經編間隔織物的沖擊性能

郭曉芳，龍海如

(東華大學 紡織學院，上海 201620)

經編間隔織物是由2個表面層和中間的間隔層連接起來形成的一種三維立體結構織物，由于這種特殊的結構，使得織物被應用在諸多領域，如內衣類(文胸、泳衣)［1］、運動類紡織品［2］、車用紡織品(襯墊［3］、坐墊［4］)等。壓縮性能是間隔織物的一項重要性能，近年來，許多學者也在專注于對該性能的研究。間隔紗密度［5］、墊紗角度［6］、原料種類［7］、排列形式［8］、直徑［6］以及織物厚度均對間隔織物的壓縮性能有影響。間隔紗彈性模量高、線密度高、傾斜角度大，表面層緊密的間隔織物具有較高的抗壓縮性能，相同變形下織物的壓縮力和壓縮剛度較大。經編間隔織物的抗壓回彈性［9］、緩壓性［10］均好于相同厚度的海綿。此外，學者們還采用彈性桿理論建立了經編間隔織物壓縮理論模型［9，11］。文獻［12］從接觸力、穿刺力及二者關系、吸收總能量的角度分析了間隔織物的動態壓縮性能。

本文主要從沖擊應力(載荷)、織物吸收的能量和能量吸收效率角度研究不同結構經編間隔織物的低速沖擊性能及織物對人體平面部分的保護。旨在將間隔織物作為人體防護服，減輕或防止老人在運動過程中的摔傷。采用的沖擊方式為“”，即平面沖頭(地面)與固定在平面支撐物(人體平面部分)上的間隔織物的沖擊。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品

試驗樣品是在帶有6把梳櫛(GB1～GB6)的雙針床拉舍爾經編機上編織的6種間隔織物，編號為F1～F6，考慮到間隔絲是織物沖擊作用力的主要承擔者，為使表面層對間隔絲起到良好的保護作用，選擇了織物上、下表面層都是無網孔的編鏈+襯緯地組織，其組織與穿經方式如下。

GB1：0-0-0-0/5-5-5-5//滿穿 A

GB2：1-0-0-0/1-0-0-0//滿穿 A

GB5：0-0-1-0/0-0-1-0//滿穿 A

GB6：5-5-5-5/0-0-0-0//滿穿 A

其中A表示33.3 tex/96 f滌綸復絲。3種間隔絲角度不同的織物F1、F2和F3，間隔梳櫛分別在針背橫移2、3和4個針距，間隔絲組織與穿經方式如表1所示。

表1 間隔絲組織與穿經Tab.1 Stitches and threading of spacer yarns

F2和F4織物的間隔絲直徑不同，分別為0.20、0.16 mm。通過調整機上脫圈板的距離，織物的厚度可隨之變化，3種不同厚度的織物F2、F5和F6機上脫圈板距離分別為10.20、7.20、13.20 mm。織物下機后經過180℃、3 min的熱定型，定型后織物的實際參數如表2所示。

表2 間隔織物參數Tab.2 Details of spacer fabrics

由表2可看出，織物的實際厚度要小于機上的理論厚度。這是因為織物在機上編織時，間隔絲呈伸直狀態，而下機后，間隔絲在自然狀態下略微彎曲，導致織物實際厚度下降。不同間隔梳櫛橫移針距數織物的間隔絲角度不同，隨著橫移針距數的減小，間隔絲角度增大。

1.2 試驗儀器

試驗采用的儀器為Instron Dynatup 9250HV落錘沖擊試驗儀，參考的標準為 BS EN1621-1：1998。落錘質量為6.275 4 kg，落錘高度、沖擊能量、沖擊速度(沖頭剛接觸到樣品時的速度)可以設定，其中1個值設定后，其他的2個值將由系統自動生成，本文試驗設定沖擊能量為6.325 0 J，沖擊儀結構如圖1所示。

圖1 沖擊儀結構Fig.1 Schematic diagram of impact instrument structure

落錘從設定的高度自由落下，當與支撐物(鋼座)夾持的織物碰撞后反彈，并由防二次沖擊裝置控制防止落錘再次沖擊。數據采集系統記錄沖擊過程中的載荷、位移、速度和能量數據。沖頭底面尺寸為40 mm×80 mm，邊緣為5 mm半徑的圓弧，尺寸為20 mm×20 mm的織物在鋼座上用8個固定夾夾持防止在沖擊過程中滑動。感應器安裝在沖頭的上方，因而沖頭感應到的力是織物給沖頭的力，它可以間接地反映支撐物或受保護者受到的力，即沖頭感應到的力越大，支撐物或受保護者受到的力就越大。沖擊測試在(20±2)℃，相對濕度為65% ±5%的環境下進行。

2 結果與討論

2.1 典型曲線分析

圖2 應力與應變典型曲線Fig.2 Typical stresstrain curve

圖3 能量/載荷/位移間典型曲線Fig.3 Typical curves of energy/load/displacement-time

由圖2可看出，織物在整個沖擊過程中的變形可分為4個階段：彈性變形、塑性變形、壓實和回復階段。彈性變形階段，織物主要發生彈性形變(0～34.70%，1.92 ms)，發生形變不需要很大的力，應力(力)總體呈緩慢上升趨勢，應力變曲線(載時間曲線(見圖3))斜率較小，該階段織物將能量暫時以彈性勢能的形式儲存起來。當應力(力)超過織物所能承受的彈性形變時，織物開始進入第2個變形階段，即塑性變形階段(34.70% ～58.25%，1.53 ms)。在這個階段，應變增大的過程中應力幾乎保持不變，應力變曲線接近平臺。在塑性變形階段，材料發生了不可逆變形，是能量發生實質性轉化的階段。到了壓實階段(58.25% ～75.82%，1.10 ms)，織物發生很小的變形組需要很大的應力(力)，從圖2可得，織物在這個階段的變形只有17.57%，但應力值增加了2.98 MPa，表現為曲線的急速上升，斜率明顯增大。回復階段是從最大應變開始(織物變形最大)到應力為0(沖頭離開織物，沖擊結束)的階段(75.82% ～67.44%，1.72 ms)，應應變曲線急速下滑，能量也有所下降(見圖3)。織物將彈性變形階段儲存的勢能在回復階段釋放，若忽略沖擊結束后織物由于黏性效應(應變變化滯后于應力變化)的微弱回復變形，則在回復階段織物釋放的能量等于在彈性變形階段儲存的能量，據此，織物彈性變形階段與塑性變形階段得以區分。織物在整個沖擊過程中的能量隨時間的變化如圖3所示。當沖頭接觸到織物，設定的沖擊能量可以分成2個部分：一部分是彈性能量，這部分能量在力加載的過程中以彈性勢能的形式儲存在織物中，在卸載(回復)的過程中將之傳遞給沖頭;另一部分是吸收的能量，包括織物吸收的能量、沖擊系統的震動、熱能、沖頭和支撐物的非彈性行為。即：

假設沖擊不同織物時，所產生的系統震動、熱能很小可以忽略不計，沖頭和支撐物剛度足夠不會產生塑性變形，因而，總能量就是反彈能量和織物吸收能量之和。織物存儲的反彈能量越大，沖頭感應到的力就越大，應力峰值(載荷峰值)就越大。沖頭感應到的力間接地反映了支撐物(或受保護者)受到的力，若感應到的力越大，越不利于保護，所以應力峰值是評價間隔織物緩沖材料的重要指標。良好的緩沖材料可以吸收更多的能量以減小應力峰值。間隔織物作為一種能量吸收材料，它應當將吸收的能量轉換為織物內部的變形，而且這種變形是不可逆的，即織物將大部分輸入的動能，通過塑性變形或其他耗散轉換為非彈性性能，而不是以彈性的方式將之儲存。

緩沖材料還可以用材料的能量吸收效率來衡量材料的吸能性能，材料壓縮時單位體積吸收的能量用W表示，則

能量吸收效率由Miltz［13］提出，定義為材料所吸收的能量與對應應力之比，即：

式中：εm為任意應變;σm為對應的應力;W、E吸可根據試驗得到的應力-應變曲線求得。織物F2的能量吸收效率如圖4所示。

圖4 典型能量吸收效率圖Fig.4 Typical energy-absorption efficiency diagram

從圖4可看出，能量吸收效率從有1個峰值，這個峰值對應的應力為 14 MPa，應變(見圖 2)為58.25%，也就是圖2中塑性變形和壓實階段的拐點(塑性、壓實階段以該點為分界點)，因此，在圖4中的效率峰值之前的曲線表征了織物彈、塑性變形階段的能量吸收效率，可以看出，吸收效率隨應力的增大而增加;效率峰值之后的曲線表示織物在壓實階段的能量吸收效率，能量吸收效率隨應力的增大而降低。此外從圖中還可看到，在應力為300 MPa附近處，吸收效率反向增加，從式(3)可以看出，曲線是由應變從0積分到最大得到的，表征的是織物在能量吸收階段的能量吸收效率。從圖3可以看出，當位移從0達到最大時，對應的吸收的能量從0達到最大，而載荷為從0到最大并且已經開始下降。從圖2可以看出，在這段載荷下降的階段，應力變曲線的積分跟載荷最大時比，曲線下的面積基本不變，但由于載荷減小，因此由式(3)知能量吸收率小幅上升。對于緩沖材料間隔織物來說，材料的吸收效率大表明織物的能量吸收性能較好，但是對于不同織物中某一織物在不同的應力階段，其吸收效率的高低不盡相同。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 間隔梳櫛橫移針距數和間隔絲直徑

3種不同間隔梳櫛橫移針距數織物(F1、F2和F3)在6.325 0 J 沖擊能量下的應力變、能量間、能量吸收效率力曲線如圖5～7所示。

圖5 不同間隔梳櫛橫移針距數織物應力 應變曲線Fig.5 Stresstrain curves of spacer fabrics with different needle pitches of guide bars

圖6 不同間隔梳櫛橫移針距數織物能量 時間曲線Fig.6 Energy ime curves of spacer fabrics with different needle pitches of guide bars

圖7 不同間隔梳櫛橫移針距數織物能量吸收率圖Fig.7 Energy-absorption efficiency diagram of spacer fabrics with different needle pitches of guide bars

F1、F2和F3的3種曲線從總體上看，隨著橫移針距數的減小或間隔絲角度的增大，沖擊產生的應力峰值減小 (見圖5)，反彈能量減少，吸收的能量增多(見圖6)，能量吸收效率峰值增大，達到效率峰值的應力減小(見圖7)。應力大于18 MPa時，由圖7可看出，間隔絲角度大的織物壓實階段能量吸收率下降快，當達到穩定后，能量吸收效率隨間隔絲角度的減小而增大，但直觀上，F2(1032)和F3(1043)的3種曲線非常接近，說明由于減小1個針距橫移(F2)導致間隔絲角度增大引起的沖擊特征的變化是很小的。而 F1(1021)的3種曲線與F2(1032)(或F3(1043))的有較大的數值和形態上的差別，并且F1(1021)的能量吸收效率圖在達到峰值前有明顯的曲折(吸收效率突然上升)，這很可能是因為這個時候的間隔絲發生了倒伏，導致應力的突然下降(見圖5)。不同間隔梳櫛橫移針距數織物如圖8所示。

圖8 示出間隔梳櫛橫移2、3和4個針距的間隔絲形態。可以看出，橫移2個針距的F1織物間隔絲中間有明顯的空隙或孔洞，而且空隙交替出現，而其他2種組織沒有出現這樣的情況。圖8(a)中的空隙為間隔絲的整體倒伏提供了空間。織物水平放置在鋼座上(見圖1)，織物邊緣用8個固定夾夾持，防止織物滑移。由于中間受力面積為31.785cm2，而試樣面積為400cm2，邊緣固定夾持產生的微小區域的表面張力變化不會波及到中間的受力區域，因而可以認為受力區域無表面張力。這樣，過于接近垂直的間隔絲區域和中間的空隙圍成了1個四邊形，由于四邊形的不穩定性，間隔絲很容易在沖擊作用力下整體向一邊傾斜而倒伏。

圖8 不同間隔梳櫛橫移針距數織物Fig.8 Fabrics with different needle pitches of guide bars

圖5 表明，倒伏后，F1(1021)的應力峰值明顯高于F2或F3(F3略大于F2)，說明倒伏雖然導致應力的突然下降，但也會產生勢能，這種勢能使得間隔絲在回復階段由倒伏狀態變回到接近直立狀態，而該勢能高于由于間隔梳櫛橫移增加1個針距產生的那部分彈性勢能(見圖6)。

2種間隔絲直徑的織物(F2和 F4)在設定的沖擊能量下的應應變、能時間、能量吸收效率應力曲線如圖9～11所示。

圖9 不同間隔絲直徑的織物應力 應變曲線Fig.9 Stress-strain curves of spacer fabrics with different needle pitches of guide bars

圖9 ～11表明，間隔絲較粗的織物在沖擊過程中通過吸收更多的能量(見圖10)而產生較小的應力峰值(見圖9)，該織物的能量吸收效率峰值也更大(見圖11)。另外，在大應力下(＞16 MPa)，間隔絲較粗的織物能量吸收效率大，在小應力下則相反。

圖10 不同間隔絲直徑織物的能量間曲線Fig.10 Energy-time curves of spacer fabrics with different spacer yarns'diameters

圖11 不同間隔絲直徑織物的能量吸收率圖Fig.11 Energy-absorption efficiency diagram of spacer fabrics with different spacer yarns'diameters

結合間隔梳櫛橫移針距數 (間隔絲角度)對織物沖擊性能的影響可知，在相同織物厚度且間隔絲不倒伏條件下，橫移針距數少(間隔絲角度大)、直徑大的織物在沖擊過程中產生的應力峰值小，有利于對人體的保護。這2種結構織物在準靜態壓縮試驗中，相同應變下的壓縮力大，壓縮剛度大［6］，織物較硬或較難壓縮。即，壓縮剛度大的織物沖擊應力峰值小。

可以從應力波的角度解釋這一現象。經編間隔織物黏彈性材料的動態力學響應可分為2部分：與時間無關的瞬態響應部分和與時間相關的非瞬態響應部分。分別表征了物體在受沖擊時所表現出的彈性和黏性特征。這里只討論彈性應力波在2個介質接觸表面的反射、透射而不計由于織物黏性特征導致的應力波在傳播過程中的衰減。

當壓縮應力波σI由織物上表面垂直入射時，在上表面發生反射和透射，即產生反射應力波σR和透射應力波σT，應力波在2種介質接觸面的反射和透射如圖12所示。

圖12 應力波在2種介質接觸面的反射和透射Fig.12 Reflection and transmission of stress wave on contact surface of two kinds of materials

根據彈性應力波在2種不同介質接觸面的反射、透射應力與入射應力的關系［14］：

K、K'和n分別為反射、透射系數和2種介質的阻抗比;ρ、C分別為介質密度和應力波在介質中的傳播速度。根據彈性波速C的定義［14］：

式中，E為彈性模量，可知阻抗 (ρC)還可以表示為

由于沖頭材料為鋼，間隔織物材料為滌綸，前者阻抗大于后者［14］，因而 n＞1，即反射系數 K ＜0，負號表示反射波和入射波方向相反，透射系數K'＞0，透射波和入射波方向相同。反射應力σR傳遞給沖頭，即沖頭感應到的力，透射應力σT進入織物內部。

因樣本密度均相同(滌綸)，彈性模量大的織物在準靜態壓縮時相同變形下壓力大，織物較剛硬，這種織物阻抗大(見式(7))，阻抗比n小(見式(5))，因為反射系數 K是增函數，隨著 n值的減小，相同入射應力σI(沖擊能量相同，σI相同)下，反射應力σR減小(見式(4))，沖頭上方的感應器感應到的反射應力也減小。故，剛度較大的織物(間隔梳櫛橫移針距數少，間隔絲直徑大)可產生較小的應力峰值，有利于人體保護，但剛度過大可能會帶來穿著舒適性問題，因而選擇織物結構時應綜合考慮。

2.2.2 織物厚度

3種不同厚度的織物(F2、F5和F6)在設定的沖擊能量下的應力變、能量間、能量吸收效率 應力曲線如圖13～15所示。

圖13 不同厚度的織物應力 應變曲線Fig.13 Stress train curves of spacer fabrics with different thicknesses

圖14 不同厚度的織物能量 時間曲線Fig.14 Energyime curves of spacer fabrics with different thicknesses

圖13 、14表明：厚度大的織物可以通過吸收更多的能量(見圖14)來減小應力峰值(見圖13)。厚的織物在相同受力面積下體積大，能夠吸收能量的間隔絲的絕對體積增加。而且，這種織物間隔絲較長，其可以發生更大的彎曲變形吸收更多的能量。能量吸收效率圖15表明：在不同的應力階段，各織物呈現不同的能量吸收效率規律，當應力小于15 MPa時，厚的織物在相同應力下的能量吸收效率更大(F6＞F2＞F5);當應力高于25 MPa時，則相反(F5＞F2＞F6);從峰值角度看，中等厚度的織物能量吸收效率峰值最大。結合應力峰值和吸收的能量，厚度大的織物雖然吸收的能量多，應力峰值小，但太厚的織物可能導致人體行動不便，因而，中等厚度的織物較為可選。

圖15 不同厚度的織物能量吸收率圖Fig.15 Energy-absorption efficiency diagram of spacer fabrics with different thicknesses

3 結論

本文研究不同間隔梳櫛橫移針距數(間隔絲角度)、間隔絲直徑和織物厚度對間隔織物沖擊性能的影響，根據沖擊試驗結果和相應的分析，可得出以下結論。

1)一般地，隨著間隔梳櫛橫移針距數的減小(間隔絲角度增大)，應力峰值減小，吸收的能量和能量吸收效率峰值增大，然而間隔絲排列過于接近垂直的織物容易發生倒伏，從而產生較大的應力峰值。間隔絲較粗的織物沖擊時可以吸收更多的能量從而產生更小的應力峰值，且能量吸收效率峰值也較大。在相同織物厚度下，壓縮剛度大的織物在沖擊作用下的應力峰值較小。

2)厚度大的織物應力峰值小，吸收的能量多，在小應力下能量吸收率大。厚度小的織物應力峰值大，吸收的能量少，在大應力下能量吸收率大，而中等厚度的織物能量吸收效率峰值高。

3.剛度大(間隔梳櫛橫移針距數少、間隔絲直徑大)和厚度大的織物沖擊產生的應力峰值小，有利于人體保護，但太硬和太厚的織物容易帶來穿著不適，在選擇織物結構時，應綜合考慮。

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