芳纶平纹织物的表面改性及其防刺特征研究

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芳纶织物是制作软质防刺衣的主要材料之一,如何增强芳纶织物的抗刺穿性能以及提高其在极端环境中的使用性是制备更轻更可靠的防刺衣的关键。表面改性是实现织物力学性能提升的有效途径之一,包括纤维改性以及织物后整理两个方面。本文提出了一种新的碳管接枝工艺对芳纶纤维进行改性,提升了单纤维的拉伸强度和表面活性;制备出新型的氧化石墨烯/二氧化硅-聚乙二醇多分散剪切增稠(RLCP)流体对芳纶平纹织物进行后整理,实验研究了RLCP体系的稳态和动态流变性能,揭示出RLCP多分散剪切增稠体系的增稠机理;将RLCP-Kevlar平纹织物与传统STF-Kevlar平纹织物从单纤维力学性能、动态和准静态刺穿性能等方面进行了对比,并考察了两种织物在极端环境下的耐受性。考虑到RLCP流体耐湿性差的缺陷,开发了尼龙涂覆芳纶织物的工艺,对Nylon6,6-Kevlar织物以及Nylon6,12-Kevlar织物在NIJ三种标准刀具下的准静态和动态穿刺性能进行了系统的评价,并与RLCP-Kevlar织物的相关结果进行了对比。1.提出了一种碳管接枝芳纶纤维的表面改性方法,将芳纶纤维浸泡在1,4-二氮杂二环[2,2,2]辛烷与己二异氰酸酯的甲苯溶液中,在纤维表面引入氨基,与酰氯化的碳纳米管在吡咯烷酮溶液中超声反应,将高达7.2wt%的碳纳米管接枝到纤维表面和内部。与原纤维相比,平均拉伸强度提高了12%,碳管接枝后的纤维与双马来酰胺树脂之间的界面剪切强度(ILSS)提高了30%。2.利用氧化石墨烯微片的空间位阻效应制备了兼具高初始粘度和高流动性的graphene/SiO2-PEG多分散剪切增稠体系,微量多壁碳纳米管的添加能够显著提高体系增稠后的最大表观粘度。根据稳态和动态流变实验结果,推测出graphene/SiO2-PEG多分散剪切增稠体系的增稠机理为:石墨烯微片将二氧化硅粒子分割成了大量类似于晶胞的微结构,这种微结构从空间上限制了球形粒子的移动从而造成临界剪切速率的提高,碳纳米管的作用是通过氢键作用连接相对独立的微结构,“微结构簇”效应代替“粒子簇”效应成为Graphene/SiO2-PEG多分散体系的增稠机理。结合体系消耗能量与应力应变的关系的实验结果,推导出RLCP流体在应力剪切过程中能耗与应变间的关系(A,n为常数)3. RLCP流体和常规STF流体处理的织物通过单纤维测试、准静态和动态冲击试验测试、紫外老化试验、盐雾老化试验等手段进行全面的对比:RLCP流体的强化粘合使得单纤维的拉伸强度比STF处理的纤维强度高50%; RLCP-Kevlar织物在动态测试中的表现明显优于STF-Kevlar织物,相同面密度下4J能量冲击后证纸的穿透层数减少了2层,但在准静态试验中的优势不明显;4.盐雾老化下对RLCP-Kevlar织物和STF-Kevlar织物的破坏性远大于紫外老化,盐雾老化后,两种织物在动态穿刺试验中的刺穿深度均增加了100%以上,而在紫外老化试验后,仅增加了不到50%;5.提出了一种尼龙涂覆芳纶织物的新工艺。尼龙6,6和尼龙6,12与氯化钙形成络合物后均匀地涂覆在织物表面。准静态针刺测试结果表明,在相同的面密度下,尼龙6,6和尼龙6,12涂覆的芳纶织物相对于未处理织物,抗穿刺性能提高了77%和86%,动态针刺测试结果也表明涂覆尼龙后抗动态针刺冲击性能有了明显的提升;损伤断面的观察结果说明,尼龙涂覆后,纤维断口的丝线拔出或移动明显减少。但涂覆工艺对P1和S1型刀具的切割损伤的防护作用不明显。6.准静态和动态冲击试验结果表明:与RLCP-Kevlar织物相比,Nylon-Kevlar织物对P1型刀具的防护效果都有明显的降低,但在盐雾环境下性能的保持率明显优于RLCP-Kevlar织物。
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