BRPI0619072A2 - material resistente a fragmentos, artigo resistente a fragmentos incorporando a um material resistente a fragmentos, e método para produzir um material resistente a fragmentos - Google Patents

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BRPI0619072A2
BRPI0619072A2 BRPI0619072-3A BRPI0619072A BRPI0619072A2 BR PI0619072 A2 BRPI0619072 A2 BR PI0619072A2 BR PI0619072 A BRPI0619072 A BR PI0619072A BR PI0619072 A2 BRPI0619072 A2 BR PI0619072A2
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Ashok Bhatnagar
Lori L Wagner
Bin C Tan Chok
Lin Murray
David Hurst
Brian Arvidson
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Honeywell Internac Inc
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Abstract

MATERIAL RESISTENTE A FRAGMENTOS, ARTIGO RESISTENTE A FRAGMENTOS INCORPORANDO UM MATERIAL RESISTENTE A FRAGMENTOS, E MéTODO PARA PRODUZIR UM MATERIAL RESISTENTE A FRAGMENTOS. Trata-se de laminados de tecido tendo elevada resistência à penetração de fragmentos, tal como estilhaços. Os tecidos são formados de fibras de alta resistência, consolidadas com cerca de 7% a cerca de 15% em peso de uma composição de matriz elastomérica, e em combinação com camadas protetoras de uma película polimérica sobre cada superfície do tecido. Os tecidos alcançam uma melhoria significativa na resistência a fragmentos, em comparação com tecidos da técnica anterior, enquanto que ainda mantendo excelentes propriedades resistentes à balística.

Description

MATERIAL RESISTENTE A FRAGMENTOS, ARTIGO RESISTENTE A FRAGMENTOS INCORPORANDO UM MATERIAL RESISTENTE A FRAGMENTOS, E MÉTODO PARA PRODUZIR UM MATERIAL RESISTENTE A FRAGMENTOS
CAMPO DA INVENÇÃO
Essa invenção se refere a laminados de tecido tendo excelentes propriedades resistentes à balística, bem como elevada resistência à penetração de fragmentos, tais como estilhaços. De modo particular, a invenção diz respeito a um material resistente a fragmentos e à balística de peso leve, flexível, não-tecido, formado com fibras poliméricas de alta resistência em uma matriz elastomérica.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
São conhecidos artigos resistentes à balística contendo fibras de alta resistência que possuem excelentes propriedades contra projéteis deformáveis. Artigos, tais como coletes à prova de balas, capacetes e elementos estruturais de equipamentos militares, são feitos tipicamente de tecido contendo tais fibras de alta resistência. Fibras convencionalmente usadas incluem fibras de polietileno, fibras de para-aramida, tais como poli (tereftalamida fenilenodiamina), fibras de grafite, fibra de náilon, fibras de vidro e semelhantes. Para muitas aplicações, tais como coletes ou peças de colete, as fibras podem ser usadas em um tecido texturizado ou de malha. Para muitas outras aplicações,, as fibras são encapsuladas ou embutidas em um material composto para formar tecidos rígidos ou flexíveis.
Várias construções resistentes à balística são conhecidas, que são úteis para a formação de artigos, tais como capacetes, painéis e coletes. Por exemplo, as patentes norte americanas U.S. 4.403.012, 4.457.985, 4.613.535, 4.623.574, 4.650.710, 4.737.402, 4.748.064, 5.552.208, 5.587.230, 6.642.159, 6.841.492, 6.846.758, todas elas sendo aqui incorporadas para fins de referência, descrevem componentes resistentes à balística que incluem fibras de alta resistência feitas de materiais, como polietileno de ultra-alto peso molecular, com cadeia estendida. Esses compostos exibem graus variáveis de resistência à penetração por impacto de projéteis em alta velocidade, tais como balas, bombas, estilhaços e semelhantes.
As patentes norte americanas U.S. 4.403.012 e 4.457.985 divulgam artigos compostos resistentes a balística constituídos de redes de fibras de polietileno ou de polipropileno de alto peso molecular, e matrizes constituídas de polímeros e copolímeros de olefina, poliésteres insaturados, epóxis, e outros polímeros moldáveis abaixo do ponto de fusão da fibra. As patentes norte americanas U.S. 4.623.57 4 e 4.748.064 divulgam estruturas de compostos simples compreendendo fibras de alta resistência embutidas em uma matriz elastomérica. As patentes patentes norte americanas U.S. 4.737.4 02 e 4.613.535 divulgam artigos de compostos rígidos complexos tendo boa resistência ao impacto, que compreendem uma rede de fibras de alta resistência, tais como o polietileno e polipropileno de ultra-alto peso molecular divulgadas na patente norte americana U.S. 4.413.110, também aqui divulgada para fins de referência, embutidas em um material de matriz elastomérica e pelo menos uma camada rígida adicional sobre uma superfície principal das fibras na matriz. A patente norte americana U.S. 4.650.710 divulga um artigo de fabricação flexível compreendendo uma pluralidade de camadas flexíveis compostas de fibras de poliolefina com cadeia estendida . (ECP) , de alta resistência.. As fibras da rede são cobertas com um material de baixo módulo elastomérico.
As patentes norte americanas U.S. 5.552.208 e 5.587.230 divulgam um artigo e método para confeccionar um artigo compreendendo pelo menos uma rede de fibras de alta resistência e uma composição de matriz que inclui um éster de vinila e ftalato de dialila. A patente U.S. 6.64 2.15 9 divulga um composto rígido resistente a impactos tendo uma pluralidade de camadas fibrosas, que compreende uma rede de filamentos disposta numa matriz, com camadas elastoméricas entre eles. O composto é colado a uma placa rígida para elevar a proteção contra projéteis perfuradore.s de blindagem. A patente norte americana U.S. 6.841.492 divulga tecidos bidirecionais e multiaxiais, compostos de tecidos, seus conjuntos resistentes a balística e seus métodos de confecção. Os tecidos são compostos de conjuntos de fios unidirecionais e resistentes, substancialmente em paralelo, se estendendo em planos paralelos, um acima do outro. A patente norte americana U.S. 6.846.758 divulga laminados de tecido texturizado tendo elevada resistência à penetração por projéteis balísticos. Os laminados da invenção são constituídos de um tecido texturizado através de um fio de alta resistência e alta elasticidade, um revestimento superficial de um elastômero de baixa elasticidade e de uma película plástica colada à sua superfície revestida com elastômero.
Um problema associado aos atuais artigos e tecidos resistente à balística é sua limitada resistência à penetração de fragmentos, tais como estilhaços. A presente invenção apresenta uma solução para esse problema. Foi verificado inesperadamente que um tecido não—tecido formado de uma rede consolidada de fibras de alta resistência se consolidava com cerca de 7% a cerca de 15% em peso de uma composição de matriz elastomérica, e em combinação com camadas protetoras de uma película polimérica sobre cada superfície do tecido, alcança uma melhoria significativa na resistência a fragmentos, em comparação com tecidos da técnica anterior, enquanto que ainda mantendo excelentes propriedades contra projéteis deformáveis. SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A invenção apresenta um material resistente a fragmentos, compreendendo:
a) pelo menos uma rede consolidada de fibras, dita rede consolidada de fibras contendo uma pluralidade de camadas de fibras cruzadas, não-tecidas, cada camada de fibra contendo uma pluralidade de fibras dispostas em uma malha substancialmente paralela; ditas fibras tendo uma tenacidade de cerca de 7 g/ denier ou mais e um módulo de tensão de cerca de 150 g/ denier ou mais; ditas fibras tendo uma composição de matriz elastomérica sobre elas, dita composição de matriz elastomérica contendo de cerca de 7% a cerca de 15% em peso da dita rede consolidada de fibras; a pluralidade de camadas de fibras cruzadas, não- tecidas, sendo consolidadas com a dita composição de matriz, para formar a dita rede consolidada de fibras; dita rede consolidada de fibras tendo superfícies anterior e posterior; onde, se as ditas fibras contiverem fibras de aramida ou fibras de poli(p-fenileno benzobisoxazol), dita composição de matriz contém pelo menos cerca de 11% em peso da dita rede consolidada de fibras; e
b) pelo menos uma camada de uma película polimérica ligada a cada uma das ditas superfícies anterior e posterior da dita rede consolidada de fibras.
A invenção ainda apresenta um artigo resistente a fragmentos incorporando um material resistente a fragmentos, cujo material resistente a fragmentos compreende:
a) pelo menos uma rede consolidada de fibras, dita rede consolidada de fibras contendo uma pluralidade de camadas de fibras cruzadas, não-tecidas, cada camada de fibra contendo uma pluralidade de fibras dispostas em uma malha substancialmente paralela; ditas fibras tendo uma tenacidade de cerca de 7 g/ denier ou mais e um módulo de tensão de cerca de 150 g/ denier ou mais; ditas fibras tendo uma composição de matriz elastomérica sobre elas, dita composição de matriz elastomérica contendo de cerca de 7% a cerca de 15% em peso da dita rede consolidada de fibras; a pluralidade de camadas de fibras cruzadas, não- tecidas, sendo consolidadas com a dita composição de matriz, para formar a dita rede consolidada de fibras; dita rede consolidada de fibras tendo superfícies anterior e posterior; onde, se as ditas fibras contiverem fibras de aramida ou fibras de poli(p-fenileno benzobisoxazol), dita composição de matriz contém pelo menos cerca de 11% em peso da dita rede consolidada de fibras; e
b) pelo menos uma camada de uma película polimérica ligada a cada uma das ditas superfícies anterior e posterior da dita rede consolidada de fibras.
A invenção ainda apresenta um método para produzir um material resistente a fragmentos, compreendendo:
a) formação de pelo menos duas camadas de fibra, cada camada de fibra sendo formada por disposição de uma pluralidade de fibras em uma malha unidirecional substancialmente paralela; ditas fibras tendo uma tenacidade de cerca de 7 g/ denier ou mais e um módulo de tensão de cerca de 150 g/ denier ou mais; ditas fibras tendo uma composição de matriz elastomérica sobre elas;
b) disposição das ditas camadas de fibra, onde a malha unidirecional de fibras de cada camada é cruzada em um ângulo não-paralelo com relação à direção longitudinal das fibras de cada camada adjacente;
c) colagem das ditas camadas cruzadas sob condições suficientes para formar uma rede consolidada de fibras, a rede consolidada de fibras tendo superfícies anterior e posterior; onde a dita composição de matriz contém de cerca de 7% a cerca de 15% em peso da dita rede consolidada de fibras, e onde, se as ditas fibras contiverem fibras de aramida ou fibras de poli(p-fenileno benzobisoxazol), dita composição de matriz contém pelo menos cerca de 11% em peso da dita rede consolidada de fibras; e
d) ligação de pelo menos uma camada de uma película polimérica a cada uma das ditas superfícies anterior e posterior da dita rede consolidada de fibras.
A invenção ainda apresenta um material resistente a fragmentos, compreendendo:
a) pelo menos uma rede consolidada de fibras, dita rede consolidada de fibras contendo uma pluralidade de camadas de fibras cruzadas, cada camada de fibra contendo uma pluralidade de fibras dispostas em uma malha; ditas fibras tendo uma tenacidade de cerca de 7 g/ denier ou mais e um módulo de tensão de cerca de 150 g/ denier ou mais;
ditas fibras tendo uma composição de matriz elastomérica sobre elas, dita composição de matriz elastomérica contendo de cerca de 7% a cerca de 15% em peso da dita rede consolidada de fibras; a pluralidade de camadas de fibras cruzadas sendo consolidada com a dita composição de matriz, para formar a dita rede consolidada de fibras; dita rede consolidada de fibras tendo superfícies anterior e posterior; e
b) pelo menos uma camada de uma película polimérica ligada a cada uma das ditas superfícies anterior e posterior da dita rede consolidada de fibras.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A invenção apresenta compostos de tecido não-tecido tendo elevada resistência à penetração de fragmentos, além de elevada resistência à penetração balística. Para os fins da invenção, materiais resistentes a fragmentos da invenção, que possuem elevada resistência à penetração balística, descrevem aqueles que exibem excelentes propriedades contra projéteis deformáveis.
As fibras da invenção são, de preferência, cobertas com um material elastomérico com baixo módulo de tensão, onde a matriz compreende de cerca de 7 a cerca de 15% em peso do tecido. O tecido ainda compreende pelo menos uma camada polimérica externa ligada a cada superfície externa da rede consolidada. Conforme aqui usado, o termo "módulo de tensão' significa o módulo de elasticidade, conforme medido pelos procedimentos de teste ASTM 2256 para uma fibra e pelos procedimentos de teste ASTM D638 para o material de matriz elastomérica.
Para os fins da presente invenção, uma fibra é um corpo alongado, cuja dimensão de comprimento é muito maior do que as dimensões transversais da largura e espessura. As seções transversais das fibras para uso nessa invenção podem variar de modo considerável. Elas podem ser de seção transversal circular, plana ou oblonga. Por conseguinte, o termo fibra inclui filamentos, fitas., tiras e semelhantes tendo seção transversal regular ou irregular. Elas podem ser também de seção transversal regular ou irregular com lóbulos múltiplos tendo um ou mais lóbulos regulares ou irregulares projetando-se a partir do eixo linear ou longitudinal das fibras. Prefere-se que as fibras sejam de um só lóbulo e tenham uma seção transversal substancialmente circular.
Os materiais resistentes a fragmentos da invenção compreendem pelo menos uma rede consolidada de fibras de alta resistência com alto módulo de tensão que possuem uma matriz elastomérica sobre elas, onde uma rede consolidada é uma estrutura de tecido de "uma única camada" compreendendo mais do que uma camada de fibra. Conforme aqui usado, uma "rede" de fibras significa uma pluralidade de camadas de fibras ou de fios dispostas ou interconectadas. Uma "rede consolidada" descreve uma combinação consolidada de camadas de fibras com uma composição matricial. Conforme aqui usado, uma estrutura de ,vuma só camada" se refere à estrutura composta de uma ou mais camadas de fibras individuais que foram consolidadas em uma única estrutura. Em geral, um "tecido" pode se referir a um material tecido ou não-tecido. Nas modalidades preferidas da invenção, os tecidos resistentes a fragmentos são, materiais não-tecidos. Uma "malha" descreve uma disposição de fibras ou de fios seqüencialmente em paralelo. Uma "camada" de fibra descreve um arranjo plano de fibras ou de fios tecidos ou não- tecidos.. Uma rede de fibras pode ter várias configurações. Por exemplo, as fibras podem ser formadas como um feltro ou outro tecido, não-tecido ou de malha, ou formadas em uma rede por qualquer outra técnica convencional. De acordo com uma configuração de rede consolidada particularmente preferida, uma pluralidade de camadas de fibra é combinada, pelo qual cada camada de fibra compreende fibras alinhadas na mesma direção em uma malha, de modo que elas fiquem substancialmente paralelas entre si ao longo de uma direção longitudinal de fibras em comum.
Conforme aqui usado, uma "fibra de alta resistência com alto módulo de tensão" é aquela que possui urna tenacidade preferida de pelo menos cerca de 7 g/ denier ou mais, um módulo de tensão preferido de pelo menos cerca de 150 g/ denier ou mais, e uma energia de ruptura preferida de pelo menos cerca de 8 J /g ou mais, cada qual conforme medido pelos procedimentos de teste ASTM D2256. Conforme aqui usado, o termo "denier" se refere à unidade de densidade linear, igual à massa em gramas por 9000 metros de fibra ou fio. Conforme aqui usado, o termo "tenacidade" se refere à resistência à tensão expressa como força (gramas) por densidade linear unitária (denier) de uma amostra sem tensão. O "módulo de elasticidade inicial" de uma fibra é a propriedade de um material representativo de sua resistência à deformação. O termo "módulo de tensão" se refere à relação entre a mudança na tenacidade, expressa em gramas força por denier (g /d) e a mudança na deformação, expressa como uma fração do comprimento da fibra original (pol./ pol.).
Materiais de fibra com alta resistência e alto módulo de tensão particularmente adequados incluem fibras poliolefinicas de cadeia estendida, tais como fibras de polietileno de alto peso molecular, altamente orientadas, particularmente fibras de polietileno de ultra-alto peso molecular, e fibras de polipropileno de ultra-alto peso molecular. Também adequadas são fibras de álcool polivinílico de cadeia estendida, fibras de poliacrilonitrila de cadeia estendida, fibras de para- aramida, fibras de polibenzazol, tais como fibras de polibenzoxazol (PBO) e de polibenzotiazol (PBT) e fibras copoliéster de cristal liquido.
No caso de polietileno, fibras preferidas são polietilenos de cadeia estendida tendo pesos moleculares de pelo menos 500.000, de preferência, de pelo menos um milhão e, mais preferivelmente, entre dois milhões e cinco milhões. Tais fibras de polietileno com cadeia estendida (ECPE) podem ser desenvolvidas em processos de fiação em solução, tais como descritos na patente patente norte americana U.S. 4.137.394 ou 4.356.138, que são aqui incorporadas para fins de referência, ou podem ser fiadas a partir de uma solução para formar uma estrutura de gel, tal como descrito nas patentes U.S. 4.551.2 96 e 5.006.390, que também são aqui incorporadas para fins de referência.
As fibras de polietileno mais preferidas para uso na invenção são fibras de polietileno vendidas através da marca comercial Spectra® da Honeywell International Inc.. Fibras de Spectra® são bastante conhecidas na técnica. No mesmo patamar, a fibra Spectra® de alto desempenho é dez vezes mais resistente que o aço, enquanto que ainda leve o suficiente para flutuar na água. As fibras também possuem outras propriedades básicas incluindo resistência a impacto, umidade, abrasão, produtos químicos e puncionamento. Essas fibras são de preferência produzidas usando um processo conhecido como fiação em gel. Nesse processo, moléculas de polietileno com cadeia estendida são dissolvidas em um solvente, que é aquecido e forçado através de bicos finos chamados fieiras. Os jatos de solução resultantes são resfriados e endurecidos formando fibras poliméricas, que são então estiradas, secas e enroladas em bobinas para posterior fabricação. Tais técnicas são bastante conhecidas na arte. Esse processo alinha as moléculas de polietileno com cadeia estendida, de modo que os átomos de hidrogênio de cada molécula colem com aqueles de seus vizinhos. Esse alto grau de adesão molecular entre carbonos dentro da fibra concede grande resistência à tração para fibras Spectra®. As fibras Spectra® em si são conhecidas há bastante tempo e são descritas, por exemplo, nas patentes norte americanas U.S. de titularidade conjunta 4.623.547 e 4.748.064 de Harpell e outros.
Fibras de polipropileno adequadas incluem fibras de polipropileno com cadeia estendida (ECPP) altamente orientadas, conforme descritas na patente norte americana U.S. 4.413.110, que é aqui incorporada para fins de referência. Fibras de álcool polivinilico (PV-OH) adequadas são descritas, por exemplo, nas patentes norte americanas U.S. 4.440.711 e 4.599.267, aqui incorporadas para fins de referência. Fibras de poliacrinolitrila (PAN) adequadas são divulgadas, por exemplo, na patente norte americana U.S 4.53.5.027, que é aqui incorporada para fins de referência. Cada um desses tipos de fibra é convencionalmente conhecido, sendo amplamente disponibilizado no comércio.
Fibras adequadas de aramida (poliamida aromática) são fornecidas no comércio e descritas, por exemplo, na patente norte americana U.S., 3.671.542. Por exemplo, filamentos úteis de poli(p-fenileno tereftalamida) são produzidos no comércio pela Dupont Corporation através da marca comercial Kevlar®. Também úteis na prática dessa invenção são fibras de poli(m-fenileno isoftalamida) produzidas no comércio pela Dupont através do nome comercial NOMEX®. Fibras de polibenzazol adequadas para prática dessa invenção são fornecidas no comércio e divulgadas, por exemplo, nas patentes norte americanas U.S. 5.286.833, 5.296.185, 5.356.584, 5.534.205 e 6.040.050, cada qual sendo aqui incorporada para fins de referência. Fibras de polibenzazol preferidas são fibras da marca ZYLOM® da Toyobo Co. Fibras de copoliéster de cristal liquido adequadas para a prática dessa invenção são fornecidas no comércio e divulgadas, por exemplo, nas patentes norte americanas U.S 3.975.487, 4.118.372 e 4.161.47 0, cada uma delas sendo aqui incorporada para fins de referência.
Os outros tipos de fibras adequadas para uso na presente invenção incluem fibras de vidro, fibras formadas de carbono, fibras formadas de basalto ou outros minerais, fibras de M5® e combinações de todos os materiais acima, todos eles encontrados no comércio. Fibras de M5® são fabricadas pela Magellan Systems International de Richmond, Virgínia, e são descritas, por exemplo, nas patentes U.S. norte americanas 5.674.969, 5.939.553, 5.945.537 e 6.040.478, cada uma delas sendo aqui incorporada para fins de referência. Fibras especialmente preferidas incluem fibras de M5®, fibras Spectra® de polietileno, fibras de poli(p-fenileno tereftalamida) e poli (p-fenileno-2,6- benzobisoxazol). Mais preferivelmente, as fibras compreendem fibras Spectra® de polietileno de alta resistência e alto módulo de tensão.
As fibras mais preferidas para os fins da invenção são fibras de polietileno com cadeia estendida de alta resistência e alto módulo de tensão. Conforme acima citado, uma fibra de alta resistência e alto módulo de tensão é aquela que possui uma tenacidade preferida de cerca de 7 g/ denier ou mais, um módulo de tensão preferido de cerca de 150 g/ denier ou mais., conforme medido pela ASTM 02256, e uma energia de ruptura preferida de cerca de 8 J/g ou mais.
Na modalidade preferida da invenção, a tenacidade das fibras deve ser de cerca de 15 g/ denier ou mais, de preferência de cerca de 20 g/ denier ou mais, mais preferivelmente de cerca de 25 g/ denier ou mais, e ainda mais preferível de cerca de 30 g/ denier ou mais. As fibras da invenção também possuem um módulo de tensão preferido de cerca de 300 g/ denier ou mais, mais preferivelmente de cerca de 400 g/ denier ou mais, mais .preferivelmente de cerca de 500 g/ denier ou mais, mais preferivelmente de cerca de 1000 g/ denier ou mais e, ainda mais preferível, de cerca de 1500 g/ denier ou mais. As fibras da invenção também possuem uma energia de ruptura preferida cerca de 15 J/ g ou mais, mais preferivelmente cerca de 25 J/ g ou mais, mais preferivelmente cerca de 30 J/ g ou mais, e mais preferível, possuem uma energia de ruptura de cerca de 40 J/ g ou mais. Estas propriedades de alta resistência combinadas são obtidas, através do emprego da solução desenvolvida ou dos processos de fibra em gel. As patentes norte americanas U.S. 4.413.110, 4.440.711, 4.535.027, 4.457.985, 4.623.547, 4.650.710 e 4.748.064 discutem, de um modo geral, as fibras preferidas de polietileno com cadeia estendida de alta resistência empregadas na presente invenção, e as divulgações dessas patentes são agui incorporadas para fins de referência.
Uma técnica preferida de formar os tecidos da invenção é revestir pelo menos uma superfície das fibras com uma composição elastomérica, de preferência revestindo ou encapsulando substancialmente cada uma das fibras individuais, seguido pela prensagem conjunta e fusão de uma pluralidade dessas fibras revestidas. Essa composição elastomérica é aqui denominada de uma composição de matriz. O termo "matriz", conforme aqui usado, é bastante conhecido na técnica, sendo usado para representar um material polimérico que adere as fibras entre si após sua consolidação. O termo "composto" se refere a combinações consolidadas de fibras com o material matricial. Na modalidade preferida da invenção, as fibras da invenção são primeiràmente revestidas com a composição de matriz elastomérica, seguido pela disposição de uma pluralidade de fibras em uma camada de fibras não-tecidas. De modo alternativo, as fibras podem ser dispostas entre si e, em seguida, revestidas com a composição de matriz elastomérica.
A composição de matriz elastomérica pode compreender uma variedade de materiais poliméricos e não- poliméricos. A composição de matriz elastomérica preferida compreende um material de baixo modo elastomérico. Para os fins dessa invenção, um material de baixo modo elastomérico possui um módulo de tensão, medido a cerca de 6000 psi (41,4 MPa) ou menos, de acordo com procedimentos de teste da ASTM D638. De preferência, o módulo de tensão do elastômero é de cerca de 4000 psi (27,6 MPa) ou menos, mais preferivelmente de cerca de 2400 psi (16,5 MPa) ou menos, mais preferivelmente de cerca de 1200 psi (8,23 MPa) ou menos, e mais preferivelmente é de cerca de 500 psi (3,45 MPa) ou menos. A temperatura de transição ao vidro (Tg) do elastômero é de preferência inferior a cerca de 0° C, mais preferivelmente inferior a cerca de -40° C, e mais preferivelmente inferior a cerca de -50° C. O elastômero também possui um alongamento preferido à ruptura de pelo menos cerca de 50%, mais preferivelmente de pelo menos cerca de 100% e mais ' preferivelmente possui um alongamento à ruptura de pelo menos cerca de 300%.
Uma ampla variedade de materiais e formulações elastoméricas pode ser utilizada nessa invenção. Exemplos representativos de elastômeros apropriados possuem suas estruturas, propriedades, formulações em conjunto com procedimentos cruzados sintetizados na Encyclopedia of Polymer Science (Enciclopédia de Ciência dos Polímeros), Volume 5, na seção Elastomers - Synthetic (John Wiley & Sons Inc.., 1964). O principal requisito é que os materiais de matriz dessa invenção tenham módulos de elasticidade adequadamente baixos e sejam moldáveis abaixo do ponto de fusão da fibra. Materiais adequados com baixo módulo elastomérico incluem polibutadieno, poliisopreno, borracha natural, polietileno, polietileno com ligação cruzada, polietileno clorossulfonado, polipropileno, copolímeros de etileno, copolímeros de propileno, copolímeros de etileno- propileno, terpolímeros de etileno - propileno - dieno, polímeros de polissulfeto, elastômeros de poliuretano, epóxis, policloropreno, cloreto de polivinilo plastificado, elastômeros de butadieno acrilonitrila, poli(isobutileno- co-isopreno), poliacrilatos, fenólicos, polibutirais, poliésteres, poliéteres, fluoroelastômeros, elastômeros de silicone, elastômeros termoplásticos, copolímeros estirênicos em bloco, tais como os tipos de estireno - isopreno - estireno ou estireno - butadieno- estireno, e semelhantes.
Particularmente úteis são copolímeros em bloco de dienos conjugados e monômeros aromáticos de vinila. Butadieno e isopreno são elastômeros de dienos conjugados preferidos. Estireno, tolueno de vinila e estireno de t- butila são monômeros aromáticos conjugados preferidos. Copolímeros em bloco incorporando poliisopreno podem ser hidrogenados para produzir elastômeros termoplásticos tendo segmentos elastoméricos de hidrocarbonetos saturados. Os polímeros podem ser copolímeros em triblocos simples do tipo A--B-A, copolímeros em blocos múltiplos do tipo (AB)n(n=2-10) ou copolímeros de configuração radial do tipo R-(BA) χ (x=3-150) ; onde A é um bloco de um monômero aromático de polivinila e B é um bloco de um elastômero de dieno conjugado. Muitos desses polímeros são produzidos no comércio pela Kraton Polymers of Houston, TX e descritos no boletim xKraton® Thermoplstic Rubber' (Borracha termoplástica Kraton®), SC-68-81. O polímero matricial mais preferido compreende copolímeros estirênicos em bloco, vendidos através da marca comercial Kraton®, produzida no comércio pela Kraton Polymers.
De preferência, o material com baixo modo elastomérico consiste essencialmente de pelo menos um dos elastômeros acima citados. Os materiais com baixo módulo elastomérico podem ainda incluir enchimentos, tais como negro de fumo,, sílica etc.., e podem ser estendidos com óleos e vulcanizados por enxofre, peróxido, óxido metálico, ou sistemas de cura por radiação usando métodos bastante conhecidos pelos técnicos em borracha. Misturas de diferentes materiais elastoméricos podem ser usadas em conjunto, ou um ou mais materiais elastoméricos podem ser misturados com um ou mais termoplásticos. Polietileno de alta densidade, baixa densidade, e baixa densidade linear pode ser reticulado, para se obter um material matricial de cobertura com propriedades apropriadas, em separado ou sob forma de misturas. Em cada um dos casos, o módulo de elasticidade da cobertura não deve exceder a 6000 psi (41,4 MPa) , conforme medido pelos procedimentos de teste ASTM D638.
A cobertura pode ser aplicada à fibra em uma variedade de maneiras, tal como por aspersão ou cobertura com rolo de uma solução do elastômero sobre as superfícies da fibra, seguido por secagem. Um método é aplicar um material limpo de cobertura às fibras como um líquido, um sólido pastoso, ou partículas em suspensão, ou como um leito fluidizado. De modo alternativo, a cobertura pode ser aplicada como uma solução ou emulsão em um solvente adequado, que não afete adversamente as propriedades da fibra na temperatura de aplicação. Embora qualquer líquido capaz de dissolver ou dispersar o polímero de cobertura possa ser usado, grupos preferidos de solvente incluem água, óleos de parafina e solventes aromáticos ou solventes de hidrocarbonetos, com solventes específicos ilustrativos incluindo óleo de parafina, xileno, tolueno, octano, ciclohexano, metil etil cetona (MEK) e acetona. As técnicas usadas para dissolver ou dispersar os polímeros de cobertura nos solventes serão aquelas usadas de maneira convencional para a cobertura de materiais elastoméricos similares em uma variedade de substratos.
Outras técnicas para aplicar a cobertura nas fibras podem ser usadas, incluindo a cobertura do precursor com alto módulo de elasticidade (fibra gel) antes das fibras serem submetidas a uma operação de estiramento em alta temperatura, quer antes ou após a remoção do solvente da fibra (caso se utilize a técnica de formação da fibra por fiação com gel) . A fibra pode ser então es tirada em temperaturas elevadas para produzir as fibras revestidas. A fibra de gel pode ser passada através de uma solução do polímero de cobertura apropriada sob condições, para se alcançar a cobertura desejada. A cristalização do polímero de alto peso molecular na fibra gel pode ter ou não ocorrido, antes da fibra passar através da solução. De modo alternativo., a fibra pode ser extrudada dentro de um leito fluidizado do pó polimérico apropriado. Além disso, se uma operação de estiramento ou outro processo de manipulação, p. ex. troca de solventes, secagem ou semelhantes, for conduzido, a cobertura pode ser aplicada a ura material precursor da fibra final.
Em outra técnica de cobertura, uma camada de fibras é inicialmente formada, seguido pela imersão da camada dentro de um banho de uma solução contendo o material de cobertura com baixo módulo elastomérico. A evaporação do solvente produz uma rede de fibras cobertas com material elastomérico. 0 procedimento de imersão pode ser repetido por diversas vezes, conforme necessário, para aplicar uma quantidade desejada de cobertura do material elastomérico sobre as fibras.
A proporção entre a composição matricial seca e o tecido global é relativamente baixa, de preferência de cerca de 7% a cerca de 15% em peso, baseado no peso global do tecido. Mais preferivelmente, a composição matricial seca compreende de cerca de 11% a cerca de 15% em peso do tecido. Mais preferivelmente, a composição matricial seca compreende de cerca de 7% a cerca de 14% em peso do tecido, mais preferivelmente de cerca de 7% a cerca de 13%, mais preferivelmente de cerca de 7% a cerca de 12%, e mais preferivelmente de cerca de 7% a cerca de 11% em peso do tecido. Foi inesperadamente verificado que uma redução do teor global da matriz no tecido em combinação com as camadas externas da película polimérica no tecido resulta em um tecido tendo elevada resistência a fragmentos, em adição a elevada resistência à balística. Se as ditas fibras compreenderem fibras de aramida ou de poli(p- fenilenobenzobisoxazol) , a composição matricial compreende de preferência pelo menos cerca de 11% em peso da dita rede consolidada de fibras.
Em uma modalidade preferida da invenção, as fibras da invenção são inicialmente revestidas, usando-se uma das técnicas acima, seguido pela disposição de uma pluralidade de fibras em uma camada de fibras não-tecidas. De preferência, fibras individuais são posicionadas próximas e em contato entre si, e são dispostas em malhas semelhantes a folhas de fibras, onde as fibras são alinhadas substancialmente em paralelo entre si ao longo de uma direção longitudinal de fibras em comum. Em uma técnica particularmente eficaz para dispor as fibras em tal configuração, as fibras são conduzidas através de um banho contendo uma solução do material elastomérico, e são a seguir enroladas de modo espiral em uma única camada semelhante a folha em volta e ao longo do comprimento de uma fôrma adequada, tal como um cilindro. O solvente é então evaporado, restando uma folha pré-impregnada de fibras dispostas em paralelo, que podem ser removidas da fôrma cilíndrica e cortadas em um tamanho desejado. De modo alternativo, uma pluralidade de fibras pode ser conduzida ao mesmo tempo através do banho de solução elastomérica e depositada em relação estreitamente posicionada, substancialmente em paralelo entre si, sobre uma superfície adequada. A evaporação do solvente resulta em uma folha pré-impregnada composta de fibras revestidas com elastômero, que são substancialmente paralelas e alinhadas ao longo de uma direção comum das fibras.
Os métodos acima são de preferência seguidos para formar pelo menos duas camadas de fibra unidirecionais, pelo qual as fibras são substancialmente cobertas com uma composição matricial de baixo módulo elastomérico em todas as superfícies da fibra. Em seguida, as camadas de fibra são de preferência consolidadas em uma rede de fibras consolidadas em uma única camada. Isso pode ser alcançado pelo empilhamento das camadas de fibras individuais, uma sobre a outra, seguido por sua colagem em presença de calor e pressão para curar' a quente a estrutura global, fazendo com que o material matricial escoe e ocupe todos os espaços vazios restantes. Conforme é conhecido de maneira convencional na arte, uma excelente resistência à balística é obtida, quando camadas de fibras individuais são cruzadas, de modo que a direção de alinhamento das fibras de uma camada seja girada a um ângulo com relação à direção de alinhamento das fibras da outra camada, de modo que elas não fiquem em paralelo. Por exemplo, uma estrutura preferida possui duas camadas de fibra da invenção pOsicionadas em conjunto, de modo que a direção longitudinal das fibras de uma camada seja perpendicular à direção longitudinal das fibras da outra camada. Em outro exemplo, uma estrutura de cinco camadas é formada, onde as segunda., terceira, quarta e quinta camadas são giradas a +45° -45°, 90° e 0°, com relação à primeira camada, mas não necessariamente nesta ordem. Para os fins dessa invenção, camadas adjacentes podem ser alinhadas virtualmente a qualquer ângulo entre cerca de 0° o e cerca de 90° com relação à direção longitudinal das fibras da outra camada, mas orientações de fibra de cerca de 0° e de cerca de 90° são preferidas. Embora os exemplos acima ilustrem tecidos, que incluam duas ou cinco camadas de fibras individuais, eles não pretendem ser limitadores. Deve ficar claro que as redes consolidadas de uma única camada da invenção podem incluir geralmente qualquer número de camadas cruzadas, tais como cerca de 20 a cerca de 40 ou mais camadas, conforme possa ser desejado para várias aplicações.
Condições adequadas de colagem para consolidar as camadas de fibra e fixar as camadas de película polimérica incluem técnicas de laminação conhecidas de modo convencional. Um processo de laminação típico inclui a prensagem das películas poliméricas sobre o material cruzado a cerca de 110°C, sob pressão de cerca de 200 psi (1379 kPa) durante cerca de 30 minutos. A consolidação das camadas de fibras individuais da invenção é de preferência conduzida a uma temperatura de cerca de 200° F (-93°C) a cerca de 350° F {-111°C) , mais preferivelmente, a uma temperatura de cerca de 200° F a cerca de 300° F (-149°C) e, mais preferivelmente, a uma temperatura de cerca de 200° F a cerca de 250° F (-121° C) , e a uma pressão de cerca de 25 psi (~172kPa) a cerca de 500 psi (3447 kPa) ou mais. A consolidação pode ser conduzida em uma autoclave, conforme é conhecido de maneira convencional na técnica.
Durante o aquecimento, é possível que a matriz possa ficar pegajosa ou escoar, sem ter sido inteiramente fundida. Porém, de modo geral, se o material matricial for fundido, uma pressão relativamente baixa se faz necessária para formar o composto, enquanto que, se o material matricial for somente aquecido a um estado pegajoso, mais pressão é tipicamente necessária. A etapa de consolidação pode, em geral, demorar de cerca de 10 segundos a cerca de 24 horas. Porém, as temperaturas, pressões e tempos de laminação são geralmente dependentes do tipo de polímero matricial, teor do polímero matricial e tipo de filtro.
Após a consolidação das camadas de fibra, uma camada polimérica é de preferência fixada a cada uma das superfícies anterior e posterior da rede consolidada de uma única camada através de métodos convencionais. Polímeros adequados para a dita camada polimérica incluem, não exclusivamente, polímeros termoplásticos e de cura térmica. Polímeros termoplásticos adequados podem ser não exclusivamente selecionados dentre o grupo constituído de poliolefinas, poliamidas, poliésteres, poliuretanos, polímeros de vinila, fluoropolímeros e copolírneros, e suas combinações. Dentre esses, as camadas de poliolefinas são preferidas. A poliolefina preferida é um polietileno. Exemplos não limitadores das películas de polietileno são polietileno de baixa densidade (LDPE), polietileno linear de baixa densidade (LLDPE)1, polietileno linear de média densidade (LMDPE) , polietileno linear de muito baixa densidade (VLDPE) , polietileno linear de ultra-baixa densidade (ULDPE) , polietileno de alta densidade (HDPE) . Dentre esses, o polietileno mais preferido é o LLDPE.
Polímeros de termocura adequados incluem, não exclusivamente, alilas termocuradas, aminos, cianatos, epóxis, fenólicos, poliésteres insaturados, bismaleimidas, poliuretanos rígidos, silicones, ésteres de vinila e seus copolímeros e misturas, tais como aqueles descritos nas patentes norte americanas U.S. 6.84 6.758, 6.841.4 92 e 6.642.159. Conforme aqui descrito, uma película polimérica inclui revestimentos poliméricos.
As camadas de película polimérica são de preferência fixadas à rede consolidada de uma só camada, usando-se técnicas de laminação bem conhecidas. De modo característico, a laminação é feita pelo posicionamento das camadas individuais, uma sobre as outra, sob condições de calor e pressão suficientes para fazer com que as camadas se combinem formando uma película unitária. As camadas individuais são posicionadas entre si, e a combinação é então passada tipicamente através do acunhamento de um par de rolos de laminação aquecidos, por meio de técnicas bastante conhecidas na arte. 0 aquecimento da laminação pode ocorrer em temperaturas variando de cerca de 95° C a cerca de 175° C, de preferência de cerca de 105° C a cerca de 175° C, a pressões variando de cerca de 5 psi g (0,034 MPa) a cerca de 100 psi g (0,69 MPa) durante cerca de 5 segundos a cerca de 36 horas, de preferência de cerca de 30 segundos a cerca de 24 horas. Na modalidade preferida da invenção, as camadas da película polimérica compreendem de preferência de cerca de 2% a cerca de 25% em peso do tecido global, mais preferivelmente, de cerca de 2% a cerca de 17% em peso do tecido global e, mais preferivelmente, de 2% a 12%. A porcentagem em peso das camadas de película polimérica irá variar, de um modo geral, dependendo do número das camadas de tecido formando a película de camadas múltiplas. Embora as etapas de consolidação e de laminação da camada polimérica externa sejam aqui descritas como duas etapas em separado, elas podem ser, de modo alternativo, combinadas em uma única etapa de consolidação/ laminação através de técnicas convencionais na arte.
As camadas de película polimérica são de preferência muito finas, tendo espessuras de camadas preferidas de cerca de 1 μm a cerca de 250 μm, mais preferivelmente, de cerca de 5 μm a cerca de 25 μm e, mais preferivelmente, de cerca de 5 μm a cerca de 9 μm. A espessura das camadas de tecidos individuais irá corresponder às espessuras das fibras individuais. Por conseguinte, redes consolidadas de uma só camada preferidas da invenção terão uma espessura preferida de cerca de 25 pm a cerca de 500 μm, mais preferivelmente, de cerca de 7 5 μm a cerca de 385 μm e, mais preferivelmente, de cerca de 125 pm a cerca de 255 um. Embora essas espessuras sejam preferidas, deve ficar claro que outras espessuras de película podem ser produzidas para satisfazer uma necessidade particular e ainda incidir no escopo da presente invenção.
Os tecidos da invenção ainda exibem boa resistência ao descascamento. A resistência ao descascamento é um indicador da resistência aderente entre as camadas de fibra. Como regra geral, quanto menor for o teor do polímero matricial, menor será a resistência aderente, mas maior será a resistência a fragmentos. Porém, abaixo de uma resistência aderente crítica, o material balístico perde durabilidade durante o corte do material e montagem dos artigos, tal como um colete, e também resulta em reduzida durabilidade dos artigos. Na modalidade preferida, a resistência ao descascamento para materiais fibrosos SPECTRA® em uma configuração de Blindagem do SPECTRA® (0o, 90°) é de preferência de pelo menos cerca de 0,17 lb/ pés2 para boa resistência a fragmentos, mais preferivelmente de pelo menos cerca de 0,188 lb/ pés2, e mais preferivelmente de pelo menos cerca de 0,206 Ib/ pés2. Foi verificado que as melhores resistências ao descascamento foram alcançada para tecidos da invenção tendo pelo menos cerca de 11% a cerca de 15% de teor matricial, de modo particular para fibras de aramida e poli(p-fenilenobenzobisoxazol).
Após a formação dos tecidos, eles podem ser usados em várias aplicações. Por exemplo, eles podem ser moldados em artigos, submetendo-os a pressão e calor. As temperaturas para moldagem podem variar de cerca de 20° C a cerca de 175° C, de preferência de cerca de 100° C a cerca de 150° C, mais preferivelmente de cerca de 110° C a cerca de 130° C. Também adequada são as técnicas para a formação de artigos descritos, por exemplo, nas patentes norte americanas U.S. 4.623.574, 4.650.710, 4.748.064, 5.552.208, 5.587.230, 6.642.159, 6.841.492 e 6.846.748.
Em uma modalidade preferida da presente invenção, uma pluralidade de redes de fibras consolidadas de uma só camada é disposta entre si para formar artigos flexíveis, incluindo vestimentas, como coletes, calças, chapéus, ou outros artigos de vestuário, conforme é bem conhecido na técnica. Os tecidos da invenção podem ser também formados em outros artigos de proteção pessoal, tais como capacetes, ou podem ser formados era blindagens, coberturas ou mantas protetoras, conforme desejado. As redes de fibra podem reter, de modo individual, a característica de alta flexibilidade dos tecidos têxteis e de preferência permanecer separadas entre si, isto é, não sendo coladas entre si. De ,modo alternativo, camadas múltiplas de tecido podem ser cosidas ou coladas entre si com materiais adesivos ou outras fibras ou materiais termoplásticos ou não-termoplásticos. Por conseguinte, artigos da invenção podem compreender uma pluralidade de tecidos não-tecidos resistentes a fragmentos, que são montados em uma malha colada ou não-colada.
Vestimentas da invenção podem ser formadas por meio de métodos conhecidos de maneira convencional na arte. De preferência, uma vestimenta pode ser formada pela união dos tecidos resistentes a fragmentos da invenção com um artigo de vestuário. Por exemplo, um colete resistente a fragmentos pode compreender um colete de tecido genérico, que é unido com os tecidos resistentes a fragmentos da invenção, pelo qual os tecidos inventivos são inseridos em cavidades estrategicamente posicionadas. Isto permite a maximização da proteção balística e contra fragmentos, enquanto que minimizando o peso do. colete. Conforme aqui usados, os termos "unindo" ou "unido" pretendem incluir fixação, tal como por costura ou adesão e semelhantes, bem como acoplamento ou justaposição não-fixada com outro tecido, a fim de que os tecidos resistentes a fragmentos possam ser opcionalmente removíveis com facilidade do colete ou de outro artigo de vestuário.
Coletes e outros artigos de vestuário compostos de múltiplas camadas de tecido, construídas de acordo com a presente invenção, possuem boa flexibilidade e conforto acoplados a excelente proteção balística e resistência a fragmentos. Um pequeno projétil pontudo pode penetrar na blindagem, deslocando lateralmente as fibras sem rompê-las.
Nesse caso, a resistência à penetração depende da rapidez com que as fibras possam ser empurradas para os lados e, assim, da natureza da rede fibrosa. Um fator importante na resistência a fragmentos ou balística de um tecido não- tecido é a periodicidade de cruzamentos em compostos unidirecionais usados e o denier da fibra, atrito entre as fibras, características matriciais, resistências aderentes entre as laminas e outros.
Fragmentos afiados podem penetrar cortando as fibras. Projéteis podem também romper a tensão das fibras. O impacto de um projétil sobre um tecido causa a propagação de uma onda de deformação através do tecido. A resistência balística é maior, se a onda de deformação puder se propagar de maneira rápida e desimpedida através do tecido e envolver maiores volumes de fibras. Uma menor adesão interfacial entre as camadas da modalidade permite maior absorção de energia. Trabalho experimental e analítico demonstrou que, em todos os casos reais, todos os modos de penetração existem e que sua importância relativa é consideravelmente afetada pelo desenho do composto.
As propriedades de resistência a fragmentos e balística são determinadas, usando-se procedimentos de teste padrão que são bastante conhecidos na técnica. Por exemplo, estudos de blindagem de compostos balísticos normalmente empregam um fragmento não-deformador de aço, calibre 22, de peso, dureza e dimensões especificadas ('Mil- Spec. MIL-P-46593A(ORD)).
O poder de proteção ou a resistência à penetração de uma estrutura é normalmente expresso por citação da velocidade de impacto, na qual 50% dos projéteis penetram no composto, enquanto que 50% são parados pela blindagem, também conhecido como valor V50. Conforme aqui usado, a "resistência à penetração" do artigo é a resistência à penetração por uma determinada ameaça, tais como objetos físicos incluindo balas, fragmentos, estilhaços e semelhantes, e objetos não-físic-os, tais como um golpe de explosão. Para compostos com a mesma densidade de área, que é o peso do painel do composto dividido pela área superficial, quanto maior for o V50, melhor será a resistência do composto. A resistência à penetração para determinadas ameaças pode. ser também expressa pela absorção total da energia específica ("SEAT") do material resistente à balística. A SEAT total é a energia cinética da ameaça dividida pela densidade em área do composto. Quanto maior for o valor SEAT, melhor será a resistência do composto à ameaça. As propriedades balísticas e contra fragmentos dos tecidos da invenção irão variar, dependendo de muitos fatores, particularmente do tipo de fibras usado para confeccionar os tecidos. Porém, foi inesperadamente descoberto que os tecidos da invenção possuem elevados valores V50 e elevada absorção de energia especifica do alvo, em comparação com tecidos similares tendo maiores quantidades de polímero matricial, como pode ser visto nos exemplos e tabela de dados abaixo.
Os exemplos não limitadores a seguir servem para ilustrar a invenção.
EXEMPLOS
EXEMPLO 1 (COMPARATIVO)
Um bloco de tiro balístico foi preparado, empilhando-se 18 camadas de tecido entre si, cada camada de tecido sendo composta de uma rede consolidada tendo duas folhas (camadas) de fibras unidirecionais de polietileno com alto módulo de elasticidade (HMPE) impregnadas com polímero termoplástico Kraton®, cada camada sendo cruzada em ângulos retos entre si (0 graus/ 90 graus) e laminada entre duas folhas de película de polietileno linear de baixa densidade (LLDPE).
As fibras de HMPE foram de SPECTRA® 1000, denier 1100, confeccionadas pela Honeywell International Inc., e tinham uma tenacidade de 36 g/ denier e um módulo de tensão de 1250 g/ denier. 0 polímero de Kraton® usado foi um copolímero em bloco de poliestireno - polisopreno poliestireno. Cada camada de tecido, antes das películas de polietileno serem adicionadas, continha 7 9% em peso da fibra e 21% em peso do polímero Kraton®, baseado no peso total do tecido.
As películas de LLDPE tinham, cada qual, uma espessura 9 μm. A densidade de área de cada película de LLDPE foi de 8 gsm (gramas/ m2). As películas de LLDPE foram laminadas no material cruzado em camadas a 110° C, com pressão de cerca de 200 psi (1379 kPa) durante pelo menos 30 minutos. A densidade de área total de uma camada de tecido foi de 116 gsm. Uma folha laminada contínua de material foi formada e enrolada em um rolo. A folha laminada tinha uma espessura de 0, 006 pol. (0, 1524 mm). A folha foi, então, cortada para formar 18 camadas separadas, cada qual tendo um comprimento e largura de 18 pol. χ 18 pol. (45,7 mm χ 45,7 mm). As 18 camadas foram então livremente empilhadas entre si para formar um bloco de tiro. As camadas não foram coladas entre si. A densidade de área do bloco de tiro foi de 0,43 Ib/ pés2 (2,09 kg/m2).
Para testar a resistência a fragmentos, o bloco de tiro foi montado sobre uma armação de teste e preso firmemente no topo da armação. A armação foi montada em uma direção de 90° com relação à linha de fragmentos disparados a partir de um receptor universal, firmemente montado. Um Projétil Simulador de Fragmentos (FSP), de 17 grãos, foi usado para teste e moldado no formato, tamanho e peso, conforme a MIL-P-4 6593A. O teste de balística V50 foi conduzido, de acordo com os procedimentos da norma MIL-STD- 662F. O teste limite de balística V50 é um teste estatístico que identifica, de modo experimental, a velocidade, na qual uma bala possui uma chance de 50% de penetrar no objeto de teste.
Diversos fragmentos FSP de 17 grãos foram disparados, alterando a velocidade de cada fragmento. A velocidade de cada fragmento foi variada para baixo e para cima, dependendo de se o tiro do fragmento anterior provocou uma penetração completa, ou penetrou parcialmente em poucas camadas do bloco de tiro. Uma velocidade média foi alcançada incluindo, de preferência, cerca de quatro penetrações parciais e cerca de quatro penetrações completas de fragmentos dentro de uma faixa de velocidades de cerca de 125 pés por segundo (fps) . A velocidade média das penetrações parciais e completas é chamada de V50. A V50 desse bloco de tiro foi testada como 1201 fps. A Absorção de Energia Específica do Alvo (SEAT) foi calculada, como sendo de 34,88 J-m2/kg.
EXEMPLO 1A (COMPARATIVO)
O Exemplo 1 é repetido, mas com um bloco de tiro tendo 19 camadas de tecido empilhadas, tendo uma densidade em área de 0,44 Ib/pés2 (2,15 kg/m2) . A V50 desse bloco de tiro foi testada como 1217 fps. A Absorção de Energia Específica do Alvo (SEAT) foi calculada, como sendo de 35,01 J-m2/kg. EXEMPLO 2
Um bloco de tiro balístico foi preparado, através do empilhamento de 20 camadas de tecido de SPECTRA® 1000, 1100 denier, conforme descrito no Exemplo 1. Cada camada de tecido continha 88,7% em peso de fibra, baseado no peso da camada de tecido, e continha 11,3% em peso do polímero matricial, baseado no peso da camada de tecido. A película de LLDPE tinha uma espessura de 9 μπι. A densidade em área da película de LLDPE foi de 8 gsm. A densidade total em área de uma camada de tecido foi de 103,9 gsm. As folhas laminadas de material tinham uma espessura de 0,1524 mm.
O tamanho do bloco de tiro era de 18 pol. χ 18 pol. (45,7 mm χ 45,7 mm). As pilhas de folhas não foram conectadas entre si. A densidade em área do bloco de tiro foi de 0,43 Ib/ pés2 (2,09 kg/m2) . O bloco foi testado quanto à resistência a fragmentos, como no Exemplo 1. A V50 desse bloco de tiro foi testada como 1412 fps. A Absorção de Energia Específica do Alvo (SEAT) foi calculada, como sendo de 4 8,2 J-m2/kg. Esse exemplo ilustra as elevadas propriedades de resistência a fragmentos alcançadas com o tecido SPECTRA® 1000, 1100 denier, tendo 11% de polímero matricial, em comparação com 21%, como no Exemplo 1.
EXEMPLO 3 (COMPARATIVO)
O Exemplo 1 foi repetido, somente que o bloco de tiro incluía 32 camadas de tecido e foi testado contra uma bala com Jaqueta Inteiramente Metálica (FMJ) de 9 mm. O tamanho do bloco de tiro foi de 18 pol. χ 18 pol. (45,7 mm χ 45,7 mm) . A densidade em área do bloco de tiro foi de 0,74 Ib/ pés2 (3,61 kg/m2). Para testar a resistência à bala FMJ de 9 mm, o bloco de tiro foi montado sobre uma armação de teste enchida com argila Plastilina N0 1 e amarrada na armação. A armação enchida com Plastilina foi montada em uma direção de 90 graus, com relação à linha de fragmentos disparados a partir de um receptor universal firmemente montado. A bala FMJ de 9 mm usada para teste estava de acordo com o formato, tamanho e peso do Instituto Nacional de Justiça (NIJ), norma de teste 0101.04.
O teste de balística foi conduzido, de acordo com os procedimentos da norma MIL-STD-662F. Diversas balas FMJ de 9 mm foram disparadas, variando a velocidade de cada uma delas. A velocidade de cada bala FMJ de 9 mm foi variada para baixo e para cima, dependendo de se o tiro do fragmento anterior provocava uma penetração completa, ou penetrava parcialmente em poucas camadas do bloco de tiro. Uma velocidade média foi Obtidar incluindo-se cerca de quatro penetrações parciais e cerca de quatro penetrações completas de bala dentro de uma distribuição de velocidades de 125 fps. A média das velocidades de penetração parcial e completa foi calculada e denominada V50. A V50 desse bloco de tiro foi testada como 1525 fps. A Absorção de Energia Específica do Alvo (SEAT) foi calculada, como sendo de 236, 81 J-m2/kg. EXEMPLO 4
O Exemplo 2 foi repetido, mas testado com uma bala FMJ de 9 mm. 0 tamanho do bloco de tiro foi de 18 pol. χ 18 pol. (45,7 mm χ 45,7 mm) . A densidade em área do bloco de tiro foi de 0,43 Ib/ pés2 (2,09 kg/m2) . 0 teste balístico foi conduzido, como no Exemplo 3. A V50 desse bloco de tiro foi testada como 1272 fps. A Absorção de Energia Especifica do Alvo (SEAT) foi calculada, como sendo de 284,46 J-m2/kg. Esse exemplo ilustra as elevadas propriedades de resistência à balística alcançadas com o tecido SPECTRA® 1000, 1100 denier, tendo 11% de polímero matricial, em comparação com 21%, como no Exemplo 3.
EXEMPLO 5 (COMPARATIVO)
Um bloco de tiro balístico foi preparado, através do empilhamento de 27 camadas de tecido, cada camada de tecido sendo constituída de uma rede consolidada tendo duas folhas de fibras unidirecionais de HMPE impregnadas com polímero de KRATON®, cruzado em ângulos retos e laminado entre duas folhas de película de LLDPE.
As fibras de HMPE foram de SPECTRA® 1000, 1300, fabricadas pela Honeywell International Inc., e tinha uma tenacidade de 36 g/ denier e um módulo de tensão de 1150 g/ denier. Cada camada de tecido continha 7 9% em peso de fibra, baseado no peso do tecido, e continha 21% em peso do polímero matricial, baseado no peso do tecido. As películas de LLDPE tinham, cada qual, uma espessura de 9 pm. A densidade em área da película de LLDPE foi de 8 gsm. A densidade total em área de uma camada de tecido foi de 150,0 gsm. As folhas laminadas de material tinha uma espessura de 0,1651 mm.
O tamanho do bloco de tiro foi de 18 pol. x 18 pol. (45,7 mm x 45,7 mm). As pilhas de 27 folhas não foram conectadas entre si. A densidade em área do bloco de tiro foi de 0,84 Ib/ pés2 (4,1 kg/m2). O teste de fragmentos foi conduzido, como no Exemplo 1. A V50 desse bloco de tiro foi testada como 1501 fps. A Absorção de Energia Específica do Alvo (SEAT) foi calculada, como sendo de 27,8 6 J-m2/kg.
EXEMPLO 6
Um bloco de tiro balístico foi preparado, através do empilhamento de 29 camadas de tecido de SPECTRA® 1000, 1300, conforme descrito no Exemplo 5. Cada camada de tecido continha 92,97% em peso de fibra, baseado no peso da camada de tecido, e continha 7,1% em peso do polímero matricial, baseado no peso do tecido. A densidade total em área de uma camada de tecido foi de 129,0 gsm. O tamanho do bloco de tiro era de 18 pol. x 18 pol. (45,7 mm x 45,7 mm). As pilhas de folhas não foram conectadas entre si. A densidade em área do bloco de tiro foi de 0,77 Ib/ pés2 (3,75 kg/m2).
O teste de fragmentos foi conduzido, como no Exemplo 1. A média de oito velocidades de penetração parcial e completa foi calculada e denominada V50. A V50 desse bloco de tiro foi testada como 1660 fps. A Absorção de Energia Especifica do Alvo (SEAT) foi calculada, como sendo de 37,12 J-m2/kg. Esse exemplo ilustra as elevadas propriedades de resistência a fragmentos alcançadas com o tecido SPECTRA® 1000, 1300, tendo 7% de polímero matricial, em comparação com 21%, como no Exemplo 5.
EXEMPLO 7
Um bloco de tiro balístico foi preparado, através do empilhamento de 28 camadas de tecido de fibras SPECTRA® 1000, 1300, conforme descrito no Exemplo 5. Cada camada de tecido continha 89,9% em peso de fibra, baseado no peso da camada de tecido, e continha 10,1% em peso do polímero matricial, baseado no peso da camada de tecido. A densidade total em área de uma camada de tecido foi de 121,8 gsm. O tamanho do bloco de tiro foi de 18 pol. χ 18 pol. (45,7 mm χ 45,7 mm). As pilhas de folhas não foram conectadas entre si. A densidade em área do bloco de tiro foi de 0,7 7 Ib/ pés2 (3,75 kg/m2).
O teste de fragmentos foi conduzido, como no Exemplo 1. A V50 desse bloco de tiro foi testada como 1616 fps. A Absorção de Energia Específica do Alvo (SEAT) foi calculada, como sendo de 35,73 J-m2/kg. Esse exemplo ilustra as elevadas propriedades de resistência a fragmentos alcançadas com o tecido SPECTRA® 1000, 1300, tendo 10% de polímero matricial, em comparação com 21%, como no Exemplo 5. EXEMPLO 7 A
Um bloco de tiro balístico foi preparado, através do empilhamento de 29 camadas de tecido de fibras SPECTRA® 1000., 1300, conforme descrito no Exemplo 7. Cada camada de tecido continha 85,0% em peso de fibra, baseado no peso da camada de tecido, e continha 15,0% em peso do polímero matricial, baseado no peso da camada de tecido. A densidade em área do bloco de tiro foi de 0,83 Ib/ pés2 (4,05 kg/m2) .
G teste de fragmentos foi conduzido, como no Exemplo 1. A V50 desse bloco de tiro foi testada como 1648 fps. A Absorção de Energia Específica do Alvo (SEAT) foi calculada, como sendo de 34,03- J-m2/kg. Esse exemplo ilustra as elevadas propriedades de resistência a fragmentos alcançadas com o tecido SPECTRA® 1000, 1300, tendo 15% de polímero matricial, em comparação com 21%, como no Exemplo 5.
EXEMPLO 8 (COMPARATIVO)
O Exemplo 5 foi repetido, mas testado com bala FMJ de 9 mm, como no exemplo 3. A V50 desse bloco de tiro foi testada como 1450 fps. A Absorção de Energia Específica do Alvo (SEAT) foi calculada, como sendo de 189,22 J-m2/kg.
EXEMPLO 9
O Exemplo 7 foi repetido, mas testado com bala FMJ de 9 mm, como no Exemplo 3. O teste foi conduzido como no Exemplo 3 A V50 desse bloco de tiro foi testada como 1519 fps. A Absorção de Energia Especifica do Alvo (SEAT) foi calculada, como sendo de 226,54 J-m2/kg. Esse exemplo ilustra as elevadas propriedades de resistência à balística alcançada com o tecido SPECTRA® 1000, 1300, tendo 10% de polímero matricial, em comparação com 21%, como no Exemplo 8. Os dados coletados dos exemplos 1-9 são sintetizados na tabela a seguir:
<table>table see original document page 45</column></row><table> <table>table see original document page 46</column></row><table>
(*) Polímero Kraton®, com ciclohexano como solvente.
(**) Polímero de emulsão e copolímero em bloco de poliestireno - poliisopreno - poliestireno.
Bloco de tiro (alvo) com tamanho de 18 pol. χ 18 pol.: Densidade em área é o peso do bloco de tiro balístico em lb/pés2 (psi).
SEAT é Absorção de Energia Específica do Alvo
EXEMPLOS 10-12
Três amostras distintas de SPECTRA® Blindagem LCR foram testadas quanto às propriedades de resistência ao descascamento, cada amostra tendo um teor de polímero matricial distinto. As amostras de SPECTRA® Blindagem LCR compreendiam, cada qual, uma estrutura em quatro camadas da seguinte configuração de camadas: película de LLDPE/ camada de fibra a 0°/ camada de fibra a 90°/ película de LLDPE. Um teste padrão de resistência ao descascamento foi conduzido por descascamento entre as camadas de fibra. Os resultados são sintetizados na tabela a seguir:
<table>table see original document page 46</column></row><table> Os Exemplos 10-12 ilustram que quanto menor for o teor do polímero matricial, menor será a resistência aderente. Porém, abaixo de uma resistência aderente crítica, o material balístico perde durabilidade durante o corte do material e a montagem de artigos, tais como um colete, e também resulta em reduzida durabilidade de longo prazo dos artigos. A amostra do Exemplo 10, tendo 6,04% de teor do polímero matricial, apresentou uma resistência inaceitável ao descascamento a 0,08 9 lb/pés2. A amostra do Exemplo 11, tendo 11,43% de teor do polímero matricial, apresentou boa resistência ao descascamento a 0,188 lb/pés2. Essa amostra deverá também exibir excelente desempenho balístico e contra fragmentos. A amostra do Exemplo 12, tendo 20% de teor do polímero matricial, apresentou forte resistência ao descascamento a 1,7 66 lb/pés2, mas a amostra deverá exibir somente um desempenho marginal para proteção contra fragmentos.
Embora a presente invenção tenha sido particularmente mostrada e descrita com relação às modalidades preferidas, deverá ser prontamente apreciado pelas pessoas versadas na técnica que várias mudanças e modificações podem ser feitas, sem se afastar do espírito e escopo da invenção. Pretende-se que as reivindicações sejam interpretadas para abranger a modalidade divulgada, aquelas alternativas que tenham sido acima discutidas e todos os seus equivalentes.

Claims (10)

1. MATERIAL RESISTENTE A FRAGMENTOS, CARACTERIZADO pelo fato de compreender: a) pelo menos uma rede consolidada de fibras, dita rede consolidada de fibras contendo uma pluralidade de camadas de fibras cruzadas, não-tecidas, cada camada de fibra contendo uma pluralidade de fibras dispostas em uma malha substancialmente paralela; ditas fibras tendo uma tenacidade de cerca de 7 g/ denier ou mais e um módulo de tensão de cerca de 150 g/ denier ou mais; ditas fibras tendo uma composição de matriz elastomérica sobre elas, dita composição de matriz elastomérica contendo de cerca de -7% a cerca de 15% em peso da dita rede consolidada de fibras; a pluralidade de camadas de fibras cruzadas, não- tecidas, sendo consolidada com a dita composição de matriz, para formar a dita rede consolidada de fibras; dita rede consolidada de fibras tendo superfícies anterior e posterior; onde, se as ditas fibras contiverem fibras de aramida ou fibras de poli(p-fenileno benzobisoxazol), dita composição de matriz contém pelo menos cerca de 11% em peso da dita rede consolidada de fibras; e b) pelo menos uma camada de uma película polimérica ligada a cada uma das ditas superfícies anterior e posterior da dita rede consolidada de fibras.
2. Material resistente a fragmentos, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato da composição de matriz compreender um material selecionado dentre o grupo constituído de polibutadieno, poliisopreno, borracha natural, copolimeros de etileno-propileno, terpolímeros de etileno-propileno-dieno, polímeros de polissulfeto, elastômeros de poliuretano, polietileno clorossulfonado, policloropreno, cloreto de polivinilo plastificado, elastômeros de butadieno acrilonitrila, poli(isobutileno- co-isopreno), poliacrilatos, poliésteres, poliéteres, fluoroelastômeros, elastômeros de silicone, copolimeros de etileno, e suas combinações.
3. Material resistente a fragmentos, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato da dita composição de matriz compreender de cerca de 7% a cerca de -11% em peso da rede consolidada de fibras.
4. Material resistente a fragmentos, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato da dita composição de matriz compreender de cerca de 11% a cerca de -15% em peso da rede consolidada de fibras.
5. Material resistente a fragmentos, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato das camadas de película polimérica compreenderem de cerca de 2% a cerca de -25% em peso do material global.
6. ARTIGO RESISTENTE A FRAGMENTOS INCORPORANDO UM MATERIAL RESISTENTE A FRAGMENTOS, CARACTERIZADO pelo fato do dito material resistente a fragmentos compreender: a) pelo menos uma rede consolidada de fibras, dita rede consolidada de fibras contendo uma pluralidade de camadas de fibras cruzadas, não-tecidas, cada camada de fibra contendo uma pluralidade de fibras dispostas em uma malha substancialmente paralela; ditas fibras tendo uma tenacidade de cerca de 7 g/ denier ou mais e um módulo de tensão de cerca de 150 g/ denier ou mais; ditas fibras tendo uma composição de matriz elastomérica sobre elas, dita composição de matriz elastomérica contendo de cerca de 7% a cerca de 15% em peso da dita rede consolidada de fibras; a pluralidade de camadas de fibras cruzadas, não- tecidas, sendo consolidadas com a dita composição de matriz, para formar a dita rede consolidada de fibras; dita rede consolidada de fibras tendo superfícies anterior e posterior; onde, se as ditas fibras contiverem fibras de aramida ou fibras de poli(p-fenileno benzobisoxazol), dita composição de matriz contém pelo menos cerca de 11% em peso da dita rede consolidada de fibras; e b) pelo menos uma camada de uma película polimérica ligada a cada uma das ditas superfícies anterior e posterior da dita rede consolidada de fibras.
7. Artigo resistente a fragmentos, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de compreender uma pluralidade de redes consolidadas de fibras montadas em uma malha colada.
8. Artigo resistente a fragmentos, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de compreender uma confecção tendo uma pluralidade de redes consolidadas de fibras unidas à mesma.
9. MÉTODO PARA PRODUZIR UM MATERIAL RESISTENTE A FRAGMENTOS, CARACTERIZADO pelo fato de compreender: a) formação de pelo menos duas camadas de fibra, cada camada de fibra sendo formada por disposição de uma pluralidade de fibras em uma malha unidirecional substancialmente paralela; ditas fibras tendo uma tenacidade de cerca de 7 g/ denier ou mais e um módulo de tensão de cerca de 150 g/ denier ou mais; ditas fibras tendo uma composição de matriz elastomérica sobre elas; b) disposição das ditas camadas de fibra, onde a malha unidirecional de fibras de cada camada é cruzada em um ângulo não-paralelo com relação à direção longitudinal das fibras de cada camada adjacente; c) colagem das ditas camadas cruzadas sob condições suficientes para formar uma rede consolidada de fibras, a rede consolidada de fibras tendo superfícies anterior e posterior; onde a dita composição de matriz contém de cerca de 7% a cerca de 15% em peso da dita rede consolidada de fibras, e onde, se as ditas fibras contiverem fibras de aramida ou fibras de poli(p-fenileno benzobisoxazol), dita composição de matriz contém pelo menos cerca de 11% em peso da dita rede consolidada de fibras; e d) ligação de pelo menos uma camada de uma película polimérica a cada uma das ditas superfícies anterior e posterior da dita rede consolidada de fibras.
10. MATERIAL RESISTENTE A FRAGMENTOS, CARACTERIZADO pelo fato de compreender: a) pelo menos uma rede consolidada de fibras, dita rede consolidada de fibras contendo uma pluralidade de camadas de fibras cruzadas, cada camada de fibra contendo uma pluralidade de fibras dispostas em uma malha; ditas fibras tendo uma tenacidade de cerca de 7 g/ denier ou mais e um módulo de tensão de cerca de 150 g/ denier ou mais; ditas fibras tendo uma composição de matriz elastomérica sobre elas, dita composição de matriz elastomérica contendo de cerca de 7% a cerca de 15% em peso da dita rede consolidada de fibras; a pluralidade de camadas de fibras cruzadas sendo consolidada com a dita composição de matriz, para formar a dita rede consolidada de fibras; dita rede consolidada de fibras tendo superfícies anterior e posterior; e b) pelo menos uma camada de uma película polimérica ligada a cada uma das ditas superfícies anterior e posterior da dita rede consolidada de fibras.
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