織物表面防刺割樹脂片形狀的確定

董繼萍， 劉曉艷,2， 于偉東(. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 20620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 20620)

織物表面防刺割樹脂片形狀的確定

董繼萍1， 劉曉艷1,2， 于偉東1
(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

為選出最佳的樹脂片幾何形狀以提高材料防刺性能，采用CAD對規(guī)則排列面積相同的正方形、等邊三角形、正六邊形和圓形4種樹脂片進(jìn)行作圖分析，并通過理論計算比較樹脂片之間的空隙寬度和空隙面積。研究結(jié)果表明：對緊密相切排列的正方形、等邊三角形、正六邊形和圓形而言，正方形、等邊三角形和圓形會使樹脂片之間產(chǎn)生直線行列，刀具很容易穿過直線行列傷害人體；對規(guī)則排列、樹脂片間留有空隙的多邊形和圓形而言，當(dāng)空隙率一定且樹脂片面積相同時，正六邊形樹脂片之間的空隙寬度更窄，空隙面積更小，刀具更難刺入，即正六邊形的樹脂片有利于提高材料的防刺性能。

防刺材料； 樹脂片幾何形狀； 空隙寬度； 空隙面積

即使在和平年代，局部戰(zhàn)爭在世界范圍內(nèi)也時有發(fā)生，如利比亞戰(zhàn)爭、巴以沖突、敘利亞內(nèi)戰(zhàn)等，各國對先進(jìn)個體防護(hù)裝備的重視程度與日俱增。尤其包括中國在內(nèi)的那些對于槍支刀具管制嚴(yán)格的國家，紛紛投入大筆經(jīng)費(fèi)進(jìn)行各類個體防護(hù)用品的研究和開發(fā)。經(jīng)多年的發(fā)展，防彈產(chǎn)品已取得很大進(jìn)展，由于防刺和防彈在原理上的差異，大多數(shù)的防彈產(chǎn)品并不能防刺，所以防刺服裝的研發(fā)引起了很大關(guān)注[1]，在滿足防刺標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，要求穿著靈活、柔軟貼身。

根據(jù)防刺服的材質(zhì)可分為硬質(zhì)、半硬質(zhì)、柔性防刺服和液體防刺服。早期硬質(zhì)防刺服大多數(shù)是由金屬合金、輕質(zhì)陶瓷制成整個防刺插板或硬質(zhì)小塊魚鱗式拼接而成的防刺層，這類防刺服雖然價格低但是質(zhì)量重，增加人體負(fù)擔(dān)，限制了人體的靈活性，目前一般采用金屬絲和高性能纖維復(fù)合加捻織造或繞成金屬環(huán)制成防刺織物[2]。柔性防刺材料市場上一般采用高支高密的機(jī)織物、非織造布及其復(fù)合材料，顧肇文[3]提出增加刀刃處高性能纖維集聚是提高柔性防刺服防刺性能的有效途徑。另外也有對經(jīng)緯編針織物和間隔織物作為防刺材料的研究，如龔小舟等[4]采用層壓工藝制成間隔織物/芳綸無緯布/芳綸機(jī)織布夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，間隔織物的間隔絲可有效將刀尖鎖住，起到抗刺作用。美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室與特拉華州立大學(xué)合成物質(zhì)研究中心于2000年將剪切增稠體(STF)應(yīng)用于防刺織物研制出液體防刺服，大量實(shí)驗(yàn)研究表明防刺材料通過STF浸漬后能夠明顯增強(qiáng)織物的防刺性能，特別是防錐刺能力[5-6]。雖然液體防刺服柔軟輕質(zhì)防刺效果好，但價值相對高昂，保質(zhì)期短。

當(dāng)纖維種類和織造方法的不同組合不能完全滿足人們的防刺需求時，采用涂層、浸漬和層壓的方式將樹脂與織物復(fù)合制成防刺材料逐漸成為提高防刺性能的新方向[7]。Jessie等[8]實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)熱塑性樹脂浸漬的芳綸織物防刺性能優(yōu)于純芳綸疊層織物，但樹脂與織物復(fù)合后材料的透氣性和透濕性卻大大降低，人體穿著不舒適[9]。Kim[10]提出采用絲網(wǎng)印刷或者紫外光固化技術(shù)將樹脂規(guī)則的排列在基布上，樹脂間留有一定間距的空隙，構(gòu)成柔軟輕質(zhì)具有防刺效果的防刺材料。國內(nèi)也有人提出利用網(wǎng)板成型工藝在織物表面涂覆一層樹脂，而樹脂被網(wǎng)格均勻分割，樹脂間留有空隙，提高防刺材料的柔性和透氣性[11]。將樹脂片規(guī)則排列黏結(jié)固定在成衣面料基布上制備防刺材料，練瀅等[12]通過對圓形樹脂片黏結(jié)成型制成的柔性防刺材料和芳綸無緯布以不同方式進(jìn)行疊加后測試動態(tài)穿刺性能，研究表明在頂部為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。

本文以規(guī)則排列的樹脂片黏結(jié)固定在成衣基布上制備防刺材料為基礎(chǔ)，研究不同形狀的樹脂片對防刺層防刺性能的影響。通過對不同形狀規(guī)則排列的樹脂片CAD作圖理論計算分析,選擇最合適的樹脂片幾何形狀及分布，使得防刺材料具有良好的透氣性、柔軟性及防刺性能。

1 防刺片材形狀設(shè)計要求

樹脂片通過黏結(jié)劑固定在基布上，考慮到穿著柔軟舒適性，樹脂片不能太大，但樹脂片也不能太小，不能小于刀尖距。

刀刺到樹脂片時，此時需要考慮樹脂片的形狀對刺入效果的影響。有的形狀會使樹脂片在緊密排列時樹脂片之間形成直線行列，刀具很容易在直線行列處擊傷人體，并且人體軀干是有一定弧度的或者人在運(yùn)動時都會使防刺層衣服有一定的彎曲，在彎曲處的直線行列會使兩邊的樹脂片之間呈現(xiàn)空隙，將底層基布顯現(xiàn)出來，基布沒有樹脂片的遮擋，刀具更容易刺入身體，所以樹脂片在排列時盡量避免形成直線行列。

防刺材料間的空隙可增加防刺服的舒適性。如圓形樹脂片緊密相切拼接時自然形成空隙，當(dāng)多邊形樹脂片之間留有空隙時，樹脂片之間會形成四邊形間隙。空隙太寬，刀會直接從空隙穿刺而過，所以在保證防刺材料具有柔軟性和透氣性的同時，空隙應(yīng)盡可能小來確保達(dá)到防刺性能。空隙率一定，相同面積不同形狀的樹脂片，根據(jù)邊長與空隙寬度的比值，可知比值越大，空隙寬度越小，刀具越難以刺入；樹脂片之間每個空隙的面積越大，刀具越容易刺穿。

2 防刺片材形狀選擇

本文通過對圓形、正方形、等邊三角形和正六邊形這幾個常見的幾何形狀進(jìn)行理論分析從中選出最具有防刺性能的樹脂片形狀。

2.1 樹脂片緊密排列時圖形分析

通過CAD作圖分別將圓形、正方形、等邊三角形和正六邊形樹脂片緊密相切排列，如圖1所示幾種常見形狀的排列。為避免樹脂片排列時形成直線行列使得刀具易刺穿，正方形排列見圖1(a),將正方形錯開排列避免豎直方向成直線，等邊三角形樹脂片排列見圖1(b)，即正方形和三角形只有水平方向呈直線，圓形見圖1(c)有水平方向和從左至右和從右至左斜線方向呈直線且有空隙存在，而正六邊形見圖1(d)任何方向都不顯現(xiàn)直線。直線的存在不利于防刺。首先直線使刀具的刺入沒有阻擋，且人在穿著防刺服時衣服會有一定的彎曲，而彎曲處的這些直線會使樹脂片之間呈現(xiàn)空隙使基布顯現(xiàn)出來，基布沒有樹脂片的遮擋，刀具更容易刺入身體。

圖1 幾何形狀緊密排列分布圖Fig.1 Distribution of geometric resin flakes closely arranged.(a) Square; (b) Equilateral triangle; (c) Circle; (d) Regular hexagon

2.2 樹脂片間空隙排布分析

2.2.1樹脂片邊長與空隙寬度的比值計算

因?yàn)閳A形樹脂片緊密拼接時會有空隙，與其他形狀緊密排列相比提高了防刺服的透氣性和柔軟性，為消除空隙的影響，在多邊形樹脂片防刺服中也引入與圓形樹脂片一樣的空隙率。當(dāng)空隙率一定，樹脂片之間空隙越窄，刀越難刺入，此種樹脂片形狀制成的防刺服防刺效果越好。

根據(jù)緊密排列的圓形樹脂片排列計算出空隙率。假設(shè)圓形全部緊密排列，為計算該結(jié)構(gòu)防刺層的空隙率，選取圖2所示圓形樹脂片重復(fù)結(jié)構(gòu)單元中的加粗正六邊形作為基本單元，計算該基本單元的空隙率即可得出整個單層防刺材料的空隙率。空隙率=空隙總面積/基本單元面積×100%。

圖2 圓形樹脂片重復(fù)結(jié)構(gòu)單元Fig.2 Repeating structural units of circular resin flakes

在多邊形樹脂片防刺層中引入透氣性的同時，要考慮前文提到正方形和三角形樹脂片排列時會出現(xiàn)水平直線降低防刺性能，所以在直線方向上不添加空隙。

本文選擇將正方形樹脂片按圖3所示基本結(jié)構(gòu)單元排列，為了不在豎直方向上引入直線，樹脂片錯開排布。每個正方形樹脂片兩邊引入空隙而在水平直線部分不引入空隙。加粗部分作為基本結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行分析，假設(shè)此時空隙寬為w，正方形樹脂片邊長為a,基本結(jié)構(gòu)單元面積S4為2a(a+w)，空隙總面積S5為2aw，由空隙率為定值9.31%，根據(jù)9.31%=S5/S4×100%，可求出邊長a與空隙寬w的關(guān)系，即a/w=9.74。

圖3 帶空隙的正方形基本結(jié)構(gòu)單元Fig.3 Repeating structural units of square resin flakes with voids

圖5 帶空隙的正六邊形樹脂片重復(fù)單元Fig.5 Repeating structural units of regular hexagons resin flakes with void

2.2.2各形狀樹脂片間間隙寬度和空隙面積比較

3 結(jié) 論

1)正方形、等邊三角形、圓形樹脂片規(guī)則排列時都會出現(xiàn)直線，直線兩邊的樹脂片向外凸時會使樹脂片之間呈現(xiàn)空隙使基布顯現(xiàn)出來，基布沒有樹脂片的遮擋，刀具更易刺入身體。

2)對多邊形而言，當(dāng)空隙率一樣且樹脂片面積相同時，根據(jù)邊長與空隙寬度的比值，比值越大，空隙寬度越窄，防刺效果越好，即與正方形和等邊三角形樹脂片相比，正六邊形樹脂片的防刺效果更好。

3)空隙率一定，相同面積不同形狀的樹脂片，樹脂片之間每個空隙面積越大，刀具越容易刺穿，即緊密相切排列的圓形樹脂片與多邊形樹脂片相比，正六邊形樹脂片之間的空隙面積更小，防刺效果更好。

綜上可知，與正方形、等邊三角形、圓形樹脂片相比，正六邊形樹脂片防刺效果更好。

FZXB

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Determinationaboutgeometryofstab-resistantresinflakesonsurfaceoffabric

DONG Jiping1， LIU Xiaoyan1,2， YU Weidong1
(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

In order to select the best geometry of esin flakes to improve stab resistance, four kinds of resin flakes (squares, equilateral triangles, hexagons and circles) with the same area were drawn out by the CAD, and then void width and void area were theoretically calculated and analyzed. The results show that for squares, equilateral triangles, hexagons and circles of closely tangency permutation, the squares, equilateral triangles and circles make straight lines between the flakes, and the cutting tool is easy to pass through the linear procession to harm human body. For polygonal and circular resin flakes, when the void fraction is constant and the resin flake area is the same, the width of the gap between the regular hexagonal resin flakes is narrower and the void area between every two hexagonal resin flakes is smaller, thus the cutting tool is hard to penetrate. In summary, the hexagonal resin flake is conducive to improve the stab resistance of materials.

stab-resistant material; geometry of resin flake; void width; void area

10.13475/j.fzxb.20170301205

TS 941.731.7

A

2017-03-06

2017-07-28

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2016YFC0802802)

董繼萍(1992—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)榧徔椘吩O(shè)計與紡織材料。劉曉艷，通信作者，E-mail：xiaoyanliu@dhu.edu.cn。