应用于柔性防刺服领域的高支碳纤维面料及其生产方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及防护材料的防刺服生产领域，具体涉及一种应用于防刺服装，具备高支和柔软特点的碳纤维面料及其生产方法。
【背景技术】
[0002]防刺马甲等防刺服装一般由芳纶纤维(比如芳香族聚酰胺纤维)、尼龙纤维、玻璃纤维等高强高模的纤维组成。目前各类防护材料如防刺马甲或者防刺服装的一部分就是这些高强高模的纤维通过针织生产方法或机织生产得到的。
[0003]防刺材料是否具备优良的防刺性能和以下几个因素有关:(I)采用的原料，不同纤维的防刺性能不一，同种纤维不同品种的防刺性能也不一样，纤维的熔点，热稳定性，拉伸模量，分子量、取向度，分子结构等都会影响其织物的防刺性能；(2)织物的密度，对于蚕丝类织物，织物密度较低，可以提高防刺性能，而对于对于尼龙类织物，织物密度的提高有利于防刺性能，由凯夫拉类纤维面料的防刺性能也随着织物密度的增加而提高；(3)织物的纤维网络或者纱线网络的层数以及层状结构加工方法，一般织物的层数越多，防护性能相对较优异，缝合得到的多层织物和粘合得到的多层织物不仅面料的柔软性有差异，防刺性能也有差异；(4)涂层技术，织物的涂层材料以及涂层方法也会影响织物的防刺性能。
[0004]在我国，虽然枪械类武器的管制较严格，但是来自匕首、尖刀以及刺刀等尖锐利刃型武器的危险却防不胜防。传统的以整体金属板、陶瓷片以及塑料片等为防刺材料的硬质防刺服逐渐显露出不足和缺陷，笨重不易行动并且服用舒适性差。纤维类材料的发展也带动了柔性轻质防刺衣的研究和发展。新兴的防刺服纤维材料包括凯夫拉纤维、高强聚乙烯纤维等。
【发明内容】
[0005]针对现有防刺服面料的缺陷以及发展趋势，申请人经过研究和改造提供一种应用于柔性防刺服领域的高支碳纤维面料及其生产方法，通过不同高强纤维的选取，制备得到了碳纤维，并辅以织物涂层技术和层状堆叠，解决了目前防刺服面料生产领域的一些问题。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]本发明在制备碳纤维原料的选择上首先选择了高强高模聚乙烯纤维，这种高强高模聚乙烯纤维的分子量在500000以上，最高达到1000000甚至2000000?5000000之间。通过凝胶纺丝-超拉伸法得到的聚乙稀纤维的拉伸模量在15g/den以上，最高达到30g/den。这些高分子量的聚乙烯纤维的熔点和取向度也比原生纤维高。虽然高分子聚乙烯纤维的熔点比尼龙低只有138°C，，但是防刺性能比尼龙好。本发明还选择了分子量不小于2000000，拉伸模量在llg/den以上的聚丙烯纤维作为原料。因为这种纤维取向度良好，但是拉伸强度和结晶度比聚乙烯低，但是拥有侧甲基，熔点在170°C以上。对于聚乙烯醇的选择，本发明选用分子量在1500000?2500000的聚乙烯醇纤维，拉伸模量在17g/den以上，断裂能在22J/g以上。本发明的面料的聚丙烯腈原料分子量在1000000以上，拉伸模量不小于lOg/den，断裂能不小于22J/g。以这些纤维得到的高强碳纤维的拉伸模量可以最高达到1300g/den，断裂能在22J/g，甚至最高达到55J/g。
[0008]在已选择好纤维原来的基础上，本发明对织物的生产方法包括，采用无捻纱和有捻纱，采用非织造，针织以及机织方法(织物的组织平纹，斜纹，方平等)包括生产面料。本发明还采用了弹性材料对织物的每一层纤维网络进行涂层处理，织物的每一层纤维网络各自界限分明，弹性材料涂层之后还保持了织物总体的柔软和弹性。对本发明的防刺面料的弹性性能测试使用重锤法，测试时将织物面积为30cm2，织物单位重量为2kg/m2的多层防弹面料样品的一段水平夹持，下端留下21cm长的测试长度。
[0009]具有防刺功能的多层织物可以通过缝合多层纤维网络层得到，但是缝合得到的多层防刺织物柔软性较差。本发明采用的纤维涂层技术可以应用于机织面料、非织造面料以及针织面料，同时经涂层处理的各层纤维网络平行堆叠或组成纤维板结构，都可以提高防刺面料的防护能力。
[0010]涂层材料占织物的总体质量的百分比从0.1%到60%，这主要取决于涂层材料的刚度，，涂层手感，抗热性能，涂层牢固度，阻燃性能以及防护类材料需要的特殊性能。本发明的面料涂层材料所占面料质量比相对较小，为0.1 %?30%，因为织物的防刺功能主要靠组成网络的碳纤维实现。未来，高涂层材料含量的涂层类防弹衣也可能会被应用。
[0011]对纤维进行涂层处理的方式有很多。一种就是涂层材料的树脂溶液涂覆到被拉伸的高模量纤维表面，也可以将涂层材料以液体、固体粘连剂、悬浊液微粒以及流化床的形式对纤维进行涂层。纤维的涂层处理可以在涂层材料的溶液或者以涂层材料作为溶剂的乳浊液中进行，这样可以减少对纤维的损伤不会影响到纤维的后续应用性能。一般的溶剂比如水，石蜡油类，芳环类溶剂以及烃类有机溶剂等都可以作为涂层材料的溶剂。最常用的溶剂是石蜡油、二甲苯、甲苯以及辛烷。在本发明中，在这些溶剂中溶解或均匀分散涂层材料的方法和使用类似弹性涂层材料对其他基底物质进行涂层的传统方法一样。
[0012]对纤维进行涂层处理还可以在对纤维高温牵伸之前进行，包括对高模量纤维高聚物前驱体(冻胶纤维)进行涂层处理，对在纺丝液溶剂挥发之前或挥发之后的原纤维进行涂层处理。这样纤维经过升温牵伸后也可以得到涂层纤维。冻胶纤维在一定条件下经过溶解有涂层材料的溶液(溶剂为石蜡油类溶剂、芳香族类溶剂以及脂肪族溶剂)就可以得到符合生产要求的涂层纤维。由于高分子量的聚乙烯冻胶纤维只有在通过凝固浴时才会充分结晶，所以对高分子量聚乙烯的涂层处理通过先将纤维挤入有涂层材料粉末的流化床，而后冷却固化。
[0013]如果纤维需要通过牵伸、溶剂转换、干燥固化等其他后续加工过程才能达到所需要的使用性能，那么涂层处理最好在纤维前驱体时进行。这样在后续加工过程中，只需要对含有涂层材料的纤维前驱体进行加工就可以减少涂层对纤维韧性、模量以及其他性能的不良影响，得到符合生产要求的涂层纤维。比如Kavesh的干凝胶进行涂层处理，然后在一定温度下进行按一定比例进行牵伸，就可以得到韧性和模量和同品种未涂层纤维相近的涂层Kavesh 纤维。
[0014]最理想的涂层方法使将纤维形成一个纤维网络，而浸渍到含有低模量弹性涂层材料的溶液中，对纤维网络进行共浴整理。而后对溶剂进行蒸发，便可将涂层材料成功涂层到纤维网络上，如果最后对涂层材料的厚度有一定要求，共浴涂层整理可以重复进行。
[0015]本发明考查了多种低模量的弹性涂层材料和涂层整理液配方。但是涂层整理最重要的是涂层材料必须为低分子量材料。关于低分子量弹性涂层材料的结构，性能，整理液配方以及和纤维的交联原理都有人做过相关整理总结，这里就不再赘述。适合作为涂层材料的包括天然橡胶、聚异戊二烯、乙丙烯共聚物、聚硫化物、离子化的聚氯乙烯、聚氯乙烯、聚酯、氯磺化聚氯乙烯等。
[0016]常用的弹性涂层材料是共轭二烯的嵌段共聚物和乙烯基芳香族单体类物质，前者比较合适的是丁二烯和橡胶，后者比较合适的弹性材料包括丁基苯乙烯、苯乙烯、乙烯基甲苯。接枝上异戊二烯基团的嵌段共聚物可以再通过加成反应从而得到具有热塑性的饱和烃类弹性材料。这些嵌段共聚物的种类包括08)?型嵌段共聚物，ABA型嵌段共聚物以及(AB)nX放射型嵌段共聚物。
[0017]具有弹性的涂层涂料至少包括上述一种弹性有机物分子。此外，低分子量的弹性材料还可以包括