采用剪切增稠流体处理纤维织物防弹性能研究

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1、采用剪切增稠流体处理的纤维织物的防弹性能研究宋镇宇，宋梦，吴丝竹北京化工大学先进弹性体材料研究中心，北京，100029关键词：剪切增稠流体凯夫拉纤维防弹剪切增稠是一种非牛顿流体行为，常在高浓度胶体悬浮液中观察到[1,2]。其机理是高浓度胶体悬浮液中由于粒子间流体作用力形成了粒子簇[3]，导致了可逆增稠行为的存在。人们通过流变-光学实验[4]、流变-中子散射[5.6]和变应力流变测试[7]等手段研究剪切增稠机理，目前已有研究对硬球或电荷稳定胶体悬浮液稳态剪切的增稠起点进行预测[8]。一般认为加工过程中剪切增稠现象是有害的，先前的

2、应用出现在阻尼和控制装置的制造上[9]。近几年来，人们利用其高速下剪切增稠流体复合物黏度、应力增强的特殊性质[10]，制备运动和人体防护材料。本文采用硅橡胶制备的增稠流体复合物,用异丙醇溶剂稀释，流体制备过程如下：称量5份重量的硅橡胶增稠流体复合物，手工拉成细丝，放入称有6份重量的异丙醇容器中，用保鲜膜密封，将混合物通过超声（KQ-250DB，昆山市超声仪器有限公司）分散约30min。然后通过电动搅拌机搅拌均匀，制得质量分数为45%的均匀悬浮液。通过透射电镜表征其粒径分布，图1为悬浮于硅橡胶增稠流体复合物的异丙醇溶液中的无机填

3、料的透射电镜照片。Fig.1TransmissionelectronmicroscopyofSilasticdilatantscompoundsolutionatamagnificationof10,000流变测试采用应力控制流变仪（德国哈克公司RS150），测量温度设定为25℃，采用锥板测量模式，锥度1rad，锥径60mm。有研究表明剪切历史对高浓度悬浮液流变实验结果有很显著的影响[6,8]，因此测试实验前需按照以下步骤进行预剪切以消除剪切历史得到准确的增稠曲线：从0.1Pa到2650Pa进行3分钟的应力扫描；在1s-1剪切

4、速率下进行1分钟的蠕变实验，之后静置30s；零应力和零剪切速率下静置1分钟；最终从0.1Pa到2650Pa进行应力扫描，为了让数据点分布合理，分两步选取数据。图2为稳态剪切下质量分数为45%的增稠流体的黏度-剪切应力曲线，可明显观察到应力达102Pa后出现增稠行为，该流体的临界剪切应力约为200Pa。Fig.2TherelationshipbetweentheviscosityandstressofSilasticdilatantscompoundsolutionwiththeweightfraction45%本研究采用的凯夫

5、拉纤维的面密度为333g/m2，每一块布浸润10分钟左右。浸润后，将样品放入80℃的对流烘箱中干燥20分钟除掉溶剂。图3为样品处理后的光学显微镜照片，可以看出Kevlar纤维与增稠流体相容性较好。Fig.3OpticalimagesofKevlar/Silasticcomposites进行防弹测试时，于5m处用"6.4"型号手枪射击浸润后的多层纺织样品，样品尺寸为10cm×15cm。图4为射击后的纤维布第16层的背面图，表明子弹停留在第16层并且严重变形，比未经处理的30多层纤维布的防弹效果有极大提高，说明剪切增稠流体处理后的

6、纺织复合材料有较好的防弹效果。Fig.4Bulletceasedanddeformedatthe16thlayerofKevlarcomposites此研究表明通过剪切增稠流体浸润Kevlar纤维布，防弹性能得到明显提高。与传统防弹衣采用环氧树脂复合纤维相比，剪切增稠流体纤维复合材料将更轻便、柔软、体积更小、防弹效果更好，因而将这种复合材料处理方法应用于防护材料制备上具有很大潜力。参考文献：[1]M.J.Decker,C.J.Halbach.Compos.Sci.Technol.2007,(67):565–578[2]H.A.

7、Barnes.J.Rheol.1989,(33):329-366[3]J.Vermant,M.J.Solomon,J.Phys.:Condens.Matter.2005,(17):187-216[4]P.D.Dhaene,J.Mewis,G.G.Fuller.J.Coll.Int.Sci.1993,(156):350-358[5]H.M.Laun,R.Bung,S.Hess,W.Loose,R.Hingmann.J.Rheol.1992,(36):743-787[6]Y.S.Lee,N.J.Wagner.Ind.Eng.Che

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