織物頂破強力與刺破強力測試方法分析

袁彬蘭+++++戈強勝++++李紅英

摘要

本文簡述了織物刺破強力和頂破強力的關系，并簡要分析了不同測試條件下對織物刺破強力和織物頂破強力的影響。

關鍵詞：刺破強力；頂破強力；鋼球直徑；頂桿；頂破速度

1 引言

織物的刺破與頂破測試是兩個相似的過程，均為固定織物邊緣，通過刺破頂桿和頂破鋼球對織物進行力學破壞的過程[1]。織物的頂破性能和刺破性能都是表征織物力學性能的重要指標，目前測試標準主要有：GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強力的測定 鋼球法》[2]和GB/T 23318—2009《紡織品 刺破強力的測定》[3]。前者規定了兩種不同的鋼球直徑：25mm和38mm，頂破速度為300mm/min；后者規定了三種不同的頂桿：頂桿A（頂桿Φ2mm 、尖頭R 0.25mm）、頂桿B（頂桿Φ1mm 、圓頭R 0.50mm）和頂桿C（頂桿Φ2mm、尖頭R 0.50mm），刺破速度為500mm/min。不同的鋼球直徑/頂桿規格和頂破/刺破速度對頂破強力/刺破強力結果影響較大。

目前，對于織物的頂破和刺破的研究，主要集中在刺破與頂破機理研究及研發具有高刺破和頂破強力的紡織材料與紡織產品方面，而對于刺破和頂破測試影響因素的研究較少[4]。雖然鋼球頂破和頂桿刺破機理不同，但從鋼球和頂桿對織物的破壞形態來看，有其相似性。本文從刺破強力和頂破強力方面，研究頂破鋼球直徑、頂破速度對織物頂破強力的影響，以及頂桿規格、刺破速度對織物刺破強力的影響，并分析頂破和刺破的相互關系。

2 試驗方案設計

2.1 試驗材料

選取6種不同織物進行頂破和刺破試驗，試樣具體規格如表1。將布料裁剪成標準GB/T 19976—2005或GB/T 23318—2009規定的大小，置于溫度（20±2）℃、相對濕度（65±4）%的標準大氣條件下平衡24h。

2.2 參數設計

采用INSTRON型電子強力機，按標準GB/T 19976—2005和GB/T 23318—2009中的試驗步驟，分別用不同速率、鋼球直徑和頂桿規格測試樣品的頂破強力和刺破強力。其中頂破/刺破速率選擇三種：100mm/min、300mm/min和500mm/min；鋼球直徑選擇20mm、25mm和38mm三種；頂桿規格選擇頂桿A（頂桿Φ2mm 、尖頭R0.25mm）、頂桿B（頂桿Φ1mm 、圓頭R0.50mm）和頂桿C（頂桿Φ2mm、尖頭R0.50mm）三種。試驗中的頂破強力和刺破強力均為3次結果平均值。

3 試驗結果及分析

3.1 頂破試驗結果及分析

采用20mm、25mm和38mm三種鋼球直徑，頂破速度為300mm/min；采用頂破速度100mm/min、300mm/min和500mm/min，選擇38mm鋼球直徑，按標準GB/T 19976—2005中的試驗步驟測試6種織物的頂破強力，結果見表2。

由表2可知，鋼球直徑越大，織物頂破強力也越大。隨著鋼球直徑的增大，鋼球與織物的接觸面積增大，織物中同時受力的紗線或線圈的數量增大，導致織物的頂破強力增大，即鋼球直徑越小，織物頂破破壞需要的頂破強力也越小。

由表2還可以發現不同織物的頂破強力雖有差異，但主要在于織物結構和構成紗線的性能差異。同種織物、不同頂破速度時頂破強力變化不明顯，其原因在于頂破測試速度低，可忽略高速拉伸條件下的顯著沖擊力傳播和應變率效應，因此，織物在低速的頂破過程中其紗線的斷裂強力不受速度的影響。另外，由于織物頂破高度不變，頂破鋼球與織物圓形接觸的邊緣長度和織物受力面積不變，同時織物與鋼球接觸邊緣的紗線起拱角度不變，紗線斷裂強力在頂破方向的分力不變。頂破速度的變化對于織物頂破強力相關的斷裂紗線在頂破方向的分力、邊緣長度與織物受力面積均不產生顯著影響。因此在低速下，頂破速度對織物頂破強力影響不大[5]。

3.2 刺破試驗結果及分析

采用頂桿A、頂桿B和頂桿C，刺破速度為500mm/min；采用刺破速度100mm/min，300mm/min和500mm/min，選擇頂桿B，按標準GB/T 23318—2009中的試驗步驟測試6種織物的刺破強力，結果見表3。

由表3可知，圓頭頂桿B的刺破強力明顯小于尖頭頂桿A和C的刺破強力，表明頂桿直徑越小，其刺破強力越小；對比尖頭頂桿A和尖頭頂桿C結果可看出頂桿曲率半徑越小其刺破強力越小，表明尖頭頂桿的刺破強力隨著尖頭頂桿曲率半徑的增大，其刺破強力也增大。分析原因，頂桿直徑越小，在刺破過程中與織物的接觸面積越小，同時受力的紗線根數越小，其刺破強力也就越小；頂桿直徑相同時頂桿曲率半徑小的刺破圓錐面積相對小，在刺割織物過程中與織物接觸面積小，承力的紗線根數較少，且因刺割斷裂的紗線數量也少，織物的刺破強力減小。

由表3還可以看出，6種試樣的刺破強力不同，取決于織物結構和構成織物的紗線性能。但對每種試樣而言，在三種測試速度下的刺破強力測試結果差異不大，沒有統一規律。分析原因，織物的刺破過程是織物與刺破頂桿接觸過程中的接觸紗線的斷裂，夾持織物中的紗線由于紗線的傳播速度較快均受張力而發生變形，刺破破壞對織物快速刺割或沖擊效應不明顯。故當確定了織物試樣和測試條件時，織物在低速條件下的刺破強力受刺破速度影響小。

3.3 刺破與頂破測試對比分析

分別采用三種不同的鋼球直徑和三種不同頂桿，選擇速度為500mm/min，按標準GB/T 19976—2005和GB/T 23318—2009中的試驗步驟測試6種織物的頂破強力和刺破強力，結果見表4。

從表4可以看出，同種織物在相同條件下的頂破強力要比刺破強力大，高了一個數量級。其原因在于頂破破壞為與鋼球邊界處的織物圓形邊緣的紗線達到同等應變，所有紗線的應變達到織物最小斷裂應變；而刺破破壞首先是刺破頂桿的刺入，接著刺破力為織物刺破局部區域紗線沿著刺破頂桿表面相對滑動的摩擦力和該局部區域紗線在刺破圓錐軸向上的分力之和[5]。另外，刺破測試所用的頂桿直徑比頂破測試用的鋼球直徑小，則織物刺破局部區域的受力紗線數量少、紗線應變小，故在數值上織物的刺破強力遠小于頂破強力。

頂破強力大的織物，其刺破強力也相對較大，分析其原因，無論是織物的頂破還是刺破，其最后的破壞都是紗線的斷裂或線圈的脫散。而對于織物而言，紗線強力大，組織結構牢固，其頂破強力必然較大，而這點也體現在織物的刺破強力上。所以，織物刺破強力和頂破強力的大小，都是由織物本身的組織結構和紗線強力等因素決定的，即通常頂破強力大的織物，其刺破強力也相對較大。

4 結論

（1）頂破強力與鋼球直徑有顯著相關性，鋼球直徑越小，其頂破強力越小。刺破強力與頂桿直徑及頂桿曲率半徑有顯著相關性，頂桿直徑越小，其刺破強力越小；頂桿曲率半徑越小其刺破強力越小。測試頂破/刺破強力時，織物中同時受力的紗線或線圈的數量越大，織物的刺破/頂破強力也越大。

（2）在低速條件下，速度對頂破/刺破強力的關系不顯著。試驗表明不同速度下的頂破/刺破強力變化不明顯，沒有統一規律。

（3）同種織物在相同條件下的頂破強力要比刺破強力大，高了一個數量級。頂破強力大的織物，其刺破強力也相對較大。

參考文獻：

[1] 姜懷， 鄔福麟，梁潔，等.紡織材料學[M].北京：中國紡織出版社，1996：484-486.

[2] GB/T 19976—2005 紡織品 頂破強力的測定 鋼球法[S].

[3] GB/T 23318—2009 紡織品 刺破強力的測定[S].

[4] 喬詠梅.織物特性對材料防刺性能的影響[J].纖維復合材料，2015（4）：10-12.

[5] 朱靜，杜趙群， 于偉東.織物刺破與頂破測試方法對比研究[J].東華大學學報（自然科學版），2013，39（6）：726-731.

（作者單位：廣州纖維產品檢測研究院）