■文/北京普凡防護(hù)科技有限公司 劉凱 孫向玲 王艷

關(guān)鍵字：防刺服 防刺標(biāo)準(zhǔn) 軟質(zhì)防刺材料 高性能纖維

1 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展失衡問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，世界各地貧富分化加劇，社會(huì)矛盾不斷激化。尤其是在突如其來(lái)的新冠肺炎疫情影響之下，恐怖主義、分裂主義、極端宗教勢(shì)力活動(dòng)日漸猖獗，導(dǎo)致部分地區(qū)政治局勢(shì)動(dòng)蕩，暴力沖突頻發(fā)。2020年6月7日，美國(guó)紐約發(fā)生一起疑似恐怖主義襲擊事件，1 名極端分子手持匕首突襲一名警察并造成其重傷。2020 年12 月7 日，法國(guó)巴黎發(fā)生暴力示威游行，67 名警員在執(zhí)勤中受傷，其中重傷人員絕大部分為銳器所傷。

大量事實(shí)證明，執(zhí)法人員在暴力事件中面對(duì)的致命威脅有相當(dāng)大比例是來(lái)自刀具、尖錐等銳器傷害而非槍械。因此，目前各國(guó)在安全防護(hù)裝備領(lǐng)域更多聚焦于防刺服的設(shè)計(jì)及研發(fā)。

2 防刺服的機(jī)理及標(biāo)準(zhǔn)

與通過(guò)材料的斷裂和變形消耗侵入物沖擊能量的防彈機(jī)理不同。防刺機(jī)理是由于刺入過(guò)程中防刺材料的垂直剪切強(qiáng)度變大，導(dǎo)致刀尖變形加速，從而阻止銳器繼續(xù)向前行進(jìn)，進(jìn)而達(dá)到防護(hù)目的。

1997 年開始，英國(guó)警署科學(xué)發(fā)展部通過(guò)對(duì)不同穿刺技術(shù)對(duì)男性群體所施予的穿刺能量頻率進(jìn)行了研究，在1999年制定了PSDB 防刺服標(biāo)準(zhǔn)。

2000 年，美國(guó)國(guó)家司法機(jī)構(gòu)（NIJ）和HOSDB（PSDB）合作，制定出了一個(gè)新的系統(tǒng)性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：NIJ0115.00。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法基本相同，即借助落體以一定的角度和能量刺向置于支撐架的防刺服，測(cè)試能否刺入和刺穿深度。

借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)并立足于本國(guó)實(shí)際需要，我國(guó)于2008 年制定相關(guān)防刺服標(biāo)準(zhǔn)，并于2019 年更新為GA 68-2019《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)防刺服的定義為：能有效防護(hù)銳器、利器從不同角度對(duì)防護(hù)部位的攻擊，減少人體防護(hù)部位受到刺傷的一種裝備。由此可以看出，防刺服防御的威脅對(duì)象是指邊緣鋒利或尖銳器具（如匕首、鐵錐、彈簧刀等銳器、利物）的刺入性傷害。

3 防刺服的發(fā)展過(guò)程

伴隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，防刺服經(jīng)歷了硬質(zhì)-半硬質(zhì)-軟質(zhì)三個(gè)發(fā)展階段。

3.1 硬質(zhì)防刺服

早期防刺服的防護(hù)層通常采用硬質(zhì)材料制作而成。作為傳統(tǒng)防刺材料，主要為高性能合金。這類防護(hù)服的防護(hù)思路與古代冷兵器時(shí)期的盔甲類似。硬質(zhì)防刺材料依托其出色的堅(jiān)硬度，可以通過(guò)硬碰硬的方式有效防護(hù)穿刺攻擊，但劣勢(shì)也極為明顯，其重量和剛性往往造成了穿戴者極大的負(fù)重，無(wú)法達(dá)到可穿著性與防護(hù)性的平衡要求。因此，單純的硬質(zhì)防刺服已非目前的市場(chǎng)主流，部分產(chǎn)品可能會(huì)選用鈦合金加工成魚鱗狀防刺層，來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化便捷性的目的。但此方案一來(lái)加工難度大，二來(lái)成本過(guò)高，只能適合高端小眾需求，難以做到大范圍市場(chǎng)推廣。

3.2 半硬質(zhì)防刺服

鑒于單純硬質(zhì)防刺服的諸多不便，為了減輕防刺服質(zhì)量、提高產(chǎn)品的舒適性，設(shè)計(jì)者考慮將金屬絲加捻織造或者繞成金屬環(huán)，端點(diǎn)點(diǎn)焊、互鎖、一層或多層與其他柔性防刺材料復(fù)合用以增強(qiáng)材料的防刺效果。

但是此類方式面臨著加工難度大，成本消耗高的難題，最終難以在市場(chǎng)上得到推廣。

3.3 軟質(zhì)防刺服

隨著近年來(lái)芳綸、超高分子量聚乙烯等高性能纖維的涌現(xiàn)，此類材料已被廣泛應(yīng)用于防刺裝備領(lǐng)域。目前，通過(guò)不斷地技術(shù)改良，單純由高性能纖維制成的防刺服已能滿足防護(hù)需求，加之此類軟質(zhì)防刺服穿著舒適且價(jià)格適中，已經(jīng)逐漸成為當(dāng)今市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。

4 高性能纖維在軟質(zhì)防刺服上的應(yīng)用

軟質(zhì)防刺材料一般由高性能纖維構(gòu)成。通常應(yīng)用于防刺領(lǐng)域的高性能纖維指的是具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫性的新一代合成纖維，其強(qiáng)度大于17.6cN/dtex，彈性模量在440cN/dtex 以上，主要包括芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、聚對(duì)苯撐苯并二噁唑纖維等。

4.1 對(duì)位芳綸纖維

芳綸纖維全稱為“芳香族聚酰胺纖維”，英文為Aramid fiber，是一種高性能合成纖維。芳綸主要分為兩種，對(duì)位芳酰胺纖維（PPTA）和間位芳酰胺纖維（PMIA）。其中對(duì)位芳綸PPTA 具有超高強(qiáng)度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優(yōu)良性能, 纖維實(shí)際強(qiáng)度約為22cN/dtex,具有很好的抗張性能，強(qiáng)度是鋼絲的 5 ～6 倍 ，模量為鋼絲或玻璃纖維的2 ～3 倍，韌性是鋼絲的2 倍，而重量?jī)H為鋼絲的1/5左右，同時(shí)具有良好的絕緣性、耐高溫和抗老化性能。對(duì)位芳綸纖維具備易加工成型的特點(diǎn)，所以其適用于作為防刺材料，但其缺陷為耐光性較差。

4.2 超高分子量聚乙烯纖維

超 高 分 子 量 聚 乙 烯 纖 維 (Ultra High Strength——High ModulusPolyethylene，簡(jiǎn)稱UHMWPE 纖維)。其主要性能是與低密度相結(jié)合的高強(qiáng)力和高模量，強(qiáng)度比同等截面鋼絲高十多倍，比模量?jī)H次于特級(jí)碳纖維。其密度是0.97-0.98g/cm3，可浮于水面。作為一種高性能纖維，超高分子量聚乙烯纖維的斷裂伸長(zhǎng)率相對(duì)較低，斷裂功大，具有很強(qiáng)的吸收能量的能力，因而具有突出的抗沖擊性和抗切割性。該纖維還具有優(yōu)良的耐疲勞性能和耐摩擦性能。此外，由于其分子鏈不具有氨基、羥基或者其他活性基團(tuán)，結(jié)晶度高，對(duì)于水、酸、堿等介質(zhì)也很穩(wěn)定。

由于輕質(zhì)高效的特點(diǎn)，UHMWPE 纖維非常適用于作為防刺材料。相較于芳綸材料，其優(yōu)勢(shì)是相對(duì)重量輕、成本略低，劣勢(shì)為不耐高溫、抗老化能力稍弱。

4.3 聚對(duì)苯撐苯并二噁唑纖維

聚對(duì)苯撐苯并二噁唑纖維(Poly-p-phenylene benzobisoxazole，簡(jiǎn)稱PBO 纖維)。PBO 纖維是一種強(qiáng)大的新型高性能合成纖維，最初是由美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室于上個(gè)世紀(jì)70 年代作為一種耐高溫性能的材料進(jìn)行開發(fā)的。至1998 年10 月，開始商業(yè)化生產(chǎn)。

作為目前所有有機(jī)纖維中性能最好的一種纖維，PBO纖維的強(qiáng)度為5.8GPa，模量180GPa，強(qiáng)度和模量是對(duì)位芳綸纖維的1. 8 倍以上，熱分解溫度高達(dá)650℃，耐熱性比對(duì)位芳綸高100℃，極限氧指數(shù)（LOI）達(dá)68，是一種不燃纖維，而其密度為1.54-1.56g/cm3，比碳纖維輕(碳纖維密度1.80-1.87g/cm3)，在現(xiàn)有的化學(xué)纖維中最高，耐化學(xué)性優(yōu)良，只溶于濃硫酸、多聚磷酸等少數(shù)酸。

PBO 纖維也存在不足。第一，其耐光性極差，甚至劣于芳綸纖維；第二，PBO 纖維表面密實(shí)而光滑且呈化學(xué)惰性，與復(fù)合材料基體間的界面粘結(jié)性能很差，極大影響了纖維力學(xué)性能的充分發(fā)揮；第三，現(xiàn)階段成本極高，嚴(yán)重制約了PBO 纖維在生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

5 現(xiàn)階段軟質(zhì)防刺材料的復(fù)合工藝

將高性能纖維織成一定結(jié)構(gòu)的織物并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理后才能獲得具有防刺效果的防護(hù)材料。目前主要有以下四種加工工藝。

5.1 表面涂覆-粉末涂層織物

芳綸涂層織物是一種新型高科技復(fù)合材料織物，具有超高強(qiáng)度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕、絕緣、抗老化、生命周期長(zhǎng)等優(yōu)良性能。在芳綸織物表面施加金剛石或碳化硅粉末涂層， 通過(guò)剛性粒子磨蝕刃具，阻止刀刃的切割侵徹，典型項(xiàng)目是日本帝人公司的Twaron SRM。但由于粉末涂層織物制作成本較高，目前市場(chǎng)應(yīng)用不是很廣。

5.2 液體浸漬-剪切增稠（Shear Thickening Fluid，簡(jiǎn)稱STF）

作為一種新型功能材料，STF 是一種處在固液混合狀態(tài)的納米粒子溶劑（目前較常見的是由聚乙二醇和硅微粒組成），其在正常狀態(tài)下是略黏稠的液體。當(dāng)遭受沖擊作用時(shí)，黏度會(huì)急劇增加，呈現(xiàn)出固體的抗沖擊性能。當(dāng)沖擊力消失之后，又迅速回復(fù)到原來(lái)的柔性狀態(tài)。這種剪切增稠效應(yīng)體現(xiàn)的是一種非牛頓流體行為。目前關(guān)于STF 在個(gè)體防護(hù)裝備上的應(yīng)用主要是STF——纖維織物復(fù)合材料，即采用STF 懸浮液對(duì)芳綸織物進(jìn)行浸軋?zhí)幚恚瑩]發(fā)多余的溶液后獲得的材料。但由于其應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)階段尚不成熟，仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。

5.3 樹脂復(fù)合-芳綸增強(qiáng)樹脂基片復(fù)合

這類芳綸復(fù)合材料通常是將芳綸織物與具有一定強(qiáng)韌性的樹脂膜進(jìn)行復(fù)合，或直接以樹脂對(duì)芳綸織物進(jìn)行浸膠處理制成片材。但由于芳綸本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使得纖維表面呈現(xiàn)較大的惰性，不利于纖維與樹脂黏接，導(dǎo)致芳綸纖維與樹脂基體之間形成界面缺陷，限制了其復(fù)合材料性能的提高。近年來(lái)，對(duì)此類情況通常是將芳綸纖維和樹脂基體進(jìn)行改性處理以提高芳綸纖維來(lái)增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。雖然芳綸用膠黏劑改性處理技術(shù)在不斷提高，但仍然無(wú)法解決芯片面密度大、重量高的矛盾。

5.4 多向鋪層-單向?qū)樱║D）纖維

復(fù)合材料制件最基本的單元是鋪層。鋪層是復(fù)合材料制件中的一層單向帶或織物形成的復(fù)合材料單向?qū)?。由兩層或多層同種或不同種材料鋪層層合壓制而成的復(fù)合材料板材稱為層合板。

相較于之前的層壓?jiǎn)畏N纖維材料，目前工藝有了進(jìn)一步提升。通過(guò)優(yōu)選不同成分膠黏劑多層浸膠對(duì)位芳綸纖維及UHMWPE 纖維，然后把兩種不同材料的單向紗片按不同方向進(jìn)行疊合后壓制成層合板。

此類防刺層合板同時(shí)兼顧了對(duì)位芳綸纖維與UHMWPE纖維兩者的優(yōu)勢(shì)。裝備此種層合板防護(hù)層的防刺服，具有重量輕、舒適度好、防刺性能良好的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于工藝相對(duì)成熟且原材料普遍，該產(chǎn)品性價(jià)比頗高，市場(chǎng)前景廣闊。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)各界對(duì)防刺服認(rèn)識(shí)的不斷提高，原有的“越安全越好”的防護(hù)理念已逐步被“有限防護(hù)，輕便易穿”的理念所代替。美國(guó)NIJ0115.00 防刺服標(biāo)準(zhǔn)中也強(qiáng)調(diào)了此點(diǎn)：WEARABILlTY + ADEQUATE PROTECTION = LIFE SAVlNG即：耐穿性能+適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)=挽救生命。這正突出了防刺服的可穿著性和適當(dāng)防護(hù)的概念。

在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)中，高性能兼具輕量化、柔軟化的防刺服必將成為市場(chǎng)主角。在材料科學(xué)迅猛發(fā)展的今天，相信應(yīng)用于防刺領(lǐng)域的高性能材料將越來(lái)越多，性能也將不斷被提升。因此不斷更新技術(shù)，做出更好更輕的產(chǎn)品來(lái)為需要安全防護(hù)人員的生命保駕護(hù)航，將是每一個(gè)防護(hù)裝備供應(yīng)商及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)為之不懈奮斗的目標(biāo)。