专利名称：防弹头盔及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种防弹头盔及其制备方法，特别涉及在内外表面铺覆加固材料的防弹头盔及其制备方法。
背景技术：
防弹头盔是一种重要的单兵防护用具。现代防弹头盔经历了从钢盔到纤维增强复合材料的发展过程。在纤维增强复合非金属头盔种类中，主要有玻璃纤维头盔、锦纶头盔、 芳纶头盔、超高分子量聚乙烯头盔等。一战、二战期间，各国装备的头盔主要是用高锰钢或其他特种钢冲压而成，较重， 防弹和隔热性能差，佩戴不舒适，还有二次破片伤人的危险。玻璃纤维头盔和锦纶纤维增强复合头盔的总体防弹性能都不高。20世纪70年代美国开始应用芳纶纤维研制防弹头盔， 1983年开始装备部队，北约军队也广泛装备此类头盔。从20世纪80年代末，超高分子量聚乙烯纤维(本文中简称为“PE纤维”)开始进防弹头盔领域。目前，非金属防弹头盔的材料主要采用第二代芳纶纤维和PE纤维。但是，芳纶纤维的价格比较昂贵，不利于大量的市场应用。PE纤维是当今世界的一种高科技产品，具有高强度、高模量、高韧性、低密度的特点，是当今世界比强度最高的高性能纤维，是攸关国家安全和国民经济发展的重要基础材料。目前我国超高分子量聚乙烯纤维产业不断提升，其质量已充分达到防弹的要求。在头部防护中，PE纤维压制头盔质量更轻。由于人的颈椎承受能力有限，所以PE 纤维头盔的研制正得到愈来愈多的重视。在防护产品日益智能化的今天，随着通讯设备等附件的引入，PE纤维头盔轻与薄的优势更是为头部防护开辟了一条新途径。研究表明，在相同条件下，超高分子量聚乙烯纤维无纬布(本文中简称“PE无纬布”)相比其它各种结构形式的织物，其防弹效果最好。无纬布是由美国联合信号(Allied Signal)公司发明的技术，又称单向排列技术。制备防弹成品时，将多层无纬布叠加，放在模具内，在一定温度和压强下热压成型，相邻无纬布纤维排列成非零角度。由于无纬布的形式是“单向排列”，有利于冲击波的瞬间扩散范围增大，产生协同防弹效果，所以PE纤维防弹头盔的纤维结构首选为无纬布。目前，PE无纬布多是采用PE纤维包嵌入热塑性聚合物基体中。由于这些热塑性聚合物基体的模量比较小，所以单纯使用这种材料压制的头盔在硬度上存在一定的不足。现有的防弹头盔通常是在内、外表面铺覆防弹纤维机织物进行热压加工而成，表面层铺覆的机织物虽然能够防止PE无纬布中PE纤维滑丝，但产品表面需要经过喷砂、刮平等复杂的处理方法才能达到要求，并且表面涂覆油漆的附着力不大。此外，现有的防弹头盔生产技术，整个压制过程是在同一台模具上完成。该过程需要对这台模具反复多次的加热升温、冷却降温。如此过程毫无疑问会带来巨大的能量损耗， 造成头盔加工成本较高。并且反复的升温、降温需要很长的时间来完成，造成头盔的生产周期长，生产效率低。
发明内容
本发明的目的在于解决上述不足，提供了一种防弹头盔及其制备方法。通过在头盔的内外表面铺覆加固材料，不仅提高了头盔的硬度、增强涂覆油漆的附着力，还可以缩短头盔表面处理时间，提高生产效率，降低加工成本。本发明的防弹头盔是在PE无纬布预成型头盔的内、外表面铺覆浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物的加固材料，经过热压而形成的。本发明的防弹头盔表面铺覆的加固材料使子弹的弹头更易于变形，有效防止头盔被子弹穿透。同时，本发明的防弹头盔对破片也有很好的防御性能。上述加固材料中的玻璃纤维织物为平纹组织，该玻璃纤维织物的经、纬向拉伸断裂强力大于1600N/25mm，密度优选为150 200g/m2。热固性聚合物树脂可以为乙烯基酯、 不饱和聚酯、环氧树脂或苯酚树脂，优选为环氧树脂，优选热固性聚合物树脂在加固材料中的含量为30 35重量％。另外，本发明的防弹头盔的制造方法包括以下步骤(1)将观 33层PE无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，交叉整齐叠合；(2)放入热压预成型模具中，升温至90 100°C，压力5 lOMPa，保温保压5 10分钟使PE无纬布中的热塑性聚合物树脂软化；(3)取出迅速放入冷压预成型模具中，压力5 lOMPa，保持5 10分钟，使头盔得到预成型；(4)在预成型头盔的内外表面铺覆浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物的加固材料；(5)将铺覆加固材料的头盔放入热压成型模具中，升温至120 125°C，升压至 25 30MPa，恒温恒压保持10 15分钟；(6)取出迅速放入冷压成型模具中冷却定型，压力25 30MPa，保持10 15分钟，
制得盔壳。本发明的防弹头盔的制造方法把压制过程分成两步来完成，分别为预成型工序和成型工序。由于在上述步骤O)、(3)的预成型工序中分别采用了加热预成型模具与冷却预成型模具，在上述步骤(5)、(6)的成型工序中分别采用了加热成型模具与冷却成型模具， 可以以生产线方式的连续生产步骤进行生产，减少了模具的升温、降温过程，不仅提高的头盔的生产效率，缩短生产周期，还可以显著减少能耗，降低加工成本。与现有的技术相比，本发明具有如下优点(1)本发明由于采用PE无纬布为主体材料，生产出来的头盔重量轻，佩戴舒适。(2)内外层铺覆的加固材料使头盔的整体刚性进一步的提高，在不增加头盔重量的前提下，防护能力更强，使子弹的弹头更易于变形，更不会发生穿透情况。(3)内外层铺覆的加固材料使头盔不再需要进行复杂的表面处理，增强了涂覆油漆的附着力。(4)头盔的整个压制过程由预成型工序和成型工序来完成，分别使用热压模具和冷压模具，使生产效率至少提高1倍，并且减少了能耗，降低了加工成本。
具体实施例方式本发明的防弹头盔是在PE无纬布预成型头盔的内、外表面铺覆浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物的加固材料，经过热压而形成的。本发明的头盔主要由PE无纬布构成，通过一定层数的高强度高模量的PE无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，交叉整齐叠合；然后进行热压和冷压的预成型，得到预成型的头盔。其中，根据最终头盔的重量以及防弹性能的综合要求，优选PE无纬布的层数为观 33层。在热压预成型过程中，优选将热压预成型模具中的温度升温至90 100°C，压力为5 lOMPa，保温保压5 10分钟，从而使PE无纬布中的热塑性聚合物树脂软化。然后，迅速放入冷压预成型模具中，以5 IOMPa的压力，保持5 10分钟，使头盔得到预成型。然后，在预成型头盔的内外表面铺覆浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物的加固材料。将铺覆加固材料的头盔放入热压成型模具中，升温至120 125°C，升压至25 30MPa，恒温恒压保持10 15分钟；取出迅速放入冷压成型模具中冷却定型，压力 25 30MPa，保持10 15分钟，制得盔壳。本发明中的高强度的玻璃纤维织物，是采用高强度的玻璃纤维织成的织物。高强玻璃纤维的特点是高强度、高模量，它的单纤维抗拉强度为^OOMPa，比无碱玻纤抗拉强度高25%左右，弹性模量86000MPa，比E-玻璃纤维的强度高。玻璃纤维织物优选为平纹组织，
且该玻璃纤维织物的经、纬向拉伸断裂强力要大于1600N/25mm，密度优选为150 200g/
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m ο对高强度玻璃纤维织物进行浸渍的热固性聚合物树脂可以为乙烯基酯、不饱和聚酯、环氧树脂或苯酚树脂，优选为环氧树脂。热固性聚合物树脂的含量优选为加固材料的 30 35重量％。可以将高强度玻璃纤维织浸渍于热固性聚合物树脂中，或者通过刷涂、喷涂等方式将热固性聚合物树脂涂覆于高强度玻璃纤维织物的整个表面。现有的防弹头盔通常是在内、外表面铺覆防弹纤维机织物进行热压加工而成，其中的防弹纤维机织物是采用防弹纤维织成的织物，防弹纤维就是芳纶、PE纤维等。在头盔表面层铺覆防弹纤维机织物虽然能够防止PE无纬布中PE纤维滑丝，但产品表面需要经过喷砂、刮平等复杂的处理方法才能达到要求，并且表面涂覆油漆的附着力不大。与现有的防弹头盔相比，本发明具有如下优点(1)本发明由于采用PE无纬布为主体材料，生产出来的头盔重量轻，佩戴舒适。(2)内外层铺覆的加固材料使头盔的整体刚性进一步的提高，在不增加头盔重量的前提下，使子弹的弹头更易于变形，更不会发生穿透情况。(3)内外层铺覆的加固材料使头盔不再需要进行复杂的表面处理，增强了涂覆油漆的附着力。(4)头盔的整个压制过程由预成型工序和成型工序来完成，分别使用热压模具和冷压模具，使生产效率至少提高1倍，并且减少了能耗，降低了加工成本。实施例1 将由孚泰 牌超高分子量聚乙烯纤维制备的32层护星@牌高性能PE无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，交叉整齐叠合；放入热压预成型模具中，升温至90°C，压力lOMPa，保温保压10分钟使PE无纬布中的热塑性树脂聚合物软化；取出迅速放入冷压预成型模具中，压力lOMPa，保持5分钟，使头盔得到预成型；在预成型头盔的内、外表面铺覆环氧树脂含量为30%的高强度玻璃纤维织物的加固材料，纤维织物面密度为175g/m2 ；放入热压成型模具中，升温至123°C，升压至^MPa,恒温恒压保持15分钟；取出迅速放入冷压成型模具中冷却定型，压力^MPa,保持10分钟，制得盔壳。表面简单处理后，喷涂漆膜。按此生产方法，每小时可以压制3顶盔壳，即压制1顶盔壳仅需要20分钟。同时，每顶盔壳的表面处理仅需要3分钟。制得的头盔的盔壳重量为1. 10Kg。实施例2 将由孚泰 牌超高分子量聚乙烯纤维制备的28层护星⑧牌高性能PE无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，交叉整齐叠合；放入热压预成型模具中，升温至95°C，压力8MPa，保温保压10分钟使PE无纬布中的热塑性聚合物树脂软化；取出迅速放入冷压预成型模具中，压力5MPa，保持10分钟，使头盔得到预成型；在预成型头盔的内、外表面铺覆环氧树脂含量为30%的高强度玻璃纤维织物加固材料，纤维织物面密度为175g/m2 ；放入热压成型模具中，升温至123°C，升压至^MPa,恒温恒压保持15分钟；取出迅速放入冷压成型模具中冷却定型，压力^MPa,保持10分钟，制得盔壳。制得的头盔的盔壳重量为1. 07Kg。实施例3:将由孚泰 牌超高分子量聚乙烯纤维制备的32层护星⑧牌高性能PE无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，交叉整齐叠合；放入热压预成型模具中，升温至100°c， 压力5MPa，保温保压10分钟使PE无纬布中的热塑性聚合物树脂软化；取出迅速放入冷压预成型模具中，压力lOMPa，保持8分钟，使头盔得到预成型；在预成型头盔的内、外表面铺覆环氧树脂含量为30%的高强度玻璃纤维织物加固材料，纤维织物面密度为175g/m2 ；放入热压成型模具中，升温至123°C，升压至^MPa,恒温恒压保持15分钟；取出迅速放入冷压成型模具中冷却定型，压力^MPa,保持10分钟，制得盔壳。制得的头盔的盔壳重量为1. 09Kg。对比试验方式对比例A:将由孚泰 牌超高分子量聚乙烯纤维制备的32层护星⑧牌高性能PE无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，交叉整齐叠合；放入模具中，升温至95°C，压力lOMPa，保温保压10分钟，然后冷却降温至50°C开模取出头盔。此过程的升温、降温分别需要12分钟；在头盔的内、外表面铺覆超高分子量聚乙烯纤维织物；放入模具中，升温至123°C，升压至^MPa,恒温恒压保持15分钟，然后冷却降温至50°C开模，制得盔壳。此过程的升温、降温分别需要20分钟。表面复杂处理后，喷涂漆膜。按此生产方法，压制1顶盔壳需要约50 55分钟。同时，每顶盔壳的表面处理需要12分钟。制得的头盔的盔壳重量为1. 09Kg。结果对本发明的头盔(实施例1和实施例2)进行了实弹测试，对本发明头盔(实施例 3)进行1. Ig模拟破片V50测试及对本发明头盔(实施例1)与比较例1的头盔的侧向刚性、漆膜附着力进行测试。
本发明生产的头盔经检测，实施例1的头盔按GA^3_2001标准，已通过中国兵器工业防弹器材质量监督检测中心的检测，可以阻止中国制M式7. 62mm手枪发射的51式 7. 62mm手枪弹的穿透，最大弹痕高度小于11mm。实施例2的头盔按NIJ0106. 01标准已通过美国怀特实验室检测，可以阻止NIJIIIA. 44Magnum弹的穿透。实施例3的头盔按照 MIL-STD-662F标准，已通过中国兵器工业防弹器材质量监督检测中心的检测，可防1. Ig模拟破片，V50值为680m/s，达到了美国NIJ标准和国家军用标准。头盔侧向刚性及表面漆膜附着力测试分别按照GB 2812-89.GB/T1720进行。测试结果表明本发明头盔的刚性及漆膜附着力都得到明显改善。测试结果如表1、表2所示。表1.侧向刚性测试结果
权利要求
1.一种防弹头盔，其特征在于，是在PE无纬布预成型头盔的内、外表面铺覆浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物的加固材料，经过热压而形成的。
2.根据权利要求1所述的防弹头盔，其特征在于所述加固材料中的所述热固性聚合物树脂含量为30 35重量％。
3.根据权利要求1或2所述防弹头盔，其特征在于所述热固性聚合物树脂为乙烯基酯、不饱和聚酯、环氧树脂或苯酚树脂中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述防弹头盔，其特征在于所述高强度玻璃纤维织物为平纹组织，经、纬向拉伸断裂强力大于1600N/25mm，密度优选为150 200g/m2。
5.一种防弹头盔的制造方法，包括以下步骤(1)将观 33层PE无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，交叉整齐叠合；(2)放入热压预成型模具中，升温至90 100°C，压力5 lOMPa，保温保压5 10分钟使PE无纬布中的热塑性聚合物树脂软化；(3)取出迅速放入冷压预成型模具中，压力5 lOMPa，保持5 10分钟，使头盔得到预成型；(4)在预成型头盔的内外表面铺覆浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物的加固材料；(5)将铺覆加固材料的头盔放入热压成型模具中，升温至120 125°C，升压至25 30MPa，恒温恒压保持10 15分钟；(6)取出迅速放入冷压成型模具中冷却定型，压力25 30MPa，保持10 15分钟，制得盔壳。
6.根据权利要求5所述的防弹头盔的制造方法，其特征在于所述加固材料中的所述热固性聚合物树脂含量为30 35重量％。
7.根据权利要求5所述防弹头盔的制造方法，其特征在于在上述步骤O)、(3)中的预成型模具分别为加热预成型模具与冷却预成型模具。
8.根据权利要求5所述防弹头盔的制造方法，其特征在于在上述步骤(5)、(6)中的成型模具分别为加热成型模具与冷却成型模具。
9.根据权利要求5或6所述防弹头盔的制造方法，其特征在于所述热固性聚合物树脂为乙烯基酯、不饱和聚酯、环氧树脂或苯酚树脂中的至少一种。
10.根据权利要求5或6所述防弹头盔的制造方法，其特征在于所述高强度玻璃纤维织物为平纹组织，经、纬向拉伸断裂强力大于1600N/25mm，密度优选为150 200g/m2。
全文摘要
本发明提供一种防弹头盔及其制造方法，属于人体防护用品技术领域。所述防弹头盔以PE纤维嵌入热塑性聚合物树脂的无纬布为内层主要材料，内外表面铺覆加固材料。内、外层铺覆的加固材料使头盔整体刚性进一步的提高，使侵彻的弹头更易于变形，更不会发生穿透情况。该头盔不再需要进行复杂的表面处理，增强了涂覆油漆的附着力。本发明的头盔的整个压制过程由预成型工序和成型工序来完成，分别使用热压模具和冷压模具，使生产效率至少提高1倍，并且解决了现有技术需要对模具反复升温降温带来的耗能问题。
文档编号B32B17/04GK102555353SQ20111045
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者刘金良, 孙其永, 陈振坤, 黄兴良 申请人:北京同益中特种纤维技术开发有限公司