由增稠液STF、纤维织物，结合制成的复合材料，对抗刺性有何影响

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文 | 小苏的世界观

编辑 |小苏的世界观

前言

国际旅行的增加以及全球恐怖袭击事件的日益频繁，增加了对防护服的需求。研究的重点是开发个人防护产品，导致军事和民用组织快速生产安全产品。

虽然僵硬，半刚性和半软性抗刺材料具有抗刺性能，它们的使用受到重要缺点的限制，包括重量大、佩戴笨拙、舒适度低和高成本，这限制了它们的大规模生产。

因此，迫切需要没有这些缺点的新型、柔韧和防刺织物。防刺织物应抵抗物体引起的挤出和切割效果。

因此，用于抗穿刺性增强的材料应具有以下性能：高强度和模量，抗剪切性和抗冲击性。

目前，最常用的抗刺纤维材料包括超高分子量聚乙烯UHWMPE，芳纶，聚对亚苯基-2，6-苯并双恶唑PBO，陶瓷纤维，碳纤维，丝胶，蜘蛛丝，聚对苯二甲酸丁二醇酯PBT和聚酯纤维。

对位芳纶是高性能个人防护材料中使用最广泛的纤维之一。 由于其极高的强度和出色的热稳定性，它广泛用于承压应用，例如防弹衣、运动器材屏蔽以及航空航天工业中使用的纤维增强聚合物复合材料。

常用的基体材料包括热塑性树脂以及橡胶和剪切增稠液。最近开发了一种新型的液体保护材料。

液体装甲是由剪切增稠液STF与纤维织物相结合制成的软防护复合材料，可显著提高其抗穿刺性。

根据所需的保护类型，抗刺产品以各种形式出现，包括传统机织布、三轴机织布、无纺布、 单向结构，新开发的多轴向经编面料和间隔布。机织织物是用于抗穿刺的最受欢迎的织物之一。

其结构比较紧密，抗剪性高于针织面料。然而，一旦纱线断裂，经纬交织的结构就会解开。针织结构灵活，穿着舒适，低速冲击时具有良好的能量吸收性，因此被广泛使用。 基于菱形网格重入结构的新型辅助纬编织物已被开发出来。

实验表明，这种辅助纬编织物在准静态载荷下具有更高的峰值负荷和能量吸收能力。

关于纬编结构织物在抗刺产品中的应用的研究有限。研究小组对纬编织物的机械性能进行了研究。

与平纹、瑞士皮纹和檩条针迹相比，联锁的力学性能更加突出和稳定，具有延展性好、拉锯齿性小、无卷边等特点。

两线绒毛组织严密，具有立体视觉效果。本研究采用对位芳纶纺纱制备了4种对比鲜明的纬编增强材料，采用对位芳纶纺纱制成增强材料，配以罗纹、联锁、蓬托迪罗马和双线绒毛。

然后使用涂层方法将它们与包括硅橡胶和水性聚氨酯-丙烯酸酯WPUA在内的柔性缰绳进行复合。这些层经过角度编织，以生产抗刺、纬编增强、柔性层压混合复合材料。

实验

对位芳纶纺纱是从中国江苏爱顿有限公司的新材料公司购买的，细度为20 Ne。它是由三层短纺纱组成的合线纱线。对位芳纶纺纱的断裂强度为60.77 N，断裂伸长率为4.5%。

硅橡胶购自中国东莞市宏丰有机硅科技有限公司。硅橡胶具有良好的耐腐蚀性，高拉伸和撕裂强度，低收缩率和高粘合强度。

WPUA由中国浙江固聚新材料有限公司提供。该基质具有聚氨酯和丙烯酸的协同特性。

对位芳纶纬编增强材料的制备使用CMS 530HP横机将对位芳纶纺纱制成四种纬编结构罗纹、联锁、蓬托罗马和双线绒，并准备加固。运行速度设定为0.4米/秒，下沉深度为10.5毫米。

在四个加固中，罗马角提供了最紧凑和稳定的结构，其次是联锁缝合。由于铺设螺纹，双线绒毛的横向延展性大大降低，提高了其结构稳定性。罗纹织物具有最高的渗透性，提高了基体的复合效果。

柔性抗刺复合材料分四个主要步骤制造。首先，将硅橡胶的组分A和B以1：1的重量比混合，并在真空干燥箱中消泡30分钟。

接着，根据预定的基质质量分数制备足够用于所需基体量的硅橡胶，用于单一涂层化合物。然后将基质均匀地涂在织物表面。

接下来，按照指定的角层加工参数依次铺设四层织物。每个加固结构都有四种不同的分层过程，层压后。

通过将材料在120°C的烘箱中孵育25分钟来完成热固性成型，WPUA在真空干燥箱中消泡20分钟，并进行相同的涂层和层压工艺。

由于双线绒毛表现出严重的边缘滚动，无法与WPUA形成有效的复合材料，因此丢弃了样品。

拉伸测试按照标准ASTM D5035-11指南进行。拉伸试验使用了5105种单层纬编织物。针对每个测试条件测试了五个试样。测试是使用万能试验机完成的。

撕裂测试按照标准ASTM D5587-15指南进行。测试了四种不同类型的单层纬编织物。使用万能试验机对每个测试条件测试五个试样。

标本被夹成梯形，中间有15毫米长的间隙。梯形区域被调节为上边长度为25 mm，下侧长度为100 mm，高度为75 mm。

根据ASTM D5105指南，使用UTM3936电子万能试验机评估纬编柔性复合材料的抗剥离性。在该测试中，复合材料使用双层织物粘合在一起，形成150毫米×75毫米的试样。

夹持器距离为25毫米，拉伸速度为300毫米/分钟。在剥离强度记录曲线上，记录了100至225 mm之间的峰值和谷值的平均值。

根据ASTM F1342指南，使用天宫大学环达万能强度机对对位芳纶柔性角层叠杂化复合材料的抗穿刺性进行了评估。样品尺寸为100毫米×100毫米。穿刺探头的直径为4.5毫米。

在1000°的穿透角下，冲压速度为0毫米/分钟。采用扫描电子显微镜SEM对冲孔后的断裂现象进行了评价，研究了织物增强与基体之间的界面结合效应。

结果和讨论

样品的拉伸载荷-位移曲线显示出相似的变化趋势。变形达到一定值后，载荷的上升趋势变强，并按照线性规律变化，直至试样失效。

样品破损是由织物针迹的结构特征以及横向和纵向强度的差异引起的。

这导致横向拉伸样品的纱线不连续断裂，从而增加拉伸变形。但纵向断裂强度下降较快。织物的纵向拉伸强度大于横向，因为纬编环中的纵向取向纱线较多。

在拉伸断裂过程中，外力逐渐打破纱线的弹性和强度极限，最终将纱线一一折断。

织物结构参数的变化与纵向拉伸应力-应变曲线的变化一致，表明不同的织物结构和面密度对织物拉伸性能影响较大。纵向抗拉强度最高，为694.08 N，比双线绒毛高64.45%。

在横向，蓬托迪罗马增强复合材料的抗拉强度最高，为541.714 N，比双线绒毛高162.6%。

由于每条线在横向上都衬有纱线，因此大大提高了双线绒织物的断裂强度。但拉伸应变太小，伸长率差。

相对于机织物的撕裂形式，针织织物具有良好的抗剪切性，可以达到自锁效果。

很明显，相同的纬编结构增强筋纵向伸长率大于横向伸长率，横向伸长率需要更多的针迹来承受拉力，从而难以撕裂。

联锁针迹的横向撕裂强度最高，为1342.05 N，其次是罗马角，为922.69 N。

在纵向上，罗马角针的撕裂强度最高，为1261.39 N，其次是罗马角，为1256.41 N。罗马角的撕裂变形程度小于互锁。

织物结构和面密度的变化与纵向撕裂应力-应变曲线所揭示的变化一致。撕裂过程中，织物密度影响负载纱数和纱线强度效率，撕裂强度与拉伸强度相关。

通过比较4种增强材料的撕裂性能，最适用于增强复合材料的织物结构是互锁结构和punto di roma结构。

在硅橡胶基复合材料中各种结构的剥离曲线中，各种高峰和低峰都很明显。观察到界面附着力不平衡，表明高峰和低峰之间的差异越高，材料的稳定性越差。

但是，粘合力较大，可能是因为树脂之间的机械粘合力起着重要作用。

互锁硅橡胶基复合材料在复合材料中表现出最强的粘结性。高峰和低峰之间的微小差异表明WPUA与对位芳纶纤维形成稳定的复合材料。

复合材料通过涂层和层压进行复合。界面间的主要粘结方式是增强材料与树脂之间的机械粘附、树脂的粘附和物理吸附扩散。三种纬编结构的WPUA基复合材料表现出稳定的粘结性能。

聚氨酯分子的主链中存在多个极性基团，包括聚氨酯、醚和酯基团。这些基团在纤维表面引入大量化学活性羟基和酰胺键，显著提高了表面氧含量。

这增加了钢筋和基体之间的结合力。通过纤维表面改性和树脂改性方法表征复合材料的界面结合力值得进一步改进和深入研究。

这项研究有三个变量，不同的纬编结构，基质类型和层取向。

因此，样品名称由三个字母组成，结构名称的首字母，基体材料名称的首字母和表示角度层代码的值。例如，用分层的带肋有机硅复合材料被命名为RS。

SPSS方差多因素分析表明，加固结构和基体类型的影响显著，后者的影响超过前者，而角层参数的影响不显著。穿刺试验后，通过SEM评估纬编结构加固复合材料的断裂情况。

该分析表明，两种基体对纤维的粘合效果不同。由于聚氨酯具有高水平的极性基团，有利于与对位芳纶纤维粘合，因此表现出更强的粘合效果。然而，对位芳纶纤维与涂层硅胶的表面没有紧密结合。

在穿刺过程中，PS-0的界面受到剪切应力，对位芳纶织物纤维束与树脂之间的界面变得清晰分离。

PW-0产生基体变形和纤维滑移，但纤维与基体之间的结合良好且坚固。穿刺冲击产生的热量导致树脂熔化和变形。纤维断裂均匀，A表现出一定的颤动，表明破坏主要是通过剪切。

层取向角的复合材料抗穿刺性最好，分层角的复合材料抗穿刺性最差。互锁和蓬托迪罗马具有很强的抗拉和抗撕裂性，因此复合材料具有更好的抗穿刺性。

复合材料的拉伸强度最高的是punto di roma/WPUA，层取向角为604.25 N。

在相同的处理工艺下，柔性复合材料的抗穿刺性与材料厚度有很大关系。复合材料的厚度直接影响穿刺载荷的吸收。

具有互锁和罗马结构的复合材料具有优异的性能。然而，不同基体条件下复合材料的穿刺强度存在较大差异。

在穿刺过程中，当界面处发生剪切应力时，柔性界面层可以有效地偏转裂纹扩展路径，改善界面破坏模式，增加界面能量吸收。

此外，当纤维被拉出时，柔性界面层的变形会吸收大量的能量，最终可以有效提高复合材料的断裂能量。

与硅橡胶相比，WPUA具有更高的柔韧性。由于硅橡胶与纱线之间的粘合力较高，环被橡胶限制形成自锁，导致纱线因穿刺而断裂。

因此，基于聚氨酯的柔性纬编复合材料总体上具有较好的刺刺性能。

结论

用作原料的芳纶纤维属于高强度、低伸长率纤维，具有高比强度、高比模量。此外，它具有高耐热性，并为复合材料提供出色的热性能。

研究了纬编结构、基体类型和层取向对柔性纬编抗穿刺复合材料性能的影响。

结果表明：复合材料的力学性能主要取决于纬编结构和基体类型，罗纹织物强度低，横向和纵向力学性能差异大，抗穿刺性差。两线绒毛伸长率差，卷曲现象严重。

联锁和蓬托迪罗马结构具有优异的机械性能，可提供良好的抗穿刺性。WPUA基复合材料的抗刺性能优于硅橡胶。增强材料的层取向角对复合材料的力学性能有一定的影响。

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