柔性縫合織物的準靜態穿刺性能研究

蔣干兵，王發陽，梁 燕

（1.連云港神特新材料有限公司，江蘇 連云港 222000；2.連云港市工業投資集團有限公司，江蘇 連云港 222002；3.連云港市纖維檢驗中心 ，江蘇 連云港 222047）

隨著社會對公共安全問題的日益重視，個體防護的重要性在軍事和民事領域都在不斷上升，其中人體防彈防刺裝備可通過對材料的選用、結構的設計和工藝精細化來實現高效防護，但往往受限于服用性能和作業速度。因此，研究高防護力、輕量化、高適應性、高服用性為主要特點的人體防護材料，是目前提高士兵戰場生存能力、適應現代戰爭迫切需求的重要方向。高強高模的高性能纖維是防護材料的首選[1]，如超高分子質量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene，UHMPWE）纖維，因其是高性能纖維中質量最輕的一種而成為應用最廣泛的增強材料，PBO纖維的相關技術改進也促使其產品防護性能優于其他材料[2-3]。另外，織物形式對防護材料性能有著極大的影響[4-5]，無紡布由于其獨特的網狀結構，對外來能量具有很好的分散和緩沖作用，而機織布是高性能纖維在防護材料領域最常見的形式。因此，研究將突破傳統單層防刺織物的形式，復合兩種不同結構的高性能纖維織物，實驗研究復合織物的準靜態穿刺性能，為防刺用高性能纖維柔性復合織物的原料選擇、制備和優化提供了設計依據。

1 實驗

1.1 原料選擇

本實驗選用江南大學提供的兩種平紋布和連云港神特新材料有限公司提供的UHMWPE無紡布，平紋布參數見表1。值得注意的是，平紋布經緯紗均用捻度為100捻/m的合捻紗，理論上認為相同條件下無捻長絲織物的防護性能高于加捻紗線的織物，所以在選購原料時考慮選用UHMWPE無捻長絲和PBO無捻長絲以及選用低彈滌綸絲與之進行并合加捻，滌綸的加入使紗線的彈性和柔軟性有所提高，便于紗線的織造和織物服用。

1.2 縫合工藝

由于材料的強度較高且平紋布的質地較為緊密硬挺，不適合通過針刺或水刺將其與無紡布復合。根據實驗方案要求，平紋布與無紡布的合成采用縫合工藝。由于成品材料用于防護，使用者活動力度較大會造成縫合接口破裂，所以選擇強度較高的全延伸絲（Fully Drawn Yarn，FDY）縫紉線。通過預實驗發現，縫紉中的壓腳力、縫紉速度、縫線張力等工藝參數對縫紉效果有很大的影響，通過不斷調整，確定縫紉工藝具體參數，如表2所示。

表1 平紋布規格參數

表2 縫紉工藝參數

將樣布裁剪成穿刺實驗所需的直徑為8 cm的圓片，將平紋布與無紡布縫合后成品如圖1所示。

圖1 縫合效果（左為無紡布面，中為B平紋布面，右為A平紋布面）

1.3 準靜態穿刺測試

由于無紡布的吸濕透氣性較好而平紋布較為硬挺，實驗過程中考慮將平紋布作為受刺表層，無紡布作為里層。依據GA 68—2008《警用防刺服》標準[6]，采用微機控制電子萬能試驗機（上海傾技儀表科技有限公司）進行測試（圖2），并依據標準規定來調整測試儀器及定制測試所用相關刀具（圖3）。設定刀具與織物的測試前速度為20 mm/min，穿刺速度設置為50 mm/min，刀具與織物的起始隔距為150 mm，每組測試3個樣品并計算平均值。

圖2 準靜態防刺實驗裝置

圖3 準靜態防刺實驗刀具

2 結果與討論

統計數據匯總了穿刺力值結果，發現A-U組可承受的穿刺力比較大。兩組織物不同的是平紋布的結構，其中A-U組平紋布的經紗采用1 660 D的PBO/滌綸并捻紗，B-U組平紋布的經紗采用220 D的UHMWPE/滌綸并捻紗，A-U組經紗強力遠大于B-U組。這表明紗線強力對織物強力起很大的支撐作用（表3）。

表3 實驗對照結果

兩組實驗材料的穿刺力變化趨勢相似（圖4），都是先上升再下降。在穿刺過程中，紗線逐根斷裂，所以力學曲線成階梯型坡度抖動。在穿刺過程中，織物會受到刀具的摩擦發生形變（圖5），刀具呈90°穿刺織物時，穿刺力對織物的作用主要表現為對紗線的拉伸力，所以水平方向的分力F1起主要作用。在峰值處，刀具與織物的橫向接觸面積達到最大，織物受到的拉伸最大，此時受到拉伸的紗線最多，所以峰值處穿刺力下降曲線最陡；由于力的作用是相互的，此時刀具受到的橫向剪切力也上升到最大值。所以，紗線強力對織物強力的支撐作用在穿刺力峰值處表現最為明顯。

圖4 穿刺力學曲線

在刀具向下運動的過程中，隨著刀尖寬度的增加，織物與刀體接觸面積逐漸增加，織物受到的摩擦與拉伸變形程度增加[7-8]。拉伸三角區增大，受到拉伸的紗線增多，刀具受到的摩擦阻力隨之增大，但由于紗線逐根斷裂，所以當剪切力增加到受拉伸紗線強力之和的時候，超過本體強力的紗線開始斷裂，三角區的拉伸力相應有所下降，穿刺所需力也會相應下降，當再有一根新的紗線加入拉伸三角區的時候，穿刺力再進入下一個抖動坡度。當刀具下降到織物的接觸面積增加到最大時，拉伸三角區所受的剪切力上升到最大，此時發生斷裂的紗線受到的拉伸力大于本體強力，斷裂根數增加到最大。當刀具再往下時，由于紗線的斷裂是一個緩慢的過程，所以峰值之后紗線繼續逐根斷裂，織物裂口增大，織物變形減小，與已斷裂紗線所受的剪切力相比，新加入拉伸三角區的紗線所受到的拉伸較小。所以，雖然峰值過后的力學曲線依然成坡度抖動，但總體趨勢是下降的。

在穿刺過程中，到達最大接觸面積之前，刀具先穿過機織布再穿過無紡布。無紡布對刀具的作用不像機織布，它依靠纖維的纏結鎖住刀具。在力學曲線前期上升過程中，穿刺力每次到達小峰值之后曲線會有一個坡度的抖動，也就是無紡布對剪切力產生的影響。

圖5 織物受力形變

3 結語

通過縫合工藝將兩種機織平紋布分別與UHMWPE無紡布進行復合，探究了其準靜態穿刺性能。通過分析，得出如下結果。

（1）紗線強力影響織物強力，即經紗為PBO/滌綸并捻紗的平紋布與UHMWPE無紡布復合成的縫合織物穿刺力值較經紗為UHMWPE/滌綸并捻紗的相應縫合織物大。

（2）對織物的穿刺過程進行分析發現，刀具與織物橫向接觸面積最大時，織物受到的拉伸最大，此時受到拉伸的紗線最多，所以峰指處穿刺力下降曲線最陡；由于力的作用是相互的，此時刀具受到的橫向剪切力也上升到最大值。在達到最大接觸面積之前，紗線是逐根斷裂的，所以穿刺力的上升曲線成先上升再下降的階梯性上升；最大接觸面積之后，紗線總體所受的剪切力下降，織物裂口增大，紗線總體所受到的拉伸減小，所以穿刺力減小。