CN101568794A - 防弹片和防弹制品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防弹片,其包含至少2个单层的叠层且在叠层顶面上具有聚合物膜,每一单层包含拉伸强度介于3.5GPa和4.5GPa之间的单向取向增强纤维或纱线和至多20质量%的基体材料,单层的面密度介于10g/m2和80g/m2之间,且每一单层中的纤维方向相对于相邻单层中的纤维方向旋转。根据本发明的防弹片适于被组装在一起以形成防弹组件或防弹制品。这样的防弹制品可以例如用作保护服和防弹背心,提供抵抗弹道冲击(例如子弹和弹片)的保护。
Description
本发明涉及防弹片和防弹制品。
防弹片包含至少2个单层的叠层且在叠层顶面上具有聚合物膜,每一单层包含单向取向的增强纤维以及至多20质量%的基体材料,并且每一单层中的纤维方向相对于相邻单层中的纤维方向旋转。
从EP 0907504 A1可知这样的防弹片。此参考文献描述了这样的防弹片,所述防弹片通过如下制备:交叉层叠4层单层以获得叠层,并施加单独的由低密度线性聚乙烯制成的膜,然后在升高的温度下加压固结该叠层。包含单向取向纤维的单层通过如下来制备:将芳族聚酰胺纱线从线轴架引导通过梳,并将其用作为基体材料的聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物的分散液润湿。由数个所述防弹片的非连接的堆叠制成柔性防弹制品,该堆叠通过在边角处进行缝合来稳定。
虽然进一步的改进变得越来越困难,但是工业上一直在寻求改善的防弹制品,并且存在对于兼具良好的防弹性和良好的柔性的制品的需求。这样的性能的组合对于保护服是尤其有利的。
令人惊讶地,获得了这样的制品,只要该制品包含一个或多个本发明的防弹片,所述防弹片包含至少2个单层的叠层且在叠层顶面上具有聚合物膜,每一单层包含拉伸强度介于3.5GPa和4.5GPa之间的单向取向增强纤维,并且每一单层包含至多20质量%的基体材料,单层的面密度介于10g/m2和80g/m2之间,并且每一单层中的纤维方向相对于相邻单层中的纤维方向旋转。
根据本发明的防弹片提供了良好的防弹性与防弹制品的良好柔性的组合。这使得本发明的防弹片非常适用于例如保护服(诸如防弹背心),提供抵抗来自子弹和碎片的弹道冲击的保护。
额外的优点在于,例如警察服(诸如改善的防弹背心)更机动,由此更能够在近战中保护自己。这导致提高的存活率。
在本发明中,术语“单层”是指一层单向取向的增强纤维和将纤维基本保持在一起的基体材料。
防弹片包含至少2个单层的叠层,优选地,所述至少2个单层和聚合物膜彼此连接或贴附。单层以如下的方式叠置:每一单层中的纤维方向相对于相邻单层中的纤维方向旋转。表示由相邻的单层的纤维所夹的最小角度的旋转角优选介于0°和90°之间,更优选介于10°和80°之间。最优选地,该角度介于45°和90°之间。
聚合物膜被置于叠层的顶面。在优选实施例中,聚合物膜也被置于叠层的底面,即,被置于叠层的外表面的两侧。
聚合物膜优选具有介于1g/m2和10g/m2之间的面密度。所述膜可以例如为:聚烯烃膜,诸如聚乙烯或聚丙烯膜;聚酯膜;聚酰胺膜;聚碳酸酯膜或聚苯乙烯膜。聚合物膜优选由聚烯烃(更优选聚乙烯或聚丙烯)、聚酯(尤其是热塑性聚酯)或聚碳酸酯制成。在优选实施例中,聚合物膜基本由高摩尔质量聚乙烯、更优选基本由特性粘度为至少4dl/g的超高摩尔质量聚乙烯制成。这样的膜可以根据GB 2164897公开的方法来制备。这样的膜一般具有较高的强度和模量,并且具有高的耐磨性。
本发明的防弹片中的纤维或纱线具有介于3.5GPa和4.5GPa之间的拉伸强度。纤维可以是无机纤维或有机纤维。合适的无机纤维例如为玻璃纤维、碳纤维和陶瓷纤维。
具有这样的高拉伸强度的合适有机纤维例如为:芳族聚酰胺纤维(也常常被称为芳族尼龙纤维),特别是聚对苯二甲酰对苯二胺;液晶聚合物及梯状聚合物纤维,诸如聚苯并咪唑或聚苯并噁唑,特别是聚(1,4-苯撑-2,6-苯并二噁唑)(PBO)或聚(1,4-(2,5-二羟基)苯撑-2,6-吡啶并[4,5-b-4’,5’-e]二咪唑)(PIPD;也被称为M5);以及高度取向的例如聚烯烃、聚乙烯醇和聚丙烯腈的纤维,诸如例如通过凝胶纺丝工艺获得的那些。纤维优选具有介于3.6GPa和4.3GPa之间的拉伸强度,更优选具有介于3.7GPa和4.1GPa之间的拉伸强度,最优选地具有介于3.75GPa和4.0GPa之间的拉伸强度。优选使用高度取向的聚烯烃纤维、芳族聚酰胺纤维、PBO纤维和PIPD纤维或其中至少两种纤维的组合。
甚至更优选使用由通过凝胶纺丝工艺(例如在GB 2042414 A或WO01/73173中所述的)制备出的聚乙烯丝构成的高性能聚乙烯纤维。这些纤维的优点在于,其具有非常高的拉伸强度,同时具有轻的重量,使得其尤其适用于重量轻的防弹制品。
更优选地,使用超高摩尔质量的线性聚乙烯的多丝纱线,所述超高摩尔质量的线性聚乙烯具有至少5dl/g的特性粘度。
这些纤维或纱线的单丝的纤度优选为至多2但尼尔,更优选地,这些纤维的单丝的纤度为至多1.9但尼尔。这使得包含所述防弹片的防弹模制制品具有更好的可模制性。最优选地,这些纤维的单丝的纤度为至多1.8但尼尔。
术语“基体材料”是指如下的材料,其将纤维粘结或保持在一起,并且可以将纤维完全或部分包裹,使得单层的结构在预制片的制造和处理过程被保持。基体材料可以各种形式和方式施加,例如作为纤维单层之间的膜、作为单向排列的纤维之间的横向粘结带或者作为横向纤维(相对于单向纤维为横向的)。也可以用基体材料浸渍和/或包埋纤维。
在优选实施例中,基体材料是聚合物基体材料,并且可以是热固性材料或热塑性材料,或者这两者的混合物。基体材料的断裂伸长率优选大于纤维的伸长率。基体材料优选具有3%-500%的伸长率。在另一个优选实施例中,基体材料是优选具有至少200%、更优选从300%-1500%、更优选从400%-1200%的伸长率的聚合物基体材料。对于热固性材料组,优选选择乙烯基酯、不饱和聚酯、环氧树脂或苯酚树脂作为基体材料。对于热塑性材料组,优选选择聚氨酯、聚乙烯基类树脂、聚丙烯酸类树脂、聚烯烃或热塑性弹性体嵌段共聚物(诸如聚异戊二烯-聚乙烯-丁烯-聚苯乙烯或聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物)作为基体材料。更优选地,基体材料是热塑性弹性体,其优选基本涂敷单层中的所述纤维的各根丝,并且具有小于约40MPa的拉伸模量(在25℃下,根据ASTM D638确定)。这样的基体材料导致单层以及预制片的组件具有高的柔性。业已发现,如果单层和预制片中的基体材料为苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物,则获得非常好的结果。
单层中的基体材料的含量为至多20质量%。这得到防弹性能和柔性的良好组合。优选地,单层中的基体材料的含量为至多18.5质量%、更优选至多17.5质量%。这得到防弹性能和柔性的甚至更好的组合。最优选地,单层中的基体材料的含量为至多16质量%。这得到防弹性能和柔性的最好组合。
业已发现,为了获得所需的防弹性和柔性的组合,单层的重量或面密度(AD)需要介于10g/m2与100g/m2之间。优选地,单层的重量介于15g/m2与80g/m2之间。更优选地,单层的重量介于20g/m2与60g/m2之间。
为了防止本发明的防弹片的柔性劣化,防弹片中的单层的数量优选为至多10。更优选地,防弹片中的单层的数量优选为至多8。最优选地,防弹片中的单层的数量优选为至多6。
为了制造根据本发明的防弹片,例如通过如下用基体材料浸渍单向增强纤维:将一层或者多层塑料膜施加到纤维平面的顶面、底面或者顶面底面两者,然后将这些与纤维一起通过热压辊。然而优选地,纤维在以平行的方式在一个平面中被取向之后,用一定量的含基体材料的液体物质对纤维进行涂层。其优点是可获得对纤维的更快速和更好的浸渍。液体物质可以是例如塑料的溶液、分散液或者熔体。如果塑料的溶液或者分散液被用于制造单层,则该方法还包括蒸发溶剂或者分散剂。以此方式获得单层。随后,至少2个这样的单层以如下方式被叠置:每一单层中的纤维方向相对于相邻单层中的纤维方向旋转。最后,对叠置的单层和聚合物膜进行处理,使得其彼此连接或贴附。合适的处理可以是在足够高到获得单层和聚合物膜之间的粘附的温度下压制或辊压叠层。一般来说,更高的温度将提供更好的粘附。通过施加一定的压力可以进一步提高粘附。通过常规实验可以找出合适的压力和温度。在高性能聚乙烯纤维的情况下,这样的温度不能超过150℃。
根据本发明的防弹片可以适用于防弹组件或防弹制品。防弹制品意指成型部件,包含至少两个根据本发明的防弹片的堆叠,其可以被用作例如提供抵抗弹道冲击(例如子弹和弹片)的保护的保护服和防弹背心。
根据本发明的这样的组件包含防弹片的叠层,所述防弹片优选彼此基本不连接;就是说,这些片在其相邻表面的至少90%彼此不贴附或粘附。更优选地,根据本发明的组件包含彼此不连接的防弹片的叠层。然而,难以处理彼此不连接的预制片的叠层,因为这样的叠层缺乏进一步处理所需的连贯性。为了获得一定程度的连贯性,防弹制品例如可以被缝合。这样的缝合尽可能少地进行,例如仅仅在角部或在边缘周围,以允许片彼此相对运动。另一种可能性是将预制片的叠层封装在柔性封皮或封套中。这样,组件中的或防弹制品中的预制片仍然能够彼此相对移位,而组件或制品本身具有连贯性,并表现出良好的柔性。
本发明还涉及至少两个根据本发明的防弹片的组件。优选地,这些片基本不彼此连接。随着防弹片的数量增加,弹道保护水平提高,但是组件的重量增加,柔性降低。对于具有防弹性和柔性的最佳组合的组件,组件中的防弹片的数量介于10和250之间,更优选地介于15和225之间,并且最优选地介于20和200之间。
为了获得最大的柔性,在这样的组件中的相邻的片彼此不连接。然而,为了获得一定的连贯性,预制片的组件例如可以被缝合。
最后,本发明涉及保护服,诸如防弹背心,其包含本发明的防弹片。
本申请中所提到的测试方法如下:
·特性粘度IV:根据方法PTC-179(Hercules nc.Rev.Apr.29,1982)在135℃和萘烷中确定特性粘度,溶解时间为16小时,使用DBPC作为抗氧化剂,用量为2g/l溶液,通过在不同浓度下测量的粘度外推到零浓度;
·拉伸性能(在25℃下测量):按照ASTM D885M的规定,利用500mm的名义计量长度的纤维、50%/min的十字头速度,对多丝纱线确定和定义拉伸强度(或强度)、拉伸模量(或模量)以及断裂伸长率。基于所测量的应力-应变曲线,以0.3%和1%应变之间的斜率确定模量。为了计算模量和强度,将所测量的拉伸力除以纤度(通过称重10米的纤维来确定);假定0.97g/cm3的密度,计算得到单位为GPa的值。根据ISO1184(H)测量薄膜的拉伸性能。
现在将利用下面的实例和对比实验进一步阐明本发明,但是本发明不限于此。
实例1
首先,在鼓卷筒上制造单向单层。为此,将硅化纸贴附到鼓卷筒的鼓上。鼓的周长和宽度都为160cm。每根丝的纤度为1.92但尼尔以及抗断强度(tenacity)为3.6GPa的聚乙烯纱线以6.1mm的间距被卷绕在鼓卷筒上。在被卷绕在鼓上之前,将纱线用苯乙烯异戊二烯苯乙烯嵌段共聚物在水中的分散液润湿。通过稀释分散液,由纱线吸收的固体量被调节到18wt%(相对于纱线量)。
通过将鼓加热到约65℃蒸发所有的水。这样,制备出具有29.8g/m2的面密度(AD)(即,24.6g/m2的纱线面密度)的单层。
在添加第二单层之前,第一单层被从鼓取出,旋转90°,并再次被贴附到鼓上。利用同样的过程,通过将纱线卷绕在鼓上,将第二单层粘附到第一单层上。第二层的纱线基本垂直于第一单层中的纱线取向。此过程被重复,以添加第三和第四单层。
所获得的片由4个以0°/90°/0°/90°方向取向的单层构成。
在该片的两侧上贴附8μm厚的LDPE膜。LDPE片的面密度为7.5g/m2。
所获得的最终的片,即根据本发明的防弹片,具有134.1g/m2的面密度。
总共37个尺寸为40×40cm的这样的最终片被叠置在一起,所有这些片通过缝合在边缘附接。这样,制备出具有5.0kg/m2的面密度(AD)以及3.6kg/m2的纱线面密度的软防弹组件,见表1。
根据STANAG 2920中描述的过程,使用17Grain碎片模拟弹(所谓的FSP)对所获得的软防弹组件进行射击测试。在射击测试过程中,使用用于软防弹组件的Caran d’Ache衬背。进行这些测试的目的是确定V50和/或吸收能量。
V50是50%的射弹将穿透软防弹组件的速度。测试过程如下。首先,以预计的V50速度射击第一射弹。在撞击之前的即刻测量实际速度。如果射弹被阻挡,则以提高约10%的预期速度射击下一射弹。如果软防弹组件被穿透,则以降低约10%的预期速度射击下一射弹。总是测量撞击的实际速度。V50是两个最高的被阻挡速度和两个最低的穿透速度的平均值。
装甲的性能还通过如下来确定:计算在V50下射弹的动能,将其除以板的面密度,即所谓的‘Eabs’。
软防弹组件的V50被发现为543m/s,Eabs为45J m2/kg。
对比实验A
使用与实例1中所述的相同的过程来制造片,不同之处在于使用每根丝的纤度为2.3但尼尔、拉伸强度为3.5GPa的SK76纱线;将分散液稀释,使得纱线吸收的固体量为22wt%(相对于纱线量);单层的面密度为100g/m2;片由2个以0°/90°方向取向的单层和LDPE膜构成,并且具有215g/m2的面密度。
通过叠置这些片,制备出具有5.2g/m2的面密度(AD)以及3.8kg/m2的纱线面密度(即比实例1中的AD高0.2kg/m2)的软防弹组件。
软防弹组件的V50被发现为484m/s,Eabs为34J m2/kg。
对比实验B
使用与实例1中所述的相同的过程来制造片,不同之处在于使用每根丝的纤度为2.3但尼尔、拉伸强度为3.5GPa的SK76纱线;将分散液稀释,使得纱线吸收的固体量为18.7wt%(相对于纱线量);单层的面密度为32.5g/m2。最终的片具有145g/m2的面密度。
通过叠置这些片,制备出具有5.2g/m2的面密度(AD)以及3.8kg/m2的纱线面密度(即比实例1中的AD高0.2kg/m2)的软防弹组件。
软防弹组件的V50被发现为526m/s,Eabs为40J m2/kg。
表1
实例1 | 对比实验A | 对比实验B | |
拉伸强度 [GPa]每片中的单层数 [-]基体量 [wt%]每一单层的纱线AD [g/m2]单层AD [g/m2]每片AD [g/m2]每一组件的片数组件AD [kg/m2]组件中的纱线AD [kg/m2]V50 [m/s]Eabs纱线 | 3.6418.024.629.8134.1375.03.654345 | 3.5222.078.0100.0215.0245.23.848434 | 3.5418.726.632.5145.0365.23.852640 |
这些结果表明尽管根据本发明的防弹片和防弹组件中的聚乙烯纤维(被认为是有效组分)的面密度更低,但是实例1中的软防弹组件表现出明显更高的Eabs(至少高13%)。在防弹领域中,这被认为是非常显著的进一步改善。
根据实例1的片不仅更轻,而且柔性更好。
Claims (10)
1.一种防弹片,其包含至少2个单层的叠层且在叠层顶面上具有聚合物膜,每一单层包含拉伸强度介于3.5GPa和4.5GPa之间的单向取向增强纤维或纱线和至多20质量%的基体材料,单层的面密度介于10g/m2和80g/m2之间,且每一单层中的纤维方向相对于相邻单层中的纤维方向旋转。
2.如权利要求1所述的防弹片,其中单层的面密度介于20g/m2和60g/m2之间。
3.如权利要求1或2所述的防弹片,其中所述单层包含至多18.5质量%的基体材料。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的防弹片,其中所述单向取向增强纤维或纱线具有介于3.6GPa和4.3GPa之间的拉伸强度。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的防弹片,其中所述单向取向增强纤维或纱线是高度拉伸聚乙烯纤维。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的防弹片,其中所述单层的数量为至多10。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的防弹片,其中所述增强纤维或纱线中的单丝的直径为至多2但尼尔。
8.防弹模制制品,其包含10个到250个如权利要求1-7中任意一项所述的防弹片。
9.保护服,其诸如为防弹背心,包含权利要求1-7中任意一项所述的防弹片。
10.如权利要求1-7中任意一项所述的防弹片在制造防弹制品中的用途。
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