相同緊度的Kevlar纖維織物與UHMWPE纖維織物的防刺性能對比*

田鷺新1 曹海建1 黃曉梅1 陳清清 張玲麗 車俊豪

1.南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司，江蘇 南通 226400

在社會發(fā)展的歷史進(jìn)程中，個體防護(hù)材料一直起著相當(dāng)重要的作用。無論是古時戰(zhàn)場上的兵刃相見，還是當(dāng)今各種暴力或恐怖事件的頻頻發(fā)生，都離不開防護(hù)材料的保護(hù)作用。一直以來，我國對槍支的管制十分嚴(yán)格，但對匕首、刺刀等尖銳利器卻鮮有管控，而尖銳利器所帶來的危害不容小覷。因此，防刺材料的研究具有極其重要的現(xiàn)實意義和理論價值，目前國內(nèi)外的相關(guān)研究已經(jīng)很多。

KIM等[1]、練瀅等[2]、劉娟等[3]、方心靈等[4]制備了纖維增強(qiáng)樹脂型柔性防刺材料，并對其防刺性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)所得材料的防刺性能只在初始穿透階段有所提高，而在切割階段和纖維束積累階段并無提升，且柔軟性變差。KANESALINGAM等[5]、CHUANG等[6]、徐玲玲[7]、劉榮欣[8]對織物進(jìn)行涂層整理，制得涂層復(fù)合防刺材料，發(fā)現(xiàn)涂層能改善織物的防刺性能，但織物的穿著舒適性有所下降。董繼萍等[9]對織物表面防刺割樹脂片形狀進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)正六邊形樹脂片有利于提高材料的防刺性能。陳虹等[10]分析了國內(nèi)外防刺材料常用的樹脂體系，發(fā)現(xiàn)熱固性樹脂的強(qiáng)度較大，防刺性能優(yōu)異，但硬度較大，不易彎折；熱塑性樹脂的柔軟性較好，但強(qiáng)度較低，防刺性能較差。

從國內(nèi)外相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，目前的防刺材料大多采用樹脂與高性能纖維復(fù)合進(jìn)行制備，具有較好的防刺性能，但普遍存在質(zhì)量大、偏硬和透氣性差等缺陷。因此，本文選用由高性能纖維織物制備的防刺材料，對其防刺性能進(jìn)行研究。

1 試驗

1.1 原材料及儀器與設(shè)備

(1)原材料：Kevlar纖維，線密度為111.11 tex(1 000 D)，由煙臺泰和新材股份有限公司提供；UHMWPE纖維紗線，線密度為88.89 tex(800 D)，由江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司提供。

(2)儀器與設(shè)備：SGA598型半自動小樣機(jī)，購自江陰市通源紡機(jī)有限公司；TDM-100型耐切割性能測試儀，購自上海圖新電子科技有限公司；NT-FD1型穿刺試驗機(jī)，自制。

1.2 織物制備

在SGA598型半自動小樣機(jī)上，采用Kevlar纖維紗線、UHMWPE纖維紗線分別織造Kevlar纖維織物和UHMWPE纖維織物(織物組織結(jié)構(gòu)均為平紋)，其規(guī)格見表1。

表1 織物規(guī)格

1.3 靜態(tài)防割性能測試

按照ISO 13997—1999《紡織品 機(jī)械防護(hù)性能-耐切割性能的測定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試[11]。分別沿經(jīng)、緯向?qū)⒖椢锊眉舫沙叽鐬?00 mm×50 mm的試樣，以(2.5±0.5)mm/s的切割速度進(jìn)行切割試驗。用不同的切割力切割15次，使切割長度均勻分布在5～15、15～30、30～50 mm。記錄每次試驗的切割力和切割長度，繪制標(biāo)準(zhǔn)化切割長度與切割力的最優(yōu)擬合曲線，并根據(jù)最優(yōu)擬合曲線確定記錄切割長度為20 mm所需的切割力，結(jié)果精確至0.1 N。

1.4 動態(tài)防刺性能測試

參考GA 68—2008《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn)測試[12]。將織物裁剪成尺寸為200 mm×200 mm的試樣。將試樣逐層疊加至20層，得到疊合試樣并平置于背襯材料上方，再用綁帶將疊合試樣固定在背襯材料上。在疊合試樣上選擇5個有效刺著點，刺入角為0°(即刀具垂直于織物表面刺入，無任何偏斜)。有效刺著點應(yīng)滿足：刺著點與織物邊緣距離≥50 mm；刺著點與背襯材料邊緣距離≥50 mm；刺著點之間的距離≥50 mm。試驗時，重錘(其下端固定著刀具)從距離織物表面30 cm的位置做自由落體運(yùn)動，刀具便以一定動能刺入織物。采集每次試驗的數(shù)據(jù)，繪制穿刺力-作用時間關(guān)系曲線。

1.5 破壞形貌表征

用1 200萬像素的相機(jī)拍攝織物破壞形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)防割性能

2.1.1 切割長度-切割力關(guān)系

圖1、圖2所示分別為Kevlar纖維織物、UHMWPE纖維織物的切割長度-切割力關(guān)系曲線。

(a)經(jīng)向

(b)緯向

(a)經(jīng)向

(b)緯向

由圖1、圖2可知，對于Kevlar纖維織物，經(jīng)向切割力約為6.0 N[圖1(a)]，緯向切割力約為7.1 N[圖1(b)]；對于UHMWPE纖維織物，經(jīng)向切割力約為2.7 N [圖2(a)]，緯向切割力約為3.7 N [圖2(b)]。由此說明：

(1)Kevlar纖維織物的靜態(tài)防割性能優(yōu)于UHMWPE纖維織物。原因在于，Kevlar纖維分子鏈上有大量酰胺基團(tuán)與苯環(huán)，苯環(huán)屬剛性結(jié)構(gòu)且交替排列，因此分子鏈難以內(nèi)旋轉(zhuǎn)而以有序狀態(tài)緊密堆積在一起，整體呈剛性直鏈結(jié)構(gòu)；此外，苯環(huán)與酰胺基團(tuán)之間形成π-π共軛結(jié)構(gòu)，酰胺基團(tuán)之間形成氫鍵，相鄰氫鍵平面又以范德華力結(jié)合形成晶粒，這極大地提高了分子間作用力。UHMWPE纖維分子結(jié)構(gòu)相對較簡單，分子主鏈主要由—CH2—CH2—組成，沒有剛性較大的基團(tuán)，分子鏈內(nèi)也無強(qiáng)的結(jié)合鍵，分子間主要存在范德華力，其作用力也比較小，受到外力作用時，分子間容易滑移[13-15]。

(2)Kevlar纖維織物、UHMWPE纖維織物的緯向靜態(tài)防割性能均優(yōu)于其經(jīng)向。原因在于，織物的經(jīng)、緯向靜態(tài)防割性能一定程度上與織物的織造工藝特點有關(guān)。經(jīng)紗在穿綜、穿筘時會發(fā)生磨損，在引緯、打緯時又需要經(jīng)歷無數(shù)次開口、閉口，其造成經(jīng)紗間的磨損加劇，在這兩種形式的紗線磨損的共同作用下，經(jīng)紗的強(qiáng)度下降。緯紗在織造過程中通過相關(guān)裝置直接引入，不存在緯紗與器材或緯紗間的磨損現(xiàn)象。

2.1.2 破壞形貌

Kevlar纖維織物、UHMWPE纖維織物在切割作用下的破壞形貌分別如圖3、圖4所示。

(a)經(jīng)向

(b)緯向

(a)經(jīng)向

(b)緯向

由圖3、圖4可知：

(1)沿織物經(jīng)向切割，經(jīng)紗斷裂，緯紗以浮長線形式出現(xiàn)在織物表面，如圖3(a)、圖4(a)所示；沿織物緯向切割，緯紗斷裂，經(jīng)紗以浮長線形式出現(xiàn)在織物表面，如圖3(b)、圖4(b)所示。

(2)織物緯向的靜態(tài)防割性能優(yōu)于經(jīng)向。在相同的切割力作用下，對于Kevlar纖維織物，經(jīng)紗斷裂5根[圖3(a)]或緯紗斷裂7根[圖3(b)]時，織物即完全破壞；對于UHMWPE纖維織物，經(jīng)紗斷裂3根[圖4(a)]或緯紗斷裂5根[圖4(b)]時，織物即完全破壞。

2.2 動態(tài)防刺性能

2.2.1 穿刺力-作用時間關(guān)系

圖5所示為Kevlar纖維織物和UHMWPE纖維織物的穿刺力-作用時間關(guān)系曲線。

(a)Kevlar纖維織物

(b)UHMWPE纖維織物

由圖5可知：

(1)Kevlar纖維織物與UHMWPE纖維織物具有類似的防刺性能。在刀具刺入織物的過程中，刀具所產(chǎn)生的穿刺力出現(xiàn)兩個波峰。①在A—B段，即第一個波峰之前，穿刺力隨著作用時間的增加而增大，織物并未穿透；②當(dāng)穿刺力到達(dá)第一個波峰時(B點)，刀尖露出織物底層，開始接觸背襯材料；③在B—C段，穿刺力隨著作用時間的增加而下降，此時主要為織物抵御刀具的刺入，背襯材料受到的作用力較??；④在C—D段，穿刺力隨著作用時間的增加而增大，并到達(dá)第二個波峰(D點)，此過程中，織物與背襯材料共同抵御刀具的刺入，穿刺力增加迅速；⑤在D—E段，當(dāng)穿刺力到達(dá)第二個波峰后，刀具在織物與背襯材料的共同抵御作用下停止進(jìn)一步刺入，穿刺力隨著作用時間的增加而迅速下降，整個穿刺過程結(jié)束。

(2)對于Kevlar纖維織物，第一個峰值為183 kN[圖5(a)]；對于UHMWPE纖維織物，第一個峰值為157 kN[圖5(b)]。這說明Kevlar纖維織物的防刺性能優(yōu)于UHMWPE纖維織物。

(3)對于Kevlar纖維織物，穿刺力到達(dá)第一個波峰的對應(yīng)作用時間為283 ms；對于UHMWPE纖維織物，穿刺力到達(dá)第一個波峰的對應(yīng)作用時間為303 ms，兩種織物的穿刺力峰值出現(xiàn)時間接近，差異不大。Kevlar纖維織物和UHMWPE纖維織物對刀具穿刺的總響應(yīng)時間均為497 ms，說明兩類織物對刀具穿刺破壞的響應(yīng)時間相近。

(4)穿刺力-作用時間關(guān)系曲線存在波動現(xiàn)象，說明穿刺破壞過程中織物發(fā)生了移動，各層織物有所偏移。本試驗中，Kevlar纖維織物和UHMWPE纖維織物未經(jīng)樹脂浸膠處理，疊加后各層間的結(jié)合牢固性不足，受外力作用時各層容易發(fā)生滑動。此外，這與織物表面的平整度可能也有一定的關(guān)系。

2.2.2 破壞形貌

穿刺作用下Kevlar纖維疊合織物和UHMWPE纖維疊合織物中第一層織物的破壞形貌如圖6所示。

由圖6可知，在相同的穿刺力下，(1)Kevlar纖維織物表面既有切口又有凹坑，UHMWPE纖維織物表面的切口較平整，這是由于Kevlar纖維織物對刀具破壞產(chǎn)生的反作用力大于UHMWPE纖維織物；(2)Kevlar纖維疊合織物中第一層織物上的紗線斷裂5根，UHMWPE纖維疊合織物中第一層織物上的紗線斷裂6根。這說明Kevlar纖維織物比UHMWPE纖維織物具有更好的動態(tài)防刺性能。

3 結(jié)論

(1)相同緊度的Kevlar纖維織物的靜態(tài)防割性能優(yōu)于UHMWPE纖維織物，兩類織物的緯向靜態(tài)防割性能均優(yōu)于經(jīng)向。

(2)Kevlar纖維織物與UHMWPE纖維織物有類似的防刺性能，前者的防刺性能優(yōu)于后者。

(3)Kevlar纖維織物與UHMWPE纖維織物對刀具穿刺破壞的響應(yīng)時間相近。