UHMWPE长丝加筋非织造布的制备及性能

邢京京，钱晓明，黄顺伟，刘 凡

(天津工业大学 纺织学院，天津 300387)

研究与技术

UHMWPE长丝加筋非织造布的制备及性能

邢京京，钱晓明，黄顺伟，刘 凡

(天津工业大学 纺织学院，天津 300387)

采用超高相对分子质量聚乙烯长丝直接加捻织造成的罗纹织物作为筋层，将超高相对分子质量聚乙烯长丝通过多管道间隔输送长丝铺网的方法铺放在筋层上，覆盖单层PET-PA6双组分橘瓣纤维水刺布以防止纤维飘散，然后用水刺加以复合制得加筋非织造布。经实验测得：加筋非织造布的拉伸性能、刚柔性及悬垂性都介于针织物和普通非织造布之间，而防刺性却优于二者；针织基布大幅改善了普通非织造布弹性差、刚度大的特点；筋层织物的密度决定了复合效果和最终产品的性能。产品主要应用于防刺防弹服装，相对于层叠捆绑或黏合，水刺复合使防刺层总厚度减少4 mm，质量减少约1 kg，舒适性大幅提高。

超高相对分子质量聚乙烯；非织造；针织；防刺性；拉伸性；刚柔性；悬垂性

近年来，各种暴力事件、持刀抢劫案件及工业生产安全事故的频发，使得柔性防刺服装材料的研发变得尤为重要。柔性防刺材料是使用高性能化学纤维织造的高支高密织物或非织造材料，主要应用在防弹衣、防刺服、防切割手套、矿工防砸头盔等防冲击吸能领域。目前常用的高性能纤维有芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维(ultra high molecular weight polyethylene, UHMWPE)、聚对苯撑苯并双噁纤维、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、增强尼龙纤维、蜘蛛丝、蚕丝等[1]。大量研究显示，芳纶和超高相对分子质量聚乙烯纤维应用最广泛，其中芳纶强度高但抗压缩强度差，抗扭转性能差[2]，且摩擦系数高，不适于复杂的组织结构,多层芳纶平纹机织物常做防弹防刺材料。而UHMWPE纤维表面光滑，取向度高[3]，适于任何组织结构，且国内对UHMWPE纤维的生产已达到世界先进水平[4]。常用的组织结构有平纹组织[5-6]、经编组织[7-8]、纬编组织[9]、无纺布[10]及非织造结构[11]。在各种组织结构中，针织独有的线圈结构可“锁住”刀尖，又大大吸收冲击能量[12]；而非织造布通过纤维间的交叉缠结固定而成，纤维排列向异性小，是所有结构中抗剪切性最好的，因此可用于制备防刺材料，但其弹性差、舒适性欠佳。据此，本文将针织物作为筋层，利用纺黏设备将长丝直接铺放在针织物上，然后利用针刺机进行初步固定，最后通过水刺进行复合，制得加筋非织造布。该加筋非织造布将针织线圈结构的优良弹性和“锁住”刀尖的特点与非织造布抗拉伸抗剪切的性能相结合，使其具有更加良好的防刺性和舒适性。

1 实 验

1.1 材 料

因芳纶抗压缩性抗扭转性差不适于针织结构，故本实验原料选用超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)长丝及平方米质量为30 g/m2的PET-PA6中空橘瓣双组分纤维水刺无纺布(廊坊中纺新元无纺材料有限公司)，其性能参数见表1。

表1 原材料的性能参数Tab.1 Performance parameter of raw material

1.2 加筋非织造布的生产

1.2.1 针织物的加工

李宁等[13]研究指出，针织结构中1+1罗纹的防刺性较好，且弹性好编织简单不卷边，便于与其他织物复合。因此，本文针织结构选用1+1罗纹组织，UHMWPE长丝强韧顺滑，在加捻后可直接进行编织。由于编织后的针织物还需要与其他纤维进行水刺复合，因此捻度不可太大，150～180捻/m即可。加捻可选用DSTw-01型小样并捻机，纤维选取0.21 tex的UHMWPE长丝，加捻后的长丝可直接在龙星横机上进行编织，并通过设置度目的参数来调节织物的密度。本实验所织试样幅宽50 cm、长度100 cm，1+1罗纹组织为横密32圈/5 cm、纵密68圈/5 cm的罗纹织物。

1.2.2 制备长丝加筋非织造布

按照专利[14]将制得的罗纹织物作为基布铺放在成网帘上，将0.25 tex的UHMWPE长丝通过调速罗拉和张力器送入管式牵伸器牵伸提速，再通过摆丝器均匀分散长丝纤维，并在成网帘上铺放成长丝纤维网，盖上PET-PA6中空橘瓣双组分纤维水刺无纺布，然后将三层材料转移至预针刺机进行预针刺固定，最后利用水刺复合，烘干制得加筋非织造布，如图1、图2所示。所制试样为表2中的A1～A4试样，其区别在于针织物的密度不同。PET-PA6中空橘瓣双组分纤维水刺无纺布的使用一方面是为了防止长丝纤维网的飘散，便于转移；另一方面可在一定程度上提高织物的舒适性。

1.2.3 对比材料的制备

与之相对比的是UHMWPE长丝水刺非织造布、UHMWPE针织材料及针织与非织造材料的简单复合材料，见表2中B1～D2。UHMWPE长丝水刺非织造布的加工方法与长丝加筋非织造布相似，不同之处是前者不添加针织物，直接选用PET-PA6中空橘瓣双组分纤维水刺无纺布作为基布。

UHMWPE针织材料是面密度较大的UHMWPE罗纹织物[15]。针织与非织造材料的简单复合材料即将针织物与非织造布简单叠放，捆绑固定或黏合，形成多层复合材料[16]。此方法也是很多防刺材料常用的方法。

图1 长丝加筋非织造布组织结构示意Fig.1 Structure diagram of filament reinforced nonwoven fabric

图2 试样外观Fig.2 Appearance of samples

表2 各材料的基本参数Tab.2 Basic parameters of each materials

2 材料性能测试及结果分析

2.1 材料的拉伸性能

将每种样品按照GB/T 3923.1—1997《纺织品 织物拉伸性能 第一部分：断裂强力和断裂伸长率的测定 条样法》[17]裁成大小为25 mm×200 mm的测试条样，纵、横方向各3个。在Instron万能强力仪上测得各试样的断裂拉伸强力、弹性模量及断裂伸长率，求得每种试样三个测试结果的平均值，并计算出相应的拉伸强度。其结果见表3。

从表3可以看出，无论是非织造还是针织，其拉伸强度横向都低于纵向，加筋非织造布的拉伸强度低于纯非织造物和双股针织物，但纵横向差异很小。复合织物的断裂伸长率及弹性模量均处于非织物与针织物之间。对比A组测试结果，可以看出随着针织物密度的增加，织物的断裂拉伸强力呈增大趋势，但随着密度的增加，复合效果变差，密度过小，线圈太大，将起不到“锁住”刀尖的作用。因此，针织密度居中，纵横密大约为80×36圈/5 cm时，即A3试样，效果最佳。

表3 各试样拉伸性能相关数据Tab.3 Data on the stretch ability of samples

注：Z代表纵向，即材料输出方向；H代表横向，即垂直于输出方向。因铺网过程中纤维纵横向排列不均，且针刺方向唯一，故试样纵横向强力可能略有差异，因此分开测试，下同。

2.2 材料的防刺性能

2.2.1 静态穿刺

将Instron万能强力仪测试拉伸性能的下夹具换成自制的试样夹具，将标准刀具夹在上夹头上，调试刀具下降速度为200 mm/min，刺入角为0°，测得各试样的静态穿刺力[18]如表4所示。

表4 各试样的静态穿刺力Tab.4 Static puncture force of each samples

由于试样的厚度与平方米质量均不同，为保证唯一变量，现将测得的静态穿刺力除以平方米质量和厚度，得到单位平方米质量、单位厚度的静态穿刺力，以更科学地表征织物的静态穿刺性能。其结果见图3。

图3 各试样的静态防刺性能Fig.3 The static stab-resistant performance of samples

从图3可以明显看出，A试样(即针织与非织复合而成的加筋非织造材料)的静态穿刺力约是长丝水刺布和针织布的2倍，加筋非织造材料具有更加优良的防刺防割防划性能。

2.2.2 动态穿刺

按照GA 68—2008《警用防刺服》标准，利用天津工业大学复合材料研究所自行研制的落体式防刺实验测试仪进行织物动态穿刺实验。冲击动能(24±0.5)J，刺入角0°。其结果如表5所示。

表5 动态穿刺实验结果Tab.5 Dynamic penetration test results

注：按照GA 68—2008标准，防刺面积应不小于0.3 m2，因此用0.3 m2最少不穿透层数(即最多穿透层数+1)的材料质量代表防刺层的总质量。

动态穿刺实验模拟了真人持刀刺入的动作及能量，能较好地表征织物防刺性的实验。对比A组、B组、C组，可以看出加筋非织造布的防刺性能优于普通非织造布及针织布，穿刺层数大大减少，仅10层即可满足防刺要求；防刺层的厚度和质量都有所减少；胶泥变形深度在二者之间，这是加筋非织造布的弹性介于二者之间导致的。对比A组和D组实验结果可以看出，相比捆绑复合和黏合，将针织物与长丝用水刺的方法复合而得的织物，在相同平方米质量情况下其厚度大大降低，且不易松散。

2.3 材料的舒适性能

2.3.1 透湿透气性

按照GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分：蒸发法》相关标准，在织物透湿量仪和全自动透气量仪上测得各试样单层的透湿率和透气率。由于针织物的线圈结构使其疏松多孔，与非织造布没有可比性，本次测试只比较非织造布的透湿透气性能，结果见图4(其中B2试样是用报纸代替PET-PA6双组分橘瓣水刺布，并在水刺之前将其去除，只留下UHMWPE纤维)。

从图4可以看出，加筋非织造布的透湿透气性能与筋层织物密度无关；对比A组和B组可以看出，加筋非织造布的透湿性能略有提高，而透气性能基本不变；对比B1和B2可以看出，橘瓣纤维对织物的透湿和透气性能影响较大，这是由于橘瓣纤维的芯吸效应提高了织物的吸水性和透气性。

图4 各试样的透气透湿性能Fig.4 Air permeability and moisture permeability of each sample

2.3.2 刚柔性及悬垂性

抗弯刚度可以表征织物的刚柔性，其数值越小，柔性越好。悬垂系数可以表现织物的风格，其数值越小，织物悬垂性越好，数值越大，织物风格越挺括。按照GB/T 18318.1—2009《纺织品 弯曲性能的测定 第1部分：斜面法》，在YG022D全自动织物硬挺度仪上测得织物的抗弯刚度，在织物动态风格仪上测得织物的悬垂系数，其结果如图5所示。

图5 各试样的抗弯刚度和悬垂系数Fig.5 Bending stiffness and drape coefficient of each sample

从图5可以看出：比较A1～A4可知，加筋非织造布的抗弯刚度和悬垂系数随着筋层针织物线圈密度的增加而增加，即筋层密度越大，加筋非织造布的刚性越大，越硬挺。A组试样抗弯刚度和悬垂系数都在B组和C组之间，这说明加筋非织造布的刚柔性和悬垂性都介于普通非织造布和针织物之间，且比捆绑复合、黏合要好。

3 结 语

本文首次将针织物与长丝纤维用水刺的方法复合制得加筋非织造布，将针织线圈结构的优良弹性和“锁住”刀尖的特点与非织造布抗拉伸抗剪切的性能很好地结合在一起，使其具有更好的防刺性。该加筋非织造布的拉伸性能、刚柔性及悬垂性都介于针织物和普通水刺布之间，改善了普通非织造布弹性差、刚度大的特点，提高了服用性能。相对于层叠捆绑或黏合，水刺复合织物的厚度大大降低，且不易松散。

针织物密度对加筋非织造布的性能影响较大，密度过大不易复合，密度过小无法提高防刺性，最佳密度为(68圈/5 cm)×(30圈/5 cm)，即线圈直径在1 mm左右。

该产品主要应用于防刺防割领域，可用于制作柔性防刺服，对新型防弹材料的研究也有一定的指导意义，但实验材料略显单一，与其他机织防刺材料或其他纤维无纺布的对比还有待进一步研究。

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The preparation and performance of the UHMWPE filament reinforced nonwoven

XING Jingjing, QIAN Xiaoming, HUANG Shunwei, LIU Fan

(School of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

In this paper, the rib fabric woven by ultra high molecular weight polyethylene filament and twisting was directly used as the base fabric. Ultra-high molecular weight polyethylene filament was paved on the rib layer by using the method of multi-pipeline interval conveying, and PET-PA6 bicomponent orange petal fiber spunlace fabric was coated to prevent fiber drift. Then, composite reinforced nonwovens were prepared through spunlace. The experimental results show that:the tensile property, softness and drapability of reinforced nonwovens are between knitted fabric and the common nonwovens, and stab-resistance is better than the two; knitted fabric has greatly improved large elastic stiffness of the ordinary nonwovens; the density of the rib-layer fabric determines the composite effect and the properties of the final product. This product is mainly applied to stab-resistant and bulletproof clothing. Relative to the cascading binding or gluing, spunlaced composite method makes the total thickness of stab-resistant layer reduce 4 mm, and makes the quality decrease by around 1 kg. Besides, the comfort is greatly improved.

UHMWPE; non-woven; knitting; stab-resistant performance; tensile property; softness; drapability

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.04.002

2016-09-17;

2017-03-21

天津市科技创新团队项目(14TXGCCX00014)

邢京京(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为功能性服装及长丝非织造材料。通信作者：钱晓明，教授，qxm@tjpu.edu.cn。

TS174

A

1001-7003(2017)04-0005-06 引用页码:041102