吳利偉 孫小軍2 匡麗赟2 張 倩 張雪飛2 姜 茜

1. 天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所先進(jìn)復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387

社會(huì)的發(fā)展及科技的進(jìn)步賦予了運(yùn)動(dòng)服飾豐富的多樣性和功能性，專業(yè)運(yùn)動(dòng)服裝和專業(yè)防護(hù)用品的種類和性能也因此得到了極大的豐富和發(fā)展，同時(shí)對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的需求也在不斷地?cái)U(kuò)大[1]。以針織物為基礎(chǔ)的防護(hù)材料具有質(zhì)量輕、性價(jià)比高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)及柔軟等特性，加之其線圈結(jié)構(gòu)可賦予這類材料良好的成型性、極好的能量吸收性和抗沖擊疲勞性，故它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)防護(hù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2]15-18,[3]。當(dāng)前，已對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)及其材料進(jìn)行了大量的研究與開(kāi)發(fā)[4-9]。本文為滿足市場(chǎng)對(duì)柔性可穿戴類防護(hù)用具的需求，開(kāi)發(fā)了一種緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物，其先選用錦綸紗線與氨綸紗線編織緯編空氣層織物，再利用該織物中空的特點(diǎn)，選用緩沖材料可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)顆粒作為填充物，以形成具有更高舒適性和防護(hù)性的柔性緩沖織物。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

試驗(yàn)用紗線基本參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用紗線基本參數(shù)

緩沖材料EPS顆粒的直徑范圍在3～5 mm，且大小均勻。

1.2 試樣制備

緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物由LXC-252SCV龍星電腦橫機(jī)(12針，江蘇金龍科技股份有限公司)編織而成。制備步驟：選擇紗線(錦綸紗線和氨綸紗線)→繪制初版→確定織物密度(度目)→確定終版→正式編織+填充→獲得緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物。編織過(guò)程中，遇適當(dāng)位置即停止編織，并將緩沖材料EPS填充進(jìn)緯編空氣層織物的中空結(jié)構(gòu)中，再繼續(xù)編織，最后得到緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物，其組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的組織結(jié)構(gòu)示意

本文制備了兩大類共6塊緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物。其中，根據(jù)有無(wú)填充緩沖材料分為無(wú)填充(簡(jiǎn)稱“H”)和有填充(簡(jiǎn)稱“S”)兩大類，織物的組織類型分別有1×1系列(簡(jiǎn)稱“11系列”)、2×2系列(簡(jiǎn)稱“22系列”)、3×3 系列(簡(jiǎn)稱“33系列”)，具體如表2和圖2所示。圖3為H33和S33實(shí)物照片。

表2 制備的試樣簡(jiǎn)稱

圖2 3種組織類型的空腔規(guī)格示意

(a) H33

(b) S33

1.3 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

本文將對(duì)緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的舒適性能和力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試與分析。

1.3.1 舒適性能

主要測(cè)試透氣性和透濕性。

透氣性測(cè)試參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)；透濕性測(cè)試參照GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第2部分：蒸發(fā)法》標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 力學(xué)性能

主要測(cè)試?yán)煨?包括拉伸彈性回復(fù)率和斷裂強(qiáng)力)、頂破性、壓縮性及緩沖性。

拉伸彈性回復(fù)率測(cè)試參照FZ/T 70006—2004《針織物拉伸彈性回復(fù)率試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，上下夾頭間距為(100±1)mm，織物寬度為50 mm，拉伸長(zhǎng)度為50 mm，拉伸定時(shí)與回復(fù)定時(shí)分別為60和180 s；斷裂強(qiáng)力測(cè)試參照GB/T 3923.1—2013 《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)取樣做了調(diào)整，試樣尺寸取150 mm×(25±1) mm，測(cè)試區(qū)域?yàn)?00 mm×(25±1) mm；頂破性測(cè)試參照GB/T 7742.1—2005《紡織品 織物脹破性能 第1部分：脹破強(qiáng)力和脹破擴(kuò)張度的測(cè)定(液壓法)》標(biāo)準(zhǔn)；壓縮性測(cè)試參照GB/T 6669—2008/ISO 1856：2000《軟質(zhì)泡沫聚合材料壓縮永久變形的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試樣厚度為20 mm，壓頭直徑為80 mm；緩沖性測(cè)試參照GB/T 6670—2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料 落球法回彈性能的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)(等效標(biāo)準(zhǔn)為ISO 8370：2007)，落錘質(zhì)量為7 kg，落重高度為200 mm，測(cè)試樣厚度為20 mm。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 舒適性能

2.1.1 透氣性

緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物可加工成防護(hù)服、運(yùn)動(dòng)休閑功能服等產(chǎn)品，故對(duì)其舒適性能要求較高。透氣性是舒適性能的一個(gè)重要方面[10]。

圖4反映了試驗(yàn)制備的6塊試樣的透氣性。

圖4 6塊試樣的透氣性

從圖4可以看出：(1)相同組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物，S類的透氣率均高于未填充的H系列，S11透氣率為419.5 mm/s，H11透氣率為229.5 mm/s，前者比后者提高了82%，S22比H22的透氣率提高了33%，S33比H33的透氣率提高了43%，3種試樣透氣性在填充緩沖材料后均提高了30%以上，可見(jiàn)填充EPS后緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的透氣性大幅提高，原因與填充后織物紗線間的空隙變大有關(guān)。(2)3種組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物中，H22和H33的透氣率分別是H11透氣率的1.756和1.758倍，S22和S33的透氣率分別是S11透氣率的1.283和1.378倍，因此合理設(shè)計(jì)緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的組織類型，可有效提高其透氣性。

2.1.2 透濕性

透濕性也表征著穿著的舒適度。當(dāng)人體處于濕熱環(huán)境中時(shí)，皮膚會(huì)排出汗液以平衡體表的溫度，若此時(shí)織物具有優(yōu)良的透濕性，則人體的舒適感會(huì)增強(qiáng)[11]。

圖5反映了試驗(yàn)制備的6塊試樣的透濕性，可以看出：(1)相同組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物，S類的透濕率同樣均高于H類，其中S11的透濕率為152.01 g/(m2·h)，H11的透濕率為76.21 g/(m2·h)，前者比后者提高了99%，S22的透濕率比H22提高了10%，S33的透濕率比H33提高了13%，可見(jiàn)填充EPS可以一定程度地提高緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的透濕性，原因也與填充后織物紗線間的空隙變大有關(guān)。(2)對(duì)比3種組織類型的試樣，22系列與33系列，無(wú)論是H類還是S類，透濕率都相近，且均高于11系列對(duì)應(yīng)的透濕率，因此合理設(shè)計(jì)緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的組織類型，可以有效地提高織物的透濕性。

圖5 6塊試樣的透濕性

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 彈性回復(fù)率

部分運(yùn)動(dòng)防護(hù)用具需具備一定程度的拉伸彈性，以適合個(gè)體運(yùn)動(dòng)的需要，如設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)的或靈活扣件的調(diào)整系統(tǒng)，以便于穿著者個(gè)人調(diào)整[12]。

圖6反映了試驗(yàn)制備的6塊試樣的縱橫向彈性回復(fù)率，可以看出：(1)同一組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物，S類的橫向彈性回復(fù)率較H類的橫向彈性回復(fù)率高，而縱向彈性回復(fù)率方面，S11低于H11，S22和S33均高于H22和H33；(2)對(duì)比3種組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物縱橫向拉伸彈性回復(fù)率發(fā)現(xiàn)，組織類型對(duì)其影響不大，S類的3種組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的橫向彈性回復(fù)率均在99%以上、縱向彈性回復(fù)率均在95%以上，H類的3種組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的縱橫向彈性回復(fù)率相近且均在95%以上。故可知本文制備的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物皆具有優(yōu)良的彈性回復(fù)性能，EPS的加入進(jìn)一步改進(jìn)了織物的拉伸性能。

圖6 6塊試樣的縱橫向彈性回復(fù)率

2.2.2 斷裂強(qiáng)力

織物的拉伸行為是評(píng)價(jià)其運(yùn)動(dòng)功能性重要的指標(biāo)，其影響著織物對(duì)人體的壓力及穿著舒適性[13]22-27。

圖7反映了試驗(yàn)制備的6塊試樣的斷裂強(qiáng)力。

圖7 6塊試樣的斷裂強(qiáng)力

從圖7可以看出：(1)同一組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物， H類的縱向斷裂強(qiáng)力均高于S類的縱向斷裂強(qiáng)力，而H類的橫向斷裂強(qiáng)力都低于S類的橫向斷裂強(qiáng)力，且各自的縱向斷裂強(qiáng)力均高于各自的橫向斷裂強(qiáng)力，其是由緯編空氣層織物線圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所造成的。通常，緯編線圈中縱向取向的紗線較多，因此織物縱向斷裂強(qiáng)力較高。此外，緯編空氣層結(jié)構(gòu)在連接位置的紗線差異也進(jìn)一步加劇了這一效應(yīng)[13]22-27。(2)S類的3種組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物，S22與S33的縱橫向斷裂強(qiáng)力相近，并都高于S11縱橫向斷裂強(qiáng)力，原因與它們的空腔結(jié)構(gòu)存在差異有關(guān)。故可知本文制備的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物具有優(yōu)良的拉伸性能，EPS的加入對(duì)織物的斷裂強(qiáng)力有一定的影響。

2.2.3 頂破性

頂破性能較好地模擬針織物在大多數(shù)使用環(huán)境和使用過(guò)程中的失效情況，因此評(píng)價(jià)頂破性對(duì)于提高緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的使用壽命十分重要[2]33-36。

圖8反映了試驗(yàn)制備的6塊試樣的頂破性，可以看出：(1)同一組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物，S類的頂破強(qiáng)力與H類相近，故可知EPS的加入不會(huì)對(duì)織物的頂破強(qiáng)力造成不良影響。(2)對(duì)比3種組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物，組織類型對(duì)頂破強(qiáng)力有較大影響，其中33系列的頂破強(qiáng)力最高(H33為1 808 N，S33為1 800 N)，22系列的頂破強(qiáng)力次之(H22為1 447 N，S22為1 511 N)，11系列的頂破強(qiáng)力最低(H11為1 393 N，S11為1 390 N)。所有系列的頂破強(qiáng)力均能滿足運(yùn)動(dòng)防護(hù)材料力學(xué)性能的要求。

圖8 6塊試樣的頂破性

2.2.4 壓縮性

為探討填充EPS對(duì)緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物壓縮性能的影響，選取有代表性的H11、S11進(jìn)行有無(wú)填充的對(duì)比，選取S11、S22、S33進(jìn)行填充后不同組織類型的對(duì)比。

圖9反映了試驗(yàn)制備的4塊試樣的壓縮性，可以看出4塊緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀大致相同。應(yīng)力-應(yīng)變曲線分3個(gè)階段：接觸階段、平臺(tái)階段、壓實(shí)階段。接觸階段(即應(yīng)變?cè)?～45%)主要體現(xiàn)線彈性特征，可以看出H11的壓縮模量(斜率)高于S11，H11表現(xiàn)出更大的剛性。平臺(tái)階段(即應(yīng)變?cè)?5%～60%)主要體現(xiàn)壓縮變形特征，這一階段越長(zhǎng)，表明材料具有更大的壓縮變形能力，可以看出S11較H11具有更好的緩壓效果。壓實(shí)階段(即應(yīng)變?cè)?0%以上)織物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈指數(shù)變化。取相同應(yīng)變量65%，對(duì)比4塊試樣對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，可以看出，H11對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值最大，說(shuō)明在同樣的形變下H11所需的壓縮應(yīng)力更大，織物壓縮模量更高，H類織物體現(xiàn)出更硬的效果，也進(jìn)一步證明填充有EPS的S類織物整體表現(xiàn)更柔軟。此外，對(duì)比S類3種組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物可以看出，在接觸階段，S11壓縮模量最高，S22次之；在平臺(tái)階段，S33的壓縮變形性能最好；在壓實(shí)階段，S33壓縮應(yīng)力最小，試樣最柔軟，原因與33組織類型的中空結(jié)構(gòu)中空腔規(guī)格更大及緩沖材料EPS填充的更多有關(guān)。

圖9 4塊試樣的壓縮性(小圖為局部放大圖)

2.2.5 緩沖性

與研究緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物壓縮性一樣，緩沖性研究同樣選取代表性的H11、S11進(jìn)行有無(wú)填充的對(duì)比，選取S11、S22、S33進(jìn)行填充后不同組織類型的對(duì)比。

在落錘沖擊試驗(yàn)(沖擊能量皆為14 J)過(guò)程中，織物受沖擊后開(kāi)始產(chǎn)生形變，沖擊能量轉(zhuǎn)化為織物的彈性勢(shì)能；隨著織物凹陷深度的增加，接觸力逐漸增加，并達(dá)到峰值；隨后，織物被進(jìn)一步壓實(shí)，接觸力逐漸降低。圖10反映了4塊緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的接觸力-時(shí)間曲線(實(shí)線)和能量吸收-時(shí)間曲線(虛線)。從接觸力-時(shí)間曲線可以看出，它們的趨勢(shì)是一致的，其中S11最大接觸力比H11最大接觸力減小約450 N，S11、S22與S33三者的最大接觸力相近(約6 000 N)，接觸力值越小，則織物緩沖曲線越平緩，整個(gè)試樣能量吸收性越好，故可知緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物具有良好的抗沖擊性能[14]。從能量吸收-時(shí)間曲線可以看出，在緩沖過(guò)程中，H11吸收的能量為2.64 J，S11、S22和S33吸收的能量為6.42、6.12及6.01 J，可見(jiàn)緩沖材料EPS的加入能較大幅度地提高緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的緩沖性能，但S11、S22與S33的緩沖性能相差不大，說(shuō)明不同組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物內(nèi)部空腔及填充EPS的量對(duì)整體緩沖性能影響不大。

圖10 4塊試樣的緩沖性

3 結(jié)論

本文利用緯編空氣層織物中空的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以錦綸紗線與氨綸紗線作為原料，選用EPS作為填充材料，開(kāi)發(fā)緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物，并對(duì)不同組織類型的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物進(jìn)行透氣、透濕、拉伸、頂破、壓縮和落重緩沖試驗(yàn)，結(jié)果顯示：緩沖材料EPS的填充可以大幅度提高緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的透氣性、透濕性，可一定程度地改善緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物的拉伸性、壓縮性，極大地提高織物的緩沖性。因此，有填充的緯編空氣層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)緩沖織物具有良好的服用舒適性能和力學(xué)防護(hù)性能，可用于開(kāi)發(fā)柔性可穿戴類防護(hù)材料，具有潛在的應(yīng)用前景。