馬丕波， 孫亞鑫

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無(wú)錫 214122)

安全防護(hù)是指在特定環(huán)境下，采取必要的防護(hù)措施，使人員和動(dòng)物免受機(jī)械、生物、物理和化學(xué)等因素的傷害，包括防火、防嚴(yán)寒、防輻射、防刺、防割、防彈以及防生化侵蝕等方面。紡織材料及其產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)異和制造成本較低的優(yōu)勢(shì)[1-3]，在安全防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。隨著國(guó)家對(duì)安全防護(hù)的日益重視，安全防護(hù)用紡織品成為目前紡織行業(yè)研究的熱點(diǎn)，研發(fā)力度日趨增大。其中，針織結(jié)構(gòu)防護(hù)材料具有柔軟舒適、原料適應(yīng)性廣、質(zhì)量輕、組織結(jié)構(gòu)靈活多變、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高以及可實(shí)現(xiàn)大面積防護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)、交通、消防、軍工和救生等領(lǐng)域。本文介紹了針織平紋結(jié)構(gòu)材料、經(jīng)編網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)材料、經(jīng)編間隔結(jié)構(gòu)材料、絨類(lèi)結(jié)構(gòu)材料、軸向結(jié)構(gòu)材料、負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料以及無(wú)縫結(jié)構(gòu)材料等防護(hù)材料的制備方法、性能特點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 針織平紋結(jié)構(gòu)材料

1.1 針織平紋結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用現(xiàn)狀

平紋結(jié)構(gòu)織物是最簡(jiǎn)單的針織結(jié)構(gòu)織物。有研究表明，沖擊加載下平紋針織物的能量吸收要比同類(lèi)機(jī)織物高[4]，而且相互串套的線圈結(jié)構(gòu)使織物的初始模量較低。在抗切割方面，低初始模量有助于紗線的相對(duì)滑動(dòng)，進(jìn)而將應(yīng)力分布在更大的區(qū)域上，以防止刀刃穿透織物[5-6]，因此，針織平紋結(jié)構(gòu)主要用于防切割面料設(shè)計(jì)，制作防刺服裝和防割服裝[7]。研究人員還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)剪切增稠液浸漬或涂覆，織物柔韌性幾乎不變的同時(shí)，織物的抗彈道穿透和抗刺傷性能可明顯提高[8-10]。

平紋針織物柔軟舒適，富有延伸性，用于制作防電弧服、防割服、消防服的內(nèi)衣、安全手套的內(nèi)襯和勞動(dòng)保護(hù)服等產(chǎn)品時(shí)，可以給人更好的穿著體驗(yàn)，減輕惡劣工作環(huán)境帶來(lái)的不適感。與機(jī)織物相比，平紋針織物具有更好的懸垂性與包覆性，制成的滅火毯在覆蓋火源時(shí)與燃燒物體間空氣含量更少，能更快地?fù)錅缁鹧?。同時(shí)經(jīng)編可生產(chǎn)寬幅織物，因此經(jīng)平組織織物是制作大幅寬、無(wú)拼接阻燃窗簾的最佳選擇。

1.2 針織平紋結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用展望

平紋織物由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)與易編織性，目前是許多智能紡織品常采用的組織結(jié)構(gòu)，因此智能化是該類(lèi)材料的未來(lái)重要發(fā)展方向。近日馬里蘭大學(xué)報(bào)道了能根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)擴(kuò)展與收縮的平紋智能織物，此類(lèi)織物有望用于個(gè)體熱防護(hù)領(lǐng)域[11]。

2 經(jīng)編網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)材料

2.1 經(jīng)編網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用現(xiàn)狀

網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)是經(jīng)編的特色，通過(guò)設(shè)計(jì)符合要求的穿經(jīng)方式和墊紗運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使相鄰線圈縱行局部失去聯(lián)系，在織物上形成形態(tài)穩(wěn)定、大小形狀不同的網(wǎng)眼。拉舍爾經(jīng)編網(wǎng)具有表面光滑無(wú)結(jié)、耗用原料少、質(zhì)量輕、安裝方便、成本低、受力均衡牢固和防護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛而巨大的發(fā)展前景。拉舍爾經(jīng)編網(wǎng)在建筑領(lǐng)域可用于施工處的無(wú)結(jié)防護(hù)網(wǎng)、側(cè)向保護(hù)網(wǎng)和腳手架保護(hù)網(wǎng)等，能有效地防止人身、物體墜落造成的傷害，防止電焊火花所引起的火災(zāi)；在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地可用作接球網(wǎng)、場(chǎng)地防護(hù)網(wǎng)，不僅起到分隔場(chǎng)地的作用，還能保護(hù)鄰近人員不受飛來(lái)球體的傷害；在采礦場(chǎng)地，可用作防落石網(wǎng)，保護(hù)工人不受落石的砸傷。此外，采用網(wǎng)眼基布/聚氯乙烯泡沫涂層技術(shù)開(kāi)發(fā)出的氣密防水布，不僅氣密性和平整性優(yōu)良，還具有良好的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和剝離負(fù)荷，耐用性好，常用于制作救生艇、救生圈等救援裝備。

2.2 經(jīng)編網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用展望

由于網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)織物制備相對(duì)容易，技術(shù)要求相對(duì)較低，該類(lèi)材料未來(lái)發(fā)展主要在提高外觀與擴(kuò)大材料應(yīng)用領(lǐng)域兩方面。在建筑用防護(hù)網(wǎng)領(lǐng)域：一是利用提花技術(shù)編織公司的商標(biāo)或其他花型，這不僅是一種新穎而有效的宣傳手段，可改善外觀進(jìn)而極大提高產(chǎn)品附加值；二是采用可降解纖維原料制備防護(hù)網(wǎng)，在一定時(shí)間后材料可完全降解，對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何污染，這是該類(lèi)產(chǎn)品的一個(gè)應(yīng)用趨勢(shì)。同時(shí)采用超高分子量聚乙烯等高性能纖維制備該類(lèi)經(jīng)編網(wǎng)眼織物可提高材料力學(xué)性能，同時(shí)顯著降低織物的質(zhì)量，從而促進(jìn)該類(lèi)材料在航天、深海等特殊領(lǐng)域的安全防護(hù)應(yīng)用。

3 經(jīng)編間隔結(jié)構(gòu)材料

3.1 經(jīng)編間隔結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)編間隔織物是由在前后針床分別單獨(dú)編織的2個(gè)表面層和在前后針床上輪流墊紗成圈、起連接和支撐作用的間隔紗組成[12]。由于這種穩(wěn)定的三維立體結(jié)構(gòu)，間隔織物的力學(xué)性能獨(dú)特，在許多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

間隔織物具有透氣性好、能量吸收能力強(qiáng)和接觸峰值力低等優(yōu)點(diǎn)[13-14]，其能量吸收能力還可通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，以滿足特定的最終用途要求，是一種理想的緩沖用防護(hù)材料[14-15]。制備人體盔甲時(shí)，用間隔織物構(gòu)筑襯里材料，在保證防護(hù)能力的同時(shí)，有助于滿足穿著柔軟、靈活和舒適的要求[16]。間隔織物的厚度、間隔絲粗細(xì)、間隔紗傾斜角大小和表面層緊密程度都會(huì)對(duì)間隔織物的能量吸收性能產(chǎn)生影響。

大隔距經(jīng)編間隔織物的隔距能在100～650 mm之間變化，在更大范圍內(nèi)滿足了不同織物的厚度要求。在使用時(shí)充氣，即可膨脹到所需厚度和形狀；使用完畢后放氣，折疊后方便收納和攜帶。同時(shí)間隔紗可保證織物在充氣后兩面的平整性。充氣后的大隔距經(jīng)編間隔織物具有優(yōu)良的緩沖保護(hù)作用，可吸收碰撞時(shí)過(guò)大的沖擊力，減少人員傷亡，常用作意外事故如火災(zāi)救護(hù)時(shí)的救護(hù)墊、滑雪道兩邊的防撞板、運(yùn)動(dòng)防護(hù)用的瑜伽墊和武術(shù)訓(xùn)練氣墊等。此外，超輕的質(zhì)量和較大的體積賦予其很強(qiáng)的浮力，適于制作浮橋和救生艇等急救裝置。

3.2 經(jīng)編間隔結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用展望

經(jīng)編間隔結(jié)構(gòu)材料由于其本身的三維效果，在安全防護(hù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。經(jīng)編間隔織物/剪切增稠復(fù)合膠材料整體成形性好，在防摔倒、防刺甚至防彈領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力。在智能熱防護(hù)領(lǐng)域，間隔織物被撐開(kāi)的2個(gè)表面層之間保持的靜止空氣含量高，有利于提高織物的隔熱性能，特別適合用作消防防護(hù)服、消防面罩和防寒服的內(nèi)襯。采用溫敏形狀記憶紗線作間隔絲，間隔織物的厚度可隨溫度變化而改變(見(jiàn)圖1)，可提高織物的環(huán)境適應(yīng)性。

圖1 溫敏間隔織物示意圖

Fig.1 Schematic diagram of temperature sensing spacer fabric

4 針織絨類(lèi)結(jié)構(gòu)材料

4.1 針織絨類(lèi)結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用現(xiàn)狀

針織物可通過(guò)拉絨、剪絨和磨毛等后整理獲得絨毛效應(yīng)。緯編形成長(zhǎng)毛絨還有在編織過(guò)程中喂入毛條和割斷毛紗2種方法：毛條喂入式織物厚度較大，但其產(chǎn)品彈性較大，需經(jīng)底部上漿和定型；毛紗割圈式織物毛高較低，但尺寸穩(wěn)定性改善。經(jīng)編絨類(lèi)織物還能在雙針床經(jīng)編機(jī)上生產(chǎn)，下機(jī)經(jīng)剖幅形成。剖幅織物絨毛豐滿且不倒伏，抗壓性強(qiáng)，吸濕透氣性好。

絨類(lèi)針織物紗線間的縫隙孔洞小，不能形成流暢的熱對(duì)流通路，對(duì)流換熱較弱，而且排列緊密的絨紗間有大量干燥的靜止空氣，具有優(yōu)異的保暖性能，是用于制作防寒服的理想材料。目前采用聚酰亞胺纖維通過(guò)緯編制作的絨類(lèi)產(chǎn)品由于具有極好的阻燃與保暖效果，已經(jīng)用于森林武警制服。

4.2 針織絨類(lèi)結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用展望

在針織絨類(lèi)基礎(chǔ)上采用新型原料制備具有新功能的產(chǎn)品是該類(lèi)材料的發(fā)展方向。丁志榮等[17]用純滌綸緯編單面絨織物作為吸波面料的基布，經(jīng)過(guò)吸波劑浸漬整理后，開(kāi)發(fā)出柔性寬頻絨面吸波面料。與平面吸波涂層面料相比，該復(fù)合面料更柔軟，既滿足了有效吸收電磁波所必須的厚度，又實(shí)現(xiàn)了涂層面料的輕量化，還具有吸波頻帶寬、保暖性好等優(yōu)點(diǎn)，適用作防護(hù)服面料。

偽裝網(wǎng)是一種重要的偽裝遮障器材，在戰(zhàn)場(chǎng)上是兵器裝備、軍事設(shè)施等軍事目標(biāo)的有效隱藏手段[18]。采用涂覆了深層吸波材料的扁絲作間隔絲，在雙針床經(jīng)編機(jī)上編織間隔織物，下機(jī)剖幅后即制成偽裝網(wǎng)(見(jiàn)圖2)。這種經(jīng)編偽裝網(wǎng)的底布可牢固綁縛扁絲，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。同時(shí)絨毛外觀與草地相似度極高，進(jìn)一步提高了偽裝效果，有望成為下一代軍用偽裝網(wǎng)的主力產(chǎn)品。

圖2 經(jīng)編偽裝網(wǎng)

Fig.2 Warp-knitted camouflage mat

在經(jīng)編偽裝網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用聚乙烯低彈紗制備的高仿草皮材料，既具有草皮外觀，又具有較高的強(qiáng)度，可廣泛用于城市工程建設(shè)中的安全防護(hù)，同時(shí)還可用于取代傳統(tǒng)的人造草坪。這也是針織絨類(lèi)結(jié)構(gòu)材料在安全防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)重要方向。

5 針織軸向結(jié)構(gòu)材料

5.1 針織軸向結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用現(xiàn)狀

在針織物的橫向、縱向或斜向襯入平行伸直的增強(qiáng)紗線形成軸向織物。伸直的襯紗被線圈牢固綁縛，所以軸向針織物在襯紗方向上的抗拉強(qiáng)度顯著提高，而且軸向紗線的合理排列可將沖擊載荷均勻地分布到整個(gè)結(jié)構(gòu)中，是制作復(fù)合裝甲的理想材料之一[19]。軸向織物按綁縛襯紗的方式不同，可分為經(jīng)編或緯編軸向織物：經(jīng)編軸向織物的綁縛系統(tǒng)為經(jīng)平組織或編鏈組織；而緯編軸向織物的綁縛系統(tǒng)為緯平針組織或羅紋組織[20]。針織軸向織物具有紗線性能利用率高、原料選擇范圍廣、尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)整體性好、設(shè)計(jì)靈活多變和對(duì)樹(shù)脂的滲透性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。

復(fù)合材料盔殼整體增強(qiáng)織物采用高性能纖維材料織造加工，可在大曲率曲面模具上實(shí)現(xiàn)無(wú)褶皺、無(wú)裁剪、無(wú)搭接的整體鋪覆成形[21]。緯編雙軸向多層織物(MBWK)和經(jīng)編多軸向織物(MWK)都可實(shí)現(xiàn)盔殼的一體成形，省去了裁剪、鋪覆等工藝，生產(chǎn)效率高，節(jié)省原料，而且避免了因?qū)雍辖Y(jié)構(gòu)不連續(xù)、厚度不勻、易起褶皺而導(dǎo)致頭盔不同部位防護(hù)性能的差異，有利于提高頭盔的抗沖擊和抗彈性能。其中，MBWK的仿形鋪覆能力比MWK更好，更適合用作頭盔殼體增強(qiáng)織物。

5.2 針織軸向結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用現(xiàn)狀

針織軸向結(jié)構(gòu)材料作為一類(lèi)重要的產(chǎn)業(yè)用紡織品，在安全防護(hù)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，材料功能化是其發(fā)展方向。Erdem[22]以導(dǎo)電性能優(yōu)異的不銹鋼紗線和碳長(zhǎng)絲紗為增強(qiáng)材料制備出用于電磁屏蔽的多軸向織物，可減少電磁波對(duì)人體健康的損害。

6 針織負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料

6.1 針織負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用現(xiàn)狀

負(fù)泊松比材料表現(xiàn)出不同于大多數(shù)傳統(tǒng)材料的特性：拉伸時(shí)變寬，壓縮時(shí)變窄[23-24]。這種特性使負(fù)泊松比材料具備了更優(yōu)異的性能：同向曲率、形體貼合性好、抗剪切性增強(qiáng)、平面斷裂韌性增加、抗壓痕性提高以及能量吸收性能更好等，所以在護(hù)腕、護(hù)膝、防彈服等防護(hù)服裝和裝備中有很大的應(yīng)用潛力[25-28]。

通過(guò)纖維結(jié)構(gòu)、紗線結(jié)構(gòu)以及織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使紡織品具有負(fù)泊松比效應(yīng)。與前2種方法相比，織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法具有連續(xù)制造、低成本、材料限制小(可使用非負(fù)泊松比纖維或紗線)等優(yōu)點(diǎn)[29]。其中，針織結(jié)構(gòu)由于在設(shè)計(jì)制造中的靈活性和通用性，更容易實(shí)現(xiàn)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的編織。目前利用針織技術(shù)開(kāi)發(fā)的負(fù)泊松比織物主要基于內(nèi)凹結(jié)構(gòu)和折疊結(jié)構(gòu)原理[30]。Chang等[31]研究了負(fù)泊松比經(jīng)編間隔織物在低速?zèng)_擊下的能量吸收性能與負(fù)泊松比值的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，負(fù)泊松比絕對(duì)值越大，織物的能量吸收力和抗沖擊性能越好，在抗沖擊防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

6.2 針織負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用展望

對(duì)針織負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料的研究目前還處于起步階段，其產(chǎn)品還未廣泛應(yīng)用。未來(lái)應(yīng)用主要取決于目前具有明顯負(fù)泊松比效果的針織結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)與產(chǎn)業(yè)化制備。

7 針織無(wú)縫結(jié)構(gòu)材料

7.1 針織無(wú)縫結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用現(xiàn)狀

無(wú)縫技術(shù)通過(guò)組織和密度的變化實(shí)現(xiàn)織物的一體成形，產(chǎn)品設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，上機(jī)操作方便，不僅節(jié)省了勞動(dòng)成本，縮短了產(chǎn)品的加工流程，還有助于服裝穿著時(shí)的受力均勻[32-33]。

用于騎行自行車(chē)或者摩托車(chē)時(shí)的騎行服，在騎行過(guò)程中有保護(hù)人體的作用，它的抗風(fēng)阻性好壞直接影響車(chē)手的騎行速度。無(wú)縫結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)服因有良好的貼身性和小的風(fēng)阻性，而且對(duì)人體不會(huì)產(chǎn)生縫跡摩擦與壓力，已在一些競(jìng)技場(chǎng)合穿用。

7.2 針織無(wú)縫結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用前景

由于無(wú)縫織物沒(méi)有接縫，避免了接縫處的弱環(huán)，這使得其各項(xiàng)性能比較穩(wěn)定，因此在其他領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。Fabdesigns公司開(kāi)發(fā)了一系列用于宇航服的高度靈活的針織無(wú)縫織物，使用芳綸等高性能纖維，結(jié)合特殊的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅可為宇航員提供阻燃和熱防護(hù)、射線防護(hù)功能，還能提供合適的壓力從而解決失重條件下的肌肉損失。在其他領(lǐng)域，具有復(fù)雜形狀的無(wú)縫結(jié)構(gòu)，材料可用作車(chē)用安全氣囊和消防面罩等相關(guān)產(chǎn)品的制造。

通過(guò)將功能性或智能性元件同時(shí)集成在針織無(wú)縫結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，可達(dá)到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)測(cè)、病癥緩解等效果。

8 結(jié)束語(yǔ)

在滿足安全防護(hù)要求的情況下，針織物的線圈結(jié)構(gòu)使其比機(jī)織物具有更好的延伸性和舒適性，制成的防護(hù)服穿著舒適性更好。針織組織的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，不同組織和密度的針織物種類(lèi)繁多、性能各異，可滿足多種場(chǎng)合的需求，具有廣泛應(yīng)用范圍。此外，針織技術(shù)成形性好，可編織出各種三維立體形狀，減少面料拼接對(duì)織物防護(hù)性能的影響。因此，針織結(jié)構(gòu)材料在安全防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景。

結(jié)合針織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與當(dāng)前科技發(fā)展，智能化與多功能化將是針織安全防護(hù)類(lèi)產(chǎn)品的發(fā)展方向。智能針織產(chǎn)品可根據(jù)環(huán)境變化，收集與分析相關(guān)數(shù)據(jù)，使針織產(chǎn)品結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)安全防護(hù)需要；針織安全防護(hù)產(chǎn)品能結(jié)合多種功能，使其滿足多種安全防護(hù)條件，保護(hù)人身安全；針織安全防護(hù)產(chǎn)品還具有時(shí)尚、便于攜帶與存儲(chǔ)等特點(diǎn)。

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