離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料的防刺與服用性能

馬飛飛

(上海固甲新材料科技有限公司，上海 201620)

目前防刺服根據(jù)防刺材料的不同，分為硬質(zhì)防刺衣、半硬質(zhì)防刺衣和柔性防刺衣[1]。硬質(zhì)防刺衣一般采用金屬片、金屬板、金屬絲加工而成；半硬質(zhì)防刺衣一般是金屬材質(zhì)的防護(hù)片與毛氈、陶瓷片等非金屬防護(hù)層相結(jié)合制備而成，這2類防刺衣防護(hù)性能較好，但是衣服不能夠靈活折疊，穿著舒適性差。

很多專家學(xué)者研究了由高性能纖維加工制備的柔性防刺材料[2-4]，包括改變不同的織造方式，改變不同的組織形式，改變織物的緊度、密度、面密度等，這在一定程度上提高了材料的防刺性能，但是提高程度有限。為了達(dá)到中華人民共和國(guó)公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA 68—2019《警用防刺服》的要求，往往層數(shù)要達(dá)30～60層，但材料過(guò)厚導(dǎo)致穿著臃腫，服用性下降。此外，一些研究人員考慮材料復(fù)合成型的方法，如對(duì)高性能織物進(jìn)行剪切增稠液體浸漬[5-6]、高分子樹(shù)脂浸漬[7]、硬質(zhì)納米顆粒涂層等成型工藝[8]。通過(guò)浸漬及滿涂工藝顯著降低了材料的層數(shù)及質(zhì)量，防刺性能較好，但是材料透濕透氣性能差，導(dǎo)致服用性較差。

為此，本文制備了離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料，并對(duì)比研究了2種不同規(guī)格的離散樹(shù)脂復(fù)合材料與常見(jiàn)芳綸防刺材料的穿刺性能、透氣性及柔軟性，以期為復(fù)合材料防刺性能與穿著舒適性的研究提供參考。

1 離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料的設(shè)計(jì)

本文提出了一種新型離散樹(shù)脂成型工藝，吸收了硬質(zhì)防刺材料能夠鈍化刀尖的優(yōu)點(diǎn)以及浸漬涂層材料柔軟可折疊的優(yōu)點(diǎn)，即采用樹(shù)脂薄片以離散狀態(tài)按照設(shè)計(jì)圖案黏結(jié)在基布面料上制備柔性防刺復(fù)合材料。圖1示出離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料試樣。

圖1 離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料試樣Fig.1 Composite materials made by discrete resin molding

表面樹(shù)脂薄片起到鈍化刀尖作用，基布面料起到緩沖支撐作用，薄片與薄片之間形成三維通道，便于排出汗氣，并使整個(gè)材料柔軟可折疊，以期達(dá)到防刺性能優(yōu)良，舒適柔軟，靈活透氣的效果。這種防刺復(fù)合材料采用了軟硬結(jié)合的思想，離散樹(shù)脂可以是環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂等高分子樹(shù)脂加熱固化在基布表面；也可以是改性錦綸/玻璃纖維、改性聚碳酸酯等材料加工成規(guī)則薄片，然后黏結(jié)在基布表面上制備防刺復(fù)合材料?；济媪峡梢赃x擇高強(qiáng)滌綸、高強(qiáng)錦綸，也可以選擇芳綸、聚對(duì)苯撐苯并二噁唑(PBO)等高性能面料。本文所研究的離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料表面的樹(shù)脂顆粒選擇改性聚碳酸酯薄片，基布面料選擇高強(qiáng)滌綸織物以及芳綸平紋織物。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：改性聚碳酸酯(拜耳ET3113)；高強(qiáng)滌綸平紋布，吳江市邦禾特種面料有限公司；芳綸平紋織物，宜興市華恒高性能纖維織造有限公司。2種織物規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 基布面料規(guī)格參數(shù)Tab.1 Specification parameters of base fabric

儀器：YG(B)026型電子織物強(qiáng)力機(jī)，南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司，頂破彈子換成GA68—2019《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的P1刀具；YG461型織物中壓透氣量測(cè)試儀，溫州百恩儀器有限公司；YGB 022D型自動(dòng)硬挺度實(shí)驗(yàn)儀，蘇州奇樂(lè)電子科技有限公司；自制落錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)。

2.2 離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料的制備

首先把改性聚碳酸酯加工成直徑為10 mm，厚度為1.5 mm的圓形薄片[9]。其次，把圓形薄片填充在模具的?？桩?dāng)中，模具厚度為10 mm，?？咨疃葹?.5 mm，模孔之間的間隙為0.3 mm，模具長(zhǎng)寬同為500 mm。對(duì)模具表面的改性聚碳酸樹(shù)脂薄片表面均勻噴涂聚氨酯黏結(jié)劑。最后，在模具表面鋪好基布面料，在90 ℃條件下加熱3 min，改性聚碳酸酯薄片黏結(jié)在基布面料上，離散樹(shù)脂成型工藝模具示意圖如圖2所示。

圖2 離散樹(shù)脂成型工藝模具Fig.2 Discrete resin process mold

按照離散樹(shù)脂成型工藝制備的2種單層防刺復(fù)合材料的試樣規(guī)格如表2所示。

表2 單層防刺材料試樣參數(shù)Tab.2 Parameters of single layer stab-resistant material

首先研究改性聚碳酸酯薄片和基布面料之間的黏結(jié)強(qiáng)度。根據(jù)FZ/T 01085—2009《熱熔粘合襯剝離強(qiáng)力實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行剝離測(cè)試。在溫度為(20±2)℃，濕度為(65±2)%條件下，滌綸防刺復(fù)合材料剝離強(qiáng)力是39.25 N/cm，芳綸防刺復(fù)合材料剝離強(qiáng)力是42.40 N/cm，刀具穿刺復(fù)合材料，很少見(jiàn)到薄片脫落情況。本文主要研究復(fù)合材料的防刺性能和服用性能，對(duì)于材料的界面性能暫不討論。

2.3 測(cè)試方法

2.3.1 準(zhǔn)靜態(tài)穿刺測(cè)試

將芳綸平紋織物2#、單層滌綸防刺復(fù)合材料3#以及芳綸防刺復(fù)合材料4#分別剪成直徑為8 cm的圓片，然后夾在1對(duì)環(huán)形夾具之間，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)穿刺實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)刀具上升速度設(shè)置為1 000 mm/min，每種防刺試樣測(cè)試5次，取其平均值。

2.3.2 動(dòng)態(tài)穿刺測(cè)試

根據(jù)先前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將4層滌綸防刺復(fù)合材料、4層芳綸防刺復(fù)合材料分別交錯(cuò)疊層，上層粒子剛好把下層縫隙蓋住，層與層之間45°移動(dòng)1 cm進(jìn)行邊緣縫合固定，分別制備成防刺內(nèi)芯試樣5#與6#。以10層芳綸平紋織物等同1層離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料，共用40層芳綸平紋織物疊層制備成防刺內(nèi)芯7#，作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)。根據(jù)GA 68—2019標(biāo)準(zhǔn)，2.4 kg重錘在1.0 m高度對(duì)3種測(cè)試試樣進(jìn)行自由落體穿刺測(cè)試，每類防刺試樣測(cè)試5次。

2.3.3 試樣彎曲性能測(cè)試

將3種試樣各取5塊，尺寸為25 mm×250 mm，誤差為±1 mm，按照GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測(cè)定 第1部分：斜面法》測(cè)試試樣的彎曲性能。

2.3.4 試樣透氣性能測(cè)試

將3種試樣各取5塊，每塊試樣裁取面積為20 cm2，按照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》測(cè)試試樣的透氣性。

3 結(jié)果與分析

3.1 準(zhǔn)靜態(tài)穿刺分析

滌綸防刺復(fù)合材料、芳綸防刺復(fù)合材料和芳綸平紋織物的準(zhǔn)靜態(tài)穿刺測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 單層材料的防刺性能Tab.3 Stab-resistant performance of material with single layer

從表3可以看出，3#、4#2種單層防刺復(fù)合材料的穿刺強(qiáng)力是2#單層芳綸平紋織物的10～15倍，這說(shuō)明基布面料黏結(jié)改性聚碳酸酯薄片之后顯著提高了材料的抗穿刺性能，實(shí)現(xiàn)了本文提出的軟硬結(jié)合設(shè)計(jì)思想。這是因?yàn)榛急砻鏄?shù)脂薄片機(jī)械強(qiáng)度高，耗散了刀具大部分穿刺能量，基布起到支撐和緩沖作用。對(duì)比3#和4#，芳綸防刺復(fù)合材料的穿刺強(qiáng)力大約是滌綸防刺復(fù)合材料的2倍，可見(jiàn)防刺復(fù)合材料基布不同，材料的防刺性能也會(huì)不同。3#和4#2種單層材料穿刺形貌正反面照片如圖3所示。

圖3 材料準(zhǔn)靜態(tài)穿刺前后形態(tài)照片F(xiàn)ig.3 View of composite before and after static puncturing

由于芳綸基布比滌綸基布纖維強(qiáng)度高，面密度及厚度大，在穿刺過(guò)程中紗線抗剪切作用強(qiáng)，更難被割斷，因此材料正面刺破口較小，背面斷裂口同樣較小，如圖3所示。穿刺深度表示從刀具刀尖接觸材料表面到材料剛被刺穿時(shí)材料凹陷變形的最大深度。3#和4#基布表面樹(shù)脂薄片相同，由于芳綸基布纖維強(qiáng)度高，經(jīng)緯密度比滌綸基布經(jīng)緯密度小，經(jīng)緯紗線變形能力強(qiáng)，穿刺深度較大。

3.2 動(dòng)態(tài)穿刺分析

3種不同規(guī)格的疊層試樣穿刺結(jié)果如表4所示。由于5#、6#這2種疊層復(fù)合材料在試樣制備過(guò)程中已分別讓2種復(fù)合材料層與層之間45°移動(dòng)1 cm進(jìn)行交錯(cuò)疊層縫合固定，保證落錘刀具不論落到哪個(gè)位置都能至少穿刺到3層改性聚碳酸酯薄片上面。同時(shí)，假若刀具刺到縫隙位置，防刺內(nèi)芯凹陷變形的同時(shí)，周圍的薄片牢牢“鎖住”刀具刀尖，同樣消耗刀具穿刺能量。從表4可以發(fā)現(xiàn)，5#和6#試樣基本都能夠抵御24 J的穿刺能量，這是由于2種試樣表面的改性聚碳酸酯薄片具有優(yōu)異的抗沖擊強(qiáng)度，韌性好，可以吸收大部分刀具穿刺能量；此外，復(fù)合材料的基布經(jīng)緯紗線交織緊密，承擔(dān)樹(shù)脂載體作用，并且通過(guò)纖維之間傳遞耗散部分能量，因此能夠較好抵御刀具穿刺作用。5#和6#這2種規(guī)格疊層試樣的形貌照片如圖4所示。

表4 3種不同規(guī)格疊層試樣的防刺性能Tab.4 Stab-resistant performance of three different specifications laminated samples

注：F1、F2、F3、F4分別為正面的各層形貌；B1、B2、B3、B4分別為反面的各層形貌。 圖4 復(fù)合材料各層穿刺形貌照片F(xiàn)ig.4 Dynamic puncturing front and back view of composite materials with each layer. (a) Front of 5#; (b) Back of 5#; (c) Front of 6#; (d) Back of 6#

從圖4可以看出，試樣5#第4層反面剛剛穿透，而試樣6#第4層正面僅有穿刺痕跡，反面沒(méi)有刺透，說(shuō)明試樣6#防刺性能優(yōu)于試樣5#。這是由于5#和6#試樣表面聚碳酸酯薄片相同，基布不同，芳綸平紋基布紗線強(qiáng)度高，比滌綸紗線更耐切割穿刺；其次芳綸基布支撐作用強(qiáng)，可以讓更大面積的材料起到防刺作用。對(duì)比防刺內(nèi)芯5#、6#與#7的穿刺結(jié)果可以看出，4層離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料與40層芳綸平紋織物穿刺性能基本相當(dāng)，但是防刺內(nèi)芯7#的穿透層面密度為(10 640.00±13) g/m2，穿透深度為(13.40±1.09) mm，遠(yuǎn)高于試樣5#、6#的測(cè)試結(jié)果。這說(shuō)明達(dá)到同樣防刺等級(jí)，通過(guò)芳綸平紋織物疊層制備的防刺內(nèi)芯一般厚度較厚，質(zhì)量較重，而本文研究的離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料顯著降低了防刺內(nèi)芯的厚度及質(zhì)量。

3.3 材料彎曲性能分析

有關(guān)硬質(zhì)金屬防刺材料柔軟性方面的研究較少，因?yàn)榻饘侔鍘缀醪荒軓澢?，因此很少有研究人員測(cè)定其彎曲長(zhǎng)度。許冬梅等[10]研究了熱熔膠膜浸漬的芳綸織物，其彎曲長(zhǎng)度為178 mm，材料的剛性較大。各種纖維制備的防刺材料的柔軟性，可以通過(guò)測(cè)定紡織品彎曲性能來(lái)進(jìn)行表征。3種不同規(guī)格單層復(fù)合材料彎曲性能測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 3種試樣彎曲性能測(cè)試結(jié)果Tab.5 Bending performance of three samples

從表5測(cè)試結(jié)果可以看出，2#芳綸平紋織物的彎曲長(zhǎng)度最小，抗彎剛度最小，柔軟性最好，這是由于芳綸織物沒(méi)有黏結(jié)離散樹(shù)脂，保持了織物本身的柔軟性。3#滌綸防刺復(fù)合材料的彎曲長(zhǎng)度比4#芳綸防刺復(fù)合材料的彎曲長(zhǎng)度小，柔軟性較好。原因在于滌綸織物中紗線的線密度、直徑小于芳綸織物的線密度和直徑。另外，3#和4#基布的表面黏結(jié)有離散的改性聚碳酸酯薄片，限制了平紋組織紗線的變形，加大了相互接觸的紗線之間的摩擦阻力，因而復(fù)合材料不易彎曲，抗彎剛度較大，柔軟性受到一定限制。然而，對(duì)比常見(jiàn)的硬質(zhì)及半硬質(zhì)防刺衣(很少?gòu)澢?，基本不能靈活折疊)，離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料的彎曲性能較好。

3.4 材料透氣性能分析

經(jīng)測(cè)試得，2#、3#、4#單層復(fù)合材料的透氣率分別為(210.95±1.28)、(24.97±1.31)、(70.31±1.04) mm/s。3#和4#材料的透氣性要小于2#織物的透氣性能，這是因?yàn)?#和4#基布表面黏結(jié)有離散的樹(shù)脂薄片，填充了部分平紋基布紗線間的間隙，降低了材料的透氣性能。3#的透氣性低于4#，原因是樹(shù)脂薄片相同，3#基布經(jīng)緯密度更大，織造更緊密，經(jīng)緯紗線間的間隙更小，透氣量更小。此外，文獻(xiàn)[11]研究了機(jī)織物透氣率與織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，指出平紋毛織物的透氣率在100～300 mm/s之間。有研究測(cè)試了針織學(xué)生服、牛仔褲、襯衫、床單的透氣率，分別為62.60、4.84、29.91、55.54 mm/s[12]。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文研究的離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料的透氣率雖然低于普通平紋織物的透氣率，但是已接近甚至超過(guò)部分日常服裝的透氣率。對(duì)比目前的金屬片防刺材料不透氣，浸膠芳綸/聚乙烯無(wú)緯布防刺材料的透氣性很差，本文研究的復(fù)合材料透氣率為(70.31±1.04) mm/s，具有較好的透氣性能。

4 結(jié) 論

本文提出了一種新型防刺材料的制備工藝，即離散樹(shù)脂薄片按照設(shè)計(jì)圖案黏結(jié)在基布表面制備成離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料，測(cè)試了材料的防刺性能與服用性能，得到以下結(jié)論。

1)通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料的穿刺強(qiáng)力遠(yuǎn)高于疊層芳綸平紋織物的穿刺強(qiáng)力，芳綸基布離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料的穿刺強(qiáng)度基本上是滌綸基布離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料的2倍。

2)4層離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料基本可以達(dá)到GA 68—2019標(biāo)準(zhǔn)要求，等同于40層疊層芳綸平紋織物的防刺性能。另外，芳綸基布復(fù)合材料的防刺性能更優(yōu)，并且顯著降低了防刺內(nèi)芯的質(zhì)量及厚度。

3)離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料的柔軟性比單層芳綸平紋織物的柔軟性差，但是遠(yuǎn)優(yōu)于硬質(zhì)金屬防刺材料的柔軟性。同時(shí)，該復(fù)合材料的透氣性能較好，接近日常穿著服裝的透氣性能，遠(yuǎn)優(yōu)于浸膠樹(shù)脂材料的透氣性。