منسوجات و پوشش‌های بالستیکی
قسمت اول: معرفی و بررسی خصوصیات الیاف بالستیکی
علی صفوی
دکترا مهندسی شیمی‌نساجی و علوم الیاف،
دانشکده مهندسی نساجی، قطب علمی‌و پژوهشکده نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران
چکیده
این نگارش، مقاله اول از سری مقالات در زمینه پوششها و منسوجات بالستیک میباشد که به معرفی و بررسی ویژگیهای یکی از الیاف بالستیکی خواهد پرداخت.
سالیان درازی صنعت نساجی در صدد ایجاد تکنولوژی و توسعه مواد جدیدی برای ارتقاء عملکرد، راحتی، کارایی، دوام و قابلیت اعتماد زره‌های شخصی بوده است. توسعه الیاف مدول بالا با استحکام زیاد در دهه ۶۰ ، عصر جدیدی را در زره شخصی باز نمود. استفاده از این الیاف در ساختارهای ضد گلوله، محافظت خوبی علیه مهمات و پرتابه‌های کوچک ایجاد می‌کند. همچنین این الیاف توانایی دارند مقادیر زیادی انرژی را به سرعت جذب کرده و آنچه را که معمولاً می‌توانست کُشنده باشد، تا حد کبودی و خون مردگی تقلیل دهند. زره‌های منسوج، جدیدترین و انقلابی‌ترین دستاورد در زمینه زره‌های شخصی هستند که در دهه‌های اخیر توسط نیروهای نظامی، پلیس و نیروهای امنیتی با ضریب اطیمنان بالا و محافظت مطلوب و با کمترین محدودیت حرکتی برای آن‌ها به کار رفته است [۳].
مقدمه
اولین استفاده از کامپوزیت‌های بر پایه الیاف (عمدتاً نایلون (پلی آمید) و کامپوزیت‌های اتیلسلولز/الیاف شیشه E) در سیستم زره‌های شخصی[۱]، به جای روش قدیمی‌استفاده از فلزات را می‌توان به جنگ کُره مربوط دانست. اگرچه به دلیل قیمت کم الیاف نایلون و شیشه نوع E، این نوع کامپوزیت‌ها هماکنون نیز به کار گرفته می‌شوند، اما امروزه الیاف پلیمری با کارایی بالا در زره‌های شخصی تقویت شده با الیاف، به صورت استاندارد کاربرد پیدا کرده اند. این الیاف پلیمری با کارایی بالا، با استحکام، سختی و ظرفیت جذب انرژی بسیار افزایش یافته خود، شناخته شده و مطرح هستند. برجسته‌ترین انواع این الیاف عبارتند از:
– پلی آرامیدها نظیر کولار (®Kevlar)، تِوارون(Twaron®) و تکنورا (Technora®)
– پلی اتیلن با جرم مولکولی بسیار بالا (UHMWPE) و آرایش یافتگی بالا نظیر اسپکترا (Spectra®) و دایینما(Dyneema®)
– پلی بنزوبیس-اکسازول (PBO)(Polybenzobisoxazole) نظیر زایلون (Zylon®)
– پلی پیریدو بیس-ایمیدازول (PIPD)(Polypyridobisimidazole) نظیر M5
در تست کششی کلیه این مواد به صورت محسوس و مشخصی متفاوت با الیاف نایلون بوده و دارای سختی مطلق بسیار بالا، استحکام ویژه به شدت بالا و افزایش طول در شکست بسیار کم (۴% >) هستند. این الیاف به طور ذاتی در هنگام کشش، به صورت مواد الاستیک خطی (مستقل از سرعت کشش) عمل می‌کنند. با این وجود، هنگامی‌که بر روی این الیاف آزمون تراکم متقاطع (Transverse compression) انجام می‌شود، مشابه نایلون عمل کرده و تغییر شکل پلاستیک بالایی، بدون از دست رفتن محسوس ظرفیت تحمل بار کششی (Tensile load-carrying capacity) ، نشان میدهند. این رفتار کاملاً متفاوت با رفتار دیده شده در الیاف کربن یا شیشه میباشد چرا که این الیاف تحت شرایط بار تراکمی‌متقاطع، خُرد شده و می‌شکنند [۷].
مواد و الیاف بالستیکی مورد استفاده در پانل‌ها و زره‌های بالستیک
آرامیدها: کولار، توارون، تکنورا
در اواخر دهه ۱۹۶۰ یک دستاورد تکنولوژیکی در زمینه پلیمر روی داد. دانشمندان شرکت DuPont الیافی را توسعه دادند که سه مرتبه محکم‌تر از نایلون و مدول‌های آن‌ها بسیار بیشتر میباشد. این لیف به حدی نازک بود که می‌توانستند از آن پارچه بافته شده انعطاف پذیر و با قابلیت دوخت و دوز تهیه کنند. این لیف جدید PRD-49 نام گرفت و سپس با نام کولار ۲۹ (شکل ۱) به صورت تجاری تولید شد. این الیاف بسیار محکم‌تر و همچنین سبک‌تر از الیاف فایبرگلاس بودند و جایگزین نایلون در زره‌های محکم و انعطاف‌پذیر مورد استفاده در تعدادی از آژانس‌های اجرایی و ارتش شدند. کلاه‌های ایمنی و جلیقه‌های منعطف ساخته شده از الیاف آرامیدی با وزنی بسیار کم از الیاف نایلون، قادر به متوقف کردن پرتابه‌ها و گلولهها هستند. با این وجود کامپوزیت‌های تقویت شده با این الیاف قادر به متوقف کردن کلیه گلوله‌های آتش شده از یک تفنگ نبودند. با استفاده از کاشی‌های سرامیکی (تقویت شده با کامپوزیت آرامیدی در پشت)، ماده سبک وزن جدیدی توسعه یافت که در مقایسه با سرامیک حمایت شده با کامپوزیت‌های فایبرگلاس در پشت، قادر به متوقف کردن یک گلوله تفنگ است. تمایل به استفاده از الیاف آرامیدی به دلیل ویژگیهای محافظتی آن در برابر گلوله‌های اسلحه کمری رو به افزایش است و وزن یک جلیقه آرامیدی نیز بسیار کمتر از یک جلیقه تهیه شده از نایلون میباشد [۵].
شکل ۱- ساختار شیمیایی الیاف پارا آرامیدی [۵]
کولار (از DuPont) اولین دسته از الیاف آرامیدی است و پس از آن توارون (از Akzo-Nobel, now with Teijin) قرار دارد. آرامیدها، پلی آمیدهایی هستند که دارای حداقل ۸۵% گروههای آمیدی از دو طرف به حلقه آروماتیک متصل باشند. در پارا آرامیدها (که الیاف مدول بالا-استحکام بالا به دست میدهند) این اتصالات در کربن‌های مقابل حلقهها است.
در جدول ۱ ویژگیهای نوعی الیاف آرامیدی آورده شده است [۵].
جدول ۱- ویژگیهای نوعی نخهای آرامیدی [۵]
برخی ویژگیهای تعدادی از الیاف آرامیدی در جدول ۲ آورده شده است.
جدول ۲- انواع آرامیدها و ویژگیهای آن‌ها [۳].
در کاربردهای بالستیکی مهمترین پارامتر در ارزیابی مقاومت ضربه بالستیکی مواد، میزان بحرانی سرعت گلوله یا انرژی سینتیکی آن برای سیستم است که پایین تر از آن هیچگونه ایجاد حفره کاملی روی ندهد. این ویژگی به «حد بالستیکی[۱]» (Vc) یا (V۵۰) اشاره دارد که منظور از ۵۰، شانس ۵۰/۵۰ نفوذ کامل در نمودار احتمال است. همچنین ویژگیهای استحکام باقی مانده و تحمل آسیب این سیستم که دارای گلوله‌هایی است که تا حدودی در آن نفوذ کرده اند یا باعث تخریب سطح آن شده اند نیز، بسیار مهم میباشد و قابلیت حفظ جان بلند مدت (Long term survivability) به وسیله سیستم حفاظتی را تعیین می‌کند.
در شکل۲ مقایسه ای از رفتار دو نوع پارچه تهیه شده از نایلون ۶۶ کولار ۲۹ تحت برخورد بالستیکی آورده شده است [۵].
شکل۲- تشکیل قسمت مخروطی شکل مشاهده شده بر روی پارچه نایلون-۶۶ (a) و کولار-۲۹ (b) تحت یک برخورد بالستیکی. ساختار پارچه (با بافت سبدی ۲×۲) دانسیته سطحی پارچه‌ها (oz/yd۲۱۴) همچنین سرعت برخورد (m/s200) برای هر دو مورد یکسان است. گلوله به کار رفته از نوع پرتابه شبیه سازی شده به ترکش (FSP) با وزن ۱۷ گرین میباشد. [۵]
این شکل به وضوح مشخص می‌کند که کولار ۲۹ انرژی سینتیکی بسیار بیشتری نسبت به پارچه نایلون ۶۶ تحت یک برخورد بالستیکی جذب می‌کند. در شکل۳ نیز مقایسه‌ای از شکل پارگی چند لیف بالستیکی نشان داده شده است.
شکل۳- پارگی یک لیف تحت نفوذ بالستیکی در نایلون ۶۶ (a)، کولار ۲۹ (b)، اسپکترا (c) و زایلون (d) [5]
در شکل۴، انرژی ضربه جذب شده توسط چند لایی‌های کولار به عنوان تابعی از دمای فرایند (و دیگر شرایط فرایند) آورده شده است. در اینجا PSU به رزین آمورف پلی سولفون اشاره دارد. به وضوح مشخص است که انرژی جذب شده به وسیله کامپوزیت‌های کولار/پلی‌سولفون، به شدت با افزایش دمای فرایند کردن آن‌ها، کاهش می‌یابد.
شکل۴- انرژی ضربه جذب شده در حد بالستیکی (V۵۰) به وسیله کامپوزیت‌های کولارKM2/PSU-
به عنوان تابعی از شرایط فرایند کردن آن‌ها [۵].
در شکل۵ حد بالستیکی (V۵۰) به عنوان تابعی از دانسیته سطحی کامپوزیت‌های تهیه شده با فرمولاسیونهای متفاوت آورده شده است. در این کامپوزیت‌ها از رزین‌های فنولیک (PH)، پلی وینیل بوتیرال (PVB)، پلی اورتان (PU)، وینیل استر (VE) و پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE) استفاده شده است [۵].
منابع
[۱] T. Brvik, S. Dey, A.H. Clausen., International Journal of Impact Engineering, 36 (2009) 948–۹۶۴
[۲] Handbook of technical textiles, A. R. Horrocks and S. C. Anand, Eds. Woodhead Publishing Ltd and CRC press LLC, USA, 2000
[۳] Textiles for protection, R. A. Scott, Ed. Woodhead Publishing Ltd and CRC press LLC, USA, 2005
[۴] Carothers J. P. (Major) Body Armour, A Historical Perspective, USMC CSC 1988
[۵] Lightweight ballistic composites, Military and law-enforcement applications, A. Bhatnagar, Ed. Woodhead Publishing Ltd and CRC Press LLC, USA, 2006
[۶] www.fy-composites.com