聚氨酯组合物制模法与石膏制模法提取立体足迹对比研究

智伟杰，高成翔，刘 磊，李亚轩，单 国，谢冬柏（通信作者）

（1 新疆警察学院 新疆 乌鲁木齐 830011）

（2 潍坊科技学院 山东 寿光 262700）

犯罪现场中足迹根据其承痕客体是否发生塑性形变分为平面足迹和立体足迹[1]。足迹由于其在犯罪现场犯罪分子难以将其抹除，结合警犬技术、视频侦查等技术，能大大提高破案的效率。立体足迹相对于平面足迹不仅能反映出足迹底部的花纹形象特征，还能反映出足迹底部的立体形态以及人行走运动的动力形态特征，在确定案件性质、缩小侦查范围、提供串并案、分析作案人特点、进行现场重建等方面发挥着非常重要的作用，但立体足迹因其立体的属性，其提取也较为烦琐。

现有的提取立体足迹的方法很多，主要有拍照法提取、激光三维扫描法、3D 打印制模法、石蜡制模法、硅橡胶制模法、弹性藻酸盐糊剂制模法、硫磺制模法、石膏制模法[2]。虽然立体足迹提取方法很多，但受提取客体、设备要求、提取时间等因素影响，现场勘查民警主要以石膏制模法提取现场立体足迹，其具有材料成本低、形态花纹反应性好等优点。但石膏制模法也存在提取时间长、操作流程烦琐等问题，影响立体足迹提取效率。近年来，聚氨酯材料制模技术逐渐成熟，聚氨酯具有良好的化学性能和机械性能，在材料固化过程中具有固化时间短、材料密度小、材料稳定性强等优势，非常适用于犯罪现场立体足迹提取。

本文立足现场勘查立体足迹提取工作实际，通过对聚氨酯材料制模原理、材料性质、提取效果与传统石膏制模法进行对比分析，探讨聚氨酯制模技术在立体足迹提取中替代传统石膏制模法的可行性。

1.1 实验原理

1.1.1 聚氨酯制模法原理

聚氨酯（polyurethane）为嵌段共聚物，全称为聚氨酯甲酸酯，属于反应型高分子材料，主链为氨基甲酸酯基团的化合物。聚氨酯组合物通过调整各组成化学成分配比，可以加快其固化时间，也可得软质、半硬质、硬质等不同聚氨酯固化模型。由于犯罪现场中对立体足迹模型必须要有定型不变和长期保存的要求，硬质聚氨酯固化产物由于其不易变形、稳定性好、留出时间长等特点，非常符合犯罪现场提取立体足迹需要。硬质聚氨酯固化模型由组合物A 白料（多元醇、发泡剂、助剂）和黑料B（异氰酸酯）反应生成[3]。其化学反应过程是在催化剂和助剂的存在下先由异氰酸酯和活泼氢化合物如多元醇产生的凝胶反应，反应过程见图1；
然后聚氨酯与水反应生成氨基甲酸，氨基甲酸再分解成胺和二氧化碳进行发泡反应，反应过程见图2，发泡和凝胶反应同时进行，最终固化凝结提取立体足迹[4]。

图1 异氰酸酯和多元醇发生凝胶反应过程

图2 异氰酸酯和水发生发泡反应过程

1.1.2 石膏制模法原理

石膏制模主要利用熟石膏（2CaSO4·H2O）粉末溶于水后凝结成生石膏（CaSO4·2H2O），反应过程具有很强的可塑性，最后凝结的生石膏晶体为板状，从而提取立体足迹[5]。

1.2 实验材料与设备

1.2.1 聚氨酯制模法材料

提取材料：聚氨酯多组分成型剂A 和B 组分、1 500目石膏粉。

提取工具：50 mL 量杯*2、搅拌器、撒粉器、骨架、围墙、标签。

1.2.2 石膏制模材料

提取材料：石膏粉、水。

提取工具：电子秤、500 mL烧杯、盆、骨架、围墙、标签。

1.2.3 仪器设备

数码相机（佳能700D）、三脚架、温度计、湿度计、宽幅足迹灯、比例尺、分规、游标卡尺。

1.2.4 环境条件

温度：25 ℃、湿度：37%。

1.3 试验方法

1.3.1 立体足迹制作方法

构成立体足迹的主要物质是土壤，其主要成分为SiO2，表土层中以粗砂（粒径2 000～200 μm）、细砂（粒径200-20 μm）、粉砂（粒径20-2 μm）和黏粒（粒径2μm以下）构成[6]，为呈现聚氨酯制模和石膏制模提取效果差异，实验中用50 目筛网筛取一定量50 目细土（粒径为270 μm 以下），保证与真实土壤一致的同时，避免因土壤粒径过大影响提取效果的观察。将其均匀撒在水平地面上作为足迹承痕客体，并选取具有不同形状、深度、间隔距离的花纹的鞋底，由同一人试穿，在50 目细土上正常行走制作立体足迹。

1.3.2 聚氨酯制模提取方法

聚氨酯提取法包含拍照固定、雾化固定、喷洒隔离剂、搅拌聚氨酯、倾倒聚氨酯、取模六个步骤。

（1）拍照固定：利用单一光源足迹灯与立体足迹平面呈30°角度打光，立体足迹内侧放置比例尺，利用三脚架和单反相机对立体足迹进行拍照提取。

（2）雾化固定：在立体足迹上喷洒水雾，使沙质立体足迹固定。

（3）喷洒隔离剂：利用喷粉器将重量为5 g 的1 500目石膏粉均匀覆盖到立体足迹表面，进行立体足迹与聚氨酯组合物的隔离，防止聚氨酯组合物对立体足迹造成粘连。

（4）配置聚氨酯：用2 个50 mL 量杯分别取得聚氨酯成型剂A 组分和B 组分各45 mL，倒入一次性纸杯中，并用搅拌器进行搅拌。

（5）倾倒聚氨酯：将搅拌好的聚氨酯组合物倒入设置好围墙的立体足迹中，并用重4 kg 盖板覆盖足迹围墙上方。

（6）取模：待5 min 后取出，用抖动及磕碰聚氨酯足迹模边沿的方法清理其表面黏附的土壤，后对其进行拍照。

1.3.3 石膏制模提取方法

石膏制模提取方法包含拍照固定、雾化固定、配置石膏液、倾倒石膏液、取模五个步骤。

（1）拍照固定：与聚氨酯制模提取拍照固定相同。（2）雾化固定：在立体足迹上喷洒水雾，使沙质立体足迹固定。

（3）配置石膏液：用500 mL 烧杯取水1 500 mL 倒入盆中，电子秤称量石膏2.5 kg 撒入盆中快速搅拌配置石膏液。

（4）倾倒石膏液：将搅拌均匀的石膏液沿立体足迹外围缓慢倾倒，覆盖到全部立体足迹后加快倾倒速度，放置骨架，直至覆盖整个足迹围墙。

（5）取模：待25 min 后取出，清除表面较厚土壤后用清水冲洗，后对其进行拍照。

1.3.4 比较方法

通过聚氨酯制模法和石膏制模法对同一鞋底遗留的立体足迹分别进行提取，从提取流程消耗时间、材料性质、提取效果三个方面进行比较。

（1）通过对比讨论两种提取方法各环节耗时及总耗时，确定其提取效率。

（2）通过从材料密度、硬度、韧性、成本等进行对比，确定其材料优劣。

（3）将鞋样本足迹中花纹分为四种类型，分别为大斑块即斑块宽度为4 mm 以上；
中斑块即斑块宽度在2 mm～4 mm；
小斑块即斑块宽度在2 mm 以下；
还有鞋跟部前沿细节特征点1 处。通过对比两种方法对鞋样本足迹中各种类型花纹提取完整的概率，确定其提取效果。

2.1 提取过程耗时分析

统计两种方法实际操作过程中各环节时间，通过对比可以看出，聚氨酯组合物由于其发泡和缩聚反应较快，在固化阶段相较于石膏制模固化时间明显缩短，大幅度降低提取立体足迹总体消耗时间。虽然聚氨酯制模法提取增加喷洒隔离剂的流程，但隔离剂喷洒时间短，且在取模过程中由于其前期喷洒隔离剂使得聚氨酯足迹模型与土壤黏附作用小，不用水清洗，轻轻磕碰即可清除表面土壤，大大缩短取模时间。总体上看，聚氨酯制模法虽在流程上多了喷洒隔离剂，但总耗时比石膏制模法缩短19.7 min。聚氨酯制模法与石膏制模法各环节耗时见表1。

表1 聚氨酯制模法与石膏制模法提取过程耗时对比

2.2 材料性质分析

石膏足迹模型材料密度较大，是聚氨酯模型材料的80倍，石膏固化材料硬度优于聚氨酯固化材料，但提取足迹模型固化后一般为长35 cm、宽16 cm、高4～6 cm的长方体，加之石膏固化后为单斜晶系晶体呈板状的CaSO4·2H2O 其性脆易碎[7]，故在石膏足迹模型固化后不仅携带重量较重，而且运输、保管过程中也要小心跌落碎裂。聚氨酯材料固化后，由于其凝胶及发泡反应后形成闭孔结构，具有重量轻、比强度大、耐震、耐寒、耐热、耐溶剂等优势[8]，在足迹模型制成后携带方便，运输、保管也不用担心跌落碎裂问题。但在成本上由于石膏材料在装修领域的大量应用其成本低于聚氨酯固化材料。聚氨酯足迹模型与石膏足迹模型材料性质对比详见表2。

表2 聚氨酯足迹模型与石膏足迹模型材料性质对比

2.3 提取效果分析

2.3.1 石膏制模法提取效果分析

石膏制模法提取情况如图3中（a）、（b）所示，其中（a）、（b）中1 处为鞋跟部前沿细节特征，石膏制模能够完整提取，并用于检验鉴定；
石膏制模提取过程中立体足迹受石膏流体影响严重，（b）石膏足迹模型表面数字2 到3 处有一道明显的石膏流体痕迹，造成附近花纹未能完整提取；
在（a）中4 处明显出现足迹趾区起足痕迹，是研究行为人起脚运动特征的重要痕迹，在（b）中4 处显示提取完整；
同时，由于石膏足迹模型对土壤的粘黏性，在清洗的过程中很难做到不破坏花纹就清洗完全，造成其表面仍粘黏小部分土壤，但正是这一小部分土壤增强足迹模型凹凸的反差，使其花纹更加明显[见图3中（b）与（d）圆圈位置对比]。石膏足迹模型整体花纹提取较为完整（见表3），总体痕迹提取率为98.57%。

表3 立体足迹与石膏提取特征点对比

图3 两种方法提取整体效果照片

2.3.2 聚氨酯制模法提取效果分析

聚氨酯制模法提取情况如图3中（c）、（d）所示，其（c）、（d）中1 处为细节特征提取效果，聚氨酯制模法能够完整提取，并用于检验鉴定；
聚氨酯由于其在发泡反应过程中是由中心向外逐渐膨胀，膨胀到一定程度开始固化、挤压、定型，如果发泡数量不足就会造成凹凸花纹提取变形的情况，如（d）中处于足迹前掌外侧边沿2 处所示，其凹凸花纹边沿呈不规则凸起，而在原立体足迹（c）中2 处凹凸花纹边沿明显呈规则线条；
在（c）中3 处明显出现足迹趾区起足痕迹，是研究行为人起脚运动特征的重要痕迹，在（b）中3 处显示提取完整；
由于聚氨酯前期提取过程中使用1 500 目石膏粉做隔离剂，土壤极少黏附在聚氨酯足迹模型上，但聚氨酯材料固化后颜色偏纯白色，故在照片中反差较小[见图4中（b）与（d）圆圈位置对比]。聚氨酯足迹模型整体花纹提取较为完整（见表4），总体痕迹提取率为99.15%。

表4 立体足迹与聚氨酯提取对比

2.3.3 石膏制模法与聚氨酯制模法提取效果对比分析

两种方法整体提取效果相近，针对细节特征、足迹趾区起足痕迹、小斑块、中斑块、大斑块提取效果都比较好，石膏制模法中石膏流体痕迹通过对样本足迹加强固化也能够避免出现。聚氨酯制模法中模型前掌外侧边沿发泡不足的问题，通过增加聚氨酯材料的量或在聚氨酯模型上方增加压力也能避免出现。在整体观感上，由于石膏足迹模型上黏附一定量土壤，使得其花纹凹凸反差增大，聚氨酯足迹模型则由于其增加隔离剂，土壤与聚氨酯足迹模型黏附作用小，整体偏白色，凹凸花纹反差小，观感上不占优势。

聚氨酯制模法提取效果上略优于石膏制模法，尤其在提取时间上聚氨酯制模法优势非常明显。同时，聚氨酯足迹模型在便携性上优于石膏足迹模型，在肉眼观察上石膏制模法略占优势，但聚氨酯足迹模型也可用减少隔离剂、材料中添加着色剂等方法增强反差。总体而言，聚氨酯制模法能够替代石膏制模法提取立体足迹，大幅提高犯罪现场立体足迹提取效率。