組織結(jié)構(gòu)對UHMWPE短纖紗織物防刺性能的影響

鄒畫眉 劉新金 謝春萍 蘇旭中 徐伯俊

摘要： UHMWPE短纖紗具有優(yōu)秀的抗切割性與較好的樹脂浸潤性，非常適用于制作防刺材料。文章試織了12種不同織物規(guī)格的試樣，進行準靜態(tài)穿刺實驗，探究5種因素（組織、緊度、紗線線密度、經(jīng)緯密和面密度）對織物防刺性能的影響，并比較不同穿刺角度下織物防刺性能的差異。結(jié)果表明：與方平織物與接結(jié)雙層織物相比，平紋織物的防刺性能最好;同種經(jīng)緯密或同緊度下，粗特紗織制的平紋織物防刺性能好;隨著經(jīng)密增加，緊度增加，面密度增加，防刺性能逐漸增加，但織物過于緊密時，防刺性能反而降低;平紋織物的穿刺性能具有各向異性，經(jīng)緯向的防刺性能優(yōu)于45°方向。

關(guān)鍵詞： UHMWPE短纖紗;組織結(jié)構(gòu);穿刺角度;準靜態(tài)穿刺;刺破強度

中圖分類號： TS101.923.1 ? 文獻標志碼： A ? 文章編號： 1001

Abstract： UHMWPE staple fiber yarn has excellent cutting resistance and good resin wettability. It is quite suitable for making stab resistant materials. In the study， 12 specimens with different specifications were woven and quasi-static puncture experiments were carried out to explore the influence of five factors（weave， tightness， yarn density， warp and weft density） on stabbing resistance property of fabrics， and the differences of stabbing resistance property under different stabbing angles were compared. The results show that the plain woven fabric has the best stabbing resistance property compared with the square fabric and the double woven fabric. Under the same warp and weft density or the same tightness， the plain woven fabric made from coarse yarns has better stabbing resistance property. As the density increases， the tightness and surface density increase， and the stabbing resistance gradually increases. However， when the fabric is too tight， the stabbing resistance property is reduced. The stabbing property of the plain fabric is anisotropic. The stabbing resistance property at the warp and weft directions is better than that at 45° direction.

Key words： UHMWPE staple fiber yarn; weave structure; stabbing angle; quasi-static stabbing; stabbing strength

超高分子量聚乙烯（Ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE）作為一種抗沖擊性能極佳的高強高模纖維，兼具低密度的優(yōu)勢，被廣泛地用于制作防彈防刺服、擊劍服、漁網(wǎng)等功能性材料[1-2]，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了安全防護、體育用品、航空航海等[3-4]。UHMWPE纖維目前在國內(nèi)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主流的纖維強度為20～50 cN/dtex，模量在900 cN/dtex之上，產(chǎn)品以長絲為主，短纖紗較少[5]。原因在于，短纖紗的生產(chǎn)需要首先切斷纖維，產(chǎn)品強度不及長絲紗，另外純紡具有一定難度，制作成本較高。但是，短纖紗也具有一定優(yōu)勢。一方面，短纖紗單絲間抱合更為緊密，手感緊實，不會出現(xiàn)長絲紗的靜電蓬飛與鉤絲現(xiàn)象，可織性良好;另一方面，短纖紗在樹脂基體中易于分散，浸潤性較好，更適用于作為復(fù)合材料的增強骨架。短纖紗的斷裂強度雖比長絲紗要低，但仍遠高于一般化纖，而其防切割性能與長絲紗相差無幾。目前多用樹脂復(fù)合多層平紋織物的方式來制作防刺服，短纖紗良好的樹脂浸潤性與優(yōu)秀的抗切割性，使其相比于長絲紗更適于制作防刺產(chǎn)品，也更具市場發(fā)展?jié)摿6-8]。

目前對UHMWPE長絲制品的防刺與抗沖擊研究較多[9-10]，但對于UHMWPE短纖紗織物的防刺性能研究很少。本文用不同線密度的UHMWPE短纖紗試織了不同織物結(jié)構(gòu)的單層織物，進行準靜態(tài)穿刺實驗，以研究組織、緊度、紗線線密度、經(jīng)緯密對UHMWPE短纖紗單層織物防刺性能的影響;再將刀具的刀刃分別沿著緯向、經(jīng)向及與紗線成45°角的方向刺入不同經(jīng)緯密的織物，探討刀具沿不同角度刺入時織物的穿刺性能。以期為UHMWPE短纖紗增強樹脂復(fù)合多層防刺織物的生產(chǎn)設(shè)計提供基礎(chǔ)。

1 試樣織制

用劍桿織機織制12種不同規(guī)格的織物試樣。1#、2#、3#為第一組，采用29.5 tex UHMWPE短纖紗分別織制平紋、方平與接結(jié)雙層織物，保持經(jīng)緯密同為280×280根/10 cm，探究三種組織對防刺性能的影響;4#、5#、6#、7#、8#為第二組，均采用45.4 tex UHMWPE短纖紗織成，通過改變經(jīng)密改變織物緊度，探究緊度對防刺性能的影響;8#、9#、10#為第三組，分別采用45.4、29.5、14.8 tex三種UHMWPE短纖紗織制平紋試樣，保持經(jīng)緯密同為320×160根/10 cm，探究紗線線密度對防刺性能的影響;8#、11#、12#為第四組，保持織物緊度為98%，改變紗線線密度與經(jīng)緯密的組合，探究經(jīng)緯密對防刺性能的影響。

2 準靜態(tài)穿刺實驗

利用標準GA 68—2008《警用防刺服》中規(guī)定的測試刀具（圖1），在萬能試驗機上對UHMWPE織物試樣進行準靜態(tài)刺破實驗，刺破過程盡量均勻緩慢，以保證各時刻沖擊系統(tǒng)的狀態(tài)接近平衡態(tài)。用自制的正方形夾具夾住布樣，實驗前將刀頭下降到與布樣表面剛好接觸，布樣有效受力范圍為8 cm×8 cm，設(shè)置實驗過程中刀具下降速度為10 mm/min后開始實驗，得到刀具的典型刺破力曲線，如圖2所示。

由圖2可知，刺破過程可分為以下三個階段：

1）刀具尖端從紗線空隙中擠入，紗線彎曲拉伸滑移，刺破力逐漸增大，直到紗線被刀刃切斷，織物在A點被刺破，刺破力驟降，布面稍有回復(fù)。設(shè)Xc為臨界刺割位移，F(xiàn)c為臨界刺割力，刀具位移在（0，Xc）區(qū)間為Ⅰ拉伸擠入?yún)^(qū)。

2）而后刀具穿過織物形成連續(xù)切割，刀具的刺破力出現(xiàn)震蕩，各峰值處（如B點）對應(yīng)著紗線的割斷與之后刺破力的驟降。測試刀具在0～23 mm有單邊刃，這一階段切割作用為主要作用，因此位移（Xc，Xc+23）區(qū)間為Ⅱ連續(xù)切割區(qū)。

3）刀具在23～49.8 mm內(nèi)無刃，刀具的破壞作用主要體現(xiàn)在對織物的擠壓摩擦，因此位移Xc+23之后即為Ⅲ擠壓摩擦區(qū)。因為沒有了刀刃鋒利的切割，刀具受到高強紗線變形產(chǎn)生的反作用力與阻力增強，紗線的斷裂延遲，刺破力增強，表現(xiàn)在Ⅲ擠壓摩擦區(qū)內(nèi)曲線峰值（如C點）增大，峰值點間距增大。刀具位移50 mm左右，刀尖部分已完全穿透織物，織物與刀柄輕微摩擦，并稍有回復(fù)，刺破力為零。

因在標準中規(guī)定防刺服不能被刺穿，所以織物試樣在刺破點A的臨界位移Xc、臨界刺破力Fc、臨界刺破能量Ec等對研究其防刺性能具有重要意義。定義臨界刺割強度fc為單位質(zhì)量的織物被刺破時刀具所受的力，即：fc=Fc/（ρ·S），S=0.006 4 m2。并將臨界刺破力Fc、臨界刺破能量Ec、臨界刺割強度fc作為評價防刺性能的最主要指標。Fc、Ec、fc越大，說明織物的防刺性能越好。

3 相同角度刺穿實驗

將刀具沿著織物緯向（刀刃垂直切割經(jīng)紗方向）對所有試樣進行靜態(tài)穿刺實驗，得到各防刺指標的數(shù)據(jù)（表2—表5），比較各試樣防刺性能的強弱。

3.1 組織對防刺性能的影響

因為斜紋與緞紋織物交織點較少，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，且力學(xué)各向異性較高，防刺材料中很少使用這兩種組織，因此選用平紋、方平與接結(jié)雙層組織這三種組織，采用同種紗線織制相同經(jīng)緯密的織物。由表2可見，1#～3#試樣面密度相同，厚度依次增加，緊度依次減小。經(jīng)過靜態(tài)穿刺實驗，發(fā)現(xiàn)2#方平織物各項刺破性能指標均略低于1#平紋織物，臨界刺破強度較1#降低了11%。3#接結(jié)雙層織物除了全程吸收能量外各項刺破性能指標都遠低于1#，其臨界刺破強度較1#降低了61%。

由此可見，平紋織物由于其交織點多，結(jié)構(gòu)緊密，在抵御刀尖刺破織物方面最具優(yōu)勢。與平紋織物相比，方平織物雖然緊度相差不多，但交織次數(shù)減半，織物更加柔軟，紗線更易于滑移扭轉(zhuǎn)，防刺性能略有下降。接結(jié)雙層組織織物因為上下面層經(jīng)緯密遠比平紋小，空隙增大，刀尖很容易擠入刺破織物，臨界刺破強度小，但因刺入方向上的紗線增多，且上下面層被接結(jié)紗綁定在一起，對刀具的摩擦與約束增加，所以在刺破后對刀具能量的吸收增加。

3.2 緊度對防刺性能的影響

由表3可見，4#～7#試樣隨著織物經(jīng)密逐漸增大，緊度也逐漸增加，臨界刺破位移和臨界刺破力均增大，因此臨界刺破能量增加，臨界刺破強度也同步增大，刀具移動10 mm時與移動完全程布面吸收的能量都呈現(xiàn)上升的趨勢。然而，8#試樣經(jīng)密最大，緊度最大，臨界刺破位移和臨界刺破力卻突然減小，臨界刺破能量與刀具移動10 mm吸收能量降低，臨界刺破強度降低到與3#試樣相同，說明其此方向上的防刺性能降低。而其全程布面吸收能量顯著增大，說明其平均刺破力水平高。

分析認為：8#試樣在Ⅰ拉伸擠入?yún)^(qū)，紗線過于緊密，相互之間滑移轉(zhuǎn)曲困難，紗線未及伸長便被割斷，無法發(fā)揮UHMWPE紗線的高強優(yōu)勢，所以刺破時的刀具位移與刺破力均不及7#試樣。另外，織造打緯時紗線經(jīng)密過高，經(jīng)緯紗間的摩擦加劇，紗線強力受損也是一個原因。但在刺破后的Ⅱ連續(xù)切割區(qū)與Ⅲ擠壓摩擦區(qū)，試樣緊密，紗線增多，刀具需要克服的紗線的變形反作用力與摩擦阻力增強，刺破力增大，所以總體的刺破力水平是最高的（圖3）。

因此，隨著織物經(jīng)密逐漸增大，緊度增加，刺破強度隨之增加，但緊度超過一定范圍，織物過于緊密時，其刺破強度減小，不利于其防刺性能的提高。

3.3 紗線線密度對防刺性能的影響

由表4可見，8#、9#、10#織物經(jīng)緯密相同，紗線線密度依次減小，因此緊度逐漸減小，臨界刺破能量Ec與織物吸收能量E1、E2顯著下降。用19.5 tex紗織制的9#試樣與8#試樣相比臨界刺破強度稍有減小，10#試樣因為緊度只有75%，織物過松，刺破強度驟降。其他各項指標趨勢相同。

因此，相同經(jīng)緯密下，隨著織物紗線變細，緊度減小，織物的刺破強度隨之減小，防刺性能降低。

3.4 經(jīng)緯密對防刺性能的影響

由表5可見，同緊度下隨著8#、11#、12#織物紗線線密度的依次減小，經(jīng)緯密的依次增加，織物臨界刺破能量Ec與織物吸收能量E1、E2逐漸下降，且11#、12#織物的臨界刺破力Fc與臨界刺破強度fc均降低。由圖4同時可見，由45.4 tex粗特紗線織制的8#織物防刺性能最好。

保持緊度不變的情況下，密度高紗線細的織物防刺性能不及密度低紗線粗的織物?？梢?，紗線的線密度決定了其力學(xué)性質(zhì)，而紗線本身的強力模量等力學(xué)性質(zhì)對織物的刺破性質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。Ⅰ拉伸擠入?yún)^(qū)與Ⅱ連續(xù)切割區(qū)，紗線以剪切斷裂為主，紗線越粗，其剪切模量與徑向壓縮模量更高，更不易因彎曲扭轉(zhuǎn)和刀具切割而斷裂;在Ⅲ擠壓摩擦區(qū)紗線以拉伸斷裂為主，紗線越粗，其拉伸強力更高，抗拉強度高，更能抵御刀具前進。

因此，相同緊度下，粗特紗力學(xué)性能更好，其織制的織物刺破強度更高，防刺性能更好。

3.5 面密度對防刺性能的影響

為研究織物面密度和臨界刺破力的關(guān)系，將1#～12#試樣的實驗結(jié)果進行線性擬合（圖5），擬合線方程為：y=0.04x-

3.12，皮爾森指數(shù)為0.863 96，這說明試樣的面密度與其臨界刺破力呈高度正相關(guān)。面密度越大，臨界刺破力越大，防刺性能越好。面密度大的織物，相同厚度下更為緊密，或者相同緊度下更為厚實，這都能夠增強織物抵御刀刺的能力。

4 不同角度刺穿實驗

將刀具的刀刃分別沿著緯向（垂直切割經(jīng)紗）、經(jīng)向（垂直切割緯紗）及與紗線成45°方向三種角度刺入第二組4#～8#織物試樣。4#～8#五個試樣緯密不變，經(jīng)密依次增加（圖6—圖7）。

由圖6、圖7可以看出，平紋織物的穿刺性能具有各向異性，且三個方向的臨界刺破力和臨界刺破強度的變化趨勢具有一致性。4#～8#緯密沒有改變，但經(jīng)向和45°方向的刺破力卻隨之增大，這是因為經(jīng)密的增加使緯紗的浮長線變短，緯紗更不易滑移變形，從而提高了經(jīng)向的刺破力。由此可見，織物單向密度的增加對三個方向的防刺性能均有提高。

4#試樣經(jīng)緯密相同，經(jīng)緯向的刺破力相同。隨著試樣經(jīng)密增加，經(jīng)緯密差異增大，經(jīng)緯向的防刺性能的差異也增大，但8#試樣經(jīng)向與45°方向臨界刺破強度增加，而緯向刺破強度減小。三個方向的防刺性能差異很小，是由8#試樣過于緊密，紗線間的滑移減少，織物較難變形導(dǎo)致的。

5#～8#試樣經(jīng)密大于緯密，緯向刺破強度比經(jīng)向的刺破強度大，而45°方向的刺破強度比經(jīng)緯向的都要小。分析認為，刀具沿經(jīng)緯向刺入織物時，刀刃沿徑向切割紗線，紗線能夠有效受力，而沿45°方向刺入時，刀刃斜向切割紗線，一方面紗線易被割斷，另一方面紗線交叉，無法聚集承力，導(dǎo)致抵抗穿刺的性能降低。因此，在制作多層防刺織物時，可將各層織物按不同角度錯開疊放，以減弱其各向異性[11]。

5 結(jié) 論

本文研究了織物組織結(jié)構(gòu)和穿刺角度對UHMWPE短纖紗織物防刺性能的影響，主要有如下結(jié)論。

1）紗線本身的力學(xué)性能是影響織物防刺性能的首要因素，應(yīng)選用剪切強度與抗拉強度高的高性能紗線織制織物。同種紡紗方式紡成的UHMWPE短纖紗，線密度越粗，力學(xué)性能越好，越能夠抵御刀具沖擊。因此，同種經(jīng)緯密或同緊度下，粗特紗織制的織物防刺性能越好。

2）隨著經(jīng)密增加，緊度和面密度增加，紗線受力根數(shù)增多，緯向防刺性能逐漸增加，但當(dāng)織物過于緊密，則紗線滑移困難，受力根數(shù)減少，緯向防刺性能反而降低。

3）平紋織物的防刺性能具有各向異性，當(dāng)經(jīng)密大于緯密時，緯向、經(jīng)向和與紗線成45°角的方向的防刺性能逐漸減弱，可考慮將單層平紋織物以不同角度疊放復(fù)合以減弱其各向異性。

PDF下載參考文獻：

[1]張友強， 劉美苓， 程全彪， 等. 漁網(wǎng)材料研究進展[J]. 棉紡織技術(shù)， 2017， 45（5）： 79-84.

ZHANG Youqiang， LIU Meiling， CHENG Quanbiao， et al. Research progress of fishing net materials[J]. Cotton Textile Technology， 2017， 45（5）： 79-84.

[2]蔡永東. 超高分子量聚乙烯短纖紗高性能水龍帶的設(shè)計與生產(chǎn)[J]. 紡織導(dǎo)報， 2018（6）： 54-56.

CAI Yongdong. Design and production of ultrahigh molecular weight polyethylene staple yarn high performance hose tape[J]. Textile Review， 2018（6）： 54-56.

[3]馬林. 纜繩用高強聚乙烯纖維的研制[D]. 上海： 東華大學(xué)， 2017.

MA Lin. Development of High Strength Polyethylene Fiber for Cable[D]. Shanghai： Donghua University， 2017.

[4]黃浚峰. 高強聚乙烯防切割手套織物工藝與性能的研究[D]. 杭州： 浙江理工大學(xué)， 2016.

HUANG Junfeng. Research on the Process and Properties of High Strength Polyethylene Cut-resistant Gloves Fabric[D]. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2016.

[5]井連英. 超高分子量聚乙烯短纖維及其紗線性能研究[J]. 紡織導(dǎo)報， 2014（4）： 52-54.

JIN Lianying. Study on properties of ultrahigh molecular weight polyethylene staple fiber and its yarn[J]. Textile Review， 2014（4）： 52-54.

[6]JANA S， ZHAMU A， ZHONG W H， et al. Evaluation of adhesion property of UHMWPE fibers/nano-epoxy by a pullout test[J]. The Journal of Adhesion， 2006， 82（12）： 1157-1175.

[7]SHANMUGAM Logesh， FENG Xiaming， YANG Jinglei. Enhanced interphase between thermoplastic matrix and UHMWPE fiber sized with CNT-modified polydopamine coating[J]. Composites Science and Technology， 2019， 174（12）： 212-220.

[8]許金玉， 蔡雨晴. 超高分子量聚乙烯纖維純紡紗的生產(chǎn)[J]. 紡織科技進展， 2015（7）： 26.

XU Jinyu， CAI Yuqing. Production of ultrahigh molecular weight polyethylene fiber pure spinning yarn[J]. Textile Science and Technology Progress， 2015（7）： 26.

[9]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. Preparation and properties of UHMWPE filament reinforced nonwovens[J]. Journal of Silk， 2017， 54（4）： 5-10.

[10]KANG Y A， OH S H， PARK J S. Properties of UHMWPE fabric reinforced epoxy composite prepared by vacuum-assisted resin transfer molding[J]. Fibers and Polymers， 2015， 16（6）： 1343-1348.

[11]陳曉鋼. 紡織基防彈防穿刺材料的研究回顧[J]. 紡織學(xué)報， 2019， 40（6）： 159-165.

CHEN Xiaogang. Review of research on textile-based ballistic anti-puncture materials[J]. Journal of Textile Research， 2019， 40（6）： 159-165.