剪切粘稠液制备及其复合材料防弹性能研究

【摘要】随着科技的进步，人们的防护意识逐渐在加强，对防弹材料的要求不断在提高，防弹性能好、穿着舒适的防弹衣引起越来越多人的关注。国内外的学者在研究防弹材料方面作出了杰出的贡献，但将剪切粘稠液体应用于防弹材料中的研究相对较少，因此研究探索剪切粘稠液体与防弹材料形成的复合材料具有一定的价值。本文主要对剪切粘稠液体的制备及其复合材料的防弹性能进行研究，利用比重瓶、TEM、FTIR和XRD对主要原料进行测试和分析，重点探索了STF的制备工艺和流变性能。然后对STF-柔性复合材料的制备工艺进行了探讨和并对其基本性能进行了研究同时，探索了无水乙醇去除工艺、层层连接工艺及其防弹性能。论文研究了影响STF-柔性复合材料防弹性能的因素，并对防弹机理进行了分析。主要得到如下结论：(1)SiO2颗粒的形状为近似圆形，具有良好的单分散性，非晶态物质构成，对应的STF中粒径为20nm、35nm和50nmSiO2的固含量的上限分别为78.81%、79.10%和79.40%；STF的图谱表明STF分散体系中没有发生化学反应；当分散体系的SiO2固含量超过30%时，STF体系发生了剪切增稠行为，随着SiO2固含量的增大，STF体系的起始粘度和最大粘度都增加，增加的幅度也越来越大，然而STF体系的临界剪切速率却减小；随着粒径的增加，STF体系的起始粘度和最大粘度降低，STF体系的临界剪切速率减小；随着PEG的分子量增加，STF体系的起始粘度增加，临界剪切速率变小。(2)在本实验条件下，随着角频率的增大，不同SiO2固含量体系的复合粘度基本都减小，STF体系的起始复合粘度却相应的提高；SiO2粒径为50nm时的体系出现了剪切增稠现象，20nm和35nm对应的体系均没有出现剪切增稠现象，STF体系的复合粘度随着粒径的增大而减少；不同分子量的STF体系没有出现剪切增稠现象，随着PEG分子量的增加，体系的起始的复合粘度分别为7.98pa.s、11.9pa.s和14pa.s。(3)可逆性研究发现：剪切速率从0.1s-1到2000s-1和剪切速率从2000s-1到0.1s-1的曲线基本重合，且均具有剪切增稠效果，说明STF体系具有良好的可逆性；不同分子量的PEG进行了稳态流变性能研究，结果表明PEG不具有剪切增稠效应。(4)实验所用的芳纶长丝的强力为134.00N和断裂强度为116.4cN/tex；随着SiO2固含量的增加，纯芳纶织物和不同SiO2固含量的STF-柔性复合材料的经向和纬向的最大拉伸应力和拉伸应变基本不变；随着SiO2固含量的增加，STF-柔性复合材料的增重越大，但其增重的幅度较小，然而织物的透气率降低；在SiO2固含量相同时，自制的平纹织物比买的Kevlar织物的透气率小，其中三维立体织物的透气率最小，随着其织物层数的增加，透气率越小。随着丙纶根数的增加，织物的交织阻力也增加；随着丙纶的线密度的增加，织物的交织阻力越来越大，但增加的幅度却在降低。(5)单位面积上STF-柔性复合材料吸收的能量比纯Kevlar织物吸收的能量的多；随着STF-柔性复合材料的层数增加，防弹性能越好，部分层数较大的试样没有被子弹打穿；铺层角度在单位面积上吸收能量由大到小的排列顺序为：45°>90°>0°；在面密度相同或者相近时，三维立体织物的防弹性能优于平纹织物的防弹性能；随着三维立体织物层数的增加，其吸收的能量越多，通过SEM图可以看到：Kevlar纤维在吸收能量时发生了变形、断裂和抽出；无TPU连接、TPU树脂间距为16cm和8cm层间连接的STF-柔性复合材料的防弹性能依次提高；当间距一定时，STF-柔性复合材料中树脂的宽度变化使得防弹性能由劣到优的顺序是0.5cm<1cm<1.5cm<2cm，但STF-柔性复合材料在总体上能量的吸收变化不明显；随着SiO2粒径和PEG分子量的增加，防弹性能越来越好；随着丙纶的分布越来越密、线密度和根数的增加，STF-柔性复合材料的防弹性能越来越好。(6)STF-柔性复合材料吸收子弹的动能的主要方式有：Kevlar纤维的断裂、变形和抽出；应力波在Kevlar织物中传播速度快而耗能；TPU树脂的断裂和STF-柔性复合材料分层；STF体系的粘度增大而阻碍子弹的入侵。
【作者】孙西超；
【导师】祝成炎；
【作者基本信息】浙江理工大学，纺织工程，2014，硕士
【关键词】剪切粘稠液体；复合工艺；防弹性能；防弹机理；

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