紡織基柔性防刺材料的研究進(jìn)展

文 | 俞鑫 耿軼凡

根據(jù)可查的資料及現(xiàn)有的調(diào)查反饋，刀具等尖銳物的捅刺是威脅執(zhí)法人員生命安全的主要原因，其造成的傷亡人數(shù)遠(yuǎn)高于槍支。防刺服是人體抵御刀具等尖銳器具襲擊的防護(hù)裝備，通常可以分為硬質(zhì)防刺服、半硬質(zhì)防刺服及柔性防刺服 3 類(lèi)。其中，硬質(zhì)和半硬質(zhì)防刺服的防刺片大多由金屬或陶瓷插片等材料制成，防刺性能優(yōu)異，但材料重量和硬度較大，穿著舒適性差，活動(dòng)靈活性不夠。我國(guó)GA 68 — 2019《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn)要求防刺服不能使穿著者雙臂的自由運(yùn)動(dòng)及人體的跪、跳、蹲、俯仰、轉(zhuǎn)體等動(dòng)作受到限制，且A類(lèi)防刺服的重量不能超過(guò)2.8 kg。這要求防刺服需要兼具防刺、穿戴柔性與輕質(zhì)等特點(diǎn)。以輕質(zhì)柔性織物為基礎(chǔ)的防刺材料成為了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，近年來(lái)研究人員圍繞高性能纖維織物多層結(jié)構(gòu)或機(jī)織、針織、非織造織物復(fù)合結(jié)構(gòu)組合、織物表面涂覆硬質(zhì)粒子、織物與剪切增稠液形成復(fù)合結(jié)構(gòu)、織物和硬質(zhì)樹(shù)脂塊形成復(fù)合結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面展開(kāi)研究。

1 紡織基柔性防刺材料研究進(jìn)展

1.1 纖維原料

高性能纖維因具有高強(qiáng)高模等特性被優(yōu)選為柔性防刺材料的纖維原料，如Kevlar?、Dyneema?、碳纖維、聚酰胺纖維等，表1 為部分高性能纖維的物理機(jī)械性能。

表1 防刺用高性能纖維物理機(jī)械性能

1.2 紡織基柔性防刺材料

以高性能纖維為原料制成的紡織基柔性防刺材料主要包括純織物結(jié)構(gòu)的防刺材料、織物表面涂覆硬質(zhì)粒子的防刺材料、織物與剪切增稠液復(fù)合結(jié)構(gòu)防刺材料及織物固著硬質(zhì)樹(shù)脂防刺材料等。

1.2.1 純織物結(jié)構(gòu)防刺材料

將高性能纖維制成的機(jī)織物、針織物或非織造布，通過(guò)相同或不同織造結(jié)構(gòu)的織物多層復(fù)合鋪疊可制成純織物結(jié)構(gòu)防刺材料。鐘智麗等采用超高分子量聚乙烯纖維織制成單經(jīng)雙緯鎖心、雙經(jīng)雙緯鎖心及其涂覆樹(shù)脂的復(fù)合機(jī)織防刺材料，在動(dòng)態(tài)穿刺測(cè)試過(guò)程中，所有織物都無(wú)法滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)穿刺性能要求，但單經(jīng)雙緯鎖心織物的防刺性能較佳，加入環(huán)氧樹(shù)脂涂層能進(jìn)一步改善復(fù)合織物的防刺效果?？紫橛卵芯苛顺叻肿恿烤垡蚁┙?jīng)編間隔織物的防刺性能，結(jié)果表明單一間隔織物達(dá)不到動(dòng)態(tài)穿刺測(cè)試要求，增加間隔織物的密度與厚度可以改善織物的防刺性能，但這受制于加工工藝與服用便攜性。許冬梅等嘗試應(yīng)用芳綸無(wú)緯布制成柔性防刺材料，先后研究了膠黏劑及熱熔膠對(duì)材料防刺性能的影響。將 4 種熱熔膠和芳綸無(wú)緯布制成夾心及疊加（熱壓）結(jié)構(gòu)的防刺芯片進(jìn)行動(dòng)態(tài)穿刺測(cè)試，結(jié)果表明，塑性聚氨酯熱熔膠和芳綸無(wú)緯布組成的夾心多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的防刺效果最好，膠黏劑含固量越高防刺性能越好，但是產(chǎn)品的克重過(guò)高，超過(guò)了10 kg/m2。

通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，由于柔性織物內(nèi)部布滿(mǎn)孔隙，使得尖銳物能夠輕易透過(guò)孔隙刺入材料，為了具備標(biāo)準(zhǔn)要求的防刺性能，純紡織結(jié)構(gòu)的防刺材料通常需疊加幾十層的織物，導(dǎo)致材料的厚度大大增加，材料柔性降低，克重?zé)o法達(dá)到合適的結(jié)果。

1.2.2 織物表面涂覆硬質(zhì)粒子防刺材料

一些研究嘗試將硬質(zhì)粒子如碳化硅（SiC）、二氧化硅（SiO2）等涂覆于織物表面，增加材料對(duì)刀具的摩擦和阻力，耗散刀具的沖擊能量。

張政等將粒徑為1.3 μm的SiC粉末分散液涂覆于超高分子量聚乙烯平紋織物表面，探討了涂層液配比、基布經(jīng)緯密度、涂層數(shù)對(duì)材料防刺性能的影響。當(dāng)SiC分散液與黏合劑質(zhì)量比為 1∶1，基布材料經(jīng)緯密均為100根/（10 cm），涂層數(shù)為 3 時(shí)，可達(dá)到最佳防刺效果。強(qiáng)桂燕等采用涂覆熱壓工藝將SiC涂覆在滌綸平紋織物表面，確定了粒徑為150 μm的SiC粒子為最佳涂覆工藝。王新厚等將不同粒徑的SiC硬質(zhì)顆粒分別通過(guò)單面雙層和雙面單層的方式涂覆在滌綸平紋布表面制成柔性防刺材料，并探究了材料的防刺性能。結(jié)果表明，粒徑為180 μm的SiC粒子采用單面雙層涂覆方式形成的復(fù)合材料防刺性能較佳。劉玉龍利用噴涂工藝將納米SiO2混雜在Kevlar?織物上，再與熱塑性樹(shù)脂 —— 沙林（Surlyn）熱壓復(fù)合制成柔性復(fù)合材料，納米粒子利用氣壓能夠均勻地分布在復(fù)合材料的表面及內(nèi)部，鈍化刀具，從而改善材料的防刺性能。ARORA等在超高分子量聚乙烯機(jī)織物表面接枝了ZnO納米棒，ZnO納米棒能夠增加結(jié)構(gòu)較為松散的超高分子量聚乙烯織物紗線之間的摩擦力，從而提高抗沖擊性能。但當(dāng)織物緊度過(guò)高時(shí)，紗線間的摩擦力已經(jīng)足夠高，接枝ZnO納米棒后反而會(huì)導(dǎo)致沖擊點(diǎn)處應(yīng)力集中而弱化了織物的抗沖擊性能。

織物表面涂覆硬質(zhì)粒子能夠改善材料抵御刀尖刺入的效果，但是硬質(zhì)粒子的涂覆增加了材料克重，同時(shí)降低了材料柔性。

1.2.3 織物-剪切增稠液復(fù)合結(jié)構(gòu)防刺材料

剪切增稠液是一種能在動(dòng)態(tài)沖擊下從液態(tài)變成固態(tài)，靜態(tài)狀態(tài)下又能恢復(fù)液態(tài)的材料，將剪切增稠液與織物復(fù)合能增加材料的抗剪切性能，提高防刺效果。

ZIELINSKA等用剪切增稠液浸漬Twaron?織物，在準(zhǔn)靜態(tài)穿刺測(cè)試中，得到等克重條件下，浸漬處理后的織物比未處理織物能承受更高的載荷。YEH等研究了利用浸漬和壓軋方法制備STF/Kevlar?織物復(fù)合材料后其防刺性能的區(qū)別，研究發(fā)現(xiàn)，利用壓軋方法制成的復(fù)合體系的耐沖擊及防刺性能比浸漬工藝更佳。陸振乾等將剪切增稠液壓軋于超高分子量聚乙烯織物，增加了紗線之間的摩擦力和防護(hù)阻力，減少了紗線因滑移產(chǎn)生的開(kāi)窗效應(yīng)，同時(shí)能夠使織物成為一個(gè)整體，更易傳遞沖擊能量，耗散錐刺的沖擊動(dòng)能。

此外，增加SiO2粒子在剪切增稠液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，能進(jìn)一步提高防刺材料的防刺性能。王瑞等將經(jīng)氧等離子體處理后的碳納米管添加至剪切增稠液中，并將芳綸織物浸漬于該溶液中，隨后烘干復(fù)合制成防刺材料。經(jīng)氧等離子體處理后的碳納米管，其表面接枝的含氧官能團(tuán)可促進(jìn)剪切增稠液的剪切增稠作用，從而提高紗線間摩擦力，使織物失效模式由紗線滑移變?yōu)榧喚€斷裂，提高織物的防刺性能。QIN等應(yīng)用一種新型的由二氧化硅微球和離子液體組成的剪切增稠液浸漬Kevlar?織物，該新型剪切增稠液表現(xiàn)出了獨(dú)特的雙重連續(xù)剪切增稠作用，限制了Kevlar?長(zhǎng)絲和紗線滑移，長(zhǎng)絲及紗線間的摩擦力增加了數(shù)十倍，大幅度改善了材料準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)防刺性能。

織物中添加剪切增稠液能夠改善復(fù)合結(jié)構(gòu)的防刺性能，但剪切增稠液具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，如何讓剪切增稠液均勻分布及材料的保存仍是一個(gè)未解決的問(wèn)題，且剪切增稠液會(huì)降低材料的透氣性，增加材料的面密度，對(duì)材料的使用舒適性產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

1.2.4 織物樹(shù)脂復(fù)合結(jié)構(gòu)防刺材料

硬質(zhì)材料能夠高效地抵御刀尖刺入，塊狀結(jié)構(gòu)有利于耗散刀具的刺入沖擊能量。一些研究將硬質(zhì)樹(shù)脂塊黏合在柔性織物表面，使材料具有良好的防刺性能，并保有一定的柔性。

方心靈等用改性環(huán)氧樹(shù)脂作為基體與芳綸機(jī)織布及芳綸非織造布復(fù)合模壓制成防刺材料，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，機(jī)織與非織造樹(shù)脂復(fù)合片交替鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料防刺效果最佳，表明樹(shù)脂基體能夠提高芳綸材料的防刺性能。馬飛飛等通過(guò)網(wǎng)板成型工藝將滌綸基布與環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)合，在該研究中，樹(shù)脂并不是被高溫高壓模壓滲透進(jìn)入織物內(nèi)部，而是凸起固著在滌綸基布表面作為防刺塊。環(huán)氧樹(shù)脂固化后有較高的硬度和強(qiáng)度，起到主要的防刺作用。研究還發(fā)現(xiàn)，機(jī)織平紋基布與非織造基布交替疊層的復(fù)合防刺材料的防刺效果最佳，基布表面的樹(shù)脂之間保持一定的孔隙讓材料具有透氣性與柔性。4 層離散樹(shù)脂成型復(fù)合材料與40層疊層芳綸平紋布的防刺性能相當(dāng)，這種織物固著樹(shù)脂的防刺材料顯著降低了材料的厚度。劉娟等研究了樹(shù)脂空隙率對(duì)樹(shù)脂成型的防刺材料柔性與防刺性能的影響，研究測(cè)試了 3 種不同空隙率試樣的懸垂性、單層防刺層的準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能和多層防刺層的動(dòng)態(tài)穿刺性能。結(jié)果表明，空隙率降低有助于提高材料的防穿刺性能，但會(huì)導(dǎo)致材料柔性變差。練瀅設(shè)計(jì)了一種新型的Z形聚碳酸酯固化物防刺靶片，采用熔積成型法制作防刺靶片，并讓Z形靶片以搭接的形式固著在滌綸基布上，這種排列方式可以保持材料的柔性。動(dòng)態(tài)穿刺測(cè)試結(jié)果顯示，單層Z形樹(shù)脂靶片最厚處能夠達(dá)到防刺要求，但搭接重疊部分不能滿(mǎn)足防穿刺要求，兩層疊加的Z形樹(shù)脂防刺靶片的任意位置都能達(dá)到防穿刺的要求。

對(duì)比純織物結(jié)構(gòu)、硬質(zhì)粒子涂層、剪切增稠液防刺材料，樹(shù)脂塊防刺材料具有更佳的防穿刺表現(xiàn)和輕質(zhì)性。樹(shù)脂塊狀物間以一定的空隙率與柔性紡織面料結(jié)合，賦予材料柔性。塊狀物的形態(tài)尺寸和空隙率大小影響材料防刺性能和柔性，因此尚需對(duì)塊狀物的材料、形狀與尺寸、在織物上的排列方式進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

2 防刺性能測(cè)試方法與要求

通常采用動(dòng)態(tài)穿刺方法來(lái)評(píng)估防刺材料的防刺性能，其基于落錘沖擊試驗(yàn)原理，將一個(gè)尖銳物（刀具）從一定高度自由下落刺向試樣，模擬動(dòng)態(tài)穿刺過(guò)程，根據(jù)試樣被刺穿損壞的程度評(píng)估試樣的防護(hù)等級(jí)。國(guó)際上常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)穿刺方法標(biāo)準(zhǔn)包括中國(guó)的GA 68 — 2019《警用防刺服》、美國(guó)的NIJ 0115.00《防刺衣與防刺性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》、英國(guó)的Home Office Body Armor Standard 2017等。表2 列出了這 4 種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于刀具刺入角度、測(cè)試撞擊能量、穿刺次數(shù)、防護(hù)等級(jí)等方面的要求。

表2 動(dòng)態(tài)穿刺測(cè)試方法與防刺性能要求

3 結(jié)語(yǔ)

柔性紡織基防刺材料在兼顧材料防刺性能、輕質(zhì)與柔性方面尚存在一定的問(wèn)題。純織物結(jié)構(gòu)的防刺材料厚度太大，涂覆硬質(zhì)粒子的防刺材料增加了材料的克重，添加剪切增稠液則影響了防刺材料的透氣舒適性，復(fù)合樹(shù)脂防刺材料在樹(shù)脂材料、樹(shù)脂形態(tài)尺寸及其空隙率等方面有待進(jìn)一步研究。這需要進(jìn)一步明確紡織基防刺材料的穿刺與防刺機(jī)制，以科學(xué)指導(dǎo)選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制防護(hù)輕薄柔性更佳的防刺材料，在達(dá)到各國(guó)要求的防刺性能基礎(chǔ)上，具有良好的舒適性。