包覆纱织物的制备及防刺性能研究.pdf

第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology包覆纱织物的制备及防刺性能研究金礼月1 钟林1 曹海建1 孙茂军2 黄晓梅1（1.南通大学，江苏南通，226019；2.南通腾龙复合材料有限公司，江苏南通，226019）摘要：研究捻度、纬密对包覆纱织物切割性能的影响规律，并探究包覆纱织物混杂结构的动态防刺性能。分别以芳纶 1414长丝、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）长丝为原料，制备芳纶 1414/UHMWPE（K/P）、芳纶1414/芳纶 1414（K/K）包覆纱平纹和三维深角联织物，重点研究了捻度、纬密对包覆纱织物静态切割性能，以及混杂结构对包覆纱织物动态防刺性能的影响规律。结果表明：纤维体积相同的条件下，同一外包捻度的 K/K 包覆纱织物的静态切割性能优于 K/P 包覆纱；包覆纱平纹织物的静态切割力都随着纬密的增加而增加；K/P 包覆纱织物的防刺性能均优于 K/K包覆纱；混杂结构中，三维深角联织物的质量分数为 50%左右时，防刺性能较优。关键词：芳纶 1414长丝；超高分子量聚乙烯长丝；包覆纱；静态切割；动态穿刺；混杂结构中图分类号：TS101.92 文献标志码：A 文章编号：1000-7415（2023）08-0049-06 Preparation and anti-stabbing property study of wrapped yarn fabricJIN Liyue1 ZHONG Lin1 CAO Haijian1 SUN Maojun2 HUANG Xiaomei1（1.Nantong University，Nantong，226019，China；2.Nantong Tenglong Composite Material Co.，Ltd.，Nantong，226019，China）Abstract The influence law of twist and weft density on cutting property of the wrapped yarn fabric was studied，and the dynamic anti-stabbing property of the wrapped yarn fabric with hybrid structure was explored.Aramid 1414 filament and ultrahigh molecular weight polyethylene filament（UHMWPE）were taken as raw materials.Aramid 1414/UHMWPE（K/P），aramid 1414/aramid 1414（K/K）wrapped yarn plain weave fabrics and three-dimensional deep angle joint fabrics were prepared.The effect of twist and weft density on static cutting property of wrapped yarn fabric，the effect law of hybrid structure on the dynamic anti-stabbing property of wrapped yarn fabric were discussed emphatically.The results showed that under the condition of the same fiber volume，the static cutting property of K/K wrapped yarn fabric with the same twist was better than K/P wrapped yarn.The static cutting force of wrapped yarn plain fabric was increased with the increase of weft density.The anti-stabbing property of K/P wrapped yarn fabric was better than K/K wrapped yarn fabric.In hybrid structures，when the mass fraction of the three-dimensional deep angle joint fabric was about 50%，the anti-stabbing property of the fabric was better.Key Words aramid 1414 filament，ultrahigh molecular weight polyethylene filament，wrapped yarn，static cutting，dynamic puncture，hybrid structure在我国由于对枪支弹药严格管控，刀具等利器伤害就成为危害人民群众身体和财产安全的主要威胁之一，由此，防刺服的开发成为了个体防护领域中的研究热点。防刺用高性能增强纤维材料通常具有高强度、高模量、耐冲击等优异性能1，随着新型纤维材料的不断开发以及市场对穿着舒适性和灵活性要求的提高2，以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维和对位芳香族聚酰胺纤维等为主要原料制成的软质防刺材料成为当前防刺材料领域的研究重点。包覆纱作为一种新型结构的复合纱线，外包纤维通过加捻方式包缠在芯纱表面，使得包覆后的纱线可以结合皮纱和芯纱的优异性能，增加刀基金项目：国家重点研发计划（2018YFC0810300）；江苏省大学生创新训练计划（202210304037Z）；江苏省六大人才高峰计划（XCL-061）作者简介：金礼月（1999），女，在读硕士研究生；曹海建，通信作者，教授，收稿日期：2023-03-30】【49第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology具刀刃处的高性能纤维集聚34，提升纱线拉伸力学性能和材料的防刺性能。对位芳纶具有高强、高模、耐高温、化学稳定性好等优异性能；超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维体积质量小、强度高，拉伸模量虽低于碳纤维，但高出芳纶许多，具有良好的抗弯曲性和耐切割性能5，且能量吸收性强。因此由这两种高性能纤维制成的包覆纱，可结合皮纱和芯纱高强高模的特性，应用于软质防刺材料的研究中。张洁6在研究 UHMWPE/R（粘胶）复合纱织物防刺性能中发现，含有 UHMWPE 长丝的织物会产生更大的弹性形变，较大程度上发挥了复合纱在纱线强度上的优异性能，可以更加有效地吸收穿刺能量；张洁等7又对比了 4 种不同种类的UHMWPE/R 复合纱平纹织物的力学和防刺性能，结果表明强力较高的织物其静态穿刺力一般也较高。展晓晴8对高性能纤维/聚酯复合纱织物防刺性能进行研究，发现高性能纤维含量一定时，加入聚酯纤维可提升织物防刺性能，且织物中纤维总根数相差不多时，高性能纤维占比高的织物穿刺载荷值较大，防刺效果更佳。雷鹏9选用单位面积质量相同的芳纶 1414、高强涤纶、UHMWPE 织物，制备了以水性聚氨酯（WPU）为基体、不同纳米粒子质量分数的复合材料，并对多层复合材料结构进行优化，得出结论是“三明治”式结构防刺性能最优且更加轻质、经济，即上下都是 4层高强涤纶织物，中间是 14 层含有 3%纳米粒子的 WPU 基 Kevlar复合材料。本研究以芳纶 1414 长丝、UHMWPE 长丝为原料，纺制成外包纱为芳纶 1414 长丝，芯纱分别为 芳 纶 1414 长 丝（以 下 简 称 K/K）、UHMWPE（以下简称 K/P）的包覆纱平纹和三维深角联织物，重点研究捻度、纬密对包覆纱织物拉伸和切割性能的影响规律以及叠层试样中混杂结构配比关系对动态穿刺性能的影响规律。1 材料制备及测试方法1.1原材料与设备原材料：芳纶 1414长丝（66.7 tex），烟台泰和新 材 料 股 份 有 限 公 司 提 供；UHMWPE 长 丝（44.4 tex），江苏锵尼玛新材料股份有限公司提供。仪器设备：HKV141D 型空心锭子包覆丝机1011，浙 江 精 功 科 技 股 份 有 限 公 司；Instron5969H 型万能材料试验机，美国 INSTRON公司；SGA598型半自动打样机，江阴市通源纺机有限公司；TDM100 型耐切割性能测试仪，上海图新电子科技有限公司；NTFD1型穿刺试验机，自制；体视显微镜 LEICASAPO，徕卡显微系统贸易有限公司。1.2织物规格设计在前期对包覆纱制备工艺和拉伸强力的试验基础上，分别纺制 150 捻/m、170 捻/m、190 捻/m 3 种外包捻度的 K/K 和 K/P 包覆纱平纹织物，探究捻度对包覆纱织物防割性能的影响，织物经密均为 100 根/10 cm，织物纬密均为 105 根/10 cm。为探究纬密对包覆纱织物拉伸及切割性能的影响，进行动态穿刺试验，织物规格如表 1所示。纱线外包捻度均为 160 捻/m，除 K/K4和 K/P4织物为三维深角联，其他织物均为平纹。1.3试验方法参考 GB/T 3923.12013 纺织品 织物拉伸性能 第 1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）标准12测试织物强伸性能。试样夹持距离设为 200 mm，拉伸速度设为 20 mm/min，记录5个有效拉伸载荷数据。参考 ISO 139971999 纺织品机械防护性能 耐切割性能的测定 标准13测试织物静态防割性 能。记 录 切 割 长 度 分 别 在 5 mm15 mm、15 mm30 mm、30 mm50 mm 范围内相应的切割力及切割位移，绘制拟合曲线，并根据切割位移为 20 mm 时的切割力确定切割等级。参考 GA 682019 警用防刺服 标准14测试织 物 动 态 穿 刺 性 能。试 样 尺 寸 为 200 mm200 mm，将叠层试样固定在背衬材料上，刀尖距试样表面 10 cm 的高度下做自由落体运动刺入织表 1捻度为 160捻/m 的包覆纱织物规格织物编号K/K1K/K2K/K3K/K4K/P1K/P2K/P3K/P4织物密度/根 （10 cm）-1经密150150150300150150150300纬密70901103007090110300单位面积质量/（kg m-2）0.290.330.370.870.280.310.330.81厚度/mm0.540.550.561.160.520.530.551.14】【50第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology物中，记录 5个有效刺着点的刺入深度等（有效刺着点：刺着点之间间隔以及刺着点与织物边缘距离在 50 mm75 mm 之间）。2 结果与分析2.1捻度对包覆纱织物切割性能的影响3 种外包捻度的包覆纱拉伸断裂强度如表 2所示。两种包覆纱平纹织物在各捻度下的静态切割测试结果如图 1所示。根据 ANSI/ISEA 1052016 耐切割性能分级标准，6 种包覆纱织物的切割等级均为 A2。由表 2、图 1 可知，3 种捻度的 K/K 包覆纱断裂强度均小于 K/P，而 3 种捻度的 K/K 包覆纱织物的切割力均大于 K/P。这是因为，在切割过程中纤维同时受到剪切、拉伸和弯曲应力作用15，主要在横截面内受力，UHMWPE 纤维具有优异的纵向拉伸性能，但横向剪切性能相对较差；在纤维体积相同的条件下，K/K 包覆纱的线密度高于K/P包覆纱，经纬密相同时，前者织物的单位面积质量更大，相同切割长度下需要更大的切割力，从而具有更好的耐切割性能16。在所试验的捻度范围内，不同结构的包覆纱织物之间，其纱线的拉伸性能与织物的耐切割性能没有直接的影响关系，而与织物的单位面积质量以及纤维材料本身的抗剪切能力等相关。课题组前期研究出 K/K 包覆纱的断裂强度峰值出现在捻度为140捻/m、160捻/m，在160捻/m后一直下降，而 K/P 包覆纱的断裂强度峰值出现在捻度为 150 捻/m、200 捻/m17。在本次试验捻度范围内，同种包覆结构的织物切割力与其纱线拉伸断裂强度呈正相关关系，即 K/K 包覆纱的断裂强度及织物的切割力均随着捻度的增大而降低；K/P 包覆纱的断裂强度及织物的切割力均随着捻度的增大呈现先降低再增加的规律。原因在于，加捻可提高纱线间的抱合力，但捻度过大，会导致外包长丝在纤维轴向承受的有效分力减弱，使包覆纱拉伸强度降低，同时增大纤维间摩擦力，且难以通过剪切变形来吸收能量1819，从而造成包覆纱耐切割性能下降。2.2纬密对包覆纱织物拉伸及切割性能的影响选用外包捻度为 160 捻/m 的 K/K、K/P 包覆纱分别制备 3种纬密的平纹织物和纬密最大的三维深角联织物，各包覆纱织物的静态切割测试结果如图 2 所示，其纬向拉伸断裂强力和静态切割力数值如表 3所示。由表 3、图 2可知：（1）在本次试验中，相同结构包覆纱平纹织物的拉伸断裂强力和静态切割力均随着纬密的增加而增加。原因在于，纬密增大，在受到纬向拉伸时，受力纤维根数随着构成纱线的根数增加而增加，拉伸性能随之提高，且纬密增加也使织物中承载刀片单位受力面积的高性能纤维含量增加，在相同切割力的作用下，所需的切割位移更小2021。（2）K/K3 和 K/P3 平纹织物的比切割力最大，即相同结构包覆纱织物均是纬密最大的平纹织物的比切割力高于纬密最大的三维深角联织物。这是因为，三维深角联织物经纬纱之间的交织较平纹组织更加疏松，织物表面空隙较大，经纬纱交织点较少，相同单位面积质量下耐切割性能表 2包覆纱拉伸断裂强度数值包覆纱结构K/KK/KK/KK/PK/PK/P捻度/（捻m-1）150170190150170190断裂强度/（cN dtex-1）19.5219.2418.0223.8923.2023.32断裂伸长率/%7.237.227.216.957.037.45断裂强度CV/%1.563.223.341.182.211.97（a）K/K织物（b）K/P织物图 1不同捻度下织物的切割力切割距离曲线】【51第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology有所下降。（3）纬密较大的平纹和三维深角联织物的比切割力均是由 K/P 包覆纱制成的织物大于 K/K。原因在于，芳纶 1414在纤维轴垂直方向上存在分子间酞胺基团的氢键和范德华力，横向作用力弱，片晶之间容易滑移，纤维弯曲性能差，但 UHMWPE纤维大分子是线性直链结构，分子链易出现大量缠结和交叠，承受载荷时，可有效将应力传递到整个聚合物骨架上，表现出强而韧的力学特性22。2.3混杂结构对包覆纱织物动态穿刺性能的影响2.3.1叠层方式在待测试样均为 9 kg/m2的前提下，K/K4 叠层试样为 10 层，K/P4 为 11 层。两种包覆纱三维深角联织物在不同叠层方式、不同穿刺高度下的刺入深度如图 3所示。0/0是指将每层织物同向铺层，0/90是指将每层织物经纬向交叉铺层，5 层 0/5（6）层 90是指前 5 层沿纬向铺层，后 5 层（6层）沿经向铺层。由 图 3（a）可 知，K/K4 三维深角联织 物 在20 cm、30 cm 的穿刺高度时，均是 0/0的刺入深度最低，在 10 cm 穿刺高度下，刺入深度在 0/90叠层时最低，但由于在 0/0时的刺入深度没有超过试样厚度，未刺破织物，仍有防刺效果，K/K4三维深角联织物在 0/0铺层时具有较好的防刺性能。由图 3（b）可知，K/P4三维深角联织物在 3种不同高度的能量冲击下，刺入深度均是在 0/0叠层方式下最低，防刺性能最好。因为刀具穿刺过程中，刀尖刺破试样表层组织后，继续向下切割织物，而三维深角联织物纬纱层数多，在同向铺层时，承载切割作用的纤维根数多，防割效果更好。对比 K/K4、K/P4 叠层试样厚度和在 3 种冲（a）K/K1、K/K2、K/K3平纹织物（b）K/P1、K/P2、K/P3平纹织物（c）K/K4、K/P4三维深角联织物图 2各包覆纱织物的静态切割力切割距离关系曲线表 3包覆纱织物断裂强力及静态切割力数值包覆纱织物编号K/K1K/K2K/K3K/K4K/P1K/P2K/P3K/P4织物断裂强力/N2 951.664 151.594 402.279 816.022 410.883 286.473 850.959 668.70静态切割力/N8181 0991 5093 1596811 0831 3633 008比切割力/N （kg m-2）-12 820.693 330.304 078.383 631.032 432.143 493.554 130.303 713.58（a）K/K4三维深角联织物（b）K/P4三维深角联织物图 3包覆纱三维深角联织物不同叠层方式穿刺结果图】【52第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology击能量下的刺入深度，可知纯三维深角联包覆纱叠层织物在动态穿刺中防护效果不佳，因此试验还研究了不同织物组织混杂结构的防刺性能。2.3.2混杂结构配比选用纬密最大的平纹和三维深角联包覆纱织物，以 0/0叠层方式组成单位面积质量相近的混杂叠层试样，各待测试样的三维深角联织物含量占比、厚度以及在 10 cm 高度下的穿刺测试结果如表 4 所示，试样中每层织物按照表中顺序依次叠放。由表 4可知：（1）同种结构包覆纱织物的叠层试样之间，纯平纹织物的刺入深度低于含有三维深角联织物的叠层试样，防刺效果更佳。原因在于，垂直向下的穿刺力使纱线截面和轴向分别产生剪切和拉伸作用，使织物破损后，刀身对周围纱线产生挤压，刀刃继续切割织物组织23，而 K/K3、K/P3 织物的比切割力分别优于 K/K4、K/P4，抗剪切强度更高，从而单位面积质量相同的叠层试样具有更好的耐切割性能。且三维深角联织物中纱线间排布较为稀疏，经纱上下起伏在 4 层纬纱间，缝隙较多，刀尖易刺入织物内，而 K/K3包覆纱织物纬密大，经纬纱交织紧密，在相同面积质量的叠层试样中，平纹所需叠层片数较多，叠层间摩擦力作用大，在冲击穿刺过程中，刀尖容易产生相对滑移，有利于消耗能量，提高防刺效果24。（2）在同种包覆纱混杂试样中，三维深角联织物质量分数在50%左右，防刺效果比其他3种含量更优。这是因为，三维深角联织物单位面积质量和厚度较大，且结构稳定，纱线不易滑移，纤维利用率高，能够有效承担冲击载荷，具有较好的抗冲击性能，适量配比可有效吸收能量，提升材料防刺性能。（3）三维深角联织物质量分数相近的两种结构包覆纱叠层试样之间，K/P 包覆纱叠层试样的刺入深度均小于 K/K，抗穿刺效果更佳。这是因为，在纯平纹织物和纯三维深角联包覆纱织物的动态穿刺过程中，破坏模式更多的表现为纤维的剪切破坏25，K/P3、K/P4 的比切割力分别优于K/K3、K/K4 织物，在动态穿刺过程中防割性能更好。2.3.3破坏形貌分析分析纯平纹和纯三维深角联叠层试样的第 1层织物的破坏形貌，如图 4所示。由图 4 可以看出，同种包覆纱结构叠层试样中，在拔出刀片之后，平纹织物的刀口破坏面要比三维深角联织物大，切口周围纱线的挤压移位现象 也 更 明 显，说 明 有 更 多 纤 维 参 与 防 穿 刺 过程26，而三维深角联织物的切口破坏面较为平表 4叠层试样规格及穿刺结果编号叠层试样 14层 K/K3 2层 K/K4+9层 K/K3 3层 K/K4+7层 K/K3 4层 K/K4+5层 K/K3 6层 K/K4 15层 K/P3 2层 K/P4+10层 K/P3 3层 K/P4+8层 K/P3 4层 K/P4+5层 K/P3 6层 K/P4单位面积质量/（kg m-2）5.185.075.205.335.224.954.925.074.894.86三维深角联织物占比/%03450651000334866100厚度/mm7.857.417.437.457.108.157.807.877.426.91刺入深度/mm11.0611.6111.4912.1713.119.6511.0610.9811.9612.10刺入深度 CV 值/%3.01.82.32.81.13.01.52.72.55.2（a）K/K平纹 （b）K/K三维（c）K/P平纹 （d）K/P三维图 4编号、叠层试样中第 1层破坏形貌图】【53第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology整，经纱切断后浮于表面，纬纱切断后向下凹陷，除纱线断裂和有少量纤维滑移外，由于组织交织紧密，其纱线排列仍较为整齐，抗冲击性好。3 结论（1）纤维体积相同的条件下，同一外包捻度的K/K包覆纱织物的静态切割性能优于K/P包覆纱。（2）相同结构的包覆纱平纹织物的静态切割力均随着纬密的增加而增加。（3）纬密最大的平纹织物比切割力高于三维深角联织物，K/P 包覆纱平纹和三维深角联织物的比切割力高于 K/K 包覆纱平纹和三维深角联织物。（4）K/K、K/P 包 覆 纱 三 维 深 角 联 织 物 在0/0叠层时，动态穿刺性能最优。（5）混杂结构中，三维深角联织物质量分数在50%左右的防刺效果较优，K/P 包覆纱平纹和三维深角联织物的防刺性能均优于 K/K包覆纱。参考文献：1SITOTAW D B，AHRENDT D，KYOSEV Y，et al.A review on the performance and comfort of stab protection armorJ.Autex Research Journal，2022，22（1）：96-107.2WEI R B，WEN Z，FENG L，et al.Enhancing stab resistance of thermoset-aramid composite fabrics by coating with SiC particlesJ.Journal of Industrial Textiles，2019，48（7）：1228-1241.3李保荣，朱乐乐，王军庆，等.包覆纺纱技术发展、现状及存在的问题 J.纺织科技进展，2020（8）：8-11.4甄琪，钱晓明，张恒.防刺材料的研究现状及展望J.棉纺织技术，2014，42（10）：77-81.5陈林.高强高模聚乙烯纤维之性能及其用途探析J.轻纺工业与技术，2020，49（9）：117-118.6张洁.UHMWPE/R 复合纱及其基布防刺性能研究D.无锡：江南大学，2021.7张洁，刘新金，朱海荣，等.不同种类的 UHMWPE/R 复合纱织物力学及防刺性能对比 J.丝绸，2021，58（10）：23-27.8展晓晴.高性能纤维/聚酯复合纱线织物防刺性能研究 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