灭火头盔和灭火头盔壳体及灭火头盔壳体的制备方法与流程

本发明属于消防设备材料
技术领域：
，涉及一种灭火头盔和灭火头盔壳体及灭火头盔壳体的制备方法。
背景技术：
：消防员在进行消防作业时都需要佩戴消防头盔，以保护消防员头部安全。现在的消防头盔壳体制备技术除了采用聚碳酸酯等工程塑料经注塑成型外，也有利用碳纤维和玻璃纤维经过抽真空的方式来制备成型。经由聚碳酸酯等工程塑料制成的壳体虽然生产效率较高且表面容易处理，但头盔壳体较重，耐高温等性能较差；由碳纤维和玻璃纤维经过抽真空制备的盔壳虽然解决了盔壳较重、不耐高温的缺点，但抽真空工艺的影响因素较多，工艺不易控制，盔体容易出现缺肉、麻点现象，而且效率较低。盔体制备工艺中，涂胶工艺的确定是比较重要的工艺步骤，现有常用的制备工艺主要为注胶工艺。注胶是机械制造业中出现的一门新技术新工艺，其不同于传统的加工及装配工艺。注胶是将一种液态的工程胶黏剂，通过注射、刮涂等工艺手段，注入事先准备好的模具或胎具中，但这个工程需要抽真空、加压力。对头盔盔壳的制造，通过数次试验总结，注胶工艺压盔存在诸多弊端。首先注胶需要抽真空，而盔壳的表面积比较大，这样就非常耗时；其次注胶工艺需要控制胶的流动性，这样就要控制胶的温度。整个过程有许多需要控制的不定因素，而且费时费力，制作一顶盔需要三、四个小时才能成型，不利于批量生产。模压成型(又称压制成型或压缩成型)工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。而消防头盔是一种在火灾环境中使用的头部防护用具，其比其它的防护帽要求更高，防护能力更强。因而，开发一种具有更强防护能力的消防头盔尤为重要。技术实现要素：本发明的目的是提供一种灭火头盔和灭火头盔壳体及灭火头盔壳体的制备方法。本发明提供的头盔壳体，包括碳纤维料片和玻璃纤维料片；其中，所述灭火头盔壳体中，所述碳纤维料片和玻璃纤维料片交替叠层，其余空间用高温树脂胶固化定型；碳纤维料片层和玻璃纤维料片层的总层数为5层，且碳纤维料片层的层数为3层；所述碳纤维料片为t700-12k碳纤维料片；所述t的定义为横截面面积为1平方米单位数量的该类碳纤维可承受的拉力吨数；所述t700-12k碳纤维料片可购自日本东丽公司；所述玻璃纤维料片为脱水脱脂的平纹纤维；所述玻璃纤维料片的面密度为400g/m2；所述高温树脂胶以含有酰亚胺基团的树脂和固化剂为原料制得。上述头盔壳体中，所用碳纤维(carbonfiber，简称cf)是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。不同型号的碳纤维具有不同的用途。表1为t300-12k性能表，表2为t700-12k性能表。由表可知，t700-12k碳纤维性能更适合异型制作，不易断裂，最终选用t700-12k碳纤维作为盔壳原料。表1、t300-12k碳纤维性能列表序号项目技术要求1织物组织1/1(平纹)2克重(g/m2)400±23拉伸模量gpa2304拉伸强度gpa3.535断裂强力(n)≥2500表2、t700-12k碳纤维性能列表序号项目技术要求1织物组织1/1(平纹)2克重(g/m2)400±23拉伸模量gpa2304拉伸强度gpa4.908断裂强力(n)≥2800玻璃纤维(英文名glassfiber)是一种性能优异的无机非金属材料，优点是绝缘性好、耐热性好、抗腐蚀性好，机械性能高。本发明所用玻璃纤维为脱水脱脂的平纹纤维，面密度为400g/m2，其性能列表见表3。表3、玻璃纤维性能表序号项目技术要求1抗拉强度(mpa)≥34002弹性模量(mpa)≥2.4×1053伸长率(％)≥1.74弯曲强度(mpa)≥7005剪切强度(mpa)≥456面密度(g/m2)≤300所述头盔壳体的重量为630～650g，防护面积为0.150～0.155m2。所述含有酰亚胺基团的树脂按照包括如下步骤的方法制得：将双酚s型环氧树脂、双马来酰亚胺树脂和酚醛环氧树脂混合先进行脱水反应，除去脱水反应生成的水后继续进行交联反应而得；所述双酚s型环氧树脂的分子量为500-1000；所述双马来酰亚胺树脂的分子量为100-200；所述酚醛环氧树脂的分子量为50-100；所述双酚s型环氧树脂、双马来酰亚胺树脂和酚醛环氧树脂的摩尔比为1：2：1；所述脱水反应步骤中，温度为110～125℃；搅拌速度为每分钟200～220转；脱水反应的时间为1～4小时；所述交联反应步骤中，温度为240～260℃；交联反应的时间为22～24小时。上述反应过程可使得三种不同结构的分子充分占据对方的相对空间，在反应过程当中起到了相互补充的作用。上述含有酰亚胺基团的树脂的优点为耐热性好，其能在短时间内经受280℃的高温而各项物理性能基本保持不变，可在260℃以下长期使用，也可耐极低温度，如在-69℃的中不脆裂；机械强度高。弹性模量通常为3-4gpa，且抗拉强度随温度的变化比铝还要慢，耐辐射性好。在高温高真空辐射下稳定；介电性能优异，介电常数约为3.4；化学稳定性好。产品不溶于有机溶剂，对稀酸稳定，耐水解，经得起120℃500h的水煮。所述固化剂按照包括如下步骤的方法制得：将三甲基六亚甲基二胺和3-乙炔基苯胺以1：2的体积比加入到反应釜中，再分别加入3～5ml乙酸酐和3～5ml三乙胺咪唑，加热到60～70℃搅拌2～3小时后，继续加热到80～90℃，反应3～4小时停止搅拌，冷却分层收集上层，即为所述固化剂；具体的，所述三甲基六亚甲基二胺和3-乙炔基苯胺的体积比为1：2；所述乙酸酐与三甲基六亚甲基二胺的体积比为1：5；所述三乙胺咪唑与三甲基六亚甲基二胺的体积比为1：5；所述搅拌步骤中，搅拌转速为每分钟120～130转。所述固化步骤中，固化方式为模压固化；所述模压固化步骤中，含有酰亚胺基团的树脂和固化剂的摩尔比为1～3：1；温度为120-130℃；压强为15-20mpa；时间为5-15min。本发明提供的制备所述头盔壳体的方法，包括如下步骤：1)采用溢料槽样式的模具，将模具的凸模和凹模擦拭脱模剂，再将碳纤维层和玻璃纤维层采用3+2错层的方式叠层，第一层为碳纤维层，平整置于模具内；2)将所述含有酰亚胺基团的树脂和固化剂混匀倒入步骤1)所得模具中进行液压固化，固化完毕后修边喷漆，得到所述头盔壳体。上述方法中，所述脱模剂为水基脱模剂，具体为聚氟类有机磷酸脂水机脱模剂；具体可购自北京科拉斯科技有限公司，产品编号为em-1212sf2；由于利用浸胶法膜压盔壳对模具的要求较高，对碳纤维及玻璃纤维的浸胶要求也较高，布料必须完全浸胶而且浸胶量有10％的剩余，这样压制出的盔体才能表面光滑无凹陷。由于过饱和浸胶，在模压过程中会有部分胶溢出，为了能保证干净的作业环境，故将模具做成具有溢料槽的样式。所述步骤1)具体可按照如下步骤进行：将3+2错层的叠层方式铺好层的布料放到头盔的凹模里，使布料初步形成头盔的模型，用手沿着弧线将布料的褶皱铺平，一边铺平一边在模具中旋转布料，使每一层布料不留有大的死褶，利用布料可以拉扯随型变形的性质，将布料铺于模具中；所述步骤2)液压固化步骤中，含有酰亚胺基团的树脂和固化剂的摩尔比为1：1～2；温度为120-130℃；压强为15-20mpa；时间为5-15min。选用具有酰亚胺基团的树脂，可使其与碳纤维和玻璃纤维具有良好的亲和力，经过反应能形成一个稳定的结构，在高温、高压条件下能够进行固化，且在头盔使用的环境温度为260℃的情况下不变形不熔化。所述步骤2)修边步骤具体可为：用角磨机处理上述头盔出模时边缘不光滑的部分，将毛刺除去；由于头盔表面为亮黄色，考虑可以将颜色加到树脂胶中，这样可以将盔压制成型的过程中同时着色，一次成型，免去后续喷漆的工艺。但经过几次试验发现，加进的颜料为无机颜料，不耐高温，压制成型后颜料变色、老化，很难控制达到预想效果，最后取消树脂胶中加颜料的方法给头盔着色，考虑喷涂表面漆。所述喷漆步骤中，所用漆为有机硅环氧漆。由于头盔需要耐受260℃的高温，因而其表面漆层在260℃高温条件下要求不变色、不脱皮、不爆裂、耐冲击。根据头盔树脂胶的性质，选取几种不同基体树脂的表面漆，最终确定为以有机硅环氧漆为原料的油漆，加颜料，加助剂。首次喷漆后，经过260℃高温后漆膜局部有脆裂现象，不能达到要求。在出现问题的基础上调整油漆树脂含量，增加柔韧性，但这样喷涂后干燥速度过慢，影响生产效率，继续对油漆进行调整。在原有漆的基础上加入高温稀释剂，但喷涂以后发现由于头盔表面太过光滑，影响油漆的附着力，头盔磕碰会有油漆局部脱落现象。经过多次试验反复推敲，最终将头盔表面进行喷砂处理，有凸凹明显的地方用高温腻子添补。为了增强漆的附着力，先喷涂一层耐高温底漆，待干透后再喷涂高温面漆。本发明还提供了一种头盔，该头盔包括头盔壳体、悬挂系统、披肩、面罩和粘扣；所述悬挂系统固定于所述头盔壳体的内部；其中，所述悬挂系统包括头盔帽衬、头顶网带、帽圈、下颌托和下颌带；所述头盔帽衬由硬质塑料件和软质塑料件装配而成；所述软质塑料件由调节圈、后侧固定架、前侧固定架、锁扣片和连接片组成；所述硬质塑料件由调节固定架、调节手轮和调节齿轮组成；其中，所述调节固定架带有锁道；所述披肩与悬挂系统通过所述粘扣和四合扣连接，且位于所述头盔壳体的后部；所述面罩安装在所述头盔壳体的外表面，且能够前后翻转；其中，所述头盔壳体为前述本发明提供的头盔壳体。所述头盔帽衬中，所述调节圈插入到调节固定架的锁道中，将调节圈围成可以调节大小的头箍，将所述前侧固定架与所述调节圈通过连接片连接，所述后侧固定架通过连接片固定到所述调节固定架上，所述调节齿轮固定到带有调节圈的后侧固定架上，所述头顶网带挂在调节圈顶部和后侧固定片顶部的卡扣上，通过锁扣片锁住卡扣；所述头顶网带由均力缓冲网及缓冲十字带组成；所述帽圈采用硬质塑料件对壳体外形进行整体支持，且可以根据自身头围多级调节，使头骨各部位离头盔壳体空间均保持在2cm以上，最大限度地减缓撞击强度和对头骨的局部冲击力；帽圈与皮肤接触部位采用防火毡外面包裹羊皮，吸汗透气，舒适合体；所述下颌托采用耐高温抗静电硅胶；所述下颌带采用阻燃非棉织带，柔软、快干，不会在长时间湿热状态下引起皮肤过敏。所述悬挂系统通过铆钉置于所述头盔的内部；所述悬挂系统不仅需要佩戴舒适，还需要具有耐冲击性能；所述披肩与悬挂系统通过粘扣和四合扣连接，且位于所述头盔的后部；所述面罩的形状与所述头盔壳体的形状匹配，且连接处为与耳包相同的弧形；所述面罩安装在所述头盔盔壳的外表面；所述粘扣将下颌带连接。所述头盔壳体中的耳包和前后侧固定筋的形状符合人体工学设计。上述头盔中，所述缓冲十字带为芳纶织带，更具体为耐高温芳纶织带；所述均力缓冲网为芳纶网眼布；所述粘扣为芳纶粘扣；所述披肩为由防护服面料和防热辐射涂层组成的双层结构。所述前侧固定架和后侧固定架通过螺丝连接而非现有头盔中的插接式连接方式，更加牢固稳定不易脱落且安装方便。上述头盔中，头盔耳包弧线的设计在满足防护功能的基础上，既要考虑到军人耳朵处突起佩戴舒服，又要考虑到不影响对外界的听力，利用计算机对人体头模数模，如图1所示，设计了耳包处的曲线，符合人体工学设计；头盔前、后侧固定筋是根据力学原理设计的突起部分，最大限度地减缓撞击强度和对头骨的局部冲击力。结合军人头型及对头骨最大限度的保护前提下设计头盔盔型，不仅使头盔具有很好的防护功能，而且使头盔的外型更美观、线条更流畅、佩戴更舒适。因盔体两侧带有耳包，这样导致连接处刮碰盔体内部的两侧，现面罩通过头盔的设计来确定，连接处改为与耳包相同的弧形，就不再与头盔相刮，增强了佩戴的舒适性。因为头盔需要耐受260℃的高温，所以对帽衬悬挂系统的所有部件同样需要耐260℃高温。因悬挂件是由塑料制品、粘钩、网眼布等材料制成。而260℃高温是大部分耐高温塑料的玻璃化温度的临界点，故此塑料原料必须进行改性才能满足条件。构成所述软质塑料件的材料为含铈聚硅氧烷改性的硅橡胶，具体可为购自深圳市富盛复合材料有限公司的产品；构成硬质塑料件的材料为聚四氟乙烯改性的尼龙，具体可为购自深圳市富盛复合材料有限公司的产品，产品编号为tppa。另外，上述本发明提供的头盔壳体或头盔在消防中的应用，也属于本发明的保护范围。本发明采用由碳纤维和玻璃纤维制作的消防头盔的盔壳，表面填充饱满，盔壳内表面平整；模压工艺制作盔壳，所得盔壳工艺性能稳定，制作效率高，一顶盔壳的制作时间为40-50min，大大缩短了制作头盔盔壳时间，而抽真空制作一顶盔壳的时间为2-2.5h，而且工艺稳定性差。本发明提供的消防头盔具有抗冲击、耐穿刺、耐燃烧、耐高温、电气绝缘等特殊的性能，处于国内领先水平，具有重要的应用价值。附图说明图1为酰亚胺基团生成图；图2为纤维布铺料图；由下至上，依次顺时针旋转22.5度依次为第1层：碳纤维，第2层：玻璃纤维；第3层：碳纤维；第4层：玻璃纤维；第5层：碳纤维。图3为悬挂系统整体效果图；图4为悬挂系统各部件示意图；图5为面罩示意图；图6为披肩结构示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。下述实施例中，构成软质塑料件的材料为购自深圳市富盛复合材料有限公司的含铈聚硅氧烷改性的硅橡胶，具体可为产品；构成硬质塑料件的材料为购自深圳市富盛复合材料有限公司的产品编号为tppa的聚四氟乙烯改性的尼龙。下述实施例所用脱模剂为购自北京科拉斯科技有限公司的产品编号为em-1212sf2的聚氟类有机磷酸脂水机脱模剂。实施例1、制作头盔盔体1)合成含有酰亚胺基团的环氧树脂和固化剂a、含有酰亚胺基团的环氧树脂的合成：将双官能团的环氧树脂、聚亚酰胺、环氧树脂(862)三种物质按摩尔比1：2：1加入反应釜中，充分搅拌加热，待温度提升到120℃，脱水反应开始，搅拌速度为每分钟200～220转，充分搅拌2小时后脱水1小时，溶液上下分层，将水从上面排除，继续加热，待温度上升到250℃，交联反应开始，反应24小时后取出反应样品，使用过滤纸过滤样品，待无颗粒状物质出现，反应结束，冷却待用。b、固化剂的合成：将三甲基六亚甲基二胺15ml、3-乙炔基苯胺30ml按照体积比1：2加入到反应釜中、再加入3ml乙酸酐、3ml三乙胺咪唑，将反应釜加热到60℃，充分搅拌，转数为每分钟120～130转，搅拌2小时后，继续加热到80℃，反应4小时后，停止搅拌，冷却分层，将杂质从反应釜下面放出，上面为固化剂样品，冷却待用。2)确定模压固化的最佳条件将含有酰亚胺基团的环氧树脂和固化剂以3：1的摩尔比例混合均匀，加热至80℃，得到高温树脂胶后快速倒入凹模内的料片上，倒胶完成后开启液压机缓慢合模，凸模缓慢下降至胶从四周溢出时停止下降，静止20秒使胶能完全侵入料片中，然后继续缓慢下降，使胶从四周流道缓慢溢出，确保高温树脂证胶充满整个料片，闭合模具，温度130℃，加压15mpa条件下保持10min，具体实验数据见表4、表5。表4、实验数据对比表通过上述表格可以看出，在130℃，凸模下降与凹模和模后静止20s为最佳的工艺条件。表5、实验数据对比表通过上述表格可以看出，在15mpa，保压10min为最佳的实验条件。通过不同状态下盔壳对比，浸胶不完全时的盔壳虽然盔壳已经固化，但表面有较多的气眼。3)制作头盔盔体a、采用溢料槽样式的模具，将模具的凸模和凹模擦拭脱模剂，再将碳纤维层和玻璃纤维层采用3+2错层的方式叠层，如图2所示，第一层为碳纤维层，平整置于模具内；具体为：将3+2错层的叠层方式铺好层的布料放到头盔的凹模里，使布料初步形成头盔的模型，用手沿着弧线将布料的褶皱铺平，一边铺平一边在模具中旋转布料，使每一层布料不留有大的死褶，利用布料可以拉扯随型变形的性质，将布料铺于模具中；b、将含有酰亚胺基团的环氧树脂和固化剂以摩尔比为3：1混匀倒入步骤a所得模具中进行模压固化，温度为130℃，15mpa条件下保压10min，固化完毕后修边：用角磨机处理上述头盔出模时边缘不光滑的部分，将毛刺除去；再进行喷漆，得到本发明提供的头盔壳体。实施例2、灭火头盔本发明提供的灭火头盔，包括头盔壳体、悬挂系统、披肩、面罩、芳纶粘扣和四合扣；悬挂系统固定于头盔壳体的内部；其中，悬挂系统包括头盔帽衬、头顶网带、帽圈、下颌托和下颌带；头盔帽衬由硬质塑料件和软质塑料件装配而成；软质塑料件由调节圈、后侧固定架、前侧固定架、锁扣片和连接片组成；硬质塑料件由调节固定架、调节手轮和调节齿轮组成；其中，调节固定架带有锁道；披肩与悬挂系统通过芳纶粘扣和四合扣连接，且位于头盔壳体的后部；面罩安装在头盔壳体的外表面，且能够前后翻转；所用头盔壳体为实施例1所得头盔壳体。所述头盔帽衬中，将调节圈3插入调节固定架5锁道中，将调节圈3围成可调节大小的头箍，通过连接片4将前侧固定架2与调节圈3连接起来，然后将后侧固定架1安装到调节固定架5上，将调节齿轮6安装到带有调节圈3的后侧固定架1上，再安装上调节手轮7将头顶网带(该头顶网带由作为均力缓冲网的芳纶网眼布构成及作为缓冲十字带的耐高温芳纶织带组成)安装到调节圈3顶部的卡扣上，并用锁扣片锁上。最后通过螺丝将安装好的前侧固定架和后侧固定架连接头盔上，即完成悬挂系统的装配，该装配好的悬挂系统如图3所示，各部件的示意图如图4所示。帽圈采用硬质塑料件对壳体外形进行整体支持，且可以根据自身头围多级调节，使头骨各部位离头盔壳体空间均保持在2cm以上，最大限度地减缓撞击强度和对头骨的局部冲击力；帽圈与皮肤接触部位采用防火毡外面包裹羊皮，吸汗透气，舒适合体；下颌托采用耐高温抗静电硅胶；下颌带采用阻燃非棉织带，柔软、快干，不会在长时间湿热状态下引起皮肤过敏。悬挂系统通过铆钉置于头盔的内部；图6所示披肩与悬挂系统通过粘扣和四合扣连接，且位于头盔的后部；图5所示面罩的形状与头盔壳体的形状匹配，且连接处为与耳包相同的弧形；面罩安装在头盔盔壳的外表面；利用芳纶粘扣将下颌带连接。头盔壳体中的耳包和前后侧固定筋的形状符合人体工学设计。披肩为由防护服面料和防热辐射涂层组成的双层结构。实施例3、头盔性能检测按照ga44—2015《消防头盔》要求送检12顶实施例2所得头盔样品，具体结果如表6：表6、头盔性能检测结果(ga44—2015)由表6可知，本发明提供的头盔表面填充饱满，盔壳内表面平整，具有抗冲击、耐穿刺、耐燃烧、耐高温、电气绝缘等特殊的性能，处于国内领先水平，具有重要的应用价值。当前第1页12