芳綸針織物的防刺性能

李 寧， 宋廣禮， 劉梁森， 張宇群, 姜亞明

(1. 天津工業(yè)大學 紡織學院， 天津 300387； 2.天津工業(yè)大學 先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

目前，防刺織物[1]引起了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[2]。常見的防刺織物是高密細支的機織物和復(fù)合織物[3]，就針織物防刺性能的研究而言，其防刺機制[4]、防刺測試方法[5]以及針織物的復(fù)合織物防刺性能的研究[6]取得了飛速的發(fā)展[7]。本文從常見的針織物組織結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過不同組織結(jié)構(gòu)的組合，研究其防刺性能，這樣不僅進一步開發(fā)了常見組織的使用性能，也為防刺產(chǎn)品的開發(fā)節(jié)約了成本，研究結(jié)果具有市場應(yīng)用前景。

1 試驗部分

1.1 材料及儀器

本文試驗使用的原料是由杜邦公司生產(chǎn)的100%凱夫拉纖維，線密度為158 tex。芳綸絲紗線細度較粗，單絲之間抱合力較低，編織過程易起靜電，因此，在試驗前需要對芳綸絲進行加捻和抗靜電處理。

國內(nèi)很多學者[8]研究了芳綸絲編織成的高密機織物、芳綸間隔織物和多軸向針織物[9]。然而對常見的針織物組織結(jié)構(gòu)的防刺性能的研究較少，本文在研究芳綸針織物防刺性能的同時研究芳綸針織物防刺過程中線圈的“自鎖”現(xiàn)象，因此試驗選取了緯平針組織、1+1羅紋組織、畦編組織，分別在7 G的電腦橫機和7 G、9 G的手搖橫機上編織試樣。表1示出試驗樣片的基本參數(shù)。

表1 試驗樣片的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of test samples

注：編號為P的樣片的組織結(jié)構(gòu)為緯平組織；編號為R的為羅紋組織；編號為Q的為畦編組織。

本文試驗使用測試儀器是天津工業(yè)大學研制的滾筒記錄式織物防刺性能測試儀。該儀器由3個主要部分組成：刀具部分，背襯膠泥以及滾筒記錄部分。

1.2 試驗條件

1.3 試驗方法

1.3.1試驗步驟

圖1 樣片部分簡圖Fig.1 Diagram of sample part

1.3.2試驗相關(guān)參數(shù)的計算

1)沖擊時間。己知滾筒轉(zhuǎn)速為r，則滾筒旋轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)所需要的時間為60/rs；滾筒周長L=πd，式中d為滾筒的直徑， mm，筆尖在滾筒上劃過的弧長為1 mm，則沖擊時間t=60/(rL)。

2)沖擊整體位移s。沖擊整體位移指的是刀尖與織物初始接觸點到速度為零點之間的距離，可直接量取。

1.4 試驗樣片的組合

表2示出了試樣結(jié)構(gòu)與性能指標。

表2 試樣結(jié)構(gòu)與性能指標Tab.2 Indicators of sample structure and performance

注：樣片的疊放次序是由上層到下層排列，相應(yīng)代號的含義見表1；疊放方式為層與層之間橫列和縱行垂直疊放。

2 結(jié)果分析及討論

按上述試驗條件，用滾筒記錄式織物防刺性能測試儀進行各種單層和多種樣片組合的刺破試驗。

表3示出了防刺試驗結(jié)果。

2.1 結(jié)果分析

試驗結(jié)果主要看樣片刺破與否、整體位移以及背襯膠泥的變形深度，得出防刺性能較好的芳綸針織物組織結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的疊放關(guān)系。

表3 防刺試驗結(jié)果Tab.3 Result of stabbing resistance test

注：依據(jù)GA 68—2008《警用防刺服》的規(guī)定，防護面積為0.3 m2時，一級和二級的防護層厚度和質(zhì)量分別不超過15 mm、3.0 kg和20 mm、3.5 kg。防護層質(zhì)量包括0.3 kg的防刺服外罩， 單層面密度為184 g/m2。

圖3示出4號樣片的刺入位移與時間曲線。圖中曲線A-D-F可分為2部分：一是A-D段，即從刀具開始與織物接觸點A到刺入最深點D，稱為刺入過程曲線；二是D-F段，稱為刀具反彈過程曲線，刀具反彈后，最終會穩(wěn)定于EH線所在的高度。本文試驗將刀具的刺入過程分為刺破和穿透2種情況，在刺入過程中，刀具都會進入樣片，刺破與否主要看樣片刺入點的紗線是否斷裂，如果紗線沒有斷裂，即刀具進入織物卻未刺破；反之，則為刺破。在圖3中，A點是起始接觸點，此時刀具有一定的速度，隨著刀尖的刺入，刀具的速度在減小，到最深點D點時刀具速度為0，此時AD點之間的位移就是刺入過程的整體位移。到達D點后，刀具會在背襯橡膠墊的作用下反彈而出現(xiàn)回升位移，在回升的過程中，刀具受到背襯膠泥以及織物樣片的阻力作用，能量在不斷的減小，最終刀具會穩(wěn)定于EH平面所在高度。圖3中DE稱為刀具的回彈量。 觀察試驗中10個樣片的刺入位移與時間曲線可發(fā)現(xiàn)，這10條曲線上的A-D段，有一部分曲線基本上呈線性變化，如圖3所示，在線性部分，可通過AB2點的坐標做出線性部分的一次函數(shù)，即y=kx(式中：y為刺入深度，mm；x為刺入時間,ms；k為直線部分的斜率)，斜率k表明織物樣片防刺性能的優(yōu)劣，其值越大，防刺性能越差；反之，則越好。由斜率的變化，得出如下結(jié)論。

圖3 4號樣片刺入位移與時間曲線Fig.3 Displacement-time curve of sample four

2.1.1樣片均是單一結(jié)構(gòu)情況

1)組織結(jié)構(gòu)相同、層數(shù)不同對芳綸針織物穿刺情況的影響。由表3可看出，k1、k2、k10分別為緯平針組織的樣片結(jié)構(gòu)的1、2、10層試樣線性部分的斜率，其值分別為0.745 4、0.742 1、0.730 0。其中，經(jīng)過穿刺試驗，3種試樣均是刺破的，從線性部分的斜率變化以及背襯膠泥的變化45、42、39 mm可看出，隨著層數(shù)的增加，緯平針組織線性部分的斜率在減小，防刺性能在增強。

2)層數(shù)相同，組織結(jié)構(gòu)不同對芳綸針織物穿刺情況的影響。由表2可知，樣片2、3、4均是雙層樣片垂直交叉組合，由表3可知，樣片2、3、4線性部分的斜率分別為0.742 1、0.715 6、0.803 7。結(jié)合表3的刺入結(jié)果，可得：3號樣片兩層1+1羅紋組織的防刺性能最好，兩層均未刺破；其次是2號樣片兩層緯平針組織；最后是4號樣片兩層畦編組織。

2.1.2樣片由不同組織結(jié)構(gòu)復(fù)合而成

1)不同組織結(jié)構(gòu)復(fù)合，層數(shù)相同時對芳綸針織物穿刺情況的影響。樣片5、6、7均是4層的復(fù)合織物，結(jié)合表2和表3可知，這3種復(fù)合組織分別是：緯平+羅紋、緯平+畦編、羅紋+畦編，k5、k6、k7分別為0.752 3、0.787 6、0.759 6?？煽闯鼍暺脚c羅紋組織復(fù)合時，其防刺性能是最好的，其次是羅紋和畦編，最后是緯平針和畦編組織的復(fù)合。

2)不同組織結(jié)構(gòu)復(fù)合，層數(shù)不同時對芳綸針織物穿刺情況的影響。5、8、9號樣片均是緯平針組織和羅紋組織復(fù)合，觀察表3，k5、k8、k9的斜率逐漸在增加，這說明4層的緯平針+羅紋組織的防刺性最好，結(jié)合表3和表2的穿透情況及樣片的疊放次序可得樣片5一次放置的是緯平針組織、羅紋組織，而8、9均在最上面放置的是羅紋組織，這說明不同組織結(jié)構(gòu)的織物復(fù)合時，疊放次序也影響穿刺結(jié)果，羅紋組織在上時效果最好。

由表3可知，10個樣片中，3、5、6、7、8、9號的樣片均未完全刺破，k9>k8>k6>k7>k5>k3。

在未完全刺破的樣片中，一層均未刺破的樣片有3、7、8、9號，均未刺破的樣片中達到GA 68—2008《警用防刺服》防刺標準的有：3、8、9號3種樣片，其厚度分別為7.39、12.56、10.64 mm，均小于防刺標準中一級所要求的15 mm，其0.3 m2的質(zhì)量分別為438.501、673.854、789.021 g，均小于一級防護層質(zhì)量3 kg的要求。

2.2 試樣防刺過程的線圈變化討論

2.2.1緯平針組織防刺機制探討

本文試驗中，所有的緯平針組織在測試中不僅被穿透而且都被刺破了。緯平針組織樣片是從織物的橫向和縱向2個方向被刺穿的。在10個樣片中，結(jié)合圖3可知，在初始接觸點A，刀具有相同的動能，當?shù)毒哐乜v向刺入樣片時，此時刺入點附近的線圈疏密發(fā)生變化，隨著刀具的不斷刺入，緊挨刀身兩側(cè)的線圈長度會縮小，發(fā)生線圈長度轉(zhuǎn)移。隨著刀具的進一步進入，線圈轉(zhuǎn)移仍在進行，此時接觸刀刃部分的線圈變得稀疏，刀身部分線圈緊密，當?shù)渡碇車木€圈長度轉(zhuǎn)移到一定的極限時，就不再發(fā)生轉(zhuǎn)移，刀身周圍的線圈就會鎖著刀具，阻止刀具進一步刺入，此時稱刀具處于“自鎖”狀態(tài)。同時，轉(zhuǎn)移線圈對刀具的摩擦力已經(jīng)達到了該織物樣片的最大極限值，對于緯平針組織的縱行線圈而言，刺入點線圈已經(jīng)達到了最大圈高。在此過程中，刀具接觸織物具有一定速度，在線圈轉(zhuǎn)移時，刀身部分受到線圈的摩擦力在不斷增大，即線圈部分在不斷地消耗刀具的動能，當線圈的摩擦力達到最大極限值的時候，線圈部分不再消耗刀具的動能，此時刀具部分剩余的動能就開始切割刀刃兩側(cè)的紗線，由于緯平針組織在刀具“自鎖”狀態(tài)時，刀具的剩余能量足以將刀刃兩側(cè)的紗線切斷，因此緯平針組織就被刺破了；同理，當?shù)毒哐刂椢锏臋M行方向刺入的時候，刀刃刺入的線圈擴張長度最大，隨著刀具的刺入，被刺入的線圈沿著橫向不斷地擴張，此時處于同一縱行的其他線圈也參加線圈長度的轉(zhuǎn)移，最后，線圈達到了最大圈距而不再發(fā)生線圈轉(zhuǎn)移，刀具發(fā)生“自鎖”現(xiàn)象，刀具所剩的動能可切割線圈，緯平針組織刀刃兩側(cè)的紗線被割斷，織物被刺破。

2.2.2羅紋組織的防刺機制探討

在防刺性能測試中，羅紋組織的防刺過程如下：當?shù)毒呓佑|到織物后，刀具首先穿入表層的線圈中，對于1+1羅紋組織而言，首先發(fā)生的是線圈之間的延伸。接著就是線圈長度的轉(zhuǎn)移，這里的線圈轉(zhuǎn)移不同于緯平針組織，羅紋組織的線圈轉(zhuǎn)移指的是沉降弧發(fā)生變化，也正是由于沉降弧的轉(zhuǎn)移，起初的動能被周圍線圈大量地擴散，因此，相比緯平針組織，羅紋組織的能量擴散效果更好。當刺入點的線圈轉(zhuǎn)移到一定程度時，線圈也會發(fā)生如同緯平針組織的“自鎖”現(xiàn)象，此時1+1羅紋組織刺入點處的線圈沿縱行刺入達到了最大圈高Bmax，圖4示出羅紋組織線圈縱向拉伸極限圖。同理，當沿橫向刺入時，在這個時候達到了最大圈距Amax，此時線圈對織物的摩擦阻力達到了最大極限值，當?shù)毒甙l(fā)生“自鎖”現(xiàn)象時，刀具上的殘余能量已經(jīng)無法將刀刃兩側(cè)的紗線隔斷，因此，對于1+1羅紋組織而言，刀具僅僅是刺入了織物，但是沒有刺破織物。

圖4 羅紋組織縱向拉伸極限圖Fig.4 Loops limit diagram of rib structure

3 結(jié) 語

通過對刺入位移-時間曲線圖(如圖3)的分析，可得到如下的結(jié)論。

1)在不同組織結(jié)構(gòu)的芳綸針織物中，羅紋組織的防刺性能最好，其次是緯平針組織，最后是畦編組織。

2)織物在穿刺過程中，織物曲線上線性部分的斜率表明織物防刺性能的優(yōu)劣，斜率越大，其防刺性能越差。

3)試樣的疊放次序也會影響芳綸針織物的防刺性能，通常羅紋組織置于最上層的時候，防刺性能是最好的。

4)兩層羅紋組織垂直交疊、五層和六層的羅紋與緯平針織物垂直交疊的厚度分別為7.39、12.56、10.64 mm，均小于防刺標準一級所要求的15 mm,其0.3 m2的質(zhì)量分別為438.501、673.854、789.021 g，均小于一級防護層質(zhì)量3 kg的要求，因此，均達到了GA 68—2008《警用防刺服》的防刺要求。

FZXB

[1] NORMAN Wagner. Advanced body aromor utilizing shear thickening fluids[P]: US0234577A1.

[2] DECKER M J, HALBACH C J, NAM C H. Stab-resistance of shear thickening (STF) treated fabrics[J]. Composites Science and Technology, 2007, 67(3/4): 565-578.

[3] 顧肇文.柔性復(fù)合防刺服機理研究[J].紡織學報,2006,27(8): 82-83.

GU Zhaowen. Study on the principle of soft complex stab-resistant body armor[J].Journal of Textile Research, 2006,27(8): 82-83.

[4] 李麗娟,蔣高明,繆旭紅.經(jīng)編防刺織物的結(jié)構(gòu)與性能[J].紡織學報,2012,32(4): 48-49.

LI Lijuan, JIANG Gaoming, MIU Xuhong. Warp knitting structure and properties of puncture-proof fabric[J].Journal of Textile Research, 2012, 32(4): 48-49.

[5] 姜亞明,郭靜荷,劉良森,等.緯編復(fù)合防刺織物的防刺性能研究[J].針織工業(yè),2007(12): 3-5.

JIANG Yaming, GUO Jinghe, Liu Liangsen, et al. Weft knitting stab-resistant performance study of compound puncture-proof fabric[J]. Knitting Industries, 2007(12): 3-5.

[6] 金寧人,王銀華，黃學杰.超級纖維PBO的性能應(yīng)用及研究進展[J].浙江工業(yè)大學學報，2003,31(1): 82-87.

JIN Ningren, WANG Yinghua, HUANG Xuejie. Technical progress, characteristics and applications of super fiber PBO[J]. J Zhejiang University of Technology, 2003,31(1): 82-87.

[7] 邱冠雄,姜亞明.反恐紡織品的發(fā)展和研究探索[J].天津工業(yè)大學學報,2003,22(4): 18-19.

QIU Guanxiong, JIANG Yaming. Research and development of textiles for anti-terrorism exploration [J]. Journal of Tianjin University of Technology, 2003, 22(4): 18-19.

[8] 方心靈,劉勝,左向春,等.樹脂基提對芳綸材料防刺性能的影響[J].合成纖維,2009,38(7): 45-47.

FANG Xinling, LIU Sheng, ZUO Xiangchun, et al. Effect of resin on stab-resistant properties of Kevlar materials [J]. Synthetic Fiber in China, 2009, 38(7): 45-47.

[9] 王志剛,周蘭英,朱杰.SiO2納米粒子/Kevlar織物復(fù)合材料的防刺性能研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2008,10(2): 15-21.

WANG Zhigang, ZHOU Lanying, ZHE Jie. Study of the SiO2nanoparticle/Kevlar fabric composites of stab-resistance[J]. Technical Textiles, 2008,10(2): 15-21.

[10] 郭曉芳，龍海如.經(jīng)編間隔織物沖擊性能的研究[C]//2012中國紡織學術(shù)年會論文集. 北京：中國紡織工程學會，2012: 141-146.

GUO Xiaofang, LONG Hairu. Impact properties of warp knitted spaced fabrics [C]//Proceedings of 2012 China Textile Academic Conference. Beijing: China Textile Engineering Society,2012: 141-146.