STF/UHMWPE柔性复合材料的制备及防刺性能研究

蒋干兵，王发阳，李梦达

(1.连云港神特新材料有限公司，江苏 连云港 222000；2.连云港市工业投资集团有限公司，江苏 连云港 222002)

0 引言

随着纺织行业的逐步壮大，新兴技术的不断发展，将传统的纺织品与新型材料相结合，能够更好地服务人类，提高人们的生活质量。人体防护服正沿着这个趋势发展，以达到有效保护人员免受来自外界尖锐物体等袭击的目的。UHMWPE织物本身具有高强度、高模量、抗冲击、抗剪切等特性[1]，适合用作防护材料基体。STF 是一种特殊的材料，它在一般情况下是呈黏稠状的悬浮液，但是当受外力快速作用时，表面黏度会迅速提高，展现出似硬物的抗冲击能力，外力消除之后，很快可恢复到原来的柔性形态[2-3]。织物经STF增强后，一方面织物的抗穿刺性显著提升，另一方面该织物制成的防护服具有穿着舒适、轻便灵巧的优点，不妨碍穿戴者的正常活动。因此，研制STF/UHMWPE柔性防护材料对保障个体安全有着极其重要的现实意义。

1 实验部分

1.1 防刺织物的编织工艺设计

本实验选用江南大学提供的双包缠纱(UHMWPE纤维为芯纱，连云港神特新材料有限公司生产；两根同规格的涤纶低弹丝为外包纱)作为编织原料，在德国Stoll公司生产的CMS 530TC电脑横机上编织成纬平针织物，织物规格设计见表1。编织过程中，设定电脑横机机器机速为0.8 m/s，牵拉力WM值为5.0，弯纱深度NP选定为11.5。值得注意的是，由于纱线主要由UHMWPE高性能纤维纺制而成，纱线的质量大，在编织过程中，如果给纱张力过小，纱线会松弛，在机头回转时不能及时抽回剩余的纱线，造成边缘吃纱困难，导致布面漏针[4]，因此设置较大的给纱张力时可确保纱线能够正常编织。

表1 成品规格设计

1.2 剪切增稠液(STF)的制备

本实验选用聚乙二醇(PEG)作为分散介质和球形二氧化硅(SiO2)作为分散相粒子合成剪切增稠液，具体实验原料信息见表2。实验过程中采用机械搅拌，逐渐将SiO2颗粒加入分散介质PEG混合液(PEG200 ∶PEG400=1 ∶3)，待SiO2完全溶解后继续添加，控制加料速度，保证分散体系均匀，注意此分散体系中SiO2粒子的质量分数为75%。当分散介质和分散相完全进入三口烧瓶之后，持续对盛有混合物的三口烧瓶进行搅拌，使二者混合均匀。最后为了除去气泡，将分散均匀的样品放置于真空干燥箱中持续24 h，从而得到稳定的STF分散体系。

表2 STF制备实验原料

1.3 STF/UHMWPE复合材料的制备

为了使STF在织物材料中均匀分散渗透，先利用无水乙醇对制备好的STF体系进行稀释， STF体系与无水乙醇的重量比为1 ∶3，再将干燥的UHMWPE纬平针织物浸渍在被稀释的STF溶液中5 min。浸渍完毕后，对织物试样进行浸轧处理。通过图1所示装置进行浸轧。两个轧辊的转向相反，在一定压力下，既能保证织物充分吸收液体，又可以去除多余混合液使STF渗透均匀。最后将浸渍充分的复合织物放入80 ℃的烘箱中24 h，使无水乙醇充分挥发后得到STF/UHMWPE柔性复合材料，将织物剪成直径为8 cm的圆片以用于后续准静态防刺实验。

图1 织物浸轧装置

1.4 性能测试与表征

采用温州际高检测仪器公司提供的YG141D型织物厚度仪对复合材料的厚度进行表征；依据GA68-2008《警用防刺服》[5]，改造南通宏大实验仪器有限公司生产的HD026H型电子织物强力仪进行准静态防刺实验；采用日本HITACHI公司的S-4800型扫描电镜对穿刺后的STF/UHMWPE复合织物进行表面形貌观测。

2 结果与讨论

2.1 UHMWPE织物复合前后的防刺性能研究

从UHMWPE纬平针织物浸渍前后穿刺强力对比(图2)，可以看出受刀作用后的穿刺曲线趋势是一样的，复合样整体的穿刺力值要比纯样大，且复合织物的穿刺位移比纯织物小，这表明STF溶液对织物的穿刺性能有着积极作用。由于STF/UHMWPE织物中单丝被STF溶液所黏附，当其受到刀具等尖锐物低速冲击时，因为纱线之间相互粘着不易滑动，故增大了刀具与纱线之间的摩擦力而阻碍其对防刺材料的进一步破坏, 导致穿刺时需要的作用力更大[6]。刀具刺入加深，刀口处聚集了大量的纤维，单丝上附着了SiO2粒子使与之接触的刀具表面钝化，提高了刀具的穿刺强力，曲线中位移与强力成正比。最后，刀具剪切纱线使其断裂后受粒子摩擦作用，力值没有马上降为零，对应曲线的穿刺强力达到峰值后有一段下降。

图2 UHMWPE纬平针织物浸渍前后穿刺强力对比图

表3总结了复合前后试样的相关参数。相比于纯样，复合样的质量和厚度都有所增加，因此需要将两者面密度换算成相同时，比较穿刺负荷的大小。面密度即单位面积下织物的克重，根据准静态穿刺标准制样，实验每个试样直径均为 8 cm(即面积为 50.27 cm2)的圆片。由于织物的面积都是一样的，都为50.27 cm2，只需比较同样重量时的穿刺强力，经过计算得出在面密度相同的情况下，用STF处理过的织物的穿刺强力比未处理的提高了29.72%。

表3 纬平针复合样与纯样的相关参数对比表

2.2 STF/UHMWPE柔性复合材料破坏形貌分析

在准静态防刺试验后，纯织物和 STF/UHMWPE 复合织物在不同放大倍数下刺口处的SEM图如图3所示。在150倍的放大倍数下，从图3(a)中可以看出两种纤维被刺刀割断之后的不同状态，断裂处的UHMWPE纤维比较松散，部分纤维较弯曲，而且纤维的断裂处向外舒张和呈扁平状。涤纶单丝的伸直状态较好，断裂处纤维整体的结合较为紧密。图3(b)、(d)和(f)中纤维经过STF处理，所用 STF 是由650 nm SiO2和 PEG200 ∶PEG400=1 ∶3制备而成的，其固含量为 75%，复合处理时的稀释比为1 ∶3，在SEM 图中只能观测到 STF 中的SiO2粒子。图3(b)在相同的放大倍数下，经过STF浸渍的纤维的断裂处结合更加紧密，说明STF的浸渍提高了纤维的集束性。部分UHMWPE断裂的纤维末端出现扭结，可能是由于SiO2粒子的存在改变了作用力的方向。图3(c)、(d)都是在1 000的扫描倍数下，得到的UHMWPE纤维末端断裂处的表观形貌。

图3 UHMWPE织物刺口处扫描图片(a)纯×150；(b)STF×150；(c)纯×1 000；(d)STF×1 000；(e)纯×3 000；(f)STF×3 000

图3(c)中未经处理的纤维断面较为平整光滑，呈片状。从图3(d)看出断面处的粒子被挤向纤维内，断裂处不是很平整，能清晰看见SiO2粒子挤入纤维内部的轨迹，这也使得在刺刀刺入织物时增加了织物的抗剪切作用，从而更难切断纤维。图3(e)、(f)都是在3 000的扫描倍数下，得到的涤纶末端断裂处的表观形貌。涤纶单丝的断面相比而言，更加整齐，断裂处的形态没有大的变化，因为涤纶的断裂强度远不如UHMWPE纤维。由于涤纶光滑的表面，单根来看浸渍的量较少，但是可以从图3(f)中看出，纤维断裂的末端有SiO2粒子，这对于抵御刺刀有一定的作用。

3 结论

本文以STF/UHMWPE柔性复合材料为研究对象，探究了其准静态穿刺性能。通过分析，得出如下结果：

(1)织物浸渍前后受刀作用的穿刺曲线极为相似，复合样整体的穿刺力值要比纯样大。处理过的织物其重量、厚度都有一定程度的上升，换算得在面密度相同的情况下，用STF处理过的织物比未处理的穿刺强力提高了29.72%。

(2)纯织物断裂处的纤维比较松散，相较而言，STF复合织物断裂纤维末端排列比较整齐且紧密。涤纶丝的断面比较整齐，UHMWPE纤维断面呈扁平状，纤维断裂的末端有SiO2粒子挤入纤维内部的痕迹，这对于抵御刺刀有一定作用。