陳 虹，艾青松，方心靈，吳中偉

（1. 北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2. 北京航天雷特機(jī)電工程有限公司，北京 100074）

芳綸壓板無緯布纖維脫粘問題改進(jìn)研究

陳 虹1,2，艾青松1,2，方心靈1,2，吳中偉1,2

（1. 北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2. 北京航天雷特機(jī)電工程有限公司，北京 100074）

通過紅外測試及不同相對(duì)濕度下的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，確定了芳綸（對(duì)位芳綸）壓板無緯布纖維脫粘問題的影響因素。對(duì)樹脂進(jìn)行共混改性實(shí)驗(yàn)，改善了樹脂與纖維的界面相容性，增強(qiáng)了樹脂對(duì)纖維的粘接性能，并確定改性劑最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%；為改善樹脂對(duì)相對(duì)濕度的敏感性，對(duì)溶劑進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整；解決了織布過程中脫粘問題，提高了壓板無緯布產(chǎn)品的質(zhì)量。

芳綸；無緯布；纖維脫粘；改性

0 引言

芳綸壓板無緯布由芳綸與樹脂體系經(jīng)特殊復(fù)合工藝制成，經(jīng)后期層壓工藝，將多層壓板布層疊后熱壓成型，作為防彈材料使用[1]。但芳綸表面浸潤性較差，與樹脂的界面結(jié)合能較低，容易出現(xiàn)纖維脫粘現(xiàn)象，造成所制備的無緯布局部變形嚴(yán)重，纖維排列不均勻，纖維之間出現(xiàn)間隙，而這些縫隙將成為薄弱點(diǎn)，更容易發(fā)生斷裂行為。對(duì)于脫粘嚴(yán)重的情況，甚至有一根根芳綸絲束從基體中脫落出來，在芳綸壓板無緯布生產(chǎn)過程中出現(xiàn)散片問題。由于基體的作用是把纖維粘結(jié)成一個(gè)整體，保持纖維間的相對(duì)位置，使纖維能發(fā)揮協(xié)同作用[2]。散片現(xiàn)象產(chǎn)生后，纖維從基體里脫粘，無法發(fā)揮纖維協(xié)同作用，從而導(dǎo)致材料整體防護(hù)性能下降[3]。因此，需要對(duì)芳綸壓板無緯布的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，以解決散片問題，保證大規(guī)模生產(chǎn)工藝的可實(shí)施性與產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

1 工藝分析與性能測試

1.1 芳綸壓板無緯布制備工藝

芳綸壓板無緯布的制備工藝如下：由芳綸經(jīng)繞制機(jī)纏繞成型，芳綸卷裝放置在導(dǎo)向輥上，絲束經(jīng)樹脂上膠系統(tǒng)上膠后，通過展絲輥纏繞在附有聚乙烯薄膜的繞絲輥上。而展絲輥在軸向絲桿的帶動(dòng)下，沿繞絲輥軸向移動(dòng)。調(diào)節(jié)好繞絲輥速度和絲桿轉(zhuǎn)速后，上好膠的絲束便按一定的間距排列在繞絲輥上的聚乙烯薄膜上。當(dāng)展絲輥帶動(dòng)絲束從繞絲輥?zhàn)蠖搜剌S線移至右端后，展絲輥軸向絲桿停轉(zhuǎn)，同時(shí)繞絲輥由卷繞速度轉(zhuǎn)為以干燥速度運(yùn)轉(zhuǎn)，石英加熱管被接通電源并在氣缸推動(dòng)下靠近繞絲輥，壓絲輥則在氣缸推動(dòng)下壓在繞絲輥上，干燥工序開始。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，當(dāng)樹脂被烘干后，單片無緯布制備結(jié)束，將制得的預(yù)浸料沿纏繞輥母線割下，并將其旋轉(zhuǎn)90°后鋪在繞絲輥上，覆在其上進(jìn)行第二層制備，制得由兩層單向芳綸預(yù)浸料復(fù)合的無緯布。

實(shí)驗(yàn)從壓板無緯布制備過程中影響芳綸與樹脂浸潤粘接的界面相容性與環(huán)境濕度兩個(gè)因素對(duì)散片問題進(jìn)行分析，以找到芳綸脫粘現(xiàn)象產(chǎn)生的根源，并進(jìn)行工藝優(yōu)化與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

1.2 表面分析

粘接的擴(kuò)散理論認(rèn)為，在粘接高分子材料時(shí)，由于分子或鏈段的熱運(yùn)動(dòng)，樹脂分子或鏈段與被粘物的分子或鏈段相互擴(kuò)散，使粘合界面消失，形成一個(gè)過渡區(qū)，產(chǎn)生牢固的膠接接頭。而粘接界面的擴(kuò)散問題就是高分子的相溶性問題，必須選擇溶解度參數(shù)與被粘物相近的樹脂。李學(xué)鋒等人的研究也證明，對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由于纖維表面涂層影響樹脂對(duì)其表面的潤濕，未經(jīng)處理的纖維有較強(qiáng)極性，使其與非極性樹脂間界面潤濕性和粘結(jié)性變差，隨著時(shí)間推移會(huì)發(fā)生剝落[4]。

實(shí)驗(yàn)對(duì)芳綸表面油劑進(jìn)行了紅外分析，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，油劑含有羥基及羧基，因此油劑極性較大。而丙烯酸酯樹脂分子式中具有大量的甲基及支鏈，多為非極性基團(tuán)，與芳綸表面極性油劑相容性較差，導(dǎo)致該樹脂對(duì)芳綸的浸潤性較差，從而使芳綸表面未被樹脂完全包裹，粘接強(qiáng)度不足。

1.3 環(huán)境濕度分析

在不同濕度環(huán)境中進(jìn)行壓板無緯布制備對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示，當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境中相對(duì)濕度＞65%時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)不同程度的散片問題。

水性樹脂成膜固化機(jī)理一般有3 個(gè)物理過程：①水分蒸發(fā)和微粒排序，乳液粒子逐漸靠攏；②隨著水分進(jìn)一步揮發(fā)，乳膠粒子形成不可逆的相互接觸，發(fā)生粒子變形，達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)；③聚合物界面分子鏈相互擴(kuò)散、滲透和纏結(jié)，形成具有一定力學(xué)性能的膜。

此過程受環(huán)境濕度影響較大，經(jīng)查閱文獻(xiàn)表明，在水性樹脂干燥時(shí)相對(duì)濕度對(duì)其性能影響很大。當(dāng)濕度較大時(shí)，樹脂中水分難以快速揮發(fā)，導(dǎo)致乳液顆粒無法快速聚集和融合，樹脂無法快速固化，不易得到連續(xù)的涂膜層，而造成初粘強(qiáng)度急劇下降。

表1 不同相對(duì)濕度下芳綸壓板無緯布表觀質(zhì)量

因此，該壓板無緯布制備環(huán)境需保證在相對(duì)濕度＜70%。但是，在大規(guī)模生產(chǎn)中，控制環(huán)境濕度并不現(xiàn)實(shí)，因而需對(duì)該樹脂配方進(jìn)行調(diào)整，以提高粘接強(qiáng)度。

2 改進(jìn)與優(yōu)化

2.1 共混改性

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，問題根源在于樹脂粘接強(qiáng)度不足。將丙烯酸乳液與其他水性樹脂共混組成新的水性膠是常見的改性方法。其中最重要的是水性聚氨酯改性丙烯酸酯，稱為“第三代水性聚氨酯”，它結(jié)合了聚氨酯樹脂優(yōu)異的粘接強(qiáng)度與丙烯酸樹脂較好的耐水性及耐化學(xué)品等性能,使材料的綜合性能得到提高。

因此，研究通過加入適量的聚氨酯共混改性，通過調(diào)整樹脂配方組成來提高樹脂體系與芳綸的粘接強(qiáng)度。在相對(duì)濕度70%條件下， 分別配制6種不同配方進(jìn)行織布實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2結(jié)果可知，當(dāng)改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于26%時(shí)，隨著改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，制備過程散片情況逐步得到改善。說明加入改性劑確實(shí)提高了粘接強(qiáng)度。改性劑為聚氨酯樹脂及適量偶聯(lián)劑，其中偶聯(lián)劑作用為提高兩種成分的相容性。由于改性劑中聚氨酯分子鏈上存在較多的氨基甲酸酯基團(tuán)（-NHCOO-）或異氰酸酯基（-NCO）基團(tuán)，均為極性基團(tuán)，樹脂極性順序是：聚氨酯樹脂＞丙烯酸酯樹脂，而纖維表面油劑含有較多羥基及羧基，極性同樣較大，根據(jù)“相似相容原理”，極性越接近，相容性越好，加入改性劑后可保證纖維與樹脂具有較好的相容性，改善樹脂與纖維的界面作用力，提升粘接強(qiáng)度，且極性越大，相容性越好，因而在一定范圍內(nèi)，隨著改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，散片現(xiàn)象改善效果越好。

但是當(dāng)改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞26%時(shí)，極性過大，粘接力過大，會(huì)導(dǎo)致層與層之間粘結(jié)太牢，壓板無緯布整體脆性過大，已在生產(chǎn)中產(chǎn)生斷裂情況，增加生產(chǎn)工藝難度，且壓板無緯布表觀過硬，制備的新型無緯布難以滿足柔軟性要求。因此，改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)26%為最佳，不僅散片情況消除，制備工藝容易，且壓板無緯布手感柔軟，滿足事業(yè)部對(duì)無緯布產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

2.2 溶劑調(diào)整

當(dāng)相對(duì)濕度＞75%時(shí)，上述樹脂配方雖然對(duì)制備無緯布的品質(zhì)有較大提升，但仍有輕微的散絲現(xiàn)象，經(jīng)分析可知，水的蒸發(fā)潛熱高，干燥比較遲緩，在較大的濕度下，飽和蒸汽壓較低，樹脂中的水分未充分烘干，導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度不高；加熱干燥固化時(shí)，乳液粒子間不易得到連續(xù)的涂膜層。通常的辦法是加入少量的低沸點(diǎn)溶劑如丙酮、甲苯等烷酮[5]。因此，為保證環(huán)境相對(duì)濕度＞75%的特殊情況下樹脂仍適用，實(shí)驗(yàn)對(duì)樹脂溶劑中揮發(fā)組分進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，提高樹脂中揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)使溶劑充分揮發(fā)，以提高成膜性能，從而提高無緯布的粘結(jié)強(qiáng)度，提升產(chǎn)品合格率。通過文獻(xiàn)調(diào)研及前期實(shí)驗(yàn)得出，向樹脂中添加少量易揮發(fā)組分如酒精、丙酮等可溶于水性樹脂的溶劑可提高樹脂的揮發(fā)速度，降低制成無緯布中的水分，從而提高粘結(jié)強(qiáng)度，提升產(chǎn)品的品質(zhì)。多次實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)添加丙酮的比例為5%時(shí)，可滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，工人織造無緯布的成品率明顯提升，提高了產(chǎn)品的品質(zhì)。將最終配方投入生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)膠帶粘接現(xiàn)象大大減少，制備過程中散片問題得到解決。

表2 改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)壓板無緯布制備工藝的影響

3 結(jié)論

通過一系列實(shí)驗(yàn)對(duì)比及紅外測試分析，確定了導(dǎo)致芳綸壓板無緯布纖維脫粘問題的原因。并從兩方面著手解決，一方面，對(duì)樹脂進(jìn)行共混改性實(shí)驗(yàn)，改善了樹脂與纖維的界面相容性，增強(qiáng)了樹脂對(duì)纖維的粘接性能，并確定了改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%；另一方面，對(duì)溶劑進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，使得樹脂在相對(duì)濕度＞75%環(huán)境下同樣適用；最終成功解決了散片問題，改進(jìn)了制備工藝，提升了芳綸壓板無緯布的產(chǎn)品質(zhì)量。

[1] 岳升彩. 新型紡織材料在軍事上的應(yīng)用-軟質(zhì)防彈衣[J].山東紡織經(jīng)濟(jì), 2007, (6): 78-80.

[2] 吳中偉, 呂攀珂. 熱固性樹脂對(duì)芳綸復(fù)合材料防彈性能的影響[J]. 中國個(gè)體防護(hù)裝備, 2012, (1): 18-20.

[3] 楊小兵. 芳綸無緯布的制備及其抗彈性能研究[J]. 高科技纖維與應(yīng)用, 2007, 32(3): 20-22.

[4] 李學(xué)鋒. 秸稈/聚合物復(fù)合材料界面相容性的研究進(jìn)展[J].化工新型材料, 2014, 42(7): 30-31.

[5] 文志紅. 水性聚氨酯膠粘劑[J]. 中國膠黏劑, 2003, 13(4): 55-58.

Study on the improvement of debonding problem of Aramid UD cloth

CHEN Hong1,2, AI Qing-song1,2, FANG Xin-ling1,2, WU Zhong-wei1,2
( 1. Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing 100074 China; 2. Beijing Aerospace Rate Mechanical & Electrical Engineering Co. Ltd., Beijing 100074 China )

The influences factors of debonding problem of aramid UD cloth were determined by FT-IR characterization and a series of comparative experiments under different humidity, Through blending modification of adhesive, the interfacial compatibility of the adhesive and the fiber was improved, the bonding strength was increased, and the best dosage of modifier is initially identified to be 26%. To improve its sensitivity to the humidity, solvent of the adhesive was corresponding adjusted. While the debonding problem was solved finally and the quality of UD cloth was improved.

para-aramid fiber ; UD cloth; debonding; modification

TB334

A

1007-9815（2016）06-0067-03

定稿日期: 2016-12-20

陳虹（1993-），女，陜西咸陽人，碩士研究生，主要從事高性能纖維及防彈防刺材料研究，(電子信箱)ch91634 8939@163.com。