防刺机织物的设计研究.docx

防刺机织物的设计研究介绍了机织物防刺机制、测试方法及防刺性主要评判指标的研究进展，并以织物的防刺机制为理论根据，从纤维原料、纱线、织物、后整理四方面分析了提高机织物防刺性的设计方法。关键词：机织物；防刺性；设计以硬质合金、陶瓷或复合材料板作为防刺材料的防护服的防刺特性较好，但其较笨重、不够灵敏，穿着起来也不舒适，隐蔽性也差1。这使得以织物为主的柔性防刺材料的开发遭到普遍关注。机织物是柔性防刺材料常用的织物类型2。本文主要介绍了机织物的防刺机制及测试指标，从机织物纤维原料、纱线、织物及后整理等方面分析了提高机织物防刺性能的方法。1机织物的防刺机制及测试指标1.1机织物的防刺机制机织物的穿刺经过是一个复杂的问题，由于它需要充分考虑到织物的严密度和刺针的锋利度。TERMONIAY3开发了一个模型，用于纤维织物系统对刺针穿刺阻力因素的研究。研究结果表明穿刺经历了4个不同的阶段：刺针的尖端接触并给纤维束施加一定的压力；刺针的尖端滑移到纤维间距内，造成穿刺；织物中纱线间的摩擦作用阻止刺针刺入织物；刺针的锥形部分滑移。在多层机织物中，发现刺针的最大穿刺力发生在织物间的摩擦作用阻止刺针刺入的经过中。1.2防刺性测试方法及指标目前，国内外防刺标准中用于防刺性能测试的方法主要有两种：一是准静态防刺试验；二是动态冲击防刺试验。准静态防刺试验主要用于初步评价所测材料的防刺性能，测试装置是根据传统的万能试验机开发的。顾肇文4用标准的防刺测试刀具替换了强力仪的顶破弹子(见图1)，并配套研制了一个传感器，用来控制试验刀的速度，同时记录试验刀具的穿刺深度与穿刺力、穿刺能量的关系曲线。动态冲击防刺测试装置主要有落锤式防刺试验机(图2)和空气炮测试装置(图3)。落锤式防刺试验装置是落锤和试验刀具沿着设计的轨道下落，依靠本身重量坠落，使试验刀具以一定的能量作用于织物5。空气炮测试方法根据PSDB标准，使用空气炮推动不同刀具作用于织物，试验刀具速度可达20m/s。空气被压缩进储藏器中，然后通过一个电磁阀排进枪管内，试验刀固定在尼龙弹托或铝弹托上，空气推动试验刀作用于所测织物。测试结束后，去掉测试织物，刀片仍然嵌在里面，然后通过直接测量试验刀的伸出长度来测量其穿刺深度6。随着防刺材料测试标准的改良，用于测量刺刀攻击相关生物力学参数的设备、材料、方法已经开发出来，并提出了相关数据。一个六相机Vicon动作分析系统在穿刺经过中可用于测量速度，可以测得能量和动量。专门开发的测力用刀在冲击阶段可用来测量三维力和力矩。为了方便描绘和分析，刀刺攻击分为两个阶段：第一阶段为刀尖接触目的；第二阶段为冲击阶段。第一阶段能够用六相机Vicon动作分析系统进行分析，而冲击阶段用专门开发的测力用刀来分析。要求一组志愿者用最大的力去刺一个目的，分别用三种能量方式向前刺、水平刺和反手刺去刺。这三种刺入方式是根据现有报道过的事件选择的，这就提供了比以前愈加真实的数据。能够发现，这种测试方法能够重如今刺入经过中测量的能量和力值范围，固然模拟在某些方面是不准确的。在测试经过中，非轴向力和扭矩值也是很重要的，但是在标准机械试验中，这些都不能测量出来7。评价多层机织物防刺性的指标主要有两个：刺穿层数和刺穿深度。刺穿深度为钉状物或刀刃伸出测试样品外表的长度。2提高机织物防刺性的设计方法2.1纤维方面纤维原料的种类不同，机织物的防刺性能有很大的差异。防刺织物用纤维原料应选用具有高强度、高模量、抗剪切性好、耐冲击优良等特性的纤维。国际上主要的防刺织物用纤维有芳纶和超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维。表1列举了几种高性能纤维的相关性能。从表1中能够看出：芳纶和UHMWPE纤维的力学性能优异，同时，二者的生产技术成熟，适宜作为防刺机织物用纤维原料。2.2纱线方面织物是由纱线组成的，因而纱线的细度和构造对多层机织物的防刺性能也有一定影响。2.2.1纱线细度刺刀刺入经过中，由于机织物的摩擦作用抵抗刺刀的刺入，所以能够通过用较严密的纱线构造来避免在刺入经过中纱线或纤维的分离。使用低旦纱线尽可能严密地织造多层织物，相应的覆盖率较高，刺刀不易刺入，防刺性较好8。赵玉梅等9研究了纱线粗细的不同对机织物防刺效果的影响，发现单纱越细，相应的织物防刺性越好。杜邦公司在专利WO97/49849中提出芳香族聚酰胺织物所用的单纱细度很细，并且织造的紧度也较大，故能提供很好的防刺性；同时以为纱线细度在100500dtex之间最好。Decker等1对不同纱线细度的尼龙机织物进行了复合，在织物面密度一样的情况下进行了刀刺、锥刺试验。结果发现，纱线越细，多层机织物的防刺性能越好。2.2.2纱线捻度朱静10发现纱线捻度的大小影响纱线的防刺性进而影响机织物的防刺性能。随着纱线捻度的增大，纱线的刺割强力呈先增大后减小趋势，因而纱线有最佳捻度。在最佳捻度处，纱线的刺割强力最大。纱线的刺割包括纤维的抽拔和剪切断裂。捻度小时，纤维与纤维间的摩擦力较小，此时纤维易抽拔出来；随着捻度增大，纱线的刺割力增大；高捻时，剪切为主要作用，此时纤维的初始剪切力大，同时纤维间的摩擦力也大，纤维不易剪切变形吸收一定的能量，导致纱线遭到刀刺易断裂。2.2.3纺纱方式纱线纺纱方式的改变对多层机织物的防刺性能也有一定的影响。采用复合纺纱技术将不同种纱线包缠复合。常用的是将不锈钢丝作为芯纱，外层用Kevlar、Spectra、Dyneema等高性能纱线包缠，所构成的复合纱线防刺割性较好。DuongTuTien等11以棉短纤和芳纶长丝为原料制备了芳纶包芯纱，并对此包芯纱织成的机织物进行了防刺测试，结果表明该织物具有很好的防刺性能，同时提高了织物穿着舒适性。2.3织物方面2.3.1织物密度机织物的密度对防刺性能具有显著的影响。DuongTuTien等12将一些高性能纤维，如芳纶、玄武岩纤维、金属纤维和棉纤维混纺，纺成的纱线织成不同面密度的机织物，并根据NIJ测试标准对其进行防刺性测试。结果表明：织物的刺穿深度遭到织物面密度的影响，证明存在最佳面密度，使得防刺性能最好。杨沙沙13研究了织物密度的大小对织物防刺性的影响趋势。结果显示：其他条件一样，经密增大，使得承受切割的纱线根数增加，纱线间的摩擦作用增加，进而摩擦作用耗散的能量增大，织物刺割强力随之增大；但增大到一定程度，其刺割强力会随着织物经密的增加而减小，当经密增大超过最佳值时，在刺割时，织物中纱线移动困难，纱线的拉伸减弱，使得承受切割的纱线根数减少，导致刺割力减弱。2.3.2织物组织由于织物的动态穿刺损坏主要是由于织物组织的松懈和纱线的抽出，因此织物组织是影响防刺性能的重要因素。防刺机织物的组织大多数采用平纹，由于和其它组织相比，平纹组织的纱线之间排列严密，互相间的抱合力大，在刀具刺入时，不易产生纱线滑移，抗拉伸排斥能力强，因此能够有效握持刀尖，具有一定的防刺作用。以平纹为基础组织的防刺材料具有厚度相对较薄、质量较轻、纱线的线密度高、设计性强、能够大面积防护等特点，因而在防刺材料中有着广泛应用14。杨沙沙13选择了UHMWPE纤维织造了平纹、斜纹、缎纹、三层角连锁4种组织构造的机织物，研究表明：平纹织物的刺破强力相对最大，斜纹织物次之，三层角连锁织物第三，缎纹织物相应最小。2.3.3织物层数王颖等5比拟了单层UHMWPE机织布、双层UHMWPE机织布的防刺性。讨论发现单层就具有很好的防刺性能，双层的防刺能力相应有一定提升；随着层数增加，UHMWPE机织布防刺效果会更好。多层机织物是具有准三维构造的一种纺织品，通过一定的接结形式由多组经纬纱线相互交织而成。由于多层织物层与层之间通过接结经或接结纬连接，因而这种构造大大提高了层与层之间的抗剪切能力，同时减少了在使用经过中层与层之间的剥离毁坏15。使用多层机织物作为防刺材料的优点在于它们具有充分的灵敏性，同时提供了一定的防刺保护。刘爱平16采用UHMWPE长丝，以平纹为基础组织设计织造了3种不同接结方式的多层机织物，防刺测试结果发现由于在多层平纹机织物中各层纤维之间是互相交织的，总体来讲织物的整体性较好，抗冲击性也相应较好，防刺性能优异。2.4后整理方面2.4.1织物涂层提高织物防刺性能的一种方法是用薄薄的一层聚合物来涂覆或层压到织物上，使得纱线黏结在一起。目前，这种方法是比拟常用的，由于层压后的织物防刺效果得到提高且其灵敏性也较合理。MAYO等17将芳纶机织物经热塑性塑料浸渍，然后在准静态和动态条件下进行防刺性能测试，得到其防刺特性。不同厚度的聚乙烯、沙林和共挤出的聚乙烯-沙林膜层压到织物上，然后和一样质量和层数的纯净的织物比拟，结果表明：经热塑性塑料浸渍的层压织物通过增加耐切割性和减少纱线滑移提高了织物的防刺性能。研究结果还表明：为了使协同性能加强，热塑性浸渍的薄膜需要完好地结合到织物上去。如今比拟常见的是利用剪切增稠液体(STF)进行外表涂层。当STF浸入织物中，它通常是以液态存在，但当织物遭到冲击时，织物中的STF立即变成固体，使织物变得非常强韧，很难被穿透18。世界第一件最薄防刺服是由美国特拉华大学开发的，利用STF浸渍机织物，处理后其防刺能力加强且防刺服的舒适性也较好19。BAHARVANDIHR20研究了在浸渍STF后芳纶织物的穿刺阻力，由于纱线和试验刀具、纤维和试验刀具之间的摩擦力对织物的防刺性有很大的影响，在穿刺经过中，经STF处理后，纱线与试验刀具和纤维与试验刀具之间的摩擦力越大，纤维的断裂比纤维的滑移就越多。故相对于未经过STF处理的芳纶织物，经质量分数为35%的STF浸渍后的芳纶织物的准静态穿刺阻力增加了4.5倍。2.4.2多构造复合平纹类机织物的构造较稳定且抗拉伸性能较好，但其各项同性和抗剪切性较差。刀具刺入经过包括拉伸和剪切作用，其中剪切作用起主要作用。由于非织造布的抗剪切性较好，故可将平纹机织布和非织造布叠合来提高防刺性21。叶汶祥等22选用UHMWPE长丝开发了基础组织为平纹的双层管状组织构造的机织防刺织物，织物构造比拟严密，抗拉性好，但抗剪切性能缺乏。由于管状组织具有中空管，故能够与其它防刺材料复合。本文以防刺机制为根据，介绍了防刺织物用纤维原料、纱线构造、织物构造及后整理方法。随着国内外研究者对柔性防刺材料的高度重视，机织物因具有较好的防刺性能，且穿着灵敏、舒适、隐蔽性强，已经成为防刺领域的重点研究对象，将来也将被更深化地进行研发。