一种梯度矿化的仿生复合纤维防刺结构及其制备方法和应用

本发明涉及个体防护，特别是涉及一种梯度矿化的仿生复合纤维防刺结构及其制备方法和应用。

背景技术：

1、传统防护装备一般来说防护性能优异，但比重大、质地硬，在空气稀薄地区尤其消耗体力，严重影响机动性和灵活性。防护装备一般由高性能纤维材料组成，对纤维材料做改进虽然能使装备柔软和轻量化，但是防护性能大幅降低，取其平衡一直是防护装备研制与应用领域的痛点和难点。生物盔甲为解决轻量化与防护性不兼得的难题提供了一条可行的技术途径。不同于普通鱼类的板状鳞，腔棘鱼进化出了矿化和微矿化的胶原纤维组成的弹性鳞。胶原纤维是鳞片的主要组成部分，使得鳞片整体柔软灵活。胶原纤维具有高拉伸强度和韧性，可以有效分散冲击载荷并抑制裂纹扩展。矿化胶原纤维中的矿物质的硬度和不锈钢相当，提供出色的抗穿透能力。由表到里的胶原纤维的矿化程度由高到低，使鳞片防护能力最大化的同时轻量化和柔软，保证被防护部位的安全和灵活。因此，基于腔棘鱼生物特性的仿生防护结构有望在保证防护的前提下突破重量和柔软度的限制，成为新一代超轻、超柔、超强防刺服的核心组成。但是早期基于生物鳞片、板甲宏观结构的仿生结构具有厚重、防护效能低、生产和维护成本高昂等不足。

2、因此，针对个体防护装备结构发展中存在的在提高防护性能的同时，无法实现轻量化和柔软的问题，本发明提供一种梯度矿化的仿生复合纤维防刺结构及其制备方法和应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种梯度矿化的仿生复合纤维防刺结构及其制备方法和应用，以解决上述现有技术存在的问题。本发明通过模拟腔棘鱼鳞片微观的梯度矿化的胶原纤维结构，增强个体防护装备的防护性能，同时兼顾轻量化和柔软，保证人员的机动性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种梯度矿化的仿生复合纤维防刺结构，所述梯度矿化的仿生复合纤维防刺结构由n层仿生纤维复合得到，其中，2≤n≤17；

4、所述仿生纤维由含有不同浓度硬质粒子的浸渍液对纤维进行浸渍得到；

5、所述仿生纤维按照硬质粒子的梯度含量进行复合。

6、作为本发明的进一步优选，所述硬质粒子为二氧化硅、碳化硅和羟基磷灰石中的一种；所述硬质粒子的粒径为10～500nm。

7、作为本发明的进一步优选，所述浸渍液的原料包括树脂、固化剂和硬质粒子。

8、作为本发明的进一步优选，所述纤维为芳纶纤维、聚乙烯纤维和碳纤维中的一种，更优选的，所述纤维为纤维织物，纤维织物的尺寸为(100～500mm)×(100～500mm)；所述树脂为环氧树脂、酚醛树脂和脲醛树脂中的一种；所述固化剂为胺类固化剂。

9、作为本发明的进一步优选，所述树脂和固化剂的质量比为10:2～4；所述硬质粒子的质量分数为树脂和固化剂质量总和的0～10％。

10、作为本发明的进一步优选，所述硬质粒子为表面改性的硬质粒子，所述表面改性为采用氨基硅烷偶联剂对硬质粒子进行表面改性。

11、本发明在仿生纤维中添加浓度0-10％的硬质粒子，提高防护性能。硬质粒子浓度超过10％，团聚效应显著，分散不均匀，形成缺陷，降低防护性能。

12、本发明还提供了上述梯度矿化的仿生复合纤维防刺结构的制备方法，包括以下步骤：

13、将所述纤维置于所述含有不同浓度硬质粒子的浸渍液中进行浸渍，浸渍后模压，得到含有不同浓度硬质粒子的仿生纤维；

14、将所述含有不同浓度硬质粒子的仿生纤维按硬质粒子含量梯度分布的方式进行复合，得到所述梯度矿化的仿生复合纤维防刺结构。

15、作为本发明的进一步优选，将所述纤维浸渍前还包括对纤维进行干燥，更优选的，所述干燥在真空条件下进行，所述干燥的真空度为-0.1mpa，温度为25℃，时间为1～3h。对纤维织物干燥以脱除表面水分。

16、作为本发明的进一步优选，所述复合的方式为叠放，非粘接形式。

17、作为本发明的进一步优选，所述含有硬质粒子的浸渍液由树脂、固化剂和硬质粒子顺次进行超声分散、真空脱气得到，更优选的，所述超声分散的时间为5～10min，超声分散的功率为300w，40hz，所述真空脱气的时间为5～10min，真空脱气的真空度为-0.1mpa。

18、作为本发明的进一步优选，所述浸渍的时间为5～10min，更优选的，所述浸渍的过程中还包括超声分散，所述超声分散的时间为5～10min，超声分散的功率为300w，40hz；所述成型在真空条件下进行，所述成型的真空压力为-0.09～-0.1mpa，所述成型的温度为0～200℃，所述成型的时间为1～3h，更优选的，所述成型为真空模压工艺，所述成型的真空压力为-0.1mpa，所述成型的温度为100～200℃，所述成型的时间为3h。

19、本发明还提供了上述梯度矿化的仿生复合纤维防刺结构在制备个体防护材料中的应用。

20、本发明公开了以下技术效果：

21、1)本发明的梯度矿化的仿生复合纤维防刺结构使用高性能纤维树脂基复材仿制腔棘鱼鳞片中的胶原纤维及胶原基质，高比强度和韧性的芳纶纤维可以发挥和胶原纤维一样的作用，并且强度更高；添加纳米硬质粒子，仿制腔棘鱼鳞片中的矿化胶原纤维，高硬度的纳米粒子可以发挥和鳞片中矿物质一样的作用，并且硬度更高；使用硅烷偶联剂表面改性的纳米硬质粒子微球，可以使其在防刺结构中分布更均匀，结合界面性能更强；使用含有硬质粒子的纤维树脂基复材模仿鳞片矿化胶原纤维的微观结构，在结构上也采用梯度设计，从表层到里层，仿生纤维的面密度、防刺吸能能力和弯曲刚度由高到低排列，最大程度保证防护装备的防护能力的同时，兼顾了轻量化和柔软，保证人员的机动性和灵活性。

22、2)本发明提供的梯度矿化的仿生复合纤维防刺结构为多层纤维复合梯度结构，模拟腔棘鱼鳞片微观的梯度矿化的胶原纤维结构，从而达到增强防护性能、轻量化和柔软的效果。与普通防护结构相比，本发明的防刺结构穿刺能量吸收能力提升8～8.6％，贴身里层仍保持柔软舒适，在防护装备领域有良好的应用前景。17层仿生纤维复合而成的防刺结构可以达到行业标准ga68-2019警用防刺服的防护标准，在a类刀具24j动能下不穿透，总面密度约为5600g/m2，优于市面柔性防刺结构(≥6000g/m2)。因此，2～17层仿生纤维形成的梯度矿化的仿生复合纤维防刺结构可以满足各种防护场景需求。

23、3)将含有相同浓度硬质粒子的仿生纤维复合而成的防刺结构，存在防护能力和柔软舒适度不足。本发明按照防刺材料外强内柔的设计理论将仿生纤维按照硬质粒子的梯度含量进行复合，形成梯度矿化的仿生复合纤维防刺结构。其优势在于防护表层硬质粒子含量高，防刺性能最好，且能有效钝化刀尖、刀刃，降低其对里层材料的穿透；贴身里层硬质粒子含量低，柔软舒适性最好，保证穿着人员的灵活机动。

24、4)本发明通过使用表面改性的硬质粒子，配合超声波分散和真空脱气的处理，并使用真空模压工艺，保证制备结构样件的致密性和均质性。生产制备质量均一性良好，且无三废等污染物产生，无需复杂生产设备，生产成本低，适合大规模工业化生产。