低熔點薄膜法多層復合高強聚酯織物的制備及其防刺穿性

鄭云波 鄭小佳 徐憬 朱曉鑫

（海西紡織新材料工業技術晉江研究院 福建晉江 362200）

防刺穿織物主要用于阻擋刀具和刺錐等尖銳物對人體的傷害，被廣泛應用于軍事、建筑和勞保等領域[1-5]。近年來，隨著國內外持刀持槍搶劫類暴力事件日益頻發，防刺穿織物研究和開發逐漸成為熱點。一般可將刺穿過程劃分為四個連續階段：刀尖刺到織物表層，給予織物壓力；刀尖滑移到織物紗線間距內，造成穿刺；織物紗線間的摩擦作用阻止刀尖穿刺，刃部切割織物；紗線斷裂引起洞穿[6]。因此，要實現良好的防刺穿效果，織物材料就要具備消散沖擊能量以及防切割的能力。

防刺穿用纖維來源廣泛，包括陶瓷纖維和碳纖維等無機纖維，以及芳綸纖維、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維、聚對苯撐苯并雙噁唑（PBO）纖維和高強聚酯纖維等有機纖維[7-10]。在織物結構形式上，平紋機織物紗線之間較為緊密不易產生滑移，厚度相對較薄，質量較輕，可以大面積防護，廣泛應用于防刺材料[11]。但單層的高性能纖維平紋機織物存在著防刺效果較差以及質量不穩定等問題，難以滿足特殊領域防刺性能要求。研究表明，利用樹脂復合處理可有效提高織物材料的防刺性能[8,12-15]。樹脂均勻填充到織物紗線的縫隙，牢固鎖住纖維束，減少了刺入過程中紗線的滑移，從而吸收更多能量，提高防刺性能[16]。熱塑性樹脂彌補熱固性樹脂諸多不足，并可改善基體材料韌性，加工成型速度快，且生產較為清潔環保。

本文以高強聚酯平紋機織物為基材，通過熱塑性低熔點薄膜樹脂復合法，探索低熔點薄膜樹脂類型及其涂覆量對高強聚酯復合材料剝離強度的影響，討論織物克重、層數對聚酯復合材料防刺性能的影響，同時考察其耐油、耐熱老化、耐化學腐蝕等性能，從而為防刺鞋的制備提供性能優異的中底鞋墊材料。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗原料

高強聚酯纖維由中國紡織科學研究院有限公司提供，纖度為1127.2dtex，斷裂強度為8.39cN/dtex，斷裂伸長率為13.4%；低熔點樹脂聚酯（PET）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和聚乙烯（PE）分別購自上海嘉成聚酯廠、盛虹石化集團有限公司和裕辰隆工程塑料有限公司，3 種樹脂的熔點均為110℃。

1.2 制備工藝

1.2.1 高強聚酯平紋機織物的制備

按照經紗加捻—分批整經—并軸—織造的工藝流程，其中設置經紗加捻捻度為80T/10cm，織機引緯系統水泵彈簧鋼絲直徑為11mm、柱塞直徑為32mm，噴針直徑為2.4mm，噴嘴直徑為3.2mm，水泵凸輪位置調至85°，先行角設為8°。最后織成550g/m2、700g/m2和850g/m2等3 款不同克重的高強聚酯平紋布。

1.2.2 多層復合高強聚酯織物防刺材料的制備

先將兩份高強聚酯平紋布放入100℃烘箱中烘干20min，去除水分。再將其中一份干燥的平紋布放置針板上，固定，并保持一定張力。然后將溫度為110℃三種低熔點樹脂分別用刮棒均勻涂覆至該平紋布上，另一份平紋布迅速復合。室溫冷卻至60℃，經熱輥壓合后，繼續冷卻至室溫，便完成了兩層高強聚酯復合材料的制備。三層、四層和五層高強聚酯復合材料的制備重復上述步驟。

1.3 測試方法

1.3.1 厚度測試

使用百分表測厚儀在多層高強聚酯復合材料上隨機選取3 點測試，測試結果以平均值表示。

1.3.2 剝離強度測試

在多層高強聚酯復合材料上截取尺寸150mm×25mm 的長條試樣，對試樣進行手剝，剝層長度為50mm，再將分開的兩端分別夾在拉伸試驗機的夾具上，以100mm/min 的速度進行剝離100mm，試驗過程中記錄力值的軌跡，求平均值。按照下式（1）計算剝離強度。

式中：Ds—層間剝離強度，單位為牛頓每厘米（N/cm）；F—平均力值，單位為牛頓（N）；d—試樣寬度，單位為厘米（cm）。

1.3.3 防刺性能測試

根據GB/T 20991-2007[17]，在試驗機上加載防刺測試工具，包括測試釘和夾持器等，對多層高強聚酯復合材料進行穿刺測試。測試釘直徑為4.50mm，移動速度為10mm/min。測試分別在高強聚酯復合材料上4 個不同點進行，記錄載荷—位移曲線，取4 次測試結果最小值。

1.3.4 耐低溫、高溫、酸、堿和油性能測試

根據GB/T 21147-2007[18]，對多層高強聚酯復合材料進行低溫處理/高溫處理：先放入溫度（-20±2）℃/（60±2）℃低溫箱/烘箱中，4h后取出，溫度達到（-1±1）℃/（40±2）℃；酸/堿處理：完全浸入濃度為1mol/L 的硫酸/氫氧化鈉溶液中，在（20±2）℃放置，24h 取出，用流水洗凈酸/堿液，然后在（20±2）℃中存放24h；油處理：完全浸入2,2,4-三甲基戊烷（異辛烷）試液中，在（20±2）℃放置，24h 取出，用流水洗凈試液，然后在（20±2）℃中存放24h，再根據GB/T 20991-2007[17]對其防刺性能進行測試。

表1 低熔點薄膜種類及涂覆量對高強聚酯復合材料剝離強度的影響情況

2 結果與討論

2.1 高強聚酯復合材料剝離性能

一般情況下，對于鞋墊材料層間剝離強度要求達5N/cm 以上[19]。從表1 可以看出，使用PET、EVA 和PE 三種低熔點薄膜樹脂復合的高強聚酯復合材料的剝離強度均大于5N/cm。但在涂覆量相同的情況下，使用PET 低熔點薄膜樹脂復合的高強聚酯復合材料的剝離強度明顯要高于EVA 和PE 薄膜樹脂，這可能是因為該薄膜和基材平紋布的原料均為聚酯，相容性優勢顯著。此外，隨著低熔點薄膜涂覆量的增加，高強聚酯復合材料的厚度和剝離性能不斷提高，但其剝離性能的漲幅不斷縮小。當涂覆量為135 g/m2時，剝離強度為7.97 N/cm；當涂覆量為140g/m2時，剝離強度為8.10N/cm。然而當涂覆量為140g/m2時，高強聚酯平紋布上PET 樹脂熔液出現外溢現象。過多的樹脂將會嚴重影響復合材料的成順性[20]。因此，綜合剝離強度與制備成本以及節能環保之間的關系，高強聚酯復合材料制備較合適的涂覆量為135 g/m2。

表2 平紋布克重以及層數對高強聚酯復合材料穿刺力影響

表3 低溫、高溫、酸、堿和油對高強聚酯復合材料穿刺力影響

2.2 高強聚酯復合材料防刺性能

從表2 可以看出，單層高強聚酯平紋布具有較好的抗刺穿性，且在層數相同的情況下，隨著單層平紋布克重的增加，其最大穿刺力也逐漸提高。當層數為2 時，單層平紋布克重為700g/m2，其最大穿刺力便達到1250N。按照GB/T 12017-1989[21]，大于等于1100N 產品便為特級防刺穿產品。因此，本項目單層平紋布克重為700g/m2，層數為2 的高強聚酯復合材料為特級防刺穿產品。出于節約成本，項目選擇克重為700g/m2平紋布作為高強聚酯復合材料的基材。此外，隨著層數的增加，高強聚酯復合材料最大穿刺力也逐漸提高，當層數為5 時，最大穿刺力為2100N。

單層與多層復合材料的穿刺過程主要區別在于ab 與a1b1（如圖1所示）。對于單層平紋布穿刺過程ab 階段，刺釘已刺入織物，織物紗線被切斷，穿刺力突降。但由于刺釘周圍仍有紗線包圍，使得穿刺力突降后又繼續上升。多層復合材料由于低熔點薄膜樹脂的固定，織物纖維束較難滑移抽脫，并且該樹脂具有較好的抗沖擊作用，導致多層復合材料a1b1階段穿刺力下降不明顯。

2.3 高強聚酯復合材料耐低溫、高溫、酸、堿和油性能

本文選取單層平紋布克重為700 g/m2，層數為5 的高強聚酯復合材料開展耐低溫、高溫、酸、堿和油性能測試，如圖2所示。從表3可以看出，經過低溫、高溫、酸、堿和油處理后的高強聚酯復合材料最大穿刺力基本不變，基本保持在2100N 左右。此外，從圖1 可以看出，經高溫、酸處理和堿處理后的高強聚酯復合材料穿刺過程曲線與未處理的基本保持一致。由于聚酯材料的耐堿性較差，經堿處理后高強聚酯復合材料表面有一定的腐蝕（如圖2），但樣品整體外觀仍較完整。因此，項目制備的高強聚酯復合材料具有較好的耐低溫、高溫、酸、堿和油性能。

圖1 高強聚酯復合材料穿刺力-位移曲線

圖2 高強聚酯復合材料經高溫、酸和堿性處理后表面

3 結論

（1）相同條件下，使用PET 低熔點薄膜樹脂復合的高強聚酯復合材料的剝離強度較高。高強聚酯／復合材料的剝離強度隨PET 薄膜涂覆量增加而增強，其較合適的涂覆量為135g/m2。

（2）高強聚酯復合材料最大穿刺力隨基材平紋布克重的增大以及層數的增多而提高。出于節約成本，本課題制備高強聚酯復合材料較合適的平紋布克重為700g/m2。

（3）經過低溫、高溫，及酸、堿和油處理后的高強聚酯復合材料最大穿刺力基本不變，項目制備的高強聚酯復合材料具有較好的耐低溫、高溫、酸、堿和油性能。