一种超高分子量聚乙烯三维织物的制备方法与流程

本发明涉及三维织物领域，尤其涉及一种超高分子量聚乙烯三维织物的制备方法。

背景技术：

随现代科学技术的飞速发展，攻击武器系统取得了长足的发展，迫使坦克车辆的金属防护层越来越厚，其战斗全重越来越大，严重影响作战的机动性能和快速反应能力。传统的金属材料越来越难以满足新型坦克车辆的综合战技指标要求。减轻装甲车辆自身重量、提高坦克车辆防护性能、增强战场突防能力，迫切需要应用轻质高强、具有良好抗弹性能和优良耐疲劳性能的轻质材料替代传统的金属材料。轻质防弹材料不仅要重量轻，同时还须满足抗弹、隐身、减震降噪、三防、阻燃等性能要求。现代侦察技术、攻击性武器制导技术、核辐射等的发展对装甲车体防护提出了更高的要求。单独使用传统的金属材料已不能满足各方面的需求。

随着世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的发展，高性能纤维得到了不断的发展创新，目前已经进入到了一个高速发展的阶段。纤维材料在防弹领域的应用崭露头角发挥了越来越重要的作用。尤其是uhmwpe纤维、芳香族聚酰胺纤维等高性能纤维在防弹装备方面的应用得到了各国军事力量的重视。

高性能纤维具有较高的强度、较高的模量和适当的断裂伸长率，且纤维的密度低于金属材料。因此，高性能纤维材料制成的防弹材料质轻、柔韧性好、防护效果佳。近年来，各国采用高性能纤维材料开发出了各种软式、软硬复合式防弹衣和防弹头盔。

纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、性能可设计性强、电性能好及耐疲劳性好等特点，将其与传统的防弹材料-诸如陶瓷、钢板等一一进行复合得到结构/功能一体化的轻质装甲材料,可降低装甲车辆战斗全重达30%以上,实现机动性和防护能力的统一,提高车辆的生存能力。

目前，应用于防弹领域的高性能纤维主要有碳纤维、芳纶、芳香族杂环类纤维、uhmwpe纤维、玻璃纤维，这五类纤维的性能对比见下表所示。

防弹纤维基本性能对比

进入21世纪以来，随着科学技术的发展，高性能纤维及其增强的复合材料被广泛应用于船舶、汽车、航空航天、国防兵器等各个领域，而且纤维增强树脂基复合材料在国民生产中所占的比重越来越大。目前，用于增强树脂基复合材料的纤维主要有碳纤维、芳纶及超高分子量聚乙烯纤维，是近年来不断发展起来的公认的高性能纤维，具有高强、高模、抗冲击、耐腐蚀等优良性能。

高性能纤维复合材料的轻量和柔韧，使得这些材料成了现代个体防弹领域的主导性材料。在防护铅芯的手枪弹或冲锋枪弹的软体防弹复合材料中，主要的高性能纤维包括芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、pbo纤维、炭纤维和玻璃纤维等，主要的织物形式有机织布、单向无纬布(ud布)、双轴向经(纬)编织物等。与其他织物相比，无纬布的生产方式避免了编织过程中对纤维的损伤．纤维的强度、模量等力学性能指标未受影响．而且在弹击后应力波和能量由弹击点向外传播速度更快。

相比于碳纤维与芳纶，超高分子量聚乙烯纤维不仅具有极高的强度，且其原料易得，加工相对容易，故在防弹领域，超高分子量聚乙烯纤维的发展也较为迅速。目前已商品化的几种uhmwpe纤维，相对密度为0.97g/cm3，是所有高性能纤维中密度最小的，是铝的l/3和钢的1/8，是芳纶的2/3，碳纤维的1/2；uhmwpe纤维复合材料要比芳纶复合材料轻20％，比碳纤维复合材料轻30％。传统的超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料多以ud布的形式成纤，其为多层高强度纤维按照垂直的方式叠加并通过热压而成的片材。ud布是一种二维织物，由2个相互垂直排列的纱线系统按照一定的规律交织而成。

已公告的中国专利cn204612596u本实用新型公开了一种防弹胸插板。所述防弹胸插板由陶瓷迎弹面和超高分子量聚乙烯背衬板组成。超高分子量聚乙烯防弹背衬板由多层超高分子量聚乙烯带式片材热压成型，或者超高分子量聚乙烯带式片材与超高分子量聚乙烯无纬布热压成型。胸插板，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯带式片材是由1-6层单条超高分子量聚乙烯带片层构成，并且相邻层的超高分子量聚乙烯带片层交错排布；其中所述的超高分子量聚乙烯带片层是由两层超高分子量聚乙烯带正交编织而成，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯带式片材是由2-10层超高分子量聚乙烯带片层单方向排布构成，并且相邻的超高分子量聚乙烯带片层与该带片层成垂直方向铺层。该专利中涉及的超高分子量聚乙烯胸插板，纤维片层垂直排列，以树脂相互连接，在受到子弹、弹片袭击时，易造成纤维片层见连接性不足，使其耐冲击性不足，从而导致防弹性能较差。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种超高分子量聚乙烯三维织物的制备方法，涉及的超高分子量聚乙烯三维织物作为预制件，制成复合材料后具有较好的防弹性能，在受到外力冲击时，纤维结构间的良好连接，使冲击力分散，能有效防止子弹、弹片的穿透，对人体或装甲车车辆具有良好的防弹性能。

本发明选取3种结构的三维组织：浅交弯联、浅交直联、深交联。

本发明涉及的超高分子量聚乙烯三维织物制备过程如下：

（1）纤维准备：将超高分子量聚乙烯纤维进行加捻，捻度为40~90捻/米，所述的超高分子量聚乙烯纤维的线密度为400~3200d，优选1200~3200d；断裂强度为27~35cn/dtex，优选30~35cn/dtex；断裂模量为900~1400cn/dtex，优选1200~1400cn/dtex；断裂伸长率小于3.5%。

（2）纤维分卷：将加捻后的超高分子量聚乙烯纤维分装到三维编织机小卷上，每颗小卷重量为0.4~0.6kg。

（3）整经：将超高分子量聚乙烯纤维小卷按照顺序排列在丝架上，并沿一个方向进行，依次穿过丝网、分层架、综框，缠绕在导辊上；其中，综框上采取顺穿法，依次穿过8~12个综框；穿筘采用一筘一穿法或一筘两穿法；丝束穿程如图1所示。

（4）编织：启动电脑，打开编织系统，输入纹板图，设置纬密，纬密一般为400~1200根/cm；打开空压机，将气体入口打开；然后将编织机控制台上的状态调整至“工作”，开始编织。

（5）当编织到所需的长度，将织物从编织机上取下；浅交弯联、浅交直联、深交联三种结构的三维织物经向剖面示意图如图2所示。

（6）边缘整理：织好的三维织物边缘有多余的纬纱，将多出的纬纱剪掉，并将边缘修整整齐。

本发明所述的超高分子量聚乙烯三维织物的制备方法，不局限于超高分子量聚乙烯纤维，碳纤维、芳纶、玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种均可以采取这种编织方法进行三维结构编织。

本发明所述的超高分子量纤维三维织物预制件不仅可以用于装甲车及防弹领域还可用于户外运动负荷材料，如冲浪板、滑板；箱体，如汽车盖板等；建筑材料，如玻璃钢替代负荷材料等。

纤维增强复合材料由于纤维和基体的不同，品种很多，三维织物增强是复合材料中一种有效的增强形式，在二维织物的基础上，沿织物厚度方向引入捆绑纱加强了三维织物的层间联系，预制件整体性提高，显著提高了织物的层间剪切强度和抗冲击性能，从而极大的提高了材料的抗损伤容限。

三维织物在实际加工和生产中，可设计性好，生产成本低，因此以三维织物为基础的相关制件和产品较为容易实现，三维织物预制件中经纬纱线沿面内和厚度方向分布，形成空间网状结构，这种结构赋予复合材料高比刚度、高比强度等优点，而且使其具有良好的整体成型性，显著提高了层间性能和损伤容限。采用三维织造技术可以直接织制出各种形状、不同尺寸的三维机织物。

三维编织复合材料弹道冲击破坏形态与二维织物相比，破坏发生于局部，复合材料横向整体变形较小，细观上正面纤维的断裂面较为光滑，少部分纤维呈原纤化状态，而反面纤维大量表现为纤维的原纤化。

超高分子量聚乙烯纤维增强的三维编织织物的防弹性能要优于其他形式的织物，主要是因为其中的横向纱线的存在以及其良好的结构整体性，高的抗侵彻性能以及低损坏特性。

本发明的有益效果是：超高分子量聚乙烯三维织物作为预制件，制成复合材料后具有较好的防弹性能，在受到外力冲击时，纤维结构间的良好连接，使冲击力分散，能有效防止子弹、弹片的穿透，对人体或装甲车车辆具有良好的防弹性能。

附图说明

图1是本发明的浅交弯联三维织物经向剖面示意图。

图2是本发明的浅交直联三维织物经向剖面示意图。

图3是本发明的深交联三维织物经向剖面示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

本实施例提供一种超高分子量聚乙烯三维织物的制备方法，断裂强度32cn/dtex，断裂模量1200cn/dtex；断裂伸长率2.78%，线密度3200d。

（2）超高分子量聚乙烯纤维加90捻，并分出80个小卷，每个小卷0.5kg；

（3）将小卷按照10×4的方式排列在丝架两侧上；并以此通过丝网、分层架、综框、综筘，缠绕在导辊上。

（4）启动电脑，打开编织系统，输入深交联纹板图，设置纬密1000根/cm，打开空压机，将气体入口打开。然后将编织机控制台上的状态调整至“工作”，开始编织。

（5）编织长度至55cm，从导辊上将织物取下，并将边缘修整整齐，可用于复合材料预制件使用。