插板，在保持防彈特性的同時(shí)，降低制品重量，減小制品背彈面鼓包，提高制品在高低溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)完整性，有效延長(zhǎng)防彈胸插板的使用壽命。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0007]一種混雜纖維多維復(fù)合防彈胸插板，包括二維防彈芯層，所述二維防彈芯層的外表面包覆有三維多向防背凸層，所述三維多向防背凸層的外表面包覆有剛性結(jié)構(gòu)層；所述剛性結(jié)構(gòu)層的背彈面連接有緩沖層；
[0008]所述二維防彈芯層由超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維或PBO纖維的單向或二維織物浸漬改性熱塑性樹(shù)脂后形成預(yù)浸布疊層組成；
[0009]所述三維多向防背凸層由超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維或PBO纖維的單向織物浸漬改性熱塑性樹(shù)脂(高強(qiáng)高韌改性聚氨酯或改性聚乙烯)后，沿二維防彈芯層表面的X、Y方向交替三維卷繞而成；
[0010]所述剛性結(jié)構(gòu)層由至少一層高強(qiáng)、高模量碳纖維(拉伸強(qiáng)度在3500MPa以上)的單向或二維織物與改性熱固性樹(shù)脂浸漬復(fù)合而成；
[0011 ] 所述緩沖層由軟質(zhì)的緩沖材料制成，緩沖材料選自有機(jī)硅或聚氨酯泡沫；
[0012]所述緩沖層與剛性結(jié)構(gòu)層的背彈面通過(guò)粘結(jié)劑粘結(jié)而成，粘結(jié)劑為改性環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑。
[0013]優(yōu)選的，所述二維防彈芯層由25-150層單向或二維織物預(yù)浸布疊層組成。
[0014]優(yōu)選的，所述三維多向防背凸層中，三維卷繞形成的卷繞層單側(cè)為5-15層。
[0015]優(yōu)選的，所述剛性結(jié)構(gòu)層由1-3層單向或二維織物與改性熱固性樹(shù)脂浸漬復(fù)合而成。
[0016]優(yōu)選的，所述緩沖層的厚度為1-2_。
[0017]上述的剛性結(jié)構(gòu)層所用的高強(qiáng)、高模量碳纖維，為拉伸強(qiáng)度在3500MPa以上的碳纖維；
[0018]上述的二維防彈芯層和三維多向防背凸層所用的超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維或PBO纖維的拉伸強(qiáng)度均在30cN/dtex以上；
[0019]所述的改性熱固性樹(shù)脂是熱塑性樹(shù)脂改性的環(huán)氧樹(shù)脂或酚醛樹(shù)脂的環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、或熱固性聚氨酯；所述的改性熱塑性樹(shù)脂為熱固性樹(shù)脂改性的聚氨酯、聚乙烯、不飽和聚酯樹(shù)脂或橡膠彈性體。
[0020]該混雜纖維多維復(fù)合防彈胸插板的制造方法，包括以下步驟:
[0021](I)防彈芯層的制備:將超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維或PBO纖維中的一種或幾種編織成單向或二維纖維織物(優(yōu)選兩種纖維以任意比進(jìn)行混合編織)用改性熱塑性樹(shù)脂浸漬上述纖維織物干燥后制備預(yù)浸布，其中樹(shù)脂含量控制在10-30wt.%，根據(jù)胸插板的規(guī)格將上述預(yù)浸布剪裁成固定的尺寸后，根據(jù)防彈級(jí)別計(jì)算相應(yīng)的鋪疊層數(shù)；
[0022](2)三維多向防背凸層的制備:將超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維或PBO纖維中的一種或多種，采用改性熱塑性樹(shù)脂浸漬后制備單向混合纖維預(yù)浸布，樹(shù)脂含量控制在10-30wt.采用該預(yù)浸布在防彈芯層的表面分別沿著X、Y方向(即長(zhǎng)、寬方向)實(shí)施三維卷繞，卷繞層數(shù)由最終防彈級(jí)別而定；
[0023](3)剛性結(jié)構(gòu)層的制備:將高強(qiáng)、高模量碳纖維的單向或二維織物與改性熱固性樹(shù)脂浸漬復(fù)合，樹(shù)脂含量控制在35-40wt.%，包覆于中間三維多向防背凸層的外側(cè)；
[0024](4)采用有機(jī)硅或聚氨酯泡沫作為緩沖層，以改性環(huán)氧樹(shù)脂作為粘結(jié)劑貼敷于剛性結(jié)構(gòu)層的背彈面；
[0025](5)將各層結(jié)構(gòu)按順序鋪設(shè)完成后，采用真空模壓聯(lián)動(dòng)的一體化成型技術(shù)，將上述原料包覆于耐壓真空袋中并連接真空系統(tǒng)，之后將其置于模壓系統(tǒng)中，進(jìn)行真空模壓一體化成型。
[0026]所述纖維織物為單向織物、二維織物(平紋、斜紋、緞紋)，單向織物可采用±90°、±45°等多種纖維疊層排列方式。
[0027]上述的改性熱固性樹(shù)脂為熱塑性樹(shù)脂改性的環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、熱固性聚氨酯等類(lèi)型，具備優(yōu)良沖擊韌性。改性熱塑性樹(shù)脂基體包括聚氨酯、聚乙烯、不飽和聚酯樹(shù)脂、橡膠彈性體等其中的一種或多種，通過(guò)物理共混或化學(xué)接枝方式進(jìn)行熱固性樹(shù)脂改性，使其具備優(yōu)異沖擊韌性的特種樹(shù)脂膠黏劑。
[0028]步驟(5)中，所述真空導(dǎo)入工序中的真空度在-0.2?-0.8MPa之間調(diào)節(jié)。
[0029]本發(fā)明的有益效果:
[0030](I)本發(fā)明制備的混雜纖維多維復(fù)合防彈胸插板，在保持防彈特性的同時(shí)，降低制品重量，減小制品背彈面鼓包，提高制品在高低溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)完整性，有效延長(zhǎng)防彈胸插板的使用壽命。
[0031](2)本發(fā)明采用混雜纖維多向織物、二維/三維復(fù)合結(jié)構(gòu)、整體剛性加固的真空模壓一體化技術(shù)得到重量輕、背彈面鼓包(背凸)較小、高低溫環(huán)境結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)防彈胸插板，其中最外側(cè)剛性結(jié)構(gòu)層可以提供胸插板的整體剛度，在高低溫環(huán)境中保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定均一；中間三維多向防背凸層可以保證胸插板在彈丸高速?zèng)_擊下不分層，同時(shí)由于三維卷繞技術(shù)的應(yīng)用保證厚度方向的加固效果，從而保證了較低的背彈面鼓包；內(nèi)部防彈二維芯層可以有效的吸收彈丸侵徹的破壞能量；緩沖層可以有效緩沖彈丸侵徹的能量對(duì)人體沖擊并提高防彈板與人體接觸的舒適性。
[0032](3)本發(fā)明采用真空模壓一體化成型，該成型方式可有效提高模壓工藝的排氣效率，增加預(yù)浸料界面結(jié)合。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1為本發(fā)明的混雜纖維多維復(fù)合防彈胸插板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]其中，1-剛性結(jié)構(gòu)層，2-三維多向防背凸層，3- 二維防彈芯層，4-緩沖層。
【具體實(shí)施方式】
[0035]結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，應(yīng)該說(shuō)明的是，下述說(shuō)明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行限定。
[0036]實(shí)施例1:
[0037]選用強(qiáng)度為40g/d的超高分子量聚乙稀纖維和Kevlar芳纟侖纖維K29為防彈芯層的纖維材料。按照UHMWPE纖維:芳綸纖維質(zhì)量比為2:1進(jìn)行混雜纖維單向排布，選用改性聚氨酯為熱塑性樹(shù)脂膠黏劑，含膠量控制在20wt.%，將制備的單向織物按照±90°方向疊層后制備防彈芯層，預(yù)浸料克重控制在80g/m2。
[0038]選用強(qiáng)度為42g/d的超高分子量聚乙烯纖維為中間三維多向防背凸層的纖維材料，選用改性聚乙烯樹(shù)脂為熱塑性樹(shù)脂膠黏劑，含膠量控制在15wt.%，制備克重為120g/m2的單向預(yù)浸布，將該單向預(yù)浸布分別沿防彈芯層的長(zhǎng)寬方向進(jìn)行三維卷繞制備中間三維多向防背凸層。
[0039]采用T700碳纖維和M40高模量碳纖維為纖維原料，兩種纖維按照質(zhì)量比為1:1的比例制備平紋織物，之后浸漬環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑，含膠量為40wt.%，將上述浸膠的碳纖維織物包覆于中間三維多向防背凸層的外側(cè)，形成剛性結(jié)構(gòu)層。
[0040]選用厚度為2mm的有機(jī)硅為緩沖層，以環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑粘附于剛性結(jié)構(gòu)層的背彈面的一側(cè)。
[0041]設(shè)定防彈為GA 141-2010中規(guī)定的2級(jí)要求，由內(nèi)到外按“防彈芯層一三維多向防背凸層一剛性結(jié)構(gòu)層”的順序，將以上預(yù)浸布織物進(jìn)行組合，其中外側(cè)剛性結(jié)構(gòu)層為2層，中間三維多向防背凸層為長(zhǎng)寬方向各卷繞5圈，內(nèi)部防彈芯層為25層，緩沖層選用厚度為2mm的有機(jī)硅樹(shù)脂固化成型，將上述組合疊層原料包覆在耐壓真空袋中并放入預(yù)熱模具，保持真空度在-0.4MPa，模壓溫度在120°C、壓力在SMPa條件下，保溫保壓10分鐘，之后保持真空度在-0.4MPa，在120°C、16.5MPa條件下保溫保壓20分鐘，最后真空度在-0.4MPa，保持16.5MPa壓強(qiáng)降溫至60°C以下開(kāi)啟模具取出樣品，采用水刀切割修邊制備符合GA141-2010的多維復(fù)合防彈胸插板。
[0042]實(shí)施例2
[0043]選用強(qiáng)度為35g/d的超高分子量聚乙稀纖維和Kevlar芳纟侖纖維K49為防彈芯層的纖維材料