Istituto dei Materiali Non Metallici: Analisi comparativa della resistenza alla perforazione di materiali ad alte prestazioni a base di fibre/resine secondo gli standard nazionali e internazionali

Confronto della resistenza alla perforazione di materiali ad alte prestazioni a base di fibre/resina secondo gli standard nazionali e internazionali.

Astratto: Questo articolo analizza le differenze di resistenza alle coltellate tra vari materiali ad alte prestazioni a base di fibre/resina, confrontando i risultati dei test ottenuti secondo lo standard cinese *GA 68-2024 per i giubbotti antiproiettile della polizia* e lo standard statunitense *NIJ 0115.00-2000 per la resistenza alle coltellate dei giubbotti antiproiettile*. Vengono inoltre analizzate le caratteristiche dei parametri di valutazione e i requisiti specifici di prestazione dei materiali enfatizzati da questi standard nazionali e internazionali. La resistenza alle coltellate è stata valutata calcolando il numero di strati e la densità superficiale dei materiali necessari per soddisfare specifici livelli di protezione. I risultati indicano che, per i materiali ad alte prestazioni a base di fibre/resina, la resistenza alle coltellate migliora con l'aumentare della resistenza delle fibre a parità di contenuto di resina. Soddisfare i requisiti di Classe A dello standard GA 68 richiede più del doppio del materiale necessario per la Classe B, e la lama D2 dello standard GA 68 è più efficace della lama D3. Secondo lo standard NIJ 0115.00, la lama S1 è relativamente meno resistente; la lama P1 impone elevati requisiti in termini di resistenza delle fibre, mentre la lama a punta impone elevati requisiti in termini di contenuto di resina. Le condizioni di alta temperatura hanno l'impatto più significativo sui materiali antiperforazione a base di resina; pertanto, la resistenza alla perforazione ad alta temperatura è un aspetto chiave quando si testano i campioni secondo lo standard GA 68.

Parole chiave: Resistenza alla perforazione; fibra ad alte prestazioni; standard di resistenza alla perforazione; materiale resistente alla perforazione; densità superficiale

L'evoluzione dei materiali antitaglio per giubbotti antiproiettile si è sviluppata attraverso tre fasi: materiali rigidi, materiali semirigidi e materiali morbidi. Attualmente, i materiali antitaglio morbidi comunemente utilizzati a livello nazionale e internazionale sono compositi ad alte prestazioni a base di fibre/resina. I giubbotti antitaglio realizzati con questi materiali hanno soppiantato le opzioni rigide e semirigide grazie al loro maggiore comfort e al ridotto rischio di causare lesioni secondarie [1-7].

Fibre aramidiche (inclusi para-aramide e aramide eterociclica), poli(p-fenilene benzobisossazolo) fibre (PBO) polietilene ad altissimo peso molecolare fibre (UHMW-PE) , E fibre di carbonio sono attualmente le principali fibre ad alte prestazioni. Le fibre UHMW-PE possiedono una bassa polarità superficiale, mentre le resine di rinforzo utilizzate per impregnarle presentano un'elevata polarità superficiale; questa discrepanza si traduce in un debole legame interfacciale, rendendo le fibre UHMW-PE inadatte alla fabbricazione di materiali resistenti alle perforazioni a base di resina [8-10]. Sebbene le fibre di carbonio offrano un'elevata resistenza alla trazione e un modulo elevato, la loro bassa tenacità alla frattura limita l'assorbimento di energia e sono raramente utilizzate da sole per applicazioni protettive. Di conseguenza, le fibre aromatiche come l'aramide e il PBO sono le fibre ad alte prestazioni predominanti impiegate nei materiali resistenti alle perforazioni a base di resina [11-14].

Per valutare la resistenza alle coltellate dei materiali di protezione, paesi come gli Stati Uniti, il Regno Unito e la Germania hanno stabilito standard specifici per i giubbotti antiproiettile. Il più influente di questi è lo standard "Stab Resistance of Personal Body Armor" (NIJ Standard 0115.00-2000), pubblicato dal National Institute of Justice (NIJ) del Dipartimento di Giustizia degli Stati Uniti, ampiamente adottato a livello globale. Anche il mio paese ha stabilito un proprio standard per i giubbotti antiproiettile, il "GA 68-2024 Police Stab-Resistant Body Armor", elaborato dal Ministero della Pubblica Sicurezza.

Questo articolo presenta un confronto e una valutazione sistematici delle prestazioni di resistenza alla perforazione di questi materiali compositi fibra/resina ad alte prestazioni, in conformità con gli standard cinesi e statunitensi. Inoltre, analizza le caratteristiche e i punti focali degli standard nazionali e internazionali relativi ai metodi di prova, ai parametri di valutazione e ai requisiti prestazionali dei materiali.

1 Sezione sperimentale

1.1 Principali materie prime
Tessuto in fibra para-aramidica a resistenza standard: TH5108 (resistenza alla trazione della fibra: 21,5 cN/dtex), di produzione propria;
Tessuto in fibra para-aramidica ad alta resistenza: TH61081 (resistenza alla trazione della fibra: 23,5 cN/dtex), di produzione propria;
Tessuto in fibra aramidica eterociclica: F-3P200 (resistenza alla trazione della fibra: 28 cN/dtex), di produzione propria;
Tessuto in fibra PBO: JQZW SP200-1100 (resistenza alla trazione della fibra: 28 cN/dtex), di produzione propria;
Resina epossidica e ammina alifatica modificata: preparata in casa.

1.2 Strumenti e attrezzature principali
Tester di resistenza alla perforazione GA68: MPFCT-2000, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Tester di resistenza alla perforazione NIJ: AQJL-300, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Lame di prova GA68: D1, D2, D3, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Lame di prova NIJ: P1, S1, Spike, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.

1.3 Preparazione del campione
A causa delle differenze di compatibilità tra varie fibre ad alte prestazioni e la resina epossidica, dopo il rivestimento e la polimerizzazione della resina si verificano lievi variazioni nella densità superficiale dei materiali anti-perforazione preparati, anche quando la densità superficiale iniziale del tessuto è identica [15-18]. Per garantire la validità scientifica e il rigore dei risultati del test, sono stati selezionati quattro tipi di tessuti in fibra ad alte prestazioni: para-aramide a resistenza standard, para-aramide ad alta resistenza, aramide eterociclica e PBO, tutti con una densità superficiale di 200 g/m².

I materiali resistenti alle perforazioni sono stati preparati mediante un processo manuale di rivestimento con resina. Diversi campioni di dimensioni 350 mm × 300 mm sono stati ricavati dai quattro tipi di tessuti in fibra ad alte prestazioni menzionati in precedenza. La resina epossidica è stata applicata su entrambi i lati dei tessuti utilizzando una spatola, seguita da una post-polimerizzazione in autoclave a 120 °C e una pressione di stampaggio di 0,3 MPa per 4 ore. Sono stati così preparati sei tipi di materiali compositi resistenti alle perforazioni a matrice di resina/fibra ad alte prestazioni. Tra questi, i campioni da 1 a 3 utilizzavano lo stesso tipo di fibra – tessuto in fibra para-aramidica a resistenza standard – ma presentavano un contenuto di resina progressivamente crescente; i campioni da 3 a 6 utilizzavano diversi tipi di fibra ma avevano contenuti di resina simili. I parametri di base dei campioni di materiale resistente alle perforazioni sono elencati nella Tabella 1. Per preparare gli strati resistenti alle perforazioni per i test, i materiali sono stati sovrapposti e sigillati all'interno di un tessuto nero impermeabile; questo rivestimento ha protetto efficacemente i materiali da luce, umidità e contaminanti, garantendo la precisione dei test. I valori di densità superficiale riportati per i campioni nei test successivi si riferiscono al materiale antitaglio stesso, escludendo il tessuto impermeabile.


1.4 Test e caratterizzazione
I campioni dello strato anti-perforazione sono stati testati in conformità con gli standard GA 68 e NIJ 0115.00; un confronto tra questi due standard è fornito nella Tabella 2. Lo standard GA 68 comprende due livelli: Classe A e Classe B, entrambi i quali richiedono un'energia di perforazione di 24 J senza che sia consentita alcuna penetrazione durante il test. La Classe A è destinata ad ambienti generici e prevede un solo tipo di lama. La Classe B è specificamente progettata per ambienti aeronautici, dove la probabilità di incontrare lame estremamente affilate è minima; di conseguenza, le specifiche di affilatura per le lame D2 e ​​D3 nella Classe B sono ridotte.


Nota: E1 ed E2 rappresentano due livelli di energia del test di resistenza alla perforazione secondo la norma NIJ 0115.00.

Lo standard NIJ 0115.00 è suddiviso in tre livelli di protezione. Ogni livello richiede il superamento di test con tre tipi di lame (lama P1, lama S1 e punta). Inoltre, ogni livello prevede due livelli di energia: la penetrazione massima consentita è di 7 mm per i test a bassa energia e di 20 mm per i test ad alta energia.

La struttura e i principi di funzionamento delle apparecchiature di prova per GA 68 e NIJ 0115.00 sono identici; la Figura 1 mostra uno schema dell'apparecchiatura per la prova di resistenza alla perforazione, mentre la Figura 2 mostra le lame di prova. Lo strato resistente alla perforazione è posizionato sul materiale di supporto sulla piattaforma di prova. La lama di prova, montata su un gruppo di prova, penetra nello strato resistente alla perforazione per caduta libera. Una zona di misurazione della velocità rileva la velocità di caduta libera della lama per calcolare l'energia di prova; la prova è considerata valida se l'energia soddisfa i requisiti della norma.

2 Risultati e discussione

2.1 Confronto delle prestazioni di resistenza alla perforazione di diversi materiali secondo diversi standard
Sono stati condotti test di resistenza alla perforazione sui sei materiali elencati nella Tabella 1 in condizioni di temperatura ambiente. Per ogni configurazione sono stati testati cinque set di campioni e i risultati rappresentano la media di questi cinque set. A parità di livello di protezione, un materiale che richiede un minor numero di strati – e che quindi presenta una densità superficiale complessiva inferiore – dimostra prestazioni di resistenza alla perforazione superiori; al contrario, un materiale che richiede un maggior numero di strati – e che quindi presenta una densità superficiale complessiva superiore – dimostra prestazioni inferiori. La Tabella 3 confronta le prestazioni di resistenza alla perforazione dei diversi materiali secondo le varie normative. Per le classi A e B della norma GA 68, l'energia di prova era di 24 J. Per i livelli I, II e III della norma NIJ 0115.00, i test sono stati condotti ai corrispondenti livelli di energia E1 ed E2, come richiesto dalla norma; il risultato riportato rappresenta la massima densità superficiale necessaria per soddisfare entrambi i livelli di energia contemporaneamente.
Come illustrato nella Tabella 3: (1) Allo stesso livello di standard di resistenza alla perforazione, tra i materiali 3#, 4#, 5# e 6# (che hanno contenuti di resina simili), il materiale PBO 6# ha la densità superficiale più bassa, mentre il materiale para-aramidico 3# ha la più alta; pertanto, il materiale PBO 6# mostra la migliore resistenza alla perforazione. Ciò indica che per i materiali resistenti alla perforazione a base di resina con lo stesso contenuto di resina, una maggiore resistenza delle fibre si traduce in una migliore resistenza alla perforazione. (2) Allo stesso livello di standard e utilizzando lo stesso tipo di tessuto di fibre, le densità superficiali dei materiali 1#, 2# e 3# aumentano progressivamente. Ciò indica che per i materiali a base di resina che utilizzano la stessa fibra, un maggiore contenuto di resina si traduce in una migliore resistenza alla perforazione. (3) Sebbene entrambi i test GA 68 Classe A e Classe B prevedano la perforazione con un'energia di 24 J, l'affilatura delle lame differisce, con la lama di Classe B che risulta meno potente; La densità superficiale richiesta per proteggere dalla lama di Classe A è più del doppio di quella richiesta per la lama di Classe B, a dimostrazione che la lama di Classe B nello standard GA 68 ha meno della metà della potenza della lama di Classe A. Per lo standard NIJ 0115.00, l'energia di perforazione aumenta attraverso i tre livelli; di conseguenza, anche il numero di strati e la densità superficiale del materiale richiesto per fornire protezione aumentano progressivamente. (4) Le densità superficiali richieste per proteggere contro GA 68 Classe A e NIJ 0115.00 Livello I sono simili; il test GA 68 Classe A prevede 24 J di energia con penetrazione zero consentita, mentre lo standard NIJ 0115.00 prevede 24 J per il livello di bassa energia (consentendo una penetrazione di 7 mm) e 33 J per il livello di alta energia (consentendo una penetrazione di 20 mm), il che implica che questi due livelli di protezione impongono requisiti comparabili ai materiali antitaglio a base di resina.

2.2 Confronto della resistenza alla perforazione di diversi materiali contro varie lame di prova
La gravità della minaccia rappresentata da diversi tipi di lama – due dello standard GA 68 Classe B e tre dello standard NIJ 0115.00 – è stata studiata a livelli di energia equivalenti. Quando si valuta se un materiale soddisfa gli standard di resistenza alla perforazione, la lama più potente specificata nello standard è in genere il fattore determinante; se un campione è in grado di resistere alla lama più potente, si può dedurre che soddisfa lo standard per quel livello di protezione. Poiché le diverse lame impongono esigenze distinte al materiale, l'analisi delle variazioni di prestazione tra le diverse lame rivela le caratteristiche specifiche del materiale. Diversi materiali resistenti alla perforazione sono stati testati contro le due lame GA 68 Classe B e le tre lame NIJ 0115.00. La Tabella 4 elenca il numero di strati di materiale e la densità superficiale richiesti affinché i materiali soddisfino i corrispondenti standard GA 68 Classe B e NIJ 0115.00 Livello I.


Come illustrato nella Tabella 4: (1) Per quanto riguarda le due lame GA 68 Classe B utilizzate su materiali resistenti alle perforazioni a matrice di resina rinforzata con fibre ad alte prestazioni, la difesa contro la lama D3 richiede più materiale rispetto alla difesa contro la lama D2, il che indica che la lama D3 rappresenta una minaccia maggiore. Di conseguenza, durante i test preliminari di resistenza alle perforazioni, se un materiale con una specifica densità superficiale può resistere alla lama D2, si può generalmente dedurre che il materiale, a quella densità superficiale, è in grado di superare il test GA 68 Classe B. (2) Nei tre livelli NIJ 0115.00, la densità superficiale richiesta per i test ad alta energia (che consentono una penetrazione di 20 mm) è costantemente superiore a quella richiesta per i test a bassa energia (che consentono una penetrazione di 7 mm). Pertanto, durante i test preliminari, se un materiale con una specifica densità superficiale può resistere al test ad alta energia per un dato livello NIJ 0115.00, si può determinare che il materiale soddisfa lo standard per quel livello, eliminando la necessità di ulteriori test a bassa energia allo stesso livello. (3) Tra i tre tipi di lama specificati in NIJ 0115.00, la lama S1 richiede la densità superficiale più bassa di materiale resistente alle perforazioni a matrice di resina rinforzata con fibre ad alte prestazioni per la protezione, indicando che la lama S1 è la meno formidabile. La lama P1 in NIJ 0115.00 è analoga alla lama D1 negli standard nazionali di pubblica sicurezza; presenta una lama relativamente lunga e larga, esercita un'azione di taglio più forte sul materiale durante la penetrazione e impone maggiori esigenze alle proprietà meccaniche delle fibre. Di conseguenza, i materiali con maggiore resistenza delle fibre offrono una protezione superiore contro la lama P1. Tra i campioni n. 3, n. 4, n. 5 e n. 6, che presentano un contenuto di resina comparabile, il campione n. 6 mostra le migliori proprietà meccaniche e richiede quindi una densità superficiale inferiore per proteggere dalla lama P1. La lama "a punta" del materiale NIJ 0115.00 è affilata e sottile; sotto un impatto ad alta velocità verso il basso, scivola facilmente oltre i vincoli delle fibre, minimizzando la rottura dei fasci di fibre e non riuscendo a dissipare efficacemente l'energia cinetica della lama, il che le consente di continuare a penetrare verso il basso. Pertanto, nella difesa contro questo tipo di lama, il contenuto di resina e la durezza della resina del materiale diventano fattori critici. Tra i campioni n. 1, n. 2 e n. 3, che utilizzano lo stesso tipo di fibra ma differiscono per il contenuto di resina, il campione n. 3 dimostra un vantaggio più pronunciato nella protezione contro la lama a punta rispetto agli altri tipi di lama. Inoltre, la Tabella 4 mostra che per i campioni n. 3, n. 4, n. 5 e n. 6, che differiscono per resistenza delle fibre ma hanno un contenuto di resina comparabile, non vi è alcuna differenza significativa nella protezione contro la lama appuntita, confermando ulteriormente che la lama appuntita impone maggiori esigenze al contenuto di resina dei materiali antitaglio.

2.3 Confronto della resistenza alla perforazione di diversi materiali in varie condizioni ambientali
Lo standard nazionale GA 68 per la resistenza alle coltellate fornisce specifiche dettagliate sull'adattabilità ambientale dei giubbotti antiproiettile, coprendo tre condizioni: alta temperatura, bassa temperatura e immersione in acqua. Il test ad alta temperatura prevede il condizionamento del campione a (55 ± 2) °C per 4 ore prima del test di resistenza alle coltellate; il test a bassa temperatura prevede il condizionamento a (-20 ± 2) °C per 4 ore; e il test di immersione in acqua prevede l'immersione del campione dello strato antiproiettile in acqua per 30 minuti prima di rimuoverlo per il test di resistenza alle coltellate. La Tabella 5 elenca il numero di strati e la densità superficiale richiesti per i vari materiali antiproiettile testati in diverse condizioni ambientali.
Come mostrato nella Tabella 5, I materiali antitaglio ad alte prestazioni in fibra/matrice di resina richiedono una maggiore densità superficiale in condizioni di alta temperatura. Al contrario, il numero di strati e la densità superficiale richiesti rimangono sostanzialmente gli stessi in condizioni di immersione in acqua e a temperatura ambiente. Inoltre, il numero minimo di strati e la densità superficiale più bassa sono richiesti in condizioni di bassa temperatura. Questo perché la durezza della resina diminuisce alle alte temperature, e la durezza è un fattore chiave che influenza le prestazioni di resistenza al taglio di questi materiali. Una durezza ridotta indebolisce la capacità dello strato antitaglio di smussare la punta di una lama, diminuendo così le prestazioni di resistenza al taglio. Al contrario, la durezza della resina aumenta in ambienti a bassa temperatura, con conseguenti prestazioni di resistenza al taglio superiori per i materiali. I risultati dei test di immersione in acqua indicano che, nella produzione di giubbotti antitaglio, a condizione che il tessuto impermeabile che incapsula il materiale antitaglio soddisfi gli standard di qualità, la resistenza alla perforazione del materiale rimane inalterata se immerso in acqua. Nei test preliminari sui materiali resistenti alla perforazione, la priorità dovrebbe essere data alla valutazione delle prestazioni in condizioni di alta temperatura.

3 Conclusioni

(1) Per i materiali resistenti alla perforazione a matrice di fibre/resina ad alte prestazioni, quando il contenuto di resina è identico o simile, una maggiore resistenza delle fibre si traduce in una maggiore resistenza alla perforazione; viceversa, quando la resistenza delle fibre è costante, un maggiore contenuto di resina produce una migliore resistenza alla perforazione.

(2) La densità superficiale dei materiali a matrice resinosa ad alte prestazioni richiesti per soddisfare lo standard di resistenza alla perforazione di Classe A del GA 68 è più del doppio di quella richiesta per la Classe B. Esiste una relazione progressiva tra i materiali e le densità superficiali richieste per soddisfare i tre livelli di protezione dello standard US NIJ 0115.00, con minacce ad alta energia a un dato livello che risultano più difficili da neutralizzare rispetto a minacce a bassa energia allo stesso livello. La resistenza alla perforazione della Classe A del GA 68 è paragonabile a quella del Livello I del NIJ 0115.00.

(3) Per quanto riguarda i materiali resistenti alla perforazione in fibra/matrice di resina ad alte prestazioni, la lama D2 specificata in GA 68 è meno potente della lama D3. Tra le lame NIJ 0115.00, la lama S1 è la meno potente; la lama P1 impone requisiti elevati alla resistenza delle fibre del materiale, mentre la lama a punta impone requisiti elevati al contenuto di resina del materiale.

(4) Gli ambienti ad alta temperatura hanno l'impatto più significativo sui materiali ad alte prestazioni resistenti alla perforazione con matrice di resina; pertanto, i test preliminari dovrebbero concentrarsi sulle prestazioni di resistenza alla perforazione in condizioni di alta temperatura.