仿鱗片結構織物的制備及其防刺性能

劉 青, 牛 麗, 蔣高明, 馬丕波

(江南大學 針織技術教育部工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

目前,許多地區頻繁發生暴力襲擊事件,對民眾特別是警察和安保人員的生命安全構成了極大的威脅[1]。許多暴力事件表明,人們面臨的大多數致命威脅來自鋒利的武器,如刀具和錐具,而非槍支[2-4]。研發具備日常防護性能的防刺服裝有重要的現實意義[5]。

近年來對防刺服的研究主要集中在3個方面。1)高性能纖維的制備及織物結構的變化[6-7]。如Li等[8]通過針刺層壓以機織物為中間層制備了防刺復合織物,該織物具有良好的抗刺性,但存在明顯的層間分離現象;Li等[9]制備了一種三維聯鎖結構防刺織物,該織物具有良好的支撐性,可分散穿刺能量,但可彎折性較差。2)對織物進行增強復合[10-11]。如He等[12]采用芳綸機織物浸漬剪切增稠液(STF)制備防刺織物,這種織物有很好的柔韌性,但剪切增稠液的質量通常很高,給實際穿著帶來負擔;Xia等[13]利用碳化硼/環氧樹脂涂覆芳綸織物制備了涂層防刺復合織物,其防刺性能隨著碳化硼顆粒直徑的增大和質量分數的增加而提升,但需經過多層復合才能達到防刺效果。3)制備仿生鱗片結構的防刺材料[14-15]。目前主要集中在3D打印鱗片[16-17]、樹脂鱗片[18]、可彎折的金屬、巖石等材質的薄片塔接等[19]生物鱗片結構和形狀的模擬上,同時通過粗纖維、鉚釘、金屬絲等進行連接。如Martini等[20]基于仿生原理,對硬質陶瓷的尺寸大小進行設計,制備了一種能夠微調重疊尺度的防刺鱗片復合織物,其靈活性更好、防刺性能更優;董繼萍等[21]利用網孔模板法制備了一種樹脂鱗片,并用熱熔膠薄膜與柔性基布進行結合,對不同位置的防刺性能進行了研究。這種鱗片結構防刺材料在使用過程中易損壞連接材料,造成鱗片脫落,形成防刺漏洞。雖然這些織物或材料在一定程度上可以滿足個人防護的要求,但仍面臨著一些新的挑戰,如層數多、質量重、柔韌性差等問題[22]。

本文在3類方法的研究基礎上,基于穿山甲鱗片質輕、柔韌的特點[23-24],從高性能纖維織物增強體的自身結構出發,采用高性能纖維超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制備一種仿生鱗片結構織物,并探索其防刺性能和機制。相較于平面結構防刺材料,仿鱗片結構防刺材料在改善了穿戴靈活性與舒適性的同時,可有效降低疊層層數,可作為鱗片復合材料制備的優良載體,為防刺性能的提升和柔性、輕質防刺服的研發開拓新的路徑。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

材料:超高分子量聚乙烯紗線,線密度為66.7 tex,捻度為80捻/m,杭州翔盛高強纖維材料股份有限公司;錦綸/氨綸(70/30)包芯紗(線密度為11.1 tex,外包7.8 tex錦綸,芯紗為3.3 tex氨綸)、滌綸紗(線密度為66.7 tex),江南大學針織技術教育部工程研究中心。

儀器:KSC-132國產電腦橫機(14針,雙針床,江南大學針織技術教育部工程研究中心)。

1.2 樣品制備

圖1示出穿山甲鱗片結構圖及其仿生織物的編織工藝模擬圖。

圖1 穿山甲鱗片結構圖及其仿生織物的穿紗工藝和編織工藝模擬圖

穿山甲的鱗片之間相互重疊,單個鱗片呈扇形,每個鱗片周圍有6個鱗片,如圖1(a)所示。基于這種結構,制備了鱗片結構織物,制備過程如下:在電腦橫機配套的電腦制版系統KDS-MAIN中繪制仿鱗片結構織物的制版工藝圖,設置度目(密度)、速度、紗嘴等工藝參數。織物由1號紗嘴和6號紗嘴共同編織而成。其中:1號紗嘴穿滌綸紗,用于編織織物的起頭和結尾;6號紗嘴為雙紗嘴,用于編織織物的主體部分;UHWPE紗線和錦綸/氨綸包芯紗從6號紗嘴的同一個口穿入,UHWPE紗線從下口穿出,錦綸/氨綸包芯紗從上口穿出。織物的穿紗工藝如圖1(b)所示,編織過程中織物的線圈模擬如圖1(c)所示。由于UHMWPE紗線強度較高,為避免高強紗線對織針造成損壞,整個編織過程均在低速下進行。

以鱗片的橫列數和縱行數為變量,共編織了9種規格的鱗片織物如圖2所示,分別命名為a1(10縱行×8橫列)、a2(10縱行×10橫列)、a3(10縱行×12橫列)、b1(14縱行×8橫列)、b2(14縱行×10橫列)、b3(14縱行×12橫列)、c1(18縱行×8橫列)、c2(18縱行×10橫列)、c3(18縱行×12橫列),括號內為單個鱗片部分的縱行數和橫列數。在制版過程中,9種織物僅調整了制版圖鱗片部分的橫列數和縱行數。織物樣品尺寸約為10 cm×10 cm,厚度約為2 mm,橫密為38.5縱行/(5 cm),縱密為55.5橫列/(5 cm), UHMWPE的線長為8.8 cm/(50針)。織物的面密度因鱗片大小不同而存在差異,在10 cm×10 cm規格的基礎上,a1～c3織物的面密度在762～893 g/m2之間,鱗片大小的變化不會影響織物的整體尺寸。

圖2 9種不同規格的仿鱗片結構織物

1.3 仿鱗片結構織物的成形原理

仿鱗片結構織物的編織原理主要是鱗片連接處線圈的收縮及前、后針床的單獨編織。圖3示出仿鱗片結構織物的結構模擬。其中,仿鱗片結構織物仿真主要由連接部分和鱗片部分循環編織而成,其編織過程如下。織物起底后先進行連接部分的編織,后進行鱗片部分的編織,此后形成循環。織物起底部分在編織到邊緣部分前一行時不脫圈,此后進行鱗片織物邊緣部分的編織,至此鱗片織物的連接部分編織完成。然后進行鱗片部分的編織,鱗片部分為1+1羅紋組織,這個部分單獨由前、后針床共同編織,僅在相鄰鱗片橫向連接處與連接部分未脫圈的一排線圈有連接,即此時的前、后針床只進行鱗片部分及鱗片間連接點的編織,直至鱗片部分編織完成。鱗片部分編織完成后重新開始下個循環,即重新編織連接部分,并與上個循環連接部分未脫圈的線圈相穿套,即第1個循環未脫圈的線圈和下個循環的未脫圈線圈以部分集圈的方式進行完全連接。由于鱗片部分存在高度,相鄰2個縱向連接部分通過線圈連接后織物會收緊,從而使鱗片織物相互覆蓋折疊。由于橫向連接處的線圈數少于鱗片主體部分的線圈數,因此,鱗片結構單元會產生收縮,形成鱗片效應。縱向2個鱗片連接部分的線圈穿套方式為部分集圈。

圖3 單個鱗片和仿鱗片結構織物的結構模擬

1.4 防刺性能測試

1.4.1 準靜態穿刺性能

在MTS萬能試驗機(深圳MTS系統公司)上自行設計了準靜態穿刺實驗裝置,如圖4所示。參照GA 68—2019《警用防刺服》,將織物夾緊在環形夾中,以避免織物滑動,環的孔徑為4.5 cm。織物的最大穿刺位移設置為30 mm,當織物穿刺前的形變超過30 mm時,以刺破時的位移為準。穿刺速度為10 mm/min, 預載力為1 N,破壞靈敏度為100%,數據采集頻率為30 Hz。選擇織物的中心作為穿刺點,測試工具的穿刺角偏差應小于或等于5°,刀片每使用3次后進行更換,穿刺結果為5次實驗的平均值。

圖4 準靜態穿刺實驗裝置

1.4.2 微觀結構觀察

使用QPT-12V工業顯微鏡(深圳光儀世界機器森林雨)拍攝織物光學照片,初步觀察織物的損傷形貌。使用Su1510掃描電子顯微鏡(日本日立公司)觀察織物被刺穿后的刺口形貌及紗線的斷裂方式。

2 結果與討論

2.1 穿刺位置及方向對織物防刺性能影響

鱗片結構織物每個鱗片周圍有6個鱗片,鱗片之間相互折疊,織物中的薄弱部分和重疊部分同時存在。為探索穿刺位置、方向對織物防刺性能的影響,對織物的不同位置進行了標記,并選取織物重疊處對3個方向進行防刺性能研究。穿刺刀具的安裝方向包括0°和90°,45°穿刺時調整織物的放置方向,與刀具成45°角即可(見圖5(a))。

圖5 不同穿刺位置及方向下織物的準靜態穿刺性能

圖5(b)、(c)示出鱗片織物的典型穿刺位移-載荷曲線。可知,織物在重疊處的防刺性能(約32.5 N)最好,連接處(約19.3 N)次之,非重疊處(約11.7 N)最差。這主要與刀刃處切割的線圈數量及線圈穿套的緊密程度有關。重疊部分為鱗片雙層結構,連接處的線圈比鱗片部分的線圈穿套更加緊密,非重疊處只有1層羅紋組織。由此可見,增加鱗片的覆蓋面積可有效提升鱗片織物的防刺性能。

由圖5(c)可知,鱗片織物在0°方向的防刺性能(約32.5 N)優于45°(約17.7 N)和90°(約17.5 N)。這是因為在0°穿刺的情況下,織物的穿刺軌跡完全是鱗片的重疊部分,切割的線圈數量更多。在45°和90°穿刺時,穿刺軌跡經過織物的非重疊處,切割的線圈數量相對較少。此外,在90°穿刺時,織物鱗片部分的羅紋組織結構縱向間隙較大,刀尖更容易擠入織物縫隙中,從而導致防刺性能較差。

2.2 鱗片大小對防刺性能的影響

為進一步探索鱗片大小對仿鱗片結構織物防刺性能的影響,對9種規格鱗片織物重疊處的防刺性能進行研究。圖6示出仿鱗片結構織物在相同位置的準靜態穿刺性能。可以看出,c3織物的防刺性能明顯優于其它織物,這與其鱗片的大小和覆蓋面積相關。

圖6 不同規格仿鱗片結構織物的準靜態穿刺性能

9種規格鱗片織物在面積覆蓋率、面密度、鱗片偏折角等方面存在規律性差異。圖7示出單個鱗片的結構模型及其織物參數的變化。

圖7 單個鱗片的結構模型及鱗片覆蓋率、織物面密度和鱗片偏折角隨鱗片大小的變化

根據單個鱗片的結構,建立了單個鱗片的結構模型。單個鱗片可拆分為長方形部分S1和弧形部分S2,弧形部分的橫向尺寸記錄為2a, 縱向尺寸為b,鱗片偏折角為α。根據9種規格鱗片織物實際尺寸的變化規律,鱗片橫向長度約為0.156x,縱向尺寸約為0.123y,如圖7(a)所示。其中x、y分別為鱗片織物鱗片部分的縱行數和橫列數,與圖2中的縱行數和橫列數相對應。

根據單個鱗片的結構模型和鱗片偏折角,可得出鱗片總面積S、重疊部分面積So、非重疊部分面積Sw。具體可表示如下:

S1=0.156x×(0.123y-b)

S=S1+S2,Sw=S1-S2,So=2S2

根據上式得出鱗片織物面積覆蓋率、面密度、偏折角隨織物鱗片大小的變化規律,如圖7(b)～(d)所示。

1)當縱行數不變時,隨著橫列數的增加,鱗片總面積覆蓋率呈增長趨勢,非重疊面積覆蓋率和重疊面積覆蓋率都逐漸增加。但重疊面積的增長率逐漸變大,例如c1～c3重疊面積的增長率大于a1～a3; 非重疊面積的增長率逐漸減小, 例如c1～c3非重疊面積的增長率小于a1～a3。

2)當橫列數不變時,隨著縱行數的增加,鱗片總面積覆蓋率基本保持不變,但重疊面積的覆蓋率逐漸增大,例如a3、b3、c3;非重疊面積的覆蓋率逐漸減小,例如a3、b3、c3。縱行數較大的情況下,以上趨勢更加明顯;反之,以上趨勢則不明顯,例如a1、b1、c1。

3)鱗片縱行數的增加對織物面密度幾乎沒有影響,但隨著鱗片橫列數的增加,織物面密度呈線性增加。

4)當縱行數不變時,隨著橫列數的增加,鱗片的偏折角呈現逐漸增大的趨勢,例如a1、a2、a3。當橫列數不變時,隨著縱行數的增加,鱗片的偏折角呈現逐漸減小的趨勢,例如a1、b1、c1。

綜合以上分析可以得出,縱行數是影響鱗片面積覆蓋率的主要因素,橫列數的增加對鱗片面積覆蓋率的增加有促進作用。應盡可能在滿足上機情況的前提下增加鱗片部分的橫列數和縱行數,但同時應注意,橫列數的增加會減少連接點,同時造成偏折角α的減小,逆鱗片方向的穿刺概率會增大。

2.3 仿生織物的準靜態穿刺過程及機制

2.3.1 穿刺刀頭對防刺性能的影響

圖8示出2種穿刺刀具及織物穿刺載荷-位移曲線。可以看出,織物被刺破前,曲線是向下凹陷的,說明鱗片織物在被穿刺前均發生了較大的形變,D3刀具穿刺下織物的刺破位移(約53.6 mm)大于D1刀具(約19.3 mm)。D3穿刺下織物的刺破載荷(約264.7 N)明顯高于D1刀具(約32.5 N)。這主要是因為D1刀具的刀刃非常鋒利,且織物在刀尖處的受力面積較小。

圖8 2種穿刺刀具及織物穿刺位移-載荷曲線

由圖8(b)可看出,鱗片織物在D1刀具作用下的穿刺過程主要可分為4個階段。I:0～a階段,織物受力發生形變,但尚未被穿透;a點表示刀尖開始刺入織物,因此曲線在a點有一個小抖動。II:a～b階段,刀尖雖然刺入織物,但織物尚未產生斷裂失效。III:b～c階段, 織物完全斷裂失效,峰值載荷大幅度下降,刀尖被織物的刺口卡住,產生“自鎖”效應。IV:c～d階段,刀刃開始持續性擠壓和切割周圍的紗線,由于摩擦力存在,力值會有所增加。D1刀具的刀刃長度為30 mm, 穿刺位移超過30 mm后,刀具對織物的作用主要為刀柄對織物的擠壓及摩擦作用。

由圖8(c)可看出,鱗片織物在D3刀具作用下的穿刺過程主要可分為3個階段。I:0～a階段,刀尖尚未刺入織物。II:a～d階段,刀尖不斷發生擠壓紗線-被紗線鎖緊-擠壓紗線的循環變化。III:d～e階段,織物被D3刀具穿透,產生失效現象。由于D3刀具表面光滑,且橫截面積較小,穿透織物后刀柄對織物的擠壓作用較小。

2.3.2 仿鱗片結構織物的防刺機制

為進一步探究不同刀具對織物的損傷機制,對2種刀具的刺口形貌進行了觀察,結果如圖9所示。由圖9(a)、(b)可看出,2種織物刺口皆呈現錐形,進一步表明織物被穿透前發生了形變;D1刀具穿透織物后刺口較大,表面有短纖維拔出;D3刀具穿透織物后,織物刺口均勻且平整,紗線被抽出后聚集在刀具周圍。圖9(c)、(d)為不同放大倍數下織物在D1刀具作用下損傷區域的SEM照片。可以看出,紗線被均勻切割,部分紗線被拔出,說明D1刀具對織物的主要作用為切割作用,紗線的斷裂失效主要為切割斷裂失效和拉伸斷裂失效,并伴隨紗線抽拔作用。圖9(e)、(f)為不同放大倍數下織物在D3刀具作用下損傷區域的SEM照片。可以看出,刀具周圍的紗線被擠壓出織物表面,并伴隨少量的紗線斷裂失效,說明D3刀具對織物的主要作用為擠壓、拉伸,并伴隨少量紗線拉伸斷裂失效。

圖9 準靜態穿刺下織物的破壞形態

3 結 論

本文以穿山甲疊層式鱗片結構為靈感,采用超高分子量聚乙烯紗線制備了一種仿生鱗片結構織物,并探討了其成形原理及防刺性能,得到如下結論。

1)鱗片連接處線圈的收縮及前、后針床的單獨編織是形成鱗片織物的主要原理。

2)穿刺位移、方向對織物的防刺性能影響較大,鱗片重疊處及0°方向切割時,織物的防刺性能更好,這主要與刀刃切割處的線圈數量有關。

3)鱗片大小及面積覆蓋率是影響鱗片織物防刺性能的主要因素,鱗片縱行數的增加是提升織物防刺性能的關鍵方法之一。

4)鱗片織物在D3刀具下的抗穿刺能力優于D1刀具,這主要與刀具的鋒利程度及織物在刀尖處的受力面積有關,織物在不同穿刺刀具下的穿刺過程存在差異性。

5)D1刀具穿刺下,鱗片織物的損傷機制主要為紗線的切割斷裂失效;D3刀具穿刺下,鱗片織物的損傷機制主要為刀尖對紗線的擠壓作用及拉伸斷裂失效。