非金属材料研究所：国内および国際規格に基づく高性能繊維／樹脂系材料の耐刺突性に関する比較分析

高性能繊維／樹脂系材料の耐刺突性に関する国内規格と国際規格との比較

抽象的な：本論文では、中国の「GA 68-2024 警察用防刃ベスト」規格と米国の「NIJ 0115.00-2000 個人用防弾チョッキの防刃性能」規格で得られた試​​験結果を比較することにより、様々な高性能繊維/樹脂系材料の防刃性能の違いを調査する。また、これらの国内外の規格で重視されている評価指標の特性と特定の材料性能要件についても分析する。防刃性能は、特定の保護レベルを満たすために必要な材料の層数と面積密度を計算することによって評価した。その結果、高性能繊維/樹脂系材料の場合、樹脂含有量が同程度であれば繊維強度が高いほど防刃性能が向上し、繊維強度が同程度であれば樹脂含有量が高いほど防刃性能が向上することが示された。GA 68規格のクラスA要件を満たすには、クラスBに必要な材料の2倍以上の材料が必要であり、GA 68規格のD2ブレードはD3ブレードよりも強力である。 NIJ 0115.00規格では、S1ブレードは比較的強度が低く、P1ブレードは繊維強度に高い要求があり、スパイクブレードは樹脂含有量に高い要求があります。高温条件は樹脂系耐刺突材料に最も大きな影響を与えるため、GA 68規格に照らしてサンプルを試験する際には、高温耐刺突性が重要な焦点となります。

キーワード:耐刺突性；高性能繊維；耐刺突性規格；耐刺突性材料；面積密度

防弾チョッキ用の耐刺突材料の進化は、硬質材料、半硬質材料、軟質材料の3つの段階を経てきました。現在、国内外で一般的に使用されている軟質耐刺突材料は、高性能繊維/樹脂ベースの複合材料です。これらの材料で作られた耐刺突ベストは、優れた着用感と二次的傷害を引き起こすリスクの低減により、硬質および半硬質の選択肢に取って代わりました[1-7]。

アラミド繊維（パラアラミドおよび複素環式アラミドを含む）、ポリ（p-フェニレンベンゾビスオキサゾール） (PBO)繊維超高分子量ポリエチレン（超高分子量ポリエチレン）繊維、 そして炭素繊維現在、高性能繊維としてはUHMW-PEが主流となっている。UHMW-PE繊維は表面極性が低い一方、含浸に用いられる強化樹脂は表面極性が高い。この不一致により界面結合が弱くなり、UHMW-PE繊維は樹脂系耐刺突性材料の製造には不向きとなる[8-10]。炭素繊維は高い引張強度と弾性率を有するが、破壊靭性が低いためエネルギー吸収が制限され、保護用途に単独で使用されることは稀である。そのため、樹脂系耐刺突性材料には、アラミドやPBOなどの芳香族繊維が主に用いられている[11-14]。

防護材の耐刺突性を評価するため、米国、英国、ドイツなどの国々は、耐刺突防弾チョッキに関する関連規格を制定しています。中でも最も影響力のある規格は、米国司法省傘下の国立司法研究所（NIJ）が発行した「個人用防弾チョッキの耐刺突性」（NIJ規格0115.00-2000）であり、世界的に広く採用されています。我が国も、公安部が策定した独自の耐刺突防弾チョッキ規格「GA 68-2024 警察用耐刺突防弾チョッキ」を制定しています。

本論文では、これらの高性能繊維／樹脂複合材料の耐刺突性能を、中国規格と米国規格の両方に照らし合わせて体系的に比較評価する。さらに、試験方法、評価指標、材料性能要件に関する国内外規格の特徴と重点事項を分析する。

1 実験セクション

1.1 主な原材料
標準強度パラアラミド繊維織物：TH5108（繊維引張強度：21.5 cN/dtex）、自社製。
高強度パラアラミド繊維織物：TH61081（繊維引張強度：23.5 cN/dtex）、自社製。
複素環式アラミド繊維織物：F-3P200（繊維引張強度：28 cN/dtex）、自社製。
PBO繊維生地：JQZW SP200-1100（繊維引張強度：28 cN/dtex）、自社製。
エポキシ樹脂と変性脂肪族アミン：自作。

1.2 主な計測機器および装置
GA68耐刺突性試験機：MPFCT-2000、上海盛和紡織科技有限公司製。
NIJ耐刺突性試験機：AQJL-300、上海盛和紡織科技有限公司製。
GA68試験用ブレード：D1、D2、D3、上海盛和紡織科技有限公司製。
NIJ試験用ブレード：P1、S1、Spike、上海盛和紡織科技有限公司

1.3 試料調製
さまざまな高性能繊維とエポキシ樹脂との適合性の違いにより、初期の布地面積密度が同じであっても、樹脂コーティングと硬化後に作製された耐刺傷性材料の面積密度にわずかなばらつきが生じる[15-18]。試験結果の科学的妥当性と厳密性を確保するために、標準強度パラアラミド、高強度パラアラミド、複素環式アラミド、およびPBOの4種類の高性能繊維布地が選択され、すべて面積密度は200 g/m²であった。

耐刺突性材料は、手動樹脂コーティングプロセスを用いて作製した。上記4種類の高性能繊維布から、350 mm × 300 mmのサンプルを複数枚切り出した。スクレーパーを用いて布の両面にエポキシ樹脂を塗布し、その後、オートクレーブ内で120℃、0.3 MPaの成形圧力で4時間後硬化させた。こうして、6種類の高性能繊維/樹脂マトリックス耐刺突性複合材料を作製した。サンプル1#～3#は、同じ繊維タイプ（標準強度パラアラミド繊維布）を使用しているが、樹脂含有量が段階的に増加している。サンプル3#～6#は、異なる繊維タイプを使用しているが、樹脂含有量はほぼ同じである。耐刺突性材料サンプルの基本パラメータを表1に示す。耐刺突性層を試験用に準備するため、材料を積み重ねて黒色の防水布で密封した。この覆いは、材料を光、湿気、汚染物質から効果的に保護し、試験精度を確保した。その後の試験で報告されたサンプルの面積密度値は、防水生地を除いた耐刺突性素材自体に関する値である。


1.4 試験および特性評価
耐刺突層のサンプルは、GA 68 および NIJ 0115.00 規格に従ってテストされました。これら 2 つの規格の比較は、表 2 に示されています。GA 68 規格は、クラス A とクラス B の 2 つのレベルで構成されており、どちらもテスト中に貫通が許されない 24 J の穿刺エネルギーを必要とします。クラス A は一般的な環境を対象としており、1 種類の刃のみを対象としています。クラス B は、非常に鋭利な刃に遭遇する可能性が最小限である航空環境向けに特別に設計されています。したがって、クラス B の D2 および D3 刃の鋭利性仕様は緩和されています。


注記： E1とE2は、NIJ 0115.00における耐刺突性試験の2つのエネルギーレベルを表します。

NIJ 0115.00は3つの保護レベルに分かれています。各レベルでは、3種類の刃（P1刃、S1刃、スパイク）を用いた試験に合格する必要があります。さらに、各レベルには2つのエネルギー段階があり、低エネルギー試験では最大許容貫通深度が7mm、高エネルギー試験では20mmとなっています。

GA 68とNIJ 0115.00の試験装置の構造と動作原理は同一です。図1は耐刺突性試験装置の概略図、図2は試験用ブレードを示しています。耐刺突性層は試験台上の裏打ち材の上に配置されます。試験用ブレードは試験装置に取り付けられ、自由落下によって耐刺突性層を貫通します。速度測定ゾーンがブレードの自由落下速度を捉え、試験エネルギーを計算します。エネルギーが規格の要件を満たしていれば、試験は有効とみなされます。

2．結果と考察

2.1 異なる規格における各種材料の耐刺突性能の比較
表 1 に記載されている 6 つの材料について、常温条件下で耐刺突性試験を実施しました。各構成につき 5 組のサンプルを試験し、結果はこれら 5 組の平均を表しています。特定の保護レベルでは、必要な層数が少ない材料 (つまり、全体の面積密度が低い材料) は、耐刺突性性能が優れています。逆に、必要な層数が多い材料 (つまり、全体の面積密度が高い材料) は、性能が劣ります。表 3 は、さまざまな規格の下での異なる材料の耐刺突性性能を比較したものです。GA 68 クラス A およびクラス B の場合、試験エネルギーは 24 J でした。NIJ 0115.00 レベル I、II、および III の場合、規格で要求される対応する E1 および E2 エネルギー レベルで試験を実施しました。報告されている結果は、両方のエネルギー レベルを同時に満たすために必要な最大面積密度です。
表3に示すように： （１）同じレベルの耐刺突性基準の下で、樹脂含有量が類似している材料３番、４番、５番、６番のうち、６番のPBO材料の面密度が最も低く、３番のパラアラミド材料の面密度が最も高い。したがって、６番のPBO材料が最も優れた耐刺突性を示す。これは、樹脂含有量が同じ樹脂系耐刺突性材料の場合、繊維強度が高いほど耐刺突性が向上することを示している。（２）同じ基準レベルで同じ種類の繊維織物を使用した場合、材料１番、２番、３番の面密度は徐々に増加する。これは、同じ繊維を使用した樹脂系材料の場合、樹脂含有量が高いほど耐刺突性が向上することを示している。（３）GA 68クラスAとクラスBの試験はどちらも２４ジュールのエネルギーで刺突を行うが、刃の鋭さが異なり、クラスBの刃の方が威力が低い。クラスAの刃に対する保護に必要な面積密度は、クラスBの刃に対する保護に必要な面積密度の2倍以上であり、GA 68規格のクラスBの刃はクラスAの刃の半分以下の威力しかないことを示しています。NIJ 0115.00規格では、刺突エネルギーは3つのレベルにわたって増加するため、保護を提供するために必要な材料の層数と面積密度も段階的に増加します。(4) GA 68クラスAとNIJ 0115.00レベルIに対する保護に必要な面積密度は類似しています。GA 68クラスAの試験では、貫通がゼロの24 Jのエネルギーが用いられますが、NIJ 0115.00規格では、低エネルギーレベル（7 mmの貫通を許容）で24 J、高エネルギーレベル（20 mmの貫通を許容）で33 Jが用いられており、これら2つの保護レベルは樹脂ベースの耐刺突材料に同等の要求を課していることを示しています。

2.2 さまざまな試験用刃に対する各種材料の刺突耐性の比較
GA 68 クラス B 規格の 2 種類と NIJ 0115.00 規格の 3 種類の異なる刃による脅威の深刻度を、同等のエネルギー レベルで調査しました。材料が刺突耐性基準を満たしているかどうかを評価する場合、通常、規格で指定されている最も強力な刃が決定要因となります。サンプルが最も強力な刃に耐えられる場合、その保護レベルの基準を満たしていると推測できます。異なる刃は材料に異なる要求を課すため、異なる刃間での性能のばらつきを分析することで、材料の特定の特性が明らかになります。さまざまな刺突耐性材料を 2 種類の GA 68 クラス B 刃と 3 種類の NIJ 0115.00 刃に対してテストしました。表 4 は、材料が対応する GA 68 クラス B 規格および NIJ 0115.00 レベル I 規格を満たすために必要な材料層の数と面積密度を示しています。


表4に示すように： （１）高性能繊維強化樹脂マトリックス耐刺突材料に使用される２種類のGA 68クラスBブレードに関して、D3ブレードに対する防御にはD2ブレードに対する防御よりも多くの材料が必要であり、D3ブレードの方がより大きな脅威であることを示している。したがって、予備的な耐刺突試験において、特定の面積密度の材料がD2ブレードに耐えることができれば、その面積密度の材料はGA 68クラスB試験に合格できると一般的に推測できる。（２）３つのNIJ 0115.00レベル全体にわたって、高エネルギー試験（20mmの貫通を許容）に必要な面積密度は、低エネルギー試験（7mmの貫通を許容）に必要な面積密度よりも一貫して高い。したがって、予備試験において、特定の面積密度を有する材料が、特定の NIJ 0115.00 レベルの高エネルギー試験に耐えることができれば、その材料はそのレベルの基準を満たしていると判断でき、同じレベルでの追加の低エネルギー試験は不要となる。(3) NIJ 0115.00 で規定されている 3 種類の刃のうち、S1 刃は、保護に必要な高性能繊維強化樹脂マトリックス耐刺突材料の面積密度が最も低く、S1 刃が最も脆弱であることを示している。NIJ 0115.00 の P1 刃は、国内の公安基準の D1 刃に類似しており、比較的長く幅の広い刃を持ち、貫通時に材料に強いせん断作用を及ぼし、繊維の機械的特性に高い要求を課す。したがって、繊維強度の高い材料は、P1 刃に対して優れた保護を提供する。樹脂含有量が同程度のサンプル#3、#4、#5、#6の中で、サンプル#6は最も優れた機械的特性を示し、P1ブレードから保護するために必要な面積密度を低く抑えることができます。NIJ 0115.00の「スパイク」ブレードは鋭く細長く、高速で下向きに衝撃を受けると、繊維の制約を容易にすり抜け、繊維束のせん断を最小限に抑え、ブレードの運動エネルギーを効果的に散逸させることができないため、下向きに貫通し続けることができます。したがって、このタイプのブレードから保護する場合、材料の樹脂含有量と樹脂の硬度が重要な要素となります。同じ繊維タイプを使用しているが樹脂含有量が異なるサンプル#1、#2、#3の中で、サンプル#3は他のタイプのブレードと比較して、スパイクブレードから保護する上でより顕著な利点を示しています。さらに、表4は、繊維強度は異なるものの樹脂含有量が同程度のサンプル#3、#4、#5、#6について、スパイクブレードに対する保護性能に大きな差がないことを示しており、スパイクブレードは耐刺突性材料の樹脂含有量に高い要求を課すことをさらに裏付けています。

2.3 さまざまな環境条件下における各種材料の耐刺突性の比較
我が国の耐刺突性規格GA 68は、耐刺突ベストの環境適応性に関する詳細な仕様を規定しており、高温、低温、および水中浸漬の3つの条件を網羅しています。高温試験では、刺突試験の前にサンプルを(55 ± 2)℃で4時間調整します。低温試験では、(-20 ± 2)℃で4時間調整します。水中浸漬試験では、刺突試験の前に耐刺突層サンプルを30分間水に浸します。表5は、さまざまな環境条件下で試験した場合の、各種耐刺突材料に必要な層数と面積密度を示しています。
表5に示すように、高性能繊維/樹脂マトリックス耐刺突材料は、高温条件下ではより高い面密度を必要とします。対照的に、必要な層数と面密度は、水中浸漬および常温条件下ではほぼ同じままです。さらに、低温条件下では、最も少ない層数と最も低い面密度が必要となります。これは、樹脂の硬度が高温で低下し、硬度がこれらの材料の耐刺突性能に影響を与える重要な要素であるためです。硬度が低下すると、耐刺突層が刃の先端を鈍らせる能力が弱まり、耐刺突性能が低下します。逆に、低温環境では樹脂の硬度が増加するため、材料の耐刺突性能が向上します。水中浸漬試験の結果から、耐刺突ベストを製造する場合、耐刺突材料を包む防水生地が品質基準を満たしていれば、材料の耐穿刺性は水中に浸漬しても影響を受けないことが示されています。耐穿刺性材料の予備試験では、高温条件下での性能評価を優先すべきである。

3. 結論

（１）高性能繊維／樹脂マトリックス耐穿刺性材料の場合、樹脂含有量が同じか類似している場合、繊維強度が高いほど耐穿刺性が優れ、逆に、繊維強度が一定の場合、樹脂含有量が高いほど耐穿刺性が優れている。

（２）GA 68のクラスA耐穿刺性基準を満たすために必要な高性能樹脂マトリックス材料の面積密度は、クラスBに必要な面積密度の２倍以上である。米国NIJ 0115.00規格の３つの保護レベルを満たすために必要な材料と面積密度には漸進的な関係があり、同じレベルにおいて、エネルギーの高い脅威は、同じレベルのエネルギーの低い脅威よりも防ぐのが難しい。GA 68クラスAの耐穿刺性は、NIJ 0115.00レベルIの耐穿刺性と同等である。

（３）高性能繊維／樹脂マトリックス耐穿刺材料に関して、GA 68で規定されているD2ブレードはD3ブレードよりも強度が低い。NIJ 0115.00ブレードの中ではS1ブレードが最も強度が低く、P1ブレードは材料の繊維強度に高い要求があり、スパイクブレードは材料の樹脂含有量に高い要求がある。

（４）高温環境は高性能樹脂マトリックス耐穿刺性材料に最も大きな影響を与えるため、予備試験では高温条件下での耐穿刺性能に重点を置くべきである。