软质防刺材料的研究现状及展望

田鹭新 曹海建 黄晓梅

（南通大学，江苏南通，226019）

防刺材料是一种对有刃刀具（如匕首、刺刀）和有尖工具（如刺锥）威胁进行防护的个体装置，广泛装备于公安、狱警、保安等职业人群。近年来，国际恐怖活动日益猖獗，国际极端组织和恐怖分子在世界各地制造了多起暴力袭击事件，造成了不少的人员伤亡。因此，开展高性能防刺材料的开发和研究具有十分重要的现实意义和理论价值。其中，以KEVLAR、UHMWPE 高性能纤维为原料制成的软质防刺材料是目前防刺材料研究的重点。

1 防刺材料的发展历程

在社会发展的历史进程中，个体防护材料一直起着相当重要的作用。无论是古时战场上的兵刃相见，还是如今各种暴恐事件的频繁发生，以匕首、刺刀等尖锐利器带来的危害始终不容小觑，古往今来防刺材料的保护作用不可或缺。防刺材料发展至今大致经历了三个阶段，对应的产品可分为硬质防刺材料、半硬质防刺材料和软质防刺材料。

1.1 硬质防刺材料

传统的硬质防刺材料全部由金属材料制成，形似古代盔甲，包括用高性能合金冷轧制成整体造型的防刺插板，或采用高强轻质金属材料（如铝合金、钛合金）制成像鳞片甲一样的防护层［1］，或将金属材料加工成金属丝加捻织造等。硬质防刺材料虽然具有优良的防刺性能，但是质量偏大，穿着笨重，活动受限，透气性差，穿着舒适性较低。

基于此，许多学者通过改变甲片形状、搭接结构等，在保证良好防刺性能的同时，使得防刺材料更加灵活、舒适。于春玲等基于仿生学原理设计了一种近似鱼鳞状的新型防刺甲片，进而打破了传统防刺材料笨重、行动困难的缺点［2］。

1.2 半硬质防刺材料

早期的半硬质防刺材料主要采用金属材料与纤维织物复合制成，其灵活性与舒适性稍有改善，但依然不理想。美国Criminology 公司研制了一种由KEVLAR 纤维和玻璃纤维制成的轻质防刺背心，为了增加材料的防刺效果，防刺背心外表面为一层薄的不锈钢网、钛丝或钛等的金属轻质薄片形成的凹凸不平的偏斜层。比利时Bekaert 公司发布了一种柔软舒适的不锈钢防护插板，纱线是不锈钢复捻股线结构，织物可以是针织的，也可以是机织的。

1.3 软质防刺材料

进入21 世纪以来，以KEVLAR、UHMWPE等高性能纤维为原料制成的软质防刺材料成为防刺主力军，其也是目前国内外学者防刺材料研究的重点。软质防刺材料的织物成形方式多种多样，包括机织、针织、非织造和复合成形等工艺。机织物结构紧密性好，其中三维机织物具有优良的整体性、层间剪切性能、抗冲击性能、力学性能等。针织物因其特殊的线圈结构及良好的弹性，能量吸收性能和抗冲击性能较好，但受外力作用时织物易变形，刀尖容易透过稀疏的线圈触及人体。非织造织物抗剪切性能好，但服用性能差，一般常与机织物或针织物复合用作防刺材料。相较于传统硬质防刺材料和半硬质防刺材料，其最大的优点是质量较轻、穿着舒适，但是也存在防刺效果一般、质量仍然偏大等缺点。

KANESALINGAM S 等 将KEVLAR 与 羊毛、尼龙混和，在织物表面涂上二氧化硅，并用万能拉伸试验机对织物的准静态穿刺性能进行了测试［3］。结果表明，涂层的应用会产生更高的摩擦力，限制纱线的横向运动，使更多的纱线直接抵抗冲击，并吸收冲击能量。然而，由于涂层的存在，织物的硬度增加，影响穿着舒适性。

练滢等选用KEVLAR49 纤维，采用黏结成型工艺制备了一种树脂成型柔性防刺材料［4］。动态穿刺性能测试结果表明，顶部为2 层树脂成型柔性防刺材料、中间为15 层芳纶无纬布和底部为1 层树脂成型柔性防刺材料的三明治叠加防刺材料的防刺性较好。

LI C 等制备了热塑性薄膜浸渍UHMWPE的UD 布复合材料［5］。防刺性能测试结果表明：热塑性薄膜，特别是聚对苯二甲酸乙二酯和聚丙烯薄膜可以显著提高复合材料的防刺性能，UD复合材料的结构在增强防刺性能中起重要作用。

张月庆以UHMWPE 为原料，将非织造材料与机织物叠层复合，通过针刺技术制成高性能柔性防刺材料［6］。通过性能测试发现，该柔性防刺材料可吸收两者优势，发挥非织造材料的抗剪切和机织物的抗拉伸能力，针刺机的不断针刺使得非织造材料的纤维缠绕在非织造材料和机织物之间，增强了两者的协同效应，提高对刀具压缩的反应速度，从而提高其防刺效果。

从国内外相关学者的研究可以发现，软质防刺材料是今后防刺材料发展的大势所趋。而如何找寻平衡点，制备防刺性能与舒适性能兼备的软质防刺材料，是未来研究的重点方向。

2 防刺用纤维

防刺材料因其特殊的功能性，对纤维要求较高，纤维需具备优异的力学性能，强度高、模量大等，因此多以KEVLAR、UHMWPE 等高性能纤维为原料。

2.1 KEVLAR 纤维

美国杜邦公司生产的KEVLAR 纤维具有超高强度、高模量、耐高温、质量轻等优异性能，其比强度是钢的5 倍至6 倍，模量是钢丝和玻璃纤维的2 倍至3 倍，而体积质量仅为钢丝的1/5 左右［7］，为玻璃纤维的1/2 左右［8］，在高性能纤维中占据重要地位。但其耐光性差，不耐可见光和紫外线。目前我国烟台泰和新材料股份有限公司也能产业化批量生产该纤维。

2.2 UHMWPE 纤维

荷兰皇家帝斯曼集团生产的UHMWPE 纤维与碳纤维、芳纶纤维并称为当今“世界三大高科技纤维”。超高的分子量、高取向度、高结晶度赋予了UHMWPE 纤维高强度、高模量、抗冲击等优异的力学性能。其比强度是碳纤维的2.6倍，是芳纶纤维的1.7 倍［9］。其拉伸强度是目前现有产业化生产的高性能纤维之最［10］，强度相当于优质钢丝的15 倍。在相同直径的条件下，它可以负担的最大质量是钢丝的8 倍［11-13］。而其质轻，体积质量小于1 g/cm3，体积质量仅为高模量碳纤维的1/2 左右，为芳纶纤维的2/3 左右［14-17］。且其耐光性好，在户外暴露1 年以上强度只有稍许下降。但其熔点低，不耐高温，最高使用温度不超过120 ℃。目前我国有多家企业能自主生产UHMWPE 纤维，包括江苏锵尼玛新材料股份有限公司、北京君安泰防护科技有限公司、北京同益中特种纤维技术开发公司、连云港神特新材料有限公司、上海斯瑞聚合体科技有限公司等。国产UHMWPE 纤维产量稳定、质量上乘，单丝强度平均38 cN/dtex，部分可达40 cN/dtex。

3 KEVLAR、UHMWPE 纤维在防刺材料中的应用

近年来，以KEVLAR、UHMWPE 高性能纤维为原料的软质防刺材料逐渐取代了传统的硬质、半硬质防刺材料。为进一步提高其防刺性能，多采用树脂基复合材料的形式。

3.1 树脂基复合防刺材料现状

树脂基复合防刺材料结合了KEVLAR、UHMWPE 纤维的高强度、高模量优点，以及树脂基体的多功能特性。

JESSIE B 等在静态和动态穿刺试验条件下，对经热塑性树脂浸渍的芳纶织物的抗剪切性能和抗穿刺性能进行了表征［18］。结果表明织物的防刺性能得到明显提高。

TAE J K 等开发了一种由剪切增稠液（STF）和KEVLAR 织物复合的防刺材料，采用一浸一轧整理法对KEVLAR 平纹织物进行STF浸渍整理，并对其力学性能和防刺性能进行了研究［19］，发现STF 浸渍整理显著提高了KEVLAR织物的防刺性能。

刘玉龙在KEVLAR 纤维织物上添加SiO2纳米粒子，与Surlyn 树脂复合，研究其防刺性能及力学性能［20］。结果表明，材料的力学性能和防刺性能得到显著提高。由于纳米粒子本身具有非常优异的强度和韧性，因此在传统防刺材料中加入适量的纳米粒子，能够有效吸收冲击波的能量，提升防刺性能。而喷涂的纳米粒子分布在纤维束内侧和纤维表面，能够有效约束纤维的移动，在相邻纤维丝束之间起到传递冲击力的作用。

WANG D N 等在UHMWPE 织物上涂覆热固性树脂制备复合材料［21］。动态穿刺测试结果表明，与相同单位面积质量的纯UHMWPE 织物相比，复合材料的防刺性能有所增强。经过树脂整理后，纱线间的空隙被树脂填满，有效减少了纱线的滑移现象，使得刀具穿刺织物时纱线能够吸收更多的能量，起到良好的防刺作用。

顾隽研究了剪切增稠液和UHMWPE 织物复合后的防刺性能［22］。防刺试验及其微观形貌表明，在树脂含量一定的条件下，复合材料中剪切增稠液体系的二氧化硅含量越高，刀刺穿织物后露出的刀尖长度越小，防刺性能越好。

3.2 树脂基复合防刺材料的不足

尽管织物经树脂处理后，其防刺性能有所增强，但增强幅度有限，防刺性能仍难以达到理想效果。KIM H 等对热塑性LDPE 树脂和热固性环氧树脂增强KEVLAR 织物的防刺性能进行研究［23］。LDPE 增强KEVLAR 织物抵抗破坏行为表现为三个不同阶段：最大强度刺入的初始穿透阶段、刀刃切割阶段以及积累纤维束的破坏阶段。而环氧树脂增强KEVLAR 织物抵抗破坏只表现为两个阶段，即没有积累纤维束的阶段。然而，无论使用何种增强树脂，织物在经过初始穿透后，防刺强力都明显下降。研究还发现，即使LDPE 增强织物是多层的，树脂增强的性能也只在初始穿透阶段得到提高，而切割阶段和纤维束积累阶段的防刺强力无法提高。

此外，伴随着防刺性能的增强，织物柔软度降低，穿着舒适性也大大下降。刘娟等设计了一种树脂成型柔性防刺服的防刺层结构［24］。通过对三种不同空隙率的防刺层试样进行悬垂性测试、单层防刺层的准静态防刺性能测试和多层防刺层的动态穿刺性能测试，研究了空隙率与材料的柔软性、防穿刺性之间的关系。结果表明，随着空隙率的减小，树脂成型柔性防刺材料的防穿刺性能提高，但其柔软性变差。

而树脂与纤维界面的结合情况也不甚理想。CHUNG Y C 等［25］提出通 过增加摩擦力来限制细丝的滑动以及纤维与穿刺探针之间的压缩和磨损，以此提高织物复合材料的静态和动态穿刺性能。制备了由芳纶短纤维、尼龙短纤维以及一层低熔点聚酯纤维（以下简称LPET）组成的复合织物。芳纶和尼龙短纤维组成的非织造织物层提供剪切作用，以消散部分穿刺能量。增强夹层包括编织物和聚酯纤维丝，这些织物和聚酯纤维丝在表面层之间循环聚集，增强对穿刺探针尖端的抵抗力。在针刺后，增强丝可能会滑动，为了弥补这一缺点，采用LPET 层对复合织物进行热黏合。对热黏合织物复合材料的耐穿刺性能进行评价，从而考察织物结构和热黏合性能的影响因素。结果表明，最佳的复合结构为N/L/W/F/L/N，其由LPET 黏合层和不规则排列的纤维组成。采用LPET 黏合层阻止了纤维的滑动，进而提高了静态穿刺和动态穿刺性能，但界面结合能力较差。

为解决现存树脂基复合防刺材料防刺效果一般、服用性能差等缺陷，相关学者对树脂体系进行了大量的研究。

董继萍等为选出最佳的树脂片几何形状以提高材料防刺性能，采用CAD 对规则排列面积相同的正方形、等边三角形、正六边形和圆形4 种树脂片进行作图分析，并通过理论计算比较树脂片之间的空隙宽度和空隙面积［26］。研究结果表明，对紧密相切排列的正方形、等边三角形、正六边形和圆形而言，正方形、等边三角形和圆形会使树脂片之间产生直线排列，刀具很容易穿过直线行列伤害人体；对规则排列、树脂片间留有空隙的多边形和圆形而言，当空隙率一定且树脂片面积相同时，正六边形树脂片之间的空隙宽度更窄，空隙面积更小，刀具更难刺入，即正六边形的树脂片有利于提高材料的防刺性能。

陈虹等分析了国内外防刺材料常用树脂体系［27］，包括环氧树脂、酚醛树脂、沙林树脂、其他树脂及剪切增稠液体。由于树脂本身力学性能及其与纤维之间浸润性的影响，采用不同胶黏体系所得防刺材料的剪切强度、黏结强度及防刺性能不同。采用的热固性树脂，强度较大，防刺性能优异，但普遍硬度较大，不易弯折，而采用热塑性树脂制得防刺基片柔软性较好但其强度较低，防刺性能较差。

上述研究表明，无论是热固性树脂或是热塑性树脂，都难以兼顾优异的防刺性能与良好的服用性能，而这亦是现存软质防刺材料有待解决的难点。

4 结语

目前，国内外关于KEVLAR、UHMWPE 防刺材料的研究多集中于其与树脂材料复合，而缺少系统的关于防刺机理方面的研究，而掌握防刺机理有助于更有针对性地设计防刺材料的结构与工艺参数，进而改进现存KEVLAR、UHMWPE 防刺材料防刺效果一般、质量大、偏硬、透气性差等问题。因此，软质防刺材料应加强防刺机理、结构设计、树脂与纤维界面分析等方面的研究。

纺织类科技期刊务必规范化学纤维署名

科技的飞速发展使得化学纤维种类越来越多，规范化学纤维署名的问题日益凸显，早在2009 年，GB/T 4146.1—2009《纺织品 化学纤维 第1 部分：属名》就对化学纤维署名进行了规范，但本刊编辑部在日常工作中发现，很多稿件存在化学纤维署名混乱的问题。以下就常见问题进行纠正。

（1）莱赛尔纤维（莱赛尔）lyocell，错误署名有“天丝”“天丝纤维”。

（2）海藻纤维alginate，应与海藻改性纤维区别开。如牛奶蛋白纤维和牛奶蛋白改性纤维，大豆蛋白纤维和大豆蛋白改性纤维等亦是不同纤维，应注意区分。

（3）聚丙烯腈纤维（腈纶）acrylie，错误署名有“腈纶纤维”。如芳纶、氯纶、氨纶等也存在类似问题。

（4）聚酯纤维polyester(PES)包含聚对苯二甲酸乙二酯（涤纶，PET）、聚对苯二甲酸丙二酯纤维（PTT）、聚对苯二甲酸丁二酯纤维（PBT）,务必明确署名，以免混淆。

（5）在纤维外涂覆金属的情况下，应称为金属镀膜纤维，而不是金属纤维。

（6）甲壳素纤维为以甲壳质及其衍生物为原料制得的纤维。化学结构单元包括甲壳质和壳聚糖。

本刊编辑部