硅橡胶制品喷霜的原因及预防措施
配合剂从橡胶制品中喷出的现象,是橡胶制品生产中经常碰到的问题。最近有一本书在谈到这个问题的时候,将硫化体系配合剂的喷出、喷蜡、喷油、喷粉、发白等都统称为喷霜,这是非常不科学的,有时还可能将人引入岐途。如硫化配合的喷出、喷粉、氧化发白、以及由喷油或低沸点,物质蒸发引起的发白,从外观上看都是硫化橡胶表面有一层?白色的粉未,如将几种发白的现象都误判为硫化配合剂的喷出(即喷霜)。虽反复对硫化体系进行修改,发白的现象却可能得到解决。因为上述四种的发白现象中,表面白色的粉未并不都是硫化配合剂,且其发白的条件和方式亦不相同。
本文主张根据橡胶制品表面状况的变化及产生的原因,喷出物的成份分析,将配合剂从制品中喷出的现象分为:喷霜(专指硫化体系配合剂的喷出,以下同)、喷蜡、喷油、喷粉氧化发白、发兰和虹色喷霜等。详细的分类可以使我们可以从多个角度了解配合剂从橡胶制品中喷出的现象,以便对配合剂的喷出提出对症下药的解决方法。本文的阐述如有不当之处,请同行们予以指正。
一、喷霜
在各种橡胶杂配件和鞋材的生产中,为了提高生产效率,降低生产成本,橡胶配方中往往都加入了较多的硫黄、促进剂,如果各种配合剂配合不当或生产上稍不注意,就会出现喷霜现象。
1、喷霜产生的原因
(1)加入的硫黄、促进剂(某一种或总量的用量过高)。
(2)混炼时加入硫黄、促进剂的胶料温度高,混炼不均匀,造成硫黄、促进剂局部浓度过高。
(3)硫化时间不足或欠硫。
(4)整体配方配合不合理。
(5)因防老剂用量过高(多为对苯二胺类),防老剂的喷出带动残留的硫黄和促进剂喷出。
2、解决喷霜问题的辨证思维
所谓解决喷霜问题?的辨证思维,就是先找出胶料和硫化橡胶喷霜的原因,根据不同的原因给出不同的解决方法。
第一种情况的出现,主要是对各种橡胶(包括硫化橡胶)和各种硫化配合剂的相容性认识不足。首先,应该注意到各种橡胶和硫化配合剂的极性不同,同一种促进剂在不同橡胶?中的溶解度不同;不同的促进剂在同一种橡胶中的溶解度也有很大的差异。例如:TMTD、TMTM?在BR、IIR、EPDM中的溶解度很小,用量稍大即可能出现喷霜;但在NBR中(特别是高丙烯腈含量的NBR)即使用量大一点,也不会出现喷霜的危险。取代基为乙基的EZ、TETD在BR、IIR、EPDM中的用量可以比TMTD和TMTM大一点。而取代基为二丁基的BZ用量再大一点也不会出现喷霜的危险。其次,还没有引起人们足够注意的是,目前资料给出的硫黄、促进剂在橡胶中的溶解度基本上是指生胶,温度也不是在常温。硫化橡胶的组成和结构以及分子链的活动性与生胶存在很大的差异。表1是摘自邓本诚等编的《橡胶并用与橡塑共混技术——性能、工艺与配方》一书。由表1的数字可以看出,硫化配合剂在生胶中的溶解度与实际硫化橡胶中的硫化配合剂喷出的用量存在极大的差异。因此,硫化配合剂在生胶中的溶解度只是硫化橡胶喷霜的影响因素之一,而不是全部。因为橡胶和橡胶配方的千差万别,尚不能测定所有硫化橡胶中各种硫化配合剂的确切溶解度。只有通过试验确定硫化配合剂的合理用量和配合。再其次是在活性剂和其他配合剂存在下(包括不同促进剂的组合),硫化配合剂和橡胶的反应性,易于与橡胶反应的促进剂则不会喷出。第四点是残留的硫化配合剂在硫化橡胶中的存在形态(下一段会涉及)。
第二种情况并不是硫化体系中某种配合剂浓度过高或总体浓度过高造成的,而是因为局部浓度过高造成的。这种情况下多是混炼胶停放时已发白,连续的生产过程中也会出现硫化橡胶发白。这种情况的解决办法是降低混炼胶的温度后才开始加人硫黄、促进剂,并混炼均匀;或加料时要均匀地加入,不要一次性倒进去。有条件的可在混炼胶停放再进行翻炼。不必对配方进行修改?。
在较高的硫黄、促进剂配合的情况下,欠硫时使硫化橡胶中残留的游离硫黄、促进剂以及促进剂的产物较多。某些促进剂的分应产物分子量变小,极性增加,可能成为诱导喷霜的主要原因。充分硫化的硫化橡胶中,硫黄和促进剂与橡胶反应形成交联键和悬挂物,游离极性物质减少,喷霜的危险性大大减少。
整体配方的合理配合解决硫化橡胶喷霜的问题,目前尚未看到详细的研究报告和专题综述。我想这个问题至少可以包括?以下几个方面:一是硫化活性剂的作用,如氧化锌、硬脂酸和硬脂酸锌等,可以加快硫黄和促进剂与橡胶的反应,减少游离硫黄和促进剂的量。二是适当的促进剂组合,使其能互相活化,特别注意选择与橡胶反应性强的促进剂为主促进剂。填充补强剂的酸碱性也是影响硫化速度的重要因素,特别是酸性填料要加入适当的活化剂。三是增溶作用,当配方中加入某些增塑剂(如古马隆树脂、酚醛树脂等)或均匀剂(烷烃和芳烃树脂的混合物或芳烃和烷烃的共聚树脂)时,这些树脂分子量较大,不易在橡胶里发生迁移现象,具树脂分子链上带有一些极性和非极性的基团,与橡胶有很好的相容性,也与极性的促进剂或促进剂分解产物有很好的相容性,起到了增溶的作用。四是加入某些表面活性剂或具有络合作用的配合剂,改变了残留促进剂及其分解产物在橡胶里的存在状态,使得这些残留物不易喷出硫化硫化橡胶表面。五是加人的补强填充剂对小分子具有吸附作用,如炭黑、陶土等。某些填充剂对小分子的迁移具有阻隔作用,迟缓了这小分子的迁移速度,使其在相当长的时间内不会喷出硫化橡胶表面。如陶土、滑石粉等片状填料即具有这种阻隔作用。
其他配合剂配合不当引起的喷霜,只要适当减少该种配合剂的量即可。如前面提到的胺类促进剂用量多的配合不当。
二、喷蜡
喷蜡是泛指如硬脂酸、石蜡、聚乙二醇(PEG)等以蜡状方式喷出硫化橡胶表面。硬脂酸、石蜡用量过多往往容易喷出硫化橡胶表面已为大家所熟知,而PEG的喷出仍是困扰不少厂家的大问题。比较多的鞋材厂使用的补强剂主要是白炭黑,根据试验必须加入白炭黑量的10%~12%的PEG作为活化剂,才能获得与填充炭黑的胶料相同的硫化速度。因此,常见以白炭黑为主要填料的鞋材出现喷蜡现象,特别是以BR为主要生胶印透明鞋材更为严重。但如PEG的用量减少又会出现硫化不熟而喷霜的问题。如果将PEG用量降至白炭黑用量的5%~6%,并注意硬脂酸和石蜡的用量,喷蜡的现象便会得到解决。为解决硫化速度的问题,可以加人适量的胺类活化剂或适量的Si-69偶联剂。亦可适当增加氧化锌(或透明氧化锌)的用量,调整促进剂的组合,如加入少量的促进剂D或次磺酰胺类促进剂。
三、喷粉
喷粉亦称作喷白,其主要的喷出物是加入的轻质碳酸钙和偏碱性的沉淀白炭黑(pH值大约为6.5~7,而正常的沉淀白炭黑pH值应为4~5)。这类填料含水量较高,在潮湿的天气时含水量会更大。在较高的硫化温度时,这些填料会随着水份的蒸发而溶出硫化橡胶的表面,或随后会沿着水份蒸发而形成的毛细管通道出表面,水份蒸发以后便留下白色的粉未。要解决喷粉的问题,首先是不要使用偏碱性的沉淀白炭黑,在潮湿的天气要注意填料的防潮。如果是使用密炼机混炼的话,提高混炼胶的排胶温度,可以使大部份的水在混炼时蒸发掉;如果是使用开炼机混炼的话,受潮的填料最好烘干以后再使用。要鉴别硫化橡胶表面究竟是喷霜还是喷粉,第一步是检视配方,看哪种喷出的可能性更大,第二是用火烧,如果表面的粉未会熔化或烧焦便是喷霜;如果火烧后表面的粉未的形态和颜色没有变化,便是喷粉了。
四、发白或露白
填充大量白色填料的合成橡胶硫化橡胶,在臭氧、紫外光或光氧的老化作用下,表面会出现白色并易脱落的粉末,这情况称为发白或露白。这种情况在塑料和涂料行业称为粉化。这是因为覆盖在白色填料表面的橡胶分子因氧化断链,而失去了对粉料的覆盖作用,使粉料显露了出来。为防止这种发白现象的过早发生,可以在胶料中加入适量的防老剂、石蜡和紫外线吸收剂,钛白粉亦可遮挡和吸收光线,迟缓发白现象的产生。但在光氧老化的初期亦可能出现喷霜现象,并且可转化为红色喷霜。
五、油和低沸点挥发物的喷出
喷油可由如下三方面原因造成,一是增塑剂与橡胶的相溶性差,用量稍多即会喷出,如DOA、DOS在高丙烯腈含量的丁腈橡胶中。少量的硅油亦会从橡胶中喷出,最近还发现某些供应商的Si-69偶联剂也会喷出。另一个原因是增塑剂(或软化剂)中含有低沸点成份(如白矿油),这部份油在脱模后即会蒸发出来,然后在硫化橡胶表面冷凝;另一种低沸点的成分,可能是高温硫化时所产生的分解物。第三种情况是硫化温度过高或硫化过程中失压而造成,这种情况在开模时即可看到,光面的胶片尤其明显。
油和低沸点物喷出(或蒸发)的结果,可能还会造成喷霜的现象,这是溶于油中的促进剂被一齐带出、或硫黄升华的结果。这时会出现两种情况:如果被刚出模的胶片覆盖的底片是热的话,则未被覆盖的底片边缘发白;如果被覆盖的底片是冷的话,则被覆盖部分发白。这是低沸点蒸发物冷凝造成。
六、虹色喷霜和发兰
橡胶制品经高温和光照后,表面会出现**、红色和兰色或黄铜色,这种现象通常称为虹色喷霜。以炭黑补强的硫化橡胶有时也会出现兰色光,被称为发兰。
硫化橡胶表面出现彩色的现象,其色调取决天彩色光源的光谱组成以及物体表面对各种可见光波长的反射比例?。表2列出了光的波长范围与光的颜色关系,当波长在两个相邻颜色的过渡区域变动时,可以看到一系列的中间色,例如红、橙两色的中间色有红光橙、橙光红等等。
有机物结构中的>C=C<、>c=o、-N=N-、-NO2基团能被紫外或可见光波长范围内的辐射所激发,从面在可见光范围内产生吸收带,这些原子团被称为发色团。而当一个发色团的共轭体系中含有象-NH2、-OH、-OR、-SH、-Cl、-Br、-I等给电子基团时,这些基团称之为助色团。橡胶和配合剂中的炭黑、促进剂、防老剂、增塑剂等可能含有以上的带些基团,或在受热和光照后生成其中的某些基团。硫化橡胶表面的虹色喷霜,与其表面物质的化学组成和结构有关。
有人曾经对EPDM硫化橡胶的虹色喷霜现象进行了分析研究,未经光照的EPDM样品是黑色的,没有任何喷霜的痕迹,即不发白也不出现彩色的虹色喷霜现象?该样品经阳光照射后则有明显的颜色变化,其颜色接近于黄铜色。对两个样品进行了表面清洗——红外光谱分析、热解吸——气相气谱/质谱分析和表面的次级离子质谱分析。研究结果表明:受过阳光照射的样品表面含有更多的未反应的硫化促进剂残留物,该残留物含有硫、氧、氮。虹色喷霜可能是由于橡胶中的增塑剂(或软化剂)载着那些化学物质缓慢地向制品表面迁移(或是?自行迁移),在光和热的作用下,发生氧化反应引起的颜色变化。进一步的研究发现,这种虹色喷霜与促进剂的种类及用量有关(光喷霜后变色)。
由表3可知,在三元乙丙橡胶中,不同的促进剂及不同的用量,是喷霜及变色程度不一样,不同的促进剂的颜色变化也不一样。因此,任何防止促进剂、防老剂等极性物质喷出,以及能防止喷出物光氧化作用的措施,都可以避免虹色喷霜现象的发生。如选用合适的促进剂种类和防老剂种类及用量,合理的促进剂和活性剂配合(提高硫化反应的速度和反应程度),加入造量的石蜡(或微晶蜡)以隔绝氧和臭氧的作用,加入紫外光吸收剂、光的屏障剂等,以减弱或消除光对氧化反应的激发作用等等。减少或不用某些可以引起变色的增塑剂,如古马隆树脂、高芳油、松焦油等。加大硫化橡胶的硫化程度,以减少残留的促进剂量。对于三元乙丙橡胶最好选用二烯含量高的牌号,因其硫化速度较快,促进剂消耗量大,使残留物向制品表面迁移减少,为易发生虹色喷雾;高乙烯含量的EPDM会产生结晶,对软化剂的吸收作用有限,过量的软化剂会与促进剂的残留物一起渗出表面。引进虹色喷霜的发生。
黑色的硫化橡胶发兰,有时是由于反射兰光的喷出物引起的,但是在很多情况下是由于炭黑引起的,特别是填充了较大量的导电炭黑和小粒径的炭黑(如N220、N330)时。如果改用粒径较大的炭黑(如N550、N660、N774等),硫化橡胶发兰光的现象就可以消除。如果必须选用导电炭黑和小粒径炭黑的情况下,掺用部分粒径较大的沉淀白炭黑(消光剂)或陶土、钛白粉(遮盖作用)等,亦可使兰光消除或减弱。
防弹衣不用橡胶制作。
防弹衣(Bulletproof Vest),又叫避弹衣、避弹背心、防弹背心、避弹服、单兵护体装具等,用于防护弹头或弹片对人体的伤害。防弹衣主要由衣套和防弹层两部分组成。衣套常用化纤织品制作,防弹层是用金属(特种钢)、陶瓷片(刚玉、氧化铝)、玻璃钢、尼龙(PA)、凯夫拉(KEVLAR)、超高分子量聚乙烯纤维(DOYENTRonTEX Fiber)、液体防护材料等材料,构成单一或复合型防护结构。防弹层可吸收弹头或弹片的动能,对低速弹头或弹片有明显的防护效果,在控制一定的凹陷情况下可减轻对人体胸、腹部的伤害。防弹衣包括步兵防弹衣、飞行人员防弹衣和炮兵防弹衣等。按照外观还可分为防弹背心、全防护防弹衣、女士防弹衣等。由于其特殊的使用环境,防弹衣也要考虑到与其他武器装备的适配性。
基本介绍:
防弹衣是指“能吸收和耗散弹头、破片动能,阻止穿透,有效保护人体受防护部位的一种服装”。从使用看,防弹衣可分警用型和军用型两种。从材料看,防弹衣可分为软体、硬体和软硬复合体三种。软体防弹衣的材料主要以高性能纺织纤维的复合材料无纬布为主,这些高性能纤维远高于一般材料的能量吸收能力,赋予防弹衣防弹功能,并且由于这种防弹衣一般采用纺织品的结构,因而又具有相当的柔软性,称为软体防弹衣。硬体防弹衣则是以特种钢板、超强铝合金等金属材料或者氧化铝、碳化硅等硬质非金属材料为主体防弹材料,由此制成的防弹衣一般不具备柔软性,以插板形式为主。软硬复合式防弹衣的柔软性介于上述两种类型之,它以软质材料为内衬,以硬质材料作为面板和增强材料,是一种复合型防弹衣。
作为一种防护用品,防弹衣首先应具备的核心性能是防弹性能。同时作为一种功能性服装,它还应具备一定的衣服用性能。
发展历程:
作为一种重要的个人防护装备,防弹衣经历了由金属装甲防护板向非金属合成材料的过渡,又由单纯合成材料向合成材料与金属装甲板、陶瓷护片等复合系统发展的过程。人体装甲的雏形可追溯至远古,原始民族为防止身体被伤害,曾用天然纤维编织带作为护胸的材料。武器的发展迫使人体装甲必须有相应的进步。
早在19世纪末期,用在日本中世纪的铠甲上的真丝也用在了美国生产的防弹衣上。1901年,威廉?麦肯雷总统被暗杀事件发生后,防弹衣引起了美国国会的瞩目。尽管这种防弹衣可防住低速的手枪子弹(弹速为122米/秒),但无法防住步枪子弹。于是,在第一次世界大战中,出现了以天然纤维织物为服装衬里,配以钢板制成的防弹衣。厚实的丝绸服装也一度曾是防弹衣的主要组成部分。但是,真丝在战壕中变质较快,这一缺陷加上防弹能力有限和真丝的高额成本,使真丝防弹衣在第一次世界大战中受到了美国军械部的冷落,未能普及。在第二次世界大战中,弹片的杀伤力增加了80%,而伤员中70%因躯干受伤而死亡。各参战国,尤其是英、美两国开始不遗余力地研制防弹衣。1942年10月,英军首先研制成功了由三块高锰钢板组成的防弹背心。
而在1943年度,美国试制和正式采用的防弹衣就有23种之多。这一时期的防弹衣以特种钢为主要防弹材料。1945年6月,美军研制成功铝合金与高强尼龙组合的防弹背心,型号为M12步兵防弹衣。其中的尼龙66(学名聚酰胺66纤维)是当时发明不久的合成纤维,它的断裂强度(gf/d:克力/旦)为5.9~9.5,初始模量(gf/d)为21~58,比重为1.14克/(厘米)3,其强度几乎是棉纤维的二倍。朝鲜战争中,美陆军装备了由12层防弹尼龙制成的T52型全尼龙防弹衣,而海军陆战队装备的则是M1951型硬质“多隆”玻璃钢防弹背心,其重量在2.7~3.6千克之间。以尼龙为原料的防弹衣能为士兵提供一定程度的保护,但体积较大,重量也高达6千克。70年代初,一种具有超高强度、超高模量、耐高温的合成纤维——凯夫拉(Kevlar)由美国杜邦(DuPont)公司研制成功,并很快在防弹领域得到了应用。
这种高性能纤维的出现使柔软的纺织物防弹衣性能大为提高,同时也在很大程度上改善了防弹衣的舒适性。美军率先使用Kevlar制作防弹衣,并研制了轻重两种型号。新防弹衣以Kevlar纤维织物为主体材料,以防弹尼龙布作封套。其中轻型防弹衣由6层Kevlar织物构成,中号重量为3.83千克。随着Kevlar商业化的实现,Kevlar优良的综合性能使其很快在各国军队的防弹衣中得到了广泛的应用。Kevlar的成功以及后来的特沃纶(Twaron)、斯派克特(Spectra)的出现及其在防弹衣的应用,使以高性能纺织纤维为特征的软体防弹衣逐渐盛行,其应用范围已不限于军界,而逐渐扩展到警界和政界。然而,对于高速枪弹,尤其是步枪发射的子弹,纯粹的软体防弹衣仍是难以胜任的。为此,人们又研制出了软硬复合式防弹衣,以纤维复合材料作为增强面板或插板,以提高整体防弹衣的防弹能力。综上所述,近代防弹衣发展至今已出现了三代:第一代为硬体防弹衣,主要用特种钢、铝合金等金属作防弹材料。这类防弹衣的特点是:服装厚重,通常约有20千克,穿着不舒适,对人体活动限制较大,具有一定的防弹性能,但易产生二次破片。第二代防弹衣为软体防弹衣,通常由多层Kevlar等高性能纤维织物制成。其重量轻,通常仅为2~3千克,且质地较为柔软,适体性好,穿着也较为舒适,内穿时具有较好的隐蔽性,尤其适合警察及保安人员或政界要员的日常穿用。在防弹能力上,一般能防住5米以外手枪射出的子弹,不会产生二次弹片,但被子弹击中后变形较大,可引起一定的非贯穿损伤。
另外对于步枪或机枪射出的子弹,一般厚度的软体防弹衣难以抵御。第三代防弹衣是一种复合式的防弹衣。通常以轻质陶瓷片为外层,Kevlar等高性能纤维织物作为内层,是防弹衣主要的发展方向。印度MKU公司最新研制出的新型防弹衣(Instavest),号称是目前世界上穿、脱速度最快的防弹衣。这款防弹衣的最大亮点就是能迅速穿上和脱下。它专门设计有快速拉环,只要拉动此环,整件防弹衣就能轻松脱下。据介绍,脱下该防弹衣只需1秒钟时间,穿上这款防弹衣则需要45秒。
防弹性能:
防弹衣的防弹性能主要体现在以下三个方面:(1)防手枪和步枪子弹:许多软体防弹衣都可防住手枪子弹,但要防住步枪子弹或更高能量的子弹,则需采用陶瓷或钢制的增强板。(2)防弹片各种爆炸物如炸弹、地雷、炮弹和手榴弹等爆炸产生的高速破片是战场上的主要威胁之一。据调查,一个战场中的士兵所面临的威胁大小顺序是:弹片、枪弹、爆炸冲击波和热。所以,要十分强调防弹片的功能。(3)防非贯穿性损伤子弹在击中目标后会产生极大的冲击力,这种冲击力作用于人体所生产的伤害常常是致命的。这种伤害不呈现出贯穿性,但会造成内伤,重者危及生命。所以防止非贯穿性损伤也是体现和检验防弹衣防弹性能的一个重要方面。
服用性能:
防弹衣的服用性能要求一方面是指在不影响防弹能力的前提下,防弹衣应尽可能轻便舒适,人在穿着后仍能较为灵活地完成各种动作。另一方面是服装对“服装-人体”系统的微气候环境的调节能力。对于防弹衣而言,则是希望人体穿着防弹衣后,仍能维持“人-衣”基本的热湿交换状态,尽可能避免防弹衣内表面湿气的积蓄而给人体造成闷热潮湿等不舒适感,减少体能的消耗。此外,由于其特殊的使用环境,防弹衣也要考虑到与其他武器装备的适配性。
防弹原理:
美军当年在朝鲜战场上,由于装备了M52型尼龙防弹衣,挡住了当时 70%的直接命中的杀伤物,使胸、腹部的致死率降低65%,使总的减员率降低15 %。
据报道,1983年,一次5名美国海军陆战队员在贝鲁特街头巡逻时,突然遭到一枚手榴弹的袭击,由于当时他们都穿着“凯夫拉”防弹衣,手榴弹在他们附近爆炸,居然没有造成死亡和重伤,只有上、下肢轻伤。
以上统计和报道有力地证明了防弹衣的防护作用和防护效能。那么,防弹衣防弹的奥秘是什么呢? “硬铠甲”怎样防子弹?
70年代初后使用的如金属、防弹陶瓷、高性能复合材料板及非金属与金属或陶瓷的复合材料板等硬质材料防弹衣,其防弹机理主要是在受弹击时材料发生破碎、裂纹、冲塞以及多层复合板出现分层等现象,从而吸收射击弹大量的冲击能。当材料的硬度超过射击物的冲击能时,即可发生射击弹弹回现象而不贯穿。“软装甲”怎样防子弹?
若防弹衣采用高性能纤维如防弹尼龙、芳纶纤维、基纶纤维等软质材料时,其防弹机理主要是射击弹对纤维进行拉伸和剪切,同时,纤维将冲击能向冲击点以外的区域进行传播,能量被吸收掉而将破片或弹头裹在防弹层里。
试验表明,软质防弹衣有5种吸收能量的方式:⒈织物的拉伸变形:系指子弹入射方向的变形和入射点临近区域的拉伸变形;⒉织物的毁坏:包括纤维的原纤化、纤维的断裂、纱线结构的结体以及织物结构的解体;⒊热能:子弹的能量通过摩擦以热能方式散发;⒋声能:子弹撞击防弹层后发出的声音所消耗的能量; ⒌弹体的形变。复合“装甲”怎样防子弹?
应当指出的是,这种被称为“软装甲”的软质防弹衣无法阻止具有足够能量或较重的直射弹丸侵入人体,因此有必要附加坚硬的插板、陶瓷板或复合板,即软、硬质材料结合,将两种防护机理集成在一起,才能起到对人体的保护作用从而达到防弹的目的。这种软硬复合式防弹衣的防弹机理是这样的:当子弹击中防弹衣时,首先与防弹衣中第一道防线的防弹钢板或增强陶瓷板或复合板接触,在这接触的瞬间,子弹和硬质防弹材料都可能产生形变和断裂,于是,消耗了子弹大部分能量。而软质防弹材料作为第二道防线,吸收并扩散子弹剩余部分的能量,并起到缓冲作用,从而阻止并降低了贯穿性损伤。防弹衣怎么防弹片?
由于手榴弹、炸弹爆炸时产生的破片和弹片形状不规则,边缘锋利、体积小、质量轻,在击中防弹材料后特别是软体防弹材料后不变形,且量大密集,这时破片切割、拉伸防弹织物的纤维并使其断裂;破片也使织物内部纤维之间和织物不同层面之间相互作用,造成织物整体形变,在破片破坏防弹衣时,就消耗了自身的能量。同时,破片也有一小部分能量通过摩擦转化为热能,通过撞击转化为声能。于是防弹衣就阻止了手榴弹和炸弹的破片对胸腹部乃至颈部(高领防弹衣)的伤害。
设计机理:
防弹衣的防弹机理从根本说有两个:一是将弹体碎裂后形成的破片弹开;二是通过防弹材料消释弹头的动能。美国在二三十年代研制出的首批防弹衣是靠连在结实衣服内的搭接钢板提供防护的。这种防弹衣以及后来类似的硬体防弹衣即是通过弹开弹头或弹片,或者使子弹碎裂以消耗分解其能量而起到防弹作用的。以高性能纤维为主要防弹材料的软体防弹衣,其防弹机理则以后者为主,即利用以高强纤维为原料的织物“抓住”子弹或弹片来达到防弹的目的。
研究表明,软体防弹背心吸收能量的方式有以下五种:(1)织物的变形:包括子弹入射方向的变形和入射点临近区域的拉伸变形;(2)织物的破坏:包括纤维的原纤化、纤维的断裂、纱线结构的解体以及织物结构的解体;(3)热能:能量通过摩擦以热能的方式散发;(4)声能:子弹撞击防弹层后发出的声音所消耗的能量;(5)弹体的变形。为提高防弹能力而发展起来的软硬复合式防弹衣,其防弹机理可以用“软硬兼施”来概括。子弹击中防弹衣时,首先与之发生作用的是硬质防弹材料如钢板或增强陶瓷材料等。在这一瞬间的接触过程中,子弹和硬质防弹材料都有可能发生形变或断裂,消耗了子弹的大部分能量。高强纤维织物作为防弹衣的衬垫和第二道防线,吸收、扩散子弹剩余部分的能量,并起到缓冲的作用,从而尽可能地降低了非贯穿性损伤。在这两次防弹过程中,前一次发挥着主要的能量吸收作用,大大降低了射体的侵彻力,是防弹的关键所在。影响防弹衣防弹效能的因素可从发生相互作用的射体(子弹或弹片)和防弹材料两个方面考虑。就射体而言,它的动能、形状和材料是决定其侵彻力的重要因素。普通弹头,尤其是铅芯或普通钢芯弹在接触防弹材料后会发生变形。在这一过程中,子弹被消耗了相当一部分动能,从而有效地降低了子弹的穿透力,是子弹能量吸收机理的一个重要方面。而对于炸弹、手榴弹等爆炸时产生的弹片或子弹形成的二次破片来说,情形就显著不同了。这些弹片的形状不规则,边缘锋利,质量轻,体积小,在击中防弹材料尤其是软体防弹材料后不变形。一般说来,这类碎片的速度也不高,但是量大而密集。软体防弹衣对这类碎片能量吸收的关键在于:破片切割、拉伸防弹织物的纱线并使其断裂,且使织物内部纱线之间和织物不同层面之间的相互作用,造成织物整体形变,在上述这些过程中碎片对外做功,从而消耗自身的能量。
在上述两种类型的身体能量吸收过程中,也有一小部分的能量通过摩擦(纤维/纤维、纤维/子弹)转化为热能,通过撞击转化为声能。在防弹材料方面,为了满足防弹衣要最大程度地吸收子弹及其他射体动能的要求,防弹材料必须具有强度高、韧性好、吸能能力强的性能。用于防弹衣上,尤其是软体防弹衣上的材料都以高性能纤维为主。这些高性能纤维以高强和高模为重要特征。一些高性能纤维如碳纤维或硼纤维等,虽具有很高的强度,但由于柔韧性不佳,断裂功小,难以纺织加工,以及价格高等原因,基本上不适用于人体防弹衣。具体说来,对防弹织物而言,其防弹作用主要取决于以下方面:纤维的拉伸强力、纤维的断裂伸长和断裂功、纤维的模量、纤维的取向度和应力波传递速度、纤维的细度、纤维的集合方式,单位面积的纤维重量,纱线的结构和表面特征,织物的组织结构,纤维网层的厚度,网层或织物层的层数等。用于抗冲击的纤维材料,其性能取决于纤维的断裂能及应力波传递的速度。应力波要求尽快扩散,而纤维在高速冲击下的断裂能应尽可能提高。材料的拉伸断裂功是材料抵抗外力破坏所具有的能量,它是一个与拉伸强力和伸长变形相关的函数。
因此,从理论上说,拉伸强力越高,伸长变形能力也较强的材料,其吸收能量的潜力也越大。但在实践中,用于防弹衣的材料不允许有过大的变形,所以用于防弹衣的纤维必然同时具有较高的抵抗变形的能力,即高模量。纱线的结构对防弹能力的影响是源于不同的纱线织物会造成单纤强力利用率和纱线整体伸长变形能力的差异。纱线的断裂过程首先取决于纤维的断裂过程,但由于它是一个集合体,因此在断裂机理上又有很大的差别。纤维的细度细,则在纱中的相互抱合较为紧贴,同时受力也较为均匀,因而提高了成纱的强度。除此之外,纱线中纤维排列的伸直平行度、内外层转移次数、纱线捻度等都对纱线的机械性能尤其是拉伸强力、断裂伸长等有重要的影响。另外,由于受弹击过程中会产生纱线与纱线、纱线与弹体的相互作用,纱线的表面特征会对以上两种作用产生或加强或削弱的效果。纱线表面油剂、水分的存在会降低子弹或弹片穿透材料的阻力,因此人们往往要对材料施行清洗和干燥等处理,并寻求提高穿透阻力的办法。具有高拉伸强力和高模量的合成纤维通常是高度取向的,所以纤维表面光滑、摩擦系数低。这些纤维用在防弹织物中时,受弹击后纤维间传递能量的能力差,应力波不能迅速扩散,由此也降低了织物阻击子弹的能力。普通的提高表面摩擦系数的方法如起绒、电晕整理等却会降低纤维的强力,而采用织物涂层的方法则易造成纤维与纤维之间的“焊接”,结果使子弹冲击波在纱线横向发生反射,使纤维过早断裂。为了解决这一矛盾,人们想出了各种各样的方法。美国联合信号(AlliedSignal)公司向市场推出一种空气缠绕处理纤维,通过使纤维在纱线内部相互纠缠,从而增加子弹与纤维的接触。
在美国专利5035111中推出了一种通过使用皮芯结构纤维提高纱线摩擦系数的方法。这种纤维的“芯”为高强纤维,“皮”则采用了一种强力稍低而具有较高摩擦系数的纤维,后者所占的比重为5%~25%。美国另一专利5255241所发明的方法与此相似,它是在高强纤维的表面涂覆一层薄薄的高摩擦系数聚合物,以提高织物抗金属物穿透的能力。这一发明强调了涂层聚合物与高强纤维表面应有较强的粘附力,否则在受弹击时剥落的涂层材料反而会在纤维之间起固体润滑剂的作用,从而降低纤维表面摩擦系数。除了纤维性质、纱线特征之外,影响防弹衣防弹能力的重要因素还有织物的组织结构。用于软件防弹衣上的织物结构类型包括针织物、机织物、无纬布,针刺非织造毡等。针织物具有较高的延伸率,因而有利于提高服用舒适性。但这种高延伸率用于抗冲击会产生很大的非贯穿性损伤。另外,由于针织物具有各向异性的特征,导致了在不同方向上具有不同程度的抗冲击性。所以,尽管针织物在生产成本和生产效率方面具有优势,但它一般只适用于制造防刺手套、击剑服等,而不能完全用于防弹衣上。在防弹衣中应用较为广泛的是机织物、无纬布和针刺非织造毡。这三类织物由于其结构不同,各自的防弹机理也不尽相同,弹道学还无法给予充分的解释。一般说来,子弹击中织物后,会在弹着点区域产生一个径向的振动波,并通过纱线高速扩散。当振动波到达纱线的交织点时,一部分波将沿着原先的纱线传到交织点的另一边,另一部分转移到与之交织的纱线内部,还有一部分沿着原先的纱线反射回去,形成反射波。
在上述三种织物中,机织物的交织点最多,受弹击后,子弹的动能可通过交织点上纱线的相互作用得以传递,从而使子弹或弹片的冲击力能在较大区域内吸收。但与此同时,交织点在无形中又起了固定端的作用。在固定末端所形成的反射波与原来的入射波会产生同向叠加,使纱线受到的拉伸作用大大增强,在超过其断裂强度后断裂。另外,一些小的弹片还有可能将机织物中的单根纱线推开,从而降低了弹片穿透阻力。在一定范围内,如果提高织物密度,可以减少上述情形出现的可能,并提高机织物的强度,但却会增强应力波反射叠加的负效应。从理论上讲,要获取最好的抗冲击性能是采用单向的、没有交织点的材料。这也正是“Shield”技术的出发点。“Shield”技术即“单向排列”技术,是美国联合信号公司于1988年推出并取得了专利的一种生产高性能非织造防弹复合材料的方法。这一专利技术的使用权也授予了荷兰DSM公司。运用这一技术制成的织物即为无纬布。无纬布是将纤维单向平行排列并用热塑性树脂粘结,同时将纤维进行层间交叉,并以热塑性树脂压制而成。子弹或弹片的大部分能量是通过使冲击点或冲击点附近的纤维伸长断裂而被吸收的。“Shield”织物可最大程度地保持纤维原有的强力,并迅速使能量分散到较大的范围上去,加工工序也较为简单。单层的无纬布叠合后可作为软体防弹衣的主干结构,多层压制则可成为用于防弹加强插板等硬质防弹材料。
如果说在上述两类织物中,大部分弹体能量是在冲击点或冲击点附近的纤维处,通过过度拉伸或刺穿使纤维断裂而被吸收的,那么对以针刺非织造毡为结构的织物的防弹机理则无法解释。因为实验已表明,在针刺非织造毡中几乎不发生纤维的断裂。针刺非织造毡由大量短纤构成,不存在交织点,几乎没有应变波的固定点反射。其防弹效果取决于子弹冲击能在毡中的扩散速度。人们观察到,在被弹片击中以后,在碎片模拟弹(FSP)的顶端有一卷纤维状物质。于是预测,弹体或弹片在弹击初始阶段即变钝,从而使其难以穿透织物。许多研究资料都指出,纤维的模量和毡的密度是影响整个织物防弹效果的主要因素。针刺非织造毡主要用于以防弹片为主的军用防弹衣中。
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