文章從芳綸柔性防刺材料的防刺機(jī)理、材料結(jié)構(gòu)以及增強(qiáng)改性等角度綜述了芳綸柔性防刺材適的特點，已逐漸成為防刺材料領(lǐng)域研究的熱點。

世界各地每年約有一萬起對警察的襲擊事件，其中百分之八是由刀具等利器造成的。因此個體防刺材料的開發(fā)具有十分重要的意義。防護(hù)材料主要分為硬質(zhì)、半硬質(zhì)和柔性三類,其中硬質(zhì)和半硬質(zhì)防刺材料制成的防護(hù)服均存在柔韌性低、舒適性差的問題。目前 ,柔性防護(hù)服的原材料主要為芳綸、超高分子量聚乙烯等高性能纖維,可在滿足較高安全防護(hù)作用的前提下,保留材料的柔韌性和穿著舒適性。其中,芳綸纖維由于具有良好的抗拉強(qiáng)度、抗割強(qiáng)度、高模量、質(zhì)量輕等優(yōu)點 , 已成為制備柔性防刺材料的熱門選擇 。本文對芳綸柔性防刺材料的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié) , 以期為相關(guān)領(lǐng)域研究人員提供參考 。

與硬質(zhì)防刺材料不同 ,柔性防刺材料通常由多層高性能材料復(fù)合而成,在刀具穿刺過程中,柔性防刺材料中的復(fù)合織物通過與刀具的摩擦、拉伸變形等作用,最終耗盡刀具刺入時的能量,并牢牢地鎖住刀具刀尖?？椢锏姆来踢^程具體如下:首先,刀具剛刺入時,以一定的作用力對織物進(jìn)行作用,不同結(jié)構(gòu)的機(jī)織物、針織物或者非織造布都具有一定的緊度,能夠產(chǎn)生一定的形變,阻礙刀具繼續(xù)刺入,直至被拉伸到不能繼續(xù)發(fā)生形變。同時,由于刀具的刀刃部分具有一定的寬度,因此刀具與織物之間會產(chǎn)生分別沿著織物水平方向的拉伸作用力和沿著織物垂直方向的剪切作用力。拉伸力會使相鄰纖維間產(chǎn)生排擠作用,使織物上的裂口增大,而剪切力引起的纖維斷裂則會進(jìn)一步增大織物的裂口。最終,在拉伸力和剪切力的共同作用下,織物被刀具完全刺穿。因此防刺材料必須既能抗剪切也能抗拉伸,而抗剪切性能又占主導(dǎo)地位。

2.1 芳綸無緯布

無緯布的特點在于纖維伸直無屈曲 ,每層纖維的排列方向一致,其優(yōu)點在于織物表面無交織點,因此在受到力學(xué)作用時,應(yīng)力波在無緯布中傳播時不會因紗線交織點而產(chǎn)生反射,應(yīng)力可被快速吸收,可用做防彈防刺材料。芳綸無緯布是一種芳綸纖維單向排列制備的柔性材料,用作防刺材料時通常需要使用粘合劑對其進(jìn)行0°/90°的正交復(fù)合層壓 ,一方面粘合劑可充分 固定纖維,防止纖維發(fā)生滑移,另一方面固化后的粘合劑可以減少刀尖的刺入深度。例如,吳中偉等人使用水性聚氨酯樹脂改性芳綸無緯布制備柔性防刺材料,并通過控制原料用量、壓力及溫度來優(yōu)化調(diào)節(jié)防刺材料的防刺性能,其防刺面密度可達(dá)7.65kg/m²,符合GA68—2008 防刺性能測試標(biāo)準(zhǔn)。雖然芳綸無緯布的柔性較好,但由于膠體改性劑的使用 ,最終所得防刺材料柔韌性不佳 , 因此很少用于制備柔性防刺服。

2. 2 芳綸非織造布

不同于纖維單向排列的無緯布 ,芳綸非織造布中纖維無規(guī)排列,屬于面內(nèi)各向同性材料,結(jié)構(gòu)更致密,具有更好的尖銳利器防穿刺性。此外,相比于傳統(tǒng)機(jī)織物,非織造布工藝相對簡單、生產(chǎn)過程環(huán)保、節(jié)能、減排。例如,LiT-T等人以70∶30wt%的比例將凱夫拉纖維與聚丙烯纖維混合在一起,通過針刺和熱壓制備Kevlar/PP復(fù)合非織造布,發(fā)現(xiàn)熱壓溫度170℃時,復(fù)合非織造布表現(xiàn)出良好的防刺性能。但芳綸非織造布內(nèi)部纖維排列松散,纖維間的抱合力差,單獨用作防刺材料時,整體防切割效果并不理想。

2.3 芳綸機(jī)織物

與芳綸無緯布和非織造布相比 ,芳綸機(jī)織物由經(jīng)緯紗形成多個交織點,結(jié)構(gòu)更緊密,能有效阻礙刀具的刺入。具有平紋組織的芳綸機(jī)織物的特點是紗線平行排列,組織相對緊密;斜紋組織芳綸機(jī)織物通常紗線較粗,結(jié)構(gòu)較松,主要用于厚重織物;緞紋組織中,纖維的交織點少,纖維在外力作用下容易產(chǎn)生相對滑移。總之,芳綸機(jī)織物的各種組織結(jié)構(gòu)都交織相對緊密,但芳綸機(jī)織物的經(jīng)緯紗一旦被刺入的刀具割斷,會導(dǎo)致裂口突然變大,防刺能力大幅下降。

2.4 芳綸針織物

芳綸針織物由線圈和圈干組成 ,當(dāng)?shù)毒叽倘霑r,針織物的線圈會發(fā)生滑移,相鄰的線圈會因紗線滑動而拉緊,進(jìn)而拉緊更多的線圈,導(dǎo)致相鄰紗線間的摩擦力增大,阻礙刀具繼續(xù)深入。同時,線圈拉緊過程會吸收一部分沖擊能,當(dāng)線圈紗線達(dá)到無法滑動的拉緊程度時,針織物變形形成“自鎖”狀態(tài),實現(xiàn)防刺的目的。李寧等人在研究芳綸針織物防刺性能的同時研究芳綸針織物防刺過程中線圈的“自鎖”現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)羅紋組織的防刺性能最好,其次是緯平針組織,最后是畦編組織。此外,組織結(jié)構(gòu)的疊放次序也會影響芳綸針織物的防刺性能,實驗表明羅紋組織置于最上層時,防刺性能最好。

3. 1 表面涂覆改性

在芳綸纖維表面涂覆顆?；虮∧?, 可增強(qiáng)芳綸纖維間的摩擦力 ,通過使鋒利的金屬刀片因磨損而變鈍,來提高防刺性能。例如,NayakR 等人使用碳化硼顆粒改性芳綸1414織物表面,在刀刺入17mm深度下,涂層織物的防刺力高達(dá)14N,而未涂層織物的防刺力僅為4N,涂層樣品抗穿透能力的提高可歸因于涂層提供的額外保護(hù)作用。此外,JavaidMU等人研究了SiO2涂層織物的抗刺機(jī)理,發(fā)現(xiàn)未涂層織物中的紗線與刀單獨相互作用,并在刀穿透過程中進(jìn)行單獨切割,抗刀刺能力差。而SiO₂涂層織物中紗線間的摩擦力增加導(dǎo)致紗線滑移減少,因此紗線不易被移位,紗線抵抗刀刺能力增強(qiáng)。硬質(zhì)陶瓷涂層與高強(qiáng)度織物的結(jié)合可以防止外部沖擊的滲透 。GadowR等人采用熱噴涂技術(shù)在芳綸纖維織物上進(jìn)行金屬陶瓷和氧化物陶瓷涂層。通過準(zhǔn)靜態(tài)防刺測試發(fā)現(xiàn),具有硬質(zhì)陶瓷涂層的芳綸織物表現(xiàn)出更高的防刺性能。除了無機(jī)納米顆粒外,有機(jī)樹脂也被用來涂覆改性芳綸纖維。例如,莊群等人制備了芳綸織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,穿刺深度由37.3mm降低到4.8mm,復(fù)合織物的防刺效果顯著提高,并且多層組合后的防刺效果更好。

無機(jī)納米顆粒和有機(jī)樹脂也經(jīng)常協(xié)同復(fù)合涂覆于芳綸纖維表面,以期提高芳綸柔性防刺材料的防刺性能。例如,夏民民等人研究發(fā)現(xiàn)涂覆碳化硼/環(huán)氧樹脂涂覆改性后的芳綸1414織物,  其單舌撕裂強(qiáng)力可由50N增加到300N左右。RubinW等人將碳化硅涂覆于乙烯酯基樹脂固化的芳綸纖維表面 ,發(fā)現(xiàn) 當(dāng)碳化硅含量為20 wt%時,防刺性能達(dá)到最佳。XIayunZ等人通過在芳綸織物上涂覆熱塑性聚氨酯/二氧化硅/剪切增稠液(STF)制備柔韌防刺材料,涂覆含有3%氣相二氧化硅涂層溶液的芳綸織物具有較高的抗刀刺和抗穿刺力。

3. 2 剪切增稠液浸漬改性

剪切增稠液(STF)是一種由分散相和分散介質(zhì)組成的非牛頓流體。剪切增稠液改性的芳綸纖維在受到外力作用時,其剪切增稠體的黏度會迅速增大,表現(xiàn)為固體狀態(tài),起防刺作用,當(dāng)外力撤銷,黏度又會恢復(fù)到初始值,表現(xiàn)出液體柔性狀態(tài) ,這為制備柔性防護(hù)材料提供 了一種途徑。李聃陽等人采用 STF浸漬的芳綸織物制備柔性防刺材料,研究發(fā)現(xiàn)經(jīng) STF浸漬后不同結(jié)構(gòu)芳 ·54·綸織物的防刺性能都有很大提升 ,并且提升幅度隨織物交織點數(shù)的增加而增大。王瑞等人探究了氧等離子體改性多壁碳納米管對STF浸漬芳綸織物準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能的影響,發(fā)現(xiàn)氧等離子體處理引入了含氧官能團(tuán),可促進(jìn) STF的剪切增稠作用,提高紗線間的摩擦力,使織物的被破壞模式由紗線滑移變?yōu)榧喚€斷裂,進(jìn)而提高防刺性能。

剪切增稠液中所用納米顆粒的種類、粒徑、含量以及表面改性等因素,也會影響織物防刺性能。例如Li等人使用不同粒徑(12nm和75nm)的二氧化硅(SiO₂)顆粒作為分散相,多碳納米管作為增強(qiáng)材料制備STF/MWCNTs復(fù)合增稠體系,并用于對平紋、斜紋、緞紋和籃紋編織芳綸織物的浸漬改性處理,研究發(fā)現(xiàn)12nm的SiO₂顆粒比75nm的 SiO₂具有更好的耐刀刺性能。張汪洋等人研究發(fā)現(xiàn)純芳綸織物在刺穿深度為30mm時承受的載荷為73N,浸漬STF為30%  SiO₂和70%PEG的準(zhǔn)靜態(tài)抗刺強(qiáng)度最高。此外,SahooSK等人利用共縮合反應(yīng)合成有機(jī)官能化的SiO₂,再將其制備的剪切增稠液浸漬芳綸織物,可將材料的紗線拉拔力由25.8N提高到39.5N,而沖擊力由493N提高到900N,峰值能量也由246N增加到 900N。雖然剪切增稠改性不影響材料的柔韌性,但會降低材料的透氣透濕性,影響材料的服用舒適性。

3. 3 樹脂復(fù)合改性

芳綸樹脂基復(fù)合防刺材料既結(jié)合了芳綸纖維的高強(qiáng)度、高模量的防刺優(yōu)點,又具備了樹脂基體的多功能特性 。MayoJB等人研究發(fā)現(xiàn)熱塑性樹脂(聚乙烯、聚甲基丙烯酸以及聚乙烯-甲基丙烯酸共聚物三種)復(fù)合改性芳綸纖維(JSP 706型凱夫拉纖維)的防刺性能顯著提高,且通過改變熱塑性樹脂的類型和厚度,可以使織物獲得不同的防刺性能。劉玉龍將SiO₂納米粒子和Surlyn樹脂共同復(fù)合改性芳綸纖維 ,結(jié)果發(fā)現(xiàn) ,樹脂含量低(33 wt%) 時,要防住24J 的能量需要36層,而樹脂含量高(44wt%)時僅需30層。KimH等人[40]研究發(fā)現(xiàn)低密度聚乙烯(LDPE)增強(qiáng) KEVLAR織物的抗刺穿過程比環(huán)氧樹脂增強(qiáng)KEVLAR織物多一個纖維束積累破壞階段,但 LDPE只能提高初始階段的防刺性能。此外,樹脂與芳綸織物的疊加方式不同,其防刺性能也不同。例如,陳理,王博濤分別用濕法涂層、轉(zhuǎn)移涂層、干法直接涂層三種方式將聚氨酯與芳綸 平紋織物復(fù)合制樣 ,研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移涂層工藝加工 的復(fù)合材料防刺效果最好 。

3. 4 纖維復(fù)合改性

將芳綸纖維與其他纖維采用包芯紗工藝混紡,然后通過該包芯紗制備防刺材料,也是制備高性能芳綸柔性防刺材料的一種方法。例如,Tien DT等人研究了以芳綸和棉的包芯紗線織制成不同面密度的機(jī)織物,當(dāng)芳綸芯與外層棉的重量比為1∶2.5,織物經(jīng)紗密度為16.4根/cm,緯紗密度為 8.4根/cm時,最有利于抵抗刀口沖擊器的穿透,材料獲得了良好的服用性能并提高了防刺性能。除纖維種類外,纖維復(fù)合的層數(shù)和疊放順序也會對防刺性能產(chǎn)生影響。杜玲玲等人研究了疊層數(shù)對芳綸短纖紗線和不銹鋼長絲紡制包芯紗防刺性能的影響,發(fā)現(xiàn)織物疊層數(shù)越多,防刀刺性能越好。

4 結(jié)語

目前,機(jī)織物 、針織物、非織造布、無緯布等結(jié)構(gòu)形式的芳綸都已被用來生產(chǎn)柔性防刺材料。此外,樹脂復(fù)合、表面涂層、剪切增稠液等改性加工方式常用于提升高性能纖維紡織品的防刺效果,促進(jìn)了芳綸柔性防刺材料的不斷更新?lián)Q代。然而高性能纖維價格昂貴,且目前所選用的整理方式均會降低紡織品的穿著舒適性,導(dǎo)致防刺產(chǎn)品的推廣和普及應(yīng)用受限。因此,如何制備出符合防刺標(biāo)準(zhǔn)并具有良好柔軟舒適性的防刺材料還需進(jìn)一步研究。

來源:山東紡織科技，邁愛德編輯整理