柔性防护材料是近年来防护领域研究的热点,由于现代作战方式的多样性及个体防护意识和要求的提高,亟需一种具有优异防护能力且舒适轻便的柔性防护材料。现有柔性防护材料多由芳纶或超高分子量聚乙烯织物层叠复合而成。由于纤维和纤维束表面弱的结合,需要较多的层数(40~50层)才能获得一定的防护效果,这极大增加了织物层叠复合材料的厚度和弯曲强度,一定程度上限制了穿戴者的灵活性和舒适性。同时,光滑的纤维表面决定了最后的层叠复合材料缺少有效的能量耗散机制,子弹动能将使织物层压板产生较大变形,进而对身体组织和器官产生严重的非贯穿性损伤。尽管剪切增稠流体可有效增加织物层叠复合材料的能量耗散,但已有研究指出剪切增稠效应(Jamming)在高速剪切下失效,同时剪切增稠流体中颗粒沉降等特性也限制了其在柔性防护领域的应用。因此,设计和制备舒适轻便且具有优异防护性能的柔性防护材料仍是一个挑战。
上海交通大学流变学研究所刘思俊/俞炜团队开发了一种新型水凝胶/高性能织物柔性防护材料,其中多尺度能量耗散结构的构筑是实现优异防护性能的关键。通过调节聚合物链的氢键相互作用,制备了具有聚合物硬相和聚合物软相的双连续水凝胶(BH)。将双连续水凝胶与亲水改性的超高分子量聚乙烯织物(UPF)复合,进而制备得到双连续水凝胶/超高分子量聚乙烯织物复合材料(BH-UPF)。原子力显微镜、超小角X射线散射、场发射扫描电子显微镜证实了BH-UPF是由链尺度氢键缔合物、纳米尺度双连续相结构和微米尺度UHMPWE纤维组成的多尺度结构,其赋予了BH-UPF具备优异的能量耗散能力。弹道试验表明,BH-UPF可阻拦质量为2.8g,冲击速度约300m/s的子弹(钢珠)。与相同面密度的纯超高分子量聚乙烯织物相比,BH-UPF的凸起变形深度减少了69%。
图1 双连续水凝胶的结构与力学性能.
图2 BH-UPF复合材料的制备、结构、弯曲性能和多尺度结构示意图.
图3 BH-UPF 复合材料抗撕裂性能.
图4 BH-UPF复合材料高速抗冲击性能.
图5 弹道冲击前后纯纤维布UPF和BH-UPF复合材料的宏观和微观结构.
总之,基于多尺度能量耗散机理,将强韧双连续水凝胶与高性能织物复合,研制了一种新型柔性防护材料。一方面,双连续水凝胶作为基体抑制了纤维束的相对滑动,产生受力放大效应。另一方面,BH-UPF复合材料多尺度能量耗散结构极大吸收冲击能,从而降低了凸起变形,提高了复合材料的防护能力。因此,BH-UPF复合材料在柔性防护领域具有一定的应用潜力。
原文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.2c22993
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