超高分子量聚乙烯纖維

-.z.隨著世界高新技術(shù)、纖維合成與紡絲工藝的開展，高性能纖維得到了不斷開展創(chuàng)新，目前已進(jìn)入了一個(gè)高速開展階段，其在防彈領(lǐng)域的應(yīng)用也漸露頭角，尤其是超高分子量聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維等高性能纖維在防彈裝備方面應(yīng)用，其前景非常廣闊。用高性能纖維材料制成的防彈材料質(zhì)輕、柔韌性好、防護(hù)效果佳，近年來，各國用高性能纖維材料開發(fā)出了各種軟式、軟硬復(fù)合式防彈衣和防彈頭盔。1．4超高分子量聚乙烯纖維(IIlIMWPE)超高分子量聚乙烯纖維也稱UHMWPE纖維，是繼碳纖維、Kevlar纖維之后的第三代高性能纖維。1979年由荷蘭DSM公司生的Dyneema(迪尼瑪)纖維，是世界上第一種超高分子量聚乙烯纖維，此后各國相開發(fā)了多種超高分子量聚乙烯，如：美國聯(lián)合信號(hào)公司(AI—liedSignal)Spectra三井石油化的Tekmilon等。國內(nèi)對(duì)UHMWPE纖維的研究開發(fā)工作，始于20世紀(jì)的80年代初期，經(jīng)過幾十年的研究開發(fā)，國內(nèi)已經(jīng)形成了多家UHMWPE纖維生產(chǎn)廠家，其中初具規(guī)模的代表廠家有：**大成材料股份公司、**中泰新材料股份公司、中紡?fù)顿Y同益中特種纖維技術(shù)開發(fā)**、南化集團(tuán)研究院高聚纖維研發(fā)中心等。由于UHMWPE纖維具有低密度、高比模量、高比強(qiáng)度、良好的能量吸收性能等優(yōu)點(diǎn)，UHMWPE纖維出現(xiàn)后打破了芳綸纖維在防彈材料領(lǐng)域的壟斷地位，并有逐漸取代芳綸防彈纖維的趨勢(shì)，與其他幾種高性能纖維相比UHMWPE纖維優(yōu)異之處及缺點(diǎn)如下。1．4．1相對(duì)密度小目前已商品化的幾種UHMWPE纖維，相對(duì)密度為0．979／cm3，是所有高性能纖維中密度最小的，是鋁的l，3和鋼的1／8，是芳綸的2／3，碳纖維的1／2；UHMWPE纖維復(fù)合材料要比芳綸復(fù)合材料輕20％，比碳纖維復(fù)合材料CERP輕30％。1．4．2比模量、比強(qiáng)度高UHMWPE纖維具有很高的主鏈結(jié)合強(qiáng)度。再加上其高度結(jié)晶取向，使纖維具有很高的強(qiáng)度和模量。UHMWPE纖維是目前高性能纖維中比強(qiáng)度最高的纖維，比芳綸高35％，比碳纖維高50％；其比模量也很高(僅低于碳纖維，高于其他纖維)的纖維，是芳綸的2．5倍，而且由于該纖維有常規(guī)準(zhǔn)靜態(tài)條件下較高的模量，能造成高的聲速傳播，從而使得它在防護(hù)子彈沖擊時(shí)的能量吸收和應(yīng)力波傳遞優(yōu)于其它纖維。因此從個(gè)體防彈頭盔和防彈衣的防彈性和舒適性等綜合性能分析，UHMWPE纖維是目前公認(rèn)的防彈性能最好的纖維。1．4．3其它物理化學(xué)優(yōu)異性能UHMWPE纖維的外表呈化學(xué)惰性，耐化學(xué)試劑強(qiáng)于芳綸，具有較強(qiáng)的耐酸、耐堿及多種化學(xué)試劑，水對(duì)它的強(qiáng)度幾乎沒有影響。耐光性也很好，在紫外線照射1500h后強(qiáng)度保持率為90％，耐磨性、耐彎曲性在各類高性能纖維中也是最高的。UHMWPE纖維的缺點(diǎn)UHMWPE纖維也存在著耐熱性差、粘接性差等缺點(diǎn)。這從表1中可以看出UHMWPE纖維的最高使用溫度僅為100。C，與芳綸纖維相比，該纖維不耐高溫，在145—145。C之間溶化。因此當(dāng)被投射物擊中時(shí)容易出現(xiàn)熔融破壞現(xiàn)象，在防彈服中假設(shè)選用UHMWPE和芳綸纖維混雜構(gòu)造，將有利于減少彈擊時(shí)纖維的熔融破壞現(xiàn)象。<高性能纖維防彈材料的根本種類、構(gòu)造及其防彈性能>傳統(tǒng)鋼制防彈材料的防護(hù)水平能滿足使用要求，不過重量和剛性嚴(yán)重降低了此類材料在使用中的舒適性，而且還存在跳彈傷人的危險(xiǎn).芳綸纖維的創(chuàng)造在防彈復(fù)合材料的開展史上是一個(gè)巨大的進(jìn)步.采用芳綸織物制成的軟質(zhì)防彈背心在穿著舒適性上取得了革命性的突破.而UHMWPE纖維的出現(xiàn)又進(jìn)一步提高了軟質(zhì)防彈復(fù)合材料的防護(hù)性能#與芳綸相比，UHMWPE纖維具有更高的強(qiáng)度、模量、比強(qiáng)度、比模量及聲波傳遞速度，這幾個(gè)因素均與纖維的防彈性能密切相關(guān).一般認(rèn)為，上述幾個(gè)指標(biāo)越高，纖維的防彈性能越好本文采用LDPE和PU兩種熱塑性基體，用實(shí)驗(yàn)的方法研究了UHMWPE纖維復(fù)合材料的防彈性能，結(jié)果說明這兩種基體均可以應(yīng)用于UHMWPE纖維防彈復(fù)合材料，且效果較好-通過比照不同構(gòu)造的UHMWPE纖維復(fù)合材料的防彈性能，證明了正交鋪層構(gòu)造為UHMWPE纖維復(fù)合材料的最正確構(gòu)造.在分析UHMWPE纖維復(fù)合材料片材和板材的彈道沖擊響應(yīng)后，確定纖維的剪切和拉伸變形是靶板在彈擊作用下兩種主要的響應(yīng)方式，板材還會(huì)出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象.另外，本文討論了基體含量和壓制工藝對(duì)UHMWPE纖維/LDPE復(fù)合材料防彈性能的影響，得出最正確基體含量為26%和壓制工藝對(duì)靶片防彈性能無顯著相關(guān)性這兩點(diǎn)重要結(jié)論.<超高分子量聚乙烯纖維防彈復(fù)合材料的研究作>2．1UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)分析蔡忠龍和冼杏娟對(duì)UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)行為進(jìn)展了一系列研究。UH—MWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的軸向壓縮性能較低，即使處理后的sK66／環(huán)氧復(fù)合材料的軸向壓縮強(qiáng)度也只有54．4MPa(sK66是UHMWPE纖維的商品名)。試樣受壓縮達(dá)70％極限荷載時(shí)開場(chǎng)產(chǎn)生塑性形變，并逐漸增大，出現(xiàn)剪切破壞，直至試樣失效，但并不斷開。這類材料壓縮破壞的主要機(jī)理是UHMWPE纖維受壓失穩(wěn)彎折界面脫粘。此外，UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲性能也很低，如處理后的SK66／環(huán)氧復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度最高只有150MPa，約為拉伸強(qiáng)度的1／7。在彎矩作用下，受壓局部的承載超過SK66纖維的壓縮強(qiáng)度時(shí)，纖維失穩(wěn)，從而導(dǎo)致分層；受拉局部由于纖維與樹脂的脫粘產(chǎn)生分層。逐層失效，最后韌性彎曲破壞。受彎分層是這類材料主要彎曲破壞機(jī)理。冼杏娟等人進(jìn)一步研冗了UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂韌性和裂縫擴(kuò)展，。她們采用三點(diǎn)彎曲加載方式，試樣單邊缺口，缺口長度(a)和試樣寬度(w)之比為03，用長焦顯微鏡觀測(cè)拍攝變形和斷裂裂縫的擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)說明：LDPE基體較環(huán)氧基體有更高的斷裂韌性，因而能吸收更多的能量。LDPE基體在彎曲荷載到達(dá)臨界值時(shí)，裂縫頂端鈍化，在裂縫附近受剪部位，纖維脫粘而發(fā)白。假設(shè)采用單向UHMWPE纖維增強(qiáng)樹脂，試樣中纖維垂直于缺口方向會(huì)出現(xiàn)裂縫增長；采用I脅UHMWPE纖維正交編織布增強(qiáng)樹脂，試樣的缺口頂端會(huì)出現(xiàn)鈍化，累積的塑性變形可能引起微觀裂紋，成為應(yīng)力集中點(diǎn)，導(dǎo)致塑性破壞。2．2UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的防彈性能研究UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的防彈性能研究主要集中在材料的沖擊響應(yīng)和破壞機(jī)理方面。材料的沖擊響應(yīng)和破壞機(jī)理很復(fù)雜，它不僅與樹脂基體和纖維的性質(zhì)有關(guān)，而且與子彈形狀、沖擊速度和沖擊角度有關(guān)。在1985年，cantwell和Morton就提出了一個(gè)預(yù)測(cè)復(fù)合材料彈擊后能量吸收的簡單模型。對(duì)于硬質(zhì)、較厚的防彈材料如頭盔，高速子彈對(duì)復(fù)合材料的破壞過程可分為三個(gè)連續(xù)的階段.首先，復(fù)合材料出現(xiàn)沖塞(plug)，纖維被剪切破壞；然后，復(fù)合材料局部變形，纖維被拉伸斷裂；最后，纖維與基體問的局部界面脫粘，擴(kuò)大后形成分層，同時(shí)，纖維受拉斷裂仍然存在。受高速子彈沖擊時(shí)，UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一般都會(huì)出現(xiàn)這三個(gè)破壞階段。ZhangZG等人研發(fā)現(xiàn)層壓板隊(duì)彈片沖擊能量的吸收能力與它的面密度有關(guān)。TaylorSA和CarrDJ在研究0/900鋪層得UHMWPE無緯片彈擊破壞后的斷裂形態(tài)時(shí)，選擇了兩種面密度的復(fù)合材料：面密度較低的用作碎片防護(hù)，面密度較高的用作高速子彈防護(hù)。他們用高速攝像、SEM觀察到的圖像與預(yù)期彈擊的情況非常符合。1994年，美國賓西法尼亞大學(xué)的LeeBL和軍方研究人員songJW與wardJF發(fā)現(xiàn)，正交編織布和無緯片復(fù)合材料在子彈沖擊過程中．都會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的分層、沖塞和剪切、拉伸破壞并存，其中，沖塞主要是由剪切引起的。另外，當(dāng)面密度固定且較低時(shí)，上述兩種形式的纖維層壓板防彈能力沒有差異；但隨著面密度的提高，無緯片層壓板表現(xiàn)出更高的防彈能力。這可能是因?yàn)檎痪幙棽荚诰幙椉庸さ倪^程中，纖維的強(qiáng)度會(huì)不可防止地?fù)p失，而無緯片卻能保持纖維的強(qiáng)度；并且元緯片上因?yàn)闆]有結(jié)點(diǎn)，可以更有利于傳遞彈擊時(shí)產(chǎn)生的沖擊波，防止形成剪切沖塞。另外，無緯片層疊的角度與分層區(qū)的形成有很大的關(guān)系，如(O／900)n、(00)n、(o／+45／-45／900)n等?？紤]到戰(zhàn)場(chǎng)上的人員經(jīng)常要面對(duì)子彈或碎片的重復(fù)沖擊破壞，Lee等人還設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在UHMWPE纖維層壓板的同一部位，以較低的著彈速度，重復(fù)性地施加沖擊。采用掃描電鏡分析uHMwPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的斷面發(fā)現(xiàn)，原分層的區(qū)域擴(kuò)大，直至復(fù)合材料整個(gè)被破壞。這種情況下，沖擊的累積次數(shù)，可視為防彈材料的抗沖擊疲勞壽命。與聚氨酯膠粘劑相比，乙烯基酯膠粘劑的復(fù)合材料具有更高的防彈性能、更長的抗沖擊疲勞壽命。采用動(dòng)態(tài)熱分析儀(DMA)測(cè)量還發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的阻尼因子對(duì)防彈能力的影響不大。1998年，Walsh和Lee、Song等人選用乙烯基酯樹脂和聚氨酯作為基體復(fù)合材料進(jìn)展比擬，考察了在準(zhǔn)靜態(tài)、低速?zèng)_擊和彈擊沖擊幾種情況下，純層疊織物、多層復(fù)合與單層復(fù)合材料的力學(xué)形變和侵徹破壞。他們發(fā)現(xiàn)：UHMWPE平紋布上斷裂纖維與層壓板的數(shù)量比，和復(fù)合材料的能量吸收比有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這證實(shí)UHMwPE纖維的應(yīng)變對(duì)復(fù)合材料能量吸收的作用：少量樹脂的參加，可以使復(fù)合材料受到?jīng)_擊時(shí)，產(chǎn)生均衡的內(nèi)部應(yīng)力，故樹脂的性質(zhì)會(huì)影響斷裂纖維的數(shù)目及復(fù)合材料的能量吸收。在全部應(yīng)變范圍內(nèi)，"較硬〞的乙烯基酯基體比"較軟〞的聚氨酯基體的能量吸收更強(qiáng)。國內(nèi)的孫志杰等人研究了不同成型溫度、壓力對(duì)UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料防彈性能的影響，為其實(shí)踐應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)：成型溫度低于123℃后，纖維的結(jié)晶度和強(qiáng)度開場(chǎng)下降，在126℃時(shí)下降了10％：成型壓力在2．5MPa和125MPa對(duì)，UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合板的彈道吸能出現(xiàn)兩個(gè)極大峰。12．5MPa時(shí)為最大值。這是由復(fù)合板的分層、UHMwPE纖維拉伸斷裂和剪切斷裂三種吸能形式的協(xié)同作用造成的。成型壓力為125MPa時(shí)，彈擊后，這三種作用的協(xié)同效應(yīng)最大，靶板的凸起高度和面積最大，彈道吸能最大。"超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其防彈性能的研究進(jìn)展"超高分子量聚乙烯(UHMwPE)纖維也稱超高模聚乙烯纖維(UHMPE)或伸長鏈聚乙烯纖維(ECPE)。它是繼碳纖維、Kevlar纖維之后的第三代高性能纖維，它不僅是目前高性能纖維中比模量、比強(qiáng)度最高的纖維，而且具有優(yōu)良的耐磨性、耐沖擊性、耐化學(xué)性，不吸水、生物相容性好、電性能好和比重輕等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于原料易得，假設(shè)選用適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)工藝，本錢有望降低，其應(yīng)用前景廣闊.UHMWPE纖維在防彈材料上的應(yīng)用防彈衣自從上世紀(jì)60年代以來，防彈衣的開展非常迅速，重量逐步減輕而性能逐漸增強(qiáng)，其開展經(jīng)歷了硬體防彈衣和軟體防彈衣2個(gè)階段，前者因?yàn)榕宕魇孢m性較差而被后者淘汰。軟體防彈衣有以Kelver纖維、碳纖維及Spectra纖維為基材而制得的。Spectra纖維因其密度小。防彈性能好而受到普遍重視。Spectra的構(gòu)造和自身性質(zhì)決定了用Spectra纖維制成的防彈衣具有防水、對(duì)化學(xué)介質(zhì)不起反響、能抵御連發(fā)槍彈等性能。因此，無論是重量還是防彈能力上均優(yōu)于以往材料。美國AlliedSignal公司針對(duì)不同用途和防彈要求現(xiàn)已生產(chǎn)了3鐘牌號(hào)的UHMWPE防彈衣。防彈頭盔及輕型防彈裝甲頭作為人體最重要的局部之一，在防彈上尤為重要。在研制和生產(chǎn)防彈頭盔是，一般要考慮防彈能力、防護(hù)面積、佩戴穩(wěn)定性和舒適性等因素。由UHMWPE纖維制得的防彈頭盔一般是采用纖維織物與熱塑性樹脂層壓制成，壽命長、質(zhì)量小、佩戴舒適。在現(xiàn)代軍事裝備中，對(duì)防彈裝甲的研究越來越重視．所開發(fā)的裝甲材料包括纖維裝甲、陶瓷裝甲、透明裝甲和金屬裝甲4類。由于金屬裝甲、陶瓷裝甲和透明裝甲存在著或比重大或耐環(huán)境性能差的缺點(diǎn)，開展無機(jī)非金屬防彈裝甲材料就顯得更有意義。隨著科技的開展，無機(jī)非金屬防彈裝甲材料先后經(jīng)歷了尼龍纖維、Kevlar纖維和UHMwPE纖維等階段。后者斟其優(yōu)越的性能而備受關(guān)注。美國AIliedsignal公司4』幸十對(duì)不同要求和防彈需要研制了2類用uHMwPE纖維制得的硬質(zhì)防彈材料.3UHMWPE纖維作為防彈材料存在的缺乏及改良措施uHMwPE纖維存在以下缺乏：高結(jié)晶度和高取向度，大分子截面積小，非極性性質(zhì)使它難于潤濕，不與基體發(fā)生化學(xué)反響而不產(chǎn)生交聯(lián)，界面效果差，熔點(diǎn)低，高溫下使用時(shí)強(qiáng)度降低、蠕變性明顯增大，制成防彈背和頭盔時(shí)，對(duì)鈍傷的防護(hù)不夠。3．1界面性能差由于uHMwPE纖維分子鏈的惰性和非極性，纖維與機(jī)體之間的界面粘度強(qiáng)度低，影響了uHMwPE纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，尤其是層間剪切、橫向拉伸和斷裂韌性等性能，限制了它在構(gòu)造材料卜的應(yīng)用。因此，在應(yīng)用UHMWPE纖維制防彈材料或構(gòu)造材料時(shí)，常常需要對(duì)其進(jìn)展改性或外表處理，以改善其界面性能。但是，外表改性會(huì)對(duì)UHMWPE纖維的強(qiáng)度有影響，采用時(shí)應(yīng)慎重考慮。在現(xiàn)階段的研究中，常使用的外表處理方法有：液態(tài)氧化法、等離子體處理法、輻射接枝處理法、電暈放電處理法、光氧化外表處理法、光致交聯(lián)處理法等，有時(shí)采用幾種方法復(fù)合使用，效果更佳。**華東理工大學(xué)的洛玉祥等人在UHMWPE的外表處理上做了不少研究。3．2對(duì)鈍傷防護(hù)能力差這主要是由于纖維制成防彈衣時(shí)，為了考慮穿戴的舒適性而造成的。在其中參加Dyneema防護(hù)板，有利于對(duì)鈍傷的防護(hù)。<超高分子量聚乙烯纖維在防彈材料上的應(yīng)用>國內(nèi)警用需求已經(jīng)啟動(dòng)國內(nèi)對(duì)防彈材料的需求起步于公安、武警、保安等市場(chǎng)，全國警察、保安、武警等每年實(shí)際采購的數(shù)量約為200噸／年左右，并每年以25％左右遞增。專家估計(jì)，包含其它民用方面(如各種大型公共場(chǎng)所、體育場(chǎng)館、民航設(shè)施、高檔汽車等)對(duì)超高分子量聚乙烯纖維無緯布防彈材料的需求，今后正常年份僅中國國內(nèi)就將到達(dá)5000噸以上的市場(chǎng)需求量。6．3國內(nèi)市場(chǎng)總體供不應(yīng)求超高分子量聚乙烯纖維無緯布防彈材料的國產(chǎn)化在中國國內(nèi)剛剛啟動(dòng)，其總體供給能力為每年1000噸左右，只占世界同類產(chǎn)品總產(chǎn)量4000噸的25％左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足全球市場(chǎng)需求。據(jù)統(tǒng)