陳 虹，艾青松，方心靈，吳中偉

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

通過紅外測試及不同相對濕度下的實驗對比，確定了芳綸（對位芳綸）壓板無緯布纖維脫粘問題的影響因素。對樹脂進行共混改性實驗，改善了樹脂與纖維的界面相容性，增強了樹脂對纖維的粘接性能，并確定改性劑最佳質(zhì)量分數(shù)為26%；為改善樹脂對相對濕度的敏感性，對溶劑進行了相應調(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，更容易發(fā)生斷裂行為。對于脫粘嚴重的情況，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成一個整體，保持纖維間的相對位置，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，從而導致材料整體防護性能下降[3]。因此，需要對芳綸壓板無緯布的制備工藝進行優(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)繞制機纏繞成型，芳綸卷裝放置在導向輥上，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下，沿繞絲輥軸向移動。調(diào)節(jié)好繞絲輥速度和絲桿轉速后，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。當展絲輥帶動絲束從繞絲輥左端沿軸線移至右端后，展絲輥軸向絲桿停轉，同時繞絲輥由卷繞速度轉為以干燥速度運轉，石英加熱管被接通電源并在氣缸推動下靠近繞絲輥，壓絲輥則在氣缸推動下壓在繞絲輥上，干燥工序開始。經(jīng)過一段時間運行，當樹脂被烘干后，單片無緯布制備結束，將制得的預浸料沿纏繞輥母線割下，并將其旋轉90°后鋪在繞絲輥上，覆在其上進行第二層制備，制得由兩層單向芳綸預浸料復合的無緯布。

實驗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)境濕度兩個因素對散片問題進行分析，以找到芳綸脫粘現(xiàn)象產(chǎn)生的根源，并進行工藝優(yōu)化與改進實驗。

1.2 表面分析

粘接的擴散理論認為，在粘接高分子材料時，由于分子或鏈段的熱運動，樹脂分子或鏈段與被粘物的分子或鏈段相互擴散，使粘合界面消失，形成一個過渡區(qū)，產(chǎn)生牢固的膠接接頭。而粘接界面的擴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。李學鋒等人的研究也證明，對于纖維增強復合材料，由于纖維表面涂層影響樹脂對其表面的潤濕，未經(jīng)處理的纖維有較強極性，使其與非極性樹脂間界面潤濕性和粘結性變差，隨著時間推移會發(fā)生剝落[4]。

實驗對芳綸表面油劑進行了紅外分析，結果如圖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，與芳綸表面極性油劑相容性較差，導致該樹脂對芳綸的浸潤性較差，從而使芳綸表面未被樹脂完全包裹，粘接強度不足。

1.3 環(huán)境濕度分析

在不同濕度環(huán)境中進行壓板無緯布制備對比實驗，結果如表1所示，當生產(chǎn)環(huán)境中相對濕度＞65%時，就會出現(xiàn)不同程度的散片問題。

水性樹脂成膜固化機理一般有3 個物理過程：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，達到最緊密堆積狀態(tài)；③聚合物界面分子鏈相互擴散、滲透和纏結，形成具有一定力學性能的膜。

此過程受環(huán)境濕度影響較大，經(jīng)查閱文獻表明，在水性樹脂干燥時相對濕度對其性能影響很大。當濕度較大時，樹脂中水分難以快速揮發(fā)，導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，而造成初粘強度急劇下降。

表1 不同相對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，因而需對該樹脂配方進行調(diào)整，以提高粘接強度。

2 改進與優(yōu)化

2.1 共混改性

根據(jù)實驗結果，問題根源在于樹脂粘接強度不足。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”，它結合了聚氨酯樹脂優(yōu)異的粘接強度與丙烯酸樹脂較好的耐水性及耐化學品等性能,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度。在相對濕度70%條件下， 分別配制6種不同配方進行織布實驗，實驗結果如表2所示。

由表2結果可知，當改性劑質(zhì)量分數(shù)低于26%時，隨著改性劑質(zhì)量分數(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提高了粘接強度。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（-NHCOO-）或異氰酸酯基（-NCO）基團，均為極性基團，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)量分數(shù)增大，散片現(xiàn)象改善效果越好。

但是當改性劑質(zhì)量分數(shù)＞26%時，極性過大，粘接力過大，會導致層與層之間粘結太牢，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)量分數(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)部對無緯布產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

2.2 溶劑調(diào)整

當相對濕度＞75%時，上述樹脂配方雖然對制備無緯布的品質(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，導致粘結強度不高；加熱干燥固化時，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溶劑如丙酮、甲苯等烷酮[5]。因此，為保證環(huán)境相對濕度＞75%的特殊情況下樹脂仍適用，實驗對樹脂溶劑中揮發(fā)組分進行細微的調(diào)整，提高樹脂中揮發(fā)分質(zhì)量分數(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強度，提升產(chǎn)品合格率。通過文獻調(diào)研及前期實驗得出，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，從而提高粘結強度，提升產(chǎn)品的品質(zhì)。多次實驗表明，當添加丙酮的比例為5%時，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)量分數(shù)對壓板無緯布制備工藝的影響

3 結論

通過一系列實驗對比及紅外測試分析，確定了導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，對樹脂進行共混改性實驗，改善了樹脂與纖維的界面相容性，增強了樹脂對纖維的粘接性能，并確定了改性劑的質(zhì)量分數(shù)為26%；另一方面，對溶劑進行了相應調(diào)整，使得樹脂在相對濕度＞75%環(huán)境下同樣適用；最終成功解決了散片問題，改進了制備工藝，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用-軟質(zhì)防彈衣[J].山東紡織經(jīng)濟, 2007, (6): 78-80.

[2] 吳中偉, 呂攀珂. 熱固性樹脂對芳綸復合材料防彈性能的影響[J]. 中國個體防護裝備, 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]. 高科技纖維與應用, 2007, 32(3): 20-22.

[4] 李學鋒. 秸稈/聚合物復合材料界面相容性的研究進展[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。