氨基酸的取向(芳纶UD研究进展)

氨基酸的取向

芳纶UD研究进展

1前言

从冷兵器时代的铠甲到现代兼具防弹、防刺功能的软质防弹衣，从抵御近身攻击的防弹盾牌到可远距离作战的防弹车，防弹材料的蓬勃发展为作战者提供了有力的安全保障。传统防弹材料多为金属板和陶瓷板，质量负担较大，制约了穿戴者战术战略的有效发挥。而高性能防弹纤维的出现解决了这一问题，以其制成的防弹材料质轻、柔韧性好、防护效果佳，开启了防弹材料新的发展时代。

近年来，各国用高性能纤维材料开发出了各种软式、软硬复合式防弹衣和防弹头盔。可用于防弹材料的纤维种类较多，包括碳纤维、芳纶、芳香族杂环类纤维、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）、玻璃纤维五大类及近年来出现的人造蜘蛛丝（一种氨基酸类的高度取向纤维）。其中，芳纶纤维的比强度是钢的5~6 倍，模量是钢丝和玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而密度仅为钢丝的1/5 左右，综合性能优良、成为产量最大、应用最广的高性能纤维之一。同时，芳纶以其超高强度、高模量、耐高温、耐酸碱等优异性能，与UHMWPE共同成为弹道防护装备最常用两种纤维。

近年来，芳纶的成型技术及其防弹材料的制备工艺都取得了重大突破，促进了防弹产品轻量化、舒适化和高性能化目标的实现。芳纶织物常见结构包括芳纶无纬布、单向布及平纹布等。杨小兵等对不同织物结构的芳纶层压板进行了抗弹性能试验，结果表明，与平纹布和穿刺无纬布相比，无纬布具有更好的抗弹性能。A.R. Othman等通过研究无纬布与机织布的能量消耗和弹丸捕获能力，对比了芳纶织物结构对弹道性能的影响。结果表明，芳纶UD结构具有较高的能量分散性能和较少的弹丸穿透层数，其五层织物中，可消耗冲击能量高达17%。此外，大量研究已证实，芳纶无纬布抗弹性能明显优于其他的织物形式。这是由于无纬布在制造过程中，纤维已被充分展开并以胶粘剂粘接，且纤维间五相互交错点，受到弹击时，有利于能量迅速扩展，发挥协同效应，因而可在较大面积上吸收能量。

2芳纶无纬布的发展现状

2.1制备工艺成熟化

无纬布又称UD布,是将纤维单向平行排列后以胶粘剂粘结而制成的预浸料。芳纶无纬布的具体制备工艺如下：将芳纶纤维经浸胶后通过特定的展丝设备进行展丝，并平行排布于缠绕机上缠绕成型，加热干燥后，将布样旋转90°，用同样的方法将纤维丝与布样进行正交复合，即可得到两层交错的芳纶无纬布。

为了不断优化芳纶无纬布制备技术，提高防弹性能，国内外学者进行了大量研究与探索。杨小兵等[4]通过合理控制缠绕过程中张力大小，优化制备工艺，制得纤维排列均匀的芳纶无纬布。并通过实弹测试进一步研究了芳纶无纬布层压板的抗弹机理，及面密度对其防弹性能的影响。研究结果表明较低面密度无纬布的层压板抗弹性能也较好。方心灵等采用不同表面处理剂处理芳纶无纬布后对比了研究了处理前后的面密度、表面光滑柔软性能、厚度、防水性能以及防弹性能。结果表明，经过某特定处理剂表面处理后，芳纶无纬布不仅实现了防水功能，且其防弹性能没有下降。当含量为 4％~5％时，无纬布的防弹性能最优。吴中伟等通过单因素实验设计的方法，添加不同含量的压敏胶粘剂及相应助剂， 研究了二次上胶及成型技术，制备了一种新型防凹陷芳纶无纬布。并通过结构设计、压制工艺的优化，利用该防凹陷材料制备了一种轻薄、穿着舒适的防弹衣产品。可达到NIJ ⅢA 级要求，且面密度更低，产品重量降低了20%以上，厚度减少至5.5mm，满足轻量化与舒适化发展需求。由于片状无纬布受辊筒尺寸的制约，生产效率较低。刘元坤等[11]开发出了一种连续生产模式，即设定幅宽后，可连续生产任意长度的无纬布。并通过探究丝束退绕张力、胶粘剂配方、层压复合温度、压力及运行速度等关键工艺条件对卷状芳纶无纬布表观质量与防弹性能的影响，摸索出一套生产高品质的卷状芳纶无纬布的工艺，实现了高效化生产。

2.2纤维技术国产化

目前多数芳纶无纬布产品均使用进口对位芳纶纤维，即芳纶Ⅱ，全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，最早由美国DuPont公司研制，商品名Kevlar?，于1972年实现工业化生产并进入市场。目前产能主要集中在美国、日本、欧洲，如美国DuPont公司的Kevlar 纤维，日本Teijin 公司的Technora 纤维以及荷兰AkzoNobel 公司( 已被Teijin 合并) 的Twaron 纤维，俄罗斯的Terlon 纤维等，2005年，韩国可隆公司实现对位芳纶的产业化。我国从20世纪80年代开始，先后进行多次中试研究，目前国内多家企业已经建立对位芳纶生产线，主要企业有烟台泰和新材( 氨纶) 、中蓝晨光化工、江苏兆达特纤科技有限公司、河北硅谷化工、中石化仪征化纤、广东彩艳股份有限公司等，建设规模也在不断扩大。

除对位芳纶外，在全球实现了商业化生产的还有间位芳纶和杂环芳纶。间位芳纶的品种有Nomex、Conex、Fenelon 纤维等。杂环芳纶产品目前只有俄罗斯和中国拥有，俄罗斯杂环芳纶主要有Armos、SVM 、Rusar等，其最先进的RusarNT纤维达到7.0GPa以上，性能超过T1000G纤维，是目前国际上性能最佳的芳纶纤维。据报道其纤维制备的防弹产品1kg/㎡低于9mm子弹的枪击。

国产芳纶Ⅲ类似于俄罗斯的Armos纤维，是一种三元共聚杂环芳香族聚酰胺纤维，是由我国四川省中蓝晨光化工研究院、内蒙46所等开发的，目前已基本实现了工业化规模生产。以其制备的芳纶无纬布产品也表现出了优异的防弹性能。刘克杰等采用晨光院Staramid F358纤维（国产芳纶Ⅲ）与日本TeiJin公司纤维Twaron2000（进口芳纶Ⅱ），分别制备成芳纶无纬布，再与一层防凹陷板和一层泡沫组合制成防弹靶板。通过弹道试验，测试和比较了芳纶Ⅲ与芳纶Ⅱ无纬布制造靶板的防弹能力。结果表明，芳纶Ⅲ防弹性能相比芳纶Ⅱ提高了近30%。进一步研究证实芳纶Ⅲ具有更高的拉伸强度和断裂伸长率是其抗弹性能更优的主要原因，并预测其防弹性能还有提升的空间。

2.3 防弹制品结构多样化

芳纶无纬布层压板可用于防弹衣、防弹板、防弹头盔、防弹复合装甲等多种防弹制品，根据抗弹性能的不同要求，出现了无纬布单一结构、无纬布与其他织物或材料复合结构等多种结构形式。

Teijin Aramid使用智能单向（UD）技术制备了一种新型单向层压板Twaron UD22，由两层 Twaron纱组成，以 0°/90°的配置排列。将每层纤维平行对齐且单独建造在一个树脂基体中，并使用热塑薄膜覆盖在两个单向层的顶部和底部，以提高抗磨损性。Twaron UD22已通过一系列的应力和防弹性能试验证实，符合 NIJ 0101.06的要求，可用于柔软的人体防弹衣。传统的防弹盾牌多采用PE材料或芳纶织物混合结构。吴中伟等采用多层芳纶无纬布热压成型制备了一种新型的芳纶防弹盾牌产品。克服了传统PE材料防弹盾牌耐温性较差而导致的应用领域受限的缺陷，改变了芳纶机织布后预浸后热压成型的芳纶防弹盾牌市场价格昂贵的局面。

对于防弹要求更高的场所，则需要增加金属材料组成复合结构。研究证明将芳纶无纬布层压板作为背板,与装甲钢复合后,可使其抗弹性能大幅提高。美国曾采用Kelvlar纤维层压板与陶瓷或钢板复合结构, 用于坦克装甲。在民用方面, 美国用高强度纤维与钢板或陶瓷复合, 作为MTC防弹运钞车防弹板。沈峰以改性丁苯橡胶为基体, 以芳纶织物及无纬布为增强材料, 制备了芳纶防弹板，并通过研究基体材料、纤维编织方式等因素对防弹板抗弹性能的影响，分析讨论防弹板抗弹极限速度(V50)与面密度之间的关系及机理, 得出V50和面密度的表达式，并制备出质轻、抗弹性能良好、适合各种车辆应用的防弹板。

但国内研制的民用防弹板仅能适用防弹级别低(主要防54式手枪弹)的场合，性能仍有待提高。国内外学者分别通过弹道冲击试验与有限元模拟等方法研究了战术头盔在弹丸冲击下的性能，对头盔性能及结构的改进与发展具有重要意义。郭振勤等通过将芳纶无纬布层与防水层、防火层和树脂层复合制备了一种用于防弹头盔的复合材料，并研究确定了各组分最佳含量，从而提高防弹头盔的防火、防水性能、抗击穿性能，同时可满足舒适性要求。

2.4 功能集成化

早期的芳纶无纬布产品仅具备防弹功能，随着研究的深入，通过胶黏剂技术的革新及添加其他组分等形式，使新一代芳纶无纬布产品具备了更多的功能。

方心灵等发明的多角度防弹防刺无纬布，是由多层单向纤维预浸料以不同角度复合而成的，单向纤维预浸料之间采用胶粘剂或胶膜粘合并经压制成型后制成。该材料可同时具备防御枪弹攻击与刀剑穿刺的功能。许冬梅等通过研究芳纶无纬布的新型处理工艺，处理形成了结构单一的芳纶压板布，并以其制成了双防服，将防弹与防刺功能合二为一，在单一的结构与材料上实现了综合防护效能。测试对比了此双防服与其他样品的防弹、防刺及柔软性，结果表明， 由该结构芳纶无纬布制备的双防服， 防弹、防刺安全裕度分别可达58%与13%，防弹防刺性能优异。周厚勇[28]以芳纶无纬布为防弹层，配合使用闭孔型泡沫塑料作为漂浮材料、尼龙织物涂层片为动能分散材料层、PE 发泡海绵作为缓冲材料层，制备了一种救生防弹衣，不仅能够抵御子弹冲击，还具备水中救生功能。

继英国、美国和波兰之后，我国中物功能材料研究院也成功研制出液体防弹材料(STF)。正常情况下，该材料与其他液体一样柔软、可变形，当遇到外力冲击时，瞬间变成一种硬质材料，以阻止子弹穿过，从而实现防弹、防刺、减震等功能。将凯夫拉纤维浸泡在稀释后的STF中，并加热使酒精蒸发掉，此过程使STF 完全渗透到凯夫拉纤维中，而纤维也将固定住这种饱含粒子的特殊液体。当外来弹片冲击凯夫拉纤维时，液体会瞬间变硬，使纤维更加紧密，硬度持续很短的时间后液体又会恢复柔软。另一种情况，可以加固凯夫拉防弹衣的材料是磁流变液体（MRF），即充满铁粒子的油状物。一般情况下，表面活性剂环绕着粒子使其处于悬浮状态。遇到磁场干预后，粒子自动排成一列，使液体瞬间变得紧密浓稠。因而，无电流流过时，防弹衣会很柔韧，打开开关后使电流在电线中流动时，则会产生一个磁场，使防弹衣立刻变得坚硬无比。将开关关闭磁场消失后，防弹衣又恢复柔韧 。

3研究意义

近年来，世界各地恐怖分子活动猖獗，反恐形势日益严峻，局部战争频繁爆发，各种形式的社会暴力犯罪事件不断增多，士兵、警察、各种从事安全保卫工作的特殊人员及普通民众的生命安全面临着日益严重的挑战，人体防护制品的需求量便随即大增。个体防护装备的研发和生产，一方面可显著提高作战性能，增强我军作战能力；另一方面，加强警察等执勤人员安全防护，有助于维护国家安定。作为防弹制品的主要原料之一，芳纶无纬布工艺技术的研究对个体防护产业的发展意义重大。

前几年由于PE的大规模生产和低价竞争，芳纶的需求数量在波动，2012年之后，由于芳纶材料的价格与PE材料的价格差距已经缩小，芳纶的性价比得到凸显，芳纶的需求增速加大。据不完全统计，2011年，全球用于安全防护领域的芳纶防弹材料约7000吨，其中芳纶无纬布的实际需求约2400吨。预计2018年，全球芳纶防弹材料的需求将达到13500吨以上，其中芳纶UD布的需求达到6600吨以上，国内芳纶UD布将超过800吨。全球对芳纶防弹材料的需求呈增长态势，芳纶防弹材料已进入快速发展期。

4结语

由于芳纶无纬布防护制品越来越多地用于国防事业，因而持续研究最新技术，不断提高产品的质量与产量已迫在眉睫。

笔者认为，芳纶无纬布技术研究主要需要从以下三方面进行。

首先要重视基础研究，国内应注重芳纶纤维制备技术。提高国产对位芳纶技术，使其防弹性能比肩国外产品，并实现规模化生产。此外，鉴于前述芳纶Ⅲ防弹性能优于芳纶Ⅱ的研究，应更加注重芳纶Ⅲ产品复合材料综合性能的研究，实现以其制作高端防弹材料的目标，满足军警领域对于轻量化、舒适化、便携化的需求。

第二，掌握核心技术，持续提高芳纶无纬布性价比。防护产品质量事关生命，因而研究无纬布的关键过程控制、质量控制、产品的可靠性至关重要。其次，连续化生产设备成本高，一次性投资大，大多数公司或者企业仍然采用的是非连续生产模式的方法制备芳纶无纬布。因此，研究连续化生产工艺，在保证防弹能力不降低的前提下，提高产能及产品的性价比是未来研究的重点。

第三，注重多功能性研究。随着科技的发展，各国对于个体防护产品的需求不仅限于保护穿戴者生命安全，而是越来越重视其舒适性与功能性。尤其是轻量化、多功能产品，不仅减少人员的负荷，同时能够提高作战人员作战效率，因此，需要不断研究最新技术，如仿生技术、纳米技术、电子信息技术等以增加防弹产品的附加功能，实现防弹产品多功能化目标。

芳纶UD研究进展