（纺织材料与纺织品设计专业论文）超高分子量聚乙烯纤维织物的抗穿刺性能试验研究.pdf

二、参照g a6 8 - 2 0 0 8 警用防刺服标准，制作测试刀具，准备背衬材 料，对试样进行动态防刺测试；参照a s t ms t a n d a r df 1 7 9 0 0 5 和i s 0s t a n d a r d1 3 9 9 7 对试样进行准静态防刺测试。 三、使用h v 3 1 0 2 u c 型显微镜对织物的损伤情况进行观察，分析处理 方式对损伤形式的影响，以及因此对抗穿刺性能的影响。 摘要 防刺材料是用来保护人体免受刺刀、匕首等锐器伤害，主要用于装备巡警和 狱警等公安执法人员。本课题参考了中华人民共和国g a 6 8 2 0 0 8 警用防刺服标 准制作了标准刀具和动态防刺测试仪，评价了超高分子量聚乙烯平纹织物、无 纺布、三向正交织物和针织物的抗穿刺性能，然后分别采用低密度聚乙烯树脂和 乙烯基酯树脂( 添加纳米粒子和不添加纳米粒子) 对超高分子量聚乙烯平纹织物 进行处理，并在织物上层添加金属平纹织物，参照中华人民共和国g a 6 8 2 0 0 8 警 用防刺服标准进行动态防刺测试；参照a s t ms t a n d a r df 1 7 9 0 - 0 5 和i s os t a n d a r d 1 3 9 9 7 进行了准静态防刺测试，考察织物抗穿刺性能。 试验结果表明：经乙烯基酯树脂( 添加纳米粒子和不添加纳米粒子) 处理、 附加金属织物、均能有效提高织物的抗穿刺性能，达至u g a 6 8 2 0 0 8 标准的要求， 并明显减少超高分子量聚乙烯织物的层数，降低防刺材料的厚度，金属织物对防 刺材料整体的柔软程度没有明显影响，经乙烯基酯树脂处理的织物的硬度略有增 加。试验结束后，使用显微镜对试样进行观察，发现使用不同的处理方式会对试 样的损伤形式有着很大的影响，金属织物在冲击能量最强的阶段吸收部分能量并 钝化刀刃，减少对织物的冲击，并在刀具刺入的整个过程中持续给刀具以阻力； 纯织物表面纱线弯曲、侧移明显。而经乙烯基酯树脂处理后，纱线弯曲和侧移现 象减少，损伤程度减少，树脂有裂纹产生，纳米s i o 。粒子的添加增加裂纹数量， 增加对刀具的阻力。 关键词：抗穿刺，超高分子量聚乙烯织物，复合结构，乙烯基酯。 a b s t r a c t b o d ya r m o u rm a t e r i a l sh a v eb e e nd e s i g n e dt op r o t e c tp o l i c e m a n ，p r i s o ng u a r d a n dl a we n f o r c e m e n ta n ds e c u r i t yp e r s o n n e la g a i n s ts t a ba t t a c k s as t a bd r o pt o w e r a n ds t a n d a r dk n i v e sa r em a d ei na c c o r d a n t ew i t ht h eg a6 8 2 0 0 8s t a bs t a n d a r d 。砀口 s t a br e s i s t a n c eo ft h ep l a i nw o v e nf a b r i c ，n o n w o v e nf a b r i c sa n d3 do r t h o g o n a lf a b r i c m a d eo fu h m w p ef i b e rw e r ee v a l u a t e d t h ew o v e nu h m w p ef a b r i ch a db e e n t r e a t e di n m a n yw a y s ，i n c l u d i n gl o wd e n s i t yp o l y e t h y l e r i er e s i ni m p r e g n a t i n g ， v i n y l - e s t e rr e s i n ( w i t ha n dw i t h o mn a n op a r t i c l e ) i m p r e g n a t i n g ，a n da d d i n gm e n t a l f a b r i c d y n a m i cs t a ba n dq u a s i - s t a t i ct e s t i n go ft a r g e t sw a ss e p a r a t e l yc o n d u c t e dw i t h g a 6 8 2 0 0 8s t a bs t a n d a r da n da s t ms t a n d a r df17 9 0 0 5a n di s os t a n d a r d13 9 9 7 刀) er e s u l t ss h o wt h a tb o t hv i n y l e s t e rr e s i n si m p r e g n a t i n ga n da d d i n go fm e n t a l f a b r i cc a ni m p r o v et h es t a br e s i s t a n c eo v e rn e a tf a b r i ct a r g e t so fe q u i v a l e n ta r e a l d e n s i t y a n dt h et r e a t e df a b r i c sw e r eu pt og a 6 8 2 0 0 8s t a bs t a n d a r d a n dt h en u m b e r o fl a m i n a t e so ft h em a t e r i a lh a sb e e nr e d u c e d t h em e n t a lf a b r i c ss h o wl i t t l ei n f l u e n c e o nt h ef l e x i b i l i t yo ft h em a t e r i a l ，b u tt h er e s i ni m p r e g n a t i n gh a si n c r e a s e dt h er i g i do f t h ef a b r i c 1 1 1 ep h o t o g r a p h so ft h ef a b r i ca f t e rd r o pt o w e ra n dq u a s i s t a t i ct e s t i n ga r e p r e s e n t e d t h ep h o t o g r a p h ss h o wt h a tt h et r e a t sh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h e d e f e a tm e c h a n i s m t h em e n t a lf a b r i cc a l lb l u n tt h ek n i f ei nt h ei n i t i a lp e r i o do f i m p a c t w h i c hr e d u c e st h ed a m a g eo nt h ef a b r i c ，a n do f f e rt h er e s i s t a n c eo nt h ek n i f ed u r i n g t h ei m p a c t t h e r ea r eo b v i o u sw i n d o wo nt h es u r f a c eo ft h en e a tf a b r i c h o w e v e r ，t h e r e s i n i m p r e g n a t e df a b r i c ss h o wl i t t l ew i n d o w a n dt h ee x t e n tt h ed a m a g ei sr e d u c e d i n s t e a do fm o r ec r a c k l e so nt h es u r f a c e ，砀et a r g e t so fa d d i n gs i l i c ap a r t i c l e s s h o w m o r ec r a c k l e st h a nt h et a r g e tw i t h o u tp a r t i c l e s t h ep a r t i c l e sc a ni n c r e a s et h e r e s i s t a n c ea g a i n s tt h ek n i f ei ns o m ee x t e n t k e y w o r d s ：s t a br e s i s t a n c e ，u h m w p ef a b r i c ，c o m p o s i t es t r u c t u r e ，v i n y l - e s t e rr e s i n 目录 第一章综述1 1 1 引言1 1 2 国内外防刺材料的研究进展2 1 2 1 防刺材料2 1 2 2 防刺产品的开发4 1 2 3 抗穿刺性能试验研究4 1 2 4 防刺材料的破坏形式和抗穿刺机理的研究6 l - 3 本课题的研究意义和内容8 1 3 1 本课题的研究意义8 1 3 2 本课题的研究内容8 第二章u h m w p e 纤维及织物的性能9 2 1 u h m w p e 纤维介绍9 2 1 1u h i v l w p e 纤维的结构9 2 1 2u h m w p e 纤维的性能1 0 2 1 3u h m w p e 织物的拉伸性能1 l 第三章u h m w p e 纤维叠层织物的抗穿刺性能试验1 3 3 1 测试方法1 3 3 1 1 动态防刺测试1 3 3 1 2 静态防刺测试1 5 3 1 3 试样损伤照片1 5 3 2 不同织物抗穿刺性能评价1 5 3 2 1 机织物1 5 3 2 2 针织物1 5 3 2 3 无纺布1 6 3 2 4 正交三向织物1 6 3 2 5 抗穿刺性能评价1 7 3 3 结论2 0 第四章经处理的u h m w p e 纤维材料抗穿刺性能试验2 l 4 1 低密度聚乙烯基超高分子量聚乙烯平纹织物的抗穿刺性能测试2 1 4 1 1 自融型热压无纺布的抗穿刺性能测试2 1 4 1 2 低密度聚乙烯薄膜一平纹织物的抗穿刺性能测试2 3 4 1 3 小结2 4 4 2 乙烯基酯基平纹织物抗穿刺性能测试2 4 4 2 1 试验原料和试样的制备2 5 4 2 2 试验结果与分析2 6 4 2 3 小结3 4 4 3 纳米s i o 。一乙烯基酯树脂平纹织物抗穿刺性能测试3 4 4 3 1 纳米技术在不饱和聚酯树脂中的应用3 4 4 3 2 抗穿刺性能测试3 5 4 3 3 小结3 7 4 4 结论3 8 第五章防刺材料撞击动态响应与穿孔3 9 5 1 基本概念3 9 5 2 材料的变形过程和穿孔3 9 第六章结论与展望4 1 6 1 结论4 l 6 2 展望4 2 参考文献4 3 攻读硕士学位期问公开发表的论文4 7 致谢4 9 第一章综述 1 1 引言 第一章综述弟一早琢途 传统意义上的人体装甲材料是用来保护穿着者免受子弹的威胁n 1 。但随着战 争的结束，在中国和一些欧洲国家，枪支受到严格地管制，这使得警察、狱警等 执法人员面对的更多是来自刀、刺等尖状物的威胁，人们需要另一种能够提供防 刺保护的人体装甲，这就是防刺服。 “刺”是指尖状物的刺入方向与目标物表面垂直，而“砍”是指锐器运行方 向与目标物表面平行瞳1 ，因此，由于力方向的不同，使得防刺穿的难度比防砍的 难度更大口1 。尖状物武器可分为两类：锥状物和刀状物“3 。这两者的区别在于： 锥状物在一端只有锋利的尖端，如锥子和凿，而刀还有一定长度的利刃，因此， 利刃在刺入过程中能够持续的切割材料，给人体带来的威胁更大，防护起来也更 加困难晦1 。 目前，已有多个国家制定了各自的防刺标准，对防刺材料进行评定。1 9 9 3 年，英国p s d b ( h o s d b 的前身) 制订了首个防刺服测试方法，1 9 9 9 年，英国 p s d b 对其进行完善，制定了较为权威的防刺标准p s d bs t a br e s i s t a n c es t a n d a r d f o rb o d ya m o u r ( 1 9 9 9 ) ：使用工程刀具代替原有的商业刀具，落体具有缓冲减 震功能，引入导轨落体管道代替压缩气体发射装置，复合背衬材料代替胶泥，制 定了三种防护级别，分别在低级别( 2 4 j ) 、中等级别( 3 3 j ) 和高级别( 4 3 j ) 的 冲击能量下测试，并被美国n i j0 11 5 0 0s t a br e s i s t a n c es t a n d a r d 引用；2 0 0 3 年和2 0 0 7 年，英国h o s d b 对9 9 年版本再次进行修订，但防刺部分基本未作改变 6 o 我国于2 0 0 3 年制定了g a6 8 2 0 0 3 警用防刺服标准，目前我国市场上的绝大 多数防刺产品均参照此标准制作，为使我国产品有更高的国际竞争力，2 0 0 8 年， 我国参照以上英国和美国的防刺标准制订了g a6 8 2 0 0 8 警用防刺服标准，用于 防刺产品的防刺性能评价。 防刺产品除了在国家安全执法部门的广泛应用外，在民用领域同样有着广阔 的应用前景，如运动防护( 击剑防护服) 、工作防护( 肉类加工防护服) 和有安全需 要的公民的防护等。而高技术产业用纺织品以其设计灵活、性价比高，应用面广 等特点在个体防护领域具有广阔的发展前景，平纹结构为基础的防护材料具有重 量轻、厚度薄、纱线密度高、可设计性强、可实现大面积防护等特点，因此在人 天津工业大学硕十学位论文 体防护领域有着广泛应用。 1 2 国内外防刺材料的研究进展 1 2 1 防刺材料 防刺产品所使用的材料包括金属材料、陶瓷材料、高性能纤维材料及其复合 材料等。金属环网在防割保护方面能起到很好的作用，在肉类加工产业中已有大 量的应用，并已扩展到防刺背心的制作中，但是这些金属环网不具有防锥刺的功 能。在另一些设计中采用了钛金属箔片，虽然具有防刀刺和锥刺的功能，但是这 种全金属的防刺材料相对较重，且成本较高。其他的设计中采用硬质的金属板、 陶瓷板和复合材料板，虽然抗穿刺性能极佳，但材料笨重，不能够弯曲，使穿着 和行动非常不便畸，。 随着高聚物材料科学和技术的发展，人们逐渐突破了“以刚克刚”的定势， 用于制作防刺材料的纱线应满足如下条件：纤维的单丝细度在1 6 5 d t e x 以下， 每股纱线有2 0 0 5 0 0 0 根单丝组成盯1 ，纱线细度在5 5 0 - i l o o d e t x 之间，纱线的拉 伸强度应在9 0 0 - 6 0 0 0 m p a 之间，最好3 0 0 0 - 6 0 0 0 m p a 陋1 。目前，国际上被人们认可 的纤维原料包括芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维，此外，近年来发展起来的 p b o 纤维、蜘蛛丝纤维也有一定量的应用。 1 2 1 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 和亚胺建位置的不同，芳纶得到各种命名，如芳纶1 4 和芳纶1 4 1 4 。1 9 7 1 年，美 国d u p o n t ( 杜邦) 公司成功研制出商品名为“k e v l a r ”的聚对苯二甲酰对苯二 胺( p p t a ) 纤维，这种纤维由于大分子刚性很强，且沿纤维轴向高度取向，因而表 现出很高的强度和模量，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，之后相 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 ( 俄罗斯) 等 著名品牌的芳纶。p p t a 纤维具有如下特点阳1 ： ( 1 ) 强度高。p p t a 纤维的实际强度在2 2c n d t e x 左右，具有优异的抗张性 能。 ( 2 ) 热稳定性好。p p t a 纤维的玻璃化转变温度约3 4 5 。c ，在高温下不熔，收 缩也很小。将其在1 6 0 。c 热空气中处理4 0 0 h 后，纤维强度基本不变；在5 0 0 以 上，碳化速度明显加快；纤维虽可燃烧，但离开火源后有自熄性。 ( 3 ) 反复拉伸性能好，尺寸稳定性在有机纤维中最佳，但弯曲疲劳性较聚酯 纤维差。 2 第一章综述 ( 4 性较差 ( 5 ( 6 对普通有机溶剂、盐类溶液等有很好的耐化学药品性，但耐强酸、强碱 对紫外线比较敏感，不宜直接暴露在日光下使用。 p p t a 纤维是一种外观呈黄色的纤维，不宜染色。 1 2 1 2 超高分子量聚乙烯( u h m w p e ) 纤维 1 9 7 5 年，荷兰d s m 公司发明了凝胶纺丝一超拉伸技术研制出具有优异抗张 性能的超高分子量聚乙烯纤维( 以下简称u h m w p e 纤维) 。1 9 8 5 年，美国的 h o n e y w e l l 公司( 原名a l l i e ds i g n a l 公司) 在d s m 公司发明的基础上改进了溶 液配方，生产出商品名为“s p e c t r a ”的u i - i m l j | p e 纤维。随后d s m 公司和日本的东 洋纺公司开始合作生产商品名为“d y n e e m a 的u h m w p e 纤维。 这种纤维具有很强的化学惰性，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 密度比芳纶纤维还低，只有0 9 7 9 c m 3 ，后者为1 4 4g c m 3 ，轴向比强度和模量 都很高，且能量吸收性和耐磨性优于芳纶纤维，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、防刺服和防弹衣等的防护材料。 我国u h m w p e 纤维的发展在过去的二十年里也取得了很大的进步，共有上海 东华大学、天津工业大学、中国纺织科学研究院等单位进行了开发研究，并通过 了小试鉴定。中纺投资发展有限公司、江苏仪征化纤纺织有限公司等单位则分别 采用国产或引进技术实现了u h m w p e 纤维的工业化生产，纤维供应量充足，相关 产品开发已成为下一个工作重点。 1 2 1 3p b o 纤维 p b o 纤维是聚对苯撑苯并双恶唑纤维( p o l y - p p h e n y l e n eb e n z o b i s t h i a z o l e ) 的简 称，是2 0 世纪8 0 年代美国为发展航空航天事业而开发的复合材料用增强纤维， 后来由日本t o y o b o 公司以z y l o n 商标投放市场。p b o 是一种刚性棒状各向同性 结晶聚合物，具有高强、高模量、耐热、阻燃等特性，其强力、模量为k e v l a r 纤维的两倍，拉伸强度为5 8 g p a ，拉伸模量最高可达2 8 0 3 8 0 g p a 。 按用途可分为两类，即耐热性的应用和作为增强材料的应用。耐热材料应用 中最适宜作制铝工业和玻璃工业制造过程出料时的缓冲垫料，还可用于消防服、 炉前工作服、焊接工作服等耐热工作服和耐热过滤材料。而作为增强材料的应用 范围很广，防切割的保护服、安全手套、安全栏、赛车服、飞行员服等各种运动 服和活动性运动装备，用p b o 纤维制作的复合材料可用于导弹、航天器、飞机、 但p b o 纤维的缺点是耐光性差，紫外线照射会影响纤维的强度，因此使用时应避 光。目前，我国还没有生产这种纤维的能力口0 1 。 天津工业大学硕士学位论文 1 2 1 4 蜘蛛丝纤维 蜘蛛丝的主要化学成分是甘氨酸、丙氨酸及小部分的丝氨酸，加上其它氨基 酸单体蛋白质分子链构成。外观上又细又柔软的蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和 强度，其原因在于：一方面，蜘蛛丝中具有不规则的蛋白质分子链，这使蜘蛛丝 具有弹性；另一方面，蜘蛛丝中还具有规则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有 强度，可用于制造高级防弹衣，还能制造战斗飞行器、坦克、雷达和卫星等。 1 2 2 防刺产品的开发 自1 9 9 5 年起，国外防刺产品的开发开始进入活跃期，美国d u p o n t ( 杜邦) 公 司在原有k e v l a r 纤维科技的基础上开发了k e v l a rx 一2c o r r e c t i o n a l 防刺装甲 系列，该产品采用新开发的特种k e v l a r 超细纤维紧密织物制成，通过c l a r f o r n i a i c ep i c k4 2 j 能量测试标准测试。美国g i m b e l 公司开发的防刺防割手套达到n i j 标准的最高防护等级的测试要求，该产品有由9 层边缘连接中间可相互滑动的织 物网构成，此外还可附加2 层天然橡胶材料增强防护性能。英国h i g h m a r k 公司 为监狱看管人员开发了以s p e c t r a 纤维为原料的高防割性能手套，其开发的防刺 产品还加入了不锈钢材料以达到更高的防护等级。2 0 0 0 年法国g e n i t e x 实验室 研制出一种防刀等武器袭击的多层针织物，据称，该织物轻重适宜，灵活舒适， 可以提供防刺保护，当面密度为2 6 4 k g m 2 时，可以提供2 5 j 的防刺保护n 副，同 一年，美国c r i m i n o l o g y 国际公司研究所研制的一种柔软的防刺透针织背心，对 尖锐物的冲击能起到较好的防护作用。纤维可以是芳纶或高性能玻璃纤维，防护 材料为多层结构，采用缝纫和热粘合等方法结合在一起，还可加入高强金属丝或 陶瓷纤维，浸润热塑性树脂或环氧树脂和附加不锈钢网、钛丝或钛等金属轻质薄 片进一步提高防刺透性能n3 j 。b a r r d a y ，d u p o n t 和t e i j i n - t w a r o n 等公司以树 脂涂层方法研制出各自的产品，此外，还可以在树脂中添加碳化硅等硬质微粒子 以提高抗剪切性能m 1 。 在国内，北京君安泰防护科技有限公司、北京远安特保安全防范技术有限公 司等研制出了以超高分子量聚乙烯平纹织物和无纺布为原料防刺产品，2 0 0 8 在 中国( 北京) 国际安全生产用品及防护用品展中展示了一种由金属小圆环焊接、 编织而成、轻柔透气的防刺产品，也被称为“软猬甲”。 1 2 3 抗穿刺性能试验研究 尽管防刺产品商业化运行已经多年，但公开发表的防刺性能 见。如今，国内对防刺材料的研究还处于初始阶段，多参考g a 4 第一章综述 刺服标准，其中采用无刃刀具，胶泥背衬材料。2 0 0 5 年，赵玉梅n 5 1 通过研究发 现：机织物的抗穿刺能力最好，无纺布次之，无纬布最差，其中机织物纱线较细、 组织紧密的织物抗穿刺性能较好，机织物与无纺布交叉铺层能提高材料的抗穿刺 性能，而在对织物进行耐磨粒子涂层处理后，其抗穿刺性能并无提高，相反其服 用性能下降明显。2 0 0 6 年，姚晓林n 6 1 在其博士论文中研究了高性能纤维的剪切 性能和针织物静态抗穿刺性能，并建立了针织物防刺的几何模型，提出了防刺机 理和计算模型。2 0 0 7 年，姜亚明n 7 1 通过试验研究发现单一结构织物的抗穿刺效 果并不理想，平纹布、针织物和无纺布的复合方式能达到较好的抗穿刺效果。2 0 0 8 年，王志刚u 蜘研究了经纳米s i o 。粒子溶液处理的芳纶织物的抗穿刺性能，结果表 明防刺性能有了极大的改进，材料的面密度在6 k g m 2 时，刀具无法刺穿织物。2 0 0 9 年，方心灵n 钔使用g a6 8 2 0 0 8 警用防刺服标准中的刀具，压力2 4m p a 、时间 1 5 - 3 0m i n 的模压工艺，研究了改性环氧树脂对芳纶试样抗穿刺性能的影响，认 为树脂的加入可提高芳纶织物的抗穿刺性能，虽然达到了标准要求，但论文中未 说明面密度的数值和硬度是否有变化。 一 国外方面，2 0 0 3 年，g a d o w 和y o nn i e s e n 啪1 在对芳纶织物表面做硬质陶瓷 粉末涂层处理后发现，织物的静态防( 刀) 。刺能力有一定程度提高。他们采用等 离子气体喷涂工艺将陶瓷粉末融化并喷涂在芳纶织物表面形成涂层，提高了织物一 的静态抗穿刺性能。等离子气体喷涂工艺是在喷枪的铜阳极和钨阴极间电弧放电 形成能量源，这些热能将工作气体等离子化形成等离子气体，其温度可达到2 0 4 7 ，同时，气体携带粒径为l o 一2 2 微米陶瓷粉末进入等离子气体中，在陶瓷粉末，o 部分或完全融化后，粉末随加速气体喷出，为降低热载荷和机械载荷对织物的影 响，提高了喷枪和织物间的相对移动速度，并且采用了气体或液体c 0 2 迅速将喷 射点降至1 1 0 或更低，在织物表面形成7 0 - 8 0 微米的涂层。然后对单层织物进 行静态防刺测试，速度5 0 m m 一1 5 0 0 m m m i n ，结果显示，穿刺功w 。达到1 2 0 0 n m m ， 是未处理织物的5 倍，但同时织物也变得更加僵硬、不易弯曲。 2 0 0 5 年，美国专利心介绍了另一种在织物表面做耐磨粒子涂层以提高织物 抗穿刺性能的方法。专利中使用9 3 0 d t e x 的芳纶织物，面密度为2 0 0 9 m 2 ，涂层使 用含沥青的粘合剂，刷在织物的两个表面，用量1 3 0 9 m 2 ，然后将粒径为0 4 m m 碳化硅粒子均匀的散播在涂好粘合剂的织物表面，用量为7 5 0 9 m 2 ，室温放置4 5 小时，待粘合剂完全干燥，然后在两表面再各刷一层粘合层，用量6 5 9 m 2 ，按此 工艺制作2 4 层片材，面密度达到2 7 4 8 k g m 2 ，试验参照英国p s d b 防刺标准，冲 击能量为4 6 j ，结果刀具未刺透织物，其中粘合剂也可换为聚氨酯粘合剂。 2 0 0 6 年，d e c k e r 怕1 等人参照n i j0 11 5 0 0 ( 2 0 0 0 ) 标准，使用无阻尼落体， 系统地研究了经剪切增稠处理的芳纶织物在静态和动态条件下的防刀刺和防锥 天津1 ：业大学硕+ 学位论文 刺的性能，结果表明，剪切增稠溶液能够提高芳纶织物的抗穿刺性能，但面密度 2 7 k g m 2 的试样仍不能阻挡2 6 9 j 以上动能的刀的刺穿。简单来说，这种粘稠液 体由聚7 , - - 醇( p e g ) 2 0 0 溶液和纳米胶体氧化硅颗粒( 5 2 v 0 1 ) 混合而成，为降 低粘度，将乙醇溶液与上述溶液以3 ：1 的比例混合，然后将织物在此溶液浸泡 1 分钟，在6 5 干燥3 0 分钟，试样面密度是2 7 k g m 2 ，s t f 的质量分数为2 5 1 。 动态防刺试验中，冲击能量变化范围2 2 9 1 7 2 1 j ，虽然s t f 芳纶在2 6 j 动能 冲击下即被刺穿，但其损伤面积和刺穿深度要远小于未处理的织物，静态防刺试 验中，记录了刀具刺入织物的位移载荷曲线，刺入速度是5 m m m i n ，总位移是 3 0 m m 。结果显示s t f 织物被刺穿，最大载荷约4 7 0 n ，与未处理织物相比，损伤 面积较小，最大载荷提高2 0 0 n 。总体来说，剪切增稠溶液处理是比较值得关注 的方法，能提高织物的防刺性能，并且经处理的织物仍然比较柔软，对穿着舒适 性的影响较低。 2 0 0 9 年，j e s s i eb m a y o 等n 钔参照n i js t a n d a r d0 11 5 0 0 研究不同材质和 不同薄膜厚度对芳纶增强热塑性树脂复合材料的动态和静态条件下的抗穿刺性 能的影响。使用的树脂薄膜分别是聚乙烯薄膜( 厚度2 5 9 m 、5 0 9 m 和7 5 m ) 、聚 甲基乙烯基丙烯酸和聚乙烯( 2 0 ) 与聚甲基乙烯基丙烯酸( 8 0 ) 共混膜( 厚度 7 5 岬、1 2 5 9 m 、2 5 0 9 m ) ，在织物层间铺放一定层数的薄膜后，放入压机压制， 压制工艺：1 7 7 ，6 1 0 k p a ，3 0 分钟。试验结果表明：抗穿刺性能随树脂含量的 增加而提高，其中共混膜的试样( 面密度6 4 9 k g m 2 ) 的防刺性能最好，其纤维的 质量分数是4 4 1 ，在2 9 7 j 动能的冲击下，露出的刀尖小于等于7 m m ，静态试 验中的最大载荷是7 4 0 n ，能量1 1 1 j ，虽然防刺性能有提高，但材料明显变硬且 不易弯曲。 此外，a n c t i l 和他的同事乜羽报道某种织物防刺性能和防弹性能的数据，但 没有说明材料的详细构成。f l a m b a r d 和p o l o 汹1 使用非标准、无阻尼落体系统研 究了芳纶纤维和p b o 纤维针织物的防刺特征。2 0 0 2 年，b l y t h e 和a t k i n s n 们等研 究了金属薄片的抗穿刺性能。 t e r m o n i a 心钔提出了机织布静态锥刺的数学模型，找出穿刺载荷特征曲线与特 定织物刺穿机制之间的关系。r u s s e l l 隆踟等人研究了高模量聚乙烯无纺布防平头 长钉穿刺的性能。e r l i c h 啪1 等研究了尼龙织物静态防割和防刺的性能。s h e d d e n 1 和w a n g 啪1 等人使用有限元对机织物防刀刺进行了模拟。 1 2 4 防刺材料的破坏形式和抗穿刺机理的研究 多位研究人员通过试验研究发现：尽管防弹与防刺有着一些共同之处，但 不能把防弹理论应用于防刺，高速枪弹对防弹衣的冲击主要通过弹头变形、纤 6 第一章综述 断裂及冲击波的传播等方式将动能分散或消耗掉，而防刺织物主要的失效形式是 纤维由于受到剪切而发生断裂和纤维的侧向滑移，且能量分散范围比较窄，因此 材料易被锋利的刀尖刺穿，到目前为止，提高织物防刺性能的方式主要包括：( 1 ) 钝化刀刃，( 2 ) 提高材料的整体的协同效应和纱线剪切性能，( 3 ) 提高材料硬度和 对刀具的阻力。 芳纶织物和超高分子量聚乙烯等高性能纤维织物有着极佳的抗剪切和抗冲 击性能，能轻易地经受钝武器刺穿的测试，因此在刀具等锐器接触织物前，应尽 可能的钝化刀尖，减少对织物的破坏。常用的方法是在织物表层添加耐磨粒子， 如碳化硅、碳化钛、氧化铝、碳化钨、氮化钛、氮化硅、硬质玻璃等莫氏硬度大 于8 的粒子，其硬度至少应大于刀具的硬度，粒径应尽可能小，至少在0 3 - 0 9 姗， 粒径越小，粒子的覆盖率越高，受到刀具冲击时，与刀刃接触的几率越高，对刀 刃的钝化作用越明显，在极短位移中，降低刀具切割和刺穿能力，而下层织物可 发挥吸收和扩散能量的作用口。 提高材料的整体协同效应，纱线和织物剪切性能。通过使用低密度聚乙烯膜 将单层芳纶织物热压粘合成一整体后发现，材料的防刺性能有一定程度的提高， 尽管相关原因还没有更具体的解释，在使用树脂后，由于其对纤维的浸润与固化， 纱线间和纱线内部也会填充部分树脂，提高纤维的韧性，且纤维被固定在各自位 置，需要消耗刀具更多的能量分开或割断纤维，但其材料的硬度也会有一定程度 的增加引。此外，对纱线进行加捻，采用不同捻距和捻角的多股线结构有助于提 高纱线的剪切性能n 引。 旷 提高材料硬度和对刀具的阻力。这种方法中最典型的是使用剪切增稠溶液来 提高防刺性能。剪切增稠是非牛顿流体的具有的一种特殊性质，表现为流体粘度 随剪切速率或应力的增加而增加啪刮。含有固体颗粒的粘稠胶状悬浮液均匀地分 散在液体介质中，在达到其临界剪切速率时，液体会产生可逆转的剪切增稠现象， 表现粘度呈大幅度的、不连续性的增加。这种由液体到似固体材料的转变时由于 剪切变形和侵彻引起的瞬间聚合或称为“粒子簇”，导致液体粘度急剧增加口2 嗡3 。 此项技术的关键在于种纳米级s i o ：粒子的制备和处理，要求制得的纳米粒子的 分子表面的电荷很弱，因此在分散介质( 如聚乙二醇溶液) 中，它们不会发生团聚， 形成为固体，但是当这种液体受到物体撞击后，在动能的作用下，这些粒子会被 强有力的氢键紧密连接在一起，发生聚集，并被锁定在各自的空间中，然后在几 分之一秒时间里，这种液体变成和陶瓷一样结实的屏障，起到防刺的作用。后来 在物体的动能被消耗完之后，这些氢键解开，混合物重新恢复到液体状态，这种 液体已经应用到防刺衣和防刺服的制作中，对提高穿着舒适性和防刺性能有很大 帮助；采用低于1 6 7 d t e x 的纱线织成织物，这意味着细的长丝可以生产长丝之 天津t 业大学硕十学位论文 间间隙较小的织物，因此尖利物体较难刺穿的织物，就可以显著的提高织物的抗 穿刺性能。 1 3 本课题的研究意义和内容 1 3 1 本课题的研究意义 在中国，由于实行严格的枪支管制制度，使执法人员或普通民众面对枪击威 胁的可能性极小，但刀具的威胁还是可能存在的，如在上海、内蒙古等地曾有狱 警、警察等执法人员受到持刀者的攻击而受伤甚至殉职，因此出于以上防护需要， 研究和开发具有轻质、较柔软、防刺性能高等特点的防刺材料具有很重要的现实 意义，对于提高我国个体防护水平也具有重要作用。通过查阅相关文献，防刺产 品中主要存在的问题是： 1 尽管国内已有许多有关超高分子量聚乙烯织物防刺的论文和相关产品，但 这些论文大多参照已废弃的g a6 8 2 0 0 3 警用防刺服标准，2 0 0 8 年，公安部颁布 了新的警用防刺服标准g a6 8 2 0 0 8 ，其中刀的材质、硬度和尺寸等方面有很大 的差异，原有产品是否满足新的标准有待于进一步的检验。 2 国外研究重点多侧重于芳纶织物，且其国外通用标准允许刀具可刺透织 物，但最大深度要小于7 m m ，即最多允许背衬材料中的两层测试纸被刺穿口3 ，而 我国标准要求刀尖不能刺透织物，防刺要求也更加苛刻。 基于以上两点，对防刺材料的防刺性能的研究工作需要进一步的展开，以期 待制作出轻质、防刺性能好的柔性防刺材料，提高我国个体防护水平。 1 3 2 本课题的研究内容 1 国产u h m w p e 纤维和织物的拉伸性能的研究。 2 四种纤维集合体的抗穿刺性能的比较，分别比较了平纹织物、无纺布、针 织物和正交三向织物的抗穿刺性能。 3 单一结构铺层和复合结构铺层织物的抗穿刺性能的测试与比较，面密度对 抗穿刺刺性能的影响。 3 处理后织物的抗穿刺性能的研究。研究附加金属织物、树脂的类型和含量、 树脂中纳米粒子含量对抗穿刺性能的影响。 4 使用显微镜观察试样的损伤形式，研究处理方式对织物损伤形式的影响。 第二章u h m w p e 纤维及织物的性能 第二章u h m w p e 纤维及织物的性能 2 1 u h m w p e 纤维介绍 2 1 1u i - i m w p e 纤维的结构 2 1 1 1 理论基础 常规的聚乙烯纤维由于结晶度小( 1 0 ”9 0 02 2 50 0 16 0 备注 2 2 、2 0 、2 0 9 6 1 5 0 0 小时 l o 第二章u h m w p e 纤维及织物的性能 2 1 2 2 化学特性 u h m w p e 纤维由于结构致密，没有极性基团和侧基，具有很强的化学惰性， 因而耐溶剂和化学药品性能特别好，见表2 3 。 表2 - 3u h m w p e 纤维在各种试剂中浸泡6 个月后的强度损欠率阳钒钔1 2 1 3u h m w p e 织物的拉伸性能 如第一章中说明的，纱线的拉伸强度是影响防刺材料防护性能的重要指标， 通常要求纱线的拉伸强度应在9 0 0 6 0 0 0 m p a 之间，最好3 0 0 0 6 0 0 0 m p a ，因此对 于芳纶纤维和u h m w p e 纤维，强度越高，防护性能越好随1 。由于纱线在纤维集合 体中是以不同的形式存在的，这与纤维集合体的加工方式有关，所以织物的拉伸 强度也是影响防刺材料防护性能的另一重要指标。如今，普遍用于防刺的纤维集 合体主要包括平纹织物和无纺布。 织物的拉伸断裂试验参照g b t7 6 8 9 5 2 0 0 1 增强材料机织物试验方法第 五部分：玻璃纤维拉伸断裂强力和断裂伸长的测定。为减少试验结果的强力不 匀率，试样采用拆边纱条样法。试样长度为1 5 0 m m ，以使试样的有效长度l o o m m l m m ，试样宽度( 未拆边) 4 0 m m ，拆边后的试样宽度尽可能的等于或接近2 5 m m 。 为便于进行直接的比较，无纺布的拉伸试验也采用上述标准，使用聚丙烯酸酯粘 合齐u ( a b 胶) 将硬纸板粘合在织物正反两面。平纹织物的拉伸试验使用a g 一2 5 0 k n e 岛津试验机，测力传感器为5 k n ，拉伸速度为5 0 m m m i n 。经纬向各五个试样，测 试结果分别取平均值，得到的织物经纬向拉伸强度，无纺布使用a g s j 岛津试验 机，测试传感器为l k n ，拉伸速度5 0 m m m i n ，5 个试样的测试结果取平均值，结 果见表2 - 4 。图2 - i 是平纹织物和无纺布的拉伸位移载荷曲线。 表2 - 4u h m w p e 平纹织物和无纺布拉伸试验结果 天津工业大学硕士学位论文 b 4 0 0 0 3 0 3 6 0 0 3 4 0 0 z m 3 o 2 8 2 0 2 4 0 0 弓2 2 0 0 蓉黧 1 4 0 0 1 2 f 0 0 0 8 e 加o 2 o 图2 1 平纹织物( a ) 、无纺布( b ) 的位移载荷曲线 从表2 4 和图2 一l 中分析得出，无纺布的最大载荷要明显低于平纹织物，而 断裂伸长率较大。这是影响无纺布的强度的因素除了包括与纤维自身的强度以 外，还与纤维之间的缠绕和抱合力有关，所以当拉伸载荷超过纤维间的抱合力时， 无纺布就会被撕裂。而平纹布中经纬向的纱线承受载荷，纤维的强度能充分发挥 作用，但从图2 1 a 可以看出经纬向两条不同的载荷位移曲线，最大载荷的差异 主要是由于织造时经纱在梭口的上下开口和打纬等过程会对其强度有一定的影 响，此外经纬的屈曲状态也造成织物中纱线的强度的下降。无纺布的断裂伸长率 较大，那么当受到冲击时，无纺布利用较大的变形吸收能量，但形成的较大的背 凸，对人体的冲击大于平纹织物。 1 2 0 o 襞 第三章u h m w p e 纤维叠层纵物的抗穿刺性能试验 第三章u h m w p e 纤维叠层织物的抗穿刺性能试验 3 1 测试方法 3 1 1 动态防刺测试 参照g a 6 8 - 2 0 0 8 警用防刺服标准啪1 ，本试验使用自制的导轨落体测试仪完 成，该系统能使刀具在重力作用下下落，然后在预先决定的撞击点撞击防刺材料 试样。钢质导轨可以防止刀具在下落过程中绕自身的垂直轴旋转，确保测试刀具 以正确的方向撞击防刺服。 3 1 1 1 刀具落体 测试用刀具落体由两个独立部分组成如图3 一l 所示，一部分是钢合金刀具， 材质9 c r l 8 m o ，硬度5 0 h r c - 5 5 h r c ，试验用刀具是经过特别设计的，用来代表警 务人员遇到袭击时常见的实际刀具。另一部分是铁质落体，起到配重作用，其下 部有夹紧装置以固定刀具，拧紧螺丝保证冲击过程中刀具与落体是刚性连接，刀 具不会发生滑动，其次，在铁质落体的两侧有滑轮，其表面涂有润滑油，保证其 在下落过程中与导轨的摩擦力最小，落体长度足以满足在整个试验过程中均保 图3 - 1 防刺试验测试仪器 天津工业大学硕士学位论文 图3 2 测试刀具 留在导轨中，刀具落体总重量为2 4 k g ，通过调节下落高度改变冲击能量。在一 次撞击试验之后，倘若刀刃外观检查没有损伤，特别是尖部细微之处，可以重复 使用，否则需要更换刀具。特别指出的是，由于导轨的控制，撞击过程中，落体 的全部动能不会产生在其他方向的分量，因此比无导轨的自由落体试验条件更加 苛刻。 3 1 1 2 背衬材料 胶泥