仿鱗片結(jié)構(gòu)織物的制備及其防刺性能

劉 青, 牛 麗, 蔣高明, 馬丕波

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

目前,許多地區(qū)頻繁發(fā)生暴力襲擊事件,對(duì)民眾特別是警察和安保人員的生命安全構(gòu)成了極大的威脅[1]。許多暴力事件表明,人們面臨的大多數(shù)致命威脅來自鋒利的武器,如刀具和錐具,而非槍支[2-4]。研發(fā)具備日常防護(hù)性能的防刺服裝有重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

近年來對(duì)防刺服的研究主要集中在3個(gè)方面。1)高性能纖維的制備及織物結(jié)構(gòu)的變化[6-7]。如Li等[8]通過針刺層壓以機(jī)織物為中間層制備了防刺復(fù)合織物,該織物具有良好的抗刺性,但存在明顯的層間分離現(xiàn)象;Li等[9]制備了一種三維聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)防刺織物,該織物具有良好的支撐性,可分散穿刺能量,但可彎折性較差。2)對(duì)織物進(jìn)行增強(qiáng)復(fù)合[10-11]。如He等[12]采用芳綸機(jī)織物浸漬剪切增稠液(STF)制備防刺織物,這種織物有很好的柔韌性,但剪切增稠液的質(zhì)量通常很高,給實(shí)際穿著帶來負(fù)擔(dān);Xia等[13]利用碳化硼/環(huán)氧樹脂涂覆芳綸織物制備了涂層防刺復(fù)合織物,其防刺性能隨著碳化硼顆粒直徑的增大和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而提升,但需經(jīng)過多層復(fù)合才能達(dá)到防刺效果。3)制備仿生鱗片結(jié)構(gòu)的防刺材料[14-15]。目前主要集中在3D打印鱗片[16-17]、樹脂鱗片[18]、可彎折的金屬、巖石等材質(zhì)的薄片塔接等[19]生物鱗片結(jié)構(gòu)和形狀的模擬上,同時(shí)通過粗纖維、鉚釘、金屬絲等進(jìn)行連接。如Martini等[20]基于仿生原理,對(duì)硬質(zhì)陶瓷的尺寸大小進(jìn)行設(shè)計(jì),制備了一種能夠微調(diào)重疊尺度的防刺鱗片復(fù)合織物,其靈活性更好、防刺性能更優(yōu);董繼萍等[21]利用網(wǎng)孔模板法制備了一種樹脂鱗片,并用熱熔膠薄膜與柔性基布進(jìn)行結(jié)合,對(duì)不同位置的防刺性能進(jìn)行了研究。這種鱗片結(jié)構(gòu)防刺材料在使用過程中易損壞連接材料,造成鱗片脫落,形成防刺漏洞。雖然這些織物或材料在一定程度上可以滿足個(gè)人防護(hù)的要求,但仍面臨著一些新的挑戰(zhàn),如層數(shù)多、質(zhì)量重、柔韌性差等問題[22]。

本文在3類方法的研究基礎(chǔ)上,基于穿山甲鱗片質(zhì)輕、柔韌的特點(diǎn)[23-24],從高性能纖維織物增強(qiáng)體的自身結(jié)構(gòu)出發(fā),采用高性能纖維超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制備一種仿生鱗片結(jié)構(gòu)織物,并探索其防刺性能和機(jī)制。相較于平面結(jié)構(gòu)防刺材料,仿鱗片結(jié)構(gòu)防刺材料在改善了穿戴靈活性與舒適性的同時(shí),可有效降低疊層層數(shù),可作為鱗片復(fù)合材料制備的優(yōu)良載體,為防刺性能的提升和柔性、輕質(zhì)防刺服的研發(fā)開拓新的路徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

材料:超高分子量聚乙烯紗線,線密度為66.7 tex,捻度為80捻/m,杭州翔盛高強(qiáng)纖維材料股份有限公司;錦綸/氨綸(70/30)包芯紗(線密度為11.1 tex,外包7.8 tex錦綸,芯紗為3.3 tex氨綸)、滌綸紗(線密度為66.7 tex),江南大學(xué)針織技術(shù)教育部工程研究中心。

儀器:KSC-132國(guó)產(chǎn)電腦橫機(jī)(14針,雙針床,江南大學(xué)針織技術(shù)教育部工程研究中心)。

1.2 樣品制備

圖1示出穿山甲鱗片結(jié)構(gòu)圖及其仿生織物的編織工藝模擬圖。

圖1 穿山甲鱗片結(jié)構(gòu)圖及其仿生織物的穿紗工藝和編織工藝模擬圖

穿山甲的鱗片之間相互重疊,單個(gè)鱗片呈扇形,每個(gè)鱗片周圍有6個(gè)鱗片,如圖1(a)所示?；谶@種結(jié)構(gòu),制備了鱗片結(jié)構(gòu)織物,制備過程如下:在電腦橫機(jī)配套的電腦制版系統(tǒng)KDS-MAIN中繪制仿鱗片結(jié)構(gòu)織物的制版工藝圖,設(shè)置度目(密度)、速度、紗嘴等工藝參數(shù)?？椢镉?號(hào)紗嘴和6號(hào)紗嘴共同編織而成。其中:1號(hào)紗嘴穿滌綸紗,用于編織織物的起頭和結(jié)尾;6號(hào)紗嘴為雙紗嘴,用于編織織物的主體部分;UHWPE紗線和錦綸/氨綸包芯紗從6號(hào)紗嘴的同一個(gè)口穿入,UHWPE紗線從下口穿出,錦綸/氨綸包芯紗從上口穿出?？椢锏拇┘喒に嚾鐖D1(b)所示,編織過程中織物的線圈模擬如圖1(c)所示。由于UHMWPE紗線強(qiáng)度較高,為避免高強(qiáng)紗線對(duì)織針造成損壞,整個(gè)編織過程均在低速下進(jìn)行。

以鱗片的橫列數(shù)和縱行數(shù)為變量,共編織了9種規(guī)格的鱗片織物如圖2所示,分別命名為a1(10縱行×8橫列)、a2(10縱行×10橫列)、a3(10縱行×12橫列)、b1(14縱行×8橫列)、b2(14縱行×10橫列)、b3(14縱行×12橫列)、c1(18縱行×8橫列)、c2(18縱行×10橫列)、c3(18縱行×12橫列),括號(hào)內(nèi)為單個(gè)鱗片部分的縱行數(shù)和橫列數(shù)。在制版過程中,9種織物僅調(diào)整了制版圖鱗片部分的橫列數(shù)和縱行數(shù)?？椢飿悠烦叽缂s為10 cm×10 cm,厚度約為2 mm,橫密為38.5縱行/(5 cm),縱密為55.5橫列/(5 cm), UHMWPE的線長(zhǎng)為8.8 cm/(50針)?？椢锏拿婷芏纫蝼[片大小不同而存在差異,在10 cm×10 cm規(guī)格的基礎(chǔ)上,a1～c3織物的面密度在762～893 g/m2之間,鱗片大小的變化不會(huì)影響織物的整體尺寸。

圖2 9種不同規(guī)格的仿鱗片結(jié)構(gòu)織物

1.3 仿鱗片結(jié)構(gòu)織物的成形原理

仿鱗片結(jié)構(gòu)織物的編織原理主要是鱗片連接處線圈的收縮及前、后針床的單獨(dú)編織。圖3示出仿鱗片結(jié)構(gòu)織物的結(jié)構(gòu)模擬。其中,仿鱗片結(jié)構(gòu)織物仿真主要由連接部分和鱗片部分循環(huán)編織而成,其編織過程如下?？椢锲鸬缀笙冗M(jìn)行連接部分的編織,后進(jìn)行鱗片部分的編織,此后形成循環(huán)?？椢锲鸬撞糠衷诰幙椀竭吘壊糠智耙恍袝r(shí)不脫圈,此后進(jìn)行鱗片織物邊緣部分的編織,至此鱗片織物的連接部分編織完成。然后進(jìn)行鱗片部分的編織,鱗片部分為1+1羅紋組織,這個(gè)部分單獨(dú)由前、后針床共同編織,僅在相鄰鱗片橫向連接處與連接部分未脫圈的一排線圈有連接,即此時(shí)的前、后針床只進(jìn)行鱗片部分及鱗片間連接點(diǎn)的編織,直至鱗片部分編織完成。鱗片部分編織完成后重新開始下個(gè)循環(huán),即重新編織連接部分,并與上個(gè)循環(huán)連接部分未脫圈的線圈相穿套,即第1個(gè)循環(huán)未脫圈的線圈和下個(gè)循環(huán)的未脫圈線圈以部分集圈的方式進(jìn)行完全連接。由于鱗片部分存在高度,相鄰2個(gè)縱向連接部分通過線圈連接后織物會(huì)收緊,從而使鱗片織物相互覆蓋折疊。由于橫向連接處的線圈數(shù)少于鱗片主體部分的線圈數(shù),因此,鱗片結(jié)構(gòu)單元會(huì)產(chǎn)生收縮,形成鱗片效應(yīng)?？v向2個(gè)鱗片連接部分的線圈穿套方式為部分集圈。

圖3 單個(gè)鱗片和仿鱗片結(jié)構(gòu)織物的結(jié)構(gòu)模擬

1.4 防刺性能測(cè)試

1.4.1 準(zhǔn)靜態(tài)穿刺性能

在MTS萬能試驗(yàn)機(jī)(深圳MTS系統(tǒng)公司)上自行設(shè)計(jì)了準(zhǔn)靜態(tài)穿刺實(shí)驗(yàn)裝置,如圖4所示。參照GA 68—2019《警用防刺服》,將織物夾緊在環(huán)形夾中,以避免織物滑動(dòng),環(huán)的孔徑為4.5 cm?？椢锏淖畲蟠┐涛灰圃O(shè)置為30 mm,當(dāng)織物穿刺前的形變超過30 mm時(shí),以刺破時(shí)的位移為準(zhǔn)。穿刺速度為10 mm/min, 預(yù)載力為1 N,破壞靈敏度為100%,數(shù)據(jù)采集頻率為30 Hz。選擇織物的中心作為穿刺點(diǎn),測(cè)試工具的穿刺角偏差應(yīng)小于或等于5°,刀片每使用3次后進(jìn)行更換,穿刺結(jié)果為5次實(shí)驗(yàn)的平均值。

圖4 準(zhǔn)靜態(tài)穿刺實(shí)驗(yàn)裝置

1.4.2 微觀結(jié)構(gòu)觀察

使用QPT-12V工業(yè)顯微鏡(深圳光儀世界機(jī)器森林雨)拍攝織物光學(xué)照片,初步觀察織物的損傷形貌。使用Su1510掃描電子顯微鏡(日本日立公司)觀察織物被刺穿后的刺口形貌及紗線的斷裂方式。

2 結(jié)果與討論

2.1 穿刺位置及方向?qū)椢锓来绦阅苡绊?/h3>

鱗片結(jié)構(gòu)織物每個(gè)鱗片周圍有6個(gè)鱗片,鱗片之間相互折疊,織物中的薄弱部分和重疊部分同時(shí)存在。為探索穿刺位置、方向?qū)椢锓来绦阅艿挠绊?對(duì)織物的不同位置進(jìn)行了標(biāo)記,并選取織物重疊處對(duì)3個(gè)方向進(jìn)行防刺性能研究。穿刺刀具的安裝方向包括0°和90°,45°穿刺時(shí)調(diào)整織物的放置方向,與刀具成45°角即可(見圖5(a))。

圖5 不同穿刺位置及方向下織物的準(zhǔn)靜態(tài)穿刺性能

圖5(b)、(c)示出鱗片織物的典型穿刺位移-載荷曲線。可知,織物在重疊處的防刺性能(約32.5 N)最好,連接處(約19.3 N)次之,非重疊處(約11.7 N)最差。這主要與刀刃處切割的線圈數(shù)量及線圈穿套的緊密程度有關(guān)。重疊部分為鱗片雙層結(jié)構(gòu),連接處的線圈比鱗片部分的線圈穿套更加緊密,非重疊處只有1層羅紋組織。由此可見,增加鱗片的覆蓋面積可有效提升鱗片織物的防刺性能。

由圖5(c)可知,鱗片織物在0°方向的防刺性能(約32.5 N)優(yōu)于45°(約17.7 N)和90°(約17.5 N)。這是因?yàn)樵?°穿刺的情況下,織物的穿刺軌跡完全是鱗片的重疊部分,切割的線圈數(shù)量更多。在45°和90°穿刺時(shí),穿刺軌跡經(jīng)過織物的非重疊處,切割的線圈數(shù)量相對(duì)較少。此外,在90°穿刺時(shí),織物鱗片部分的羅紋組織結(jié)構(gòu)縱向間隙較大,刀尖更容易擠入織物縫隙中,從而導(dǎo)致防刺性能較差。

2.2 鱗片大小對(duì)防刺性能的影響

為進(jìn)一步探索鱗片大小對(duì)仿鱗片結(jié)構(gòu)織物防刺性能的影響,對(duì)9種規(guī)格鱗片織物重疊處的防刺性能進(jìn)行研究。圖6示出仿鱗片結(jié)構(gòu)織物在相同位置的準(zhǔn)靜態(tài)穿刺性能?？梢钥闯?c3織物的防刺性能明顯優(yōu)于其它織物,這與其鱗片的大小和覆蓋面積相關(guān)。

圖6 不同規(guī)格仿鱗片結(jié)構(gòu)織物的準(zhǔn)靜態(tài)穿刺性能

9種規(guī)格鱗片織物在面積覆蓋率、面密度、鱗片偏折角等方面存在規(guī)律性差異。圖7示出單個(gè)鱗片的結(jié)構(gòu)模型及其織物參數(shù)的變化。

圖7 單個(gè)鱗片的結(jié)構(gòu)模型及鱗片覆蓋率、織物面密度和鱗片偏折角隨鱗片大小的變化

根據(jù)單個(gè)鱗片的結(jié)構(gòu),建立了單個(gè)鱗片的結(jié)構(gòu)模型。單個(gè)鱗片可拆分為長(zhǎng)方形部分S1和弧形部分S2,弧形部分的橫向尺寸記錄為2a, 縱向尺寸為b,鱗片偏折角為α。根據(jù)9種規(guī)格鱗片織物實(shí)際尺寸的變化規(guī)律,鱗片橫向長(zhǎng)度約為0.156x,縱向尺寸約為0.123y,如圖7(a)所示。其中x、y分別為鱗片織物鱗片部分的縱行數(shù)和橫列數(shù),與圖2中的縱行數(shù)和橫列數(shù)相對(duì)應(yīng)。

根據(jù)單個(gè)鱗片的結(jié)構(gòu)模型和鱗片偏折角,可得出鱗片總面積S、重疊部分面積So、非重疊部分面積Sw。具體可表示如下:

S1=0.156x×(0.123y-b)

S=S1+S2,Sw=S1-S2,So=2S2

根據(jù)上式得出鱗片織物面積覆蓋率、面密度、偏折角隨織物鱗片大小的變化規(guī)律,如圖7(b)～(d)所示。

1)當(dāng)縱行數(shù)不變時(shí),隨著橫列數(shù)的增加,鱗片總面積覆蓋率呈增長(zhǎng)趨勢(shì),非重疊面積覆蓋率和重疊面積覆蓋率都逐漸增加。但重疊面積的增長(zhǎng)率逐漸變大,例如c1～c3重疊面積的增長(zhǎng)率大于a1～a3; 非重疊面積的增長(zhǎng)率逐漸減小, 例如c1～c3非重疊面積的增長(zhǎng)率小于a1～a3。

2)當(dāng)橫列數(shù)不變時(shí),隨著縱行數(shù)的增加,鱗片總面積覆蓋率基本保持不變,但重疊面積的覆蓋率逐漸增大,例如a3、b3、c3;非重疊面積的覆蓋率逐漸減小,例如a3、b3、c3?？v行數(shù)較大的情況下,以上趨勢(shì)更加明顯;反之,以上趨勢(shì)則不明顯,例如a1、b1、c1。

3)鱗片縱行數(shù)的增加對(duì)織物面密度幾乎沒有影響,但隨著鱗片橫列數(shù)的增加,織物面密度呈線性增加。

4)當(dāng)縱行數(shù)不變時(shí),隨著橫列數(shù)的增加,鱗片的偏折角呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),例如a1、a2、a3。當(dāng)橫列數(shù)不變時(shí),隨著縱行數(shù)的增加,鱗片的偏折角呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),例如a1、b1、c1。

綜合以上分析可以得出,縱行數(shù)是影響鱗片面積覆蓋率的主要因素,橫列數(shù)的增加對(duì)鱗片面積覆蓋率的增加有促進(jìn)作用。應(yīng)盡可能在滿足上機(jī)情況的前提下增加鱗片部分的橫列數(shù)和縱行數(shù),但同時(shí)應(yīng)注意,橫列數(shù)的增加會(huì)減少連接點(diǎn),同時(shí)造成偏折角α的減小,逆鱗片方向的穿刺概率會(huì)增大。

2.3 仿生織物的準(zhǔn)靜態(tài)穿刺過程及機(jī)制

2.3.1 穿刺刀頭對(duì)防刺性能的影響

圖8示出2種穿刺刀具及織物穿刺載荷-位移曲線。可以看出,織物被刺破前,曲線是向下凹陷的,說明鱗片織物在被穿刺前均發(fā)生了較大的形變,D3刀具穿刺下織物的刺破位移(約53.6 mm)大于D1刀具(約19.3 mm)。D3穿刺下織物的刺破載荷(約264.7 N)明顯高于D1刀具(約32.5 N)。這主要是因?yàn)镈1刀具的刀刃非常鋒利,且織物在刀尖處的受力面積較小。

圖8 2種穿刺刀具及織物穿刺位移-載荷曲線

由圖8(b)可看出,鱗片織物在D1刀具作用下的穿刺過程主要可分為4個(gè)階段。I:0～a階段,織物受力發(fā)生形變,但尚未被穿透;a點(diǎn)表示刀尖開始刺入織物,因此曲線在a點(diǎn)有一個(gè)小抖動(dòng)。II:a～b階段,刀尖雖然刺入織物,但織物尚未產(chǎn)生斷裂失效。III:b～c階段, 織物完全斷裂失效,峰值載荷大幅度下降,刀尖被織物的刺口卡住,產(chǎn)生“自鎖”效應(yīng)。IV:c～d階段,刀刃開始持續(xù)性擠壓和切割周圍的紗線,由于摩擦力存在,力值會(huì)有所增加。D1刀具的刀刃長(zhǎng)度為30 mm, 穿刺位移超過30 mm后,刀具對(duì)織物的作用主要為刀柄對(duì)織物的擠壓及摩擦作用。

由圖8(c)可看出,鱗片織物在D3刀具作用下的穿刺過程主要可分為3個(gè)階段。I:0～a階段,刀尖尚未刺入織物。II:a～d階段,刀尖不斷發(fā)生擠壓紗線-被紗線鎖緊-擠壓紗線的循環(huán)變化。III:d～e階段,織物被D3刀具穿透,產(chǎn)生失效現(xiàn)象。由于D3刀具表面光滑,且橫截面積較小,穿透織物后刀柄對(duì)織物的擠壓作用較小。

2.3.2 仿鱗片結(jié)構(gòu)織物的防刺機(jī)制

為進(jìn)一步探究不同刀具對(duì)織物的損傷機(jī)制,對(duì)2種刀具的刺口形貌進(jìn)行了觀察,結(jié)果如圖9所示。由圖9(a)、(b)可看出,2種織物刺口皆呈現(xiàn)錐形,進(jìn)一步表明織物被穿透前發(fā)生了形變;D1刀具穿透織物后刺口較大,表面有短纖維拔出;D3刀具穿透織物后,織物刺口均勻且平整,紗線被抽出后聚集在刀具周圍。圖9(c)、(d)為不同放大倍數(shù)下織物在D1刀具作用下?lián)p傷區(qū)域的SEM照片?？梢钥闯?紗線被均勻切割,部分紗線被拔出,說明D1刀具對(duì)織物的主要作用為切割作用,紗線的斷裂失效主要為切割斷裂失效和拉伸斷裂失效,并伴隨紗線抽拔作用。圖9(e)、(f)為不同放大倍數(shù)下織物在D3刀具作用下?lián)p傷區(qū)域的SEM照片。可以看出,刀具周圍的紗線被擠壓出織物表面,并伴隨少量的紗線斷裂失效,說明D3刀具對(duì)織物的主要作用為擠壓、拉伸,并伴隨少量紗線拉伸斷裂失效。

圖9 準(zhǔn)靜態(tài)穿刺下織物的破壞形態(tài)

3 結(jié) 論

本文以穿山甲疊層式鱗片結(jié)構(gòu)為靈感,采用超高分子量聚乙烯紗線制備了一種仿生鱗片結(jié)構(gòu)織物,并探討了其成形原理及防刺性能,得到如下結(jié)論。

1)鱗片連接處線圈的收縮及前、后針床的單獨(dú)編織是形成鱗片織物的主要原理。

2)穿刺位移、方向?qū)椢锏姆来绦阅苡绊戄^大,鱗片重疊處及0°方向切割時(shí),織物的防刺性能更好,這主要與刀刃切割處的線圈數(shù)量有關(guān)。

3)鱗片大小及面積覆蓋率是影響鱗片織物防刺性能的主要因素,鱗片縱行數(shù)的增加是提升織物防刺性能的關(guān)鍵方法之一。

4)鱗片織物在D3刀具下的抗穿刺能力優(yōu)于D1刀具,這主要與刀具的鋒利程度及織物在刀尖處的受力面積有關(guān),織物在不同穿刺刀具下的穿刺過程存在差異性。

5)D1刀具穿刺下,鱗片織物的損傷機(jī)制主要為紗線的切割斷裂失效;D3刀具穿刺下,鱗片織物的損傷機(jī)制主要為刀尖對(duì)紗線的擠壓作用及拉伸斷裂失效。