STF/UHMWPE柔性復合材料的制備及防刺性能研究

蔣干兵，王發陽，李夢達

(1.連云港神特新材料有限公司，江蘇 連云港 222000；2.連云港市工業投資集團有限公司，江蘇 連云港 222002)

0 引言

隨著紡織行業的逐步壯大，新興技術的不斷發展，將傳統的紡織品與新型材料相結合，能夠更好地服務人類，提高人們的生活質量。人體防護服正沿著這個趨勢發展，以達到有效保護人員免受來自外界尖銳物體等襲擊的目的。UHMWPE織物本身具有高強度、高模量、抗沖擊、抗剪切等特性[1]，適合用作防護材料基體。STF 是一種特殊的材料，它在一般情況下是呈黏稠狀的懸浮液，但是當受外力快速作用時，表面黏度會迅速提高，展現出似硬物的抗沖擊能力，外力消除之后，很快可恢復到原來的柔性形態[2-3]。織物經STF增強后，一方面織物的抗穿刺性顯著提升，另一方面該織物制成的防護服具有穿著舒適、輕便靈巧的優點，不妨礙穿戴者的正常活動。因此，研制STF/UHMWPE柔性防護材料對保障個體安全有著極其重要的現實意義。

1 實驗部分

1.1 防刺織物的編織工藝設計

本實驗選用江南大學提供的雙包纏紗(UHMWPE纖維為芯紗，連云港神特新材料有限公司生產；兩根同規格的滌綸低彈絲為外包紗)作為編織原料，在德國Stoll公司生產的CMS 530TC電腦橫機上編織成緯平針織物，織物規格設計見表1。編織過程中，設定電腦橫機機器機速為0.8 m/s，牽拉力WM值為5.0，彎紗深度NP選定為11.5。值得注意的是，由于紗線主要由UHMWPE高性能纖維紡制而成，紗線的質量大，在編織過程中，如果給紗張力過小，紗線會松弛，在機頭回轉時不能及時抽回剩余的紗線，造成邊緣吃紗困難，導致布面漏針[4]，因此設置較大的給紗張力時可確保紗線能夠正常編織。

表1 成品規格設計

1.2 剪切增稠液(STF)的制備

本實驗選用聚乙二醇(PEG)作為分散介質和球形二氧化硅(SiO2)作為分散相粒子合成剪切增稠液，具體實驗原料信息見表2。實驗過程中采用機械攪拌，逐漸將SiO2顆粒加入分散介質PEG混合液(PEG200 ∶PEG400=1 ∶3)，待SiO2完全溶解后繼續添加，控制加料速度，保證分散體系均勻，注意此分散體系中SiO2粒子的質量分數為75%。當分散介質和分散相完全進入三口燒瓶之后，持續對盛有混合物的三口燒瓶進行攪拌，使二者混合均勻。最后為了除去氣泡，將分散均勻的樣品放置于真空干燥箱中持續24 h，從而得到穩定的STF分散體系。

表2 STF制備實驗原料

1.3 STF/UHMWPE復合材料的制備

為了使STF在織物材料中均勻分散滲透，先利用無水乙醇對制備好的STF體系進行稀釋， STF體系與無水乙醇的重量比為1 ∶3，再將干燥的UHMWPE緯平針織物浸漬在被稀釋的STF溶液中5 min。浸漬完畢后，對織物試樣進行浸軋處理。通過圖1所示裝置進行浸軋。兩個軋輥的轉向相反，在一定壓力下，既能保證織物充分吸收液體，又可以去除多余混合液使STF滲透均勻。最后將浸漬充分的復合織物放入80 ℃的烘箱中24 h，使無水乙醇充分揮發后得到STF/UHMWPE柔性復合材料，將織物剪成直徑為8 cm的圓片以用于后續準靜態防刺實驗。

圖1 織物浸軋裝置

1.4 性能測試與表征

采用溫州際高檢測儀器公司提供的YG141D型織物厚度儀對復合材料的厚度進行表征；依據GA68-2008《警用防刺服》[5]，改造南通宏大實驗儀器有限公司生產的HD026H型電子織物強力儀進行準靜態防刺實驗；采用日本HITACHI公司的S-4800型掃描電鏡對穿刺后的STF/UHMWPE復合織物進行表面形貌觀測。

2 結果與討論

2.1 UHMWPE織物復合前后的防刺性能研究

從UHMWPE緯平針織物浸漬前后穿刺強力對比(圖2)，可以看出受刀作用后的穿刺曲線趨勢是一樣的，復合樣整體的穿刺力值要比純樣大，且復合織物的穿刺位移比純織物小，這表明STF溶液對織物的穿刺性能有著積極作用。由于STF/UHMWPE織物中單絲被STF溶液所黏附，當其受到刀具等尖銳物低速沖擊時，因為紗線之間相互粘著不易滑動，故增大了刀具與紗線之間的摩擦力而阻礙其對防刺材料的進一步破壞, 導致穿刺時需要的作用力更大[6]。刀具刺入加深，刀口處聚集了大量的纖維，單絲上附著了SiO2粒子使與之接觸的刀具表面鈍化，提高了刀具的穿刺強力，曲線中位移與強力成正比。最后，刀具剪切紗線使其斷裂后受粒子摩擦作用，力值沒有馬上降為零，對應曲線的穿刺強力達到峰值后有一段下降。

圖2 UHMWPE緯平針織物浸漬前后穿刺強力對比圖

表3總結了復合前后試樣的相關參數。相比于純樣，復合樣的質量和厚度都有所增加，因此需要將兩者面密度換算成相同時，比較穿刺負荷的大小。面密度即單位面積下織物的克重，根據準靜態穿刺標準制樣，實驗每個試樣直徑均為 8 cm(即面積為 50.27 cm2)的圓片。由于織物的面積都是一樣的，都為50.27 cm2，只需比較同樣重量時的穿刺強力，經過計算得出在面密度相同的情況下，用STF處理過的織物的穿刺強力比未處理的提高了29.72%。

表3 緯平針復合樣與純樣的相關參數對比表

2.2 STF/UHMWPE柔性復合材料破壞形貌分析

在準靜態防刺試驗后，純織物和 STF/UHMWPE 復合織物在不同放大倍數下刺口處的SEM圖如圖3所示。在150倍的放大倍數下，從圖3(a)中可以看出兩種纖維被刺刀割斷之后的不同狀態，斷裂處的UHMWPE纖維比較松散，部分纖維較彎曲，而且纖維的斷裂處向外舒張和呈扁平狀。滌綸單絲的伸直狀態較好，斷裂處纖維整體的結合較為緊密。圖3(b)、(d)和(f)中纖維經過STF處理，所用 STF 是由650 nm SiO2和 PEG200 ∶PEG400=1 ∶3制備而成的，其固含量為 75%，復合處理時的稀釋比為1 ∶3，在SEM 圖中只能觀測到 STF 中的SiO2粒子。圖3(b)在相同的放大倍數下，經過STF浸漬的纖維的斷裂處結合更加緊密，說明STF的浸漬提高了纖維的集束性。部分UHMWPE斷裂的纖維末端出現扭結，可能是由于SiO2粒子的存在改變了作用力的方向。圖3(c)、(d)都是在1 000的掃描倍數下，得到的UHMWPE纖維末端斷裂處的表觀形貌。

圖3 UHMWPE織物刺口處掃描圖片(a)純×150；(b)STF×150；(c)純×1 000；(d)STF×1 000；(e)純×3 000；(f)STF×3 000

圖3(c)中未經處理的纖維斷面較為平整光滑，呈片狀。從圖3(d)看出斷面處的粒子被擠向纖維內，斷裂處不是很平整，能清晰看見SiO2粒子擠入纖維內部的軌跡，這也使得在刺刀刺入織物時增加了織物的抗剪切作用，從而更難切斷纖維。圖3(e)、(f)都是在3 000的掃描倍數下，得到的滌綸末端斷裂處的表觀形貌。滌綸單絲的斷面相比而言，更加整齊，斷裂處的形態沒有大的變化，因為滌綸的斷裂強度遠不如UHMWPE纖維。由于滌綸光滑的表面，單根來看浸漬的量較少，但是可以從圖3(f)中看出，纖維斷裂的末端有SiO2粒子，這對于抵御刺刀有一定的作用。

3 結論

本文以STF/UHMWPE柔性復合材料為研究對象，探究了其準靜態穿刺性能。通過分析，得出如下結果：

(1)織物浸漬前后受刀作用的穿刺曲線極為相似，復合樣整體的穿刺力值要比純樣大。處理過的織物其重量、厚度都有一定程度的上升，換算得在面密度相同的情況下，用STF處理過的織物比未處理的穿刺強力提高了29.72%。

(2)純織物斷裂處的纖維比較松散，相較而言，STF復合織物斷裂纖維末端排列比較整齊且緊密。滌綸絲的斷面比較整齊，UHMWPE纖維斷面呈扁平狀，纖維斷裂的末端有SiO2粒子擠入纖維內部的痕跡，這對于抵御刺刀有一定作用。