吳中偉1,2，高沛2，劉元坤1,2，潘智勇1,2，梁立1,2，方心靈1,2
(1.北京雷特新技術實業(yè)公司,北京100074;2.北京航天試驗技術研究所,北京100074)
摘要:通過物理共混的方法，將固化劑及消泡劑加入到丙烯酸酯膠粘劑中，從而改善丙烯酸酯膠粘劑壓合的單向(UD)芳綸布表面粘手及不平整的問題，并利用電子拉力實驗機對無緯布進行力學性能測試。研究表明，固化劑的添加可明顯提高UD布的粘結強度，并且UD布的表面不粘手;消泡劑的添加能夠明顯改善UD布的表觀質量，UD布表面平整和無氣泡;添加固化劑可提高UD布的力學性能，同時還可提高了材料的防彈性能，子彈穿透層數(shù)減少，UD布的平均彈坑凹陷深度明顯降低，減少了對人體造成的鈍傷。
關鍵詞:芳綸單向布;改性膠粘劑;防彈性能;研究
中圖分類號:TQ327.11 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9815(2011)05-0021-05
近年來，由于一些國際性的暴力和恐怖事件的發(fā)生，大大促進了各類個體防護用品的開發(fā)和研究，尤其是防彈類材料的發(fā)展取得了很大的進展。UD布是將纖維單向平行排列并用膠粘劑粘結，同時將兩張單向的纖維布進行0°/90°的層間交叉疊合，再用膠粘劑粘結并壓制而成的片材。與機織布相比，UD布更有利于將子彈瞬間產(chǎn)生的沖擊波迅速擴展，產(chǎn)生協(xié)同的抗彈效果，同時UD布還避免了機織布在編織過程中的部分損傷，抗彈性能明顯優(yōu)于其它的織物形式，大量的彈道試驗報道也證實了這種說法。從抗彈機理上來分析，傳統(tǒng)的編織物受到彈丸沖擊時產(chǎn)生的沖擊波或張力波通過織物的紗線向周圍傳播。有利的方面是由于紗線的交錯使沖擊波在很大范圍擴散，使能量在較大的面積上被吸收，不利的方面是由于在纖維的交錯點反射部分沖擊波，反射波的振幅和沖擊波的振幅相同，造成波的疊加，容易使纖維斷裂。
目前UD布的種類很多，芳綸UD布是其中非常重要的一種，它是以對位芳綸作為原料加工而成的片材，多層芳綸UD布進行層間疊合，并配合其它材料即可有效地防御子彈及彈片的攻擊，為人類提供有效的個體防護。實驗研究了添加固化劑對UD布效率的影響，并對UD布的防彈和抗鈍傷性能進行了比較，同時添加消泡劑對UD布的表觀質量和阻水防潮功能進行了改善。
1·實驗部分
1.1 實驗原料
膠粘劑為泰興市中紡助劑公司產(chǎn)品;固化劑自制，活性含量100%，粘度<200mPa﹒s;消泡劑自制。
1.2 芳綸UD布的制備
芳綸UD布樣是在單向布生產(chǎn)設備中，通過展絲、浸膠/涂膠、干燥、疊合、壓制等工序制成。
1.3 性能測試
在電子萬能實驗機(QJ210，上海傾技儀器有限公司)上進行頂破及撕裂實驗測試，頂破速率為20mm/min，撕裂速率為50mm/min。
交聯(lián)度：秤取0.6g樣品于索氏提取器中，用丙酮連續(xù)抽提15h，樣品殘余質量與原始之比為交聯(lián)度。
抗剝離強度：測試布樣結構尺寸如圖1所示，測試抗剝離速度為50mm/min。
將布樣放入溫度為(-20±2)℃恒溫箱內保持4h，然后進行低溫力學性能測試。
將布樣放入溫度為(55±2)℃恒溫箱內保持4h，然后進行高溫力學性能測試。
將布樣放入溫度(70±2)℃，相對濕度為(80±2)%恒溫箱內保持240h，進行力學性能測試。
彈道試驗：由中國兵器工業(yè)第208所測試，以美國NIJIIIA級為標準，采用9mm沖鋒槍進行防彈測試。
2·結果與討論
2.1 固化劑對交聯(lián)度及芳綸UD布性能的影響
由2.4表1可以看出，隨著固化劑質量分數(shù)的增加，布樣UD單層及0°/90°雙層疊合干燥時間明顯縮短，這是因為采用的固化劑為三羥甲基丙烷-三(3-氮丙啶基)丙酸酯，它是一種三官能團的固化劑，即交聯(lián)劑中含有3個可與丙烯酸酯膠粘劑中羧基發(fā)生交聯(lián)的官能團，使膠粘劑形成空間網(wǎng)狀結構，而形成的空間網(wǎng)狀結構促進了膠粘劑的粘結性能。其與丙烯酸酯膠粘劑發(fā)生交聯(lián)反應的化學反應式如下：
從圖2可以看出，當固化劑的用量較少時，交聯(lián)度較小，固化劑質量分數(shù)在0.5%以下時，交聯(lián)度迅速增長，當固化劑質量分數(shù)達到0.5%～0.8%時，交聯(lián)度增長的速度較慢，當固化劑質量分數(shù)在0.8%～1.0%時，交聯(lián)度增長的速率更加趨緩，但隨著固化劑的進一步增加，質量分數(shù)達到1.5%以上時，反應速率又開始進一步增加，但交聯(lián)度增長的速率較小。這是由于隨著固化劑的增加，丙烯酸酯膠粘劑中的羧基逐漸被反應，并形成大分子結構，使得剩余的羧基結構逐漸被大分子形成的空間網(wǎng)狀結構所包圍，從而隨著固化劑質量分數(shù)的進一步增加，交聯(lián)度的增長速率逐漸降低。但當固化劑質量分數(shù)達到1.5%以上時，固化劑自身發(fā)生反應，從而其交聯(lián)度進一步增加。
從圖3可以看出，當固化劑質量分數(shù)從0增加至0.8%時，UD布的最大粘結力有非常明顯的提高，隨后，當固化劑質量分數(shù)進一步增加時，UD布的最大粘結力幾乎無變化，這是由于當固化劑質量分數(shù)較少時，使得丙烯酸酯膠粘劑形成空間網(wǎng)狀結構，同時提高織物表面與膠粘劑膠膜間的范德華力及化學鍵力等，從而其最大粘結力提高，但隨著固化劑質量分數(shù)的進一步提高，織物表面與膠粘劑膠膜間形成范德華力及化學鍵力等幾乎無改變，因此，最大粘結力無變化。2.2消泡劑對芳綸UD布表觀質量的影響以上述添加了質量分數(shù)0.8%固化劑改進的膠粘劑為基礎，再添加消泡劑，其中消泡劑為乙二醇丁醚和二乙二醇丁醚按2∶1比例共混，按4%質量分數(shù)加入到配有固化劑的膠粘劑中，并制備UD布。添加消泡劑的作用機理為：采用的消泡劑為低表面張力，其通過鋪展于液膜的界面上，使鋪展處表面張力降低，液膜內的液體向高表面張力處牽引，導致膜迅速變薄，于是液膜破裂，泡沫被破壞，從而使布樣表面達到溜平的效果，使布樣表面平整。
2.3 力學性能對比分析
從圖4及圖5可以看出，3種膠粘劑配方制備的布樣中固化劑的添加可明顯提高材料的頂破應力，消泡劑對材料的頂破應力有一定影響。隨著高和低溫時間的增加，材料的最大頂破應力均有不同程度的減小，其中同時添加固化劑及消泡劑的材料力學性能變化最小，未做任何改性的膠粘劑織造布樣下降幅度最大。
由圖6可以看出，隨著恒溫恒濕實驗時間的增加，各材料的力學性能均有不同程度的減小，其中采用質量分數(shù)0.8%固化劑的膠粘劑制備的UD布樣，最大頂破應力下降了約50%，同時添加消泡劑與固化劑的膠粘劑制備的UD布樣，最大頂破應力下降了31%，主要是由于消泡劑的添加，使UD布表面的膠粘劑形成致密均一的涂層，從而起到防水隔潮的作用，因此其應力下降最小。未做任何改性的膠粘劑制備的布樣最大頂破應力下降了41%，但10d時經(jīng)改性的膠粘劑布樣其最大頂破應力值遠高于未改性。從圖中可以看出，前4d時，各布樣的最大頂破應力下降幅度較大，這是因為在試驗初期，恒溫恒濕條件下膠粘劑中的極性基團開始吸收水性小分子，使得膠粘劑溶脹，出現(xiàn)泛白現(xiàn)象，并導致其力學性能迅速下降，而隨著時間的進一步推移，這些極性基團周圍達到完全飽和狀態(tài)，膠粘劑受到的破壞減少，因此其力學性能變化相對平緩。從力學性能變化圖中可以看出，固化劑及消泡劑的添加，明顯提高了布樣在10d濕熱條件下的最大頂破應力，原因是這兩種助劑的添加降低了形成干膠中的極性基團，使得極性基團被保護或參與交聯(lián)反應，從而使得材料耐恒溫恒濕性能的提高。
2.4 彈道試驗
從表1中可以看出，添加固化劑制備的芳綸UD布防彈衣靶樣，其彈坑平均凹陷深度有明顯的下降，也就是說采用改進膠粘劑制備的防彈衣著彈時對人體產(chǎn)生的二次鈍傷會進一步減小，這樣在相應程度上提高了人員的安全系數(shù)。從表2可以看出，經(jīng)改性膠粘劑復合制備的防彈衣，經(jīng)多槍打擊的防彈效果優(yōu)良，原因是由于改性膠粘劑對芳綸的粘結強度提高，當受到子彈沖擊時，一方面纖維本身吸收大量的沖擊能量，另一方面從0°/90°各層粘合的UD布間分離時吸收的能量提高，從而更多的消耗子彈的沖擊能，提高了材料的抗彈效果，同時UD布間的層間力增加還有利于子彈能量的迅速傳遞，達到分散應力的作用。
3·結論
⑴添加固化劑可明顯提高對材料的粘結性能，使芳綸UD布在高低溫、恒溫恒濕和浸水試驗中，性能均有不同程度的提高，進而確保芳綸UD布彈道性能的提高。
⑵消泡劑的添加，明顯改善了芳綸UD布的表觀質量，使布樣表面致密光順，并起到良好的阻水防潮作用，但消泡劑對芳綸的粘結性能會稍有降低，但影響不大。
⑶經(jīng)改性膠粘劑配方制成的芳綸UD布，不僅防彈性能有一定的提高，并且彈坑凹陷深度明顯降低，有效減少鈍傷對人體產(chǎn)生的二次傷害。
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