相同紧度的Kevlar纤维织物与UHMWPE纤维织物的防刺性能对比*

田鹭新1 曹海建1 黄晓梅1 陈清清 张玲丽 车俊豪

1.南通大学纺织服装学院，江苏 南通 226019；2.江苏锵尼玛新材料股份有限公司，江苏 南通 226400

在社会发展的历史进程中，个体防护材料一直起着相当重要的作用。无论是古时战场上的兵刃相见，还是当今各种暴力或恐怖事件的频频发生，都离不开防护材料的保护作用。一直以来，我国对枪支的管制十分严格，但对匕首、刺刀等尖锐利器却鲜有管控，而尖锐利器所带来的危害不容小觑。因此，防刺材料的研究具有极其重要的现实意义和理论价值，目前国内外的相关研究已经很多。

KIM等[1]、练滢等[2]、刘娟等[3]、方心灵等[4]制备了纤维增强树脂型柔性防刺材料，并对其防刺性能进行研究，发现所得材料的防刺性能只在初始穿透阶段有所提高，而在切割阶段和纤维束积累阶段并无提升，且柔软性变差。KANESALINGAM等[5]、CHUANG等[6]、徐玲玲[7]、刘荣欣[8]对织物进行涂层整理，制得涂层复合防刺材料，发现涂层能改善织物的防刺性能，但织物的穿着舒适性有所下降。董继萍等[9]对织物表面防刺割树脂片形状进行研究，发现正六边形树脂片有利于提高材料的防刺性能。陈虹等[10]分析了国内外防刺材料常用的树脂体系，发现热固性树脂的强度较大，防刺性能优异，但硬度较大，不易弯折；热塑性树脂的柔软性较好，但强度较低，防刺性能较差。

从国内外相关研究可以发现，目前的防刺材料大多采用树脂与高性能纤维复合进行制备，具有较好的防刺性能，但普遍存在质量大、偏硬和透气性差等缺陷。因此，本文选用由高性能纤维织物制备的防刺材料，对其防刺性能进行研究。

1 试验

1.1 原材料及仪器与设备

(1)原材料：Kevlar纤维，线密度为111.11 tex(1 000 D)，由烟台泰和新材股份有限公司提供；UHMWPE纤维纱线，线密度为88.89 tex(800 D)，由江苏锵尼玛新材料股份有限公司提供。

(2)仪器与设备：SGA598型半自动小样机，购自江阴市通源纺机有限公司；TDM-100型耐切割性能测试仪，购自上海图新电子科技有限公司；NT-FD1型穿刺试验机，自制。

1.2 织物制备

在SGA598型半自动小样机上，采用Kevlar纤维纱线、UHMWPE纤维纱线分别织造Kevlar纤维织物和UHMWPE纤维织物(织物组织结构均为平纹)，其规格见表1。

表1 织物规格

1.3 静态防割性能测试

按照ISO 13997—1999《纺织品 机械防护性能-耐切割性能的测定》标准进行测试[11]。分别沿经、纬向将织物裁剪成尺寸为100 mm×50 mm的试样，以(2.5±0.5)mm/s的切割速度进行切割试验。用不同的切割力切割15次，使切割长度均匀分布在5～15、15～30、30～50 mm。记录每次试验的切割力和切割长度，绘制标准化切割长度与切割力的最优拟合曲线，并根据最优拟合曲线确定记录切割长度为20 mm所需的切割力，结果精确至0.1 N。

1.4 动态防刺性能测试

参考GA 68—2008《警用防刺服》标准测试[12]。将织物裁剪成尺寸为200 mm×200 mm的试样。将试样逐层叠加至20层，得到叠合试样并平置于背衬材料上方，再用绑带将叠合试样固定在背衬材料上。在叠合试样上选择5个有效刺着点，刺入角为0°(即刀具垂直于织物表面刺入，无任何偏斜)。有效刺着点应满足：刺着点与织物边缘距离≥50 mm；刺着点与背衬材料边缘距离≥50 mm；刺着点之间的距离≥50 mm。试验时，重锤(其下端固定着刀具)从距离织物表面30 cm的位置做自由落体运动，刀具便以一定动能刺入织物。采集每次试验的数据，绘制穿刺力-作用时间关系曲线。

1.5 破坏形貌表征

用1 200万像素的相机拍摄织物破坏形貌。

2 结果与分析

2.1 静态防割性能

2.1.1 切割长度-切割力关系

图1、图2所示分别为Kevlar纤维织物、UHMWPE纤维织物的切割长度-切割力关系曲线。

(a)经向

(b)纬向

(a)经向

(b)纬向

由图1、图2可知，对于Kevlar纤维织物，经向切割力约为6.0 N[图1(a)]，纬向切割力约为7.1 N[图1(b)]；对于UHMWPE纤维织物，经向切割力约为2.7 N [图2(a)]，纬向切割力约为3.7 N [图2(b)]。由此说明：

(1)Kevlar纤维织物的静态防割性能优于UHMWPE纤维织物。原因在于，Kevlar纤维分子链上有大量酰胺基团与苯环，苯环属刚性结构且交替排列，因此分子链难以内旋转而以有序状态紧密堆积在一起，整体呈刚性直链结构；此外，苯环与酰胺基团之间形成π-π共轭结构，酰胺基团之间形成氢键，相邻氢键平面又以范德华力结合形成晶粒，这极大地提高了分子间作用力。UHMWPE纤维分子结构相对较简单，分子主链主要由—CH2—CH2—组成，没有刚性较大的基团，分子链内也无强的结合键，分子间主要存在范德华力，其作用力也比较小，受到外力作用时，分子间容易滑移[13-15]。

(2)Kevlar纤维织物、UHMWPE纤维织物的纬向静态防割性能均优于其经向。原因在于，织物的经、纬向静态防割性能一定程度上与织物的织造工艺特点有关。经纱在穿综、穿筘时会发生磨损，在引纬、打纬时又需要经历无数次开口、闭口，其造成经纱间的磨损加剧，在这两种形式的纱线磨损的共同作用下，经纱的强度下降。纬纱在织造过程中通过相关装置直接引入，不存在纬纱与器材或纬纱间的磨损现象。

2.1.2 破坏形貌

Kevlar纤维织物、UHMWPE纤维织物在切割作用下的破坏形貌分别如图3、图4所示。

(a)经向

(b)纬向

(a)经向

(b)纬向

由图3、图4可知：

(1)沿织物经向切割，经纱断裂，纬纱以浮长线形式出现在织物表面，如图3(a)、图4(a)所示；沿织物纬向切割，纬纱断裂，经纱以浮长线形式出现在织物表面，如图3(b)、图4(b)所示。

(2)织物纬向的静态防割性能优于经向。在相同的切割力作用下，对于Kevlar纤维织物，经纱断裂5根[图3(a)]或纬纱断裂7根[图3(b)]时，织物即完全破坏；对于UHMWPE纤维织物，经纱断裂3根[图4(a)]或纬纱断裂5根[图4(b)]时，织物即完全破坏。

2.2 动态防刺性能

2.2.1 穿刺力-作用时间关系

图5所示为Kevlar纤维织物和UHMWPE纤维织物的穿刺力-作用时间关系曲线。

(a)Kevlar纤维织物

(b)UHMWPE纤维织物

由图5可知：

(1)Kevlar纤维织物与UHMWPE纤维织物具有类似的防刺性能。在刀具刺入织物的过程中，刀具所产生的穿刺力出现两个波峰。①在A—B段，即第一个波峰之前，穿刺力随着作用时间的增加而增大，织物并未穿透；②当穿刺力到达第一个波峰时(B点)，刀尖露出织物底层，开始接触背衬材料；③在B—C段，穿刺力随着作用时间的增加而下降，此时主要为织物抵御刀具的刺入，背衬材料受到的作用力较小；④在C—D段，穿刺力随着作用时间的增加而增大，并到达第二个波峰(D点)，此过程中，织物与背衬材料共同抵御刀具的刺入，穿刺力增加迅速；⑤在D—E段，当穿刺力到达第二个波峰后，刀具在织物与背衬材料的共同抵御作用下停止进一步刺入，穿刺力随着作用时间的增加而迅速下降，整个穿刺过程结束。

(2)对于Kevlar纤维织物，第一个峰值为183 kN[图5(a)]；对于UHMWPE纤维织物，第一个峰值为157 kN[图5(b)]。这说明Kevlar纤维织物的防刺性能优于UHMWPE纤维织物。

(3)对于Kevlar纤维织物，穿刺力到达第一个波峰的对应作用时间为283 ms；对于UHMWPE纤维织物，穿刺力到达第一个波峰的对应作用时间为303 ms，两种织物的穿刺力峰值出现时间接近，差异不大。Kevlar纤维织物和UHMWPE纤维织物对刀具穿刺的总响应时间均为497 ms，说明两类织物对刀具穿刺破坏的响应时间相近。

(4)穿刺力-作用时间关系曲线存在波动现象，说明穿刺破坏过程中织物发生了移动，各层织物有所偏移。本试验中，Kevlar纤维织物和UHMWPE纤维织物未经树脂浸胶处理，叠加后各层间的结合牢固性不足，受外力作用时各层容易发生滑动。此外，这与织物表面的平整度可能也有一定的关系。

2.2.2 破坏形貌

穿刺作用下Kevlar纤维叠合织物和UHMWPE纤维叠合织物中第一层织物的破坏形貌如图6所示。

由图6可知，在相同的穿刺力下，(1)Kevlar纤维织物表面既有切口又有凹坑，UHMWPE纤维织物表面的切口较平整，这是由于Kevlar纤维织物对刀具破坏产生的反作用力大于UHMWPE纤维织物；(2)Kevlar纤维叠合织物中第一层织物上的纱线断裂5根，UHMWPE纤维叠合织物中第一层织物上的纱线断裂6根。这说明Kevlar纤维织物比UHMWPE纤维织物具有更好的动态防刺性能。

3 结论

(1)相同紧度的Kevlar纤维织物的静态防割性能优于UHMWPE纤维织物，两类织物的纬向静态防割性能均优于经向。

(2)Kevlar纤维织物与UHMWPE纤维织物有类似的防刺性能，前者的防刺性能优于后者。

(3)Kevlar纤维织物与UHMWPE纤维织物对刀具穿刺破坏的响应时间相近。