白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法
2023-06-08 04:10:51 1
專利名稱：白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法
技術領域：
本發明屬防彈護品領域，具體的說是一種白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法。
背景技術：
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維複合無緯布是由UHMWPE纖維通過均勻、平行、挺直排列後，對其進行塗膠、乾燥後製成的，美國專利US4916000和US5149391已經描述製備過程。其中塗膠的膠粘劑一般包括聚乙烯、交聯聚乙烯、聚丙烯、乙烯基共聚物、丙烯共聚物、乙烯-丙烯共聚物和其他烯烴聚合物和共聚物，還有不飽和聚酯、聚丁二烯、聚異戊二烯、天然橡膠、環氧樹脂、聚亞胺等等許多低模量樹脂，此外，還有EVA、EEA、SBS、SIS、TPR、SEBS等丁鈉膠、丁苯膠PVB、PVA等等這些熱塑性高韌膠液。這些低模量的彈性體包覆在每一根纖維上，除了可固定作為增強體的纖維外，還可以提高複合材料的抗衝擊防彈、放刺性倉泛。然而這種複合無緯布，由於作為基體的膠粘劑自身的缺點，使得複合無緯布的綜合性能受到影響，具體體現在耐熱性差，綜合機械強度也較差，蠕變嚴重；由其製成的UHMWPE纖維複合無緯布，不能有效的鈍化子彈的衝擊力，只能通過無緯布層數來達到防彈效果，但這樣又會引起增加使用者，如戰士和警察的負荷。因此，如何改變UHMWPE纖維複合無緯布的耐熱性，使其具有更高的抗衝擊性，有效鈍化子彈的衝擊力，已經成為防護品研究的必然趨勢。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術的缺點，提供一種白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，不僅提高了基體膠粘劑的機械性能，同時也改變了材料的熱穩定性，防抗衝擊性能優良。本發明解決以上技術問題的技術方案是
一種白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布是由超高分子量聚乙烯纖維用膠粘劑塗膠並乾燥後，正交複合製成；膠粘劑按以下步驟製備
(-)將白炭黑通過化學氣相沉積法進行預處理，使其表面含有適量官能團；
㈡對預處理後的白炭黑按以下⑴或⑵的方法進行功能化改性
⑴使用偶聯劑或共聚物處理，其步驟為將白炭黑分散在乙醇中，白炭黑與乙醇的重量比為1:3-1 5 ;在分散有白炭黑的乙醇中加入偶聯劑或共聚物，所述偶聯劑或共聚物的濃度為10-50wt%，W入量為白炭黑重量百分比的1_10%，攪拌下加熱回流，反應8-12小時後過濾；將過濾後的白炭黑乾燥並研磨，得到偶聯劑或共聚物改性過的白炭黑；
⑵使用含烯烴雙鍵的單體處理，其步驟為將白炭黑分散在水中，使分散有白炭黑的水的溫度為20-40°C ;在氮氣氛圍中，向分散有白炭黑的水中加入含烯烴雙鍵的單體的重量2-5%的引發劑，然後加入白炭黑重量1-10%的含烯烴雙鍵的單體；將分散有白炭黑的水加熱至溫度為30-70°C，然後乾燥得到聚合物接枝改性的白炭黑； ㈢將功能化改性後的白炭黑與基體膠粘劑混合，在60-80°C下攪拌l_2h後烘乾。本發明所用氣相沉積(CAV)法為現有方法，具體為
原料為四氯化矽、氧氣(或空氣)和氫氣，高溫下反應而成，反應式為
SiCl4+2H2+ 02—>Si02+4HCl
空氣和氫氣分別經過加壓、分離、冷卻脫水、矽膠乾燥、除塵過濾後送入合成水解爐。將四氯化矽原料送至精餾塔精餾後，在蒸發器中加熱蒸發，並以乾燥、過濾後的空氣為載體，送至合成水解爐。四氯化矽在高溫下氣化(火焰溫度1000-180(TC)後，氫和氧(或空氣)在1800°C左右的高溫下進行氣相水解；此時生成的氣相二氧化矽顆粒極細，與氣體形成氣溶膠，不易捕集，故使其先在聚集器中聚集成較大顆粒，然後經旋風分離器收集，再送入脫酸爐，用含氮空氣吹洗氣相二氧化矽至PH值為4-6，其表面即含有適用的官能團。本發明進一步限定的技術方案是
前述的白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，白炭黑為納米氣相法白炭黑，純度大於等於99%，粒徑為10-20nm。前述的白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，偶聯劑為矽烷偶聯劑或鈦酸脂偶聯劑；所述共聚物為環氧樹脂預聚物、聚氨酯預聚物、丙烯酸聚合物、極性單體接枝聚合物、極性單體或非極性單體間共聚物、高級脂肪酸中的至少一種混合物。前述的白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，含烯烴雙鍵的單體為苯乙烯、丁二烯、環氧丙烯酸酯、丙烯酸酯化油、丙烯酸氨基甲酸酯、聚酯丙烯酸酯、乙烯基樹脂、丙烯酸樹脂、不飽和聚酯中的至少一種混合物；引發劑異丙苯過氧化氫、過氧化甲乙酮、過氧化環己酮、過氧化二異丙苯中的至少一種混合物。前述的白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，基體膠粘劑為橡膠類膠粘劑，包括異戊橡膠、丁苯橡膠、苯乙烯橡膠、丁二烯橡膠、或異戊二烯橡膠。前述的白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，基體膠粘劑是水基膠粘劑，基體膠粘劑與水的重量比例為20-60%。本發明的有益效果是本發明通過在基體粘結劑中填加改性處理的白炭黑，使複合無緯布能夠吸收子彈絕大部分的動能，改善複合無緯布的抗衝擊和耐熱性，鈍化刀具和子彈的衝擊，提高防刺和防彈性能，從而在很大程度上客服現有技術的缺陷，得到防抗衝擊性能優良的複合防彈無緯布。對一定層數的本發明的複合無緯布按照GA141-2001的標準進行實彈測試，結果為著彈點處背襯材料凹陷深度<25mm，使用溫度提高10°C，抗衝擊性提高20%左右。由此證明本發明的UHMWPE纖維複合無緯布可以在很大程度上克服現有技術存在的缺陷，不僅提高了基體膠粘劑的機械性能，同時也改變了材料的熱穩定性，得到防抗衝擊性能優良的複合防彈無緯布。
具體實施例方式實施例1
本實施例是一種白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，按以下步驟製備
㈠將白炭黑預處理，氣相沉積(CAV)法，原料為四氯化矽、氧氣(或空氣)和氫氣，高溫下反應而成，反應式為SiCl4+2H2+02—>Si02+4HCl，空氣和氫氣分別經過加壓、分離、冷卻脫水、矽膠乾燥、除塵過濾後送入合成水解爐。將四氯化矽原料送至精餾塔精餾後，在蒸發器中加熱蒸發，並以乾燥、過濾後的空氣為載體，送至合成水解爐。四氯化矽在高溫下氣化(火焰溫度1000-1800°C)後，氫和氧(或空氣)在1800°C左右的高溫下進行氣相水解；此時生成的氣相二氧化矽顆粒極細，與氣體形成氣溶膠，不易捕集，故使其先在聚集器中聚集成較大顆粒，然後經旋風分離器收集，再送入脫酸爐，用含氮空氣吹洗氣相二氧化矽至PH值為4-6，其表面即含有適用的官能團。㈡將預處理後的白炭黑分散在乙醇溶液中，白炭黑與乙醇的重量比為1:5 ;在分散有白炭黑的乙醇中加入鈦酸酯偶聯劑DNZ-201，濃度為25wt%，偶聯劑的加入量為白炭黑重量的2%，攪拌下加熱回流，反應8小時後過濾；將過濾後的白炭黑乾燥並研磨，得到偶聯劑或共聚物改性過的白炭黑。 ㈢將功能化改性後的白炭黑與基體膠粘劑混合，在60°C下攪拌Ih後，真空脫泡烘乾待用。(四)對增強體UHMWPE纖維進行塗膠，採用的基體膠粘劑為異戊二烯橡膠，按重量比20%溶於水，UHMWPE纖維塗膠後烘乾，溫度60±3°C，乾燥時間約為20min，將上述所得的複合材料進行正交複合，製得白炭黑的摻入量為7. 2g/m2無緯布。本實施例的防彈效果將40層、400mmX400mm，AD=162g/m2的UD材料整齊疊加於背襯為膠泥的靶架上，按GA141-2001實驗標準，採用54式7. 62mm手槍、51式普通彈，測得V50彡530m/s ;背襯材料凹陷深度〈25_。本實施例進行溫度適應性試驗將本實施例的防彈無緯布放入溫度為_25°C或60°C恆溫箱內保持至少4小時，然後進行如上射擊試驗，結果符合GA141-2001的標準要求。實施例2
本實施例是一種白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，按以下步驟製備
㈠將白炭黑預處理，氣相沉積(CAV)法，原料為四氯化矽、氧氣(或空氣)和氫氣，高溫下反應而成，反應式為SiCl4+2H2+02—>Si02+4HCl，空氣和氫氣分別經過加壓、分離、冷卻脫水、矽膠乾燥、除塵過濾後送入合成水解爐。將四氯化矽原料送至精餾塔精餾後，在蒸發器中加熱蒸發，並以乾燥、過濾後的空氣為載體，送至合成水解爐。四氯化矽在高溫下氣化(火焰溫度1000-1800°C)後，氫和氧(或空氣)在1800°C左右的高溫下進行氣相水解；此時生成的氣相二氧化矽顆粒極細，與氣體形成氣溶膠，不易捕集，故使其先在聚集器中聚集成較大顆粒，然後經旋風分離器收集，再送入脫酸爐，用含氮空氣吹洗氣相二氧化矽至PH值為4-6，其表面即含有適用的官能團。㈡將預處理後的白炭黑分散在乙醇溶液中，白炭黑與乙醇的重量比為1:5 ;在分散有白炭黑的乙醇中加入鈦酸酯偶聯劑DNZ-201，濃度為10wt%，偶聯劑的加入量為白炭黑重量的8%，攪拌下加熱回流，反應12小時後過濾；將過濾後的白炭黑乾燥並研磨，得到偶聯劑或共聚物改性過的白炭黑。㈢將功能化改性後的白炭黑與基體膠粘劑混合，在80°C下攪拌Ih後，真空脫泡烘乾待用。㈣對增強體UHMWPE纖維進行塗膠，採用的基體膠粘劑為異戊二烯橡膠，按重量比40%溶於水，UHMWPE纖維塗膠後烘乾，溫度60±3°C，乾燥時間約為20min，將上述所得的複合材料進行正交複合，製得白炭黑的摻入量為4. 4g/m2無緯布。本實施例的防彈效果將40層、400mmX400mm，AD=162g/m2的UD材料整齊疊加於背襯為膠泥的靶架上，按GA141-2001實驗標準，採用54式7. 62mm手槍、51式普通彈，測得V50彡530m/s ;背襯材料凹陷深度〈25_。本實施例進行溫度適應性試驗將本實施例的防彈無緯布放入溫度為_25°C或60°C恆溫箱內保持至少4小時，然後進行如上射擊試驗，結果符合GA141-2001的標準要求。實施例3
本實施例除了將鈦酸酯偶聯劑改為環氧樹脂預聚物外，其他均與實施例1相同，制的複合無緯布，白炭黑的摻入量為7. 2g/m2無緯布。本實施例的防彈效果將40層、400mmX400mm，AD=162g/m2的UD材料整齊疊加於背襯為膠泥的靶架上，按GA141-2001實驗標準，採用54式7. 62mm手槍、51式普通彈，測得V50彡530m/s ;背襯材料凹陷深度〈25_。本實施進行溫度適應性試驗將本實施例的防彈無緯布放入溫度為_25°C或60°C恆溫箱內保持至少4小時，然後進行如上射擊試驗，結果符合GA141-2001的標準要求。實施例4
本實施例是一種白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，按以下步驟製備
㈠將白炭黑預處理，氣相沉積(CAV)法，原料為四氯化矽、氧氣(或空氣)和氫氣，高溫下反應而成，反應式為SiCl4+2H2+02—>Si02+4HCl，空氣和氫氣分別經過加壓、分離、冷卻脫水、矽膠乾燥、除塵過濾後送入合成水解爐。將四氯化矽原料送至精餾塔精餾後，在蒸發器中加熱蒸發，並以乾燥、過濾後的空氣為載體，送至合成水解爐。四氯化矽在高溫下氣化(火焰溫度1000-1800°C)後，氫和氧(或空氣)在1800°C左右的高溫下進行氣相水解；此時生成的氣相二氧化矽顆粒極細，與氣體形成氣溶膠，不易捕集，故使其先在聚集器中聚集成較大顆粒，然後經旋風分離器收集，再送入脫酸爐，用含氮空氣吹洗氣相二氧化矽至PH值為4-6，其表面即含有適用的官能團。㈡將白炭黑分散在水中，使分散有白炭黑的水的溫度為20_40°C ;在氮氣氛圍中，向分散有白炭黑的水中加入苯乙烯重量2-5%的過氧化甲乙酮，在白炭黑表面形成自由基，然後加入白炭黑重量1-10%的苯乙烯；將分散有白炭黑的水加熱至溫度為30-70°C，然後乾燥得到聚合物接枝改性的白炭黑；
曰將功能化改性後的白炭黑與基體膠粘劑混合，在70°C下攪拌2h後，真空脫泡烘乾待
用；
(四)對增強體UHMWPE纖維進行塗膠，採用的基體膠粘劑為異戊二烯橡膠，按重量比60%溶於水，UHMWPE纖維塗膠後烘乾，溫度60±3°C，乾燥時間約為20min，將上述所得的複合材料進行正交複合，製得白炭黑的摻入量為7. 2g/m2無緯布。本實施例的防彈效果將40層、400mmX400mm，AD=162g/m2的UD材料整齊疊加於背襯為膠泥的靶架上，按GA141-2001實驗標準，採用54式7. 62mm手槍、51式普通彈，測得V50≤530m/s ;背襯材料凹陷深度〈25_。本實施例進行溫度適應性試驗將本實施例的防彈無緯布放入溫度為_25°C或60°C恆溫箱內保持至少4小時，然後進行如上射擊試驗，結果符合GA141-2001的標準要求。除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護範圍。
權利要求
1.一種白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布是由超高分子量聚乙烯纖維用膠粘劑塗膠並乾燥後，正交複合製成；其特徵在於所述膠粘劑按以下步驟製備 ㈠將白炭黑通過化學氣相沉積法進行預處理； ㈡對預處理後的白炭黑按以下⑴或⑵的方法進行功能化改性 ⑴使用偶聯劑或共聚物處理，其步驟為將白炭黑分散在乙醇中，白炭黑與乙醇的重量比為1:3-1 5 ;在分散有白炭黑的乙醇中加入偶聯劑或共聚物，所述偶聯劑或共聚物的濃度為10-50wt%，W入量為白炭黑重量百分比的1_10%，攪拌下加熱回流，反應8-12小時後過濾；將過濾後的白炭黑乾燥並研磨，得到偶聯劑或共聚物改性過的白炭黑； ⑵使用含烯烴雙鍵的單體處理，其步驟為將白炭黑分散在水中，使分散有白炭黑的水的溫度為20-40°C;在氮氣氛圍中，向分散有白炭黑的水中加入含烯烴雙鍵的單體重量2-5%的引發劑，然後加入白炭黑重量1-10%的含烯烴雙鍵的單體；將分散有白炭黑的水加熱至溫度為30-70°C，然後乾燥得到聚合物接枝改性的白炭黑； ㈢將功能化改性後的白炭黑與基體膠粘劑混合，在60-80°C下攪拌l_2h後烘乾。
2.如權利要求1所述的白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，其特徵在於所述白炭黑為納米氣相法白炭黑，純度大於等於99%,粒徑為10-20nm。
3.如權利要求1所述的白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，其特徵在於所述偶聯劑為矽烷偶聯劑或鈦酸脂偶聯劑；所述共聚物為環氧樹脂預聚物、聚氨酯預聚物、丙烯酸聚合物、極性單體接枝聚合物、極性單體或非極性單體間共聚物、高級脂肪酸中的至少一種混合物。
4.如權利要求1所述的白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，其特徵在於所述含烯烴雙鍵的單體為苯乙烯、丁二烯、環氧丙烯酸酯、丙烯酸酯化油、丙烯酸氨基甲酸酯、聚酯丙烯酸酯、乙烯基樹脂、丙烯酸樹脂、不飽和聚酯中的至少一種混合物；所述引發劑異丙苯過氧化氫、過氧化甲乙酮、過氧化環己酮、過氧化二異丙苯中的至少一種混合物。
5.如權利要求1所述的白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，其特徵在於所述基體膠粘劑為橡膠類膠粘劑，包括異戊橡膠、丁苯橡膠、苯乙烯橡膠、丁二烯橡膠、或異戊二烯橡膠。
6.如權利要求5所述的白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，其特徵在於所述基體膠粘劑是水基膠粘劑，基體膠粘劑與水的重量比例為20-60%。
全文摘要
本發明屬防彈護品領域，是一種白炭黑增強超高分子量聚乙烯纖維複合無緯布的製備方法，製作步驟包括將白炭黑預處理；對預處理後的白炭黑進一步功能改性，使其在基體膠粘劑中分散均勻；將功能化改性後的白炭黑和膠粘劑充分混合；對UHMWPE纖維上膠；烘乾；本發明通過添加氣相白炭黑，可以更多的吸收子彈衝擊纖維時產生的能量，使防彈性能得以提高，並使整體的耐熱性得以提高；對一定層數的複合無緯布按照GA141-2001的標準進行實彈測試，結果完全符合標準要求，而且使用溫度提高5℃，而且抗衝擊性也提高了20%左右。
文檔編號C09J109/06GK103015041SQ201310012449
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月14日 優先權日2013年1月14日
發明者郭振勤, 丁旭 申請人:江蘇領瑞新材料科技有限公司