專利名稱：白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬防彈護(hù)品領(lǐng)域，具體的說是一種白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法。
背景技術(shù)：
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維復(fù)合無緯布是由UHMWPE纖維通過均勻、平行、挺直排列后，對其進(jìn)行涂膠、干燥后制成的，美國專利US4916000和US5149391已經(jīng)描述制備過程。其中涂膠的膠粘劑一般包括聚乙烯、交聯(lián)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(huán)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(qiáng)體的纖維外，還可以提高復(fù)合材料的抗沖擊防彈、放刺性倉泛。然而這種復(fù)合無緯布，由于作為基體的膠粘劑自身的缺點(diǎn)，使得復(fù)合無緯布的綜合性能受到影響，具體體現(xiàn)在耐熱性差，綜合機(jī)械強(qiáng)度也較差，蠕變嚴(yán)重；由其制成的UHMWPE纖維復(fù)合無緯布，不能有效的鈍化子彈的沖擊力，只能通過無緯布層數(shù)來達(dá)到防彈效果，但這樣又會(huì)引起增加使用者，如戰(zhàn)士和警察的負(fù)荷。因此，如何改變UHMWPE纖維復(fù)合無緯布的耐熱性，使其具有更高的抗沖擊性，有效鈍化子彈的沖擊力，已經(jīng)成為防護(hù)品研究的必然趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，不僅提高了基體膠粘劑的機(jī)械性能，同時(shí)也改變了材料的熱穩(wěn)定性，防抗沖擊性能優(yōu)良。本發(fā)明解決以上技術(shù)問題的技術(shù)方案是
一種白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布是由超高分子量聚乙烯纖維用膠粘劑涂膠并干燥后，正交復(fù)合制成；膠粘劑按以下步驟制備
(-)將白炭黑通過化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行預(yù)處理，使其表面含有適量官能團(tuán)；
㈡對預(yù)處理后的白炭黑按以下⑴或⑵的方法進(jìn)行功能化改性
⑴使用偶聯(lián)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(lián)劑或共聚物，所述偶聯(lián)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(yīng)8-12小時(shí)后過濾；將過濾后的白炭黑干燥并研磨，得到偶聯(lián)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?dú)夥諊?，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(fā)劑，然后加入白炭黑重量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，然后干燥得到聚合物接枝改性的白炭黑； ㈢將功能化改性后的白炭黑與基體膠粘劑混合，在60-80°C下攪拌l_2h后烘干。本發(fā)明所用氣相沉積(CAV)法為現(xiàn)有方法，具體為
原料為四氯化硅、氧氣(或空氣)和氫氣，高溫下反應(yīng)而成，反應(yīng)式為
SiCl4+2H2+ 02—>Si02+4HCl
空氣和氫氣分別經(jīng)過加壓、分離、冷卻脫水、硅膠干燥、除塵過濾后送入合成水解爐。將四氯化硅原料送至精餾塔精餾后，在蒸發(fā)器中加熱蒸發(fā)，并以干燥、過濾后的空氣為載體，送至合成水解爐。四氯化硅在高溫下氣化(火焰溫度1000-180(TC)后，氫和氧(或空氣)在1800°C左右的高溫下進(jìn)行氣相水解；此時(shí)生成的氣相二氧化硅顆粒極細(xì)，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，然后經(jīng)旋風(fēng)分離器收集，再送入脫酸爐，用含氮空氣吹洗氣相二氧化硅至PH值為4-6，其表面即含有適用的官能團(tuán)。本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案是
前述的白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，白炭黑為納米氣相法白炭黑，純度大于等于99%，粒徑為10-20nm。前述的白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑或鈦酸脂偶聯(lián)劑；所述共聚物為環(huán)氧樹脂預(yù)聚物、聚氨酯預(yù)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(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，含烯烴雙鍵的單體為苯乙烯、丁二烯、環(huán)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(fā)劑異丙苯過氧化氫、過氧化甲乙酮、過氧化環(huán)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(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，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(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，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(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過在基體粘結(jié)劑中填加改性處理的白炭黑，使復(fù)合無緯布能夠吸收子彈絕大部分的動(dòng)能，改善復(fù)合無緯布的抗沖擊和耐熱性，鈍化刀具和子彈的沖擊，提高防刺和防彈性能，從而在很大程度上客服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，得到防抗沖擊性能優(yōu)良的復(fù)合防彈無緯布。對一定層數(shù)的本發(fā)明的復(fù)合無緯布按照GA141-2001的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)彈測試，結(jié)果為著彈點(diǎn)處背襯材料凹陷深度<25mm，使用溫度提高10°C，抗沖擊性提高20%左右。由此證明本發(fā)明的UHMWPE纖維復(fù)合無緯布可以在很大程度上克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，不僅提高了基體膠粘劑的機(jī)械性能，同時(shí)也改變了材料的熱穩(wěn)定性，得到防抗沖擊性能優(yōu)良的復(fù)合防彈無緯布。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
本實(shí)施例是一種白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，按以下步驟制備
㈠將白炭黑預(yù)處理，氣相沉積(CAV)法，原料為四氯化硅、氧氣(或空氣)和氫氣，高溫下反應(yīng)而成，反應(yīng)式為SiCl4+2H2+02—>Si02+4HCl，空氣和氫氣分別經(jīng)過加壓、分離、冷卻脫水、硅膠干燥、除塵過濾后送入合成水解爐。將四氯化硅原料送至精餾塔精餾后，在蒸發(fā)器中加熱蒸發(fā)，并以干燥、過濾后的空氣為載體，送至合成水解爐。四氯化硅在高溫下氣化(火焰溫度1000-1800°C)后，氫和氧(或空氣)在1800°C左右的高溫下進(jìn)行氣相水解；此時(shí)生成的氣相二氧化硅顆粒極細(xì)，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，然后經(jīng)旋風(fēng)分離器收集，再送入脫酸爐，用含氮空氣吹洗氣相二氧化硅至PH值為4-6，其表面即含有適用的官能團(tuán)。㈡將預(yù)處理后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(lián)劑DNZ-201，濃度為25wt%，偶聯(lián)劑的加入量為白炭黑重量的2%，攪拌下加熱回流，反應(yīng)8小時(shí)后過濾；將過濾后的白炭黑干燥并研磨，得到偶聯(lián)劑或共聚物改性過的白炭黑。 ㈢將功能化改性后的白炭黑與基體膠粘劑混合，在60°C下攪拌Ih后，真空脫泡烘干待用。(四)對增強(qiáng)體UHMWPE纖維進(jìn)行涂膠，采用的基體膠粘劑為異戊二烯橡膠，按重量比20%溶于水，UHMWPE纖維涂膠后烘干，溫度60±3°C，干燥時(shí)間約為20min，將上述所得的復(fù)合材料進(jìn)行正交復(fù)合，制得白炭黑的摻入量為7. 2g/m2無緯布。本實(shí)施例的防彈效果將40層、400mmX400mm，AD=162g/m2的UD材料整齊疊加于背襯為膠泥的靶架上，按GA141-2001實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用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(shí)施例進(jìn)行溫度適應(yīng)性試驗(yàn)將本實(shí)施例的防彈無緯布放入溫度為_25°C或60°C恒溫箱內(nèi)保持至少4小時(shí)，然后進(jìn)行如上射擊試驗(yàn)，結(jié)果符合GA141-2001的標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)施例2
本實(shí)施例是一種白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，按以下步驟制備
㈠將白炭黑預(yù)處理，氣相沉積(CAV)法，原料為四氯化硅、氧氣(或空氣)和氫氣，高溫下反應(yīng)而成，反應(yīng)式為SiCl4+2H2+02—>Si02+4HCl，空氣和氫氣分別經(jīng)過加壓、分離、冷卻脫水、硅膠干燥、除塵過濾后送入合成水解爐。將四氯化硅原料送至精餾塔精餾后，在蒸發(fā)器中加熱蒸發(fā)，并以干燥、過濾后的空氣為載體，送至合成水解爐。四氯化硅在高溫下氣化(火焰溫度1000-1800°C)后，氫和氧(或空氣)在1800°C左右的高溫下進(jìn)行氣相水解；此時(shí)生成的氣相二氧化硅顆粒極細(xì)，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，然后經(jīng)旋風(fēng)分離器收集，再送入脫酸爐，用含氮空氣吹洗氣相二氧化硅至PH值為4-6，其表面即含有適用的官能團(tuán)。㈡將預(yù)處理后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(lián)劑DNZ-201，濃度為10wt%，偶聯(lián)劑的加入量為白炭黑重量的8%，攪拌下加熱回流，反應(yīng)12小時(shí)后過濾；將過濾后的白炭黑干燥并研磨，得到偶聯(lián)劑或共聚物改性過的白炭黑。㈢將功能化改性后的白炭黑與基體膠粘劑混合，在80°C下攪拌Ih后，真空脫泡烘干待用。㈣對增強(qiáng)體UHMWPE纖維進(jìn)行涂膠，采用的基體膠粘劑為異戊二烯橡膠，按重量比40%溶于水，UHMWPE纖維涂膠后烘干，溫度60±3°C，干燥時(shí)間約為20min，將上述所得的復(fù)合材料進(jìn)行正交復(fù)合，制得白炭黑的摻入量為4. 4g/m2無緯布。本實(shí)施例的防彈效果將40層、400mmX400mm，AD=162g/m2的UD材料整齊疊加于背襯為膠泥的靶架上，按GA141-2001實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用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(shí)施例進(jìn)行溫度適應(yīng)性試驗(yàn)將本實(shí)施例的防彈無緯布放入溫度為_25°C或60°C恒溫箱內(nèi)保持至少4小時(shí)，然后進(jìn)行如上射擊試驗(yàn)，結(jié)果符合GA141-2001的標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)施例3
本實(shí)施例除了將鈦酸酯偶聯(lián)劑改為環(huán)氧樹脂預(yù)聚物外，其他均與實(shí)施例1相同，制的復(fù)合無緯布，白炭黑的摻入量為7. 2g/m2無緯布。本實(shí)施例的防彈效果將40層、400mmX400mm，AD=162g/m2的UD材料整齊疊加于背襯為膠泥的靶架上，按GA141-2001實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用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(shí)施進(jìn)行溫度適應(yīng)性試驗(yàn)將本實(shí)施例的防彈無緯布放入溫度為_25°C或60°C恒溫箱內(nèi)保持至少4小時(shí)，然后進(jìn)行如上射擊試驗(yàn)，結(jié)果符合GA141-2001的標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)施例4
本實(shí)施例是一種白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，按以下步驟制備
㈠將白炭黑預(yù)處理，氣相沉積(CAV)法，原料為四氯化硅、氧氣(或空氣)和氫氣，高溫下反應(yīng)而成，反應(yīng)式為SiCl4+2H2+02—>Si02+4HCl，空氣和氫氣分別經(jīng)過加壓、分離、冷卻脫水、硅膠干燥、除塵過濾后送入合成水解爐。將四氯化硅原料送至精餾塔精餾后，在蒸發(fā)器中加熱蒸發(fā)，并以干燥、過濾后的空氣為載體，送至合成水解爐。四氯化硅在高溫下氣化(火焰溫度1000-1800°C)后，氫和氧(或空氣)在1800°C左右的高溫下進(jìn)行氣相水解；此時(shí)生成的氣相二氧化硅顆粒極細(xì)，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，然后經(jīng)旋風(fēng)分離器收集，再送入脫酸爐，用含氮空氣吹洗氣相二氧化硅至PH值為4-6，其表面即含有適用的官能團(tuán)。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?dú)夥諊?，向分散有白炭黑的水中加入苯乙烯重?-5%的過氧化甲乙酮，在白炭黑表面形成自由基，然后加入白炭黑重量1-10%的苯乙烯；將分散有白炭黑的水加熱至溫度為30-70°C，然后干燥得到聚合物接枝改性的白炭黑；
曰將功能化改性后的白炭黑與基體膠粘劑混合，在70°C下攪拌2h后，真空脫泡烘干待
用；
(四)對增強(qiáng)體UHMWPE纖維進(jìn)行涂膠，采用的基體膠粘劑為異戊二烯橡膠，按重量比60%溶于水，UHMWPE纖維涂膠后烘干，溫度60±3°C，干燥時(shí)間約為20min，將上述所得的復(fù)合材料進(jìn)行正交復(fù)合，制得白炭黑的摻入量為7. 2g/m2無緯布。本實(shí)施例的防彈效果將40層、400mmX400mm，AD=162g/m2的UD材料整齊疊加于背襯為膠泥的靶架上，按GA141-2001實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用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(shí)施例進(jìn)行溫度適應(yīng)性試驗(yàn)將本實(shí)施例的防彈無緯布放入溫度為_25°C或60°C恒溫箱內(nèi)保持至少4小時(shí)，然后進(jìn)行如上射擊試驗(yàn)，結(jié)果符合GA141-2001的標(biāo)準(zhǔn)要求。除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布是由超高分子量聚乙烯纖維用膠粘劑涂膠并干燥后，正交復(fù)合制成；其特征在于所述膠粘劑按以下步驟制備 ㈠將白炭黑通過化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行預(yù)處理； ㈡對預(yù)處理后的白炭黑按以下⑴或⑵的方法進(jìn)行功能化改性 ⑴使用偶聯(lián)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(lián)劑或共聚物，所述偶聯(lián)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(yīng)8-12小時(shí)后過濾；將過濾后的白炭黑干燥并研磨，得到偶聯(lián)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?dú)夥諊?，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(fā)劑，然后加入白炭黑重量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，然后干燥得到聚合物接枝改性的白炭黑； ㈢將功能化改性后的白炭黑與基體膠粘劑混合，在60-80°C下攪拌l_2h后烘干。
2.如權(quán)利要求1所述的白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，其特征在于所述白炭黑為納米氣相法白炭黑，純度大于等于99%,粒徑為10-20nm。
3.如權(quán)利要求1所述的白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，其特征在于所述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑或鈦酸脂偶聯(lián)劑；所述共聚物為環(huán)氧樹脂預(yù)聚物、聚氨酯預(yù)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(quán)利要求1所述的白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，其特征在于所述含烯烴雙鍵的單體為苯乙烯、丁二烯、環(huán)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(fā)劑異丙苯過氧化氫、過氧化甲乙酮、過氧化環(huán)己酮、過氧化二異丙苯中的至少一種混合物。
5.如權(quán)利要求1所述的白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，其特征在于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(quán)利要求5所述的白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，其特征在于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(fā)明屬防彈護(hù)品領(lǐng)域，是一種白炭黑增強(qiáng)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合無緯布的制備方法，制作步驟包括將白炭黑預(yù)處理；對預(yù)處理后的白炭黑進(jìn)一步功能改性，使其在基體膠粘劑中分散均勻；將功能化改性后的白炭黑和膠粘劑充分混合；對UHMWPE纖維上膠；烘干；本發(fā)明通過添加氣相白炭黑，可以更多的吸收子彈沖擊纖維時(shí)產(chǎn)生的能量，使防彈性能得以提高，并使整體的耐熱性得以提高；對一定層數(shù)的復(fù)合無緯布按照GA141-2001的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)彈測試，結(jié)果完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而且使用溫度提高5℃，而且抗沖擊性也提高了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(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者郭振勤, 丁旭 申請人:江蘇領(lǐng)瑞新材料科技有限公司