[发明专利]一种低成本高强度柔性防护材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种成本低、透气的、防刺防弹性能兼备的柔性复合材料及其制备方法。

背景技术

随着时代的进步和国际国内安全局势的不断发展变化，防护材料的应用范围越来越广泛，如交通工具，防弹衣，防爆头盔，运动设备和防刺服等领域。防护材料的发展历程是从最初的采用全硬质材料到半硬质材料，再到软质材料的过程。早期的防护服装是高性能合金冷轧制成整体造型的防刺背心或采用高强轻质（如铝合金）金属材料来制作成类似鳞片甲的防护层，虽然这种设计的防护性能优异，但其质量和刚性对使用者的活动和穿着舒适性有很大的限制和影响。为了减轻防护服装质量、提高产品的舒适性，人们将金属丝加捻织造或者绕成金属环，端点点焊、互锁、一层或多层与织物或其他防护材料复合，或者将金属轻质薄片制成一定形状的拼合层，用以增强材料的防护效果。

近年来，国内外学者将高性能纤维织物应用于制备防刺防弹服产品，通过不同的高性能纤维和织物结构的采用实现软质材料防护的目的。如美国杜邦公司利用自行研制的芳纶Kevlar超细纤维（其强度相当于钢丝的5倍）采用机织的方法生产出紧密度极高的织物Kevlar Correctional型防刺背心，穿着柔软舒适，灵活性好，穿着者活动自由，且防刺性能满足美国NIJ0115.00防刺标准。采用高性能纤维织物制得的防护材料，相对于以往的防刺防弹服，在不降低材料防护性能的情况下，对使用者的活动和穿着舒适度有了很大程度上的改进，既减轻了防护服装的质量又提高了穿着的舒适性。

为了进一步提高防护效果，国内外学者在高性能织物的基础上浸渍剪切增稠流体（STF）。Shear thickening fluid (剪切增稠流体，以下简称STF)是一种非牛顿流体，正常状态是略微黏稠的液体，然而当有冲击力作用于STF时，它就会在临界剪切速率或应变下变为类固态的物质。当外力消失时，STF又会回复到原来的液体状态。当浸渍STF的织物受到冲击时，一方面，STF内部的纳米颗粒形成团簇结构严重阻碍相互运动，表现出类固态的性质，吸收和消耗冲击能量；另一方面，填充到纤维间隙的纳米颗粒增加了纱线间的摩擦力，降低织物的破坏情况，从而起到提高防护效果的作用。

Norman Wagner等人(Lee Y S, Wetzel E D, Wagner N J. The ballistic impact characteristics of Kevlar woven fabrics impregnated with a colloidal shear thickening fluid[J]. Journal of Materials Science, 2003, 38(13):2825-2833.)用STF浸渍Kevlar纤维并进行抗冲击性能和抗刺穿性能的测试，结果表明在防弹道冲击方面的性能得到显著提高，而且显示出特别的抗刺戳和减轻钝性杀伤的效能。Kevlar纤维强度高，防护效果良好，但由于其造价高昂，限制了推广和使用。此外，材料的防护效果仍有提高的空间。

Hodong Kim等人（Hodong Kim, Inwoo Nam. Stab Resisting Behavior of Polymeric Resin Reinforced p-Aramid Fabrics[J].Journal of Applied Polymer Science, 2012, 123: 2733–2742）用聚合物树脂熔融浸渍Kevlar纤维并进行了抗穿刺实验，结果表明材料抗穿刺性能得到一定程度提高，增强强度随浸渍层数增加而提升。但是材料的防护效果仍需进一步提高，同时，随着浸渍层数增加，材料的柔韧性将受到影响,降低穿戴的舒适性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、防刺防弹性能优异、柔韧性好的超高分子量聚乙烯织物复合柔性防护材料及其制备方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种低成本高强度柔性防护材料，以多层超高分子量聚乙烯纤维的平纹编织布或无纺织布作为基体，基体均匀附着剪切增稠流体和经过偶联均剂改性的非连续短纤维，非连续短纤维与剪切增稠流体的质量百分比为10-20%，非连续短纤维长度为0.2-2mm。

所述防护材料具有良好的柔韧性，并且具有透气、防刺防弹性能。

上述材料通过以下步骤制备：先将经过偶联均剂改性的非连续短纤维均匀分散到剪切增稠流体中，再将分散好的混合液浸渍超高分子量聚乙烯纤维的平纹编织布或无纺织布，最后对浸渍好的复合材料进行干燥、封装。