織物刺破與頂破測試方法對比研究

朱 靜，杜趙群，于偉東

（東華大學a.紡織學院；b.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620）

織物刺破與頂破測試方法對比研究

朱 靜a，杜趙群b，于偉東a

（東華大學a.紡織學院；b.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620）

將日常生活中作用于人體的尖銳硬物抽象為不易折斷、無窮大曲率的針形尖銳硬物和不易折斷、有一定曲率的球形尖銳硬物，實施織物的刺破和頂破測試方法對比研究，分析了圓錐頂角和刺破速度對織物刺割強力的影響以及頂破鋼球直徑、頂破速度和夾環(huán)半徑對織物頂破強力的影響.通過從織物破壞力值和破壞形態(tài)兩方面對比刺破和頂破測試方法的異同，發(fā)現(xiàn)刺破圓錐和頂破鋼球曲率半徑不同，刺破破壞形態(tài)孔徑尺寸比頂破的小；隨著圓錐頂角和鋼球直徑的減小，刺破和頂破織物的強力也減小，對織物破壞而言，刺破比頂破更易、更需要有效防護，但低速對刺破強力和頂破強力的影響不顯著.

織物；刺破強力；頂破強力；破壞形態(tài)

織物的刺破與頂破測試是兩個相似的過程，均為固定織物邊緣，通過刺破圓錐和頂破鋼球?qū)椢镞M行力學破壞的過程.頂破性能和刺破性能可提供織物的多向強伸性能特征信息，特別適用于針織物、三相織物、非織造布及降落傘等織物的應用強度檢驗.而如何通過試驗儀器的測試和相應的標準有效地表征紡織材料實際應用時的頂破與刺破危險性，尤其是對穿著者的人身安全，是極為重要的，也是織物安全與可靠性方面的重要研究點之一［1－2］.

目前，對于織物的刺破和頂破的研究，主要集中在刺破與頂破機理研究及研發(fā)具有高刺破和頂破強力的紡織材料與紡織產(chǎn)品方面［3－6］，而對于刺破和頂破測試影響因素的研究較少.國內(nèi)外對刺破的標準研究為標準刀具類的刺割和針刺，即使用鋒利刀具或直徑小的圓錐刺針，但均易折斷，與人體在活動過程遇到的尖銳硬物不易折斷相比顯得不足.尖銳硬物可近似為有一定曲率的圓球硬物，與織物鋼球頂破過程相似；非常尖銳的硬物則可近似為無窮大曲率的刺針，與織物圓錐刺破過程相似.織物鋼球頂破性能研究已有標準測試方法［7－8］，而對于圓錐刺破的研究相對較少［9－11］.

為了研究尖銳硬物與織物的相互作用，有必要分析不易折斷的圓錐形刺破試驗，用于更好地表達織物的實際可能刺破的破壞性能.雖然鋼球頂破和圓錐刺破機理不同［12－14］，但從鋼球和圓錐對織物的破壞形態(tài)來看，有其相似性，因此，有必要分析刺破和頂破測試的關(guān)系.本文從織物破壞力值和破壞形態(tài)方面，研究圓錐頂角、刺破速度對織物刺破強力的影響，以及頂破鋼球直徑、頂破速度和夾環(huán)半徑對織物頂破強力的影響，并分析刺破和頂破的相互關(guān)系.

1 織物刺破與頂破測試分析

1.1 試驗材料

選取6種織物試樣進行刺破與頂破試驗，試樣具體規(guī)格如表1和2所示.將布料裁剪成直徑為60 mm圓形試樣，平整并置于溫度為（20±2）℃和相對濕度為（65±5）%條件下平衡24h，用于刺破和頂破試驗.

表1 機織物試樣參數(shù)規(guī)格Table 1 Specification of woven fabric samples

表2 針織物試樣參數(shù)規(guī)格Table 2 Specification of knitted fabric samples

1.2 試驗儀器

采用MY 9000S型電子織物儀（如圖1所示）實施織物的刺破和頂破試驗，力傳感器量程可選為100～5 000N，運行速度可調(diào)為1～1 000mm／min.刺破圓錐和頂破鋼球分別模擬不易折斷的、曲率無窮大和定曲率半徑的硬物，其中刺破圓錐選擇了圓錐頂角為20°和40°兩種，鋼球直徑選擇20，25和38 mm 3種（如圖2所示），試樣夾持夾環(huán)半徑選擇20和25mm兩種（如圖3所示）.試驗中的刺破強力和頂破強力均為3次試驗結(jié)果的平均值.

圖1 頂刺破復合儀器圖Fig.1 Instrument of bursting and spiking

圖3 試樣夾持夾環(huán)圖Fig.3 Clamp－ring

圖2 刺破圓錐與頂破鋼球圖Fig.2 Spike cone and bursting ball

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 刺破試驗結(jié)果與分析

2.1.1 圓錐角度對刺破性能的影響分析

圖4 圓錐頂角與刺破強力關(guān)系圖Fig.4 Relationship of cone angle and spike strength

圖5 不同圓錐頂角刺破下刺破強力間的相關(guān)系數(shù)圖Fig.5 Correlation of spike strength of different cone angles

采用20°和40°圓錐頂角的刺破圓錐分別對織物進行刺破試驗，6種織物的刺破強力試驗結(jié)果如圖4所示，二者的刺破強力關(guān)系如圖5所示.由圖4可知，20°圓錐的刺破強力小，40°圓錐的刺破強力大，表明隨著圓錐頂角的增大，刺破強力也增大.另外，由圖5可知，頂角為20°圓錐和40°圓錐下的刺破強力相關(guān)系數(shù)為0.994，說明兩者存在顯著的相關(guān)性，且圓錐頂角對刺破強力影響較大.分析原因，頂角小的刺破圓錐面積相對小，頂角大的刺破圓錐面積大，故頂角小的刺破圓錐在刺割織物過程中與織物接觸面積小，承力的紗線根數(shù)較少，且因刺割斷裂的紗線數(shù)量也少，織物的刺破強力減小.因此，從兩種頂角的刺破圓錐的刺破強力試驗結(jié)果可知，頂角越小，織物的圓錐刺破強力越小.從穿著者的安全角度考慮，圓錐頂角越?。丛郊怃J的硬物），

越容易破壞織物而傷及穿著者的安全，故對不同用途的功能防護織物要針對使用條件進行相應結(jié)構(gòu)和性能的選擇，硬物越尖銳，對織物的結(jié)構(gòu)和組成單元的性能要求越高.

2.1.2 刺破速度對刺破性能的影響分析

為研究刺破速度對織物刺破性能的影響，分別選擇刺破速度為18，48和78mm／min，采用頂角40°的圓錐分別刺破6種織物，刺破強力試驗結(jié)果如圖6所示，刺破強力與刺破速度的顯著性F檢驗關(guān)系如表3所示.

圖6 不同刺破速度下的織物刺破強力結(jié)果圖Fig.6 Fabric spike strength under different spike speeds

表3 刺破速度對刺破強力測試影響顯著性分析表Table 3 Significance analysis of spike speed on spike strength

由圖6可知，6種試樣的刺破強力不同，取決于織物結(jié)構(gòu)和構(gòu)成織物的紗線性能.但對于每種試樣而言，在3種測試速度下的刺破強力測試結(jié)果差異不大，沒有統(tǒng)一規(guī)律.由表2進一步證明不同刺破速度對同一試樣的刺破強力影響不顯著.原因在于三種刺破速度雖有差異，但相對動態(tài)刺割速度1m／s而言為準靜態(tài)刺破.因此，織物的刺破過程是織物與刺破圓錐接觸過程中的接觸紗線的斷裂，夾持織物中的紗線由于紗線的傳播速度較快而均受張力而發(fā)生變形［15］，刺破破壞對織物快速刺割或沖擊效應不明顯.故當確定了織物試樣和測試條件時，織物在準靜態(tài)條件下的刺破強力受刺破速度影響小.

2.2 頂破試驗結(jié)果與分析

2.2.1 鋼球直徑對頂破測試的影響分析

分別采用直徑為20，25和38mm的鋼球?qū)嵤┛椢镯斊圃囼?，其頂破強力結(jié)果如圖7，不同鋼球直徑頂破下頂破強力間的相關(guān)系數(shù)如表4所示.

圖7 不同鋼球直徑下織物頂破強力圖Fig.7 Fabric bursting strength under different ball diameters

表4 不同鋼球直徑頂破下頂破強力間的相關(guān)系數(shù)表Table 4 Correlation coefficients of bursting strengths under different ball diameters

由圖7可以看出，鋼球直徑越大，織物頂破強力也越大.通過對比不同鋼球直徑下的織物頂破強力相關(guān)系數(shù)可知，鋼球直徑為20，25和38mm的織物頂破強力的兩兩相關(guān)系數(shù)分別為1.000，0.994和0.992，均高于0.990，說明使用不同直徑的鋼球測得的頂破強力之間具有顯著相關(guān)性.因為隨著鋼球直徑的增大，鋼球與織物的接觸面積增大，織物中同時受力的紗線或線圈的數(shù)量增大，導致織物的頂破強力增大.即鋼球直徑越小，織物頂破破壞需要的頂破強力也越小.從穿著者的安全角度考慮，鋼球直徑越小（即硬物曲率半徑越小，越尖銳），尖銳硬物就越容易破壞織物而傷及穿著者的安全，故對不同用途的功能防護織物要針對使用條件進行相應結(jié)構(gòu)和性能的選擇，硬物越尖銳，對織物的結(jié)構(gòu)和組成單元的性能要求也更高.

2.2.2 夾環(huán)半徑對頂破測試的影響分析

由鋼球直徑對頂破強力的影響分析可知，鋼球直徑越大，其頂破強力越大，原因在于織物頂破變形過程中增加了鋼球邊緣與織物接觸的面積.本文采用變夾環(huán)半徑為20與25mm夾持試樣，測試織物的頂破強力，測試結(jié)果如表5所示.

表5 夾環(huán)半徑對頂破測試影響數(shù)據(jù)表Table 5 Effect of clamp－ring radius exerts on bursting test

由表5知，夾環(huán)半徑20mm的織物頂破強力FA比夾環(huán)半徑25mm的織物頂破強力FB?。‵B／FA的值均大于1），說明試樣夾持夾環(huán)半徑對織物頂破強力有影響，隨著夾環(huán)半徑增加，織物的頂破強力也相應增加.其原因在于隨著夾環(huán)半徑增加，同等斷裂應變的織物至頂破的高度增加，增加了頂破鋼球與織物圓形接觸的邊緣長度，織物受力面積增加，同時也增加了織物與鋼球接觸邊緣的紗線起拱角度，提高了紗線斷裂強力在頂破方向的分力，頂破強力增大.

2.2.3 頂破速度對頂破測試的影響分析

采用50，150，250和350mm／min 4種頂破速度進行織物的頂破測試，研究不同頂破速度條件下對織物頂破強力的影響，其測試結(jié)果如圖8所示，頂破強力與頂破速度的顯著性F檢驗關(guān)系如表6所示.

圖8 頂破速度對頂破測試影響數(shù)據(jù)圖Fig.8 Effect of bursting velocity on bursting strength

表6 頂破速度對頂破測試影響顯著性分析表Table 6 Significance analysis of bursting speed on bursting strength

根據(jù)圖8和表6，可以發(fā)現(xiàn)不同織物的頂破強力雖有差異，但主要在于織物的結(jié)構(gòu)和構(gòu)成紗線的性能差異.但對于同種織物，不同頂破速度下的頂破強力變化不明顯，由表6中的顯著性水平的F檢驗結(jié)果證明了這一點.其原因在于頂破測試速度為低速，可忽略高速拉伸條件下的顯著沖擊力傳播和應變率效應，因此，織物在低速的頂破過程中其紗線的斷裂強力不受速度的影響.另外，由于織物頂破高度不變，頂破鋼球與織物圓形接觸的邊緣長度和織物受力面積不變，同時織物與鋼球接觸邊緣的紗線起拱角度不變，紗線斷裂強力在頂破方向的分力不變.因此，頂破速度的變化對與織物頂破強力相關(guān)的斷裂紗線在頂破方向的分力、邊緣長度與織物受力面積均不產(chǎn)生顯著影響.因此在低速下，頂破速度對織物頂破強力影響不大.

2.3 刺破與頂破測試對比分析分析

2.3.1 刺破強力與頂破強力的對比分析

為了明晰織物刺破強力與頂破強力的關(guān)系，基于所實施的織物刺破與頂破試驗，選取20°圓錐和40°圓錐的刺破強力以及直徑為20，25和38mm鋼球的頂破強力作為對比進行分析（見表7所示），刺破與頂破強力的相關(guān)系數(shù)如表8所示.

表7 織物刺破強力與頂破強力結(jié)果表Table 7 Results of spike strength and bursting strength

從表7可以看出，同種織物在相同條件下的頂破強力要比刺破強力大，高了一個數(shù)量級.其原因在于頂破破壞為與鋼球接觸／分離邊界處的織物圓形邊緣的紗線達到同等應變，所有紗線的應變達到織物最小斷裂應變；而刺破破壞首先是刺破圓錐的刺入，接著刺破力為織物刺破局部區(qū)域紗線沿著刺破圓錐表面相對滑動的摩擦力和該局部區(qū)域紗線在刺破圓錐軸向上的分力之和.另外，刺破測試所用的圓錐直徑比頂破測試用的鋼球直徑小，則織物刺破局部區(qū)域的受力紗線數(shù)量少、紗線應變小，故在數(shù)值上織物的刺破強力遠小于頂破強力.注：＊＊ 表示在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)，＊ 表示在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān).

表8 刺破強力與頂破強力間的相關(guān)系數(shù)表Table 8 Correlation coefficients between spike strength and bursting strength

由表7可知，圓錐刺破強力與鋼球頂破強力間存在顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均大于0.92.分析其原因，無論是織物的頂破還是刺破，其最后的破壞都是紗線的斷裂或線圈的脫散.而對于織物而言，紗線強力大，組織結(jié)構(gòu)牢固，其頂破強力必然較大，而這點也體現(xiàn)在織物的刺破強力上.所以，織物刺破強力和頂破強力的大小，都是由織物本身的組織結(jié)構(gòu)和紗線強力等因素決定的，即通常頂破強力大的織物，其刺破強力也相對較大.刺破與頂破的相同之處還在于二者均為各向同性施力，即在織物切平面內(nèi)的每個方向上均是同等接觸，織物的徑向應變相等.

刺破與頂破的不同之處是刺破圓錐的曲率半徑為0，而頂破鋼球的曲率半徑遠大于經(jīng)紗間或緯紗間的空隙，決定了頂破破壞為織物圓形接觸邊緣的紗線整體上處于織物最小斷裂應變時的受力之和，而刺破破壞由于是先刺破織物，刺破力為紗線與刺破圓錐表面相對滑動的摩擦力和該局部接觸區(qū)域紗線拉伸力在刺破圓錐軸向上的分力之和.具體表現(xiàn)為刺破和頂破時織物的受力分布不同，頂破過程從宏觀看，織物類的片層由圓環(huán)形鉗口邊緣逐步向中心，輻射力逐步密集，因而，在單位寬度（單位圓弧長度）中受力逐步增大.但是在變形后，織物類片層的球冠部分因為織物與鋼球接觸、相壓，產(chǎn)生摩擦，而使部分拉伸力由摩擦力所承擔，因而在球冠部分，織物所受拉伸力反而減小.因此，織物片層在各同心圓環(huán)的比較中，只有在變形后織物片層的球冠與鋼球分離點處受力才最大［11］.刺破過程中對于低緊度織物，由于圓錐周圍的紗線相互滑移和擠壓，由圓錐到夾持區(qū)域的織物緊度逐漸減小，紗線受到的應變不同，紗線受力不均勻；而且尖銳、較小圓錐半徑的刺破圓錐和柔性織物決定織物刺破更多是刺破圓錐破壞織物局部微小區(qū)域后從織物中穿出，刺破力為紗線與刺破圓錐表面相對滑動的摩擦力和紗線拉伸力兩者在刺破圓錐軸向上的分力之和.因此在相同條件下，織物的刺破強力小于頂破強力，二者具有一定的相關(guān)性.

2.3.2 刺破與頂破破壞形態(tài)的對比

為了進一步分析織物刺破與頂破的區(qū)別，選取了經(jīng)刺破破壞和頂破破壞的典型涂層平紋機織布（2＃）和反面起絨針織布（5＃）的破壞形態(tài)圖，進行破壞對比分析，結(jié)果如圖9所示.

圖9 織物刺破與頂破破壞形態(tài)圖Fig.9 Fabric destructive shapes after spike test and bursting test

由圖9可知，刺破測試對織物造成的破壞相對于頂破測試，其破壞面積比較小.對于涂層平紋機織物而言，其刺破破裂雖然也是形成平行于織物縱向的裂口，破口呈一條直線，但是其產(chǎn)生的直線與頂破測試產(chǎn)生的直線相比，長度更短.經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，刺破的主要表現(xiàn)都是紗線或線圈的移動，織物都是各向異性材料，當刺破圓錐與織物中的紗線接觸并相互作用時，織物表現(xiàn)為多向受力，織物結(jié)構(gòu)中各處受力是不均勻的.首先，圓錐帶動織物紗線移動，紗線受到拉伸，刺破過程屬于準靜態(tài)，在織物與圓錐的刺破過程中紗線不均勻地承擔刺破的反作用力，距離越遠變形越小，呈梯度遞減儲能也減少；最后，與圓錐接觸的紗線全部斷裂.這個原理與織物的頂破原理相比，可知刺破較易破壞織物，只需給予一定的外力，織物便會被刺破，其破壞的織物產(chǎn)生的破裂面積要比頂破破壞測試的小.無論是針織物破洞的面積還是機織物裂口的長短，均比頂破測試小.

從圖9中還可以看出，頂破測試對織物產(chǎn)生的破裂情況比較嚴重，裂口都比較大.對于平紋機織布會形成平行于織物縱向的裂口，由于織物各向異性，其破口呈一字線；而針織織物因為線圈的脫散，裂口為破洞形狀.但織物在受到頂破作用時，會在某一強力最弱處首先產(chǎn)生破壞，進而在此破壞處產(chǎn)生應力集中，隨著試驗的進行，織物在破壞的周圍會有大量的紗線斷裂、滑移或線圈脫散，于是裂口便沿縱向不斷擴展，最后致使其破裂.

3 結(jié) 語

本文通過采用圓錐和鋼球模擬生活中作用于著裝人體的尖銳硬物，進行織物的刺破和頂破測試方法對比研究.刺破試驗結(jié)果表明，40°圓錐的刺破強力大于20°圓錐的刺破強力，表明刺破強力隨著圓錐頂角的減小而減小，且兩者相關(guān)系數(shù)高達0.99，說明圓錐越尖銳，織物越易被刺破.頂破試驗結(jié)果表明，織物頂破強力隨鋼球直徑和夾環(huán)半徑減小而減小，鋼球直徑為38，25和20mm的織物頂破強力的相關(guān)系數(shù)均高于0.99，具有顯著相關(guān)性，也說明鋼球直徑越小，曲率越大，織物越易被頂破.試驗結(jié)果還表明，圓錐刺破強力與鋼球頂破強力間相關(guān)性顯著（相關(guān)系數(shù)均大于0.92），其原因在于兩者都是由織物的本身的組織結(jié)構(gòu)和紗線強力等因素決定的，即通常頂破強力大的織物，其刺破強力相對也較大.但試驗結(jié)果表明，在低速或準靜態(tài)條件下的頂破和刺破強力與速度的關(guān)系不顯著.另外，刺破測試對織物造成的破壞相對于頂破測試，其破壞面積比較小，對于經(jīng)緯向（或縱橫向）貢獻率差異大的織物而言，刺破破壞形態(tài)多為破洞形狀，各向異性顯著的織物的頂破破壞形態(tài)多呈現(xiàn)一字形，因此對于此類織物，圓錐刺破對織物的破壞比鋼球頂破破壞更嚴重.

參 考 文 獻

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Study on Measuring Methods of Spike－Resistant and Bursting－Resistant Properties of Fabric

ZHUJinga，DUZhao－qunb，YUWei－donga
（a.College of Textiles；b.Engineering Research Center of Technical Textiles，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The effects of incisive objects acting on wearable fabrics on body in daily activity were studied，where incisive objects were assumed to be rigid cones and balls with radius of curvature.The comparisons between spike－resistant and bursting－resistant properties had been conducted，and the effects of cone angle and spike velocity on spike strength and the effects of ball diameter and bursting velocity as well as clamp－ring radius on bursting strength were both studied.Based on the analyses of the differences between spike－resistant and bursting－resistant methods to fabric according to destructive strength and destructive shape，the results showed that the size of destructive shape of spike－resistant test was smaller than that of bursting－resistant test，and the radius of curvatures of the spike cone was different with that of the bursting ball.Moreover，the spike strength and bursting strength of fabrics both decreased with the decreasing of cone angle and ball diameter，which showed that the spike－resistant property should be effectively improved for easily destructive behaviour to fabric compared with bursting－resistant property，while quasi－static destructive velocity had no significant effects on the spike strength and bursting strength of fabrics.

fabric；spike strength；bursting strength；destructive shape

J 523.1

A

1671－0444（2013）06－0726－06

2012－12－31

國家自然科學基金資助項目（51203022，11272086）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目（13D110129）

朱 靜（1988—），女，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向為功能防護紡織材料的結(jié)構(gòu)與性能表征.E－mail：2100118＠m(xù)ail.dhu.edu.cn

杜趙群（聯(lián)系人），男，副教授，E－mail：duzq＠dhu.edu.cn