织物表面防刺割树脂片形状的确定

董继萍， 刘晓艳,2， 于伟东(. 东华大学 纺织学院， 上海 20620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 20620)

织物表面防刺割树脂片形状的确定

董继萍1， 刘晓艳1,2， 于伟东1
(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实验室， 上海 201620)

为选出最佳的树脂片几何形状以提高材料防刺性能，采用CAD对规则排列面积相同的正方形、等边三角形、正六边形和圆形4种树脂片进行作图分析，并通过理论计算比较树脂片之间的空隙宽度和空隙面积。研究结果表明：对紧密相切排列的正方形、等边三角形、正六边形和圆形而言，正方形、等边三角形和圆形会使树脂片之间产生直线行列，刀具很容易穿过直线行列伤害人体；对规则排列、树脂片间留有空隙的多边形和圆形而言，当空隙率一定且树脂片面积相同时，正六边形树脂片之间的空隙宽度更窄，空隙面积更小，刀具更难刺入，即正六边形的树脂片有利于提高材料的防刺性能。

防刺材料； 树脂片几何形状； 空隙宽度； 空隙面积

即使在和平年代，局部战争在世界范围内也时有发生，如利比亚战争、巴以冲突、叙利亚内战等，各国对先进个体防护装备的重视程度与日俱增。尤其包括中国在内的那些对于枪支刀具管制严格的国家，纷纷投入大笔经费进行各类个体防护用品的研究和开发。经多年的发展，防弹产品已取得很大进展，由于防刺和防弹在原理上的差异，大多数的防弹产品并不能防刺，所以防刺服装的研发引起了很大关注[1]，在满足防刺标准的基础上，要求穿着灵活、柔软贴身。

根据防刺服的材质可分为硬质、半硬质、柔性防刺服和液体防刺服。早期硬质防刺服大多数是由金属合金、轻质陶瓷制成整个防刺插板或硬质小块鱼鳞式拼接而成的防刺层，这类防刺服虽然价格低但是质量重，增加人体负担，限制了人体的灵活性，目前一般采用金属丝和高性能纤维复合加捻织造或绕成金属环制成防刺织物[2]。柔性防刺材料市场上一般采用高支高密的机织物、非织造布及其复合材料，顾肇文[3]提出增加刀刃处高性能纤维集聚是提高柔性防刺服防刺性能的有效途径。另外也有对经纬编针织物和间隔织物作为防刺材料的研究，如龚小舟等[4]采用层压工艺制成间隔织物/芳纶无纬布/芳纶机织布夹层结构复合材料，间隔织物的间隔丝可有效将刀尖锁住，起到抗刺作用。美国陆军研究实验室与特拉华州立大学合成物质研究中心于2000年将剪切增稠体(STF)应用于防刺织物研制出液体防刺服，大量实验研究表明防刺材料通过STF浸渍后能够明显增强织物的防刺性能，特别是防锥刺能力[5-6]。虽然液体防刺服柔软轻质防刺效果好，但价值相对高昂，保质期短。

当纤维种类和织造方法的不同组合不能完全满足人们的防刺需求时，采用涂层、浸渍和层压的方式将树脂与织物复合制成防刺材料逐渐成为提高防刺性能的新方向[7]。Jessie等[8]实验证明经热塑性树脂浸渍的芳纶织物防刺性能优于纯芳纶叠层织物，但树脂与织物复合后材料的透气性和透湿性却大大降低，人体穿着不舒适[9]。Kim[10]提出采用丝网印刷或者紫外光固化技术将树脂规则的排列在基布上，树脂间留有一定间距的空隙，构成柔软轻质具有防刺效果的防刺材料。国内也有人提出利用网板成型工艺在织物表面涂覆一层树脂，而树脂被网格均匀分割，树脂间留有空隙，提高防刺材料的柔性和透气性[11]。将树脂片规则排列黏结固定在成衣面料基布上制备防刺材料，练滢等[12]通过对圆形树脂片黏结成型制成的柔性防刺材料和芳纶无纬布以不同方式进行叠加后测试动态穿刺性能，研究表明在顶部为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。

本文以规则排列的树脂片黏结固定在成衣基布上制备防刺材料为基础，研究不同形状的树脂片对防刺层防刺性能的影响。通过对不同形状规则排列的树脂片CAD作图理论计算分析,选择最合适的树脂片几何形状及分布，使得防刺材料具有良好的透气性、柔软性及防刺性能。

1 防刺片材形状设计要求

树脂片通过黏结剂固定在基布上，考虑到穿着柔软舒适性，树脂片不能太大，但树脂片也不能太小，不能小于刀尖距。

刀刺到树脂片时，此时需要考虑树脂片的形状对刺入效果的影响。有的形状会使树脂片在紧密排列时树脂片之间形成直线行列，刀具很容易在直线行列处击伤人体，并且人体躯干是有一定弧度的或者人在运动时都会使防刺层衣服有一定的弯曲，在弯曲处的直线行列会使两边的树脂片之间呈现空隙，将底层基布显现出来，基布没有树脂片的遮挡，刀具更容易刺入身体，所以树脂片在排列时尽量避免形成直线行列。

防刺材料间的空隙可增加防刺服的舒适性。如圆形树脂片紧密相切拼接时自然形成空隙，当多边形树脂片之间留有空隙时，树脂片之间会形成四边形间隙。空隙太宽，刀会直接从空隙穿刺而过，所以在保证防刺材料具有柔软性和透气性的同时，空隙应尽可能小来确保达到防刺性能。空隙率一定，相同面积不同形状的树脂片，根据边长与空隙宽度的比值，可知比值越大，空隙宽度越小，刀具越难以刺入；树脂片之间每个空隙的面积越大，刀具越容易刺穿。

2 防刺片材形状选择

本文通过对圆形、正方形、等边三角形和正六边形这几个常见的几何形状进行理论分析从中选出最具有防刺性能的树脂片形状。

2.1 树脂片紧密排列时图形分析

通过CAD作图分别将圆形、正方形、等边三角形和正六边形树脂片紧密相切排列，如图1所示几种常见形状的排列。为避免树脂片排列时形成直线行列使得刀具易刺穿，正方形排列见图1(a),将正方形错开排列避免竖直方向成直线，等边三角形树脂片排列见图1(b)，即正方形和三角形只有水平方向呈直线，圆形见图1(c)有水平方向和从左至右和从右至左斜线方向呈直线且有空隙存在，而正六边形见图1(d)任何方向都不显现直线。直线的存在不利于防刺。首先直线使刀具的刺入没有阻挡，且人在穿着防刺服时衣服会有一定的弯曲，而弯曲处的这些直线会使树脂片之间呈现空隙使基布显现出来，基布没有树脂片的遮挡，刀具更容易刺入身体。

图1 几何形状紧密排列分布图Fig.1 Distribution of geometric resin flakes closely arranged.(a) Square; (b) Equilateral triangle; (c) Circle; (d) Regular hexagon

2.2 树脂片间空隙排布分析

2.2.1树脂片边长与空隙宽度的比值计算

因为圆形树脂片紧密拼接时会有空隙，与其他形状紧密排列相比提高了防刺服的透气性和柔软性，为消除空隙的影响，在多边形树脂片防刺服中也引入与圆形树脂片一样的空隙率。当空隙率一定，树脂片之间空隙越窄，刀越难刺入，此种树脂片形状制成的防刺服防刺效果越好。

根据紧密排列的圆形树脂片排列计算出空隙率。假设圆形全部紧密排列，为计算该结构防刺层的空隙率，选取图2所示圆形树脂片重复结构单元中的加粗正六边形作为基本单元，计算该基本单元的空隙率即可得出整个单层防刺材料的空隙率。空隙率=空隙总面积/基本单元面积×100%。

图2 圆形树脂片重复结构单元Fig.2 Repeating structural units of circular resin flakes

在多边形树脂片防刺层中引入透气性的同时，要考虑前文提到正方形和三角形树脂片排列时会出现水平直线降低防刺性能，所以在直线方向上不添加空隙。

本文选择将正方形树脂片按图3所示基本结构单元排列，为了不在竖直方向上引入直线，树脂片错开排布。每个正方形树脂片两边引入空隙而在水平直线部分不引入空隙。加粗部分作为基本结构单元进行分析，假设此时空隙宽为w，正方形树脂片边长为a,基本结构单元面积S4为2a(a+w)，空隙总面积S5为2aw，由空隙率为定值9.31%，根据9.31%=S5/S4×100%，可求出边长a与空隙宽w的关系，即a/w=9.74。

图3 带空隙的正方形基本结构单元Fig.3 Repeating structural units of square resin flakes with voids

图5 带空隙的正六边形树脂片重复单元Fig.5 Repeating structural units of regular hexagons resin flakes with void

2.2.2各形状树脂片间间隙宽度和空隙面积比较

3 结 论

1)正方形、等边三角形、圆形树脂片规则排列时都会出现直线，直线两边的树脂片向外凸时会使树脂片之间呈现空隙使基布显现出来，基布没有树脂片的遮挡，刀具更易刺入身体。

2)对多边形而言，当空隙率一样且树脂片面积相同时，根据边长与空隙宽度的比值，比值越大，空隙宽度越窄，防刺效果越好，即与正方形和等边三角形树脂片相比，正六边形树脂片的防刺效果更好。

3)空隙率一定，相同面积不同形状的树脂片，树脂片之间每个空隙面积越大，刀具越容易刺穿，即紧密相切排列的圆形树脂片与多边形树脂片相比，正六边形树脂片之间的空隙面积更小，防刺效果更好。

综上可知，与正方形、等边三角形、圆形树脂片相比，正六边形树脂片防刺效果更好。

FZXB

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Determinationaboutgeometryofstab-resistantresinflakesonsurfaceoffabric

DONG Jiping1， LIU Xiaoyan1,2， YU Weidong1
(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

In order to select the best geometry of esin flakes to improve stab resistance, four kinds of resin flakes (squares, equilateral triangles, hexagons and circles) with the same area were drawn out by the CAD, and then void width and void area were theoretically calculated and analyzed. The results show that for squares, equilateral triangles, hexagons and circles of closely tangency permutation, the squares, equilateral triangles and circles make straight lines between the flakes, and the cutting tool is easy to pass through the linear procession to harm human body. For polygonal and circular resin flakes, when the void fraction is constant and the resin flake area is the same, the width of the gap between the regular hexagonal resin flakes is narrower and the void area between every two hexagonal resin flakes is smaller, thus the cutting tool is hard to penetrate. In summary, the hexagonal resin flake is conducive to improve the stab resistance of materials.

stab-resistant material; geometry of resin flake; void width; void area

10.13475/j.fzxb.20170301205

TS 941.731.7

A

2017-03-06

2017-07-28

国家重点研发计划项目(2016YFC0802802)

董继萍(1992—)，女，硕士生。主要研究方向为纺织品设计与纺织材料。刘晓艳，通信作者，E-mail：xiaoyanliu@dhu.edu.cn。