一种隔热头盔及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及安全防护领域，尤其涉及一种隔热头盔及其制备方法。
【背景技术】
头盔作为人体重要的防护工具，在使用过程中起到保护人体头部免受外部冲击或伤害的作用，是交通、野外作业、作战时不可或缺的工具。
纤维复合材料制备的头盔壳体(如碳纤维头盔壳体)具有质量轻、强度高、外观具有清晰的纤维纹路，产品美观，高端大气等特点，受到众多消费者的青睐。但在夏季高温，头盔在户外使用时容易吸热，且使用碳纤维复合材料作为头盔壳体时，黑色的碳纤维对可见光和红外光具有极强的吸收能力，壳体表面会因碳纤维的强吸热而造成头盔壳体温度过高，引起佩戴者不适，因此有必要开发一种外观具有纤维纹理的隔热头盔满足消费者的使用需求。
【发明内容】
为解决上述技术问题，本发明公开一种隔热头盔，包括头盔壳体和隔热层，所述隔热层包括透明纤维纹理层、透射层和反射层；所述反射层设置在头盔壳体的外表面，所述透射层设置在反射层外表面上，且对可见光和红外光可透；所述透明纤维纹理层设置在透射层上。本发明中反射层能够将透过纤维纹理层和透射层的可见光和红外光反射回去，减少壳体对可见光和红外光的吸收，从而使头盔壳体具备隔热功能。本发明还可通过控制透射层的颜色，使透射层和透明纤维纹理层赋予头盔类似于纤维头盔壳体的纤维纹理外观，使制品美观、高端大气，满足使用者的审美需求。
在本发明的一些实施例中，所述头盔壳体内部设有散热部，所述散热部设置在头盔壳体的内侧，所述散热部能加快头盔壳体内部与外界的热量交换速度。
在本发明的一些实施例中，头盔壳体上设置有散热孔，散热部通过该散热孔加快头盔壳体内部与外界的热量交换速度。例如，在头盔壳体的四周或顶部设置散热孔，散热部通过所述散热孔加快头盔壳体内部与外界的热量交换速度。
在本发明的一些实施例中，所述散热部为石墨烯散热片或石墨烯散热层。
在本发明的一些实施例中，所述石墨烯散热片或石墨烯散热层从头盔壳体的内部延伸至头盔壳体的外部，从而加快头盔壳体内部与外界的热量交换速度。
在本发明的一些实施例中，所述头盔壳体为碳纤维复合材料制备的头盔壳体，碳纤维复合材料制备的头盔壳体具有质量轻、强度高的显著优点，且有利于隔热涂层与头盔壳体界面的粘接，使本发明中的隔热头盔质量轻，力学性能更好。
在本发明的一些实施例中，所述隔热层的总厚度为30-300微米，其中透明纤维纹理层厚度10-100微米，透射层厚度10-100微米，反射层厚度10-100微米。透明纹理层太薄，纹理不清晰，太厚，增加固化时间及总体重量；透射层太薄及太厚，都无法与碳纤维的明度一致；反射层，太薄反射效果不理想，太厚，增加总体厚度及重量。
在本发明的一些实施例中，所述透明纤维纹理层、透射层和反射层均由相应涂料或油墨经固化干燥后形成。
本发明的另一方面还公开一种隔热头盔的制备方法，本发明中的制备方法包括步骤S1至S4；或A1至A3。S1：按预设配比分别制备反射层涂料、和透射层涂料、和透明层光油；S2：将反射层涂料喷涂于头盔壳体表面，经固化后得到反射层；S3：将透射层涂料喷涂于反射层表面，经固化后得到透射层；S4：将透明光油用数码喷绘设备按预先置入的纤维纹理图样在透射层的表面喷绘透明光油，经固化后得到透明纤维纹理层。A1：按预设配比制备反射层涂料,将反射层涂料喷涂于头盔壳体外表面，经固化后得到反射层；A2：按预设配比制备透射层涂料,将透射层涂料喷涂于反射层外表面，经固化后得到透射层；A3：按预设配比制备透明层光油,将透明光油用数码喷绘设备按预先置入的纤维纹理图样在透射层的外表面喷绘透明光油，经固化后得到透明纤维纹理层。在本发明的一些实施例中，可以首先制备出反射层涂料、透射层涂料和透明层光油，然后再将反射层涂料喷涂于头盔壳体表面，经干燥固化后得到反射层；再将透射层涂料喷涂于反射层表面，经干燥固化后得到透射层；再将透明光油用数码喷绘设备按预先置入的纤维纹理图样在透射层的表面喷绘透明光油，经干燥固化后得到透明纤维纹理层，从而制得本发明中的隔热头盔。在本发明的一些其它实施例中，还可以是先制备反射层涂料，将反射层涂料喷涂于头盔壳体表面，经干燥固化后得到反射层；然后再制备透射层涂料，再将透射层涂料喷涂于反射层表面，经干燥固化后得到透射层；再制备透明层光油，再将透明光油用数码喷绘设备按预先置入的纤维纹理图样在透射层的表面喷绘透明光油，经干燥固化后形成所述透明纤维纹理层，从而制得本发明中的隔热头盔。还可以对本发明方法中的步骤做类似调整和/或等同的变化，均在本发明的保护范围内。
在本发明的一些实施例中，透明纤维纹理层的制备过程为：(1)按预设配比制备透明层光油；(2)采用数字制图软件制作纤维纹理图；(3)将纤维纹理图输入至数码喷绘设备，启动喷绘设备，在透射涂层表面以纤维纹理图样式喷墨打印UV透明光油；(4)经紫外光固化后获得纤维纹理图样的UV透明涂层。本发明中透明纤维纹理层使用喷墨打印时UV可快速固化，避免壳体及其它涂层长时间在高温下的暴露；另一方面因喷墨打印用UV油墨颗粒较小，打印图案细腻逼真，更接近真实碳纤维纹理。
在本发明的一些实施例中，所述透明光油为UV透明光油，按质量分数计，所述UV透明光油包括丙烯酸树脂10％-40％、丙烯酸酯单体25％-45％、光引发剂10％-15％、稳定剂0.5％-2.5％、流平剂1％-1.5％、消泡剂0.5％-2％、溶剂20％-40％。其中，所述丙烯酸酯单体包括己二醇二丙烯酸酯(HDDA)、新戊二醇二丙烯酸酯(NPGDA)、二缩三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)中的一种或多种；所述稳定剂为对苯二酚、对甲氧基苯酚、对苯醌中的一种或多种；流平剂为BYK333、和/或BYK306，消泡剂包括BYK065、和/或BYK088；所述光引发剂为二苯甲酮类，如一羟基异丙基苯甲酮、和/或一羟基环已基苯甲酮；所述溶剂为乙酸乙酯、丁二酸甲酯、苯、二甲苯中的一种或多种。
在本发明的一些实施例中，所述反射层为具备对可见光、红外光高反射率的涂层，其制备过程为：(1)按预设配比制备反射层涂料，例如将树脂、反射填料、助剂、溶剂混合均匀后，经高速分散机分散、球磨机或砂磨机研磨获得反射层油墨或涂料；(2)将反射浆料喷涂于头盔盔体表面，例如采用喷墨打印或无气喷涂方式将反射浆料喷涂于头盔盔体表面；(3)经固化后得到反射涂层。
在本发明的一些实施例中，所述反射涂料包括树脂、填料、稀释剂、溶剂和助剂；按质量分数计，所述树脂：填料：稀释剂：助剂为(20-80)：(10-80)：(20-60)：(0.5-5)。其中，所述树脂为环氧树脂、丙烯酸、不饱和聚氨酯、酚醛树脂中的一种或多种；所述填料为钛白粉系列、空心玻璃珠、空心陶瓷粉、空心纤维、珍珠岩中的一种或多种，所述填料的粒径为400nm-1000nm；所述助剂包括分散润湿剂、防沉剂中的一种或多种；分散润湿剂包括BYK145，BYK160中的一种或多种，防沉剂包括滑石粉、云母粉、碳酸钙中的一种或多种；溶剂体系为水；分散时间为20-90min，研磨时间为30min-2h。在本发明的一些实施例中，所述透射层涂料还可以包括稀释剂。
在本发明的一些实施例中，所述透射层的制备过程为：(1)按预设配比制备透射层涂层，例如将树脂、颜料、润湿分散剂、溶剂混合均匀后，经高速分散机分散、球磨机或砂磨机研磨获得透射层油墨或涂料；(2)将透射浆料喷涂于反射涂层表面，例如可以采用喷墨打印或无气喷涂方式将透射浆料喷涂于反射涂层表面；(3)固化后获得透射涂层。
在本发明的一些实施例中，所述透射层涂料对可见光透光率为70％-100％，红外光透光率为70％-100％。
在本发明的一些实施例中，透射层的颜色和明度与头盔用碳纤维的一致，涂层颜色为碳纤维黑色(当然涂层颜色也可以是其它纤维颜色)，涂层明度L为20-40。该涂层一方面决定头盔黑色隔热涂层的颜色，另一方面涂层本身不吸收及遮蔽入射光线，可以使得所有入射光线通过透射层入射至高反射涂层，最大发挥反射涂层的高反射效果。
在本发明的一些实施例中，所述透射层涂料包括树脂、颜料、分散剂、稀释剂和溶剂，按质量分数计，所述树脂：颜料：分散剂：溶剂为(30-60)：(40-60)：(3-10)：(20-60)。其中，树脂包括环氧树脂类、丙烯酸类、不饱和聚氨酯类、酚醛树脂中的一种或多种，树脂对可见光的透光率为70％-100％，对红外光的透光率为70％-100％；颜料是由其它颜色互配而成的黑色，比如黄色、红色、蓝色有机颜料调配而成。黄色有机颜料体系包括有机黄系列，红色有机颜料体系包括有机红系列，蓝色有机颜料体系包括酞菁蓝，蓝色、红色、黄色三种颜料体系的配比为5:2:1-1:1:1；分散剂包括BYK164，BYK184，BYK2050，BYK2070中的一种或多种；溶剂包括醋酸丁酯、丙烯酸乙酯、环己酮、邻苯二甲酸二甲酯中的一种或多种；在本发明的一些实施例中，所述透射层涂料还可以包括稀释剂。
本发明公开一种隔热头盔，包括头盔壳体和隔热涂层，所述隔热涂层包括透明纤维纹理层、透射层和反射层；所述反射层设置在头盔壳体的外表面，所述透射层设置在反射层外表面，且对可见光和红外光可透；所述透明纤维纹理层设置在透射层外表面。本发明中反射层能够将透过纤维纹理层和透射层的可见光和红外线反射回去，减少壳体对可见光和红外光的吸收，从而使头盔壳体具备隔热功能，且通过控制透射层的颜色，使设置在反射层上的透射层和透明纤维纹理层能赋予头盔类似于纤维头盔壳体的纤维纹理，使制品外观美丽、高端大气，满足使用者的审美需求。
【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。
实施例1
(1)碳纤维壳体表面处理
对碳纤维壳体表面进行打磨、清洗处理，去除表面污点、残胶。
(2)隔热头盔的制备
反射涂层制备
将50g丙烯酸树脂、20g粒径500nm的钛白粉、0.5gBYK145、1g碳酸钙、20g水混合均匀后，经高速分散机分散30min、砂磨机研磨2h获得反射涂料；采用无气喷涂方式将反射涂料喷涂于头盔盔体表面；经常温固化后获得反射涂层，涂层厚度为100μm。
透射涂层制备
将50g丙烯酸树脂、40g有机颜料(酞菁蓝:有机红:有机黄＝3:2:1)、5g润湿分散剂(BYK2050:BYK184＝3:2)、50g醋酸丁酯混合均匀后，经高速分散机分散60min、砂磨机2h研磨获得黑色透射涂料；采用无气喷涂方式将黑色透射浆料喷涂于高反射涂层表面；经90℃固化2h后获得黑色透射涂层。黑色透射层可见光的透光度为80％，红外光的透光度为90％，明度L＝30，厚度40μm。
透明纤维纹理层制备
将50g丙烯酸树脂、40g己二醇二丙烯酸酯单体、10g一羟基异丙基苯甲酮光引发剂、2g对苯二酚、1gBYK333、1.5gBYK065、40g丁二酸甲酯混合，经搅拌均匀后获得UV透明光油；采用数字制图软件制作3K纤维纹理图；将纤维纹理图输入至数码喷绘设备，启动喷绘设备，在黑色隔热涂层表面以纤维纹理图样式喷墨打印UV透明光油；经紫外光固化后获得纤维纹理图样的UV透明涂层，透明涂层厚度100μm。
实施例2
(1)碳纤维壳体表面处理
对碳纤维壳体表面进行打磨、清洗处理，去除表面污点，残胶。
(2)隔热涂层的制备
反射涂层制备
将50g丙烯酸树脂、50g粒径800nm的钛白粉、0.5gBYK145、1g碳酸钙、20g水混合均匀后，经高速分散机分散30min、砂磨机研磨2h获得反射涂料；采用无气喷涂方式将反射涂料喷涂于头盔盔体表面；经常温固化后获得反射涂层，涂层厚度为100μm。
透射涂层制备
将50g丙烯酸树脂、40g有机颜料(酞菁蓝:有机红:有机黄＝3:1:2)、5g%20BYK2050、50g醋酸丁酯混合均匀后，经高速分散机分散60min、砂磨机2h研磨获得黑色透射涂料；采用无气喷涂方式将黑色透射浆料喷涂于反射涂层表面；经90℃固化2h后获得黑色透射涂层。黑色透射层可见光透光度70％，红外光透光度90％，明度L＝27，厚度40μm。
透明纤维纹理层制备
将50g丙烯酸树脂、40g己二醇二丙烯酸酯单体、10g一羟基异丙基苯甲酮光引发剂、2g对苯二酚、1gBYK333、1.5gBYK065、40g丁二酸甲酯混合，经搅拌均匀后获得UV透明光油；采用数字制图软件制作10K纤维纹理图；将纤维纹理图输入至数码喷绘设备，启动喷绘设备，在黑色隔热涂层表面以纤维纹理图样式喷墨打印UV透明光油；经紫外光固化后获得纤维纹理图样的UV透明涂层，透明涂层厚度100μm。
实施例3
(1)碳纤维壳体表面处理
对碳纤维壳体表面进行打磨、清洗处理，去除表面污点，残胶。
(2)隔热涂层的制备
反射涂层制备
将50g丙烯酸树脂、50g粒径800nm的钛白粉、0.5gBYK145、1g碳酸钙、20g水混合均匀后，经高速分散机分散30min、砂磨机研磨2h获得反射涂料；采用无气喷涂方式将反射涂料喷涂于头盔盔体表面；经常温固化后获得反射涂层，涂层厚度为100μm。
透射涂层制备
将50g丙烯酸树脂、40g有机颜料(酞菁蓝:有机红:有机黄＝5:2:1)、5g%20BYK2050、50g醋酸丁酯混合均匀后，经高速分散机分散60min、砂磨机2h研磨获得黑色透射涂料；采用无气喷涂方式将黑色透射浆料喷涂于反射涂层表面；经90℃固化2h后获得黑色透射涂层。黑色透射层可见光透光度70％，红外光透光度90％，明度L＝27，厚度40μm。
透明纤维纹理层制备
将50g丙烯酸树脂、40g己二醇二丙烯酸酯单体、10g一羟基异丙基苯甲酮光引发剂、2g对苯二酚、1gBYK333、1.5gBYK065、40g丁二酸甲酯混合，经搅拌均匀后获得UV透明光油；采用数字制图软件制作10K纤维纹理图；将纤维纹理图输入至数码喷绘设备，启动喷绘设备，在黑色隔热涂层表面以纤维纹理图样式喷墨打印UV透明光油；经紫外光固化后获得纤维纹理图样的UV透明涂层，透明涂层厚度100μm。
实施例4
(1)碳纤维壳体表面处理
对碳纤维壳体表面进行打磨、清洗处理，去除表面污点，残胶。
(2)隔热涂层的制备
反射涂层制备
将20g丙烯酸树脂、10g粒径400nm的钛白粉、0.25gBYK145、0.25g碳酸钙、20g水混合均匀后，经高速分散机分散30min、砂磨机研磨2h获得反射涂料；采用无气喷涂方式将反射涂料喷涂于头盔盔体表面；经常温固化后获得反射涂层，涂层厚度为10μm。
透射涂层制备
将30g丙烯酸树脂、40g有机颜料(酞菁蓝:有机红:有机黄＝2:2:1)、3g%20BYK2050、20g醋酸丁酯混合均匀后，经高速分散机分散60min、砂磨机2h研磨获得黑色透射涂料；采用无气喷涂方式将黑色透射浆料喷涂于反射涂层表面；经90℃固化2h后获得黑色透射涂层。黑色透射层可见光透光度70％，红外光透光度90％，明度L＝27，厚度10μm。
透明纤维纹理层制备
将10g丙烯酸树脂、25g己二醇二丙烯酸酯单体、10g一羟基异丙基苯甲酮光引发剂、0.5g对苯二酚、1gBYK333、0.5gBYK065、20g丁二酸甲酯混合，经搅拌均匀后获得UV透明光油；采用数字制图软件制作10K纤维纹理图；将纤维纹理图输入至数码喷绘设备，启动喷绘设备，在黑色隔热涂层表面以纤维纹理图样式喷墨打印UV透明光油；经紫外光固化后获得纤维纹理图样的UV透明涂层，透明涂层厚度10μm。
实施例5
(1)碳纤维壳体表面处理
对碳纤维壳体表面进行打磨、清洗处理，去除表面污点，残胶。
(2)隔热涂层的制备
反射涂层制备
将80g丙烯酸树脂、80g粒径1000nm的钛白粉、2.5gBYK145、2.5g碳酸钙、60g水混合均匀后，经高速分散机分散30min、砂磨机研磨2h获得反射涂料；采用无气喷涂方式将反射涂料喷涂于头盔盔体表面；经常温固化后获得反射涂层，涂层厚度为100μm。
透射涂层制备
将60g丙烯酸树脂、60g有机颜料(酞菁蓝:有机红:有机黄＝1:1:1)、10g%20BYK2050、60g醋酸丁酯混合均匀后，经高速分散机分散60min、砂磨机2h研磨获得黑色透射涂料；采用无气喷涂方式将黑色透射浆料喷涂于反射涂层表面；经90℃固化2h后获得黑色透射涂层。黑色透射层可见光透光度70％，红外光透光度90％，明度L＝30.2，厚度100μm。
透明纤维纹理层制备
将40g丙烯酸树脂、45g己二醇二丙烯酸酯单体、15g一羟基异丙基苯甲酮光引发剂、2.5g对苯二酚、1.5gBYK333、2gBYK065、40g丁二酸甲酯混合，经搅拌均匀后获得UV透明光油；采用数字制图软件制作10K纤维纹理图；将纤维纹理图输入至数码喷绘设备，启动喷绘设备，在黑色隔热涂层表面以纤维纹理图样式喷墨打印UV透明光油；经紫外光固化后获得纤维纹理图样的UV透明涂层，透明涂层厚度100μm。
实验测试及结果
将以上5个实施例中制备的头盔样品与碳纤维头盔均置于氙灯(模拟太阳光)下照射30min，在光线直射区域内，不同头盔选取4个相同位置点测试头盔表面的温度，统计其平均温度；头盔整体的颜色差异以明度表示，测试结果如表一所述。由测试结果可知，具备隔热涂层的头盔其明度与碳纤维头盔接近，两种头盔表面温差最大可达70℃，隔热头盔具有明显的隔热降温效果。
表一
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。
