防弹防刺涂覆芳纶材料的选型及其应用研究_李伟.pdf

玻璃纤维2023 年 第 3 期 31应用研究中图法分类号：TQ171.77+6.4 文献标识码：A防弹防刺涂覆芳纶材料的选型及其应用研究李 伟1，韩 林2，刘 伟1，魏鹏程1（1.驻包头地区第一军代室，包头014000；2.内蒙古第一机械集团股份有限公司，包头014030）摘 要：以芳纶机织物为空白样，以浸环氧胶芳纶、单面碳化硅涂层芳纶、聚脲涂层芳纶为研究对象，开展了单层防刺材料的静态穿刺试验和不同种材料相同面密度的动态穿刺试验。结果表明，环氧浸胶芳纶的刺破力要高于覆碳化硅芳纶和聚脲涂层芳纶的刺破力，同时，经动态穿刺试验测试验证，环氧胶芳纶的防刺能力效果最好。最后，将环氧胶芳纶与超高分子量聚乙烯无纬布以不同比例复配后测试其防弹防刺性能，选出最优复配方案。关键词：防弹防刺性能；浸环氧胶芳纶复合材料；动态穿刺测试；准静态穿刺ResearchontheSelectionandApplicationofBullet-proofandStab-proofCoatedAramidMaterialsLiWei1,HanLin2,LiuWei1,WeiPengcheng1(1.FirstMilitaryRepresentativeOfficeStationedinBaotouDistrict,Baotou014000;2.InnerMongoliaFirstMachineryGroupCo.,Ltd,Baotou014030)Abstract:The static puncture test of single-layer stab-proof materials and the dynamic puncture test of different materials with the same area density were carried out,with woven aramid fabrics as blank,and epoxy-impregnated aramid,silicon carbide coated aramid(on one side)and polyurea coated aramid as research objects.Finally,the bullet-proof and stab-proof properties of epoxy-impregnated aramid combined with UHMWPE weftless cloth in different ratios were tested,and the optimal combination ratio was selected.The results showed that the puncture force of epoxy impregnated aramid was higher than that of silicon carbide coated aramid and polyurea coated aramid.Meanwhile,the dynamic puncture test verified that the puncture resistance of epoxy impregnated aramid was the best.Key words:bullet-proof and stab-proof performance;epoxy-impregnated aramid composites;dynamic puncture test;quasi-static puncture0 前言防弹防刺材料是一种对有刃刀（如匕首、刺刀）和枪弹威胁进行防护的材料，由此制成的防弹防刺服广泛装备于公安、狱警、保安等职业人群。面对各种暴恐事件的频繁发生，防弹防刺装备的防护作用显得尤为重要。进入21世纪以来，以芳纶、超高分子量聚乙烯等高性能纤维为原料制造的软质材料成为防刺材料的主力军1。国内学者对软质防刺布料的制备和防穿刺性能进行了大量研究，包括收稿日期：2023-01-09修回日期：2023-04-25作者简介：李伟（1981），男，工程师。主要从事装甲车辆、重卡车辆的设计、制造、防护。李伟，等：防弹防刺涂覆芳纶材料的选型及其应用研究DOI:10.13354/32-1129/tq.2023.03.002玻璃纤维2023 年 第 3 期 32应用研究织物增强树脂柔性材料研究2、织物三维结构防刺性研究3、织物表面硬质涂层研究、剪切增稠防刺材料研究等4，取得了很大研究进展。大量研究都集中在某种新制备的防刺材料及其防刺性能测试上，更多侧向于防弹防刺新材料、新结构理论研究 阶段5-6。而对不同类型的防刺材料的防刺性能对比评估研究和防弹防刺材料复配的研究较少。基于此，本文以不同类型的防刺材料为研究对象，对比分析各防刺材料的适用性，以及对防弹防刺材料的几种复配方案进行对比测试，以期为其在防弹防刺装备应用上提供一定的理论研究基础。本文以未浸胶芳纶布作为空白样，通过涂覆树脂、碳化硅、聚脲等方式制备不同种类型的浸胶芳纶布作为试验样，并通过准静态穿刺和动态穿刺，测试每种材料的防刺性能，优选出防刺性能好的材料，再通过测试不同的浸环氧胶芳纶材料与超高分子量聚乙烯无纬布的复配方案，选出防弹防刺性综合最优的方案。1 试验部分1.1 浸胶芳纶布的制备1.1.1 原材料平纹芳纶机织布，TH5018,烟台泰和新材销售有限公司；高强增韧改性环氧树脂，实验室产品，上海基玛精化有限公司；固化剂，实验室产品，上海基玛精化有限公司。1.1.2 设备仪器刮板，大号，包头市华腾工贸有限责任公司；平板压机，YQK71-500，南通锻压设备股份有限公司。配胶：固化剂和高强增韧改性环氧树脂的比例按12的质量比配制，称重固化剂20g，树脂胶40 g，混合并搅拌均匀。覆胶：在脱模纸上对裁切好的500500 mm的平纹芳纶机织布双面涂抹配制好的高强增韧改性环氧树脂胶，并用刮板刮至均匀。为保证环氧树脂的流动性，施胶操作时间在20 min以内。压制、固化：为控制浸胶量，以及浸胶后的总面密度和均匀性，用平板压机以5 MPa、85 对覆胶后的平纹芳纶机织布压制4小时后冷却脱模，可制备涂覆高强增韧改性环氧树脂的芳纶防刺布。1.2 碳化硅涂覆芳纶布的制备1.2.1 原材料乙二醇，纯度99.7，西陇科学股份有限公司；乙醇，浓度95%，西陇科学股份有限公司1.2.2 设备仪器磁力搅拌器，SN-CJB-M1,上海尚普仪器设备有限公司；烘箱，101-3B，上海圣科仪器设备有限公司。SiC分散液的制备：将适量的SiC粒子和一定质量配比的乙二醇、乙醇（乙二醇乙醇11）加入烧杯中，用玻璃棒初步搅匀后，放置于磁力搅拌器上封口搅拌30 min，得到均匀的SiC分散液。涂覆：将500500 mm的平纹芳纶机织布放置于85 的烘箱中，预热1 h，按环氧树脂于与固化剂10075的质量比，制备胶黏剂，将SiC分散液与胶黏剂按一定比例混合后，并在芳纶布表面涂覆，控制涂层厚度在80-150 m之间。将涂覆后的平纹芳纶机织布，在85 烘箱中热烘4小时，得到SiC涂层芳纶防刺布。1.3 涂覆聚脲芳纶布的制备1.3.1 原材料异氰酸酯半预聚物，M100，青岛爱尔家佳新材料股份有限公司；端氨基聚醚，M100，青岛爱尔家佳新材料股份有限公司。1.3.2 设备仪器喷涂设备，H-XP3，固瑞克流体设备（上海）有限公司。A组分：异氰酸酯半预聚物。B组分：端氨基聚醚，使用具有可加热、高压聚脲喷涂设备将A、B两李伟，等：防弹防刺涂覆芳纶材料的选型及其应用研究玻璃纤维2023 年 第 3 期 33应用研究李伟，等：防弹防刺涂覆芳纶材料的选型及其应用研究组分混合后喷涂在500500 mm的平纹芳纶机织布上，控制涂层厚度为0.5 mm。常温固化三天后制备聚脲涂层芳纶防刺布。1.4 防弹防刺方案的设计基于防刺布料的选型研究结果，以浸高强增韧改性环氧树脂芳纶布防刺材料为迎弹面，该芳纶防刺材料主要起到防刺作用，虽然芳纶纤维也具有防弹性能，但在防弹和防破片性能上不如超高分子量聚乙烯材料。因此，选择轻质高强超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight，简称UHMWPE）无纬布为防弹材料，通过优化芳纶防刺布与超高分子量聚乙烯无纬布防弹材料配比，实现防弹和防刺性能，设计总面密度保持在9 kg/m2，5种配比方案的防弹防刺性能方案如表1所示。表1 防弹防刺方案设计试样编号方 案总面密度/kgm-21#3 kg/m2浸环氧胶芳纶+6 kg/m2UHMWPE9.122#3.5 kg/m2浸环氧胶芳纶+5.5 kg/m2UHMWPE9.083#4 kg/m2浸环氧胶芳纶+5 kg/m2UHMWPE9.164#4.5 kg/m2浸环氧胶芳纶+4.5 kg/m2UHMWPE8.975#5 kg/m2浸环氧胶芳纶+4 kg/m2UHMWPE9.111.5 性能测试1.5.1 准静态穿刺性能测定采用LD24型微机控制电子万能试验机进行准静态穿刺，穿刺速度为1000 mm/min，穿刺样品为表2所列的各种芳纶机织布，所用刀具为标准GA68-2008警用防刺服中专用刀具，随着刀具接触试样，连接在横梁上的压力传感器开始记录试验的载荷-位移曲线。图1为准静态穿刺性能测试示意图。其中，图1a为测试图，图1b为测试用刀具细节图，图1c为夹布的夹具，图1d为测试芳纶机织布样片。表2 防刺布料样品参数试样编号防刺布料名称单层面密度/gm-21#未浸胶芳纶机织布（空白样）2202#改性环氧树脂型浸胶芳纶布3853#碳化硅涂层芳纶布4404#聚脲涂层芳纶布1272a.测试图b.测试用刀具细节图c.夹布的夹具d.为测试芳纶机织布样片图1 准静态穿刺性能测试示意图1.5.2 动态穿刺性能测定防刺检测采用附有重锤的刀具，其设备如图2所示，防刺性能依据GA68-2019警用防刺服标准进行常温测试。图2 动态防刺设备玻璃纤维2023 年 第 3 期 34应用研究1.5.3 防弹性能测试防弹性能测试：依据GA141-2010警用防弹衣 中3级测试要求进行常温条件下测试。2 结果与分析2.1 准静态穿刺性能试验结果与分析在标准中规定防刺服不能被刺穿，所以织物试样在刺破点A的临界位移Xc、临界刺破力Fc、临界刺破能量Ec等对研究其防刺性能具有重要意义。定义临界刺割强度fc为单位质量的织物被刺破时刀具所受到的力，即：fc=Fc/S，S为面密度。并将临界刺破力Fc、临界刺破能量Ec、临界刺割强度fc作为评价防刺性能的最主要指标。Fc、Ec、fc越大，说明织物的防刺性能越好。表3 4种防刺材料的准静态穿刺性能试验结果试样编号防刺布料名称单层面密度/gm-2临界刺破力/N力临界刺割强度/gm-2临界刺破位移/mm临界刺破能量/J1#未浸胶芳纶机织布（空白样）220280.127171.32#改性环氧型浸胶芳纶布38562.90.166304.23#单面碳化硅涂层芳纶布44033.520.076202.14#聚脲涂覆芳纶布127297.70.077232.7由表3可知，通过比较4种芳纶防刺料的Fc、Ec、fc值，涂覆聚脲芳纶布的Fc值最大，但fc的值却是最小，这是因为喷涂聚脲后的芳纶单张面密度偏大，但临界刺破力却并没有高出很多，导致fc小，同理单面涂覆碳化硅涂层芳纶复合布也存在类似的问题。从临界刺割强度fc、临界刺破能量Ec上来看，改性环氧型浸胶芳纶的防刺性能较好，这可能由于改性环氧胶的强度较高，且浸胶后对芳纶纤维的束缚能力强。2.2 动态穿刺性能试验结果及分析每种防刺材料均按面密度为7 kg/m2进行动态穿刺试验，试验在常温条件下进行，其测试结果如表4所示。表4 4种防刺材料的动态穿刺性能试验试样编号防刺布料名称单层面密度/gm-2配比方案总面密度/gm-2结果1#未浸胶芳纶机织布22032 张7040穿透2#改性环氧型浸胶芳纶布38518 张6930未穿3#单面碳化硅涂层芳纶布44016 张7100穿透4#聚脲涂覆芳纶布12729 张7363穿透由表4可知，经动态穿刺试验测试表明，在4种浸胶芳纶中，经改性环氧浸胶复合芳纶防刺布在防刺性能上表现最好，涂覆碳化硅涂层和聚脲涂层的防刺性能最差。原因可能是：因改性环氧胶硬度较高，制得的浸胶芳纶织物硬度高，同时，环氧胶与芳纶浸润性好，芳纶织物网眼受胶约束更好，当穿刺时能更好地钝化刀刃，锁紧刀具，减小刀具刺穿的效果。虽然碳化硅颗粒具有高硬度可以更好地钝化刀刃，但实际表现防刺性能又不好，这可能是因为单面涂覆碳化硅颗粒只有该侧有胶，但该胶与芳纶的粘接力低于浸环氧胶，对芳纶经纬交叉网眼约束不够，当刀刺入时，虽然刀刃被钝化，但芳纶织物剪切吸能没有发挥较大的贡献，最终导致防刺性能不好，又因为单面涂覆碳化硅涂层的面密度大，层数少，且单层布的顶破穿刺力又小，所以单面涂覆碳化硅涂层的动态穿刺性能综合表现不好。聚脲涂层是一种高分子弹性体涂料，当遇到高速冲击（如子弹冲击）时，聚脲链段会瞬间硬化，硬度增加。因此，将聚脲喷涂在芳纶机织布上制成聚脲涂覆芳纶复合布，经测试发现：该布受刀具冲击时，刀具冲击不如子弹冲击产生的应变高，因而并未发挥出受高速冲击时聚脲链段会瞬间良好的硬化，因此，聚脲涂覆芳纶复合布的动态防刺效果表现不好。从准静态穿刺性能试验结果和动态穿刺试验测试看，高强增韧型环氧胶浸芳纶布的防刺效果最好，且从成本及制作工艺的角度出发，具有良好的李伟，等：防弹防刺涂覆芳纶材料的选型及其应用研究玻璃纤维2023 年 第 3 期 35应用研究市场前景，因此，选用改性环氧树脂型浸胶芳纶作为接下来研究用的防刺材料。2.3 防弹防刺方案测试结果及分析防弹防刺结果如表5所示，防弹防刺靶试样件图如图3所示。所有方案先进行防刺性能测试（测试标准GA68-2019），在满足防刺未穿透结果的前提下进行防弹测试（测试标准GA141-2010）。表5 防弹防刺方案测试结果表试样编号方案防刺结果防弹结果平均弹速/ms-1最大 BFS/mm1#3 kg/m2浸环氧胶芳纶+6 kg/m2UHMWPE穿透-2#3.5 kg/m2浸环氧胶芳纶+5.5 kg/m2UHMWPE穿透-3#4 kg/m2浸环氧胶芳纶+5 kg/m2UHMWPE未穿未穿518.914.34#4.5 kg/m2浸环氧胶芳纶+4.5 kg/m2UHMWPE未穿未穿517.516.75#5 kg/m2浸环氧胶芳纶+4 kg/m2UHMWPE未穿未穿520.817.4a.防刺测试样件正面/背面图b.防弹测试样件正面/背面图图3 防刺防弹靶试样件图根据表5测试结果，可以看出方案1、2不满足GA68-2019标准的防刺性能，因此，未进行防弹测试；方案3、4、5满足GA68-2019标准的防刺性能，在进行防弹性能测试后，方案3、4、5的防弹性能均满足GA141-2010标准中3级防弹性能，但方案3的背突值最小，因此，方案3在防弹防刺测试方案中的表现最佳。3 结论通过对本文中3种防刺布料的制样、测试后发现，防刺材料的防刺性能主要靠两点来实现，一是芳纶布表面覆涂层的硬度来钝化刀尖；二是靠纤维本身的强度来抵御刀的剪切。改性环氧型浸胶芳纶因所浸润环氧树脂具有高韧高强度的特性，可以在钝化刀尖的同时又能对芳纶纤维起到约束增强的作用，从而表现出较好的防刺性能。在环氧胶芳纶与超高分子量聚乙烯无纬布复配方案中，环氧胶芳纶对防刺性能贡献较大，而超高分子量聚乙烯无纬布对防弹性能贡献较大，经过多种复配方案设计及防弹防刺测试，方案3（4 kg/m2浸环氧胶芳纶+5 kg/m2 UHMWPE）的防弹防刺性能表现最佳。因本文研究数据有限，如何进一步提升优化防弹防刺复合材料的综合性能，成为今后研究的重点方向。参考文献：1李凤艳，叶天宇，展晓晴，等.涤纶与芳纶及超高分子量聚乙烯纤维复合纱防刺织物的制备及其性能J.纺织学报，2021，42（07）：82-88.2李亚滨，徐玲玲.聚氨酯复合芳纶织物的防刺性能J.天津工业大学学报，2017，36（04）：27-31.3闫荣.三维织物结构防弹防刺材料的产品研制 D.东华大学，2015.4王秋实，何彩婷，王珊，等.织物增强柔性防刺复合材料的研究进展 J.纺织学报，2022，43（08）：183-188+205.5毛利洲，马岩，严雪峰，等.防刺材料的研究现状与发展J.棉纺织技术，2022，50（02）：15-19.6冯凯阳，楼泽，杨修羽，等.轻薄柔性防刺材料性能测试分析J.轻纺工业与技术，2021，50（06）：1-3.李伟，等：防弹防刺涂覆芳纶材料的选型及其应用研究