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警務人員使用防暴用具材料的研究與應用
閱讀：1025 發布時間：2021-5-12 摘 要：本文對SAS-TEC公司的慢回彈低頻阻尼材料行了深入解析，確定其為發泡聚氨酯材料，對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，可滿足防護服具的性能要求。但是其不阻燃，防刺性能十分差，幾乎沒有防刺效果，成為其不能作為防護服具材料的軟肋。
關鍵詞：防暴；材料；聚氨酯；研究
前言 特殊人員在執行任務時，經常要面對窮兇惡極的歹徒，受到暴力的襲擊，因此，防護服具的配備至關重要。防護服具產品主要有硬 質、軟質及半硬質三種形態。目前，國內防護服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，論證了該材料在防護服具上的應用前景。
1 慢回彈低頻阻尼材料樣品分析
本文對德國SAS-TEC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1000和2000的聚氨酯，并沒有發現軟段結晶，而軟段分子量為3000和5000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3000，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=1000、2000)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=3000、5000)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=3000)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260g/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 慢回彈材料在防護服具上的應用測試
防護服具產品主要有硬質、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護服。為分析確定慢回彈低頻阻尼材料是否能在防護服具上應用，首先必須解析相關標準。根據GA420—2008《警防護服》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，防護服的總質量應小于85kg；第三，防護服的前胸、后背、腹部、前襠用GA68標準試驗刀具，20J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：將防護服的前胸、后背部件放于標準膠泥上，以100J能量沖擊，膠泥壓痕深度不超過20mm；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，防護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6kg直徑96mm球頭鋼柱自204m(±10mm)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
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20mm，符合防護服的要求。
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2ms即可對沖擊產生反映，在5.84ms時，對沖擊力的反應達到最大，達到7.1KN，在9ms 附近時，可以將沖擊力*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/T2408—1996《塑料燃燒 性能試驗方法水平法和垂直法》 進行測試，要 求防護服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。
2.3 防刺性能
防護服具除要求具有良好的抗沖擊性能，同時可防止歹徒持違規物品等尖銳物品對警務人員進 行身體傷害，因此，防護服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20J，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護服具的要求。
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，可滿足防護服具的性能要求。但是其不阻燃，防刺性能十分差，幾乎沒有防刺效果，成為其不能作為防護服具材料的軟肋。若在其外面另加上一層防刺層則會增加防護服的重量，且比目前國內大幅使用的硬質防護服材質還要堅硬。 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，有望在運動防護領域得到更加廣泛的應用。
參考文獻
[1]中華人民共和國公安部.防刺服：GA68—2019[S].北京：中國標準出版社，2019：2.