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新型纤维在军事防护服装领域的应用

2016-03-17   浏览次数:12812

摘要:

在现代国防军事领域中,对防护服装的要求不再是单纯的抵御气候变化的影响,在防弹防刺、防电磁辐射、调节温度、抗菌除臭等方面都有了更高的要求。而随着纺织科技的发展,各国研制出了大量高性能新型纤维,以适应这些需求。本文介绍了其中几种可广泛应用于军事防护服装领域的新型纤维及其性能特征。

关键词:新型纤维;军事;防护服装

1 引言

“受世界金融危机的影响,全球化纤的生产量首次出现了自1982年以来的负增长,但我们要看到,世界高性能纤维的不断创新却为化纤业的发展带来了勃勃生机。”这是在第十五届中国国际化纤会议创新与升级分论坛上传出的声音。在各行各业普遍遭受金融危机影响时,世界主要高性能纤维生产厂家却靠技术创新提高生产效率、降低成本和开发新品种,需求增长势头基本保持在两位数。

大量具有高性能的新型纤维的诞生,不仅满足了服用纺织品对纤维性能的要求,同时也在产业用纺织品领域作出了巨大贡献。

2 纺织科技在军事领域中的应用

纺织军事工业是为军事工业和部队武器装备配套的纺织工业,简称纺织军工,属于产业用纺织品的一部分。在为军工配套的半个多世纪的发展中,我国纺织军工走过了由仿制到研制和自主开发的过程,为国防建设作出了重大贡献。不论是上世纪60年代“两弹一星”的上天,还是当今的卫星发射成功,纺织业已经形成了管理严格有100多家企事业单位组成的纺织军工配套科研生产制造体系,军需纺织品涉及绸、布、绳、带、线、化纤、特种防护材料和碳\碳复合材料等众多领域。

伊拉克战争给特种纺织品提出的更高要求就是,面料和服装要加快功能性的延伸性,要保证部队的作战力和士兵的生存能力,要及时追踪国防装备前沿动态,不断根据部队作战的要求开发出适合部队需要的多种产品,为国防发展提供更多的保障,是产业用纺织品行业义不容辞的责任。

随着以人为本、提高自我防护理念的日益深入人心,个体防护装备的研制和开发也正在快速发展,新技术、新材料在防护装备上的应用愈来愈多。

3 纺织品应用在军事防护服装领域中所需具有的性能

以前,军用作战服主要是为士兵抵御风、雪、雨、严寒、酷暑等恶劣天气的影响,现在的作战服,除了具有美观、防寒御冷、调温、调湿、调气等特点,以保证人员在各种气候条件下作战以外,还要具有防火、防弹、防侦视、伪装性能以及最大限度地抵御常规战争及核、生物和化学战争危险的性能[1]

现代高技术战场中的新型常规武器、核生化武器和新概念武器给士兵带来的伤害日益严重。此外高温、高湿、低温、低气压、强紫外线、风霜雨雪、蚊叮虫咬、致病细菌真菌沾染等环境因素也对军人构成威胁。战场防护服装是军人与各种伤害因素之间的最后一道防线。除了防弹衣、防化服、导弹推进剂防护服、核生化沾染防护服、防酸防碱工作服等特种专用防护服装之外,通用战场防护服装和通用工作服也应具备阻燃、迷彩伪装、防静电、防电磁辐射、抗油拒水、防水透湿、防紫外线、耐脏防污、抗菌防臭、极端环境防护等防护效能或者根据具体的使用岗位兼具几种必要的功能[2-3]

4 几种可应用于军事领域的新型纤维

4.1 芳纶

芳纶作为一种新型的高性能纤维,其杰出的物理化学性能越来越受到重视,随着中国环保和劳保政策的推进,芳纶在许多行业有着广阔的应用前景。高性能芳纶纤维是一种高强度、高模量、低密度和耐磨性好的高科技纤维,它是第一个高价值且至今仍在大量生产和使用的高性能纤维品种。

芳纶1414外观呈金黄色,貌似闪亮的金属丝线,实际上是由刚性长分子构成的液晶态聚合物。由于其分子链沿长度方向高度取向,并且具有极强的链间结合力,从而赋予纤维空前的高强度、高模量和耐高温特性、耐酸耐碱、重量轻等优良性能。芳纶1414的强度是优质钢材的5至6倍,模量是钢材或玻璃纤维的2至3倍,韧性是钢材的2倍,而重量仅为钢材的1/2。芳纶1414的连续使用温度范围极宽,在—196℃~204℃范围内可长期正常运行。

在150℃下的收缩率为0,在560℃的高温下不分解、不熔化,其耐热性更胜间位芳纶一筹,且具有良好的绝缘性和抗腐蚀性,生命周期很长,因而赢得“合成钢丝”的美誉。芳纶的问世被认为是材料界发展的一个重要里程碑。

芳纶首先被应用于国防军工等尖端领域。为适应现代战争及反恐的需要,美、俄、英、德、法、以、意等许多国家军警的防弹衣、防弹头盔、防刺防割服、排爆服、高强度降落伞、防弹车体、装甲板等均大量采用了芳纶[4-5]

4.2 高性能超高强聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯纤维,又称高强高模聚乙烯纤维,是目前世界上比强度和比模量最高的纤维,其分子量在100万~500万的聚乙烯所纺出的纤维。当今世界三大高性能纤维是:芳纶、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维,芳纶纤维的比强度和比模量是钢铁的10倍,而超高分子量聚乙烯纤维的强度又高出芳纶纤维1.5倍左右。

4.2.1 特殊性能

1.高比强度,高比模量。比强度是同等截面钢丝的10多倍,比模量仅次于特级碳纤维。

2.纤维密度低,密度是0.97g/cm3,可浮于水面。

3.断裂伸长低、断裂功大,具有很强的吸收能量的能力,因而具有突出的抗冲击性和抗切割性。

4.抗紫外线辐射,防中子和γ射线,比能量吸收高、介电常数低、电磁波透射率高。

5.耐化学腐蚀、耐磨性、有较长的挠曲寿命。

4.2.2 应用

超高分子量聚乙烯纤维具有众多的优异特性,在现代化战争和航空、航天、海域防御装备等领域发挥着举足轻重的作用。由于该纤维的耐冲击性能好,比能量吸收大,在军事上可以制成防护衣料、头盔、防弹材料,如直升机等的装甲防护板、防弹衣、防刺衣等,其中以防弹衣的应用最为引人注目。它具有轻柔的优点,防弹效果优于芳纶,现已成为占领美国防弹背心市场的主要纤维。国外用该纤维增强的树脂复合材料制成的防弹防暴头盔已成为钢盔和芳纶增强的复合材料头盔的替代品[6]

4.3 碳纤维

碳纤维是含碳量90%以上的纤维状碳材料。它具有高比强度(抗拉强度/密度)、高比模量(弹性模量/密度)、耐高温和低温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、热膨胀系数为很小的负数等一系列的优异性能,既可作为结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用。由于碳纤维的强度比钢大,相对密度比铝还轻,并且具有上述电学、热学和力学性能,在现代科学技术、现代工业和现代国防的发展中起着重要作用。

4.3.1 应用于防弹防刺

剑桥大学研究人员研制出一种新型碳纤维,可织成用于军事和执法方面配备的超级防弹背心。研究人员称,他们的这种新材料比目前用来制造防弹背心的纤维更强,更结实。这种很轻的纤维由数以千计的小碳纳米管组成,现在已经开始显示出令人兴奋的功能。

碳纳米管为空石墨圆柱体,只有一个原子厚度。新材料由剑桥大学材料科学和冶金系研制的。温德勒教授说:“这些纳米管纤维有多种性能,可织成布匹,或者合成化工材料制成超强产品。”对防弹背心而言,织物中纤维的强度是一项临界参数。应变造成的损坏,也就是说这种材料在损坏之前能扩展到什么程度是另一项临界参数。剑桥大学制成的这种纤维非常结实,重量轻,擅长在高速运行中吸收能量。

4.3.2 应用于防电磁辐射

碳纤维具有密度小(1.5g/cm3~1.8g/cm3),直径细(5μm~7μm),高强、高模,化学稳定性好等优点,普通的碳纤维可以借助特殊的工艺处理方法,通过改善碳纤维的电磁性能而使屏蔽效能得到提高。这些方法包括在碳纤维表面包覆金属、镀覆SiC、沉积石墨碳粒,以及将碳纤维原料与其他的成分混合制成复合碳纤维等,其中碳纤维表面沉积或镀覆碳粒或SiC膜是碳纤维电磁改性的常用方法。德国BASF公司曾研制成功一种表面镀有SiC的碳纤维,在电磁辐射频率为500MHz时,屏蔽效能可达48dB。日本崎阜大学元岛栖二教授等研制的螺旋碳纤维Carbon microcoil在较宽频段内有较高吸收率。国外曾报道过,通过一定的工艺,可将铁系金属粉末混入碳纤维、SiC纤维中制备复合材料。该复合材料可用于电磁屏蔽方面,而且其复合纤维质地柔软、强度高,可交织成各种复杂的形状[7]。

4.4 蛛丝纤维

蜘蛛丝是一种高分子蛋白纤维,具有其他纤维不可比拟的强度大、弹性好、柔软、质轻、抗断裂、耐紫外线等优点,并且可生物降解和回收,不会对环境造成污染,是生产绿色织物优异的纺织材料。蜘蛛丝优异的机械性能和特殊的理化性质已引起世界各国研究人员的关注。随着生物技术的发展,蜘蛛丝的开发生产取得了突破,使其在纺织、军事、航天航空、组织工程等领域有着广阔的应用前景。

蜘蛛丝是目前世界上最坚韧且具有弹性的纤维之一。蜘蛛丝人工生产的方法有三,一是蚕吐蜘蛛丝:此法利用转基因技术中“电穿孔”的方法,将蜘蛛“牵引丝”部分的基因注入只有半粒芝麻大的蚕卵中,使培育出的家蚕分泌出含有“牵引丝”蛋白的蜘蛛丝。二是牛羊乳蜘蛛丝:将能产生蜘蛛丝蛋白的合成基因移植给某些哺乳动物如山羊、奶牛等,从其所产生的乳液中提取一种特殊的蛋白质,可用来生产有“生物钢”之称的光纤,其性能类似于蜘蛛丝。三是微生物吐丝:此法是将蜘蛛丝基因转移到能在大培养容器里生长的细菌上,通过细菌发酵的方法来获得蜘蛛丝蛋白质,再把这种蛋白质从微孔中挤出,就可得到极细的丝线[8]。

由于蜘蛛丝不仅具备强度大、弹性好、柔软、质轻等优良性能,而且有目前的材料所不及的透气性,另外蜘蛛丝的超级伸长能力使它断裂时需要吸收更多的能量,理论上可以使射弹更有效地减速,使它用于防弹衣,会起到极好的消力作用,对破碎作用是一种很大的障碍,因此非常适合防弹衣的制造,也可以用于制造坦克和飞机的装甲,以及军事建筑物的“防弹衣”等。

蜘蛛丝的强度高、韧性大和一定的热稳定性,在极高温度下才会分解,可用于做降落伞布、降落伞索、降落伞绸,这种降落伞重量轻、防缠绕、展开力强大、抗风性能佳,坚牢耐用。蜘蛛丝还可用于织造太空服等高强度材料[9]

4.5 银纤维

银与人体健康有密切关系,很早以前祖先们就将银用于制作首饰、硬币和餐具,用银制品来保存水和食物以防腐烂变质。到了中世纪,人们常常用银箔敷裹伤口,预防溃烂。第一次世界大战时,人们用银线缝合伤口,以防止交叉感染。中国蒙古族牧民亦习惯用银壶盛放马奶而防止其变质。近年来利用现代科技人们将金属银应用于纺织物中,创造出银纤维及银纤维织物。银纤维作为一种高性能功能纤维,其独特的抗菌除臭、防电磁波辐射、抗静电、调节体温等功能受人瞩目,现已应用于保健服、内衣、家纺、医疗手术服、体育、部队装备等领域[10]

4.5.1 银纤维的性能特征

4.5.1.1 调节体温

银的热传导性在所有金属中最突出。假设银的热传导性为100,则金是53.2,铁是11.6,白金为8.2等。银纤维能迅速将皮肤上的温度传导散发,以降低体温,达到凉爽的感觉:在寒冷的天气里,人体毛细孔收缩不再大量排汗,转而发射辐射能来调节体温。体温流失均因辐射效应,而银是最有效的储存及反射材质,可将辐射能储存或反射回身体,以产生最佳的保暖效果。医疗保健借由“银”快速传导的特性,可促进血液循环,消除或显著减轻疲劳感。

4.5.1.2 抗菌除臭

细菌滋生会让身体产生臭味,而银纤维表面的银离子能非常迅速将阿摩尼亚及变质的蛋白质吸附其上而降低或消除臭味,达到防霉除臭。抗菌金属银杀菌的机理就是阻断细菌的生理过程。在温暖潮湿的环境里,银离子具有非常高的生物活性,这意味着银离子极易同其他物质相结合,使得细菌细胞膜内外的蛋白质凝固,从而阻断细菌细胞的呼吸和繁殖过程。环境越温暖潮湿,银离子的活性就越强。经测试银纤维能于1h内抵制99.9%暴露于表面的细菌。而大部分其他抗菌产品经测试48h后仍无法达到相同的效果。而且一般的抗生素平均只能对6种病菌起到作用,但银能消灭650种病菌。此外,银离子还能削弱病菌体内有活力作用的酵素,因而能够防止副作用和病菌的耐性强化,从根本上控制病菌的繁殖。由于银纤维是将银和纤维紧密聚合而成,因而,其抗菌效果具有永久性,且不会因时间及洗涤而递减,即使经洗涤250次后,其抗菌功能仍然丝毫没降低。

4.5.1.3 抗静电

因银的高度导电性,抗5000V静电,具有电磁屏蔽功能,只要少量的银纤维存在衣物上,将迅速消除因摩擦所产生的静电,使产品具有无静电的舒适感,因此银纤维可以快速且有效率地把电传导出去,并可保护人体免受电磁波侵害。

4.5.1.4 防电磁波辐射

镀银纤维织造成的织物质地轻薄、柔软、透气、耐蚀、抗菌,防电磁辐射安全可靠,在电磁辐射频率0.15MHz~20GHz范围内的屏蔽效能达到60dB以上,广泛地应用到带电作业服、电磁辐射防护服、电磁弹防护材料领域中。

4.5.2 生产及开发

传统的银纤维材料均采用外镀工艺,表面银材料——纳米银容易脱落,降低银材料抗菌效果(特别是洗涤后效果会大大降低),还会造成污染。新开发生产的银纤维以“溅镀”技术将“纳米银”织入纱线将银和纤维紧密聚合而成,具有永久性,并且生产过程中不会产生污水,因此,不会污染环境,避免了传统银纤维的缺点。而且,其效果不会随时间及洗涤而递减。目前银纤维已有涂银尼龙长丝、超细纤维、短纤维和织物等产品。可生产电磁屏蔽件、屏蔽服、飞机隐蔽篷布、屏蔽帐篷,银纤维特种织品还可装备特种部队[11]

4.6 汉麻

汉麻是具有自主知识产权的新型纤维资源,汉麻的综合应用研究预示着“新一代的纤维革命”。汉麻纤维独特的吸湿、透气、防霉、抑菌、抗辐射等功能,对人体健康极有裨益。在人们追求健康环保生活品质的今天,汉麻的诞生是人类发展过程中一次富有里程碑意义的产业进步。作为一种新材料,汉麻以其优异的防霉抑菌、吸收紫外线、吸湿放湿快、悬垂性好、阻燃、舒爽、无一般麻织物的刺痒感等优异性能在防护装备中展露端倪。

4.6.1 优异的导湿快干性和良好的抗静电性

汉麻纤维是亲水性纤维,纤维单丝纤度细,分子结构多棱状,较松散,有螺旋线纹,细胞呈交织网状结构,表面纵向分布着裂缝和孔洞,并通过毛细管道与中腔连通,此种结构使汉麻纤维具有较多的毛细管道,能够迅速转移和扩散织物内的水分和水汽,使织物具有卓越的吸湿透气性能。据测算,穿着汉麻服装与棉织物相比,可使人体感觉温度低5℃左右,与化纤织物比就更觉凉爽了,即使在气温高达38 ℃及以上的酷暑,也不会觉得热不可耐。所以,汉麻产品能在稍有汗和大量出汗时,保持穿着的舒适性,与现在开发的吸湿快干类面料较多采用的四沟槽涤纶长丝类交织产品相比,仍具有较大的优势。

汉麻纤维分子结构稳定,分子排列的取向度好,产生静电能力极低。加之吸湿能力好,能够避免静电积聚。据检验,汉麻与棉、丝、化纤等纤维相比,在空气中摩擦产生的静电最低。因此,汉麻防护用品能够避免静电给人体造成的危害。

4.6.2 优良的抗紫外性

人体适当接受紫外线照射对健康是有利的,但当人体皮肤经受过量紫外线辐射后,会产生黑斑、红斑、水疱、灼伤等。医学研究表明:紫外线能损伤皮肤细胞,甚至会使皮肤致癌。汉麻纤维有着优良的抗紫外性,当紫外线照射到汉麻纤维上时,一部分形成多层折射被吸收,大部分形成漫反射,使汉麻织物具有很好的防紫外线辐射的功能。汉麻天然抗菌、防虫、防蛀性又使防护服为人体增加一道保护屏障。

4.6.3 灭菌除臭性能

汉麻纤维的细长中腔内富含氧气,使得在无氧条件下才能生存的厌氧菌无法生存,并且汉麻纤维含有汉麻酚类物质。科学试验证明:汉麻酚类物质对金黄葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌等有明显的杀灭和抑制作用。

4.6.4 耐高温、耐腐蚀和独特的消音吸波性能

汉麻纤维中的纤维素的分解温度在300℃~400℃之间,在200℃以内或在200℃受热时间小于30min,纤维强力可以保持在80%以上。汉麻纤维中的纤维素成分有很好的耐海水腐蚀性能,脱胶汉麻经海水浸泡后纤维表面以及强力没有明显的变化,海水浸泡对汉麻纤维结构无不良影响,并且汉麻纤维的耐海水腐蚀性能要优于苎麻纤维和亚麻纤维,因此汉麻纤维适合用于海上防护用品的开发以及各种特殊需要的工作服[12-13]

汉麻在历史上曾经是人类所需要的纤维和食品的一个最重要的来源,对航海、军事、经济和社会发展作出了不可磨灭的巨大贡献。作为一种传统而又具有新意的天然可再生资源,开发汉麻产业不仅可以促进工农业一体化可持续发展,而且还可实现特色农业与现代造纸、纺织、食品、医药、化工、新材料等其他行业技术相互融合和嫁接;汉麻的产品应用范围将广泛渗透到工业、农业、军工、食品、医药卫生、建筑等领域及人们的衣食住行等方方面面,潜在市场和产业发展空间巨大[14]

5 结语

在产业用纺织品中,军事用纺织品所占比例并不大,但是,对于军队来说,纺织品却具有举足轻重的作用,是仅次于钢铁材料的第二大军需装备品,是保证战斗力的基础。

针对现代战争的特点,我国的特种纺织品领域虽然取得了长足的进步,但在某些领域仍有一定的距离。对此,总后某军需研究所专业人士分析认为,随着现代战争向高科技方向发展的趋势,降低战争伤亡率,提高士兵防御能力,保存部队战斗力就显得更加迫切。

纺织行业应该根据国防发展提供更多的自主原创的新纤维、新材料,随着全球经济的发展,部队的国际化进程也在加快,相信纺织行业会给国防需要提供更多更好的军用材料。


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