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、前言 防弹纤维是构成软式防弹衣织物和复合材料的最基本的材料之一，它的结构和性能直接影响防弹衣的防弹性能。目前，防弹纤维主要有天然纤维、合成纤维两类，以后者为主。而防弹衣就是指能吸收和耗散弹头、破片动能，阻止穿透并有效保护人体受防护部位的一种服装。 二、防弹终端产品发明过程 从19世纪开始，伴随着枪、炮更多的使用，刀、剑、弩等冷兵器逐渐淡出了战争的历史舞台，对个体的防护也逐渐从防刺（砍）等转变为防枪弹（破片）的伤害。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的发展。 特别是在现代防弹材料的发展史上，1970年代至1980年代是具有里程碑的时期。l972年美国杜邦公司推出了对位芳香族聚酰胺纤维商业化产品-凯芙拉（Kevlar）；1986年美国联合信号公司得到荷兰DSM公司专利许可后，开始以Spectra为商标生产一种强度更高的纤维-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的转变，改变了人们对防弹机理的认识，极大地拓展了防弹材料的空间；后者则加速了防弹材料向轻量化、舒适化的方向发展。防弹衣发明至今，按照其使用的材料不同主要分为三种！ 1.硬式防弹衣 最初的防弹衣是由钢板或陶瓷制成的，本着以刚克刚的理论，利用刚性材料对子弹的反弹提供防护。但这种防弹衣重量大、坚硬，穿着笨重，行动不便，而且脖子等处无法提供保护，所以逐渐遭淘汰，被后来研制的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的原理，利用高强高模纤维如芳香族聚酰胺、高强聚乙烯、高强聚丙烯等制成的，质地柔韧、质量轻，在子弹击中织物后纤维将冲击波吸收，从而减少人体的损伤，起到防弹效果。 3.软硬式防弹衣 在刚柔并济，软硬兼施的创意下，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的钢板或陶瓷，以增大反弹的功能，主要用于重火力场合。 软式防弹衣和软硬式防弹衣都是新型防弹衣，它们各具优点，后者没有前者那样轻便、灵活，但在重火力的情况下，它对枪弹的阻挡性能比软式防弹衣强。本文主要针对软式防弹衣，从纤维、织物和复合材料几个方面阐述防弹衣的原理、性能、应用现状及发展前景。 三、防弹纤维的特点 1.天然纤维 天然纤维中的蜘蛛丝具有很高的防断裂强度，比制造防弹背心的Kevlar纤维的强度还高得多。这种蜘蛛网质地比钢铁还坚韧而且非常轻巧，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非常适用于防弹衣制造业。 蜘蛛丝的主要化学成分是甘氨酸（NH2-CH2-COOH）、丙氨酸（N H2-CH（CH3）-COOH）及小部分的丝氨酸（N H2-CH（C H2OH）-COOH），加上其它氨基酸单体蛋白质分子链而构成。外观上又细又柔软的蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和强度， 其原因在于：一方面，蜘蛛丝中具有不规则的蛋白质分子链，这使蜘蛛丝具有弹性；另一方面，蜘蛛丝中还具有规则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。 但是蜘蛛丝的来源非常有限，规模化生产几乎不可能，因此人们另辟蹊径：美国和加拿大的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，再利用特殊的纺丝程序，将羊奶中的蜘蛛丝蛋白纺成人造基因蜘蛛丝，这种丝又称生物钢。用这种方法生产的人造基因蜘蛛丝比钢强4至5倍，而且具有如蚕丝般的柔软和光泽，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的有尼龙纤维（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、大块碎片的防护，总体纺弹性能不高，因此用量有限。这里仅讨论后面几种纤维。 2.1超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE） UHMWPE纤维的特点为低密度（仅为0.97g/cm3）高强度（17.6cN/dtex），高模量（E440cN/dtex），能量吸收性和耐磨损性优于芳纶，断裂伸长率大于高强碳纤维，纤维的表面化学惰性对酸、碱和有机溶剂有很强的抗腐蚀性，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、防中子和射线等优异性能。由于UHMWPE纤维是由亚甲基基团侧链组成的线性长链结构，分子高度取向和结晶，由此决定了UHMWPE纤维具有其它纤维无法比拟的力学性能，它的模量与高强型碳纤维相近。由于PE的C-C键的柔性特征，故具有优良的耐冲击性和比能量吸收性，其耐冲击强度仅次于尼龙6，优于其它纤维；UHMWPE纤维模量很高，即使在低伸长情况下，它也是各种纤维中能量吸收最高的，在高速冲击下，能量的吸收是尼龙纤维的两倍。 正是由于UHMWPE纤维具有如此多的优良特性，它已成为许多国家竞相开发的热点。但由于其用于产业化生产的冻胶纺技术不易掌握，真正实现大规模产业化生产的国家为数不多。目前，UHMWPE纤维的国际市场几乎为美国、荷兰、日本3国所占领。主要产品有荷兰DSM公司的Dyneema SK系列，美国Allied Signal公司的Spectra900、1000以及日本三井石化公司的Teckmilon。 2.2芳纶纤维（芳香族聚酰胺纤维） 芳纶纤维有许多品种，而用于防弹纤维的为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，具有优异的抗张性能。 2.2.2热稳定性好 纤维的玻璃化转变温度约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，碳化速度明显加快；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对普通有机溶剂、盐类溶液等有很好的耐化学药品性，但耐强酸、强碱性较差。 2.2.5对紫外线比较敏感，不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。 杜邦公司的Kevelar纤维与同等粗细的钢丝相比，它的强度是钢丝的6倍模量是钢丝的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同的韧性。杜邦公司开发了一系列的Kevlar品种，现在广泛使用的有两种：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，具有相同抗弹能力的Kevlar，重量仅为尼龙纤维的一半，是钢的1/5。Kevlar纤维的防弹性能取决于制造方法：纤维所用的编织线和编织物的结构，以及纤维各层的层数和排列方法，是提供防弹性能性能的关键因素。Kevlar防弹衣在朝质量轻的方向发展的同时，材料的防水性能、防钝伤性能、防刺性能、舒适性能也大大改观。 Twaron是Akzo Noble公司研究开发的对位芳香族聚酰胺纤维，这种纤维的纵向拉伸断裂强度和弹性模量高，密度低，能量吸收性高，防弹性能优异，并且耐高温，抗疲劳，抗化学腐蚀性能好。 俄罗斯的高性能XW-Armos（对位芳香族聚酰胺），具有4.5109 5109Pa或更高的强度(是常规产业用纤维强度的35倍)，形变模量大于145109Pa,耐热性经的起高达330的操作条件。值得注意得是：用对味芳香族聚酰胺制成的预处理防护组织必须经过清洁，这样就没有了残留物质阻碍随后的含氟聚合物整理。用来自Ultravon研究领域的表面活性剂和来自Invatex研究领域的特种扩散/分离和裂解剂的多级净化过程经Ciba特种化学公司的研究人员鉴定成功的。用含氟聚合物进行整理和芳香族吸收的水分降到最小程度，使之具有高度防湿态射击功能，优化了防弹服的生产工艺。 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）的简称是20世纪80年代美国开发的复合材料用增强材料，是含有杂环芳香族的聚酰胺家族中最有发展前途的一个成员，被誉为21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的用途。 PBO具有十分优异的力学性能,其抗拉强度高达5.8Gpa（37.6cN/dtex）、抗拉摸量为280 Gpa（1818 cN/dtex）,分别为对位芳纶的2倍左右;其摸量被认为是直链高分子聚合物的极限模量，且兼有间位芳纶耐热阻燃的性能，一根直径为1毫米的PBO细丝可吊起450千克的重量，其强度是钢丝纤维的10倍以上,此外， PBO纤维的耐冲击性，耐摩擦性和尺寸稳定性均很优异，并且质轻而柔软，具有低吸湿性，是极其理想的防弹纺织原料。 四、近年来世界各地开发的新型防弹系列产品观赏 1.白俄罗斯与波兰开发的新型防弹背心 BeiCoTex纤维是一种化学变性硅酸衍生物短纤维，自1999年在Techtextil首次向用户和顾客展出后，由于其优良加工性能现已能广泛生产出200多种不同规格的产品。能够提供抗高温短纤维用于耐热耐火织物。根据不同用途生产出轻型和重型织物，生产厂商为BeiChem纤维材料公司及其合伙人，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要求。 根据机织、带织、针织、编织、绳带或管状等各种织物选择最为合适的纤维，主要全以抗高温的无机纤维产品为标准，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，其它还有极耐温度变化，高度抗化学变化，以及优良的吸水性（46%），对皮肤和善而无害。典型可纺纱支为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它特种用途。 2.中国山东爱地高分子材料有限公司开发出高强防弹纤维 2007年，位于山东省莱芜高新区的山东爱地高分子材料有限公司生产的5吨高分子量聚乙烯纤维材料首批出口到希腊，是山东省走向世界的第一束高强防弹纤维，货值200多万元人民币。该公司纤维项目的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的历史，产品填补省内空白。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(2006-2008)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的28项关键技术之一。 3.苏格兰Don&Low公司研发出防弹布料 位于苏格兰福法尔(Forfar)的Don & Low公司的研发计画继续对广泛市场提供多元化的布料产品。目前，该公司正投入约14.4万英镑资金进行研发可协助汽车零组件更易于回收的新防弹布料；该布料系由数层扁条梭织物所制，并在布边予以熔合，以使呈现强度并展现轻质感。预计该具有自我补强性能的聚丙烯(self-reinforced polypropylene)材质织物，将提升Don & Low公司销售额达每年2百万英镑。 该素料可用来替代用在汽车保险杆的玻璃纤维材质，因为玻璃纤维无法回收，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.美国联合信号公司 目前，一种新型防弹衣材料近日由美国联合信号公司开发成功。据了解，这是一种芳香族聚酰胺纤维。芳香族纤维以美国杜邦公司生产的凯夫拉材料和荷兰阿克公司生产的特瓦罗材料最有名。 美国联合信号公司生产的这种含聚乙稀纤维的无纺布，其防弹强度是钢的11倍。用这种材料做成的防弹衣，由于重量轻、穿着柔软舒适、防弹性能好，深得警察的青睐。此种新型材料的问世，将开辟防弹衣软质材料市场的新纪元。 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的研究生，同时也是新一代护甲装备研究小组的成员之一。该研究小组得到了美国军方的资助，正致力于研发能在战场上保护士兵生命安全的新型护甲材料。目前，该研究小组已经将工作的重点放在了一种软体动物大马蹄螺(Trochus niloticus)与其外壳的内层物质上。大马蹄螺坚硬的外壳保护着它柔软的身体，使其免受其他动物的伤害。其蜗牛壳的内层是由珠母层构成的。 珠母层有95%的成分是较易碎的陶瓷碳酸钙，另外5%的成分是一种柔软的，柔韧性很好的生物高聚物。布鲁伊特称这种生物高聚物为有机胶水。珠母层的这种特殊结构自被发现以来就已经非常著名了。但是，科学家们仍试图了解，是什么使得它如此坚固。布鲁伊特解释说，要打碎一片珠母贝所需要的力量是这种结构应该能承受的力量大小的两倍。因此，应该有某些额外的，更加微观的机制在起作用。让珠母层在抗破裂方面具有更为出色的效果。 为了查明是什么使得珠母层如此坚固，布鲁伊特和他的同事们目前正在研究，在纳米级的范围内，这一材料是如何组织构成的。他说，问题的关键在于，在纳米级的程度下，生物高聚物和碳酸钙晶粒间的复杂的相互作用以及这些成分固有的性质如何。研究人员发现，每个单独的陶瓷盘都被生物高聚物分隔开，而每个陶瓷盘的表面都覆盖着一层纳米级大小的凸起。生物高聚物分子就附着在这些凸起中间。布鲁伊特说，该研究小组目前的研究重点是陶瓷盘与生物高聚物胶水之间的力的关系。研究人员们希望，在未来几年能成功复制出珠母层的纳米结构，以用来制造更加安全可靠，同时也更加轻便的军用头盔、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，但是其沉重的分量算得上是美中不足。而布鲁伊特和其同事们的这项研究则有望解决这一问题。 6.荷兰帝斯曼开发出高强防弹材料 荷兰帝斯曼公司推出其最新的高强度防弹材料，用于生产软质防弹衣。最新迪尼玛SB61具有超高的能量吸收能力，可大大增加防弹衣的阻挡能力，并具有和其他迪尼玛软质防弹产品一样的高标准创伤和老化降低性能。 迪尼玛是一种超强的聚乙烯（PE）纤维，其单向复合材料由数层迪尼玛纤维组成，每层纤维的方向均与相邻层中的纤维垂直。这种单向结构能使子弹或其他武器威胁冲击转换而来的能量比传统织物更快和更高效的沿着纤维分布开来。这种单向复合材料使防弹背心之类的防护装置具备卓越的防护性能，并减少钝器的伤害。 7.英国开发出超轻量防弹布 英国 Daresbury 实验室的科学家们正在开发一种能抵挡子弹的超轻量织物，方法是在其中植入纳米粒子。这是一种纳米技术，1个纳米是1毫米的百万分之一，人的一根头发就有80,000纳米粗。该实验室的专家们正和美国两所大学的同行们合作 进行这项工作。 众所周知，传统防弹衣内含有一种能够吸收子弹冲击力的陶瓷材料，所以非常坚硬而且沉重；现在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，就能把衣服的重量减下来，变得非常灵巧，防弹性能也更突出。 科学家们相信，将来采用类似技术就能位警察制造出轻便灵活的防护服，军队也不用再穿现在这么笨重的避弹衣了。 8.美国 Pride公司推出抗紫外线防弹衣 众所周知，防弹衣最大的缺陷就是日光照射后降低其防弹功能，有鉴于此，为改善防弹衣抗日光照射，美国Pride公司潜心研发抗紫外线防弹衣，由M. Michael Markow 及Ari Markow两位取得发明专利， Pride公司总裁暨执行长M. Michael Markow指出，针对防弹衣外部的吸湿及不耐紫外线照射的问题，该公司已经予以克服。 Pride公司总经理Ari Markow则进一步补充说明，该公司为保护人们身体避免子弹伤害作出贡献，此款防弹衣除了投入新颖的设计外，也在质量上严格把关。此一具备抗紫外线功能的防弹衣将可提供人身安全最佳的防护。 9. 泰国工程师研制出丝制防弹背心 泰国的一名纺织工程师研制了一种丝质的防弹背心，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，而且对温度的适应能力也很强，在寒冷和酷热的环境中都可以穿着。同时，丝不像尼龙那样易燃，舒适感更强，是一种广受人们欢迎的纤维。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的天然原料。由于泰国盛产丝，因此成本大大降低。2004年前后，苏吉瑞研制的丝质防弹背心已经获得了美国国家司法研究所的质量认证。他下一步计划是研制更轻快的防弹背心，并简化生产过程，他的最终目标是使这种背心能够抵御任何一种子弹的攻击。泰国国防部已经批准了苏吉瑞的研制工作，并提供了资金支持。但他表示，对自己来说，最大的奖励莫过于挽救更多的生命。 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