經編間隔織物粘彈性與隔沖性能關系研究

蔣　瑾，林蘭天，張福樂，劉曉霞，徐秋月，高　琮

(上海工程技術大學服裝學院，上海　201620)

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經編間隔織物粘彈性與隔沖性能關系研究

蔣瑾，林蘭天，張福樂，劉曉霞，徐秋月，高琮

(上海工程技術大學服裝學院，上海201620)

摘要：選用沖擊防護常用的經編間隔織物作為試驗材料，研究材料粘彈性與其隔沖性能的關系。搭建了阻尼測試平臺以測定不同規格的經編間隔織物阻尼比、壓縮彈性模量和不同沖擊速度下的沖擊剩余載荷。試驗結果表明，經編間隔織物的粘性或彈性作為單項指標與隔沖性能不存在明確的關系，提出粘彈比可以表征材料粘彈性與隔沖性能關系，在一定實驗范圍內，合適的粘彈比可獲得較好的隔沖性能。

關鍵詞：纖維制造技術；沖擊剩余載荷；隔沖；經編間隔織物；粘彈比

具有速度和質量的沖擊物對另一物體的沖擊與碰撞，從物理意義上來說是動能轉換成其他能量(如熱能、彈性勢能等)的過程。防護系統應使沖擊物在作用于系統時盡可能地將沖擊物的動能轉換為熱能、彈性勢能或以防護裝備永久形變甚至破壞的形式將動能轉換、消耗，從而實現沖擊隔斷，達到防護人體或高價值目標的目的[1-3]。動能轉換、消耗的形式和程度取決于防護系統或者防護材料固有的粘性和彈性[4-6]。材料的粘性阻尼在沖擊過程中將動能轉換為系統或材料的內能最終耗散，材料的彈性則將動能轉換為彈性勢能而延長了沖擊過程、降低了沖擊峰值[7-9]。因此，系統或材料固有的粘彈性是構建防護結構所必須考慮的因素。三維經編間隔織物作為沖擊防護常用材料已被廣泛應用到各種沖擊防護裝備中，如防彈衣內襯、安全背心、緩沖墊等[10-11]，本文以此為研究對象，測定了不同品種三維經編間隔織物的壓縮彈性和阻尼特性，以隔沖性能(即剩余沖擊載荷)為評價指標，研究其與該材料粘彈性的關系。

1試驗部分

1.1試驗材料

本試驗采用的10種經編間隔織物(PET纖維織造)結構參數如表1所示。本文所選的試驗材料著重考慮了人體防護，因此對其厚度有所限制。

表1　試樣結構參數

1.2試樣粘彈性測試

1.2.1阻尼比測定

圖1　振動傳遞測試示意圖Fig.1　Schematic diagram of vibration transmission test

由于經編間隔織物與常用的緩沖包裝材料有一定的相似性，本試驗參考了包裝用緩沖材料阻尼的測定方法，采用幅值共振法測定經編間隔織物的阻尼[12-16]。根據GB 8169-1987包裝用緩沖材料振動傳遞特性試驗方法，由質量塊、試樣、振動臺構成振動系統，試樣放在振動臺上，啟動振動臺使被測試樣與系統一起作正弦振動，試驗中利用傳感器測得質量塊和振動臺上的加速度信號，將兩者比值與頻率繪制成頻率-傳遞率曲線，根據該曲線計算得到阻尼比。該阻尼比表征了振動過程中，該振型下消耗振動能量的能力。原理如圖1所示。

根據GB/T 18258-2000的要求，自主搭建的試驗裝置包括振動臺(含ZDT-20型激振器、質量塊、固定裝置)、測試系統(含加速度傳感器、GF-50功率放大器、F10型數字合成函數信號發生器等顯示或記錄裝置)。試驗裝置連接示意圖如圖2所示。

圖2　試驗裝置連接示意圖Fig.2　Parts connection diagram of test apparatus

1.2.2壓縮彈性測試

試驗使用YG026D型多功能電子織物強力機測試壓縮織物，采用平頭壓腳，下部為環形平臺，以恒定速度下壓，到達設定的最大頂力后停止，得到力-壓縮量曲線，根據曲線和式(1)計算得到壓縮彈性模量Es，以此表征各試樣的彈性。測試參數設定見表2。試樣為直徑50 mm的圓形,每個樣品測量5次。

(1)

式中：Es為壓縮彈性模量，kPa；F為最大壓力，N；S為受壓面積，mm2；L為伸長長度，mm。

1.3低速沖擊測試

沖擊試驗儀器為上海工程技術大學研發、萊州電子儀器公司制造的SHLJ-LSIT-01型低速沖擊測試儀。本研究中采用450g的沖擊頭，試驗時，夾持機構夾持沖擊頭向上壓縮彈簧到指定壓力后釋放，沖擊頭沖擊試樣，記錄沖擊載荷平臺內置的壓力傳感器測出的沖擊，經過試樣阻隔后的下方傳感器接收的剩余沖擊載荷，以該值表征系統在相同沖擊條件下的隔沖性能。試樣制成50mm×50mm的正方形。

表2　彈性測試參數設定

2試驗結果與分析

2.1試驗結果

2.1.1經編間隔織物的粘彈性測定結果

采用時域、頻域轉換，并根據2個傳感器在對應頻率下的峰值比，利用Matlab軟件一維離散數據的極值及極值位置計算出傳遞率。通過轉換和計算，得到了10種經編間隔織物的頻率-傳遞率曲線，每種試樣都有一個明顯的傳遞率峰值，傳遞率峰值對應的頻率即為所測試樣的共振頻率(fn)。各試樣具體的傳遞率及共振頻率見表3。

根據頻率-傳遞率曲線，利用Matlab軟件進行最小二乘法曲線擬合后，得到阻尼比(ζ)和共振頻率(fn)。

求得的各試樣的阻尼比(ζ)與粘彈性測試結果匯總見表4。

表3 試樣振動傳遞率及共振頻率匯總表Tab.3 Vibrationtransmissibilityandresonancefrequency編號共振頻率(fn)/Hz傳遞率極值(Tmax)f119.611.74f214.491.17f332.792.61f458.822.9f566.673.71f676.922.33f755.562.77f81002.44f916.391.03f1034.482.44表4 粘彈性測試結果Tab.4 Resultsofviscoelasticitytest編號壓縮彈性模量/kPa阻尼比(ζ)f10.0250.35f20.0200.82f30.0260.21f40.0310.18f50.0450.14f60.0660.24f70.0500.19f80.0540.22f90.0212.03f100.0230.23

從表4可以看出，對于壓縮彈性模量，在其他參數相同的條件下，試樣厚度大的，彈性模量小；孔密度大的較孔密度小的彈性模量小。這是由于隨著試樣厚度增加，間隔絲增長，在壓縮過程中更容易彎曲，壓縮彈性模量減小；孔密度大的試樣間隔絲密度小，相比于間隔絲密度大的試樣抗壓能力減弱，因此壓縮彈性模量小[17-19]。對于阻尼比，在其他參數條件相同的情況下，織物厚度大的阻尼比大；而孔密度不同，阻尼比相差不大，厚度對阻尼比的影響較大。

2.1.2經編間隔織物沖擊試驗結果

用3種沖擊速度(3，5，7 m/s)對試樣進行沖擊試驗，記錄剩余沖擊載荷，每種試樣在不同速度下沖擊10次，對10次試驗數據進行統計平均見表5。各組數據的變異系數均小于0.05。

2.2經編間隔織物粘性和彈性與隔沖性能關系分析

2.2.1經編間隔織物粘性與隔沖性能關系

對試驗數據進行處理分析，各試樣粘性即阻尼比與剩余沖擊載荷關系如圖3所示。在3種沖擊速度下，阻尼比與剩余沖擊載荷的關系曲線變化趨勢保持一致，且隨著沖擊速度增加，不同阻尼比試樣的剩余沖擊載荷波動幅度變大。但從圖中并沒有直接表現出某種變化規律。

為檢驗阻尼比與剩余沖擊載荷是否存在某種線性關系，對阻尼比與剩余沖擊載荷進行相關性分析。阻尼比與剩余沖擊載荷的Pearson相關系數為-0.102，絕對值小于0.3，可以認為阻尼比與剩余沖擊載荷之間無相關關系。

表5　沖擊數據統計表

根據阻尼比的定義，ζ=sqrt(c2/(4mk))，該值是阻尼系數c與質量m和剛度k積的1/2次項的比值，在本文的試驗里，阻尼比大多數數值≤1，屬于欠阻尼范圍，其振動過程如圖4所示。

圖3　阻尼比與剩余沖擊載荷的關系Fig.3　　　Relationship between damping ratio and 　　　residual impact load

圖4　欠阻尼振動Fig.4　Owe damping vibration

由于該數值表征了振動過程中，該振型下消耗振動能量的能力，但是在圖3中并沒有看出系統消耗振動能量的能力對隔斷沖擊的顯著性貢獻，即使數值在0.82和2.03之間，從接近臨界阻尼到過阻尼也未見剩余沖擊載荷有明顯的正相關變化。

2.2.2經編間隔織物彈性與隔沖性能關系

對試驗數據進行處理分析，得到試樣彈性與低速沖擊剩余沖擊載荷的關系如圖5所示。

圖5中，在3種沖擊速度下，壓縮彈性模量與剩余沖擊載荷的關系曲線變化趨勢也是一致的，壓縮彈性模量與剩余沖擊載荷也沒有呈現出明顯的線性相關關系。

圖5　壓縮彈性模量與剩余沖擊載荷的關系Fig.5　　　Relationship between compression modulus and 　　　residual impact load

同樣，為檢驗壓縮彈性模量與剩余沖擊載荷是否存在某種線性關系，對壓縮彈性模量與剩余沖擊載荷進行相關性分析。壓縮彈性模量與剩余沖擊載荷的Pearson相關系數為-0.009，一般認為，2個變量之間無相關關系。

無論是從關系圖直觀地觀察還是通過相關性分析的結果，都表明，作為一個單獨的參數，經編間隔織物的粘性或彈性與剩余沖擊載荷之間不存在相關關系。

依胡克定理，剛度和壓縮距離與壓縮力正相關，也就是說，剛度越大在同等壓縮距離前提下運動物體所受彈簧力也越大，從本試驗涉及的結果觀察，作為沖擊體所受彈簧力的傳遞-剩余沖擊力也應該越大，但是在圖5中沒有看出這個趨勢。

2.3經編間隔織物粘彈比與隔沖性能關系綜合分析

由圖3和圖5所顯示的試驗結果可見，具備粘彈性特性的經編間隔織物，其材料阻尼比和壓縮彈性模量作為單獨的參數，其變化與沖擊隔斷性能的變化沒有直接的相關性。因此嘗試將粘彈比(即阻尼比)與彈性模量之比作為參數，考察其與剩余沖擊載荷的關系。粘彈比按式(2)計算。

R=C/Es，

(2)

式中：R為粘彈比；C為阻尼比；Es為壓縮彈性模量。

計算得到的各試樣的粘彈比如表6所示。剩余沖擊載荷與粘彈比的關系如圖6所示。

圖6　3種速度檔剩余沖擊載荷與粘彈比的關系Fig.6　　　Relationship between residual impact load and 　　　viscosity-elasticity ratio under three speeds

試樣編號粘彈比f113.99f240.29f38.20f45.83f53.12f63.65f73.82f84.08f996.50f109.91

從圖6中可以看出，在3種沖擊速度條件下，剩余沖擊載荷隨粘彈比增加都呈現出先減小后變大的趨勢。

為檢驗粘彈比與剩余沖擊載荷是否存在某種線性關系，對粘彈比與剩余沖擊載荷進行相關性分析。粘彈比與剩余沖擊載荷的Pearson相關系數為-0.304，絕對值大于0.3，可以認為粘彈比與剩余沖擊載荷之間有相關關系。

粘彈比說明了沖擊過程中被試系統彈性變形和非彈性變形吸收總能量的比例，粘彈比小說明在沖擊體與被試材料碰撞減速過程中，沖擊體對材料彈性變形做了更大的功，這部分能量會在隨后的沖擊體回彈中釋放，并以彈簧力形式對被試材料施壓，表現為壓縮峰值不變，作用時間延長。反之則由粘性阻尼吸收耗散更多的動能，這部分是不可恢復的形變，不會延長作用時間。

在本試驗中，當粘彈比數值在3.82到4.08之間時，剩余沖擊載荷大幅度減小，說明在此區間，阻尼比與壓縮彈性模量的比值對沖擊隔振存在一個最佳匹配值區間，而且沖擊速度越大這個傾向越明顯。

單純從隔沖角度而言，具有很低的剛度和粘度并有足夠壓縮距離的系統，具備最好的隔沖性能，但是這在工程上是無意義的。作為一個防護系統，設計者總是考慮如何在具備符合要求的隔沖能力的前提下，盡一切可能降低系統的質量和幾何尺寸。圖3和圖5間接地說明了這個內在關系：過低的剛度和粘度使系統沒有來得及完全轉換沖擊體動能，之前沖擊體已經將系統(經編材料)完全壓縮至實體，系統基本失效，因此要讓低的粘度和剛度發揮完全隔沖效果必須要有距離，在這里是以厚度作為代價換取的，若在空間有限的前提下，這是無法實現的。

根據式(2)，以及阻尼比的物理意義可知，該式可以簡化為

(3)

從式(3)可知材料的粘彈比與系統的質量、剛度及阻尼系數有關，從量綱上看與阻尼比有類似之處，但該值調整了系統彈性的作用。

圖6直觀地說明了隔沖性能與整個防護系統的剛度質量、粘性系數以及它們之間的匹配有關，尤其是在防護系統質量體積受到一定限制的情況下。由于現實的材料是粘彈特性兼具的，因此在設計一個防護系統時，單純考慮系統剛性或者粘性是不可能獲得合乎要求的防護系統的。而阻尼比這個值雖然將粘性和彈性一并考慮，但對于隔沖這個與減振相似但有不同的工程應用領域，依然存在不足之處。

3結論

1)對于粘彈性材料，單獨的彈性和阻尼比與低速沖擊隔沖性能不存在顯著相關性，彈性因素和粘性因素對隔沖的作用是相互影響和制約的。

2)基于粘性和彈性的相互影響，本文提出可用粘彈比表征材料的隔沖性能，試驗結果顯示，當粘彈比在一定范圍時，剩余沖擊載荷會明顯降低。當粘彈比為4.08時，經編間隔織物隔沖效果最明顯。相比于單純的粘彈指標，該值更適于表征經編間隔織物類防護系統的隔沖性能。據此推斷，在特定的沖擊條件下，防護系統的粘彈比與隔沖特性關系存在一個 “走廊”，在這個“走廊”內，防護系統的隔沖特性可達到最佳值。

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Research on the relationship between viscoelasticity and shock isolation performance of warp knitted spacer fabrics

JIANG Jin, LIN Lantian, ZHANG Fule, LIU Xiaoxia, XU Qiuyue, GAO Cong

(Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

Abstract:Warp-knitted spacer fabric which is commonly used in impact protection is selected as test materials to study the relationship between viscoelasticity and the performance of shock isolation. A damping test platform is built to test different specifications of warp-knitted spacer fabric including compression elastic modulus, damping ratio and the residual impact load under different impact speed. Experimental results show that there is no clear correlation between the shock isolation performance and the viscidity or the elasticity. Accordingly, viscosity-to-elasticity ratio is proposed to characterize the relationship between viscoelasticity and shock isolation performance, and it is found that appropriate viscosity-to-elasticity ratio within a certain range can help to achieve better shock isolation performance.

Keywords:fiber manufacturing technology; residual impact load; shock isolation; warp knitted spacer fabrics; viscosity-to-elasticity ratio

中圖分類號：TS181

文獻標志碼：A

通訊作者：林蘭天教授。E-mail:llt39@126.com

作者簡介：蔣瑾(1991—)，女，江蘇揚州人，碩士研究生，主要從事低速沖擊防護方面的研究。

基金項目：上海市教委學科建設項目(XKCZ1207)

收稿日期：2015-06-09；修回日期：2015-11-03；責任編輯：張軍

doi:10.7535/hbkd.2016yx02013

文章編號：1008-1542(2016)02-0192-06

蔣瑾，林蘭天，張福樂，等.經編間隔織物粘彈性與隔沖性能關系研究[J].河北科技大學學報,2016,37(2):192-197.

JIANG Jin, LIN Lantian, ZHANG Fule, et al.Research on the relationship between viscoelasticity and shock isolation performance of warp knitted spacer fabrics[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(2):192-197.