阻燃材料在軍用紡織品的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

佟 玫 魏小紅 李 麗 李世雄 林 娜

(1.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院軍需工程技術(shù)研究所，北京，100010； 2.陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西西安，710038)

在各類軍需裝備中武器是最受人們關(guān)注的，然而在軍需裝備品中有一大類便是紡織品，從軍服到相關(guān)軟質(zhì)紡織品材料是保證戰(zhàn)斗力的根本[1]。軍用紡織品不僅僅是指軍裝，還有一些其他的軍用必備物資，如單兵防護(hù)裝備、衛(wèi)生急救用品、槍械用紡織品等。由于軍警工作人員特殊的工作環(huán)境，阻燃材料在軍用紡織品方面的應(yīng)用十分廣泛，如阻燃迷彩作訓(xùn)服、普通的阻燃工作服、防爆毯、排爆服等。

1 阻燃纖維分類

隨著高科技在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的應(yīng)用與發(fā)展，對(duì)裝備的防護(hù)水平要求不斷提高，在戰(zhàn)場(chǎng)上，高溫火焰是造成官兵喪失戰(zhàn)斗力和導(dǎo)致人身傷害的一種主要因素[2]。因此，阻燃作戰(zhàn)服作為抵御烈火和高溫的最后一道防線，可以延續(xù)戰(zhàn)斗力和贏得生存機(jī)會(huì)，阻燃纖維材料被廣泛地應(yīng)用在各類軍用紡織品上。

阻燃纖維包括本質(zhì)阻燃纖維和改性阻燃纖維。纖維材料在燃燒時(shí)可視作熱氧降解和燃燒兩個(gè)階段，由于受熱會(huì)在空氣中分解成可燃物，當(dāng)溫度與其濃度達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)便產(chǎn)生燃燒現(xiàn)象。在整個(gè)燃燒過程中，有熱對(duì)流、熱輻射和熱傳導(dǎo)等過程。依據(jù)纖維材料的燃燒狀態(tài)，可將其劃分為易燃纖維、可燃纖維、難燃纖維和不燃纖維。阻燃類纖維是指極限氧指數(shù)大于25%的纖維。

本質(zhì)阻燃纖維主要包括芳綸1313、芳砜綸、聚苯硫醚、聚酰亞胺、聚芳噁二唑、PBO、PBI等高性能阻燃纖維。目前我國也逐步擁有了芳綸1313、芳砜綸、寶德綸、聚酰亞胺等生產(chǎn)技術(shù)，但價(jià)格偏高，多數(shù)用戶還難以接受，另外其染色困難，原液著色纖維價(jià)格更高。

改性阻燃纖維是指在纖維中添加阻燃劑，主要包括阻燃粘膠、阻燃維綸、腈氯綸、阻燃滌綸等，但這些中低價(jià)位的阻燃纖維也存在著強(qiáng)度低、可紡性差、發(fā)煙多甚至有毒、舒適性差等缺點(diǎn)。阻燃滌綸等熱塑性纖維容易產(chǎn)生熔滴，存在致人燙傷的可能性。因此，需要多種纖維的復(fù)配，方可實(shí)現(xiàn)阻燃功能的高性價(jià)比。

2 阻燃材料在軍用紡織品方面的應(yīng)用

軍用紡織品的重要組成部分為軍用服裝，包括通裝和特裝兩大類。另外，還有一些裝備，像衛(wèi)生急救用品，如三角巾、擔(dān)架布、紗布、繃帶；槍械用紡織品，如彈藥袋、炮衣、炸彈遮蓋布、擦槍炮揩布；運(yùn)輸用紡織品，如車篷、直升飛機(jī)避塵罩；單兵防護(hù)裝具，如防彈背心、救生衣、避雷靴、防彈頭盔、背包、降落傘、裝備用帶和背帶、登山用繩索等，都是與紡織密不可分的[3]。

2.1 阻燃材料在軍用服裝上的應(yīng)用

士兵無論是在訓(xùn)練或是在戰(zhàn)場(chǎng)上，暴露在室外環(huán)境的時(shí)間都比較長，普通人、室外工作者及士兵室外活動(dòng)時(shí)間比例為3∶8∶20。因此不同于人們?nèi)粘５姆b，軍服在抵御外界環(huán)境的能力方面要求較高，同時(shí)應(yīng)具備某些特殊功能，以適應(yīng)訓(xùn)練和戰(zhàn)場(chǎng)上的需要。軍服的根本作用是適應(yīng)戰(zhàn)爭的特定場(chǎng)合，在作戰(zhàn)中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，在硝煙炮火的沖鋒中，軍服必須具備一定的防火阻燃功能。目前，發(fā)達(dá)國家軍隊(duì)不但為裝甲兵、陸軍航空兵等有作戰(zhàn)平臺(tái)承載的戰(zhàn)士配備了阻燃作戰(zhàn)服，美軍步兵甚至美國警察也都使用阻燃防護(hù)服裝[4]。阻燃服裝在我國的武裝力量裝備中尚屬于少數(shù)，除火箭軍作戰(zhàn)服、戰(zhàn)斗機(jī)飛行服、武警戰(zhàn)訓(xùn)服、航母甲板識(shí)別服和救援服等部分群體人員外，大多數(shù)的士兵穿著的為普通作訓(xùn)服，并不具備阻燃功能。因此，阻燃作訓(xùn)服已經(jīng)成為亟需研發(fā)的重要軍用紡織纖維制品。

阻燃面料主要通過兩種方式制得，一種是采用普通纖維制成面料，再經(jīng)阻燃后整理工藝制得。另一種是采用本質(zhì)阻燃纖維通過紡織、染整等工藝制成阻燃面料。

普通紡織纖維及其織物均屬于可燃或易燃的高分子材料。通過后整理工藝將阻燃劑整理到織物上，從而可將普通織物制成阻燃面料。另一種是在人造纖維紡絲加工的過程中通過接枝共聚、嵌段共聚或共混添加各種阻燃劑(包括磷系、硅系、鹵系、硼系、氮系阻燃劑及復(fù)配物)，實(shí)現(xiàn)纖維的阻燃性[5-7]。前者所制得的阻燃面料可染色性能優(yōu)異，為阻燃迷彩面料的染色帶來便利，并且價(jià)格較低，但普遍存在強(qiáng)力低，特別是撕破強(qiáng)力偏低，手感發(fā)硬，阻燃效果不耐洗滌等問題。后者如果在設(shè)計(jì)阻燃劑配方過程中形成多元素協(xié)同效應(yīng)，便可顯著提高其阻燃性能，但是改性阻燃纖維是以普通的人造纖維為基礎(chǔ)材料，耐溫性和強(qiáng)度都較差，并且燃燒時(shí)伴隨煙霧且有毒，例如腈氯綸纖維、阻燃粘膠纖維。改性阻燃滌綸、阻燃錦綸等熱塑性纖維在遇熱時(shí)存在熔融滴落等問題，帶來皮膚燙傷威脅。

本質(zhì)阻燃纖維本身具有優(yōu)異的阻燃和耐高溫性能，如間位芳綸、聚酰亞胺纖維、芳砜綸、聚芳酯纖維、聚芳噁二唑纖維、聚醚醚酮纖維、聚酰胺-酰亞胺纖維、聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑纖維等。但是，有的品種國內(nèi)尚未能工業(yè)化生產(chǎn)，有的品種價(jià)格極高，不適合應(yīng)用于紡織品。間位芳綸、芳砜綸和聚芳噁二唑纖維目前在我國已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，并且價(jià)格在普遍接受范圍。但是，本質(zhì)阻燃纖維遇紫外光容易變色并且強(qiáng)力下降，且手感偏硬、不易染色、舒適性差，價(jià)格比改性阻燃纖維高出一倍。

適用性最廣的“93-5-2配方”，即間位芳綸占93%、對(duì)位芳綸占5%及有機(jī)導(dǎo)電纖維占2%，占比5%的對(duì)位芳綸1414在燃燒過程中主要起到穩(wěn)定織物結(jié)構(gòu)的作用，但是對(duì)位芳綸1414的加入使得織物整體的強(qiáng)度降低。歐洲國家普遍采用聚酰胺-酰亞胺纖維/蘭精阻燃粘膠纖維50/50混紡配比制得的阻燃面料，聚酰胺-酰亞胺纖維的價(jià)格與芳綸1313相當(dāng)甚至更貴，且聚酰胺-酰亞胺纖維不可染色，因此采用纖維原液著色的方法進(jìn)行生產(chǎn)。美軍曾采用阻燃粘膠/對(duì)位芳綸/錦綸60/25/15的混配比例制造阻燃作戰(zhàn)服面料,由于芳綸1414的斷裂伸長較小，織物易出現(xiàn)破裂的情況[8]。武警特種戰(zhàn)訓(xùn)服和救援服自2012年以來，采用國產(chǎn)的芳綸、高強(qiáng)阻燃維綸和聚芳噁二唑纖維等阻燃纖維混配研制的阻燃面料，指標(biāo)符合國標(biāo)GB 8965.1—2009之A級(jí)水平?，F(xiàn)已成功應(yīng)用于武警特戰(zhàn)服和救援服、原濟(jì)南軍區(qū)赴蘇丹救援部隊(duì)以及企業(yè)的阻燃工作服。

2.2 阻燃材料在防彈服及防彈頭盔上的應(yīng)用

防彈衣是指能夠有效地防護(hù)各種彈道發(fā)射物的防護(hù)服裝，第二次世界大戰(zhàn)以后逐漸出現(xiàn)了現(xiàn)代版的防彈衣，目前防彈衣已經(jīng)成為軍隊(duì)必不可少的物資裝備[9]。防彈衣用硬質(zhì)材料具有質(zhì)量重不便穿戴的缺點(diǎn)，如以前防彈背心采用的材料是多層“防彈”尼龍織物，這種材料的主要缺點(diǎn)是太重，而且弄濕后防彈性能變差，容易形成不透氣層[10]。后期研究人員將紡織纖維材料用于防彈衣的制作，明顯減輕了重量，可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)并且可以實(shí)現(xiàn)大面積的防護(hù)優(yōu)勢(shì)，因而應(yīng)用廣泛。目前用的最廣泛的防彈材料以芳綸、超高分子量聚乙烯纖維和液晶聚合物基材纖維等為主[11]。對(duì)位芳綸1414因其具有較好的耐熱阻燃、高強(qiáng)高模的特性，使其在安全防護(hù)領(lǐng)域廣泛使用，用量逐年遞增。

PBO纖維是一種優(yōu)于芳綸纖維的本質(zhì)阻燃材料，具有卓越的耐熱、阻燃、耐剪、耐磨等特性，其沖擊最大載荷和能量吸收遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳纖維和芳綸，因此亦用以制作戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身、防彈衣、防彈頭盔等。

2.3 阻燃材料在其他軍用裝備的應(yīng)用

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，新型火炮與核、化學(xué)、生物等各類危害較大的威脅武器目前已經(jīng)遠(yuǎn)超過普通武器[12]。因此，防護(hù)服廣泛的配備到各類單兵準(zhǔn)備中。在軍用裝備中，例如救生筏、帳篷、偽裝網(wǎng)、戰(zhàn)術(shù)掩蔽所、裝備用帶、剛性墻、睡袋、油布、充氣船、車罩和炮衣、燃油箱、可攜帶式軟油箱、降落傘及其他空投器材等，均用到阻燃類纖維原材料所制成的紡織品，此類阻燃防護(hù)裝備也同時(shí)體現(xiàn)了軍用紡織品的信息化、多功能化以及高科技化的發(fā)展趨勢(shì)[13]。

3 阻燃纖維及制品的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

燃燒性能及熱穩(wěn)定性能是材料阻燃機(jī)理分析的兩個(gè)主要方向，目前絕大部分的阻燃纖維都存在價(jià)格或性能上的缺陷，高性能、中低價(jià)位的阻燃面料要通過復(fù)配得到。然而，復(fù)配纖維之間在燃燒過程中會(huì)發(fā)生相互作用產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，目前對(duì)纖維間的協(xié)同效應(yīng)機(jī)理和研究方法還不成熟。因此，后續(xù)亟需解決的問題主要有兩個(gè)方面：一是探索出能快速復(fù)配出阻燃纖維成分及比例的方法；二是研究得到高性價(jià)比的阻燃面料。

軍用紡織品對(duì)功能性的要求較高，阻燃防護(hù)類服裝目前面臨的最大問題是，所用材料均為高性能纖維材料，原料需從國外進(jìn)口，已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的纖維存在性能不穩(wěn)定、不能實(shí)現(xiàn)大批量應(yīng)用等問題。因此，后續(xù)對(duì)國產(chǎn)阻燃纖維的性能研究將成為主要的技術(shù)攻克方向。

軍用紡織品的未來發(fā)展方向在于強(qiáng)調(diào)環(huán)境保護(hù)、纖維的多元化使用、突出戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)的功能性，向舒適健康和智能化發(fā)展。另外，阻燃后整理過程中會(huì)用到大量的阻燃劑，但隨著歐洲出臺(tái)的一系列環(huán)保政策，阻燃劑的使用間接地受到了遏制。因此，開發(fā)綠色環(huán)保、對(duì)人身無傷害的綠色生態(tài)軍用紡織品成為一大主流方向。