不断创新发展的防护材料

罗益锋，罗晰旻

（全国特种合成纤维信息中心，北京 100028）

不断创新发展的防护材料

罗益锋，罗晰旻

（全国特种合成纤维信息中心，北京 100028）

近10 年来纤维类高性能防护材料，在创新中不断发展，适应不同应用领域的高性能纤维新品种和新型号不断涌现，满足了防弹、防爆等应用领域的需求，提供了“量身定制”的更轻便、更舒适、并附加各种功能的产品。文中分别介绍了对位芳酰胺纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维、液晶聚芳酯纤维、聚苯并双噁唑纤维和高韧性碳纤维的创新进展。

防护材料；防弹；防爆；创新；高性能纤维

0 引言

近十几年来，纤维类防护材料在不断创新中发展，完善了适应不同性能要求的品种。目前为了防伤、生存和日常巡防的需要，已不仅要满足防弹和防爆的需求，还要求更轻量舒适，并附加各种功能。

未来5～10 年间，防弹防爆类纤维品种预期将迅速扩大，填补了传统高强高模纤维的不足，使用户的选择范围更广，促进了诸多产业特别是航空航天和国防军工的飞跃式发展。

1 对位芳酰胺及其共聚纤维

杜邦和帝人依然是对位芳酰胺纤维（P-ARM F）的两大生产企业，并以其压倒其他公司的产能和产量决定世界的话语权。未来的潜在挑战者主要来自中国和韩国，表1示出全球P-ARMF及其共聚纤维生产企业的产能及未来扩建计划。

在未来10 年内，不会有其他公司能赶上国外这两大集团，尤其是在品种的不断创新方面。杜邦自本世纪初至2014年先后研发了13 个新品种，保持世界的领先地位。

其中Kevlar AS 299于2000年已应用于英国警务人员，以防御各种暴力威胁；2004年推出Kevlar 129 ASP上插入板；2005年推出IC100；2006年推出Kevlar AS 400；2008年推出Kevlar XP；2009年推出Armura；2010年推出轻质Kevlar XP H170和Kevlar IC 600；2011年为美国MII 10TV导入Kevlar KM2；2012年推出Tensylon；2013年推出Kevlar XP S103和Kevlar XF，同时推出AS 450X，Kevlar XP是专为防弹背心设计的；2014年在全球共销售了1×106件Kevlar XP制的防弹背心；2015年Kevlar被Reebok收入春夏CrossHit运动服系列，并将开发耐磨服装和鞋类增强材料。

东丽杜邦结合日本火山爆发频率高的特点，开发了Kevlar制的避难所房顶材料，它可防碎石的伤害。预期到2016年所用的Kevlar织物将销售3×104m2，而2017年有望增至5×104m2，它可耐400℃高温。

帝人也利用Twaron织物开发同类的防灾材料，用于活火山周边山区小屋和避难壕。帝人还开发Twaron或碳纤维增强木结构材料，使建筑物轻量化，并提高抗震性，减少地震的破坏力，并可提高耐久性和设计自由度，计划于2015～2017年推广应用，2018年制定建筑标准。

该公司最近与美国Macro Industry公司共同开发采用Twaron的航空货物容器（ULD），如图1所示。经美国联合航空局和联合包裹服务（UPS）公司的验证，在最高温度约650 ℃的环境中4 h以上也仍具有耐火性。

这种ULD“MACRO-Lite”比铝制ULD轻20％，今后有望取代后者，世界需求约为9×105台，可削减维修费和降低环境负荷，它极适合运送锂离子电池（LiB）等。

图1 采用Twaron的航空货物容器

表1 世界P-ARMF及共聚纤维的生产企业及其产能t/a

P-ARMF的其他防护材料，还有林业工人和搬运工的工作服和安全手套，铁工匠、汽车组装工、肉类加工和玻璃生产工人的工作服、安全手套、护臂、护腿、围裙和安全鞋。

West Chester Protective Gear公司开发了新的高性能R2装配工安全手套（86810），特点是双掌面系用红色PVC面补强的耐油合成革，以及有指尖的补片以实现优良的紧握性。其在手指、指节、手背等防冲击区都有防擦伤等防护措施，如图2所示。指尖的减痛进一步保护使用者的手，就像有长的氯丙橡胶袖口。该手套的另一特点是Kevlar补强了拇指的后背食指，而光亮有色的手掌和手背，提供了改进视觉的高对比度。最近进一步推广至防护背心、工作裤、袋子、骑马服、运动衣、安全带等。

帝人预期该公司到2020年在防护服的全球市场销售目标约为1.6×108美元。

中蓝晨光化工研究院有限公司的芳纶Ⅲ已应用于高端防弹领域，包括轻质防弹衣和头盔、预警机、直升机、导弹、坦克、火箭发射器部件等。

图3对比UHMWPEF、芳纶芳纶Ⅱ和芳纶Ⅲ防弹衣的性能。其创新点是将芳纶Ⅱ和芳纶Ⅲ混制成高档防弹板、轻质防弹背心等，表2示出防9 mm警用手枪弹的防弹服指标。

图2 高性能R2装配工安全手套

2 超高相对分子质量聚乙烯纤维(UHMWPEF)

帝斯曼（D S M）依然是全球最大的UHMWPEF生产厂（6 600 t/a），加上与东洋纺的合资公司日本Dyneema（3 200 t/a），总产能近1×104t/a。

东洋纺有两种U H M W P E F，商标各为“Dyneema”和“Tsunooga”，在3 200 t/a总产能中，800 t/a（占1/4）为第3代产品，强度为40～45 cN/dtex，比第二代产品高20％～30％，预定于2017年开始销售，商标改为“イサナス（Isanasu）”。其中面向钓鱼丝市场的份额，将由目前的40％提高至70％。“Tsunooga”的主要用途为防切割手套，在敦贺事业所的产能也要提高1 000 t/a，2017年开始商业运行。

根据三井化学的有关报道，目前UHMWPEF的最高强度已达到6 GPa，冠于其他各种有机高强高模纤维，但其真实性尚有待验证。

DSM所开发的“黑Dyneema”将拓展应用于特种军工领域、特种绳索、网类、船索和高性能运动服，还可与其他黑色材料混用，我国也已开发。

目前UHMWPEF最蓬勃发展的市场与芳酰胺纤维一样，是防切割手套。其中Ansell公司的HyFlex 11-318超轻防切割系列安全手套是代表例，如图4所示。

图3 UHMWPEF、芳纶Ⅱ和芳纶Ⅲ防弹衣的性能

表2 芳纶Ⅱ和芳纶Ⅲ结合的高端防弹衣

图4 超轻量防切割手套

所用纤维是Dyneema金刚石技术生产出的高防切割性UHMWPEF，达到EN3级防切割水平，且达到同等防护水平时的织物厚度薄50％，适用于汽车、飞机、电子和白色固体工业的工作手套。其设计特点包括在手套的关节臂和手背掺入Spandex弹性纤维，使之更舒适自如，而且掺入少许碳纤维，以消除静电。

最近DSM与斯里兰卡ATG合作，ATG将利用Dyneema Diamond Technology的防切割特性，开发超薄、冷感和灵活的防护手套，并具有透气性。

此外，出现世界第一款防砍伤的战斗服，如图5所示，是由PPSS集团所开发的，由100％ Cut-Tex纤维制的，内装有防弹材料，其外套具有轻量、防湿、透气和防冲击性。这款新颖的战斗服，可使躯干、脖子、喉咙和手臂避免受切伤，并具有防弹和防刺效果。

图5 新型战斗服

我国的UHMWPEF企业已发展至30多家企业，处于小而散状态，产品具有一定国际竞争力，但高端产品和产品质量与国外尚有差距。

东华大学利用石墨烯添加入UHMWPEF中，不同程度的改善了耐热性、防静电性、模量、阻燃和蠕变，已在浙江千禧龙公司试生产，但尚未完全正常。

3 聚芳酯纤维(LCPF)

目前只有日本可乐丽和KBセーレン实现产业化，产能各为1 000 t/a和100 t/a，后者由住友化学公司提供液晶聚酯树脂，专生产细规格（2.3 dtex）纤维产品，最高强度达到了30 cN/dtex（4.2 GPa），商品名为“Zxion”。

可乐丽最近有重大创新，LCP原丝的热处理时间可大大缩短，使能耗和成本大大下降，为今后将纤维的扩大应用打下基础。从LCPF的综合指标看，除高强高模外，还具有低吸湿（0.5％）、低膨胀系数和介电常数、分解温度400 ℃以上，还有振动衰减性、耐切割、耐化学腐蚀性和耐磨性，属热塑性树脂，易再生，因此应适合作防弹防爆和防切割产品。

我国浙江某单位和浙江三星特种纺织股份有限公司都在建500 t/a的生产线，前者采用自研发技术，可缩短热处理时间，但工艺还在优化之中，后者是东华大学技术，正在兴建中。

4 聚苯并双噁唑纤维(PBOF)

该纤维是综合性能极佳的高强高模纤维，只有东洋纺独家生产，产能400 t/a。商品名“Zylon”。PBOF的热分解温度为650 ℃，LOI68，拉伸强度4.5～5.5 GPa，在500 ℃处理1 h仍可保留80％以上初始质量，而P-ARMF在450 ℃时已完全分解。在轻质防弹防爆用途方面，尚有待改进其耐光性和产品的储存稳定性。

2002年6～7月间，美国NASA的火星表面探测器所用的吊带便是PBOF所制。飞船机体和探测器靠PBOF带相接触，当火箭步入火星大气时，火箭发动机被点燃以便减速，到接近火星表面时，探测器脱离带子在火星表面着陆。PBOF带的长度为20 m。

我国正在研发的单位较多，包括上海理工大学、东华大学、四川纺织研究院、哈尔滨工业大学、浙江理工大学等，并研究了各种共聚纤维以改进其耐光性等，预期在“十三五”期间将有数家实现百吨/年级的生产线，满足航空航天、国防军工、武警等的需求。

5 高韧性碳纤维

东丽新开发的T2000 PAN碳纤维，强度高达60 GPa，预期模量与断裂伸长率也随之增大。

某C公司早在3 年前便研制出强度达10～70 GPa、断裂伸长率3％～7％、模量1 000～3 000 GPa的超碳纤维，从此结束了碳纤维为脆性材料的历史，扩大了在防弹防爆等领域的应用。

据了解，美国曾利用该超级碳纤维制备坦克的装甲结构材料，不仅实现了轻量、节能和快速，而且防穿甲弹能力提高6 倍。

然而这些超级碳纤维成本较高，只能用于航天航空和国防领域。为了扩大应用，最近日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO），组织以东京大学牵头，东丽、东邦Tenax和三菱丽阳参与攻关的创新碳纤维项目，其中有一项课题是研发强度＞5 GPa，断裂伸长率＞2.5％的高韧性碳纤维。这种高断裂伸长率的碳纤维，东丽公司早在20 年前便有大量专利发表，只是强度尚未达到5 GPa的水平。

高韧性碳纤维增强高韧性树脂如P P S和PEEK，就可制得防弹和防爆板材或其他部件，用它增强聚氨酯或环氧树脂，便可制作防弹背心等。

6 结束语

防弹、防爆和防切割纤维正向品种多样化的方向发展，目前我国正在研制的高强高模聚酰亚胺及其共聚纤维，可望在“十三五”期间实现小规模产业化。

目前防弹服不仅朝超轻量和舒适性的方向发展，而且在美欧正配备各种智能化电子产品于一体，包括超薄电池、GPS定位系统、通信系统等更便捷和符合实战要求的产品。

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Continued innovative developments of protection materials

LUO Yi-feng, LUO Xi-min
( National Specialty Synthetize Fiber Information Center, Beijing 100028 China )

Fibers type high performance protection materials are developingin continued innovations. High performance fiber varieties and their new types are presenting continuously in order to meet the need in bullet proof and anti-explosion application fields, which provided more light, more comfortable and additive various functional products. The innovation developments of para-aramid, ultrahigh molecular weight polyethylene, liquid crystal aromatic coplyester, poly p-phenylene benzimidazole and high carbon fiber were illustrated.

protection material; bullet proof; anti-explosion; innovation; high performance fiber

TQ342.7

: A

: 1007-9815（2016）03-0012-05

定稿日期: 2016-05-27

罗益锋（1937-），男，浙江宁波人，教授级高工，中心主任，《高科技纤维与应用》杂志主编，中国化纤工业协会顾问，波恩项目投资有限公司专家组组长，从事高新技术纤维、复合材料、新能源化工等技术、经济和信息综合研究，(电子信箱)luoyifengzg@163.com。