组织结构对UHMWPE短纤纱织物防刺性能的影响
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摘要： UHMWPE短纤纱具有优秀的抗切割性与较好的树脂浸润性，非常适用于制作防刺材料。文章试织了12种不同织物规格的试样，进行准静态穿刺实验，探究5种因素（组织、紧度、纱线线密度、经纬密和面密度）对织物防刺性能的影响，并比较不同穿刺角度下织物防刺性能的差异。结果表明：与方平织物与接结双层织物相比，平纹织物的防刺性能最好;同种经纬密或同紧度下，粗特纱织制的平纹织物防刺性能好;随着经密增加，紧度增加，面密度增加，防刺性能逐渐增加，但织物过于紧密时，防刺性能反而降低;平纹织物的穿刺性能具有各向异性，经纬向的防刺性能优于45°方向。
关键词： UHMWPE短纤纱;组织结构;穿刺角度;准静态穿刺;刺破强度
中图分类号： TS101.923.1 文献标志码： A 文章编号： 1001
Abstract： UHMWPE staple fiber yarn has excellent cutting resistance and good resin wettability. It is quite suitable for making stab resistant materials. In the study， 12 specimens with different specifications were woven and quasi-static puncture experiments were carried out to explore the influence of five factors（weave， tightness， yarn density， warp and weft density） on stabbing resistance property of fabrics， and the differences of stabbing resistance property under different stabbing angles were compared. The results show that the plain woven fabric has the best stabbing resistance property compared with the square fabric and the double woven fabric. Under the same warp and weft density or the same tightness， the plain woven fabric made from coarse yarns has better stabbing resistance property. As the density increases， the tightness and surface density increase， and the stabbing resistance gradually increases. However， when the fabric is too tight， the stabbing resistance property is reduced. The stabbing property of the plain fabric is anisotropic. The stabbing resistance property at the warp and weft directions is better than that at 45° direction.
Key words： UHMWPE staple fiber yarn; weave structure; stabbing angle; quasi-static stabbing; stabbing strength
超高分子量聚乙烯（Ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE）作為一种抗冲击性能极佳的高强高模纤维，兼具低密度的优势，被广泛地用于制作防弹防刺服、击剑服、渔网等功能性材料[1-2]，应用领域涵盖了安全防护、体育用品、航空航海等[3-4]。UHMWPE纤维目前在国内已实现产业化，主流的纤维强度为20～50 cN/dtex，模量在900 cN/dtex之上，产品以长丝为主，短纤纱较少[5]。原因在于，短纤纱的生产需要首先切断纤维，产品强度不及长丝纱，另外纯纺具有一定难度，制作成本较高。但是，短纤纱也具有一定优势。一方面，短纤纱单丝间抱合更为紧密，手感紧实，不会出现长丝纱的静电蓬飞与钩丝现象，可织性良好;另一方面，短纤纱在树脂基体中易于分散，浸润性较好，更适用于作为复合材料的增强骨架。短纤纱的断裂强度虽比长丝纱要低，但仍远高于一般化纤，而其防切割性能与长丝纱相差无几。目前多用树脂复合多层平纹织物的方式来制作防刺服，短纤纱良好的树脂浸润性与优秀的抗切割性，使其相比于长丝纱更适于制作防刺产品，也更具市场发展潜力[6-8]。
目前对UHMWPE长丝制品的防刺与抗冲击研究较多[9-10]，但对于UHMWPE短纤纱织物的防刺性能研究很少。本文用不同线密度的UHMWPE短纤纱试织了不同织物结构的单层织物，进行准静态穿刺实验，以研究组织、紧度、纱线线密度、经纬密对UHMWPE短纤纱单层织物防刺性能的影响;再将刀具的刀刃分别沿着纬向、经向及与纱线成45°角的方向刺入不同经纬密的织物，探讨刀具沿不同角度刺入时织物的穿刺性能。以期为UHMWPE短纤纱增强树脂复合多层防刺织物的生产设计提供基础。
1 试样织制
用剑杆织机织制12种不同规格的织物试样。1#、2#、3#为第一组，采用29.5 tex UHMWPE短纤纱分别织制平纹、方平与接结双层织物，保持经纬密同为280×280根/10 cm，探究三种组织对防刺性能的影响;4#、5#、6#、7#、8#为第二组，均采用45.4 tex UHMWPE短纤纱织成，通过改变经密改变织物紧度，探究紧度对防刺性能的影响;8#、9#、10#为第三组，分别采用45.4、29.5、14.8 tex三种UHMWPE短纤纱织制平纹试样，保持经纬密同为320×160根/10 cm，探究纱线线密度对防刺性能的影响;8#、11#、12#为第四组，保持织物紧度为98%，改变纱线线密度与经纬密的组合，探究经纬密对防刺性能的影响。 因此，相同紧度下，粗特纱力学性能更好，其织制的织物刺破强度更高，防刺性能更好。
3.5 面密度对防刺性能的影响
为研究织物面密度和临界刺破力的关系，将1#～12#试样的实验结果进行线性拟合（图5），拟合线方程为：y=0.04x-
3.12，皮尔森指数为0.863 96，这说明试样的面密度与其临界刺破力呈高度正相关。面密度越大，临界刺破力越大，防刺性能越好。面密度大的织物，相同厚度下更为紧密，或者相同紧度下更为厚实，这都能够增强织物抵御刀刺的能力。
4 不同角度刺穿实验
将刀具的刀刃分别沿着纬向（垂直切割经纱）、经向（垂直切割纬紗）及与纱线成45°方向三种角度刺入第二组4#～8#织物试样。4#～8#五个试样纬密不变，经密依次增加（图6—图7）。
由图6、图7可以看出，平纹织物的穿刺性能具有各向异性，且三个方向的临界刺破力和临界刺破强度的变化趋势具有一致性。4#～8#纬密没有改变，但经向和45°方向的刺破力却随之增大，这是因为经密的增加使纬纱的浮长线变短，纬纱更不易滑移变形，从而提高了经向的刺破力。由此可见，织物单向密度的增加对三个方向的防刺性能均有提高。
4#试样经纬密相同，经纬向的刺破力相同。随着试样经密增加，经纬密差异增大，经纬向的防刺性能的差异也增大，但8#试样经向与45°方向临界刺破强度增加，而纬向刺破强度减小。三个方向的防刺性能差异很小，是由8#试样过于紧密，纱线间的滑移减少，织物较难变形导致的。
5#～8#试样经密大于纬密，纬向刺破强度比经向的刺破强度大，而45°方向的刺破强度比经纬向的都要小。分析认为，刀具沿经纬向刺入织物时，刀刃沿径向切割纱线，纱线能够有效受力，而沿45°方向刺入时，刀刃斜向切割纱线，一方面纱线易被割断，另一方面纱线交叉，无法聚集承力，导致抵抗穿刺的性能降低。因此，在制作多层防刺织物时，可将各层织物按不同角度错开叠放，以减弱其各向异性[11]。
5 结 论
本文研究了织物组织结构和穿刺角度对UHMWPE短纤纱织物防刺性能的影响，主要有如下结论。
1）纱线本身的力学性能是影响织物防刺性能的首要因素，应选用剪切强度与抗拉强度高的高性能纱线织制织物。同种纺纱方式纺成的UHMWPE短纤纱，线密度越粗，力学性能越好，越能够抵御刀具冲击。因此，同种经纬密或同紧度下，粗特纱织制的织物防刺性能越好。
2）随着经密增加，紧度和面密度增加，纱线受力根数增多，纬向防刺性能逐渐增加，但当织物过于紧密，则纱线滑移困难，受力根数减少，纬向防刺性能反而降低。
3）平纹织物的防刺性能具有各向异性，当经密大于纬密时，纬向、经向和与纱线成45°角的方向的防刺性能逐渐减弱，可考虑将单层平纹织物以不同角度叠放复合以减弱其各向异性。
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