玄武岩机织增强热黏合抗穿刺鞋中底基材的力学性能

孙 菲， 李婷婷， 林佳弘,,3,4， 吴华铃， 楼静文,3,4，5

(1. 天津工业大学 纺织科学与工程学院， 天津 300387； 2. 逢甲大学 纤维与复合材料学系， 台湾 台中 40724；3. 闽江学院 海洋学院， 福建 福州 350108； 4. 福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室(闽江学院)，福建 福州 350108； 5. 亚洲大学 生物信息与医学工程学系， 台湾 台中 41354)

随着人们自我防护意识的增强，安全鞋的应用越来越广泛。安全鞋是用来保护脚底免受尖锐物伤害的个体防刺装备，其中具有抗穿刺性能的鞋应用最为广泛。作为复合材料的增强材料有芳纶纤维[1-2]及树脂基质通过纺织热黏合得到的非织造布[3-5]等；玻璃纤维由于其具有较高的强度，耐腐蚀、耐热、绝缘性好等优点也可作为纤维增强复合材料[6-7]。很多学者还对纤维进行改性涂覆，使其具有更好的力学性能[8-10]。此外， Yang等[11]探索了穿刺变形和破裂机制与聚合物结晶形态的关系；Kim 等[12]讨论了刀刺和锥刺对抗穿刺性能的影响；在非织选布的制备过程中，过程参数如机器的喂料速度、针刺密度、针刺深度等会对非织造布的力学性能产生影响[13-15];对于需要进行热黏合加工的非织选布，热压温度和热压时间等[16-18]也会对非织造布的性能产生影响，同时低熔点聚酯纤维在非织造布中的含量也会对其力学性能产生影响[19-21]。

本文提出了以低熔点聚酯短纤维混杂非织造布，通过玄武岩机织布[22]补强和热黏合加固提升整体材料的抗穿刺性能，同时提高抗穿刺的稳定性。研究了低熔点纤维含量和热黏合对不同形状穿刺头抗穿刺性能及拉伸、顶破等力学性能的影响。所研制的鞋中底基材具有柔韧性佳、易加工和易弯曲等优点。

1 实验部分

1.1 实验材料

低熔点聚酯(LMPET)纤维线密度为7.8 dtex，长度为64 mm；聚酯(PET)纤维线密度为2.2 dtex，长度为51 mm。以上纤维均由远东新世纪股份有限公司提供。玄武岩机织布，经纬密均为50根/(10 cm)，经纬纱的线密度均为330 tex，平纹，由坤广国际贸易有限公司提供。

1.2 玄武岩增强复合鞋中底基材的制备

LMPET纤维和PET纤维按质量比为0/100, 30/70, 50/50和70/30的比例混合，经过给棉机、开棉机、梳棉机和叠棉成型、针刺机形成LMPET/PET非织造布，2层非织造布之间用玄武岩织物补强。织物经过针刺热压复合后其力学性能较未针刺直接热压复合大幅提升[23]，因此在本文实验中对复合基材以针刺深度为1.3 cm，针刺密度为100针/cm2预针刺复合[24]。复合后样品一组在130 ℃处理5 min热压成型，另外一组未经热压处理。图1示出鞋中底基材的结构示意图。

图1 复合鞋中底基材的结构示意图Fig.1 Structural diagram of puncture resistant insole

1.3 测试方法

1.3.1拉伸强力测试

根据ASTM D5035—2011《织物的拉伸强力与断裂伸长量标准测试规范(条样法)》，使用Instron5566 万能强力试验机进行拉伸测试。试样尺寸为180 mm×25.4 mm，夹具间距为76 mm，拉伸速率为(305±13)mm/min。

1.3.2顶破强力测试

根据ASTM F2054—2012《运用阻隔板内部气体加压法对软包装密封处进行皮裂试验的标准试验方法》，使用Instron5566 万能强力试验机进行顶破强力测试。样本尺寸为100 mm×100 mm；以直径为8 mm的圆柱形冲头从样品上方顶破；速度为(100±10)mm/min。

1.3.3静态穿刺强力测试

根据ASTM F1342—2005《防护服材料抗穿刺的标准测试方法》，使用Instron5566 万能强力试验机进行穿刺测试。样本尺寸为 100 mm×100 mm，测试速率为508 mm/min。测试穿刺头尺寸如图2所示。穿刺头A直径为8 mm，平头；穿刺头B直径为8 mm，圆头；穿刺头C直径为5 mn，锥尖处直径为1 mm，尖圆头。

图2 静态穿刺3种穿刺头示意图Fig.2 Images of flat-head (a), spherical-head(b) and pointed-head (c) probes of static puncture resistance test

2 结果与讨论

2.1 LMPET纤维含量对基材拉伸性能影响

图3示出低熔点聚酯纤维含量对玄武岩增强鞋中底基材拉伸强力的影响。图中：MD表示针刺机的机械输出方向；CD表示针刺机的机械输出方向的垂直方向。低熔点聚酯纤维含量从0到70%增加时，最大拉伸强力呈先上升后下降的趋势。当低熔点聚酯短纤含量从0上升至30%时，鞋中底基材CD方向的拉伸强力从592.3 N上升至793.6 N，且CD方向的拉伸力大于MD方向。这是因为研究所使用的铺网机构为交叉式铺网，梳棉机输出棉网的方向与针刺机出料方向互相垂直，造成非织物基布中CD方向的纤维排列顺向性比MD方向佳。当CD方向受拉伸作用力时，由于纤维排列顺向性较高，纤维之间接触面积增大，因此纤维沿受力方向互相滑移时产生的摩擦阻力较大，同时纤维沿受力方向伸直而产生的伸长量较少，造成非织物CD方向的拉伸强力高于MD方向。

图3 低熔点聚酯纤维含量对未热压玄武岩增强鞋中底基材拉伸强力的影响Fig.3 Tensile strength of basalt plain fabric reinforced non-hot pressed insoles composites

图4示出热压后玄武岩增强复合基材的拉伸强力和低熔点聚酯纤维含量的关系。热压后，玄武岩补强鞋中底基材在MD方向的拉伸强力较未热压有所提高，且CD方向与MD方向的差值减少。MD方向的拉伸强力在低熔点聚酯纤维含量为30%时达到最大，为759.9 N。这主要是因为经热压后基材中所形成的黏结点面积增大，使纤维无法沿受力方向互相滑移[25]，增大了MD方向的拉伸强力，提高了纤维的稳定性。该结果与文献[26]的研究结果一致。热压后的基材最大拉伸强力提升的幅度不多，主要原因是热压以后纤维间的脆性增大。基材经过拉伸形成了织物分层，使玄武岩织物承担了主要拉伸力，因此热压未大幅提升拉伸强力。

图4 低熔点聚酯纤维含量对热压玄武岩增强复合鞋中底基材拉伸强力的影响Fig.4 Tensile strength of basalt plain fabric reinforced hot pressed insoles composites

2.2 LMPET纤维含量对基材顶破强力影响

图5示出低熔点聚酯纤维含量对玄武岩增强复合鞋中底基材顶破强力的影响。在未热压时，低熔点聚酯短纤含量从0到70%增加时，顶破强力变化不大，为445.5N，说明面层非织造布的低熔点聚酯纤维含量对顶破强力影响不大；中间层玄武岩机织物主要承受顶破的效果，对顶破强力有影响。

图5 低熔点聚酯纤维含量对玄武岩增强复合鞋中底基材顶破强力的影响Fig.5 Bursting strength of basalt plain fabric reinforced insoles composites as related to amount of LMPET fibers

热压后低熔点聚酯短纤含量从0到70%增加时，顶破强力呈先上升后下降的趋势，当低熔点聚酯短纤含量为30%时，拉伸强力达到767.9 N。因为热压后，表层的低熔点聚酯纤维与玄武岩机织物形成的黏结点面积增加，增加了玄武岩机织物的强力，进而提升顶破强力；当LMPET纤维含量继续升高，顶破强力基本不变，这是因为当低熔点聚酯短纤含量为30%时，鞋中底基材已达到最佳黏结效果，顶破强力到达极限值，再增加低熔点聚酯纤维含量也无法提升效果。

2.3 LMPET纤维含量对基材穿刺性能影响

图6示出低熔点聚酯纤维含量对玄武岩增强复合鞋中底基材抗平头穿刺性能的影响。随着低熔点聚酯纤维含量增加，基材的穿刺强力先增大后减小。当低熔点聚酯纤维含量为30%时，穿刺强力达到最大，分别为504.7 N和582.1 N，且热压后标准差较热压前有所降低，说明复合基材的稳定性有所提高。

图6 低熔点聚酯纤维含量对玄武岩增强复合鞋中底基材平头静态穿刺强力的影响Fig.6 Static puncture resistance of basalt plain fabric reinforced insoles composites as related to flat-head probe

当低熔点聚酯纤维含量从0到30%增加时，穿刺强力增加，这主要是因为热压后表层的低熔点聚酯短纤与玄武岩机织物形成的黏结点的面积增大，进而静态穿刺强力增加；但低熔点聚酯纤维含量持续增加时，穿刺强力开始下降，原因是低熔点聚酯短纤含量在30%时已达最佳黏结效果，穿刺强力达到极限值，再增加低熔点聚酯短纤含量也无法提升效果。但当低熔点聚酯短纤含量从50%到70%增加时，穿刺强力变化不明显，可看出面层的非织造布的低熔点聚酯短纤含量的改变对平头的静态抗穿刺力影响不大，中间层玄武岩机织物为主要承受抗穿刺力的效果，对抗穿刺力有较大的影响。

图7示出低熔点聚酯纤维含量对玄武岩增强复合鞋中底基材抗小圆头穿刺性能的影响。随着低熔点聚酯纤维含量的增加，基材的穿刺强力先增大后减小。当低熔点聚酯纤维含量为30%时，穿刺强力达到最大，分别为419.8 N和518.6 N且热压后标准差较热压前有所降低，说明纤维的稳定性有所提高。当低熔点聚酯短纤含量从50%向70%增加时，穿刺强力变化不大。其原因和平头类似。

图7 低熔点聚酯纤维含量对玄武岩增强复合鞋中底基材小圆头静态穿刺强力的影响Fig.7 Static puncture resistance of basalt plain fabric reinforced insoles composite as related to spherical-head probe

图8示出低熔点聚酯纤维含量对玄武岩增强复合鞋中底基材抗尖圆头穿刺性能的影响。未热压时，3种测试头的穿刺强力变化趋势大致相同；随着低熔点聚酯纤维含量的增加，基材的穿刺强力先增大后减小。当低熔点聚酯纤维含量为30%时，穿刺强力达到最大，分别为62.48 N和76.63 N，且热压后标准差较热压前有所降低，说明纤维的稳定性有所提高。

图8 低熔点聚酯纤维含量对玄武岩增强复合鞋中底基材尖圆头静态穿刺强力的影响Fig.8 Static puncture resistance of basalt plain fabric reinforced insoles composite as related to pointed-head probe

3 结 论

本文以玄武岩补强和热黏加固工艺成功制备出抗穿刺鞋中底基材，探讨了低熔点聚酯纤维含量对拉伸、顶破和抗不同形状的锥刺器具性能的影响。随着低熔点聚酯含量的增加，玄武岩补强鞋中底基材的拉伸强力和顶破强力均先增大后减小。当低熔点聚酯纤维含量为30%时，最大拉伸强力为793.6 N(未热压)和759.9 N(热压)，最大顶破强力为445.5 N(未热压)和767.9 N (热压)。在不同测试头下，热压前后基材的静态穿刺强力均先增大后减小。平头测试头A最大静态穿刺强力分别为504.7 N(未热压)和582.1 N(热压)；圆头测试头B最大静态穿刺强力分别为419.8 N(未热压)和518.6 N(热压)；尖圆头测试头C最大静态穿刺强力分别为62.48 N(未热压)和76.63 N(热压)。本文研究制备的鞋中底基材柔韧、易加工、易弯曲，且具有较高的抗穿刺性能和较好的抗穿刺稳定性。

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