紡織基柔性防刺材料的研究進展

文 | 俞鑫 耿軼凡

根據可查的資料及現有的調查反饋，刀具等尖銳物的捅刺是威脅執法人員生命安全的主要原因，其造成的傷亡人數遠高于槍支。防刺服是人體抵御刀具等尖銳器具襲擊的防護裝備，通?？梢苑譃橛操|防刺服、半硬質防刺服及柔性防刺服 3 類。其中，硬質和半硬質防刺服的防刺片大多由金屬或陶瓷插片等材料制成，防刺性能優異，但材料重量和硬度較大，穿著舒適性差，活動靈活性不夠。我國GA 68 — 2019《警用防刺服》標準要求防刺服不能使穿著者雙臂的自由運動及人體的跪、跳、蹲、俯仰、轉體等動作受到限制，且A類防刺服的重量不能超過2.8 kg。這要求防刺服需要兼具防刺、穿戴柔性與輕質等特點。以輕質柔性織物為基礎的防刺材料成為了當下的研究熱點，近年來研究人員圍繞高性能纖維織物多層結構或機織、針織、非織造織物復合結構組合、織物表面涂覆硬質粒子、織物與剪切增稠液形成復合結構、織物和硬質樹脂塊形成復合結構等幾個方面展開研究。

1 紡織基柔性防刺材料研究進展

1.1 纖維原料

高性能纖維因具有高強高模等特性被優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械性能。

表1 防刺用高性能纖維物理機械性能

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構的防刺材料、織物表面涂覆硬質粒子的防刺材料、織物與剪切增稠液復合結構防刺材料及織物固著硬質樹脂防刺材料等。

1.2.1 純織物結構防刺材料

將高性能纖維制成的機織物、針織物或非織造布，通過相同或不同織造結構的織物多層復合鋪疊可制成純織物結構防刺材料。鐘智麗等采用超高分子量聚乙烯纖維織制成單經雙緯鎖心、雙經雙緯鎖心及其涂覆樹脂的復合機織防刺材料，在動態穿刺測試過程中，所有織物都無法滿足動態穿刺性能要求，但單經雙緯鎖心織物的防刺性能較佳，加入環氧樹脂涂層能進一步改善復合織物的防刺效果?？紫橛卵芯苛顺叻肿恿烤垡蚁┙浘庨g隔織物的防刺性能，結果表明單一間隔織物達不到動態穿刺測試要求，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。許冬梅等嘗試應用芳綸無緯布制成柔性防刺材料，先后研究了膠黏劑及熱熔膠對材料防刺性能的影響。將 4 種熱熔膠和芳綸無緯布制成夾心及疊加（熱壓）結構的防刺芯片進行動態穿刺測試，結果表明，塑性聚氨酯熱熔膠和芳綸無緯布組成的夾心多層復合結構的防刺效果最好，膠黏劑含固量越高防刺性能越好，但是產品的克重過高，超過了10 kg/m2。

通過上述研究可以發現，由于柔性織物內部布滿孔隙，使得尖銳物能夠輕易透過孔隙刺入材料，為了具備標準要求的防刺性能，純紡織結構的防刺材料通常需疊加幾十層的織物，導致材料的厚度大大增加，材料柔性降低，克重無法達到合適的結果。

1.2.2 織物表面涂覆硬質粒子防刺材料

一些研究嘗試將硬質粒子如碳化硅（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、基布經緯密度、涂層數對材料防刺性能的影響。當SiC分散液與黏合劑質量比為 1∶1，基布材料經緯密均為100根/（10 cm），涂層數為 3 時，可達到最佳防刺效果。強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硬質顆粒分別通過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，再與熱塑性樹脂 —— 沙林（Surlyn）熱壓復合制成柔性復合材料，納米粒子利用氣壓能夠均勻地分布在復合材料的表面及內部，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織物表面接枝了ZnO納米棒，ZnO納米棒能夠增加結構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。但當織物緊度過高時，紗線間的摩擦力已經足夠高，接枝ZnO納米棒后反而會導致沖擊點處應力集中而弱化了織物的抗沖擊性能。

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

1.2.3 織物-剪切增稠液復合結構防刺材料

剪切增稠液是一種能在動態沖擊下從液態變成固態，靜態狀態下又能恢復液態的材料，將剪切增稠液與織物復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，在準靜態穿刺測試中，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?織物復合材料后其防刺性能的區別，研究發現，利用壓軋方法制成的復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阻力，減少了紗線因滑移產生的開窗效應，同時能夠使織物成為一個整體，更易傳遞沖擊能量，耗散錐刺的沖擊動能。

此外，增加SiO2粒子在剪切增稠液的質量分數，能進一步提高防刺材料的防刺性能。王瑞等將經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，隨后烘干復合制成防刺材料。經氧等離子體處理后的碳納米管，其表面接枝的含氧官能團可促進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為紗線斷裂，提高織物的防刺性能。QIN等應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出了獨特的雙重連續剪切增稠作用，限制了Kevlar?長絲和紗線滑移，長絲及紗線間的摩擦力增加了數十倍，大幅度改善了材料準靜態及動態防刺性能。

織物中添加剪切增稠液能夠改善復合結構的防刺性能，但剪切增稠液具有較強的流動性，如何讓剪切增稠液均勻分布及材料的保存仍是一個未解決的問題，且剪切增稠液會降低材料的透氣性，增加材料的面密度，對材料的使用舒適性產生一定的負面影響。

1.2.4 織物樹脂復合結構防刺材料

硬質材料能夠高效地抵御刀尖刺入，塊狀結構有利于耗散刀具的刺入沖擊能量。一些研究將硬質樹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。

方心靈等用改性環氧樹脂作為基體與芳綸機織布及芳綸非織造布復合模壓制成防刺材料，經測試驗證，機織與非織造樹脂復合片交替鋪層結構的復合材料防刺效果最佳，表明樹脂基體能夠提高芳綸材料的防刺性能。馬飛飛等通過網板成型工藝將滌綸基布與環氧樹脂進行復合，在該研究中，樹脂并不是被高溫高壓模壓滲透進入織物內部，而是凸起固著在滌綸基布表面作為防刺塊。環氧樹脂固化后有較高的硬度和強度，起到主要的防刺作用。研究還發現，機織平紋基布與非織造基布交替疊層的復合防刺材料的防刺效果最佳，基布表面的樹脂之間保持一定的孔隙讓材料具有透氣性與柔性。4 層離散樹脂成型復合材料與40層疊層芳綸平紋布的防刺性能相當，這種織物固著樹脂的防刺材料顯著降低了材料的厚度。劉娟等研究了樹脂空隙率對樹脂成型的防刺材料柔性與防刺性能的影響，研究測試了 3 種不同空隙率試樣的懸垂性、單層防刺層的準靜態防刺性能和多層防刺層的動態穿刺性能。結果表明，空隙率降低有助于提高材料的防穿刺性能，但會導致材料柔性變差。練瀅設計了一種新型的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。動態穿刺測試結果顯示，單層Z形樹脂靶片最厚處能夠達到防刺要求，但搭接重疊部分不能滿足防穿刺要求，兩層疊加的Z形樹脂防刺靶片的任意位置都能達到防穿刺的要求。

對比純織物結構、硬質粒子涂層、剪切增稠液防刺材料，樹脂塊防刺材料具有更佳的防穿刺表現和輕質性。樹脂塊狀物間以一定的空隙率與柔性紡織面料結合，賦予材料柔性。塊狀物的形態尺寸和空隙率大小影響材料防刺性能和柔性，因此尚需對塊狀物的材料、形狀與尺寸、在織物上的排列方式進行進一步優化。

2 防刺性能測試方法與要求

通常采用動態穿刺方法來評估防刺材料的防刺性能，其基于落錘沖擊試驗原理，將一個尖銳物（刀具）從一定高度自由下落刺向試樣，模擬動態穿刺過程，根據試樣被刺穿損壞的程度評估試樣的防護等級。國際上常見的動態穿刺方法標準包括中國的GA 68 — 2019《警用防刺服》、美國的NIJ 0115.00《防刺衣與防刺性能測試標準》、英國的Home Office Body Armor Standard 2017等。表2 列出了這 4 種標準對于刀具刺入角度、測試撞擊能量、穿刺次數、防護等級等方面的要求。

表2 動態穿刺測試方法與防刺性能要求

3 結語

柔性紡織基防刺材料在兼顧材料防刺性能、輕質與柔性方面尚存在一定的問題。純織物結構的防刺材料厚度太大，涂覆硬質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，復合樹脂防刺材料在樹脂材料、樹脂形態尺寸及其空隙率等方面有待進一步研究。這需要進一步明確紡織基防刺材料的穿刺與防刺機制，以科學指導選材與結構設計，研制防護輕薄柔性更佳的防刺材料，在達到各國要求的防刺性能基礎上，具有良好的舒適性。