機織層合防彈面料的性能研究

林燕萍

(江西服裝學院，南昌　330201)

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機織層合防彈面料的性能研究

林燕萍

(江西服裝學院，南昌330201)

摘要：利用自制壓縮空氣沖擊裝置對4塊機織對位芳綸純紡面料按22.5°旋轉進行層合的面料進行抗沖擊實驗，并測試對位芳綸面料的服用性能。研究表明：1/1平紋對位芳綸純紡層合織物抗沖擊效果與抗起毛起球性均高于1/2斜紋面料，而相應面的透氣率低于1/2斜紋面料；kevlar49對位芳綸機織層合面料抗沖擊效果、相應面的透氣率、抗起毛起球性均高于國產對位芳綸面料，而回潮率低于國產對位芳綸面料。相比抗沖擊效果與服用性能，kevlar49對位芳綸機織層合面料優于國產對位芳綸面料。

關鍵詞：對位芳綸；機織層合；防彈織物；抗沖擊；服用性能

對位芳綸纖維作為高性能纖維中的佼佼者，以其高強高模的力學性能而備受關注，被廣泛應用于軍工防護服及其他特殊的行業領域[1-3]。目前，美國研制的全球安全性能最好的PASGT系列的防彈服主體也是由對位芳綸纖維制成。本文通過改裝后的空氣壓縮裝置模擬子彈發射進行沖擊實驗，探討由kevlar49對位芳綸長絲與國產對位芳綸長絲織造層合的面料的抗沖擊效果，并測試分析機織層合防彈面料的服用性能，為防彈面料的開發提供參考。

1　實驗部分

1.1實驗材料

無捻Kevlar49對位芳綸長絲束(美國Du Pont公司生產，長絲線密度170tex，長絲束內含950根Kevlar49長絲)；國產對位芳綸纖維(中藍晨光化工研究設計院有限公司生產，長絲線密度170tex，長絲束內含950根Kevlar49長絲)；錦綸PA66合股縫紉線(中國神馬集團有限責任公司生產，由2股單絲束制得合股縫紉線，捻系數395，單股長絲束線密度940dtex，長絲束內含140根長絲)。

1.2實驗儀器

SGA598型全自動小樣劍桿織機(江陰市通源紡織有限公司)、勝家1306多功能電動型縫紉機(上海勝家縫紉機有限公司)、自制子彈(如圖1所示，模擬56式鋼芯彈，子彈質量7.69g，直徑7.62mm)，自制壓縮空氣沖擊裝置(裝置的工作原理如圖2所示)，BSM-220.4萬分之一電子天平(上海卓精有限公司)、DHS-100恒溫恒濕試驗箱(北京雅士林試驗設備有限公司)、YG461E織物透氣量儀(南通三思機電科技有限公司)、YG502A型織物起毛起球儀(深圳市方源儀器有限公司)。

圖1　自制子彈

1-4均為計時器的光幕層(空氣壓縮器發射的子彈通過光幕時，計時器會自動記錄下通過光幕的時間)；a是光幕1-2以及3-4之間的距離(50cm，由此計算通過面料時能量損失)；5為面料夾持裝置。圖2　自制壓縮空氣沖擊裝置的工作原理

1.3實驗方法

1.3.1面料設計

本文所設計的實驗面料選用1/1平紋組織、1/2斜紋組織的對位芳綸純紡織物(即經緯紗線均用對位芳綸無漿、無捻長絲)。每種實驗面料的經緯密均為230、160根·10cm-1，面料幅寬為22cm，面料兩端各有2cm的邊紗。由于實驗所選用的是未經上漿處理的Kevlar49對位芳綸無捻長絲，在面料織造過程中長絲紗線在整經機上整經難度較大，因此選用手工整經。由于對位芳綸長絲無漿、無捻，在織造過程中很容易引起起毛而導致開口不清及單絲的斷裂、鉤絲，為此在注意整經張力均勻的同時，還應在織造時對對位芳綸長絲涂抹一定的護發素，以保證在織造的過程中對位芳綸長絲粘合在一起。織造完成后，用蒸餾水對面料進行浸漬處理以除去實驗面料中的護發素。洗凈后，在20℃的環境中自然晾干。

1.3.2面料層合

將所織造的面料，每4塊為一組，每種面料共3組。在每組實驗面料層合過程中，先固定其中一塊，然后第2塊以第1塊的中心軸為基準，旋轉22.5°，依次類推，每次旋轉22.5°，將4塊面料先行疊好(如圖3所示)，將疊合好的4塊面料使用勝家1306多功能電動型縫紉機進行縫合。

圖3　面料層合設計

1.3.3沖擊實驗

將層合后的實驗面料放置在圖2所示的兩計時器中間的固定位置，通過改裝后空氣壓縮發射器發射自制子彈體，記錄子彈體通過光幕1、2、3、4的時間，由此計算子彈體通過光幕2、3的速度(假定子彈體在通過實驗面料前后的飛行均為勻速飛行，及通過光幕1、2時的速度相同，通過光膜3、4時的速度相同，另假定子彈體穿透實驗面料動能的損失全部被面料吸收，忽略摩擦產生熱量等其他形式能量的損耗，通過以下公式計算子彈通過面料時的動能損失。

(1)

式中：E—子彈體通過實驗面料時的動能損失，J；

m—子彈體的質量，g；

v1—子彈體通過光幕1、2時的速度，m/s；

v2—子彈體通過光幕3、4時的速度，m/s。

依據上述實驗方法，將每種實驗面料的3組面料依次實驗，取其平均值。

1.3.4面料透氣性能

設置YG461E織物透氣量儀，使面料測試的氣壓差為100Pa，經反復測試后選擇2號噴嘴，測試面料試樣正反面的透氣性能，每個面料試樣正反面各測試5次，取平均值。

1.3.5面料起毛起球性能

使用YG502A型織物起毛起球儀參照標準《GB/T 4802.1—1997紡織品織物起球實驗 圓軌跡法》對面料進行起毛起球性能測試。運動軌跡：以Φ40mm 圓軌跡運動；毛刷長度5mm；測試面料壓力590cN；依據部隊對軍需面料的起毛起球要求，對面料起毛實驗毛刷的摩擦次數為30次，對起球實驗毛刷的摩擦次數為50次[4]。參照標準樣對面料的起毛起球性能進行評級。

1.3.6面料吸濕性能

參照標準《GB/T 9995—1997紡織材料含水平和回潮率的測定烘箱干燥法》，利用烘箱在溫度85℃的條件下將5塊面料徹底烘干(以面料在間隔0.5h的稱重質量變化≤0.001g為烘干的參照標準)，利用精密天平分別稱取5份面料的質量，記作G0，將徹底干燥后的5份面料放置恒溫恒濕試驗箱(設置溫度與相對濕度分別為20℃、65%)中24h后，分別稱取其質量，記作G，利用以下公式計算面料的回潮率W，該計算結果取5份面料回潮率的平均值。

(2)

2　結果與討論

2.1沖擊實驗分析

子彈體通過光幕的速度和動能損失如表1所示，面料損傷的外觀情況如圖4所示。從表1可見，無論是kevlar49對位芳綸機織層合面料還是國產對位芳綸機織層合面料，1/1平紋組織的阻擋效率均高于1/2斜紋組織；1/1平紋，1/2斜紋兩種織物組織Kevlar49對位芳綸機織層合面料對自制子彈體的阻擋效率分別為34.6%與26.4%，而國產對位芳綸機織層合面料，該兩種織物組織對自制子彈體的阻擋效率分別為27.14%與18.09%。由此可知，kevlar49對位芳綸機織層合面料對自制子彈的阻擋率在相同組織的情況下高于國產對位芳綸機織層合面料。

表1機織層合面料沖擊測試結果

實驗面料1、2號光幕速度/(m/s)3、4號光幕速度/(m/s)損失動能/J面料損傷1/1平紋組織(Kevlar49)485392313.6021穿透1/2斜紋組織(Kevlar49)485416239.0398穿透1/1平紋組織(國產對位芳綸)485414245.4225穿透1/2斜紋組織(國產對位芳綸)485439163.4278穿透

圖4　機織層合面料沖擊損傷情況

從圖4的面料受沖擊損傷情況可以看出，在面料材料相同時，1/1平紋組織機織層合面料的損傷程度要遠小于1/2斜紋。而在織物組織相同時，kevlar49對位芳綸機織層合面料的損傷程度要小于國產對位芳綸纖維的損傷程度。

當子彈體接觸到實驗面料時，實驗面料吸收子彈體的動能以應力波的形式向外傳播。這種應力波的傳播可分為垂直于實驗面料的縱向應力波以及平行于實驗面料的橫向應力波。縱波的傳遞使得實驗面料的防護作用降低，因此為提高實驗面料的防護作用就必須提高平行于實驗面料的橫波能量的傳遞，而降低垂直于實驗面料的縱波的傳遞。

橫波能量的傳遞通過組織點相接觸的纖維，由纖維來分擔來自子彈體的沖擊，而織物的組織點越密集，吸收掉的動能越多，抗子彈體沖擊的效果就越好。這也是本實驗中選擇無漿、無捻長絲的原因。無捻長絲織造而成的織物中使得經緯紗之間的交織點的纖維根數達到最多，能最大限度地吸收動能，防止組織點間纖維的滑移。

這是由于當織物受到子彈體沖擊時，受到沖擊的紗線通過形變使得產生的橫波向紗線兩端傳遞，當遇到織物組織點時，一部分能量通過織物組織點的傳遞使得與組織點相接處紗線產生位移使得動能被吸收，另一部分則是通過組織點的反射使得動能沿原方向返回。這也是在實驗中將4塊面料按22.5°的旋轉進行層合的依據。這樣可盡可能多地使能量沿橫波向不同的方向傳遞，使面料在能量傳遞過程中具有各向均勻性。

由于平紋織物組織點交錯密集，紗線在該組織中相對滑移較小，面料具有較好的保型性，因此對子彈體的沖擊能量具有較好的吸收性，而1/2斜紋組織對位芳綸純紡織物由于交織點較少，在沖擊的過程中，交織點位移較大，不易將沖擊產生的動能通過組織點傳遞給鄰近紗線，因此抗沖擊效果較平紋組織差。

2.2面料的服用性能分析

對位芳綸面料服用性能指標測試結果如表2所示。從表2的面料服用性能數據可知，1/1平紋對位芳綸純紡層合織物的抗起毛起球性均高于1/2斜紋對位芳綸純紡織物，而相應面的透氣率低于1/2斜紋對位芳綸純紡織物。kevlar49對位芳綸機織層合面料相應面的透氣率、抗起毛起球性均高于國產對位芳綸機織層合面料，而回潮率低于國產對位芳綸機織層合面料。面料抗起毛起球的性能較差是由于面料是由無捻長絲制作而成的，在摩擦的過程中，長絲很容易被鉤扯，造成起毛起球。因此在實際的生產實踐中應盡量加大織物間緊度，以降低織物起毛起球程度。

表2對位芳綸面料服用性能指標

面料類型正反面透氣率/(mm/s)抗起毛起球(正面)/級回潮率/%1/1平紋組織(Kevlar49)1/2斜紋組織(Kevlar49)1/1平紋組織(國產對位芳綸)1/2斜紋組織(國產對位芳綸)正面反面正面反面正面反面正面反面7.9267.8718.2787.9947.5467.4367.6927.5422.5221.54.675.19

3　結　論

通過實驗可知，1/1平紋對位芳綸純紡層合織物抗沖擊效果、抗起毛起球性均高于1/2斜紋對位芳綸純紡織物，而相應面的透氣率低于1/2斜紋對位芳綸純紡織物。kevlar49對位芳綸機織層合面料抗沖擊效果、相應面的透氣率、抗起毛起球性均高于國產對位芳綸機織層合面料，而回潮率低于國產對位芳綸機織層合面料。相比抗沖擊效果與服用性能，kevlar49對位芳綸機織層合面料優于國產對位芳綸機織層合面料。

參考文獻：

[1] 黃乃科,王曙中.對位芳綸在防護紡織品中的應用和發展[J].高科技纖維與應用，2001,26(1):23-27.

[2] 牛鵬霞，楊彩云.對位芳綸纖維的發展及應用[J].河北紡織，2010(1):16-21.

[3] 李金寶，張美云，吳養育.對位芳綸纖維結構形態及造紙性能[J].中國造紙，2004,23(10):54-57.

[4] 趙雅飛，周永凱，張華，等.正交試驗法分析大麻迷彩織物的服用性能[J].北京服裝學院學報，2009,29(2):60-66.

(責任編輯：張祖堯)

收稿日期：2015-06-18

作者簡介：林燕萍(1982-)，女，四川瀘州人；講師，碩士；主要從事功能性服裝設計與工藝的研究。

中圖分類號：TB 332

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X(2016)01-0023-04

Properties of Anti Ballistic Impact Fabric Made of Woven Laminated

LINYanping

(Jiangxi Institute of Fashion Technology, Nanchang 330201, China)

Abstract：Anti ballistic impact of woven laminated fabric with 4 woven fabrics laminated made by untwisted filaments of Kevlar49 and laminated in rotating 22.5°every fabric were tested by compressed air impact device which was made in the laboratory and properties of clothing of anti ballistic impact fabric made of woven laminated in this paper. Researches showed that anti impact effect, anti-fuzzing and pilling were all superior to 1/2 twill except rate of ventilate of corresponding side of plain weave. Anti impact effect, rate of ventilate of corresponding side of plain weave, anti-fuzzing and pilling of anti ballistic impact of woven laminated fabric made of kevlar49 were all superior to anti ballistic impact of woven laminated fabric made of PPTA produced in China except moisture. As a whole, the properties of anti impact effect and clothing anti ballistic impact of woven laminated fabric made of kevlar49 were superior to woven laminated fabric made of PPTA produced in China.

Key words：Kevlar49; woven laminated; bullet-proof fabric; antballistic impact; properties of clothing