树脂成型柔性防刺材料的防刺性能研究

练 滢 刘春娜 王新厚

1. 东华大学纺织学院，上海201620;2. 东华大学纺织面料技术教育部重点试验室，上海201620;3. 上海远东正大商品检验有限公司，上海201206



树脂成型柔性防刺材料的防刺性能研究

练 滢1,2刘春娜3王新厚1,2

1. 东华大学纺织学院，上海201620;2. 东华大学纺织面料技术教育部重点试验室，上海201620;3. 上海远东正大商品检验有限公司，上海201206

制备了一种树脂成型柔性防刺材料，对多层该防刺材料进行动态穿刺测试，研究单层树脂成型防刺材料和芳纶无纬布的准静态穿刺性能，并把树脂成型柔性防刺材料和芳纶无纬布以不同的方式进行叠加后进行动态穿刺性能测试。结果表明，4层树脂成型柔性防刺材料不具备理想的防刺效果；单层树脂成型柔性防刺材料和15层芳纶无纬布各有其防刺特点；顶部为2层树脂成型柔性防刺材料、中间为15层芳纶无纬布和底部为1层树脂成型柔性防刺材料的三明治叠加方式下制成的防刺材料，其防刺性较好。

防刺材料，芳纶无纬布，叠加，防刺性能

防刺服是能有效地防护匕首等常见锐器从各种角度对人体的攻击，减少人体防护部位受到刺伤威胁的一种服装。随着防刺材料的发展，人们要求防刺服除了具备防刺功能外，还要求穿着舒适、不妨碍运动灵活性等。柔性复合材料、涂层整理类材料及纤维树脂复合材料已成为防刺材料的研究热点[1]7。Mayo等[2]把热塑性树脂涂覆在芳纶织物上，发现其防刺性能明显提高，采用的热塑性树脂薄膜类型和厚度不同，所得的织物具有不同的用途。杨川[3]61利用芳纶纤维和沙林树脂膜制造复合材料，然后采用芳纶布与芳纶织物复合材料为基础材料进行不同结构的组合，结果显示“三明治”式，即芳纶布+芳纶织物复合材料+芳纶布的三层结构组合的靶片的防刺性能更为优良。

本课题组制备了一种树脂成型柔性防刺材料[4]，经过改进，采用黏结成型工艺[5]能够快速制备该防刺材料。

上述防刺材料中的树脂颗粒起防穿刺作用，空隙部分则使得该材料具有非常好的柔性。当刀具的刀尖部分刺到树脂颗粒的边缘时，由于空隙的存在，树脂颗粒会沿着刀具刺入方向向下凹，使刀尖产生滑移，进而刺入空隙部分。本文通过试验测试多层树脂成型柔性防刺材料的动态防刺性能，探究单层树脂成型柔性防刺材料和芳纶无纬布的准静态穿刺性能，并利用树脂成型柔性防刺材料与芳纶无纬布以不同方式进行叠加，观察不同的叠加方式能否提高材料的防穿刺效果。

1 树脂成型柔性防刺材料和芳纶无纬布的结构

本文采用黏结工艺制成的单层树脂成型柔性防刺材料的外观见图1[1]8。白色圆形是半径为5 mm、厚度为2 mm的树脂颗粒，黑色部分为普通涤纶基布。树脂颗粒按设计的位置离散排列在涤纶基布上，树脂颗粒间的空隙是未黏结树脂部分，颗粒间的最小距离为1 mm。单层防刺层的面密度约为1 654 g/m2。

图1 单层树脂成型柔性防刺材料的外观

芳纶无纬布由芳纶纤维单向排列后浸渍树脂并晾干而成，具有良好的动能吸收性，常被用作防弹材料。本试验采用芳纶1414无纬布，所用芳纶为Kevlar 49纤维。芳纶无纬布的面密度为220 g/m2，平均厚度约为0.226 mm。3种Kevlar纤维的力学性能见表1。

表1 3种Kevlar纤维的力学性能

2 试验部分

2.1 多层树脂成型柔性防刺材料的动态穿刺测试

已知树脂成型柔性防刺材料中的树脂颗粒起防穿刺作用，树脂颗粒间的空隙使得防刺材料具有很好的柔性。单层树脂成型防刺材料不能满足防刺要求，并且当刀具刺到空隙时，防刺材料很容易被刺穿，所以必须将其多层叠加，才能达到防穿刺的目的。动态穿刺试验是衡量防刺服或多层防刺材料的防刺性能的标准评判方法。按照GA 68—2008《警用防刺服》[6]标准的要求，采用4层树脂成型防刺材料叠加后进行动态穿刺试验，测试刀具及与其连接的重锤(质量共2.4 kg)从1 m的高处自由下落，使刀尖刺到各层防刺层的不同部位，观察动态穿刺情况。试验时，各层防刺材料间用胶水黏结，使各层间不会产生滑移。

2.2 树脂成型柔性防刺材料和芳纶无纬布的准静态穿刺测试

本试验采用单层树脂成型柔性防刺材料和15层芳纶无纬布进行准静态穿刺试验，比较两者的防穿刺性。

准静态穿刺试验设备由HD026N型电子织物强力仪改造而成，即把强力仪上的顶破弹子换成GA 68—2008《警用防刺服》标准中规定的测试刀具，其尺寸如图2所示。试验中，测试刀具以100 mm/min的速度穿刺在树脂颗粒中心处和无纬布上，得到穿刺负荷-穿刺深度曲线，观察并比较它们的准静态穿刺性能。

图2 测试刀具尺寸示意(单位：mm)

2.3 树脂成型柔性防刺材料和芳纶无纬布叠加后的动态穿刺测试

不同结构的防刺材料的防刺机理不同，它们对能量的吸收呈现不同的特性。因此，对于防刺材料的结构而言，采用单一材料结构，其吸能模式无疑是单一的，而采用多种材料的叠层设计可充分利用不同材料的特性，使它们协同作用，共同吸收能量[3]46。本试验用15层芳纶无纬布替换1层树脂成型柔性防刺材料，将芳纶无纬布和树脂成型柔性防刺材料以多种方式叠加，进行动态穿刺试验；在每一种叠加方式下，试验中，测试刀具分别刺到各层树脂成型柔性防刺材料的不同部位。本试验按照GA 68—2008《警用防刺服》标准的要求，测试刀具及与其连接的重锤(质量共2.4 kg)从1 m的高处自由下落，记录每次穿刺结果，观察哪一种叠加方式下防刺材料的防穿刺效果最佳。

3 结果与讨论

3.1 4层树脂成型柔性防刺材料的动态穿刺性能分析

表2是刀尖刺到4层树脂成型柔性防刺材料的不同部位时的动态穿刺情况。其中，中心、边缘分别表示刀尖对准树脂颗粒的中心位置和边缘位置，缝隙表示刀尖对准树脂颗粒间的缝隙。

表2 树脂成型柔性防刺材料的动态穿刺情况

由表2可以看出，只有当刀尖对准每一层防刺材料的树脂颗粒的中心位置时，才能达到防穿刺效果，并且层数至少为4层。当刀尖对准任何一层防刺材料的树脂颗粒的边缘进行穿刺时，都不能达到防穿刺效果。这是因为树脂成型柔性防刺材料具有柔性，当刀尖对准树脂颗粒的边缘时，会沿着树脂颗粒的边缘向下凹而产生滑移，滑移的刀具在颗粒边缘产生划痕，然后刺入缝隙部分，防穿刺效果下降。由此可见，树脂颗粒间的缝隙虽然使得防刺材料具有柔性，但刀尖刺到颗粒边缘或缝隙时，防刺材料不能满足防穿刺的要求。

3.2 树脂成型柔性防刺材料和芳纶无纬布的准静态穿刺性能比较

图3为测试刀具以100 mm/min的速度穿刺在单层树脂成型柔性防刺材料的树脂颗粒的中心处和15层芳纶无纬布上时的穿刺负荷-穿刺深度曲线。

图3 穿刺负荷-穿刺深度曲线

准静态穿刺试验设备由HD026N型电子织物强力仪改造而成，即测试织物顶破时仪器的顶破弹子换成测试刀具，测试时刀具缓慢上升，图3显示，当上升高度约50 mm时，刀具开始与防刺材料接触，穿刺负荷瞬间增大。从图3可以看出，树脂成型柔性防刺材料的穿刺负荷峰值约为15层芳纶无纬布的穿刺负荷峰值的2倍。观察树脂成型柔性防刺材料的穿刺负荷-穿刺深度曲线，穿刺深度为50 mm时，即刀具刺到树脂成型柔性防刺材料的树脂颗粒时，穿刺负荷持续增大，在达到最大负荷值后，随着穿刺深度的继续增加，穿刺负荷迅速下降至零。刀具的刀尖和刀刃部分分别对防刺材料产生冲击和剪切作用，树脂成型柔性防刺材料中的树脂颗粒起主要的防刺作用且主要是抵抗冲击，树脂颗粒通过被破坏来吸收能量；当树脂颗粒被破坏时，涤纶基布受到刀具的剪切、拉伸而出现大裂口，此时刀具几乎无阻力地穿过防刺材料，即防刺材料被破坏而无防刺作用。观察芳纶无纬布的穿刺负荷-穿刺深度曲线，可以看到，穿刺负荷达到最大值后，随着穿刺深度的继续增加，穿刺负荷并未迅速降低，而是缓慢减小后又有上升趋势。芳纶无纬布由芳纶纤维单向排列后浸渍树脂并晾干而成，刀具穿刺时对芳纶纤维主要产生剪切破坏，但是由于浸渍了树脂，芳纶纤维不易被刀具拉伸，无纬布对刀具有一定的握持作用，所以穿刺负荷在达到峰值后并未迅速下降。

3.3 树脂成型柔性防刺材料和芳纶无纬布叠加后的动态穿刺性能分析

表3所示是3层树脂成型柔性防刺材料和15层芳纶无纬布叠加后的动态穿刺情况，其中防刺材料和无纬布以不同方式叠加，动态穿刺时刀尖分别刺到每层防刺材料的树脂颗粒的不同部位。表3中，S表示树脂成型柔性防刺材料，F表示芳纶无纬布，中心、边缘分别表示刀尖对准树脂颗粒的中心位置和边缘位置。

表3 树脂成型柔性防刺材料和芳纶无纬布叠加的动态穿刺情况

(续表)

由表3可以看出，当芳纶无纬布放在底部时，只有当刀尖都刺到树脂成型柔性防刺材料的树脂颗粒的中心位置时才能达到防刺效果；当刀尖刺到树脂成型柔性防刺材料的树脂颗粒的边缘时，防刺层均被穿透。因为在这种叠加方式下，芳纶无纬布不能对位于顶部的3层树脂成型柔性防刺材料起到充分的支持作用，树脂成型柔性防刺材料的柔性使得刀尖在刺到树脂颗粒的边缘时产生滑移。当芳纶无纬布放在顶部时，即使刀尖都刺到树脂成型柔性防刺材料的树脂颗粒的中心位置，仍不能达到防刺效果。位于顶部的芳纶无纬布的防刺效果很差，基本上起不到抵抗刀具冲击的作用，而位于底部的3层树脂成型柔性防刺材料又不足以抵抗刀具的穿刺作用。当芳纶无纬布放在2层和1层树脂成型柔性防刺材料的中间时，即“三明治”叠加方式下，防穿刺效果较好，只有当刀尖刺到第1层树脂成型柔性防刺材料的树脂颗粒的边缘时会产生滑移而导致防刺效果下降。其原因可能是，穿刺时，首先由位于顶部的防刺性能较好的树脂成型柔性防刺材料的树脂颗粒起抗冲击作用并吸收大部分能量；其次，中间层的芳纶无纬布具有一定的厚度和硬度，对顶部的树脂成型柔性防刺材料有一定的支持作用，使得刀具刺到树脂颗粒的边缘时不易向缝隙处凹陷而产生滑移现象，而且当刀具刺到芳纶无纬布时，芳纶通过剪切破坏吸收一部分能量；再者，浸渍芳纶的树脂对刀具起握持作用。

4 结论

(1) 由4层树脂成型柔性防刺材料的动态穿刺试验可知，当刀尖穿刺到任何一层树脂成型柔性防刺材料的树脂颗粒的边缘时，都不能达到防刺效果。

(2) 由准静态试验可知，单层树脂成型柔性防刺材料的最大穿刺负荷约为15层芳纶无纬布的2倍，但是15层芳纶无纬布的穿刺负荷的下降速率明显小于单层树脂成型柔性防刺材料的穿刺负荷的下降速率。

(3) 采用的树脂成型柔性防刺材料和芳纶无纬布的叠加方式中，在顶部为2层树脂成型柔性防刺材料、中间为15层芳纶无纬布和底部为1层树脂成型柔性防刺材料的三明治叠加方式下，防刺效果较好。

[1] 刘娟，王新厚．树脂成型柔性防刺材料空隙率对防刺性能的影响[J]．产业用纺织品，2015，33(5)．

[2] JESSIE B M J，ERIC D W，MAHESH V H，et al． Stab and puncture characterization of thermoplastic-impregnated aramid fabrics[J]． International Journal of Impact Engineering，2009，36(9)： 1095-1105．

[3] 杨川．芳纶纤维柔性复合材料制备及其防刺性能研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010．

[4] 马飞飞，谢正权，王新厚．树脂成型柔性防刺材料的设计与优化[J]．产业用纺织品，2014，32(5)： 18-22．

[5] 马飞飞，谢正权，徐永红．柔性防刺材料、防刺体的黏结成型方法：CN 2014100250098[P]．2014-05-14．

[6] 公安部. GA 68—2008警用防刺服[S]．北京：中国标准出版社，2008．

Study on the stab-resistance performance of flexible stab-resistance materials by means of resin molding

LianYing1,2,LiuChunna3,WangXinhou1,2

1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China; 3. Shanghai ECT Testing Company Limited, Shanghai 201206, China

A kind of flexible stab-resistance materials by means of resin molding was prepared. The dynamic stabbing experiments of multi-layers of the flexible stab-resistance materials were carried out, and the quasi-static stab-resistance of the single-layer flexible stab-resistance materials and Kevlar no-weft fabrics were also studied. The dynamic stab-resistance of materials made of stacked flexible stab-resistance materials and Kevlar no-weft fabrics was tested. The results showed that the 4-layer flexible stab-resistance materials didn’t achieve the desired stab-resistance effect. The single-layer flexible stab-resistance materials and the 15-layer Kevlar no-weft fabrics had their own stab-resistance characteristics. The material made by a sandwich stacking way with 2-layer and 1-layer flexible stab-resistance material on top and bottom respectively, and 15-layer Kevlar no-weft fabrics in middle had good stab-resistance.

stab-resistance material, Kevlar no-weft fabric, stacking, stab-resistance performance

2015-12-04

练滢，女，1991年生，在读硕士研究生，研究方向为柔性防刺材料的设计与性能

TS941.731

A

1004-7093(2016)10-0021-05