表面涂覆防刺紡織材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

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1.東華大學(xué)紡織學(xué)院， 上海 20162； 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 20162

近年來，安保人員面臨的主要威脅一般來自銳器或小型火器。目前，針對小型火器的防護(hù)裝備已比較成熟，如有針對手槍彈的防彈盾牌、頭部保護(hù)用的防彈頭盔等，但針對銳器的防護(hù)裝備還未成熟。市面上雖有一些防刺性能優(yōu)良的硬質(zhì)防刺裝備，但防刺主體為金屬材料，厚重且靈活性欠缺，穿著舒適度低，材料成本高昂，這不利于其大范圍的推廣和使用。因此，亟待開發(fā)一種新型防刺織物，使其在滿足防刺標(biāo)準(zhǔn)的同時兼具穿著舒適性。

目前，柔性材料復(fù)合而成的防刺服、表面涂覆整理類的材料及高性能纖維等已成為防刺材料研究的熱點(diǎn)[1-3]。MAYO等[4]采用在芳綸織物表面涂覆一層熱塑性樹脂的方法，得到了具有更優(yōu)防刺性能的表面涂覆材料，并采用涂覆不同種類的熱塑性樹脂及不同的熱塑厚度，獲得了不同用途的材料。王穎[5]制得的柔性復(fù)合防刺材料采用了將黏膠纖維非織造布和超高分子量聚乙烯織物二者復(fù)合的工藝，其中減小和緩沖銳器的作用以提高防刺性能的主要成分是黏膠纖維。劉玉龍[6]在樹脂基體中混入納米SiO2粒子，再涂層到芳綸織物的表面，發(fā)現(xiàn)樹脂基體中混入納米SiO2粒子能明顯提高織物的防刺性能。專利US5736474[7]提到，將形狀是金字塔形的球體金屬體包埋在非織造布的防刺材料中，上端朝外的球體金屬體和底部的金屬體相互交聯(lián)，可使刺入物的運(yùn)動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而達(dá)到防刺效果，但此方法制成的防刺服質(zhì)量較大，柔軟度較差。專利DE4413969[8]采用芳綸織物制成防刺服，其將芳綸織物與多層金屬箔進(jìn)行復(fù)合，成品具有一定的防刺效果，但試驗(yàn)用到的金屬箔成本很高，且制備起來比較困難，柔韌性欠佳。專利US5880042[9]通過在織物表面噴涂一層密集的等離子體層起到比較好的防護(hù)作用，但成本較高的等離子噴涂工藝及過長的生產(chǎn)時間、復(fù)雜的工藝都致使此產(chǎn)品無法量產(chǎn)。專利CN206182432.9[10]在基布上黏結(jié)環(huán)氧樹脂類大粒子，利用大粒子達(dá)到防刺效果，且粒子間空隙使其具備較好的透氣性，但也正因粒子間存在較大的空隙導(dǎo)致防刺存在較多薄弱環(huán)節(jié)，使得防刺效果不理想。

本課題組提出一種新型樹脂成型與基布復(fù)合的柔性防刺材料的制備方法，并通過試驗(yàn)已得出最佳制備工藝[11]。在這此啟發(fā)下，本文采用滌綸織物作為防刺材料的基布，通過表面涂覆顆粒碳化硅，利用熱熔設(shè)備制備柔性防刺材料，研究碳化硅含量、加壓時間和加壓溫度等因素對防刺材料剝離強(qiáng)力的影響。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用涂覆顆粒為碳化硅，其規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 涂覆顆粒的規(guī)格參數(shù)

試驗(yàn)所用基布為普通滌綸織物，其基本規(guī)格參數(shù)如表2所示。

表2 基布的基本規(guī)格參數(shù)

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 樣品準(zhǔn)備

根據(jù)每平方米基布上碳化硅的質(zhì)量，利用電子天平分別稱取一定質(zhì)量的碳化硅(表3)。

表3 碳化硅含量

1.2.2 與基布結(jié)合

選定普通滌綸織物為基布，首先進(jìn)行黏膠劑的刷涂，然后利用自制的鋪成機(jī)，將按照表3稱量好質(zhì)量的碳化硅均勻地鋪層到普通滌綸織物的表面。

1.2.3 熱壓

將鋪有碳化硅的滌綸織物均勻緩慢地平移到熱壓機(jī)器上，調(diào)至一定的熱壓溫度，確定一定的加壓時間，即得所需的防刺防割材料。

表4 加壓時間與加壓溫度參數(shù)表

1.3 測試標(biāo)準(zhǔn)

目前，國外防刺測試標(biāo)準(zhǔn)主要有英國PSDB 2003標(biāo)準(zhǔn)和美國NIJ 0115.00標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)主要有GA 68—2008《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)GA 68—2008《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn)，使用落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)(圖1)對試樣進(jìn)行動態(tài)穿刺測試[12]。

圖1 落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)示意

2 結(jié)果與分析

2.1 剝離強(qiáng)力

借鑒FZ/T 0108—2009《熱熔黏合襯剝離強(qiáng)力試驗(yàn)方法》[13]，設(shè)計(jì)試驗(yàn)測試柔性復(fù)合材料的剝離強(qiáng)力，即基布和碳化硅的黏合牢度。

使用HD026N+電子織物強(qiáng)力儀進(jìn)行剝離強(qiáng)力試驗(yàn)。首先，將未涂覆碳化硅的基布上下兩端均留出約50 mm的長度，以便于測試時夾持；接著，將HD026N+電子織物強(qiáng)力儀的上下夾鉗之間的距離調(diào)節(jié)為105 mm(略微大于試樣的長度)，再將拉伸速度調(diào)節(jié)至(100±10) mm/min；將預(yù)留好長度的防刺材料的基布分別夾在上下夾鉗中，使剝離線位于兩夾鉗中心處，試樣長度方向與夾鉗處于同一直線；最后，啟動HD026N+電子織物強(qiáng)力儀，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)用柔性防刺材料試樣的防刺主體為3種不同碳化硅含量的基布，其中基布都是滌綸織物。表5為因子水平表。開始試驗(yàn)后，記錄每一塊樣品的剝離強(qiáng)力，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較不同碳化硅含量、不同加壓時間、不同加壓溫度的柔性防刺材料的剝離強(qiáng)力，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。其中，K1行分別是A、 B、 C各自在水平1測得的剝離強(qiáng)力之和；K2行分別是A、 B、 C各自在水平2測得的剝離強(qiáng)力之和；K3行分別是A、 B、 C各自在水平3測得的剝離強(qiáng)力之和；N1、N2、N3分別是各水平的平均剝離強(qiáng)力。

表5 因子水平表

表6 剝離強(qiáng)力測試結(jié)果及分析

表6(續(xù))

涂層柔性防刺材料是由防刺主體材料與基布熱黏合形成的。防刺主體材料消耗和吸收了大量的駛?cè)肽芰?，起主要防刺作用；基布主要承載剛性顆粒，僅能夠耗散少部分的駛?cè)肽芰?，起主要的支撐和耗能作用?/p>

根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析與討論。對剝離強(qiáng)力的影響程度由大到小排序依次為碳化硅含量>加壓時間>加壓溫度。分析得到，碳化硅含量為250 g/m2時，剝離強(qiáng)力最大；加壓時間為150 s時，剝離強(qiáng)力最大；加壓溫度為210 ℃時，剝離強(qiáng)力最大。綜合即得最優(yōu)方案：碳化硅含量為250 g/m2、加壓時間為150 s、加壓溫度為210 ℃。

2.2 涂覆材料防刺試驗(yàn)

依據(jù)國內(nèi)公共安全行業(yè)GA 68—2008《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn)，防刺服應(yīng)使人體被保護(hù)的主要器官處于有效防刺層的覆蓋范圍內(nèi)， 且有效防刺層面積不小于0.3 m2，而采用本文獲得的多層防刺材料制成的防刺服能夠達(dá)到該覆蓋范圍和防刺面積的要求。本文采用多層涂覆材料疊加防刺層(即每層基布都涂覆碳化硅，再多層復(fù)合)進(jìn)行防刺試驗(yàn)。試驗(yàn)用防刺材料基布采用市面上常見的普通滌綸織物，制造成本遠(yuǎn)低于市場同類產(chǎn)品，且具有一定的柔軟度和舒適性，并采用上文獲得的最優(yōu)方案即碳化硅含量為250 g/m2、加壓時間為150 s、加壓溫度為210 ℃制備防刺材料進(jìn)行多層涂覆材料疊加防刺層防刺試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 多層涂覆材料疊加防刺層試驗(yàn)結(jié)果

表7中，1#～5#為5種相同組織結(jié)構(gòu)、不同防刺層數(shù)及不同防刺厚度的防刺材料試樣。試驗(yàn)結(jié)果表明：防刺層數(shù)越多，厚度和基布面密度越大，防刺性能越好；當(dāng)防刺層數(shù)增加到一定量且能達(dá)到防刺標(biāo)準(zhǔn)時，穿刺深度有所減小，但防刺性能沒有顯著增強(qiáng)。

究其原因在于，涂層顆粒碳化硅具有硬度大、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，在受到銳器攻擊時，涂覆在防刺層表面的碳化硅起到主要的防刺作用，而滌綸織物作為防刺層的基布起支撐作用，只能對銳器起輕微的防刺作用。防刺層增加，則基布厚度增加，防刺層的初始防刺能力會隨之而明顯增強(qiáng)，但當(dāng)防刺層增加到一定值后，基布的力學(xué)強(qiáng)度完全可承載碳化硅，此時碳化硅起主要防刺作用，防刺層防刺性能基本不再明顯提高。且當(dāng)達(dá)到防刺標(biāo)準(zhǔn)時，再增加防刺層數(shù)能減小穿刺深度是因?yàn)椋黾拥姆来虒悠鸬搅艘粋€緩沖作用，這在一定程度上減小了穿刺深度。但隨著防刺層數(shù)和其厚度的增加，防刺材料的柔軟性和透氣性會有所降低。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)防刺層數(shù)達(dá)到12層時，防刺材料能夠達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的防刺效果，且能夠保持一定的舒適性和柔軟性。12層是這種防刺材料防穿刺性能的臨界點(diǎn)，穿透深度為9.50 mm。

3 結(jié)論

本文采用碳化硅對基布進(jìn)行涂覆熱壓的方法制得防刺材料。通過優(yōu)化試驗(yàn)優(yōu)選出最佳碳化硅含量為250 g/m2、最優(yōu)加壓時間為150 s、最優(yōu)加壓溫度210 ℃，再利用熱壓工藝制得滿足FZ/T 01085—2009《熱熔黏合襯剝離強(qiáng)力試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中黏合牢度的防刺材料。另外，多層疊加防刺試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料防刺效果更加顯著，當(dāng)此防刺材料達(dá)到12層時能達(dá)到GA 68—2008《警用防刺服》的防刺標(biāo)準(zhǔn)，且具有一定的柔軟性和舒適性，生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本較低，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。

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