樹脂成型柔性防刺材料空隙率對防刺性能的影響

劉 娟 王新厚

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620;2.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海，201620)

當前，個體防護材料在民用方面的需求不斷增加，同時許多研究人員也在致力于改善防刺服的柔軟性，使其在防穿刺的同時也能夠滿足穿著舒適性的要求。柔性復(fù)合材料類、涂層整理類以及纖維樹脂類復(fù)合材料已成為防刺材料的研究熱點。王穎［1］研究了超高分子量聚乙烯織物與黏膠非織造布復(fù)合的柔性復(fù)合材料，通過黏膠非織造布的加入提供一定的緩沖來提高抗刺破性能。趙玉梅［2］提出了硬質(zhì)粒子涂層的想法。晏義伍等［3］發(fā)現(xiàn)模壓法制備的Kevlar/Surlyn纖維樹脂類復(fù)合材料的防動態(tài)穿刺性能優(yōu)于純Kevlar織物。

本課題組提出了多種樹脂成型柔性防刺材料的制備工藝，并研究了基布面料對防刺性能的影響［4］。本文在這一基礎(chǔ)上，采用黏結(jié)成型工藝［5］制備了防刺材料。該材料結(jié)構(gòu)中存在空隙部分，因此具有非常好的柔軟性，但空隙部分也會使材料的防穿刺性能受到影響。本文通過實驗探究了空隙部分的變化對防刺層的柔軟性、防穿刺性產(chǎn)生的影響，為優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)提供參考，以使防刺層能夠兼?zhèn)漭^好的柔軟性和防穿刺性。

1 防刺層的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的柔性防刺服的防刺層結(jié)構(gòu)見圖1。該結(jié)構(gòu)中圓形樹脂顆粒按設(shè)計的位置離散排列在基布上，圓形顆粒之間存在空隙。圖1中圓形代表黏結(jié)于基布上方的具有一定直徑、厚度的圓形樹脂顆粒，長方形框代表鋪于下層的基布面料。

圖1 防刺層結(jié)構(gòu)

在防刺層中，圓與圓之間的空隙是未黏結(jié)樹脂顆粒的織物部分，即材料中的空隙部分。為了方便研究材料中空隙部分的作用，用空隙率k來表征該結(jié)構(gòu)中空隙的多少。空隙率k為空隙面積Sk占整個防刺層總面積Sz的比例，即

為計算該結(jié)構(gòu)防刺層的空隙率，選取圖1中的正六邊形作為表征該結(jié)構(gòu)的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，計算該結(jié)構(gòu)單元得出的空隙率就可以得出整個單層防刺層的空隙率。對于所述的復(fù)合防刺材料，假設(shè)兩圓之間的最小距離為Δ，圓的半徑為R;對于選取的正六邊形，空隙部分的面積即陰影部分的面積，總面積即正六邊形的面積。因此，防刺層的空隙率為：

由式(1)可以得出，空隙率是與顆粒大小和間隙相關(guān)的一個參數(shù)。越小，空隙率k越小;越大，空隙率k越大。

2 實驗部分

2.1 單層防刺層的制備

由空隙率公式可知，在顆粒間最小距離Δ固定的情況下，顆粒半徑R直接影響材料的空隙率。本實驗采用保持Δ一致，改變樹脂顆粒大小來制備不同空隙率的試樣。本實驗設(shè)定顆粒的半徑范圍為5～10 mm，該半徑范圍的顆粒既不會因顆粒過大而影響材料在肘、關(guān)節(jié)等部位的服用舒適性，又能使材料有效阻擋具有一定寬度刀具的穿刺。制備顆粒半徑分別為5、7和9 mm的防刺層，得到三種空隙率的試樣，并進行比較。樹脂顆粒之間的最小距離Δ均為1 mm，顆粒厚度均為2 mm。

采用顆粒黏結(jié)成型工藝制備的其中一種防刺層的外觀見圖2。

圖2 防刺層外觀

三種不同顆粒半徑的防刺層試樣的空隙率見表1。

表1 試樣的顆粒半徑與空隙率對照

2.2 單層防刺層懸垂性測試

本文所設(shè)計的防刺材料具有柔軟性是因為未黏結(jié)樹脂顆粒的部分能夠很好地反映基布的柔軟性，因此該防刺材料的柔軟機理與織物的柔軟機理較接近。目前尚無測試防刺材料柔軟性的實驗標準，故本文采用測試織物懸垂性的XDP-1織物懸垂性測試儀對三種試樣分別進行顆粒面向上和顆粒面向下的靜態(tài)懸垂性測試，通過懸垂系數(shù)的比較在一定程度上可比較三者的柔軟性。

為了避免建筑電氣線路受到破壞，需要加強對建筑電氣線路設(shè)計和安裝方案的設(shè)計。在設(shè)計工作中，需要遵循相應(yīng)的規(guī)范標準，確保設(shè)計方案的合理和安全。例如，在建筑電氣線路安裝中，為了避免建筑電氣線路出現(xiàn)漏電的情況，工作人員需要在線路相應(yīng)的位置安裝斷路器，降低用戶問題的發(fā)生概率。完善的建筑電氣線路設(shè)計和安裝方案不僅可以有效降低電氣線路的負荷，而且可以降低因電氣線路的問題導(dǎo)致的安全事故。

2.3 單層防刺層的準靜態(tài)測試

將HD026N+電子織物強力儀上的頂破彈子換成標準測試刀具，將其改造成一臺準靜態(tài)穿刺性能測試儀，進行準靜態(tài)穿刺測試。GA 68—2008標準《警用防刺服》中規(guī)定的標準測試刀具［6］見圖3。

圖3 標準測試刀具尺寸

測試刀具以100 mm/min的速度穿刺試樣中的顆粒中心處，得到穿刺強力-穿刺厚度曲線，比較三種試樣的最大穿刺強力和穿刺功，從而比較三者的靜態(tài)防穿刺性。

2.4 動態(tài)穿刺測試

動態(tài)穿刺測試是衡量防刺服或多層防刺材料防刺性能的標準評判方法。為更有效地比較不同空隙率防刺層的防穿刺性能，按照GA 68—2008標準［6］的要求，對由多層相同試樣組成的防刺材料進行動態(tài)穿刺測試。實驗中，使質(zhì)量為2.4 kg的測試刀具和落體從1 m處自由下落，垂直穿刺到分別由6層試樣1、6層試樣2和6層試樣3重疊而成的三種防刺材料上。防刺材料的各防刺層之間使用膠水牢固黏結(jié)，保證上下層之間的樹脂顆粒位置重合。同時，只有測試刀具完全作用于每一層的樹脂顆粒部分時，該次實驗結(jié)果才判斷為有效。記錄測試刀具刺穿的防刺層層數(shù)，用來比較三者之間的動態(tài)穿刺性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 空隙率對單層防刺層柔軟性的影響

表2是防刺層的懸垂性測試結(jié)果。

表2 防刺層懸垂性測試結(jié)果

由表2可以看出，隨著空隙率減小，靜態(tài)懸垂系數(shù)逐漸增大，即懸垂性變差。這是因為隨著防刺層空隙率減小，同樣大小的單層防刺層中，織物中被樹脂顆粒覆蓋的面積越大，空隙所占的面積越小，材料中可以表現(xiàn)基布柔軟性的面積越小，因此防刺層的懸垂性變差。這在一定程度上反映出隨著空隙率減小，材料的柔軟性變差。

3.2 空隙率對穿刺強力的影響

由圖4可以看出：當穿刺厚度達到55 mm左右時，測試刀具開始接觸樹脂顆粒，穿刺強力瞬時增大;隨著測試刀具繼續(xù)上升，刀具與材料的樹脂顆粒的作用力逐漸增大，穿刺強力隨之增加，并逐漸增大到最大值，此時樹脂顆粒被穿透;之后，隨著穿刺厚度繼續(xù)增加，刀具穿刺基布，穿刺強力迅速下降，直至穿刺過程結(jié)束。

圖4 單層防刺層穿刺強力-穿刺厚度曲線

比較圖4中的三條曲線可以看出：

(1)試樣1的最大穿刺強力最小，即空隙率最大的防刺層的耐穿刺強力最小;試樣2和試樣3的最大穿刺強力接近，均大于試樣1的最大穿刺強力。

(2)試樣1曲線所包圍的面積最小，說明至穿刺過程結(jié)束，空隙率最大的防刺層所做的功最小，消耗的穿刺能量最少;試樣2曲線和試樣3曲線所包圍的面積接近，均大于試樣1曲線所包圍的面積。

在準靜態(tài)穿刺過程中，刀具穿刺的過程伴隨著試樣的變形過程。一方面，由于顆粒半徑為5 mm的防刺層(試樣1)的空隙率較大，在穿刺過程中變形較大，導(dǎo)致樹脂顆粒沒有更好地發(fā)揮防刺作用;另一方面，由于空隙率較大，顆粒直接的相互作用減少，不能很好地共同阻止刀具向下穿刺，消耗的穿刺能量少。因此，防刺層的空隙率越大，最大穿刺強力和穿刺功的越小，防刺層的防穿刺性能變差。

3.3 動態(tài)穿刺結(jié)果分析

表3是防刺層動態(tài)穿刺測試結(jié)果。

表3 動態(tài)穿刺測試結(jié)果

由表3可以看出，試樣1需疊層5層才能達到防刺標準的要求，而試樣3只需疊層4層即可達到防刺標準的要求。試樣1的空隙率大，最大穿刺強力與穿刺功小，從而需要更多層的防刺層以達到同樣的防刺效果，這一結(jié)果與準靜態(tài)穿刺實驗的結(jié)果一致。由上可見，各防刺層重疊排列制成的防刺服，其單層防刺層的空隙率最終會影響到整個防刺材料整體的防穿刺性能，因此要正確選擇單層防刺層的空隙率，以保證整個防刺材料具有很好的防刺性能。

4 結(jié)論

防刺層存在的空隙部分可使防刺層具有柔軟性，但又會影響防刺層的防穿刺性能。從本文的測試結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)材料的空隙率越小，懸垂性越差，在一定程度上反映出織物柔軟性較差。

(2)材料的空隙率減小時，最大穿刺力和穿刺功均增大，且達到防刺要求時需要的防刺層數(shù)減少，即防刺層的防刺效果更好。

(3)綜合比較三種試樣的柔軟性和防穿刺性能，以空隙率為21.03%的試樣在具有很好的防穿刺性的同時能夠更加柔軟，更符合防刺材料兼?zhèn)淙彳浶院头来┐绦缘囊蟆?/p>

［1］王穎.多層復(fù)合高性能材料防刺性能的研究［D］.無錫：江南大學(xué)，2012.

［2］趙玉梅.柔性復(fù)合防刺服的研究［D］.上海：東華大學(xué)，2005.

［3］晏義伍，曹海琳，趙金華.Kevlar/Surlyn復(fù)合材料的制備與防刺性能研究［J］.功能材料，2012，43(17)：2351-2355.

［4］馬飛飛，謝正權(quán)，王新厚.樹脂成型柔性防刺材料的設(shè)計與優(yōu)化［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2014，32(5)：18-21.

［5］馬飛飛，謝正權(quán)，徐永紅.柔性防刺材料、防刺體的粘結(jié)成型方法：中國，103791778［P］.2014-05-14.

［6］公安部.GA 68—2008警用防刺服［S］.北京：中國標準出版社，2008.