芳纶压板无纬布纤维脱粘问题改进研究

陈 虹，艾青松，方心灵，吴中伟

（1. 北京航天试验技术研究所，北京 100074；2. 北京航天雷特机电工程有限公司，北京 100074）

芳纶压板无纬布纤维脱粘问题改进研究

陈 虹1,2，艾青松1,2，方心灵1,2，吴中伟1,2

（1. 北京航天试验技术研究所，北京 100074；2. 北京航天雷特机电工程有限公司，北京 100074）

通过红外测试及不同相对湿度下的实验对比，确定了芳纶（对位芳纶）压板无纬布纤维脱粘问题的影响因素。对树脂进行共混改性实验，改善了树脂与纤维的界面相容性，增强了树脂对纤维的粘接性能，并确定改性剂最佳质量分数为26%；为改善树脂对相对湿度的敏感性，对溶剂进行了相应调整；解决了织布过程中脱粘问题，提高了压板无纬布产品的质量。

芳纶；无纬布；纤维脱粘；改性

0 引言

芳纶压板无纬布由芳纶与树脂体系经特殊复合工艺制成，经后期层压工艺，将多层压板布层叠后热压成型，作为防弹材料使用[1]。但芳纶表面浸润性较差，与树脂的界面结合能较低，容易出现纤维脱粘现象，造成所制备的无纬布局部变形严重，纤维排列不均匀，纤维之间出现间隙，而这些缝隙将成为薄弱点，更容易发生断裂行为。对于脱粘严重的情况，甚至有一根根芳纶丝束从基体中脱落出来，在芳纶压板无纬布生产过程中出现散片问题。由于基体的作用是把纤维粘结成一个整体，保持纤维间的相对位置，使纤维能发挥协同作用[2]。散片现象产生后，纤维从基体里脱粘，无法发挥纤维协同作用，从而导致材料整体防护性能下降[3]。因此，需要对芳纶压板无纬布的制备工艺进行优化，以解决散片问题，保证大规模生产工艺的可实施性与产品质量的稳定性。

1 工艺分析与性能测试

1.1 芳纶压板无纬布制备工艺

芳纶压板无纬布的制备工艺如下：由芳纶经绕制机缠绕成型，芳纶卷装放置在导向辊上，丝束经树脂上胶系统上胶后，通过展丝辊缠绕在附有聚乙烯薄膜的绕丝辊上。而展丝辊在轴向丝杆的带动下，沿绕丝辊轴向移动。调节好绕丝辊速度和丝杆转速后，上好胶的丝束便按一定的间距排列在绕丝辊上的聚乙烯薄膜上。当展丝辊带动丝束从绕丝辊左端沿轴线移至右端后，展丝辊轴向丝杆停转，同时绕丝辊由卷绕速度转为以干燥速度运转，石英加热管被接通电源并在气缸推动下靠近绕丝辊，压丝辊则在气缸推动下压在绕丝辊上，干燥工序开始。经过一段时间运行，当树脂被烘干后，单片无纬布制备结束，将制得的预浸料沿缠绕辊母线割下，并将其旋转90°后铺在绕丝辊上，覆在其上进行第二层制备，制得由两层单向芳纶预浸料复合的无纬布。

实验从压板无纬布制备过程中影响芳纶与树脂浸润粘接的界面相容性与环境湿度两个因素对散片问题进行分析，以找到芳纶脱粘现象产生的根源，并进行工艺优化与改进实验。

1.2 表面分析

粘接的扩散理论认为，在粘接高分子材料时，由于分子或链段的热运动，树脂分子或链段与被粘物的分子或链段相互扩散，使粘合界面消失，形成一个过渡区，产生牢固的胶接接头。而粘接界面的扩散问题就是高分子的相溶性问题，必须选择溶解度参数与被粘物相近的树脂。李学锋等人的研究也证明，对于纤维增强复合材料，由于纤维表面涂层影响树脂对其表面的润湿，未经处理的纤维有较强极性，使其与非极性树脂间界面润湿性和粘结性变差，随着时间推移会发生剥落[4]。

实验对芳纶表面油剂进行了红外分析，结果如图1所示。从图中可以看出，油剂含有羟基及羧基，因此油剂极性较大。而丙烯酸酯树脂分子式中具有大量的甲基及支链，多为非极性基团，与芳纶表面极性油剂相容性较差，导致该树脂对芳纶的浸润性较差，从而使芳纶表面未被树脂完全包裹，粘接强度不足。

1.3 环境湿度分析

在不同湿度环境中进行压板无纬布制备对比实验，结果如表1所示，当生产环境中相对湿度＞65%时，就会出现不同程度的散片问题。

水性树脂成膜固化机理一般有3 个物理过程：①水分蒸发和微粒排序，乳液粒子逐渐靠拢；②随着水分进一步挥发，乳胶粒子形成不可逆的相互接触，发生粒子变形，达到最紧密堆积状态；③聚合物界面分子链相互扩散、渗透和缠结，形成具有一定力学性能的膜。

此过程受环境湿度影响较大，经查阅文献表明，在水性树脂干燥时相对湿度对其性能影响很大。当湿度较大时，树脂中水分难以快速挥发，导致乳液颗粒无法快速聚集和融合，树脂无法快速固化，不易得到连续的涂膜层，而造成初粘强度急剧下降。

表1 不同相对湿度下芳纶压板无纬布表观质量

因此，该压板无纬布制备环境需保证在相对湿度＜70%。但是，在大规模生产中，控制环境湿度并不现实，因而需对该树脂配方进行调整，以提高粘接强度。

2 改进与优化

2.1 共混改性

根据实验结果，问题根源在于树脂粘接强度不足。将丙烯酸乳液与其他水性树脂共混组成新的水性胶是常见的改性方法。其中最重要的是水性聚氨酯改性丙烯酸酯，称为“第三代水性聚氨酯”，它结合了聚氨酯树脂优异的粘接强度与丙烯酸树脂较好的耐水性及耐化学品等性能,使材料的综合性能得到提高。

因此，研究通过加入适量的聚氨酯共混改性，通过调整树脂配方组成来提高树脂体系与芳纶的粘接强度。在相对湿度70%条件下， 分别配制6种不同配方进行织布实验，实验结果如表2所示。

由表2结果可知，当改性剂质量分数低于26%时，随着改性剂质量分数的增加，制备过程散片情况逐步得到改善。说明加入改性剂确实提高了粘接强度。改性剂为聚氨酯树脂及适量偶联剂，其中偶联剂作用为提高两种成分的相容性。由于改性剂中聚氨酯分子链上存在较多的氨基甲酸酯基团（-NHCOO-）或异氰酸酯基（-NCO）基团，均为极性基团，树脂极性顺序是：聚氨酯树脂＞丙烯酸酯树脂，而纤维表面油剂含有较多羟基及羧基，极性同样较大，根据“相似相容原理”，极性越接近，相容性越好，加入改性剂后可保证纤维与树脂具有较好的相容性，改善树脂与纤维的界面作用力，提升粘接强度，且极性越大，相容性越好，因而在一定范围内，随着改性剂质量分数增大，散片现象改善效果越好。

但是当改性剂质量分数＞26%时，极性过大，粘接力过大，会导致层与层之间粘结太牢，压板无纬布整体脆性过大，已在生产中产生断裂情况，增加生产工艺难度，且压板无纬布表观过硬，制备的新型无纬布难以满足柔软性要求。因此，改性剂质量分数26%为最佳，不仅散片情况消除，制备工艺容易，且压板无纬布手感柔软，满足事业部对无纬布产品的质量要求。

2.2 溶剂调整

当相对湿度＞75%时，上述树脂配方虽然对制备无纬布的品质有较大提升，但仍有轻微的散丝现象，经分析可知，水的蒸发潜热高，干燥比较迟缓，在较大的湿度下，饱和蒸汽压较低，树脂中的水分未充分烘干，导致粘结强度不高；加热干燥固化时，乳液粒子间不易得到连续的涂膜层。通常的办法是加入少量的低沸点溶剂如丙酮、甲苯等烷酮[5]。因此，为保证环境相对湿度＞75%的特殊情况下树脂仍适用，实验对树脂溶剂中挥发组分进行细微的调整，提高树脂中挥发分质量分数使溶剂充分挥发，以提高成膜性能，从而提高无纬布的粘结强度，提升产品合格率。通过文献调研及前期实验得出，向树脂中添加少量易挥发组分如酒精、丙酮等可溶于水性树脂的溶剂可提高树脂的挥发速度，降低制成无纬布中的水分，从而提高粘结强度，提升产品的品质。多次实验表明，当添加丙酮的比例为5%时，可满足现有的生产工艺，工人织造无纬布的成品率明显提升，提高了产品的品质。将最终配方投入生产，发现胶带粘接现象大大减少，制备过程中散片问题得到解决。

表2 改性剂质量分数对压板无纬布制备工艺的影响

3 结论

通过一系列实验对比及红外测试分析，确定了导致芳纶压板无纬布纤维脱粘问题的原因。并从两方面着手解决，一方面，对树脂进行共混改性实验，改善了树脂与纤维的界面相容性，增强了树脂对纤维的粘接性能，并确定了改性剂的质量分数为26%；另一方面，对溶剂进行了相应调整，使得树脂在相对湿度＞75%环境下同样适用；最终成功解决了散片问题，改进了制备工艺，提升了芳纶压板无纬布的产品质量。

[1] 岳升彩. 新型纺织材料在军事上的应用-软质防弹衣[J].山东纺织经济, 2007, (6): 78-80.

[2] 吴中伟, 吕攀珂. 热固性树脂对芳纶复合材料防弹性能的影响[J]. 中国个体防护装备, 2012, (1): 18-20.

[3] 杨小兵. 芳纶无纬布的制备及其抗弹性能研究[J]. 高科技纤维与应用, 2007, 32(3): 20-22.

[4] 李学锋. 秸秆/聚合物复合材料界面相容性的研究进展[J].化工新型材料, 2014, 42(7): 30-31.

[5] 文志红. 水性聚氨酯胶粘剂[J]. 中国胶黏剂, 2003, 13(4): 55-58.

Study on the improvement of debonding problem of Aramid UD cloth

CHEN Hong1,2, AI Qing-song1,2, FANG Xin-ling1,2, WU Zhong-wei1,2
( 1. Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing 100074 China; 2. Beijing Aerospace Rate Mechanical & Electrical Engineering Co. Ltd., Beijing 100074 China )

The influences factors of debonding problem of aramid UD cloth were determined by FT-IR characterization and a series of comparative experiments under different humidity, Through blending modification of adhesive, the interfacial compatibility of the adhesive and the fiber was improved, the bonding strength was increased, and the best dosage of modifier is initially identified to be 26%. To improve its sensitivity to the humidity, solvent of the adhesive was corresponding adjusted. While the debonding problem was solved finally and the quality of UD cloth was improved.

para-aramid fiber ; UD cloth; debonding; modification

TB334

A

1007-9815（2016）06-0067-03

定稿日期: 2016-12-20

陈虹（1993-），女，陕西咸阳人，硕士研究生，主要从事高性能纤维及防弹防刺材料研究，(电子信箱)ch91634 8939@163.com。