防割面料的研究現(xiàn)狀及展望

鐘 林 肖詠梅 陳紅霞 黃曉梅 曹海建

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2.軍需能源質(zhì)量監(jiān)督總站武漢質(zhì)量監(jiān)督站，湖北武漢，430000）

防割面料是一類(lèi)能夠抵御人體免受刀具、利刃等銳器傷害的個(gè)體安全防護(hù)材料，不僅可用于軍隊(duì)及警察安全部門(mén)，如巡警、獄警等，還廣泛用于民用領(lǐng)域，如建筑、裝修、玻璃、化工等。因此，針對(duì)利器切割的潛在危險(xiǎn)，防割面料的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用具有重要意義。

1 防割面料的研究現(xiàn)狀

防割面料的防切割能力主要來(lái)自三方面。第一，纖維材料承受刃器時(shí)作用力方向的拉伸斷裂以及垂直于作用力方向的抗剪切性能。第二，恰當(dāng)合理的紗線結(jié)構(gòu)可以提高纖維材料之間的協(xié)調(diào)配合，從而使材料的優(yōu)異性能夠充分發(fā)揮。第三，織物結(jié)構(gòu)越緊密，抵抗切割外力作用越強(qiáng)。

從纖維角度來(lái)看，防割材料從最初的天然纖維、合成纖維發(fā)展到如今的金屬纖維和高性能纖維。目前廣泛使用的金屬纖維有不銹鋼纖維，高性能纖維有UHMWPE 纖維、芳綸以及玻璃纖維等。從紗線角度看，防切割紗線有純紡紗、混紡紗、復(fù)合紗以及經(jīng)過(guò)特殊處理制得的紗線。由于純紡紗制成的織物防切割性較差，因此目前研究的防切割紗線主要有以高強(qiáng)度短纖維或者高性能短纖維制成的混紡紗。從織物角度看，防切割織物可以分為針織物、機(jī)織物、非織造布、無(wú)緯布、多種結(jié)構(gòu)復(fù)合織物等。

1.1 防割用纖維

1.1.1 不銹鋼纖維

不銹鋼纖維是一種新型的軟態(tài)工業(yè)材料，體積質(zhì)量約7.9 g/m3，是普通紡織纖維的5 倍~8倍，具有一定的可紡性；其力學(xué)性能優(yōu)良，直徑8 μm 的 不銹鋼纖 維強(qiáng)力在2.94 cN~5.88 cN［1］；不銹鋼纖維光澤明亮，撓性明顯，韌性差，具有纖細(xì)、柔軟等特性。不銹鋼纖維在防割領(lǐng)域的應(yīng)用主要是與其他具有高強(qiáng)度的纖維配伍，制成半柔性防割面料。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)有湖南惠同新材料股份有限公司、江蘇金火炬金屬纖維有限公司等，國(guó)外企業(yè)有比利時(shí)貝卡爾特公司、日本精線公司等。

1.1.2 UHMWPE 纖維

UHMWPE 纖維即超高分子量聚乙烯纖維，其單絲強(qiáng)度是目前高性能纖維中最大的，具有很強(qiáng)的能量吸收能力，因而具有突出的抗沖擊性和抗切割性，常作為防割面料的主體纖維。但是UHMWPE 纖維也有不容忽視的缺陷。其纖維表面硬度低，當(dāng)與硬度較高的物體產(chǎn)生摩擦?xí)r，易造成磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致斷裂［2］。例如，由UHMWPE 纖維編織的防割手套耐磨性和防割性能僅能 滿 足 BS EN 388：2003《Protective gloves against mechanical risks》（以下簡(jiǎn) 稱(chēng)BS EN 388）的3 級(jí)，不能很好地適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中的防護(hù)需求［3］。基于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在纖維表面增加耐磨性涂層和對(duì)纖維進(jìn)行耐磨改性。馮園等對(duì)UHMWPE 纖維進(jìn)行了耐磨改性，測(cè)試發(fā)現(xiàn)改性UHMWPE 纖維的耐磨系數(shù)比UHMWPE 纖維提高了257%，同時(shí)纖維強(qiáng)度僅降低3.8%左右［4］。LIU Z P 等采用碳化硼顆粒改善UHMWPE 纖維的耐磨性，研究發(fā)現(xiàn)處理后的UHMWPE 纖維耐磨性提高了46%［5］。

1.1.3 芳綸1414

Kevlar 是美國(guó)杜邦公司研制的一種芳綸1414的品牌名，具有高強(qiáng)度、高耐磨、耐切割的性質(zhì)。Kevlar 強(qiáng)度為2.5 GPa~3.3 GPa，拉伸強(qiáng)度是鋼絲的6 倍，拉伸模量是鋼絲和玻璃纖維的2 倍~3倍，體積質(zhì)量?jī)H為鋼絲的五分之一［6］。但是芳綸1414 在耐紫外線光照以及耐摩擦方面的性能不好，國(guó)外生產(chǎn)企業(yè)有美國(guó)杜邦公司、日本帝人株式會(huì)社等，國(guó)內(nèi)有蘇州兆達(dá)特纖科技有限公司等。

1.1.4 玻璃纖維

玻璃纖維是一種具有良好物理機(jī)械性能的無(wú)機(jī)非金屬材料，質(zhì)輕，體積質(zhì)量比有機(jī)纖維高，但是比金屬纖維低；強(qiáng)度高，斷裂強(qiáng)力達(dá)1 370 N~1 470 N，是同等質(zhì)量鋼絲的2 倍~4 倍［7］。玻璃纖維的缺點(diǎn)是脆性大，纖維頭端易伸出紗體造成刺癢感，因此在防割面料中玻璃纖維一般是在紗線內(nèi)層，由外層纖維將其包覆，以減輕對(duì)人體造成的刺癢。國(guó)外生產(chǎn)企業(yè)有美國(guó)的Owens Corning 公司、法國(guó)的Saint-Gobain Vetrotex 公司等，國(guó)內(nèi)有巨石集團(tuán)有限公司、泰山玻璃纖維有限公司等。

1.2 紗線結(jié)構(gòu)

合理配置紗線結(jié)構(gòu)可以有效提高纖維之間相互作用的穩(wěn)定性，從而提高其力學(xué)性能。

1.2.1 混紡紗

多種纖維混紡紗不僅可以使各種纖維性能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，還能在一定程度上克服單種纖維可紡性差的缺點(diǎn)。嚴(yán)雪峰等用UHMWPE 短纖與ES 纖維混和，再與不銹鋼纖維切條混并制成防切割混紡紗；混紡紗的耐切割等級(jí)能達(dá)到ANSI/ISEA 105—2016《American National Standard for Hand Protection Classification》的A4 級(jí)，具有較好的防切割性能［8］。

1.2.2 復(fù)合紗

包芯紗兼有芯紗和外包纖維的優(yōu)良物理機(jī)械性能。許剛以鋼絲為芯紗、外包UHMWPE 長(zhǎng)絲制成包芯紗；該包芯紗制成的針織面料防切割等級(jí) 可 達(dá) 到ASTM F1790—2005《Standard Test Method for Measuring Cut Resistance of Materials Used in Protective Clothing》（以 下 簡(jiǎn) 稱(chēng)ASTM F1790）的A6 級(jí)［9］。

包覆紗結(jié)構(gòu)與包芯紗相似，雙層包覆結(jié)構(gòu)可以更好地包裹住芯紗，保證纖維間相互配合。黃浚峰等設(shè)計(jì)了以UHMWPE 長(zhǎng)絲為基本材料的包芯紗、包覆紗、合捻紗，研究表明由包覆紗編織成的防割手套性能最佳［10］。李麗等選用UHMWPE 纖維、錦綸、不銹鋼金屬絲，設(shè)計(jì)了包芯紗、合捻紗和雙層包覆紗，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由雙層包覆紗制成的織物防割性能最好［11］26。

1.2.3 其他類(lèi)型紗

纖維用功能母粒是實(shí)現(xiàn)纖維柔性化的重要技術(shù)手段之一，目前防護(hù)類(lèi)紡織品的研發(fā)也已經(jīng)有采用添加功能母粒的方法。范余娟將具有高強(qiáng)高模等特點(diǎn)的材料納米化制備成功能母粒，與聚酰胺6 半光切片熔融混合，制成了防切割改性錦綸6全牽伸絲［12］；試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由其編織的手套防切割等 級(jí) 可 達(dá)BS EN ISO 13997—1999《Protective clothing—Mechanical properties—Determination of resistance to cutting by sharp objects》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)BS EN ISO 13997）的B 級(jí)，可滿足使用要求。

剪切增稠液體（Shear Thickening Fluid，STF）是一種新型納米智能材料，在柔性機(jī)械防護(hù)領(lǐng)域已有許多研究成果。王麗娟將UHMWPE長(zhǎng)絲浸入STF，經(jīng)處理得到STF/UHMWPE 復(fù)合紗；測(cè)試結(jié)果表明，STF/UHMWPE 復(fù)合紗的耐切割能力大于純UHMWPE 紗［13］74。

1.3 織物結(jié)構(gòu)

1.3.1 針織結(jié)構(gòu)

針織物由于其線圈特性，有較好抵抗沖擊的能力，但是受外力作用會(huì)發(fā)生變形，刀尖易透過(guò)偏移的線圈傷害人體。MOLLAEI A 等研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)對(duì)位芳綸和UHMWPE 緯編針織物耐切割性能的影響，得出組織密度存在一個(gè)最優(yōu)值，在此條件下，芳綸和UHMWPE 混紡紗線耐切割性最好［14］。徐立雙使用聚乙烯纖維、錦綸等編織了18 種防切割針織物，試驗(yàn)得出針織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)針織物防護(hù)性、舒適性均有顯著影響，其中厚度影響最大，體積質(zhì)量次之［15］81。

1.3.2 機(jī)織結(jié)構(gòu)

機(jī)織物結(jié)構(gòu)緊密，質(zhì)地堅(jiān)牢，受刀刃作用時(shí)紗線不容易滑移，力學(xué)性能優(yōu)異，可起到良好的防切割作用。MESSIRY M E 等研究了織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)織物剪切阻力的影響，得出織物的比切削阻力與織物結(jié)構(gòu)、經(jīng)紗緯紗線密度、織物的楊氏模量等有關(guān)［16］。李麗等設(shè)計(jì)了平紋、斜紋、緞紋等不同的防切割織物，得出組織結(jié)構(gòu)為二上二下加強(qiáng)斜紋織物的防割性能最佳［11］28。

1.3.3 非織造結(jié)構(gòu)

非織造布的耐切割性遠(yuǎn)小于針織軸向織物［17］。在非織造布中，纖維雜亂無(wú)章排列，刀片作用在其上時(shí)，纖維在不同時(shí)間具有較高的可斷裂性。通常非織造布制成的防切割材料并不是單一使用，而是多層復(fù)合的。

1.3.4 無(wú)緯結(jié)構(gòu)

無(wú)緯布是采用UHMWPE 纖維或芳綸為基材，通過(guò)高科技設(shè)備鋪絲，用高強(qiáng)彈性體樹(shù)脂浸漬涂膠和薄膜黏合，再經(jīng)0°、90°雙正交復(fù)合層壓而成高強(qiáng)、質(zhì)輕防護(hù)材料，具有手感柔軟、體積質(zhì)量小、耐磨蝕、抗沖擊、抗切割、韌性強(qiáng)等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于軟質(zhì)防彈衣、防刺、防切割服裝襯片等。

1.3.5 復(fù)合結(jié)構(gòu)

復(fù)合織物是指把多層織物黏結(jié)在一起，或通過(guò)織物與高聚物或其他材料復(fù)合在一起，形成擁有多種功能的復(fù)合體。按照與織物復(fù)合的材料來(lái)劃分，復(fù)合織物可分為織物與織物復(fù)合、高聚物與織物復(fù)合、金屬與織物復(fù)合三大類(lèi)。從工藝角度看，織物的復(fù)合可以通過(guò)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、織物層壓技術(shù)、涂層技術(shù)等方式實(shí)現(xiàn)。

2 防割面料的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的不足

隨著面料的發(fā)展進(jìn)步，各種防割裝備應(yīng)運(yùn)而生，主要有防割手套、防割護(hù)臂、防割服等。

2.1 防割手套

目前生產(chǎn)研究最多的防割裝備是防割手套，可分為無(wú)涂層手套和涂層手套。無(wú)涂層手套穿戴柔軟、生產(chǎn)效率高，但是耐磨性以及耐切割性低。涂層手套相較而言比較硬挺、靈活性較差，因此又分為全涂層、掌背指部涂層以及指部涂層。除此之外，防割手套還有采用無(wú)數(shù)個(gè)小圓環(huán)穿編而成的鋼絲手套，其具有優(yōu)良的耐磨、防割作用，佩戴舒適且易清潔，但是成本較高。近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，研發(fā)了兼具防割的多功能手套，如防割耐低溫手套、防割阻燃手套、防割防水手套等。

2.2 防割護(hù)臂

防割護(hù)臂用于保護(hù)手臂不被劃割。目前市場(chǎng)上有不銹鋼纖維純紡制成的防割護(hù)臂，但是防割等級(jí)較低且透氣性差。由UHMWPE 纖維或者Kevlar 包覆不銹鋼絲制成的防割護(hù)臂性能優(yōu)良，舒適性也有所提高。其中，芳綸制成的護(hù)臂舒適性要優(yōu)于UHMWPE 纖維。

2.3 防割服

防割服是有效抵制并減輕刀具對(duì)人體劃傷的一種服裝。按照織造工藝主要分為針織物、機(jī)織物和多種結(jié)構(gòu)復(fù)合織物。北京同益中新材料股份有限公司采用UHMWPE 纖維針織而成的防割服防割等級(jí)能達(dá)到BS EN 388 的3 級(jí)~5 級(jí)；與傳統(tǒng)防護(hù)織物相比，具有輕便、透氣等特點(diǎn)。楊建淼等研發(fā)的一種新型防割服由表層、防割層、緩沖層、內(nèi)層構(gòu)成；表層設(shè)有透氣孔，防割層由UHMWPE 纖維編織，緩沖層由彈性金屬絲制成，內(nèi)層為了增加舒適性由棉纖維制成，多層結(jié)構(gòu)縫合起來(lái)構(gòu)成防護(hù)服，其防護(hù)性能以及透氣性較好［18］。

2.4 目前防割產(chǎn)品存在的不足

當(dāng)前的個(gè)體防護(hù)產(chǎn)品發(fā)展迅速，但是過(guò)多強(qiáng)調(diào)防割性能而忽略了產(chǎn)品的穿戴舒適性。目前研究的防割手套大多為了增加其防割性能與使用壽命而對(duì)手套進(jìn)行涂覆處理，增加的涂層會(huì)影響穿戴靈活性和舒適性；防割服也存在質(zhì)量大、透氣性差等問(wèn)題。

徐立雙從力量、靈活性、觸覺(jué)感知方面對(duì)防割針織物進(jìn)行工效性評(píng)價(jià)，構(gòu)建了舒適性評(píng)價(jià)模型，通過(guò)織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)初步實(shí)現(xiàn)對(duì)防割織物的穿戴舒適性的預(yù)測(cè)［15］101。高淑敏從人體工效學(xué)角度出發(fā)，研究人體皮膚形變特征，并在人體關(guān)鍵部位進(jìn)行防割材料的添加設(shè)計(jì)，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)法對(duì)短道速滑服進(jìn)行功能性、舒適性驗(yàn)證［19］。BARTKOWIAK Gra?yna 等提出了一種將防護(hù)服與參考服對(duì)比研究的人體工效學(xué)評(píng)價(jià)方法，將參考服放置在適當(dāng)?shù)氖孢m度等級(jí)中對(duì)其進(jìn)行定量評(píng)估［20］。

目前關(guān)于防割服類(lèi)的工效性評(píng)價(jià)還未見(jiàn)報(bào)道，也沒(méi)有明確的防割類(lèi)產(chǎn)品的工效學(xué)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而此類(lèi)研究對(duì)防割類(lèi)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。當(dāng)前市場(chǎng)上同時(shí)兼具高防護(hù)等級(jí)和穿戴舒適的產(chǎn)品較少，如何兼顧防割等級(jí)與舒適性這個(gè)平衡點(diǎn)，仍需要進(jìn)一步研究。

3 國(guó)內(nèi)外防割性能測(cè)試研究

防割材料的性能測(cè)試主要是防割性能測(cè)試。對(duì)于纖維和紗線而言，目前還沒(méi)有相關(guān)的防割測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，為此國(guó)內(nèi)外的研究人員在原有機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)或自行設(shè)計(jì)研發(fā)了相應(yīng)裝置。SHIN H S 等通過(guò)對(duì)現(xiàn)有力學(xué)設(shè)備進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)了一種特殊夾具，可對(duì)紗線施加可調(diào)張力，安裝在刀片下的攝像機(jī)連續(xù)記錄切割運(yùn)動(dòng)行程和紗線中點(diǎn)的橫向載荷，由橫向載荷計(jì)算紗線的軸向載荷以及應(yīng)力和應(yīng)變［21］。MAYO J 等針對(duì)高性能單纖維設(shè)計(jì)了一種切割測(cè)試裝置，該裝置可將刀片以不同的角度橫向插入單根纖維，裝置上的力傳感器能夠測(cè)出切割過(guò)程的力-位移曲線［22］。王麗娟改造現(xiàn)有力學(xué)儀器并設(shè)計(jì)了一種U 形板，測(cè)試時(shí)將紗線固定在刀片上，以一定的速度移動(dòng)直至切斷，通過(guò)分析位移-負(fù)荷切割曲線對(duì)其耐切割性進(jìn)行分析［13］47。梁玉設(shè)計(jì)了一種張力控制裝置，同時(shí)利用壓力傳感器等現(xiàn)有儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具切削力信號(hào)、UHMWPE 纖維絲束斷裂過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)及絲束斷裂形態(tài)的提取，實(shí)時(shí)觀察UHMWPE 纖維的切割過(guò)程［23］。

雖然國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)各種方法對(duì)纖維、紗線進(jìn)行防切割性能測(cè)試，但是關(guān)于材料的切割機(jī)理研究還比較貧乏，理論相對(duì)滯后，沒(méi)有系統(tǒng)的關(guān)于纖維、紗線的切割測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上阻礙了防切割產(chǎn)品的發(fā)展。

4 相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)際上防割測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有BS EN 388、ASTM F1790 和BS EN ISO 13997，國(guó) 內(nèi) 有GA 614—2006《警用防割手套》。

BS EN 388 為機(jī)械傷害防護(hù)手套標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試原理：給圓刀片施加5 N 的壓力，在50 mm 的范圍內(nèi)進(jìn)行往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，記錄圓刀片旋轉(zhuǎn)周數(shù)，然后與標(biāo)準(zhǔn)材料對(duì)比換算成防切割指數(shù)。ISO 13997是防護(hù)服裝的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試原理：施加某個(gè)力到標(biāo)準(zhǔn)刀片，刀片從材料表面劃過(guò)一定距離而出現(xiàn)劃破穿透。用切割距離表征切割力，也就是說(shuō)當(dāng)施加力一定時(shí)，材料的切割距離越長(zhǎng)，其防割性能越好；當(dāng)材料的切割距離一定時(shí)，施加力越大，防割性能越好。

ASTM F1790 和BS EN ISO 13997 的 測(cè) 試原理一致，設(shè)備也有相似之處，區(qū)別在于后者切割距離規(guī)定為20 mm，前者切割距離規(guī)定為25.4 mm。兩者與BS EN 388 的設(shè)備和測(cè)試方法有根本的區(qū)別。BS EN 388 的測(cè)試方法是使樣品處于相對(duì)適中的壓力下（5 N 負(fù)載力），使用圓形刀片在測(cè)試樣品上進(jìn)行往復(fù)旋轉(zhuǎn)，從而進(jìn)行切割測(cè)試。而ASTM F1790 和BS EN ISO 13997 的測(cè)試方法是使用矩形刀片單向運(yùn)動(dòng)滑過(guò)規(guī)定距離引起樣品穿透所承受的負(fù)載作以測(cè)量。對(duì)于UHMWPE纖維、Kevlar、不銹鋼纖維等高性能纖維制成的防割性高的測(cè)試樣品，其負(fù)載可達(dá)1 000 g~3 500 g，即10 N~35 N，比BS EN ISO 13997 中施加在圓形刀片上的載荷力高2 倍~7 倍［24］。同時(shí)，使用不同測(cè)試方法對(duì)同種織物進(jìn)行切割測(cè)試，結(jié)果也不相同。劉柳采用ASTM F1790 和BS EN ISO 13997 中測(cè)試方法對(duì)Dyneema 長(zhǎng)絲紗和短纖紗分別編織的手套進(jìn)行切割測(cè)試，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：采用BS EN ISO 13997 中的方法，長(zhǎng)絲紗手套和短纖紗手套的防割性能沒(méi)有顯著變化；而采用ASTM F1790 中的方法，長(zhǎng)絲紗手套的防割性能明顯優(yōu)于短纖紗手套。劉柳認(rèn)為：ASTM F1790 中紗線與刀片的摩擦很大，而B(niǎo)S EN ISO 13997 中紗線與刀片的摩擦較小，可以忽略不計(jì)［25］。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于紗線的防割性能測(cè)試還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)加強(qiáng)該方面的研究，從而更好地在纖維材料、紗線結(jié)構(gòu)上優(yōu)化。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于防割面料的研究多集中于纖維材料的選配、紗線結(jié)構(gòu)的研究，缺少關(guān)于防割機(jī)理以及織物組織結(jié)構(gòu)的研究，而掌握防割機(jī)理和織物組織結(jié)構(gòu)有助于針對(duì)性地設(shè)計(jì)防割面料的結(jié)構(gòu)與工藝，進(jìn)而改進(jìn)當(dāng)前防割面料不能兼具較好防割等級(jí)與較好穿戴舒適性問(wèn)題。總之，防割面料應(yīng)加強(qiáng)防割機(jī)理、織物組織與結(jié)構(gòu)、人體工效學(xué)等方面的研究。