碳纳米管防弹复合纤维膜及其制备方法与应用技术

本申请公开了一种碳纳米管防弹复合纤维膜及其制备方法及应用。所述复合纤维膜包括复数根第一纤维与复数根第二纤维交织形成的二维面状结构，其中至少部分的第一纤维于所述二维面状结构所在平面或曲面上沿第一方向取向，至少部分的第二纤维于所述二维面状结构所在平面或曲面上沿第二方向取向，所述第一纤维为碳纳米管纤维，所述第二纤维包括高性能聚合物纤维。优选的，所述第一、第二纤维上还包覆有树脂材料。本申请的碳纳米管防护复合纤维膜具有优异的静态、动态力学强度和抗冲击性能，同时还具有柔性、轻质、耐磨、透气等特点，尤其适于制备可穿戴式的防弹装备，同时其制备工艺简单可控，适于规模化批量生产。

【技术实现步骤摘要】
碳纳米管防弹复合纤维膜及其制备方法与应用
本申请涉及一种防护材料，特别是一种碳纳米管防弹复合纤维膜及其制备方法和应用。
技术介绍
从古至今，个体防护材料一直是安全的保证。随着社会发展，国内外冲突矛盾存在，枪械威力的提高，军用防护材料的需求日趋重要，而且更需要在保证防护的前提下考虑轻质、柔性、舒适性。传统的防护材料无法满足这些新的要求。例如，传统硬质防护材料多采用钢板等金属防护于人们身体前后方，其重量、体积较大，且为刚性结构，不便穿戴，且穿戴后严重限制人体的活动，穿着舒适性、透气性差。而近年来常用的软质防护材料主要是利用芳纶、UHMWPEPE纤维等高性能纤维材料制备其虽然较之钢板等在重量方面有一定的减轻，但仍然需要将高性能纤维材料紧密化制备为插板以实现防护目的，使得此类软质防护材料仍结构硬实、重量也仍高达6kg/m2，不便于穿着，穿戴舒适性仍然较差。碳纳米管具有质量轻、力学性能优越、结构柔韧性好、以及耐腐蚀和阻燃特性等优良性能，有望用于改善防弹材料的性能。相应的，研究人员也已经开展了一些相关研究。例如CN1515406A通过将碳纳米管纯化与分散处理，并与氧化硼反应合成碳化硼原料，再进行后续处理制造出一种防弹涂层。根据该方法制成的防弹涂层硬度高，但是所制得的硬质防护材料不符合柔软轻质的要求。又如，张翠等将碳纳米管纯化后混合偶联剂、胶粘剂涂敷到UHMWPE上，制备出复合防护材料，该防护材料中系是将碳纳米管作为增强组分，一方面对于防护材料的可穿戴性和穿戴舒适性并无改善，另一方面也仅能小幅提升防护材料的防弹性能，防护材料的防弹功能主要还是由UHMWPE材料提供的。专利
技术实现思路
本申请的主要目的在于提供一种碳纳米管防弹复合纤维膜及其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本申请采用的技术方案包括：本申请实施例提供了一种碳纳米管防弹复合纤维膜，其包括复数根第一纤维与复数根第二纤维交织形成的二维面状结构，其中至少部分的第一纤维于所述二维面状结构所在平面或曲面上沿第一方向取向，至少部分的第二纤维于所述二维面状结构所在平面或曲面上沿第二方向取向，所述第一纤维为碳纳米管纤维，所述第二纤维包括高性能聚合物纤维。在一些较佳实施方案中，至少于所述第一纤维表面和/或所述第二纤维表面还包覆有树脂材料。在一些较佳实施方案中，复数根第一纤维及复数根第二纤维于所述二维面状结构所在的平面或曲面上密集排布，并且至少两根第一纤维之间和/或至少两根第二纤维之间和/或至少一根第一纤维与至少一根第二纤维之间还经树脂材料连接。在一些较佳实施方案中，所述碳纳米管纤维是经致密化处理过的。在一些较佳实施方案中，所述碳纳米管防弹复合纤维膜包括两个以上所述的二维面状结构，并且该两个以上二维面状结构沿垂直于所述碳纳米管防弹复合纤维膜表面的方向层叠设置。进一步的，所述碳纳米管纤维包括采用立式浮动CVD生长法连续生长形成的碳纳米管纤维。进一步的，所述碳纳米管防弹复合纤维膜是柔性膜，其具有良好透气性、低密度、低膜厚、高力学强度、良好柔韧性和优异的动态、静态吸能性能。本申请实施例还提供了一种碳纳米管防弹复合纤维膜的制备方法，其包括：提供复数根第一纤维及复数根第二纤维；将复数根第一纤维与复数根第二纤维交织形成的二维面状结构，并使其中至少部分的第一纤维沿第一方向取向，至少部分的第二纤维沿第二方向取向；其中，所述第一纤维为碳纳米管纤维，所述第二纤维包括高性能聚合物纤维。在一些较佳实施方案中，所述的制备方法还包括：使所述第一纤维连续接触致密化试剂，实现对所述第一纤维的致密化处理；将所述第一纤维与第二纤维交织形成所述二维面状结构。进一步的，所述的制备方法还可包括：使所述第一纤维连续接触包含有聚合物的致密化试剂，实现对所述第一纤维的致密化处理，并至少在所述第一纤维上包覆聚合物；将所述第一纤维与第二纤维交织形成所述二维面状结构。进一步的，所述的制备方法还可包括：使所述第一纤维连续接触致密化试剂，以及使所述第二纤维连续接触树脂材料的溶液；之后，将所述第一纤维与第二纤维交织形成所述二维面状结构。在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法还可包括：使复数根第一纤维于选定的固定面上沿第一方向取向排布，以及使复数根第二纤维于所述固定面上沿第二方向取向排布，并使所述第一纤维与第二纤维交织，形成所述碳纳米管防弹复合纤维膜。在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法还可包括：使复数根第一纤维及复数根第二纤维于所述固定面上密集排布，并且至少两根第一纤维之间和/或至少两根第二纤维之间和/或至少一根第一纤维与至少一根第二纤维之间经树脂材料连接。在一些较佳的实施方案中，所述的制备方法还可包括：对所述二维面状结构进行热压处理。进一步的，所述的制备方法还可包括：将两个以上二维面状结构沿垂直于所述碳纳米管防弹复合纤维膜表面的方向层叠，之后进行热压处理，形成所述碳纳米管防弹复合纤维膜。进一步的，所述碳纳米管纤维可以包括采用立式浮动CVD生长法连续生长形成的碳纳米管纤维，且不限于此。进一步的，本申请中所述的高性能聚合物纤维优选自强度大于17.6cN/dtex，弹性模量在440cN/dtex以上的纤维。本申请实施例还提供了由前述任一种制备的碳纳米管防弹复合纤维膜。本申请实施例还提供了所述的碳纳米管防弹复合纤维膜于制备防护材料、防护结构或防护设备中的用途。本申请实施例还提供了所述的碳纳米管防弹复合纤维膜于制备柔性可穿戴式防护装备中的用途。较之现有技术，本申请提供的碳纳米管防护复合纤维膜具有优异的静态、动态力学强度和抗冲击性能，同时还具有柔性、轻质、耐磨、透气等特点，尤其适于制备可穿戴式的防弹装备，同时其制备工艺简单可控，适于规模化批量生产。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本申请一典型实施例中一种碳纳米管防护复合纤维膜的制备工艺示意图；图2是本申请一典型实施例中一种碳纳米管防护复合纤维膜的结构示意图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本申请的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本申请实施例的一个方面提供了一种碳纳米管防弹复合纤维膜，其包括复数根第一纤维与复数根第二纤维交织形成的二维面状结构，其中至少部分的第一纤维于所述二维面状结构所在平面或曲面上沿第一方向取向，至少部分的第二纤维于所述二维面状结构所在平面或曲面上沿第二方向取向，所述第一纤维为碳纳米管纤维，所述第二纤维包括高性能聚合物纤维。其中，所述第一方向与第二方向不同，即两者可以成不为0的夹角，例如0～90°的夹角，例如5°、15°、30°、45°、75°、90°的夹角等。优选的，所述第一方向与第二方向相互垂直。在一些较佳实施方案中，至少于所述第一纤维表面和/或所述第二纤维表面还包覆有树脂材料。通过复合这些树脂材料，还能够改善纤维之间的界面结合，从而增强所获复合纤维膜的韧性、强度和吸能性。优选的，所述树脂材料可采用热塑性树脂，例如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管防弹复合纤维膜，其特征在于包括复数根第一纤维与复数根第二纤维交织形成的二维面状结构，其中至少部分的第一纤维于所述二维面状结构所在平面或曲面上沿第一方向取向，至少部分的第二纤维于所述二维面状结构所在平面或曲面上沿第二方向取向，所述第一纤维为碳纳米管纤维，所述第二纤维包括高性能聚合物纤维。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管防弹复合纤维膜，其特征在于包括复数根第一纤维与复数根第二纤维交织形成的二维面状结构，其中至少部分的第一纤维于所述二维面状结构所在平面或曲面上沿第一方向取向，至少部分的第二纤维于所述二维面状结构所在平面或曲面上沿第二方向取向，所述第一纤维为碳纳米管纤维，所述第二纤维包括高性能聚合物纤维。2.根据权利要求1所述的碳纳米管防弹复合纤维膜，其特征在于：所述高性能聚合物纤维包括芳纶、超高分子量聚乙烯、碳纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述高性能聚合物纤维的直径为10～14μm；和/或，所述高性能聚合物纤维的抗拉强度大于17.6cN/dtex，弹性模量在440cN/dtex以上；和/或，所述碳纳米管纤维的直径为15～22μm，优选为18～22μm。3.根据权利要求1所述的碳纳米管防弹复合纤维膜，其特征在于：复数根第一纤维均沿所述第一方向取向；和/或，复数根第二纤维均沿所述第二方向取向。4.根据权利要求1所述的碳纳米管防弹复合纤维膜，其特征在于：至少于所述第一纤维表面和/或所述第二纤维表面还包覆有树脂材料；优选的，所述树脂材料包括聚乙烯醇或热塑性聚氨酯弹性体橡胶。5.根据权利要求1所述的碳纳米管防弹复合纤维膜，其特征在于：复数根第一纤维及复数根第二纤维于所述二维面状结构所在的平面或曲面上密集排布，并且至少两根第一纤维之间和/或至少两根第二纤维之间和/或至少一根第一纤维与至少一根第二纤维之间还经树脂材料连接。6.根据权利要求1所述的碳纳米管防弹复合纤维膜，其特征在于：所述碳纳米管纤维包括采用立式浮动CVD生长法连续生长形成的碳纳米管纤维。7.根据权利要求1所述的碳纳米管防弹复合纤维膜，其特征在于：所述碳纳米管纤维是经致密化处理过的，其中采用的致密化试剂包含水、乙醇、乙二醇中的至少一种；优选的，所述致密化试剂还包含有聚合物；进一步优选的，所述聚合物包括树脂材料；更为优选的，所述树脂材料包括聚乙烯醇或热塑性聚氨酯弹性体橡胶。8.根据权利要求1所述的碳纳米管防弹复合纤维膜，其特征在于包括：两个以上所述的二维面状结构，并且该两个以上二维面状结构沿垂直于所述碳纳米管防弹复合纤维膜表面的方向层叠设置。9.根据权利要求1-8中任一项所述的碳纳米管防弹复合纤维膜，其特征在于：所述碳纳米管防弹复合纤维膜是柔性膜，其中复合纱线的直径为18～22μm，并且所述复合纤维膜的膜厚为20～25μm，密度为0.76～0.85g/cm3；优选的，所述碳纳米管防弹复合纤维膜的孔隙率为15～20％，力学拉伸强度为700～800MPa；优选的，所述碳纳米管防弹复合纤维膜的韧性能达到118J/g，动态损耗因子能达到0.2。10.一种碳纳米管防弹复合纤维膜的制备方法，其特征在于包括：提供复数根第一纤维及复数根第二纤维；将复数根第一纤维与复数根第二纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丹，胡东梅，李清文，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32