STF/UHMWPE柔性復(fù)合材料的制備及防刺性能研究

蔣干兵，王發(fā)陽，李夢達(dá)

(1.連云港神特新材料有限公司，江蘇 連云港 222000；2.連云港市工業(yè)投資集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港 222002)

0 引言

隨著紡織行業(yè)的逐步壯大，新興技術(shù)的不斷發(fā)展，將傳統(tǒng)的紡織品與新型材料相結(jié)合，能夠更好地服務(wù)人類，提高人們的生活質(zhì)量。人體防護(hù)服正沿著這個(gè)趨勢發(fā)展，以達(dá)到有效保護(hù)人員免受來自外界尖銳物體等襲擊的目的。UHMWPE織物本身具有高強(qiáng)度、高模量、抗沖擊、抗剪切等特性[1]，適合用作防護(hù)材料基體。STF 是一種特殊的材料，它在一般情況下是呈黏稠狀的懸浮液，但是當(dāng)受外力快速作用時(shí)，表面黏度會(huì)迅速提高，展現(xiàn)出似硬物的抗沖擊能力，外力消除之后，很快可恢復(fù)到原來的柔性形態(tài)[2-3]?？椢锝?jīng)STF增強(qiáng)后，一方面織物的抗穿刺性顯著提升，另一方面該織物制成的防護(hù)服具有穿著舒適、輕便靈巧的優(yōu)點(diǎn)，不妨礙穿戴者的正常活動(dòng)。因此，研制STF/UHMWPE柔性防護(hù)材料對保障個(gè)體安全有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 防刺織物的編織工藝設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選用江南大學(xué)提供的雙包纏紗(UHMWPE纖維為芯紗，連云港神特新材料有限公司生產(chǎn)；兩根同規(guī)格的滌綸低彈絲為外包紗)作為編織原料，在德國Stoll公司生產(chǎn)的CMS 530TC電腦橫機(jī)上編織成緯平針織物，織物規(guī)格設(shè)計(jì)見表1。編織過程中，設(shè)定電腦橫機(jī)機(jī)器機(jī)速為0.8 m/s，牽拉力WM值為5.0，彎紗深度NP選定為11.5。值得注意的是，由于紗線主要由UHMWPE高性能纖維紡制而成，紗線的質(zhì)量大，在編織過程中，如果給紗張力過小，紗線會(huì)松弛，在機(jī)頭回轉(zhuǎn)時(shí)不能及時(shí)抽回剩余的紗線，造成邊緣吃紗困難，導(dǎo)致布面漏針[4]，因此設(shè)置較大的給紗張力時(shí)可確保紗線能夠正常編織。

表1 成品規(guī)格設(shè)計(jì)

1.2 剪切增稠液(STF)的制備

本實(shí)驗(yàn)選用聚乙二醇(PEG)作為分散介質(zhì)和球形二氧化硅(SiO2)作為分散相粒子合成剪切增稠液，具體實(shí)驗(yàn)原料信息見表2。實(shí)驗(yàn)過程中采用機(jī)械攪拌，逐漸將SiO2顆粒加入分散介質(zhì)PEG混合液(PEG200 ∶PEG400=1 ∶3)，待SiO2完全溶解后繼續(xù)添加，控制加料速度，保證分散體系均勻，注意此分散體系中SiO2粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%。當(dāng)分散介質(zhì)和分散相完全進(jìn)入三口燒瓶之后，持續(xù)對盛有混合物的三口燒瓶進(jìn)行攪拌，使二者混合均勻。最后為了除去氣泡，將分散均勻的樣品放置于真空干燥箱中持續(xù)24 h，從而得到穩(wěn)定的STF分散體系。

表2 STF制備實(shí)驗(yàn)原料

1.3 STF/UHMWPE復(fù)合材料的制備

為了使STF在織物材料中均勻分散滲透，先利用無水乙醇對制備好的STF體系進(jìn)行稀釋， STF體系與無水乙醇的重量比為1 ∶3，再將干燥的UHMWPE緯平針織物浸漬在被稀釋的STF溶液中5 min。浸漬完畢后，對織物試樣進(jìn)行浸軋?zhí)幚怼Ｍㄟ^圖1所示裝置進(jìn)行浸軋。兩個(gè)軋輥的轉(zhuǎn)向相反，在一定壓力下，既能保證織物充分吸收液體，又可以去除多余混合液使STF滲透均勻。最后將浸漬充分的復(fù)合織物放入80 ℃的烘箱中24 h，使無水乙醇充分揮發(fā)后得到STF/UHMWPE柔性復(fù)合材料，將織物剪成直徑為8 cm的圓片以用于后續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)防刺實(shí)驗(yàn)。

圖1 織物浸軋裝置

1.4 性能測試與表征

采用溫州際高檢測儀器公司提供的YG141D型織物厚度儀對復(fù)合材料的厚度進(jìn)行表征；依據(jù)GA68-2008《警用防刺服》[5]，改造南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的HD026H型電子織物強(qiáng)力儀進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)防刺實(shí)驗(yàn)；采用日本HITACHI公司的S-4800型掃描電鏡對穿刺后的STF/UHMWPE復(fù)合織物進(jìn)行表面形貌觀測。

2 結(jié)果與討論

2.1 UHMWPE織物復(fù)合前后的防刺性能研究

從UHMWPE緯平針織物浸漬前后穿刺強(qiáng)力對比(圖2)，可以看出受刀作用后的穿刺曲線趨勢是一樣的，復(fù)合樣整體的穿刺力值要比純樣大，且復(fù)合織物的穿刺位移比純織物小，這表明STF溶液對織物的穿刺性能有著積極作用。由于STF/UHMWPE織物中單絲被STF溶液所黏附，當(dāng)其受到刀具等尖銳物低速?zèng)_擊時(shí)，因?yàn)榧喚€之間相互粘著不易滑動(dòng)，故增大了刀具與紗線之間的摩擦力而阻礙其對防刺材料的進(jìn)一步破壞, 導(dǎo)致穿刺時(shí)需要的作用力更大[6]。刀具刺入加深，刀口處聚集了大量的纖維，單絲上附著了SiO2粒子使與之接觸的刀具表面鈍化，提高了刀具的穿刺強(qiáng)力，曲線中位移與強(qiáng)力成正比。最后，刀具剪切紗線使其斷裂后受粒子摩擦作用，力值沒有馬上降為零，對應(yīng)曲線的穿刺強(qiáng)力達(dá)到峰值后有一段下降。

圖2 UHMWPE緯平針織物浸漬前后穿刺強(qiáng)力對比圖

表3總結(jié)了復(fù)合前后試樣的相關(guān)參數(shù)。相比于純樣，復(fù)合樣的質(zhì)量和厚度都有所增加，因此需要將兩者面密度換算成相同時(shí)，比較穿刺負(fù)荷的大小。面密度即單位面積下織物的克重，根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)穿刺標(biāo)準(zhǔn)制樣，實(shí)驗(yàn)每個(gè)試樣直徑均為 8 cm(即面積為 50.27 cm2)的圓片。由于織物的面積都是一樣的，都為50.27 cm2，只需比較同樣重量時(shí)的穿刺強(qiáng)力，經(jīng)過計(jì)算得出在面密度相同的情況下，用STF處理過的織物的穿刺強(qiáng)力比未處理的提高了29.72%。

表3 緯平針復(fù)合樣與純樣的相關(guān)參數(shù)對比表

2.2 STF/UHMWPE柔性復(fù)合材料破壞形貌分析

在準(zhǔn)靜態(tài)防刺試驗(yàn)后，純織物和 STF/UHMWPE 復(fù)合織物在不同放大倍數(shù)下刺口處的SEM圖如圖3所示。在150倍的放大倍數(shù)下，從圖3(a)中可以看出兩種纖維被刺刀割斷之后的不同狀態(tài)，斷裂處的UHMWPE纖維比較松散，部分纖維較彎曲，而且纖維的斷裂處向外舒張和呈扁平狀。滌綸單絲的伸直狀態(tài)較好，斷裂處纖維整體的結(jié)合較為緊密。圖3(b)、(d)和(f)中纖維經(jīng)過STF處理，所用 STF 是由650 nm SiO2和 PEG200 ∶PEG400=1 ∶3制備而成的，其固含量為 75%，復(fù)合處理時(shí)的稀釋比為1 ∶3，在SEM 圖中只能觀測到 STF 中的SiO2粒子。圖3(b)在相同的放大倍數(shù)下，經(jīng)過STF浸漬的纖維的斷裂處結(jié)合更加緊密，說明STF的浸漬提高了纖維的集束性。部分UHMWPE斷裂的纖維末端出現(xiàn)扭結(jié)，可能是由于SiO2粒子的存在改變了作用力的方向。圖3(c)、(d)都是在1 000的掃描倍數(shù)下，得到的UHMWPE纖維末端斷裂處的表觀形貌。

圖3 UHMWPE織物刺口處掃描圖片(a)純×150；(b)STF×150；(c)純×1 000；(d)STF×1 000；(e)純×3 000；(f)STF×3 000

圖3(c)中未經(jīng)處理的纖維斷面較為平整光滑，呈片狀。從圖3(d)看出斷面處的粒子被擠向纖維內(nèi)，斷裂處不是很平整，能清晰看見SiO2粒子擠入纖維內(nèi)部的軌跡，這也使得在刺刀刺入織物時(shí)增加了織物的抗剪切作用，從而更難切斷纖維。圖3(e)、(f)都是在3 000的掃描倍數(shù)下，得到的滌綸末端斷裂處的表觀形貌。滌綸單絲的斷面相比而言，更加整齊，斷裂處的形態(tài)沒有大的變化，因?yàn)闇炀]的斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)不如UHMWPE纖維。由于滌綸光滑的表面，單根來看浸漬的量較少，但是可以從圖3(f)中看出，纖維斷裂的末端有SiO2粒子，這對于抵御刺刀有一定的作用。

3 結(jié)論

本文以STF/UHMWPE柔性復(fù)合材料為研究對象，探究了其準(zhǔn)靜態(tài)穿刺性能。通過分析，得出如下結(jié)果：

(1)織物浸漬前后受刀作用的穿刺曲線極為相似，復(fù)合樣整體的穿刺力值要比純樣大。處理過的織物其重量、厚度都有一定程度的上升，換算得在面密度相同的情況下，用STF處理過的織物比未處理的穿刺強(qiáng)力提高了29.72%。

(2)純織物斷裂處的纖維比較松散，相較而言，STF復(fù)合織物斷裂纖維末端排列比較整齊且緊密。滌綸絲的斷面比較整齊，UHMWPE纖維斷面呈扁平狀，纖維斷裂的末端有SiO2粒子擠入纖維內(nèi)部的痕跡，這對于抵御刺刀有一定作用。