滌綸與芳綸及超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合紗防刺織物的制備及其性能

李鳳艷， 葉天宇， 展曉晴， 趙 健， 李聃陽， 王 瑞

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387)

當(dāng)前人們對(duì)安全防護(hù)的重視程度日益提高，而來自不同刀具的刺傷是威脅人們生命安全的重要因素[1]。據(jù)報(bào)道，2015—2019年，平均每年發(fā)生的持刀傷人案件均高于800起，因此研究具有防刺功能的紡織品以適應(yīng)普通民眾的防護(hù)要求十分必要[2-3]。

芳綸[2-4]和超高分子量聚乙烯纖維[5-7]因其高強(qiáng)高模的性能，作為紡織原料廣泛應(yīng)用于防刺織物的生產(chǎn)；同時(shí)，硬質(zhì)粒子涂層[8-9]、聚氨酯涂層[10-11]和剪切增稠液浸漬[12-13]等整理方式常用于提升高性能纖維紡織品的防刺效果。然而高性能纖維價(jià)格昂貴，且目前所選用的整理方式均會(huì)降低紡織品的穿著舒適性，導(dǎo)致防刺產(chǎn)品的推廣和普及應(yīng)用受限。高強(qiáng)滌綸因成本低、適于服用而逐漸引起研究者的重視，已有較多關(guān)于其在產(chǎn)業(yè)用防刺紡織品中的應(yīng)用研究[14]。本文結(jié)合3種纖維原料的使用性能，通過紗線的復(fù)合，制備了不同復(fù)合紗線、不同結(jié)構(gòu)的機(jī)織物，以期探索民用防護(hù)紡織品的防刺性能與產(chǎn)品的穿著舒適性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE，22.22 tex(198 f))，江蘇普泰克新材料科技有限公司；芳綸1414(Kevlar?，111.11 tex(667 f ))，煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司；滌綸(PET，8.33 tex(72 f))，市售。

1.2 復(fù)合紗線的制備

采用DSTw01型并捻聯(lián)合機(jī)，將滌綸復(fù)絲分別與超高分子量聚乙烯纖維(質(zhì)量比為3∶8)、芳綸(質(zhì)量比為3∶40)進(jìn)行復(fù)合。設(shè)置機(jī)器工藝參數(shù)為：捻縮率0.1%，出條速度15 m/min。復(fù)合紗的捻度分別為200、250、300、350、400捻/m，PET/芳綸復(fù)合紗以樣品編號(hào)1#～5#表示，PET/UHMWPE復(fù)合紗分別以樣品編號(hào)6#～10#表示。

采用ON SC1000型花式捻線機(jī)，分別以滌綸復(fù)絲和超高分子量聚乙烯纖維為原料，按照文獻(xiàn)[14]所述制備過程，得到捻度分別為200、400、600、800、1 000捻/m的PET/UHMWPE包纏紗樣品，編號(hào)分別記為11#～15#。設(shè)置卷繞速度均為5 m/min。

1.3 織物的制備

根據(jù)紗線性能分析，并結(jié)合紗線下機(jī)時(shí)形態(tài)和織造過程，本文研究選擇2#和6#復(fù)合紗以及超高分子量聚乙烯纖維和芳綸分別作經(jīng)紗和緯紗，通過設(shè)計(jì)不同的織物組織結(jié)構(gòu)，在KSL2100型劍桿織機(jī)上織造平紋織物?？椢锞唧w規(guī)格如表1所示。同時(shí)，購買了多種不同規(guī)格的芳綸織物和超分子量聚乙烯纖維織物進(jìn)行對(duì)比，規(guī)格如表2所示。

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

表2 市售樣品的規(guī)格Tab.2 Fabric specification of commercial fabrics

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 紗線強(qiáng)力測(cè)試

采用Instron 3369型萬能強(qiáng)力機(jī)，參照GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》，測(cè)試復(fù)合紗線的力學(xué)性能。測(cè)試環(huán)境相對(duì)濕度為65%，溫度為20 ℃；測(cè)試長(zhǎng)度為200 mm；測(cè)試速度為100 mm/min。

1.4.2 織物靜態(tài)穿刺性能測(cè)試

采用Instron 3369型萬能強(qiáng)力機(jī)，參照ASTM F1342—2005《防護(hù)服材料抗穿刺性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，用自制測(cè)試平臺(tái)(見圖1)測(cè)量樣品的穿刺強(qiáng)力。樣品尺寸為10 cm×10 cm；測(cè)試環(huán)境相對(duì)濕度為65%，溫度為20 ℃；測(cè)試速度為508 mm/min。

圖1 防刺測(cè)試用工具Fig.1 Instrument of measurement on puncture resistance. (a) Cylindrical clipper; (b) Knife with single edge

1.4.3 織物透氣透濕性能測(cè)試

采用YG(B)461 D-Ⅰ型數(shù)字式織物透氣量?jī)x，裁剪試樣面積為20 cm2，參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》測(cè)試織物的透氣性能，壓降為100 Pa。

采用YG(B)216-Ⅱ型織物透濕量?jī)x，取直徑為70 mm的圓形試樣，參照GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第2部分：蒸發(fā)法》測(cè)試織物的透濕性能。溫度為38 ℃，相對(duì)濕度為50%。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合紗線力學(xué)性能

對(duì)不同捻度的復(fù)合紗分別進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，得到紗線拉伸斷裂的應(yīng)力與應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖2所示。

圖2 復(fù)合紗的應(yīng)力與應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of compound yarn.(a) PET/aramid(1#-5#); (b) PET/UHMWPE(6#-10#); (c) PET/UHMWPE(11#-15#)

圖2(a)、(b)為并捻聯(lián)合機(jī)加工的合股方式復(fù)合紗線?？梢钥闯?，在PET/芳綸系列復(fù)合紗中，當(dāng)捻度為350捻/m(4#)時(shí)，其斷裂強(qiáng)度值最大，為183 cN/tex，比芳綸長(zhǎng)絲的拉伸斷裂強(qiáng)度(171 cN/tex)增加了7.01%。這是由于隨著復(fù)合紗捻度的增加，纖維間的結(jié)合更為緊密，在拉伸過程中，減少了因纖維滑脫而導(dǎo)致紗線斷裂；當(dāng)PET/芳綸紗線復(fù)合紗捻度達(dá)到400捻/m(5#)時(shí)，紗線應(yīng)力驟減。這是由于紗線捻度過大時(shí)，纖維傾斜度增大，會(huì)使纖維承受的軸向分力減小。因此,PET/芳綸紗線的力學(xué)性能隨著捻度的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。在PET/UHMWPE系列復(fù)合紗(見圖2(b))中，不同加捻程度的復(fù)合紗其力學(xué)性能之間沒有表現(xiàn)出明顯變化，但是相較于UHMWPE長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)度(238 cN/tex)，復(fù)合紗的力學(xué)性能下降較多，圖2(c)所示的包纏復(fù)合紗測(cè)試結(jié)果也呈現(xiàn)這種變化。這是由于UHMWPE長(zhǎng)絲與滌綸長(zhǎng)絲的線密度接近，在斷裂強(qiáng)力值(UHMWPE長(zhǎng)絲為52.80 N，復(fù)合紗為50.41～51.47 N)接近的情況下，考慮到復(fù)合紗線的線密度，力學(xué)性能則會(huì)表現(xiàn)出比較大的差異。PET/UHMWPE包纏紗的結(jié)構(gòu)與合股紗完全不同，包纏紗分為外包紗線和芯層紗線，外包紗線以芯層紗線為中心形成螺旋加捻結(jié)構(gòu)，芯層紗線呈伸直狀態(tài)，隨著捻度增加，外包紗線與芯層紗線之間的復(fù)合角度增大，從而使纖維間的結(jié)合更為緊密，當(dāng)紗線捻度過大時(shí)，在拉伸過程中對(duì)芯層紗線造成應(yīng)力點(diǎn)過多的影響，從而導(dǎo)致紗線強(qiáng)力下降，與圖2中復(fù)合紗的應(yīng)力隨著紗線捻度的增大，呈先增大后減小的變化趨勢(shì)一致。包纏紗在拉伸過程中是內(nèi)層芯紗UHMWPE纖維先發(fā)生斷裂，隨著復(fù)合捻度的增大，此現(xiàn)象逐漸減弱；當(dāng)包纏紗捻度為1 000捻/m時(shí)，內(nèi)外層纖維同步斷裂。復(fù)合紗捻度較小時(shí)，外包紗對(duì)芯紗的摩擦較小，2種纖維之間的結(jié)合不夠緊密，內(nèi)外層紗線斷裂不同步；隨著復(fù)合捻度的增大，外包紗的包覆率增大，纖維間結(jié)合更為緊密，隨之內(nèi)外層紗線達(dá)到同時(shí)斷裂。

對(duì)于芳綸復(fù)合紗織物，盡管在紗線力學(xué)性能分析過程中發(fā)現(xiàn)3#的應(yīng)力值最大，但下機(jī)后的捻縮嚴(yán)重；對(duì)于超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合紗織物，PET/UHMWPE復(fù)合紗(6#～10#)的力學(xué)性能差異不大，但 6#紗線捻縮較??；而在實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，11#～15#紗線包纏紡加工的連續(xù)性及產(chǎn)品的均勻性控制仍然有一定難度。

2.2 織物靜態(tài)防刺性能

2.2.1 單層織物

對(duì)表1、2中所列織物分別進(jìn)行單層靜態(tài)刺破強(qiáng)力的測(cè)試，結(jié)果如表3所示。相對(duì)于高性能纖維而言，滌綸成本低，將其引入防刺織物的生產(chǎn)可降低防刺織物成本。為進(jìn)一步分析滌綸的混入對(duì)織物刺破載荷的影響，根據(jù)織物的經(jīng)緯密和紗線根數(shù)，由下式計(jì)算出樣品每平方米織物中的纖維根數(shù)，結(jié)果列于表3中。

C=PjFj+PwFw

式中：C為每平方米織物中纖維總根數(shù)，根/m2；Pj為每平方米織物中經(jīng)向紗線數(shù)量，根/m2；Fj為每根經(jīng)紗所含纖維的根數(shù),根；Pw為每平方米織物中緯向紗線數(shù)量，根/m2；Fw為每根緯紗所含纖維的根數(shù),根。

由表3可以看出，總體而言，無論Y系列還是Z系列織物，同種類織物的穿刺載荷均隨著織物面密度的增加而增加。但是具體分析還可發(fā)現(xiàn)：1)對(duì)于芳綸織物，Z-1～Z-3織物中緯紗引入了PET/芳綸復(fù)合紗，其穿刺載荷明顯高于Z-4織物，尤其當(dāng)Z-3與Z-4織物的面密度相近時(shí)，加入復(fù)合紗織物的穿刺載荷提升了近230%。Z-4織物中滌綸含量約為28%，Z-3織物中滌綸含量約為48%，說明滌綸的引入沒有降低高性能纖維織物的防刺性能。同時(shí)，因滌綸的引入，可在降低一定高性能纖維用量的基礎(chǔ)上，通過增加織物中總纖維根數(shù)保持或提升產(chǎn)品的防刺性能。2)對(duì)于UHMWPE纖維織物，高性能纖維含量高，其織物刺破載荷也高，如Y-7、Y-8織物。然而，與市售純紡高性能纖維織物相比，本文研究所加工的相似規(guī)格的復(fù)合紗織物均可達(dá)到相當(dāng)程度的穿刺載荷值，如Y-5與Z-6、Y-6與Z-7等。將Z-7與Z-9織物進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，在UHMWPE纖維含量接近的情況下，滌綸含量在Z-7中為18.62%，在Z-9中約為30%，而滌綸含量高的Z-9織物刺破載荷值略高,進(jìn)一步證明了滌綸的加入可一定程度地提升復(fù)合紗織物的防刺效果。這可能是因?yàn)闇炀]的加入使得其受刀具沖擊時(shí)首先斷裂，在隨刀具移動(dòng)的抽拔過程中消耗刀具刺穿動(dòng)能所致。

表3 單層織物防刺性能Tab.3 Puncture resistance of single-layer fabric

2.2.2 多層織物

選擇UHMWPE系列織物，按照織物經(jīng)向平鋪，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能測(cè)試，結(jié)果如表4所示。可知，隨著織物堆疊層數(shù)的增加，其刺破載荷值增大：Y-5織物鋪疊多層后，刺破載荷分別提升了84.81%、217.33%、337.75%；Z-6織物鋪疊多層后，刺破載荷分別提升了132.25%、222.96%、388.46%，相較于Y-5織物，經(jīng)緯密相同的Z-6織物在鋪疊多層后，準(zhǔn)靜態(tài)防刺效果提升更多；Z-7鋪疊4層后的織物相較于單層織物，防刺性能提升約536%，由于織物鋪疊層數(shù)過多時(shí)，織物厚度增加，影響其柔軟的特性，因此僅測(cè)試到其鋪疊4層時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能。

由表4還可看出，增加纖維根數(shù)，可在減少鋪疊層數(shù)的同時(shí)保持或提升織物的防刺效果。如：Y-5鋪疊3層的織物，其穿刺載荷值可由Y-7或者Y-8織物鋪疊2層達(dá)到；復(fù)合紗織物Z-5鋪疊4層的織物，其穿刺載荷值可由Z-6鋪疊3層或者Z-7鋪疊2層達(dá)到。

表4 堆疊層數(shù)對(duì)織物防穿刺性能的影響Tab.4 Effect of stacking layers on puncture resistance of fabrics

2.2.3 穿刺破壞形貌

圖3示出單層織物刺穿形貌照片?？梢钥闯觯椢锲茐目谝粋?cè)纖維呈現(xiàn)出毛羽狀，芳綸復(fù)合紗織物在刀口處其紗線抽拔、斷裂現(xiàn)象更為顯著，UHMWPE復(fù)合紗織物在刀口處纖維斷裂較少，這是由于UHMWPE復(fù)合紗織物密度較大，紗線較細(xì)。在刀具刺入過程中，垂直于織物的刺入力導(dǎo)致紗線沿織物截面和紗線軸向分別產(chǎn)生剪切和拉伸，刀尖沿刺入力方向?qū)喚€產(chǎn)生向下的沖擊力，刀身對(duì)周圍紗線的擠壓以及刀鋒對(duì)紗線的切割力，使織物破損；且織物在刺入力方向產(chǎn)生位移，增加了周邊紗線的變形，形成二次傷害。

圖3 單層織物刺穿形貌照片F(xiàn)ig.3 Puncture morphology of single-layer fabrics. (a) PET/UHMWPE; (b) PET/aramid

圖4示出Z-7多層織物的刺穿形貌照片?？梢钥闯?，隨著堆疊層數(shù)的增加，刀口處被切斷抽拔出的紗線減少，呈現(xiàn)出沿力值方向產(chǎn)生位移的狀態(tài)。由刀口兩側(cè)紗線堆積情況和刀口處織物的拉伸狀況可以看出，2層的織物沿刀具刺入方向產(chǎn)生較大位移，隨著堆疊層數(shù)的增加，被切斷抽拔出的紗線明顯減少，削弱了刀具對(duì)織物的損害，防刺效果得到提升。

圖4 多層織物刺穿形貌照片F(xiàn)ig.4 Puncture morphology of 2-layer (a), 3-layer (b) and 4-layer (c) fabrics

2.3 織物舒適性能

2.3.1 織物透氣性能

從本文研究的系列織物中，選擇緯密不同而其他規(guī)格相近的Z-5、Z-6和Z-7織物，探討復(fù)合紗基織物的透氣性能。同時(shí)為對(duì)比研究復(fù)合紗基高性能纖維與市售純高性能纖維織物，選擇規(guī)格相近的Y-5織物作為樣品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出：在UHMWPE復(fù)合紗系列單層織物中，隨著織物緯密的增加，其透氣率下降，Z-7織物的透氣率下降最為明顯，達(dá)到了64.82%；具有相同經(jīng)緯密的Y-5織物和Z-6織物的透氣率下降對(duì)比不明顯，因此，復(fù)合紗的加入不會(huì)降低織物的透氣率；隨著織物堆疊層數(shù)的增加，其透氣率逐漸減小，且織物結(jié)構(gòu)越緊密，其堆疊后透氣率下降幅度越大。

表5 織物的透氣率Tab.5 Air permeability of fabrics

2.3.2 織物透濕性能

選擇上述單層織物樣品測(cè)試其透濕性能，結(jié)果如表6所示?？梢钥闯?Y-5織物與UHMWPE復(fù)合紗系列織物的透濕率沒有明顯差異;在UHMWPE復(fù)合紗系列織物中，隨著織物緯密的增大，織物透濕率從124.20 g/(m2·h)減小到106.57 g/(m2·h)。這是由于隨著織物緯密的增大，紗線間間距減小，纖維之間結(jié)合更為緊密，從而阻礙了水蒸氣的擴(kuò)散。相近經(jīng)緯密的Z-6織物和Y-5織物相比，其透濕率下降了4.32%，這是因?yàn)閁HMWPE復(fù)合紗織物在經(jīng)緯密不變的情況下，緯紗引入滌綸長(zhǎng)絲，從而導(dǎo)致織物內(nèi)纖維間的結(jié)合更為緊密，使透濕率稍有下降，但變化不明顯。

表6 織物的透濕率Tab.6 Moisture permeability of fabrics

3 結(jié) 論

通過不同的紗線成形方式，將滌綸與防刺用高性能纖維進(jìn)行復(fù)合，研究了復(fù)合紗線及織物的準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能及服用舒適性能，得到如下主要結(jié)論。

1)綜合考慮紗線力學(xué)性能、下機(jī)形態(tài)以及織造過程，選擇了250捻/m的芳綸/滌綸復(fù)合紗和200捻/m的超高分子量聚乙烯/滌綸復(fù)合紗作為復(fù)合紗線基防刺織物用紗線樣品。

2)結(jié)合織物每平方米纖維含量和織物面密度等規(guī)格,認(rèn)為織物穿刺載荷隨著面密度的增加而增加；當(dāng)復(fù)合紗中引入滌綸時(shí)，可通過增加織物中纖維總根數(shù)以及穿刺過程中的最先斷裂消散刀具穿刺動(dòng)能等，保持或提高織物的防穿刺性能。

3)織物的準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能隨著堆疊層數(shù)的增加而大幅提升；同時(shí)通過增加織物總纖維根數(shù)而減少鋪疊層數(shù)，也可達(dá)到相當(dāng)程度的穿刺載荷。

4)相比于高性能纖維純紡織物，復(fù)合紗織物的透濕性和透氣性沒有明顯差別；多層織物的堆疊降低了織物的透氣性，最大下降了64.82%。