包覆紗芯絲構(gòu)成對(duì)其織物耐切割性能的影響

嚴(yán)雪峰 毛利洲 張春英 管鈺澤 馬 巖

［1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2.賽立特（南通）安全用品有限公司，江蘇南通，226000］

近年來(lái)，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和人們安全意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，社會(huì)對(duì)于高性能安全防護(hù)用品的需求不斷增長(zhǎng)［1］。手套作為手部防護(hù)的重要紡織品，其在耐切割、耐磨等方面的研發(fā)也逐漸受到人們的重視［2］。目前，防切割類(lèi)手套主要從兩方面進(jìn)行研究，一方面通過(guò)樹(shù)脂涂覆的方式賦予織物較強(qiáng)的耐切割力［3］；另一方面從紗線(xiàn)自身角度出發(fā)，通過(guò)選擇合理的材料和結(jié)構(gòu)獲得較強(qiáng)的切割力［4］。目前，防切割類(lèi)紗線(xiàn)材料多采用高強(qiáng)聚乙烯、芳綸等高性能纖維［5-6］，忽略了具有良好防切割性能的金屬纖維。黃浚峰對(duì)包覆紗、包芯紗、合捻紗這3種不同結(jié)構(gòu)的紗線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果表明，包覆紗編織的手套防切割性能最佳［7］。但目前對(duì)于包覆紗結(jié)構(gòu)的研究還停留在外包紗結(jié)構(gòu)層面，忽視了對(duì)芯紗結(jié)構(gòu)的研究。本研究沿用包覆紗的紗線(xiàn)結(jié)構(gòu)，采用雙不銹鋼金屬絲平行排列的芯紗結(jié)構(gòu)，分析不銹鋼絲直徑差異對(duì)紗線(xiàn)力學(xué)性能和其織物耐切割性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

不銹鋼金屬絲（南通燁馳金屬制品有限公司）；超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維（江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司）；滌綸（南通市通州區(qū)銘遠(yuǎn)紡織化纖廠(chǎng)）。3種材料的規(guī)格：不銹鋼絲直 徑 為0.030 mm、0.035 mm、0.040 mm、0.045 mm、0.050 mm、0.055 mm，UHMWPE纖維222.2 dtex/120 F，滌綸144.4 dtex/144 F。

1.2 樣品制備

采用改進(jìn)的HKV 141D型包覆絲機(jī)（浙江精功科技股份有限公司）進(jìn)行包覆紗的制備，包覆機(jī)卷繞輥、上牽伸輥、喂入羅拉速度分別為20 m/min、20 m/min、13.3 m/min，上下層錠子轉(zhuǎn)速均為8 000 r/min。通過(guò)改進(jìn)裝置，雙不銹鋼金屬絲平行排列穿過(guò)下輥筒，進(jìn)入下錠子，開(kāi)始內(nèi)層的UHMWPE纖維包覆，包覆后再穿過(guò)上錠子進(jìn)行外層滌綸的包覆。本研究采用不同直徑的不銹鋼絲組合作為芯紗制備6組包覆紗，芯紗組合依次為0.040 mm+0.040 mm、0.035 mm+0.045 mm、0.030 mm+0.050 mm、0.040 mm+0.045 mm、0.035 mm+0.050 mm、0.030 mm+0.055 mm。

采用上述制備好的包覆紗，通過(guò)SX1型智能手套機(jī)（紹興金隆機(jī)械制造有限公司）制備耐切割手套試樣［8］，將手套掌心部分裁剪10.0cm×2.5cm的試樣進(jìn)行耐切割測(cè)試。

1.3 表征和性能測(cè)試

基于GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（CRE法）》，待測(cè)試樣在YG（B）751DG型恒溫恒濕箱放置48 h，采用YG020B型電子單紗強(qiáng)力儀對(duì)不銹鋼金屬絲、UHMWPE纖維、滌綸絲及包覆紗的強(qiáng)伸性能進(jìn)行測(cè)試。不銹鋼絲設(shè)定拉伸速度50 mm/min，拉伸測(cè)試夾距200 mm；UHMWPE纖維、滌綸設(shè)定拉伸速度250 mm/min，拉伸測(cè)試夾距500 mm；包覆紗線(xiàn)設(shè)定拉伸速度250 mm/min，拉伸測(cè)試夾距250 mm。每組試樣試驗(yàn)10次，結(jié)果取平均值。

參照ASTM F2992/F2992M—2015《采用Tomo測(cè)功機(jī)（TDM-100）試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量防護(hù)服用材料耐切割性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，采用TDM-100型耐切割性能測(cè)試儀對(duì)手套進(jìn)行耐切割測(cè)試。設(shè)定載荷刀片水平滑移速度（2.5±0.5）mm/s，至少采用6個(gè)不同等級(jí)的載荷對(duì)試樣進(jìn)行切割，得到切割力-切割距離關(guān)系，以切割距離為20 mm對(duì)應(yīng)的外載荷作為試樣的特征切割力。切割測(cè)試示意圖如圖1所示。

圖1 ASTM F2992/F2992M—2015切割測(cè)試原理圖

2 結(jié)果分析與討論

2.1 力學(xué)性能分析

2.1.1 不銹鋼金屬絲

不銹鋼金屬絲拉伸載荷-位移曲線(xiàn)如圖2所示。6種直徑的不銹鋼金屬絲拉伸載荷-位移曲線(xiàn)整體趨勢(shì)一致。首先，不銹鋼單絲強(qiáng)力呈線(xiàn)性增長(zhǎng)；達(dá)到某一臨界值后，增長(zhǎng)速度逐漸趨緩；最終，不銹鋼金屬絲強(qiáng)力出現(xiàn)斷崖式下降。

圖2 直徑為0.040 mm不銹鋼金屬絲載荷-位移曲線(xiàn)

不銹鋼金屬絲直徑與其斷裂強(qiáng)力的關(guān)系如圖3所示?？梢钥闯?，不銹鋼金屬絲斷裂強(qiáng)力隨金屬絲直徑增加而不斷增強(qiáng)，呈線(xiàn)性正相關(guān)。

圖3 不銹鋼金屬絲直徑對(duì)其斷裂強(qiáng)力影響

2.1.2 UHMWPE纖維

UHMWPE纖維拉伸載荷-位移曲線(xiàn)如圖4所示。UHMWPE纖維在拉伸的初始階段，由于束絲伸直狀態(tài)存在差異，部分單絲首先受力，并隨著位移的增大受力單絲數(shù)量逐步增加，因此載荷上升速度由緩變快并趨于穩(wěn)定；當(dāng)纖維伸長(zhǎng)率達(dá)到3.0%時(shí)，部分單絲斷裂導(dǎo)致載荷出現(xiàn)波動(dòng)；而當(dāng)伸長(zhǎng)率增至4.0%～4.8%時(shí)，束絲整體瞬間發(fā)生斷裂，載荷斷崖式下降?？梢钥闯?，UHMWPE纖維斷裂強(qiáng)力約為60 N～75 N，斷裂伸長(zhǎng)率為4.0%～4.8%。

圖4 UHMWPE纖維載荷-位移曲線(xiàn)

2.1.3 滌綸絲

滌綸絲的拉伸載荷-位移曲線(xiàn)如圖5所示。滌綸拉伸斷裂過(guò)程分為3個(gè)階段。首先，強(qiáng)力在夾具伸長(zhǎng)0 mm～10 mm范圍內(nèi)增長(zhǎng)較快，隨后強(qiáng)力隨夾具伸長(zhǎng)而平穩(wěn)增長(zhǎng)，在夾具伸長(zhǎng)120 mm后，強(qiáng)力呈現(xiàn)階梯式快速下降，滌綸絲逐漸斷裂。由圖5可知，滌綸的斷裂強(qiáng)力為5.0 N～5.5 N，斷裂伸長(zhǎng)率約24%。

圖5 滌綸載荷-位移曲線(xiàn)

2.1.4 包覆紗

6組包覆紗試樣的拉伸載荷-位移曲線(xiàn)整體變化趨勢(shì)一致，拉伸至斷裂過(guò)程分為4個(gè)階段。以芯紗組合為0.040 mm+0.045 mm包覆紗為例，其拉伸載荷-位移曲線(xiàn)如圖6所示。由圖6可以看出，紗線(xiàn)強(qiáng)力隨夾具的伸長(zhǎng)，先是緩慢增長(zhǎng)后加速增長(zhǎng)，隨后出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，然后繼續(xù)增加，最后斷崖式下降。分析其原因：首先，紗線(xiàn)在拉伸的初始階段主要由伸直狀態(tài)的不銹鋼金屬絲承力；隨后，UHMWPE纖維伸直并演化為紗線(xiàn)的主承力紗，直至紗線(xiàn)斷裂。

圖6 芯紗0.040 mm+0.045 mm包覆紗載荷-位移曲線(xiàn)

雙不銹鋼金屬絲芯紗截面積與包覆紗斷裂強(qiáng)力的關(guān)系如圖7所示。由圖7可以看出，隨著雙不銹鋼金屬絲芯紗截面積的增大，包覆紗的斷裂強(qiáng)力先增大后減小，紗線(xiàn)最大斷裂強(qiáng)力在芯紗截面積為0.002 85 mm2，即芯紗組合為0.040 mm+0.045 mm時(shí)取得，紗線(xiàn)最大與最小斷裂強(qiáng)力的差值為8 N左右。

圖7 芯紗截面積與包覆紗斷裂強(qiáng)力的關(guān)系

2.2 切割性能分析

6種包覆紗所編織的手套經(jīng)耐切割測(cè)試，所獲得的切割力與切割距離的關(guān)系如圖8所示?？梢钥闯?，6組手套樣品的切割力-切割距離關(guān)系趨勢(shì)一致，切割距離隨著切割力的增大而減小。6組試樣雖均符合ASTM F2992M—2015標(biāo)準(zhǔn)中的A 5等級(jí)要求，但各曲線(xiàn)的變化速率存在較大的差異，且對(duì)應(yīng)的特征切割力不同，表明6組手套樣品的耐切割性能存在差異。

圖8 各包覆紗所制織物切割力與切割距離的關(guān)系

不同直徑組合的雙不銹鋼金屬絲芯紗對(duì)其織物的特征切割力影響如圖9所示?？梢钥闯?，隨著雙不銹鋼金屬絲芯紗截面積的增大，織物的特征切割力值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大切割力在芯紗截面積為0.002 85 mm2，即芯紗組合為0.040 mm+0.045 mm時(shí)取得，最大和最小特征切割力值相差8 N左右。

圖9 芯紗組合對(duì)特征切割力的影響

紗線(xiàn)強(qiáng)力與織物特征切割力之間的關(guān)系如圖10所示?？梢钥闯?，手套的特征切割力值隨著紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)力的增加而不斷增大，呈線(xiàn)性正相關(guān)。說(shuō)明在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，包覆紗的斷裂強(qiáng)力越大，由其編織的手套耐切割性能越好。

圖10 紗線(xiàn)強(qiáng)力與織物切割力的關(guān)系

3 結(jié)論

本研究討論了芯絲構(gòu)成對(duì)其力學(xué)性能及其所制織物耐切割性能的影響，獲得以下結(jié)論。

（1）不銹鋼金屬絲斷裂強(qiáng)力隨金屬絲直徑的增加而不斷增強(qiáng)。

（2）隨著雙不銹鋼絲芯紗截面積的增加，包覆紗斷裂強(qiáng)力及其織物的切割力先增大后減小，包覆紗斷裂強(qiáng)力及其織物切割力在芯紗截面積為0.002 85 mm2，即芯紗組合為0.040 mm+0.045 mm時(shí)取得最大值。

（3）在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，包覆紗的斷裂強(qiáng)力與所制手套的耐切割性能呈正相關(guān)關(guān)系。