机织物/非织造布叠层复合织物的防刺性能分析

关福旺， 李佳霜， 李 丹， 张丽莉， 廖怡琦， 杨竹丽， 邱夷平,2

(1.泉州师范学院 纺织与服装学院，福建 泉州 362000；2.东华大学 纺织学院， 上海 201620)

防刺服能有效地抵御刺刀、匕首等常见锐器从各个角度对人体的攻击，从而避免人体重要器官遭受伤害。随着枪械管制的日益严格，持刀袭击成为人员伤亡的主要威胁，尤其对于公安、武警、保安等高危职业人群。此外，其他职业人群如建筑工人、水里作业人员的安全防护也需要防刺产品。因此，防刺服及其他防刺装备的研制尤为重要[1-2]。

根据材质、质量和原理的不同，将目前的防刺服分为硬质、软质、半硬质等3类，这些防刺服的防刺效果、柔软性、质量等特性差异较大，从实际应用来看，半硬质防刺服兼具良好的防刺特性和舒适性[3]。单一的高性能面料难以实现较高的防刺特性，研究者在提高织物防刺性能方面开展了较多研究工作，如：田笑[4]研究了多层织物结构及不同成型方式对织物准静态防刺性能的影响；马飞飞[5]利用离散树脂涂层工艺，将改性树脂以离散状态固化在基布表面制备出离散树脂防刺复合材料；杨婉秋等[6]采用涤纶间隔织物与防刺材料相结合的方式制备复合防刺织物，探究不同结构复合防刺织物的防刺效果；李聃阳等[7]利用剪切增稠液浸渍芳纶织物制备柔性防刺材料，探究织物结构对剪切增稠液体/芳纶复合织物防刺性能的影响。

随着实际作战经验的增加以及防刺材料的发展，防刺服的研发技术及质量也需要进行革新。国家公安部在GA 68—2008《警用防刺服》基础上颁布了GA 68—2019标准，与旧标准相比，新标准增加了使用场所的分类、调整了测试方法、规定了产品的面积及总质量的最大值[8-9]，因此研发警用相关防刺产品时，需在一定程度上重新进行设计、制备和测试评估。

相较于SiO2粒子涂层[2,10]、热固或者热塑性树脂复合[5,11]、浸渍剪切增稠液体等防刺技术[12-13]，多层织物叠层复合方法最为简单。平纹机织物结构紧密，在防刺产品设计和开发中经常使用，但二维机织物的交织特点决定了其具有孔洞结构，尤其是在高强度刺刀冲击下，单层织物的纱线会发生滑移，导致织物的孔洞增大而难以抵抗尖刀的刺入[14-15]；而针刺非织造材料具有特殊的三维立体网状结构，对尖锐物体的穿刺力具有很好的传递、分散和抗剪切能力，但其强力较低[16-17]。因此，将机织物与非织造布叠层复合，开发多层织物复合材料，有望达到较理想的防刺效果。目前在所有高性能纤维中，超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene, UHMWPE)纤维质量最轻，但其比强度和比模量较大，且纤维的能量吸收性较好[18-19]，故采用UHMWPE纤维原料织造平纹机织物，与相同原料组分的非织造布叠层复合，探究多层复合织物在新标准下的防刺效果。

1 试验部分

1.1 试验材料

UHMWPE纤维长丝纱，低捻处理，线密度为44.4 tex，断裂强度为0.33 cN/dtex(由东莞索维特殊线带有限公司提供)；UHMWPE短纤维针刺非织造布，面密度为400 g/m2，厚度为2.2 mm(由东莞索维特殊线带有限公司提供)。

1.2 试验设计

先采用不同机织物与非织造布叠层复合，形成三层“汉堡”型复合织物，上下两层为平纹机织物，中间层为非织造布。在三层“汉堡”型复合结构设计的基础上，将三层层压机织物与非织造布进行多次交替铺层，进一步探究该叠层织物的防刺效果。图1(a)为三层“汉堡”型样品结构示意图，图1(b)为多层交替铺层样品结构示意图。样品设计基本参数分别如表1和表2所示。

表1 三层“汉堡”型样品设计参数Table 1 The designed parameters of three-layer “hamburger” samples

表2 三层层压机织物与非织造布交替铺层样品设计参数

图1 两种机织物/非织造布叠层复合织物示意图Fig.1 Two schematics of woven/nonwoven laminated composite fabrics

1.3 样品制备及测试过程

1.3.1 样品制备过程

采用SGA598型全自动剑杆织样机进行样品织造，织造过程及样品照片分别如图2(a)和(b)所示。将织造得到的机织物与非织造布进行交替铺层制成复合织物，层间所使用的黏结材料为树脂型压敏胶，样品尺寸为25 cm×25 cm。

图2 织造过程及样品实物图Fig.2 Images of weaving process and the fabric sample

1.3.2 样品测试过程

根据GA 68—2019《警用防刺服》进行动态穿刺测试，测试中使用的落锤式冲击试验机如图3所示。

图3 防刺特性测试仪器示意图Fig.3 Schematic diagram of stab-resistance test instrument

由图3可知，在测试过程中，测试材料放置在背衬材料上方，同时两边用尼龙搭扣带固定。背衬材料尺寸为400 mm×400 mm×67 mm，从上到下依次为4层6 mm厚的氯丁橡胶海绵、1层30 mm厚的聚乙烯闭孔泡沫塑料、2层6.5 mm厚的天然橡胶。试验中采用GA 68—2019《警用防刺服》中A类防刺服测试用的D1刀具，刀具加配重共2.45 kg，当其以一定高度自由下落进行穿刺时，防刺材料不被穿透即为合格样品。

为研究不同样品的防刺特性，将刀具分别从不同的高度自由落体以进行穿刺试验，控制冲击穿刺能量分别为1.2、2.4和24.0 J；穿刺角度为0°，即标准刀具垂直穿刺织物样品，此时的穿刺力度最大。通过对比这种穿刺形式下不同样品的穿刺深度，探究复合结构中织物的排列方式、排列层数对防刺特性的影响。

2 结果与讨论

2.1 三层“汉堡”型复合织物性能对比分析

对所制备的三层“汉堡”型结构复合织物的基本性能进行测试，主要包括厚度、质量、面密度的测试。表3列出了4块样品的测试结果。

表3 三层“汉堡”型复合织物的基本性能参数

从表3可以看出，随着织物层数的增多，样品的厚度、质量和面密度均增加。其中样品A3和A4的上下两层均为三层平纹机织物，但A4样品在制备过程中引入了胶黏剂，其厚度、质量和面密度略大于A3。三层接结机织物和三层层压机织物的结构如图4所示。

图4 两种三层织物的结构示意图Fig.4 Structure diagrams of two kinds of three-layer fabric

为了研究分析三层“汉堡”型织物的防刺特性，每块样品随机取3个点，测试调控冲击能量分别为1.2和2.4 J时的穿刺深度，并计算平均穿刺深度。样品A1～A4的动态穿刺深度如表4所示。

表4 三层“汉堡”型复合织物的动态穿刺深度Table 4 Dynamic puncture depth of three-layer “hamburger” composite fabrics mm

由表4可知，随着上下层二维正交机织物层数的增加，三层“汉堡”型复合织物的穿刺深度逐渐减小，防刺性能逐渐变好。但就防刺效果最好的A4样品而言，在1.2和2.4 J两种能量下的穿刺深度分别为18.01和25.88 mm，样品距离真正能够达到防刺标准(防刺深度0 mm)有较大差距，因此需要利用机织物与非织造布多次交替铺层，提高防刺效果。另外，样品A3和A4在两种能量下的穿刺深度相差不大，A4呈现出略好一点的防刺特性。这是因为多层接结织物的第一层被刺破时，刺刀也陆续接触到接结在上层的纱线，造成了更多的纱线陆续断裂，而多层层压织物层间没有连接，当刺刀向下运动过程中，刺破第一层纱线，穿刺力下降，这时穿刺刀具才开始接触到下层纱线，整个过程产生的能量消耗较大，另外层压织物间有一定的摩擦力，也使得防刺性能有一定的提高。对于三层接结织物，其织造难度较大，尤其是对于高性能的UHMWPE纤维。因此后续试验中直接采用三层层压织物与非织造布进行多次交替铺层，以期获得更理想的防刺特性。

2.2 多层交替铺层复合织物的性能分析

对所制备的多层交替铺层复合织物进行基本性能测试，主要包括厚度、质量和面密度，4块样品测试结果如表5所示。

表5 多层交替铺层复合织物的基本性能参数

由表5可知，随着织物层数的增加，多层交替铺层复合织物的厚度、质量和面密度均增加。在确定基本性能参数的基础上，对样品的防刺特性进行分析，以24 J的冲击能量对样品进行穿刺测试，每组样品测5次，分析4块多层样品动态测试结果，样品B1～B4的5个取样点穿刺深度值分布情况，如图5所示。

图5 样品B1～B4的5个取样点穿刺深度值分布Fig.5 Puncture depth distribution of sample B1-B4 at five sampling points

由图5中穿刺测试结果可知，在24 J的冲击能量下，多层交替铺层复合织物全部被刺破，未达到GA 68—2019标准中A类防刺服的要求，但随着织物层数的增加，穿刺深度逐渐减小，防刺性能随着织物层数的增加而增强。

进一步分析样品的防刺特性，选取具有代表性的样品，对穿刺测试后样品正反面刺口进行观察。图6为动态穿刺测试后样品B4的正反面效果图。

图6 样品B4动态穿刺测试后正反面图Fig.6 Front and back images of sample B4 after dynamic puncture test

由图6可知，样品B4未能承受24 J的能量冲击，复合结构被刺穿，但正反穿刺的刀口痕迹差异较大。因为初始刺入织物时对织物的破坏较大，随着刺入层数的增加，织物产生更大的摩擦阻力，刀尖刺入能量逐渐被削弱分散，对织物的破坏逐渐减小，导致样品正反面穿刺的刀口痕迹差异较大。

2.3 防刺达标预测分析

由样品测试数据可知，试验中所制备的4块样品在24 J的冲击能量作用下，样品均被刺破，未能达到GA 68—2019标准中A类防刺服的要求。但对于B1～B4样品，随着织物层数的匀速增加，穿刺深度也在匀速减小，因此利用现有数据可预测能够达到防刺标准所需的织物层数，为后续试验奠定基础。多层交替铺层复合织物的层数与穿刺深度、面密度的曲线关系如图7所示。

图7 多层交替铺层样品穿刺深度及面密度变化Fig.7 The change of puncture depth and surface density of multi-layer alternating layered samples

图7显示，织物层数与穿刺深度、面密度之间存在明显的规律，可拟合为一次函数，设织物层数为x，穿刺深度为y1，面密度为y2，通过所测数据拟合得到方程(1)和(2)。

y1=-2.085x+43.015

(1)

y2=0.560 3x-0.157 7

(2)

当穿刺深度y1=0时，织物不被穿刺，此时可求得叠层层数x=20.63，故可预测出：当织物层数大于21层时，能够达到GA 68—2019标准中A类防刺服的要求，考虑到层间结合牢度存在不均匀性，因此需要21～23层叠合。将x值代入方程(2)，计算出面密度为11.61～12.73 kg/m2。

3 结 语

设计并制备了机织物/非织造布叠层复合织物，通过对其防刺特性进行测试分析，得出以下结论：

(1)三层平纹层压织物与三层平纹接结织物相比，两者的厚度、密度和面密度相差不大，在1.2和2.4 J能量下的穿刺深度也较为接近，接结织物穿刺深度分别为18.22和26.44 mm，层压织物穿刺深度分别为18.01和25.88 mm。因此，在制备多层交替铺层复合织物时，层压织物具有加工优势。

(2)对于机织物与非织造布多层交替铺层复合织物，随着织物层数的增加，穿刺深度匀速减小。8层机织物与9层非织造布交替铺层的复合织物的面密度为9.36 kg/m2，平均穿刺深度为7.71 mm。

(3)复合织物中的织物层数与穿刺深度、面密度之间存在明显的规律，可拟合为一次函数。当穿刺深度为0 mm时，求得铺层层数为20.63层，故可预测出织物层数大于21层时能够达到GA 68—2019标准中A类防刺服的要求，考虑到层间结合牢度存在不均匀性，因此要21～23层叠合。