多層防刺材料中間隔織物的緩沖作用

楊婉秋， 劉曉艷,， 于偉東

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

個體安全防護問題是當下安全防護領域的一個重要問題，執法人員在工作過程中可能會受到各種傷害，其中刀具對執法人員的傷害不容忽視。為減少刺割沖擊對人體的傷害，就需要在防護服裝中增加緩沖物質[1]。隨著個體防護服裝的不斷發展，人們不僅需要其具有很高的防御能力，其舒適性也逐漸受到關注。

大部分防護服主要由防護材料和外套組成，有些會增加緩沖層[2]。Lou 等[3]利用氯丁橡膠材料緩沖來抵抗來自子彈的沖擊，減少非穿透性損傷。Sacks等[4]將聚碳酸酯片、泡沫塑料層等塑料材料置于防護服裝內，緩沖防護服受到的傷害。劉繼飛等[5]利用軟鋁、Kevlar、聚氨酯、錦綸等作為防彈材料的緩沖結構。吳麗娟等[6]使用發泡聚乙烯、發泡聚苯乙烯、蜂窩紙板等材料作為緩沖材料，研究了 3種常見緩沖材料的緩沖性能。喬詠梅等[7]對不同方法制得的發泡聚乙烯進行防彈緩沖性探究，比較了不同厚度、密度、拉伸強度的緩沖材料的緩沖性能，以及其與不同防護材料的組合緩沖效果。目前有研究利用多層高性能織物，或高性能纖維，以及塑料片、非織造布、橡膠布、剪切增稠液填充經編間隔織物等制作緩沖層，這些緩沖材料各具特色,也各有局限性[8]。

間隔織物具有緩沖性能好、質量輕的特點：郭曉芳等[9]研究了間隔織物間隔絲直徑、間隔梳櫛橫移針距數和織物厚度對緩沖材料保護效果的影響；沈瑤等[10]研究了間隔織物的靜態壓縮性能，并與海綿材料進行緩沖性能比較，認為外界壓力較大時，間隔織物作為緩沖材料更為合適；陸振乾[11]利用間隔織物與剪切增稠材料結合制作緩沖層；趙彤[12]利用間隔織物作為頭盔的緩沖層，研究織物的結構參數對緩沖材料壓縮性能的影響。目前對單純間隔織物的緩沖性能研究較多，但利用間隔織物作為防刺材料的緩沖結構研究較少。為此，本文對幾種不同厚度、間隔絲密度的滌綸間隔織物進行實驗，探究用間隔織物作為防刺材料緩沖層的緩沖性能，以期找到一種較優的防刺服緩沖結構。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

材料：粒徑為2.5 μm的碳化硼粉末，牡丹江金剛鉆碳化硼有限公司；環氧樹脂E-44、聚酰胺樹脂650，杭州五會港膠粘劑有限公司；偶聯劑KH550，鄭州宏大化工有限公司；增韌劑鄰苯二甲酸二丁酯，廣東翁江化學試劑有限公司；丙酮，上海凌峰化學試劑有限公司；超高分子量聚乙烯平紋織物，經密為190根/(10 cm)，緯密為160根/(10 cm)，厚度為0.35 mm，面密度為180 g/m2，宜興市華恒高性能纖維織造有限公司；5種不同厚度和間隔絲密度的滌綸間隔織物，購于常熟富強經緯編織造有限公司，規格如表1所示。

表1 間隔織物規格Tab.1 Specification of spacer fabric

設備：ITM2101型壓縮測試試驗機，東莞市智取精密儀器有限公司；準靜態刺割試驗儀，上海中晨數字技術設備有限公司。

1.2 實驗方法

本文實驗首先通過壓縮測試試驗機測試不同厚度、間隔絲密度、層數的滌綸間隔織物的壓縮緩沖性能，選擇出緩沖性能較優的滌綸間隔織物。然后將滌綸間隔織物與自制硬質粒子涂層防刺布組合，通過準靜態刺割試驗儀研究間隔織物在防刺材料中的緩沖作用。

防刺材料的制備：將0.437 g偶聯劑KH550與4.375 g碳化硼粒子在90 ℃下的丙酮溶液中反應30 min得到改性碳化硼；將改性后的碳化硼粒子清洗烘干后與6 g環氧樹脂、1.2 g丙酮、0.45 g鄰苯二甲酸二丁酯增韌劑在燒杯中攪拌30 min，并加入4.5 g聚酰胺樹脂固化劑后繼續攪拌10 min，利用涂布器在超高分子量聚乙烯布上涂制厚度為100 μm的涂層液，將涂層好的織物放在70 ℃烘箱中烘焙30 min得到涂層織物。最后分別將最優滌綸間隔織物置于防刺材料的中間和底部制備2種結構防刺織物，通過準靜態刺割實驗研究間隔織物在防刺材料中的緩沖作用。實驗中測試的2種防刺織物與滌綸間隔織物結構圖如圖1所示。圖中黑色部分為防刺材料，白色部分為滌綸間隔織物。

圖1 緩沖結構示意圖Fig.1 Buffer structure schematic diagram. (a)Spacer fabric in middle; (b) Spacer fabric at bottom

1.3 測試與表征

1.3.1間隔織物的緩沖性能測試

采用壓縮測試試驗機對5種不同厚度、不同間隔絲密度的滌綸間隔織物進行壓縮測試，試驗機示意圖如圖2所示。在測試過程中，壓頭逐漸接近織物，達到預定壓縮厚度(自身厚度的70%左右)后停止，得到運動過程中力和位移的變化曲線，利用曲線求得織物的吸收功，通過吸收功與壓縮厚度的比值表征間隔織物的緩沖性能。每種編號間隔織物測試3次，結果取平均值。

圖2 壓縮測試試驗機示意圖Fig.2 Schematic diagram of compression tester

采用壓縮測試試驗機分別對1層和疊加2層、 3層的4#間隔織物按上述步驟進行壓縮測試，測試其緩沖性能最佳的層數。

1.3.2間隔織物與防刺織物的刺割測試

采用準靜態刺割試驗儀研究間隔織物在防刺材料中的緩沖性能，測試過程中刀具緩慢刺割樣品。該儀器可記錄刺割過程中刺割力和刀具位移的變化曲線，通過變化曲線的方差來探究間隔織物的加入對防刺材料緩沖性能的影響。

2 結果與分析

2.1 厚度與密度對間隔織物緩沖性能的影響

滌綸間隔織物的厚度和間隔絲密度對其緩沖性能的影響如表2所示。

表2 織物能量吸收情況Tab.2 Energy absorption of different spacer fabric

為研究滌綸間隔織物厚度對其緩沖性能的影響，選取厚度不同、間隔絲密度相近的1#、2#、3#間隔織物進行壓縮比較，由表2可發現，隨著間隔織物厚度的增加，單位厚度間隔織物的能量吸收功不斷減小，其中厚度較低的1#間隔織物單位厚度內吸收功最大。所以間隔織物應在合理范圍內選擇厚度越小越好。

為研究間隔絲密度對滌綸間隔織物緩沖性能的影響，對比3#和5#間隔織物可以看出，3#織物厚度與5#織物接近，但3#織物比5#織物間隔絲密度小，導致最終單位厚度的能量吸收功比5#小。所以滌綸間隔織物的間隔絲密度越大，單位厚度內能量吸收效果越好。

綜上可看出，在本文實驗的5種織物中，4#間隔織物單位厚度內的吸收功最大，為25.1 J/m，所以以4#間隔織物進行后續實驗。

2.2 不同層數間隔織物的緩沖性能

分別對1、2、3層4#間隔織物進行壓縮實驗，其測試結果如表3所示。

表3 多層4#間隔織物的壓縮性能Tab.3 Compression properties of multi-layer 4# spacer fabric

對4#間隔織物進行多層壓縮測試發現，單位厚度的能量吸收功沒有隨著織物層數增加而增加。從表3可以看出：隨著滌綸間隔織物層數的增加，織物單位厚度的吸收功出現先增大后減少的現象；當滌綸間隔織物累計層數為2時，織物單位厚度的緩沖效果最好，2層4#間隔織物的單位厚度吸收能量達到31.9 J/m。

2.3 防刺織物結合間隔織物的緩沖性能

本文實驗測試了2層純防刺材料的刺割受力情況，及2種結構防刺材料的刺割受力情況，測試結果如圖3所示。

圖3 間隔織物與防刺材料的刺割受力曲線Fig.3 Cutting force curves of spacer fabric and anti-burning material

由圖3可以看出，2層純防刺材料刺割力先經歷了快速上升階段，然后在某一力值附近波動。當刀具運動到3～4 cm區間內時，刺割力會發生一個快速的增加達到最大值。而滌綸間隔織物的加入減小了純刺割涂層織物中力突然增大的程度，使刺割力的增長過程更為穩定。在3～4 cm的后期刺割階段，純防刺材料在刺割力的最大值附近有一個較大的波動，力的方差為17.5 N2，此時滌綸間隔織物置于防刺材料中間的力的方差為13.7 N2，間隔織物置于防刺材料底部的力的方差為8.7 N2。可以看出，滌綸間隔織物的加入使刺割最大力附近力的波動范圍減少，當滌綸間隔織物置于防刺材料底部時力的波動范圍最小，此時力的方差是純防刺材料的50%左右。所以間隔織物置于涂層織物的底部時防刺割效果更穩定，在制造防刺服時，應將間隔織物緩沖材料優先置于防刺材料底部。

3 結 論

本文利用滌綸間隔織物作為緩沖材料，研究了間隔織物的緩沖性能，以及間隔織物在防刺材料中的緩沖作用，得出以下結論。

2)對不同層數的滌綸間隔織物進行壓縮實驗發現，單位厚度能量吸收功隨著織物層數的增加出現先上升后下降的情況，其中2層間隔織物疊加時緩沖性能最佳，此時吸收功與厚度比最大，達到31.9 J/m。

3)將滌綸間隔織物分別置于防刺材料的中間和底部，比較純防刺材料與含間隔織物防刺材料的受刺割情況發現，間隔織物的加入使防刺材料在刺割力最大值附近力的波動范圍減少，其中間隔織物置于防刺材料的底部時，緩沖性能更好，此時刺割力最大值附近力的方差約為純防刺材料的50%。