專利名稱：防彈成型件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括一疊復(fù)合材料層的防彈成型件，所述的各復(fù)合材料層彼此并不相連接，每一復(fù)合材料層包括基材內(nèi)二層或更多層的單向取向纖維的單層，在每一單層中的纖維與毗鄰的單層中的纖維成某一角度。本發(fā)明還涉及制造所述的成型件的方法和使用該成型件制造護(hù)身具的方法。
這樣的成型件被公開在WO89/01125中，該文獻(xiàn)所介紹的復(fù)合材料件大部分彼此并不相連，并含有高性能的聚乙烯纖維，并且含有至少為10％重量的聚合物母體材料?，F(xiàn)有技術(shù)的成型件的缺點(diǎn)在于成型件的能量吸收(一種防彈保護(hù)水平的量度)與其重量間之比并不是令人滿意的。這意味為了獲得某種水平的保護(hù)需要較重的成型件。另一方面，如果成型件重量低，那么成型件對槍彈的射擊只能提供較低水平的保護(hù)。對于許多應(yīng)用來說，與某些理想的保護(hù)水平有關(guān)的成型件的最低可能重量是很重要的。這種情況例如，在個人防護(hù)領(lǐng)域中，如在服裝方面。同樣，對于例如車輛方面的應(yīng)用來說，對某些理想的保護(hù)水平而言，最低的可能重量是重要的。
本發(fā)明的目的是提供一種與已知成型件的重量相當(dāng)而具有更高保護(hù)水平的防彈成型件。
根據(jù)本發(fā)明此目的由芳族聚酰胺纖維或聚(對亞苯基苯并雙噁唑)纖維而實(shí)現(xiàn)，該復(fù)合材料層含有至多不過10％重量的彈性體基材，每一復(fù)合材料層具有總重量至多為800g/m2，在每一單層中的纖維含量在10～200g/m2之間。
本發(fā)明成型件的另一優(yōu)點(diǎn)在于，除了具有可取的保護(hù)水平與表面密度之比之外，所述的成型件是柔軟的，因此該成型件在防彈制品中的應(yīng)用范圍被擴(kuò)大。這使得成型制品特別適用于希望具有高柔性的應(yīng)用領(lǐng)域，例如在護(hù)身具方面的應(yīng)用中。
防彈成型件能被用于物件，例如防護(hù)服與車輛鎧板的成型件，它們提供對槍彈例如子彈與彈片沖擊的防護(hù)作用。
本發(fā)明的防彈成型件含有一疊彼此并不相連的復(fù)合材料層。然而，一疊彼此并不相連的復(fù)合材料層本身不能被再加工，因?yàn)樗狈M(jìn)一步加工所需的結(jié)合。為了達(dá)到所述的結(jié)合，例如可對成型件進(jìn)行縫合。然而，縫紉只可能例如在邊角處進(jìn)行。另一種可能是將各復(fù)合材料層包覆在柔軟的套中。于是在成型件中的各復(fù)合材料層仍能彼此相對地移動，而成型件本身沒有結(jié)合。
復(fù)合材料層是一層由兩層或更多層的單層組成的層，每一單層與相鄰的、在其底下的層成某一角度，而各別的單層是彼此相連的。該角度，意指被相鄰的單層的纖維所包圍的最小角，為0°～90°。最好，此角度為45°～90°。最優(yōu)選為80°～90°。其中各相鄰的單層中的纖維彼此成上述角度的成型件具有更好的防彈特性。術(shù)語單層是指一層被埋置在基材中的單方向取向纖維層。術(shù)語纖維不僅包括單絲，而且還特別指復(fù)絲紗或扁平織帶。術(shù)語單方向取向纖維是指在平面上時基本上是以平行方向取向的一些纖維。術(shù)語基材的是指一種將纖維粘合在一起并將纖維的整體或一部份包圍起來的材料。除彈性體材料外，如果想望，基材可以含有通常的聚合物填料或其他物質(zhì)?；谋痪鶆虻胤植荚趩螌拥恼麄€表面上。
現(xiàn)已令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，正是作為芳族聚酰胺纖維或聚(對亞苯基苯并噁唑)纖維與非常低含量的彈性體基材結(jié)合的結(jié)果，在本發(fā)明的防彈成型件中，獲得了被拋射體擊中過程中的甚高能量吸收性、非常高的柔軟性和復(fù)合材料層的良好結(jié)合性等。就獲得特高能量吸收性觀點(diǎn)看，在復(fù)合材料層中的彈性體基材的含量應(yīng)盡可能地選得低一些。在本發(fā)明的防彈成型件中復(fù)合材料層中的彈性體基材含量優(yōu)選至多為7％重量，而更優(yōu)選至多為5％重量。然而，為了提供具有適當(dāng)結(jié)合的復(fù)合材料層，必須使用某種最低含量(至少為1～2％重量)的彈性體基材，以保證在復(fù)合材料層中達(dá)到合適的纖維粘合。
優(yōu)選，在成型件的彈性體中的基材包含具有拉伸模量為少于40MPa(根據(jù)ASTM D638，在25C測定)的熱塑性彈性體。這使得在單層與各復(fù)合材料層中能獲得具有理想的纖維與纖維間結(jié)合的柔性所需要的充分彈性的基材。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，如果在成型件中的彈性體基材是苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物，能獲得非常好的結(jié)果。
在本發(fā)明的一個具體的實(shí)施方案中，本發(fā)明成型件中的基材，除了彈性體基材外，還含有5～80％體積的填料(以彈性體基材與填料的總體積為基準(zhǔn)計算)。更優(yōu)選的填料量為10～80％體積，而最優(yōu)選為20～80％體積?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，作為其結(jié)果，成型件的柔性增加而對防彈特性基本上無負(fù)面影響。
雖然填料無助于纖維間的粘合，但是對纖維間的基材起體積稀釋作用，從而使成型件更柔軟并具更高的吸能性。填料優(yōu)選包括具有低重量或低密度的細(xì)分散物質(zhì)。填料可以是氣體，雖然使用氣體作填料在加工基材時存在實(shí)際困難。填料特別還可以包括制備分散體時慣用的物質(zhì)，例如乳化劑、穩(wěn)定劑、粘結(jié)劑或細(xì)分散的粉末。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，如果基材含有低于80％體積的填料，那么彈性體基材的量足以能獲得合適的纖維間粘合，而基材總量仍保持不變?，F(xiàn)還發(fā)現(xiàn)，如果基材含有超過5％體積的填料量，成型件的柔性增加。
最好是將一分離的層配置于復(fù)合材料層的一側(cè)或二側(cè)。所用的分離層可包括，例如，Stamylex-一種線型低密度聚乙烯。
此實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)在于成型件的柔性為更高，并且，特別是如果使用粘性基材，它更被優(yōu)選。分離層是一層被置于復(fù)合材料層之間的特殊材料，并可非強(qiáng)制地被連接到復(fù)合材料層，和保證使防彈成型件中的各復(fù)合材料層仍處于彼此相分離的狀態(tài)。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，如果構(gòu)成成型件的復(fù)合材料層具有特定的最大的總重量，成型件將具有與高的柔性相結(jié)合的良好的防彈性。現(xiàn)已在其中的復(fù)合材料層具有至多為800g/m2的總重量的成型件中發(fā)現(xiàn)良好的防彈特性。一種其中每一復(fù)合材料層具有總重量為小于800g/m2的防彈成型件具有與良好的防彈特性相結(jié)合的合適的柔軟性。
現(xiàn)還發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料層優(yōu)選具有至少50g/m2的總重量?？傊亓枯^低的復(fù)合材料層導(dǎo)致在成型件中疊置的復(fù)合材料層過度松散，結(jié)果各復(fù)合材料層間的結(jié)合不夠。
另外發(fā)現(xiàn)，如果在每一單層中的纖維含量處于特定限度內(nèi)，成型件就具有良好的防彈特性?，F(xiàn)已在其中單層的纖維含量在10～200g/m2之間的成型件中發(fā)現(xiàn)良好的防彈特性。如果在單層中的纖維含量小于10g/m2，在單層中所達(dá)到的結(jié)合是不充分的，結(jié)果在實(shí)踐中單層不能被很好地處理，而需要進(jìn)行另外的加工步驟例如復(fù)合材料層的成型步驟。如果在單層中的纖維含量大于200g/m2，成型件缺乏柔性并且SEA是低的。術(shù)語比能量吸收(SEA)意指成型件的能量吸收(EA)被其表面密度(AD)除所得到的值。而且，還發(fā)現(xiàn)，如果在復(fù)合材料層中單層數(shù)目盡可能少而獲得特定總重量的復(fù)合材料層，成型件具有良好的防彈特性。
在應(yīng)用中還發(fā)現(xiàn)本發(fā)明防彈成型件的另外的優(yōu)點(diǎn)，其中除了成型件的重量與保護(hù)水平外，柔軟性也起重要的作用。
防彈成型件能被用于永久性與僅一次性的柔性應(yīng)用埸合中。
永久性的柔性應(yīng)用埸合是指其中成型件作為被使用的結(jié)果而經(jīng)受連續(xù)的形狀調(diào)整，例如在護(hù)身具中應(yīng)用成型件的埸合。僅一次性的柔性應(yīng)用埸合是指其中使成型件僅經(jīng)受一次特殊形狀的應(yīng)用埸合。其例子是裝在不是很容易接近的空間，例如汽車內(nèi)部的防彈成型件。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，如果復(fù)合材料層的總重量具有特定最大值，成型件能具有合適的柔性、保護(hù)水平與重量。優(yōu)選的是，成型件中復(fù)合材料層的總重量在永久性的柔性應(yīng)用中至多為500g/m2，每一單層的纖維含量為10～150g/m2。更優(yōu)選的是，復(fù)合材料層的總重量至多為300g/m2，每一單層的纖維含量為10～100g/m2。
僅一次性的柔軟性應(yīng)用可以使用由具有總重量至多為800g/m2和優(yōu)選為大于300g/m2的復(fù)合材料層組成的成型件，因?yàn)樵趦H一次性的柔性應(yīng)用中，所希望的正好是為了保持所施加形狀的某個最小的韌性。更優(yōu)選的是，復(fù)合材料層的總重量為大于400g/m2，更優(yōu)選的總重量為大于500g/m2。
防彈成型件原則上能通過任何已知的適用方法來制造，例如根據(jù)WO-95/00318或US-A-4623574的方法來制造。單層是例如由纖維，優(yōu)選為連續(xù)的復(fù)絲紗形式的纖維制造的，連續(xù)的復(fù)絲紗是從跨越精梳機(jī)的筒子架被引出的，結(jié)果它們以平面狀被平行取向。在以平面狀被平行取向之前或后，用一定量的含有基材或前體的液體物質(zhì)涂覆纖維，該物質(zhì)在制造成型件的后續(xù)步驟中，通過反應(yīng)而得到具有所需彈性模量的聚合物基材。術(shù)語前體是指單體、低聚物或可交聯(lián)的聚合物。所述的液體物質(zhì)可以是溶液、分散體或熔體。
許多單層被交叉疊置，優(yōu)選為以約90°將一層放在另一層之上，復(fù)合層就是以此方法形成的。最好這是通過增加溫度和/或壓力來達(dá)到的，基材是能夠在纖維間流動，并能夠被粘附到其底下和/或其上面的單層的纖維。如果使用基材的溶液或分散體，則將單層成型為復(fù)合材料層的過程還包括蒸發(fā)溶劑或分散劑。然后將堆疊各復(fù)合材料層而產(chǎn)生成型件，同時非強(qiáng)制地將分離層施加到復(fù)合材料層或插入到復(fù)合材料層之間。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，為了獲得所需的低基材含量，特別有利的是使用一種如下的方法，其中單層是由具有支數(shù)在800～2500旦之間、并被彈性體基材與可能存在的填料組成的分散體所潤濕的芳族聚酰胺紗。支數(shù)大于800旦的紗從分散體中吸收較少的基材。紗支數(shù)優(yōu)選為大于1000旦，更優(yōu)選為大于1200旦，最優(yōu)選為大于1500旦。紗支數(shù)優(yōu)選為低于2500旦，因?yàn)樗鼈冊趩螌拥钠矫嬷心鼙桓菀椎胤植肌Ｈ缫陨纤?guī)定的，分散體優(yōu)選含有重量比為20∶80～95∶5的彈性體材料與填料?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，對于非常低的基材含量而言，結(jié)果獲得非常均勻分布的基材。
優(yōu)選使用水分散體。水分散體具有低的粘度，水分散體的優(yōu)點(diǎn)在于基材被非常均勻地分布于纖維上，從而達(dá)到良好而均勻的纖維粘合。另一優(yōu)點(diǎn)是作為分散劑的水是無毒的，并因此可在大氣中揮發(fā)。同樣從在低基材百分比下獲得均勻分布的目的出發(fā)，分散體優(yōu)選含有，相對于分散體的總重量，為30～60％重量的固體組分(彈性體基材與任何存在的填料)。
能夠通過上述方法獲得的本發(fā)明的防彈成型件，當(dāng)被9mmFMJ型槍彈(8g)射中時，優(yōu)選具有至少為190Jm2/kg的SEA。在受槍彈或彈片的沖擊時的能量吸收(EA)，是從速度為V50的槍彈或彈片的動能計算的。V50是槍彈或彈片可能穿入到防彈結(jié)構(gòu)的50％時的速度。
通過下面的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行解釋，但是本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例Ⅰ由具有支數(shù)為1680分特、從精梳機(jī)上的筒子架被引出的、并用基材KratonD1107的水分散體潤濕的Twaron2000生產(chǎn)單層。將所述的紗在平面上平行取向，單層的紗重為50.4g/m2。復(fù)合層是通過交叉疊置4個單層和施加一Stamylex分離層，在壓力為0.5MPa與溫度為90℃下，固結(jié)各單層與分離層而生產(chǎn)的。該復(fù)合材料層的總重量為252g/m2。該復(fù)合材料層含有8.0％重量的彈性體材料與3.5％重量的填料(以復(fù)合層的總重量為基準(zhǔn)計)。
由松散的、不相連的15層復(fù)合材料堆制造扁平形件，將該扁平形件在各角隅處縫合。當(dāng)受到9mmFMJ型槍彈(8g)沖擊時，V50為430m/s和SEA為195Jm2/kg。
實(shí)施例Ⅱ由具有支數(shù)為1680分特、從精梳機(jī)上的筒子架被引出的、并用基材KratonD1107的水分散體潤濕的Twaron2000生產(chǎn)單層。將所述的紗在平面上平行取向，單層的紗重為50.4g/m2。復(fù)合層是通過交叉疊置4個單層和施加一Stamylex分離層，在壓力為0.5MPa與溫度為90℃下，固結(jié)各單層與分離層而生產(chǎn)的。該復(fù)合材料層的總重量為236g/m2。該復(fù)合材料層含有3.7％重量的彈性體材料與1.6％重量的填料(以復(fù)合層的總重量為基準(zhǔn)計)。
由松散的、不相連的11層復(fù)合材料堆制造扁平形件，將該扁平形件在各角隅處縫合。當(dāng)受到9mmFMJ型槍彈(8g)沖擊時，V50為375m/s和SEA為220Jm2/kg。
比較例A由具有支數(shù)為1680分特、從精梳機(jī)上的筒子架被引出的、并用基材KratonD1107的水分散體潤濕的Twaron2000生產(chǎn)單層。將所述的紗在平面上平行取向，單層的紗重為50.4g/m2。復(fù)合層是通過交叉疊置4個單層和施加一Stamylex分離層，在壓力為0.5MPa與溫度為90℃下，固結(jié)各單層與分離層而生產(chǎn)的。該復(fù)合材料層的總重量為236g/m2。該復(fù)合材料層含有20％重量的彈性體材料與5％重量的填料(以復(fù)合層的總重量為基準(zhǔn)計)。
由松散的、不相連的15層復(fù)合材料堆制造扁平形件，將該扁平形件在各角隅處縫合。當(dāng)受到9mmFMJ型槍彈(8g)沖擊時，V50為431m/s和SEA為176Jm2/kg。
該扁平形件的柔性大大地低于實(shí)施例Ⅰ的扁平形件的柔性。
權(quán)利要求
1．一種防彈成型件，包括一疊彼此并不相連的復(fù)合材料層，每一復(fù)合材料層包括基材內(nèi)二層或更多層的單向取向纖維的單層，在每一單層中的纖維與毗鄰的單層中的纖維成某一角度，其特征在于纖維是芳族聚酰胺纖維或聚(對亞苯基苯并雙噁唑)纖維，所述的復(fù)合材料層含有至多為10％重量的彈性體基材(以復(fù)合層的總重量為基準(zhǔn)計算)，所述的復(fù)合材料層具有至多為800g/m2的總重量，在每一單層中的纖維含量為10～200g/m2。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的防彈成型件，其特征在于所述的復(fù)合材料層含有至多為7％重量的彈性體基材。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的防彈成型件，其特征在于所述的復(fù)合材料層含有至多為5％重量的彈性體基材。
4．根據(jù)權(quán)利要求1～3的任一項權(quán)利要求的防彈成型件，其特征在于所述的基材除了含彈性體基材外，還含有，以彈性體基材與填料的總體積為基準(zhǔn)計，5～80％體積的填料。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的防彈成型件，其中基材含有20～80％體積的填料。
6．根據(jù)權(quán)利要求1～5的任一項權(quán)利要求的防彈成型件，其特征在于彈性體基材是一種具有小于40MPa 25℃抗拉模量的熱塑彈性體。
7．根據(jù)權(quán)利要求1～6的任一項權(quán)利要求的防彈成型件，其特征在于該彈性體基材是苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
8．根據(jù)權(quán)利要求1～7的任一項權(quán)利要求的防彈成型件，其特征在于在每一復(fù)合層的一側(cè)或二側(cè)上配置了一層分離層。
9．一種包括權(quán)利要求1～8的任一項的防彈成型件的護(hù)身具，其中復(fù)合材料層具有至多為500g/m2的總重量，和每一單層中的纖維含量為10～150g/m2。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的護(hù)身具，其中復(fù)合材料層具有至多為300g/m2的總重量，和每一單層中的纖維含量為10～100g/m2。
11．一種制造權(quán)利要求1～8的任一項權(quán)利要求的防彈成型件的方法，其中的單層是由具有支數(shù)在800～2500旦之間、并被彈性體基材與可能存在的填料組成的分散體所潤濕的芳族聚酰胺紗生產(chǎn)的。
12．根據(jù)要求11的方法，其特征在于所述的分散體含有，以分散體的總重量為基準(zhǔn)計，30-60％重量的彈性體基材和任何可能存在的填料。
13．根據(jù)要求11或12的方法可制得的防彈成型件。
14．根據(jù)權(quán)利要求1～10或13的任一項的防彈成型件，其特征在當(dāng)受到FMJ型9mm槍彈(8g)沖擊時，所述的成型件具有至少為190Jm2/kg的SEA。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種防彈成型件,它包括一疊彼此并不相連的復(fù)合材料層,每一復(fù)合材料層包括基材內(nèi)二層或更多層的單向取向纖維的單層,在每一單層中的纖維與毗鄰的單層中的纖維成某一角度,所述的纖維是芳族聚酰胺纖維或聚(對亞苯基苯并雙噁唑)纖維,所述的復(fù)合材料層含有至多為10%重量的彈性體基材(以復(fù)合層的總重量為基準(zhǔn)計算),所述的復(fù)合材料層具有總重量至多為800g/m
文檔編號B32B5/28GK1228733SQ97197417
公開日1999年9月15日 申請日期1997年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月24日
發(fā)明者E·L·范德古特 申請人:Dsm有限公司