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警务人员使用防暴用具材料的研究与应用
  • 发布日期:2021-05-12      浏览次数:265
    •   摘 要:本文对SAS-TEC公司的慢回弹低频阻尼材料行了深入解析,确定其为发泡聚氨酯材料,对慢回弹低频阻尼材料样品进行了力学、抗冲击、防刺、阻燃等试验。试验结果证明,该材料的抗冲击性 能优异,可满足防护服具的性能要求。但是其不阻燃,防刺性能十分差,几乎没有防刺效果,成为其不能作为防护服具材料的软肋。
       
        关键词:防暴;材料;聚氨酯;研究
       
        前言 特殊人员在执行任务时,经常要面对穷凶恶极的歹徒,受到暴力的袭击,因此,防护服具的配备至关重要。防护服具产品主要有硬 质、软质及半硬质三种形态。目前,国内防护服具产品以硬质形态为主,采用无毒、阻燃材料特制而成,一般多为ABS塑料等。其具有耐高 温、耐冲击、防刺等优点,缺点是重量大、穿着 不舒适、易对人体造成二次钝伤等[2-6]。
       
        本文研究了慢回弹低频阻尼材料的性能特点,论证了该材料在防护服具上的应用前景。
       
        1 慢回弹低频阻尼材料样品分析
       
        本文对德国SAS-TEC公司的慢回弹低频阻尼材料样品进行了分析,该样品原用于摩托车手后背护板,对摩托车手遇到碰撞具有优异的缓冲作用。
       
        经红外(IR)测试,其红外谱图如图1所示,确定此材料为聚氨酯材料。根据此材料的特性,可知其为具有形状记忆功能的发泡聚氨酯材料。
       
      图1 Sas-Tec慢回弹低频阻尼材料红外谱图
       
        形状记忆聚氨酯属于热塑性高分子材料,它是由相转变温度较高的硬段和相转变温度较低的 软段所组成的多嵌段共聚物。形状记忆聚氨酯是以硬段为固定相,软段为可逆相来实现形状记忆功能的。其性能如下:
       
        (1)热力学性能。形状记忆聚氨酯的软段玻 璃化温度(Tg)随软段分子量的增大而变小,随 硬段含量的增大而变大。软段玻璃化温度(Tg)一般远低于室温。
       
        (2)结晶度。对于软段分子量为1000和2000的聚氨酯,并没有发现软段结晶,而软段分子量为3000和5000的聚氨酯,则有明显的软段结晶,但结晶度随硬段含量的增大而明显降低。这说明,在这类聚氨酯体系中,存在临界分子量,只有分子量大于临界分子量的软段才是可以结晶的。研究发现,临界分子量大约为3000,低于临 界分子量的软段在这类聚氨酯体系中是无法结晶的;同时硬段的引入抑制了软段的结晶,导致软段结晶度有所下降。
       
        (3)形状记忆功能。不同分子量软段(配比 均为1/3/2)聚氨酯样品的形状回复曲线不同。当组成比一定时,软段分子量对形状记忆聚氨酯形 状回复率的影响是非常明显的。含低分子量软段(Mn=1000、2000)聚氨酯样品的形状记忆效果很差,仅能恢复20%~30%的形变;而含较高分子量软段(Mn=3000、5000)聚氨酯样品的形状记忆回复比率非常高,可达93%~99%。这可以用只有软段分子量大于3000的聚氨酯才有软段 结晶来解释。含有相同软段(Mn=3000)而硬段含量不同的聚氨酯样品,硬段含量较低的样品,形状回复比率也只有50%~60%。只有硬段含量大于15%的样品,才有高的形状回复比率。这是因为,只有硬段含量较大时,硬段才有可能聚集形成硬段微区,起到物理交联点的作用。由此可得,这些样品的形状回复温度近似等于样品中软段的结晶熔融温度,这进一步说明了该类材料 是以软段的结晶熔融为形状记忆机理的。
       
        (4)力学性能。聚氨酯的力学性能随硬段含量的增加而升高,似乎是硬段含量越高越好。但我们发现,在硬段含量大于45%时,其拉伸强度和断裂伸长率都有较明显的下降,这可能是硬段含量过大时,会发生由以软段为连续相向以硬段 为连续相的相反转结果。
       
        (5)密度。Sas-Tec公司产品密度为260g/L,为传统硬质材料的1/4。
       
        (6)具有的细胞单元结构耐水性好(吸水性低于1%),可水洗。
       
        (7)该材料对温度反应较为敏感。随着温度的升高,该材料本身会变软。因此在实际使用中,冬天会比夏天硬很多,在一定程度上会影响穿着 舒适性。
       
        2 慢回弹材料在防护服具上的应用测试
       
        防护服具产品主要有硬质、软质及半硬质三种形态。其所谓的软质其实也只是在硬质材料内侧添加了软质缓冲材料,并非真正意义上的软质防护服。为分析确定慢回弹低频阻尼材料是否能在防护服具上应用,首先必须解析相关标准。根据GA420—2008《警防护服》要求:第一,能有效抵御各种利器、棍棒、非爆炸性投掷物,并且具有阻燃能力,使人体防护部位不受到伤害的一种服装;第二,防护服的总质量应小于85kg;第三,防护服的前胸、后背、腹部、前裆用GA68标准试验刀具,20J动能,垂直刺入防护层,刀尖不应透过防护层;第四,击打能量吸收性能:将防护服的前胸、后背部件放于标准胶泥上,以100J能量冲击,胶泥压痕深度不超过20mm;第五,阻燃性能:防护层阻燃性能应符合FV-2级。
       
        由以上标准可以看出,防护服不仅需要有抵御冲击的作用,而且在防刺、阻燃、总重量方面均有的相应规定。为此,对慢回弹低频阻尼材料进行了相关的测试。
       
        2.1 击打能量吸收性能
       
        2.1.1 试验一:抗冲击性实验
       
        用6kg直径96mm球头钢柱自204m(±10mm)高度自由落下,向慢回弹低频阻尼材料的中心位 置撞击。
       
      图2 试样及背衬材料放置图
       
      图3 凹陷深度的测量
       
        由表1可知,此慢回弹低频阻尼材料抗冲击 的凹陷深度均小于20mm,符合防护服的要求。
       
        2.1.2 试验二:抗冲击反应时间测试
       
        针对SAS-TEC公司的样品进行冲击测试,该公司的样品除具有很好的形状记忆功能外,还具有遇到瞬间冲击力迅速变硬的特点。为进一步掌握该材料的抗冲击性,特对其抗冲击反应时间 进行测试。
       
        经过测试,由图4可以看出,该材料在遇到 冲击后2ms即可对冲击产生反映,在5.84ms时,对冲击力的反应达到最大,达到7.1KN,在9ms 附近时,可以将冲击力完全化解。此材料具有如此优异的冲击力缓冲作用,是因为在其结构中,还有一种微小的颗粒,可以起到应力反应的作用,它是一种智能材料,一般为石墨颗粒、硅颗粒类。
       
      图4 应力-时间测试图
       
        2.2 阻燃性能
       
        按照国家标准GB/T2408—1996《塑料燃烧 性能试验方法水平法和垂直法》 进行测试,要 求防护服具材料达到燃烧性能标准(表2)中的FV-2级。
       
        根据测试数据(表3),该材料的阻燃等级超 出了FV-2标准的范围,不符合作为防暴材料的要求。
       
      2.3 防刺性能
       
        防护服具除要求具有良好的抗冲击性能,同时可防止歹徒持违规物品等尖锐物品对警务人员进 行身体伤害,因此,防护服具还要求有优良的防 刺性能[1][3]。
       
        采用标准实验道具(图 5)对试样共刺三点, 刺入角为0°,刺穿动能20J,结果为全部刺穿,表明该慢回弹低频阻尼材料的防刺性能达不到防护服具的要求。
       
      图5标准实验刀具示意图
       
        3 结论
       
        本文对SAS-TEC公司的慢回弹低频阻尼材料进行了深入解析,确定其为发泡聚氨酯材料。对该公司的的慢回弹低频阻尼材料样品进行了力学、抗 冲击、防刺、阻燃等试验,试验结果证明,该材料的抗冲击性能优异,可满足防护服具的性能要求。但是其不阻燃,防刺性能十分差,几乎没有防刺效果,成为其不能作为防护服具材料的软肋。若在其外面另加上一层防刺层则会增加防护服的重量,且比目前国内大幅使用的硬质防护服材质还要坚硬。 但是该材料在运动防护领域得到了大量的应用,而且因为其优异的性能,产品附加值很高,有望在运动防护领域得到更加广泛的应用。
       
        参考文献
       
        [1]中华人民共和国公安部.防刺服:GA68—2019[S].北京:中国标准出版社,2019:2.
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