阅读说明：本技术 一种纤维增强摩托车头盔复合塑料及制备方法 (Fiber-reinforced composite plastic for motorcycle helmet and preparation method thereof ) 是由 张道增 于 2019-12-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及头盔材料领域,特别是涉及一种纤维增强摩托车头盔复合塑料及制备方法。本发明通过蒸汽爆破处理使麻纤维疏松化,疏松化的麻纤维具有良好的微孔,并将发泡剂置于麻纤维的微孔,然后包覆热固性环氧树脂,在二级流化床热处理时,内置的发泡剂产生气体,使微孔得以保留,同时环氧树脂加热固化形成牢固的包覆层包覆纤维,得到的纤维为疏松的存在微孔的麻纤维；热固性树脂包覆麻纤维后,利于纤维聚碳酸酯/ABS体系中的相容和分散,疏松的麻纤维受热固性树脂保护,在后期造粒加工时麻纤维微孔不会被填堵,得到的复合塑料在成品头盔外壳中得到较好的微孔保留。赋予头盔外壳强度的同时具有优异的轻质、缓冲特性。(The invention relates to the field of helmet materials, in particular to a fiber-reinforced composite plastic for a motorcycle helmet and a preparation method thereof. According to the invention, the fibrilia is loosened through steam explosion treatment, the loosened fibrilia has good micropores, the foaming agent is placed in the micropores of the fibrilia, then thermosetting epoxy resin is coated, during secondary fluidized bed heat treatment, the built-in foaming agent generates gas to keep the micropores, meanwhile, the epoxy resin is heated and cured to form firm coating layers to coat the fibers, and the obtained fibers are loose fibrilia with micropores; after the fibrilia is coated by the thermosetting resin, the fibrilia is beneficial to the compatibility and dispersion in a fiber polycarbonate/ABS system, loose fibrilia is protected by the thermosetting resin, the micropores of the fibrilia cannot be filled up in the later granulation processing, and the obtained composite plastic can obtain better micropore retention in the shell of the finished helmet. Endows the strength of the helmet shell and has excellent light weight and buffering property.)

一种纤维增强摩托车头盔复合塑料及制备方法

技术领域：

本发明涉及头盔材料领域，特别是涉及一种纤维增强摩托车头盔复合塑料及制备方法。

背景技术：

头盔是以塑料为主要材质的头部保护装置，主要是由外壳、缓冲层衬里以及悬挂装置等三个部分组成。外壳一般采用耐磨损、抗压缩性好的ABS或PC等硬质塑料，也有采用碳纤维复合材料或金属材料。该层要求硬度大、刚度大、耐磨，有助于抵抗尖锐物的穿透。目前大部分头盔外壳材料都进行增强处理，如利用碳纤维、玻璃纤维增强塑料。但在用于头盔外壳材料时，除了增强以外更为重要的是如何实现增强的同时保证塑料外壳的良好的缓冲性和吸能性能。尤其是对于高速运动的摩托车，瞬间碰撞会产生巨大的冲击能量，如果外壳材料不能够很好的吸能和分散冲击能量，只依靠内层的缓冲层缓冲能量远远不够，会对头部造成严重的损伤。

既能实现增强，同时又能够产生良好的缓冲吸能功效，技术人员尝试将外壳材料进行适度的发泡，然而发泡会对强度造成较明显的影响。

中国专利CN105482480A公开了一种竹纤维增强热塑性塑料，由以下重量份计的原料混合制成：竹纤维30-60份，热塑性塑料30-80份，偶联剂0.25-0.6 份，交联剂0.3-0.8份，润滑剂0.5-1.5份，该专利通过对竹纤维预处理用于增强塑料。

鉴于上述，竹纤维、麻纤维在用于增强头盔外壳塑料时，在增强的同时木质纤维疏松、轻质，能够赋予外壳材料良好的缓冲性能。但限于木质纤维在热塑性体系加工时，热塑性聚合物、润滑助剂等容易填满木质纤维的疏松孔，从而导致木质纤维增强的塑料疏松性能变差，缓冲吸能并不明显。

发明内容

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针对目前摩托车头盔外壳材料采用ABS\聚碳酸酯体系强度低、抗冲击能力不足的缺陷，本发明提出一种纤维增强摩托车头盔复合塑料，与现有纤维增强塑料显著地不同在于：本发明赋予麻纤维微孔，并且将热固性树脂牢固包覆于麻纤维，该纤维在ABS\聚碳酸酯体系中易于分散，而且纤维保持疏松的微孔，从而用于塑料外壳提升抗冲击能力和有效增加外壳的弹性增加缓冲性能。进一步提供一种纤维增强摩托车头盔复合塑料的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种纤维增强摩托车头盔复合塑料的制备方法，其关键的特征是：具体制备方法如下：

(1)将麻纤维蒸汽***疏松化处理，将偶氮二甲酰胺与碱液质量比1:5分散得到发泡液，将发泡液喷洒在***处理的麻纤维，使发泡液渗透麻纤维；然后在80-100℃干燥，得到预处理麻纤维；

(2)将液状环氧树脂、季戊四醇、甲苯二异氰酸酯、固化剂配制为胶状液；将预处理麻纤维加入高速搅拌机高速搅拌，同时向高速搅拌悬浮的预处理麻纤维喷洒胶状液，使胶状液包覆并渗透麻纤维；

(3)将步骤(2)得到的麻纤维转入二级加热流化床，第一级流化床热气流温度为120℃、第二级流化床热气流温度为190℃；通过一级热气流悬浮处理，使胶状液预固化在麻纤维表面并具有一定的柔性，第二级热气流悬浮处理，温度较高，使麻纤维渗透的偶氮二甲酰胺产生气体使麻纤维形成微孔，同时胶状液进一步固化形成牢固的包覆层，最终得到由热固性环氧树脂包覆的疏松麻纤维；

(4)将步骤(3)得到的疏松麻纤维与聚碳酸酯、ABS、抗氧剂、润滑剂、阻燃剂加入高速混合机混合均匀，经螺杆挤出机挤出，水冷拉条切粒、筛分脱水制得一种纤维增强摩托车头盔复合塑料。

优选的，步骤(1)所述的蒸汽***为处理麻纤维的常规处理方法。通常是将麻纤维浸没在热水中充分软化，然后沥干水分，置于蒸汽***装置的反应容器中，加热至反应容器中压力上升至1.0-1.5MPa时，保压5min，然后快速泄压，使麻纤维疏松形成微孔。麻纤维具有良好的增韧、增强、轻质特性，通过蒸汽***处理利于进一步使麻纤维疏松化，疏松化的麻纤维具有良好的微孔，对提升材料的缓冲性非常明显。

优选的，步骤(1)所述的发泡液喷洒量控制在麻纤维质量的3-5％。疏松化的麻纤维微孔在塑料热塑性加工时容易被热塑性塑料、助剂等填充堵塞。为此，本发明将发泡剂驻留在微孔中，在后期热处理时使麻纤维仍然保留良好的微孔。

优选的，步骤(2)所述的胶状液是液状环氧树脂、季戊四醇、甲苯二异氰酸酯、固化剂以质量比为40-50：2-5：1-3：3-5配制；所述液状环氧树脂选用三木SM609-50的双酚A型环氧树脂，此环氧树脂溶液粘度低、流动性好、容易喷洒；所述固化剂为双氰胺。

优选的，步骤(2)所述的胶状液喷洒量以均匀包覆预处理麻纤维为准；较佳的选择是胶状液喷洒量为预处理麻纤维质量的5-10％。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤(4)中各原料按照重量份计为：疏松麻纤维10-15份、聚碳酸酯40-60份、ABS 30-50份、抗氧剂0.05-0.1份、润滑剂0.5-1份、阻燃剂0.5-2份。

优选的，步骤(4)所述聚碳酸酯为韩国LG型号为PC-201-22的高流动性聚碳酸酯，利于与麻纤维分散；所述抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168以重量比1:2混合。所述润滑剂为硬脂酸酰胺、石蜡、聚乙烯蜡和硅酮粉中的至少一种。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤(4)中高速混合机温度控制在 80-110℃，利于润滑剂熔融分散；所述螺杆挤出机为单螺杆挤出机，不建议选用双螺杆挤出机；单螺杆挤出机剪切相对较弱，以避免轻质粉体被过度剪切破坏；挤出造粒温度控制在220-260℃。

纤维增强塑料属于本领域的公知技术，如碳纤维、玻璃纤维等均匀应用于增强塑料。但在用于头盔外壳材料时，如何实现增强的同时保证塑料外壳的良好的缓冲性和抗冲击性成为关键。我们曾试图将头盔外壳材料发泡化处理，尽管缓冲性能提升，但强度会大幅降低。针对上述问题，本发明利用麻纤维具有良好的增韧、增强、轻质特性，通过蒸汽***处理利于进一步使麻纤维疏松化，疏松化的麻纤维具有良好的微孔，并将发泡剂置于麻纤维的微孔，然后包覆热固性环氧树脂，在二级流化床热处理时，内置的发泡剂产生气体，使微孔得以保留，同时环氧树脂加热固化形成牢固的包覆层包覆纤维，得到的纤维为疏松的存在微孔的麻纤维，如附图1所示。由于热固性环氧树脂固化后不会在后期聚碳酸酯/ABS热加工造粒时软化熔融，因此该疏松的麻纤维微孔在最终造粒时得以保留，从而使得得到的复合塑料在增强的同时兼具轻质和缓冲功能。进一步的理解为:聚碳酸酯/ABS体系中分散有麻纤维，且麻纤维内部为疏松的微孔，该材料加工制备的头盔外壳具有高强、轻质、缓冲吸能功效。

本发明进一步保护由上述所述方法制备得到的一种纤维增强摩托车头盔复合塑料。其基材为聚碳酸酯/ABS体系，其中分散有疏松的麻纤维，疏松的麻纤维为热固性环氧树脂包覆麻纤维形成。

一种纤维增强摩托车头盔复合塑料及制备方法，与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)通过蒸汽***处理使麻纤维疏松化，疏松化的麻纤维具有良好的微孔，并将发泡剂置于麻纤维的微孔，然后包覆热固性环氧树脂，在二级流化床热处理时，内置的发泡剂产生气体，使微孔得以保留，同时环氧树脂加热固化形成牢固的包覆层包覆纤维，得到的纤维为疏松的存在微孔的麻纤维。

(2)本发明得到的疏松的麻纤维受热固性树脂保护，在后期造粒、热成型加工时麻纤维微孔不会被填堵，最终在成品头盔外壳中得到较好的微孔保留。赋予头盔外壳强度的同时具有优异的轻质、缓冲特性。

(3)本发明热固性树脂包覆麻纤维后，利于纤维聚碳酸酯/ABS体系中的相容和分散。

(4)本发明制备工艺简单，成本低廉，适合大规模生产。

综上所述，本发明具有上述诸多的优点及实用价值，并在现有技术产品中未见有相关公开发表的技术，较现有的技术具有显著的进步，从而较为适于实用，并具有广泛的规模化推广生产价值。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将以示意图的方式表示本发明的技术思路。

图1是本发明得到由热固性环氧树脂包覆的疏松麻纤维。

其中：1-热固性环氧树脂包覆层；2-发泡疏松的麻纤维。

图2是本发明制备流程图。

具体实施方式

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下面以具体实施例对本发明作进一步描述，参见图1—2：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

(1)将麻纤维裁切为2-3mm的纤维，浸没在热水中充分软化，然后沥干水分，置于蒸汽***装置的反应容器中，加热至反应容器中压力上升至1.0MPa时，保压5min，然后快速泄压，使麻纤维疏松形成微孔，将偶氮二甲酰胺与饱和的氢氧化钠碱液按照质量比1:5分散得到发泡液，将发泡液喷洒在***处理的麻纤维，发泡液喷洒量控制在麻纤维质量的5％，使发泡液充分渗透麻纤维1h；然后在100℃干燥，得到预处理麻纤维；

(2)将三木SM609-50液状环氧树脂、季戊四醇、甲苯二异氰酸酯、固化剂双氰胺以质量比为40：5：1：3配制为胶状液；将预处理麻纤维加入高速搅拌机在1000rpm转速下高速搅拌，同时向高速搅拌悬浮的预处理麻纤维喷洒胶状液，使胶状液包覆并渗透麻纤维；胶状液喷洒量为预处理麻纤维质量的8％；

(3)将步骤(2)得到的麻纤维转入二级加热流化床，第一级流化床热气流温度为120℃、第二级流化床热气流温度为190℃；通过一级热气流悬浮处理，使胶状液预固化在麻纤维表面并具有一定的柔性，第二级热气流悬浮处理，温度较高，使麻纤维渗透的偶氮二甲酰胺产生气体使麻纤维形成微孔，同时胶状液进一步固化形成牢固的包覆层，最终得到由热固性环氧树脂包覆的疏松麻纤维；

(4)将步骤(3)得到的疏松麻纤维10重量份、PC-201-22的高流动性聚碳酸酯45重量份、ABS 50重量份、抗氧剂0.1重量份、润滑剂聚乙烯蜡0.5重量份、阻燃剂氢氧化镁1.5重量份加入高速混合机，在80℃、200rpm转速下搅拌分散15min，混合均匀，经长径比为25/1的单螺杆挤出机，在220℃温度下挤出，水冷拉条切粒、筛分脱水制得一种纤维增强摩托车头盔复合塑料。抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168以重量比1:2混合。

实施例2

(1)将麻纤维裁切为2-3mm的纤维，浸没在热水中充分软化，然后沥干水分，置于蒸汽***装置的反应容器中，加热至反应容器中压力上升至1.0MPa时，保压5min，然后快速泄压，使麻纤维疏松形成微孔，将偶氮二甲酰胺与饱和的氢氧化钠碱液按照质量比1:5分散得到发泡液，将发泡液喷洒在***处理的麻纤维，发泡液喷洒量控制在麻纤维质量的3％，使发泡液充分渗透麻纤维1h；然后在80℃干燥，得到预处理麻纤维；

(2)将三木SM609-50液状环氧树脂、季戊四醇、甲苯二异氰酸酯、固化剂双氰胺以质量比为40：2：1：3配制为胶状液；将预处理麻纤维加入高速搅拌机在800rpm转速下高速搅拌，同时向高速搅拌悬浮的预处理麻纤维喷洒胶状液，使胶状液包覆并渗透麻纤维；胶状液喷洒量为预处理麻纤维质量的5％；

(3)将步骤(2)得到的麻纤维转入二级加热流化床，第一级流化床热气流温度为120℃、第二级流化床热气流温度为190℃；通过一级热气流悬浮处理，使胶状液预固化在麻纤维表面并具有一定的柔性，第二级热气流悬浮处理，温度较高，使麻纤维渗透的偶氮二甲酰胺产生气体使麻纤维形成微孔，同时胶状液进一步固化形成牢固的包覆层，最终得到由热固性环氧树脂包覆的疏松麻纤维；

(4)将步骤(3)得到的疏松麻纤维12重量份、PC-201-22的高流动性聚碳酸酯45重量份、ABS 30重量份、抗氧剂0.05重量份、润滑剂硬脂酸酰胺0.5 重量份、阻燃剂氢氧化镁0.5重量份加入高速混合机，在110℃、200rpm转速下搅拌分散15min，混合均匀，经长径比为25/1的单螺杆挤出机，在240℃温度下挤出，水冷拉条切粒、筛分脱水制得一种纤维增强摩托车头盔复合塑料。抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168以重量比1:2混合。

实施例3

(1)将麻纤维裁切为2-3mm的纤维，浸没在热水中充分软化，然后沥干水分，置于蒸汽***装置的反应容器中，加热至反应容器中压力上升至1.5MPa时，保压5min，然后快速泄压，使麻纤维疏松形成微孔，将偶氮二甲酰胺与饱和的氢氧化钠碱液按照质量比1:5分散得到发泡液，将发泡液喷洒在***处理的麻纤维，发泡液喷洒量控制在麻纤维质量的3-5％，使发泡液充分渗透麻纤维1h；然后在100℃干燥，得到预处理麻纤维；

(2)将三木SM609-50液状环氧树脂、季戊四醇、甲苯二异氰酸酯、固化剂双氰胺以质量比为50：5：2：3配制为胶状液；将预处理麻纤维加入高速搅拌机在1000rpm转速下高速搅拌，同时向高速搅拌悬浮的预处理麻纤维喷洒胶状液，使胶状液包覆并渗透麻纤维；胶状液喷洒量为预处理麻纤维质量的10％；

(3)将步骤(2)得到的麻纤维转入二级加热流化床，第一级流化床热气流温度为120℃、第二级流化床热气流温度为190℃；通过一级热气流悬浮处理，使胶状液预固化在麻纤维表面并具有一定的柔性，第二级热气流悬浮处理，温度较高，使麻纤维渗透的偶氮二甲酰胺产生气体使麻纤维形成微孔，同时胶状液进一步固化形成牢固的包覆层，最终得到由热固性环氧树脂包覆的疏松麻纤维；

(4)将步骤(3)得到的疏松麻纤维15重量份、PC-201-22的高流动性聚碳酸酯60重量份、ABS 50重量份、抗氧剂0.1重量份、润滑剂硅酮粉0.5重量份、阻燃剂氢氧化镁1重量份加入高速混合机，在110℃、400rpm转速下搅拌分散20min，混合均匀，经长径比为25/1的单螺杆挤出机，在235℃温度下挤出，水冷拉条切粒、筛分脱水制得一种纤维增强摩托车头盔复合塑料。抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168以重量比1:2混合。

对比例1

(1)将麻纤维裁切为2-3mm的纤维，浸没在热水中充分软化，然后沥干水分，置于蒸汽***装置的反应容器中，加热至反应容器中压力上升至1.0MPa时，保压5min，然后快速泄压，使麻纤维疏松形成微孔，将偶氮二甲酰胺与饱和的氢氧化钠碱液按照质量比1:5分散得到发泡液，将发泡液喷洒在***处理的麻纤维，发泡液喷洒量控制在麻纤维质量的5％，使发泡液充分渗透麻纤维1h；然后在100℃干燥，得到预处理麻纤维；

(2)将步骤(1)得到的麻纤维转入二级加热流化床，第一级流化床热气流温度为120℃、第二级流化床热气流温度为190℃；通过第二级热气流悬浮处理，温度较高，使麻纤维渗透的偶氮二甲酰胺产生气体使麻纤维形成微孔；

(3)将步骤(2)得到的疏松麻纤维10重量份、PC-201-22的高流动性聚碳酸酯45重量份、ABS 50重量份、抗氧剂0.1重量份、润滑剂聚乙烯蜡0.5重量份、阻燃剂氢氧化镁1.5重量份加入高速混合机，在80℃、200rpm转速下搅拌分散15min，混合均匀，经长径比为25/1的单螺杆挤出机，在220℃温度下挤出，水冷拉条切粒、筛分脱水制得一种纤维增强摩托车头盔复合塑料。抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168以重量比1:2混合。

对比例1没有在疏松的麻纤维表面固化包覆热固型环氧树脂，其余工艺和用料与实施例1一致。由于缺少了环氧树脂的包覆保护，疏松的麻纤维在后期分散于聚碳酸酯/ABS体系热塑加工时疏松麻纤维的微孔会被热塑性树脂、润滑剂等填充，从而使得得到的复合塑料密度变大，抗冲击缓冲性能降低。

对比例2

将PC-201-22的高流动性聚碳酸酯45重量份、ABS 50重量份、抗氧剂0.1 重量份、润滑剂聚乙烯蜡0.5重量份、阻燃剂氢氧化镁1.5重量份加入高速混合机，在80℃、200rpm转速下搅拌分散15min，混合均匀，经长径比为25/1的单螺杆挤出机，在220℃温度下挤出，水冷拉条切粒、筛分脱水制得一种纤维增强摩托车头盔复合塑料。抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168以重量比1:2混合。

对比例2没有在聚碳酸酯/ABS体系中加疏松的麻纤维，一方面复合塑料强度受影响，另一方面抗冲击缓冲性能大大降低。

对上述实施例1-3、对比例1-2得到的复合塑料进行性能测试对比。

1、密度测试：参考GB1033采用比重法测试复合塑料粒料的密度，由于该粒料密度较水低，不容易沉在水中直接排水，因此，在量筒中加入多孔金属快将粒料强行压入水中进行排水测试，计算密度。

2、抗冲击性能：将实施例1-3、对比例1-2得到的复合塑料粒料在100℃干燥1h,然后在230℃注塑制样。参考GB/T 1843，制样长度为L＝80mm、宽b＝10mm、厚h＝4mm,缺口剩余宽度8.0mm,缺口类型为A型；在温度为23℃，条件下进行悬臂梁冲击试验，测出悬臂梁缺口冲击强度，如表1所示。

3、缓冲性能：将实施例1-3、对比例1-2得到的复合塑料粒料分别在230℃条件下注塑为半径12cm的半圆球形，模拟头盔外壳，注塑厚度为4mm，将半球头盔外壳球面向下，在3m的高度自由落下，接触地面为平整的混凝土；测试模拟头盔外壳被反弹的高度，以衡量缓冲性能。如表1所示。

表1：

上述实施例仅为本发明的较佳实施例之一，并非以此限制本发明的实施范围，故：凡依本发明的形状、结构、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。