Nghiên cứu, chế tạo áo phao cứu sinh chống đâm xuyên

Trong nghiên cứu này, vật liệu compozit nhiều lớp làm từ vải dệt thoi (para-aramid 495de), tấm tráng phủ (Dyneema® SB21) và bọt nổi đã được thử nghiệm để phát triển một loại áo phao cứu sinh chống đâm xuyên. Các thí nghiệm đã được thực hiện nhằm xác định số lớp và sự sắp xếp phù hợp của vật liệu compozit nhiều lớp để có khả năng chống đâm đến cấp độ bảo vệ 1 theo tiêu chuẩn NIJ (NIJ Standard 0115.00).

TNU Journal of Science and Technology 226(16): 54 - 59 RESEARCH AND MANUFACTURE STAB-RESISTANT LIFE JACKET Duong Tu Tien*, Duong Dinh Hao Nha Trang University ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 01/9/2021 Today, people working on rivers and seas such as fishermen, fishery inspectors, customs officers, etc need a device that is both antidrowning and anti-piercing In this study, laminated composites made of woven fabric (para-aramid 495de), spectra shield (Dyneema® SB21) and floating foam were tested to develop a stab-resistance life jacket Experiments were carried out to determine the appropriate number of layers and arrangement of laminated composites for stabresistance up to protection level according to NIJ standard (NIJ Standard 0115.00) Experimental results show that, considering the criteria of thickness and weight of laminated composites, the use of both woven fabrics and spectra shields will give the best results; followed by using only woven fabrics, and finally using only spectra shields In the above cases, placing the anti-piercing material on top of the floating foam will have a better stab-resistance effect than placing it under the floating foam This is the base for manufacturing stab-resistance life jackets for those who work specifically on rivers and seas Revised: 05/11/2021 Published: 08/11/2021 KEYWORDS Anti-stab life jackets Stab resistance Laminated composite Aramid UHMWWPE NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ÁO PHAO CỨU SINH CHỐNG ĐÂM XUYÊN Dương Tử Tiên*, Dương Đình Hảo Trường Đại học Nha Trang THÔNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 01/9/2021 Ngày hồn thiện: 05/11/2021 Ngày đăng: 08/11/2021 TỪ KHĨA Áo phao cứu sinh chống đâm Chống đâm xuyên Compozit nhiều lớp Aramid UHMWWPE TÓM TẮT Ngày nay, người làm việc sông nước ngư dân, kiểm ngư, hải quan, cần thiết bị vừa có khả chống đuối nước, vừa chống đâm xuyên Trong nghiên cứu này, vật liệu compozit nhiều lớp làm từ vải dệt thoi (para-aramid 495de), tráng phủ (Dyneema® SB21) bọt thử nghiệm để phát triển loại áo phao cứu sinh chống đâm xuyên Các thí nghiệm thực nhằm xác định số lớp xếp phù hợp vật liệu compozit nhiều lớp để có khả chống đâm đến cấp độ bảo vệ theo tiêu chuẩn NIJ (NIJ Standard 0115.00) Kết thực nghiệm cho thấy, xét theo tiêu chí độ dày trọng lượng vật liệu compozit nhiều lớp việc sử dụng hai loại vải dệt thoi tráng phủ cho kết tốt nhất; sử dụng vải dệt thoi, cuối dùng tráng phủ Trong trường hợp nêu trên, việc đặt vật liệu chống đâm lên lớp bọt có hiệu chống đâm tốt đặt lớp bọt Đây để chế tạo áo phao cứu sinh chống đâm cho người làm việc đặc thù sông nước DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.4939 * Corresponding author Email: tiendt@ntu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 54 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(16): 54 - 59 Giới thiệu Áo phao cứu sinh (APCS) bảo hộ lao động bắt buộc, thiếu cho người làm việc sông, biển Đây dụng cụ tối thiểu để chống đuối nước, bảo vệ tính mạng cho người rơi xuống nước không theo ý muốn Thực tế nay, ngư dân đánh bắt xa bờ, lực lượng kiểm ngư, hải quan làm nhiệm vụ bảo vệ ngư dân, phịng chống bn lậu, hoạt động dân khác sông biển phải đối mặt với hiểm hoạ va chạm với vật dụng sắc nhọn lao động hay vũ khí đâm ứng tác từ xung đột nhỏ lẻ Nếu trang bị thêm áo giáp chống đâm xuyên (AGCĐX) hay áo giáp chống đạn phức tạp, khơng thuận tiện làm việc cần kinh phí lớn Chính vậy, nhu cầu cần phải có áo phao cứu sinh chống đâm (APCSCĐ) vừa có chức APCS, vừa chống đâm xuyên để bảo vệ tính mạng cho đối tượng trình tác nghiệp APCS chống đạn nghiên cứu chế tạo trang bị phổ biến quân đội nước phát triển Trong nước, nhóm nhà khoa học Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Bộ Công an Việt Nam nghiên cứu thành công tổ hợp vật liệu đặc chủng chế tạo thử nghiệm áo phao chống đạn súng ngắn K54, tiểu liên AK47 đạt tiêu chuẩn chống đạn NIJ 01.01.06 Mỹ Sản phẩm chế tạo cách gắn thêm chống đạn vào mặt ngồi APCS, nặng (3-7 kg) chủ yếu dùng cho lực lượng hải quân [1] Tuy nhiên, sản phẩm APCSCĐ đến chưa thấy có cơng bố Tính dễ dàng đạt thêm phần vật liệu chống đâm xuyên vào APCS sẵn có, việc cần xác định loại vật liệu chống đâm xuyên phải thêm vào để có sản phẩm APCSCĐ đạt chuẩn Đầu đạn, mảnh văng phá huỷ vật liệu động lớn (hàng trăm đến hàng ngàn Jun) Những vật sắc nhọn, vũ khí đâm (dao, dùi) có động nhỏ (vài chục Jun) với cấu tạo sắc nhọn nên vật liệu bị phá hủy theo trình xuyên thủng (puncture) đầu nhọn cắt (cut) cạnh sắc Do đó, phần vật liệu phía ngồi chịu cắt xun thủng, vào chịu xun thủng chịu cắt Ở quốc gia Cơng nghiệp phát triển, với chống đạn chống đâm xuyên đầu tư nghiên cứu Họ có tiêu chuẩn riêng lĩnh vực chống đâm xuyên, tiêu biểu nhiều quốc gia áp dụng tiêu chuẩn NIJ (NIJ Standard–0115.00) Mỹ để thực nghiệm đánh giá vật liệu sản phẩm tính chống đâm xuyên [2] Nhiều tác giả công bố nghiên cứu tính chống đâm xuyên loại vật liệu bị phá huỷ đầu đâm xuyên tiêu chuẩn như: Vũ Thị Bích Ngọc, Lara tác giả trình bày thuộc tính cắt xuyên thủng tải tĩnh yếu tố ảnh hưởng vật liệu mỏng polyme [3], [4] Magdi cộng nghiên cứu đặc tính chống cắt chống xuyên thủng loại vải dệt tạo từ loại sợi tổng hợp siêu bền, thay đổi lực, hướng tác động thông số kỹ thuật dệt khác [5], [6] Nhóm nhà khoa học Trường Đại học Kyung Hee Viện Kỹ nghệ Công nghiệp Hàn Quốc thực dự án chế tạo AGCĐX có cơng bố kết về: Đặc tính, tính tốn chống đâm xuyên loại vật liệu vải dệt, không dệt sử dụng loại sợi siêu bền, sợi lõi sợi lai; Hiệu chống đâm xuyên sử dụng kết hợp loại vật liệu tạo compozit nhiều lớp cho sản phẩm [7]-[10] Trong nghiên cứu này, hai loại vật liệu có đặc tính chống cắt xun thủng sử dụng phổ biến để chế tạo áo giáp chống đạn hay chống đâm xuyên lựa chọn để kết hợp bọt (foam nổi) APCS tạo thành APCSCĐ Phần vật liệu dạng compozit nhiều lớp vừa có tính nổi, vừa chống đâm xun đạt tiêu chuẩn sản phẩm APCSCĐ thuận tiện thoải mái cho người sử dụng Vật liệu phương pháp nghiên cứu Hiện nước ta chưa có tiêu chuẩn, thiết bị đánh sản xuất sản phẩm AGCĐX Qua tìm hiểu cơng trình nghiên cứu liên quan, chọn tiêu chuẩn NIJ Mỹ để chế tạo thiết bị thực nghiệm đánh giá vật liệu sản phẩm tính chống đâm xuyên [7]http://jst.tnu.edu.vn 55 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(16): 54 - 59 [10] Lựa chọn số vật liệu dạng mỏng, mềm mại sử dụng phổ biến có đặc tính chống cắt, chống xuyên thủng để tổ hợp với bọt APCS tạo thành vật liệu composite nhiều lớp chống đâm xuyên Thực nghiệm để xác định loại số lớp loại phù hợp để tạo vật liệu composite nhiều lớp chống đâm xuyên đạt mức bảo vệ theo tiêu chuẩn NIJ 2.1 Thử nghiệm tính chống đâm xuyên Theo tiêu chuẩn NIJ [11], tính chống đâm xuyên kiểm tra thông qua thử nghiệm đâm xuyên tháp thử rơi chế tạo Hình Phương pháp thử mô vụ đâm thực tế sử dụng đối trọng có khối lượng 1,8 kg có gắn mũi đâm xuyên tiêu chuẩn thả rơi độ cao định xuống bia đỡ có cấu tạo Hình Cấu tạo loại vũ khí đâm tiêu biểu dao S1 dùi thể Hình Tuỳ theo mức lượng hay độ cao thả rơi áp dụng thử nghiệm mà vật đâm phá huỷ xuyên thủng qua vật liệu vào bia đỡ Độ sâu xuyên thủng (ĐSXT) qua vật liệu phần vật đâm vào bia đỡ hay khoảng cách từ mũi đâm đến mặt sau vật liệu xuyên qua ĐSXT nhỏ mm xem điều kiện cần để đạt tiêu chuẩn NIJ ứng với mức bảo vệ (mức lượng va chạm) ĐSXT đo lường thông qua lớp giấy dai nhận biết đặt sau phần vật liệu chống đâm lớp vật liệu bia đỡ tiêu chuẩn NIJ quy định Trong nghiên cứu này, chọn hai đầu đâm xuyên tiêu chuẩn dao S1 dùi mức độ bảo vệ tương ứng với lượng thả rơi 24 J để thí nghiệm khả chịu đâm xuyên tất mẫu vật liệu Mẫu thử nghiệm phải thử trường hợp vng góc nghiêng 45o với vật đâm kết lấy trung bình sau lần thử nghiệm Khi đạt với mức độ bảo vệ (24 J) cần tiếp tục thử tải với lượng thả rơi 36 J ĐSXT lúc cần nhỏ 20 mm để sản phẩm thức đạt yêu cầu mức độ bảo vệ theo tiêu chuẩn NIJ Hình Tháp thử nghiệm tính chống đâm xun Hình Cấu tạo bia đỡ đối trọng thả rơi có gắn vật đâm 2.2 Lựa chọn tổ hợp vật liệu chống đâm xuyên Sản phẩm phải thuận tiện thoải mái nên cần chọn lớp dạng mỏng mềm mại có đặc tính chống cắt xuyên thủng để với bọt tạo thành vật liệu compozit nhiều lớp chống đâm xuyên đạt tiêu chuẩn Kế thừa kết nghiên cứu trước [7]-[10], chúng tơi chọn dạng vật liệu thành phần vải dệt thoi tráng phủ sử dụng loại sợi siêu bền kết hợp với bọt APCS (thông số kỹ thuật hình ảnh xem thêm Bảng Hình 4) sau: - Vải dệt thoi mật độ dệt cao dệt từ sợi siêu bền Twaron® (para-aramid 495de) liên tục hãng Teizin (Ký hiệu: A) Đây lớp vật liệu chịu cắt xuyên thủng Sợi armid http://jst.tnu.edu.vn 56 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(16): 54 - 59 vải dệt từ loại sợi siêu bền ứng dụng nhiều sản phẩm chống đạn chống đâm xuyên Hình Mũi đâm gồm dao S1 dùi dùng thử nghiệm tính chất chống đâm xuyên vật liệu Hình Hai loại vật liệu dùng tổ hợp thành chống đâm xuyên cho áo phao cứu sinh chống đâm (A): Vải dệt thoi sợi Twaron (para-aramid 495de); (B): Tấm mỏng tráng phủ (Dyneema® SB21) - Tấm vật liệu mỏng tráng phủ Dyneema® SB21 mềm mại (spectra shield) hãng DSM chế tạo, loại có tác dụng chịu xun thủng chính, chịu cắt (Ký hiệu: B), vật liệu phổ biến chế tạo loại áo giáp chống đạn Cấu trúc Dyneema® SB21 chế tạo từ lớp sợi siêu bền liên tục UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene) xếp theo phương vng góc nhau, mặt lớp fim mỏng PE dùng cố định lớp sợi siêu bền bên Trong thử nghiệm đâm xun mẫu có kích thước 35×40 (cm2) ứng với diện tích chống đâm xuyên gắn vào APCS kẹp dây đai nylon Mẫu thử chuẩn bị cách xếp chồng lớp vật liệu lên theo cấu trúc compozit nhiều lớp chọn Khi sử dụng loại vật liệu vải dệt thoi (A) tráng phủ (B) ta dễ dàng xác định số lớp kết hợp với bọt đủ để thỏa yêu cầu chống đâm theo mức độ bảo vệ tiêu chuẩn NIJ cách tăng dần số lớp đến đạt yêu cầu Còn sử dụng loại vật liệu A, B thứ tự xếp số lượng loại vật liệu thành phần ảnh hưởng lớn đến tính chất chống đâm xuyên Các thực nghiệm tiến hành với nhiều mẫu thử kết hợp với tỉ lệ %A, %B vị trí bọt thay đổi để tìm kết hợp có lợi khối lượng bề dày chống đâm xuyên Tuy nhiên, phần kết thực nghiệm trình bày số mẫu tiêu biểu để so sánh nhằm thấy rõ ưu điểm việc kết hợp loại vật liệu so với dùng loại thoả tiêu chuẩn chống đâm NIJ Bảng Thông số kỹ thuật vật liệu thành phần tổ hợp làm compozit nhiều lớp chống đâm xuyên cho áo phao cứu sinh chống đâm Tên Thông số KT sợi (denier) Mật độ dệt (sợi/in) A: Vải dệt thoi sợi Twaron® 495 45x45 (Para-aramid 495de) B: Tấm mỏng tráng phủ (Dyneema® SB21) Bề dày lớp (mm) Khối lượng mặt riêng lớp (g/m2) 0,31 210 0,2 145 Kết bàn luận Bảng trình bày kết thực nghiệm mẫu vật liệu tổ hợp tạo thành từ số lớp cách xếp loại vật liệu dạng mỏng mềm mại A, B kết hợp với bọt APCS tạo nên vật liệu compozit nhiều lớp chống đâm xuyên Thực nghiệm tính chống đâm xuyên thực http://jst.tnu.edu.vn 57 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(16): 54 - 59 tháp thử rơi theo tiêu chuẩn NIJ mức bảo vệ (24 J) với loại vật đâm dao S1 dùi trường hợp thử vng góc nghiêng 45o Thứ tự thử vng góc đạt u cầu với lượng 24 J tiếp tục thử nghiêng 45o, đạt tiếp tục thử vng góc (q tải) với lượng 36 J Nếu bước thử nghiệm trước không đạt khơng thử điều kiện sau Từ kết ta rút số nhận xét sau: Các mẫu vật liệu thử nghiệm mũi đâm nghiêng 45o có ĐSXT nhỏ trường hợp mũi đâm vng góc so với bề mặt sản phẩm Vật đâm thường hay trượt khỏi mẫu thử, mũi dùi bị cong phản lực phần gây trượt Mẫu thử mũi đâm vng góc với bề mặt sản phẩm đạt yêu cầu nghiêng 45o so với bề mặt sản phẩm đạt Trường hợp vật liệu chống đâm xuyên đặt bọt APCS hiệu đặt Kết dễ hiểu ĐSXT trường hợp bị hạn chế bề dày bọt (30 mm) So sánh theo tiêu chí khối lượng bề dày phần vật liệu A B mẫu vật liệu tổ hợp đạt mức bảo vệ (24 J) theo tiêu chuẩn NIJ cho thấy: Khi sử dụng loại A hiệu loại B; sử dụng loại vật liệu A B hiệu chống đâm tốt dùng loại A B; thứ tự xếp loại vật liệu thành phần A-B đạt hiệu chống đâm tốt xếp theo thứ tự B-A Điều cho thấy loại vật liệu có đặc tính chống đâm xuyên định Khi bố trí vật liệu chống cắt xuyên thủng lớp chủ yếu chống xuyên thủng đạt hiệu chống đâm xuyên tốt với bố trí ngược lại Qua kết thử nghiệm ta lựa chọn xác định đủ lượng vật liệu để chế tạo APCSCĐ vừa có tính APCS vừa chống đâm xuyên đạt mức theo tiêu chuẩn NIJ theo hướng có lợi bề dày khối lượng sản phẩm Đây để so sánh đánh giá với vật liệu chống đâm xuyên hay sản phẩm APCSCĐ khác sản xuất Bảng Kết thử đâm xuyên vật liệu tổ hợp compozit nhiều lớp vật đâm vng góc, nghiêng 45o với bề mặt sản phẩm, mức lượng va chạm 24 J tải 36 J Mẫu vật liệu tổ hợp chống đâm xuyên Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Vật đâm thử nghiệm Dao S1 Dùi Dao S1 Dùi Dao S1 Dùi Dao S1 Dùi Dao S1 Dùi Dao S1 Dùi Dao S1 Dùi Số lớp loại vật liệu dùng tổ hợp tạo chống đâm xuyên Thông số VL sau tổ hợp thành chống đâm xuyên Khối Bề dày lượng(mm/tấm) 0,14m2 (g/tấm) Số lớp loại A Số lớp loại B 18 5,6 529 28 5,6 568 11 5,2 506 5,2 506 5,2 506 5,6 529 5,6 568 Số lớp A, B Mẫu B đặt A Số lớp A, B Mẫu đặt sau foam Số lớp A Mẫu đặt sau foam Số lớp A Mẫu đặt sau foam ĐSXT qua sản phẩm thử nghiệm theo mức lượng (bình thường, q tải) góc tác động (mm) Vng góc, 24 J Nghiêng 45o, 24 J Vng góc, 36 J 0 0 0 15 17 >30 >30 >30 >30 >30 >30 0 0 0 15 18 14 17 17 18 Kết luận kiến nghị Trong nghiên cứu này, vải mật độ dệt cao từ sợi para-aramid 495de (A) mỏng tráng phủ Dyneema® SB21 (B) lựa chọn với bọt APCS tạo vật liệu compozit để thử nghiệm tính chống đâm xuyên Thực nghiệm xác định mẫu với số lớp cách http://jst.tnu.edu.vn 58 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(16): 54 - 59 xếp phù hợp vật liệu thành phần tổ hợp để đạt tiêu chuẩn chống đâm NIJ mức Đó áp dụng để chế tạo APCSCĐ cho đối tượng làm việc đặc thù sông, biển vừa chống đuối nước vừa chống đâm xuyên Khi so sánh với tiêu chí bề dày khối lượng vật liệu tổ hợp hay sản phẩm cho thấy: dùng loại vật liệu có lợi dùng loại thứ tự loại (A) loại (B) Mẫu 3; dùng loại loại A có lợi loại (B) Mẫu 1; với tất trường hợp bố trí vật liệu chống đâm xuyên đặt bọt APCS có hiệu chống đâm xuyên đặt Trên thị trường thương mại có nhiều vật liệu thô chống đâm xuyên với chất lượng giá thành đa dạng Cần nghiên cứu, thử nghiệm đặc biệt kết hợp loại vật liệu với lưu ý đặc tính chống cắt, xuyên thủng… để đạt hiệu chống đâm xuyên tốt theo mục tiêu đề Vật liệu đạt tiêu chuẩn NIJ thoả mãn điều kiện thử nghiệm cần xây dựng đặc tính chống đâm xuyên, đặc tính biểu diễn mối quan hệ khối lượng, bề dày vật liệu với lượng phá huỷ ứng với loại vật đâm để thấy rõ ứng xử vật liệu tổ hợp chống đâm xuyên Lời cảm ơn Xin trân thành cảm ơn đến Trường Đại học Nha Trang hỗ trợ nghiên cứu thông qua đề tài: “Nghiên cứu, chế tạo áo phao cứu sinh chống đâm” (Mã số: TR 2017-13-10) TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] T V Nguyen, P D Doan, T V Le, Research and develop technology for manufacturing durable and lightweight composite materials, applied in the production of special equipment and tools for soldiers, Project code: VAST.TĐ.QP.01/17-19, Vietnam Academy of Science and Technology, 2017 [2] J S Johnson and S Z Mansdorf, Performance of Protective Clothing: Fifth Volume ASTM Publication Code Number (PCN): 04-012370-55, 1996 [3] T B N Vu, K T Vu, and J Lara, “Effect of Friction on Cut Resistance of Polymers,” Journal of Thermoplastic Composite Materials, vol 18, no 23, pp 23-35, 2005 [4] J Lara, D Turcot, R Daigle, and J Boutin, “A New Test Method to Evaluate the Cut Resistance of Glove Materials,” ASTM Special Technical Publication, vol 1237, no 23, pp.23-31, 1996 [5] E Magdi, A Affaf, A Samar, and E Marwa, “Enhancement of Quasi-Static Puncture Resistance Behaviors of Trixie Fabric/Polyester Hybrid Composites,” Proc 7th RTSET-2017 Conf Recent Trends in Science, Engineering and Technology, London (UK), pp 8-14, 2017 [6] E Magdi, “Investigation of Puncture Behaviour of Flexible Silk Fabric Composites for Soft Body Armour,” Journal of Fibers & Textiles in Eastern Europe, vol 22, no 5(107), pp 71-76, 2014 [7] G S Chung, Y S Kim, Manufacturing technology of the ultra light stab armor with the good air permeability, Project code: 10028427, Korea institute of industrial technology, Ansan (Korea), 2010 [8] T T Duong, J S Kim, and Y Huh, “Stab-resistant property of the fabrics woven with the aramid/cotton core-spun yarns,” Journal of Fibers and Polymers, vol 11, no 13, pp 500-506, 2010 [9] T T Duong, J S Kim, and Y Huh, “Evaluation of anti-stabbing performance of fabric layers woven with various hybrid yarns under different fabric conditions,” Journal of Fibers and Polymers, vol 12, no 6, pp 808-815, 2011 [10] T T Duong, Y S Kim, and G S Chung, “Stab resistance of woven and nonwoven aramid fabric composites,” Journal of Textile Science and Engineering, vol 48, no 4, pp 246-251, 2012 [11] National Institute of Justice, “Stab Resistance of Personal Body Armor NIJ Standard–0115.00,” U S NIJ Standard–0115.00, Sept., 2000 http://jst.tnu.edu.vn 59 Email: jst@tnu.edu.vn ... đâm để thấy rõ ứng xử vật liệu tổ hợp chống đâm xuyên Lời cảm ơn Xin trân thành cảm ơn đến Trường Đại học Nha Trang hỗ trợ nghiên cứu thông qua đề tài: ? ?Nghiên cứu, chế tạo áo phao cứu sinh chống. .. đạn chống đâm xuyên Hình Mũi đâm gồm dao S1 dùi dùng thử nghiệm tính chất chống đâm xuyên vật liệu Hình Hai loại vật liệu dùng tổ hợp thành chống đâm xuyên cho áo phao cứu sinh chống đâm (A):... vật liệu tạo compozit nhiều lớp cho sản phẩm [7]-[10] Trong nghiên cứu này, hai loại vật liệu có đặc tính chống cắt xuyên thủng sử dụng phổ biến để chế tạo áo giáp chống đạn hay chống đâm xuyên