不同种类的UHMWPE/R复合纱织物力学及防刺性能对比

张洁 刘新金 朱海荣 缪正伟 高强 高洪

摘要： 文章选用由UHMWPE及黏胶纤维所纺制的相同线密度UHMWPE短纤纱/R、UHMWPE长丝/R包芯纱，UHMWPE短纤纱/R、UHMWPE长丝/R赛络菲尔纱4种不同种类的UHMWPE/R复合纱，分别织制相同规格平纹织物，并对其进行力学及静态防刺性能的测试对比。结果表明：各试样的拉伸断裂强度其纬向都略大于经向，而撕裂强度则相反。纱线的结构及物理性能在很大程度上影响了织物的力学性能。各试样的经向穿刺力略大于纬向，而沿试样45°方向的穿刺力都小于经纬向，且各试样中织物强力较高的普遍穿刺力较高，织物中毛羽的提高也有利于穿刺力的提高。

关键词：

包芯纱;赛络菲尔纱;UHMWPE/R复合纱织物;力学性能;静态穿刺力;防刺性能;平纹织物

中图分类号： TS101.923.1

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2021）10-0023-05

引用页码： 101105

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.10.005（篇序）

Comparison of mechanical and puncture-proof properties of different typesof UHMWPE/R composite yarn fabrics

ZHANG Jie1， LIU Xinjin1， ZHU Hairong2， MIAO Zhengwei2， GAO Qiang3， GAO Hong4

（1.Key Laboratory of Eco-Textiles， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China; 2.Jiangsu Haite FashionCo.， Ltd.， Wuxi 214122， China; 3.Wuxi Gaoqiang Special Textile Co.， Ltd.， Wuxi 214122， China;4.Wuxi Gaoshikang New Material Technology Co.， Ltd.， Wuxi 214122， China）

Abstract：

This article selects four kinds of UHMWPE/R composite yarns with the same linear density， namely， UHMWPE staple yarn/R， UHMWPE filament/R core-staple yarn， UHMWPE staple yarn/R， UHMWPE filament/R Sirofil yarn spun by UHMWPE and viscose fiber， to weave plain weave fabrics with the same specifications， and their mechanical properties and static puncture-proof properties were tested and compared. The results indicate that the tensile breaking strength of each sample is slightly greater in the weft direction than in the warp direction， while the tearing strength is the opposite. The structure and physical properties of yarn greatly affect the mechanical properties of fabric. The puncture force in the warp direction of each sample is slightly greater than that in the weft direction， while the puncture force at an angle of 45° with the sample is smaller than those in the warp and weft directions. Among all samples， the puncture force is generally higher for fabrics with higher strength and the improvement of hairiness in fabrics is also beneficial to the improvement of puncture force.

Key words：

core-staple yarn; Sirofil yarn; UHMWPE/R composite yarn fabric; mechanical properties; static puncture force; puncture-proof properties; plain weave fabric

收稿日期： 2021-04-01;

修回日期： 2021-09-10

基金項目：

作者简介： 张洁（1997），女，硕士研究生，研究方向为新型纺纱技术。通信作者：刘新金，副教授，liuxinjin2006@163.com。

近年来，国际极端组织及恐怖分子的多起暴力袭击事件造成了不少人员的伤亡，对人们的正常生活产生了极大的不利影响。这些持刀袭击案件提醒着人们，潜在的犯罪袭击伤害依然存在，安全防护必不可少。因此，柔性防刺材料的研究及开发变得尤为重要。以高性能纤维为原料制成的柔性防刺材料是目前国内外研究的重点[1]，为进一步提高其防护性能，常采用树脂复合的形式。但尽管采用树脂处理后的材料防刺性能有所增加，其增强幅度有限且织物服用性能大幅降低，难以兼顾其较好的防刺性能和穿着舒适性能，这也是目前柔性防刺材料有待解决的问题及难点[2]。当下提高材料防刺性能的方法，一方面是对材料本身结构进行研究改进，另一方面是对材料施加后整理。同时，一些研究人员尝试将高性能纤维与天然纤维相结合等方法来提高材料的服用舒适性能[3]。Magdi El Messiry等[4]对不同三维机织物的

能量吸收进行了研究，并与普通机织物进行了对比，结果表明三维机织物对冲击能量的分散效果更好。晏义伍等[5]采用模压法制备了Kevlar/Surlyn复合材料，研究发现其动态防刺性能较纯Kevlar织物有显著提高。Duong Tu Tien等[6]研究了由高性能纤维以棉混纺形式制成的机织物的防刺性能，发现该织物在保证足够防刺性能的基础上提高了舒适性能。

超高分子量聚乙烯（ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE）因其极佳的抗冲击性、高强高模及低密度等优势，被广泛应用于防刺抗冲击等领域[7]。目前UHMWPE产品以长丝为主，有少量短纤纱的应用[8]。尽管UHMWPE短纤纱产品强度不及UHMWPE长丝，但由于UHMWPE短纤纱有较好的树脂浸润性，因此UHMWPE短纤纱比UHMWPE长丝更加适宜用于作为复合材料的增强骨架。虽然UHMWPE有较多良好的综合性能，但其吸湿性差，产品服用舒适性能较差。包芯纱是由两种或两种以上的纤维组合而成的芯鞘结构纱线，纱体结构由长丝为芯、短纤维外层包缠而成;赛络菲尔纱是将赛络纺中的一根粗纱换成长丝所纺成的纱线，纱体结构由长丝与须条相互包缠而成，类似股线。包芯纱及赛络菲尔纱因其不同的纱线结构，可以将几种不同的纤维进行优势上的互补，在性能上与单一结构纱线有较大的区别，被广泛应用于功能性纱线的开发中。因此考虑添加吸湿性较好的黏胶与UHMWPE长丝及UHMWPE短纤纱共同纺制复合纱线，在改善其舒适性的同时探究不同种类的UHMWPE/R复合纱对织物力学及防刺性能的影响，为UHMWPE复合多层防刺织物的研究开发提供参考。

本文选用由UHMWPE及黏胶纤维所纺制的相同线密度UHMWPE短纤纱/R、UHMWPE长丝/R包芯纱，UHMWPE短纤纱/R、UHMWPE长丝/R赛络菲尔纱4种不同种类的UHMWPE/R复合纱，分别织制相同规格平纹织物，并对其进行力学及静态防刺性能的测试对比。

1 织物制备

1.1 纱线纺制

原材料：线密度为14.75 tex的UHMWPE短纤纱线（江苏仪征金鹰纺织有限公司），线密度为16.67 tex的UHMWPE长丝（东莞市索维特特殊线带有限公司），定量为4.3 g/10 m的黏胶粗纱（南通双弘纺织有限公司）。纺纱工艺参数见表1。

通过在QFA1528型细纱机（无锡第七纺织机械有限公司）上添加长丝喂入装置，来实现4种不同种类的UHMWPE/R复合纱的纺制。以黏胶短纤维为外包纤维，UHMWPE短纤纱（14.75 tex）及UHMWPE长丝（16.67 tex）分别作为芯丝喂入，与经过牵伸后的黏胶须条汇合后加捻而成包芯纱;以黏胶短纤维为中间纤维，UHMWPE短纤纱（14.75 tex）及UHMWPE长丝（16.67 tex）分别作为包缠纤维喂入，与经过牵伸后的黏膠须条分别保持8 mm及6 mm的间距加捻而成赛络菲尔纱。

将所纺制的4种复合纱线，在环境温度20 ℃、相对湿度65%下，采用XL-2纱线强伸度仪（上海新纤仪器有限公司），在夹持距离500 mm、拉伸速度500 mm/min条件下测试纱线的强伸性能;采用UT5全自动纱线检测仪（乌斯特技术有限公司），在测试速度200 m/min条件下检测纱线的条干;采用YG173A型纱线毛羽测试仪（苏州长风纺织机电科技有限公司），在测试片段长度30 m、走纱速度60 m/min条件下检测纱线的毛羽，其基本性能如表2所示，解捻后的纱线外观如图1所示。其中，图1（a）是由UHMWPE短纤纱为芯，外包黏胶纤维而成的包芯纱;图1（b）是由UHMWPE长丝为芯，外包黏胶纤维而成的包芯纱;图1（c）是由UHMWPE短纤纱及黏胶纤维相互包缠而成的赛络菲尔纱;图1（d）是由UHMWPE长丝及黏胶纤维相互包缠而成的赛络菲尔纱。

1.2 试样织制

在SGA598型半自动小样机（江阴市通源纺机有限公司）上，采用4种不同种类的UHMWPE/R复合纱分别织制4种织物试样，其规格如表3所示。

2 织物性能测试

2.1 拉伸性能

选用HD026NS电子织物强力仪（南通宏大实验仪器有限公司）进行织物拉伸性能测试。按照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）》进行测试。隔距200 mm，拉伸速度100 mm/min，预加张力2 N，环境温度20 ℃，相对湿度65%。每种试样经纬向各测试5次，取平均值。

2.2 撕裂性能

选用HD026NS电子织物强力仪进行织物撕裂性能测试。按照GB/T 3917.2—1997《纺织品织物撕破性能第2部分：舌形试样撕破强力的测定》进行测试。采用单舌法，隔距100 mm，拉伸速度100 mm/min，预加张力2 N，环境温度20 ℃，相对湿度65%。每种试样经纬向各测试5次，取平均值。

2.3 防刺性能

选用3385H电子万能材料试验机（美国英斯特朗公司）进行织物静态穿刺试验。用自制正方形夹具替换万能材料试验机的下夹头，将13 cm×13 cm的试样夹在自制夹具上，将公安部标准GA 68—2008《警用防刺服》中规定的测试刀具夹在上夹头上（图2），试样的有效受力范围为8 cm×8 cm，参数设定选择压缩测试，设置刀具下降速度为20 mm/min。将刀具的刀刃分别沿织物经向、纬向及45°方向刺入，刀尖与试样表面的初始距离为零。

3 结果与分析

3.1 拉伸性能测试

拉伸性能测试结果如表4所示。

从表4可以看出，各试样的拉伸断裂强度其纬向都略大于经向。分析认为，试样的拉伸断裂强度在一定程度上受到织造工艺的影响。经纱在织物织前准备时，在穿综、穿筘的过程中会产生磨损。在上机织造时，经纱又需要经历无数次的开口、闭口及钢筘对其的磨损。经纱在这些磨损的作用下，使得强力有所下降。而纬纱不需要经历穿综、穿筘的过程，且在织造过程中由引纬系统直接引入，几乎不存在磨损的现象[9]。

以相同原料所纺的包芯纱及赛络菲尔纱所织制的试样，前者拉伸断裂强度低于后者。以相同纺纱方式、不同原料所纺的纱线所织制的试样，复合纱中含有UHMWPE长丝/R的织物其拉伸断裂强度高于含有UHMWPE短纤纱/R的织物。分析认为，在织物的拉伸破坏过程中，纱线先由弯曲状态变为伸直状态，并在此过程中压迫其他非拉伸系统的纱线。随着拉伸试验的进一步进行，受力系统的纱线逐渐变细，织物也慢慢变薄，而横向非拉伸系统的纱线在滑动阻力的作用下逐渐向里凹陷，这时织物整体呈现束腰形，之后纱线断裂，织物解体。而在纱线结构上，由于不同的纺纱工艺，赛络菲尔纱中的黏胶纤维须条分别经过了弱捻和强捻，UHMWPE短纤纱或长丝与黏胶纤维之间的抱合力更大，而包芯纱只有成纱的一瞬间受到了加捻，故包芯纱相比于赛络菲尔纱，其纱线的断裂强度就略低。且对于相同纺纱方式的复合纱，含有UHMWPE短纤纱/R的纱线其断裂强度低于含有UHMWPE长丝/R的纱线。因此，纱线的结构及物理性能对织物的强伸性能是有明显影响的。

3.2 撕裂性能测试

撕裂性能测试结果如表5所示。

由表5可以看出，各试样的撕裂强度其经向都略大于纬向。分析认为，在撕裂过程中，沿织物经向撕裂，纬纱断裂;沿织物纬向撕裂，经纱断裂。而经纱在织物织前准备及上机织造的过程中都受到了一定程度的磨损，因而造成了经纱强力的下降。

以相同原料所纺的包芯纱及赛络菲尔纱所织制的试样，前者撕裂强度低于后者。以相同纺纱方式、不同原料所纺的纱线所织制的试样，复合纱中含有UHMWPE长丝/R的织物其撕裂强度高于含有UHMWPE短纤纱/R的织物。分析认为，在织物撕裂的过程中，织物会形成撕裂三角区，而三角区内的纱线会被拉伸并聚集，然后断裂。织物的撕裂本质上也是一种拉伸，只是纤维受力的方向有所不同[10]。通常纱线的断裂强度越大，其织物的撕裂强度就越大。因此，对于包芯纱和赛络菲尔纱，前者的断裂强度远低于后者。而对于相同的纺纱方式，采用UHMWPE短纤纱/R所纺的复合纱其断裂强度低于采用UHMWPE长丝/R所纺的复合纱。故不同结构的纱线在很大程度上影响了其所织制织物的撕裂性能。

3.3 防刺性能测试

静态穿刺力测试结果如表6所示。

由表6可以看出，各试样的经向穿刺力略大于纬向，而沿试样45°方向的穿刺力都小于经纬向。分析认为，刀具沿织物经向刺入试样时，刀刃垂直切割纬纱;沿纬向刺入试样时，垂直切割经纱。而经纱受到织造工艺的影响使其强力有所下降，因而各试样的经向穿刺力略大于纬向。而刀具沿45°方向刺入试样时，刀刃斜向切割纱线，使得纱线不能够有效受力，因此纱线易被切断。

各试样中织物强力较高的普遍穿刺力也较高，但1#试样穿刺力略高于3#试样。分析认为，在织物被刺破的过程中，纤维或纱线受到了刀尖的推擠、穿刺力所带来的拉伸及刀刃的切割作用[11]。复合纱中含有UHMWPE长丝/R的织物其断裂强度比含有UHMWPE短纤纱/R的织物好，故穿刺力较好。但1#试样所用纱线毛羽较多，其织物其表面的短毛羽使得织物表面的摩擦力有所增加[12]，织物相对更加紧实，刀具在刺入过程中受到来自纱线的摩擦阻力，使得刀具不易挤入试样，故有利于穿刺力的提高。

含有UHMWPE长丝/R的织物其刀具位移比含有UHMWPE短纤纱/R的织物大。原因在于含有UHMWPE长丝/R的织物其表面比含有UHMWPE短纤纱/R的织物光滑，摩擦力小，刀具在刺入试样时，纱线之间容易滑移，织物更易变形[13]。因此，相比于含有UHMWPE短纤纱/R的织物，刀具位移更大时试样才会被刺破。

4 结 论

本文对4种不同种类的UHMWPE/R复合纱织物进行了力学及防刺性能的测试对比，主要结论如下：

1） 各试样的拉伸断裂强度其纬向都略大于经向，而撕裂强度则相反。以相同原料所纺的包芯纱及赛络菲尔纱所织制的试样，前者拉伸断裂强度及撕裂强度低于后者;以相同纺纱方式、不同原料所纺的纱线所织制的试样，复合纱中含有UHMWPE长丝/R的织物其拉伸断裂强度及撕裂强度高于含有UHMWPE短纤纱/R的织物。

2） 各试样的经向穿刺力略大于纬向，而沿试样45°方向的穿刺力都小于经纬向，且各试样中织物强力较高的普遍穿刺力较高，织物中毛羽的提高也有利于穿刺力的提高。

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