芳纶机织布混杂芳纶无纬布的防弹性能研究

2022-03-19艾青松李宗家吴中伟姜联东虎龙

高科技纤维与应用 2022年1期

艾青松，李宗家，吴中伟，姜联东，虎龙

(1.北京航天雷特机电工程有限公司，北京7205信箱1分箱，北京 100074 2.北京航天试验技术研究所，北京7205信箱，北京 100074)

0 引言

芳纶全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，英文名称为Aramid fiber，与碳纤维、高分子量聚乙烯纤维并称为三大特种纤维[1]。芳纶的发展，极大地促进了防弹材料的发展[2]。

目前，国际认可度较高的防弹标准为美国司法部的NIJ 0101.06防弹衣标准。在该标准中，客户需求最多的是NIJ 0101.06中的ⅢA级别的防弹衣。该防护级别的防护要求：防御9 mm全金属披甲圆头弹，弹重8.0 g，冲击速度为(448±9.1)m/s；可防御44马格南半披甲中空尖头弹，弹重15.6 g，冲击弹速为(436±9.1)m/s。两者凹陷均要求小于44 mm。全金属披甲弹是指除弹基座之外，其他部分由铜合金(大约90%铜，10%锌)包围的铅芯组成。半披甲中空尖头弹由铅芯等组成，铅芯在子弹的前端有一个中空孔洞；除中空尖头外，子弹完全被铜合金包覆。

本文通过织造芳纶无纬布并与不同型号的芳纶机织布[3]进行组合，通过实弹测试[4]和柔软度测试，以研究在满足NIJ ⅢA测试标准的前提下，提升防弹衣的穿着舒适性。

1 试验

1.1 原材料

制备芳纶防弹板的原材料见表1。

表1 试验用原材料

1.2 样品制备

芳纶无纬布由片状无纬布生产设备，即辊筒机织造而成。其生产工艺为特种胶粘剂放置于上胶装置中，芳纶经过上胶装置缠绕在旋转的辊筒上，丝杠平行于辊筒匀速移动，将纤维均匀排布在辊筒上，再经过展丝装置将丝展开，热风装置进行干燥，即可得到单层无纬布。将单层无纬布沿辊筒母线切下，旋转90°再贴在辊筒上，重复以上步骤即可得到最终的芳纶无纬布。最终生产的芳纶无纬布面密度为210 g/m2。

1.3 柔软度测试

自制的柔软度测试装置如图1所示，斜面与地面夹角为45 °。测试时，防弹靶片放在平面上匀速向外推，观察防弹靶片能否与斜面贴合。

图1 柔软度测试装置图

1.4 实弹性能测试

实弹测试中，部分靶片按照公安部标准《GA 141—2010警用防弹衣》中三级标准进行测试[6]，即51式7.62 mm手枪弹(铅芯)，弹速为(515±10)m/s，射距为5 m。

部分靶片按照美国司法部的NIJ 0101.06防弹衣标准中的ⅢA级别进行测试。

2 结果与讨论

2.1 芳纶机织布优选

日人帝人公司提供的芳纶机织布有四种，具体参数见表2。

CT709为200 g/m2的防弹织物，可生产无缝防弹服装，防弹保护性高，穿着舒适，活动自如。CT714为190 g/m2的防弹织物，基于超细芳纶的防弹织物，有卓越的破片防护，能够很好地防护特定类型的子弹。CT716为280 g/m2的防弹织物，基于高强度纱的防弹织物，可有效抵御钝物伤害。CT736为410 g/m2的防弹织物，具有良好的加工性能，可用于生产现代工艺的防弹头盔。

表2 芳纶机织布种类

因CT716与CT736面密度过高，相同层数下会影响整体的靶片面密度，而CT709与CT714面密度均与车间生产的无纬布及双防布面密度相同。因此，优选CT709与CT714作为组合靶片结构的机织布。其对比测试结果见表3。

表3 CT709与CT714组合靶片测试对比表(79微冲)

由表3可知，5层(CT714)+30层芳纶无纬布测试数据平均穿透层数为15.2层，平均凹陷为19.6 mm；而同样的结构，机织布由CT714换成CT709后，平均穿透层数变为15.5层，基本未发生变化，而平均凹陷由19.6 mm降为16.6 mm。这说明在控制凹陷方面，CT709相对CT714优势较大。

2.2 芳纶机织布放置不同位置

将芳纶机织布放置不同位置组合的靶片，测试结果见表4。

表4 机织布不同位置测试数据(79微冲)

由表4可知，机织布放在中间的平均穿透层数15.8层和平均凹陷17.5 mm均大于机织布放在前面的数据。因此，在拼合结构中采用机织布放在前面的方案。

2.3 最终方案确定

通过上述讨论，确定了最优的机织布CT709放在靶片最前面的组合方案。接下来根据不同测试方案数据(表5)，对最终的实验方案进行确定。

表5 不同测试方案数据(NIJ ⅢA)

图2 检测报告

由表5可知，靶片结构为4层CT709+21层芳纶无纬布时，进行9 mm的防弹测试时，平均穿透层数为6.5层，平均凹陷为18.72 mm，安全裕度较高。在进行.44项目的测试时，最大凹陷仅为34.5 mm，控制在40 mm之内，平均凹陷为28.01 mm。究其原因，在于虽然靶片在防弹时作为一个整体共同防护，但在子弹接触靶片的瞬间，靶片的前、后部分受到的冲击是不同的[7]。因此靶片应该设计成梯度结构，即靶片最先接触到子弹的前半部分相对于后半部分应该容易变形一些，而靶片的后半部分应该难变形一些。最终的靶片结构正好设计的是梯度结构，即前半部分的形变要易于后半部分，最终靶片整体产生了“共形变”，最终控制住了凹陷[8]。图2为在兵器工业非金属材料理化检测中心取得的检测报告。