芳纶针织增强体头盔制作及基本性能研究

王彦杰，孟家光，张永锋

(西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安 710048)

芳纶针织增强体头盔制作及基本性能研究

王彦杰，孟家光，张永锋

(西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安 710048)

为了进一步拓宽芳纶纤维的应用发展，采用手糊成型的方法制作芳纶纤维针织增强体头盔，对头盔的外观、质量、规格尺寸、涂层涂膜附着力、阻燃性能、耐热性能及防水性能进行了测试与分析，结果表明：芳纶纤维针织增强头盔接近中号、光滑、质轻；涂膜附着力达到三级以上；头盔外部灼烧10s树脂无变化，头盔内部灼烧8s火焰熄灭；可耐40℃温度；在水中变化很细微，阻燃性能、耐热性能及防水性能优异。

芳纶 针织 头盔 手糊成型 性能

0 前言

芳纶纤维，是一类取向度和结晶度都很高的非晶体纺织材料，其理化性能优异，包括高强、高模，耐化学腐蚀，耐冲击及耐高温等特性，作为增强体，已被广泛应用于航空、航天、防弹衣及防护头盔、装甲车、押钞车等领域[1-4]。而头盔又是保护人体安全的必备物品之一，尤其是在军事方面，体育赛事运动员及建筑人员方面，佩戴轻质，高强的头盔是减少人体受到外界侵害的有效装置[5]。鉴于此，本文采用手糊成型的方法制作芳纶针织增强体头盔[6-7]，对制品尺寸和形状要求低，工艺简单，一定程度上扩大了芳纶纤维的适用广度及应用前景，为今后复合材料的开发利用提供一定的参考价值。

1 实验部分

1.1 实验材料

芳纶纤维立体编织头盔(如图1所示)、E44环氧树脂、聚酰胺树脂、凡士林、水浴锅、刮板、烧杯、玻璃棒、马口铁板(50mm×100mm×0.2mm～0.3mm)、打火机、四倍放大镜、附着力测试仪(由DSX-90数显搅拌机改造而成)、YP20KN电子天平(由上海精密科学仪器有限公司生产)。

图1 立体成型头盔编织实物图

1.2 芳纶针织增强体头盔制作工艺

采用手糊成型法制备芳纶针织增强体头盔。打开水浴锅，加热树脂和固化剂到60℃。用量杯量取150ml的E44环氧树脂和90ml的聚酰胺固化剂，将二者在塑料容器中混合，并用玻璃棒搅拌均匀。然后将树脂反复、均匀地涂抹在立体编织头盔上。最后，将其在常温下固化24h以上，即得到立体编织芳纶纤维针织物复合材料，并对制得的成品进行打磨等后处理，其成型工艺过程如下页图2所示，头盔模型图如下页图3所示。

图2 手糊成型法制备立体编织物增强复合材料的工艺流程

1.3 性能测试

1.3.1 头盔基本性能测试

(1)外观

在自然光及白炽灯下目测，观察头盔增强体的分布，涂层情况。

(2)质量

参照标准GA293-2001[8],采用YP20KN电子天平，称量六次，求平均值，判断头盔的重量指标。

(3)规格尺寸

参照标准GA293-2001，用内外卡钳和刚直尺及高度游标卡尺测量头盔的尺寸。

1.3.2 头盔涂层涂膜附着力测试

按《涂膜一般制备法》在马口铁板上放置制备好的头盔，待涂膜实干后于恒温恒湿条件参照GB1727-79《涂膜附着力测定法》将头盔放置在马口铁上，在搅拌机探头上部装上刀片，启动搅拌机，调整转速80～100转/分钟，推动头盔，使得搅拌机刀头在头盔的不同部位划动，完成后，取下头盔，用刷子刷去头盔树脂表面的树脂屑，以四倍放大镜观察划痕，并且评级。

1.3.3 头盔阻燃性能测试

按照GB/T2812-2006在通风环境中，帽壳的侧面对准火焰，调节火焰的距离，使火焰在帽壳边缘上方50mm±1mm处，避开通气口，使头盔的测量区域同火焰端面距离为45mm±1mm，保证火焰在头盔处，作用10s，观察头盔的熔融状况，然后在头盔中放入火源，观察头盔内部火源的熄灭时间。

1.3.4 头盔的耐热性及防水性测试

(1)高温处理：将试样置于温度为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃的加热箱中，恒温分别处理3h，观察头盔表面树脂的变化及测量头盔的形变。

(2)浸水处理：采用恒温水浴锅加热，将试样置于温度为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃清水中，分别处理24h,观察头盔表面树脂的变化及测量头盔的形变。

2 结果与讨论

2.1 头盔基本性能

(1)头盔外观

通过在自然光和白炽灯下观察头盔的外观，可从图4中清晰的看到，针织线圈结构与树脂紧密结合串套，头盔是由树脂和芳纶针织增强体复合而成的非金属材料复合头盔，非金属材料无毒，在正常情况下，对人体无自然伤害，复合头盔没有脱粘、分层、空隙和气泡；头盔外表面光滑，富有光泽，无划痕、开裂、缺料、砂孔、褶皱和重皮，但是有少量分散的芝麻点，飞边修饰干净，边缘整齐无缺口。

(2)头盔质量

表1 头盔质量称量结果

由表1可知，头盔的质量均在500g以下，一般的金属头盔质量为1000g～1400g，非金属头盔质量为500g～1100g,复合头盔质量为500g～1300g,这是由于头盔采用的增强体是比重较小的芳纶纤维，采用针织结构中的纬平针组织，同时与环氧树脂复合，在保持较高强度的情况下，大大降低了头盔的质量。

(3)头盔规格尺寸

表2 头盔盔壳内尺寸测量结果单位：mm

参照表1，可知表2中实际测量的头盔尺寸偏小，接近中号(M)这是由于本次头盔制作过程中实验条件限制及客观因素制约，但是总体尺寸可以服务于大众需求，同时头盔腔壁厚度值较小，减轻佩戴者的负荷，提高了舒适度和美观性。

2.2 头盔涂层涂膜附着力

评级方法：随机选取头盔上的七个不同位置，观察划痕深度及是否有划痕，及划痕深度。如果有70%以上完好，则该部位完好，否则应认为损坏，例如部位1完好，则评定为一级；部位1损坏，部位2完好，附着力次之，评为2级；依次类推，七级最差。如图5所示。

图5 头盔划痕实验评级方法图

a 远拍照片 b 四倍放大镜照片

由图6中可看出，在头盔表面有白色轻微划痕，这表明树脂涂膜附着力良好，但是未能达到完全不脱落。通过比较可知每个区域内有少许划痕，判断为3级，涂膜附着力良好。

2.3 头盔阻燃性能

(1)盔体外侧火焰灼烧 (2)盔体内部火焰自熄

由图7可知，在头盔外用打火机灼烧头盔10s,头盔外树脂无变化，用手指按压，无软化，无明显异味产生，这说明头盔抗拒火焰能力较好。将点燃的蜡烛放置在头盔盔体内，与外界封闭，发现蜡烛经过8s熄灭，这说明头盔的密闭性良好。

2.4 头盔的耐热性及防水性

表4 头盔的耐热性及防水性

如表4所示，头盔在加热箱中加热，当温度低于40℃时，头盔无明显变化，同时刚度保持良好，当温度高于40℃时，头盔逐渐软化，这说明头盔可以耐40℃的高温，这可能与头盔所选的环氧树脂的固化温度有关；将头盔放置于不同温度的水中作用，会发现头盔的防水性及在水中的变化很细微，但是当温度升高后，头盔的力学性能减退。

3 结论

芳纶纤维针织增强头盔质轻、表面光滑、尺寸偏小，接近中号；涂膜附着力达到三级以上；头盔外部灼烧10s树脂无变化，头盔内部灼烧8s火焰熄灭；可耐40℃温度；在不同温度水中变化很细微，阻燃性能、耐热性能及防水性能优异，可考虑作为建筑及摩托车赛手用高强度头盔的替代品。

[1] 凌新龙，郭立富，等.芳纶纤维表面改性技术研究现状与进展[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(2)：44-52.

[2] 孙晓婷，郭亚.芳纶纤维的研究现状及应用[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(3)：164-168.

[3] 张文惠，徐广标.芳纶与PTFE基布针刺非织造布结构与透气性能的测试评价[J].成都纺织高等专科学校学报，2015(4)：72-74.

[4] 孔繁荣，谷富彩，朱进忠.芳纶1313纤维的热学与耐腐蚀性研究[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(3)：109-112.

[5] 陈学龙,赵陕冬.警用头盔的人机工程学分析[J].中国个体防护装备,2008(6):29-32.

[6] 陈玉辉，王嵘.手糊成型工艺生产过程中的质量控制[A].玻瑞钢学会第十四届全国玻璃钢/复合材料学术年会论文集[C].2001(15):200-203.

[7] 张健康，凌静.大型舰炮玻璃钢防护罩体手糊成型工艺探讨[J].工程塑料应用，2002(6):12-14.

[8] 施彦斌.环氧改性有机硅涂料的制备及性能研究[D].北京:北京化工大学,2006.

Production and Basic Properties Study of Aramid Knitted Reinforced Helmet

WANGYan-jie,MENGJia-guang,ZHANGYong-feng

(School of Textile and Materials, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048)

In order to further enlarge the application development of aramid fiber, aramid fiber knitted reinforced helmets were produced by adopting hand lay-up molding. Helmets′ appearance, quality, specification, coating film adhesion, flame retardancy, heat resistance and water resistance were tested and analyzed. The results showed that such helmets were close to medium size, smooth, soft and light; coating adhesion reached more than level three; resin remained unchanged within 10s burning outside the helmet and flame extinguished within 8s inside the helmet; it could withstand a temperature of 40℃ and keep very subtle changes in water with excellent flame retardant property, heat resistance and water resistance.

aramid fiber knitting helmet hand lay-up molding property

2016-12-06

王彦杰(1991-)，男，硕士研究生，研究方向：纺织新材料和新技术的开发和应用。

孟家光(1964-)，博士，教授，硕士生导师。

TS102

A

1008-5580(2017)01-0104-04