李 寧， 宋廣禮， 劉梁森， 張宇群, 姜亞明

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2.天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

目前，防刺織物[1]引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2]。常見的防刺織物是高密細(xì)支的機(jī)織物和復(fù)合織物[3]，就針織物防刺性能的研究而言，其防刺機(jī)制[4]、防刺測試方法[5]以及針織物的復(fù)合織物防刺性能的研究[6]取得了飛速的發(fā)展[7]。本文從常見的針織物組織結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過不同組織結(jié)構(gòu)的組合，研究其防刺性能，這樣不僅進(jìn)一步開發(fā)了常見組織的使用性能，也為防刺產(chǎn)品的開發(fā)節(jié)約了成本，研究結(jié)果具有市場應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

本文試驗(yàn)使用的原料是由杜邦公司生產(chǎn)的100%凱夫拉纖維，線密度為158 tex。芳綸絲紗線細(xì)度較粗，單絲之間抱合力較低，編織過程易起靜電，因此，在試驗(yàn)前需要對(duì)芳綸絲進(jìn)行加捻和抗靜電處理。

國內(nèi)很多學(xué)者[8]研究了芳綸絲編織成的高密機(jī)織物、芳綸間隔織物和多軸向針織物[9]。然而對(duì)常見的針織物組織結(jié)構(gòu)的防刺性能的研究較少，本文在研究芳綸針織物防刺性能的同時(shí)研究芳綸針織物防刺過程中線圈的“自鎖”現(xiàn)象，因此試驗(yàn)選取了緯平針組織、1+1羅紋組織、畦編組織，分別在7 G的電腦橫機(jī)和7 G、9 G的手搖橫機(jī)上編織試樣。表1示出試驗(yàn)樣片的基本參數(shù)。

表1 試驗(yàn)樣片的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of test samples

注：編號(hào)為P的樣片的組織結(jié)構(gòu)為緯平組織；編號(hào)為R的為羅紋組織；編號(hào)為Q的為畦編組織。

本文試驗(yàn)使用測試儀器是天津工業(yè)大學(xué)研制的滾筒記錄式織物防刺性能測試儀。該儀器由3個(gè)主要部分組成：刀具部分，背襯膠泥以及滾筒記錄部分。

1.2 試驗(yàn)條件

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1試驗(yàn)步驟

圖1 樣片部分簡圖Fig.1 Diagram of sample part

1.3.2試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

1)沖擊時(shí)間。己知滾筒轉(zhuǎn)速為r，則滾筒旋轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)所需要的時(shí)間為60/rs；滾筒周長L=πd，式中d為滾筒的直徑， mm，筆尖在滾筒上劃過的弧長為1 mm，則沖擊時(shí)間t=60/(rL)。

2)沖擊整體位移s。沖擊整體位移指的是刀尖與織物初始接觸點(diǎn)到速度為零點(diǎn)之間的距離，可直接量取。

1.4 試驗(yàn)樣片的組合

表2示出了試樣結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo)。

表2 試樣結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo)Tab.2 Indicators of sample structure and performance

注：樣片的疊放次序是由上層到下層排列，相應(yīng)代號(hào)的含義見表1；疊放方式為層與層之間橫列和縱行垂直疊放。

2 結(jié)果分析及討論

按上述試驗(yàn)條件，用滾筒記錄式織物防刺性能測試儀進(jìn)行各種單層和多種樣片組合的刺破試驗(yàn)。

表3示出了防刺試驗(yàn)結(jié)果。

2.1 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果主要看樣片刺破與否、整體位移以及背襯膠泥的變形深度，得出防刺性能較好的芳綸針織物組織結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的疊放關(guān)系。

表3 防刺試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Result of stabbing resistance test

注：依據(jù)GA 68—2008《警用防刺服》的規(guī)定，防護(hù)面積為0.3 m2時(shí)，一級(jí)和二級(jí)的防護(hù)層厚度和質(zhì)量分別不超過15 mm、3.0 kg和20 mm、3.5 kg。防護(hù)層質(zhì)量包括0.3 kg的防刺服外罩， 單層面密度為184 g/m2。

圖3示出4號(hào)樣片的刺入位移與時(shí)間曲線。圖中曲線A-D-F可分為2部分：一是A-D段，即從刀具開始與織物接觸點(diǎn)A到刺入最深點(diǎn)D，稱為刺入過程曲線；二是D-F段，稱為刀具反彈過程曲線，刀具反彈后，最終會(huì)穩(wěn)定于EH線所在的高度。本文試驗(yàn)將刀具的刺入過程分為刺破和穿透2種情況，在刺入過程中，刀具都會(huì)進(jìn)入樣片，刺破與否主要看樣片刺入點(diǎn)的紗線是否斷裂，如果紗線沒有斷裂，即刀具進(jìn)入織物卻未刺破；反之，則為刺破。在圖3中，A點(diǎn)是起始接觸點(diǎn)，此時(shí)刀具有一定的速度，隨著刀尖的刺入，刀具的速度在減小，到最深點(diǎn)D點(diǎn)時(shí)刀具速度為0，此時(shí)AD點(diǎn)之間的位移就是刺入過程的整體位移。到達(dá)D點(diǎn)后，刀具會(huì)在背襯橡膠墊的作用下反彈而出現(xiàn)回升位移，在回升的過程中，刀具受到背襯膠泥以及織物樣片的阻力作用，能量在不斷的減小，最終刀具會(huì)穩(wěn)定于EH平面所在高度。圖3中DE稱為刀具的回彈量。 觀察試驗(yàn)中10個(gè)樣片的刺入位移與時(shí)間曲線可發(fā)現(xiàn)，這10條曲線上的A-D段，有一部分曲線基本上呈線性變化，如圖3所示，在線性部分，可通過AB2點(diǎn)的坐標(biāo)做出線性部分的一次函數(shù)，即y=kx(式中：y為刺入深度，mm；x為刺入時(shí)間,ms；k為直線部分的斜率)，斜率k表明織物樣片防刺性能的優(yōu)劣，其值越大，防刺性能越差；反之，則越好。由斜率的變化，得出如下結(jié)論。

圖3 4號(hào)樣片刺入位移與時(shí)間曲線Fig.3 Displacement-time curve of sample four

2.1.1樣片均是單一結(jié)構(gòu)情況

1)組織結(jié)構(gòu)相同、層數(shù)不同對(duì)芳綸針織物穿刺情況的影響。由表3可看出，k1、k2、k10分別為緯平針組織的樣片結(jié)構(gòu)的1、2、10層試樣線性部分的斜率，其值分別為0.745 4、0.742 1、0.730 0。其中，經(jīng)過穿刺試驗(yàn)，3種試樣均是刺破的，從線性部分的斜率變化以及背襯膠泥的變化45、42、39 mm可看出，隨著層數(shù)的增加，緯平針組織線性部分的斜率在減小，防刺性能在增強(qiáng)。

2)層數(shù)相同，組織結(jié)構(gòu)不同對(duì)芳綸針織物穿刺情況的影響。由表2可知，樣片2、3、4均是雙層樣片垂直交叉組合，由表3可知，樣片2、3、4線性部分的斜率分別為0.742 1、0.715 6、0.803 7。結(jié)合表3的刺入結(jié)果，可得：3號(hào)樣片兩層1+1羅紋組織的防刺性能最好，兩層均未刺破；其次是2號(hào)樣片兩層緯平針組織；最后是4號(hào)樣片兩層畦編組織。

2.1.2樣片由不同組織結(jié)構(gòu)復(fù)合而成

1)不同組織結(jié)構(gòu)復(fù)合，層數(shù)相同時(shí)對(duì)芳綸針織物穿刺情況的影響。樣片5、6、7均是4層的復(fù)合織物，結(jié)合表2和表3可知，這3種復(fù)合組織分別是：緯平+羅紋、緯平+畦編、羅紋+畦編，k5、k6、k7分別為0.752 3、0.787 6、0.759 6?？煽闯鼍暺脚c羅紋組織復(fù)合時(shí)，其防刺性能是最好的，其次是羅紋和畦編，最后是緯平針和畦編組織的復(fù)合。

2)不同組織結(jié)構(gòu)復(fù)合，層數(shù)不同時(shí)對(duì)芳綸針織物穿刺情況的影響。5、8、9號(hào)樣片均是緯平針組織和羅紋組織復(fù)合，觀察表3，k5、k8、k9的斜率逐漸在增加，這說明4層的緯平針+羅紋組織的防刺性最好，結(jié)合表3和表2的穿透情況及樣片的疊放次序可得樣片5一次放置的是緯平針組織、羅紋組織，而8、9均在最上面放置的是羅紋組織，這說明不同組織結(jié)構(gòu)的織物復(fù)合時(shí)，疊放次序也影響穿刺結(jié)果，羅紋組織在上時(shí)效果最好。

由表3可知，10個(gè)樣片中，3、5、6、7、8、9號(hào)的樣片均未完全刺破，k9>k8>k6>k7>k5>k3。

在未完全刺破的樣片中，一層均未刺破的樣片有3、7、8、9號(hào)，均未刺破的樣片中達(dá)到GA 68—2008《警用防刺服》防刺標(biāo)準(zhǔn)的有：3、8、9號(hào)3種樣片，其厚度分別為7.39、12.56、10.64 mm，均小于防刺標(biāo)準(zhǔn)中一級(jí)所要求的15 mm，其0.3 m2的質(zhì)量分別為438.501、673.854、789.021 g，均小于一級(jí)防護(hù)層質(zhì)量3 kg的要求。

2.2 試樣防刺過程的線圈變化討論

2.2.1緯平針組織防刺機(jī)制探討

本文試驗(yàn)中，所有的緯平針組織在測試中不僅被穿透而且都被刺破了。緯平針組織樣片是從織物的橫向和縱向2個(gè)方向被刺穿的。在10個(gè)樣片中，結(jié)合圖3可知，在初始接觸點(diǎn)A，刀具有相同的動(dòng)能，當(dāng)?shù)毒哐乜v向刺入樣片時(shí)，此時(shí)刺入點(diǎn)附近的線圈疏密發(fā)生變化，隨著刀具的不斷刺入，緊挨刀身兩側(cè)的線圈長度會(huì)縮小，發(fā)生線圈長度轉(zhuǎn)移。隨著刀具的進(jìn)一步進(jìn)入，線圈轉(zhuǎn)移仍在進(jìn)行，此時(shí)接觸刀刃部分的線圈變得稀疏，刀身部分線圈緊密，當(dāng)?shù)渡碇車木€圈長度轉(zhuǎn)移到一定的極限時(shí)，就不再發(fā)生轉(zhuǎn)移，刀身周圍的線圈就會(huì)鎖著刀具，阻止刀具進(jìn)一步刺入，此時(shí)稱刀具處于“自鎖”狀態(tài)。同時(shí)，轉(zhuǎn)移線圈對(duì)刀具的摩擦力已經(jīng)達(dá)到了該織物樣片的最大極限值，對(duì)于緯平針組織的縱行線圈而言，刺入點(diǎn)線圈已經(jīng)達(dá)到了最大圈高。在此過程中，刀具接觸織物具有一定速度，在線圈轉(zhuǎn)移時(shí)，刀身部分受到線圈的摩擦力在不斷增大，即線圈部分在不斷地消耗刀具的動(dòng)能，當(dāng)線圈的摩擦力達(dá)到最大極限值的時(shí)候，線圈部分不再消耗刀具的動(dòng)能，此時(shí)刀具部分剩余的動(dòng)能就開始切割刀刃兩側(cè)的紗線，由于緯平針組織在刀具“自鎖”狀態(tài)時(shí)，刀具的剩余能量足以將刀刃兩側(cè)的紗線切斷，因此緯平針組織就被刺破了；同理，當(dāng)?shù)毒哐刂椢锏臋M行方向刺入的時(shí)候，刀刃刺入的線圈擴(kuò)張長度最大，隨著刀具的刺入，被刺入的線圈沿著橫向不斷地?cái)U(kuò)張，此時(shí)處于同一縱行的其他線圈也參加線圈長度的轉(zhuǎn)移，最后，線圈達(dá)到了最大圈距而不再發(fā)生線圈轉(zhuǎn)移，刀具發(fā)生“自鎖”現(xiàn)象，刀具所剩的動(dòng)能可切割線圈，緯平針組織刀刃兩側(cè)的紗線被割斷，織物被刺破。

2.2.2羅紋組織的防刺機(jī)制探討

在防刺性能測試中，羅紋組織的防刺過程如下：當(dāng)?shù)毒呓佑|到織物后，刀具首先穿入表層的線圈中，對(duì)于1+1羅紋組織而言，首先發(fā)生的是線圈之間的延伸。接著就是線圈長度的轉(zhuǎn)移，這里的線圈轉(zhuǎn)移不同于緯平針組織，羅紋組織的線圈轉(zhuǎn)移指的是沉降弧發(fā)生變化，也正是由于沉降弧的轉(zhuǎn)移，起初的動(dòng)能被周圍線圈大量地?cái)U(kuò)散，因此，相比緯平針組織，羅紋組織的能量擴(kuò)散效果更好。當(dāng)刺入點(diǎn)的線圈轉(zhuǎn)移到一定程度時(shí)，線圈也會(huì)發(fā)生如同緯平針組織的“自鎖”現(xiàn)象，此時(shí)1+1羅紋組織刺入點(diǎn)處的線圈沿縱行刺入達(dá)到了最大圈高Bmax，圖4示出羅紋組織線圈縱向拉伸極限圖。同理，當(dāng)沿橫向刺入時(shí)，在這個(gè)時(shí)候達(dá)到了最大圈距Amax，此時(shí)線圈對(duì)織物的摩擦阻力達(dá)到了最大極限值，當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生“自鎖”現(xiàn)象時(shí)，刀具上的殘余能量已經(jīng)無法將刀刃兩側(cè)的紗線隔斷，因此，對(duì)于1+1羅紋組織而言，刀具僅僅是刺入了織物，但是沒有刺破織物。

圖4 羅紋組織縱向拉伸極限圖Fig.4 Loops limit diagram of rib structure

3 結(jié) 語

通過對(duì)刺入位移-時(shí)間曲線圖(如圖3)的分析，可得到如下的結(jié)論。

1)在不同組織結(jié)構(gòu)的芳綸針織物中，羅紋組織的防刺性能最好，其次是緯平針組織，最后是畦編組織。

2)織物在穿刺過程中，織物曲線上線性部分的斜率表明織物防刺性能的優(yōu)劣，斜率越大，其防刺性能越差。

3)試樣的疊放次序也會(huì)影響芳綸針織物的防刺性能，通常羅紋組織置于最上層的時(shí)候，防刺性能是最好的。

4)兩層羅紋組織垂直交疊、五層和六層的羅紋與緯平針織物垂直交疊的厚度分別為7.39、12.56、10.64 mm，均小于防刺標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)所要求的15 mm,其0.3 m2的質(zhì)量分別為438.501、673.854、789.021 g，均小于一級(jí)防護(hù)層質(zhì)量3 kg的要求，因此，均達(dá)到了GA 68—2008《警用防刺服》的防刺要求。

FZXB

[1] NORMAN Wagner. Advanced body aromor utilizing shear thickening fluids[P]: US0234577A1.

[2] DECKER M J, HALBACH C J, NAM C H. Stab-resistance of shear thickening (STF) treated fabrics[J]. Composites Science and Technology, 2007, 67(3/4): 565-578.

[3] 顧肇文.柔性復(fù)合防刺服機(jī)理研究[J].紡織學(xué)報(bào),2006,27(8): 82-83.

GU Zhaowen. Study on the principle of soft complex stab-resistant body armor[J].Journal of Textile Research, 2006,27(8): 82-83.

[4] 李麗娟,蔣高明,繆旭紅.經(jīng)編防刺織物的結(jié)構(gòu)與性能[J].紡織學(xué)報(bào),2012,32(4): 48-49.

LI Lijuan, JIANG Gaoming, MIU Xuhong. Warp knitting structure and properties of puncture-proof fabric[J].Journal of Textile Research, 2012, 32(4): 48-49.

[5] 姜亞明,郭靜荷,劉良森,等.緯編復(fù)合防刺織物的防刺性能研究[J].針織工業(yè),2007(12): 3-5.

JIANG Yaming, GUO Jinghe, Liu Liangsen, et al. Weft knitting stab-resistant performance study of compound puncture-proof fabric[J]. Knitting Industries, 2007(12): 3-5.

[6] 金寧人,王銀華，黃學(xué)杰.超級(jí)纖維PBO的性能應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,31(1): 82-87.

JIN Ningren, WANG Yinghua, HUANG Xuejie. Technical progress, characteristics and applications of super fiber PBO[J]. J Zhejiang University of Technology, 2003,31(1): 82-87.

[7] 邱冠雄,姜亞明.反恐紡織品的發(fā)展和研究探索[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,22(4): 18-19.

QIU Guanxiong, JIANG Yaming. Research and development of textiles for anti-terrorism exploration [J]. Journal of Tianjin University of Technology, 2003, 22(4): 18-19.

[8] 方心靈,劉勝,左向春,等.樹脂基提對(duì)芳綸材料防刺性能的影響[J].合成纖維,2009,38(7): 45-47.

FANG Xinling, LIU Sheng, ZUO Xiangchun, et al. Effect of resin on stab-resistant properties of Kevlar materials [J]. Synthetic Fiber in China, 2009, 38(7): 45-47.

[9] 王志剛,周蘭英,朱杰.SiO2納米粒子/Kevlar織物復(fù)合材料的防刺性能研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2008,10(2): 15-21.

WANG Zhigang, ZHOU Lanying, ZHE Jie. Study of the SiO2nanoparticle/Kevlar fabric composites of stab-resistance[J]. Technical Textiles, 2008,10(2): 15-21.

[10] 郭曉芳，龍海如.經(jīng)編間隔織物沖擊性能的研究[C]//2012中國紡織學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 北京：中國紡織工程學(xué)會(huì)，2012: 141-146.

GUO Xiaofang, LONG Hairu. Impact properties of warp knitted spaced fabrics [C]//Proceedings of 2012 China Textile Academic Conference. Beijing: China Textile Engineering Society,2012: 141-146.