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防弹纤维的近况和技术进展作者：罗益锋 来源：《新材料产业》 2016年第3期防弹纤维材料有很多种，但迄今最常用的还是对位芳酰胺纤维(P - A R F)和超高相对分 子质量聚乙烯纤维(UFMWP E F)近年来这2种纤维在成形工艺技术上都有重大突破，使防弹 产品进一步实现轻量化、高性能化和舒适化聚苯并双噁唑(P B O F)可通过分子结构改性， 改善其耐紫外光和储存稳定性芳杂环类的芳纶III等系列产品，因成本高，主要用于国防军工 的防弹防爆领域人造蜘蛛丝是氨基酸类的高度取向纤维，具有高强高模和高韧性，但尚未完 全产业化超高性能碳纤维的出现，打破了传统碳纤维因断裂伸长率小而不能用于防弹领域的 概念，已开始应用于新型军用防弹装备，对提升先进武器装备具有重大意义以下重点介绍主 要防弹纤维的技术进展n •卓■【"nsi' — rii'alH ETMnHKii ■Z--fjsm■EeTMTHSH-H耐*il Am-Wb »■ JU■町maBv»«.U¥H■生inHn&a J-&:SBWJ .11I4M! d-|DM- • onXMAini'H-I U-■fl!i-k- - >nla-■11一、对位芳酰胺纤维(芳纶II)及其共聚纤维图1示出高强高模纤维的比拉伸强度和模量，可见芳纶II及其共聚纤维仅次于UHMWPE和碳 纤维，但耐热性远超过UHMWPE，而抗冲击强度超过碳纤维，其产能情况如表1所示。

在技术创 新方面，帝人技术公司研究用10%左右的氮化硼或氮化钛纳米粉体，先用硅烷系或钛系偶联剂 处理，然后加入聚对苯二甲酰对苯二胺(P P T A)的纺丝溶液中，或P P T A与对亚苯基3、 4-二苯氧基对苯二甲酸胺共聚后加入其中进行干喷湿纺，所得纤维可提高防护性能，包括抗冲 击性、防刺性、耐切割性、耐热性和阻燃性等如果仅就以下2单体进行共缩聚，并以(L):(II) 的分子比(mol百分含量)为45：55,然后干喷湿纺，所得纤维适合作安全网、防爆网等东丽•杜邦公司利用热固性环氧树脂的油剂浸渍PPTA纤维，含量约1%左右，然后利用计 算机控制的处理机，在3.9N张力下于130°C热处理20s，得到含6.5%水分的PPTA纤维复合体, 再用酚醛胶乳（FRL）上胶并于150°C干燥、245°C热处理60s后，拉伸强力为552N，与橡胶的 粘合强度为172N/cm,适合于做军车和子午胎的帘子布韩国可隆（Kolon）公司采用PPTA的端基交联法，并通过将制得的PPTA树脂粉化而降低粉 粒大小，从而缩短萃取NMP（N-甲基吡咯烷酮）的时间，提高生产效率经在浓硫酸中干喷-湿 纺，可制得强度高达26.4cN/dtex，断裂伸长率23.8%的高性能的PPTA纤维，使其防弹背心、 防弹板或头盔实现轻量化和高性能化。

韩国晓星集团将2〜3层PPTA纤维平织布贴在热塑性树脂膜上，再与厚度为0.1〜0.2mm聚 氨酯（PU）膜共4〜8层复合，可提高防切割手套的综合性能和成本日本东丽-杜邦公司将总纤度440dtex、单丝纤度1.7dtex、拉伸强度2.0N/tex、含湿率7% 的PPTA复丝进行S捻，伸缩率22%以纤度117dtex、弹性率为530%的聚氨酯弹性丝为芯材， 与上述纱线复捻，再用日本东洋纺株式会社生产的UHMWPE复丝〔总纤度440dtex，单丝纤度 1.1dtex,强度2.7N/tex、导热系数50W/ （m・K）〕进行Z捻制成包覆纱，可编织成26g/只的 防切割手套，掌部为360g/cm2，富有伸缩性、手感好，接触有冷感（qmax： 0.17W/cm）、耐切 割性（切割刀：6.5N）日本东丽-杜邦公司开发了蓬松性和伸缩性良好的KevlarSD，适用于 防护服和防切割手套，有利于操作工进行电子产品的精密作业美国南方袖套公司最近上了一 条Kevlar防护袖套生产线，由单层或双层长10〜24寸、宽3〜4寸Kevlar织物制成，具有阻 燃、不熔、耐磨、防切割性日本东丽-杜邦公司与瑞士联邦材料试验和科研研究所合作开发了装有冷却空调系统的新一 代防弹背心，已取得瑞士警方认证，热天穿着也不会出汗。

帝人集团利用TwaronUD22预浸布上下铺有热塑性树脂膜，共2层制成层压材料，它具有耐 磨、防弹、并能满足NIJ0101.06防凸伤要求帝人集团开发了在室温下可长期保存的PPTA纤维预浸料，适用于装甲车的防弹内饰材料目前欧美的防弹制品需求量受军费缩减的影响，有所下降，而印度和南美等新兴市场对防 护材料的需求在增长香港理工大学的纺织与服装学院采用数控针织机编织由预牵弹性复丝纱 和镀铜 PU 纤维布，表面再覆一层 Kevlar 布（图 2），就可制成抗拉、防水和防弹的集成电路 板，用于军工领域（图3），图4示出烟台泰和新材料股份有限公司生产的各种防护用品二、超高相对分子质量聚乙烯纤维（UHMWPE）表2示出全球主要UHMWPE生产厂家的产能，其中我国有20家，表中只列出几家主要厂家 的产能从 UHMWPE 纤维的总产能看，我国已成为世界产能最大的国家，但从单一公司的产能、产量 及品种，我国公司远不及DSM公司，而且生产工艺技术也不如DSM先进从生产工艺技术的演变，DSM集团已完成由凝胶纺丝法向干法纺丝进而向熔融纺丝法的过 渡，而我国只有中国石化仪征化纤股份有限公司采用干纺工艺，宁波大成新材料股份有限公司 等企业正开展熔纺技术的研发。

九九久与东华大学合作，开发成功在UHMWPE凝胶液中添加纳米石墨烯进行凝胶纺丝的新技 术，所制得的复合材料纤维强度240cN/dtex、模量21300cN/dtex,导热系数和抗冲击强度各提 高 10 倍近年来 DSM 公司的最大成就在于对 UHMWPE 分子结构的深入研究，实现了 3 种重大技术突破：① 开发了 Dyneema拉力倍增技术从理论上分析，在UHMWPE纺丝时单分子所需的拉力为 1.25nN，这意味着纤维所能达到的最大拉伸强度为6.9GPa,相当于强度70cN/dtex,这是理论 值，而目前采用该技术所生产的SK99，其强度为42cN/dtex,这意味着将来可获得更高性能的产 品由上述纤维制成的防弹产品，在达到同等防弹性能下，轻约 30%，而且穿着更舒适，活动 更自如② 采用Dyneema最佳工艺平台实现低蠕变纤维，由它制成的深海锚固绳索，在70°C下经10 个月的蠕变伸长小于0.2%，相当于在常温下25年的蠕变水平以往的UHMWPE绳每年的蠕变伸 长约为 1%（图 5）③ DyneemaDiamond（金刚石）技术，制备极高防切割纤维，制备可制得薄得多的防切割手 套（图6）而不降低性能水平，按EN388标准其防切割水平为3级。

上述3种新技术，在2014年德国Dresden召开的ITMA未来材料颁奖大会（图7）上，荣 获 3 个大奖在 UHMWPE 原料改进方面，日本东曹株式会社利用茂金属催化剂开发了重均分子质量/数均 分子质量为3的UHMWPE，而以往采用齐格勒催化剂者为8左右，因此强度可提高1.5〜2倍在防弹用途方面，BaeSystemTensylonH.P. M公司开发了非纤维状的UHMWPE带，原料为数 均相对分子质量500万的UHMWPE粉体，结晶度〉76%，热熔＞220J/g，在成带机上挤成带状后 反复辊压、拉伸，使总拉伸倍率为120：1,得到高取向度的19000d （1990tex）带，适用于防 弹产品霍尼韦尔国际公司采用纤度1200d （132tex）的UHMWPE复丝纱，其特性粘度14dl/g, C轴 取向函数0.99，起始强度41.35cN/dtex,捻度0.01捻/cm,经拉伸，熔融，在22°C及55MPa 压力下于金属板间进行压缩，得到平均横截面比20：1的带子，强度3.6GPa，相当于 37cN/dtex,强度保持率89%，平织后交叠铺层，在层间加入高密度PE带进行层压，得到的复 合材料对9倍1.9mmFMJParabellum子弹，具有500Jm2/kg比能量吸收。

另一种方法是将UHMWPE粉体压制的Tensylon带切割成丝条并拉伸，得到横截面比为 100：1，强度为44cN/dtex （相当于4.31GPa）, DSC低温区比V0.030的带子，经平织成织物 并叠层之，得到实密度为1.5Kg/m2的复合材料，对9X19mmFMJParabellum子弹，至少具有 500Jm2/kg 的比能量吸收三、 杂环芳酰胺类纤维（HPAMF）目前只有俄罗斯和中国拥有该产品，前者有3处生产与研发基地，主要生产基地在石头城 的卡门斯基化工厂，我国有4家小型生产厂图8示出中国航天科工六院46所（以下简称“航 天46所”）生产的无纬布和防爆毯表3示出了 HPAMF主要生产厂家的产能，可见无论是纤维品种系列化，还是产能与产品达到的水平，我国与之相比差距 较大除用于火箭和导弹固体发动机壳体等外，在防弹和军工领域主要用于要求高抗冲击和防弹、 轻量及透波的应用领域我国的十轮中型卡车驾驶楼的整体结构，就用该（芳纶III）复合材料制成，可在9m的近距 离承受10发79冲锋枪子弹的打击，不但不穿透，凹陷度V15mm，而质量可由原钢制的780kg 减至280kg这种车辆可以8海里/h的速度，在江河湖海行驶，靠展开的浮箱漂浮起来，每辆 可承受 60t 坦克的负载，多辆这种车连成一体就构成可移式的门桥，供军车或坦克等通过。

用芳纶III制作的复合材料天线罩，可满足一级防弹要求即在300mm长和250mm宽的范围， 可耐受子弹射击四、 聚苯并双噁唑纤维（PB0F）该纤维目前只有日本东洋纺独家生产，商品名Zylon，产能400t/a自多年前其防弹背心 在美国 2 个州的执法人员被子弹打穿毙命后，产能无增长目前国内外对其耐紫外光和储存稳 定性，开展了各种改性研究，但未见应用于产品我国至少有6家单位进行研发，但尚未产业 化表4示出全球PBO的生产和研发厂家情况五、 其他纤维高强高模聚酰亚胺及其共聚纤维（PIMF），俄罗斯于90年代便已研发成功，强度、耐热性、 抗燃性和耐辐射性等优于PPTA纤维，但成本较高我国四川大学、东华大学、长春应用化学研 究所和长春铁轮公司等都在研发，小试制得的强度最高达到 22cN/dtex人造蜘蛛丝，国内外都在研发，最近荷兰科学家利用蜘蛛丝和山羊乳研制出一种全新的防 弹人造皮肤，即经过基因改造后的山羊所产出的乳汁，含有跟蜘蛛丝相同的蛋白质，将两者混 合后经一定工序，可将蛋白质分离出来，编织成一种新材料，硬度相当于钢铁的 10倍可在5 周内与人体皮肤融合，生长出一层刀枪不入的“防弹皮肤”超级碳纤维（UGCF）, CF是脆性材料，因其断裂伸长率只有0.5%〜2.1%，而新近出现的超 高强高模PAN-CF，不仅拉伸强度和模量各达到9GPa和350GPa以上，断裂伸长率高达2.5%〜 7.0%，因此其复合材料可用于超级防弹坦克、军机、舰船、无人机等机构材料，具有优越的防 弹性能。

六、结语上述各种防弹纤维都是军民两用的重要材料，是我国重点支持发展的产业化项目和扩大应 用项目在“十三五”期间，我国将支持2〜3家芳纶II企业和3〜5家UHMMWPE纤维企业做大 做强芳纶III要实现规模化和产品系列化，缩小与俄罗斯的差距PBO、PIM、人造蜘蛛丝及超 级碳纤维，要实现小规模产业化，满足国防军工和传统产业更新换代的需要。