一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及纤维复合材料，尤其涉及一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、目前，防弹和防刺装备不仅在军事领域内得到广泛应用，其重要性也扩展至民用领域，包括公共安全、特种警察行动、高风险行业、医疗实践和运动保护等。传统的防刺材料，如钢板、陶瓷、铝合金和钛合金，虽然具有一定的防护效果，但其防护性能、重量和柔韧性之间存在明显的权衡，限制了其在实际应用中的广泛使用。

2、随着高性能纤维技术的不断进步，一些具有高模量、高强度和低密度特性的织物，例如超高分子量聚乙烯和芳纶织物，因其出色的柔韧性和抗穿刺性能，在柔性抗穿刺材料领域得到了广泛应用。然而，这些高性能织物的单层结构难以提供足够的防刺保护。尽管多层织物的堆叠可以增强防护性能，但往往会导致重量增加和柔韧性降低。因此，当前的主要挑战在于如何在保持抗穿刺性能的同时减轻材料的重量。此外，对于在极端环境中作业的警察、消防员和工业工作人员，具备抗穿刺性和耐酸碱性的软质防护装备同样至关重要。这些行业面临的各种危险和高风险环境要求防护材料能够有效抵御酸碱侵蚀。

3、氮化硅沸石咪唑核壳结构材料(si3n4@zif-8)是一种纳米尺度有序组装结构材料，其核壳结构之间可以通过化学键或物理作用力相互连接，形成层次分明的复合材料。该材料在抗穿刺防护领域展现出显著优势，主要表现在：si3n4@zif-8的引入能够提升复合材料的强度和韧性，其独特的框架结构能够有效分散和缓冲外部施加的力量，增强材料的抗穿刺能力；si3n4@zif-8具有良好的热稳定性和化学稳定性，能够增强材料在极端环境下的稳定性，延长使用寿命；在复合材料中引入si3n4@zif-8后，可以通过提高材料的硬度和抗拉强度来改善抗穿刺性能，其独特的孔隙结构还可以提供额外的阻挡效果；si3n4@zif-8相对轻质，能够在不牺牲抗穿刺性能的同时减轻整体材料的重量，这对于需要轻质高强材料的应用领域(如防护服等)尤为重要。总体而言，si3n4@zif-8作为一种优异的纳米尺度有序组装结构材料，在耐穿刺纤维中具有广泛的应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料及其制备方法，本发明制备出的材料不仅具备优异的耐腐蚀性能，还具有卓越的抗穿刺特性。这种复合材料的设计旨在满足现代高性能防护装备的需求，具有广泛的应用潜力和市场前景。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、活性高性能纤维的制备：对高性能纤维进行表面清洁和干燥处理，随后将其置于等离子体反应室内进行等离子体处理，从而获得具有活性的高性能纤维；

5、s2、制备核壳si3n4@zif-8分散液：将纳米si3n4、锌盐、2-甲基咪唑溶解于足量的醇类溶剂中，通过微波-超声辅助法制备核壳si3n4@zif-8晶体分散液；

6、s3、制备si3n4@zif-8修饰纤维：将s2所得核壳si3n4@zif-8分散液通过表面沉积工艺将核壳si3n4@zif-8晶体锚定于s1所得活性高性能纤维表面，得到si3n4@zif-8修饰纤维；

7、s4、制备高性能纤维复合材料：运用聚合物/聚合物涂层溶液对s3所得si3n4@zif-8修饰纤维进行界面改性，制备出高性能纤维复合材料；

8、s5、制备高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料：将s4所得高性能纤维复合材料进行层叠复合，最终制备出高强度、耐腐蚀、抗穿刺的纤维复合材料。

9、根进一步方案为，所述步骤s1中所述高性能纤维为超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、聚砜纤维、尼龙纤维、碳纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维中的至少一种；

10、根进一步方案为，所述步骤s1中等离子体处理技术中气体选择为氧气、氮气、氢气、氩气、氦气中的至少一种，处理时间0.5-10min，处理压力10-130pa，处理温度20-60℃，处理功率20-300w；

11、根进一步方案为，所述步骤s2中锌盐为乙酸锌、氯化锌、硝酸锌中、硫酸锌、醋酸锌、磷酸锌、碳酸锌中的至少一种，锌盐溶液的浓度为0.01～0.5mol/l，所述微波-超声辅助法的处理时间1～48h，处理温度为20～200℃，所述核壳si3n4@zif-8分散液中纳米si3n4、2-甲基咪唑、锌盐三者的质量比为1：2-3：0.7-0.9；

12、进一步方案为，所述步骤s2中醇类溶剂为甲醇、乙醇、苯甲醇、乙二醇、丙三醇、正丁醇、环己六醇中的至少一种，所述核壳si3n4@zif-8晶体的平均粒径3.0μm～4.0μm；

13、根进一步方案为，所述步骤s3中表面沉积的工艺为超声波辅助法、热处理法(溶剂蒸发、加热结晶等)、共价键合法、化学沉积法、电化学沉积法中的至少一种；

14、根进一步方案为，所述步骤s4中聚合物为聚对苯二甲酸乙二酯(pet)、聚氨酯(pu)、聚氯乙烯(pvc)、聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)、聚碳酸酯(pc)、聚酰胺(pa)、聚酯弹性体(tpee)、聚醚醚酮(peek)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(eva)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯(ptfe)中的至少一种；

15、根进一步方案为，所述步骤s4中聚合物涂层溶液为聚合物与有机/无机溶剂的混合物或树脂与无机粉末形成的混合涂层溶液中的一种；

16、根进一步方案为，所述步骤s4中界面改性的工艺为热压、浸渍、涂敷、喷涂、辊涂、辊压、流延、超声波振动处理中的一种或多种；

17、根进一步方案为，所述步骤s5中层叠复合数为2～40层，其中两层极限氧指数为20-45％，最大穿刺力为350-550n，拉伸强度为450-820mpa。

18、本发明另一方面还提供了通过上述的制备方法得到的高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料及其用途。

19、本发明的有益效果在于：

20、本发明的一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料及其制备方法，首先对高性能纤维进行等离子体处理，该过程能够改变纤维表面的化学组成和结构，增加表面官能团(如羟基和羧基)，从而增强纤维与其他材料(包括涂层、粘合剂和染料)的结合能力。接着，采用表面沉积工艺将核壳si3n4@zif-8晶体锚定于经过等离子体处理的高性能纤维表面，si3n4@zif-8的存在能够优化穿刺过程中能量的吸收与分散，显著提升材料的防刺性能和力学性能。此外，通过使用聚合物/聚合物涂层溶液对织物进行界面改性，不仅增强了织物的耐久性和耐磨性，还赋予了织物耐腐、抗菌及抗静电等特殊功能，使其能够更好地抵御外部环境的影响。最终，通过层叠复合所得纤维材料，进一步提升了材料的防刺保护水平，从而开发出一种具有耐腐蚀、抗穿刺等多重优势的高性能防护材料，为现代高性能防护装备提供了新的解决方案。

技术特征：

1.一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中等离子体处理中气体选择为氧气、氮气、氢气、氩气、氦气中的至少一种，处理时间0.5-10min，处理压力10-130pa，处理温度20-60℃，处理功率20-300w。

3.如权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中所述高性能纤维为超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、聚砜纤维、尼龙纤维、碳纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维中的至少一种。

4.如权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中锌盐为乙酸锌、氯化锌、硝酸锌中、硫酸锌、醋酸锌、磷酸锌、碳酸锌中的至少一种，锌盐溶液的浓度为0.01～0.5mol/l，所述微波-超声辅助法的处理时间1～48h，处理温度为20～200℃，所述核壳si3n4@zif-8分散液中纳米si3n4、2-甲基咪唑、锌盐三者的质量比为1：2-3：0.7-0.9。

5.如权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中醇类溶剂为甲醇、乙醇、苯甲醇、乙二醇、丙三醇、正丁醇、环己六醇中的至少一种，所述核壳si3n4@zif-8晶体的平均粒径3.0μm～4.0μm。

6.如权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中表面沉积的工艺为超声波辅助法、热处理法(溶剂蒸发、加热结晶等)、共价键合法、化学沉积法、电化学沉积法中的至少一种。

7.如权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中聚合物为聚对苯二甲酸乙二酯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酯弹性体、聚醚醚酮、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种。

8.如权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中聚合物涂层溶液为聚合物与有机/无机溶剂的混合物或树脂与无机粉末形成的混合涂层溶液中的一种；

9.如权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中层叠复合数为2～40层，其中两层极限氧指数为20-45％，最大穿刺力为350-550n，拉伸强度为450-820mpa。

10.如权利要求1-9任一项所述的制备方法得到的高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料及其用途。

技术总结
本发明公开了一种高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料及其制备方法，包括如下步骤：S1、对高性能纤维进行表面清洁和干燥处理，随后将其置于等离子体反应室内进行等离子体处理，从而获得具有活性的高性能纤维；S2、将纳米Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;、锌盐、2‑甲基咪唑于醇类溶剂中溶解，通过微波‑超声辅助法制备核壳Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;@ZIF‑8分散液；S3、将S2所得分散液通过表面沉积工艺将核壳Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;@ZIF‑8晶体锚定于S1所得纤维表面，得到Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;@ZIF‑8修饰纤维；S4、运用聚合物/聚合物涂层溶液对S3所得纤维进行界面改性，以制备高性能纤维复合材料；S5、将S4所得纤维进行层叠复合，制备高强度耐腐蚀抗穿刺纤维复合材料。本发明制备的纤维复合材料具备耐腐蚀及抗穿刺等一系列优势，在现代高性能抗穿刺防护装备上具有广阔应用前景。

技术研发人员：毛超英,尹华模,刘忠平,郝晓飞
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院化工材料研究所
技术研发日：
技术公布日：2025/2/5