杨年慈 (中国湖南省临澧经济开发区太平大道1号, Hunan 1, 415211, CN)
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吴志泉 (中国湖南省临澧经济开发区太平大道1号, Hunan 1, 415211, CN)
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| 权 利 要 求 1、 一种防刺防弹材料， 包含防刺层和防弹层， 其中： 防刺层为至少一层，每层为两个由高强高模纤维单取向预浸带正交复 合的单元组成， 相邻单元的相邻层纤维取向之间旋转小于等于 45 ° 相互 复合， 防剌层的两面粘合有双向拉伸有机薄膜；双向拉伸有机薄膜的粘合 是采用苯乙烯-乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯聚合物和马来酸酐改性苯乙烯-乙 烯 -丁烯 -苯乙烯聚合物的溶剂型胶粘剂； 防弹层为至少一层，每层为两个由高强高模纤维单取向预浸带正交复 合的单元组成， 相邻单元的相邻层高强高模纤维取向之间旋转 90° 相互 复合， 防弹层的两面粘合有聚乙烯薄膜；聚乙烯薄膜的粘合是采用苯乙烯 -乙烯-丁烯-苯乙烯聚合物、 苯乙烯-乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯聚合物或它们 共混物的溶剂型胶粘剂， 其中所述防刺层和防弹层相邻设置或与夹于其间的任选的其它层形 成夹心结构。 2、 根据权利要求 1所述的防刺防弹材料， 其中， 所述的高强高模纤 维是高强高模聚乙烯纤维、 芳纶或聚芳酯纤维。 3、 根据权利要求 1或 2所述的防剌防弹材料， 其中， 所述高强高模 纤维强度至少为 32cN/dtex， 模量至少为 1000cN/dtex。 4、 根据权利要求 3所述的防剌防弹材料， 其中， 所述高强高模纤维 强度为 35cN/dtex， 模量为 1 100cN/dtex。 5、 根据权利要求 1所述的防刺防弹材料， 其中， 所述高强高模纤维 预浸带的单层面密度为≤4(^/1112。 6、 根据权利要求 1所述的防剌防弹材料， 其中， 所述的双向拉伸有 机薄膜是双向拉伸聚丙烯薄膜、聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜或聚苯二甲酸乙 二醇酯薄膜。 7、 根据权利要求 6所述的防剌防弹材料， 其中， 所述的双向拉伸有 机薄膜是双向拉伸聚酯薄膜。 8、 根据权利要求 7所述的防剌防弹材料， 其中， 所述的双向拉伸聚 酯薄膜的厚度≤5μπι。 9、 根据权利要求 7所述的防刺防弹材料， 其中， 所述的双向拉伸聚 酯薄膜， 其纵向横向拉伸强度各大于 200和 240MPa， 模量各大于 4000 禾口 5000 MPa， 纵向横向断裂伸长各为 130%禾口 140%。 10、 制备权利要求 1所述防刺防弹材料的方法， 主要步骤为： 1 ) 无衬膜单取向预浸带连续卷材的制备 将高强高模纤维置于平行丝架上，纤维丝束在牵引机拖动下均匀间隔 排布， 高强高模纤维同步喂入摩擦辊装置， 经静摩擦纤维携带高压静电， 束纤维中的单丝在静电力作用下相互排斥， 达到均匀排列状态； 纤维经浸胶和刮胶，胶粘剂固化成型，使高强高模纤维单取向均匀排 列状态于以保持， 在进一步干燥下获得无衬膜纤维单取向预浸带连续卷 材； 2 ) 无衬膜二层正交复合单取向纤维预浸带连续卷材的制备 将步骤 1制备的无衬膜纤维单取向预浸带连续卷材裁剪成方形片材， 在步骤 1的无衬膜单纤维取向被浸胶后胶粘剂尚未干燥之处，将方形片材 按邻近两层纤维取向正交形式叠加和粘合并加压复合， 实现 [0°/90°]的正 交在线复合， 制备得到 [0°/90°]无衬膜二层正交复合纤维单取向预浸带连 续卷材； 3 ) 防弹用四层正交复合单取向预浸带连续卷材的制备 将步骤 2中的 [0°/90°]无衬膜二层正交复合纤维单取向预浸带连续卷 材再次实施邻近层纤维取向正交的热复合，制得无衬膜四层正交复合纤维 预浸带连续卷材， 并在该卷材的两面粘合聚乙烯薄膜， 获得 [0°/90°]2四 层正交复合结构的防弹用连续卷材； 4 ) 防刺用四层交叉复合单取向预浸带连续卷材的制备 将步骤 2制备得到的 [0°/90°]无衬膜二层正交复合纤维单取向预浸带 连续卷材， 与 [0°/90°]无衬膜二层正交复合纤维单取向预浸带连续卷材实 施邻层纤维取向交叉角为 45°的热复合 （0°/90°、 45°/135° ) , 之后在该材 料的两面喷涂胶粘剂， 粘合高强聚丙烯薄膜、 聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜或 聚苯二甲酸乙二醇酯薄膜进行复合，得到二单元交叉复合的防刺兼防弹用 材； 将四单元 （0°/90°、 45°/135°、 0°/90。、 45°/135° ) 交叉复合， 两侧粘 合高强聚丙烯薄膜、聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜或聚苯二甲酸乙二醇酯薄膜 进行复合， 由此， 得到四单元 45°交叉复合的防刺兼防弹用材。 II |
本发明涉及一种软质防刺防弹材料。
本发明还涉及上述软质防刺防弹材料的制备方 法。 背景技术
枪击与刀刺是构成对人体伤害的两大威胁， 枪击还是刀刺往往对个体 防护者来讲是无法预测的， 因此个体装备同时具有防刺和防弹的功能是十 分必要的。 然而防刺与防弹的机理存在很大差异， 材料同时兼顾两种功能 十分困难。
人们对 P刀的穿刺作了一些探讨（详见 Textile Research Journal vol 76 ( 8 ) 607-613 ),指出锐利刀尖具有极大的穿刺能力以及锋利 刃对材料具 有极大的切割作用， 为此人们围绕着以下两个方面展开了研究：
(一） 抵御锐利刀尖的穿刺： 如 US2004/0048536A, , US6586351B, 提出以高强织物表面粘合固体硬质颗粒， 以此起到对刀尖的抵御；
(二） 抵御锋利刀刃的切割： 如 US5472769、 US5736474A、 ^^^。(^/(^？？斗？八，提出了织物与金属网混 结构，或不锈钢长丝加捻成股 结构来抵御锋利刀刃的切割； US6280546 提出了织物表面粘合热塑性薄 膜， 由此来提高材料的抗切割能力。
上述措施整体效果欠佳， 且缺乏防弹作用。
杜邦公司在 US6475936B,提出了以膨松的破经缎纹的芳纶织物 防 刺层，并以细旦高紧密度的芳纶平紋织物为防 弹层。两者叠加能起到防刺、 防弹的兼顾作用， 然而芳纶的破经缎纹加工技术和细旦丝的成本 ， 很难被 用户接纳， 由此造成这种防刺、 防弹材料没有被市场接受。
Honeywell公司在 WO2007/084104A 2 提出一种以多层 HSHM-PE织物 与橡胶复合制得防刺层材料，又以 Honeywell公司 LCR的 UD多层叠加作 为防弹层材料。 上述两种材料依次叠加， 显示出防刺防弹的兼顾作用， 然 而该种材料中的防刺层加工难以产业化。 发明内容
本发明的目的在于提供一种软质防刺防弹材料 。
本发明的又一目的在于提供一种制备上述软质 防刺防弹材料的方法。 为实现上述目的， 本发明提供的软质防刺防弹材料， 由防刺层和防弹 层组成， 其中：
防刺层为至少一层， 每层为两个由高强高模纤维单取向预浸带正交 复 合的单元组成， 相邻单元相邻层纤维取向之间旋转 45 ° 相互复合， 防剌层 的两面粘合有高强聚丙烯薄膜、 聚酯薄膜、 聚酰亚胺薄膜或聚苯二甲酸乙 二醇酯薄膜；薄膜的粘合是采用苯乙烯 -乙烯 -乙烯 -丙烯 -苯乙烯聚合物和马 来酸酐改性苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯聚合物为 胶粘剂；
防弹层为至少一层， 每层为两个由高强高模纤维单取向预浸带正交 复 合的单元组成， 相邻单元相邻层纤维取向之间旋转 90° 相互复合， 防弹层 的两面粘合有聚乙烯薄膜； 聚乙烯薄膜的粘合是采用苯乙烯-乙烯-乙烯-丙 烯-苯乙烯聚合物、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯 合物或它们共混物的溶剂型 胶粘剂，
其中所述防刺层和防弹层相邻设置或与夹于其 间的任选的其它层形 成夹心结构。其中所述的其它层包括但不限于 高强高模纤维单取向预浸材 料。
所述的防刺防弹材料中， 高强高模纤维预浸带单层的面密度为 <40g/m
本发明采用的是高强高模聚乙烯纤维、 芳纶或聚芳酯纤维， 其中更为 可取的是高强高模聚乙烯纤维。
本发明的高强高模纤维， 是指其强度至少为 32cN/dtex， 模量至少为 1000cN/dtex,更为可取的纤维强度为 35cN/dtex,模量至少为 1 100cN/dtex。
本发明的防刺层两侧粘合的高强双向拉伸有机 薄膜， 可以是双向拉伸 聚丙烯薄膜、 聚酯薄膜、 聚酰亚胺薄膜或聚苯二甲酸乙二醇酯薄膜， 其中 更为可取的是双向拉伸聚酯薄膜； 该双向拉伸聚酯薄膜的薄膜厚度为 <15μιτι, 更为可取的薄膜厚度≤5μπι。
本发明的防刺层两侧粘合的双向拉伸有机薄膜 ， 其纵向横向拉伸强度 各大于 200和 240MPa,模量各大于 4000和 5000 MPa， 纵向横向断裂伸长 各为 130%和 140%。 例如， 在某些优选实施方案中， 可采用其纵向横向拉 伸强度各大于 200和 240MPa，模量各大于 4000和 5000 MPa, 纵向横向断 裂伸长各为 130%和 140%的双向拉伸聚酯薄膜。
本发明提供的制备上述防刺防弹材料的方法， 主要步骤为：
1 ) 无衬膜单取向预浸带连续卷材的制备
将高强高模纤维置于平行丝架上， 纤维丝束在牵引机拖动下均匀间隔 排布， 高强高模纤维同步喂入摩擦辊装置， 经静摩擦纤维携带高压静电， 束纤维中的单丝在静电力作用下相互排斥， 达到均匀排列状态；
纤维经浸胶和刮胶， 胶粘剂固化成型， 使高强高模纤维单取向均匀排 列状态于以保持， 在进一步干燥下获得无衬膜纤维单取向预浸带 连续卷 材；
2 ) 无衬膜二层正交复合单取向纤维预浸带连续卷 材的制备
将步骤 1制备的无衬膜纤维单取向预浸带连续卷材裁 成方形片材， 在步骤 1的无衬膜单纤维取向被浸胶后胶粘剂尚未干 之处， 将方形片材 按邻近两层纤维取向正交形式叠加和粘合并加 压复合，实现 [0°/90 ]的正交 在线复合，制备得到 [0°/90°]无衬膜二层正交复合纤维单取向预浸 连续卷 材；
3 ) 防弹用四层正交复合单取向预浸带连续卷材的 制备
将步骤 2 中的 [0°/90°]无衬膜二层正交复合纤维单取向预浸 连续卷 材再次实施邻近层纤维取向正交的热复合， 制得无衬膜四层正交复合纤维 预浸带连续卷材， 并在该卷材的两面粘合聚乙烯薄膜， 获得 [0°/90°] 2 四层 正交复合结构的防弹用连续卷材；
4 ) 防刺用四层交叉复合单取向预浸带连续卷材的 制备
将步骤 2 制备得到的 [0°/90°]无衬膜二层正交复合纤维单取向预浸 连续卷材，与 [0°/90°]无衬膜二层正交复合纤维单取向预浸 连续卷材实施 邻层纤维取向交叉角为 45°的热复合（0°/90°、 45 135° ) , 之后在该材料的 两面喷涂胶粘剂， 粘合高强聚丙烯薄膜、 聚酯薄膜、 聚酰亚胺薄膜或聚苯 二甲酸乙二醇酯薄膜进行复合， 得到二单元交叉复合的防刺兼防弹用材； 将四单元 （0°/90°、 45。/135°、 0°/90°、 45°/135° )交叉复合， 两侧粘合高强 聚丙烯薄膜、 聚酯薄膜、 聚酰亚胺薄膜或聚苯二甲酸乙二醇酯薄膜进行 复 合， 由此， 得到四单元 45°交叉复合的防刺兼防弹用材。
本发明的纤维为高强聚乙烯纤维、 芳纶或聚芳酯纤维， 其中可取的是 高强聚乙烯纤维， 纤维强度至少为 32cN/dtex， 模量至少为 1000cN/dtex。 更为可取的纤维强度至少为 35cN/dtex， 模量至少为 1 100cN/dtex。
本发明中聚乙烯薄膜的粘合是采用苯乙烯-乙 -乙烯-丙烯-苯乙烯聚 合物或苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯聚合物。
本发明中高强聚丙烯薄膜、 聚酯薄膜、 聚酰亚胺薄膜或聚苯二甲酸乙 二醇酯薄膜的粘合是采用苯乙烯-乙烯-乙烯-丙 烯-苯乙烯聚合物和马来酸 酐改性苯乙烯 -乙烯 -丁烯 -苯乙烯聚合物为胶粘剂。
本发明的软质材料兼有防刺、 防弹功能， 与传统的 UD材料配合， 制 备防刺、 防弹的核心材料， 从而达到制备轻质防弹、 防刺服的目的。 具体实施方式
本发明的材料防弹原理如下：
UD (纤维单取向预浸带正交复合结构材料） 是防弹的最佳结构形式， 该形式材料能充分利用纤维的高强高模特征； 在纤维被破坏时吸收子弹的 动能； 该材料的纤维挺直排列， 使子弹的冲击波得以高速传递和分散； 该 材料的纤维单取向预浸带正交复合材料， 在冲击时发生层间剥离， 会吸收 子弹的冲击动能。 上述防弹机理与防刺原理不相吻合， 实测该材料的防刺 性差， 不具备防刺防弹的优良功能。
针对锐利刀尖， 织物与 UD结构均易被顶破， 本发明采用双向拉伸高 强双向拉伸薄膜， 由此提高穿刺的能力， 但仅依靠薄膜这种抗穿刺的能力 是有限的， 对比实验 （以 P刀为穿刺刀具， 以粘合薄膜的单取向预浸带为 被刺材料）表明：尤其是高强双向拉伸薄膜粘 合正交复合单取向预浸带时， 其顶破强度大大地提高， 且多层上述材料对顶破起到十分显著的效果， 其 中尤以双向拉伸的聚丙烯、 聚酯、 聚酰亚胺或聚苯二甲酸乙二醇酯薄隳为 佳， 更为可取的是聚酯双向拉伸薄膜为佳； 薄膜的厚度对材料的柔软性有 所影响， 它可以是≤15 0， 更为可取的薄膜厚度≤5μπ。
根据刀刃对纤维的切割力学分析， 当纤维与刀刃平面成 90°时， 刀具 切割力为最大值， 随着这一夹角的减少， 纤维对刀刃的抗切割作用不断增 强。 然而刀刺过程中， 切割刀刃与被切割纤维的夹角之间的随机性， 人们 无法预测这一夹角为何值， 因此在 UD材料中纤维取向仅为相互垂直的两 个方向排列分布是欠缺的， 改变纤维在 UD材料中的取向分布对 P刀的抗 切割关系的统计实验分布表明：当纤维的取向 夹角由 0°逐步提高至 45°时， 纤维分布对 P刀的抗切割力增大。 因此， UD材料中纤维相互垂直排列取 向应该改变为 <90°的取向排列为宜。经过 UD材料纤维取向排列分布旋转 为 0°— 45°的多种排列对比， 两单元纤维取向旋转角为 45°为宜， 由此得出 了防刺层为至少一层， 每层为高强高模纤维单取向预浸带正交为复合 单 元， 单元间相邻层纤维取向排列旋转角为 0°— 45°， 更为可取的旋转角为 45°的单元交叉复合。 这种交叉复合可以是二单元， 也可以是三单元或四 单元， 更为可取的交叉单元为二单元或四单元。 在实现交叉单元复合后， 粘接上双向拉伸高强薄膜， 构成防刺层的基本单元形式。
由于上述 UD的新颖材料中纤维依然为挺直排列状态， 与传统 UD材 料间的区别仅为纤维排列取向角改为 45°， 因此保留着 UD的部分防弹性 能 （约 60% )。 上述两种 UD材料的搭配构成了本发明的软质防刺防弹材 料。
以下由实施例进行详细描述， 但权利要求不受描述的数据所限制。 在 本发明中， 除非特别指明， 所有份数、 百分比、 比例都是以重量为基础， 所有温度都是指摄氏度。
实施例 1
无衬膜单取向预浸带连续卷材的制备
将 ZTX99约 600d (240f) 的高强高模聚乙烯 （HSHM-PE) 纤维 （断 裂强度≥35cN/dtex、 模量≥1100cN/dtex、 断裂伸长 3 % ) 置于平行丝架上。 纤维丝束在七辊牵引机拖动下， 通过 5筘 /厘米的钢筘， 在 1.20M幅宽内 均匀间隔排布， 纤维同步喂入摩檫辊装置。 在后牵引机拖动下， 纤维经静 摩檫携带高压静电， 束纤维中的单丝在静电力作用下相互排斥， 达到均匀 排列状态.， 之后经浸胶辊浸胶（胶粘剂为苯乙烯-乙烯-丁 -苯乙烯聚合物 ( SEBS )、 苯乙烯-乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯聚合物（SEEPS )或两者混合为 主体的溶剂型胶粘剂， 胶粘剂含量为 12- 16 % )和刮胶完成定量均匀浸胶。 被浸胶纤维单取向材， 在鼓风千燥下， 胶粘剂快速固化成型， 使纤维单取 向均匀排列状态于以保持， 在进一步干燥下获得无衬膜的单取向预浸带连 续卷材的制备 （该卷材面密度为 37g/m 2 ， 纤维含量约 86%， 含胶量约 14 % )。 ,
实施例 2
无衬膜二层正交复合单取向预浸带连续卷材的 制备
将实施例中的无衬膜单取向预浸带连续卷材裁 剪成 1.20M 正方形片 材， 供之后正交复合用。
重复实施例 1操作， 在单取向纤维被浸胶后， 胶粘剂尚未干燥之处， 将 1.20M正方形片材按邻近两层纤维取向正交形式 加和粘合，之后在滚 动式复合机中加压复合， 实现 [0 90°]的正交在线复合， 成为 [0°/90°]无衬 膜二层正交复合单取向预浸带连续卷材。
实施例 3
防弹用四层正交复合单取向预浸带连续卷材的 制备 (ZT160)
将实施例 2 中 [0°/90°]无衬膜二层正交复合单取向预浸带连 卷材再 次重复实施二单元邻近层纤维取向正交的热复 合， 制得无衬膜四层正交复 合预浸带连续卷材的制备。 如在二次热复合时， 在该材料的两侧贴以 （厚 度为 6μηι、面密度为 6g/m 2 )聚乙烯（ΡΕ )薄膜，由此获得面密度为 160g/m 2 ， 两侧贴以 PE保护薄膜的 [0°/90°] 2 四层正交复合结构的防弹用连续卷材（含 80%纤维、 含 12.5 %胶粘剂， 含 7.5 %薄膜）， 供防弹服使用。
实施例 4
防刺用四层交叉复合单取向预浸带连续卷材的 制备 （ZTC )
重复实施例 2制得无衬膜二层正交复合单取向预浸带连续 材， 在此 材料中纤维含量为 82 %， 胶粘剂含量为 18 %， 所得材料为之后交叉复合 的单元组成。
将上述单元的连续卷材与另 -一单元的卷材实施邻层纤维取向交叉角 为 45°的热复合， 之后在该材料的两侧喷以各 2 %的胶粘剂 （为 SEEPS和 马来酸酐改性 SEBS为主体的溶剂型胶粘剂）， 贴上厚度为 5 μί τι、 面密度 为 8g/m 2 的聚酯 （PET ) 双向拉伸薄膜进行二次复合， 得到二单元 45° ( 0。/90°、 45°/135° ) 交叉复合， 两侧贴有 PET 薄膜的防刺兼防弹用材 (ZTC-2 ) ; 如将四单元 （0°/90°、 45 135°、 0°/90°、 45°/135° ) 交叉复合， 两侧贴 PET薄膜进行复合， 由此， 得到四单元 45°交叉复合两侧贴有 PET 薄膜的防刺兼防弹专用材 （ZTC- 4 )， 供防刺服使用。
实施例 5
防刺材料 ZTC-2防刺性能
将 52层 ZTC-2材料叠加成 AD=8.95kg/m 2 靶样，采用 P刀按 GA68-2008 标准 （24J) 进行防刺性能测试， 在常温状态下， 3次试验， 靶样最后均 6 层未穿； 在高温状态下 55 °C、 4hr之后即刻测试 1 次试验 3层未穿透， 1 次试验临界。
比较例 I
[0°/90°] 2 结构两侧是 5μΐΏΡΕΤ膜防刺材料防刺性能
采用 [0 90°] 2 结构形式， 两侧贴 PET膜 54层叠加成 AD = 9.38kg/m2 靶样， 采用 P刀按 GA68-2008标准 （24J) 进行防刺试验： 在常温状态下
3次试验， 靶样最后均 5层未穿透。
比较例 2
防弹材料 ZT161 , [0°/90°] 2 结构， 两侧贴有 5μπ ΡΕΤ膜防刺性能 采用防弹材料 ZT161 ,单层面密度 AD= 135g/m2， 以 84层叠加成 AD = 11.35kg/m2 o 采用 P刀按 GA68-2008标准 ( 24J ) 进行防剌性能测试， 在常温状态下， 1次试验 1层未穿； 在高温状态下， 55°C、 4hr之后即刻测 试 3次试验， P刀穿透靶样均为 12mm。
实施例 6
防刺材料 ZTC-2与防弹材料 ZT160结合的防刺防弹性能
将防刺材料 ZTC-2与防弹材料 ZT160按表 1所示层数叠加搭配， 以 防刺材料层为迎弹、 迎刺面， 采用 P刀按 GA68-2008标准 （24J ) 进行防 刺性能测试； 采用 l . lg破片、 54式手枪 51式子弹、 79微冲 51式子弹按 GJB 4300-2002 , GA141-2001标准进行防弹性能测试，其结果如表 1所示。 防弹性能
防刺性能※
No AD 厚度 防刺层 防弹层 共计 标准： GJB 4300-2002
标准： GA68-2008
g/m : mm ZTC-2 ZT160 层数 标准： GA141-2001
室温达标 l . l g破片
6-1 9.128 12 46层 8层 54层
高温达标 54/51 V 50 = 578.0m/s
54/51实弹射击
1、 V 0 =427m/s(0°) 穿 19层 室温达标 2、 V 0 =416.7m/s(-30°) 穿 13层
6-2 9.25 12 46层 8层 54层
高温达标 3 V 0 =432.3m/s(+30°) 穿 16层
4、 V 0 = 420.7m/s(0°) 穿 15层
5、 V 0 =418.6m/s(0°) 穿 16层
79微冲 51式子弹实弹射击
1、 V 0 =479.7m/s(0°) 穿 26层
2、 V 0 =523.3m/s(-30 o ) 穿 34层 室温达标
10.96 16 43层 23层 66层 3、 V 0 =492. m/s(+30 o ) 穿 31层 高温达标
4、 V 0 = 518.9m/s(0°) 穿 34层
5、 V 0 = 51 .7m/s(0°) 穿 33层
6、 V 0 =490.2m/s(0°) 穿 29层
※防刺达标为：采用 P刀按 GA68-2008 (24J) 测试， 无论在常温或高温 （55°C， 4hr)， P刀均不允许穿透靶样,
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