纬编空气层点阵结构缓冲织物的制备及其性能研究*

吴利伟 孙小军2 匡丽赟2 张 倩 张雪飞2 姜 茜

1. 天津工业大学纺织科学与工程学院，天津 300387；2. 天津工业大学复合材料研究所先进复合材料教育部重点实验室,天津 300387

社会的发展及科技的进步赋予了运动服饰丰富的多样性和功能性，专业运动服装和专业防护用品的种类和性能也因此得到了极大的丰富和发展，同时对相关产品的需求也在不断地扩大[1]。以针织物为基础的防护材料具有质量轻、性价比高、可设计性强及柔软等特性，加之其线圈结构可赋予这类材料良好的成型性、极好的能量吸收性和抗冲击疲劳性，故它们在运动防护等领域有着广泛的应用[2]15-18,[3]。当前，已对缓冲结构及其材料进行了大量的研究与开发[4-9]。本文为满足市场对柔性可穿戴类防护用具的需求，开发了一种纬编空气层点阵结构缓冲织物，其先选用锦纶纱线与氨纶纱线编织纬编空气层织物，再利用该织物中空的特点，选用缓冲材料可发性聚苯乙烯(EPS)颗粒作为填充物，以形成具有更高舒适性和防护性的柔性缓冲织物。

1 试验部分

1.1 材料

试验用纱线基本参数如表1所示。

表1 试验用纱线基本参数

缓冲材料EPS颗粒的直径范围在3～5 mm，且大小均匀。

1.2 试样制备

纬编空气层点阵结构缓冲织物由LXC-252SCV龙星电脑横机(12针，江苏金龙科技股份有限公司)编织而成。制备步骤：选择纱线(锦纶纱线和氨纶纱线)→绘制初版→确定织物密度(度目)→确定终版→正式编织+填充→获得纬编空气层点阵结构缓冲织物。编织过程中，遇适当位置即停止编织，并将缓冲材料EPS填充进纬编空气层织物的中空结构中，再继续编织，最后得到纬编空气层点阵结构缓冲织物，其组织结构如图1所示。

图1 纬编空气层点阵结构缓冲织物的组织结构示意

本文制备了两大类共6块纬编空气层点阵结构缓冲织物。其中，根据有无填充缓冲材料分为无填充(简称“H”)和有填充(简称“S”)两大类，织物的组织类型分别有1×1系列(简称“11系列”)、2×2系列(简称“22系列”)、3×3 系列(简称“33系列”)，具体如表2和图2所示。图3为H33和S33实物照片。

表2 制备的试样简称

图2 3种组织类型的空腔规格示意

(a) H33

(b) S33

1.3 测试标准

本文将对纬编空气层点阵结构缓冲织物的舒适性能和力学性能进行测试与分析。

1.3.1 舒适性能

主要测试透气性和透湿性。

透气性测试参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》标准；透湿性测试参照GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分：蒸发法》标准。

1.3.2 力学性能

主要测试拉伸性(包括拉伸弹性回复率和断裂强力)、顶破性、压缩性及缓冲性。

拉伸弹性回复率测试参照FZ/T 70006—2004《针织物拉伸弹性回复率试验方法》标准，上下夹头间距为(100±1)mm，织物宽度为50 mm，拉伸长度为50 mm，拉伸定时与回复定时分别为60和180 s；断裂强力测试参照GB/T 3923.1—2013 《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》标准对取样做了调整，试样尺寸取150 mm×(25±1) mm，测试区域为100 mm×(25±1) mm；顶破性测试参照GB/T 7742.1—2005《纺织品 织物胀破性能 第1部分：胀破强力和胀破扩张度的测定(液压法)》标准；压缩性测试参照GB/T 6669—2008/ISO 1856：2000《软质泡沫聚合材料压缩永久变形的测定》标准，测试样厚度为20 mm，压头直径为80 mm；缓冲性测试参照GB/T 6670—2008《软质泡沫聚合材料 落球法回弹性能的测定》标准(等效标准为ISO 8370：2007)，落锤质量为7 kg，落重高度为200 mm，测试样厚度为20 mm。

2 测试结果与分析

2.1 舒适性能

2.1.1 透气性

纬编空气层点阵结构缓冲织物可加工成防护服、运动休闲功能服等产品，故对其舒适性能要求较高。透气性是舒适性能的一个重要方面[10]。

图4反映了试验制备的6块试样的透气性。

图4 6块试样的透气性

从图4可以看出：(1)相同组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物，S类的透气率均高于未填充的H系列，S11透气率为419.5 mm/s，H11透气率为229.5 mm/s，前者比后者提高了82%，S22比H22的透气率提高了33%，S33比H33的透气率提高了43%，3种试样透气性在填充缓冲材料后均提高了30%以上，可见填充EPS后纬编空气层点阵结构缓冲织物的透气性大幅提高，原因与填充后织物纱线间的空隙变大有关。(2)3种组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物中，H22和H33的透气率分别是H11透气率的1.756和1.758倍，S22和S33的透气率分别是S11透气率的1.283和1.378倍，因此合理设计纬编空气层点阵结构缓冲织物的组织类型，可有效提高其透气性。

2.1.2 透湿性

透湿性也表征着穿着的舒适度。当人体处于湿热环境中时，皮肤会排出汗液以平衡体表的温度，若此时织物具有优良的透湿性，则人体的舒适感会增强[11]。

图5反映了试验制备的6块试样的透湿性，可以看出：(1)相同组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物，S类的透湿率同样均高于H类，其中S11的透湿率为152.01 g/(m2·h)，H11的透湿率为76.21 g/(m2·h)，前者比后者提高了99%，S22的透湿率比H22提高了10%，S33的透湿率比H33提高了13%，可见填充EPS可以一定程度地提高纬编空气层点阵结构缓冲织物的透湿性，原因也与填充后织物纱线间的空隙变大有关。(2)对比3种组织类型的试样，22系列与33系列，无论是H类还是S类，透湿率都相近，且均高于11系列对应的透湿率，因此合理设计纬编空气层点阵结构缓冲织物的组织类型，可以有效地提高织物的透湿性。

图5 6块试样的透湿性

2.2 力学性能

2.2.1 弹性回复率

部分运动防护用具需具备一定程度的拉伸弹性，以适合个体运动的需要，如设计成可调节的或灵活扣件的调整系统，以便于穿着者个人调整[12]。

图6反映了试验制备的6块试样的纵横向弹性回复率，可以看出：(1)同一组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物，S类的横向弹性回复率较H类的横向弹性回复率高，而纵向弹性回复率方面，S11低于H11，S22和S33均高于H22和H33；(2)对比3种组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物纵横向拉伸弹性回复率发现，组织类型对其影响不大，S类的3种组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物的横向弹性回复率均在99%以上、纵向弹性回复率均在95%以上，H类的3种组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物的纵横向弹性回复率相近且均在95%以上。故可知本文制备的纬编空气层点阵结构缓冲织物皆具有优良的弹性回复性能，EPS的加入进一步改进了织物的拉伸性能。

图6 6块试样的纵横向弹性回复率

2.2.2 断裂强力

织物的拉伸行为是评价其运动功能性重要的指标，其影响着织物对人体的压力及穿着舒适性[13]22-27。

图7反映了试验制备的6块试样的断裂强力。

图7 6块试样的断裂强力

从图7可以看出：(1)同一组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物， H类的纵向断裂强力均高于S类的纵向断裂强力，而H类的横向断裂强力都低于S类的横向断裂强力，且各自的纵向断裂强力均高于各自的横向断裂强力，其是由纬编空气层织物线圈的结构特点所造成的。通常，纬编线圈中纵向取向的纱线较多，因此织物纵向断裂强力较高。此外，纬编空气层结构在连接位置的纱线差异也进一步加剧了这一效应[13]22-27。(2)S类的3种组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物，S22与S33的纵横向断裂强力相近，并都高于S11纵横向断裂强力，原因与它们的空腔结构存在差异有关。故可知本文制备的纬编空气层点阵结构缓冲织物具有优良的拉伸性能，EPS的加入对织物的断裂强力有一定的影响。

2.2.3 顶破性

顶破性能较好地模拟针织物在大多数使用环境和使用过程中的失效情况，因此评价顶破性对于提高纬编空气层点阵结构缓冲织物的使用寿命十分重要[2]33-36。

图8反映了试验制备的6块试样的顶破性，可以看出：(1)同一组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物，S类的顶破强力与H类相近，故可知EPS的加入不会对织物的顶破强力造成不良影响。(2)对比3种组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物，组织类型对顶破强力有较大影响，其中33系列的顶破强力最高(H33为1 808 N，S33为1 800 N)，22系列的顶破强力次之(H22为1 447 N，S22为1 511 N)，11系列的顶破强力最低(H11为1 393 N，S11为1 390 N)。所有系列的顶破强力均能满足运动防护材料力学性能的要求。

图8 6块试样的顶破性

2.2.4 压缩性

为探讨填充EPS对纬编空气层点阵结构缓冲织物压缩性能的影响，选取有代表性的H11、S11进行有无填充的对比，选取S11、S22、S33进行填充后不同组织类型的对比。

图9反映了试验制备的4块试样的压缩性，可以看出4块纬编空气层点阵结构缓冲织物的应力-应变曲线形状大致相同。应力-应变曲线分3个阶段：接触阶段、平台阶段、压实阶段。接触阶段(即应变在0～45%)主要体现线弹性特征，可以看出H11的压缩模量(斜率)高于S11，H11表现出更大的刚性。平台阶段(即应变在45%～60%)主要体现压缩变形特征，这一阶段越长，表明材料具有更大的压缩变形能力，可以看出S11较H11具有更好的缓压效果。压实阶段(即应变在60%以上)织物的应力-应变曲线呈指数变化。取相同应变量65%，对比4块试样对应的应力值，可以看出，H11对应的应力值最大，说明在同样的形变下H11所需的压缩应力更大，织物压缩模量更高，H类织物体现出更硬的效果，也进一步证明填充有EPS的S类织物整体表现更柔软。此外，对比S类3种组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物可以看出，在接触阶段，S11压缩模量最高，S22次之；在平台阶段，S33的压缩变形性能最好；在压实阶段，S33压缩应力最小，试样最柔软，原因与33组织类型的中空结构中空腔规格更大及缓冲材料EPS填充的更多有关。

图9 4块试样的压缩性(小图为局部放大图)

2.2.5 缓冲性

与研究纬编空气层点阵结构缓冲织物压缩性一样，缓冲性研究同样选取代表性的H11、S11进行有无填充的对比，选取S11、S22、S33进行填充后不同组织类型的对比。

在落锤冲击试验(冲击能量皆为14 J)过程中，织物受冲击后开始产生形变，冲击能量转化为织物的弹性势能；随着织物凹陷深度的增加，接触力逐渐增加，并达到峰值；随后，织物被进一步压实，接触力逐渐降低。图10反映了4块纬编空气层点阵结构缓冲织物的接触力-时间曲线(实线)和能量吸收-时间曲线(虚线)。从接触力-时间曲线可以看出，它们的趋势是一致的，其中S11最大接触力比H11最大接触力减小约450 N，S11、S22与S33三者的最大接触力相近(约6 000 N)，接触力值越小，则织物缓冲曲线越平缓，整个试样能量吸收性越好，故可知纬编空气层点阵结构缓冲织物具有良好的抗冲击性能[14]。从能量吸收-时间曲线可以看出，在缓冲过程中，H11吸收的能量为2.64 J，S11、S22和S33吸收的能量为6.42、6.12及6.01 J，可见缓冲材料EPS的加入能较大幅度地提高纬编空气层点阵结构缓冲织物的缓冲性能，但S11、S22与S33的缓冲性能相差不大，说明不同组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物内部空腔及填充EPS的量对整体缓冲性能影响不大。

图10 4块试样的缓冲性

3 结论

本文利用纬编空气层织物中空的结构特点，以锦纶纱线与氨纶纱线作为原料，选用EPS作为填充材料，开发纬编空气层点阵结构缓冲织物，并对不同组织类型的纬编空气层点阵结构缓冲织物进行透气、透湿、拉伸、顶破、压缩和落重缓冲试验，结果显示：缓冲材料EPS的填充可以大幅度提高纬编空气层点阵结构缓冲织物的透气性、透湿性，可一定程度地改善纬编空气层点阵结构缓冲织物的拉伸性、压缩性，极大地提高织物的缓冲性。因此，有填充的纬编空气层点阵结构缓冲织物具有良好的服用舒适性能和力学防护性能，可用于开发柔性可穿戴类防护材料，具有潜在的应用前景。