饒 崛

（武漢紡織大學 傳媒學院，武漢430073）

防彈與防刺紡織材料研究進展

饒 崛

（武漢紡織大學 傳媒學院，武漢430073）

介紹了防彈衣的防彈機理，論述了防彈與防刺材料芳綸纖維和超高強聚乙烯纖維的性能以及目前防彈與防刺織物的織造形式，指出了目前防彈與防刺材料存在的問題和改進的方向．

防彈機理；芳綸；超高強聚乙烯

防彈衣作為一種重要的防護裝備，從古代的鋼盔鎧甲到現(xiàn)代用高分子材料制作的防彈衣，其形式一直在改變．而隨著科技的進步，防彈衣材料也在不斷地改變，一些高性能纖維被廣泛應(yīng)用于防彈衣的制作中．目前，工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的高性能纖維主要有芳綸纖維、超高強聚乙烯纖維和碳纖維．芳綸、超高強聚乙烯纖維及聚對苯撐2，6－苯并惡唑（PBO）纖維是國際上較為流行的防彈、防刺服材料．芳綸防彈、防刺織物所用的芳綸是對位芳香族聚酰胺纖維，它最早由杜邦公司生產(chǎn)．

1 防彈衣的防彈機理

防彈衣的品種和型號較多，按材料來分有軟體、硬體、軟硬復合體3種．軟體防彈衣是利用高性能的紡織材料織造的；硬體防彈衣則是利用特種鋼板、超高強的鋁合金等金屬材料或者氧化鋁等非金屬材料制作的；而軟硬復合的防彈衣則是以軟質(zhì)材料為內(nèi)襯，以硬質(zhì)材料（包括非金屬的復合材料，如樹脂）作面板和增強材料所制作的，這類防彈衣的柔軟性介于軟體和硬體之間，是一種復合型的防彈衣．

從根本上說，防彈衣的防彈機理有兩方面：一是將彈體或者使彈片破裂后形成的碎片彈開；二是將彈頭接受后通過防彈材料來消釋其功能［1］．美國研制出的首批防彈衣是將鋼板搭接在衣服內(nèi)，這種防彈衣以及后來類似的硬體防彈衣都是通過鋼板等硬質(zhì)材料把彈頭和彈片彈開，或者使子彈在撞擊的過程中破裂，從而消耗分解其能量以達到防彈的目的．以高性能紡織纖維為主要防彈材料的軟體防彈衣，其防彈機理一般屬于后者，即利用以高強纖維為原料的織物來“抓住”子彈或彈片，從而達到防彈的目的．有人這樣形容該防彈機理，即把防彈材料想象成足球門網(wǎng)，無論球觸擊到網(wǎng)的哪一個位置，它的沖力都會被整個網(wǎng)所吸收［2］．

2 防彈與防刺材料

高性能防彈、防刺衣最關(guān)鍵的因素是防彈材料．防彈材料的特點是其性能與質(zhì)量之比較高，并且撓曲性能好，能夠有效地避免彈丸破片的二次殺傷，同時還具有良好的熱、電絕緣性能和隱身的特性．早期用于制備防彈裝甲的纖維主要有尼龍纖維和玻璃纖維，后來又出現(xiàn)了石墨纖維、碳纖維和芳綸纖維，近年來又開發(fā)出了超高強聚乙烯纖維．

2．1 尼龍和玻璃纖維

20世紀50年代，美國首先利用尼龍這類軟質(zhì)合成材料來制作防彈衣．尼龍具有強力高、耐熱和耐疲勞等優(yōu)點；其缺點則是因彈性模數(shù)低而使纖維伸長，不耐光、易氧化、表面光滑，不利于與其他聚合物黏合．由于尼龍纖維抗張強度的限制，要使尼龍防彈衣具有好的防護效果，其質(zhì)量需在4．5 kg以上．但是據(jù)有關(guān)專家試驗和分析［3］，士兵難以忍受這種尼龍防彈衣所帶來的負重及悶熱感，穿上這么重的防彈衣，士兵的作戰(zhàn)能力會降低30%以上．

早在二戰(zhàn)期間，玻璃纖維作為一種較廉價的防彈裝甲材料，成為第一代復合裝甲材料．有關(guān)實驗表明，對于同一口徑、同一種類的彈丸，玻璃鋼復合裝甲的抗彈能力可達到鋼裝甲的3倍［4］．由于這類纖維很脆，在加工過程中很容易脆斷，因而其長徑比會急劇下降，補強效果也就較差，再加上其表面缺乏反應(yīng)性，因此很難與基質(zhì)表面進行良好黏合．

2．2 芳綸纖維

芳綸纖維是芳香聚酰胺纖維的簡稱，分為2大類：間位芳綸（芳綸1313，即聚間苯二甲酰間苯二胺）和對位芳綸（芳綸1414，即聚對苯二甲酰對苯二胺，簡稱PPTA）．它是一種高性能纖維，具有高的強力、好的尺寸穩(wěn)定性、耐熱性和耐腐蝕性等特性．下面以PPTA為例，介紹芳綸纖維的性能．

2．2．1 基本特性

PPTA具有優(yōu)良的防彈和防刺性能．它是一種高強度、高模量、低密度的有機纖維，它的強度比碳纖維高，質(zhì)量比玻璃纖維、碳纖維都輕，熱膨脹系數(shù)低，抗疲勞性好［5］．

（1）纖維實際強度約為22 CN／dtex，具有很好的抗張性能［5］．

（2）纖維模量為30～45 GPa．

（3）密度為1．43 g／cm3．

（4）尺寸穩(wěn)定性在有機纖維中最好，但耐彎曲壓縮性能較差．

（5）纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為345℃，在高溫下難熔，收縮亦很?。畬⑵湓?60℃熱空氣中處理400 h后，纖維強度基本不變；它的熔點為425℃，在500℃以上碳化速率明顯加快；纖維雖可燃燒，但離開火源后自熄．

（6）對普通有機溶劑、鹽類溶液等有很好的耐化學藥品性，但耐強酸、強堿性較差．

（7）對紫外線比較敏感，不宜將其直接暴露在日光下使用．

（8）纖維是一種外觀呈黃色的纖維，不易染色．（9）回潮率4%左右．

2．2．2 其他性能

由于芳綸是利用各向異性液晶紡絲制成的纖維，雖然其強度和模量較高，但是在與纖維軸垂直方向上的性能，如壓縮強度、疲勞特性等都比較差．芳綸纖維的壓縮強度較小，只有玻璃纖維的10%左右［6］．這主要是因為芳綸纖維在二維和三維結(jié)構(gòu)方向上缺少物理位勢與化學位勢間的聯(lián)系，分子之間很容易產(chǎn)生滑移，這是今后應(yīng)該改進的．另外，芳綸的著色也是目前全球研究的課題．

2．3 超高強聚乙烯纖維

2．3．1 基本特性

在目前所有合成纖維中，超高強聚乙烯纖維的強度最高，相當于優(yōu)質(zhì)鋼絲的15倍，比芳綸纖維高35%；密度僅為0．97 g／cm3，是芳綸纖維的2／3、鋁的1／3、鋼的1／8，是已經(jīng)研究開發(fā)成功的高性能纖維中最輕的一種［7］；模量較高，為450 CN／dtex，聲速傳播較快，從而使它在抵擋子彈沖擊時的能量吸收和應(yīng)力波傳遞方面都優(yōu)于其他纖維．

超高強聚乙烯纖維密度較低，因而穿著由它制成的防彈衣極為輕便．它密度低的優(yōu)點突出表現(xiàn)在自由斷裂長度上，其自由斷裂長度約為330 km．超高強聚乙烯纖維在所有高性能纖維中具有最高的抗沖擊強度，這是因為超高強聚乙烯纖維的玻璃化溫度較低．據(jù)相關(guān)文獻報道，超高強聚乙烯纖維復合材料的抗沖擊強度是玻璃纖維復合材料的2倍，是芳綸和碳纖維復合材料的3倍［8］．而其高沖擊能量吸收性能又體現(xiàn)在高的防彈、防切割和抗沖擊性能上．

2．3．2 其他性能

由于超高強聚乙烯纖維分子的高度定向、結(jié)晶和化學惰性，使其具有良好的疏水性、耐化學性、抗紫外光性和耐磨性，同時具有較好的耐水、耐濕、耐海水和抗霉性．它的耐疲勞性好，較柔軟，具有較長的撓曲壽命．

超高強聚乙烯纖維最大的缺點就是其耐熱性比其他纖維差，熔點為142～159℃，比芳綸的熔點低了近300℃．超高強聚乙烯纖維的強度和模量隨溫度的升高而下降，子彈在打擊聚乙烯織物后可清楚地看到織物有燒過的痕跡．這說明不僅是大的動能擊破了防彈衣，同時還有大的熱能燒壞了防彈衣，從而破壞其防彈能力．因此，需要通過相應(yīng)的手段來改善其耐熱性能．

超高強聚乙烯纖維表面光滑，纖維大分子上沒有極性基團，導致纖維與基體的黏合性很差．

3 防彈與防刺織物

芳綸纖維的比強度和比模量是鋼鐵的10倍左右，而超高強聚乙烯纖維的比強度又比芳綸纖維高出1．5倍左右［9］．高強的單根纖維或束絲并不能起到防彈作用，只有將纖維按一定的規(guī)律排列整合起來，才能有效地抵御槍彈或破片的沖擊．

3．1 防彈織物

目前，在防彈領(lǐng)域?qū)⒗w維有規(guī)律地整合起來的形式主要有2種：機織布和無緯布．前者是通過織機編織而成，后者則是通過特殊的單向復合工藝制成．目前芳綸纖維防彈織物有機織布和無緯布2種，而超高強聚乙烯纖維作為防彈材料時一般為無緯布．防彈纖維一直在向高強度、高模量、細化方向發(fā)展．纖維越細，強度越大，制成的防彈衣就越柔軟舒適，防彈性能越好．

軟質(zhì)防彈材料是由機織物經(jīng)過一定的縫制工藝固定在一起，或是由無緯布多層疊合在一起而制成．在軟裝甲領(lǐng)域，采用芳綸多層堆積的方法可進一步提高防彈材料的防彈和防刺性．近年來，美國采用了一種新型的編織法——多軸向鋪層系統(tǒng)．該編織法的特點是使鋪層結(jié)構(gòu)每層中的每根紗線都配置在精確的位置上，以達到給定方向上的最大抗拉強度，或者在各個方向上都具有相同的抗拉強度．采用這種編織法編織的防彈衣，質(zhì)地更柔軟，質(zhì)量更輕，防彈能力比普通機織物提高15%［10］．

將幾種材料復合再織成織物，也是提高織物防彈能力的途徑之一．纖維復合材料是指由2種或2種以上不同材料以不同方式組合而成的纖維制品，它可以發(fā)揮每種材料的優(yōu)點，克服單一材料的缺點，擴大材料的應(yīng)用范圍．將芳綸纖維與超高強聚乙烯纖維復合，不僅可以提高材料的防護能力，而且可以提高織物的染色性和改善手感．復合材料有多種分類方法，一般以基體分類，可分為樹脂（高分子）基、金屬基和陶瓷基復合材料，而樹脂（高分子）基所占的比例最大．由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學腐蝕和耐候性［11］等特點，已逐步取代木材及金屬合金．

3．2 防刺織物

防刺及防割材料依然以芳綸纖維和超高強聚乙烯纖維為主，而織物形式則是以針織物及無紡織物為主．防割等機械防護產(chǎn)品包括采用對位芳綸制成的防護手套、擋板、護袖、防鋸針刺氈等．護腿也可以采用由對位芳綸或粗尼綸紗和纖維合成的針刺氈，或者針刺氈與機織材料的復合體［12］．

采用由超高強聚乙烯短切紗與芳綸短切紗混紡所制的防刺材料制造的軟質(zhì)防刺服，能有效地阻擋冷兵器刺、割、砍的攻擊，全面保護人體軀干和內(nèi)臟．

4 存在的問題

（1）防彈纖維復合材料的主要缺點是抗彈性能容易受潮濕環(huán)境的影響，在潮濕環(huán)境中其防彈性能會有所下降；此外，防彈纖維成本普遍較高．這些因素使它的應(yīng)用受到一定的限制．

（2）芳綸在紫外線長時間照射及周圍環(huán)境非常濕潤時，防護性能會有所下降．另外，芳綸同樹脂基體的黏合性較差，必須對其表面進行改性．

（3）超高強聚乙烯大分子是由亞甲基基團組成，大分子鏈上無任何極性基團，纖維表面光滑，因此與熱固性樹脂黏結(jié)性差．而作為結(jié)構(gòu)材料，關(guān)鍵是要解決超高強聚乙烯纖維與樹脂間的黏結(jié)．為此，就要對超高強聚乙烯纖維表面進行改性，以增強纖維與樹脂間的黏結(jié)強度．再者，它的熱性能也較差，也要通過相應(yīng)的手段加以改善．

（4）超高強聚乙烯纖維增強復合材料的軸向壓縮性能比較差，材料受壓后會產(chǎn)生失穩(wěn)彎折和界面脫粘2種現(xiàn)象．再加上它的彎曲性能較低，材料在彎矩作用下，當受壓部分負荷超過纖維的壓縮強度時，會導致分層．

（5）防彈材料對樹脂與纖維間的黏結(jié)強度有一定的限制：若黏結(jié)強度太大，當受到外界沖擊時，界面易產(chǎn)生長的微裂紋，并產(chǎn)生應(yīng)力集中點，不利于能量的吸收，從而防彈能力下降；若黏結(jié)強度太小，則樹脂與纖維之間易分層，沖擊應(yīng)力不能通過樹脂來有效傳遞，從而很難發(fā)揮纖維的增強作用．所以要適當控制纖維材料與樹脂間的黏結(jié)強度，使防彈材料達到最佳的防彈效果．

5 結(jié) 語

隨著社會的進步和科技的發(fā)展，用于防彈及防刺領(lǐng)域的材料越來越多，防彈材料的防彈性能也在不斷地被優(yōu)化；但是防彈材料的耐熱、抗沖擊能力、纖維的表面黏結(jié)強度、黏結(jié)后樹脂與纖維的連續(xù)性、纖維的耐濕性能都有待進一步提高；同時，防彈織物的組織結(jié)構(gòu)也需要多樣化．應(yīng)結(jié)合織物組織結(jié)構(gòu)與防彈材料的優(yōu)缺點進行綜合考慮，設(shè)計出攜帶方便、防彈能力強的防彈衣．

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Progress of Bulletproof and Stab－resistant Textile Materials

RAO Jue
（Wuhan Textile University，Wuhan 430073，China）

In this paper，the mechanism of bulletproof materials is introduced．The properties of aramid and ultra－h(huán)igh strength polyethylene and types of weaving for bulletproof textile are also discussed respectively．In addition，the probelms and improving direction for bulletproof and stab－resistant textile now and future are pointed out．

mechanism of bulletproof；aramid；ultra－h(huán)igh strength polyethylene

TS151

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．01．016

1671－6906（2012）01－0067－04

2012－01－19

饒 崛（1983－），女，湖北武漢人，碩士．