阅读说明：本技术 一种耐穿刺芳纶面料及其制备方法和应用 (Puncture-resistant aramid fabric and preparation method and application thereof ) 是由 吴洪亮 于 2020-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明适用于材料技术领域,提供了一种耐穿刺芳纶面料及其制备方法和应用。该耐穿刺芳纶面料,以绿色环保且高强度的芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维为原料,经交织形成的骨架基层,再用芳纶、纳米陶瓷粉、助剂和有机溶剂进行复配制成涂覆液,涂覆在骨架基层的单侧面或者双侧面,从而极大地提高了面料的耐穿刺性和强度,并且涂覆层与骨架基层之间的界面粘合力好,涂覆层在长时间和高强度使用条件下不易脱落,且具有良好的透气性能。(The invention is suitable for the technical field of materials, and provides a puncture-resistant aramid fabric and a preparation method and application thereof. The puncture-resistant aramid fabric takes the green, environment-friendly and high-strength aramid chopped fibers, glass fibers and UHMWPE fibers as raw materials, a framework base layer is formed by interweaving, then aramid fibers, nano ceramic powder, an auxiliary agent and an organic solvent are compounded to prepare a coating solution, and the coating solution is coated on one side or two sides of the framework base layer, so that the puncture resistance and the strength of the fabric are greatly improved, the interface adhesive force between the coating layer and the framework base layer is good, the coating layer is not easy to fall off under long-time and high-strength use conditions, and the puncture-resistant aramid fabric has good air permeability.)

一种耐穿刺芳纶面料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于材料技术领域，尤其涉及一种耐穿刺芳纶面料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会对个人防护越来越重视，工装领域，尤其是在要求防割防穿刺这个细分市场中，在恶劣的使用场合中，对个人防护服装面料的要求越来越精细化，从而达到节约成本，保护个体安全等作用。

芳纶，全称为“聚苯二甲酰苯二胺”，是一种新型高科技合成纤维，因其具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能，而被广泛应用于复合材料、防弹制品、建材、特种防护服装、电子设备等领域。

现有的防穿刺芳纶面料大多数是以芳纶长丝面料为外层面料，腈氯纶或者棉为内衬，两者复合使用，而腈氯纶层面料，克重一般偏低，对防穿刺的效果很差，尤其在燃烧中会产生剧毒烟雾，对人体造成伤害。

可见，现有的防穿刺芳纶面料仍存在防穿刺效果较差且不环保的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种耐穿刺芳纶面料，旨在解决现有的防穿刺芳纶面料仍存在防穿刺效果较差且不环保的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种耐穿刺芳纶面料，包括：

以芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维为原料，经交织形成的骨架基层；以及涂覆在所述骨架基层的单侧或者双侧的涂覆层；

所述涂覆层由如下重量份的组分制备而成：芳纶10～13份、纳米陶瓷粉1～5份、助剂8～11份和有机溶剂55～65份。

本发明实施例还提供了一种耐穿刺芳纶面料的制备方法，包括如下步骤：

取芳纶、纳米陶瓷粉、助剂和有机溶剂进行混合，于60～70℃下，搅拌，使芳纶、助剂完全溶解，得涂覆液；

在预先备好的骨架基层上涂覆一层所述涂覆液，停留1～2分钟，置于凝固浴中凝固5～10分钟，得到带有涂覆层的骨架基层；

将所述带有涂覆层的骨架基层置于60～80℃下，干燥20～30分钟，得到耐穿刺芳纶面料。

本发明实施例还提供了一种耐穿刺芳纶面料在制备运动防护产品、安全防护产品或者箱包中的应用。

本发明实施例提供的耐穿刺芳纶面料，以绿色环保且高强度的芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维为原料，经交织形成的骨架基层，再用芳纶、纳米陶瓷粉、助剂和有机溶剂进行复配制成涂覆液，涂覆在骨架基层的单侧面或者双侧面，从而极大地提高了面料的耐穿刺性和强度，并且涂覆层与骨架基层之间的界面粘合力好，涂覆层在长时间和高强度使用条件下不易脱落，且具有良好的透气性能，因此，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种耐穿刺芳纶面料的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种耐穿刺芳纶面料的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的耐穿刺芳纶面料，以绿色环保且高强度的芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE(超高分子质量聚乙烯)纤维为原料，经交织形成的骨架基层，再用芳纶、纳米陶瓷粉、助剂和有机溶剂进行复配制成涂覆液，涂覆在骨架基层的单侧面或者双侧面，从而极大地提高了面料的耐穿刺性能和强度，并且涂覆层与骨架基层之间的界面粘合力好，涂覆层在长时间和高强度使用条件下不易脱落，且具有良好的透气性能。

本发明实施例提供了一种耐穿刺芳纶面料，包括：以芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维为原料，经交织形成的骨架基层；以及涂覆在所述骨架基层的单侧或者双侧的涂覆层；所述涂覆层由如下重量份的组分制备而成：芳纶10～13份、纳米陶瓷粉1～5份、助剂8～11份和有机溶剂55～65份。

作为本发明的一个实施例，图1中示出了一种耐穿刺芳纶面料的结构示意图，如图1所示，该耐穿刺芳纶面料包括：以芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维为原料，经交织形成的骨架基层1；以及涂覆在所述骨架基层1的单侧的涂覆层2。

作为本发明的另一个实施例，图2示出了另一种耐穿刺芳纶面料的结构示意图，如图2所示，该耐穿刺芳纶面料包括：以芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维为原料，经交织形成的骨架基层1；以及涂覆在所述骨架基层1的双侧的涂覆层2。

在本发明实施例中，芳纶短切纤维具体为芳纶1414(对位聚酰胺纤维)的短切纤维。优选地，芳纶短切纤维的平均长度为1～20mm。经大量实验研究发现，采用平均长度为1～20mm芳纶短切纤维与玻璃纤维和UHMWPE纤维进行交织，可明显提高面料的强度以及拉伸断裂性能，并且更易于交织成型，提高了生产效率。

在本发明的一个实施例中，可先采用芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维作为原料经混纺制备成纱线，再用该纱线经机织、针织制备成骨架基层1。

在本发明的另一个实施例中，还可以芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维为原料，采用粘合和穿刺方法，将这几种纤维粘合或缝合在一起，形成非织造布的骨架基层1。

在本发明的优选实施例中，所述芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维的混合质量比为(2～3)：(1～2)：(3～4)。经大量实验研究发现，这三种纤维的混合质量比为(2～3)：(1～2)：(3～4)时，制得的面料的强度高且耐穿刺性能好，并且整体成本相对较低廉。其中，以芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维的混合质量比为2:1.5:3制得的面料的综合性能最佳。

另外，经单因素实验研究发现，仅改变骨架基层的制备原料的种类，固定其他条件以及原料不变，制备芳纶面料，并对制得的各组芳纶面料进行拉伸强度和耐穿刺强度测试，测试结果显示：采用芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维三种纤维进行混纺交织形成骨架基层的芳纶面料，相较于单独采用芳纶短切纤维、玻璃纤维或者UHMWPE纤维中的任意一种或两种制备成骨架基层的芳纶面料的强度、耐穿刺性能均更好。因此，优选采用这三种纤维混纺交织形成芳纶面料的骨架基层。

作为优选，所述涂覆层中所采用的芳纶为对位芳纶。通过添加芳纶使得涂覆层与骨架基层之间的界面应力减小，接触良好，不易脱落，即使在长时间和高强度下使用也不容易脱落。

作为优选，所述纳米陶瓷粉为氧化镁、二氧化锆或者二氧化硅中的一种或其任意组合的混合物，且纳米陶瓷粉的平均粒径优选为1～55nm。纳米陶瓷粉具有优异的韧性和强度，在涂覆层中添加平均粒径为1～55nm的纳米陶瓷粉，可大大提高涂覆层的耐磨性、强度以及韧性，从而有利于提高面料的耐穿刺性能，其中，最为优选的是采用平均粒径为35nm的纳米陶瓷粉。

作为优选，所述助剂为氯化钠和/或氯化钙与乙醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇中的任意一种的混合物。在涂覆层中添加上述助剂有助于涂覆层更好且更牢固地附着在骨架基层的表面上，并且形成形态和大小可调节的透气孔，从而提高了面料的透气性能。

作为优选，所述有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺或邻苯二甲酸二甲酯中的任意一种或几种。芳纶、纳米陶瓷粉等原料可很好地溶解、分散在这些有机溶剂中，形成均一的涂覆层，使得涂覆层具有优异的涂覆性能，可在骨架基层上形成均匀且平整的隔膜，从而进一步提高面料的强度和耐穿刺性能。

作为优选，所述涂覆层的厚度为1～2μm。通过涂覆层在基膜上形成一层厚度为1～2μm的涂膜，不仅提高了骨架基层的透气性能，而且有效提高了骨架基层的耐穿刺强度，提升了面料的综合性能。

本发明实施例还提供了一种耐穿刺芳纶面料的制备方法，包括如下步骤：

步骤101，取芳纶、纳米陶瓷粉、助剂和有机溶剂进行混合，于60～70℃下，搅拌，使芳纶、助剂完全溶解，得涂覆液。在60～70℃下，有助于芳纶、纳米陶瓷粉、助剂加速溶解、分散在有机溶剂中，形成均一的涂覆液。

步骤102，在预先备好的骨架基层上涂覆一层所述涂覆液，停留1～2分钟，置于凝固浴中凝固5～10分钟，得到带有涂覆层的骨架基层。凝固浴为溶剂和非溶剂凝固浴或水蒸汽凝固浴。溶剂和非溶剂凝固浴中溶剂的体积百分比浓度为75％；水蒸汽凝固浴的环境温度为80℃，相对湿度为90％。在溶剂和非溶剂的配合作用下，可在骨架基层的表面形成膜表层以及内部膜微孔结构，这种环境下形成的膜表层以及内部膜微孔的孔径均一性较好，结构稳定，有利于提高面料的强度、耐穿刺性能以及透气性能。

步骤103，将所述带有涂覆层的骨架基层置于60～80℃下，干燥20～30分钟，得到耐穿刺芳纶面料。将带有涂覆层的骨架基层置于60～80℃下，干燥20～30分钟，有利于涂覆层干燥成型，并在骨架基层表面上形成均一且结构稳定的“保护膜层”，可提高面料的强度和耐穿刺强度。

本发明实施例提供的耐穿刺芳纶面料可应用于制备运动防护产品、安全防护产品或者箱包等产品。

以下给出本发明某些实施方式的实施例，其目的不在于对本发明的范围进行限定。

另外，需要说明的是，以下实施例中所给出的数值是尽可能精确，但是本领域技术人员理解由于不可能避免的测量误差和实验操作问题，每一个数字都应该被理解为约数，而不是绝对准确的数值。例如，由于称量器具的误差，关于各实施例涂覆层中各原料的重量值，应该理解为其可能具有±2％或±1％的误差。

实施例1

取芳纶10份、纳米陶瓷粉(平均粒径为20nm的氧化镁)3份、助剂(氯化钙与聚乙二醇的混合物)9份和有机溶剂(N,N-二甲基乙酰胺)65份进行混合，于70℃下，搅拌，使芳纶、助剂完全溶解，得涂覆液；

以芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维为原料(其中，芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维的混合质量比为2：2：3)，经交织形成的骨架基层，并在该骨架基层的一侧面上上涂覆一层涂覆液，停留1分钟，置于凝固浴中凝固10分钟，得到带有涂覆层的骨架基层；

将带有涂覆层的骨架基层置于80℃下，干燥20分钟，得到耐穿刺芳纶面料。

实施例2

取芳纶11份、纳米陶瓷粉(平均粒径为50nm的氧化镁)3份、助剂(氯化钙与聚乙二醇的混合物)9份和有机溶剂(N,N-二甲基乙酰胺)58份进行混合，于70℃下，搅拌，使芳纶、助剂完全溶解，得涂覆液；

以芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维为原料(其中，芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维的混合质量比为3：2：4)，经交织形成的骨架基层，并在该骨架基层的一侧面上涂覆一层涂覆液，停留2分钟，置于凝固浴中凝固10分钟，得到带有涂覆层的骨架基层；

将带有涂覆层的骨架基层置于60℃下，干燥30分钟，得到耐穿刺芳纶面料。

实施例3

本实施例提供的耐穿刺芳纶面料由以下步骤制备得到：

取芳纶12份、纳米陶瓷粉(平均粒径为1nm的氧化镁)4份、助剂(氯化钠与聚乙二醇的混合物)10份和有机溶剂(N,N-二甲基甲酰胺和邻苯二甲酸二甲酯的混合物)60份进行混合，于65℃下，搅拌，使芳纶、助剂完全溶解，得涂覆液；

以芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维为原料(其中，芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维的混合质量比为2：2：3)，经交织形成的骨架基层，并在该骨架基层的两侧面上涂覆一层涂覆液，停留1分钟，置于凝固浴中凝固8分钟，得到带有涂覆层的骨架基层；

将带有涂覆层的骨架基层置于70℃下，干燥25分钟，得到耐穿刺芳纶面料。

实施例4

本实施例提供的耐穿刺芳纶面料由以下步骤制备得到：

取芳纶11份、纳米陶瓷粉(平均粒径为50nm的氧化镁)3份、助剂(氯化钙与聚乙二醇的混合物)9份和有机溶剂(N,N-二甲基乙酰胺)58份进行混合，于70℃下，搅拌，使芳纶、助剂完全溶解，得涂覆液；

以芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维为原料(其中，芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维的混合质量比为3：1：4)，经交织形成的骨架基层，并在该骨架基层的两侧面上涂覆一层涂覆液，停留2分钟，置于凝固浴中凝固6分钟，得到带有涂覆层的骨架基层；

将带有涂覆层的骨架基层置于75℃下，干燥20分钟，得到耐穿刺芳纶面料。

实施例5

本实施例提供的耐穿刺芳纶面料由以下步骤制备得到：

取芳纶10份、纳米陶瓷粉(平均粒径为80nm的氧化镁)3.5份、助剂(氯化钠与聚乙二醇的混合物)10份和有机溶剂(N,N-二甲基甲酰胺和邻苯二甲酸二甲酯的混合物)60份进行混合，于65℃下，搅拌，使芳纶、助剂完全溶解，得涂覆液；

以芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维为原料(其中，芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维的混合质量比为2：1.5：3)，经交织形成的骨架基层，并在该骨架基层的两侧面上涂覆一层涂覆液，停留1分钟，置于凝固浴中凝固10分钟，得到带有涂覆层的骨架基层；

将带有涂覆层的骨架基层置于70℃下，干燥25分钟，得到耐穿刺芳纶面料。

通过对上述实施例1～5制得的耐穿刺芳纶面料以及市售的芳纶面料分别进行厚度、拉伸强度、透气性和穿刺强度的测试，测试结果见下表1。其中，厚度(涂覆层厚度)参照GB/T6672-2001规定的方法进行测试；拉伸强度参照ASTM D5034-2017规定的方法进行测试；透气性参照GB/T 5453-1997《纺织品、织物透气性测定》中产业用纺织品的标准，采用YG461E数字式透气量仪在压降为200Pa，测试面积20cm²的条件下测试样品的透气性；穿刺强度采用GA68规定的标准试验刀具进行垂直穿刺测试。上述测试项目均重复测试3次，取其平均值。

表1

由表1可知，本发明实施例1～5制得的耐穿刺芳纶面料的涂覆层厚度在1.2～2.1μm之间，较市售的芳纶面料增加了一层涂覆层；且从本发明实施例1～5制得的耐穿刺芳纶面料透气率与市售的芳纶面料的透气率的测试结果可以看出，本发明实施例1～5制得的耐穿刺芳纶面料透气率与市售的芳纶面料的透气率相当，可见，本发明实施例在骨架基层表面上增加涂覆层并不会影响到面料的透气性能。本发明实施例1～5制得的耐穿刺芳纶面料的拉伸强度MD在429.7Mpa～440.3Mpa之间，较市售的芳纶面料的拉伸强度MD387.2Mpa提高了42.5～53.1Mpa。本发明实施例1～5制得的耐穿刺芳纶面料能有效防护50J能量的防刺冲击，较市售的芳纶面料的穿刺强度有明显的提升。

对比例1

对比例1与上述实施例5基本相同，其不同之处仅在于：不含有涂覆层，即面料仅由骨架基层构成。

对比例2

对比例2与上述实施例5基本相同，其不同之处仅在于：涂覆层的原料省略其中的纳米陶瓷粉及其含量，并以等量的有机溶剂补足省略的纳米陶瓷粉的用量。

对比例3

对比例3与上述实施例5基本相同，其不同之处仅在于：涂覆层的原料省略其中的芳纶及其含量，并以等量的有机溶剂补足省略的芳纶的用量。

对比例4

对比例4与上述实施例5基本相同，其不同之处仅在于：涂覆层的原料省略其中的助剂及其含量，并以等量的有机溶剂补足省略的助剂的用量。

对比例5

对比例5与上述实施例5基本相同，其不同之处仅在于：将涂覆层的原料中的芳纶等量替换为锦纶。

参照上述实验方法对上述对比例1～5制得的耐穿刺芳纶面料分别进行厚度、拉伸强度、透气性和穿刺强度的测试，测试结果见下表2。

表2

由表1、2可知，在骨架基层表面上涂覆本发明提供的涂覆层材料，能有效提高芳纶面料的拉伸强度(MD)以及耐穿刺强度，但对面料的透气性能的影响不大。在涂覆层中添加芳纶、纳米陶瓷粉能够有效提高芳纶面料的拉伸强度(MD)以及耐穿刺强度，并且两者复配使用的效果更好。在涂覆层中添加助剂有助于涂覆层在骨架基层表面上形成均一、结构稳定的膜层，有助于提升面料的透气性能。

对比例6～10

对比例6～10的骨架基层表面上的涂覆层的涂抹厚度分别为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm，其余的原料以及制备条件均与上述实施例5相同。参照上述实验方法分别对对比例6～10制得的耐穿刺芳纶面料分别进行厚度、拉伸强度、透气性和穿刺强度的测试，测试结果见下表3。

表3

由上表3可知，涂覆层的厚度在1～2μm的芳纶面料的拉伸强度、耐穿刺强度与厚度为2.5μm的芳纶面料相当，并且优异于厚度为0.5μm的芳纶面料，并且厚度在1～2μm的芳纶面料的透气性能与厚度为0.5μm的芳纶面料相当，并优于厚度为2.5μm的芳纶面料。因此，综合考虑到芳纶面料的成本、拉伸强度、耐穿刺强度以及透气性能，在本发明实施例中优选涂覆层的涂覆厚度为1～2μm。

对比例11

对比例11与上述实施例5基本相同，其不同之处仅在于：在骨架基层上涂覆完涂覆液之后，对比例11采用自然风干30min，得到带有涂覆层的骨架基层。

参照上述实验方法对对比例11制得的耐穿刺芳纶的拉伸强度、穿刺强度以及透气性进行测试，测试结果显示，对比例11制得的耐穿刺芳纶面料的拉伸强度(MD)为380.21Mpa，透气率为370.62mm/s，能有效防护24J能量的防刺冲击，明显劣于实施例5制得的耐穿刺芳纶面料的拉伸强度(440.3Mpa)、透气率(390.41mm/s)和耐穿刺性能(能有效防护50J能量的防刺冲击)。由此可知，本发明实施例采用凝固浴凝固的方式在骨架基层的表面上形成涂覆层相较于采用自然风干的方式在骨架基层的表面上形成涂覆层，所制得的芳纶面料的拉伸强度、透气性以及耐穿刺强度均有明显的提升。

综上所述，本发明实施例提供的耐穿刺芳纶面料，以绿色环保且高强度的芳纶短切纤维、玻璃纤维和UHMWPE纤维为原料，经交织形成的骨架基层，再用芳纶、纳米陶瓷粉、助剂和有机溶剂进行复配制成涂覆液，涂覆在骨架基层的单侧面或者双侧面，从而极大地提高了面料的耐穿刺性和强度，并且涂覆层与骨架基层之间的界面粘合力好，涂覆层在长时间和高强度使用条件下不易脱落，且具有良好的透气性能，因此，具有广阔的市场前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。