針刺工藝對UHMWPE非織造材料防刺性能的影響

甄 琪， 張 恒， 張一風(fēng)， 錢曉明， 劉讓同

(1.中原工學(xué)院 a.服裝學(xué)院；b.紡織學(xué)院，鄭州 451191；2.武漢紡織大學(xué) 紡織纖維及制品教育部重點實驗室，武漢 430073；3. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

近年來，各種暴恐傷害事件、利器穿刺等安全事故的頻發(fā)，使得防刺材料的研究變得尤為重要。而基于高性能纖維的針刺非織造材料由于獨特的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[1-2]，對尖銳物體的穿刺力具有很好的傳遞、分散和抗剪切能力，同時其較好的柔性，又使其具有更廣的適用性、隱蔽性和可日常穿著等優(yōu)點。目前用于柔性防刺材料的高性能纖維主要有聚對苯二甲酰對苯二胺纖維(poly-p-phenylene terephthamide，PPTA)、超高分子量聚乙烯纖維(ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE)和聚對苯撐苯并雙噁纖維(poly-phenylene benzo oxazole，PBO)等[3-4]。其中，UHMWPE纖維是由相對分子量在100萬～500萬的聚乙烯紡制而成的纖維，該纖維的比強(qiáng)度是相同線密度鋼絲繩的10倍以上，還具有高比能量吸收性、優(yōu)良的耐沖擊和抗切割性能，并且是目前所有高強(qiáng)高模纖維中密度最小的纖維，UHMWPE纖維的密度為0.97～0.98 g/cm3[5-6]。因此，使用該纖維制造的材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)和耐沖擊的特性，是理想的柔性防刺用纖維。

在過去十多年中有許多文獻(xiàn)指出，UHMWPE針刺非織造材料可以用于柔性防刺領(lǐng)域[7-8]。張玉芳等[9]對UHMWPE針刺非織造材料的撕破強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力和多層樣品的抗刺穿能力進(jìn)行了研究，認(rèn)為UHMWPE針刺非織造材料的抗穿刺能力與平方米質(zhì)量和纖維強(qiáng)度成正比例關(guān)系。但有學(xué)者認(rèn)為，非織造材料屬于面內(nèi)各向同性的材料，對錐子等尖銳武器具有很好的防護(hù)作用，但是其面內(nèi)纖維的排列比較疏松，抱合力差，所以抗刀刃切割的能力比較差[10]。因此學(xué)者將UHMWPE非織造材料的研究轉(zhuǎn)向通過多種結(jié)構(gòu)、多種固網(wǎng)方式和多種纖維復(fù)合的研究方式提高防刺性；如，張月慶[11]和邢京京等[12]均將UHMWPE機(jī)織布與UHMWPE非織造纖維網(wǎng)通過針刺的方法進(jìn)行復(fù)合，通過非織造纖維網(wǎng)與機(jī)織布的纏結(jié)和多層疊加來提高防刺效果。上述的研究都證實了致密的結(jié)構(gòu)可以提高防刺性，但是都沒有明確其致密程度與纖維防刺性能的關(guān)系。據(jù)此，本文將對UHMWPE針刺非織造材料的結(jié)構(gòu)特征和防刺性性能進(jìn)行分析，為防刺性能的優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

1 實 驗

1.1 材料和儀器

材料：超高分子量聚乙烯(北京同益中特種纖維技術(shù)開發(fā)有限公司)，纖維長度51 mm，細(xì)度3.3 tex，強(qiáng)度2.7 GPa。

儀器：干法針刺實驗線(常熟萬龍機(jī)械有限公司)，臺式掃描電子顯微鏡TM3030(日本株式會社日立制作所)，Instron3369型萬能電子強(qiáng)力儀(美國英斯特朗公司)和標(biāo)準(zhǔn)刀具，YG141LA數(shù)字式織物厚度儀(常州第二紡織機(jī)械廠)。

1.2 實驗和方法

制備：采用干法梳理—交叉鋪網(wǎng)—針刺法非織造技術(shù)將UHMWPE短纖制成柔性防刺材料，針刺深度5.16、9.84、11.17 mm，對應(yīng)有效刺針進(jìn)齒數(shù)分別為2、4、5個。預(yù)針刺植針密度1 750 枚/m，主刺機(jī)植針密度3 665 枚/m。

測試：對UHMWPE針刺非織造材料的力學(xué)性能、防刺性能和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究。通過臺式掃描電子顯微鏡TM3030分析材料的結(jié)構(gòu)和纖維的截面形態(tài)。參考ASTM Standard F1790-05和ISO Standard 13997進(jìn)行力學(xué)性能和靜態(tài)穿刺力測試，刀具刺入速率為5 mm/min。厚度依據(jù)GBT 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分：厚度的測定》進(jìn)行，壓腳面積1 000 mm2。平方米質(zhì)量依據(jù)GBT 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第1部分：單位面積質(zhì)量的測定》進(jìn)行。拉伸斷裂強(qiáng)力依據(jù)GBT 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》進(jìn)行測試。表1所示為試樣的特征參數(shù)，孔隙率依據(jù)下式獲得：

表1 樣品的特征參數(shù)Tab.1 The characteristic parameters of samples

p=1-(m/ρδ)

(1)

式中：p為孔隙率，%；m為平方米質(zhì)量，g/m2；δ為厚度，m；ρ為纖維密度，g/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝對樣品結(jié)構(gòu)特征影響

圖1為樣品18#的表面及截面形態(tài)電鏡圖。首先，從圖1可以看出樣品內(nèi)部的纖維在水平面上呈現(xiàn)出雜亂分布，這種雜亂分布對于有效抵抗來自未知角度的穿刺有著有利的一面；其次，還可以從截面電鏡圖看出，樣品的厚度方向上存在多層平行排列的纖維層，也就是存在清晰的層次結(jié)構(gòu)。另外，結(jié)合表面電鏡和截面電鏡可以看出，UHMWPE纖維在針刺的作用下，形成在厚度方向上的相互穿插和纏結(jié)，表明厚度方向上多層平行排列的纖維層之間的結(jié)合通過厚度方向上相互穿插的UHMWPE纖維實現(xiàn)。綜上可知，梳理-針刺工藝方法制備的UHMWPE纖維非織造材料的某些結(jié)構(gòu)特性可能受針刺工藝影響較大。

圖2為樣品的孔隙率隨針刺密度(a)和針刺深度(b)的變化曲線。首先，從圖3可以看出，針刺深度和針刺密度對不同平方米質(zhì)量的UHMWPE針刺非織造材料孔隙率均有影響；其次，樣品的孔隙率在5.16～11.17 mm的針刺深度內(nèi)隨著針刺深度的增加而逐漸降低，樣品的孔隙率在針刺密度521.91～1 012.63 刺/cm2內(nèi)隨著針刺密度的增大而降低。這可能是由于隨著針刺深度和針刺密度的增加，纖維的纏結(jié)更加緊密[13-14]。

圖1 樣品的結(jié)構(gòu)SEM圖Fig.1 SEM images of sample structure

圖2 孔隙率隨針刺工藝的變化曲線Fig.2 Porosity varying with needling process

2.2 工藝對力學(xué)性能的影響

材料的抗拉伸強(qiáng)度反應(yīng)的是材料抵抗外力的能力。理論上講，拉伸強(qiáng)度越高的材料其吸收能量的潛力也就越大，也就是纖維間通過固網(wǎng)作用形成纏結(jié)點的“結(jié)”越多[15]。圖3和圖4是樣品的縱橫向拉伸強(qiáng)力和縱橫向拉伸強(qiáng)度隨針刺密度和針刺深度的變化。

圖3 樣品的力學(xué)性能隨針刺密度變化Fig.3 Change of mechanical property of the samples with the needling density

從圖3可以看出，樣品的縱橫向拉伸強(qiáng)力和拉伸強(qiáng)度均隨著針刺密度(521.91～1 012.63 刺/cm2)的增加而增加，這主要是因為隨著針刺密度的增加，樣品單位面積上所受到的針刺數(shù)增加，纖維之間在各個方向上的纏結(jié)與束縛加強(qiáng)，因而拉伸強(qiáng)力和強(qiáng)度均增大。拉伸強(qiáng)力和強(qiáng)度在針刺密度為1 012.63 刺/cm2時達(dá)到最大，強(qiáng)度在此時的增長趨勢也最大。這可能是因為隨著針刺密度的增加，纖維內(nèi)部所形成的貫穿纖維簇增多，過高的針刺密度造成部分纖維的斷裂，所以樣品的拉伸強(qiáng)力隨針刺密度的增長而增長的趨勢減低。

從圖4可以看出，隨著針刺深度(5.16～11.17 mm)的增加，樣品的縱向拉伸強(qiáng)力和強(qiáng)度均增大。這是因為在針刺過程中，刺針上的刺鉤帶動纖網(wǎng)表面及次表面的纖維在纖網(wǎng)垂直方向運(yùn)動，針刺深度越大，參與針刺過程中帶動纖維運(yùn)動的刺鉤數(shù)量越多，因而產(chǎn)生上下位移的纖維也就越多。刺針回升后，產(chǎn)生移位的纖維脫離刺鉤而以幾近垂直的狀態(tài)留在纖網(wǎng)中，從而有效地阻止水平纖維在拉應(yīng)力下的滑脫，所以拉伸強(qiáng)力和強(qiáng)度均增大。在針刺深度為5.16 mm時，樣品的拉伸強(qiáng)力和強(qiáng)度最小，這可能是因為在針刺深度較小時，刺針并不能徹底貫穿材料，刺針上前面的刺鉤對表層的纖維進(jìn)行抓取，并將纖維轉(zhuǎn)移到材料下表面，而針刺上后面的刺鉤抓取纖維后，卻不能很好地將其轉(zhuǎn)移。這主要是因為針刺過程所形成的垂直纖維簇是纖網(wǎng)加固的主要形式，而較低的針刺深度形成的纖維簇貫穿較小，所以纖維的相對纏結(jié)較少，樣品強(qiáng)力較低。但是對于同一種平方米質(zhì)量的材料來說，在針刺深度為9.84 mm和11.17 mm時，材料的強(qiáng)力增加不大，這可能是因為在針刺深度從9.84 mm增加到11.17 mm時，刺針上的刺鉤將纖維帶到底層的伸長量超過纖維本身負(fù)荷，其中的一部分纖維達(dá)到滑移極限，從而造成部分纖維的斷裂，影響纖維強(qiáng)力。

圖4 樣品的力學(xué)性能隨針刺深度變化Fig.4 Change of mechanical property of the samples with the needling depth

2.3 工藝對防刺性能的影響

圖5為不同平方米質(zhì)量樣品的靜態(tài)防刺力隨針刺密度和針刺深度的變化規(guī)律。首先，從圖5可以看出，靜態(tài)刺破力隨樣品平方米質(zhì)量變化而變化，并且表現(xiàn)為隨著平方米質(zhì)量的增大而增大的趨勢。這主要是因為樣品抵抗刀具穿刺主要依靠UHMWPE纖維所具有的高強(qiáng)度和耐切割性，而樣品平方米質(zhì)量的增加就是通過增加樣品的厚度而獲得刀具同時切割UHMWPE纖維的數(shù)量，進(jìn)而樣品平方米質(zhì)量的提高會引起靜態(tài)穿刺力的增大。其次，對于不同平方米質(zhì)量的樣品，在針刺深度5.16～11.17 mm和針刺密度521.91～1 012.63 刺/cm2內(nèi)的防刺能力均隨著針刺密度和針刺深度的增大而增大。這可能是由于在一定程度上針刺深度和針刺密度的增大使得樣品的孔隙率降低，也就是單位體積內(nèi)的UHMWPE纖維根數(shù)的增多，也就意味著刀具穿刺樣品的過程中要經(jīng)受更多的纖維摩擦力，進(jìn)而提高樣品的靜態(tài)防刺力。

圖5 靜態(tài)穿刺力隨針刺工藝的變化Fig.5 Change of static puncture force with needling process

通過上述分析可知，UHMWPE針刺非織造材料的厚度和孔隙率對靜態(tài)防刺力有顯著的影響，因此，本文以靜態(tài)防刺力為響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到厚度和孔隙率對靜態(tài)防刺力的二次多項回歸方程(防刺=1 163.07-26.76×孔隙率+0.65×單面面積質(zhì)量-0.001 63×孔隙率×單面面積質(zhì)量+0.15×孔隙率×孔隙率-0.001 09×單面面積質(zhì)量×單面面積質(zhì)量)。回歸分析表明：靜態(tài)防刺力的二次多項回歸方程決定系數(shù)R2=0.955 2。這表明二次多項回歸方程的擬合度和可信度均較高，可用于分析UHMWPE針刺非織造材料的厚度和孔隙率對靜態(tài)防刺力的理論關(guān)系。圖6為厚度和孔隙率與UHMWPE針刺非織造材料靜態(tài)穿刺力的相應(yīng)曲面。從圖6可看出，其他工藝不變的情況下，對于平方米質(zhì)量為109.9～230 g/m2的樣品，其靜態(tài)穿刺力在81.18%～86.69%內(nèi)隨著孔隙率的增大而逐漸增大，這與實驗值相符。

圖6 靜態(tài)穿刺力與平方米質(zhì)量和孔隙率的響應(yīng)曲面Fig.6 Response surface between static puncture force, and weight per square meter and porosity

3 結(jié) 論

1)以UHMWPE纖維為原料，采用梳理—交叉鋪網(wǎng)—針刺的加工工藝制備的柔性非織造材料，在厚度方面上存在清晰的層次結(jié)構(gòu)，并且纖維間相互穿插、結(jié)合緊密，可以用于柔性防刺材料。

2)針刺深度和針刺密度對樣品的孔隙率有顯著的影響，其特征為孔隙率隨針刺深度和針刺密度的增加而逐漸降低，同時針刺深度和針刺密度對樣品的縱橫向拉伸強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)力也有顯著的影響。

3)所建立的二次方模型的置信度高(R2=0.955 2)，在一定的針刺工藝條件下，UHMWPE針刺非織造材料的厚度和孔隙率對靜態(tài)防刺力有顯著的影響。

4)對UHMWPE針刺非織造材料的孔隙率與防刺的研究對柔性防刺材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控有一定的指導(dǎo)意義，但研究稍顯單一，原料的孔徑特性和舒適性還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]LI Rong, PANG Lijun, MA Hongjun, et al. Optimization of molar content of amidoxime and acrylic acid in UHMWPE fibers for improvement of seawater uranium adsorption capacity [J]. Journal of Radioanalytical & Nuclear Chemistry, 2016: 1-9.

[2]QIN Jianbin, ZHANG Guangcheng, ZHOU Lisheng, et al. Dynamic/quasi-static stab-resistance and mechanical properties of soft body armour composites constructed from Kevlar fabrics and shear thickening fluids [J]. RSC Advances, 2017, 7(63):39803-39813.

[3]GONG X, XU Y, ZHU W, et al. Study of the knife stab and puncture-resistant performance for shear thickening fluid enhanced fabric [J]. Journal of Composite Materials, 2014, 48(6): 641-657.

[4]BAO Limin, SATO Shunsuke, MORIOKA Hideaki, et al. Improving stab-resistant textile materials with a non-woven fabric structure [J]. Journal of Textile Engineering, 2016, 62(3):37-42.

[5]MESSIRY M E, ELTAHAN E. Stab resistance of triaxial woven fabrics for soft body armor [J]. Journal of Industrial Textiles, 2016, 45(5): 1062-1082.

[6]ZHU Deju, SZEWEIWA L, FRANCK V, et al. Puncture resistance of the scaled skin from striped bass: collective mechanisms and inspiration for new flexible armor designs [J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2013, 24(25): 30-40.

[7]甄琪, 錢曉明, 張恒. 防刺材料的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 棉紡織技術(shù), 2014, 42(10): 77-81.

ZHEN Qi, QIAN Xiaoming, ZHANG Heng. Research situation and prospect of stab-resistant materials [J]. Cotton Textile Technology, 2014, 42(10):77-81.

[8]甄琪, 錢曉明, 張恒. 柔性防刺材料的研究進(jìn)展[J]. 上海紡織科技, 2015,43(1): 4-7.

ZHEN Qi, QIAN Xiaoming, ZHANG Heng. Study progress of soft-stab-resistant materials [J]. Shanghai Textile Science & Technology, 2015,43(1):4-7.

[9]張玉芳, 朱牡, 龐雅莉. 用于個體防刺服的UHMWPE纖維針刺氈的性能研究[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2008(2): 24-27.

ZHANG Yufang, ZHU Mu, PANG Yali. Studies on the performance of UHMWPE needle felt for stab-resistant garment [J]. Technical Textiles, 2008(2): 24-27.

[10]KANG T J, HONG K H, MI R Y. Preparation and properties of fumed silica/Kevlar composite fabrics for application of stab resistant material [J]. Fibers & Polymers, 2010, 11(5):719-724.

[11]張月慶. 高強(qiáng)聚乙烯柔性防刺服的研制與性能測試[D]. 天津: 天津工業(yè)大學(xué), 2012.

ZHANG Yueqing. Development and Test of Flexible Stab Clothing of UHMWPE [D]. Tianjin: Tianjin Polytechnic University, 2012.

[12]邢京京, 錢曉明, 黃順偉, 等. UHMWPE長絲加筋非織造布的制備及性能[J]. 絲綢, 2017, 54(4): 5-10.

XING Jingjing, QIAN Xiaoming, HUANG Shunwei, et al. The preparation and performance of the UHMWPE filament reinforced nonwoven [J]. Journal of Silk, 2017, 54(4): 5-10.

[13]黃魁, 靳向煜. 基于三葉形截面刺針的針刺工藝對PTFE濾料性能的影響[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2013(5): 10-14.

HUANG Kui, JIN Xiangyu. Effect of based trefoil needle technique on PTFE filter media performance [J]. Technical Textiles, 2013(5): 10-14.

[14]張恒, 甄琪, 王俊南, 等. 梯度結(jié)構(gòu)耐高溫纖維過濾材料的結(jié)構(gòu)與性能[J]. 紡織學(xué)報, 2016, 37(5): 17-22.

ZHANG Heng, ZHEN Qi, WANG Junnan, et al. Structure and performance of high temperature resistant fibrous filters with gradient structure [J]. Journal of Textile Research, 2016, 37(5):17-22.

[15]KUO C F J, SU T L, TSAI C P. Optimization of the needle punching process for the nonwoven fabrics with multiple quality characteristics by grey-based taguchi method [J]. Fibers & Polymers, 2007, 8(6): 654-664.