用於軟彈道用途的高密度單向織物的製作方法
2023-06-18 13:56:51
用於軟彈道用途的高密度單向織物的製作方法
【專利摘要】彈道物品包含高密度纖維，其中該纖維的線性質量密度大於2000dtex，由ASTM?D1907測定，並且各層中的纖維具有大於100g/m2的總面密度。一個實例中，彈道物品具有兩個在苯乙烯和異戊二烯嵌段共聚物基體材料中包含對-芳族聚醯胺纖維的片材。
【專利說明】用於軟彈道用途的高密度單向織物
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求於2012年I月17日提交的美國臨時申請N0.61/587，310的優先權。
【技術領域】
[0003]本申請涉及防彈物品(ballistic resistant articles),特別是用於防護用途的高性能纖維和樹脂層合體。
【背景技術】
[0004]多層複合材料能夠用於許多用途，包括例如防彈物品。防彈物品能夠由在基體材料中包含纖維的織造或非織造織物或其組合的層製成。使纖維在單一方向上取向的單向(UD)織物能夠用於彈道物品(ballistic articles)。
【發明內容】
[0005]公開了彈道物品，其具有單向織物的至少一個片材。該單向織物包括具有大於2000dtex的線性質量密度(linear mass density)的纖維並且該至少一個片材的每個片材中的纖維的總面密度(arealdensity)大於100g/m2。
[0006]另一方面中，彈道物品包括兩個片材。每個片材在苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物基體材料中包括對-芳族聚醯胺纖維。纖維的線性質量密度大於2000dteX和每個片材中纖維的面密度大於100g/m2。該物品具有大於500m/s的用.44Magnum Speer子彈進行的彈道性能測試的V5tl值,和大於430m/s的用9_ Remington或.357Magnum Remington子彈進行的彈道性能測試的V5tl值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]由以下詳細的說明，公開的實例的各種特徵和優點對於本領域技術人員將變得清楚。如下能夠對詳細說明的附圖簡要地說明。
[0008]圖1表示2-層單向織物結構體(construct1n)的示意例。
[0009]圖2表示對於各種單向結構體的變形彈體(deforming projectiles)的彈道測試結果。
【具體實施方式】
[0010]單向(UD)結構體例如用於防彈物品的那些能夠具有一層或多層，其中每層包含沿單向取向並且用基體材料浸潰的纖維。形成UD層時，將纖維鋪展以確保在整個材料中均勻的纖維和長絲分布。
[0011]UD層的形成過程中，振動能夠用於將纖維或長絲均勻地鋪展。例如，能夠使纖維或長絲在鋪展單元上通過，該鋪展單元包括至少一個杆和沿該杆的長度的至少一個振動單元。該振動單元能夠使該杆相對於纖維長度水平地、豎直地或者以兩方向的組合振動。振動杆的使用能夠使得改善較密纖維的鋪展。振動單元能夠為氣動的、電磁的或者另一類型的振動單元。能夠使用非剛性底座例如橡膠底座將該杆安裝在邊緣以允許較好的振動。
[0012]圖1表示具有層20a、20b的2_層UD結構體的實例。層20a和20b具有彼此相差90°的纖維取向偏移。每層在基體材料26中包含纖維24。通過施加熱和壓力以確保層彼此之間的適當粘合從而能夠實現交叉疊層。UD結構體也能夠具有在外表面上層合的膜22。通過帶式層壓機能夠進行層合，該帶式層壓機施加熱和壓力以確保膜的適當的粘合。對於軟裝甲彈道(soft-armor ballistics)用途，能夠使用2-層0° /90°或4-層0° /90° /0° /90° UD結構體，其中「0° /90° 」表示具有纖維取向彼此90°偏移的兩層堆疊的UD片材。例如，圖1的UD結構體10可能是2-層0° /90°結構體。
[0013]形成具有低纖維面密度，例如，具有小於50g/m2的面密度的UD層需要在生產過程中在整個纖維鋪展過程中進一步的控制。鋪展過程的控制對於較厚UD單層的生產不那麼重要。而且，為了實現所需的UD-基彈道結構體重量，其典型地為1.01bs/ft2(4.8kg/m2)，如果纖維具有低的面密度，則結構體所需的UD單層的數目增加。增加的UD單層的數目使得附加的製造步驟成為必需並且招致額外的製造成本。此外，具有較高線密度的紗線與具有較低線密度的紗線相比，能夠較便宜並且吸收較少的水。
[0014]使用高面密度單向(UD)結構體發現了對於變形彈體令人驚奇的彈道優勢。一個實例中，UD結構體能夠由對-芳族聚醯胺纖維，例如以商品名Twaron?可得的那些製造，並且樹脂基體能夠為共聚物樹脂例如以商品名Prinlin HV(例如Prinlin B7137HV)可得的共聚物樹脂。另一實例中，UD結構體能夠塗布有聚乙烯(PE)膜。
[0015]UD結構體整體具有低面密度時，包含具有低線性質量密度的紗線的UD結構體在彈道測試中表現更好。但是，現已發現具有高線性質量密度的纖維的某些UD結構體，例如，其中纖維的線性質量密度大於2000dtex，或者大於3000dtex，由ASTM D1907測定，纖維的面密度大於100g/m2，表現得與低面密度結構體相當或者超過低面密度結構體的彈道性能。面密度表示每單位面積的幹纖維重量，和線性質量密度表示每單位長度的幹纖維重量。
[0016]在一個實例中，以全部0°方向、只有纖維、面密度104g/m2來構造高面密度(HAD)UD織物。HAD UD包括具有3360dtex的線性質量密度的1000型(T1000) TwarOIl?.纖維和17%幹樹脂含量的Prinlin B7137HV基體。使用下式確定幹樹脂含量:幹樹脂含量=(幹樹脂重量/ (幹纖維重量+幹樹脂重量))XlOO %。將T1000纖維的材料性能示於下表I中。這些材料性能，包括纖維韌度、纖維模量和斷裂伸長率根據ASTM D7269-07測定。最終的UD結構體是具有取向F/0° /90° /F的2-層產品，其中「F」表示膜層和「0° /90° 」表示彼此纖維取向90°偏移的兩層堆疊的UD片材。在小於2巴的壓力下80-100°C的溫度下將堆疊的層交叉疊層，同時在兩步法中完成帶式層壓。在120-150°C的升高溫度下在低於5巴的壓力下進行第一步，並且第二步也在低於5巴下80-100°C的溫度下。UD結構體在外層上具有在帶式層壓工藝過程中施加的0.25-0.35密耳(6.4-8.9ym)PE膜。PE膜能夠是傳統的吹塑膜，例如低密度聚乙烯(LDPE)或線型低密度聚乙烯(LLDPE)膜，或者其能夠是機器方向取向(MDO)膜。該實例中，使用由Raven Industries (S1ux Falls, SD)作為N025C提供的0.25密耳(6.4 μ m)厚LLDPE膜。最終的2-層產品的總密度為254.4g/m2。
[0017]將該HAD UD結構體與包含相同的T10003360dtex TwarOIl?.纖維的低面密度(LAD)結構體進行比較。LAD UD結構體為4-層產品，其具有取向F/0° /90° /0° /90° /F和全部0°方向、只是纖維、面密度48g/m2和17%幹樹脂含量的Prinlin B7137HV基體。
[0018]也測試了包含2000型(T2000)IlOOdtex TwarOIl?纖維的第二LAD結構體。T2000
纖維具有不同的材料性能，包括纖維韌度、模量和斷裂伸長率，如表I中所示。表I也示出了 HAD和LAD UD結構體的彈道測試的結果。使用可變形的.44 口徑Magnum Speer子彈(Speer Bullets, Lewiston, ID)進行了彈道試驗。該結構體的V5tl值表示彈道性能並且根據 MIL-STD662F 評價。
[0019]
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[O0削紗線(HAD T10003360dtex)的HAD UD的彈道性能好於或者至少與使用高韌度紗線(LADT20001 10dtex)的LAD UD產品相當。這是有利的，原因在於:需要較少層的HAD UD材料以實現與LAD UD材料相當的彈道性能，而且低韌度紗線通常比高韌度紗線更便宜。因此能夠使製造複雜性和生產成本降低。
[0021]使用非變形性口徑9mm子彈和.357Magnum子彈(Remington ArmsCompany, Inc.，Madison, NC),對相同的三個UD結構體進行了類似的彈道試驗。將來自這些彈道試驗的結果分別示於表2和3中。
[0022]表2:使用9mm Remington子彈對於HAD和LAD UD結構體的彈道測試結果
[0023]
0° 方向面 Shoot V50 士纖維韌度最終產品構纖維類型密度(只是 Pack重 STD [mN/tex] 成 ___纖維)___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子彈對於HAD和LAD UD結構體的彈道測試結果
[0025]
O。方向面Shoot V50 士
纖維韌度纖維類型密度(只是最終產品構成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]低韌度T1000HAD結構體性能好於低韌度T1000LAD結構體並且接近T2000LAD纖維的性能。如表I中所示，T1000纖維具有2032mN/tex的韌度，而T2000纖維具有2350mN/tex的韌度，由此能夠預期較好的標稱彈道性能。
[0027]此外，對如上所述製造的包含T10003360dtex纖維的HAD UD結構體和包含T20001100dtex的LAD UD結構體測試吸水性。通過切割400x400mm的層，然後將15層堆疊並且在各角將各板縫合而形成測試板。對於HAD UD，層構成為F/0° /90° /F，對於LADUD，層構成為F/0° /90° /0° /90° /F。在浸入水中前，記錄各板的乾重並且示於表4中。將各板浸入10或60分鐘。然後將各板從水中取出，使水流走乾燥3分鐘後,確定各板的溼重並且示於表4中。因此重量增加為吸水程度的量度。由HAD UD製成的各板的吸水性顯著低於由LAD UD製成的各板的吸水性。
[0028]表4 =HAD和LAD UD結構體的吸水性
[0029]
水中時間
纖維類型乾重(g) 溼重(g) 重量增加(%)__(分鐘)____
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]在另一實例中，使用具有1680dtex的低線性質量密度(LLMD)並且用PrinlinB7137HV基體浸潰的T100 Twaron?纖維製造2-層HAD和4-層LAD UD結構體。使用具有高線性質量密度(HLMD)，例如大於2000dtex的線性質量密度的T1000 Twaron?纖維製造類似的2-層HAD和4-層LAD UD結構體。在一個實例中，HLMD纖維的線性質量密度大於3000dtex。在測試的具體例中，HLMD纖維的線性質量密度為3360dtex。使用具有2200dtex的中間線性質量密度(ILMD)的T2000 Twaron?纖維也製造類似的2-層HAD和4-層LADUD結構體。其中，2-層結構體以F/0° /90° /F構成由2UD層組成，其中每層具有104g/m2的纖維面密度，和4-層結構體以F/0° /90° /0° /90° /F構成由4UD層組成，其中每層具有47g/m2的纖維面密度。在2-層和4-層結構體中，以17%幹樹脂含量存在PrinlinB7137HV基體並且使用由 Raven Industries (S1ux Falls, SD)作為 N025C供給的 6.4 μ m厚LLDPE膜。對於6個UD 結構體，使用.357Mag (Remington Arms Company, Inc., Madison, NC,)和 9_ DM41 彈體(RUAG Ammotec AG, Switzerland)進行彈道測試。通過切割 400x400mm 的層，然後將15層堆疊並且在各角將各板縫合而製成用於.357Mag彈體的具有4-層LAD UD結構體的測試板。通過切割400x400mm的層，然後將13層堆疊並且在各角將各板縫合而製成用於.357Mag彈體的具有2-層HAD UD結構體的測試板。通過切割400x400mm的層，然後將19層堆疊並且在各角將各板縫合而製成用於9mm DM41彈體的具有4-層LAD UD結構體的測試板。通過切割400x400mm的層，然後將16層堆疊並且在各角將各板縫合而製成用於9mm DM41彈體的具有2-層HAD UD結構體的測試板。
[0031 ] 圖2示出6個UD結構體各自對於兩種彈體的V5tl值。如圖2所示，在LLMD的情況下，從4-層LAD UD到2-層HAD UD,對於.357Mag和9mm DM41彈體都存在V5tl值的顯著減小。但是，2-和4-層HLMD UD結構體表現得實質上相同。同樣地，對於.357Mag彈體，2-層和4-層ILMD UD結構體的V5tl值實質上相同。對於9mm DM41彈體，4-層ILMD UD結構體的V5tl值稍高於2-層ILMD UD結構體的V5tl值。
[0032]儘管在例示的實例中示出了特徵的組合，但並不需要將它們中的全部組合以實現本申請的各個實施方案的優勢。換言之，根據本申請的實施方案設計的體系未必包括任一附圖中所示的全部特徵或者附圖中示意地表示的所有部分。而且，一個例示實施方案的選擇特徵可以與其他例示實施方案的選擇特徵組合。
[0033]上述說明實質上是例示而非限制。對於本領域技術人員，對公開的實例的改變和變形可能變得顯而易見並且未必脫離本申請的本質。只有通過研究下述權利要求才能夠確定對本申請給予的法律上的保護範圍。
【權利要求】
1.彈道物品，包括: 至少一個片材，該片材在聚合物基體材料中包含纖維，其中該纖維具有大於2000dtex的線性質量密度，由ASTM D1907測定，並且該至少一個片材的每個片材中的纖維具有大於100g/m2的總面密度。
2.權利要求1的彈道物品，其中該線性質量密度大於3000dtex，由ASTMD1907測定。
3.權利要求1的彈道物品，其中該纖維為對-芳族聚醯胺纖維。
4.權利要求1的彈道物品，其中該基體為苯乙烯和異戊二烯的嵌段共聚物。
5.權利要求1的彈道物品，其中該至少一個片材具有15-20重量％的聚合物基體材料。
6.權利要求1的彈道物品，其中該至少一個片材包含多個片材，其中每個片材具有與緊鄰的層的纖維取向相差90°的纖維取向偏移。
7.權利要求1的彈道物品，還包括在該物品的至少一個外表面上設置的聚合物膜。
8.權利要求7的彈道物品，其中該聚合物膜為聚乙烯膜。
9.權利要求1的彈道物品，其中該纖維具有1850-2500mN/tex的韌度，根據ASTMD7269-07 測定。
10.權利要求9的彈道物品，其中該纖維具有1850-2200mN/tex的韌度，根據ASTMD7269-07 測定。
11.權利要求9的彈道物品，其中該纖維具有2200-2500mN/tex的韌度，根據ASTMD7269-07 測定。
12.權利要求1的彈道物品，其中該纖維具有60-100GPa的模量，根據ASTMD7269-07測定。
13.權利要求12的彈道物品，其中該纖維具有60-80GP的模量，根據ASTMD7269-07測定。
14.權利要求12的彈道物品，其中該纖維具有80-100GPa的模量，根據ASTMD7269-07測定。
15.權利要求1的彈道物品，其中該至少一個片材包含兩個片材，並且彈道物品具有大於500m/s的使用.44Magnum Speer子彈的彈道性能測試的V50值，根據MIL-STD662F測定，和大於430m/s的使用9mm或.357Magnum Remington子彈的彈道性能測試的V5tl值，根據MIL-STD662F 測定。
16.權利要求1的彈道物品，其中該至少一個片材包含兩個片材，和其中浸入水中10分鐘後該物品的重量增加百分率小於20%，並且浸入水中60分鐘後該物品的重量增加百分率小於30%。
17.彈道物品，包括: 兩個片材，每個在苯乙烯和異戊二烯嵌段共聚物基體材料中包含對-芳族聚醯胺纖維，其中每個片材中的纖維具有大於2000dtex的線性質量密度，由ASTM D1907測定，並且每個片材中的纖維具有大於100g/m2的總面密度,和其中使用.44Magnum Speer子彈的彈道性能測試的V5tl值大於500m/s，根據MIL-STD662F測定，並且使用9mm或.357MagnumRemington子彈的彈道性能測試的V5tl值大於430m/s，根據MIL-STD662F測定
18.權利要求17的彈道物品，在該物品的至少一個外表面上還包括聚乙烯膜。
19.權利要求17的彈道物品，其中該纖維具有1850-2500mN/tex的韌度，根據ASTMD7269-07 測定。
20.權利要求17的彈道物品，其中該纖維具有60-100GPa的模量，根據ASTM D7269-07測定。
【文檔編號】B32B27/00GK104169081SQ201380005739
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年1月17日 優先權日:2012年1月17日
【發明者】J·萬希爾登, J·麥克尼爾, C·帕特, M·託爾裡, J·威爾森, M-J·德哈斯 申請人:巴爾戴公司, 帝人芳綸有限公司