塑料玻璃钢安全帽外壳的研制

 
目前，国内用于制造安全帽壳的材料有高密度聚乙烯(HDPE)、ABS、聚碳酸酯(PC)、增韧改性聚丙烯、玻纤增强聚丙烯、聚酯玻璃钢等。帽衬材料主要是：低密度聚乙烯(LDPE)、HDPE/LDPE共混材料等。无论什么类型的安全帽壳，都必须使安全帽的设计符合使用要求，其中 重要的是保护使用者头部不受伤害，佩戴舒适。玻璃钢安全帽具有绝缘、耐酸碱、耐高温、耐低温、防静电、抗冲击、阻燃及不易老化等优点，所以近几年来用聚酯玻璃钢制作安全帽发展很快，年产约200万顶，在建筑、交通、电力及矿业生产中发挥了重要的安全保护作用，为了提高此类安全帽在夜间作业及暗处使用的安全性，我们在原生产的玻璃钢安全帽的基础上开发了一种新型夜光玻璃钢安全帽，取得了较好的经济效益及社会效益。 

安全帽帽壳的设计 

根据人机工程学原理，模拟人头受力可知：人头形的几何形状有较好抗冲击效果。依据GB2428-89《中国成年人头型系列》，帽壳形状应呈圆形或椭圆形，内径长195~50mm，宽170~220mm，高120~150mm，帽壳留有透气孔以散热，其大小应根据帽壳强度综合考虑，电工安全帽不允许有透气孔，帽壳颜色应鲜明，帽壳内突出物不超过5mm，周围有软垫，以防冲击压缩变形时伤害头部，典型安全帽结构示意图如图1所示。

图1 典型安全帽示意图

原材料及配方

不饱和聚酯（196）：常州市华润复合材料有限公司；
引发剂（MEKP-Ⅱ）：宜兴市宏达塑料化工有限公司；
促进剂：环烷酸钴溶液(钴含量为1%) ;
功能填料：自制；
夜光剂（PLO-7B）：大连路明发光科技股份有限公司；
偶联剂（SiLink硅烷类）：南京能德化工有限公司；
增韧剂（聚硫橡胶）：上海沪澄橡胶化工有限公司；
增强材料（0.18~0.4mm中碱方格布）。

基本配方如表1所示。

不饱和聚酯玻璃钢安全帽的生产可采用多种工艺，主要有模压、注射、喷射、手糊等工艺方法，在试制过程中我们采用的是手糊工艺，其工艺过程如图2所示。

图2 玻璃钢安全帽壳生产工艺图

成型工艺

将不饱和聚酯树脂、引发剂、促进剂、功能填料、着色剂、夜光剂（PLO-7B）投入反应釜内，搅拌后放入稠化剂，然后将增强材料用反应液进行浸渍，按GB2811-2007对安全帽重量的规定进行定量铺层设计。为提高防穿透性能,在帽壳顶Φ120范围多铺一层0.4mm方格布。在压机上进行模压成型，固化在60℃烘箱中处理3～5h。按样模划线，进行机加工， 后得到制品。

玻璃钢安全帽壳性能及分析

应用安全帽的国家标准GB2811-07对产品性能进行测试，测试结果如表2。

注：安全帽壳重在248-254克之间，安全帽总重量在448-452之间。

从测试结果可以看出，按照基本配方及成型工艺制出的安全帽外壳性能完全达到了GB2811-07的性能要求，而且在黑暗处发光在12小时以上，完全满足使用要求。

安全帽壳的主要性能是看冲击性能、耐穿剌性能、阻燃性能、侧压刚性、夜光性、抗静电性及外观质量。冲击性能的测试是用5kg半球面钢锤自1m高自由下落，冲击帽顶，帽内头模受冲击力应不大于4900N,帽壳不允许出现大于50mm的大裂纹，带栓绳不允许拉断。所以在配方中选用韧性好、强度高的196不饱和聚酯树脂，引发剂用MEKP-Ⅱ，并在配方中加入聚硫橡胶作为增韧剂以提高其抗冲击性能。另外采用自制的功能填料，对提高抗冲击性能也有一定作用。另外，从安全帽壳的结构来看，帽壳形状呈等高度流线状，而且表面光滑，当飞来物或坠落物砸在帽壳上向侧向滑去时，冲量被分解，作用到帽壳上的冲量减少。耐穿刺性能的测试是用重3kg的钢锥(硬度HR45，锥度60°，锥尖半径0.5mm)自1m高处自由落下，冲击帽顶，钢锥不应与头模接触。

从生产实践来看，冲击性能达到国家标准的安全帽，其耐穿剌性能一般也较好，在成型时，帽壳的顶部Φ120mm范围内多铺一层0.4方格玻纤布以提高在此部位的耐穿剌性能，并在配方中加入增韧剂及功能填料，以更好地保证其耐穿刺性。安全帽的侧压刚性是在安全帽侧向加载424N压力时,帽壳侧向变形不大于40mm,卸压后，残余变形小于15mm。要想满足玻璃钢安全帽的侧向刚性要求，就只有选择刚度高的树脂及性能好的增强材料，并且在不影响帽壳总重的情况下，在帽壳的周边采取补强措施。

玻璃钢安全帽的阻燃性能测试是将70号汽油装入2kg汽油喷灯，燃烧帽体10s，移开火焰，帽体应在5内自熄(帽壳燃点温度为790±40℃)，试验的环境10~30℃。为了使安全帽壳达到阻燃的要求，在配方中的功能填料中加有氯化石蜡化石蜡(含氯量为70%)及三氧化二锑，实践证明通过功能填料中加入阻燃剂，然后用功能填料填充到不饱和聚酯树脂中，可以使其安全帽的阻燃性达到国家标准。抗静电性能按GB2812-89标准的测试方法,测定帽壳表面电阻,要求不大于1×109欧。主要是在功能填料中加入适量的抗静电剂，降低其表面电阻，从而起到抗静电的作用。

安全帽的夜光性是该产品创新点所在，该产品是在普通玻璃钢安全帽的基础上开发出来的，在不饱和聚酯胶液中加入长余辉发助剂，该助剂具有在阳光照或白炽灯光的照射下能吸收光能，在黑暗状态下能将吸收的光收以辉光的形式发射出来，从而保证在暗处安全帽能发出夜光。采用大连路明发光科技股份有限公司生产的夜光剂（PLO-7B）试制出来的安全帽黑暗处发光超过12小时，完全满足用户要求。

外观质量要求外表不应有微泡、针孔、表面空穴、折皱、裂痕、凸凹不平、缺损、砸伤、伤痕、固化不良、毛刺等缺陷,但允许修补；制品周边不允许有毛刺、脱胶分层；内表面平整,不允许浸渍不良、分层、毛剌、缺损。

结论

通过原材料的选择进行合理的配方，采用手糊工艺可以制得具有长余辉发光的玻璃钢安全帽，发光时间超过12小明，其它性能达到或超过安全帽生产的国家标准（GB2811-07），该安全帽在交通、建筑、矿业及电力工业上有着广泛的用途，对提高操作人员在暗处作业及夜晚作业的安全性起到很好的作用。