（纺织工程专业论文）纱线沿横截面的抗切割性能研究.pdf

摘要 近年来，随着恐怖事件的频发，人们的安全防护意识不断增强，个体防护装 甲材料也因此得到了快速发展。其中防刺、防割产品的开发与研究日益受到研究 者的重视。从文献资料来看，目前对于纱线的防割性能及防割机理的研究国内外 尚没有定论。虽然纱线沿轴向的拉伸性能是评价其防割性能的重要方面，但并不 是确定和评价一种纱线的防割性能的唯一指标。例如，碳纤维具有极好的沿轴向 的拉伸性能，但其防割性能却很差。基于这种分析，本论文首次系统研究了纱线 沿横截面的抗切割性能，同时探讨了纱线沿轴向的拉伸性能对防割性能的影响， 为防割纱线的设计和沿横截面的抗切割性能的预钡8 提供了理论基础。 为了实现纱线沿横截面的抗切割性能的研究，本课题自行制各大量的纱线试 样，包括不同原料、不同结构的二维编织包缠纱、不同原料的长丝纱、不同捻度 的短纤纱及股线。首次自行设计了用来测试纱线沿横截面的抗切割性能的刀架切 割装冠，该装置可以和目前流行的各种纱线强力仪相连接，通过这种独特的装置 和纱线强力仪，可以给出纱线沿横截面的切割力与切割位移之间的关系曲线，可 以得到切割断裂强力、抗切割初始模量以及切割功等参数，可以基本实现对纱线 沿横截面的抗切割性能的表征。 利用这种装置，本论文系统研究了不同原料的纱线沿横截面的抗切割性能以 及不同纱线结构( 包缠纱、股线、长丝纱、短纤纱、不同捻度) 对纱线沿横截面 的抗切割性能的影响，提出了设计和分析纱线沿横截面抗切割性能的“面积论” 和“动态响应论”的观点，“面积论”是指“纱线沿横截面的纤维面积越大则纱 线沿横截面的抗切割性能越好”，“动态响应论”是指“在设计复合防割纱线时( 例 如二维编织复合纱) ，应该把抗切割初始模量大的纤维原料作为外包缠纱，而把 切割断裂强力大的纤维原料作为芯纱。实验结果表明，上述观点与实际情况符合 较好。研究还发现，芳纶、高性能聚乙烯、芳纶短纤纱等高性能纤维，切割和拉 伸性能均突出，可作为防切割产品的首选材料：一般地讲，加捻( 在一定的捻度 范围内) 、合股等方式对不同原料纱线抗切割性能的影响趋势基本相同，即加捻 及合股均有利于提高纱线的切割断裂强力，但通常会引起抗切割初始模量的降 低；二维编织包缠复合纱具有很好的沿横截面抗切割性能，通过对芯纱和外包缠 纱的合理选择，可以使抗切割性能得到显著提高。 此外，本论文还对影响纱线防割性能的轴向拉伸性能进行了研究，并首次研 究了与防割防刺织物中纱线受力状念密切相关的纱线屈曲拉伸性能。纱线屈曲拉 伸性能的研究是通过自行设计的双辊拉伸装置来完成的，它可以模拟织物中呈现 屈曲状态纱线的拉仲情况。研究发现，纱线的屈曲拉伸性能低于轴向拉伸性能， 因为在屈曲拉伸过程中纱线承受了沿其横截面的应力作用，即纱线的破坏机理发 生了变化。 本论文的实验方法、研究方法以及所得出的结论对防割纱线的防割性能的研 究和表征具有重要的参考价值，同时可以对防割纱线的设计及防割性能的预测提 供理论依据。 关键字：抗切割性能；二维包缠纱：屈曲拉伸；防割纱线。 a b s t r a c t w i t ht h ef r e q u e n to c c u r r e n o eo f t e r r o r i s t i ca f f a i r si nr e c e n ty e a r s t h es e n s eo f s e c u r i t y a n dp e r s o n a lp r o t e c t i o ni s i n c r e a s i n gc o n t i n u o u s l y , t h u sl e a d i n g t ot h er a p i d d e v e l o p m e n t o fb o d y a r m o r i n gm a t e r i a l s ，a m o n gw h i c ht h ed e v e l o p m e n ta n d i n v e s t i g a t i o no fs t a b - - r e s i s t a n ta n dc u t - r e s i s t a n tp r o d u c t sa r er e c e i v i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n a c c o r d i n gt ot h el i t e r a t u r e ，t h e r es t i l lh a v eb e e nn oc e r t a i nt h e o r i e sa t p r e s e n ta b o u tt h es t u d yo fc u t - r e s i s t a n tp r o p e r t i e sa n dc u t - r e s i s t a n tm e c h a n i s mo f y a r n s a l t h o u g ht h ea x i a lt e n s i l ep r o p e r t i e so fay a r nc a nb et a k e na sc r i t e r i o nt o e v a l u a t ei t sc u t r e s i s t a n tp r o p e r t i e s ，i ti ss t i l ln o tt h et m i q u eo n e f o re x a m p l e ，t h e c a r b o nf i b e rb e a r se x c e l l e n ta x i a lt e n s i l ep r o p e r t i e s ，b u ts h o w se v i d e n t l yw e a k c u t - r e s i s t a n tp r o p e r t i e s b a s e do nt h i sa n a l y s i s ，t h i st h e s i ss t u d i e dt h ec u t r e s i s t a n t p r o p e r t i e sa l o n gt h ey a m sc r o s s s e c t i o ni nd e t a i lf o rt h ef i r s tt i m e ，a n a l y z e dt h e i n f l u e n c eo fa x i a lt e n s i l ep r o p e r t i e so nt h ec u t - r e s i s t a n tp r o p e r t i e so fay a r n ，a n dt h e r e s e a r c hr e s u l t sc a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g no fc u t - r e s i s t a n ty a r n sa n d p r e d i c t i o no f t h ec u t - r e s i s t a n tp r o p e r t i e s i no r d e rt os t u d yt h ec u t r e s i s t a n tp r o p e r t i e s ，aw i d er a n g eo fy a ms a m p l e sw e r e p r e p a r e d i n c l u d i n g2 db r a i d e dy a m sw i 血d i f f e r e n tl a wm a t e r i a l sa n dd i f f e r e n t s t r u c t u r e s ，f i l a m e n ty a m sw i t hd i f f e r e n tl a wm a t e r i a l s ，s t a p l ey a r n sw i t hd i f f e r e n t t w i s t sa n df o l d e dy a m s as p e c i a ls e to fc u td e v i c ew a sp a r t i c u l a r l yd e s i g n e df o r m e a s u r i n gt h ey a r n sc u t - r e s i s t a n tp r o p e d i e s ，w h i c hc a r b ec o n n e c t e dt oa n yk i n do f d r a w i n gm a c h i n e sa n d t h u sc a no u t p u tt h ec u r v eo fc u tf o r c ev e r s u sc u t d i s p l a c e m e n t ， t h eb r o k e nc u t r e s i s t a n ts 缸e n g t h ，t h ei n i t i a lc u t r e s i s t a n tm o d u l u s ，c u t t i n gw o r k ，a n d s oo n b a s e do nt h e s ep a r a m e t e r s ，t h ey a m sc u t - r e s i s t a n tp r o p e r t i e sc a nb e c h a r a c t e r i z e d u s i n gt h i sd e v i c e ，t h et h e s i ss t u d i e di n d e t a i lt h ec u t r e s i s t a n tp r o p e r t i e sa l o n gt h e c r o s s - s e c t i o no fy a r n sw i t hd i f f e r e n tf i b e rm a t e r i a l sa n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ty a m s t r u c t u r e s ( i n c l u d i n g2 db r a i d e dc o v e r e dy a m ，f o l d e dy a m ，f i l a m e n t s ，s t a p l ey a r na n d y a r n sw i t hd i f f e r e n tt w i s t s ) 0 1 1t h ec u t - r e s i s t a n tp r o p e r t i e s ，a n dp u tf o r w a r dt h ep o i n t s o fv i e wo f a r e a b a s e dt h e o r y a n d d y n a m i c - r e s p o n s e b a s e dt h e o r y 1 1 1 e a r e a - b a s e d t h e o r y s t a t e st h a tt h ec u t r e s i s t a n tp r o p e r t i e so fay a mi m p r o v e sw i t ht h ei n c r e a s eo f t h et o t a la r e ao ff i b e r s c r o s s s e c t i o n s ，a n dt h e d y n a m i c r e s p o n s e - b a s e dt h e o r y s t a t e s t h a tw h e nd e s i g n i n gac u t - r e s i s t a n ty a m ，f o re x a m p l e 2 db r a i d e dc o v e r e dy a m ，t h e y a mw i t hh i g h e ri n i t i a lc u t r e s i s t a n tm o d u l u ss h o u l db eu s e df o rt h eo u t e rw r a p p e d l a y e ra n dt h ey a r nw i t hh i g h e rb r o k e nc u t - r e s i s t a n ts t r e n g t hs h o u l db eu s e df o rt h e c o l e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sm e e tt h e s et w op o i n t so fv i e wv e r yw e l l a n di tw a s a l s of o u n dt h a tt h ep o l y a m i d ef i l a m e n tf i b e ry a m s ，h i g h - p e r f o r m a n c ep o l y e t h y l e n e f i b e ry a m sa n dp o l y a m i d es t a p l ey a m sb e a ro u t s t a n d i n gb o t hc u t r e s i s t a n tp r o p e r t i e s a n dt e n s i l ep r o p e r t i e s ，w h i c hc a l lb eu s e da sp r e f e r r e dc u t r e s i s t a n ty a m s ；g e n e r a l l y s p e a k i n g ，t h ey a m sb e i n gt w i s t e do rf o l d e dc a l li m p r o v et h eb r o k e nc u t r e s i s t a n t s t r e n g t h ，b u tm a k et h ei n i t i a lc u t - r e s i s t a n tm o d u l u sd e c r e a s e ；t h e2 db r a i d e dc o v e r e d y a r nb e a r se x c e l l e n tc u t - r e s i s t a n tp r o p e r t i e su l o n gt h ec r o s s s e c t i o n ，e s p e c i a l l yw h e n t h eo u t e rl a y e rm a t e r i a la n dt h ec o r ea r es e l e c t e dp r o p e r ly i na d d i t i o n ，t h i st h e s i ss t u d i e dt h ey a m sa x i a lt e n s i l ep r o p e r t i e si n f l u e n c i n gt h e c u t r e s i s t a n tp r o p e r t i e s ，a n di n v e s t i g a t e dt h ey a m st e n s i l ep r o p e r t i e su n d e rc r i m p e d s t a t ef o rt h ef i r s tt i m e ，w h i c hi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ea c t u a ls t a t eo fy a m si na s t a b r e s i s t a n tf a b r i cd u r i n gt h es t a b b i n gp r o c e s s at w o r o l l e rd r a w i n gd e v i s ew a s d e s i g n e df o rt e n s i l et e s t i n go fay a r nu n d e rc r i m p e ds t a t e t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w t h a tt h et e n s i l es t r e n g t h - u n d e rc r i m p e ds t a t ei sl o w e rt h a nt h a to fs t r a i g h ts t a t eb e c a u s e d u r i n gt h ed r a w i n gp r o c e s so fay a mu n d e rc r i m p e ds t a t e ，a ne x t r af o r c ea l o n gt h e y a r n sc r o s s - s e c t i o ni se x e r t e da n dt h u st h eb r e a k i n gm e c h a n i s mc h a n g e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i n v e s t i g a t i n gm e t h o d sa n dt h ed e d u c e dc o n c l u s i o n sa r ev e r y i m p o r t a n t r e f e r e n c e sf o r s t u d ya n dc h a r a c t e r i z a t i o no ft h ey a m sc u t - r e s i s t a n t p r o p e r t i e s ，a n dc a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g no fc u t - r e s i s t a n ty a m sa n d p r e d i c t i o no f t h ec u t - r e s i s t a n tp r o p e r t i e s k e yw o r d s ：c u t - r e s i s t a n tp r o p e r t i e s ，2 db r a i d e dc o v e r e dy a r n ，t e n s i l et e s t i n g o fay a r nu n d e rc r i m p e ds t a t ea n dc u t - r e s i s t a n ty a r n s 独创性声明 y 8 6 6 3 3 5 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 臻彭 i 签字日期2 形锌皂月雄日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云望工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一虢牢镌新签剡 签字日期：2 p 护易年2 月毕日 签字日期：2 口口饵上月 学位论文的主要创瓤点 一、自行设计和搭建了可与强力仪相连的刀架切割装置和双辊屈曲拉 伸装置。 二、首次系统研究了纱线沿横截面的抗切割性能以及纱线沿轴向的拉 伸性能对防割性能的影响，同时探讨了纱线屈曲拉伸性能。 三、通过分析切割、拉伸曲线，分析纱线沿横截面抗切割性能的影响 因素，首次提出了关于纱线沿横截面抗切割性能研究的“面积论， 和“动态响应论”的观点。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 人体防护装甲材料简介 个体防护装甲材料( 又称人体防护装甲材料) 是指为防御子弹、刺刀、爆炸 等对人体的威胁而研制的防护材料，如防弹衣、防护头盔、防刺服、防割手套等 等。 据报道，1 9 7 7 年前的3 4 2 2 年中，在全世界范围内，只有2 6 8 年没有军事战 争，防弹衣、防弹头盔等个体防护装甲材料对提高士兵的生存能力，减少伤亡， 增强部队战斗力是十分重要的。即使是在和平时期，恐怖事件和突发战争也随时 可能发生，特别是美国“9 1 1 ”事件发生以来，反恐怖更成了国际上特别是发达 国家所关注的主题，这就需要大量的防弹背心、头盔、防割裂手套、防穿刺军服 等个体防护装甲材料。然而这些装备的使用，必将增加穿戴人员的负荷，这在一 定程度上会妨碍行动的灵活性。因此，在有效防护的灵活性和轻量化之间寻求一 个平衡点，尽可能实现高的性能质量比一直是个体防护研究者们努力追求的目 标。 在第一次世界大战及更早时期，士兵们采用钢板装甲用于人体防护，后来又 研究使用较轻的铝、钛金属装甲。但在战场上，这些会属装甲材料的厚重严重影 响了士兵的机动灵活性，且其防弹的效果并不是很理想。因此，人们开始研究其 他的装甲材料以达到更好的防护效果，于是纺织品防护材料应运而生。三十年代 初美国杜邦公司开始研究纤维装甲，成功地制造了尼龙纤维，二战时，用于制造 人体防护装甲，同时还研制了玻璃纤维一聚酯复合材料装甲。六十年代初出现的 陶瓷装甲材料被认为是装甲材料的第一次技术突破。陶瓷比金属轻、硬度大、抗 压强度比拉伸强度高。但是陶瓷装甲的柔韧性不好，且工艺复杂，使其在人体防 护装甲方面的应用受到了限制。装甲材料的第二次技术突破是七十年代初的芳纶 纤维。芳纶纤维具有优良的性能，和基体树脂结合制得的复合材料成为一种很好 的弹道防护材料。这种纤维的出现使柔软的纺织物防弹衣性能大为提高，同时也 在很大程度上改善了防弹衣的舒适性，但其造价相对比较高。超高分子量聚乙烯 纤维是8 0 年代初由荷兰d s m 公司以十氢萘为溶剂，将超高分子量聚乙烯升温形 成凝胶，热拉伸后纺丝得到的高性能有机纤维，其弹道防护性能超过芳纶，使其 第一章绪论 成为目前困内国际应用最为广泛的防弹复合材料的增强材料”“。 防弹材料的发展相对防刺材料的发展较早，因此关于防弹理论的研究也相对 比较成熟。很多人认为，既然防弹衣能防住高速冲击的子弹，那么对刺刀、匕首 的穿刺威胁就更没有问题了。但事实上，研究表明，并不能把防弹理论应用于防 刺，现有的防弹软体装甲材料，并不能提供足够的防刺保护“阍。防刺首先要抵 御材料最初不被割破，而防弹没有这样的要求，防弹和防刺材料两者使用的材料 类似，但防弹主要需要抵御的威胁是散能，而对于防刺，刀等锐器会与织物层接 触并且刀刃开始切割织物，因此防刺材料必须有紧密的组织以使其可以握住刀 尖，同时还需要多层织物重叠来抵御伴随刀尖的能量，防刺的主要任务是防御刀 具的初始切割和散能”1 。? 近年来，各国研究人员都在积极的开发防刺产品，使防 刺在整个个体防护装甲材料中成为很重要的一部分。 1 2 防割材料概述 原料和结构决定性能，这同样适用于防刺、防割产品。要提高防割产品的防 护性能，应综合考虑多种影响因素，其中对于纤维以及纱线的研究是十分重要的。 1 2 1 高性能材料简介 防刺和防割用品其他防护材料一样，应具有高强度、高模量、耐冲击、高吸 能等特性。目前，国际上较为流行的纤维原料主要包括芳纶纤维，超高分子量聚 乙烯纤维。为了更充分地研究纱线沿横截面地切割性能，本课题也选用了其他高 性能材料作为比较、研究的对象。下面介绍本几种实验所用的高性能纤维。 1 、芳纶纤维 芳纶纤维是芳香族聚酰胺纤维在我国的商品名。因纤维大分子链节中酰胺键 和亚胺键位置的不同，芳纶得到各种命名，如芳纶1 4 和芳纶1 4 1 4 。聚对苯二甲 酰对苯二胺( p p t a ) 纤维是芳香族聚酰胺纤维中最有代表性的高强度、高模量和 耐高温纤维，该纤维最早由美国杜邦公司于1 9 7 1 年研制成功，商品名为k e v l a r 。 其中k e v l a r 2 9 ，是k e v l a r 纤维用于防护装甲的第一代产品，强度达到 2 0 c n d t e x ，是当时任何其他纺织纤维强度的2 5 倍以上。以后相继出现了 t w a r o n ( 荷兰a k z on o b e l ) 、t e c h n o r a ( 日本帝人) 和t e r l o n ( 饿罗斯) 等著名 品牌的芳纶。p p t a 纤维具有高强度、高模量、低密度和高的能量吸收能力等优 良的物理机械性能，应用范围十分广泛。 有色k e v l a r 有4 种基本颜色：灰绿色、品蓝、黑和黄色。所有色纤维包括 长丝和短纤维，其色纤维的拉伸性能与k e v l a r 2 9 相似。这些色纤维主要用来作 第一章绪论 防护服。k e v l a r 短纤维长度为6 3 5 6 3 5 m m 。2 5 4 n m 以上短纤维可在棉纺。毛 纺设备上纺纱。k e v l a r 短纤维具有良好的热稳定性和抗割、抗刺的能力”1 。本 课题所用的芳纶为黄色k e v l a r ，自行纺制芳纶短纤纱所用的为5 0 m m 的芳纶纤维。 2 、超高分子量聚乙烯( u h 姗一p e ) 纤维 u h m w p e 纤维是8 0 年代初由荷兰的d s m 公司以十氢萘为溶剂，将超高分子 量聚乙烯升温形成凝胶，热拉伸后纺丝得到的高性能有机纤维；又称伸直链聚乙 烯( e c p e ) 纤维、高强度一高模量聚乙烯( h t h 卜p e ) 纤维、高性能聚乙烯( h p p e ) 纤维。已商业化的u h m w p e 纤维主要有荷兰d s m 公司的d y n e e m as k 系列，美国 a l l l e d s i g n a l 公司的s p e c t r a 系列，意大利s n i af i b e r 公司的t e n f o r 系列和 日本三井公司的t e k m i l i o n 等。 这种纤维的表面化学惰性，对酸碱和有机溶剂有很强的抗腐蚀性；由于分子 链上没有不饱和基团，其耐光、热老化和防中子、防y 射线性能优良。纤维的密 度较低，仅为0 9 7 9 c g ，为k e v l a r 的2 3 ；轴向比强度和模量都很高，且能量 吸收性和耐磨损性优于芳纶，断裂伸长率大于高强碳纤维。因此u h m w - p e 纤维特 别适合作为安全手套、防刺、防弹服装等的防护材料。1 。 一 3 、碳纤维 碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，它不属于有机 纤维，是种非金属材料。习惯上将1 0 0 0 2 3 0 0 2 范围内碳化得到的纤维称为碳 纤维。碳纤维轴向分子间的结合力较大，其抗张强度和模量较高，但其径向分子 间的作用力较弱，抗压性能稍差，轴向抗压强度仅为抗张强度的1 0 - 3 0 。碳纤 维性能优异，抗张强度和模量可达2 - 4 g p a 和4 0 0 - 7 0 0 g p a 。碳纤维复合材料质地 强而轻、耐高温、耐腐蚀、耐辐射，在航空航天、军事工业、体育器材等多方面 有广泛用途n “。 4 、玻璃纤维 玻璃纤维的种类很多，有e 一玻璃、c 一玻璃、a r 玻璃纤维、a 玻璃、e c r 玻 璃、d 玻璃等多种已形成商业化的品种。玻璃纤维得化学组成主要是二氧化硅、 三氧化硼，玻璃氧化物的不同组合形成了上述种类的不同性能的玻璃纤维。本实 验选用的为。玻璃纤维具有原料易得、拉伸强度高、断裂伸长低、弹性模量高、 防火、防霉、耐热、耐腐蚀和尺寸稳定性好得优点，是一种常见得性能优良得增 强材料。其主要缺点是脆性大和不耐磨”1 。 5 、高强玻璃纤维 高强玻璃纤维是玻璃纤维的一种，美国欧文斯一科宁公司生产的牌号为s 和 s 一2 玻璃纤维、法国圣戈班公司生产的r 一玻璃纤维、日本日东纺生产的t 玻璃纤 维以及我国生产的h s 玻璃纤维均属于高强玻璃纤维。其特点是高强度、高模量， 第一章绪论 用它们生产的玻璃钢制品多用于军工、防弹盔甲及运动器械。但其价格较高“。 1 - 2 2 防割纱线的国内外研究现状以及存在的问题 1 2 2 1 研究现状 在专利w 0 9 7 1 8 3 4 5 中，h o e c h s tc e l a n e s e 开发了一种复合c r f 纱线，h o e c h s t 公司声称由这种复合纱线制成的织物，比采用硬材料的长纤维与高模量纤维的复 合纱线制成的织物，具有较高的防割性能，而且更舒适，其织物手感柔软且织物 密实。复合纱线的模量高于3 0 0 克旦，拉伸强力约1 0 克旦，高模量使材料比 传统的热塑性聚合物纤维一如芳纶( 在专利中指的是诸如k e v l a r 、t r a v e r ) 、长 链聚乙烯等纤维( 在专利中指的是诸如s p e c t r a 、c e r t r a n 和v e c t r a n 等纤维) ， 具有较高的防割性能。专利声称通过此方法可以制成防割性能纤维，而不用求助 于采用昂贵的复杂聚合物纤维。而且此纤维可以用普通的熔融喷丝方法生产。该 各向同性的半结晶聚合物或液晶聚合物也可以用来生产高强或高模纤维。此专利 是将纱线织成针织物，并采c p p 和b e t a t e c 测试方法用来测量纱线防割性能。m 1 美国专利6 2 6 6 9 5 1 提供了一种防割针织纱线( 图卜1 ) ，该纱线同时具有抗 菌性能，w h i z a r dp r o t e c t i v ew e a r 公司申明生产商通常采用防割纱线通过针织 生产防割防护织物，纱线通常采用防割纤维包覆在一个金属丝上制成，在该专利 中，这家美国o h i ob i r m i n g h a m 的公司提供了一种增加了含抗菌物质层的防割纱 线。 新发明是一种多组份纱线，包括；一根柔软不锈钢线，直径2 5 4 1 0 1 6 u m ( 0 0 0 1 0 0 0 4 英寸) ：第一个包覆层2 4 0 旦；第二个包覆层2 4 0 旦，以相反方 向卷绕。第一层以2 7 5 6 4 7 2 转米包覆( 7 1 2 转英寸) ，纱线整体捻度3 1 5 转米( 8 转英寸) 。“” 图卜1 抗菌防割纱线( 美国专利6 2 6 6 9 5 1 ) 在w 0 9 7 4 9 8 4 9 中提供了一种高紧度的灵活轻重的芳纶防刺机织物，用于防尖 第一章绪论 利物体如锥子、尖钻和冰凿等的防刺保护，指出纱线细度为1 0 0 5 0 0 d t e x ，纱 线的刚性高于3 0j g ，织物紧度不低于0 7 5 ，纱线中长丝细度最好低于 1 6 7 d t e x 。此专利采用紧密的平纹组织，层与层之间未缝合一起”“。 在世界专利w 0 9 7 2 7 7 6 9 中比利时b e k a e r t 公司发布了一个不锈钢防护插板专 利，提出一种可用于特种背心和船帆等的防刺材料，主要讲述一种不锈钢多股线 结构，该专利声明不锈钢长丝在长丝与刺物的夹角为9 0 度时，防刺性能最低， 而倾斜时较高，因为刺物与长丝之间的夹角难以预测，因此采用不同捻距和捻角 的多股线结构有助于提高防刺性能，该结构由2 个以上的股线构成，每个股线又 由两组长丝构成，每组长丝的捻距和捻角以及股线的捻距和捻角都不同，并声明 纱线直径越大，防刺性能越高，考虑成本和灵活性的因素，长丝细度为? 0 0 5 0 4 5 m m ，专利举出了用该多股线的几种织物，有机织平纹织物、变化2 + 2 纬重 平机织物、机织多层织物( 合成纤维纱线将经纬纱捆绑) 和纬平针针织物“。 s k a w a b a t a 开发一种实验装置，测试分析了高性能纤维沿截面的压缩性能 和压缩模量1 。s k a w a b a t a 开发了一种测量高性能纤维沿轴向压缩模量的测试 方法和技术，并比较了几种高性能纤维的拉伸和压缩模量特性，给出塑性纤维和 脆性纤维的拉伸和压缩完整的应力应变曲线 1 8 1s c 。j a w 研制了一种测量单纤 维延直径侧向撕裂力的装置，以来分析高性能纤维的各向异性特性，并成功的在 k e v l a r 纤维上得以应用1 1 9 1 。l a w k w 提出用针钩固定在下夹头，将纱线穿过针 钩并将纱线另一端固定在上夹头测玻璃纤维纱线的在此种情况下的弯曲拉伸断 裂情况“0 1 。分析了拉伸速度对纱线强伸性能的影响n “。 t e t s u y am o r i m o t o 用代表直径来代替直径变化的纤维直径，并得出其强度 预测的w e i b u l l 统计模型1 2 + 1 0r p n a c h a n e 提出了从单纤维测试数据来预测柬 纤维强力的理论 2 4 3 m o h a m e d 。r m i l i 分析了束纤维试样准备因素对测试结果的 影响“。1 。s l e i g h p h o e n i x 提出了加捻纱强度分析统计模型，并用其分析得出 k e v l a r 纱线强度效率随单丝数增加而增加，随纱线结构变化而变化的情况 2 6 1 0 m a s a t o s h is h i o y a 用实验得出，普通纤维纱线的拉伸模量随捻角增加以c o s a 2 降低，而高模量纤维如k e v l a r 等降低更加明显1 2 7 | 。 1 2 2 。2 存在的问题 在开发防刺、防割产品时，会考虑选用性能、结构合理的纤维以及纱线，但 文献和专利中尚未对多种高性能纤维以及纱线横截面的切割性能进行分析，这一 基础性的理论研究仍滞后。 i f p p e 纤维的防护性能不仅可在防弹方面被利用，也可用于防割破和防刺穿。 第一章绪论 在防割破方面，当高性能纤维与不锈钢或玻璃纤维结合时，达到很好的防护效果。 对于这种效果，理论上不能给出充分解释“”。 此外，对于纱线剪切性能的研究，已选用的方法是将纱线织成织物，而该方 法存在纱线某些性能受到织物结构差异影响的问题。 1 3 本课题研究的内容及意义 反恐在国际尤其是发达国家备受关注，这加速个体防护材料的丌发，防弹、 防刺、防割产品作为重要的个体防护材料也因此得以快速发展”1 。此外，我国将 在2 0 0 8 年举办奥运会，因此对反恐及个体安全防护越来越受到关注。在我国来 自匕首等锐器的威胁要大于来自枪弹的威胁。从这个意义上讲，在我国民用的防 刺材料和防割材料比防弹材料的前景更为看好。 防刺、防割材料破坏机理都表现为纱线及纤维沿截面的剪切和沿轴向的拉伸 。纱线沿横截面剪切性能的研究对于防割防刺纱线设计方法具有重要理论价值 和实践价值，对于防割防刺纱线的分析和研制具有很好的指导作用。本课题将完 成对加工的纱线，进行沿横截面切割性能的测试。首次系统地研究纱线沿横截面 的剪切性能并对其进行表征，从而为防割防刺纱线的研究以及防割防刺织物的研 究奠定基础，为我国个体安全防护材料的发展做出贡献。 1 3 1 课题研究的意义 f 1 、从纱线沿横截面的抗切割性能的角度研究纱线及织物的防割防刺性能具 有很大的创新性。 2 、本课题将测试多种纱线的沿横截面的抗切割性能，从而对防割防刺纱线 的分析和研制具有很好的指导作用。 3 、提出一种“复合设计”防割防刺纱线的思想，即纱线不但可以通过结构 形态的改变来实现防割防刺，而且可以通过几种不同的纤维原料复合起来实现防 割防刺，从而充分发挥不同纤维原料各自的优点。 1 3 2 课题研究的内容 目前关于纱线防割防刺性能的研究主要集中于纱线原料本身，而对于与纱线 防割防刺性能密切相关的纱线沿横截面的剪切性能的研究却未见报道。本课题研 究的是利用高性能纤维制成的纱线沿横截面剪切性能。 本课题的内容主要为三部分： 第一章绪论 1 、自行设计加工测量装置。 本试验设计了两种可以与美国i n s t r a n 强力仪相连接的装置，即刀架切割装 置和双辊拉伸装置。二者均主要包括三个区域： 固定区：由于i n s t r a n 强力仪的传感器与上夹头相连，故两个装最的固定 端与下夹头相连。 主工作区：刀架切割装置中刀刃、双辊拉伸装置中夹头，分别到i n s t r a n 强力仪的上夹头之间的距离。主工作区的长度根据试样的长度调节。 自由端：使纱线通过，并连接到强力仪的上夹头。 刀架切割装置可以模拟纱线沿横截面的切割现象，而双辊拉伸装置可以模拟 纱线在织物中屈曲拉伸的现象。两个装置可与i n s t r a n 强力实验机相连接，得到 应力一应变曲线以及每隔0 0 4 s 采集到的原始数据。 2 、制备试样并进行纱线切割、拉伸试验。 纱线试样包括：高性能纤维长丝、长丝加捻、合股，芳纶短纤纱，二维 编织包缠纱。 对试样进行力学性能测试。利用i n s t r a n 强力仪和自行设计的刀架切割 装置和双辊拉伸装置，可以完成切割、直接拉伸、双辊屈曲拉伸三种形式的力学 性能测试。 3 、纱线沿横截面抗切割性能分析。 通过实验采集到的大量数据，分析、研究试样在刀片切割、直接拉伸、 双辊屈曲拉伸时模量、应力、应变的变化，做出这些物理量的特征曲线。 利用基于实验数据绘制的曲线，分别进行纵向、横向比较；纵向研究是 对同一类纱线而言，不同测试方式的力学性能比较：横向研究是同一种测试方式， 不同类别纱线的力学性能比较。 通过上述比较、分析，归纳出影响纱线沿横截面切割性能的因素，提出充分 发挥纱线沿横截面切割性能的优化设计方案。 第二二章纱线试样的纺制 第二章纱线试样的纺制 本章将对本课题所研究的各种纱线试样进行准备，包括二维编织包缠纱、 芳纶短纤纱、加捻纱、股线。 2 1 二维编织纱的纺制 二维编织纱是生产高性能纱线的一种重要方法，它的设计灵活，原料 选择性强，对开发防刺、防割纱线来说，具有重要意义。 2 1 1 编织设备及工艺方法 2 1 1 1 传统的二维编织机 二维编织的历史悠久，简单的草帽辫就属于二维编织。早在1 8 世纪，德国 和法国就制造出二维编织机，一般被用来生产鞋带，衣服上的绳、带等j i l l 。现 在，二维编织物也可以用作复合材料的预制件。其编织机构造简单，工艺不复杂， 生产效率较高。 二维编织机主要包括携纱器、纱线交织机构和提取机构。按编织物成型方法 分：竖式和水平式两种。由于前者占地面积小，故普遍使用，本实验就采用该设 备，如图2 - 1 所示。 图2 1 竖式二维编织机 8 第二章纱线试样的纺制 2 1 1 2 改造后的二维编织机 二维编织包缠纱由两个纱线系统组成，即芯纱和外包缠纱。因此，要在传统 的二维编织机上增加芯纱喂入机构，这样用于二维编织包缠纱的编织机主要由喂 入机构、交织机构、提取机构组成。 喂入机构针对芯纱和外包缠纱，主要有芯纱筒、张力装置、携纱器( 如图2 - 2 所示) 组成。 图2 3 为交织机构主要由角导轮、角齿轮、轨道盘、成纱器组成。角导轮是 安装在角齿轮上的一个周边有凹槽的金属盘，这些凹槽完成携纱器在相邻角齿轮 上的转移，轨道盘就是携纱器运动的路径。转移过程的顺利完成是编织工艺的关 键。角导轮上凹槽的数目决定了编织出织物的组织结构，一般角齿轮为偶数个。 成纱器是一个中间有导纱孔的装置，它安装在携纱器和提取机构之间，它最接近 芯纱与外包缠纱完成交织形成织物之处( 也称“编织口”) 。 提取机构可以有不同形式，针对本实验的编织物为柔性的特点，故采用摩擦 轮和履带。 镬塾 图2 - 2 外包缠纱纱管陶2 - 3 二维编织机结构侧面示意图图2 - 4 纱线的运动轨迹 2 1 1 3 编织方法 编织时，外包缠纱分为两组，均在“8 ”字型轨道盘上同时运动。同一组中 的所有纱线都沿同一方向运动( 顺时针或逆时针) ，而另一组中的所有纱线的运 动方向则与之相反。为了保证两组纱线相互交织，机器提供了这样一种运动，即 在每组中，一些纱线朝着圆管的中心运动，而其余的纱线则朝着圆管的外缘运 动。在同一时刻，纱线不但沿着圆管的半径方向向里、向外运动，而且还沿着圆 管的圆周方向运动”“3 2 1 。 9 第二章纱线试样的纺制 在成型后的织物最终结构中，编织纱与编织物成型方向所夹的角相同( 编织 角设为1 3 ) ，但方向相反即1 3 。而且，一组中的一根纱线不会与同一组中的任 何其它的纱线相交叉。即：在同一组中的所有纱线是沿圆柱面平行：而两组纱则 互相交织。 本实验所用仪器纱线的运动轨迹，如图2 4 所示，两个运动相反方向的轨迹 上分别可放置8 个纱锭，故本实验最多可放置1 6 锭纱。 结合本实验，具体操作步骤如下： 第一，根据织物结构确定所用纱锭的数目，通常选择偶数个纱锭。本实验主 要完成8 锭和1 6 锭二维编织包缠纱。 第二，按照选择的纱锭数目，准备缠绕相应数目的外包缠纱纱管，以便在编 织进行时放罨在携纱器上。如图2 所示，纱管下方为直角齿形，这种结构是能够 满足纱管编织时外包缠纱的退绕。因此，要根据齿形的方向，选择合理的缠绕方 向，避免编织时退绕不良。 第三，将纱管放置在携纱器上。要注意，对于8 锭的，要将纱管均匀的分别 放置在两个运动轨迹上。 第四，在图1 所示的编织机下方放置一张力装置。芯纱通过该装置获得一定 张力后，沿最终成型纱的轴向喂入。经过轨道盘中心，与外包缠纱一起通过成纱 器，固定在提取机构上。 第五，尽量以均匀的速度转动手柄，实现包缠纱的稳定编织。 2 1 2 二维编织包缠纱成纱结果 2 1 2 1 二维编织包缠纱原料介绍 本实验中，芯纱分别采用芳纶、高强聚乙烯、高强涤纶、高强玻璃纤维、碳 纤维，外包缠纱选用芳纶、芳纶股线( 金色) 。 2 1 2 2 二维编织包缠纱图片对比