Progresso da pesquisa de materiais à prova de facada da Aramid

Mecanismo de resistência à facada em materiais anti-facadas flexíveis

Ao contrário de materiais anti-facadas rígidas, os materiais anti-facadas flexíveis são tipicamente compostos de múltiplas camadas de compósitos de alto desempenho. Durante a penetração por uma lâmina, o tecido composto dentro do material flexível resiste à facada utilizando atrito, deformação por tração e outros mecanismos, dissipando a energia da ferramenta de facada e travando sua ponta com segurança.

O processo de resistência da facada envolve os seguintes estágios:

• Contato inicial:Quando a lâmina primeiro entra em contato com o tecido, ele exerce uma força que interage com a estrutura do tecido. Tecidos tecidos, tricotados ou não tecidos exibem um certo aperto, gerando deformação para impedir ainda mais a penetração até que o material atinja seu limite de deformação.
• Forças de atrito e cisalhamento:A borda da lâmina, tendo uma certa largura, cria forças de tração ao longo do plano horizontal do tecido e forças de cisalhamento no plano vertical. As forças de tração fazem com que as fibras mudem, aumentando a fenda, enquanto as forças de cisalhamento levam à quebra de fibras, aumentando ainda mais a abertura.
• Penetração completa:Sob a ação combinada de forças de tração e cisalhamento, o tecido é perfurado.

Para ser eficaz, os materiais anti-facadas devem resistir às forças de tração e cisalhamento, sendo a resistência de cisalhamento o fator dominante.

Estruturas básicas de materiais anti-facadas aramid flexíveis

1.Tecido unidirecional aramid:
O tecido unidirecional é caracterizado por fibras retas e desviadas alinhadas em uma única direção. Não possui pontos de entrelaçamento na superfície, permitindo que as ondas de tensão se propagem sem reflexão, permitindo a rápida absorção de energia. O tecido unidirecional Aramid é um material flexível comumente laminado ortogonalmente (0 °/90 °) com adesivos para aumentar a resistência da facada. Os adesivos servem para fixar as fibras no lugar e reduzir a profundidade da penetração.
Por exemplo, Wu Zhongwei et al. tecido unidirecional de aramida modificado com resina de poliuretano transmitida a água para desenvolver materiais anti-facadas flexíveis. Eles otimizaram a resistência da facada ajustando quantidades, pressão e temperatura da matéria-prima, atingindo uma densidade superficial de 7,65 kg/m², atendendo aos padrões de resistência da facada GA68-2008. No entanto, devido ao uso de modificadores adesivos, o material resultante teve baixa flexibilidade, tornando-o inadequado para roupas anti-facadas flexíveis.

2.Tecido Aramid não tecido:
Ao contrário de tecidos unidirecionais, não tecidostecidos aramidapresentam fibras orientadas aleatoriamente, fornecendo propriedades isotrópicas e estruturas mais densas. Essas qualidades oferecem melhor resistência contra objetos nítidos. Os tecidos não tecidos também são mais simples de produzir, ecologicamente corretos e eficientes em termos de energia.
Por exemplo, li tt e colegas misturaram fibras de kevlar com fibras de polipropileno em uma proporção de peso de 70:30, usando perfuração de agulha e pressão quente para criar tecidos não tecidos compostos kevlar/pp. A uma temperatura de prensagem quente de 170 ° C, o material demonstrou excelente resistência à facada. No entanto, o arranjo solto de fibra interna e a força de ligação fraca dos tecidos não tecidos limitam sua resistência geral ao corte quando usados ​​de forma independente.

3.Tecido de tecido aramid:
Os tecidos de aramid são formados por entrelaçar os fios de urdidura e trama, criando uma estrutura apertada que efetivamente impede a penetração.

• Tecido simples: apresenta fios paralelos e estruturas apertadas, oferecendo força equilibrada.
• Terceno de sarja: usa fios mais grossos e estruturas mais frouxas, geralmente para tecidos pesados.
• TELE DE CEAVE: tem menos pontos de entrega, tornando as fibras propensas a derrapagem sob força.
  Enquanto os tecidos fornecem entrelaçamento apertado, uma vez que a lâmina corta os fios de urdidura ou trama, a abertura aumenta significativamente, reduzindo a resistência da facada.

4.Tecido de malha de aramid:
Os tecidos de malha de aramida consistem em loops e no País de Gales. Quando uma lâmina penetra, os loops deslizam, apertando os loops adjacentes e aumentando o atrito entre as fibras, dificultando a penetração adicional. Durante esse processo de aperto, alguma energia de impacto é absorvida. Uma vez que os loops são totalmente tensionados, o tecido atinge um estado de "bloqueio automático", impedindo uma maior penetração.
Li Ning e colegas estudaram o fenômeno "auto-bloqueio" em tecidos de malha, descobrindo que as estruturas de costelas ofereciam a melhor resistência à facada, seguidas de malhas de trama e malhas purl. A sequência de estruturas em camadas também influenciou o desempenho, com estruturas de costela colocadas na camada mais externa, alcançando resultados ideais.

Modificação de materiais anti-facadas flexíveis aramid

3.1 Modificação de revestimento de superfície

Partículas de revestimento ou filmes finos na superfície das fibras de aramida aumentam o atrito entre fibras, melhorando sua resistência à facada, embotando lâminas de metal afiadas através da abrasão. Por exemplo, Nayak R et al. partículas de carboneto de boro aplicadas para modificarAramid 1414 TecidoSuperfícies, alcançando uma força de resistência à facada de 14 N a uma profundidade de penetração de 17 mm em comparação com apenas 4 N para tecido não revestido. A resistência aprimorada à penetração foi atribuída ao efeito protetor adicional fornecido pelo revestimento. Da mesma forma, Javaid Mu et al. estudou o mecanismo anti-facada dos tecidos revestidos com SiO₂. Os tecidos não revestidos mostraram interações isoladas entre fios e a lâmina, levando a um corte fácil. Por outro lado, os revestimentos de SiO₂ aumentaram o atrito entre os fios, reduzindo o deslocamento do fio e aumentando a resistência à facada.

Os revestimentos de cerâmica dura combinados com tecidos de alta resistência também impedem a penetração de impactos externos. Por exemplo, Gadow R et al. Revestimentos de cerâmica e óxido de metal aplicados para tecidos de aramida usando técnicas de pulverização térmica. Os testes de facada estática revelaram desempenho anti-facada significativamente melhorado para tecidos com revestimentos de cerâmica dura. Resinas orgânicas também foram empregadas para modificações de revestimento. Por exemplo, Zhuang Q et al. compósitos de tecido aramida preparados/resina epóxi, reduzindo a profundidade da penetração de 37,3 mm para 4,8 mm, aumentando significativamente o desempenho anti-facada. O efeito foi amplificado ainda com compósitos de várias camadas.

Nanopartículas inorgânicas e resinas orgânicas são frequentemente combinadas sinergicamente para melhorar o desempenho anti-facada dos materiais flexíveis da Aramid. Por exemplo, Xia Minmin et al. descobriu que o carboneto de boro/aramida revestida com resina epóxi 1414 tecidos aumentou a força de rasgo de 50 N para aproximadamente 300 N. Rubin W et al. Fibras de aramida revestidas com carboneto de silício em uma matriz de resina éster de vinil, alcançando o melhor desempenho anti-facada com 20% em peso de teor de carboneto de silício. Da mesma forma, Xiayun Z et al. Desenvolveu materiais anti-facadas flexíveis revestindo tecidos aramides com fluido termoplástico de poliuretano/sílica/espessamento de cisalhamento (STF). Os tecidos revestidos com uma solução contendo sílica fumada a 3% demonstraram alta resistência às forças de faca e punção.

3.2 Fluido de espessamento de cisalhamento (STF) Modificação de impregnação

O STF é um fluido não newtoniano composto por fases e mídia dispersas. Quando as fibras aramid modificadas com STF são submetidas a forças externas, a viscosidade do STF aumenta acentuadamente, se comportando como uma proteção sólida e fornecendo anti-facbing. Depois que a força é removida, a viscosidade retorna ao seu estado inicial do tipo líquido, oferecendo flexibilidade para materiais de proteção. Li Danyang et al. Preparou materiais anti-facadas flexíveis preparadas, impregnando tecidos aramid com STF. Eles encontraram melhorias significativas no desempenho anti-facadas em várias estruturas de tecido, com maiores melhorias observadas com o aumento dos pontos de entrelaçamento do tecido.

O tipo, tamanho de partícula, conteúdo e modificação da superfície de nanopartículas no STF também influenciam o desempenho do tecido. Por exemplo, Li et al. Utilizou partículas SiO₂ com diâmetros de 12 nm e 75 nm como fases dispersas, juntamente com nanotubos de carbono com paredes múltiplas (MWCNTs) para preparar compósitos STF/MWCNT. Os tecidos aramid impregnados com partículas SiO₂ de 12 nm exibiram resistência de faca superior em comparação com aquelas com partículas de 75 nm. Zhang Wangyang et al. descobriram que os tecidos aramid pura suportavam uma carga de 73 N a uma profundidade de facada de 30 mm, enquanto os tecidos impregnados com STF contendo 30% de SiO₂ e 70% de PEG alcançaram a maior força anti-facada sob condições estáticas.

Apesar da eficácia das modificações do STF, elas podem reduzir a respirabilidade e a permeabilidade à umidade, impactando o conforto durante o desgaste.

3.3 Modificação composta de resina

Materiais anti-facadas compostas de aramida-resina combinam a alta resistência e o módulo de fibras aramides com as características multifuncionais das matrizes de resina. Mayo JB et al. descobriram que as resinas termoplásticas (copolímeros de polimetiletacrilato de polietileno e polimetil e polietileno-metilenato) melhoraram significativamente o desempenho anti-facada das fibras de Kevlar JSP 706. Ao ajustar os tipos e espessuras de resina, foram obtidos tecidos com propriedades anti-facadas variadas.

Liu Yulong combinou nanopartículas SiO₂ com resina Surlyn para modificação composta de fibras de aramida. Em um conteúdo de resina de 33%em peso, foram necessárias 36 camadas para suportar 24 J de energia, enquanto apenas 30 camadas eram necessárias em um teor de resina de 44%em peso. Kim H et al. observaram que o polietileno de baixa densidade (LDPE) aumentou o processo anti-penetração dos tecidos Kevlar de maneira mais eficaz que a resina epóxi, embora o desempenho do LDPE tenha sido limitado aos estágios iniciais da penetração.

O método de empilhamento de resina e tecidos aramid também influencia o desempenho. Por exemplo, Chen Li e Wang Botao aplicaram o poliuretano a tecidos de tecelagem simples de aramida usando o revestimento úmido, revestimento de transferência e métodos de revestimento direto a seco. Entre eles, o método de revestimento de transferência forneceu o melhor desempenho anti-facada.

3.4 Modificação composta de fibra

A mistura de fibras de aramida com outras fibras usando técnicas de fios de núcleo é outro método para produzir materiais anti-facadas flexíveis de alto desempenho. Por exemplo, Tien DT et al. estudaram tecidos feitos a partir de fios de núcleo de aramid-carton com diferentes densidades de superfície. Quando a razão de peso de aramida para algodão foi de 1: 2,5, e as densidades de urdidura e trama foram de 16,4 fios/cm e 8,4 fios/cm, respectivamente, os materiais demonstraram excelente desgaste e melhor desempenho anti-facadas.

O número e o arranjo das camadas de fibra também afetam o desempenho. Du Lingling et al. investigou a influência de empilhamento de camadas nas propriedades anti-facadas dos tecidos feitos de fios básicos de aramid e filamentos de aço inoxidável. Eles descobriram que aumentar o número de camadas melhorou a resistência à faca.

Conclusão

Atualmente, tecidos tecidos, tricotados, não tecidos e unidirecionais feitos de fibras de aramida são usados ​​para produzir materiais anti-facadas flexíveis. Métodos de modificação, como compósitos de resina, revestimentos de superfície e impregnação de STF, aumentam o desempenho de produtos têxteis de alto desempenho, impulsionando os avanços em materiais anti-facadas flexíveis de aramida. No entanto, altos custos e conforto reduzido devido a certos métodos de acabamento continuam sendo desafios.

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