CN101356054A - 防吸液性柔性防弹材料及其生产方法以及由此制造的产品 - Google Patents

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    • Y10T442/678—Olefin polymer or copolymer sheet or film [e.g., polypropylene, polyethylene, ethylene-butylene copolymer, etc.]

Abstract

具有改进的防吸水及其它液体性能的柔性防弹复合材料，该复合材料包括多个非织造纤维层，该纤维层是由高韧度纤维(芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维和/或刚性棒纤维)的网状构造形成的，该纤维被包埋在热塑性聚氨酯树脂的基体中。优选地，至少两个相邻的纤维层是相对于彼此以交叉层叠布置的方式定向的。提供柔性盔甲，例如身体背心，其至少部分地由该柔性复合材料形成。

Description

防吸液性柔性防弹材料及其生产方法以及由此制造的产品
本发明背景
发明领域
本发明涉及具有改善的防吸水及其它液体性能的柔性防弹材料及其生产方法以及由此制造的产品例如身体盔甲。
相关技术说明
用于背心等的防弹产品在本领域是已知的。
这些中的很多产品是基于高韧度纤维，例如扩展链聚乙烯纤维和芳族聚酰胺纤维。身体盔甲例如防弹背心可以由刚性复合材料和/或柔性复合材料形成。
虽然刚性身体盔甲可提供良好的防弹性能，但也非常坚硬并且比较笨重。结果普遍地，刚性身体盔甲服装(例如背心)通常比柔性身体盔甲服装的穿着舒适性差。刚性身体盔甲也称为“硬”盔甲，在本领域其已经被定义为(例如参见美国专利U.S.5,690,526)是指例如钢盔或军用车辆板的制品，其机械强度足以使其在受到大量应力时保持结构刚度并且能够独立存在而不坍塌。与这种刚性或硬盔甲相反的“软”盔甲是柔性的，其不具有与前述硬盔甲相关的特质。虽然基于高韧度纤维的柔性身体盔甲具有极好的使用经验，但是其防吸水及其它液体性能可能小于所需要的，这取决于其具有的纤维类型。即，这种盔甲在与水(或其它液体)接触或浸没于其中之后易于吸取多于所需的水(或其它液体)。美国专利US 5,690,526和PCT公布号WO 0029468指向引入了聚氨酯树脂的刚性身体盔甲及其组件，但是没有公开防吸水及其它液体性能的改进。
理想的是提供一种具有改进的防吸水及其它液体性能同时保持其所需防弹或其它性能的柔性防弹复合材料。同样理想的是提供一种盔甲，例如基于这样一种材料的盔甲，该材料同样改进了防吸水及其它液体性能。这种盔甲将理想地是穿着舒适的并且制造费用不大。
发明概述
根据本发明，提供了一种具有改进的防吸水及其它液体性能的柔性防弹复合材料，该复合材料包括多个非织造纤维层，该纤维层包括高韧度纤维的网状构造，该高韧度纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其共混物，该纤维存在于含有热塑性聚氨酯树脂的基体中。
同样根据本发明，提供了一种具有改进的防吸水及其它液体性能的柔性防弹复合材料，该复合材料包括多个非织造纤维层，该纤维层包括高韧度纤维的网状构造，该高韧度纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其混合物，该纤维存在于含有热塑性聚氨酯树脂的基体中，至少两个相邻的纤维层以相对于彼此交叉层叠布置的方式定向。
此外根据本发明，提供了一种具有改进的防吸水及其它液体性能的柔性防弹盔甲，其包括至少一种柔性复合材料，该复合材料包括多个非织造纤维层，该纤维层包括高韧度纤维的网状构造，该高韧度纤维-选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其混合物，该纤维存在于含有热塑性聚氨酯树脂的基体中。
另外，根据本发明，提供了一种具有改进的防吸水及其它液体性能的柔性防弹盔甲，其包括至少一种柔性复合材料，该复合材料包括多个非织造纤维层，该纤维层包括高韧度纤维的网状构造，该高韧度纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其共混物，该纤维存在于含有热塑性聚氨酯树脂的基体中，至少两个相邻的纤维层以相对于彼此交叉层叠布置的方式定向。
本发明还提供了一种制造具有改进的防吸水及其它液体性能的柔性防弹复合材料的方法，该方法包括提供含高韧度纤维网状构造的第一非织造纤维层，该高韧度纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其共混物；用热塑性聚氨酯树脂涂布第一纤维层；提供包含高韧度纤维网状构造的第二非织造纤维层，该高韧度纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其混合物；用热塑性聚氨酯树脂涂布第二纤维层；以及将第一非织造纤维层和第二非织造纤维层固结形成复合材料。
本发明还提供了一种具有改进的柔性防弹复合材料的防吸水及其它液体性能的方法，该复合材料包括多个非织造纤维层，该纤维层包括高韧度纤维的网状构造，该方法包括用热塑性聚氨酯树脂涂布高韧度纤维网状构造以使树脂形成所述纤维的基体，并且其中所述纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性纤维及其共混物。
本发明进一步提供一种改进柔性防弹盔甲制品的防吸水及其它液体的方法，该盔甲制品包括至少一种复合材料，该复合材料包括多个非织造纤维层，该纤维层包括高韧度纤维的网状构造，该方法包括用热塑性聚氨酯树脂涂布高韧度纤维网状构造以使树脂形成纤维的基体，并且至少部分地由至少一种复合材料形成柔性盔甲，其中所述纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其混合物。
柔性复合材料也可包括在各纤维层的一面或两面上的柔性膜并且可将该复合材料的相邻层布置成使相邻层中的纤维彼此方向旋转了大约90°，或其它所希望的方向。
本发明提供了一种复合材料，该材料是柔性的并具有改进的防吸液性能同时保持理想的防弹性能。同样地，本发明提供了柔性盔甲，例如身体盔甲，其具有改进的防吸液性同时还保持理想的防弹性能及舒适性。该复合材料及由此制造的盔甲能够在现有设备上以成本有效方式生产。
附图简要说明
图1是包括本发明那些的单一复合材料的重量增加-浸水时间曲线图。
图2是包括本发明那些的11层复合材料的重量增加-浸水时间曲线图。
本发明的详细描述
本发明包括柔软的防弹性柔性复合材料并且其具有改进的防吸水及其它液体性能，该其它液体包括(不限于)汽油及其它石油产品、油类和润滑剂。这些复合材料特别可用于柔性防弹盔甲制品，例如身体盔甲、毯子等等。
如上所述，本发明的柔性盔甲与刚性或硬盔甲形成对照。本发明柔性材料及盔甲在受到大量应力时不能保持其形状并且不能在不坍塌下独立存在。
该复合材料包括存在于热塑性聚氨酯树脂基体中的高韧度纤维。该复合材料是由至少两个高韧度纤维层形成的。为了本发明的目的，纤维是伸长体，其长度尺寸比其横向宽度和厚度尺寸大得多。因此，术语纤维包括单丝、复丝、带、条、人造短纤维及其它短切、切断或不连续纤维等，其具有规则或不规则的横截面。术语“纤维”包括前述任意多种或其组合。纱是由许多纤维或丝构成的连续线。
可用于本发明的纤维横截面可大不相同，它们的横截面可以是圆形、扁平或长椭圆形的，它们也可具有规则或不规则的多角形横截面，该多角形横截面具有从丝的线性轴或纵轴突出的一个或多个规则或不规则凸角。特别优选的是该纤维具有大体上圆形、扁平或长椭圆形的横截面，最优选的是该纤维具有大体上圆形的横截面。
在此使用的术语“高韧度纤维”是指韧度等于或大于约7g/d的纤维。优选这些纤维具有至少约为150g/d的初始拉伸模量并且断裂能量至少约为8J/g，其由ASTM D2256测量。优选的纤维是那些韧度等于或大于10g/d、拉伸模量等于或大于约200g/d并且断裂能量等于或大于约20J/g的纤维。特别优选的纤维是那些韧度等于或大于约16J/d、拉伸模量等于或大于约400g/d并且断裂能量等于或大于约27J/g的纤维。在这些特别优选的实施方式中，最优选的是其中纤维韧度等于或大于约22g/d、拉伸模量等于或大于约500g/d并且断裂能量等于或大于约27J/g的那些实施方式。在此使用的术语“初始拉伸模量”、“拉伸模量”和“模量”是指由ASTM 2256对纱线测量和由ASTM D638对基体材料测量的弹性模量。
用于本发明复合材料的纤维网状结构呈由高韧度纤维形成的非织造织物形式。特别优选的纤维构型是其中纤维是单向排列的以致其沿共同的纤维方向大体上彼此平行的网状结构。优选地，非织造织物中至少约50％重量的纤维是高韧度纤维，并且更优选非织造织物中至少约75％重量的纤维是高韧度纤维。
本发明的纱和织物可以由一种或多种不同的高强度纤维构成。该纱可以是基本上平行排列的，或该纱可以是编织、缠绕或缠结的。
可用于本发明的纱和织物的高强度纤维是高度定向的高分子量高模量聚乙烯纤维(也称为扩展链聚乙烯)、芳族聚酰胺纤维以及刚性棒聚合物。也可采用两种或多种不同纤维的混合物，最优选的是芳族聚酰胺纤维。
该纤维可以是任何适当的丹尼尔，例如约为50-3000丹尼尔，更优选约为200-3000丹尼尔，还更优选约为650-1500丹尼尔，并且最优选约为800-1300丹尼尔的纤维。
美国专利号US 4,457,985一般性地讨论了这种高分子量聚乙烯纤维，该专利公开在与此没有不一致的程度上将其在此引入作为参考。在聚乙烯的情形下，合适的纤维是那些重均分子量至少约为150,000，优选至少约为一百万，更优选约为2百万-5百万的纤维。这种高分子量聚乙烯纤维可以是溶液纺丝(参见美国专利号4,137,394和美国专利号4,356,138)，或者由溶液纺丝形成凝胶结构(参见美国专利号4,413,110、德国公开号3,004,699和英国专利号2051667)，或者通过碾轧和拉拔工艺制造的聚乙烯纤维(参见美国专利号5,702,657)。在此使用的术语聚乙烯是指主要是线性的聚乙烯材料，其可包含较少量链支化或共聚单体不超过5个改性单元/每100个主链碳原子，并且其还可含有与此混合的不多于约50wt％的一种或多种聚合物添加剂例如烯属烃-1-聚合物，特别是低密度聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯，含有单烯类作为主要单体的共聚物、氧化聚烯烃、接枝聚烯烃共聚物和聚甲醛，或者通常引入的低分子量添加剂例如抗氧剂、润滑剂、紫外线屏蔽剂、着色剂等等。
在此可用的高韧度聚乙烯纤维是由Honeywell International Inc.ofMorristown，New Jersey，USA.销售的商标为SPECTRA(R)的高韧度聚乙烯纤维。
取决于成型技术、拉伸比和温度及其它条件，可赋予这些纤维各种性能。该纤维的韧度至少约为7g/d，优选至少约为15g/d，更优选至少约为20g/d，还更优选至少约为25g/d，并且最优选至少约为30g/d。类似地，通过英斯特朗张力试验仪测量的该纤维初始拉伸模量优选为至少约300g/d，更优选至少约为500g/d，还更优选至少约为1,000g/d，并且最优选至少约为1,200g/d。这些初始拉伸模量和韧度最高值通常是仅通过采用溶液生长或凝胶纺丝工艺就可得到的。许多丝的熔点高于形成它们的聚合物的熔点。因此，例如分子量约为150,000、约为一百万和约为2百万的聚乙烯，其通常在本体中具有的熔点为138℃。由这些材料制造的高度定向聚乙烯丝的熔点由约7℃至13℃更高。因此熔点稍微增高反映出较之本体聚合物结晶完美并且丝的结晶取向度更高。
在芳族聚酰胺的情形中，由芳族聚酰胺形成的合适纤维描述在美国专利号3,671,542中，在与此没有不一致的程度上将其引入于此作为参考。优选的芳族聚酰胺纤维的韧度为至少约20g/d、初始拉伸模量为至少约400g/d以及断裂能量为至少约8J/g，并且特别优选的芳族聚酰胺纤维的韧度为至少约20g/d和断裂能量为至少约20J/d，最优选的芳族聚酰胺纤维的韧度为至少约23g/d、模量为至少约500g/d以及断裂能量为至少约30J/g。例如具有适度高模量和韧度值的聚(对苯二甲酰对苯二胺)丝是特别有利于形成防弹复合材料的。实例为来自Teijin的Twaron(R)T2000，其具有1000丹尼尔。其它例子是具有初始拉伸模量和韧度值分别为500g/d和22g/d的29以及这些值分别为1000g/d和22g/d的
Figure A20068003880900122
49，两者都可得自杜邦。也可使用聚(对苯二甲酰对苯二胺)的共聚物，例如共聚(对苯二甲酰对苯二胺3，4′对苯二甲酰氧联苯二胺)。还可用于本发明实践的是商业上由杜邦制造的商品名为
Figure A20068003880900123
约聚(间苯二甲酰间苯二胺)。
刚性棒纤维被公开在例如美国专利号5,674,969、5,939,553、5,945,537和6,040,478中，将其公开在与此没有不一致的情况下引入于此作为参考，从Magellan Systems International可得到命名为
Figure A20068003880900124
纤维的这种纤维。
高强度纤维呈非织造织物形式，例如单向定向的纤维叠层或以随机取向粘结的并且包埋在合适的树脂基质中的纤维。由单向定向的纤维形成的织物典型地具有沿一个方向延伸的第一纤维层以及沿与第一层纤维成90°方向延伸的第二纤维层。优选该连续叠层相对于彼此旋转例如角度为0°/90°或0°/45°/90°/45°/0°或其它角度。
利用纤维的几何结构来描述本发明复合材料的几何结构是适宜的。一种这样的适当布置方式是其中纤维沿共同的纤维方向彼此平行排列的纤维层(称为“单向排列纤维网状结构”)，该单向排列纤维的连续层可相对于前述层旋转。优选地，复合材料的纤维层是交叉叠层，即各网状结构层的单向纤维方向相对于相邻层的单向纤维方向旋转。一个实例是5层制品，其具有第二、第三、第四和第五层相对于第一层旋转了+45°、-45°、90°和0°。一个优选实施例包括铺叠成0°/90°的两层。这种旋转的单向排列被描述在例如美国专利号4,457,985；4,748,064；4,916,000；4,403,012；4,623,574；以及4,737,402中。
通常，本发明的纤维层优选是通过最初先构造一种纤维网状结构，然后用基体组合物涂布该网状结构而形成的。在此使用的术语“涂布”是用于广义上描述一种网状构造，其中单独纤维或者具有围绕纤维的基体组合物连续层或者具有在纤维表面上的基体组合物非连续层。在成型例子中，可以说纤维是完全包埋在基体组合物中的。术语涂布和浸渗在此可交替使用。纤维结构可通过各种方法来构造，在单向排列纤维网状构造的优选例中，高韧度丝的纱束是由粗纱架供给并在用基体材料涂布之前通过导向装置和一个或多个扩杆引入准直梳，该准直梳使丝共面地排列并且大体上呈单向形式。
本发明方法包括开始先形成纤维网状结构层，优选为如上所述的单向网状结构，将基体组合物的溶液、分散体或乳液施涂到纤维网状结构上，然后使基体涂布的纤维网状结构层干燥。优选该溶液、分散体或乳液为聚氨酯树脂水溶液，可将其喷到丝上。另一方面，通过浸渍或辊涂机等方式可给丝结构涂布水溶液、分散体或乳液。在涂布之后，然后可使涂布后的纤维层通过烘箱干燥，其中涂布后的纤维网状结构层(单方向预浸带)受到充足的加热以蒸发基体组合物中的水。然后将涂布后的纤维网状结构置于载体织物上，其可以是纸或薄膜基材，或在用基体树脂涂布之前可将该纤维结构开始先置于载体织物之上，然后可按照已知方法将基材与固结的单方向预浸带缠绕成连续卷。
可将固结的单方向预浸带切成分开的片并铺叠成堆以形成最终用途复合材料。如上所述，最优选的复合材料是这样的，其中各层的纤维网状构造是单向排列和定向的以使连续层中的纤维方向以0°/90°定向。
虽然优选复合材料的每两个相邻层中的纤维是相同的，然而各相邻层中的纤维可以是相同或不同的。
纤维层中纤维的树脂基体是热塑性聚氨酯树脂。聚氨酯树脂可以是均聚物或共聚物，并且这些树脂的一种或多种的混合物也是可以在此使用的。该树脂在本领域是已知的并且可从市场上购得。优选地，为了使用方便，该树脂是以含水体系的形式来提供的。通常可采用的这些树脂是水溶液、分散体或乳液形式，其中固体成分范围可以是约20-80％重量，更优选为约40-60％重量，剩余重量是水。常规添加剂，例如纤维等可以被包含在树脂组合物中。
在复合材料层中树脂基体材料对纤维的比例可根据最终用途而大不相同。以固体为基准，各复合材料层中的聚氨酯树脂优选为1-40％重量，更优选为10-30％重量，并且最优选为15-28％重量。
通过在加热和压力下将其合并约1-39分钟的时间，例如温度范围约为75-260°F(24-127℃)，压力约为1-250psi(6.9-1725kPa)，可由独立的层形成本发明的复合材料。
复合材料中的层数取决于特定的最终用途。最优选每种复合材料是由两个纤维层形成的，其相对于彼此以90°取向并且已经固结成单一结构。在另一实施方式中，该复合材料可以是由两组这样的单一结构形成的，所以采用了全部四个纤维层；在这种情形中，将两个两层固结的结构彼此固结。
用于形成制品的复合材料中的层数根据制品的最终用途而变化。优选地，本发明的复合材料形成身体盔甲的外饰面层，例如背心，但另一方面它们也可形成内层。例如，在用于军事应用的身体盔甲背心中，为了达到所需的面密度1.0磅/每平方英尺(4.9kg/m2)，在一种典型结构中它们可以是22层。不是所有这些都必须由本发明的复合材料形成。例如，一种背心可以由11层的两层结构形成，该两层结构已经以90°取向固结在一起，该11层不必相互粘接在一起。在这种实施方式中，可采用另外11层形成背心材料的底层；这些层可以是织造的、编织或非织造织物并且还优选是由高韧度纤维形成的，更优选是由与非织造层中相同类的纤维形成的。
在另一种实施方式中，用于法律生效的最终用途的身体盔甲背心可具有基于National Institute of Justice(NIJ)威胁级别的层数。例如，对于NIJ威胁级别IIIA背心，也可以是总计22层。如上所述，不是所有层都必须由本发明的复合材料形成。在该实施方式中，顶部11层可以由本发明的复合材料形成，而底部11层可以由织造的、编织的或非织造织物形成，并且还优选是由高韧度纤维形成，更优选是由与非织造层中相同类的纤维形成。对于较低的NIJ威胁级别，可采用很少的各种材料层。
在一种本发明的实施方式中，身体盔甲背心是由芳族聚酰胺纤维形成的多层非织造复合材料与由涂布了不同于热塑性聚氨酯树脂的基体材料的织造芳族聚酰胺织物形成的多层复合材料组合而形成。
如上所述，用基体组合物涂布各层的高韧度纤维，然后将基体组合物/纤维组合固结。“固结”是指基体材料和纤维层组合成一个单层。通过干燥、冷却、加热、加压或其组合可进行固结。
在复合材料中可包括一种或多种塑料薄膜以使不同的复合材料层彼此隔开，用来易于形成身体形状和容易穿用。这些塑料薄膜可典型地被粘合到各复合材料的一个或两个表面上。可采用任何适当的塑料薄膜，例如由聚烯烃制造的薄膜。该膜的例子是线性低密度聚乙烯(LLDPE)薄膜、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)薄膜、聚酯薄膜、尼龙薄膜、聚碳酸酯薄膜等。这些薄膜可以是任何所希望的厚度。典型的厚度范围为约0.1-1.2密耳(2.5-30μm)，更优选为约0.2-1密耳(5-25μm)，最优选为约0.3-0.5密耳(7.5-12.5μm).最优选的是LLDPE的薄膜。
用于抗冲击和防弹制品的纤维增强复合材料的各种构造是已知的。这些复合材料显示出不同程度的防发射体如子弹、弹片和碎片等高速冲击穿透性能。例如美国专利6,268,301B1、6,248,676B1、6,219,842B1；5,677,029；5,587,230；5,552,208；5,471,906；5,330,820；5,196,252；5,190,802；5,187,023；5,185,195；5,175,040；5,167,876；5,165,989；5,124,195；5,112,667；5,061,545；5,006,390；4,953,234；4,916,000；4,883,700；4,820,568；4,748,064；4,737,402；4,737,401；4,681,792；4,650,710；4,623,574；4,613,535；4,584,347；4,563,392；4,543,286；4,501,856；4,457,985；以及4,403,012；PCT公布号WO 91/12136；以及1984E.I.DuPont De Nemours International S.A.的公布，标题为“Lightweight Composite Hard Armor Non Apparel Systems with T-9633300dtex DuPont Kevlar 29Fibre”，全部都描述了包含由高分子量聚乙烯和芳族聚酰胺制造的高强度纤维的防弹复合材料。
在一种本发明的实施方式中，背心或其它身体盔甲或其它制品是以常规方法由多层复合材料形成的。优选这些层没有被层合在一起，但可以是缝合在一起以避免各层相对于彼此滑动。例如，这些层可以是在每个角处以粗针脚缝合。另一方面，这些层可以整个完全被包在口袋或其它覆盖物中。
如上所述，本发明的复合材料具有改进的防吸水性。它还具有改进的防吸收其它液体，例如汽油、石油、油类和润滑剂的性能。
优选本发明的柔性防弹盔甲其特征在于在70°F±5°F(21℃±2.8℃)下于海水中已经浸泡24小时之后，当用16粒射弹冲击时，其具有至少为约1920fps(585.6mps)的V50。还优选本发明的柔性防弹盔甲其特征在于在70°F±5°F(21℃±2.8℃)自来水中浸泡20小时之后，当用17粒碎片模拟射弹冲击时，保留其V50性能的至少约85％，更优选至少约90％；在这些条件下，柔性防弹盔甲也具有优选地不多于其干重的50％，更优选不多于其干重的40％的重量增加。
此外，优选本发明的柔性防弹盔甲其特征在于在70°F±5°F(21℃±2.8℃)在汽油中浸泡4小时之后，当用16粒射弹冲击时，保留其V50性能的至少约85％，更优选至少约90％。
提出以下非限制性的实施例以提供对本发明更完全的理解。所述说明本发明原理的特定工艺方法、条件、材料、比例和报告数据是示范性的，而不应该解释为限制本发明范围。所有百分比是以重量计的，除非另有规定。
实施例
实施例1
四层非织造复合材料是由芳族聚酰胺纤维(来自Teijin的Twaron(R)T2000，1000丹尼尔以及韧度26g/d)层形成的。芳族聚酰胺纤维单方向预浸带是通过使来自卷轴的纤维通过梳刷站形成单向网状构造而制备的。然后将纤维网状构造置于载体织物上并将基体树脂涂布其上。基体树脂是热塑性聚氨酯树脂的分散体(被其制造商描述为聚氨酯树脂于水中的共聚物混合物(40-60％树脂)，在23℃相对密度为1.05g/cc，以及在23℃粘度为40cps)。在形成复合材料的制备中，然后使涂布的纤维网状构造通过烘箱以蒸发组合物中的水以及将其缠绕在滚筒上，将载体织物从此剥离。所得结构含有16重量％聚氨酯树脂。用这种方式制备了两个单向纤维预浸带连续卷。两个该单方向预浸带是90°正向交叉层叠的，并且在加热和加压下固结形成具有两个相同芳族聚酰胺纤维层的层压材料。然后将两个这种两层固结的结构再一次以90°交叉层叠并且在热和压力下固结。所得的结构是4层芳族聚酰胺复合材料。将测量的8×18英寸(45.7×45.7cm)该材料样品用于以下试验。除非指出别的方式，在以下全部实施例中的试验样品与实施例1中的样品尺寸相同。
4层复合材料结构的防吸水性测定如下。在室温(70°F，21℃)下使复合材料于自来水容器中浸泡指定时间，其后将复合材料垂直悬挂15分钟滴干。比较湿复合材料与干复合材料的重量以测定重量增加。所得结果示于图1(如标注的曲线实施例1)。
显然4小时后重量增加加大到大约52％，然后试验持续时间24小时之后稳定。
实施例2
重复实施例1，除了首先形成的各两层芳族聚酰胺复合材料在一个表面上具有0.35密耳(8.89μm)线性低密度聚乙烯(LLDPE)薄膜外。将这些复合材料中的两个在压机上固结，使芳族聚酰胺层彼此面对。所得结果是聚乙烯膜在各外表面上的4层芳族聚酰胺结构。
如实施例1进行4层复合材料的防水性试验，结果示于图1中(如标注的曲线实施例2)。
显然该结构的重量增加非常小，24小时约为10％。另外，约12小时之后重量增加稳定。
实施例3
仅采用两层芳族聚酰胺纤维单方向预浸带来重复实施例1。如实施例1进行两层复合材料的防水性试验，并且结果也示于图1中(如标注曲线实施例3)。显然该结构的重量增加非常小，24小时之后重量增加约为20％。
可以看到，对于这种结构，重量增加是很微小的，在24小时后重量增加为大约20％。
实施例4(对比例)
重复实施例1，除了树脂基体是一种弹性体(从Kraton Polymer LLC可得的
Figure A20068003880900171
D1107异戊二烯-苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物)外。复合材料中的树脂量为16％重量，各2层芳族聚酰胺层压材料与0.35密耳(8.89μm)LLDPE薄膜固结，通过固结两个2层层压材料(芳族聚酰胺-芳族聚酰胺)形成4层层压材料，其在外表面上具有聚乙烯膜。
如实施例1进行该结构的防水性试验，并且结果也示于图1中(如标注的曲线实施例4)。
显然该复合材料在约2小时之后显示出重量增加80％，并且24小时试验自始至终该重量增加保持大致相同。
实施例5(对比例)
重复实施例3，除了树脂基体与实施例4相同外。另外，LLPDE膜附着在两层芳族聚酰胺织物层的两面上。如实施例1进行该两层结构的防水性试验，并且结果也示于图1中(如标注的曲线实施例5)。
显然该复合材料在仅仅约1小时之后显示出重量增加加大了60％，并且对于24小时持续时间试验该重量增加保持大致相同。与实施例3相比，重量增加显著地更大了。
实施例6
在该实施例中，11层实施例1的4层复合材料被成型在一起(在各边角处以粗针脚缝合)，并且如实施例1测试重量增加，使11层包装持续相同时间滴干。结果示于图2中(如标注的曲线实施例6)。
显然24小时之后重量增加约为62％，其在第一小时之后保持相同。
实施例7
重复实施例6，除了利用11层实施例2的4层复合材料外。如实施例6进行该结构的重量增加测试，并且结果示于图2中(如标注的曲线实施例7)。
实施例8
重复实施例6，除了利用11层实施例3的两层复合材料外。如实施例6进行该结构的重量增加测试，并且结果示于图2中(如标注的曲线实施例8)。
显然从试验开始到结束，该结构的重量增加约为40％。
实施例9(对比例)
重复实施例6，除了利用11层对比例4的四层复合材料外。如实施例6进行该结构的重量增加测试，并且结果示于图2中(如标注的曲线实施例9)。
可以看到，这种复合材料在24小时后具有大约72％的重量增加，与重量增加约为62％的实施例6相比较。而且，就实施例6的重量增加曲线基本上是平坦的而言，在对比例9中重量增加曲线上升。
实施例10(对比例)
重复实施例6，除了利用11层对比例5的两层复合材料外。如实施例6进行该结构的重量增加测试，并且结果示于图2中(如标注曲线实施例10)。
显然在24小时之后，与实施例8的两层复合材料重量增加仅为约40％相比，该复合材料的重量增加约为72％。而且，就实施例8的重量增加曲线基本上是平坦的而言，在对比例10中重量增加曲线上升。
实施例11和12
实施例1的4层复合材料的多层(射击包)在70°F(21℃)自来水中浸泡20小时之前和之后，测试其防弹特性。碎片正如MIL-P-46593A(ORD)，口径＝0.22，17粒碎片模拟射弹(FSP)所具体规定的。实验方法遵循MIL-STD-662F的指南。几次17粒FSP射击在实施例1的4层层压材料的23层射击包上，每次测量18×18英寸(45.7×45.7cm)，其仅在边角缝合以使各层结合在一起。仅夹紧射击包顶部，并且射击包下部部分地被边角上夹紧的1.5英寸(3.8cm)宽角钢束缚。
根据在射击包上击落和穿透射击包的6对碎片的平均数来确定V50计算结果。V50速度是射弹穿透概率为50％时的速度。允许的最大速度分布为125fps(38.1mps)。
结果示于下列表1中。可以看到，根据该试验，甚至在浸泡24个小时后，包含本发明复合材料的射击包保留其防弹性能的85％。
表1
  实施例   条件   重量psf(kg/m2)   重量增加(％)   17粒FSPV50，fps(mps)   性能保留率(％)
  11   控制   1.04(5.10)   控制   1864(568.5)   控制
  12 湿   1.46(7.15)   40   1590(485.0)   85
实施例13和14
以与实施例11和12相同的方法，在48层实施例3的两层复合材料于自来水中浸泡24小时之前和之后，测试其防弹性能。
所得结果示于下表2中，显然，根据该试验，包含本发明复合材料的射击包甚至在浸泡24小时之后仍保留其防弹性能特征的92％。
表2
  实施例   条件   重量psf(kg/m2)   重量增加(％)   17GrainFSPV50，fps(mps)   性能保留率(％)
  13   控制   1.04(5.10)   控制   1887(575.5)   控制
  14 湿   1.46(7.16)   40   1727(526.7)   92
实施例15和16
将24层实施例1的四层复合材料在室温下(70°F，21℃)在汽油中浸泡4小时之前和之后，测试其防弹特性。以实施例11和12的方式进行弹道实验，除了采用如美国军队所使用的16粒直立圆柱体(RCC)试验样品碎片。
所得结果示于下表3中，如表3所示，在汽油中浸泡4小时之后，本发明复合材料仅增重13％，显示液体吸收极小。而且显然，根据该试验，包含本发明复合材料的射击包甚至在汽油中浸泡4小时之后仍保留其防弹性能特征的89％。
表3
  实施例   条件   重量psf(kg/m2)   重量增加(％)   16GrainRCCV50，fps(mps)   性能保留率(％)
  15   控制   0.98(4.80)   控制   2103(641.4)   控制
  16 湿   1.11(5.44)   13   1727(572.8)   89
因此，可以看到，本发明提供了一种具有改善的防吸水及其它液体性能的柔性防弹复合材料。由本发明复合材料制造的盔甲，例如背心，是柔性的并且同样具有改善的防吸水及其它液体性能。该盔甲仍然保留其理想的防弹性能。
由此，本发明提供了一种柔性防弹复合材料的防吸水及其它液体性能的改进方法，其中该复合材料包括多个非织造纤维层，该纤维层包括高韧度纤维的网状构造，该高韧度纤维网状构造涂布有热塑性聚氨酯树脂，使得该树脂形成纤维的基体。所述纤维是芳族聚酰胺纤维、扩展链树脂聚乙烯纤维、刚性棒纤维或其共混物。
本发明还提供了一种柔性防弹盔甲的防吸水及其它液体性能的改进方法，该柔性防弹盔甲例如身体盔甲，是由至少一种复合材料形成的，该复合材料包括多个非织造纤维层，该纤维层包括高韧度纤维的网状构造，该高韧度纤维网状构造涂布有热塑性聚氨酯树脂以使树脂形成纤维的基体。所形成的柔性身体盔甲至少部分地由复合材料形成并且纤维并且所述纤维是芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维或其共混物。
已经如此相当完整详尽地描述了本发明，不言而喻的是这样的细节不必严格地坚持，对于本领域技术人员可提出它们进一步的变化和改型，全部都落在附加的权利要求书所定义的本发明范围内。

Claims (53)

1.一种具有改进的防吸水及其它液体性能的柔性防弹复合材料，所述复合材料包括多个非织造纤维层，所述纤维层包括高韧度纤维的网状构造，该高韧度纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其共混物，所述纤维处于含有热塑性聚氨酯树脂的基体中。
2.权利要求1中所述的复合材料，其中所述的热塑性聚氨酯树脂的含量为该复合材料总重量的大约1-40％重量。
3.权利要求2中所述的复合材料，其中所述的热塑性聚氨酯树脂的含量为该复合材料总重量的10-30％重量。
4.权利要求1中所述的复合材料，其中相邻的纤维层是相对于彼此交叉层叠的。
5.权利要求1中所述的复合材料，其中相邻的纤维层是相对于彼此以约90°交叉层叠的。
6.权利要求1中所述的复合材料，其中在至少一层所述纤维层中的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维。
7.权利要求6中所述的复合材料，其中在全部所述纤维层中的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维。
8.权利要求1中所述的复合材料，其中在至少一层所述纤维层中的所述纤维包括扩展链聚乙烯纤维。
9.权利要求1中所述的复合材料，其中在至少一层所述纤维层中的所述纤维包括刚性棒纤维。
10.权利要求1中所述的复合材料，它还包括与至少一层所述纤维层相接触的至少一层塑料薄膜。
11.权利要求10中所述的复合材料，其中所述塑料薄膜包括线性低密度聚乙烯膜。
12.权利要求1中所述的复合材料，其包括两层相对于彼此交叉层叠的非织造纤维层。
13.权利要求12中所述的复合材料，其中所述纤维层是彼此以90°交叉层叠的。
14.权利要求1中所述的复合材料，其包括四层相对于彼此交叉层叠的非织造纤维层。
15.权利要求14中所述的复合材料，其中所述纤维层是彼此以90°交叉层叠的。
16.权利要求1中所述的复合材料，其中在所述非织造纤维层中的所述纤维在各层中单向排列。
17.权利要求1中所述的复合材料，其中所述纤维具有约200-3000丹尼尔。
18.权利要求1中所述的复合材料，其中所述纤维具有约650-1500丹尼尔。
19.由权利要求1中所述的复合材料形成的制品。
20.至少部分地由权利要求1中所述的复合材料形成的柔性盔甲制品。
21.一种具有改进的防吸水及其它液体性能的柔性防弹复合材料，所述复合材料包括多个非织造纤维层，所述纤维层包括高韧度纤维的网状构造，该高韧度纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其混合物，所述纤维处于含有热塑性聚氨酯树脂的基体中，至少两个相邻的纤维层以相对于彼此以交叉层叠布置的方式定向。
22.权利要求21中所述的复合材料，其中在至少一层所述纤维层中的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维，并且所述纤维层是彼此成90°正向交叉层叠的。
23.至少部分地由权利要求22中所述的复合材料形成的柔性盔甲制品。
24.一种具有改进的防吸水及其它液体性能的柔性防弹盔甲，其包括至少一种柔性复合材料，所述复合材料包括多个非织造纤维层，所述纤维层包括高韧度纤维的网状构造，该高韧度纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其混合物，该纤维处于含有热塑性聚氨酯树脂的基体中。
25.权利要求24中所述的柔性防弹盔甲，其中所述盔甲是身体盔甲。
26.权利要求24中所述的柔性防弹盔甲，其中所述盔甲在70°F±5°F(21℃±2.8℃)下于海水中已经浸泡24小时之后，当用16粒射弹冲击时，所述盔甲具有至少为约1920fps(585.6mps)的V50。
27.权利要求24中所述的柔性身体盔甲，其中所述盔甲在70°F±5°F(21℃±2.8℃)自来水中浸泡20小时之后，当用17粒碎片模拟射弹冲击时，所述盔甲保留其V50性能的至少约85％。
28.权利要求27中所述的柔性身体盔甲，其中所述盔甲在70°F±5°F(21℃±2.8℃)在自来水中浸泡20小时之后显示比其干重增加的重量不多于50％。
29.权利要求24中所述的柔性身体盔甲，其中所述盔甲在70°F±5°F(21℃±2.8℃)自来水中浸泡20小时之后，当用17粒碎片模拟射弹冲击时，所述盔甲保留其V50性能的至少约90％。
30.权利要求29中所述的柔性身体盔甲，其中所述盔甲在70°F±5°F(21℃±2.8℃)在自来水中浸泡20小时之后显示比其干重增加的重量不多于40％。
31.权利要求24中所述的柔性防弹身体盔甲，在70°F±5°F(21℃±2.8℃)在汽油中浸泡4小时之后，当用16粒射弹冲击时，所述盔甲保留其V50性能的至少约85％。
32.权利要求24中所述的柔性防弹身体盔甲，其在70°F±5°F(21℃±2.8℃)在汽油中浸泡4小时之后，当用16粒射弹冲击时，所述盔甲保留其V50性能的至少约90％。
33.一种具有改进的防吸水及其它液体性能的柔性防弹盔甲，其包括至少一种柔性复合材料，所述复合材料包括多个非织造纤维层，所述纤维层包括高韧度纤维的网状构造，该高韧度纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其共混物，所述纤维处于含有热塑性聚氨酯树脂的基体中，至少两个相邻的纤维层以相对于彼此以交叉层叠布置的方式定向。
34.权利要求33中所述的柔性盔甲，其中在所述纤维层中的所述纤维在各层中单向排列，并且相邻纤维层是彼此以90°交叉层叠的。
35.权利要求33中所述的柔性身体盔甲，其中所述柔性复合材料包括两个彼此以90°交叉层叠的非织造纤维层。
36.权利要求33中所述的柔性盔甲，其中所述柔性复合材料包括四个彼此以90°交叉层叠的非织造纤维层。
37.权利要求33中所述的柔性盔甲，其中所述非织造纤维层中的所述纤维在各层中单向排列。
38.权利要求33中所述的柔性盔甲，它还包括与至少一层所述纤维层相接触的至少一层塑料薄膜。
39.权利要求38中所述的柔性盔甲，其中在至少一层所述纤维层中的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维。
40.权利要求33中所述的柔性盔甲，其中所述盔甲包括身体盔甲。
41.权利要求40中所述的柔性盔甲，其中所述身体盔甲包括背心。
42.权利要求41中所述的柔性身体盔甲，其中所述背心是由多层所述柔性复合材料形成的，所述柔性复合材料的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维，所述身体盔甲还包括多层第二复合材料，第二复合材料是由织造的芳族聚酰胺织物形成的。
43.权利要求42中所述的柔性身体盔甲，其中给所述第二复合材料涂布了不同于热塑性聚氨酯树脂的第二基体材料。
44.一种制造具有改进的防吸水及其它液体性能的柔性防弹复合材料的方法，所述方法包括提供包含高韧度纤维的网状构造的第一非织造纤维层，该高韧度纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其共混物；用热塑性聚氨酯树脂涂布所述第一纤维层；提供包含高韧度纤维网状构造的第二非织造纤维层，该高韧度纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其共混物；用热塑性聚氨酯树脂涂布所述第二纤维层；以及将所述第一和第二纤维层固结而形成复合材料。
45.权利要求44中所述的方法，其中在所述第一和第二纤维层中的所述纤维在各层中单向排列，并且在所述固结步骤之前相邻纤维层是彼此以90°交叉层叠的。
46.权利要求44中所述的方法，其中在至少一层所述纤维层中的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维。
47.一种改进柔性防弹复合材料的防吸水及其它液体性能的方法，所述复合材料包括多个非织造纤维层，所述纤维层包括高韧度纤维的网状构造，所述方法包括用热塑性聚氨酯树脂涂布所述高韧度纤维的网状构造以使所述树脂形成所述纤维的基体，并且其中所述纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维及其共混物。
48.权利要求47中所述的方法，其中所述纤维包括芳族聚酰胺纤维。
49.权利要求48中所述的方法，其中所述纤维层中的所述纤维在各层中单向排列，并且其中相邻纤维层是相对于彼此以90°交叉层叠的。
50.一种改进柔性防弹盔甲制品的防吸水及其它液体性能的方法，所述盔甲制品包括至少一种复合材料，所述复合材料包括多个非织造纤维层，该纤维层包括高韧度纤维的网状构造，所述方法包括用热塑性聚氨酯树脂涂布所述高韧度纤维的网状构造以使所述树脂形成所述纤维的基体，并且至少部分地由所述至少一种复合材料形成所述的柔性盔甲制品，其中所述纤维选自芳族聚酰胺纤维、扩展链聚乙烯纤维、刚性棒纤维或其共混物。
51.权利要求50中所述的方法，其中所述盔甲制品呈身体盔甲形式。
52.权利要求50中所述的方法，其中所述纤维包括芳族聚酰胺纤维。
53.权利要求52中所述的方法，其中所述纤维层中的所述纤维在各层中单向排列，并且其中相邻纤维层是相对于彼此以90°交叉层叠的。
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