基于剪切增稠胶的柔性防护复合材料的制备及低速抗冲击性能研究

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随着经济全球化的发展,恐怖主义的威胁也逐渐遍布世界,人们的自我防护意识日渐提高。柔性防护复合材料由于其质量轻,灵活性强,逐渐成为防护材料领域的研究热点。到目前为止,国内外已普遍采用将剪切增稠液(STF)与高性能纤维织物相结合的方法制备柔性防护材料,然而STF在应用中存在一些缺点:常态下为液体形式,不易携带;长期放置易分层;附着在纤维织物表面的纳米粒子容易脱落等。针对这些问题,人们研制出了一种基于分子胶体的新型复合材料―剪切增稠胶(STG)。本课题对STG的制备进行了初步的探索,并提出将STG分别与聚氨酯(PU)泡沫和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)织物进行复合,以期制备出低速抗冲击性能良好的复合材料。本课题以硼酸和硅油为主要原料制备剪切增稠胶,并对制备的STG进行红外、热失重和流变性能分析,同时简述了STG的剪切增稠机理;用不同稀释比的STG与PU泡沫进行复合,实验研究了复合前后泡沫的重量、厚度变化,以及STG对泡沫材料的蠕变、模量和低速抗冲击性能的影响;将用异丙醇稀释后的STG与UHMWPE织物复合,对浸渍前后织物的重量、厚度、柔韧性以及低速抗冲击性能进行了测试与分析。通过红外和热失重测试,分析了制备的STG的分子结构和热稳定性,并对其进行了流变性能测试,实验结果表明:STG在1335 cm-1处有B-O键伸缩振动产生的吸收峰,在892 cm-1和853 cm-1处有Si-O-B键的特征吸收峰,证明B原子引入了-Si-O-的主链结构中;制备的STG的反应开始温度Ti(材料失重5%时的温度)为234.98℃,反应速率最快的温度Tp为442.61℃,反应结束温度Tf为562.89℃,且在400500℃之间的重量损失达40.51%,此时发生的主要是硅氧烷分子链分解成低聚物的反应;给STG施加25 Pa的压力时,STG的应变约为150%,50 Pa时,应变上升到350%,而当应力达到75 Pa时,应变达到了750%;关于动态流变性能,STG的储能模量从G’min的55 Pa到G’max的6.29×105 Pa,两者相差4个数量级,具有优异地剪切硬化效果。而损耗模量则呈现出先增加后减小的趋势。通过“浸渍―干燥”的方式制备所需的STG/PU复合材料,实验不仅研究了STG/PU重量、厚度等基本性能,还分析了STG/PU复合材料的流变性能以及低速抗冲击性能,结果表明:随着STG添加量的增加,STG/PU的重量逐渐增加,但是厚度没有明显变化;与STG相比,STG/PU的蠕变性大大减小,PU可以为STG提供良好的骨架支撑作用;与纯PU相比,STG/PU的低速抗冲击性能明显提高,当v=6 m/s时,纯PU泡沫的单位质量上的剩余冲击载荷约为2228.76 N/g,而PU(1:1)的值仅为197.71 N/g,剩余冲击载荷减少了91.13%左右。利用“浸渍―干燥”法制备STG/UHMWPE复合材料,并对其重量、厚度、柔韧性以及低速抗冲击性能进行了测试与分析,结果表明:STG的加入使材料的重量有所增加,但是厚度反而减小;织物的柔韧性也有所下降,且STG的量越多,织物的柔韧性越差;在单位质量剩余冲击载荷和峰值持续时间方面,UH(1:1)、UH(1:2)、UH(1:3)的防护效果均好于纯织物,但是从能量吸收系数方面分析,由于与胶体复合后的织物变硬,缓冲性能下降,所以四种材料数值相差不大。
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