剪切增稠液体在柔性防刺材料中的应用研究

论文摘要

近年来,恐怖威胁遍及全球,个人防护意识随之增强,防护成了一个世界性的重要问题。由于在我国以及世界许多其他国家,枪械的使用被严格管制,而来自匕首、刺刀等尖利锐器的袭击威胁却无法控制,这使得防刺材料的研究和开发成为当前的热点。本课题主要针对传统防刺材料难以做到防护性能和灵活性兼顾的不足,提出采用剪切增稠液体（STF）对超高分子量聚乙烯（UHMWPE）及不同经纬密的芳纶（Kevlar）织物进行复合,以期制备出一种具有优异防护性能的新型柔性防刺复合材料。本论文以SiO2为分散相粒子,聚乙二醇（PEG）为分散介质采用机械搅拌法制备STF,文中对SiO2粒子的密度、粒径、形貌、微观结构等进行表征和分析;利用剪切流变仪对STF的流变性能及影响流变性能的因素:浓度、PEG分子量、粒径进行分析,并阐述了剪切增稠机理;将经无水乙醇稀释后的STF分别与UHMWPE和Kevlar织物复合,对纯织物和STF-复合材料进行厚度、柔韧性以及准静态防刀测试,分析STF稀释比、浓度、PEG分子量、粒子粒径及经纬密对织物基本性能和防刀性能的影响;采用视频显微镜和扫描电镜（SEM）对试样完好处和刺口处的表面形貌和微观结构进行表征分析,提出相关的防刀机理;根据防弹研究中的有关理论对动态防刀以及准静态、动态防锥性能进行推断。结果显示:（1）由XRD和FTIR分析可知,SiO2粉末为非晶态无定形固体微粒,SiO2和PEG发生了化学键的结合;比重瓶法测密度、粒径及TEM分析表明,不同粒径SiO2的密度、粒径分布、单分散性也不同。（2）流变实验表明,SiO2/PEG体系具有剪切增稠性能,且效果良好。STF固含量、PEG分子量、SiO2粒径对体系的流变性能都有一定的影响;动态流变测试表明,STF具有粘弹性行为;可逆性研究表明,STF具有可逆的剪切变稀和剪切增稠现象;“粒子簇”理论能更好地解释STF体系的剪切增稠行为。（3）厚度、柔韧性、准静态防刀测试表明,织物经STF复合后,厚度增加,柔韧性下降,但STF-复合试样的防刀性能显著优于相同面密度下的纯织物;STF稀释比、浓度、PEG分子量、粒子粒径及经纬密对材料的防刀性能有着不同程度的影响。（4） SEM对织物完好处的分析说明STF已成功浸渗到纤维织物表面和内部;视频显微镜和SEM对刺口处的分析说明纤维断裂状态不同:纯织物刺口处纤维比较松散,末端外扩,STF-复合试样刺口处纤维比较整齐,末端呈扭结状;防刀机理分析表明试样受到的主要是剪切断裂破坏。（5）根据防弹研究中的有关理论对动态防刀测试以及准静态、动态防锥测试进行推断:当刺刀或者锥接触到织物表面时,其剪切速率大于STF的临界剪切速率,使得STF能发生剪切增稠效应,从而织物的防刀、防锥性能都能得到提高,且防锥性能更好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.1.1 剪切增稠液体（STF）简介
• 1.1.2 个体防刺材料简介
• 1.1.3 STF-柔性防刺复合材料简介
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 STF 流变性能及其机理的研究
• 1.2.1.1 STF 流变性能的研究
• 1.2.1.2 STF 机理的研究
• 1.2.2 防刺材料及防刺机理的研究
• 1.2.2.1 防刺材料的研究
• 1.2.2.2 防刺机理的研究
• 1.2.3 STF 在防护材料中的应用研究
• 1.2.3.1 液体防护复合材料性能的研究
• 1.2.3.2 液体防护复合材料防护机理的研究
• 1.3 本课题研究意义、内容和创新性
• 1.3.1 研究背景和意义
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 课题创新点
• 第二章 剪切增稠液体的制备及其流变性能研究
• 2.1 实验原料及设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 STF 的制备
• 2.3 表征方法和仪器
• 2 的表征测试'>2.3.1 SiO₂的表征测试
• 2.3.1.1 比重瓶法测密度
• 2.3.1.2 粒径测试
• 2.3.1.3 透射电镜（TEM）测试
• 2.3.1.4 X-射线衍射（XRD）测试
• 2.3.1.5 红外光谱（FTIR）测试
• 2.3.2 STF 流变性能测试
• 2.3.2.1 稳态流变性能测试
• 2.3.2.2 动态流变性能测试
• 2.4 结果与讨论
• 2 的表征分析'>2.4.1 SiO₂的表征分析
• 2.4.1.1 密度分析
• 2.4.1.2 粒径分析
• 2.4.1.3 TEM 分析
• 2.4.1.4 XRD 分析
• 2.4.1.5 FTIR 分析
• 2.4.2 STF 流变性能分析
• 2.4.2.1 稳态流变性能分析
• 2.4.2.2 动态流变性能分析
• 2.4.2.3 剪切增稠性能的可逆性分析
• 2.4.2.4 剪切增稠机理分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 STF-柔性防刺材料的制备及其性能研究分析
• 3.1 实验原料及设备
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 实验仪器
• 3.2 STF-柔性复合材料的制备
• 3.3 表征方法和仪器
• 3.3.1 STF-柔性复合材料基本性能研究
• 3.3.1.1 厚度测试
• 3.3.1.2 柔韧性测试
• 3.3.2 准静态防刀测试
• 3.3.3 形貌表征
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 STF-柔性复合材料准静态防刀性能研究
• 3.4.1.1 STF 稀释比对材料防刀性能影响
• 3.4.1.2 浓度对材料防刀性能影响
• 3.4.1.3 PEG 分子量对材料防刀性能影响
• 2 粒径对材料防刀性能影响'>3.4.1.4 SiO₂粒径对材料防刀性能影响
• 3.4.1.5 经纬密对材料防刀性能影响
• 3.4.2 STF-柔性复合材料的形貌分析
• 3.4.2.1 完好处的形貌分析
• 3.4.2.2 刺口处的形貌分析
• 3.4.3 防刀机理分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文