纺织基柔性防刺材料的研究进展

文 | 俞鑫 耿轶凡

根据可查的资料及现有的调查反馈，刀具等尖锐物的捅刺是威胁执法人员生命安全的主要原因，其造成的伤亡人数远高于枪支。防刺服是人体抵御刀具等尖锐器具袭击的防护装备，通常可以分为硬质防刺服、半硬质防刺服及柔性防刺服 3 类。其中，硬质和半硬质防刺服的防刺片大多由金属或陶瓷插片等材料制成，防刺性能优异，但材料重量和硬度较大，穿着舒适性差，活动灵活性不够。我国GA 68 — 2019《警用防刺服》标准要求防刺服不能使穿着者双臂的自由运动及人体的跪、跳、蹲、俯仰、转体等动作受到限制，且A类防刺服的重量不能超过2.8 kg。这要求防刺服需要兼具防刺、穿戴柔性与轻质等特点。以轻质柔性织物为基础的防刺材料成为了当下的研究热点，近年来研究人员围绕高性能纤维织物多层结构或机织、针织、非织造织物复合结构组合、织物表面涂覆硬质粒子、织物与剪切增稠液形成复合结构、织物和硬质树脂块形成复合结构等几个方面展开研究。

1 纺织基柔性防刺材料研究进展

1.1 纤维原料

高性能纤维因具有高强高模等特性被优选为柔性防刺材料的纤维原料，如Kevlar®、Dyneema®、碳纤维、聚酰胺纤维等，表1 为部分高性能纤维的物理机械性能。

表1 防刺用高性能纤维物理机械性能

1.2 纺织基柔性防刺材料

以高性能纤维为原料制成的纺织基柔性防刺材料主要包括纯织物结构的防刺材料、织物表面涂覆硬质粒子的防刺材料、织物与剪切增稠液复合结构防刺材料及织物固着硬质树脂防刺材料等。

1.2.1 纯织物结构防刺材料

将高性能纤维制成的机织物、针织物或非织造布，通过相同或不同织造结构的织物多层复合铺叠可制成纯织物结构防刺材料。钟智丽等采用超高分子量聚乙烯纤维织制成单经双纬锁心、双经双纬锁心及其涂覆树脂的复合机织防刺材料，在动态穿刺测试过程中，所有织物都无法满足动态穿刺性能要求，但单经双纬锁心织物的防刺性能较佳，加入环氧树脂涂层能进一步改善复合织物的防刺效果。孔祥勇研究了超高分子量聚乙烯经编间隔织物的防刺性能，结果表明单一间隔织物达不到动态穿刺测试要求，增加间隔织物的密度与厚度可以改善织物的防刺性能，但这受制于加工工艺与服用便携性。许冬梅等尝试应用芳纶无纬布制成柔性防刺材料，先后研究了胶黏剂及热熔胶对材料防刺性能的影响。将 4 种热熔胶和芳纶无纬布制成夹心及叠加（热压）结构的防刺芯片进行动态穿刺测试，结果表明，塑性聚氨酯热熔胶和芳纶无纬布组成的夹心多层复合结构的防刺效果最好，胶黏剂含固量越高防刺性能越好，但是产品的克重过高，超过了10 kg/m2。

通过上述研究可以发现，由于柔性织物内部布满孔隙，使得尖锐物能够轻易透过孔隙刺入材料，为了具备标准要求的防刺性能，纯纺织结构的防刺材料通常需叠加几十层的织物，导致材料的厚度大大增加，材料柔性降低，克重无法达到合适的结果。

1.2.2 织物表面涂覆硬质粒子防刺材料

一些研究尝试将硬质粒子如碳化硅（SiC）、二氧化硅（SiO2）等涂覆于织物表面，增加材料对刀具的摩擦和阻力，耗散刀具的冲击能量。

张政等将粒径为1.3 μm的SiC粉末分散液涂覆于超高分子量聚乙烯平纹织物表面，探讨了涂层液配比、基布经纬密度、涂层数对材料防刺性能的影响。当SiC分散液与黏合剂质量比为 1∶1，基布材料经纬密均为100根/（10 cm），涂层数为 3 时，可达到最佳防刺效果。强桂燕等采用涂覆热压工艺将SiC涂覆在涤纶平纹织物表面，确定了粒径为150 μm的SiC粒子为最佳涂覆工艺。王新厚等将不同粒径的SiC硬质颗粒分别通过单面双层和双面单层的方式涂覆在涤纶平纹布表面制成柔性防刺材料，并探究了材料的防刺性能。结果表明，粒径为180 μm的SiC粒子采用单面双层涂覆方式形成的复合材料防刺性能较佳。刘玉龙利用喷涂工艺将纳米SiO2混杂在Kevlar®织物上，再与热塑性树脂 —— 沙林（Surlyn）热压复合制成柔性复合材料，纳米粒子利用气压能够均匀地分布在复合材料的表面及内部，钝化刀具，从而改善材料的防刺性能。ARORA等在超高分子量聚乙烯机织物表面接枝了ZnO纳米棒，ZnO纳米棒能够增加结构较为松散的超高分子量聚乙烯织物纱线之间的摩擦力，从而提高抗冲击性能。但当织物紧度过高时，纱线间的摩擦力已经足够高，接枝ZnO纳米棒后反而会导致冲击点处应力集中而弱化了织物的抗冲击性能。

织物表面涂覆硬质粒子能够改善材料抵御刀尖刺入的效果，但是硬质粒子的涂覆增加了材料克重，同时降低了材料柔性。

1.2.3 织物-剪切增稠液复合结构防刺材料

剪切增稠液是一种能在动态冲击下从液态变成固态，静态状态下又能恢复液态的材料，将剪切增稠液与织物复合能增加材料的抗剪切性能，提高防刺效果。

ZIELINSKA等用剪切增稠液浸渍Twaron®织物，在准静态穿刺测试中，得到等克重条件下，浸渍处理后的织物比未处理织物能承受更高的载荷。YEH等研究了利用浸渍和压轧方法制备STF/Kevlar®织物复合材料后其防刺性能的区别，研究发现，利用压轧方法制成的复合体系的耐冲击及防刺性能比浸渍工艺更佳。陆振乾等将剪切增稠液压轧于超高分子量聚乙烯织物，增加了纱线之间的摩擦力和防护阻力，减少了纱线因滑移产生的开窗效应，同时能够使织物成为一个整体，更易传递冲击能量，耗散锥刺的冲击动能。

此外，增加SiO2粒子在剪切增稠液的质量分数，能进一步提高防刺材料的防刺性能。王瑞等将经氧等离子体处理后的碳纳米管添加至剪切增稠液中，并将芳纶织物浸渍于该溶液中，随后烘干复合制成防刺材料。经氧等离子体处理后的碳纳米管，其表面接枝的含氧官能团可促进剪切增稠液的剪切增稠作用，从而提高纱线间摩擦力，使织物失效模式由纱线滑移变为纱线断裂，提高织物的防刺性能。QIN等应用一种新型的由二氧化硅微球和离子液体组成的剪切增稠液浸渍Kevlar®织物，该新型剪切增稠液表现出了独特的双重连续剪切增稠作用，限制了Kevlar®长丝和纱线滑移，长丝及纱线间的摩擦力增加了数十倍，大幅度改善了材料准静态及动态防刺性能。

织物中添加剪切增稠液能够改善复合结构的防刺性能，但剪切增稠液具有较强的流动性，如何让剪切增稠液均匀分布及材料的保存仍是一个未解决的问题，且剪切增稠液会降低材料的透气性，增加材料的面密度，对材料的使用舒适性产生一定的负面影响。

1.2.4 织物树脂复合结构防刺材料

硬质材料能够高效地抵御刀尖刺入，块状结构有利于耗散刀具的刺入冲击能量。一些研究将硬质树脂块黏合在柔性织物表面，使材料具有良好的防刺性能，并保有一定的柔性。

方心灵等用改性环氧树脂作为基体与芳纶机织布及芳纶非织造布复合模压制成防刺材料，经测试验证，机织与非织造树脂复合片交替铺层结构的复合材料防刺效果最佳，表明树脂基体能够提高芳纶材料的防刺性能。马飞飞等通过网板成型工艺将涤纶基布与环氧树脂进行复合，在该研究中，树脂并不是被高温高压模压渗透进入织物内部，而是凸起固着在涤纶基布表面作为防刺块。环氧树脂固化后有较高的硬度和强度，起到主要的防刺作用。研究还发现，机织平纹基布与非织造基布交替叠层的复合防刺材料的防刺效果最佳，基布表面的树脂之间保持一定的孔隙让材料具有透气性与柔性。4 层离散树脂成型复合材料与40层叠层芳纶平纹布的防刺性能相当，这种织物固着树脂的防刺材料显著降低了材料的厚度。刘娟等研究了树脂空隙率对树脂成型的防刺材料柔性与防刺性能的影响，研究测试了 3 种不同空隙率试样的悬垂性、单层防刺层的准静态防刺性能和多层防刺层的动态穿刺性能。结果表明，空隙率降低有助于提高材料的防穿刺性能，但会导致材料柔性变差。练滢设计了一种新型的Z形聚碳酸酯固化物防刺靶片，采用熔积成型法制作防刺靶片，并让Z形靶片以搭接的形式固着在涤纶基布上，这种排列方式可以保持材料的柔性。动态穿刺测试结果显示，单层Z形树脂靶片最厚处能够达到防刺要求，但搭接重叠部分不能满足防穿刺要求，两层叠加的Z形树脂防刺靶片的任意位置都能达到防穿刺的要求。

对比纯织物结构、硬质粒子涂层、剪切增稠液防刺材料，树脂块防刺材料具有更佳的防穿刺表现和轻质性。树脂块状物间以一定的空隙率与柔性纺织面料结合，赋予材料柔性。块状物的形态尺寸和空隙率大小影响材料防刺性能和柔性，因此尚需对块状物的材料、形状与尺寸、在织物上的排列方式进行进一步优化。

2 防刺性能测试方法与要求

通常采用动态穿刺方法来评估防刺材料的防刺性能，其基于落锤冲击试验原理，将一个尖锐物（刀具）从一定高度自由下落刺向试样，模拟动态穿刺过程，根据试样被刺穿损坏的程度评估试样的防护等级。国际上常见的动态穿刺方法标准包括中国的GA 68 — 2019《警用防刺服》、美国的NIJ 0115.00《防刺衣与防刺性能测试标准》、英国的Home Office Body Armor Standard 2017等。表2 列出了这 4 种标准对于刀具刺入角度、测试撞击能量、穿刺次数、防护等级等方面的要求。

表2 动态穿刺测试方法与防刺性能要求

3 结语

柔性纺织基防刺材料在兼顾材料防刺性能、轻质与柔性方面尚存在一定的问题。纯织物结构的防刺材料厚度太大，涂覆硬质粒子的防刺材料增加了材料的克重，添加剪切增稠液则影响了防刺材料的透气舒适性，复合树脂防刺材料在树脂材料、树脂形态尺寸及其空隙率等方面有待进一步研究。这需要进一步明确纺织基防刺材料的穿刺与防刺机制，以科学指导选材与结构设计，研制防护轻薄柔性更佳的防刺材料，在达到各国要求的防刺性能基础上，具有良好的舒适性。