反恐纺织品的发展和研究探索

 

          

天津工业大学复合材料研究所

 

    美国“9.11”事件发生以来,反恐怖成了国际上特别是在发达国家所关注的主题,这使个体防护(或者叫个体装甲)材料的研制和开发在军用领域和民用领域都得到了快速的发展。而高技术产业用针织品以其设计灵活、性价比高、应用面广等特点在个体防护领域中具有广阔的发展前景。[]纺织纤维材料用于个体防护具有重量轻、可设计性强以及可以实现大面积防护等特点,在防弹头盔、高性能防护头盔、防弹衣、防刺服、防割材料、汽车防弹装甲等领域有着广泛的应用。作为反恐纺织品的高技术纤维原料,美国杜邦公司的Kevlar纤维、荷兰DSM公司及美国Allied Signal的超高分子量聚乙烯纤维,在“9.11”事件之后发展极为迅速。为了适应各种不同的防护要求,研究人员研制开发了不同的织物形式用于反恐纺织品,从传统的机织物、针织物、无纺布到针织轴向织物(分经编及纬编两大类)以及 UD材料,品种众多,形式多样。织物的结构不同,其力学性能、成型性能以及防护性能也不同,可以根据不同的防护要求选择不同结构的织物形式。本文主要介绍反恐纺织品的发展现状及一些最新的研究进展。

 

一、           反恐纺织品用纤维原料

 

作为反恐纺织品的纤维原料,其力学性能必须具备高强、高模、耐冲击等特点。目前,国际上较为流行的用于防弹及防刺的化学纤维原料主要是芳纶纤维及超高分子量聚乙烯纤维。此外,用生化方法制成的蜘蛛丝纤维近年来得到了国际上防护材料界及军工部门的极大关注。

 

1、   芳纶纤维

 

芳香族聚酰胺纤维的商品名为芳纶。因纤维大分子链节中酰胺键和亚胺键位置的不同,芳纶得到各种命名,如芳纶141414。芳香族聚酰胺纤维中最有代表性的高强度、高模量和耐高温纤维是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维,杜邦公司的商品名为“Kevlar”。PPTA纤维具有优良的物理机械性能,应用范围十分广泛,如工业上的轮胎帘子线、高强度绳索及耐压容器等;军事方面如防弹衣、防弹头盔、降落伞、装甲板等;航空航天方面如飞机结构和内部装饰材料,机身、机翼,火箭发动机外壳等。

PPTA纤维具有如下特点:

1)强度高   PPTA纤维实际强度为22CN/dtex左右,具有优异的抗张性能。

2)热稳定性好  PPTA纤维的玻璃化转变温度约345°C,在高温下不熔,收缩亦很小。将其在160°C热空气中处理400h后,纤维强度基本不变;在约500°C以上,碳化速度明显加快;纤维虽可燃烧,但离开火源后有自熄性。

3)反复拉伸性能好  尺寸稳定性在有机纤维中最佳,但弯曲疲劳性较聚酯纤维差。

4)对普通有机溶剂、盐类溶液等有很好的耐化学药品性,但耐强酸、强碱性较差。

5)对紫外线比较敏感,不宜直接暴露在日光下使用。

6PPTA纤维是一种外观呈黄色的纤维,不易染色。

1中列出了几种纤维的主要性能参数的比较。

1  几种纤维的主要性能参数的比较

项目

Kevlar

-29

Kevlar

 -49

E玻璃

 纤维

聚酯

纤维

聚酰胺

纤维

密度g/cm3

1.44

1.44

2.54

1.38

1.14

抗张强度CN/dtex

19.4

19.4

8.5

8.1

8.3

弹性模量CN/dtex

406

882

265

88

44

断裂伸长%

3.8

2.4

4.0

13

19

    杜邦公司开发了一系列的Kevlar品种,如超高强型Kevlar129,强度比Kevlar29提高20%,韧性更强;超高模量型Kevlar149,模量较Kevlar49提高25%,而回潮率仅为普通PPTA纤维的25%~50%;中等模量型Kevlar68、高粘结型Kevlar-Ha、抗疲劳型Kevlar等。

 

2、   超高分子量聚乙烯纤维(UHMW-PE

 

80年代,荷兰DSM公司和日本Toyobo公司合作开发制造了高强度聚乙烯纤维。目前, DSM公司(商品名为Dyneema)以及美国Allied Signal公司(商品名为Spectra)的高强度聚乙烯纤维已经系列化。这种纤维特别适用于高性能防护纺织品。以高强DyneemaSK60为例,UHMW-PE纤维具有以下特点:

    1)在伸长率3.5%左右,高强DyneemaSK60纤维显示了在所有人造纤维中最高的比强度,它的模量与HS碳纤维相近。图1表示了这种纤维和普通涤纶纤维结构的比较示意图。图2表示了不同高强度纤维的断裂强度,用自由断裂长度(km)表示。

 

 

 

 

 

 

 


1  DyneemaSK60和普通涤纶纤维分子结构的比较示意图

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


2  不同高强度纤维的断裂强度(自由断裂长度km

2)    Dyneema SK60纤维具有极好的弯曲性能,能不断裂地形成针织线圈和打结头。而玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维的弯曲性能较差。图3表示了Dyneema SK60纤维和芳纶打结头的比较。

 

 

 

 

 

 


            a)高强聚乙烯打结头(光滑)     (b)芳纶打结头(有纤维毛刺)

3  Dyneema SK60纤维和芳纶纤维打结头的比较

    4表示了Dyneema SK60纤维和芳纶纤维成圈牢度的比较。从图中可以看出,Dyneema SK60纤维比芳纶纤维成圈性能更好。

 

 

 

 

 


            aDyneema SK60纤维              (b)芳纶纤维

4  SK60和芳纶纤维成圈性能的比较

    5给出了高性能聚乙烯纤维应力应变曲线和其它各种高性能纤维的应力应变曲线的比较。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


5  高性能聚乙烯纤维应力应变曲线和其它

     各种高性能纤维的应力应变曲线比较

    3)耐磨损。Dyneema SK60纤维具有很低的摩擦系数,耐磨性好,优于其它高性能纤维,和尼龙、涤纶等传统纤维接近。

    4)耐光性好。与芳纶纤维相比,Dyneema SK60的断裂强度在长时间光照作用下依然有很高的保持率。

    5)耐腐蚀性。由于聚乙烯的化学结构简单,因此耐腐蚀性能极好。用这种纤维制造的产品不会由于和酸、碱、污海水等接触而损失其强度。

    6)耐温性能。Dyneema SK60纤维在145°C155°C之间熔化,而低温度时纤维强度保持很好。由于熔点较低,可以利用炽热金属丝来切割织物。

    7)抗辐射性好。Dyneema SK60纤维耐紫外线辐射,能使X射线透过而不损伤强力。

 超高分子量聚乙烯纤维同样具有广泛的应用领域,可用于船帆、过滤布、防护服装、降落伞、头盔、充气帐篷、土工布、复合材料等产业用纺织品领域。  由于这种纤维的柔软性好,它能很好地用于针织加工。近年来,超高分子量聚乙烯纤维在防弹材料领域有着大规模的应用,如防弹头盔、防弹板、防弹衣等。

 

3、   蜘蛛丝纤维

 

蜘蛛丝的主要化学成分是甘胺酸(NH2-CH2-COOH)、丙胺酸(NH2-CH[CH3]-COOH)及小部分的丝胺酸(NH2-CH[CH2OH]-COOH),加上其它胺基酸单体蛋白质分子链构成。外观上又细又柔软的蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和强度,其原因在于:一方面,蜘蛛丝中具有不规则的蛋白质分子链,这使蜘蛛丝具有弹性;另一方面,蜘蛛丝中还具有规则的蛋白质分子链,这又使蜘蛛丝具有强度。

长期以来,科学家一直在研究如何大量制造蜘蛛丝的方法。丹麦阿赫斯大学的研究人员发现:蜘蛛造丝的蛋白质与酸接触时,它们之间相互叠合,连接成链状,从而使丝的强度大大增加。美国麻省的国家陆军生物化学指挥中心和加拿大魁北克内克夏生物科技公司( Nexia Bio-technologies)从蜘蛛身上抽取出蜘蛛基因植入山羊体内,让羊奶具有蜘蛛丝蛋白,再利用特殊的纺丝程序,将羊奶中的蜘蛛丝蛋白纺成人造基因蜘蛛丝,这种丝又称为生物钢(Bio-Steel)。用这种方法生产的人造基因蜘蛛丝比钢强45倍,而且具有如蚕丝般的柔软和光泽,可用于制造高级防弹衣。生物钢的用途广泛,还能制造战斗飞行器、坦克、雷达、卫星等装备的防护罩等。

 

二、反恐个体防护装备

 

1、防弹头盔

 

目前,用于制造防弹头盔的纤维原料主要有两种,即芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维。这两种纤维原料在性能上各具特点:芳纶纤维耐高温,对树脂的适应性强,但不耐紫外线,而且与超高分子量聚乙烯相比密度较大;超高分子量聚乙烯纤维抗冲击性好,模量高,密度小于水(可以漂浮在水面上),但其最大缺点是不耐高温(熔点在135ºC左右),而且与树脂之间的界面结合较差。

用于制造防弹头盔的织物形式主要有机织物、UD材料以及针织轴向织物。用机织物制造防弹头盔的主要缺点是模压过程中不可避免的起皱现象,尤其是当织物的密度较大时起皱现象更为严重。这是因为:机织物在模压成型过程中,其经纬交织结构使成型所必须的剪切变形受到限制,即经纬纱之间的夹角由于交织结构的限制而不能随意变化,存在一个锁紧临界位置,如图6所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


           a)变形前                b)变形后(剪切临界角)

6 机织物在模压过程中的变形特点

在机织物的模压成型过程中,如果织物变形的角度超过剪切临界角,就会产生起皱现象。因此,利用机织物模压头盔时,为了避免或减弱起皱现象,一般都需要裁剪。这样既会浪费织物,有会降低头盔的力学性能。

利用 UD材料制造头盔同样也会出现起皱现象。如图7所示,为半球冲压(0º/90º4UD铺层的起皱情况。

 

 

 

 

 

 

 

 


7 半球冲压(0º/90º4UD铺层的起皱现象

对于经编经编双轴向(0º/90º)织物(图8(a))和经编多轴向织物(图8(b))来说,其经纬纱的倾斜、旋转运动受到经平线圈延展线的严重制约,活动余地很小,导致此类织物的模压成型性能也较差。如图9所示,织物在成型后产生了严重的起拱现象,说明这种织物的成型性不佳。

 

 

 

 

 

 

 


            (a)经编双轴向结构                (b)经编多轴向结构

8 经编双轴向(0º/90º)及多轴向(0º/90º/±45°)织物结构图

 

 

 

 

 

9  经编双轴向织物(0º/90º)半球冲压后的织物变形

    而如果采用纬编双轴向多层衬纱(MBWK)织物(其结构图如图10所示)开发防弹头盔则颇具优点。首先,由于织物中的衬纱呈直线状态,无屈曲,因此在达到相同的力学性能的条件下可以降低织物的面密度;其次,纬编双轴向多层衬纱织物具有极好的可成型性能,能够利用一正块织物无需裁剪一次模压成型,形成非常光滑而无任何褶皱的盔壳曲面。该织物已经在空军飞行员头盔的开发上获得成功(图11)。

 

 

 

 

 

 

 


      10 纬编双轴向多层衬纱织物结构图   11 利用MBWK织物开发的空军

                                            飞行员头盔(无任何褶皱)

可见,纬编双轴向多层衬纱芳纶或超高分子量聚乙烯纤维织物在开发高性能防护头盔领域大有发展前景。

 

2、防弹背心

 

采用芳纶纤维及超高分子量聚乙烯纤维作原料,织物形式以机织物及UD片材为主(如图12所示)。对于女用防弹背心,纬编双轴向多层衬纱织物以其极好的可成型性能而颇具潜力。对于防弹背心来说,根据不同类型的子弹、弹片,分多种防护等级和防护水平。

 

 

 

 

 

 

 

 


12 男用及女用防弹背心

13为经编双轴向芳纶织物防弹背心的防弹效果。图14为纬编双轴向多层衬纱超高分子量聚乙烯纤维织物增强不饱和聚脂复合材料防弹背心插板的防弹效果。

 

 

 

 

 

 

 

 

 


13 经编双轴向芳纶防弹织物的防弹效果  14 纬编双轴向多层衬纱织物增强不饱和聚

                                              脂复合材料防弹背心插板的防弹效果

 

3、汽车防弹装甲

 

芳纶纤维及超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料可以用作汽车防弹装甲(如图15所示),例如汽车门及汽车外壳的防弹内衬。

 

 

 

 

 

 

 


15  BMW防弹车

4、防刺织物及防割织物

 

    在我国,各种枪械的控制非常严格,因此相比之下来自匕首等锐器的威胁要大于来自枪弹的威胁。从这个意义上讲,在我国民用的防刺材料和防割材料比防弹材料的前景更为看好。目前,防刺及防割材料依然以芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维为主,而织物形式则以针织物及无纺织物为主。

16所示为常见的锐器及枪支。图17为用一种超细的纤维编织成的密度很大的轻质织物,以抵抗锐器的穿刺。图18为各种Dyneema防割手套和Kevlar防割不燃手套及臂套。

 

 

 

 

 

 

 

 

 


   16 常见的锐器及枪支   17一种超细的纤维编织成的密度很大的轻质织物防刺服

 

 

 

 

 

 

 

 


18 各种Dyneema防割手套和Kevlar防割不燃手套及臂套

 

5、纳米工程级的安全与防护

   

    纳米技术作为21世纪优先发展的先进技术,在防护服装领域大有发展前景。麻省理工学院已经创立了军事纳米研究所,其目的是研发特种防护服装用来对抗生化武器。美国军方希望能在两年内为部队配备性能更优的防护服。由于采用了纳米技术,这些服装能抗菌,而经过特殊处理的纤维能使服装不但具有呼吸功能,而且能够阻止毒气通过。利用纳米技术还可以开发具有特殊功能的“形态”织物,它能够通过变色而改进“伪装”性能。纳米技术织物如果采用纳米级中空纤维,内充含铁的流体,磁化时使纤维硬化,从而使织物起夹板固定作用。

 

6、开发各种民用警用防护装备

 

纵火和爆炸所引起的大火,使个体防火材料的发展颇受关注。作为个体防护产品,防火耐热服装、紧急逃生通道以及各种警用服装(例如夜间反光服)等产品在我国大有市场,而产业用针织物在此领域中也占有一席之地。

如图19所示,为一种德国生产的耐火经编针织物,而图20为用该织物与铝箔的复合材料制成的防火服。图21为一种经编双轴向织物火警逃生通道。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


19  一种德国生产的耐火经编针织物      20用芳纶经编织物与铝箔制成的防火服

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


21经编双轴向织物火警逃生通道

反恐纺织品及其增强复合材料的研制和开发离不开各种必须的测试技术和设备,主要包括大量程强力仪、防弹测试装置、防刺测试装置、防撞击测试装置以及防割测试装置等。因为用于高性能防护材料的纤维原料大部分为高强高模材料(例如芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维),因此测试其应力应变性能必须采用大量程强力仪,而用于测试传统服用面料的仪器设备是不能胜任的。我国在防弹、防刺、防割等测试技术及仪器方面的研究还远远不够,这在某种程度上限制我国对特种防护材料的研制和开发。

总之,“9.11”事件使个体防护(或者叫个体装甲)材料的研制和开发在军用领域和民用领域都得到了快速的发展,也为我国特种防护材料的研制和开发带来了一个巨大的发展契机。

 

 

参考文献

 

1、 Ko, F.K., Bruner, J., Pastore, A. & Scardino, F., Development of multi-bar weft insertion warp knit fabric for industrial applications, ASME Paper No. 90-TEXT-7, October 1980.

2、 High-tech fibrous materials: Composites, biomedical materials, protective clothing and geotextiles, P81-89, Chapter 5. American chemical Society, 1991

3、 Raymond J. Palmer, Marvin B. Dow & Donald L. Smith, Development of stitching reinforcement for transport wing panels, First NASA Advanced Composites Technology Conference, Vol. 2, P621-646 (1991).

4、 Dexter H.B., An overview of the NASA textile composites program, Sixth Conference on Advanced Engineering Fibers and Textile Structure for Composites, P1-31 (1992).

5、 Dexter H.B., Haske Gregory H., Performance of resin transfer molded multiaxial warp knit composites, Third NASA Advanced Composites Technology Conference, Vol. 1, P231-261 (1993).

6、 “多轴向经编织物的力学性能及成型性研究”, 作者姜亚明,指导导师邱冠雄,天津纺织工学院博士论文,19991月。

7、 姜亚明,邱冠雄, 双轴向经编织物的PVC涂层与底布之间的结合力分析,《纺织学报》,第二十卷,第5期,pp6-9 (199910)

8、 Yaming Jiang, Jinlian Hu& Frank Ko, Characterization and Modeling of Bending Properties of Multiaxial Warp Knitted Fabrics, Textile Res. J., Vol.69, No.9, P691-697 (Mar. 1999).