剪切增稠液复合三维织物抗高速冲击性能的研究.pdf

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2015年第11期(46)卷
文章编号:1001-9731(2015)11-11056-04
剪切增稠液复合三维织物抗高速沖击性能的研究
王天坤,俞科静,钱坤,曹海建
(江南大学纺织服装学院,江苏无锡214122)
摘要:制备剪切增稠液,通过透射电镜图观察分散王东宁等?利用有限元模型,建立平纹三维织物细观
相粒子在STF系中的形貌结构和分散状况,利用稳态模型,模拟弹丸冲击织物的全过程,研究三维织物中纤
流变测试来分析STF的流变性能和剪切増稠机理。维、纱线力学性能对防弹性能的影响
将STF与 UHMWPE三维织物在一定エ艺条件下复
本文以纳米SiO2粒子为分散相、不同分子量聚乙
合,得到STF复合三维织物,分析纯UD布靶样、UD二为分散介质制备出分散性好、流变性能优异的剪
布结合三维织物样、UD布结合STF复合三维织物切増稠液。然后将其与 UHMWPE三维织物以浸渍
靶样的高速沖击性能。实验结果表明,STF能够有效的方式结合,在一定条件下制成STF三维复合织物
地増强三维织物的高速冲击性能
STF三维复合织物具有轻便、手感柔软、舒适性好等
关键词:剪切増稠液;流变性能;STF复合三维织优点并且具有艮好的抗高速冲击性能
物;高速冲击
中图分类号:TB332
文献标识码
实验
DOI:10.3969/.issn.1001-9731.2015.1112
2.1材料
1引言
纳米球形SiO)2粉体由德固赛公司提供,其原生粒
径为650nm:PEG200和PEG400由国药集团化学试
剪切增稠液( Shear thickening fluid,“STF”)剂有限公司提供.试剂为化学纯;无水乙醇是由国药集
是一种在一般情况下呈现液体或分散胶体的状态,
村化学试剂有限公司提供,试剂为分析纯; UHMWPE
受到超过某一临界剪切或者冲击作用时,其粘度迅速三维织物和UD布由上海斯瑞科技有限公司提供
上升,呈现出固体一般的抵抗能力。当外力撤销后,剪2.2STF的制备
切增稠液又恢复原来的状态,这是一种可逆的非牛顿
将分散介质PEG200和PEG400按一定比例加入
流体行为。独特的剪切増稠特性使得STF广泛应用到三口烧瓶中,再向其中加人分散相纳米球形Si()2粒
于各类防护材料的
子,搅拌均匀后,将样品置于25℃真空干燥箱中,静置
常用的防护材料大多是由钢板、铝合金板制成的,24h,去除气泡,得到物理化学性能稳定的剪切増稠
这种防护材料具有质量大、不能折叠等缺点。随着科液。
技的进步,人们对防护服的要求和需求大大增加,大部2.3STF性能的测试与表征
分防护材料是由多层高性能纤维布叠合而成。高性能2.3.1透射电镜
纤维是指强度在17.6cN/dtex以上、弾性模量大于
采用 Jeol EM-2010型透射电子显微镜(TEM)观
440cN/dtex的纤维,主要包括 UHMWPE、 Kevlar、碳察分散相子的外观形貌以及在体系中分散情况。
纤维等。这类纤维具有良好的耐强腐蚀、低磨损、耐高2.3.2稳态流变性能
温、耐辐射、抗燃、耐高电压、高强度高模量、高弹性等
在室温25℃条件下,采用MCR301型流变仪,在
然而达到良好的防护效果需要40~50层高性能纤维剪切速率扫描范围为0.01~200s条件下测试STF
布叠合来实现,再一次出现难以折叠,防护人员行动不稳态流变性能测试。
便的问题。
2.4STF复合织物的制备与靶样的制备
为了解决上述问题, Tarig A. Hassan和M.J.2.4.1STF复合织物的制备
Decker等利用 Kevlar和 Nylon织物与STF复合
首先将 UHMWPE三维织物裁剪成220mm
并将制得的STF/织物复合材料进行准静态防刺实验。20mm的正方形片,烘干。然后用无水乙醇按一定
结果表明,在不影响原织物柔软性的前提下,STF/织比例稀释制备好的STF,将三维织物完全浸没在稀释
物复合材料的强度增大,并具有更好的耐穿刺性能。后的溶液中,3min后取出,样品在小轧车上以一定斥
基金项目:国家自然科学基金青年基金资助项目(51203062,51302110);产学研联合创新资金前瞻性联合研究资助项目
(BY2012064,BY2013015-31,BY2013015-32)
作者简介:王天坤(1989-),女,黑龙江齐齐哈尔人,在读硕士,师承钱坤教授,主要从事纺织复合材料的、mom
收到初稿日期:2014-10-29
收到修改稿日期:2015-03-0
通讯作者:俞科静,E-mail: yueling(G
王.天坤等:剪切增稠液复合三维织物抗高速冲击性能的研究
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力浸轧3次后,放置80℃干燥烘箱中烘干,24h后取
出。
4.2STF复合织物靶样的制备
按照表1制备STF复合织物靶样。其中第一组
实验和2-1、2-2、3-1、3-2都是以UD布为弹丸冲击面,
2-3和3-3是以二三维织物弹丸冲击面。以便确定STF
复合织物在高速冲击过程是适合放置的位置。
表1靶样编号与参数
Table I The paramcters of all plates
图2STF体系的透射电镜图
样品UD布三维织是否浸
总质面密度
Fig 2 The imagc of the STFS
编号层数物层数渍STF
3.2STF稳态流变性能
否
25.3
图3为STF稳态流变性能双对数曲线及相应剪
1-3
325.1
6.72
切增稠机理示意图,在区域1中,剪切速率相对较低,
否否否否否是是是
外界对STF体系的破坏可以通过体系中分散相粒子
326.1
6.74
的布朗运动和体系中氢键很快恢复,因而在此区域
STF体系粘度基本保持在6.28Pa?s(如表2所示)不
6.65
变
323.0
6.67
Equitibrium
Shear thinning
Shear thicke
321.0
6.6
99881886889°18:98
STF复合织物的高速冲击测试
测试距离为5m;弹丸初速为(445±10)m/s;法
g88
828g8°o883o
线角为0°。测试的环境温度为(23士2)℃;相对湿度
Increasing shear rate
Silic
为30%~70%。弹丸结构如图1(a)所示,弾丸长度
15mm。图1(b)为靶样的固定方式以及神击点的位
1000
置,将靶样固定在躯干模上,弹丸垂直冲击靶样冲击
100
点。为保证实验的准确性,减小实验误差,在整个试验
过程中不允许移动靶样位置、不允许改変冲击点位置
0.01
靶样
Sh
冲击点
图3STF稳态流变性能双对数曲线及相应剪切增稠
15 mm
机理
Fig 3 The rheological property and its mechanism of
STFS
(a)弹丸结构示意图
(b)靶样的固定方式和冲击点位置
图1弹丸结构示意图、靶样的固定