由纤维带和不连续的区域基体构成的柔韧织物的制作方法

专利名称：由纤维带和不连续的区域基体构成的柔韧织物的制作方法
技术领域：
本发明的领域本发明涉及由形成基体岛的材料区域连结成为整体的连续纤维层系统，尤其涉及一种连续的纤维层系统的制造方法，该纤维层系统用基体岛保持在一起，而基体岛将连续的纤维层系统做成格子。本发明的纤维层系统能提供高强度的复合材料，其弯曲能力和强度特性对能抗高冲击的柔韧制品特别有用。
本发明的背景已知设计用来抵御子弹冲击的物件如防弹衣、头盔、身体护甲、装甲及其他武警和军用设备，直升机、飞机、船舶和汽车面板的结构件以及公文箱都可含有高强度纤维。已知的高强度纤维包括芳族聚酰胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(简称PPT纤维)、特高分子量聚乙烯纤维、石墨纤维、陶瓷纤维、尼龙纤维、玻璃纤维和类似物。这些纤维一般被包裹或埋入在一个连续的基体材料结构内，并且在某些情况下，与刚性的面层连结形成复杂的复合结构。装甲应能对弹道抛射物如子弹等提供保护。但用在身体护甲防弹衣等上可能不灵活，会限制穿戴者的行动。
抗冲击的复合材料制品曾在授予Harpell等人的美国专利4,403,012、4,501,856和4,563,392号中公开过。这些专利所公开的是在由能在纤维熔点之下的烯烃聚合物和共聚物、不饱和的聚酯树脂、环氧树脂及其他树脂构成的基体中加上高强度纤维的网络。虽然这种复合材料能提供有效的冲击抗力，但A.L.Lastnik等在“树脂浓度和层压压力对用变性酚醛树脂粘合的Kevlar织物(由聚对苯二甲酰对苯二胺纤维制成)的影响”一文(见1984.06.08技术报告NATICK/TR-84/030)中曾揭示包封并粘合织物纤维的隙间树脂会减少复合材料制品的冲击抗力。因此有需要改进复合材料的结构来有效地利用高强纤维的性能。
1985.01.14申请的、授予Harpell等人且共同转让的美国专利No.4,623,574曾公开将高强纤维埋入到弹性体基体内的简单复合材料。令人惊奇的是，这种简单复合材料与采用刚性基体的简单复合材料相比，显示有突出的抗冲击保护作用，比较结果曾在其申请文本中示出。美国专利No.4，413,110还曾披露采用特高分子量的聚乙烯和聚丙烯特别有效。
本行业曾揭示，具有连续区域的复合材料一般当将树脂的百分比限制在至少为纤维含量的10体积％。美国专利No,4,403,012曾公开一种基体，其较优范围为纤维重量的10-50％。美国专利No.4,501,856曾公开较优纤维网络含量当为复合材料的40到85的体积％。美国专利No.4,563,392没有公开基体构件的任何范围及/或数量，它认为最好尽可能将复合材料中的纤维保持在高的体积及/或重量的百分比。
两共同转让的美国专利No.5,061,545和5,093,158曾公开具有不均匀分布的聚合物基体的纤维/聚合物复合材料及其制造方法。这两专利所指的为一具有单向纤维网络的纤维带、和一个不均匀但连续地分布在纤维带的主平面上的基体组织。纤维带被包裹在基体组织内，基体组织虽然分布得不均匀，但它仍是一个连续体，与纤维带的所有纤维件连结。该专利透露不均匀分布的聚合物组织与纤维带连结时形成一个按图样连结的表面使造成的复合带在某些部分上比在其他部分上具有较多数量的聚合物。这样，为了使聚合物浸渍带保持其整体性所需的聚合物的总量便可减少。该专利还透露给聚合物层提供整体性的厚区最好为沿着纤维/聚合物复合材料表面的连续区域。
其他专利如美国专利No.4,623,574曾表明在制备由纤维带放在聚合物基体内而制成的聚合材料对所迂到的困难。在表6中的试样12当使用大量纤维时，试样缺乏凝固性，不能被试验。
成本和织物质量也影响这种防护具的供售。传统的织物当纱线的旦尼尔数(纤度)减少时成本会激增。但当各层的面积密度减少时，抗冲击性能和柔韧性都能提高。
本发明的综述本发明为一种包括纤维带和不连续的区域基体、最好为聚合物组织的复合材料。区域基体为在纤维带内的基体岛或锚固点，用来将纤维带的各部分粘结成一个单独的结构。基体带可与纤维带内少到两根长丝连结，或多到与纤维带内所有长丝连结，包括那些形成连续长纤维的长丝(高度延伸区)。基体岛只要有足够的数目、大小、形状和分布，便可将纤维带内各根长丝粘结成一个单独的结构。
纤维带为一由多根纤维形成的层次。典型地说，这是一个薄层次，形成一个表面，其深度至少为一根长丝。最好纤维带内的纤维都是单一方向的。所谓单一方向意为带内的纤维都互相平行，或者纤维都沿一个给定的方向轴线延伸，没有重叠。基体岛被定义为锚固点，用来将两根或多根长丝保持或者最好粘结在一起，每一基体岛都与其他基体岛隔开或不连续形成一个空间内的分布。总起来说，许多基体岛构成的区域基体将纤维带粘结成一个单独的易弯曲的结构。区域基体内的基体岛可按有规则的及/或随机的图样分布。区域基体内的聚合物材料的数量可足够小以致形成没有基体的纤维区域(今后称为“未涂敷纤维”或“未涂敷长丝”)。纤维带可被交叉层叠，形成易弯曲平板。
本发明包括一种复合材料，该复合材料多根最好沿单一方向轴线排列的纤维，其时多根纤维基本上互相平行，有多个在体岛与多根纤维中的至少一部分交叉，其数量多到足够使多根纤维保持或最好粘结在一起成为一个单独的结构，这样多根纤维便可具有超出平面之外的柔韧性。
另外，本发明包括纤维带被基体岛跨越而制造复合材料的方法，该方法包括下列步骤将多根纤维排列成一层，将多个基体岛放置在多根纤维内，使每一个基体岛与多根纤维中的足够部分交叉，以致将多根纤维保持或最好粘结成一个单独的结构。
本发明的复合材料能制成一条柔性的、最好为单一方向的带(也被称为单向带)，该带可在敷带或长丝卷绕的纺织过程中用作先驱件。复合材料的横截面形状可随用途变化，如扁平带形、椭圆形、圆形和给定纺织过程如编织和针织所偏爱的特殊形状。多层柔性预浸渍体可结合而成交叉层叠产品。
本发明的纤维带和区域基体的复合材料及其制造方法除了保持带的整体性外，所造成的复合材料在纤维对聚合物的体积比方面比本行业以前所知情况有显著进步。这种结构能有效地抗冲击，极易弯曲，并能传送水蒸汽。
附图的简要说明

图1为一较优的由纤维带和随机的其体岛形成的单一方向结构的顶视图；图1A示出图1中的区域基体；图2为将长丝粘结在单一方向结构内的非随机基体的区域基体的顶视图3示出沿着两条90度交叉层叠的图1中的单一方向带的长度敷设的基体岛形状的顶视图；图3A示出一个单独的基体岛形状的顶视图；图4A为由两层图1中结构制成的交叉层叠0/90复合结构的分解的等角视图；图4B为图4A的顶视图；图4C为图4A的侧视图；图5A为图4A-4C和一外部薄膜层的侧视图；图5B为图5A的分解的等角视图；图6为单一方向带的交叉层叠结构的顶视图；图7示出制造本发明的复合材料的一种较优方法；图8示出制造本发明的复合材料的一种可替代的较优方法。
本发明的详细说明本发明的对象为由细丝形成的纤维带而用区域基体固定的复合材料。该复合材料最好含有形式为平行纤维而被称为平行长丝列的多根长丝固定在区域基体内。区域基体由许多最好为聚合物材料制成的基体岛构成。这些基体岛分布在区域基体的空间内，联合将纤维带的长丝锚定并保持在一起成为一个单独的结构。这种锚定可使纤维带内的各根细丝相互定位，但可允许组合体弯曲。在纤维带的一个区域内基体岛的总体积与纤维体积之比(Vm/Vf)被定义为区域基体的体积比密度。
区域基体的基体岛除了被长丝材料连接以外，在实体上互不连接。这样，区域基体就具有许多不连续的聚合物材料或“岛”。但当基体岛永久地锚固具体的纤维位置时，区域基体便成为固定的结构。区域基体的不连续的结构便在复合材料内的纤维能比在连续的基体组织内具有较高的体积百分比。另外，能造成一个强有力的结构，即区域基体能将纤维粘结成一个容易搬动而不会分开或散失的单独结构。
区域基体的不连续的结构在预浸渍体和制成品内产生许多孤立的区域。这些大部分纤维未被涂敷或没有基体材料的孤立区域是提高复合材料的弯曲能力所必需的。所使用的区域基体数量必须少到足够程度以便在预浸渍体和最终成品内提供未被涂敷的长丝段，但所说区域基体数量可包括那些能促进产生独立基体区域的数量。当纤维和聚合物材料可相容地产生未被涂敷的长丝区域时，体积比(Vm/Vg)可高到0.5；但区域基体的体积比适宜为0.4或更少，较适宜约为0.25到约为0.02，最适宜约为0.2到约为0.05。由于基体岛在空间内的分布，因此能引用体积极多的纤维来制成一个结构，这个结构在加工和使用时如搬运和切割复合材料时和叠放单一方向的预浸渍带时具有提高的实质上的整体性。造成的纤维带结构可保持纤维带内被组合但未被涂敷的纤维的柔韧性。而所谓保持其整体性和可被搬运的能力意谓在加工和使用时，纤维和聚合物构成的该复合材料可保持其结构不会有纱线分散开来。用树脂粘结的多于一层的纤维带能被叠合制成各种多层层压板，如0/90、+45/-45、+30/-30、0/60/120、0/45/90/135等。这种多层复合材料层压板曾被发现能抗冲击，更具体点说能抗子弹冲击。
本发明的复合材料的每一个纤维带部都有聚合物或基体岛的空间分布，该基体岛将纤维带的两根或多根长丝保持(最好为粘结)在一起，从而提供带有和不带有聚合材料的区域。
图1示出的复合材料10具有纤维带12和区域基体14。纤维带12由单一方向的长丝16制成。在图1A中分开示出的区域基体14具有多个构造在纤维带12内并被纤维带12限定的单独的基体岛18。如从图1和1A可见，虽然区域基体14将各单根长丝16互相粘结在一起，却是长丝16的位置限定基体岛18的位置。
如前所述，区域基体14由许多基体岛18组合而成并且是一个不连续的聚合物材料的基体。被基体岛18固定的、未被涂敷的长丝16允许预浸渍体在尺寸上作前所未知的弯曲。本发明的结构允许传送气体和液体。另外，没有基体的区域可用其他树脂充填使复合材料达到所需的性能或特性。
在一个实施例中，基体岛18是随机地及/或不均匀地在纤维带12内间隔开，遍及纤维带12的整个长度。但每一个基体岛18至少使两根长丝16的相对位置保持固定，这样许多基体岛18便可将单一方向带内的所有细丝16的相对位置都固定下来。基体岛18的尺寸最好不要比带12内的一束长丝16厚，因为过多的聚合物材料会充填到纤维带12的空隙区内。总之，杂乱分布的基体岛18可提供一个支承的区域基体14将纤维带12保持在一个单独的结构外形内。纤维带12的不同部分在基体岛18的大小及/或空间密度上都可能有不同的数量。但一个给定的纤维带12的许多基体岛18之间一般总是具有一个平均的大小和大小的分布、在基体岛18之间的平均距离、以及基体岛18在复合材料的整个长度上为了提供规定的性能所须具备的其他统计特性。基体岛18的大小与冲击子弹的大小相比，还应比较小，因为较小的基体岛能较好地控制平行而紧密地间隔开的长丝局部安排在冲击子弹标尺上的空间位置，基体岛18应比具体织物所需弯曲半径小。在基体岛18之间的未被涂敷的长丝允许纤维带弯曲，而构成基体岛18的区域始终是锚固点能使纤维带12内的多根长丝相互保持固定。基体岛的大小在至少一个方向上适宜小于约5mm，较为适宜是小于约3mm，更为适宜是小于约2mm，最为适宜是小于约1mm。虽然具有聚合物组织的区域不像没有基体的区域那样容易弯曲，但具有聚合物组织的区域最好能将容柔韧性赋予纤维带12。长丝16的大多数长度上最好没有基体，因此本发明的纤维带比纤维完全包裹在基体内的带较易运动。
在图2所示的另一个实施例中，在分散的区域基体14内的基体岛18在纤维带12内被均匀地间隔开，遍及纤维带12的整个长度。在纤维带12延伸的相等的长度上如所示的长度A，基体岛18的空间密度大致保持恒定。但在纤维带12的较短的长度上如所示的长度B，基体岛18的空间密度可有大的变化。其时区域基体14可从单一方向带的一侧连续到另一侧如图2所示。
基体岛18的形状大致跟随纤维的表面线如图3所示，在顶层长丝16上的基体岛18用实线示出，在底层长丝20上的基体岛18用虚线示出。在长丝16之间的基体岛18的大小，平均地说，其数量须足够到能将相邻层粘结并在使用时保持结构的整体性。在纤维带或预浸渍物内的基体岛18的大小、形状和空间密度决定在最终产品内所能形成的未被涂敷的长丝。基体岛18的形状一方面要为给定的纤维带部12提供允许的弯曲数量，另一方面仍要保持其功能属性作为各根长丝16的锚固点。虽然各个基体岛18的大小一般并非关键，但平均地说，在锚固点上应有足够数量的基体组织来为给定的用途提供结构整体性和强度。基体岛18的空间分布能在与长丝16的方向垂直成其他角度扭转的方向上提供结构整体性，而空间密度为一元化的纤维带12提供突出的特性。
如图3所示，单个基体岛18具有狭长的形状，其长度尺寸与长丝16的长度一致或平行。基体岛18的狭长形状是由润湿现象造成的。当基体的液滴(在水中的乳状悬浮液或基体溶液)与长丝接触时，液滴会在长丝之间的空间内扩展，力图减少其表面能量。针对具体的用途，图3A所示的基体岛18的纵横比或长宽比(l/w)可在广阔的范围内使用，这个比率范围并非唯一地可包括从约35∶1到约1∶1、从约20∶1到约1∶1、从约10∶1到约1∶1、及/或从约3∶1到约1∶1，虽然狭长形状最为普通，但其他的正规形状和不规则形状也可使用，例如并无限制地可包括，正规形状如环形、长方形、正方形、圆形、椭圆形等，不规则形状如不对称的岛。对于用在交叉叠层的复合结构30内的横向长丝20，基体岛18沿着其长度延伸并连结到两根相交长丝16和20上。在这两根相交长丝16和20的相交点22上的基体岛18的直径决定单一方向面料(或纤维带)在形成交叉层叠结构时的粘结强度。本发明的单向带和交叉层叠形式能提供可高度弯曲的多孔结构。当一侧具有突起的聚合物材料的单一方向带与第二条单一方向带交叉层叠时，聚合物材料的单个微粒会被压入到两条单一方向带内。容易沿着每一单向带的纤维方向流动的树脂会成为十字形。在每一个狭长区域的表面上形成的长轴线都与纤维方向平行。对于一个0/90或+45/-45的面料，两个狭长区域被重叠并且相交成直角。
图4A-4C示出图1中的单一方向带在形成交叉层叠结构时的一个较优实施例。如从图4A可见，带32和34层叠在一起，两者的长丝互相垂直，如在0/90、+30/-60、或+45/-45的布置中。构成区域基体14的基体岛18将长丝16粘结到单一方向带32和34内并将带32和34粘结在一起。增添的带可被放在带32和34的一侧或两侧，采用相同的取向或另一种取向如-45/+45。图4B为图4A的顶视图，示出顶带32上的基体岛18分布成互不连接或不连续的图样。图4C为图4A的侧视图，示出顶带32和底带34的长丝16被基体岛18粘结在一起。
如从图5A和5B可见，在某些情况下最好在面料上有一表面薄膜，这样在正常搬运时可减少单根纤维或长丝被抓住致使面料破损的可能。图5A示出由长丝16制成顶带32和底带34被放置在两张薄膜100和102之间。带32和34及薄膜100和102被许多基体岛18粘结在一起，这些基体岛18集合起来成为复合材料的区域基体。图5B为图5A的分解的等角视图，图中示出被基体岛固定的带32和34并被基体岛18固定到顶100和底102的薄膜上。为了得到最大的柔韧性，薄膜最好薄一点并用点粘结到带上。
图6示出一种交叉层叠结构，其中基体岛18延伸越过带34的宽度。即使敷设上第二条带32，延伸的基体岛18仍然保持互不连接。高度延伸的狭长的基体区域14成为直线横越单一方向带内的整个平行纤维群，横越时与成组纤维垂直或成一角度(φ)，这个角度适宜从约10度到约170度，更为适宜是从约30度到约150度，或者成为曲线包括由众多的圆、椭圆、卵形和几何图形构成的图样。
在合适的聚合物基体或区域基体14内，本发明的高强度纤维最好具有一个至少约为160g/旦的抗拉模数和至少约为7g/旦的韧度(旦为旦尼尔denier的简称，纤度单位，长9000米重1克为1旦)。区域基体14的聚合物组分可以是弹性体、热塑性弹性体、热塑性塑料、热固性塑料、及/或其结合物或混合物。最好聚合物组织具有一个弹性体的基体材料。纤维按照ASTM D 2256(ASTM为美国材料试验标准)的规定，使用4D轮胎和绳索夹具在Instron的RTM试验机上进行试验，每分钟作100％的延伸。弹性体组分的抗拉模数应小于20,000psi(磅/方口寸)，最好小于6000psi，按照ASTM D 638-84在25℃测量。
本发明的长丝16为与其宽度和厚度的横向尺寸相比具有相当大的长度尺寸的延长体。纤维一词并非唯一地包括具有正规的或不规则的横截面的单丝、复丝、纱线、丝带、布条和类似结构。用于本发明的纤维带12包括所有能用来制造单一方向带及/或交叉层叠结构的纤维组群。较优的纤维带12具有高度定向的特高分子量的聚乙烯纤维、高度定向的特高分子量的聚丙烯纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚苯并噁唑(PBZ0)纤维、聚苯并噻唑(PBZT)纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维或其结合物，特高分子量的聚乙烯包括的分子量一般约为500,000或更多，更适宜是约为1百万或更多，最适宜是从约为2百万到约为5百万。用Instron的拉力试验机量出的纤维的抗拉模数通常至少约为300g/旦，较适宜至少约为1000g/旦，最适宜至少约为1500g/旦。纤维的韧度通常至少约为15g/旦，较适宜至少约为25g/旦，更适宜至少约为30g/旦，最适宜至少约为35g/旦。特高分子量的聚丙烯的平均分子量通常约为750,000或更多，较适宜约为1百万或更多，最适宜约为2百万以上。由于聚丙烯的结晶体比聚乙烯少得多，并且含有悬垂的甲烷基组，聚丙烯所能达到的韧度值一般要比聚乙烯的相应值小得多，聚丙烯的合适的韧度至少约为8g/旦，较适宜的韧度至少约为11g/旦。聚丙烯的抗拉模数至少约为160g/旦，较适宜至少约为200g/旦。由于定向过程，聚丙烯的熔点一般要被提高好几度，因此聚丙烯纤维的主熔点适宜至少约为168℃，较适宜至少约为170℃。
芳族聚酰胺纤维主要由芳族聚酰胺制得。模数至少约为400g/旦、韧度至少约为18g/旦的芳族聚酰胺纤维可被引用到本发明的复合材料内。可作范例的芳族聚酰胺纤维包括美国德拉维尔州Wilmington的杜邦公司以商品名Kevlar29.Kevlar49和Kevlar129在商业上生产的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维。
可用的聚乙烯醇(PV-OH)纤维的平均分子量至少约为100,000，适宜至少约为200,000，最好在约5,000,000和约4,000,000之间，最适宜在约1,500,000和约2,500,000之间。可用的PV-OH纤维应有的模数至少约为60g/旦，适宜至少约为200g/旦，更适宜至少约为300g/旦。韧度至少约为7g/旦，适宜至少约为10g/旦，更适宜至少约为14g/旦，最适宜至少约为17g/旦。在生产抗子弹冲击的复合材料时，平均分子量至少约为500,000韧度至少约为200g/旦、模数至少约为10g/旦的PV-OH纤维特别有用。具有这种性能的PV-OH纤维例如可用普通授予Kwon等的美国专利4,559,267号中公开的方法生产。
聚苯并噁唑(PBZO)和聚苯并噻唑(PBZT)细丝的详情可查阅Menachem Lewin编辑的“纤维科学技术手册第1I卷，高技术纤维”，部分D，该文在这里被参考引用。
分子量至少约400,000最好至少约1,000,000的聚丙烯腈(PAN)纤维也可被使用。韧度至少约10g/旦和断裂能量至少约22焦耳/g的PAN纤维特别有用。分子量至少约400,000、韧度至少约15-20g/旦、和断裂能量至少约22焦耳/g的PAN纤维在制造抗弹丸冲击制品时最为有用，这种纤维例如在美国专利4,535,027中曾被透露。
为了本发明的目的，纤维层具有至少一条单独为纤维或与基体在一起的纤维带。纤维包括一根或多根细丝16。纤维指一个延长体，其长度尺寸远比横向的宽度和厚度尺寸大。因此纤维一词包括具有规则或不规则横截面的单丝、复丝、丝带、布条、短纤维、其他形式的切断纤维和类似物。
本发明使用的长丝的横截面可以是圆形、扁平形或长圆形，还可以是具有不规则或规则叶瓣从纤维的长轴线上突起的横截面，但最好基本上为圆形、扁平形或长圆形，特另是前者。
纤维可有各种形式排列在纤维带内。所谓纤维带意为一个由多根纤维按预定形式排列的网络，或者是多根纤维组合在一起形成一条加捻或未加捻的纱线，而该纱线按预定的形式排列。例如纤维或纱线可被制成毛毡或其他非织造的、针织的或织造的(平纹、席纹、缎纹，等)织物，或用任何一种传统技术排列成平行阵列、具有层次或制成织物。在这些技术中，就抗子弹冲击的用途而言，我们认为使用平行阵列较好，因为其中纤维都被压扁致使各根长丝扩展基本上形成一个单层。至于抗砍切的用途可使用其他的纤维阵列形式。按照一种特优的网络形式，纤维都在单一方向上对准使它们基本上沿着一条公共的纤维方向互相平行。在长度上连续的纤维当然最好，但长度约为3到12吋(约为7.6到30.4厘米)的定向纤维也可接受并被认为就本发明的目的而言可谓“基本连续”。
热固性和热塑性树脂微粒不管是单一的或组合的，都可在本发明使用。较优的热固性树脂包括环氧树脂、聚酯、丙烯酸树脂、聚酰亚胺、酚醛树脂和聚氨酯。较优的热塑性树脂包括尼龙、聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、丙烯酸树脂、聚酰亚胺、聚醚亚胺、聚芳基醚和聚乙烯及其共聚物。热塑性树脂比热固性树脂具有较高的环境抗力、断裂韧性、和冲击强度。具有热塑性区域基体的预浸渍物的架上保存寿命较长，对环境存储影响因素的抗力较大。热塑性聚合物的高粘性并不影响聚合物材料在纤维带12内的断续使用。即使数量显著增加，本发明的热塑性预浸渍物仍是可弯曲结构。含有热固性区域基体14的预浸渍物只是在反应之前才比较可弯曲并且是胶粘的。
区域基体可含有从聚合物粉末、聚合物溶液、聚合物乳化液、切短的长丝、热固性树脂系统、及上述这些来源的组合中取得的聚合物材料。这些聚合物材料的敷设可用喷洒、滴落、乳化等方法。当使用切短的长丝时，可用热及/或压力来使单向带及/或多层面料固化，而该切短的长丝应在比单向带内长丝16的熔点低的温度下熔化。例如，可用由215旦的Spectra1000的纤维构成的纤维带12连同KrafonD 1650的粉末或LDPE(低密度聚乙烯)的粉末或LLDPE(直线的低密度聚乙烯)在120℃模压来制备可弯曲的结构。这样通常用于商业上单独元件的聚乙烯薄膜便可省掉。
如果需要可预先模压的纤维在被排列到上述网络之前可预先用聚合物材料(最好为弹性体)涂覆。能被用作基体的弹性体材料，其在约23℃测得的抗拉模数应小于约20,000，适宜小于6000psi(41,400kPa)，较适宜小于约5000psi(34,500kPa)，最适宜小于约2500psi(17,250 kPa)以资提供更高的性能。在现场或工作条件下，包括小于约25℃，或小于约0℃，在弹性体材料的弹性体的玻璃转变温度(Tg)(可从材料的延性和弹性突然下降得到证实)，弹性体仍然可弯曲。如果需要，弹性体的Tg可调整到小于约-40℃，或小于约-50℃。弹性体的断裂前延长应至少达到50％，适宜至少达到约100％，更适宜至少达到约150％。
适宜造成区域基体的任何弹性体材料都可用于本发明。适宜采用的弹性体的代表性的例子，包括其结构、性能和配方连同交联程充已汇编在“聚合物科学百科全书”第5卷“合成弹性体”内(美国John Wileyand Sons公司出版，1964)。例如下列材料中任何一种都可使用聚丁二烯、聚异戊二烯、天然橡胶、乙烯丙烯共聚物、乙烯丙烯二烯烃三元共聚物、多硫化合物共聚物、聚氨酯弹性体、氯磺化聚乙烯、氯丁橡胶、使用邻苯二甲酸二辛酯或其他塑化剂的塑化聚氯乙烯、丁二烯丙烯腈弹性体、异丁橡胶聚丙烯酸酯、聚酯、聚醚、氟弹性体、硅氧烷弹性体、热塑性弹性体、乙烯的共聚物。共轭的二烯烃和乙烯芳族单体的嵌段共聚物是特别有用的弹性体。丁二烯和异戊二烯是较优的共轭二烯烃弹性体。苯乙烯、乙烯甲苯和丁基苯乙烯是较优的共轭芳族单体。掺入聚异戊二烯的嵌段共聚物可被氢化产生具有饱和烃弹性体部分的热塑性弹性体。聚合物可以是型式为A-B-A的三嵌段共聚物。型式为(AB)n(n＝2-10)的多嵌段共聚物或型式为R-(BA)x(x＝3-150)的径向结构的共降物，其中A为来自聚乙烯芳族单体的嵌段，B为来自共轭二烯烃弹性体的嵌段。许多这样的聚合物为美国Shell化学公司在商业上生产并在“Kraton热塑性橡胶”、SC-68-81的小册子中说明。
最好，弹性体材料含有一种或多种上述弹性体。低模数的弹性体材料还包括充填剂如碳黑、石英、玻璃微气囊等，数量不超过弹性体重量的约300％，最好不超过重量的约100％，并可用油延伸、用硫、过氧化合物、金属化合物或辐射处理系统硫化。不同弹性体的混合物可一同使用，或者一种或多种弹性体材料可与一种或多种热塑性树脂混合。高密度、低密度和线性低密度的聚乙烯可交联以资得到具有合适性能的材料。
织物内聚合物材料对纤维的比例(体积百分比)应随所需的刚度、形状、耐热能力、耐磨能力、阻燃能力和其他性能而变。影响上述这些性能的其他因素包括区域基体的空间密度、纤维带内的空隙百分比、基体岛的杂乱分布、以及其他与聚合物材料和纤维的放置、大小、形状、定位和组成有关的变数。
制造本发明的复合材料的一种具体而较优的方法在图7中示出。它所制造的复合材料具有一条纤维带，其中纤维在单一方向上被定向。细丝16被滚压到一张聚乙烯薄膜102上以便形成一条纤维带12。区域基体14前身的弹性体、热塑性弹性体或热塑性树脂的乳化液被喷洒到纤维带12上。一旦喷洒完毕，纤维带12连同区域基体14的前身被送到炉50内以资将纤维带12和区域基体14的前身粘结在一起。一旦冷却，便可制成一条单一方向的带52。聚合物溶液可按类似方式使用。热固性树脂和单体可被喷洒到纤维带12上，然后起反应。掩膜或样板可被用来控制区域基体14的图样，如用一系列平行长线来筛分多个宽度小于200微米的连续长度段。另外，几何学可被用来造成可弯曲的结构，办法是使用三组平行狭缝，如在美国专利5,316,820和5,362,527号中所透露，该专利被本文参考引用。
或者，可将聚合物乳化液敷设在纤维带12上，然后用热及/或压力粘结到纤维带12上。纤维带12可与从乳化液208的容器202中转出来的压力辊200接触如图8所示。纤维带12移动到压力辊200之间的间隙内。压力辊200浸入到容器202内，乳化液208到粘结压力辊的图样上如未被中断的线204或分散的点206。当单一方向带与压力辊200上乳化液208涂敷的图样接触时，聚合物就转移到纤维带12上，形成基体岛18。如果需要，纤维带12连同连结在其上的基体岛18可被加热。
有限数量的聚合物被涂敷在纤维带12上。这个数量较少使在预浸渍物、或带、和最终产品上可形成设有聚合物的区域。一般地说，聚合物的数量约为50％或更少，适宜约为20％或更少，较适宜约为20％到2 ％，更适宜约为15％到5％，最适宜约为纤维带12内长丝16表面面积的约10％到约5％。
基体组织的不连续的分布可用其他方法得到。例如本发明包括将一条纤维带与至少一层不连续的聚合物在各分散的点上层压在一起。其时可将聚合物以不连续的型式输送到第一层上或者采用一个穿孔的或按图样敷设的聚合物层，其中既有敷设聚合物的区域，也有不带聚合物的区域即孔眼。不连续的聚合物层可在热和压力的作用下与纤维带层压在一起，在纤维带内造成不连续的区域基体。这样纤维带便可在位置上被区域基体固定，形成分散的基体岛和在其间的空旷区域。复合材料可含有低到体积百分比为2的树脂(基体)，这个比例足够分布使纤维带能够保持其整体性而得到体积百分比高的纤维。或可含有高到体积百分比为50的树脂，这个比例足够分布而在纤维带的长丝之间形成空隙。
基体可用各种形态敷设到纤维带上，如成为液体、粘稠的固体、悬浮的微粒或流态化的床。或者基体可在一不会有害地影响纤维带性能的合适的溶剂内成为溶液或乳化液而后敷设。基体合适敷设的方法包括印刷、喷洒、用稀浆涂敷，用静电沉积粉末等，具体情况下采用哪一种敷设方法可由行家来决定。虽然任何一种能够溶解或弥散基体聚合物的液体都可使用，但下列这些溶剂是比较好的水、煤油、洒精、芳香族剂或碳氢溶剂包括煤油、二甲苯、甲苯和辛烷。在溶剂内用来溶解或弥散基体聚合物的技术与将类似的弹性体材料涂敷在各种基底上所用的传统技术相同。
将聚合物(基体)敷设到纤维上的其他方法也可使用，其中包括在高温拉伸操作之前，不管溶剂是否已从纤维上除去，先涂敷高模数的先驱(胶纤维)，然后在高温拉伸纤维，制出涂敷的纤维。胶纤维可在一定条件下移动通过合适涂敷聚合物的溶液(溶剂可以是煤油、芳香族或脂肪族溶剂)以资得到所需的涂敷层。在胶纤维内的高分子量乙烯的结晶在纤维带移动制冷却溶液内之前可能发生或不发生。
由此产生的纤维和网络被制成复合材料，作为制备复合材料制品的先驱或预浸渍体。本发明的面积密度低的预浸渍体可被用来造成强化的面料，该面料可提供优良的子弹冲击保护。复合材料一词用来表示纤维或织物与形式为基体岛的聚合物材料的组合物，如上所指出，其中可能包括其他材料如充填剂、润滑剂等。
固定区域基体岛14的另外一些方法可并无限制地包括热熔、溶液、乳化液、稀浆、表面聚合、纤维搀和、薄膜交插、电镀及/或干粉技术。
复合材料可被构造和排列成各种形式。这种复合材料可方便地用纤维的几何关系来表达其特征，然后可指出基体材料在纤维网络留出的空虚空间中所占份额是部分还是全部。一种合适的排列为多层的层压片，其中涂敷的纤维被排列成片状的阵列并沿着一个共同的纤维方向对齐而互相平行。这种涂敷的单向纤维的接续层可相对于以前的层转动一个方向，例如第二、第三、第四和第五层可分别相对于第一层转动+45°、-45°、90°和0°，但不一定按这个次序。其他的例子如复合材料可具有相互转动90°的交替层如0/90、+45/-45、+30/-60等。本发明包括具有多层的复合材料，层数可从1到500，适宜从2到100，较适宜是从2到75。
制造层压片的标准工艺方法包括下列步骤将涂敷的纤维排列成所需的网络结构，然后加固并加热整个结构使涂敷材料流动并占有一部分空虚空间，这样便可产生连续的基体。另一种工艺方法是将涂敷的或未涂敷的纤维层或其他结构布置到基体材料的各种形式如薄膜的邻近并夹在其间，然后加固并加热设定整个结构。在上述情况下，有可能使基体发粘或流动而并不完全熔化。一般地说，如果基体材料只是被加热到发粘点，一般需要较大的压力。而且，压力和使复合材料设定并达到优化性能的时间一般取决于基体材料的性质(化学成分和分子量)和加工温度。为了本发明的目的，必须保留相当大的空虚(设有基体的)体积。
多条含有本发明的复合材料的带可组合在一起。美国专利5,061,545和5,093,158号曾公开过双层复合材料的各种组合，其中每一层内的纤维都是单一方向的纤维。相邻层的纤维据说是互相相交成45°到90°的角度而以约90°为最好。上两专利在本文被参考引用。
本发明的复合材料具有不寻常高的纤维含量(90-98体积％)，与具有连续的聚合物基体的复合材料相比，具有提高的抗子弹冲击效能。除了可用于设计用来抗子弹冲击的公知产品如防弹衣、头盔和身体护甲外，本发明对爆炸及/或高达约7km/秒的极高速度的冲击特别有效并可用于空间环境，在那里小流星的冲击常会迂到。
实验程序步骤A、制造干纤维带纱线被卷绕在长丝卷绕机的转筒上。转筒直径30吋(76cm)、长48吋(122cm)，在卷绕前用Halar薄膜覆盖，这是氯、三氟乙烯和乙烯的共聚物，由美国宾夕文尼亚州Pottsville的联合信号特殊薄膜公司生产。2吋(5.08cm)宽双面粘的胶带以平行于转筒轴线的方向按中心到中心10吋(25.4cm)的间隔敷设。纱线被卷绕在胶带的顶上。单面粘(涂敷)的掩护帝被敷设在纱线覆盖的双面粘带子上以确保所有长丝都被保持在位。纱线覆盖的Halar薄膜被切离转筒并沿每一胶带的中心线切开。这样就可得到干的平行纱线，8吋(20.3cm)长，由Halar薄膜垫底，并在两端被1吋(2.54cm)宽的胶带保持在位。
B.实验防护面料的制备上述步骤A的8吋(20.3cm)长的部分被放置在金属片上并用胶带粘贴在位以保持纱线挺直。然后敷设基体树脂(详情见下面的例子)，将第二个8吋(20.3cm)的部分的纤维取向转过90度，放置在第一个8吋(20.3cm)的部分上，将Halar薄膜放在顶上。用一块1/8吋(0.3175cm)厚、7.5吋×7.5吋(19cm×19cm)的铝板对准纱线的中心，将这样的组合件在120℃时放置在水压机内，用3吨的压力压10分钟。金属板的作用如同一块垫块用来将包围纤维带的胶带从水压机压板上清除掉。
C.测量面料的柔韧性用作身体护甲时，本发明的面料应具有与传统的抗子弹的织物结构类似或更大的柔韧性。确定柔韧性量度的一个简单的试验方法是将一块方的面料放在一个平表面上使面料的一条侧边从长度为(1)的边缘上挂下(面料的侧边与边缘平行)。量出从平表面到未被支承的面料侧边的垂直距离(h)，计算出(h/l)的值。当h/l等于1时面料是极其可弯曲的，而当h/l等于零时面料极其僵硬。为了比较面料与控制织物的柔韧性，可计算出％柔韧性。
100％×(h/l)面料/(h/l)织物＝％柔韧性对于身体护甲，面料的％柔韧性适宜为抗子弹的设有基体的织造的控制织物的约50％到约150％，较适宜从约70％到约150％，更适宜从约85％到约150％，如同下面例10.10中的说明。H/1的值适宜约为0.7或更大，较适宜约为0.85或更大。
例1在上面列出的实验程序中采用Spectra1000的长丝(215旦，每端60根长丝)，由美国弗吉尼亚州Petersburg的联合信号公司在商业上供售(40端/吋(EPI)，公称面积密度(AD)为0.00376g/cm2)；和Kraton橡胶的基体树脂，型号C1650，粒状，由美国特克萨斯州Houston的壳牌化学公司制造(微粒能通过#30、600微米或0.0234吋的筛子)。基体树脂采用7.5重量％(占总量)，在交叉叠合前散布在底带上。在模压后，基体树脂与纤维股线内或股线间的长丝点连接成为小岛。该面料起初如纸状，但在卷曲和弯曲后像织物那样易弯曲。
例2重复例1，基体树脂增为15重量％，结果与例1相同，但面料较结实，对分层较有弹性。
例3重复例1，基体树脂增为20重量％，另外在两条纤维带的外侧各加上0.00035吋(0.000889 cm)厚的聚乙烯薄膜，薄膜由美国南达可泰州Sioux市的Raven工业公司制造(其时Halar薄膜已被拿掉)，在加压前将可剥离纸放置在聚乙烯薄膜上。得到的面料具有结实的结构和良好的柔韧性。
例4采用Spectra1000/215/60的纤维(40端/吋(EPI)，公称面积密度(AD)为0.00376g/cm2)和Prinlin B 7137 X-1的基体树脂，这是一种KratonD1107橡胶的水分散橡胶，由美国纽约州Buffalo的Pierce&Stevens公司制造。用Prinlin的微滴喷洒两条纤维带，并在模压前干燥，使纤维占总重的85％。得到的面料起初似纸状，在卷曲和弯曲后具有织物那样柔韧性。
例5采用Spectra1000/215/60的纤维(40端/吋(EPI)，公称面积密度(AD)为0.00376g/cm2)及用3份水和1份Prinlin B7137 X-1的稀释的基体树脂。用Prinlin微滴叶洒两条纤维带并在模压前干燥，使纤维占总重的95％。得到的面料起初如纸状，在卷曲和弯曲后具有织物那样的柔韧性。该面料没有例4的面料那样结实。
例6采用Spectra1000/215/60的纤维(40端/吋(EPI)，公称面积密度(AD)为0.00376g/cm2)的纤维和120微米细度的聚乙烯(PE)旋转模压粉末作为基体树脂，该粉末由美国特克萨斯州Big Spring的PFS热塑性粉末涂敷公司制造。在交叉叠合前PE粉被摇动撒布在下纤维带上，PE量被这样估计使在模压后占总重的14％。得到的面料起初如纸状，但操作后可变成织物状。可产生一个低摩擦的表面。
例7采用Spectra1000/215/60的纤维(40端/吋(EPI)，公称面积密度(AD)为0.00376g/cm2)的纤维和Raven工业公司制造的、0.00035吋(0.000889cm)厚的、单一的聚乙烯薄膜，该薄膜被放置在两条纤维带之间用来作为对例6的控制。得到的面料没有像例6那样容易弯曲，但被认为是有用的。
例8采用Spectra1000/215/60的纤维(40端/吋(EPI)，公称面积密度(AD)为0.00376g/cm2)的纤维，没有用基体树脂，在模压后，面料如纸状，在操作时会分离。
例9采用Spectra1000/1300、240长丝/端的纤维，该纤维由联合信号公司生产(9.25端/吋(EPI)，公称面积密度(AD)为0.005266g/cm2)，在该纤维上喷涂Prinlin B 7137 X-1的基体树脂，在模压前干燥，使纤维占有总重的78％。得到的面料与具有同等纤维面积密度、类似的具有连续的纤维和基体的产品相比显著地更为容易弯曲。
例10例10.1-10.3将重量比为2∶1的两个热塑性弹性体(KratonG1652和G1657)的混合物挤压制出热塑性弹性体单丝。按照下列步骤，650和1300旦的弹性体纤维被制成单向带将Halar薄膜放置在转筒上，用2吋(5.08cm)宽的双面粘胶带按中心到中心为19吋(48.26cm)的间隔沿着长度方向固定在其上。将热塑性弹性体纤维卷绕在其上使每吋宽度有4.6个端头(1.81端/cm)。将单面粘胶带粘贴到双面粘胶带位置之上以便将纤维端头锚定在位。锚定胶带在中间切开，得出具有长度为17吋(43.18cm)的可用单向纤维片的带，带内的长丝被隔离的橡胶条保持在一起。然后沿着长度方向按17吋(43.18cm)的间隔将带切开，产生17吋(43.18cm)见方的单向纤维片，片上在各单丝之间具有相当大的间隔。单一方向的Spectra纤维带可用相同的方式制备，只是1300旦的Spectra1000在转筒上每吋宽度要被卷绕2.6个端头(1.02端/cm)。稳定的复合面料可这样制备，将一块橡胶片与Spectra带交叉叠合，在100℃时一同模压5分钟，所用压力为10吨/方呎(1.076×105kg/m2)。然后将稳定的面料交叉叠合，去除Halar薄膜，将叠合后的面料一同模压(条件与用来构造稳定单向带的相同，使两个稳定单向带的树脂富裕侧互相面对。结果如下面表1所示。
表1柔韧防护具的防弹性能比较面积宽度1kg/m2，对付、38口径铅弹，用橡胶格栅增强试样 基体(kg/m2) 纤维重量％ 面料数 V50(呎/秒) SEAT(Jm2/kg)#10.1(4.6端/吋) 1.04 81 8 890 377#10.2(2.3端/吋) 1.05 80 8 807 295#10.3(4.6端/吋) 1.24 66 8 802 247注SEAT为防弹性能比较10.1和10.2可见在相同的重量％的条件下，纤维格栅比橡胶格栅更为有效。另一个用弹性体格栅使面料变硬，抗弹效能变弱。上表指出格栅重量％和大小需优化以便得到最佳的保护。
10.4对照例一种平行纤维带的对照例(这是联合信号公司的商品，以Spectra Shield的商品名供售，单一元件，具有Spectra1000纤维的1300旦纱线，每根纱线有240根长丝)用KratonD 1107在环己烷中的溶液均匀地涂敷在平行纤维带上，然后移动通过干燥室去除溶剂，产生一个单一方向的带材，将这带材交叉叠合并在顶面和底面覆以聚乙烯薄膜层压以防面料粘结在一起。面料、纤维、基体和PE薄膜的面积密度分另为0.147、0.105、0.0262、和0.0157kg/m2。PE薄膜的熔点为114℃。
10.5由联合信号公司特种薄膜部制造的Halar薄膜被卷绕在4呎长(121.92cn)、30呎(72.6cm)直径的转筒上，然后将Spectra1000纤维(1300旦)按9.26端/吋(3.65端/cn)卷绕在其上。按重量比3∶1将KratonD 1107的树脂与Pierce and Stevens公司的产品Prinlin B 7137 X-1的乳状液喷洒在纤维带上，这个单一方向的带连同Halar薄膜的衬底被切成15吋(38.1cm)见方将乳状液放在内侧按0/90方式交叉叠合。这样组成的面料在125℃、10吨/方呎(1.076×105kg/m2的压力下模压15分钟，使纤维占总重的81％。然后拿掉Halar薄膜，将聚乙烯薄膜放在0/90面料的外侧(与例10.4相同)，再将整个组件如上那样模压，只是模压时间为2分钟。
10.6这个试样类似例10.5构造，只是聚乙烯薄膜(与例10.5相同)被包裹在一个4呎(121.92 cm)长、30吋(76.2 cm)直径的金属转筒上，将乳状液喷涂在其表面上成为多个圆形的弹性体区域，带宽为125到250微米，大致覆盖25％的薄膜表面。喷涂过程用310型的Wagner喷漆机进行，使用0.8mm的喷嘴。喷涂从转筒的一端开始进行到另一端，产生Kraton D 1107的多个分隔的圆形区域。Spectra 1000的纤维以与例10.5相同的方式卷绕在其上，一条结实的单一方向带便可被生产出来。然后可将表面上具有聚乙烯薄膜的一系列0/90的面料模压。模压分另在80℃、95℃、105℃和130℃及10吨/方呎(1.076×105kg/m2)的压力下进行15分钟。随着模压温度的升高，在柔韧性上，面料变得越来越像纸而不像织物。
有一0/90的面料被模压在一个垫圈的阵列上，该垫圈0.075吋(0.191cm)厚，外直径0.87吋(2.21cm)，内直径0.37吋(0.94cm)。完全固化的垫圈形状被印入到面料内。这一点指出固化的图样能从本发明的面料上产生出来。设有容易围拢的连续线条(如等边三角形)的适用区域结构能容易地被构造出来。在例10.6中8个在95℃模压的面料被指定作对付0.38口径铅弹的防护试验。另外，有一块面料被放置在点粘结的模型内，该模型有一正方形的栅格，在栅格的交叉点上设有突起的圆形部(圆形部的直径为1mm，中心到中心的距离为7mm)。该面料在115℃、约为500psi的压力下模压150秒。该面料仍然容易弯曲。显然，用这种模压技巧可造成种类繁多的图样。
10.7本试样以与例10.6相同的方式制备，只是1500旦的芳族聚酰胺纤维即Twaron纤维(Akzo公司的产品，1450旦的纱线，每一长丝1.5旦，抗拉强度24.4g/旦，模数805g/旦)按8.03端/吋(3.16端/cm)被卷绕在转筒上。与例10.6相似，在聚乙烯薄膜上制有圆形区域，并且由喷涂在纤维带上而制成的圆形区域也以与例10.6相同的方式被扭曲。扫描电子显微术指出被涂敷的区域是不连续的。区域在与纤维长度(1)平行的方向上要长得多，在这方向上尺寸可从150微米变化到500微米。对这些区域L/D的比率可从3比1变化到25比1。
10.8挤压KratonG 1652和G 1657按2∶1的重量比的混合物制出热塑性弹性体的纤维。从弹性体的纤维(650旦)中可按下列方式制出单一方向带将Halar薄膜放置在转筒上，将2吋(5.08cm)宽的双面粘胶带沿着长度方向按中心到中心为19吋(48.26cm)的间隔固定在其上，将热塑性弹性体纤维按每吋宽度4.6端(1.81端/cm)卷绕在其上，再用单面粘胶带粘贴在双面粘胶带的位置之上以资将所有纤维端头锚定在位。锚定的胶带在中间被切开，得出具有长度为17吋(43.18cm)的适用的单一方向的纤维片的带，其上的长丝被隔离的橡胶条保持在一起。然后沿着长度方向按17吋(43.18cm)的间隔切开，产生17吋见方的单向橡胶纤维片，其上在单丝之间有相当大的间隙。单一方向的Spectra纤维带以相同的方式制备，只是1300旦的Spectra1000按每吋2.6端(1.02端/cm)卷绕在转筒上。将橡胶片交叉叠合在Spectra带上，一同在100℃和10吨/方呎(1.076×105kg/m2)的压力下模压5分钟，便可制备出稳定的复合面料。去除Halar薄膜后，再将两个这样的稳定面料交叉叠合，使树脂富裕的一侧互相面对，便可模压到一起(条件与构造稳定的单向带相同)。单一方向的Spectra纤维带可按相同的方式制备，只是1300旦的Spectra1000须按每吋9.26端(3.65端/cm)卷绕在转筒上。
将橡胶片交叉叠合在Spectra帝上，一同在100℃和10吨/方呎(1.076×105kg/m2)的压力下模压5分钟，便可制备出稳定的复合面料。去除Halar薄膜后，再将两个这样的稳定面料交叉叠合，使树脂富裕的一侧互相面对，使可模压到一起(条件与构造稳定的单向带相同)。
10.9水蒸汽的传输通过本发明的面料(例10.3)传输水蒸汽的相对能力(与SpectraShield材料的传输能力相比)是这样确定的将15克的水放置在2盎司的阔口瓶(内直径42mm)内，记录下在室温和50％的相对湿度下24小时内水重的消失。用环绕该瓶的双面粘胶带将面料固定在瓶上。Spectra1000的防弹织物(式样955，215旦，平纹，组织，55×55端/吋(21.7×21.7端/cm))也被试验。本发明的结构显然能以与织物类似的速率传输水蒸汽。数据如表2所示。
表2水份消失的比较试样 水份消失，g水份消失，％*作为控制一顶部开口8.05 100单一元件(例10.4) 0.01 0.12格栅增强(例10.3) 1.6 20Spectra织物 2.39 30*水份消失％由100×Ws/We算出，Ws和We分别为所考虑试样的水重消失和开口容器的水重消失。
10.10柔韧性就柔韧性这一项比较商业上供售的单一元件的格栅增强面料(例如10.3)和商业上供售的Spectra10000的织造织物(由215旦的Spectra10000制成，45×45端/吋(17.32×17.32端/cm)，平纹组织，Clark-Schwebel公司的产品)。试样被放置在一个平表面上，使其长度(l)为13cm的边从平表面上吊下。确定其自由边在平表面以下的距离(h)。这个距离(h)越大，结构越易弯曲，如从下表可见，具有格栅的非织造面料甚至比织造的Spectra1000的防弹织物更易弯曲。试样在试验前被弯曲来模拟迂难的情况。
表3面料柔韧性的比较试样 长度(l)(cm) 高度(h)(cm) h/l ％柔韧性单一元件134 0.307736防弹织物13 11.0 0.8462100栅格增强的面料 13 11.5 0.8846104例11
11.1联合信号公司特种薄膜部制造的Halar薄膜被包裹在4呎(121.92cm)长、30吋(76.2cm)直径的转筒周围。2吋(5.08cm)宽的双面粘胶带沿着转筒的长度按8吋(20.32cm)的间隔粘贴在其上。Spectra1000纤维(1300旦)按9.26端/吋(3.65端/cm)卷绕在转筒上。随后用2吋(5.08cm)宽的掩护胶带粘贴在双面粘胶带所覆盖区域之上以资牢固地将纤维锚定在位。胶带连同Halar薄膜和Spectra纤维被沿着胶带的中心线切下，产生的纤维片，纤维长度为8吋(20.32cm)，片宽为48吋(121.92cm)。纤维片可进一步分割成方便的大小以便用于弹性体纤维。KratonG 1651(811旦)的单丝弹性体纤维是使用Instron的毛细管流速计在260℃时挤压聚合物使它通过0.02吋(0.051cm)的孔模而制成的。8吋(20.32cm)见方的平行纤维带被粘贴到一块金属板上，双面粘的胶带被放置在纤维带的两侧，胶带的长度与纤维的长度方向平行。Kraton1650纤维被放置在与纤维带垂直的方向上，并在纤维带的两侧按1cm的间隔锚定在胶带上。
在125℃时在液压机的低压力下、在金属板和另一侧的Halar薄膜之间模压便可制出结实的单一方向带。两条这样的带交叉叠合，再一次模压，便可制出0/90的面料，其总面积密度为0.154kg/m2，基体占32重量％。变形的KratonG 1650纤维的宽度约为3mm，相当于49％的面积和覆盖。在经过某些初始弯曲后便可成为柔软的低摩擦面料。在模压过程中Spectra纤维会发生扭曲，空隙被除去，与被弯曲的材料相比，初始硬度较高。
11.2本试样与例11.1相同，只是Kraton纤维被切短成3cm长度并被杂乱地放置在纤维带上，然后被模压制出单一方向带。KratonG1650的流动会在纤维带内造成显著的扭曲，这是不希望有的特性。
11.3本试样与例11.1相似，只是弹性体纤维是275旦的Kraton1651，它是在260℃时挤压通过0.007吋孔模而成。不论是单一方向带还是0/90交叉层叠的面料，基体都可占5.5重量％。0/90面料的面积密度为0.1113kg/m2。弹性体纤维放宽到小于1mm，造成20％的面料面积有弹性体覆盖。
11.4本试样与例11.1相似，只是弹性体纤维(811旦的KratonG1651)的取向为与Spectra纤维的长度方向成45度角。该弹性体纤维是在260℃时通过0.012吋(0.0305cm)的孔模挤压出来的。在单一方向带和0/90交叉层叠的面料中，基体都可占到20重量％。可能成为两种不同的结构，一种是弹性体纤维形成斜方形，还有一种是成为一系列平行的线条与Spectra纤维的长度成45度。当树脂富裕侧被压紧在一起时，最终模压出的面料是紧密的并有很低的摩擦力。
例12带子按下列方式制备将美国南达可泰州Sioux市的Raven工业公司制造的0.00035吋(0.000889cm)厚的PE(聚乙烯)薄膜放置在转筒上，旋转转筒将乳状液喷洒在薄膜表面上形成一层静定均匀弥散的液滴，然后将650旦、240根长丝/端的Spectra纤维1000卷绕在转筒上，再用乳状流喷洒在该纤维带上。
这些带足够结实地被搬运以便最终制备适宜用来制造防弹衣的交叉叠面料。单一方向带被交叉叠合(0/90)并在不同条件下模压。所得面料一般具有良好的弯曲性和良好的防弹性能。可根据特定用途所需性能控制基体的数量、固化和分布。
12.1平行纤维带被均匀地用KratonD 1107在环辛烷内的溶液涂敷，然后移动通过干燥室去除溶剂生产出单一方向的带材料。这个材料被交叉叠合并将Raven公司制造的0.00035吋(0.000889cm)厚的聚乙烯薄膜覆盖顶面和底面以防面料粘合在一起。模压条件为在120℃10分钟。面料、纤维、基体和PE薄膜的面积密度分别为0.147、0.105、0.0262和0.0157kg/m2。PE薄膜的熔点为114℃。PE薄膜单独增加的重量和硬度超过基体KratonD 1107。
12.2成为分开的热塑性区域的基体将Halar薄膜(联合信号公司特种薄膜部的产品包裹在4呎(121.92cm)长、30吋(76.2cm)直径的转筒周围。将Spectra1000纤维(1300旦)按9.26端/吋(3.65端/cm)卷绕在其上。再将乳状液(pierce and Stevens公司生产的、按重量比3∶1配制的KratonD1107和Prinlin B 7137 X-1)喷涂在纤维带上。这个单一方向带连同Halar薄膜垫底被切割成15吋(38.1cm)的方块，将带放在内侧进行0/90的交叉叠合，然后在125℃、10吨/方呎(1.076×105kg/m2)的压力下模压15分钟。去掉Halar薄膜，将聚乙烯薄膜(与例12.1所用薄膜相同)放置在0/90面料的外侧表面上，整个组件以与第一次模压相同的方式再次模压，只是模压时间减为2分钟。将8个15吋(38.1cm)的方面料堆积在一起，夹紧并以土为垫底用0.38口径的铅弹(158格令，1格令＝64.8 mg)进行试验。V50值为824呎/秒(251.2m/s) 。
12.3KratonD 1107和Prinlin的基体区域带有PE薄膜(基体区域系被喷涂)，8个面料，纤维所占重量％为81，ADT＝1.04kg/m2。
这个试样的构造与例12.2类似，只是聚乙烯薄膜(与例12.2相同)被包裹在一个金属转筒(4呎长，30吋直径)上，而乳状液被喷涂在其表面上(喷涂在表面上的Kraton/Prinlin基体的面积密度为0.0019kg/m2)。在纤维带平面内的弹性体形成多个圆形的区域，其大小在125到250微米的范围内，大致覆盖25％的薄膜表面。喷涂过程用310型的Wagner喷涂机进行，使用0.8mm的喷嘴。喷涂从转筒的一端开始进行到另一端，产生多个单独的圆形基体区域。Spectra1000纤维以与例12.2相同的方式卷绕在其上，而纤维片也以与例12.2类似的方式被喷涂。这样一条结实的单一方向带便可被生产出来而可省掉可被拿强化(约占1.6面积％)，其余区域未被强化。该面料仍然容易弯曲。
12.4这个试样按例12.3中的说明制备。
表4柔性防护具对0.38口径铅弹的防弹性能比较试样 ADT(kg/m2) 纤维重量％V50(呎/秒)〔m/s〕SEAT(Jm2/kg) 区域12.1 1.05 72 720〔219.5〕 234 无12.2 1.04 81 824〔251.2〕 310 有12.3 1.24 81 789〔240.5〕 296 有12.4 1.04 78 858〔261.5〕 327 有例13曾考查下列结构A.单一元件的Spectra Shied材料这个采用0/90预浸渍带的结构要求在顶面和底面设有PE薄膜以免面料由于基体(KratonD 1107)的粘性而熔化。面料为凝固的，纤维的重量％较低(72％)。夹心构造妨碍其可弯曲性，如表5所示。
B.单一元件为提高效能而作的小修改基本概念是用基体区域来替代商业产品A中的连续的基体布置为的是得到更大的柔韧性。这一点可这样来做到，通过一个喷涂机将KratonD 1107的乳状液喷涂到转筒上的纤维带上，使它有一令人满意的均匀的分布。这个过程十分简单，可在纤维片的表面上产生各个区域。两个富含树脂的表面配合在一起而将PE薄膜分别放置在顶面和底面上。组件被模压生产出可弯曲的面料，面料被叠合用来制成子弹的靶子，其时纤维占总重的81％。参阅表5，可以看到防弹效率(SEAT)约为可用来控制的商业标准产品(A)的1.3倍，并且纤维所占重量％显然比商业买卖产品高。
C.用于旋转模压的基体-PE粉采用本系统可得到最佳的防弹效果。将直线低密度的聚乙烯粉(Tm＝105℃)作成稀浆泵压到转筒上的纤维片上。由此制出的0/90面料容易弯曲并且具有低的表面摩阻力。PE粉的优点是成本较低，制造过程中不需溶剂。参阅表5可见，与作为控制的试样A比，防弹效能(SEAT)是突出的。
D(1)-D(2)重量比为1∶4的基体EPDM/PE粉在用PE粉制造平行纤维带时会迂到一些困难，因为该粉并不粘结到转筒上的纤维上而是容易掉落。曾经发现EP粉在EPDM(乙丙三元橡胶)溶液内的稀浆能很好地粘结在转筒上的纤维上。但当PE粉被单独使用时得到的防弹效能并不怎么好。
表5根据SEAT值总结了这些实验材料的防弹效率。
表5柔韧防护具的防弹效能比较(对付、38口径铅弹)试样ADT(kg/m2) 纤维重量％ V50(呎/秒)〔m/s〕SEAT(Jm2/kg) 区域A(作为控制) 1.05 72720〔219.5〕234 无B1.04 81824〔251.2〕310 有C0.981 88854〔260.3〕353 有D(1) 1.00 85774〔235.9〕283 有D(2) 1.04 80750〔228.6〕257 有例14用例12.3中说明的方式制备芳族聚酰胺纤维增强的易弯曲的靶子，用Twaron纤维(Akzo公司的产品，1450旦的纱线，每根长丝为1.5旦，抗拉强度为24.4g/旦，模数为805g/旦)替代Spectra1000纱线，按8.3端/吋卷绕在转筒上。具有7个ADT＝0.995kg/m2的0/90面料的靶子作对付0.38口径铅弹的防弹试验。V50＝924呎/秒(281.6m/s)，SEAT为408J-kg/m2。该结构能提供良好的防弹保护。
例1515.1 Halar薄膜(联合信号公司特种胶片部出品)被包裹在4呎(121.92cm)长、30吋(76.2cm)的转筒上。旋转转筒，将PBZ0纤维(1300旦)按9.62端/吋(3.65端/cm)卷绕在其上。将乳状液(Pierce and Stevens的产品，KratonD1107和Prinlin B 7137 X-1按重量比3∶1配制)。这样制成的单一方向带连同Halar薄膜衬底被切割成15吋(38.1cm)的方块，再按0/90交叉叠合两个方块将带放在内侧。然后在125℃和10吨/方呎(1.076×105kg/m2)的压力下模压15分钟。拿掉Halar薄膜，将聚乙烯薄膜放置在0/90面料的外侧表面上，整个组件再被模压，得出正方形的面料。将8个15吋(38.1cm)的正方面料堆积在一起夹紧以土作为衬底，用0.38口径的铅弹(158格令)作试验，V50值可望比具有类似数量的相同纤维的传统防护具式产品来得高。
例16
16.1Halar薄膜(联合信号公司特种胶片部出品)被包裹在4呎(121.92cm)长、30吋(76.2cm)的转筒上。旋转转筒，将PBZT纤维(1300旦)按9.26端/吋(36.5端/cm)卷绕在其上。将乳状液(Pierce and Stevens公司的产品，KratonD 1107和Prinlin B 7137X-1按重量比3∶1配制)。这样制成的单一方向带连同Halar薄膜衬底被切割成15吋(38.1cm)的方块，再按0/90交叉叠合两个方块将带放在内侧。然后在125℃和10吨/方呎(1.076×105kg/m2)的压力下模压15分钟。拿掉Halar薄膜，将聚乙烯薄膜放置在0/90面料的外侧表面上，整个组件再被模压，得出正方形的面料。将8个15吋(38.1cm)的正方面料堆积在一起夹紧以土作为衬底，用0.38口径的铅弹(158格令)作试验，V50值可望比具有类似数量的相同纤维的传统防护具式产品来得高。
上列本发明的综述、说明、范例和附图不是要用来限制本发明，只是用来举例说明本发明的创新的特征，这些特征已在权利要求中限定。
权利要求
1.一种复合具有多根长丝；和多个基体岛，每一所说基体岛至少与两根长丝连接，以使多根长丝保持在一个单独的结构内。
2.权利要求1的复合材料，其特征为，多根长丝被排列在一个平面内，基本上平行布置。
3.权利要求1的复合材料，其特征为，多根单独的长丝具有平均的模数约为300克/旦或更大，及平均的韧度约为7克/旦或更大。
4.权利要求1的复合材料，其特征为，基体岛对多根长丝的体积比约为0.4或更小。
5.权利要求4的复合材料，其特征为，基体岛对多根长丝的体积比约从0.25到约0.02。
6.权利要求5的复合材料，其特征为，基体岛对多根长丝的体积比约从0.2到约0.05。
7.权利要求1的复合材料，其特征为，长丝材料可从下列组群中选取特高分子量聚乙烯、特高分子量聚丙烯、芳族聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚苯并噁唑、聚苯并噻唑、玻璃纤维、陶瓷及上述材料的组合。
8.权利要求7的复合材料，其特征为，多根长丝具有特高分子量的聚乙烯。
9.权利要求8的复合材料，其特征为，特高分子量的聚乙烯长丝具有韧度约为30g/旦或更大，模数约为1500g/旦或更大。
10.权利要求7的组合材料，其特征为，多根长丝具有芳族聚酰胺。
11.权利要求1的组合材料，其特征为，基体岛具有柔韧的组织，可从下列组群中选取弹性体、热塑性弹性体、热塑性塑料、热固性塑料及上述材料的组合。
12.权利要求11的组合材料，其特征为，基体岛具有弹性体。
13.权利要求10的组合材料，其特征为，弹性的基体岛具有两个或多个弹性体、热塑性弹性体和热塑性塑料的组合。
14.权利要求1的复合材料，其特征为，区域基体给长丝提供一个结实的结构。
15.权利要求1的复合材料，其特征为，每一在复合材料内的长丝至少接触一个基体岛。
16.权利要求15的复合材料，具有多个呈预定图案的基体岛。
17.一种具有权利要求1复合材料的单一方向带。
18.权利要求1的复合材料，其特征为，基体岛的平面尺寸的平均大小小于5mm。
19.权利要求1的复合材料，其特征为，基体岛的平面尺寸的平均大小小于3mm。
20.权利要求1的复合材料，其特征为，基体岛的平面尺寸的平均大小小于1mm。
21.权利要求1的复合材料，其特征为，复合材料具有未被涂敷的、有效抗子弹的织物的至少70％的柔韧性。
22.权利要求1的复合材料，其特征为，复合材料具有约0.7或更多的柔韧性。
23.权利要求1的复合材料，其特征为，复合材料具有约0.85或更多的柔韧性。
24.一种制造复合材料的方法，包括下列步骤将多根长丝排列在一条纤维带；将多个基体岛配置在多根长丝内；使每个基体岛固定地连接至少两根长丝。
25.权利要求24的方法，其特征为，所说配置步骤包括喷涂基体微粒。
26.权利要求24的方法，其特征为，所说第三个步骤可从使用热压力或两者结合中选取。
全文摘要
一种复合材料具有多根排列在纤维带内的长丝被区域基体一起保持在一个单独的结构内。区域基体包括多个基体岛,它们各自连接或粘合至少两根长丝,从而将这些长丝保持在一个单独的结构内。在该单独的结构内,部分长丝的长度上设有基体岛,因而多个基体岛是互不连接的。该复合材料比涂敷的结构具有较大的柔韧性。该复合材料可被制成交叉叠层的结构。本发明还披露这种材料的制造方法。
文档编号B29C70/50GK1347364SQ00806494
公开日2002年5月1日 申请日期2000年2月17日 优先权日1999年2月19日
发明者G·A·哈佩尔, I·帕利, M·W·格尔拉赫, A·罗波夫斯基 申请人:联合讯号公司