基于可調張力裝置的芳綸織物交織阻力研究

陳潔如， 邱詩苑， 楊青青， 周 熠,2

(1. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院， 湖北 武漢 430200； 2. 武漢紡織大學 紡織纖維及制品教育部重點實驗室， 湖北 武漢 430200)

現代柔性防彈衣大多是由多層織物通過吸收和耗散發射體的動能來阻止高速射入的子彈。Bazhenov[1]認為織物防彈性能與抽拔紗線的數量有關。Nilakantan等[2]研究了子彈射入期間織物的侵徹率發現，紗線抽拔對子彈能量耗散起主要作用。

紗線抽拔是指單根紗線在外力作用下從織物結構中被抽出。抽拔力的大小與織物的結構形狀、紗線交織交叉點的摩擦性能相關[3]。交織阻力是指織物在組織點處經緯紗之間的摩擦力，即紗線在組織結構中因為摩擦和形變作用，抵御抽拔的能力。在紗線抽拔過程中所需的作用力與織物間紗線摩擦阻力值是對等的，如同作用力和反作用力一樣。從本質上來說，紗線抽拔是經緯紗之間的相互摩擦作用。雖然纖維之間的摩擦因數可通過測試獲得，但即便所用纖維完全相同，織物內紗線間的交織阻力也會因織物的緯向寬度、織物的經向寬度、對織物施加的橫向預加張力的差異而不同。

織物在受到彈道沖擊時,織物中紗線的抽拔滑移是一種重要的吸能方式[4]。研究高性能織物在紗線抽拔過程中的準靜態以及動態響應，有利于為進一步優化設計防彈服提供新的理論指導。盡管國內外研究者已經在此領域做出突破[5]，但是多數實驗沒能處理好子彈射入時對紗線產生的預加張力。對于具體預加張力數值的調節與穩定成為研究紗線抽拔過程與防彈衣分析建模難以突破的障礙。研究者Zhu等[6]所做的412 N和208 N的預加張力實驗已經發現，將預加張力調到特定數值并使其穩定的困難性。

織物是一種柔性體,在抽拔中既要保證受到抽拔的紗線能夠順利抽出,又要整個織物保持平整且被握持的狀態,才能真實模擬織物在受到沖擊過程中的狀態。目前的織物拉伸夾具都是針對整個織物一端進行整體夾持,沒有既能有效握持織物又能順利抽拔出單根紗線的抽拔裝置[7]。

為解決現有技術中存在的問題,本文將使用一種自主設計的可調預加張力的紗線抽拔裝置,通過YG028萬能材料實驗機得出抽拔實驗中紗線的交織阻力-位移曲線，研究芳綸織物紗線在不同規格尺寸、不同預加張力條件下對交織阻力的影響。同時構建一個模型公式，用以預測對于不同規格尺寸、不同預加張力情況下紗線抽拔所產生的交織阻力值。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

材料：Kevlar-29芳綸平紋織物，經緯向密度均為70根/(10 cm)，經緯紗線密度均為1 667 dtex，美國杜邦公司。

儀器：YG028型萬能材料實驗機(溫州方圓儀器有限公司)；可調橫向預加張力裝置(自主研發)。圖1示出可調橫向預加張力的織物夾具。包括底座、安裝框(含光滑槽口)、左右夾鉗、壓力傳感器、螺栓以及彈簧。其中,左夾鉗為固定夾鉗，用來固定織物的一端。右夾鉗則為活動夾鉗，可以沿橫向平行移動。主框架上下兩側都開有可供右鉗平移的光滑槽口。

①—左夾鉗；②—安裝框；③—紗尾；④—右夾鉗；⑤—傳感器；⑥—帶彈簧的螺栓；⑦—光滑槽口；⑧—夾具底座。

1.2 實驗方法

參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》,使用萬能材料實驗機進行試樣緯紗的抽拔實驗，上夾頭的拉伸速度設定為100 mm/min，拉伸實驗機隔距為200 mm。

將織物試樣分別裁剪成8 cm×8cm、13 cm×8 cm,18 cm×8 cm(此3種試樣緯向寬度均為8 cm，僅改變經向寬度值)，以及13 cm×4 cm,13 cm×8 cm,13 cm×12 cm(此3種試樣徑向寬度均為13 cm，僅改變緯向寬度值)。實驗過程中，將織物兩側固定在左右夾鉗，通過控制調整螺栓對傳感器的壓力來改變織物的橫向張力(僅用螺栓頂住傳感器，織物會很快產生應力松弛現象[8]，而在螺栓處添加一個彈簧能使織物張力在短時間內保持穩定)。

通過圖1所示夾具給予試樣不同的預加張力，測試織物交織阻力以及橫向張力變化情況。為提高實驗結果的準確性，每組實驗選取4個平行樣品進行測試。本文實驗在測試之前需從織物的頂部邊緣手動移除經紗以露出40 mm的縱向緯紗紗尾。

2 結果與討論

2.1 抽拔曲線特性分析

圖2示出了織物交織阻力以及橫向張力與被抽拔紗線縱向位移關系圖。其中交織阻力曲線記錄了拉伸實驗機上夾頭傳感器所受長絲束交織阻力的變化狀態，橫向張力曲線記錄了橫向傳感器所受橫向張力的變化狀態。(在大量的實驗數據中，因不同的預加張力條件下得出的曲線圖變化趨勢基本一致，故在此僅選取出13 cm×12 cm織物在400 N預加張力下的實驗曲線為分析對象)。

圖2 織物交織阻力以及橫向張力與被抽拔紗線縱向位移關系圖

交織阻力曲線示出，長絲束所受交織阻力在初始階段達到峰值后，繼而呈現一種振蕩遞減的變化規律。橫向張力曲線和交織阻力曲線所體現的變化規律基本上一致。這種規律反映了平紋結構在抽拔過程中的準靜態響應。長絲束在被抽拔時，會給予橫向經紗一個垂直方向的拉伸力，使得經紗屈曲逐漸變大，進而導致橫向張力有所增大。與此同時所需抽拔力也相應增大，即長絲束所受交織阻力增大。直至長絲束移出一個交織點，經紗受力點相應減少，致使橫向張力又略有下降，緯向所需抽拔力也發生略微減少。在抽拔過程中反復經過和移出一個又一個交織點，故交織阻力曲線和橫向張力曲線均出現振蕩遞減趨勢[5]。利用鉸鏈模型模擬交織點的受力狀態，科學分析了張力的這種振蕩變化趨勢。緯紗和經紗處于嚙合態時，經緯紗形變恢復，橫向張力也由此減小，紗線抽拔力處于谷值，反之亦反。這也解釋了圖2中橫向張力曲線與交織阻力曲線的波峰與波谷一一對應的原因。當長絲束被徹底抽出后，緯向給予橫向經紗的拉伸力消失，同時橫向經紗和緯紗的交織點也處于最小點數，故如表1所示，最終橫向張力比較于初始預加張力發生減少。

表1 13 cm×12 cm織物在不同預加張力下交織阻力的最值

2.2 預加張力對抽拔曲線的影響

圖3示出試樣在不同的橫向預加張力下長絲束所體現出的交織阻力-位移曲線。可知，不同預加張力作用下單紗抽拔實驗的交織阻力變化規律基本一致，都存在退屈曲區和黏滑區。研究發現，最大交織阻力與橫向預加張力之間的變化呈正相關性，而且兩者之間的漲幅呈對數關系。100、200、300和400 N的預加張力下測得的最大交織阻力分別為6.45、9.1、11.08、12.41 N，相鄰階段張力增幅分別為41%、21.7%、12%。可見最大交織阻力增幅越來越小。原因可能是增加橫向紗線的張力增加了紗線之間的法向力，進而增加了紗線抽拔的摩擦阻力，故需要較大增量的抽拔力才能使長絲束被抽拔出。織物受到的橫向張力越大，經緯紗的屈曲交換則更加不容易實現，因此在達到最大交織阻力之前，曲線模量略有升高。再者根據絞盤方程T=T0eμθ(見圖4)，給定輸入張力T0,輸出張力T由紗線和圓柱面間的摩擦因數μ以及接觸角θ決定。在屈曲交換越艱難的情況下，被抽拔的長絲束與橫向經紗的接觸角θ越大，則輸出張力T增大，即長絲束所受到的最大交織阻力增大[9]。

圖3 8 cm×8 cm平紋機織物抽拔實驗交織阻力-位移曲線

圖4 絞盤方程的示意圖

2.3 織物經向寬度對交織阻力曲線的影響

圖5示出在400 N預加張力下織物經向寬度的改變對交織阻力的影響。可知，織物經向寬度越寬，長絲束被抽拔時所受的最大交織阻力越小，其抽拔曲線的初始模量也越小。在預加張力不變的情況下，隨著織物經向寬度的增加，經紗屈曲部分的伸直以及自身伸長變形的橫向空間均會增加，這將有利于經紗屈曲變大，同時也有利于緯紗的伸直，使得紗線的屈曲交換變得更為容易，故曲線的初始模量變小。再者根據絞盤方程，在屈曲交換變得更為容易的情況下，被抽拔的長絲束與橫向經紗的接觸角θ減小，故輸出張力T減小，即長絲束所受到的最大交織阻力減小。

圖5 400 N預加張力下不同經向寬度織物的交織阻力曲線

圖6示出預加張力分別為100、200、300、400時產生的最大交織阻力值。結果表明,寬度為8、13、18 cm試樣，預加張力從100 N增至400 N時，增幅分別為98.33%、78.28%、62.15%。當預加張力逐漸增大時，織物經向寬度對交織阻力的影響逐漸增強。因為依據前文分析，當預加張力增大時，紗線屈曲交換變得更艱難，進而紗線抽拔時的交織阻力變大。與此同時，預加張力不變時，經向寬度越寬，則紗線被拉伸時可伸長的長度距離更大，越有利于屈曲交換。故而所需交織阻力越小。預加張力和經向寬度的增加對于抽拔紗線張力的影響正好是相反的，而相比較于經向寬度的影響，預加張力對于抽拔力的影響顯得更為突出，故呈現出此種情況。

圖6 不同預加張力下不同經向寬度織物最大交織阻力對比圖

2.4 織物緯向寬度對交織阻力曲線的影響

不同緯向寬度織物對交織阻力影響的對比如圖7所示。可知，隨著織物緯向寬度的增大，長絲束所受的交織阻力呈指數增長。預加張力為100和200 N時，最大交織阻力產生時發生的位移隨著織物緯向寬度的增加而增加，但當預加張力為200、300和400 N時，最大交織阻力發生時的位移隨著織物長度的增加呈非線性增加。織物緯向寬度的增加導致了接觸面積的增加，從而增加了紗線抽拔時的摩擦阻力，此外隨著織物緯向寬度的增加，交織點的數量也相應增加，導致長絲束路徑彎曲度增加，故長絲束被抽拔時所消耗的能量也隨著織物緯向寬度的增加而呈指數增長。

圖7 300 N預加張力下不同緯向寬度織物的交織阻力曲線

圖8示出預加張力分別為100、200、300、400 N時產生的最大交織阻力值。可知，當預加張力為100 N時，對比緯向寬度為4和8 cm，以及8和12 cm，均是隨著緯向寬度的增加，其最大交織阻力明顯增大，但增長百分比卻大為不同。前者增長百分比為104%，后者為36.6%；預加張力為200 N時，前者為119.6%，后者為44.9%；預加張力為300 N時，前者為140.9%，后者為50.43%；預加張力為400 N時，前者為157.27%，后者為47.17%。由此可見，預加張力一定時，織物緯向寬度呈比例增加時，最大交織阻力逐漸增大，但增幅呈遞減趨勢。預加張力逐漸增大時，織物緯向寬度對交織阻力的影響逐漸增強。

圖8 不同預加張力下不同緯向寬度織物最大交織阻力對比圖

3 交織阻力模型

3.1 模型公式構建

預構建一個模型公式，用以預測不同經向寬度、不同緯向寬度、不同預加張力情況下抽拔紗線所產生的交織阻力的數值。首先選用半經驗公式法對抽拔實驗的結果進行參數化設定。

3.1.1 退屈曲區模型

當上夾頭對緯紗施加外力后，紗線張力迅速到達一個峰值，在交織阻力-位移曲線上，這一區域稱為“退屈曲區”[10]。

對于每一測試樣品，分別根據其測得的峰值抽拔力Fp和峰值位移Xp對退屈曲區的力和位移數據進行歸一化。該歸一化數據可以通過以下公式進行建模。

(1)

式中：F為抽拔拉力，N；Fp為最大抽拔拉力，N；X為試樣被抽拔時移動的位移，mm；Xp為抽拔力達到最大值時試樣產生的位移，mm；α為關系系數。

可以通過MatLab中非線性最小二乘法為數據集計算出最合適的α值為0.749。其擬合優度(R2)值達到0.988。

然后將每個數據集的實驗數據Fp和Xp值與方程擬合。各自方程式分別為:

Fp=a1+a2L1+a3L2+a4T+a5L1T+a6L2T+a7L1L2+a8L1L2T

(2)

Xp=b1+b2L1+b3L2+b4T+b5L1T+b6L2T+b7L1L2+b8L1L2T

(3)

式中：L1為試樣經向寬度，mm；L2為試樣緯向寬度，mm；T為預加張力，N;常數a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8,以及b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8可以通過MatLab軟件編程并代入已測得的實驗數據，運用非線性最小二乘法求解得出。

3.1.2 黏滑區模型

在“黏滑區”內，隨著位移的增大，交織阻力呈現出一種振蕩衰減趨勢。對于這個階段的每個數據集，同樣可分別通過測得的峰值抽拔力Fp和峰值位移Xp數據來進行歸一化。該歸一化數據可以通過下式進行建模。

(4)

結合公式(2)、(3)，通過MatLab運用非線性最小二乘法為數據集計算出最合適的λ1、λ2值，分別為8.822、0.658。其擬合優度(R2)值為0.973，說明擬合效果很好。

3.2 模型評估

通過交織阻力-位移曲線的完整模型公式，結合已得的實驗數據繪制出了一個完整的擬合曲線，見圖9所示。在整個實驗條件范圍內，模型的擬合優度(R2)值達到0.973。這一點從擬合圖中可得到的很好地印證，可看出擬合效果非常好，半經驗模型準確地代表了實驗數據。

4 結 論

本文研究了芳綸織物在不同規格尺寸、不同預加張力條件下進行單紗抽拔對交織阻力的影響，得出以下主要結論。

1)織物所受預加張力越大，經緯紗的屈曲交換越不容易實現，則輸出張力增大，長絲束所受到的最大交織阻力增大。

2)織物經向寬度越寬，則紗線被拉伸時屈曲部分的伸直以及自身伸長變形的橫向空間均會增加，越有利于屈曲交換，故而所產生的交織阻力越小。

3)織物緯向寬度越寬，則紗線被拉伸時接觸面積更大，交織點的數量也更多，從而增加了紗線抽拔時的摩擦阻力，即所產生的交織阻力越大。

織物所受交織阻力可評價織物的剪切變形性，在一定程度上可體現高性能纖維織物的防彈性能。同等條件下，織物交織阻力越大，越有利于織物的防彈性能的提高。通過研究芳綸織物的交織阻力影響因素，可為進一步優化設計防彈服提供理論指導。交織阻力半經驗模型公式可使實驗人員快速獲取織物在單紗抽拔時的交織阻力值，在很大程度上提高了實驗效率。