基于剪切增稠凝膠的經(jīng)編復(fù)合織物抗沖擊性能

王爽晴，郭鵬麗，張霄鵬，王越平

(1.北京服裝學(xué)院 材料設(shè)計(jì)與工程學(xué)院，北京 100029； 2.昆山北服晨風(fēng)時(shí)尚服飾有限公司，江蘇 昆山 215300)

近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注服裝的安全防護(hù)功能[1]?？箾_擊性能已不僅限于一些高危職業(yè)的防護(hù)要求，日常生活中的需要也逐漸廣泛。幼兒以及老年人不慎摔倒可能危及生命；摩托車(chē)騎行者也少不了磕磕碰碰；開(kāi)展戶(hù)外冰雪運(yùn)動(dòng)、登山、騎行等項(xiàng)目時(shí)，自我防護(hù)更加必要。因而各類(lèi)防護(hù)材料、防護(hù)研究不斷涌現(xiàn)。

市場(chǎng)上傳統(tǒng)護(hù)具大多是硅膠、橡膠等質(zhì)地較硬且厚重的化學(xué)合成品，不便于穿著。新型的柔性防護(hù)材料——剪切增稠液(STF)與高性能織物復(fù)合，在高速?zèng)_擊下，會(huì)呈現(xiàn)脹塑性流體的特性，變得黏稠堅(jiān)硬，達(dá)到保護(hù)人體的目的，其多應(yīng)用在軍用防彈、防刺服中[2]。近年來(lái)，剪切增稠凝膠(STG)的出現(xiàn)使得柔性防護(hù)材料開(kāi)始應(yīng)用在滑雪服、騎行服、摩托車(chē)服裝中[3]。

STG作為一種新型材料被應(yīng)用在防護(hù)產(chǎn)品中，性質(zhì)與剪切增稠液類(lèi)似，會(huì)隨著應(yīng)變速率的增加出現(xiàn)剪切增稠效應(yīng)。但剪切增稠凝膠不容易滲漏且不會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間的靜置下產(chǎn)生沉降分層現(xiàn)象，更適合防護(hù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。這種剪切增稠凝膠放置在士兵頭盔內(nèi)側(cè)，可降低50%子彈或者彈片的沖擊力，保護(hù)士兵頭部。夏艷麗等[4]將剪切增稠凝膠與聚氨酯泡沫結(jié)合研究材料的抗沖擊性能，與低速?zèng)_擊結(jié)果比較，速度越大剪切增稠凝膠的防護(hù)性能越好。STG在不受外力和外力較小的情況下表現(xiàn)為柔軟的膠體，其柔性可以滿(mǎn)足對(duì)服裝面料舒適性的需求，適合開(kāi)發(fā)防護(hù)服裝產(chǎn)品[5]。

經(jīng)編間隔織物因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在防護(hù)領(lǐng)域中[6]。這種由雙針床拉舍爾機(jī)編織的三維織物，上下2層用間隔絲連接，形成一種獨(dú)特的立體織物結(jié)構(gòu)，使織物具有良好的吸能緩沖能力[7]。與性能相似的發(fā)泡材料、黏合層壓織物的生產(chǎn)過(guò)程相比，其生產(chǎn)成本低且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，特別是織物結(jié)構(gòu)整體性更優(yōu)，被廣泛地運(yùn)用在各種防護(hù)領(lǐng)域[8]。為了制作出具有更好防護(hù)性能的柔性材料，趙艷艷[9]從結(jié)構(gòu)上研究分析了經(jīng)編間隔織物的抗壓縮和抗沖擊性能，當(dāng)受到外力時(shí)，經(jīng)編間隔織物的間隔絲在被擠壓至倒伏的階段起到重要的緩沖作用。三維結(jié)構(gòu)的經(jīng)編間隔織物比二維織物有更多的復(fù)合方式。

本文選用經(jīng)編間隔織物作為凝膠的載體和骨架，以使凝膠更加穩(wěn)定，與服裝易于結(jié)合。同時(shí)立體多層的經(jīng)編間隔結(jié)構(gòu)將大大增加剪切增稠凝膠附著的面積，方便復(fù)合，增強(qiáng)材料整體的緩沖性能。為找到材料抗沖擊性能的簡(jiǎn)易評(píng)價(jià)方法和手段，采用頂破強(qiáng)力和落錘沖擊實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)試樣的緩沖吸能情況，為材料抗沖擊性能的測(cè)試提供參考，同時(shí)為相關(guān)服裝的開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

無(wú)水乙醇(AR級(jí)，北京化工廠)；經(jīng)編間隔織物(100%滌綸，市購(gòu))；剪切增稠凝膠(應(yīng)變率敏感材料Ⅰ型，響應(yīng)剪切速率≤0.1 s-1，西安匹克玄鎧新材料有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

YG0650型電子織物強(qiáng)力實(shí)驗(yàn)儀(萊州市電子儀器有限公司)、Instron dynatup 9250 HV型全數(shù)字落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)Instron公司)、JSM-7500F型掃描電子顯微鏡(日本JEOL公司)、ZKXFB-2型電熱真空干燥箱(上海樹(shù)立儀器儀表有限公司)、P-A0型軋車(chē)(江蘇靖江市華夏科技有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 抗沖擊復(fù)合材料的制備

①浸漬法。利用剪切增稠凝膠易溶于無(wú)水乙醇的性質(zhì)進(jìn)行復(fù)合材料的制備。按一定比例分別稱(chēng)/量取剪切增稠凝膠與無(wú)水乙醇，靜置在燒杯中直至凝膠完全溶解。改變無(wú)水乙醇與剪切增稠凝膠的比例制備多組樣品。將一定尺寸的經(jīng)編間隔織物投入上述溶液中均勻浸泡后取出，用軋車(chē)使溶液均勻分布到織物中并去除多余軋液，二浸二軋，使凝膠充分地進(jìn)入織物中。在(55±5) ℃真空干燥箱中烘干2 h，去除乙醇和氣泡。

②填充法。將經(jīng)編間隔織物的立體結(jié)構(gòu)作為剪切增稠凝膠的“骨架”，先將凝膠揉捏成片狀置于經(jīng)編間隔織物上，利用軋車(chē)施予一定壓力，在持續(xù)的應(yīng)力下將凝膠壓入經(jīng)編間隔織物的孔隙中。反復(fù)添加凝膠直至均勻地填滿(mǎn)間隔絲。在(55±5) ℃真空干燥箱中放置2 h，去除凝膠中的氣泡并通過(guò)升溫增加凝膠的流變性，使凝膠均勻散開(kāi)。為保證剪切增稠凝膠形態(tài)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定，可以涂敷硅橡膠于面料表面，將熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(TPU)材料黏合在其上復(fù)合封裝。

1.3.2 頂破強(qiáng)力測(cè)試

利用頂破強(qiáng)力測(cè)試儀，依據(jù)GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測(cè)定 鋼球法》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將制備的復(fù)合材料在溫度(20±3) ℃、相對(duì)濕度(55±3)%的環(huán)境中放置24 h后，裁剪成直徑80 mm的圓形試樣。使用直徑20 mm的鋼球，夾持器口徑選擇25、45 mm，在不同速率下進(jìn)行頂破，每組試樣測(cè)試5次，記錄頂破強(qiáng)力和頂破伸長(zhǎng)并計(jì)算平均值。若測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象則該實(shí)驗(yàn)無(wú)效。

1.3.3 低速緩沖性能測(cè)試

將1.3.1中制備的復(fù)合材料在溫度(20±3) ℃、相對(duì)濕度(55±3)%的環(huán)境中放置24 h后，依據(jù)GB/T 21189—2007《塑料簡(jiǎn)支梁、懸臂梁和拉伸沖擊試驗(yàn)用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn)》，在復(fù)合材料不同部位裁取10 cm的正方形測(cè)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每組測(cè)試有效樣5個(gè)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算平均值，通過(guò)對(duì)比材料吸收的能量、瞬時(shí)速度和撓度曲線(xiàn)，對(duì)材料緩沖性能進(jìn)行評(píng)估。

使用Instrondynatup 9250HV全數(shù)字落錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖1(a))，選用半圓柱形錘頭，模擬日常情景中的低速鈍擊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為保證試樣被完全破壞，設(shè)定落錘沖擊總能量為20 J，測(cè)試添加了凝膠的經(jīng)編間隔織物前后的緩沖性能[10-11]。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)備傳感器記錄速度變化，通過(guò)計(jì)算速度差，根據(jù)能量守恒計(jì)算出沖擊過(guò)程中載荷撓度的變化和材料吸收的能量。

由于制備的復(fù)合材料屬于柔性材料，經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)摸索，模擬人體著裝摔倒時(shí)，與硬物接觸瞬間，使用雜木板材作為固定的輔助支撐材料進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，樣品的制備方法見(jiàn)圖1(b)。將面料置于板材上方，通過(guò)氣壓夾頭夾緊，錘頭下落先接觸到試樣，試樣在此過(guò)程中起到緩沖作用，之后板材受到破壞。如果測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象則該實(shí)驗(yàn)無(wú)效。在處理數(shù)據(jù)時(shí)減去單獨(dú)測(cè)量板材的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)比凝膠復(fù)合面料的緩沖效果。

圖1 數(shù)字落錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)及樣品的制備方法Fig.1 Digital low-velocity impact testing machine and the method of sample preparation.(a)Digital low-velocity impact testing machine;(b)Method of sample preparation

2 結(jié)果與討論

2.1 抗沖擊樣品的制備效果表征

觀察圖2所示的不同方法制備的復(fù)合材料試樣發(fā)現(xiàn)，凝膠均勻地附著在纖維表面，使復(fù)合織物與原樣相比更有光澤。圖2(a)是浸漬法制備的復(fù)合材料，保持了經(jīng)編間隔織物本身的結(jié)構(gòu)，斷面上的間隔絲十分明顯，并起到支撐連接上下層的作用；試樣表面仍保留經(jīng)編間隔織物的網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)，有一定透氣性。圖2(b)是填充法制備的復(fù)合材料正反面及斷面圖，此時(shí)復(fù)合材料以凝膠為主，相比純凝膠，其形態(tài)更穩(wěn)定，經(jīng)編間隔織物在其中起到穩(wěn)定形態(tài)的作用。觀察斷面發(fā)現(xiàn)，作為基布的經(jīng)編間隔織物，其間隔絲被凝膠完全包裹，表面光滑無(wú)孔隙。

圖2 不同方法制備的復(fù)合材料試樣Fig.2 Composite specimens prepared in different methods.(a)Impregnation method;(b)Filling method

不同方法制備的復(fù)合面料試樣微觀結(jié)構(gòu)電鏡照片見(jiàn)圖3,可以更清晰地看出其結(jié)構(gòu)區(qū)別。通過(guò)浸漬法制備的試樣，凝膠均勻地附著在纖維上，織物保持了原有的透氣性；而填充法制備的試樣在電鏡下看不出纖維和織物的結(jié)構(gòu)，凝膠完全包裹住纖維。

圖3 不同制備方法下復(fù)合面料試樣的電鏡照片(×25)Fig.3 SEM images of composite specimens prepared in different methods.(a)Impregnation method;(b)Filling method

2.2 頂破實(shí)驗(yàn)

2.2.1 頂破實(shí)驗(yàn)條件

①頂桿運(yùn)行速度。選用鋼球直徑為20 mm的頂桿，夾持器口徑為25 mm，通過(guò)變化頂桿速度對(duì)含有凝膠的試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不同頂桿運(yùn)行速度下的頂破實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1示出，隨著頂桿速度的增加同一樣品的頂破強(qiáng)力與頂破位移減小。包括原樣在內(nèi)的3個(gè)試樣均表現(xiàn)出相同的規(guī)律。這是因?yàn)轫敆U速度越快，能量越大，試樣來(lái)不及對(duì)所受到的外力進(jìn)行反應(yīng)及傳遞，因此外力作用的面積小、外力集中，故所得結(jié)果偏小。由于人體撞擊的速度相對(duì)較快，且在高速下，剪切增稠凝膠能更好地發(fā)揮緩沖作用，因此在下面的實(shí)驗(yàn)中頂桿速度選擇1 500 mm/min。

表1 不同頂桿運(yùn)行速度下的頂破實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of bursting strength testing at different operating speeds of top bar

②夾持器口徑。不同夾持器口徑下的頂破實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2示出，選用不同口徑大小的夾持器測(cè)得的頂破強(qiáng)力下降，但頂破位移有明顯增加。這是因?yàn)閵A持器口徑越大，頂破時(shí)作用面積越大，遇薄弱環(huán)節(jié)越多，因此頂破強(qiáng)力偏小；頂破時(shí)作用面積越大，頂破位移就越大。為了減少頂破過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，以下實(shí)驗(yàn)采用口徑為25 mm的夾持器。

表2 不同夾持器口徑下的頂破實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of bursting strength with different gripper diameters

2.2.2 剪切增稠凝膠的作用

不同凝膠含量下的頂破實(shí)驗(yàn)結(jié)果由表3示出，隨著剪切增稠凝膠比例的增加，樣品的頂破強(qiáng)力與頂破位移均有所增加。但是凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于70%，頂破強(qiáng)力與頂破位移變化不大，剪切增稠凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)需大于70%。

表3 不同凝膠含量下的頂破實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of bursting strength with different proportion of gel matter

通過(guò)分析得出頂破強(qiáng)力-頂破位移典型曲線(xiàn)模型見(jiàn)圖4。從鋼球接觸到織物、織物延伸繃緊、頂破織物、力值下降，整個(gè)過(guò)程呈現(xiàn)出近似三角形的曲線(xiàn)。在織物斷裂時(shí)強(qiáng)力達(dá)到最大值記為頂破強(qiáng)力，此時(shí)的伸長(zhǎng)記為頂破位移，在此過(guò)程中頂破所消耗的能量，記為頂破功。幾何上，頂破功的數(shù)值對(duì)應(yīng)頂破強(qiáng)力-頂破位移曲線(xiàn)與橫坐標(biāo)位移所包含的面積，通過(guò)積分計(jì)算出精確的數(shù)值。由于各組試樣頂破曲線(xiàn)形狀雷同，故簡(jiǎn)化為三角形的面積進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)計(jì)算三角形面積，頂破強(qiáng)力與頂破位移的乘積除以2，可以估算出頂破功，結(jié)果見(jiàn)表3。以頂破功繪制的曲線(xiàn)(圖4中虛線(xiàn))與頂破強(qiáng)力曲線(xiàn)有很好的吻合。根據(jù)牛頓第三定律和能量守恒定律，在頂破過(guò)程中，儀器顯示的力值即是鋼球施加在試樣上的力值大??；頂破功的能量由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為破壞試樣內(nèi)部纖維的動(dòng)能、應(yīng)變能和試樣與夾持部件的摩擦消耗能。其中，以使試樣結(jié)構(gòu)發(fā)生形變和破壞的能量，即應(yīng)變能為主[5]。因此設(shè)備所消耗能量基本與織物吸收的能量成正比，通過(guò)比較頂破功，作為在頂破過(guò)程中試樣吸收能量的參考。

圖4 頂破強(qiáng)力-頂破位移典型曲線(xiàn)Fig.4 Typical curve of bursting strength-bursting displacement

通過(guò)計(jì)算頂桿速度1 500 mm/min時(shí)不同凝膠比例下的頂破功(見(jiàn)表3)，可以看出，除了m(乙醇)∶m(凝膠)1∶1浸漬的試樣，其他復(fù)合試樣在頂破過(guò)程中所吸收的能量與原樣相比都不同程度地提高，證明在復(fù)合材料中加入一定比例的剪切增稠凝膠能夠提升其防護(hù)性能。特別是在高比例的凝膠含量下，頂破功增加明顯。

2.3 落錘沖擊實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證頂破實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用m(乙醇)∶m(凝膠)為2∶8的混合物浸漬原樣，得到浸漬樣。4組試樣分別為板材、板材+經(jīng)編間隔原樣、板材+經(jīng)編間隔浸漬樣品、板材+經(jīng)編間隔填充樣品作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，得到瞬時(shí)速度與撓度曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 瞬時(shí)速度與試樣撓度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 Curve of instantaneous velocity-specimen deflection

圖5示出，加上緩沖材料后測(cè)得的瞬時(shí)速度隨著撓度增加明顯下降，說(shuō)明添加了經(jīng)編間隔織物的3組試樣都起到了很好的緩沖作用。速度的斜率即加速度反映了此時(shí)落錘錘頭的受力。單純板材組，在板材破壞后略為減速但很快又加速；其他幾組在板材上添加了經(jīng)編間隔織物的緩沖材料，在撓度到達(dá)量程范圍邊緣仍處于減速狀態(tài)，并呈現(xiàn)繼續(xù)減速的趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)落錘錘頭受到很大阻力。雖然幾組添加緩沖材料的試樣曲線(xiàn)在撓度小于10 mm量程中基本重合，差距并不明顯，但隨著材料撓度的增加，各組試樣瞬時(shí)速度差距拉大。因此通過(guò)比較斜率大小可以評(píng)價(jià)其緩沖效果。綜上，緩沖性能表現(xiàn)排序?yàn)榻?jīng)編間隔填充樣品、經(jīng)編間隔浸漬樣品、經(jīng)編間隔原樣，凝膠的加入起到了一定的緩沖作用。

圖6為試樣能量吸收與撓度的關(guān)系曲線(xiàn)，表現(xiàn)出的規(guī)律類(lèi)似瞬時(shí)速度與撓度曲線(xiàn)。在18.4 mm撓度處，板材、板材+經(jīng)編間隔原樣、板材+經(jīng)編間隔浸漬樣品、板材+經(jīng)編間隔填充樣品的幾組試樣吸收的能量分別為10.97、12.59、13.43、13.83 J。去除板材吸收的能量進(jìn)行對(duì)比，可以看出吸收能量大小依次是填充樣品組、浸漬樣品組、原樣組。浸漬樣品組比原樣組多吸收0.84 J能量，填充樣品組比原樣組多吸收1.24 J能量，二者在落錘沖擊實(shí)驗(yàn)中吸收的能量相比原樣分別增加51.85%和76.54%。由于經(jīng)編間隔填充樣品單位面積質(zhì)量遠(yuǎn)大于經(jīng)編間隔浸漬樣品(分別是2 526.4、362.3 g/m2)，經(jīng)編間隔浸漬樣品更適用于服用抗沖擊材料。

圖6 能量吸收與試樣撓度曲線(xiàn)Fig.6 Curve of absorption energy-specimen deflection

3 結(jié) 論

本文針對(duì)剪切增稠凝膠與經(jīng)編間隔織物的復(fù)合材料，進(jìn)行了頂破與落錘沖擊實(shí)驗(yàn)，探討剪切增稠凝膠在防摔復(fù)合材料中的應(yīng)用與防摔材料的測(cè)試評(píng)價(jià)方法,得出如下結(jié)論：

①頂破實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定頂桿速度和夾持口徑下，經(jīng)編間隔織物、浸漬法制備的經(jīng)編間隔復(fù)合織物，其頂破功、頂破強(qiáng)力與頂破位移隨著剪切增稠凝膠所占比例的增加而增大。

②落錘沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用填充法、浸漬法制備的復(fù)合材料，其防護(hù)性能大大提高，二者在落錘沖擊實(shí)驗(yàn)中吸收的能量相比原樣分別增加76.54%和51.85%。

③頂破實(shí)驗(yàn)與落錘沖擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致，故頂破實(shí)驗(yàn)可以替代落錘沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行抗沖擊性檢測(cè)。