胶粘剂对芳纶无纬布防弹性能的影响
胶粘剂对芳纶无纬布防弹性能的影响
吴中伟1,2高沛2刘元坤1,2潘智勇1,2梁立1,2方心灵1,2 （1北京雷特新技术实业公司北京100074；2北京航天试验技术研究所北京100074） 摘要通过物理共混的方法，将固化剂及消泡剂加入到丙烯酸酯胶粘剂中，从而改善丙烯酸酯胶粘剂织造的无纬布表面粘手及不平整的问题，并利用电子拉力实验机对无纬布进行力学性能测试。研究表明：固化剂的添加可明显提高布样的粘结强度，并且布样的表面不粘手；消泡剂的添加能够明显改善布样的表观质量，布样表面平整、无气泡；添加固化剂可提高布样的力学性能，同时还可提高了材料的防弹性能，子弹穿透层数减少，布样的平均凹陷明显降低，减少了对人体的二次钝伤。 关键词：芳纶无纬布防弹胶粘剂固化剂消泡剂 1引言 近年来，由于一些国际性的暴力和恐怖事件的发生，大大促进了各类个体防护用品的开发和研究，尤其是防弹类材料的发展取得了很大的进展。无纬布又称单向布或UD布，是将纤维单向平行排列并用胶粘剂粘结，同时将单向的纤维布进行0°/90°层间交叉，再用胶粘剂粘结并压制而成的片材[1,2]。无纬布与机织布相比，无纬布更有利于将子弹瞬间产生的冲击波迅速扩展，产生协同的抗弹效果，同时无纬布还避免了机织布在编织过程中的部分损伤，抗弹性能明显优于其他的织物形式，大量报道也证实了这种说法[3~5]。传统的编织物受到弹丸冲击时产生的冲击波或张力波通过织物的纱线向周围传播。有利的方面是由于纱线的交错使冲击波在很大范围扩散，使能量在较大的面积上被吸收；不利的方面是由于在纤维的交错点反射部分冲击波，反射波的振幅和冲击波的振幅相同，造成波的叠加，容易使纤维断裂。 目前无纬布的种类很多，芳纶无纬布是其中非常重要的一种，它是以对位芳纶纤维作为原材料加工而成的片材，多层芳纶无纬布进行层间叠合并配合其他材料即可有效地防御子弹及弹片的攻击，为人类提供有效的个体防护。 本文研究了固化剂对生产布样效率的影响，并对布样的防弹性能进行了比较，同时添加消泡剂对布样的表观质量进行了改善，以提高布样美观程度。 2实验部分 2.1实验原料 胶粘剂为泰兴市中纺助剂公司产品；固化剂为自制，活性含量100%，粘度<200mpa.s；消泡剂为自制。 2.2芳纶无纬布的制备 芳纶纤维无纬布是在无纬布生产设备中，通过展丝、浸胶/涂胶、干燥等工序制成的。 2.3性能测试 在电子万能实验机（QJ210，上海倾技仪器有限公司）上进行顶破及撕裂实验测试，顶破速率为20mm/min，撕裂速率为50mm/min。 交联度：称取0.6g样品于索氏提取器中，用丙酮连续抽提15h，样品残余重量与原始之比为交联度。 剥离强度：测试布样结构尺寸如图1所示，测试布样剥离速度为50.0mm/min。
图1剥离实验布样示意图将布样放入温度为-20±2℃恒温箱内保持4h，然后进行低温力学性能测试。
1/4 4 1 2 3 4将布样放入温度为55±2℃恒温箱内保持4h，然后进行高温力学性能测试。 将布样放入温度70±2℃，相对湿度为80±2%恒温箱内保持240h，进行力学性能测试。 打靶：由中国兵器工业第208所测试，依据美国NIJIIIA级标准［7］，采用9mm冲锋枪进行防弹测试。 3结果与讨论 3.1固化剂对交联度及芳纶无纬布性能的影响 由图1可以看出，随着固化剂含量的增加，布样UD层及十字叠合层干燥时间明显缩短，这是因为采用的固化剂为三羟甲基丙烷-三（3-氮丙啶基）丙酸酯，它是一种三官能团的固化剂，即交联剂中含有3个可与丙烯酸酯胶粘剂中羧基发生交联的官能团，使胶粘剂形成空间网状结构，而形成的空间网状结构促进了胶粘剂的粘结性能。其与丙烯酸酯胶粘剂发生交联反应的化学影响如图2所示。
图2固化剂添加量对交联度的影响从图2可以看出，当固化剂的用量较少时，交联度较小，在固化剂含量在0.5%以下时，交联度迅速增长，当固化剂用量达到0.5%~0.8%时，交联度增长的速度较慢，当固化剂用量在0.8%~1.0%时，交联度增长的速率更加趋缓，但随着固化剂的进一步增加，达到1.5%以上时，反应速率又开始进一步增加，但交联度增长的速率较小。这是由于随着固化剂的增加，丙烯酸酯胶粘剂中的羧基逐渐被反应，并形成大分子结构，使得剩余的羧基结构逐渐被大分子形成的空间网状结构所包围，从而随着固化剂含量的进一步增加，交联度的增长速率逐渐降低。但当固化剂含量达到1.5%以上时，固化剂自身发生反应，从而其交联度进一步增加。
图3固化剂添加量对无纬布最大粘结力的影响从图3可以看出，当固化剂含量从0增加至0.8%时，无纬布的最大粘结力有非常明显的提高。随后，当固化剂含量进一步增加时，无纬布的最大粘结力几乎无变化，这是由于当固化剂含量较少时，使得丙烯酸酯胶粘剂形成空间网状结构，同时提高织物表面与胶粘剂胶膜间的范德华力及化学键力等，从而其最大粘结力提高。但随着固化剂含量的进一步提高，织物表面与胶粘剂胶膜间形成范德华力及化学键力等几乎无改变，因此，最大粘结力无变化。
2/4 4 1 2 3 43.2消泡剂对芳纶无纬布表观质量的影响 以上述添加0.8%固化剂改进的胶粘剂为基础，添加消泡剂，其中消泡剂为乙二醇丁醚和二乙二醇丁醚按2:1比例共混，按4%的添加量加入到配有固化剂的胶粘剂中，并制备无纬布。添加消泡剂的作用机理为：采用的消泡剂为低表面张力的消泡剂，其通过铺展于液膜的界面上，使铺展处表面张力降低，液膜内的液体向高表面张力处牵引，导致膜迅速变薄，于是液膜破裂，泡沫被破坏［8］，从而使布样表面达到溜平的效果，使布样表面平整。 3.3力学性能对比分析 从图4及图5可以看出，3种胶粘剂配方制备的布样中固化剂的添加可明显提高材料的顶破应力，消泡剂对材料的顶破应力有一定影响。随着高、低温时间的增加，材料的最大顶破应力均有不同程度的减少，其中同时添加固化剂及消泡剂的材料力学性能变化最小，未做任何改性的胶粘剂织造布样下降幅度最大，说明固化剂及消泡剂的添加提高了材料的高、低温性能。
图4低温力学性能变化曲线图5高温力学性能变化曲线 图6恒温恒湿力学性能变化曲线由图6可以看出，随着恒温恒湿实验时间的增加，各材料的力学性能均有不同程度的减小，其中采用0.8%固化剂胶粘剂制备的无纬布的最大顶破应力下降了约50%，同时添加消泡剂与固化剂胶粘剂织造的布样最大顶破应力下降了31%，未做任何改性的胶粘剂制备的布样最大顶破应力下降了41%，但10天经改性的胶粘剂布样其最大顶破应力值远高于未改性。从图6中还可以看出，前4天，各布样的最大顶破应力下降幅度较大，这是因为在试验初期，胶粘剂在恒温恒湿条件下，胶粘剂中的极性基团开始吸收水性小分子，使得胶粘剂溶胀，出现泛白现象，并导致其力学性能迅速下降，而随着时间的进一步推移，这些极性基团周围达到完全饱和状态，胶粘剂受到的破坏减少，因此其力学性能变化相对平缓。从力学性能变化图中可以看出，固化剂及消泡剂的添加，明显改善了布样10天湿热条件的最大顶破应力，原因是这两种助剂的添加降低了形成干胶中的极性基团，使得极性基团被保护或参与交联反应，从而使得材料的耐恒温恒湿性能提高。
3/4 4 1 2 3 43.4打靶实验
表1弹速及凹陷结果表2穿透层数统计表从表1中可以看出，添加固化剂制备的防弹衣，其平均凹陷有明显的下降，也就是说采用改进胶粘剂制备的防弹衣对人体的二次钝伤减小，这样在很大程度上提高了人员的安全系数。从表2可以看出，添加固化剂制备的防弹衣，经多枪打击的防弹效果优良，原因是由于该布样粘结强度提高，当受到子弹冲击时，一方面纤维本身吸收大量的冲击能量，另一方面两层UD布间分离时吸收的能量提高，从而消耗大量的子弹冲击能，因此提高了材料的抗弹效果，同时UD布间的层间力增加还有利于子弹能量的迅速传递，达到分散应力的作用；而添加消泡剂后，布样的防弹效果也略有提高，主要是由于布样表面平整、光滑，当子弹射击时，一定程度上促进了子弹在布样表面的滑移，从而提高了材料的防弹效果。 4结论 通过以上研究可得出以下结论： （1）添加固化剂可明显提高材料的粘结性能，材料的高低温、恒温恒湿、浸水试验均有不同程度的提高； （2）消泡剂添加，明显的改善了布样的表观质量，并且布样表面光洁，但其对材料的粘结性能有一定影响，但影响不大； （3）经改性的胶粘剂配方，对材料的防弹性能有一定的提高，穿透层数明显减少，并且布样的平均凹陷度明显降低，减少了对人体的二次钝伤。 参考文献 ［1］岳升彩.新型纺织材料在军事上的应用———软质防弹衣［J］.山东纺织经济.2007，（6）：78~80. ［2］左向春，王瑞岭，刘腾龙，刘长顺.防弹无纬布复合材料的现状［J］.玻璃钢复合材料.2010，（5）:81~83. ［3］虢忠仁，杜文泽，王树伦，金子明，钟蔚华.芳纶纤维抗弹复合材料研究进展［J］.工程塑料.2009，37（1）：75~78. ［4］杨小兵，程晓农，严学华，杨娟.芳纶无纬布的制备及其抗弹性能研究［J］.高科技纤维与应用.2007（7）:20~23. ［5］梁子青，邱冠雄，周庆，王弢.纬编双轴向织物复合材料的弹道冲击响应［J］.纺织学报.2003，24（3）:37~39. ［6］公安部.GA141-2010《警用防弹衣测试标准》［S］.中华人民共和国公安部.2010. ［7］Unitedstates.Ballisticresistanceofpersonalbodyarmor［S］.Nationalinstituteofjusticestandard-0101.04.2001. ［8］焦晓宁,刘建勇.非织造布后整理[M].中国纺织出报社.2008.1:16.
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