針織結構材料在安全防護領域的應用研究進展

馬丕波， 孫亞鑫

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

安全防護是指在特定環(huán)境下，采取必要的防護措施，使人員和動物免受機械、生物、物理和化學等因素的傷害，包括防火、防嚴寒、防輻射、防刺、防割、防彈以及防生化侵蝕等方面。紡織材料及其產(chǎn)品具有結構穩(wěn)定性強、力學性能優(yōu)異和制造成本較低的優(yōu)勢[1-3]，在安全防護領域具有廣闊的發(fā)展前景。隨著國家對安全防護的日益重視，安全防護用紡織品成為目前紡織行業(yè)研究的熱點，研發(fā)力度日趨增大。其中，針織結構防護材料具有柔軟舒適、原料適應性廣、質(zhì)量輕、組織結構靈活多變、可設計性強、生產(chǎn)效率高以及可實現(xiàn)大面積防護等優(yōu)點，廣泛應用于運動、交通、消防、軍工和救生等領域。本文介紹了針織平紋結構材料、經(jīng)編網(wǎng)眼結構材料、經(jīng)編間隔結構材料、絨類結構材料、軸向結構材料、負泊松比結構材料以及無縫結構材料等防護材料的制備方法、性能特點和應用現(xiàn)狀，并對其未來發(fā)展方向進行了展望。

1 針織平紋結構材料

1.1 針織平紋結構材料應用現(xiàn)狀

平紋結構織物是最簡單的針織結構織物。有研究表明，沖擊加載下平紋針織物的能量吸收要比同類機織物高[4]，而且相互串套的線圈結構使織物的初始模量較低。在抗切割方面，低初始模量有助于紗線的相對滑動，進而將應力分布在更大的區(qū)域上，以防止刀刃穿透織物[5-6]，因此，針織平紋結構主要用于防切割面料設計，制作防刺服裝和防割服裝[7]。研究人員還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過剪切增稠液浸漬或涂覆，織物柔韌性幾乎不變的同時，織物的抗彈道穿透和抗刺傷性能可明顯提高[8-10]。

平紋針織物柔軟舒適，富有延伸性，用于制作防電弧服、防割服、消防服的內(nèi)衣、安全手套的內(nèi)襯和勞動保護服等產(chǎn)品時，可以給人更好的穿著體驗，減輕惡劣工作環(huán)境帶來的不適感。與機織物相比，平紋針織物具有更好的懸垂性與包覆性，制成的滅火毯在覆蓋火源時與燃燒物體間空氣含量更少，能更快地撲滅火焰。同時經(jīng)編可生產(chǎn)寬幅織物，因此經(jīng)平組織織物是制作大幅寬、無拼接阻燃窗簾的最佳選擇。

1.2 針織平紋結構材料應用展望

平紋織物由于其簡單的結構與易編織性，目前是許多智能紡織品常采用的組織結構，因此智能化是該類材料的未來重要發(fā)展方向。近日馬里蘭大學報道了能根據(jù)環(huán)境溫度自動擴展與收縮的平紋智能織物，此類織物有望用于個體熱防護領域[11]。

2 經(jīng)編網(wǎng)眼結構材料

2.1 經(jīng)編網(wǎng)眼結構材料應用現(xiàn)狀

網(wǎng)眼結構是經(jīng)編的特色，通過設計符合要求的穿經(jīng)方式和墊紗運動規(guī)律，使相鄰線圈縱行局部失去聯(lián)系，在織物上形成形態(tài)穩(wěn)定、大小形狀不同的網(wǎng)眼。拉舍爾經(jīng)編網(wǎng)具有表面光滑無結、耗用原料少、質(zhì)量輕、安裝方便、成本低、受力均衡牢固和防護效果好等優(yōu)點，具有廣泛而巨大的發(fā)展前景。拉舍爾經(jīng)編網(wǎng)在建筑領域可用于施工處的無結防護網(wǎng)、側(cè)向保護網(wǎng)和腳手架保護網(wǎng)等，能有效地防止人身、物體墜落造成的傷害，防止電焊火花所引起的火災；在運動場地可用作接球網(wǎng)、場地防護網(wǎng)，不僅起到分隔場地的作用，還能保護鄰近人員不受飛來球體的傷害；在采礦場地，可用作防落石網(wǎng)，保護工人不受落石的砸傷。此外，采用網(wǎng)眼基布/聚氯乙烯泡沫涂層技術開發(fā)出的氣密防水布，不僅氣密性和平整性優(yōu)良，還具有良好的拉伸強度、撕裂強度和剝離負荷，耐用性好，常用于制作救生艇、救生圈等救援裝備。

2.2 經(jīng)編網(wǎng)眼結構材料應用展望

由于網(wǎng)眼結構織物制備相對容易，技術要求相對較低，該類材料未來發(fā)展主要在提高外觀與擴大材料應用領域兩方面。在建筑用防護網(wǎng)領域：一是利用提花技術編織公司的商標或其他花型，這不僅是一種新穎而有效的宣傳手段，可改善外觀進而極大提高產(chǎn)品附加值；二是采用可降解纖維原料制備防護網(wǎng)，在一定時間后材料可完全降解，對環(huán)境沒有任何污染，這是該類產(chǎn)品的一個應用趨勢。同時采用超高分子量聚乙烯等高性能纖維制備該類經(jīng)編網(wǎng)眼織物可提高材料力學性能，同時顯著降低織物的質(zhì)量，從而促進該類材料在航天、深海等特殊領域的安全防護應用。

3 經(jīng)編間隔結構材料

3.1 經(jīng)編間隔結構材料應用現(xiàn)狀

經(jīng)編間隔織物是由在前后針床分別單獨編織的2個表面層和在前后針床上輪流墊紗成圈、起連接和支撐作用的間隔紗組成[12]。由于這種穩(wěn)定的三維立體結構，間隔織物的力學性能獨特，在許多應用領域發(fā)揮著重要的作用。

間隔織物具有透氣性好、能量吸收能力強和接觸峰值力低等優(yōu)點[13-14]，其能量吸收能力還可通過改變結構參數(shù)來調(diào)節(jié)，以滿足特定的最終用途要求，是一種理想的緩沖用防護材料[14-15]。制備人體盔甲時，用間隔織物構筑襯里材料，在保證防護能力的同時，有助于滿足穿著柔軟、靈活和舒適的要求[16]。間隔織物的厚度、間隔絲粗細、間隔紗傾斜角大小和表面層緊密程度都會對間隔織物的能量吸收性能產(chǎn)生影響。

大隔距經(jīng)編間隔織物的隔距能在100～650 mm之間變化，在更大范圍內(nèi)滿足了不同織物的厚度要求。在使用時充氣，即可膨脹到所需厚度和形狀；使用完畢后放氣，折疊后方便收納和攜帶。同時間隔紗可保證織物在充氣后兩面的平整性。充氣后的大隔距經(jīng)編間隔織物具有優(yōu)良的緩沖保護作用，可吸收碰撞時過大的沖擊力，減少人員傷亡，常用作意外事故如火災救護時的救護墊、滑雪道兩邊的防撞板、運動防護用的瑜伽墊和武術訓練氣墊等。此外，超輕的質(zhì)量和較大的體積賦予其很強的浮力，適于制作浮橋和救生艇等急救裝置。

3.2 經(jīng)編間隔結構材料應用展望

經(jīng)編間隔結構材料由于其本身的三維效果，在安全防護領域具有廣泛的應用前景。經(jīng)編間隔織物/剪切增稠復合膠材料整體成形性好，在防摔倒、防刺甚至防彈領域具有極大應用潛力。在智能熱防護領域，間隔織物被撐開的2個表面層之間保持的靜止空氣含量高，有利于提高織物的隔熱性能，特別適合用作消防防護服、消防面罩和防寒服的內(nèi)襯。采用溫敏形狀記憶紗線作間隔絲，間隔織物的厚度可隨溫度變化而改變(見圖1)，可提高織物的環(huán)境適應性。

圖1 溫敏間隔織物示意圖

Fig.1 Schematic diagram of temperature sensing spacer fabric

4 針織絨類結構材料

4.1 針織絨類結構材料應用現(xiàn)狀

針織物可通過拉絨、剪絨和磨毛等后整理獲得絨毛效應。緯編形成長毛絨還有在編織過程中喂入毛條和割斷毛紗2種方法：毛條喂入式織物厚度較大，但其產(chǎn)品彈性較大，需經(jīng)底部上漿和定型；毛紗割圈式織物毛高較低，但尺寸穩(wěn)定性改善。經(jīng)編絨類織物還能在雙針床經(jīng)編機上生產(chǎn)，下機經(jīng)剖幅形成。剖幅織物絨毛豐滿且不倒伏，抗壓性強，吸濕透氣性好。

絨類針織物紗線間的縫隙孔洞小，不能形成流暢的熱對流通路，對流換熱較弱，而且排列緊密的絨紗間有大量干燥的靜止空氣，具有優(yōu)異的保暖性能，是用于制作防寒服的理想材料。目前采用聚酰亞胺纖維通過緯編制作的絨類產(chǎn)品由于具有極好的阻燃與保暖效果，已經(jīng)用于森林武警制服。

4.2 針織絨類結構材料應用展望

在針織絨類基礎上采用新型原料制備具有新功能的產(chǎn)品是該類材料的發(fā)展方向。丁志榮等[17]用純滌綸緯編單面絨織物作為吸波面料的基布，經(jīng)過吸波劑浸漬整理后，開發(fā)出柔性寬頻絨面吸波面料。與平面吸波涂層面料相比，該復合面料更柔軟，既滿足了有效吸收電磁波所必須的厚度，又實現(xiàn)了涂層面料的輕量化，還具有吸波頻帶寬、保暖性好等優(yōu)點，適用作防護服面料。

偽裝網(wǎng)是一種重要的偽裝遮障器材，在戰(zhàn)場上是兵器裝備、軍事設施等軍事目標的有效隱藏手段[18]。采用涂覆了深層吸波材料的扁絲作間隔絲，在雙針床經(jīng)編機上編織間隔織物，下機剖幅后即制成偽裝網(wǎng)(見圖2)。這種經(jīng)編偽裝網(wǎng)的底布可牢固綁縛扁絲，結構穩(wěn)定性好。同時絨毛外觀與草地相似度極高，進一步提高了偽裝效果，有望成為下一代軍用偽裝網(wǎng)的主力產(chǎn)品。

圖2 經(jīng)編偽裝網(wǎng)

Fig.2 Warp-knitted camouflage mat

在經(jīng)編偽裝網(wǎng)結構基礎上，采用聚乙烯低彈紗制備的高仿草皮材料，既具有草皮外觀，又具有較高的強度，可廣泛用于城市工程建設中的安全防護，同時還可用于取代傳統(tǒng)的人造草坪。這也是針織絨類結構材料在安全防護領域應用的一個重要方向。

5 針織軸向結構材料

5.1 針織軸向結構材料應用現(xiàn)狀

在針織物的橫向、縱向或斜向襯入平行伸直的增強紗線形成軸向織物。伸直的襯紗被線圈牢固綁縛，所以軸向針織物在襯紗方向上的抗拉強度顯著提高，而且軸向紗線的合理排列可將沖擊載荷均勻地分布到整個結構中，是制作復合裝甲的理想材料之一[19]。軸向織物按綁縛襯紗的方式不同，可分為經(jīng)編或緯編軸向織物：經(jīng)編軸向織物的綁縛系統(tǒng)為經(jīng)平組織或編鏈組織；而緯編軸向織物的綁縛系統(tǒng)為緯平針組織或羅紋組織[20]。針織軸向織物具有紗線性能利用率高、原料選擇范圍廣、尺寸穩(wěn)定性強、結構整體性好、設計靈活多變和對樹脂的滲透性好等優(yōu)點，應用十分廣泛。

復合材料盔殼整體增強織物采用高性能纖維材料織造加工，可在大曲率曲面模具上實現(xiàn)無褶皺、無裁剪、無搭接的整體鋪覆成形[21]。緯編雙軸向多層織物(MBWK)和經(jīng)編多軸向織物(MWK)都可實現(xiàn)盔殼的一體成形，省去了裁剪、鋪覆等工藝，生產(chǎn)效率高，節(jié)省原料，而且避免了因?qū)雍辖Y構不連續(xù)、厚度不勻、易起褶皺而導致頭盔不同部位防護性能的差異，有利于提高頭盔的抗沖擊和抗彈性能。其中，MBWK的仿形鋪覆能力比MWK更好，更適合用作頭盔殼體增強織物。

5.2 針織軸向結構材料應用現(xiàn)狀

針織軸向結構材料作為一類重要的產(chǎn)業(yè)用紡織品，在安全防護領域具有很好的應用前景，材料功能化是其發(fā)展方向。Erdem[22]以導電性能優(yōu)異的不銹鋼紗線和碳長絲紗為增強材料制備出用于電磁屏蔽的多軸向織物，可減少電磁波對人體健康的損害。

6 針織負泊松比結構材料

6.1 針織負泊松比結構材料應用現(xiàn)狀

負泊松比材料表現(xiàn)出不同于大多數(shù)傳統(tǒng)材料的特性：拉伸時變寬，壓縮時變窄[23-24]。這種特性使負泊松比材料具備了更優(yōu)異的性能：同向曲率、形體貼合性好、抗剪切性增強、平面斷裂韌性增加、抗壓痕性提高以及能量吸收性能更好等，所以在護腕、護膝、防彈服等防護服裝和裝備中有很大的應用潛力[25-28]。

通過纖維結構、紗線結構以及織物結構設計使紡織品具有負泊松比效應。與前2種方法相比，織物結構設計法具有連續(xù)制造、低成本、材料限制小(可使用非負泊松比纖維或紗線)等優(yōu)點[29]。其中，針織結構由于在設計制造中的靈活性和通用性，更容易實現(xiàn)負泊松比結構的編織。目前利用針織技術開發(fā)的負泊松比織物主要基于內(nèi)凹結構和折疊結構原理[30]。Chang等[31]研究了負泊松比經(jīng)編間隔織物在低速沖擊下的能量吸收性能與負泊松比值的關系發(fā)現(xiàn)，負泊松比絕對值越大，織物的能量吸收力和抗沖擊性能越好，在抗沖擊防護領域具有廣闊的應用前景。

6.2 針織負泊松比結構材料應用展望

對針織負泊松比結構材料的研究目前還處于起步階段，其產(chǎn)品還未廣泛應用。未來應用主要取決于目前具有明顯負泊松比效果的針織結構材料設計與產(chǎn)業(yè)化制備。

7 針織無縫結構材料

7.1 針織無縫結構材料應用現(xiàn)狀

無縫技術通過組織和密度的變化實現(xiàn)織物的一體成形，產(chǎn)品設計簡單，上機操作方便，不僅節(jié)省了勞動成本，縮短了產(chǎn)品的加工流程，還有助于服裝穿著時的受力均勻[32-33]。

用于騎行自行車或者摩托車時的騎行服，在騎行過程中有保護人體的作用，它的抗風阻性好壞直接影響車手的騎行速度。無縫結構專業(yè)運動服因有良好的貼身性和小的風阻性，而且對人體不會產(chǎn)生縫跡摩擦與壓力，已在一些競技場合穿用。

7.2 針織無縫結構材料應用前景

由于無縫織物沒有接縫，避免了接縫處的弱環(huán)，這使得其各項性能比較穩(wěn)定，因此在其他領域具有很好的應用前景。Fabdesigns公司開發(fā)了一系列用于宇航服的高度靈活的針織無縫織物，使用芳綸等高性能纖維，結合特殊的組織結構設計，不僅可為宇航員提供阻燃和熱防護、射線防護功能，還能提供合適的壓力從而解決失重條件下的肌肉損失。在其他領域，具有復雜形狀的無縫結構，材料可用作車用安全氣囊和消防面罩等相關產(chǎn)品的制造。

通過將功能性或智能性元件同時集成在針織無縫結構上，進行智能化設計，可達到運動數(shù)據(jù)監(jiān)測、健康監(jiān)測、病癥緩解等效果。

8 結束語

在滿足安全防護要求的情況下，針織物的線圈結構使其比機織物具有更好的延伸性和舒適性，制成的防護服穿著舒適性更好。針織組織的可設計性強，不同組織和密度的針織物種類繁多、性能各異，可滿足多種場合的需求，具有廣泛應用范圍。此外，針織技術成形性好，可編織出各種三維立體形狀，減少面料拼接對織物防護性能的影響。因此，針織結構材料在安全防護領域的應用具有廣闊的發(fā)展前景。

結合針織結構特點與當前科技發(fā)展，智能化與多功能化將是針織安全防護類產(chǎn)品的發(fā)展方向。智能針織產(chǎn)品可根據(jù)環(huán)境變化，收集與分析相關數(shù)據(jù)，使針織產(chǎn)品結構自動調(diào)整以適應安全防護需要；針織安全防護產(chǎn)品能結合多種功能，使其滿足多種安全防護條件，保護人身安全；針織安全防護產(chǎn)品還具有時尚、便于攜帶與存儲等特點。

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