針刺工藝對UHMWPE非織造材料防刺性能的影響

甄 琪， 張 恒， 張一風， 錢曉明， 劉讓同

(1.中原工學院 a.服裝學院；b.紡織學院，鄭州 451191；2.武漢紡織大學 紡織纖維及制品教育部重點實驗室，武漢 430073；3. 天津工業大學 紡織學院，天津 300387)

近年來，各種暴恐傷害事件、利器穿刺等安全事故的頻發，使得防刺材料的研究變得尤為重要。而基于高性能纖維的針刺非織造材料由于獨特的三維立體網狀結構[1-2]，對尖銳物體的穿刺力具有很好的傳遞、分散和抗剪切能力，同時其較好的柔性，又使其具有更廣的適用性、隱蔽性和可日常穿著等優點。目前用于柔性防刺材料的高性能纖維主要有聚對苯二甲酰對苯二胺纖維(poly-p-phenylene terephthamide，PPTA)、超高分子量聚乙烯纖維(ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE)和聚對苯撐苯并雙噁纖維(poly-phenylene benzo oxazole，PBO)等[3-4]。其中，UHMWPE纖維是由相對分子量在100萬～500萬的聚乙烯紡制而成的纖維，該纖維的比強度是相同線密度鋼絲繩的10倍以上，還具有高比能量吸收性、優良的耐沖擊和抗切割性能，并且是目前所有高強高模纖維中密度最小的纖維，UHMWPE纖維的密度為0.97～0.98 g/cm3[5-6]。因此，使用該纖維制造的材料具有輕質、高強和耐沖擊的特性，是理想的柔性防刺用纖維。

在過去十多年中有許多文獻指出，UHMWPE針刺非織造材料可以用于柔性防刺領域[7-8]。張玉芳等[9]對UHMWPE針刺非織造材料的撕破強力、頂破強力和多層樣品的抗刺穿能力進行了研究，認為UHMWPE針刺非織造材料的抗穿刺能力與平方米質量和纖維強度成正比例關系。但有學者認為，非織造材料屬于面內各向同性的材料，對錐子等尖銳武器具有很好的防護作用，但是其面內纖維的排列比較疏松，抱合力差，所以抗刀刃切割的能力比較差[10]。因此學者將UHMWPE非織造材料的研究轉向通過多種結構、多種固網方式和多種纖維復合的研究方式提高防刺性；如，張月慶[11]和邢京京等[12]均將UHMWPE機織布與UHMWPE非織造纖維網通過針刺的方法進行復合，通過非織造纖維網與機織布的纏結和多層疊加來提高防刺效果。上述的研究都證實了致密的結構可以提高防刺性，但是都沒有明確其致密程度與纖維防刺性能的關系。據此，本文將對UHMWPE針刺非織造材料的結構特征和防刺性性能進行分析，為防刺性能的優化提供基礎。

1 實 驗

1.1 材料和儀器

材料：超高分子量聚乙烯(北京同益中特種纖維技術開發有限公司)，纖維長度51 mm，細度3.3 tex，強度2.7 GPa。

儀器：干法針刺實驗線(常熟萬龍機械有限公司)，臺式掃描電子顯微鏡TM3030(日本株式會社日立制作所)，Instron3369型萬能電子強力儀(美國英斯特朗公司)和標準刀具，YG141LA數字式織物厚度儀(常州第二紡織機械廠)。

1.2 實驗和方法

制備：采用干法梳理—交叉鋪網—針刺法非織造技術將UHMWPE短纖制成柔性防刺材料，針刺深度5.16、9.84、11.17 mm，對應有效刺針進齒數分別為2、4、5個。預針刺植針密度1 750 枚/m，主刺機植針密度3 665 枚/m。

測試：對UHMWPE針刺非織造材料的力學性能、防刺性能和結構特征進行了研究。通過臺式掃描電子顯微鏡TM3030分析材料的結構和纖維的截面形態。參考ASTM Standard F1790-05和ISO Standard 13997進行力學性能和靜態穿刺力測試，刀具刺入速率為5 mm/min。厚度依據GBT 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分：厚度的測定》進行，壓腳面積1 000 mm2。平方米質量依據GBT 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第1部分：單位面積質量的測定》進行。拉伸斷裂強力依據GBT 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》進行測試。表1所示為試樣的特征參數，孔隙率依據下式獲得：

表1 樣品的特征參數Tab.1 The characteristic parameters of samples

p=1-(m/ρδ)

(1)

式中：p為孔隙率，%；m為平方米質量，g/m2；δ為厚度，m；ρ為纖維密度，g/m3。

2 結果與分析

2.1 工藝對樣品結構特征影響

圖1為樣品18#的表面及截面形態電鏡圖。首先，從圖1可以看出樣品內部的纖維在水平面上呈現出雜亂分布，這種雜亂分布對于有效抵抗來自未知角度的穿刺有著有利的一面；其次，還可以從截面電鏡圖看出，樣品的厚度方向上存在多層平行排列的纖維層，也就是存在清晰的層次結構。另外，結合表面電鏡和截面電鏡可以看出，UHMWPE纖維在針刺的作用下，形成在厚度方向上的相互穿插和纏結，表明厚度方向上多層平行排列的纖維層之間的結合通過厚度方向上相互穿插的UHMWPE纖維實現。綜上可知，梳理-針刺工藝方法制備的UHMWPE纖維非織造材料的某些結構特性可能受針刺工藝影響較大。

圖2為樣品的孔隙率隨針刺密度(a)和針刺深度(b)的變化曲線。首先，從圖3可以看出，針刺深度和針刺密度對不同平方米質量的UHMWPE針刺非織造材料孔隙率均有影響；其次，樣品的孔隙率在5.16～11.17 mm的針刺深度內隨著針刺深度的增加而逐漸降低，樣品的孔隙率在針刺密度521.91～1 012.63 刺/cm2內隨著針刺密度的增大而降低。這可能是由于隨著針刺深度和針刺密度的增加，纖維的纏結更加緊密[13-14]。

圖1 樣品的結構SEM圖Fig.1 SEM images of sample structure

圖2 孔隙率隨針刺工藝的變化曲線Fig.2 Porosity varying with needling process

2.2 工藝對力學性能的影響

材料的抗拉伸強度反應的是材料抵抗外力的能力。理論上講，拉伸強度越高的材料其吸收能量的潛力也就越大，也就是纖維間通過固網作用形成纏結點的“結”越多[15]。圖3和圖4是樣品的縱橫向拉伸強力和縱橫向拉伸強度隨針刺密度和針刺深度的變化。

圖3 樣品的力學性能隨針刺密度變化Fig.3 Change of mechanical property of the samples with the needling density

從圖3可以看出，樣品的縱橫向拉伸強力和拉伸強度均隨著針刺密度(521.91～1 012.63 刺/cm2)的增加而增加，這主要是因為隨著針刺密度的增加，樣品單位面積上所受到的針刺數增加，纖維之間在各個方向上的纏結與束縛加強，因而拉伸強力和強度均增大。拉伸強力和強度在針刺密度為1 012.63 刺/cm2時達到最大，強度在此時的增長趨勢也最大。這可能是因為隨著針刺密度的增加，纖維內部所形成的貫穿纖維簇增多，過高的針刺密度造成部分纖維的斷裂，所以樣品的拉伸強力隨針刺密度的增長而增長的趨勢減低。

從圖4可以看出，隨著針刺深度(5.16～11.17 mm)的增加，樣品的縱向拉伸強力和強度均增大。這是因為在針刺過程中，刺針上的刺鉤帶動纖網表面及次表面的纖維在纖網垂直方向運動，針刺深度越大，參與針刺過程中帶動纖維運動的刺鉤數量越多，因而產生上下位移的纖維也就越多。刺針回升后，產生移位的纖維脫離刺鉤而以幾近垂直的狀態留在纖網中，從而有效地阻止水平纖維在拉應力下的滑脫，所以拉伸強力和強度均增大。在針刺深度為5.16 mm時，樣品的拉伸強力和強度最小，這可能是因為在針刺深度較小時，刺針并不能徹底貫穿材料，刺針上前面的刺鉤對表層的纖維進行抓取，并將纖維轉移到材料下表面，而針刺上后面的刺鉤抓取纖維后，卻不能很好地將其轉移。這主要是因為針刺過程所形成的垂直纖維簇是纖網加固的主要形式，而較低的針刺深度形成的纖維簇貫穿較小，所以纖維的相對纏結較少，樣品強力較低。但是對于同一種平方米質量的材料來說，在針刺深度為9.84 mm和11.17 mm時，材料的強力增加不大，這可能是因為在針刺深度從9.84 mm增加到11.17 mm時，刺針上的刺鉤將纖維帶到底層的伸長量超過纖維本身負荷，其中的一部分纖維達到滑移極限，從而造成部分纖維的斷裂，影響纖維強力。

圖4 樣品的力學性能隨針刺深度變化Fig.4 Change of mechanical property of the samples with the needling depth

2.3 工藝對防刺性能的影響

圖5為不同平方米質量樣品的靜態防刺力隨針刺密度和針刺深度的變化規律。首先，從圖5可以看出，靜態刺破力隨樣品平方米質量變化而變化，并且表現為隨著平方米質量的增大而增大的趨勢。這主要是因為樣品抵抗刀具穿刺主要依靠UHMWPE纖維所具有的高強度和耐切割性，而樣品平方米質量的增加就是通過增加樣品的厚度而獲得刀具同時切割UHMWPE纖維的數量，進而樣品平方米質量的提高會引起靜態穿刺力的增大。其次，對于不同平方米質量的樣品，在針刺深度5.16～11.17 mm和針刺密度521.91～1 012.63 刺/cm2內的防刺能力均隨著針刺密度和針刺深度的增大而增大。這可能是由于在一定程度上針刺深度和針刺密度的增大使得樣品的孔隙率降低，也就是單位體積內的UHMWPE纖維根數的增多，也就意味著刀具穿刺樣品的過程中要經受更多的纖維摩擦力，進而提高樣品的靜態防刺力。

圖5 靜態穿刺力隨針刺工藝的變化Fig.5 Change of static puncture force with needling process

通過上述分析可知，UHMWPE針刺非織造材料的厚度和孔隙率對靜態防刺力有顯著的影響，因此，本文以靜態防刺力為響應指標進行二次多元回歸擬合，得到厚度和孔隙率對靜態防刺力的二次多項回歸方程(防刺=1 163.07-26.76×孔隙率+0.65×單面面積質量-0.001 63×孔隙率×單面面積質量+0.15×孔隙率×孔隙率-0.001 09×單面面積質量×單面面積質量)。回歸分析表明：靜態防刺力的二次多項回歸方程決定系數R2=0.955 2。這表明二次多項回歸方程的擬合度和可信度均較高，可用于分析UHMWPE針刺非織造材料的厚度和孔隙率對靜態防刺力的理論關系。圖6為厚度和孔隙率與UHMWPE針刺非織造材料靜態穿刺力的相應曲面。從圖6可看出，其他工藝不變的情況下，對于平方米質量為109.9～230 g/m2的樣品，其靜態穿刺力在81.18%～86.69%內隨著孔隙率的增大而逐漸增大，這與實驗值相符。

圖6 靜態穿刺力與平方米質量和孔隙率的響應曲面Fig.6 Response surface between static puncture force, and weight per square meter and porosity

3 結 論

1)以UHMWPE纖維為原料，采用梳理—交叉鋪網—針刺的加工工藝制備的柔性非織造材料，在厚度方面上存在清晰的層次結構，并且纖維間相互穿插、結合緊密，可以用于柔性防刺材料。

2)針刺深度和針刺密度對樣品的孔隙率有顯著的影響，其特征為孔隙率隨針刺深度和針刺密度的增加而逐漸降低，同時針刺深度和針刺密度對樣品的縱橫向拉伸強度和拉伸強力也有顯著的影響。

3)所建立的二次方模型的置信度高(R2=0.955 2)，在一定的針刺工藝條件下，UHMWPE針刺非織造材料的厚度和孔隙率對靜態防刺力有顯著的影響。

4)對UHMWPE針刺非織造材料的孔隙率與防刺的研究對柔性防刺材料的結構調控有一定的指導意義，但研究稍顯單一，原料的孔徑特性和舒適性還有待進一步研究。

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