超高分子量聚乙烯緯編針織結(jié)構(gòu)的防刺割斷裂機理

王麗娟,申 軍,符文濤,孫 樂,趙 祺,錢 坤

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 輕紡工程與藝術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230036;2.江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 無錫 214121)

1 前 言

隨著國際大環(huán)境的不斷變化及人們自我防護意識的提高,個體防護裝備的研發(fā)已成為世界范圍內(nèi)軍用和民用方面的熱點話題。尤其是個體柔性防刺材料在市場上的需求出現(xiàn)逐年增長的趨勢。柔性防刺材料是指人類為防御匕首,錐子等尖銳利器對人體產(chǎn)生的傷害而研究開發(fā)的功能性柔性材料[1]。匕首、尖刀等帶刃利器在防刺過程中對材料及人體都有切割損傷,而關(guān)于材料防割性能的研究很少涉及,這給防刺材料的研究與開發(fā)帶來很大的困難。因此,對防刺材料的切割性能的研究十分重要。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是繼碳纖維、芳綸纖維后的新一代高性能特種纖維,具有質(zhì)輕、強度高、耐沖擊、耐切割等優(yōu)良的性能,已廣泛應(yīng)用于輕質(zhì)柔性防護裝備[2]。研究表明,緯編針織物具有良好的防刺性能。這是因為刀尖接觸織物時,針織物的線圈能夠有效地握持刀具而防止其繼續(xù)刺入。如:英國PPSS公司注冊的Cut-Tex?抗切割針織面料,不僅防刺、防割性能良好,較市面上防刺防割產(chǎn)品還更加輕薄舒適[3]。

本研究以UHMWPE弱捻長絲紗為原料,研究了緯編針織物的防刺割性能。按照美國NIJ 0115.0標(biāo)準(zhǔn)中的P1刀具對UHMWPE緯編針織物進行垂直刺割實驗,分析緯編針織物在不同刺割模式下的織物變形及破壞形式,揭示緯編針織物防刺割過程中的斷裂機理。

2 UHMWPE緯編針織物的刺割實驗

INSTRON(3385 H)電子萬能材料實驗儀和自行設(shè)計的附件共同來完成準(zhǔn)靜態(tài)的垂直刺割實驗。INSTRON 萬能材料實驗儀的下夾頭裝置被試樣夾持附件所替代,夾持附件為2個環(huán)形不銹鋼板,試樣夾在2個鋼板之間,環(huán)的內(nèi)直徑為50 mm。為了防止刺割過程中試樣的滑移,2個環(huán)狀鋼板內(nèi)一個開凹槽,一個凸槽,且鋼板四周打6個孔,孔徑8 mm,螺栓固定試樣。刀具是美國NIJ0115.00防刺標(biāo)準(zhǔn)中的P1刀具,一側(cè)開刃,另一側(cè)無刃[4],如圖1所示。

圖1 刺割實驗裝置 (a)改裝后INSTRON; (b)P1刀具Fig.1 Stab-cut experimental device (a)modified INTRON; (b)blade

試樣采用UHMWPE弱捻長絲雙股紗在12機號電腦橫機(LXC-252S)上進行打樣。試樣包括兩類針織結(jié)構(gòu):緯平針和滿針羅紋,兩者分別為單面和雙面緯編針織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)組織,基本參數(shù)見表1,試樣尺寸為直徑80 mm 的圓形。按照三個方向放置織物進行垂直刺割測試:緯向,徑向和45°斜向。

表1 試樣的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of sample

安裝試樣加持附件,試樣夾在環(huán)形夾具之間并通過螺栓加固。刀具安裝在INSTRON 萬能材料實驗儀器的上夾頭,刀具豎直放置,調(diào)節(jié)試樣方向及刀具和試樣的初始距離(1 mm)。設(shè)定測試速度(5,20,60,150,300,500 mm/min),啟動機器。刀具的刀刃長度約為30 mm,因此每次實驗以刀具下移50 mm 為準(zhǔn)結(jié)束實驗,測得位移-力曲線。

3 結(jié)果與分析

3.1 緯編針織物的防刺割性能

圖2為典型的位移-刺割力特征曲線。從圖可見,刀具從與織物的點狀初接觸到織物初次被割破失效前,織物以變形為主,且受力隨刀具的位移呈非線性增大,符合典型的J型曲線關(guān)系。為了定量分析刀具垂直刺割織物的防刺割性能,選取破裂點的最大刺割力Fa、破裂點處的刀具位移La及織物破裂后刺割力的中間值Fc三個特征量來綜合分析織物的防刺割性能。Fa越大,織物的抗刺割性能越好。La越大,說明在刺口處,織物的“開窗”效應(yīng)越明顯[5],刺割破裂前織物變形越大,刀具對織物的破壞就越嚴(yán)重。Fc越大,刺割過程中對織物的損傷程度越嚴(yán)重。

圖2 緯編針織物的位移-刺割力特征曲線Fig.2 Displacement-force typical curve of weft knitted fabric

研究表明,織物結(jié)構(gòu)是影響其性能的重要因素。在保持其他刺割條件不變的情況下,選取緯平針和滿針羅紋織物作為研究對象。圖3(a)為兩種織物結(jié)構(gòu)的位移-力曲線。從圖可見,滿針羅紋的防刺割性能優(yōu)于緯平針。滿針羅紋的Fa和Fc值相較于緯平針都增加了100%,且滿針羅紋的La值較大,滿針羅紋在刺割過程中織物變形較大,耗能大。另外,兩個刺割曲線均出現(xiàn)切割破裂后的平均刺割力大于切割破裂時的刺割力最大峰值。這是由于刀具穿刺過程中,刀具鄰近線圈變形較大,較多的線圈參與使刀具刺割阻力增大。

由于針織物線圈為各向異性,針織物布絲方向的改變,刀刃的刺割部位及刺割過程中線圈的伸長形變也隨之改變,因此針織物的方向性會影響其刺割性能。圖3(b) 為針織物三種方向的抗刺割性能?？椢锞曄蚝托毕虻拇谈钇屏盐灰?La)較大,緯向刺割和斜向刺割的破裂刺割力比較接近,較徑向刺割力大。但是徑向織物破裂后,平均刺割力為三者最大值。緯編針織物即紗線沿緯向成圈,線圈沿徑向相互串套而成,因此,緯編針織物的緯向拉伸線圈形變大于徑向,且圈弧的彎曲程度大于圈柱,針織物線圈的各向異性影響著織物刺割響應(yīng)模式。

以滿針羅紋針織物為例,分別選取單層、雙層及三層疊層織物為試樣,研究織物疊層厚度對材料防刺割性能的影響。由圖3(c)可知,隨著織物疊層數(shù)的增加,試樣厚度增加,破裂刺割力(Fa),破裂點處的刀具位移La及刺割失效后的平均刺割力(Fc)均相應(yīng)的增大。如:單層織物的Fa為48.07 N,雙層織物的Fa為79.06 N,而三層織物的Fa增加至149.84 N。由于在切割過程中疊層織物層與層之間是自由的,刀具在層間移動時,織物會產(chǎn)生層間滑移及空氣阻力等影響,滿針羅紋疊層織物的防刺割性能與單層織物的呈非線性遞增關(guān)系。同樣,實驗也驗證了緯平針疊層織物的防刺割性能隨著疊層數(shù)的增加呈非線性增加。

圖3 緯編針織物抗刺割性能的影響 (a)織物結(jié)構(gòu);(b)織物方向性;(c)疊層數(shù);(d)速度Fig.3 Effect of stab-cut resistance property of weft knitted fabric (a)fabric structure; (b)fabric orientation;(c)numbers of plied-fabrics; (d)velocity

研究發(fā)現(xiàn),對于有機高性能纖維材料而言,應(yīng)變率會對紗線的刺割響應(yīng)產(chǎn)生影響。由于實驗設(shè)備的速度范圍在0～500 mm/min 內(nèi)調(diào)節(jié),因此,分別選取5,20,60,150,300,500 mm/min為準(zhǔn)靜態(tài)刺割速度。圖3(d)為針織物不同刺割速度下的位移-力曲線。隨著刺割速度的增加,織物破裂失效的最大刺割力呈先增加后減小,與不同速度下UHMWPE 紗線橫向抗切割性能是一致的[2]。破裂點處刀具的位移差別不是很大,破裂后平均切割力除了5和150 mm/min的較小,其他速度下的破裂后平均切割力基本相同。

綜上所述,UHMWPE 緯編針織結(jié)構(gòu)的垂直刺割過程可分為四個階段:變形階段,破裂失效階段,穩(wěn)定刺割階段及刺割斷裂階段。變形階段即圖2所示的o～a點,以織物變形為主,刀具對織物沒有產(chǎn)生切割或刀刃僅切割織物內(nèi)少量的纖維。隨著刀具下移,織物和刀具間的作用力增加,刀刃處紗線所承受的應(yīng)力達到極限,紗線被切割線圈破裂即破裂點a。織物破裂后,斷裂紗線滑移,刀具和織物之間的作用力迅速下降,刺割力降至最小值即b點,即為破裂失效階段,此階段是瞬間過程。織物破裂后,織物力學(xué)穩(wěn)定性已經(jīng)失衡,隨后的刺割過程相對較平穩(wěn)稱為穩(wěn)定刺割階段。此階段,刺割力以增大-減小的形式上下波動,但是波動具有規(guī)律性且波動范圍很小。最后織物刺割斷裂?？椢锾匦浴⒌毒呒按谈顥l件等因素均能影響材料刺割過程的力學(xué)響應(yīng)。

3.2 緯編針織物刺割過程的變形特征

織物刺割破裂失效前主要以織物變形為主,假設(shè)此階段線圈紗線沒有被切割斷裂。穩(wěn)定刺割階段的曲線與變形階段相似,只是上下波動幅度較小且穩(wěn)定。針織物的變形貫穿了整個刺割過程且變形值前大后小。針織物垂直刺割過程的變形主要包括兩類:一是織物背凸,二是線圈擴張?？椢镒冃问强椢锎谈钸^程中吸能方式之一,對織物的防刺割性能有著重要的影響。

圖4 織物刺割過程的背凸變形 (a)示意圖;(b)圓弧模型Fig.4 Back convex deformation of fabric in the stab-cutting (a)schematic diagram; (b)arc model

得x0和x的關(guān)系如下:

背凸圓弧上的任意一點(x',y')的表達式如下:

表2為緯編針織物不同刺割參數(shù)下的背凸量。緯平針織物的背凸量較小;緯編針織物為各向異性材料,縱向延伸性小于緯向的延伸性,背凸量的差異很大;疊層針織物厚度增加,防刺割性能增加,與刀具直接接觸的線圈紗線在刺割過程中受力增大,因此背凸量隨著疊層數(shù)的增加而增加。由于是自由疊層的緣故,背凸量的增加呈非線性關(guān)系;隨著刺割速度的增加,織物背凸量呈遞增關(guān)系?？椢锎谈钸^程中背凸量的大小受到很多因素的影響。由于帶刃刀具對直接接觸地線圈紗線有切割破壞作用,所以切割過程中織物的背凸量大小受刀具鋒利程度的影響?？椢锉惩沟男纬墒怯捎诘毒吆涂椢锛喚€接觸點受力產(chǎn)生撓度變化,因此刀具和織物間的摩擦力的大小影響著織物背凸量的大小。

表2 緯編針織物刺割過程的背凸變形量Table 2 Back convex deformation of weft knitted fabric in the stab-cutting

3.2.2 線圈擴張 當(dāng)?shù)毒叽怪毕蛳麓谈羁椢?刀具對針織物線圈產(chǎn)生水平擠拉擴張,線圈擴張是從鄰近線圈抽取紗線而使線圈紗線產(chǎn)生滑移。對于緯編針織物垂直刺割而言,線圈擴張主要發(fā)生在與刀具直接接觸的線圈紗線且未被切割斷裂失效前。在刀具形狀、纖維材質(zhì)及紗線、織物結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的情況下,線圈擴張程度和線圈結(jié)構(gòu)特點,擴張方向及刺割速度(刀具刺入深度)等有關(guān)[7]。

圖5為刀具刺入時其截面與針織物線圈的相對位置。當(dāng)?shù)毒哐鼐暰庒樋椢锞曄虼怪贝倘霑r,刀具橫截面和織物緯向平行。隨著刀具的刺入,假設(shè)線圈沿經(jīng)向的圈高不變,線圈擴張規(guī)律為:①與刀刃直接接觸線圈的圈弧發(fā)生橫向擴張,且擴張程度最大,受力也最大;②與擴張線圈相鄰的緯向線圈處于縮緊狀態(tài),而相鄰縱向線圈處于擴張狀態(tài),變化程度隨著與接觸點線圈的距離的增加而降低;③接觸點線圈的圈柱紗線被割斷,線圈發(fā)生脫散,刀刃和線圈紗線脫離。刀具沿緯編針織物徑向垂直刺入,刀具橫截面和織物徑向平行,假設(shè)線圈的緯向圈弧不變,線圈擴張規(guī)律為:①與刀刃直接接觸線圈圈柱發(fā)生縱向擴張,且擴張程度最大,受力也最大;②與擴張線圈相鄰的緯向線圈則處于縮緊狀態(tài),而相鄰縱向線圈處于擴張狀態(tài),變化程度均隨著與接觸點線圈的距離的增加而降低。刀具沿緯編針織物45°斜向垂直刺入,其線圈擴張規(guī)律為:①刀刃和線圈串套點接觸沿線圈斜向擴張,線圈沿橫向和縱向間距均發(fā)生變化;②擴張線圈的相鄰縱向正下方線圈處于擴張狀態(tài),相鄰緯向線圈處于縮緊狀態(tài),變化程度與上述一樣。

圖5 刀具和針織物線圈的相對位置 (a)緯向刺割;(b)徑向刺割;(c)45°斜向刺割Fig.5 Relative position of blade and loop of knitted fabric (a)weft stab-cutting; (b)radial stab-cutting; (c)45°oblique stab-cutting

緯編針織物在無外力作用下的平衡狀態(tài),線圈相互串套勾結(jié)處紗線的力是保持相等的。當(dāng)?shù)毒叽怪贝倘脶樋椢锞€圈內(nèi),刀具對直接接觸的線圈紗線產(chǎn)生拉力,在勾結(jié)處線圈會被拉動,因此一方線圈紗線的力增加,直到串套勾結(jié)處兩方線圈紗線的力相等時停止,線圈擴張傳遞停止。緯平針織物的線圈紗線擴張的長度來自于此線圈所在相鄰橫列線圈紗線的滑移,不是紗線的拉伸增長量。因此紗線間滑動摩擦力對線圈滑移有很重要的影響。

3.3 緯編針織物的刺割斷裂機理

由緯編針織物刺割特征曲線和刺割過程分析可知,緯編針織物的刺割斷裂過程顯示出材料斷裂力學(xué)的特點。緯編針織物刺割斷裂主要包括變形階段,刺割破裂階段即裂紋產(chǎn)生和穩(wěn)定刺割階段即裂紋擴展。刀具和織物初接觸時,刀具對織物施加外力,如果不考慮織物非彈性應(yīng)變因素,外力做功使織物產(chǎn)生彈性變形能[8]。由于織物沒有被刺割破,因此沒有能量損耗。彈性應(yīng)變能存儲和集聚在織物內(nèi),所以有:

在緯編針織物的刺割破裂前,織物發(fā)生很大的變形,表現(xiàn)為織物和線圈結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化。由垂直刺割的位移-力曲線可知,刺割力隨刀具位移呈現(xiàn)出典型的非線性J型曲線特征[9]。因此,采用二階多項式函數(shù)對緯編針織物垂直切割實驗變形階段的J型曲線進行擬合,二階多項式函數(shù)關(guān)系式為:

式中:x為刀具位移,a,b,c分別是織物抗刺割性能的相關(guān)系數(shù),受織物結(jié)構(gòu)及刺割測試參數(shù)的影響。

緯編針織物刺割破裂階段即織物和刀具直接接觸點處聚集的能量已經(jīng)達到織物局部所能承受的最大值,迫使織物破裂所需能量稱之為破裂能?？椢锼查g迅速釋放能量而產(chǎn)生裂紋,此階段是一個瞬間過程,無外力做功。織物內(nèi)集聚的彈性應(yīng)變能部分釋放產(chǎn)生裂紋,裂紋長度主要取決于織物的切割斷裂阻抗[10]。根據(jù)能量守恒定律,織物刺割破裂階段能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

等式左邊為織物破裂前體內(nèi)聚集的最大的彈性應(yīng)變能,由外力做功提供。等式右邊分為兩部分:一是織物產(chǎn)生刺割破口所消耗的能量,這是由織物刺割阻抗(R)決定的,即產(chǎn)生單位刺割新表面的表面能,刺割阻抗大,被割破的長度(lc)則小,否則,被割破的長度大。二是剩余的彈性應(yīng)能(Λ'),在破裂階段結(jié)束時,織物內(nèi)存儲的彈性變形能并沒有全部釋放出。

織物刺割破裂后,直接進入穩(wěn)定切割階段即裂紋的擴展階段。此階段,刀刃前的織物隨著刀具的移動也會存在彈性變形區(qū),但是變形程度很小,設(shè)為固定值。根據(jù)能量平衡原理,這一階段的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

等式左邊為外力做功,等式右邊包括兩部分:一是穩(wěn)定切割階段產(chǎn)生新表面所需要的表面能;二是穩(wěn)定切割階段所需彈性應(yīng)變能,為固定值,不受切割裂紋長度的影響。假設(shè)K/(Δl-Δlt)=0,則有:

從上式可以看出,如果不考慮織物的粘彈性及刺割過程測試條件的影響,在穩(wěn)定刺割階段刺割力為定值,只與織物材料本身的斷裂阻抗有關(guān)。這和緯編針織物垂直刺割實驗結(jié)果具有一致性。

緯編針織物刺割過程中不同階段的刺割力如下:

此緯編針織物刺割力模型僅適用于固定條件下。例如,需選取固定的織物結(jié)構(gòu)和切割測試條件,而且要忽略測試過程中所消耗的非彈性應(yīng)變能及織物穩(wěn)定切割階段所消耗的彈性應(yīng)變能,因此,此模型只適用于斷裂阻抗較大、刺割性能較穩(wěn)定的織物[11]。

4 結(jié) 論

本研究利用INSTRON 萬能材料實驗儀測試UHMWPE緯編針織物的準(zhǔn)靜態(tài)防刺割性能,分析了緯編針織物刺割過程的形變特征,并利用材料斷裂力學(xué)中能量守恒原理,對緯編針織物的刺割過程能量轉(zhuǎn)化關(guān)系進行探究,結(jié)論如下:

1.緯編針織物的垂直刺割過程可分為四個階段即:變形階段,破裂失效階段,穩(wěn)定刺割階段及刺割斷裂階段。變形階段以織物形變?yōu)橹?刀具對織物產(chǎn)生切割或刀刃只是切割織物內(nèi)少量的纖維,位移-力曲線呈現(xiàn)出典型的非線性J型曲線特征。破裂階段與刀具直接接觸的線圈紗線被割斷失效,刺割力迅速降到最小值,此階段是瞬間過程。穩(wěn)定刺割階段的位移-力曲線呈現(xiàn)增大-減小的小幅度、規(guī)律性的上下波動。最后織物刺割斷裂?？椢铩⒌毒呒按谈顥l件因素均能影響織物刺割過程的力學(xué)響應(yīng)。

2.織物刺割破裂失效前主要以織物變形為主?？椢锏淖冃沃饕▋深?一是織物背凸,織物的背凸量的大小取決于刀具和織物間摩擦性能。二是線圈擴張,來自于相鄰橫列線圈紗線的滑移,而不是紗線的拉伸增長,主要發(fā)生在線圈紗線未被切割斷裂失效前。線圈擴張受擴張方向的影響,取決于紗線間滑動摩擦力。

3.緯編針織物垂直刺割斷裂具有明顯的斷裂力學(xué)特點即裂紋產(chǎn)生(破裂階段)和裂紋擴展(穩(wěn)定刺割階段)。利用材料斷裂力學(xué)的能量平衡分析法,提出緯編針織物的刺割斷裂阻抗及刺割過程能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,建立了各階段織物抗刺割力數(shù)學(xué)模型。