针织结构材料在安全防护领域的应用研究进展

马丕波， 孙亚鑫

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122)

安全防护是指在特定环境下，采取必要的防护措施，使人员和动物免受机械、生物、物理和化学等因素的伤害，包括防火、防严寒、防辐射、防刺、防割、防弹以及防生化侵蚀等方面。纺织材料及其产品具有结构稳定性强、力学性能优异和制造成本较低的优势[1-3]，在安全防护领域具有广阔的发展前景。随着国家对安全防护的日益重视，安全防护用纺织品成为目前纺织行业研究的热点，研发力度日趋增大。其中，针织结构防护材料具有柔软舒适、原料适应性广、质量轻、组织结构灵活多变、可设计性强、生产效率高以及可实现大面积防护等优点，广泛应用于运动、交通、消防、军工和救生等领域。本文介绍了针织平纹结构材料、经编网眼结构材料、经编间隔结构材料、绒类结构材料、轴向结构材料、负泊松比结构材料以及无缝结构材料等防护材料的制备方法、性能特点和应用现状，并对其未来发展方向进行了展望。

1 针织平纹结构材料

1.1 针织平纹结构材料应用现状

平纹结构织物是最简单的针织结构织物。有研究表明，冲击加载下平纹针织物的能量吸收要比同类机织物高[4]，而且相互串套的线圈结构使织物的初始模量较低。在抗切割方面，低初始模量有助于纱线的相对滑动，进而将应力分布在更大的区域上，以防止刀刃穿透织物[5-6]，因此，针织平纹结构主要用于防切割面料设计，制作防刺服装和防割服装[7]。研究人员还发现，经过剪切增稠液浸渍或涂覆，织物柔韧性几乎不变的同时，织物的抗弹道穿透和抗刺伤性能可明显提高[8-10]。

平纹针织物柔软舒适，富有延伸性，用于制作防电弧服、防割服、消防服的内衣、安全手套的内衬和劳动保护服等产品时，可以给人更好的穿着体验，减轻恶劣工作环境带来的不适感。与机织物相比，平纹针织物具有更好的悬垂性与包覆性，制成的灭火毯在覆盖火源时与燃烧物体间空气含量更少，能更快地扑灭火焰。同时经编可生产宽幅织物，因此经平组织织物是制作大幅宽、无拼接阻燃窗帘的最佳选择。

1.2 针织平纹结构材料应用展望

平纹织物由于其简单的结构与易编织性，目前是许多智能纺织品常采用的组织结构，因此智能化是该类材料的未来重要发展方向。近日马里兰大学报道了能根据环境温度自动扩展与收缩的平纹智能织物，此类织物有望用于个体热防护领域[11]。

2 经编网眼结构材料

2.1 经编网眼结构材料应用现状

网眼结构是经编的特色，通过设计符合要求的穿经方式和垫纱运动规律，使相邻线圈纵行局部失去联系，在织物上形成形态稳定、大小形状不同的网眼。拉舍尔经编网具有表面光滑无结、耗用原料少、质量轻、安装方便、成本低、受力均衡牢固和防护效果好等优点，具有广泛而巨大的发展前景。拉舍尔经编网在建筑领域可用于施工处的无结防护网、侧向保护网和脚手架保护网等，能有效地防止人身、物体坠落造成的伤害，防止电焊火花所引起的火灾；在运动场地可用作接球网、场地防护网，不仅起到分隔场地的作用，还能保护邻近人员不受飞来球体的伤害；在采矿场地，可用作防落石网，保护工人不受落石的砸伤。此外，采用网眼基布/聚氯乙烯泡沫涂层技术开发出的气密防水布，不仅气密性和平整性优良，还具有良好的拉伸强度、撕裂强度和剥离负荷，耐用性好，常用于制作救生艇、救生圈等救援装备。

2.2 经编网眼结构材料应用展望

由于网眼结构织物制备相对容易，技术要求相对较低，该类材料未来发展主要在提高外观与扩大材料应用领域两方面。在建筑用防护网领域：一是利用提花技术编织公司的商标或其他花型，这不仅是一种新颖而有效的宣传手段，可改善外观进而极大提高产品附加值；二是采用可降解纤维原料制备防护网，在一定时间后材料可完全降解，对环境没有任何污染，这是该类产品的一个应用趋势。同时采用超高分子量聚乙烯等高性能纤维制备该类经编网眼织物可提高材料力学性能，同时显著降低织物的质量，从而促进该类材料在航天、深海等特殊领域的安全防护应用。

3 经编间隔结构材料

3.1 经编间隔结构材料应用现状

经编间隔织物是由在前后针床分别单独编织的2个表面层和在前后针床上轮流垫纱成圈、起连接和支撑作用的间隔纱组成[12]。由于这种稳定的三维立体结构，间隔织物的力学性能独特，在许多应用领域发挥着重要的作用。

间隔织物具有透气性好、能量吸收能力强和接触峰值力低等优点[13-14]，其能量吸收能力还可通过改变结构参数来调节，以满足特定的最终用途要求，是一种理想的缓冲用防护材料[14-15]。制备人体盔甲时，用间隔织物构筑衬里材料，在保证防护能力的同时，有助于满足穿着柔软、灵活和舒适的要求[16]。间隔织物的厚度、间隔丝粗细、间隔纱倾斜角大小和表面层紧密程度都会对间隔织物的能量吸收性能产生影响。

大隔距经编间隔织物的隔距能在100～650 mm之间变化，在更大范围内满足了不同织物的厚度要求。在使用时充气，即可膨胀到所需厚度和形状；使用完毕后放气，折叠后方便收纳和携带。同时间隔纱可保证织物在充气后两面的平整性。充气后的大隔距经编间隔织物具有优良的缓冲保护作用，可吸收碰撞时过大的冲击力，减少人员伤亡，常用作意外事故如火灾救护时的救护垫、滑雪道两边的防撞板、运动防护用的瑜伽垫和武术训练气垫等。此外，超轻的质量和较大的体积赋予其很强的浮力，适于制作浮桥和救生艇等急救装置。

3.2 经编间隔结构材料应用展望

经编间隔结构材料由于其本身的三维效果，在安全防护领域具有广泛的应用前景。经编间隔织物/剪切增稠复合胶材料整体成形性好，在防摔倒、防刺甚至防弹领域具有极大应用潜力。在智能热防护领域，间隔织物被撑开的2个表面层之间保持的静止空气含量高，有利于提高织物的隔热性能，特别适合用作消防防护服、消防面罩和防寒服的内衬。采用温敏形状记忆纱线作间隔丝，间隔织物的厚度可随温度变化而改变(见图1)，可提高织物的环境适应性。

图1 温敏间隔织物示意图

Fig.1 Schematic diagram of temperature sensing spacer fabric

4 针织绒类结构材料

4.1 针织绒类结构材料应用现状

针织物可通过拉绒、剪绒和磨毛等后整理获得绒毛效应。纬编形成长毛绒还有在编织过程中喂入毛条和割断毛纱2种方法：毛条喂入式织物厚度较大，但其产品弹性较大，需经底部上浆和定型；毛纱割圈式织物毛高较低，但尺寸稳定性改善。经编绒类织物还能在双针床经编机上生产，下机经剖幅形成。剖幅织物绒毛丰满且不倒伏，抗压性强，吸湿透气性好。

绒类针织物纱线间的缝隙孔洞小，不能形成流畅的热对流通路，对流换热较弱，而且排列紧密的绒纱间有大量干燥的静止空气，具有优异的保暖性能，是用于制作防寒服的理想材料。目前采用聚酰亚胺纤维通过纬编制作的绒类产品由于具有极好的阻燃与保暖效果，已经用于森林武警制服。

4.2 针织绒类结构材料应用展望

在针织绒类基础上采用新型原料制备具有新功能的产品是该类材料的发展方向。丁志荣等[17]用纯涤纶纬编单面绒织物作为吸波面料的基布，经过吸波剂浸渍整理后，开发出柔性宽频绒面吸波面料。与平面吸波涂层面料相比，该复合面料更柔软，既满足了有效吸收电磁波所必须的厚度，又实现了涂层面料的轻量化，还具有吸波频带宽、保暖性好等优点，适用作防护服面料。

伪装网是一种重要的伪装遮障器材，在战场上是兵器装备、军事设施等军事目标的有效隐藏手段[18]。采用涂覆了深层吸波材料的扁丝作间隔丝，在双针床经编机上编织间隔织物，下机剖幅后即制成伪装网(见图2)。这种经编伪装网的底布可牢固绑缚扁丝，结构稳定性好。同时绒毛外观与草地相似度极高，进一步提高了伪装效果，有望成为下一代军用伪装网的主力产品。

图2 经编伪装网

Fig.2 Warp-knitted camouflage mat

在经编伪装网结构基础上，采用聚乙烯低弹纱制备的高仿草皮材料，既具有草皮外观，又具有较高的强度，可广泛用于城市工程建设中的安全防护，同时还可用于取代传统的人造草坪。这也是针织绒类结构材料在安全防护领域应用的一个重要方向。

5 针织轴向结构材料

5.1 针织轴向结构材料应用现状

在针织物的横向、纵向或斜向衬入平行伸直的增强纱线形成轴向织物。伸直的衬纱被线圈牢固绑缚，所以轴向针织物在衬纱方向上的抗拉强度显著提高，而且轴向纱线的合理排列可将冲击载荷均匀地分布到整个结构中，是制作复合装甲的理想材料之一[19]。轴向织物按绑缚衬纱的方式不同，可分为经编或纬编轴向织物：经编轴向织物的绑缚系统为经平组织或编链组织；而纬编轴向织物的绑缚系统为纬平针组织或罗纹组织[20]。针织轴向织物具有纱线性能利用率高、原料选择范围广、尺寸稳定性强、结构整体性好、设计灵活多变和对树脂的渗透性好等优点，应用十分广泛。

复合材料盔壳整体增强织物采用高性能纤维材料织造加工，可在大曲率曲面模具上实现无褶皱、无裁剪、无搭接的整体铺覆成形[21]。纬编双轴向多层织物(MBWK)和经编多轴向织物(MWK)都可实现盔壳的一体成形，省去了裁剪、铺覆等工艺，生产效率高，节省原料，而且避免了因层合结构不连续、厚度不匀、易起褶皱而导致头盔不同部位防护性能的差异，有利于提高头盔的抗冲击和抗弹性能。其中，MBWK的仿形铺覆能力比MWK更好，更适合用作头盔壳体增强织物。

5.2 针织轴向结构材料应用现状

针织轴向结构材料作为一类重要的产业用纺织品，在安全防护领域具有很好的应用前景，材料功能化是其发展方向。Erdem[22]以导电性能优异的不锈钢纱线和碳长丝纱为增强材料制备出用于电磁屏蔽的多轴向织物，可减少电磁波对人体健康的损害。

6 针织负泊松比结构材料

6.1 针织负泊松比结构材料应用现状

负泊松比材料表现出不同于大多数传统材料的特性：拉伸时变宽，压缩时变窄[23-24]。这种特性使负泊松比材料具备了更优异的性能：同向曲率、形体贴合性好、抗剪切性增强、平面断裂韧性增加、抗压痕性提高以及能量吸收性能更好等，所以在护腕、护膝、防弹服等防护服装和装备中有很大的应用潜力[25-28]。

通过纤维结构、纱线结构以及织物结构设计使纺织品具有负泊松比效应。与前2种方法相比，织物结构设计法具有连续制造、低成本、材料限制小(可使用非负泊松比纤维或纱线)等优点[29]。其中，针织结构由于在设计制造中的灵活性和通用性，更容易实现负泊松比结构的编织。目前利用针织技术开发的负泊松比织物主要基于内凹结构和折叠结构原理[30]。Chang等[31]研究了负泊松比经编间隔织物在低速冲击下的能量吸收性能与负泊松比值的关系发现，负泊松比绝对值越大，织物的能量吸收力和抗冲击性能越好，在抗冲击防护领域具有广阔的应用前景。

6.2 针织负泊松比结构材料应用展望

对针织负泊松比结构材料的研究目前还处于起步阶段，其产品还未广泛应用。未来应用主要取决于目前具有明显负泊松比效果的针织结构材料设计与产业化制备。

7 针织无缝结构材料

7.1 针织无缝结构材料应用现状

无缝技术通过组织和密度的变化实现织物的一体成形，产品设计简单，上机操作方便，不仅节省了劳动成本，缩短了产品的加工流程，还有助于服装穿着时的受力均匀[32-33]。

用于骑行自行车或者摩托车时的骑行服，在骑行过程中有保护人体的作用，它的抗风阻性好坏直接影响车手的骑行速度。无缝结构专业运动服因有良好的贴身性和小的风阻性，而且对人体不会产生缝迹摩擦与压力，已在一些竞技场合穿用。

7.2 针织无缝结构材料应用前景

由于无缝织物没有接缝，避免了接缝处的弱环，这使得其各项性能比较稳定，因此在其他领域具有很好的应用前景。Fabdesigns公司开发了一系列用于宇航服的高度灵活的针织无缝织物，使用芳纶等高性能纤维，结合特殊的组织结构设计，不仅可为宇航员提供阻燃和热防护、射线防护功能，还能提供合适的压力从而解决失重条件下的肌肉损失。在其他领域，具有复杂形状的无缝结构，材料可用作车用安全气囊和消防面罩等相关产品的制造。

通过将功能性或智能性元件同时集成在针织无缝结构上，进行智能化设计，可达到运动数据监测、健康监测、病症缓解等效果。

8 结束语

在满足安全防护要求的情况下，针织物的线圈结构使其比机织物具有更好的延伸性和舒适性，制成的防护服穿着舒适性更好。针织组织的可设计性强，不同组织和密度的针织物种类繁多、性能各异，可满足多种场合的需求，具有广泛应用范围。此外，针织技术成形性好，可编织出各种三维立体形状，减少面料拼接对织物防护性能的影响。因此，针织结构材料在安全防护领域的应用具有广阔的发展前景。

结合针织结构特点与当前科技发展，智能化与多功能化将是针织安全防护类产品的发展方向。智能针织产品可根据环境变化，收集与分析相关数据，使针织产品结构自动调整以适应安全防护需要；针织安全防护产品能结合多种功能，使其满足多种安全防护条件，保护人身安全；针织安全防护产品还具有时尚、便于携带与存储等特点。

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