Progreso de investigación de materiales a prueba de puñaladas flexibles de aramid

Mecanismo de resistencia a la puñalada en materiales anti-apuñalamiento flexibles

A diferencia de los materiales anti-apuñalamiento rígidos, los materiales anti-apuñalamiento flexibles se componen típicamente de múltiples capas de compuestos de alto rendimiento. Durante la penetración por una cuchilla, la tela compuesta dentro del material flexible resiste el apuñalamiento utilizando fricción, deformación de la tracción y otros mecanismos, en última instancia, disipando la energía de la herramienta de apuñalamiento y bloqueando de forma segura su punta.

El proceso de resistencia a la puñalada implica las siguientes etapas:

• Contacto inicial:Cuando la cuchilla se pone por primera vez en contacto con la tela, ejerce una fuerza que interactúa con la estructura de la tela. Las telas tejidas, tejidas o no tejidas exhiben una cierta opresión, generando deformación para impedir una mayor penetración hasta que el material alcance su límite de deformación.
• Fuerzas de fricción y corte:El borde de la cuchilla, con un cierto ancho, crea fuerzas de tracción a lo largo del plano horizontal de la tela y las fuerzas de corte en el plano vertical. Las fuerzas de tracción hacen que las fibras cambien, ampliando la hendidura, mientras que las fuerzas de corte conducen a la rotura de la fibra, aumentando aún más la abertura.
• Penetración completa:Bajo la acción combinada de las fuerzas de tracción y corte, la tela finalmente se perfora.

Para ser efectivos, los materiales anti-apuñalamiento deben resistir las fuerzas de tracción y corte, siendo la resistencia al corte el factor dominante.

Estructuras base de materiales anti-apuñalamiento de aramid flexibles

1.Tela unidireccional aramid:
El tejido unidireccional se caracteriza por fibras rectas y sin observar alineadas en una sola dirección. No tiene puntos de entrelazamiento en la superficie, lo que permite que las ondas de estrés se propagen sin reflexión, lo que permite una rápida absorción de energía. El tejido unidireccional de aramid es un material flexible comúnmente laminado ortogonalmente (0 °/90 °) con adhesivos para mejorar la resistencia a la puñalada. Los adhesivos sirven para fijar las fibras en su lugar y reducir la profundidad de penetración.
Por ejemplo, Wu Zhongwei et al. Babillo unidireccional de aramid modificado con resina de poliuretano transmitida por el agua para desarrollar materiales anti-apuñalamiento flexibles. Optimizaron la resistencia de la puñalada ajustando las cantidades de materias primas, la presión y la temperatura, logrando una densidad superficial de 7,65 kg/m², cumpliendo con los estándares de resistencia de la puñalada GA68-2008. Sin embargo, debido al uso de modificadores adhesivos, el material resultante tenía poca flexibilidad, lo que lo hacía inadecuado para prendas anti-apuñalamiento flexibles.

2.Tela aramid no tejida:
A diferencia de las telas unidireccionales, no tejidastelas aramídicasCuenta con fibras orientadas al azar, que proporcionan propiedades isotrópicas y estructuras más densas. Estas cualidades ofrecen una mejor resistencia contra objetos afilados. Las telas no tejidas también son más simples de producir, ecológicas y eficientes en energía.
Por ejemplo, Li TT y sus colegas mezclaron fibras de Kevlar con fibras de polipropileno en una relación de peso de 70:30, usando punzones de agujas y presión caliente para crear telas compuestas compuestas de Kevlar/PP. A una temperatura de presión caliente de 170 ° C, el material demostró una excelente resistencia a la puñalada. Sin embargo, la disposición de fibra interna suelta y la fuerza de unión débil de las telas no tejidas limitan su resistencia general de corte cuando se usa de forma independiente.

3.Tela tejida de aramid:
Las telas tejidas de aramida se forman mediante hilos de urdimbre e hilos de trama, creando una estructura ajustada que impide efectivamente la penetración.

• Weave simple: presenta hilos paralelos y estructuras ajustadas, que ofrecen resistencia equilibrada.
• Tejido de sarga: utiliza hilos más gruesos y estructuras más sueltas, típicamente para telas pesadas.
• Weave de satén: tiene menos puntos de interconexión, lo que hace que las fibras sean propensas al deslizamiento bajo la fuerza.
  Si bien los tejidos tejidos proporcionan entrelazamientos ajustados, una vez que la cuchilla corta la urdimbre o los hilos de trama, la apertura se amplía significativamente, reduciendo la resistencia de la puñalada.

4.Tela de punto aramídica:
Las telas de punto de aramida consisten en bucles y Gales. Cuando una cuchilla penetra, los bucles se deslizan, apretando bucles adyacentes y aumentando la fricción entre las fibras, obstaculizando así una mayor penetración. Durante este proceso de ajuste, se absorbe cierta energía de impacto. Una vez que los bucles están completamente tensados, la tela logra un estado de "autoboling", evitando una mayor penetración.
Li Ning y sus colegas estudiaron el fenómeno "auto-bloqueo" en los tejidos de punto, descubriendo que las estructuras de costilla ofrecían la mejor resistencia de la puñalada, seguida de tejidos de trama lisos y tejidos de rumbo. La secuencia de estructuras en capas también influyó en el rendimiento, con estructuras de costilla colocadas en la capa más externa que logran resultados óptimos.

Modificación de materiales anti-apuñalamiento flexibles de aramid

3.1 Modificación de recubrimiento de superficie

El recubrimiento de partículas o películas delgadas en la superficie de las fibras de aramida mejora la fricción entre fibra, mejorando su resistencia al apuñalamiento al opacarse de las cuchillas de metal afiladas a través de la abrasión. Por ejemplo, Nayak R et al. Partículas de carburo de boro aplicado para modificartela aramid 1414superficies, logrando una fuerza de resistencia de apuñalamiento de 14 N a una profundidad de penetración de 17 mm en comparación con solo 4 N para la tela no recubierta. La resistencia a la penetración mejorada se atribuyó al efecto protector adicional proporcionado por el recubrimiento. Del mismo modo, Javaid Mu et al. estudió el mecanismo anti-apuñalamiento de los tejidos recubiertos de SiO₂. Las telas sin recubrimiento mostraron interacciones aisladas entre los hilos y la cuchilla, lo que lleva a un corte fácil. Por el contrario, los recubrimientos SiO₂ aumentaron la fricción entre los hilos, reduciendo el desplazamiento del hilo y mejorando la resistencia al apuñalamiento.

Los recubrimientos de cerámica duros combinados con telas de alta resistencia también evitan la penetración por impactos externos. Por ejemplo, Gadow R et al. Aplicados recubrimientos de cerámica de cerámica y óxido de metal a telas de aramida utilizando técnicas de pulverización térmica. Las pruebas de apuñalamiento estático revelaron un rendimiento anti-apuñalamiento significativamente mejorado para las telas con recubrimientos de cerámica duros. Las resinas orgánicas también se han empleado para modificaciones de recubrimiento. Por ejemplo, Zhuang Q et al. Compuestos de resina de aramida preparada/resina epoxi, reduciendo la profundidad de penetración de 37.3 mm a 4,8 mm, mejorando significativamente el rendimiento anti-apuñalamiento. El efecto se amplificó aún más con compuestos de múltiples capas.

Las nanopartículas inorgánicas y las resinas orgánicas a menudo se combinan sinérgicamente para mejorar el rendimiento anti-apuñalamiento de los materiales flexibles de aramid. Por ejemplo, Xia Minmin et al. Descubrió que las telas de aramida 1414 recubiertas de carburo de boro/epoxi 1414 aumentaron la resistencia a la rotura de 50 N a aproximadamente 300 N. Rubin W et al. Fibras de aramida recubiertas con carburo de silicio en una matriz de resina de éster de vinilo, logrando un rendimiento óptimo anti-apuñalamiento a un contenido de carburo de silicio a 20% en peso. Del mismo modo, Xiayun Z et al. Desarrolló materiales anti-apellido flexibles mediante el recubrimiento de telas de aramida con poliuretano termoplástico/fluido de espesor de sílice/cizallamiento (STF). Las telas recubiertas con una solución que contenía sílice en humo al 3% demostraron alta resistencia a las fuerzas de cuchillo y punción.

3.2 Modificación de impregnación de fluido de espesor de cizallamiento (STF)

STF es un fluido no newtoniano compuesto por fases y medios dispersos. Cuando las fibras de aramida modificadas con STF están sujetas a fuerzas externas, la viscosidad del STF aumenta considerablemente, comportándose como un sólido y proporcionando protección contra la apuñala. Una vez que se elimina la fuerza, la viscosidad regresa a su estado inicial similar al líquido, ofreciendo flexibilidad para materiales protectores. Li Danyang et al. Preparado materiales anti-apuñalamiento flexibles impregnando telas de aramida con STF. Encontraron mejoras significativas en el rendimiento anti-apuñalamiento en varias estructuras de tela, con mayores mejoras observadas con un aumento de los puntos de entrelazamiento de telas.

El tipo, el tamaño de partícula, el contenido y la modificación de la superficie de las nanopartículas en STF también influyen en el rendimiento del tejido. Por ejemplo, Li et al. Las partículas de SiO₂ usaron con diámetros de 12 nm y 75 nm como fases dispersas, junto con nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) para preparar compuestos STF/MWCNT. Las telas de aramida impregnadas con partículas SIO₂ de 12 nm exhibieron una resistencia de cuchillo superior en comparación con aquellas con partículas de 75 nm. Zhang Wangyang et al. Encontró que las telas de aramida pura soportaban una carga de 73 N a una profundidad de apuñalamiento de 30 mm, mientras que las telas impregnadas con STF que contenían 30% de SiO₂ y 70% PEG lograron la mayor resistencia anti-apuñalamiento en condiciones estáticas.

A pesar de la efectividad de las modificaciones de STF, pueden reducir la transpirabilidad y la permeabilidad de la humedad, lo que afectan la comodidad durante el desgaste.

3.3 Modificación compuesta de resina

Los materiales anti-apuñalamiento compuesto de resina aramida combinan la alta resistencia y el módulo de las fibras de aramida con las características multifuncionales de las matrices de resina. Mayo JB et al. Encontró que las resinas termoplásticas (polietileno, metacrilato de polimetilo y copolímeros de metacrilato de polietileno-metil) mejoraron significativamente el rendimiento anti-apellido de las fibras JSP 706 Kevlar. Al ajustar los tipos de resina y los espesores, se obtuvieron telas con propiedades anti-apuñalamiento variables.

Liu Yulong combinó nanopartículas de SiO₂ con resina Surlyn para la modificación compuesta de fibras de aramida. Con un contenido de resina del 33%en peso, se necesitaban 36 capas para soportar 24 J de energía, mientras que solo se requerían 30 capas a un contenido de resina del 44%en peso. Kim H et al. Observó que el polietileno de baja densidad (LDPE) mejoró el proceso de anti-penetración de los tejidos Kevlar de manera más efectiva que la resina epoxi, aunque el rendimiento de LDPE se limitó a las etapas iniciales de penetración.

El método de apilamiento de las telas de resina y aramida también influye en el rendimiento. Por ejemplo, Chen Li y Wang Botao aplicaron poliuretano a telas de tejido liso de aramida utilizando recubrimiento húmedo, recubrimiento de transferencia y métodos de recubrimiento directo seco. Entre estos, el método de recubrimiento de transferencia proporcionó el mejor rendimiento anti-apuñalamiento.

3.4 Modificación compuesta de fibra

Combinar fibras de aramida con otras fibras que utilizan técnicas de hilo hilados en el núcleo es otro método para producir materiales anti-apuñalamiento flexibles de alto rendimiento. Por ejemplo, Tien Dt et al. Estudiadas telas tejidas hechas de hilos hilados de núcleo de algodón aramid con diferentes densidades de superficie. Cuando la relación de peso de aramida a algodón era de 1: 2.5, y las densidades de urdimbre y trama fueron 16.4 hilos/cm y 8.4 hilos/cm, respectivamente, los materiales demostraron una excelente deseabilidad y un mejor rendimiento anti-apuñalamiento.

El número y la disposición de las capas de fibra también afectan el rendimiento. Du Lingling et al. Investigó la influencia de las capas de apilamiento en las propiedades anti-apuñalamiento de las telas hechas de hilos básicos de aramida y filamentos de acero inoxidable. Descubrieron que aumentar el número de capas mejoró la resistencia del cuchillo.

Conclusión

Actualmente, las telas tejidas, tejidas, no tejidas y unidireccionales hechas de fibras de aramida se utilizan para producir materiales anti-apuñalamiento flexibles. Los métodos de modificación, como los compuestos de resina, los recubrimientos de superficie y la impregnación de STF mejoran el rendimiento de los productos textiles de alto rendimiento, impulsando los avances en materiales anti-apuñalamiento flexibles de aramid. Sin embargo, los altos costos y la comodidad reducida debido a ciertos métodos de acabado siguen siendo desafíos.

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