機織物/非織造布疊層復(fù)合織物的防刺性能分析

關(guān)福旺， 李佳霜， 李 丹， 張麗莉， 廖怡琦， 楊竹麗， 邱夷平,2

(1.泉州師范學(xué)院 紡織與服裝學(xué)院，福建 泉州 362000；2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

防刺服能有效地抵御刺刀、匕首等常見銳器從各個角度對人體的攻擊，從而避免人體重要器官遭受傷害。隨著槍械管制的日益嚴(yán)格，持刀襲擊成為人員傷亡的主要威脅，尤其對于公安、武警、保安等高危職業(yè)人群。此外，其他職業(yè)人群如建筑工人、水里作業(yè)人員的安全防護也需要防刺產(chǎn)品。因此，防刺服及其他防刺裝備的研制尤為重要[1-2]。

根據(jù)材質(zhì)、質(zhì)量和原理的不同，將目前的防刺服分為硬質(zhì)、軟質(zhì)、半硬質(zhì)等3類，這些防刺服的防刺效果、柔軟性、質(zhì)量等特性差異較大，從實際應(yīng)用來看，半硬質(zhì)防刺服兼具良好的防刺特性和舒適性[3]。單一的高性能面料難以實現(xiàn)較高的防刺特性，研究者在提高織物防刺性能方面開展了較多研究工作，如：田笑[4]研究了多層織物結(jié)構(gòu)及不同成型方式對織物準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能的影響；馬飛飛[5]利用離散樹脂涂層工藝，將改性樹脂以離散狀態(tài)固化在基布表面制備出離散樹脂防刺復(fù)合材料；楊婉秋等[6]采用滌綸間隔織物與防刺材料相結(jié)合的方式制備復(fù)合防刺織物，探究不同結(jié)構(gòu)復(fù)合防刺織物的防刺效果；李聃陽等[7]利用剪切增稠液浸漬芳綸織物制備柔性防刺材料，探究織物結(jié)構(gòu)對剪切增稠液體/芳綸復(fù)合織物防刺性能的影響。

隨著實際作戰(zhàn)經(jīng)驗的增加以及防刺材料的發(fā)展，防刺服的研發(fā)技術(shù)及質(zhì)量也需要進(jìn)行革新。國家公安部在GA 68—2008《警用防刺服》基礎(chǔ)上頒布了GA 68—2019標(biāo)準(zhǔn)，與舊標(biāo)準(zhǔn)相比，新標(biāo)準(zhǔn)增加了使用場所的分類、調(diào)整了測試方法、規(guī)定了產(chǎn)品的面積及總質(zhì)量的最大值[8-9]，因此研發(fā)警用相關(guān)防刺產(chǎn)品時，需在一定程度上重新進(jìn)行設(shè)計、制備和測試評估。

相較于SiO2粒子涂層[2,10]、熱固或者熱塑性樹脂復(fù)合[5,11]、浸漬剪切增稠液體等防刺技術(shù)[12-13]，多層織物疊層復(fù)合方法最為簡單。平紋機織物結(jié)構(gòu)緊密，在防刺產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)中經(jīng)常使用，但二維機織物的交織特點決定了其具有孔洞結(jié)構(gòu)，尤其是在高強度刺刀沖擊下，單層織物的紗線會發(fā)生滑移，導(dǎo)致織物的孔洞增大而難以抵抗尖刀的刺入[14-15]；而針刺非織造材料具有特殊的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對尖銳物體的穿刺力具有很好的傳遞、分散和抗剪切能力，但其強力較低[16-17]。因此，將機織物與非織造布疊層復(fù)合，開發(fā)多層織物復(fù)合材料，有望達(dá)到較理想的防刺效果。目前在所有高性能纖維中，超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene, UHMWPE)纖維質(zhì)量最輕，但其比強度和比模量較大，且纖維的能量吸收性較好[18-19]，故采用UHMWPE纖維原料織造平紋機織物，與相同原料組分的非織造布疊層復(fù)合，探究多層復(fù)合織物在新標(biāo)準(zhǔn)下的防刺效果。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

UHMWPE纖維長絲紗，低捻處理，線密度為44.4 tex，斷裂強度為0.33 cN/dtex(由東莞索維特殊線帶有限公司提供)；UHMWPE短纖維針刺非織造布，面密度為400 g/m2，厚度為2.2 mm(由東莞索維特殊線帶有限公司提供)。

1.2 試驗設(shè)計

先采用不同機織物與非織造布疊層復(fù)合，形成三層“漢堡”型復(fù)合織物，上下兩層為平紋機織物，中間層為非織造布。在三層“漢堡”型復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，將三層層壓機織物與非織造布進(jìn)行多次交替鋪層，進(jìn)一步探究該疊層織物的防刺效果。圖1(a)為三層“漢堡”型樣品結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(b)為多層交替鋪層樣品結(jié)構(gòu)示意圖。樣品設(shè)計基本參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 三層“漢堡”型樣品設(shè)計參數(shù)Table 1 The designed parameters of three-layer “hamburger” samples

表2 三層層壓機織物與非織造布交替鋪層樣品設(shè)計參數(shù)

圖1 兩種機織物/非織造布疊層復(fù)合織物示意圖Fig.1 Two schematics of woven/nonwoven laminated composite fabrics

1.3 樣品制備及測試過程

1.3.1 樣品制備過程

采用SGA598型全自動劍桿織樣機進(jìn)行樣品織造，織造過程及樣品照片分別如圖2(a)和(b)所示。將織造得到的機織物與非織造布進(jìn)行交替鋪層制成復(fù)合織物，層間所使用的黏結(jié)材料為樹脂型壓敏膠，樣品尺寸為25 cm×25 cm。

圖2 織造過程及樣品實物圖Fig.2 Images of weaving process and the fabric sample

1.3.2 樣品測試過程

根據(jù)GA 68—2019《警用防刺服》進(jìn)行動態(tài)穿刺測試，測試中使用的落錘式?jīng)_擊試驗機如圖3所示。

圖3 防刺特性測試儀器示意圖Fig.3 Schematic diagram of stab-resistance test instrument

由圖3可知，在測試過程中，測試材料放置在背襯材料上方，同時兩邊用尼龍搭扣帶固定。背襯材料尺寸為400 mm×400 mm×67 mm，從上到下依次為4層6 mm厚的氯丁橡膠海綿、1層30 mm厚的聚乙烯閉孔泡沫塑料、2層6.5 mm厚的天然橡膠。試驗中采用GA 68—2019《警用防刺服》中A類防刺服測試用的D1刀具，刀具加配重共2.45 kg，當(dāng)其以一定高度自由下落進(jìn)行穿刺時，防刺材料不被穿透即為合格樣品。

為研究不同樣品的防刺特性，將刀具分別從不同的高度自由落體以進(jìn)行穿刺試驗，控制沖擊穿刺能量分別為1.2、2.4和24.0 J；穿刺角度為0°，即標(biāo)準(zhǔn)刀具垂直穿刺織物樣品，此時的穿刺力度最大。通過對比這種穿刺形式下不同樣品的穿刺深度，探究復(fù)合結(jié)構(gòu)中織物的排列方式、排列層數(shù)對防刺特性的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 三層“漢堡”型復(fù)合織物性能對比分析

對所制備的三層“漢堡”型結(jié)構(gòu)復(fù)合織物的基本性能進(jìn)行測試，主要包括厚度、質(zhì)量、面密度的測試。表3列出了4塊樣品的測試結(jié)果。

表3 三層“漢堡”型復(fù)合織物的基本性能參數(shù)

從表3可以看出，隨著織物層數(shù)的增多，樣品的厚度、質(zhì)量和面密度均增加。其中樣品A3和A4的上下兩層均為三層平紋機織物，但A4樣品在制備過程中引入了膠黏劑，其厚度、質(zhì)量和面密度略大于A3。三層接結(jié)機織物和三層層壓機織物的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 兩種三層織物的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagrams of two kinds of three-layer fabric

為了研究分析三層“漢堡”型織物的防刺特性，每塊樣品隨機取3個點，測試調(diào)控沖擊能量分別為1.2和2.4 J時的穿刺深度，并計算平均穿刺深度。樣品A1～A4的動態(tài)穿刺深度如表4所示。

表4 三層“漢堡”型復(fù)合織物的動態(tài)穿刺深度Table 4 Dynamic puncture depth of three-layer “hamburger” composite fabrics mm

由表4可知，隨著上下層二維正交機織物層數(shù)的增加，三層“漢堡”型復(fù)合織物的穿刺深度逐漸減小，防刺性能逐漸變好。但就防刺效果最好的A4樣品而言，在1.2和2.4 J兩種能量下的穿刺深度分別為18.01和25.88 mm，樣品距離真正能夠達(dá)到防刺標(biāo)準(zhǔn)(防刺深度0 mm)有較大差距，因此需要利用機織物與非織造布多次交替鋪層，提高防刺效果。另外，樣品A3和A4在兩種能量下的穿刺深度相差不大，A4呈現(xiàn)出略好一點的防刺特性。這是因為多層接結(jié)織物的第一層被刺破時，刺刀也陸續(xù)接觸到接結(jié)在上層的紗線，造成了更多的紗線陸續(xù)斷裂，而多層層壓織物層間沒有連接，當(dāng)刺刀向下運動過程中，刺破第一層紗線，穿刺力下降，這時穿刺刀具才開始接觸到下層紗線，整個過程產(chǎn)生的能量消耗較大，另外層壓織物間有一定的摩擦力，也使得防刺性能有一定的提高。對于三層接結(jié)織物，其織造難度較大，尤其是對于高性能的UHMWPE纖維。因此后續(xù)試驗中直接采用三層層壓織物與非織造布進(jìn)行多次交替鋪層，以期獲得更理想的防刺特性。

2.2 多層交替鋪層復(fù)合織物的性能分析

對所制備的多層交替鋪層復(fù)合織物進(jìn)行基本性能測試，主要包括厚度、質(zhì)量和面密度，4塊樣品測試結(jié)果如表5所示。

表5 多層交替鋪層復(fù)合織物的基本性能參數(shù)

由表5可知，隨著織物層數(shù)的增加，多層交替鋪層復(fù)合織物的厚度、質(zhì)量和面密度均增加。在確定基本性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，對樣品的防刺特性進(jìn)行分析，以24 J的沖擊能量對樣品進(jìn)行穿刺測試，每組樣品測5次，分析4塊多層樣品動態(tài)測試結(jié)果，樣品B1～B4的5個取樣點穿刺深度值分布情況，如圖5所示。

圖5 樣品B1～B4的5個取樣點穿刺深度值分布Fig.5 Puncture depth distribution of sample B1-B4 at five sampling points

由圖5中穿刺測試結(jié)果可知，在24 J的沖擊能量下，多層交替鋪層復(fù)合織物全部被刺破，未達(dá)到GA 68—2019標(biāo)準(zhǔn)中A類防刺服的要求，但隨著織物層數(shù)的增加，穿刺深度逐漸減小，防刺性能隨著織物層數(shù)的增加而增強。

進(jìn)一步分析樣品的防刺特性，選取具有代表性的樣品，對穿刺測試后樣品正反面刺口進(jìn)行觀察。圖6為動態(tài)穿刺測試后樣品B4的正反面效果圖。

圖6 樣品B4動態(tài)穿刺測試后正反面圖Fig.6 Front and back images of sample B4 after dynamic puncture test

由圖6可知，樣品B4未能承受24 J的能量沖擊，復(fù)合結(jié)構(gòu)被刺穿，但正反穿刺的刀口痕跡差異較大。因為初始刺入織物時對織物的破壞較大，隨著刺入層數(shù)的增加，織物產(chǎn)生更大的摩擦阻力，刀尖刺入能量逐漸被削弱分散，對織物的破壞逐漸減小，導(dǎo)致樣品正反面穿刺的刀口痕跡差異較大。

2.3 防刺達(dá)標(biāo)預(yù)測分析

由樣品測試數(shù)據(jù)可知，試驗中所制備的4塊樣品在24 J的沖擊能量作用下，樣品均被刺破，未能達(dá)到GA 68—2019標(biāo)準(zhǔn)中A類防刺服的要求。但對于B1～B4樣品，隨著織物層數(shù)的勻速增加，穿刺深度也在勻速減小，因此利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)可預(yù)測能夠達(dá)到防刺標(biāo)準(zhǔn)所需的織物層數(shù)，為后續(xù)試驗奠定基礎(chǔ)。多層交替鋪層復(fù)合織物的層數(shù)與穿刺深度、面密度的曲線關(guān)系如圖7所示。

圖7 多層交替鋪層樣品穿刺深度及面密度變化Fig.7 The change of puncture depth and surface density of multi-layer alternating layered samples

圖7顯示，織物層數(shù)與穿刺深度、面密度之間存在明顯的規(guī)律，可擬合為一次函數(shù)，設(shè)織物層數(shù)為x，穿刺深度為y1，面密度為y2，通過所測數(shù)據(jù)擬合得到方程(1)和(2)。

y1=-2.085x+43.015

(1)

y2=0.560 3x-0.157 7

(2)

當(dāng)穿刺深度y1=0時，織物不被穿刺，此時可求得疊層層數(shù)x=20.63，故可預(yù)測出：當(dāng)織物層數(shù)大于21層時，能夠達(dá)到GA 68—2019標(biāo)準(zhǔn)中A類防刺服的要求，考慮到層間結(jié)合牢度存在不均勻性，因此需要21～23層疊合。將x值代入方程(2)，計算出面密度為11.61～12.73 kg/m2。

3 結(jié) 語

設(shè)計并制備了機織物/非織造布疊層復(fù)合織物，通過對其防刺特性進(jìn)行測試分析，得出以下結(jié)論：

(1)三層平紋層壓織物與三層平紋接結(jié)織物相比，兩者的厚度、密度和面密度相差不大，在1.2和2.4 J能量下的穿刺深度也較為接近，接結(jié)織物穿刺深度分別為18.22和26.44 mm，層壓織物穿刺深度分別為18.01和25.88 mm。因此，在制備多層交替鋪層復(fù)合織物時，層壓織物具有加工優(yōu)勢。

(2)對于機織物與非織造布多層交替鋪層復(fù)合織物，隨著織物層數(shù)的增加，穿刺深度勻速減小。8層機織物與9層非織造布交替鋪層的復(fù)合織物的面密度為9.36 kg/m2，平均穿刺深度為7.71 mm。

(3)復(fù)合織物中的織物層數(shù)與穿刺深度、面密度之間存在明顯的規(guī)律，可擬合為一次函數(shù)。當(dāng)穿刺深度為0 mm時，求得鋪層層數(shù)為20.63層，故可預(yù)測出織物層數(shù)大于21層時能夠達(dá)到GA 68—2019標(biāo)準(zhǔn)中A類防刺服的要求，考慮到層間結(jié)合牢度存在不均勻性，因此要21～23層疊合。