低熔點(diǎn)薄膜法多層復(fù)合高強(qiáng)聚酯織物的制備及其防刺穿性

鄭云波 鄭小佳 徐憬 朱曉鑫

（海西紡織新材料工業(yè)技術(shù)晉江研究院 福建晉江 362200）

防刺穿織物主要用于阻擋刀具和刺錐等尖銳物對人體的傷害，被廣泛應(yīng)用于軍事、建筑和勞保等領(lǐng)域[1-5]。近年來，隨著國內(nèi)外持刀持槍搶劫類暴力事件日益頻發(fā)，防刺穿織物研究和開發(fā)逐漸成為熱點(diǎn)。一般可將刺穿過程劃分為四個(gè)連續(xù)階段：刀尖刺到織物表層，給予織物壓力；刀尖滑移到織物紗線間距內(nèi)，造成穿刺；織物紗線間的摩擦作用阻止刀尖穿刺，刃部切割織物；紗線斷裂引起洞穿[6]。因此，要實(shí)現(xiàn)良好的防刺穿效果，織物材料就要具備消散沖擊能量以及防切割的能力。

防刺穿用纖維來源廣泛，包括陶瓷纖維和碳纖維等無機(jī)纖維，以及芳綸纖維、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維、聚對苯撐苯并雙噁唑（PBO）纖維和高強(qiáng)聚酯纖維等有機(jī)纖維[7-10]。在織物結(jié)構(gòu)形式上，平紋機(jī)織物紗線之間較為緊密不易產(chǎn)生滑移，厚度相對較薄，質(zhì)量較輕，可以大面積防護(hù)，廣泛應(yīng)用于防刺材料[11]。但單層的高性能纖維平紋機(jī)織物存在著防刺效果較差以及質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，難以滿足特殊領(lǐng)域防刺性能要求。研究表明，利用樹脂復(fù)合處理可有效提高織物材料的防刺性能[8,12-15]。樹脂均勻填充到織物紗線的縫隙，牢固鎖住纖維束，減少了刺入過程中紗線的滑移，從而吸收更多能量，提高防刺性能[16]。熱塑性樹脂彌補(bǔ)熱固性樹脂諸多不足，并可改善基體材料韌性，加工成型速度快，且生產(chǎn)較為清潔環(huán)保。

本文以高強(qiáng)聚酯平紋機(jī)織物為基材，通過熱塑性低熔點(diǎn)薄膜樹脂復(fù)合法，探索低熔點(diǎn)薄膜樹脂類型及其涂覆量對高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料剝離強(qiáng)度的影響，討論織物克重、層數(shù)對聚酯復(fù)合材料防刺性能的影響，同時(shí)考察其耐油、耐熱老化、耐化學(xué)腐蝕等性能，從而為防刺鞋的制備提供性能優(yōu)異的中底鞋墊材料。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

高強(qiáng)聚酯纖維由中國紡織科學(xué)研究院有限公司提供，纖度為1127.2dtex，斷裂強(qiáng)度為8.39cN/dtex，斷裂伸長率為13.4%；低熔點(diǎn)樹脂聚酯（PET）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和聚乙烯（PE）分別購自上海嘉成聚酯廠、盛虹石化集團(tuán)有限公司和裕辰隆工程塑料有限公司，3 種樹脂的熔點(diǎn)均為110℃。

1.2 制備工藝

1.2.1 高強(qiáng)聚酯平紋機(jī)織物的制備

按照經(jīng)紗加捻—分批整經(jīng)—并軸—織造的工藝流程，其中設(shè)置經(jīng)紗加捻捻度為80T/10cm，織機(jī)引緯系統(tǒng)水泵彈簧鋼絲直徑為11mm、柱塞直徑為32mm，噴針直徑為2.4mm，噴嘴直徑為3.2mm，水泵凸輪位置調(diào)至85°，先行角設(shè)為8°。最后織成550g/m2、700g/m2和850g/m2等3 款不同克重的高強(qiáng)聚酯平紋布。

1.2.2 多層復(fù)合高強(qiáng)聚酯織物防刺材料的制備

先將兩份高強(qiáng)聚酯平紋布放入100℃烘箱中烘干20min，去除水分。再將其中一份干燥的平紋布放置針板上，固定，并保持一定張力。然后將溫度為110℃三種低熔點(diǎn)樹脂分別用刮棒均勻涂覆至該平紋布上，另一份平紋布迅速復(fù)合。室溫冷卻至60℃，經(jīng)熱輥壓合后，繼續(xù)冷卻至室溫，便完成了兩層高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料的制備。三層、四層和五層高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料的制備重復(fù)上述步驟。

1.3 測試方法

1.3.1 厚度測試

使用百分表測厚儀在多層高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料上隨機(jī)選取3 點(diǎn)測試，測試結(jié)果以平均值表示。

1.3.2 剝離強(qiáng)度測試

在多層高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料上截取尺寸150mm×25mm 的長條試樣，對試樣進(jìn)行手剝，剝層長度為50mm，再將分開的兩端分別夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾具上，以100mm/min 的速度進(jìn)行剝離100mm，試驗(yàn)過程中記錄力值的軌跡，求平均值。按照下式（1）計(jì)算剝離強(qiáng)度。

式中：Ds—層間剝離強(qiáng)度，單位為牛頓每厘米（N/cm）；F—平均力值，單位為牛頓（N）；d—試樣寬度，單位為厘米（cm）。

1.3.3 防刺性能測試

根據(jù)GB/T 20991-2007[17]，在試驗(yàn)機(jī)上加載防刺測試工具，包括測試釘和夾持器等，對多層高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料進(jìn)行穿刺測試。測試釘直徑為4.50mm，移動(dòng)速度為10mm/min。測試分別在高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料上4 個(gè)不同點(diǎn)進(jìn)行，記錄載荷—位移曲線，取4 次測試結(jié)果最小值。

1.3.4 耐低溫、高溫、酸、堿和油性能測試

根據(jù)GB/T 21147-2007[18]，對多層高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料進(jìn)行低溫處理/高溫處理：先放入溫度（-20±2）℃/（60±2）℃低溫箱/烘箱中，4h后取出，溫度達(dá)到（-1±1）℃/（40±2）℃；酸/堿處理：完全浸入濃度為1mol/L 的硫酸/氫氧化鈉溶液中，在（20±2）℃放置，24h 取出，用流水洗凈酸/堿液，然后在（20±2）℃中存放24h；油處理：完全浸入2,2,4-三甲基戊烷（異辛烷）試液中，在（20±2）℃放置，24h 取出，用流水洗凈試液，然后在（20±2）℃中存放24h，再根據(jù)GB/T 20991-2007[17]對其防刺性能進(jìn)行測試。

表1 低熔點(diǎn)薄膜種類及涂覆量對高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料剝離強(qiáng)度的影響情況

2 結(jié)果與討論

2.1 高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料剝離性能

一般情況下，對于鞋墊材料層間剝離強(qiáng)度要求達(dá)5N/cm 以上[19]。從表1 可以看出，使用PET、EVA 和PE 三種低熔點(diǎn)薄膜樹脂復(fù)合的高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料的剝離強(qiáng)度均大于5N/cm。但在涂覆量相同的情況下，使用PET 低熔點(diǎn)薄膜樹脂復(fù)合的高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料的剝離強(qiáng)度明顯要高于EVA 和PE 薄膜樹脂，這可能是因?yàn)樵摫∧ず突钠郊y布的原料均為聚酯，相容性優(yōu)勢顯著。此外，隨著低熔點(diǎn)薄膜涂覆量的增加，高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料的厚度和剝離性能不斷提高，但其剝離性能的漲幅不斷縮小。當(dāng)涂覆量為135 g/m2時(shí)，剝離強(qiáng)度為7.97 N/cm；當(dāng)涂覆量為140g/m2時(shí)，剝離強(qiáng)度為8.10N/cm。然而當(dāng)涂覆量為140g/m2時(shí)，高強(qiáng)聚酯平紋布上PET 樹脂熔液出現(xiàn)外溢現(xiàn)象。過多的樹脂將會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)合材料的成順性[20]。因此，綜合剝離強(qiáng)度與制備成本以及節(jié)能環(huán)保之間的關(guān)系，高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料制備較合適的涂覆量為135 g/m2。

表2 平紋布克重以及層數(shù)對高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料穿刺力影響

表3 低溫、高溫、酸、堿和油對高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料穿刺力影響

2.2 高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料防刺性能

從表2 可以看出，單層高強(qiáng)聚酯平紋布具有較好的抗刺穿性，且在層數(shù)相同的情況下，隨著單層平紋布克重的增加，其最大穿刺力也逐漸提高。當(dāng)層數(shù)為2 時(shí)，單層平紋布克重為700g/m2，其最大穿刺力便達(dá)到1250N。按照GB/T 12017-1989[21]，大于等于1100N 產(chǎn)品便為特級防刺穿產(chǎn)品。因此，本項(xiàng)目單層平紋布克重為700g/m2，層數(shù)為2 的高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料為特級防刺穿產(chǎn)品。出于節(jié)約成本，項(xiàng)目選擇克重為700g/m2平紋布作為高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料的基材。此外，隨著層數(shù)的增加，高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料最大穿刺力也逐漸提高，當(dāng)層數(shù)為5 時(shí)，最大穿刺力為2100N。

單層與多層復(fù)合材料的穿刺過程主要區(qū)別在于ab 與a1b1（如圖1所示）。對于單層平紋布穿刺過程ab 階段，刺釘已刺入織物，織物紗線被切斷，穿刺力突降。但由于刺釘周圍仍有紗線包圍，使得穿刺力突降后又繼續(xù)上升。多層復(fù)合材料由于低熔點(diǎn)薄膜樹脂的固定，織物纖維束較難滑移抽脫，并且該樹脂具有較好的抗沖擊作用，導(dǎo)致多層復(fù)合材料a1b1階段穿刺力下降不明顯。

2.3 高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料耐低溫、高溫、酸、堿和油性能

本文選取單層平紋布克重為700 g/m2，層數(shù)為5 的高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料開展耐低溫、高溫、酸、堿和油性能測試，如圖2所示。從表3可以看出，經(jīng)過低溫、高溫、酸、堿和油處理后的高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料最大穿刺力基本不變，基本保持在2100N 左右。此外，從圖1 可以看出，經(jīng)高溫、酸處理和堿處理后的高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料穿刺過程曲線與未處理的基本保持一致。由于聚酯材料的耐堿性較差，經(jīng)堿處理后高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料表面有一定的腐蝕（如圖2），但樣品整體外觀仍較完整。因此，項(xiàng)目制備的高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料具有較好的耐低溫、高溫、酸、堿和油性能。

圖1 高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料穿刺力-位移曲線

圖2 高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料經(jīng)高溫、酸和堿性處理后表面

3 結(jié)論

（1）相同條件下，使用PET 低熔點(diǎn)薄膜樹脂復(fù)合的高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料的剝離強(qiáng)度較高。高強(qiáng)聚酯／復(fù)合材料的剝離強(qiáng)度隨PET 薄膜涂覆量增加而增強(qiáng)，其較合適的涂覆量為135g/m2。

（2）高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料最大穿刺力隨基材平紋布克重的增大以及層數(shù)的增多而提高。出于節(jié)約成本，本課題制備高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料較合適的平紋布克重為700g/m2。

（3）經(jīng)過低溫、高溫，及酸、堿和油處理后的高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料最大穿刺力基本不變，項(xiàng)目制備的高強(qiáng)聚酯復(fù)合材料具有較好的耐低溫、高溫、酸、堿和油性能。