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