專利名稱：帶有護(hù)胸板的柔性防彈背心的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)現(xiàn)在子彈穿透抗性方面提供高性能的輕質(zhì)防彈背心和其它制品。作為代表性的制品，背心有利地在用于護(hù)胸板的硬或剛性裝甲和用于接合護(hù)胸板的織物的軟或柔性裝甲中都使用最輕的材料。背心在重量和性能方面的特性因此在軍事和執(zhí)法用途中提供顯著益處。根據(jù)涉及背心的本發(fā)明的實(shí)施方案，該護(hù)胸板和織物都包含多個(gè)單向取向纖維層。這些層的纖維(例如聚乙烯纖維)具有至少大約7克/旦的韌度和至少大約150克/旦的初始拉伸模量。這些高性能纖維可以用樹(shù)脂基質(zhì)保持在它們各自的層構(gòu)造中，優(yōu)選以相對(duì)較低的樹(shù)脂基質(zhì)含量使用低模量樹(shù)脂來(lái)提供出色的防彈性能和撓性。在護(hù)胸板的情形中，可以模制纖維層以獲得剛性結(jié)構(gòu)，而在織物的情形中，纖維層可以經(jīng)固結(jié)以獲得柔性結(jié)構(gòu)。因此合并不同性質(zhì)的防彈部件以在背心或其它制品中實(shí)現(xiàn)商業(yè)上需要的總體性能和重量特性。有利地，背心的重量或護(hù)胸板和織物的總重量通常小于大約3千克(6.6磅)，典型地小于大約2.5千克(5.5磅)，常常小于大約2千克(4.4磅)。這樣的背心優(yōu)選至少在護(hù)胸板區(qū)域中抵抗能量通常為至少大約1000 J (740 ft-lb)，常常為至少大約1500 J (1110ft-lb)(例如大約 1600 J (1180 ft-lb)至大約 4000 J (2950 ft_lb))的子彈。從下列詳述中可看出本發(fā)明的這些和其它實(shí)施方案和方面和它們的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。詳述
本發(fā)明涉及在防彈性能和總重量方面具有上述優(yōu)點(diǎn)的防彈背心和其它制品。根據(jù)具體實(shí)施方案，代表性的防彈背心包含剛性護(hù)胸板和接合護(hù)胸板的柔性織物。在另一些實(shí)施方案中，背心甚至可以由或基本由該板和織物構(gòu)成，不存在增加重量或?qū)嵸|(zhì)改變其基本和新型特征的其它結(jié)構(gòu)(例如貼合到護(hù)胸板表面上的附加聚合物膜)。在任何這些實(shí)施方案中，背心或其它服裝制品形式的柔性織物借助或不借助物理連接(attachment)來(lái)接合護(hù)胸板。術(shù)語(yǔ)“護(hù)胸板”和“板”在本文中用于表示尤其在背心、襯衫或夾克或其它服裝制品的情形中的護(hù)胸板，其中該板通常占據(jù)或覆蓋使用者的胸部區(qū)域。或者，這些術(shù)語(yǔ)意在包括結(jié)合入其它服裝中的剛性結(jié)構(gòu)和不是必須覆蓋胸部區(qū)域的非服裝制品。護(hù)胸板(或板)因此通常是剛性裝甲(也稱作“硬”裝甲)特有的，其在本領(lǐng)域中，例如在US 5，690，526中定義為是指具有足以(i)在受到顯著量的應(yīng)力時(shí)保持結(jié)構(gòu)剛性和( )自立無(wú)坍塌的機(jī)械強(qiáng)度的部 件。與護(hù)胸板相反，織物是沒(méi)有硬裝甲的這些屬性的柔性或“軟”裝甲特有的。剛性裝甲和柔性裝甲部件具有各自的防彈性/重量特性，在本文所述的背心和其它制品中管理這些特性以提供高度防護(hù)，尤其是在最關(guān)鍵的區(qū)域中，且具有受軍事和執(zhí)法人員重視的低總重量和舒適/柔韌特性。盡管護(hù)胸板和織物都可包含例如在樹(shù)脂基質(zhì)中的高韌度、高拉伸模量纖維的纖維層，但可以使用不同方法由這些材料形成剛性和柔性部件，例如模制形成剛性護(hù)胸板和固結(jié)形成柔性織物。下面更詳細(xì)描述代表性的模制和固結(jié)技術(shù)。高韌度纖維和纖維層
如上論述，背心的剛性護(hù)胸板和柔性織物均包含多個(gè)單向取向纖維層。各纖維層包含具有高韌度和高拉伸模量的纖維。對(duì)本發(fā)明而言，纖維是長(zhǎng)度尺寸遠(yuǎn)大于橫向的寬度和厚度尺寸的細(xì)長(zhǎng)體。因此，術(shù)語(yǔ)纖維包括具有規(guī)則或不規(guī)則橫截面的單絲、復(fù)絲、帶、條、短纖維和其它形式的短切、切斷或不連續(xù)纖維等。術(shù)語(yǔ)“纖維”包括多種任何前述材料或它們的組合。紗線是由許多纖維或長(zhǎng)絲(filament)構(gòu)成的連續(xù)束?！皩印笔强梢詣傂曰蛉嵝缘厝S彎曲，但如果平鋪在平面上則長(zhǎng)度和寬度尺寸遠(yuǎn)大于厚度尺寸的物體。本文所用的術(shù)語(yǔ)“高韌度纖維”是指具有等于或大于大約7 g/d的韌度的纖維。這些纖維優(yōu)選具有通過(guò)ASTM D2256測(cè)得的至少大約150 g/d的初始拉伸模量和至少大約8 J/g的致斷能(energy-to-break)。本文所用的術(shù)語(yǔ)“初始拉伸模量”、“拉伸模量”和“模量”是指通過(guò)ASTM 2256測(cè)得的紗線或纖維的彈性模量和通過(guò)ASTM D638測(cè)得的彈性體或基質(zhì)材料的彈性模量。優(yōu)選地，高韌度纖維具有等于或大于大約10 g/d，更優(yōu)選等于或大于大約15 g/d,更進(jìn)一步優(yōu)選等于或大于大約20 g/d,最優(yōu)選等于或大于大約30 g/d的韌度。對(duì)高韌度聚乙烯纖維而言，優(yōu)選的韌度為大約20至大約55 g/d。護(hù)胸板(或其它剛性部件)和織物(或其它柔性部件)的所述多個(gè)纖維層中優(yōu)選至少大約50重量％，更優(yōu)選至少大約75重量％的纖維是高韌度纖維。這兩個(gè)部件的所述多個(gè)纖維層中最優(yōu)選所有或基本所有纖維是高韌度纖維。本發(fā)明中可用的纖維的橫截面可千差萬(wàn)別。它們可以是圓形、扁平或長(zhǎng)橢圓形橫截面。它們也可以是不規(guī)則或規(guī)則的多葉橫截面——具有從長(zhǎng)絲的線性軸或縱向軸伸出的一個(gè)或多個(gè)規(guī)則或不規(guī)則的葉。該纖維特別優(yōu)選具有基本圓形、扁平或長(zhǎng)橢圓形的橫截面，該纖維最優(yōu)選具有基本圓形橫截面。纖維如本文所用的高韌度纖維的紗線可具有任何合適的旦數(shù)，例如大約50至大約5000旦，更優(yōu)選大約200至大約5000旦，更進(jìn)一步優(yōu)選大約650至大約3000旦，最優(yōu)選大約800至大約1500旦。高韌度纖維，如聚烯烴纖維或芳族聚酰胺纖維是剛性和柔性部件，如背心的護(hù)胸板和織物部件的纖維層中使用的那些的代表。聚烯烴纖維優(yōu)選是高韌度聚乙烯纖維和/或高韌度聚丙烯纖維。最優(yōu)選地，聚烯烴纖維是高韌度聚乙烯纖維，也稱作伸直鏈聚乙烯纖維或高取向的高分子量聚乙烯纖維。本文可用的聚烯烴和芳族聚酰胺纖維是已知的并具有優(yōu)異的防彈性質(zhì)。US 4，457，985大致論述了高分子量聚乙烯纖維和聚丙烯纖維。在聚乙烯纖維的情形中，合適的纖維是重均分子量為至少大約150，000，優(yōu)選至少大約I百萬(wàn)，更優(yōu)選大約2百萬(wàn)至大約5百萬(wàn)的那些。這樣的高分子量聚乙烯纖維可以如例如US 4，137，394和US 4，356，138中所述在溶液中紡絲。該纖維或可包含如例如US 4，413，110、德國(guó)Off.號(hào)3，004，699和英國(guó)專利2051667中所述由溶液紡絲形成凝膠結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)絲。在可選實(shí)施方案中，可以如例如US 5，702，657中所述通過(guò)輥軋和拉伸法制造該聚乙烯纖維。本文所用的術(shù)語(yǔ)聚乙烯是指主要線性的聚乙烯材料，其可含有不超過(guò)大約5個(gè)改性單元/100個(gè)主鏈碳原子的次要量的鏈支化或共聚單體，也可含有不多于大約50重量％的一種或多種聚合添加齊U，如鏈烯-1-聚合物，特別是低密度聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯，含有單烯烴作為主要單體的共聚物、氧化聚烯烴、接枝聚烯烴共聚物和聚甲醛，或常引入的低分子量添加劑，如抗氧化劑、潤(rùn)滑劑、紫外線屏蔽劑、著色劑等。高韌度聚乙烯纖維可購(gòu)得并由美國(guó)新澤西州莫里斯敦的HoneywellInternational Inc以商標(biāo)SPECTRA 纖維出售。也可以使用來(lái)自其它來(lái)源的聚乙烯纖維。取決于成形技術(shù)、拉伸比和溫度和其它條件，可賦予這些纖維各種性質(zhì)。聚乙烯纖維的韌度特別為至少大約7 g/d，優(yōu)選至少大約15 g/d，更優(yōu)選至少大約30 g/d，更進(jìn)一步優(yōu)選至少大約35 g/d,最優(yōu)選至少大約45 g/d。類似地,通過(guò)Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的該聚乙烯纖維的初始拉伸模量?jī)?yōu)選為至少大約300 g/d，更優(yōu)選至少大約500 g/d，更進(jìn)一步優(yōu)選至少大約1，000 g/d，最優(yōu)選至少大約1，800 g/d。韌度和初始拉伸模量的這些最高值通常只能使用溶液生長(zhǎng)或凝膠紡絲法獲得。許多長(zhǎng)絲的熔點(diǎn)高于用于形成它們的聚合物的熔點(diǎn)。因此，例如，分子量為大約150，000、大約I百萬(wàn)和大約2百萬(wàn)的高分子量聚乙烯通常具有138°C (280 0F )的本體熔點(diǎn)。由這些材料制成的高取向聚乙烯長(zhǎng)絲具有大約7V(13 T )至大約13°C (23 T )或更高的熔點(diǎn)。因此，熔點(diǎn)的輕微提高反映了結(jié)晶完整性和長(zhǎng)絲比本體聚合物更高的結(jié)晶取向。類似地，可以使用重均分子量為至少大約200，000，優(yōu)選至少大約I百萬(wàn)，更優(yōu)選至少大約2百萬(wàn)的高取向高分子量聚丙烯纖維?？梢酝ㄟ^(guò)上文提到的各種參考資料中規(guī)定的技術(shù)，尤其是通過(guò)US 4，413，110的技術(shù)將這樣的伸直鏈聚丙烯成形成合理地良好取向的長(zhǎng)絲。由于聚丙烯是結(jié)晶度比聚乙烯低得多的材料并含有側(cè)甲基，用聚丙烯可實(shí)現(xiàn)的韌度值通常明顯低于聚乙烯的相應(yīng)值。因此，聚乙烯纖維的合適的韌度優(yōu)選為至少大約8 g/d，更優(yōu)選至少大約11 g/d。聚丙烯的初始拉伸模量?jī)?yōu)選為至少大約160 g/d，更優(yōu)選至少大約200 g/d。取向過(guò)程通常使聚丙烯的熔點(diǎn)提高幾度，以致聚丙烯長(zhǎng)絲優(yōu)選具有至少168°C(334 0F )，更優(yōu)選至少170°C (338 0F )的主熔點(diǎn)。使用具有至少大約200，000的重均分子量以及上述參數(shù)(模量和韌度)的優(yōu)選范圍的纖維可有利地在最終制品中提供改善的性能。在芳族聚酰胺纖維的情形中，US 3，671，542中描述了由芳族聚酰胺形成的合適的纖維，其關(guān)于芳族聚酰胺纖維的教導(dǎo)經(jīng)此引用并入本文。優(yōu)選的芳族聚酰胺纖維具有至少大約20 g/d的韌度、至少大約400 g/d的初始拉伸模量和至少大約8 J/g的致斷能，特別優(yōu)選的芳族聚酰胺纖維具有至少大約20 g/d的韌度和至少大約20 J/g的致斷能。最優(yōu)選的芳族聚酰胺纖維具有至少大約28 g/d的韌度、至少大約1000 g/d的模量和至少大約30 J/g的致斷能。例如，具有中等高的模量和韌度值的聚(對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺)長(zhǎng)絲特別可用于形成防彈復(fù)合材料。實(shí)例是DuPont的KEVLAR 29、KEVLAReI29和KM2 (可以400,640和840旦獲得)和Teijin的TWAR0N 1000和2000型纖維(具有1000的旦數(shù))、來(lái)自Kolon Industries, Inc.的 HERACR0N 纖維和俄羅斯的 Kamensk Volokno JSC 和 JSC ChimVolokno工業(yè)生產(chǎn)的許多纖維，如分別具有大約1250 g/d和32 g/d的初始拉伸模量和韌度值的 RUSAR 、ARTECTM、ARMOSTM和 SVM 。其它實(shí)例是來(lái)自 du Pont 的 KEVLAR 129 和 KM2 和來(lái)自Teijin的TWAR0N*T2000。在本發(fā)明中也可以使用來(lái)自其它制造商的芳族聚酰胺纖維。聚(對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺)的共聚物(例如共聚(對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺對(duì)苯二甲酰3，4’氧代聯(lián)苯二胺(3，4’oxydiphenylene terephthalamide)))也合適。DuPont 以商品名 Ν0ΜΕΧ 出售的聚(間苯二甲酰間苯二胺)纖維也可用。也可以使用來(lái)自各種供應(yīng)商的芳族聚酰胺纖維。單向取向纖維片層 無(wú)論所用高韌度纖維的類型如何，包括上述任何聚烯烴和/或芳族聚酰胺纖維，本文所述背心的剛性護(hù)胸板和柔性織物的纖維層都結(jié)合入無(wú)紡織物中，如以單向取向纖維的片層(Ply)形式。在這種情形中，單向取向纖維的層或片層優(yōu)選以交叉鋪層布置使用，其中一個(gè)纖維層沿一個(gè)方向延伸，第二纖維層沿與第一纖維呈90°的方向延伸。在各個(gè)片層是單向取向纖維時(shí)，相繼的片層優(yōu)選彼此相對(duì)偏轉(zhuǎn)，例如以0°/90°、0°/90/0°/90或0° /45° /90° /45° /0°的角度或以其它角度偏轉(zhuǎn)。在優(yōu)選實(shí)施方案中，護(hù)胸板和織物的所述多個(gè)纖維層均為單向取向纖維的交叉鋪層布置，相鄰纖維層相對(duì)于彼此以90°方向延伸。背心或其它制品的剛性部件(例如護(hù)胸板)或柔性部件(例如織物)中所用的纖維層數(shù)可取決于所需性能和所需重量而廣為不同。例如，層數(shù)可通常為大約2至大約100層，常常為大約2至大約10層。在更具體的實(shí)施方案中，該板和織物各自包含大約2至大約8個(gè)纖維層，通?？砂蠹s2至大約4個(gè)纖維層。纖維層可具有任何合適的厚度，且所述多個(gè)纖維層各層的厚度可以相同或不同。同樣地，該板和/或織物的所述多個(gè)纖維層各層的面密度可廣為不同，但通常選擇這些使得背心或其它制品的總重量在對(duì)穿著者或使用者的保護(hù)和舒適性而言都可接受的范圍內(nèi)。根據(jù)其它實(shí)施方案，如本文所述的防彈背心可具有符合特定的國(guó)家司法研究所(NIJ)威脅等級(jí)，例如NIJ威脅等級(jí)IIIA所要求的片層/層數(shù)。樹(shù)脂基質(zhì)
剛性護(hù)胸板和柔性接合織物的纖維層(或纖維片層)的高韌度、高拉伸模量纖維(例如高韌度、高拉伸模量聚乙烯纖維或高韌度、高拉伸模量芳族聚酰胺纖維)可以位于樹(shù)脂基質(zhì)中。用于該纖維(無(wú)論在板還是織物中的層中)的樹(shù)脂基質(zhì)可以由具有所需特性的眾多彈性體和其它樹(shù)脂形成。在這類樹(shù)脂基質(zhì)中使用低模量樹(shù)脂如彈性體，例如具有通過(guò)ASTM D638測(cè)得的最多大約41.4 MPa (6，000 psi)的初始拉伸模量(彈性模量)。在另一些實(shí)施方案中，該樹(shù)脂具有最多大約16.5 MPa (2, 400 psi)、最多大約8.23 MPa (1,200 psi)或最多大約3.45 MPa (500 psi)的初始拉伸模量。該樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)優(yōu)選為最多大約(TC (32 0F )，更優(yōu)選最多大約-40°C (-40 0F )，最優(yōu)選最多大約_50°C (-58 0F )。該樹(shù)脂還具有至少大約50%，更優(yōu)選至少大約100%，最優(yōu)選至少大約300%的優(yōu)選斷裂伸長(zhǎng)?？梢赃x擇該樹(shù)脂以在硫化時(shí)具有高拉伸模量，如通過(guò)ASTM D638測(cè)得的至少大約IO6 psi (6895MPa)的拉伸模量。例如在US 6，642，159中描述了這樣的樹(shù)脂的實(shí)例。該樹(shù)脂通常是熱塑性的，但熱固性材料也可用。該板或織物的纖維層中樹(shù)脂基質(zhì)材料相對(duì)于纖維的比例可取決于纖維和樹(shù)脂基質(zhì)的具體選擇而廣為不同。該樹(shù)脂基質(zhì)優(yōu)選占大約0%(即無(wú)樹(shù)脂)至大約98重量％，更優(yōu)選大約5%至大約95重量％。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方案，該樹(shù)脂基質(zhì)，尤其在包含或由一種或多種具有低模量的樹(shù)脂構(gòu)成時(shí)，可以相對(duì)較低的比例使用，例如使得板和織物的纖維層都位于數(shù)值基質(zhì)中，且所述樹(shù)脂基質(zhì)分別以板(即板的纖維和樹(shù)脂基質(zhì)的總重量)和織物(即織物的纖維和樹(shù)脂基質(zhì)的總重量)的大約10%至大約40重量％，和通常大約15%至大約25重量％的量存在。較低量的低模量樹(shù)脂的使用有利地改善背心或其它制品的撓性和性能。在樹(shù)脂基質(zhì)中可以使用眾多樹(shù)脂，包括熱塑性樹(shù)脂、熱固性樹(shù)脂、共混樹(shù)脂和雜化樹(shù)脂。例如，低模量數(shù)值的代表性實(shí)例包括:聚丁二烯、聚異戊二烯、天然橡膠、乙烯-丙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物、聚硫化物聚合物、熱塑性聚氨酯、聚氨酯彈性體、氯磺化聚乙烯、聚氯丁烯、使用鄰苯二甲酸二辛酯或本領(lǐng)域中公知的其它增塑劑增塑的聚氯乙烯、丁二烯丙烯腈彈性體、聚(異丁烯-共聚-異戊二烯)、聚丙烯酸酯、聚酯、聚醚、含氟彈性體、有機(jī)硅彈性體、熱塑性彈性體和乙烯共聚物。熱固性樹(shù)脂的實(shí)例包括可溶于碳-碳飽和溶劑，如甲乙酮、丙酮、乙醇、甲醇、異丙醇、環(huán)己烷、乙基丙酮及它們的組合中的那些。熱固性樹(shù)脂包括乙烯基酯、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、鄰苯二甲酸二烯丙酯、酚醛樹(shù)脂如苯酚甲醛、聚乙烯醇縮丁醛、環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂和它們的混合物等。包括在上述US 6，642，159中公開(kāi)的那些樹(shù)脂。優(yōu)選的熱固性樹(shù)脂包括環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂和聚酯樹(shù)脂和它們的混合物。用于聚乙烯纖維織物的優(yōu)選熱固性樹(shù)脂包括至少一種乙烯基酯、鄰苯二甲酸二烯丙酯和任選用于硫化乙烯基酯樹(shù)脂的催化劑。優(yōu)選的一類樹(shù)脂是熱塑性聚氨酯樹(shù)脂。用于樹(shù)脂基質(zhì)的優(yōu)選的一類彈性體材料包括共軛二烯和乙烯基芳族共聚物的嵌段共聚物。丁二烯和異戊二烯是優(yōu)選的共軛二烯彈性體。苯乙烯、乙烯基甲苯和叔丁基苯乙烯是優(yōu)選的共軛芳族單體。包含聚異戊二烯的嵌段共聚物可氫化產(chǎn)生具有飽和烴彈性體鏈段的熱塑性彈性體。該聚合物可以是R-(BA)x(x=3-150)類型的簡(jiǎn)單三嵌段共聚物；其中A是來(lái)自聚乙烯基芳族單體的嵌段，B是來(lái)自共軛二烯彈性體的嵌段。優(yōu)選的樹(shù)脂基質(zhì)是異戊二烯-苯乙烯-異戊二烯嵌段共聚物，如可獲自Kraton Polymer LLC的Kraton Dl 107異戍二烯-苯乙烯-異戍二烯嵌段共聚物。此處可用的另一樹(shù)脂基質(zhì)是熱塑性聚氨酯，如聚氨酯樹(shù)脂在水中的共聚物混合物?？晌挥谠摪搴?或織物的纖維層上的樹(shù)脂基質(zhì)的類型包括耐受水和有機(jī)溶劑的溶解、滲透和/或流逸的腈橡膠聚合物。例如在US 2009/0163105中描述了這樣的腈橡膠聚合物，其關(guān)于這些聚合物的教導(dǎo)經(jīng)此引用并入本文。根據(jù)具體實(shí)施方案，因此，本文所述的復(fù)合材料包含位于護(hù)胸板和/或織物的纖維層的高韌度纖維上的腈橡膠聚合物。在優(yōu)選實(shí)施方案中，該腈橡膠聚合物以樹(shù)脂基質(zhì)和纖維總重量的大約2%至大約50%的量存在于任一這些部件中。樹(shù)脂基質(zhì)的涂布和/或浸潰
根據(jù)代表性的實(shí)施方案，護(hù)胸板的單向取向纖維的所述多個(gè)纖維層中每一層在模制之前用樹(shù)脂基質(zhì)涂布或浸潰。同樣，織物的纖維可以類似地在固結(jié)之前用如上所述的樹(shù)脂基質(zhì)涂布或浸潰。因此，通過(guò)先構(gòu)造纖維網(wǎng)絡(luò)和隨后用基質(zhì)組合物涂布該網(wǎng)絡(luò)來(lái)形成該護(hù)胸板或織物的纖維層。本文所用的術(shù)語(yǔ)“涂布”以廣義使用以描述這樣的纖維網(wǎng)絡(luò)——其中各纖維具有包圍該纖維的基質(zhì)組合物連續(xù)層或在纖維表面上的基質(zhì)組合物不連續(xù)層。在前一情形中，可以說(shuō)纖維完全嵌在基質(zhì)組合物中。術(shù)語(yǔ)涂布和浸潰可互換使用。該樹(shù)脂基質(zhì)組合物可以任何合適的方式(例如溶液、分散體或乳狀液)施加到護(hù)胸板或織物的纖維或纖維層上。在所有情形中，通常隨后干燥所得基質(zhì)涂布的纖維網(wǎng)絡(luò)。可以將樹(shù)脂基質(zhì)的溶液、分散體或乳狀液噴到長(zhǎng)絲上?？蛇x擇地，可以用水溶液、分散體或乳狀液通過(guò)浸潰或借助輥涂機(jī)等涂布所述纖維。在涂布后，所得經(jīng)涂布的纖維網(wǎng)絡(luò)可隨后通過(guò)干燥箱，在此對(duì)經(jīng)涂布的纖維施以足夠的熱以蒸發(fā)樹(shù)脂基質(zhì)組合物中的水或其它液體。經(jīng)干燥的涂布的纖維網(wǎng)絡(luò)可隨后置于載體網(wǎng)幅(其可以是紙或薄膜基底)上?；蛘?，可以在用樹(shù)脂基質(zhì)涂布之前將纖維先置于載體網(wǎng)幅上。在任一情形中，該基底和包含一個(gè)或多個(gè)纖維層的經(jīng)涂布的纖維網(wǎng)絡(luò)可隨后以已知方式卷繞成連續(xù)卷?；蛘?，在用基質(zhì)材料涂布單向取向的纖維網(wǎng)絡(luò)之前，可以從筒子架供應(yīng)高韌度高拉伸模量的纖維長(zhǎng)絲的紗束并經(jīng)由導(dǎo)輥和一個(gè)或多個(gè)舒展桿(spreader bars)引導(dǎo)到準(zhǔn)直梳中。準(zhǔn)直梳使長(zhǎng)絲基本單向地和基本在相同面中對(duì)齊。模制/固結(jié)
將用于背心或其它制品的剛性板或柔性織物部件的纖維層(其任選用樹(shù)脂基質(zhì)涂布/浸潰以形成如上所述的經(jīng)涂布的纖維網(wǎng)絡(luò))模制或固結(jié)。特別地，將纖維層，任選與經(jīng)涂布和/或?qū)訅旱睦w維網(wǎng)絡(luò)的已制成的“預(yù)浸料坯”一起，結(jié)合形成模制或固結(jié)的護(hù)胸板和織物部件。可通過(guò)干燥、冷卻、加熱、壓力或它們的組合實(shí)現(xiàn)固結(jié)。代表性的固結(jié)方法包括使用加熱的夾輥提供用于進(jìn)行固結(jié)的溫度和壓力。盡管模制和固結(jié)技術(shù)類似，但各方法也在若干方面中不同。特別地，模制是間隙法，固結(jié)是連續(xù)法。此外，模制通常涉及使用模具，如形成相對(duì)平坦的部件時(shí)的配套模具，或成型模具。但是，模制不一定像固結(jié)常得到的那樣產(chǎn)生平面產(chǎn)品。通常，在平板層壓機(jī)、砑光夾輥組中或作為濕層壓進(jìn)行固結(jié)以制造柔性或軟裝甲，如本文所述背心中所用的織物。模制通常用于制造剛性或硬裝甲，如這些背心中所用的護(hù)胸板。例如在US 4, 623, 574 ；US
4,650, 710 ；US 4, 748, 064 ；US 5, 552, 208 ；US 5, 587, 230 ；US 6, 642, 159 ；US 6, 841, 492 ；和US 6，846，758中描述了用于形成剛性制品的模制技術(shù)。因此可通過(guò)層層疊加該板或織物的各纖維層或這些層的經(jīng)涂布或浸潰的預(yù)浸料還、接著在熱和壓力下將它們粘合在一起以使整個(gè)結(jié)構(gòu)熱定形、使基質(zhì)材料流動(dòng)并占據(jù)任何剩余空隙空間來(lái)實(shí)現(xiàn)模制或固結(jié)。如上所述，該板和織物的各纖維層都優(yōu)選交叉鋪層以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的防彈性，使得一層的纖維排列方向相對(duì)于另一層的纖維排列方向旋轉(zhuǎn)一定角度(即層不平行)。例如，優(yōu)選結(jié)構(gòu)具有置于一起的兩個(gè)纖維層使得一層的縱向纖維方向垂直于另一層的縱向纖維方向(相對(duì)于其以90°方向延伸)。可以在大約93 °C (200 0F )至大約 177°C (350 0F )，更優(yōu)選大約 93 °C (200 0F )至大約149°C (300 0F )，最優(yōu)選大約93°C (200 0F )至大約121°C (250 0F )的溫度和大約172 kPa (25 psi)至大約3.45 MPa (500 psi)的壓力下實(shí)現(xiàn)適用于模制或固結(jié)纖維層的粘合，但可以使用更高壓力?？梢栽诟邏焊羞M(jìn)行模制或固結(jié)。在典型的真空袋模制操作中，將纖維層和樹(shù)脂基質(zhì)的層疊體(lay up)轉(zhuǎn)移到密封袋中并對(duì)袋內(nèi)容物施加真空，由此在高壓釜環(huán)境與袋環(huán)境之間引起最多I額外大氣壓的壓差。在真空下的袋通常在高壓釜中，例如在大約93°C (200 0F )至大約177°C (350 0F )的代表性溫度下在大約(345 kPa)50 psi至大約2.1 MPa (300 psi)的高壓釜壓力下加熱，接著冷卻至室溫。在加熱時(shí)，可以使樹(shù)脂基質(zhì)發(fā)粘或流動(dòng)而不完全熔融。但是，通常，如果使樹(shù)脂基質(zhì)熔融，需要相對(duì)較小的壓力形成復(fù)合材料，而如果僅將樹(shù)脂基質(zhì)加熱至發(fā)粘點(diǎn)，通常需要更大壓力。保持模制和固結(jié)溫度和壓力的時(shí)長(zhǎng)通常為大約10秒至大約24小時(shí)，典型地為大約5分鐘至大約3小時(shí)，常常為大約10分鐘至大約2小時(shí)不等。但是，模制和固結(jié)溫度、壓力和時(shí)間通常取決于樹(shù)脂基質(zhì)的含量和類型以及纖維的含量和類型。因此，該板和織物的模制或固結(jié)的層狀復(fù)合材料的優(yōu)選厚度為所用高韌度纖維層中每纖維層大約25微米(0.98密爾)至大約500微米(20密爾)，更優(yōu)選每纖維層大約75微米(3.0密爾)至大約385微米(15密爾)，最優(yōu)選每纖維層大約125微米(4.9密爾)至大約255微米(10密爾)。盡管這樣的厚度是優(yōu)選的，但要理解的是，可以制造其它層厚度以滿足特定需要，但仍落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。各層的面密度可優(yōu)選為大約0.034 kg/m2 (0.0070 lb/ft2)至大約3.1 kg/m2(0.63 lb/ft2)，更優(yōu)選大約 0.17 kg/m2 (0.035 lb/ft2)至大約 2.2 kg/m2 (0.45 lb/ft2),最優(yōu)選大約 0.17 kg/m2 (0.035 lb/ft2)至大約 0.85 kg/m2 (0.17 lb/ft2)。護(hù)胸板和織物的各纖維層的厚度和面密度可以相同或不同。防彈背心和其它制品的形成
在使用模制或固結(jié)形成該板和織物的層狀復(fù)合材料后，可通過(guò)接合這些部件形成背心或其它制品。術(shù)語(yǔ)“接合”包括物理連接以及無(wú)物理連接的聯(lián)結(jié)或并置?？梢岳缬谜澈淆R (例如多硫化物、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、彈性體等)、用機(jī)械緊固件(例如針、釘、鉚釘、螺釘、螺桿等)或用這些的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)板和織物之間的物理連接。在不存在物理連接的情形中，可以使用非連接式(un-attached)的聯(lián)結(jié)或并置將織物與板接合，例如將護(hù)胸板以可拆除方式插入有策略放置的織物袋中。這允許在只需要中等保護(hù)的用途中使用無(wú)護(hù)胸板的背心，也允許將護(hù)胸板與具有類似構(gòu)造的袋的其它服裝或非服裝制品一起使用。在背心區(qū)域的僅一部分中使用例如由護(hù)胸板提供的剛性裝甲既能控制受到最高防彈保護(hù)的背心位置，又能控制背心的總重量。在使用非物理連接接合護(hù)胸板和織物的另一代表性實(shí)施方案中，可以將一部分織物包裹在護(hù)胸板周圍(例如在張力下使護(hù)胸板保持就位)。或者，可以例如通過(guò)將織物的包裹部分縫合到護(hù)胸板上來(lái)結(jié)合使用物理和非物理連接。無(wú)論板和織物是以物理還是非物理方式接合，織物優(yōu)選遮蓋或覆蓋板的至少一面，使得在穿著背心或其它制品時(shí)其隱藏在視線中。該板的面是指具有或多或少平面結(jié)構(gòu)的表面(例如前和后表面)，其與例如具有低得多的表面積的四個(gè)表面相比具有高表面積。因此在穿著背心或其它服裝制品時(shí)，相對(duì)的面朝向和背對(duì)使用者。在許多情形中，織物可覆蓋護(hù)胸板的兩面，例如在將護(hù)胸板如上所述完全插在織物袋內(nèi)時(shí)。在這種情形中，本身提供顯著防彈保護(hù)的織物除位于護(hù)胸板與使用者之間外，還位于射來(lái)的射彈(例如子彈或榴霰彈)與護(hù)胸板之間，由此在護(hù)胸板前和后都提供保護(hù)。防彈背心和其它制品的性質(zhì)
盡管防彈背心在本公開(kāi)通篇中充當(dāng)示例性服裝制品，但容易認(rèn)識(shí)到，本文所述的護(hù)胸板和織物部件廣泛適用于其 它制品(例如防護(hù)盾、毯和板等)，特別是服裝制品，如襯衫、夾克、褲子和帽子，它們可類似地分別使用該板和織物的剛性和柔性結(jié)構(gòu)。包含本文所述的板和織物部件的背心和其它制品(例如服裝制品)具有良好撓性和舒適性以及優(yōu)異的防彈保護(hù)和防碎片性。小尖射彈可通過(guò)側(cè)向推開(kāi)纖維而不使纖維斷裂來(lái)穿透裝甲。在這種情形中，抗穿透性取決于纖維有多容易推開(kāi)，因此取決于纖維網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)。包含纖維層的制品的防彈或防碎片性中的重要因素是交叉鋪層的纖維層中的交迭周期性、纖維旦數(shù)、纖維間摩擦、樹(shù)脂基質(zhì)特性、層間粘合強(qiáng)度等。就性能而言，該背心和其它制品具有用在軍事、執(zhí)法和需要對(duì)使用者的高度保護(hù)的其它用途中的許多合意性質(zhì)。這些性質(zhì)包括如上論述的至少在護(hù)胸板區(qū)域中的抗穿透性值，和總重量。該背心或其它制品的總厚度(甚至在板區(qū)域中)有利地小于大約12毫米(0.47英寸)(例如大約4毫米(0.16英寸)至大約12毫米(0.47英寸))，通常小于大約10毫米(0.39英寸)(例如大約4毫米(0.16英寸)至大約10毫米(0.39英寸))。該織物和板一起的總面密度(例如該背心在護(hù)胸板區(qū)域中的面密度)有利地小于大約39.2 kg/m2 (8 lb/ft2)(例如大約 2.44 kg/m2 (0.5 lb/ft2)至大約 29.3 kg/m2 (6 lb/ft2)),通常小于大約 29.3 kg/m2 (6 lb/ft2)(例如大約 4.89 kg/m2 (I lb/ft2)至大約 29.3 kg/m2 (6 lb/ft2)),通常小于大約 24.4 kg/m2 (5 lb/ft2)(例如大約 9.77 kg/m2 (2 lb/ft2)至大約 24.4 kg/m2 (5lb/ft2))。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方案的具有高抗穿透性和上述總重量特性的代表性背心包含(a)包含多個(gè)單向取向纖維層的剛性裝甲護(hù)胸板，所述纖維層包含具有至少大約7克/旦的韌度和至少大約150克/旦的拉伸模量的聚乙烯纖維，其中護(hù)胸板的纖維層在具有最多大約27.6 MPa (4, 000 psi)的拉伸模量的樹(shù)脂基質(zhì)中，護(hù)胸板的相鄰纖維層相對(duì)于彼此以90°方向延伸，且護(hù)胸板的所述多個(gè)纖維層是模制的；還包含(b)容納護(hù)胸板(例如在織物袋內(nèi))并包含多個(gè)單向取向纖維層的柔性織物，所述纖維層包含具有至少大約7克/旦的韌度和至少大約150克/旦的拉伸模量的聚乙烯纖維，其中織物的纖維層在具有最多大約27.6MPa (4, 000 psi)的拉伸模量的樹(shù)脂基質(zhì)中，織物的相鄰纖維層相對(duì)于彼此以90°方向延伸，且織物的所述多個(gè)纖維層是固結(jié)的。在這種代表性實(shí)施方案中，因此，護(hù)胸板和織物部件都包含呈現(xiàn)單向取向纖維的交叉鋪層布置的多個(gè)高韌度纖維層，相鄰纖維層相對(duì)于彼此以90°方向延伸。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方案這些部件可因此包括SPECTRA SHIELD ，其具有2至4層如上所述的單向取向的SPECTRA 纖維，相鄰層相對(duì)于彼此以90°交叉鋪層。本發(fā)明的整體方面涉及包含剛性和柔性部件(例如剛性護(hù)胸板和柔性織物)的輕質(zhì)高性能背心和其它制品。本領(lǐng)域技術(shù)人員借助從本公開(kāi)中獲得的知識(shí)會(huì)認(rèn)識(shí)到，可以在不背離本公開(kāi)的范圍的情況下對(duì)這些背心和其它制品和它們的制造方法作出各種改動(dòng)。本文所述的主題因此是本發(fā)明及其相關(guān)優(yōu)點(diǎn)的代表，不應(yīng)被解釋為限制如所附權(quán)利要求書(shū)中所限定的發(fā)明范圍。
權(quán)利要求
1.防彈背心，其包含: (a)剛性護(hù)胸板，和 (b)接合護(hù)胸板的柔性織物， 其中所述護(hù)胸板和所述織物各自包含多個(gè)單向取向纖維層，所述單向取向纖維層包含具有至少大約7克/旦的韌度和至少大約150克/旦的拉伸模量的纖維， 其中所述背心具有小于大約3千克(6.6磅)的總重量。
2.權(quán)利要求1的背心，其中所述織物覆蓋所述護(hù)胸板的至少一面。
3.權(quán)利要求1或2的背心，其中所述護(hù)胸板和所述織物的纖維層獨(dú)立地包含聚烯烴纖維或芳族聚酰胺纖維。
4.權(quán)利要求3的背心，其中所述護(hù)胸板和所述織物的纖維層包含聚乙烯纖維。
5.權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)的背心，其中所述背心在護(hù)胸板區(qū)域中能夠抵抗能量為大約1600 J (1180 ft-lb)至大約 4000 J (2950 ft-lb)的步槍子彈。
6.權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)的背心，其中所述護(hù)胸板和所述織物的所述多個(gè)纖維層都呈現(xiàn)單向取向纖維的交叉鋪層布置，相鄰纖維層相對(duì)于彼此以90°方向延伸。
7.權(quán)利要求6的背心，其中所述護(hù)胸板和所述織物包含2至8個(gè)纖維層。
8.權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)的背心，其中所述護(hù)胸板和所述織物具有大約4.89 kg/m2 (Ilb/ft2)至大約 29.3 kg/m2 (6 lb/ft2)的總面密度。
9.具有高抗穿透性的背心，其包含: (a)包含多個(gè)單向取向的高韌度纖維層的剛性裝甲護(hù)胸板，所述纖維層包含具有至少大約7克/旦的韌度和至少大約150克/旦的拉伸模量的聚乙烯纖維，其中所述護(hù)胸板的纖維層位于具有最多大約27.6 MPa (4，000 psi)的拉伸模量的樹(shù)脂基質(zhì)中，所述護(hù)胸板的相鄰纖維層相對(duì)于彼此以90°方向延伸，且所述護(hù)胸板的所述多個(gè)纖維層是模制的；和 (b)容納所述護(hù)胸板并包含多個(gè)單向取向的高韌度纖維層的柔性織物，所述纖維層包含具有至少大約7克/旦的韌度和至少大約150克/旦的拉伸模量的聚乙烯纖維，其中所述織物的纖維層位于具有最多大約27.6 MPa (4，000 psi)的拉伸模量的樹(shù)脂基質(zhì)中，所述織物的相鄰纖維層相對(duì)于彼此以90°方向延伸，且所述織物的所述多個(gè)纖維層是固結(jié)的， 其中所述背心具有小于大約3千克(6.6磅)的總重量。
10.權(quán)利要求9的背心，其中所述背心在護(hù)胸板區(qū)域中能夠抵抗能量為大約1600J(1180 ft-lb)至大約 4000 J (2950 ft-lb)的步槍子彈。
全文摘要
描述了兼具防彈性能和總重量特性的防彈背心和其它制品。代表性的防彈背心包含剛性護(hù)胸板和接合護(hù)胸板的柔性織物。這兩個(gè)部件都包含多個(gè)單向取向纖維層，所述單向取向纖維層包含具有高韌度和高拉伸模量的纖維。
文檔編號(hào)A41D1/00GK103118558SQ201180046939
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
發(fā)明者A.巴特納加, D.A.赫斯特, D.A.斯蒂恩凱默, B.D.阿維森, L.L.沃納 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司