樹(shù)脂成型柔性防刺材料空隙率對(duì)防刺性能的影響

劉 娟 王新厚

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620;2.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201620)

當(dāng)前，個(gè)體防護(hù)材料在民用方面的需求不斷增加，同時(shí)許多研究人員也在致力于改善防刺服的柔軟性，使其在防穿刺的同時(shí)也能夠滿足穿著舒適性的要求。柔性復(fù)合材料類(lèi)、涂層整理類(lèi)以及纖維樹(shù)脂類(lèi)復(fù)合材料已成為防刺材料的研究熱點(diǎn)。王穎［1］研究了超高分子量聚乙烯織物與黏膠非織造布復(fù)合的柔性復(fù)合材料，通過(guò)黏膠非織造布的加入提供一定的緩沖來(lái)提高抗刺破性能。趙玉梅［2］提出了硬質(zhì)粒子涂層的想法。晏義伍等［3］發(fā)現(xiàn)模壓法制備的Kevlar/Surlyn纖維樹(shù)脂類(lèi)復(fù)合材料的防動(dòng)態(tài)穿刺性能優(yōu)于純Kevlar織物。

本課題組提出了多種樹(shù)脂成型柔性防刺材料的制備工藝，并研究了基布面料對(duì)防刺性能的影響［4］。本文在這一基礎(chǔ)上，采用黏結(jié)成型工藝［5］制備了防刺材料。該材料結(jié)構(gòu)中存在空隙部分，因此具有非常好的柔軟性，但空隙部分也會(huì)使材料的防穿刺性能受到影響。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了空隙部分的變化對(duì)防刺層的柔軟性、防穿刺性產(chǎn)生的影響，為優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)提供參考，以使防刺層能夠兼?zhèn)漭^好的柔軟性和防穿刺性。

1 防刺層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的柔性防刺服的防刺層結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該結(jié)構(gòu)中圓形樹(shù)脂顆粒按設(shè)計(jì)的位置離散排列在基布上，圓形顆粒之間存在空隙。圖1中圓形代表黏結(jié)于基布上方的具有一定直徑、厚度的圓形樹(shù)脂顆粒，長(zhǎng)方形框代表鋪于下層的基布面料。

圖1 防刺層結(jié)構(gòu)

在防刺層中，圓與圓之間的空隙是未黏結(jié)樹(shù)脂顆粒的織物部分，即材料中的空隙部分。為了方便研究材料中空隙部分的作用，用空隙率k來(lái)表征該結(jié)構(gòu)中空隙的多少?？障堵蔾為空隙面積Sk占整個(gè)防刺層總面積Sz的比例，即

為計(jì)算該結(jié)構(gòu)防刺層的空隙率，選取圖1中的正六邊形作為表征該結(jié)構(gòu)的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，計(jì)算該結(jié)構(gòu)單元得出的空隙率就可以得出整個(gè)單層防刺層的空隙率。對(duì)于所述的復(fù)合防刺材料，假設(shè)兩圓之間的最小距離為Δ，圓的半徑為R;對(duì)于選取的正六邊形，空隙部分的面積即陰影部分的面積，總面積即正六邊形的面積。因此，防刺層的空隙率為：

由式(1)可以得出，空隙率是與顆粒大小和間隙相關(guān)的一個(gè)參數(shù)。越小，空隙率k越小;越大，空隙率k越大。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 單層防刺層的制備

由空隙率公式可知，在顆粒間最小距離Δ固定的情況下，顆粒半徑R直接影響材料的空隙率。本實(shí)驗(yàn)采用保持Δ一致，改變樹(shù)脂顆粒大小來(lái)制備不同空隙率的試樣。本實(shí)驗(yàn)設(shè)定顆粒的半徑范圍為5～10 mm，該半徑范圍的顆粒既不會(huì)因顆粒過(guò)大而影響材料在肘、關(guān)節(jié)等部位的服用舒適性，又能使材料有效阻擋具有一定寬度刀具的穿刺。制備顆粒半徑分別為5、7和9 mm的防刺層，得到三種空隙率的試樣，并進(jìn)行比較。樹(shù)脂顆粒之間的最小距離Δ均為1 mm，顆粒厚度均為2 mm。

采用顆粒黏結(jié)成型工藝制備的其中一種防刺層的外觀見(jiàn)圖2。

圖2 防刺層外觀

三種不同顆粒半徑的防刺層試樣的空隙率見(jiàn)表1。

表1 試樣的顆粒半徑與空隙率對(duì)照

2.2 單層防刺層懸垂性測(cè)試

本文所設(shè)計(jì)的防刺材料具有柔軟性是因?yàn)槲答そY(jié)樹(shù)脂顆粒的部分能夠很好地反映基布的柔軟性，因此該防刺材料的柔軟機(jī)理與織物的柔軟機(jī)理較接近。目前尚無(wú)測(cè)試防刺材料柔軟性的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，故本文采用測(cè)試織物懸垂性的XDP-1織物懸垂性測(cè)試儀對(duì)三種試樣分別進(jìn)行顆粒面向上和顆粒面向下的靜態(tài)懸垂性測(cè)試，通過(guò)懸垂系數(shù)的比較在一定程度上可比較三者的柔軟性。

為了避免建筑電氣線路受到破壞，需要加強(qiáng)對(duì)建筑電氣線路設(shè)計(jì)和安裝方案的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)工作中，需要遵循相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，確保設(shè)計(jì)方案的合理和安全。例如，在建筑電氣線路安裝中，為了避免建筑電氣線路出現(xiàn)漏電的情況，工作人員需要在線路相應(yīng)的位置安裝斷路器，降低用戶問(wèn)題的發(fā)生概率。完善的建筑電氣線路設(shè)計(jì)和安裝方案不僅可以有效降低電氣線路的負(fù)荷，而且可以降低因電氣線路的問(wèn)題導(dǎo)致的安全事故。

2.3 單層防刺層的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試

將HD026N+電子織物強(qiáng)力儀上的頂破彈子換成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試刀具，將其改造成一臺(tái)準(zhǔn)靜態(tài)穿刺性能測(cè)試儀，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)穿刺測(cè)試。GA 68—2008標(biāo)準(zhǔn)《警用防刺服》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試刀具［6］見(jiàn)圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試刀具尺寸

測(cè)試刀具以100 mm/min的速度穿刺試樣中的顆粒中心處，得到穿刺強(qiáng)力-穿刺厚度曲線，比較三種試樣的最大穿刺強(qiáng)力和穿刺功，從而比較三者的靜態(tài)防穿刺性。

2.4 動(dòng)態(tài)穿刺測(cè)試

動(dòng)態(tài)穿刺測(cè)試是衡量防刺服或多層防刺材料防刺性能的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判方法。為更有效地比較不同空隙率防刺層的防穿刺性能，按照GA 68—2008標(biāo)準(zhǔn)［6］的要求，對(duì)由多層相同試樣組成的防刺材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)穿刺測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中，使質(zhì)量為2.4 kg的測(cè)試刀具和落體從1 m處自由下落，垂直穿刺到分別由6層試樣1、6層試樣2和6層試樣3重疊而成的三種防刺材料上。防刺材料的各防刺層之間使用膠水牢固黏結(jié)，保證上下層之間的樹(shù)脂顆粒位置重合。同時(shí)，只有測(cè)試刀具完全作用于每一層的樹(shù)脂顆粒部分時(shí)，該次實(shí)驗(yàn)結(jié)果才判斷為有效。記錄測(cè)試刀具刺穿的防刺層層數(shù)，用來(lái)比較三者之間的動(dòng)態(tài)穿刺性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 空隙率對(duì)單層防刺層柔軟性的影響

表2是防刺層的懸垂性測(cè)試結(jié)果。

表2 防刺層懸垂性測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出，隨著空隙率減小，靜態(tài)懸垂系數(shù)逐漸增大，即懸垂性變差。這是因?yàn)殡S著防刺層空隙率減小，同樣大小的單層防刺層中，織物中被樹(shù)脂顆粒覆蓋的面積越大，空隙所占的面積越小，材料中可以表現(xiàn)基布柔軟性的面積越小，因此防刺層的懸垂性變差。這在一定程度上反映出隨著空隙率減小，材料的柔軟性變差。

3.2 空隙率對(duì)穿刺強(qiáng)力的影響

由圖4可以看出：當(dāng)穿刺厚度達(dá)到55 mm左右時(shí)，測(cè)試刀具開(kāi)始接觸樹(shù)脂顆粒，穿刺強(qiáng)力瞬時(shí)增大;隨著測(cè)試刀具繼續(xù)上升，刀具與材料的樹(shù)脂顆粒的作用力逐漸增大，穿刺強(qiáng)力隨之增加，并逐漸增大到最大值，此時(shí)樹(shù)脂顆粒被穿透;之后，隨著穿刺厚度繼續(xù)增加，刀具穿刺基布，穿刺強(qiáng)力迅速下降，直至穿刺過(guò)程結(jié)束。

圖4 單層防刺層穿刺強(qiáng)力-穿刺厚度曲線

比較圖4中的三條曲線可以看出：

(1)試樣1的最大穿刺強(qiáng)力最小，即空隙率最大的防刺層的耐穿刺強(qiáng)力最小;試樣2和試樣3的最大穿刺強(qiáng)力接近，均大于試樣1的最大穿刺強(qiáng)力。

(2)試樣1曲線所包圍的面積最小，說(shuō)明至穿刺過(guò)程結(jié)束，空隙率最大的防刺層所做的功最小，消耗的穿刺能量最少;試樣2曲線和試樣3曲線所包圍的面積接近，均大于試樣1曲線所包圍的面積。

在準(zhǔn)靜態(tài)穿刺過(guò)程中，刀具穿刺的過(guò)程伴隨著試樣的變形過(guò)程。一方面，由于顆粒半徑為5 mm的防刺層(試樣1)的空隙率較大，在穿刺過(guò)程中變形較大，導(dǎo)致樹(shù)脂顆粒沒(méi)有更好地發(fā)揮防刺作用;另一方面，由于空隙率較大，顆粒直接的相互作用減少，不能很好地共同阻止刀具向下穿刺，消耗的穿刺能量少。因此，防刺層的空隙率越大，最大穿刺強(qiáng)力和穿刺功的越小，防刺層的防穿刺性能變差。

3.3 動(dòng)態(tài)穿刺結(jié)果分析

表3是防刺層動(dòng)態(tài)穿刺測(cè)試結(jié)果。

表3 動(dòng)態(tài)穿刺測(cè)試結(jié)果

由表3可以看出，試樣1需疊層5層才能達(dá)到防刺標(biāo)準(zhǔn)的要求，而試樣3只需疊層4層即可達(dá)到防刺標(biāo)準(zhǔn)的要求。試樣1的空隙率大，最大穿刺強(qiáng)力與穿刺功小，從而需要更多層的防刺層以達(dá)到同樣的防刺效果，這一結(jié)果與準(zhǔn)靜態(tài)穿刺實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。由上可見(jiàn)，各防刺層重疊排列制成的防刺服，其單層防刺層的空隙率最終會(huì)影響到整個(gè)防刺材料整體的防穿刺性能，因此要正確選擇單層防刺層的空隙率，以保證整個(gè)防刺材料具有很好的防刺性能。

4 結(jié)論

防刺層存在的空隙部分可使防刺層具有柔軟性，但又會(huì)影響防刺層的防穿刺性能。從本文的測(cè)試結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)材料的空隙率越小，懸垂性越差，在一定程度上反映出織物柔軟性較差。

(2)材料的空隙率減小時(shí)，最大穿刺力和穿刺功均增大，且達(dá)到防刺要求時(shí)需要的防刺層數(shù)減少，即防刺層的防刺效果更好。

(3)綜合比較三種試樣的柔軟性和防穿刺性能，以空隙率為21.03%的試樣在具有很好的防穿刺性的同時(shí)能夠更加柔軟，更符合防刺材料兼?zhèn)淙彳浶院头来┐绦缘囊蟆?/p>

［1］王穎.多層復(fù)合高性能材料防刺性能的研究［D］.無(wú)錫：江南大學(xué)，2012.

［2］趙玉梅.柔性復(fù)合防刺服的研究［D］.上海：東華大學(xué)，2005.

［3］晏義伍，曹海琳，趙金華.Kevlar/Surlyn復(fù)合材料的制備與防刺性能研究［J］.功能材料，2012，43(17)：2351-2355.

［4］馬飛飛，謝正權(quán)，王新厚.樹(shù)脂成型柔性防刺材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2014，32(5)：18-21.

［5］馬飛飛，謝正權(quán)，徐永紅.柔性防刺材料、防刺體的粘結(jié)成型方法：中國(guó)，103791778［P］.2014-05-14.

［6］公安部.GA 68—2008警用防刺服［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.