Instituto de Materiales No Metálicos: Análisis comparativo de la resistencia a la perforación de materiales de alto rendimiento a base de fibra/resina según normas nacionales e internacionales.

Comparación de la resistencia a la perforación de materiales de alto rendimiento a base de fibra/resina según normas nacionales e internacionales.

Abstracto: Este artículo investiga las diferencias en la resistencia a las puñaladas entre varios materiales de alto rendimiento a base de fibra/resina comparando los resultados de las pruebas obtenidos bajo la norma china *GA 68-2024 Police Stab-Resistant Vests* y la norma estadounidense *NIJ 0115.00-2000 Stab Resistance of Personal Body Armor*. También analiza las características de las métricas de evaluación y los requisitos específicos de rendimiento del material enfatizados por estas normas nacionales e internacionales. La resistencia a las puñaladas se evaluó calculando el número de capas y la densidad superficial de los materiales necesarios para cumplir con niveles de protección específicos. Los resultados indican que para los materiales de alto rendimiento a base de fibra/resina, la resistencia a las puñaladas mejora con una mayor resistencia de la fibra cuando el contenido de resina es similar, y mejora con un mayor contenido de resina cuando la resistencia de la fibra es similar. Cumplir con el requisito de Clase A de la norma GA 68 requiere más del doble del material requerido para la Clase B, y la hoja D2 en la norma GA 68 es más potente que la hoja D3. Bajo la norma NIJ 0115.00, la hoja S1 es relativamente menos potente; La hoja P1 exige una gran resistencia de la fibra, mientras que la hoja con punta exige un alto contenido de resina. Las altas temperaturas tienen el mayor impacto en los materiales resistentes a la perforación a base de resina; por lo tanto, la resistencia a la perforación a altas temperaturas es un aspecto clave al probar las muestras según la norma GA 68.

Palabras clave: Resistencia a la perforación; fibra de alto rendimiento; estándar de resistencia a la perforación; material resistente a la perforación; densidad superficial

La evolución de los materiales resistentes a las puñaladas para chalecos antibalas ha pasado por tres etapas: materiales rígidos, semirrígidos y blandos. Actualmente, los materiales blandos resistentes a las puñaladas más utilizados a nivel nacional e internacional son compuestos de alto rendimiento a base de fibra y resina. Los chalecos antibalas fabricados con estos materiales han superado a las opciones rígidas y semirrígidas debido a su mayor comodidad y al menor riesgo de causar lesiones secundarias [1-7].

fibras de aramida (incluyendo para-aramida y aramida heterocíclica), poli(p-fenileno benzobisoxazol) fibras (PBO) polietileno de ultra alto peso molecular fibras (UHMW-PE) , y fibras de carbono Actualmente son las fibras de alto rendimiento principales. Las fibras de UHMW-PE poseen baja polaridad superficial, mientras que las resinas de refuerzo utilizadas para impregnarlas exhiben alta polaridad superficial; esta incompatibilidad resulta en una unión interfacial débil, lo que hace que las fibras de UHMW-PE no sean adecuadas para la fabricación de materiales resistentes a la perforación a base de resina [8-10]. Aunque las fibras de carbono ofrecen alta resistencia a la tracción y módulo, su baja tenacidad a la fractura limita la absorción de energía y rara vez se utilizan de forma aislada para aplicaciones de protección. En consecuencia, las fibras aromáticas como la aramida y el PBO son las fibras de alto rendimiento predominantes empleadas en materiales resistentes a la perforación a base de resina [11-14].

Para evaluar la resistencia a las puñaladas de los materiales de protección, países como Estados Unidos, Reino Unido y Alemania han establecido normas pertinentes para los chalecos antibalas. La más influyente es la norma "Resistencia a las puñaladas de los chalecos antibalas" (NIJ Standard 0115.00-2000), emitida por el Instituto Nacional de Justicia (NIJ) del Departamento de Justicia de Estados Unidos, que goza de amplia aceptación a nivel mundial. Mi país también ha establecido su propia norma para chalecos antibalas, la "GA 68-2024 Police Stab-Resistant Body Armor", elaborada por el Ministerio de Seguridad Pública.

Este artículo presenta una comparación y evaluación sistemática de la resistencia a la perforación de estos materiales compuestos de fibra/resina de alto rendimiento, conforme a las normas chinas y estadounidenses. Asimismo, analiza las características y los aspectos clave de las normas nacionales e internacionales en cuanto a métodos de ensayo, métricas de evaluación y requisitos de rendimiento de los materiales.

1. Sección experimental

1.1 Principales materias primas
Tejido de fibra de para-aramida de resistencia estándar: TH5108 (resistencia a la tracción de la fibra: 21,5 cN/dtex), de fabricación propia;
Tejido de fibra de para-aramida de alta resistencia: TH61081 (resistencia a la tracción de la fibra: 23,5 cN/dtex), de fabricación propia;
Tejido de fibra de aramida heterocíclica: F-3P200 (resistencia a la tracción de la fibra: 28 cN/dtex), de fabricación propia;
Tejido de fibra PBO: JQZW SP200-1100 (resistencia a la tracción de la fibra: 28 cN/dtex), de fabricación propia;
Resina epoxi y amina alifática modificada: de elaboración propia.

1.2 Instrumentos y equipos principales
Probador de resistencia a la perforación GA68: MPFCT-2000, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Probador de resistencia a la perforación NIJ: AQJL-300, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Cuchillas de prueba GA68: D1, D2, D3, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Cuchillas de prueba NIJ: P1, S1, Spike, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.

1.3 Preparación de la muestra
Debido a las diferencias de compatibilidad entre las distintas fibras de alto rendimiento y la resina epoxi, se producen ligeras variaciones en la densidad superficial de los materiales resistentes a la perforación preparados tras el recubrimiento y curado con resina, incluso cuando la densidad superficial inicial del tejido es idéntica [15-18]. Para garantizar la validez científica y el rigor de los resultados de las pruebas, se seleccionaron cuatro tipos de tejidos de fibra de alto rendimiento: para-aramida de resistencia estándar, para-aramida de alta resistencia, aramida heterocíclica y PBO, todos con una densidad superficial de 200 g/m².

Los materiales resistentes a la perforación se prepararon mediante un proceso manual de recubrimiento con resina. Se cortaron varias muestras de 350 mm × 300 mm de los cuatro tipos de tejidos de fibra de alto rendimiento mencionados anteriormente. Se aplicó resina epoxi a ambos lados de los tejidos con una espátula, seguida de un postcurado en autoclave a 120 °C y una presión de moldeo de 0,3 MPa durante 4 horas. De esta forma, se prepararon seis tipos de materiales compuestos resistentes a la perforación con matriz de resina y fibra de alto rendimiento. Entre ellos, las muestras 1 a 3 utilizaron el mismo tipo de fibra (tejido de fibra de para-aramida de resistencia estándar), pero con un contenido de resina que aumentaba progresivamente; las muestras 3 a 6 utilizaron diferentes tipos de fibra, pero con contenidos de resina similares. Los parámetros básicos de las muestras de material resistente a la perforación se enumeran en la Tabla 1. Para preparar las capas resistentes a la perforación para las pruebas, los materiales se apilaron y sellaron dentro de una tela impermeable negra; esta cubierta protegió eficazmente los materiales de la luz, la humedad y los contaminantes, garantizando la precisión de las pruebas. Los valores de densidad superficial que se indican para las muestras en las pruebas posteriores se refieren al material resistente a las perforaciones en sí, excluyendo el tejido impermeable.


1.4 Pruebas y caracterización
Las muestras de la capa resistente a la perforación se probaron de acuerdo con las normas GA 68 y NIJ 0115.00; en la Tabla 2 se presenta una comparación de estas dos normas. La norma GA 68 comprende dos niveles: Clase A y Clase B, ambos con una energía de perforación de 24 J y sin penetración permitida durante la prueba. La Clase A está destinada a entornos generales y solo incluye un tipo de cuchilla. La Clase B está diseñada específicamente para entornos aeronáuticos, donde la probabilidad de encontrar cuchillas extremadamente afiladas es mínima; por consiguiente, las especificaciones de afilado para las cuchillas D2 y D3 de la Clase B se reducen.


Nota: E1 y E2 representan dos niveles de energía de la prueba de resistencia a la perforación en NIJ 0115.00.

La norma NIJ 0115.00 se divide en tres niveles de protección. Cada nivel requiere superar pruebas con tres tipos de cuchillas (cuchilla P1, cuchilla S1 y punta). Además, cada nivel contempla dos rangos de energía: la penetración máxima permitida es de 7 mm para pruebas de baja energía y de 20 mm para pruebas de alta energía.

La estructura y los principios de funcionamiento del equipo de ensayo para GA 68 y NIJ 0115.00 son idénticos. La figura 1 muestra un esquema del equipo de ensayo de resistencia a la perforación, y la figura 2 muestra las cuchillas de ensayo. La capa resistente a la perforación se coloca sobre el material de soporte en la plataforma de ensayo. La cuchilla de ensayo, montada en un conjunto de ensayo, penetra la capa resistente a la perforación por caída libre. Una zona de medición de velocidad registra la velocidad de caída libre de la cuchilla para calcular la energía de ensayo; el ensayo se considera válido si la energía cumple con los requisitos de la norma.

2. Resultados y discusión

2.1 Comparación del rendimiento de resistencia a la perforación de diferentes materiales bajo diferentes estándares
Se realizaron pruebas de resistencia a la perforación en los seis materiales enumerados en la Tabla 1 bajo condiciones de temperatura ambiente. Se probaron cinco conjuntos de muestras para cada configuración, y los resultados representan el promedio de estos cinco conjuntos. A un nivel de protección dado, un material que requiere menos capas —y por lo tanto tiene una menor densidad superficial total— demuestra un rendimiento superior de resistencia a la perforación; por el contrario, un material que requiere más capas —y por lo tanto tiene una mayor densidad superficial total— demuestra un rendimiento inferior. La Tabla 3 compara el rendimiento de resistencia a la perforación de los diferentes materiales bajo las diversas normas. Para GA 68 Clase A y Clase B, la energía de prueba fue de 24 J. Para NIJ 0115.00 Niveles I, II y III, las pruebas se realizaron en los niveles de energía E1 y E2 correspondientes según lo requerido por la norma; el resultado informado es la densidad superficial máxima requerida para satisfacer ambos niveles de energía simultáneamente.
Como se muestra en la Tabla 3: (1) Bajo el mismo nivel de estándares de resistencia a la perforación, entre los materiales 3#, 4#, 5# y 6# (que tienen contenidos de resina similares), el material PBO 6# tiene la densidad superficial más baja, mientras que el material para-aramida 3# tiene la más alta; por lo tanto, el material PBO 6# exhibe la mejor resistencia a la perforación. Esto indica que para materiales resistentes a la perforación a base de resina con el mismo contenido de resina, una mayor resistencia de la fibra resulta en una mejor resistencia a la perforación. (2) Bajo el mismo nivel estándar y utilizando el mismo tipo de tejido de fibra, las densidades superficiales de los materiales 1#, 2# y 3# aumentan progresivamente. Esto indica que para materiales a base de resina que utilizan la misma fibra, un mayor contenido de resina resulta en una mejor resistencia a la perforación. (3) Aunque tanto las pruebas GA 68 Clase A como Clase B implican una perforación con una energía de 24 J, el filo de las cuchillas difiere, siendo la cuchilla Clase B menos potente; La densidad superficial requerida para proteger contra la hoja de Clase A es más del doble de la requerida para la hoja de Clase B, lo que demuestra que la hoja de Clase B en el estándar GA 68 tiene menos de la mitad de la potencia de la hoja de Clase A. Para el estándar NIJ 0115.00, la energía de punción aumenta a través de los tres niveles; en consecuencia, el número de capas y la densidad superficial del material requerido para brindar protección también aumentan progresivamente. (4) Las densidades superficiales requeridas para proteger contra GA 68 Clase A y NIJ 0115.00 Nivel I son similares; la prueba GA 68 Clase A implica 24 J de energía con penetración cero permitida, mientras que el estándar NIJ 0115.00 implica 24 J para el nivel de energía baja (permitiendo 7 mm de penetración) y 33 J para el nivel de energía alta (permitiendo 20 mm de penetración), lo que implica que estos dos niveles de protección imponen demandas comparables a los materiales resistentes a la punción a base de resina.

2.2 Comparación de la resistencia a la perforación de diferentes materiales frente a diversas hojas de prueba.
Se investigó la gravedad de la amenaza que representan diferentes tipos de cuchillas —dos de la norma GA 68 Clase B y tres de la norma NIJ 0115.00— a niveles de energía equivalentes. Al evaluar si un material cumple con los estándares de resistencia a las puñaladas, la cuchilla más potente especificada en la norma suele ser el factor decisivo; si una muestra puede resistir la cuchilla más potente, se puede inferir que cumple con la norma para ese nivel de protección. Dado que las diferentes cuchillas imponen exigencias distintas al material, el análisis de las variaciones de rendimiento entre diferentes cuchillas revela las características específicas del material. Se probaron varios materiales resistentes a las puñaladas contra las dos cuchillas GA 68 Clase B y las tres cuchillas NIJ 0115.00. La Tabla 4 enumera el número de capas de material y la densidad superficial requerida para que los materiales cumplan con las normas GA 68 Clase B y NIJ 0115.00 Nivel I correspondientes.


Como se muestra en la Tabla 4: (1) Respecto a las dos cuchillas GA 68 Clase B utilizadas en materiales resistentes a la perforación de matriz de resina reforzada con fibra de alto rendimiento, defenderse de la cuchilla D3 requiere más material que defenderse de la cuchilla D2, lo que indica que la cuchilla D3 representa una mayor amenaza. En consecuencia, durante las pruebas preliminares de resistencia a la perforación, si un material con una densidad superficial específica puede soportar la cuchilla D2, generalmente se puede inferir que el material, con esa densidad superficial, es capaz de pasar la prueba GA 68 Clase B. (2) En los tres niveles NIJ 0115.00, la densidad superficial requerida para las pruebas de alta energía (que permiten una penetración de 20 mm) es consistentemente mayor que la requerida para las pruebas de baja energía (que permiten una penetración de 7 mm). Por lo tanto, durante las pruebas preliminares, si un material con una densidad superficial específica puede soportar la prueba de alta energía para un nivel NIJ 0115.00 dado, se puede determinar que el material cumple con el estándar para ese nivel, eliminando la necesidad de pruebas adicionales de baja energía en el mismo nivel. (3) Entre los tres tipos de cuchillas especificados en NIJ 0115.00, la cuchilla S1 requiere la menor densidad superficial de material resistente a la perforación con matriz de resina reforzada con fibra de alto rendimiento para su protección, lo que indica que la cuchilla S1 es la menos formidable. La cuchilla P1 en NIJ 0115.00 es análoga a la cuchilla D1 en las normas nacionales de seguridad pública; presenta una cuchilla relativamente larga y ancha, ejerce una acción de corte más fuerte sobre el material durante la penetración y exige mayores propiedades mecánicas de las fibras. En consecuencia, los materiales con mayor resistencia de la fibra ofrecen una protección superior contra la cuchilla P1. Entre las muestras n.° 3, n.° 4, n.° 5 y n.° 6, que comparten un contenido de resina comparable, la muestra n.° 6 exhibe las mejores propiedades mecánicas y, por lo tanto, requiere una menor densidad superficial para protegerse contra la cuchilla P1. La cuchilla de "punta" en NIJ 0115.00 es afilada y delgada; Bajo un impacto descendente de alta velocidad, se desliza fácilmente más allá de las restricciones de fibra, minimizando el corte de los haces de fibra y sin disipar eficazmente la energía cinética de la hoja, lo que le permite seguir penetrando hacia abajo. Por lo tanto, al defenderse de este tipo de hoja, el contenido de resina y la dureza de la resina del material se convierten en factores críticos. Entre las muestras n.° 1, n.° 2 y n.° 3, que utilizan el mismo tipo de fibra pero difieren en el contenido de resina, la muestra n.° 3 demuestra una ventaja más pronunciada en la protección contra la hoja puntiaguda en comparación con los otros tipos de hojas. Además, la Tabla 4 muestra que para las muestras n.° 3, n.° 4, n.° 5 y n.° 6, que varían en la resistencia de la fibra pero tienen un contenido de resina comparable, no hay una diferencia significativa en la protección contra la hoja puntiaguda, lo que confirma aún más que la hoja puntiaguda exige un mayor contenido de resina en los materiales resistentes a las puñaladas.

2.3 Comparación de la resistencia a la perforación de diferentes materiales bajo diversas condiciones ambientales.
La norma GA 68 de resistencia a las puñaladas de mi país proporciona especificaciones detalladas sobre la adaptabilidad ambiental de los chalecos antibalas, abarcando tres condiciones: alta temperatura, baja temperatura e inmersión en agua. Las pruebas a alta temperatura consisten en acondicionar la muestra a (55 ± 2) °C durante 4 horas antes de la prueba de puñalada; las pruebas a baja temperatura consisten en acondicionarla a (-20 ± 2) °C durante 4 horas; y las pruebas de inmersión en agua consisten en sumergir la muestra de la capa antibalas en agua durante 30 minutos antes de retirarla para la prueba de puñalada. La Tabla 5 enumera el número de capas y la densidad superficial requerida para diversos materiales antibalas cuando se prueban bajo diferentes condiciones ambientales.
Como se muestra en la Tabla 5, Los materiales resistentes a las puñaladas de matriz de resina/fibra de alto rendimiento requieren una mayor densidad superficial en condiciones de alta temperatura. Por el contrario, el número de capas y la densidad superficial requeridos permanecen prácticamente iguales en condiciones de inmersión en agua y a temperatura ambiente. Además, se requiere el menor número de capas y la menor densidad superficial en condiciones de baja temperatura. Esto se debe a que la dureza de la resina disminuye a altas temperaturas, y la dureza es un factor clave que influye en el rendimiento de resistencia a las puñaladas de estos materiales. La reducción de la dureza debilita la capacidad de la capa resistente a las puñaladas para embotar la punta de una hoja, disminuyendo así el rendimiento de resistencia a las puñaladas. Por el contrario, la dureza de la resina aumenta en entornos de baja temperatura, lo que resulta en un rendimiento superior de resistencia a las puñaladas para los materiales. Los resultados de las pruebas de inmersión en agua indican que, al fabricar chalecos resistentes a las puñaladas, siempre que el tejido impermeable que encapsula el material resistente a las puñaladas cumpla con los estándares de calidad, la resistencia a la perforación del material no se ve afectada cuando se sumerge en agua. Las pruebas preliminares de materiales resistentes a las perforaciones deben priorizar la evaluación de su rendimiento en condiciones de alta temperatura.

3 Conclusiones

(1) Para materiales resistentes a la perforación de matriz de fibra/resina de alto rendimiento, cuando el contenido de resina es idéntico o similar, una mayor resistencia de la fibra da como resultado una resistencia a la perforación superior; por el contrario, cuando la resistencia de la fibra es constante, un mayor contenido de resina produce una mejor resistencia a la perforación.

(2) La densidad superficial de los materiales de matriz de resina de alto rendimiento requerida para cumplir con el estándar de resistencia a la perforación de Clase A de GA 68 es más del doble de la requerida para la Clase B. Existe una relación progresiva con respecto a los materiales y las densidades superficiales requeridas para cumplir con los tres niveles de protección del estándar estadounidense NIJ 0115.00, donde las amenazas de mayor energía en un nivel dado son más difíciles de neutralizar que las amenazas de menor energía en el mismo nivel. La resistencia a la perforación de GA 68 Clase A es comparable a la del NIJ 0115.00 Nivel I.

(3) En cuanto a los materiales resistentes a la perforación de matriz de fibra/resina de alto rendimiento, la cuchilla D2 especificada en GA 68 es menos potente que la cuchilla D3. Entre las cuchillas NIJ 0115.00, la cuchilla S1 es la menos potente; la cuchilla P1 exige mucho de la resistencia de la fibra del material, mientras que la cuchilla de púas exige mucho del contenido de resina del material.

(4) Los entornos de alta temperatura tienen el impacto más significativo en los materiales resistentes a la perforación de matriz de resina de alto rendimiento; por lo tanto, las pruebas preliminares deben centrarse en el rendimiento de resistencia a la perforación en condiciones de alta temperatura.