UHMWPE長(zhǎng)絲加筋非織造布的制備及性能

邢京京，錢曉明，黃順偉，劉 凡

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

研究與技術(shù)

UHMWPE長(zhǎng)絲加筋非織造布的制備及性能

邢京京，錢曉明，黃順偉，劉 凡

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

采用超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯長(zhǎng)絲直接加捻織造成的羅紋織物作為筋層，將超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯長(zhǎng)絲通過(guò)多管道間隔輸送長(zhǎng)絲鋪網(wǎng)的方法鋪放在筋層上，覆蓋單層PET-PA6雙組分橘瓣纖維水刺布以防止纖維飄散，然后用水刺加以復(fù)合制得加筋非織造布。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得：加筋非織造布的拉伸性能、剛?cè)嵝约皯掖剐远冀橛卺樋椢锖推胀ǚ强椩觳贾g，而防刺性卻優(yōu)于二者；針織基布大幅改善了普通非織造布彈性差、剛度大的特點(diǎn)；筋層織物的密度決定了復(fù)合效果和最終產(chǎn)品的性能。產(chǎn)品主要應(yīng)用于防刺防彈服裝，相對(duì)于層疊捆綁或黏合，水刺復(fù)合使防刺層總厚度減少4 mm，質(zhì)量減少約1 kg，舒適性大幅提高。

超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯；非織造；針織；防刺性；拉伸性；剛?cè)嵝裕粦掖剐?/p>

近年來(lái)，各種暴力事件、持刀搶劫案件及工業(yè)生產(chǎn)安全事故的頻發(fā)，使得柔性防刺服裝材料的研發(fā)變得尤為重要。柔性防刺材料是使用高性能化學(xué)纖維織造的高支高密織物或非織造材料，主要應(yīng)用在防彈衣、防刺服、防切割手套、礦工防砸頭盔等防沖擊吸能領(lǐng)域。目前常用的高性能纖維有芳綸、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維(ultra high molecular weight polyethylene, UHMWPE)、聚對(duì)苯撐苯并雙噁纖維、玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維、增強(qiáng)尼龍纖維、蜘蛛絲、蠶絲等[1]。大量研究顯示，芳綸和超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維應(yīng)用最廣泛，其中芳綸強(qiáng)度高但抗壓縮強(qiáng)度差，抗扭轉(zhuǎn)性能差[2]，且摩擦系數(shù)高，不適于復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu),多層芳綸平紋機(jī)織物常做防彈防刺材料。而UHMWPE纖維表面光滑，取向度高[3]，適于任何組織結(jié)構(gòu)，且國(guó)內(nèi)對(duì)UHMWPE纖維的生產(chǎn)已達(dá)到世界先進(jìn)水平[4]。常用的組織結(jié)構(gòu)有平紋組織[5-6]、經(jīng)編組織[7-8]、緯編組織[9]、無(wú)紡布[10]及非織造結(jié)構(gòu)[11]。在各種組織結(jié)構(gòu)中，針織獨(dú)有的線圈結(jié)構(gòu)可“鎖住”刀尖，又大大吸收沖擊能量[12]；而非織造布通過(guò)纖維間的交叉纏結(jié)固定而成，纖維排列向異性小，是所有結(jié)構(gòu)中抗剪切性最好的，因此可用于制備防刺材料，但其彈性差、舒適性欠佳。據(jù)此，本文將針織物作為筋層，利用紡黏設(shè)備將長(zhǎng)絲直接鋪放在針織物上，然后利用針刺機(jī)進(jìn)行初步固定，最后通過(guò)水刺進(jìn)行復(fù)合，制得加筋非織造布。該加筋非織造布將針織線圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)良彈性和“鎖住”刀尖的特點(diǎn)與非織造布抗拉伸抗剪切的性能相結(jié)合，使其具有更加良好的防刺性和舒適性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

因芳綸抗壓縮性抗扭轉(zhuǎn)性差不適于針織結(jié)構(gòu)，故本實(shí)驗(yàn)原料選用超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)長(zhǎng)絲及平方米質(zhì)量為30 g/m2的PET-PA6中空橘瓣雙組分纖維水刺無(wú)紡布(廊坊中紡新元無(wú)紡材料有限公司)，其性能參數(shù)見表1。

表1 原材料的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameter of raw material

1.2 加筋非織造布的生產(chǎn)

1.2.1 針織物的加工

李寧等[13]研究指出，針織結(jié)構(gòu)中1+1羅紋的防刺性較好，且彈性好編織簡(jiǎn)單不卷邊，便于與其他織物復(fù)合。因此，本文針織結(jié)構(gòu)選用1+1羅紋組織，UHMWPE長(zhǎng)絲強(qiáng)韌順滑，在加捻后可直接進(jìn)行編織。由于編織后的針織物還需要與其他纖維進(jìn)行水刺復(fù)合，因此捻度不可太大，150～180捻/m即可。加捻可選用DSTw-01型小樣并捻機(jī)，纖維選取0.21 tex的UHMWPE長(zhǎng)絲，加捻后的長(zhǎng)絲可直接在龍星橫機(jī)上進(jìn)行編織，并通過(guò)設(shè)置度目的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)織物的密度。本實(shí)驗(yàn)所織試樣幅寬50 cm、長(zhǎng)度100 cm，1+1羅紋組織為橫密32圈/5 cm、縱密68圈/5 cm的羅紋織物。

1.2.2 制備長(zhǎng)絲加筋非織造布

按照專利[14]將制得的羅紋織物作為基布鋪放在成網(wǎng)簾上，將0.25 tex的UHMWPE長(zhǎng)絲通過(guò)調(diào)速羅拉和張力器送入管式牽伸器牽伸提速，再通過(guò)擺絲器均勻分散長(zhǎng)絲纖維，并在成網(wǎng)簾上鋪放成長(zhǎng)絲纖維網(wǎng)，蓋上PET-PA6中空橘瓣雙組分纖維水刺無(wú)紡布，然后將三層材料轉(zhuǎn)移至預(yù)針刺機(jī)進(jìn)行預(yù)針刺固定，最后利用水刺復(fù)合，烘干制得加筋非織造布，如圖1、圖2所示。所制試樣為表2中的A1～A4試樣，其區(qū)別在于針織物的密度不同。PET-PA6中空橘瓣雙組分纖維水刺無(wú)紡布的使用一方面是為了防止長(zhǎng)絲纖維網(wǎng)的飄散，便于轉(zhuǎn)移；另一方面可在一定程度上提高織物的舒適性。

1.2.3 對(duì)比材料的制備

與之相對(duì)比的是UHMWPE長(zhǎng)絲水刺非織造布、UHMWPE針織材料及針織與非織造材料的簡(jiǎn)單復(fù)合材料，見表2中B1～D2。UHMWPE長(zhǎng)絲水刺非織造布的加工方法與長(zhǎng)絲加筋非織造布相似，不同之處是前者不添加針織物，直接選用PET-PA6中空橘瓣雙組分纖維水刺無(wú)紡布作為基布。

UHMWPE針織材料是面密度較大的UHMWPE羅紋織物[15]。針織與非織造材料的簡(jiǎn)單復(fù)合材料即將針織物與非織造布簡(jiǎn)單疊放，捆綁固定或黏合，形成多層復(fù)合材料[16]。此方法也是很多防刺材料常用的方法。

圖1 長(zhǎng)絲加筋非織造布組織結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of filament reinforced nonwoven fabric

圖2 試樣外觀Fig.2 Appearance of samples

表2 各材料的基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of each materials

2 材料性能測(cè)試及結(jié)果分析

2.1 材料的拉伸性能

將每種樣品按照GB/T 3923.1—1997《紡織品 織物拉伸性能 第一部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定 條樣法》[17]裁成大小為25 mm×200 mm的測(cè)試條樣，縱、橫方向各3個(gè)。在Instron萬(wàn)能強(qiáng)力儀上測(cè)得各試樣的斷裂拉伸強(qiáng)力、彈性模量及斷裂伸長(zhǎng)率，求得每種試樣三個(gè)測(cè)試結(jié)果的平均值，并計(jì)算出相應(yīng)的拉伸強(qiáng)度。其結(jié)果見表3。

從表3可以看出，無(wú)論是非織造還是針織，其拉伸強(qiáng)度橫向都低于縱向，加筋非織造布的拉伸強(qiáng)度低于純非織造物和雙股針織物，但縱橫向差異很小。復(fù)合織物的斷裂伸長(zhǎng)率及彈性模量均處于非織物與針織物之間。對(duì)比A組測(cè)試結(jié)果，可以看出隨著針織物密度的增加，織物的斷裂拉伸強(qiáng)力呈增大趨勢(shì)，但隨著密度的增加，復(fù)合效果變差，密度過(guò)小，線圈太大，將起不到“鎖住”刀尖的作用。因此，針織密度居中，縱橫密大約為80×36圈/5 cm時(shí)，即A3試樣，效果最佳。

表3 各試樣拉伸性能相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.3 Data on the stretch ability of samples

注：Z代表縱向，即材料輸出方向；H代表橫向，即垂直于輸出方向。因鋪網(wǎng)過(guò)程中纖維縱橫向排列不均，且針刺方向唯一，故試樣縱橫向強(qiáng)力可能略有差異，因此分開測(cè)試，下同。

2.2 材料的防刺性能

2.2.1 靜態(tài)穿刺

將Instron萬(wàn)能強(qiáng)力儀測(cè)試?yán)煨阅艿南聤A具換成自制的試樣夾具，將標(biāo)準(zhǔn)刀具夾在上夾頭上，調(diào)試刀具下降速度為200 mm/min，刺入角為0°，測(cè)得各試樣的靜態(tài)穿刺力[18]如表4所示。

表4 各試樣的靜態(tài)穿刺力Tab.4 Static puncture force of each samples

由于試樣的厚度與平方米質(zhì)量均不同，為保證唯一變量，現(xiàn)將測(cè)得的靜態(tài)穿刺力除以平方米質(zhì)量和厚度，得到單位平方米質(zhì)量、單位厚度的靜態(tài)穿刺力，以更科學(xué)地表征織物的靜態(tài)穿刺性能。其結(jié)果見圖3。

圖3 各試樣的靜態(tài)防刺性能Fig.3 The static stab-resistant performance of samples

從圖3可以明顯看出，A試樣(即針織與非織復(fù)合而成的加筋非織造材料)的靜態(tài)穿刺力約是長(zhǎng)絲水刺布和針織布的2倍，加筋非織造材料具有更加優(yōu)良的防刺防割防劃性能。

2.2.2 動(dòng)態(tài)穿刺

按照GA 68—2008《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn)，利用天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所自行研制的落體式防刺實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀進(jìn)行織物動(dòng)態(tài)穿刺實(shí)驗(yàn)。沖擊動(dòng)能(24±0.5)J，刺入角0°。其結(jié)果如表5所示。

表5 動(dòng)態(tài)穿刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Dynamic penetration test results

注：按照GA 68—2008標(biāo)準(zhǔn)，防刺面積應(yīng)不小于0.3 m2，因此用0.3 m2最少不穿透層數(shù)(即最多穿透層數(shù)+1)的材料質(zhì)量代表防刺層的總質(zhì)量。

動(dòng)態(tài)穿刺實(shí)驗(yàn)?zāi)M了真人持刀刺入的動(dòng)作及能量，能較好地表征織物防刺性的實(shí)驗(yàn)。對(duì)比A組、B組、C組，可以看出加筋非織造布的防刺性能優(yōu)于普通非織造布及針織布，穿刺層數(shù)大大減少，僅10層即可滿足防刺要求；防刺層的厚度和質(zhì)量都有所減少；膠泥變形深度在二者之間，這是加筋非織造布的彈性介于二者之間導(dǎo)致的。對(duì)比A組和D組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，相比捆綁復(fù)合和黏合，將針織物與長(zhǎng)絲用水刺的方法復(fù)合而得的織物，在相同平方米質(zhì)量情況下其厚度大大降低，且不易松散。

2.3 材料的舒適性能

2.3.1 透濕透氣性

按照GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第2部分：蒸發(fā)法》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在織物透濕量?jī)x和全自動(dòng)透氣量?jī)x上測(cè)得各試樣單層的透濕率和透氣率。由于針織物的線圈結(jié)構(gòu)使其疏松多孔，與非織造布沒有可比性，本次測(cè)試只比較非織造布的透濕透氣性能，結(jié)果見圖4(其中B2試樣是用報(bào)紙代替PET-PA6雙組分橘瓣水刺布，并在水刺之前將其去除，只留下UHMWPE纖維)。

從圖4可以看出，加筋非織造布的透濕透氣性能與筋層織物密度無(wú)關(guān)；對(duì)比A組和B組可以看出，加筋非織造布的透濕性能略有提高，而透氣性能基本不變；對(duì)比B1和B2可以看出，橘瓣纖維對(duì)織物的透濕和透氣性能影響較大，這是由于橘瓣纖維的芯吸效應(yīng)提高了織物的吸水性和透氣性。

圖4 各試樣的透氣透濕性能Fig.4 Air permeability and moisture permeability of each sample

2.3.2 剛?cè)嵝约皯掖剐?/p>

抗彎剛度可以表征織物的剛?cè)嵝?，其?shù)值越小，柔性越好。懸垂系數(shù)可以表現(xiàn)織物的風(fēng)格，其數(shù)值越小，織物懸垂性越好，數(shù)值越大，織物風(fēng)格越挺括。按照GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測(cè)定 第1部分：斜面法》，在YG022D全自動(dòng)織物硬挺度儀上測(cè)得織物的抗彎剛度，在織物動(dòng)態(tài)風(fēng)格儀上測(cè)得織物的懸垂系數(shù)，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 各試樣的抗彎剛度和懸垂系數(shù)Fig.5 Bending stiffness and drape coefficient of each sample

從圖5可以看出：比較A1～A4可知，加筋非織造布的抗彎剛度和懸垂系數(shù)隨著筋層針織物線圈密度的增加而增加，即筋層密度越大，加筋非織造布的剛性越大，越硬挺。A組試樣抗彎剛度和懸垂系數(shù)都在B組和C組之間，這說(shuō)明加筋非織造布的剛?cè)嵝院蛻掖剐远冀橛谄胀ǚ强椩觳己歪樋椢镏g，且比捆綁復(fù)合、黏合要好。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文首次將針織物與長(zhǎng)絲纖維用水刺的方法復(fù)合制得加筋非織造布，將針織線圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)良彈性和“鎖住”刀尖的特點(diǎn)與非織造布抗拉伸抗剪切的性能很好地結(jié)合在一起，使其具有更好的防刺性。該加筋非織造布的拉伸性能、剛?cè)嵝约皯掖剐远冀橛卺樋椢锖推胀ㄋ滩贾g，改善了普通非織造布彈性差、剛度大的特點(diǎn)，提高了服用性能。相對(duì)于層疊捆綁或黏合，水刺復(fù)合織物的厚度大大降低，且不易松散。

針織物密度對(duì)加筋非織造布的性能影響較大，密度過(guò)大不易復(fù)合，密度過(guò)小無(wú)法提高防刺性，最佳密度為(68圈/5 cm)×(30圈/5 cm)，即線圈直徑在1 mm左右。

該產(chǎn)品主要應(yīng)用于防刺防割領(lǐng)域，可用于制作柔性防刺服，對(duì)新型防彈材料的研究也有一定的指導(dǎo)意義，但實(shí)驗(yàn)材料略顯單一，與其他機(jī)織防刺材料或其他纖維無(wú)紡布的對(duì)比還有待進(jìn)一步研究。

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The preparation and performance of the UHMWPE filament reinforced nonwoven

XING Jingjing, QIAN Xiaoming, HUANG Shunwei, LIU Fan

(School of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

In this paper, the rib fabric woven by ultra high molecular weight polyethylene filament and twisting was directly used as the base fabric. Ultra-high molecular weight polyethylene filament was paved on the rib layer by using the method of multi-pipeline interval conveying, and PET-PA6 bicomponent orange petal fiber spunlace fabric was coated to prevent fiber drift. Then, composite reinforced nonwovens were prepared through spunlace. The experimental results show that:the tensile property, softness and drapability of reinforced nonwovens are between knitted fabric and the common nonwovens, and stab-resistance is better than the two; knitted fabric has greatly improved large elastic stiffness of the ordinary nonwovens; the density of the rib-layer fabric determines the composite effect and the properties of the final product. This product is mainly applied to stab-resistant and bulletproof clothing. Relative to the cascading binding or gluing, spunlaced composite method makes the total thickness of stab-resistant layer reduce 4 mm, and makes the quality decrease by around 1 kg. Besides, the comfort is greatly improved.

UHMWPE; non-woven; knitting; stab-resistant performance; tensile property; softness; drapability

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.04.002

2016-09-17;

2017-03-21

天津市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(14TXGCCX00014)

邢京京(1989-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣δ苄苑b及長(zhǎng)絲非織造材料。通信作者：錢曉明，教授，qxm@tjpu.edu.cn。

TS174

A

1001-7003(2017)04-0005-06 引用頁(yè)碼:041102