包括交替的單向層和熱塑塑料層的層壓式防彈結構的製作方法

2023-09-22 06:35:35 2

專利名稱：包括交替的單向層和熱塑塑料層的層壓式防彈結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括交替的單向(UD)層和熱塑塑料層的層壓式防彈(抗衝擊)結構。
背景技術：
包括UD層和熱塑塑料層的層壓式防彈結構在本技術中是已知的。例如，在US 5,935,678中，公開了一種防彈層壓結構，所述防彈層壓結構由若干聚乙烯纖維UD層組成。聚乙烯薄膜位於兩UD層之間。薄膜設置在UD層之間以使各層保持在一起，而不用將單個纖維嵌埋在聚乙烯中。UD層為具有平行單絲的纖維層。然而，通常防彈結構包括纖維如芳族聚醯胺或高密度聚乙烯纖維的防彈層，上述纖維嵌埋入一種橡膠或橡膠狀基體中。這些防彈結構例如在US 4,916,000中作了介紹，其中防彈層的各個單絲(優選的是)完全塗覆有一種熱塑性彈性體材料如Kraton。上述兩種類型防彈結構都有缺點。含有基體材料的通用防彈結構如US 4,916,000的防彈結構顯示出比象US 5,935,678的結構低的抗彈擊性。在較高的基體含量下，這些結構顯示防彈性能隨基體的量增加及另外由於基體材料的重量增加而降低。在不承擔得到不穩定防彈結構的危險情況下，基體的量不能減少太多。如在US 5,935,678中所公開的在UD層之間具有熱塑性薄膜的防彈結構儘管具有很好的防彈性能，但發現在彈擊(見實驗)時極不穩定。因此，對顯示出高抗彈擊性和同時具有高穩定性的防彈結構仍有大量的需要。

發明內容
本發明的目的是提供一種具有高抗彈擊性和高穩定性的層壓式防彈結構。
發現當採用下述層壓式防彈結構時這些目的可得到滿足，所述結構包括一個基本上交替的n個防彈纖維單向(UD)層和m個熱塑塑料層——不包括在該結構的外側面的熱塑塑料層——的層陣列(層組列)，其中1/2n≤m＜n，及該UD層基於幹纖維重量包括1-25重量％的彈性體材料。
本發明的防彈結構顯示出優秀的防彈性能，各層穩定，並且在受彈擊時不脫層(層離)。應該強調的是，它要求相當大量的熱塑塑料層存在，至少是防彈UD層數目的一半。優選的是，每個UD層都與一熱塑塑料層交替，但當有時違犯這種層結構的規律性時，通常也沒有引人注目的影響。為了清楚起見，還應強調的是，可以將兩個或更多個熱塑塑料層設置在兩個UD層之間。因為這些多個熱塑塑料層在生產這些層壓式結構過程中所使用的高壓和高溫下熔合在一起，所以這些多個熱塑塑料層可以認為是根據本發明的一層。當每個UD層的兩面鄰接熱塑塑料層時，熱塑塑料層的數量比UD層的數量多。層壓式結構的外側面可以包括熱塑塑料層，例如在兩側面各有一用作保護膜的熱塑塑料層。在該結構的外側面的這些熱塑塑料層不包括在代表其它熱塑塑料層數的數目「m」中。當不設置這些熱塑性外層時，可以設置任何其它合適材料的保護層。而且，即使當層壓式結構的外側面具有熱塑塑料層時，如果希望的話，另外還可以在其上設置任何其它合適材料的保護層。還應強調的是，本發明的結構尤其適用於做成層壓式硬防彈結構。當該多個層包含許多層時，這些結構很少適用或不適用於軟防彈結構。對硬防彈應用，UD層數通常多於5層，更優選的是多於8層。很普遍的是應用8-25個UD層，並在這些層的每層之間或是至少在這些層的大多數層之間施加一個熱塑塑料層。
還發現，單獨使用熱塑塑料層來固定各UD層，儘管得到出色的防彈性能，但不足以維護穩定的防彈結構。已發現在壓緊和加熱層壓式結構之後，熱塑塑料層與UD層強烈接觸，但熱塑塑料沒有完全包圍並完全浸漬每根纖維。因此，可以認為該結構沒有足夠的穩定性。發現當用小量彈性體材料作基體材料時，能得到所希望的穩定性。該量通常顯著地小於現有技術防彈結構中所用的量。另外，不需要如先有技術情況下優選的那樣使該基體完全塗覆各單絲。這樣該基體可用來達到不同的目的，因為它不再固定UD層，而只是防止UD層脫層。這樣的固定利用各UD層之間的熱塑塑料層得到。
合適的熱塑塑料是例如聚乙烯和聚丙烯，而彈性體基體通常是一種橡膠或橡膠狀(似橡膠)材料，如通常用，於防彈結構中的Kraton或聚氨酯樹脂。也可以用其它一些材料，如聚丁二烯，聚異戊二烯，天然橡膠，增塑的聚氯乙烯，聚丙烯酸酯類，聚酯類等。該結構基於幹纖維(幹紗)重量包括1-25重量％，優選的是3-15重量％，和更優選的是5-12重量％的彈性體材料。熱塑塑料層的層厚是在1和250μm之間，優選的是在6-50μm，和更優選的是在10-25μm之間。各UD層優選的是例如以0和90°的角度交叉疊合。
合適的防彈纖維從芳族聚醯胺，聚烯烴，和剛性杆聚合物中選定。優選的芳族聚醯胺纖維用對芳族聚醯胺如TwaronTM，KevlerTM，和TechnoraTM製造。聚烯烴纖維優選的是高密度聚乙烯，如SpectraTM和DyneemaTM。合適的剛性杆聚合物選自PBO(聚對亞苯基苯並雙噁唑，poly-p-phenylenebenzobisoxazole)如ZylonTM和PBI(聚對亞苯基苯並雙咪唑，poly-p-phenylenebenzobisimidazole)如「M5」。
儘管在大多數情況下不需要，但該防彈結構可以包括例如一種水泥材料或鋼的剛性板。
本發明還利用下面的一些實驗進一步舉例說明。
在所有實驗中，通過將紗線均勻分布在整個寬度上用250支紗TwaronTM2000，3360dtex(分特)f1000製成一具有寬度為50cm的UD帶。
實驗1(對照)將一種具有15μm厚度的低密度聚乙烯(LDPE)膜(例如Bührmann)在150℃溫度下層壓在紗線上。將最終得到的UD帶切成若干50cm長的片。兩個UD片交叉疊合(0和90°)，使該膜位於外側。將一種具有23μm厚度的LDPE膜(例如Borden)放在這兩個UD片之間，提供出一種n＝2和m＝1的結構。各片在0.5MPa壓力和130℃溫度下壓緊。將10個這樣的防護層疊加並在9.5MPa壓力和135℃下壓制20分鐘，則提供出一種n＝20和m＝19的結構。該防彈複合物用9mm VMR DM 11 Al B2彈藥(武器)(由DAG製造，彈頭重為8克)進行測驗。獲得的V50值高(480m/s)，但該防護層呈現出嚴重的脫層。因此，在幾次打擊之後，複合物就不可以再使用了。
實驗2(對照)將紗線用一種Kraton分散體(PrinlinTMB7137AL，例如，Pierce和Stevens)浸漬。在乾燥之後，得到一種UD帶，所述UD帶具有約為15重量％的基體含量(基於幹紗重量)。該帶切成50cm長的片。將兩片UD交叉疊合(0和90°)，並在0.06MPa和110℃下壓緊在一起。將10個這種防護層疊置，並在9.5MPa和135℃下壓制20分鐘。用與例1相同的9mm彈藥測驗產生一個433m/s的V50值。即使在幾次打擊之後，該複合物顯示沒有脫層。
實驗3將紗線像例2中那樣用Kraton分散體浸漬。在分散體乾燥(於135℃下)過程中，將一種15μm的LDPE膜(例如Bührmann)像例1中那樣層壓在紗帶上。乾燥後的UD帶含有9重量％Kraton(基於幹紗重量)。兩片UD交叉疊合(0和90°)，使該膜位於外側。將一種15μm厚的LDPE膜放在這兩個UD片之間。將各片在0.06MPa壓力和110℃的溫度下壓緊。將9個這種防護層疊置，並在9.5MPa的壓力和135℃下壓制20分鐘。用上述例子的9mm彈藥測試產生一個467m/s的V50值。即使在幾次打擊之後，該複合物也未顯示脫層。
結論實驗1-3的結果在表中列出，表中示出各防護層的重量和V50值。作為對照，也給出了一種標準預浸處理層壓製品(TwaronTMCT 736織物，一個側面塗覆有55g/m2PVB(聚苯乙烯)改性酚醛樹脂)的值。按照本發明所述的防護層具有優於標準預浸處理層壓製品的性能，而且也優於只用PE(聚乙烯)膜或只用Kraton的防護層。

權利要求
1.一種層壓式防彈結構，包括一個基本上交替的n個防彈纖維單向(UD)層和m個熱塑塑料層——不包括在該結構的外側面的熱塑塑料層——的層陣列，其中1/2n≤m＜n，及該UD層基於幹纖維重量包括1-25重量％的彈性體材料。
2.如權利要求1所述的層壓式防彈結構，其特徵是，該UD層包括3-15重量％的彈性體材料。
3.如權利要求1所述的層壓式防彈結構，其特徵是，該UD層包括5-12重量％的彈性體材料。
4.如權利要求1所述的層壓式防彈結構，其特徵是，該UD層包括5-10重量％的彈性體材料。
5.如權利要求1-4中任一項所述的層壓式防彈結構，其特徵是，該UD層包括具有斷裂能＞8J/g(焦耳/克)、抗拉模量＞150g/dtex(克/分特)和強度＞7g/dtex的纖維。
6.如權利要求5所述的層壓式防彈結構，其特徵是，該UD層包括芳族聚醯胺，PBO，PBI，和/或高密度聚乙烯纖維。
7.如上述權利要求1-6中任一項所述的層壓式防彈結構，其特徵是，該熱塑塑料是聚乙烯或聚丙烯。
8.如上述權利要求1-7中任一項所述的層壓式防彈結構，其特徵是，該層壓式結構的外側面由一保護層保護。
9.如權利要求8所述的層壓式防彈結構，其特徵是，該保護層是熱塑塑料層。
10.如上述權利要求1-9中任一項所述的層壓式防彈結構，其特徵是，該結構是一種層壓式硬防彈結構。
全文摘要
本發明涉及一種層壓式防彈結構，包括一個基本上交替的n個防彈纖維單向(UD)層和m個熱塑塑料層——不包括在該結構的外側面的熱塑塑料層——的層陣列，其中1/2n≤m＜n，及該UD層基於幹纖維重量包括1－25重量％的彈性體材料。優選的是，該UD層包括芳族聚醯胺，PBO，PBI，和/或高強度聚乙烯纖維，該熱塑塑料是聚乙烯或聚丙烯。
文檔編號B32B25/02GK1514926SQ02811533
公開日2004年7月21日 申請日期2002年6月5日 優先權日2001年6月12日
發明者J·M·伯格曼斯, E·M·溫克勒, K·R·H-H·施託爾策, C·K·J·羅澤, H-H 施託爾策, J M 伯格曼斯, J 羅澤, 溫克勒 申請人:泰金特瓦隆有限公司