芳綸/不銹鋼長絲包芯紗織物的制備及其防刺性能

杜玲玲， 李婷婷,2，3， 潘 婧， 周寶明,2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 教育部與天津市共建先進(jìn)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387； 3. 高技術(shù)有機(jī)纖維四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610041)

芳綸/不銹鋼長絲包芯紗織物的制備及其防刺性能

杜玲玲1， 李婷婷1,2，3， 潘 婧1， 周寶明1,2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 教育部與天津市共建先進(jìn)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387； 3. 高技術(shù)有機(jī)纖維四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610041)

為開發(fā)低成本的柔性可穿戴防刺材料，選用線密度為48.2tex的高性能芳綸1414短纖紗線和直徑為0.06 mm的304不銹鋼長絲，采用包芯紗工藝紡制芳綸/不銹鋼長絲包芯、紗，優(yōu)化紡紗工藝參數(shù)，得出最佳紗線包繞數(shù)，并用該紗線制備出具有防刺性能的織物。對紗線的力學(xué)性能和織物防刺性能進(jìn)行測試，改變織物疊層數(shù)，探討疊層數(shù)對織物防刺性能的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)紗線的包纏捻度為200捻/m左右時，紗線的斷裂強(qiáng)度為77.99 cN/tex，有害毛羽指數(shù)為90.42，可滿足后續(xù)織物的織造；平紋織物的刀刺和錐刺性能與織物疊層數(shù)呈正相關(guān)線性關(guān)系。錐刺和刀刺的刺入原理不同，錐刺的破環(huán)機(jī)制是紗線滑移, 刀刺的破壞機(jī)制是紗線切割斷裂。

芳綸/不銹鋼長絲包芯紗； 紗線包繞數(shù)； 防刺織物； 刀刺； 錐刺

根據(jù)防刺材料的柔韌靈活程度，可以將防刺產(chǎn)品分為硬質(zhì)防刺產(chǎn)品、半硬質(zhì)防刺產(chǎn)品和柔性防刺產(chǎn)品。半硬質(zhì)和硬質(zhì)防刺產(chǎn)品雖然防穿透性能優(yōu)異，但其質(zhì)量和剛性對使用者的活動和穿著舒適性有較大的限制和影響。隨著科技進(jìn)步及人們對防刺產(chǎn)品要求的提高，柔性防刺產(chǎn)品憑借其防刺性能好、柔韌性好、隱蔽性較好等特點(diǎn)占領(lǐng)了大部分市場。研究人員將各種高性能纖維材料用于防刺織物的同時，開發(fā)了不同種類的織物用于防刺產(chǎn)品，從傳統(tǒng)的機(jī)織物、針織物、無緯單向布(UD)、非織造布到近年來開發(fā)的針織經(jīng)編多軸向、雙軸向織物以及緯編軸向織物等[1-3]。目前，關(guān)于防刺產(chǎn)品紗線結(jié)構(gòu)優(yōu)化的文獻(xiàn)報(bào)道較少，且針對單一原料紗線防刺產(chǎn)品的研究居多,本文從紗線結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度提出了復(fù)合紗線防刺織物的設(shè)計(jì)思路，采用復(fù)合紗線綜合幾種高性能纖維的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)單一紗線性能的不足，同時解決單一高性能纖維帶來的高成本問題。本文實(shí)驗(yàn)使用高性能芳綸短纖紗、不銹鋼長絲和粗棉紗，經(jīng)包芯紡紗技術(shù)制備兼顧三者優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合紗線，由于不銹鋼長絲表面光滑，芳綸不易直接包纏，而粗棉紗的摩擦因數(shù)大，條干比較均勻，并且比較柔軟，用作包纏紗結(jié)構(gòu)中的飾紗，經(jīng)過花式捻線機(jī)牽伸裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)臓可煸倥c芯紗不銹鋼長絲進(jìn)行并捻，這樣制備的紗線不容易漏芯，而且捻度較穩(wěn)定[4-6]。把制備的包芯紗織造成平紋防刺織物，對其進(jìn)行靜態(tài)防刺實(shí)驗(yàn)測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行了一定分析，為防刺產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料的制備

1.1 包芯紗的制備

實(shí)驗(yàn)采用抗拉強(qiáng)度為1 470 MPa、直徑為0.06 mm的304不銹鋼長絲做芯紗；線密度為169 tex的粗棉紗做飾紗；斷裂強(qiáng)度為68.52 cN/tex、線密度為48.2 tex的芳綸1414短纖紗線做固紗，由花式捻線機(jī)進(jìn)行包芯紗的制備[7-8]。

設(shè)置花式捻線機(jī)超喂比為1；后牽伸倍數(shù)為10，前牽伸倍數(shù)為15；張力系數(shù)為芯紗羅拉的線速度與卷繞的線速度之比[9-10]。通過改變包纏數(shù)即上捻度和下捻度來制備包芯紗，適當(dāng)?shù)母淖兩舷履矶戎档玫较鄳?yīng)的包芯紗試樣，如表1所示對其進(jìn)行編號。1.2 防刺織物的制備

將不銹鋼長絲、粗棉紗和芳綸短纖紗3種纖維制成的包芯紗作為經(jīng)緯紗，設(shè)定織造密度為120根/(10 cm), 按2入/筘，以1、2、1、2的穿棕規(guī)律，用劍桿小樣機(jī)織造如圖1所示的平紋織物[11]。

表1 不同包纏捻度的包芯紗

圖1 芳綸/不銹鋼長絲包芯紗織物Fig.1 Aramid/stainless steel core-spun fabric

2 性能測試

2.1 包芯紗線的性能測試

2.1.1 實(shí)際捻度的測試

參照GB/T 2543.1—2015《紡織品紗線捻度的測定 第1部分：直接計(jì)數(shù)法》，用Y331C捻度儀對試樣的捻度、捻系數(shù)、不勻率進(jìn)行測試[12]，設(shè)定旋轉(zhuǎn)紗線的轉(zhuǎn)速為750 r/min，其中隔(500±0.5)mm，每組試樣測試5次取平均值。

2.1.2 紗線的毛羽測試

參照FZ/T 01086—2000《紡織品紗線毛羽測定方法 投影計(jì)數(shù)法》，采用長嶺紡電YG172毛羽儀對試樣的毛羽進(jìn)行測試，取試樣片段長度為10 m，測試速度為15 m/min，每組試樣測試5次取平均值。

2.1.3 紗線的力學(xué)性能測試

參照GB/T 3916—2013 《紡織品卷裝紗單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》，運(yùn)用INSTRON3369萬能強(qiáng)力機(jī)，調(diào)整測試的類型為纖維，拉伸速度為200 mm/min，測試試樣的斷裂伸長率、最大載荷、彈性模量等紗線的力學(xué)性能，每組試樣測試5次取平均值。

2.2 包芯紗織物防刺性能測試

參照GA 68—2008《警用防刺服》，采用由INSTRON 3369萬能強(qiáng)力機(jī)改裝的防刺性能靜態(tài)測試儀對包芯紗平紋織物進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能測試[13-15]。圖2為自制夾具的幾何圖及實(shí)物圖。將下放夾頭換成自制的夾具，調(diào)整好上下間隔，調(diào)試強(qiáng)力機(jī)模式為壓縮測試，壓縮速度300 mm/min，壓縮位移最大為7 cm，分別測試刀具和刺錐刺入到電腦設(shè)置深度時的壓縮載荷，并由電腦繪制出壓縮載荷圖，得出最大壓縮載荷和位移，將芳綸/不銹鋼長絲包芯紗織物進(jìn)行疊層測試，共疊出3層，每個防刺層試樣進(jìn)行3次試驗(yàn)。

圖2 自制夾具幾何圖及實(shí)物圖Fig.2 Geometric drawing and photo of homemade fixture.(a) Top view；(b) Side view；(c) Photo of homemade fixture

3 測試結(jié)果與分析

3.1 包芯紗線性能分析

3.1.1 包纏捻度對實(shí)際捻度的影響

圖3示出試樣的實(shí)際捻度及對應(yīng)捻系數(shù)。由圖可看出，隨著包纏捻度的增加，芳綸/不銹鋼長絲包芯紗的實(shí)際捻度在變大，紗線線密度一定時，隨著捻度增大捻系數(shù)有上升的趨勢。試樣5的上捻度為400 捻/m，下捻度為200 捻/m，對應(yīng)的實(shí)際捻度值最大。因?yàn)榘p捻度的大小與空心錠子和環(huán)錠的定速有關(guān)，輸出羅拉的線速度相同時，空心錠子和環(huán)錠轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系，增大包纏捻度，空心錠子和環(huán)錠的速度增加，使包纏數(shù)增多，芯紗的捻回?cái)?shù)相應(yīng)增加。

圖3 試樣的實(shí)際捻度及對應(yīng)的捻系數(shù)Fig.3 Actual twist and corresponding twist coefficient of samples

表2示出不同包纏捻度的包芯紗實(shí)際捻度測試結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可看出隨著包纏捻度的增大，實(shí)際捻度的不勻率和變異系數(shù)以及均方差的數(shù)值均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，這是由于包纏捻度增大時，固紗對芯紗的包纏數(shù)增多，包纏的螺旋角增大，包纏在芯紗上的條干更趨向于圓形截面，此時捻度的不勻率有所下降，當(dāng)加捻捻度達(dá)到一定值時，錠速的加快使固紗不能均勻包纏在芯紗上，捻度的不勻率開始升高。

表2 不同包纏捻度包芯紗的實(shí)際捻度測試結(jié)果

3.1.2 包纏捻度對包芯紗毛羽的影響

表3示出芳綸/不銹鋼長絲包芯紗的毛羽指數(shù)。由表可見，包芯紗的毛羽指數(shù)比較大，且毛羽指數(shù)隨捻度的增加而上升。在實(shí)際的生產(chǎn)中2 mm的毛羽可以反應(yīng)整體的毛羽情況，3 mm以上長度的毛羽視為后續(xù)織造中的有害毛羽，會影響織造的順利程度，實(shí)驗(yàn)中紗線的有害毛羽比較多，還與包芯紗結(jié)構(gòu)中的固紗芳綸短纖紗的毛羽比較多有關(guān)，這與制備過程中的錠速有關(guān)。錠速的增加使紗線的氣圈段和空氣的阻力增大，飾紗棉紗表層

表3 包芯紗毛羽指數(shù)數(shù)據(jù)

紗段的纖維甩出紗體成為毛羽，隨著加捻捻度的增加，空心錠子的速度增加使固紗包纏數(shù)也有所增加，單位長度包芯紗中固紗的含量增多，固紗自身攜帶的毛羽數(shù)隨之增多，因此當(dāng)包纏捻度變大時，毛羽指數(shù)也有所上升。

3.1.3 包纏捻度對包芯紗力學(xué)性能的影響

包芯紗的強(qiáng)力主要表現(xiàn)在固紗芳綸和芯紗不銹鋼長絲上，不銹鋼長絲的加入使包芯紗的強(qiáng)力有所增加。表4示出芳綸/不銹鋼長絲包芯紗力學(xué)性能測試結(jié)果。從數(shù)據(jù)中可看出試樣3的斷裂強(qiáng)度是最高的，紗線所承受住的載荷也最大。包纏捻度增加的過程中，包芯紗的斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，最大載荷的值也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。而斷裂伸長率隨加捻捻度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，彈性模量則逐漸減小。

表4 芳綸/不銹鋼長絲包芯紗力學(xué)性能測試結(jié)果

紗線的線密度一定時，強(qiáng)力和強(qiáng)度的值成正比關(guān)系。因此出現(xiàn)上述的原因是，在一定的范圍內(nèi)隨加捻捻度的增加，使固紗對不銹鋼長絲的包纏數(shù)增加，固紗芳綸在包芯紗中所占的的比例增加，飾紗中棉纖維和棉纖維之間的抱合力增加，從而使包芯紗的強(qiáng)力隨加捻捻度的增加處于上升階段。上升到臨界值時，加捻捻度繼續(xù)增加，芳綸的包纏螺旋角增大，使之在紗線軸上承擔(dān)的有效分力減小，紗線的強(qiáng)力有所減弱；當(dāng)飾紗的捻度超過臨界值時，紗線的強(qiáng)力也在減?。徊讳P鋼長絲比較光滑的表面使飾紗棉纖維之間的抱合力變小，導(dǎo)致包芯紗的斷裂強(qiáng)力也減小。

斷裂伸長率主要和固紗芳綸的包纏數(shù)有關(guān)，不銹鋼長絲作為芯紗，剛性比較大且彈性比較差，在拉伸時不易伸長，所以加捻捻度的增大使紗線的捻縮增大，空錠子的轉(zhuǎn)速增加，單位長度固紗芳綸的包纏數(shù)變多，紗線受到拉伸時伸長的量變大，所以紗線的斷裂伸長率有所增加。斷裂伸長率增加，表示紗線的應(yīng)變增大，由公式可推斷模量逐步減小，與試驗(yàn)測試結(jié)果相吻合。

圖4示出紗線的位移載荷曲線圖。圖中顯示5種不同包纏捻度的紗線都是隨著位移的增大，所需施加的載荷增大，到達(dá)一定位移時，曲線突然下降，說明此時紗線已被拉斷，這時對應(yīng)的點(diǎn)也就是最大載荷。從曲線的斜率可看出加捻捻度最小時斜率最大，隨加捻捻度的增大位移載荷曲線的斜率在減小。位移載荷圖可表現(xiàn)紗線的應(yīng)變情況，可說明包芯紗的加捻捻度增大時紗線的應(yīng)變能力增大，芯紗不銹鋼長絲的剛性大不易變形，固紗芳綸的含量越多紗線的應(yīng)變能力越強(qiáng)。

圖4 紗線拉伸斷裂載荷位移曲線圖Fig.4 Tensile breaking load-displacement curves of core-spun yarns

3.2 包芯紗織物防刺性能分析

3.2.1 織物疊層數(shù)對穿刺的影響

對芳綸/不銹鋼長絲包芯紗織物進(jìn)行疊層處理，分別測試不同疊層數(shù)時織物所能承受的最大載荷，測試結(jié)果如圖5所示?？煽闯鰺o論是織物的防錐刺還是防刀刺性能，最大壓縮載荷都是隨織物層的增加而增大，壓縮載荷越大代表著防刺效果越好，疊層數(shù)越多織物的防刺效果越好。這是因?yàn)榇┐唐骶咴诖┐踢^程中受到所接觸到的紗線對它的阻力，經(jīng)過疊層后，刺具接觸到阻擋它的紗線數(shù)量相較于單層時增多，所需要刺穿織物的力變大，所以織物疊層以后最大壓縮載荷變大，防刺能力變強(qiáng)。

圖5 包芯紗織物防刺性能測試結(jié)果Fig.5 Stab-resistance result of core-spun fabric

3.2.2 織物對不同刀具防刺性能的比較

芳綸/不銹鋼長絲包芯紗織物錐刺和刀刺的外觀圖如圖6所示。從圖6(a)看出，芯紗金屬絲并沒有斷開，包裹在外的棉紗受到刺錐的力有所斷裂，這是由于錐刺對織物的破壞主要是由于紗線的滑移所產(chǎn)生的，構(gòu)成織物的紗線沒有受到很大的損壞。刀刺與錐刺不同，刀刃對構(gòu)成織物的包芯紗有損傷，而且紗線的滑移也造成破洞，如圖6(b)所示，紗線已被刀刃切斷，上下的紗線產(chǎn)生滑移。

圖6 錐刺和刀刺的外觀圖Fig.6 Appearance of spike stab(a) and knife stab(b)

在疊層數(shù)相同時，織物錐刺所需要的最大載荷要高于刀刺所需的最大載荷(見圖5)，這說明織物錐刺的力度要比刀刺的強(qiáng)。這是由于刺錐比刀要尖，在織物相同受刺面積下，錐刺的壓強(qiáng)大，垂直方向錐刺的沖擊擠壓力大，所以錐刺相比刀刺所需的最大壓縮載荷大。對芳綸/不銹鋼長絲包芯紗織物進(jìn)行錐刺和刀刺所產(chǎn)生的位移載荷曲線圖，如圖7所示。

圖7 穿刺位移載荷曲線Fig.7 Curves of puncture load-displacement.(a) Spike stab; (b) Knife stab

從圖7(a)可看出，包芯紗織物壓縮載荷隨著壓縮位移的增大逐漸增大，當(dāng)壓縮位移達(dá)到大概12.5 mm時，曲線急劇下降，說明構(gòu)成包芯紗織物的紗線已失效，此時得到錐刺的最大載荷。從圖中曲線可看出包芯紗織物受到錐刺的變形能力，當(dāng)刺錐向下移動時，在織物上主要是紗線承受錐刺的力，刺錐力是局部的，只有一部分接觸刺錐的紗線受到錐刺的力，織物隨著刺錐的壓力而變形，經(jīng)緯紗之間產(chǎn)生了一種相互剪切的作用力。

從圖7(b)曲線趨勢可看出在刀具穿刺織物過程中，達(dá)到最大壓縮載荷前，載荷隨著刀具刺入所受阻力的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，當(dāng)壓縮位移到達(dá)大概15 mm時，曲線的斜率增大，載荷增大的速度比原來快，這時的刀刃切割紗線的載荷也隨之增大，壓縮位移到達(dá)25 mm時達(dá)到最大載荷，紗線被刀刃切斷，阻力降低，載荷急劇減小。由于刀具有一定的面積，隨刀具刺入深度的加大，又有新的紗線阻擋刀具的刺入，載荷又有升高，刀具只有完全或大部分穿過試樣，紗線才能完全對刀具沒有阻力，載荷才會隨之下降，由于刀刃對紗線的摩擦力隨著刺入的位移在改變，所以刀刺的位移載荷曲線圖類似鋸齒狀變化。

從圖7可發(fā)現(xiàn)刀刺和錐刺的不同點(diǎn)，刀具和錐刺形狀不同使二者刺入織物的形式不同，刀的面積是由尖到寬，所以對織物進(jìn)行刀刺的時候，刀具先將織物中抵御刀刃的紗線割斷，隨著刺入深度的增大刀具面積增大，刀刃又會被新的紗線所阻擋。而錐刺不同，錐刺比刀要尖，但是面積不如刀具的大，所以錐刺的最大壓縮載荷要大，錐刺頭在刺入織物的過程中受到的壓縮載荷達(dá)到最大以后沒有上升的趨勢[16-17]。

4 結(jié) 論

芳綸/不銹鋼長絲包芯紗用于防刺織物的制備，實(shí)現(xiàn)了對防刺織物材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的進(jìn)一步探索，包芯紗使芳綸、不銹鋼長絲、棉紗三者的優(yōu)勢充分發(fā)揮，弱項(xiàng)互相彌補(bǔ)，降低原料成本的同時實(shí)現(xiàn)防刺產(chǎn)品既能達(dá)到硬質(zhì)防刺產(chǎn)品的防刺效果，且兼具軟質(zhì)防刺產(chǎn)品的舒適度和柔軟度的特點(diǎn)提供了新思路。通過成功紡制芳綸/不銹鋼長絲包芯紗，分析了包纏捻度對包芯紗線性能的影響，并對由包芯紗織造平紋防刺織物的防刺性能進(jìn)行測試分析，得到以下結(jié)論：

1)包芯紗的包纏捻度增多會導(dǎo)致紗線的實(shí)際捻度有所增加，包纏捻度設(shè)置過大紗線會有粗細(xì)不均勻，捻度過小導(dǎo)致紗線包纏不緊密出現(xiàn)漏芯的狀況，紗線斷裂強(qiáng)度隨捻度增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，毛羽指數(shù)會隨捻度的增加而變大。

2)對紗線的性能測試發(fā)現(xiàn)紗線的上捻度為300 捻/m，下捻度為150 捻/m時，包芯紗成型較好而且具有毛羽指數(shù)小、力學(xué)性能強(qiáng)的特點(diǎn)，由此設(shè)定后續(xù)織造的包芯紗線上捻度為300 捻/m左右。

3)從準(zhǔn)靜態(tài)防刺試驗(yàn)測試結(jié)果可看出，疊層數(shù)的增加可以使織物的防刺性能有所增加。對于疊層數(shù)相同的織物而言，由刀刺和錐刺的拉伸斷裂位移曲線圖可看出，刺具的形狀不同也會影響織物的防刺性能，錐刺和刀刺的刺破原理有一定的差別，錐刺主要是由于紗線的滑移產(chǎn)生破洞，刀刺在使紗線產(chǎn)生滑移的同時，刀刃切割紗線，而且由于刺錐比刀要尖，當(dāng)織物受刺面積相同時，錐刺的壓強(qiáng)比刀刺大。

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Preparation and stab-resistance performance of aramid/ stainless-steel fiber core-spun fabrics

DU Lingling1, LI Tingting1,2,3, PAN Jing1, ZHOU Baoming1,2

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedComposites,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 3.High-TechOrganicFibersKeyLaboratoryofSichuanProvince,Chengdu,Sichuan610041,China)

To investigate flexible, wearable and low-cost stab-resistant materials, high-performance 1414-aramid fiber(48.2 tex) and 0.06 mm 304 stainless-steel wires were employed to produce stab-resistant fabric by adopting core-spun yarn preparation process, and optimizing the spinning process parameters to obtain optimum yarn twisting number. The mechanical properties of yarns and the stab resistance of fabrics were tested. And the influence of number of laminated layers on stab-resistance performance was investigated by changing the number of laminated layers. The results show that when yarn is wrapped at 200 twists/m, its fracture strength is 77.99 cN/tex, and harmful hairiness index is 90.42, which are suitable for subsequent weaving of fabrics. The knife-stab and spike-stab performance of plain fabrics has positive correlation linear relationship with the laminated layer number of the fabrics. The damage mechanisms between knife-stab and spike-stab are different; and spike stab is caused by yarns slip, and knife-stab results from yarn cutting and fracture.

aramid/stainless-steel fiber core-spun yarn; yarn twisting number; stab-resistant fabric; knife stab; spike stab

10.13475/j.fzxb.20160603807

2016-06-15

2017-03-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51503145)；高技術(shù)有機(jī)纖維四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目(PLN2016-07)

杜玲玲(1994—)，女，本科生。主要研究方向?yàn)槿嵝约徔椃来探Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。李婷婷，通信作者，E-mail：tingtingli@tjpu.edu.cn。

TS 155.6

A