Instituto de Materiais Não Metálicos: Análise Comparativa da Resistência à Perfuração de Materiais de Alto Desempenho à Base de Fibra/Resina, Segundo Normas Nacionais e Internacionais

Comparação da resistência à perfuração de materiais de alto desempenho à base de fibra/resina, segundo normas nacionais e internacionais.

Resumo: Este artigo investiga as diferenças na resistência a perfurações entre vários materiais de alto desempenho à base de fibra/resina, comparando os resultados de testes obtidos segundo a norma chinesa *GA 68-2024 para coletes à prova de facadas da polícia* e a norma americana *NIJ 0115.00-2000 para coletes à prova de facadas*. Também analisa as características das métricas de avaliação e os requisitos específicos de desempenho dos materiais enfatizados por essas normas nacionais e internacionais. A resistência a perfurações foi avaliada calculando-se o número de camadas e a densidade superficial dos materiais necessários para atender a níveis específicos de proteção. Os resultados indicam que, para materiais de alto desempenho à base de fibra/resina, a resistência a perfurações melhora com maior resistência da fibra quando o teor de resina é semelhante, e melhora com maior teor de resina quando a resistência da fibra é semelhante. Atender ao requisito da Classe A da norma GA 68 exige mais que o dobro do material necessário para a Classe B, e a lâmina D2 da norma GA 68 é mais potente que a lâmina D3. De acordo com a norma NIJ 0115.00, a lâmina S1 é relativamente menos potente; a lâmina P1 exige alta resistência da fibra, enquanto a lâmina com ponta exige alto teor de resina. As condições de alta temperatura têm o impacto mais significativo em materiais resistentes a perfurações à base de resina; portanto, a resistência a perfurações em altas temperaturas é um foco essencial ao testar amostras de acordo com a norma GA 68.

Palavras-chave: Resistência a perfurações; fibra de alto desempenho; padrão de resistência a perfurações; material resistente a perfurações; densidade superficial

A evolução dos materiais resistentes a facadas para coletes à prova de balas progrediu através de três estágios: materiais rígidos, materiais semirrígidos e materiais macios. Atualmente, os materiais macios resistentes a facadas comumente usados ​​nacional e internacionalmente são compósitos de fibra/resina de alto desempenho. Coletes resistentes a facadas feitos com esses materiais suplantaram as opções rígidas e semirrígidas devido ao seu conforto superior ao vestir e ao risco reduzido de causar lesões secundárias [1-7].

Fibras de aramida (incluindo para-aramida e aramida heterocíclica), poli(p-fenileno benzobisoxazol) fibras (PBO) , polietileno de ultra-alto peso molecular Fibras de (UHMW-PE) , e fibras de carbono Atualmente, as fibras de UHMW-PE são as principais fibras de alto desempenho. As fibras de UHMW-PE possuem baixa polaridade superficial, enquanto as resinas de reforço utilizadas para impregná-las apresentam alta polaridade superficial; essa incompatibilidade resulta em fraca adesão interfacial, tornando as fibras de UHMW-PE inadequadas para a fabricação de materiais resistentes a perfurações à base de resina [8-10]. Embora as fibras de carbono ofereçam alta resistência à tração e módulo de elasticidade, sua baixa tenacidade à fratura limita a absorção de energia, e elas raramente são utilizadas isoladamente para aplicações de proteção. Consequentemente, fibras aromáticas como aramida e PBO são as fibras de alto desempenho predominantes empregadas em materiais resistentes a perfurações à base de resina [11-14].

Para avaliar a resistência a facadas de materiais de proteção, países como os Estados Unidos, o Reino Unido e a Alemanha estabeleceram normas relevantes para coletes à prova de facadas. A mais influente delas é a "Resistência a Facadas de Coletes à Prova de Facadas" (Norma NIJ 0115.00-2000), emitida pelo Instituto Nacional de Justiça (NIJ) do Departamento de Justiça dos EUA, amplamente adotada globalmente. Meu país também estabeleceu sua própria norma para coletes à prova de facadas, a "GA 68-2024 Colete à Prova de Facadas para a Polícia", formulada pelo Ministério da Segurança Pública.

Este artigo apresenta uma comparação e avaliação sistemática do desempenho de resistência à perfuração desses materiais compósitos de fibra/resina de alto desempenho, em comparação com as normas chinesas e americanas. Além disso, analisa as características e os pontos principais das normas nacionais e internacionais referentes a métodos de ensaio, métricas de avaliação e requisitos de desempenho dos materiais.

1 Seção Experimental

1.1 Principais matérias-primas
Tecido de fibra para-aramida de resistência padrão: TH5108 (resistência à tração da fibra: 21,5 cN/dtex), fabricado internamente;
Tecido de fibra para-aramida de alta resistência: TH61081 (resistência à tração da fibra: 23,5 cN/dtex), fabricado internamente;
Tecido de fibra de aramida heterocíclica: F-3P200 (resistência à tração da fibra: 28 cN/dtex), fabricado internamente;
Tecido de fibra PBO: JQZW SP200-1100 (resistência à tração da fibra: 28 cN/dtex), fabricado internamente;
Resina epóxi e amina alifática modificada: produção própria.

1.2 Principais instrumentos e equipamentos
Testador de resistência a perfurações GA68: MPFCT-2000, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Testador de resistência a perfurações NIJ: AQJL-300, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Lâminas de teste GA68: D1, D2, D3, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Lâminas de teste NIJ: P1, S1, Spike, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.

1.3 Preparação da Amostra
Devido às diferenças de compatibilidade entre várias fibras de alto desempenho e a resina epóxi, pequenas variações na densidade superficial dos materiais resistentes a perfurações preparados ocorrem após o revestimento e a cura da resina, mesmo quando a densidade superficial inicial do tecido é idêntica [15-18]. Para garantir a validade científica e o rigor dos resultados dos testes, foram selecionados quatro tipos de tecidos de fibra de alto desempenho — para-aramida de resistência padrão, para-aramida de alta resistência, aramida heterocíclica e PBO — todos com densidade superficial de 200 g/m².

Os materiais resistentes a perfurações foram preparados utilizando um processo manual de revestimento com resina. Diversas amostras medindo 350 mm × 300 mm foram recortadas dos quatro tipos de tecidos de fibra de alto desempenho mencionados anteriormente. A resina epóxi foi aplicada em ambos os lados dos tecidos utilizando uma espátula, seguida de pós-cura em autoclave a 120 °C e pressão de moldagem de 0,3 MPa por 4 horas. Seis tipos de materiais compósitos de fibra/matriz de resina de alto desempenho resistentes a perfurações foram, portanto, preparados. Entre eles, as amostras 1# a 3# utilizaram o mesmo tipo de fibra — tecido de fibra de para-aramida de resistência padrão — mas apresentaram teor de resina progressivamente crescente; as amostras 3# a 6# utilizaram diferentes tipos de fibra, mas apresentaram teores de resina semelhantes. Os parâmetros básicos das amostras de material resistente a perfurações estão listados na Tabela 1. Para preparar as camadas resistentes a perfurações para os testes, os materiais foram empilhados e selados dentro de um tecido impermeável preto; essa cobertura protegeu eficazmente os materiais da luz, umidade e contaminantes, garantindo a precisão dos testes. Os valores de densidade superficial relatados para as amostras em testes subsequentes referem-se ao próprio material resistente a perfurações, excluindo o tecido impermeável.


1.4 Testes e Caracterização
As amostras da camada resistente a perfurações foram testadas de acordo com as normas GA 68 e NIJ 0115.00; uma comparação entre essas duas normas é apresentada na Tabela 2. A norma GA 68 compreende dois níveis — Classe A e Classe B — ambos exigindo uma energia de perfuração de 24 J, sem penetração permitida durante o teste. A Classe A destina-se a ambientes gerais e envolve apenas um tipo de lâmina. A Classe B foi projetada especificamente para ambientes de aviação, onde a probabilidade de encontrar lâminas extremamente afiadas é mínima; consequentemente, as especificações de afiação para as lâminas D2 e ​​D3 na Classe B são reduzidas.


Observação: E1 e E2 representam dois níveis de energia do teste de resistência a perfurações na norma NIJ 0115.00.

A norma NIJ 0115.00 é dividida em três níveis de proteção. Cada nível exige a aprovação em testes com três tipos de lâminas (lâmina P1, lâmina S1 e ponta). Além disso, cada nível envolve dois níveis de energia: a penetração máxima permitida é de 7 mm para testes de baixa energia e de 20 mm para testes de alta energia.

A estrutura e os princípios de funcionamento do equipamento de teste para GA 68 e NIJ 0115.00 são idênticos; a Figura 1 mostra um esquema do equipamento de teste de resistência à perfuração e a Figura 2 mostra as lâminas de teste. A camada resistente à perfuração é colocada sobre o material de suporte na plataforma de teste. A lâmina de teste, montada em um conjunto de teste, penetra a camada resistente à perfuração por queda livre. Uma zona de medição de velocidade registra a velocidade de queda livre da lâmina para calcular a energia de teste; o teste é considerado válido se a energia atender aos requisitos da norma.

2 Resultados e Discussão

2.1 Comparação do desempenho de resistência a perfurações de diferentes materiais sob diferentes padrões
Testes de resistência a perfurações foram conduzidos nos seis materiais listados na Tabela 1 em condições de temperatura ambiente. Cinco conjuntos de amostras foram testados para cada configuração, e os resultados representam a média desses cinco conjuntos. Em um determinado nível de proteção, um material que requer menos camadas — e, portanto, possui uma densidade superficial total menor — demonstra desempenho superior em resistência a perfurações; inversamente, um material que requer mais camadas — e, portanto, possui uma densidade superficial total maior — demonstra desempenho inferior. A Tabela 3 compara o desempenho de resistência a perfurações dos diferentes materiais sob as diversas normas. Para GA 68 Classe A e Classe B, a energia de teste foi de 24 J. Para NIJ 0115.00 Níveis I, II e III, os testes foram conduzidos nos níveis de energia E1 e E2 correspondentes, conforme exigido pela norma; o resultado apresentado é a densidade superficial máxima necessária para atender simultaneamente a ambos os níveis de energia.
Conforme demonstrado na Tabela 3: (1) Sob o mesmo nível de padrões de resistência a perfurações, entre os materiais 3#, 4#, 5# e 6# (que possuem teores de resina semelhantes), o material PBO 6# apresenta a menor densidade superficial, enquanto o material para-aramida 3# apresenta a maior; portanto, o material PBO 6# exibe a melhor resistência a perfurações. Isso indica que, para materiais resistentes a perfurações à base de resina com o mesmo teor de resina, uma maior resistência da fibra resulta em melhor resistência a perfurações. (2) Sob o mesmo nível de padrão e utilizando o mesmo tipo de tecido de fibra, as densidades superficiais dos materiais 1#, 2# e 3# aumentam progressivamente. Isso indica que, para materiais à base de resina utilizando a mesma fibra, um maior teor de resina resulta em melhor resistência a perfurações. (3) Embora os testes GA 68 Classe A e Classe B envolvam perfurações com uma energia de 24 J, a afiação das lâminas difere, sendo a lâmina da Classe B menos potente; A densidade superficial necessária para proteção contra a lâmina Classe A é mais que o dobro da necessária para a lâmina Classe B, demonstrando que a lâmina Classe B na norma GA 68 tem menos da metade da potência da lâmina Classe A. Para a norma NIJ 0115.00, a energia de perfuração aumenta nos três níveis; consequentemente, o número de camadas e a densidade superficial do material necessários para fornecer proteção também aumentam progressivamente. (4) As densidades superficiais necessárias para proteção contra a Classe A da GA 68 e o Nível I da NIJ 0115.00 são semelhantes; o teste da Classe A da GA 68 envolve 24 J de energia com penetração zero permitida, enquanto a norma NIJ 0115.00 envolve 24 J para o nível de baixa energia (permitindo 7 mm de penetração) e 33 J para o nível de alta energia (permitindo 20 mm de penetração), o que implica que esses dois níveis de proteção impõem demandas comparáveis ​​aos materiais resistentes a perfurações à base de resina.

2.2 Comparação da resistência à perfuração de diferentes materiais contra várias lâminas de teste
A gravidade da ameaça representada por diferentes tipos de lâminas — duas da norma GA 68 Classe B e três da norma NIJ 0115.00 — foi investigada em níveis de energia equivalentes. Ao avaliar se um material atende aos padrões de resistência a perfurações, a lâmina mais potente especificada na norma é geralmente o fator decisivo; se uma amostra resistir à lâmina mais potente, pode-se inferir que ela atende ao padrão para aquele nível de proteção. Como diferentes lâminas impõem demandas distintas ao material, a análise das variações de desempenho entre diferentes lâminas revela as características específicas do material. Vários materiais resistentes a perfurações foram testados contra as duas lâminas GA 68 Classe B e as três lâminas NIJ 0115.00. A Tabela 4 lista o número de camadas de material e a densidade superficial necessárias para que os materiais atendam aos padrões correspondentes GA 68 Classe B e NIJ 0115.00 Nível I.


Conforme demonstrado na Tabela 4: (1) Em relação às duas lâminas GA 68 Classe B utilizadas em materiais de matriz de resina reforçada com fibra de alto desempenho resistentes a perfurações, a defesa contra a lâmina D3 requer mais material do que a defesa contra a lâmina D2, indicando que a lâmina D3 representa uma ameaça maior. Consequentemente, durante os testes preliminares de resistência a perfurações, se um material com uma densidade superficial específica resistir à lâmina D2, pode-se inferir, em geral, que o material — nessa densidade superficial — é capaz de passar no teste GA 68 Classe B. (2) Nos três níveis da norma NIJ 0115.00, a densidade superficial exigida para testes de alta energia (permitindo penetração de 20 mm) é consistentemente maior do que a exigida para testes de baixa energia (permitindo penetração de 7 mm). Portanto, durante os testes preliminares, se um material com uma densidade superficial específica puder suportar o teste de alta energia para um determinado nível da norma NIJ 0115.00, pode-se determinar que o material atende ao padrão para esse nível, eliminando a necessidade de testes adicionais de baixa energia no mesmo nível. (3) Entre os três tipos de lâmina especificados na norma NIJ 0115.00, a lâmina S1 requer a menor densidade superficial de material de matriz de resina reforçada com fibra de alto desempenho resistente a perfurações para proteção, indicando que a lâmina S1 é a menos formidável. A lâmina P1 na norma NIJ 0115.00 é análoga à lâmina D1 nas normas nacionais de segurança pública; ela apresenta uma lâmina relativamente longa e larga, exerce uma ação de cisalhamento mais forte sobre o material durante a penetração e impõe maiores exigências às propriedades mecânicas das fibras. Consequentemente, materiais com maior resistência da fibra oferecem proteção superior contra a lâmina P1. Entre as amostras nº 3, nº 4, nº 5 e nº 6 — que possuem conteúdo de resina comparável — a amostra nº 6 apresenta as melhores propriedades mecânicas e, portanto, requer uma densidade superficial menor para proteção contra a lâmina P1. A lâmina "ponta" da norma NIJ 0115.00 é afiada e fina; sob impacto descendente em alta velocidade, ela desliza facilmente pelas fibras, minimizando o cisalhamento dos feixes de fibras e não conseguindo dissipar efetivamente a energia cinética da lâmina, o que permite que ela continue penetrando. Portanto, na defesa contra esse tipo de lâmina, o conteúdo e a dureza da resina do material tornam-se fatores críticos. Entre as amostras nº 1, nº 2 e nº 3 — que utilizam o mesmo tipo de fibra, mas diferem no conteúdo de resina — a amostra nº 3 demonstra uma vantagem mais acentuada na proteção contra a lâmina ponta em comparação com os outros tipos de lâmina. Além disso, a Tabela 4 mostra que para as amostras nº 3, nº 4, nº 5 e nº 6 — que variam em resistência da fibra, mas têm teor de resina comparável — não há diferença significativa na proteção contra a lâmina pontiaguda, confirmando ainda mais que a lâmina pontiaguda impõe maiores exigências ao teor de resina dos materiais resistentes a perfurações.

2.3 Comparação da resistência à perfuração de diferentes materiais sob diversas condições ambientais
A norma de resistência a facadas do meu país, GA 68, fornece especificações detalhadas sobre a adaptabilidade ambiental de coletes à prova de facadas, abrangendo três condições: alta temperatura, baixa temperatura e imersão em água. O teste em alta temperatura envolve o condicionamento da amostra a (55 ± 2) °C por 4 horas antes do teste de facada; o teste em baixa temperatura envolve o condicionamento a (-20 ± 2) °C por 4 horas; e o teste de imersão em água envolve a imersão da amostra da camada resistente a facadas em água por 30 minutos antes de retirá-la para o teste de facada. A Tabela 5 lista o número de camadas e a densidade superficial necessária para vários materiais resistentes a facadas quando testados sob diferentes condições ambientais.
Conforme demonstrado na Tabela 5, Materiais de alto desempenho resistentes a perfurações, compostos por fibra e matriz de resina, exigem uma densidade superficial maior em condições de alta temperatura. Em contrapartida, o número de camadas e a densidade superficial necessários permanecem essencialmente os mesmos em condições de imersão em água e temperatura ambiente. Além disso, o menor número de camadas e a menor densidade superficial são necessários em condições de baixa temperatura. Isso ocorre porque a dureza da resina diminui em altas temperaturas, e a dureza é um fator chave que influencia o desempenho de resistência a perfurações desses materiais. A redução da dureza enfraquece a capacidade da camada resistente a perfurações de embotar a ponta de uma lâmina, diminuindo, assim, o desempenho de resistência a perfurações. Por outro lado, a dureza da resina aumenta em ambientes de baixa temperatura, resultando em um desempenho superior de resistência a perfurações para os materiais. Os resultados dos testes de imersão em água indicam que, na fabricação de coletes resistentes a perfurações, desde que o tecido impermeável que encapsula o material resistente a perfurações atenda aos padrões de qualidade, a resistência à perfuração do material permanece inalterada quando imerso em água. Os testes preliminares de materiais resistentes a perfurações devem priorizar a avaliação do desempenho em condições de alta temperatura.

3 Conclusões

(1) Para materiais de alto desempenho resistentes à perfuração com matriz de fibra/resina, quando o teor de resina é idêntico ou semelhante, uma maior resistência da fibra resulta em uma resistência superior à perfuração; inversamente, quando a resistência da fibra é constante, um maior teor de resina produz melhor resistência à perfuração.

(2) A densidade superficial de materiais de matriz de resina de alto desempenho necessária para atender ao padrão de resistência à perfuração Classe A da GA 68 é mais que o dobro da exigida para a Classe B. Existe uma relação progressiva entre os materiais e as densidades superficiais necessárias para atender aos três níveis de proteção da norma US NIJ 0115.00, sendo que ameaças de maior energia em um determinado nível são mais difíceis de neutralizar do que ameaças de menor energia no mesmo nível. A resistência à perfuração da Classe A da GA 68 é comparável à do Nível I da NIJ 0115.00.

(3) No que diz respeito a materiais de alto desempenho resistentes à perfuração com matriz de fibra/resina, a lâmina D2 especificada na GA 68 é menos potente que a lâmina D3. Entre as lâminas NIJ 0115.00, a lâmina S1 é a menos potente; a lâmina P1 impõe altas exigências à resistência da fibra do material, enquanto a lâmina de ponta impõe altas exigências ao teor de resina do material.

(4) Ambientes de alta temperatura têm o impacto mais significativo em materiais de matriz de resina de alto desempenho resistentes à perfuração; portanto, os testes preliminares devem se concentrar no desempenho de resistência à perfuração em condições de alta temperatura.