世界防彈纖維與紡織品特點(diǎn)和新品開發(fā)分析

世界防彈纖維與紡織品特點(diǎn)與新品開發(fā)分析【臧華新】一、 前言防彈纖維是構(gòu)成軟式防彈衣織物與復(fù)合材料的最基本的材料之一，它的結(jié)構(gòu)與性能直接影響防彈衣的防彈性能。目前，防彈纖維主要有天然纖維、合成纖維兩類，以后者為主。而防彈衣就是指能吸收與耗散彈頭、破片動(dòng)能，阻止穿透并有效保護(hù)人體受防護(hù)部位的一種服裝。二、 防彈終端產(chǎn)品發(fā)明過程從19世紀(jì)開始，伴隨著槍、炮更多的使用，刀、劍、弩等冷兵器逐漸淡出了戰(zhàn)爭(zhēng)的歷史舞臺(tái)，對(duì)個(gè)體的防護(hù)也逐漸從防刺（砍）等轉(zhuǎn)變?yōu)榉罉審棧ㄆ破┑膫?。個(gè)體防護(hù)材料則經(jīng)歷了從天然植物纖維到金屬材料再到高強(qiáng)度合成材料的發(fā)展。特別是在現(xiàn)代防彈材料的發(fā)展史上，1970年代至1980年代是具有里程碑的時(shí)期。l972年美國杜邦公司推出了對(duì)位芳香族聚酰胺纖維商業(yè)化產(chǎn)品--凱芙拉（Kevlar）；1986年美國聯(lián)合信號(hào)公司得到荷蘭DSM公司專利許可后，開始以Spectra為商標(biāo)生產(chǎn)一種強(qiáng)度更高的纖維--超高分子量聚乙烯纖維。前者標(biāo)志著防彈材料由硬質(zhì)向軟質(zhì)的轉(zhuǎn)變，改變了人們對(duì)防彈機(jī)理的認(rèn)識(shí)，極大地拓展了防彈材料的空間；后者則加速了防彈材料向輕量化、舒適化的方向發(fā)展。防彈衣發(fā)明至今，按照其使用的材料不同主要分為三種！硬式防彈衣最初的防彈衣是由鋼板或陶瓷制成的，本著"以剛克剛"的理論，利用剛性材料對(duì)子彈的反彈提供防護(hù)。但這種防彈衣重量大、堅(jiān)硬，穿著笨重，行動(dòng)不便，而且脖子等處無法提供保護(hù)，所以逐漸遭淘汰，被后來研制的軟式與軟硬式防彈衣取代。軟式防彈衣這種防彈衣是根據(jù)"以柔克剛"的原理，利用高強(qiáng)高模纖維如芳香族聚酰胺、高強(qiáng)聚乙烯、高強(qiáng)聚丙烯等制成的，質(zhì)地柔韌、質(zhì)量輕，在子彈擊中織物后纖維將沖擊波吸收，從而減少人體的損傷，起到防彈效果。軟硬式防彈衣在"剛?cè)岵?jì)，軟硬兼施"的創(chuàng)意下，人們發(fā)明了"軟硬式防彈衣"，其基體是軟式防彈衣，在預(yù)留夾層中放置一定厚度的鋼板或陶瓷，以增大反彈的功能，主要用于重火力場(chǎng)合。軟式防彈衣與軟硬式防彈衣都是新型防彈衣，它們各具優(yōu)點(diǎn)，后者沒有前者那樣輕便、靈活，但在重火力的情況下，它對(duì)槍彈的阻擋性能比軟式防彈衣強(qiáng)。本文主要針對(duì)軟式防彈衣，從纖維、織物與復(fù)合材料幾個(gè)方面闡述防彈衣的原理、性能、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景。三、防彈纖維的特點(diǎn)1.天然纖維天然纖維中的蜘蛛絲具有很高的防斷裂強(qiáng)度，比制造防彈背心的Kevlar纖維的強(qiáng)度還高得多。這種蜘蛛網(wǎng)質(zhì)地比鋼鐵還堅(jiān)韌而且非常輕巧，比合成材料或生物聚合體質(zhì)量輕25%，具有強(qiáng)度大、彈性好、柔軟、質(zhì)輕等優(yōu)良性能，H2非常適用于防彈衣制造業(yè)。蜘蛛絲的主要化學(xué)成分是甘氨酸（NH2-CH2-COOH）、丙氨酸（NH2-CH（CH3）-COOH）及小部分的絲氨酸（NH2-CH（CH2OH）-COOH），加上其它氨基酸單體蛋白質(zhì)分子鏈而構(gòu)成。外觀上又細(xì)又柔軟的蜘蛛絲之所以具有極好的彈性與強(qiáng)度，其原因在于：一方面，蜘蛛絲中具有不規(guī)則的蛋白質(zhì)分子鏈，這使蜘蛛絲具有彈性；另一方面，蜘蛛絲中還具有規(guī)則的蛋白質(zhì)分子鏈，這又使蜘蛛絲具有強(qiáng)度。但是蜘蛛絲的來源非常有限，規(guī)?；a(chǎn)幾乎不可能，因此人們另辟蹊徑：美國與加拿大的研究人員從蜘蛛身上抽取出蜘蛛基因植入山羊體內(nèi)，讓羊奶具有蜘蛛絲蛋白，再利用特殊的紡絲程序，將羊奶中的蜘蛛絲蛋白紡成人造基因蜘蛛絲，這種絲又稱生物鋼。用這種方法生產(chǎn)的人造基因蜘蛛絲比鋼強(qiáng)4至5倍，而且具有如蠶絲般的柔軟與光澤，可用于制造高級(jí)防彈衣。2.合成纖維用合成纖維作為防彈衣織物原料的有尼龍纖維（聚酰氨纖維），超高分子量聚乙烯纖維，芳綸纖維（芳香族聚酰氨纖維）與特種纖維。尼龍纖維適合低速、大塊碎片的防護(hù)，總體紡彈性能不高，因此用量有限。這里僅討論后面幾種纖維。2.1超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）UHMWPE纖維的特點(diǎn)為低密度（僅為0?97g/cm3）高強(qiáng)度（o217.6cN/dtex）,高模量（E>440cN/dtex）,能量吸收性與耐磨損性優(yōu)于芳綸，斷裂伸長率大于高強(qiáng)碳纖維，纖維的表面化學(xué)惰性對(duì)酸、堿與有機(jī)溶劑有很強(qiáng)的抗腐蝕性，由于分子鏈上沒有不飽與基團(tuán)，其耐光、耐老化性能優(yōu)良，還具有耐沖擊、自潤滑效應(yīng)、耐應(yīng)力開裂、防中子與Y射線等優(yōu)異性能。由于UHMWPE纖維是由亞甲基基團(tuán)側(cè)鏈組成的線性長鏈結(jié)構(gòu)，分子高度取向與結(jié)晶，由此決定了UHMWPE纖維具有其它纖維無法比擬的力學(xué)性能，它的模量與高強(qiáng)型碳纖維相近。由于PE的C-C鍵的柔性特征，故具有優(yōu)良的耐沖擊性與比能量吸收性，其耐沖擊強(qiáng)度僅次于尼龍6,優(yōu)于其它纖維；UHMWPE纖維模量很高，即使在低伸長情況下，它也是各種纖維中能量吸收最高的，在高速?zèng)_擊下，能量的吸收是尼龍纖維的兩倍。正是由于UHMWPE纖維具有如此多的優(yōu)良特性，它已成為許多國家競(jìng)相開發(fā)的熱點(diǎn)。但由于其用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的凍膠紡技術(shù)不易掌握，真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的國家為數(shù)不多。目前，UHMWPE纖維的國際市場(chǎng)幾乎為美國、荷蘭、日本3國所占領(lǐng)。主要產(chǎn)品有荷蘭DSM公司的DyneemaSK系列，美國AlliedSignal公司的Spectra900、1000以及日本三井石化公司的Teckmilono2.2芳綸纖維（芳香族聚酰胺纖維）芳綸纖維有許多品種，而用于防彈纖維的為PPTA（聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺）纖維，其商品名為Kevlar纖維，纖維具有如下特點(diǎn)：2.2.1強(qiáng)度高纖維實(shí)際強(qiáng)度為22cN/dtex左右，具有優(yōu)異的抗張性能。2.2.2熱穩(wěn)定性好纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約345笆，在高溫下不熔，收縮亦很小。將其在160笆熱空氣中處理400h后，纖維強(qiáng)度基本不變；在約500笆以上，碳化速度明顯加快；纖維雖可燃燒，但離開離開火源后有自熄性。2.2.3反復(fù)拉伸性能好尺寸穩(wěn)定性在有機(jī)纖維中最佳，但彎曲疲勞性較聚酯纖維差。2.2.4對(duì)普通有機(jī)溶劑、鹽類溶液等有很好的耐化學(xué)藥品性，但耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性較差。2.2.5對(duì)紫外線比較敏感，不宜直接暴露在日光下使用。2.2.6纖維外觀呈黃色，不易染色。杜邦公司的Kevelar纖維與同等粗細(xì)的鋼絲相比，它的強(qiáng)度是鋼絲的6倍模量是鋼絲的2倍，而比重則比鋼絲小5.5倍，在溫度200°C時(shí)強(qiáng)力不減；在-196笆下仍保持與常溫時(shí)相同的韌性。杜邦公司開發(fā)了一系列的Kevlar品種，現(xiàn)在廣泛使用的有兩種：K29與K49,其密度均小到1.44g/cm2,抗拉強(qiáng)度高達(dá)2760N/cm2,耐高溫，防腐性強(qiáng)，不易燃，絕緣性好，具有相同抗彈能力的Kevlar，重量?jī)H為尼龍纖維的一半，是鋼的1/5。Kevlar纖維的防彈性能取決于制造方法：纖維所用的編織線與編織物的結(jié)構(gòu)，以及纖維各層的層數(shù)與排列方法，是提供防彈性能性能的關(guān)鍵因素。Kevlar防彈衣在朝質(zhì)量輕的方向發(fā)展的同時(shí)，材料的防水性能、防鈍傷性能、防刺性能、舒適性能也大大改觀。Twaron是AkzoNoble公司研究開發(fā)的對(duì)位芳香族聚酰胺纖維，這種纖維的縱向拉伸斷裂強(qiáng)度與彈性模量高，密度低，能量吸收性高，防彈性能優(yōu)異，并且耐高溫，抗疲勞，抗化學(xué)腐蝕性能好。俄羅斯的高性能XW-Armos（對(duì)位芳香族聚酰胺），具有4.5X109~5X109Pa或更高的強(qiáng)度（是常規(guī)產(chǎn)業(yè)用纖維強(qiáng)度的3~5倍），形變模量大于145X109Pa,耐熱性經(jīng)的起高達(dá)330C的操作條件。值得注意得是：用對(duì)味芳香族聚酰胺制成的預(yù)處理防護(hù)組織必須經(jīng)過清潔，這樣就沒有了殘留物質(zhì)阻礙隨后的含氟聚合物整理。用來自Ultravon研究領(lǐng)域的表面活性劑與來自Invatex研究領(lǐng)域的特種擴(kuò)散/分離與裂解劑的多級(jí)凈化過程經(jīng)Ciba特種化學(xué)公司的研究人員鑒定成功的。用含氟聚合物進(jìn)行整理與芳香族吸收的水分降到最小程度，使之具有高度防濕態(tài)射擊功能，優(yōu)化了防彈服的生產(chǎn)工藝。2.3芳香族雜環(huán)纖維PBO是聚對(duì)苯撐苯并雙惡唑纖維(Poly-p-phenylenebenzobisthiazole)的簡(jiǎn)稱是20世紀(jì)80年代美國開發(fā)的復(fù)合材料用增強(qiáng)材料，是含有雜環(huán)芳香族的聚酰胺家族中最有發(fā)展前途的一個(gè)成員，被譽(yù)為21世紀(jì)超級(jí)纖維，其商品名為Zylon,現(xiàn)已正式上市，正在開發(fā)單纖維與復(fù)合材料的用途。PBO具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)5.8Gpa(37.6cN/dtex)、抗拉摸量為280Gpa(1818cN/dtex),分別為對(duì)位芳綸的2倍左右;其摸量被認(rèn)為是直鏈高分子聚合物的極限模量，且兼有間位芳綸耐熱阻燃的性能，一根直徑為1毫米的PBO細(xì)絲可吊起450千克的重量，其強(qiáng)度是鋼絲纖維的10倍以上，此外，PBO纖維的耐沖擊性，耐摩擦性與尺寸穩(wěn)定性均很優(yōu)異，并且質(zhì)輕而柔軟，具有低吸濕性，是極其理想的防彈紡織原料。四、近年來世界各地開發(fā)的新型防彈系列產(chǎn)品觀賞白俄羅斯與波蘭開發(fā)的新型防彈背心BeiCoTex纖維是一種化學(xué)變性硅酸衍生物短纖維，自1999年在Techtextil首次向用戶與顧客展出后，由于其優(yōu)良加工性能現(xiàn)已能廣泛生產(chǎn)出200多種不同規(guī)格的產(chǎn)品。能夠提供抗高溫短纖維用于耐熱耐火織物。根據(jù)不同用途生產(chǎn)出輕型與重型織物，生產(chǎn)廠商為BeiChem纖維材料公司及其合伙人，在比重、拉伸強(qiáng)度、彈性與透氣性等各方面均可根據(jù)產(chǎn)品性能來滿足客戶定做要求。根據(jù)機(jī)織、帶織、針織、編織、繩帶或管狀等各種織物選擇最為合適的纖維，主要全以抗高溫的無機(jī)纖維產(chǎn)品為標(biāo)準(zhǔn)，不用任何載體纖維與添加物，但如有需要，也可應(yīng)用有機(jī)材料。所有這些產(chǎn)品性能都極其可靠，長期可耐高溫1000攝氏度，短期可耐1200攝氏度，比重小，隔熱隔音效果優(yōu)越，且對(duì)人體健康無害。纖維甚為蓬松，其蓬松手感類同棉花，其它還有極耐溫度變化，高度抗化學(xué)變化，以及優(yōu)良的吸水性（4~6%），對(duì)皮膚與善而無害。典型可紡紗支為180，275,550與1300tex。在工業(yè)上既能用于絕緣隔熱，也能用于抗熱防火以及其它特種用途。中國山東愛地高分子材料開發(fā)出高強(qiáng)防彈纖維2007年，位于山東省萊蕪高新區(qū)的山東愛地高分子材料生產(chǎn)的5噸高分子量聚乙烯纖維材料首批出口到希臘，是山東省走向世界的第一束高強(qiáng)防彈纖維，貨值200多萬元人民幣。該公司纖維項(xiàng)目的成功投產(chǎn)與順利出口，結(jié)束了山東省不能生產(chǎn)與出口該纖維的歷史，產(chǎn)品填補(bǔ)省內(nèi)空白。超高分子量聚乙烯纖維廣泛應(yīng)用于航天、航空、防彈等軍工領(lǐng)域以及海上油田系泊繩、魚網(wǎng)網(wǎng)箱、汽車制造等。該項(xiàng)目是《山東省中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》(2006-2008)重點(diǎn)研究開發(fā)項(xiàng)目，其技術(shù)被列為《"十一五"紡織工業(yè)科技進(jìn)步發(fā)展綱要》中重點(diǎn)突破的28項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。蘇格蘭Don&Low公司研發(fā)出防彈布料位于蘇格蘭福法爾(Forfar)的Don&Low公司的研發(fā)計(jì)畫繼續(xù)對(duì)廣泛市場(chǎng)提供多元化的布料產(chǎn)品。目前，該公司正投入約14.4萬英鎊資金進(jìn)行研發(fā)可協(xié)助汽車零組件更易于回收的新防彈布料；該布料系由數(shù)層扁條梭織物所制，并在布邊予以熔合，以使呈現(xiàn)強(qiáng)度并展現(xiàn)輕質(zhì)感。預(yù)計(jì)該具有自我補(bǔ)強(qiáng)性能的聚丙烯(self-reinforcedpolypropylene)材質(zhì)織物，將提升Don&Low公司銷售額達(dá)每年2百萬英鎊。該素料可用來替代用在汽車保險(xiǎn)桿的玻璃纖維材質(zhì)，因?yàn)椴ＡЮw維無法回收，而此種新素材適合回收；該新防彈織物可供軍事、航空與汽車制造業(yè)。美國聯(lián)合信號(hào)公司目前，一種新型防彈衣材料近日由美國聯(lián)合信號(hào)公司開發(fā)成功。據(jù)了解，這是一種芳香族聚酰胺纖維。芳香族纖維以美國杜邦公司生產(chǎn)的凱夫拉材料與荷蘭阿克公司生產(chǎn)的特瓦羅材料最有名。美國聯(lián)合信號(hào)公司生產(chǎn)的這種含聚乙稀纖維的無紡布，其防彈強(qiáng)度是鋼的11倍。用這種材料做成的防彈衣，由于重量輕、穿著柔軟舒適、防彈性能好，深得警察的青睞。此種新型材料的問世，將開辟防彈衣軟質(zhì)材料市場(chǎng)的新紀(jì)元。美國麻省理工學(xué)院開發(fā)出新型頭盔與防彈衣本杰明.布魯伊特是美國麻省理工學(xué)院工程專業(yè)的研究生，同時(shí)也是新一代護(hù)甲裝備研究小組的成員之一。該研究小組得到了美國軍方的資助，正致力于研發(fā)能在戰(zhàn)場(chǎng)上保護(hù)士兵生命安全的新型護(hù)甲材料。目前，該研究小組已經(jīng)將工作的重點(diǎn)放在了一種軟體動(dòng)物大馬蹄螺(Trochusniloticus)與其外殼的內(nèi)層物質(zhì)上。大馬蹄螺堅(jiān)硬的外殼保護(hù)著它柔軟的身體，使其免受其他動(dòng)物的傷害。其蝸牛殼的內(nèi)層是由珠母層構(gòu)成的。珠母層有95%的成分是較易碎的陶瓷碳酸鈣，另外5%的成分是一種柔軟的，柔韌性很好的生物高聚物。布魯伊特稱這種生物高聚物為有機(jī)膠水。珠母層的這種特殊結(jié)構(gòu)自被發(fā)現(xiàn)以來就已經(jīng)非常著名了。但是，科學(xué)家們?nèi)栽噲D了解，是什么使得它如此堅(jiān)固。布魯伊特解釋說，要打碎一片珠母貝所需要的力量是這種結(jié)構(gòu)應(yīng)該能承受的力量大小的兩倍。因此，應(yīng)該有某些額外的，更加微觀的機(jī)制在起作用。讓珠母層在抗破裂方面具有更為出色的效果。為了查明是什么使得珠母層如此堅(jiān)固，布魯伊特與他的同事們目前正在研究，在納米級(jí)的范圍內(nèi)，這一材料是如何組織構(gòu)成的。他說，問題的關(guān)鍵在于，在納米級(jí)的程度下，生物高聚物與碳酸鈣晶粒間的復(fù)雜的相互作用以及這些成分固有的性質(zhì)如何。研究人員發(fā)現(xiàn)，每個(gè)單獨(dú)的陶瓷盤都被生物高聚物分隔開，而每個(gè)"陶瓷盤"的表面都覆蓋著一層納米級(jí)大小的凸起。生物高聚物分子就附著在這些凸起中間。布魯伊特說，該研究小組目前的研究重點(diǎn)是陶瓷盤與生物高聚物膠水之間的力的關(guān)系。研究人員們希望，在未來幾年能成功復(fù)制出珠母層的納米結(jié)構(gòu)，以用來制造更加安全可靠，同時(shí)也更加輕便的軍用頭盔、防彈衣以及汽車車身等。目前，頭盔與防彈衣等護(hù)甲裝備雖然在性能方面非常不錯(cuò)，但是其沉重的分量算得上是美中不足。而布魯伊特與其同事們的這項(xiàng)研究則有望解決這一問題。荷蘭帝斯曼開發(fā)出高強(qiáng)防彈材料荷蘭帝斯曼公司推出其最新的高強(qiáng)度防彈材料，用于生產(chǎn)軟質(zhì)防彈衣。最新迪尼瑪SB61具有超高的能量吸收能力，可大大增加防彈衣的阻擋能力，并具有與其他迪尼瑪軟質(zhì)防彈產(chǎn)品一樣的高標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)傷與老化降低性能。迪尼瑪是一種超強(qiáng)的聚乙烯（PE）纖維，其單向復(fù)合材料由數(shù)層迪尼瑪纖維組成，每層纖維的方向均與相鄰層中的纖維垂直。這種單向結(jié)構(gòu)能使子彈或其他武器威脅沖擊轉(zhuǎn)換而來的能量比傳統(tǒng)織物更快與更高效的沿著纖維分布開來。這種單向復(fù)合材料使防彈背心之類的防護(hù)裝置具備卓越的防護(hù)性能，并減少鈍器的傷害。英國開發(fā)出超輕量防彈布英國Daresbury實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在開發(fā)一種能抵擋子彈的超輕量織物，方法是在其中植入納米粒子。這是一種納米技術(shù)，1個(gè)納米是1毫米的百萬分之一，人的一根頭發(fā)就有80,000納米粗。該實(shí)驗(yàn)室的專家們正與美國兩所大學(xué)的同行們合作進(jìn)行這項(xiàng)工作。眾所周知，傳統(tǒng)防彈衣內(nèi)含有一種能夠吸收子彈沖擊力的陶瓷材料，所以非常堅(jiān)硬而且沉重；現(xiàn)在科學(xué)家們嘗試在防彈衣中加入硅、二氧化鈦或碳等納米粒子，用以取代陶瓷材料，就能把衣服的重量減下來，變得非常靈巧，防彈性能也更突出?？茖W(xué)家們相信，將來采用類似技術(shù)就能位警察制造出輕便靈活的防護(hù)服，軍隊(duì)也不用再穿現(xiàn)在這么笨重的避彈衣了。美國Pride公司推出抗紫外線防彈衣眾所周知，防彈衣最大的缺陷就是日光照射后降低其防彈功能，有鑒于此，為改善防彈衣抗日光照射，美國Pride公司潛心研發(fā)抗紫外線防彈衣，由M.MichaelMarkow及AriMarkow兩位取得發(fā)明專利，Pride公司總裁暨執(zhí)行長M.MichaelMarkow指出，針對(duì)防彈衣外部的吸濕及不耐紫外線照射的問題，該公司已經(jīng)予以克服。Pride公司總經(jīng)理AriMarkow則進(jìn)一步補(bǔ)充說明，該公司為保護(hù)人們身體避免子彈傷害作出貢獻(xiàn)，此款防彈衣除了投入新穎的設(shè)計(jì)外，也在質(zhì)量上嚴(yán)格把關(guān)。此一具備抗紫外線功能的防彈衣將可提供人身安全最佳的防護(hù)。泰國工程師研制出絲制防彈背心泰國的一名紡織工程師研制了一種絲質(zhì)的防彈背心，不僅物美價(jià)廉，防彈效果也非同一般。絲是一種蛋白質(zhì)，強(qiáng)度非常大，而且對(duì)溫度的適應(yīng)能力也很強(qiáng)，在寒冷與酷熱的環(huán)境中都可以穿著。同時(shí)，絲不像尼龍那樣易燃，舒適感更強(qiáng)，是一種廣受人們歡迎的纖維。紡織工程師蘇吉瑞赫吉梅特開始使用絲這種既柔韌又有強(qiáng)度的天然原料。由于泰國盛產(chǎn)絲，因此成本大大降低。2004年前后，蘇吉瑞研制的絲質(zhì)防彈背心已經(jīng)獲得了美國國家司法研究所的質(zhì)量認(rèn)證。他下一步計(jì)劃是研制更輕快的防彈背心，并簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程，他的最終目標(biāo)是使這種背心能夠抵御任何一種子彈的攻擊。泰國國防部已經(jīng)批準(zhǔn)了蘇吉瑞的研制工作，并提供了資金支持。但他表示，對(duì)自己來說，最大的獎(jiǎng)勵(lì)莫過于挽救更多的生命。中國香港科大研制新型輕便防彈衣香港科技大學(xué)研究人員將納米碳管，加進(jìn)超高分子量聚