製造防彈製件的改進方法

2023-05-26 15:40:36 1

專利名稱:製造防彈製件的改進方法
製造防彈製件的改進方法
本發明涉及一種製造防彈製件的方法，所述防彈製件由片材的疊層形成，其中每 片片材包含一層或更多層防彈纖維的單層。本發明還涉及防彈製件以及真空袋在防彈製件 製造中的用途。
對於特定面密度提供更高性能的防彈製件具有日益增長的需求。例如，安裝在軍 用頭盔上的數量不斷增加的電子監視裝備導致頭盔笨重的問題，因此需要提供相同防彈性 能但質量較輕的頭盔。另外，為了對車輛提供加強的防彈保護，需要將防彈層的厚度增加至 某一點，在該厚度下，防彈層開始影響車輛的機動性和操作性。除了增加的防彈性能外，對 防彈製件的持續需求也需要更短的生產周期來增加產量。
防彈製件也可能經常長時間地暴露在高溫下。防彈製件有足夠的尺寸穩定性來保 持它們的形狀是重要的，這樣它們的功能性能不會受影響。一個例子是與汽車發動機相鄰 放置的防彈板。用於車輛的防彈板必須足夠厚以獲得所期望的防彈性能，防彈板即使很小 的尺寸變化也會導致板子對車輛框架施加壓力，因而影響車輛的結構完整性。另一個例子 是頭盔和背心經受高溫環境(例如在車廂中)。因而，為上述個人防護而設計的防彈製件在 經受高溫環境時也要有良好的尺寸穩定性，以保證它們舒適地適合穿著者的身體。
本發明的一個目的在於提供一種防彈製件和防彈製件的製造方法，該製造方法至 少克服了部分上述問題。
該目的採用如下用於製造防彈製件的方法而實現，所述方法包括如下步驟
a.通過疊加2片或更多片片材形成片材的疊層(「疊層」)，每片片材包含一層或 更多層防彈纖維和可選熱塑性粘合劑的單層；隨後
b.使所述片材的疊層經受低氣壓環境；以及
c.在保持所述低氣壓環境的同時，使所述片材的疊層在升高的溫度下經受至少 IOMPa的壓力。
令人驚訝的發現，在對疊層應用低氣壓環境的同時在升高的溫度下壓縮該疊層使 防彈性能產生了令人驚訝的增加，這根據材料的比能量吸收(SEA)測定。優選地，所述片材 是單向片材，其中在所述疊層中，所述防彈纖維在單層中的方向與相鄰單層中的纖維方向 成角α。然而也可以使用其他形式組裝和取向的纖維。例如在另一個實施方式中，片材是 紡織片材。
本發明的方法解決了提高防彈性能的問題。本發明從疊層SEA增大的結果中獲得 了幾個額外的優點
1.與按照慣例製造的防彈製件相比，防彈性能增大的防彈製件可以被製成具有相 同的面密度。
2.可以製成的防彈製件具有與通過常規技術製成疊層相同防彈性能，但更輕、更 密實(compact)。
在本發明的一個實施方式中，提供了一種包含片材的疊層的防彈製件，每片片材 包含一層或更多層聚乙烯防彈纖維和熱塑性粘合劑的單層，其特徵在於，所述防彈製件的 比能量吸收(SEA)大於145J/kg/m2，所述製件在90°C下存儲160個小時後的最大厚度增量％在901下測定小於8%。
優選地SEA大於147J/kg/m2，更優選大於149J/kg/m2，甚至更優選大於151J/kg/ m2，最優選大於153J/kg/m2。最大厚度變量％小於7. 5%，更優選小於7. 0%，甚至更優選小 於6.5%，最優選小於6.0%。
業已發現，本發明的防彈製件可以通過施加先前所述的真空和壓力來製備。
應當認識到，描述用方法限定的防彈製件的不同實施方式也適用於單獨描述防彈 製件的實施方式。
握
根據本發明的防彈製件包含片材的疊層。片材除了包括由防彈纖維製成的單層的 疊層外還包含由防彈纖維製成的紡織片材或無紡片材(即毛氈結構)。
優選地，這些片材是單向片材，其包含一層或更多層單向取向的防彈纖維和粘合
劑的單層。
術語「單向防彈纖維的單層」指的是一層單向取向的防彈纖維，即在一個平面中基 本上平行取向的防彈纖維。在本發明的這個方面中，纖維在單層中的方向優選與在相鄰單 層中的纖維方向成角α。角α優選介於5°和90°之間，更優選介於45°和90°之間，最 優選介於75°和90°之間。
根據本發明的製件包含至少2片片材，優選包含至少40片片材，更優選包含至少 80片片材，甚至更優選包含至少120片片材，最優選包含至少160片片材。
術語「防彈纖維」不僅包括單絲，還包括復絲紗線和帶。
纖維的形成
根據本發明疊層中的防彈纖維優選具有至少約1. 2Gpa的拉伸強度(依照ASTM D2256測定)和至少40Gpa的拉伸模量。這些纖維的拉伸強度優選至少2Gpa，更優選至少 2. 5Gpa，最優選至少3Gpa。這些纖維的優點是，它們具有非常高的拉伸強度，所以特別適用 於例如輕質量、結實的製件中。
優選地，每條防彈纖維絲的細度小於5旦尼爾每絲(dpf)，更優選小於3dpf，甚至 更優選小於2dpf，最優選小於1. 5dpf。
這些防彈纖維可以是無機纖維或有機纖維。
合適的無機纖維是例如，玻璃纖維、碳纖維和陶瓷纖維。
具有上述高拉伸強度的合適有機纖維是例如，芳族聚醯胺纖維(通常指的是芳綸 纖維)，尤其是聚(對苯撐對苯二甲醯胺)；液晶聚合物和梯狀聚合物纖維，諸如聚苯並咪 唑和聚苯並噁唑，尤其是聚(1，4-苯撐-2，6-苯並二噁唑)(PBO)或聚(2，6-二咪唑並[4， 5-b-4，，5，-e]吡啶-l，4-(2，5-二羥基)苯撐)(PIPD，也指M5)；和通過例如凝膠紡絲工藝 得到的例如聚烯烴(如聚乙烯和聚丙烯)纖維、聚乙烯醇纖維和聚丙烯腈纖維(這些纖維 是高度取向的)。
更優選地，芳族聚醯胺纖維，尤其是聚(對苯撐對苯二甲醯胺)；液晶聚合物和梯 狀聚合物纖維，諸如聚苯並咪唑和聚苯並噁唑，尤其是聚(1，4-苯撐-2，6-苯並二噁唑) (PBO)或聚(2，6_ 二咪唑並[4，5-b-4，，5，-e]吡啶_1，4-(2，5-二羥基)苯撐)；和超高分 子量聚乙烯被用作防彈纖維。
在本發明的一個實施方式中，防彈纖維由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)絲組成，這些絲通過例如GB 2042414A,W0 01/73173 或「Advanced Fibre Spinning Technology"(Ed. Τ. Nakajima, WoodheadPubl. Ltd (1994)，ISBN 1855731827)中所描述的凝膠紡絲工藝來制 備。這些UHMWPE纖維的使用導致每單位重量具有非常良好的防彈性能。凝膠紡絲工藝基 本上由以下步驟組成製備具有高特性粘度的線性聚乙烯的溶液；將該溶液在高於溶解溫 度的溫度下紡成絲線；將絲線冷卻到凝膠溫度以下，結果產生凝膠；並且在除去溶劑以前、 期間或以後拉伸絲線。
在凝膠紡絲實施方式中，優選使用線性聚乙烯。線性聚乙烯在本文中被理解為意 指，每100個C原子具有小於1個側鏈，優選每300個C原子具有小於1個側鏈的聚乙烯，其 中側鏈或支鏈通常包含至少10個C原子。如EP 0269151中所提到的，側鏈適於通過FTIR 在2mm厚的壓塑膜上測定。線性聚乙烯還包含至多5mol%的一種或更多種可與其共聚的其 它烯烴，例如丙烯、丁烯、戊烯、4-甲基戊烯、辛烯。優選地，具有高摩爾質量的線性聚乙烯的 特性粘度(IV，在135°C下十氫化萘的溶液中測定)為至少4dl/g，更優選為至少8dl/g，最 優選為至少10dl/g。這種聚乙烯也被稱為超高摩爾質量聚乙烯。特性粘度是分子量的量 度，它比例如Mn和Mw的實際摩爾質量參數更易確定。IV和Mw之間存在一些經驗關係，但這 些關係高度依賴於分子量分布。基於方程Mw = 5. 37X 104[IV]137 (參見EP 0504954A1)，4 或8dl/g的IV分別相當於約360或930kg/mol的Mw。
片材或單層中防彈纖維的單位面積重量優選在5至250g/m2的範圍內，更優選在 10至200g/m2的範圍內，最優選在20至150g/m2的範圍內。
在根據本發明的方法中，疊層可以從包含單一單層的片材開始製造，而非由2層 或更多層單層形成的片材(優選單向片材)開始製造。但是，包含單一單層的片材難以處 理，因為其容易沿纖維方向撕裂。因此優選的是，從含有2到8層(通常為2、4或8層)單 層的固結單層組件或片材製成疊層，其中所述單層以相對於纖維方向成一定角度(例如以 交叉方式)放置。「固結的」意在表示單層間彼此牢固連接，所以這些單層在室溫、常規使用 條件下不會分層。
這些纖維也可以取向形成紡織片材或無紡片材。
本發明的片材可以由不同方法製造，例如通過輥間的壓輥，或者通過壓製成型。如 果單層組件(即包含單層的片材)也在高溫、可選高壓下被壓縮，隨後在高壓下(優選在至 少5MPa的壓力下，甚至更優選在與前面的步驟中的相同的壓力下)冷卻，則獲得良好的結 果。如果經濟條件允許，也可以在本發明範圍內通過使用真空和高壓的結合來形成單向片 材。
扁帶的形成
在本發明的一個具體實施方式
中，防彈纖維是帶。所述帶優選由聚烯烴製成。為了 本發明的目的，帶(或扁帶)是橫截面的縱橫比為至少5 1、更優選至少20 1、甚至更 優選至少100 1、還要甚至更優選至少1000 1的纖維。所述扁帶的寬度優選介於Imm 到600mm之間，更優選介於1. 5mm到400mm之間，甚至更優選介於2mm到300mm之間，還有 甚至更優選介於5mm到200mm之間，最優選介於IOmm到180mm之間。所述扁帶的厚度優選 介於10 μ m到 200 μ m之間，更優選介於15 μ m到100μ m之間。
在防彈纖維是扁帶的實施方式中，扁帶可以被製成膜的形式。帶可以包括膜或由 膜製成。形成所述膜或帶優選方法包括將聚合物粉末裝入一組環帶之間；在低於聚合物粉末熔點的溫度下對其進行壓縮模製；並且輥壓所得到的壓縮模製聚合物，然後拉伸。這 樣的方法在例如歐洲專利0733460A2中有所描述，通過引用結合與此。如果有需要，在裝載 和壓縮模製聚合物粉末前，可以將聚合物粉末與沸點高於所述聚合物熔點的合適的液體有 機化合物混合。壓縮塑模也可以通過如下實施將聚合物粉末暫時保留在環帶間，同時運 送該聚合物粉末。該過程可以通過例如與環帶相連的擠壓壓盤和/或輥來實現。優選地， UHMWPE用在該方法。該UHMWPE需要在固態下是可拉伸的。商用固態可拉伸UHMWPE的例子 包括由 Ticona 生產的 GUR4150 (TM)、GUR4120 (TM)、GUR2122 、GUR2126 ；由 Mitsui 生產的 Mipelon XM220 禾口 Mipelon XM221U ；由 Montell 生產的 1900 、HB312CM 、HB320CM 。
另一種形成膜的優選方法包括將聚合物裝入擠出機；在高於膜熔點的溫度下擠 出膜；拉伸經擠出的聚合物膜。如果需要，在將聚合物裝入擠出機前，聚合物可與合適的液 體有機化合物混合，例如形成凝膠，在使用超高分子量聚乙烯時優選這樣。
優選地，聚乙烯膜通過前面關於纖維形成中所描述的凝膠工藝來製備。簡言之，關 於帶的形成相關的凝膠紡絲工藝包括製備具有高特性粘度的聚烯烴溶液；將該溶液在高 於溶解溫度的溫度下擠成膜；將膜冷卻到凝膠溫度以下，從而使膜至少部分凝膠；並且在 至少部分除去溶劑以前、期間或以後拉伸膜。
所制膜的拉伸(優選單軸拉伸)可以用現有技術已知的手段進行。這樣的手段 包括在合適的拉伸單元上的擠出拉伸(extrusion stretching)和伸長拉伸(tensile stretching) 0為了獲得提高的機械強度和剛度，拉伸可以通過多個步驟進行。在優選的超 高分子量聚乙烯膜的例子中，拉伸通常通過多個拉伸步驟以單軸方式進行。第一個拉伸步 驟例如包含拉伸至伸長係數為3。多步拉伸通常導致對於至多120°C的拉伸溫度伸長係數 為9，對於至多140°C的拉伸溫度伸長係數為25，對於至多且高於150°C的拉伸溫度伸長系 數為50。通過在升高的溫度下多步拉伸可能達到約50或更大的伸長係數。這得到高強度 的帶，其中，對超高分子量聚乙烯的帶來說，強度範圍優選為1.2GPa至3GPa，而且容易獲得 更高的強度。
在纖維是帶的實施方式中，帶除了形成單向單層或片材外還可以取向形成紡織片 材。
熱塑性粘合劑
片材優選地包含熱塑性粘合劑，特別在片材是單向片材的實施方式中。術語「粘 合劑」指將單層或片材中的防彈纖維粘合或保持在一起的物質。該粘合劑可以全部或部分 包封防彈纖維，從而在處理和製備片材期間單層結構被保留。粘合劑可以以各種形式和方 式使用，例如作為薄膜(通過其熔融至少部分覆蓋防彈纖維)，作為橫向粘合帶和作為橫向 纖維(相對於單向纖維為橫向)，或用基質材料浸漬和/或包埋纖維(所述基質材料例如 為熔融聚合物或聚合材料在液體中的溶液或分散液)。優選地，基質或粘合劑材料被均勻 地分布在單層的整個表面上，而粘合帶或粘合纖維可以局部施用。例如EP 0191306BUEP 1170925AUEP 0683374B1 和 EP1144740A1 中描述了適當的粘合劑。
熱塑性粘合劑的優點是，粘合劑釋放低水平的揮發性氣體，特別在升高的溫度下。 優選地，粘合劑是斷裂伸長率優選大於纖維伸長率的熱塑性材料。粘合劑優選具有2-600% 的伸長率，更優選具有4-500%的伸長率。例如WO 91/12136A1 (第15-21頁)中列舉了適 當的熱塑性粘合劑材料。優選的熱塑性材料是熱塑性聚合物聚氨酯、乙烯基聚合物、聚丙烯酸類、聚烯烴；或者熱塑性彈性嵌段共聚物，諸如聚異戊二烯_聚乙烯_ 丁烯_聚苯乙烯 或聚苯乙烯-聚異戊二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物，優選作為粘結劑材料。
在一個實施方式中，粘合劑由熱塑性聚合物組成，這些粘合劑優選完全塗敷到單 層中所述纖維的每根細絲上，並且這些粘合劑具有至少250MPa、更優選至少400MPa的拉伸 模量(根據ASTM D638在25°C下測定)。這種粘合劑與熱固性聚合物相比具有降低的揮發 性氣體釋放量。結果，更容易保持低氣壓環境中的絕對壓力。
在另一個實施方式中，粘合劑由熱塑性聚合物組成，這些粘合劑具有小於250MPa、 更優選小於lOOMPa、甚至更優選小於40MPa、還有甚至更優選小於20MPa、最優選小於2MPa 的拉伸模量(根據ASTM D638在25°C下測定)。
優選地，粘合劑以在水中的分散體形式應用。合適的粘合劑材料的例子包括丙烯 酸酯、聚氨酯、改性的聚烯烴和乙烯乙酸乙烯酯。
用熱塑性粘合劑材料浸漬增強纖維例如可以通過如下實現將一層或者多層熱塑 性薄膜施加到纖維平面的頂面、底面或者兩側，然後連同纖維一起將這些通過熱壓輥。然而 優選地，纖維在一個平面中以平行的方式取向之後被一定量的含有單層的熱塑性粘合劑材 料的液體物質塗布。其優點是實現纖維的更快速、更好的浸漬。液體物質可以是例如熱塑 性塑料的溶液、分散液或者熔體。如果熱塑性塑料的溶液或者分散液用於製造單層，則該方 法還包括蒸發溶劑或者分散劑。
可選地，粘合劑可局部橫跨防彈纖維，從而在保證防彈纖維有足夠的穩定性來處 理和加工下(片材的疊層在隨後的真空處理步驟中所經歷的步驟)儘量減少粘合劑的用量。
粘合劑在片材中的用量，相對於疊層中防彈纖維和粘合劑的總質量，優選為至多 30wt%，更優選為至多20wt%，甚至更優選為至多15wt%，最優選為至多IOwt %。為了在 片材中提供足夠的穩定性，粘合劑在片材中的用量相對於疊層中防彈纖維和粘合劑的總質 量，優選為至少3wt %，更優選為至少5wt %。在本發明的一些實施方式中，不需要向纖維加 入額外的粘合劑。例如，用紡織扁帶製成的疊層不需要添加粘合劑就可以在加工時有足夠 的穩定性。通常，粘合劑含量越低，單向片材疊層的SEA越高。
根據本發明的疊層的重量(在說明書中也指作面密度)在寬度範圍內分布，涵蓋 了柔性和剛性結構。已在低至約2. Okg/m2或更低水平的面密度下觀察到根據本發明施加 真空的有益效果。但是，疊層的面密度優選至少6. Okg/m2，更優選至少8. Okg/m2。在另一個 實施方式中，諸如與裝甲車中使用的疊層相關的那些疊層，使用的面密w度為至少15kg/m2， 更優選為至少20kg/m2，甚至更優選為至少30kg/m。
在本發明範圍內，通過在疊層中使用更大量的單層或片材所獲得的更高面密度可 以產生特別好的防彈性能。
低氣壓環境
我們發現根據本發明低氣壓環境與高壓結合應用與單獨應用高壓相比以無法估測方式改變了疊層的面密度，這使得所得技術效果甚至更加出乎意料。
低氣壓環境指的是氣壓低於1個大氣壓(約0. IMPa)的環境。為了向疊層施加低 氣壓環境，將抽吸源或真空源連接到限定低氣壓環境的罩子(enclosure)上。
優選地，罩子用柔性材料形成，這樣當向罩子施加真空時，柔性材料在疊層周圍伸展，從而穩定並防止形成疊層的片材間的相對運動。通過用柔性材料固定疊層，可以在生產 周期中快速、有效地處理和運送疊層。這有加快生產和/或用更低量的粘合劑穩定疊層的 優點。
在一個實施例中，疊層被放置於真空袋中，其中真空源(例如真空泵)能夠使真空 袋中的氣壓降低至低於大氣壓。真空袋優選這樣配置，它完全包圍疊層，從而真空可通過真 空口施加於疊層。優選地，真空袋是柔性聚合物片材，其全部包圍模製件，並且含有一個由 其向真空袋的氣體環境應用抽吸的開口或真空口。然而，在一些實施方式中，低氣壓環境是 通過真空袋與剛性表面(如模具)相結合所定義的真空室。
優選地，真空口原位形成(即真空袋是通過熱封聚合物片材形成的，其中真空袋 上留有孔作為真空口)，然後在真空用於真空袋後封上真空口。在一個示例性的實施方式 中，真空袋由至少一種聚合物片材形成。至少一種聚合物片材可以預先形成真空袋或原位 形成。當真空袋是原位形成時，聚合物片材的兩個表面夾在疊層周圍，從而形成含有真空口 的罩子。真空通過真空口施加於疊層後，優選熱封罩子，從而形成真空袋。
真空袋優選地由熔融溫度高於真空袋加工溫度的聚合物片材製成，例如由聚乙烯 (特別是低密度聚乙烯)、聚丙烯、聚酯或聚醯胺製成。也可以使用多層層壓結構，例如，由 低密度聚乙烯層、聚醯胺層和界面「連接」層組成的三層聚合物層壓結構，該結構具有有利 的流變特徵能夠使低密度聚乙烯層和聚醯胺層擠成層壓膜。在另一個實施方式中，形成至 少部分真空袋的層壓層包含鋁箔層，其起到防火層的作用。
真空袋可被設計用於單一用途或多用途應用，其中真空袋的組成和厚度可以用現 有技術已知的手段調整。當真空袋被設計用來形成最終防彈製件的一部分時或當真空處理 步驟和壓縮步驟在不同場所進行由此重複使用真空袋不經濟時，優選單一用途的真空袋。
在一個具體的實施方式中，真空袋由熔融溫度等於或低於最高真空袋加工溫度 (步驟c)的聚合物片材製成。優選地，聚合物片材的熔點比最高真空袋加工溫度(步驟C) 低不超過10攝氏度(°C)，更優選不超過5°C。出乎意料地發現，熔點等於或低於真空袋的 最高加工溫度的真空袋仍然能產生本發明的技術效果。
在一個優選的實施方式中，真空袋在加工過程中形成防彈製件的組成部分。在疊 層的外層包含真空袋的聚合物片材時，可以為防彈製件的外表面增加額外的功能性。特別 是，通過應用由良好可印性聚合物材料製成的真空袋或已被處理(例如電暈放電)以增強 其可印性的聚合物材料製成的真空袋可以增強外層的可印性。
真空袋也可以從至少一種印刷的聚合物片材中製備，這樣通過使真空袋的至少一 個表面結合至防彈製件的外表面使該防彈製件獲得印刷的外層。使真空袋結合到防彈製件 的表面有如下優點通過省略至少一個在壓縮周期後的加工步驟縮短了製造最終製件的加 工時間。
通過使用與疊層外表面形成整體結合(integral bond)的真空袋材料可以使真空 袋結合到模製件的外表面上，同時仍形成整體密封，這樣在應用高壓循環時保持真空。這可 以通過使用接合劑或粘合劑以將真空袋的表面結合到防彈製件的表面來實現。可選地，真 空袋可由軟化點低於最高加工溫度(步驟c)的材料製成，這樣材料在加工過程中便結合到 外表面。優選地，真空袋材料的軟化點比最高加工溫度(步驟c)低不超過40°C，更優選不 超過30°C，最優選不超過20°C。優選地，將熱活化粘合劑預塗在真空袋的內表面，其中熱壓縮周期使粘合劑活化，從而在真空袋的表面和防彈製件的外表面之間形成結合。
可選地，真空袋的至少一側或者一部分可以包含熔融溫度低於最高壓縮周期溫度 的聚合物組合物，從而在壓縮周期過程中真空袋的至少一側或者一部分熱熔合到防彈製件 的外層上。
在操作中，如之前所述疊層被插入真空袋中，其中真空源應用於真空袋的內容物。 優選地，低氣壓環境中的絕對氣壓不超過O.OlMPa。更優選低氣壓環境中的絕對氣壓不超過 0. 005MPa,甚至更優選不超過0. OOlMPa,最優選不超過0. 0005MPa。通常，較低的壓力水平 相應於提高的防彈性能。真空度從真空計或通常與真空源相連的其它測量方式中測定。
為了達到所要求的絕對壓力，低氣壓環境優選與真空源相連至少20秒，更優選至 少60秒，最優選至少180秒。確切的真空處理時間取決於真空口、真空袋和疊層的構造。例 如，在防彈製件由大量單向片材(例如，超過100片)形成的實施方式中，需要更長的時間 來保證整個低氣壓環境中的氣壓達到平衡水平(即整個袋子的壓力基本是一樣的)。確切 的真空處理時間可由本領域普通技術人員通過常規實驗確定。
真空加工步驟(b)可以在專用的真空壓機中進行，其中疊層被置於包含真空口的 真空袋中，並被置於真空壓機中。然後真空袋被封入處於低氣壓的室中。真空步驟完成後， 真空口優選被熱封，並從壓力機中取出袋裝疊層。
使用專用真空壓機的實施方式的優點是可以事先真空壓縮一定數量的疊層，以 確保高壓加工裝置的生產率最大化。實際上，疊層可以被真空包裝、存儲並運輸到不同生產 設備以在專用的高壓機中進行壓縮周期。結果，在壓縮周期前，疊層可以在真空下從短至30 秒到不超過3小時，更優選不超過4小時，在一些實施方式中，不超過2天，優選不超過3天 或更多天。
將疊層真空包裝的優點是可以確保單層或單層的預製組成疊層處於在對粘合劑 材料和/或小心處理依賴度更低的情形。因而，可以同時提高生產速度和提高防彈性能。
可選地用專用真空壓機，疊層可在真空室中暴露於低氣壓環境，該真空室形成了 加壓裝置(例如液壓機)的一部分。
在疊層僅部分被真空袋包住的實施方式中，優選地真空袋與造型設備的構件相 連，如此疊層便被真空袋或真空包的柔性片材和造型設備的硬性表面的組合全部包圍。優 選地，真空孔或口均勻地分布在造型設備的主體上。孔的均勻分布避免了真空在疊層上分 布不均勻。在一些實施方式中，連接各真空孔以使造型設備內的內腔具有真空，該造型設備 與連接於真空泵的反向密封截止閥和真空管相連。
本發明的另一個實施方式提供了真空在製造防彈製件(特別是由防彈纖維製成 的防彈製件)中的用途。優選地，真空的使用通過前面所描述的真空袋得以實現。
在一個優選的實施方式中，固結步驟(C)構成如下所述壓縮周期的一部分。
壓縮周期
疊層被置於低氣壓環境後，疊層優選地在升高的溫度下經受壓縮周期。在升高的 溫度下壓縮意指，使疊層在足夠高以至於粘合劑模量足夠低的壓縮溫度下經受給定的壓力 特定的壓縮時間，該壓縮溫度例如在粘合劑的玻璃化轉變溫度或熔融溫度之上，但低於纖 維的軟化點或熔點。所需壓縮時間和壓縮溫度取決於纖維和粘合劑的種類以及模製件的厚 度，其可以由本領域普通技術人員容易地確定。熔融或反應期間的溫度通常被選成低於防彈纖維由於例如熔融而損失其高機械性質的溫度。
壓縮周期的第一步是使疊層預熱至足以使疊層固結(即片材間良好粘合)的溫度。
在疊層由熔點相對低的防彈纖維(諸如聚烯烴)形成的實施方式中，通常將疊層 預熱至溫度比防彈纖維的熔點低至少10°C，優選低至少20°C，更優選低至少25°C。
在UHMWPE (通常具有155°C的熔融溫度)的例子中，通常選擇的溫度低於145°C， 更優選低於135°C。最低溫度通常被選定來確定合理的固結速度。從這方面來說，50°C是適 當的溫度下限，優選溫度下限為至少75°C，更優選為至少95°C，最優選為至少115°C。在一 個示例性實施方式中，由UHMWPE纖維製成的疊層被加熱至120°C到130°C間的溫度。依據 所用材料固有的特定傳熱參數，預熱步驟通常進行10分鐘至2小時。
壓縮周期的第二步是高壓壓縮步驟，其中，疊層由加壓裝置在至少lOMPa、更優選 至少12MPa、更優選至少15MPa、甚至更優選至少20MPa、還有甚至更優選至少25MPa、最優選 至少30MPa的負荷下進行壓縮。壓縮周期通常在第一步完成前就進行(即疊層溫度還在升 高)。疊層暴露於高壓條件的時間通常在5到100分鐘之間，這取決於下列加工條件，諸如 溫度、壓力、組合物和疊層中單向片材的數量。
壓縮周期的第三步是隨後將疊層冷卻至低於100°C、優選低於80°C、更優選低於 60°C的溫度。在一個優選的實施方式中，疊層在壓力(優選至少5MPa)下、更優選在與前面 施壓步驟相同的壓力下冷卻。
通過本發明的方法所得到的防彈製件優選是彎曲的模製件，例如頭盔或與車輛板 材的輪廓相符的裝甲板。
在防彈製件是彎曲製件的實施方式中，步驟(C)進一步包括將疊層置於模具(疊 層發生的固結地方)中，並且通過加壓裝置對模具至少部分加壓。所述模具包括至少一個 以彎曲或成型製件形式的模具部件(與疊層的頂表面和/或底表面適形)和/或外圍模具 部件。
所得防彈製件具有優異的防彈性能。
本發明還涉及可根據以前所描述的製造防彈製件的方法得到的防彈製件。具體 地，如以前所描述的防彈製件與傳統防彈製件相比顯示出特有機械性能。
為了本發明的目的，壓力的單位是百萬帕斯卡(MPa)或bar，其中IMPa等於 IObar0
實施例
實施例1
73片單向片材(約為40CmX40Cm)組成疊層，其中每片片材由兩層以90度角交叉 放置的單層組成。防彈纖維是高度拉伸的UHMWPE纖維，其中強度為約36cN/dteX，模量為 約1180cN/dtex，細度為約2旦每條橫截面縱橫比為約1的絲線。每個單層包含相對於單 層的總重量20重量％的粘合劑，粘合劑由拉伸模量值為約IMPa(在25°C下根據ASTM D638 測定)的聚苯乙烯-聚異戊二烯-聚苯乙烯三嵌段共聚物組成(得自KratonPolymers)， 其以水性分散劑形式使用。單向片材的面密度是265g/m2。疊層/防彈製件的面密度為約 19kg/m2。[0090]疊層被置於聚醯胺6的真空袋中，其中，通過被設計用來真空密封聚合物膜中制 件的獨立設備施加真空壓力的方式，向疊層施加約5mBar (5X I(T4MPa)低氣壓。由真空袋的 開口抽吸約25秒，然後熱封該袋，並從真空源中取出。
然後，將在低氣壓環境中密封的疊層轉移到熱液壓機。將疊層加熱至高於60°C，然後向疊層施加300bar(30MPa)的壓力約45分鐘，此刻，所達到的最高溫度為約125°C。保持 300bar壓力的同時，將溫度降至低於80°C，然後打開壓力機，並取出疊層。進一步冷卻後， 從袋中取出疊層/防彈製件。
對比實驗A
對比實驗A中的疊層(組成和結構與實施例1的疊層一樣)用實施例1的疊層的 相同方法加工，除了下列不同
·疊層沒有置於真空袋中，並且沒有經受低氣壓環境；
在施加300bar的壓力前，疊層經受5分鐘的脫氣步驟。脫氣步驟通過如下進行 壓縮疊層至壓力為lObar，打開模具降低壓力(從而疊層經歷大氣壓)，然後在施加300bar 的壓力前等待5分鐘。
實施例2至3
實施例2是實施例1的重複；實施例3與實施例1類似，但固結壓力是165bar。
對比實驗B、C、D和E
對比實驗B是對比實驗A的重複。對比實驗C、D和E等同於對比實驗A，但是用 不同的壓力壓縮，在一個例子中也用了真空。條件如下所示
對比實驗B在30MPa的壓力下，
對比實驗C在16. 5MPa的壓力下，
對比實驗D在2. OMPa的壓力(具有真空5mbar)下，
對比實驗E在2. OMPa的壓力下(沒有真空)。
除了對比實驗E以外，所有實驗都重複進行。
實施例和對比實驗的結果都在表1中。重複測試結果如下所示例如標號B-I和 B-2表示對比實驗B。
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樣品的密度通過如下測試稱取大約50g的樣品(每一個樣品稱取雙份)，將樣品 浸入乙醇中，測量乙醇的排出體積。然後通過樣品重量除以它的體積得到密度，表1中報導 了兩個結果的平均值。
彈道性能
使用Sellier&Belliot，Czech R印ublic 製造的 AK-477. 62X39mmMild Steel Core(MSC)子彈對裝甲板形式的疊層進行射擊測試。第一次射擊在預計50%的射擊將被阻 止的射擊速度(V5tl值)下開火。實際的子彈速度在衝擊前的短距離處測定。如果停止，下 一輪射擊在高於前面速度20m/s的預定速度下開火。如果出現穿孔，下一輪射擊在低於前 面速度20m/s的預定速度下開火。所得到的V5tl值的實驗結果由對數回歸分析確定。子彈 在V5tl下的動能除以板的總面密度，因而得到所謂的SEA值。
表1.防彈測試結果
權利要求
一種用於製造防彈製件的方法，所述方法包括如下步驟a.通過疊加2片或更多片片材而形成片材的疊層，每片片材包含一層或更多層防彈纖維的單層；隨後b.使所述片材的疊層經受低氣壓環境；以及c.在保持所述低氣壓環境的同時，使所述片材的疊層在升高的溫度和至少10MPa的壓力下固結。
2.如權利要求
1所述的方法，其中，所述片材是單向片材，所述防彈纖維在該片材中的 方向與相鄰單層中的纖維方向成角a。
3.如權利要求
1所述的方法，其中，每片片材還包含熱塑性粘合劑。
4.如權利要求
3所述的方法，其中，所述熱塑性粘合劑的含量相對於所述疊層中防彈 纖維和粘合劑的總重量在至少5wt%到至多30wt%的範圍內。
5.如前述權利要求
中任意一項所述的方法，其中，通過將單向片材的所述疊層置於真 空袋中並將真空源連接到所述袋上從而使所述片材的疊層經受低氣壓環境。
6.如前述權利要求
中任意一項所述的方法，其中，所述真空袋的至少一部分形成所述 防彈製件的一部分。
7.如前述權利要求
中任意一項所述的方法，其中，在所述疊層中，每片片材包含兩層或 更多層防彈纖維和熱塑性粘合劑的單層。
8.如前述權利要求
中任意一項所述的方法，其中，所述片材的疊層的面密度為至少 2kg/m2。
9.如前述權利要求
中任意一項所述的方法，其中，所述防彈纖維的橫截面縱橫比大於 5 1。
10.如前述權利要求
中任意一項所述的方法，其中，至少一層單層包含多條纖維，這些 纖維以使纖維形成紡織片材的方式排列。
11.如前述權利要求
中任意一項所述的方法，其中，步驟(c)進一步包括，將所述片材 的疊層置於彎曲模具中，然後使所述疊層在所述彎曲模具中固結，從而形成彎曲的防彈制 件。
12.如前述權利要求
中任意一項所述的方法，其中，步驟(b)和(c)同時進行。
13.—種可通過權利要求
1-12中任意一項所述的方法得到的防彈製件。
14.真空袋在根據權利要求
1-12中任意一項所述的用於製造包含防彈纖維的防彈制 件的方法中的用途，所述真空袋的熔融溫度等於或低於所述方法中步驟(c)中的最高加工溫度。
15.一種包含片材的疊層的防彈製件，每片片材包含一層或更多層聚乙烯防彈纖維和 熱塑性粘合劑的單層，其特徵在於，所述防彈製件的比能量吸收(SEA)大於145J/k/kg/cm2， 所述製件在90°C下儲存160小時後的最大厚度增量在約90°C下測定小於8%。
專利摘要
本發明涉及一種用於製造防彈製件的方法，所述方法包括如下步驟通過疊加2片或更多片片材而形成片材的疊層，每片片材包含一層或更多層防彈纖維和可選熱塑性粘合劑的單層；隨後使所述片材的疊層經受低氣壓環境；以及在保持所述低氣壓環境的同時，使所述片材的疊層在升高的溫度和至少10MPa的壓力下固結。本發明還涉及一種防彈製件。
文檔編號F41H5/04GKCN101990492SQ200980112438
公開日2011年3月23日 申請日期2009年4月1日
發明者埃爾伯特·凡德林克, 漢·霍夫納格爾斯 申請人:帝斯曼智慧財產權資產管理有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan