芳纶针织物的防刺性能

李 宁， 宋广礼， 刘梁森， 张宇群, 姜亚明

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2.天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

目前，防刺织物[1]引起了国内外学者的广泛关注[2]。常见的防刺织物是高密细支的机织物和复合织物[3]，就针织物防刺性能的研究而言，其防刺机制[4]、防刺测试方法[5]以及针织物的复合织物防刺性能的研究[6]取得了飞速的发展[7]。本文从常见的针织物组织结构出发，通过不同组织结构的组合，研究其防刺性能，这样不仅进一步开发了常见组织的使用性能，也为防刺产品的开发节约了成本，研究结果具有市场应用前景。

1 试验部分

1.1 材料及仪器

本文试验使用的原料是由杜邦公司生产的100%凯夫拉纤维，线密度为158 tex。芳纶丝纱线细度较粗，单丝之间抱合力较低，编织过程易起静电，因此，在试验前需要对芳纶丝进行加捻和抗静电处理。

国内很多学者[8]研究了芳纶丝编织成的高密机织物、芳纶间隔织物和多轴向针织物[9]。然而对常见的针织物组织结构的防刺性能的研究较少，本文在研究芳纶针织物防刺性能的同时研究芳纶针织物防刺过程中线圈的“自锁”现象，因此试验选取了纬平针组织、1+1罗纹组织、畦编组织，分别在7 G的电脑横机和7 G、9 G的手摇横机上编织试样。表1示出试验样片的基本参数。

表1 试验样片的基本参数Tab.1 Basic parameters of test samples

注：编号为P的样片的组织结构为纬平组织；编号为R的为罗纹组织；编号为Q的为畦编组织。

本文试验使用测试仪器是天津工业大学研制的滚筒记录式织物防刺性能测试仪。该仪器由3个主要部分组成：刀具部分，背衬胶泥以及滚筒记录部分。

1.2 试验条件

1.3 试验方法

1.3.1试验步骤

图1 样片部分简图Fig.1 Diagram of sample part

1.3.2试验相关参数的计算

1)冲击时间。己知滚筒转速为r，则滚筒旋转1转所需要的时间为60/rs；滚筒周长L=πd，式中d为滚筒的直径， mm，笔尖在滚筒上划过的弧长为1 mm，则冲击时间t=60/(rL)。

2)冲击整体位移s。冲击整体位移指的是刀尖与织物初始接触点到速度为零点之间的距离，可直接量取。

1.4 试验样片的组合

表2示出了试样结构与性能指标。

表2 试样结构与性能指标Tab.2 Indicators of sample structure and performance

注：样片的叠放次序是由上层到下层排列，相应代号的含义见表1；叠放方式为层与层之间横列和纵行垂直叠放。

2 结果分析及讨论

按上述试验条件，用滚筒记录式织物防刺性能测试仪进行各种单层和多种样片组合的刺破试验。

表3示出了防刺试验结果。

2.1 结果分析

试验结果主要看样片刺破与否、整体位移以及背衬胶泥的变形深度，得出防刺性能较好的芳纶针织物组织结构和相应的叠放关系。

表3 防刺试验结果Tab.3 Result of stabbing resistance test

注：依据GA 68—2008《警用防刺服》的规定，防护面积为0.3 m2时，一级和二级的防护层厚度和质量分别不超过15 mm、3.0 kg和20 mm、3.5 kg。防护层质量包括0.3 kg的防刺服外罩， 单层面密度为184 g/m2。

图3示出4号样片的刺入位移与时间曲线。图中曲线A-D-F可分为2部分：一是A-D段，即从刀具开始与织物接触点A到刺入最深点D，称为刺入过程曲线；二是D-F段，称为刀具反弹过程曲线，刀具反弹后，最终会稳定于EH线所在的高度。本文试验将刀具的刺入过程分为刺破和穿透2种情况，在刺入过程中，刀具都会进入样片，刺破与否主要看样片刺入点的纱线是否断裂，如果纱线没有断裂，即刀具进入织物却未刺破；反之，则为刺破。在图3中，A点是起始接触点，此时刀具有一定的速度，随着刀尖的刺入，刀具的速度在减小，到最深点D点时刀具速度为0，此时AD点之间的位移就是刺入过程的整体位移。到达D点后，刀具会在背衬橡胶垫的作用下反弹而出现回升位移，在回升的过程中，刀具受到背衬胶泥以及织物样片的阻力作用，能量在不断的减小，最终刀具会稳定于EH平面所在高度。图3中DE称为刀具的回弹量。 观察试验中10个样片的刺入位移与时间曲线可发现，这10条曲线上的A-D段，有一部分曲线基本上呈线性变化，如图3所示，在线性部分，可通过AB2点的坐标做出线性部分的一次函数，即y=kx(式中：y为刺入深度，mm；x为刺入时间,ms；k为直线部分的斜率)，斜率k表明织物样片防刺性能的优劣，其值越大，防刺性能越差；反之，则越好。由斜率的变化，得出如下结论。

图3 4号样片刺入位移与时间曲线Fig.3 Displacement-time curve of sample four

2.1.1样片均是单一结构情况

1)组织结构相同、层数不同对芳纶针织物穿刺情况的影响。由表3可看出，k1、k2、k10分别为纬平针组织的样片结构的1、2、10层试样线性部分的斜率，其值分别为0.745 4、0.742 1、0.730 0。其中，经过穿刺试验，3种试样均是刺破的，从线性部分的斜率变化以及背衬胶泥的变化45、42、39 mm可看出，随着层数的增加，纬平针组织线性部分的斜率在减小，防刺性能在增强。

2)层数相同，组织结构不同对芳纶针织物穿刺情况的影响。由表2可知，样片2、3、4均是双层样片垂直交叉组合，由表3可知，样片2、3、4线性部分的斜率分别为0.742 1、0.715 6、0.803 7。结合表3的刺入结果，可得：3号样片两层1+1罗纹组织的防刺性能最好，两层均未刺破；其次是2号样片两层纬平针组织；最后是4号样片两层畦编组织。

2.1.2样片由不同组织结构复合而成

1)不同组织结构复合，层数相同时对芳纶针织物穿刺情况的影响。样片5、6、7均是4层的复合织物，结合表2和表3可知，这3种复合组织分别是：纬平+罗纹、纬平+畦编、罗纹+畦编，k5、k6、k7分别为0.752 3、0.787 6、0.759 6。可看出纬平与罗纹组织复合时，其防刺性能是最好的，其次是罗纹和畦编，最后是纬平针和畦编组织的复合。

2)不同组织结构复合，层数不同时对芳纶针织物穿刺情况的影响。5、8、9号样片均是纬平针组织和罗纹组织复合，观察表3，k5、k8、k9的斜率逐渐在增加，这说明4层的纬平针+罗纹组织的防刺性最好，结合表3和表2的穿透情况及样片的叠放次序可得样片5一次放置的是纬平针组织、罗纹组织，而8、9均在最上面放置的是罗纹组织，这说明不同组织结构的织物复合时，叠放次序也影响穿刺结果，罗纹组织在上时效果最好。

由表3可知，10个样片中，3、5、6、7、8、9号的样片均未完全刺破，k9>k8>k6>k7>k5>k3。

在未完全刺破的样片中，一层均未刺破的样片有3、7、8、9号，均未刺破的样片中达到GA 68—2008《警用防刺服》防刺标准的有：3、8、9号3种样片，其厚度分别为7.39、12.56、10.64 mm，均小于防刺标准中一级所要求的15 mm，其0.3 m2的质量分别为438.501、673.854、789.021 g，均小于一级防护层质量3 kg的要求。

2.2 试样防刺过程的线圈变化讨论

2.2.1纬平针组织防刺机制探讨

本文试验中，所有的纬平针组织在测试中不仅被穿透而且都被刺破了。纬平针组织样片是从织物的横向和纵向2个方向被刺穿的。在10个样片中，结合图3可知，在初始接触点A，刀具有相同的动能，当刀具沿纵向刺入样片时，此时刺入点附近的线圈疏密发生变化，随着刀具的不断刺入，紧挨刀身两侧的线圈长度会缩小，发生线圈长度转移。随着刀具的进一步进入，线圈转移仍在进行，此时接触刀刃部分的线圈变得稀疏，刀身部分线圈紧密，当刀身周围的线圈长度转移到一定的极限时，就不再发生转移，刀身周围的线圈就会锁着刀具，阻止刀具进一步刺入，此时称刀具处于“自锁”状态。同时，转移线圈对刀具的摩擦力已经达到了该织物样片的最大极限值，对于纬平针组织的纵行线圈而言，刺入点线圈已经达到了最大圈高。在此过程中，刀具接触织物具有一定速度，在线圈转移时，刀身部分受到线圈的摩擦力在不断增大，即线圈部分在不断地消耗刀具的动能，当线圈的摩擦力达到最大极限值的时候，线圈部分不再消耗刀具的动能，此时刀具部分剩余的动能就开始切割刀刃两侧的纱线，由于纬平针组织在刀具“自锁”状态时，刀具的剩余能量足以将刀刃两侧的纱线切断，因此纬平针组织就被刺破了；同理，当刀具沿着织物的横行方向刺入的时候，刀刃刺入的线圈扩张长度最大，随着刀具的刺入，被刺入的线圈沿着横向不断地扩张，此时处于同一纵行的其他线圈也参加线圈长度的转移，最后，线圈达到了最大圈距而不再发生线圈转移，刀具发生“自锁”现象，刀具所剩的动能可切割线圈，纬平针组织刀刃两侧的纱线被割断，织物被刺破。

2.2.2罗纹组织的防刺机制探讨

在防刺性能测试中，罗纹组织的防刺过程如下：当刀具接触到织物后，刀具首先穿入表层的线圈中，对于1+1罗纹组织而言，首先发生的是线圈之间的延伸。接着就是线圈长度的转移，这里的线圈转移不同于纬平针组织，罗纹组织的线圈转移指的是沉降弧发生变化，也正是由于沉降弧的转移，起初的动能被周围线圈大量地扩散，因此，相比纬平针组织，罗纹组织的能量扩散效果更好。当刺入点的线圈转移到一定程度时，线圈也会发生如同纬平针组织的“自锁”现象，此时1+1罗纹组织刺入点处的线圈沿纵行刺入达到了最大圈高Bmax，图4示出罗纹组织线圈纵向拉伸极限图。同理，当沿横向刺入时，在这个时候达到了最大圈距Amax，此时线圈对织物的摩擦阻力达到了最大极限值，当刀具发生“自锁”现象时，刀具上的残余能量已经无法将刀刃两侧的纱线隔断，因此，对于1+1罗纹组织而言，刀具仅仅是刺入了织物，但是没有刺破织物。

图4 罗纹组织纵向拉伸极限图Fig.4 Loops limit diagram of rib structure

3 结 语

通过对刺入位移-时间曲线图(如图3)的分析，可得到如下的结论。

1)在不同组织结构的芳纶针织物中，罗纹组织的防刺性能最好，其次是纬平针组织，最后是畦编组织。

2)织物在穿刺过程中，织物曲线上线性部分的斜率表明织物防刺性能的优劣，斜率越大，其防刺性能越差。

3)试样的叠放次序也会影响芳纶针织物的防刺性能，通常罗纹组织置于最上层的时候，防刺性能是最好的。

4)两层罗纹组织垂直交叠、五层和六层的罗纹与纬平针织物垂直交叠的厚度分别为7.39、12.56、10.64 mm，均小于防刺标准一级所要求的15 mm,其0.3 m2的质量分别为438.501、673.854、789.021 g，均小于一级防护层质量3 kg的要求，因此，均达到了GA 68—2008《警用防刺服》的防刺要求。

FZXB

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