織物頂破強(qiáng)力與刺破強(qiáng)力測(cè)試方法分析

袁彬蘭+++++戈強(qiáng)勝++++李紅英

摘要

本文簡(jiǎn)述了織物刺破強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力的關(guān)系，并簡(jiǎn)要分析了不同測(cè)試條件下對(duì)織物刺破強(qiáng)力和織物頂破強(qiáng)力的影響。

關(guān)鍵詞：刺破強(qiáng)力；頂破強(qiáng)力；鋼球直徑；頂桿；頂破速度

1 引言

織物的刺破與頂破測(cè)試是兩個(gè)相似的過程，均為固定織物邊緣，通過刺破頂桿和頂破鋼球?qū)椢镞M(jìn)行力學(xué)破壞的過程[1]。織物的頂破性能和刺破性能都是表征織物力學(xué)性能的重要指標(biāo)，目前測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有：GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測(cè)定 鋼球法》[2]和GB/T 23318—2009《紡織品 刺破強(qiáng)力的測(cè)定》[3]。前者規(guī)定了兩種不同的鋼球直徑：25mm和38mm，頂破速度為300mm/min；后者規(guī)定了三種不同的頂桿：頂桿A（頂桿Φ2mm 、尖頭R 0.25mm）、頂桿B（頂桿Φ1mm 、圓頭R 0.50mm）和頂桿C（頂桿Φ2mm、尖頭R 0.50mm），刺破速度為500mm/min。不同的鋼球直徑/頂桿規(guī)格和頂破/刺破速度對(duì)頂破強(qiáng)力/刺破強(qiáng)力結(jié)果影響較大。

目前，對(duì)于織物的頂破和刺破的研究，主要集中在刺破與頂破機(jī)理研究及研發(fā)具有高刺破和頂破強(qiáng)力的紡織材料與紡織產(chǎn)品方面，而對(duì)于刺破和頂破測(cè)試影響因素的研究較少[4]。雖然鋼球頂破和頂桿刺破機(jī)理不同，但從鋼球和頂桿對(duì)織物的破壞形態(tài)來看，有其相似性。本文從刺破強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力方面，研究頂破鋼球直徑、頂破速度對(duì)織物頂破強(qiáng)力的影響，以及頂桿規(guī)格、刺破速度對(duì)織物刺破強(qiáng)力的影響，并分析頂破和刺破的相互關(guān)系。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

選取6種不同織物進(jìn)行頂破和刺破試驗(yàn)，試樣具體規(guī)格如表1。將布料裁剪成標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19976—2005或GB/T 23318—2009規(guī)定的大小，置于溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度（65±4）%的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下平衡24h。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

采用INSTRON型電子強(qiáng)力機(jī)，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19976—2005和GB/T 23318—2009中的試驗(yàn)步驟，分別用不同速率、鋼球直徑和頂桿規(guī)格測(cè)試樣品的頂破強(qiáng)力和刺破強(qiáng)力。其中頂破/刺破速率選擇三種：100mm/min、300mm/min和500mm/min；鋼球直徑選擇20mm、25mm和38mm三種；頂桿規(guī)格選擇頂桿A（頂桿Φ2mm 、尖頭R0.25mm）、頂桿B（頂桿Φ1mm 、圓頭R0.50mm）和頂桿C（頂桿Φ2mm、尖頭R0.50mm）三種。試驗(yàn)中的頂破強(qiáng)力和刺破強(qiáng)力均為3次結(jié)果平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 頂破試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用20mm、25mm和38mm三種鋼球直徑，頂破速度為300mm/min；采用頂破速度100mm/min、300mm/min和500mm/min，選擇38mm鋼球直徑，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19976—2005中的試驗(yàn)步驟測(cè)試6種織物的頂破強(qiáng)力，結(jié)果見表2。

由表2可知，鋼球直徑越大，織物頂破強(qiáng)力也越大。隨著鋼球直徑的增大，鋼球與織物的接觸面積增大，織物中同時(shí)受力的紗線或線圈的數(shù)量增大，導(dǎo)致織物的頂破強(qiáng)力增大，即鋼球直徑越小，織物頂破破壞需要的頂破強(qiáng)力也越小。

由表2還可以發(fā)現(xiàn)不同織物的頂破強(qiáng)力雖有差異，但主要在于織物結(jié)構(gòu)和構(gòu)成紗線的性能差異。同種織物、不同頂破速度時(shí)頂破強(qiáng)力變化不明顯，其原因在于頂破測(cè)試速度低，可忽略高速拉伸條件下的顯著沖擊力傳播和應(yīng)變率效應(yīng)，因此，織物在低速的頂破過程中其紗線的斷裂強(qiáng)力不受速度的影響。另外，由于織物頂破高度不變，頂破鋼球與織物圓形接觸的邊緣長(zhǎng)度和織物受力面積不變，同時(shí)織物與鋼球接觸邊緣的紗線起拱角度不變，紗線斷裂強(qiáng)力在頂破方向的分力不變。頂破速度的變化對(duì)于織物頂破強(qiáng)力相關(guān)的斷裂紗線在頂破方向的分力、邊緣長(zhǎng)度與織物受力面積均不產(chǎn)生顯著影響。因此在低速下，頂破速度對(duì)織物頂破強(qiáng)力影響不大[5]。

3.2 刺破試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用頂桿A、頂桿B和頂桿C，刺破速度為500mm/min；采用刺破速度100mm/min，300mm/min和500mm/min，選擇頂桿B，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23318—2009中的試驗(yàn)步驟測(cè)試6種織物的刺破強(qiáng)力，結(jié)果見表3。

由表3可知，圓頭頂桿B的刺破強(qiáng)力明顯小于尖頭頂桿A和C的刺破強(qiáng)力，表明頂桿直徑越小，其刺破強(qiáng)力越??；對(duì)比尖頭頂桿A和尖頭頂桿C結(jié)果可看出頂桿曲率半徑越小其刺破強(qiáng)力越小，表明尖頭頂桿的刺破強(qiáng)力隨著尖頭頂桿曲率半徑的增大，其刺破強(qiáng)力也增大。分析原因，頂桿直徑越小，在刺破過程中與織物的接觸面積越小，同時(shí)受力的紗線根數(shù)越小，其刺破強(qiáng)力也就越小；頂桿直徑相同時(shí)頂桿曲率半徑小的刺破圓錐面積相對(duì)小，在刺割織物過程中與織物接觸面積小，承力的紗線根數(shù)較少，且因刺割斷裂的紗線數(shù)量也少，織物的刺破強(qiáng)力減小。

由表3還可以看出，6種試樣的刺破強(qiáng)力不同，取決于織物結(jié)構(gòu)和構(gòu)成織物的紗線性能。但對(duì)每種試樣而言，在三種測(cè)試速度下的刺破強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果差異不大，沒有統(tǒng)一規(guī)律。分析原因，織物的刺破過程是織物與刺破頂桿接觸過程中的接觸紗線的斷裂，夾持織物中的紗線由于紗線的傳播速度較快均受張力而發(fā)生變形，刺破破壞對(duì)織物快速刺割或沖擊效應(yīng)不明顯。故當(dāng)確定了織物試樣和測(cè)試條件時(shí)，織物在低速條件下的刺破強(qiáng)力受刺破速度影響小。

3.3 刺破與頂破測(cè)試對(duì)比分析

分別采用三種不同的鋼球直徑和三種不同頂桿，選擇速度為500mm/min，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19976—2005和GB/T 23318—2009中的試驗(yàn)步驟測(cè)試6種織物的頂破強(qiáng)力和刺破強(qiáng)力，結(jié)果見表4。

從表4可以看出，同種織物在相同條件下的頂破強(qiáng)力要比刺破強(qiáng)力大，高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。其原因在于頂破破壞為與鋼球邊界處的織物圓形邊緣的紗線達(dá)到同等應(yīng)變，所有紗線的應(yīng)變達(dá)到織物最小斷裂應(yīng)變；而刺破破壞首先是刺破頂桿的刺入，接著刺破力為織物刺破局部區(qū)域紗線沿著刺破頂桿表面相對(duì)滑動(dòng)的摩擦力和該局部區(qū)域紗線在刺破圓錐軸向上的分力之和[5]。另外，刺破測(cè)試所用的頂桿直徑比頂破測(cè)試用的鋼球直徑小，則織物刺破局部區(qū)域的受力紗線數(shù)量少、紗線應(yīng)變小，故在數(shù)值上織物的刺破強(qiáng)力遠(yuǎn)小于頂破強(qiáng)力。

頂破強(qiáng)力大的織物，其刺破強(qiáng)力也相對(duì)較大，分析其原因，無論是織物的頂破還是刺破，其最后的破壞都是紗線的斷裂或線圈的脫散。而對(duì)于織物而言，紗線強(qiáng)力大，組織結(jié)構(gòu)牢固，其頂破強(qiáng)力必然較大，而這點(diǎn)也體現(xiàn)在織物的刺破強(qiáng)力上。所以，織物刺破強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力的大小，都是由織物本身的組織結(jié)構(gòu)和紗線強(qiáng)力等因素決定的，即通常頂破強(qiáng)力大的織物，其刺破強(qiáng)力也相對(duì)較大。

4 結(jié)論

（1）頂破強(qiáng)力與鋼球直徑有顯著相關(guān)性，鋼球直徑越小，其頂破強(qiáng)力越小。刺破強(qiáng)力與頂桿直徑及頂桿曲率半徑有顯著相關(guān)性，頂桿直徑越小，其刺破強(qiáng)力越??；頂桿曲率半徑越小其刺破強(qiáng)力越小。測(cè)試頂破/刺破強(qiáng)力時(shí)，織物中同時(shí)受力的紗線或線圈的數(shù)量越大，織物的刺破/頂破強(qiáng)力也越大。

（2）在低速條件下，速度對(duì)頂破/刺破強(qiáng)力的關(guān)系不顯著。試驗(yàn)表明不同速度下的頂破/刺破強(qiáng)力變化不明顯，沒有統(tǒng)一規(guī)律。

（3）同種織物在相同條件下的頂破強(qiáng)力要比刺破強(qiáng)力大，高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。頂破強(qiáng)力大的織物，其刺破強(qiáng)力也相對(duì)較大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姜懷， 鄔福麟，梁潔，等.紡織材料學(xué)[M].北京：中國(guó)紡織出版社，1996：484-486.

[2] GB/T 19976—2005 紡織品 頂破強(qiáng)力的測(cè)定 鋼球法[S].

[3] GB/T 23318—2009 紡織品 刺破強(qiáng)力的測(cè)定[S].

[4] 喬詠梅.織物特性對(duì)材料防刺性能的影響[J].纖維復(fù)合材料，2015（4）：10-12.

[5] 朱靜，杜趙群， 于偉東.織物刺破與頂破測(cè)試方法對(duì)比研究[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，39（6）：726-731.

（作者單位：廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)研究院）