芳纶柔性防刺材料的研究进展

文章从芳纶柔性防刺材料的防刺机理、材料结构以及增强改性等角度综述了芳纶柔性防刺材适的特点，已逐渐成为防刺材料领域研究的热点。

世界各地每年约有一万起对警察的袭击事件，其中百分之八是由刀具等利器造成的。因此个体防刺材料的开发具有十分重要的意义。防护材料主要分为硬质、半硬质和柔性三类,其中硬质和半硬质防刺材料制成的防护服均存在柔韧性低、舒适性差的问题。目前 ,柔性防护服的原材料主要为芳纶、超高分子量聚乙烯等高性能纤维,可在满足较高安全防护作用的前提下,保留材料的柔韧性和穿着舒适性。其中,芳纶纤维由于具有良好的抗拉强度、抗割强度、高模量、质量轻等优点 , 已成为制备柔性防刺材料的热门选择 。本文对芳纶柔性防刺材料的研究进展进行总结 , 以期为相关领域研究人员提供参考 。

与硬质防刺材料不同 ,柔性防刺材料通常由多层高性能材料复合而成,在刀具穿刺过程中,柔性防刺材料中的复合织物通过与刀具的摩擦、拉伸变形等作用,最终耗尽刀具刺入时的能量,并牢牢地锁住刀具刀尖。织物的防刺过程具体如下:首先,刀具刚刺入时,以一定的作用力对织物进行作用,不同结构的机织物、针织物或者非织造布都具有一定的紧度,能够产生一定的形变,阻碍刀具继续刺入,直至被拉伸到不能继续发生形变。同时,由于刀具的刀刃部分具有一定的宽度,因此刀具与织物之间会产生分别沿着织物水平方向的拉伸作用力和沿着织物垂直方向的剪切作用力。拉伸力会使相邻纤维间产生排挤作用,使织物上的裂口增大,而剪切力引起的纤维断裂则会进一步增大织物的裂口。最终,在拉伸力和剪切力的共同作用下,织物被刀具完全刺穿。因此防刺材料必须既能抗剪切也能抗拉伸,而抗剪切性能又占主导地位。

2.1 芳纶无纬布

无纬布的特点在于纤维伸直无屈曲 ,每层纤维的排列方向一致,其优点在于织物表面无交织点,因此在受到力学作用时,应力波在无纬布中传播时不会因纱线交织点而产生反射,应力可被快速吸收,可用做防弹防刺材料。芳纶无纬布是一种芳纶纤维单向排列制备的柔性材料,用作防刺材料时通常需要使用粘合剂对其进行0°/90°的正交复合层压 ,一方面粘合剂可充分 固定纤维,防止纤维发生滑移,另一方面固化后的粘合剂可以减少刀尖的刺入深度。例如,吴中伟等人使用水性聚氨酯树脂改性芳纶无纬布制备柔性防刺材料,并通过控制原料用量、压力及温度来优化调节防刺材料的防刺性能,其防刺面密度可达7.65kg/m²,符合GA68—2008 防刺性能测试标准。虽然芳纶无纬布的柔性较好,但由于胶体改性剂的使用 ,最终所得防刺材料柔韧性不佳 , 因此很少用于制备柔性防刺服。

2. 2 芳纶非织造布

不同于纤维单向排列的无纬布 ,芳纶非织造布中纤维无规排列,属于面内各向同性材料,结构更致密,具有更好的尖锐利器防穿刺性。此外,相比于传统机织物,非织造布工艺相对简单、生产过程环保、节能、减排。例如,LiT-T等人以70∶30wt%的比例将凯夫拉纤维与聚丙烯纤维混合在一起,通过针刺和热压制备Kevlar/PP复合非织造布,发现热压温度170℃时,复合非织造布表现出良好的防刺性能。但芳纶非织造布内部纤维排列松散,纤维间的抱合力差,单独用作防刺材料时,整体防切割效果并不理想。

2.3 芳纶机织物

与芳纶无纬布和非织造布相比 ,芳纶机织物由经纬纱形成多个交织点,结构更紧密,能有效阻碍刀具的刺入。具有平纹组织的芳纶机织物的特点是纱线平行排列,组织相对紧密;斜纹组织芳纶机织物通常纱线较粗,结构较松,主要用于厚重织物;缎纹组织中,纤维的交织点少,纤维在外力作用下容易产生相对滑移。总之,芳纶机织物的各种组织结构都交织相对紧密,但芳纶机织物的经纬纱一旦被刺入的刀具割断,会导致裂口突然变大,防刺能力大幅下降。

2.4 芳纶针织物

芳纶针织物由线圈和圈干组成 ,当刀具刺入时,针织物的线圈会发生滑移,相邻的线圈会因纱线滑动而拉紧,进而拉紧更多的线圈,导致相邻纱线间的摩擦力增大,阻碍刀具继续深入。同时,线圈拉紧过程会吸收一部分冲击能,当线圈纱线达到无法滑动的拉紧程度时,针织物变形形成“自锁”状态,实现防刺的目的。李宁等人在研究芳纶针织物防刺性能的同时研究芳纶针织物防刺过程中线圈的“自锁”现象,发现罗纹组织的防刺性能最好,其次是纬平针组织,最后是畦编组织。此外,组织结构的叠放次序也会影响芳纶针织物的防刺性能,实验表明罗纹组织置于最上层时,防刺性能最好。

3. 1 表面涂覆改性

在芳纶纤维表面涂覆颗粒或薄膜 , 可增强芳纶纤维间的摩擦力 ,通过使锋利的金属刀片因磨损而变钝,来提高防刺性能。例如,NayakR 等人使用碳化硼颗粒改性芳纶1414织物表面,在刀刺入17mm深度下,涂层织物的防刺力高达14N,而未涂层织物的防刺力仅为4N,涂层样品抗穿透能力的提高可归因于涂层提供的额外保护作用。此外,JavaidMU等人研究了SiO2涂层织物的抗刺机理,发现未涂层织物中的纱线与刀单独相互作用,并在刀穿透过程中进行单独切割,抗刀刺能力差。而SiO₂涂层织物中纱线间的摩擦力增加导致纱线滑移减少,因此纱线不易被移位,纱线抵抗刀刺能力增强。硬质陶瓷涂层与高强度织物的结合可以防止外部冲击的渗透 。GadowR等人采用热喷涂技术在芳纶纤维织物上进行金属陶瓷和氧化物陶瓷涂层。通过准静态防刺测试发现,具有硬质陶瓷涂层的芳纶织物表现出更高的防刺性能。除了无机纳米颗粒外,有机树脂也被用来涂覆改性芳纶纤维。例如,庄群等人制备了芳纶织物/环氧树脂复合材料,穿刺深度由37.3mm降低到4.8mm,复合织物的防刺效果显著提高,并且多层组合后的防刺效果更好。

无机纳米颗粒和有机树脂也经常协同复合涂覆于芳纶纤维表面,以期提高芳纶柔性防刺材料的防刺性能。例如,夏民民等人研究发现涂覆碳化硼/环氧树脂涂覆改性后的芳纶1414织物,  其单舌撕裂强力可由50N增加到300N左右。RubinW等人将碳化硅涂覆于乙烯酯基树脂固化的芳纶纤维表面 ,发现 当碳化硅含量为20 wt%时,防刺性能达到最佳。XIayunZ等人通过在芳纶织物上涂覆热塑性聚氨酯/二氧化硅/剪切增稠液(STF)制备柔韧防刺材料,涂覆含有3%气相二氧化硅涂层溶液的芳纶织物具有较高的抗刀刺和抗穿刺力。

3. 2 剪切增稠液浸渍改性

剪切增稠液(STF)是一种由分散相和分散介质组成的非牛顿流体。剪切增稠液改性的芳纶纤维在受到外力作用时,其剪切增稠体的黏度会迅速增大,表现为固体状态,起防刺作用,当外力撤销,黏度又会恢复到初始值,表现出液体柔性状态 ,这为制备柔性防护材料提供 了一种途径。李聃阳等人采用 STF浸渍的芳纶织物制备柔性防刺材料,研究发现经 STF浸渍后不同结构芳 ·54·纶织物的防刺性能都有很大提升 ,并且提升幅度随织物交织点数的增加而增大。王瑞等人探究了氧等离子体改性多壁碳纳米管对STF浸渍芳纶织物准静态防刺性能的影响,发现氧等离子体处理引入了含氧官能团,可促进 STF的剪切增稠作用,提高纱线间的摩擦力,使织物的被破坏模式由纱线滑移变为纱线断裂,进而提高防刺性能。

剪切增稠液中所用纳米颗粒的种类、粒径、含量以及表面改性等因素,也会影响织物防刺性能。例如Li等人使用不同粒径(12nm和75nm)的二氧化硅(SiO₂)颗粒作为分散相,多碳纳米管作为增强材料制备STF/MWCNTs复合增稠体系,并用于对平纹、斜纹、缎纹和篮纹编织芳纶织物的浸渍改性处理,研究发现12nm的SiO₂颗粒比75nm的 SiO₂具有更好的耐刀刺性能。张汪洋等人研究发现纯芳纶织物在刺穿深度为30mm时承受的载荷为73N,浸渍STF为30%  SiO₂和70%PEG的准静态抗刺强度最高。此外,SahooSK等人利用共缩合反应合成有机官能化的SiO₂,再将其制备的剪切增稠液浸渍芳纶织物,可将材料的纱线拉拔力由25.8N提高到39.5N,而冲击力由493N提高到900N,峰值能量也由246N增加到 900N。虽然剪切增稠改性不影响材料的柔韧性,但会降低材料的透气透湿性,影响材料的服用舒适性。

3. 3 树脂复合改性

芳纶树脂基复合防刺材料既结合了芳纶纤维的高强度、高模量的防刺优点,又具备了树脂基体的多功能特性 。MayoJB等人研究发现热塑性树脂(聚乙烯、聚甲基丙烯酸以及聚乙烯-甲基丙烯酸共聚物三种)复合改性芳纶纤维(JSP 706型凯夫拉纤维)的防刺性能显著提高,且通过改变热塑性树脂的类型和厚度,可以使织物获得不同的防刺性能。刘玉龙将SiO₂纳米粒子和Surlyn树脂共同复合改性芳纶纤维 ,结果发现 ,树脂含量低(33 wt%) 时,要防住24J 的能量需要36层,而树脂含量高(44wt%)时仅需30层。KimH等人[40]研究发现低密度聚乙烯(LDPE)增强 KEVLAR织物的抗刺穿过程比环氧树脂增强KEVLAR织物多一个纤维束积累破坏阶段,但 LDPE只能提高初始阶段的防刺性能。此外,树脂与芳纶织物的叠加方式不同,其防刺性能也不同。例如,陈理,王博涛分别用湿法涂层、转移涂层、干法直接涂层三种方式将聚氨酯与芳纶 平纹织物复合制样 ,研究发现转移涂层工艺加工 的复合材料防刺效果最好 。

3. 4 纤维复合改性

将芳纶纤维与其他纤维采用包芯纱工艺混纺,然后通过该包芯纱制备防刺材料,也是制备高性能芳纶柔性防刺材料的一种方法。例如,Tien DT等人研究了以芳纶和棉的包芯纱线织制成不同面密度的机织物,当芳纶芯与外层棉的重量比为1∶2.5,织物经纱密度为16.4根/cm,纬纱密度为 8.4根/cm时,最有利于抵抗刀口冲击器的穿透,材料获得了良好的服用性能并提高了防刺性能。除纤维种类外,纤维复合的层数和叠放顺序也会对防刺性能产生影响。杜玲玲等人研究了叠层数对芳纶短纤纱线和不锈钢长丝纺制包芯纱防刺性能的影响,发现织物叠层数越多,防刀刺性能越好。

4 结语

目前,机织物 、针织物、非织造布、无纬布等结构形式的芳纶都已被用来生产柔性防刺材料。此外,树脂复合、表面涂层、剪切增稠液等改性加工方式常用于提升高性能纤维纺织品的防刺效果,促进了芳纶柔性防刺材料的不断更新换代。然而高性能纤维价格昂贵,且目前所选用的整理方式均会降低纺织品的穿着舒适性,导致防刺产品的推广和普及应用受限。因此,如何制备出符合防刺标准并具有良好柔软舒适性的防刺材料还需进一步研究。

来源:山东纺织科技，迈爱德编辑整理