一种混杂纤维多维复合防弹胸插板及其制备方法

摘要

本发明公开了一种混杂纤维多维复合防弹胸插板，包括二维防弹芯层，二维防弹芯层的外表面包覆有三维多向防背凸层，三维多向防背凸层的外表面包覆有刚性结构层；刚性结构层的背弹面连接有缓冲层。本发明还公开了该混杂纤维多维复合防弹胸插板的制造方法。本发明制备的混杂纤维多维复合防弹胸插板，在保持防弹特性的同时，降低制品重量，减小制品背弹面鼓包，提高制品在高低温环境下的结构完整性，有效延长防弹胸插板的使用寿命。

权利要求

1.一种混杂纤维多维复合防弹胸插板，其特征在于，包括二维防弹芯层，所述二维防弹芯层的外表面包覆有三维多向防背凸层，所述三维多向防背凸层的外表面包覆有刚性结构层；所述刚性结构层的背弹面连接有缓冲层；

所述二维防弹芯层由超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或PBO纤维的单向或二维织物浸渍改性热塑性树脂后形成预浸布叠层组成；

所述三维多向防背凸层由超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或PBO纤维的单向织物浸渍改性热塑性树脂后，沿二维防弹芯层表面的X、Y方向交替三维卷绕而成；

所述刚性结构层由至少一层高强、高模量碳纤维的单向或二维织物与改性热固性树脂浸渍复合而成。

2.如权利要求1所述的一种混杂纤维多维复合防弹胸插板，其特征在于，所述缓冲层与刚性结构层的背弹面通过粘结剂粘结而成，粘结剂为改性环氧树脂。

3.如权利要求1所述的一种混杂纤维多维复合防弹胸插板，其特征在于，所述二维防弹芯层由25-150层单向或二维织物预浸布叠层组成。

4.如权利要求1所述的一种混杂纤维多维复合防弹胸插板，其特征在于，所述三维多向防背凸层中，三维卷绕形成的卷绕层单侧为5-15层。

5.如权利要求1所述的一种混杂纤维多维复合防弹胸插板，其特征在于，所述刚性结构层由1-3层单向或二维织物与改性热固性树脂浸渍复合而成。

6.如权利要求1所述的一种混杂纤维多维复合防弹胸插板，其特征在于，所述缓冲层的厚度为1-2mm。

7.如权利要求1所述的一种混杂纤维多维复合防弹胸插板，其特征在于，所述的改性热固性树脂是热塑性树脂改性的环氧树脂或酚醛树脂的环氧树脂、酚醛树脂、或热固性聚氨酯；所述的改性热塑性树脂为热固性树脂改性的聚氨酯、聚乙烯、不饱和聚酯树脂或橡胶弹性体。

8.一种权利要求1所述的混杂纤维多维复合防弹胸插板的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)防弹芯层的制备：将超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或PBO纤维中的一种或几种编织成单向或二维纤维织物，用改性热塑性树脂浸渍上述纤维织物干燥后制备预浸布，其中树脂含量控制在10-30wt.％，根据防弹级别计算相应的铺叠层数；

(2)三维多向防背凸层的制备：将超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或PBO纤维中的一种或多种，采用改性热塑性树脂浸渍后制备单向混合纤维预浸布，树脂含量控制在10-30 wt.％；采用该预浸布在防弹芯层的表面分别沿着X、Y方向实施三维卷绕，根据防弹级别确定卷绕层数；

(3)刚性结构层的制备：将高强、高模量碳纤维的单向或二维织物与改性热固性树脂浸渍复合，树脂含量控制在35-40wt.％，包覆于中间三维多向防背凸层的外侧；

(4)采用有机硅或聚氨酯泡沫作为缓冲层，以改性环氧树脂作为粘结剂贴敷于刚性结构层的背弹面；

(5)将各层结构按顺序铺设完成后，采用真空模压联动的一体化成型技术，将上述原料包覆于耐压真空袋中并连接真空系统，之后将其置于模压系统中，进行真空模压一体化成型。

9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述纤维织物为单向织物或二维织物，单向织物采用±90°、±45°纤维叠层排列方式。

10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，步骤(5)中，所述真空导入工序中的真空度在-0.2～-0.8MPa之间调节。

说明书

一种混杂纤维多维复合防弹胸插板及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及防护装备领域，具体涉及一种混杂纤维多维复合防弹胸插板及其制备方法。

背景技术

[0002] 在世界各国和平化发展的大环境下，大规模战争情况已经不复存在，而各国内部的恐怖袭击以及局部暴乱现象却逐渐增多。在这种局势下，军用或警用防护用品的使用要求开始有了导向性变化，其防护制品逐渐倾向于单兵或单警的防弹胸插板，防护重点为轻型武器，防护特性不仅要有效防止弹丸侵彻，而且要尽可能降低材料变形，同时最重要的一点就是要减轻材料重量，提高单兵或单警作战的机动性和灵活性。

[0003] 随着高性能纤维在防弹领域的研究不断深入，其复合材料制品在防护领域的应用范围也逐渐拓展，这对防弹纤维材料的质量和特性也提出了更高要求。从20世纪70年代以来，高性能纤维复合材料在装甲防护领域得到了广泛应用。其中UHMWPE纤维、芳纶纤维、PBO纤维等高强、高韧纤维配以特种热塑性树脂基体，发挥整体协同效应形成防护复合材料，在瞬间吸收弹丸冲击能量的同时又具备金属材质所不及的重量轻特点，同时不存在对弹丸二次反弹问题。因此以高性能纤维复合材料制备防弹胸插板，对于单兵单警作战能力的提升具有重要作用。

[0004] 超高分子量聚乙烯纤维(平均分子量在100万以上的聚乙烯纺制而成)是制备复合材料胸插板的较佳材料，它是继芳纶纤维后出现的另一种高强度、高模量纤维，其密度低、韧性强、耐腐蚀性好、分子结构取向度高，具有比芳纶纤维更优异的防弹特性，但是聚乙烯纤维自身也有不可避免的缺点，其熔点较低、高温环境下的力学性能差，应用到防弹胸插板上会引起背弹面较大的鼓包问题，所以单纯超高分子量聚乙烯纤维复合材料的防弹性能仍需提高。

发明内容

[0005] 针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种混杂纤维多维复合防弹胸插板及其制备方法，在超高分子量聚乙烯纤维防弹特性的基础上，集合其他高强纤维的防弹特性，优选混杂纤维多向织物形式，采用二维/三维复合结构兼整体刚性加固的工艺，制备的混杂纤维多维复合防弹胸插板，在保持防弹特性的同时，降低制品重量，减小制品背弹面鼓包，提高制品在高低温环境下的结构完整性，有效延长防弹胸插板的使用寿命。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

[0007] 一种混杂纤维多维复合防弹胸插板，包括二维防弹芯层，所述二维防弹芯层的外表面包覆有三维多向防背凸层，所述三维多向防背凸层的外表面包覆有刚性结构层；所述刚性结构层的背弹面连接有缓冲层；

[0008] 所述二维防弹芯层由超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或PBO纤维的单向或二维织物浸渍改性热塑性树脂后形成预浸布叠层组成；

[0009] 所述三维多向防背凸层由超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或PBO纤维的单向织物浸渍改性热塑性树脂(高强高韧改性聚氨酯或改性聚乙烯)后，沿二维防弹芯层表面的X、Y方向交替三维卷绕而成；

[0010] 所述刚性结构层由至少一层高强、高模量碳纤维(拉伸强度在3500MPa以上)的单向或二维织物与改性热固性树脂浸渍复合而成；

[0011] 所述缓冲层由软质的缓冲材料制成，缓冲材料选自有机硅或聚氨酯泡沫；

[0012] 所述缓冲层与刚性结构层的背弹面通过粘结剂粘结而成，粘结剂为改性环氧树脂胶黏剂。

[0013] 优选的，所述二维防弹芯层由25-150层单向或二维织物预浸布叠层组成。

[0014] 优选的，所述三维多向防背凸层中，三维卷绕形成的卷绕层单侧为5-15层。

[0015] 优选的，所述刚性结构层由1-3层单向或二维织物与改性热固性树脂浸渍复合而成。

[0016] 优选的，所述缓冲层的厚度为1-2mm。

[0017] 上述的刚性结构层所用的高强、高模量碳纤维，为拉伸强度在3500MPa以上的碳纤维；

[0018] 上述的二维防弹芯层和三维多向防背凸层所用的超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或PBO纤维的拉伸强度均在30cN/dtex以上；

[0019] 所述的改性热固性树脂是热塑性树脂改性的环氧树脂或酚醛树脂的环氧树脂、酚醛树脂、或热固性聚氨酯；所述的改性热塑性树脂为热固性树脂改性的聚氨酯、聚乙烯、不饱和聚酯树脂或橡胶弹性体。

[0020] 该混杂纤维多维复合防弹胸插板的制造方法，包括以下步骤：

[0021] (1)防弹芯层的制备：将超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或PBO纤维中的一种或几种编织成单向或二维纤维织物(优选两种纤维以任意比进行混合编织)用改性热塑性树脂浸渍上述纤维织物干燥后制备预浸布，其中树脂含量控制在10-30wt.％，根据胸插板的规格将上述预浸布剪裁成固定的尺寸后，根据防弹级别计算相应的铺叠层数；

[0022] (2)三维多向防背凸层的制备：将超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或PBO纤维中的一种或多种，采用改性热塑性树脂浸渍后制备单向混合纤维预浸布，树脂含量控制在10-30wt.％；采用该预浸布在防弹芯层的表面分别沿着X、Y方向(即长、宽方向)实施三维卷绕，卷绕层数由最终防弹级别而定；

[0023] (3)刚性结构层的制备：将高强、高模量碳纤维的单向或二维织物与改性热固性树脂浸渍复合，树脂含量控制在35-40wt.％，包覆于中间三维多向防背凸层的外侧；

[0024] (4)采用有机硅或聚氨酯泡沫作为缓冲层，以改性环氧树脂作为粘结剂贴敷于刚性结构层的背弹面；

[0025] (5)将各层结构按顺序铺设完成后，采用真空模压联动的一体化成型技术，将上述原料包覆于耐压真空袋中并连接真空系统，之后将其置于模压系统中，进行真空模压一体化成型。

[0026] 所述纤维织物为单向织物、二维织物(平纹、斜纹、缎纹)，单向织物可采用±90°、±45°等多种纤维叠层排列方式。

[0027] 上述的改性热固性树脂为热塑性树脂改性的环氧树脂、酚醛树脂、热固性聚氨酯等类型，具备优良冲击韧性。改性热塑性树脂基体包括聚氨酯、聚乙烯、不饱和聚酯树脂、橡胶弹性体等其中的一种或多种，通过物理共混或化学接枝方式进行热固性树脂改性，使其具备优异冲击韧性的特种树脂胶黏剂。

[0028] 步骤(5)中，所述真空导入工序中的真空度在-0.2～-0.8MPa之间调节。

[0029] 本发明的有益效果：

[0030] (1)本发明制备的混杂纤维多维复合防弹胸插板，在保持防弹特性的同时，降低制品重量，减小制品背弹面鼓包，提高制品在高低温环境下的结构完整性，有效延长防弹胸插板的使用寿命。

[0031] (2)本发明采用混杂纤维多向织物、二维/三维复合结构、整体刚性加固的真空模压一体化技术得到重量轻、背弹面鼓包(背凸)较小、高低温环境结构稳定的复合结构防弹胸插板，其中最外侧刚性结构层可以提供胸插板的整体刚度，在高低温环境中保证结构稳定均一；中间三维多向防背凸层可以保证胸插板在弹丸高速冲击下不分层，同时由于三维卷绕技术的应用保证厚度方向的加固效果，从而保证了较低的背弹面鼓包；内部防弹二维芯层可以有效的吸收弹丸侵彻的破坏能量；缓冲层可以有效缓冲弹丸侵彻的能量对人体冲击并提高防弹板与人体接触的舒适性。

[0032] (3)本发明采用真空模压一体化成型，该成型方式可有效提高模压工艺的排气效率，增加预浸料界面结合。

附图说明

[0033] 图1为本发明的混杂纤维多维复合防弹胸插板的结构示意图；

[0034] 其中，1-刚性结构层，2-三维多向防背凸层，3-二维防弹芯层，4-缓冲层。

具体实施方式

[0035] 结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

[0036] 实施例1：

[0037] 选用强度为40g/d的超高分子量聚乙烯纤维和Kevlar芳纶纤维K29为防弹芯层的纤维材料。按照UHMWPE纤维：芳纶纤维质量比为2：1进行混杂纤维单向排布，选用改性聚氨酯为热塑性树脂胶黏剂，含胶量控制在20wt.％，将制备的单向织物按照±90°方向叠层后制备防弹芯层，预浸料克重控制在80g/m2。

[0038] 选用强度为42g/d的超高分子量聚乙烯纤维为中间三维多向防背凸层的纤维材料，选用改性聚乙烯树脂为热塑性树脂胶黏剂，含胶量控制在15wt.％，制备克重为120g/m2的单向预浸布，将该单向预浸布分别沿防弹芯层的长宽方向进行三维卷绕制备中间三维多向防背凸层。

[0039] 采用T700碳纤维和M40高模量碳纤维为纤维原料，两种纤维按照质量比为1：1的比例制备平纹织物，之后浸渍环氧树脂胶黏剂，含胶量为40wt.％，将上述浸胶的碳纤维织物包覆于中间三维多向防背凸层的外侧，形成刚性结构层。

[0040] 选用厚度为2mm的有机硅为缓冲层，以环氧树脂胶黏剂粘附于刚性结构层的背弹面的一侧。

[0041] 设定防弹为GA 141-2010中规定的2级要求，由内到外按“防弹芯层→三维多向防背凸层→刚性结构层”的顺序，将以上预浸布织物进行组合，其中外侧刚性结构层为2层，中间三维多向防背凸层为长宽方向各卷绕5圈，内部防弹芯层为25层，缓冲层选用厚度为2mm的有机硅树脂固化成型，将上述组合叠层原料包覆在耐压真空袋中并放入预热模具，保持真空度在-0.4MPa，模压温度在120℃、压力在8MPa条件下，保温保压10分钟，之后保持真空度在-0.4MPa，在120℃、16.5MPa条件下保温保压20分钟，最后真空度在-0.4MPa，保持16.5MPa压强降温至60℃以下开启模具取出样品，采用水刀切割修边制备符合GA 141-2010的多维复合防弹胸插板。

[0042] 实施例2

[0043] 选用强度为35g/d的超高分子量聚乙烯纤维和Kevlar芳纶纤维K49为防弹芯层的纤维材料。按照UHMWPE纤维：芳纶纤维质量比为3：1进行混杂纤维单向排布，选用改性聚氨酯为热塑性树脂胶黏剂，含胶量控制在25wt.％，将制备的单向织物按照±45°方向叠层后制备防弹芯层，预浸料克重控制在75g/m2。

[0044] 选用强度为40g/d的超高分子量聚乙烯纤维和Kevlar芳纶纤维K29为中间三维多向防背凸层的纤维材料，按照UHMWPE纤维：芳纶纤维质量比为2：1进行混杂纤维单向排布，2
选用改性聚乙烯树脂为热塑性树脂胶黏剂，含胶量控制在20wt.％，制备克重为110g/m的单向预浸布，将该混杂纤维单向预浸布分别沿防弹芯层的长宽方向进行三维卷绕制备中间三维多向防背凸层。

[0045] 采用T300碳纤维为纤维原料制备缎纹织物，之后浸渍环氧树脂胶黏剂，含胶量为35wt.％，将上述浸胶的碳纤维织物包覆于中间三维多向防背凸层的外侧，形成刚性结构层。

[0046] 选用厚度为1mm的聚氨酯泡沫为缓冲层，以环氧树脂胶黏剂粘附于上述刚性结构层的背弹面的一侧。

[0047] 设定防弹为GA 141-2010中规定的3级要求，由内到外按“防弹芯层→中间三维多向防背凸层→刚性结构层”的顺序，将以上预浸布织物进行组合，其中外侧刚性结构层为3层，中间三维多向防背凸层为长宽方向各卷绕8圈，内部防弹芯层为27层，缓冲层选用厚度为1mm的聚氨酯泡沫，将上述组合叠层原料包覆在耐压真空袋中并放入预热模具，保持真空度在-0.6MPa，模压温度在130℃、压力在8MPa条件下，保温保压10分钟，之后保持真空度在-0.6MPa，在130℃、16.5MPa条件下保温保压15分钟，最后真空度在-0.4MPa，保持16.5MPa压强降温至70℃以下开启模具取出样品，采用水刀切割修边制备符合GA 141-2010的多维复合防弹胸插板。

[0048] 实施例3

[0049] 选用强度为40g/d的超高分子量聚乙烯纤维和PBO纤维为防弹纤维材料。按照UHMWPE纤维：PBO纤维质量比为4：1进行混杂纤维斜纹织物排布，选用改性聚乙烯为热塑性树脂胶黏剂，含胶量控制在15wt.％，将制备的斜纹织物预浸布按照±90°方向叠层后制备防弹芯层，预浸料克重控制在75g/m2。

[0050] 选用强度为40g/d的超高分子量聚乙烯纤维和PBO纤维为中间三维多向防背凸层的纤维材料，按照UHMWPE纤维：PBO纤维质量比为3：1进行混杂纤维单向排布，选用改性聚氨酯树脂为热塑性胶黏剂，含胶量控制在10wt.％，制备克重为110g/m2的单向预浸布，将混杂纤维单向预浸布分别沿防弹芯层的长宽方向进行三维卷绕制备中间三维多向防背凸层。

[0051] 采用T700碳纤维为纤维原料制备平纹织物，之后浸渍环氧树脂胶黏剂，含胶量为40wt.％，将上述浸胶的碳纤维织物包覆于中间三维多向防背凸层的外侧，形成刚性结构层。

[0052] 选用厚度为2mm的聚氨酯泡沫为缓冲层，以环氧树脂胶黏剂粘附于上述刚性结构层的背弹面的一侧。

[0053] 设定防弹为GA 141-2010中规定的4级要求，由内到外按“防弹芯层→中间三维多向防背凸层→刚性结构层”的顺序，将以上预浸布织物进行组合，其中外侧刚性结构层为2层，中间三维多向防背凸层为长宽方向各卷绕9圈，内部防弹芯层为30层，缓冲层选用厚度为2mm的聚氨酯泡沫，将上述组合叠层原料包覆在耐压真空袋中并放入预热模具，保持真空度在-0.4MPa，模压温度在120℃、压力在8MPa条件下，保温保压15分钟，之后保持真空度在-0.4MPa，在120℃、16.5MPa条件下保温保压20分钟，最后真空度在-0.4MPa，保持16.5MPa压强降温至50℃以下开启模具取出样品，采用水刀切割修边制备符合GA 141-2010的多维复合防弹胸插板。

[0054] 实施例4：

[0055] 选用强度为40g/d的超高分子量聚乙烯纤维为防弹纤维材料，选用改性聚乙烯为热塑性树脂胶黏剂，含胶量控制在10wt.％，制备斜纹织物预浸布，按照±45°方向叠层后制备防弹芯层，预浸料克重控制在70g/m2。

[0056] 选用强度40g/d的超高分子量聚乙烯纤维为中间三维多向防背凸层的纤维材料，选用改性聚氨酯树脂为热塑性胶黏剂，含胶量控制在15wt.％，制备克重为115g/m2的单向预浸布，将超高分子量聚乙烯纤维单向预浸布分别沿防弹芯层的长宽方向进行三维卷绕制备中间三维多向防背凸层。

[0057] 采用T700碳纤维和M40高模量碳纤维为纤维原料，两种纤维按照质量比1：1的比例制备平纹织物，之后浸渍环氧树脂胶黏剂，含胶量为40wt.％，将上述浸胶的碳纤维织物包覆于中间三维多向防背凸层的外侧，形成刚性结构层。

[0058] 选用厚度为2mm的有机硅为缓冲层，以环氧树脂胶黏剂粘附于上述刚性结构层的背弹面的一侧。

[0059] 设定防弹为GA 141-2010中规定的5级要求，由内到外按“防弹芯层→中间三维多向防背凸层→刚性结构层”的顺序，将以上预浸布织物进行组合，其中外侧刚性结构层为3层，中间三维多向防背凸层为长宽方向各卷绕10圈，内部防弹芯层为149层，缓冲层选用厚度为2mm的有机硅，将上述组合叠层原料包覆在耐压真空袋中并放入预热模具，保持真空度在-0.6MPa，模压温度在120℃、压力在8MPa条件下，保温保压10分钟，之后保持真空度在-0.6MPa，在120℃、16.5MPa条件下保温保压30分钟，最后真空度在-0.4MPa，保持16.5MPa压强降温至70℃以下开启模具取出样品，采用水刀切割修边制备符合GA 141-2010的多维复合防弹胸插板。