樹脂成型柔性防刺材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

近年來(lái)，國(guó)際性暴力和恐怖事件的發(fā)生，使人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到自身安全防護(hù)的重要性，促進(jìn)了對(duì)先進(jìn)個(gè)體防護(hù)裝備的開發(fā)和研究。2009年9月我國(guó)公安部下達(dá)公裝財(cái)(2009)705號(hào)文“關(guān)于下達(dá)防彈防刺服戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的通知”，希望盡快完成國(guó)產(chǎn)防彈防刺服的研制工作[1]。

防刺服主要是用于阻止匕首等常見(jiàn)銳器從各種角度對(duì)人體的攻擊，保護(hù)人體重要部位不受其刺傷的一種防護(hù)材料。根據(jù)主體防刺材料的柔韌靈活程度，目前市場(chǎng)上存在的防刺服可分為硬性、半硬性和柔性防刺服[2]。硬性和半硬性防刺服防刺性能優(yōu)異，但其防刺層厚度較厚，穿著舒適性差，靈活性不夠。柔性防刺服具有良好的防刺性能及優(yōu)良的柔韌性和隱蔽性，且可日常穿著，是近幾年來(lái)研究的重點(diǎn)。目前柔性防刺服主要采用對(duì)位芳綸[3]、超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 纖維[4]及聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑(PBO)纖維[5]等高性能纖維制備而得。晏義伍等[6]通過(guò)模壓成型工藝，采用芳綸、超高分子量聚乙烯與熱塑性樹脂基體Surlyn、聚氨酯(PU)樹脂制成軟體復(fù)合材料并對(duì)其防刺性能進(jìn)行了研究；Jessie等[7]研究了不同種類的熱塑性樹脂對(duì)復(fù)合材料防刺性能的影響。結(jié)果表明，樹脂與織物復(fù)合后可大大提高材料的防刺性能，與聚乙烯(PE)樹脂相比，Surlyn樹脂作為復(fù)合材料基體具有更好的防刺效果。方心靈等[8]研究了三種增強(qiáng)體對(duì)復(fù)合材料防刺性能的影響，指出芳綸無(wú)緯布復(fù)合材料的防刺性能最差，而芳綸機(jī)織布和芳綸非織造布交替組合的復(fù)合材料靶樣防刺效果最佳。

雖然研究人員對(duì)高性能纖維增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)及熱塑性樹脂進(jìn)行了研究，但不同材料體系的特性不同，仍需要對(duì)材料設(shè)計(jì)與防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。另外，防刺層常采用的高性能纖維材料本身具有有利于提高防刺性能的高強(qiáng)度、高模量、耐沖擊、高吸能等特性，但由于生產(chǎn)這些纖維的關(guān)鍵技術(shù)被杜邦、帝斯曼等公司壟斷，價(jià)格昂貴，因而增加了個(gè)體防刺服的生產(chǎn)成本。而滌綸、錦綸等普通合纖也具有一系列優(yōu)良的力學(xué)性能，斷裂強(qiáng)度和彈性模量高，同時(shí)生產(chǎn)工藝成熟，生產(chǎn)效率高，價(jià)格遠(yuǎn)低于高性能纖維。因此，本試驗(yàn)采用滌綸面料作為防刺材料的基布，通過(guò)與熱固性樹脂復(fù)合，利用網(wǎng)板成型工藝制備柔性防刺材料，對(duì)滌綸面料的組織結(jié)構(gòu)、密度和厚度等因素對(duì)防刺材料防刺性能的影響進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

本試驗(yàn)所采用的防刺基布為滌綸面料，其規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 防刺材料基布試樣參數(shù)

試驗(yàn)樹脂基體采用E44環(huán)氧樹脂、650聚酰胺樹脂固化劑、一定量的苯二甲酸二辛酯增韌劑、環(huán)氧稀釋劑(SM-90)和色粒。環(huán)氧樹脂是良好的黏結(jié)劑，具有黏結(jié)強(qiáng)度高、收縮率低、穩(wěn)定性好，以及優(yōu)良的強(qiáng)度和良好的加工性能等特點(diǎn)。環(huán)氧樹脂能固化在織物表面，與滌綸面料有優(yōu)良的黏結(jié)作用，固化后有較高的強(qiáng)度和硬度，能夠抵抗常規(guī)刀具、針管的穿刺。

1.2 樣品制備

本試驗(yàn)通過(guò)網(wǎng)板成型工藝對(duì)滌綸基布與環(huán)氧樹脂進(jìn)行復(fù)合，獲得具有一定花紋圖案的織物表層，使凸起的花紋圖案起到良好的防刺作用。環(huán)氧樹脂固化后形成的花紋之間存在間隙，可為柔性防刺材料提供一定的透氣性和柔軟性。

本試驗(yàn)采用上述工藝制得5種不同規(guī)格的樹脂成型柔性防刺面料，其區(qū)別主要在于所采用的基布面料不同，其他工藝相同，環(huán)氧樹脂固化后在基布上的高度相同，單層試樣參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 單層防刺材料試樣參數(shù)

1.3 測(cè)試儀器和方法

目前國(guó)外最具權(quán)威性的防刺測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)PSDB 2003[9]和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NIJ 0115.00[10]，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GA 68—2008《防刺服》[11]。這三種測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)所使用的刀具相同，都是開刃刀具，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)刀具

本文依據(jù)GA 68—2008標(biāo)準(zhǔn)，采用落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試裝置示于圖2。

圖2 落錘式防刺試驗(yàn)裝置示意

試驗(yàn)裝置的背襯材料由氯丁橡膠海綿、聚乙烯閉孔泡沫塑料和天然橡膠組成。試驗(yàn)前對(duì)背襯材料進(jìn)行反彈率測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)刀具加配重達(dá)到2.4 kg，以自由落體運(yùn)動(dòng)，最終獲得24 J沖擊動(dòng)能，對(duì)試樣進(jìn)行穿刺測(cè)試。每個(gè)試樣進(jìn)行5次測(cè)試，取刺穿層數(shù)最多的一組數(shù)據(jù)作為測(cè)試結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 單一面料組織結(jié)構(gòu)防刺試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用的柔性防刺試樣基布為表1所列的5種不同組織結(jié)構(gòu)滌綸面料。其中：1～3號(hào)基布試樣都是機(jī)織平紋面料，面密度及厚度不同；4號(hào)和5號(hào)基布試樣分別是針織面料和非織造面料。各種基布與環(huán)氧樹脂復(fù)合成型后，制得相對(duì)應(yīng)的單層柔性防刺試樣(表2)。對(duì)表2中同組織結(jié)構(gòu)的防刺層多層疊加進(jìn)行防刺試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 多層疊加防刺層的防刺試驗(yàn)結(jié)果

從表1可知，構(gòu)成試樣A、B、C的基布是3種相同織物組織結(jié)構(gòu)、不同面密度和厚度的防刺基布。表3的防刺試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著基布面密度和厚度的增加，試樣的抗穿刺性能逐漸提高，但其增加到一定程度(如從中型機(jī)織物到厚型機(jī)織物)后，其樣品的防刺性能并沒(méi)有顯著增強(qiáng)。這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂強(qiáng)度高，固化后有較高的硬度和強(qiáng)度，在防刺試樣受到穿刺時(shí)起到主要的防刺作用，而滌綸面料作為基布主要起到樹脂載體的作用，也對(duì)刀具起到一部分抵抗穿刺的作用。當(dāng)基布面密度很低，厚度很小時(shí)，基布阻抗刀具的作用力就會(huì)明顯下降，起不到防刺作用和載體作用，從而易于刺透。因此，防刺試樣的防刺能力初始會(huì)隨著基布的面密度和厚度的增加而明顯增強(qiáng)，但當(dāng)基布面料的面密度及厚度增加到一定程度后，基布與樹脂復(fù)合后的防刺試樣的防刺性能基本不再明顯提高。同時(shí)，隨著基布面料的面密度及厚度增加，防刺試樣的柔軟性、舒適性和透氣性也會(huì)進(jìn)一步下降。在本次試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)由中型機(jī)織平紋面料基布制成的防刺試樣既能起到較好的防刺效果，又能保持一定的柔軟性和舒適性，防刺性能優(yōu)于厚型機(jī)織平紋防刺層。6層中型機(jī)織平紋防刺層是該種防刺試樣防穿刺性能的臨界點(diǎn)，穿透厚度為11.12 mm，面密度為8 131.58 g/m2。

從表1可知，構(gòu)成試樣B、D、E的基布面密度大致相同，其中中型機(jī)織基布與針織基布厚度大致相同，非織造基布厚度較厚。由表3數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)，3種防刺試樣中非織造基布試樣E的防刺能力最好，中型機(jī)織基布試樣B的防刺能力次之，針織基布試樣D的防刺能力最差。這是因?yàn)榉强椩烀媪鲜怯衫w維隨機(jī)排列成網(wǎng)，基布具有各向同性，基布與環(huán)氧樹脂復(fù)合后進(jìn)行防刺試驗(yàn)，刀具穿刺的能量經(jīng)過(guò)樹脂傳遞到非織造基布中，并經(jīng)由纖維向各個(gè)方向傳遞，從而有效地減小了應(yīng)力集中現(xiàn)象，不易于刺透。機(jī)織平紋面料為各向異性材料，穿刺時(shí)所受到的能量主要沿經(jīng)緯方向傳遞，因此防穿刺能力次之，但與針織面料相比，機(jī)織平紋面料經(jīng)緯交織次數(shù)多，結(jié)構(gòu)緊密，可以起到有效握持“刀尖”的作用，因而能夠承受較大的穿刺能量。針織面料是由縱橫線圈串套而成，線圈與線圈之間的間隙較大，刀具尖端容易穿過(guò)線圈間隙致使基布破壞，因此相近規(guī)格的針織基布防穿刺能力最差。

綜合考察中型機(jī)織基布試樣和非織造基布試樣的各項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)非織造基布試樣E的防刺性能雖然稍優(yōu)于中型機(jī)織基布試樣B，但是其穿透厚度及面密度明顯大于中型機(jī)織基布試樣B，這就導(dǎo)致了非織造基布試樣E的柔軟性和舒適性較差，進(jìn)而也導(dǎo)致由其制成的防刺服的穿著舒適性下降。因此，對(duì)比單一組織結(jié)構(gòu)的滌綸基布，中型機(jī)織基布試樣能夠取得不錯(cuò)的綜合防刺性能，本試驗(yàn)以其為基礎(chǔ)制備了復(fù)合面料防刺試樣。

2.2 復(fù)合面料組織結(jié)構(gòu)防刺試驗(yàn)

根據(jù)單一面料組織結(jié)構(gòu)防刺試驗(yàn)，中型機(jī)織防刺層是機(jī)織防刺層中的最優(yōu)選擇，因此采用該中型機(jī)織防刺層b與針織防刺層d、非織造防刺層e相互復(fù)合進(jìn)行防刺試驗(yàn)，不同組織結(jié)構(gòu)的防刺層復(fù)合樣品試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

F、G和H三種試樣是分別由表2中的4層中型機(jī)織平紋防刺層b、4層緯平針織防刺層d與4層熱軋非織造防刺層e兩兩相互交替疊層，然后再對(duì)每?jī)煞N防刺層邊緣縫合起來(lái)制成的復(fù)合防刺層。

表4 不同滌綸面料基布復(fù)合結(jié)構(gòu)的防刺層試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，由中型機(jī)織防刺層與非織造防刺層交錯(cuò)鋪層所得的試樣F的防穿刺能力最強(qiáng)，該試樣抗穿刺能力不僅優(yōu)于表3中的單一組織結(jié)構(gòu)基布所制成的試樣B、D、G，而且優(yōu)于其他兩種防刺層相互交錯(cuò)鋪層所制成的G、H試樣。這主要是由于試樣F是由中型機(jī)織平紋基布與非織造基布交錯(cuò)鋪層制得，當(dāng)?shù)毒叽┐谭来虒訒r(shí)，機(jī)織平紋基布緊密的經(jīng)緯交織對(duì)刀具起到“握持”作用，刀具較難穿透基布，當(dāng)?shù)毒叽┩敢粚訖C(jī)織防刺層后，遇到第二層非織造防刺層時(shí)，穿刺能量在非織造基布層進(jìn)一步擴(kuò)散，削弱了刀具往下穿刺的能量。對(duì)比試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，由4層中型機(jī)織平紋防刺層與4層熱軋非織造防刺層交錯(cuò)鋪層，層與層邊緣之間相互縫合起來(lái)，面密度為6 871.95 g/m2，當(dāng)用24 J能量穿刺時(shí)，只能穿透5層，穿透厚度為10.84 mm，穿刺厚度是B試樣的97%，G試樣的82%和H試樣的77%。依據(jù)國(guó)內(nèi)公共安全行業(yè)最新GA 68—2008標(biāo)準(zhǔn),防刺服應(yīng)使人體的主要器官處于防刺層的覆蓋范圍內(nèi), 防刺層面積不小于0.3 m2，采用該種復(fù)合防刺層所制成的柔性防刺服完全能夠達(dá)到該項(xiàng)要求。該防刺層既有良好的防刺效果，又有一定的柔軟性和舒適性，且每件防刺服的質(zhì)量在2.1 kg左右，制造成本遠(yuǎn)低于目前市場(chǎng)上同類產(chǎn)品，因此可優(yōu)先考慮作為常規(guī)柔性防刺服的制備材料。

3 結(jié)論

本研究采用滌綸基布與環(huán)氧樹脂進(jìn)行復(fù)合，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)選出適用于樹脂成型防刺材料的基布，利用網(wǎng)板成型工藝制得了能滿足GA 68—2008標(biāo)準(zhǔn)的防刺材料。

(1)在單一組織結(jié)構(gòu)的滌綸面料基布中，以中型機(jī)織平紋面料作為基布能取得最好的防刺性能。

(2)以中型機(jī)織平紋面料與非織造布交替疊層作為基布制作的復(fù)合柔性防刺材料，其防刺效果比用單一組織結(jié)構(gòu)滌綸面料作基布的防刺材料更加顯著，且具有一定的柔軟性和舒適性，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。

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