织物顶破强力与刺破强力测试方法分析

袁彬兰+++++戈强胜++++李红英

摘要

本文简述了织物刺破强力和顶破强力的关系，并简要分析了不同测试条件下对织物刺破强力和织物顶破强力的影响。

关键词：刺破强力；顶破强力；钢球直径；顶杆；顶破速度

1 引言

织物的刺破与顶破测试是两个相似的过程，均为固定织物边缘，通过刺破顶杆和顶破钢球对织物进行力学破坏的过程[1]。织物的顶破性能和刺破性能都是表征织物力学性能的重要指标，目前测试标准主要有：GB/T 19976—2005《纺织品 顶破强力的测定 钢球法》[2]和GB/T 23318—2009《纺织品 刺破强力的测定》[3]。前者规定了两种不同的钢球直径：25mm和38mm，顶破速度为300mm/min；后者规定了三种不同的顶杆：顶杆A（顶杆Φ2mm 、尖头R 0.25mm）、顶杆B（顶杆Φ1mm 、圆头R 0.50mm）和顶杆C（顶杆Φ2mm、尖头R 0.50mm），刺破速度为500mm/min。不同的钢球直径/顶杆规格和顶破/刺破速度对顶破强力/刺破强力结果影响较大。

目前，对于织物的顶破和刺破的研究，主要集中在刺破与顶破机理研究及研发具有高刺破和顶破强力的纺织材料与纺织产品方面，而对于刺破和顶破测试影响因素的研究较少[4]。虽然钢球顶破和顶杆刺破机理不同，但从钢球和顶杆对织物的破坏形态来看，有其相似性。本文从刺破强力和顶破强力方面，研究顶破钢球直径、顶破速度对织物顶破强力的影响，以及顶杆规格、刺破速度对织物刺破强力的影响，并分析顶破和刺破的相互关系。

2 试验方案设计

2.1 试验材料

选取6种不同织物进行顶破和刺破试验，试样具体规格如表1。将布料裁剪成标准GB/T 19976—2005或GB/T 23318—2009规定的大小，置于温度（20±2）℃、相对湿度（65±4）%的标准大气条件下平衡24h。

2.2 参数设计

采用INSTRON型电子强力机，按标准GB/T 19976—2005和GB/T 23318—2009中的试验步骤，分别用不同速率、钢球直径和顶杆规格测试样品的顶破强力和刺破强力。其中顶破/刺破速率选择三种：100mm/min、300mm/min和500mm/min；钢球直径选择20mm、25mm和38mm三种；顶杆规格选择顶杆A（顶杆Φ2mm 、尖头R0.25mm）、顶杆B（顶杆Φ1mm 、圆头R0.50mm）和顶杆C（顶杆Φ2mm、尖头R0.50mm）三种。试验中的顶破强力和刺破强力均为3次结果平均值。

3 试验结果及分析

3.1 顶破试验结果及分析

采用20mm、25mm和38mm三种钢球直径，顶破速度为300mm/min；采用顶破速度100mm/min、300mm/min和500mm/min，选择38mm钢球直径，按标准GB/T 19976—2005中的试验步骤测试6种织物的顶破强力，结果见表2。

由表2可知，钢球直径越大，织物顶破强力也越大。随着钢球直径的增大，钢球与织物的接触面积增大，织物中同时受力的纱线或线圈的数量增大，导致织物的顶破强力增大，即钢球直径越小，织物顶破破坏需要的顶破强力也越小。

由表2还可以发现不同织物的顶破强力虽有差异，但主要在于织物结构和构成纱线的性能差异。同种织物、不同顶破速度时顶破强力变化不明显，其原因在于顶破测试速度低，可忽略高速拉伸条件下的显著冲击力传播和应变率效应，因此，织物在低速的顶破过程中其纱线的断裂强力不受速度的影响。另外，由于织物顶破高度不变，顶破钢球与织物圆形接触的边缘长度和织物受力面积不变，同时织物与钢球接触边缘的纱线起拱角度不变，纱线断裂强力在顶破方向的分力不变。顶破速度的变化对于织物顶破强力相关的断裂纱线在顶破方向的分力、边缘长度与织物受力面积均不产生显著影响。因此在低速下，顶破速度对织物顶破强力影响不大[5]。

3.2 刺破试验结果及分析

采用顶杆A、顶杆B和顶杆C，刺破速度为500mm/min；采用刺破速度100mm/min，300mm/min和500mm/min，选择顶杆B，按标准GB/T 23318—2009中的试验步骤测试6种织物的刺破强力，结果见表3。

由表3可知，圆头顶杆B的刺破强力明显小于尖头顶杆A和C的刺破强力，表明顶杆直径越小，其刺破强力越小；对比尖头顶杆A和尖头顶杆C结果可看出顶杆曲率半径越小其刺破强力越小，表明尖头顶杆的刺破强力随着尖头顶杆曲率半径的增大，其刺破强力也增大。分析原因，顶杆直径越小，在刺破过程中与织物的接触面积越小，同时受力的纱线根数越小，其刺破强力也就越小；顶杆直径相同时顶杆曲率半径小的刺破圆锥面积相对小，在刺割织物过程中与织物接触面积小，承力的纱线根数较少，且因刺割断裂的纱线数量也少，织物的刺破強力减小。

由表3还可以看出，6种试样的刺破强力不同，取决于织物结构和构成织物的纱线性能。但对每种试样而言，在三种测试速度下的刺破强力测试结果差异不大，没有统一规律。分析原因，织物的刺破过程是织物与刺破顶杆接触过程中的接触纱线的断裂，夹持织物中的纱线由于纱线的传播速度较快均受张力而发生变形，刺破破坏对织物快速刺割或冲击效应不明显。故当确定了织物试样和测试条件时，织物在低速条件下的刺破强力受刺破速度影响小。

3.3 刺破与顶破测试对比分析

分别采用三种不同的钢球直径和三种不同顶杆，选择速度为500mm/min，按标准GB/T 19976—2005和GB/T 23318—2009中的试验步骤测试6种织物的顶破强力和刺破强力，结果见表4。

从表4可以看出，同种织物在相同条件下的顶破强力要比刺破强力大，高了一个数量级。其原因在于顶破破坏为与钢球边界处的织物圆形边缘的纱线达到同等应变，所有纱线的应变达到织物最小断裂应变；而刺破破坏首先是刺破顶杆的刺入，接着刺破力为织物刺破局部区域纱线沿着刺破顶杆表面相对滑动的摩擦力和该局部区域纱线在刺破圆锥轴向上的分力之和[5]。另外，刺破测试所用的顶杆直径比顶破测试用的钢球直径小，则织物刺破局部区域的受力纱线数量少、纱线应变小，故在数值上织物的刺破强力远小于顶破强力。

顶破强力大的织物，其刺破强力也相对较大，分析其原因，无论是织物的顶破还是刺破，其最后的破坏都是纱线的断裂或线圈的脱散。而对于织物而言，纱线强力大，组织结构牢固，其顶破强力必然较大，而这点也体现在织物的刺破强力上。所以，织物刺破强力和顶破强力的大小，都是由织物本身的组织结构和纱线强力等因素决定的，即通常顶破强力大的织物，其刺破强力也相对较大。

4 结论

（1）顶破强力与钢球直径有显著相关性，钢球直径越小，其顶破强力越小。刺破强力与顶杆直径及顶杆曲率半径有显著相关性，顶杆直径越小，其刺破强力越小；顶杆曲率半径越小其刺破强力越小。测试顶破/刺破强力时，织物中同时受力的纱线或线圈的数量越大，织物的刺破/顶破强力也越大。

（2）在低速条件下，速度对顶破/刺破强力的关系不显著。试验表明不同速度下的顶破/刺破强力变化不明显，没有统一规律。

（3）同种织物在相同条件下的顶破强力要比刺破强力大，高了一个数量级。顶破强力大的织物，其刺破强力也相对较大。

参考文献：

[1] 姜怀， 邬福麟，梁洁，等.纺织材料学[M].北京：中国纺织出版社，1996：484-486.

[2] GB/T 19976—2005 纺织品 顶破强力的测定 钢球法[S].

[3] GB/T 23318—2009 纺织品 刺破强力的测定[S].

[4] 乔咏梅.织物特性对材料防刺性能的影响[J].纤维复合材料，2015（4）：10-12.

[5] 朱静，杜赵群， 于伟东.织物刺破与顶破测试方法对比研究[J].东华大学学报（自然科学版），2013，39（6）：726-731.

（作者单位：广州纤维产品检测研究院）