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2019-06-21 00:27:54楊婉秋劉曉艷
紡織科學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2019年2期
楊婉秋，劉曉艷,2
(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)
0 引言
近年來，隨著人們的安全意識不斷提高，安全防護(hù)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(diǎn)[1-2]。
目前有很多關(guān)于防刺方面的研究。袁夢琦等基于仿生學(xué)原理，參考了鱷魚皮的形態(tài)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種鱗甲式防刺服，其利用與鱷魚皮表皮結(jié)構(gòu)相似的金字塔狀金屬體進(jìn)行防刺[3]。黎國標(biāo)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(jī)織物的防刺效果時(shí)，發(fā)現(xiàn)三維機(jī)織物由于具有一定的厚度且紗線間結(jié)構(gòu)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(diǎn)。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(shí)際中的應(yīng)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(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jié)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(zhǔn)靜態(tài)穿刺儀對織物防刺性能進(jìn)行測試，刺割儀如圖1所示。在測試過程中，刀具向上運(yùn)動刺割樣品織物，該儀器可以記錄刀具的最大負(fù)荷力數(shù)據(jù)，每個(gè)樣品測試5次，取平均值。
圖1 準(zhǔn)靜態(tài)刺割儀
2 結(jié)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(jìn)行刺割實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)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(dāng)?shù)竭_(dá)a點(diǎn)時(shí)，刀具的尖端刺破織物，此時(shí)刺割力大小為6N左右。
刀具刀尖處面積一般為3.14×10-8m2，當(dāng)織物與刀具間作用力達(dá)到6N時(shí)，織物被刺破。由公式1計(jì)算可得破壞織物的臨界壓強(qiáng)P1，當(dāng)織物受到外界刺割力使織物壓強(qiáng)大于臨界值時(shí)，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(jìn)行受力分析，當(dāng)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(shí)變形如下圖3所示。
圖3 刀具材料受力圖
當(dāng)?shù)毒哂捕葹?5HRC時(shí)，根據(jù)洛式硬度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，刀具材料在受力變形時(shí)會被壓入0.09mm的深度。此時(shí)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(qiáng)P2為4.81×109N/m2，當(dāng)外界壓力使刀具承受壓強(qiáng)大于這一值時(shí)，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(guān)系
當(dāng)硬質(zhì)粒子涂敷在織物表面時(shí)，刀具與織物間不發(fā)生直接接觸。假設(shè)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(shè)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(shè)粒子為體心立方結(jié)構(gòu)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(yùn)動。此時(shí)，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?？椢锾幱诒淮唐频呐R界點(diǎn)時(shí)，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(shí)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(dāng)粒子粒徑為5μm時(shí)，防刺性能最好。因此接下來選用5微米粒徑的粒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
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(shí)驗(yàn)中，涂層厚度100μm時(shí)防刺效果最好，所以接下來使用100μm涂層厚度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
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(dāng)溫度過高時(shí)，膠粘劑會焦糊。因此，本實(shí)驗(yàn)的最高溫度為64℃。當(dāng)溫度為64℃時(shí)，最大刺割力數(shù)值最大，選擇了64℃為反應(yīng)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(jié)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(shí)驗(yàn)采用不同的粒子與涂層劑比例進(jìn)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(dāng)粒子含量較低時(shí)，織物的防刺效果隨粒子含量增加變化不明顯；當(dāng)粒子比例達(dá)到1:2時(shí)，有了一個(gè)明顯的增加；當(dāng)粒子比例繼續(xù)增加，當(dāng)達(dá)到2:3時(shí)，粒子防刺性增加效果變?nèi)?。這是因?yàn)檎辰Y(jié)劑比例變少，不能很好的固定硬質(zhì)粒子。此時(shí)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(jié)劑比例為2:3較為合適，此時(shí)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(jié)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(shí)際上，涂層織物防刺性能隨著粒子粒徑的減小先增加，當(dāng)達(dá)到一定值后反而減小，這可能是因?yàn)榱Ｗ娱g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(dāng)硬質(zhì)粒子與粘結(jié)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(shí)，涂層織物防刺性最好，此時(shí)最大刺割力為純織物的2.9倍左右。
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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(diǎn)。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(shí)際中的應(yīng)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(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jié)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(zhǔn)靜態(tài)穿刺儀對織物防刺性能進(jìn)行測試，刺割儀如圖1所示。在測試過程中，刀具向上運(yùn)動刺割樣品織物，該儀器可以記錄刀具的最大負(fù)荷力數(shù)據(jù)，每個(gè)樣品測試5次，取平均值。
圖1 準(zhǔn)靜態(tài)刺割儀
2 結(jié)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(jìn)行刺割實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)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(dāng)?shù)竭_(dá)a點(diǎn)時(shí)，刀具的尖端刺破織物，此時(shí)刺割力大小為6N左右。
刀具刀尖處面積一般為3.14×10-8m2，當(dāng)織物與刀具間作用力達(dá)到6N時(shí)，織物被刺破。由公式1計(jì)算可得破壞織物的臨界壓強(qiáng)P1，當(dāng)織物受到外界刺割力使織物壓強(qiáng)大于臨界值時(shí)，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(jìn)行受力分析，當(dāng)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(shí)變形如下圖3所示。
圖3 刀具材料受力圖
當(dāng)?shù)毒哂捕葹?5HRC時(shí)，根據(jù)洛式硬度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，刀具材料在受力變形時(shí)會被壓入0.09mm的深度。此時(shí)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(qiáng)P2為4.81×109N/m2，當(dāng)外界壓力使刀具承受壓強(qiáng)大于這一值時(shí)，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(guān)系
當(dāng)硬質(zhì)粒子涂敷在織物表面時(shí)，刀具與織物間不發(fā)生直接接觸。假設(shè)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(shè)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(shè)粒子為體心立方結(jié)構(gòu)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(yùn)動。此時(shí)，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?？椢锾幱诒淮唐频呐R界點(diǎn)時(shí)，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(shí)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)
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(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(dāng)粒子粒徑為5μm時(shí)，防刺性能最好。因此接下來選用5微米粒徑的粒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
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(shí)驗(yàn)中，涂層厚度100μm時(shí)防刺效果最好，所以接下來使用100μm涂層厚度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
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(dāng)溫度過高時(shí)，膠粘劑會焦糊。因此，本實(shí)驗(yàn)的最高溫度為64℃。當(dāng)溫度為64℃時(shí)，最大刺割力數(shù)值最大，選擇了64℃為反應(yīng)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(jié)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(shí)驗(yàn)采用不同的粒子與涂層劑比例進(jìn)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(dāng)粒子含量較低時(shí)，織物的防刺效果隨粒子含量增加變化不明顯；當(dāng)粒子比例達(dá)到1:2時(shí)，有了一個(gè)明顯的增加；當(dāng)粒子比例繼續(xù)增加，當(dāng)達(dá)到2:3時(shí)，粒子防刺性增加效果變?nèi)?。這是因?yàn)檎辰Y(jié)劑比例變少，不能很好的固定硬質(zhì)粒子。此時(shí)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(jié)劑比例為2:3較為合適，此時(shí)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(jié)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(shí)際上，涂層織物防刺性能隨著粒子粒徑的減小先增加，當(dāng)達(dá)到一定值后反而減小，這可能是因?yàn)榱Ｗ娱g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(dāng)硬質(zhì)粒子與粘結(jié)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(shí)，涂層織物防刺性最好，此時(shí)最大刺割力為純織物的2.9倍左右。
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