新型芳綸防彈無緯布的開發(fā)

無緯布的種類很多，芳綸無緯布是其中非常重要的一種，占有絕大多數(shù)的市場份額，它是以高強(qiáng)對位芳綸纖維作為原材料加工而成的片材，多層芳綸無緯布進(jìn)行層間疊合并配合其他材料即可有效地防御子彈及彈片的攻擊，為人類提供有效的個(gè)體防護(hù)。而隨著個(gè)體防護(hù)材料的發(fā)展，測試標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新，2008年7月美國司法部開始推行新的防彈性能測試標(biāo)準(zhǔn)（NIJ 0101.06測試標(biāo)準(zhǔn)[1]），而NIJ 0101.04測試報(bào)告逐漸不被認(rèn)可。NIJ IIIA級防彈測試：用0.357SIG手槍全金屬外殼的平頭（FMJ FN）槍彈，規(guī)定質(zhì)量為8.1g，速度為448±9.1m/s；用0.44Magnum轉(zhuǎn)輪手槍半外殼空心頭（SJHP）槍彈，規(guī)定質(zhì)量為15.6g，速度為436m/s±9.1m/s。其中2種膠泥孔彈痕凹陷均不超過44mm。防彈測試要求提高，要求防彈材料性能也必須提升，以滿足新標(biāo)準(zhǔn)的測試要求，同時(shí)滿足現(xiàn)階段的市場需求。

對于芳綸無緯布而言，主要原材料為芳綸纖維和膠粘劑。芳綸纖維在膠粘劑中浸透后并排排列織造，經(jīng)過加熱烘干后形成芳綸無緯布。本文的相關(guān)研究通過對芳綸無緯布中水溶性膠粘劑的改進(jìn)，可以制備出了滿足國內(nèi)外新標(biāo)準(zhǔn)[2]要求的新型無緯布產(chǎn)品，不僅產(chǎn)品的防彈性能明顯提高，而且性價(jià)比更高。

一、新型芳綸無緯布的開發(fā)

芳綸無緯布的主要原材料為芳綸纖維和膠粘劑。芳綸纖維在膠粘劑中浸透后并排排列織造[3]，經(jīng)過加熱烘干后形成芳綸無緯布。而對于芳綸纖維而言，使用的是目前市場上公認(rèn)的芳綸纖維，纖維方面不可能改善，因此必須從膠粘劑著手。該研究采用新型樹脂體系工藝路線如圖1所示。

二、改進(jìn)芳綸無緯布性能

膠粘劑的選用一般為水性膠粘劑，水分揮發(fā)的快慢與織造無緯布的效率有直接的影響。在芳綸無緯布織造過程中，若膠粘劑中水分無法完全揮發(fā)，將導(dǎo)致膠粘劑干燥不完全，無緯布表面易粘結(jié)，且表面平整度較差。而對于防彈材料而言，若膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度較低，將導(dǎo)致纖維間易脫粘，子彈沖擊過程中消耗的子彈能量較低，產(chǎn)品易穿透，并且材料防彈性能穩(wěn)定性相對較差。若粘結(jié)強(qiáng)度過高，纖維易被束縛，纖維易“塑化”，形成脆性斷裂，產(chǎn)品易穿透。此外，產(chǎn)品的安全裕度與背襯泥凹陷互相制約，其主要與防彈材料的軟硬度有直接的關(guān)系，若防彈材料較柔軟，材料往往安全裕度較高，但凹陷往往較大，若防彈材料較硬，則安全裕度較低，但凹陷較小。這主要是由于防彈材料受子彈沖擊過程中，纖維布斷裂消耗的子彈能量與后部未穿透纖維布的拉伸變形消耗的子彈能量為主要的能量消耗方式，因此，在防彈材料不穿透的前提下，2種子彈能量的消耗方式互相制約互相影響。因此對于防彈材料而言，軟硬度必須適中。

通過實(shí)驗(yàn)對比得知，A類膠粘劑具有較強(qiáng)的粘結(jié)性能，并且制備產(chǎn)品具有一定的硬度。為了進(jìn)一步研究不同樹脂對防彈性能的影響，該研究對2種不同樹脂體系及其共混體系進(jìn)行對比，其中樣品1膠粘劑，其制備的無緯布最大剝離力較小，樣品3膠粘劑制備的無緯布粘結(jié)力較大，而膠粘劑2為二者共混膠粘劑。由不同粘結(jié)強(qiáng)度樹脂制備芯片的防彈性能對比（表1）可以看出，樹脂粘結(jié)強(qiáng)度過高或過低對芳綸無緯布制備的芯片防彈性能有較大的影響，由于粘結(jié)強(qiáng)度過低，樹脂與纖維之間易分層，沖擊應(yīng)力不能通過樹脂有效的傳遞，從而很難有效地發(fā)揮纖維的作用，從而致使防彈能力不高，芳綸無緯布的穿透層數(shù)較多，同時(shí)由于該類膠粘劑過于柔軟，從而導(dǎo)致膠泥孔深度超標(biāo)，無法滿足NIJ IIIA級技術(shù)指標(biāo)要求；而粘結(jié)強(qiáng)度過大時(shí)[4]，每層UD之間的粘結(jié)很強(qiáng)，粘結(jié)太牢，纖維之間不易脫粘，當(dāng)受到外界沖擊時(shí)，界面處的銀紋易轉(zhuǎn)化成長的微裂紋，并產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，致使纖維被“塑化”，易發(fā)生脆性斷裂，從而不利于復(fù)合材料能量的吸收，因此防彈能力下降。因此，對于芳綸無緯布而言，其防彈性能達(dá)到最優(yōu)，樹脂粘結(jié)強(qiáng)度必須適中。

為研究膠粘劑粘結(jié)強(qiáng)度對防彈衣芯片的影響，該研究對上述芯片進(jìn)一步進(jìn)行了V50測試，對比結(jié)果見表2所示。由表2可以看出，2號芯片的V50值及比吸能值明顯高于其他2種芯片，其防彈性能最優(yōu)，與表2得出的結(jié)果相同。

三、膠粘劑固含量對防彈性能的影響

為保證工藝的一致性，該研究通過調(diào)配樹脂與水配比，對樹脂配方2進(jìn)行不同樹脂固含量的調(diào)配，并制備不同固含量的芳綸無緯布，采用層數(shù)相同。由樹脂固含量對防彈性能的影響（表3）可以看出，當(dāng)膠粘劑固含量為20%時(shí)，無緯布的防彈性能最優(yōu)，但當(dāng)樹脂固含量較大或較小時(shí)，無緯布的穿透層數(shù)均增加，防彈性能均下降。

究其原因，主要是由于樹脂固含量較低，樹脂與纖維之間易分層，沖擊應(yīng)力不能通過樹脂有效的傳遞，從而很難有效地發(fā)揮纖維的作用，從而致使防彈能力不高；而固含量過大時(shí)，無緯布樹脂原因，當(dāng)受到外界沖擊時(shí)，界面很容易發(fā)生脆性斷裂，因而無緯布的防彈性能下降。因此，綜合考慮無緯布的防彈性能，樹脂含量需控制在20%。

四、無緯布層數(shù)對防彈性能

無緯布的層數(shù)多少，對芯片的防彈性能有較大的影響，層數(shù)越多，其纖維的數(shù)量也就相對多，即當(dāng)芯片受到子彈沖擊時(shí)，芯片整體的穿透層數(shù)也就越少。由無緯布層數(shù)對防彈性能的影響（表4）可以看出，無緯布層數(shù)越多，芯片的穿透層數(shù)越少，主要是由于當(dāng)芯片受到子彈沖擊時(shí)，穿透的無緯布通過纖維斷裂、布樣分層消化子彈的沖擊能量，同時(shí)未穿透的無緯布起到將能量分散的作用，從而使芯片整體消耗子彈的沖擊能，因此，無緯布的穿透層數(shù)相對較低，但綜合考慮產(chǎn)品的安全性及成本因素，28層無緯布更合理。

五、結(jié)語

通過以上研究可知，芳綸防彈材料的防彈性能與無緯布的軟硬度、粘結(jié)強(qiáng)度、膠粘劑固含量、無緯布的層數(shù)等因素有關(guān)，無緯布的軟硬度必須適中，材料的安全裕度及凹陷才能滿足相應(yīng)的要求，同時(shí)膠粘劑的固含量約20%時(shí)，無緯布的防彈性能最優(yōu)，無緯布28層時(shí)，產(chǎn)品的性價(jià)比更高。

參考文獻(xiàn)

[1]NIJ0101.06，BallisticResistanceofPersonalBodyArmor[S].2008.

[2]GA141-2010，警用防彈衣測試標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[3]左向春，王瑞嶺，劉騰龍，等.防彈無緯布復(fù)合材料的現(xiàn)狀[J].玻璃鋼復(fù)合材料，2010（5）：81-83.

[4]吳中偉，高沛，劉元坤，等.改性膠粘劑對芳綸單向布防彈性能的影響[J].高科技纖維與應(yīng)用，201138（5）：21-25.