不同種類的UHMWPE/R復合紗織物力學及防刺性能對比

張潔 劉新金 朱海榮 繆正偉 高強 高洪

摘要： 文章選用由UHMWPE及黏膠纖維所紡制的相同線密度UHMWPE短纖紗/R、UHMWPE長絲/R包芯紗，UHMWPE短纖紗/R、UHMWPE長絲/R賽絡菲爾紗4種不同種類的UHMWPE/R復合紗，分別織制相同規(guī)格平紋織物，并對其進行力學及靜態(tài)防刺性能的測試對比。結(jié)果表明：各試樣的拉伸斷裂強度其緯向都略大于經(jīng)向，而撕裂強度則相反。紗線的結(jié)構(gòu)及物理性能在很大程度上影響了織物的力學性能。各試樣的經(jīng)向穿刺力略大于緯向，而沿試樣45°方向的穿刺力都小于經(jīng)緯向，且各試樣中織物強力較高的普遍穿刺力較高，織物中毛羽的提高也有利于穿刺力的提高。

關(guān)鍵詞：

包芯紗;賽絡菲爾紗;UHMWPE/R復合紗織物;力學性能;靜態(tài)穿刺力;防刺性能;平紋織物

中圖分類號： TS101.923.1

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2021）10-0023-05

引用頁碼： 101105

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.10.005（篇序）

Comparison of mechanical and puncture-proof properties of different typesof UHMWPE/R composite yarn fabrics

ZHANG Jie1， LIU Xinjin1， ZHU Hairong2， MIAO Zhengwei2， GAO Qiang3， GAO Hong4

（1.Key Laboratory of Eco-Textiles， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China; 2.Jiangsu Haite FashionCo.， Ltd.， Wuxi 214122， China; 3.Wuxi Gaoqiang Special Textile Co.， Ltd.， Wuxi 214122， China;4.Wuxi Gaoshikang New Material Technology Co.， Ltd.， Wuxi 214122， China）

Abstract：

This article selects four kinds of UHMWPE/R composite yarns with the same linear density， namely， UHMWPE staple yarn/R， UHMWPE filament/R core-staple yarn， UHMWPE staple yarn/R， UHMWPE filament/R Sirofil yarn spun by UHMWPE and viscose fiber， to weave plain weave fabrics with the same specifications， and their mechanical properties and static puncture-proof properties were tested and compared. The results indicate that the tensile breaking strength of each sample is slightly greater in the weft direction than in the warp direction， while the tearing strength is the opposite. The structure and physical properties of yarn greatly affect the mechanical properties of fabric. The puncture force in the warp direction of each sample is slightly greater than that in the weft direction， while the puncture force at an angle of 45° with the sample is smaller than those in the warp and weft directions. Among all samples， the puncture force is generally higher for fabrics with higher strength and the improvement of hairiness in fabrics is also beneficial to the improvement of puncture force.

Key words：

core-staple yarn; Sirofil yarn; UHMWPE/R composite yarn fabric; mechanical properties; static puncture force; puncture-proof properties; plain weave fabric

收稿日期： 2021-04-01;

修回日期： 2021-09-10

基金項目：

作者簡介： 張潔（1997），女，碩士研究生，研究方向為新型紡紗技術(shù)。通信作者：劉新金，副教授，liuxinjin2006@163.com。

近年來，國際極端組織及恐怖分子的多起暴力襲擊事件造成了不少人員的傷亡，對人們的正常生活產(chǎn)生了極大的不利影響。這些持刀襲擊案件提醒著人們，潛在的犯罪襲擊傷害依然存在，安全防護必不可少。因此，柔性防刺材料的研究及開發(fā)變得尤為重要。以高性能纖維為原料制成的柔性防刺材料是目前國內(nèi)外研究的重點[1]，為進一步提高其防護性能，常采用樹脂復合的形式。但盡管采用樹脂處理后的材料防刺性能有所增加，其增強幅度有限且織物服用性能大幅降低，難以兼顧其較好的防刺性能和穿著舒適性能，這也是目前柔性防刺材料有待解決的問題及難點[2]。當下提高材料防刺性能的方法，一方面是對材料本身結(jié)構(gòu)進行研究改進，另一方面是對材料施加后整理。同時，一些研究人員嘗試將高性能纖維與天然纖維相結(jié)合等方法來提高材料的服用舒適性能[3]。Magdi El Messiry等[4]對不同三維機織物的

能量吸收進行了研究，并與普通機織物進行了對比，結(jié)果表明三維機織物對沖擊能量的分散效果更好。晏義伍等[5]采用模壓法制備了Kevlar/Surlyn復合材料，研究發(fā)現(xiàn)其動態(tài)防刺性能較純Kevlar織物有顯著提高。Duong Tu Tien等[6]研究了由高性能纖維以棉混紡形式制成的機織物的防刺性能，發(fā)現(xiàn)該織物在保證足夠防刺性能的基礎上提高了舒適性能。

超高分子量聚乙烯（ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE）因其極佳的抗沖擊性、高強高模及低密度等優(yōu)勢，被廣泛應用于防刺抗沖擊等領域[7]。目前UHMWPE產(chǎn)品以長絲為主，有少量短纖紗的應用[8]。盡管UHMWPE短纖紗產(chǎn)品強度不及UHMWPE長絲，但由于UHMWPE短纖紗有較好的樹脂浸潤性，因此UHMWPE短纖紗比UHMWPE長絲更加適宜用于作為復合材料的增強骨架。雖然UHMWPE有較多良好的綜合性能，但其吸濕性差，產(chǎn)品服用舒適性能較差。包芯紗是由兩種或兩種以上的纖維組合而成的芯鞘結(jié)構(gòu)紗線，紗體結(jié)構(gòu)由長絲為芯、短纖維外層包纏而成;賽絡菲爾紗是將賽絡紡中的一根粗紗換成長絲所紡成的紗線，紗體結(jié)構(gòu)由長絲與須條相互包纏而成，類似股線。包芯紗及賽絡菲爾紗因其不同的紗線結(jié)構(gòu)，可以將幾種不同的纖維進行優(yōu)勢上的互補，在性能上與單一結(jié)構(gòu)紗線有較大的區(qū)別，被廣泛應用于功能性紗線的開發(fā)中。因此考慮添加吸濕性較好的黏膠與UHMWPE長絲及UHMWPE短纖紗共同紡制復合紗線，在改善其舒適性的同時探究不同種類的UHMWPE/R復合紗對織物力學及防刺性能的影響，為UHMWPE復合多層防刺織物的研究開發(fā)提供參考。

本文選用由UHMWPE及黏膠纖維所紡制的相同線密度UHMWPE短纖紗/R、UHMWPE長絲/R包芯紗，UHMWPE短纖紗/R、UHMWPE長絲/R賽絡菲爾紗4種不同種類的UHMWPE/R復合紗，分別織制相同規(guī)格平紋織物，并對其進行力學及靜態(tài)防刺性能的測試對比。

1 織物制備

1.1 紗線紡制

原材料：線密度為14.75 tex的UHMWPE短纖紗線（江蘇儀征金鷹紡織有限公司），線密度為16.67 tex的UHMWPE長絲（東莞市索維特特殊線帶有限公司），定量為4.3 g/10 m的黏膠粗紗（南通雙弘紡織有限公司）。紡紗工藝參數(shù)見表1。

通過在QFA1528型細紗機（無錫第七紡織機械有限公司）上添加長絲喂入裝置，來實現(xiàn)4種不同種類的UHMWPE/R復合紗的紡制。以黏膠短纖維為外包纖維，UHMWPE短纖紗（14.75 tex）及UHMWPE長絲（16.67 tex）分別作為芯絲喂入，與經(jīng)過牽伸后的黏膠須條匯合后加捻而成包芯紗;以黏膠短纖維為中間纖維，UHMWPE短纖紗（14.75 tex）及UHMWPE長絲（16.67 tex）分別作為包纏纖維喂入，與經(jīng)過牽伸后的黏膠須條分別保持8 mm及6 mm的間距加捻而成賽絡菲爾紗。

將所紡制的4種復合紗線，在環(huán)境溫度20 ℃、相對濕度65%下，采用XL-2紗線強伸度儀（上海新纖儀器有限公司），在夾持距離500 mm、拉伸速度500 mm/min條件下測試紗線的強伸性能;采用UT5全自動紗線檢測儀（烏斯特技術(shù)有限公司），在測試速度200 m/min條件下檢測紗線的條干;采用YG173A型紗線毛羽測試儀（蘇州長風紡織機電科技有限公司），在測試片段長度30 m、走紗速度60 m/min條件下檢測紗線的毛羽，其基本性能如表2所示，解捻后的紗線外觀如圖1所示。其中，圖1（a）是由UHMWPE短纖紗為芯，外包黏膠纖維而成的包芯紗;圖1（b）是由UHMWPE長絲為芯，外包黏膠纖維而成的包芯紗;圖1（c）是由UHMWPE短纖紗及黏膠纖維相互包纏而成的賽絡菲爾紗;圖1（d）是由UHMWPE長絲及黏膠纖維相互包纏而成的賽絡菲爾紗。

1.2 試樣織制

在SGA598型半自動小樣機（江陰市通源紡機有限公司）上，采用4種不同種類的UHMWPE/R復合紗分別織制4種織物試樣，其規(guī)格如表3所示。

2 織物性能測試

2.1 拉伸性能

選用HD026NS電子織物強力儀（南通宏大實驗儀器有限公司）進行織物拉伸性能測試。按照GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》進行測試。隔距200 mm，拉伸速度100 mm/min，預加張力2 N，環(huán)境溫度20 ℃，相對濕度65%。每種試樣經(jīng)緯向各測試5次，取平均值。

2.2 撕裂性能

選用HD026NS電子織物強力儀進行織物撕裂性能測試。按照GB/T 3917.2—1997《紡織品織物撕破性能第2部分：舌形試樣撕破強力的測定》進行測試。采用單舌法，隔距100 mm，拉伸速度100 mm/min，預加張力2 N，環(huán)境溫度20 ℃，相對濕度65%。每種試樣經(jīng)緯向各測試5次，取平均值。

2.3 防刺性能

選用3385H電子萬能材料試驗機（美國英斯特朗公司）進行織物靜態(tài)穿刺試驗。用自制正方形夾具替換萬能材料試驗機的下夾頭，將13 cm×13 cm的試樣夾在自制夾具上，將公安部標準GA 68—2008《警用防刺服》中規(guī)定的測試刀具夾在上夾頭上（圖2），試樣的有效受力范圍為8 cm×8 cm，參數(shù)設定選擇壓縮測試，設置刀具下降速度為20 mm/min。將刀具的刀刃分別沿織物經(jīng)向、緯向及45°方向刺入，刀尖與試樣表面的初始距離為零。

3 結(jié)果與分析

3.1 拉伸性能測試

拉伸性能測試結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，各試樣的拉伸斷裂強度其緯向都略大于經(jīng)向。分析認為，試樣的拉伸斷裂強度在一定程度上受到織造工藝的影響。經(jīng)紗在織物織前準備時，在穿綜、穿筘的過程中會產(chǎn)生磨損。在上機織造時，經(jīng)紗又需要經(jīng)歷無數(shù)次的開口、閉口及鋼筘對其的磨損。經(jīng)紗在這些磨損的作用下，使得強力有所下降。而緯紗不需要經(jīng)歷穿綜、穿筘的過程，且在織造過程中由引緯系統(tǒng)直接引入，幾乎不存在磨損的現(xiàn)象[9]。

以相同原料所紡的包芯紗及賽絡菲爾紗所織制的試樣，前者拉伸斷裂強度低于后者。以相同紡紗方式、不同原料所紡的紗線所織制的試樣，復合紗中含有UHMWPE長絲/R的織物其拉伸斷裂強度高于含有UHMWPE短纖紗/R的織物。分析認為，在織物的拉伸破壞過程中，紗線先由彎曲狀態(tài)變?yōu)樯熘睜顟B(tài)，并在此過程中壓迫其他非拉伸系統(tǒng)的紗線。隨著拉伸試驗的進一步進行，受力系統(tǒng)的紗線逐漸變細，織物也慢慢變薄，而橫向非拉伸系統(tǒng)的紗線在滑動阻力的作用下逐漸向里凹陷，這時織物整體呈現(xiàn)束腰形，之后紗線斷裂，織物解體。而在紗線結(jié)構(gòu)上，由于不同的紡紗工藝，賽絡菲爾紗中的黏膠纖維須條分別經(jīng)過了弱捻和強捻，UHMWPE短纖紗或長絲與黏膠纖維之間的抱合力更大，而包芯紗只有成紗的一瞬間受到了加捻，故包芯紗相比于賽絡菲爾紗，其紗線的斷裂強度就略低。且對于相同紡紗方式的復合紗，含有UHMWPE短纖紗/R的紗線其斷裂強度低于含有UHMWPE長絲/R的紗線。因此，紗線的結(jié)構(gòu)及物理性能對織物的強伸性能是有明顯影響的。

3.2 撕裂性能測試

撕裂性能測試結(jié)果如表5所示。

由表5可以看出，各試樣的撕裂強度其經(jīng)向都略大于緯向。分析認為，在撕裂過程中，沿織物經(jīng)向撕裂，緯紗斷裂;沿織物緯向撕裂，經(jīng)紗斷裂。而經(jīng)紗在織物織前準備及上機織造的過程中都受到了一定程度的磨損，因而造成了經(jīng)紗強力的下降。

以相同原料所紡的包芯紗及賽絡菲爾紗所織制的試樣，前者撕裂強度低于后者。以相同紡紗方式、不同原料所紡的紗線所織制的試樣，復合紗中含有UHMWPE長絲/R的織物其撕裂強度高于含有UHMWPE短纖紗/R的織物。分析認為，在織物撕裂的過程中，織物會形成撕裂三角區(qū)，而三角區(qū)內(nèi)的紗線會被拉伸并聚集，然后斷裂?？椢锏乃毫驯举|(zhì)上也是一種拉伸，只是纖維受力的方向有所不同[10]。通常紗線的斷裂強度越大，其織物的撕裂強度就越大。因此，對于包芯紗和賽絡菲爾紗，前者的斷裂強度遠低于后者。而對于相同的紡紗方式，采用UHMWPE短纖紗/R所紡的復合紗其斷裂強度低于采用UHMWPE長絲/R所紡的復合紗。故不同結(jié)構(gòu)的紗線在很大程度上影響了其所織制織物的撕裂性能。

3.3 防刺性能測試

靜態(tài)穿刺力測試結(jié)果如表6所示。

由表6可以看出，各試樣的經(jīng)向穿刺力略大于緯向，而沿試樣45°方向的穿刺力都小于經(jīng)緯向。分析認為，刀具沿織物經(jīng)向刺入試樣時，刀刃垂直切割緯紗;沿緯向刺入試樣時，垂直切割經(jīng)紗。而經(jīng)紗受到織造工藝的影響使其強力有所下降，因而各試樣的經(jīng)向穿刺力略大于緯向。而刀具沿45°方向刺入試樣時，刀刃斜向切割紗線，使得紗線不能夠有效受力，因此紗線易被切斷。

各試樣中織物強力較高的普遍穿刺力也較高，但1#試樣穿刺力略高于3#試樣。分析認為，在織物被刺破的過程中，纖維或紗線受到了刀尖的推擠、穿刺力所帶來的拉伸及刀刃的切割作用[11]。復合紗中含有UHMWPE長絲/R的織物其斷裂強度比含有UHMWPE短纖紗/R的織物好，故穿刺力較好。但1#試樣所用紗線毛羽較多，其織物其表面的短毛羽使得織物表面的摩擦力有所增加[12]，織物相對更加緊實，刀具在刺入過程中受到來自紗線的摩擦阻力，使得刀具不易擠入試樣，故有利于穿刺力的提高。

含有UHMWPE長絲/R的織物其刀具位移比含有UHMWPE短纖紗/R的織物大。原因在于含有UHMWPE長絲/R的織物其表面比含有UHMWPE短纖紗/R的織物光滑，摩擦力小，刀具在刺入試樣時，紗線之間容易滑移，織物更易變形[13]。因此，相比于含有UHMWPE短纖紗/R的織物，刀具位移更大時試樣才會被刺破。

4 結(jié) 論

本文對4種不同種類的UHMWPE/R復合紗織物進行了力學及防刺性能的測試對比，主要結(jié)論如下：

1） 各試樣的拉伸斷裂強度其緯向都略大于經(jīng)向，而撕裂強度則相反。以相同原料所紡的包芯紗及賽絡菲爾紗所織制的試樣，前者拉伸斷裂強度及撕裂強度低于后者;以相同紡紗方式、不同原料所紡的紗線所織制的試樣，復合紗中含有UHMWPE長絲/R的織物其拉伸斷裂強度及撕裂強度高于含有UHMWPE短纖紗/R的織物。

2） 各試樣的經(jīng)向穿刺力略大于緯向，而沿試樣45°方向的穿刺力都小于經(jīng)緯向，且各試樣中織物強力較高的普遍穿刺力較高，織物中毛羽的提高也有利于穿刺力的提高。

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