用于软弹道用途的高密度单向织物的制作方法
【专利摘要】弹道物品包含高密度纤维，其中该纤维的线性质量密度大于2000dtex，由ASTM?D1907测定，并且各层中的纤维具有大于100g/m2的总面密度。一个实例中，弹道物品具有两个在苯乙烯和异戊二烯嵌段共聚物基体材料中包含对-芳族聚酰胺纤维的片材。
【专利说明】用于软弹道用途的高密度单向织物
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年I月17日提交的美国临时申请N0.61/587，310的优先权。
【技术领域】
[0003]本申请涉及防弹物品(ballistic resistant articles),特别是用于防护用途的高性能纤维和树脂层合体。
【背景技术】
[0004]多层复合材料能够用于许多用途，包括例如防弹物品。防弹物品能够由在基体材料中包含纤维的织造或非织造织物或其组合的层制成。使纤维在单一方向上取向的单向(UD)织物能够用于弹道物品(ballistic articles)。
【发明内容】
[0005]公开了弹道物品，其具有单向织物的至少一个片材。该单向织物包括具有大于2000dtex的线性质量密度(linear mass density)的纤维并且该至少一个片材的每个片材中的纤维的总面密度(arealdensity)大于100g/m2。
[0006]另一方面中，弹道物品包括两个片材。每个片材在苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物基体材料中包括对-芳族聚酰胺纤维。纤维的线性质量密度大于2000dteX和每个片材中纤维的面密度大于100g/m2。该物品具有大于500m/s的用.44Magnum Speer子弹进行的弹道性能测试的V5tl值,和大于430m/s的用9_ Remington或.357Magnum Remington子弹进行的弹道性能测试的V5tl值。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]由以下详细的说明，公开的实例的各种特征和优点对于本领域技术人员将变得清楚。如下能够对详细说明的附图简要地说明。
[0008]图1表示2-层单向织物结构体(construct1n)的示意例。
[0009]图2表示对于各种单向结构体的变形弹体(deforming projectiles)的弹道测试结果。
【具体实施方式】
[0010]单向(UD)结构体例如用于防弹物品的那些能够具有一层或多层，其中每层包含沿单向取向并且用基体材料浸溃的纤维。形成UD层时，将纤维铺展以确保在整个材料中均匀的纤维和长丝分布。
[0011]UD层的形成过程中，振动能够用于将纤维或长丝均匀地铺展。例如，能够使纤维或长丝在铺展单元上通过，该铺展单元包括至少一个杆和沿该杆的长度的至少一个振动单元。该振动单元能够使该杆相对于纤维长度水平地、竖直地或者以两方向的组合振动。振动杆的使用能够使得改善较密纤维的铺展。振动单元能够为气动的、电磁的或者另一类型的振动单元。能够使用非刚性底座例如橡胶底座将该杆安装在边缘以允许较好的振动。
[0012]图1表示具有层20a、20b的2_层UD结构体的实例。层20a和20b具有彼此相差90°的纤维取向偏移。每层在基体材料26中包含纤维24。通过施加热和压力以确保层彼此之间的适当粘合从而能够实现交叉叠层。UD结构体也能够具有在外表面上层合的膜22。通过带式层压机能够进行层合，该带式层压机施加热和压力以确保膜的适当的粘合。对于软装甲弹道(soft-armor ballistics)用途，能够使用2-层0° /90°或4-层0° /90° /0° /90° UD结构体，其中“0° /90° ”表示具有纤维取向彼此90°偏移的两层堆叠的UD片材。例如，图1的UD结构体10可能是2-层0° /90°结构体。
[0013]形成具有低纤维面密度，例如，具有小于50g/m2的面密度的UD层需要在生产过程中在整个纤维铺展过程中进一步的控制。铺展过程的控制对于较厚UD单层的生产不那么重要。而且，为了实现所需的UD-基弹道结构体重量，其典型地为1.01bs/ft2(4.8kg/m2)，如果纤维具有低的面密度，则结构体所需的UD单层的数目增加。增加的UD单层的数目使得附加的制造步骤成为必需并且招致额外的制造成本。此外，具有较高线密度的纱线与具有较低线密度的纱线相比，能够较便宜并且吸收较少的水。
[0014]使用高面密度单向(UD)结构体发现了对于变形弹体令人惊奇的弹道优势。一个实例中，UD结构体能够由对-芳族聚酰胺纤维，例如以商品名Twaron?可得的那些制造，并且树脂基体能够为共聚物树脂例如以商品名Prinlin HV(例如Prinlin B7137HV)可得的共聚物树脂。另一实例中，UD结构体能够涂布有聚乙烯(PE)膜。
[0015]UD结构体整体具有低面密度时，包含具有低线性质量密度的纱线的UD结构体在弹道测试中表现更好。但是，现已发现具有高线性质量密度的纤维的某些UD结构体，例如，其中纤维的线性质量密度大于2000dtex，或者大于3000dtex，由ASTM D1907测定，纤维的面密度大于100g/m2，表现得与低面密度结构体相当或者超过低面密度结构体的弹道性能。面密度表示每单位面积的干纤维重量，和线性质量密度表示每单位长度的干纤维重量。
[0016]在一个实例中，以全部0°方向、只有纤维、面密度104g/m2来构造高面密度(HAD)UD织物。HAD UD包括具有3360dtex的线性质量密度的1000型(T1000) TwarOIl?.纤维和17%干树脂含量的Prinlin B7137HV基体。使用下式确定干树脂含量:干树脂含量=(干树脂重量/ (干纤维重量+干树脂重量))XlOO %。将T1000纤维的材料性能示于下表I中。这些材料性能，包括纤维韧度、纤维模量和断裂伸长率根据ASTM D7269-07测定。最终的UD结构体是具有取向F/0° /90° /F的2-层产品，其中“F”表示膜层和“0° /90° ”表示彼此纤维取向90°偏移的两层堆叠的UD片材。在小于2巴的压力下80-100°C的温度下将堆叠的层交叉叠层，同时在两步法中完成带式层压。在120-150°C的升高温度下在低于5巴的压力下进行第一步，并且第二步也在低于5巴下80-100°C的温度下。UD结构体在外层上具有在带式层压工艺过程中施加的0.25-0.35密耳(6.4-8.9ym)PE膜。PE膜能够是传统的吹塑膜，例如低密度聚乙烯(LDPE)或线型低密度聚乙烯(LLDPE)膜，或者其能够是机器方向取向(MDO)膜。该实例中，使用由Raven Industries (S1ux Falls, SD)作为N025C提供的0.25密耳(6.4 μ m)厚LLDPE膜。最终的2-层产品的总密度为254.4g/m2。
[0017]将该HAD UD结构体与包含相同的T10003360dtex TwarOIl?.纤维的低面密度(LAD)结构体进行比较。LAD UD结构体为4-层产品，其具有取向F/0° /90° /0° /90° /F和全部0°方向、只是纤维、面密度48g/m2和17%干树脂含量的Prinlin B7137HV基体。
[0018]也测试了包含2000型(T2000)IlOOdtex TwarOIl?纤维的第二LAD结构体。T2000
纤维具有不同的材料性能，包括纤维韧度、模量和断裂伸长率，如表I中所示。表I也示出了 HAD和LAD UD结构体的弹道测试的结果。使用可变形的.44 口径Magnum Speer子弹(Speer Bullets, Lewiston, ID)进行了弹道试验。该结构体的V5tl值表示弹道性能并且根据 MIL-STD662F 评价。
[0019]
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[O0削纱线(HAD T10003360dtex)的HAD UD的弹道性能好于或者至少与使用高韧度纱线(LADT20001 10dtex)的LAD UD产品相当。这是有利的，原因在于:需要较少层的HAD UD材料以实现与LAD UD材料相当的弹道性能，而且低韧度纱线通常比高韧度纱线更便宜。因此能够使制造复杂性和生产成本降低。
[0021]使用非变形性口径9mm子弹和.357Magnum子弹(Remington ArmsCompany, Inc.，Madison, NC),对相同的三个UD结构体进行了类似的弹道试验。将来自这些弹道试验的结果分别示于表2和3中。
[0022]表2:使用9mm Remington子弹对于HAD和LAD UD结构体的弹道测试结果
[0023]
0° 方向面 Shoot V50 士纤维韧度最终产品构纤维类型密度(只是 Pack重 STD [mN/tex] 成 ___纤维)___量(psf) [m/s]
HAD UD,
F/0°
TlOOO2032104g/m20.75 441 士 8
/90° /F
3360dtex
LAD UD,F/0°
TlOOO203248g/m2 /90° /0° 0.76 422 土 6
3360dtex____/90° /F___
LAD UD,F/0°
507 士
T2000235047g/m2 /90。/0° 0.78
6
IlOOdtex __ /90° /F __
[0024]表3:使用.357Magnum Remington子弹对于HAD和LAD UD结构体的弹道测试结果
[0025]
O。方向面Shoot V50 士
纤维韧度纤维类型密度(只是最终产品构成Pack重 STD
[mN/tex]
___nm___量(psf) [m/s]
HAD UD, TlOOO442 ±
2032 104g/m2F/0° /90° /F0.69
3360dtex3.2
LAD UD, TlOOOF/0° /90° /0° /90°
2032 48g/m20.71 422 ± 2
3360dtex/F
LAD UD, T2000F/0° /90° /0° /90°471 ±
235047g/m20.74
IlUOdtex/F1.5
[0026]低韧度T1000HAD结构体性能好于低韧度T1000LAD结构体并且接近T2000LAD纤维的性能。如表I中所示，T1000纤维具有2032mN/tex的韧度，而T2000纤维具有2350mN/tex的韧度，由此能够预期较好的标称弹道性能。
[0027]此外，对如上所述制造的包含T10003360dtex纤维的HAD UD结构体和包含T20001100dtex的LAD UD结构体测试吸水性。通过切割400x400mm的层，然后将15层堆叠并且在各角将各板缝合而形成测试板。对于HAD UD，层构成为F/0° /90° /F，对于LADUD，层构成为F/0° /90° /0° /90° /F。在浸入水中前，记录各板的干重并且示于表4中。将各板浸入10或60分钟。然后将各板从水中取出，使水流走干燥3分钟后,确定各板的湿重并且示于表4中。因此重量增加为吸水程度的量度。由HAD UD制成的各板的吸水性显著低于由LAD UD制成的各板的吸水性。
[0028]表4 =HAD和LAD UD结构体的吸水性
[0029]
水中时间
纤维类型干重(g) 湿重(g) 重量增加(%)__(分钟)____
HAD UD, TlOOO
1062372917.0
3360dtex HAD UD, TlOOO
6062779326.5
3360dtex LAD UD, T2000
1057679633.0
IlOOdtex LAD UD, T2000
6057781541.2
IlOOdtex
[0030]在另一实例中，使用具有1680dtex的低线性质量密度(LLMD)并且用PrinlinB7137HV基体浸溃的T100 Twaron?纤维制造2-层HAD和4-层LAD UD结构体。使用具有高线性质量密度(HLMD)，例如大于2000dtex的线性质量密度的T1000 Twaron?纤维制造类似的2-层HAD和4-层LAD UD结构体。在一个实例中，HLMD纤维的线性质量密度大于3000dtex。在测试的具体例中，HLMD纤维的线性质量密度为3360dtex。使用具有2200dtex的中间线性质量密度(ILMD)的T2000 Twaron?纤维也制造类似的2-层HAD和4-层LADUD结构体。其中，2-层结构体以F/0° /90° /F构成由2UD层组成，其中每层具有104g/m2的纤维面密度，和4-层结构体以F/0° /90° /0° /90° /F构成由4UD层组成，其中每层具有47g/m2的纤维面密度。在2-层和4-层结构体中，以17%干树脂含量存在PrinlinB7137HV基体并且使用由 Raven Industries (S1ux Falls, SD)作为 N025C供给的 6.4 μ m厚LLDPE膜。对于6个UD 结构体，使用.357Mag (Remington Arms Company, Inc., Madison, NC,)和 9_ DM41 弹体(RUAG Ammotec AG, Switzerland)进行弹道测试。通过切割 400x400mm 的层，然后将15层堆叠并且在各角将各板缝合而制成用于.357Mag弹体的具有4-层LAD UD结构体的测试板。通过切割400x400mm的层，然后将13层堆叠并且在各角将各板缝合而制成用于.357Mag弹体的具有2-层HAD UD结构体的测试板。通过切割400x400mm的层，然后将19层堆叠并且在各角将各板缝合而制成用于9mm DM41弹体的具有4-层LAD UD结构体的测试板。通过切割400x400mm的层，然后将16层堆叠并且在各角将各板缝合而制成用于9mm DM41弹体的具有2-层HAD UD结构体的测试板。
[0031 ] 图2示出6个UD结构体各自对于两种弹体的V5tl值。如图2所示，在LLMD的情况下，从4-层LAD UD到2-层HAD UD,对于.357Mag和9mm DM41弹体都存在V5tl值的显著减小。但是，2-和4-层HLMD UD结构体表现得实质上相同。同样地，对于.357Mag弹体，2-层和4-层ILMD UD结构体的V5tl值实质上相同。对于9mm DM41弹体，4-层ILMD UD结构体的V5tl值稍高于2-层ILMD UD结构体的V5tl值。
[0032]尽管在例示的实例中示出了特征的组合，但并不需要将它们中的全部组合以实现本申请的各个实施方案的优势。换言之，根据本申请的实施方案设计的体系未必包括任一附图中所示的全部特征或者附图中示意地表示的所有部分。而且，一个例示实施方案的选择特征可以与其他例示实施方案的选择特征组合。
[0033]上述说明实质上是例示而非限制。对于本领域技术人员，对公开的实例的改变和变形可能变得显而易见并且未必脱离本申请的本质。只有通过研究下述权利要求才能够确定对本申请给予的法律上的保护范围。
【权利要求】
1.弹道物品，包括: 至少一个片材，该片材在聚合物基体材料中包含纤维，其中该纤维具有大于2000dtex的线性质量密度，由ASTM D1907测定，并且该至少一个片材的每个片材中的纤维具有大于100g/m2的总面密度。
2.权利要求1的弹道物品，其中该线性质量密度大于3000dtex，由ASTMD1907测定。
3.权利要求1的弹道物品，其中该纤维为对-芳族聚酰胺纤维。
4.权利要求1的弹道物品，其中该基体为苯乙烯和异戊二烯的嵌段共聚物。
5.权利要求1的弹道物品，其中该至少一个片材具有15-20重量％的聚合物基体材料。
6.权利要求1的弹道物品，其中该至少一个片材包含多个片材，其中每个片材具有与紧邻的层的纤维取向相差90°的纤维取向偏移。
7.权利要求1的弹道物品，还包括在该物品的至少一个外表面上设置的聚合物膜。
8.权利要求7的弹道物品，其中该聚合物膜为聚乙烯膜。
9.权利要求1的弹道物品，其中该纤维具有1850-2500mN/tex的韧度，根据ASTMD7269-07 测定。
10.权利要求9的弹道物品，其中该纤维具有1850-2200mN/tex的韧度，根据ASTMD7269-07 测定。
11.权利要求9的弹道物品，其中该纤维具有2200-2500mN/tex的韧度，根据ASTMD7269-07 测定。
12.权利要求1的弹道物品，其中该纤维具有60-100GPa的模量，根据ASTMD7269-07测定。
13.权利要求12的弹道物品，其中该纤维具有60-80GP的模量，根据ASTMD7269-07测定。
14.权利要求12的弹道物品，其中该纤维具有80-100GPa的模量，根据ASTMD7269-07测定。
15.权利要求1的弹道物品，其中该至少一个片材包含两个片材，并且弹道物品具有大于500m/s的使用.44Magnum Speer子弹的弹道性能测试的V50值，根据MIL-STD662F测定，和大于430m/s的使用9mm或.357Magnum Remington子弹的弹道性能测试的V5tl值，根据MIL-STD662F 测定。
16.权利要求1的弹道物品，其中该至少一个片材包含两个片材，和其中浸入水中10分钟后该物品的重量增加百分率小于20%，并且浸入水中60分钟后该物品的重量增加百分率小于30%。
17.弹道物品，包括: 两个片材，每个在苯乙烯和异戊二烯嵌段共聚物基体材料中包含对-芳族聚酰胺纤维，其中每个片材中的纤维具有大于2000dtex的线性质量密度，由ASTM D1907测定，并且每个片材中的纤维具有大于100g/m2的总面密度,和其中使用.44Magnum Speer子弹的弹道性能测试的V5tl值大于500m/s，根据MIL-STD662F测定，并且使用9mm或.357MagnumRemington子弹的弹道性能测试的V5tl值大于430m/s，根据MIL-STD662F测定
18.权利要求17的弹道物品，在该物品的至少一个外表面上还包括聚乙烯膜。
19.权利要求17的弹道物品，其中该纤维具有1850-2500mN/tex的韧度，根据ASTMD7269-07 测定。
20.权利要求17的弹道物品，其中该纤维具有60-100GPa的模量，根据ASTM D7269-07测定。
【文档编号】B32B27/00GK104169081SQ201380005739
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年1月17日 优先权日:2012年1月17日
【发明者】J·万希尔登, J·麦克尼尔, C·帕特, M·托尔里, J·威尔森, M-J·德哈斯 申请人:巴尔戴公司, 帝人芳纶有限公司