警用防暴用具材料的研究与应用

方心灵，王瑞岭，常浩

(1.北京航天实验技术研究所，北京 100074；2.北京航天雷特机电工程有限公司，北京 100074)

0 前言

武警特警人员在执行任务时，经常要面对穷凶恶极的歹徒，受到暴力的袭击，因此，防暴护具的配备至关重要。警用防暴护具产品主要有硬质、软质及半硬质三种形态。目前，国内警用防暴护具产品以硬质形态为主，采用无毒、阻燃材料特制而成，一般多为ABS塑料等。其具有耐高温、耐冲击、防刺等优点，缺点是重量大、穿着不舒适、易对人体造成二次钝伤等[2-6]。

本文研究了慢回弹低频阻尼材料的性能特点，论证了该材料在警用防暴警用护具上的应用前景。

1 慢回弹低频阻尼材料样品分析

本文对德国SAS-SEC公司的慢回弹低频阻尼材料样品进行了分析，该样品原用于摩托车手后背护板，对摩托车手遇到碰撞具有优异的缓冲作用。

经红外(IR)测试，其红外谱图如图1所示，确定此材料为聚氨酯材料。根据此材料的特性，可知其为具有形状记忆功能的发泡聚氨酯材料。

图1 Sas-Tec慢回弹低频阻尼材料红外谱图

形状记忆聚氨酯属于热塑性高分子材料，它是由相转变温度较高的硬段和相转变温度较低的软段所组成的多嵌段共聚物。形状记忆聚氨酯是以硬段为固定相，软段为可逆相来实现形状记忆功能的。其性能如下：

(1)热力学性能。形状记忆聚氨酯的软段玻璃化温度(Tg) 随软段分子量的增大而变小，随硬段含量的增大而变大。软段玻璃化温度(Tg) 一般远低于室温。

(2)结晶度。对于软段分子量为1 000 和2 000 的聚氨酯，并没有发现软段结晶，而软段分子量为3 000和5 000的聚氨酯，则有明显的软段结晶，但结晶度随硬段含量的增大而明显降低。这说明，在这类聚氨酯体系中，存在临界分子量，只有分子量大于临界分子量的软段才是可以结晶的。研究发现，临界分子量大约为3 000，低于临界分子量的软段在这类聚氨酯体系中是无法结晶的；同时硬段的引入抑制了软段的结晶，导致软段结晶度有所下降。

(3)形状记忆功能。不同分子量软段(配比均为1/3/2) 聚氨酯样品的形状回复曲线不同。当组成比一定时，软段分子量对形状记忆聚氨酯形状回复率的影响是非常明显的。含低分子量软段(Mn=1 000、2 000)聚氨酯样品的形状记忆效果很差，仅能恢复20%～30%的形变；而含较高分子量软段(Mn=3 000、5 000)聚氨酯样品的形状记忆回复比率非常高，可达93%～99%。这可以用只有软段分子量大于3000 的聚氨酯才有软段结晶来解释。含有相同软段(Mn=3 000)而硬段含量不同的聚氨酯样品，硬段含量较低的样品，形状回复比率也只有50%～60%。只有硬段含量大于15%的样品，才有高的形状回复比率。这是因为，只有硬段含量较大时，硬段才有可能聚集形成硬段微区，起到物理交联点的作用。由此可得，这些样品的形状回复温度近似等于样品中软段的结晶熔融温度，这进一步说明了该类材料是以软段的结晶熔融为形状记忆机理的。

(4)力学性能。聚氨酯的力学性能随硬段含量的增加而升高，似乎是硬段含量越高越好。但我们发现,在硬段含量大于45%时，其拉伸强度和断裂伸长率都有较明显的下降，这可能是硬段含量过大时，会发生由以软段为连续相向以硬段为连续相的相反转结果。

(5)密度。Sas-Tec公司产品密度为260 g/L，为传统硬质材料的1/4。

(6)具有的细胞单元结构耐水性好(吸水性低于1%)，可水洗。

(7)该材料对温度反应较为敏感。随着温度的升高，该材料本身会变软。因此在实际使用中，冬天会比夏天硬很多，在一定程度上会影响穿着舒适性。

2 慢回弹材料在防暴护具上的应用测试

警用防暴护具产品主要有硬质、软质及半硬质三种形态。其所谓的软质其实也只是在硬质材料内侧添加了软质缓冲材料，并非真正意义上的软质防弹衣。为分析确定慢回弹低频阻尼材料是否能在警用防暴护具上应用，首先必须解析相关标准。根据GA420—2008《警防暴服》要求：第一，能有效抵御各种利器、棍棒、非爆炸性投掷物，并且具有阻燃能力，使人体防护部位不受到伤害的一种服装；第二，防暴服的总质量应小于8.5 kg；第三，防暴服的前胸、后背、腹部、前裆用GA68标准试验刀具，20 J动能，垂直刺入防护层，刀尖不应透过防护层；第四，击打能量吸收性能：将防暴服的前胸、后背部件放于标准胶泥上，以100 J能量冲击，胶泥压痕深度不超过20 mm； 第五， 阻燃性能： 防护层阻燃性能应符合FV-2级。

由以上标准可以看出，警用防暴服不仅需要有抵御冲击的作用，而且在防刺、阻燃、总重量方面均有的相应规定。为此，对慢回弹低频阻尼材料进行了相关的测试。

2.1 击打能量吸收性能

2.1.1 试验一：抗冲击性实验

用6 kg 直径96 mm球头钢柱自2.04 m (±10 mm)高度自由落下，向慢回弹低频阻尼材料的中心位置撞击。

图2 试样及背衬材料放置图

图3 凹陷深度的测量

表1 抗冲击测试结果

由表1可知，此慢回弹低频阻尼材料抗冲击的凹陷深度均小于20 mm，符合防暴服的要求。

2.1.2 试验二：抗冲击反应时间测试

针对SAS-TEC公司的样品进行冲击测试，该公司的样品除具有很好的形状记忆功能外，还具有遇到瞬间冲击力迅速变硬的特点。为进一步掌握该材料的抗冲击性，特对其抗冲击反应时间进行测试。

经过测试，由图4可以看出，该材料在遇到冲击后2 ms即可对冲击产生反映，在5.84 ms时，对冲击力的反应达到最大，达到7.1 kN，在9 ms附近时，可以将冲击力完全化解。此材料具有如此优异的冲击力缓冲作用， 是因为在其结构中， 还有一种微小的颗粒， 可以起到应力反应的作用， 它是一种智能材料，一般为石墨颗粒、硅颗粒类。

图4 应力-时间测试图

2.2 阻燃性能

按照国家标准GB/T 2408—1996《塑料燃烧性能试验方法水平法和垂直法》进行测试，要求防暴护具材料达到燃烧性能标准(表2)中的FV-2级。

根据测试数据(表3)，该材料的阻燃等级超出了FV-2标准的范围，不符合作为防暴材料的要求。

表2 燃烧性能标准

表3 燃烧性能测试数据

2.3 防刺性能

警用防暴护具除要求具有良好的抗冲击性能，同时可防止歹徒持匕首等尖锐武器对警务人员进行身体伤害，因此，防暴护具还要求有优良的防刺性能[1][3]。

采用标准实验道具(图5)对试样共刺三点，刺入角为0 °，刺穿动能20 J，结果为全部刺穿，表明该慢回弹低频阻尼材料的防刺性能达不到防暴护具的要求。

图5 标准实验刀具示意图

3 结论

本文对SAS-TEC公司的慢回弹低频阻尼材料进行了深入解析，确定其为发泡聚氨酯材料。对该公司的的慢回弹低频阻尼材料样品进行了力学、抗冲击、防刺、阻燃等试验，试验结果证明，该材料的抗冲击性能优异，可满足防暴护具的性能要求。但是其不阻燃，防刺性能十分差，几乎没有防刺效果，成为其不能作为防暴护具材料的软肋。若在其外面另加上一层防刺层则会增加防暴服的重量，且比目前国内大幅使用的硬质防暴服材质还要坚硬。但是该材料在运动防护领域得到了大量的应用，而且因为其优异的性能，产品附加值很高，利润也很高，有望在运动防护领域得到更加广泛的应用。