树脂成型柔性防刺材料的设计与优化

(东华大学纺织学院，上海，201620)

近年来，国际性暴力和恐怖事件的发生，使人们越来越意识到自身安全防护的重要性，促进了对先进个体防护装备的开发和研究。2009年9月我国公安部下达公装财(2009)705号文“关于下达防弹防刺服战术技术指标的通知”，希望尽快完成国产防弹防刺服的研制工作[1]。

防刺服主要是用于阻止匕首等常见锐器从各种角度对人体的攻击，保护人体重要部位不受其刺伤的一种防护材料。根据主体防刺材料的柔韧灵活程度，目前市场上存在的防刺服可分为硬性、半硬性和柔性防刺服[2]。硬性和半硬性防刺服防刺性能优异，但其防刺层厚度较厚，穿着舒适性差，灵活性不够。柔性防刺服具有良好的防刺性能及优良的柔韧性和隐蔽性，且可日常穿着，是近几年来研究的重点。目前柔性防刺服主要采用对位芳纶[3]、超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 纤维[4]及聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维[5]等高性能纤维制备而得。晏义伍等[6]通过模压成型工艺，采用芳纶、超高分子量聚乙烯与热塑性树脂基体Surlyn、聚氨酯(PU)树脂制成软体复合材料并对其防刺性能进行了研究；Jessie等[7]研究了不同种类的热塑性树脂对复合材料防刺性能的影响。结果表明，树脂与织物复合后可大大提高材料的防刺性能，与聚乙烯(PE)树脂相比，Surlyn树脂作为复合材料基体具有更好的防刺效果。方心灵等[8]研究了三种增强体对复合材料防刺性能的影响，指出芳纶无纬布复合材料的防刺性能最差，而芳纶机织布和芳纶非织造布交替组合的复合材料靶样防刺效果最佳。

虽然研究人员对高性能纤维增强体结构及热塑性树脂进行了研究，但不同材料体系的特性不同，仍需要对材料设计与防护结构进行深入研究。另外，防刺层常采用的高性能纤维材料本身具有有利于提高防刺性能的高强度、高模量、耐冲击、高吸能等特性，但由于生产这些纤维的关键技术被杜邦、帝斯曼等公司垄断，价格昂贵，因而增加了个体防刺服的生产成本。而涤纶、锦纶等普通合纤也具有一系列优良的力学性能，断裂强度和弹性模量高，同时生产工艺成熟，生产效率高，价格远低于高性能纤维。因此，本试验采用涤纶面料作为防刺材料的基布，通过与热固性树脂复合，利用网板成型工艺制备柔性防刺材料，对涤纶面料的组织结构、密度和厚度等因素对防刺材料防刺性能的影响进行了研究。

1 试验部分

1.1 原材料

本试验所采用的防刺基布为涤纶面料，其规格参数见表1。

表1 防刺材料基布试样参数

试验树脂基体采用E44环氧树脂、650聚酰胺树脂固化剂、一定量的苯二甲酸二辛酯增韧剂、环氧稀释剂(SM-90)和色粒。环氧树脂是良好的黏结剂，具有黏结强度高、收缩率低、稳定性好，以及优良的强度和良好的加工性能等特点。环氧树脂能固化在织物表面，与涤纶面料有优良的黏结作用，固化后有较高的强度和硬度，能够抵抗常规刀具、针管的穿刺。

1.2 样品制备

本试验通过网板成型工艺对涤纶基布与环氧树脂进行复合，获得具有一定花纹图案的织物表层，使凸起的花纹图案起到良好的防刺作用。环氧树脂固化后形成的花纹之间存在间隙，可为柔性防刺材料提供一定的透气性和柔软性。

本试验采用上述工艺制得5种不同规格的树脂成型柔性防刺面料，其区别主要在于所采用的基布面料不同，其他工艺相同，环氧树脂固化后在基布上的高度相同，单层试样参数见表2。

表2 单层防刺材料试样参数

1.3 测试仪器和方法

目前国外最具权威性的防刺测试标准主要有英国标准PSDB 2003[9]和美国标准NIJ 0115.00[10]，国内标准GA 68—2008《防刺服》[11]。这三种测试标准所使用的刀具相同，都是开刃刀具，结构见图1。

图1 试验刀具

本文依据GA 68—2008标准，采用落锤式冲击试验机对样品进行测试，其测试装置示于图2。

图2 落锤式防刺试验装置示意

试验装置的背衬材料由氯丁橡胶海绵、聚乙烯闭孔泡沫塑料和天然橡胶组成。试验前对背衬材料进行反弹率测试。标准试验刀具加配重达到2.4 kg，以自由落体运动，最终获得24 J冲击动能，对试样进行穿刺测试。每个试样进行5次测试，取刺穿层数最多的一组数据作为测试结果。

2 结果与分析

2.1 单一面料组织结构防刺试验

本试验采用的柔性防刺试样基布为表1所列的5种不同组织结构涤纶面料。其中：1～3号基布试样都是机织平纹面料，面密度及厚度不同；4号和5号基布试样分别是针织面料和非织造面料。各种基布与环氧树脂复合成型后，制得相对应的单层柔性防刺试样(表2)。对表2中同组织结构的防刺层多层叠加进行防刺试验，所得试验结果见表3。

表3 多层叠加防刺层的防刺试验结果

从表1可知，构成试样A、B、C的基布是3种相同织物组织结构、不同面密度和厚度的防刺基布。表3的防刺试验结果表明，随着基布面密度和厚度的增加，试样的抗穿刺性能逐渐提高，但其增加到一定程度(如从中型机织物到厚型机织物)后，其样品的防刺性能并没有显著增强。这是因为环氧树脂强度高，固化后有较高的硬度和强度，在防刺试样受到穿刺时起到主要的防刺作用，而涤纶面料作为基布主要起到树脂载体的作用，也对刀具起到一部分抵抗穿刺的作用。当基布面密度很低，厚度很小时，基布阻抗刀具的作用力就会明显下降，起不到防刺作用和载体作用，从而易于刺透。因此，防刺试样的防刺能力初始会随着基布的面密度和厚度的增加而明显增强，但当基布面料的面密度及厚度增加到一定程度后，基布与树脂复合后的防刺试样的防刺性能基本不再明显提高。同时，随着基布面料的面密度及厚度增加，防刺试样的柔软性、舒适性和透气性也会进一步下降。在本次试验中，发现由中型机织平纹面料基布制成的防刺试样既能起到较好的防刺效果，又能保持一定的柔软性和舒适性，防刺性能优于厚型机织平纹防刺层。6层中型机织平纹防刺层是该种防刺试样防穿刺性能的临界点，穿透厚度为11.12 mm，面密度为8 131.58 g/m2。

从表1可知，构成试样B、D、E的基布面密度大致相同，其中中型机织基布与针织基布厚度大致相同，非织造基布厚度较厚。由表3数据对比可见，3种防刺试样中非织造基布试样E的防刺能力最好，中型机织基布试样B的防刺能力次之，针织基布试样D的防刺能力最差。这是因为非织造面料是由纤维随机排列成网，基布具有各向同性，基布与环氧树脂复合后进行防刺试验，刀具穿刺的能量经过树脂传递到非织造基布中，并经由纤维向各个方向传递，从而有效地减小了应力集中现象，不易于刺透。机织平纹面料为各向异性材料，穿刺时所受到的能量主要沿经纬方向传递，因此防穿刺能力次之，但与针织面料相比，机织平纹面料经纬交织次数多，结构紧密，可以起到有效握持“刀尖”的作用，因而能够承受较大的穿刺能量。针织面料是由纵横线圈串套而成，线圈与线圈之间的间隙较大，刀具尖端容易穿过线圈间隙致使基布破坏，因此相近规格的针织基布防穿刺能力最差。

综合考察中型机织基布试样和非织造基布试样的各项指标，发现非织造基布试样E的防刺性能虽然稍优于中型机织基布试样B，但是其穿透厚度及面密度明显大于中型机织基布试样B，这就导致了非织造基布试样E的柔软性和舒适性较差，进而也导致由其制成的防刺服的穿着舒适性下降。因此，对比单一组织结构的涤纶基布，中型机织基布试样能够取得不错的综合防刺性能，本试验以其为基础制备了复合面料防刺试样。

2.2 复合面料组织结构防刺试验

根据单一面料组织结构防刺试验，中型机织防刺层是机织防刺层中的最优选择，因此采用该中型机织防刺层b与针织防刺层d、非织造防刺层e相互复合进行防刺试验，不同组织结构的防刺层复合样品试验结果见表4。

F、G和H三种试样是分别由表2中的4层中型机织平纹防刺层b、4层纬平针织防刺层d与4层热轧非织造防刺层e两两相互交替叠层，然后再对每两种防刺层边缘缝合起来制成的复合防刺层。

表4 不同涤纶面料基布复合结构的防刺层试验结果

从表4可以看出，由中型机织防刺层与非织造防刺层交错铺层所得的试样F的防穿刺能力最强，该试样抗穿刺能力不仅优于表3中的单一组织结构基布所制成的试样B、D、G，而且优于其他两种防刺层相互交错铺层所制成的G、H试样。这主要是由于试样F是由中型机织平纹基布与非织造基布交错铺层制得，当刀具穿刺防刺层时，机织平纹基布紧密的经纬交织对刀具起到“握持”作用，刀具较难穿透基布，当刀具穿透一层机织防刺层后，遇到第二层非织造防刺层时，穿刺能量在非织造基布层进一步扩散，削弱了刀具往下穿刺的能量。对比试验还发现，由4层中型机织平纹防刺层与4层热轧非织造防刺层交错铺层，层与层边缘之间相互缝合起来，面密度为6 871.95 g/m2，当用24 J能量穿刺时，只能穿透5层，穿透厚度为10.84 mm，穿刺厚度是B试样的97%，G试样的82%和H试样的77%。依据国内公共安全行业最新GA 68—2008标准,防刺服应使人体的主要器官处于防刺层的覆盖范围内, 防刺层面积不小于0.3 m2，采用该种复合防刺层所制成的柔性防刺服完全能够达到该项要求。该防刺层既有良好的防刺效果，又有一定的柔软性和舒适性，且每件防刺服的质量在2.1 kg左右，制造成本远低于目前市场上同类产品，因此可优先考虑作为常规柔性防刺服的制备材料。

3 结论

本研究采用涤纶基布与环氧树脂进行复合，通过试验优选出适用于树脂成型防刺材料的基布，利用网板成型工艺制得了能满足GA 68—2008标准的防刺材料。

(1)在单一组织结构的涤纶面料基布中，以中型机织平纹面料作为基布能取得最好的防刺性能。

(2)以中型机织平纹面料与非织造布交替叠层作为基布制作的复合柔性防刺材料，其防刺效果比用单一组织结构涤纶面料作基布的防刺材料更加显著，且具有一定的柔软性和舒适性，生产工艺简单，生产成本较低，具有良好的产业化前景。

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