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《合成纖維雜志》2016年第12期

摘要：

介紹了機織物防刺機制、測試方法及防刺性主要評判指標的研究進展，并以織物的防刺機制為理論依據，從纖維原料、紗線、織物、后整理四方面分析了提高機織物防刺性的設計方法。

關鍵詞：

機織物；防刺性；設計

以硬質合金、陶瓷或復合材料板作為防刺材料的防護服的防刺特性較好，但其較笨重、不夠靈活，穿著起來也不舒適，隱蔽性也差[1]。這使得以織物為主的柔性防刺材料的開發受到普遍關注。機織物是柔性防刺材料常用的織物類型[2]。本文主要介紹了機織物的防刺機制及測試指標，從機織物纖維原料、紗線、織物及后整理等方面分析了提高機織物防刺性能的方法。

1機織物的防刺機制及測試指標

1.1機織物的防刺機制

機織物的穿刺過程是一個復雜的問題，因為它需要充分考慮到織物的緊密度和刺針的鋒利度。TERMONIAY[3]開發了一個模型，用于纖維織物系統對刺針穿刺阻力因素的研究。研究結果表明穿刺經歷了4個不同的階段：刺針的尖端接觸并給纖維束施加一定的壓力；刺針的尖端滑移到纖維間距內，造成穿刺；織物中紗線間的摩擦作用阻止刺針刺入織物；刺針的錐形部分滑移。在多層機織物中，發現刺針的最大穿刺力發生在織物間的摩擦作用阻止刺針刺入的過程中。

1.2防刺性測試方法及指標

目前，國內外防刺標準中用于防刺性能測試的方法主要有兩種：一是準靜態防刺試驗；二是動態沖擊防刺試驗。準靜態防刺試驗主要用于初步評價所測材料的防刺性能，測試裝置是根據傳統的萬能試驗機開發的。顧肇文[4]用標準的防刺測試刀具替換了強力儀的頂破彈子(見圖1)，并配套研制了一個傳感器，用來控制試驗刀的速度，同時記錄試驗刀具的穿刺深度與穿刺力、穿刺能量的關系曲線。動態沖擊防刺測試裝置主要有落錘式防刺試驗機(圖2)和空氣炮測試裝置(圖3)。落錘式防刺試驗裝置是落錘和試驗刀具沿著設計的軌道下落，依靠自身重量墜落，使試驗刀具以一定的能量作用于織物[5]。空氣炮測試方法依據PSDB標準，使用空氣炮推動不同刀具作用于織物，試驗刀具速度可達20m/s。空氣被壓縮進儲藏器中，然后通過一個電磁閥排進槍管內，試驗刀固定在尼龍彈托或鋁彈托上，空氣推動試驗刀作用于所測織物。測試結束后，去掉測試織物，刀片仍然嵌在里面，然后通過直接測量試驗刀的伸出長度來測量其穿刺深度[6]。隨著防刺材料測試標準的改進，用于測量刺刀攻擊相關生物力學參數的設備、材料、方法已經開發出來，并提出了相關數據。一個六相機Vicon動作分析系統在穿刺過程中可用于測量速度，也可測得能量和動量。專門開發的測力用刀在沖擊階段可用來測量三維力和力矩。為了方便描述和分析，刀刺攻擊分為兩個階段：第一階段為刀尖接觸目標；第二階段為沖擊階段。第一階段可以用六相機Vi⁃con動作分析系統進行分析，而沖擊階段用專門開發的測力用刀來分析。要求一組志愿者用最大的力去刺一個目標，分別用三種能量方式——向前刺、水平刺和反手刺去刺。這三種刺入方式是根據現有報道過的事件選擇的，這就提供了比以前更加真實的數據。可以發現，這種測試方法可以重現在刺入過程中測量的能量和力值范圍，雖然模擬在某些方面是不準確的。在測試過程中，非軸向力和扭矩值也是很重要的，但是在標準機械試驗中，這些都不能測量出來[7]。評價多層機織物防刺性的指標主要有兩個：刺穿層數和刺穿深度。刺穿深度為釘狀物或刀刃伸出測試樣品表面的長度。

2提高機織物防刺性的設計方法

2.1纖維方面

纖維原料的種類不同，機織物的防刺性能有很大的差異。防刺織物用纖維原料應選用具有高強度、高模量、抗剪切性好、耐沖擊優良等特性的纖維。國際上主要的防刺織物用纖維有芳綸和超高相對分子質量聚乙烯(UHMWPE)纖維。表1列舉了幾種高性能纖維的相關性能。從表1中可以看出：芳綸和UHMWPE纖維的力學性能優異，同時，二者的生產技術成熟，適宜作為防刺機織物用纖維原料。

2.2紗線方面

織物是由紗線組成的，因此紗線的細度和結構對多層機織物的防刺性能也有一定影響。

2.2.1紗線細度

刺刀刺入過程中，由于機織物的摩擦作用抵抗刺刀的刺入，所以可以通過用較緊密的紗線構造來避免在刺入過程中紗線或纖維的分離。使用低旦紗線盡可能緊密地織造多層織物，相應的覆蓋率較高，刺刀不易刺入，防刺性較好[8]。趙玉梅等[9]研究了紗線粗細的不同對機織物防刺效果的影響，發現單紗越細，相應的織物防刺性越好。杜邦公司在專利WO97/49849中提出芳香族聚酰胺織物所用的單紗細度很細，并且織造的緊度也較大，故能提供很好的防刺性；同時認為紗線細度在100~500dtex之間最好。Decker等[1]對不同紗線細度的尼龍機織物進行了復合，在織物面密度相同的情況下進行了刀刺、錐刺試驗。結果發現，紗線越細，多層機織物的防刺性能越好。

2.2.2紗線捻度

朱靜[10]發現紗線捻度的大小影響紗線的防刺性進而影響機織物的防刺性能。隨著紗線捻度的增大，紗線的刺割強力呈先增大后減小趨勢，因此紗線有最佳捻度。在最佳捻度處，紗線的刺割強力最大。紗線的刺割包括纖維的抽拔和剪切斷裂。捻度小時，纖維與纖維間的摩擦力較小，此時纖維易抽拔出來；隨著捻度增大，紗線的刺割力增大；高捻時，剪切為主要作用，此時纖維的初始剪切力大，同時纖維間的摩擦力也大，纖維不易剪切變形吸收一定的能量，導致紗線受到刀刺易斷裂。

2.2.3紡紗方式

紗線紡紗方式的改變對多層機織物的防刺性能也有一定的影響。采用復合紡紗技術將不同種紗線包纏復合。常用的是將不銹鋼絲作為芯紗，外層用Kevlar、Spectra、Dyneema等高性能紗線包纏，所形成的復合紗線防刺割性較好。DuongTuTien等[11]以棉短纖和芳綸長絲為原料制備了芳綸包芯紗，并對此包芯紗織成的機織物進行了防刺測試，結果表明該織物具有很好的防刺性能，同時提高了織物穿著舒適性。

2.3織物方面

2.3.1織物密度

機織物的密度對防刺性能具有顯著的影響。DuongTuTien等[12]將一些高性能纖維，如芳綸、玄武巖纖維、金屬纖維和棉纖維混紡，紡成的紗線織成不同面密度的機織物，并根據NIJ測試標準對其進行防刺性測試。結果表明：織物的刺穿深度受到織物面密度的影響，證實存在最佳面密度，使得防刺性能最好。楊沙沙[13]研究了織物密度的大小對織物防刺性的影響趨勢。結果顯示：其他條件相同，經密增大，使得承受切割的紗線根數增加，紗線間的摩擦作用增加，進而摩擦作用耗散的能量增大，織物刺割強力隨之增大；但增大到一定程度，其刺割強力會隨著織物經密的增加而減小，當經密增大超過最佳值時，在刺割時，織物中紗線移動困難，紗線的拉伸減弱，使得承受切割的紗線根數減少，導致刺割力減弱。

2.3.2織物組織

由于織物的動態穿刺損壞主要是由于織物組織的松散和紗線的抽出，因而織物組織是影響防刺性能的重要因素。防刺機織物的組織大多數采用平紋，因為和其它組織相比，平紋組織的紗線之間排列緊密，相互間的抱合力大，在刀具刺入時，不易產生紗線滑移，抗拉伸排擠能力強，因而可以有效握持刀尖，具有一定的防刺作用。以平紋為基礎組織的防刺材料具有厚度相對較薄、質量較輕、紗線的線密度高、設計性強、可以大面積防護等特點，因此在防刺材料中有著廣泛應用[14]。楊沙沙[13]選擇了UHMWPE纖維織造了平紋、斜紋、緞紋、三層角連鎖4種組織結構的機織物，研究表明：平紋織物的刺破強力相對最大，斜紋織物次之，三層角連鎖織物第三，緞紋織物相應最小。

2.3.3織物層數

王穎等[5]比較了單層UHMWPE機織布、雙層UHMWPE機織布的防刺性。探討發現單層就具有很好的防刺性能，雙層的防刺能力相應有一定提升；隨著層數增多，UHMWPE機織布防刺效果會更好。多層機織物是具有準三維結構的一種紡織品，通過一定的接結形式由多組經緯紗線互相交織而成。由于多層織物層與層之間通過接結經或接結緯連接，因此這種結構大大提高了層與層之間的抗剪切能力，同時減少了在使用過程中層與層之間的剝離破壞[15]。使用多層機織物作為防刺材料的優點在于它們具有充分的靈活性，同時提供了一定的防刺保護。劉愛平[16]采用UHMWPE長絲，以平紋為基礎組織設計織造了3種不同接結方式的多層機織物，防刺測試結果發現由于在多層平紋機織物中各層纖維之間是相互交織的，總體來說織物的整體性較好，抗沖擊性也相應較好，防刺性能優異。

2.4后整理方面

2.4.1織物涂層

提高織物防刺性能的一種方法是用薄薄的一層聚合物來涂覆或層壓到織物上，使得紗線黏結在一起。目前，這種方法是比較常用的，因為層壓后的織物防刺效果得到提高且其靈活性也較合理。MAYO等[17]將芳綸機織物經熱塑性塑料浸漬，然后在準靜態和動態條件下進行防刺性能測試，得到其防刺特性。不同厚度的聚乙烯、沙林和共擠出的聚乙烯-沙林膜層壓到織物上，然后和相同質量和層數的純凈的織物比較，結果表明：經熱塑性塑料浸漬的層壓織物通過增加耐切割性和減少紗線滑移提高了織物的防刺性能。研究結果還表明：為了使協同性能增強，熱塑性浸漬的薄膜需要完整地結合到織物上去。現在比較常見的是利用剪切增稠液體(STF)進行表面涂層。當STF浸入織物中，它通常是以液態存在，但當織物受到沖擊時，織物中的STF立即變成固體，使織物變得非常強韌，很難被穿透[18]。世界第一件最薄防刺服是由美國特拉華大學開發的，利用STF浸漬機織物，處理后其防刺能力增強且防刺服的舒適性也較好[19]。BAHARVAN⁃DIHR[20]研究了在浸漬STF后芳綸織物的穿刺阻力，由于紗線和試驗刀具、纖維和試驗刀具之間的摩擦力對織物的防刺性有很大的影響，在穿刺過程中，經STF處理后，紗線與試驗刀具和纖維與試驗刀具之間的摩擦力越大，纖維的斷裂比纖維的滑移就越多。故相對于未經過STF處理的芳綸織物，經質量分數為35%的STF浸漬后的芳綸織物的準靜態穿刺阻力增加了4.5倍。

2.4.2多結構

復合平紋類機織物的結構較穩定且抗拉伸性能較好，但其各項同性和抗剪切性較差。刀具刺入過程包括拉伸和剪切作用，其中剪切作用起主要作用。由于非織造布的抗剪切性較好，故可將平紋機織布和非織造布疊合來提高防刺性[21]。葉汶祥等[22]選用UHMWPE長絲開發了基礎組織為平紋的雙層管狀組織結構的機織防刺織物，織物結構比較緊密，抗拉性好，但抗剪切性能不足。由于管狀組織具有中空管，故可以與其它防刺材料復合。

3結語

本文以防刺機制為依據，介紹了防刺織物用纖維原料、紗線結構、織物結構及后整理方法。隨著國內外研究者對柔性防刺材料的高度重視，機織物因具有較好的防刺性能，且穿著靈活、舒適、隱蔽性強，已經成為防刺領域的重點研究對象，未來也將被更深入地進行研發。

參考文獻：

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[10]朱靜.基于高強布的防刺鞋制備與性能表征[D].上海:東華大學,2013.

[13]楊沙沙.防刺鞋的整體結構設計與性能表征[D].上海:東華大學,2014．

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[15]易洪雷,丁辛.多層機織物增強復合材料的拉伸與剪切性能研究[J].玻璃鋼/復合材料,1997(2):13-18.

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[18]周杰才,吳登鵬,殷祥芝,等.防彈防刺服的現狀及發展趨勢探討[J].江蘇紡織,2011(12):40-43.

[21]張月慶.高強聚乙烯柔性防刺服的研制與性能測試[D].天津:天津工業大學,2012．

[22]葉汶祥,饒崛,王寶根.超高分子量聚乙烯防刺布的組織設計[J].武漢科技學院學報,2007(10):1-4.

作者:田笑 孫潤軍 王秋實 單位:西安工程大學紡織與材料學院