防刺机织物的设计研究范文

《合成纤维杂志》2016年第12期

摘要：

介绍了机织物防刺机制、测试方法及防刺性主要评判指标的研究进展，并以织物的防刺机制为理论依据，从纤维原料、纱线、织物、后整理四方面分析了提高机织物防刺性的设计方法。

关键词：

机织物；防刺性；设计

以硬质合金、陶瓷或复合材料板作为防刺材料的防护服的防刺特性较好，但其较笨重、不够灵活，穿着起来也不舒适，隐蔽性也差[1]。这使得以织物为主的柔性防刺材料的开发受到普遍关注。机织物是柔性防刺材料常用的织物类型[2]。本文主要介绍了机织物的防刺机制及测试指标，从机织物纤维原料、纱线、织物及后整理等方面分析了提高机织物防刺性能的方法。

1机织物的防刺机制及测试指标

1.1机织物的防刺机制

机织物的穿刺过程是一个复杂的问题，因为它需要充分考虑到织物的紧密度和刺针的锋利度。TERMONIAY[3]开发了一个模型，用于纤维织物系统对刺针穿刺阻力因素的研究。研究结果表明穿刺经历了4个不同的阶段：刺针的尖端接触并给纤维束施加一定的压力；刺针的尖端滑移到纤维间距内，造成穿刺；织物中纱线间的摩擦作用阻止刺针刺入织物；刺针的锥形部分滑移。在多层机织物中，发现刺针的最大穿刺力发生在织物间的摩擦作用阻止刺针刺入的过程中。

1.2防刺性测试方法及指标

目前，国内外防刺标准中用于防刺性能测试的方法主要有两种：一是准静态防刺试验；二是动态冲击防刺试验。准静态防刺试验主要用于初步评价所测材料的防刺性能，测试装置是根据传统的万能试验机开发的。顾肇文[4]用标准的防刺测试刀具替换了强力仪的顶破弹子(见图1)，并配套研制了一个传感器，用来控制试验刀的速度，同时记录试验刀具的穿刺深度与穿刺力、穿刺能量的关系曲线。动态冲击防刺测试装置主要有落锤式防刺试验机(图2)和空气炮测试装置(图3)。落锤式防刺试验装置是落锤和试验刀具沿着设计的轨道下落，依靠自身重量坠落，使试验刀具以一定的能量作用于织物[5]。空气炮测试方法依据PSDB标准，使用空气炮推动不同刀具作用于织物，试验刀具速度可达20m/s。空气被压缩进储藏器中，然后通过一个电磁阀排进枪管内，试验刀固定在尼龙弹托或铝弹托上，空气推动试验刀作用于所测织物。测试结束后，去掉测试织物，刀片仍然嵌在里面，然后通过直接测量试验刀的伸出长度来测量其穿刺深度[6]。随着防刺材料测试标准的改进，用于测量刺刀攻击相关生物力学参数的设备、材料、方法已经开发出来，并提出了相关数据。一个六相机Vicon动作分析系统在穿刺过程中可用于测量速度，也可测得能量和动量。专门开发的测力用刀在冲击阶段可用来测量三维力和力矩。为了方便描述和分析，刀刺攻击分为两个阶段：第一阶段为刀尖接触目标；第二阶段为冲击阶段。第一阶段可以用六相机Vi⁃con动作分析系统进行分析，而冲击阶段用专门开发的测力用刀来分析。要求一组志愿者用最大的力去刺一个目标，分别用三种能量方式——向前刺、水平刺和反手刺去刺。这三种刺入方式是根据现有报道过的事件选择的，这就提供了比以前更加真实的数据。可以发现，这种测试方法可以重现在刺入过程中测量的能量和力值范围，虽然模拟在某些方面是不准确的。在测试过程中，非轴向力和扭矩值也是很重要的，但是在标准机械试验中，这些都不能测量出来[7]。评价多层机织物防刺性的指标主要有两个：刺穿层数和刺穿深度。刺穿深度为钉状物或刀刃伸出测试样品表面的长度。

2提高机织物防刺性的设计方法

2.1纤维方面

纤维原料的种类不同，机织物的防刺性能有很大的差异。防刺织物用纤维原料应选用具有高强度、高模量、抗剪切性好、耐冲击优良等特性的纤维。国际上主要的防刺织物用纤维有芳纶和超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维。表1列举了几种高性能纤维的相关性能。从表1中可以看出：芳纶和UHMWPE纤维的力学性能优异，同时，二者的生产技术成熟，适宜作为防刺机织物用纤维原料。

2.2纱线方面

织物是由纱线组成的，因此纱线的细度和结构对多层机织物的防刺性能也有一定影响。

2.2.1纱线细度

刺刀刺入过程中，由于机织物的摩擦作用抵抗刺刀的刺入，所以可以通过用较紧密的纱线构造来避免在刺入过程中纱线或纤维的分离。使用低旦纱线尽可能紧密地织造多层织物，相应的覆盖率较高，刺刀不易刺入，防刺性较好[8]。赵玉梅等[9]研究了纱线粗细的不同对机织物防刺效果的影响，发现单纱越细，相应的织物防刺性越好。杜邦公司在专利WO97/49849中提出芳香族聚酰胺织物所用的单纱细度很细，并且织造的紧度也较大，故能提供很好的防刺性；同时认为纱线细度在100~500dtex之间最好。Decker等[1]对不同纱线细度的尼龙机织物进行了复合，在织物面密度相同的情况下进行了刀刺、锥刺试验。结果发现，纱线越细，多层机织物的防刺性能越好。

2.2.2纱线捻度

朱静[10]发现纱线捻度的大小影响纱线的防刺性进而影响机织物的防刺性能。随着纱线捻度的增大，纱线的刺割强力呈先增大后减小趋势，因此纱线有最佳捻度。在最佳捻度处，纱线的刺割强力最大。纱线的刺割包括纤维的抽拔和剪切断裂。捻度小时，纤维与纤维间的摩擦力较小，此时纤维易抽拔出来；随着捻度增大，纱线的刺割力增大；高捻时，剪切为主要作用，此时纤维的初始剪切力大，同时纤维间的摩擦力也大，纤维不易剪切变形吸收一定的能量，导致纱线受到刀刺易断裂。

2.2.3纺纱方式

纱线纺纱方式的改变对多层机织物的防刺性能也有一定的影响。采用复合纺纱技术将不同种纱线包缠复合。常用的是将不锈钢丝作为芯纱，外层用Kevlar、Spectra、Dyneema等高性能纱线包缠，所形成的复合纱线防刺割性较好。DuongTuTien等[11]以棉短纤和芳纶长丝为原料制备了芳纶包芯纱，并对此包芯纱织成的机织物进行了防刺测试，结果表明该织物具有很好的防刺性能，同时提高了织物穿着舒适性。

2.3织物方面

2.3.1织物密度

机织物的密度对防刺性能具有显著的影响。DuongTuTien等[12]将一些高性能纤维，如芳纶、玄武岩纤维、金属纤维和棉纤维混纺，纺成的纱线织成不同面密度的机织物，并根据NIJ测试标准对其进行防刺性测试。结果表明：织物的刺穿深度受到织物面密度的影响，证实存在最佳面密度，使得防刺性能最好。杨沙沙[13]研究了织物密度的大小对织物防刺性的影响趋势。结果显示：其他条件相同，经密增大，使得承受切割的纱线根数增加，纱线间的摩擦作用增加，进而摩擦作用耗散的能量增大，织物刺割强力随之增大；但增大到一定程度，其刺割强力会随着织物经密的增加而减小，当经密增大超过最佳值时，在刺割时，织物中纱线移动困难，纱线的拉伸减弱，使得承受切割的纱线根数减少，导致刺割力减弱。

2.3.2织物组织

由于织物的动态穿刺损坏主要是由于织物组织的松散和纱线的抽出，因而织物组织是影响防刺性能的重要因素。防刺机织物的组织大多数采用平纹，因为和其它组织相比，平纹组织的纱线之间排列紧密，相互间的抱合力大，在刀具刺入时，不易产生纱线滑移，抗拉伸排挤能力强，因而可以有效握持刀尖，具有一定的防刺作用。以平纹为基础组织的防刺材料具有厚度相对较薄、质量较轻、纱线的线密度高、设计性强、可以大面积防护等特点，因此在防刺材料中有着广泛应用[14]。杨沙沙[13]选择了UHMWPE纤维织造了平纹、斜纹、缎纹、三层角连锁4种组织结构的机织物，研究表明：平纹织物的刺破强力相对最大，斜纹织物次之，三层角连锁织物第三，缎纹织物相应最小。

2.3.3织物层数

王颖等[5]比较了单层UHMWPE机织布、双层UHMWPE机织布的防刺性。探讨发现单层就具有很好的防刺性能，双层的防刺能力相应有一定提升；随着层数增多，UHMWPE机织布防刺效果会更好。多层机织物是具有准三维结构的一种纺织品，通过一定的接结形式由多组经纬纱线互相交织而成。由于多层织物层与层之间通过接结经或接结纬连接，因此这种结构大大提高了层与层之间的抗剪切能力，同时减少了在使用过程中层与层之间的剥离破坏[15]。使用多层机织物作为防刺材料的优点在于它们具有充分的灵活性，同时提供了一定的防刺保护。刘爱平[16]采用UHMWPE长丝，以平纹为基础组织设计织造了3种不同接结方式的多层机织物，防刺测试结果发现由于在多层平纹机织物中各层纤维之间是相互交织的，总体来说织物的整体性较好，抗冲击性也相应较好，防刺性能优异。

2.4后整理方面

2.4.1织物涂层

提高织物防刺性能的一种方法是用薄薄的一层聚合物来涂覆或层压到织物上，使得纱线黏结在一起。目前，这种方法是比较常用的，因为层压后的织物防刺效果得到提高且其灵活性也较合理。MAYO等[17]将芳纶机织物经热塑性塑料浸渍，然后在准静态和动态条件下进行防刺性能测试，得到其防刺特性。不同厚度的聚乙烯、沙林和共挤出的聚乙烯-沙林膜层压到织物上，然后和相同质量和层数的纯净的织物比较，结果表明：经热塑性塑料浸渍的层压织物通过增加耐切割性和减少纱线滑移提高了织物的防刺性能。研究结果还表明：为了使协同性能增强，热塑性浸渍的薄膜需要完整地结合到织物上去。现在比较常见的是利用剪切增稠液体(STF)进行表面涂层。当STF浸入织物中，它通常是以液态存在，但当织物受到冲击时，织物中的STF立即变成固体，使织物变得非常强韧，很难被穿透[18]。世界第一件最薄防刺服是由美国特拉华大学开发的，利用STF浸渍机织物，处理后其防刺能力增强且防刺服的舒适性也较好[19]。BAHARVAN⁃DIHR[20]研究了在浸渍STF后芳纶织物的穿刺阻力，由于纱线和试验刀具、纤维和试验刀具之间的摩擦力对织物的防刺性有很大的影响，在穿刺过程中，经STF处理后，纱线与试验刀具和纤维与试验刀具之间的摩擦力越大，纤维的断裂比纤维的滑移就越多。故相对于未经过STF处理的芳纶织物，经质量分数为35%的STF浸渍后的芳纶织物的准静态穿刺阻力增加了4.5倍。

2.4.2多结构

复合平纹类机织物的结构较稳定且抗拉伸性能较好，但其各项同性和抗剪切性较差。刀具刺入过程包括拉伸和剪切作用，其中剪切作用起主要作用。由于非织造布的抗剪切性较好，故可将平纹机织布和非织造布叠合来提高防刺性[21]。叶汶祥等[22]选用UHMWPE长丝开发了基础组织为平纹的双层管状组织结构的机织防刺织物，织物结构比较紧密，抗拉性好，但抗剪切性能不足。由于管状组织具有中空管，故可以与其它防刺材料复合。

3结语

本文以防刺机制为依据，介绍了防刺织物用纤维原料、纱线结构、织物结构及后整理方法。随着国内外研究者对柔性防刺材料的高度重视，机织物因具有较好的防刺性能，且穿着灵活、舒适、隐蔽性强，已经成为防刺领域的重点研究对象，未来也将被更深入地进行研发。

参考文献：

[2]张天阳.机织物防刺性能的有限元分析[D].上海:东华大学,2011.

[4]顾肇文.柔性复合防刺服机理研究[J].纺织学报,2006(8):80-84.

[5]王颖.多层复合高性能材料防刺性能的研究[D].无锡:江南大学,2012．

[9]赵玉梅.柔性复合防刺服的研究[D].上海:东华大学,2005．

[10]朱静.基于高强布的防刺鞋制备与性能表征[D].上海:东华大学,2013.

[13]杨沙沙.防刺鞋的整体结构设计与性能表征[D].上海:东华大学,2014．

[14]王东宁.超高分子量聚乙烯纤维织物的抗穿刺性能试验研究[D].天津:天津工业大学,2010．

[15]易洪雷,丁辛.多层机织物增强复合材料的拉伸与剪切性能研究[J].玻璃钢/复合材料,1997(2):13-18.

[16]刘爱平.UHMWPE纤维防刺防弹机织物的开发与研究[D].天津:天津工业大学,2008．

[18]周杰才,吴登鹏,殷祥芝,等.防弹防刺服的现状及发展趋势探讨[J].江苏纺织,2011(12):40-43.

[21]张月庆.高强聚乙烯柔性防刺服的研制与性能测试[D].天津:天津工业大学,2012．

[22]叶汶祥,饶崛,王宝根.超高分子量聚乙烯防刺布的组织设计[J].武汉科技学院学报,2007(10):1-4.

作者:田笑 孙润军 王秋实 单位:西安工程大学纺织与材料学院