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      芳綸1414裝甲材料的制備及拉伸性能探討

      2022-09-16 02:16:16陳清清張玲麗黃曉梅曹海建
      棉紡織技術(shù) 2022年9期
      關(guān)鍵詞:緯向經(jīng)向芳綸

      李 杜 陳清清 張玲麗 黃曉梅 曹海建

      (1.南通大學(xué),江蘇南通,226019;2.江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司,江蘇南通,226019)

      纖維增強樹脂基裝甲材料具有低體積密度、高強高模、高比吸收能等優(yōu)點,在滿足抵御一定口徑子彈威脅的同時還能滿足輕量化要求,其中熱塑性樹脂基裝甲材料較熱固性樹脂基裝甲材料具備更加優(yōu)異的抗子彈沖擊性能和能量吸收性能[1]。但熱塑性樹脂黏度較大,不利于增強纖維的分布和樹脂的浸漬;通常采用預(yù)浸漬法以及后浸漬法進行改善,溶液浸漬法需要找到合適的溶劑[2];熔體浸漬工藝主要用于耐溶劑,且黏度相對較小的聚合物[3-4]。粉末浸漬法浸漬效果與粉末細微程度有關(guān),成本較高[5];薄膜層疊法制備低孔隙率的復(fù)合材料較困難[6];混紡紗浸漬法中不合適的纖維混和方式會損傷增強纖維,降低材料性能[7];包覆紗作為浸漬法中混紡紗的一種,芯紗保持無捻狀態(tài),能充分利用增強纖維的力學(xué)性能,也能使樹脂基體纖維與增強體纖維均勻分布,很大程度上減小了浸漬中樹脂流動的距離,克服了熱塑性樹脂浸漬難的問題。

      裝甲材料的力學(xué)性能與防彈性能關(guān)聯(lián)密切,且裝甲材料也要滿足各種服役環(huán)境下基本的結(jié)構(gòu)強度需求,因此裝甲材料的力學(xué)性能研究十分重要。何業(yè)茂等[8]研究發(fā)現(xiàn),UHMWPE纖維增強熱塑性復(fù)合材料的抗彈道侵徹性能與其準靜態(tài)下的拉伸斷裂強度、層間剪切強度呈正相關(guān)的關(guān)聯(lián)機制。方心靈等[9]發(fā)現(xiàn),樹脂含量在15%~25%時,無緯布的拉伸強度、層間剝離強度以及沖擊強度均表現(xiàn)優(yōu)異,對應(yīng)的防彈性能最好。LEE B L等[10]研究發(fā)現(xiàn),織物紗線交錯方式會對其力學(xué)性能以及彈道沖擊性能產(chǎn)生很大的影響。KARBALAIE M等[11]研究發(fā)現(xiàn),在120℃~130℃熱壓溫度范圍內(nèi),UHMWPE纖維復(fù)合材料的彎曲性能以及沖擊性能最優(yōu);程建芳[12]研究發(fā)現(xiàn),模壓壓力對復(fù)合材料的彈道沖擊性能影響最大,能量吸收與復(fù)合材料的拉伸性能和剝離性能有著一致性。

      本研究制備了錦綸芳綸1414包覆紗及系列平紋織物,利用熱壓工藝將平紋織物制備成裝甲材料,重點研究了成形工藝、含膠量對裝甲材料拉伸性能的影響規(guī)律。

      1 試驗部分

      1.1 包覆紗的制備

      采用HKV141D型包覆絲機,在導(dǎo)紗距離10.5 cm、內(nèi)包捻度400捻/m、外包捻度320捻/m的雙包覆紗工藝下,將錦綸長絲(PA)分兩次纏繞到芳綸1414長絲表面,制備出雙包覆紗,其結(jié)構(gòu)見圖1[13]。其中,芳綸1414線密度666.6 dtex,斷裂強力122.6 N;PA有兩種,線密度77.7 dtex的PA斷 裂強力3.2 N,線密 度155.5 dtex的PA斷裂強力5.1 N。加工的包覆紗共4種,包覆紗1外包紗/內(nèi)包紗/芯紗為PA/PA/芳綸1414 155.5/155.5/666.6,另外包覆紗2至包覆紗4依次為PA/PA/(芳綸1414+PA)155.5/155.5/(666.6+77.7)、PA/PA/(芳綸1414+PA)155.5/155.5/(666.6+155.5)、PA/PA/(芳 綸1414+PA+PA)155.5/155.5/(666.6+77.7+155.5)。

      圖1 雙包覆紗結(jié)構(gòu)示意圖

      1.2 包覆紗平紋織物的制備

      采用SGA598型半自動織樣機,以包覆紗1為經(jīng)紗、包覆紗1至包覆紗4為緯紗制備4種織物,分別記為織物1、織物2、織物3和織物4,織物單位面積質(zhì)量依次為186 g/m2、200 g/m2、212 g/m2和232 g/m2,織物經(jīng)密和緯密均為90根/10 cm。

      1.3 裝甲材料的制備

      將20 cm×20 cm的單層包覆紗平紋織物放入Carver4386型熱壓機中,經(jīng)過加熱、加壓等步驟,確保在一定的溫度下PA熔融,并在壓力以及時間的作用下,PA樹脂可以充分完成對芳綸1414的浸漬,制得單層芳綸1414裝甲材料。

      1.4 拉伸性能測試

      參考GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》[14],利用5969H型Instron萬能材料試驗機測試裝甲材料的拉伸性能,夾具間距120 mm,加載速度2 mm/min,每組樣品測試10次,取5個有效數(shù)據(jù)。

      1.5 形貌分析

      采用MC190-HD型光學(xué)顯微鏡觀察裝甲材料表面形貌以及拉伸破壞形貌。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 成形工藝對裝甲材料拉伸性能的影響

      影響裝甲材料性能的熱壓工藝因素有很多,試驗選取熱壓溫度(因素A)、熱壓壓力(因素B)、熱壓時間(因素C)作為變量,設(shè)計正交試驗L9(33),對緯向拉伸強度進行分析。因素水平表見表1,正交試驗設(shè)計方案及結(jié)果見表2,極差分析見表3。

      表1 因素水平表

      表2 正交試驗設(shè)計方案及結(jié)果

      表3 對緯向拉伸強度的極差分析

      由表2和表3可以看出,熱壓工藝參數(shù)對裝甲材料緯向拉伸強度影響的極差大小順序為熱壓溫度>熱壓壓力>熱壓時間,說明熱壓溫度對裝甲材料緯向拉伸強度影響最大,熱壓壓力次之,熱壓時間影響最小。通過表3可以得出,以緯向拉伸強度作為評價指標的最優(yōu)工藝為A2B3C3,即為熱壓溫度235℃、熱壓壓力15 MPa、熱壓時間30 min。按照最優(yōu)工藝進行試樣制備,所得試樣的緯向拉伸強度為369.8 MPa,其數(shù)值高于正交試驗表中所得到的最大拉伸強度356.3 MPa。這是因為,隨著熱壓溫度的升高,PA基體的黏度變小,有利于PA樹脂流動,也有利于PA樹脂對芳綸1414的浸潤;但熱壓溫度過高,既會引起PA氧化分解,也會影響芳綸1414的強度,影響復(fù)合材料的成形質(zhì)量;隨著熱壓壓力、熱壓時間的增加,裝甲材料拉伸強度有所增加,適當?shù)臒釅簤毫σ约盁釅簳r間既可以改善織物層間的熱量傳遞,促進PA的流動,也可以保證PA樹脂充分浸潤芳綸1414,提高裝甲材料承擔(dān)載荷的能力。

      2.2 含膠量對裝甲材料拉伸性能的影響

      熱壓溫度235℃、熱壓壓力15 MPa、熱壓時間30 min條件下,對4種規(guī)格的包覆紗織物進行熱壓,得到含膠量依次為34%、38%、41%、45%的單層裝甲材料,其拉伸性能測試結(jié)果見表4。

      表4 不同含膠量裝甲材料拉伸性能測試結(jié)果

      由表4可以看出,含膠量在34%~45%內(nèi),裝甲材料的拉伸強度、模量均隨著含膠量的增加而下降;斷裂伸長率隨著含膠量的增加而增加。這是因為,樹脂含量過低會導(dǎo)致樹脂無法很好地浸潤纖維,樹脂傳遞載荷的能力下降;但含膠量過高會導(dǎo)致復(fù)合材料受力時樹脂基體破壞,而非界面破壞,導(dǎo)致復(fù)合材料性能降低[15-16]。

      由表4還可以看出,含膠量相同時,裝甲材料緯向拉伸強度、模量都優(yōu)于經(jīng)向。這是因為,在織造過程中,經(jīng)紗會受到張力以及各種摩擦損傷;經(jīng)紗在復(fù)合材料中存在形式屈曲度大于緯紗,在經(jīng)向收到拉伸載荷時,經(jīng)紗與受力方向形成一定夾角,降低了分擔(dān)載荷的效果,使得裝甲材料的經(jīng)向拉伸強度不如緯向[17]。

      2.3 裝甲材料拉伸過程分析

      含膠量為34%、38%、41%、45%的單層裝甲材料受到拉伸載荷時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2。

      由圖2可以看出,經(jīng)向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中a′-b′段曲線是斜率急劇上升,彈性模量較大;b′-c′段較平緩,斜率較小;c′-d′段曲線下降。沿著經(jīng)向拉伸時,a′-b′段對應(yīng)纖維與樹脂開始脫黏,樹脂碎裂,試樣表面泛白,此時PA樹脂最先破壞;b′-c′段對應(yīng)載荷方向的紗線掙脫周圍的基體慢慢由彎曲變伸直,并承擔(dān)載荷;c′-d′段對應(yīng)紗線開始斷裂直至破壞階段。緯向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中,a-b段應(yīng)力隨應(yīng)變的增加呈現(xiàn)近似線性增長趨勢,b-c段曲線下降。沿著緯向進行拉伸時,纖維與基體幾乎同時斷裂。

      圖2 不同含膠量下的裝甲材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

      2.4 裝甲材料拉伸破壞形貌分析

      含膠量34%、38%、41%、45%的單層裝甲材料經(jīng)向和緯向受到拉伸載荷后的破壞形貌見圖3和圖4。由圖3和圖4可以看出,從宏觀角度觀察,經(jīng)向拉伸斷裂口相對不平整,緯向拉伸斷裂口平整;從細觀角度觀察,裝甲材料無論經(jīng)向還是緯向,主要破壞方式為紗線斷裂以及樹脂碎裂。

      圖3 裝甲材料經(jīng)向拉伸破壞形貌

      圖4 裝甲材料緯向拉伸破壞形貌

      3 結(jié)論

      (1)通過正交試驗得出了最佳的熱壓工藝,即當熱壓溫度235℃、熱壓壓力15 MPa、熱壓時間30 min時,所得裝甲材料拉伸強度最優(yōu)。

      (2)含膠量在34%~45%范圍內(nèi),裝甲材料的拉伸強度、模量隨著含膠量的增加而下降,斷裂伸長率隨著含膠量的增加而增加。

      (3)含膠量相同時,裝甲材料緯向拉伸強度和模量均優(yōu)于經(jīng)向。

      (4)單層裝甲材料在受到拉伸載荷時,經(jīng)向和緯向的破壞方式主要是紗線斷裂和樹脂碎裂。

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