線跡縫合對(duì)芳綸平紋織物抗侵徹性能的影響

李 杭，楊青青，邱詩苑，蔚 朵，崔李倩

(武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430200)

現(xiàn)代軟質(zhì)防彈衣是由高性能纖維制成的柔性防護(hù)材料疊層組成，其防護(hù)性能取決于其在沖擊區(qū)域的局部吸收能量以及快速將能量分散出沖擊區(qū)的能力[1]。

平紋機(jī)織物優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、低卷曲以及交織作用，使其具有較好的抵抗彈道沖擊的性能[2-3]。但是由于平紋織物的結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，在受到彈丸橫向沖擊時(shí)，容易發(fā)生紗線被“抽拔”的現(xiàn)象。當(dāng)主紗線(與彈丸直接接觸的紗線)被抽拔出一定程度時(shí)，紗線屈曲逐漸減小，紗線交織點(diǎn)處的間隙增大，導(dǎo)致這些主紗線更易于被彈丸推開，這種現(xiàn)象被稱為“開窗”，如果織物邊緣松散，這種現(xiàn)象會(huì)加劇[4]。研究發(fā)現(xiàn)，消除織物在彈丸沖擊過程中主紗線間的滑移，可以使得織物更傾向于通過纖維斷裂吸收子彈動(dòng)能[5]。所以織物成型紗線間摩擦力對(duì)其抗侵徹性能起到重要作用[6]。

為了更好地研究摩擦對(duì)織物抗侵徹性能的影響，相關(guān)學(xué)者通過試驗(yàn)以及有限元模型研究分析得出，當(dāng)紗線間臨界摩擦因數(shù)μ=0.4 左右時(shí)，在紗線間摩擦以及交互作用下，應(yīng)力波從主紗線擴(kuò)散到次紗線(與主紗線相互交織的紗線)，從而增加了機(jī)織物的能量吸收性能[7]。目前用來提升紗線間摩擦性能的方法主要?dú)w為2類：通過化學(xué)方法對(duì)紗線進(jìn)行表面改性處理或改變織物組織結(jié)構(gòu)[8]。近年來，研究人員已嘗試通過二氧化硅剪切增稠液(STF)來提升軟質(zhì)防彈衣的抗侵徹性能[9-10]，通過STF浸漬的織物與純織物相比，前者表現(xiàn)出更好的能量吸收能力，且織物的能量吸收能力隨著紗線間滲透的STF量的增加而增加，該機(jī)制主要是通過增稠液來抵消子彈的沖擊性[11-12]。另外，STF增強(qiáng)了紗線間摩擦力，彈丸沖擊織物時(shí)增大了織物的應(yīng)變面積，從而擴(kuò)大了能量的傳遞范圍。除此之外，由于低溫等離子體方法處理材料具有腐蝕和燒蝕作用，也常被用來處理纖維，導(dǎo)致纖維表面粗糙化，以增強(qiáng)纖維間的摩擦力[13]。通過對(duì)芳綸機(jī)織物進(jìn)行表面改性處理，研究紗線表面摩擦因數(shù)、紗線摩擦性能測(cè)試以及織物的彈道試驗(yàn)，BRISCOE[14]肯定了表面改性處理對(duì)織物防彈性能的提升效果。但是表面改性處理的方法不可避免地對(duì)纖維表面造成一定損傷，降低了纖維的力學(xué)性能、織物的柔韌性，增加了織物的質(zhì)量。相比之下，織物組織結(jié)構(gòu)改性更符合軟體防彈層增強(qiáng)減重的需求理念。部分學(xué)者基于該理念，利用紡織技術(shù)，將紗羅組織和平紋組織結(jié)合，增強(qiáng)芳綸機(jī)織物經(jīng)紗、緯紗的交織阻力，抽拔試驗(yàn)結(jié)果表明，紗羅組織的引入，增強(qiáng)了經(jīng)紗對(duì)緯紗的握持性能，有效的限制了紗線間的滑移[15]。然而，紗線抽拔測(cè)試只能對(duì)機(jī)織物能量吸收性能做相關(guān)的預(yù)估，更為直接的方法是依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行彈道測(cè)試。

本文在平紋織物基礎(chǔ)上，通過縫合技術(shù)來限制紗線的流動(dòng)性，以消除在彈丸侵徹過程中紗線的抽拔和“開窗”現(xiàn)象，研究提高紗線間摩擦力的可行性方案。此外，采用彈丸侵徹試驗(yàn)對(duì)縫合/平紋復(fù)合結(jié)構(gòu)織物進(jìn)行測(cè)試，通過理論與數(shù)據(jù)分析，研究提升織物防彈性能的可行性方案，為紡織結(jié)構(gòu)柔性防彈夾層的開發(fā)提供參考。

1 試樣準(zhǔn)備

本文試驗(yàn)所采用的芳綸平紋織物由Kevler?29長(zhǎng)絲束(美國(guó)杜邦公司)織制而成，使用線密度為500 dtex的縫紉線(華美線業(yè)有限公司)，對(duì)芳綸平紋織物的經(jīng)向、緯向均進(jìn)行縫合處理，以便于控制纖維束的滑移，材料特性見表1?？p合工藝示意圖見圖1，由圖示出縫紉線跡是由上線、下線2根縫紉線相互順理而且有序地交織在織物之間。

表1 材料特性Tab.1 Material specifications

1—縫紉針；2—線圈；3—底線；4—擺梭。 圖1 縫合工藝示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the stitch formation

由圖1(a)示出，針頭引線后穿過織物向下運(yùn)動(dòng)，在機(jī)針最低位置時(shí)引線形成線圈被擺梭尖鉤起；通過擺梭的旋轉(zhuǎn)，引線線圈逐漸變大并被環(huán)繞到梭芯的底部，從而與底線形成交叉(見圖1(b))；交叉的線圈隨著擺梭的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)開始上升，線圈逐漸縮小(見圖1(c))；線圈繼續(xù)縮小，與底線形成互鎖，直到被機(jī)針拉過織物以固定針跡(見圖1(d))?？p合和未縫合平紋織物試樣見圖2，試樣規(guī)格見表2。

圖2 縫合和未縫合平紋織物試樣Fig.2 Stitched and unstitched plain fabrics

表2 試樣規(guī)格Tab.2 Fabric specifications

2 織物性能測(cè)試

2.1 紗線抽拔試驗(yàn)和織物硬挺度測(cè)試

彈丸侵徹過程中，紗線抽拔作用是芳綸平紋織物主要吸能機(jī)制之一。因此，通過紗線的抽拔試驗(yàn)來研究縫紉線對(duì)經(jīng)紗、緯紗之間摩擦力的增幅效果，并最終為提升織物的抗侵徹性能提供參考依據(jù)。本文采用YG028型萬能材料試驗(yàn)機(jī)(常州市中纖檢測(cè)儀器設(shè)備有限公司)對(duì)試樣進(jìn)行抽拔試驗(yàn)?？椢飿悠吩谠撗b置中由下夾持，并使用波紋鉗口防止紗線從夾具中滑落，待抽拔的紗線由上顎夾緊，以固定的移動(dòng)速度向上移動(dòng)，當(dāng)紗線上沒有負(fù)載時(shí)，測(cè)試停止。拔紗試驗(yàn)示意圖見圖3，由圖示出，在剩下的紗線尾部被下顎夾鉗夾住的同時(shí)，還保留了一個(gè)狹槽，以便將紗線拉出。在本文研究中，分別對(duì)垂直于縫合線方向的紗線以及被縫合的紗線本身進(jìn)行了抽拔試驗(yàn)，定量分析了縫紉工藝對(duì)經(jīng)、緯紗約束的影響。

由于線跡縫合機(jī)制會(huì)對(duì)織物的硬挺度造成一定程度的影響，本文依據(jù)GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測(cè)定 第1部分：斜面法》對(duì)復(fù)合組織結(jié)構(gòu)織物進(jìn)行了硬挺度測(cè)試分析，以研究不同縫合密度下織物硬挺度的變化。

圖3 抽拔試驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagrams of the yarn pull-out test. (a) Weft direction ;(b) Warp direction

2.2 彈丸侵徹試驗(yàn)

利用彈丸侵徹試驗(yàn)測(cè)試不同靶體的抗侵徹性能。該試驗(yàn)中，采用的球形彈質(zhì)量為2 g，直徑為8 mm。彈丸通過高壓空氣在槍管內(nèi)進(jìn)行加速，出膛速度為0～400 m/s，利用高速攝像的方法測(cè)試彈丸在接觸靶體前的入射速度和貫穿靶體后的出射速度。利用式(1)計(jì)算得出的彈丸動(dòng)能損失表征織物的抗侵徹性能。由于侵徹設(shè)備的不可控因素影響，無法設(shè)定彈丸出膛的準(zhǔn)確速度，因此，每個(gè)試樣的測(cè)試都在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行，保證速度盡可能接近，以便進(jìn)行比較。

(1)

式中：ΔE為彈丸動(dòng)能損失，J；m為彈丸質(zhì)量，g；v1為彈丸入射速度，m/s；v2為彈丸出射速度，m/s。

為了保證彈丸在侵徹過程中，紗線拔出的阻力完全來自于平紋織物交織點(diǎn)和縫合處的摩擦力，設(shè)計(jì)了一種夾具，四角夾具示意圖見圖4。由圖示出，該夾具四角銑有溝槽，試樣只被夾持4個(gè)直角邊，用螺栓和螺帽貫穿夾具背板以固定試樣，以便保證主紗線不會(huì)受到夾具約束的影響。在本文彈丸侵徹試驗(yàn)中，所有試樣規(guī)格均為25 cm×25 cm，以適應(yīng)靶體夾具的尺寸。

圖4 四角夾具示意圖Fig.4 Schematic diagram of the corner clamped frame

3 結(jié)果與討論

3.1 紗線抽拔試驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究不同數(shù)量的縫合線對(duì)紗線抵御抽拔作用的影響，依據(jù)每隔3根紗線縫合的縫制規(guī)格，在平紋織物中引入0～4根與抽拔紗線垂直的縫合線跡，所制試樣分別記為a#、b#、c#、d#、e#，單紗抽拔力-位移曲線見圖5，其中圖5(a)示出了根據(jù)圖3(a)所述方法進(jìn)行的紗線抽拔試驗(yàn)的位移-抽拔力曲線。結(jié)果表明，縫合線跡顯著增加了紗線間的抽拔力，抽拔力隨縫合線跡根數(shù)的增加而增加。由圖5(a)可知，單紗縫合試樣的抽拔力峰值比平紋組織高約6倍，最大抽拔力隨縫合紗線數(shù)的增加而增大，其中有4根縫合線樣品的抽拔力峰值最大，為55 N。這些結(jié)果表明，縫合線提供的約束大大增加了緯紗和經(jīng)紗之間的摩擦力。另外，在紗線被抽拔的初始階段，位移-載荷曲線具有相似的力值，這是因?yàn)樵谠撾A段(退屈曲區(qū))抽拔紗線克服靜摩擦力，導(dǎo)致屈曲完成了一定程度的轉(zhuǎn)換，即紗線不斷伸直；當(dāng)位移超過10 mm時(shí)，曲線之間的差異開始變得更為明顯，這表明在進(jìn)入“黏滑”階段后，拉伸紗線上的縫合約束機(jī)制被激活[14]，縫紉線對(duì)經(jīng)紗、緯紗的約束增大了紗線抵御抽拔的能力。因此，縫合效果在一定程度上是“延遲”的。彈道沖擊是一個(gè)動(dòng)態(tài)事件，通常在50～200 μs內(nèi)完成，所以防護(hù)材料對(duì)彈丸沖擊的有效阻力響應(yīng)需要及時(shí)運(yùn)作才能有效達(dá)到防護(hù)目的。

按圖3(b)所述方法進(jìn)行紗線抽拔試驗(yàn)，此方法抽出的單根紗線完全由縫紉線縫合，所制試樣記為f#，單紗抽拔力-位移曲線見圖5(b)?？梢钥闯?，縫合樣品的力-位移曲線在初始階段急劇增加，當(dāng)抽拔力達(dá)到45 N的峰值后開始下降，其抵御紗線抽拔的能力是平紋織物的20倍以上。圖5(b)所示的結(jié)果與圖5(a)相比，縫合紗線對(duì)抽拔力的響應(yīng)更快，這是因?yàn)樵诔榘蔚某跏茧A段，縫紉線的約束機(jī)制即被激活，由于縫紉線的約束作用極大的限制了紗線的滑移，從而增強(qiáng)了紗線對(duì)抽拔的抵御能力。當(dāng)織物上的每根紗線都被縫紉線縫合時(shí)，這使得縫合提供的約束效果在彈道事件開始時(shí)即刻生效，確保了樣本更有效地抵抗彈丸沖擊。同時(shí)消除了紗線拉出和“開窗”的可能性，降低了紗線滑移的概率，紗線斷裂吸收彈丸動(dòng)能的概率增加，提升了織物的抗侵徹性能。

圖5 單紗抽拔力-位移曲線Fig.5 Pull-out force as a function of displacement. (a) Weft direction; (b) Warp direction

3.2 織物硬挺度測(cè)試結(jié)果分析

織物的硬挺度測(cè)試結(jié)果見表3，其中抗彎剛度為表征織物硬挺度的指標(biāo)，抗彎剛度越大，織物硬挺度越高。由表示出，試樣1#的抗彎剛度最小，具有最好的柔韌性。由于在縫合工藝中，縫紉線所提供的約束增加了經(jīng)紗、緯紗之間的摩擦力，限制了紗線間位移，阻礙了纖維間和紗線間的運(yùn)動(dòng),這種機(jī)制不可避免地增加了平紋織物的抗彎剛度，從而增加了整體織物的硬挺度。即線跡縫合工藝增加了平紋織物的硬挺度，其硬挺度隨縫合線跡密度的增大而增大。

表3 織物的硬挺度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Stiffness test results of the fabrics

3.3 彈丸侵徹試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 彈丸侵徹速度對(duì)比分析

使用2.2所述測(cè)試方法在0～400 m/s的沖擊速度范圍內(nèi)進(jìn)行了彈丸侵徹試驗(yàn)。不同速率條件下試樣的入射速度-出射速度曲線見圖6，由圖示出，隨著入射速度的增加，每個(gè)樣品的擬合曲線都逐漸與黑色線性虛線平行。其中黑色線性虛線表示在沒有靶體目標(biāo)的情況下，由于忽略了空氣阻力對(duì)彈丸的影響，彈丸的出射速度沒有衰減，與入射速度呈線性關(guān)系。這可以通過平紋織物的能量吸收機(jī)制進(jìn)行解釋，當(dāng)彈丸入射速度較小或者接近彈道極限V50(彈丸貫穿靶體目標(biāo)的最低著速)范圍內(nèi)時(shí)，平紋織物受到彈丸沖擊后，自彈著點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生2種機(jī)械波，橫向波和縱向波，橫向波的傳遞導(dǎo)致主紗線產(chǎn)生橫向偏移，從而帶動(dòng)次紗線運(yùn)動(dòng)，造成織物產(chǎn)生四面體狀的橫向形變，織物發(fā)生拉伸破壞，彈丸的大部分動(dòng)能通過橫向波和縱向波的傳遞被材料吸收，主要轉(zhuǎn)化為織物的動(dòng)能和應(yīng)變能，此時(shí)出射速度隨入射速度的增長(zhǎng)較快；當(dāng)入射速度較大，遠(yuǎn)離彈道極限時(shí)，彈丸在接觸織物的一瞬間橫向波迅速傳遞，遠(yuǎn)離彈著點(diǎn)的紗線在未受到縱向波影響的情況下，織物通過纖維斷裂吸收子彈的動(dòng)能，造成剪切破壞，從而發(fā)生非彈性動(dòng)態(tài)響應(yīng)，彈丸出射速度隨入射速度的增長(zhǎng)逐漸變緩，織物的能量吸收效率降低。從圖6結(jié)果可以看出，在彈丸低速?zèng)_擊下，縫合織物比未縫合織物具有更好的防彈性能，其中試樣5#的抗侵徹性能最好；隨著彈丸沖擊速度的進(jìn)一步提升，不同織物試樣的出射速度沒有明顯差異，這與柔性靶體在高速?zèng)_擊下的作用機(jī)制有關(guān)。

圖6 不同速率條件下試樣的入射速度-出射速度曲線Fig.6 Plot of the residual velocity versus impact velocity

3.3.2 織物吸能效果分析

為了盡量減少?zèng)_擊速度變化對(duì)織物性能的影響，本文測(cè)試了在180、400 m/s的入射速度下，不同目標(biāo)樣品對(duì)彈丸動(dòng)能的吸收能力，在這項(xiàng)研究中，每種樣本被測(cè)試了10次以進(jìn)行比較。不同沖擊速度下試樣的吸收能量以及貫穿比吸能見圖7。由圖示出，隨著彈丸沖擊速度的增加，織物的能量吸收能力下降，如從180 m/s的沖擊速度到400 m/s的沖擊速度，1#的吸能從12.8 J降低到7.7 J，試樣5#的吸能從32.4 J降低到14.8 J。這也證實(shí)了柔性織物在高速?zèng)_擊下吸能下降的事實(shí)，與圖6結(jié)果對(duì)應(yīng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，試樣5#在180和400 m/s的沖擊速度下均表現(xiàn)出最佳的能量吸收能力，其吸能分別是試樣1#的253%、192%。由數(shù)據(jù)分析得出，縫合工藝提高了織物的能量吸收能力，這是因?yàn)榫€跡縫合增大了紗線間摩擦力，織物通過摩擦作用降低了主紗線橫向偏移的流動(dòng)性，減小了紗線抽拔和“開窗”的可能性，從而使沖擊區(qū)域內(nèi)更多的紗線承載了彈丸的沖擊，并通過紗線斷裂吸收彈丸的沖擊動(dòng)能，因此具有高摩擦性能的織物比低摩擦性能的織物吸收更多的能量，這也對(duì)試樣5#的抗侵徹性能優(yōu)于其他試樣做了相應(yīng)解釋。

目前大多數(shù)織物防彈性能的研究是在減重增效的前提下改善織物性能，所以縫合織物中縫紉線的附加質(zhì)量不可忽略。對(duì)經(jīng)向、緯向2個(gè)方向上的每根紗線都進(jìn)行縫合處理，使平紋組織的面密度增加了100%。為了比較相同面密度下不同織物的防彈性能，用總能量除以面積密度對(duì)能量吸收進(jìn)行單位化處理，記為“貫穿比吸能”，結(jié)果如圖7右軸所示，織物的貫穿比吸能隨著相鄰2根縫合線跡間距的減小呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，其中試樣4#表現(xiàn)出最高的貫穿比吸能。在180、400 m/s的沖擊速度下，試樣4#的貫穿比吸能分別為0.071、0.044 J/(g·m2)，分別是1#的133.9%和137.5%。織物貫穿比吸能的增加說明了適當(dāng)?shù)囊肟p合線跡可以有效限制纖維間的滑移，使更多纖維通過斷裂吸收彈丸的動(dòng)能，從而提升了單位面密度內(nèi)的紗線利用率；然而當(dāng)縫合線過密時(shí)，織物中縫紉線的附加質(zhì)量過大，反而不利于織物的單位面密度吸能。

圖7 不同沖擊速度下試樣的吸收能量Fig.7 Energy absorption of the samples at different impact velocities

3.3.3 織物失效形貌分析

織物靶體在受到彈丸侵徹后會(huì)發(fā)生紗線抽拔、紗線斷裂等失效模式，400 m/s下彈丸侵徹后的試樣失效形貌見圖8。由圖示出，所有樣品均被穿透，其中試樣5#的紗線抽拔現(xiàn)象最不明顯。由圖8(a)示出，主紗線在很大程度上是在試樣1#上被拉伸的。除了被抽出的紗線外，彈丸還能推開其他紗線，從而發(fā)生“開窗”。由于紗線抽拔和“開窗”的存在，紗線無法承受沖擊載荷，因此在試樣1#上沒有觀察到紗線的斷裂。在試樣5#上，每根紗線都被縫合，緯紗和經(jīng)紗受到縫紉線的約束，因此表現(xiàn)出的紗線抽拔和“開窗”現(xiàn)象最不明顯。由圖8(c)～(e)示出，隨著縫合線之間密度的增加，織物更傾向于通過纖維斷裂吸收彈丸動(dòng)能。

由圖7所示，能量吸收值的大小隨著平紋/縫合復(fù)合結(jié)構(gòu)織物密度的增大而變化。平紋織物能量吸收能力的離散性歸因于彈丸所承載的紗線數(shù)量，這基本上取決于彈丸撞擊靶體的彈著點(diǎn)位置，當(dāng)彈著點(diǎn)位于經(jīng)紗、緯紗交織點(diǎn)時(shí)，彈丸的沖擊造成芳綸纖維發(fā)生斷裂，靶體的能量吸收效果較好；當(dāng)彈著點(diǎn)位于相鄰的長(zhǎng)絲束之間時(shí)，在沖擊作用下，長(zhǎng)絲束容易發(fā)生滑移，從而導(dǎo)致靶體被貫穿，靶體的能量吸收效果較差。縫合試樣還須考慮縫合線的分布，當(dāng)彈丸撞擊縫合線時(shí)，紗線斷裂失效的概率增加，吸收能量較高；當(dāng)彈丸撞擊縫合線之間的間隙時(shí)，紗線斷裂失效的概率降低，相應(yīng)地減小了靶體的吸收能量。在縫合密度大的樣品上，彈著點(diǎn)更可能位于縫合線上或者縫合線附近，其改善了彈道性能并降低了能量吸收值的差異性。相反，在縫合密度較小的樣品上，彈丸與縫合線接觸的可能性相對(duì)較小，因此織物吸能效果不明顯，增加了能量吸收值的離散性。

圖8 400 m/s下彈丸侵徹后的試樣失效形貌.Fig.8 Post-impact close-ups of different samples at an impact velocity of approximately 400 m/s

4 結(jié) 論

①織物的防護(hù)性能隨著彈丸入射速度的增加而下降，在彈丸低速?zèng)_擊下，平紋/縫合復(fù)合結(jié)構(gòu)織物具有更明顯的防彈性能，這與柔性靶體在高速?zèng)_擊下的作用機(jī)制有關(guān)。

②紗線抽拔試驗(yàn)驗(yàn)證了縫合對(duì)紗線的約束效果，其中只引入1根縫合線試樣的抽拔力是未縫合試樣的6倍，引入4根縫合線試樣的抽拔力峰值最大，為55 N。抽拔試驗(yàn)證實(shí)了紗線的縫合會(huì)增加緯紗和經(jīng)紗之間的摩擦力，提升紗線間的約束作用。另外，線跡縫合增加了平紋織物的面密度，導(dǎo)致試樣硬挺度增大。

③平紋/縫合復(fù)合結(jié)構(gòu)織物的能量吸收能力隨著相鄰2根縫合線跡間距的減小而增大，其中每根紗線縫合試樣具有最好的防彈性能。在180、400 m/s的沖擊速度下，每根紗線縫合試樣的吸能分別是未縫合試樣吸能的253%、192%。

④織物的貫穿比吸能隨著相鄰2根縫合線跡間距的減小呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，單位面密度內(nèi)，每隔1根紗線縫合試樣表現(xiàn)出最好的能量吸收能力。在180、400 m/s的沖擊速度下，每隔1根紗線縫合試樣的貫穿比吸能分別是未縫合試樣的133.9%和137.5%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，縫合樣品的紗線斷裂比未縫合的樣品更明顯。