防切割用 PVA 纱线及其织物的综合性能研究

王嘉晔 张伟 王海楼 严雪峰 顾云翔 瞿建刚 胡建华

摘要：针对常被用作防切割纱线原材料的超高分子量聚乙烯纤维和芳纶所存在的吸湿性差、染色困难及成本高等问题。以高强高模PVA纤维为原料制备了PVA短纤纱（31.11 tex、44.44 tex、58.89 tex）、PVA/钨丝包芯纱（29.53 tex）、PVA/玻纤包芯纱（29.53 tex），并制备了具有防切割功能的织物。通过拉伸测试和可染性试验，探究短纤纱的力学性能、温度敏感性、染色性和包芯纱的耐折性；通过防切割测试、耐撕裂测试、耐磨性能测试，探究防割用PVA织物的综合性能。研究结果表明：与PVA/玻纤包芯纱相比，PVA/钨丝包芯纱具有更好的耐折性能；PVA纱线耐温性优于超高分子量聚乙烯纱线，且具有良好的染色性；短纤纱织物防切割综合使用性能与纱线力学性能呈正相关；PVA/钨丝包芯纱织物防切割综合性能最优，可达5级防切割性能。

关键词：高强高模PVA纤维；包芯纱；织物；染色；防切割

中图分类号：TS151      文献标志码：A   文章编号：2097-2911-（2024）02-0010-09

Research on the comprehensive performance of anti-cuttingPVA yarns and fabrics

WANG Jiaye1，ZHANG Wei1，WANG Hailou1*，YAN Xuefeng1，GU Yunxiang 2，QU Jiangang 1，HUJianhua 3

（1. School of Textile and Clothing， Nantong University， Nantong， Jiangsu 226019， China；2. Miaoli Precision Equipment （Zhangjiagang） Co.， LTD.， Zhangjiagang， Jiangsu 215600， China；3.Texhong Textile Group Nantong Chongtian Spinning Co.， LTD.， Nantong， Jiangsu 226000， China）

Abstract： At present， ultra-high molecular weight polyethylene fiber and aramid fiber are generally used as the raw materials for anti-cutting yarns， which have the disadvantages of poor moisture absorption， poor dyeability and high cost. High-strength and high-modulus PVA fibers were selected as the raw material to prepare PVA sta- ple yarns （31.11 tex， 44.44 tex， 58.89 tex）， PVA/tungsten core-spun yarns （29.53 tex）， PVA/glass fiber core-spun yarns （29.53 tex）， and anti-cutting fabrics were also prepared. The mechanical properties， temperature sensitivi- ty， dyeability and folding resistance of staple fiber yarns and core yarns were investigated by tensile test and dye- ability test; the comprehensive performance of anti-cutting PVA fabrics was investigated by anti-cutting test， tear-resistant test and abrasion-resistant test. The results show that： compared with PVA/glass fiber core-spun yarn， PVA/tungsten core-spun yarn has a better folding resistance; PVA yarn has a better temperature sensitivity than UHMWPE yarn， and has a good dyeing properties; the comprehensive performance of anti-cutting fabrics has a positive correlation with the mechanical properties of yarns; the comprehensive performance of anti-cut-ting fabrics of PVA/tungsten core-spun yarns is optimal and can reach the anti-cutting performance of grade 5. Keywords： PVA fiber with high strength and high modulus; core-spun yarn; fabric; dye; cut resistance

我國作为制造业大国，劳动人口基数庞大，但由于防护水平低下，在生产过程中受伤比例较高。随着人类安全防护意识的提高、劳动法对劳动者个体安全防护制度的完善，安全与防护用纺织品的综合使用性能要求与日俱增[1]。开发防切割类纺织品具有重要实际意义，其中佩戴防切割手套是手部作业时最直接有效的防护手段之一[2]。

常见的防切割手套分类有钢丝网防切割手套、高性能纤维手套[3]、针织涂层手套[4-6]等。柔性防切割手套的纱线材料需要具备高强高模、高吸能、耐冲击等特征[7]。目前对于防切割纱线的研究更多侧重于芳纶纤维[8-9]、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维[10]、无机高性能纤维（玻璃纤维、金属纤维、陶瓷纤维）等[11]。除了使用高强高模纤维外，防切割手套纱线[12]还会采用高性能纤维包覆其他种类纤维成纱。田鹭新[13]等指出包覆纱的拉伸性能优于相同线密度的纯纱线，而且包覆纱织物的抗割性能随着包覆纱捻度的增加而降低。对于同一种包覆纱结构，包覆纱织物的防切割性能与包覆纱的抗拉强度呈正相关关系，其芯丝通常选择钨丝、不锈钢丝[14]、玻纤[15]等高强纤维，赋予纱线更高的防切割能力。金属纤维，具有一定延展性；而玻纤为无机纤维，其脆性明显，断裂后易造成穿戴不适。

UHMWPE纤维是柔性防切割手套常采用的原料，但存在以下问题：①熔点为110℃左右，高温环境对纤维性能影响大[16]；②可染性差，杨正国[17]指出由于超高分子量聚乙烯纤维不易染色，色彩较为单调，难以满足消费者多样化的需求；③聚乙烯分子取向度与结晶度高[18]，导致UHM- WPE 纤维卷曲性、抱合力差，难以纺制短纤纱。另外，芳纶纤维的生产成本高，不利于推广使用。

高强高模聚乙烯醇（PVA）纤维是一种高强、高模、耐冲击性高、耐候性好、吸湿性好的高性能纤维，能够满足防切割手套原材料的特性要求；其熔点为230℃左右，能够适应高温工作，且价格相对较低，利于推广使用。高强高模PVA纤维性能介于芳纶与PET之间，但在价格方面优于芳纶；与超高分子量聚乙烯纤维相比，可具有较好吸湿性、染色性[19]、耐温性和棉感。但关于以 PVA纱线为原料的防切割制品的相关研究较少。

因此，本文選用高强高模PVA纤维作为防切割手套的原料，纺制PVA短纤纱与包芯纱以及相应的纬编织物。通过拉伸性能测试，探究高强高模PVA短纤纱与包芯纱的力学性能、耐温性能、耐折性能；通过染色试验探究PVA的可染性；通过织物的防切割测试、撕裂测试、耐磨测试探究 PVA纬编针织物的综合防切割性能[20]。

1材料制备及测试方法

1.1高强高模PVA纱线及其织物制备

高强高模PVA纤维具有良好的吸湿性、耐温性，所制备的织物具有优异的棉感，穿戴舒适。本文所用高强高模PVA纤维来自于永安市宝华林实业发展有限公司，PVA 短纤维的长度为38 mm、细度为2 dtex，其初始模量达283 cN/dtex，断裂强度达8 cN/dtex。

1.1.1高强高模PVA纱线制备

PVA短纤纱的主要制备工艺流程：梳理—并条—粗纱—细纱—络筒，通过控制牵伸倍数，纺制出31.11 tex、44.44 tex、58.89 tex 的 PVA 短纤纱。

PVA包芯纱制备：选用PVA粗纱为外包纱，在细纱制备阶段分别添加0.02 mm钨丝、5.56 tex 玻璃纤维束为芯纱，在细纱机上完成包芯纱的制备，制得包芯纱细度为29.53 tex 。其中钨丝断裂伸长率与抗拉强度分别为：5.4%、3184 MPa；玻纤断裂伸长率与抗拉强度分别为：3.8%、1191MPa。

1.1.2高强高模PVA织物制备

通过E18纬编针织机，将不同细度PVA短纤纱和 PVA/钨丝包芯纱织成纬平组织结构织物。织物结构参数如表1所示。

1.2测试与表征

1.2.1纱线拉伸性能

根据 GB/T 3916-2013《纺织品单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定》采用万能材料试验机（INSTRON，型号5969）对纱线进行拉伸测试。

1.2.2纱线色相测试

采用Datacolor 800型测配色仪，对试样进行色相测试。

1.2.3织物防切割能

根据 ASTM F1790测量防护服用材料的抗切割性的标准试验方法，裁剪25 mm×100mm的试样五块，设定刀片以2.5 mm/s 的速度运行切割试样，以试样被割破距离为25mm 时的切割力来表征材料抗切割性能。表2为防切割等级评价指标。

1.2.4织物耐撕裂性能

根据 GB/T3917.3-2009《纺织品织物撕破性能第3部分：梯形试样撕破强力的测定》。按照 EN388抗撕裂等级评定，如表3所示。

1.2.5织物耐磨性能

在标准大气压下对直径120 mm 试样调湿后，采用YB522型织物耐磨仪，选定500 g砝码，对试样经过持续摩擦、记录试样表面出现破损时摩擦次数。按照EN388评定耐磨等级，如表3所示。

2结果与讨论

2.1高强高模PVA纱线拉伸性能

2.1.1不同线密度高强高模PVA短纤纱拉伸性能

PVA短纤纱载荷-位移曲线如图1所示。纱线断裂强力与纱线线密度呈正相关关系；短纤纱断裂强度基本稳定，为4.0 cN/dtex。

2.1.2高强高模PVA纱线温度敏感性

选用400 tex PVA 长丝纱与88.89 tex UHM- WPE长丝纱，分别在25℃、100℃、120℃温度下测试其拉伸性能，将两类纱线断裂强力做归一化处理，探究两类纱线在高温中的力学性能稳定性。高温场中试样强力保持值如图2所示。

结果显示：当环境温度升高到100℃时， UHMWPE长丝纱强力下降程度较高强高模PVA 长丝纱更大，说明PVA长丝纱在高温场中表现出更好的性能稳定性。因此以PVA纱线制备的防切割手套在高温环境中具有更稳定的防切割性能，可更有效地降低在作业中因环境温度变化引起的防切割性能降低，避免安全事故发生。

2.1.3 PVA包芯纱拉伸性能

PVA/钨丝包芯纱、PVA/玻纤包芯纱载荷-位移曲线如图3所示。两种不同芯丝制得的 PVA 包芯纱拉伸性能相似，包芯纱的强力主要表现在外包纱高强高模PVA和芯纱上。芯纱中钨丝、玻纤的加入使得包芯纱的拉伸强力有较大提高。

PVA/钨丝包芯纱强力经过初始线性阶段后到达屈服点，再经过屈服平台区后，纱线拉伸强力再次上扬，直至断裂呈阶梯式下降现象；在此拉伸过程中，PVA/钨丝包芯纱受力由钨丝芯纱和 PVA外包纱共同承受，直至最后断裂阶段，芯纱和外包纱形成不同时断裂。PVA/玻纤包芯纱强力增长到一定程度后出现明显的波动现象，然后继续增长，最后呈断崖式下降；在此拉伸过程中，玻纤断裂伸长较小，较早出现玻璃纤维束的不同时断裂，随后由PVA外包纱起到主承力作用，直至纱线断裂。

为进一步研究在织物成型及使用过程中，纱线弯折行为对纱线力学性能的影响情况，本部分实验对试样纱线90°弯折一次后，测试纱线的拉伸性能（图3中虚线曲线）。利用对纱线弯折来模拟包芯纱织物及其使用过程中的弯折损伤，表征包芯纱耐折性能。与 PVA/钨丝包芯纱相比，经弯折处理后，PVA/玻纤包芯纱的力学性能损失较严重。这是由于玻纤较脆、易折断，而钨丝延展性好，所以以钨丝为芯纱的PVA包芯纱耐折性更强，其织物使用寿命将更持久。

另外，由于玻纤容易脆断，且刚性较大，容易导致在折断后露出织物表面，对皮肤造成扎伤，影响使用舒适性。因此后续的织物防切割性能研究选用PVA/钨丝包芯纱。

2.2高强高模PVA纱线染色性

目前市面上常见的防切割手套原料为超高分子量聚乙烯纱线，但存在染色困难，难以满足消费者需求。聚乙烯醇纤维的大分子上存在亲水性基团（羟基）和疏水性基团（缩醛基），所以对大多数染料都有不同程度的亲和力[21]。

本文选用分散红对PVA短纤纱进行分散染料染色，其工艺流程为：染液配置与试样准备—浸染（60℃升80℃;30 min）—水洗—干燥。其中染液 pH 值分别设为4、5、7，浴比1：50，染料1.5%（owf）。

从图4可以看出，当染液pH 值为7时，PVA 短纤纱上染后的颜色最浅且颜色偏黄；随着染液酸性浓度的增加，纱线颜色逐渐增加，染色均匀性也提高；当染液酸碱度为4时，纱线染色最深，上染过程中纱线对染料的吸附量高。

为进一步验证在不同 pH 值下纱线染色情况，测试纱线色相（CIE H值）、明度（CIE L值）与彩度（CIE C值）。 CIE L值、CIE C值分别表征其上染颜色深度与饱和度，CIE L 值越小，颜色越深；CIE C值越大，颜色饱和度越高。

纱线上染测试值如表4所示：当染色呈酸性时，上染纱线染色深度、色彩饱和度优于中性染液上染程度；染液 pH 值为4时，其纱线颜色深度与饱和度略高于染液 pH 值为5的上染纱线。

2.3高强高模PVA织物防切割性能

防切割手套中的防护性能是一种综合指标，单一的防切割指数不能够准确评价一副穿戴用柔性防切割手套。除了需要测试防切割性能外，还需涉及到织物的抗撕裂性、耐磨性等。

PVA短纤纱、PVA包芯纱的切割力与切割距离关系如图5所示，两类织物切割力与切割距离间的关系基本一致：切割距离均随切割力的增大而减小。图5中阴影区域内存在刚好达到有效切割距离的临界切割力。根据最大有效切割力，确定防切割等级，如表5所示。

PVA 短纤纱织物防切割等级均只达一级； PVA/钨丝包芯纱织物使用2200 g砝码质量切割出有效长度，防切割等级达到5级，这是由于刀片在切割织物过程中，PVA包纱线中钨丝阻挡了刀片对织物的持续伤害，使得 PVA/钨丝包芯纱的防切割能力较 PVA 短纤纱织物有极大地提高。此切割等级制品可用于减少在极端切割危险中非常锋利刀片对手部的伤害，如肉类加工、重金属冲压和平板玻璃工作等。

2.4織物耐撕裂性能与耐磨性能

织物的耐撕裂与耐磨性对材料的防切割综合性能与使用寿命起着关键作用。织物的撕裂是指织物边缘受到集中负荷而撕开的现象；耐磨性是指织物在一定条件下抵抗外界摩擦的能力，手套的耐撕裂性与耐磨性是评价手套防切割性能的综合性指标之一。

织物横向、纵向撕破强力如图6所示。PVA 短纤纱织物为耐撕裂3级，PVA/钨丝包芯纱可以达到耐撕裂4级。所有织物的纵向撕裂强度均大于横向撕裂强度。PVA短纤纱织物纵向与横向的撕裂强力均随所用纱线线密度的增大而增加。

PVA/钨丝包芯纱织物纵横向撕裂强力明显高于PVA短纤纱织物撕裂强力；由于钨丝芯丝的加入提高了纱线强力，从而使得织物的耐撕裂强力也有所提高。

高强高模PVA短纤纱织物随着纱线线密度的增加，其耐磨性变得更加优异。耐磨性能等级如表6所示：58.89 tex PVA短纤纱织物的耐磨擦性能等级测试可达3级；PVA/钨丝包芯纱织物耐磨等级也为3级，但其耐磨圈数远远大于58.89 tex PVA包芯纱，接近于4级。

织物的磨损主要归结于织物中纱线受到机械损伤或者纤维间的联系遭到破坏[22]。纱线力学性能的差异直接影响织物的耐磨性能。当织物结构、纱线种类相同时，纱线的细度越大，织物的耐磨性能越优异。

在PVA短纤纱织物磨擦过程中，织物表面从整洁逐渐变得毛糙，直至纱线断裂，形成破洞，其摩擦过程如图7所示。在PVA/钨丝包芯纱织物磨擦测试过程中：首先是织物表面，即高强高模 PVA纱线受到磨损，当摩擦力大于纤维强力或纤维间的抱合力时，纤维发生断裂或被拉出形成绒毛和圈环，钨丝开始裸露在外并承受摩擦力，织物表面生成毛羽使得布面失去光泽，如图8所示；随着磨擦继续进行，钨丝与底层PVA外包纱线断裂，整根包芯纱断裂，织物出现破洞。

3结论

本文通过制备高强高模PVA纱线及其织物，研究了纱线的拉伸性能、温度敏感性、染色性，探讨了织物的防切割综合性能。得出以下结论：

（1）高强高模PVA纱线的拉伸性能随着线密度的增大而提高，断裂强度基本相同；相对于 UHMWPE长丝纱，高强高模PVA长丝纱在高温场中的力学性能更稳定。

（2）通过弯折纱线来模拟织物成型及其使用过程中弯折对纱线的损伤情况发现，PVA/钨丝包芯纱的耐折性优于PVA/玻纤包芯纱。

（3）采用分散染料对高强高模PVA纱线染色发现，高强高模PVA纱线的可染性较好，且在酸性条件下其上染率最佳。

（4）PVA短纤纱织物的防切割性能与纱线力学性能呈正相关，58.89 tex PVA短纤纱织物防切割性优于31.11 tex、44.44 tex PVA 短纤纱织物； PVA/钨丝包芯纱织物防切割性能优于PVA短纤纱织物，可达5级防切割标准。

（5）在耐撕裂性、耐磨性能方面，PVA/钨丝包芯纱织物也均优于PVA短纤纱织物，其耐撕裂等级达4级、耐磨等级达3级，防切割综合性能最佳。

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（责任编辑：周莉）