Бронематериал энергогасящего слоя защитной конструкции
INHIBITING MATERIAL OF ENERGY-DAMPING LAYER OF PROTECTIVE CONSTRUCTION

Настоящее изобретение относится к кремнийорганическим энергопоглощающим композициям.
Наиболее эффективно изобретение может использоваться для изготовления средств индивидуальной защиты, в том числе для защиты от высокоскоростного нагружения.
Из уровня техники известно, что арамидные ткани используют для изготовления текстильных бронепакетов, средств индивидуальной бронезащиты и, в частности, для бронежилетов (RU 2155313, RU 2042915, RU 2126856, RU 2175035, RU 225651, Бучнев, И.И., Мазнина, Ю.А. Вопросы оборонной техники. Серия 16: технические средства противодействия терроризму. 2016, №1-2, 79-86, Легкие баллистические материалы./ Под ред. А. Бхатнагара. Москва: Техносфера, 2011. - 392 с. ISBN 978-5-94836-163-5). Бронезащитные свойства текстильных бронепакетов или бронежилетов из арамидных тканей определяются устойчивостью самих тканей к воздействию средств поражения, а также числом слоев баллистических тканей в тканевых пакетах.
Обеспечение высокого класса защиты от воздействия средств поражения требует наличия определенного числа слоев ткани в тканевом пакете, что увеличивает массу изделия и ограничивает подвижность человека в защитной одежде на его основе. Одним из вариантов повышения эргономичности бронежилета является использование энергопоглощающих полимерных составов для пропитки слоев арамидной ткани, что способствует сохранению баллистических характеристик тканевого пакета при уменьшении количества слоев ткани (Majumdar, A., Butola, В.S., & Srivastava, А. (2013). Optimal designing of soft body armour materials using shear thickening fluid. Materials & Design, 46, 191-198; Decker, M.J., Halbach, C.J., Nam, С.H., Wagner, N.J., & Wetzel, E.D. (2007). Stab resistance of shear thickening fluid (STF)-treated fabrics. Composites Science and Technology, 67(3), 565-578).
Известно, что арамидные ткани характеризуются гигроскопичностью, что приводит к значительному ухудшению их защитных свойств. Для улучшения эксплуатационных баллистических характеристик изделий из арамидных тканей в намокшем состоянии проводят предварительную обработку ткани погружением в раствор, содержащий 0,2-5 мас. % перфторполиэфирной или перфторлауриновой кислоты, с последующими сушкой и термообработкой при 100-120°C в течение 1-4 часов (Патент РФ RU 2430327).
В качестве ближайшего аналога выбран гибкий материал с энергопоглощающими свойствами (патент США US 8129293), пропитанный силиконовой композицией, имеющей остаточные силанольные группы и включающей продукт реакции полидиорганосилоксана и соединения бора (оксида бора, борной кислоты, прекурсора борной кислоты, бората и частично гидролизованного бората) и титановый катализатор для отверждения. Силиконовая композиция для пропитки арамидных тканей представляет собой раствор 60 частей смеси, содержащей полидиметилсилоксан с концевыми силанольными группами, соединение бора и тетраизопропилат титана в качестве катализатора конденсации силанольных групп, в 40 частях изопропанола. Сушку пропитанного материала проводят в течение 20 минут при температуре 80-100°C. Для повышения износостойкости этих материалов при стирке проводят модификацию силиконовой композиции или метилтриметоксисиланом, или диорганосилоксаном, содержащим как диметилсилокси-, так и метил(3-амино)пропилсилокси-звенья, или силоксановой смолой, содержащей н-октильную группу у атома кремния. В качестве пластификатора добавляют линейный полидиметилсилоксан с концевыми триметилсилильными группами. Данная композиция для пропитки является наиболее близкой по составу к заявляемой композиции. Недостатком данной композиции является необходимость использования катализатора для отверждения полидиметилсилоксана.
Задачей данного изобретения является создание самоотверждающейся энергопоглощающей кремнийорганической композиции, которая может использоваться для пропитки арамидных тканей.
Далее изобретение может быть охарактеризовано с помощью данных, приведенных на фигурах:
на фигуре 1 приведена зависимость напряжения от времени для композициий состава по примеру 1 (1) и по примеру 2 (2). Исходная деформация 100%; на фигуре 2 приведена зависимость тангенса угла механических потерь от частоты для композиций по примеру 1 (1), 2 (2), 3 (3), 4 (4).
Поставленная задача решается с помощью создания композиции, включающей полидиметилсилоксан с концевыми 3-аминопропил-диалкоксисилильными группами и/или полидиметилсилоксан с концевыми силанольными группами, и соединение бора, которое выбирают из группы, включающей борную кислоту, эфиры борной кислоты, трибутоксибор. Композиция может дополнительно содержать трис(метилдиэтоксисилокси)железо. Массовое соотношение полидиметилсилоксанов с концевыми 3-аминопропилдиалкоксисилильными группами и концевыми силанольными группами изменяется от 100:0 до 30:70 соответственно. Массовое соотношение полидиметилсилоксанов и соединения бора в композиции изменяется в пределах от 25:1 до 5:1, полидиметилсилоксанов и трис(метилдиэтоксисилокси)железа - в пределах от 125:1 до 90:1.
В отличие от наиболее близкого аналога, заявляемая композиция не требует использования катализатора для отверждения компонентов, так как концевые 3-аминопропилдиалкоксисилильные группы гидролизуются на воздухе с образованием силанольных и силоксановых связей, при этом аминогруппа катализирует процессы гидролиза и конденсации, что способствует сшивке компонентов композиции. Известно, что в случае получения композиции, включающей трис(метилдиэтоксисилокси)железо, скорость процессов отверждения возрастает в силу его гидролитической неустойчивости (патент РФ RU 2293746).
Подтверждением образования химической сетки межмолекулярных связей в заявляемых композициях является величина остаточного напряжения. На фиг. 1 представлена зависимость напряжения от времени при деформации 100% для композиций, описанных в примерах 1 и 2. Для образца, полученного по примеру 2, величина остаточного напряжения составляет 200-250 Па, в то время как для композиции, полученной по примеру 1, остаточное напряжение стремится к 0. Этот факт свидетельствует о наличии химической сшивки в композициях, в которых используют полидиметилсилоксан, модифицированный по концам 3-аминопропилдиалкоксисилильными группами (пример 2).
Заявляемые композиции обладают энергопоглощающими свойствами, что подтверждается частотной зависимостью тангенса угла механических потерь tgδ (фиг. 2). Известно, что материал способен поглощать (или рассеивать) энергию внешнего механического воздействия, если tgδ>0,1 (Черкасов В.Д., Юркин Ю.В., Авдонин В.В. // Инженерно-строительный журнал, 2013, №8, с. 7-13). Для всех заявляемых композиций, полученных по примерам 1-3, в интервале частот 0,1-100 Гц значения tg5 превышают 0,1. В диапазоне частот от 0,1 до 100 Гц величина tgδ для композиций на основе полидиметилсилоксана с концевыми 3-аминопропилдиалкоксисилильными группами (примеры 2 и 3) больше, чем в композиции на основе немодифицированного полидиметилсилоксана (пример 1). При повышении частоты уменьшается скорость снижения tgδ композиций по примерам 2 и 3 по сравнению с образцом по примеру 1, что указывает на их лучшие энергоабсорбирующие свойства.
Для композиций, включающих трис(метилдиэтоксисилокси)железо и смесь полидиметилсилоксановых каучуков и борной кислоты (пример 4), тангенс угла механических потерь меньше, чем tgδ для композиций, содержащих модифицированный полидиметилсилоксановый каучук (примеры 2 и 3). Тем не менее, с ростом частоты tgδ возрастает, а при частоте, близкой к 100 Гц, приближается к значениям tgδ для других композиций.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в создании новой кремнийорганической композиции, обладающей энергопоглощающими свойствами, позволяющей расширить ассортимент композиций данного типа.
Заявляемая композиция может найти применение для создания гибких энергопоглощающих средств индивидуальной защиты, например, для пропитки арамидных тканей при производстве бронежилетов.
Преимуществом заявляемых композиций является их способность к отверждению без применения катализатора.
Реологические характеристики композиций (напряжение релаксации, модуль накопления G', модуль потерь G'') были измерены на реометре Anton Paar - MCR 302 (Австрия) в режиме постоянной скорости сдвига, измерительный узел плоскость-плоскость. Тангенс угла механических потерь определяли как отношение модулей G''/G'.
Изобретение иллюстрируется приведенными ниже примерами и фигурами.
Для приготовления заявляемых композиций используют силоксановые каучуки, например, марки СКТН А или марки СКТН Е, а также предварительно модифицированные 3-аминопропил-диэтоксисилильными группами полидиметилсилоксановые каучуки. Композиции готовят механическим смешиванием компонентов при комнатной температуре и атмосферном давлении.
Пример 1. Для получения 1 кг композиции смешивают 0,8 кг полидиметилсилоксана марки СКТН Е с концевыми силанольными группами и 0,2 кг борной кислоты.
Пример 2. Для получения 1 кг композиции смешивают 0,3 кг полидиметилсилоксана марки СКТН А, предварительно модифицированного по концам цепи 3-аминопропилдиэтоксисилильными группами, 0,7 кг полидиметилсилоксана с концевыми силанольными группами марки СКТН Е и 0,2 кг борной кислоты.
Пример 3. Для получения 1 кг композиции смешивают 0,4 кг полидиметилсилоксана марки СКТН А, предварительно модифицированного по концам цепи 3-аминопропилдиэтоксисилильными группами, 0,45 кг полидиметилсилоксана с концевыми силанольными группами марки СКТН Е и 0,2 кг борной кислоты.
Пример 4. Для получения 1 кг композиции смешивают 0,24 кг полидиметилсилоксана с концевыми силанольными группами марки СКТН А, 0,55 кг полидиметилсилоксана с концевыми силанольными группами марки СКТН Е, 0,2 кг борной кислоты и 0,01 кг трис(метилдиэтоксисилокси)железа.
Пример 5. Для получения 1 кг композиции смешивают 0,67 кг полидиметилсилоксана марки СКТН Е, предварительно модифицированного по концам цепи 3-аминопропилдиэтоксисилильными группами, 0,29 кг полидиметилсилоксана с концевыми силанольными группами марки СКТН А и 0,04 кг бутоксибора.
Пример 6. Для получения 1 кг композиции смешивают 0,8 кг полидиметилсилоксана марки СКТН Е, предварительно модифицированного по концам цепи 3-аминопропилдиэтоксисилильными группами, и 0,2 кг борной кислоты.
Модификацию полидиметилсилоксанов проводят по следующей методике.
Жидкий силоксановый каучук, например, СКТН А, (100 мас. ч.) обрабатывают 2 мас. ч. γ-аминопропилтриэтоксисилана (АГМ-9). Смесь выдерживают при температуре 100°C в течение 13-16 час. По окончании термообработки отгоняют этанол и непрореагировавший γ-аминопропилтриэтоксисилан в вакууме на роторном испарителе при остаточном давлении от 100 до 20 мБар при постепенном повышении температуры от 40 до 85°C.