CN101990492A - 制造防弹制件的改进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造防弹制件的方法，所述方法包括如下步骤：通过叠加2片或更多片片材而形成片材的叠层，每片片材包含一层或更多层防弹纤维和可选热塑性粘合剂的单层；随后使所述片材的叠层经受低气压环境；以及在保持所述低气压环境的同时，使所述片材的叠层在升高的温度和至少10MPa的压力下固结。本发明还涉及一种防弹制件。

Description

制造防弹制件的改进方法
本发明涉及一种制造防弹制件的方法，所述防弹制件由片材的叠层形成，其中每片片材包含一层或更多层防弹纤维的单层。本发明还涉及防弹制件以及真空袋在防弹制件制造中的用途。
对于特定面密度提供更高性能的防弹制件具有日益增长的需求。例如，安装在军用头盔上的数量不断增加的电子监视装备导致头盔笨重的问题，因此需要提供相同防弹性能但质量较轻的头盔。另外，为了对车辆提供加强的防弹保护，需要将防弹层的厚度增加至某一点，在该厚度下，防弹层开始影响车辆的机动性和操作性。除了增加的防弹性能外，对防弹制件的持续需求也需要更短的生产周期来增加产量。
防弹制件也可能经常长时间地暴露在高温下。防弹制件有足够的尺寸稳定性来保持它们的形状是重要的，这样它们的功能性能不会受影响。一个例子是与汽车发动机相邻放置的防弹板。用于车辆的防弹板必须足够厚以获得所期望的防弹性能，防弹板即使很小的尺寸变化也会导致板子对车辆框架施加压力，因而影响车辆的结构完整性。另一个例子是头盔和背心经受高温环境(例如在车厢中)。因而，为上述个人防护而设计的防弹制件在经受高温环境时也要有良好的尺寸稳定性，以保证它们舒适地适合穿着者的身体。
本发明的一个目的在于提供一种防弹制件和防弹制件的制造方法，该制造方法至少克服了部分上述问题。
该目的采用如下用于制造防弹制件的方法而实现，所述方法包括如下步骤：
a.通过叠加2片或更多片片材形成片材的叠层(“叠层”)，每片片材包含一层或更多层防弹纤维和可选热塑性粘合剂的单层；随后
b.使所述片材的叠层经受低气压环境；以及
c.在保持所述低气压环境的同时，使所述片材的叠层在升高的温度下经受至少10MPa的压力。
令人惊讶的发现，在对叠层应用低气压环境的同时在升高的温度下压缩该叠层使防弹性能产生了令人惊讶的增加，这根据材料的比能量吸收(SEA)测定。优选地，所述片材是单向片材，其中在所述叠层中，所述防弹纤维在单层中的方向与相邻单层中的纤维方向成角α。然而也可以使用其他形式组装和取向的纤维。例如在另一个实施方式中，片材是纺织片材。
本发明的方法解决了提高防弹性能的问题。本发明从叠层SEA增大的结果中获得了几个额外的优点：
1.与按照惯例制造的防弹制件相比，防弹性能增大的防弹制件可以被制成具有相同的面密度。
2.可以制成的防弹制件具有与通过常规技术制成叠层相同防弹性能，但更轻、更密实(compact)。
在本发明的一个实施方式中，提供了一种包含片材的叠层的防弹制件，每片片材包含一层或更多层聚乙烯防弹纤维和热塑性粘合剂的单层，其特征在于，所述防弹制件的比能量吸收(SEA)大于145J/kg/m2，所述制件在90℃下存储160个小时后的最大厚度增量％在90℃下测定小于8％。
优选地SEA大于147J/kg/m2，更优选大于149J/kg/m2，甚至更优选大于151J/kg/m2，最优选大于153J/kg/m2。最大厚度变量％小于7.5％，更优选小于7.0％，甚至更优选小于6.5％，最优选小于6.0％。
业已发现，本发明的防弹制件可以通过施加先前所述的真空和压力来制备。
应当认识到，描述用方法限定的防弹制件的不同实施方式也适用于单独描述防弹制件的实施方式。
叠层
根据本发明的防弹制件包含片材的叠层。片材除了包括由防弹纤维制成的单层的叠层外还包含由防弹纤维制成的纺织片材或无纺片材(即毛毡结构)。
优选地，这些片材是单向片材，其包含一层或更多层单向取向的防弹纤维和粘合剂的单层。
术语“单向防弹纤维的单层”指的是一层单向取向的防弹纤维，即在一个平面中基本上平行取向的防弹纤维。在本发明的这个方面中，纤维在单层中的方向优选与在相邻单层中的纤维方向成角α。角α优选介于5°和90°之间，更优选介于45°和90°之间，最优选介于75°和90°之间。
根据本发明的制件包含至少2片片材，优选包含至少40片片材，更优选包含至少80片片材，甚至更优选包含至少120片片材，最优选包含至少160片片材。
术语“防弹纤维”不仅包括单丝，还包括复丝纱线和带。
纤维的形成
根据本发明叠层中的防弹纤维优选具有至少约1.2Gpa的拉伸强度(依照ASTM D2256测定)和至少40Gpa的拉伸模量。这些纤维的拉伸强度优选至少2Gpa，更优选至少2.5Gpa，最优选至少3Gpa。这些纤维的优点是，它们具有非常高的拉伸强度，所以特别适用于例如轻质量、结实的制件中。
优选地，每条防弹纤维丝的细度小于5旦尼尔每丝(dpf)，更优选小于3dpf，甚至更优选小于2dpf，最优选小于1.5dpf。
这些防弹纤维可以是无机纤维或有机纤维。
合适的无机纤维是例如，玻璃纤维、碳纤维和陶瓷纤维。
具有上述高拉伸强度的合适有机纤维是例如，芳族聚酰胺纤维(通常指的是芳纶纤维)，尤其是聚(对苯撑对苯二甲酰胺)；液晶聚合物和梯状聚合物纤维，诸如聚苯并咪唑和聚苯并噁唑，尤其是聚(1，4-苯撑-2，6-苯并二噁唑)(PBO)或聚(2，6-二咪唑并[4，5-b-4’，5’-e]吡啶-1，4-(2，5-二羟基)苯撑)(PIPD，也指M5)；和通过例如凝胶纺丝工艺得到的例如聚烯烃(如聚乙烯和聚丙烯)纤维、聚乙烯醇纤维和聚丙烯腈纤维(这些纤维是高度取向的)。
更优选地，芳族聚酰胺纤维，尤其是聚(对苯撑对苯二甲酰胺)；液晶聚合物和梯状聚合物纤维，诸如聚苯并咪唑和聚苯并噁唑，尤其是聚(1，4-苯撑-2，6-苯并二噁唑)(PBO)或聚(2，6-二咪唑并[4，5-b-4’，5’-e]吡啶-1，4-(2，5-二羟基)苯撑)；和超高分子量聚乙烯被用作防弹纤维。
在本发明的一个实施方式中，防弹纤维由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)丝组成，这些丝通过例如GB 2042414A，WO 01/73173或“Advanced Fibre Spinning Technology”(Ed.T.Nakajima，WoodheadPubl.Ltd(1994)，ISBN 1855731827)中所描述的凝胶纺丝工艺来制备。这些UHMWPE纤维的使用导致每单位重量具有非常良好的防弹性能。凝胶纺丝工艺基本上由以下步骤组成：制备具有高特性粘度的线性聚乙烯的溶液；将该溶液在高于溶解温度的温度下纺成丝线；将丝线冷却到凝胶温度以下，结果产生凝胶；并且在除去溶剂以前、期间或以后拉伸丝线。
在凝胶纺丝实施方式中，优选使用线性聚乙烯。线性聚乙烯在本文中被理解为意指，每100个C原子具有小于1个侧链，优选每300个C原子具有小于1个侧链的聚乙烯，其中侧链或支链通常包含至少10个C原子。如EP 0269151中所提到的，侧链适于通过FTIR在2mm厚的压塑膜上测定。线性聚乙烯还包含至多5mol％的一种或更多种可与其共聚的其它烯烃，例如丙烯、丁烯、戊烯、4-甲基戊烯、辛烯。优选地，具有高摩尔质量的线性聚乙烯的特性粘度(IV，在135℃下十氢化萘的溶液中测定)为至少4dl/g，更优选为至少8dl/g，最优选为至少10dl/g。这种聚乙烯也被称为超高摩尔质量聚乙烯。特性粘度是分子量的量度，它比例如Mn和Mw的实际摩尔质量参数更易确定。IV和Mw之间存在一些经验关系，但这些关系高度依赖于分子量分布。基于方程Mw＝5.37×104[IV]1.37(参见EP 0504954A1)，4或8dl/g的IV分别相当于约360或930kg/mol的Mw。
片材或单层中防弹纤维的单位面积重量优选在5至250g/m2的范围内，更优选在10至200g/m2的范围内，最优选在20至150g/m2的范围内。
在根据本发明的方法中，叠层可以从包含单一单层的片材开始制造，而非由2层或更多层单层形成的片材(优选单向片材)开始制造。但是，包含单一单层的片材难以处理，因为其容易沿纤维方向撕裂。因此优选的是，从含有2到8层(通常为2、4或8层)单层的固结单层组件或片材制成叠层，其中所述单层以相对于纤维方向成一定角度(例如以交叉方式)放置。“固结的”意在表示单层间彼此牢固连接，所以这些单层在室温、常规使用条件下不会分层。
这些纤维也可以取向形成纺织片材或无纺片材。
本发明的片材可以由不同方法制造，例如通过辊间的压辊，或者通过压制成型。如果单层组件(即包含单层的片材)也在高温、可选高压下被压缩，随后在高压下(优选在至少5MPa的压力下，甚至更优选在与前面的步骤中的相同的压力下)冷却，则获得良好的结果。如果经济条件允许，也可以在本发明范围内通过使用真空和高压的结合来形成单向片材。
扁带的形成
在本发明的一个具体实施方式中，防弹纤维是带。所述带优选由聚烯烃制成。为了本发明的目的，带(或扁带)是横截面的纵横比为至少5∶1、更优选至少20∶1、甚至更优选至少100∶1、还要甚至更优选至少1000∶1的纤维。所述扁带的宽度优选介于1mm到600mm之间，更优选介于1.5mm到400mm之间，甚至更优选介于2mm到300mm之间，还有甚至更优选介于5mm到200mm之间，最优选介于10mm到180mm之间。所述扁带的厚度优选介于10μm到200μm之间，更优选介于15μm到100μm之间。
在防弹纤维是扁带的实施方式中，扁带可以被制成膜的形式。带可以包括膜或由膜制成。形成所述膜或带优选方法包括：将聚合物粉末装入一组环带之间；在低于聚合物粉末熔点的温度下对其进行压缩模制；并且辊压所得到的压缩模制聚合物，然后拉伸。这样的方法在例如欧洲专利0733460A2中有所描述，通过引用结合与此。如果有需要，在装载和压缩模制聚合物粉末前，可以将聚合物粉末与沸点高于所述聚合物熔点的合适的液体有机化合物混合。压缩塑模也可以通过如下实施：将聚合物粉末暂时保留在环带间，同时运送该聚合物粉末。该过程可以通过例如与环带相连的挤压压盘和/或辊来实现。优选地，UHMWPE用在该方法。该UHMWPE需要在固态下是可拉伸的。商用固态可拉伸UHMWPE的例子包括由Ticona生产的GUR4150(TM)、GUR4120(TM)、GUR2122TM、GUR2126TM；由Mitsui生产的Mipelon XM220TM和Mipelon XM221UTM；由Montell生产的1900TM、HB312CMTM、HB320CMTM。
另一种形成膜的优选方法包括：将聚合物装入挤出机；在高于膜熔点的温度下挤出膜；拉伸经挤出的聚合物膜。如果需要，在将聚合物装入挤出机前，聚合物可与合适的液体有机化合物混合，例如形成凝胶，在使用超高分子量聚乙烯时优选这样。
优选地，聚乙烯膜通过前面关于纤维形成中所描述的凝胶工艺来制备。简言之，关于带的形成相关的凝胶纺丝工艺包括：制备具有高特性粘度的聚烯烃溶液；将该溶液在高于溶解温度的温度下挤成膜；将膜冷却到凝胶温度以下，从而使膜至少部分凝胶；并且在至少部分除去溶剂以前、期间或以后拉伸膜。
所制膜的拉伸(优选单轴拉伸)可以用现有技术已知的手段进行。这样的手段包括：在合适的拉伸单元上的挤出拉伸(extrusion stretching)和伸长拉伸(tensile stretching)。为了获得提高的机械强度和刚度，拉伸可以通过多个步骤进行。在优选的超高分子量聚乙烯膜的例子中，拉伸通常通过多个拉伸步骤以单轴方式进行。第一个拉伸步骤例如包含拉伸至伸长系数为3。多步拉伸通常导致：对于至多120℃的拉伸温度伸长系数为9，对于至多140℃的拉伸温度伸长系数为25，对于至多且高于150℃的拉伸温度伸长系数为50。通过在升高的温度下多步拉伸可能达到约50或更大的伸长系数。这得到高强度的带，其中，对超高分子量聚乙烯的带来说，强度范围优选为1.2GPa至3GPa，而且容易获得更高的强度。
在纤维是带的实施方式中，带除了形成单向单层或片材外还可以取向形成纺织片材。
热塑性粘合剂
片材优选地包含热塑性粘合剂，特别在片材是单向片材的实施方式中。术语“粘合剂”指将单层或片材中的防弹纤维粘合或保持在一起的物质。该粘合剂可以全部或部分包封防弹纤维，从而在处理和制备片材期间单层结构被保留。粘合剂可以以各种形式和方式使用，例如作为薄膜(通过其熔融至少部分覆盖防弹纤维)，作为横向粘合带和作为横向纤维(相对于单向纤维为横向)，或用基质材料浸渍和/或包埋纤维(所述基质材料例如为熔融聚合物或聚合材料在液体中的溶液或分散液)。优选地，基质或粘合剂材料被均匀地分布在单层的整个表面上，而粘合带或粘合纤维可以局部施用。例如EP 0191306B1、EP 1170925A1、EP 0683374B1和EP1144740A1中描述了适当的粘合剂。
热塑性粘合剂的优点是，粘合剂释放低水平的挥发性气体，特别在升高的温度下。优选地，粘合剂是断裂伸长率优选大于纤维伸长率的热塑性材料。粘合剂优选具有2-600％的伸长率，更优选具有4-500％的伸长率。例如WO 91/12136A1(第15-21页)中列举了适当的热塑性粘合剂材料。优选的热塑性材料是热塑性聚合物：聚氨酯、乙烯基聚合物、聚丙烯酸类、聚烯烃；或者热塑性弹性嵌段共聚物，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，优选作为粘结剂材料。
在一个实施方式中，粘合剂由热塑性聚合物组成，这些粘合剂优选完全涂敷到单层中所述纤维的每根细丝上，并且这些粘合剂具有至少250MPa、更优选至少400MPa的拉伸模量(根据ASTM D638在25℃下测定)。这种粘合剂与热固性聚合物相比具有降低的挥发性气体释放量。结果，更容易保持低气压环境中的绝对压力。
在另一个实施方式中，粘合剂由热塑性聚合物组成，这些粘合剂具有小于250MPa、更优选小于100MPa、甚至更优选小于40MPa、还有甚至更优选小于20MPa、最优选小于2MPa的拉伸模量(根据ASTM D638在25℃下测定)。
优选地，粘合剂以在水中的分散体形式应用。合适的粘合剂材料的例子包括：丙烯酸酯、聚氨酯、改性的聚烯烃和乙烯乙酸乙烯酯。
用热塑性粘合剂材料浸渍增强纤维例如可以通过如下实现：将一层或者多层热塑性薄膜施加到纤维平面的顶面、底面或者两侧，然后连同纤维一起将这些通过热压辊。然而优选地，纤维在一个平面中以平行的方式取向之后被一定量的含有单层的热塑性粘合剂材料的液体物质涂布。其优点是实现纤维的更快速、更好的浸渍。液体物质可以是例如热塑性塑料的溶液、分散液或者熔体。如果热塑性塑料的溶液或者分散液用于制造单层，则该方法还包括蒸发溶剂或者分散剂。
可选地，粘合剂可局部横跨防弹纤维，从而在保证防弹纤维有足够的稳定性来处理和加工下(片材的叠层在随后的真空处理步骤中所经历的步骤)尽量减少粘合剂的用量。
粘合剂在片材中的用量，相对于叠层中防弹纤维和粘合剂的总质量，优选为至多30wt％，更优选为至多20wt％，甚至更优选为至多15wt％，最优选为至多10wt％。为了在片材中提供足够的稳定性，粘合剂在片材中的用量相对于叠层中防弹纤维和粘合剂的总质量，优选为至少3wt％，更优选为至少5wt％。在本发明的一些实施方式中，不需要向纤维加入额外的粘合剂。例如，用纺织扁带制成的叠层不需要添加粘合剂就可以在加工时有足够的稳定性。通常，粘合剂含量越低，单向片材叠层的SEA越高。
根据本发明的叠层的重量(在说明书中也指作面密度)在宽度范围内分布，涵盖了柔性和刚性结构。已在低至约2.0kg/m2或更低水平的面密度下观察到根据本发明施加真空的有益效果。但是，叠层的面密度优选至少6.0kg/m2，更优选至少8.0kg/m2。在另一个实施方式中，诸如与装甲车中使用的叠层相关的那些叠层，使用的面密w度为至少15kg/m2，更优选为至少20kg/m2，甚至更优选为至少30kg/m。
在本发明范围内，通过在叠层中使用更大量的单层或片材所获得的更高面密度可以产生特别好的防弹性能。
低气压环境
我们发现根据本发明低气压环境与高压结合应用与单独应用高压相比以无法估测方式改变了叠层的面密度，这使得所得技术效果甚至更加出乎意料。
低气压环境指的是气压低于1个大气压(约0.1MPa)的环境。为了向叠层施加低气压环境，将抽吸源或真空源连接到限定低气压环境的罩子(enclosure)上。
优选地，罩子用柔性材料形成，这样当向罩子施加真空时，柔性材料在叠层周围伸展，从而稳定并防止形成叠层的片材间的相对运动。通过用柔性材料固定叠层，可以在生产周期中快速、有效地处理和运送叠层。这有加快生产和/或用更低量的粘合剂稳定叠层的优点。
在一个实施例中，叠层被放置于真空袋中，其中真空源(例如真空泵)能够使真空袋中的气压降低至低于大气压。真空袋优选这样配置，它完全包围叠层，从而真空可通过真空口施加于叠层。优选地，真空袋是柔性聚合物片材，其全部包围模制件，并且含有一个由其向真空袋的气体环境应用抽吸的开口或真空口。然而，在一些实施方式中，低气压环境是通过真空袋与刚性表面(如模具)相结合所定义的真空室。
优选地，真空口原位形成(即真空袋是通过热封聚合物片材形成的，其中真空袋上留有孔作为真空口)，然后在真空用于真空袋后封上真空口。在一个示例性的实施方式中，真空袋由至少一种聚合物片材形成。至少一种聚合物片材可以预先形成真空袋或原位形成。当真空袋是原位形成时，聚合物片材的两个表面夹在叠层周围，从而形成含有真空口的罩子。真空通过真空口施加于叠层后，优选热封罩子，从而形成真空袋。
真空袋优选地由熔融温度高于真空袋加工温度的聚合物片材制成，例如由聚乙烯(特别是低密度聚乙烯)、聚丙烯、聚酯或聚酰胺制成。也可以使用多层层压结构，例如，由低密度聚乙烯层、聚酰胺层和界面“连接”层组成的三层聚合物层压结构，该结构具有有利的流变特征能够使低密度聚乙烯层和聚酰胺层挤成层压膜。在另一个实施方式中，形成至少部分真空袋的层压层包含铝箔层，其起到防火层的作用。
真空袋可被设计用于单一用途或多用途应用，其中真空袋的组成和厚度可以用现有技术已知的手段调整。当真空袋被设计用来形成最终防弹制件的一部分时或当真空处理步骤和压缩步骤在不同场所进行由此重复使用真空袋不经济时，优选单一用途的真空袋。
在一个具体的实施方式中，真空袋由熔融温度等于或低于最高真空袋加工温度(步骤c)的聚合物片材制成。优选地，聚合物片材的熔点比最高真空袋加工温度(步骤c)低不超过10摄氏度(℃)，更优选不超过5℃。出乎意料地发现，熔点等于或低于真空袋的最高加工温度的真空袋仍然能产生本发明的技术效果。
在一个优选的实施方式中，真空袋在加工过程中形成防弹制件的组成部分。在叠层的外层包含真空袋的聚合物片材时，可以为防弹制件的外表面增加额外的功能性。特别是，通过应用由良好可印性聚合物材料制成的真空袋或已被处理(例如电晕放电)以增强其可印性的聚合物材料制成的真空袋可以增强外层的可印性。
真空袋也可以从至少一种印刷的聚合物片材中制备，这样通过使真空袋的至少一个表面结合至防弹制件的外表面使该防弹制件获得印刷的外层。使真空袋结合到防弹制件的表面有如下优点：通过省略至少一个在压缩周期后的加工步骤缩短了制造最终制件的加工时间。
通过使用与叠层外表面形成整体结合(integral bond)的真空袋材料可以使真空袋结合到模制件的外表面上，同时仍形成整体密封，这样在应用高压循环时保持真空。这可以通过使用接合剂或粘合剂以将真空袋的表面结合到防弹制件的表面来实现。可选地，真空袋可由软化点低于最高加工温度(步骤c)的材料制成，这样材料在加工过程中便结合到外表面。优选地，真空袋材料的软化点比最高加工温度(步骤c)低不超过40℃，更优选不超过30℃，最优选不超过20℃。优选地，将热活化粘合剂预涂在真空袋的内表面，其中热压缩周期使粘合剂活化，从而在真空袋的表面和防弹制件的外表面之间形成结合。
可选地，真空袋的至少一侧或者一部分可以包含熔融温度低于最高压缩周期温度的聚合物组合物，从而在压缩周期过程中真空袋的至少一侧或者一部分热熔合到防弹制件的外层上。
在操作中，如之前所述叠层被插入真空袋中，其中真空源应用于真空袋的内容物。优选地，低气压环境中的绝对气压不超过0.01MPa。更优选低气压环境中的绝对气压不超过0.005MPa，甚至更优选不超过0.001MPa，最优选不超过0.0005MPa。通常，较低的压力水平相应于提高的防弹性能。真空度从真空计或通常与真空源相连的其它测量方式中测定。
为了达到所要求的绝对压力，低气压环境优选与真空源相连至少20秒，更优选至少60秒，最优选至少180秒。确切的真空处理时间取决于真空口、真空袋和叠层的构造。例如，在防弹制件由大量单向片材(例如，超过100片)形成的实施方式中，需要更长的时间来保证整个低气压环境中的气压达到平衡水平(即整个袋子的压力基本是一样的)。确切的真空处理时间可由本领域普通技术人员通过常规实验确定。
真空加工步骤(b)可以在专用的真空压机中进行，其中叠层被置于包含真空口的真空袋中，并被置于真空压机中。然后真空袋被封入处于低气压的室中。真空步骤完成后，真空口优选被热封，并从压力机中取出袋装叠层。
使用专用真空压机的实施方式的优点是：可以事先真空压缩一定数量的叠层，以确保高压加工装置的生产率最大化。实际上，叠层可以被真空包装、存储并运输到不同生产设备以在专用的高压机中进行压缩周期。结果，在压缩周期前，叠层可以在真空下从短至30秒到不超过3小时，更优选不超过4小时，在一些实施方式中，不超过2天，优选不超过3天或更多天。
将叠层真空包装的优点是：可以确保单层或单层的预制组成叠层处于在对粘合剂材料和/或小心处理依赖度更低的情形。因而，可以同时提高生产速度和提高防弹性能。
可选地用专用真空压机，叠层可在真空室中暴露于低气压环境，该真空室形成了加压装置(例如液压机)的一部分。
在叠层仅部分被真空袋包住的实施方式中，优选地真空袋与造型设备的构件相连，如此叠层便被真空袋或真空包的柔性片材和造型设备的硬性表面的组合全部包围。优选地，真空孔或口均匀地分布在造型设备的主体上。孔的均匀分布避免了真空在叠层上分布不均匀。在一些实施方式中，连接各真空孔以使造型设备内的内腔具有真空，该造型设备与连接于真空泵的反向密封截止阀和真空管相连。
本发明的另一个实施方式提供了真空在制造防弹制件(特别是由防弹纤维制成的防弹制件)中的用途。优选地，真空的使用通过前面所描述的真空袋得以实现。
在一个优选的实施方式中，固结步骤(c)构成如下所述压缩周期的一部分。
压缩周期
叠层被置于低气压环境后，叠层优选地在升高的温度下经受压缩周期。在升高的温度下压缩意指，使叠层在足够高以至于粘合剂模量足够低的压缩温度下经受给定的压力特定的压缩时间，该压缩温度例如在粘合剂的玻璃化转变温度或熔融温度之上，但低于纤维的软化点或熔点。所需压缩时间和压缩温度取决于纤维和粘合剂的种类以及模制件的厚度，其可以由本领域普通技术人员容易地确定。熔融或反应期间的温度通常被选成低于防弹纤维由于例如熔融而损失其高机械性质的温度。
压缩周期的第一步是使叠层预热至足以使叠层固结(即片材间良好粘合)的温度。
在叠层由熔点相对低的防弹纤维(诸如聚烯烃)形成的实施方式中，通常将叠层预热至温度比防弹纤维的熔点低至少10℃，优选低至少20℃，更优选低至少25℃。
在UHMWPE(通常具有155℃的熔融温度)的例子中，通常选择的温度低于145℃，更优选低于135℃。最低温度通常被选定来确定合理的固结速度。从这方面来说，50℃是适当的温度下限，优选温度下限为至少75℃，更优选为至少95℃，最优选为至少115℃。在一个示例性实施方式中，由UHMWPE纤维制成的叠层被加热至120℃到130℃间的温度。依据所用材料固有的特定传热参数，预热步骤通常进行10分钟至2小时。
压缩周期的第二步是高压压缩步骤，其中，叠层由加压装置在至少10MPa、更优选至少12MPa、更优选至少15MPa、甚至更优选至少20MPa、还有甚至更优选至少25MPa、最优选至少30MPa的负荷下进行压缩。压缩周期通常在第一步完成前就进行(即叠层温度还在升高)。叠层暴露于高压条件的时间通常在5到100分钟之间，这取决于下列加工条件，诸如温度、压力、组合物和叠层中单向片材的数量。
压缩周期的第三步是随后将叠层冷却至低于100℃、优选低于80℃、更优选低于60℃的温度。在一个优选的实施方式中，叠层在压力(优选至少5MPa)下、更优选在与前面施压步骤相同的压力下冷却。
通过本发明的方法所得到的防弹制件优选是弯曲的模制件，例如头盔或与车辆板材的轮廓相符的装甲板。
在防弹制件是弯曲制件的实施方式中，步骤(c)进一步包括将叠层置于模具(叠层发生的固结地方)中，并且通过加压装置对模具至少部分加压。所述模具包括至少一个以弯曲或成型制件形式的模具部件(与叠层的顶表面和/或底表面适形)和/或外围模具部件。
所得防弹制件具有优异的防弹性能。
本发明还涉及可根据以前所描述的制造防弹制件的方法得到的防弹制件。具体地，如以前所描述的防弹制件与传统防弹制件相比显示出特有机械性能。
为了本发明的目的，压力的单位是百万帕斯卡(MPa)或bar，其中1MPa等于10bar。
实施例
实施例1
73片单向片材(约为40cm×40cm)组成叠层，其中每片片材由两层以90度角交叉放置的单层组成。防弹纤维是高度拉伸的UHMWPE纤维，其中强度为约36cN/dtex，模量为约1180cN/dtex，细度为约2旦每条横截面纵横比为约1的丝线。每个单层包含相对于单层的总重量20重量％的粘合剂，粘合剂由拉伸模量值为约1MPa(在25℃下根据ASTM D638测定)的聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯三嵌段共聚物组成(得自KratonPolymers)，其以水性分散剂形式使用。单向片材的面密度是265g/m2。叠层/防弹制件的面密度为约19kg/m2。
叠层被置于聚酰胺6的真空袋中，其中，通过被设计用来真空密封聚合物膜中制件的独立设备施加真空压力的方式，向叠层施加约5mBar(5×10-4MPa)低气压。由真空袋的开口抽吸约25秒，然后热封该袋，并从真空源中取出。
然后，将在低气压环境中密封的叠层转移到热液压机。将叠层加热至高于60℃，然后向叠层施加300bar(30MPa)的压力约45分钟，此刻，所达到的最高温度为约125℃。保持300bar压力的同时，将温度降至低于80℃，然后打开压力机，并取出叠层。进一步冷却后，从袋中取出叠层/防弹制件。
对比实验A
对比实验A中的叠层(组成和结构与实施例1的叠层一样)用实施例1的叠层的相同方法加工，除了下列不同：
·叠层没有置于真空袋中，并且没有经受低气压环境；
·在施加300bar的压力前，叠层经受5分钟的脱气步骤。脱气步骤通过如下进行：压缩叠层至压力为10bar，打开模具降低压力(从而叠层经历大气压)，然后在施加300bar的压力前等待5分钟。
实施例2至3
实施例2是实施例1的重复；实施例3与实施例1类似，但固结压力是165bar。
对比实验B、C、D和E
对比实验B是对比实验A的重复。对比实验C、D和E等同于对比实验A，但是用不同的压力压缩，在一个例子中也用了真空。条件如下所示：
对比实验B在30MPa的压力下，
对比实验C在16.5MPa的压力下，
对比实验D在2.0MPa的压力(具有真空：5mbar)下，
对比实验E在2.0MPa的压力下(没有真空)。
除了对比实验E以外，所有实验都重复进行。
实施例和对比实验的结果都在表1中。重复测试结果如下所示：例如标号B-1和B-2表示对比实验B。
密度
样品的密度通过如下测试：称取大约50g的样品(每一个样品称取双份)，将样品浸入乙醇中，测量乙醇的排出体积。然后通过样品重量除以它的体积得到密度，表1中报道了两个结果的平均值。
弹道性能
使用Sellier&Belliot，Czech Republic制造的AK-477.62×39mmMild Steel Core(MSC)子弹对装甲板形式的叠层进行射击测试。第一次射击在预计50％的射击将被阻止的射击速度(V50值)下开火。实际的子弹速度在冲击前的短距离处测定。如果停止，下一轮射击在高于前面速度20m/s的预定速度下开火。如果出现穿孔，下一轮射击在低于前面速度20m/s的预定速度下开火。所得到的V50值的实验结果由对数回归分析确定。子弹在V50下的动能除以板的总面密度，因而得到所谓的SEA值。
表1.防弹测试结果
  实施例1   对比实验A
  SEA(J/Kg/m2)   157   145
  密度(g/cm3)   0.952   0.959
表1的结果表明低气压环境和高压的组合导致SEA提高约8％。结果还证实了使用低气压环境和高压的组合会产生与对比实施例(如GB2253420中所教导的固结叠层的常规方法)的排气步骤类似的致密效果。
尺寸稳定性
根据实施例1至3和相应的对比实验制造并测试了22块板。一半的板进行上面所描述的防弹性能测试(没有热调节)。另一半板的每块都从边缘5cm处等间隔10cm(或相同比例)的栅格中的16个位置处进行标记。板被如此匹配，从相同主板上切割下的相邻板用于成对的防弹和尺寸稳定性结果。测定该板在每一个预定位置处的原始厚度，其中发现板子的横向变化小于1％(或小于0.2mm)，大多数情况小于0.5％(小于0.1mm)。板被放置在90℃烤箱的托盘中160小时(热调节)。以不小于24小时的规则间隔，从烤箱中取出板子，并测量预定位置的厚度。另外，还测量板上任何位置的最大厚度。在10分钟内，测量板厚度并将其放回烤箱，优选地，从烤箱取出板子测试的时间在5分钟内。在这样的工序中，所测量板的温度认为约是与烤箱温度相同(即约为90℃)。重复进行这个过程直到厚度的最大增量％达到最大。
平均厚度和最大板厚的变化从测试数据中得到。观察到，最大板厚记录在板的中心位置，而尺寸变化从预定位置的周围向4-中心预定位置增加。尺寸稳定性(最大厚度增量(ΔT))和防弹性能的关系图如图1所示。
结果(图1)显示在本发明的固结步骤中对叠层施加压力和真空的应用获得的制件除了具有提高的尺寸稳定性外还具有提高的防弹性能。当然，如果制造具有可比防弹性能的传统防弹制件，那么所需的固结压力是30MPa，相比用了本发明的真空技术只需16.5MPa的压力(对比实验B-2和实施例3-1)。然而，即使制造出的传统防弹制件具有与本发明相同的防弹性能，但是与其相关的尺寸稳定性仅约是在本发明范围内所制造的制件的一半(图1)。因此，本发明范围内所制造的制件不同于传统制件。
令人惊异的是，在本发明范围之外的更低压力下未见技术效果，事实上，在较低压力(2.0MPa)下施加真空实际上略微降低了防弹性能(D-1，D-2和E-1)。

Claims (15)

1.一种用于制造防弹制件的方法，所述方法包括如下步骤：
a.通过叠加2片或更多片片材而形成片材的叠层，每片片材包含一层或更多层防弹纤维的单层；随后
b.使所述片材的叠层经受低气压环境；以及
c.在保持所述低气压环境的同时，使所述片材的叠层在升高的温度和至少10MPa的压力下固结。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述片材是单向片材，所述防弹纤维在该片材中的方向与相邻单层中的纤维方向成角α。
3.如权利要求1所述的方法，其中，每片片材还包含热塑性粘合剂。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述热塑性粘合剂的含量相对于所述叠层中防弹纤维和粘合剂的总重量在至少5wt％到至多30wt％的范围内。
5.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，通过将单向片材的所述叠层置于真空袋中并将真空源连接到所述袋上从而使所述片材的叠层经受低气压环境。
6.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述真空袋的至少一部分形成所述防弹制件的一部分。
7.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，在所述叠层中，每片片材包含两层或更多层防弹纤维和热塑性粘合剂的单层。
8.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述片材的叠层的面密度为至少2kg/m2。
9.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述防弹纤维的横截面纵横比大于5∶1。
10.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，至少一层单层包含多条纤维，这些纤维以使纤维形成纺织片材的方式排列。
11.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，步骤(c)进一步包括，将所述片材的叠层置于弯曲模具中，然后使所述叠层在所述弯曲模具中固结，从而形成弯曲的防弹制件。
12.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，步骤(b)和(c)同时进行。
13.一种可通过权利要求1-12中任意一项所述的方法得到的防弹制件。
14.真空袋在根据权利要求1-12中任意一项所述的用于制造包含防弹纤维的防弹制件的方法中的用途，所述真空袋的熔融温度等于或低于所述方法中步骤(c)中的最高加工温度。
15.一种包含片材的叠层的防弹制件，每片片材包含一层或更多层聚乙烯防弹纤维和热塑性粘合剂的单层，其特征在于，所述防弹制件的比能量吸收(SEA)大于145J/k/kg/cm2，所述制件在90℃下储存160小时后的最大厚度增量在约90℃下测定小于8％。
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