应用高性能纤维的新型软质复合防刺服

■文/湖南中泰特种装备有限责任公司 李成龙 杨恒 周运波

关键字：防刺服 软质 超高分子量聚乙烯 芳纶

1 引言

当今世界，在和平与发展的大背景下，局部战争从未停止，恐怖袭击事件时有发生。所以，军警用防护装备的研发一直备受关注。对于我国而言，基于国家对枪支弹药的严格管控，一线警员面临的威胁主要来源于匕首、刀具等尖锐物对人体的穿刺、击打以及劈砍。据中国警察网数据统计，新中国成立以来，全国仅公安机关人民警察队伍就有1.4 万余名民警英勇牺牲，10 余万名民警负伤。根据2020 年上半年的数据统计，共有169 名公安民警因公牺牲，其中大部分民警的牺牲和受伤都与匕首、刺刀一类凶具息息相关，如何对这些近身武器的物理攻击进行有效防护从而保障警员的人身安全一直是警用装备研究的重要课题。

防刺服是一种能有效防止锐器、利器从不同角度对防护部位进行攻击，减少人体防护部位受到刺伤威胁的装备。经过多年的研究和发展，防刺服已从硬质防刺服逐渐向软质防刺服发展，同时兼顾服用性能和环境适应性。应用新型高性能纤维材料制备的防刺服不仅可以满足防护性能的要求，且在服用性能如整体质量、厚度以及柔软度上均有较佳的改善，本文将对此类软质防刺服展开介绍。

2 防刺服的发展现状

根据材料的属性，防刺服可以分为金属防刺服和非金属防刺服。金属防刺服的核心防刺材料为金属，也包括金属和其他非金属防刺材料的复合材料。最初的金属防刺服多用钢、铁一类的金属或合金作为承力材料，做成鳞片、圆形、方形粘结到纺织面料上，或者将完整的金属片作为基片置于纺织面料内部构成防刺服，这类金属防刺服为硬质防刺服，防刺性能较好，但是硬度、质量较大，透气性差，且穿着起来不利于躯干的活动。为了改善防刺服的柔软度，研究人员研究出半硬半软质的金属防刺服，这类防刺服通过将金属材料与树脂复合，从一定程度上降低了材料的质量和硬度，但是无法满足业内需要的轻、薄、软的要求。利用高性能纤维材料制备的非金属防刺服属于软质防刺服，可以满足上述轻、薄、软的要求，也是当前研究的热点。这类防刺服的核心防护材料主要为高性能纤维，当前市面上以超高分子量聚乙烯和芳纶为代表，这类纤维兼具高强高模及纺织纤维的柔软特性，通过将高性能纤维织物与树脂结合作为防刺层，多层复合之后具有良好的防刺性能，且穿着灵活，不影响人体躯干运动。与金属类防刺服相比，非金属防刺服性能受外界环境变化的影响较小，在-20℃～55℃的作战环境下性能稳定，具有更高的适用性。

3 我国警用防刺服的技术要求

下面围绕GA 68-2019《警用防刺服》标准，对防刺服的要求进行全面介绍。

3.1 防刺服组成

警用防刺服由防刺服外套、防刺层、防刺层保护套组成。

3.2 外观要求

防刺服外套应无破损、浮线、漏针等缺陷。防刺层材料表面无破损、深坑、划伤、裂痕缺口、边角毛刺等缺陷。金属材料应进行防锈处理，非金属材料应均匀平整。同一层防刺材料应均匀平整一致，无局部隆起、褶皱等缺陷，由多层防刺材料组成的防刺层，各层规格尺寸应一致。

3.3 质量、颜色和防护面积要求

A 类防刺服质量应小于或等于2.8kg，B 类防刺服质量应小于或等于1.0kg。控制产品的质量可以保证穿着时不影响穿着者移动和战术动作。防刺服外套颜色应为藏蓝色，防刺层的防护面积应大于或等于0.25m2。

3.4 防刺性能要求

A 类防刺服用D1 刀具、测试体以24J±0.5J 撞击能量对防刺服进行穿刺，在有效穿刺情况下，防刺服不出现穿透；B 类防刺服分别使用D2 刀具和D3 刀具，测试体以24J±0.5J 撞击能量对防刺服进行穿刺，在有效穿刺情况下，防刺服不出现穿透。

3.5 耐浸水性和温度适应性

常温下，防刺服在水中浸泡30min 后，或者在环境温度为-20℃～55℃条件下，防刺性能符合要求。

4 新型软质防刺服

防刺与防弹的机理有所不同。防弹主要防子弹对材料的冲击破坏，子弹的冲击动能在接触防弹材料的瞬间将动能分散到防弹材料上进行扩散和吸收，对材料而言，其破坏的方式具有各向同性。防刺主要是摩擦自锁原理，随着刀具以一定的动能穿入防刺服，防刺服内部组织结构中的纤维纱线部分被割断从而发生收缩，导致刀具被纱线握紧,随着纱线不断抽紧，其对刀具的摩擦阻力导致刀具无法继续穿刺，此时织物变形达到的状态成为“锁紧”状态。穿刺过程中，刀具对材料的破坏主要为剪切破坏和拉伸破坏。因此，纤维的强度越高，承受剪切的纤维数量越多，同时织物结构中纱线的组织越密集，那么防刺服就能够承受更大的剪切力，同时纱线的自锁状态更易达到，防刺服的防刺性能就越好。

超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维由于其超高的强度和模量常被用来制备防刺服的核心防护层，分别具有许多优良的特性。超高分子量聚乙烯纤维为当前世界上强度最高的纤维，密度小于水，且具有柔性分子链材料，是做轻质柔软防刺服的理想材料，但是该纤维由于熔点低，在温度较高时，性能会出线明显下降，限制了其在一些特殊环境下的应用。芳纶纤维的强度、模量和断裂伸长均低于超高分子量聚乙烯纤维，但是耐温性好，能在一些高温条件下使用。结合两者的优点，制备多种型号的超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维的复合软质防刺服（如图1、2 所示）成为防刺服发展的新趋势。该防刺服在满足防刺性能的基础上，具有轻、薄、软的特点，下面介绍该类防刺服的制备和性能测试方法。

图1 超高分子量聚乙烯和芳纶复合防刺服

图2 超高分子量聚乙烯和芳纶复合防刺芯片

4.1 防刺服的制备工艺

4.1.1 制备超高分子量聚乙烯纤维

以超高分子量聚乙烯树脂为基材辅以国产白油为溶剂，通过设定的工艺在釜中溶胀和溶解制备纺丝原液，在平行双螺杆挤出机中搅拌成均匀的熔体传输至喷丝孔喷出，经冻胶纺丝成型工艺制得冻胶原丝，冻胶原丝经多级萃取和拉伸，最终制得高强高模聚乙烯纤维。

4.1.2 防刺芯片制备

将制备的高强高模聚乙烯纤维通过铺丝机均匀铺排，通过专用浸胶机对其进行浸胶和快速固化成型，再将所得层状材料按0°、90°、45°、135°连续交叉复合压制，获得超高分子量聚乙烯防刺无纬布。并将芳纶机织布通过同样的浸胶机进行浸胶和快速固化成型，以填充机织布纤维组织结构之间的空隙。

4.1.3 防刺服制备

将超高分子量聚乙烯防刺无纬布（单层面密度150g/m2）和芳纶机织布（单层面密度400g/m2）按照既定的工艺尺寸和质量要求进行裁剪和叠层称重，并按顺序堆叠组合，放入专用抗静水压防水布中热合，制备成密封防刺芯片。将防刺芯片按照前后片顺序塞入防刺服外套，制备防刺服。

4.2 防刺性能的测试

4.2.1 测试方法

图3 防刺冲击试验机

图4 标准刀具

采用落锤试验机及标准刀具（如图3、4 所示），根据公安部GA 68-2019《警用防刺服》标准设计动态穿刺实验，其实验步骤如下：

1）将防刺芯片包装好，在表面标记穿刺点，每个穿刺点之间的距离不小于50mm，且距离防刺芯片边缘的距离也必须大于50mm；

2）按标准要求固定好背衬材料，并对背衬材料进行反弹率测试；

3）将电子设备预热至示数稳定，之后将防刺芯片在背衬材料上固定；

4）将新的未使用的刀具在落体上固定，并吸附到落锤试验机上；

5）将穿刺刀片的刀尖对准防刺芯片刺入点，开启落锤上升按钮，使落锤上升到一定高度，保证落体和刀具一起具有24J 动能；

6）开启落下按钮，刀具和落体一起落下，完成第一点穿刺；

7）更换刺入点，并重复试验，完成其他点的测试。

4.2.2 测试结果

在多次不同方案的实验测试中，发现当UHMWPE 无纬布和芳纶机织布按一定比例复合时，能够确保防刺性能达标，且防刺服整体质量（电子天平测试）、厚度（测厚仪测试）和柔软度（柔软度测试仪测试）能够保持在较佳的水平。 测试结果如表1 所示。

表1 不同方案防刺服的性能比较

5 结语

随着科技的进步和人们安全意识的提高，防刺服作为一种重要的防护装备，其应用也越来越广泛。从部队、警察到安保人员，再到乘务员、执勤人员等，穿戴防刺服已屡见不鲜。与此同时，为了应对错综复杂的环境，对防刺服服用性能的要求也不断升级，轻薄、便携、柔软以及穿着舒适的防刺服已成为主流产品，并占据主要市场。

本文介绍的软质防刺服在保证其防刺性能的同时，增加了穿着者的穿着舒适性和使用便捷性。由于其轻质柔软的特性，穿着者躯干运动几乎不受影响，当面临紧急情况时，无论是作战还是自身防护，其效率均可得到大幅提升。综上所述，防护性能好、服用性能佳的轻质柔软的警用防刺服对于公安装备建设、保障社会秩序和人民安全具有重大意义，应成为研制单位努力的方向。