中国科大龚兴龙教授课题组 CEJ：具有阻燃抗冲击性能的高热稳定性轻质柔软凯夫拉复合材料

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生命安全是人类社会发展的重要课题，近年来，面对不同极端环境下的人体防护需求，以防弹衣为代表的一系列抗冲击防护功能材料取得了快速的发展。冷兵器时代，士兵们穿着盔甲保护身体，坚硬且笨重的缺点使其不得不被淘汰，取而代之的是性能更好，重量更轻的软防弹衣材料，以Kevlar为基础的一系列防护材料由于其轻质柔软的特点而被广泛研究，然而，目前的研究主要致力于提高材料的防护性能，但在恶劣环境中发生的机械冲击往往伴随着热损伤，传统的单一防御结构无法抵抗这些耦合威胁。因此，如何有效降低热冲击和机械冲击对人体造成的伤害，在极端环境中对人体实现全方位的保护是一项重要课题。

鉴于此，中国科学技术大学龚兴龙教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Flexible and lightweight Kevlar composites towards flame retardant and impact resistance with excellent thermal stability”的论文。该论文将二氧化硅颗粒分散在亲水性离子液体（[BMIM]BF₄）中制备剪切增稠液（STF）。采用“稀释-浸渍-干燥”的方法，将STF复合到Kevlar纤维上，研制了一种具有优异抗冲击、耐高温以及阻燃性能的轻质STF/Kevlar复合材料。

STF/Kevlar复合材料的设计与制备

研究人员采用球磨分散的方式将二氧化硅颗粒分散到高热稳定性的离子液体中配置剪切增稠液，以“稀释-浸渍-干燥”的方法制备了高柔韧性的STF/Kevlar复合材料（图1）。二氧化硅表面丰富的羟基官能团与离子液体之间可以形成氢键，在外部剪切作用下，表现出显著的剪切增稠现象（图2）。

图1. STF/Kevlar复合材料的制备工艺示意图。

图2. STF/Kevlar复合材料的流变性能。

STF/Kevlar复合材料的防护性能

由于STF在实现液固转变的过程中可以耗散大量的能量，因此有望提高复合材料的防护性能。单根纱线拉拔实验结果表明，在引入STF后，复合材料表现出良好的率相关性和机械性能（图3）。同时研究人员对STF/Kevlar复合材料进行了静态和动态条件下的力学行为探究。准静态条件下，复合材料可将纯Kevlar织物的针刺力提高三倍，表现出优异的抗针刺性能；在低速落锤冲击和高速弹道冲击时，单层复合材料相比于纯Kevlar织物都展现出非凡的抗冲击性能（图4）。

图3. STF/Kevlar复合材料的单丝拉拔实验。

图4. STF/Kevlar复合材料的防护性能。

STF/Kevlar复合材料的耐高温性能

鉴于离子液体基剪切增稠液良好的热稳定性，STF/Kevlar复合材料表现出显著的耐高温性能，即使在400 ℃的高温处理下，也能维持良好的柔韧性和机械性能（图5）。

图5. STF/Kevlar复合材料的耐高温性能。

STF/Kevlar复合材料的阻燃性能

离子液体因其良好的热稳定性和难燃特性被广泛的用作阻燃添加剂，研究表明，离子液体能够有效的促进聚合物成碳，是良好的成碳剂和活化剂。同时构成Kevlar纤维的聚对苯二甲酰对苯二胺是一种液态结晶性棒状分子，具有良好的热稳定性。基于此，研究人员利用含氮、氟元素的离子液体作为分散介质，以SiO₂为分散相颗粒制备剪切增稠液，利用Si、F、N元素的协同阻燃作用赋予了STF/Kevlar复合材料出色的阻燃性能，可以实现离火即自熄，且拥有高达32%的极限氧指数（图6），在长时间燃烧后复合材料表面仍然含有一定量的STF，表明复合材料在实现阻燃的同时仍有良好的防护性能（图7）。

图6. STF/Kevlar复合材料的阻燃性能。

图7. STF/Kevlar复合材料燃烧后的形貌表征。

综上所述，该工作研制了一种具有阻燃抗冲击性能的高热稳定性轻质柔软凯夫拉复合材料，其多功能性保证了在极端条件下对机械损伤和热损伤的广泛防御，有望实现对人体全方位的保护，在轻量化阻燃和冲击防护领域显示出巨大的应用潜力。论文第一作者为中国科大工程科学学院硕士研究生潘雨成，通讯作者为中国科大工程科学学院龚兴龙教授和博士后桑敏。

该研究得到了国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金的资助和支持。

原文链接

Yucheng Pan, Min Sang, Junshuo Zhang, Yuxi Sun, Shuai Liu, Yuan Hu and Xinglong Gong, Flexible and lightweight Kevlar composites towards flame retardant and impact resistance with excellent thermal stability, Chem. Eng. J. 452 (2023) 139565.

https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139565

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