关于柔性防刺材料在森林消防装备中的应用

李 昂 赵 南 周 琦 靳 松

(黑龙江省森林保护研究所，黑龙江 哈尔滨 150040)

关于柔性防刺材料在森林消防装备中的应用

李 昂 赵 南 周 琦 靳 松

(黑龙江省森林保护研究所，黑龙江 哈尔滨 150040)

我国是世界上森林火灾危害严重的国家之一，每年发生十几万人次、乃至几百万人次参加扑火战斗。扑火人员在森林中进行扑火任务时会接触笨重、坚硬、带棱角的物体,易造成身体各部位受伤，将直接严重影响工作和安全。因此，具有防刺性能好、柔软性好并且透气性较好等特点的STF/UHMWPE产品将成为今后研究和开发的热点。

森林防火 柔性防护 STF STF/UHMWPE

我国是世界上森林火灾危害严重的国家之一，森林火灾的发生给生态环境带来不可预料的严重危害，造成巨大的经济损失。每年发生十几万人次、乃至几百万人次参加扑火战斗。扑救森林火灾是一项艰苦而又危险的工作，扑火人员生命安全和健康的保障十分重要。由于黑龙江省拥有广阔的原始森林，如大、小兴安岭林区，多处于山林深处，人迹罕至，通视困难，交通不便。在原始森林中一旦发生火灾，扑火人员就要徒步前行至火灾现场，并进行扑救，在森林中行进或者实施扑火任务时随时会接触笨重、坚硬、带棱角的物体,身体各部位受伤将直接严重影响工作和安全。因此,专用柔性防刺材料的研究和开发成为当今的热点。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

目前，国外对柔性防刺材料的开发和研制做了全面细致的研究。国外对柔性防刺材料进行生产及研究的公司主要有三大公司，分别为：美国杜邦公司、美国的Warwick Mills公司、美国Criminology国际公司。他们所生产的柔性防护材料都有着柔软舒适、灵活性好的性能。都能够有效阻挡尖锐物和椎体的穿透，并且防刺性能都能够符合美国NIJ0115.00防刺标准。

1.2 国内研究现状

近年来，我国以广泛应用柔性防刺材料在军警防护、劳动保护等行业中。其中北京世祺纤维织造有限公司、北京君安泰防护科技有限公司、北京同益中特种纤维技术开发公司是国内研发柔性防刺材料技术方面较成熟，并且可以大规模生产的企业。他们制造的柔性防刺材料都具备质轻防刺性能优越，穿着舒适的特点。

以上柔性防护材料均能够有效地阻挡刀锥等锐器的攻击,可以有效全面的对人体各个部位进行防护。从20世纪80年代末开始,柔性防刺材料被人们应用于抗冲击领域,目前森林消防专用柔性防剌材料研究较少, 在森林消防专用防刺服、防刺靴及防护手套等方面应用前景广阔。

2 STF/UHMWPE

2.1 剪切增稠流体

什么是剪切增稠流体？具有剪切增稠性能的流体叫做剪切增稠流体。它其实是一种处在固液混合状态的纳米粒子溶剂。STF通常呈小粒径微纳米悬浮胶状,在受到快速增加的剪切应力或剪切速率时,STF的团聚体粘度是先逐渐减小,当超过临界点时,团聚体粘度会迅速增大;当剪切应力或剪切速率消失时,STF又恢复到初始状态,所以该过程具有可逆性。此项技术是由美国特拉华州立大学合成物质研究中心与“美国陆军研究实验室”下属的武器和原料研究理事会共同开发的。

2.2 超高分子量聚乙烯纤维

又称高强高模聚乙烯纤维，目前是世界上比强度比模量最高的纤维，其纤维分子量在100万-500万的聚乙烯所纺出的纤维。“以柔克刚”，性能非常优异，推动防刺材料向其防剌性能优异、质量轻及穿着舒适性方向迈进。

2.3 STF/UHMWPE

利用剪切增稠流体(STF)与不同密度的超高分子量聚乙稀(UHMWPE)纤维织物经过复合,加工出的一种防刺性能优越的柔性防护复合材料。

3 研究内容

研究纳米二氧化硅的制备、剪切增稠液体的制备、STF/UHMWPE的制备，及STF/UHMWPE防刺性能 (包括穿刺和切割性能)及其防刺机理进行分析。

3.1 SiO2的制备

(1)将正硅酸乙酯、乙醇、去离子水按1∶2∶2的配比制成清澈透明的溶液；

(2)将溶液升温至70℃，不断搅拌至1.5h；

(3)加入适量催化剂，继续搅拌1h(分别加入)；

(4)形成不同的乳白色凝胶；

(5)在空气中陈化数日—几周，陈化完成后、让初生的沉淀与母液一起放置一段时间；

(6)干燥数小时，形成干凝胶，研磨成粉末；

(7)经马弗炉高温焙烧1—2小时后，制得SiO2粉末。

3.2 STF的制备

将制得SiO2分散在聚乙二醇(PEG)、乙二醇(EG)中,制备出稳定、不同工艺参数的STF体系。

(1)将制得的SiO2与分子量分别是400、600的聚乙二醇(PEG)混合，制成不同质量分数的STF；

(2)将制成的STF中产生的气泡除去，25℃真空干燥24h。

3.3 STF/UHMWPE的制备

用分子量为400、600聚乙二醇(PEG)与SiO2制备的STF分别对不同密度的UHMWPE织物进行复合,制成分散均匀和防护优良的STF/UHMWPE防刺复合材料;并对复合材料进行刀割、锥刺防刺性能测试。

3.4 STF/UHMWPE防刺性能分析

选用两种防刺性能不同的UHMWPE与不同参数STF复合，如图：

由试验可得出，不同防刺性能的UHMWPE与STF复合，防刺性能越大的UHMWPE与SiO2质量分数的不断增大，防刺性能不断增强。

4 小结

随着科技的不断进步,尤其在森林防火中，对防剌材料的要求也越来越高,急需一种柔软透气并且防刺性能优越的柔性防刺材料。随着我国经济建设的发展，国家制定并逐步实施了各项劳动安全的法律、法规。国家林业局(原林业部)等林业主管部门已在森林消防队伍建设管理的规章制度中，明确要求森林消防人员必须配备专用的防护服、头盔及防刺靴等防护装备。

森林消防专用柔性防刺材料的研究和推广应用，将为全国几十万名森林消防官兵提供应用前景好、性能好、科技含量高、能防刺、防水及舒适的防护装备，填补相关领域空白。可增强森林消防人员的安全防护能力，提高扑火工作效率，保护森林资源，必将受到森林消防指战员的欢迎，市场前景广阔，并带来显著的经济效益和社会效益。

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ApplicationofFlexibleStingproofMaterialsinForestFireFightingEquipment

LiAngZhaoNanZhouQiJinSong

(First-author′s address: Heilongjiang Forest Protection Institute, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

Our country is one of the countries in the world where forest fires are seriously harmed.More than 100,000 people and even millions of people take part in the fighting for firefighting each year.Firefighters engaged in firefighting activities in the forest may encounter heavy, hard and angular objects that may easily cause injuries to various parts of the body and will directly affect their work and safety.Therefore, STF / UHMWPE products with good anti-puncture properties, good flexibility and good air permeability will be the hot spots for future research and development.

forest fire protection; flexible protection; STF; STF / UHMWPE

项目资助：黑龙江省级基本科研业务费资助项目《STF/UHMWPE 复合材料性能表征分析》(2015年省财政自拟项目)资助。

李昂，硕士研究生，助理研究员，从事森林防火工作。E-mail：329193250@qq.com。

2017-12-01

徐永飞

校对王 卉