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 吴中伟1,2，高沛2，刘元坤1,2，潘智勇1,2，梁立1,2，方心灵1,2

(1.北京雷特新技术实业公司,北京100074;2.北京航天试验技术研究所,北京100074)

摘要:通过物理共混的方法，将固化剂及消泡剂加入到丙烯酸酯胶粘剂中，从而改善丙烯酸酯胶粘剂压合的单向(UD)芳纶布表面粘手及不平整的问题，并利用电子拉力实验机对无纬布进行力学性能测试。研究表明，固化剂的添加可明显提高UD布的粘结强度，并且UD布的表面不粘手;消泡剂的添加能够明显改善UD布的表观质量，UD布表面平整和无气泡;添加固化剂可提高UD布的力学性能，同时还可提高了材料的防弹性能，子弹穿透层数减少，UD布的平均弹坑凹陷深度明显降低，减少了对人体造成的钝伤。

关键词:芳纶单向布;改性胶粘剂;防弹性能;研究

中图分类号:TQ327.11 文献标识码:A 文章编号:1007-9815(2011)05-0021-05

近年来，由于一些性的暴力和恐怖事件的发生，大大促进了各类个体防护用品的开发和研究，尤其是防弹类材料的发展取得了很大的进展。UD布是将纤维单向平行排列并用胶粘剂粘结，同时将两张单向的纤维布进行0°/90°的层间交叉叠合，再用胶粘剂粘结并压制而成的片材。与机织布相比，UD布更有利于将子弹瞬间产生的冲击波迅速扩展，产生协同的抗弹效果，同时UD布还避免了机织布在编织过程中的部分损伤，抗弹性能明显优于其它的织物形式，大量的弹道试验报道也证实了这种说法。从抗弹机理上来分析，传统的编织物受到弹丸冲击时产生的冲击波或张力波通过织物的纱线向周围传播。有利的方面是由于纱线的交错使冲击波在很大范围扩散，使能量在较大的面积上被吸收，不利的方面是由于在纤维的交错点反射部分冲击波，反射波的振幅和冲击波的振幅相同，造成波的叠加，容易使纤维断裂。

目前UD布的种类很多，芳纶UD布是其中非常重要的一种，它是以对位芳纶作为原料加工而成的片材，多层芳纶UD布进行层间叠合，并配合其它材料即可有效地防御子弹及弹片的攻击，为人类提供有效的个体防护。实验研究了添加固化剂对UD布效率的影响，并对UD布的防弹和抗钝伤性能进行了比较，同时添加消泡剂对UD布的表观质量和阻水防潮功能进行了改善。

1·实验部分

1.1 实验原料

胶粘剂为泰兴市中纺助剂公司产品;固化剂自制，活性含量100%，粘度<200mPa﹒s;消泡剂自制。

1.2 芳纶UD布的制备

芳纶UD布样是在单向布生产设备中，通过展丝、浸胶/涂胶、干燥、叠合、压制等工序制成。

1.3 性能测试

在电子万能实验机(QJ210，上海倾技仪器有限公司)上进行顶破及撕裂实验测试，顶破速率为20mm/min，撕裂速率为50mm/min。

交联度：秤取0.6g样品于索氏提取器中，用丙酮连续抽提15h，样品残余质量与原始之比为交联度。

抗剥离强度：测试布样结构尺寸如图1所示，测试抗剥离速度为50mm/min。

将布样放入温度为(-20±2)℃恒温箱内保持4h，然后进行低温力学性能测试。

将布样放入温度为(55±2)℃恒温箱内保持4h，然后进行高温力学性能测试。

将布样放入温度(70±2)℃，相对湿度为(80±2)%恒温箱内保持240h，进行力学性能测试。

弹道试验：由中国兵器工业第208所测试，以美国NIJIIIA级为标准，采用9mm冲锋枪进行防弹测试。

2·结果与讨论

2.1 固化剂对交联度及芳纶UD布性能的影响

由2.4表1可以看出，随着固化剂质量分数的增加，布样UD单层及0°/90°双层叠合干燥时间明显缩短，这是因为采用的固化剂为三羟甲基丙烷-三(3-氮丙啶基)丙酸酯，它是一种三官能团的固化剂，即交联剂中含有3个可与丙烯酸酯胶粘剂中羧基发生交联的官能团，使胶粘剂形成空间网状结构，而形成的空间网状结构促进了胶粘剂的粘结性能。其与丙烯酸酯胶粘剂发生交联反应的化学反应式如下：

从图2可以看出，当固化剂的用量较少时，交联度较小，固化剂质量分数在0.5%以下时，交联度迅速增长，当固化剂质量分数达到0.5%～0.8%时，交联度增长的速度较慢，当固化剂质量分数在0.8%～1.0%时，交联度增长的速率更加趋缓，但随着固化剂的进一步增加，质量分数达到1.5%以上时，反应速率又开始进一步增加，但交联度增长的速率较小。这是由于随着固化剂的增加，丙烯酸酯胶粘剂中的羧基逐渐被反应，并形成大分子结构，使得剩余的羧基结构逐渐被大分子形成的空间网状结构所包围，从而随着固化剂质量分数的进一步增加，交联度的增长速率逐渐降低。但当固化剂质量分数达到1.5%以上时，固化剂自身发生反应，从而其交联度进一步增加。

从图3可以看出，当固化剂质量分数从0增加至0.8%时，UD布的较大粘结力有非常明显的提高，随后，当固化剂质量分数进一步增加时，UD布的较大粘结力几乎无变化，这是由于当固化剂质量分数较少时，使得丙烯酸酯胶粘剂形成空间网状结构，同时提高织物表面与胶粘剂胶膜间的范德华力及化学键力等，从而其较大粘结力提高，但随着固化剂质量分数的进一步提高，织物表面与胶粘剂胶膜间形成范德华力及化学键力等几乎无改变，因此，较大粘结力无变化。2.2消泡剂对芳纶UD布表观质量的影响以上述添加了质量分数0.8%固化剂改进的胶粘剂为基础，再添加消泡剂，其中消泡剂为乙二醇丁醚和二乙二醇丁醚按2∶1比例共混，按4%质量分数加入到配有固化剂的胶粘剂中，并制备UD布。添加消泡剂的作用机理为：采用的消泡剂为低表面张力，其通过铺展于液膜的界面上，使铺展处表面张力降低，液膜内的液体向高表面张力处牵引，导致膜迅速变薄，于是液膜破裂，泡沫被破坏，从而使布样表面达到溜平的效果，使布样表面平整。

2.3 力学性能对比分析

从图4及图5可以看出，3种胶粘剂配方制备的布样中固化剂的添加可明显提高材料的顶破应力，消泡剂对材料的顶破应力有一定影响。随着高和低温时间的增加，材料的较大顶破应力均有不同程度的减小，其中同时添加固化剂及消泡剂的材料力学性能变化较小，未做任何改性的胶粘剂织造布样下降幅度较大。

由图6可以看出，随着恒温恒湿实验时间的增加，各材料的力学性能均有不同程度的减小，其中采用质量分数0.8%固化剂的胶粘剂制备的UD布样，较大顶破应力下降了约50%，同时添加消泡剂与固化剂的胶粘剂制备的UD布样，较大顶破应力下降了31%，主要是由于消泡剂的添加，使UD布表面的胶粘剂形成致密均一的涂层，从而起到防水隔潮的作用，因此其应力下降较小。未做任何改性的胶粘剂制备的布样较大顶破应力下降了41%，但10d时经改性的胶粘剂布样其较大顶破应力值远高于未改性。从图中可以看出，前4d时，各布样的较大顶破应力下降幅度较大，这是因为在试验初期，恒温恒湿条件下胶粘剂中的极性基团开始吸收水性小分子，使得胶粘剂溶胀，出现泛白现象，并导致其力学性能迅速下降，而随着时间的进一步推移，这些极性基团周围达到完全饱和状态，胶粘剂受到的破坏减少，因此其力学性能变化相对平缓。从力学性能变化图中可以看出，固化剂及消泡剂的添加，明显提高了布样在10d湿热条件下的较大顶破应力，原因是这两种助剂的添加降低了形成干胶中的极性基团，使得极性基团被保护或参与交联反应，从而使得材料耐恒温恒湿性能的提高。

2.4 弹道试验

从表1中可以看出，添加固化剂制备的芳纶UD布防弹衣靶样，其弹坑平均凹陷深度有明显的下降，也就是说采用改进胶粘剂制备的防弹衣着弹时对人体产生的二次钝伤会进一步减小，这样在相应程度上提高了人员的安全系数。从表2可以看出，经改性胶粘剂复合制备的防弹衣，经多枪打击的防弹效果优良，原因是由于改性胶粘剂对芳纶的粘结强度提高，当受到子弹冲击时，一方面纤维本身吸收大量的冲击能量，另一方面从0°/90°各层粘合的UD布间分离时吸收的能量提高，从而更多的消耗子弹的冲击能，提高了材料的抗弹效果，同时UD布间的层间力增加还有利于子弹能量的迅速传递，达到分散应力的作用。

3·结论

⑴添加固化剂可明显提高对材料的粘结性能，使芳纶UD布在高低温、恒温恒湿和浸水试验中，性能均有不同程度的提高，进而确保芳纶UD布弹道性能的提高。

⑵消泡剂的添加，明显改善了芳纶UD布的表观质量，使布样表面致密光顺，并起到良好的阻水防潮作用，但消泡剂对芳纶的粘结性能会稍有降低，但影响不大。

⑶经改性胶粘剂配方制成的芳纶UD布，不仅防弹性能有一定的提高，并且弹坑凹陷深度明显降低，有效减少钝伤对人体产生的二次伤害。

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