冲击防护材料及其制造方法技术

本发明专利技术提供了一种新的冲击防护材料及其制备方法。更具体地说，冲击防护材料是聚合物基剪切增稠复合材料，包括非剪切增稠聚合物基材料和一种或多种剪切增稠材料。优选地，所述非剪切增稠聚合物基材料其含量从约5％重量到约90％重量，剩余含量为一种或多种剪切增稠材料。第一种剪切增稠材料是溶胶‑凝胶基剪切增稠材料，其中无机小颗粒连接在凝胶网络中；第二种是聚合物基剪切增稠材料，其中聚合物链形成网络。与现有的剪切增稠材料相比，该材料具有不同的分子结构和配方，具有良好的冲击防护性能和稳定性。

Impact protection material and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】冲击防护材料及其制造方法相关申请的交叉引用本申请要求2017年10月10日提交的美国临时专利申请序列号62/606,766的优先权，这个临时专利申请的公开内容以引用方式整体并入本文。
本专利技术涉及一种能量吸收材料，用于消散和减轻冲击时产生的冲击力，并为物体或人体提供冲击防护；以下称为冲击防护材料。
技术介绍
冲击造成的人体伤害或物体损坏的严重程度取决于冲击过程中施加的冲击力。冲击防护器可以减弱冲击力。考虑到质量为m的易碎物体从高度h坠落到冲击防护器表面，撞击时的动能E等于物体的势能，即其中v是物体撞击时的速度，g是引力常数。为了使物体停止并吸收冲击能量，一个有效的冲击防护器应该能够在力F达到断裂阈值之前减弱它。否则物体可能有损坏的危险。很多材料都被尝试用作冲击防护器；市场上最流行的材料可能是：闭孔聚乙烯泡沫及其衍生物、开孔聚氨酯泡沫和膨胀材料。乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)泡沫是一种特殊类型的交联闭孔聚乙烯泡沫，俗称海绵橡胶或泡沫橡胶。乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)与天然橡胶相比具有重量轻、易成型、无臭、价格便宜等优点，可作为衬垫和减震器使用。然而，泡沫衬垫通常是为某一级别的冲击而设计的；它们可能无法适用于吸收高于设计级别的冲击。近年来，剪切增稠材料(或被称为膨胀材料)，在冲击吸收系统中被用作吸能材料。剪切增稠材料或膨胀材料是指材料能在低剪切速率下变形，而在高剪切速率下，粘度大幅度增加，材料則变硬。市场上销售着道康宁公司(DowCorning)一种著名的膨胀材料,其型号为3179。据称它包括含硼硅氧烷基材料。PoronXRD是一种开孔聚氨酯泡沫。据称，当其在聚氨酯聚合物的玻璃转化温度以上时，它是柔软的和灵活的；当以高速率应力或快速冲击时，聚氨酯分子会变硬以保护佩戴者免受损坏。D3O是一种聚合物复合材料(在某些产品形式中，聚氨酯为主要成分)，据称含有一种化学工程膨胀材料；该材料在正常状态下或在较低的剪切速率下是柔软和有弹性的；然而，当受到力的冲击在较高的剪切速率时，它会相互锁定，其粘度大幅增加，随后变得坚硬。道康宁3179、PoronXRD和D3O是聚合物基膨胀材料；还有其他膨胀材料，如氧化物颗粒基膨胀材料。这些膨胀材料由悬浮在载体材料中的颗粒组成。在自然状态或低剪切速率下，颗粒自由移动，材料表现出良好的流动性；在高剪切速率下，流体动力润滑力所形成的聚集限制了颗粒的流动性，因而材料变硬，冲击能量可以被吸收和耗散到更大的区域，并最终减弱。颗粒基剪切增稠材料(一个典型的例子是分散在聚乙二醇(PEG)中的二氧化硅(SiO2)颗粒)虽然已被证实并在文献中得到了广泛的研究，但其应用有限。一个原因是颗粒/载体材料混合物因为颗粒团聚和沉淀时通常不稳定；另一个原因是颗粒基剪切增稠材料不适于直接用作冲击防护器。专利技术概要本专利技术公开了一种新的冲击防护材料及其制备方法。更具体地说，冲击防护材料是聚合物基剪切增稠复合材料，包括非剪切增稠聚合物基材料和一种或多种剪切增稠材料。优选地，非剪切增稠聚合物基材料的含量从占约5％重量到约90％重量,剩余含量为一种或多种剪切增稠材料。更优选地，非剪切增稠聚合物基材料的含量从占约10％重量到约30％重量，剩余含量为一种或多种剪切增稠材料。一种或多种剪切增稠材料的第一种是溶胶-凝胶基剪切增稠材料，其中无机小颗粒连接在凝胶网络中；第二种是聚合物基剪切增稠材料，其中聚合物链形成规则或不规则网络。与现有的剪切增稠材料相比，该材料具有不同的分子结构和配方，并且具有良好的抗冲击性能和稳定性。此外，目前的冲击防护材料可以进一步发展成不同的复合材料和产品形式，以适应不同的应用。更具体地说，溶胶-凝胶基的剪切增稠材料是凝胶中无机颗粒的微网络，其中无机颗粒选自二氧化硅、二氧化钛、氧化铝或碳酸钙；聚合物基剪切增稠材料是具有两个或以上Si-O-B-(OH)2基团的聚硼二甲基硅氧烷(PBDMS)，其中位于聚硼二甲基硅氧烷非末端位置的Si-O-B-(OH)2基团的硅原子与3个氧原子和1个碳原子结合。具有两个或以上Si-O-B-(OH)2基团的PBDMS也可以用以下公式表示：具体实施方式有必要理解，本文所描述的主题不限于所描述的特定实施例，因为一些情形中可能会有所不同。传统的氧化物颗粒基膨胀材料通常由悬浮在载体材料中的颗粒(固相)组成。典型颗粒包括二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙等，典型载体材料包括水、乙二醇(EG)、聚乙二醇(PEG)等。本专利技术采用溶胶-凝胶法处理凝胶，而不是利用颗粒形成上述通常存在稳定性问题的颗粒基剪切增稠材料。目前的溶胶-凝胶基剪切增稠材料与传统的颗粒基剪切增稠材料相似，都是固相/载体材料的混合物，但在配方、制备工艺和抗冲击性能等方面有所不同。明确地说，凝胶是由前驱体化学品、溶剂和添加剂的配方通过溶胶-凝胶方法制备的。其固相的可能候选物包括二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙等。溶剂最常见的是醇或醇水混合物。添加剂的选择包括酸和碱，它们将用于调节溶液中的水解和聚合反应。将前驱体化学品与溶剂和添加剂混合后，留下前驱体溶液进行反应和熟化。不同的无机粒子具有不同浓度的前驱体材料。例如，二氧化硅(SiO2)颗粒的前驱体烷氧基硅烷：原硅酸四乙酯(TEOS)浓度约为0.1-1.0mol/L；二氧化钛(TiO2)颗粒的前驱体四异丙醇钛(TIP)浓度约为0.1-0.8mol/L；氧化铝(Al2O3)颗粒的前驱体硝酸铝[Al(NO3)3]浓度约为0.2-0.6mol/L。为了缩短反应时间和熟化时间，提高凝胶中颗粒尺寸的可控性，采用三阶段加入添加剂的溶胶-凝胶法。在第一阶段，加入添加剂以促进溶液中的水解和聚合，这将缩短反应时间。在第二阶段，加入添加剂使溶液的pH值接近等电点；这将改变表面电荷并控制颗粒的形成。在最后阶段，加入添加剂以帮助纳米粒子均匀分布并防止其团聚；这将提高粒径的可控性和凝胶的稳定性。第一种添加剂是加速溶液中的水解和聚合反应。第一添加剂可包括但不限于一种或多种酸，例如一种或多种盐酸(HCl)、硝酸、硫酸、乙酸、草酸等，以及一种或多种碱，例如一种或多种氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等。第一添加剂的量和浓度取决于特定的前驱体、前驱体的浓度等。例如，如果使用原硅酸四乙酯(TEOS)作为前驱体与使用盐酸(HCl)作为第一添加剂，则当添加盐酸(HCl)时，溶液的pH值应在1.50到5.00之间。在第二阶段，添加第二种添加剂以调节溶液的pH值接近但不等于零电荷点。第二添加剂可以与第一添加剂相同或不同。它可以包括但不限于单一组分或酸的混合物，例如一种或多种盐酸(HCl)、硝酸、硫酸、乙酸、草酸等，以及一种或多种碱，例如一种或多种氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等。第二种添加剂的量和浓度取决于溶液的pH值、特定前驱体的等电点等因素。例如，如果使用原硅酸四乙酯(TEOS)(二氧化硅的等电点约为pH2.20)作为前驱体，使用盐酸(HCl)作为第二种添加剂，则当添加第二种添加剂时，溶液的pH值应在1.60-2.15或2.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：包括一非剪切增稠聚合物基材料,其含量从约5％重量到约90％重量，剩余含量为为一种或多种剪切增稠材料,其包括一溶胶-凝胶剪切增稠材料,其由一前驱体形成的无机颗粒连接在一凝胶网络中。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171010 US 62/606,7661.一种聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：包括一非剪切增稠聚合物基材料,其含量从约5％重量到约90％重量，剩余含量为为一种或多种剪切增稠材料,其包括一溶胶-凝胶剪切增稠材料,其由一前驱体形成的无机颗粒连接在一凝胶网络中。


2.根据权利要求1所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：所述溶胶-凝胶剪切增稠材料中的所述无机颗粒选自二氧化硅、二氧化钛、氧化铝或碳酸钙。


3.根据权利要求1所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：所述形成无机颗粒的前驱体选自原硅酸四乙酯、四异丙醇钛或硝酸铝。


4.根据权利要求1所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：所述原硅酸四乙酯浓度约为0.1-1.0mol/L。


5.根据权利要求1所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：所述四异丙醇钛浓度约为0.1-0.8mol/L。


6.根据权利要求1所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：所述硝酸铝浓度约为0.2-0.6mol/L。


7.根据权利要求1所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：所述溶胶-凝胶剪切增稠材料由一步或多步形成。


8.根据权利要求1所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：所述非剪切增稠聚合物基材料为一热塑性聚合物材料。


9.根据权利要求8所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：所述热塑性聚合物材料选自乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚丙烯腈、丁苯橡胶或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。


10.根据权利要求1所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：所述非剪切增稠聚合物基材料为一热固性聚合物材料。


11.根据权利要求1所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：所述非剪切增稠聚合物基材料包含热塑性和热固性聚合物材料。


12.根据权利要求1所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：所述一种或多种剪切增稠材料进一步包括一聚合物基剪切增稠材料,其包括具有两个或以上Si-O-B-(OH)2基团的聚硼硅氧烷。


13.根据权利要求1所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：所述聚合物基剪切增稠复合材料进一步包括一发泡剂，使得所述聚合物基剪切增稠复合物为一泡沫。


14.根据权利要求1所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：其中所述溶胶-凝胶剪切增稠材料分散到一橡胶中，然后固化形成所述复合材料。


15.根据权利要求1所述的聚合物基剪切增稠复合材料，其特征在于：其中所述溶胶-凝胶剪切增稠材料分散到...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋建军，何国强，王寒，张康，张良，陈诚，林诗炬，
申请(专利权)人：纳米及先进材料研发院有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港;81