防割面料的研究現狀及展望

鐘 林 肖詠梅 陳紅霞 黃曉梅 曹海建

（1.南通大學，江蘇南通，226019；2.軍需能源質量監督總站武漢質量監督站，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體安全防護材料，不僅可用于軍隊及警察安全部門，如巡警、獄警等，還廣泛用于民用領域，如建筑、裝修、玻璃、化工等。因此，針對利器切割的潛在危險，防割面料的開發及應用具有重要意義。

1 防割面料的研究現狀

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，恰當合理的紗線結構可以提高纖維材料之間的協調配合，從而使材料的優異性能夠充分發揮。第三，織物結構越緊密，抵抗切割外力作用越強。

從纖維角度來看，防割材料從最初的天然纖維、合成纖維發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、復合紗以及經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、機織物、非織造布、無緯布、多種結構復合織物等。

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工業材料，體積質量約7.9 g/m3，是普通紡織纖維的5 倍~8倍，具有一定的可紡性；其力學性能優良，直徑8 μm 的 不銹鋼纖 維強力在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、柔軟等特性。不銹鋼纖維在防割領域的應用主要是與其他具有高強度的纖維配伍，制成半柔性防割面料。國內生產企業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，國外企業有比利時貝卡爾特公司、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，其單絲強度是目前高性能纖維中最大的，具有很強的能量吸收能力，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，當與硬度較高的物體產生摩擦時，易造成磨損，嚴重時會導致斷裂［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，不能很好地適應實際應用中的防護需求［3］。基于此，國內外學者在纖維表面增加耐磨性涂層和對纖維進行耐磨改性。馮園等對UHMWPE 纖維進行了耐磨改性，測試發現改性UHMWPE 纖維的耐磨系數比UHMWPE 纖維提高了257%，同時纖維強度僅降低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，研究發現處理后的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，具有高強度、高耐磨、耐切割的性質。Kevlar 強度為2.5 GPa~3.3 GPa，拉伸強度是鋼絲的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，國外生產企業有美國杜邦公司、日本帝人株式會社等，國內有蘇州兆達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械性能的無機非金屬材料，質輕，體積質量比有機纖維高，但是比金屬纖維低；強度高，斷裂強力達1 370 N~1 470 N，是同等質量鋼絲的2 倍~4 倍［7］。玻璃纖維的缺點是脆性大，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。國外生產企業有美國的Owens Corning 公司、法國的Saint-Gobain Vetrotex 公司等，國內有巨石集團有限公司、泰山玻璃纖維有限公司等。

1.2 紗線結構

合理配置紗線結構可以有效提高纖維之間相互作用的穩定性，從而提高其力學性能。

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勢互補，還能在一定程度上克服單種纖維可紡性差的缺點。嚴雪峰等用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 復合紗

包芯紗兼有芯紗和外包纖維的優良物理機械性能。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 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］。

包覆紗結構與包芯紗相似，雙層包覆結構可以更好地包裹住芯紗，保證纖維間相互配合。黃浚峰等設計了以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，設計了包芯紗、合捻紗和雙層包覆紗，試驗發現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現纖維柔性化的重要技術手段之一，目前防護類紡織品的研發也已經有采用添加功能母粒的方法。范余娟將具有高強高模等特點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］；試驗發現，由其編織的手套防切割等 級 可 達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，在柔性機械防護領域已有許多研究成果。王麗娟將UHMWPE長絲浸入STF，經處理得到STF/UHMWPE 復合紗；測試結果表明，STF/UHMWPE 復合紗的耐切割能力大于純UHMWPE 紗［13］74。

1.3 織物結構

1.3.1 針織結構

針織物由于其線圈特性，有較好抵抗沖擊的能力，但是受外力作用會發生變形，刀尖易透過偏移的線圈傷害人體。MOLLAEI A 等研究了結構參數對對位芳綸和UHMWPE 緯編針織物耐切割性能的影響，得出組織密度存在一個最優值，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，試驗得出針織物的結構參數對針織物防護性、舒適性均有顯著影響，其中厚度影響最大，體積質量次之［15］81。

1.3.2 機織結構

機織物結構緊密，質地堅牢，受刀刃作用時紗線不容易滑移，力學性能優異，可起到良好的防切割作用。MESSIRY M E 等研究了織物組織結構對機織物剪切阻力的影響，得出織物的比切削阻力與織物結構、經紗緯紗線密度、織物的楊氏模量等有關［16］。李麗等設計了平紋、斜紋、緞紋等不同的防切割織物，得出組織結構為二上二下加強斜紋織物的防割性能最佳［11］28。

1.3.3 非織造結構

非織造布的耐切割性遠小于針織軸向織物［17］。在非織造布中，纖維雜亂無章排列，刀片作用在其上時，纖維在不同時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，而是多層復合的。

1.3.4 無緯結構

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

1.3.5 復合結構

復合織物是指把多層織物黏結在一起，或通過織物與高聚物或其他材料復合在一起，形成擁有多種功能的復合體。按照與織物復合的材料來劃分，復合織物可分為織物與織物復合、高聚物與織物復合、金屬與織物復合三大類。從工藝角度看，織物的復合可以通過織物結構設計、織物層壓技術、涂層技術等方式實現。

2 防割面料的應用現狀及存在的不足

隨著面料的發展進步，各種防割裝備應運而生，主要有防割手套、防割護臂、防割服等。

2.1 防割手套

目前生產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個小圓環穿編而成的鋼絲手套，其具有優良的耐磨、防割作用，佩戴舒適且易清潔，但是成本較高。近年來，隨著技術的發展進步，研發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 防割護臂

防割護臂用于保護手臂不被劃割。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臂性能優良，舒適性也有所提高。其中，芳綸制成的護臂舒適性要優于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、機織物和多種結構復合織物。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到BS EN 388 的3 級~5 級；與傳統防護織物相比，具有輕便、透氣等特點。楊建淼等研發的一種新型防割服由表層、防割層、緩沖層、內層構成；表層設有透氣孔，防割層由UHMWPE 纖維編織，緩沖層由彈性金屬絲制成，內層為了增加舒適性由棉纖維制成，多層結構縫合起來構成防護服，其防護性能以及透氣性較好［18］。

2.4 目前防割產品存在的不足

當前的個體防護產品發展迅速，但是過多強調防割性能而忽略了產品的穿戴舒適性。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行涂覆處理，增加的涂層會影響穿戴靈活性和舒適性；防割服也存在質量大、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行工效性評價，構建了舒適性評價模型，通過織物的結構參數初步實現對防割織物的穿戴舒適性的預測［15］101。高淑敏從人體工效學角度出發，研究人體皮膚形變特征，并在人體關鍵部位進行防割材料的添加設計，通過主觀評價法對短道速滑服進行功能性、舒適性驗證［19］。BARTKOWIAK Gra?yna 等提出了一種將防護服與參考服對比研究的人體工效學評價方法，將參考服放置在適當的舒適度等級中對其進行定量評估［20］。

目前關于防割服類的工效性評價還未見報道，也沒有明確的防割類產品的工效學性能評價標準，而此類研究對防割類產品的開發具有指導意義。當前市場上同時兼具高防護等級和穿戴舒適的產品較少，如何兼顧防割等級與舒適性這個平衡點，仍需要進一步研究。

3 國內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，目前還沒有相關的防割測試標準，為此國內外的研究人員在原有機械設備基礎上進行改進或自行設計研發了相應裝置。SHIN H S 等通過對現有力學設備進行改造，設計了一種特殊夾具，可對紗線施加可調張力，安裝在刀片下的攝像機連續記錄切割運動行程和紗線中點的橫向載荷，由橫向載荷計算紗線的軸向載荷以及應力和應變［21］。MAYO J 等針對高性能單纖維設計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］。王麗娟改造現有力學儀器并設計了一種U 形板，測試時將紗線固定在刀片上，以一定的速度移動直至切斷，通過分析位移-負荷切割曲線對其耐切割性進行分析［13］47。梁玉設計了一種張力控制裝置，同時利用壓力傳感器等現有儀器實現對刀具切削力信號、UHMWPE 纖維絲束斷裂過程聲發射信號及絲束斷裂形態的提取，實時觀察UHMWPE 纖維的切割過程［23］。

雖然國內外研究人員通過各種方法對纖維、紗線進行防切割性能測試，但是關于材料的切割機理研究還比較貧乏，理論相對滯后，沒有系統的關于纖維、紗線的切割測試標準，在一定程度上阻礙了防切割產品的發展。

4 相關的測試標準

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

BS EN 388 為機械傷害防護手套標準，測試原理：給圓刀片施加5 N 的壓力，在50 mm 的范圍內進行往復旋轉運動，記錄圓刀片旋轉周數，然后與標準材料對比換算成防切割指數。ISO 13997是防護服裝的測試標準，測試原理：施加某個力到標準刀片，刀片從材料表面劃過一定距離而出現劃破穿透。用切割距離表征切割力，也就是說當施加力一定時，材料的切割距離越長，其防割性能越好；當材料的切割距離一定時，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，設備也有相似之處，區別在于后者切割距離規定為20 mm，前者切割距離規定為25.4 mm。兩者與BS EN 388 的設備和測試方法有根本的區別。BS EN 388 的測試方法是使樣品處于相對適中的壓力下（5 N 負載力），使用圓形刀片在測試樣品上進行往復旋轉，從而進行切割測試。而ASTM F1790 和BS EN ISO 13997 的測試方法是使用矩形刀片單向運動滑過規定距離引起樣品穿透所承受的負載作以測量。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，其負載可達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，使用不同測試方法對同種織物進行切割測試，結果也不相同。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行切割測試，對比發現：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于短纖紗手套。劉柳認為：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［25］。

5 結語

目前，國內外關于紗線的防割性能測試還沒有標準，應加強該方面的研究，從而更好地在纖維材料、紗線結構上優化。同時，國內外關于防割面料的研究多集中于纖維材料的選配、紗線結構的研究，缺少關于防割機理以及織物組織結構的研究，而掌握防割機理和織物組織結構有助于針對性地設計防割面料的結構與工藝，進而改進當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，防割面料應加強防割機理、織物組織與結構、人體工效學等方面的研究。