柔性防刺滌綸/碳化硅織物的制備及其防刺性能

王新厚， 張琳梅， 孫曉霞

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 201620)

由于我國對槍支管控制定了嚴(yán)格的法律，近年來，持刀襲擊已成為我國主要的暴力行為。此外，人們在日常生活的各個領(lǐng)域也面臨著被刺傷的危險。隨著國家對人民群眾生命安全的重視程度與日俱增，防刺材料的研發(fā)受到了更多的重視。

目前研究重點放在防彈衣上，從實驗、模型及其組合[1-2]等各個方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，而對防刺服的研究較少。子彈的穿透機(jī)制和刺刀的穿刺機(jī)制存在著顯著的差異。雖然刺刀攻擊的總能量比子彈攻擊的總能量少，但是刺刀擁有更鋒利的尖端，產(chǎn)生的能量更集中，例如9 mm口徑的子彈在撞擊點產(chǎn)生的能量大約是10 J/mm2，如果用刀具的話，產(chǎn)生的能量大約是100 J/mm2[3]，因此，防彈服不能作為防刺服使用。防刺服的設(shè)計理念應(yīng)考慮適當(dāng)防護(hù)、穿著舒適、成本低廉[4]等方面，在滿足防護(hù)功能的同時要兼具服用性能。

近年來對防刺服的研究主要集中在3方面：1)是高性能纖維織物的組織結(jié)構(gòu)及排列組合。Messiry 等[5]使用凱夫拉纖維、維克特拉纖維、滌綸纖維制成三軸織物，比較了他們對防刺能量的吸收。結(jié)果表明，該三維結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)相比可高效地耗散能量。文獻(xiàn)[6-7]報道了超高分子量聚乙烯纖維平紋布、無緯布、非織造布組合以及多層疊層所達(dá)到的防刺效果。2)在織物表面浸漬涂覆剪切增稠液(STF)。Zielinska等[8]對不同STF浸漬的芳綸織物進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)刺穿性能的評價發(fā)現(xiàn)，STF/芳綸織物復(fù)合材料比未處理的純織物需要更高的載荷才能實現(xiàn)刺穿。Lee 等[9]通過對剪切增稠液浸漬的芳綸復(fù)合材料的研究發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)量相同的條件下，復(fù)合材料中含有STF可大幅度提高材料的防護(hù)性能。3)在織物表面進(jìn)行樹脂涂層或其他納米粒子的涂層。Hassim等[10]通過實驗發(fā)現(xiàn)，天然膠乳涂層的織物由于纖維之間摩擦力的增大相較于未涂層的織物防刺性能提高。方心靈等[11]采用高溫高壓模壓工藝制備改性環(huán)氧樹脂復(fù)合芳綸織物。Mayo等[12]采用沙林(Surlyn)薄膜浸漬芳綸織物，準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)實驗表明，在面密度相同的情況下，涂層織物的防刺性能優(yōu)于純芳綸織物。晏義伍等[13]通過在芳綸表面浸泡、噴涂、軋制納米二氧化硅顆粒，制得了防刺性能良好的高性能織物。Levinsky等[14]研究了由氧化鋁顆粒涂覆的芳綸復(fù)合材料和聚碳酸酯板的抗穿刺性能，結(jié)果表明，復(fù)合材料的抗穿刺能力比相同厚度的聚碳酸酯板高30% ～ 50%。張政等[15]對比了不同比例SiC 懸浮液涂層超高分子量聚乙烯織物的防刺效果。

本文在第3類方法的基礎(chǔ)上嘗試在常規(guī)有機(jī)纖維織物上進(jìn)行無機(jī)材料涂層，以期在確?？椢锓来绦阅艿幕A(chǔ)上，設(shè)計一種成本低、制備方法簡便的柔性防刺復(fù)合材料。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

碳化硅(SiC)顆粒(河北戈貴焊接材料有限公司)，去離子水(華南高科水處理設(shè)備有限公司)，聚丙烯酸酯膠黏劑(恒泰化工有限公司)，自制鋪層機(jī)，烘箱(上海恒科學(xué)儀器有限公司)；滌綸機(jī)織物(浙江盛發(fā)紡織科技有限公司)，其中，織物試樣經(jīng)密為 330根/(10 cm)，緯密為300(根/10 cm)，面密度為 120 g/m2，厚度為0.331 mm。

1.2 單次涂覆柔性防刺復(fù)合材料的制備

將聚丙烯酸酯與去離子水按照質(zhì)量比為2.5：1進(jìn)行混合制得性能穩(wěn)定的涂層液。將制得的涂層液均勻地涂抹到滌綸機(jī)織物上，然后將織物放到自制鋪層機(jī)的輸送帶上，通過搖動手柄將SiC顆粒均勻地涂抹到滌綸織物上，最后將材料放入烘箱中設(shè)置溫度為150 ℃，時間5 min，即得到單次涂覆柔性防刺復(fù)合材料。

1.3 雙次涂覆柔性防刺復(fù)合材料的制備

復(fù)合材料的雙次涂覆主要有如圖1所示的2種方式：第1種是在滌綸織物的一側(cè)涂覆2次相同大小的SiC顆粒，這種方式稱為單面雙層涂覆(SSDC)；第2種是在織物的兩側(cè)分別涂覆相同大小和質(zhì)量的SiC顆粒，這種方式稱為雙面單層涂覆(DSSC)。

圖1 SiC顆粒的涂覆方式

Fig.1 Scheme of SiC particle coating method

1.4 柔性防刺復(fù)合材料的防刺性能測試

對采用單次涂覆和雙次涂覆(SSDC、DSSC)制備的柔性復(fù)合材料選用美國標(biāo)準(zhǔn)NIJ015.00—2000《防彈衣-防刺傷》進(jìn)行動態(tài)防刺性能測試。

測試試樣尺寸為100 mm×100 mm，測試儀器用Instron萬能電子強(qiáng)力機(jī)(見圖2(a))。將試樣放置在中心直徑為10 mm的2個圓板之間，每組測試5個樣本。將測試頭換為標(biāo)準(zhǔn)測試刀具,如圖2(b)所示。撞擊能量為24 J。

圖2 動態(tài)測試儀器

Fig.2 Dynamic testing instrument. (a) Electronic power machine; (b) Standard test tool

2 結(jié)果與討論

2.1 SiC顆粒大小對單次涂覆性能的影響

分別采用250、180、150 μm 3種SiC顆粒和滌綸機(jī)織布組成柔性防刺復(fù)合材料，測試其動態(tài)防刺能力，結(jié)果如表1所示。

表1 動態(tài)穿刺性能測試結(jié)果

Tab.1 Results of dynamic puncture testing

樣品織物厚度/mm面密度/(g·m-2)穿刺層數(shù)滌綸/SiC(250 μm)1.27367027層未穿透滌綸/SiC(180 μm)1.07667026層未穿透滌綸/SiC(150 μm)0.92167027層穿透

通過表1可以看出，通過稱量相同質(zhì)量的SiC顆粒，制得不同粒徑大小涂覆的復(fù)合材料的面密度統(tǒng)一為670 g/m2。通過動態(tài)測試可以看出，SiC顆粒的大小對復(fù)合材料的防刺性能存在影響。180 μm SiC顆粒涂覆的復(fù)合材料的防刺性能最好，在 26層時沒有穿透； 250 μm SiC 顆粒涂覆的復(fù)合材料的防刺層數(shù)為27層； 150 μm SiC 顆粒涂覆的復(fù)合材料的防刺性能略差一點，在27層時仍然穿透。

為更好地認(rèn)識SiC顆粒的大小對復(fù)合材料防刺性能的影響，對動態(tài)穿刺第1層復(fù)合材料的斷口用顯微鏡進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同大小顆粒第1層動態(tài)穿刺顯微照片(×6)

Fig.3 Mirco-morphology of first layer with different particle sizes after dynamic puncture (×6)

通過觀察150、250、180 μm SiC顆粒單次涂覆制備的柔性復(fù)合材料的顯微鏡圖可以發(fā)現(xiàn)，在圖3刀口的附近都存在大量被刺刀切割成粉末狀的SiC粒子。這表明該復(fù)合材料中SiC是防刺的主體材料，在刺刀攻擊時SiC顆粒起到主要的耗能作用。在刺刀攻擊時首先發(fā)生的是硬質(zhì)粒子與刀尖的接觸，刀具想要刺破復(fù)合材料首先要刺穿SiC粒子，SiC顆粒通過粗糙的表面使鋒利的金屬刀片變鈍，從而阻止刀具的切割作用。

通過圖3(c)可以看出，150 μm SiC顆粒涂覆的復(fù)合材料表面刺割的刀口最大，這是因為150 μm的SiC顆粒太小，在刺刀攻擊時易被刺刀刺破。

與250 μm的刀口相比，180 μm SiC顆粒涂覆的復(fù)合材料的刀口相對更小。這是因為在單位面密度內(nèi)180 μm SiC顆粒的致密程度大于250 μm SiC顆粒制得的復(fù)合材料。

綜上所述，在相同面密度的情況下，采用150、250、180 μm 3種SiC顆粒制得的單次涂覆柔性防刺復(fù)合材料的防刺性能優(yōu)劣順序為：180 μm>250 μm>150 μm。

2.2 雙次涂覆復(fù)合材料的防刺性能分析

采用圖1中的2種方式制得的單面雙層涂覆和雙面單層涂覆的雙次涂覆柔性復(fù)合材料的規(guī)格如表2 所示。分別對150、180、250 μm SiC顆粒制得的單次涂覆，單面雙層涂覆，雙面單層涂覆的復(fù)合材料各6層進(jìn)行動態(tài)測試，其結(jié)果如圖4所示。

表2 雙次涂覆復(fù)合材料規(guī)格

Tab.2 Specification for double coated composite materials

編號樣品織物厚度/mm面密度/(g·m-2)刺破強(qiáng)力/N1#150 μm SSDC1.259970115.0922#150 μm DSSC2.568970104.7753#180 μm SSDC1.596970141.6194#180 μm DSSC2.406970119.1095#250 μm SSDC1.794970125.6766#250 μm DSSC2.509970111.519

圖4 動態(tài)刺破強(qiáng)力測試結(jié)果

Fig.4 Result of dynamic puncture strength

通過表2可以看出，采用2種方式制得的雙次涂覆的復(fù)合材料其面密度相同，均為970 g/m2。使用同種大小的SiC顆粒采用SSDC方式制得的復(fù)合材料的厚度低于采用DSSC方式制得的復(fù)合材料。

由圖4可知，150、250、180 μm的SiC顆粒制得的復(fù)合材料的防刺性能都隨著涂覆次數(shù)的增加而增加；此外在涂覆相同大小SiC的顆粒時，采用SSDC方式涂覆的復(fù)合材料刺破強(qiáng)力最大，其次是采用DSSC方式涂覆的復(fù)合材料，采用單次涂覆復(fù)合材料的防刺性能相對最低。其中采用SSDC方式涂覆的180 μm SiC顆粒的復(fù)合材料的刺破強(qiáng)力最高，為141.619 N，相比于單次涂覆的90.922 N，刺破強(qiáng)力提高了55.76%。

2.3 雙次涂覆復(fù)合材料斷面形貌分析

為探究采用2種雙次涂覆的復(fù)合材料刺破強(qiáng)力的差異，分別對SSDC、DSSC方式制備的復(fù)合材料的第1層和第6層斷口進(jìn)行第1層和第6層掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 不同粒徑復(fù)合材料第一層斷面形貌(×100)

Fig.5 Fracture morphology of first layer of composites with different particle size(×100)

由圖5可以看出，不論是采用SSDC還是DSSC雙次涂覆方式，SiC顆粒和滌綸基布的結(jié)合都變得更緊密，尤其是通過SSDC涂覆方式的圖5中的(a)、(c)、(e)分圖可以看出，SiC顆粒和滌綸基布之間幾乎不存在間隙，因此，不管是采用SSDC涂覆方式還是DSSC涂覆方式，雙次涂覆之后復(fù)合材料的刺破強(qiáng)力都會顯著升高。

通過觀察圖5(b)、(d)、(f)可看出，采用DSSC方式涂覆，在滌綸織物的兩側(cè)會存在不同的薄弱點，所以在面密度相同的情況下，采用SSDC方式涂覆的180 μm的復(fù)合材料的刺破強(qiáng)力為141.619 N，高于采用DSSC方式涂覆的復(fù)合材料的刺破強(qiáng)力119.109 N。

圖6 不同粒徑復(fù)合材料第6層斷面形貌(×100)

Fig.6 Fracture morphology of sixth layer forcomposites with different particle size(×100)

由圖6可以看出：采用SSDC涂覆方式的復(fù)合材料的第6層會存在變形吸能；但是采用DSSC涂覆方式的柔性復(fù)合材料，因為織物的正反兩側(cè)都涂覆了SiC顆粒，織物被固定在中間，很難發(fā)生變形。所以這也是采用DSSC涂覆方式制備的柔性防刺復(fù)合材料的刺破強(qiáng)力低于SSDC涂覆方式的原因之一。

2.4 SSDC復(fù)合材料的能量耗散模式分析

通過對SSDC涂覆方式涂覆的150 μmSiC復(fù)合材料動態(tài)穿刺第1層、第3層、第6層的背面(見圖7)觀察可以看出，在第1層的背面有大量的被切成粉末狀的SiC粒子，說明在剛開始穿刺時，刺刀首先要刺破SiC顆粒才能進(jìn)一步穿刺。第1層、第3層復(fù)合材料的背面滌綸機(jī)織物的切口整齊，這說明在穿刺的初始階段剪切力是主要的破壞形式。通過觀察第6層的背面切口圖片可以看出，此層的纖維有拉伸抽拔的現(xiàn)象，這是因為第6層是最后4層，背面沒有復(fù)合材料的支撐，所以在這一層更易受到拉伸變形。

綜上所述：前幾層織物得到了后面層的支撐，織物橫向變形不太可能發(fā)生；同時刺刀在攻擊前幾層織物時擁有最高的沖擊能量，因此剪切力成為前幾層織物斷裂的主要機(jī)制。相反，當(dāng)刺刀到達(dá)后面層時，刺刀所攜帶的一定動能已被先前的織物層所吸收，因此其運動速度和攻擊能量減??；同時，后面層織物的支撐要弱得多，這些層很容易發(fā)生變形，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。這種情況下，造形織物層失效的主要機(jī)制是拉伸變形。

圖7 SSDC復(fù)合材料的切口形貌觀察

Fig.7 Incision morphology of SSDC composites. (a) First layer; (b) Third layer; (c) Sixth layer

綜上所述，歸納能量的吸收耗散方式主要有2種：第1種是硬質(zhì)SiC顆粒的耗散吸能，第2種是通過織物的拉伸變形吸能。在穿刺的初始階段通過硬質(zhì)SiC顆粒和摩擦阻力吸收大部分的穿刺能量，在后續(xù)的穿刺過程中增加了織物的適度變形來耗散能量。

3 結(jié) 論

本文在常規(guī)有機(jī)纖維織物上進(jìn)行不同粒徑的無機(jī)材料涂層，制備了柔性防刺復(fù)合材料，結(jié)論如下：

1) 通過單次涂覆發(fā)現(xiàn)，SiC顆粒的粒徑對復(fù)合材料的防刺性能存在影響。滌綸/SiC(180 μm)的復(fù)合材料的防刺性能最好，優(yōu)于250 μm和150 μm的復(fù)合材料的防刺性能。

2) 雙次涂覆的復(fù)合材料的刺破強(qiáng)力優(yōu)于單次涂覆的復(fù)合材料的刺破強(qiáng)力。

3) 分析了DSSC涂覆方式制備的復(fù)合材料其刺破強(qiáng)力低于采用SSDC涂覆方式制備的復(fù)合材料的2點原因：一是在滌綸織物兩側(cè)存在的薄弱點不同，易被刺刀刺穿；二是兩側(cè)的SiC顆粒阻礙了織物變形吸能。

4) 對6層SSDC涂覆方式制備的柔性防刺復(fù)合材料的能量耗散模式進(jìn)行分析得出，此復(fù)合材料的2種耗散吸能方式：一是通過SiC顆粒耗能；二是織物通過拉伸變形耗能。

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