紗羅組織對芳綸織物交織阻力的影響

KHAN Monir， MUHAMMAD Ali， 方小銀， 周 熠,2

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200；2. 武漢紡織大學(xué) 紡織纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430200)

在彈丸侵徹過程中，防彈服內(nèi)的柔性夾層通過纖維形變、斷裂以及纖維之間的相互作用來吸收和轉(zhuǎn)化彈丸動能，從而達(dá)到彈道防護(hù)的效果。有學(xué)者認(rèn)為柔性夾層的能量吸收性能的好壞是多種因素相互作用的結(jié)果[1-2]。在彈丸侵徹過程中，紗線抽拔作用是芳綸機(jī)織物主要的吸能機(jī)制之一[2]。由于柔性防彈服的主要功能是抵御子彈初始速度在200～450 m/s范圍內(nèi)的小口徑手槍的彈道沖擊，因此研究高性能纖維機(jī)織物在紗線抽拔過程中的準(zhǔn)靜態(tài)以及動態(tài)響應(yīng)，有利于為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)防彈服提供新的理論參考。

從本質(zhì)上來說，紗線抽拔是經(jīng)緯紗之間的相互摩擦作用。雖然纖維之間的摩擦因數(shù)可通過測試獲得，但即便所用纖維完全相同，織物內(nèi)紗線間的的交織阻力也會因織物經(jīng)緯密度、織物組織結(jié)構(gòu)的差異而不同。交織阻力是指織物在組織點(diǎn)處經(jīng)緯紗之間的摩擦力[3-4]，即紗線在組織結(jié)構(gòu)中因?yàn)槟Σ梁托巫冏饔?，抵御抽拔的能力。織物對紗線摩擦阻力，可以通過抽拔試驗(yàn)中交織阻力-位移曲線來表征，一般用最大交織阻力來定義紗線所受交織阻力的大小[5-7]。影響交織阻力的因素有很多，比如紗線在抽拔過程中織物所受到的橫向張力[8-10]、經(jīng)緯密度和織物組織結(jié)構(gòu)[11-14]、抽拔速率[15-16]以及織物不同的表面處理。使用化學(xué)藥品對織物進(jìn)行表面處理，是目前用來提升機(jī)織物結(jié)構(gòu)柔性防彈夾層能量吸收性能的主要方式。此外，還有使用等離子體顆粒[17-18]、凝膠[19]、氧化鋅納米晶體線[20]等其他處理方式。其中最常用的手段是利用二氧化硅剪切增稠液(STF)提升材料在高應(yīng)變率橫向沖擊作用下的剪切模量，擴(kuò)大能量的傳遞范圍，以達(dá)到提升防彈性能的目的[21-23]。據(jù)文獻(xiàn)[16]報(bào)道，將紗線抽拔的速率從100 mm/m提升到1 400 mm/m，最大交織阻力的增幅可達(dá)到89.2%。在彈道侵徹過程中，紗線所受到彈丸橫向外力的抽拔速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 400 mm/m，因此，使用STF不僅可提升織物的剪切模量，同時還可增強(qiáng)紗線所受的交織阻力，提高織物整體的能量吸收效果。

在一定程度上，通過紡織技術(shù)改變織物組織結(jié)構(gòu)，將平紋組織與紗羅組織相結(jié)合，也可提升織物對紗線的握持效果[24-25]。這與化學(xué)處理方式不同，改變織物組織結(jié)構(gòu)，既不會像STF那樣增加材料的單位面積質(zhì)量，也不會如凝膠般影響織物的柔軟性。不僅如此，在全自動織機(jī)上使用紗羅綜絲織造，還可避免對織物的二次處理，在大規(guī)模批量生產(chǎn)的情況下，有利于進(jìn)一步節(jié)省人力成本和時間成本。

本文將深入剖析機(jī)織物結(jié)構(gòu)材料在紗線抽拔作用下的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，并進(jìn)行相關(guān)的理論分析。在此基礎(chǔ)上，通過紗羅組織和平紋結(jié)構(gòu)的結(jié)合，研究提高紗線間交織阻力的可行性方案，為紡織結(jié)構(gòu)柔性防彈夾層的開發(fā)提供參考。

1 紗羅結(jié)構(gòu)增強(qiáng)紗線間交織阻力原理

由于機(jī)織物結(jié)構(gòu)對紗線的握持狀態(tài)很大程度上決定了柔性防彈夾層對低速彈道沖擊的抵御能力，而握持狀態(tài)和紗線的屈曲聯(lián)系緊密。紗線屈曲越大，需要將紗線抽拔出來的作用力就越大，通過這種方式，消耗彈丸的動能也就越多。在某種程度上，這也解釋了現(xiàn)階段防彈性能最好的柔性材料是由超高分子量聚乙烯纖維制備的無緯布的原因。由于纖維被柔性樹脂所固定，限制了其活動能力，吸能過程只能通過材料的彈塑性變形和破壞來實(shí)現(xiàn)，可最大程度上體現(xiàn)纖維優(yōu)良的力學(xué)性能。對于機(jī)織物結(jié)構(gòu)而言，增加紗線屈曲最簡單的方式是提高經(jīng)緯紗密度，但是在彈丸侵徹過程中，過大的紗線屈曲不僅會降低應(yīng)力波在織物平面內(nèi)的傳播速度，而且會使織物橫向形變過大，增加防彈衣對人體的鈍傷效果，降低防護(hù)性能。

紗羅組織是地經(jīng)和絞經(jīng)對緯紗橫向交織的一種組織。紗羅組織與緯紗間交織阻力的提升，主要體現(xiàn)在2個方面：第一，緯紗對紗羅組織的包圍角增大。根據(jù)絞盤方程可知，繩索對絞盤的包圍角和繩索的張力呈指數(shù)增長關(guān)系，故紗羅組織的引入可增強(qiáng)緯紗對抽拔效果的抵御能力。第二，由于紗羅經(jīng)紗需要從單獨(dú)的筒子上引出，并且施加一定的預(yù)加張力。在打緯過程中，紗羅經(jīng)紗同時能夠施加給緯紗一定的擠壓作用，提升對其的握持效果。圖1示出紗羅組織與平紋組織結(jié)合的結(jié)構(gòu)。

圖1 平紋/紗羅結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of plain/ leno weave

2 試樣準(zhǔn)備

本文試驗(yàn)所用芳綸織物的原料為Kevlar?129長絲(由美國杜邦公司提供)。平紋織物和平紋/紗羅復(fù)合結(jié)構(gòu)織物在Northrop L16多臂織機(jī)上制備。分別使用線密度為1 580、3 160 dtex的長絲束作為紗羅經(jīng)紗，研究紗羅經(jīng)紗線密度對緯紗抽拔性能的影響。織物相關(guān)規(guī)格見表1。

表1 織物規(guī)格Tab.1 Fabric specification parameters

3 紗線抽拔試驗(yàn)

使用YG028型萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試樣緯紗的抽拔試驗(yàn)，表征不同機(jī)織物結(jié)構(gòu)對紗線的握持性能，試驗(yàn)方式如圖2所示。沿著織物的緯向，將其制作成大小為6 mm×12 mm的試樣。試樣的上下兩端分別留60 mm的紗尾。試驗(yàn)過程中，使用上夾頭夾住需要抽拔緯紗的上端紗尾，將下端紗尾剪除，利用下夾頭夾住其余緯紗的紗尾。使用這種夾持方法的優(yōu)點(diǎn)在于，試樣底端不會產(chǎn)生面內(nèi)剪切變形，方便分析數(shù)據(jù)。但這種方法的缺點(diǎn)也非常明顯，夾持裝置無法給試樣施加橫向預(yù)加張力，因此，測試的多樣性受到限制。對緯紗進(jìn)行單紗和或者相鄰的數(shù)根紗線進(jìn)行多紗抽拔試驗(yàn)。每組試驗(yàn)取10個樣品進(jìn)行紗線抽拔測試。上夾頭的拉伸速度為100 mm/min，拉伸距離為60 mm。

圖2 紗線抽拔試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of yarn pull-out test

4 結(jié)果與討論

4.1 平紋機(jī)織物單紗抽拔試驗(yàn)分析

圖3示出試樣1在單紗抽拔過程中的交織阻力-位移曲線。當(dāng)上夾頭對緯紗施加外力后，紗線張力迅速到達(dá)一個峰值，此峰值被稱作最大交織阻力，在交織阻力-位移曲線上，這個區(qū)域稱為退屈曲區(qū)。在這個過程中，經(jīng)緯紗的屈曲完成了一定程度的轉(zhuǎn)換。也就是說，緯紗不斷伸直，而與其交織的經(jīng)紗屈曲逐漸變大。

圖3 平紋機(jī)織物單紗抽拔試驗(yàn)中交織阻力-位移曲線Fig.3 Load as function of displacement for single yarn pull-out test

圖4示出使用鉸鏈模擬交織點(diǎn)形變前后的狀態(tài)。對于緯紗退屈曲過程的研究，目前大部分學(xué)者還只是局限于利用現(xiàn)有模型對交織阻力-位移曲線的擬合。比較成功的數(shù)理模型包括Pan等[26]和Zhu等[8]的剪滯模型和Valizadeh等[27]的歐拉公式模型。雖然有限元模型曾被運(yùn)用到紗線抽拔的研究[26-28]中，但也不可忽略其局限性，即模型中紗線的壓縮模量和剪切模量一般要大于其真實(shí)值，否則計(jì)算結(jié)果將不收斂?；谶@種情況，有限元模型的準(zhǔn)確性會降低。

圖4 用鉸鏈模擬機(jī)織物交織點(diǎn)Fig.4 Pin-joint simulated crossover. (a) Before deformation; (b) After deformation

如果從交織點(diǎn)形變的角度來分析這個問題，一般認(rèn)為在經(jīng)緯紗屈曲相互交換的過程中，經(jīng)紗給予緯紗的法向壓力Fc在不斷變大，因此交織點(diǎn)的摩擦力也隨之增大，交織點(diǎn)的受力如圖4(b)所示。在試樣底端最后一個交織點(diǎn)上，由于沒有F2的作用，緯紗的平衡只是由經(jīng)紗給予的摩擦力和F1達(dá)成。當(dāng)F1大于摩擦力時，紗線開始滑動，此時經(jīng)緯紗之間的摩擦界面由靜摩擦轉(zhuǎn)換為動摩擦，在交織阻力-位移曲線上，進(jìn)入黏滑區(qū)。在黏滑區(qū)內(nèi)，隨著位移的增大，交織阻力呈現(xiàn)出一種震蕩衰減趨勢。由于緯紗在抽拔過程中仍然存在屈曲，緯紗和經(jīng)紗在相對運(yùn)動過程中存在2種狀態(tài)，即嚙合態(tài)和脫離態(tài)，如圖5所示。當(dāng)緯紗和經(jīng)紗處于脫離態(tài)時，緯紗屈曲最小，經(jīng)紗屈曲最大，因此Fc也最大，緯紗抽拔力處于峰值；當(dāng)緯紗和經(jīng)紗處于嚙合態(tài)時，經(jīng)緯紗形變回復(fù)，F(xiàn)c也由此變小，紗線抽拔力處于谷值。由嚙合態(tài)向脫離態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中，經(jīng)紗處于一種“上坡”的狀態(tài)，在載荷-位移曲線上顯示為黏滯區(qū)；由脫離態(tài)向嚙合態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中，經(jīng)紗處于一種“下坡”的狀態(tài)，在載荷-位移曲線上顯示為滑移區(qū)。黏滯區(qū)和滑移區(qū)共同組成了黏滑區(qū)。

圖5 緯紗抽拔過程中嚙合態(tài)和脫離態(tài)的相互轉(zhuǎn)換Fig.5 Transition between in-phase and out-of-phase during weft yarn pull-out

由圖3可知，黏滑區(qū)表現(xiàn)出一種類似正弦曲線的變化規(guī)律，同時其交織阻力遞減的趨勢是非線性的。由于緯紗在抽拔過程中做勻速運(yùn)動，根據(jù)靜力平衡，經(jīng)紗在交織點(diǎn)上對緯紗施加的摩擦力等于上夾頭對緯紗施加的外力。也就是說，經(jīng)緯紗交織點(diǎn)每減少1個，剩余經(jīng)紗在相應(yīng)交織點(diǎn)處對緯紗的摩擦力就會減小1次，促使總體摩擦力呈現(xiàn)出一種對數(shù)遞減的趨勢?？赏ㄟ^如下方式解釋這種現(xiàn)象：假如一根纖維在膠結(jié)體中的長度為L，在抽拔過程中最大交織阻力為p，在纖維上任意一點(diǎn)A到纖維末端距離是x(見圖6)，根據(jù)剪滯模型[29]，點(diǎn)A處的受力F為

(1)

式中，β為纖維與膠結(jié)體之間的固有參數(shù)。

圖6 橫向抽拔力作用于一端被固定在膠結(jié)體內(nèi)的纖維上示意圖Fig.6 Schematic diagram of fiber pull-out from cementitious body

由式(1)可知，膠結(jié)體內(nèi)纖維上任意一點(diǎn)的受力F是這點(diǎn)到纖維末端距離x的函數(shù)。如果將膠結(jié)體變成經(jīng)緯紗交織的平紋織物結(jié)構(gòu)，F(xiàn)可類同于圖4(b)中的F1和F2。在不同的交織點(diǎn)上，F(xiàn)1和F2是不同的，因此不同交織點(diǎn)上Fc也相應(yīng)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致緯紗在A點(diǎn)受到經(jīng)紗的摩擦力也是變化的。由此可知，緯紗上任意一點(diǎn)所受經(jīng)紗的摩擦力也是x的函數(shù)，可設(shè)置為f(x), 而不同于文獻(xiàn)[8]、[30]所描述的常數(shù)。緯紗在做黏滑運(yùn)動時，假設(shè)在x處緯紗受到經(jīng)紗的摩擦力為f(x)，所受到的總摩擦力Fs是沿著緯紗中軸線上各個交織點(diǎn)所受經(jīng)紗摩擦力的總和，積分可得：

(2)

式中：D為緯紗末端滑移的距離,即圖3的橫坐標(biāo)。如果f(x)是x的線性函數(shù)，那么積分得

(3)

式中，C為常數(shù)。

根據(jù)式(3)，總摩擦力Fs與位移呈非線性關(guān)系，與圖3所示黏滑區(qū)的遞減趨勢相符。上述推導(dǎo)的關(guān)鍵在于尋找緯紗在交織點(diǎn)受拉力F(x)與在交織點(diǎn)受到經(jīng)紗切向摩擦力f(x)之間的關(guān)系。需注意的是，式(3)只適用于描述黏滑區(qū)的變化趨勢，而不適用于描述退屈曲區(qū)的變化趨勢，其中最大的區(qū)別在于前者經(jīng)緯紗之間是動摩擦作用，后者是靜摩擦作用。

4.2 平紋機(jī)織物多紗抽拔試驗(yàn)分析

由于彈丸的直徑一般比單紗橫截面的直徑大，彈丸對防彈層的橫向沖擊是同時作用在多根紗線上的。研究表明，在同一防彈夾層內(nèi)，接近沖擊面的織物容易被彈丸抽拔出的紗線根數(shù)相對于遠(yuǎn)離沖擊面的織物要多[2]。研究多根紗線的準(zhǔn)靜態(tài)抽拔，可加深防彈夾層能量吸收過程的認(rèn)知。圖7示出試樣1在不同根數(shù)的紗線抽拔過程的交織阻力-位移曲線。

圖9 平紋和平紋/紗羅復(fù)合機(jī)織物多紗抽拔試驗(yàn)中最大交織阻力對比Fig.9 Load as function of displacement of plain and hybrid weaves for multiple yarn pull-out test

圖7 平紋機(jī)織物多紗抽拔試驗(yàn)中交織阻力-位移曲線Fig.7 Load as function of displacement for multiple yarn pull-out test

如圖7所示，單紗、2根紗、3根紗和4根紗的試驗(yàn)結(jié)果分別是指在試樣1、試樣2和試樣3上對1根紗線、2根紗線、3根紗線和4根紗線同時抽拔時的最大交織阻力?？煽吹?，多紗抽拔和單紗抽拔試驗(yàn)的交織阻力變化整體趨勢一致，都存在退屈曲區(qū)和黏滑區(qū)。紗線根數(shù)的增多必然會引起抽拔力的增加，2根、3根和4根紗線相對于單紗最大交織阻力的增幅分別是160%、289%和389%。將總交織阻力除以抽拔根數(shù)發(fā)現(xiàn)，多紗抽拔過程中單根紗線所受到的最大交織阻力和單紗抽拔過程中紗線所受到的最大交織阻力相比，增長幅度分別是27%、33%和43%。與后者相比，前者在多根緯紗同時退屈曲的過程中，紗線軸向受力F1和F2(見圖4)具有較大的增量，故經(jīng)紗對緯紗的法向壓力Fc增大，從而增強(qiáng)織物對緯紗的握持性能?？椢飳暭單粘中阅艿脑鰪?qiáng)，同時也使經(jīng)緯紗在嚙合態(tài)和脫離態(tài)的相互轉(zhuǎn)換愈加艱難。這也解釋了在黏滑區(qū)內(nèi)多紗抽拔試驗(yàn)中交織阻力-位移曲線上下波動的幅度也隨紗線根數(shù)的增多而變得更為劇烈的原因。

4.3 平紋/紗羅機(jī)織物紗線抽拔試驗(yàn)分析

圖8為平紋和平紋/紗羅復(fù)合機(jī)織物單紗抽拔試驗(yàn)中交織阻力-位移曲線對比圖。3個試樣的初始模量相近。紡織纖維在受到拉伸作用時，當(dāng)位移為0.6 mm時，3條曲線的交織組力差別不大，故當(dāng)做黏滑運(yùn)動緯紗的紗尾通過紗羅結(jié)構(gòu)的時候，交織阻力-位移曲線上下波動的幅度會發(fā)生變化。

圖8 平紋和平紋/紗羅復(fù)合機(jī)織物單紗抽拔試驗(yàn)中交織阻力-位移曲線Fig.8 Load as function of displacement of plain and hybrid weaves for single yarn pull-out test

圖9示出3種試樣多紗抽拔最大交織阻力對比?？煽闯觯趩渭喅榘卧囼?yàn)中，試樣2和試樣3比試樣1的最大交織阻力高出近20%，試樣2和試樣3的試驗(yàn)結(jié)果相差并不大。

隨著被抽拔的紗線根數(shù)的增多，試樣3在最大交織阻力上的優(yōu)勢開始體現(xiàn)出來。當(dāng)4根紗線同時被抽拔時，試樣3的最大交織阻力為17.68 N， 比試樣2高出41.3%，比試樣1高出65.4%。此外，在試樣1多紗抽拔試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)單紗受力增加的現(xiàn)象，在試樣2和試樣3中也存在。特別是在試樣3中，當(dāng)4根紗線同時抽拔時，單根紗的受力比單紗抽拔受力增加了71.8%。結(jié)果表明，使用紗羅組織，特別是低支紗作為地經(jīng)和絞經(jīng)的紗羅組織，可增大緯紗對其的包圍角，有效地增強(qiáng)織物結(jié)構(gòu)對緯紗的握持性能。除結(jié)構(gòu)外，交織阻力大小與織物緊度密切相關(guān)。大量的研究工作表明，織物緊度越大，紗線間的交織阻力也就越大。由于本文研究重點(diǎn)是平紋結(jié)構(gòu)和平紋/紗羅復(fù)合結(jié)構(gòu)最大交織阻力的影響，織物緊度這個影響因素將在后續(xù)工作中詳細(xì)研究。

5 結(jié) 論

為提升平紋織物對紗線的握持性能，本文從改變織物結(jié)構(gòu)入手，引入經(jīng)向紗羅組織，增強(qiáng)緯紗抵御橫向抽拔外力的能力。平紋單紗抽拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在退屈曲區(qū)內(nèi)，緯紗的最大交織阻力和經(jīng)緯紗屈曲交換程度密切相關(guān)；在黏滑區(qū)內(nèi)，交織阻力-位移曲線呈現(xiàn)出一種震蕩衰減趨勢。多紗抽拔試驗(yàn)結(jié)果表明，最大交織阻力隨抽拔紗線根數(shù)的增多而增加，但均分在每根紗線上的力比單紗抽拔試驗(yàn)中單紗所受的力要大。這是因?yàn)樵诙喔喚€同時抽拔的狀態(tài)下，織物對緯紗握持性能的增強(qiáng)，同時也使經(jīng)緯紗在嚙合態(tài)和脫離態(tài)的相互轉(zhuǎn)換愈加艱難。這種現(xiàn)象在平紋/紗羅復(fù)合結(jié)構(gòu)中，特別是由3 160 dtex芳綸長絲構(gòu)成紗羅組織的復(fù)合結(jié)構(gòu)中尤為突出。紗羅組織的引入，有效地增強(qiáng)了經(jīng)紗對緯紗的握持性能。單紗抽拔試驗(yàn)表明，平紋/紗羅復(fù)合結(jié)構(gòu)的緯紗最大交織阻力比平紋結(jié)構(gòu)增加約20%；4根紗線同時抽拔時，增量約為65%。改變平紋織物的組織與結(jié)構(gòu)不失為一種增強(qiáng)織物對紗線交織阻力的方法。除了紗羅組織以外，還可在經(jīng)向引入表里換層組織，在經(jīng)緯向同時引入針織結(jié)構(gòu)。前期試驗(yàn)結(jié)果表明，針織結(jié)構(gòu)對紗線間交織阻力的提升可達(dá)到100%。然而，紗線抽拔測試只能對機(jī)織物能量吸收性能做相關(guān)的預(yù)估，更為直接的方法是依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行彈道測試，將在后續(xù)工作中做進(jìn)一步研究。

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