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2019-06-21 00:27:54楊婉秋劉曉艷
紡織科學與工程學報 2019年2期
楊婉秋，劉曉艷,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實驗室，上海 201620)
0 引言
近年來，隨著人們的安全意識不斷提高，安全防護問題受到人們的極大重視，如何防御來自刀具等物品的攻擊成為防刺服研究的重點[1-2]。
目前有很多關于防刺方面的研究。袁夢琦等基于仿生學原理，參考了鱷魚皮的形態(tài)結構，設計了一種鱗甲式防刺服，其利用與鱷魚皮表皮結構相似的金字塔狀金屬體進行防刺[3]。黎國標等用混有陶瓷顆粒的樹脂浸漬防刺基布，將浸漬布烘干得到柔軟的防刺材料[4]。也有人采用硬質(zhì)顆粒作為涂層材料，提高了防刺材料的抗刺性。鐘智麗等探究三維機織物的防刺效果時，發(fā)現(xiàn)三維機織物由于具有一定的厚度且紗線間結構緊密，在動態(tài)刺割測試中有良好的防刺性能[5]。
其中，硬質(zhì)顆粒涂層的防刺織物優(yōu)于其他防刺產(chǎn)品，它具有制作簡單、方便、柔軟的特點。目前常用的硬質(zhì)顆粒有碳化硅(SiC)、立方氮化硼(CBN)、碳化硼(B4C)等[6]，防刺織物主要由超高分子量聚乙烯或芳綸纖維制成[7-8]。
考慮到材料密度、硬度和在實際中的應用，本文采用超高相對分子量聚乙烯織物和B4C粒子制作防刺織物，探究硬質(zhì)粒子涂層織物的防刺性能。
1 試驗部分
1.1 實驗材料
B4C顆粒(牡丹江金剛鉆碳化硼有限公司)粒徑分別為2.5μm、5μm、10μm和20.5μm；機織物采用超高分子量聚乙烯，所用織物每平方米的重量為180g/m2；聚丙烯酸脂粘結劑。
1.2 涂層織物的制備
將硬質(zhì)粒子與聚丙烯酸脂混合后攪拌30分鐘，然后將硬質(zhì)粒子涂層液涂敷在織物表面。將涂層織物置于烘箱中，在80℃條件下烘焙10分鐘，然后在110℃下烘焙30分鐘，得到涂層織物。
1.3 測試方法
用準靜態(tài)穿刺儀對織物防刺性能進行測試，刺割儀如圖1所示。在測試過程中，刀具向上運動刺割樣品織物，該儀器可以記錄刀具的最大負荷力數(shù)據(jù)，每個樣品測試5次，取平均值。
圖1 準靜態(tài)刺割儀
2 結果與討論
2.1 破壞織物臨界條件
首先選取了一種市面常見的超高分子量聚乙烯織物進行刺割實驗，探究一般基布材料的承受力，下圖2是基布的刺割測試圖。
圖2 織物刺割受力圖
從圖2可以看出在0到a點間，刺割力穩(wěn)定上升，刀具與織物開始發(fā)生接觸，織物逐漸發(fā)生變形。當?shù)竭_a點時，刀具的尖端刺破織物，此時刺割力大小為6N左右。
刀具刀尖處面積一般為3.14×10-8m2，當織物與刀具間作用力達到6N時，織物被刺破。由公式1計算可得破壞織物的臨界壓強P1，當織物受到外界刺割力使織物壓強大于臨界值時，織物發(fā)生刺破。
(1)
2.2 刀具變形臨界條件
本文采用硬度為55HRC的刀具進行受力分析，當此硬度的刀具材料受到120°金剛石圓錐壓入器作用發(fā)生變形時變形如下圖3所示。
圖3 刀具材料受力圖
當?shù)毒哂捕葹?5HRC時，根據(jù)洛式硬度的衡量標準，刀具材料在受力變形時會被壓入0.09mm的深度。此時鉆石壓入器與刀具材料之間的豎直方向承受力的面積為A，由公式2可以算得受力面積A大小為3.05×10-7m2左右，鉆石壓入器提供的壓力為F鉆石壓入器，由公式3可知F鉆石壓入器為1470N。由公式4可知，刀具變形的臨界壓強P2為4.81×109N/m2，當外界壓力使刀具承受壓強大于這一值時，刀具將發(fā)生變形。
(2)
F鉆石壓入器=150×9.8=1470 N
(3)
(4)
2.3 刀具刺割織物過程中力的作用關系
當硬質(zhì)粒子涂敷在織物表面時，刀具與織物間不發(fā)生直接接觸。假設硬質(zhì)粒子不發(fā)生水平位移，只考慮垂直方向的位移，則涂層織物與硬質(zhì)粒子的受力情況如下圖4所示。
圖4 涂層織物受力圖
圖4展示了刀具刺割硬質(zhì)粒子涂層織物過程中力的傳遞情況。假設刀具的刀尖對頂層硬質(zhì)粒子的作用力為刺割力F刺割，硬質(zhì)粒子的半徑為r，刀尖到底層織物的厚度為h，底層織物對上層粒子的支撐力為F支撐。假設粒子為體心立方結構排列，刀具與涂層織物接觸后，刺割力沿硬質(zhì)粒子涂層，以金字塔形傳遞下去，刺割過程中涂層內(nèi)的硬質(zhì)粒子不發(fā)生水平運動。此時，底層織物與硬質(zhì)粒子的接觸面積為a，由公式5可知，a大小為2h2。織物處于被刺破的臨界點時，織物能夠提供的支撐力為F支撐。由公式6可知：F支撐大小為2h2×P1，根據(jù)力的相互作用原理，此時刀具的刀尖對最頂層粒子的作用力F刺割等于F支撐。
(5)
F支撐=2h2×P織物臨界=2h2×P1
(6)
(7)
(8)
(9)
2.4 粒子粒徑對防刺性的影響
為探究不同粒徑粒子對涂層織物防刺性的影響，在其他條件一定的情況下使用了下表1中所示的幾種不同粒徑的粒子制作涂層織物，織物防刺性如下表1所示。
表1 不同粒徑的粒子防刺效果
由表1可以看出，隨著粒子粒徑的增加，涂層織物防刺性出現(xiàn)了先增加后減小的情況，當粒子粒徑為5μm時，防刺性能最好。因此接下來選用5微米粒徑的粒子進行實驗。
2.5 涂層厚度對防刺性的影響
為了解涂層厚度對防刺性影響，使用5微米粒徑的碳化硼粒子制作了如下表2所示的幾種不同涂層厚度的防刺材料。
表2 不同涂層厚度的防刺效果
從表2可以看出，在0到100μm的涂層范圍內(nèi)，隨著涂層厚度的增加，涂層織物的防刺性能不斷增加。本實驗中，涂層厚度100μm時防刺效果最好，所以接下來使用100μm涂層厚度進行實驗。
2.6 涂層液溫度對防刺性的影響
為了解涂層液溫度對防刺性影響，使用不同溫度的涂層液制作防刺材料，這里碳化硼粒子的粒徑為5μm，涂層厚度為100μm。涂層織物防刺效果如下表3所示。
表3 涂層液溫度對防刺效果的影響
從表3可以看出，隨著溫度的不斷提高，涂層織物的防刺性能不斷增加。但是當溫度過高時，膠粘劑會焦糊。因此，本實驗的最高溫度為64℃。當溫度為64℃時，最大刺割力數(shù)值最大，選擇了64℃為反應最佳溫度。
2.7 粒子含量對防刺性的影響
涂層織物的防刺性能很大程度上受到硬質(zhì)粒子與粘結劑比例的影響。為探究硬質(zhì)粒子比例對涂層織物防刺性影響，本實驗采用不同的粒子與涂層劑比例進行涂層，粒子的粒徑選用5μm，涂層厚度為100μm。涂層織物的防刺效果如下表4所示。
表4 不同粒子含量涂層液的防刺效果
從表4可以看出，隨著粒子比例的增加，涂層織物的防刺性能不斷增加。當粒子含量較低時，織物的防刺效果隨粒子含量增加變化不明顯；當粒子比例達到1:2時，有了一個明顯的增加；當粒子比例繼續(xù)增加，當達到2:3時，粒子防刺性增加效果變?nèi)?。這是因為粘結劑比例變少，不能很好的固定硬質(zhì)粒子。此時涂層液較粘稠，不宜繼續(xù)增加粒子比例。因此，采用硬質(zhì)粒子與粘結劑比例為2:3較為合適，此時防刺性能最佳，涂層織物承受的最大刺割力為35.77N左右，是純織物的2.9倍左右。
3 結語
(1)理論上，涂層織物的涂層厚度h與粒子半徑r的比值越大，越有利于織物防刺性的提高。
(2)實際上，涂層織物防刺性能隨著粒子粒徑的減小先增加，當達到一定值后反而減小，這可能是因為粒子間存在水平移動。隨著粒子堆積層數(shù)、硬質(zhì)粒子比例、涂層液溫度的增加，涂層織物防刺性不斷增加。
(3)當硬質(zhì)粒子與粘結劑比例為2:3，硬質(zhì)粒子粒徑為5μm，涂層厚度為100μm，涂層液溫度為64℃時，涂層織物防刺性最好，此時最大刺割力為純織物的2.9倍左右。
楊婉秋，劉曉艷,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實驗室，上海 201620)
0 引言
近年來，隨著人們的安全意識不斷提高，安全防護問題受到人們的極大重視，如何防御來自刀具等物品的攻擊成為防刺服研究的重點[1-2]。
目前有很多關于防刺方面的研究。袁夢琦等基于仿生學原理，參考了鱷魚皮的形態(tài)結構，設計了一種鱗甲式防刺服，其利用與鱷魚皮表皮結構相似的金字塔狀金屬體進行防刺[3]。黎國標等用混有陶瓷顆粒的樹脂浸漬防刺基布，將浸漬布烘干得到柔軟的防刺材料[4]。也有人采用硬質(zhì)顆粒作為涂層材料，提高了防刺材料的抗刺性。鐘智麗等探究三維機織物的防刺效果時，發(fā)現(xiàn)三維機織物由于具有一定的厚度且紗線間結構緊密，在動態(tài)刺割測試中有良好的防刺性能[5]。
其中，硬質(zhì)顆粒涂層的防刺織物優(yōu)于其他防刺產(chǎn)品，它具有制作簡單、方便、柔軟的特點。目前常用的硬質(zhì)顆粒有碳化硅(SiC)、立方氮化硼(CBN)、碳化硼(B4C)等[6]，防刺織物主要由超高分子量聚乙烯或芳綸纖維制成[7-8]。
考慮到材料密度、硬度和在實際中的應用，本文采用超高相對分子量聚乙烯織物和B4C粒子制作防刺織物，探究硬質(zhì)粒子涂層織物的防刺性能。
1 試驗部分
1.1 實驗材料
B4C顆粒(牡丹江金剛鉆碳化硼有限公司)粒徑分別為2.5μm、5μm、10μm和20.5μm；機織物采用超高分子量聚乙烯，所用織物每平方米的重量為180g/m2；聚丙烯酸脂粘結劑。
1.2 涂層織物的制備
將硬質(zhì)粒子與聚丙烯酸脂混合后攪拌30分鐘，然后將硬質(zhì)粒子涂層液涂敷在織物表面。將涂層織物置于烘箱中，在80℃條件下烘焙10分鐘，然后在110℃下烘焙30分鐘，得到涂層織物。
1.3 測試方法
用準靜態(tài)穿刺儀對織物防刺性能進行測試，刺割儀如圖1所示。在測試過程中，刀具向上運動刺割樣品織物，該儀器可以記錄刀具的最大負荷力數(shù)據(jù)，每個樣品測試5次，取平均值。
圖1 準靜態(tài)刺割儀
2 結果與討論
2.1 破壞織物臨界條件
首先選取了一種市面常見的超高分子量聚乙烯織物進行刺割實驗，探究一般基布材料的承受力，下圖2是基布的刺割測試圖。
圖2 織物刺割受力圖
從圖2可以看出在0到a點間，刺割力穩(wěn)定上升，刀具與織物開始發(fā)生接觸，織物逐漸發(fā)生變形。當?shù)竭_a點時，刀具的尖端刺破織物，此時刺割力大小為6N左右。
刀具刀尖處面積一般為3.14×10-8m2，當織物與刀具間作用力達到6N時，織物被刺破。由公式1計算可得破壞織物的臨界壓強P1，當織物受到外界刺割力使織物壓強大于臨界值時，織物發(fā)生刺破。
(1)
2.2 刀具變形臨界條件
本文采用硬度為55HRC的刀具進行受力分析，當此硬度的刀具材料受到120°金剛石圓錐壓入器作用發(fā)生變形時變形如下圖3所示。
圖3 刀具材料受力圖
當?shù)毒哂捕葹?5HRC時，根據(jù)洛式硬度的衡量標準，刀具材料在受力變形時會被壓入0.09mm的深度。此時鉆石壓入器與刀具材料之間的豎直方向承受力的面積為A，由公式2可以算得受力面積A大小為3.05×10-7m2左右，鉆石壓入器提供的壓力為F鉆石壓入器，由公式3可知F鉆石壓入器為1470N。由公式4可知，刀具變形的臨界壓強P2為4.81×109N/m2，當外界壓力使刀具承受壓強大于這一值時，刀具將發(fā)生變形。
(2)
F鉆石壓入器=150×9.8=1470 N
(3)
(4)
2.3 刀具刺割織物過程中力的作用關系
當硬質(zhì)粒子涂敷在織物表面時，刀具與織物間不發(fā)生直接接觸。假設硬質(zhì)粒子不發(fā)生水平位移，只考慮垂直方向的位移，則涂層織物與硬質(zhì)粒子的受力情況如下圖4所示。
圖4 涂層織物受力圖
圖4展示了刀具刺割硬質(zhì)粒子涂層織物過程中力的傳遞情況。假設刀具的刀尖對頂層硬質(zhì)粒子的作用力為刺割力F刺割，硬質(zhì)粒子的半徑為r，刀尖到底層織物的厚度為h，底層織物對上層粒子的支撐力為F支撐。假設粒子為體心立方結構排列，刀具與涂層織物接觸后，刺割力沿硬質(zhì)粒子涂層，以金字塔形傳遞下去，刺割過程中涂層內(nèi)的硬質(zhì)粒子不發(fā)生水平運動。此時，底層織物與硬質(zhì)粒子的接觸面積為a，由公式5可知，a大小為2h2。織物處于被刺破的臨界點時，織物能夠提供的支撐力為F支撐。由公式6可知：F支撐大小為2h2×P1，根據(jù)力的相互作用原理，此時刀具的刀尖對最頂層粒子的作用力F刺割等于F支撐。
(5)
F支撐=2h2×P織物臨界=2h2×P1
(6)
(7)
(8)
(9)
2.4 粒子粒徑對防刺性的影響
為探究不同粒徑粒子對涂層織物防刺性的影響，在其他條件一定的情況下使用了下表1中所示的幾種不同粒徑的粒子制作涂層織物，織物防刺性如下表1所示。
表1 不同粒徑的粒子防刺效果
由表1可以看出，隨著粒子粒徑的增加，涂層織物防刺性出現(xiàn)了先增加后減小的情況，當粒子粒徑為5μm時，防刺性能最好。因此接下來選用5微米粒徑的粒子進行實驗。
2.5 涂層厚度對防刺性的影響
為了解涂層厚度對防刺性影響，使用5微米粒徑的碳化硼粒子制作了如下表2所示的幾種不同涂層厚度的防刺材料。
表2 不同涂層厚度的防刺效果
從表2可以看出，在0到100μm的涂層范圍內(nèi)，隨著涂層厚度的增加，涂層織物的防刺性能不斷增加。本實驗中，涂層厚度100μm時防刺效果最好，所以接下來使用100μm涂層厚度進行實驗。
2.6 涂層液溫度對防刺性的影響
為了解涂層液溫度對防刺性影響，使用不同溫度的涂層液制作防刺材料，這里碳化硼粒子的粒徑為5μm，涂層厚度為100μm。涂層織物防刺效果如下表3所示。
表3 涂層液溫度對防刺效果的影響
從表3可以看出，隨著溫度的不斷提高，涂層織物的防刺性能不斷增加。但是當溫度過高時，膠粘劑會焦糊。因此，本實驗的最高溫度為64℃。當溫度為64℃時，最大刺割力數(shù)值最大，選擇了64℃為反應最佳溫度。
2.7 粒子含量對防刺性的影響
涂層織物的防刺性能很大程度上受到硬質(zhì)粒子與粘結劑比例的影響。為探究硬質(zhì)粒子比例對涂層織物防刺性影響，本實驗采用不同的粒子與涂層劑比例進行涂層，粒子的粒徑選用5μm，涂層厚度為100μm。涂層織物的防刺效果如下表4所示。
表4 不同粒子含量涂層液的防刺效果
從表4可以看出，隨著粒子比例的增加，涂層織物的防刺性能不斷增加。當粒子含量較低時，織物的防刺效果隨粒子含量增加變化不明顯；當粒子比例達到1:2時，有了一個明顯的增加；當粒子比例繼續(xù)增加，當達到2:3時，粒子防刺性增加效果變?nèi)?。這是因為粘結劑比例變少，不能很好的固定硬質(zhì)粒子。此時涂層液較粘稠，不宜繼續(xù)增加粒子比例。因此，采用硬質(zhì)粒子與粘結劑比例為2:3較為合適，此時防刺性能最佳，涂層織物承受的最大刺割力為35.77N左右，是純織物的2.9倍左右。
3 結語
(1)理論上，涂層織物的涂層厚度h與粒子半徑r的比值越大，越有利于織物防刺性的提高。
(2)實際上，涂層織物防刺性能隨著粒子粒徑的減小先增加，當達到一定值后反而減小，這可能是因為粒子間存在水平移動。隨著粒子堆積層數(shù)、硬質(zhì)粒子比例、涂層液溫度的增加，涂層織物防刺性不斷增加。
(3)當硬質(zhì)粒子與粘結劑比例為2:3，硬質(zhì)粒子粒徑為5μm，涂層厚度為100μm，涂層液溫度為64℃時，涂層織物防刺性最好，此時最大刺割力為純織物的2.9倍左右。
