羅益鋒，羅晰旻

（全國(guó)特種合成纖維信息中心，北京 100028）

警用裝備新材料的創(chuàng)新發(fā)展

羅益鋒，羅晰旻

（全國(guó)特種合成纖維信息中心，北京 100028）

介紹了各種防彈材料的創(chuàng)新動(dòng)向、消防戰(zhàn)斗服面料的多樣化趨勢(shì)及裝備發(fā)展、維護(hù)國(guó)家安全和搶險(xiǎn)救災(zāi)所需裝備的新發(fā)展、臨時(shí)救護(hù)救治所需新材料等。指出警用裝備正朝輕量、高性能、多功能、智能化、信息化和低成本的方向發(fā)展。

警用裝備；防彈材料；消防服；無人機(jī)；飛艇；新型救災(zāi)設(shè)備；救護(hù)新材料

0 引言

警用裝備是指公安系統(tǒng)為維護(hù)國(guó)家安全穩(wěn)定和人民生命財(cái)產(chǎn)安全等主要任務(wù)所需的裝備。綜述所涉及的的范圍主要是與特種纖維及其先進(jìn)復(fù)合材料相關(guān)的新材料。

近年來這些關(guān)鍵材料的研發(fā)取得了重要進(jìn)展，為未來的創(chuàng)新發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，使警用裝備朝輕量、高性能、多功能、智能化及低成本的方向發(fā)展。以下就防護(hù)材料、打擊罪犯及搶險(xiǎn)救災(zāi)所需裝備、臨時(shí)救護(hù)所需新材料及新型破案儀器設(shè)備等的創(chuàng)新發(fā)展，作簡(jiǎn)要簡(jiǎn)介。

1 防彈材料的創(chuàng)新動(dòng)向

1.1 傳統(tǒng)高強(qiáng)高模纖維向超高性能和適應(yīng)不同用途個(gè)性化發(fā)展

由于工藝技術(shù)上的不斷創(chuàng)新，使傳統(tǒng)的對(duì)位芳酰胺（P-AR）、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）等纖維的防彈性能提高20%～30%，并實(shí)現(xiàn)20%以上的輕量化。

杜邦公司的Kevlar類纖維，在過去的15 年間共開發(fā)出14 種適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的個(gè)性化品種。

帝斯曼（DSM）的UHMWPE纖維因研發(fā)出超高性能、高防切割和低蠕變新品種，獲法國(guó)JEC 3 大獎(jiǎng)項(xiàng)。

東洋紡和我國(guó)浙江理工大學(xué)開發(fā)出防紫外光的PBO（聚對(duì)亞苯基苯并雙惡唑）纖維，為未來的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，我國(guó)開始邁入100 t/a級(jí)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

俄羅斯的防彈纖維品種拓展很快，已備齊SVM、ARMOS、RUSAR、ARTEC等品種，每種又派生系列型號(hào)，滿足不同領(lǐng)域的需求。

我國(guó)的芳綸Ⅲ由于生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴(kuò)大、產(chǎn)品質(zhì)量的逐漸穩(wěn)定，已擴(kuò)大應(yīng)用于航天和兵器等領(lǐng)域。

1.2 新品種防彈纖維不斷介入

可樂麗的聚芳酯（LCP）纖維Vectran，因大大縮短了熱處理工序的時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本，從而以其低吸濕率、耐候性好、強(qiáng)度超過P-AR纖維等優(yōu)勢(shì)，介入防彈領(lǐng)域。KB-セレン公司生產(chǎn)的細(xì)纖度LCP纖維，纖維強(qiáng)度高達(dá)30 cN/dtex，擴(kuò)大了在防彈領(lǐng)域的品種。四川晨光化工研究院有限公司在小試規(guī)模上已研制出相當(dāng)于M-5纖維的新品種，除壓縮強(qiáng)度具纖維之冠外，其高強(qiáng)（＞5 GPa）高模特性也可介入防彈領(lǐng)域。蜘蛛絲和人造蜘蛛絲因其高強(qiáng)、高韌性和斷裂伸長(zhǎng)，也已在防彈領(lǐng)域試用。

1.3 超高性能碳纖維和高伸長(zhǎng)率碳纖維的即將產(chǎn)業(yè)化，使新一代碳纖維從原脆性材料變?yōu)榉缽棽牧?/p>

東麗新近發(fā)表的“T2000”聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF），強(qiáng)度竟高達(dá)60 GPa，相當(dāng)于T1100的9 倍，斷裂伸長(zhǎng)率2.5%以上，勢(shì)將成為未來防彈纖維之王。它將是未來超級(jí)坦克、火箭、導(dǎo)彈、空天武器等殺手锏的新材料。

日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）部署了未來3～5 年將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的低成本PANCF藍(lán)圖，如圖1所示，其中高伸長(zhǎng)率（＞2.5%） PAN-CF，便是未來低成本防彈的新家族。

1.4 復(fù)合材料纖維開始小批量生產(chǎn)，附加了防彈纖維的新性能和功能

所謂復(fù)合材料纖維（CMF）是指在纖維紡絲原液中添加微量碳納米管或條狀石墨烯等，而在紡絲后的纖維內(nèi)部形成取向的納米纖維，使P-AR、UHMWPE和PAN原絲等增加了耐熱性、阻燃性、防靜電性、降低蠕變等，目前已經(jīng)小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

2 消防戰(zhàn)斗服及相關(guān)設(shè)備

2.1 消防服的面料趨于多樣化發(fā)展

消防服所用面料都是些抗燃纖維、耐高溫阻燃纖維及其混紡織物。根據(jù)不同國(guó)家生產(chǎn)的產(chǎn)品，當(dāng)?shù)丶捌渲苓叺貐^(qū)便采用本國(guó)或本盟國(guó)的產(chǎn)品，如美國(guó)選用間位芳酰胺（M-AR）纖維Nomex或抗燃纖維（密胺-甲醛交聯(lián)纖維），法國(guó)及周邊國(guó)家采用聚芳酰胺-酰亞胺（PAM-IM）纖維，英國(guó)、德國(guó)和日本多選用聚丙烯腈預(yù)氧化纖維（POF）與Nomex或Conex混紡織物等，以取長(zhǎng)補(bǔ)短，也有選用P-AR與POF混紡織物等。

我國(guó)可用于消防服的耐高溫纖維有M-AR、POF、芳砜綸、聚噁二唑（PODZ）、PBO等纖維。在國(guó)外，每個(gè)消防隊(duì)至少要配備一套消防戰(zhàn)斗服，而我國(guó)的差距較大。

2.2 高壓水龍頭及云梯

圖1 今后的研發(fā)方向和目標(biāo)

隨著全球高樓大廈越來越多，越來越高，防火救災(zāi)問題愈來愈突出。繼迪拜800 m高的迪拜塔建成后，里雅得正建1 000 m摩天樓，我國(guó)最高樓已超過600 m。為此，消防云梯須采用輕質(zhì)、高強(qiáng)高模、耐高溫、阻燃的碳纖維復(fù)合材料（CFRP）制的裝備。

超高壓設(shè)備也有選用CFRP制品，同時(shí)配備超高強(qiáng)纖維制的耐超高壓噴水管，多采用P-AR或PBO纖維，也有采用UHMWPE纖維，但不能離火太近。

3 維護(hù)國(guó)家安全和搶險(xiǎn)救災(zāi)所需基本裝備

3.1 無人機(jī)

無人機(jī)在偵查和打擊暴亂分子和逃犯方面，正起著越來越重要的作用，為了能有效進(jìn)行長(zhǎng)途追擊，必須選用CFRP等輕量化和節(jié)能材料。同時(shí)要配備先進(jìn)的動(dòng)力電池，加大續(xù)航能力。其中德國(guó)、美國(guó)和我國(guó)等正在研制的固體釩動(dòng)力電池，因設(shè)計(jì)理念全新、體積和質(zhì)量越小，續(xù)航距離越遠(yuǎn)，而且無需充電，靠納米釩粉和空氣在高效催化劑存在下發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電流，一個(gè)VB2分子能產(chǎn)生11 個(gè)電子，而其他電池只能產(chǎn)生1～2 個(gè)電子，能量密度極高，反應(yīng)溫度不超過60℃，不存在安全問題，是未來理想的配套電池。

3.2 飛艇或空中飛龍

目前全球正處于第五期地震活躍期，同時(shí)溫室氣體正給地球帶來各種災(zāi)難，作為搶險(xiǎn)救災(zāi)的重要裝備，除無人機(jī)外，還有飛艇或“空中飛龍”（見圖2），它在惡劣氣候（大霧等）條件下可定點(diǎn)投放救災(zāi)物資。

飛艇和飛龍的骨架，都采用輕質(zhì)拉擠成型的CFRP材料，而膜材料須選用耐高低溫、低膨脹系數(shù)和薄而有氦氣屏蔽性的輕質(zhì)高分子材料。這些飛艇和飛龍可代替衛(wèi)星停留在平流層，進(jìn)行信息傳遞、GPS定位、偵查敵情等，而且可以通過遙控返回地面。

3.3 新型救災(zāi)設(shè)備

國(guó)外已開發(fā)一種面臨高層建筑發(fā)生火災(zāi)等險(xiǎn)情時(shí)的簡(jiǎn)易逃生裝置，如圖3所示，其伸縮性編織物系采用P-AR纖維制的。

還有一種簡(jiǎn)便的可攜帶救人“千斤頂”，值得推廣應(yīng)用。在強(qiáng)烈地震后，在發(fā)生建筑大面積坍塌和道路開裂的情況下，重型機(jī)械無法及時(shí)趕到，這時(shí)輕便“千斤頂”可發(fā)揮重要作用，只需將球狀氣囊結(jié)構(gòu)物塞進(jìn)坍塌的各種梁柱夾縫中，然后用打氣筒充氣，就可將梁柱頂起，救出被埋的生命。這種氣囊的材料便是用P-AR織物加固的防刺耐磨膜材料。

圖2 空中飛龍

4 臨時(shí)救護(hù)救治新材料

4.1 超吸附纖維和活性碳纖維包扎材料

俄羅斯和英國(guó)都生產(chǎn)一種超吸附纖維，具有殺菌和止血的功效。早年蘇聯(lián)在阿富汗被炸傷的大批傷員，就是通過該材料包扎后，用直升飛機(jī)送往莫斯科治療而挽救生命。

活性碳纖維特別是含銀的非織造布，也具有同樣的功效，但必須選用高純的醫(yī)療級(jí)產(chǎn)品。

圖3 簡(jiǎn)易逃生裝置

4.2 甲殼素及其改性纖維非織造布

這些纖維來自蟹和蝦殼類原料經(jīng)溶解和紡絲后處理而得，其中靜電紡產(chǎn)品因可制得比表面積大的納米纖維非織造布，止血和殺菌效果更佳。

4.3 海帶纖維

該纖維因含豐富的碘等元素，其非織造布等產(chǎn)品同樣具有止血、殺菌等效果。

4.4 聚丙烯超細(xì)纖維(PPMF)

通過熔噴法直接制得的價(jià)廉PPMF，可制成一次性的手術(shù)罩布，即可透氣又可防止菌類透過，也可用作醫(yī)院大夫的一次性手術(shù)衣等。

5 先進(jìn)的DNA檢測(cè)手段

5.1 碳納米管(CNT)

幾年前，日本已研發(fā)成功利用CNT的快速DNA檢測(cè)儀器，精確度比以往法高，為此日本警視廳已用于追捕逃犯的有效工具。其中有一案例，為了鑒別一樁殺人案，以往要花5 年時(shí)間才能檢測(cè)500 萬人的DNA，而今只需6 個(gè)月就抓獲嫌犯。

5.2 石墨烯(GP)

最近日恩又研發(fā)成功采用GP的DNA快速和精確測(cè)定儀器，可以廣泛用于檢測(cè)DNA等。

6 光柵傳感器

光柵是指適應(yīng)光導(dǎo)纖維在熔紡過程用激光刻成刻度很密而勻的光柵，用它可進(jìn)一步制成濕度、壓力、濕度等傳感器，廣泛用于產(chǎn)業(yè)和國(guó)防軍工領(lǐng)域。

在警用電纜或光纜生產(chǎn)過程中，只需在其中加入一根光柵，就可以監(jiān)控其運(yùn)行狀況，一旦遇到壞人的破壞，便可自動(dòng)顯示事故現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)確方位，及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，確保通信安全。這方面武漢理工大學(xué)的國(guó)家級(jí)光纖實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)成果可以利用。光導(dǎo)纖維本身也可用于類似領(lǐng)域的傳感器，只是靈敏度和傳輸距離沒有上述光柵高和遠(yuǎn)。

7 結(jié)束語

警用裝備還涉及到警車和海警用各類船艇，在當(dāng)前全球節(jié)能和環(huán)保法律法規(guī)越來越嚴(yán)及警車、海警船快速化和遠(yuǎn)程化的雙重需求推動(dòng)下，輕量化和高性能化已成為當(dāng)務(wù)之急，因此為PANCF、P-AR及UHMWPE纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展，打下了良好的基礎(chǔ)。

我國(guó)“十三五”期間，將基本配齊各行各業(yè)和國(guó)防軍工所需的高性能、多功能和智能纖維的基本品種，且隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和生產(chǎn)效率的提高，成本將不斷下降，這將有利于先進(jìn)警用裝備的發(fā)展。

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The lnnovative development of new materials for using in police equipments

LUO Yi-feng, LUO Xi-min

( National Specialty Synthetize Fiber Information Center, Beijing 100028 China )

The innovation trend of various bullet-proof materials, various trend of fibers using for fight fire suits and equipments, new deveIopment of equipments needed for seIfguarding national safety and earthquake &disaster relief, new materials needed for rescueing and emergency squad etc. The police equipments are developing toward light weight, high performance, multi-functional, intelligance, informative and low cost directions.

police equipmentant; bullet-proof material; fight fire suit; unmanned plane; airship; new type disaster relief equipment; resqueing new material

TQ342.7; TB33

A

1007-9815（2016）05-0015-04

定稿日期:2016-09-15

羅益鋒（1937-），男，浙江寧波人，教授級(jí)高工，中心主任，《高科技纖維與應(yīng)用》雜志主編，中國(guó)化纖工業(yè)協(xié)會(huì)顧問，波恩項(xiàng)目投資有限公司專家組組長(zhǎng)，從事高新技術(shù)纖維、復(fù)合材料、新能源化工等技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和信息綜合研究，(電子信箱)luoyifengzg@163.com。