防割面料的研究現(xiàn)狀及展望

鐘 林 肖詠梅 陳紅霞 黃曉梅 曹海建

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2.軍需能源質(zhì)量監(jiān)督總站武漢質(zhì)量監(jiān)督站，湖北武漢，430000）

防割面料是一類能夠抵御人體免受刀具、利刃等銳器傷害的個(gè)體安全防護(hù)材料，不僅可用于軍隊(duì)及警察安全部門，如巡警、獄警等，還廣泛用于民用領(lǐng)域，如建筑、裝修、玻璃、化工等。因此，針對利器切割的潛在危險(xiǎn)，防割面料的開發(fā)及應(yīng)用具有重要意義。

1 防割面料的研究現(xiàn)狀

防割面料的防切割能力主要來自三方面。第一，纖維材料承受刃器時(shí)作用力方向的拉伸斷裂以及垂直于作用力方向的抗剪切性能。第二，恰當(dāng)合理的紗線結(jié)構(gòu)可以提高纖維材料之間的協(xié)調(diào)配合，從而使材料的優(yōu)異性能夠充分發(fā)揮。第三，織物結(jié)構(gòu)越緊密，抵抗切割外力作用越強(qiáng)。

從纖維角度來看，防割材料從最初的天然纖維、合成纖維發(fā)展到如今的金屬纖維和高性能纖維。目前廣泛使用的金屬纖維有不銹鋼纖維，高性能纖維有UHMWPE 纖維、芳綸以及玻璃纖維等。從紗線角度看，防切割紗線有純紡紗、混紡紗、復(fù)合紗以及經(jīng)過特殊處理制得的紗線。由于純紡紗制成的織物防切割性較差，因此目前研究的防切割紗線主要有以高強(qiáng)度短纖維或者高性能短纖維制成的混紡紗。從織物角度看，防切割織物可以分為針織物、機(jī)織物、非織造布、無緯布、多種結(jié)構(gòu)復(fù)合織物等。

1.1 防割用纖維

1.1.1 不銹鋼纖維

不銹鋼纖維是一種新型的軟態(tài)工業(yè)材料，體積質(zhì)量約7.9 g/m3，是普通紡織纖維的5 倍~8倍，具有一定的可紡性；其力學(xué)性能優(yōu)良，直徑8 μm 的 不銹鋼纖 維強(qiáng)力在2.94 cN~5.88 cN［1］；不銹鋼纖維光澤明亮，撓性明顯，韌性差，具有纖細(xì)、柔軟等特性。不銹鋼纖維在防割領(lǐng)域的應(yīng)用主要是與其他具有高強(qiáng)度的纖維配伍，制成半柔性防割面料。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)有湖南惠同新材料股份有限公司、江蘇金火炬金屬纖維有限公司等，國外企業(yè)有比利時(shí)貝卡爾特公司、日本精線公司等。

1.1.2 UHMWPE 纖維

UHMWPE 纖維即超高分子量聚乙烯纖維，其單絲強(qiáng)度是目前高性能纖維中最大的，具有很強(qiáng)的能量吸收能力，因而具有突出的抗沖擊性和抗切割性，常作為防割面料的主體纖維。但是UHMWPE 纖維也有不容忽視的缺陷。其纖維表面硬度低，當(dāng)與硬度較高的物體產(chǎn)生摩擦?xí)r，易造成磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致斷裂［2］。例如，由UHMWPE 纖維編織的防割手套耐磨性和防割性能僅能 滿 足 BS EN 388：2003《Protective gloves against mechanical risks》（以下簡 稱BS EN 388）的3 級，不能很好地適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中的防護(hù)需求［3］。基于此，國內(nèi)外學(xué)者在纖維表面增加耐磨性涂層和對纖維進(jìn)行耐磨改性。馮園等對UHMWPE 纖維進(jìn)行了耐磨改性，測試發(fā)現(xiàn)改性UHMWPE 纖維的耐磨系數(shù)比UHMWPE 纖維提高了257%，同時(shí)纖維強(qiáng)度僅降低3.8%左右［4］。LIU Z P 等采用碳化硼顆粒改善UHMWPE 纖維的耐磨性，研究發(fā)現(xiàn)處理后的UHMWPE 纖維耐磨性提高了46%［5］。

1.1.3 芳綸1414

Kevlar 是美國杜邦公司研制的一種芳綸1414的品牌名，具有高強(qiáng)度、高耐磨、耐切割的性質(zhì)。Kevlar 強(qiáng)度為2.5 GPa~3.3 GPa，拉伸強(qiáng)度是鋼絲的6 倍，拉伸模量是鋼絲和玻璃纖維的2 倍~3倍，體積質(zhì)量僅為鋼絲的五分之一［6］。但是芳綸1414 在耐紫外線光照以及耐摩擦方面的性能不好，國外生產(chǎn)企業(yè)有美國杜邦公司、日本帝人株式會(huì)社等，國內(nèi)有蘇州兆達(dá)特纖科技有限公司等。

1.1.4 玻璃纖維

玻璃纖維是一種具有良好物理機(jī)械性能的無機(jī)非金屬材料，質(zhì)輕，體積質(zhì)量比有機(jī)纖維高，但是比金屬纖維低；強(qiáng)度高，斷裂強(qiáng)力達(dá)1 370 N~1 470 N，是同等質(zhì)量鋼絲的2 倍~4 倍［7］。玻璃纖維的缺點(diǎn)是脆性大，纖維頭端易伸出紗體造成刺癢感，因此在防割面料中玻璃纖維一般是在紗線內(nèi)層，由外層纖維將其包覆，以減輕對人體造成的刺癢。國外生產(chǎn)企業(yè)有美國的Owens Corning 公司、法國的Saint-Gobain Vetrotex 公司等，國內(nèi)有巨石集團(tuán)有限公司、泰山玻璃纖維有限公司等。

1.2 紗線結(jié)構(gòu)

合理配置紗線結(jié)構(gòu)可以有效提高纖維之間相互作用的穩(wěn)定性，從而提高其力學(xué)性能。

1.2.1 混紡紗

多種纖維混紡紗不僅可以使各種纖維性能優(yōu)勢互補(bǔ)，還能在一定程度上克服單種纖維可紡性差的缺點(diǎn)。嚴(yán)雪峰等用UHMWPE 短纖與ES 纖維混和，再與不銹鋼纖維切條混并制成防切割混紡紗；混紡紗的耐切割等級能達(dá)到ANSI/ISEA 105—2016《American National Standard for Hand Protection Classification》的A4 級，具有較好的防切割性能［8］。

1.2.2 復(fù)合紗

包芯紗兼有芯紗和外包纖維的優(yōu)良物理機(jī)械性能。許剛以鋼絲為芯紗、外包UHMWPE 長絲制成包芯紗；該包芯紗制成的針織面料防切割等級 可 達(dá) 到ASTM F1790—2005《Standard Test Method for Measuring Cut Resistance of Materials Used in Protective Clothing》（以 下 簡 稱ASTM F1790）的A6 級［9］。

包覆紗結(jié)構(gòu)與包芯紗相似，雙層包覆結(jié)構(gòu)可以更好地包裹住芯紗，保證纖維間相互配合。黃浚峰等設(shè)計(jì)了以UHMWPE 長絲為基本材料的包芯紗、包覆紗、合捻紗，研究表明由包覆紗編織成的防割手套性能最佳［10］。李麗等選用UHMWPE 纖維、錦綸、不銹鋼金屬絲，設(shè)計(jì)了包芯紗、合捻紗和雙層包覆紗，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由雙層包覆紗制成的織物防割性能最好［11］26。

1.2.3 其他類型紗

纖維用功能母粒是實(shí)現(xiàn)纖維柔性化的重要技術(shù)手段之一，目前防護(hù)類紡織品的研發(fā)也已經(jīng)有采用添加功能母粒的方法。范余娟將具有高強(qiáng)高模等特點(diǎn)的材料納米化制備成功能母粒，與聚酰胺6 半光切片熔融混合，制成了防切割改性錦綸6全牽伸絲［12］；試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由其編織的手套防切割等 級 可 達(dá)BS EN ISO 13997—1999《Protective clothing—Mechanical properties—Determination of resistance to cutting by sharp objects》（以下簡稱BS EN ISO 13997）的B 級，可滿足使用要求。

剪切增稠液體（Shear Thickening Fluid，STF）是一種新型納米智能材料，在柔性機(jī)械防護(hù)領(lǐng)域已有許多研究成果。王麗娟將UHMWPE長絲浸入STF，經(jīng)處理得到STF/UHMWPE 復(fù)合紗；測試結(jié)果表明，STF/UHMWPE 復(fù)合紗的耐切割能力大于純UHMWPE 紗［13］74。

1.3 織物結(jié)構(gòu)

1.3.1 針織結(jié)構(gòu)

針織物由于其線圈特性，有較好抵抗沖擊的能力，但是受外力作用會(huì)發(fā)生變形，刀尖易透過偏移的線圈傷害人體。MOLLAEI A 等研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對對位芳綸和UHMWPE 緯編針織物耐切割性能的影響，得出組織密度存在一個(gè)最優(yōu)值，在此條件下，芳綸和UHMWPE 混紡紗線耐切割性最好［14］。徐立雙使用聚乙烯纖維、錦綸等編織了18 種防切割針織物，試驗(yàn)得出針織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對針織物防護(hù)性、舒適性均有顯著影響，其中厚度影響最大，體積質(zhì)量次之［15］81。

1.3.2 機(jī)織結(jié)構(gòu)

機(jī)織物結(jié)構(gòu)緊密，質(zhì)地堅(jiān)牢，受刀刃作用時(shí)紗線不容易滑移，力學(xué)性能優(yōu)異，可起到良好的防切割作用。MESSIRY M E 等研究了織物組織結(jié)構(gòu)對機(jī)織物剪切阻力的影響，得出織物的比切削阻力與織物結(jié)構(gòu)、經(jīng)紗緯紗線密度、織物的楊氏模量等有關(guān)［16］。李麗等設(shè)計(jì)了平紋、斜紋、緞紋等不同的防切割織物，得出組織結(jié)構(gòu)為二上二下加強(qiáng)斜紋織物的防割性能最佳［11］28。

1.3.3 非織造結(jié)構(gòu)

非織造布的耐切割性遠(yuǎn)小于針織軸向織物［17］。在非織造布中，纖維雜亂無章排列，刀片作用在其上時(shí)，纖維在不同時(shí)間具有較高的可斷裂性。通常非織造布制成的防切割材料并不是單一使用，而是多層復(fù)合的。

1.3.4 無緯結(jié)構(gòu)

無緯布是采用UHMWPE 纖維或芳綸為基材，通過高科技設(shè)備鋪絲，用高強(qiáng)彈性體樹脂浸漬涂膠和薄膜黏合，再經(jīng)0°、90°雙正交復(fù)合層壓而成高強(qiáng)、質(zhì)輕防護(hù)材料，具有手感柔軟、體積質(zhì)量小、耐磨蝕、抗沖擊、抗切割、韌性強(qiáng)等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于軟質(zhì)防彈衣、防刺、防切割服裝襯片等。

1.3.5 復(fù)合結(jié)構(gòu)

復(fù)合織物是指把多層織物黏結(jié)在一起，或通過織物與高聚物或其他材料復(fù)合在一起，形成擁有多種功能的復(fù)合體。按照與織物復(fù)合的材料來劃分，復(fù)合織物可分為織物與織物復(fù)合、高聚物與織物復(fù)合、金屬與織物復(fù)合三大類。從工藝角度看，織物的復(fù)合可以通過織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、織物層壓技術(shù)、涂層技術(shù)等方式實(shí)現(xiàn)。

2 防割面料的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的不足

隨著面料的發(fā)展進(jìn)步，各種防割裝備應(yīng)運(yùn)而生，主要有防割手套、防割護(hù)臂、防割服等。

2.1 防割手套

目前生產(chǎn)研究最多的防割裝備是防割手套，可分為無涂層手套和涂層手套。無涂層手套穿戴柔軟、生產(chǎn)效率高，但是耐磨性以及耐切割性低。涂層手套相較而言比較硬挺、靈活性較差，因此又分為全涂層、掌背指部涂層以及指部涂層。除此之外，防割手套還有采用無數(shù)個(gè)小圓環(huán)穿編而成的鋼絲手套，其具有優(yōu)良的耐磨、防割作用，佩戴舒適且易清潔，但是成本較高。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，研發(fā)了兼具防割的多功能手套，如防割耐低溫手套、防割阻燃手套、防割防水手套等。

2.2 防割護(hù)臂

防割護(hù)臂用于保護(hù)手臂不被劃割。目前市場上有不銹鋼纖維純紡制成的防割護(hù)臂，但是防割等級較低且透氣性差。由UHMWPE 纖維或者Kevlar 包覆不銹鋼絲制成的防割護(hù)臂性能優(yōu)良，舒適性也有所提高。其中，芳綸制成的護(hù)臂舒適性要優(yōu)于UHMWPE 纖維。

2.3 防割服

防割服是有效抵制并減輕刀具對人體劃傷的一種服裝。按照織造工藝主要分為針織物、機(jī)織物和多種結(jié)構(gòu)復(fù)合織物。北京同益中新材料股份有限公司采用UHMWPE 纖維針織而成的防割服防割等級能達(dá)到BS EN 388 的3 級~5 級；與傳統(tǒng)防護(hù)織物相比，具有輕便、透氣等特點(diǎn)。楊建淼等研發(fā)的一種新型防割服由表層、防割層、緩沖層、內(nèi)層構(gòu)成；表層設(shè)有透氣孔，防割層由UHMWPE 纖維編織，緩沖層由彈性金屬絲制成，內(nèi)層為了增加舒適性由棉纖維制成，多層結(jié)構(gòu)縫合起來構(gòu)成防護(hù)服，其防護(hù)性能以及透氣性較好［18］。

2.4 目前防割產(chǎn)品存在的不足

當(dāng)前的個(gè)體防護(hù)產(chǎn)品發(fā)展迅速，但是過多強(qiáng)調(diào)防割性能而忽略了產(chǎn)品的穿戴舒適性。目前研究的防割手套大多為了增加其防割性能與使用壽命而對手套進(jìn)行涂覆處理，增加的涂層會(huì)影響穿戴靈活性和舒適性；防割服也存在質(zhì)量大、透氣性差等問題。

徐立雙從力量、靈活性、觸覺感知方面對防割針織物進(jìn)行工效性評價(jià)，構(gòu)建了舒適性評價(jià)模型，通過織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)初步實(shí)現(xiàn)對防割織物的穿戴舒適性的預(yù)測［15］101。高淑敏從人體工效學(xué)角度出發(fā)，研究人體皮膚形變特征，并在人體關(guān)鍵部位進(jìn)行防割材料的添加設(shè)計(jì)，通過主觀評價(jià)法對短道速滑服進(jìn)行功能性、舒適性驗(yàn)證［19］。BARTKOWIAK Gra?yna 等提出了一種將防護(hù)服與參考服對比研究的人體工效學(xué)評價(jià)方法，將參考服放置在適當(dāng)?shù)氖孢m度等級中對其進(jìn)行定量評估［20］。

目前關(guān)于防割服類的工效性評價(jià)還未見報(bào)道，也沒有明確的防割類產(chǎn)品的工效學(xué)性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而此類研究對防割類產(chǎn)品的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。當(dāng)前市場上同時(shí)兼具高防護(hù)等級和穿戴舒適的產(chǎn)品較少，如何兼顧防割等級與舒適性這個(gè)平衡點(diǎn)，仍需要進(jìn)一步研究。

3 國內(nèi)外防割性能測試研究

防割材料的性能測試主要是防割性能測試。對于纖維和紗線而言，目前還沒有相關(guān)的防割測試標(biāo)準(zhǔn)，為此國內(nèi)外的研究人員在原有機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)或自行設(shè)計(jì)研發(fā)了相應(yīng)裝置。SHIN H S 等通過對現(xiàn)有力學(xué)設(shè)備進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)了一種特殊夾具，可對紗線施加可調(diào)張力，安裝在刀片下的攝像機(jī)連續(xù)記錄切割運(yùn)動(dòng)行程和紗線中點(diǎn)的橫向載荷，由橫向載荷計(jì)算紗線的軸向載荷以及應(yīng)力和應(yīng)變［21］。MAYO J 等針對高性能單纖維設(shè)計(jì)了一種切割測試裝置，該裝置可將刀片以不同的角度橫向插入單根纖維，裝置上的力傳感器能夠測出切割過程的力-位移曲線［22］。王麗娟改造現(xiàn)有力學(xué)儀器并設(shè)計(jì)了一種U 形板，測試時(shí)將紗線固定在刀片上，以一定的速度移動(dòng)直至切斷，通過分析位移-負(fù)荷切割曲線對其耐切割性進(jìn)行分析［13］47。梁玉設(shè)計(jì)了一種張力控制裝置，同時(shí)利用壓力傳感器等現(xiàn)有儀器實(shí)現(xiàn)對刀具切削力信號(hào)、UHMWPE 纖維絲束斷裂過程聲發(fā)射信號(hào)及絲束斷裂形態(tài)的提取，實(shí)時(shí)觀察UHMWPE 纖維的切割過程［23］。

雖然國內(nèi)外研究人員通過各種方法對纖維、紗線進(jìn)行防切割性能測試，但是關(guān)于材料的切割機(jī)理研究還比較貧乏，理論相對滯后，沒有系統(tǒng)的關(guān)于纖維、紗線的切割測試標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上阻礙了防切割產(chǎn)品的發(fā)展。

4 相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)

目前國際上防割測試標(biāo)準(zhǔn)有BS EN 388、ASTM F1790 和BS EN ISO 13997，國 內(nèi) 有GA 614—2006《警用防割手套》。

BS EN 388 為機(jī)械傷害防護(hù)手套標(biāo)準(zhǔn)，測試原理：給圓刀片施加5 N 的壓力，在50 mm 的范圍內(nèi)進(jìn)行往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，記錄圓刀片旋轉(zhuǎn)周數(shù)，然后與標(biāo)準(zhǔn)材料對比換算成防切割指數(shù)。ISO 13997是防護(hù)服裝的測試標(biāo)準(zhǔn)，測試原理：施加某個(gè)力到標(biāo)準(zhǔn)刀片，刀片從材料表面劃過一定距離而出現(xiàn)劃破穿透。用切割距離表征切割力，也就是說當(dāng)施加力一定時(shí)，材料的切割距離越長，其防割性能越好；當(dāng)材料的切割距離一定時(shí)，施加力越大，防割性能越好。

ASTM F1790 和BS EN ISO 13997 的 測 試原理一致，設(shè)備也有相似之處，區(qū)別在于后者切割距離規(guī)定為20 mm，前者切割距離規(guī)定為25.4 mm。兩者與BS EN 388 的設(shè)備和測試方法有根本的區(qū)別。BS EN 388 的測試方法是使樣品處于相對適中的壓力下（5 N 負(fù)載力），使用圓形刀片在測試樣品上進(jìn)行往復(fù)旋轉(zhuǎn)，從而進(jìn)行切割測試。而ASTM F1790 和BS EN ISO 13997 的測試方法是使用矩形刀片單向運(yùn)動(dòng)滑過規(guī)定距離引起樣品穿透所承受的負(fù)載作以測量。對于UHMWPE纖維、Kevlar、不銹鋼纖維等高性能纖維制成的防割性高的測試樣品，其負(fù)載可達(dá)1 000 g~3 500 g，即10 N~35 N，比BS EN ISO 13997 中施加在圓形刀片上的載荷力高2 倍~7 倍［24］。同時(shí)，使用不同測試方法對同種織物進(jìn)行切割測試，結(jié)果也不相同。劉柳采用ASTM F1790 和BS EN ISO 13997 中測試方法對Dyneema 長絲紗和短纖紗分別編織的手套進(jìn)行切割測試，對比發(fā)現(xiàn)：采用BS EN ISO 13997 中的方法，長絲紗手套和短纖紗手套的防割性能沒有顯著變化；而采用ASTM F1790 中的方法，長絲紗手套的防割性能明顯優(yōu)于短纖紗手套。劉柳認(rèn)為：ASTM F1790 中紗線與刀片的摩擦很大，而BS EN ISO 13997 中紗線與刀片的摩擦較小，可以忽略不計(jì)［25］。

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)外關(guān)于紗線的防割性能測試還沒有標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)加強(qiáng)該方面的研究，從而更好地在纖維材料、紗線結(jié)構(gòu)上優(yōu)化。同時(shí)，國內(nèi)外關(guān)于防割面料的研究多集中于纖維材料的選配、紗線結(jié)構(gòu)的研究，缺少關(guān)于防割機(jī)理以及織物組織結(jié)構(gòu)的研究，而掌握防割機(jī)理和織物組織結(jié)構(gòu)有助于針對性地設(shè)計(jì)防割面料的結(jié)構(gòu)與工藝，進(jìn)而改進(jìn)當(dāng)前防割面料不能兼具較好防割等級與較好穿戴舒適性問題。總之，防割面料應(yīng)加強(qiáng)防割機(jī)理、織物組織與結(jié)構(gòu)、人體工效學(xué)等方面的研究。