STF-芳綸織物復(fù)合材料防刺性能研究

張汪洋，趙小強，閆文哲，李 琴，吳 越

(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中國兵器工業(yè)集團207所 軍貿(mào)工程部，山西 太原 030006)

0 引 言

傳統(tǒng)硬質(zhì)防彈衣由陶瓷、金屬板、織物組成[1-2]，這種防彈衣笨重、不透氣，而且槍支的威脅也在發(fā)展變化，因此，大多數(shù)傳統(tǒng)防護裝置已經(jīng)被淘汰，而具有防彈和防刺性能的新型裝甲開始被采用，同時輕量化要求也有所提高[3-4].柔軟的STF液體防彈衣具有密度低、強度高、抗沖擊、抗剪切和吸收能量高等優(yōu)點[5-7]，國內(nèi)外許多學(xué)者對STF復(fù)合材料進行了大量研究，美國學(xué)者Wetzel等提出利用剪切增稠流體制備軟質(zhì)防護復(fù)合材料的構(gòu)想.伍秋美等對低固含量SiO2/PEG分散體系的流變性能進行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)了STF的可逆的剪切增稠行為和剪切變稀行為[8].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授等不僅深入研究了STF剪切機理[9-10]，揭示了STF在增稠狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中的流體潤滑和摩擦接觸作用之間的競爭機制，還拓展了STF復(fù)合材料的應(yīng)用，研制出可穿戴電子CNT/STF/Kevlar(ET)復(fù)合材料，同時還開展了彩色STF研究，探究了STF的光學(xué)特性[11].西北工業(yè)大學(xué)張廣成教授研究了納米SiO2基STF和亞微米SiO2基STF的可逆性和瞬時響應(yīng)性能[12].本文首先研究STF剪切速率與粘度的關(guān)系，然后將STF與芳綸混合來研究STF-芳綸織物復(fù)合材料的性能，并對其靜態(tài)和動態(tài)防刺性能進行測試.

1 實驗

1.1 實驗原材料

試劑：SiO2納米顆粒，BET比表面積200 m2/g，平均粒徑200 nm～300 nm,密度2.2 g/cm3，純度>99.5%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司.

摩爾質(zhì)量為200 g/mol,300 g/mol和400 g/mol的聚乙二醇(PEG)，分別表示為PEG(200)，PEG(300)和PEG(400)，Merck KGaA.

Twaron芳綸織物：密度1.44 g/cm3，強度3.30 GPa，彈性模量90 GPa,使用最高溫度250 ℃，深圳市特力化纖有限公司.

儀器：超聲波分散器，冠森生物科技上海公司.鼓風(fēng)干燥箱，常州市樂華干燥設(shè)備有限公司.自動瑪瑙研缽，北京華越洋生物公司.

TESCAN MIRA3場發(fā)射掃描電鏡(SEM)，泰思肯(中國)有限公司.

1.2 試驗方法

STF的配制：主要分為均質(zhì)、干燥和研磨三個步驟[11].第一步使用超聲波分散器和直徑為25 mm 的鈦聲探頭進行聲化學(xué)方法處理，先將不同質(zhì)量分數(shù)的納米顆粒SiO2和乙醇以1∶5的質(zhì)量比混合并超聲5 h.再將PEG加入到制備的溶液中，超聲3 h.最終配置成氣相SiO2納米粒子且質(zhì)量分數(shù)為5%～30%的STF溶液.第二步將均質(zhì)STF溶液放入鼓風(fēng)干燥箱進行干燥處理.第三步用自動瑪瑙砂漿進行研磨，研磨參數(shù)為功率250 W 和轉(zhuǎn)速100 r/min，當(dāng)觀察到?jīng)]有氣泡時停止研磨.

STF-芳綸織物復(fù)合材料的制備：通過浸漬法將STF和芳綸織物復(fù)合，將研磨好的STF溶解在200 mL的乙醇中，然后將芳綸織物浸泡在STF溶液中30 s,并垂直懸掛10 s,去除多余的溶液.最后將浸漬完成的織物放入鼓風(fēng)干燥箱中進行79 ℃ 干燥處理.干燥完成后，將STF-芳綸織物整齊堆疊并放入聚乙烯袋中進行真空壓縮處理.

1.3 表征與測試

1.3.1 SiO2納米顆粒的SEM形貌表征

用TESCAN MIRA3場發(fā)射掃描電鏡(SEM)表征SiO2凝膠顆粒的大小，觀察相對分子量不同的PEG合成的STF表面形貌和STF浸漬芳綸織物表面的微觀形貌.

1.3.2 準靜態(tài)防刺試驗

依據(jù)“NIJstandard-0115.00(Stab Resistance of Personal Body Armor)”進行準靜態(tài)穩(wěn)定試驗[13]，試驗在落錘裝置上進行，將鋼針作為沖擊器.測試的樣品為10層堆疊STF-UHMWPE，尺寸為20 cm×20 cm，將其放置在4層5.8 mm氯丁橡膠海綿、1層31 mm厚聚乙烯泡沫、2層6.4 mm 厚橡膠組成的背襯材料上.

1.3.3 動態(tài)防刺試驗

使用沖擊試驗機，通過落塔試驗測定純芳綸織物和STF/芳綸織物復(fù)合材料的動態(tài)抗刺傷性能.使用直徑為9 mm、質(zhì)量為3 020 g的釘子，分別以2.2 m/s，3.3 m/s和3.9 m/s的速度刺向目標(biāo).目標(biāo)有10層，尺寸為20 cm×20 cm，放置在55 mm厚的玻璃上.對所有制備的STF-芳綸織物復(fù)合材料重復(fù)試驗三次，取平均值.

1.3.4 柔韌性測試

采用Schimadzu-AGS-J型萬能試驗機進行柔韌性試驗，以確定STF添加量對織物柔韌性的影響[14].試驗測試速率為20 mm/min，并保持直到織物受力達到6 N，然后測量樣品末端的彎曲度.彎曲度為織物樣品一端固定，另一端向上拉起后與起始平面形成的夾角，用來衡量織物的柔韌性，彎曲度越大柔韌性越好.對所有制備的STF-芳綸織物復(fù)合材料重復(fù)試驗三次，取平均值.

2 STF力學(xué)性能

對于牛頓體，剪切粘度與剪切速度無關(guān)，剪切應(yīng)力和剪切速率滿足關(guān)系[15]

(1)

STF是一種非牛頓流體，其剪切應(yīng)力不隨剪切速率線性變化，主要是由于其粘度隨剪切速度的改變而改變，剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系[16]為

(2)

表1 給出了用不同質(zhì)量分數(shù)的SiO2以及PEG(200)，PEG(300)和PEG(400)制備的STF在剪切增稠過渡區(qū)的剪切速率范圍和在這些范圍內(nèi)的粘度值.從表中可以看出：當(dāng)SiO2質(zhì)量分數(shù)為30%時，最大粘度峰值最大,隨著PEG摩爾質(zhì)量的增加最大粘度峰值有所下降；當(dāng)SiO2的質(zhì)量分數(shù)為5%時，STF不顯示剪切增稠效應(yīng).

表1 不同質(zhì)量分數(shù)的SiO2混合不同摩爾質(zhì)量的PEG制備的STF的剪切速率和粘度范圍Tab.1 Shear rate and viscosity range of STF prepared by mixing SiO2 with different mass fraction and PEG with different molar mass

3 STF-芳綸復(fù)合材料力學(xué)分析

3.1 STF-芳綸復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)分析

圖1(a)為放大100 000倍氣相法SiO2納米顆粒，可以看出氣相SiO2納米顆粒具有不規(guī)則形狀并且有團聚現(xiàn)象.圖1(b)為質(zhì)量分數(shù)為30%的氣相SiO2納米顆粒和質(zhì)量分數(shù)為70%，摩爾質(zhì)量為 200 g/mol PEG合成的STF，可以看出SiO2納米顆粒被PEG很好地包覆且SiO2納米顆粒很好地分散在溶液中.由圖1(c)可以看出，摩爾質(zhì)量為300 g/mol PEG制備的STF比摩爾質(zhì)量為200 g/mol PEG制備的STF具有更大的顆粒，這可能是由于PEG(300)的摩爾質(zhì)量更高的原因.圖1(d)為放大5 000倍的SEM，可以觀察到由30% SiO2-70%PEG(300)制備的STF可以很好地浸漬芳綸織布表面，能夠很好地形成STF-芳綸織物復(fù)合結(jié)構(gòu).

圖1 SiO2及不同成分STF-芳綸織物的SEM圖Fig.1 SEM of SiO2 and STF-aramid fiber with different composition

3.2 準靜態(tài)抗刺分析

將不同質(zhì)量分數(shù)的氣相法SiO2和摩爾質(zhì)量分別為200 g/mol,300 g/mol,400 g/mol的PEG制備的STF-芳綸織物和純芳綸織物進行實驗對比，獲得了載荷與防刺深度的測試結(jié)果，如圖2 所示.從圖2 中可以看出：與純芳綸織物靶相比，所有制備的STF-芳綸織物靶均可以承受更高的刺入載荷；降低STF中SiO2的含量可有效提高STF-芳綸織物系統(tǒng)的準靜態(tài)防刺性能，增強STF的剪切增稠性能.

(a)PEG(200)

表2 給出了用氣相法SiO2和PEG(200)，PEG(300)，PEG(400)制備的STF-芳綸織物與純芳綸織物的準靜態(tài)測試結(jié)果.由表2 可以看出，純芳綸織物靶在刺穿深度為30 mm時承受的載荷為73 N.在PEG(200)、PEG(300)和PEG(400)三個不同組中制備的STF-芳綸織物復(fù)合樣品中，浸漬STF為30% SiO2-70%PEG(200)的準靜態(tài)抗刺強度最高，在30 mm 穿透時具有最高135 N的荷載.基于流變學(xué)測量可知，這與從該系統(tǒng)觀察到的最高剪切增稠效果有關(guān).

表2 純芳綸和不同成分STF-芳綸的準靜態(tài)穩(wěn)定試驗結(jié)果Tab.2 Quasi-static stability test results of pure aramid and STF-aramid with different composition

3.3 動態(tài)耐刺傷分析

圖3 給出了純芳綸織物和含PEG(300)的不同STF-芳綸織物復(fù)合材料的滲透深度與沖擊速度的關(guān)系.測試中采用2.2 m/s，3.3 m/s和3.9 m/s 三種沖擊速度,對于所有沖擊速度，純芳綸織物靶均表現(xiàn)出最低的耐刺傷性和最高的穿透深度.對于含有STF的STF-芳綸織物復(fù)合材料，隨著SiO2質(zhì)量分數(shù)的增加，其防刺性能逐漸提高.其中，采用30% SiO2-70%PEG(300)的STF-芳綸織物復(fù)合材料表現(xiàn)出最小的滲透深度和最高的耐刺傷性.但是，隨著撞擊速度的增加，所有目標(biāo)的穿透深度也相應(yīng)增加.

圖3 純芳綸和STF-芳綸復(fù)合材料的防刺測試結(jié)果Fig.3 Stab resistance test results of pure aramid and STF-aramid composites

圖4 給出了純芳綸織物和采用30% SiO2-70% PEG(300)的STF-芳綸織物復(fù)合材料在2.21 m/s 沖擊速度下的動態(tài)防刺試驗前后的圖像.由圖可以看出，與STF-芳綸體系相比，純芳綸具有更大的刺入深度.

圖4 純芳綸與采用30% SiO2-70% PEG(300)的STF-芳綸復(fù)合材料的動態(tài)防刺實驗結(jié)果Fig.4 Results of dynamic stab resistance test of pure aramid fiber and STF-aramid composites containing 30% SiO2 and 70% PEG(300)

3.4 柔韌性測試

對純芳綸織物和STF-芳綸進行柔韌性測試，并測量樣品彎曲度.圖5 給出了柔韌性測試前后的純芳綸織物圖像，可以看出純芳綸織物的彎曲度為24°，具有較好的柔韌性.

圖5 純芳綸柔性測試實驗結(jié)果Fig.5 Flexibility test results of pure aramid fiber

圖6 給出了不同成分的STF-芳綸織物和純芳綸織物的柔韌性測試結(jié)果.

(a)PEG(200)

由圖6 可以看出，STF-芳綸織物比純芳綸的彎曲度小，說明其柔韌性比純芳綸織物的小.

4 結(jié) 論

純PEG在剪切速率增強時表現(xiàn)出牛頓流體行為，粘度不變.但是，隨著SiO2納米粒子的加入,PEG的剪切增稠作用增強，且隨著SiO2粒子質(zhì)量分數(shù)的增加，粒子間的作用力增大，顆粒間的摩擦力增加，從而使STF的剪切增稠性能增強.當(dāng)SiO2和PEG質(zhì)量配比相同時，含PEG(200)的STF比其他摩爾質(zhì)量PEG的STF具有更高的粘度躍變，但是加入STF的芳綸比純芳綸的柔韌性要小，純芳綸和加入5% SiO2-95%PEG(200)的STF-芳綸的柔韌性接近.