三維機織物防刺性能研究

鐘智麗，薛兆磊，孫 涵，王子帥，張 肖

(天津工業(yè)大學 紡織學院，天津 300387)

0 引言

三維機織物即是除了普通的經(jīng)、緯紗線外，存在第三方向系統(tǒng)的紗線。它可以實現(xiàn)多層紗線的捆綁，制成復合材料后可以克服二維重疊織物的易分層、層間強度低的缺點。基于其優(yōu)良的機械性能，將其用于防刺材料具有很大的優(yōu)勢。

葉汶祥等[1]設(shè)計織造的三維機織防刺織物，選用經(jīng)紗為17 tex的滌棉紗，緯紗采用的是超高分子量聚乙烯纖維，其織物組織為五層經(jīng)紗，六層緯紗。經(jīng)緯密度為194根/10 cm，226根/10 cm。所織造織物厚實緊密，防刺效果良好。姜亞明等[2]對三維復合織物的防刺效果做了對比研究。設(shè)計織造了緯編針織防刺復合織物，并對針織物、機織物、非織造布進行復合，發(fā)現(xiàn)其防刺效果較未復合的材料效果好。復合材料可以提高織物的防刺性能，還可使防刺產(chǎn)品更加輕質(zhì)化。美國杜邦公司[3-4]開發(fā)的一種防刺織物，其組織結(jié)構(gòu)為交織結(jié)構(gòu)，織物中紗線成束編織在一起，由交織點固定紗線，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，彈性模量小，斷裂吸能高于10J/g。當前，關(guān)于防刺織物的研究僅限于二維機織物、三維編織物以及對其進行復合后材料的研究[5]。而在關(guān)于新型厚度高、密度大的三維機織物方面的研究并未深入展開，只在于低密度、層數(shù)少的三維機織物方面研究透徹。因此，關(guān)于新型厚度高、密度大的三維機織物方面的防刺性能研究還有待提高。

1 實驗部分

1.1 試驗材料和儀器

材料：高厚高密度防刺織物，規(guī)格如表1。

表1 織物的經(jīng)緯密

儀器：萬能強力機(采用防刺服標準刀具，材質(zhì)采用9Cr18Mo，硬度在50HRC-55HRC之間)

樹脂：ZY5003A型環(huán)氧樹脂，其常溫下為無色透明的液體，復合后材料柔韌性好，適用于織物增強[6]。

固化劑：與ZY5003A型環(huán)氧樹脂相配的固化劑是ZY5003B型低分子聚酰胺樹脂。

1.2 測試方法

1.2.1 動態(tài)防刺測試

(1)將試樣固定在背襯材料，刀具固定在電磁鐵，將刀具對準測試穿刺點，為使電磁鐵和刀具重力勢能達到24J，需要將電磁鐵升到1m的高度。

(2)釋放電磁鐵，使其穿刺試樣。

(3)在試驗結(jié)束后，從背襯材料去下觀察試驗情況。選取符合GA68-2008《警用防刺服》標準的點作為合適的測量點。

1.2.2 靜態(tài)防刺測試

(1)試樣尺寸：12cm×12cm，用螺母加在圓形夾具。

(2)刀具穿刺織物采用的恒定速率是100mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 動態(tài)測試分析

2.1.1 雙緯鎖心織物及其復合材料的測試結(jié)果

表2 動態(tài)防刺測試結(jié)果

從表2中可以看出，無論試樣是單經(jīng)雙緯鎖心還是雙經(jīng)雙緯鎖心織物，緯紗方向的穿刺刀尖刺出長度均小于經(jīng)紗穿刺方向。說明織物的經(jīng)緯紗的密度對織物的防刺性能具有十分重要的作用；在織物穿刺方向相同的情況下，與單經(jīng)雙緯鎖心織物相比，雙經(jīng)鎖心織物刀尖露出的部分均比較大，說明單經(jīng)鎖心織物的防刺性能更佳。但是，根據(jù)防刺服的要求，均未達到防刺服的要求[7]。

從圖1中還可以看出：經(jīng)樹脂復合后的三維織物的防刺性與純機織物相比，防刺性能大大提高。當穿刺方向為緯紗方向時，兩種規(guī)格的試樣的背面均僅留下微孔，說明試樣可以抵抗24J的能量，在實際使用過程中可以保護人體安全[8]。

2.1.2 雙緯鎖心織物及其復合材料的抗刺形貌分析

圖1 雙緯鎖心織物及其復合材料的抗刺形貌

防刺形貌如圖1所示：左列a、c、e、g四張圖中的穿刺方向是緯向，右列b、d、f、h四張圖的穿刺方向是經(jīng)向；a、b為單經(jīng)雙緯鎖心三維機織物穿刺的正面照片；c、d為雙經(jīng)雙緯鎖心三維機織物穿刺的正面照片；e、f為單經(jīng)雙緯鎖心三維機織物穿刺的反面照片；g、h為雙經(jīng)雙緯鎖心三維機織物穿刺的反面照片。

從圖1中可以看出：當?shù)毒叽┐炭椢飼r，織物受到?jīng)_擊作用，由于織物為高厚度高密度，阻礙了能量的傳播，導致織物在受刺處產(chǎn)生凹陷變形。由于Z向紗線的存在，對紗線具有一定的固定作用，減少了紗線的抽拔，所以受刺織物的背面凸出程度較??；從圖中a和b，c和d可以看出：對于相同織物穿刺方向為緯向時的刀痕面積小于經(jīng)向方向，說明密度影響織物的穿刺效果；從 e和 f， g和 h可以看出，穿刺方向一樣時，雙經(jīng)雙緯鎖心的織物背部凸出程度更大，是由于單經(jīng)雙緯鎖心三維織物的面密度大于雙經(jīng)雙緯鎖心三維織物面密度。

圖2雙緯鎖心三維機織物復材受動態(tài)穿刺破壞形貌

從圖2中對比圖a和c，b和d可以看出，雙緯鎖心織物復合材料的緯向抗穿刺效果明顯好于經(jīng)向。如 c圖所示，在多次穿刺試樣的過程中刀具出現(xiàn)“彈跳”現(xiàn)象，是因為刀具第一次與試樣接觸時阻力大，紗線不容易出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，可以減小刀具穿刺織物時的受損面積。

與三維織物背面凸出程度相比，復合材料的背面凸出程度更小，說明在刀具穿刺試樣過程中，復合后的織物紗線收到的拉伸作用小，說明樹脂的加入，對紗線具有一定程度的加固作用，同時，加大了織物的面密度。通過比較e和f，g和h可以發(fā)現(xiàn)，當穿刺方向一致時，經(jīng)向的背部受損面積更大，凸起程度更大。

2.2 靜態(tài)防刺測試分析

2.2.1 雙緯鎖心三維機織物靜態(tài)防刺測試結(jié)果

表3 雙緯鎖心三維機織物靜態(tài)防刺測試結(jié)果

從表3中可以看出：織物類別相同時，穿刺方向為緯向時的織物遭到剪切破壞的最大載荷和比吸能均大于經(jīng)向方向的穿刺，是因為所測試樣的緯密均大于經(jīng)密；由于單經(jīng)雙緯鎖心三維織物的面密度大于雙經(jīng)雙緯鎖心三維織物面密度，故單經(jīng)雙緯鎖心三維織物能承載的最大負荷和吸能性能均優(yōu)于雙經(jīng)雙緯鎖心三維織物。從數(shù)據(jù)中可以得出的結(jié)論是：織物的密度越大，防刺效果越好，單經(jīng)雙緯鎖心織物放刺性能優(yōu)于雙經(jīng)雙緯鎖心織物。

2.2.2 雙緯鎖心三維機織物靜態(tài)防刺機理及損傷形貌

圖3 雙緯鎖心三維機織物受靜態(tài)穿刺破壞形貌

圖3中b為單經(jīng)雙緯鎖心三維機織物穿刺的正面照片；c、d為雙經(jīng)雙緯鎖心三維機織物穿刺的正面照片；e、f為單經(jīng)雙緯鎖心三維機織物穿刺的反面照片；g、h為雙經(jīng)雙緯鎖心三維機織物穿刺的反面照片；其中，a、c、e、g緯向穿刺；b、d、f、h經(jīng)向穿刺。

在圖3中可以看到：在試樣的正反面，試樣斷口處的纖維斷裂根數(shù)較少，大部分紗線受到拉伸作用。主要原因為刺破織物過程中刀尖從纖維束間和纖維束內(nèi)穿過，刺入速度慢?？椢镒冃蔚闹饕蚴堑毒邔嗫谔幖喚€的排擠與摩擦拉伸作用。雙緯鎖心三維機織物的參數(shù)設(shè)計中緯密均大于經(jīng)密，在勻速低速刺穿實驗過程中，緯向受到剪切力和刀具對織物的排擠力大于織物在經(jīng)向受到剪切力和刀具對織物的排擠力。在靜態(tài)穿刺過程中，織物吸收破壞能量的方式主要有刀具與紗線的反作用，紗線及織物變形來吸收能量。

2.2.3 雙緯鎖心三維機織物復合材料靜態(tài)防刺測試結(jié)果

表4 雙經(jīng)鎖心三維機織物復合材料靜態(tài)防刺測試結(jié)果

與雙緯鎖心織物相比，經(jīng)樹脂復合后的織物經(jīng)受的最大最大載荷和比吸能均大大提高，當穿刺方向為緯向時，單經(jīng)雙緯鎖心試樣能承受的最大載荷由540N提高到1248N，雙經(jīng)雙緯鎖心試樣能承受的最大載荷由420N提高到954N，在原有基礎(chǔ)上增加了兩倍多，他們的比吸能也增加了兩倍多，說明合理范圍內(nèi)樹脂的加入對于改善織物的抗刺性能作用明顯。

圖4 雙緯鎖心三維機織物復合材料穿刺所受最大載荷

從圖4中可以看出：當負荷材料所受穿刺方向相同時，單經(jīng)雙緯鎖心復合織物的比吸能大于雙經(jīng)雙緯鎖心復合織物；三維復合材料織物的緯向遭受破壞的最大負荷均大于經(jīng)向遭受破壞所需要的載荷?？梢缘贸龅慕Y(jié)論：單經(jīng)雙緯鎖心復合織物防刺效果好，緯向防刺性能更好。

2.2.4 雙緯鎖心三維機織物復合材料靜態(tài)防刺機理及損傷形貌

圖5 雙緯鎖心三維機織物復材受穿刺破壞形貌

圖5所示為雙緯鎖心三維機織物復合后進行穿刺實驗后的照片。a、b為單經(jīng)雙緯鎖心三維機織物復合材料正面穿刺照片；c、d為雙經(jīng)雙緯鎖心三維機織物復合材料正面穿刺照片；e、f為單經(jīng)雙緯鎖心三維機織物復合材料反面穿刺照片；g、h為雙經(jīng)雙緯鎖心三維機織物復合材料反面穿刺照片；其中，左列a、c、e、g為緯向穿刺，右列b、d、f、h為經(jīng)向穿刺。

與未經(jīng)復合的織物相比，當受穿刺方向相同時，經(jīng)樹脂復合后的織物纖維斷裂比較整齊，斷裂根數(shù)較織物的有所增多，復合織物的凹陷程度要比未經(jīng)復合織物的凹陷程度小很多。因為織物中的紗線在與織物復合后，紗線被樹脂固定，在刀具穿刺過程中，織物主要受到剪切作用[9]。樹脂復合后的織物吸能途徑是基體開裂、纖維斷裂以及材料的背凸凹陷。

3 結(jié)論

在靜態(tài)防刺測試中，刀具對試樣的破壞有以下兩種方式：織物與刀刃垂直方向，織物主要表現(xiàn)為剪切作用，刀具對織物具有沖擊作用；織物與刀刃平行方向，織物主要表現(xiàn)為紗線排擠拉伸作用，兩種作用力的配合使織物最終被刺穿?？椢锟坷w維之間的反作用力、刀具和紗線的作用力以及織物的凹陷來吸能。刀具對復合材料刺穿作用的過程中，剪切力占主導，織物中紗線斷裂數(shù)量比未復合織物多。復合材料主要靠纖維的斷裂、基體的裂開以及試樣的凹陷吸能。在動態(tài)測試過程中，單經(jīng)雙緯鎖心織物的防刺性能更佳，具備一定的防刺能力。樹脂的合理加入，大大改善了織物的防刺效果。尤其是當受刺方向為緯向時，鎖心復合材料的背面僅留下微孔，具備很好的防刺性能。希望本次研究對其他研究防刺產(chǎn)品的研究人員提供一定的思路。