芳纶无纬布生产质量的控制研究.pdf

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 76       芳纶无纬布生产质量的控制研究  2015年5月 芳纶无纬布生产质量的控制研究       刘元坤,许冬梅,艾青松,方心灵       (1.北京航天试验技术研究所,北京100074;2.北京航天雷特机电工程有限公司,北京100074)  摘要:通过对卷状芳纶无纬布生产工艺的研究,探究几个关键工艺条件(包括丝束退绕张力、胶粘剂的配方、层压复合的  温度、压力及运行速度等)对卷状芳纶无纬布的性能(包括表观性能和防弹性能)的影响,摸索出一组最佳的工艺条件,由此制           备的无纬布产品综合性能最优。由此工艺织造成的卷状无纬布防弹芯片通过美国NH0101.06测试标准和公安部GA1412010      标准测试,验证了此生产工艺的优越性。 关键词:卷状芳纶无纬布;胶粘剂;丝柬;防弹    —— 中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1003-0999(2015)05007605 1前 言“  ” 芳纶纤维全称为聚对苯二甲酰对苯二胺,英   文为Aramidfiber,是一种新型高科技合成纤维。芳     纶是以分子链中含芳香族(苯环)基团的聚酰胺类    高分子为原料制成的纤维类材料,由于其分子链中   含苯环结构,因而分子链刚性高,纤维强度大l11。它  是世界三大特种纤维(碳纤维、芳纶、高强高模聚乙     烯)之一,其中一个很大的应用领域是用在单取向芳    纶预浸材料(简称UD材料,也称为无纬布),主要作     为个体防护和装甲产品(如软质防弹衣和硬质防弹      头盔、防弹板)的核心材料,其卓越的防弹性能被人     们认可和推崇引。概括起来,芳纶无纬布最主要①② 的应用领域是:防弹材料;耐切割衣料和手套;③④⑤ 超高强力绳索;赛艇的船帆;钓鱼线等一些要      求强力、轻量的使用领域J。此外,芳纶UD材料还  应用于汽车零件、电子计算机机架、防弹背心、体育       ’ 用品、安全帽、复合牙托、汽车保险杠等引。国外      技术走在前列的有美国的Honeywell公司、DSM公    司等少数公司,市场上比较常见的是高性能聚乙烯     纤维无纬布,芳纶无纬布比较少见。   国外在这方面做了很多的研究,发展速度也很   迅猛,大致生产方法有两种:连续生产和非连续生产    两种模式_1。非连续生产就是利用树脂固化体系   溶液来浸渍纤维,利用丝杆的螺距平动将纤维平行   地绕在辊筒上,每绕过一圈正好移动一个螺距,绕满   好特定幅宽后用热风烘干设备对无纬布进行烘干,   待干燥后沿着筒体的母线切开,即制得无纬布,采用     这种模式制成的无纬布也称为片状无纬布,简称为 片料布。连续生产模式就是突破非连续生产时受到   辊筒尺寸的限制和制约,在生产效率低下的情况下    发展起来的一种新的高效率的生产方法,采用此种    方式生产的无纬布称为卷状无纬布,简称为连续布。  其优点就是在幅宽设定后,能够连续生产任意长度    的无纬布,树脂含量控制精确,生产效率高,但是设    备成本高,一次性投资大,故大多数公司或者企业仍     然采用的是非连续生产模式的方法制备芳纶无纬 布。由于现在芳纶无纬布越来越多地用在国防以及      个体防护上,事关生命,所以对无纬布的质量控制、  产品的一致稳定性、提高产品的质量至关重要,近年 来一直在探究如何提高卷状无纬布产品质量,着重 研究如何使得丝束铺展得更加均匀、展开的丝平行    排列、上胶上得更加均匀、保证防弹能力不降低的前   提下降低芳纶无纬布的面密度、改善外观形态质量,  并且取得了一定的效果。  2实验部分  2.1原材料  制备芳纶无纬布的原材料如表1所示。   表1实验用原材料     Table1Experimentalmaterials  种类 规格及型号  产地   芳纶Twaron2000(1680dtexf1000) 日本帝人公司 胶粘剂  水性  自制 PE薄膜  厚度为8um 武汉凯帝塑料制品有限公司   收稿日期:2014-12-02         作者简介:刘元坤(1983一),男,硕士,工程师,主要从事树脂基防弹复合材料工艺及产业化研究。         通讯作者:许冬梅(1981一),女,博士,工程师,主要从事胶粘剂及高性能纤维应用的研究。I 硒◆  零  2015年第5期       玻璃钢/复合材料 77     2.2样品制备工艺   卷状芳纶无纬布主要由两大工艺步骤来完成:①   单向织造工艺:把若干根无捻长丝纤维平行排列、  均匀展开后,无缝隙无重叠地用树脂在载体上(一般      为聚乙烯膜)粘合成同一方向的单层布样,简称为     UD(uni.direction)布,这个过程称为UD织造工艺;②  层叠复合工艺:把两层UD布以十字正交层叠形    — 式进行粘合,这个过程称为层叠(crossply)复合工   艺,所得产品即为芳纶无纬布。    设备的研发和工艺的匹配密不可分,设备不断  优化改进的同时,生产工艺也在逐步完善。通过近    几年实践生产经验的积累,总结得出影响卷状芳纶    无纬布产品质量(表观质量、防弹性能)的工艺主要    有:丝束所受张力控制,胶粘剂的配方和压合复合工     艺中的温度、压力、时间等。因此,研究三大因素对    卷状芳纶无纬布产品质量的影响很有必要,并具有 很大的实际生产指导意义。       2.3测试仪器及方法  2.3.1防弹性能测试   弹道试验是在中国兵器装备集团第二。八研究     所测试中心完成,测速点距靶片距离为5m,按照公  安部GA141.2010警用防弹衣标准检测,测试中使用   的是1951年式7.62mm手枪弹(铅心),弹头标准重     量为5.6g,采用1979年7.62mm轻型冲锋枪。防弹   i贝0试实验装置见图1所示。   测时仪 发射枪 /一一 7一L  一       一j~~=__l_一一  一L 一…  一./      图1防弹测试实验装置示意图      Fig.1Diagramofballistictest  2.3.2力学性能测试   在公司实验室电子万能实验机(QJ210,上海倾    技仪器有限公司)上进行纤维的拉伸和布样的剥离   实验测试,拉伸速率为250mm/min,纤维夹持距离为        50cm,剥离速率为50mm/min,夹持距离如图2所 示。纤维强度损伤是通过测试纤维经过设备后的强 度值与纤维初始强度差值比较而得出的,通过剥离    实验得出层间粘结力大小,从而评价所选用的原材 料和工艺是否满足要求。  l二!:!竺I L.  !垡—— .J I I   图2剥离实验布样尺寸示意图  Fig.2Diag       ramofclothsizeforstrippingexperiment  3结果与讨论  卷状芳纶无纬布产品的质量通过表观状态和布   样的防弹性能进行评价,而丝束所受的张力、胶粘剂 的配方、层压复合的温度、压力及运行速度等因素影  响着产品的两大性能,下面就几个关键工艺对产品 质量的影响进行逐一分析和讨论。  3.1丝束所受张力控制  图3是纤维退绕张力大小与纤维强力损伤的关   系图,由图可以看出,纤维的强力损伤基本上与纤维   退绕张力大小成线性关系,所受的张力越大,纤维的    强度损伤也就越大,因此,在保证单向布的表观性能   和防弹性能的前提下,退绕张力需尽可能小。张力    控制对于不同纤维是不一样的,所以要经过专业人    员多次试验才能得到一个比较贴近实际的经验值。   经过多次试验摸索,纱架上退绕张力大小对无纬布   总体性能的影响结果如表2所示。  图3纤维退绕张力与强力损伤关系图       Fig.3Curvesofstrengthdamagevarying     withthetensionoftow 蛹—      ..,.....。.......,,.,.......,。..  L  丁..。 。.上● __- 78 芳纶无纬布生产质量的控制研究  2015年5月  表2纤维不同退绕张力对单向布性鸽的影响           Table2TheeffectoftensionoftowforUDclothperformance   实验,.   各导向辊布面的表观 … 嘉  布观(   CN/dtex)损伤‘     注:强度损伤根据GB/T19975-2005标准测试。 纱架上纤维退绕张力控制与调节的好坏直接影   响单向布的产品外观性能和打靶防弹性能,张力起 的主要作用是影响芳纶纤维在无纬布中排列的均匀  程度以及纤维之间间隙的大小。可以通过纱架上的  张力调节器来控制纤维所承受的张力大小,从而制 得性能优异的芳纶单向布。通过多次打靶测试摸  索,当纤维的强度损伤超过10%时,靶片的防弹性能 有很大的下降,因此在保证工艺可行和外观质量的  前提下,将纤维的强度损伤控制在10%以内。     从表2可以看出,5号纤维展开比较充分,纤维   损伤相对较小,布面的表观状态和防弹性能都较优。     因此,最终选择5号中的纤维张力大小作为最佳的    工艺条件,由其他纤维退绕张力织造的单向布对纤   维的强度损伤、表观质量和防弹性能影响较大,因此  不宜作为最佳的工艺条件,从而选择5号中的纤维     退绕张力的大小为0.238CN/dtex作为最佳的纤维 退绕张力值。  芳纶纤维所受张力均匀时,芳纶展开的宽度基   本一致,纤维与纤维之间基本保持平行,这样就可以  最大限度地发挥纤维强力作用;张力不够,芳纶展开 的宽度不足,会使得芳纶纤维在单向布之间留下较     大的缝隙,纤维之间不是平行排列,受到冲击载荷    时,由于纤维的承受力不一致,从而使得材料更容易   发生断裂不同时的破坏形式;若张力过大,使纤维在 热   经过导轮以及导向棍时所受的摩擦力增大,纤维的 磨损就增多,纤维的强度就下降,纤维断头率增加,   从而影响了工艺性能,影响了无纬布产品质量。因  此合适的纤维张力值是通过数次实验摸索得出的。    3.2胶粘剂配方及配比 国内外很多学者和弹道学家都对防弹无纬布用    胶粘剂进行了研究,对胶粘剂在防弹中所起的作用① 的认识高度统一如下:胶粘剂将纤维粘结在一起,② 使无纬布作为一个整体承受外部载荷;胶粘剂将    能量由无纬布上表面传递到下表面、从最前端传递③ 到最末端,起到反射应力波的作用;胶粘剂在高速   冲击下产生裂纹变化后沿着平面扩展,从而吸收部  分能量,消耗弹体动能,最大程度地避免无纬布产生   破坏,最终保护穿着者。因此,胶粘剂对无纬布的防   弹性能起着至关重要的作用hJ。  根据实验室使用的芳纶特点,选用胶粘剂A、B     和助剂c进行调配,由不同比例的胶粘剂生产的无   ’  纬布制作靶片,按照标准进行防弹性能测试J,     数据见表3所示。由表3可知,胶粘剂A、B和助剂    C的配比为100:80:5时,防弹性能最好。   表3不同胶粘剂对防弹性能的影响      Table3Theeffectofdif     ferentadhesivesforballisticproperties   3.3压合复合工艺  对卷状芳纶无纬布来说,压合复合工艺控制的    好坏直接影响产品的外观质量和防弹性能,因此控   制好复合工艺显得至关重要,复合工艺主要包括温   度、压力和运行速度。   3.3.1温度    由于单向织造的布样处于未完全干燥的状态,   因此在复合时需对布样进行加热,从而使得两层布    样粘结得结实,通常状态下衡量两层布样之间的粘   结程度通过层间粘结力来评价,通过调整复合处的         加热温度,测试对应的层间粘结力,其关系如图4  所示。  2015年第5期       玻璃钢/复合材料 79      图4布样层间粘结力与复合温度关系图        Fig.4Curveofbondingstrengthvaryingwith  compositetemperature 由图4明显看出,层间粘合力随着温度的增加          先升高后降低,在100 ̄C时,层间粘结力达到最大    值;根据之前实验摸索和经验数据积累,当层间粘结       力在20N时,卷状芳纶无纬布的防弹性能最佳,因       此由数据可对应得知,在复合处的温度为80 ̄C,是   最佳的工艺温度。   3.3.2压力    在相同的温度下,复合时复合辊的压力对布样             的层间粘结力和表观均有影响,具体数据见表4  所示。   表4复合压力对粘结力及表观的影响    Table4Theef      fectofcompositepressureforbondingstreng    thandclothsurface      由表4可知,复合压力越大,布样的层间粘结力     越强,表面越平整,但随着复合压力的继续增大,会  有胶粘剂渗出,影响布的表观状态,同时也导致胶粘    剂的利用率较低,影响成本。因此,根据防弹性能最    佳时的层间粘结力和表观状态综合评价,复合时压  力选择2.5MPa。  3.3.3时间(运行速度)    在复合工艺的生产过程中,复合所用的时间越    长(即运行速度越慢),生产效率越低,复合效果明    显;但时间太短则会影响产品的质量,这是由于胶粘   剂的完全干燥需要时间,在卷入过程中仍具有粘结   性,导致卷材中产品的粘结力不足,因此复合速度对 布样层间粘结力的影响较大,根据图5可以看出,复    合工艺中运行速度为5m/min,布样层间粘结力的稳    定一致性最好,并且层间的粘结力维持在20N左右, 因此此运行速度为最佳的运行速度值。  图5层间粘结力与运行速度关系图     Fig.5Curveofbondingstreng   thvaryingwith  compositespeed     3.4产品测试   根据上述的讨论结果,根据胶粘剂A、B和助剂  ℃ c的配比为100:80:5、复合处温度为80、复合压   力为2.5MPa、运行速度为5m/min时的工艺条件进   行卷状无纬布的生产,并将此布样制作成靶片,与未      工艺优化时的样品进行性能测试(见图6)对比,结       果如表5所示。通过对比可知,优化后的产品表观 性能稳定,防弹性能较未优化时有明显的提高。 (a)冲击面 (b)躯干模  图6产品打靶测试图      Fig.6Picturesofballistictest     表5工艺优化前后的产品性能对比        Table5Comparisonofperformanceunderprocess    optimizingbeforeandafter  鲫蛸 芳纶无纬布生产质量的控制研究  2015年5月   4结论      影响卷状芳纶无纬布产品质量的工艺因素较 多,最为关键的是纱架的纤维退绕张力、树脂胶粘剂     配方和层压复合工艺(温度、压力和运行速度),当    纤维丝束所受的张力为0.238CN/dtex,胶粘剂A、B    ℃ 和助剂C的配比为100:80:5、复合处温度为80、     复合压力为2.5MPa、运行速度为5rn/min时,可得  到高品质的芳纶无纬布,产品性能通过相关检测标   准,并较之前的工艺性能有较大提升。通过本文的   研究,得出一套生产高品质的卷状芳纶无纬布的工 艺,为指导实际生产提供技术支持和工艺保证。 参考文献  [1]虢忠仁,杜文泽,王树伦,等.芳纶纤维抗弹复合材料研究进展 — [J].工程塑料应用,2009,37(1):7578.       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