防割面料的研究现状及展望

钟 林 肖咏梅 陈红霞 黄晓梅 曹海建

（1.南通大学，江苏南通，226019；2.军需能源质量监督总站武汉质量监督站，湖北武汉，430000）

防割面料是一类能够抵御人体免受刀具、利刃等锐器伤害的个体安全防护材料，不仅可用于军队及警察安全部门，如巡警、狱警等，还广泛用于民用领域，如建筑、装修、玻璃、化工等。因此，针对利器切割的潜在危险，防割面料的开发及应用具有重要意义。

1 防割面料的研究现状

防割面料的防切割能力主要来自三方面。第一，纤维材料承受刃器时作用力方向的拉伸断裂以及垂直于作用力方向的抗剪切性能。第二，恰当合理的纱线结构可以提高纤维材料之间的协调配合，从而使材料的优异性能够充分发挥。第三，织物结构越紧密，抵抗切割外力作用越强。

从纤维角度来看，防割材料从最初的天然纤维、合成纤维发展到如今的金属纤维和高性能纤维。目前广泛使用的金属纤维有不锈钢纤维，高性能纤维有UHMWPE 纤维、芳纶以及玻璃纤维等。从纱线角度看，防切割纱线有纯纺纱、混纺纱、复合纱以及经过特殊处理制得的纱线。由于纯纺纱制成的织物防切割性较差，因此目前研究的防切割纱线主要有以高强度短纤维或者高性能短纤维制成的混纺纱。从织物角度看，防切割织物可以分为针织物、机织物、非织造布、无纬布、多种结构复合织物等。

1.1 防割用纤维

1.1.1 不锈钢纤维

不锈钢纤维是一种新型的软态工业材料，体积质量约7.9 g/m3，是普通纺织纤维的5 倍~8倍，具有一定的可纺性；其力学性能优良，直径8 μm 的 不锈钢纤 维强力在2.94 cN~5.88 cN［1］；不锈钢纤维光泽明亮，挠性明显，韧性差，具有纤细、柔软等特性。不锈钢纤维在防割领域的应用主要是与其他具有高强度的纤维配伍，制成半柔性防割面料。国内生产企业有湖南惠同新材料股份有限公司、江苏金火炬金属纤维有限公司等，国外企业有比利时贝卡尔特公司、日本精线公司等。

1.1.2 UHMWPE 纤维

UHMWPE 纤维即超高分子量聚乙烯纤维，其单丝强度是目前高性能纤维中最大的，具有很强的能量吸收能力，因而具有突出的抗冲击性和抗切割性，常作为防割面料的主体纤维。但是UHMWPE 纤维也有不容忽视的缺陷。其纤维表面硬度低，当与硬度较高的物体产生摩擦时，易造成磨损，严重时会导致断裂［2］。例如，由UHMWPE 纤维编织的防割手套耐磨性和防割性能仅能 满 足 BS EN 388：2003《Protective gloves against mechanical risks》（以下简 称BS EN 388）的3 级，不能很好地适应实际应用中的防护需求［3］。基于此，国内外学者在纤维表面增加耐磨性涂层和对纤维进行耐磨改性。冯园等对UHMWPE 纤维进行了耐磨改性，测试发现改性UHMWPE 纤维的耐磨系数比UHMWPE 纤维提高了257%，同时纤维强度仅降低3.8%左右［4］。LIU Z P 等采用碳化硼颗粒改善UHMWPE 纤维的耐磨性，研究发现处理后的UHMWPE 纤维耐磨性提高了46%［5］。

1.1.3 芳纶1414

Kevlar 是美国杜邦公司研制的一种芳纶1414的品牌名，具有高强度、高耐磨、耐切割的性质。Kevlar 强度为2.5 GPa~3.3 GPa，拉伸强度是钢丝的6 倍，拉伸模量是钢丝和玻璃纤维的2 倍~3倍，体积质量仅为钢丝的五分之一［6］。但是芳纶1414 在耐紫外线光照以及耐摩擦方面的性能不好，国外生产企业有美国杜邦公司、日本帝人株式会社等，国内有苏州兆达特纤科技有限公司等。

1.1.4 玻璃纤维

玻璃纤维是一种具有良好物理机械性能的无机非金属材料，质轻，体积质量比有机纤维高，但是比金属纤维低；强度高，断裂强力达1 370 N~1 470 N，是同等质量钢丝的2 倍~4 倍［7］。玻璃纤维的缺点是脆性大，纤维头端易伸出纱体造成刺痒感，因此在防割面料中玻璃纤维一般是在纱线内层，由外层纤维将其包覆，以减轻对人体造成的刺痒。国外生产企业有美国的Owens Corning 公司、法国的Saint-Gobain Vetrotex 公司等，国内有巨石集团有限公司、泰山玻璃纤维有限公司等。

1.2 纱线结构

合理配置纱线结构可以有效提高纤维之间相互作用的稳定性，从而提高其力学性能。

1.2.1 混纺纱

多种纤维混纺纱不仅可以使各种纤维性能优势互补，还能在一定程度上克服单种纤维可纺性差的缺点。严雪峰等用UHMWPE 短纤与ES 纤维混和，再与不锈钢纤维切条混并制成防切割混纺纱；混纺纱的耐切割等级能达到ANSI/ISEA 105—2016《American National Standard for Hand Protection Classification》的A4 级，具有较好的防切割性能［8］。

1.2.2 复合纱

包芯纱兼有芯纱和外包纤维的优良物理机械性能。许刚以钢丝为芯纱、外包UHMWPE 长丝制成包芯纱；该包芯纱制成的针织面料防切割等级 可 达 到ASTM F1790—2005《Standard Test Method for Measuring Cut Resistance of Materials Used in Protective Clothing》（以 下 简 称ASTM F1790）的A6 级［9］。

包覆纱结构与包芯纱相似，双层包覆结构可以更好地包裹住芯纱，保证纤维间相互配合。黄浚峰等设计了以UHMWPE 长丝为基本材料的包芯纱、包覆纱、合捻纱，研究表明由包覆纱编织成的防割手套性能最佳［10］。李丽等选用UHMWPE 纤维、锦纶、不锈钢金属丝，设计了包芯纱、合捻纱和双层包覆纱，试验发现由双层包覆纱制成的织物防割性能最好［11］26。

1.2.3 其他类型纱

纤维用功能母粒是实现纤维柔性化的重要技术手段之一，目前防护类纺织品的研发也已经有采用添加功能母粒的方法。范余娟将具有高强高模等特点的材料纳米化制备成功能母粒，与聚酰胺6 半光切片熔融混合，制成了防切割改性锦纶6全牵伸丝［12］；试验发现，由其编织的手套防切割等 级 可 达BS EN ISO 13997—1999《Protective clothing—Mechanical properties—Determination of resistance to cutting by sharp objects》（以下简称BS EN ISO 13997）的B 级，可满足使用要求。

剪切增稠液体（Shear Thickening Fluid，STF）是一种新型纳米智能材料，在柔性机械防护领域已有许多研究成果。王丽娟将UHMWPE长丝浸入STF，经处理得到STF/UHMWPE 复合纱；测试结果表明，STF/UHMWPE 复合纱的耐切割能力大于纯UHMWPE 纱［13］74。

1.3 织物结构

1.3.1 针织结构

针织物由于其线圈特性，有较好抵抗冲击的能力，但是受外力作用会发生变形，刀尖易透过偏移的线圈伤害人体。MOLLAEI A 等研究了结构参数对对位芳纶和UHMWPE 纬编针织物耐切割性能的影响，得出组织密度存在一个最优值，在此条件下，芳纶和UHMWPE 混纺纱线耐切割性最好［14］。徐立双使用聚乙烯纤维、锦纶等编织了18 种防切割针织物，试验得出针织物的结构参数对针织物防护性、舒适性均有显著影响，其中厚度影响最大，体积质量次之［15］81。

1.3.2 机织结构

机织物结构紧密，质地坚牢，受刀刃作用时纱线不容易滑移，力学性能优异，可起到良好的防切割作用。MESSIRY M E 等研究了织物组织结构对机织物剪切阻力的影响，得出织物的比切削阻力与织物结构、经纱纬纱线密度、织物的杨氏模量等有关［16］。李丽等设计了平纹、斜纹、缎纹等不同的防切割织物，得出组织结构为二上二下加强斜纹织物的防割性能最佳［11］28。

1.3.3 非织造结构

非织造布的耐切割性远小于针织轴向织物［17］。在非织造布中，纤维杂乱无章排列，刀片作用在其上时，纤维在不同时间具有较高的可断裂性。通常非织造布制成的防切割材料并不是单一使用，而是多层复合的。

1.3.4 无纬结构

无纬布是采用UHMWPE 纤维或芳纶为基材，通过高科技设备铺丝，用高强弹性体树脂浸渍涂胶和薄膜黏合，再经0°、90°双正交复合层压而成高强、质轻防护材料，具有手感柔软、体积质量小、耐磨蚀、抗冲击、抗切割、韧性强等优异性能，广泛应用于软质防弹衣、防刺、防切割服装衬片等。

1.3.5 复合结构

复合织物是指把多层织物黏结在一起，或通过织物与高聚物或其他材料复合在一起，形成拥有多种功能的复合体。按照与织物复合的材料来划分，复合织物可分为织物与织物复合、高聚物与织物复合、金属与织物复合三大类。从工艺角度看，织物的复合可以通过织物结构设计、织物层压技术、涂层技术等方式实现。

2 防割面料的应用现状及存在的不足

随着面料的发展进步，各种防割装备应运而生，主要有防割手套、防割护臂、防割服等。

2.1 防割手套

目前生产研究最多的防割装备是防割手套，可分为无涂层手套和涂层手套。无涂层手套穿戴柔软、生产效率高，但是耐磨性以及耐切割性低。涂层手套相较而言比较硬挺、灵活性较差，因此又分为全涂层、掌背指部涂层以及指部涂层。除此之外，防割手套还有采用无数个小圆环穿编而成的钢丝手套，其具有优良的耐磨、防割作用，佩戴舒适且易清洁，但是成本较高。近年来，随着技术的发展进步，研发了兼具防割的多功能手套，如防割耐低温手套、防割阻燃手套、防割防水手套等。

2.2 防割护臂

防割护臂用于保护手臂不被划割。目前市场上有不锈钢纤维纯纺制成的防割护臂，但是防割等级较低且透气性差。由UHMWPE 纤维或者Kevlar 包覆不锈钢丝制成的防割护臂性能优良，舒适性也有所提高。其中，芳纶制成的护臂舒适性要优于UHMWPE 纤维。

2.3 防割服

防割服是有效抵制并减轻刀具对人体划伤的一种服装。按照织造工艺主要分为针织物、机织物和多种结构复合织物。北京同益中新材料股份有限公司采用UHMWPE 纤维针织而成的防割服防割等级能达到BS EN 388 的3 级~5 级；与传统防护织物相比，具有轻便、透气等特点。杨建淼等研发的一种新型防割服由表层、防割层、缓冲层、内层构成；表层设有透气孔，防割层由UHMWPE 纤维编织，缓冲层由弹性金属丝制成，内层为了增加舒适性由棉纤维制成，多层结构缝合起来构成防护服，其防护性能以及透气性较好［18］。

2.4 目前防割产品存在的不足

当前的个体防护产品发展迅速，但是过多强调防割性能而忽略了产品的穿戴舒适性。目前研究的防割手套大多为了增加其防割性能与使用寿命而对手套进行涂覆处理，增加的涂层会影响穿戴灵活性和舒适性；防割服也存在质量大、透气性差等问题。

徐立双从力量、灵活性、触觉感知方面对防割针织物进行工效性评价，构建了舒适性评价模型，通过织物的结构参数初步实现对防割织物的穿戴舒适性的预测［15］101。高淑敏从人体工效学角度出发，研究人体皮肤形变特征，并在人体关键部位进行防割材料的添加设计，通过主观评价法对短道速滑服进行功能性、舒适性验证［19］。BARTKOWIAK Grażyna 等提出了一种将防护服与参考服对比研究的人体工效学评价方法，将参考服放置在适当的舒适度等级中对其进行定量评估［20］。

目前关于防割服类的工效性评价还未见报道，也没有明确的防割类产品的工效学性能评价标准，而此类研究对防割类产品的开发具有指导意义。当前市场上同时兼具高防护等级和穿戴舒适的产品较少，如何兼顾防割等级与舒适性这个平衡点，仍需要进一步研究。

3 国内外防割性能测试研究

防割材料的性能测试主要是防割性能测试。对于纤维和纱线而言，目前还没有相关的防割测试标准，为此国内外的研究人员在原有机械设备基础上进行改进或自行设计研发了相应装置。SHIN H S 等通过对现有力学设备进行改造，设计了一种特殊夹具，可对纱线施加可调张力，安装在刀片下的摄像机连续记录切割运动行程和纱线中点的横向载荷，由横向载荷计算纱线的轴向载荷以及应力和应变［21］。MAYO J 等针对高性能单纤维设计了一种切割测试装置，该装置可将刀片以不同的角度横向插入单根纤维，装置上的力传感器能够测出切割过程的力-位移曲线［22］。王丽娟改造现有力学仪器并设计了一种U 形板，测试时将纱线固定在刀片上，以一定的速度移动直至切断，通过分析位移-负荷切割曲线对其耐切割性进行分析［13］47。梁玉设计了一种张力控制装置，同时利用压力传感器等现有仪器实现对刀具切削力信号、UHMWPE 纤维丝束断裂过程声发射信号及丝束断裂形态的提取，实时观察UHMWPE 纤维的切割过程［23］。

虽然国内外研究人员通过各种方法对纤维、纱线进行防切割性能测试，但是关于材料的切割机理研究还比较贫乏，理论相对滞后，没有系统的关于纤维、纱线的切割测试标准，在一定程度上阻碍了防切割产品的发展。

4 相关的测试标准

目前国际上防割测试标准有BS EN 388、ASTM F1790 和BS EN ISO 13997，国 内 有GA 614—2006《警用防割手套》。

BS EN 388 为机械伤害防护手套标准，测试原理：给圆刀片施加5 N 的压力，在50 mm 的范围内进行往复旋转运动，记录圆刀片旋转周数，然后与标准材料对比换算成防切割指数。ISO 13997是防护服装的测试标准，测试原理：施加某个力到标准刀片，刀片从材料表面划过一定距离而出现划破穿透。用切割距离表征切割力，也就是说当施加力一定时，材料的切割距离越长，其防割性能越好；当材料的切割距离一定时，施加力越大，防割性能越好。

ASTM F1790 和BS EN ISO 13997 的 测 试原理一致，设备也有相似之处，区别在于后者切割距离规定为20 mm，前者切割距离规定为25.4 mm。两者与BS EN 388 的设备和测试方法有根本的区别。BS EN 388 的测试方法是使样品处于相对适中的压力下（5 N 负载力），使用圆形刀片在测试样品上进行往复旋转，从而进行切割测试。而ASTM F1790 和BS EN ISO 13997 的测试方法是使用矩形刀片单向运动滑过规定距离引起样品穿透所承受的负载作以测量。对于UHMWPE纤维、Kevlar、不锈钢纤维等高性能纤维制成的防割性高的测试样品，其负载可达1 000 g~3 500 g，即10 N~35 N，比BS EN ISO 13997 中施加在圆形刀片上的载荷力高2 倍~7 倍［24］。同时，使用不同测试方法对同种织物进行切割测试，结果也不相同。刘柳采用ASTM F1790 和BS EN ISO 13997 中测试方法对Dyneema 长丝纱和短纤纱分别编织的手套进行切割测试，对比发现：采用BS EN ISO 13997 中的方法，长丝纱手套和短纤纱手套的防割性能没有显著变化；而采用ASTM F1790 中的方法，长丝纱手套的防割性能明显优于短纤纱手套。刘柳认为：ASTM F1790 中纱线与刀片的摩擦很大，而BS EN ISO 13997 中纱线与刀片的摩擦较小，可以忽略不计［25］。

5 结语

目前，国内外关于纱线的防割性能测试还没有标准，应加强该方面的研究，从而更好地在纤维材料、纱线结构上优化。同时，国内外关于防割面料的研究多集中于纤维材料的选配、纱线结构的研究，缺少关于防割机理以及织物组织结构的研究，而掌握防割机理和织物组织结构有助于针对性地设计防割面料的结构与工艺，进而改进当前防割面料不能兼具较好防割等级与较好穿戴舒适性问题。总之，防割面料应加强防割机理、织物组织与结构、人体工效学等方面的研究。