专利名称：一种超高分子量聚乙烯纤维复合无纬布及制造方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明属纳米纺织领域，特别是涉及一种超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤 维复合无纬布及其制造方法和应用。
背景技术：
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是20世纪80年代初由荷兰DSM公司以 其独创的凝胶纺丝一超拉伸技术研制的高性能有机纤维。超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)纤维也称超高模聚乙烯(UHMPE)纤维或仲长链聚乙烯(ECPE)纤维， 它是继碳纤维、芳纶(Kevlar)纤维之后的第三代高性能纤维。超高分子量聚乙烯(UH丽PE)纤维的相对分子量为100 600万之间，分子 形状为线型伸直链结构，取向度接近100%，强度是当今纤维之最，具有良好的 机械性能。UHMWPE纤维还具有耐紫外线辐射、耐化学腐蚀、比能量吸收高、介 电常数低、电磁波透射率高、摩擦系数低及突出的抗冲击、抗切割等优异性能。 因此，UHMWPE纤维是制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔、雷达罩、运钞 车防弹装甲、直升机防弹装甲、舰艇及远洋船舶缆绳、轻质高压容器、航天航 空结构件、深海抗风浪网箱、渔网、赛艇、帆船、滑雪撬等的理想材料。由于 UHMWPE纤维性能优异，应用潜力巨大，因此，UH丽PE纤维自问世起就倍受重视， 发展很快。纳米材料的研究最初源于十九世纪六十年代对胶体微粒的研究。纳米材料 具有奇特的性能和广阔的应用前景，被誉为跨世纪的新材料，引起了科学界和 企业界的极大关注。纳米材料的发现者是著名的美国物理学家，两次诺贝尔奖 金获得者RichardFeynmen,他在上世纪60年代曾经预言如果我们能控制物体 微小规模上的排序，将获得很多具有特殊性能的物质。纳米材料的特殊性能由于纳米材料的特殊结构一物质的颗粒尺寸〈100nm 的超微粉末，它的比表面积很大，晶界处的原子数比率高达15 50，使之产生 四大效应，即小尺寸效应、量子效应(含宏观量子隧道效应)、表面效应和界面
效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。蒙脱土是一种细粒粘土矿物，是膨润土的有效成分，它是一种2: l型三层 结构阳离子型层状材料，其单位晶胞由二层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体 组成，四面体与八面体之间通过共用氧原子相连，其晶胞平行叠置。其特殊的 晶体结构赋予了蒙脱土许多特性，例如膨胀性、吸附性、离子交换性、分散 性、悬浮性和粘结性等。由于其具有独特的晶层重叠结构，通过加工可以均匀 分散于聚合物中，形成聚合物/蒙脱土纳米复合材料，这种复合材料的力学、热 学、光学、电磁学和气体阻隔性能等都较常规有机无机复合材料有明显提高。 无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的低密度、高强度、高韧性、 耐腐蚀和良好的机械加工性及介电性能完美的结合，使这类新材料的透光性、 防水性、耐热和抗老化性、气体阻隔性、耐磨和冲击性、机械加工性等得到大 幅度提高，从而获得了优异的综合性能。超高分子量聚乙烯(UH丽PE)纤维复合无纬布是由U丽WPE纤维通过均匀、平行、挺直排列后，对其进行涂胶、干燥后制成的，对此，美国专利US4，916,000 和US5，149，391己经描述了此过程。其中涂胶的胶粘剂一般包括聚乙烯、交联 聚乙烯、聚丙烯、乙烯基共聚物、丙烯共聚物、乙烯一丙烯共聚物和其他烯烃 聚合物和共聚物，还有不饱和聚酯、聚丁二烯、聚异戊二烯、天然橡胶、环氧 树脂、聚亚胺等等许多低模量的树脂，此外，还有EVA、 EEA、 SBS、 SIS、 TPR、 SEBS等及丁钠胶、丁苯胶PVB、 PVA等等这些热塑性高韧胶液。这些低模量的弹 性体包覆在每一根纤维上，除了可固定作为增强体的纤维外，还可以提高复合 材料的抗冲击防弹、防刺性能。对此，早些年的美国专利US4，403，012有报道， 近两年的美国专利US6，825, 137和中国专利CN1278566也有报道。然而现有技术制备的复合无纬布，由于其作为基体的胶粘剂自身的缺点， 使得复合无纬布的综合性能受到影响，体现在耐热性差，综合机械强度也较差， 蠕变严重，由其制成的UH丽PE纤维复合无纬布，不能有效地"钝化"子弹的冲 击力，只能通过增加无纬布层数来达到防弹效果，但这样又会引起增加一般战 士、警察使用时的负荷。因此，如何改变UHMWPE纤维复合无纬布的耐热性，使 其具有更高的抗冲击性，有效"钝化"子弹的冲击力，已经成为防弹护品研究 的必然趋势。因此，，为克服现有技术中存在的这些问题，本发明的目的首先是提供一种 超高分子量聚乙烯(UH丽PE)纤维复合无纬布，大大提高复合无纬布的耐热性 和抗冲击性。本发明第二个目的是提供上述复合无讳布的制造方法。 本发明第三个目的是提供上述复合无纬布的应用。发明内容为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下本发明提供一种超高分子量聚乙烯纤维复合无纬布，其组成包括超高分子 量聚乙烯纤维和胶粘剂，其中所述的胶粘剂为加入改性纳米蒙脱土的复合材 料，所述的蒙脱土在复合材料中所占的重量百分比为0.5 10。蒙脱土的添加使 得分子以小块的形式整体运动，除了减小大分子的蠕变外，还使抵抗阻力的能 力变得较大。另外，添加蒙脱土还可以改善耐热性能。根据本发明所述的超高分子量聚乙烯纤维复合无讳布，其中较好地是，所 述的胶粘剂为溶剂型胶粘剂。根据本发明所述的超高分子量聚乙烯纤维复合无纬布，'其中更好地是，所 述的胶粘剂为混合溶剂型胶粘剂。根据本发明所述的超高分子量聚乙烯纤维复合无纬布，其中较好地是，所 述的混合溶剂型胶粘剂包括聚苯乙烯三嵌段共聚体或氢化聚苯乙烯三嵌段共聚体的混合溶剂型胶粘剂，较理想的是KRATON D-1107、 KRATON D-l 161或KRATON G-1650等。根据本发明所述的超高分子量聚乙烯纤维复合无讳布，其中较好地是，所 述的溶剂为溶解度参数8.0 8.5的溶剂。不同的溶剂对嵌段共聚物的软硬段溶 解略有差异，溶解聚合体的溶剂以混合溶剂为佳。根据本发明所述的超高分子量聚乙烯纤维复合无讳布，其中较好地是，所 述的胶粘剂与溶剂重量百分比为10 40: 90 60。根据本发明所述的超高分子量聚乙烯纤维复合无纬布，其中较好地是，所述的混合溶剂重量比为烷烃醚类酯类=3 10: 0. 1 0. 5: 1。根据本发明所述的超高分子量聚乙烯纤维复合无讳布，其中较好地是，所述的烷烃包括巳垸、环巳垸、氯化环巳烷等；醚类包括二乙醚、甲基异丁 基醚等；酯类包括醋酸乙酯等。根据本发明所述的超高分子量聚乙烯纤维复合无讳布，其中较好地是，所 述的蒙脱土为钠基蒙脱土。
本发明还提供上面所述的复合无纬布的制造方法，包括纤维的铺展、涂胶 和干燥，其中涂胶中使用的胶粘剂为加入改性纳米蒙脱土的复合材料，其中 蒙脱土所占的重量百分比为0.5 10。根据本发明所述的复合无纬布的制备方法，其中较好地是，所述的复合材料系将改性纳米蒙脱土与胶粘剂混合，在60 80。C搅拌1 2小时后，真空脱泡 即得。根据本发明所述的复合无纬布的制备方法，其中较好地是，所述的蒙脱土 选用钠基蒙脱土。本发明还提供上面所述的复合无纬布在防弹护品领域的应用。UH丽PE纤维复合无纬布是由UH丽PE纤维和胶粘剂复合而成的，为了更好地 提高材料的防弹抗力，改善UH丽PE纤维的耐热性能，本发明在复合无讳布纤维 用的胶粘剂中加入纳米蒙脱土，不仅提高了基质材料粘合剂的机械性能，同时 也改变了材料的热稳定性，提高了 UH丽PE纤维复合无讳布的耐热性，使其使用 温度提高IO'C，得到防抗冲击性能优良的复合防弹纤维，使其抗冲击性提高20% 左右。因此，本发明所述的复合无纬布能广泛应用于抗冲击防弹、防刺性能等 防弹护品的制备。本发明具有以下有益效果本发明在复合无纬布纤维用的胶粘剂中加入纳米蒙脱土，不仅提高了基质 材料粘合剂的机械性能，同时也改变了材料的热稳定性，提高了U丽WPE纤维复 合无玮布的耐热性。试验证明，本发明的UHMWPE纤维复合无纬布可以在很大程度上克服现有技术存在的缺陷，得到防抗冲击性能优良的复合防弹纤维。由于纳米蒙脱土有着 很多优良性能，其具有优良的耐热性、强度和抗蠕变性，可以达到改善UH丽PE 纤维的耐热性和抗蠕变性，从而可以有效的钝化子弹的冲击力'。
具体实施方式
下面参照附图
，更具体地说明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本 发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之 后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于 本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1
称取2g硅垸偶联剂溶于50ml甲苯中，搅拌下滴加等量的冰醋酸，制得无 色透明的硅垸偶联剂的冰醋酸溶液。将10g蒙脱土， 一定量的的硅烷偶联剂(有 效成分相当于10g蒙托土阳离子交换总量的1.1倍)的冰醋酸溶液依次加入盛 有150ml甲苯的四口烧瓶中，升温到80°C，回流搅拌8h。反应结束后过滤， 并用乙醇洗涤三遍，40'C烘干，研磨，得到偶联剂改性后的蒙脱土。将一定量改性后的蒙脱土与胶粘剂按重量百分比1: 20混合，在60 8(TC 搅拌1 2h，真空脱泡。将增强体UHMWPE纤维于巻绕机上平行缠绕，之后涂胶 于UHMWPE纤维上(或将UHMWPE纤维浸入胶粘剂中)。涂胶次数为1 2次，注 意涂胶要均匀。本实施例采用的胶粘剂为KRATON G-1650，按重量比15%溶解于 混合溶剂(已烷二乙醚醋酸乙酯=5:0.5:1，再添加抗氧剂)，涂胶后用刮胶刀涂 胶均匀，置于烘箱中6(TC烘干、固化，烘箱温度为60土3t:，干燥时间约为20min。 将上述所得的复合材料进行正交复合。它们可以是二层交错，也可以是四层交 错，所得到的产品结构相应是
或
2。(蒙脱土的掺入量为5.1 g/m2无纬布)防弹效果将40层、450mmX450mm AD=160g/m2 UD材料整齐叠加置于背衬 为胶泥的靶架上，采用54式7. 62醒手枪、54式普通弹(铅芯弹)，按GA141-2001 试验标准，测得V5Q>520m/s。实施例2与实施例l不同之处有改性后的蒙脱土与胶粘剂按重量百分比1: 10混 合，蒙脱土的掺入量为2.9g/m2无纬布。 其他操作与实施例1相同。防弹效果将40层、450腿X450mm AD=160g/m2 UD材料整齐叠加置于背衬 为胶泥的靶架上，采用54式7. 62腿手枪、54式普通弹(铅芯弹)，按GA141-2001 试验标准，测得D561m/s。实施例3称取5g纳基蒙脱土分散于500ral去离子水中，将一定量的插层剂十六烷 基三甲基氯化铵加入其中搅拌，水浴加热一定时间，至得到有机蒙脱土絮状沉 淀，用去离子水充分洗涤、抽滤，9(TC下干燥48h，研磨过300目筛，得插层剂 改性后的蒙脱土。将一定量改性后的蒙脱土与胶粘剂按重量百分比1: 20混合，在60 8(TC 搅拌l 2h，真空脱泡。将增强体UHMWPE纤维于巻绕机上平行缠绕，之后涂胶
于U丽WPE纤维上(或将UHMWPE纤维浸入胶粘剂中)。涂胶次数为1 2次，注 意涂胶要均匀。本实施例采用的胶粘剂为KRAT0N G-1650，按重量比15%溶解于 混合溶剂(已垸二乙醚醋酸乙酯=5:0.5:1，再添加抗氧剂)，涂胶后用刮胶刀涂 胶均匀，置于烘箱中6(TC烘干、固化，烘箱温度为60士3"C，干燥时间约为20min。 将上述所得的复合材料进行正交复合。它们可以是二层交错，也可以是四层交 错，所得到的产品结构相应是
或
2。(蒙脱土的掺入量为5.1 g/m2无讳布)防弹效果将40层、450raraX450mm AD=160g/m2 UD材料整齐叠加置于背衬 为胶泥的靶架上，采用54式7.62誦手枪、54式普通弹(铅芯弹)，按GA141-2001 试验标准，测得D545m/s。实施例4与实施例3不同之处有改性后的蒙脱土与胶粘剂按重量百分比1: 10混 合，蒙脱土的掺入量为2.9g/m2无纬布。 其他操作与实施例3相同。防弹效果将40层、450mmX450mm AD=160g/ra2 UD材料整齐叠加置于背衬 为胶泥的靶架上，采用54式7. 62mm手枪、54式普通弹(铅芯弹)，按GA141-2001 试验标准，测得V5。>550m/s。比较例除了不添加改性蒙脱土外，其他操作与实施例l相同。防弹效果将40层、450mmX450mm AD=160g/m2 UD材料整齐叠加置于背衬 为胶泥的靶架上，采用54式7.62mffl手枪、54式普通弹(铅芯弹)，按GA141-2001 试验标准，测得V5。》520m/s。通过上述的实施例和比较例可以看出，本发明得到防抗冲击性能优良的复 合防弹纤维，其抗冲击性提高20%左右。
权利要求
1、一种超高分子量聚乙烯纤维复合无纬布，其组成包括超高分子量聚乙烯纤维和胶粘剂，其特征在于所述的胶粘剂为加入改性纳米蒙脱土的复合材料，其中蒙脱土所占的重量百分比为0.5～10。
2、 如权利要求1所述的超高分子量聚乙烯纤维复合无纬布，其特征在于，所述的胶粘剂为溶剂型胶粘剂或混合溶剂型胶粘剂，所述的溶剂为溶解度参数8. 0 8. 5的溶剂。
3、 如权利要求2所述的超高分子量聚乙烯纤维复合无纬布，其特征在于， 所述的混合溶剂型胶粘剂包括聚苯乙烯三嵌段共聚体或氢化聚苯乙烯三嵌段共 聚体的混合溶剂型胶粘剂。
4、 如权利要求2或3所述的超高分子量聚乙烯纤维复合无讳布，其特征在 于，所述的胶粘剂与溶剂重量百分比为10 40: 90 60。
5、 如权利要求2所述的超高分子量聚乙烯纤维复合无纬布，其特征在于，所述的混合溶剂重量比为烷烃醚类酯类=3 10: 0. 1 0. 5: 1。
6、 如权利要求5所述的超高分子量聚乙烯纤维复合无纬布，其特征在于， 所述的烷烃包括巳烷、环已烷、氯化环巳烷；醚类包括二乙醚、甲基异丁基醚；酯类包括醋酸乙酯。
7、 权利要求l所述的复合无纬布的制造方法，包括纤维的铺展、涂胶和干燥，其特征在于涂胶中使用的胶粘剂为加入改性纳米蒙脱土的复合材料，其中蒙脱土所占的重量百分比为0.5 10。
8、 如权利要求7所述的复合无纬布的制造方法，其特征在于，所述的复合 材料系将改性纳米蒙脱土与胶粘剂混合，在60 8(TC搅拌1 2小时后，真空脱 泡即得。 ，
9、 如权利要求1或7所述的复合无纬布，其特征在于，所述的蒙脱土选用钠基蒙脱土。
10、 上述权利要求1-9之任何一项所述的复合无纬布在防弹护品领域的应用。
全文摘要
本发明公开一种超高分子量聚乙烯纤维复合无纬布，其组成包括超高分子量聚乙烯纤维和胶粘剂，其中所述的胶粘剂为加入改性纳米蒙脱土的复合材料，蒙脱土所占的重量百分比为0.5～10。本发明还提供该种复合无纬布的制造方法和应用，在很大程度上克服现有技术存在的缺陷，得到防抗冲击性能优良的复合防弹纤维，提高了复合无纬布的耐热性和抗冲击性。
文档编号D06N7/00GK101397757SQ20071004674
公开日2009年4月1日 申请日期2007年9月30日 优先权日2007年9月30日
发明者刘术佳, 佳 王, 王依民 申请人:东华大学