Instytut Materiałów Niemetalowych: Analiza porównawcza odporności na przebicie wysokowydajnych materiałów na bazie włókien/żywic zgodnie z normami krajowymi i międzynarodowymi

Porównanie odporności na przebicie wysokowydajnych materiałów na bazie włókien/żywic zgodnie z normami krajowymi i międzynarodowymi

Abstrakcyjny: W niniejszym artykule zbadano różnice w odporności na przebicie różnymi wysokowydajnymi materiałami na bazie włókien/żywic, porównując wyniki testów uzyskane zgodnie z chińską normą *GA 68-2024 Police Stab-Resistant Vests* oraz amerykańską normą *NIJ 0115.00-2000 Stab Resistance of Personal Body Armor*. Przeanalizowano również charakterystykę wskaźników oceny oraz szczegółowe wymagania dotyczące właściwości materiałów, na które wskazują te krajowe i międzynarodowe normy. Odporność na przebicie została oceniona poprzez obliczenie liczby warstw i gęstości powierzchniowej materiałów wymaganych do spełnienia określonych poziomów ochrony. Wyniki wskazują, że w przypadku wysokowydajnych materiałów na bazie włókien/żywic, odporność na przebicie poprawia się wraz z wyższą wytrzymałością włókien przy podobnej zawartości żywicy, a poprawia się wraz z wyższą zawartością żywicy przy podobnej wytrzymałości włókien. Spełnienie wymogu Klasy A normy GA 68 wymaga ponad dwukrotnie więcej materiału niż w przypadku Klasy B, a ostrze D2 w normie GA 68 jest skuteczniejsze niż ostrze D3. Zgodnie z normą NIJ 0115.00, ostrze S1 jest stosunkowo mniej wytrzymałe; ostrze P1 stawia wysokie wymagania dotyczące wytrzymałości włókien, a ostrze kolczaste – wysokie wymagania dotyczące zawartości żywicy. Warunki wysokiej temperatury mają największy wpływ na materiały odporne na przebicie na bazie żywicy; dlatego odporność na przebicie w wysokiej temperaturze jest kluczowym czynnikiem podczas badania próbek zgodnie z normą GA 68.

Słowa kluczowe: Odporność na przebicie; włókno o wysokiej wydajności; standard odporności na przebicie; materiał odporny na przebicie; gęstość powierzchniowa

Ewolucja materiałów odpornych na przebicia w kamizelkach kuloodpornych przebiegała w trzech etapach: materiały sztywne, półsztywne i miękkie. Obecnie miękkie materiały odporne na przebicia powszechnie stosowane w kraju i za granicą to wysokowydajne kompozyty na bazie włókien i żywic. Kamizelki odporne na przebicia wykonane z tych materiałów wyparły opcje sztywne i półsztywne ze względu na wyższy komfort noszenia i mniejsze ryzyko obrażeń wtórnych [1-7].

Włókna aramidowe (w tym para-aramid i heterocykliczny aramid), poli(p-fenylen benzobisoksazol) Włókna (PBO) polietylen o ultra wysokiej masie cząsteczkowej Włókna (UHMW-PE) , I włókna węglowe są obecnie głównymi włóknami o wysokiej wydajności. Włókna UHMW-PE charakteryzują się niską polarnością powierzchniową, podczas gdy żywice wzmacniające używane do ich impregnacji wykazują wysoką polarność powierzchniową; ta niezgodność skutkuje słabym wiązaniem międzyfazowym, co czyni włókna UHMW-PE nieodpowiednimi do produkcji materiałów odpornych na przebicie na bazie żywic [8-10]. Chociaż włókna węglowe oferują wysoką wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości, ich niska odporność na pękanie ogranicza absorpcję energii i rzadko są stosowane w izolacji w zastosowaniach ochronnych. W związku z tym włókna aromatyczne, takie jak aramid i PBO, są dominującymi włóknami o wysokiej wydajności stosowanymi w materiałach odpornych na przebicie na bazie żywic [11-14].

Aby ocenić odporność materiałów ochronnych na przebicie, kraje takie jak Stany Zjednoczone, Wielka Brytania i Niemcy ustanowiły odpowiednie normy dotyczące kamizelek kuloodpornych odpornych na przebicie. Najważniejszym z nich jest norma „Stab Resistance of Personal Body Armor” (NIJ Standard 0115.00-2000), wydana przez Narodowy Instytut Sprawiedliwości (NIJ) przy Departamencie Sprawiedliwości Stanów Zjednoczonych, która jest powszechnie stosowana na całym świecie. Mój kraj ustanowił również własną normę dotyczącą kamizelek kuloodpornych odpornych na przebicie, „GA 68-2024 Police Stab-Resistant Body Armor”, opracowaną przez Ministerstwo Bezpieczeństwa Publicznego.

W niniejszym artykule przedstawiono systematyczne porównanie i ocenę odporności na przebicie tych wysokowydajnych materiałów kompozytowych z włókien i żywicy w odniesieniu do norm chińskich i amerykańskich. Ponadto przeanalizowano charakterystykę i główne punkty norm krajowych i międzynarodowych dotyczące metod badań, wskaźników oceny oraz wymagań dotyczących właściwości materiałów.

1 Sekcja Eksperymentalna

1.1 Główne surowce
Tkanina z włókien para-aramidowych o standardowej wytrzymałości: TH5108 (wytrzymałość włókna na rozciąganie: 21,5 cN/dtex), produkcja własna;
Tkanina z włókien para-aramidowych o wysokiej wytrzymałości: TH61081 (wytrzymałość włókna na rozciąganie: 23,5 cN/dtex), produkcja własna;
Tkanina z włókien aramidowych heterocyklicznych: F-3P200 (wytrzymałość włókna na rozciąganie: 28 cN/dtex), produkcja własna;
Tkanina z włókien PBO: JQZW SP200-1100 (wytrzymałość włókna na rozciąganie: 28 cN/dtex), produkcja własna;
Żywica epoksydowa i modyfikowana amina alifatyczna: produkcja własna.

1.2 Główne instrumenty i wyposażenie
Tester odporności na przebicie GA68: MPFCT-2000, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Tester odporności na przebicie NIJ: AQJL-300, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Ostrza testowe GA68: D1, D2, D3, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Ostrza testowe NIJ: P1, S1, Spike, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.

1.3 Przygotowanie próbek
Ze względu na różnice w kompatybilności różnych włókien o wysokiej wytrzymałości z żywicą epoksydową, po nałożeniu powłoki z żywicy i utwardzeniu, występują niewielkie różnice w gęstości powierzchniowej przygotowanych materiałów odpornych na przebicie, nawet gdy początkowa gęstość powierzchniowa tkaniny jest identyczna [15–18]. Aby zapewnić naukową wiarygodność i rzetelność wyników testów, wybrano cztery rodzaje tkanin z włókien o wysokiej wytrzymałości – paraaramid o standardowej wytrzymałości, paraaramid o wysokiej wytrzymałości, aramid heterocykliczny i PBO – wszystkie o gęstości powierzchniowej 200 g/m².

Materiały odporne na przebicie przygotowano przy użyciu ręcznego procesu powlekania żywicą. Z czterech rodzajów wysokowydajnych tkanin włóknistych wymienionych powyżej wycięto kilka próbek o wymiarach 350 mm × 300 mm. Żywicę epoksydową nałożono na obie strony tkanin za pomocą skrobaka, a następnie utwardzono w autoklawie w temperaturze 120°C i ciśnieniu formowania 0,3 MPa przez 4 godziny. Przygotowano w ten sposób sześć rodzajów wysokowydajnych materiałów kompozytowych odpornych na przebicie z matrycą włókno/żywica. Wśród nich próbki od 1# do 3# wykorzystywały ten sam rodzaj włókien — tkaninę z włókien para-aramidowych o standardowej wytrzymałości — ale charakteryzowały się stopniowo wzrastającą zawartością żywicy; próbki od 3# do 6# wykorzystywały różne rodzaje włókien, ale miały podobną zawartość żywicy. Podstawowe parametry próbek materiałów odpornych na przebicie podano w tabeli 1. Aby przygotować warstwy odporne na przebicie do testów, materiały ułożono w stosy i uszczelniono czarną, wodoodporną tkaniną; To pokrycie skutecznie chroniło materiały przed światłem, wilgocią i zanieczyszczeniami, zapewniając dokładność testów. Wartości gęstości powierzchniowej podawane dla próbek w kolejnych testach odnoszą się do samego materiału odpornego na przebicie, z wyłączeniem tkaniny wodoodpornej.


1.4 Testowanie i charakteryzacja
Próbki warstwy odpornej na przebicie zostały przetestowane zgodnie z normami GA 68 i NIJ 0115.00; porównanie tych dwóch norm przedstawiono w tabeli 2. Norma GA 68 obejmuje dwa poziomy – klasę A i klasę B – oba wymagające energii przebicia 24 J bez penetracji podczas testów. Klasa A jest przeznaczona do ogólnych zastosowań i obejmuje tylko jeden rodzaj ostrza. Klasa B została zaprojektowana specjalnie do zastosowań w lotnictwie, gdzie prawdopodobieństwo napotkania wyjątkowo ostrych ostrzy jest minimalne; w związku z tym wymagania dotyczące ostrości dla ostrzy D2 i D3 w klasie B są obniżone.


Notatka: E1 i E2 oznaczają dwa poziomy energii testu odporności na przebicie w normie NIJ 0115.00.

Norma NIJ 0115.00 podzielona jest na trzy poziomy ochrony. Każdy poziom wymaga przejścia testów z trzema rodzajami ostrzy (ostrze P1, ostrze S1 i ostrze). Ponadto każdy poziom obejmuje dwa poziomy energetyczne: maksymalna dopuszczalna penetracja wynosi 7 mm dla testów niskoenergetycznych i 20 mm dla testów wysokoenergetycznych.

Struktura i zasady działania urządzeń testowych dla norm GA 68 i NIJ 0115.00 są identyczne; Rysunek 1 przedstawia schemat urządzenia do badania odporności na przebicie, a Rysunek 2 przedstawia ostrza testowe. Warstwa odporna na przebicie jest umieszczana na materiale podkładowym na platformie testowej. Ostrze testowe, zamontowane na zespole testowym, przebija warstwę odporną na przebicie poprzez swobodny spadek. Strefa pomiaru prędkości rejestruje prędkość swobodnego spadku ostrza w celu obliczenia energii testu; test uznaje się za ważny, jeśli energia spełnia wymagania normy.

2 Wyniki i dyskusja

2.1 Porównanie odporności na przebicie różnych materiałów w oparciu o różne normy
Testy odporności na przebicie przeprowadzono dla sześciu materiałów wymienionych w Tabeli 1 w warunkach temperatury otoczenia. Dla każdej konfiguracji przetestowano pięć zestawów próbek, a wyniki stanowią średnią z tych pięciu zestawów. Przy danym poziomie ochrony materiał wymagający mniejszej liczby warstw – a zatem o niższej gęstości powierzchniowej – wykazuje lepszą odporność na przebicie; natomiast materiał wymagający większej liczby warstw – a zatem o wyższej gęstości powierzchniowej – wykazuje gorszą odporność. Tabela 3 porównuje odporność na przebicie różnych materiałów zgodnie z różnymi normami. Dla GA 68 klasy A i klasy B energia testu wyniosła 24 J. Dla NIJ 0115.00 poziomów I, II i III testy przeprowadzono przy odpowiednich poziomach energii E1 i E2, zgodnie z wymaganiami normy; przedstawiony wynik to maksymalna gęstość powierzchniowa wymagana do jednoczesnego spełnienia obu poziomów energii.
Jak pokazano w tabeli 3: (1) Przy tych samych standardach odporności na przebicie, wśród materiałów 3#, 4#, 5# i 6# (które mają podobną zawartość żywicy), materiał PBO 6# ma najniższą gęstość powierzchniową, podczas gdy materiał para-aramidowy 3# ma najwyższą; tak więc materiał PBO 6# wykazuje najlepszą odporność na przebicie. Wskazuje to, że w przypadku materiałów odpornych na przebicie na bazie żywicy o tej samej zawartości żywicy, wyższa wytrzymałość włókien skutkuje lepszą odpornością na przebicie. (2) Przy tym samym poziomie standardu i przy użyciu tego samego rodzaju tkaniny włóknistej, gęstości powierzchniowe materiałów 1#, 2# i 3# stopniowo rosną. Wskazuje to, że w przypadku materiałów na bazie żywicy o tym samym włóknie, wyższa zawartość żywicy skutkuje lepszą odpornością na przebicie. (3) Chociaż oba testy GA 68 klasy A i klasy B obejmują przebicie z energią 24 J, ostrość ostrzy różni się, przy czym ostrze klasy B jest mniej skuteczne; gęstość powierzchniowa wymagana do ochrony przed ostrzem klasy A jest ponad dwukrotnie większa od wymaganej dla ostrza klasy B, co pokazuje, że ostrze klasy B w standardzie GA 68 ma mniej niż połowę mocy ostrza klasy A. W przypadku standardu NIJ 0115.00 energia przebicia wzrasta na trzech poziomach; w konsekwencji liczba warstw i gęstość powierzchniowa materiału wymagana do zapewnienia ochrony również stopniowo wzrastają. (4) Gęstości powierzchniowe wymagane do ochrony przed GA 68 klasy A i NIJ 0115.00 poziomu I są podobne; test GA 68 klasy A obejmuje 24 J energii przy zerowej penetracji, podczas gdy standard NIJ 0115.00 obejmuje 24 J dla poziomu niskiej energii (pozwalającego na penetrację 7 mm) i 33 J dla poziomu wysokiej energii (pozwalającego na penetrację 20 mm), co oznacza, że ​​te dwa poziomy ochrony nakładają porównywalne wymagania na materiały odporne na przebicia na bazie żywicy.

2.2 Porównanie odporności na przebicie różnych materiałów w porównaniu z różnymi ostrzami testowymi
Skalę zagrożenia stwarzanego przez różne typy ostrzy – dwa z normy GA 68 klasy B i trzy z normy NIJ 0115.00 – zbadano przy równoważnych poziomach energii. Przy ocenie, czy materiał spełnia normy odporności na przebicie, decydującym czynnikiem jest zazwyczaj ostrze o największej mocy określone w normie; jeśli próbka wytrzyma przebicie ostrzem o największej mocy, można wnioskować, że spełnia normę dla tego poziomu ochrony. Ponieważ różne ostrza stawiają różne wymagania materiałowi, analiza różnic w wydajności różnych ostrzy ujawnia specyficzne właściwości materiału. Różne materiały odporne na przebicie zostały przetestowane pod kątem dwóch ostrzy GA 68 klasy B i trzech ostrzy NIJ 0115.00. Tabela 4 przedstawia liczbę warstw materiału i gęstość powierzchniową wymaganą, aby materiały spełniały odpowiednie normy GA 68 klasy B i NIJ 0115.00 poziomu I.


Jak pokazano w tabeli 4: (1) W odniesieniu do dwóch ostrzy GA 68 klasy B stosowanych w wysokowydajnych materiałach odpornych na przebicie z żywicy wzmocnionej włóknami, obrona przed ostrzem D3 wymaga więcej materiału niż obrona przed ostrzem D2, co wskazuje, że ostrze D3 stanowi większe zagrożenie. W konsekwencji, podczas wstępnych badań odporności na przebicie, jeśli materiał o określonej gęstości powierzchniowej wytrzyma ostrze D2, można zasadniczo wnioskować, że materiał – przy tej gęstości powierzchniowej – jest zdolny do przejścia badania GA 68 klasy B. (2) Na wszystkich trzech poziomach NIJ 0115.00 gęstość powierzchniowa wymagana do badań wysokoenergetycznych (umożliwiających penetrację na głębokość 20 mm) jest stale wyższa niż wymagana do badań niskoenergetycznych (umożliwiających penetrację na głębokość 7 mm). Dlatego też, podczas wstępnych testów, jeśli materiał o określonej gęstości powierzchniowej może wytrzymać test wysokoenergetyczny dla danego poziomu NIJ 0115.00, można ustalić, że materiał spełnia normę dla tego poziomu, eliminując potrzebę dodatkowych testów niskoenergetycznych na tym samym poziomie. (3) Spośród trzech typów ostrzy określonych w NIJ 0115.00, ostrze S1 wymaga najniższej gęstości powierzchniowej wysokowydajnego materiału odpornego na przebicie z żywicy wzmocnionej włóknami w celu zapewnienia ochrony, co wskazuje, że ostrze S1 jest najmniej groźne. Ostrze P1 w NIJ 0115.00 jest analogiczne do ostrza D1 w krajowych normach bezpieczeństwa publicznego; charakteryzuje się stosunkowo długim i szerokim ostrzem, wywiera silniejsze działanie ścinające na materiał podczas penetracji i stawia wyższe wymagania dotyczące właściwości mechanicznych włókien. W konsekwencji materiały o wyższej wytrzymałości włókien zapewniają lepszą ochronę przed ostrzem P1. Spośród próbek nr 3, 4, 5 i 6 – o porównywalnej zawartości żywicy – ​​próbka nr 6 wykazuje najlepsze właściwości mechaniczne, a zatem wymaga niższej gęstości powierzchniowej, aby chronić przed ostrzem P1. Ostrze „kolczaste” w materiale NIJ 0115.00 jest ostre i smukłe; pod wpływem uderzenia z dużą prędkością w dół z łatwością omija ograniczenia włókien, minimalizując ścinanie wiązek włókien i nie rozpraszając skutecznie energii kinetycznej ostrza, co pozwala mu na dalszą penetrację w dół. Dlatego w obronie przed tego typu ostrzem, zawartość żywicy i jej twardość stają się czynnikami krytycznymi. Spośród próbek nr 1, 2 i 3 – wykorzystujących ten sam rodzaj włókna, ale różniących się zawartością żywicy – ​​próbka nr 3 wykazuje wyraźniejszą przewagę w ochronie przed ostrzem kolczastym w porównaniu z innymi typami ostrzy. Co więcej, z tabeli 4 wynika, że ​​w przypadku próbek nr 3, 4, 5 i 6, które różnią się wytrzymałością włókien, ale mają porównywalną zawartość żywicy, nie ma znaczącej różnicy w ochronie przed ostrzem kolca, co dodatkowo potwierdza, że ​​ostrze kolca stawia wyższe wymagania dotyczące zawartości żywicy w materiałach odpornych na przebicia.

2.3 Porównanie odporności na przebicie różnych materiałów w różnych warunkach środowiskowych
Norma mojego kraju dotycząca odporności na przebicie, GA 68, zawiera szczegółowe specyfikacje dotyczące adaptacji środowiskowej kamizelek odpornych na przebicie, obejmujące trzy warunki: wysoką temperaturę, niską temperaturę i zanurzenie w wodzie. Badanie w wysokiej temperaturze obejmuje kondycjonowanie próbki w temperaturze (55 ± 2)°C przez 4 godziny przed testem odporności na przebicie; badanie w niskiej temperaturze obejmuje kondycjonowanie w temperaturze (-20 ± 2)°C przez 4 godziny; a badanie zanurzenia w wodzie polega na zanurzeniu próbki warstwy odpornej na przebicie w wodzie na 30 minut przed jej zdjęciem w celu przeprowadzenia testu odporności na przebicie. Tabela 5 przedstawia liczbę warstw i gęstość powierzchniową wymaganą dla różnych materiałów odpornych na przebicie podczas badań w różnych warunkach środowiskowych.
Jak pokazano w tabeli 5, Wysokowydajne materiały odporne na przebicie z włókna/żywicy wymagają wyższej gęstości powierzchniowej w warunkach wysokich temperatur. Natomiast wymagana liczba warstw i gęstość powierzchniowa pozostają zasadniczo takie same w warunkach zanurzenia w wodzie i w temperaturze otoczenia. Ponadto, w warunkach niskich temperatur wymagana jest najmniejsza liczba warstw i najniższa gęstość powierzchniowa. Wynika to z faktu, że twardość żywicy spada w wysokich temperaturach, a twardość jest kluczowym czynnikiem wpływającym na odporność tych materiałów na przebicie. Zmniejszona twardość osłabia zdolność warstwy odpornej na przebicie do stępienia końcówki ostrza, tym samym zmniejszając odporność na przebicie. Z kolei twardość żywicy wzrasta w niskich temperaturach, co przekłada się na lepszą odporność materiałów na przebicie. Wyniki testów zanurzenia w wodzie wskazują, że w przypadku produkcji kamizelek odpornych na przebicie, pod warunkiem, że wodoodporna tkanina otaczająca materiał odporny na przebicie spełnia normy jakości, odporność materiału na przebicie pozostaje niezmieniona po zanurzeniu w wodzie. Wstępne testy materiałów odpornych na przebicie powinny w pierwszej kolejności uwzględniać ocenę ich właściwości w warunkach wysokich temperatur.

3 Wnioski

(1) W przypadku materiałów o wysokiej wydajności, odpornych na przebicie, składających się z włókien/matrycy żywicowej, gdy zawartość żywicy jest identyczna lub podobna, wyższa wytrzymałość włókien zapewnia lepszą odporność na przebicie; z kolei, gdy wytrzymałość włókien jest stała, wyższa zawartość żywicy zapewnia lepszą odporność na przebicie.

(2) Gęstość powierzchniowa wysokowydajnych materiałów z matrycą żywiczną wymagana do spełnienia normy odporności na przebicie klasy A normy GA 68 jest ponad dwukrotnie większa niż wymagana dla klasy B. Istnieje progresywna zależność między materiałami i gęstościami powierzchniowymi wymaganymi do spełnienia trzech poziomów ochrony określonych w amerykańskiej normie NIJ 0115.00, przy czym zagrożenia o wyższej energii na danym poziomie są trudniejsze do pokonania niż zagrożenia o niższej energii na tym samym poziomie. Odporność na przebicie klasy A GA 68 jest porównywalna z odpornością na przebicie poziomu I normy NIJ 0115.00.

(3) Jeśli chodzi o wysokowydajne materiały odporne na przebicie z włókna/matrycy żywicy, ostrze D2 określone w normie GA 68 jest mniej skuteczne niż ostrze D3. Spośród ostrzy NIJ 0115.00 ostrze S1 jest najmniej skuteczne; ostrze P1 stawia wysokie wymagania dotyczące wytrzymałości włókien materiału, podczas gdy ostrze kolczaste stawia wysokie wymagania dotyczące zawartości żywicy w materiale.

(4) Środowiska o wysokiej temperaturze mają największy wpływ na materiały żywiczne o wysokiej wydajności odporne na przebicie; dlatego wstępne testy powinny skupić się na odporności na przebicie w warunkach wysokiej temperatury.