世界防弹纤维与纺织品特点和新品开发分析.doc

世界防弹纤维与纺织品特点和新品开发分析 【作者：臧华新】 一、序言 防弹纤维是构成软式防弹衣织物和复合材料最基本材料之一，它构造和性能直接影响防弹衣防弹性能。目前，防弹纤维重要有天然纤维、合成纤维两类，后来者为主。而防弹衣就是指能吸取和耗散弹头、破片动能，制止穿透并有效保护人体受防护部位一种服装。 二、防弹终端产品发明过程 从19世纪开始，伴伴随枪、炮更多使用，刀、剑、弩等冷兵器逐渐淡出了战争历史舞台，对个体防护也逐渐从防刺（砍）等转变为防枪弹（破片）伤害。个体防护材料则经历了从天然植物纤维到金属材料再到高强度合成材料发展。 尤其是在现代防弹材料发展史上，1970年代至1980年代是具有里程碑时期。l972年美国杜邦企业推出了对位芳香族聚酰胺纤维商业化产品-凯芙拉（Kevlar）；1986年美国联合信号企业得到荷兰DSM企业专利许可后，开始以Spectra为商标生产一种强度更高纤维-超高分子量聚乙烯纤维。前者标志着防弹材料由硬质向软质转变，变化了人们对防弹机理认识，极大地拓展了防弹材料空间；后者则加速了防弹材料向轻量化、舒适化方向发展。防弹衣发明至今，按照其使用材料不一样重要分为三种！ 1.硬式防弹衣 最初防弹衣是由钢板或陶瓷制成，本着以刚克刚理论，运用刚性材料对子弹反弹提供防护。但这种防弹衣重量大、坚硬，穿着粗笨，行动不便，并且脖子等处无法提供保护，因此逐渐遭淘汰，被后来研制软式和软硬式防弹衣取代。 2.软式防弹衣 这种防弹衣是根据以柔克刚原理，运用高强高模纤维如芳香族聚酰胺、高强聚乙烯、高强聚丙烯等制成，质地柔韧、质量轻，在子弹击中织物后纤维将冲击波吸取，从而减少人体损伤，起到防弹效果。 3.软硬式防弹衣 在刚柔并济，软硬兼施创意下，人们发明了软硬式防弹衣，其基体是软式防弹衣，在预留夹层中放置一定厚度钢板或陶瓷，以增大反弹功能，重要用于重火力场所。 软式防弹衣和软硬式防弹衣都是新型防弹衣，它们各具长处，后者没有前者那样轻便、灵活，但在重火力状况下，它对枪弹阻挡性能比软式防弹衣强。本文重要针对软式防弹衣，从纤维、织物和复合材料几种方面论述防弹衣原理、性能、应用现实状况及发展前景。 三、防弹纤维特点 1.天然纤维 天然纤维中蜘蛛丝具有很高防断裂强度，比制造防弹背心Kevlar纤维强度还高得多。这种蜘蛛网质地比钢铁还坚韧并且非常轻巧，比合成材料或生物聚合体质量轻25%，具有强度大、弹性好、柔软、质轻等优良性能，H2非常合用于防弹衣制造业。 蜘蛛丝重要化学成分是甘氨酸（NH2-CH2-COOH）、丙氨酸（N H2-CH（CH3）-COOH）及小部分丝氨酸（N H2-CH（C H2OH）-COOH），加上其他氨基酸单体蛋白质分子链而构成。外观上又细又柔软蜘蛛丝之因此具有极好弹性和强度， 其原因在于：首先，蜘蛛丝中具有不规则蛋白质分子链，这使蜘蛛丝具有弹性；另首先，蜘蛛丝中还具有规则蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。 不过蜘蛛丝来源非常有限，规模化生产几乎不也许，因此人们另辟蹊径：美国和加拿大研究人员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，再运用特殊纺丝程序，将羊奶中蜘蛛丝蛋白纺成人造基因蜘蛛丝，这种丝又称生物钢。用这种措施生产人造基因蜘蛛丝比钢强4至5倍，并且具有如蚕丝般柔软和光泽，可用于制造高级防弹衣。 2.合成纤维 用合成纤维作为防弹衣织物原料有尼龙纤维（聚酰氨纤维），超高分子量聚乙烯纤维，芳纶纤维（芳香族聚酰氨纤维）和特种纤维。尼龙纤维适合低速、大块碎片防护，总体纺弹性能不高，因此用量有限。这里仅讨论背面几种纤维。 2.1超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE） UHMWPE纤维特点为低密度（仅为0.97g/cm3）高强度（17.6cN/dtex），高模量（E440cN/dtex），能量吸取性和耐磨损性优于芳纶，断裂伸长率不小于高强碳纤维，纤维表面化学惰性对酸、碱和有机溶剂有很强抗腐蚀性，由于分子链上没有不饱和基团，其耐光、耐老化性能优良，还具有耐冲击、自润滑效应、耐应力开裂、防中子和射线等优秀性能。由于UHMWPE纤维是由亚甲基基团侧链构成线性长链构造，分子高度取向和结晶，由此决定了UHMWPE纤维具有其他纤维无法比拟力学性能，它模量与高强型碳纤维相近。由于PEC-C键柔性特性，故具有优良耐冲击性和比能量吸取性，其耐冲击强度仅次于尼龙6，优于其他纤维；UHMWPE纤维模量很高，虽然在低伸长状况下，它也是多种纤维中能量吸取最高，在高速冲击下，能量吸取是尼龙纤维两倍。 正是由于UHMWPE纤维具有如此多优良特性，它已成为许多国家竞相开发热点。但由于其用于产业化生产冻胶纺技术不易掌握，真正实现大规模产业化生产国家为数不多。目前，UHMWPE纤维国际市场几乎为美国、荷兰、日本3国所占领。重要产品有荷兰DSM企业Dyneema SK系列，美国Allied Signal企业Spectra900、1000以及日本三井石化企业Teckmilon。 2.2芳纶纤维（芳香族聚酰胺纤维） 芳纶纤维有许多品种，而用于防弹纤维为PPTA（聚对苯二甲酰对苯二胺）纤维，其商品名为Kevlar纤维，纤维具有如下特点： 2.2.1强度高 纤维实际强度为22cN/dtex左右，具有优秀抗张性能。 2.2.2热稳定性好 纤维玻璃化转变温度约345，在高温下不熔，收缩亦很小。将其在160热空气中处理400h 后，纤维强度基本不变；在约500以上，碳化速度明显加紧；纤维虽可燃烧，但离开离开火源后有自熄性。 2.2.3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。 2.2.4对一般有机溶剂、盐类溶液等有很好耐化学药物性，但耐强酸、强碱性较差。 2.2.5对紫外线比较敏感，不适宜直接暴露在日光下使用。 2.2.6纤维外观呈黄色，不易染色。 杜邦企业Kevelar纤维与同等粗细钢丝相比，它强度是钢丝6倍模量是钢丝2倍，而比重则比钢丝小5.5倍，在温度200时强力不减；在-196下仍保持与常温时相似韧性。杜邦企业开发了一系列Kevlar品种，目前广泛使用有两种：K29和K49，其密度均小到1.44g/cm2,抗拉强度高达2760N/ cm2,耐高温，防腐性强，不易燃，绝缘性好，具有相似抗弹能力Kevlar，重量仅为尼龙纤维二分之一，是钢1/5。Kevlar纤维防弹性能取决于制造措施：纤维所用编织线和编织物构造，以及纤维各层层数和排列措施，是提供防弹性能性能关键原因。Kevlar防弹衣在朝质量轻方向发展同步，材料防水性能、防钝伤性能、防刺性能、舒适性能也大大改观。 Twaron是Akzo Noble企业研究开发对位芳香族聚酰胺纤维，这种纤维纵向拉伸断裂强度和弹性模量高，密度低，能量吸取性高，防弹性能优秀，并且耐高温，抗疲劳，抗化学腐蚀性能好。 俄罗斯高性能XW-Armos（对位芳香族聚酰胺），具有4.5109 5109Pa或更高强度(是常规产业用纤维强度35倍)，形变模量不小于145109Pa,耐热性经起高达330操作条件。值得注意得是：用对味芳香族聚酰胺制成预处理防护组织必须通过清洁，这样就没有了残留物质阻碍随即含氟聚合物整顿。用来自Ultravon研究领域表面活性剂和来自Invatex研究领域特种扩散/分离和裂解剂多级净化过程经Ciba特种化学企业研究人员鉴定成功。用含氟聚合物进行整顿和芳香族吸取水分降到最小程度，使之具有高度防湿态射击功能，优化了防弹服生产工艺。 2.3芳香族杂环纤维 PBO是聚对苯撑苯并双恶唑纤维（Poly-p-phenylenebenzobisthiazole）简称是20世纪80年代美国开发复合材料用增强材料，是具有杂环芳香族聚酰胺家族中最有发展前途一种组员，被誉为二十一世纪超级纤维，其商品名为Zylon,现已正式上市,正在开发单纤维和复合材料用途。 PBO具有十分优秀力学性能,其抗拉强度高达5.8Gpa（37.6cN/dtex）、抗拉摸量为280 Gpa（1818 cN/dtex）,分别为对位芳纶2倍左右;其摸量被认为是直链高分子聚合物极限模量，且兼有间位芳纶耐热阻燃性能，一根直径为1毫米PBO细丝可吊起450公斤重量，其强度是钢丝纤维10倍以上,此外， PBO纤维耐冲击性，耐摩擦性和尺寸稳定性均很优秀，并且质轻而柔软，具有低吸湿性，是极其理想防弹纺织原料。 四、近年来世界各地开发新型防弹系列产品欣赏 1.白俄罗斯与波兰开发新型防弹背心 BeiCoTex纤维是一种化学变性硅酸衍生物短纤维，自1999年在Techtextil初次向顾客和顾客展出后，由于其优良加工性能现已能广泛生产出200多种不一样规格产品。可以提供抗高温短纤维用于耐热耐火织物。根据不一样用途生产出轻型和重型织物，生产厂商为BeiChem纤维材料企业及其合作人，在比重、拉伸强度、弹性和透气性等各方面均可根据产品性能来满足客户定做规定。 根据机织、带织、针织、编织、绳带或管状等多种织物选择最为合适纤维，重要全以抗高温无机纤维产品为原则，不用任何载体纤维和添加物，但如有需要，也可应用有机材料。所有这些产品性能都极其可靠，长期可耐高温1000摄氏度，短期可耐1200摄氏度，比重小，隔热隔音效果优越，且对人体健康无害。纤维甚为蓬松，其蓬松手感类同棉花，其他尚有极耐温度变化，高度抗化学变化，以及优良吸水性（46%），对皮肤和蔼而无害。经典可纺纱支为180，275，550和1300tex。在工业上既能用于绝缘隔热，也能用于抗热防火以及其他特种用途。 2.中国山东爱地高分子材料有限企业开发出高强防弹纤维 ，位于山东省莱芜高新区山东爱地高分子材料有限企业生产5吨高分子量聚乙烯纤维材料首批出口到希腊，是山东省走向世界第一束高强防弹纤维，货值200多万元人民币。该企业纤维项目成功投产和顺利出口，结束了山东省不能生产和出口该纤维历史，产品弥补省内空白。超高分子量聚乙烯纤维广泛应用于航天、航空、防弹等军工领域以及海上油田系泊绳、鱼网网箱、汽车制造等。该项目是山东省中长期科学和技术发展规划纲要(-)重点研究开发项目，其技术被列为十一五纺织工业科技进步发展纲要中重点突破28项关键技术之一。 3.苏格兰Don&Low企业研发出防弹布料 位于苏格兰福法尔(Forfar)Don & Low企业研发计画继续对广泛市场提供多元化布料产品。目前，该企业正投入约14.4万英镑资金进行研发可协助汽车零组件更易于回收新防弹布料；该布料系由数层扁条梭织物所制，并在布边予以熔合，以使展现强度并展现轻质感。估计该具有自我补强性能聚丙烯(self-reinforced polypropylene)材质织物，将提高Don & Low企业销售额达每年2百万英镑。 该素料可用来替代用在汽车保险杆玻璃纤维材质，由于玻璃纤维无法回收，而此种新素材适合回收；该新防弹织物可供军事、航空与汽车制造业。 4.美国联合信号企业 目前，一种新型防弹衣材料近日由美国联合信号企业开发成功。据理解，这是一种芳香族聚酰胺纤维。芳香族纤维以美国杜邦企业生产凯夫拉材料和荷兰阿克企业生产特瓦罗材料最有名。 美国联合信号企业生产这种含聚乙稀纤维无纺布，其防弹强度是钢11倍。用这种材料做成防弹衣，由于重量轻、穿着柔软舒适、防弹性能好，深得警察青睐。此种新型材料问世，将开辟防弹衣软质材料市场新纪元。 5. 美国麻省理工学院开发出新型头盔和防弹衣 本杰明.布鲁伊特是美国麻省理工学院工程专业硕士，同步也是新一代护甲装备研究小组组员之一。该研究小组得到了美国军方资助，正致力于研发能在战场上保护士兵生命安全新型护甲材料。目前，该研究小组已经将工作重点放在了一种软体动物大马蹄螺(Trochus niloticus)与其外壳内层物质上。大马蹄螺坚硬外壳保护着它柔软身体，使其免受其他动物伤害。其蜗牛壳内层是由珠母层构成。 珠母层有95%成分是较易碎陶瓷碳酸钙，此外5%成分是一种柔软，柔韧性很好生物高聚物。布鲁伊特称这种生物高聚物为有机胶水。珠母层这种特殊构造自被发现以来就已经非常著名了。不过，科学家们仍试图理解，是什么使得它如此结实。布鲁伊特解释说，要打碎一片珠母贝所需要力量是这种构造应当能承受力量大小两倍。因此，应当有某些额外，愈加微观机制在起作用。让珠母层在抗破裂方面具有更为杰出效果。 为了查明是什么使得珠母层如此结实，布鲁伊特和他同事们目前正在研究，在纳米级范围内，这一材料是怎样组织构成。他说，问题关键在于，在纳米级程度下，生物高聚物和碳酸钙晶粒间复杂互相作用以及这些成分固有性质怎样。研究人员发现，每个单独陶瓷盘都被生物高聚物分隔开，而每个陶瓷盘表面都覆盖着一层纳米级大小凸起。生物高聚物分子就附着在这些凸起中间。布鲁伊特说，该研究小组目前研究重点是陶瓷盘与生物高聚物胶水之间力关系。研究人员们但愿，在未来几年能成功复制出珠母层纳米构造，以用来制造愈加安全可靠，同步也愈加轻便军用头盔、防弹衣以及汽车车身等。目前，头盔和防弹衣等护甲装备虽然在性能方面非常不错，不过其沉重分量算得上是美中局限性。而布鲁伊特和其同事们这项研究则有望处理这一问题。 6.荷兰帝斯曼开发出高强防弹材料 荷兰帝斯曼企业推出其最新高强度防弹材料，用于生产软质防弹衣。最新迪尼玛SB61具有超高能量吸取能力，可大大增长防弹衣阻挡能力，并具有和其他迪尼玛软质防弹产品同样高原则创伤和老化减少性能。 迪尼玛是一种超强聚乙烯（PE）纤维，其单向复合材料由数层迪尼玛纤维构成，每层纤维方向均与相邻层中纤维垂直。这种单向构造能使子弹或其他武器威胁冲击转换而来能量比老式织物更快和更高效沿着纤维分布开来。这种单向复合材料使防弹背心之类防护装置具有卓越防护性能，并减少钝器伤害。 7.英国开发出超轻量防弹布 英国 Daresbury 试验室科学家们正在开发一种能抵挡子弹超轻量织物，措施是在其中植入纳米粒子。这是一种纳米技术，1个纳米是1毫米百万分之一，人一根头发就有80,000纳米粗。该试验室专家们正和美国两所大学同行们合作 进行这项工作。 众所周知，老式防弹衣内具有一种可以吸取子弹冲击力陶瓷材料，因此非常坚硬并且沉重；目前科学家们尝试在防弹衣中加入硅、二氧化钛或碳等纳米粒子，用以取代陶瓷材料，就能把衣服重量减下来，变得非常机灵，防弹性能也更突出。 科学家们相信，未来采用类似技术就能位警察制造出轻便灵活防护服，军队也不用再穿目前这样粗笨避弹衣了。 8.美国 Pride企业推出抗紫外线防弹衣 众所周知，防弹衣最大缺陷就是日光照射后减少其防弹功能，有鉴于此，为改善防弹衣抗日光照射，美国Pride企业潜心研发抗紫外线防弹衣，由M. Michael Markow 及Ari Markow两位获得发明专利， Pride企业总裁暨执行长M. Michael Markow指出，针对防弹衣外部吸湿及不耐紫外线照射问题，该企业已经予以克服。 Pride企业总经理Ari Markow则深入补充阐明，该企业为保护人们身体防止子弹伤害作出奉献，此款防弹衣除了投入新奇设计外，也在质量上严格把关。此一具有抗紫外线功能防弹衣将可提供人身安全最佳防护。 9. 泰国工程师研制出丝制防弹背心 泰国一名纺织工程师研制了一种丝质防弹背心，不仅物美价廉，防弹效果也非同一般。丝是一种蛋白质，强度非常大，并且对温度适应能力也很强，在寒冷和炎热环境中都可以穿着。同步，丝不像尼龙那样易燃，舒适感更强，是一种广受人们欢迎纤维。纺织工程师苏吉瑞赫吉梅特开始使用丝这种既柔韧又有强度天然原料。由于泰国盛产丝，因此成本大大减少。前后，苏吉瑞研制丝质防弹背心已经获得了美国国家司法研究所质量认证。他下一步计划是研制更轻快防弹背心，并简化生产过程，他最终目是使这种背心可以抵御任何一种子弹袭击。泰国国防部已经同意了苏吉瑞研制工作，并提供了资金支持。但他表达，对自己来说，最大奖励莫过于挽救更多生命。 10. 中国香港科大研制新型轻便防弹衣 香港科技大学研究人员将纳米碳管，加进超高分子量聚乙烯塑料中，成功制造出新型轻便防弹衣。研究人员表达，新纳米合成纤维拉抗强度较高强度钢丝高8倍，而使用该种材料制造防弹衣，将可承受更大冲击力，也愈加透风轻巧。 11. Rabintex企业推出防弹背心 据媒体报道，在法国巴黎举行Eurosatory Exhibition上，制造先进个人防护设备领先企业Rabintex Industries Ltd.推出一种防弹背心使用新集成透气系统。 BreezeTM有源透气系统（Active Air Circulation System）(即将获得专利)可向这种防弹背心内层（前面和背面）吹入新鲜空气。空气可使穿这种背心人汗液蒸发、体温减少。 这种新产品源于于人体自然冷却系统，其基础是产生汗液并使之蒸发。防弹背心阻碍生理冷却过程，使人体无法自己冷却。成果体温上升，在肌肤和智力两方面都影响人体自然功能。BreezeTM使防弹背心同衣服之间空气可以流通，取代其中湿气，从而冷却系统恢复正常功能。BreezeTM采用是一般AA电池，可以很快更换，也很廉价。这种新系统重量不到400克（0.8磅），可以以两种方式提供大概10小时动力。 12. 哥伦比亚研制新型防弹衣 哥伦比亚裁缝匠米格尔.卡瓦列罗最新设计发明一种防弹衣，能在保证使用者生命安全状况下，还能保持美观。卡瓦列罗设计防弹衣有多种式样可供人们选择，有皮夹克、运动夹克，尚有雨衣。不管这些服装质地怎样，它们都足以抵挡住枪火、刀割和其他武器袭击。卡瓦列罗简介说，伴随技术改善，防弹衣也变得越来越轻便。十几年前，防弹衣重约4.5公斤，目前一件防弹衣也只有1.2公斤。这样防弹衣可以阻挡住9毫米口径手枪发出子弹袭击。新型防弹衣面向各类人群发售，从国家元首到一般保安和平常百姓。