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防割类安全与防护用纺织品的研究及应用现状

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发布时间:
2021-04-29

摘要:总结防割类安全与防护用纺织品的研究及应用现状。分析了织物实现防割性能的途径。介绍了三种防割类标准的测试方法和评价指标,包括欧标BS EN388、美标ASTM F-1790和国际标准ISO 13997。从纤维材料、纱线结构及纱线线密度、织物组织结构、织物面密度和紧度等几个方面,分析了对防切割性能的影响。指出了目前防割类产品在应用中存在的不足。认为:后期防割类产品不仅要实现防割面料的功能性,更要兼顾服用舒适性,实现亲肤性、透气性及舒适度的重点突破。

关键词:防割手套;安全与防护用纺织品;防割性能;测试标准;测试方法;超高分子量聚乙烯纤维;纱线结构;模量

1 研究背景

防割类纺织品是一类能有效抵制并减轻刀具对人体划伤的安全防护用纺织品[1];例如:防割手套可以有效减轻甚至避免手腕、手掌、手指、手背等被刀具割伤或划伤[2]。随着社会的发展进步,人们的安全防护意识不断升级,防割类安全与防护用纺织品的需求与日俱增;例如:在极端分子暴力袭击破坏事件中,警务人员的职业风险显著提高,执法人员亟需配备相关的防割类纺织产品;在劳动密集型的加工制造业,对防割类产品的需求也越来越多,如在食肉分割、玻璃加工、金属加工、石油化工、救灾抢险、消防救援等行业,操作人员都需要防割类纺织品。因此,针对利器切割的潜在危险,防割类安全与防护用纺织品的开发及应用具有重要的实际意义。

2 防割性能的实现途径

产品本身抵抗外界冲击破坏的能力决定其防割性能,此类冲击破坏主要体现在沿受力平面方向的拉伸断裂性能和垂直于平面方向的抗剪切性能两方面。对于纺织类柔性织物而言,这两项性能体现在纱线、纤维之间的协同作用;本文主要针对纺织类柔性防割织物进行研究。该类产业用纺织品防切割性能的强弱主要取决于织物表面所能承受切割外力的作用大小,切割外力的大小决定了切割时织物的破坏程度。如图 1所示,通过对物体表面的受力进行分析明确防割功能实现的理论依据。

防割类安全与防护用纺织品的研究及应用现状

如图1所示,假设一定大小的刀片以外力F作用于防割织物表面,织物受到挤压产生变形,F1为切割力F沿织物拉伸断裂方向的水平分力,F1=F·sin β;F2为切割力F垂直于织物平面剪切断裂方向的垂直分力,F2=F·cos β。

织物的抗剪切刚度、断裂强力以及断裂伸长等指标对织物抵抗外力破坏的能力有显著的影响,其本质原因是组成纱线的纤维材料的拉伸强力、伸长变形和纤维的抗剪切刚度。当纤维的抗剪切刚度、拉伸强力以及伸长变形越大时,纤维本身蕴含的能量就越大,抵抗外界破坏的能力就越强,其防割性能就越好[3]

织物的防割性能主要通过以下几种途径实现:其一,采用细长金属丝进行编织,利用其硬质金属材料的优异物理性能,实现防割性能要求;其二,棉布材质作为轻质防割产品,用在日常工作领域,乳胶类的做成手套,用在外科手术防割领域,芳纶类、皮革类的防割产品用在工业领域;其三,通过在帆布、纱卡布、绒布、粗纱布及皮革制品上涂层,或是通过多组分复合实现优异的防割性能。以上产品均存在厚重、穿戴不便等问题,在防护装备迫切需要减重的情况下,低密度、抗切割性能好并且能有效防止或削弱冲击力对人体伤害的防护产品的研究与开发势在必行。

3 防割性能的测试标准及方法

防割性能的测试标准主要参照的是防割手套的防割性能测试。目前,国际上常用于检测的标准主要有欧标 BS EN 388:2016《Protective Gloves against Mechanical Risks》(以下简称欧标BS EN 388)、美标 ASTM F-1790:2005《Standard Test Method for Measuring Cut Resistance of Materials Used in Protective Clothing》(以下简称美标 ASTM F-1790)和国际标准 ISO 13997:1999《Protective Clothing—Mechanical Properties—Determination of Resistance to Cutting bySharp Objects 》(以下简称 ISO 13997)[4]

欧标 BS EN 388 适用于防护由刃器切割、摩擦等引起的物理机械伤害。其切割原理是:施加一定压力(5N的刃口压力)的圆刀片在材料的规定距离范围(50 mm)内进行往复旋转运动,记录圆刀片旋转的周数,与标准材料对比后换算成防切割性能指数。每个样品测试5次,每次测试前后都测试刀片的锋利程度,以免因为刀的锋利程度的不同而造成测试结果误差,夹持样品时在橡胶垫上垫一块铝箔固定样品,不能拉伸样品。

标准样品进行5次切割均达到锐度要求时,记录测试数据为Cn(n=1~5),对测试样品进行5次切割,记录割穿发生时的切割周数Tn( n=1~5,常温),对标准样品进行5次切割,将割穿发生时的切割周数 Cn+1(n=1~5)记录下来,计算耐切割系数I。其中,Cn =(Cn + Cn+1 )/2,in=(Cn +Tn )/Cn,耐切割系数防割类安全与防护用纺织品的研究及应用现状

美标 ASTM F—1790由美国材料试验协会通过。该标准只针对材料表面的切割防护,当标准刀片受到某个力作用时,刀片从材料表面划过一定的距离(规定25.4 mm)而出现划破穿透,用切割力进行表征,根据切割力的大小区分不同材料的防切割性能。

图2所示为美标 ASTM F-1790 的切割试验原理图。样品架的表面为钢,试样固定面为球面,球的半径R=(38±0.5)mm,固定面的长度大于110 mm,宽度大于32 mm,对同一样品进行多次切割时,切割轨迹的间距及切割线与样品边沿的距离在10 mm以上。刀具可向测试样品运动,测试样品也可以向刀具运动。刀片由不锈钢制成,洛氏硬度HRC大于45,切削刃厚(1.0±0. 5)mm,切削角约22°,刀刃斜面宽度(2.5±0.2)mm,刀片长度约65 mm,宽度大于18 mm。

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ISO 13997于1999年颁布实施,除有些参数不同之外,其测试原理与美标 ASTM F—1790一致。该标准规定锋利刀具划过的距离(切割距离规定为20 mm)决定材料的防切割的能力,即当标准刀片受到某个力作用时,刀片从材料表面划过一定距离而出现划破穿透,最终用切割力进行表征,依据切割力值的大小来表征材料的防切割性能。

三种防割性能测试标准虽然采用了三种不同的测试方法,但均采用了标准参照样品进行对比分析,充分考虑了由于刀片的锋利程度不同所引起的测试结果的误差。其中,欧标 BS EN 388的防切割等级按指数分5级,1级至5级的指数依次为1.2、2.5、5.0、10.0和20.0。美标 ASTMF—1790的防切割等级按克数分5级,1级至5级的克数范围依次为<200>200 g、>500 g、>1000 g和>1500 g。ISO 13997的防切割等级按牛顿分两级,4级和5级的牛顿范围依次为>13 N和>22 N。

4 织物防割性能的影响因素

织物防割性能的影响因素主要有纤维原材料、纱线结构及纱线粗细、织物组织结构、织物面密度和紧度等[5]

4.1 纤维材料对防割性能的影响

纤维原材料的物理机械性能主要取决于自身抵抗外力的冲击破坏能力,不同的纤维原材料具有不同的物理机械性能。纤维受外力破坏主要表现在轴向的拉伸断裂和经向的剪切两方面。纤维原材料的拉伸强力、拉伸变形和抗剪切性能越强,其防割性能就越好。因此,一种或几种高性能纤维不同成分及含量的配置对织物防割性能有显著的影响。

目前防割类织物最常用的两大类原材料为超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维[6⁃7],其次有不锈钢的半柔性防割材料和具有较高耐磨性能的锦纶纤维。表1为几种纤维材料的物理性能参数。由表1可以看出,超高分子量聚乙烯纤维较其他纤维材料具有高强高模的物理性能,且其体积质量仅0.97 g/m3,在保证防割性能的基础上可以减轻产品质量。芳纶1414纤维也具备较高的强度和模量,因此应用也较广泛,但在光照条件下其强力有所衰减,使用寿命存在一定的局限性[8]

防割类安全与防护用纺织品的研究及应用现状

4.2 纱线结构及线密度对防割性能的影响

科学、合理的纱线结构不仅能充分发挥各纤维材料自身的性能优势,而且可以最大效率地提高纤维间的配合,提高纤维利用率,从而进一步提高防割面料的机械物理性能[9]。在其他因素不变的情况下,不同的纱线结构对织物防割性能的影响较大[10]。图3所示为三种成纱方式的复合纱,分别是包芯纱、合捻纱和包覆纱。

防割类安全与防护用纺织品的研究及应用现状

三种复合纱具有不同的性能特点,包芯纱的芯丝被外包纤维包围,两者结合较为紧密,虽然包芯纱在拉伸条件下芯丝不外露,但强力较低;合捻纱为两种纤维相互加捻缠绕而形成,纤维之间相互配合,强力利用率较高,但纱线在拉伸张紧时会出现露底现象;双层结构的包覆纱不仅能保证纤维间相互配合,使纱线具有较高强度、弹性和耐磨性,且解决了弹性芯纱裸露的问题,防切割性能最好[11]。另外,当纱线的线密度越大时,纱线横截面内所含有的纤维根数越多,受力时承载力的纤维根数越多,纱线的强力也越大,织物的防割性能也越好。

4.3 织物组织结构对防割性能的影响

从织物组织结构角度来说,织物组织结构越松散,储存的能量越小,切割时纱线越容易产生滑移,抵抗外力破坏的能力越弱,即防切割性能较弱。总体上,平纹织物的防割性能好于斜纹织物,缎纹织物的防割性能最差。平纹织物的交织点较斜纹织物和缎纹织物的多,且平纹织物的正反面为双面覆盖交织,斜纹和缎纹织物的为单面覆盖交织,在外力作用下,平纹织物纱线间的摩擦力总和最大,能起到更好的防护作用。

4.4 织物面密度和紧度对防割性能的影响

织物面密度对防割性能的影响相对较小 。织物面密度与织物的紧度、尺寸稳定性有关。当织物越厚,纱线的滑移量越小,尺寸稳定性越强,能够吸收的破坏能越大,防割性能越好。当织物紧度增大时,纱线间的抱合力和摩擦力增大,不宜产生滑移,织物耐切割性能增大。因此,织物紧度越大其防割性能越好[12]

5 防割类产品存在的问题

在我国,来自匕首等锐器的威胁远大于来自枪弹的威胁,从这个意义上来讲,在我国民用防切割材料要比防弹材料的前景更为看好。虽然防割类产品在研究人员的努力下不断改进优化,但结合现有产品的特点,仍然存在一些问题。

当前市场上的防割类产品更多地强调防割性能,忽视了产品的穿戴舒适性,以至于存在防割产品厚重、穿戴不便、有刺痒感等舒适性较差的诸多问题[13-15]。例如:为了提高织物的防割性能,在纱线中复合玻璃纤维;玻璃纤维在轴向具备很强的力学性能,大大提高了其制品的防割性能,但玻璃纤维在径向容易发生脆断,使得纤维头端露在织物表面,人员穿着过程中有很强的刺痒感,有些人存在过敏现象。后期防割类产品不仅要实现防割面料的功能性,更要兼顾服用舒适性,实现亲肤性、透气性及舒适度的重点突破。在防护装备迫切需要减重的情况下,低密度、抗切割性能好并且能有效防止或削弱冲击力对人体伤害的防护材料的研究与开发十分重要。

参考文献:

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来源:棉纺织技术责任编辑:孔珊珊