一种Kevlar纤维布增强聚脲基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种kevlar纤维布增强聚脲基复合材料及其制备方法。

背景技术：

聚脲弹性体作为一种高分子材料具有较低的密度和价格，聚脲优异的理化性能包括极高的抗张抗冲击强度、柔韧性、耐磨性、防湿滑、耐老化、防腐蚀等。

美空军最先将聚脲涂层应用于建筑物防爆破方面，随后美国海军将聚脲应用于高机动多用途式车辆(hmmwv)装甲板外层，以期减轻弹道碎片和子弹的危害。实验研究表明聚脲层起到了很好的防护效果，能显著增强装甲板对炮火和爆炸碎片的抗穿透能力。聚脲弹性体在高速冲击下会发生玻璃化转变，材料的强度模量会有很大提高，同时耗散了大量能量从而达到防弹的目的，弹性材料往往作为背板形成钢板/陶瓷/弹性材料(德国豹-2、俄罗斯t90坦克)的复合防弹结构。

聚脲除了在军事防弹领域有很好的应用前景外，由于其防水、防腐和耐磨的性能在大型基础建设领域也被广泛应用。如管道防腐、隧道防水、桥梁防护等。

高强度纤维主要包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。这些纤维由于其超高强度和模量广泛应用于民事、军事领域。纤维增强的聚合物基复合材料也由于其优异的性能而被广泛应用。

纤维增强复合材料有着优于纯纤维和基体的性能。首先，在冲击中基体能够保持纤维对位置和方向不变，并且能够分散纤维之间的应力；其次，基体的存在可以对纤维起到保护作用，避免由环境因素造成纤维性能的降低，如在高湿度条件下纯纤维耐冲击性能的降低和紫外线辐射光降解引起的力学性能的下降；基体破裂导致的分层也是一种能量吸收机制。浸渍的芳纶纤维织物有着更好的动态防侵入性能。在用作轻质防弹或软装甲时，纤维与基质较低的附着力可以使纤维获得更大的变形，从而可以吸收更多的冲击能量。

纤维布增强聚脲基复合材料层合板集合了纤维以及聚脲弹性体共同的优点，通过不同的铺层以及纤维体积分数的设计，可以得到高强、高韧性、低密度、耐腐蚀、防水、以及尤其抗弹体侵切性能的纤维布增强聚脲基复合材料层合板。可以用于大型基础建设领域，如管道防腐、隧道防水、桥梁防护、房屋防爆等；可以用于民用防护领域，如头盔、护膝等护具；还可以用于军事领域，如防弹衣、防弹板、飞机结构等领域。

技术实现要素：

本发明是要解决单一聚脲弹性体材料强度较低以及kevlar纤维布服役时纤维横向拔出导致的材料失效的问题，而提供一种kevlar纤维布增强聚脲基复合材料及其制备方法。

一种kevlar纤维布增强聚脲基复合材料是以kevlar纤维布作为增强体，以聚脲作为基体进行结合，其中纤维布的体积百分数为50％～90％；所述纤维布的材质为天然纤维或化学纤维；所述聚脲是由二异氰酸酯和二元胺制备而成。

一种kevlar纤维布增强聚脲基复合材料的制备方法是按以下步骤完成的：

一、将二元胺置于反应瓶中，在真空度为100pa以下磁力搅拌1h～6h至无气泡，得到反应液a；将二异氰酸酯置于反应瓶中，在真空度为100pa以下磁力搅拌1h～6h至无气泡，得到反应液b；

二、将反应液a和反应液b混合，搅拌2～10min，得到聚脲弹性体；所述反应液a中二元胺与反应液b中二异氰酸酯的摩尔比为1:(0.8～1.2)；

三、将kevlar纤维布浸入聚脲弹性体中，抽真空2～10min，得到浸有聚脲的kevlar纤维布；

四、将浸有聚脲的kevlar纤维布逐层铺陈于模具中，在常压或者真空气氛下，使用压力机对最上层的浸有聚脲的kevlar纤维布施加压力，当压力增加至10～100kn时，在压力为10～100kn下保压0.1～2h，聚脲凝固后脱模得到kevlar纤维布增强聚脲基复合材料。

本发明优点：

本发明制备工艺简单，无需加热，所得的材料具有高强度，高韧性的特点。其拉伸强度可达100～800mpa，在服役过程中，由于聚脲与纤维结合良好，纤维很难发生横向拔出而失效。

附图说明

图1为采用实施例一得到的kevlar纤维布增强聚脲基复合材料制成的层合板照片；

图2为实施例一得到的kevlar纤维布增强聚脲基复合材料的低倍微观形貌图；

图3为实施例一得到的kevlar纤维布增强聚脲基复合材料的高倍微观形貌图；

图4为所述模具的分解结构示意图；

图5为所述带孔下底的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种kevlar纤维布增强聚脲基复合材料是以kevlar纤维布作为增强体，以聚脲作为基体进行结合，其中纤维布的体积百分数为50％～90％；所述纤维布的材质为天然纤维或化学纤维；所述聚脲是由二异氰酸酯和二元胺制备而成。

本实施方式中纤维与聚脲良好结合，材料中聚脲完全或部分渗入纤维束中的单根纤维中。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述kevlar纤维布的形式为编织布和单向布中的一种或者两种的混合。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述二元胺和二异氰酸酯的摩尔比为1:(0.8～1.2)。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述二元胺和二异氰酸酯的摩尔比为1:1。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯和改性二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或其中几种的混合物。其他与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述二元胺为聚-1,4-丁二醇双(4-氨基苯甲酸酯)、端氨基聚氧化丙烯醚和端氨基聚氧化乙烯醚中的一种或其中几种的混合物，当二元胺为混合物时其分子量为230～5000。其他与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式一种kevlar纤维布增强聚脲基复合材料的制备方法是按以下步骤完成的：

一、将二元胺置于反应瓶中，在真空度为100pa以下磁力搅拌1h～6h至无气泡，得到反应液a；将二异氰酸酯置于反应瓶中，在真空度为100pa以下磁力搅拌1h～6h至无气泡，得到反应液b；

二、将反应液a和反应液b混合，搅拌2～10min，得到聚脲弹性体；所述反应液a中二元胺与反应液b中二异氰酸酯的摩尔比为1:(0.8～1.2)；

三、将kevlar纤维布浸入聚脲弹性体中，抽真空2～10min，得到浸有聚脲的kevlar纤维布；

四、将浸有聚脲的kevlar纤维布逐层铺陈于模具中，在常压或者真空气氛下，使用压力机对最上层的浸有聚脲的kevlar纤维布施加压力，当压力增加至10～100kn时，在压力为10～100kn下保压0.1～2h，聚脲凝固后脱模得到kevlar纤维布增强聚脲基复合材料。

本实施方式步骤三中所述抽真空的真空度为1000pa以下。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤一中所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯和改性二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或其中几种的混合物。其他与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是：所述二元胺为聚-1,4-丁二醇双(4-氨基苯甲酸酯)、端氨基聚氧化丙烯醚和端氨基聚氧化乙烯醚中的一种或其中几种的混合物，当二元胺为混合物时其分子量为230～5000。其他与具体实施方式七或八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是：步骤四中所述逐层铺陈的方式为[0°/22.5°]n铺设、[0°/45°]n铺设、[0°/67.5°]n铺设、[0°/90°]n铺设、[0°/30°]n铺设、[0°/60°]n铺设、[-30°/30°]n铺设、[-60°/60°]n铺设、[0°/22.5°/45°/67.5°/90°]n铺设和[0°/45°/90°/135°]n铺设中的一种或其中几种的组合。其他与具体实施方式七至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七至十之一不同的是：步骤四中所述模具由上压头1、模具主体2和带孔下底3组成；所述模具主体2中间开有通孔，所述带孔下底3设置在通孔的一侧，所述上压头1从另一侧压入，所述带孔下底3与所述模具主体2过盈连接，过盈尺寸为0.01mm～1mm。其他与具体实施方式七至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式七至十一之一不同的是：步骤二中所述反应液a中二元胺与反应液b中二异氰酸酯的摩尔比为1:1。其他与具体实施方式七至十一之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种kevlar纤维布增强聚脲基复合材料的制备方法是按以下步骤完成的：

一、将二元胺置于反应瓶中，在真空度为10pa以下磁力搅拌3h至无气泡，得到反应液a；将二异氰酸酯置于反应瓶中，在真空度为10pa以下磁力搅拌3h至无气泡，得到反应液b；所述二元胺与二异氰酸酯的摩尔比为1；

二、将反应液a和反应液b混合，搅拌3min，得到聚脲弹性体；

三、将kevlar编织纤维布浸入聚脲弹性体中，抽真空3min，得到浸有聚脲的kevlar纤维布；

四、将浸有聚脲的kevlar纤维布以[0°]n铺层方式铺陈于模具中，在常压气氛下，使用压力机对最上层的浸有聚脲的kevlar纤维布施加压力，当压力增加至50kn时，在压力为50kn下保压1h，聚脲凝固后脱模得到kevlar纤维布增强聚脲基复合材料。

图1为采用实施例一得到的kevlar纤维布增强聚脲基复合材料制成的层合板照片；图2为实施例一得到的kevlar纤维布增强聚脲基复合材料的低倍微观形貌图；图3为实施例一得到的kevlar纤维布增强聚脲基复合材料的高倍微观形貌图。从图2和图3可以看出层压复合材料致密，纤维单丝与聚脲结合良好。