论文概述

     大连理工大学王锦艳团队采用聚多巴胺（PDA）涂层和m-SiO₂纳米填料，对芳纶/聚氨酯（AF@PU）复合材料进行界面强化改性。结合准静态力学实验和弹道实验，研究了界面改性对复合材料综合力学性能和防弹性能的影响，并对抗弹道侵彻机理进行了深入探究，为未来设计新一代高性能纤维增强聚合物基防弹复合材料提供了参考与启示。

研究背景

       纤维增强聚合物基复合材料由于具有高强度、可设计性、可加工性和高能量吸收等优点，是理想的应用于个人防护系统的防弹材料。它能有效抵抗弹丸的侵彻，并将冲击力向周围扩散，降低损伤。与其他纤维相比，芳纶纤维具有高强度、高模量以及优异可织造性等优点，能更有效地传递子弹冲击织物时产生的能量，从而增强防护效果。在复合材料中，聚合物树脂主要负责黏结纤维和传递载荷。其中，热塑性聚氨酯因其可回收、耐冲击和制造周期短而得到广泛应用。尽管如此，芳纶纤维表面光滑、活性基团少，聚氨酯粘度较高，这些都阻碍了它们在界面处的有效浸渍和黏结，进而对芳纶/聚氨酯复合材料的力学性能和防弹性能产生负面影响。

图文解析

       PDA涂层可以通过多巴胺的自发原位聚合涂覆在纤维表面，引入功能性羟基，提供丰富的反应活性位点，提高纤维与树脂间的黏结。同时，纳米填料可以提升复合材料的界面结合、摩擦阻力和断裂强度，改善弹道冲击下的能量吸收。尽管如此，纳米颗粒比表面积较大，容易产生团聚，而这在某种程度上会降低复合材料的防弹性能。因此，大连理工大学王锦艳团队先后采用PDA涂层和硅烷偶联剂KH550修饰的SiO₂对芳纶/聚氨酯防弹复合材料进行了界面改性研究。界面改性后，复合材料的界面剥离强度得到了显著提升（图1a），这是由于PDA表面羟基含量丰富，与芳纶纤维之间可以形成强氢键和范德华力相互作用，而KH550在SiO₂表面接枝了亲脂性基团，将纳米颗粒引入界面以后，可以进一步增强纤维与树脂的相容性，同时增大界面粗糙度，提升两者间的啮合作用（图1b）。PDA和SiO₂共同作用的复合材料（m-SiO₂/PDA/AF@PU）界面改善效果最明显，界面剥离强度提升了244.1%。

图1 (a) 不同复合材料的界面剥离强度; (b) 界面改性机理示意图

       准静态力学测试和弹道冲击实验结果证明，随着界面性能的改善，复合材料的综合力学性能和防弹性能均得到了大幅度提升（图2和图3）。m-SiO₂/PDA/AF@PU的拉伸、弯曲、层间剪切和压缩强度最大，相较于未改性分别提高了5.0%、91.4%、30.7%和69.5%。m-SiO₂/PDA/AF@PU展现出最高的V₅₀值，由449.8 m/s提升到481.9 m/s，这是因为SiO₂提升了复合材料的界面粗糙度和整体刚度，表明纳米颗粒的引入对复合材料的防弹性能提升有着促进作用。

图2不同复合材料的拉伸(a) 应力-应变曲线和(b) 强度及模量；弯曲(c) 应力-应变曲线和(d) 强度及模量；层间剪切(e) 应力-应变曲线和(f) 强度及模量；轴向压缩(g) 应力-应变曲线和(h) 强度及模量

图3不同复合材料的防弹性能：V₅₀、能量吸收和比吸收能

       为了更好地了解不同改性复合材料在弹丸冲击下的弹道行为，对子弹击穿后复合材料各表面损伤情况进行了观察表征（图4）。结果证明，冲击面发生基体变形、纤维原纤化、纤维剪切破坏和压缩扭转破坏；背弹面纤维轴向劈裂严重，纤维截面发生拉伸破坏，原纤化更加明显，表面可以看到破碎的基体树脂。m-SiO₂/PDA/AF@PU表面破坏范围最大，纤维损伤最严重，吸能最高，这也解释了该材料具有最佳防弹性能的内在原因。

图4 弹道冲击实验后(a,g)AF@PU,(c,h) PDA/AF@PU和(e,i) m-SiO₂/PDA/AF@PU冲击面的光学和SEM图像; (b,j) AF@PU, (d,k) PDA/AF@PU和(f,l) m-SiO₂/PDA/AF@PU背弹面的光学和SEM图像; (m) AF@PU, (n) PDA/AF@PU和(o) m-SiO₂/PDA/AF@PU侧面的光学图像

文章总结

       采用真空热压工艺，将经PDA和m-SiO₂改性的AF与PU膜制备成一系列高性能复合材料。由于改性后AF的表面粗糙度和极性均得到明显改善，使得改性复合材料在准静态力学性能和防弹性能上均实现了明显提升。其中，PDA的优异物理黏结效应以及丰富羟基含量，结合m-SiO₂对界面粗糙度的有效增强，两者协同作用有效改善了AF与PU间的界面相容性，使得m-SiO₂/PDA/AF@PU复合材料的界面剥离强度提升了244.1%，ILSS也提升了30.7%。得益于界面强度的大幅提升，复合材料的各项力学性能和防弹性能均得到了显著增强。具体表现为：拉伸强度由AF@PU的557.88 MPa提高到585.98 MPa (5.0%)，弯曲强度由13.18 MPa提升至25.23 MPa (91.4%)，压缩强度则由319.38 MPa增加到 541.44 MPa (69.5%)。此外，V₅₀值也从AF@PU的449.8 m/s提升到了481.9 m/s。在弹道冲击实验后，m-SiO₂/PDA/AF@PU表面纤维损伤最为严重，表现出最高的能量吸收能力，本研究证明了提高界面粘结强度对于提升复合材料防弹性能的关键作用。

     上述工作以研究论文形式即将在《高分子学报》2024年印刷出版。

引用本文：

岳航宇, 韩飞龙, 张亚, 王程浩, 宗立率, 王锦艳, 蹇锡高.聚多巴胺和SiO₂界面改性对芳纶/聚氨酯复合材料防弹性能的影响研究.高分子学报, 2024, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2024.24059Yue, H. Y.; Han, F. L.; Zhang, Y.; Wang, C. H.; Zong, L. S.; Wang, J. Y.; Jian, X. G.The effect of interfacial modification of polydopamine and silicane on ballistic performance of aramid/polyurethane composites. Acta Polymerica Sinica, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2024.24059

原文链接：http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2024.24059&lang=zh