警用防暴用具材料的研究與應用

方心靈，王瑞嶺，常浩

(1.北京航天實驗技術研究所，北京 100074；2.北京航天雷特機電工程有限公司，北京 100074)

0 前言

武警特警人員在執行任務時，經常要面對窮兇惡極的歹徒，受到暴力的襲擊，因此，防暴護具的配備至關重要。警用防暴護具產品主要有硬質、軟質及半硬質三種形態。目前，國內警用防暴護具產品以硬質形態為主，采用無毒、阻燃材料特制而成，一般多為ABS塑料等。其具有耐高溫、耐沖擊、防刺等優點，缺點是重量大、穿著不舒適、易對人體造成二次鈍傷等[2-6]。

本文研究了慢回彈低頻阻尼材料的性能特點，論證了該材料在警用防暴警用護具上的應用前景。

1 慢回彈低頻阻尼材料樣品分析

本文對德國SAS-SEC公司的慢回彈低頻阻尼材料樣品進行了分析，該樣品原用于摩托車手后背護板，對摩托車手遇到碰撞具有優異的緩沖作用。

經紅外(IR)測試，其紅外譜圖如圖1所示，確定此材料為聚氨酯材料。根據此材料的特性，可知其為具有形狀記憶功能的發泡聚氨酯材料。

圖1 Sas-Tec慢回彈低頻阻尼材料紅外譜圖

形狀記憶聚氨酯屬于熱塑性高分子材料，它是由相轉變溫度較高的硬段和相轉變溫度較低的軟段所組成的多嵌段共聚物。形狀記憶聚氨酯是以硬段為固定相，軟段為可逆相來實現形狀記憶功能的。其性能如下：

(1)熱力學性能。形狀記憶聚氨酯的軟段玻璃化溫度(Tg) 隨軟段分子量的增大而變小，隨硬段含量的增大而變大。軟段玻璃化溫度(Tg) 一般遠低于室溫。

(2)結晶度。對于軟段分子量為1 000 和2 000 的聚氨酯，并沒有發現軟段結晶，而軟段分子量為3 000和5 000的聚氨酯，則有明顯的軟段結晶，但結晶度隨硬段含量的增大而明顯降低。這說明，在這類聚氨酯體系中，存在臨界分子量，只有分子量大于臨界分子量的軟段才是可以結晶的。研究發現，臨界分子量大約為3 000，低于臨界分子量的軟段在這類聚氨酯體系中是無法結晶的；同時硬段的引入抑制了軟段的結晶，導致軟段結晶度有所下降。

(3)形狀記憶功能。不同分子量軟段(配比均為1/3/2) 聚氨酯樣品的形狀回復曲線不同。當組成比一定時，軟段分子量對形狀記憶聚氨酯形狀回復率的影響是非常明顯的。含低分子量軟段(Mn=1 000、2 000)聚氨酯樣品的形狀記憶效果很差，僅能恢復20%～30%的形變；而含較高分子量軟段(Mn=3 000、5 000)聚氨酯樣品的形狀記憶回復比率非常高，可達93%～99%。這可以用只有軟段分子量大于3000 的聚氨酯才有軟段結晶來解釋。含有相同軟段(Mn=3 000)而硬段含量不同的聚氨酯樣品，硬段含量較低的樣品，形狀回復比率也只有50%～60%。只有硬段含量大于15%的樣品，才有高的形狀回復比率。這是因為，只有硬段含量較大時，硬段才有可能聚集形成硬段微區，起到物理交聯點的作用。由此可得，這些樣品的形狀回復溫度近似等于樣品中軟段的結晶熔融溫度，這進一步說明了該類材料是以軟段的結晶熔融為形狀記憶機理的。

(4)力學性能。聚氨酯的力學性能隨硬段含量的增加而升高，似乎是硬段含量越高越好。但我們發現,在硬段含量大于45%時，其拉伸強度和斷裂伸長率都有較明顯的下降，這可能是硬段含量過大時，會發生由以軟段為連續相向以硬段為連續相的相反轉結果。

(5)密度。Sas-Tec公司產品密度為260 g/L，為傳統硬質材料的1/4。

(6)具有的細胞單元結構耐水性好(吸水性低于1%)，可水洗。

(7)該材料對溫度反應較為敏感。隨著溫度的升高，該材料本身會變軟。因此在實際使用中，冬天會比夏天硬很多，在一定程度上會影響穿著舒適性。

2 慢回彈材料在防暴護具上的應用測試

警用防暴護具產品主要有硬質、軟質及半硬質三種形態。其所謂的軟質其實也只是在硬質材料內側添加了軟質緩沖材料，并非真正意義上的軟質防彈衣。為分析確定慢回彈低頻阻尼材料是否能在警用防暴護具上應用，首先必須解析相關標準。根據GA420—2008《警防暴服》要求：第一，能有效抵御各種利器、棍棒、非爆炸性投擲物，并且具有阻燃能力，使人體防護部位不受到傷害的一種服裝；第二，防暴服的總質量應小于8.5 kg；第三，防暴服的前胸、后背、腹部、前襠用GA68標準試驗刀具，20 J動能，垂直刺入防護層，刀尖不應透過防護層；第四，擊打能量吸收性能：將防暴服的前胸、后背部件放于標準膠泥上，以100 J能量沖擊，膠泥壓痕深度不超過20 mm； 第五， 阻燃性能： 防護層阻燃性能應符合FV-2級。

由以上標準可以看出，警用防暴服不僅需要有抵御沖擊的作用，而且在防刺、阻燃、總重量方面均有的相應規定。為此，對慢回彈低頻阻尼材料進行了相關的測試。

2.1 擊打能量吸收性能

2.1.1 試驗一：抗沖擊性實驗

用6 kg 直徑96 mm球頭鋼柱自2.04 m (±10 mm)高度自由落下，向慢回彈低頻阻尼材料的中心位置撞擊。

圖2 試樣及背襯材料放置圖

圖3 凹陷深度的測量

表1 抗沖擊測試結果

由表1可知，此慢回彈低頻阻尼材料抗沖擊的凹陷深度均小于20 mm，符合防暴服的要求。

2.1.2 試驗二：抗沖擊反應時間測試

針對SAS-TEC公司的樣品進行沖擊測試，該公司的樣品除具有很好的形狀記憶功能外，還具有遇到瞬間沖擊力迅速變硬的特點。為進一步掌握該材料的抗沖擊性，特對其抗沖擊反應時間進行測試。

經過測試，由圖4可以看出，該材料在遇到沖擊后2 ms即可對沖擊產生反映，在5.84 ms時，對沖擊力的反應達到最大，達到7.1 kN，在9 ms附近時，可以將沖擊力完全化解。此材料具有如此優異的沖擊力緩沖作用， 是因為在其結構中， 還有一種微小的顆粒， 可以起到應力反應的作用， 它是一種智能材料，一般為石墨顆粒、硅顆粒類。

圖4 應力-時間測試圖

2.2 阻燃性能

按照國家標準GB/T 2408—1996《塑料燃燒性能試驗方法水平法和垂直法》進行測試，要求防暴護具材料達到燃燒性能標準(表2)中的FV-2級。

根據測試數據(表3)，該材料的阻燃等級超出了FV-2標準的范圍，不符合作為防暴材料的要求。

表2 燃燒性能標準

表3 燃燒性能測試數據

2.3 防刺性能

警用防暴護具除要求具有良好的抗沖擊性能，同時可防止歹徒持匕首等尖銳武器對警務人員進行身體傷害，因此，防暴護具還要求有優良的防刺性能[1][3]。

采用標準實驗道具(圖5)對試樣共刺三點，刺入角為0 °，刺穿動能20 J，結果為全部刺穿，表明該慢回彈低頻阻尼材料的防刺性能達不到防暴護具的要求。

圖5 標準實驗刀具示意圖

3 結論

本文對SAS-TEC公司的慢回彈低頻阻尼材料進行了深入解析，確定其為發泡聚氨酯材料。對該公司的的慢回彈低頻阻尼材料樣品進行了力學、抗沖擊、防刺、阻燃等試驗，試驗結果證明，該材料的抗沖擊性能優異，可滿足防暴護具的性能要求。但是其不阻燃，防刺性能十分差，幾乎沒有防刺效果，成為其不能作為防暴護具材料的軟肋。若在其外面另加上一層防刺層則會增加防暴服的重量，且比目前國內大幅使用的硬質防暴服材質還要堅硬。但是該材料在運動防護領域得到了大量的應用，而且因為其優異的性能，產品附加值很高，利潤也很高，有望在運動防護領域得到更加廣泛的應用。