Институт неметаллических материалов: Сравнительный анализ стойкости к проколам высокоэффективных волокнисто-смоляных материалов в соответствии с национальными и международными стандартами.

Сравнение устойчивости к проколам высокоэффективных волокнисто-смоляных материалов в соответствии с национальными и международными стандартами.

Абстрактный: В данной работе исследуются различия в устойчивости к проколам среди различных высокоэффективных волокнисто-смоляных материалов путем сравнения результатов испытаний, полученных в соответствии с китайским стандартом *GA 68-2024 «Полицейские бронежилеты от проколов»* и американским стандартом *NIJ 0115.00-2000 «Устойчивость к проколам в индивидуальной бронежилетах»*. Также анализируются характеристики оценочных показателей и конкретные требования к характеристикам материалов, которые подчеркиваются этими национальными и международными стандартами. Устойчивость к проколам оценивалась путем расчета количества слоев и плотности материалов, необходимых для достижения определенных уровней защиты. Результаты показывают, что для высокоэффективных волокнисто-смоляных материалов устойчивость к проколам повышается с увеличением прочности волокон при аналогичном содержании смолы и повышается с увеличением содержания смолы при аналогичной прочности волокон. Для соответствия требованиям класса А стандарта GA 68 требуется более чем вдвое больше материала, необходимого для класса В, а лезвие D2 в стандарте GA 68 более эффективно, чем лезвие D3. Согласно стандарту NIJ 0115.00, лезвие S1 обладает относительно меньшей прочностью; лезвие P1 предъявляет высокие требования к прочности волокон, в то время как лезвие с шипом предъявляет высокие требования к содержанию смолы. Высокотемпературные условия оказывают наиболее существенное влияние на материалы на основе смолы, устойчивые к проколам; поэтому устойчивость к проколам при высоких температурах является ключевым фактором при испытании образцов в соответствии со стандартом GA 68.

Ключевые слова: Устойчивость к проколам; высокоэффективное волокно; стандарт устойчивости к проколам; материал, устойчивый к проколам; плотность на единицу площади

Эволюция материалов, защищающих от проколов, для бронежилетов прошла три этапа: жесткие материалы, полужесткие материалы и мягкие материалы. В настоящее время в стране и за рубежом широко используются мягкие материалы, защищающие от проколов, — высокоэффективные композиты на основе волокон и смол. Бронежилеты, защищающие от проколов и изготовленные из этих материалов, вытеснили жесткие и полужесткие варианты благодаря превосходному комфорту при ношении и снижению риска вторичных травм [1-7].

Арамидные волокна (включая пара-арамиды и гетероциклические арамиды), поли(п-фениленбензобисоксазол) (PBO) волокна сверхвысокомолекулярный полиэтилен (UHMW-PE) волокна , и углеродные волокна В настоящее время основными высокоэффективными волокнами являются волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (UHMW-PE). Волокна UHMW-PE обладают низкой поверхностной полярностью, тогда как армирующие смолы, используемые для их пропитки, имеют высокую поверхностную полярность; это несоответствие приводит к слабой межфазной связи, что делает волокна UHMW-PE непригодными для изготовления материалов на основе смол, устойчивых к проколам [8-10]. Хотя углеродные волокна обладают высокой прочностью на растяжение и модулем упругости, их низкая трещиностойкость ограничивает поглощение энергии, и они редко используются в качестве защитных материалов. Следовательно, ароматические волокна, такие как арамид и PBO, являются преобладающими высокоэффективными волокнами, используемыми в материалах на основе смол, устойчивых к проколам [11-14].

Для оценки устойчивости защитных материалов к ножевым ранениям такие страны, как США, Великобритания и Германия, разработали соответствующие стандарты для бронежилетов, защищающих от ножевых ранений. Наиболее влиятельным из них является стандарт «Устойчивость к ножевым ранениям индивидуальных бронежилетов» (стандарт NIJ 0115.00-2000), выпущенный Национальным институтом юстиции (NIJ) при Министерстве юстиции США, который широко используется во всем мире. В моей стране также разработан собственный стандарт для бронежилетов, защищающих от ножевых ранений, «GA 68-2024 Полицейские бронежилеты, защищающие от ножевых ранений», разработанный Министерством общественной безопасности.

В данной статье представлено систематическое сравнение и оценка характеристик устойчивости к проколам высокоэффективных композитных материалов на основе волокон и смол в соответствии с китайскими и американскими стандартами. Кроме того, анализируются характеристики и основные моменты национальных и международных стандартов в отношении методов испытаний, показателей оценки и требований к эксплуатационным характеристикам материалов.

1. Экспериментальная секция

1.1 Основные сырьевые материалы
Ткань из пара-арамидного волокна стандартной прочности: TH5108 (прочность на разрыв волокна: 21,5 сН/дтекс), собственного производства;
Высокопрочная пара-арамидная волоконная ткань: TH61081 (предел прочности волокна на разрыв: 23,5 сН/дтекс), собственного производства;
Ткань из гетероциклических арамидных волокон: F-3P200 (прочность на разрыв волокна: 28 сН/дтекс), собственного производства;
Ткань из волокна PBO: JQZW SP200-1100 (прочность на разрыв волокна: 28 сН/дтекс), собственного производства;
Эпоксидная смола и модифицированный алифатический амин: собственного изготовления.

1.2 Основные приборы и оборудование
Тестер устойчивости к проколам GA68: MPFCT-2000, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Тестер устойчивости к проколам NIJ: AQJL-300, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Тестовые лезвия GA68: D1, D2, D3, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Испытательные лезвия NIJ: P1, S1, Spike, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.

1.3 Подготовка образцов
Из-за различий в совместимости различных высокоэффективных волокон с эпоксидной смолой после нанесения смолы и отверждения наблюдаются незначительные вариации поверхностной плотности приготовленных прокалывающих материалов, даже если исходная поверхностная плотность ткани одинакова [15-18]. Для обеспечения научной достоверности и строгости результатов испытаний были выбраны четыре типа высокоэффективных волоконных тканей: пара-арамид стандартной прочности, пара-арамид высокой прочности, гетероциклический арамид и ПБО, все с поверхностной плотностью 200 г/м².

Материалы, устойчивые к проколам, были изготовлены с использованием ручного процесса нанесения смоляного покрытия. Из четырех типов высокоэффективных волокнистых тканей, упомянутых выше, было вырезано несколько образцов размером 350 мм × 300 мм. Эпоксидная смола наносилась на обе стороны ткани с помощью скребка, после чего проводилось дополнительное отверждение в автоклаве при температуре 120 °C и давлении формования 0,3 МПа в течение 4 часов. Таким образом, было изготовлено шесть типов высокоэффективных композитных материалов, устойчивых к проколам, на основе волокон и смоляной матрицы. Среди них образцы № 1–3 использовали один и тот же тип волокна — пара-арамидную волокнистую ткань стандартной прочности — но с постепенно увеличивающимся содержанием смолы; образцы № 3–6 использовали разные типы волокон, но имели схожее содержание смолы. Основные параметры образцов материалов, устойчивых к проколам, приведены в таблице 1. Для подготовки слоев, устойчивых к проколам, к испытаниям, материалы были сложены и герметично упакованы в черную водонепроницаемую ткань; это покрытие эффективно защищало материалы от света, влаги и загрязнений, обеспечивая точность испытаний. Значения плотности поверхности, указанные для образцов в последующих испытаниях, относятся к самому материалу, устойчивому к проколам, за исключением водонепроницаемой ткани.


1.4 Испытания и характеризация
Образцы прокалывающего слоя были протестированы в соответствии со стандартами GA 68 и NIJ 0115.00; сравнение этих двух стандартов приведено в таблице 2. Стандарт GA 68 включает два уровня — класс A и класс B — оба требуют энергии прокола 24 Дж, при этом проникновение во время испытаний не допускается. Класс A предназначен для общих условий эксплуатации и включает только один тип лезвий. Класс B специально разработан для авиационной среды, где вероятность столкновения с чрезвычайно острыми лезвиями минимальна; следовательно, требования к остроте лезвий D2 и D3 в классе B снижены.


Примечание: E1 и E2 обозначают два уровня энергии испытания на устойчивость к проколам в соответствии с NIJ 0115.00.

Стандарт NIJ 0115.00 разделен на три уровня защиты. Для каждого уровня требуется прохождение испытаний с тремя типами лезвий (лезвие P1, лезвие S1 и шип). Кроме того, каждый уровень включает два уровня энергии: максимально допустимая глубина проникновения составляет 7 мм для испытаний с низкой энергией и 20 мм для испытаний с высокой энергией.

Конструкция и принципы работы испытательного оборудования для стандартов GA 68 и NIJ 0115.00 идентичны; на рисунке 1 показана схема оборудования для испытаний на прокалывание, а на рисунке 2 — испытательные лезвия. Прокалывающий слой размещается на подложке испытательной платформы. Испытательное лезвие, установленное на испытательном стенде, проникает в прокалывающий слой в свободном падении. Зона измерения скорости фиксирует скорость свободного падения лезвия для расчета энергии испытания; испытание считается действительным, если энергия соответствует требованиям стандарта.

2. Результаты и обсуждение

2.1 Сравнение показателей устойчивости к проколам различных материалов в соответствии с различными стандартами.
Испытания на устойчивость к проколам проводились на шести материалах, перечисленных в таблице 1, при комнатной температуре. Для каждой конфигурации было протестировано пять комплектов образцов, и результаты представляют собой среднее значение этих пяти комплектов. При заданном уровне защиты материал, требующий меньшего количества слоев — и, следовательно, имеющий меньшую общую плотность поверхности — демонстрирует превосходную устойчивость к проколам; наоборот, материал, требующий большего количества слоев — и, следовательно, имеющий большую общую плотность поверхности — демонстрирует худшие характеристики. В таблице 3 сравниваются характеристики устойчивости к проколам различных материалов в соответствии с различными стандартами. Для классов GA 68 A и B энергия испытания составляла 24 Дж. Для уровней NIJ 0115.00 I, II и III испытания проводились при соответствующих уровнях энергии E1 и E2, как того требует стандарт; представленный результат — это максимальная плотность поверхности, необходимая для одновременного удовлетворения обоих уровней энергии.
Как показано в таблице 3: (1) При одинаковом уровне стандартов устойчивости к проколам среди материалов № 3, № 4, № 5 и № 6 (имеющих схожее содержание смолы) материал PBO № 6 имеет самую низкую плотность на единицу площади, в то время как материал пара-арамида № 3 имеет самую высокую; таким образом, материал PBO № 6 демонстрирует наилучшую устойчивость к проколам. Это указывает на то, что для материалов на основе смолы, устойчивых к проколам, с одинаковым содержанием смолы, более высокая прочность волокна приводит к лучшей устойчивости к проколам. (2) При одинаковом уровне стандартов и использовании одного и того же типа волокнистой ткани плотность на единицу площади материалов № 1, № 2 и № 3 постепенно увеличивается. Это указывает на то, что для материалов на основе смолы с использованием одного и того же волокна более высокое содержание смолы приводит к лучшей устойчивости к проколам. (3) Хотя испытания GA 68 класса А и класса В включают прокол с энергией 24 Дж, острота лезвий различается, при этом лезвие класса В менее острое; Плотность поверхности, необходимая для защиты от лезвия класса А, более чем вдвое превышает плотность, необходимую для лезвия класса В, что демонстрирует, что лезвие класса В в стандарте GA 68 имеет менее половины мощности лезвия класса А. В стандарте NIJ 0115.00 энергия прокола увеличивается на всех трех уровнях; следовательно, количество слоев и плотность поверхности материала, необходимые для обеспечения защиты, также постепенно увеличиваются. (4) Плотность поверхности, необходимая для защиты от лезвия класса А по GA 68 и уровня I по NIJ 0115.00, аналогична; испытание GA 68 класса А включает 24 Дж энергии с нулевым допустимым проникновением, тогда как стандарт NIJ 0115.00 включает 24 Дж для низкого уровня энергии (допускающего проникновение на 7 мм) и 33 Дж для высокого уровня энергии (допускающего проникновение на 20 мм), что подразумевает, что эти два уровня защиты предъявляют сопоставимые требования к материалам на основе смолы, устойчивым к проколам.

2.2 Сравнение сопротивления проколам различных материалов при испытании различных лезвий
Была исследована степень угрозы, исходящей от различных типов лезвий — двух из стандарта GA 68 Class B и трех из стандарта NIJ 0115.00 — при эквивалентных уровнях энергии. При оценке соответствия материала стандартам защиты от проколов, решающим фактором обычно является наиболее мощное лезвие, указанное в стандарте; если образец может выдержать самое мощное лезвие, можно сделать вывод, что он соответствует стандарту для данного уровня защиты. Поскольку разные лезвия предъявляют разные требования к материалу, анализ различий в характеристиках разных лезвий позволяет выявить специфические особенности материала. Различные материалы, устойчивые к проколам, были протестированы на двух лезвиях GA 68 Class B и трех лезвиях NIJ 0115.00. В таблице 4 указано количество слоев материала и плотность поверхности, необходимые для соответствия материалам соответствующим стандартам GA 68 Class B и NIJ 0115.00 уровня I.


Как показано в таблице 4: (1) Что касается двух лезвий класса B GA 68, используемых на высокоэффективных армированных волокном материалах с полимерной матрицей, устойчивых к проколам, защита от лезвия D3 требует больше материала, чем защита от лезвия D2, что указывает на то, что лезвие D3 представляет большую угрозу. Следовательно, во время предварительных испытаний на устойчивость к проколам, если материал с определенной поверхностной плотностью может выдержать лезвие D2, можно сделать вывод, что материал — при этой поверхностной плотности — способен пройти испытание класса B GA 68. (2) На всех трех уровнях NIJ 0115.00 поверхностная плотность, необходимая для испытаний с высокой энергией (допускающая проникновение на 20 мм), неизменно выше, чем плотность, необходимая для испытаний с низкой энергией (допускающая проникновение на 7 мм). Таким образом, в ходе предварительных испытаний, если материал с определенной поверхностной плотностью может выдержать испытание высокой энергией для данного уровня NIJ 0115.00, можно определить, что материал соответствует стандарту для этого уровня, что исключает необходимость дополнительных испытаний низкой энергией на том же уровне. (3) Среди трех типов лезвий, указанных в NIJ 0115.00, лезвие S1 требует наименьшей поверхностной плотности высокоэффективного армированного волокнами смоляного матричного материала, устойчивого к проколам, для защиты, что указывает на то, что лезвие S1 является наименее опасным. Лезвие P1 в NIJ 0115.00 аналогично лезвию D1 в национальных стандартах общественной безопасности; оно имеет относительно длинное и широкое лезвие, оказывает более сильное сдвиговое воздействие на материал при проникновении и предъявляет более высокие требования к механическим свойствам волокон. Следовательно, материалы с более высокой прочностью волокон обеспечивают превосходную защиту от лезвия P1. Среди образцов № 3, № 4, № 5 и № 6, имеющих сопоставимое содержание смолы, образец № 6 демонстрирует наилучшие механические свойства и, следовательно, требует меньшей плотности на единицу площади для защиты от лезвия P1. «Шипообразное» лезвие в NIJ 0115.00 острое и тонкое; при высокоскоростном ударе вниз оно легко проскальзывает мимо волоконных ограничений, минимизируя срезание пучков волокон и неэффективно рассеивая кинетическую энергию лезвия, что позволяет ему продолжать проникать вниз. Поэтому при защите от этого типа лезвия содержание смолы и твердость смолы становятся критически важными факторами. Среди образцов № 1, № 2 и № 3, в которых используется один и тот же тип волокна, но различается содержание смолы, образец № 3 демонстрирует более выраженное преимущество в защите от шипообразного лезвия по сравнению с другими типами лезвий. Кроме того, в таблице 4 показано, что для образцов № 3, № 4, № 5 и № 6, различающихся по прочности волокон, но имеющих сопоставимое содержание смолы, не наблюдается существенной разницы в защите от лезвия шипа, что еще раз подтверждает, что лезвие шипа предъявляет более высокие требования к содержанию смолы в материалах, устойчивых к проколам.

2.3 Сравнение устойчивости к проколам различных материалов в различных условиях окружающей среды
Стандарт GA 68, принятый в моей стране и касающийся защиты от проколов, содержит подробные спецификации относительно адаптации бронежилетов к условиям окружающей среды, охватывающие три условия: высокая температура, низкая температура и погружение в воду. Испытания при высокой температуре включают выдержку образца при температуре (55 ± 2)°C в течение 4 часов перед испытанием на прокол; испытания при низкой температуре включают выдержку при температуре (-20 ± 2)°C в течение 4 часов; а испытания на погружение в воду включают замачивание образца защитного слоя в воде в течение 30 минут перед извлечением для испытания на прокол. В таблице 5 указано количество слоев и требуемая плотность на единицу площади для различных материалов, защищающих от проколов, при испытаниях в различных условиях окружающей среды.
Как показано в таблице 5, Высокоэффективные волокнисто-смоляные материалы, устойчивые к проколам, требуют более высокой плотности покрытия в условиях высоких температур. В то же время, необходимое количество слоев и плотность покрытия остаются практически неизменными при погружении в воду и при комнатной температуре. Кроме того, наименьшее количество слоев и наименьшая плотность покрытия требуются при низких температурах. Это связано с тем, что твердость смолы снижается при высоких температурах, а твердость является ключевым фактором, влияющим на устойчивость этих материалов к проколам. Снижение твердости ослабляет способность слоя, устойчивого к проколам, затуплять кончик лезвия, тем самым снижая устойчивость к проколам. Напротив, твердость смолы увеличивается в условиях низких температур, что приводит к повышению устойчивости материалов к проколам. Результаты испытаний в воде показывают, что при производстве бронежилетов, устойчивых к проколам, при условии, что водонепроницаемая ткань, окружающая такой материал, соответствует стандартам качества, устойчивость материала к проколам остается неизменной при погружении в воду. При предварительном тестировании материалов, устойчивых к проколам, следует отдавать приоритет оценке их характеристик в условиях высоких температур.

3. Выводы

(1) Для высокоэффективных материалов с матрицей из волокна и смолы, устойчивых к проколам, когда содержание смолы одинаково или схоже, более высокая прочность волокна приводит к лучшей устойчивости к проколам; наоборот, когда прочность волокна постоянна, более высокое содержание смолы обеспечивает лучшую устойчивость к проколам.

(2) Плотность поверхности высокоэффективных материалов на основе смоляной матрицы, необходимых для соответствия стандарту GA 68 по устойчивости к проколам класса А, более чем вдвое превышает плотность, необходимую для класса В. Существует прогрессивная зависимость между материалами и плотностью поверхности, необходимыми для соответствия трем уровням защиты стандарта NIJ 0115.00 США, при этом угрозы с более высокой энергией на данном уровне сложнее нейтрализовать, чем угрозы с более низкой энергией на том же уровне. Устойчивость к проколам класса А по стандарту GA 68 сопоставима с устойчивостью к проколам уровня I по стандарту NIJ 0115.00.

(3) Что касается высокоэффективных материалов с волокнисто-смоляной матрицей, устойчивых к проколам, то лезвие D2, указанное в GA 68, менее эффективно, чем лезвие D3. Среди лезвий NIJ 0115.00 лезвие S1 является наименее эффективным; лезвие P1 предъявляет высокие требования к прочности волокон материала, в то время как лезвие с шипом предъявляет высокие требования к содержанию смолы в материале.

(4) Высокотемпературные среды оказывают наиболее существенное влияние на высокоэффективные материалы с полимерной матрицей, устойчивые к проколам; поэтому предварительные испытания должны быть сосредоточены на характеристиках устойчивости к проколам в условиях высоких температур.