芳綸纖維襯緯結(jié)構(gòu)緯編織物的防刺性能

孫亞鑫，馬丕波

（江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院 針織技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 無(wú)錫 214122）

防刺服在保護(hù)人類生命安全方面發(fā)揮著重要作用。盡管冷兵器時(shí)代已經(jīng)過去，但由于中國(guó)等很多國(guó)家嚴(yán)格限制使用槍支，更易獲得的鋒利刀具對(duì)人類的威脅仍然存在［1］。此外，建筑、消防等特定行業(yè)的工作者也經(jīng)常面臨被尖銳物體刺傷的風(fēng)險(xiǎn)［2-3］。因此，研發(fā)個(gè)人防刺服裝，滿足人們的自我保護(hù)需求有現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)柔韌性的區(qū)別，防刺服裝可分為硬質(zhì)、半硬質(zhì)和柔性等3類［4-5］。硬質(zhì)防刺服和半硬質(zhì)防刺服具有出色的防刺性，但體積、質(zhì)量和剛度會(huì)顯著降低穿戴者的舒適性和靈活性［6-7］。因此，迫切需要研發(fā)具有優(yōu)良防刺性能的柔性防刺面料，尤其是能夠長(zhǎng)期穿著、舒適靈活的個(gè)體防刺服［8-9］。性能優(yōu)異的纖維具有高韌性、高強(qiáng)度、質(zhì)量小、高熱穩(wěn)定性和高抗沖擊性的特點(diǎn)［6，10-11］，是制造柔性防刺服的理想材料。此外，紡織品具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)、機(jī)械性能優(yōu)異和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，研究人員對(duì)高性能纖維織物在柔性防刺服中的應(yīng)用進(jìn)行了大量探索［12-15］。然而，大多數(shù)研究主要集中在基體的改性和復(fù)合工藝的優(yōu)化方面［16-19］，對(duì)高性能纖維織物增強(qiáng)體本身結(jié)構(gòu)的研究較少。增強(qiáng)體是復(fù)合材料中承受荷載的構(gòu)件，其自身特性對(duì)復(fù)合材料性能的影響不容忽視。

本文從高性能纖維織物增強(qiáng)體的自身結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究緯編襯緯織物。以襯緯紗、地組織和紗線捻度為單一變量，制備多種緯編襯緯織物，并研究這些變量對(duì)單層織物準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能的影響。討論多層織物的疊層方式和刀具穿刺角度對(duì)多層織物系統(tǒng)性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

2 種芳綸長(zhǎng)絲紗（表1 中的AF-1 和AF-2），購(gòu)自煙臺(tái)泰和新材料有限公司；超高分子量聚乙烯（UHMWPE）長(zhǎng)絲紗（表1中的PE），購(gòu)自杭州翔盛高強(qiáng)纖維材料股份有限公司。3 種紗線的主要參數(shù)如表1所示。

表1 3種紗線的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of three yarns

1.2 樣品制備

緯編襯緯織物使用機(jī)號(hào)為14的電腦橫機(jī)制備而成，其組織結(jié)構(gòu)立體圖和編織圖如圖1 所示。圖1（b）中，第1 路的紅色紗線和第3 路的藍(lán)色紗線代表地紗，分別用來(lái)編織1+1羅紋組織，進(jìn)而共同形成1+1 雙羅紋地組織；第2、4 路的黃色紗線代表襯緯紗，被夾在1+1雙羅紋地組織中間。4路配合編織，形成織物的一個(gè)完整橫列。循環(huán)編織即形成一塊織物。

1.3 性能表征

1.3.1 準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能

在MTS 上測(cè)試緯編襯緯織物的準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能，見圖1（c）。測(cè)試時(shí)，刀具以20 mm/min的速度刺入試樣中心，直到穿刺深度達(dá)到20 mm 或數(shù)值波動(dòng)超過90%時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。

圖1 緯編襯緯織物和測(cè)試設(shè)備Fig.1 Weft-knitted insertion fabric and test equipment

1.3.2 微觀結(jié)構(gòu)

使用Su1510 掃描電子顯微鏡（SEM，日本日立）觀察織物被刺穿后長(zhǎng)絲的斷裂形態(tài)以及紗線加捻前后長(zhǎng)絲的外觀。

2 結(jié)果與討論

2.1 緯編襯緯織物的準(zhǔn)靜態(tài)穿刺過程

圖2（a）給出了緯編襯緯織物的典型載荷-刺入深度曲線。當(dāng)?shù)都鈩偨佑|到織物時(shí)，由于織物具有一定的變形能力，因此載荷增加緩慢。隨后，織物的初始變形隨著刀具的不斷刺入逐漸達(dá)到臨界值［20］，載荷迅速增加并達(dá)到第一個(gè)峰值。當(dāng)禁錮住刀尖的所有紗線被割斷、暫時(shí)沒有紗線抵御刀具刺入時(shí)，載荷急劇下降［21］。隨著刀具繼續(xù)向下刺入，刀刃繼續(xù)切割其他紗線，導(dǎo)致載荷相應(yīng)增加，并形成波峰。當(dāng)緊挨刀具的紗線被割斷時(shí)，載荷逐漸降低，形成波谷。總體來(lái)說，載荷隨著刀具的持續(xù)刺入而不斷波動(dòng)。

通過觀察破壞區(qū)域紗線的斷裂形態(tài)，分析緯編襯緯織物防御準(zhǔn)靜態(tài)穿刺破壞的吸能機(jī)理，見圖2（b）~（d）。從圖2（c）可看出，A側(cè)長(zhǎng)絲的斷面相對(duì)平整，這是因?yàn)锳側(cè)的長(zhǎng)絲受到鋒利刀刃的剪切作用，被直接切割［22］；從圖2（d）可看出，B側(cè)的長(zhǎng)絲表現(xiàn)出明顯的變形，一些斷裂的長(zhǎng)絲橫截面凹凸不平，此現(xiàn)象是由于刀背鈍造成的。隨著刀具向下穿刺，B 側(cè)的長(zhǎng)絲被拉伸進(jìn)而變形，其中一部分長(zhǎng)絲被拉伸到變形極限后斷裂。因此，緯編襯緯織物主要通過長(zhǎng)絲的剪切斷裂、拉伸斷裂和變形耗散穿刺能量。此外，長(zhǎng)絲/長(zhǎng)絲摩擦和長(zhǎng)絲/刀具摩擦也能起到吸收和耗散穿刺能量的作用。

圖2 緯編襯緯織物的準(zhǔn)靜態(tài)穿刺曲線和穿刺破壞形態(tài)Fig.2 Quasi-static stab curve and failure morphology of weft-knitted insertion fabric

2.2 襯緯紗對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能的影響

無(wú)捻AF-1作地紗，1+1雙羅紋組織作地組織，襯緯紗分別為無(wú)襯緯紗、襯入無(wú)捻PE 襯緯紗或無(wú)捻AF-2襯緯紗時(shí)，織物的載荷-刺入深度曲線如圖3（a）所示。在襯入襯緯紗的情況下，當(dāng)刺入深度約為5 mm 時(shí)載荷達(dá)到峰值，刺入深度達(dá)到設(shè)定值時(shí)實(shí)驗(yàn)停止；而在未襯入襯緯紗的情況下，當(dāng)刺入深度約為17 mm 時(shí)，載荷才達(dá)到峰值，刺入深度未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，實(shí)驗(yàn)停止。由此可得：有襯緯紗的織物可以為穿戴者提供更持續(xù)、更強(qiáng)勁的防刺保護(hù)。

圖3 總結(jié)了3 種織物的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試無(wú)襯緯紗織物的性能時(shí)，當(dāng)刺入深度為18 mm時(shí)，測(cè)試即停止。因此，能量吸收比較是對(duì)比3種織物在刺入深度為0~18 mm范圍內(nèi)的能量吸收值。從圖3（b）、（c）可以看出：峰值載荷和能量吸收大小為AF-2 襯緯紗＞PE襯緯紗＞無(wú)襯緯紗；比峰值載荷大小為無(wú)襯緯紗＞PE襯緯紗≈AF-2襯緯紗；比能量吸收大小為AF-2襯緯紗＞PE襯緯紗＞無(wú)襯緯紗?？傊r入AF-2襯緯紗的織物具有更出色的防刺性能。

圖3 3種不同襯緯紗織物的準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能Fig.3 Quasi-static stab resistance of three fabrics with different inlay thread

2.3 地組織對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能的影響

無(wú)捻AF-1 作地紗，無(wú)捻AF-2 作襯緯紗，地組織分別為1+1 雙羅紋、2+2 雙羅紋或3+3 雙羅紋時(shí)，織物的準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能如圖4所示。圖4（a）給出了具有不同地組織的織物的峰值載荷和能量吸收對(duì)比結(jié)果，即3+3雙羅紋＞2+2雙羅紋＞1+1雙羅紋。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)：3+3 雙羅紋地組織織物的縱密、橫密和面密度最大；2+2 雙羅紋地組織織物次之；1+1 雙羅紋地組織織物最小。3+3 雙羅紋地組織織物的峰值載荷和能量吸收值的增加可能是由密度的增加引起的［23］。然而，圖4（b）顯示，比峰值載荷和比能量吸收的變化規(guī)律與之相反，即3+3雙羅紋＜2+2雙羅紋＜1+1雙羅紋。從這個(gè)角度來(lái)看，當(dāng)1+1 雙羅紋作為緯編襯緯織物的地組織時(shí)，所生產(chǎn)的織物更適用于制備柔性防刺服。

圖4 3種不同地組織的織物的準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能對(duì)比Fig.4 Quasi-static stab resistance of three fabrics with different ground pattern

2.4 紗線捻度對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能的影響

使用ZW322倍捻機(jī)將AF-1和AF-2加工成具有不同捻度紗線，分別為30 捻/m、60 捻/m 和90 捻/m。然后，用1+1雙羅紋組織作地組織，加捻后的AF-1作地紗，加捻后的AF-2作襯緯紗，制備了3種織物。圖5（a）給出了紗線捻度不同時(shí)，織物的峰值載荷和能量吸收對(duì)比結(jié)果為峰值載荷：0捻/m＞30捻/m≈60捻/m≈90 捻/m；能量吸收：0 捻/m≈30 捻/m＞60 捻/m≈90捻/m。圖5（b）顯示了比峰值荷載對(duì)比結(jié)果（0 捻/m＞30 捻/m≈60 捻/m≈90 捻/m）和比能量吸收對(duì)比結(jié)果（0 捻/m＞30 捻/m＞60 捻/m≈90 捻/m）?？傮w而言，紗線加捻對(duì)緯編襯緯織物的防刺性能有負(fù)面影響。為了找出上述現(xiàn)象的原因，觀察了加捻前后紗線的微觀形貌。發(fā)現(xiàn)無(wú)捻紗線中的長(zhǎng)絲光滑順直，未發(fā)現(xiàn)任何受損跡象，見圖6（a）。但是，長(zhǎng)絲在加捻后受到明顯損傷，輕者表面起毛，見圖6（b），重者直接斷裂，見圖6（c）。原因是紗線與倍捻機(jī)各部件之間摩擦造成的。

圖5 3種不同紗線捻度的織物的準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能對(duì)比Fig.5 Quasi-static stab resistance of three fabrics with different yarn twist

圖6 紗線加捻前后的微觀形貌Fig.6 Micromorphology of yarn before and after twisting

2.5 疊層方式對(duì)多層織物防刺性能的影響

根據(jù)圖7 所示疊層方式，制備3 種多層織物系統(tǒng)，研究疊層方式和穿刺角度對(duì)多層織物系統(tǒng)防刺性能的影響。圖8給出了3種多層織物系統(tǒng)被沿0°、45°和90°方向穿刺時(shí)的峰值載荷和能量吸收測(cè)試結(jié)果。當(dāng)穿刺角度為90°時(shí)，疊層方式Ⅰ的多層織物系統(tǒng)具有最大的峰值載荷和能量吸收。但這種疊層方法有不可忽視的短板：穿刺角度為0°時(shí)，峰值載荷和能量吸收最小。疊層方式Ⅱ和Ⅲ的多層織物系統(tǒng)在抵抗不同角度的刀具穿刺方面具有相對(duì)均衡的能力。與疊層方式Ⅱ相比，疊層方式Ⅲ可以賦予多層織物系統(tǒng)更高的穿刺載荷承受力和更多的能量吸收。因此，疊層方式Ⅲ可以提供更優(yōu)異的防刺性能。

圖7 多層織物的疊層方式Fig.7 Stacking sequence of multilayer fabrics

圖8 3種多層織物系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能Fig.8 Quasi-static stab resistance of three multilayer systems

3 結(jié) 論

1）通過控制襯緯紗、地組織、紗線捻度、穿刺角度和多層織物的疊層方式等單一變量，制備了一系列緯編襯緯織物，并研究了這些變量對(duì)緯編襯緯織物準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能的影響。

2）襯入AF-2 襯緯紗的織物比未襯入襯緯紗和襯入PE襯緯紗的織物具有更突出的防刺效果。

3）被穿刺時(shí)，1+1雙羅紋地組織織物比其他2種地組織織物具有更高的比峰值載荷和比能量吸收。

4）紗線加捻后，織物抵御刀具準(zhǔn)靜態(tài)穿刺的能力減弱。

5）按照疊層方式Ⅲ制備的多層織物系統(tǒng)具有更高的穿刺載荷承受力和更多的能量吸收，能提供更均衡的全方位防刺保護(hù)性能，最適用于制作柔性防刺服裝。