硬质颗粒织物的防刺性能研究

杨婉秋，刘晓艳,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实验室，上海 201620)

0 引言

近年来，随着人们的安全意识不断提高，安全防护问题受到人们的极大重视，如何防御来自刀具等物品的攻击成为防刺服研究的重点[1-2]。

目前有很多关于防刺方面的研究。袁梦琦等基于仿生学原理，参考了鳄鱼皮的形态结构，设计了一种鳞甲式防刺服，其利用与鳄鱼皮表皮结构相似的金字塔状金属体进行防刺[3]。黎国标等用混有陶瓷颗粒的树脂浸渍防刺基布，将浸渍布烘干得到柔软的防刺材料[4]。也有人采用硬质颗粒作为涂层材料，提高了防刺材料的抗刺性。钟智丽等探究三维机织物的防刺效果时，发现三维机织物由于具有一定的厚度且纱线间结构紧密，在动态刺割测试中有良好的防刺性能[5]。

其中，硬质颗粒涂层的防刺织物优于其他防刺产品，它具有制作简单、方便、柔软的特点。目前常用的硬质颗粒有碳化硅(SiC)、立方氮化硼(CBN)、碳化硼(B4C)等[6]，防刺织物主要由超高分子量聚乙烯或芳纶纤维制成[7-8]。

考虑到材料密度、硬度和在实际中的应用，本文采用超高相对分子量聚乙烯织物和B4C粒子制作防刺织物，探究硬质粒子涂层织物的防刺性能。

1 试验部分

1.1 实验材料

B4C颗粒(牡丹江金刚钻碳化硼有限公司)粒径分别为2.5μm、5μm、10μm和20.5μm；机织物采用超高分子量聚乙烯，所用织物每平方米的重量为180g/m2；聚丙烯酸脂粘结剂。

1.2 涂层织物的制备

将硬质粒子与聚丙烯酸脂混合后搅拌30分钟，然后将硬质粒子涂层液涂敷在织物表面。将涂层织物置于烘箱中，在80℃条件下烘焙10分钟，然后在110℃下烘焙30分钟，得到涂层织物。

1.3 测试方法

用准静态穿刺仪对织物防刺性能进行测试，刺割仪如图1所示。在测试过程中，刀具向上运动刺割样品织物，该仪器可以记录刀具的最大负荷力数据，每个样品测试5次，取平均值。

图1 准静态刺割仪

2 结果与讨论

2.1 破坏织物临界条件

首先选取了一种市面常见的超高分子量聚乙烯织物进行刺割实验，探究一般基布材料的承受力，下图2是基布的刺割测试图。

图2 织物刺割受力图

从图2可以看出在0到a点间，刺割力稳定上升，刀具与织物开始发生接触，织物逐渐发生变形。当到达a点时，刀具的尖端刺破织物，此时刺割力大小为6N左右。

刀具刀尖处面积一般为3.14×10-8m2，当织物与刀具间作用力达到6N时，织物被刺破。由公式1计算可得破坏织物的临界压强P1，当织物受到外界刺割力使织物压强大于临界值时，织物发生刺破。

(1)

2.2 刀具变形临界条件

本文采用硬度为55HRC的刀具进行受力分析，当此硬度的刀具材料受到120°金刚石圆锥压入器作用发生变形时变形如下图3所示。

图3 刀具材料受力图

当刀具硬度为55HRC时，根据洛式硬度的衡量标准，刀具材料在受力变形时会被压入0.09mm的深度。此时钻石压入器与刀具材料之间的竖直方向承受力的面积为A，由公式2可以算得受力面积A大小为3.05×10-7m2左右，钻石压入器提供的压力为F钻石压入器，由公式3可知F钻石压入器为1470N。由公式4可知，刀具变形的临界压强P2为4.81×109N/m2，当外界压力使刀具承受压强大于这一值时，刀具将发生变形。

(2)

F钻石压入器=150×9.8=1470 N

(3)

(4)

2.3 刀具刺割织物过程中力的作用关系

当硬质粒子涂敷在织物表面时，刀具与织物间不发生直接接触。假设硬质粒子不发生水平位移，只考虑垂直方向的位移，则涂层织物与硬质粒子的受力情况如下图4所示。

图4 涂层织物受力图

图4展示了刀具刺割硬质粒子涂层织物过程中力的传递情况。假设刀具的刀尖对顶层硬质粒子的作用力为刺割力F刺割，硬质粒子的半径为r，刀尖到底层织物的厚度为h，底层织物对上层粒子的支撑力为F支撑。假设粒子为体心立方结构排列，刀具与涂层织物接触后，刺割力沿硬质粒子涂层，以金字塔形传递下去，刺割过程中涂层内的硬质粒子不发生水平运动。此时，底层织物与硬质粒子的接触面积为a，由公式5可知，a大小为2h2。织物处于被刺破的临界点时，织物能够提供的支撑力为F支撑。由公式6可知：F支撑大小为2h2×P1，根据力的相互作用原理，此时刀具的刀尖对最顶层粒子的作用力F刺割等于F支撑。

(5)

F支撑=2h2×P织物临界=2h2×P1

(6)

(7)

(8)

(9)

2.4 粒子粒径对防刺性的影响

为探究不同粒径粒子对涂层织物防刺性的影响，在其他条件一定的情况下使用了下表1中所示的几种不同粒径的粒子制作涂层织物，织物防刺性如下表1所示。

表1 不同粒径的粒子防刺效果

由表1可以看出，随着粒子粒径的增加，涂层织物防刺性出现了先增加后减小的情况，当粒子粒径为5μm时，防刺性能最好。因此接下来选用5微米粒径的粒子进行实验。

2.5 涂层厚度对防刺性的影响

为了解涂层厚度对防刺性影响，使用5微米粒径的碳化硼粒子制作了如下表2所示的几种不同涂层厚度的防刺材料。

表2 不同涂层厚度的防刺效果

从表2可以看出，在0到100μm的涂层范围内，随着涂层厚度的增加，涂层织物的防刺性能不断增加。本实验中，涂层厚度100μm时防刺效果最好，所以接下来使用100μm涂层厚度进行实验。

2.6 涂层液温度对防刺性的影响

为了解涂层液温度对防刺性影响，使用不同温度的涂层液制作防刺材料，这里碳化硼粒子的粒径为5μm，涂层厚度为100μm。涂层织物防刺效果如下表3所示。

表3 涂层液温度对防刺效果的影响

从表3可以看出，随着温度的不断提高，涂层织物的防刺性能不断增加。但是当温度过高时，胶粘剂会焦糊。因此，本实验的最高温度为64℃。当温度为64℃时，最大刺割力数值最大，选择了64℃为反应最佳温度。

2.7 粒子含量对防刺性的影响

涂层织物的防刺性能很大程度上受到硬质粒子与粘结剂比例的影响。为探究硬质粒子比例对涂层织物防刺性影响，本实验采用不同的粒子与涂层剂比例进行涂层，粒子的粒径选用5μm，涂层厚度为100μm。涂层织物的防刺效果如下表4所示。

表4 不同粒子含量涂层液的防刺效果

从表4可以看出，随着粒子比例的增加，涂层织物的防刺性能不断增加。当粒子含量较低时，织物的防刺效果随粒子含量增加变化不明显；当粒子比例达到1:2时，有了一个明显的增加；当粒子比例继续增加，当达到2:3时，粒子防刺性增加效果变弱。这是因为粘结剂比例变少，不能很好的固定硬质粒子。此时涂层液较粘稠，不宜继续增加粒子比例。因此，采用硬质粒子与粘结剂比例为2:3较为合适，此时防刺性能最佳，涂层织物承受的最大刺割力为35.77N左右，是纯织物的2.9倍左右。

3 结语

(1)理论上，涂层织物的涂层厚度h与粒子半径r的比值越大，越有利于织物防刺性的提高。

(2)实际上，涂层织物防刺性能随着粒子粒径的减小先增加，当达到一定值后反而减小，这可能是因为粒子间存在水平移动。随着粒子堆积层数、硬质粒子比例、涂层液温度的增加，涂层织物防刺性不断增加。

(3)当硬质粒子与粘结剂比例为2:3，硬质粒子粒径为5μm，涂层厚度为100μm，涂层液温度为64℃时，涂层织物防刺性最好，此时最大刺割力为纯织物的2.9倍左右。