CN114858002A - 一种带有多孔缓冲结构的防刺面料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种带有多孔缓冲结构的防刺面料及其制备方法，涉及防护纺织材料领域。多孔缓冲结构与成衣面料利用环氧树脂均匀的粘贴在成衣面料表面。通过3D打印技术得到多孔缓冲结构；通过3D打印技术、注塑技术或手糊铺层成型技术得到主体防刺结构；在成衣面料上均匀涂覆一层环氧树脂，将多孔缓冲结构整齐排列在成衣面料上；在均匀排列的多孔缓冲结构上涂覆一层环氧树脂，将主体防刺结构整体地排列在多孔缓冲结构上；将排列好的整体防刺面料在平板热压机上加压固化定型，即得到带有多孔缓冲结构的防刺面料。本发明既可以降低制备防刺服的重量，又能保障其安全性能，满足民用甚至军用领域的需要。
Description
技术领域
本发明涉及防护纺织材料领域，特别涉及一种带有多孔缓冲结构的防刺面料及其制备方法。
背景技术
对人们生命安全造成威胁的不仅仅是***弹药，还存在一些刀具、匕首等尖锐器具。导致对防刺防弹材料的需求不断增加。由于我国的***管制严格，高危从业人群对于尖锐器具的防护更加具有现实意义。
目前的防刺服主要分为硬质防刺服和软质防刺服。硬质防刺服是由金属甲片、高强树脂（聚碳酸酯，尼龙等）和纤维增强复合材料作为防刺甲片搭接而成，这种防刺服重量大，穿着灵活性差。软质防刺服大多采用玻璃纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯等高性能纤维的织物进行复合加工，但这种防刺服存在成本高昂，产品厚重的缺点。目前的改良重心主要集中于减重、降厚和提高舒适性等方面。专利CN209820278U揭示了一种轻量化且安全系数高的防刺护体结构，其在基布上间隔均匀设置了若干半球体或半椭圆球体结构，同时在球体结构之间填充了缝隙防刺单元。这种结构在重量上大大减轻，同时解决了缝隙位置受穿刺的风险问题。但该结构所占的体积较大，凸起的结构单元会增加较大的厚度，同时整个防刺服的受力位置不均匀。专利CN206832131提供了一种防弹防刺结构及防护服，该防弹防刺结构包括多层纤维层和树脂基体，在树脂经固化成型后，形成的复合材料的刚度增加，在穿刺过程中能够阻止刀具的刺入。同时该结构重量较轻，不会影响穿着舒适性和活动灵活性。但该结构在穿刺过程中未能最大化利用材料的防刺性能，在厚度较低时防刺材料仅仅接触到刀尖位置，未能最大程度吸收防刺能量。因此有必要提出一种轻质的带有防刺缓冲结构的防刺面料，缓冲结构可以提升主体材料的防刺性能，吸收更多的穿刺动能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有多孔缓冲结构的防刺面料及其制备方法，该带有多孔缓冲结构的防刺面料既可以降低制备防刺服的重量，又能保障其安全性能，满足民用甚至军用领域的需要。
一种带有多孔缓冲结构的防刺面料，包括成衣面料、多孔缓冲结构、主体防刺结构；多孔缓冲结构与成衣面料利用环氧树脂均匀的粘贴在成衣面料表面。
优选的是，本发明的成衣面料为芳纶、超高分子量聚乙烯、棉、毛、麻和丝中的至少一种纤维或纱线组成的织物。
优选的是，本发明的主体防刺材料和多孔缓冲结构的材料为聚碳酸酯、聚乳酸、聚酰胺树脂、环氧树脂或酚醛树脂中的一种。
优选的是，本发明的防刺面料还包括增强纤维，增强纤维为碳纤维或玻璃短纤维。
优选的是，本发明多孔缓冲结构是由内部连续的菱形晶胞和外部的边墙组成的桁架结构。
优选的是，本发明多孔缓冲结构的俯视图为正方形或圆形，左视图为长方形、平行四边形或Z字型。
优选的是，本发明的多孔缓冲结构的厚度为1-4mm。
基于本发明的防刺面料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：通过3D打印技术得到多孔缓冲结构；
步骤S2：通过3D打印技术、注塑技术或手糊铺层成型技术得到主体防刺结构；
步骤S3：在成衣面料上均匀涂覆一层环氧树脂，将步骤S1中的多孔缓冲结构整齐排列在成衣面料上；
步骤S4：在均匀排列的多孔缓冲结构上涂覆一层环氧树脂，将步骤S2中的主体防刺结构整体地排列在多孔缓冲结构上；
步骤S5：将排列好的整体防刺面料在平板热压机上加压固化定型，即得到带有多孔缓冲结构的防刺面料。
优选的是，本发明步骤S1中3D打印技术制备多孔缓冲结构的方法为：在绘图软件上创建出多孔缓冲结构的模型，导出格式文件后导入到3D打印机中，由3D打印机打印出多孔缓冲结构。
优选的是，本发明步骤S2中3D打印技术制备主体防刺结构的方法为：在绘图软件上创建出主体防刺结构的模型，导出格式文件后导入到3D打印机中，由3D打印机打印出主体防刺结构；
所述步骤S2中注塑技术制备主体防刺结构的方法为：将熔融的热塑性塑料利用压力注进塑料制品模具中，冷却成型得到主体防刺结构；
所述步骤S2中手糊铺层成型技术制备主体防刺结构的方法为：在增强纤维织物上涂覆环氧树脂，将多层织物进行手动铺层后，放入平板热压机中加压固化成型得到主体防刺结构。
采用本发明的制备方法得到的防刺面料，当刀具刺入本发明的防刺面料上时，能够直接刺到实体的主体防刺结构上，而下面的多孔缓冲结构可以有效提高穿刺位移，大大增强主体防刺结构防刺性能。
本发明可将两层本发明的防刺面料进行交叉铺层，形成上下面料的错位，使得上层面料遮盖下层面料的缝隙薄弱处，使得上层的实体结构与下层的缝隙对应，然后将两层面料边缘缝合，经裁剪制成防刺材料内胆。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明的带有多孔缓冲结构的防刺面料具有优异的防刺性能，在任一角度穿刺的刀具都能直接刺到主体防刺结构上，在缓冲结构的作用下充分吸收穿刺能量；
2、本发明的带有多孔缓冲结构的防刺面料由于多孔缓冲结构的存在可以降低主体防刺结构的厚度，可以极大程度地降低生产成本；
3、本发明中的多孔缓冲结构与目前的防刺产品相比，具备更低的重量；
4、本发明的带有多孔缓冲结构的防刺面料可以通过控制主体结构厚度和材料来制备不同领域需求的防护产品，包括军用产品、保安、城管和切割加工行业从业人员等领域；
5、在同样的防护等级下，本发明的防刺面料制备的防护产品具备质量轻，穿着舒适等优势。
附图说明
图1为本发明的防刺面料中正方形多孔缓冲结构的俯视图；
图2为本发明的防刺面料中圆形多孔缓冲结构的俯视图；
图3为本发明的防刺面料中平行四边形多孔缓冲结构的结构示意图；
图4为本发明的防刺面料中Z字型多孔缓冲结构的结构示意图；
图5为本发明的防刺面料中正方形多孔缓冲结构组成的防刺面料的结构示意图；
图6为本发明的防刺面料中圆形多孔缓冲结构组成的防刺面料的结构示意图；
图7为本发明的防刺面料中平行四边形多孔缓冲结构组成的防刺面料的结构示意图；
图8为本发明的防刺面料中Z字型多孔缓冲结构组成的防刺面料的结构示意图。
其中：1、主体防刺结构；2、多孔缓冲结构；3、成衣面料。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图5所示，一种带有多孔缓冲结构的防刺面料，所述面料由成衣面料、多孔缓冲结构和主体防刺结构组成；其中，多孔缓冲结构与成衣面料利用环氧树脂均匀的粘贴在成衣面料表面。
本发明的成衣面料为芳纶、超高分子量聚乙烯、棉、毛、麻和丝中的至少一种纤维或纱线组成的织物。织物为机织、针织、非织或编织中的一种。
本发明的主体防刺材料和多孔缓冲结构的材料为聚碳酸酯、聚乳酸、聚酰胺树脂、环氧树脂或酚醛树脂中的一种。环氧树脂固化剂为聚酰胺树脂。
本发明的防刺面料中可加入增强纤维。增强纤维为碳纤维或玻璃短纤维。
本发明的多孔缓冲结构是由内部连续的菱形晶胞和外部的边墙组成的桁架结构。其中多孔缓冲结构内部的菱形晶胞结构的实体部分占全部面积的25%；内部的菱形结构为邻边相互垂直。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明的多孔缓冲结构的俯视图为正方形或圆形，左视图为长方形、平行四边形或Z字型。
如图5、图6、图7、图8所示，本发明的主体防刺材料的内部结构为完全实体结构，外部宏观结构与多孔缓冲结构保持一致。多孔缓冲结构的厚度为1-4mm。
基于本发明的防刺面料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：通过3D打印技术得到多孔缓冲结构；
步骤S2：通过3D打印技术、注塑技术或手糊铺层成型技术得到主体防刺结构；
步骤S3：在成衣面料上均匀涂覆一层环氧树脂，将步骤S1中的多孔缓冲结构整齐排列在成衣面料上；
步骤S4：在均匀排列的多孔缓冲结构上涂覆一层环氧树脂，将步骤S2中的主体防刺结构整体地排列在多孔缓冲结构上；
步骤S5：将排列好的整体防刺面料在平板热压机上加压固化定型，即得到带有多孔缓冲结构的防刺面料。
本发明步骤S1中3D打印技术制备多孔缓冲结构的方法为：在绘图软件上创建出多孔缓冲结构的模型，导出格式文件后导入到3D打印机中，由3D打印机打印出多孔缓冲结构。
本发明步骤S2中3D打印技术制备主体防刺结构的方法为：在绘图软件上创建出主体防刺结构的模型，导出格式文件后导入到3D打印机中，由3D打印机打印出主体防刺结构。
本发明步骤S2中注塑技术制备主体防刺结构的方法为：将熔融的热塑性塑料利用压力注入塑料制品模具中，冷却成型得到主体防刺结构。
本发明步骤S2中手糊铺层成型技术制备主体防刺结构的方法为：在增强纤维织物上涂覆环氧树脂，将多层织物进行手动铺层后，放入平板热压机中加压固化成型得到主体防刺结构。
本发明步骤S3中多孔缓冲结构的排列方式为无空隙紧密排列。
本发明步骤S4中主体防刺结构的排列方式有两种，当俯视结构为正方形时，主体防刺结构与多孔缓冲结构一一对应排列；当俯视结构为圆形时，主体防刺结构与多孔缓冲结构交错排列，使主体防刺结构刚好遮住相邻圆形多孔缓冲结构之间的缝隙。
本发明步骤S5中的固化温度为60℃，固化压力为0.5MPa，固化时间为8h。
实施例1：
本实施例中带有多孔缓冲结构的防刺面料采用芳纶平纹机织面料作为基布，面密度为200g/m2，经纬密度为90×90（根/10cm），厚度0.26mm。本实施例中的多孔缓冲结构为正方形，主体防刺结构与多孔缓冲结构一致。多孔缓冲结构的材料为聚碳酸酯线材，线径为1.75mm。主体防刺材料为碳纤维复合材料，碳纤维布为3k平纹机织布，面密度为240g/m2，树脂为环氧树脂E44，固化剂聚酰胺树脂650。该防刺面料的制备过程如下：（1）如附图1所示，该多孔缓冲结构的俯视图是边长25mm的正方形，其中外部壳层厚度1mm，内部菱形空隙的边长为2.59mm，菱形之间的距离为0.4mm，菱形在厚度方向的角度为垂直向下，多孔缓冲结构的厚度为2mm。在Solidworks软件上创建出多孔缓冲结构的三维模型，导出为.stl格式，再导入到Makerbot desktop软件中进行切片，之后连接到Makerbot 3D打印机中以235℃进行3D打印制备得到正方形的多孔缓冲结构；（2）将环氧树脂与聚酰胺树脂按1:1的重量比均匀混合，逐层涂敷在12层碳纤维布上，之后在平板热压机上以0.5MPa的压力，60℃的温度固化8h，得到碳纤维板。之后通过切割成25mm×25mm×2.8mm的碳纤维复合材料甲片作为主体防刺结构。（3）在成衣面料上均匀涂覆环氧树脂，先将多孔缓冲结构整体排列在成衣面料上。之后在多孔缓冲结构上也均匀涂覆环氧树脂后依次排列主体防刺结构，其中防刺结构的行列之间无空隙。（4）将排列好的防刺面料在平板热压机上以0.5MPa的压力，60℃的温度定型8h即得到带有多孔缓冲结构的防刺面料。
本实施例的防刺面料经裁剪后可制得防护材料（防刺内胆），防刺面料的面密度仅为5019g/m2，防护面积为0.25m2时重量仅为1.25kg，厚度为5.5mm。
本实施例制得的防护面料根据中华人民共和国公共安全行业标准《GA68-2019警用防刺服》进行测试，结果表明该防护面料完全符合标准中规定的A类防刺服的技术要求。而且能达到NIJ0115 .00高能量水平防护等级一级，无穿透现象。防护面料中单独的主体防刺结构的穿刺比能量为560 J·m-1·(g·cm-3)-1，而加入多孔缓冲结构的防刺面料的穿刺比能量为700 J·m-1·(g·cm-3)-1，防刺性能提升了25%。
实施例2：
本实施例中带有多孔缓冲结构的防刺面料采用涤纶平纹机织面料作为基布，面密度为200g/m2，经纬密度为304×316（根/10cm）。本实施例中的多孔缓冲结构为圆形，主体防刺结构与多孔缓冲结构一致。多孔缓冲结构的材料为聚碳酸酯线材，线径为1.75mm。主体防刺材料为聚碳酸酯。该防刺面料的制备过程如下：（1）如附图2所示，该多孔缓冲结构的俯视图是直径30mm的圆形，其中外部壳层厚度1mm，内部菱形空隙的边长为2.59mm，菱形之间的距离为0.4mm，菱形在厚度方向的角度为垂直向下，多孔缓冲结构的厚度为2mm。在Solidworks软件上创建出多孔缓冲结构的三维模型，导出为.stl格式，再导入到Makerbotdesktop软件中进行切片，之后连接到Makerbot 3D打印机中以235℃进行3D打印制备得到圆形的多孔缓冲结构；（2）利用注塑技术制备直径30mm、厚度3mm的聚碳酸酯圆片作为主体防刺结构。（3）在成衣面料上均匀涂覆环氧树脂，先将多孔缓冲结构整体排列在成衣面料上。之后在多孔缓冲结构上也均匀涂覆环氧树脂后交叉排列主体防刺结构，使主体防刺结构正好遮住底层多孔缓冲结构之间的空隙。（4）将排列好的防刺面料在平板热压机上以0.5MPa的压力，60℃的温度定型8h即得到带有圆形多孔缓冲结构的防刺面料。
采用两层这种防刺面料进行交叉铺层，使其上下错位，上层的材料刚好遮盖下层的空隙，然后将两层面料依据需求尺寸进行缝合，经裁剪得到防护材料（防刺内胆）
本实施例制得的防刺面料的面密度仅为 6689g/m2，防护面积为0.25m2时重量仅为1.67kg，厚度为10.7mm。
本实施例制得的防护面料根据中华人民共和国公共安全行业标准《GA68-2019警用防刺服》进行测试，结果表明该防护面料完全符合标准中规定的A类防刺服的技术要求。而且能达到NIJ0115 .00高能量水平防护等级一级，无穿透现象。
实施例3：
本实施例中带有多孔缓冲结构的防刺面料采用涤纶平纹机织面料作为基布，面密度为200g/m2，经纬密度为304×316（根/10cm）。本实施例中的多孔缓冲结构为平行四边形，主体防刺结构与多孔缓冲结构一致。多孔缓冲结构的材料为聚乳酸线材，线径为1.75mm。主体防刺材料为聚碳酸酯。该防刺面料的制备过程如下：（1）如附图3所示，该多孔缓冲结构的侧视图为长边为25mm的平行四边形，锐角角度为45°，高度为2mm。俯视图是边长为25mm的正方形，其中外部壳层厚度1mm，内部菱形空隙的边长为2.59mm，菱形之间的距离为0.4mm，菱形在厚度方向的角度与平行四边形的角度一致。在Solidworks软件上创建出多孔缓冲结构的三维模型，导出为.stl格式，再导入到Makerbot desktop软件中进行切片，之后连接到Makerbot 3D打印机中以215℃进行3D打印制备得到平行四边形的多孔缓冲结构；（2）主体防刺结构侧视图为长边为25mm的平行四边形，锐角角度为45°，高度为2.5mm。俯视图是边长为25mm的正方形，内部为完全实体结构。在Solidworks软件上创建出主体防刺结构的三维模型，导出为.stl格式，再导入到Makerbot desktop软件中进行切片，之后连接到Makerbot3D打印机中进行3D打印制备得到平行四边形的主体防刺结构；（3）在成衣面料上均匀涂覆环氧树脂，先将多孔缓冲结构整体排列在成衣面料上。之后在多孔缓冲结构上也均匀涂覆环氧树脂后依次排列主体防刺结构，其中防刺结构的行列之间无空隙。（4）将排列好的防刺面料在平板热压机上以0.5MPa的压力，60℃的温度定型8h，即得到带有多孔缓冲结构的防刺面料。
采用两层这种防刺面料进行交叉铺层，使其上下错位，上层的材料刚好遮盖下层的薄弱空隙，然后将两层面料依据需求尺寸进行缝合，经裁剪得到防护材料（防刺内胆）。
本实施例制得的防刺面料的面密度仅为7308g/m2，防护面积为0.25m2时重量仅为1.83kg，厚度为9.7mm。
本实施例制得的防护面料根据中华人民共和国公共安全行业标准《GA68-2019警用防刺服》进行测试，结果表明该防护面料完全符合标准中规定的A类防刺服的技术要求。而且能达到NIJ0115 .00高能量水平防护等级一级，无穿透现象。
实施例4：
本实施例中带有多孔缓冲结构的防刺面料采用涤纶平纹机织面料作为基布，面密度为200g/m2，经纬密度为304×316（根/10cm）。本实施例中的多孔缓冲结构为Z字型，主体防刺结构与多孔缓冲结构一致。多孔缓冲结构的材料为聚碳酸酯线材，线径为1.75mm。主体防刺材料为聚碳酸酯。该防刺面料的制备过程如下：（1）如附图4所示，该多孔缓冲结构的俯视图为边长为25m的正方形，侧视图中最大厚度处为3.75mm，最小厚度处为1.25mm。其中外部壳层厚度1mm，内部菱形空隙的边长为2.59mm，菱形之间的距离为0.4mm，菱形在厚度方向的角度为垂直向下。在Solidworks软件上创建出多孔缓冲结构的三维模型，导出为.stl格式，再导入到Makerbot desktop软件中进行切片，之后连接到Makerbot 3D打印机中以235℃进行3D打印制备得到Z字型的多孔缓冲结构；（2）主体防刺结构与多孔缓冲结构相同，内部为完全实体结构。在Solidworks软件上创建出主体防刺结构的三维模型，导出为.stl格式，再导入到Makerbot desktop软件中进行切片，之后连接到Makerbot 3D打印机中以235℃进行3D打印制备得到Z字型的主体防刺结构；（3）在成衣面料上均匀涂覆环氧树脂，先将多孔缓冲结构整体排列在成衣面料上。之后在多孔缓冲结构上也均匀涂覆环氧树脂后依次排列主体防刺结构，二者恰好可以组成为新的Z字型结构，其中防刺结构的行列之间无空隙；（4）将排列好的防刺面料在平板热压机上以0.5MPa的压力，60℃的温度定型8h即得到带有Z字型多孔缓冲结构的防刺面料。
采用两层这种防刺面料进行交叉铺层，使其上下错位，上层的材料刚好遮盖下层的薄弱空隙，然后将两层面料依据需求尺寸进行缝合，经裁剪得到防护材料（防刺内胆）。
本实施例制得的防刺面料的面密度仅为7501g/m2，防护面积为0.25m2时重量仅为1.88kg，厚度为10.7mm。
本实施例制得的防护面料根据中华人民共和国公共安全行业标准《GA68-2019警用防刺服》进行测试，结果表明该防护面料完全符合标准中规定的A类防刺服的技术要求。而且能达到NIJ0115 .00高能量水平防护等级一级，无穿透现象。
Claims (10)
1.一种带有多孔缓冲结构的防刺面料，其特征在于包括成衣面料、多孔缓冲结构、主体防刺结构；多孔缓冲结构与成衣面料利用环氧树脂均匀的粘贴在成衣面料表面。
2.根据权利要求1所述的防刺面料，其特征在于上述成衣面料为芳纶、超高分子量聚乙烯、棉、毛、麻和丝中的至少一种纤维或纱线组成的织物。
3.根据权利要求1所述的防刺面料，其特征在于上述主体防刺材料和多孔缓冲结构的材料为聚碳酸酯、聚乳酸、聚酰胺树脂、环氧树脂或酚醛树脂中的一种。
4.根据权利要求1所述的防刺面料，其特征在于还包括增强纤维，增强纤维为碳纤维或玻璃短纤维。
5.根据权利要求1所述的防刺面料，其特征在于上述多孔缓冲结构是由内部连续的菱形晶胞和外部的边墙组成的桁架结构。
6.根据权利要求1所述的防刺面料，其特征在于上述多孔缓冲结构的俯视图为正方形或圆形，左视图为长方形、平行四边形或Z字型。
7.根据权利要求1所述的防刺面料，其特征在于上述多孔缓冲结构的厚度为1-4mm。
8.基于权利要求1-7所述的防刺面料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：通过3D打印技术得到多孔缓冲结构；
步骤S2：通过3D打印技术、注塑技术或手糊铺层成型技术得到主体防刺结构；
步骤S3：在成衣面料上均匀涂覆一层环氧树脂，将步骤S1中的多孔缓冲结构整齐排列在成衣面料上；
步骤S4：在均匀排列的多孔缓冲结构上涂覆一层环氧树脂，将步骤S2中的主体防刺结构整体地排列在多孔缓冲结构上；
步骤S5：将排列好的整体防刺面料在平板热压机上加压固化定型，即得到带有多孔缓冲结构的防刺面料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于所述步骤S1中3D打印技术制备多孔缓冲结构的方法为：在绘图软件上创建出多孔缓冲结构的模型，导出格式文件后导入到3D打印机中，由3D打印机打印出多孔缓冲结构。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于所述步骤S2中3D打印技术制备主体防刺结构的方法为：在绘图软件上创建出主体防刺结构的模型，导出格式文件后导入到3D打印机中，由3D打印机打印出主体防刺结构；
所述步骤S2中注塑技术制备主体防刺结构的方法为：将熔融的热塑性塑料利用压力注进塑料制品模具中，冷却成型得到主体防刺结构；
所述步骤S2中手糊铺层成型技术制备主体防刺结构的方法为：在增强纤维织物上涂覆环氧树脂，将多层织物进行手动铺层后，放入平板热压机中加压固化成型得到主体防刺结构。
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