Institut Material Non-logam: Analisis Komparatif Ketahanan Tusukan Material Berbasis Serat/Resin Berkinerja Tinggi Berdasarkan Standar Domestik dan Internasional

Perbandingan Ketahanan Tusukan Material Berbasis Serat/Resin Berkinerja Tinggi Berdasarkan Standar Domestik dan Internasional

Abstrak: Makalah ini menyelidiki perbedaan ketahanan tusukan di antara berbagai material berbasis serat/resin berkinerja tinggi dengan membandingkan hasil uji yang diperoleh berdasarkan standar *GA 68-2024 Rompi Tahan Tusukan Polisi* Tiongkok dan standar AS *NIJ 0115.00-2000 Ketahanan Tusukan Pelindung Tubuh Pribadi*. Makalah ini juga menganalisis karakteristik metrik evaluasi dan persyaratan kinerja material spesifik yang ditekankan oleh standar domestik dan internasional ini. Ketahanan tusukan dinilai dengan menghitung jumlah lapisan dan kepadatan areal material yang dibutuhkan untuk memenuhi tingkat perlindungan tertentu. Hasil menunjukkan bahwa untuk material berbasis serat/resin berkinerja tinggi, ketahanan tusukan meningkat dengan kekuatan serat yang lebih tinggi ketika kandungan resin serupa, dan meningkat dengan kandungan resin yang lebih tinggi ketika kekuatan serat serupa. Memenuhi persyaratan Kelas A dari standar GA 68 membutuhkan lebih dari dua kali lipat material yang dibutuhkan untuk Kelas B, dan bilah D2 dalam standar GA 68 lebih ampuh daripada bilah D3. Di bawah standar NIJ 0115.00, bilah S1 relatif kurang ampuh; Mata pisau P1 menuntut kekuatan serat yang tinggi, sedangkan mata pisau berduri menuntut kandungan resin yang tinggi. Kondisi suhu tinggi memiliki dampak paling signifikan pada material tahan tusukan berbasis resin; oleh karena itu, ketahanan tusukan suhu tinggi menjadi fokus utama saat menguji sampel terhadap standar GA 68.

Kata kunci: Ketahanan terhadap tusukan; serat berkinerja tinggi; standar ketahanan terhadap tusukan; material tahan tusukan; kepadatan areal

Evolusi material tahan tusukan untuk pelindung tubuh telah berkembang melalui tiga tahap: material kaku, material semi-kaku, dan material lunak. Saat ini, material tahan tusukan lunak yang umum digunakan di dalam dan luar negeri adalah komposit berbasis serat/resin berkinerja tinggi. Rompi tahan tusukan yang terbuat dari material ini telah menggantikan pilihan kaku dan semi-kaku karena kenyamanan pemakaiannya yang lebih unggul dan mengurangi risiko menyebabkan cedera sekunder [1-7].

Serat aramid (termasuk para-aramid dan aramid heterosiklik), poli(p-fenilena benzobisoksazol) serat (PBO) , polietilen dengan berat molekul sangat tinggi Serat (UHMW-PE) , Dan serat karbon Serat UHMW-PE saat ini merupakan serat berkinerja tinggi utama. Serat UHMW-PE memiliki polaritas permukaan yang rendah, sedangkan resin penguat yang digunakan untuk mengimpregnasinya memiliki polaritas permukaan yang tinggi; ketidaksesuaian ini mengakibatkan ikatan antarmuka yang lemah, sehingga serat UHMW-PE tidak cocok untuk pembuatan material tahan tusukan berbasis resin [8-10]. Meskipun serat karbon menawarkan kekuatan tarik dan modulus yang tinggi, ketahanan patahnya yang rendah membatasi penyerapan energi, dan jarang digunakan secara terpisah untuk aplikasi pelindung. Akibatnya, serat aromatik seperti aramid dan PBO adalah serat berkinerja tinggi yang dominan yang digunakan dalam material tahan tusukan berbasis resin [11-14].

Untuk mengevaluasi ketahanan tusukan bahan pelindung, negara-negara seperti Amerika Serikat, Inggris, dan Jerman telah menetapkan standar yang relevan untuk rompi anti-tusuk. Yang paling berpengaruh di antaranya adalah "Ketahanan Tusukan Rompi Anti-Tusuk" (Standar NIJ 0115.00-2000), yang dikeluarkan oleh Institut Kehakiman Nasional (NIJ) di bawah Departemen Kehakiman AS, yang diadopsi secara luas di seluruh dunia. Negara kita juga telah menetapkan standar sendiri untuk rompi anti-tusuk, "GA 68-2024 Rompi Anti-Tusuk Polisi," yang dirumuskan oleh Kementerian Keamanan Publik.

Makalah ini menyajikan perbandingan dan evaluasi sistematis kinerja ketahanan tusukan dari material komposit serat/resin berkinerja tinggi ini terhadap standar Tiongkok dan AS. Lebih lanjut, makalah ini menganalisis karakteristik dan poin fokus standar domestik dan internasional mengenai metode pengujian, metrik evaluasi, dan persyaratan kinerja material.

1 Bagian Eksperimental

1.1 Bahan Baku Utama
Kain serat para-aramid kekuatan standar: TH5108 (kekuatan tarik serat: 21,5 cN/dtex), buatan sendiri;
Kain serat para-aramid berkekuatan tinggi: TH61081 (kekuatan tarik serat: 23,5 cN/dtex), buatan sendiri;
Kain serat aramid heterosiklik: F-3P200 (kekuatan tarik serat: 28 cN/dtex), buatan sendiri;
Kain serat PBO: JQZW SP200-1100 (kekuatan tarik serat: 28 cN/dtex), buatan sendiri;
Resin epoksi dan amina alifatik termodifikasi: buatan sendiri.

1.2 Instrumen dan Peralatan Utama
Alat uji ketahanan tusukan GA68: MPFCT-2000, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Alat uji ketahanan tusukan NIJ: AQJL-300, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Pisau uji GA68: D1, D2, D3, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Pisau uji NIJ: P1, S1, Spike, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.

1.3 Persiapan Sampel
Karena perbedaan kompatibilitas antara berbagai serat berkinerja tinggi dan resin epoksi, sedikit variasi dalam kepadatan areal bahan tahan tusukan yang disiapkan terjadi setelah pelapisan resin dan pengerasan, bahkan ketika kepadatan areal kain awal identik [15-18]. Untuk memastikan validitas ilmiah dan ketelitian hasil pengujian, empat jenis kain serat berkinerja tinggi—para-aramid kekuatan standar, para-aramid kekuatan tinggi, aramid heterosiklik, dan PBO—dipilih, semuanya dengan kepadatan areal 200 g/m².

Material tahan tusukan disiapkan menggunakan proses pelapisan resin manual. Beberapa sampel berukuran 350 mm × 300 mm dipotong dari empat jenis kain serat berkinerja tinggi yang disebutkan di atas. Resin epoksi diaplikasikan ke kedua sisi kain menggunakan pengikis, diikuti dengan pengerasan lanjutan dalam autoklaf pada suhu 120°C dan tekanan cetak 0,3 MPa selama 4 jam. Dengan demikian, enam jenis material komposit tahan tusukan matriks serat/resin berkinerja tinggi disiapkan. Di antaranya, sampel 1# hingga 3# menggunakan jenis serat yang sama—kain serat para-aramid kekuatan standar—tetapi memiliki kandungan resin yang meningkat secara bertahap; sampel 3# hingga 6# menggunakan jenis serat yang berbeda tetapi memiliki kandungan resin yang serupa. Parameter dasar sampel material tahan tusukan tercantum dalam Tabel 1. Untuk menyiapkan lapisan tahan tusukan untuk pengujian, material ditumpuk dan disegel di dalam kain tahan air berwarna hitam; penutup ini secara efektif melindungi material dari cahaya, kelembapan, dan kontaminan, sehingga memastikan akurasi pengujian. Nilai kerapatan areal yang dilaporkan untuk sampel dalam pengujian selanjutnya mengacu pada material tahan tusukan itu sendiri, tidak termasuk kain tahan air.


1.4 Pengujian dan Karakterisasi
Sampel lapisan tahan tusukan diuji sesuai dengan standar GA 68 dan NIJ 0115.00; perbandingan kedua standar ini disajikan dalam Tabel 2. Standar GA 68 terdiri dari dua tingkatan—Kelas A dan Kelas B—keduanya membutuhkan energi tusukan sebesar 24 J tanpa penetrasi yang diperbolehkan selama pengujian. Kelas A ditujukan untuk lingkungan umum dan hanya melibatkan satu jenis pisau. Kelas B dirancang khusus untuk lingkungan penerbangan, di mana kemungkinan bertemu dengan pisau yang sangat tajam sangat minim; akibatnya, spesifikasi ketajaman untuk pisau D2 dan D3 di Kelas B dikurangi.


Catatan: E1 dan E2 mewakili dua tingkat energi uji tahan tusukan dalam NIJ 0115.00.

NIJ 0115.00 dibagi menjadi tiga tingkat perlindungan. Setiap tingkat memerlukan pengujian dengan tiga jenis mata pisau (mata pisau P1, mata pisau S1, dan paku). Selain itu, setiap tingkat melibatkan dua tingkatan energi: penetrasi maksimum yang diizinkan adalah 7 mm untuk pengujian energi rendah dan 20 mm untuk pengujian energi tinggi.

Struktur dan prinsip kerja peralatan pengujian untuk GA 68 dan NIJ 0115.00 identik; Gambar 1 menunjukkan skema peralatan pengujian ketahanan tusukan, dan Gambar 2 menunjukkan bilah uji. Lapisan tahan tusukan ditempatkan pada material pendukung di platform pengujian. Bilah uji, yang dipasang pada rakitan pengujian, menembus lapisan tahan tusukan melalui jatuh bebas. Zona pengukuran kecepatan menangkap kecepatan jatuh bebas bilah untuk menghitung energi uji; pengujian dianggap valid jika energi memenuhi persyaratan standar.

2 Hasil dan Diskusi

2.1 Perbandingan kinerja ketahanan tusukan berbagai material di bawah standar yang berbeda
Uji ketahanan tusukan dilakukan pada enam material yang tercantum dalam Tabel 1 pada kondisi suhu ruangan. Lima set sampel diuji untuk setiap konfigurasi, dan hasilnya mewakili rata-rata dari kelima set tersebut. Pada tingkat perlindungan tertentu, material yang membutuhkan lebih sedikit lapisan—dan karenanya memiliki kerapatan areal keseluruhan yang lebih rendah—menunjukkan kinerja ketahanan tusukan yang unggul; sebaliknya, material yang membutuhkan lebih banyak lapisan—dan karenanya memiliki kerapatan areal keseluruhan yang lebih tinggi—menunjukkan kinerja yang lebih rendah. Tabel 3 membandingkan kinerja ketahanan tusukan dari berbagai material di bawah berbagai standar. Untuk GA 68 Kelas A dan Kelas B, energi uji adalah 24 J. Untuk NIJ 0115.00 Tingkat I, II, dan III, pengujian dilakukan pada tingkat energi E1 dan E2 yang sesuai seperti yang dipersyaratkan oleh standar; hasil yang dilaporkan adalah kerapatan areal maksimum yang diperlukan untuk memenuhi kedua tingkat energi secara bersamaan.
Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3: (1) Pada tingkat standar ketahanan tusukan yang sama, di antara material 3#, 4#, 5#, dan 6# (yang memiliki kandungan resin serupa), material PBO 6# memiliki kerapatan areal terendah, sedangkan material para-aramid 3# memiliki kerapatan areal tertinggi; dengan demikian, material PBO 6# menunjukkan ketahanan tusukan terbaik. Hal ini menunjukkan bahwa untuk material tahan tusukan berbasis resin dengan kandungan resin yang sama, kekuatan serat yang lebih tinggi menghasilkan ketahanan tusukan yang lebih baik. (2) Pada tingkat standar yang sama dan menggunakan jenis kain serat yang sama, kerapatan areal material 1#, 2#, dan 3# meningkat secara progresif. Hal ini menunjukkan bahwa untuk material berbasis resin yang menggunakan serat yang sama, kandungan resin yang lebih tinggi menghasilkan ketahanan tusukan yang lebih baik. (3) Meskipun uji GA 68 Kelas A dan Kelas B melibatkan penusukan dengan energi 24 J, ketajaman pisau berbeda, dengan pisau Kelas B kurang kuat; Kepadatan areal yang dibutuhkan untuk melindungi terhadap pisau Kelas A lebih dari dua kali lipat yang dibutuhkan untuk pisau Kelas B, menunjukkan bahwa pisau Kelas B dalam standar GA 68 memiliki kurang dari setengah potensi pisau Kelas A. Untuk standar NIJ 0115.00, energi tusukan meningkat di ketiga level; akibatnya, jumlah lapisan dan kepadatan areal material yang dibutuhkan untuk memberikan perlindungan juga meningkat secara progresif. (4) Kepadatan areal yang dibutuhkan untuk melindungi terhadap GA 68 Kelas A dan NIJ 0115.00 Level I serupa; uji GA 68 Kelas A melibatkan energi 24 J dengan penetrasi nol yang diizinkan, sedangkan standar NIJ 0115.00 melibatkan 24 J untuk tingkat energi rendah (memungkinkan penetrasi 7 mm) dan 33 J untuk tingkat energi tinggi (memungkinkan penetrasi 20 mm), yang menyiratkan bahwa kedua tingkat perlindungan ini memberikan tuntutan yang sebanding pada material tahan tusukan berbasis resin.

2.2 Perbandingan Ketahanan Tusukan Berbagai Material Terhadap Berbagai Mata Pisau Uji
Tingkat ancaman yang ditimbulkan oleh berbagai jenis pisau—dua dari standar GA 68 Kelas B dan tiga dari standar NIJ 0115.00—diuji pada tingkat energi yang setara. Saat mengevaluasi apakah suatu material memenuhi standar ketahanan tusukan, pisau terkuat yang ditentukan dalam standar biasanya menjadi faktor penentu; jika suatu sampel dapat menahan pisau terkuat, dapat disimpulkan bahwa sampel tersebut memenuhi standar untuk tingkat perlindungan tersebut. Karena pisau yang berbeda memberikan tuntutan yang berbeda pada material, menganalisis variasi kinerja di berbagai pisau akan mengungkapkan karakteristik spesifik material tersebut. Berbagai material tahan tusukan diuji terhadap dua pisau GA 68 Kelas B dan tiga pisau NIJ 0115.00. Tabel 4 mencantumkan jumlah lapisan material dan kerapatan areal yang dibutuhkan agar material tersebut memenuhi standar GA 68 Kelas B dan NIJ 0115.00 Level I yang sesuai.


Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4: (1) Mengenai dua mata pisau GA 68 Kelas B yang digunakan pada material tahan tusukan matriks resin yang diperkuat serat berkinerja tinggi, pertahanan terhadap mata pisau D3 membutuhkan lebih banyak material daripada pertahanan terhadap mata pisau D2, yang menunjukkan bahwa mata pisau D3 menimbulkan ancaman yang lebih besar. Akibatnya, selama pengujian ketahanan tusukan awal, jika suatu material dengan kerapatan areal tertentu dapat menahan mata pisau D2, secara umum dapat disimpulkan bahwa material tersebut—pada kerapatan areal tersebut—mampu lulus uji GA 68 Kelas B. (2) Di ketiga tingkat NIJ 0115.00, kerapatan areal yang dibutuhkan untuk uji energi tinggi (memungkinkan penetrasi 20 mm) secara konsisten lebih tinggi daripada yang dibutuhkan untuk uji energi rendah (memungkinkan penetrasi 7 mm). Oleh karena itu, selama pengujian pendahuluan, jika suatu material dengan kerapatan areal tertentu dapat menahan uji energi tinggi untuk tingkat NIJ 0115.00 tertentu, dapat ditentukan bahwa material tersebut memenuhi standar untuk tingkat tersebut, sehingga menghilangkan kebutuhan akan pengujian energi rendah tambahan pada tingkat yang sama. (3) Di antara tiga jenis bilah yang ditentukan dalam NIJ 0115.00, bilah S1 membutuhkan kerapatan areal terendah dari material tahan tusukan matriks resin yang diperkuat serat berkinerja tinggi untuk perlindungan, yang menunjukkan bahwa bilah S1 adalah yang paling tidak tangguh. Bilah P1 dalam NIJ 0115.00 analog dengan bilah D1 dalam standar keamanan publik domestik; bilah ini memiliki bilah yang relatif panjang dan lebar, memberikan aksi geser yang lebih kuat pada material selama penetrasi, dan menuntut sifat mekanik serat yang lebih tinggi. Akibatnya, material dengan kekuatan serat yang lebih tinggi menawarkan perlindungan yang lebih unggul terhadap bilah P1. Di antara sampel #3, #4, #5, dan #6—yang memiliki kandungan resin yang sebanding—sampel #6 menunjukkan sifat mekanik terbaik dan karenanya membutuhkan kerapatan areal yang lebih rendah untuk melindungi terhadap pisau P1. Pisau "paku" pada NIJ 0115.00 tajam dan ramping; di bawah benturan ke bawah dengan kecepatan tinggi, pisau ini mudah melewati hambatan serat, meminimalkan geseran bundel serat dan gagal untuk secara efektif menghilangkan energi kinetik pisau, yang memungkinkan pisau terus menembus ke bawah. Oleh karena itu, ketika bertahan melawan jenis pisau ini, kandungan resin dan kekerasan resin material menjadi faktor kritis. Di antara sampel #1, #2, dan #3—yang menggunakan jenis serat yang sama tetapi berbeda dalam kandungan resin—sampel #3 menunjukkan keunggulan yang lebih nyata dalam melindungi terhadap pisau paku dibandingkan dengan jenis pisau lainnya. Lebih lanjut, Tabel 4 menunjukkan bahwa untuk sampel #3, #4, #5, dan #6—yang bervariasi dalam kekuatan serat tetapi memiliki kandungan resin yang sebanding—tidak ada perbedaan signifikan dalam perlindungan terhadap mata pisau runcing, yang semakin menegaskan bahwa mata pisau runcing menuntut kandungan resin yang lebih tinggi pada material tahan tusukan.

2.3 Perbandingan ketahanan tusukan berbagai material dalam berbagai kondisi lingkungan
Standar ketahanan tusukan negara saya, GA 68, memberikan spesifikasi terperinci mengenai kemampuan adaptasi lingkungan rompi tahan tusukan, yang mencakup tiga kondisi: suhu tinggi, suhu rendah, dan perendaman air. Pengujian suhu tinggi melibatkan pengkondisian sampel pada suhu (55 ± 2)°C selama 4 jam sebelum pengujian tusukan; pengujian suhu rendah melibatkan pengkondisian pada suhu (-20 ± 2)°C selama 4 jam; dan pengujian perendaman air melibatkan perendaman sampel lapisan tahan tusukan dalam air selama 30 menit sebelum dikeluarkan untuk pengujian tusukan. Tabel 5 mencantumkan jumlah lapisan dan kepadatan areal yang dibutuhkan untuk berbagai material tahan tusukan ketika diuji dalam kondisi lingkungan yang berbeda.
Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 5, Material tahan tusukan matriks serat/resin berkinerja tinggi membutuhkan kerapatan areal yang lebih tinggi dalam kondisi suhu tinggi. Sebaliknya, jumlah lapisan dan kerapatan areal yang dibutuhkan pada dasarnya tetap sama dalam kondisi perendaman air dan suhu ruangan. Lebih lanjut, jumlah lapisan terendah dan kerapatan areal terendah dibutuhkan dalam kondisi suhu rendah. Hal ini karena kekerasan resin menurun pada suhu tinggi, dan kekerasan merupakan faktor kunci yang memengaruhi kinerja tahan tusukan material ini. Kekerasan yang berkurang melemahkan kemampuan lapisan tahan tusukan untuk menumpulkan ujung pisau, sehingga mengurangi kinerja tahan tusukan. Sebaliknya, kekerasan resin meningkat di lingkungan suhu rendah, menghasilkan kinerja tahan tusukan yang lebih unggul untuk material tersebut. Hasil dari uji perendaman air menunjukkan bahwa ketika memproduksi rompi tahan tusukan, asalkan kain tahan air yang membungkus material tahan tusukan memenuhi standar kualitas, ketahanan tusukan material tetap tidak terpengaruh ketika direndam dalam air. Pengujian awal material tahan tusukan sebaiknya memprioritaskan evaluasi kinerja dalam kondisi suhu tinggi.

3 Kesimpulan

(1) Untuk material tahan tusukan matriks serat/resin berkinerja tinggi, ketika kandungan resin identik atau serupa, kekuatan serat yang lebih tinggi menghasilkan ketahanan tusukan yang lebih unggul; sebaliknya, ketika kekuatan serat konstan, kandungan resin yang lebih tinggi menghasilkan ketahanan tusukan yang lebih baik.

(2) Kepadatan areal material matriks resin berkinerja tinggi yang diperlukan untuk memenuhi standar ketahanan tusukan Kelas A GA 68 lebih dari dua kali lipat dari yang diperlukan untuk Kelas B. Terdapat hubungan progresif mengenai material dan kepadatan areal yang diperlukan untuk memenuhi tiga tingkat perlindungan standar US NIJ 0115.00, dengan ancaman energi yang lebih tinggi pada tingkat tertentu lebih sulit untuk diatasi daripada ancaman energi yang lebih rendah pada tingkat yang sama. Ketahanan tusukan GA 68 Kelas A sebanding dengan NIJ 0115.00 Tingkat I.

(3) Mengenai bahan tahan tusukan matriks serat/resin berkinerja tinggi, bilah D2 yang ditentukan dalam GA 68 kurang ampuh dibandingkan bilah D3. Di antara bilah NIJ 0115.00, bilah S1 adalah yang paling tidak ampuh; bilah P1 menuntut kekuatan serat material yang tinggi, sedangkan bilah paku menuntut kandungan resin material yang tinggi.

(4) Lingkungan suhu tinggi memiliki dampak paling signifikan terhadap material tahan tusukan matriks resin berkinerja tinggi; oleh karena itu, pengujian awal harus difokuskan pada kinerja ketahanan tusukan dalam kondisi suhu tinggi.