STF-芳纶织物复合材料防刺性能研究

张汪洋，赵小强，闫文哲，李 琴，吴 越

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.中国兵器工业集团207所 军贸工程部，山西 太原 030006)

0 引 言

传统硬质防弹衣由陶瓷、金属板、织物组成[1-2]，这种防弹衣笨重、不透气，而且枪支的威胁也在发展变化，因此，大多数传统防护装置已经被淘汰，而具有防弹和防刺性能的新型装甲开始被采用，同时轻量化要求也有所提高[3-4].柔软的STF液体防弹衣具有密度低、强度高、抗冲击、抗剪切和吸收能量高等优点[5-7]，国内外许多学者对STF复合材料进行了大量研究，美国学者Wetzel等提出利用剪切增稠流体制备软质防护复合材料的构想.伍秋美等对低固含量SiO2/PEG分散体系的流变性能进行了大量的研究，发现了STF的可逆的剪切增稠行为和剪切变稀行为[8].中国科学技术大学龚兴龙教授等不仅深入研究了STF剪切机理[9-10]，揭示了STF在增稠状态转变过程中的流体润滑和摩擦接触作用之间的竞争机制，还拓展了STF复合材料的应用，研制出可穿戴电子CNT/STF/Kevlar(ET)复合材料，同时还开展了彩色STF研究，探究了STF的光学特性[11].西北工业大学张广成教授研究了纳米SiO2基STF和亚微米SiO2基STF的可逆性和瞬时响应性能[12].本文首先研究STF剪切速率与粘度的关系，然后将STF与芳纶混合来研究STF-芳纶织物复合材料的性能，并对其静态和动态防刺性能进行测试.

1 实验

1.1 实验原材料

试剂：SiO2纳米颗粒，BET比表面积200 m2/g，平均粒径200 nm～300 nm,密度2.2 g/cm3，纯度>99.5%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司.

摩尔质量为200 g/mol,300 g/mol和400 g/mol的聚乙二醇(PEG)，分别表示为PEG(200)，PEG(300)和PEG(400)，Merck KGaA.

Twaron芳纶织物：密度1.44 g/cm3，强度3.30 GPa，弹性模量90 GPa,使用最高温度250 ℃，深圳市特力化纤有限公司.

仪器：超声波分散器，冠森生物科技上海公司.鼓风干燥箱，常州市乐华干燥设备有限公司.自动玛瑙研钵，北京华越洋生物公司.

TESCAN MIRA3场发射扫描电镜(SEM)，泰思肯(中国)有限公司.

1.2 试验方法

STF的配制：主要分为均质、干燥和研磨三个步骤[11].第一步使用超声波分散器和直径为25 mm 的钛声探头进行声化学方法处理，先将不同质量分数的纳米颗粒SiO2和乙醇以1∶5的质量比混合并超声5 h.再将PEG加入到制备的溶液中，超声3 h.最终配置成气相SiO2纳米粒子且质量分数为5%～30%的STF溶液.第二步将均质STF溶液放入鼓风干燥箱进行干燥处理.第三步用自动玛瑙砂浆进行研磨，研磨参数为功率250 W 和转速100 r/min，当观察到没有气泡时停止研磨.

STF-芳纶织物复合材料的制备：通过浸渍法将STF和芳纶织物复合，将研磨好的STF溶解在200 mL的乙醇中，然后将芳纶织物浸泡在STF溶液中30 s,并垂直悬挂10 s,去除多余的溶液.最后将浸渍完成的织物放入鼓风干燥箱中进行79 ℃ 干燥处理.干燥完成后，将STF-芳纶织物整齐堆叠并放入聚乙烯袋中进行真空压缩处理.

1.3 表征与测试

1.3.1 SiO2纳米颗粒的SEM形貌表征

用TESCAN MIRA3场发射扫描电镜(SEM)表征SiO2凝胶颗粒的大小，观察相对分子量不同的PEG合成的STF表面形貌和STF浸渍芳纶织物表面的微观形貌.

1.3.2 准静态防刺试验

依据“NIJstandard-0115.00(Stab Resistance of Personal Body Armor)”进行准静态稳定试验[13]，试验在落锤装置上进行，将钢针作为冲击器.测试的样品为10层堆叠STF-UHMWPE，尺寸为20 cm×20 cm，将其放置在4层5.8 mm氯丁橡胶海绵、1层31 mm厚聚乙烯泡沫、2层6.4 mm 厚橡胶组成的背衬材料上.

1.3.3 动态防刺试验

使用冲击试验机，通过落塔试验测定纯芳纶织物和STF/芳纶织物复合材料的动态抗刺伤性能.使用直径为9 mm、质量为3 020 g的钉子，分别以2.2 m/s，3.3 m/s和3.9 m/s的速度刺向目标.目标有10层，尺寸为20 cm×20 cm，放置在55 mm厚的玻璃上.对所有制备的STF-芳纶织物复合材料重复试验三次，取平均值.

1.3.4 柔韧性测试

采用Schimadzu-AGS-J型万能试验机进行柔韧性试验，以确定STF添加量对织物柔韧性的影响[14].试验测试速率为20 mm/min，并保持直到织物受力达到6 N，然后测量样品末端的弯曲度.弯曲度为织物样品一端固定，另一端向上拉起后与起始平面形成的夹角，用来衡量织物的柔韧性，弯曲度越大柔韧性越好.对所有制备的STF-芳纶织物复合材料重复试验三次，取平均值.

2 STF力学性能

对于牛顿体，剪切粘度与剪切速度无关，剪切应力和剪切速率满足关系[15]

(1)

STF是一种非牛顿流体，其剪切应力不随剪切速率线性变化，主要是由于其粘度随剪切速度的改变而改变，剪切应力与剪切速率的关系[16]为

(2)

表1 给出了用不同质量分数的SiO2以及PEG(200)，PEG(300)和PEG(400)制备的STF在剪切增稠过渡区的剪切速率范围和在这些范围内的粘度值.从表中可以看出：当SiO2质量分数为30%时，最大粘度峰值最大,随着PEG摩尔质量的增加最大粘度峰值有所下降；当SiO2的质量分数为5%时，STF不显示剪切增稠效应.

表1 不同质量分数的SiO2混合不同摩尔质量的PEG制备的STF的剪切速率和粘度范围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-芳纶复合材料力学分析

3.1 STF-芳纶复合材料的结构分析

图1(a)为放大100 000倍气相法SiO2纳米颗粒，可以看出气相SiO2纳米颗粒具有不规则形状并且有团聚现象.图1(b)为质量分数为30%的气相SiO2纳米颗粒和质量分数为70%，摩尔质量为 200 g/mol PEG合成的STF，可以看出SiO2纳米颗粒被PEG很好地包覆且SiO2纳米颗粒很好地分散在溶液中.由图1(c)可以看出，摩尔质量为300 g/mol PEG制备的STF比摩尔质量为200 g/mol PEG制备的STF具有更大的颗粒，这可能是由于PEG(300)的摩尔质量更高的原因.图1(d)为放大5 000倍的SEM，可以观察到由30% SiO2-70%PEG(300)制备的STF可以很好地浸渍芳纶织布表面，能够很好地形成STF-芳纶织物复合结构.

图1 SiO2及不同成分STF-芳纶织物的SEM图Fig.1 SEM of SiO2 and STF-aramid fiber with different composition

3.2 准静态抗刺分析

将不同质量分数的气相法SiO2和摩尔质量分别为200 g/mol,300 g/mol,400 g/mol的PEG制备的STF-芳纶织物和纯芳纶织物进行实验对比，获得了载荷与防刺深度的测试结果，如图2 所示.从图2 中可以看出：与纯芳纶织物靶相比，所有制备的STF-芳纶织物靶均可以承受更高的刺入载荷；降低STF中SiO2的含量可有效提高STF-芳纶织物系统的准静态防刺性能，增强STF的剪切增稠性能.

(a)PEG(200)

表2 给出了用气相法SiO2和PEG(200)，PEG(300)，PEG(400)制备的STF-芳纶织物与纯芳纶织物的准静态测试结果.由表2 可以看出，纯芳纶织物靶在刺穿深度为30 mm时承受的载荷为73 N.在PEG(200)、PEG(300)和PEG(400)三个不同组中制备的STF-芳纶织物复合样品中，浸渍STF为30% SiO2-70%PEG(200)的准静态抗刺强度最高，在30 mm 穿透时具有最高135 N的荷载.基于流变学测量可知，这与从该系统观察到的最高剪切增稠效果有关.

表2 纯芳纶和不同成分STF-芳纶的准静态稳定试验结果Tab.2 Quasi-static stability test results of pure aramid and STF-aramid with different composition

3.3 动态耐刺伤分析

图3 给出了纯芳纶织物和含PEG(300)的不同STF-芳纶织物复合材料的渗透深度与冲击速度的关系.测试中采用2.2 m/s，3.3 m/s和3.9 m/s 三种冲击速度,对于所有冲击速度，纯芳纶织物靶均表现出最低的耐刺伤性和最高的穿透深度.对于含有STF的STF-芳纶织物复合材料，随着SiO2质量分数的增加，其防刺性能逐渐提高.其中，采用30% SiO2-70%PEG(300)的STF-芳纶织物复合材料表现出最小的渗透深度和最高的耐刺伤性.但是，随着撞击速度的增加，所有目标的穿透深度也相应增加.

图3 纯芳纶和STF-芳纶复合材料的防刺测试结果Fig.3 Stab resistance test results of pure aramid and STF-aramid composites

图4 给出了纯芳纶织物和采用30% SiO2-70% PEG(300)的STF-芳纶织物复合材料在2.21 m/s 冲击速度下的动态防刺试验前后的图像.由图可以看出，与STF-芳纶体系相比，纯芳纶具有更大的刺入深度.

图4 纯芳纶与采用30% SiO2-70% PEG(300)的STF-芳纶复合材料的动态防刺实验结果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 柔韧性测试

对纯芳纶织物和STF-芳纶进行柔韧性测试，并测量样品弯曲度.图5 给出了柔韧性测试前后的纯芳纶织物图像，可以看出纯芳纶织物的弯曲度为24°，具有较好的柔韧性.

图5 纯芳纶柔性测试实验结果Fig.5 Flexibility test results of pure aramid fiber

图6 给出了不同成分的STF-芳纶织物和纯芳纶织物的柔韧性测试结果.

(a)PEG(200)

由图6 可以看出，STF-芳纶织物比纯芳纶的弯曲度小，说明其柔韧性比纯芳纶织物的小.

4 结 论

纯PEG在剪切速率增强时表现出牛顿流体行为，粘度不变.但是，随着SiO2纳米粒子的加入,PEG的剪切增稠作用增强，且随着SiO2粒子质量分数的增加，粒子间的作用力增大，颗粒间的摩擦力增加，从而使STF的剪切增稠性能增强.当SiO2和PEG质量配比相同时，含PEG(200)的STF比其他摩尔质量PEG的STF具有更高的粘度跃变，但是加入STF的芳纶比纯芳纶的柔韧性要小，纯芳纶和加入5% SiO2-95%PEG(200)的STF-芳纶的柔韧性接近.