專(zhuān)利名稱(chēng):抑制水滲入彈道材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有優(yōu)異的抵抗由于液體接觸所引起的劣化的能力的防彈制品。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及防彈織物和制品，它們?cè)诮佑|到液體例如海水和有機(jī)溶劑如汽油和其它石油基的產(chǎn)品之后仍然保持它們優(yōu)異的防彈性能。
背景技術(shù)：
具有優(yōu)異的防發(fā)射體的性能的含有高強(qiáng)度纖維的防彈制品是大家所熟知的。制品如防彈背心、頭盔、車(chē)輛防護(hù)板和軍事裝備的結(jié)構(gòu)單元典型地是從包括高強(qiáng)度纖維的織物制造的。通常使用的高強(qiáng)度纖維包括聚乙烯纖維，聚芳酰胺纖維如聚(對(duì)苯二甲酰苯二胺)，石墨纖維，尼龍纖維，玻璃纖維等等。對(duì)于許多應(yīng)用如背心或背心的部件，該纖維可以用于編織或針織的織物中。對(duì)于其它應(yīng)用，該纖維可以包封或嵌入基體材料中形成編織或非編織的剛性或撓性織物。
各種防彈結(jié)構(gòu)是已知的，它們可用于硬或柔盔甲制品如頭藍(lán)、防護(hù)板和背心的形成。例如，美國(guó)專(zhuān)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 (它們?nèi)勘灰脒@
里供參考)描述了防彈復(fù)合材料，它包括從諸如伸直鏈(extended chain)超高分子量聚乙烯之類(lèi)的材料制造的高強(qiáng)度纖維。這些復(fù)合材料顯示出不同程度的抵抗來(lái)自發(fā)射體如子彈、炮彈、榴散彈等等的高速度沖擊穿透的能力。
例如，美國(guó)專(zhuān)利4，623，574和4，748，064公開(kāi)包括嵌入在彈性體基體中的高強(qiáng)度纖維的簡(jiǎn)單復(fù)合結(jié)構(gòu)。美國(guó)專(zhuān)利4，650, 710公開(kāi)了包括多個(gè)由高強(qiáng)度、伸直鏈(extendedchain)聚烯烴(ECP)纖維組成的撓性層的撓性制品。該網(wǎng)絡(luò)的纖維涂有低模量的彈性體材料。美國(guó)專(zhuān)利5，552，208和5，587，230公開(kāi)制品和制造制品的方法，該制品包括高強(qiáng)度纖維的至少一種網(wǎng)絡(luò)和基體材料(它包括乙烯基酯和鄰苯二甲酸二烯丙酯)。美國(guó)專(zhuān)利6，642，159公開(kāi)了具有多個(gè)纖維層的抗沖擊的剛性復(fù)合材料，該纖維層包括布置在基體中的長(zhǎng)絲的網(wǎng)絡(luò)，其中彈性體層在纖維層之間。該復(fù)合材料粘合于硬板上提高抵抗穿甲彈的能力。
硬質(zhì)或剛性體盔甲提供良好的防彈作用，但卻是非常剛性的和笨重的。因此，防彈服如防彈背心優(yōu)選是從撓性或柔軟盔甲材料形成的。然而，盡管此類(lèi)撓性或柔軟材料顯示出優(yōu)異的防彈性能，但它們也一般顯示出弱的耐受液體的性能，該液體包括新鮮水、海水和有機(jī)溶劑如石油、汽油、槍潤(rùn)滑油和從石油派生的其它溶劑。這是有問(wèn)題的，因?yàn)榇祟?lèi)材料的防彈性能當(dāng)接觸到液體或淹沒(méi)在液體之中時(shí)一般已知會(huì)變劣。此外，盡管已知在織物表面上適加保護(hù)薄膜來(lái)增強(qiáng)織物耐久性和耐磨性，以及耐水性或耐化學(xué)品性，但是這些薄膜使該織物增加重量。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中希望提供柔軟、撓性的防彈材料，它在接觸到各種液體或淹沒(méi)在各種液體中之后在可接受的防彈標(biāo)準(zhǔn)上發(fā)揮功能，以及還具有優(yōu)異的耐久性。
本發(fā)明提供了纖維復(fù)合材料，它提供所需的針對(duì)液體的防護(hù)作用，以及耐熱性和抗冷性，耐磨性和耐磨損性，同時(shí)保持優(yōu)良的撓性。特別地，本發(fā)明提供了防彈結(jié)構(gòu)，其結(jié)合了至少兩種纖維層，其通過(guò)聚合物薄膜圍繞在它們的表面的各個(gè)上，其中纖維層包括至少部分涂布有聚合物粘合材料的纖維，所述聚合物粘合材料耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種有機(jī)溶劑造成的溶解。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，聚合物薄膜與纖維層的這種結(jié)合有助于在長(zhǎng)時(shí)間接觸到潛在性有害的液體之后織物的防彈性能的保持，使得不需要保護(hù)性表面薄膜來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的益處。還出人意料地發(fā)現(xiàn)，在每一種纖維表面上聚合物薄膜的存在抑制了在織物邊緣處液體芯吸入織物中并且防止液體沉降入纖維的間隙中。因此，本發(fā)明的織物保持了在被浸在水或其它液體中以后的低重量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了纖維復(fù)合材料，其按順序包括:
a)第一外聚合物薄膜；
b)第一纖維層，其與第一外聚合物薄膜接觸；第一纖維層包括多根纖維，其中所述纖維至少部分涂布有聚合物粘合材料，所述聚合物粘合材料耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種有機(jī)溶劑造成的溶解；
c)中心聚合物薄膜，其與第一纖維層接觸；
d)第二纖維層，其與中心聚合物薄膜接觸；第二纖維層包括多根纖維，其中所述纖維至少部分涂布有聚合物粘合材料，所述聚合物粘合材料耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種有機(jī)溶劑造成的溶解；和
e)第二外聚合物薄膜，其與第二纖維層接觸。
本發(fā)明還提供形成纖維復(fù)合材料的方法，該方法包括:
a)提供第一外聚合物薄膜；
b)將第一纖維層附著到第一外聚合物薄膜；第一纖維層包括多根纖維，其中所述纖維至少部分涂布有聚合物粘合材料，所述聚合物粘合材料耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種有機(jī)溶劑造成的溶解；
c)將中心聚合物薄膜附著到第一纖維層；
d)將第二纖維層附著到中心聚合物薄膜；第二纖維層包括多根纖維，其中所述纖維至少部分涂布有聚合物粘合材料，所述聚合物粘合材料耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種有機(jī)溶劑造成的溶解；和
e)將第二外聚合物薄膜附著到第二纖維層。


圖1是本發(fā)明的五層復(fù)合結(jié)構(gòu)的示意圖，其中第一和第二纖維層中的各個(gè)由單向的非編織平行陣列構(gòu)成。
圖2是本發(fā)明的五層復(fù)合結(jié)構(gòu)的示意圖，其中第一和第二纖維層中的各個(gè)由多層的交疊的非編織纖維合股或者備選地編織織物構(gòu)成。
本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明
本發(fā)明涉及纖維復(fù)合材料和制品，它在接觸到水，特別是海水，和有機(jī)溶劑，特別是從石油派生的溶劑如汽油之后保留優(yōu)異的抗彈道穿透的性能。本發(fā)明的制品具有優(yōu)良的對(duì)抗高能量彈道威脅(包括子彈和高能量碎片如榴散彈)的耐彈道穿透性。
本發(fā)明的纖維復(fù)合材料特征為交替的聚合物薄膜和纖維層，其中材料的每一相鄰層是不同的。圖1和2示意地舉例說(shuō)明了本發(fā)明的復(fù)合材料的優(yōu)選的分層結(jié)構(gòu)。如圖1和2中舉例說(shuō)明的，本發(fā)明的纖維復(fù)合材料優(yōu)選包括兩種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)之一。每一種結(jié)構(gòu)優(yōu)選地包括至少五種組分層。另外的交替層可以被包括在內(nèi)，盡管總共五層是最優(yōu)選的以便維持低重量。如圖1所示，舉例說(shuō)明了纖維復(fù)合材料10，其按順序包括第一外聚合物薄膜14、第一纖維層20、中心聚合物薄膜16、第二纖維層22和第二外聚合物薄膜18。如圖2所示，舉例說(shuō)明了纖維復(fù)合材料12，其按順序包括第一外聚合物薄膜14、第一纖維層24、中心聚合物薄膜16、第二纖維層26和第二外聚合物薄膜18。
各實(shí)施方案包括多種聚合物薄膜和多種纖維層。兩實(shí)施方案主要地不同之處在于纖維層的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的第一實(shí)施方案中，在圖1中舉例說(shuō)明的，第一纖維層20和第二纖維層22各自包括單合股的非編織，優(yōu)選地不交疊的纖維，其在單向的、基本上平行陣列中排列。這種類(lèi)型的纖維層在本領(lǐng)域中稱(chēng)為“單帶(unitape) ”(或“單向帶(unidirectionaltape)”)并且在本文中還稱(chēng)為“單合股(single ply)”。如附圖中舉例說(shuō)明的，所述第一纖維層20的平行纖維優(yōu)選地被置于垂直于所述第二纖維層22的平行纖維，相對(duì)于各個(gè)纖維合股的縱向纖維方向來(lái)說(shuō)，使得每一纖維層的纖維彼此相對(duì)地以0° /90°交錯(cuò)合股(cross-plied)。正如本領(lǐng)域通常已知的，當(dāng)單獨(dú)的纖維層交錯(cuò)合股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以某一角度旋轉(zhuǎn)時(shí)，獲得了極好的防彈性能。相對(duì)于另一層的縱向纖維方向來(lái)說(shuō)，相鄰層能夠以約0°和約90°之間的幾乎任何角度排列。最優(yōu)選地，纖維層20和纖維層22的纖維以0°和90°角度垂直交錯(cuò)合股。
根據(jù)本發(fā)明，這種第一實(shí)施方案的每一單合股纖維層包括至少部分涂布有聚合物粘合材料的纖維，所述聚合物粘合材料耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種有機(jī)溶劑造成的溶解。這種聚合物粘合材料有助于層14、16、18、24和26的合并并且提供了穩(wěn)定的復(fù)合材料，其具有優(yōu)良的耐受由于環(huán)境污染物造成的降解的能力。
在本發(fā)明的第二實(shí)施方案中，第一纖維層24和第二纖維層26各自?xún)?yōu)選地包括多個(gè)被固結(jié)成單個(gè)層(整塊元件)的交疊的非編織纖維合股，其中各個(gè)合股包括以單向的、基本上平行陣列排列的纖維并且其中纖維層的各個(gè)合股在纖維層中被置于垂直于各個(gè)相鄰的合股的平行纖維，相對(duì)于各個(gè)纖維合股(單帶)的縱向纖維方向來(lái)說(shuō)。纖維層24和26中的各個(gè)還包括至少部分涂布有聚合物粘合材料的纖維，所述聚合物粘合材料耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種有機(jī)溶劑造成的溶解。最優(yōu)選地，纖維層24和26包括僅僅兩個(gè)以0° /90°交錯(cuò)合股的被固結(jié)的“單帶”，但是另外的單帶可以被結(jié)合在被固結(jié)的單個(gè)層元件中，并且相鄰的合股也可以以除0°和90°之外的角度交錯(cuò)合股。任何另外的層也優(yōu)選地以某一角度交錯(cuò)合股，相對(duì)于相鄰纖維合股的縱向纖維方向來(lái)說(shuō)。例如，五層非編織結(jié)構(gòu)可以具有以0° /45° /90° /45° /0°取向的或以其它角度的合股。這樣的旋轉(zhuǎn)的單向排列描述在例如美國(guó)專(zhuān)利 4，457，985 ;4，748，064 ;4，916，000 ;4，403，012 ;4，623，573 ；和4，737，402中。最典型地，纖維層24和26，當(dāng)包括非編織纖維合股時(shí)，將包括1-約6個(gè)合股，但是可以包括多達(dá)約10-約20個(gè)合股，這可能是各種應(yīng)用所需要的。這樣的非編織纖維層可以使用眾所周知的方法來(lái)構(gòu)造，如通過(guò)描述在美國(guó)專(zhuān)利6，642，159中的方法。
合股的數(shù)目越多，意味著越大的防彈性能，但是具有更大的重量。形成纖維層24或26或形成復(fù)合結(jié)構(gòu)10的纖維合股(其中另外的單合股纖維層附著)的數(shù)目不同，這取決于所期望的防彈制品的最終應(yīng)用。例如，在軍用的身體盔甲背心中，為了形成實(shí)現(xiàn)期望的1.0磅每平方英尺面密度(4.9kg/m2)的制品復(fù)合材料，可能需要總共22個(gè)單獨(dú)的合股，其中該合股可以是由本文中所述的高強(qiáng)度纖維形成的編織(woven)、針織(knitted)、縮絨(felted)或非編織(non-woven)的織物。在另一實(shí)施方案中，用于法律執(zhí)行使用的胸甲(body armor)背心可具有許多層，基于 National Institute of Justice (NIJ)威脅水平。例如，對(duì)于NIJ威脅水平IIIA背心，也可有總共22層。對(duì)于較低的NIJ威脅水平，可使用較少的層。
纖維層24和26可以交替地包括編織纖維層。編織纖維層可以使用本領(lǐng)域眾所周知的技術(shù)，使用任何織物編織法如平紋編織、五經(jīng)緞紋(crowfoot)編織、方平組織、緞紋組織、斜紋編織等來(lái)形成。平紋編織是最常見(jiàn)的，其中纖維以0° /90°取向被編織在一起。在另一實(shí)施方案中，可以組裝混雜結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)纖維層包括編織纖維層和另一纖維層包括非編織纖維層。備選地，纖維層24和26也可包括編織和非編織纖維合股的被固結(jié)的組合。
對(duì)于本發(fā)明的目的，"纖維"是細(xì)長(zhǎng)體，它的長(zhǎng)度尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度和厚度的橫向尺寸。用于本發(fā)明中的纖維的橫截面可以廣泛地變化。它們可以是在橫截面上圓形的，扁平的或橢圓形的。因此，該術(shù)語(yǔ)纖維包括具有規(guī)則或不規(guī)則橫截面的長(zhǎng)絲，絲帶，帶條等等。它們也可以具有不規(guī)則或規(guī)則的多葉片形橫截面，后者具有從纖維的線性軸或縱軸突出的一個(gè)或多個(gè)規(guī)則或不規(guī)則的葉突。優(yōu)選的是，該纖維是單葉狀并具有基本上圓形截面。
如本文中使用的，“陣列”描述了纖維或紗線的有秩排列，和“平行陣列”描述了纖維或紗線的有秩平行排列。纖維“層”描述編織或非編織纖維或紗線的平面排列。在這里使用的“單個(gè)層”結(jié)構(gòu)是指由已經(jīng)固結(jié)成單個(gè)不可分割的結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的纖維層組成的整塊結(jié)構(gòu)。一般說(shuō)來(lái)，“織物”可以涉及編織或非編織材料。本發(fā)明的纖維合股可以備選地包括紗線而不是纖維，其中“紗線”是由多根長(zhǎng)絲組成的股。非編織纖維合股另外也可包括縮絨結(jié)構(gòu)，其使用通常已知的技術(shù)形成，包括無(wú)規(guī)取向的纖維。
根據(jù)本發(fā)明，包括纖維層20、22、24和26中的各個(gè)的纖維優(yōu)選地包括高強(qiáng)度、高拉伸模量的纖維。在這里使用的"高強(qiáng)度、高拉伸模量纖維"是具有至少約7g/旦或更高的優(yōu)選韌性，至少約150g/旦或更高的優(yōu)選拉伸模量，和至少約8J/g或更高的優(yōu)選斷裂能的纖維，每一種性能是由ASTM D2256測(cè)量的。在這里使用的術(shù)語(yǔ)"旦"指線密度的單位，等于質(zhì)量(克)/每9000米的纖維或紗線。在這里使用的術(shù)語(yǔ)"韌性"指拉伸應(yīng)力，它表達(dá)為力(克)/無(wú)應(yīng)力試樣的每單位線密度(旦)。纖維的"初始模量"是代表材料的抵抗變形性能的材料性能。術(shù)語(yǔ)"拉伸模量"指韌性的變化(以克-力/旦(g/d)表達(dá))與應(yīng)變的變化(表達(dá)為原始纖維長(zhǎng)度的份額(in/in))的比率。
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，特別是伸直鏈聚烯烴纖維，如高度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超高分子量聚丙烯纖維。也合適的是聚芳酰胺纖維，特別是對(duì)-聚芳酰胺纖維，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，伸直鏈聚乙烯醇纖維，伸直鏈聚丙烯腈纖維，聚苯并唑(polybenzazole)纖維如聚苯并噁唑(PBO)和聚苯并噻唑(PBT)纖維，和液晶共聚酯纖維。這些纖維類(lèi)型中的每一種是現(xiàn)有技術(shù)中通常是已知的。
對(duì)于聚乙烯，優(yōu)選的纖維是具有至少500，000，優(yōu)選至少一百萬(wàn)和更優(yōu)選在兩百萬(wàn)和五百萬(wàn)之間的分子量的伸直鏈聚乙烯。此類(lèi)伸直鏈聚乙烯(ECPE)纖維可以在溶液紡絲過(guò)程中生長(zhǎng)(grow)，如在美國(guó)專(zhuān)利4，137，394或4，356，138中所述，這些文獻(xiàn)被引入這里供參考，或可以從溶液紡絲形成凝膠結(jié)構(gòu)，如在美國(guó)專(zhuān)利4，551,296和5，006，390中所述，它們也被引入這里供參考。用于本發(fā)明中的特別優(yōu)選的纖維類(lèi)型是以商標(biāo)SPECTRA 從Honeywell International Inc銷(xiāo)售的聚乙烯纖維。SPECTRA 纖維在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的并且例如已描述在美國(guó)專(zhuān)利4，623，547和4，748，064中。
也特別優(yōu)選的是聚芳酰胺(芳族聚酰胺)或?qū)?聚芳酰胺纖維。這些是可從市場(chǎng)上買(mǎi)得到的并且已描述在例如美國(guó)專(zhuān)利3，671，542中。例如，有用的聚(對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺)(poly (p-phenyleneterephthalamide))長(zhǎng)絲是以KEVLAR 商標(biāo)由 Dupont 公司在工業(yè)規(guī)模上生產(chǎn)。也可用于本發(fā)明的實(shí)施中的纖維是由Dupont以商標(biāo)NOMEX 在商業(yè)上生產(chǎn)的聚間苯二甲酰間苯二胺纖維和由Tei jin以商標(biāo)TWARON 在商業(yè)上生產(chǎn)的纖維。
用于本發(fā)明的實(shí)施中的合適聚苯并唑纖維是可從市場(chǎng)上買(mǎi)得到的并且已公開(kāi)在例如美國(guó)專(zhuān)利 5，286，833，5，296，185，5，356，584，5，534，205 和 6，040，050 中，它們被引入這里供參考。優(yōu)選的聚苯并唑纖維是從ToyoboCo獲得的ZYLON 牌纖維。用于本發(fā)明的實(shí)施中的合適液晶共聚酯纖維是可從市場(chǎng)上買(mǎi)得到的并且已公開(kāi)在例如美國(guó)專(zhuān)利3，975，487 ;4，118，372和4，161,470中，它們被引入這里供參考。
合適的聚丙烯纖維包括在美國(guó)專(zhuān)利4，413，110中所述的高度取向的伸直鏈聚丙烯(ECPP)纖維，該文獻(xiàn)被引入這里供參考。合適的聚乙烯醇(PV-OH)纖維已描述在例如美國(guó)專(zhuān)利4，440，711和4，599，267中，它們被引入這里供參考。合適的聚丙烯腈(PAN)纖維已公開(kāi)在例如美國(guó)專(zhuān)利4，535，027中，它被引入這里供參考。這些纖維類(lèi)型中的每一種通常是已知的并且可廣泛地從市場(chǎng)上買(mǎi)得到。
用于本發(fā)明中的其它合適纖維類(lèi)型包括玻璃纖維，由碳形成的纖維，由玄武巖或其它礦產(chǎn)形成的纖維，剛性棒纖維(rigid rod fiber)如M5 纖維，以及全部上述材料的結(jié)合，它們?nèi)渴强蓮氖袌?chǎng)上買(mǎi)得到的。例如，該纖維層可以從SPECTRA 纖維和Kevlar 纖維的結(jié)合物形成。M5 纖維是從吡啶并雙咪唑-2，6-二基(2，5-二羥基-對(duì)-亞苯基)形成的并且是可由 Magellan Systems International of Richmond,Virginia獲得的，而且已描述在例如美國(guó)專(zhuān)利5，674，969，5，939，553，5，945，537和6，040，478中，它們被引入這里供參考。特別優(yōu)選的纖維包括M5 纖維，聚乙烯SPECTRA 纖維，和聚芳酰胺Kevlar 纖維。該纖維可以具有任何合適的旦數(shù)，例如50-約3000旦，更優(yōu)選約200-3000旦，再更優(yōu)選約650-約2000旦，和最優(yōu)選約800-約1500 旦。
用于本發(fā)明的目的的最優(yōu)選纖維是高強(qiáng)度、高拉伸模量伸直鏈聚乙烯纖維或高強(qiáng)度、高拉伸模量對(duì)-聚芳酰胺纖維。如上所述，高強(qiáng)度、高拉伸模量纖維是具有至少約7g/旦或更高的優(yōu)選韌性，至少約150g/旦或更高的優(yōu)選拉伸模量，和約8J/g或更高的優(yōu)選斷裂能的纖維，每一種性能是由ASTM D2256測(cè)量的。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，纖維的韌性應(yīng)該是約15g/旦或更高，優(yōu)選約20g/旦或更高，更優(yōu)選約25g/旦或更高和最優(yōu)選約30g/旦或更高。本發(fā)明的纖維還具有優(yōu)選約300g/旦或更高，更優(yōu)選約400g/旦或更高，更優(yōu)選約500g/旦或更高，更優(yōu)選約1，OOOg/旦或更高和最優(yōu)選約1，500g/旦或更高的拉伸模量。本發(fā)明的纖維還具有優(yōu)選約15J/g或更高，更優(yōu)選約25J/g或更高，更優(yōu)選約30J/g或更高的斷裂能和最優(yōu)選具有約40J/g或更高的斷裂能。
這些合并的高強(qiáng)度性能可通過(guò)使用眾所周知的工藝獲得。美國(guó)專(zhuān)利4，413，110，4，440，711，4，535，027，4，457，985，4，623，5474，650，710 和 4，748，064 一般性討論了用于本發(fā)明中的優(yōu)選的高強(qiáng)度、伸直鏈聚乙烯纖維的形成。此類(lèi)方法，包括溶液生長(zhǎng)工藝或凝膠纖維工藝，是本領(lǐng)域中為大家所熟知的。形成其它優(yōu)選纖維類(lèi)型中的每一種(包括對(duì)-聚芳酰胺纖維)的方法在現(xiàn)有技術(shù)中也通常是已知的，并且該纖維是可從市場(chǎng)上買(mǎi)得到的。
如上所述，纖維層20、22、24和26中的各個(gè)進(jìn)一步包括聚合物粘合材料(bindermaterial),其還通常在本領(lǐng)域中被稱(chēng)為聚合物基體材料(matrix material)。聚合物基體材料包括一種或多種組分并且，當(dāng)受到熱量和/或壓力作用時(shí)，促進(jìn)多個(gè)纖維合股(即多個(gè)單帶)的固結(jié)，或結(jié)合在一起，由此形成固結(jié)的不可分割的單個(gè)層元件。對(duì)于纖維層20、22、24和26的各個(gè)來(lái)說(shuō)，涂布在它們的組分纖維上的聚合物粘合材料包括耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種有機(jī)溶劑造成的溶解的材料，其是任選的。形成所述纖維層的纖維的各個(gè)的表面至少部分涂布有聚合物基體材料，并且優(yōu)選地由基體材料基本上涂布到。用聚合物基體材料涂布編織纖維層或織物的纖維可以在編織前或后進(jìn)行。所述纖維層可以備選地包括多個(gè)紗線合股，其涂布有基體材料并且被固結(jié)，或者縮絨結(jié)構(gòu)，其包括包埋在合適的基體材料中的隨機(jī)取向的纖維，后者被纏結(jié)(matted)和擠壓在一起。
本發(fā)明的纖維層可以使用各種基體材料制備，包括低模量彈性基體材料和高模量剛性基體材料。有用的聚合物基體材料包括低模量熱塑性基體材料和高模量熱固性基體材料(具有上述期望的性能)，或其組合。合適的熱塑性基體材料優(yōu)選地具有小于約6，OOOpsi (41.3MPa)的初始拉伸模量，和合適的高模量熱固性材料優(yōu)選地具有至少約300, OOOpsi (2068MPa)的初始拉伸模量，各自如通過(guò)ASTM D638在37°C測(cè)量的。如本文中通篇使用的，術(shù)語(yǔ)拉伸模量是指由ASTM D638對(duì)基體材料測(cè)量的彈性模量。對(duì)于制造軟胸甲(body armor)來(lái)說(shuō)，低模量熱塑性基體材料是最優(yōu)選的。優(yōu)選的低模量熱塑性材料具有約4，OOOpsi (27.6MPa)或以下、更優(yōu)選地約2400psi (16.5MPa)或以下、更優(yōu)選地1200psi(8.23MPa)或以下的拉伸模量，并且最優(yōu)選地為約500psi (3.45MPa)或以下。
如這里所述，聚合物基體材料獨(dú)立地耐受由特別地海水造成的溶解，并且獨(dú)立地耐受由一種或多種有機(jī)溶劑如柴油機(jī)或非柴油機(jī)汽油(diesel or non-dieselgasoline)、槍潤(rùn)滑油、石油和源自石油的有機(jī)溶劑造成的溶解。聚合物基體材料還優(yōu)選地耐受由水和一種或多種有機(jī)溶劑的組合造成的溶解。通常，存在著兩種聚合物，其主要地用于制造軟胸甲，即溶劑基和水基合成橡膠；和聚氨酯(一般地水基)。這樣的合成橡膠通常是苯乙烯和異戊二烯的嵌段共聚物，特別地苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯(SIS)共聚物。這些SIS共聚物在溶劑基溶液和水基分散體中進(jìn)行加工。溶劑基合成橡膠通常對(duì)石油溶劑敏感并且當(dāng)接觸時(shí)將溶解。這樣的溶劑基合成橡膠通常不受水的影響。然而，水基分散體可能對(duì)水和海水非常敏感，這取決于方法和分散體的材料。目前使用的聚氨酯基體聚合物，由于它們的固有極性，通常耐受石油溶劑，但有一些例外。水基聚氨酯可能被水、特別地海水分解，其可能引起聚氨酯鏈的水解斷裂，這導(dǎo)致分子量和物理性能的下降。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，極性的且水解穩(wěn)定的聚合物獲得了耐水性和耐有機(jī)溶劑性的期望的平衡，同時(shí)保持了為有效的防彈制品所需的期望的防彈性能。極性聚合物通常耐受由非極性的有機(jī)溶劑造成的溶解，并且水解穩(wěn)定的聚合物對(duì)于由水造成的水解是穩(wěn)定的，即當(dāng)接觸到水時(shí)，耐受化學(xué)分解。因此，結(jié)合這樣的聚合物基體材料所形成的防彈制品在長(zhǎng)時(shí)間接觸這樣的液體后保持了它們的防彈性能。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案中，合適的聚合物基體材料優(yōu)選地包括合成橡膠、二烯橡膠和苯乙烯類(lèi)嵌段共聚物，包括苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯(SIS)和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、極性基于乙烯基的聚合物、極性丙烯酸類(lèi)聚合物、聚氯乙烯均聚物、聚氯乙烯共聚物、聚氯乙烯三聚物、聚乙烯醇縮丁醛、聚偏二氯乙烯、聚偏二氟乙烯極性乙烯-乙酸乙烯共聚物、極性乙烯丙烯酸共聚物、硅酮、熱塑性聚氨酯、丁腈橡膠、聚氯丁二烯如Neoprene (由杜邦制造)、聚碳酸酯、聚酮、聚酰胺、纖維素、聚酰亞胺、聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂、醇酸樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚丙烯腈、聚醚砜和其組合。
在本文中未具體說(shuō)明的其它極性、水解穩(wěn)定的聚合物也是合適的。非極性的合成橡膠和苯乙烯類(lèi)嵌段共聚物，如SIS和SBS，通常應(yīng)當(dāng)用極性基團(tuán)改性，如通過(guò)羧基的接枝或添加酸或醇官能度，或任何其它極性基團(tuán)，從而是充分斥油的。例如，非極性聚合物可以共聚合以含羧酸基團(tuán)的單體，如丙烯酸或馬來(lái)酸，或另一極性基團(tuán)，如氨基、硝基或磺酸酯基團(tuán)。這樣的技術(shù)在本領(lǐng)域中是眾所周知的。
特別優(yōu)選的是極性聚合物，其具有C-C聚合物骨架。如本文中所述的，極性聚合物通常耐受由非極性的有機(jī)溶劑造成的溶解。具有C-C主鏈的聚合物，如基于乙烯基的聚合物，包括，例如丙烯酸樹(shù)酯，乙烯-乙酸乙烯共聚物，聚偏二氯乙烯等，具有水解穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)。此外特別優(yōu)選的是極性、熱塑性聚氨酯，特別地已經(jīng)被配制而提高水解穩(wěn)定性的那些。不同于C-C鍵，尿烷(urethane)鍵和酯鍵通常是易受水解降解影響的。因此，具有這樣的鍵的聚合物通常被配制或改性從而提高斥水性和水解穩(wěn)定性。例如，聚氨酯可以被配制以便通過(guò)與聚醚多醇或脂族多元醇組分或?yàn)樘岣咚夥€(wěn)定性已知的其它組分的共聚提高水解穩(wěn)定性。主要的聚氨酯產(chǎn)生反應(yīng)是在脂族或芳族二異氰酸酯和多元醇之間的，一般地聚乙二醇或聚酯多元醇，在催化劑的存在下。選擇異氰酸酯輔助反應(yīng)物還可能影響水解穩(wěn)定性。在輔助反應(yīng)物中的任一種或兩種上的大體積的側(cè)基還可能保護(hù)尿烷鍵免受攻擊。能夠以各種密度和硬度來(lái)制備聚氨酯，這是通過(guò)改變所使用的單體的類(lèi)型和通過(guò)添加其它物質(zhì)從而改變它們的特性或提高它們的水解穩(wěn)定性，例如使用斥水劑、PH緩沖劑、交聯(lián)劑和螯合劑等來(lái)實(shí)現(xiàn)的。最優(yōu)選的聚氨酯基體材料包括極性、水解穩(wěn)定的、聚醚-或脂族-基礎(chǔ)的熱塑性聚氨酯，其相比于聚酯基的聚氨酯來(lái)說(shuō)是優(yōu)選的。
熱塑性聚氨酯可以是均聚物、共聚物、或聚氨酯均聚物和聚氨酯共聚物的共混物。這樣的聚合物是市售可得的。這樣的聚氨酯通常是以水溶液、分散體或乳狀液的形式可得的，其中固體組分可以為約20wt% _80wt%,更優(yōu)選地約40wt% -約60wt%,而其余重量是水。為使用方便，含水系統(tǒng)是優(yōu)選的。優(yōu)選的聚氨酯涂布的纖維層描述于美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)流水號(hào)11/213，253中，其全盤(pán)引入本文作為參考。
優(yōu)選的熱塑性基體材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)優(yōu)選地是小于約0°C、更優(yōu)選地小于約_40°C，最優(yōu)選地小于約_50°C。優(yōu)選的熱塑性材料還具有優(yōu)選的至少約50%的斷裂伸長(zhǎng)率、更優(yōu)選地至少約100%和最優(yōu)選地至少約300%的斷裂伸長(zhǎng)率。
關(guān)于編織纖維層，通常纖維不需要涂布有聚合物基體材料，因?yàn)椴贿M(jìn)行固結(jié)。然而，優(yōu)選地，包括編織纖維層的纖維涂布有聚合物基體材料，其耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種有機(jī)溶劑造成的溶解，從而獲得本文中所述的益處。
由本發(fā)明的織物復(fù)合材料形成的制品的剛性、沖擊和彈道性能受基體聚合物的拉伸模量的影響。例如，美國(guó)專(zhuān)利4，623，574公開(kāi)了，與用較高模量聚合物構(gòu)造的復(fù)合材料相比以及與沒(méi)有基體的相同纖維結(jié)構(gòu)相比，用具有小于約6000psi(41，300kPa)的拉伸模量的彈性基體構(gòu)造的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有優(yōu)異的彈道性能。然而，低拉伸模量基體聚合物也獲得了較低剛性的復(fù)合材料。此外，在某些應(yīng)用中，特別是其中復(fù)合材料必須以防彈模式和結(jié)構(gòu)模式發(fā)揮作用的那些，需要防彈和剛性的優(yōu)異結(jié)合。因此，待用的最合適類(lèi)型的基體聚合物將根據(jù)待由本發(fā)明的織物形成的制品的類(lèi)型來(lái)改變。為了獲得兩種性能的折中方案,合適的基體材料可以結(jié)合低模量和高模量材料以便形成單個(gè)基體材料。基體材料也可包括填料如炭黑或二氧化娃，可以換入(extendedwith)油，或可以被硫、過(guò)氧化物、金屬氧化物或輻射固化體系固化，這是本領(lǐng)域中眾所周知的。
在纖維合股的固結(jié)前，進(jìn)行基體的施加?；w可以以各種形式施加到纖維上，術(shù)語(yǔ)“涂布”不意圖限制將基體材料施加到纖維(一或多)表面所通過(guò)的方法。例如，聚合物基體材料可以通過(guò)將基體材料的溶液噴涂或輥涂到纖維表面上而以溶液形式施加，其中溶液的一部分包括期望的(一種或多種)聚合物和該溶液的一部分包括能夠溶解(一種或多種)聚合物的溶劑，隨后干燥。
另一方法是將涂層材料的純聚合物以液體、在懸浮液中的粘性固體或顆粒物或以流化床的形式施加到纖維。備選地，涂層可以以在合適溶劑中的溶液或乳液的形式被施加，該溶劑在施加的溫度不會(huì)不利地影響纖維的性能。例如，纖維能夠通過(guò)基體材料溶液被輸送以便基本上涂布纖維并隨后被干燥而形成被涂布的纖維。所得的被涂布的纖維然后能夠被排列成期望的纖維層配置。在另一涂布技術(shù)中，纖維層可以首先被排列，隨后將層浸潰入含溶于合適溶劑中的基體材料的溶液的浴中，使得各個(gè)單獨(dú)的纖維基本上涂布有基體材料，然后通過(guò)溶劑蒸發(fā)進(jìn)行干燥。根據(jù)需要，該浸潰程序可以重復(fù)若干次以便將期望數(shù)量的基體材料涂層置于纖維上，優(yōu)選地用基體基體包封各個(gè)單獨(dú)的纖維或覆蓋100%的纖維表面面積。
盡管可以使用能夠溶解或分散聚合物的任何液體，但是優(yōu)選的一組溶劑包括水、鏈烷烴油和芳族溶劑或烴熔劑，其中舉例的特定溶劑包括石蠟油，二甲苯，甲苯，辛烷，環(huán)己烷，甲基乙基酮(MEK)和丙酮。用于將涂層聚合物溶解或分散在溶劑中的技術(shù)將是通常用于將類(lèi)似材料涂布在各種基板上的那些。
可以使用施加涂層到纖維上的其它技術(shù)，包括在從纖維中除去溶劑(如果使用凝膠-紡絲纖維成型技術(shù))之前或之后，在纖維進(jìn)行高溫拉伸操作之前，高模量前體(凝膠纖維)的涂布。纖維然后可以在升高的溫度下被拉伸，從而產(chǎn)生被涂布的纖維。凝膠纖維可以在獲得期望涂層的條件下通過(guò)合適的涂層聚合物的溶液。在凝膠纖維中高分子量聚合物的結(jié)晶可以或未必在纖維進(jìn)入到溶液中之前進(jìn)行。備選地，纖維可以被擠出到合適的聚合物粉末的流化床中。此外，如果進(jìn)行拉伸操作或其它操控過(guò)程，例如溶劑交換、干燥等，涂層可以被施加到最終纖維的前體材料。在本發(fā)明的最優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的纖維首先涂布以基體材料，隨后將多根纖維排列成編織或非編織纖維層。這樣的技術(shù)在本領(lǐng)域中是眾所周知的。
因此，通過(guò)將基體材料施加到纖維并隨后固結(jié)基體材料-纖維組合，本發(fā)明的纖維可以被涂布在基體材料上，浸潰以基體材料，包埋在基體材料中，或者以其它方式施加以基體材料而形成復(fù)合材料。如上所述，“固結(jié)”是指基體材料和各個(gè)單獨(dú)的纖維層被結(jié)合成單個(gè)不可分割的層。固結(jié)能夠經(jīng)由干燥，冷卻，加熱，壓力或其組合來(lái)進(jìn)行。術(shù)語(yǔ)“復(fù)合(材料)”是指纖維與基體材料的固結(jié)組合。如上所述，如本文中使用的術(shù)語(yǔ)“基體”，在本領(lǐng)域中是眾所周知的并且用來(lái)表示粘合材料，如聚合物粘合材料，在固結(jié)后其將纖維粘合在一起。
如圖1和2中舉例說(shuō)明的，聚合物薄膜14、16和18被附著到纖維層20、22、24和26的各個(gè)表面。如圖2中舉例說(shuō)明的，聚合物薄膜14、16和18優(yōu)選地在任何合適的固結(jié)步驟后被附著到所述纖維層。對(duì)所述聚合物薄膜來(lái)說(shuō)的合適的聚合物非排他地包括熱塑性和熱固性聚合物。合適的熱塑性聚合物非排他地可以選自聚烯烴、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、乙烯基聚合物、含氟聚合物和其共聚合物和混合物。在這些中，聚烯烴層是優(yōu)選的。優(yōu)選的聚烯烴是聚乙烯。聚乙烯薄膜的非限制性實(shí)例是低密度聚乙烯(LDPE)、線型低密度聚乙烯(LLDPE)、線性中密度聚乙烯(LMDPE)、線性非常低密度聚乙烯(VLDPE)、線性超低密度聚乙烯(ULDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)。在這些中，最優(yōu)選的聚乙烯是LLDPE。合適的熱固性聚合物非排他地包括熱固性烯丙基(聚合物)、氨基(聚合物)、氰酸酯(聚合物)、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、不飽和聚酯、雙馬來(lái)酰亞胺、硬質(zhì)聚氨酯、硅酮、乙烯基酯和它們的共聚物和共混物，如美國(guó)專(zhuān)利6，846，758、6，841，492和6，642，159中所述的那些。在各個(gè)實(shí)施方案中，聚合物薄膜14、16和18可以是相同的或不同的。
聚合物薄膜14、16和18優(yōu)選地是擠出層，其被冷卻并且附著于纖維層，通過(guò)使用眾所周知的層壓技術(shù)的層壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般地，層壓是在足夠的熱量和壓力的條件下將單獨(dú)的層上下彼此放置來(lái)進(jìn)行從而使得各層結(jié)合。通過(guò)本領(lǐng)域眾所周知的技術(shù)，單獨(dú)的層被上下彼此放置，并且然后一般地使該組合通過(guò)一對(duì)加熱的層壓輥的鉗口。層壓加熱可以在約95°C -約175°C、優(yōu)選地約105°C -約175°C的溫度，在約5psig(0.034MPa)-約IOOpsig(0.69MPa)的壓力，進(jìn)行約5秒至約36小時(shí)、優(yōu)選地約30秒-約24小時(shí)。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，其中第一纖維層20和第二纖維層22各個(gè)由僅僅單合股的纖維組成，并且聚合物薄膜附著到纖維層20和22和纖維層20和22彼此附著優(yōu)選地在單個(gè)層壓固結(jié)步驟中進(jìn)行。備選地，聚合物薄膜可以在涂布步驟中被附著于纖維，其中粘合樹(shù)脂被施加到纖維并隨后鋪設(shè)在薄膜上，或者被施加到薄膜并且在基板上將纖維鋪設(shè)到樹(shù)脂中并且使其干燥，同時(shí)彼此接觸。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，其中第一纖維層24和第二纖維層26包括多個(gè)非織造纖維合股，優(yōu)選地，在聚合物薄膜14、16和18的層壓之前，所述纖維層被固結(jié)。
將纖維合股固結(jié)成纖維層24和/或26的合適的固結(jié)條件類(lèi)似于所述的層壓條件。在典型的固結(jié)過(guò)程中，交錯(cuò)合股的纖維合股在約200° F(約93°C )_約350° F(約1770C )的溫度下，更優(yōu)選地在約200° F-約300° F (約149°C )的溫度下和最優(yōu)選地在約200。F-約 250° F (約 121°C)的溫度下，和在約 25psi (約 172kPa)-約 500psi (3447kPa)的壓力或更高的壓力下，被壓在一起達(dá)約30秒-約24小時(shí)。這樣的方法通常是本領(lǐng)域已知的。當(dāng)加熱時(shí)，有可能的是使得基體在沒(méi)有完全熔化的情況下粘著或流動(dòng)。然而，通常，如果使得基體材料熔化，則需要較小的壓力來(lái)形成復(fù)合材料，而如果基體材料僅僅被加熱到粘著點(diǎn)，則一般地需要更大的壓力。固結(jié)步驟可以通常進(jìn)行約10秒-約24小時(shí)。類(lèi)似于模塑，合適的固結(jié)溫度、壓力和時(shí)間通常取決于聚合物的類(lèi)型、聚合物含量、所使用的方法和纖維的類(lèi)型。固結(jié)可以備選地在反應(yīng)釜中進(jìn)行，這通常是本領(lǐng)域已知的。將纖維合股固結(jié)成纖維層24和/或26和聚合物薄膜的附著也可在單個(gè)固結(jié)步驟中進(jìn)行。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)10和12也可通過(guò)在合適的模塑設(shè)備中在加熱和壓力下的模塑由將各個(gè)結(jié)構(gòu)的多個(gè)組分層結(jié)合而形成。通常，模塑在約50psi(344.7kPa)_約5000psi (34474kPa)、更優(yōu)選地約 IOOpsi (689.5kPa)-約 1500psi (10342kPa)、最優(yōu)選地約150psi(1034kPa)-約 IOOOpsi (6895kPa)的壓力下進(jìn)行。也可使用約 500psi (3447kPa)-約5000ps1、更優(yōu)選地約 750psi (5171kPa)-約 5000psi 并且更優(yōu)選地約 IOOOps1-約 5000psi的更高的壓力。模塑步驟可以花費(fèi)約4秒-約45分鐘。優(yōu)選的模塑溫度為約200° F(約930C )_約350° F(約177°C )，更優(yōu)選地約200° F-約300° F(約149°C )的溫度和最優(yōu)選地約200° F-約280° F (約138°C)的溫度。合適的模塑溫度、壓力和時(shí)間將通常變化，這取決于聚合物基體的類(lèi)型、聚合物基體含量、層數(shù)、材料質(zhì)量和纖維類(lèi)型。盡管這里描述的各個(gè)模塑和固結(jié)技術(shù)是類(lèi)似的，但是各個(gè)方法是不同的。特別地，模塑是間歇過(guò)程而固結(jié)是連續(xù)過(guò)程。此外，模塑一般地包括模具的使用，如成形模具或?qū)δ?match-die)模具。模塑本發(fā)明的織物的壓力對(duì)所得的模塑產(chǎn)品的剛性具有直接影響。特別地，復(fù)合材料被模塑時(shí)的壓力越高，剛性越高，反之亦然。除模塑壓力之外，織物層的數(shù)量、厚度和組成，基體類(lèi)型和聚合物薄膜類(lèi)型也直接影響由本發(fā)明的復(fù)合材料形成的制品的剛性。
本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)10和12可以任選地在加熱和壓力下被壓延來(lái)使它們的表面變光滑或拋光它們的表面。壓延方法在本領(lǐng)域中是眾所周知的并且可以在模塑之前或之后進(jìn)行。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案中，聚合物薄膜層優(yōu)選地占全部纖維復(fù)合材料(其包括纖維、任選的聚合物基體材料和聚合物薄膜的重量)的約2wt% -約20wt%，更優(yōu)選地約2wt% -約15wt%,和最優(yōu)選地全部纖維復(fù)合材料的約2wt% -約10wt%。聚合物薄膜層的重量百分比將通常不同，這取決于形成多層薄膜的織物層的數(shù)目。如果存在的話(huà)，構(gòu)成纖維層的基體材料的比例優(yōu)選占層的約3wt% -約30wt%,更優(yōu)選地層的約3wt% -約20wt%,更優(yōu)選地約3 % -約16 %,更優(yōu)選地約5 % -約15 %,和更優(yōu)選地層的約I Iwt % -約15wt %。構(gòu)成本發(fā)明的各個(gè)纖維層的纖維的比例優(yōu)選地占層的約60wt % -約98wt %，更優(yōu)選地層的約70wt*% -約95wt*%,和最優(yōu)選地層的約80wt*% -約90wt*%。
單獨(dú)的纖維層的厚度將對(duì)應(yīng)于單獨(dú)的纖維的厚度和形成纖維層的合股的數(shù)目。因此，優(yōu)選的單合股的非織造纖維合股將具有優(yōu)選地約5 y m-約3000 u m、更優(yōu)選地約15 ii m-約300 ii m和最優(yōu)選地約25 ii m-約125iim的厚度。優(yōu)選的單個(gè)層、多合股、固結(jié)的非編織纖維層將具有優(yōu)選地約12 u m-約3000 u m、更優(yōu)選地約15 u m-約385 u m和最優(yōu)選地約25 u m-約255 u m的厚度。優(yōu)選的編織纖維層將具有優(yōu)選地約25 u m-約500 u m、更優(yōu)選地約75 u m-約385 u m和最優(yōu)選地約125 u m-約255 u m的厚度。聚合物薄膜優(yōu)選地是非常薄的，具有優(yōu)選地約I U m-約250 u m、更優(yōu)選地約5 y m_約25 y m和最優(yōu)選地約5 y m_約9ym的厚度。結(jié)構(gòu)10和12各自具有優(yōu)選地約5 iim-約1000 y m、更優(yōu)選地約6 y m_約750 u m和最優(yōu)選地約7 ii m-約500 u m的總厚度。盡管這樣的厚度是優(yōu)選的，應(yīng)將理解的是，可以產(chǎn)生其它薄膜厚度以滿(mǎn)足特定的需要并且這仍然是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明的制品進(jìn)一步具有優(yōu)選地約 0.251b/ft2(psf) (1.22kg/m2(ksm))-約 5.0psf (24.41ksm)、更優(yōu)選地約 0.5psf (2.44ksm)-約 2.0psf (9.76ksm)、更優(yōu)選地約 0.7psf (3.41 ksm)-約
1.5psf (7.32ksm)和最優(yōu)選地約 0.75psf (3.66ksm)_ 約 1.25psf (6.1 ksm)的面密度。[0063]使用眾所周知的技術(shù)，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可用于各種的應(yīng)用中而形成各種不同的防彈制品。例如，形成防彈制品的合適技術(shù)描述在例如美國(guó)專(zhuān)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。
該結(jié)構(gòu)特別地可用于形成撓性、柔軟盔甲制品，其中包括衣裝如背心、褲子、帽子或其它服裝制品，以及覆蓋物或毯子，它們由軍事人員使用來(lái)抵抗許多的彈道威脅，如9mm全金屬?gòu)棜?FMJ)子彈和由于手榴彈、炮彈、臨時(shí)引爆裝置(IED)和在軍隊(duì)與維和任務(wù)中遇到的其它這樣的裝置的爆炸所產(chǎn)生的各種碎片。如本文中使用的，“柔軟”或“撓性”盔甲是當(dāng)受到較大量的應(yīng)力時(shí)未保持其形狀并且在沒(méi)有扁癟的情況下不能自持的盔甲。該結(jié)構(gòu)也可用于剛性、硬質(zhì)盔甲制品的形成?！坝病笨资侵钢破啡珙^盔、用于軍用車(chē)輛的板、或防護(hù)罩，它具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使得當(dāng)承受較大量的應(yīng)力時(shí)它保持結(jié)構(gòu)剛度并且在沒(méi)有扁癟的情況下能夠自持。所述結(jié)構(gòu)能夠被切成許多離散薄板并堆疊成形為制品或它們能夠成形為前體，其隨后用于形成制品。這樣的技術(shù)在本領(lǐng)域中是眾所周知的。
本發(fā)明的衣裝可以通過(guò)本領(lǐng)域通常已知的方法形成。優(yōu)選地，衣裝可以通過(guò)將本發(fā)明的防彈制品與服裝制品接合來(lái)形成。例如，背心可包括與本發(fā)明的防彈結(jié)構(gòu)接合的普通織物背心，據(jù)此本發(fā)明的結(jié)構(gòu)被插入到策略上布置的口袋(strategically placedpockets)中。這允許彈道保護(hù)作用的最大化，同時(shí)最大程度減少該背心的重量。如本文中使用的，術(shù)語(yǔ)“接合”或“接合的”意圖包括附著，如通過(guò)縫紉或粘附等，以及未附著的連接或與另一織物的并列，使得該防彈制品可以任選地容易從該背心或其它服裝制品中取出。用于形成撓性結(jié)構(gòu)如撓性薄板、背心和其它衣裝的制品優(yōu)選地由使用低拉伸模量基體材料而形成。硬制品如頭盔和盔甲優(yōu)選地使用高拉伸模量基體材料而形成。
使用本領(lǐng)域眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法來(lái)測(cè)定防彈性能。特別地，結(jié)構(gòu)的保護(hù)能力或耐穿透性通常通過(guò)引用沖擊速度來(lái)表達(dá)，在該速度下50%的發(fā)射體穿透復(fù)合材料而50%被屏蔽阻止，亦稱(chēng)為V5tl彈道極限值。如本文中使用的，制品的“耐穿透性”是耐受指定威脅的穿透的能力，如實(shí)體物體(包括子彈、碎片、榴散彈等)和非實(shí)體物體(來(lái)自爆炸的氣浪)。對(duì)于具有相等的面密度(它是復(fù)合材料的重量除以表面面積)的復(fù)合材料，V5tl值越高，復(fù)合材料的耐受性越好。因此，本發(fā)明的制品的防彈性能將不同，這取決于許多因素，特別地用于制造織物的纖維的類(lèi)型。然而，耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種有機(jī)溶劑造成的溶解的聚合物基體材料的使用沒(méi)有不利地影響本發(fā)明的制品的彈道性能。
在這里形成的重量至少約0.75psf的撓性彈道藍(lán)甲具有，當(dāng)受17格令FragmentSimulating Pro jectile (碎片模擬發(fā)射體)(FSP)發(fā)射體或者9mm全金屬?gòu)棜?FMJ)手槍子彈沖擊時(shí)，至少1450fps(442mps)的V5(l。本發(fā)明的撓性彈道盔甲還優(yōu)選地表征為在浸入自來(lái)水或海水后，當(dāng)用17格令FSP或9mm FMJ手槍子彈沖擊時(shí)，保持至少約85%、更優(yōu)選地至少90%的V5tl性能。在這些條件下，撓性彈道盔甲還顯示出優(yōu)選地不多于50%、更優(yōu)選地不多于約40 %的重量提高，從其干重計(jì)。此外，本發(fā)明的撓性彈道盔甲優(yōu)選地表征為，當(dāng)用9mm FMJ子彈或17格令FSP沖擊時(shí)，在70° F±5° F(21°C ±2.8°C )在汽油中浸潰4小時(shí)后，保持至少約85%、更優(yōu)選地至少約90%的它的V5tl性能。
下列實(shí)施例用于舉例說(shuō)明本發(fā)明:
實(shí)施例1 (對(duì)比例)
制備包括27個(gè)織物層的彈道發(fā)射組件(ballistic shoot pack)來(lái)測(cè)試耐碎片性。在形成發(fā)射組件前，從包括兩固結(jié)合股的用包括Kraton D1107熱塑性粘合樹(shù)脂的聚合物粘合材料浸潰的單向的、高模量聚乙烯(HMPE)纖維的材料的連續(xù)的層壓板切下織物層。HMPE 纖維是由 Honeywell International Inc.制造的SPECTRA 1300 并且具有35g/旦的韌性、ll50g/旦的拉伸模量和3.4%的斷裂伸長(zhǎng)率。Kraton Dl 107樹(shù)脂是包括14wt%苯乙烯的聚苯乙烯-聚異戊二烯-聚苯乙烯-嵌段共聚物并且市售可得自KratonPolymers of Houston, TX。各織物層包括79.5wt%的纖維,基于纖維重量加粘合樹(shù)脂重量，并且包括20.5wt%的粘合樹(shù)脂，基于纖維重量加粘合樹(shù)脂重量。
各層的兩纖維合股是交錯(cuò)合股的，使得一個(gè)合股的纖維以相對(duì)于第二合股的纖維成直角地取向，相對(duì)于各個(gè)纖維合股的縱向纖維方向來(lái)說(shuō)(常規(guī)的0° /90°配置)。在兩線型低密度聚乙烯(LLDPE)薄膜之間層壓了合股，每一薄膜具有9pm的厚度和16克/m2(gsm)的面密度。這種結(jié)構(gòu)在本領(lǐng)域中也稱(chēng)為SPECTRASHIELD LCR，市售可得自Honeywell International, Inc。層壓過(guò)程包括將LLDPE薄膜壓到交錯(cuò)合股的材料上，在110。。，在200psi(1379kPa)壓力下，達(dá)30分鐘，由此形成具有0.06" (1.524mm)厚度的材料的連續(xù)層壓板。該板被切割而形成27個(gè)單獨(dú)的層，各個(gè)長(zhǎng)度和寬度為18" X 18" (45.7mmX45.7mm)，并且一個(gè)織物層的總面密度是150gsm。然后將27層松散地堆疊在一起而形成發(fā)射組件。各層沒(méi)有彼此粘合。發(fā)射組件的面密度是0.84psf(4.0lksm)。
為測(cè)試耐碎片性能，將發(fā)射組件安裝在測(cè)試機(jī)架上并且緊緊地夾緊在機(jī)架的頂上。機(jī)架以相對(duì)于從緊緊安裝的通用接收機(jī)發(fā)射的碎片的作業(yè)線90-度取向被安裝。使用17格令(grain)碎片模擬發(fā)射體(Fragment Simulating Projectile)進(jìn)行測(cè)試并且其符合根據(jù)MIL-P-46593A的形狀、尺寸和重量。根據(jù)MIL-STD-662E的程序進(jìn)行V5tl彈道測(cè)試以便實(shí)驗(yàn)測(cè)定子彈具有50%穿透測(cè)試目標(biāo)的機(jī)會(huì)時(shí)的速度。
發(fā)射了數(shù)個(gè)17格令的FSP碎片，改變各碎片的速度。各碎片的速度上下變化，這取決于先前所發(fā)射的碎片是否是完全穿透或者部分穿透了發(fā)射組件的若干層。通過(guò)在125fps(38.1mps)的速度分布中包括最少四次部分穿透和四次完全碎片穿透來(lái)獲得平均速度。計(jì)算八次部分和完全穿透的平均速度并且稱(chēng)為V5(l。這種發(fā)射組件的V5tl被計(jì)算為1500fps (457.2mps)。目標(biāo)的比能吸收(SEAT, Specific Energy Absorptionof the Target)計(jì)算為27.86J-m2/kg。發(fā)射組件結(jié)構(gòu)和測(cè)試結(jié)果的總結(jié)示于表I中。
實(shí)施例2 (對(duì)比例)
類(lèi)似于實(shí)施例1制備彈道發(fā)射組件，但包括33個(gè)堆疊織物層。發(fā)射組件的面密度是1.0Opsf (4.88ksm)。如實(shí)施例1中那樣,測(cè)試組件的耐碎片性。這種發(fā)射組件的V50計(jì)算為1705fps(519.7mps)。SEAT計(jì)算為30.23J_m2/kg。發(fā)射組件結(jié)構(gòu)和測(cè)試結(jié)果的總結(jié)示于表I中。
實(shí)施例3 (對(duì)比例)
類(lèi)似于實(shí)施例1制備彈道發(fā)射組件，但包括28個(gè)織物層。此外，在本實(shí)施例中，各個(gè)織物層包括89.9wt%的纖維，基于纖維重量加粘合樹(shù)脂重量，并且包括10.lwt%的粘合樹(shù)脂，基于纖維重量加粘合樹(shù)脂重量。發(fā)射組件的面密度是0.76psf(3.71kg/m2)。如實(shí)施例I中那樣，測(cè)試組件的耐碎片性。這種發(fā)射組件的V5tl計(jì)算為1616fps(492.6mps)。SEAT計(jì)算為35.7J-m2/kg。發(fā)射組件結(jié)構(gòu)和測(cè)試結(jié)果的總結(jié)示于表I中。
實(shí)施例4[0079]制備包括11個(gè)織物層的彈道發(fā)射組件(ballistic shoot pack)來(lái)測(cè)試耐碎片性?？椢飳佑删哂袌D2中舉例說(shuō)明的結(jié)構(gòu)而形成的材料的連續(xù)層壓板切割。具體地說(shuō)，所述材料具有以下結(jié)構(gòu):a)第一 LLDPE薄膜；b)四合股的單向的聚芳酰胺纖維(1000旦，TWAR0N 纖維)，所述合股以0° ,90°，0° ,90°取向來(lái)取向；c)第二 lldpe薄膜；d)另外的四合股的單向的聚芳酰胺纖維，所述合股以0° ,90°，0° ,90°取向來(lái)取向；和e)第三LLDPE薄膜。
聚芳酰胺纖維合股涂布有水基聚氨酯熱塑性粘合材料(Bayer DISPERCOLL U53聚氨酯樹(shù)脂)并且該合股用粘合劑固結(jié)而形成整體的非編織織物。LLDPE薄膜各自具有9 ii m的厚度和16gsm的面密度。各個(gè)織物層包括86wt %的聚芳酰胺纖維，基于纖維重量加粘合樹(shù)脂重量，并且包括14.0wt%的粘合樹(shù)脂，基于纖維重量加粘合樹(shù)脂重量。這種多合股材料在110°C，在200psi (1379kPa)壓力下被層壓在一起達(dá)30分鐘，形成具有0.021 (.533mm)厚度的連續(xù)織物板。該板被切割而形成11個(gè)單獨(dú)的層，各自的長(zhǎng)度和寬度為18" X18"，并且一個(gè)織物層的總面密度是459gsm。然后將11層松散地堆疊在一起而形成發(fā)射組件。各層沒(méi)有彼此粘合。發(fā)射組件的面密度是1.01psf(4.94ksm)。如實(shí)施例1中那樣，測(cè)試發(fā)射組件的耐碎片性。這種發(fā)射組件的V5tl計(jì)算為1841fps(561.28)。SEAT計(jì)算為34.89J-m2/kg。發(fā)射組件結(jié)構(gòu)和測(cè)試結(jié)果的總結(jié)示于表I中。
表I
權(quán)利要求
1.一種纖維復(fù)合材料，其按順序包括: a)第一外聚合物薄膜； b)第一纖維層，其與第一外聚合物薄膜接觸；第一纖維層包括多根纖維，其中所述纖維至少部分涂布有聚合物粘合材料，所述聚合物粘合材料耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種石油或源自石油的有機(jī)溶劑造成的溶解； c)中心聚合物薄膜，其與第一纖維層接觸； d)第二纖維層，其與中心聚合物薄膜接觸；第二纖維層包括多根纖維，其中所述纖維至少部分涂布有聚合物粘合材料，所述聚合物粘合材料耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種石油或源自石油的有機(jī)溶劑造成的溶解；和 e)第二外聚合物薄膜，其與第二纖維層接觸。
2.權(quán)利要求
1的纖維復(fù)合材料，其中第一纖維層和第二纖維層各自包括單合股的以基本上平行陣列排列的非編織、不交疊的纖維。
3.權(quán)利要求
1的纖維復(fù)合材料，其中第一纖維層和第二纖維層各自包括多個(gè)被固結(jié)的非編織纖維合股。
4.權(quán)利要求
1的纖維復(fù)合材料，其中第一纖維層和第二纖維層各自包括纖維的編織陣列。
5.權(quán)利要求
1的纖維復(fù)合材料，其中耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種石油或源自石油的有機(jī)溶劑造成的溶解的所述`聚合物粘合材料包括水解穩(wěn)定的、極性聚合物。
6.權(quán)利要求
1的纖維復(fù)合材料，其中耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種石油或源自石油的有機(jī)溶劑造成的溶解的所述聚合物粘合材料包括極性、基于乙烯基的聚合物。
7.權(quán)利要求
1的纖維復(fù)合材料，其中耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種石油或源自石油的有機(jī)溶劑造成的溶解的所述聚合物粘合材料包括二烯橡膠、苯乙烯類(lèi)嵌段共聚物、極性基于乙烯基的聚合物、極性丙烯酸系聚合物、聚氯乙烯均聚物、聚氯乙烯共聚物、聚乙烯醇縮丁醛、聚偏二氯乙烯、聚偏二氟乙烯、極性乙烯-乙酸乙烯共聚物、極性乙烯丙烯酸共聚物、硅酮、熱塑性聚氨酯、丁腈橡膠、聚氯丁二烯、聚碳酸酯、聚酮、聚酰胺、纖維素、聚酰亞胺、聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂、醇酸樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚丙烯腈、聚醚砜或其組合。
8.權(quán)利要求
1的纖維復(fù)合材料，其中耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種石油或源自石油的有機(jī)溶劑造成的溶解的所述聚合物粘合材料包括水解穩(wěn)定的熱塑性聚氨酯。
9.權(quán)利要求
1的纖維復(fù)合材料，其中所述第一外聚合物薄膜、所述中心聚合物薄膜和所述第二外聚合物薄膜包括聚烯烴、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、乙烯基聚合物、含氟聚合物、或其共聚物或組合。
10.由權(quán)利要求
1的纖維復(fù)合材料形成的防彈制品。
11.一種形成纖維復(fù)合材料的方法，該方法包括: a)提供第一外聚合物薄膜； b)將第一纖維層附著到第一外聚合物薄膜；第一纖維層包括多根纖維，其中所述纖維至少部分涂布有聚合物粘合材料，所述聚合物粘合材料耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種石油或源自石油的有機(jī)溶劑造成的溶解； c)將中心聚合物薄膜附著到第一纖維層；d)將第二纖維層附著到中心聚合物薄膜；第二纖維層包括多根纖維，其中所述纖維至少部分涂布有聚合物粘合材料，所述聚合物粘合材料耐受由水造成的溶解并且耐受由一種或多種石油或源自石油的有機(jī)溶劑造成的溶解；和 e)將第二外聚合物薄膜附著到第 二纖維層。
專(zhuān)利摘要
具有優(yōu)異的抵抗由于液體接觸所引起的劣化的能力的防彈制品。更具體地說(shuō)，防彈纖維復(fù)合材料和制品，它們?cè)诮佑|到液體例如海水和有機(jī)溶劑如汽油和其它石油基的產(chǎn)品之后仍然保持它們優(yōu)異的防彈性能。
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公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2008年3月18日
發(fā)明者B·D·阿維森, D·A·赫爾斯特, L·L·沃納, A·巴特納加, H·G·阿迪夫 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專(zhuān)利引用 (2),