(東華大學紡織學院，上海，201620)

近年來，國際性暴力和恐怖事件的發(fā)生，使人們越來越意識到自身安全防護的重要性，促進了對先進個體防護裝備的開發(fā)和研究。2009年9月我國公安部下達公裝財(2009)705號文“關于下達防彈防刺服戰(zhàn)術技術指標的通知”，希望盡快完成國產(chǎn)防彈防刺服的研制工作[1]。

防刺服主要是用于阻止匕首等常見銳器從各種角度對人體的攻擊，保護人體重要部位不受其刺傷的一種防護材料。根據(jù)主體防刺材料的柔韌靈活程度，目前市場上存在的防刺服可分為硬性、半硬性和柔性防刺服[2]。硬性和半硬性防刺服防刺性能優(yōu)異，但其防刺層厚度較厚，穿著舒適性差，靈活性不夠。柔性防刺服具有良好的防刺性能及優(yōu)良的柔韌性和隱蔽性，且可日常穿著，是近幾年來研究的重點。目前柔性防刺服主要采用對位芳綸[3]、超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 纖維[4]及聚對苯撐苯并雙噁唑(PBO)纖維[5]等高性能纖維制備而得。晏義伍等[6]通過模壓成型工藝，采用芳綸、超高分子量聚乙烯與熱塑性樹脂基體Surlyn、聚氨酯(PU)樹脂制成軟體復合材料并對其防刺性能進行了研究；Jessie等[7]研究了不同種類的熱塑性樹脂對復合材料防刺性能的影響。結果表明，樹脂與織物復合后可大大提高材料的防刺性能，與聚乙烯(PE)樹脂相比，Surlyn樹脂作為復合材料基體具有更好的防刺效果。方心靈等[8]研究了三種增強體對復合材料防刺性能的影響，指出芳綸無緯布復合材料的防刺性能最差，而芳綸機織布和芳綸非織造布交替組合的復合材料靶樣防刺效果最佳。

雖然研究人員對高性能纖維增強體結構及熱塑性樹脂進行了研究，但不同材料體系的特性不同，仍需要對材料設計與防護結構進行深入研究。另外，防刺層常采用的高性能纖維材料本身具有有利于提高防刺性能的高強度、高模量、耐沖擊、高吸能等特性，但由于生產(chǎn)這些纖維的關鍵技術被杜邦、帝斯曼等公司壟斷，價格昂貴，因而增加了個體防刺服的生產(chǎn)成本。而滌綸、錦綸等普通合纖也具有一系列優(yōu)良的力學性能，斷裂強度和彈性模量高，同時生產(chǎn)工藝成熟，生產(chǎn)效率高，價格遠低于高性能纖維。因此，本試驗采用滌綸面料作為防刺材料的基布，通過與熱固性樹脂復合，利用網(wǎng)板成型工藝制備柔性防刺材料，對滌綸面料的組織結構、密度和厚度等因素對防刺材料防刺性能的影響進行了研究。

1 試驗部分

1.1 原材料

本試驗所采用的防刺基布為滌綸面料，其規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 防刺材料基布試樣參數(shù)

試驗樹脂基體采用E44環(huán)氧樹脂、650聚酰胺樹脂固化劑、一定量的苯二甲酸二辛酯增韌劑、環(huán)氧稀釋劑(SM-90)和色粒。環(huán)氧樹脂是良好的黏結劑，具有黏結強度高、收縮率低、穩(wěn)定性好，以及優(yōu)良的強度和良好的加工性能等特點。環(huán)氧樹脂能固化在織物表面，與滌綸面料有優(yōu)良的黏結作用，固化后有較高的強度和硬度，能夠抵抗常規(guī)刀具、針管的穿刺。

1.2 樣品制備

本試驗通過網(wǎng)板成型工藝對滌綸基布與環(huán)氧樹脂進行復合，獲得具有一定花紋圖案的織物表層，使凸起的花紋圖案起到良好的防刺作用。環(huán)氧樹脂固化后形成的花紋之間存在間隙，可為柔性防刺材料提供一定的透氣性和柔軟性。

本試驗采用上述工藝制得5種不同規(guī)格的樹脂成型柔性防刺面料，其區(qū)別主要在于所采用的基布面料不同，其他工藝相同，環(huán)氧樹脂固化后在基布上的高度相同，單層試樣參數(shù)見表2。

表2 單層防刺材料試樣參數(shù)

1.3 測試儀器和方法

目前國外最具權威性的防刺測試標準主要有英國標準PSDB 2003[9]和美國標準NIJ 0115.00[10]，國內(nèi)標準GA 68—2008《防刺服》[11]。這三種測試標準所使用的刀具相同，都是開刃刀具，結構見圖1。

圖1 試驗刀具

本文依據(jù)GA 68—2008標準，采用落錘式?jīng)_擊試驗機對樣品進行測試，其測試裝置示于圖2。

圖2 落錘式防刺試驗裝置示意

試驗裝置的背襯材料由氯丁橡膠海綿、聚乙烯閉孔泡沫塑料和天然橡膠組成。試驗前對背襯材料進行反彈率測試。標準試驗刀具加配重達到2.4 kg，以自由落體運動，最終獲得24 J沖擊動能，對試樣進行穿刺測試。每個試樣進行5次測試，取刺穿層數(shù)最多的一組數(shù)據(jù)作為測試結果。

2 結果與分析

2.1 單一面料組織結構防刺試驗

本試驗采用的柔性防刺試樣基布為表1所列的5種不同組織結構滌綸面料。其中：1～3號基布試樣都是機織平紋面料，面密度及厚度不同；4號和5號基布試樣分別是針織面料和非織造面料。各種基布與環(huán)氧樹脂復合成型后，制得相對應的單層柔性防刺試樣(表2)。對表2中同組織結構的防刺層多層疊加進行防刺試驗，所得試驗結果見表3。

表3 多層疊加防刺層的防刺試驗結果

從表1可知，構成試樣A、B、C的基布是3種相同織物組織結構、不同面密度和厚度的防刺基布。表3的防刺試驗結果表明，隨著基布面密度和厚度的增加，試樣的抗穿刺性能逐漸提高，但其增加到一定程度(如從中型機織物到厚型機織物)后，其樣品的防刺性能并沒有顯著增強。這是因為環(huán)氧樹脂強度高，固化后有較高的硬度和強度，在防刺試樣受到穿刺時起到主要的防刺作用，而滌綸面料作為基布主要起到樹脂載體的作用，也對刀具起到一部分抵抗穿刺的作用。當基布面密度很低，厚度很小時，基布阻抗刀具的作用力就會明顯下降，起不到防刺作用和載體作用，從而易于刺透。因此，防刺試樣的防刺能力初始會隨著基布的面密度和厚度的增加而明顯增強，但當基布面料的面密度及厚度增加到一定程度后，基布與樹脂復合后的防刺試樣的防刺性能基本不再明顯提高。同時，隨著基布面料的面密度及厚度增加，防刺試樣的柔軟性、舒適性和透氣性也會進一步下降。在本次試驗中，發(fā)現(xiàn)由中型機織平紋面料基布制成的防刺試樣既能起到較好的防刺效果，又能保持一定的柔軟性和舒適性，防刺性能優(yōu)于厚型機織平紋防刺層。6層中型機織平紋防刺層是該種防刺試樣防穿刺性能的臨界點，穿透厚度為11.12 mm，面密度為8 131.58 g/m2。

從表1可知，構成試樣B、D、E的基布面密度大致相同，其中中型機織基布與針織基布厚度大致相同，非織造基布厚度較厚。由表3數(shù)據(jù)對比可見，3種防刺試樣中非織造基布試樣E的防刺能力最好，中型機織基布試樣B的防刺能力次之，針織基布試樣D的防刺能力最差。這是因為非織造面料是由纖維隨機排列成網(wǎng)，基布具有各向同性，基布與環(huán)氧樹脂復合后進行防刺試驗，刀具穿刺的能量經(jīng)過樹脂傳遞到非織造基布中，并經(jīng)由纖維向各個方向傳遞，從而有效地減小了應力集中現(xiàn)象，不易于刺透。機織平紋面料為各向異性材料，穿刺時所受到的能量主要沿經(jīng)緯方向傳遞，因此防穿刺能力次之，但與針織面料相比，機織平紋面料經(jīng)緯交織次數(shù)多，結構緊密，可以起到有效握持“刀尖”的作用，因而能夠承受較大的穿刺能量。針織面料是由縱橫線圈串套而成，線圈與線圈之間的間隙較大，刀具尖端容易穿過線圈間隙致使基布破壞，因此相近規(guī)格的針織基布防穿刺能力最差。

綜合考察中型機織基布試樣和非織造基布試樣的各項指標，發(fā)現(xiàn)非織造基布試樣E的防刺性能雖然稍優(yōu)于中型機織基布試樣B，但是其穿透厚度及面密度明顯大于中型機織基布試樣B，這就導致了非織造基布試樣E的柔軟性和舒適性較差，進而也導致由其制成的防刺服的穿著舒適性下降。因此，對比單一組織結構的滌綸基布，中型機織基布試樣能夠取得不錯的綜合防刺性能，本試驗以其為基礎制備了復合面料防刺試樣。

2.2 復合面料組織結構防刺試驗

根據(jù)單一面料組織結構防刺試驗，中型機織防刺層是機織防刺層中的最優(yōu)選擇，因此采用該中型機織防刺層b與針織防刺層d、非織造防刺層e相互復合進行防刺試驗，不同組織結構的防刺層復合樣品試驗結果見表4。

F、G和H三種試樣是分別由表2中的4層中型機織平紋防刺層b、4層緯平針織防刺層d與4層熱軋非織造防刺層e兩兩相互交替疊層，然后再對每兩種防刺層邊緣縫合起來制成的復合防刺層。

表4 不同滌綸面料基布復合結構的防刺層試驗結果

從表4可以看出，由中型機織防刺層與非織造防刺層交錯鋪層所得的試樣F的防穿刺能力最強，該試樣抗穿刺能力不僅優(yōu)于表3中的單一組織結構基布所制成的試樣B、D、G，而且優(yōu)于其他兩種防刺層相互交錯鋪層所制成的G、H試樣。這主要是由于試樣F是由中型機織平紋基布與非織造基布交錯鋪層制得，當?shù)毒叽┐谭来虒訒r，機織平紋基布緊密的經(jīng)緯交織對刀具起到“握持”作用，刀具較難穿透基布，當?shù)毒叽┩敢粚訖C織防刺層后，遇到第二層非織造防刺層時，穿刺能量在非織造基布層進一步擴散，削弱了刀具往下穿刺的能量。對比試驗還發(fā)現(xiàn)，由4層中型機織平紋防刺層與4層熱軋非織造防刺層交錯鋪層，層與層邊緣之間相互縫合起來，面密度為6 871.95 g/m2，當用24 J能量穿刺時，只能穿透5層，穿透厚度為10.84 mm，穿刺厚度是B試樣的97%，G試樣的82%和H試樣的77%。依據(jù)國內(nèi)公共安全行業(yè)最新GA 68—2008標準,防刺服應使人體的主要器官處于防刺層的覆蓋范圍內(nèi), 防刺層面積不小于0.3 m2，采用該種復合防刺層所制成的柔性防刺服完全能夠達到該項要求。該防刺層既有良好的防刺效果，又有一定的柔軟性和舒適性，且每件防刺服的質(zhì)量在2.1 kg左右，制造成本遠低于目前市場上同類產(chǎn)品，因此可優(yōu)先考慮作為常規(guī)柔性防刺服的制備材料。

3 結論

本研究采用滌綸基布與環(huán)氧樹脂進行復合，通過試驗優(yōu)選出適用于樹脂成型防刺材料的基布，利用網(wǎng)板成型工藝制得了能滿足GA 68—2008標準的防刺材料。

(1)在單一組織結構的滌綸面料基布中，以中型機織平紋面料作為基布能取得最好的防刺性能。

(2)以中型機織平紋面料與非織造布交替疊層作為基布制作的復合柔性防刺材料，其防刺效果比用單一組織結構滌綸面料作基布的防刺材料更加顯著，且具有一定的柔軟性和舒適性，生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本較低，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。

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