孫 菲， 李婷婷， 林佳弘,,3,4， 吳華鈴， 樓靜文,3,4，5

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 逢甲大學(xué) 纖維與復(fù)合材料學(xué)系， 臺(tái)灣 臺(tái)中 40724；3. 閩江學(xué)院 海洋學(xué)院， 福建 福州 350108； 4. 福建省新型功能性紡織纖維及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(閩江學(xué)院)，福建 福州 350108； 5. 亞洲大學(xué) 生物信息與醫(yī)學(xué)工程學(xué)系， 臺(tái)灣 臺(tái)中 41354)

隨著人們自我防護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，安全鞋的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。安全鞋是用來(lái)保護(hù)腳底免受尖銳物傷害的個(gè)體防刺裝備，其中具有抗穿刺性能的鞋應(yīng)用最為廣泛。作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料有芳綸纖維[1-2]及樹(shù)脂基質(zhì)通過(guò)紡織熱黏合得到的非織造布[3-5]等；玻璃纖維由于其具有較高的強(qiáng)度，耐腐蝕、耐熱、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)也可作為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[6-7]。很多學(xué)者還對(duì)纖維進(jìn)行改性涂覆，使其具有更好的力學(xué)性能[8-10]。此外， Yang等[11]探索了穿刺變形和破裂機(jī)制與聚合物結(jié)晶形態(tài)的關(guān)系；Kim 等[12]討論了刀刺和錐刺對(duì)抗穿刺性能的影響；在非織選布的制備過(guò)程中，過(guò)程參數(shù)如機(jī)器的喂料速度、針刺密度、針刺深度等會(huì)對(duì)非織造布的力學(xué)性能產(chǎn)生影響[13-15];對(duì)于需要進(jìn)行熱黏合加工的非織選布，熱壓溫度和熱壓時(shí)間等[16-18]也會(huì)對(duì)非織造布的性能產(chǎn)生影響，同時(shí)低熔點(diǎn)聚酯纖維在非織造布中的含量也會(huì)對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生影響[19-21]。

本文提出了以低熔點(diǎn)聚酯短纖維混雜非織造布，通過(guò)玄武巖機(jī)織布[22]補(bǔ)強(qiáng)和熱黏合加固提升整體材料的抗穿刺性能，同時(shí)提高抗穿刺的穩(wěn)定性。研究了低熔點(diǎn)纖維含量和熱黏合對(duì)不同形狀穿刺頭抗穿刺性能及拉伸、頂破等力學(xué)性能的影響。所研制的鞋中底基材具有柔韌性佳、易加工和易彎曲等優(yōu)點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

低熔點(diǎn)聚酯(LMPET)纖維線密度為7.8 dtex，長(zhǎng)度為64 mm；聚酯(PET)纖維線密度為2.2 dtex，長(zhǎng)度為51 mm。以上纖維均由遠(yuǎn)東新世紀(jì)股份有限公司提供。玄武巖機(jī)織布，經(jīng)緯密均為50根/(10 cm)，經(jīng)緯紗的線密度均為330 tex，平紋，由坤廣國(guó)際貿(mào)易有限公司提供。

1.2 玄武巖增強(qiáng)復(fù)合鞋中底基材的制備

LMPET纖維和PET纖維按質(zhì)量比為0/100, 30/70, 50/50和70/30的比例混合，經(jīng)過(guò)給棉機(jī)、開(kāi)棉機(jī)、梳棉機(jī)和疊棉成型、針刺機(jī)形成LMPET/PET非織造布，2層非織造布之間用玄武巖織物補(bǔ)強(qiáng)?？椢锝?jīng)過(guò)針刺熱壓復(fù)合后其力學(xué)性能較未針刺直接熱壓復(fù)合大幅提升[23]，因此在本文實(shí)驗(yàn)中對(duì)復(fù)合基材以針刺深度為1.3 cm，針刺密度為100針/cm2預(yù)針刺復(fù)合[24]。復(fù)合后樣品一組在130 ℃處理5 min熱壓成型，另外一組未經(jīng)熱壓處理。圖1示出鞋中底基材的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 復(fù)合鞋中底基材的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of puncture resistant insole

1.3 測(cè)試方法

1.3.1拉伸強(qiáng)力測(cè)試

根據(jù)ASTM D5035—2011《織物的拉伸強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試規(guī)范(條樣法)》，使用Instron5566 萬(wàn)能強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸測(cè)試。試樣尺寸為180 mm×25.4 mm，夾具間距為76 mm，拉伸速率為(305±13)mm/min。

1.3.2頂破強(qiáng)力測(cè)試

根據(jù)ASTM F2054—2012《運(yùn)用阻隔板內(nèi)部氣體加壓法對(duì)軟包裝密封處進(jìn)行皮裂試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，使用Instron5566 萬(wàn)能強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行頂破強(qiáng)力測(cè)試。樣本尺寸為100 mm×100 mm；以直徑為8 mm的圓柱形沖頭從樣品上方頂破；速度為(100±10)mm/min。

1.3.3靜態(tài)穿刺強(qiáng)力測(cè)試

根據(jù)ASTM F1342—2005《防護(hù)服材料抗穿刺的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》，使用Instron5566 萬(wàn)能強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行穿刺測(cè)試。樣本尺寸為 100 mm×100 mm，測(cè)試速率為508 mm/min。測(cè)試穿刺頭尺寸如圖2所示。穿刺頭A直徑為8 mm，平頭；穿刺頭B直徑為8 mm，圓頭；穿刺頭C直徑為5 mn，錐尖處直徑為1 mm，尖圓頭。

圖2 靜態(tài)穿刺3種穿刺頭示意圖Fig.2 Images of flat-head (a), spherical-head(b) and pointed-head (c) probes of static puncture resistance test

2 結(jié)果與討論

2.1 LMPET纖維含量對(duì)基材拉伸性能影響

圖3示出低熔點(diǎn)聚酯纖維含量對(duì)玄武巖增強(qiáng)鞋中底基材拉伸強(qiáng)力的影響。圖中：MD表示針刺機(jī)的機(jī)械輸出方向；CD表示針刺機(jī)的機(jī)械輸出方向的垂直方向。低熔點(diǎn)聚酯纖維含量從0到70%增加時(shí)，最大拉伸強(qiáng)力呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)聚酯短纖含量從0上升至30%時(shí)，鞋中底基材CD方向的拉伸強(qiáng)力從592.3 N上升至793.6 N，且CD方向的拉伸力大于MD方向。這是因?yàn)檠芯克褂玫匿伨W(wǎng)機(jī)構(gòu)為交叉式鋪網(wǎng)，梳棉機(jī)輸出棉網(wǎng)的方向與針刺機(jī)出料方向互相垂直，造成非織物基布中CD方向的纖維排列順向性比MD方向佳。當(dāng)CD方向受拉伸作用力時(shí)，由于纖維排列順向性較高，纖維之間接觸面積增大，因此纖維沿受力方向互相滑移時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力較大，同時(shí)纖維沿受力方向伸直而產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量較少，造成非織物CD方向的拉伸強(qiáng)力高于MD方向。

圖3 低熔點(diǎn)聚酯纖維含量對(duì)未熱壓玄武巖增強(qiáng)鞋中底基材拉伸強(qiáng)力的影響Fig.3 Tensile strength of basalt plain fabric reinforced non-hot pressed insoles composites

圖4示出熱壓后玄武巖增強(qiáng)復(fù)合基材的拉伸強(qiáng)力和低熔點(diǎn)聚酯纖維含量的關(guān)系。熱壓后，玄武巖補(bǔ)強(qiáng)鞋中底基材在MD方向的拉伸強(qiáng)力較未熱壓有所提高，且CD方向與MD方向的差值減少。MD方向的拉伸強(qiáng)力在低熔點(diǎn)聚酯纖維含量為30%時(shí)達(dá)到最大，為759.9 N。這主要是因?yàn)榻?jīng)熱壓后基材中所形成的黏結(jié)點(diǎn)面積增大，使纖維無(wú)法沿受力方向互相滑移[25]，增大了MD方向的拉伸強(qiáng)力，提高了纖維的穩(wěn)定性。該結(jié)果與文獻(xiàn)[26]的研究結(jié)果一致。熱壓后的基材最大拉伸強(qiáng)力提升的幅度不多，主要原因是熱壓以后纖維間的脆性增大?；慕?jīng)過(guò)拉伸形成了織物分層，使玄武巖織物承擔(dān)了主要拉伸力，因此熱壓未大幅提升拉伸強(qiáng)力。

圖4 低熔點(diǎn)聚酯纖維含量對(duì)熱壓玄武巖增強(qiáng)復(fù)合鞋中底基材拉伸強(qiáng)力的影響Fig.4 Tensile strength of basalt plain fabric reinforced hot pressed insoles composites

2.2 LMPET纖維含量對(duì)基材頂破強(qiáng)力影響

圖5示出低熔點(diǎn)聚酯纖維含量對(duì)玄武巖增強(qiáng)復(fù)合鞋中底基材頂破強(qiáng)力的影響。在未熱壓時(shí)，低熔點(diǎn)聚酯短纖含量從0到70%增加時(shí)，頂破強(qiáng)力變化不大，為445.5N，說(shuō)明面層非織造布的低熔點(diǎn)聚酯纖維含量對(duì)頂破強(qiáng)力影響不大；中間層玄武巖機(jī)織物主要承受頂破的效果，對(duì)頂破強(qiáng)力有影響。

圖5 低熔點(diǎn)聚酯纖維含量對(duì)玄武巖增強(qiáng)復(fù)合鞋中底基材頂破強(qiáng)力的影響Fig.5 Bursting strength of basalt plain fabric reinforced insoles composites as related to amount of LMPET fibers

熱壓后低熔點(diǎn)聚酯短纖含量從0到70%增加時(shí)，頂破強(qiáng)力呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)聚酯短纖含量為30%時(shí)，拉伸強(qiáng)力達(dá)到767.9 N。因?yàn)闊釅汉?，表層的低熔點(diǎn)聚酯纖維與玄武巖機(jī)織物形成的黏結(jié)點(diǎn)面積增加，增加了玄武巖機(jī)織物的強(qiáng)力，進(jìn)而提升頂破強(qiáng)力；當(dāng)LMPET纖維含量繼續(xù)升高，頂破強(qiáng)力基本不變，這是因?yàn)楫?dāng)?shù)腿埸c(diǎn)聚酯短纖含量為30%時(shí)，鞋中底基材已達(dá)到最佳黏結(jié)效果，頂破強(qiáng)力到達(dá)極限值，再增加低熔點(diǎn)聚酯纖維含量也無(wú)法提升效果。

2.3 LMPET纖維含量對(duì)基材穿刺性能影響

圖6示出低熔點(diǎn)聚酯纖維含量對(duì)玄武巖增強(qiáng)復(fù)合鞋中底基材抗平頭穿刺性能的影響。隨著低熔點(diǎn)聚酯纖維含量增加，基材的穿刺強(qiáng)力先增大后減小。當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)聚酯纖維含量為30%時(shí)，穿刺強(qiáng)力達(dá)到最大，分別為504.7 N和582.1 N，且熱壓后標(biāo)準(zhǔn)差較熱壓前有所降低，說(shuō)明復(fù)合基材的穩(wěn)定性有所提高。

圖6 低熔點(diǎn)聚酯纖維含量對(duì)玄武巖增強(qiáng)復(fù)合鞋中底基材平頭靜態(tài)穿刺強(qiáng)力的影響Fig.6 Static puncture resistance of basalt plain fabric reinforced insoles composites as related to flat-head probe

當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)聚酯纖維含量從0到30%增加時(shí)，穿刺強(qiáng)力增加，這主要是因?yàn)闊釅汉蟊韺拥牡腿埸c(diǎn)聚酯短纖與玄武巖機(jī)織物形成的黏結(jié)點(diǎn)的面積增大，進(jìn)而靜態(tài)穿刺強(qiáng)力增加；但低熔點(diǎn)聚酯纖維含量持續(xù)增加時(shí)，穿刺強(qiáng)力開(kāi)始下降，原因是低熔點(diǎn)聚酯短纖含量在30%時(shí)已達(dá)最佳黏結(jié)效果，穿刺強(qiáng)力達(dá)到極限值，再增加低熔點(diǎn)聚酯短纖含量也無(wú)法提升效果。但當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)聚酯短纖含量從50%到70%增加時(shí)，穿刺強(qiáng)力變化不明顯，可看出面層的非織造布的低熔點(diǎn)聚酯短纖含量的改變對(duì)平頭的靜態(tài)抗穿刺力影響不大，中間層玄武巖機(jī)織物為主要承受抗穿刺力的效果，對(duì)抗穿刺力有較大的影響。

圖7示出低熔點(diǎn)聚酯纖維含量對(duì)玄武巖增強(qiáng)復(fù)合鞋中底基材抗小圓頭穿刺性能的影響。隨著低熔點(diǎn)聚酯纖維含量的增加，基材的穿刺強(qiáng)力先增大后減小。當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)聚酯纖維含量為30%時(shí)，穿刺強(qiáng)力達(dá)到最大，分別為419.8 N和518.6 N且熱壓后標(biāo)準(zhǔn)差較熱壓前有所降低，說(shuō)明纖維的穩(wěn)定性有所提高。當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)聚酯短纖含量從50%向70%增加時(shí)，穿刺強(qiáng)力變化不大。其原因和平頭類似。

圖7 低熔點(diǎn)聚酯纖維含量對(duì)玄武巖增強(qiáng)復(fù)合鞋中底基材小圓頭靜態(tài)穿刺強(qiáng)力的影響Fig.7 Static puncture resistance of basalt plain fabric reinforced insoles composite as related to spherical-head probe

圖8示出低熔點(diǎn)聚酯纖維含量對(duì)玄武巖增強(qiáng)復(fù)合鞋中底基材抗尖圓頭穿刺性能的影響。未熱壓時(shí)，3種測(cè)試頭的穿刺強(qiáng)力變化趨勢(shì)大致相同；隨著低熔點(diǎn)聚酯纖維含量的增加，基材的穿刺強(qiáng)力先增大后減小。當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)聚酯纖維含量為30%時(shí)，穿刺強(qiáng)力達(dá)到最大，分別為62.48 N和76.63 N，且熱壓后標(biāo)準(zhǔn)差較熱壓前有所降低，說(shuō)明纖維的穩(wěn)定性有所提高。

圖8 低熔點(diǎn)聚酯纖維含量對(duì)玄武巖增強(qiáng)復(fù)合鞋中底基材尖圓頭靜態(tài)穿刺強(qiáng)力的影響Fig.8 Static puncture resistance of basalt plain fabric reinforced insoles composite as related to pointed-head probe

3 結(jié) 論

本文以玄武巖補(bǔ)強(qiáng)和熱黏加固工藝成功制備出抗穿刺鞋中底基材，探討了低熔點(diǎn)聚酯纖維含量對(duì)拉伸、頂破和抗不同形狀的錐刺器具性能的影響。隨著低熔點(diǎn)聚酯含量的增加，玄武巖補(bǔ)強(qiáng)鞋中底基材的拉伸強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力均先增大后減小。當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)聚酯纖維含量為30%時(shí)，最大拉伸強(qiáng)力為793.6 N(未熱壓)和759.9 N(熱壓)，最大頂破強(qiáng)力為445.5 N(未熱壓)和767.9 N (熱壓)。在不同測(cè)試頭下，熱壓前后基材的靜態(tài)穿刺強(qiáng)力均先增大后減小。平頭測(cè)試頭A最大靜態(tài)穿刺強(qiáng)力分別為504.7 N(未熱壓)和582.1 N(熱壓)；圓頭測(cè)試頭B最大靜態(tài)穿刺強(qiáng)力分別為419.8 N(未熱壓)和518.6 N(熱壓)；尖圓頭測(cè)試頭C最大靜態(tài)穿刺強(qiáng)力分別為62.48 N(未熱壓)和76.63 N(熱壓)。本文研究制備的鞋中底基材柔韌、易加工、易彎曲，且具有較高的抗穿刺性能和較好的抗穿刺穩(wěn)定性。

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