聚氨酯組合物制模法與石膏制模法提取立體足跡對比研究

智偉杰，高成翔，劉 磊，李亞軒，單 國，謝冬柏（通信作者）

（1 新疆警察學(xué)院 新疆 烏魯木齊 830011）

（2 濰坊科技學(xué)院 山東 壽光 262700）

0 引言

犯罪現(xiàn)場中足跡根據(jù)其承痕客體是否發(fā)生塑性形變分為平面足跡和立體足跡[1]。足跡由于其在犯罪現(xiàn)場犯罪分子難以將其抹除，結(jié)合警犬技術(shù)、視頻偵查等技術(shù)，能大大提高破案的效率。立體足跡相對于平面足跡不僅能反映出足跡底部的花紋形象特征，還能反映出足跡底部的立體形態(tài)以及人行走運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力形態(tài)特征，在確定案件性質(zhì)、縮小偵查范圍、提供串并案、分析作案人特點(diǎn)、進(jìn)行現(xiàn)場重建等方面發(fā)揮著非常重要的作用，但立體足跡因其立體的屬性，其提取也較為煩瑣。

現(xiàn)有的提取立體足跡的方法很多，主要有拍照法提取、激光三維掃描法、3D 打印制模法、石蠟制模法、硅橡膠制模法、彈性藻酸鹽糊劑制模法、硫磺制模法、石膏制模法[2]。雖然立體足跡提取方法很多，但受提取客體、設(shè)備要求、提取時(shí)間等因素影響，現(xiàn)場勘查民警主要以石膏制模法提取現(xiàn)場立體足跡，其具有材料成本低、形態(tài)花紋反應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。但石膏制模法也存在提取時(shí)間長、操作流程煩瑣等問題，影響立體足跡提取效率。近年來，聚氨酯材料制模技術(shù)逐漸成熟，聚氨酯具有良好的化學(xué)性能和機(jī)械性能，在材料固化過程中具有固化時(shí)間短、材料密度小、材料穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢，非常適用于犯罪現(xiàn)場立體足跡提取。

本文立足現(xiàn)場勘查立體足跡提取工作實(shí)際，通過對聚氨酯材料制模原理、材料性質(zhì)、提取效果與傳統(tǒng)石膏制模法進(jìn)行對比分析，探討聚氨酯制模技術(shù)在立體足跡提取中替代傳統(tǒng)石膏制模法的可行性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1.1 聚氨酯制模法原理

聚氨酯（polyurethane）為嵌段共聚物，全稱為聚氨酯甲酸酯，屬于反應(yīng)型高分子材料，主鏈為氨基甲酸酯基團(tuán)的化合物。聚氨酯組合物通過調(diào)整各組成化學(xué)成分配比，可以加快其固化時(shí)間，也可得軟質(zhì)、半硬質(zhì)、硬質(zhì)等不同聚氨酯固化模型。由于犯罪現(xiàn)場中對立體足跡模型必須要有定型不變和長期保存的要求，硬質(zhì)聚氨酯固化產(chǎn)物由于其不易變形、穩(wěn)定性好、留出時(shí)間長等特點(diǎn)，非常符合犯罪現(xiàn)場提取立體足跡需要。硬質(zhì)聚氨酯固化模型由組合物A 白料（多元醇、發(fā)泡劑、助劑）和黑料B（異氰酸酯）反應(yīng)生成[3]。其化學(xué)反應(yīng)過程是在催化劑和助劑的存在下先由異氰酸酯和活潑氫化合物如多元醇產(chǎn)生的凝膠反應(yīng)，反應(yīng)過程見圖1；然后聚氨酯與水反應(yīng)生成氨基甲酸，氨基甲酸再分解成胺和二氧化碳進(jìn)行發(fā)泡反應(yīng)，反應(yīng)過程見圖2，發(fā)泡和凝膠反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，最終固化凝結(jié)提取立體足跡[4]。

圖1 異氰酸酯和多元醇發(fā)生凝膠反應(yīng)過程

圖2 異氰酸酯和水發(fā)生發(fā)泡反應(yīng)過程

1.1.2 石膏制模法原理

石膏制模主要利用熟石膏（2CaSO4·H2O）粉末溶于水后凝結(jié)成生石膏（CaSO4·2H2O），反應(yīng)過程具有很強(qiáng)的可塑性，最后凝結(jié)的生石膏晶體為板狀，從而提取立體足跡[5]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.2.1 聚氨酯制模法材料

提取材料：聚氨酯多組分成型劑A 和B 組分、1 500目石膏粉。

提取工具：50 mL 量杯*2、攪拌器、撒粉器、骨架、圍墻、標(biāo)簽。

1.2.2 石膏制模材料

提取材料：石膏粉、水。

提取工具：電子秤、500 mL燒杯、盆、骨架、圍墻、標(biāo)簽。

1.2.3 儀器設(shè)備

數(shù)碼相機(jī)（佳能700D）、三腳架、溫度計(jì)、濕度計(jì)、寬幅足跡燈、比例尺、分規(guī)、游標(biāo)卡尺。

1.2.4 環(huán)境條件

溫度：25 ℃、濕度：37%。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 立體足跡制作方法

構(gòu)成立體足跡的主要物質(zhì)是土壤，其主要成分為SiO2，表土層中以粗砂（粒徑2 000～200 μm）、細(xì)砂（粒徑200-20 μm）、粉砂（粒徑20-2 μm）和黏粒（粒徑2μm以下）構(gòu)成[6]，為呈現(xiàn)聚氨酯制模和石膏制模提取效果差異，實(shí)驗(yàn)中用50 目篩網(wǎng)篩取一定量50 目細(xì)土（粒徑為270 μm 以下），保證與真實(shí)土壤一致的同時(shí)，避免因土壤粒徑過大影響提取效果的觀察。將其均勻撒在水平地面上作為足跡承痕客體，并選取具有不同形狀、深度、間隔距離的花紋的鞋底，由同一人試穿，在50 目細(xì)土上正常行走制作立體足跡。

1.3.2 聚氨酯制模提取方法

聚氨酯提取法包含拍照固定、霧化固定、噴灑隔離劑、攪拌聚氨酯、傾倒聚氨酯、取模六個(gè)步驟。

（1）拍照固定：利用單一光源足跡燈與立體足跡平面呈30°角度打光，立體足跡內(nèi)側(cè)放置比例尺，利用三腳架和單反相機(jī)對立體足跡進(jìn)行拍照提取。

（2）霧化固定：在立體足跡上噴灑水霧，使沙質(zhì)立體足跡固定。

（3）噴灑隔離劑：利用噴粉器將重量為5 g 的1 500目石膏粉均勻覆蓋到立體足跡表面，進(jìn)行立體足跡與聚氨酯組合物的隔離，防止聚氨酯組合物對立體足跡造成粘連。

（4）配置聚氨酯：用2 個(gè)50 mL 量杯分別取得聚氨酯成型劑A 組分和B 組分各45 mL，倒入一次性紙杯中，并用攪拌器進(jìn)行攪拌。

（5）傾倒聚氨酯：將攪拌好的聚氨酯組合物倒入設(shè)置好圍墻的立體足跡中，并用重4 kg 蓋板覆蓋足跡圍墻上方。

（6）取模：待5 min 后取出，用抖動(dòng)及磕碰聚氨酯足跡模邊沿的方法清理其表面黏附的土壤，后對其進(jìn)行拍照。

1.3.3 石膏制模提取方法

石膏制模提取方法包含拍照固定、霧化固定、配置石膏液、傾倒石膏液、取模五個(gè)步驟。

（1）拍照固定：與聚氨酯制模提取拍照固定相同。（2）霧化固定：在立體足跡上噴灑水霧，使沙質(zhì)立體足跡固定。

（3）配置石膏液：用500 mL 燒杯取水1 500 mL 倒入盆中，電子秤稱量石膏2.5 kg 撒入盆中快速攪拌配置石膏液。

（4）傾倒石膏液：將攪拌均勻的石膏液沿立體足跡外圍緩慢傾倒，覆蓋到全部立體足跡后加快傾倒速度，放置骨架，直至覆蓋整個(gè)足跡圍墻。

（5）取模：待25 min 后取出，清除表面較厚土壤后用清水沖洗，后對其進(jìn)行拍照。

1.3.4 比較方法

通過聚氨酯制模法和石膏制模法對同一鞋底遺留的立體足跡分別進(jìn)行提取，從提取流程消耗時(shí)間、材料性質(zhì)、提取效果三個(gè)方面進(jìn)行比較。

（1）通過對比討論兩種提取方法各環(huán)節(jié)耗時(shí)及總耗時(shí)，確定其提取效率。

（2）通過從材料密度、硬度、韌性、成本等進(jìn)行對比，確定其材料優(yōu)劣。

（3）將鞋樣本足跡中花紋分為四種類型，分別為大斑塊即斑塊寬度為4 mm 以上；中斑塊即斑塊寬度在2 mm～4 mm；小斑塊即斑塊寬度在2 mm 以下；還有鞋跟部前沿細(xì)節(jié)特征點(diǎn)1 處。通過對比兩種方法對鞋樣本足跡中各種類型花紋提取完整的概率，確定其提取效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 提取過程耗時(shí)分析

統(tǒng)計(jì)兩種方法實(shí)際操作過程中各環(huán)節(jié)時(shí)間，通過對比可以看出，聚氨酯組合物由于其發(fā)泡和縮聚反應(yīng)較快，在固化階段相較于石膏制模固化時(shí)間明顯縮短，大幅度降低提取立體足跡總體消耗時(shí)間。雖然聚氨酯制模法提取增加噴灑隔離劑的流程，但隔離劑噴灑時(shí)間短，且在取模過程中由于其前期噴灑隔離劑使得聚氨酯足跡模型與土壤黏附作用小，不用水清洗，輕輕磕碰即可清除表面土壤，大大縮短取模時(shí)間。總體上看，聚氨酯制模法雖在流程上多了噴灑隔離劑，但總耗時(shí)比石膏制模法縮短19.7 min。聚氨酯制模法與石膏制模法各環(huán)節(jié)耗時(shí)見表1。

表1 聚氨酯制模法與石膏制模法提取過程耗時(shí)對比

2.2 材料性質(zhì)分析

石膏足跡模型材料密度較大，是聚氨酯模型材料的80倍，石膏固化材料硬度優(yōu)于聚氨酯固化材料，但提取足跡模型固化后一般為長35 cm、寬16 cm、高4～6 cm的長方體，加之石膏固化后為單斜晶系晶體呈板狀的CaSO4·2H2O 其性脆易碎[7]，故在石膏足跡模型固化后不僅攜帶重量較重，而且運(yùn)輸、保管過程中也要小心跌落碎裂。聚氨酯材料固化后，由于其凝膠及發(fā)泡反應(yīng)后形成閉孔結(jié)構(gòu)，具有重量輕、比強(qiáng)度大、耐震、耐寒、耐熱、耐溶劑等優(yōu)勢[8]，在足跡模型制成后攜帶方便，運(yùn)輸、保管也不用擔(dān)心跌落碎裂問題。但在成本上由于石膏材料在裝修領(lǐng)域的大量應(yīng)用其成本低于聚氨酯固化材料。聚氨酯足跡模型與石膏足跡模型材料性質(zhì)對比詳見表2。

表2 聚氨酯足跡模型與石膏足跡模型材料性質(zhì)對比

2.3 提取效果分析

2.3.1 石膏制模法提取效果分析

石膏制模法提取情況如圖3中（a）、（b）所示，其中（a）、（b）中1 處為鞋跟部前沿細(xì)節(jié)特征，石膏制模能夠完整提取，并用于檢驗(yàn)鑒定；石膏制模提取過程中立體足跡受石膏流體影響嚴(yán)重，（b）石膏足跡模型表面數(shù)字2 到3 處有一道明顯的石膏流體痕跡，造成附近花紋未能完整提?。辉冢╝）中4 處明顯出現(xiàn)足跡趾區(qū)起足痕跡，是研究行為人起腳運(yùn)動(dòng)特征的重要痕跡，在（b）中4 處顯示提取完整；同時(shí)，由于石膏足跡模型對土壤的粘黏性，在清洗的過程中很難做到不破壞花紋就清洗完全，造成其表面仍粘黏小部分土壤，但正是這一小部分土壤增強(qiáng)足跡模型凹凸的反差，使其花紋更加明顯[見圖3中（b）與（d）圓圈位置對比]。石膏足跡模型整體花紋提取較為完整（見表3），總體痕跡提取率為98.57%。

表3 立體足跡與石膏提取特征點(diǎn)對比

圖3 兩種方法提取整體效果照片

2.3.2 聚氨酯制模法提取效果分析

聚氨酯制模法提取情況如圖3中（c）、（d）所示，其（c）、（d）中1 處為細(xì)節(jié)特征提取效果，聚氨酯制模法能夠完整提取，并用于檢驗(yàn)鑒定；聚氨酯由于其在發(fā)泡反應(yīng)過程中是由中心向外逐漸膨脹，膨脹到一定程度開始固化、擠壓、定型，如果發(fā)泡數(shù)量不足就會(huì)造成凹凸花紋提取變形的情況，如（d）中處于足跡前掌外側(cè)邊沿2 處所示，其凹凸花紋邊沿呈不規(guī)則凸起，而在原立體足跡（c）中2 處凹凸花紋邊沿明顯呈規(guī)則線條；在（c）中3 處明顯出現(xiàn)足跡趾區(qū)起足痕跡，是研究行為人起腳運(yùn)動(dòng)特征的重要痕跡，在（b）中3 處顯示提取完整；由于聚氨酯前期提取過程中使用1 500 目石膏粉做隔離劑，土壤極少黏附在聚氨酯足跡模型上，但聚氨酯材料固化后顏色偏純白色，故在照片中反差較小[見圖4中（b）與（d）圓圈位置對比]。聚氨酯足跡模型整體花紋提取較為完整（見表4），總體痕跡提取率為99.15%。

表4 立體足跡與聚氨酯提取對比

2.3.3 石膏制模法與聚氨酯制模法提取效果對比分析

兩種方法整體提取效果相近，針對細(xì)節(jié)特征、足跡趾區(qū)起足痕跡、小斑塊、中斑塊、大斑塊提取效果都比較好，石膏制模法中石膏流體痕跡通過對樣本足跡加強(qiáng)固化也能夠避免出現(xiàn)。聚氨酯制模法中模型前掌外側(cè)邊沿發(fā)泡不足的問題，通過增加聚氨酯材料的量或在聚氨酯模型上方增加壓力也能避免出現(xiàn)。在整體觀感上，由于石膏足跡模型上黏附一定量土壤，使得其花紋凹凸反差增大，聚氨酯足跡模型則由于其增加隔離劑，土壤與聚氨酯足跡模型黏附作用小，整體偏白色，凹凸花紋反差小，觀感上不占優(yōu)勢。

3 結(jié)論

聚氨酯制模法提取效果上略優(yōu)于石膏制模法，尤其在提取時(shí)間上聚氨酯制模法優(yōu)勢非常明顯。同時(shí)，聚氨酯足跡模型在便攜性上優(yōu)于石膏足跡模型，在肉眼觀察上石膏制模法略占優(yōu)勢，但聚氨酯足跡模型也可用減少隔離劑、材料中添加著色劑等方法增強(qiáng)反差?？傮w而言，聚氨酯制模法能夠替代石膏制模法提取立體足跡，大幅提高犯罪現(xiàn)場立體足跡提取效率。