超高分子量聚乙烯纬编针织结构的防刺割断裂机理

王丽娟,申 军,符文涛,孙 乐,赵 祺,钱 坤

(1.安徽农业大学 轻纺工程与艺术学院,安徽 合肥 230036;2.江南大学 纺织科学与工程学院,江苏 无锡 214121)

1 前 言

随着国际大环境的不断变化及人们自我防护意识的提高,个体防护装备的研发已成为世界范围内军用和民用方面的热点话题。尤其是个体柔性防刺材料在市场上的需求出现逐年增长的趋势。柔性防刺材料是指人类为防御匕首,锥子等尖锐利器对人体产生的伤害而研究开发的功能性柔性材料[1]。匕首、尖刀等带刃利器在防刺过程中对材料及人体都有切割损伤,而关于材料防割性能的研究很少涉及,这给防刺材料的研究与开发带来很大的困难。因此,对防刺材料的切割性能的研究十分重要。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是继碳纤维、芳纶纤维后的新一代高性能特种纤维,具有质轻、强度高、耐冲击、耐切割等优良的性能,已广泛应用于轻质柔性防护装备[2]。研究表明,纬编针织物具有良好的防刺性能。这是因为刀尖接触织物时,针织物的线圈能够有效地握持刀具而防止其继续刺入。如:英国PPSS公司注册的Cut-Tex®抗切割针织面料,不仅防刺、防割性能良好,较市面上防刺防割产品还更加轻薄舒适[3]。

本研究以UHMWPE弱捻长丝纱为原料,研究了纬编针织物的防刺割性能。按照美国NIJ 0115.0标准中的P1刀具对UHMWPE纬编针织物进行垂直刺割实验,分析纬编针织物在不同刺割模式下的织物变形及破坏形式,揭示纬编针织物防刺割过程中的断裂机理。

2 UHMWPE纬编针织物的刺割实验

INSTRON(3385 H)电子万能材料实验仪和自行设计的附件共同来完成准静态的垂直刺割实验。INSTRON 万能材料实验仪的下夹头装置被试样夹持附件所替代,夹持附件为2个环形不锈钢板,试样夹在2个钢板之间,环的内直径为50 mm。为了防止刺割过程中试样的滑移,2个环状钢板内一个开凹槽,一个凸槽,且钢板四周打6个孔,孔径8 mm,螺栓固定试样。刀具是美国NIJ0115.00防刺标准中的P1刀具,一侧开刃,另一侧无刃[4],如图1所示。

图1 刺割实验装置 (a)改装后INSTRON; (b)P1刀具Fig.1 Stab-cut experimental device (a)modified INTRON; (b)blade

试样采用UHMWPE弱捻长丝双股纱在12机号电脑横机(LXC-252S)上进行打样。试样包括两类针织结构:纬平针和满针罗纹,两者分别为单面和双面纬编针织结构的基础组织,基本参数见表1,试样尺寸为直径80 mm 的圆形。按照三个方向放置织物进行垂直刺割测试:纬向,径向和45°斜向。

表1 试样的基本参数Table 1 Basic parameters of sample

安装试样加持附件,试样夹在环形夹具之间并通过螺栓加固。刀具安装在INSTRON 万能材料实验仪器的上夹头,刀具竖直放置,调节试样方向及刀具和试样的初始距离(1 mm)。设定测试速度(5,20,60,150,300,500 mm/min),启动机器。刀具的刀刃长度约为30 mm,因此每次实验以刀具下移50 mm 为准结束实验,测得位移-力曲线。

3 结果与分析

3.1 纬编针织物的防刺割性能

图2为典型的位移-刺割力特征曲线。从图可见,刀具从与织物的点状初接触到织物初次被割破失效前,织物以变形为主,且受力随刀具的位移呈非线性增大,符合典型的J型曲线关系。为了定量分析刀具垂直刺割织物的防刺割性能,选取破裂点的最大刺割力Fa、破裂点处的刀具位移La及织物破裂后刺割力的中间值Fc三个特征量来综合分析织物的防刺割性能。Fa越大,织物的抗刺割性能越好。La越大,说明在刺口处,织物的“开窗”效应越明显[5],刺割破裂前织物变形越大,刀具对织物的破坏就越严重。Fc越大,刺割过程中对织物的损伤程度越严重。

图2 纬编针织物的位移-刺割力特征曲线Fig.2 Displacement-force typical curve of weft knitted fabric

研究表明,织物结构是影响其性能的重要因素。在保持其他刺割条件不变的情况下,选取纬平针和满针罗纹织物作为研究对象。图3(a)为两种织物结构的位移-力曲线。从图可见,满针罗纹的防刺割性能优于纬平针。满针罗纹的Fa和Fc值相较于纬平针都增加了100%,且满针罗纹的La值较大,满针罗纹在刺割过程中织物变形较大,耗能大。另外,两个刺割曲线均出现切割破裂后的平均刺割力大于切割破裂时的刺割力最大峰值。这是由于刀具穿刺过程中,刀具邻近线圈变形较大,较多的线圈参与使刀具刺割阻力增大。

由于针织物线圈为各向异性,针织物布丝方向的改变,刀刃的刺割部位及刺割过程中线圈的伸长形变也随之改变,因此针织物的方向性会影响其刺割性能。图3(b) 为针织物三种方向的抗刺割性能。织物纬向和斜向的刺割破裂位移(La)较大,纬向刺割和斜向刺割的破裂刺割力比较接近,较径向刺割力大。但是径向织物破裂后,平均刺割力为三者最大值。纬编针织物即纱线沿纬向成圈,线圈沿径向相互串套而成,因此,纬编针织物的纬向拉伸线圈形变大于径向,且圈弧的弯曲程度大于圈柱,针织物线圈的各向异性影响着织物刺割响应模式。

以满针罗纹针织物为例,分别选取单层、双层及三层叠层织物为试样,研究织物叠层厚度对材料防刺割性能的影响。由图3(c)可知,随着织物叠层数的增加,试样厚度增加,破裂刺割力(Fa),破裂点处的刀具位移La及刺割失效后的平均刺割力(Fc)均相应的增大。如:单层织物的Fa为48.07 N,双层织物的Fa为79.06 N,而三层织物的Fa增加至149.84 N。由于在切割过程中叠层织物层与层之间是自由的,刀具在层间移动时,织物会产生层间滑移及空气阻力等影响,满针罗纹叠层织物的防刺割性能与单层织物的呈非线性递增关系。同样,实验也验证了纬平针叠层织物的防刺割性能随着叠层数的增加呈非线性增加。

图3 纬编针织物抗刺割性能的影响 (a)织物结构;(b)织物方向性;(c)叠层数;(d)速度Fig.3 Effect of stab-cut resistance property of weft knitted fabric (a)fabric structure; (b)fabric orientation;(c)numbers of plied-fabrics; (d)velocity

研究发现,对于有机高性能纤维材料而言,应变率会对纱线的刺割响应产生影响。由于实验设备的速度范围在0～500 mm/min 内调节,因此,分别选取5,20,60,150,300,500 mm/min为准静态刺割速度。图3(d)为针织物不同刺割速度下的位移-力曲线。随着刺割速度的增加,织物破裂失效的最大刺割力呈先增加后减小,与不同速度下UHMWPE 纱线横向抗切割性能是一致的[2]。破裂点处刀具的位移差别不是很大,破裂后平均切割力除了5和150 mm/min的较小,其他速度下的破裂后平均切割力基本相同。

综上所述,UHMWPE 纬编针织结构的垂直刺割过程可分为四个阶段:变形阶段,破裂失效阶段,稳定刺割阶段及刺割断裂阶段。变形阶段即图2所示的o～a点,以织物变形为主,刀具对织物没有产生切割或刀刃仅切割织物内少量的纤维。随着刀具下移,织物和刀具间的作用力增加,刀刃处纱线所承受的应力达到极限,纱线被切割线圈破裂即破裂点a。织物破裂后,断裂纱线滑移,刀具和织物之间的作用力迅速下降,刺割力降至最小值即b点,即为破裂失效阶段,此阶段是瞬间过程。织物破裂后,织物力学稳定性已经失衡,随后的刺割过程相对较平稳称为稳定刺割阶段。此阶段,刺割力以增大-减小的形式上下波动,但是波动具有规律性且波动范围很小。最后织物刺割断裂。织物特性、刀具及刺割条件等因素均能影响材料刺割过程的力学响应。

3.2 纬编针织物刺割过程的变形特征

织物刺割破裂失效前主要以织物变形为主,假设此阶段线圈纱线没有被切割断裂。稳定刺割阶段的曲线与变形阶段相似,只是上下波动幅度较小且稳定。针织物的变形贯穿了整个刺割过程且变形值前大后小。针织物垂直刺割过程的变形主要包括两类:一是织物背凸,二是线圈扩张。织物变形是织物刺割过程中吸能方式之一,对织物的防刺割性能有着重要的影响。

图4 织物刺割过程的背凸变形 (a)示意图;(b)圆弧模型Fig.4 Back convex deformation of fabric in the stab-cutting (a)schematic diagram; (b)arc model

得x0和x的关系如下:

背凸圆弧上的任意一点(x',y')的表达式如下:

表2为纬编针织物不同刺割参数下的背凸量。纬平针织物的背凸量较小;纬编针织物为各向异性材料,纵向延伸性小于纬向的延伸性,背凸量的差异很大;叠层针织物厚度增加,防刺割性能增加,与刀具直接接触的线圈纱线在刺割过程中受力增大,因此背凸量随着叠层数的增加而增加。由于是自由叠层的缘故,背凸量的增加呈非线性关系;随着刺割速度的增加,织物背凸量呈递增关系。织物刺割过程中背凸量的大小受到很多因素的影响。由于带刃刀具对直接接触地线圈纱线有切割破坏作用,所以切割过程中织物的背凸量大小受刀具锋利程度的影响。织物背凸的形成是由于刀具和织物纱线接触点受力产生挠度变化,因此刀具和织物间的摩擦力的大小影响着织物背凸量的大小。

表2 纬编针织物刺割过程的背凸变形量Table 2 Back convex deformation of weft knitted fabric in the stab-cutting

3.2.2 线圈扩张 当刀具垂直向下刺割织物,刀具对针织物线圈产生水平挤拉扩张,线圈扩张是从邻近线圈抽取纱线而使线圈纱线产生滑移。对于纬编针织物垂直刺割而言,线圈扩张主要发生在与刀具直接接触的线圈纱线且未被切割断裂失效前。在刀具形状、纤维材质及纱线、织物结构参数确定的情况下,线圈扩张程度和线圈结构特点,扩张方向及刺割速度(刀具刺入深度)等有关[7]。

图5为刀具刺入时其截面与针织物线圈的相对位置。当刀具沿纬编针织物纬向垂直刺入时,刀具横截面和织物纬向平行。随着刀具的刺入,假设线圈沿经向的圈高不变,线圈扩张规律为:①与刀刃直接接触线圈的圈弧发生横向扩张,且扩张程度最大,受力也最大;②与扩张线圈相邻的纬向线圈处于缩紧状态,而相邻纵向线圈处于扩张状态,变化程度随着与接触点线圈的距离的增加而降低;③接触点线圈的圈柱纱线被割断,线圈发生脱散,刀刃和线圈纱线脱离。刀具沿纬编针织物径向垂直刺入,刀具横截面和织物径向平行,假设线圈的纬向圈弧不变,线圈扩张规律为:①与刀刃直接接触线圈圈柱发生纵向扩张,且扩张程度最大,受力也最大;②与扩张线圈相邻的纬向线圈则处于缩紧状态,而相邻纵向线圈处于扩张状态,变化程度均随着与接触点线圈的距离的增加而降低。刀具沿纬编针织物45°斜向垂直刺入,其线圈扩张规律为:①刀刃和线圈串套点接触沿线圈斜向扩张,线圈沿横向和纵向间距均发生变化;②扩张线圈的相邻纵向正下方线圈处于扩张状态,相邻纬向线圈处于缩紧状态,变化程度与上述一样。

图5 刀具和针织物线圈的相对位置 (a)纬向刺割;(b)径向刺割;(c)45°斜向刺割Fig.5 Relative position of blade and loop of knitted fabric (a)weft stab-cutting; (b)radial stab-cutting; (c)45°oblique stab-cutting

纬编针织物在无外力作用下的平衡状态,线圈相互串套勾结处纱线的力是保持相等的。当刀具垂直刺入针织物线圈内,刀具对直接接触的线圈纱线产生拉力,在勾结处线圈会被拉动,因此一方线圈纱线的力增加,直到串套勾结处两方线圈纱线的力相等时停止,线圈扩张传递停止。纬平针织物的线圈纱线扩张的长度来自于此线圈所在相邻横列线圈纱线的滑移,不是纱线的拉伸增长量。因此纱线间滑动摩擦力对线圈滑移有很重要的影响。

3.3 纬编针织物的刺割断裂机理

由纬编针织物刺割特征曲线和刺割过程分析可知,纬编针织物的刺割断裂过程显示出材料断裂力学的特点。纬编针织物刺割断裂主要包括变形阶段,刺割破裂阶段即裂纹产生和稳定刺割阶段即裂纹扩展。刀具和织物初接触时,刀具对织物施加外力,如果不考虑织物非弹性应变因素,外力做功使织物产生弹性变形能[8]。由于织物没有被刺割破,因此没有能量损耗。弹性应变能存储和集聚在织物内,所以有:

在纬编针织物的刺割破裂前,织物发生很大的变形,表现为织物和线圈结构发生明显的变化。由垂直刺割的位移-力曲线可知,刺割力随刀具位移呈现出典型的非线性J型曲线特征[9]。因此,采用二阶多项式函数对纬编针织物垂直切割实验变形阶段的J型曲线进行拟合,二阶多项式函数关系式为:

式中:x为刀具位移,a,b,c分别是织物抗刺割性能的相关系数,受织物结构及刺割测试参数的影响。

纬编针织物刺割破裂阶段即织物和刀具直接接触点处聚集的能量已经达到织物局部所能承受的最大值,迫使织物破裂所需能量称之为破裂能。织物瞬间迅速释放能量而产生裂纹,此阶段是一个瞬间过程,无外力做功。织物内集聚的弹性应变能部分释放产生裂纹,裂纹长度主要取决于织物的切割断裂阻抗[10]。根据能量守恒定律,织物刺割破裂阶段能量转换关系如下:

等式左边为织物破裂前体内聚集的最大的弹性应变能,由外力做功提供。等式右边分为两部分:一是织物产生刺割破口所消耗的能量,这是由织物刺割阻抗(R)决定的,即产生单位刺割新表面的表面能,刺割阻抗大,被割破的长度(lc)则小,否则,被割破的长度大。二是剩余的弹性应能(Λ'),在破裂阶段结束时,织物内存储的弹性变形能并没有全部释放出。

织物刺割破裂后,直接进入稳定切割阶段即裂纹的扩展阶段。此阶段,刀刃前的织物随着刀具的移动也会存在弹性变形区,但是变形程度很小,设为固定值。根据能量平衡原理,这一阶段的能量转换关系如下:

等式左边为外力做功,等式右边包括两部分:一是稳定切割阶段产生新表面所需要的表面能;二是稳定切割阶段所需弹性应变能,为固定值,不受切割裂纹长度的影响。假设K/(Δl-Δlt)=0,则有:

从上式可以看出,如果不考虑织物的粘弹性及刺割过程测试条件的影响,在稳定刺割阶段刺割力为定值,只与织物材料本身的断裂阻抗有关。这和纬编针织物垂直刺割实验结果具有一致性。

纬编针织物刺割过程中不同阶段的刺割力如下:

此纬编针织物刺割力模型仅适用于固定条件下。例如,需选取固定的织物结构和切割测试条件,而且要忽略测试过程中所消耗的非弹性应变能及织物稳定切割阶段所消耗的弹性应变能,因此,此模型只适用于断裂阻抗较大、刺割性能较稳定的织物[11]。

4 结 论

本研究利用INSTRON 万能材料实验仪测试UHMWPE纬编针织物的准静态防刺割性能,分析了纬编针织物刺割过程的形变特征,并利用材料断裂力学中能量守恒原理,对纬编针织物的刺割过程能量转化关系进行探究,结论如下:

1.纬编针织物的垂直刺割过程可分为四个阶段即:变形阶段,破裂失效阶段,稳定刺割阶段及刺割断裂阶段。变形阶段以织物形变为主,刀具对织物产生切割或刀刃只是切割织物内少量的纤维,位移-力曲线呈现出典型的非线性J型曲线特征。破裂阶段与刀具直接接触的线圈纱线被割断失效,刺割力迅速降到最小值,此阶段是瞬间过程。稳定刺割阶段的位移-力曲线呈现增大-减小的小幅度、规律性的上下波动。最后织物刺割断裂。织物、刀具及刺割条件因素均能影响织物刺割过程的力学响应。

2.织物刺割破裂失效前主要以织物变形为主。织物的变形主要包括两类:一是织物背凸,织物的背凸量的大小取决于刀具和织物间摩擦性能。二是线圈扩张,来自于相邻横列线圈纱线的滑移,而不是纱线的拉伸增长,主要发生在线圈纱线未被切割断裂失效前。线圈扩张受扩张方向的影响,取决于纱线间滑动摩擦力。

3.纬编针织物垂直刺割断裂具有明显的断裂力学特点即裂纹产生(破裂阶段)和裂纹扩展(稳定刺割阶段)。利用材料断裂力学的能量平衡分析法,提出纬编针织物的刺割断裂阻抗及刺割过程能量转换关系,建立了各阶段织物抗刺割力数学模型。