一种基于芳纶纤维的防刺复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料，更具体地说，是涉及一种基于芳纶纤维的防刺复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、自1996年10月1日正式实施《枪支管理法》以来，刀、锥等尖锐物体成为对公职人员和安防人员执行公务的最大威胁。基于材料防刺机理与防弹机理的巨大差异，大部分的防弹材料不具备或仅具备很弱的防刺能力。防刺材料根据其材质，可分为硬质、半硬质和软质防刺材料，硬质材料最早为应用于冷兵器时代的铠甲，以金属材料为主；半硬质材料多由小块硬质材料拼接而成，类似于龟甲；该二类材料均有密度大、穿着不便且舒适度差等劣势，在防刺应用方面已被摒弃。现普遍应用的防刺材料为以聚对苯撑苯并二噁唑纤维(pbo纤维)、超高分子量聚乙烯纤维和芳香族聚酰胺(芳纶纤维)为主的高性能纤维为基础的柔性防刺材料，其中，芳纶纤维因其高强度、高模量、耐冲击和耐剪切等优异性能而得到广泛应用。

2、芳纶(poly(para-phenylene terephthalamide))纤维因其密实的分子链结构、强的分子内氢键作用、高的结晶度(单斜结构)及低的密度(1.44g/cm3)而具有高的模量(～112,400mpa)及韧性和强度(～3600mpa)，进而在航空航天、军事工业及个人防护等众多领域取得广泛应用。然而，芳纶纤维很难作为独立材料来进行应用，往往作为增强材料与树脂基体(如聚氨酯、丙烯酸酯、酚醛树脂、环氧树脂等)结合，制备复合材料，以体现实用价值。然而，囿于芳纶纤维的表面光洁、化学惰性，芳纶纤维与树脂间的界面黏合强度普遍较低(＜20mpa)，因此在使用过程常由于纤维自基体中脱落导致材料失效，尤其受到高速冲击，界面冲击能量较高，且由于材料的伸长速率不一致，更容易造成材料失效。因此，改善纤维与树脂基体的界面黏结性，尤其是界面剪切强度，对于提高材料的综合性能具有重要意义。

3、处于改善芳纶纤维与树脂基体的核心目的，众多的表面修饰方法已经用于芳纶纤维基复合材料的制备。如，p.i.gonzalez-chi等采用氧化的多壁碳纳米管对芳纶纳米纤维进行表面修饰，并采用侧弯实验装置对其与聚丙烯(pp)基体的界面剪切强度(ifss)进行了测试，测试结果显示其ifss由5.86±0.9mpa提高到8.71±1.54mpa(提高约48％)(composites,part b 2017,122,16-22)；cheng等采用溶胶-凝胶法对苯并咪唑功能化的芳纶纤维进行表面修饰，以此来提高芳纶基复合材料的性能，其研究结果表明，经修饰的芳纶纤维与环氧树脂、天然橡胶及双马来酰亚胺树脂等聚合物基体的界面剪切强度分别提高了43％、117％和166％(与未修饰的芳纶纤维相比，chem.eng.j.2018,347,483-492)；hwang等采用水热原位生长技术制备了氧化锌(zno)纳米线修饰的芳纶纤维，原位生长的纳米线在纤维表面形成均一的氧化锌纳米线阵列，极大地提高了纤维间的摩擦力及其与树脂基体的界面粘合力，其中，单丝拔出最大负载强度提高了11倍，吸能提升了23倍(与未修饰的芳纶纤维相比，compos.sci.technol.2015,107,75-81)。专利zl 201610460284.1公开了一种柔软的热塑性防弹防刺材料及其制备方法，其以芳纶纤维、聚芳酯纤维或聚对苯撑苯并二噁唑(pbo)纤维为基材，采用聚乙烯共聚改性树脂、聚丙烯共聚改性树脂或聚乙烯缩丁醛树脂等热塑性树脂进行差异化涂层，制备出柔软双防材料，能耐受nij.0115level 1穿刺实验，防弹测试结果显示v50值最高为645m/s，与国外参照样品性能相当。专利zl201810779294.0公开了一种复合结构的软质防刺材料及其制备方法，其以包覆纱为经线、以高性能纤维为纬线制备防切割层，以剪切增稠液浸渍的三维高性能纤维结构织物为防穿刺吸能层；最后，以高性能纤维为原料，采用平纹、重组织或双层组织制成二维机织物，并与热塑性树脂热压复合制成抗变形层；该发明重点强调，由此三重结构复合而成的软质防刺材料具有轻质、柔软、穿着舒适等优点，且在24j撞击能量作用下，防刺材料不被穿透，且背衬材料变形深度＜20mm，展现出良好的防刺性能。

4、目前，在防刺服、防弹衣领域，由芳纶纤维经整理而成的织物，结构松散，纤维经纬间丝线作用力弱，不具备防刺能力，需以胶液浸渍、固化后才能应用。并且芳纶纤维表面光滑，且在纺织过程中会添加上浆剂、油剂等化学品(约占纤维自重的0.5～1.5wt％)以避免出现毛丝、断丝并防止静电等，导致芳纶纤维与树脂基体的界面结合力进一步变差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于芳纶纤维的防刺复合材料及其制备方法，本发明提供的制备方法在祛除芳纶纤维表面油剂的同时，提升芳纶纤维与树脂基体的界面结合力，从而制备得到高性能防刺材料。

2、本发明提供了一种基于芳纶纤维的防刺复合材料的制备方法，包括以下步骤：

3、a)将芳纶织物进行表面油剂清洗及表面修饰后，采用立式浸胶机进行浸胶，得到半固化片；

4、b)将步骤a)得到的半固化片进行压制，得到基于芳纶纤维的防刺复合材料。

5、优选的，步骤a)中所述芳纶织物的面密度为150～230g/m2。

6、优选的，步骤a)中所述表面油剂清洗及表面修饰的过程具体为：

7、将芳纶织物浸入清洗槽进行超声辅助清洗，其中清洗剂浓度为0.1～1wt％；然后浸入水洗槽，经对辊转向后进行两次浸洗后，再进行两次淋洗；经烘箱烘干后，浸入浆粕液槽浸渍浆粕分散液后，经转向辊浸入第一凝固液槽，后浸入第二凝固液槽，而后经2～4次淋洗后，烘干并进行收卷待用。

8、优选的，所述清洗剂由阴离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂和碱性助剂组成；

9、所述浆粕分散液由质量比为100：(5～15)：(1～2)的n,n-二甲基乙酰胺、芳纶浆粕和氢氧化钾组成；

10、所述第一凝固液为n,n-二甲基乙酰胺25～35wt％水溶液；

11、所述第二凝固液为n,n-二甲基乙酰胺5～15wt％水溶液。

12、优选的，步骤a)中所述浸胶的胶液的制备方法具体为：

13、取100重量份的双酚a环氧树脂和70～90重量份的双酚f环氧树脂，加入反应釜中，开启高温，加热至110～130℃，加热3～5h后，开启搅拌，转速设定为500～700r/min，搅拌20～40min至均匀后，加入100～120重量份的溶剂，降温至70～90℃，而后分2～4次加入45～50重量份的固化剂，升温至110～130℃，保温30～50min，而后降温至50～70℃，加入丙酮，将胶液固含量稀释至65～75wt％，再加入0.1～1重量份的抗氧剂和1～2重量份的硅烷偶联剂，搅拌均匀后，转移至储存罐中待用。

14、优选的，所述双酚a环氧树脂选自e10型号、e20型号、e44型号、e51型号中的至少两种；

15、所述双酚f环氧树脂选自4,4’-二羟基二苯甲烷、2,4’-二羟基二苯甲烷、2,2’-二羟基二苯基甲烷中的一种或两种；

16、所述固化剂选自4,4’-二氨基二苯甲烷、4,4’-二氨基二苯砜、4,4’-二氨基二苯硫醚、4,4’-二氨基二苯基醚、双氰胺、聚乙烯亚胺、2-乙基-4-甲基咪唑中的一种或多种。

17、优选的，步骤a)中所述浸胶的过程具体为：

18、将胶液置于胶槽中，调节对辊间隙，控制胶含量为35～40wt％，车速定为0.5～1.5m/min，炉温设定为i区110～130℃，ii区、iii区为150～160℃，iv区为130～140℃，经烘烤后收卷或裁剪为预定尺寸，得到半固化片。

19、优选的，步骤b)中所述压制的过程具体为：

20、将半固化片以隔离膜包覆后，以两张压合钢板夹持后，置于2000～4000吨平板压机进行压制后卸板，得到基于芳纶纤维的防刺复合材料。

21、优选的，步骤b)中所述压制的程序为：

22、设定温度为120～140℃、压力为5～15mpa，保温1～3h，而后5～15℃/30min进行升温、2～4mpa/30min进行升压，升至温度160～170℃、25～35mpa，继续保温5～7h后，自然降温至50～70℃后卸板。

23、本发明还提供了一种基于芳纶纤维的防刺复合材料，采用上述技术方案所述的制备方法制备而成。

24、本发明提供了一种基于芳纶纤维的防刺复合材料及其制备方法；该制备方法包括以下步骤：a)将芳纶织物进行表面油剂清洗及表面修饰后，采用立式浸胶机进行浸胶，得到半固化片；b)将步骤a)得到的半固化片进行压制，得到基于芳纶纤维的防刺复合材料。与现有技术相比，本发明提供的制备方法采用特定工艺步骤，实现整体较好的相互作用，在祛除芳纶纤维表面油剂的同时，提升芳纶纤维与树脂基体的界面结合力，从而制备得到高性能防刺材料。