表面涂覆防刺纺织材料的设计与优化

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1.东华大学纺织学院， 上海 20162； 2.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 20162

近年来，安保人员面临的主要威胁一般来自锐器或小型火器。目前，针对小型火器的防护装备已比较成熟，如有针对手枪弹的防弹盾牌、头部保护用的防弹头盔等，但针对锐器的防护装备还未成熟。市面上虽有一些防刺性能优良的硬质防刺装备，但防刺主体为金属材料，厚重且灵活性欠缺，穿着舒适度低，材料成本高昂，这不利于其大范围的推广和使用。因此，亟待开发一种新型防刺织物，使其在满足防刺标准的同时兼具穿着舒适性。

目前，柔性材料复合而成的防刺服、表面涂覆整理类的材料及高性能纤维等已成为防刺材料研究的热点[1-3]。MAYO等[4]采用在芳纶织物表面涂覆一层热塑性树脂的方法，得到了具有更优防刺性能的表面涂覆材料，并采用涂覆不同种类的热塑性树脂及不同的热塑厚度，获得了不同用途的材料。王颖[5]制得的柔性复合防刺材料采用了将黏胶纤维非织造布和超高分子量聚乙烯织物二者复合的工艺，其中减小和缓冲锐器的作用以提高防刺性能的主要成分是黏胶纤维。刘玉龙[6]在树脂基体中混入纳米SiO2粒子，再涂层到芳纶织物的表面，发现树脂基体中混入纳米SiO2粒子能明显提高织物的防刺性能。专利US5736474[7]提到，将形状是金字塔形的球体金属体包埋在非织造布的防刺材料中，上端朝外的球体金属体和底部的金属体相互交联，可使刺入物的运动轨迹发生偏转，从而达到防刺效果，但此方法制成的防刺服质量较大，柔软度较差。专利DE4413969[8]采用芳纶织物制成防刺服，其将芳纶织物与多层金属箔进行复合，成品具有一定的防刺效果，但试验用到的金属箔成本很高，且制备起来比较困难，柔韧性欠佳。专利US5880042[9]通过在织物表面喷涂一层密集的等离子体层起到比较好的防护作用，但成本较高的等离子喷涂工艺及过长的生产时间、复杂的工艺都致使此产品无法量产。专利CN206182432.9[10]在基布上黏结环氧树脂类大粒子，利用大粒子达到防刺效果，且粒子间空隙使其具备较好的透气性，但也正因粒子间存在较大的空隙导致防刺存在较多薄弱环节，使得防刺效果不理想。

本课题组提出一种新型树脂成型与基布复合的柔性防刺材料的制备方法，并通过试验已得出最佳制备工艺[11]。在这此启发下，本文采用涤纶织物作为防刺材料的基布，通过表面涂覆颗粒碳化硅，利用热熔设备制备柔性防刺材料，研究碳化硅含量、加压时间和加压温度等因素对防刺材料剥离强力的影响。

1 材料与试验

1.1 原材料

试验所用涂覆颗粒为碳化硅，其规格参数如表1所示。

表1 涂覆颗粒的规格参数

试验所用基布为普通涤纶织物，其基本规格参数如表2所示。

表2 基布的基本规格参数

1.2 试验内容

1.2.1 样品准备

根据每平方米基布上碳化硅的质量，利用电子天平分别称取一定质量的碳化硅(表3)。

表3 碳化硅含量

1.2.2 与基布结合

选定普通涤纶织物为基布，首先进行黏胶剂的刷涂，然后利用自制的铺成机，将按照表3称量好质量的碳化硅均匀地铺层到普通涤纶织物的表面。

1.2.3 热压

将铺有碳化硅的涤纶织物均匀缓慢地平移到热压机器上，调至一定的热压温度，确定一定的加压时间，即得所需的防刺防割材料。

表4 加压时间与加压温度参数表

1.3 测试标准

目前，国外防刺测试标准主要有英国PSDB 2003标准和美国NIJ 0115.00标准，国内主要有GA 68—2008《警用防刺服》标准。本文根据GA 68—2008《警用防刺服》标准，使用落锤式冲击试验机(图1)对试样进行动态穿刺测试[12]。

图1 落锤式冲击试验机示意

2 结果与分析

2.1 剥离强力

借鉴FZ/T 0108—2009《热熔黏合衬剥离强力试验方法》[13]，设计试验测试柔性复合材料的剥离强力，即基布和碳化硅的黏合牢度。

使用HD026N+电子织物强力仪进行剥离强力试验。首先，将未涂覆碳化硅的基布上下两端均留出约50 mm的长度，以便于测试时夹持；接着，将HD026N+电子织物强力仪的上下夹钳之间的距离调节为105 mm(略微大于试样的长度)，再将拉伸速度调节至(100±10) mm/min；将预留好长度的防刺材料的基布分别夹在上下夹钳中，使剥离线位于两夹钳中心处，试样长度方向与夹钳处于同一直线；最后，启动HD026N+电子织物强力仪，记录试验数据。

试验用柔性防刺材料试样的防刺主体为3种不同碳化硅含量的基布，其中基布都是涤纶织物。表5为因子水平表。开始试验后，记录每一块样品的剥离强力，并根据试验数据比较不同碳化硅含量、不同加压时间、不同加压温度的柔性防刺材料的剥离强力，试验结果如表6所示。其中，K1行分别是A、 B、 C各自在水平1测得的剥离强力之和；K2行分别是A、 B、 C各自在水平2测得的剥离强力之和；K3行分别是A、 B、 C各自在水平3测得的剥离强力之和；N1、N2、N3分别是各水平的平均剥离强力。

表5 因子水平表

表6 剥离强力测试结果及分析

表6(续)

涂层柔性防刺材料是由防刺主体材料与基布热黏合形成的。防刺主体材料消耗和吸收了大量的驶入能量，起主要防刺作用；基布主要承载刚性颗粒，仅能够耗散少部分的驶入能量，起主要的支撑和耗能作用。

根据试验指标进行分析与讨论。对剥离强力的影响程度由大到小排序依次为碳化硅含量>加压时间>加压温度。分析得到，碳化硅含量为250 g/m2时，剥离强力最大；加压时间为150 s时，剥离强力最大；加压温度为210 ℃时，剥离强力最大。综合即得最优方案：碳化硅含量为250 g/m2、加压时间为150 s、加压温度为210 ℃。

2.2 涂覆材料防刺试验

依据国内公共安全行业GA 68—2008《警用防刺服》标准，防刺服应使人体被保护的主要器官处于有效防刺层的覆盖范围内， 且有效防刺层面积不小于0.3 m2，而采用本文获得的多层防刺材料制成的防刺服能够达到该覆盖范围和防刺面积的要求。本文采用多层涂覆材料叠加防刺层(即每层基布都涂覆碳化硅，再多层复合)进行防刺试验。试验用防刺材料基布采用市面上常见的普通涤纶织物，制造成本远低于市场同类产品，且具有一定的柔软度和舒适性，并采用上文获得的最优方案即碳化硅含量为250 g/m2、加压时间为150 s、加压温度为210 ℃制备防刺材料进行多层涂覆材料叠加防刺层防刺试验。试验结果见表7。

表7 多层涂覆材料叠加防刺层试验结果

表7中，1#～5#为5种相同组织结构、不同防刺层数及不同防刺厚度的防刺材料试样。试验结果表明：防刺层数越多，厚度和基布面密度越大，防刺性能越好；当防刺层数增加到一定量且能达到防刺标准时，穿刺深度有所减小，但防刺性能没有显著增强。

究其原因在于，涂层颗粒碳化硅具有硬度大、强度高的优点，在受到锐器攻击时，涂覆在防刺层表面的碳化硅起到主要的防刺作用，而涤纶织物作为防刺层的基布起支撑作用，只能对锐器起轻微的防刺作用。防刺层增加，则基布厚度增加，防刺层的初始防刺能力会随之而明显增强，但当防刺层增加到一定值后，基布的力学强度完全可承载碳化硅，此时碳化硅起主要防刺作用，防刺层防刺性能基本不再明显提高。且当达到防刺标准时，再增加防刺层数能减小穿刺深度是因为，增加的防刺层起到了一个缓冲作用，这在一定程度上减小了穿刺深度。但随着防刺层数和其厚度的增加，防刺材料的柔软性和透气性会有所降低。

试验结果表明，当防刺层数达到12层时，防刺材料能够达到国家标准要求的防刺效果，且能够保持一定的舒适性和柔软性。12层是这种防刺材料防穿刺性能的临界点，穿透深度为9.50 mm。

3 结论

本文采用碳化硅对基布进行涂覆热压的方法制得防刺材料。通过优化试验优选出最佳碳化硅含量为250 g/m2、最优加压时间为150 s、最优加压温度210 ℃，再利用热压工艺制得满足FZ/T 01085—2009《热熔黏合衬剥离强力试验方法》标准中黏合牢度的防刺材料。另外，多层叠加防刺试验结果表明，复合材料防刺效果更加显著，当此防刺材料达到12层时能达到GA 68—2008《警用防刺服》的防刺标准，且具有一定的柔软性和舒适性，生产工艺简单，生产成本较低，具有良好的产业化前景。

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