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单兵战场防护用纤维制品的发展现状与展望

归档日期:07-12       文本归类:防护能力      文章编辑:爱尚语录

  《棉纺织技术》2019年6月(第47卷,总第572期)火热发售中,欢迎订阅。

  探讨单兵战场防护用纤维制品的技术现状和发展趋势。介绍了单兵战场防护用纤维制品的分类,着重分析了作训服、阻燃服和电磁防护服的发展现状、存在的问题,并指明了发展研究方向。认为:单兵战场防护用纤维制品的发展呈系列化、高防护化、轻量化、智能化、舒适化、系统化的整体发展方向。

  单兵战场防护装备是指军人个体使用的,在战场上用来保护个人生命安全健康、发挥战士战术技术水平的装备品。虽然称为战场防护装备,实际上也同样使用于单兵的训练场合及执行非战争军事行动的场合。一方面单兵负载着防护装备进行跋山涉水、擒拿格斗、射击爆破、隐蔽潜伏等军事行动及其他非军事行动;另一方面防护装备需要适应不同季节、不同环境、不同作战样式。因此,单兵战场防护装备应该是轻质、高强、柔软、可携带、可变形、可对环境与人体间的能量透通和物质透通有一定的阻隔效果,具体表现为防冲、隔热、透气、透湿等特性。而能兼具以上性能的材料,只有纤维制品能够胜任。这就是纤维制品作为单兵战场防护装备基本原材料的特点和优势。

  军用纤维制品包括军服、服饰、装具、生活用品以及群体和武器装备用纤维制品。单兵战场防护用品是采用纤维及其他材料,通过结构设计,对力学冲击能、热能、电能、光能、化学能和物质(包括核、生、化、空气、水气等)起到尽可能合理而有效的阻隔状态,给单兵提供保护生命安全、发挥战术技术水平、降低生理负担的最后一道防线。在战场上、训练场上和在执行各种勤务时起到对单兵人体防护作用的纤维制品包括作训服和普通工作服、特殊环境防护服、弹道防护用纤维制品、高温燃烧防护服、有害物质或能量的防护服。

  作训服和普通工作服是指对一般脏污环境和磕碰、钩挂、摩擦、磨损等一般性机械损伤起到防护作用的纤维制品。特殊环境防护服包括防高温工作服、防高寒工作服、高空低气压、缺氧和大过载飞行的工作服、防蚊服、救生衣、航母甲板识别服等。弹道防护用纤维制品包括防弹防爆装备、防刺防砍装备和炮兵防震背心。高温燃烧防护服包括阻燃作战服、损管防护服等。有害物质或能量防护服包括核生化防护服、防微波服、强磁防护服、防静电工作服、防酸工作服、核潜艇核沾染防护服和推进剂防护服。

  作训服是军人作战、训练、劳动和执行其他勤务时穿着的制式服装,起到在脏污环境和容易发生磕 碰摩擦的环 境下对单兵一般性的保护作用。作训服按使用季节分夏作训服和冬作训服,但实际上夏作训服使用于春、夏、秋三季,使用最为频繁,需要良好的透气性、透湿性和较低的热阻;冬作训服则需要有良好的防风性,以便与内层保暖服装相结合实现良好的保暖效果。作训服的防护功能是建立在面料的高强性能基础上的。作训服面料不宜采用对位芳纶、超高分子量聚乙烯等高价位的高强纤维,也不宜大量使用高强涤纶、高强锦纶等热塑性纤维,以免接触高温火焰时发生熔融滴落导致烫伤,故国内外军队作训服所采用的纤维面料为锦纶棉、涤棉混纺等,也采用经处理的纯棉或纯化纤织物。因美国的锦纶资源比较丰富发达,多采用锦纶棉混纺织物作训服面料,但锦纶存在不耐晒的问题,使用寿命较短,对于锦纶资源欠缺的国家,多采用涤棉混纺织物。

  我军作训服面料经历了 87 式即涤/棉 65 / 35平纹布,后续的网格化增强改良、07 式即涤/棉/维纶 60 / 20 / 20 两上一下斜纹布及最近武警配发的新夏迷彩作训服高支高强化的发展过程。其中 07 式作训服面料在研发和采用高强耐磨维纶增强后,作训服面料的强度和耐磨性能有大幅度的提高,经纬向强度由 87 式的 1050×750N 、耐磨次数 125 次,提高到 07 式的 1400×900N 、耐磨次数 900 次,解决了部队作训服按标准配发后不耐穿的问题。尽管采用了粗纱号、低密度的设计思路,有不亚于 87 式的透气性和透湿性,但07 式的单位面积质量比较高,且使用中强度有盈余,特别是海军等没有摸爬滚打动作的军兵种,战士退出现役时作训服依然崭新无磨损。因此为减薄作训服面料提供了可能。

  2016 年武警部队作训服通过进一步提高高强耐磨维纶的原料聚合度来提高强度、通过改变纺纱方法降低维纶在纱中的滑移率来提高纱线强度;并通过降低纱线细度、改变染整加工方式,使作训服面料在保持配比不变的前提下,单位面积质量达到 193g / m² ,比07 式夏作训服减轻15g/m² ,而经向强度达到 1600N 以上,透气性也有近成倍的增加。

  高强耐磨维纶强度高、耐磨性好、可染色、耐候性好。相比于锦纶、涤纶、棉、麻等其他纤维具有良好的性价比,是用于作训服面料的理想纤维材料。而美国军队常用的锦纶纤维日晒后强度容易降低且价格高,并且对于耐温性好的 PA66 ,国内尚无生产其中间体已二腈的能力。故从技术角度看,在纺纱和染整过程中充分发挥高强耐磨维纶的力学性能,将使高强耐磨维纶成为作训服、乃至一般工装的重要增强元素。

  我国武装力量中装备阻燃服装的战斗群体尚属少数,除战斗机飞行服、火箭军作战服、航母甲板识别服、武警特战服和救援服等部分群体人员外,绝大多数单兵使用的作训服不具有阻燃功能。因此,阻燃作战服已成为亟待研发的重要单兵防护用纤维制品。

  阻燃面料可由普通纺织品经阻燃整理制得或由阻燃纤维经纺织染整加工制得。普通纺织纤维及其织物采用阻燃整理的方法将阻燃剂施加于面料,从而可将普通面料制成阻燃面料。但由此制得的阻燃面料普遍存在强度低,特别是撕裂强度低、手感发硬、阻燃效果不耐洗涤的问题。

  人造纤维在纺丝加工中通过接枝共聚、嵌段共聚或共混添加各种阻燃剂,包括卤系、磷系、氮系、硅系、硼系阻燃剂及其复配物,可实现纤维的阻燃化。如果在阻燃剂配方设计中形成多元素协同效应,可显著提高其阻燃性能。但改性阻燃纤维以普通人造纤维为基础材料,耐温性差、强度较低,例如阻燃粘胶纤维燃烧时有烟且烟雾有毒;对于热塑性纤维改性制得的阻燃涤纶、阻燃锦纶等纤维还存在遇热熔融滴落问题,易造成使用者皮肤烫伤。因此,改性阻燃纤维尚不能成为阻燃面料的主要原材料,但其价格较低、可以染色的特点使其为生产军用迷彩阻燃面料提供便利条件。

  间位芳纶 PMIA 、芳砜纶 PSA 、聚芳噁二唑POD 纤维、聚酰亚胺 PI 纤维、聚芳酯纤维 Vectra 、聚酰胺 灢 酰亚胺纤维 Kermel 、聚醚醚酮纤维PEEK 、聚对苯撑苯并二噁唑 PBO 纤维等本质阻燃纤维具有最优秀的阻燃和耐高温性能。但有的品种国内尚未能工业化生产,例如 PBO 、 PEEK 、Kermel 和 Vectra ,有 的 品 种 价 格 极 高,例 如PBO 、 PEEK 、 PI 不适合应用于纺织品。我国目前已工业化生产且价格适合纺织品使用的本质阻燃纤维主要有间位芳纶、芳砜纶和 POD 纤维。但这些纤维手感偏硬、舒适性差,不能染色或遇紫外光变色强度降低,其价格通常比改性阻燃纤维贵一倍左右。因此,从目前适合纺织品使用阻燃纤维的性能和价格看,国内外均未出现兼具阻燃性、强度、染色性、舒适性、防熔滴、且低成本特性的阻燃纤维,故不可能由单一阻燃纤维制得理想的阻燃作战服面料。

  某典型品牌采用 93% 间位芳纶、 5% 对位芳纶和 2% 导电纤维混纺而成阻燃纤维,应用广泛。其中对位芳纶强度远高于间位芳纶,是典型的防弹材料用纤维,但其断裂伸长率极低,故织物受力时对位芳纶容易首先张紧断裂,影响了受力的均匀性和断裂同时性,从而在对位芳纶含量较低时会导致整体降强。某军警阻燃面料研制中添加5% 的对位芳纶,结果导致织物强度降低 17% 。这一配方无法染色,只能采用更加昂贵的原液着色方法制成原色纤维。染色性差的纤维通常舒适性也差且手感较硬。某些品牌的间位芳纶还存在阴燃时间过长的问题,导致面料的阴燃指标超出我国阻燃防护服标准的 A 级要求。另一种国际上典型的阻燃面料是由 Kermel 纤维和兰精阻燃粘胶以 50 ︰ 50 左右的比例混纺而成的,在欧洲得到普遍采用。由于 Kermel 纤维不可染色,故也只适合于生产单色织物。Kermel 的价格与间位芳纶相当甚至更贵;奥地利兰精公司生产的阻燃粘胶强度可比国产阻燃粘胶高 0.4cN / dtex~0.7cN / dtex ,但价格为国产阻燃粘胶的近一倍。故这一配方在强度和经济性方面没有优势。美军曾采用 60% 阻燃粘胶、25% 对位芳纶和 15% 锦纶的混纺比制造阻燃作战服面料并装备驻伊拉克士兵。因对位芳纶的断裂伸长太小且添加量相对有限,故在使用中普遍出现衣服大变形部位破裂的现象。事实上,采用耐光性能较差的对位芳纶和锦纶作为作训服面料,本身就存在设计缺陷。国内厂矿除采用芳纶体系外,还使用腈氯纶棉混纺制备染色或印花阻燃面料,强度较低,且烟雾有毒,但价格比较便宜。整理型阻燃面料,多应用于厂矿企业或宾馆等公共场所的阻燃纺织品。

  2012 年以来,武警特战服和武警救援服采用国产的芳纶、高强阻燃维纶、聚芳噁二唑纤维等多种纤维混配研制,并成功装备了一系列阻燃性能达到我国国标 GB8965.1 — 2009 《防护服装阻燃防护》之 A 级水平、性价比较高的阻燃面料,已经应用于武警特战服和救援服、原济南军区赴苏丹救援部队,以及企业的阻燃工作服。武警阻燃特战服面料的强度标准值:经纬纱断裂强度900N×700N ;耐平磨次数大于 900 次;透气率大于 80mm/s ;透湿量大于 9000g /(m²·d );电荷面密度小于 2.5 μC /m² ;续燃时间 0s 、阴燃时间 0s 、损毁长度小于 50mm ,燃烧状态为碳化,无熔融滴落。甲醛含量和pH值满足 GB18401 —2010 《国家纺织产品基本安全技术规范》 B 类要求。

  采用多种阻燃纤维混配形成协同效应,较好兼顾了阻燃面料的强度、阻燃性、防熔融滴落、迷彩印花效果、亲水性、舒适性及低成本要求,从技术和市场角度看,是阻燃面料的未来发展方向。

  现有的电磁屏蔽材料采用金属导电层反射和吸波层吸收的方法对电磁波实现屏蔽。通常会因反射层导致敌方雷达容易侦察到被屏蔽装备的位置;吸波方式实现屏蔽时需要厚重的吸波体方可达到较高的屏蔽效能,导致屏蔽体笨重;且在屏蔽敌方电磁信号的同时也造成我方电磁信号中断;目前国内外尚未出现大面积拦截电磁信号的军用或民用装备。

  在单兵防护方面,高屏蔽效能的电磁辐射防护服需要制成全身密闭的结构形式,导致使用者热负荷大,穿用时间稍长就难以忍受,影响战术技术水平的发挥,并且全频段无差别屏蔽,将导致我方通信失效,不利于战斗员与指挥部及战斗员之间的联络。

  根据频率选择表面即 FSS 理论,周期结构表面即重复结构单元沿一维或二维方向周期排列所形成的列阵表面对电磁波具有带通或带阻、高通或低通特性,而重复结构单元包括十字、 Y形等中心连接型单元,圆环、方环、六边形环等环形单元,方块、圆形等实心单元,以及由上述各类单元组合而成的组合单元。在导体平面上开孔形成上述周期排列的重复单元、或在介质平面上黏贴导电单元或电阻单元,可以根据材质的搭配、形状尺寸的设计,使该表面实现电磁波的选择性透通。这种基于纺织品的频率选择表面不难实现,例如对有孔织物金属化处理、织物局部电镀或溅射、导电长丝用电脑绣花以及采用涂层方法在织物上形成导电单元或电阻单元列阵等,具有质轻、柔软、带通频率可设计等优点。采用这种方法制备的电磁屏蔽帐篷,可让特定频率的通信信号顺畅通过,而对其他频率的电磁波均实施截止;同时采用这种方法制成的电磁屏蔽服装,也有利于利用非封闭孔道提高透湿透气性能,降低单兵的热负荷,提高战斗力。

  针对未来武器发展趋势,一种重要的战场攻击模式即电磁脉冲的攻击方式,急需研发一种新型单兵防护装备。即电磁武器瞬间产生强电磁场,除了对微电子设备产生瞬间损伤,导致设备瘫痪外,这种电磁脉冲也对单兵产生伤害。这种宽频强脉冲电磁场的进攻方式对人体的损伤机理尚在研究之中,防护方法除了传统的反射、吸收外,研究者还在寻求其他新的屏蔽途径。

  单兵战场防护用纤维制品的发展呈系列化、高防护化、轻量化、智能化、舒适化、系统化的整体发展方向。

  系列化。战场防护用特种纺织品,应按照作战环境和气候条件,形成诸如热区、寒区、沙漠、丛林等区域作战防护服装;按照军兵种作业特点形成海勤、空勤、地勤等系列防护装备。

  高防护化。在未来高技术局部战争中,作为作战主体的士兵,将面临大规模杀伤性武器、高精度打击武器、先进侦察器材、极端气候条件、复杂地理环境、各种致病载体等多重战场伤害。单兵战场防护用纤维制品应该能提供全面、均衡、多样的防护能力。

  轻量化。现代战争突发性强,保持部队旺盛的体力,是具备快速反应能力和连续作战能力,夺取未来高技术局部战争胜利的重要因素,减轻单兵负荷量是实现这一要素的重要途径。积极式保暖服装、多功能服装一服多用、改进军服层次配套是轻量化的有效措施。

  智能化。作为身处数字化战场的士兵,军服还必须为士兵提供信息处理与通信指挥能力,使士兵在未来战场上看得更清、听得更远、打得更准。智能军服已成为当今军服研究的热点与亮点,是未来军服必然发展趋势。例如使军服兼具通信能力、环境感知能力、色彩和保暖量自动调节能力、着装者生理指标检测和发送能力等。

  舒适化。军服的舒适性主要体现在减轻负荷、冷热适宜、衣内微气候调节、保健卫生功能等方面。为实现军用纺织品的舒适化,应从采用新型轻质材料、改善军服的结构设计、使用调温纤维、高吸水合成纤维、防水透湿透气织物等入手,提高军服的功效性能。

  系统化。军用纺织品除了自身配套的系统化之外,还必须与后勤装备合理配套,与作战武器装备合理配套,将单兵战场防护用纤维制品有机纳入 “士兵系统”的整体中,去除冗余,发挥功效、提高技战术水平。

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