專利名稱：輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于高分子復合材料的制造領域，特別是涉及一種新型輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法。
背景技術：
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維是20世紀80年代初由荷蘭DSM公司以其獨創(chuàng)的凝膠紡絲-超拉伸技術研制的高性能纖維，它是繼碳纖維、芳綸(Kevlar)纖維之后的第三代高性能纖維。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維的相對分子量在100 600萬之間，分子現狀為線型伸直鏈結構，取向度接近100%，具有良好的力學性能。UHMWPE纖維還具有耐磨耐彎曲性能、耐張力疲勞性能、抗切割等優(yōu)異性能。因此，UHMWPE纖維是制作軟質防彈衣、 輕質防彈頭盔、運鈔車防彈裝甲、直升機防彈裝甲等的理想材料。但是，超高分子量聚乙烯纖維也存在一些缺點，如分子間沒有較強的相互作用力 (如氫鍵)，抗蠕變性差，分子鏈呈線性結構，沒有苯環(huán)等極性官能團，特別是對超高分子量聚乙烯纖維復合材料而言，纖維由簡單的亞甲基組成，使得纖維表面不僅沒有任何反應活性點，難以與樹脂形成化學鍵結合，而且亞甲基的非極性，加上高倍拉伸成形的高度結晶、 高度取向的光滑表面，使其表面能極低，不易被樹脂浸潤，纖維分子與樹脂分子間不易產生較強的相互作用力。目前，采用UHMWPE纖維制作復合無緯布材料，用于防彈、防刺等安全防護領域的專利報道已有不少，如 US. 4. 916. 000 和 US5. 149. 391，中國專利 00109859. 4200810040795. 3。 但是這些制作方法都無法避免UHMWPE纖維自身存在的缺點，由于纖維與樹脂基體的粘接性較差，因而在復合無緯布材料加工過程中，通常采用提高樹脂膠用量的方法，這使得材料中的樹脂膠與纖維的比例過大；或者在其產品結構中采用多層保護膜的手段，使得表觀上呈現纖維之間較好的粘接，但對于提高材料的防彈性能無實質作用。這些方法的缺陷制成的復合無緯布材料防彈面密度居高不下，導致防彈衣、防彈背心等成品的重量較大，不能滿足人體穿著舒適性的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種可提高纖維與膠粘劑的界面粘接性能，減少單向無緯布制作過程中膠粘劑的用量，同時還可以取消保護膜的使用，最終降低了復合無緯布材料的面密度的超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料及制造方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現一種輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)將超高分子量聚乙烯纖維經集束器后，用導輥將其平行鋪展，然后使纖維浸漬接枝液；(2)對浸漬接枝液的纖維進行電子束輻照接枝，然后送入浸膠槽；
(3)將步驟( 浸膠后含有膠粘劑的絲束雙面用平行刮刀處理表面膠，再經烘干， 得到單向無緯布；(4)復合無緯布片材的制造將步驟(3)得到的單向無緯布切片，然后將2層或2 層以上單向無緯布片材0° /90°正交疊放，再熱壓成復合無緯布片材；復合無緯布卷材的制造先將第一層單向無緯布按單向增強纖維的0°方向連續(xù)放卷；然后將第二層單向無緯布放卷，使兩層無緯布的單向增強纖維呈0° /90°正交，將第二層無緯布牽引到第一層無緯布的復合平臺上，按照第一層單向無緯布的寬度，切斷第二層單向無緯布，使其與第一層單向無緯布復合，從而設置好第二層單向無緯布前片，然后按此方法繼續(xù)設置第二層單向無緯布后片，復合過程中第二層單向無緯布前片與后片無縫隙，最后通過熱壓使膠粘劑熔融，將第一層單向無緯布與第二層單向無緯布壓合為一個整體，得到復合無緯布卷材。步驟(1)所述的導輥的鋪絲速度為5-15m/min。步驟(1)所述的接枝液是由接枝改性單體、膨潤劑和阻聚劑溶于溶劑中組成，以溶劑為基準，其中，接枝改性單體的濃度為l-20mol/L，膨潤劑的濃度為0. 03-5mol/L，阻聚劑的濃度為 0. 001-0. 06mol/L。所述的接枝改性單體為現有超高分子量聚乙烯纖維接枝改性的各種丙烯酸類單體，包括丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、羥基丙烯酸或甲基丙烯酸縮水甘油酯；所述的膨潤劑選自氯仿、二氯乙烷、三氯乙烯中的一種；所述的阻聚劑為Cu2+或!^2+鹽；所述的溶劑選自去離子水、乙醇或丙酮中的一種。步驟(2)所述的電子束輻照的劑量率平均為5 70KGy/S，輻照反應氣氛選自N2, Ar或C2H2氣體中的一種。步驟(2)所述的膠粘劑選自EVA或EEA，膠粘劑質量濃度15% 30%。步驟⑶所述的單向無緯布中纖維/膠粘劑重量比85 15，烘干溫度在50 70°C，時間 2 4min。步驟⑷所述的復合無緯布片材的熱壓溫度為110 150°C，壓力為10 25MPa， 時間為5 40min。步驟(4)所述的復合無緯布卷材的復合溫度為80 130°C，后續(xù)熱壓的溫度為 110 150°C，壓力為10 25MPa,時間為5 40min。與現有技術相比，本發(fā)明在UD布制作方法中引入電子束輻照接枝技術，對UHMWPE 纖維進行共輻照接枝改性，提高纖維與膠粘劑的界面粘接性能，因而可以減少單向無緯布制作過程中膠粘劑的用量，同時還可以取消保護膜的使用，最終降低了復合無緯布材料的面密度。


圖1為本發(fā)明輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法示意圖；圖2為本發(fā)明復合無緯布材料結構示意圖。圖中1-集束導輥，2-接枝液槽，3-牽引輥，4-電子束輻照裝置，5-牽引輥，6-浸膠槽，7-加熱導輥，8-烘干設備，9-單向無緯布收卷輥。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1如圖1-2所示，一種超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布片材的制作方法，將多股超高分子量聚乙烯纖維經集束導輥1集束并平行鋪展，控制超高分子量聚乙烯纖維的鋪絲速度為5m/min，通過接枝液槽2，該接枝液槽2中的接枝液由去離子水、丙烯酸、三氯乙烯、 CuSO4組成，以去離子水為基準，丙烯酸的濃度為6mol/L，三氯乙烯的濃度為lmol/L，CuSO4 的濃度為0. 002mol/L。采用JJ-2型靜電加速器，在室溫、隊氣氛下通過牽弓I輥3將浸漬有上述接枝液的超高分子量聚乙烯纖維引入電子束輻照裝置4進行輻照，平均劑量率為25KGy/ S。輻照后的纖維經牽引輥5引入浸膠槽6，浸膠槽6中的膠粘劑為EVA，濃度20%，浸膠后含有膠粘劑的絲束雙面用平行刮刀處理表面膠，再在經加熱導輥7導入烘干設備8經60°C 烘干，得到單向無緯布，該單向無緯布通過單向無緯布收卷輥9收卷，該單向無緯布中纖維 /膠粘劑重量比85 15。然后將單向無緯布切片，每片尺寸為330X370mm，然后將50層單向無緯布片材正交疊加，再經層壓(層壓的溫度為120°C，壓力為15MPa，時間為20min)得到復合無緯布片材。測得復合無緯布片材V5tl = 610m/s，此時的面密度為6.業(yè)/m2。實施例2一種超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布片材的制作方法，該方法首先控制超高分子量聚乙烯纖維的鋪絲速度為Sm/min，通過接枝液槽，該接枝液槽由去離子水、甲基丙烯酸、二氯乙烷、CuSO4組成。以去離子水為基準，甲基丙烯酸的濃度為lOmol/L，二氯乙烷的濃度為2. 5mol/L, CuSO4的濃度為0. Olmol/L。采用JJ-2型靜電加速器，在室溫、N2氣氛下對浸漬有上述接枝液的超高分子量聚乙烯纖維進行輻照，平均劑量率為40KGy/S。輻照后的纖維進浸膠槽，膠粘劑為EEA，濃度22%，浸膠后含有膠粘劑的絲束雙面用平行刮刀處理表面膠，再經50°C烘干，得到單向無緯布，單向無緯布中纖維/膠粘劑重量比85 15。然后將單向無緯布切片，每片尺寸為340X400mm，然后將50層單向無緯布正交疊加，再經層壓 (層壓的溫度為125°C，壓力為18MPa，時間為25min)得到復合無緯布片材。測得復合無緯布片材V5tl = 610m/s，此時的面密度為6. lkg/m2。實施例3一種超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布片材的制作方法，該方法首先控制超高分子量聚乙烯纖維的鋪絲速度為lOm/min，通過接枝液槽，該接枝液槽由去離子水、丙烯酸甲酯、三氯乙烯、CuSO4組成。以去離子水為基準，丙烯酸甲酯的濃度為15mol/L，三氯乙烯的濃度為4. 2mol/L, CuSO4的濃度為0. 05mol/L。采用JJ-2型靜電加速器，在室溫、Ar氣氛下對浸漬有上述接枝液的超高分子量聚乙烯纖維進行輻照，平均劑量率為60KGy/S。輻照后的纖維進浸膠槽，膠粘劑為EVA，濃度20%，單向無緯布中纖維/膠粘劑重量比85 15。然后將第一層單向無緯布按單向增強纖維的0°方向連續(xù)放卷；然后將第二層單向無緯布放卷，使兩層無緯布的單向增強纖維呈0° /90°正交，將第二層無緯布牽引到第一層無緯布的復合平臺上，按照第一層單向無緯布的寬度，切斷第二層單向無緯布，使其與第一層單向無緯布復合，從而設置好第二層單向無緯布前片，然后按此方法繼續(xù)設置第二層單向無緯布后片，復合過程中第二層單向無緯布前片與后片無縫隙，復合溫度100°C，最后通過熱壓使膠粘劑熔融，將第一層單向無緯布與第二層單向無緯布壓合為一個整體，熱壓的溫度為120 130°C，壓力為14 16MPa，時間為15min，得到復合無緯布卷材。測得復合無緯布材料V5tl = 625m/s，此時的面密度為6. lkg/m2。實施例4一種輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，該方法包括以下步驟(1)將超高分子量聚乙烯纖維經集束器后，用導輥將其平行鋪展，控制纖維的鋪絲速度為5m/min，然后使纖維浸漬接枝液，所述的接枝液是羥基丙烯酸、氯仿和狗(NO) 3溶于乙醇中組成，以乙醇為基準，其中，羥基丙烯酸的濃度為lmol/L，氯仿的濃度為0. 03mol/L, FeSO4 的濃度為 0. 001mol/Lo(2)對浸漬接枝液的纖維在氣體中進行電子束輻照接枝，電子束輻照的劑量率平均為5KGy/S，然后送入浸膠槽，浸膠槽中的膠粘劑為EVA，膠粘劑質量濃度15% ；(3)將步驟( 浸膠后含有膠粘劑的絲束雙面用平行刮刀處理表面膠，再經50°C 烘干時間anin，得到單向無緯布，得到的單向無緯布中纖維/膠粘劑重量比85 15；(4)復合無緯布片材的制造將步驟(3)得到的單向無緯布切片，然后將2層單向無緯布片材0° /90°正交疊放，再熱壓成復合無緯布片材，熱壓溫度為110°C，壓力為 lOMPa，時間為 5min。實施例5一種輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，該方法包括以下步驟(1)將超高分子量聚乙烯纖維經集束器后，用導輥將其平行鋪展，控制纖維的鋪絲速度為15m/min，然后使纖維浸漬接枝液，所述的接枝液是甲基丙烯酸縮水甘油酯、二氯乙烷和CuSO4溶于乙醇中組成，以乙醇為基準，其中，甲基丙烯酸縮水甘油酯的濃度為20mol/ L，二氯乙烷的濃度為5mol/L，CuSO4的濃度為0. 06mol/L。(2)對浸漬接枝液的纖維在氣體中進行電子束輻照接枝，電子束輻照的劑量率平均為70KGy/S，然后送入浸膠槽，浸膠槽中的膠粘劑為EEA，膠粘劑質量濃度30% ；(3)將步驟( 浸膠后含有膠粘劑的絲束雙面用平行刮刀處理表面膠，再經70°C 烘干時間細in，得到單向無緯布，得到的單向無緯布中纖維/膠粘劑重量比85 15；(4)復合無緯布片材的制造將步驟(3)得到的單向無緯布切片，然后將10層單向無緯布片材0° /90°正交疊放，再熱壓成復合無緯布片材，熱壓溫度為150°C，壓力為 25MPa，時間為 40min。實施例6一種輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，該方法包括以下步驟(1)將超高分子量聚乙烯纖維經集束器后，用導輥將其平行鋪展，控制纖維的鋪絲速度為5m/min，然后使纖維浸漬接枝液，所述的接枝液是羥基丙烯酸、氯仿和狗(NO) 3溶于乙醇中組成，以乙醇為基準，其中，羥基丙烯酸的濃度為lmol/L，氯仿的濃度為0. 03mol/L, FeSO4 的濃度為 0. 001mol/Lo(2)對浸漬接枝液的纖維在Ar氣體中進行電子束輻照接枝，電子束輻照的劑量率平均為5KGy/S，然后送入浸膠槽，浸膠槽中的膠粘劑為EVA，膠粘劑質量濃度15% ；
(3)將步驟( 浸膠后含有膠粘劑的絲束雙面用平行刮刀處理表面膠，再經50°C 烘干時間anin，得到單向無緯布，得到的單向無緯布中纖維/膠粘劑重量比85 15；(4)復合無緯布卷材的制造先將第一層單向無緯布按單向增強纖維的0°方向連續(xù)放卷；然后將第二層單向無緯布放卷，使兩層無緯布的單向增強纖維呈0° /90°正交，將第二層無緯布牽引到第一層無緯布的復合平臺上，按照第一層單向無緯布的寬度， 切斷第二層單向無緯布，使其與第一層單向無緯布復合，從而設置好第二層單向無緯布前片，然后按此方法繼續(xù)設置第二層單向無緯布后片，復合過程中第二層單向無緯布前片與后片無縫隙，復合溫度為80°C，最后通過熱壓使膠粘劑熔融，熱壓的溫度為110°C，壓力為 lOMPa，時間為5min，將第一層單向無緯布與第二層單向無緯布壓合為一個整體，得到復合無緯布卷材。實施例7一種輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，該方法包括以下步驟(1)將超高分子量聚乙烯纖維經集束器后，用導輥將其平行鋪展，控制纖維的鋪絲速度為15m/min，然后使纖維浸漬接枝液，所述的接枝液是甲基丙烯酸縮水甘油酯、二氯乙烷和CuSO4溶于丙酮中組成，以丙酮為基準，其中，甲基丙烯酸縮水甘油酯的濃度為20mol/ L，二氯乙烷的濃度為5mol/L，CuSO4的濃度為0. 06mol/L。(2)對浸漬接枝液的纖維在氣體中進行電子束輻照接枝，電子束輻照的劑量率平均為70KGy/S，然后送入浸膠槽，浸膠槽中的膠粘劑為EEA，膠粘劑質量濃度30% ；(3)將步驟( 浸膠后含有膠粘劑的絲束雙面用平行刮刀處理表面膠，再經70°C 烘干時間細in，得到單向無緯布，得到的單向無緯布中纖維/膠粘劑重量比85 15；(4)復合無緯布卷材的制造先將第一層單向無緯布按單向增強纖維的0°方向連續(xù)放卷；然后將第二層單向無緯布放卷，使兩層無緯布的單向增強纖維呈0° /90°正交，將第二層無緯布牽引到第一層無緯布的復合平臺上，按照第一層單向無緯布的寬度， 切斷第二層單向無緯布，使其與第一層單向無緯布復合，從而設置好第二層單向無緯布前片，然后按此方法繼續(xù)設置第二層單向無緯布后片，復合過程中第二層單向無緯布前片與后片無縫隙，復合溫度為130°C，最后通過熱壓使膠粘劑熔融，熱壓的溫度為150°C，壓力為 25MPa，時間為40min，將第一層單向無緯布與第二層單向無緯布壓合為一個整體，得到復合無緯布卷材。
權利要求
1.輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)將超高分子量聚乙烯纖維經集束器后，用導輥將其平行鋪展，然后使纖維浸漬接枝液；(2)對浸漬接枝液的纖維進行電子束輻照接枝，然后送入浸膠槽；(3)將步驟( 浸膠后含有膠粘劑的絲束雙面用平行刮刀處理表面膠，再經烘干，得到單向無緯布；(4)復合無緯布片材的制造將步驟(3)得到的單向無緯布切片，然后將2層或2層以上單向無緯布片材0° /90°正交疊放，再熱壓成復合無緯布片材；復合無緯布卷材的制造先將第一層單向無緯布按單向增強纖維的0°方向連續(xù)放卷；然后將第二層單向無緯布放卷，使兩層無緯布的單向增強纖維呈0° /90°正交，將第二層無緯布牽引到第一層無緯布的復合平臺上，按照第一層單向無緯布的寬度，切斷第二層單向無緯布，使其與第一層單向無緯布復合，從而設置好第二層單向無緯布前片，然后按此方法繼續(xù)設置第二層單向無緯布后片，復合過程中第二層單向無緯布前片與后片無縫隙，最后通過熱壓使膠粘劑熔融，將第一層單向無緯布與第二層單向無緯布壓合為一個整體，得到復合無緯布卷材。
2.根據權利要求1所述的輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，其特征在于，步驟(1)所述的導輥的鋪絲速度為5-15m/min。
3.根據權利要求1所述的輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，其特征在于，步驟(1)所述的接枝液是由接枝改性單體、膨潤劑和阻聚劑溶于溶劑中組成，以溶劑為基準，其中，接枝改性單體的濃度為l-20mol/L，膨潤劑的濃度為0. 03-5mol/L，阻聚劑的濃度為 0. 001-0. 06mol/L。
4.根據權利要求3所述的輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，其特征在于，所述的接枝改性單體為現有超高分子量聚乙烯纖維接枝改性的各種丙烯酸類單體，包括丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、羥基丙烯酸或甲基丙烯酸縮水甘油酯；所述的膨潤劑選自氯仿、二氯乙烷、三氯乙烯中的一種；所述的阻聚劑為Cu2+或!^2+鹽；所述的溶劑選自去離子水、乙醇或丙酮中的一種。
5.根據權利要求1所述的輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，其特征在于，步驟(2)所述的電子束輻照的劑量率平均為5 70KGy/S，輻照反應氣氛選自N2, Ar或C2H2氣體中的一種。
6.根據權利要求1所述的輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，其特征在于，步驟( 所述的膠粘劑選自EVA或EEA，膠粘劑質量濃度15% 30%。
7.根據權利要求1所述的輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，其特征在于，步驟C3)所述的單向無緯布中纖維/膠粘劑重量比85 15，烘干溫度在50 70°C，時間 2 4min。
8.根據權利要求1所述的輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，其特征在于，步驟⑷所述的復合無緯布片材的熱壓溫度為110 150°C，壓力為10 25MPa， 時間為5 40min。
9.根據權利要求1所述的輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，其特征在于，步驟(4)所述的復合無緯布卷材的復合溫度為80 130°C，后續(xù)熱壓的溫度為 110 150°C，壓力為10 25MPa,時間為5 40min。
全文摘要
本發(fā)明涉及輻照超高分子量聚乙烯纖維復合無緯布材料的制造方法，包括下列步驟(1)多股超高分子量聚乙烯纖維經集束器后，用導輥將其平行鋪展，然后使纖維浸漬接枝液；(2)對浸漬接枝液的纖維進行電子束輻照接枝，然后送纖維進入浸膠槽；(3)含有膠粘劑的絲束雙面用平行刮刀處理表面膠，再經烘干，得到單向無緯布；(4)復合無緯布片材的制造，或者復合無緯布卷材的制造得到復合無緯布材料。與現有技術相比，本發(fā)明在UD布制作方法中引入電子束輻照接枝技術，對UHMWPE纖維進行共輻照接枝改性，提高纖維與膠粘劑的界面粘接性能，因而減少單向無緯布制作過程中膠粘劑的用量，同時取消保護膜的使用，最終降低了復合無緯布材料的面密度。
文檔編號D04H1/645GK102400284SQ20101028135
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月14日 優(yōu)先權日2010年9月14日
發(fā)明者孫非, 辛志榮 申請人:上海斯瑞聚合體科技有限公司, 公安部第一研究所