■文/湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公司 李成龍 楊恒 周運(yùn)波
關(guān)鍵字:防刺服 軟質(zhì) 超高分子量聚乙烯 芳綸
當(dāng)今世界,在和平與發(fā)展的大背景下,局部戰(zhàn)爭(zhēng)從未停止,恐怖襲擊事件時(shí)有發(fā)生。所以,軍警用防護(hù)裝備的研發(fā)一直備受關(guān)注。對(duì)于我國(guó)而言,基于國(guó)家對(duì)槍支彈藥的嚴(yán)格管控,一線警員面臨的威脅主要來源于匕首、刀具等尖銳物對(duì)人體的穿刺、擊打以及劈砍。據(jù)中國(guó)警察網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),新中國(guó)成立以來,全國(guó)僅公安機(jī)關(guān)人民警察隊(duì)伍就有1.4 萬(wàn)余名民警英勇犧牲,10 余萬(wàn)名民警負(fù)傷。根據(jù)2020 年上半年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),共有169 名公安民警因公犧牲,其中大部分民警的犧牲和受傷都與匕首、刺刀一類兇具息息相關(guān),如何對(duì)這些近身武器的物理攻擊進(jìn)行有效防護(hù)從而保障警員的人身安全一直是警用裝備研究的重要課題。
防刺服是一種能有效防止銳器、利器從不同角度對(duì)防護(hù)部位進(jìn)行攻擊,減少人體防護(hù)部位受到刺傷威脅的裝備。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展,防刺服已從硬質(zhì)防刺服逐漸向軟質(zhì)防刺服發(fā)展,同時(shí)兼顧服用性能和環(huán)境適應(yīng)性。應(yīng)用新型高性能纖維材料制備的防刺服不僅可以滿足防護(hù)性能的要求,且在服用性能如整體質(zhì)量、厚度以及柔軟度上均有較佳的改善,本文將對(duì)此類軟質(zhì)防刺服展開介紹。
根據(jù)材料的屬性,防刺服可以分為金屬防刺服和非金屬防刺服。金屬防刺服的核心防刺材料為金屬,也包括金屬和其他非金屬防刺材料的復(fù)合材料。最初的金屬防刺服多用鋼、鐵一類的金屬或合金作為承力材料,做成鱗片、圓形、方形粘結(jié)到紡織面料上,或者將完整的金屬片作為基片置于紡織面料內(nèi)部構(gòu)成防刺服,這類金屬防刺服為硬質(zhì)防刺服,防刺性能較好,但是硬度、質(zhì)量較大,透氣性差,且穿著起來不利于軀干的活動(dòng)。為了改善防刺服的柔軟度,研究人員研究出半硬半軟質(zhì)的金屬防刺服,這類防刺服通過將金屬材料與樹脂復(fù)合,從一定程度上降低了材料的質(zhì)量和硬度,但是無法滿足業(yè)內(nèi)需要的輕、薄、軟的要求。利用高性能纖維材料制備的非金屬防刺服屬于軟質(zhì)防刺服,可以滿足上述輕、薄、軟的要求,也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。這類防刺服的核心防護(hù)材料主要為高性能纖維,當(dāng)前市面上以超高分子量聚乙烯和芳綸為代表,這類纖維兼具高強(qiáng)高模及紡織纖維的柔軟特性,通過將高性能纖維織物與樹脂結(jié)合作為防刺層,多層復(fù)合之后具有良好的防刺性能,且穿著靈活,不影響人體軀干運(yùn)動(dòng)。與金屬類防刺服相比,非金屬防刺服性能受外界環(huán)境變化的影響較小,在-20℃~55℃的作戰(zhàn)環(huán)境下性能穩(wěn)定,具有更高的適用性。
下面圍繞GA 68-2019《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn),對(duì)防刺服的要求進(jìn)行全面介紹。
警用防刺服由防刺服外套、防刺層、防刺層保護(hù)套組成。
防刺服外套應(yīng)無破損、浮線、漏針等缺陷。防刺層材料表面無破損、深坑、劃傷、裂痕缺口、邊角毛刺等缺陷。金屬材料應(yīng)進(jìn)行防銹處理,非金屬材料應(yīng)均勻平整。同一層防刺材料應(yīng)均勻平整一致,無局部隆起、褶皺等缺陷,由多層防刺材料組成的防刺層,各層規(guī)格尺寸應(yīng)一致。
A 類防刺服質(zhì)量應(yīng)小于或等于2.8kg,B 類防刺服質(zhì)量應(yīng)小于或等于1.0kg??刂飘a(chǎn)品的質(zhì)量可以保證穿著時(shí)不影響穿著者移動(dòng)和戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作。防刺服外套顏色應(yīng)為藏藍(lán)色,防刺層的防護(hù)面積應(yīng)大于或等于0.25m2。
A 類防刺服用D1 刀具、測(cè)試體以24J±0.5J 撞擊能量對(duì)防刺服進(jìn)行穿刺,在有效穿刺情況下,防刺服不出現(xiàn)穿透;B 類防刺服分別使用D2 刀具和D3 刀具,測(cè)試體以24J±0.5J 撞擊能量對(duì)防刺服進(jìn)行穿刺,在有效穿刺情況下,防刺服不出現(xiàn)穿透。
常溫下,防刺服在水中浸泡30min 后,或者在環(huán)境溫度為-20℃~55℃條件下,防刺性能符合要求。
防刺與防彈的機(jī)理有所不同。防彈主要防子彈對(duì)材料的沖擊破壞,子彈的沖擊動(dòng)能在接觸防彈材料的瞬間將動(dòng)能分散到防彈材料上進(jìn)行擴(kuò)散和吸收,對(duì)材料而言,其破壞的方式具有各向同性。防刺主要是摩擦自鎖原理,隨著刀具以一定的動(dòng)能穿入防刺服,防刺服內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)中的纖維紗線部分被割斷從而發(fā)生收縮,導(dǎo)致刀具被紗線握緊,隨著紗線不斷抽緊,其對(duì)刀具的摩擦阻力導(dǎo)致刀具無法繼續(xù)穿刺,此時(shí)織物變形達(dá)到的狀態(tài)成為“鎖緊”狀態(tài)。穿刺過程中,刀具對(duì)材料的破壞主要為剪切破壞和拉伸破壞。因此,纖維的強(qiáng)度越高,承受剪切的纖維數(shù)量越多,同時(shí)織物結(jié)構(gòu)中紗線的組織越密集,那么防刺服就能夠承受更大的剪切力,同時(shí)紗線的自鎖狀態(tài)更易達(dá)到,防刺服的防刺性能就越好。
超高分子量聚乙烯纖維和芳綸纖維由于其超高的強(qiáng)度和模量常被用來制備防刺服的核心防護(hù)層,分別具有許多優(yōu)良的特性。超高分子量聚乙烯纖維為當(dāng)前世界上強(qiáng)度最高的纖維,密度小于水,且具有柔性分子鏈材料,是做輕質(zhì)柔軟防刺服的理想材料,但是該纖維由于熔點(diǎn)低,在溫度較高時(shí),性能會(huì)出線明顯下降,限制了其在一些特殊環(huán)境下的應(yīng)用。芳綸纖維的強(qiáng)度、模量和斷裂伸長(zhǎng)均低于超高分子量聚乙烯纖維,但是耐溫性好,能在一些高溫條件下使用。結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn),制備多種型號(hào)的超高分子量聚乙烯纖維和芳綸纖維的復(fù)合軟質(zhì)防刺服(如圖1、2 所示)成為防刺服發(fā)展的新趨勢(shì)。該防刺服在滿足防刺性能的基礎(chǔ)上,具有輕、薄、軟的特點(diǎn),下面介紹該類防刺服的制備和性能測(cè)試方法。
圖1 超高分子量聚乙烯和芳綸復(fù)合防刺服
圖2 超高分子量聚乙烯和芳綸復(fù)合防刺芯片
4.1.1 制備超高分子量聚乙烯纖維
以超高分子量聚乙烯樹脂為基材輔以國(guó)產(chǎn)白油為溶劑,通過設(shè)定的工藝在釜中溶脹和溶解制備紡絲原液,在平行雙螺桿擠出機(jī)中攪拌成均勻的熔體傳輸至噴絲孔噴出,經(jīng)凍膠紡絲成型工藝制得凍膠原絲,凍膠原絲經(jīng)多級(jí)萃取和拉伸,最終制得高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。
4.1.2 防刺芯片制備
將制備的高強(qiáng)高模聚乙烯纖維通過鋪絲機(jī)均勻鋪排,通過專用浸膠機(jī)對(duì)其進(jìn)行浸膠和快速固化成型,再將所得層狀材料按0°、90°、45°、135°連續(xù)交叉復(fù)合壓制,獲得超高分子量聚乙烯防刺無緯布。并將芳綸機(jī)織布通過同樣的浸膠機(jī)進(jìn)行浸膠和快速固化成型,以填充機(jī)織布纖維組織結(jié)構(gòu)之間的空隙。
4.1.3 防刺服制備
將超高分子量聚乙烯防刺無緯布(單層面密度150g/m2)和芳綸機(jī)織布(單層面密度400g/m2)按照既定的工藝尺寸和質(zhì)量要求進(jìn)行裁剪和疊層稱重,并按順序堆疊組合,放入專用抗靜水壓防水布中熱合,制備成密封防刺芯片。將防刺芯片按照前后片順序塞入防刺服外套,制備防刺服。
4.2.1 測(cè)試方法
圖3 防刺沖擊試驗(yàn)機(jī)
圖4 標(biāo)準(zhǔn)刀具
采用落錘試驗(yàn)機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)刀具(如圖3、4 所示),根據(jù)公安部GA 68-2019《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)穿刺實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)步驟如下:
1)將防刺芯片包裝好,在表面標(biāo)記穿刺點(diǎn),每個(gè)穿刺點(diǎn)之間的距離不小于50mm,且距離防刺芯片邊緣的距離也必須大于50mm;
2)按標(biāo)準(zhǔn)要求固定好背襯材料,并對(duì)背襯材料進(jìn)行反彈率測(cè)試;
3)將電子設(shè)備預(yù)熱至示數(shù)穩(wěn)定,之后將防刺芯片在背襯材料上固定;
4)將新的未使用的刀具在落體上固定,并吸附到落錘試驗(yàn)機(jī)上;
5)將穿刺刀片的刀尖對(duì)準(zhǔn)防刺芯片刺入點(diǎn),開啟落錘上升按鈕,使落錘上升到一定高度,保證落體和刀具一起具有24J 動(dòng)能;
6)開啟落下按鈕,刀具和落體一起落下,完成第一點(diǎn)穿刺;
7)更換刺入點(diǎn),并重復(fù)試驗(yàn),完成其他點(diǎn)的測(cè)試。
4.2.2 測(cè)試結(jié)果
在多次不同方案的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)UHMWPE 無緯布和芳綸機(jī)織布按一定比例復(fù)合時(shí),能夠確保防刺性能達(dá)標(biāo),且防刺服整體質(zhì)量(電子天平測(cè)試)、厚度(測(cè)厚儀測(cè)試)和柔軟度(柔軟度測(cè)試儀測(cè)試)能夠保持在較佳的水平。 測(cè)試結(jié)果如表1 所示。
表1 不同方案防刺服的性能比較
隨著科技的進(jìn)步和人們安全意識(shí)的提高,防刺服作為一種重要的防護(hù)裝備,其應(yīng)用也越來越廣泛。從部隊(duì)、警察到安保人員,再到乘務(wù)員、執(zhí)勤人員等,穿戴防刺服已屢見不鮮。與此同時(shí),為了應(yīng)對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境,對(duì)防刺服服用性能的要求也不斷升級(jí),輕薄、便攜、柔軟以及穿著舒適的防刺服已成為主流產(chǎn)品,并占據(jù)主要市場(chǎng)。
本文介紹的軟質(zhì)防刺服在保證其防刺性能的同時(shí),增加了穿著者的穿著舒適性和使用便捷性。由于其輕質(zhì)柔軟的特性,穿著者軀干運(yùn)動(dòng)幾乎不受影響,當(dāng)面臨緊急情況時(shí),無論是作戰(zhàn)還是自身防護(hù),其效率均可得到大幅提升。綜上所述,防護(hù)性能好、服用性能佳的輕質(zhì)柔軟的警用防刺服對(duì)于公安裝備建設(shè)、保障社會(huì)秩序和人民安全具有重大意義,應(yīng)成為研制單位努力的方向。
中國(guó)安全防范技術(shù)與應(yīng)用2021年1期