ANTYBALISTYCZNE WŁAŚCIWOŚCI OCHRON ARAMIDOWYCH W FUNKCJI ICH WYTRZYMAŁOŚCI MECHANICZNEJ

Transkrypt

1 dr inŝ. Sylwia TARKOWSKA Instytut Technicznych Wyrobów Włókienniczych MORATEX ANTYBALISTYCZNE WŁAŚCIWOŚCI OCHRON ARAMIDOWYCH W FUNKCJI ICH WYTRZYMAŁOŚCI MECHANICZNEJ W artykule zostały przedstawione wyniki badań prowadzonych na miękkich pakietach tkaninowych i sztywnych kompozytach włóknistych, powszechnie stosowanych jako ochrony antybalistyczne. Oceniano parametry wytrzymałości mechanicznej na rozrywanie materiałów i ich wpływ na skuteczność ochronną. 1. Wstęp Włókna p-aramidowe znalazły szerokie zastosowanie w produkcji wyrobów antybalistycznych takich jak: ochrony osobiste (np. kamizelki, hełmy, tarcze kuloodporne) i zabezpieczenia pojazdów samochodowych oraz obiektów stałych. Ich przydatność w tej dziedzinie jest przede wszystkim związana z bardzo wysoką wytrzymałością mechaniczną, zwłaszcza na rozciąganie i ściskanie, wynikającą ze specyficznej budowy chemicznej tworzywa (Rys.1.) Rys.1. Budowa chemiczna włókna p-aramidowego 217

2 Włókna p-aramidowe zbudowane są z liniowych, regularnych i sztywnych łańcuchów polimerowych cząsteczek parafenylenu tereftalamidu (para-poliamidu aromatycznego PPD-T), które tworzą wysoce uporządkowaną strukturę powłokową połączoną za pomocą bardzo silnych wiązań wodorowych. Makrocząsteczki układają się liniowo wzdłuŝ osi i przywierając do siebie ami tworzą włókno. Regularność tej półkrystalicznej struktury jest odpowiedzialna za niezwykłe właściwości fizyko-mechaniczne włókien p-aramidowych, podczas gdy wysoka stabilność chemiczna pierścieni aromatycznych bezpośrednio związanych przez silne (sprzęŝone) wiązania amidowe zapewnia trwałość i odporność cieplną. Łańcuchy makrocząsteczkowe charakteryzują się wysokim stopniem orientacji, silnymi wiązaniami międzyłańcuchowymi, co w rezultacie daje jedyne w swoim rodzaju połączenie unikalnych właściwości. Wytrzymałość właściwa pojedynczych włókien przekracza 2 cn/tex, a temperatura wytrzymałości zerowej jest powyŝej 5 C. Włókna obok wysokiej termostabilności wykazują równieŝ dobrą odporność na działanie zasad i kwasów w podwyŝszonej temperaturze, a takŝe dobrą elastyczność w pętli i węźle. Cechują się one takŝe niskim skurczem w gorącej wodzie i podwyŝszonej temperaturze [1]. Włókna aramidowe stanowią surowiec do wytwarzania przędz aramidowych, które zaleŝnie od grubości wykorzystywane są do produkcji min. tkanin przeznaczonych na miękkie pakiety kamizelek ochronnych lub jako zbrojenie włókiennicze do wykonania preimpregnatów dla kompozytów włóknistych (laminatów). 2. Przedmiot badań Przedmiotem badań było 9 miękkich pakietów tkaninowych (wiele tkaniny aramidowej połączonych ze sobą metodą szycia) oraz 1 sztywnych kompozytów włóknistych (wiele preimpregnatu aramidowego połączonych ze sobą za pomocą termicznego prasowania w wysokiej temperaturze i pod duŝym ciśnieniem). Do wykonania pakietów tkaninowych i jako zbrojenie kompozytów włóknistych zostały wytypowane trzy rodzaje tkanin róŝniących się grubością, gęstością oraz wrobieniem przędzy osnowy i wątku. Jako spoiwo w kompozytach zostały wykorzystane: pochodna Ŝywicy fenolowej i dwa rodzaje mieszanek gumowych. Strukturę badanych materiałów antybalistycznych przedstawiono w tabeli

3 Tabela 1. Obiekt badań. Antybalistyczne pakiety tkaninowe i kompozyty włókniste. L.p. Rodzaj ochrony antybalistycznej *) Ilość Zbrojenie/ spoiwo Masa pow. aramidu ochrony (g/m 2 ) Sposób łączenia w ochronie 1 Pakiet tkaninowy CT Aramid 56 Szyte 2 Pakiet tkaninowy CT Aramid 7 Szyte 3 Pakiet tkaninowy CT Aramid 112 Szyte 4 Pakiet tkaninowy TXM-3 2 Aramid 612 Szyte 5 Pakiet tkaninowy TXM-3 24 Aramid 7344 Szyte 6 Pakiet tkaninowy TXM-3 4 Aramid 1224 Szyte 7 Pakiet tkaninowy Styl 77S 17 Aramid 795 Szyte 8 Pakiet tkaninowy Styl 77S 24 Aramid 1116 Szyte 9 Pakiet tkaninowy Styl 77S 4 Aramid 186 Szyte 1 Kompozyt MILAGRO Aramid/guma 1 7 Klejone5*5 11 Kompozyt INDUTEX Aramid/guma Prasowane 12 Kompozyt INDUTEX Aramid/guma Prasowane 13 Kompozyt INDUTEX Aramid/guma Prasowane 14 Kompozyt INDUTEX Aramid/guma Klejone5*5 15 Kompozyt INDUTEX 24 2 Aramid/guma Klejone4*5 16 Kompozyt INDUTEX24 25 Aramid/guma Klejone5*5 17 Kompozyt INDUTEX24 4 Aramid/guma Klejone8*5 18 Kompozyt AKZO Aramid/Ŝywica 795 Prasowane fenolowa 19 Kompozyt AKZO Aramid/Ŝywica fenolowa 837 Prasowane *)zbrojenie MILAGRO 21 stanowiła tkanina CT 716, kompozytów INDUTEX - tkanina TXM-3, a AKZO -tkanina Styl 77S. 219

4 3. Wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie Wytrzymałość mechaniczna pakietu tkaninowego, wyraŝona wartością siły rozciągającej przeliczoną na 5 cm, jest zaleŝna od jego masy powierzchniowej. Masa powierzchniowa jest z kolei funkcją ilości. Dla jednej y zgodnie z wzorem moŝe być obliczona z powszechnie znanego równania [2]: m p = [ g o (1 + w o )T texo + g w (1 + w w )T texw ] 1 4 (g/m 2 ) [1] gdzie: - T texo, T tex w grubość osnowy i wątku - g o, g w - gęstość osnowy i wątku - w o, w w - wrobienie osnowy i wątku Zgodnie z wzorem [1] masa powierzchniowa tkaniny jest proporcjonalna do grubości zastosowanej do jej wykonania przędzy, gęstości liniowej osnowy i wątku oraz wrobienia przędzy w obu kierunkach. Uzyskaną zaleŝność siły zrywającej dla badanych pakietów w funkcji ich masy powierzchniowej przedstawiono na rysunku R 2 =, Fr(N/5cm) mp(g/m2) Rys.2. Wytrzymałość mechaniczna miękkich ochron antybalistycznych 4. Część doświadczalna Dla kaŝdego pakietu tkaninowego została określona jego skuteczność antybalistyczna, wyraŝona graniczną prędkością przebicia ochrony V 5, definiowaną jako prędkość wyraŝoną w m/s, dla której prawdopodobieństwo przebicia i nie przebicia jest jednakowe i wynosi,5. Wyniki ostrzału pociskami 9mm PARA FMJ dla badanych pakietów tkaninowych przedstawiono na rysunku 3 i 4. 22

5 16 14 R 2 =, V5(m/s) mpar(g/m2) Rys.3. Graniczna prędkość przebicia pakietów tkaninowych V5(m/s) Fr(N/5cm) Rys.4. Graniczna prędkość przebicia pakietów tkaninowych Z przebiegu uzyskanych zaleŝności wynika, Ŝe skuteczność miękkiej ochrony aramidowej jest liniową funkcją jej wytrzymałości mechanicznej zaleŝnej od masy powierzchniowej określonej grubością, gęstością i wrobieniem przędzy osnowy i wątku. Dla badanych pakietów ilość nie przebitych ( tylnich) zaleŝy liniowo od masy powierzchniowej ochrony, co obrazuje rysunek

6 masa tylnich (g/m2) 18 R 2 =, mp(g/m2) Rys.5. Warstwy nie przebite w pakiecie tkaninowym podczas uderzenia Podczas badań zauwaŝono, Ŝe pierwotna wysoka wytrzymałość na zerwanie przędz aramidowych ulega istotnemu zmniejszeniu podczas operacji technologicznych, jakim są one poddawane w dalszych etapach przerobu, m.in. w procesie tkania, wykończania tkanin, wykonywania z nich preimpregnatów (powlekania) i produkcji kompozytów (prasowanie). 7 (nawój) 6 (tkanina) 5 (preimpregnat) Fr (N) 4 3 (kompozyt) grubość (tex) Rys.6. Wytrzymałość mechaniczna na zerwanie przędz aramidoych w nawoju, tkaninie, preimpregnacie i kompozycie. 222

7 Na rysunku 6 została przedstawiona zmiana wytrzymałości mechanicznej na zerwanie przędz aramidowych o róŝnej grubości. Porównanie obejmuje siłę zrywającą przędzę w nawoju, tkaninie, preimpregnacie i kompozycie. Jak wynika z przebiegu prostych proces tkania oraz prasowania mają istotny wpływ na obniŝenie wartości tego parametru. Analiza wykazała, Ŝe podczas tkania następuje 2- procentowy spadek wytrzymałości, podczas gdy w czasie prasowania spadek ten moŝe wynosić nawet powyŝej 5% i jest on zaleŝny od stopnia sprasowania. PoniewaŜ o doskonałych właściwościach antybalistycznych przędz aramidowych decyduje przede wszystkim ich bardzo wysoka wytrzymałość na zerwanie, wszelkie spadki tego parametru powinny negatywnie wpływać na charakterystyki ochronne materiału. Dlatego w prowadzonych procesach technologicznych przerobu przędz naleŝy zwrócić szczególną uwagę na minimalizację zmian poziomu tego parametru. W ostatnich latach następuje znaczny rozwój w dziedzinie antybalistycznych kompozytów włóknistych, będących trwałym połączeniem materiału włókienniczego stanowiącego zbrojenie oraz wielkocząsteczkowego tworzywa będącego spoiwem struktury [3]. Pakiety tkaninowe coraz częściej są zastępowane kompozytami, pomimo Ŝe koszty ich wytworzenia są znacznie wyŝsze. Poza tym, jak wykazały badania, podczas wysokociśnieniowego prasowania następują istotne spadki wytrzymałości na zerwanie przędzy aramidowej, co powinno niekorzystnie wpływać na skuteczność ochronną badanych kompozytów. Jednak analiza uzyskanych wyników przedstawionych na rysunku 7 wykazała zjawisko odwrotne, tzn. zaobserwowano wzrost parametru V5 dla ochron kompozytowych w porównaniu z ich odpowiednimi pakietami tkaninowymi V5(m/s) mpar(g/m2) pakiety tkaninowe kompozyty Rys. 7. Graniczna prędkość przebicia ochron antybalistycznych Na podstawie uzyskanych zaleŝności naleŝy sądzić, Ŝe spadek wytrzymałości przędzy na zerwanie jest prawdopodobnie zrekompensowany przez inne czynniki, co w konsekwencji powoduje wzrost wartości V 5 dla w porównaniu z jego 223

8 odpowiednikiem tkaninowym, stanowiącym zbrojenie tego ostatniego. Dalsze badania wykazały, Ŝe twardość powierzchniowa materiału kompozytowego (np. określona wartością siły potrzebnej do wgniecenie w badane tworzywo stalowego wałka o średnicy 8mm na głębokość 3mm) jest znacznie wyŝsza niŝ analogiczna wielkość dla wieloowego układu miękkich tkanin aramidowych. Mieszanka gumowa i Ŝywica fenolowa znacznie usztywniają i utwardzają powierzchnię materiału, co powoduje, Ŝe w momencie uderzenia w nią pocisku jest wykonywana znacznie większa praca związana z deformacją tego ostatniego (zjawisko grzybkowania pocisku - zdjęcie) i większa część energii niesiona przez pocisk jest wykorzystywana na jego deformację. Deformacja pocisku 9 mm PARA FMJ zjawisko grzybkowania Na rysunku 8 przedstawiono zaleŝność granicznej prędkości przebicia V 5 od twardości powierzchniowej kompozytowych ochron antybalistycznych V5(m/s) tw ardość(n/3mm) Rys.8. Graniczna prędkość przebicia kompozytowych ochron antybalistycznych 224

9 5. Wnioski 1. O skuteczności antybalistycznej ochrony przede wszystkim decyduje ilość uŝytej wysoko wytrzymałej przędzy aramidowej. Graniczna prędkość przebicia V 5 pakietów aramidowych jest funkcją ich wytrzymałości mechanicznej na rozerwanie F r, a ta z kolei zaleŝy od masy powierzchniowej ochrony m pp. 2. Przędza aramidowa traci swoją wytrzymałość na rozciąganie w kolejnych procesach jej przetwórstwa, tzn. podczas tkania, powlekania i laminowania. Łączne straty mogą dochodzić nawet do 5%. Straty te moŝna jednak zrekompensować projektując odpowiedni materiał kompozytowy. 3. W celu uzyskania (laminatu) y pakietu tkaninowego naleŝy połączyć Ŝywicą polimerową metodą prasowania w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Jako spoiwo najkorzystniej jest stosować mieszankę gumową o niekonwencjonalnych właściwościach lub pochodne Ŝywic fenolowych. Parametry tego procesu, a zwłaszcza ciśnienie, wpływają jednak negatywnie na wytrzymałość mechaniczną materiału. Mimo to większy stopień sprasowania powoduje większą twardość powierzchniową materiału, która z kolei zwiększa deformację pocisku i w konsekwencji następuje wzrost V We wszystkich badanych przypadkach graniczna prędkość przebicia dla kompozytowych ochron antybalistycznych jest znacznie większa od V 5 dla ich odpowiedników tkaninowych (tzn. pakietów posiadających tę samą masę powierzchniową aramidu). Uzyskane wyniki badań i wysunięte wnioski są wykorzystywane podczas wstępnych prac projektowych realizowanych w zakresie materiałów antybalistycznych przeznaczonych na ochrony osobiste (kamizelki, hełmy i tarcze kuloodporne), opancerzenia pojazdów samochodowych i obiektów stałych. Badania były przeprowadzone w ramach projektu badawczego nr TC 25 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Informatyzacji [4] 6. Literatura 1. W. Jabłoński, J. Wnuk Włókna aramidowe bazą produktów innowacyjnych, Bielsko Biała 2; 2. J. Szosland Podstawy budowy i technologii tkanin, WN-T Warszawa, 1972; 3. W. Królikowski Tworzywa wzmocnione i włókna wzmacniające, Politechnika Szczecińska, 1984; 4. Projekt badawczy nr TC 25 pt. Projektowanie struktur kompozytów włóknistych stosowanych jako sztywne ochrony antybalistyczne. 225