防弹插板用高性能纤维复合技术研究

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为解决防弹插板中使用的高性能纤维表面粘结性能较差、在使用过程中复合体系发生失效的问题,加强防弹插板在受到冲击后的结构完整性,对芳纶Ⅲ、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维材料进行了表面改性及其粘结性能研究。对芳纶Ⅲ纤维进行磷酸和偶联剂改性研究,对UHMWPE纤维进行了铬酸和硅溶胶改性研究,采用红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、水接触角试验对改性后的纤维材料表面性质、形貌变化进行表征分析,采用拉伸剪切和T剥离强度试验研究了改性条件及复合工艺对粘结性能的影响规律,并对比研究了不同胶粘剂复合体系的综合性能。主要研究结果如下:(1)采用磷酸改性芳纶Ⅲ纤维时,磷酸的氧化作用在芳纶Ⅲ纤维表面引入了羟基提高了其浸润性;刻蚀作用改变了芳纶Ⅲ纤维皮芯结构使其表面粗糙度增大,都有利于提高其粘结强度。磷酸浓度对粘结性能影响较大,在磷酸浓度为30%时,粘结强度最大;磷酸改性温度和时间对粘结性能的影响较小。采用NaOH对芳纶Ⅲ纤维进行预处理后再用硅烷偶联剂KH550进行涂覆,偶联涂层与芳纶Ⅲ纤维可以形成共价键,提高了偶联涂层的附着性,也增大了芳纶Ⅲ纤维的表面粗糙度。偶联剂浓度5%、40℃处理1h的改性效果最好。其中偶联剂改性芳纶Ⅲ纤维效果较好,因此芳纶Ⅲ纤维改性选用偶联剂改性。(2)使用铬酸改性UHMWPE纤维时,铬酸的氧化作用在纤维表面引入了羟基和羰基,刻蚀作用在纤维表面产生了沟壑,提高了浸润性能。铬酸溶液处理温度低于60℃时,对纤维仅有刻蚀作用;温度高于60℃时,粘结强度随温度升高而增大;粘结强度随处理时间增大而增大,处理在7min后粘结强度增幅较小。改性后的硅溶胶涂覆UHMWPE纤维后在纤维表面形成一层亲水膜,可以改善其粘结界面的性能,大幅提升UHMWPE纤维的粘结强度。UHMWPE纤维采用铬酸和改性硅溶胶复合化处理,改性效果最好,拉伸剪切强度由1.27MPa提升到2.49MPa。(3)由硅烷偶联剂改性的芳纶Ⅲ纤维和复合化改性的UHMWPE纤维粘结而成的试样,拉伸剪切强度由1.14MPa提升到2.16MPa,剥离强度由1.18N/mm提升到2.20N/mm。(4)EVA、TPU、PES三种胶粘剂的复合体系具有较好的耐低温性能和耐水性能,在循环温度下三种胶粘剂复合体系的粘结强度下降较大。三种胶粘剂中EVA较适合粘结芳纶Ⅲ和UHMWPE纤维。(5)采用EVA胶粘剂的粘结工艺研究表明,胶层厚度越厚粘结强度越低,控制胶层厚度在0.1mm时可以获得良好的粘结强度。EVA胶粘剂90℃固化3h的粘结强度小于120℃固化1h,因此提高温度可以缩短固化时间;固化温度120℃时,固化时间对粘结强度的影响较小。
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