離散樹脂成型復合材料的防刺與服用性能

馬飛飛

(上海固甲新材料科技有限公司，上海 201620)

目前防刺服根據防刺材料的不同，分為硬質防刺衣、半硬質防刺衣和柔性防刺衣[1]。硬質防刺衣一般采用金屬片、金屬板、金屬絲加工而成；半硬質防刺衣一般是金屬材質的防護片與毛氈、陶瓷片等非金屬防護層相結合制備而成，這2類防刺衣防護性能較好，但是衣服不能夠靈活折疊，穿著舒適性差。

很多專家學者研究了由高性能纖維加工制備的柔性防刺材料[2-4]，包括改變不同的織造方式，改變不同的組織形式，改變織物的緊度、密度、面密度等，這在一定程度上提高了材料的防刺性能，但是提高程度有限。為了達到中華人民共和國公共安全行業標準GA 68—2019《警用防刺服》的要求，往往層數要達30～60層，但材料過厚導致穿著臃腫，服用性下降。此外，一些研究人員考慮材料復合成型的方法，如對高性能織物進行剪切增稠液體浸漬[5-6]、高分子樹脂浸漬[7]、硬質納米顆粒涂層等成型工藝[8]。通過浸漬及滿涂工藝顯著降低了材料的層數及質量，防刺性能較好，但是材料透濕透氣性能差，導致服用性較差。

為此，本文制備了離散樹脂成型復合材料，并對比研究了2種不同規格的離散樹脂復合材料與常見芳綸防刺材料的穿刺性能、透氣性及柔軟性，以期為復合材料防刺性能與穿著舒適性的研究提供參考。

1 離散樹脂成型復合材料的設計

本文提出了一種新型離散樹脂成型工藝，吸收了硬質防刺材料能夠鈍化刀尖的優點以及浸漬涂層材料柔軟可折疊的優點，即采用樹脂薄片以離散狀態按照設計圖案黏結在基布面料上制備柔性防刺復合材料。圖1示出離散樹脂成型復合材料試樣。

圖1 離散樹脂成型復合材料試樣Fig.1 Composite materials made by discrete resin molding

表面樹脂薄片起到鈍化刀尖作用，基布面料起到緩沖支撐作用，薄片與薄片之間形成三維通道，便于排出汗氣，并使整個材料柔軟可折疊，以期達到防刺性能優良，舒適柔軟，靈活透氣的效果。這種防刺復合材料采用了軟硬結合的思想，離散樹脂可以是環氧樹脂、丙烯酸樹脂等高分子樹脂加熱固化在基布表面；也可以是改性錦綸/玻璃纖維、改性聚碳酸酯等材料加工成規則薄片，然后黏結在基布表面上制備防刺復合材料。基布面料可以選擇高強滌綸、高強錦綸，也可以選擇芳綸、聚對苯撐苯并二噁唑(PBO)等高性能面料。本文所研究的離散樹脂成型復合材料表面的樹脂顆粒選擇改性聚碳酸酯薄片，基布面料選擇高強滌綸織物以及芳綸平紋織物。

2 實驗部分

2.1 實驗材料與儀器

材料：改性聚碳酸酯(拜耳ET3113)；高強滌綸平紋布，吳江市邦禾特種面料有限公司；芳綸平紋織物，宜興市華恒高性能纖維織造有限公司。2種織物規格參數如表1所示。

表1 基布面料規格參數Tab.1 Specification parameters of base fabric

儀器：YG(B)026型電子織物強力機，南通宏大實驗儀器有限公司，頂破彈子換成GA68—2019《警用防刺服》標準規定的P1刀具；YG461型織物中壓透氣量測試儀，溫州百恩儀器有限公司；YGB 022D型自動硬挺度實驗儀，蘇州奇樂電子科技有限公司；自制落錘沖擊實驗機。

2.2 離散樹脂成型復合材料的制備

首先把改性聚碳酸酯加工成直徑為10 mm，厚度為1.5 mm的圓形薄片[9]。其次，把圓形薄片填充在模具的模孔當中，模具厚度為10 mm，模孔深度為1.5 mm，模孔之間的間隙為0.3 mm，模具長寬同為500 mm。對模具表面的改性聚碳酸樹脂薄片表面均勻噴涂聚氨酯黏結劑。最后，在模具表面鋪好基布面料，在90 ℃條件下加熱3 min，改性聚碳酸酯薄片黏結在基布面料上，離散樹脂成型工藝模具示意圖如圖2所示。

圖2 離散樹脂成型工藝模具Fig.2 Discrete resin process mold

按照離散樹脂成型工藝制備的2種單層防刺復合材料的試樣規格如表2所示。

表2 單層防刺材料試樣參數Tab.2 Parameters of single layer stab-resistant material

首先研究改性聚碳酸酯薄片和基布面料之間的黏結強度。根據FZ/T 01085—2009《熱熔粘合襯剝離強力實驗方法》進行剝離測試。在溫度為(20±2)℃，濕度為(65±2)%條件下，滌綸防刺復合材料剝離強力是39.25 N/cm，芳綸防刺復合材料剝離強力是42.40 N/cm，刀具穿刺復合材料，很少見到薄片脫落情況。本文主要研究復合材料的防刺性能和服用性能，對于材料的界面性能暫不討論。

2.3 測試方法

2.3.1 準靜態穿刺測試

將芳綸平紋織物2#、單層滌綸防刺復合材料3#以及芳綸防刺復合材料4#分別剪成直徑為8 cm的圓片，然后夾在1對環形夾具之間，進行準靜態穿刺實驗。實驗刀具上升速度設置為1 000 mm/min，每種防刺試樣測試5次，取其平均值。

2.3.2 動態穿刺測試

根據先前實驗數據，將4層滌綸防刺復合材料、4層芳綸防刺復合材料分別交錯疊層，上層粒子剛好把下層縫隙蓋住，層與層之間45°移動1 cm進行邊緣縫合固定，分別制備成防刺內芯試樣5#與6#。以10層芳綸平紋織物等同1層離散樹脂成型復合材料，共用40層芳綸平紋織物疊層制備成防刺內芯7#，作為對比實驗。根據GA 68—2019標準，2.4 kg重錘在1.0 m高度對3種測試試樣進行自由落體穿刺測試，每類防刺試樣測試5次。

2.3.3 試樣彎曲性能測試

將3種試樣各取5塊，尺寸為25 mm×250 mm，誤差為±1 mm，按照GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1部分：斜面法》測試試樣的彎曲性能。

2.3.4 試樣透氣性能測試

將3種試樣各取5塊，每塊試樣裁取面積為20 cm2，按照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》測試試樣的透氣性。

3 結果與分析

3.1 準靜態穿刺分析

滌綸防刺復合材料、芳綸防刺復合材料和芳綸平紋織物的準靜態穿刺測試結果如表3所示。

表3 單層材料的防刺性能Tab.3 Stab-resistant performance of material with single layer

從表3可以看出，3#、4#2種單層防刺復合材料的穿刺強力是2#單層芳綸平紋織物的10～15倍，這說明基布面料黏結改性聚碳酸酯薄片之后顯著提高了材料的抗穿刺性能，實現了本文提出的軟硬結合設計思想。這是因為基布表面樹脂薄片機械強度高，耗散了刀具大部分穿刺能量，基布起到支撐和緩沖作用。對比3#和4#，芳綸防刺復合材料的穿刺強力大約是滌綸防刺復合材料的2倍，可見防刺復合材料基布不同，材料的防刺性能也會不同。3#和4#2種單層材料穿刺形貌正反面照片如圖3所示。

圖3 材料準靜態穿刺前后形態照片Fig.3 View of composite before and after static puncturing

由于芳綸基布比滌綸基布纖維強度高，面密度及厚度大，在穿刺過程中紗線抗剪切作用強，更難被割斷，因此材料正面刺破口較小，背面斷裂口同樣較小，如圖3所示。穿刺深度表示從刀具刀尖接觸材料表面到材料剛被刺穿時材料凹陷變形的最大深度。3#和4#基布表面樹脂薄片相同，由于芳綸基布纖維強度高，經緯密度比滌綸基布經緯密度小，經緯紗線變形能力強，穿刺深度較大。

3.2 動態穿刺分析

3種不同規格的疊層試樣穿刺結果如表4所示。由于5#、6#這2種疊層復合材料在試樣制備過程中已分別讓2種復合材料層與層之間45°移動1 cm進行交錯疊層縫合固定，保證落錘刀具不論落到哪個位置都能至少穿刺到3層改性聚碳酸酯薄片上面。同時，假若刀具刺到縫隙位置，防刺內芯凹陷變形的同時，周圍的薄片牢牢“鎖住”刀具刀尖，同樣消耗刀具穿刺能量。從表4可以發現，5#和6#試樣基本都能夠抵御24 J的穿刺能量，這是由于2種試樣表面的改性聚碳酸酯薄片具有優異的抗沖擊強度，韌性好，可以吸收大部分刀具穿刺能量；此外，復合材料的基布經緯紗線交織緊密，承擔樹脂載體作用，并且通過纖維之間傳遞耗散部分能量，因此能夠較好抵御刀具穿刺作用。5#和6#這2種規格疊層試樣的形貌照片如圖4所示。

表4 3種不同規格疊層試樣的防刺性能Tab.4 Stab-resistant performance of three different specifications laminated samples

注：F1、F2、F3、F4分別為正面的各層形貌；B1、B2、B3、B4分別為反面的各層形貌。 圖4 復合材料各層穿刺形貌照片Fig.4 Dynamic puncturing front and back view of composite materials with each layer. (a) Front of 5#; (b) Back of 5#; (c) Front of 6#; (d) Back of 6#

從圖4可以看出，試樣5#第4層反面剛剛穿透，而試樣6#第4層正面僅有穿刺痕跡，反面沒有刺透，說明試樣6#防刺性能優于試樣5#。這是由于5#和6#試樣表面聚碳酸酯薄片相同，基布不同，芳綸平紋基布紗線強度高，比滌綸紗線更耐切割穿刺；其次芳綸基布支撐作用強，可以讓更大面積的材料起到防刺作用。對比防刺內芯5#、6#與#7的穿刺結果可以看出，4層離散樹脂成型復合材料與40層芳綸平紋織物穿刺性能基本相當，但是防刺內芯7#的穿透層面密度為(10 640.00±13) g/m2，穿透深度為(13.40±1.09) mm，遠高于試樣5#、6#的測試結果。這說明達到同樣防刺等級，通過芳綸平紋織物疊層制備的防刺內芯一般厚度較厚，質量較重，而本文研究的離散樹脂成型復合材料顯著降低了防刺內芯的厚度及質量。

3.3 材料彎曲性能分析

有關硬質金屬防刺材料柔軟性方面的研究較少，因為金屬板幾乎不能彎曲，因此很少有研究人員測定其彎曲長度。許冬梅等[10]研究了熱熔膠膜浸漬的芳綸織物，其彎曲長度為178 mm，材料的剛性較大。各種纖維制備的防刺材料的柔軟性，可以通過測定紡織品彎曲性能來進行表征。3種不同規格單層復合材料彎曲性能測試結果如表5所示。

表5 3種試樣彎曲性能測試結果Tab.5 Bending performance of three samples

從表5測試結果可以看出，2#芳綸平紋織物的彎曲長度最小，抗彎剛度最小，柔軟性最好，這是由于芳綸織物沒有黏結離散樹脂，保持了織物本身的柔軟性。3#滌綸防刺復合材料的彎曲長度比4#芳綸防刺復合材料的彎曲長度小，柔軟性較好。原因在于滌綸織物中紗線的線密度、直徑小于芳綸織物的線密度和直徑。另外，3#和4#基布的表面黏結有離散的改性聚碳酸酯薄片，限制了平紋組織紗線的變形，加大了相互接觸的紗線之間的摩擦阻力，因而復合材料不易彎曲，抗彎剛度較大，柔軟性受到一定限制。然而，對比常見的硬質及半硬質防刺衣(很少彎曲，基本不能靈活折疊)，離散樹脂成型復合材料的彎曲性能較好。

3.4 材料透氣性能分析

經測試得，2#、3#、4#單層復合材料的透氣率分別為(210.95±1.28)、(24.97±1.31)、(70.31±1.04) mm/s。3#和4#材料的透氣性要小于2#織物的透氣性能，這是因為3#和4#基布表面黏結有離散的樹脂薄片，填充了部分平紋基布紗線間的間隙，降低了材料的透氣性能。3#的透氣性低于4#，原因是樹脂薄片相同，3#基布經緯密度更大，織造更緊密，經緯紗線間的間隙更小，透氣量更小。此外，文獻[11]研究了機織物透氣率與織物結構參數的關系，指出平紋毛織物的透氣率在100～300 mm/s之間。有研究測試了針織學生服、牛仔褲、襯衫、床單的透氣率，分別為62.60、4.84、29.91、55.54 mm/s[12]。對比發現，本文研究的離散樹脂成型復合材料的透氣率雖然低于普通平紋織物的透氣率，但是已接近甚至超過部分日常服裝的透氣率。對比目前的金屬片防刺材料不透氣，浸膠芳綸/聚乙烯無緯布防刺材料的透氣性很差，本文研究的復合材料透氣率為(70.31±1.04) mm/s，具有較好的透氣性能。

4 結 論

本文提出了一種新型防刺材料的制備工藝，即離散樹脂薄片按照設計圖案黏結在基布表面制備成離散樹脂成型復合材料，測試了材料的防刺性能與服用性能，得到以下結論。

1)通過準靜態測試發現，離散樹脂成型復合材料的穿刺強力遠高于疊層芳綸平紋織物的穿刺強力，芳綸基布離散樹脂成型復合材料的穿刺強度基本上是滌綸基布離散樹脂成型復合材料的2倍。

2)4層離散樹脂成型復合材料基本可以達到GA 68—2019標準要求，等同于40層疊層芳綸平紋織物的防刺性能。另外，芳綸基布復合材料的防刺性能更優，并且顯著降低了防刺內芯的質量及厚度。

3)離散樹脂成型復合材料的柔軟性比單層芳綸平紋織物的柔軟性差，但是遠優于硬質金屬防刺材料的柔軟性。同時，該復合材料的透氣性能較好，接近日常穿著服裝的透氣性能，遠優于浸膠樹脂材料的透氣性。