警用防暴用具材料的研究與應(yīng)用

方心靈，王瑞嶺，常浩

(1.北京航天實驗技術(shù)研究所，北京 100074；2.北京航天雷特機(jī)電工程有限公司，北京 100074)

0 前言

武警特警人員在執(zhí)行任務(wù)時，經(jīng)常要面對窮兇惡極的歹徒，受到暴力的襲擊，因此，防暴護(hù)具的配備至關(guān)重要。警用防暴護(hù)具產(chǎn)品主要有硬質(zhì)、軟質(zhì)及半硬質(zhì)三種形態(tài)。目前，國內(nèi)警用防暴護(hù)具產(chǎn)品以硬質(zhì)形態(tài)為主，采用無毒、阻燃材料特制而成，一般多為ABS塑料等。其具有耐高溫、耐沖擊、防刺等優(yōu)點，缺點是重量大、穿著不舒適、易對人體造成二次鈍傷等[2-6]。

本文研究了慢回彈低頻阻尼材料的性能特點，論證了該材料在警用防暴警用護(hù)具上的應(yīng)用前景。

1 慢回彈低頻阻尼材料樣品分析

本文對德國SAS-SEC公司的慢回彈低頻阻尼材料樣品進(jìn)行了分析，該樣品原用于摩托車手后背護(hù)板，對摩托車手遇到碰撞具有優(yōu)異的緩沖作用。

經(jīng)紅外(IR)測試，其紅外譜圖如圖1所示，確定此材料為聚氨酯材料。根據(jù)此材料的特性，可知其為具有形狀記憶功能的發(fā)泡聚氨酯材料。

圖1 Sas-Tec慢回彈低頻阻尼材料紅外譜圖

形狀記憶聚氨酯屬于熱塑性高分子材料，它是由相轉(zhuǎn)變溫度較高的硬段和相轉(zhuǎn)變溫度較低的軟段所組成的多嵌段共聚物。形狀記憶聚氨酯是以硬段為固定相，軟段為可逆相來實現(xiàn)形狀記憶功能的。其性能如下：

(1)熱力學(xué)性能。形狀記憶聚氨酯的軟段玻璃化溫度(Tg) 隨軟段分子量的增大而變小，隨硬段含量的增大而變大。軟段玻璃化溫度(Tg) 一般遠(yuǎn)低于室溫。

(2)結(jié)晶度。對于軟段分子量為1 000 和2 000 的聚氨酯，并沒有發(fā)現(xiàn)軟段結(jié)晶，而軟段分子量為3 000和5 000的聚氨酯，則有明顯的軟段結(jié)晶，但結(jié)晶度隨硬段含量的增大而明顯降低。這說明，在這類聚氨酯體系中，存在臨界分子量，只有分子量大于臨界分子量的軟段才是可以結(jié)晶的。研究發(fā)現(xiàn)，臨界分子量大約為3 000，低于臨界分子量的軟段在這類聚氨酯體系中是無法結(jié)晶的；同時硬段的引入抑制了軟段的結(jié)晶，導(dǎo)致軟段結(jié)晶度有所下降。

(3)形狀記憶功能。不同分子量軟段(配比均為1/3/2) 聚氨酯樣品的形狀回復(fù)曲線不同。當(dāng)組成比一定時，軟段分子量對形狀記憶聚氨酯形狀回復(fù)率的影響是非常明顯的。含低分子量軟段(Mn=1 000、2 000)聚氨酯樣品的形狀記憶效果很差，僅能恢復(fù)20%～30%的形變；而含較高分子量軟段(Mn=3 000、5 000)聚氨酯樣品的形狀記憶回復(fù)比率非常高，可達(dá)93%～99%。這可以用只有軟段分子量大于3000 的聚氨酯才有軟段結(jié)晶來解釋。含有相同軟段(Mn=3 000)而硬段含量不同的聚氨酯樣品，硬段含量較低的樣品，形狀回復(fù)比率也只有50%～60%。只有硬段含量大于15%的樣品，才有高的形狀回復(fù)比率。這是因為，只有硬段含量較大時，硬段才有可能聚集形成硬段微區(qū)，起到物理交聯(lián)點的作用。由此可得，這些樣品的形狀回復(fù)溫度近似等于樣品中軟段的結(jié)晶熔融溫度，這進(jìn)一步說明了該類材料是以軟段的結(jié)晶熔融為形狀記憶機(jī)理的。

(4)力學(xué)性能。聚氨酯的力學(xué)性能隨硬段含量的增加而升高，似乎是硬段含量越高越好。但我們發(fā)現(xiàn),在硬段含量大于45%時，其拉伸強度和斷裂伸長率都有較明顯的下降，這可能是硬段含量過大時，會發(fā)生由以軟段為連續(xù)相向以硬段為連續(xù)相的相反轉(zhuǎn)結(jié)果。

(5)密度。Sas-Tec公司產(chǎn)品密度為260 g/L，為傳統(tǒng)硬質(zhì)材料的1/4。

(6)具有的細(xì)胞單元結(jié)構(gòu)耐水性好(吸水性低于1%)，可水洗。

(7)該材料對溫度反應(yīng)較為敏感。隨著溫度的升高，該材料本身會變軟。因此在實際使用中，冬天會比夏天硬很多，在一定程度上會影響穿著舒適性。

2 慢回彈材料在防暴護(hù)具上的應(yīng)用測試

警用防暴護(hù)具產(chǎn)品主要有硬質(zhì)、軟質(zhì)及半硬質(zhì)三種形態(tài)。其所謂的軟質(zhì)其實也只是在硬質(zhì)材料內(nèi)側(cè)添加了軟質(zhì)緩沖材料，并非真正意義上的軟質(zhì)防彈衣。為分析確定慢回彈低頻阻尼材料是否能在警用防暴護(hù)具上應(yīng)用，首先必須解析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)GA420—2008《警防暴服》要求：第一，能有效抵御各種利器、棍棒、非爆炸性投擲物，并且具有阻燃能力，使人體防護(hù)部位不受到傷害的一種服裝；第二，防暴服的總質(zhì)量應(yīng)小于8.5 kg；第三，防暴服的前胸、后背、腹部、前襠用GA68標(biāo)準(zhǔn)試驗刀具，20 J動能，垂直刺入防護(hù)層，刀尖不應(yīng)透過防護(hù)層；第四，擊打能量吸收性能：將防暴服的前胸、后背部件放于標(biāo)準(zhǔn)膠泥上，以100 J能量沖擊，膠泥壓痕深度不超過20 mm； 第五， 阻燃性能： 防護(hù)層阻燃性能應(yīng)符合FV-2級。

由以上標(biāo)準(zhǔn)可以看出，警用防暴服不僅需要有抵御沖擊的作用，而且在防刺、阻燃、總重量方面均有的相應(yīng)規(guī)定。為此，對慢回彈低頻阻尼材料進(jìn)行了相關(guān)的測試。

2.1 擊打能量吸收性能

2.1.1 試驗一：抗沖擊性實驗

用6 kg 直徑96 mm球頭鋼柱自2.04 m (±10 mm)高度自由落下，向慢回彈低頻阻尼材料的中心位置撞擊。

圖2 試樣及背襯材料放置圖

圖3 凹陷深度的測量

表1 抗沖擊測試結(jié)果

由表1可知，此慢回彈低頻阻尼材料抗沖擊的凹陷深度均小于20 mm，符合防暴服的要求。

2.1.2 試驗二：抗沖擊反應(yīng)時間測試

針對SAS-TEC公司的樣品進(jìn)行沖擊測試，該公司的樣品除具有很好的形狀記憶功能外，還具有遇到瞬間沖擊力迅速變硬的特點。為進(jìn)一步掌握該材料的抗沖擊性，特對其抗沖擊反應(yīng)時間進(jìn)行測試。

經(jīng)過測試，由圖4可以看出，該材料在遇到?jīng)_擊后2 ms即可對沖擊產(chǎn)生反映，在5.84 ms時，對沖擊力的反應(yīng)達(dá)到最大，達(dá)到7.1 kN，在9 ms附近時，可以將沖擊力完全化解。此材料具有如此優(yōu)異的沖擊力緩沖作用， 是因為在其結(jié)構(gòu)中， 還有一種微小的顆粒， 可以起到應(yīng)力反應(yīng)的作用， 它是一種智能材料，一般為石墨顆粒、硅顆粒類。

圖4 應(yīng)力-時間測試圖

2.2 阻燃性能

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2408—1996《塑料燃燒性能試驗方法水平法和垂直法》進(jìn)行測試，要求防暴護(hù)具材料達(dá)到燃燒性能標(biāo)準(zhǔn)(表2)中的FV-2級。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)(表3)，該材料的阻燃等級超出了FV-2標(biāo)準(zhǔn)的范圍，不符合作為防暴材料的要求。

表2 燃燒性能標(biāo)準(zhǔn)

表3 燃燒性能測試數(shù)據(jù)

2.3 防刺性能

警用防暴護(hù)具除要求具有良好的抗沖擊性能，同時可防止歹徒持匕首等尖銳武器對警務(wù)人員進(jìn)行身體傷害，因此，防暴護(hù)具還要求有優(yōu)良的防刺性能[1][3]。

采用標(biāo)準(zhǔn)實驗道具(圖5)對試樣共刺三點，刺入角為0 °，刺穿動能20 J，結(jié)果為全部刺穿，表明該慢回彈低頻阻尼材料的防刺性能達(dá)不到防暴護(hù)具的要求。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)實驗刀具示意圖

3 結(jié)論

本文對SAS-TEC公司的慢回彈低頻阻尼材料進(jìn)行了深入解析，確定其為發(fā)泡聚氨酯材料。對該公司的的慢回彈低頻阻尼材料樣品進(jìn)行了力學(xué)、抗沖擊、防刺、阻燃等試驗，試驗結(jié)果證明，該材料的抗沖擊性能優(yōu)異，可滿足防暴護(hù)具的性能要求。但是其不阻燃，防刺性能十分差，幾乎沒有防刺效果，成為其不能作為防暴護(hù)具材料的軟肋。若在其外面另加上一層防刺層則會增加防暴服的重量，且比目前國內(nèi)大幅使用的硬質(zhì)防暴服材質(zhì)還要堅硬。但是該材料在運動防護(hù)領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用，而且因為其優(yōu)異的性能，產(chǎn)品附加值很高，利潤也很高，有望在運動防護(hù)領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。