紗羅組織對芳綸織物交織阻力的影響

KHAN Monir， MUHAMMAD Ali， 方小銀， 周 熠,2

(1. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院， 湖北 武漢 430200；2. 武漢紡織大學 紡織纖維及制品教育部重點實驗室， 湖北 武漢 430200)

在彈丸侵徹過程中，防彈服內的柔性夾層通過纖維形變、斷裂以及纖維之間的相互作用來吸收和轉化彈丸動能，從而達到彈道防護的效果。有學者認為柔性夾層的能量吸收性能的好壞是多種因素相互作用的結果[1-2]。在彈丸侵徹過程中，紗線抽拔作用是芳綸機織物主要的吸能機制之一[2]。由于柔性防彈服的主要功能是抵御子彈初始速度在200～450 m/s范圍內的小口徑手槍的彈道沖擊，因此研究高性能纖維機織物在紗線抽拔過程中的準靜態(tài)以及動態(tài)響應，有利于為進一步優(yōu)化設計防彈服提供新的理論參考。

從本質上來說，紗線抽拔是經緯紗之間的相互摩擦作用。雖然纖維之間的摩擦因數(shù)可通過測試獲得，但即便所用纖維完全相同，織物內紗線間的的交織阻力也會因織物經緯密度、織物組織結構的差異而不同。交織阻力是指織物在組織點處經緯紗之間的摩擦力[3-4]，即紗線在組織結構中因為摩擦和形變作用，抵御抽拔的能力?？椢飳喚€摩擦阻力，可以通過抽拔試驗中交織阻力-位移曲線來表征，一般用最大交織阻力來定義紗線所受交織阻力的大小[5-7]。影響交織阻力的因素有很多，比如紗線在抽拔過程中織物所受到的橫向張力[8-10]、經緯密度和織物組織結構[11-14]、抽拔速率[15-16]以及織物不同的表面處理。使用化學藥品對織物進行表面處理，是目前用來提升機織物結構柔性防彈夾層能量吸收性能的主要方式。此外，還有使用等離子體顆粒[17-18]、凝膠[19]、氧化鋅納米晶體線[20]等其他處理方式。其中最常用的手段是利用二氧化硅剪切增稠液(STF)提升材料在高應變率橫向沖擊作用下的剪切模量，擴大能量的傳遞范圍，以達到提升防彈性能的目的[21-23]。據文獻[16]報道，將紗線抽拔的速率從100 mm/m提升到1 400 mm/m，最大交織阻力的增幅可達到89.2%。在彈道侵徹過程中，紗線所受到彈丸橫向外力的抽拔速率遠遠大于1 400 mm/m，因此，使用STF不僅可提升織物的剪切模量，同時還可增強紗線所受的交織阻力，提高織物整體的能量吸收效果。

在一定程度上，通過紡織技術改變織物組織結構，將平紋組織與紗羅組織相結合，也可提升織物對紗線的握持效果[24-25]。這與化學處理方式不同，改變織物組織結構，既不會像STF那樣增加材料的單位面積質量，也不會如凝膠般影響織物的柔軟性。不僅如此，在全自動織機上使用紗羅綜絲織造，還可避免對織物的二次處理，在大規(guī)模批量生產的情況下，有利于進一步節(jié)省人力成本和時間成本。

本文將深入剖析機織物結構材料在紗線抽拔作用下的準靜態(tài)響應，并進行相關的理論分析。在此基礎上，通過紗羅組織和平紋結構的結合，研究提高紗線間交織阻力的可行性方案，為紡織結構柔性防彈夾層的開發(fā)提供參考。

1 紗羅結構增強紗線間交織阻力原理

由于機織物結構對紗線的握持狀態(tài)很大程度上決定了柔性防彈夾層對低速彈道沖擊的抵御能力，而握持狀態(tài)和紗線的屈曲聯(lián)系緊密。紗線屈曲越大，需要將紗線抽拔出來的作用力就越大，通過這種方式，消耗彈丸的動能也就越多。在某種程度上，這也解釋了現(xiàn)階段防彈性能最好的柔性材料是由超高分子量聚乙烯纖維制備的無緯布的原因。由于纖維被柔性樹脂所固定，限制了其活動能力，吸能過程只能通過材料的彈塑性變形和破壞來實現(xiàn)，可最大程度上體現(xiàn)纖維優(yōu)良的力學性能。對于機織物結構而言，增加紗線屈曲最簡單的方式是提高經緯紗密度，但是在彈丸侵徹過程中，過大的紗線屈曲不僅會降低應力波在織物平面內的傳播速度，而且會使織物橫向形變過大，增加防彈衣對人體的鈍傷效果，降低防護性能。

紗羅組織是地經和絞經對緯紗橫向交織的一種組織。紗羅組織與緯紗間交織阻力的提升，主要體現(xiàn)在2個方面：第一，緯紗對紗羅組織的包圍角增大。根據絞盤方程可知，繩索對絞盤的包圍角和繩索的張力呈指數(shù)增長關系，故紗羅組織的引入可增強緯紗對抽拔效果的抵御能力。第二，由于紗羅經紗需要從單獨的筒子上引出，并且施加一定的預加張力。在打緯過程中，紗羅經紗同時能夠施加給緯紗一定的擠壓作用，提升對其的握持效果。圖1示出紗羅組織與平紋組織結合的結構。

圖1 平紋/紗羅結構圖Fig.1 Schematic diagram of plain/ leno weave

2 試樣準備

本文試驗所用芳綸織物的原料為Kevlar?129長絲(由美國杜邦公司提供)。平紋織物和平紋/紗羅復合結構織物在Northrop L16多臂織機上制備。分別使用線密度為1 580、3 160 dtex的長絲束作為紗羅經紗，研究紗羅經紗線密度對緯紗抽拔性能的影響?？椢锵嚓P規(guī)格見表1。

表1 織物規(guī)格Tab.1 Fabric specification parameters

3 紗線抽拔試驗

使用YG028型萬能材料試驗機進行試樣緯紗的抽拔試驗，表征不同機織物結構對紗線的握持性能，試驗方式如圖2所示。沿著織物的緯向，將其制作成大小為6 mm×12 mm的試樣。試樣的上下兩端分別留60 mm的紗尾。試驗過程中，使用上夾頭夾住需要抽拔緯紗的上端紗尾，將下端紗尾剪除，利用下夾頭夾住其余緯紗的紗尾。使用這種夾持方法的優(yōu)點在于，試樣底端不會產生面內剪切變形，方便分析數(shù)據。但這種方法的缺點也非常明顯，夾持裝置無法給試樣施加橫向預加張力，因此，測試的多樣性受到限制。對緯紗進行單紗和或者相鄰的數(shù)根紗線進行多紗抽拔試驗。每組試驗取10個樣品進行紗線抽拔測試。上夾頭的拉伸速度為100 mm/min，拉伸距離為60 mm。

圖2 紗線抽拔試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of yarn pull-out test

4 結果與討論

4.1 平紋機織物單紗抽拔試驗分析

圖3示出試樣1在單紗抽拔過程中的交織阻力-位移曲線。當上夾頭對緯紗施加外力后，紗線張力迅速到達一個峰值，此峰值被稱作最大交織阻力，在交織阻力-位移曲線上，這個區(qū)域稱為退屈曲區(qū)。在這個過程中，經緯紗的屈曲完成了一定程度的轉換。也就是說，緯紗不斷伸直，而與其交織的經紗屈曲逐漸變大。

圖3 平紋機織物單紗抽拔試驗中交織阻力-位移曲線Fig.3 Load as function of displacement for single yarn pull-out test

圖4示出使用鉸鏈模擬交織點形變前后的狀態(tài)。對于緯紗退屈曲過程的研究，目前大部分學者還只是局限于利用現(xiàn)有模型對交織阻力-位移曲線的擬合。比較成功的數(shù)理模型包括Pan等[26]和Zhu等[8]的剪滯模型和Valizadeh等[27]的歐拉公式模型。雖然有限元模型曾被運用到紗線抽拔的研究[26-28]中，但也不可忽略其局限性，即模型中紗線的壓縮模量和剪切模量一般要大于其真實值，否則計算結果將不收斂?；谶@種情況，有限元模型的準確性會降低。

圖4 用鉸鏈模擬機織物交織點Fig.4 Pin-joint simulated crossover. (a) Before deformation; (b) After deformation

如果從交織點形變的角度來分析這個問題，一般認為在經緯紗屈曲相互交換的過程中，經紗給予緯紗的法向壓力Fc在不斷變大，因此交織點的摩擦力也隨之增大，交織點的受力如圖4(b)所示。在試樣底端最后一個交織點上，由于沒有F2的作用，緯紗的平衡只是由經紗給予的摩擦力和F1達成。當F1大于摩擦力時，紗線開始滑動，此時經緯紗之間的摩擦界面由靜摩擦轉換為動摩擦，在交織阻力-位移曲線上，進入黏滑區(qū)。在黏滑區(qū)內，隨著位移的增大，交織阻力呈現(xiàn)出一種震蕩衰減趨勢。由于緯紗在抽拔過程中仍然存在屈曲，緯紗和經紗在相對運動過程中存在2種狀態(tài)，即嚙合態(tài)和脫離態(tài)，如圖5所示。當緯紗和經紗處于脫離態(tài)時，緯紗屈曲最小，經紗屈曲最大，因此Fc也最大，緯紗抽拔力處于峰值；當緯紗和經紗處于嚙合態(tài)時，經緯紗形變回復，F(xiàn)c也由此變小，紗線抽拔力處于谷值。由嚙合態(tài)向脫離態(tài)轉換的過程中，經紗處于一種“上坡”的狀態(tài)，在載荷-位移曲線上顯示為黏滯區(qū)；由脫離態(tài)向嚙合態(tài)轉換的過程中，經紗處于一種“下坡”的狀態(tài)，在載荷-位移曲線上顯示為滑移區(qū)。黏滯區(qū)和滑移區(qū)共同組成了黏滑區(qū)。

圖5 緯紗抽拔過程中嚙合態(tài)和脫離態(tài)的相互轉換Fig.5 Transition between in-phase and out-of-phase during weft yarn pull-out

由圖3可知，黏滑區(qū)表現(xiàn)出一種類似正弦曲線的變化規(guī)律，同時其交織阻力遞減的趨勢是非線性的。由于緯紗在抽拔過程中做勻速運動，根據靜力平衡，經紗在交織點上對緯紗施加的摩擦力等于上夾頭對緯紗施加的外力。也就是說，經緯紗交織點每減少1個，剩余經紗在相應交織點處對緯紗的摩擦力就會減小1次，促使總體摩擦力呈現(xiàn)出一種對數(shù)遞減的趨勢。可通過如下方式解釋這種現(xiàn)象：假如一根纖維在膠結體中的長度為L，在抽拔過程中最大交織阻力為p，在纖維上任意一點A到纖維末端距離是x(見圖6)，根據剪滯模型[29]，點A處的受力F為

(1)

式中，β為纖維與膠結體之間的固有參數(shù)。

圖6 橫向抽拔力作用于一端被固定在膠結體內的纖維上示意圖Fig.6 Schematic diagram of fiber pull-out from cementitious body

由式(1)可知，膠結體內纖維上任意一點的受力F是這點到纖維末端距離x的函數(shù)。如果將膠結體變成經緯紗交織的平紋織物結構，F(xiàn)可類同于圖4(b)中的F1和F2。在不同的交織點上，F(xiàn)1和F2是不同的，因此不同交織點上Fc也相應發(fā)生變化，從而導致緯紗在A點受到經紗的摩擦力也是變化的。由此可知，緯紗上任意一點所受經紗的摩擦力也是x的函數(shù)，可設置為f(x), 而不同于文獻[8]、[30]所描述的常數(shù)。緯紗在做黏滑運動時，假設在x處緯紗受到經紗的摩擦力為f(x)，所受到的總摩擦力Fs是沿著緯紗中軸線上各個交織點所受經紗摩擦力的總和，積分可得：

(2)

式中：D為緯紗末端滑移的距離,即圖3的橫坐標。如果f(x)是x的線性函數(shù)，那么積分得

(3)

式中，C為常數(shù)。

根據式(3)，總摩擦力Fs與位移呈非線性關系，與圖3所示黏滑區(qū)的遞減趨勢相符。上述推導的關鍵在于尋找緯紗在交織點受拉力F(x)與在交織點受到經紗切向摩擦力f(x)之間的關系。需注意的是，式(3)只適用于描述黏滑區(qū)的變化趨勢，而不適用于描述退屈曲區(qū)的變化趨勢，其中最大的區(qū)別在于前者經緯紗之間是動摩擦作用，后者是靜摩擦作用。

4.2 平紋機織物多紗抽拔試驗分析

由于彈丸的直徑一般比單紗橫截面的直徑大，彈丸對防彈層的橫向沖擊是同時作用在多根紗線上的。研究表明，在同一防彈夾層內，接近沖擊面的織物容易被彈丸抽拔出的紗線根數(shù)相對于遠離沖擊面的織物要多[2]。研究多根紗線的準靜態(tài)抽拔，可加深防彈夾層能量吸收過程的認知。圖7示出試樣1在不同根數(shù)的紗線抽拔過程的交織阻力-位移曲線。

圖9 平紋和平紋/紗羅復合機織物多紗抽拔試驗中最大交織阻力對比Fig.9 Load as function of displacement of plain and hybrid weaves for multiple yarn pull-out test

圖7 平紋機織物多紗抽拔試驗中交織阻力-位移曲線Fig.7 Load as function of displacement for multiple yarn pull-out test

如圖7所示，單紗、2根紗、3根紗和4根紗的試驗結果分別是指在試樣1、試樣2和試樣3上對1根紗線、2根紗線、3根紗線和4根紗線同時抽拔時的最大交織阻力?？煽吹剑嗉喅榘魏蛦渭喅榘卧囼灥慕豢椬枇ψ兓w趨勢一致，都存在退屈曲區(qū)和黏滑區(qū)。紗線根數(shù)的增多必然會引起抽拔力的增加，2根、3根和4根紗線相對于單紗最大交織阻力的增幅分別是160%、289%和389%。將總交織阻力除以抽拔根數(shù)發(fā)現(xiàn)，多紗抽拔過程中單根紗線所受到的最大交織阻力和單紗抽拔過程中紗線所受到的最大交織阻力相比，增長幅度分別是27%、33%和43%。與后者相比，前者在多根緯紗同時退屈曲的過程中，紗線軸向受力F1和F2(見圖4)具有較大的增量，故經紗對緯紗的法向壓力Fc增大，從而增強織物對緯紗的握持性能?？椢飳暭單粘中阅艿脑鰪?，同時也使經緯紗在嚙合態(tài)和脫離態(tài)的相互轉換愈加艱難。這也解釋了在黏滑區(qū)內多紗抽拔試驗中交織阻力-位移曲線上下波動的幅度也隨紗線根數(shù)的增多而變得更為劇烈的原因。

4.3 平紋/紗羅機織物紗線抽拔試驗分析

圖8為平紋和平紋/紗羅復合機織物單紗抽拔試驗中交織阻力-位移曲線對比圖。3個試樣的初始模量相近。紡織纖維在受到拉伸作用時，當位移為0.6 mm時，3條曲線的交織組力差別不大，故當做黏滑運動緯紗的紗尾通過紗羅結構的時候，交織阻力-位移曲線上下波動的幅度會發(fā)生變化。

圖8 平紋和平紋/紗羅復合機織物單紗抽拔試驗中交織阻力-位移曲線Fig.8 Load as function of displacement of plain and hybrid weaves for single yarn pull-out test

圖9示出3種試樣多紗抽拔最大交織阻力對比。可看出，在單紗抽拔試驗中，試樣2和試樣3比試樣1的最大交織阻力高出近20%，試樣2和試樣3的試驗結果相差并不大。

隨著被抽拔的紗線根數(shù)的增多，試樣3在最大交織阻力上的優(yōu)勢開始體現(xiàn)出來。當4根紗線同時被抽拔時，試樣3的最大交織阻力為17.68 N， 比試樣2高出41.3%，比試樣1高出65.4%。此外，在試樣1多紗抽拔試驗中發(fā)現(xiàn)單紗受力增加的現(xiàn)象，在試樣2和試樣3中也存在。特別是在試樣3中，當4根紗線同時抽拔時，單根紗的受力比單紗抽拔受力增加了71.8%。結果表明，使用紗羅組織，特別是低支紗作為地經和絞經的紗羅組織，可增大緯紗對其的包圍角，有效地增強織物結構對緯紗的握持性能。除結構外，交織阻力大小與織物緊度密切相關。大量的研究工作表明，織物緊度越大，紗線間的交織阻力也就越大。由于本文研究重點是平紋結構和平紋/紗羅復合結構最大交織阻力的影響，織物緊度這個影響因素將在后續(xù)工作中詳細研究。

5 結 論

為提升平紋織物對紗線的握持性能，本文從改變織物結構入手，引入經向紗羅組織，增強緯紗抵御橫向抽拔外力的能力。平紋單紗抽拔試驗發(fā)現(xiàn)，在退屈曲區(qū)內，緯紗的最大交織阻力和經緯紗屈曲交換程度密切相關；在黏滑區(qū)內，交織阻力-位移曲線呈現(xiàn)出一種震蕩衰減趨勢。多紗抽拔試驗結果表明，最大交織阻力隨抽拔紗線根數(shù)的增多而增加，但均分在每根紗線上的力比單紗抽拔試驗中單紗所受的力要大。這是因為在多根紗線同時抽拔的狀態(tài)下，織物對緯紗握持性能的增強，同時也使經緯紗在嚙合態(tài)和脫離態(tài)的相互轉換愈加艱難。這種現(xiàn)象在平紋/紗羅復合結構中，特別是由3 160 dtex芳綸長絲構成紗羅組織的復合結構中尤為突出。紗羅組織的引入，有效地增強了經紗對緯紗的握持性能。單紗抽拔試驗表明，平紋/紗羅復合結構的緯紗最大交織阻力比平紋結構增加約20%；4根紗線同時抽拔時，增量約為65%。改變平紋織物的組織與結構不失為一種增強織物對紗線交織阻力的方法。除了紗羅組織以外，還可在經向引入表里換層組織，在經緯向同時引入針織結構。前期試驗結果表明，針織結構對紗線間交織阻力的提升可達到100%。然而，紗線抽拔測試只能對機織物能量吸收性能做相關的預估，更為直接的方法是依據相關標準進行彈道測試，將在后續(xù)工作中做進一步研究。

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