STF/Kevlar復(fù)合材料的制備與沖擊撕裂性能*

文輝

1. 湖南工程學(xué)院紡織服裝學(xué)院，湖南 湘潭 411101 2. 湖南永霏特種防護(hù)用品有限公司，湖南 湘潭 411104

剪切增稠液體(STF)是一種由納米級分散相懸浮在分散介質(zhì)中形成的固、液混合狀的納米粒子溶液[1]。無沖擊條件下，STF呈現(xiàn)為典型的液態(tài)，而當(dāng)其受到?jīng)_擊特別是高速沖擊作用時則呈現(xiàn)為固體狀，外加沖擊作用去除后可迅速回復(fù)到初始的柔性狀態(tài)[2]。因而，可利用STF的流變特性及對外加沖擊而產(chǎn)生狀態(tài)響應(yīng)的能量吸收特性，制備柔性防護(hù)類復(fù)合材料[3]。

近年來，大量研究表明，利用STF對外加沖擊條件的響應(yīng)特性，可顯著提高防護(hù)裝甲的舒適性，有利于進(jìn)一步降低防護(hù)裝甲的質(zhì)量[4-6]。俞科靜等[7-10]發(fā)現(xiàn)通過STF處理，可有效改善芳綸織物、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯織物、玻璃纖維織物的準(zhǔn)靜態(tài)防穿刺性能，其影響因素包括STF中的分散相粒徑與含量、分散介質(zhì)類型及織物組織結(jié)構(gòu)等。

本文采用納米SiO2粉體和PEG(聚乙二醇)分別作為分散相和分散介質(zhì)制備STF，再采用涂層法制備STF/Kevlar復(fù)合材料，并對其在擺錘沖擊條件下的沖擊撕裂性能進(jìn)行測試和分析。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

分散相為氣相法制備的納米SiO2粉體(商購)，其粒徑分別為15、50 nm；分散介質(zhì)采用PEG 200、PEG 400，其平均相對分子質(zhì)量分別為200、400；涂層基布為Kevlar 1414機(jī)織物(商購，簡稱“Kevlar織物”)，經(jīng)、緯紗均為1 000 D(約111.11 tex)無捻Kevlar長絲，織物組織結(jié)構(gòu)為二上二下斜紋，織物單位面積質(zhì)量為200 g/m2。

1.2 STF的制備

為減少納米SiO2粉體在PEG中產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，采用分步添加的方式將設(shè)定質(zhì)量的納米SiO2粉體加入100 g PEG中，同時采用磁力攪拌器對納米SiO2粉體與PEG的混合體系進(jìn)行攪拌。納米SiO2粉體每兩次添加的間隔時間為4 min，每次添加1 g。設(shè)定質(zhì)量的納米SiO2粉體分步添加完畢后繼續(xù)攪拌2 h，即獲得STF。磁力攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)定為600 r/min。將制備的STF靜置于真空干燥箱中24 h，去除攪拌過程中產(chǎn)生的氣泡，獲得較為穩(wěn)定的SiO2/PEG分散體系。

1.3 STF/Kevlar復(fù)合材料的制備

采用如“1.2”所述的制備方法，選用不同粒徑的納米SiO2粉體和不同平均相對分子質(zhì)量的PEG，并改變納米SiO2粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，制得10種STF。

在制備STF/Kevlar復(fù)合材料前，將Kevlar織物置于80 ℃烘箱中進(jìn)行4 h烘燥，去除織物中的水分，以免其影響STF對織物的浸潤性。將經(jīng)過烘燥的Kevlar織物平鋪在玻璃板上，再將STF倒在Kevlar織物表面，然后用玻璃棒將STF均勻涂覆于Kevlar織物表面。玻璃棒的兩端纏有直徑為1.00 mm 的細(xì)銅絲，通過細(xì)銅絲的直徑控制STF涂層厚度。涂層完畢，將STF/Kevlar復(fù)合材料放在真空干燥箱中靜置2 h，去除Kevlar織物和STF中殘留的空氣，增加STF對Kevlar織物的滲透性。最后，將STF/Kevlar復(fù)合材料放在80 ℃烘箱中烘燥4 h。

(a) 涂層前

(c) 涂層后

1.3 沖擊撕裂性能測試

沖擊擺錘法可測定試樣在一定沖擊條件下的撕裂強(qiáng)力，可在一定程度上表征試樣的沖擊撕裂性能。依據(jù)GB/T 3917.1—2009《紡織品 織物撕破性能 第1部分：沖擊擺錘法撕破強(qiáng)力的測定》，在YG033A型落錘式織物撕裂儀上測定STF/Kevlar復(fù)合材料在擺錘沖擊條件下的撕裂強(qiáng)力與撕裂長度，試樣尺寸為100.00 mm×70.00 mm。撕裂強(qiáng)度越高、撕裂長度越短，則STF/Kevlar復(fù)合材料的沖擊撕裂性能越好。同時在相同的試驗條件下，對未經(jīng)STF涂層處理的Kevlar織物的沖擊撕裂性能進(jìn)行測試。

2 試驗結(jié)果與分析

STF/Kevlar復(fù)合材料試樣(編號K1～K10)與Kevlar織物試樣(K0)的沖擊撕裂性能測試結(jié)果見表1。

從表1可以看出，STF/Kevlar復(fù)合材料的沖擊撕裂性能優(yōu)于未經(jīng)STF處理的Kevlar織物。這主要是因為通過真空抽出Kevlar織物空隙中的氣泡后，STF充分滲透到織物中，使織物結(jié)構(gòu)變得更加緊密；當(dāng)STF/Kevlar復(fù)合材料受到?jīng)_擊作用時，STF的黏度急劇增加，這使得STF/Kevlar復(fù)合材料的沖擊撕裂性能提高，宏觀表現(xiàn)為STF/Kevlar復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)力增加、撕裂長度縮短。

表1 試樣配方與沖擊撕裂性能測試結(jié)果

對比試樣K1和K6可以發(fā)現(xiàn)，兩種復(fù)合材料均僅采用PEG進(jìn)行涂層處理。相對于試樣K1，試樣K6的STF質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，即它的PEG 400質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，但其撕裂強(qiáng)力較高、撕裂長度較短。這主要是由于隨著PEG平均相對分子質(zhì)量的增加，在沖擊作用下，PEG的黏度急劇升高，可消耗大量的沖擊能量。

從表1還可以看出，納米SiO2粉體的加入可有效提高STF/Kevlar復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)力，同時降低其撕裂長度。程平等[11]認(rèn)為對于STF，分散相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和容積相同時，分散相的平均粒徑越小，粒子數(shù)目越多，粒子之間的平均距離越小，粒子之間相互干擾、碰撞的概率增加，粒子的自由活動空間減少，從而粒子移動的阻力增加，這使得剪切增稠效應(yīng)現(xiàn)象更加明顯。但是，分別對比試樣K2與K4、K7與K8可以發(fā)現(xiàn)，在納米SiO2粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和PEG平均相對分子質(zhì)量相同的條件下，隨著納米SiO2粉體粒徑的增加，相對于K4與K8，K2與K7的STF質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別略低與略高，但K2與K7均具有較低的撕裂強(qiáng)力，K2具有較長的撕裂長度，而K7具有相同的撕裂長度。分析其原因，可能是分散相粒徑越小，制備STF時發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象的概率越大，這可能會減弱剪切增稠效應(yīng)。

對比試樣K9與K10可以發(fā)現(xiàn)，在納米SiO2粉體粒徑和其質(zhì)量分?jǐn)?shù)及PEG相對分子質(zhì)量相同的條件下，STF/Kevlar復(fù)合材料中STF質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，STF/Kevlar復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)力越高，撕裂長度越短。這主要是由于隨著STF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，STF的能量吸收作用提升。

對比試樣K2與K3、K4與K5、K8與K9可以發(fā)現(xiàn)，在納米SiO2粉體粒徑和PEG平均相對分子質(zhì)量相同的條件下，隨著STF中納米SiO2粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，STF/Kevlar復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)力增大，撕裂長度下降。這主要是由于在同等條件下，分散相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，STF中粒子數(shù)目增多，粒子間的平均距離減小，粒子間相互干擾、碰撞的概率增加，粒子的自由活動空間減少，可有效增加粒子的運(yùn)動阻力，從而提高剪切增稠效應(yīng)。

3 結(jié)論

本文采用納米SiO2粉體為分散相、PEG為分散介質(zhì)制備STF，并采用涂層法制備STF/Kevlar復(fù)合材料，并對STF/Kevlar復(fù)合材料的沖擊撕裂性能進(jìn)行測試和分析。試驗結(jié)果表明：

(1) PEG的平均相對分子質(zhì)量增加，其黏度急劇增大，有利于提高STF/Kevlar復(fù)合材料的沖擊撕裂性能，但制備STF時納米SiO2粉體均勻分散在PEG中的難度增加，極易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致STF/Kevlar復(fù)合材料的沖擊撕裂性能下降。

(2) 同等條件下，隨著STF中納米SiO2粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，STF/Kevlar復(fù)合材料的沖擊撕裂性能呈現(xiàn)增加的變化趨勢。

(3) 同等條件下，隨著STF/Kevlar復(fù)合材料中STF質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，由于STF吸收的沖擊能量增加，STF/Kevlar復(fù)合材料表現(xiàn)出較高的沖擊撕裂性能。

本文采用沖擊擺錘法對STF/Kevlar復(fù)合材料的沖擊撕裂性能進(jìn)行測試，沖擊速度較低，僅能評價STF/Kevlar復(fù)合材料在低速沖擊條件下的沖擊撕裂性能。為深入研究STF/Kevlar復(fù)合材料的抗沖擊性能，有必要在高速沖擊條件下試驗。同時，制備STF時，分散相的分散均勻性有必要進(jìn)一步提高。