用於改善柔性身體護甲彈道衝擊性能的三軸向編織織物構造的製作方法
2023-06-12 05:31:11
用於改善柔性身體護甲彈道衝擊性能的三軸向編織織物構造的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種織物，其包括第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線，其中第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線具有彼此不同的紗線取向。第三多根紗線在軸向上取向。第二多根紗線與第一多根紗線交織。第三多根紗線不具有捲曲。第二多根紗線中的紗線具有大於或等於第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度，並且第三多根紗線中的紗線具有大於第二多根紗線中的紗線的平均線密度且小於三倍的第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度。
【專利說明】用於改善柔性身體護甲彈道衝擊性能的三軸向編織織物構造
【背景技術】
[0001]1.摶術領域
[0002]本發明涉及織物構造和由它們製成的柔性身體護甲。
[0003]2.相關領域說明
[0004]保護性身體護甲諸如提供防護彈道型和刺傷型威脅的那些長期以來一直是受到顯著關注的領域。對於身體護甲的製造商們來講，一個難題是對穿著者可能在戰場上經受的特定一種或多種威脅提供充分的防護，同時最小化該防護服的重量或面密度以便不妨礙穿著者的靈巧性。
[0005]對任何護甲材料防止彈道射彈威脅諸如可變形子彈和不可變形子母彈碎片的保護能力的表徵均需要在某種程度上測定相對於材料面密度和尺寸的彈道速度極限、以及射彈的特性(質量、硬度、形狀等)。一種常見的彈道極限性能標準是彈道V50或如下速度，在所述速度下50 %的射彈能夠被護甲擋住。用於確定身體護甲的V50的具體測試和計算方案概述於日期為2008年7月的National Institute of Justice (NIJ)StandardOlOl.06Ballistic Resistance of Personal Body Armor 中。除了護甲的止擋射彈擊穿的能力以外，還需要最小化與對由警察、安全人員、和懲教人員穿著的可隱藏身體護甲的彈道衝擊相關聯的鈍傷，這已變成了 NIJ標準0101.06所述的附加安全要求。該標準概述了對於可接受水平的鈍傷的測試方案和性能要求，通過測量與對放置在粘土背襯體材料上的護甲的彈道衝擊相關聯的「背面變形」。在NIJ標準0101.06中，所述可接受量的「背面變形」被定義為在粘土背襯體(Roma Plastilina粘土, 5.5英寸(140mm)粘土背襯體深度)中不大於44mm。
[0006]所述NIJ標準0101.06限定了針對不同類型的射彈和衝擊能級的彈道要求。對柔性身體護甲的三種常見的NIJ威脅等級包括威脅等級I1、IIA、和IIIA。威脅等級II涉及較高速度的357馬格南彈(10.2g(158gr))和9mm、8.0g(124gr)的子彈(衝擊速度分別小於約 1400ft/s(427m/s)和 1175ft/s (358m/s))。等級 IIA 涉及較低速度的 40S&W 口徑全金屬被甲彈(具有11.7g(180gr)的標稱質量)和9mm8.0g(124gr)子彈(衝擊速度分別小於約1025ft/s(312m/s)和1090ft/s (332m/s))。威脅等級IIIA涉及44馬格南彈(15.6g(240gr))和衝鋒鎗9mm(124gr)子彈，它們具有小於約1400ft/s的衝擊速度。
[0007]除了上述子彈型可變形威脅以外，許多類型的身體護甲也必須展示出止擋不可變形碎片類型威脅諸如與爆炸物的爆炸相關聯的那些的能力。
[0008]開發對子彈和碎片威脅具有多威脅防彈性以及對高能量子彈諸如44馬格南彈提供足夠的鈍傷防護的柔韌身體護甲系統常常要求兩個或更多個高強度纖維層片結構的混合構造，其中每個類型的層片結構具體地適用於擋住特定類別的威脅或阻止「背面變形」。這種開發柔性身體護甲的方法可能變成一種低效的開發策略，因為對身體護甲的要求趨於增加對各種不同的且不斷增長的威脅進行防護，而同時又試圖減小身體護甲的總體面密度。[0009]儘管上述防彈性能要求能夠使用多種可商購獲得的防彈材料中的任何材料來實現(單獨使用或以組合方式使用)，但柔性身體護甲製造方面的難題是選擇和排列防彈層以便滿足以下要求:(I)以可接受的安全裕度防止擊穿，⑵最小化「背面變形」，⑶最小化護甲的重量、堆積體積和剛度以改善舒適度，以及(4)減小成本。
[0010]可商購獲得的防彈材料包括多種機織織物、織物增強的複合材料、單向纖維層壓體和非織造織物。在這些各種構造中，由高韌度纖維紗線製成的機織織物在柔性身體護甲的製造中具有最長的使用歷史。編織法長期以來一直是一種相對廉價的從高韌度纖維紗線均勻地產生織物防彈層片的方法，依靠紗線的機械互鎖或「交織」來固定而不是用粘合劑樹脂進行化學鎖定，所述粘合劑樹脂可增加衣服的重量和剛度。由防彈織物製成的柔性身體護甲在使用期間常常更具適形性且更柔韌，從而比混合型護甲提供更大的舒適度，所述混合型護甲包含剛性背面控制層諸如單向纖維層壓體或樹脂浸潰的織物。另外還表明，完全由機織高韌度纖維紗線製成的防彈衣在幾年的使用和磨損之後仍然保持防彈特性。針對機織防彈背心的供選擇的替代方案已被商業化。此類製品是由高韌度纖維、基質樹脂和膜的組合製成的，這使得它們生產起來更加昂貴。另外，由於這些組件材料具有相異於防彈纖維的依賴於溫度和應變的物理特性(例如熱膨脹係數、模量等)，這些複合層常常具有由所選材料的最弱部分決定的可用使用壽命。
[0011]典型的雙軸向機織防彈織物(由交織或交錯的紗線組成的織物，所述紗線在織物的平面內具有兩個紗線取向)是在自動織機上生產的。這些機織操作產生具有如下交織的緯線纖維紗線的機織織物，所述緯線纖維紗線與經紗中的或縱向上的那些紗線成90度取向。織物特性大體上由五個基本變量決定:紗線機械特性、紗線旦尼爾、紗線支數、編織圖案和織物整理劑。使用僅以上機織織物來滿足最小防彈性能要求為防彈護甲的製造商們帶來了難題。儘管有許多低覆蓋係數(鬆散地機織的)防彈纖維紗線織物以所期望的面密度提供令人滿意的V50性能(能夠表明由它們製成的背心安全地反覆阻止射彈以高於NIJ標準0101.06所述閾值的速度擊穿背心材料)，但它們不提供足夠的「背面變形」抗性。相反，在以相同的背心面密度使用較高覆蓋係數的(更緊密地機織的)防彈織物時，儘管改善了「背面變形」性能，但常常導致V50性能顯著降低，有時候降到了 「背面變形」測量所要求的NIJ標準0101.06速度以下。目前，沒有全對位芳族聚醯胺的機織織物背心可按小於4.93kg/sq.m.(llb/sq.ft.)的面密度商購獲得，所述面密度能夠滿足NI J標準0101.06對於44馬格南彈彈道威脅的等級IIIA背面要求。
[0012]一種常見的用於減小柔性身體護甲中的「背面變形」的方法是通過併入高韌度纖維的剛性層片或織物增強樹脂複合層片以在衝擊期間阻止變形。這包括向機織防彈織物上粘結聚合物膜或施加聚合物塗層，或粘結兩個機織織物層以提供防彈層片，所述防彈層片能夠添加到防彈身體護甲構造上以改善「背面變形」。這種方法描述於PCT公開W000/08411、美國專利5，677，029、和美國專利申請公開2003/0109188中。樹脂或彈性體浸潰的防彈纖維織物為另一種類型的被添加到防彈背心構造上以改善彈道「背面變形」的複合層片。儘管已表明這些層的添加改善了護甲材料的「背面變形」性能，但它們可對V50性能具有有害效應。此外，所述樹脂還增加了防彈背心組件的重量和剛度。
[0013]如下的單向纖維層壓體已變成了能夠提供良好的背面創傷控制同時又保持安全的V50性能的流行防彈材料，所述單向纖維層壓體由用粘結方法粘結到聚合物基質中的第二多根平行取向的高韌度纖維的聚合物基質中的第一多根平行取向的高韌度纖維構成，其中第二多根的纖維取向相對於第一多根的取向是90度旋轉的。製備這些單向纖維層壓體的方法一般描述於美國專利4，916，000 ;4，748, 064 ;4，737,401 ;4，681,792 ；4，650，710 ;4，623，574 ;4，563，392 ;4，543，286 ;4，501，854 ;4，457，985 ；和 4，403,012 中。
這些單向層壓體可以商品名 Spectra Sllieldli Plus Flex、和 Gold Flex? 從 HoneywellInternational, Inc.商購獲得，並且可以商品名Dyneema? UD從DSM商購獲得。儘管
這些單向纖維層壓體能夠單獨地用來提供對一些彈道威脅的防彈保護，但已表明，當結合機織防彈纖維紗線織物來使用這些材料時，能夠進一步減小面密度並防護寬範圍的威脅，如美國專利6，119，575所示。
[0014]與在背心中使用單向纖維或織物和樹脂的複合層相關聯的性能改善可在極大程度上取決於它們在所述多層片構造中的位置，如美國專利6，119，575所述。在許多可見於文件的例子中，將這些更硬的複合層放置在傳統防彈織物的後面以提供最佳的「背面變形」和V50性能。由於該「側面性」的緣故，這些混合型防彈背心構造可被不經意地裡朝外反穿或被錯誤地插入到戰術背心中，從而提供的對射彈威脅的防護小於最佳防護。因此整體的(由全部相同的防彈材料層片構成的)或前後對稱的防彈護甲構造是有價值的。
[0015]三軸向織物或由三種紗線構成的機織織物是已知的。授予Stewart的美國專利1，368，215、授予Dow的美國專利3，446，251和3，874，422、以及授予Trost的美國專利4，438，173均教導了三軸向織物結構。在授予Mitchel I的美國專利5，437，538中，公開了由
Kevlar?:纖維製成的三軸向編織織物在用於氣體渦輪發動機的葉片射彈密封罩結構中的用途。儘管在美國專利5，437，538中未提供衝擊測試方法，但Mitchell公開了由所述三軸向編織織物構成的多層的密封罩的防彈性展示出了相當於常規的機織織物密封罩的密封性能，而重量節省了 23%。用以確定渦輪發動機密封罩性能的典型的彈道衝擊測試利用了亞音速衝擊速度的相對大的射彈模擬器，所述衝擊速度代表了源自破碎的飛行器渦輪葉片白勺碎片，如報告「FAA Development of Reliable Modeling Methodologies for Fan BladeOut Containment Analysis，，(Authors:Revilock and Pereira, NASA Glenn ResearchCenter)所述。護甲開發領域熟知的是，與這些大尺寸且低速度(亞音速)的射彈相關聯的衝擊物理學在極大程度上不同於顯著較小且較高(超音速)的射彈諸如子彈和源於爆炸物的爆炸碎片的衝擊物理學。
[0016]該文獻中存在實驗研究和計算機模擬，它們描述了三軸向織物靶標對超音速速度的子彈和碎片彈道威脅(對身體護甲設計來講很重要)的抗性。在Hearle等人的工作(Hearle, J.ff.S., C.M.Leech, A.Adeyefa, C.R.Cork.1981 「Ballistic Impact Resistanceof Mult1-layer Textile Fabrics」)中，所述測試的三軸向織物的實驗結果展示出了與雙軸向織物相比較差的高速碎片防彈性。He ar I e和同事們的報告的第二部分中的計算機模擬還預測，對於高速子彈和碎片威脅來講，三軸向織物的防彈性能應當劣於典型的雙軸向機織織物的性能。公布的由Yen和Caiazzo進行的對機織織物複合構造的彈道衝擊模擬的結果(Yen、C.F.、和 A.A.Caiazz0.2001 「3D Woven Composites for New andInnovative Impact and Penetration Resistant Systems』』Technical Progress Report,Material Sciences Corporation, prepared for U.S.Army Research Office, ContractN0.DAAD19-00-C-0107)也指示，三軸向編織織物的抗衝擊性劣於雙軸向織物的抗衝擊性。
[0017]仍然需要一種由織物構成的輕型身體護甲，其能夠止擋高能量子彈的擊穿並減小與高能量子彈相關聯的鈍傷，並且同時能夠提供改善的對高速碎片威脅的防護。目前，對於完全由傳統雙軸向機織織物構成的身體護甲來講，這是個難題。當針對高速(超音速)高能量子彈和碎片射彈進行測試時，本文所述的本發明的三軸向編織織物構造相對於常規的雙軸向和其它機織織物已展示出了防彈性的改善，這是對三軸向機織織物的早期衝擊研究所未預料到的。
【發明內容】
[0018]本發明涉及一種三軸向編織織物，其包括第一多根紗線，所述第一多根紗線在織物的平面內彼此平行取向，第二多根紗線，所述第二多根紗線在織物的平面內彼此平行取向，和第三多根紗線，所述第三多根紗線在織物的平面內彼此平行取向，其中
[0019](i)所述第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線具有彼此不同的紗線取向，
[0020](ii)所述第二多根紗線與所述第一多根紗線交織，
[0021](iii)所述第三多根紗線不與所述第一多根紗線或第二多根紗線交織，
[0022](iv)所述第一多根紗線中的每根紗線以重複圖案且按頁序從上經過所述第二多根紗線中的一根紗線，從上經過所述第三多根紗線中的一根紗線，從上經過所述第二多根紗線中的一根紗線，並接著從下經過所述第二多根紗線中的一根紗線，從下經過所述第三多根紗線中的一根紗線，並接著從下經過所述第二多根紗線中的一根紗線，
[0023](V)所述第二多根紗線中的每根紗線以重複圖案且按頁序從上經過所述第一多根紗線中的一根紗線，從上經過所述第三多根紗線中的一根紗線，從上經過所述第一多根紗線中的一根紗線，並接著從下經過所述第一多根紗線中的一根紗線，從下經過所述第三多根紗線中的一根紗線並從下經過所述第一多根紗線中的一根紗線，
[0024](vi)第二多根紗線中的紗線具有大於或等於第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度，並且
[0025](vii)第三多根紗線中的紗線具有大於第二多根紗線中的紗線的平均線密度且小於三倍的第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度。
[0026]本發明也涉及使用上述三軸向編織織物製成的複合層片、以及包含這些三軸向編織織物的防彈製品。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1示出了三軸向編織織物的平面圖。
【具體實施方式】
[0028]術語表
[0029]紗線:紗線為一種呈適用於加工成織物形式的連續的細絲股線。紗線有時候稱作「絲束」或「經線(end)」。
[0030]機織織物:術語「機織」在本文中是指能夠通過編織製成的任何織物；即，通常以直角交織至少兩根紗線。一般來講，通過交織一組稱為經紗的紗線和另一組稱為緯紗或緯線的紗線製成此類織物。典型的機織織物可具有基本上任何編織形式，諸如平織、四經破緞紋織、方平織、緞紋編織、斜紋編織、非平衡織等。
[0031]三軸向編織:由交織的編織紗線和軸向紗線構成的三軸向織物。軸向紗線平行於成品織物的長度取向並且由交織的編織紗線固定。軸向紗線方向有時候稱作縱向。
[0032]編織角:在編織紗線和該編織物的縱向軸線或換句話講縱向之間形成的銳角。對於管狀編織物，縱向軸線將平行於所述管的軸線。對於三軸向編織物，編織角被定義為編織紗線和軸向紗線之間的銳角。
[0033]複合織物層片:這是至少一個三軸向編織織物層和至少一個第二層的組合，所述至少一個第二層包括另一種基底諸如另一種織物型式或聚合物膜。
[0034]平均線密度:多根紗線的平均線密度為構成所述多根紗線的所有紗線的平均線密度。
[0035]織物&紗線
[0036]本發明的三軸向織物為一種特定織物，其改善了防彈性並減小了鈍傷可能性。該織物是通過編織方法製成的。該織物包括紗線。圖1 一般以10示出了本發明的三軸向編織織物的一部分的平面圖。該織物包括第一多根紗線11，所述第一多根紗線11在織物的平面內彼此平行取向。該織物也包括第二多根紗線12，所述第二多根紗線12在織物的平面內彼此平行取向。該織物還包括第三多根紗線13，所述第三多根紗線13在織物的平面內彼此平行取向。第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線具有彼此不同的紗線取向。第三多根紗線在軸向上取向。
[0037]第二多根紗線與第一多根紗線交織。第三多根紗線不與第一多根紗線或第二多根紗線交織。第三紗線不具有捲曲。第三多根紗線(軸向紗線)也稱為「襯緯(laid-1n)」紗線並且由第一多根紗線和第二多根紗線固定。襯糹韋紗線還描述於Atkins&Pearce的Handbookof Industrial Braiding的第4.5頁中。第一多根紗線中的每根紗線以重複圖案從上經過第二多根紗線中的一根紗線，從上經過第三多根紗線中的一根紗線，從上經過第二多根紗線中的一根紗線，並接著從下經過第二多根紗線中的一根紗線，從下經過第三多根紗線中的一根紗線，並接著從下經過第二多根紗線中的一根紗線。第二多根紗線中的每根紗線以重複圖案從上經過第一多根紗線中的一根紗線，從上經過第三多根紗線中的一根紗線，從上經過第一多根紗線中的一根紗線，並接著從下經過第一多根紗線中的一根紗線，從下經過第三多根紗線中的一根紗線並且從下經過第一多根紗線中的一根紗線。
[0038]第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線中的紗線具有10至65克/分特的韌度。在一些實施例中，韌度為15至40克/分特；並且在其它實施例中，韌度為20至35克/分特。第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線中的紗線具有100至3500克/分特的紗線模量。在一些實施例中，紗線模量為150至2700克/分特。第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線中的紗線優選地具有3.6至5.0%的斷裂伸長率。在一些其它實施例中，斷裂伸長率為3.6至4.5%。
[0039]第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線中的紗線具有50至4，500分特的線密度。在一些實施例中，紗線線密度為100至3500分特；並且在其它實施例中，線密度為300至1800分特。第二多根紗線中的紗線具有大於或等於第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度。第三多根紗線中的紗線具有大於第二多根紗線中的紗線的平均線密度且小於三倍的第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度。已發現當第三多根紗線中的紗線具有等同於或小於第二多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度時，所述編織的三軸向織物對於令人滿意的防彈性能來講缺乏足夠的穩定性。當第三多根紗線中的紗線等同於或大於三倍的第一多根紗線中的紗線的平均線密度時，防彈性是不能令人滿意的，因為增加了織物緊密度。
[0040]如上所述的紗線可通過將兩根較低線密度的前體紗線裝配或粗紡在一起而製成。例如，具有850分特線密度的兩種前體紗線可被組裝成具有1700分特線密度的成品紗線。
[0041]該織物具有30至800g/sq.m的基重。在一些實施例中，該織物的基重為45至500g/sq.m。在一些其它實施例中，該織物的基重為55至300g/sq.m。
[0042]在一些實施例中，這些織物具有50至70度的編織角。在一些其它實施例中，編織角為55至65度。在一些其它實施例中，編織角為60度。如果編織角小於50度，則該織物將具有不穩定的結構。如果編織角大於70度，則該織物將不是平衡的，因而這將影響防彈性。
[0043]本發明的織物可在管狀編織機上生產。織物也可按平坦形式使用平織法來製備。
[0044]纖維(細絲)
[0045]為了本文的目的，術語「纖維」被定義為相對柔韌、宏觀上均勻並且在垂直於其長度方向的橫截面上具有高的長寬比的主體。纖維橫截面可為任何形狀，但通常為圓形或豆形的。纖維為實心的，即其不是中空纖維。在本文中，術語「纖維」與術語「細絲」互換使用。
[0046]用於本發明的紗線的優選的纖維為聚合物。聚合物纖維的例子包括芳族聚醯胺、聚乙烯、聚唑。共聚物和共聚物共混物也是適用的。一種優選的芳族聚醯胺為對位芳族聚醯胺。
[0047]術語「芳族聚醯胺」是指其中至少85%的醯胺鍵(-C0NH-)直接連接到兩個芳族環的聚醯胺。合適的芳族聚醯胺纖維在Man-Made Fibres-Science and Technology第2卷(Interscience Publishers, 1968 年)的標題為 「Fibre-Forming 芳族聚酸胺」的章節中(第297頁，W.Black等人)有所描述。芳族聚醯胺纖維和它們的製備還公開於美國專利 3，767，756 ;4，172，938 ;3，869，429 ;3，869，430 ;3，819，587 ;3，673，143 ;3，354，127 ；和3，094，511 中。
[0048]優選的對位芳族聚醯胺是被稱為Pro-T的聚(對苯二甲醯對苯二胺)。所謂PPD-T，是指由對苯二胺和對苯二甲醯氯的等摩爾比聚合反應產生的均聚物，以及由少量其它二胺與對苯二胺結合、少量其它二甲醯氯與對苯二甲醯氯結合所得的共聚物。作為一般原則，其它二胺和其它二甲醯氯可按至多多達對苯二胺或對苯二甲醯氯的約10摩爾百分t匕，或可能略高的量使用，唯一的前提條件是其它二胺和二甲醯氯不含幹擾聚合反應的反應性基團。Pro-T也指其它芳族二胺和其它芳族二甲醯氯結合所得的共聚物，例如2，6-萘亞甲基醯氯或氯代對苯二甲醯氯或二氯對苯二甲醯氯或3，4』 - 二氨基二苯醚。在一些優選的實施例中，複合材料的紗線僅由pro-τ長絲構成；在一些優選的實施例中，複合材料中的層僅由pro-τ紗線構成；換句話講，在一些優選的實施例中，複合材料中的所有長絲均為PPD-T細絲。
[0049]添加劑可與芳族聚醯胺一起使用，並且已發現，按重量計至多多達10%或更多的其它聚合材料可與芳族聚醯胺共混。可使用其中多達10%或更多的取代了芳族聚醯胺的二胺的其它二胺或者其中多達10%或更多的取代了二甲醯氯或芳族聚醯胺的其它二甲醯氯的共聚物。
[0050]對位芳族聚醯胺纖維是以商品名Kevlar?出售的，購自E.1.du Pont de Nemoursand Company (Wilmington, DE)，並且以商品名 Twaroil'購自 Teijin Arami d, Arnhem,Netherlands。
[0051]當聚合物為聚烯烴時，優選聚乙烯或聚丙烯。術語「聚乙烯」是指分子量優選地大於一百萬的佔主導地位的線性聚乙烯材料，其可以包含微量的鏈分支或每100個主鏈碳原子中不超過5個改性單元的共聚單體，其還可以包含與其混合在一起的不超過約50重量百分比的一種或多種聚合物添加劑，如烯烴-1-聚合物，具體地講是低密度聚乙烯、丙烯等，或低分子量添加劑，如通常摻入的抗氧化劑、潤滑劑、紫外線遮蔽劑、著色劑等。此類物質通常被稱為伸展鏈聚乙烯(ECPE)或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。聚乙烯纖維分別以商品名Dyneema?和Spectra?購自 DSM(Greenville, NC)和 HoneywellInternational(Morristown, NJ)。
[0052]纖維也可包含聚唑。在一些實施例中，聚唑為聚芳唑，諸如聚苯唑和聚吡啶並唑。合適的聚唑包括均聚物和共聚物。添加劑可與聚唑一起使用，並且至多多達10重量％的其它聚合材料可與聚唑共混。還可使用的共聚物具有多達10 %或更多的用於替代聚唑單體的其它單體。合適的聚唑均聚物和共聚物可以用已知的工序製備。
[0053]優選的聚苯並唑為聚苯並咪唑、聚苯並噻唑和聚苯並1惡唑，更優選為可形成具有35克/分特或更高紗線韌度的纖維的此類聚合物。如果聚苯並唑為聚苯並噻唑，則優選為聚(對亞苯基苯並二噻唑)。如果聚苯並唑為聚苯並Hi唑，則優選為聚(對亞苯基苯並二囉唑)，並且更優選為稱為PBO的聚(對亞苯基-2』 6-苯並二?唑)。
[0054]優選的聚吡啶並唑為聚吡啶並咪唑、聚吡啶並噻唑、和聚吡啶並1惡唑，更優選地，此類聚合物為可以形成為具有30克/分特或更大的紗線韌度的纖維的聚合物。在一些實施例中，優選的聚吡啶並唑為聚吡啶並二唑。優選的聚(吡啶並二氧雜唑)為聚(1，4-(2，5-二羥基)亞苯基_2，6-吡啶並[2，3-d:5，6-d' ] 二咪唑)，其稱為PIPD。包括聚吡啶並二唑在內的合適的聚吡啶並唑可通過已知的工序製備。對位亞苯基苯並二 1惡唑(PBO)纖維是以商品名Z.yloi,出售的，並且購自Toyobo, Osaka, Japan。
[0055]其它可用的芳族聚合物包括芳族不飽和聚酯，諸如聚對苯二甲酸己二醇酯、芳族聚醯亞胺、芳族聚醯胺、芳族聚醯胺醯亞胺酯、芳族聚醚醯胺醯亞胺和芳族聚酯醯亞胺。也可使用任何上述類別的材料的共聚物。
[0056]液晶聚合物-液晶熱致聚酯,諸如以商品名Vectran?出售的那些，購自KurarayAmerica Inc.(Fort Mill, SC)。
[0057]就聚乙烯醇(PV-OH)而言，重均分子量為至少約500，000，優選地為至少約750，000，更優選地介於約1，000, 000和約4，000, 000之間，並且最優選地介於約1，500, 000和約2，500，000之間的PV-OH纖維可用於本發明。可用的纖維應當具有至少約160克但尼爾，優選地至少約200克/旦尼爾，更優選地至少約300克/旦尼爾的模量；以及至少約10克/旦尼爾且更優選地至少約14克/旦尼爾且最優選地至少約17克/旦尼爾的韌度。具有至少約500，000的重均分子量，至少約200克/旦尼爾的韌度以及至少約10克/旦尼爾的模量的PV-OH纖維在防彈複合材料的生產中特別有用。具有此類特性的PV-OH纖維可例如通過了 1984年I月11日提交的授予Kwon等人且共同轉讓的美國專利申請序列號569，818所公開的方法來生產。
[0058]本發明的織物也可包含聚合物紗線和/或非聚合物紗線的共混物。
[0059]複合層片
[0060]本發明的另一個實施例為複合層片的產生，所述複合層片能夠用於身體護甲的構造。這種複合層片可被提供為供身體護甲的製造商們使用的連續的卷繞貨品。一種複合層片包括至少一個本發明所述的三軸向編織織物和包括另一個基底的至少一個第二層。另一個基底可為不同的織物類型、單向纖維層、非織造織物、聚合物層或聚合物樹脂浸潰的織物結構。複合層片的所述各種層可通過縫編、粘結、壓塑或塗層被整合成單一組件。
[0061]聚合物層可呈薄膜或非織造織物的型式，其熔融粘結或聚合物塗覆到三軸向織物上。熔融粘結可經由加熱的臺板壓縮或加熱的壓延來實現。聚合物塗層可從溶劑基或乳液/膠乳基聚合物來施加，然後進行乾燥以從該織物除去溶劑。此類聚合物層可為連續的，因為它們覆蓋該織物的整個表面，或可橫跨該織物構造的表面為不連續的以最小化對防彈層的重量和剛度的貢獻。不連續的樹脂塗層包括該織物上的開口圖案或樹脂線或離散的樹脂點。這能夠使用被切成開口圖案的熔融粘合劑膜來獲得，所述熔融粘合劑膜可附著到該織物表面上。作為另外一種選擇，可使用照相凹版印刷法等以前述不連續型式將溶劑基聚合物塗層或聚合物乳液/膠乳轉印到三軸向織物上。
_2] 防彈製品
[0063]本發明的三軸向編織織物可被裝配成包裝件，所述包裝件形成防彈製品的一部分，所述防彈製品對子彈威脅表現出減小的「背面變形」，同時也展示出對碎片威脅的有利的抗性。也可增強對刺傷或刺穿的抗性。這種多威脅防護能力在利用常規正交的經紗-緯紗雙軸向機織織物的情況下是難以獲得的。
[0064]在一些實施例中，所述各個三軸向編織織物層和/或上述複合層片能夠用來構造整個防彈身體護甲。在其它實施例中，結合防彈身體護甲製品中的其它防彈材料來使用所述各個三軸向編織織物層。例如，這些層可與由對位芳族聚醯胺或聚乙烯紗線機織成的平織、方平織或緞紋編織織物組合。這些層也可與單向或多軸向織物結構諸如購自DuPont的Kevlarli XP組合。在一些實施例中，也可將熱塑性或熱固性膜併入到身體護甲織物組件中。構成身體護甲織物組件的所述各種織物層中的一些或全部可被縫紉在一起。構成身體護甲織物組件的所述各種織物層的定位情況將取決於特定的設計要求而有變化。在一些實施例中，至少一個三軸向編織織物層位於身體護甲織物組件的擊打面處，因此面向射彈。_5] 測試方法
[0066]以下測試方法用於以下例子中。
[0067]線密度:根據ASTM D1907-97和D885-98中所述的步驟，通過稱量已知長度的紗線或纖維來確定紗線或纖維的線密度。分特(decitex)或「分特(dtex) 」被定義為10，000米紗線或纖維的重量，以克計。旦尼爾(d)為9/10乘以分特。
[0068]紗線的機械特性:調理待測的紗線，然後根據ASTM D885-98中所述的步驟進行拉伸測試。韌度(抗斷韌度)、彈性模量和斷裂伸長率通過在Instron?萬能試驗機上使紗線斷裂來確定。[0069]基重:通過如下方式來確定這些織物的基重:稱重該織物的15英寸X 15英寸層片，並且以oz/yd2或g/m2為單位計算單位面積織物的重量。
[0070]面密度:通過測量由多個織物或複合層片構成的15英寸X 15英寸樣板的質量來確定試驗樣板的面密度。由該測量以lbs/ft2為單位來計算面密度。
[0071 ] 直接從所述三軸向織物測量編織角。
[0072]防彈性能:根據用於V50的NIJ標準0101.06和MIL-STD662F以及用於「背面變形」的NIJ標準0101.06來進行試驗樣板的防彈測試。所用的射彈為44馬格南子彈和17格令重碎片模擬射彈(FSP)。被報告為V50的防彈性值為統計學上的測量值，其表示子彈或碎片在有50%擊穿率和另外50%未擊穿率的情況下擊穿護甲裝備的平均速度。測量的參數為零度的V50，其中角度是指射彈相對於目標的傾斜度。所報告的值為射向每個例子的子彈數量的平均值。「背面變形」(BFD)為當由非擊穿性射彈衝擊產生時，在背襯材料中造成的凹陷的深度。「背面變形」是從由背襯材料夾具的前邊緣限定的平面測量的。根據NIJ標準，該值不允許超過44mm。「背面變形」測試是以435±9m/s (1430±30ft/s)的速度對抵靠Roma Plastilina粘土背襯體放置的靶標進行的。對於針對17格令重射彈測試的樣板，使用機架和夾具組件將樣板圍繞周邊夾緊固定。
[0073]實魁
[0074]對於下述實例和比較例，所述三軸向編織結構是使用管狀編織法產生的。該編織操作產生了管狀織物，其中編織紗線在編織過程中圍繞管的螺旋型式取向，並且軸向紗線在其形成期間平行於管狀編織物的軸線取向。為了產生用於構造彈道試驗樣板的平坦織物，將管狀編織物沿側部切開，並且將所得平坦織物切割成所期望的尺寸。
[0075]根據本發明製備的實例用數值來指示。對照實例或比較例用字母來指示。
[0076]比較例A:
[0077]從26層由Kevlar KM2 Plus纖維紗線機織成的本色平織織物製備了 15英寸X 15英寸(38X38cm)正方形彈道試驗樣板，所述紗線具有667分特(600旦尼爾)的線密度。該織物具有如下紗線支數:經紗中34經線/英寸(13.4經線/釐米)、然後是第一多根紗線、以及緯線中34經線/英寸(13.4經線/釐米)、第二多根紗線。不存在第三多根紗線。該織物是由Lincoln Fabrics, Inc.(Geneva, AL)生產的。該織物具有測量的26.9克/旦尼爾(29.9g/dtex)經紗和27.1克/旦尼爾(30.2g/dtex)緯線的抽取紗線韌度、和5.65oz./sq.yd.(192g/m2)的面密度。通過沿經向和緯向進行切割產生了各個正方形織物層(使經紗和緯紗纖維紗線平行於所述正方形的側邊)。將織物層布置成使得對於該疊堆中的所有織物層，經紗和緯紗纖維在相同方向上取向。將這些織物層圍繞樣板的周邊在從邊緣算起的1/2英寸(1.27cm)處縫合在一起。樣板的面密度為5.02kg/sq.m.(1.021bs/sq.ft)。評測了針對44馬格南子彈的防彈性能。所述V50和「背面變形」結果示出於表I中。
[0078]比較例B
[0079]從32層由Kevlar KM2 Plus纖維紗線機織成的本色平織織物製備了 15英寸X 15英寸(38X38cm)正方形彈道試驗樣板，所述紗線具有666分特(600旦尼爾)的線密度。該織物具有如下紗線支數:經紗中28經線/英寸(11.0經線/釐米)、第一多根紗線、和緯線中28經線/英寸(11.0經線/釐米)、第二多根紗線。不存在第三多根紗線。該織物是由Lincoln Fabrics, Inc.(Geneva, AL)生產的。該織物具有測量的(27.7)克/旦尼爾(30.8g/dtex)經紗和27.4克/旦尼爾(30.5g/dtex)緯線的抽取紗線韌度、和(4.46) oz./sq.yd.(151g/m2)的面密度。通過沿經向和緯向進行切割產生了各個正方形織物層(使經紗和緯紗纖維紗線平行於所述正方形的側邊)。將織物層布置成使得對於該疊堆中的所有織物層，經紗和緯紗纖維在相同方向上取向。將這些織物層圍繞樣板的周邊在從邊緣算起的1/2英寸(1.27cm)處縫合在一起。樣板的面密度為4.93kg/sq.m.(1.011bs/sq.ft)。評測了針對44馬格南子彈的防彈性能。所述V50和「背面變形」結果示出於表I中。
[0080]比較例C
[0081]從26層由管狀編織物(由A&P Technology, Inc.生產)產生的編織的三軸向織物製備了 15英寸X15英寸(38X38cm)正方形彈道試驗樣板。用來產生所述三軸向織物的紗線為600旦尼爾的Kevlarli KM2 Plus纖維。該編織構造由下列組成:61.5度的編織角，用於每個編織紗線的單一 600旦尼爾Kevlar KM2紗線、每個軸向位置中的單一 600旦尼爾Kevlar KM2紗線、和5.59oz./sq.yd.(190g/m2)的基重。為了產生平坦的三軸向編織織物，將4.85"直徑的管狀編織物沿一側在軸向上切開。從所得平坦織物切出15英寸X 15英寸的層片並堆疊起來，將所有層片在相同方向上取向。將這些織物層圍繞樣板的周邊在從邊緣算起的1/2英寸(1.27cm)處縫合在一起。樣板的面密度為4.94kg/sq.m.(1.0llbs/sq.ft) 0評測了針對44馬格南子彈的防彈性能。所述V50和「背面變形」結果示出於表I中。
[0082]比較例D
[0083]從19層由管狀編織物(由A&P Technology, Inc.生產)產生的編織的三軸向織物製備了 15英寸X15英寸(38X38cm)正方形彈道試驗樣板。用來製造該編織物的紗線為Kevlar? KM2 Plus纖維。第一和第二多根紗線(編織紗線)具有666分特(600旦尼爾)的線密度。第三多根紗線(軸向紗線)具有1998分特(1800旦尼爾)的線密度，是由三根667分特的紗線裝配成的。該織構造由(64.5)度的編織角、和(7.72)oz./sq.yd.(262gsm)的基重組成。為了產生平坦的三軸向編織織物，將4.85"直徑的管狀編織物沿一側在軸向上切開。從該織物切出15英寸X15英寸的層片並堆疊起來，將所有層片在相同方向上取向。將這些織物層圍繞樣板的周邊在從邊緣算起的1/2英寸(1.27cm)處縫合在一起。樣板的面密度為5.02kg/sq.m.(1.021bs/sq.ft)。評測了針對44馬格南子彈的防彈性能。所述V50和「背面變形」結果示出於表I中。
[0084]實例I
[0085]從22層由管狀編織物(由A&P Technology, Inc.生產)產生的編織的三軸向織物製備了 15英寸X 15英寸(38X38cm)正方形彈道試驗樣板。用來製造該編織物的紗線為Kevlar? KM2 Plus纖維。第一和第二多根紗線(編織紗線)均具有666分特(600旦尼爾)的線密度。第三多根紗線(軸向紗線)具有1332分特(1200旦尼爾)的線密度，是由兩根666分特的紗線裝配成的。該編織構造由63度的編織角和6.62oz./sq.yd(224gsm)的基重組成。為了產生平坦的三軸向編織織物，將4.85"直徑的管狀編織物沿一側在軸向上切開。從該織物切出15英寸X 15英寸的層片並堆疊起來，將所有層片在相同方向上取向。將這些織物層圍繞樣板的周邊在從邊緣算起的1/2英寸(1.27cm)處縫合在一起。樣板的面密度為4.97kg/sq.m.(1.011bs/sq.ft)。評測了針對44馬格南子彈的防彈性能。所述V50和「背面變形」結果示出於表I中。[0086]比較例E
[0087]如比較例A所述，使用27個織物層片製造了試驗樣板。樣板的面密度為5.17kg/sq.m.(1.051bs/sq.ft)。評測了針對17格令重FSP的防彈性能。所述V50結果示出於表2中。
[0088]比較例F
[0089]如比較例B所述，使用33個織物層片製造了試驗樣板。樣板的面密度為5.17kg/sq.m.(1.051bs/sq.ft)。評測了針對17格令重FSP的防彈性能。所述V50結果示出於表2中。
[0090]比較例G
[0091]如比較例C所述，使用27個所述三軸向編織織物的層片製造了試驗樣板。樣板的面密度為5.17kg/sq.m.(1.051bs/sq.ft)。評測了針對17格令重FSP的防彈性能。所述V50結果示出於表2中。
[0092]比較例H [0093]如比較例D所述，使用20個所述三軸向編織織物的層片製造了試驗樣板。樣板的面密度為5.22kg/sq.m.(1.061bs/sq.ft)。評測了針對17格令重FSP的防彈性能。所述V50結果示出於表2中。
[0094]實例 2
[0095]如實例I所述，使用23個所述三軸向編織織物的層片製造了試驗樣板。樣板的面密度為5.17kg/sq.m.(1.051bs/sq.ft)。評測了針對17格令重FSP的防彈性能。所述V50結果不出於表2中。
[0096]表1
【權利要求】
1.三軸向織物，包括: 第一多根紗線，所述第一多根紗線在所述織物的平面內彼此平行取向， 第二多根紗線，所述第二多根紗線在所述織物的平面內彼此平行取向， 和 第三多根紗線，所述第三多根紗線在所述織物的平面內彼此平行取向， 其中 (i)所述第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線具有彼此不同的紗線取向， (?)所述第二多根紗線與所述第一多根紗線交織， (iii)所述第三多根紗線不與所述第一多根紗線或第二多根紗線交織， (iv)所述第一多根紗線中的每根紗線以重複圖案且按頁序從上經過所述第二多根紗線中的一根紗線，從上經過所述第三多根紗線中的一根紗線，從上經過所述第二多根紗線中的一根紗線，並接著從下經過所述第二多根紗線中的一根紗線，從下經過所述第三多根紗線中的一根紗線，並接著從下經過所述第二多根紗線中的一根紗線， (v)所述第二多根紗線中的每根紗線以重複圖案且按頁序從上經過所述第一多根紗線中的一根紗線，從上經過所 述第三多根紗線中的一根紗線，從上經過所述第一多根紗線中的一根紗線，並接著從下經過所述第一多根紗線中的一根紗線，從下經過所述第三多根紗線中的一根紗線並從下經過所述第一多根紗線中的一根紗線， (vi)所述第二多根紗線中的紗線具有大於或等於所述第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度，並且 (vii)所述第三多根紗線中的紗線具有大於所述第二多根紗線中的紗線的平均線密度且小於三倍的所述第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度。
2.根據權利要求1所述的織物，其中所述紗線具有纖維，所述纖維由下列製成:芳族聚醯胺、聚唑、聚烯烴、芳族不飽和聚酯、芳族聚醯亞胺、人造絲、液晶聚合物、聚丙烯腈、聚乙烯醇、陶瓷或它們的共聚物。
3.根據權利要求2所述的紗線，其中所述芳族聚醯胺為對位芳族聚醯胺。
4.根據權利要求2所述的紗線，其中所述聚烯烴為超高分子量聚乙烯。
5.防彈或防刺穿製品，包含至少一層權利要求1所述的織物。
6.防彈製品，其在擊打面處包含至少一種權利要求1所述的織物。
【文檔編號】A41D31/00GK103797169SQ201280042931
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年9月7日 優先權日:2011年9月7日
【發明者】R.G.小伊格雷斯 申請人:納幕爾杜邦公司