CN111267429A - 一种uhmwpe纤维增强树脂基软质防弹材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料，涉及防护装备技术领域。本发明提供的软质防弹材料包括中间层，叠加在所述中间层一侧表面的迎弹面层，和叠加在所述中间层另一侧表面的背弹面层。本发明以机织复合材料作为软质防弹材料的迎弹面层材料和背弹面层材料，机织复合材料是将UHMWPE纤维制成平纹布或斜纹布，然后将所述平纹布或斜纹布与热熔性树脂胶膜热压复合而成的；本发明以多张UD片材作为中间层材料，UD片材由若干层UD单片热压复合而成，相邻两层UD单片为正交排布，UD单片是由UHMWPE纤维和热塑性树脂按照UD布成型方法制备而成的。本发明提供的软质防弹材料不仅轻质，而且具有优异的防弹性能。

Description

一种UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料
技术领域
本发明涉及防护装备技术领域，特别涉及一种UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料。
背景技术
武器的发展促使防弹衣也相应的进步。防弹衣材料最初主要为由特种钢、铝合金等金属制成的硬质防弹材料，这类防弹衣具有一定的防弹性能，但是服装厚重，穿着不舒适，对人体活动限制较大，并容易产生二次碎片。为了提高防弹衣的穿着舒适性，软质类防弹材料随之产生。软质类防弹材料重量轻，质地较为柔软，适体性好，内穿时具有较好的隐蔽性。在防弹能力上，现有的软质类防弹材料(通常为多张面密度为160g/m2左右的UD片材叠加而成)一般能防住5m以外***、冲锋枪射出的子弹，但是背凸深度较大(接近标准规定的临界值)，防弹性能还有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料。本发明提供的软质防弹材料不仅轻质，而且具有优异的防弹性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料，包括中间层，叠加在所述中间层材料一侧表面的迎弹面层，和叠加在所述中间层材料另一侧表面的背弹面层；
所述中间层由多张UD片材叠加而成，单张UD片材由若干层UD单片热压复合而成，相邻两层UD单片为正交排布；所述UD单片是由第一UHMWPE纤维和热塑性树脂按照UD布成型方法制备而成的；所述UD单片的面密度为20～40g/m2；
所述迎弹面层和背弹面层独立为机织复合材料，所述机织复合材料是由若干层机织单层材料叠加而成，所述机织单层材料是将第二UHMWPE纤维制成平纹布或斜纹布，然后将所述平纹布或斜纹布与热熔性树脂胶膜热压复合而成的；所述机织单层材料的面密度为80～300g/m2；
所述迎弹面层、中间层和背弹面层的质量分别占所述软质防弹材料质量的5～10％、50～80％和20～50％；所述软质防弹材料的面密度为3.5～5.5kg/m2。
优选地，所述第一UHMWPE纤维和第二UHMWPE纤维的线密度独立为400～1000D。
优选地，所述单张UD片材中UD单片的总层数为偶数且总层数小于等于10层；所述单张UD片材的面密度为80g～320g/m2。
优选地，所述UD单片热压复合的温度为50～130℃，时间为0.5min～1h，压力为0.5MPa～2.5MPa。
优选地，所述中间层由10～25张UD片材叠加而成；所述中间层的总面密度为1.75～4.5kg/m2。
优选地，所述热塑性树脂为聚氨酯树脂或乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂；所述第一UHMWPE纤维和热塑性树脂分别占UD单片质量的60～90％和10～40％。
优选地，所述平纹布或斜纹布的面密度为50～200g/m2；所述热熔性树脂胶膜的材质为聚氨酯或聚乙烯；所述热熔性树脂胶膜的面密度为20～40g/m2。
优选地，所述平纹布或斜纹布与热熔性树脂胶膜热压复合的的温度为100～150℃，时间为0.5～1.5h，压力为0.5MPa～2.5MPa。
优选地，所述迎弹面层由1～2层机织单层材料叠加而成；所述迎弹面层的总面密度为0.175～0.55kg/m2。
优选地，所述背弹面材料由2～8层机织单层材料叠加而成；所述背弹面层的总面密度为0.7～2.75kg/m2。
本发明提供了一种UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料，包括中间层，叠加在所述中间层材料一侧表面的迎弹面层，和叠加在所述中间层另一侧表面的背弹面层。本发明以机织复合材料分别作为软质防弹材料的迎弹面层和背弹面层，机织复合材料是由若干层机织单层材料叠加而成，机织单层材料是将UHMWPE纤维制成平纹布或斜纹布，然后将所述平纹布或斜纹布与热熔性树脂胶膜热压复合而成的；所述机织复合材料结构紧密，刚性较好，能够提高迎弹面的承受载荷，减缓背弹面的背凸现象。本发明以多张UD片材作为中间层，UD片材由若干层UD单片热压复合而成，相邻两层UD单片为正交排布，UD单片是由UHMWPE纤维和热塑性树脂按照UD布成型方法制备而成的；所述UD片材能够迅速分散冲击波，吸收子弹的绝大部分动能。因此，本发明提供的软质防弹材料不仅轻质，而且具有优异的防弹性能，能够满足中国GA2级、GA3级防护要求和美国NIJ IIIA级防护要求，且背凸深度小。
实施例结果表明，本发明提供的软质防弹材料经GA2级防弹性能测试，不仅完全防住全部5发子弹，而且背凸深度均值≤18mm，远远小于标准规定的25mm；本发明提供的软质防弹材料经GA3级防弹性能测试，不仅完全防住全部5发子弹，而且背凸深度均值≤18mm，远远小于标准规定的25mm；本发明提供的软质防弹材料经NIJIIIA级防弹性能测试，不仅完全防住全部5发子弹，而且背凸深度均值≤20mm，远远小于标准规定的44mm；并且，本发明提供的软质防弹材料比传统软质防弹材料的面密度更小，更加轻质。
附图说明
图1为本发明实施例提供的UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料的结构分解示意图；
图2为本发明中UD单片叠加方式的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料，包括中间层，叠加在所述中间层一侧表面的迎弹面层，和叠加在所述中间层另一侧表面的背弹面层；
所述中间层材料由多张UD片材叠加而成，单张UD片材由若干层UD单片热压复合而成，相邻两层UD单片为正交排布；所述UD单片是由第一UHMWPE纤维和热塑性树脂按照UD布成型方法制备而成的；所述UD单片的面密度为20～40g/m2；
所述迎弹面层和背弹面层独立为机织复合材料，所述机织复合材料是由若干层机织单层材料叠加而成，所述机织单层材料是将第二UHMWPE纤维制成平纹布或斜纹布，然后将所述平纹布或斜纹布与热熔性树脂胶膜热压复合而成的；所述机织单层材料的面密度为80～300g/m2；
所述迎弹面层、中间层和背弹面层的质量分别占所述软质防弹材料质量的5～10％、50～80％和20～50％；所述软质防弹材料的面密度为3.5～5.5kg/m2。
本发明提供的UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料的结构如图1所示。
本发明提供的UHMWPE纤维(超高分子量聚乙烯纤维，UltraHighMolecularWeightPolyethylene Fiber)增强树脂基软质防弹材料包括中间层；所述中间层占所述软质防弹材料质量的50～80％，优选为60～70％。在本发明中，所述中间层由多张UD(单向织物，Uni-Directional Fabric)片材叠加而成，单张UD片材由若干层UD单片热压复合而成，相邻两层UD单片为正交排布，即UD单片按照0°(UD单片纤维平行排列方向)→90°→0°→90°→……的顺序叠加后进行热压复合；所述UD单片的叠加方式如图2所示。
在本发明中，所述UD单片是由第一UHMWPE纤维和热塑性树脂按照UD布成型方法制备而成的。在本发明中，所述第一UHMWPE纤维的线密度优选为400～1000D，更优选为600～800D；所述热塑性树脂优选为聚氨酯树脂(PU树脂)或乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂(EVA树脂)；所述第一UHMWPE纤维和热塑性树脂优选分别占UD单片质量的60～90％和10～40％，分别优选为70～80％和20～30％。本发明对所述第一UHMWPE纤维和热塑性树脂的来源没有特别的要求，采用本领域技术人数熟知的市售商品满足所述参数要求即可。
本发明对所述UD布成型方法没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的方法即可，具体地为将第一UHMWPE纤维按一个方向排列整齐，然后浸渍热塑性树脂，再经过烘干制成UD单片。在本发明中，所述UD单片的面密度为20～40g/m2，优选为25～35g/m2。
在本发明中，所述单张UD片材中UD单片的总层数优选为偶数且总层数小于等于10层，具体地可以为2层、4层、6层、8层或10层；所述单张UD片材的面密度优选为80g～320g/m2；所述UD单片热压复合的温度优选为50～130℃，更优选为100～120℃，时间优选为0.5min～1h，更优选为30～40min，压力优选为0.5MPa～2.5MPa，更优选为1.5～2MPa。本发明对所述热压复合的具体操作方法没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的热压复合方法即可。在本发明中，所述中间层优选由10～25张UD片材叠加而成；所述中间层的总面密度优选为1.75～4.5kg/m2。
本发明提供的UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料包括叠加在所述中间层一侧表面的迎弹面层。在本发明中，所述迎弹面层占所述软质防弹材料质量的5～10％，优选为6～8％。在本发明中，所述迎弹面层为机织复合材料，所述机织复合材料是由若干层机织单层材料叠加而成，所述机织单层材料是将第二UHMWPE纤维制成平纹布或斜纹布，然后将所述平纹布或斜纹布与热熔性树脂胶膜热压复合而成的。在本发明中，所述第二UHMWPE纤维的线密度优选为400～1000D，更优选为600～800D。本发明对所述制成平纹布或斜纹布的方法没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的相应方法即可；所述平纹布或斜纹布的面密度优选为50～200g/m2，更优选为100～1500g/m2。在本发明中，所述热熔性树脂胶膜的材质优选为聚氨酯(PU)或聚乙烯(PE)；所述热熔性树脂胶膜的面密度优选为20～40g/m2。本发明对所述热熔性树脂胶膜的来源没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的相应热熔性树脂胶膜即可。在本发明中，所述平纹布或斜纹布与热熔性树脂胶膜热压复合的温度优选为100～150℃，更优选为120～140℃；热压复合的时间优选为0.5～1.5h，更优选为0.5～1h；热压复合的压力优选为0.5～2.5MPa，更优选为1.5～2MPa；本发明优选按照“1层热熔性树脂胶膜+1层平纹布或斜纹布+1层热熔性树脂胶膜”的形式进行热压复合。在本发明中，所述平纹布或斜纹布与热熔性树脂胶膜的质量分别占机织单层材料质量的60～80％和20～40％。在本发明中，所述机织单层材料的面密度为80～300g/m2,，优选为100～250g/m2；所述迎弹面层优选由1～2层机织单层材料叠加而成；所述迎弹面层的总面密度优选为0.175～0.55kg/m2。
本发明提供的UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料包括叠加在所述中间层材料另一侧表面的背弹面层；所述背弹面层的质量占所述软质防弹材料质量的20～50％，优选为30～40％。在本发明中，所述背弹面层为机织复合材料；所述机织复合材料是由若干层机织单层材料叠加而成；所述机织单层材料选自上述技术方案所述的机织单层材料，在此不再赘述。在本发明中，所述背弹面材料优选由2～8层机织单层材料叠加而成；所述背弹面层的总面密度优选为0.7～2.75kg/m2。
本发明提供的UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料将所述迎弹面层、中间层和背弹面层按照上述各层的结构组成进行叠放即可制得。
本发明提供的UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料不仅轻质，而且具有优异的防弹性能，能够满足中国GA2级、GA3级防护要求和美国NIJIIIA级防护要求。本发明提供的UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料的面密度为3.5～5.5kg/m2，当所述软质防弹材料的面密度为3.5～4.5kg/m2时，能够满足中国GA2级防护要求；当所述软质防弹材料的面密度为4.5～5.5kg/m2时，能够满足中国GA3级防护要求和美国NIJ IIIA级防护要求。
下面结合实施例对本发明提供的UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将UHMWPE(线密度800D)纤维制成平纹布(面密度为190g/m2)，然后将平纹布与PE热熔性树脂胶膜(面密度为40g/m2)以“1层胶膜+1层平纹布+1层胶膜”的形式热压复合制成机织单层材料，热压的温度为130℃、时间为0.5h、压力为2MPa；机织单层材料的面密度为270g/m2；
将质量比为4：1的UHMWPE纤维(线密度800D)和热塑性树脂(PU)按照UD布成型方法制成UD单片，UD单片的面密度为40g/m2，将4层UD单片按照0°→90°→0°→90°→……的顺序叠加进行热压复合得到UD片材，热压复合的温度为120℃、时间为0.5h、压力为2MPa；
将一层机织单层材料作为迎弹面层，将五层机织单层材料叠加作为背弹面层，将18张UD片材叠加作为中间层；按照迎弹面层+中间层+背弹面层的顺序进行叠放，得到UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料；迎弹面、中间层、背弹面分别占软质防弹材料质量的7％、65％和28％。
UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料的面密度为4.5kg/m2，经GA2级防弹性能测试结果显示材料具有优良的防弹性能，不仅完全防住全部5发子弹，而且背凸深度均值≤18mm，远远小于标准规定的25mm。
对比例1
将质量比为4：1的UHMWPE纤维(线密度800D)和热塑性树脂(PU树脂)按照UD布成型方法制成UD单片，UD单片的面密度为40g/m2，将4层UD单片按照0°→90°→0°→90°→……的顺序进行热压复合得到UD片材，UD片材面密度160g/m2；
将29张上述UD片材按照上、下顺序依次叠放，得到软质防弹材料，面密度4.64kg/m2；经GA2级防弹性能测试结果显示材料能够防住全部5发子弹，但是背凸深度均值≥22mm。
实施例2
将UHMWPE(线密度800D)纤维制成平纹布(面密度为190g/m2)，然后将平纹布与PE热熔性树脂胶膜(面密度为40g/m2)以“1层胶膜+1层平纹布+1层胶膜”的形式热压复合制成机织单层材料，热压的温度为130℃、时间为0.5h、压力为2MPa；机织单层材料的面密度为270g/m2；
将质量比为4：1的UHMWPE纤维(线密度800D)和热塑性树脂(PU)按照UD布成型方法制成UD单片，UD单片的面密度为40g/m2，将4层UD单片按照0°→90°→0°→90°→……的顺序叠加进行热压复合得到UD片材，热压复合的温度为120℃、时间为0.5h、压力为2MPa；
将一层机织单层材料作为迎弹面层，将六层机织单层材料叠加作为背弹面层，将20张UD片材叠加作为中间层；按照迎弹面层+中间层+背弹面层的顺序进行叠放，得到UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料；迎弹面、中间层、背弹面分别占软质防弹材料质量的5.3％、62.9％和31.8％。
UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料的面密度为5.09kg/m2，经GA3级防弹性能测试结果显示材料具有优良的防弹性能，不仅完全防住全部5发子弹，而且背凸深度均值≤18mm，远远小于标准规定的25mm。
实施例3
将UHMWPE(线密度800D)纤维制成平纹布(面密度为190g/m2)，然后将平纹布或斜纹布与PE热熔性树脂胶膜(面密度为40g/m2)以“1层胶膜+1层平纹布+1层胶膜”的形式热压复合制成机织单层材料，热压的温度为130℃、时间为0.5h、压力为2MPa；机织单层材料的面密度为270g/m2；
将质量比为4：1的UHMWPE纤维(线密度800D)和热塑性树脂(PU树脂)按照UD布成型方法制成UD单片，UD单片的面密度为40g/m2，将4层UD单片按照0°→90°→0°→90°→……的顺序叠加进行热压复合得到UD片材，热压复合的温度为120℃、时间为0.5h、压力为2MPa；
将两层机织单层材料叠加作为迎弹面层，将五层机织单层材料叠加作为背弹面层，将20张UD片材叠加作为中间层；按照迎弹面层+中间层+背弹面材料的顺序进行叠放，得到UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料；迎弹面、中间层、背弹面分别占软质防弹材料质量的10％、63％和27％。
UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料的面密度为5.1kg/m2，经NIJIIIA级防弹性能测试结果显示材料具有优良的防弹性能，不仅完全防住全部5发子弹，而且背凸深度均值≤20mm，远远小于标准规定的44mm。
通过实施例1～3和对比例1可知，本发明提供的UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料面密度更小，即更加轻质，而且防弹性能明显优于传统软质防弹材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种UHMWPE纤维增强树脂基软质防弹材料，包括中间层，叠加在所述中间层一侧表面的迎弹面层，和叠加在所述中间层另一侧表面的背弹面层；
所述中间层由多张UD片材叠加而成，单张UD片材由若干层UD单片热压复合而成，相邻两层UD单片为正交排布；所述UD单片是由第一UHMWPE纤维和热塑性树脂按照UD布成型方法制备而成的；所述UD单片的面密度为20～40g/m2；
所述迎弹面层和背弹面层独立为机织复合材料，所述机织复合材料是由若干层机织单层材料叠加而成，所述机织单层材料是将第二UHMWPE纤维制成平纹布或斜纹布，然后将所述平纹布或斜纹布与热熔性树脂胶膜热压复合而成的；所述机织单层材料的面密度为80～300g/m2；
所述迎弹面层、中间层和背弹面层的质量分别占所述软质防弹材料质量的5～10％、50～80％和20～50％；所述软质防弹材料的面密度为3.5～5.5kg/m2。
2.根据权利要求1所述的软质防弹材料，其特征在于，所述第一UHMWPE纤维和第二UHMWPE纤维的线密度独立为400～1000D。
3.根据权利要求1所述的软质防弹材料，其特征在于，所述单张UD片材中UD单片的总层数为偶数且总层数小于等于10层；所述单张UD片材的面密度为80g～320g/m2。
4.根据权利要求1或3所述的软质防弹材料，其特征在于，所述UD单片热压复合的温度为50～130℃，时间为0.5min～1h，压力为0.5～2.5MPa。
5.根据权利要求1或3所述的软质防弹材料，其特征在于，所述中间层由10～25张UD片材叠加而成；所述中间层的总面密度为1.75～4.5kg/m2。
6.根据权利要求1所述的软质防弹材料，其特征在于，所述热塑性树脂为聚氨酯树脂或乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂；所述第一UHMWPE纤维和热塑性树脂分别占UD单片质量的60～90％和10～40％。
7.根据权利要求1所述的软质防弹材料，其特征在于，所述平纹布或斜纹布的面密度为50～200g/m2；所述热熔性树脂胶膜的材质为聚氨酯或聚乙烯，所述热熔性树脂胶膜的面密度为20～40g/m2。
8.根据权利要求1或7所述的软质防弹材料，其特征在于，所述平纹布或斜纹布与热熔性树脂胶膜热压复合的温度为100～150℃，时间为0.5～1.5h，压力为0.5MPa～2.5MPa。
9.根据权利要求1所述的软质防弹材料，其特征在于，所述迎弹面层由1～2层机织单层材料叠加而成；所述迎弹面层的总面密度为0.175～0.55kg/m2。
10.根据权利要求1所述的软质防弹材料，其特征在于，所述背弹面层由2～8层机织单层材料叠加而成；所述背弹面层的总面密度为0.7～2.75kg/m2。
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