机织层合防弹面料的性能研究

林燕萍

(江西服装学院，南昌　330201)



机织层合防弹面料的性能研究

林燕萍

(江西服装学院，南昌330201)

摘要：利用自制压缩空气冲击装置对4块机织对位芳纶纯纺面料按22.5°旋转进行层合的面料进行抗冲击实验，并测试对位芳纶面料的服用性能。研究表明：1/1平纹对位芳纶纯纺层合织物抗冲击效果与抗起毛起球性均高于1/2斜纹面料，而相应面的透气率低于1/2斜纹面料；kevlar49对位芳纶机织层合面料抗冲击效果、相应面的透气率、抗起毛起球性均高于国产对位芳纶面料，而回潮率低于国产对位芳纶面料。相比抗冲击效果与服用性能，kevlar49对位芳纶机织层合面料优于国产对位芳纶面料。

关键词：对位芳纶；机织层合；防弹织物；抗冲击；服用性能

对位芳纶纤维作为高性能纤维中的佼佼者，以其高强高模的力学性能而备受关注，被广泛应用于军工防护服及其他特殊的行业领域[1-3]。目前，美国研制的全球安全性能最好的PASGT系列的防弹服主体也是由对位芳纶纤维制成。本文通过改装后的空气压缩装置模拟子弹发射进行冲击实验，探讨由kevlar49对位芳纶长丝与国产对位芳纶长丝织造层合的面料的抗冲击效果，并测试分析机织层合防弹面料的服用性能，为防弹面料的开发提供参考。

1　实验部分

1.1实验材料

无捻Kevlar49对位芳纶长丝束(美国Du Pont公司生产，长丝线密度170tex，长丝束内含950根Kevlar49长丝)；国产对位芳纶纤维(中蓝晨光化工研究设计院有限公司生产，长丝线密度170tex，长丝束内含950根Kevlar49长丝)；锦纶PA66合股缝纫线(中国神马集团有限责任公司生产，由2股单丝束制得合股缝纫线，捻系数395，单股长丝束线密度940dtex，长丝束内含140根长丝)。

1.2实验仪器

SGA598型全自动小样剑杆织机(江阴市通源纺织有限公司)、胜家1306多功能电动型缝纫机(上海胜家缝纫机有限公司)、自制子弹(如图1所示，模拟56式钢芯弹，子弹质量7.69g，直径7.62mm)，自制压缩空气冲击装置(装置的工作原理如图2所示)，BSM-220.4万分之一电子天平(上海卓精有限公司)、DHS-100恒温恒湿试验箱(北京雅士林试验设备有限公司)、YG461E织物透气量仪(南通三思机电科技有限公司)、YG502A型织物起毛起球仪(深圳市方源仪器有限公司)。

图1　自制子弹

1-4均为计时器的光幕层(空气压缩器发射的子弹通过光幕时，计时器会自动记录下通过光幕的时间)；a是光幕1-2以及3-4之间的距离(50cm，由此计算通过面料时能量损失)；5为面料夹持装置。图2　自制压缩空气冲击装置的工作原理

1.3实验方法

1.3.1面料设计

本文所设计的实验面料选用1/1平纹组织、1/2斜纹组织的对位芳纶纯纺织物(即经纬纱线均用对位芳纶无浆、无捻长丝)。每种实验面料的经纬密均为230、160根·10cm-1，面料幅宽为22cm，面料两端各有2cm的边纱。由于实验所选用的是未经上浆处理的Kevlar49对位芳纶无捻长丝，在面料织造过程中长丝纱线在整经机上整经难度较大，因此选用手工整经。由于对位芳纶长丝无浆、无捻，在织造过程中很容易引起起毛而导致开口不清及单丝的断裂、钩丝，为此在注意整经张力均匀的同时，还应在织造时对对位芳纶长丝涂抹一定的护发素，以保证在织造的过程中对位芳纶长丝粘合在一起。织造完成后，用蒸馏水对面料进行浸渍处理以除去实验面料中的护发素。洗净后，在20℃的环境中自然晾干。

1.3.2面料层合

将所织造的面料，每4块为一组，每种面料共3组。在每组实验面料层合过程中，先固定其中一块，然后第2块以第1块的中心轴为基准，旋转22.5°，依次类推，每次旋转22.5°，将4块面料先行叠好(如图3所示)，将叠合好的4块面料使用胜家1306多功能电动型缝纫机进行缝合。

图3　面料层合设计

1.3.3冲击实验

将层合后的实验面料放置在图2所示的两计时器中间的固定位置，通过改装后空气压缩发射器发射自制子弹体，记录子弹体通过光幕1、2、3、4的时间，由此计算子弹体通过光幕2、3的速度(假定子弹体在通过实验面料前后的飞行均为匀速飞行，及通过光幕1、2时的速度相同，通过光膜3、4时的速度相同，另假定子弹体穿透实验面料动能的损失全部被面料吸收，忽略摩擦产生热量等其他形式能量的损耗，通过以下公式计算子弹通过面料时的动能损失。

(1)

式中：E—子弹体通过实验面料时的动能损失，J；

m—子弹体的质量，g；

v1—子弹体通过光幕1、2时的速度，m/s；

v2—子弹体通过光幕3、4时的速度，m/s。

依据上述实验方法，将每种实验面料的3组面料依次实验，取其平均值。

1.3.4面料透气性能

设置YG461E织物透气量仪，使面料测试的气压差为100Pa，经反复测试后选择2号喷嘴，测试面料试样正反面的透气性能，每个面料试样正反面各测试5次，取平均值。

1.3.5面料起毛起球性能

使用YG502A型织物起毛起球仪参照标准《GB/T 4802.1—1997纺织品织物起球实验 圆轨迹法》对面料进行起毛起球性能测试。运动轨迹：以Φ40mm 圆轨迹运动；毛刷长度5mm；测试面料压力590cN；依据部队对军需面料的起毛起球要求，对面料起毛实验毛刷的摩擦次数为30次，对起球实验毛刷的摩擦次数为50次[4]。参照标准样对面料的起毛起球性能进行评级。

1.3.6面料吸湿性能

参照标准《GB/T 9995—1997纺织材料含水平和回潮率的测定烘箱干燥法》，利用烘箱在温度85℃的条件下将5块面料彻底烘干(以面料在间隔0.5h的称重质量变化≤0.001g为烘干的参照标准)，利用精密天平分别称取5份面料的质量，记作G0，将彻底干燥后的5份面料放置恒温恒湿试验箱(设置温度与相对湿度分别为20℃、65%)中24h后，分别称取其质量，记作G，利用以下公式计算面料的回潮率W，该计算结果取5份面料回潮率的平均值。

(2)

2　结果与讨论

2.1冲击实验分析

子弹体通过光幕的速度和动能损失如表1所示，面料损伤的外观情况如图4所示。从表1可见，无论是kevlar49对位芳纶机织层合面料还是国产对位芳纶机织层合面料，1/1平纹组织的阻挡效率均高于1/2斜纹组织；1/1平纹，1/2斜纹两种织物组织Kevlar49对位芳纶机织层合面料对自制子弹体的阻挡效率分别为34.6%与26.4%，而国产对位芳纶机织层合面料，该两种织物组织对自制子弹体的阻挡效率分别为27.14%与18.09%。由此可知，kevlar49对位芳纶机织层合面料对自制子弹的阻挡率在相同组织的情况下高于国产对位芳纶机织层合面料。

表1机织层合面料冲击测试结果

实验面料1、2号光幕速度/(m/s)3、4号光幕速度/(m/s)损失动能/J面料损伤1/1平纹组织(Kevlar49)485392313.6021穿透1/2斜纹组织(Kevlar49)485416239.0398穿透1/1平纹组织(国产对位芳纶)485414245.4225穿透1/2斜纹组织(国产对位芳纶)485439163.4278穿透

图4　机织层合面料冲击损伤情况

从图4的面料受冲击损伤情况可以看出，在面料材料相同时，1/1平纹组织机织层合面料的损伤程度要远小于1/2斜纹。而在织物组织相同时，kevlar49对位芳纶机织层合面料的损伤程度要小于国产对位芳纶纤维的损伤程度。

当子弹体接触到实验面料时，实验面料吸收子弹体的动能以应力波的形式向外传播。这种应力波的传播可分为垂直于实验面料的纵向应力波以及平行于实验面料的横向应力波。纵波的传递使得实验面料的防护作用降低，因此为提高实验面料的防护作用就必须提高平行于实验面料的横波能量的传递，而降低垂直于实验面料的纵波的传递。

横波能量的传递通过组织点相接触的纤维，由纤维来分担来自子弹体的冲击，而织物的组织点越密集，吸收掉的动能越多，抗子弹体冲击的效果就越好。这也是本实验中选择无浆、无捻长丝的原因。无捻长丝织造而成的织物中使得经纬纱之间的交织点的纤维根数达到最多，能最大限度地吸收动能，防止组织点间纤维的滑移。

这是由于当织物受到子弹体冲击时，受到冲击的纱线通过形变使得产生的横波向纱线两端传递，当遇到织物组织点时，一部分能量通过织物组织点的传递使得与组织点相接处纱线产生位移使得动能被吸收，另一部分则是通过组织点的反射使得动能沿原方向返回。这也是在实验中将4块面料按22.5°的旋转进行层合的依据。这样可尽可能多地使能量沿横波向不同的方向传递，使面料在能量传递过程中具有各向均匀性。

由于平纹织物组织点交错密集，纱线在该组织中相对滑移较小，面料具有较好的保型性，因此对子弹体的冲击能量具有较好的吸收性，而1/2斜纹组织对位芳纶纯纺织物由于交织点较少，在冲击的过程中，交织点位移较大，不易将冲击产生的动能通过组织点传递给邻近纱线，因此抗冲击效果较平纹组织差。

2.2面料的服用性能分析

对位芳纶面料服用性能指标测试结果如表2所示。从表2的面料服用性能数据可知，1/1平纹对位芳纶纯纺层合织物的抗起毛起球性均高于1/2斜纹对位芳纶纯纺织物，而相应面的透气率低于1/2斜纹对位芳纶纯纺织物。kevlar49对位芳纶机织层合面料相应面的透气率、抗起毛起球性均高于国产对位芳纶机织层合面料，而回潮率低于国产对位芳纶机织层合面料。面料抗起毛起球的性能较差是由于面料是由无捻长丝制作而成的，在摩擦的过程中，长丝很容易被钩扯，造成起毛起球。因此在实际的生产实践中应尽量加大织物间紧度，以降低织物起毛起球程度。

表2对位芳纶面料服用性能指标

面料类型正反面透气率/(mm/s)抗起毛起球(正面)/级回潮率/%1/1平纹组织(Kevlar49)1/2斜纹组织(Kevlar49)1/1平纹组织(国产对位芳纶)1/2斜纹组织(国产对位芳纶)正面反面正面反面正面反面正面反面7.9267.8718.2787.9947.5467.4367.6927.5422.5221.54.675.19

3　结　论

通过实验可知，1/1平纹对位芳纶纯纺层合织物抗冲击效果、抗起毛起球性均高于1/2斜纹对位芳纶纯纺织物，而相应面的透气率低于1/2斜纹对位芳纶纯纺织物。kevlar49对位芳纶机织层合面料抗冲击效果、相应面的透气率、抗起毛起球性均高于国产对位芳纶机织层合面料，而回潮率低于国产对位芳纶机织层合面料。相比抗冲击效果与服用性能，kevlar49对位芳纶机织层合面料优于国产对位芳纶机织层合面料。

参考文献：

[1] 黄乃科,王曙中.对位芳纶在防护纺织品中的应用和发展[J].高科技纤维与应用，2001,26(1):23-27.

[2] 牛鹏霞，杨彩云.对位芳纶纤维的发展及应用[J].河北纺织，2010(1):16-21.

[3] 李金宝，张美云，吴养育.对位芳纶纤维结构形态及造纸性能[J].中国造纸，2004,23(10):54-57.

[4] 赵雅飞，周永凯，张华，等.正交试验法分析大麻迷彩织物的服用性能[J].北京服装学院学报，2009,29(2):60-66.

(责任编辑：张祖尧)

收稿日期：2015-06-18

作者简介：林燕萍(1982-)，女，四川泸州人；讲师，硕士；主要从事功能性服装设计与工艺的研究。

中图分类号：TB 332

文献标志码：A

文章编号：1009-265X(2016)01-0023-04

Properties of Anti Ballistic Impact Fabric Made of Woven Laminated

LINYanping

(Jiangxi Institute of Fashion Technology, Nanchang 330201, China)

Abstract：Anti ballistic impact of woven laminated fabric with 4 woven fabrics laminated made by untwisted filaments of Kevlar49 and laminated in rotating 22.5°every fabric were tested by compressed air impact device which was made in the laboratory and properties of clothing of anti ballistic impact fabric made of woven laminated in this paper. Researches showed that anti impact effect, anti-fuzzing and pilling were all superior to 1/2 twill except rate of ventilate of corresponding side of plain weave. Anti impact effect, rate of ventilate of corresponding side of plain weave, anti-fuzzing and pilling of anti ballistic impact of woven laminated fabric made of kevlar49 were all superior to anti ballistic impact of woven laminated fabric made of PPTA produced in China except moisture. As a whole, the properties of anti impact effect and clothing anti ballistic impact of woven laminated fabric made of kevlar49 were superior to woven laminated fabric made of PPTA produced in China.

Key words：Kevlar49; woven laminated; bullet-proof fabric; antballistic impact; properties of clothing