蔣干兵，王發(fā)陽(yáng)，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(yè)投資集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港 222002；3.連云港市纖維檢驗(yàn)中心 ，江蘇 連云港 222047）

隨著社會(huì)對(duì)公共安全問(wèn)題的日益重視，個(gè)體防護(hù)的重要性在軍事和民事領(lǐng)域都在不斷上升，其中人體防彈防刺裝備可通過(guò)對(duì)材料的選用、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工藝精細(xì)化來(lái)實(shí)現(xiàn)高效防護(hù)，但往往受限于服用性能和作業(yè)速度。因此，研究高防護(hù)力、輕量化、高適應(yīng)性、高服用性為主要特點(diǎn)的人體防護(hù)材料，是目前提高士兵戰(zhàn)場(chǎng)生存能力、適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)迫切需求的重要方向。高強(qiáng)高模的高性能纖維是防護(hù)材料的首選[1]，如超高分子質(zhì)量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene，UHMPWE）纖維，因其是高性能纖維中質(zhì)量最輕的一種而成為應(yīng)用最廣泛的增強(qiáng)材料，PBO纖維的相關(guān)技術(shù)改進(jìn)也促使其產(chǎn)品防護(hù)性能優(yōu)于其他材料[2-3]。另外，織物形式對(duì)防護(hù)材料性能有著極大的影響[4-5]，無(wú)紡布由于其獨(dú)特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)外來(lái)能量具有很好的分散和緩沖作用，而機(jī)織布是高性能纖維在防護(hù)材料領(lǐng)域最常見(jiàn)的形式。因此，研究將突破傳統(tǒng)單層防刺織物的形式，復(fù)合兩種不同結(jié)構(gòu)的高性能纖維織物，實(shí)驗(yàn)研究復(fù)合織物的準(zhǔn)靜態(tài)穿刺性能，為防刺用高性能纖維柔性復(fù)合織物的原料選擇、制備和優(yōu)化提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料選擇

本實(shí)驗(yàn)選用江南大學(xué)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(wú)紡布，平紋布參數(shù)見(jiàn)表1。值得注意的是，平紋布經(jīng)緯紗均用捻度為100捻/m的合捻紗，理論上認(rèn)為相同條件下無(wú)捻長(zhǎng)絲織物的防護(hù)性能高于加捻紗線的織物，所以在選購(gòu)原料時(shí)考慮選用UHMWPE無(wú)捻長(zhǎng)絲和PBO無(wú)捻長(zhǎng)絲以及選用低彈滌綸絲與之進(jìn)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(qiáng)度較高且平紋布的質(zhì)地較為緊密硬挺，不適合通過(guò)針刺或水刺將其與無(wú)紡布復(fù)合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案要求，平紋布與無(wú)紡布的合成采用縫合工藝。由于成品材料用于防護(hù)，使用者活動(dòng)力度較大會(huì)造成縫合接口破裂，所以選擇強(qiáng)度較高的全延伸絲（Fully Drawn Yarn，F(xiàn)DY）縫紉線。通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，縫紉中的壓腳力、縫紉速度、縫線張力等工藝參數(shù)對(duì)縫紉效果有很大的影響，通過(guò)不斷調(diào)整，確定縫紉工藝具體參數(shù)，如表2所示。

表1 平紋布規(guī)格參數(shù)

表2 縫紉工藝參數(shù)

將樣布裁剪成穿刺實(shí)驗(yàn)所需的直徑為8 cm的圓片，將平紋布與無(wú)紡布縫合后成品如圖1所示。

圖1 縫合效果（左為無(wú)紡布面，中為B平紋布面，右為A平紋布面）

1.3 準(zhǔn)靜態(tài)穿刺測(cè)試

由于無(wú)紡布的吸濕透氣性較好而平紋布較為硬挺，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中考慮將平紋布作為受刺表層，無(wú)紡布作為里層。依據(jù)GA 68—2008《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn)[6]，采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（上海傾技儀表科技有限公司）進(jìn)行測(cè)試（圖2），并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來(lái)調(diào)整測(cè)試儀器及定制測(cè)試所用相關(guān)刀具（圖3）。設(shè)定刀具與織物的測(cè)試前速度為20 mm/min，穿刺速度設(shè)置為50 mm/min，刀具與織物的起始隔距為150 mm，每組測(cè)試3個(gè)樣品并計(jì)算平均值。

圖2 準(zhǔn)靜態(tài)防刺實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 準(zhǔn)靜態(tài)防刺實(shí)驗(yàn)刀具

2 結(jié)果與討論

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)匯總了穿刺力值結(jié)果，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，其中A-U組平紋布的經(jīng)紗采用1 660 D的PBO/滌綸并捻紗，B-U組平紋布的經(jīng)紗采用220 D的UHMWPE/滌綸并捻紗，A-U組經(jīng)紗強(qiáng)力遠(yuǎn)大于B-U組。這表明紗線強(qiáng)力對(duì)織物強(qiáng)力起很大的支撐作用（表3）。

表3 實(shí)驗(yàn)對(duì)照結(jié)果

兩組實(shí)驗(yàn)材料的穿刺力變化趨勢(shì)相似（圖4），都是先上升再下降。在穿刺過(guò)程中，紗線逐根斷裂，所以力學(xué)曲線成階梯型坡度抖動(dòng)。在穿刺過(guò)程中，織物會(huì)受到刀具的摩擦發(fā)生形變（圖5），刀具呈90°穿刺織物時(shí)，穿刺力對(duì)織物的作用主要表現(xiàn)為對(duì)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(dá)到最大，織物受到的拉伸最大，此時(shí)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(shí)刀具受到的橫向剪切力也上升到最大值。所以，紗線強(qiáng)力對(duì)織物強(qiáng)力的支撐作用在穿刺力峰值處表現(xiàn)最為明顯。

圖4 穿刺力學(xué)曲線

在刀具向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)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(qū)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(dāng)剪切力增加到受拉伸紗線強(qiáng)力之和的時(shí)候，超過(guò)本體強(qiáng)力的紗線開(kāi)始斷裂，三角區(qū)的拉伸力相應(yīng)有所下降，穿刺所需力也會(huì)相應(yīng)下降，當(dāng)再有一根新的紗線加入拉伸三角區(qū)的時(shí)候，穿刺力再進(jìn)入下一個(gè)抖動(dòng)坡度。當(dāng)?shù)毒呦陆档娇椢锏慕佑|面積增加到最大時(shí)，拉伸三角區(qū)所受的剪切力上升到最大，此時(shí)發(fā)生斷裂的紗線受到的拉伸力大于本體強(qiáng)力，斷裂根數(shù)增加到最大。當(dāng)?shù)毒咴偻聲r(shí)，由于紗線的斷裂是一個(gè)緩慢的過(guò)程，所以峰值之后紗線繼續(xù)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(qū)的紗線所受到的拉伸較小。所以，雖然峰值過(guò)后的力學(xué)曲線依然成坡度抖動(dòng)，但總體趨勢(shì)是下降的。

在穿刺過(guò)程中，到達(dá)最大接觸面積之前，刀具先穿過(guò)機(jī)織布再穿過(guò)無(wú)紡布。無(wú)紡布對(duì)刀具的作用不像機(jī)織布，它依靠纖維的纏結(jié)鎖住刀具。在力學(xué)曲線前期上升過(guò)程中，穿刺力每次到達(dá)小峰值之后曲線會(huì)有一個(gè)坡度的抖動(dòng)，也就是無(wú)紡布對(duì)剪切力產(chǎn)生的影響。

圖5 織物受力形變

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)縫合工藝將兩種機(jī)織平紋布分別與UHMWPE無(wú)紡布進(jìn)行復(fù)合，探究了其準(zhǔn)靜態(tài)穿刺性能。通過(guò)分析，得出如下結(jié)果。

（1）紗線強(qiáng)力影響織物強(qiáng)力，即經(jīng)紗為PBO/滌綸并捻紗的平紋布與UHMWPE無(wú)紡布復(fù)合成的縫合織物穿刺力值較經(jīng)紗為UHMWPE/滌綸并捻紗的相應(yīng)縫合織物大。

（2）對(duì)織物的穿刺過(guò)程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，刀具與織物橫向接觸面積最大時(shí)，織物受到的拉伸最大，此時(shí)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(shí)刀具受到的橫向剪切力也上升到最大值。在達(dá)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。