摘 要：本文對(duì)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(fā)泡聚氨酯材料，對(duì)慢回彈低頻阻尼材料樣品進(jìn)行了力學(xué)、抗沖擊、防刺、阻燃等試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該材料的抗沖擊性 能優(yōu)異，可滿足防護(hù)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(hù)服具材料的軟肋。
關(guān)鍵詞：防暴；材料；聚氨酯；研究
前言 特殊人員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，經(jīng)常要面對(duì)窮兇惡極的歹徒，受到暴力的襲擊，因此，防護(hù)服具的配備至關(guān)重要。防護(hù)服具產(chǎn)品主要有硬 質(zhì)、軟質(zhì)及半硬質(zhì)三種形態(tài)。目前，國(guó)內(nèi)防護(hù)服具產(chǎn)品以硬質(zhì)形態(tài)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(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是重量大、穿著 不舒適、易對(duì)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(diǎn)，論證了該材料在防護(hù)服具上的應(yīng)用前景。
1 慢回彈低頻阻尼材料樣品分析
本文對(duì)德國(guó)SAS-TEC公司的慢回彈低頻阻尼材料樣品進(jìn)行了分析，該樣品原用于摩托車手后背護(hù)板，對(duì)摩托車手遇到碰撞具有優(yōu)異的緩沖作用。
經(jīng)紅外(IR)測(cè)試，其紅外譜圖如圖1所示，確定此材料為聚氨酯材料。根據(jù)此材料的特性，可知其為具有形狀記憶功能的發(fā)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(zhuǎn)變溫度較高的硬段和相轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)形狀記憶功能的。其性能如下：
(1)熱力學(xué)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(yuǎn)低于室溫。
(2)結(jié)晶度。對(duì)于軟段分子量為1000和2000的聚氨酯，并沒有發(fā)現(xiàn)軟段結(jié)晶，而軟段分子量為3000和5000的聚氨酯，則有明顯的軟段結(jié)晶，但結(jié)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(jié)晶的。研究發(fā)現(xiàn)，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(jié)晶的；同時(shí)硬段的引入抑制了軟段的結(jié)晶，導(dǎo)致軟段結(jié)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(fù)曲線不同。當(dāng)組成比一定時(shí)，軟段分子量對(duì)形狀記憶聚氨酯形 狀回復(fù)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(fù)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(fù)比率非常高，可達(dá)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(jié)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(fù)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(fù)比率。這是因?yàn)椋挥杏捕魏枯^大時(shí)，硬段才有可能聚集形成硬段微區(qū)，起到物理交聯(lián)點(diǎn)的作用。由此可得，這些樣品的形狀回復(fù)溫度近似等于樣品中軟段的結(jié)晶熔融溫度，這進(jìn)一步說明了該類材料 是以軟段的結(jié)晶熔融為形狀記憶機(jī)理的。
(4)力學(xué)性能。聚氨酯的力學(xué)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(fā)現(xiàn)，在硬段含量大于45%時(shí)，其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都有較明顯的下降，這可能是硬段含量過大時(shí)，會(huì)發(fā)生由以軟段為連續(xù)相向以硬段 為連續(xù)相的相反轉(zhuǎn)結(jié)果。
(5)密度。Sas-Tec公司產(chǎn)品密度為260g/L，為傳統(tǒng)硬質(zhì)材料的1/4。
(6)具有的細(xì)胞單元結(jié)構(gòu)耐水性好(吸水性低于1%)，可水洗。
(7)該材料對(duì)溫度反應(yīng)較為敏感。隨著溫度的升高，該材料本身會(huì)變軟。因此在實(shí)際使用中，冬天會(huì)比夏天硬很多，在一定程度上會(huì)影響穿著 舒適性。
2 慢回彈材料在防護(hù)服具上的應(yīng)用測(cè)試
防護(hù)服具產(chǎn)品主要有硬質(zhì)、軟質(zhì)及半硬質(zhì)三種形態(tài)。其所謂的軟質(zhì)其實(shí)也只是在硬質(zhì)材料內(nèi)側(cè)添加了軟質(zhì)緩沖材料，并非真正意義上的軟質(zhì)防護(hù)服。為分析確定慢回彈低頻阻尼材料是否能在防護(hù)服具上應(yīng)用，首先必須解析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)GA420—2008《警防護(hù)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(hù)部位不受到傷害的一種服裝；第二，防護(hù)服的總質(zhì)量應(yīng)小于85kg；第三，防護(hù)服的前胸、后背、腹部、前襠用GA68標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)刀具，20J動(dòng)能，垂直刺入防護(hù)層，刀尖不應(yīng)透過防護(hù)層；第四，擊打能量吸收性能：將防護(hù)服的前胸、后背部件放于標(biāo)準(zhǔn)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(hù)層阻燃性能應(yīng)符合FV-2級(jí)。
由以上標(biāo)準(zhǔn)可以看出，防護(hù)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(yīng)規(guī)定。為此，對(duì)慢回彈低頻阻尼材料進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試。
2.1 擊打能量吸收性能
2.1.1 試驗(yàn)一：抗沖擊性實(shí)驗(yàn)
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(cè)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(hù)服的要求。
2.1.2 試驗(yàn)二：抗沖擊反應(yīng)時(shí)間測(cè)試
針對(duì)SAS-TEC公司的樣品進(jìn)行沖擊測(cè)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(diǎn)。為進(jìn)一步掌握該材料的抗沖擊性，特對(duì)其抗沖擊反應(yīng)時(shí)間 進(jìn)行測(cè)試。
經(jīng)過測(cè)試，由圖4可以看出，該材料在遇到 沖擊后2ms即可對(duì)沖擊產(chǎn)生反映，在5.84ms時(shí)，對(duì)沖擊力的反應(yīng)達(dá)到最大，達(dá)到7.1KN，在9ms 附近時(shí)，可以將沖擊力*化解。此材料具有如此優(yōu)異的沖擊力緩沖作用，是因?yàn)樵谄浣Y(jié)構(gòu)中，還有一種微小的顆粒，可以起到應(yīng)力反應(yīng)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(yīng)力-時(shí)間測(cè)試圖
2.2 阻燃性能
按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2408—1996《塑料燃燒 性能試驗(yàn)方法水平法和垂直法》 進(jìn)行測(cè)試，要 求防護(hù)服具材料達(dá)到燃燒性能標(biāo)準(zhǔn)(表2)中的FV-2級(jí)。
根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)(表3)，該材料的阻燃等級(jí)超 出了FV-2標(biāo)準(zhǔn)的范圍，不符合作為防暴材料的要求。
2.3 防刺性能
防護(hù)服具除要求具有良好的抗沖擊性能，同時(shí)可防止歹徒持違規(guī)物品等尖銳物品對(duì)警務(wù)人員進(jìn) 行身體傷害，因此，防護(hù)服具還要求有優(yōu)良的防 刺性能[1][3]。
采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)道具(圖 5)對(duì)試樣共刺三點(diǎn)， 刺入角為0°，刺穿動(dòng)能20J，結(jié)果為全部刺穿，表明該慢回彈低頻阻尼材料的防刺性能達(dá)不到防護(hù)服具的要求。
圖5標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)刀具示意圖
3 結(jié)論
本文對(duì)SAS-TEC公司的慢回彈低頻阻尼材料進(jìn)行了深入解析，確定其為發(fā)泡聚氨酯材料。對(duì)該公司的的慢回彈低頻阻尼材料樣品進(jìn)行了力學(xué)、抗 沖擊、防刺、阻燃等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明，該材料的抗沖擊性能優(yōu)異，可滿足防護(hù)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(hù)服具材料的軟肋。若在其外面另加上一層防刺層則會(huì)增加防護(hù)服的重量，且比目前國(guó)內(nèi)大幅使用的硬質(zhì)防護(hù)服材質(zhì)還要堅(jiān)硬。 但是該材料在運(yùn)動(dòng)防護(hù)領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用，而且因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能，產(chǎn)品附加值很高，有望在運(yùn)動(dòng)防護(hù)領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1]中華人民共和國(guó)公安部.防刺服：GA68—2019[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2019：2.
