玄武巖機織增強熱黏合抗穿刺鞋中底基材的力學性能

孫 菲， 李婷婷， 林佳弘,,3,4， 吳華鈴， 樓靜文,3,4，5

(1. 天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 2. 逢甲大學 纖維與復合材料學系， 臺灣 臺中 40724；3. 閩江學院 海洋學院， 福建 福州 350108； 4. 福建省新型功能性紡織纖維及材料重點實驗室(閩江學院)，福建 福州 350108； 5. 亞洲大學 生物信息與醫(yī)學工程學系， 臺灣 臺中 41354)

隨著人們自我防護意識的增強，安全鞋的應用越來越廣泛。安全鞋是用來保護腳底免受尖銳物傷害的個體防刺裝備，其中具有抗穿刺性能的鞋應用最為廣泛。作為復合材料的增強材料有芳綸纖維[1-2]及樹脂基質通過紡織熱黏合得到的非織造布[3-5]等；玻璃纖維由于其具有較高的強度，耐腐蝕、耐熱、絕緣性好等優(yōu)點也可作為纖維增強復合材料[6-7]。很多學者還對纖維進行改性涂覆，使其具有更好的力學性能[8-10]。此外， Yang等[11]探索了穿刺變形和破裂機制與聚合物結晶形態(tài)的關系；Kim 等[12]討論了刀刺和錐刺對抗穿刺性能的影響；在非織選布的制備過程中，過程參數(shù)如機器的喂料速度、針刺密度、針刺深度等會對非織造布的力學性能產(chǎn)生影響[13-15];對于需要進行熱黏合加工的非織選布，熱壓溫度和熱壓時間等[16-18]也會對非織造布的性能產(chǎn)生影響，同時低熔點聚酯纖維在非織造布中的含量也會對其力學性能產(chǎn)生影響[19-21]。

本文提出了以低熔點聚酯短纖維混雜非織造布，通過玄武巖機織布[22]補強和熱黏合加固提升整體材料的抗穿刺性能，同時提高抗穿刺的穩(wěn)定性。研究了低熔點纖維含量和熱黏合對不同形狀穿刺頭抗穿刺性能及拉伸、頂破等力學性能的影響。所研制的鞋中底基材具有柔韌性佳、易加工和易彎曲等優(yōu)點。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

低熔點聚酯(LMPET)纖維線密度為7.8 dtex，長度為64 mm；聚酯(PET)纖維線密度為2.2 dtex，長度為51 mm。以上纖維均由遠東新世紀股份有限公司提供。玄武巖機織布，經(jīng)緯密均為50根/(10 cm)，經(jīng)緯紗的線密度均為330 tex，平紋，由坤廣國際貿(mào)易有限公司提供。

1.2 玄武巖增強復合鞋中底基材的制備

LMPET纖維和PET纖維按質量比為0/100, 30/70, 50/50和70/30的比例混合，經(jīng)過給棉機、開棉機、梳棉機和疊棉成型、針刺機形成LMPET/PET非織造布，2層非織造布之間用玄武巖織物補強。織物經(jīng)過針刺熱壓復合后其力學性能較未針刺直接熱壓復合大幅提升[23]，因此在本文實驗中對復合基材以針刺深度為1.3 cm，針刺密度為100針/cm2預針刺復合[24]。復合后樣品一組在130 ℃處理5 min熱壓成型，另外一組未經(jīng)熱壓處理。圖1示出鞋中底基材的結構示意圖。

圖1 復合鞋中底基材的結構示意圖Fig.1 Structural diagram of puncture resistant insole

1.3 測試方法

1.3.1拉伸強力測試

根據(jù)ASTM D5035—2011《織物的拉伸強力與斷裂伸長量標準測試規(guī)范(條樣法)》，使用Instron5566 萬能強力試驗機進行拉伸測試。試樣尺寸為180 mm×25.4 mm，夾具間距為76 mm，拉伸速率為(305±13)mm/min。

1.3.2頂破強力測試

根據(jù)ASTM F2054—2012《運用阻隔板內(nèi)部氣體加壓法對軟包裝密封處進行皮裂試驗的標準試驗方法》，使用Instron5566 萬能強力試驗機進行頂破強力測試。樣本尺寸為100 mm×100 mm；以直徑為8 mm的圓柱形沖頭從樣品上方頂破；速度為(100±10)mm/min。

1.3.3靜態(tài)穿刺強力測試

根據(jù)ASTM F1342—2005《防護服材料抗穿刺的標準測試方法》，使用Instron5566 萬能強力試驗機進行穿刺測試。樣本尺寸為 100 mm×100 mm，測試速率為508 mm/min。測試穿刺頭尺寸如圖2所示。穿刺頭A直徑為8 mm，平頭；穿刺頭B直徑為8 mm，圓頭；穿刺頭C直徑為5 mn，錐尖處直徑為1 mm，尖圓頭。

圖2 靜態(tài)穿刺3種穿刺頭示意圖Fig.2 Images of flat-head (a), spherical-head(b) and pointed-head (c) probes of static puncture resistance test

2 結果與討論

2.1 LMPET纖維含量對基材拉伸性能影響

圖3示出低熔點聚酯纖維含量對玄武巖增強鞋中底基材拉伸強力的影響。圖中：MD表示針刺機的機械輸出方向；CD表示針刺機的機械輸出方向的垂直方向。低熔點聚酯纖維含量從0到70%增加時，最大拉伸強力呈先上升后下降的趨勢。當?shù)腿埸c聚酯短纖含量從0上升至30%時，鞋中底基材CD方向的拉伸強力從592.3 N上升至793.6 N，且CD方向的拉伸力大于MD方向。這是因為研究所使用的鋪網(wǎng)機構為交叉式鋪網(wǎng)，梳棉機輸出棉網(wǎng)的方向與針刺機出料方向互相垂直，造成非織物基布中CD方向的纖維排列順向性比MD方向佳。當CD方向受拉伸作用力時，由于纖維排列順向性較高，纖維之間接觸面積增大，因此纖維沿受力方向互相滑移時產(chǎn)生的摩擦阻力較大，同時纖維沿受力方向伸直而產(chǎn)生的伸長量較少，造成非織物CD方向的拉伸強力高于MD方向。

圖3 低熔點聚酯纖維含量對未熱壓玄武巖增強鞋中底基材拉伸強力的影響Fig.3 Tensile strength of basalt plain fabric reinforced non-hot pressed insoles composites

圖4示出熱壓后玄武巖增強復合基材的拉伸強力和低熔點聚酯纖維含量的關系。熱壓后，玄武巖補強鞋中底基材在MD方向的拉伸強力較未熱壓有所提高，且CD方向與MD方向的差值減少。MD方向的拉伸強力在低熔點聚酯纖維含量為30%時達到最大，為759.9 N。這主要是因為經(jīng)熱壓后基材中所形成的黏結點面積增大，使纖維無法沿受力方向互相滑移[25]，增大了MD方向的拉伸強力，提高了纖維的穩(wěn)定性。該結果與文獻[26]的研究結果一致。熱壓后的基材最大拉伸強力提升的幅度不多，主要原因是熱壓以后纖維間的脆性增大。基材經(jīng)過拉伸形成了織物分層，使玄武巖織物承擔了主要拉伸力，因此熱壓未大幅提升拉伸強力。

圖4 低熔點聚酯纖維含量對熱壓玄武巖增強復合鞋中底基材拉伸強力的影響Fig.4 Tensile strength of basalt plain fabric reinforced hot pressed insoles composites

2.2 LMPET纖維含量對基材頂破強力影響

圖5示出低熔點聚酯纖維含量對玄武巖增強復合鞋中底基材頂破強力的影響。在未熱壓時，低熔點聚酯短纖含量從0到70%增加時，頂破強力變化不大，為445.5N，說明面層非織造布的低熔點聚酯纖維含量對頂破強力影響不大；中間層玄武巖機織物主要承受頂破的效果，對頂破強力有影響。

圖5 低熔點聚酯纖維含量對玄武巖增強復合鞋中底基材頂破強力的影響Fig.5 Bursting strength of basalt plain fabric reinforced insoles composites as related to amount of LMPET fibers

熱壓后低熔點聚酯短纖含量從0到70%增加時，頂破強力呈先上升后下降的趨勢，當?shù)腿埸c聚酯短纖含量為30%時，拉伸強力達到767.9 N。因為熱壓后，表層的低熔點聚酯纖維與玄武巖機織物形成的黏結點面積增加，增加了玄武巖機織物的強力，進而提升頂破強力；當LMPET纖維含量繼續(xù)升高，頂破強力基本不變，這是因為當?shù)腿埸c聚酯短纖含量為30%時，鞋中底基材已達到最佳黏結效果，頂破強力到達極限值，再增加低熔點聚酯纖維含量也無法提升效果。

2.3 LMPET纖維含量對基材穿刺性能影響

圖6示出低熔點聚酯纖維含量對玄武巖增強復合鞋中底基材抗平頭穿刺性能的影響。隨著低熔點聚酯纖維含量增加，基材的穿刺強力先增大后減小。當?shù)腿埸c聚酯纖維含量為30%時，穿刺強力達到最大，分別為504.7 N和582.1 N，且熱壓后標準差較熱壓前有所降低，說明復合基材的穩(wěn)定性有所提高。

圖6 低熔點聚酯纖維含量對玄武巖增強復合鞋中底基材平頭靜態(tài)穿刺強力的影響Fig.6 Static puncture resistance of basalt plain fabric reinforced insoles composites as related to flat-head probe

當?shù)腿埸c聚酯纖維含量從0到30%增加時，穿刺強力增加，這主要是因為熱壓后表層的低熔點聚酯短纖與玄武巖機織物形成的黏結點的面積增大，進而靜態(tài)穿刺強力增加；但低熔點聚酯纖維含量持續(xù)增加時，穿刺強力開始下降，原因是低熔點聚酯短纖含量在30%時已達最佳黏結效果，穿刺強力達到極限值，再增加低熔點聚酯短纖含量也無法提升效果。但當?shù)腿埸c聚酯短纖含量從50%到70%增加時，穿刺強力變化不明顯，可看出面層的非織造布的低熔點聚酯短纖含量的改變對平頭的靜態(tài)抗穿刺力影響不大，中間層玄武巖機織物為主要承受抗穿刺力的效果，對抗穿刺力有較大的影響。

圖7示出低熔點聚酯纖維含量對玄武巖增強復合鞋中底基材抗小圓頭穿刺性能的影響。隨著低熔點聚酯纖維含量的增加，基材的穿刺強力先增大后減小。當?shù)腿埸c聚酯纖維含量為30%時，穿刺強力達到最大，分別為419.8 N和518.6 N且熱壓后標準差較熱壓前有所降低，說明纖維的穩(wěn)定性有所提高。當?shù)腿埸c聚酯短纖含量從50%向70%增加時，穿刺強力變化不大。其原因和平頭類似。

圖7 低熔點聚酯纖維含量對玄武巖增強復合鞋中底基材小圓頭靜態(tài)穿刺強力的影響Fig.7 Static puncture resistance of basalt plain fabric reinforced insoles composite as related to spherical-head probe

圖8示出低熔點聚酯纖維含量對玄武巖增強復合鞋中底基材抗尖圓頭穿刺性能的影響。未熱壓時，3種測試頭的穿刺強力變化趨勢大致相同；隨著低熔點聚酯纖維含量的增加，基材的穿刺強力先增大后減小。當?shù)腿埸c聚酯纖維含量為30%時，穿刺強力達到最大，分別為62.48 N和76.63 N，且熱壓后標準差較熱壓前有所降低，說明纖維的穩(wěn)定性有所提高。

圖8 低熔點聚酯纖維含量對玄武巖增強復合鞋中底基材尖圓頭靜態(tài)穿刺強力的影響Fig.8 Static puncture resistance of basalt plain fabric reinforced insoles composite as related to pointed-head probe

3 結 論

本文以玄武巖補強和熱黏加固工藝成功制備出抗穿刺鞋中底基材，探討了低熔點聚酯纖維含量對拉伸、頂破和抗不同形狀的錐刺器具性能的影響。隨著低熔點聚酯含量的增加，玄武巖補強鞋中底基材的拉伸強力和頂破強力均先增大后減小。當?shù)腿埸c聚酯纖維含量為30%時，最大拉伸強力為793.6 N(未熱壓)和759.9 N(熱壓)，最大頂破強力為445.5 N(未熱壓)和767.9 N (熱壓)。在不同測試頭下，熱壓前后基材的靜態(tài)穿刺強力均先增大后減小。平頭測試頭A最大靜態(tài)穿刺強力分別為504.7 N(未熱壓)和582.1 N(熱壓)；圓頭測試頭B最大靜態(tài)穿刺強力分別為419.8 N(未熱壓)和518.6 N(熱壓)；尖圓頭測試頭C最大靜態(tài)穿刺強力分別為62.48 N(未熱壓)和76.63 N(熱壓)。本文研究制備的鞋中底基材柔韌、易加工、易彎曲，且具有較高的抗穿刺性能和較好的抗穿刺穩(wěn)定性。

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