柔性缝合织物的准静态穿刺性能研究

蒋干兵，王发阳，梁 燕

（1.连云港神特新材料有限公司，江苏 连云港 222000；2.连云港市工业投资集团有限公司，江苏 连云港 222002；3.连云港市纤维检验中心 ，江苏 连云港 222047）

随着社会对公共安全问题的日益重视，个体防护的重要性在军事和民事领域都在不断上升，其中人体防弹防刺装备可通过对材料的选用、结构的设计和工艺精细化来实现高效防护，但往往受限于服用性能和作业速度。因此，研究高防护力、轻量化、高适应性、高服用性为主要特点的人体防护材料，是目前提高士兵战场生存能力、适应现代战争迫切需求的重要方向。高强高模的高性能纤维是防护材料的首选[1]，如超高分子质量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene，UHMPWE）纤维，因其是高性能纤维中质量最轻的一种而成为应用最广泛的增强材料，PBO纤维的相关技术改进也促使其产品防护性能优于其他材料[2-3]。另外，织物形式对防护材料性能有着极大的影响[4-5]，无纺布由于其独特的网状结构，对外来能量具有很好的分散和缓冲作用，而机织布是高性能纤维在防护材料领域最常见的形式。因此，研究将突破传统单层防刺织物的形式，复合两种不同结构的高性能纤维织物，实验研究复合织物的准静态穿刺性能，为防刺用高性能纤维柔性复合织物的原料选择、制备和优化提供了设计依据。

1 实验

1.1 原料选择

本实验选用江南大学提供的两种平纹布和连云港神特新材料有限公司提供的UHMWPE无纺布，平纹布参数见表1。值得注意的是，平纹布经纬纱均用捻度为100捻/m的合捻纱，理论上认为相同条件下无捻长丝织物的防护性能高于加捻纱线的织物，所以在选购原料时考虑选用UHMWPE无捻长丝和PBO无捻长丝以及选用低弹涤纶丝与之进行并合加捻，涤纶的加入使纱线的弹性和柔软性有所提高，便于纱线的织造和织物服用。

1.2 缝合工艺

由于材料的强度较高且平纹布的质地较为紧密硬挺，不适合通过针刺或水刺将其与无纺布复合。根据实验方案要求，平纹布与无纺布的合成采用缝合工艺。由于成品材料用于防护，使用者活动力度较大会造成缝合接口破裂，所以选择强度较高的全延伸丝（Fully Drawn Yarn，FDY）缝纫线。通过预实验发现，缝纫中的压脚力、缝纫速度、缝线张力等工艺参数对缝纫效果有很大的影响，通过不断调整，确定缝纫工艺具体参数，如表2所示。

表1 平纹布规格参数

表2 缝纫工艺参数

将样布裁剪成穿刺实验所需的直径为8 cm的圆片，将平纹布与无纺布缝合后成品如图1所示。

图1 缝合效果（左为无纺布面，中为B平纹布面，右为A平纹布面）

1.3 准静态穿刺测试

由于无纺布的吸湿透气性较好而平纹布较为硬挺，实验过程中考虑将平纹布作为受刺表层，无纺布作为里层。依据GA 68—2008《警用防刺服》标准[6]，采用微机控制电子万能试验机（上海倾技仪表科技有限公司）进行测试（图2），并依据标准规定来调整测试仪器及定制测试所用相关刀具（图3）。设定刀具与织物的测试前速度为20 mm/min，穿刺速度设置为50 mm/min，刀具与织物的起始隔距为150 mm，每组测试3个样品并计算平均值。

图2 准静态防刺实验装置

图3 准静态防刺实验刀具

2 结果与讨论

统计数据汇总了穿刺力值结果，发现A-U组可承受的穿刺力比较大。两组织物不同的是平纹布的结构，其中A-U组平纹布的经纱采用1 660 D的PBO/涤纶并捻纱，B-U组平纹布的经纱采用220 D的UHMWPE/涤纶并捻纱，A-U组经纱强力远大于B-U组。这表明纱线强力对织物强力起很大的支撑作用（表3）。

表3 实验对照结果

两组实验材料的穿刺力变化趋势相似（图4），都是先上升再下降。在穿刺过程中，纱线逐根断裂，所以力学曲线成阶梯型坡度抖动。在穿刺过程中，织物会受到刀具的摩擦发生形变（图5），刀具呈90°穿刺织物时，穿刺力对织物的作用主要表现为对纱线的拉伸力，所以水平方向的分力F1起主要作用。在峰值处，刀具与织物的横向接触面积达到最大，织物受到的拉伸最大，此时受到拉伸的纱线最多，所以峰值处穿刺力下降曲线最陡；由于力的作用是相互的，此时刀具受到的横向剪切力也上升到最大值。所以，纱线强力对织物强力的支撑作用在穿刺力峰值处表现最为明显。

图4 穿刺力学曲线

在刀具向下运动的过程中，随着刀尖宽度的增加，织物与刀体接触面积逐渐增加，织物受到的摩擦与拉伸变形程度增加[7-8]。拉伸三角区增大，受到拉伸的纱线增多，刀具受到的摩擦阻力随之增大，但由于纱线逐根断裂，所以当剪切力增加到受拉伸纱线强力之和的时候，超过本体强力的纱线开始断裂，三角区的拉伸力相应有所下降，穿刺所需力也会相应下降，当再有一根新的纱线加入拉伸三角区的时候，穿刺力再进入下一个抖动坡度。当刀具下降到织物的接触面积增加到最大时，拉伸三角区所受的剪切力上升到最大，此时发生断裂的纱线受到的拉伸力大于本体强力，断裂根数增加到最大。当刀具再往下时，由于纱线的断裂是一个缓慢的过程，所以峰值之后纱线继续逐根断裂，织物裂口增大，织物变形减小，与已断裂纱线所受的剪切力相比，新加入拉伸三角区的纱线所受到的拉伸较小。所以，虽然峰值过后的力学曲线依然成坡度抖动，但总体趋势是下降的。

在穿刺过程中，到达最大接触面积之前，刀具先穿过机织布再穿过无纺布。无纺布对刀具的作用不像机织布，它依靠纤维的缠结锁住刀具。在力学曲线前期上升过程中，穿刺力每次到达小峰值之后曲线会有一个坡度的抖动，也就是无纺布对剪切力产生的影响。

图5 织物受力形变

3 结语

通过缝合工艺将两种机织平纹布分别与UHMWPE无纺布进行复合，探究了其准静态穿刺性能。通过分析，得出如下结果。

（1）纱线强力影响织物强力，即经纱为PBO/涤纶并捻纱的平纹布与UHMWPE无纺布复合成的缝合织物穿刺力值较经纱为UHMWPE/涤纶并捻纱的相应缝合织物大。

（2）对织物的穿刺过程进行分析发现，刀具与织物横向接触面积最大时，织物受到的拉伸最大，此时受到拉伸的纱线最多，所以峰指处穿刺力下降曲线最陡；由于力的作用是相互的，此时刀具受到的横向剪切力也上升到最大值。在达到最大接触面积之前，纱线是逐根断裂的，所以穿刺力的上升曲线成先上升再下降的阶梯性上升；最大接触面积之后，纱线总体所受的剪切力下降，织物裂口增大，纱线总体所受到的拉伸减小，所以穿刺力减小。