民用防刺服的研發現狀

趙 琴，錢曉明，邢京京

(1.成都市產品質量監督檢驗院，四川 成都 610100；2.天津工業大學 紡織學院, 天津 300387)

民用防刺服的研發現狀

趙 琴1，錢曉明2，*，邢京京2

(1.成都市產品質量監督檢驗院，四川 成都 610100；2.天津工業大學 紡織學院, 天津 300387)

介紹了防刺服的種類，詳述了其防刺機理、影響防刺性能的因素、常用測試方法，以及防刺服用材料、組織結構和服裝結構；同時認為通過合理復合以提高防刺服的整體防刺性和舒適性是未來研究方向之一，改善服裝結構和材質提高舒適性是另一個發展方向。

防刺服;防刺機理;結構性能;展望

防刺服是指能有效地防護匕首等常見銳器從各種刺入角度對人體的攻擊，從而減少人體防護部位受到刺傷威脅的一種服裝[1]。對防刺服的研究最早可追溯到史前時期的皮革編織甲胄，19世紀南太平洋海島土人的藤甲，到后來中國戰國時期的金屬片盔甲和金屬絲鎖子甲，以及到現在采用超高強纖維織造的柔軟舒適的防刺防彈服。防刺服幾百年的發展都是圍繞著兩個問題，一是如何提高防刺性；二是在滿足防刺要求前提下如何提高服裝的穿著舒適性。 本文圍繞這兩個主題對近年來相關的研究開發現狀作一綜合介紹。

1 防刺服的種類

防刺服按其用途可分為警用防刺服、軍用防刺服和民用防刺服3類。警用和軍用防刺服除可抵御刀刺以外，一般還兼具防彈功能，對防護性能要求相對較高；因此一般內嵌鋼板或金屬網，不但厚重且舒適性差，通常用于外穿。民用防刺服一般為內穿服裝，需要較好的隱蔽性和舒適性，常采用超強纖維織造而成。目前有關防刺服的研究多為警用和軍用，近年來逐漸傾向于民用。例如，美國材料研究所研制了一款女性防刺防彈服[2]，貼合女性的胸部造型，滿足乳房體積要求，更好地為女性提供了保護,并建議其測試方法納入標準化。

防刺服按其材質可分為硬質防刺服、半硬半軟質防刺服、柔性防刺服、液體防刺服4類。硬質防刺服是將金屬材料整片切割或分割成片甲形狀再排列組合加工成護板[3-5]，外層包覆面料。硬質防刺服是最早的防刺服裝，防刺性能好，但質量大剛性強，舒適性差。半硬半軟質防刺服是以高強纖維和金屬材料復合作為防護層[6]，有研究[7]指出厚度僅為2.5 mm的陶瓷片就完全可以承受住美國NIJ0115標準中所有能量級別的測試。重慶盾之王公司研制的半柔型防刺背心，是用多種新材料按特殊的復合新工藝制成，不但具有防刺功能，還能有效地阻擋一般爆炸物品及破片的侵襲；同時兼有防水、耐酸堿、防紫外線等功能[8]。半硬質半軟質防刺服是目前應用最廣的防刺服，但其質量大加工工藝復雜，舒適性也有待提高。

柔性防刺服是目前研究最多的一類，是用高性能化學纖維織造的高支高密織物或非織造材料，具有輕質柔韌，舒適性高的優點。上世紀80年代美國杜邦公司、Criminology國際公司[9]先后研發了Kevlar輕型防刺背心。我國北京同益中特種纖維有限公司、北京君安泰防護科技有限公司及香港理工大學、東華大學、江南大學、天津工業大學等企業和高校一直致力于柔性防刺材料的研發工作，例如，采用多軸向經編組織或通過覆膜、樹脂成型、硬質粒子涂層等方法提高材料的防刺性[10-12]。民用防刺服基本上都是軟質防刺服，但在符合我國公安部《GA68防刺服》防刺性能的要求下，其織物厚度最薄也15 mm，若選其作為民用防刺服標準，其隱蔽性仍達不到要求。

液體防刺服是是目前國外研究最多的產品，其本質是將剪切增稠液(STF)滲入織物中[13]。在通常狀態下剪切增稠液以液體形式存在，當受到刀或子彈的高速沖擊時迅速變成堅硬的固體狀，能使織物變得非常堅韌。當沖擊力消失后剪切增稠液又恢復至液體狀態，服裝也重新變軟，因此穿著舒適。

研究結果顯示，浸漬STF的織物防刺性能可提高5%左右，防彈性能可提高10%左右[14]。剪切增稠液發揮作用需要一個瞬時高速沖擊，對于低速的穿刺或刀割傷害作用不大，且浸漬STF會增加防刺層的質量，服裝的熱濕舒適性也會降低，不適用于民用防刺服。

目前有關防刺服的研究主要集中在如何提高防刺性能上，例如，通過高支高密織造、剪切增稠液浸漬、陶瓷片復合、涂層等手段,來進一步增強防刺織物的防刺性能。不同的處理方法其特點也有所不同。襯墊金屬片、鋼絲圈類和陶瓷片復合防穿透性能優異，但其重量和剛性對使用者的活動和穿著舒適性有較大的限制和影響。采用高支高密織造的防刺服具有輕質柔韌等優點，但對于紗線細度要求高，過細過粗都不利于防刺。涂層和層壓方法能夠在保證不增重的情況下提高織物的防刺性，但織物的透氣性和透濕性卻大大降低，不適合于內穿防刺服。STF浸漬只對高速沖刺有效，且增加了防刺服的重量和生產成本。

2 防刺機理

防刺服的防刺機理與防彈機理不同，彈道破壞主要是沖擊能量對人體器官的損傷，刺破主要是刀具沖破服裝刺傷人體皮膚或器官。最早探究防刺機理的是Cazzuffi等[15 ]根據土工布穿刺過程中的形變，指出刺破是拉伸性能失效的結果；Murphy等[16]通過測試各種土工合成材料的擊穿強度，通過計算獲得應力應變曲線；Termoni[17]建立了尖頭型刺錐刺破織物的數值模型，探討了防刺破的各種因素，并將刺破載荷特征與特定織物刺破機理聯系起來。

還有學者利用有限元法模擬刀具穿透織物的過程，指出穿刺過程主要分為織物拉伸、紗線滑移、紗線斷裂和拉出四個階段[18-20]，分析刀具的位移與受力關系，并預測出刀具的穿透深度。Alvaro等[21]結合彈性體膜被尖銳刀片切割的機制表征，指出裂紋擴展傳播是由材料的黏彈性和材料的斷裂行為，以及尖頭刀和材料之間的摩擦來控制的。

以上研究都基于機織物或針織物，較容易模擬織物的結構，而對于雜亂無序的非織造材料的防穿刺機理，目前還無人涉及。另外，對于防刺機理的研究多是從受力角度來分析，然而刺入過程中仍有熱量產生且不可忽略。如圖1所示，在超高分子量聚乙烯纖維非織造材料的刺破斷面，就出現了熔融現象。

3 影響防刺性能的因素及評價方法

在防刺性能研究中，通常認為纖維的力學性能越好防刺性就越好。有關織物防刺性與拉伸、撕裂和頂破的關系，目前已有學者進行了探究。壽錢英[22]選用滌綸紗線織造了幾種不同組織的緯編針織物，并對其抗撕裂、頂破和穿刺性能進行了探究，得出緯編針織物的防刺性與其組織結構等多種因素有關，不能用單縫法撕裂強力和頂破強力表征緯編針織物的準靜態抗穿刺性能。由于實驗選用的滌綸紗線其強力遠低于常用的芳綸和超高分子聚乙烯纖維，其結論的代表性仍有待探究。有部分學者認為刺破與頂破有一定的相關性，尤其對于一些刺錐類刺具[23]。織物被刺破之前所受的力類似于頂破的多向受力，通過對織物進行涂層或增加織物密實度來提高織物的防刺性都是源于此[24]。

織物的刺破主要是指尖銳物體在一定外力作用下與織物接觸時，超出織物所能承受的最大載荷而使織物破壞的現象。研究發現織物的抗刺性能與織物的組織結構有關，組織結構不同,其防刺性能就不同[25]。刀具種類和織物層數也直接影響到織物的抗穿刺性能，不同的刀具截面會對穿刺效果有很大影響[26]；在穿刺過程中織物的層數越多,每一層都能較合理地分擔一部分負荷,能夠達到較好的防刺效果[27]；但隨著織物層數的增加，服裝會變得厚重影響其舒適性。

另外，刀具的形狀也對織物的防刺性有較大影響。常見的刀具有單刃刀、雙刃刀、三棱刀、錐子。單刃刀刺破織物時刀口呈“T”字型，對織物既有剪切作用又有排擠作用；雙刃刀刀口呈“一”字型，三棱刀刀口呈“Y”型[28-29]，這兩種刀具對織物的作用主要是剪切作用；錐子類刺具對織物的主要作用是頂破和排擠。相同纖維材料的無紡布對錐和單刃刀的防護效果要好于平紋布，對三棱刀的防護效果與平紋布接近[30]。

目前評價防刺性能好壞的指標有兩個，一個是靜態穿刺力，另一個是動態防刺性。前者通常是用萬能強力儀記錄刀具以定速穿透織物過程中力的變化；后者是根據GA68-2008標準或其他織物防刺性測試標準模擬實際情況，測試刀具以一定動能刺向織物時，織物被刺破的層數或程度。相比較而言，動態防刺測試更能體現織物的防刺性，但測試較為麻煩，且一般用于測試服裝整體的防刺性。對于材料防刺性的測試，一直希望有一個更加量化、簡單且準確的測試標準或方法。對此，公安部特種警用裝備質量監督檢驗中心對國內外防刺服關鍵技術指標，如產品分級、測試刀具種類、測試方案、合格判據等方面，進行了對比分析，并為GA-68標準的修訂提供了建設性建議[31]。

4 防刺材料的組織結構及服裝結構

為了適應各種防護要求,研究人員研制開發了不同的織物形式用于防刺紡織品,從傳統的機織物、針織物、無緯單向布(UD)、非織造布到近年來開發的針織經編多軸向織物、間隔織物及緯編軸向織物[32]等,可根據不同的防護要求選擇不同組織結構的織物形式。由于針織物結構良好的成型性、極好的能量吸收性和抗沖擊疲勞性能,使其在產業用紡織品尤其是人體防護裝甲材料中越來越受到重視。另外,通過測試可知在機織布和無紡布試樣中,前者的抗拉伸性能要高于抗剪切性能,而后者的抗剪切性能要高于抗拉伸性能[33]。

目前有關民用防刺服結構的專業研究基本沒有，其原因一方面是現在的防刺服多為警用、軍用且外穿，結構形式以背心為主，結構簡單，穿脫方便，如圖2所示。另一方面受防刺材料的厚度限制，防刺服的結構不宜太復雜。

民用防刺服為普通人日常穿著或出席特殊場合時穿著，需要具有較好的隱蔽性和舒適性；因此在保證具有一定防刺性基礎上，應對其結構進行優化，使之更加舒適合體。現在市場上有一種商務防刺馬甲(見圖3)，其款式結構類似于普通西服馬甲，內芯為用超高強纖維織造的防刺層，可搭配西服穿著。民用防刺服同其他防護類服裝一樣，首先要滿足其防護性要求，其次要更加舒適，且成本不應太高，以便獲得普遍使用。

5 結語

民用防刺服裝是一種特殊的服裝類別，在滿足防刺功能前提下更應強調著裝的舒適性與運動機能性。未來還需結合不同防刺材料的特性及不同身體部位的要求，對防刺服進行結構優化設計以提高民用防刺服的舒適性和隱蔽性。對于防刺層的設計可結合不同組織結構的特點，將針織物與機織物或非織造布進行復合以提高整體上的防刺性。

選用密度較小的超高分子聚乙烯纖維可減輕服裝重量，同時在超強纖維中混入吸濕性較好的黏膠纖維既可減輕加工過程中的靜電現象，也可增加服裝的吸濕性，提高穿著舒適性并降低生產成本，使其像其他防護服一樣能為大眾所接受。

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Research and Development Status of Stab-resistant Clothin

ZHAO Qin1， QIAN Xiao-ming2，*， XING Jing-jing2

(1.Chengdu Product Quality Supervision and Inspection Institute, Chengdu 610100, China;2.College of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

The categories of stab-resistant clothing, the stab-resistant mechanism, the influencing factors, common testing method, the materials, organizational structure, and clothing structure of the stab clothing were introduced. The reasonable compound in order to improve the overall puncture-proof and comfortability was one of research directions in the future. The improvement of garment structure and materials to improve comfortability was another development direction.

stab-resistant clothing; stab-resistant mechanism; construction performance; prospect

2016-09-14；

2016-11-07

趙 琴(1963-)，女，高級工程師，主要研究方向為紡織品質量檢驗，E-mail：2086217640@qq.com。

*通信作者：錢曉明(1964-)，男，教授，E-mail：qxm@tjpu.edu.cn。

TS941.7

A

1673-0356(2016)12-0010-04