樹脂成型柔性防刺材料的防刺性能研究

練 瀅 劉春娜 王新厚

1. 東華大學紡織學院，上海201620;2. 東華大學紡織面料技術教育部重點試驗室，上海201620;3. 上海遠東正大商品檢驗有限公司，上海201206

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樹脂成型柔性防刺材料的防刺性能研究

練 瀅1,2劉春娜3王新厚1,2

1. 東華大學紡織學院，上海201620;2. 東華大學紡織面料技術教育部重點試驗室，上海201620;3. 上海遠東正大商品檢驗有限公司，上海201206

制備了一種樹脂成型柔性防刺材料，對多層該防刺材料進行動態(tài)穿刺測試，研究單層樹脂成型防刺材料和芳綸無緯布的準靜態(tài)穿刺性能，并把樹脂成型柔性防刺材料和芳綸無緯布以不同的方式進行疊加后進行動態(tài)穿刺性能測試。結果表明，4層樹脂成型柔性防刺材料不具備理想的防刺效果；單層樹脂成型柔性防刺材料和15層芳綸無緯布各有其防刺特點；頂部為2層樹脂成型柔性防刺材料、中間為15層芳綸無緯布和底部為1層樹脂成型柔性防刺材料的三明治疊加方式下制成的防刺材料，其防刺性較好。

防刺材料，芳綸無緯布，疊加，防刺性能

防刺服是能有效地防護匕首等常見銳器從各種角度對人體的攻擊，減少人體防護部位受到刺傷威脅的一種服裝。隨著防刺材料的發(fā)展，人們要求防刺服除了具備防刺功能外，還要求穿著舒適、不妨礙運動靈活性等。柔性復合材料、涂層整理類材料及纖維樹脂復合材料已成為防刺材料的研究熱點[1]7。Mayo等[2]把熱塑性樹脂涂覆在芳綸織物上，發(fā)現(xiàn)其防刺性能明顯提高，采用的熱塑性樹脂薄膜類型和厚度不同，所得的織物具有不同的用途。楊川[3]61利用芳綸纖維和沙林樹脂膜制造復合材料，然后采用芳綸布與芳綸織物復合材料為基礎材料進行不同結構的組合，結果顯示“三明治”式，即芳綸布+芳綸織物復合材料+芳綸布的三層結構組合的靶片的防刺性能更為優(yōu)良。

本課題組制備了一種樹脂成型柔性防刺材料[4]，經(jīng)過改進，采用黏結成型工藝[5]能夠快速制備該防刺材料。

上述防刺材料中的樹脂顆粒起防穿刺作用，空隙部分則使得該材料具有非常好的柔性。當?shù)毒叩牡都獠糠执痰綐渲w粒的邊緣時，由于空隙的存在，樹脂顆粒會沿著刀具刺入方向向下凹，使刀尖產(chǎn)生滑移，進而刺入空隙部分。本文通過試驗測試多層樹脂成型柔性防刺材料的動態(tài)防刺性能，探究單層樹脂成型柔性防刺材料和芳綸無緯布的準靜態(tài)穿刺性能，并利用樹脂成型柔性防刺材料與芳綸無緯布以不同方式進行疊加，觀察不同的疊加方式能否提高材料的防穿刺效果。

1 樹脂成型柔性防刺材料和芳綸無緯布的結構

本文采用黏結工藝制成的單層樹脂成型柔性防刺材料的外觀見圖1[1]8。白色圓形是半徑為5 mm、厚度為2 mm的樹脂顆粒，黑色部分為普通滌綸基布。樹脂顆粒按設計的位置離散排列在滌綸基布上，樹脂顆粒間的空隙是未黏結樹脂部分，顆粒間的最小距離為1 mm。單層防刺層的面密度約為1 654 g/m2。

圖1 單層樹脂成型柔性防刺材料的外觀

芳綸無緯布由芳綸纖維單向排列后浸漬樹脂并晾干而成，具有良好的動能吸收性，常被用作防彈材料。本試驗采用芳綸1414無緯布，所用芳綸為Kevlar 49纖維。芳綸無緯布的面密度為220 g/m2，平均厚度約為0.226 mm。3種Kevlar纖維的力學性能見表1。

表1 3種Kevlar纖維的力學性能

2 試驗部分

2.1 多層樹脂成型柔性防刺材料的動態(tài)穿刺測試

已知樹脂成型柔性防刺材料中的樹脂顆粒起防穿刺作用，樹脂顆粒間的空隙使得防刺材料具有很好的柔性。單層樹脂成型防刺材料不能滿足防刺要求，并且當?shù)毒叽痰娇障稌r，防刺材料很容易被刺穿，所以必須將其多層疊加，才能達到防穿刺的目的。動態(tài)穿刺試驗是衡量防刺服或多層防刺材料的防刺性能的標準評判方法。按照GA 68—2008《警用防刺服》[6]標準的要求，采用4層樹脂成型防刺材料疊加后進行動態(tài)穿刺試驗，測試刀具及與其連接的重錘(質(zhì)量共2.4 kg)從1 m的高處自由下落，使刀尖刺到各層防刺層的不同部位，觀察動態(tài)穿刺情況。試驗時，各層防刺材料間用膠水黏結，使各層間不會產(chǎn)生滑移。

2.2 樹脂成型柔性防刺材料和芳綸無緯布的準靜態(tài)穿刺測試

本試驗采用單層樹脂成型柔性防刺材料和15層芳綸無緯布進行準靜態(tài)穿刺試驗，比較兩者的防穿刺性。

準靜態(tài)穿刺試驗設備由HD026N型電子織物強力儀改造而成，即把強力儀上的頂破彈子換成GA 68—2008《警用防刺服》標準中規(guī)定的測試刀具，其尺寸如圖2所示。試驗中，測試刀具以100 mm/min的速度穿刺在樹脂顆粒中心處和無緯布上，得到穿刺負荷-穿刺深度曲線，觀察并比較它們的準靜態(tài)穿刺性能。

圖2 測試刀具尺寸示意(單位：mm)

2.3 樹脂成型柔性防刺材料和芳綸無緯布疊加后的動態(tài)穿刺測試

不同結構的防刺材料的防刺機理不同，它們對能量的吸收呈現(xiàn)不同的特性。因此，對于防刺材料的結構而言，采用單一材料結構，其吸能模式無疑是單一的，而采用多種材料的疊層設計可充分利用不同材料的特性，使它們協(xié)同作用，共同吸收能量[3]46。本試驗用15層芳綸無緯布替換1層樹脂成型柔性防刺材料，將芳綸無緯布和樹脂成型柔性防刺材料以多種方式疊加，進行動態(tài)穿刺試驗；在每一種疊加方式下，試驗中，測試刀具分別刺到各層樹脂成型柔性防刺材料的不同部位。本試驗按照GA 68—2008《警用防刺服》標準的要求，測試刀具及與其連接的重錘(質(zhì)量共2.4 kg)從1 m的高處自由下落，記錄每次穿刺結果，觀察哪一種疊加方式下防刺材料的防穿刺效果最佳。

3 結果與討論

3.1 4層樹脂成型柔性防刺材料的動態(tài)穿刺性能分析

表2是刀尖刺到4層樹脂成型柔性防刺材料的不同部位時的動態(tài)穿刺情況。其中，中心、邊緣分別表示刀尖對準樹脂顆粒的中心位置和邊緣位置，縫隙表示刀尖對準樹脂顆粒間的縫隙。

表2 樹脂成型柔性防刺材料的動態(tài)穿刺情況

由表2可以看出，只有當?shù)都鈱拭恳粚臃来滩牧系臉渲w粒的中心位置時，才能達到防穿刺效果，并且層數(shù)至少為4層。當?shù)都鈱嗜魏我粚臃来滩牧系臉渲w粒的邊緣進行穿刺時，都不能達到防穿刺效果。這是因為樹脂成型柔性防刺材料具有柔性，當?shù)都鈱蕵渲w粒的邊緣時，會沿著樹脂顆粒的邊緣向下凹而產(chǎn)生滑移，滑移的刀具在顆粒邊緣產(chǎn)生劃痕，然后刺入縫隙部分，防穿刺效果下降。由此可見，樹脂顆粒間的縫隙雖然使得防刺材料具有柔性，但刀尖刺到顆粒邊緣或縫隙時，防刺材料不能滿足防穿刺的要求。

3.2 樹脂成型柔性防刺材料和芳綸無緯布的準靜態(tài)穿刺性能比較

圖3為測試刀具以100 mm/min的速度穿刺在單層樹脂成型柔性防刺材料的樹脂顆粒的中心處和15層芳綸無緯布上時的穿刺負荷-穿刺深度曲線。

圖3 穿刺負荷-穿刺深度曲線

準靜態(tài)穿刺試驗設備由HD026N型電子織物強力儀改造而成，即測試織物頂破時儀器的頂破彈子換成測試刀具，測試時刀具緩慢上升，圖3顯示，當上升高度約50 mm時，刀具開始與防刺材料接觸，穿刺負荷瞬間增大。從圖3可以看出，樹脂成型柔性防刺材料的穿刺負荷峰值約為15層芳綸無緯布的穿刺負荷峰值的2倍。觀察樹脂成型柔性防刺材料的穿刺負荷-穿刺深度曲線，穿刺深度為50 mm時，即刀具刺到樹脂成型柔性防刺材料的樹脂顆粒時，穿刺負荷持續(xù)增大，在達到最大負荷值后，隨著穿刺深度的繼續(xù)增加，穿刺負荷迅速下降至零。刀具的刀尖和刀刃部分分別對防刺材料產(chǎn)生沖擊和剪切作用，樹脂成型柔性防刺材料中的樹脂顆粒起主要的防刺作用且主要是抵抗沖擊，樹脂顆粒通過被破壞來吸收能量；當樹脂顆粒被破壞時，滌綸基布受到刀具的剪切、拉伸而出現(xiàn)大裂口，此時刀具幾乎無阻力地穿過防刺材料，即防刺材料被破壞而無防刺作用。觀察芳綸無緯布的穿刺負荷-穿刺深度曲線，可以看到，穿刺負荷達到最大值后，隨著穿刺深度的繼續(xù)增加，穿刺負荷并未迅速降低，而是緩慢減小后又有上升趨勢。芳綸無緯布由芳綸纖維單向排列后浸漬樹脂并晾干而成，刀具穿刺時對芳綸纖維主要產(chǎn)生剪切破壞，但是由于浸漬了樹脂，芳綸纖維不易被刀具拉伸，無緯布對刀具有一定的握持作用，所以穿刺負荷在達到峰值后并未迅速下降。

3.3 樹脂成型柔性防刺材料和芳綸無緯布疊加后的動態(tài)穿刺性能分析

表3所示是3層樹脂成型柔性防刺材料和15層芳綸無緯布疊加后的動態(tài)穿刺情況，其中防刺材料和無緯布以不同方式疊加，動態(tài)穿刺時刀尖分別刺到每層防刺材料的樹脂顆粒的不同部位。表3中，S表示樹脂成型柔性防刺材料，F(xiàn)表示芳綸無緯布，中心、邊緣分別表示刀尖對準樹脂顆粒的中心位置和邊緣位置。

表3 樹脂成型柔性防刺材料和芳綸無緯布疊加的動態(tài)穿刺情況

(續(xù)表)

由表3可以看出，當芳綸無緯布放在底部時，只有當?shù)都舛即痰綐渲尚腿嵝苑来滩牧系臉渲w粒的中心位置時才能達到防刺效果；當?shù)都獯痰綐渲尚腿嵝苑来滩牧系臉渲w粒的邊緣時，防刺層均被穿透。因為在這種疊加方式下，芳綸無緯布不能對位于頂部的3層樹脂成型柔性防刺材料起到充分的支持作用，樹脂成型柔性防刺材料的柔性使得刀尖在刺到樹脂顆粒的邊緣時產(chǎn)生滑移。當芳綸無緯布放在頂部時，即使刀尖都刺到樹脂成型柔性防刺材料的樹脂顆粒的中心位置，仍不能達到防刺效果。位于頂部的芳綸無緯布的防刺效果很差，基本上起不到抵抗刀具沖擊的作用，而位于底部的3層樹脂成型柔性防刺材料又不足以抵抗刀具的穿刺作用。當芳綸無緯布放在2層和1層樹脂成型柔性防刺材料的中間時，即“三明治”疊加方式下，防穿刺效果較好，只有當?shù)都獯痰降?層樹脂成型柔性防刺材料的樹脂顆粒的邊緣時會產(chǎn)生滑移而導致防刺效果下降。其原因可能是，穿刺時，首先由位于頂部的防刺性能較好的樹脂成型柔性防刺材料的樹脂顆粒起抗沖擊作用并吸收大部分能量；其次，中間層的芳綸無緯布具有一定的厚度和硬度，對頂部的樹脂成型柔性防刺材料有一定的支持作用，使得刀具刺到樹脂顆粒的邊緣時不易向縫隙處凹陷而產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，而且當?shù)毒叽痰椒季]無緯布時，芳綸通過剪切破壞吸收一部分能量；再者，浸漬芳綸的樹脂對刀具起握持作用。

4 結論

(1) 由4層樹脂成型柔性防刺材料的動態(tài)穿刺試驗可知，當?shù)都獯┐痰饺魏我粚訕渲尚腿嵝苑来滩牧系臉渲w粒的邊緣時，都不能達到防刺效果。

(2) 由準靜態(tài)試驗可知，單層樹脂成型柔性防刺材料的最大穿刺負荷約為15層芳綸無緯布的2倍，但是15層芳綸無緯布的穿刺負荷的下降速率明顯小于單層樹脂成型柔性防刺材料的穿刺負荷的下降速率。

(3) 采用的樹脂成型柔性防刺材料和芳綸無緯布的疊加方式中，在頂部為2層樹脂成型柔性防刺材料、中間為15層芳綸無緯布和底部為1層樹脂成型柔性防刺材料的三明治疊加方式下，防刺效果較好。

[1] 劉娟，王新厚．樹脂成型柔性防刺材料空隙率對防刺性能的影響[J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2015，33(5)．

[2] JESSIE B M J，ERIC D W，MAHESH V H，et al． Stab and puncture characterization of thermoplastic-impregnated aramid fabrics[J]． International Journal of Impact Engineering，2009，36(9)： 1095-1105．

[3] 楊川．芳綸纖維柔性復合材料制備及其防刺性能研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010．

[4] 馬飛飛，謝正權，王新厚．樹脂成型柔性防刺材料的設計與優(yōu)化[J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2014，32(5)： 18-22．

[5] 馬飛飛，謝正權，徐永紅．柔性防刺材料、防刺體的黏結成型方法：CN 2014100250098[P]．2014-05-14．

[6] 公安部. GA 68—2008警用防刺服[S]．北京：中國標準出版社，2008．

Study on the stab-resistance performance of flexible stab-resistance materials by means of resin molding

LianYing1,2,LiuChunna3,WangXinhou1,2

1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China; 3. Shanghai ECT Testing Company Limited, Shanghai 201206, China

A kind of flexible stab-resistance materials by means of resin molding was prepared. The dynamic stabbing experiments of multi-layers of the flexible stab-resistance materials were carried out, and the quasi-static stab-resistance of the single-layer flexible stab-resistance materials and Kevlar no-weft fabrics were also studied. The dynamic stab-resistance of materials made of stacked flexible stab-resistance materials and Kevlar no-weft fabrics was tested. The results showed that the 4-layer flexible stab-resistance materials didn’t achieve the desired stab-resistance effect. The single-layer flexible stab-resistance materials and the 15-layer Kevlar no-weft fabrics had their own stab-resistance characteristics. The material made by a sandwich stacking way with 2-layer and 1-layer flexible stab-resistance material on top and bottom respectively, and 15-layer Kevlar no-weft fabrics in middle had good stab-resistance.

stab-resistance material, Kevlar no-weft fabric, stacking, stab-resistance performance

2015-12-04

練瀅，女，1991年生，在讀碩士研究生，研究方向為柔性防刺材料的設計與性能

TS941.731

A

1004-7093(2016)10-0021-05