用于防彈應(yīng)用的高性能層壓帶&相關(guān)產(chǎn)品的制作方法
【專利摘要】由纖維帶形成的高度均勻的機(jī)織纖維結(jié)構(gòu)，其中所述帶構(gòu)成機(jī)織織物的經(jīng)向和緯向帶。各纖維帶可以是機(jī)織或非織造的，并可以作為窄帶形成或可以從更寬的織物網(wǎng)幅上切下。
【專利說(shuō)明】用于防彈應(yīng)用的高性能層壓帶&相關(guān)產(chǎn)品
[0001] 對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2011年10月19日提交的共同待審的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)N0.61/549,004的權(quán)益，其公開(kāi)內(nèi)容全文并入本文中作為參考。
_2] 發(fā)明背景。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及由機(jī)織織物帶、非織造織物帶或非織造的單向取向纖維陣列的帶形成的高度均勻的機(jī)織(woven)纖維結(jié)構(gòu)，以及它們的制造方法。
[0004]相關(guān)技術(shù)描述
由包含高強(qiáng)度合成纖維的復(fù)合材料制成的防彈制品是公知的。防彈背心、頭盔、車身板和軍事裝備的結(jié)構(gòu)件之類的制品通常由包含高強(qiáng)度纖維，如SPECTRA?聚乙烯纖維或芳族聚酰胺纖維如KEVLAR ?和TWAR0N?的織物制成。對(duì)許多應(yīng)用，如背心或背心部件而言，可以在機(jī)織或針織物中使用該纖維。對(duì)另一些應(yīng)用而言，可以將該纖維包封或嵌在聚合基質(zhì)材料中并成形成非織造織物。例如，在一種常見(jiàn)的非織造織物結(jié)構(gòu)中，許多單向取向的纖維以大致共面關(guān)系排列并被基質(zhì)材料涂布以將纖維粘合在一起。通常，多個(gè)這樣的單向取向纖維層片合并成多層片復(fù)合材料。參見(jiàn)例如美國(guó)專利4，403，012,4, 457，985,4, 613，535、4，623，574,4, 650，710,4, 737，402,4, 748，064,5, 552，208,5, 587，230,6, 642，159、6，841，492,6, 846，758 (所有這些都并入本文中作為參考)，它們描述了包括多個(gè)非織造纖維層片的防彈復(fù)合材料。
[0005]為使纖維防彈復(fù)合材料制品的防彈性最大化，希望相鄰纖維之間的空間極小以促進(jìn)在射彈沖擊下最大限度的纖維咬合。實(shí)現(xiàn)其的一種方式是通過(guò)在復(fù)合材料內(nèi)加入更多纖維或纖維層。但是，提高纖維含量使得裝甲更重，這是不合意的。特別是在由平行纖維制造非織造材料時(shí)，實(shí)現(xiàn)纖維之間的最小空間的另一方式是鋪開(kāi)纖維或它們的組成長(zhǎng)絲以使更少的纖維互相重疊。這允許更大數(shù)量的纖維層或單向纖維層片互相疊加而不改變預(yù)期復(fù)合材料厚度，這增強(qiáng)射彈威脅下的纖維咬合而不提高織物重量。
[0006]但是，在鋪展纖維時(shí)，仍然難以消除單一的單向纖維陣列中的所有纖維重疊，尤其是在鋪展連續(xù)纖維時(shí)。另外，在借助或不借助纖維鋪絲將纖維排列成平行陣列時(shí)，難以保持該陣列的整個(gè)寬度上的纖維均勻性，特別是在定位長(zhǎng)連續(xù)纖維時(shí)。纖維的單向陣列通常作為幾千米長(zhǎng)和幾厘米寬的連續(xù)纖維網(wǎng)加工。纖維的顯著長(zhǎng)度使得難以在加工過(guò)程中沿該陣列的整個(gè)寬度保持一致的纖維取向。這是成問(wèn)題的，因?yàn)殛嚵兄械睦w維不均勻性導(dǎo)致不均勻和不可預(yù)測(cè)的防彈性能。此外，加工大纖維網(wǎng)要求使用昂貴的設(shè)備，這在商業(yè)規(guī)模下對(duì)于復(fù)合材料制造是禁止性的。
[0007]希望提供具有降低的厚度和改進(jìn)的纖維均勻性的纖維復(fù)合材料，這導(dǎo)致更高的與射彈的咬合和改進(jìn)的防彈性質(zhì)。還希望提供能夠使用較便宜的加工設(shè)備的制造此類復(fù)合材料的方法。本發(fā)明為這些各需求提供解決方案。
[0008]發(fā)明概沭 本發(fā)明提供包含多個(gè)纖維帶的機(jī)織織物，各纖維帶包含以單向的基本平行陣列排列或以機(jī)織織物條形式排列的多個(gè)纖維，所述纖維任選至少部分被聚合粘合劑材料涂布，其中各所述纖維具有大約7克/旦或更大的韌度和大約150克/旦或更大的拉伸模量，其中各纖維包含多根長(zhǎng)絲，且其中所述聚合粘合劑材料在存在時(shí)占各纖維帶的小于40重量％。
[0009]本發(fā)明還提供形成防彈機(jī)織織物的方法，其包括:
a)提供多個(gè)纖維帶，各纖維帶包含以單向的基本平行陣列排列或以機(jī)織織物條形式排列的多個(gè)纖維，所述纖維任選至少部分被聚合粘合劑材料涂布，其中各所述纖維具有大約7克/旦或更大的韌度和大約150克/旦或更大的拉伸模量，其中各纖維包含多根長(zhǎng)絲，且其中所述聚合粘合劑材料在存在時(shí)占各纖維帶的小于40重量％ ;和
b)將所述多個(gè)纖維帶織在一起，由此形成機(jī)織織物。
[0010]本發(fā)明還進(jìn)一步提供包含固結(jié)的多個(gè)機(jī)織織物的多層防彈復(fù)合材料，各機(jī)織織物包含多個(gè)纖維帶，各纖維帶包含以單向的基本平行陣列排列或以機(jī)織織物條形式排列的多個(gè)纖維，所述纖維任選至少部分被聚合粘合劑材料涂布，其中各所述纖維具有大約7克/旦或更大的韌度和大約150克/旦或更大的拉伸模量，其中各纖維包含多根長(zhǎng)絲，且其中所述聚合粘合劑材料在存在時(shí)占各纖維帶的小于40重量％。
[0011]發(fā)明詳沭
本文所用的術(shù)語(yǔ)“帶”是指包含多個(gè)纖維或紗線的纖維材料窄條。該帶可包含機(jī)織織物條，或可包含以大致平行纖維的大致單向陣列排列的多個(gè)纖維或紗線，且其中這些纖維/紗線任選但優(yōu)選被聚合粘合劑樹(shù)脂涂布。將此類帶制成機(jī)織織物，其中它們構(gòu)成機(jī)織織物的經(jīng)向和緯向帶。
[0012]在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，合并使用機(jī)織織物和非織造織物技術(shù)以制造機(jī)織纖維復(fù)合材料，其中非織造的多纖維(或多紗)帶構(gòu)成機(jī)織織物中的經(jīng)向和緯向帶。這些纖維復(fù)合材料可用于制造軟質(zhì)和硬質(zhì)裝甲制品。通過(guò)織造實(shí)現(xiàn)的纖維機(jī)械聯(lián)鎖和任選與聚合粘合劑材料的粘合聯(lián)鎖能與傳統(tǒng)非織造材料相比降低聚合粘合劑含量而不犧牲防彈性能。
[0013]可以通過(guò)將多個(gè)纖維或紗線組合成薄的窄結(jié)構(gòu)而直接制造帶?；蛘撸梢酝ㄟ^(guò)首先形成單向纖維層片、包含多個(gè)單向纖維層片的非織造織物或非織造纖維層、或機(jī)織織物或機(jī)織纖維層、接著從該纖維層片、纖維層或織物上剖切或切割薄條來(lái)制造帶，其中各條構(gòu)成單一帶。
[0014]該帶優(yōu)選是具有最多大約3密爾(76.2微米)，更優(yōu)選大約0.35密爾(8.89微米)至大約3密爾(76.2微米)，最優(yōu)選大約0.35密爾至大約1.5密爾(38.1微米)的優(yōu)選厚度的扁平結(jié)構(gòu)。帶通常具有小于或等于大約6英寸(15.24 cm)的寬度，優(yōu)選寬度為大約5毫米至大約50毫米，更優(yōu)選大約5毫米至大約25.4毫米(I英寸)，甚至更優(yōu)選大約5毫米至大約20毫米，最優(yōu)選大約5毫米至大約10毫米。各纖維帶包括至少兩根纖維，優(yōu)選2至大約20根纖維，更優(yōu)選大約2至大約15根纖維，最優(yōu)選大約5至大約10根纖維。
[0015]本文所用的術(shù)語(yǔ)“纖維”是長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度和厚度的橫向尺寸的細(xì)長(zhǎng)體。用于本發(fā)明的纖維的橫截面可千差萬(wàn)別，它們的橫截面可以是圓形、扁平或長(zhǎng)橢圓形。因此術(shù)語(yǔ)“纖維”包括具有規(guī)則或不規(guī)則橫截面的長(zhǎng)絲、帶、條等，但該纖維優(yōu)選具有基本圓形橫截面。單纖維可以由僅一根長(zhǎng)絲形成或由多根長(zhǎng)絲形成。由僅一根長(zhǎng)絲形成的纖維在本文中被稱作“單絲(single-filament) ”纖維或“單絲(monofilament) ”纖維，由多根長(zhǎng)絲形成的纖維在本文中被稱作“復(fù)絲”纖維。本文所用的術(shù)語(yǔ)“紗線”是指由多個(gè)纖維構(gòu)成的單股。
[0016]本文所用的“層”描述纖維的大致平面布置，“纖維層”可包含單向取向纖維的單層片、單向取向纖維的多個(gè)層片、機(jī)織織物、或由許多纖維形成的任何其它織物結(jié)構(gòu)，包括氈、墊和其它結(jié)構(gòu)，如包含無(wú)規(guī)取向纖維的那些。各纖維層片、纖維層和帶具有外頂面和外底面。
[0017]如本領(lǐng)域中傳統(tǒng)已知的那樣，單向取向纖維的“單層片”包含以纖維的基本平行的單向并排陣列排列的大致非重疊的共面纖維的布置。這種類型的纖維布置在本領(lǐng)域中也被稱作“單帶”、“單向帶”、“UD”或“UDT”。本文所用的“陣列”描述纖維或紗線的有序排列，這是機(jī)織織物獨(dú)有的，“平行陣列”描述纖維或紗線的有序平行排列。就“取向纖維”所用的術(shù)語(yǔ)“取向”是指與纖維拉伸相反的纖維排列。術(shù)語(yǔ)“織物”描述可包括一個(gè)或多個(gè)纖維層片的結(jié)構(gòu)，這些層片經(jīng)過(guò)或未經(jīng)過(guò)模制或固結(jié)。例如，機(jī)織織物或氈可包含單個(gè)纖維層片。由單向纖維形成的非織造織物通常包含互相疊加并固結(jié)的多個(gè)纖維層片。本文所用的“單層”結(jié)構(gòu)是指由一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立層片或獨(dú)立層構(gòu)成的任何整體纖維結(jié)構(gòu)，它們已與聚合粘合劑材料一起合并成，即通過(guò)低壓層壓或通過(guò)高壓模制固結(jié)成單一整體結(jié)構(gòu)?！肮探Y(jié)”是指聚合粘合劑材料與各纖維層片一起結(jié)合成單一整體層?？赏ㄟ^(guò)干燥、冷卻、加熱、壓力、壓延或它們的組合實(shí)現(xiàn)固結(jié)。熱和/或壓力可能不是必要的，因?yàn)槔w維或織物層可以僅膠粘在一起，如濕層壓法的情況中那樣。術(shù)語(yǔ)“復(fù)合材料”是指纖維與至少一種聚合粘合劑材料的組合。本文所用的“復(fù)雜復(fù)合材料”是指多個(gè)纖維層的固結(jié)組合。本文所述的“非織造”織物包括不通過(guò)織造形成的所有織物結(jié)構(gòu)。例如，非織造織物可包含多個(gè)單向帶，它們至少部分被聚合粘合劑材料涂布，堆疊/重疊并固結(jié)成單層整體元件，以及包含優(yōu)選被聚合粘合劑組合物涂布的非平行無(wú)規(guī)取向纖維的氈或墊。對(duì)本發(fā)明而言，具有優(yōu)異的防彈藥穿透性的制品描述了表現(xiàn)出優(yōu)異的抗可變形彈(如子彈)和抗碎片(如榴霰彈)穿透性質(zhì)的那些。
[0018]可以使用本領(lǐng)域中傳統(tǒng)上用于形成非織造單向纖維層片或單向纖維層的技術(shù)制造非織造帶。在用于形成非織造單向纖維層片的典型方法中，從筒子架供應(yīng)纖維束并經(jīng)由導(dǎo)絲器和一個(gè)或多個(gè)分紗器桿(spreader bars)引導(dǎo)到準(zhǔn)直梳中，接著任選但優(yōu)選用聚合粘合劑材料涂布纖維?；蛘?，纖維可以在遇到分紗器桿之前涂布或它們可以在兩組分紗器桿(一組在涂布段之前，一組在涂布段之后)之間涂布。典型的纖維束(例如紗線)具有大約30至大約2000根單長(zhǎng)絲，各纖維通常包括，但不限于，大約120至大約360根單長(zhǎng)絲。分紗器桿和準(zhǔn)直梳分散和鋪開(kāi)成束纖維，使它們以共面方式并排重組。理想的纖維鋪展使得單長(zhǎng)絲或單纖維在單纖維面中彼此緊鄰，以形成纖維的基本單向的平行陣列，而沒(méi)有纖維互相重疊。在纖維鋪展和準(zhǔn)直后，這種平行陣列的纖維通常根據(jù)纖維厚度含有大約3至12個(gè)纖維端/英寸(1.2至4.7端/厘米)。
[0019]通常將根據(jù)這種方法制成的非織造單向纖維層片加工成具有大約20” (50.8 cm)至大約70”(177.8 cm)的寬度，但可以限制或修改該方法以將帶寬限制在所需范圍內(nèi)。例如，可以使用較少的纖維束進(jìn)行傳統(tǒng)加工步驟并在經(jīng)由導(dǎo)絲器和分紗器桿將它們引導(dǎo)到準(zhǔn)直梳中時(shí)將纖維束隔開(kāi)，由此形成薄的纖維陣列。在這一實(shí)施方案中，各纖維束供應(yīng)單根復(fù)絲紗(復(fù)絲纖維)，因此可以通過(guò)控制所用纖維束的數(shù)量和通過(guò)控制纖維鋪展程度來(lái)控制此類薄陣列的寬度。各薄陣列然后優(yōu)選根據(jù)本領(lǐng)域中的傳統(tǒng)技術(shù)用聚合粘合劑材料涂布。
[0020]可以使用各種其它手段將該帶限制至所需寬度。例如，可以將標(biāo)準(zhǔn)厚度的單向帶切割或分切成具有所需長(zhǎng)度的帶，這是由多層片的非織造纖維層制造帶的理想方法。在美國(guó)專利6，098，510中公開(kāi)了分切裝置的一個(gè)實(shí)例，其教導(dǎo)了在片材網(wǎng)卷繞到所述輥上時(shí)分切該片材網(wǎng)的裝置。在美國(guó)專利6，148，871中公開(kāi)了分切裝置的另一實(shí)例，其教導(dǎo)了用多個(gè)葉片將聚合膜片分切成多個(gè)膜條的裝置。美國(guó)專利6，098510和美國(guó)專利6，148，871的公開(kāi)內(nèi)容都在與本文不沖突的程度上并入本文作為參考。
[0021]在另一方法中，可以通過(guò)將纖維/紗線陣列送入具有成型模頭的成型裝置來(lái)制造具有所需寬度的連續(xù)非織造帶。例如，多個(gè)纖維/紗線可經(jīng)過(guò)具有矩形橫截面的成型模頭進(jìn)給以形成扁平的矩形帶。可以按需要使用其它橫截面形狀?？梢栽趯⒍鄠€(gè)纖維成型之前或之后用聚合粘合劑或樹(shù)脂材料涂布這些纖維。優(yōu)選在纖維經(jīng)過(guò)成型模頭之前用粘合劑/樹(shù)脂涂布它們以助于保持形狀。就此而言，該粘合劑/樹(shù)脂優(yōu)選在纖維經(jīng)過(guò)模頭時(shí)沒(méi)有完全固化。
[0022]例如在名為“High Strength Ultra-High Molecular Weight Polyethylene TapeArticles” 的美國(guó)專利 8, 236, 119 和名為“High Strength Tape Articles From Ultra-HighMolecular Weight Polyethylene”的在2011年2月4日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/021，262中也描述了制造非織造纖維帶的方法，它們的公開(kāi)內(nèi)容并入本文中作為參考。
[0023]在該帶包含機(jī)織織物薄條的另一實(shí)施方案中，擬用在防彈材料中的機(jī)織織物也通常被加工成具有大約20” (50.8 cm)至大約70” (177.8 cm)的寬度。如同非織造材料那樣，可以將標(biāo)準(zhǔn)厚度的機(jī)織織物(例如寬幅織物)切割或分切成具有所需長(zhǎng)度的帶，例如通過(guò)使用如美國(guó)專利 2,035, 138 ;4，124,420 ;5，115,839 ;6，098，510 或 6，148,871 中公開(kāi)的分切裝置，它們各自在與本文不沖突的程度上并入本文作為參考。也已知通過(guò)織造織物薄條而非從寬幅織物上切條來(lái)形成條帶和類似的窄結(jié)構(gòu)，這通常可通過(guò)調(diào)節(jié)任何傳統(tǒng)織機(jī)上的設(shè)置實(shí)現(xiàn)，如美國(guó)專利2,035, 138 ;4，124，420 ;5，115,839中公開(kāi)的那些，或通過(guò)使用專門(mén)用于織造窄機(jī)織織物或條帶的織帶機(jī)實(shí)現(xiàn)。例如在美國(guó)專利4，541，461 ；5，564，477 ;7，451，787和7，857，012中公開(kāi)了可用的織帶機(jī)，它們各自轉(zhuǎn)讓給Textilma AGof Stansstad, Switzerland并且各自在與本文不沖突的程度上并入本文作為參考,盡管任何替代性的織帶機(jī)同樣可用。在本文中可以使用任何傳統(tǒng)方法，使用任何織物織造形式，其中限制織造以將帶寬度限制在所需范圍內(nèi)。但是，從寬幅織物上切條是更有效并因此優(yōu)選的。因此，可以使用形成薄的可織織物條的任何可用的方法。
[0024]然后將多個(gè)帶織造在一起以形成機(jī)織帶基織物。可以使用本領(lǐng)域中公知的技術(shù)使用任何織物組織，如平紋組織、四經(jīng)破緞紋、方平組織、緞紋組織、斜紋組織等形成機(jī)織織物。平紋組織最常見(jiàn)，其中纖維以正交0° /90°取向織在一起。更優(yōu)選的是具有相等的經(jīng)紗和緯紗數(shù)的平紋織物。在一個(gè)實(shí)施方案中，該機(jī)織織物優(yōu)選在經(jīng)向和緯向中都具有大約0.25至大約6個(gè)帶/英寸(每2.54厘米)，更優(yōu)選在經(jīng)向和緯向中都具有大約0.5至大約6個(gè)帶/英寸(每2.54厘米)，最優(yōu)選在經(jīng)向和緯向中都具有大約2至大約6個(gè)帶/英寸(每
2.54厘米)。結(jié)果獲得具有大約20克/平方米(gsm)至大約100 gsm,更優(yōu)選大約30 gsm至大約80 gsm,最優(yōu)選大約35 gsm至大約60 gsm的優(yōu)選面密度的機(jī)織織物。
[0025]所述帶和纖維層(任選從中切出所述帶)優(yōu)選由高強(qiáng)度高拉伸模量聚合纖維形成。該纖維最優(yōu)選包含可用于形成防彈材料和制品的高強(qiáng)度高拉伸模量纖維。本文所用的“高強(qiáng)度高拉伸模量纖維”是具有至少大約7克/旦或更大的優(yōu)選韌度、至少大約150克/旦或更大的優(yōu)選拉伸模量、至少大約8 J/g或更大的優(yōu)選致斷能量的纖維，各自通過(guò)ASTM D2256測(cè)量。本文所用的術(shù)語(yǔ)“旦”是指等于每9000米纖維或紗線的質(zhì)量(以克計(jì))的線性密度單位。本文所用的術(shù)語(yǔ)“韌度”是指以無(wú)應(yīng)力試樣的力(克)/單位線性密度(旦)表示的拉伸應(yīng)力。纖維的“初始模量”是代表其抗形變性的材料性質(zhì)。術(shù)語(yǔ)“拉伸模量”是指以克-力/旦(g/d)表示的韌度變化與以原始纖維長(zhǎng)度的分?jǐn)?shù)(in/in)表示的應(yīng)變變化的比率。
[0026]形成纖維的聚合物優(yōu)選是適用于制造防彈復(fù)合材料/織物的高強(qiáng)度高拉伸模量纖維。特別適用于形成防彈復(fù)合材料和制品的特別合適的高強(qiáng)度高拉伸模量纖維材料包括聚烯烴纖維，包括高密度和低密度聚乙烯。特別優(yōu)選的是伸展鏈聚烯烴纖維，如高取向的高分子量聚乙烯纖維，特別是超高分子量聚乙烯纖維和聚丙烯纖維，特別是超高分子量聚丙烯纖維。芳族聚酰胺纖維也合適，特別是對(duì)芳族聚酰胺纖維、聚酰胺纖維、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維、聚萘二甲酸乙二醇酯纖維、擴(kuò)鏈聚乙烯醇纖維、擴(kuò)鏈聚丙烯腈纖維、聚吲哚(polybenzazole)纖維,如聚苯并B惡唑(PBO)和聚苯并噻唑(PBT)纖維,液晶共聚酯纖維和剛性桿狀纖維，如M5?纖維。這些纖維類型各自是本領(lǐng)域中傳統(tǒng)已知的。上述材料的共聚物、嵌段聚合物和共混物也適用于制造聚合纖維。
[0027]用于防彈織物的最優(yōu)選的纖維類型包括聚乙烯，特別是擴(kuò)鏈聚乙烯纖維、芳族聚酰胺纖維、聚吲哚纖維、液晶共聚酯纖維、聚丙烯纖維，特別是高取向的擴(kuò)鏈聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯腈纖維和剛性桿狀纖維，特別是M5?纖維。最優(yōu)選的纖維尤其是芳族聚酰胺纖維。
[0028]在聚乙烯的情況下，優(yōu)選的纖維是分子量為至少500，000，優(yōu)選至少I(mǎi)百萬(wàn)，更優(yōu)選2百萬(wàn)至5百萬(wàn)的擴(kuò)鏈聚乙烯。這樣的擴(kuò)鏈聚乙烯(ECPE)纖維可以如并入本文作為參考的美國(guó)專利4，137，394或4，356，138中所述在溶液紡絲法中生長(zhǎng)，或可以如并入本文作為參考的美國(guó)專利4，551，296和5，006, 390中所述由溶液紡絲以形成凝膠結(jié)構(gòu)。用于本發(fā)明的特別優(yōu)選的纖維類型是由Honeywell International Inc.以商標(biāo)SPECTRA?出售的聚乙烯纖維。SPECTRA?纖維是本領(lǐng)域中公知的并描述在例如美國(guó)專利4，623，547和4，748，064中。
[0029]芳綸(芳族聚酰胺)或?qū)Ψ甲寰埘０防w維也特別優(yōu)選。這些可購(gòu)得并描述在例如美國(guó)專利3，671，542中。例如，DuPont以商標(biāo)KEVLAR?商業(yè)生產(chǎn)可用的聚(對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺)長(zhǎng)絲。DuPont以商標(biāo)Ν0ΜΕΧ?商業(yè)生產(chǎn)的聚(間苯二甲酰間苯二胺)纖維和Teijin以商標(biāo)TWAR0N?商業(yè)生產(chǎn)的纖維；韓國(guó)Kolon Industries, Inc.以商標(biāo)HERACR0N?商業(yè)生產(chǎn)的芳族聚酰胺纖維；俄羅斯Kamensk Volokno JSC商業(yè)生產(chǎn)的對(duì)芳族聚酰胺纖維SVMm^PRUSAR ?和俄羅斯JSC Chim Volokno商業(yè)生產(chǎn)的ARMOS ?對(duì)芳族聚酰胺纖維也可用于實(shí)施本發(fā)明。
[0030]適用于實(shí)施 本發(fā)明的聚Π引哚(polybenzazole)纖維可購(gòu)得并公開(kāi)在例如美國(guó)專利 5，286，833,5, 296，185,5, 356，584,5, 534，205 和 6，040，050 中，各自并入本文中作為參考。適用于實(shí)施本發(fā)明的液晶共聚酯纖維可購(gòu)得并公開(kāi)在例如美國(guó)專利3，975，487 ；4，118，372和4，161，470中，各自并入本文中作為參考。合適的聚丙烯纖維包括如并入本文作為參考的美國(guó)專利4，413，110中所述的高取向的擴(kuò)鏈聚丙烯(ECPP)纖維。例如在并入本文作為參考的美國(guó)專利4，440，711和4，599，267中描述了合適的聚乙烯醇(PV-OH)纖維。例如在并入本文作為參考的美國(guó)專利4，535，027中公開(kāi)了合適的聚丙烯腈(PAN)纖維。這些纖維類型各自是傳統(tǒng)已知的并可廣泛購(gòu)得。
[0031]M5?纖維由吡啶并雙咪唑-2，6-二基(2，5_二羥基-對(duì)亞苯基)形成，由Richmond,Virgini 的 Magellan Systems Internationala 制造并描述在例如美國(guó)專利 5,674,969、5，939，553,5, 945，537和6，040, 478中，各自并入本文中作為參考。所有上述材料的組合也合適，所有這些都可購(gòu)得。例如，可以由芳族聚酰胺纖維、UHMWPE纖維(例如SPECTRA?纖維)、碳纖維等以及玻璃纖維和其它性能更低的材料中的一種或多種的組合形成纖維層。應(yīng)該理解的是，防彈性質(zhì)可隨纖維類型而變。
[0032]形成這些帶的各纖維可具有任何合適的旦數(shù)，例如，50至大約3000旦，更優(yōu)選大約200至3000旦，再更優(yōu)選大約650至大約2000旦，最優(yōu)選大約800至大約1500旦。通過(guò)考慮防彈效力和成本來(lái)決定該選擇。更細(xì)纖維的制造和織造成本更高，但可產(chǎn)生更大的每單位重量防彈效力。包括多個(gè)纖維的各纖維帶具有大約400至大約3，000，更優(yōu)選大約650至大約2，400，最優(yōu)選大約1，000至大約2，000的優(yōu)選旦數(shù)。
[0033]如上所述，高強(qiáng)度高拉伸模量纖維是具有大約7克/旦或更大的優(yōu)選韌度、大約150克/旦或更大的優(yōu)選拉伸模量和大約8 J/g或更大的優(yōu)選致斷能量的纖維，各自通過(guò)ASTM D2256測(cè)量。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，纖維的韌度應(yīng)該為大約15克/旦或更大，優(yōu)選大約20克/旦或更大,更優(yōu)選大約25克/旦或更大,最優(yōu)選大約30克/旦或更大。優(yōu)選的纖維還具有大約300克/旦或更大，更優(yōu)選大約400克/旦或更大，更優(yōu)選大約500克/旦或更大，更優(yōu)選大約1，000克/旦或更大,最優(yōu)選大約1，500克/旦或更大的優(yōu)選拉伸模量。最優(yōu)選的聚乙烯纖維具有30克/旦或更大的韌度和大約1000克/旦或更大的拉伸模量。最優(yōu)選的芳族聚酰胺纖維具有20克/旦或更大的韌度和大約1000克/旦或更大的拉伸模量。優(yōu)選的纖維還具有大約15 J/g或更大，更優(yōu)選大約25 J/g或更大，更優(yōu)選大約30 J/g或更大的優(yōu)選致斷能量，最優(yōu)選具有大約40 J/g或更大的致斷能量。這些綜合的高強(qiáng)度性質(zhì)可使用公知方法獲得。美國(guó)專利4，413，110,4, 440，711,4, 535，027,4, 457，985、4，623，547,4, 650，710和4，748，064大致論述了優(yōu)選的高強(qiáng)度擴(kuò)鏈聚乙烯纖維的形成。此類方法，包括溶液生長(zhǎng)或凝膠纖維法是本領(lǐng)域中公知的。形成各其它優(yōu)選纖維類型，包括對(duì)芳族聚酰胺纖維的方法也是本領(lǐng)域中傳統(tǒng)已知的，且這些纖維可購(gòu)得。本發(fā)明的纖維復(fù)合材料還優(yōu)選包含具有大約1.7克/立方厘米或更低的纖維面密度的纖維。
[0034]在織造之前，非織造帶優(yōu)選用聚合粘合劑材料涂布或浸潰。該聚合粘合劑材料部分或基本涂布所述帶的各個(gè)纖維，優(yōu)選基本涂布各帶的各個(gè)纖維。該聚合粘合劑材料在本領(lǐng)域中也常被稱作“聚合基質(zhì)”材料，且這些術(shù)語(yǔ)在本文中可互換使用。這些術(shù)語(yǔ)是本領(lǐng)域中傳統(tǒng)已知的并描述通過(guò)其固有的粘合特性或在經(jīng)受公知的熱和/或壓力條件后將纖維粘合在一起的材料。這種“聚合基質(zhì)”或“聚合粘合劑”材料還可以為織物提供其它合意的性質(zhì)，如耐磨性和對(duì)有害環(huán)境狀況的耐受性。
[0035]合適的聚合粘合劑材料包括低模量彈性體材料和高模量剛性材料。本文中通篇所用的術(shù)語(yǔ)拉伸模量是指對(duì)纖維而言通過(guò)ASTM 2256和對(duì)聚合粘合劑材料而言通過(guò)ASTMD638測(cè)得的彈性模量。低或高模量粘合劑可包含各種聚合和非聚合材料。優(yōu)選的聚合粘合劑包含低模量彈性體材料。對(duì)本發(fā)明而言，低模量彈性體材料具有大約6，000 psi (41.4MPa)或更低的根據(jù)ASTM D638測(cè)試程序測(cè)得的拉伸模量。低模量聚合物優(yōu)選具有大約4，000psi (27.6 MPa)或更低，更優(yōu)選大約2400 psi (16.5 MPa)或更低，更優(yōu)選1200 psi (8.23MPa)或更低，最優(yōu)選大約500 psi (3.45 MPa)或更低的彈性體拉伸模量。彈性體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)優(yōu)選低于大約0°C，更優(yōu)選低于大約-40°C，最優(yōu)選低于大約-50°C。該彈性體還具有至少大約50%，更優(yōu)選至少大約100%的優(yōu)選致斷伸長(zhǎng)，最優(yōu)選具有至少大約300%的致斷伸長(zhǎng)。
[0036]多種多樣的具有低模量的材料和制劑可用作聚合粘合劑。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、聚氨酯彈性體、氯磺化聚乙烯、聚氯丁烯、塑化聚氯乙烯、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、乙烯共聚物、聚酰胺(可用于某些纖維類型)、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯及其組合，以及在纖維的熔點(diǎn)以下可固化的其它低模量聚合物和共聚物。不同彈性體材料的共混物或彈性體材料與一種或多種熱塑性塑料的共混物也優(yōu)選。
[0037]共軛二烯和乙烯基芳族單體的嵌段共聚物特別有用。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A-B-A類型的簡(jiǎn)單三嵌段共聚物、(AB)nCn= 2_10)類型的多嵌段共聚物或R-(BA) X(x=3_150)類型的放射構(gòu)造共聚物；其中A是來(lái)自聚乙烯基芳族單體的嵌段且B是來(lái)自共軛二烯彈性體的嵌段。許多這些聚合物由Kraton Polymers of Houston, TX商業(yè)生產(chǎn)并描述在通報(bào)“Kraton Thermoplastic Rubber，，，SC-68-81 中。以商標(biāo) PRINLIN? 出售并可購(gòu)自 HenkelTechnologies (位于Diisseldorf, Germany)的苯乙烯-異戍二烯-苯乙烯(SIS)嵌段共聚物的樹(shù)脂分散體也可用。特別優(yōu)選的低模量聚合粘合劑聚合物包含Kraton Polymers商業(yè)生產(chǎn)的以商標(biāo)KRATON?出售的苯乙烯嵌段共聚物。特別優(yōu)選的聚合粘合劑材料包含以商標(biāo)KRATON?出售的聚本乙纟布_聚異戍二纟布_聚本乙纟布_嵌段共聚物。
[0038]低模量聚合基質(zhì)粘合劑材料最可用于形成軟質(zhì)裝甲，如防彈背心，而可用于形成硬質(zhì)裝甲制品，如頭盔的高模量剛性材料在本文中特別優(yōu)選。優(yōu)選的高模量剛性材料通常具有高于6，000 psi的初始拉伸模量。在本文中可用的優(yōu)選的高模量剛性聚合粘合劑材料包括聚氨酯(醚和酯基)、環(huán)氧樹(shù)脂、聚丙烯酸酯、酚類/聚乙烯醇縮丁醛(PVB)聚合物、乙烯酯聚合物、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物，以及聚合物，如乙烯酯與鄰苯二甲酸二烯丙酯，或酚醛與聚乙烯醇縮丁醛的混合物。用于本發(fā)明的特別優(yōu)選的剛性聚合粘合劑材料是熱固性聚合物，優(yōu)選可溶于碳-碳飽和溶劑，如甲乙酮并在固化時(shí)具有通過(guò)ASTM D638測(cè)得的至少大約IxlO6Psi (6895 MPa)的高拉伸模量。特別優(yōu)選的剛性聚合粘合劑材料是美國(guó)專利6，642，159中描述的那些，其公開(kāi)內(nèi)容并入本文作為參考。該聚合粘合劑，無(wú)論是低模量材料還是高模量材料，還可包括填料，如炭黑或二氧化硅，可以用油增量，或可以如本領(lǐng)域中公知的那樣用硫、過(guò)氧化物、金屬氧化物或輻射固化體系硫化。最尤其優(yōu)選的是在拉伸模量為大約2，000 psi (13.79 MPa)至大約8，000 psi (55.16 MPa)的柔性和剛性材料范圍內(nèi)的水性聚氨酯分散體，其優(yōu)選是水性陰離子聚氨酯分散體；優(yōu)選是水性脂族聚氨酯分散體；最優(yōu)選是或包含水性 脂族陰離子聚氨酯分散體，所有這些都優(yōu)選是無(wú)助溶劑的分散體。這包括水性陰離子聚酯聚氨酯分散體；水性脂族聚酯基聚氨酯分散體；和水性陰離子型脂族聚酯基聚氨酯分散體，所有這些都優(yōu)選是無(wú)助溶劑的分散體。
[0039]由本發(fā)明的復(fù)合材料形成的制品的剛性、沖擊和防彈性質(zhì)受涂布纖維的聚合粘合劑聚合物的拉伸模量影響。例如，美國(guó)專利4，623，574公開(kāi)了用拉伸模量小于大約6，OOOpsi (41，300 kPa)的彈性體基質(zhì)構(gòu)造的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與用更高模量的聚合物構(gòu)造的復(fù)合材料相比以及與無(wú)聚合粘合劑材料的相同纖維結(jié)構(gòu)相比都具有更優(yōu)的防彈性質(zhì)。但是，低拉伸模量聚合粘合劑材料聚合物也產(chǎn)生較低剛性的復(fù)合材料。此外，在某些應(yīng)用，特別是復(fù)合材料必須同時(shí)以防彈和結(jié)構(gòu)模式發(fā)揮作用的那些應(yīng)用中，需要防彈性與剛性的優(yōu)異組合。相應(yīng)地，所用的聚合粘合劑聚合物的最適當(dāng)類型隨要由本發(fā)明的復(fù)合材料形成的制品的類型而變。為了實(shí)現(xiàn)這兩種性質(zhì)的折衷，合適的聚合粘合劑可以將低模量和高模量材料組合形成單一聚合粘合劑。
[0040]該聚合粘合劑材料可以同時(shí)和/或相繼施加到多個(gè)纖維或多個(gè)帶上，優(yōu)選同時(shí)施加到排列成網(wǎng)(例如纖維的平行陣列或帶的平行陣列)的纖維或帶上以形成涂布網(wǎng)，優(yōu)選用粘合劑浸潰所述帶或纖維層片/層。本文所用的術(shù)語(yǔ)“浸潰”與“嵌入”以及“涂布”或以其它方式施加涂料同義，其中粘合劑材料擴(kuò)散到所述帶或纖維層片/層中而非簡(jiǎn)單位于所述帶纖維層片/層的表面上。形成浸潰的非織造纖維層片、層和織物的技術(shù)是本領(lǐng)域中公知的。
[0041]可以將聚合粘合劑材料施加到各纖維的整個(gè)表面積上或僅施加到纖維的部分表面積上。最優(yōu)選將聚合粘合劑材料的涂料施加到構(gòu)成本發(fā)明的帶的各單纖維的基本整個(gè)表面積上。優(yōu)選用聚合粘合劑材料涂布構(gòu)成各帶的各纖維和/或各紗線。
[0042]可以使用任何適當(dāng)?shù)氖┘臃椒ㄊ┘釉摼酆险澈蟿┎牧锨倚g(shù)語(yǔ)“涂布”無(wú)意限制將其施加到長(zhǎng)絲/纖維上的方法。使用本領(lǐng)域技術(shù)人員容易確定的任何適當(dāng)?shù)姆椒▽⒕酆险澈蟿┎牧现苯邮┘拥嚼w維表面上，粘合劑隨后通常擴(kuò)散到所述帶/纖維層片/纖維層中。例如，該聚合粘合劑材料可以通過(guò)噴涂或通過(guò)熔融樹(shù)脂并將該聚合物材料的溶液擠出或輥涂到纖維表面上而以溶液、乳液或分散體形式施加，其中該溶液的一部分包含所需一種或多種聚合物，且該溶液的一部分包含能夠溶解或分散該一種或多種聚合物的溶劑，接著干燥。或者，可以使用傳統(tǒng)已知的技術(shù)，如通過(guò)狹縫模頭，或通過(guò)本領(lǐng)域中公知的其它技術(shù)，如直接凹版印刷、Meyer棒和氣刀系統(tǒng)，將聚合粘合劑材料擠出到纖維上。另一方法是將粘合劑材料的純聚合物以液體、粘性固體或懸浮的粒子、或流化床形式施加到纖維上?；蛘?，可作為在施加溫度下不會(huì)不利地影響纖維性質(zhì)的合適溶劑中的溶液、乳液或分散體施加涂料。例如，可以將纖維傳送經(jīng)過(guò)聚合粘合劑材料的溶液以基本涂布纖維，然后干燥。
[0043]在另一涂布技術(shù)中，可以將纖維浸在含有溶解或分散在合適溶劑中的聚合粘合劑材料的溶液浴中，然后通過(guò)溶劑的蒸發(fā)或氣化干燥。這種方法優(yōu)選用該聚合材料至少部分涂布各單纖維，優(yōu)選用該聚合粘合劑材料基本涂布或包封各單纖維并覆蓋整個(gè)或基本整個(gè)長(zhǎng)絲/纖維表面積。浸潰程序可以按需要重復(fù)數(shù)次以將所需量的聚合物材料施加到纖維上。
[0044]可以使用其它將涂料施加到纖維上的技術(shù)，包括在適當(dāng)時(shí)涂布凝膠纖維前體，如通過(guò)使凝膠纖維在獲得所需涂層的條件下經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)耐苛暇酆衔锏娜芤?。或者，可以將纖維擠出到適當(dāng)?shù)木酆衔锓勰┑牧骰仓小?br> [0045]可以在將纖維排列成一個(gè)或多個(gè)層片、層或帶之前或之后用聚合粘合劑涂布纖維。但是，本發(fā)明無(wú)意受到將聚合粘合劑施加到纖維上的階段限制，也不受用于施加聚合粘合劑的手段限制。[0046]纖維層(可從中切出所述帶)優(yōu)選包含多個(gè)重疊的纖維層片(單向帶)，將它們固結(jié)和壓延成單層整體元件。在典型的非織造織物結(jié)構(gòu)中，形成多個(gè)堆疊的重疊單向帶，其中就各單層片的縱向纖維方向而言，各單層片(單向帶)的平行纖維與各相鄰單層片的平行纖維正交布置。重疊的非織造纖維層片的堆疊體在熱和壓力下固結(jié)或通過(guò)粘貼各纖維層片的涂料固結(jié)，以形成單層整體元件，其在本領(lǐng)域中也被稱作單層固結(jié)網(wǎng)絡(luò)，其中“固結(jié)網(wǎng)絡(luò)”描述纖維層片與聚合基質(zhì)/粘合劑的固結(jié)(融合)組合。
[0047]最通常，此類非織造纖維層或織物包括I至大約6個(gè)層片，但可以視需要包括多達(dá)大約10至大約20個(gè)層片。較大的層片數(shù)意味著較大防彈性,但也意味著較大重量并使織造困難。在將所述帶織造成機(jī)織織物后，多個(gè)帶基機(jī)織織物可通過(guò)固結(jié)或模制合并成復(fù)雜的復(fù)合材料。構(gòu)成本發(fā)明的復(fù)合材料或制品的纖維層數(shù)可如本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)該復(fù)合材料或制品的所需最終用途決定的那樣改變。例如，在用于軍事用途的防彈背心中，為了形成實(shí)現(xiàn)所需的1.0磅/平方英尺或更低面密度(4.9千克/平方米)的復(fù)合制品，可能需要總共大約20個(gè)層片(或?qū)?至大約100個(gè)單層片(或?qū)?。在另一實(shí)施方案中，用于執(zhí)法用途的防彈背心可具有基于NIJ威脅等級(jí)的層片/層數(shù)。例如，對(duì)NIJ威脅等級(jí)IIIA背心而言，可能有總共40個(gè)層片。對(duì)較低NIJ威脅等級(jí)而言，可以使用更少的層片/層。與其它已知的防彈結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明能夠并入更大數(shù)量的纖維層片以實(shí)現(xiàn)所需防彈水平，而不提高織物重量。
[0048]如本領(lǐng)域中傳統(tǒng)已知的那樣，當(dāng)各纖維層片交叉層疊以使一個(gè)層片的纖維排列方向相對(duì)于另一層片的纖維排列方向旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的防彈性。非織造織物(從中切出本發(fā)明的帶)的纖維層片最優(yōu)選以0°和90°角正交交叉層疊，但相鄰層片可相對(duì)于另一層片的縱向纖維方向以在大約0°和大約90°之間的幾乎任何角度排列。例如，五層片非織造結(jié)構(gòu)可具有以0° /45° /90° /45° /0°或其它角度取向的層片。這樣的旋轉(zhuǎn)單向排列描述在例如美國(guó)專利 4，457，985 ;4，748，064 ;4，916，000 ;4，403，012 ;4，623，574 ；和4，737，402中，所有這些都在不與本文沖突的程度上并入本文作為參考。
[0049]固結(jié)多個(gè)纖維層片以形成纖維層的方法以及固結(jié)多個(gè)纖維層以形成復(fù)雜復(fù)合材料的方法是公知的，如通過(guò)美國(guó)專利6，642，159中描述的方法?？赏ㄟ^(guò)干燥、冷卻、加熱、壓力、壓延或它們的組合實(shí)現(xiàn)固結(jié)。熱和/或壓力可能不是必要的，因?yàn)槔w維或織物層可以僅膠粘在一起，如濕層壓法的情況中那樣。通常，通過(guò)將各纖維層片或?qū)踊ハ喾胖迷谧阋允惯@些層片合并成整體織物的熱和壓力條件下來(lái)進(jìn)行固結(jié)。固結(jié)可以在大約50°C至大約175°C，優(yōu)選大約105°C至大約175°C的溫度下和在大約5 psig (0.034 MPa)至大約2500psig (17 MPa)的壓力下進(jìn)行大約0.01秒至大約24小時(shí),優(yōu)選大約.02秒至大約2小時(shí)。在加熱時(shí)，可以使聚合粘合劑涂料發(fā)粘或流動(dòng)而不完全熔融。但是，通常，如果使聚合粘合劑材料熔融，需要相對(duì)較小的壓力形成復(fù)合材料，而如果僅將粘合劑材料加熱至發(fā)粘點(diǎn)，通常需要更大壓力。如本領(lǐng)域中傳統(tǒng)已知的那樣，可以在壓延機(jī)組、平板層壓機(jī)、壓機(jī)或高壓釜中進(jìn)行固結(jié)。最通常，用粘合劑聚合物將多個(gè)正交纖維網(wǎng)“膠粘”在一起并經(jīng)過(guò)平板層壓機(jī)以改進(jìn)粘合的均勻性和強(qiáng)度。此外，固結(jié)和聚合物施加/粘合步驟可包含兩個(gè)單獨(dú)的步驟或單個(gè)固結(jié)/層壓步驟。
[0050]或者，可以通過(guò)在合適的模制裝置中在熱和壓力下模制實(shí)現(xiàn)固結(jié)。通常，在大約50psi (344.7 kPa)至大約 5，000 psi (34，470 kPa)，更優(yōu)選大約 100 psi (689.5 kPa)至大約 3，OOOpsi (20，680 kPa)，最優(yōu)選大約 150 psi (1，034 kPa)至大約 1，500 psi (10,340kPa)的壓力下進(jìn)行模制?；蛘呖梢栽诖蠹s5,000 psi (34，470 kPa)至大約15，000 psi(103，410 kPa)，更優(yōu)選大約 750 psi (5，171 kPa)至大約 5，000 psi，更優(yōu)選大約 1，000 psi至大約5，000 psi的更高壓力下進(jìn)行模制。模制步驟可花費(fèi)大約4秒至大約45分鐘。優(yōu)選的模制溫度為大約200° F 93?)至大約350° F 177? )，更優(yōu)選在大約200° F至大約300° F的溫度下，最優(yōu)選在大約200° F至大約280° F的溫度下。模制本發(fā)明的復(fù)合材料的壓力對(duì)所得模制品的剛性或撓性具有直接影響。特別地，它們的模制壓力越高，剛性越高，反之亦然。除模制壓力外，纖維層片的量、厚度和組成以及聚合粘合劑涂料類型也直接影響由該復(fù)合材料形成的制品的剛性。
[0051]盡管本文所述的各模制和固結(jié)技術(shù)類似，但各方法不同。特別地，模制是分批法，固結(jié)是大致連續(xù)法。此外，模制通常涉及使用模具，如成型模具或在形成平板時(shí)為配套模具，并且不一定產(chǎn)生平面產(chǎn)品。通常在平板層壓機(jī)、壓延輥組中或作為濕層壓進(jìn)行固結(jié)以制造軟質(zhì)(柔性)防彈衣織物。模制通常用于制造硬裝甲，例如剛性板。在任一方法中，合適的溫度、壓力和時(shí)間通常取決于聚合粘合劑涂料的類型、聚合粘合劑含量、所用方法和纖維類型。
[0052]為了制造具有充足防彈性質(zhì)的織物制品，粘合劑/基質(zhì)涂料的總重量?jī)?yōu)選占纖維重量+涂料重量的大約2重量％至大約40重量％，更優(yōu)選大約5重量％至大約30重量％，更優(yōu)選大約10重量％至大約20重量％，最優(yōu)選大約11重量％至大約16重量％，其中16重
量％最優(yōu)選。
[0053]在將所述帶織造在一起后或在多纖維層帶固結(jié)后，可以通過(guò)常規(guī)方法將任選的熱塑性聚合物層粘貼到纖維層或帶基機(jī)織復(fù)合材料的一個(gè)或兩個(gè)外表面上。適用于該熱塑性聚合物層的聚合物非排 他地包括熱塑性聚合物，其非排他地選自聚烯烴、聚酰胺、聚酯(特別是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和PET共聚物)、聚氨酯、乙烯基聚合物、乙烯乙烯醇共聚物、乙烯辛烷共聚物、丙烯腈共聚物、丙烯酸聚合物、乙烯基聚合物、聚碳酸酯、聚苯乙烯、含氟聚合物等以及它們的共聚物和混合物，包括乙烯乙酸乙烯酯(EVA)和乙烯丙烯酸。天然和合成橡膠聚合物也可用。其中，聚烯烴和聚酰胺層是優(yōu)選的。優(yōu)選的聚烯烴是聚乙烯。可用的聚乙烯類的非限制性實(shí)例是低密度聚乙烯(LDPE)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、線性中密度聚乙烯(LMDPE)、線性極低密度聚乙烯(VLDPE)、線性超低密度聚乙烯(ULDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和它們的共聚物和混合物?？少?gòu)自Spunfab，Ltd, ofCuyahoga Falls, Ohio 的 SPUNFAB? 聚酸胺網(wǎng)(Keuchel Associates, Inc.的注冊(cè)商標(biāo))以及可購(gòu)自 Protechnic S.A.0f Cernay, France 的 THERMOPLASTm^P HEL10PLAST?網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)和膜也可用。該熱塑性聚合物層可以使用公知技術(shù)，如熱層壓粘合到復(fù)合材料表面上。通常，通過(guò)將各層互相放置在足以使這些層合并成整體膜的熱和壓力條件下來(lái)進(jìn)行層壓。將各層彼此放置，然后通常通過(guò)本領(lǐng)域中公知的技術(shù)使該組合經(jīng)過(guò)一對(duì)加熱層壓輥的夾。層壓加熱可以在大約95°C至大約175°C，優(yōu)選大約105°C至大約175°C的溫度下、在大約5 psig(0.034 MPa)至大約100 psig (0.69 MPa)的壓力下進(jìn)行大約5秒至大約36小時(shí)，優(yōu)選大約30秒至大約24小時(shí)。
[0054]該帶基機(jī)織織物的厚度對(duì)應(yīng)于單纖維和單個(gè)帶的厚度，且復(fù)雜復(fù)合材料的厚度取決于并入復(fù)雜復(fù)合材料中的機(jī)織織物的數(shù)量。該帶基機(jī)織織物優(yōu)選具有大約25微米至大約600微米/層，更優(yōu)選大約50微米至大約385微米，最優(yōu)選大約75微米至大約255微米/層的厚度。優(yōu)選的機(jī)織織物或非織造織物前體(可從中切出所述帶)具有大約12微米至大約600微米,更優(yōu)選大約50微米至大約385微米,最優(yōu)選大約75微米至大約255微米的優(yōu)選厚度，其中單層固結(jié)網(wǎng)絡(luò)通常包括兩個(gè)固結(jié)層片(即兩個(gè)單向帶)。粘貼到復(fù)合材料外表面上的任何熱塑性聚合物層優(yōu)選非常薄，具有大約I微米至大約250微米，更優(yōu)選大約5微米至大約25微米，最優(yōu)選大約5微米至大約9微米的優(yōu)選層厚度。不連續(xù)網(wǎng)，如SPUNFAB?非織造網(wǎng)優(yōu)選被施涂成具有6克/平方米(gsm)的基重。盡管這些厚度是優(yōu)選的，但要理解的是，可以制造其它厚度以滿足特定需要，但仍落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0055]本發(fā)明的帶基機(jī)織復(fù)合材料在固結(jié)/模制前具有大約20克/平方米(0.004磅/平方英尺(psf))至大約1000 gsm (0.2 psf)的優(yōu)選面密度。本發(fā)明的帶基機(jī)織復(fù)合材料在固結(jié)/模制前的更優(yōu)選的面密度為大約30 gsm (0.006 psf)至大約500 gsm (0.1 psf)。本發(fā)明的帶基機(jī)織復(fù)合材料在固結(jié)/模制前的最優(yōu)選的面密度為大約50 gsm (0.01 psf)至大約250 gsm (0.05 psf)。包含互相堆疊并固結(jié)的多個(gè)帶基機(jī)織復(fù)合材料的本發(fā)明的制品具有大約 1000 gsm (0.2 psf)至大約 40，000 gsm (8.0 psf )，更優(yōu)選大約 2000 gsm (0.40psf)至大約 30, 000 gsm (6.0 psf),更優(yōu)選大約 3000 gsm (0.60 psf)至大約 20, 000 gsm(4.0 psf),最優(yōu)選大約3750 gsm (0.75 psf)至大約15，000 gsm (3.0 psf)的優(yōu)選復(fù)合面密度。成型成頭盔的復(fù)合制品的典型范圍為大約7，500 gsm (1.50 psf)至大約12，500 gsm(2.50 psf)。
[0056]本發(fā)明的織物可用于各種用途以使用公知技術(shù)形成各種不同的防彈制品，包括柔性軟質(zhì)裝甲制品以及剛性硬質(zhì)裝甲制品。例如，適用于形成防彈制品的技術(shù)描述在例如美國(guó)專利 4，623，574,4, 650，710,4, 748，064,5, 552，208,5, 587，230,6, 642，159,6, 841，492和6，846，758中，所有這些都在不與本文沖突的程度上并入本文作為參考。該復(fù)合材料特別可用于形成硬質(zhì)裝甲和在制造硬質(zhì)裝甲制品的過(guò)程中形成的成型或未成型的局部裝配中間體?！坝操|(zhì)”裝甲是指具有充足機(jī)械強(qiáng)度以在經(jīng)受顯著應(yīng)力時(shí)保持結(jié)構(gòu)剛性并能自立而不扁塌的制品，如頭盔、軍用車輛的板或防護(hù)屏。這樣的硬質(zhì)制品優(yōu)選，但不是必須使用高拉伸模量粘合劑材料形成。
[0057]可以根據(jù)本領(lǐng)域中公知的技術(shù)測(cè)量本發(fā)明的纖維復(fù)合材料的防彈性質(zhì)，包括Vtl和V50抗彈藥穿透性和背面記號(hào)(背面變形)。
[0058]下列實(shí)施例用于例示本發(fā)明。
實(shí)施例
[0059]實(shí)施例1-2
和實(shí)施例3 (對(duì)比)
對(duì)于實(shí)施例1和2，通過(guò)將多個(gè)帶基機(jī)織織物層松散堆疊在一起，制備軟質(zhì)裝甲槍彈射擊包(ballistic shoot packs),各機(jī)織織物層由多個(gè)多纖維帶作為經(jīng)向和諱向織物部件形成。這些層沒(méi)有模制在一起并夾在一起以用于彈道測(cè)試。
[0060]為了形成所述帶，將來(lái)自所選纖維類型的16個(gè)線軸的纖維導(dǎo)過(guò)準(zhǔn)直梳以形成干燥平行纖維的20毫米寬的窄帶。在使纖維保持在均勻張力下的同時(shí)，干燥纖維經(jīng)過(guò)環(huán)氧熱固性樹(shù)脂的樹(shù)脂浴浸涂。通過(guò)使該帶經(jīng)過(guò)一組輥，從纖維帶中擠出過(guò)量樹(shù)脂。通過(guò)為各纖維線軸提供標(biāo)定斷點(diǎn)(calibrated breaks),保持均勻張力。一旦涂布纖維,將該帶轉(zhuǎn)移到相應(yīng)寬度的離型紙帶上。然后使該帶經(jīng)過(guò)干燥烘箱，在此期間離型紙帶與纖維帶保持在均勻壓力下。將纖維帶與離型紙帶一起收集在窄線軸上。重復(fù)這一過(guò)程以收集該帶的幾個(gè)窄線軸，收集線軸并用于織造操作。各帶為大約20毫米寬，3密爾厚和1200旦，且各帶包含非織造單向纖維的單層片。各帶的樹(shù)脂含量為纖維+樹(shù)脂的重量的30重量％。
[0061]測(cè)試由兩種不同聚乙烯纖維形成的帶基織物并標(biāo)在表I中。
[0062]對(duì)于對(duì)比例3，由SPECTRA SHIELD?型織物而非帶基機(jī)織帶織物形成27層軟質(zhì)裝甲槍彈射擊包。在形成射擊包之前，從用包含KRATON? D1107熱塑性粘合劑樹(shù)脂的聚合粘合劑組合物浸潰的包含單向交叉層疊高模量聚乙烯(HMPE)纖維的兩個(gè)固結(jié)層片的連續(xù)層壓材料片上切下織物層。HMPE纖維是Honeywell International Inc.制造的SPECTRA? 1300并具有35克/旦的韌度、1150克/旦的拉伸模量和3.4%的致斷伸長(zhǎng)。KRATON? D1107樹(shù)脂是包含14重量％苯乙烯的聚苯乙烯-聚異戍二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物并可購(gòu)自KratonPolymers of Houston, TX0各織物層包含占織物層重量的79.5重量％的纖維并包含20.5重量％的樹(shù)脂。各層的兩個(gè)纖維層片交叉層疊以就各纖維層片的縱向纖維方向而言，一個(gè)層片的纖維與第二個(gè)層片的纖維呈直角取向(0° /90°構(gòu)造)。將這些層片層壓在各具有大約9微米厚度和16克/平方米(gsm)面密度的兩個(gè)線性低密度聚乙烯(LLDPE)膜之間。這種構(gòu)造在本領(lǐng)域中也被稱作SPECTRA SHIELD? LCR,可購(gòu)自Honeywell International,Inc.。該層壓法包括在110°C、200 psi (1379 kPa)壓力下將LLDPE膜壓到該交叉層疊材料上30分鐘，由此形成具有0.06”(1.524毫米)厚度的連續(xù)層壓材料片。切割該片以形成25個(gè)單獨(dú)的層，各自具有18”X18” (45.7 mm X 45.7 mm)的長(zhǎng)和寬，且一個(gè)織物層的總面密度為150 gsm。然后將這25層松散堆疊在一起以形成射擊包。這些層沒(méi)有模制在一起并夾在一起以用于彈道測(cè)試。該射擊包的面密度為0.84 psf.[0063]對(duì)17格令破片模擬彈(FSP)(其符合根據(jù)MIL-P-46593A的形狀、尺寸和重量)測(cè)量各射擊包的抗破片穿透性。根據(jù)MIL-STD-662F的程序進(jìn)行V5tl彈道測(cè)試以實(shí)驗(yàn)測(cè)定射彈有50%幾率穿透受試物時(shí)的速度。射出幾個(gè)17格令FSP破片，改變各破片的速度。根據(jù)前一破片射彈是完全穿透還是部分穿透射擊包的幾層來(lái)下調(diào)和上調(diào)各破片的速度。通過(guò)在125 fps (38.1 mps)的速度分布內(nèi)包括最少四個(gè)部分穿透和四個(gè)完全破片穿透來(lái)獲得平均速度。計(jì)算這8個(gè)部分和完全穿透的平均速度并被稱作V5(l。也測(cè)量該射擊包的總比能吸收(“SEAT”)。總SEAT是射彈威脅的動(dòng)能除以該復(fù)合材料的面密度。SEAT值越高，該復(fù)合材料的抗威脅性越好。
[0064]彈道測(cè)試結(jié)果顯示在表I中。
[0065]復(fù)1
【權(quán)利要求】
1.包含多個(gè)纖維帶的機(jī)織織物，各纖維帶包含以單向的基本平行陣列排列或以機(jī)織織物條形式排列的多個(gè)纖維，所述纖維任選至少部分被聚合粘合劑材料涂布，其中各所述纖維具有大約7克/旦或更大的韌度和大約150克/旦或更大的拉伸模量，其中各纖維包含多根長(zhǎng)絲，且其中所述聚合粘合劑材料在存在時(shí)占各纖維帶的小于40重量％。
2.權(quán)利要求1的機(jī)織織物,其中各纖維帶包含2至大約20個(gè)纖維。
3.權(quán)利要求1的機(jī)織織物，其中各纖維帶包含非織造的單向取向的基本平行纖維的單層片。
4.權(quán)利要求1的機(jī)織織物，其中各纖維帶包含多個(gè)非織造纖維層片，各非織造纖維層片包含多個(gè)非織造的單向取向的基本平行的纖維，所述多個(gè)非織造纖維層片固結(jié)為單一的整體帶。
5.權(quán)利要求1的機(jī)織織物，其中各纖維帶包含機(jī)織織物條，其中各機(jī)織織物條包含一個(gè)或多個(gè)機(jī)織纖維層。
6.權(quán)利要求1的機(jī)織織物，其中所述聚合粘合劑材料存在并包含熱塑性聚合物和/或熱固性聚合物。
7.形成防彈機(jī)織織物的方法，其包括: a)提供多個(gè)纖維帶，各纖維帶包含以單向的基本平行陣列排列或以機(jī)織織物條形式排列的多個(gè)纖維，所述纖維任選至少部分被聚合粘合劑材料涂布，其中各所述纖維具有大約7克/旦或更大的韌度和大約150克/旦或更大的拉伸模量，其中各纖維包含多根長(zhǎng)絲，且其中所述聚合粘合劑材料在存在時(shí)占各纖維帶的小于40重量％ ;和 b)將所述多個(gè)纖維帶織在一起，由此形成機(jī)織織物。
8.權(quán)利要求7的方法，其中所述機(jī)織織物包含大約2至大約10個(gè)纖維帶，且其中各纖維帶包含2至大約20個(gè)纖維。
9.包含固結(jié)的多個(gè)機(jī)織織物的多層防彈復(fù)合材料，各機(jī)織織物包含多個(gè)纖維帶，各纖維帶包含以單向的基本平行陣列排列或以機(jī)織織物條形式排列的多個(gè)纖維，所述纖維任選至少部分被聚合粘合劑材料涂布，其中各所述纖維具有大約7克/旦或更大的韌度和大約150克/旦或更大的拉伸模量，其中各纖維包含多根長(zhǎng)絲，且其中所述聚合粘合劑材料在存在時(shí)占各纖維帶的小于40重量％。
10.權(quán)利要求9的多層防彈復(fù)合材料，其中各纖維帶包含多個(gè)非織造纖維層片，各非織造纖維層片包含多個(gè)非織造的單向取向的基本平行的纖維，所述多個(gè)非織造纖維層片固結(jié)為單一的整體帶。
【文檔編號(hào)】D03D1/00GK104011275SQ201280062836
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月19日
【發(fā)明者】A.巴特納加, B.D.阿維森, H.G.阿迪夫, C.阿內(nèi)特, D.A.赫斯特 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司