涂層防刺織物的制備及其防刺機制

張 政， 劉曉艷,2， 于偉東

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 201620)

防刺服又稱為防刀服、防刃服、防刀衣，屬于個體防護裝備，用作執(zhí)法人員或者特殊行業(yè)工作人員防止受外界刀具刺傷的防護服裝。亞洲地區(qū)關(guān)于槍支的管制日益嚴格，導致不法分子通過各類刀具諸如菜刀、砍刀、匕首等實施違法暴力行為案件日益增多，因此防刺服的開發(fā)和改進具有重要的現(xiàn)實意義。

根據(jù)柔韌性和靈活性的分類，防刺服可分為硬質(zhì)防刺服、半硬質(zhì)防刺服和軟質(zhì)防刺服3類[1]。防刺服的研究重點在于：保證其防刺功能的前提下，實現(xiàn)輕質(zhì)化，提高柔韌性。目前，柔性防刺服大都由高性能纖維和高分子樹脂復合成單層織物，再經(jīng)多層疊合[2-3]，存在織物質(zhì)量較大、柔韌性差的弊端[4]。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)密度小，具有很強的吸能性，是防刺面料的良好基體材料[5-6]。顧肇文[7]在關(guān)于柔性復合防刺服機制研究中發(fā)現(xiàn)，用UHMWPE長絲與其非織造布復合而成的柔性復合防刺服，比常用芳綸材料的密度低，并利用非織造布質(zhì)輕的優(yōu)勢，降低了防刺服的質(zhì)量和厚度。

為克服多層疊合防刺服堅硬笨重的缺點，提高穿著舒適性，研究者一直關(guān)注輕質(zhì)防刺服的開發(fā)[8]：Lee等[9]發(fā)現(xiàn)在達到相同防刺性能的條件下，剪切增稠體(STF)可大幅度降低織物的厚度；Gong等[10]在關(guān)于剪切增稠體的研究中發(fā)現(xiàn)，織物的防刺性能主要與STF中顆粒的硬度有關(guān)；Feng等[11]發(fā)現(xiàn)剪切增稠體中硬質(zhì)二氧化硅(SiO2)的質(zhì)量分數(shù)影響織物的準靜態(tài)刺割性能，當SiO2的質(zhì)量分數(shù)為35%時，防刺效果最好。

剪切增稠體制備工藝比較復雜，研究者根據(jù)硬質(zhì)粒子在高性能織物上應(yīng)用的原理，探索簡單易行的防刺方式：2012年，晏義伍等[12]利用納米二氧化硅通過浸泡、軋制和噴涂3種工藝，制備納米二氧化硅改性芳綸織物，增加了高性能織物的防刺性能；2015年，黎國標等[13]用樹脂和陶瓷粉末混合涂覆到高性能基布上，制備得到的復合材料其防刺性能顯著提高，其中陶瓷粉末是由碳化硅、氮化硅、氧化鋁等硬質(zhì)粒子的混合粒子構(gòu)成，陶瓷粉末中碳化硅的硬度最高。

本文嘗試通過在高強聚乙烯平紋織物上涂層碳化硅(SiC)的方式制備防刺織物，以期在提高織物防刺性能的基礎(chǔ)上，有效增加織物的靈活性和柔韌性，減輕防刺織物的質(zhì)量。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

粒徑為1.3 μm的碳化硅粉末(東臺市愛東磨料磨具廠)；乙二醇(分析純，上海凌峰化學試劑有限公司)；聚丙烯酸酯黏合劑(濟寧恒泰化工有限公司)；去離子水(上海聯(lián)試化工試劑有限公司)。超高分子量聚乙烯平紋織物(宜興市華恒高性能纖維織造有限公司)，經(jīng)緯密為190根/(10 cm)×160根/(10 cm)，厚度為0.35 mm，面密度為185 g/m2。

94-2型恒溫磁力攪拌器(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)；GZX-9073型電熱鼓風干燥箱(上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)；K0003525M006型可調(diào)式Baker涂膜器(英國Elcometer有限公司)；LLY-01型電子織物硬挺度儀(萊州市電子儀器有限公司)

1.2 碳化硅分散液的制備

設(shè)定3種實驗方案，調(diào)整SiC、水、乙二醇的質(zhì)量比，確定碳化硅懸浮液的最佳配置方案。按照表1中的質(zhì)量配比依次稱取硬質(zhì)粒子SiC粉末、分散劑乙二醇、稀釋劑去離子水。先將SiC粉末放入燒杯中，然后加入乙二醇和去離子水，用玻璃棒初步攪拌均勻。調(diào)整磁力攪拌器溫度為30 ℃，調(diào)節(jié)合適轉(zhuǎn)速，勻速攪拌30 min，得到碳化硅粉末在乙二醇中的分散液。將制得的懸浮液轉(zhuǎn)移至量筒中，封口靜置，觀察涂層液的2 h相對沉降高度(混濁體高度與懸浮體總高度之比)，以此確定最適合碳化硅粉末的分散體系，為后續(xù)防刺割涂層液的制備做準備。

表1 不同實驗方案下的分散液比較Tab.1 Comparison of dispersions in different experimental schemes

1.3 涂層織物的制備

將織物試樣裁剪成10 cm×10 cm規(guī)格，用膠帶固定在玻璃板上，調(diào)節(jié)四周水平；在配制好的碳化硅分散液中添加適量黏合劑，攪拌均勻后利用涂膜器涂覆在織物表面，控制涂層厚度為50 μm；涂層織物在70～80 ℃下預(yù)烘10～15 min，最后在100～110 ℃下焙烘3～5 min，即得到碳化硅涂層織物。

1.4 織物防刺性能的測試

利用圖1所示的準靜態(tài)刺割試驗儀測試織物防刺割性能。在裝置頂板上方固定一個織物的夾具，試樣固定其中，橫梁帶動刀具沿導柱勻速上移，在刀具接觸織物時，橫梁上連接的壓力傳感器記錄織物動態(tài)刺割力的大小。

圖1 準靜態(tài)刺割試驗儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of quasi static stab tester

2 結(jié)果與討論

2.1 碳化硅粉末懸浮液沉降實驗分析

為在液體環(huán)境里使碳化硅粉末穩(wěn)定存在，需要確定碳化硅分散液中各成分的合適配比。測定碳化硅在相應(yīng)實驗方案中相對沉降高度，可反映分散液的相對穩(wěn)定性[14]，相對沉降高度越大，粒子在分散液中的存在狀態(tài)越穩(wěn)定。經(jīng)過測定，不同實驗方案的相對沉降高度如表1所示。

方案1中固定SiC、水的比例，改變乙二醇的量，可看出隨著乙二醇質(zhì)量的增加，碳化硅懸浮液相對沉降高度從0.84下降到0.78。分散液中含乙二醇可使碳化硅粉末在溶劑中分散最穩(wěn)定。

由方案2可看出，增加水的含量會導致相對沉降高度從0.84下降到0.44，使碳化硅粉末在分散液中不能均勻穩(wěn)定存在，故碳化硅分散液應(yīng)選擇水和乙二醇質(zhì)量比為1∶1。

方案3顯示，當碳化硅的比例逐漸增大時，2 h相對沉降高度先增加后減小。當碳化硅的質(zhì)量處于1.5～2.5個單位時，相對沉降高度比較穩(wěn)定，保持在0.96，因此制備碳化硅懸浮液的最佳質(zhì)量比例確定為mSiC∶m水∶m乙二醇=(1.5～2.5)∶1∶1。

2.2 涂層劑配比對織物防刺性能的影響

涂層劑是由碳化硅分散液和黏合劑混合而成的，分散液和黏合劑的質(zhì)量配比決定了碳化硅粉末在基布上存在的致密程度，碳化硅粒子在織物表面起到主要的防護作用。此外，分散液和黏合劑的質(zhì)量配比很大程度上影響碳化硅粒子在織物表面的接觸牢度。本文探究了涂層劑配比對織物防刺性能的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 刺破強力與涂層液配比的關(guān)系Tab.2 Relationship between average puncture force and coating liquid ratio

從表2中可看出，分散液與黏合劑的質(zhì)量配比對織物防刺性能的影響比較大。固定黏合劑的質(zhì)量為1，當質(zhì)量比小于3∶1時，織物的刺破強力隨著分散液比例的增大而減小。分散液的比例增大，黏合劑所占的比例變小，碳化硅顆粒在織物上的結(jié)合牢度降低。刀具深入織物內(nèi)部，碳化硅粒子更易掙脫相互結(jié)合力，織物的防刺能力降低。當質(zhì)量配比超過3∶1并達到4∶1的時候，織物的防刺力有所提高，原因是分散液中碳化硅粒子質(zhì)量濃度增大，涂層中碳化硅粒子間的空隙減小，粒子之間結(jié)合更加致密，一定程度增加了織物的防刺效果。

2.3 基布材料密度對織物防刺性能影響

織物基布是防刺織物的主要支撐體，織物的刺破過程包含剪切破壞和拉伸破壞2個階段，織物的防刺性能與基布本身的力學性能有著很大的關(guān)系。在其他因素相同的情況下，織物的強力和抗剪切性能越強，防刺效果越好[15]。

基布材料的經(jīng)緯密度影響織物中纖維的相互交纏緊密度。在織物面密度相同的情況下，織物的經(jīng)緯密越大，織物中紗線的線密度越小，抗剪切性能減小?？椢锟辜羟行阅芘c織物防刺性能有密切關(guān)系，本文探究了織物經(jīng)緯密對防刺性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 刺破強力與基布經(jīng)緯密的關(guān)系Tab.3 Relationship between average puncture force and density of base cloth

由表3可見，在涂層條件相同的情況下，采用經(jīng)緯密不同的3種常用的超高分子量聚乙烯基布材料：基布經(jīng)緯密為100根/(10 cm)×100根/(10 cm)的涂層織物防刺能力最好，刺破強力達到12.18 N；經(jīng)緯密為190根/(10 cm)×160根/(10 cm)的基布材料，織物中紗線接觸緊密，紗線線密度較低，抗剪切能力差，因此織物的防刺性能較差，實驗中得出基布經(jīng)緯密為190根/(10 cm)×160根/(10 cm)的刺破強力為10.04 N；經(jīng)緯密為80根/(10 cm)×60根/(10 cm)超強聚乙烯為基布材料的防刺織物，刺破強力為11.99 N，防刺能力比100根/(10 cm)×100根/(10 cm)的小，這是因為織物的經(jīng)緯密過小，纖維間的交織點較少，刀具刺入織物時，對刀具的阻礙作用減弱。

2.4 涂層層數(shù)對織物防刺性能的影響

涂層層數(shù)對織物的防刺性能有著很大的影響[16]，本文分別進行1、2、3、4層涂層實驗，測試結(jié)果如表4所示。

表4 織物防刺性能與涂層層數(shù)的關(guān)系Tab.4 Relationship between fabric stab-resistance and coating layer number

表4顯示織物的防刺能力隨著織物涂層層數(shù)的增加逐漸提高，但是當涂層層數(shù)達到3后，防刺能力下降。這是因為涂層層數(shù)過高，涂層織物表面存在過高的硬質(zhì)粒子層，織物表面變脆，當?shù)都獯踢M涂層后，涂層開裂，刀具深入的阻力下降，織物的防刺能力降低。

2.5 涂層對織物柔軟度的影響

涂層后織物的防刺性能增強，但表面硬質(zhì)粒子的存在會影響織物柔軟性。測量織物涂層對織物面密度和抗彎長度的影響，結(jié)果如表5所示。

表5 織物柔軟度與涂層層數(shù)的關(guān)系Tab.5 Relationship between fabric softness and coating layer number

從表5可看出，經(jīng)過涂層后的織物具有較好的柔韌性，抗彎長度為4.08～4.24 cm，面密度為264～337 g/m2?？椢锏目箯濋L度隨著硬質(zhì)粒子涂層層數(shù)的增多而增加，即織物的柔軟性降低。面密度隨著織物涂層層數(shù)增多而逐漸增大，即織物越重。這是因為織物上涂層較多的硬質(zhì)粒子，使得織物表面變得堅硬，織物面密度增加，降低織物柔軟性能。

2.6 涂層織物外觀形貌

2.6.1涂層織物表面形態(tài)

防刺性能的提升與織物表面硬質(zhì)粒子涂層的形態(tài)和規(guī)格有關(guān)，用掃描電子顯微鏡觀察織物表面涂層情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 織物涂層前后掃描電鏡照片(×1 000)Fig.2 SEM images of fabric before (a) and after (b) coating (×1 000)

由圖2可看出：織物未涂層時，超高分子量聚乙烯纖維表面纖維并列排布，纖維與纖維之間存在間隙；涂層織物表面均勻分布碳化硅粒子，表面形成致密的保護層，粒子填充織物上的間隙，減小織物上脆弱面積。碳化硅粒子硬度非常大，均勻涂覆于織物表面，可大幅度提高織物的防刺性能。

2.6.2涂層織物刺口形態(tài)

織物經(jīng)過準靜態(tài)刺割實驗后的外觀形態(tài)如圖3所示。

圖3 織物刺破前后形態(tài)照片F(xiàn)ig.3 Fabric morphologies before and after puncturing.(a) Front side of original fabric; (b) Back side of original fabric;(c) Front side of coated fabric; (d) Back side of coated fabric

從圖3可看出：未涂層織物刺破刀口表面不清晰，有很多纖維的絨毛，刀具在刺破過程中對周圍的纖維進行了拉伸和抽拔，纖維間握持力不夠?qū)е驴椢锉淮唐?，破壞的主要形式為拉斷；織物涂層后，正面織物的破壞切口整齊，四周纖維變形較小，涂層使得織物結(jié)構(gòu)緊密固定，存在硬質(zhì)粒子，增加纖維間作用力，纖維難以滑移變形，纖維破壞以剪切為主，切口整齊?？椢锓疵娲炭诓磺逦虮趁鏉B透的硬質(zhì)粒子少，纖維間握持力和阻力不足導致纖維被抽拔。

2.7 涂層織物準靜態(tài)刺割機制分析

圖5 硬質(zhì)粒子涂層織物刺割過程Fig.5 Puncture procedure of hard particles coated fabric

刺破是在極小的位置范圍內(nèi)，刀具以極大的能量對織物造成的不可恢復的破壞[17]。防刺復合材料吸能方式主要包括纖維的變形、纖維的拉伸斷裂、分層、基體開裂、材料的剪切破壞、刀具與復合材料的摩擦和“背凸”的形成等[18]。

硬質(zhì)粒子涂在高性能纖維織物上，可顯著提高織物的防刺性能[19]，由于粒子之間存在間隙，可極大提高防刺織物的靈活性和柔韌性；并可有效減小防刺層厚度，減輕防刺服質(zhì)量。

將原樣織物和涂層織物分別進行準靜態(tài)刺割實驗，在刺割過程中，刺力與位移相關(guān)關(guān)系如圖4所示。

圖4 織物刺割力學性能Fig.4 Stab-resistant properties of fabric. (a) Original fabric; (b) Coated fabric

由圖4可見，涂層后織物的刺破強力與位移存在以下特點：1)刺破強力的峰值比未涂層時大。涂覆硬質(zhì)碳化硅粉末后，織物表面產(chǎn)生硬質(zhì)保護層，在刺刀進入織物時首先與硬質(zhì)碳化硅粒子接觸，必須先刺破碳化硅涂層，然后才可深入織物內(nèi)部；2)從開始接觸硬質(zhì)粒子到完全刺破的位移顯著增加。涂層后，織物表面防刺能力增強，可抵抗外界刀具的作用力，刀具短位移刺進織物，不能刺穿。

根據(jù)圖4(b)涂層織物的刺破強力與位移曲線圖，可將該過程分為8個階段[20]，如圖5所示。0～A段，起始刀具未接觸試樣，刀具移動靠近織物；A～B段，刀具剛接觸到表面涂層，織物有壓縮作用，還未刺進織物中；B～C段，刀具刺入硬質(zhì)粒子層，刀具接觸的表面粒子掙脫相互作用力，刀具在粒子層前進過程中受到粒子的摩擦阻礙作用相對穩(wěn)定，所以在此階段出現(xiàn)了一段時間的阻滯；C～D段，刀具刺破織物的涂層，進入涂層與織物之間，涂層失去保護作用，刺破強力在此階段減小；D～E段，刀具壓縮織物并隨著刀具深入切斷較表層纖維，隨著刀具前進纖維聚集到刀尖，刺破強力增加；E～F段，刀具開始刺破織物，露出刀具尖端，承擔作用的纖維在逐次被刀具切斷而沒有新的纖維加入，刺破強力減?。籉～G段，刀具因頂角的作用，刀尖逐漸集聚纖維，對纖維產(chǎn)生拉伸斷裂作用，織物所受刺破強力有所增加；G～H段，刀具完全刺穿織物，刺破強力迅速降低，刀具刺破織物結(jié)束。

3 結(jié) 論

本文利用碳化硅硬質(zhì)粒子涂層超高分子量聚乙烯平紋織物，制備軟質(zhì)防刺服，主要結(jié)論如下。

1)利用碳化硅、水、乙二醇不同質(zhì)量比制備碳化硅懸浮液，根據(jù)相對沉降高度確定三者質(zhì)量比為(1.5～2.5)∶1∶1時，碳化硅粉末在分散液中最穩(wěn)定。用作涂層液的主要原料，可使得碳化硅均勻分散。

2)制備涂層液時，碳化硅分散液與黏合劑質(zhì)量比為1∶1，基布材料經(jīng)緯密均為100根/(10 cm),涂層層數(shù)為3時可達到最佳防刺效果?？椢锿繉雍?，其面密度和抗彎長度均有所增加，但仍比較柔軟。

3)根據(jù)涂層織物的表面形態(tài)、刺破刀口狀態(tài)以及準靜態(tài)刺割實驗曲線圖，對織物的防刺機制進行分析可知，涂層織物刺破過程主要分為8個過程。

本文初步探索了硬質(zhì)粒子涂層材料在軟質(zhì)防刺服上的應(yīng)用，通過準靜態(tài)刺割實驗證實本文方法可得到良好的防刺效果。通過實驗找到了制備防刺效果最好的單層涂層防刺織物。后續(xù)研究將以這種單層防刺織物作為基本單元進行復合加工，制成成品防刺服。

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