CN102378681A - 耐冲击防弹装甲制品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于防弹装甲制品的子组件，所述子组件包括第一层和第二层，所述第一层包括多根由连续长丝构成的第一纱线和多根由连续长丝构成的第二纱线，所述第一纱线在第一方向是基本平行的；所述第二层邻近所述第一层并且与所述第一层接触，所述第二纱线在第二方向是基本平行的，所述第二方向相对于所述第一方向斜交，其中所述第一纱线和所述第二纱线包括韧度为至少25克/分特并且断裂伸长率为3.6至4.5％的对位芳族聚酰胺纱线。

Description

耐冲击防弹装甲制品
发明背景
1.发明领域
本发明涉及包括对位芳族聚酰胺长丝子组件的耐冲击防弹装甲。
2.背景技术
授予Chiou和Yang的专利公布WO 93/00564公开了一种层状防弹结构，该层状防弹结构使用由对位芳族聚酰胺纱线制成的织造织物，该纱线表现出大于4.0％的断裂伸长率、小于600g/d的模量、和大于23g/d的韧度。
授予Li等人的美国专利5,112,667教导了包括耐冲击复合材料外壳的头盔。复合材料外壳包括多个预浸料坯包(prepreg packet)。每个预浸料坯包包括至少约2个并且优选5至20个预浸料坯层。预浸料坯包有2至50个并且优选5至20个。每个预浸料坯层包括多个嵌入聚合物基质的单向共面纤维。在预浸料坯包中邻近层的纤维彼此成45度至90度的角度。
授予Citterio的美国专利6,990,886公开了能够生产成品增强多层织物的未成品增强多层织物，该成品增强多层织物包括彼此平行的线的初始层。在结合层插入的情况下，该初始层叠加在了线的至少第二层上，这些线彼此也是基本平行的，其中第一层的线相对于第二层的线设置的方向多种多样，并且这两层还通过大量结合线接合，这些结合线由热塑性或热固性类型材料或水溶性或可溶于合适溶剂的材料制成。
授予Li等人的美国专利4,916,000和5,160,776公开了包括一个或多个层的改良复合材料，至少一个所述层包括分散在基质材料中的高强度长丝网络，该高强度长丝的拉伸模量为至少约160克/旦尼尔，韧度为至少约7克/旦尼尔，并且断裂能量为至少约8焦耳/克，所述层的厚度与所述长丝的当量直径的比率等于或小于约12.8，并且公开了由所述复合材料形成的复合材料制品。在与重量相当但层更厚且长丝的当量直径更大的复合材料提供的保护进行比较时，长丝的当量直径越小且层越薄，提供的保护程度就越大。
根据授予Li的专利，所需的保护程度越大，对于给定重量的制品来说，制品中层的数目就越大，并且非常薄的层是期望的。然而，高质量的薄层难以生产，并且铺设大量薄材料层会增加制造难度。由于大多数利用芳族聚酰胺纤维的多层防弹装甲最初由织造织物模型研制，或使用“纤维网络”的模糊概念作为模型研制，因此在严格意义上致力于对位芳族聚酰胺单向防弹装甲结构的工作仍然很有限；对位芳族聚酰胺单向防弹装甲结构也就是包括纤维层的结构，在这些纤维层中纤维以基本上单向排列的方式对齐，而不是像传统织造织物那样交织。需要的是实现对位芳族聚酰胺单向的有效方法，避免要用过多的层才能提供充分的防弹保护。
发明概述
在一个实施方案中，本发明涉及用于防弹装甲制品的子组件，该子组件包括：
第一层，所述第一层包括多根由连续长丝构成的第一纱线，所述第一纱线在第一方向上是基本平行的；
第二层，所述第二层邻近所述第一层并且与所述第一层接触并且包括多根由连续长丝构成的第二纱线，所述第二纱线在第二方向上是基本平行的，所述第二方向相对于所述第一方向斜交；
其中所述第一和第二纱线包括韧度为至少25克/分特并且断裂伸长率为3.6至4.5％的对位芳族聚酰胺纱线。
发明详述
本发明涉及断裂伸长率为3.6至4.5％的对位芳族聚酰胺纱线在子组件中的使用，该子组件用于包括至少两层连续复丝对位芳族聚酰胺纱线的防弹装甲。在一个层内的纱线以基本平行的方向取向，该方向与邻近层纱线的基本平行方向斜交。术语“斜交”意指在邻近层的纱线相对于彼此以不同角度取向。其中纱线全部在一个方向上有效对齐的层称为单向层或UD层。如本文所用，单向或UD也包括严重不平衡的织造织物，其有时也称为单向编织物或单织物。对位芳族聚酰胺单织织物具有大于90％，并且更典型地大于95％的取向经向的对位芳族聚酰胺纱线，该纱线通过极少数在纬向交错编织的轻型稳定纱线固定到位。在很多情形中，这些纬纱是热塑性纱线，在铺设期间它们帮助维持对位芳族聚酰胺纱线单向性质，但是当最终防弹装甲制品模塑成时基本上消失。
在一个实施方案中，子组件包括两个UD层，在第一层的第一纱线以零度或纵向取向，而第二层的第二纱线与第一层的纱线以九十度成正交取向或横向取向，此类术语是本领域的技术人员熟知的。
在另一个实施方案中，至少一种附加纱线或第三纱线与第一和第二层横向交织，将两个层连结在一起。用于此目的的合适纱线包括选自以下的纤维：聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、芳族聚酰胺纤维、聚芳唑纤维、聚吡啶并唑纤维、聚吲哚纤维以及它们的混合物。
这些第三纱线可通过以下方法缝合或插入：经编方法、操作人员熟知的两种技术、或者任何其他用第三纱线将两个UD层连接在一起的技术。
在另一个实施方案中，第一和第二层的纱线彼此正交，但是相对于纵向以+45度和-45度的角度排列。其他实施方案包括邻近层的纱线之间的其他交叉合股角度。在这些实施方案的一些中，邻近层的纱线不需要彼此正交。
每个UD层具有30至300g/m2的基重。在一些优选的实施方案中，每个UD层的基重为45至250g/m2。在一些最优选的实施方案中，每个UD层的基重为55至200g/m2。在一些最优选的实施方案中，两个子组件层具有相同的基重。
在一个优选的实施方案中，用于这些层的纱线形成基本上平整的长丝阵列，其中单独纱束难以发现。在这个实施方案中，长丝均匀地排列于层中，意指平整阵列的厚度差异小于20％。来自一根纱线的长丝移动并配合于邻近纱线附近，在层中形成连续长丝阵列。如果需要，树脂可施用于层的表面，并且在一些优选的实施方案中，树脂部分或完全渗透并浸渍均匀的长丝层。
在可供选择的实施方案中，纱线可设置成使得平整的纱束之间存在小间隙，或纱线可设置成使得纱束相对于其他纱束对接，同时保持明显的纱线结构。当存在不同纱束时，树脂可施用于纱束。如果需要，可对树脂或施用方法进行选择，使得树脂基本上保持于纱束的表面而不浸渍长丝。作为另外一种选择，树脂可完全地或部分地浸渍到平整的纱束中。
第一单向层和第二单向层包括具有多根连续长丝的多根纱线。无捻纱线是优选的，因为它们提供比加捻纱线更高的耐冲击性，并且因为它们伸展至比加捻纱线更宽的纵横比，使得在整个UD层的纤维覆盖百分比更一致。为了本文的目的，术语“长丝”被定义为相对柔韧、宏观上均匀并且在沿其长度方向竖直的横截面上具有高的长宽比的主体。长丝横截面可以是任何形状，但是通常是圆形的或豆形的。长丝可具有任何长度。优选地长丝是连续的。在卷装中旋绕于线轴的复丝包含多根连续长丝。
纱线具有至少25克/分特的纱线韧度，以及至少500克/分特的模量。此外，纱线具有100至2,000分特的线密度，以及3.6至4.5％的断裂伸长率。更优选地，纱线具有400至1800分特的线密度和至少30克/分特的韧度。在一些其他实施方案中，纱线具有小于500分特的线密度，其中100至500分特的范围是特别有用的。成品纱线也可通过将两种更低线密度的前体纱线组装或粗纺在一起来制备。例如线密度均为850分特的两种前体纱线可组装为线密度为1700分特的成品纱线。
在一个实施方案中，据信特定高伸长率对位芳族聚酰胺纱线的使用，允许在子组件中使用更厚的层而防弹性能不会有明显的损失。具有如下特征的子组件与纱线一起可使得成品由较少的子组件组装而成，而仍然达到性能要求：该子组件包括两个UD层，且UD层厚度与构成该层的长丝的当量直径的比率为至少13，该纱线构成断裂伸长率为3.6％至4.5％并且韧度为至少25克/分特的层。这可使组件加工过程的生产力提高。在子组件中更厚UD层的使用也可实现质量提高，其中更厚的层具有更多的长丝，因此具有更好的堆积密度，从而减少长丝和/或纱线之间的间隙。UD层中的间隙会影响防弹性能。
在最终子组件的一些实施方案中，第一或第二层的厚度与构成第一或第二层的长丝的当量直径的比率为至少13，更优选至少16，并且最优选至少19。所谓长丝的“当量直径”是指横截面积等于构成该层的长丝的平均横截面积的圆的直径。该比率通过以下方法计算：首先确定子组件中层的厚度，通常通过测量最终子组件的平均厚度确定，然后除以层的数目，再除以层中使用的长丝的有效直径。通常，所有层具有相同的基重，并且所有层具有相同的长丝。如果第一和第二纱线层之间还存在附加的树脂，那么层的厚度通过以下方法计算：首先确定子组件或制品的总体厚度，然后用厚度除以子组件或制品中纱线层的数目。
本发明的纱线由长丝制成，该长丝由对位芳族聚酰胺聚合物制成。术语“芳族聚酰胺”是指其中至少85％的酰胺键(-CONH-)直接连接到两个芳族环的聚酰胺。合适的芳族聚酰胺纤维描述于Man-Made Fibres-Scienceand Technology，Volume 2，in the section titled Fibre-Forming AromaticPolyamides，page 297，W.Black et al.，Interscience Publishers，1968(Man-Made-Science and Technology，第2卷，名称为“Fibre-Forming AromaticPolyamides”的章节中，第297页，W.Black等人，Interscience Publishers，1968年)。芳族聚酰胺纤维以及它们的生产在美国专利3,767,756、4,172,938、3,869,429、3,869,430、3,819,587、3,673,143、3,354,127、和3,094,511中也有所公开。
优选的对位芳族聚酰胺为称为PPD-T的聚(对苯二甲酰对苯二胺)。所谓PPD-T是指由对苯二胺和对苯二甲酰氯的等摩尔比聚合反应所得的均聚物，以及少量其他二胺与对苯二胺和少量其他二甲酰氯与对苯二甲酰氯的结合所得的共聚物。作为一般原则，其他二胺和其他二甲酰氯的使用量最多可为对苯二胺或对苯二甲酰氯的约10摩尔％，或者可能略高，唯一的前提条件是其他二胺和二甲酰氯不含干扰聚合反应的活性基团。PPD-T也指由其他芳族二胺和其他芳族二甲酰氯结合所得的共聚物，所述二酰氯为例如2，6-萘二甲酰氯或者氯代或二氯对苯二甲酰氯或3，4′-二氨基二苯醚。在一些优选的实施方案中，子组件的纱线只由PPD-T长丝组成。在一些优选的实施例中，子组件中的层只由PPD-T纱线组成。换句话说，在一些优选的实施例中，子组件中的所有长丝为PPD-T长丝。
添加剂可与芳族聚酰胺一起使用，并且已发现，按重量计至多达10％或更多的其他聚合材料可与芳族聚酰胺共混。可使用其中多至10％或更多的其他二胺取代了芳族聚酰胺的二胺或者其中多至10％或更多的其他二甲酰氯取代了芳族聚酰胺的二甲酰氯的共聚物。
在一些实施方案中，多根第一和第二纱线作为不同纱束存在于第一和第二层中，所述不同纱束还含有涂覆于这些纱束外表面上的聚合物树脂。作为另外一种选择，如果需要，可使树脂部分或完全浸渍于纱线中。在一些实施方案中，第一或第二纱线层中树脂的重量为8至30％，更优选12至25％，该百分比按层中纱线和树脂的总重量计。合适的树脂包括聚乙烯、交联聚乙烯、聚丙烯、乙烯共聚物、丙烯共聚物以及其他烯烃聚合物和共聚物。其他有用的树脂的实例为热塑性弹性体，包括嵌段共聚物、不饱和聚酯、酚醛树脂、聚丁缩醛、环氧树脂和聚氨酯树脂。
用树脂涂覆或浸渍UD层的纱线的典型方法包括使UD层接触树脂的步骤。树脂可以是溶液、乳液、熔融物或膜的形式。当树脂是溶液、乳液或熔融物时，可将UD层浸入树脂，并且可用刮粉刀或涂布辊除去过量的树脂。当UD层在刮刀辊涂过程中通过树脂浴的下面时，树脂也可沉积于UD层的表面。下一步是通过干燥除去溶剂或冷却凝固熔融物来固定浸渍有树脂的UD层，接着是压延步骤。然后将涂覆或浸渍的UD层进行复卷和切割以便根据本发明使用。当树脂是膜的形式时，将树脂膜置于UD层的一个或两个表面上，然后在压延机中通过热和压力固定于UD层上或UD层中。树脂浸渍于纤维中的程度通过压延条件控制。所有本文描述的方法是本领域的技术人员熟知的，并且还在F.C.Campbell编著的“Manufacturing Processes forAdvanced Composites”，Elsevier，2004第2.9章中详细描述。
如上述实施方案所描述，防弹制品可通过组合多个子组件来生产。本发明同时适用于软质和硬质防弹衣。软质防弹装甲制品在很多情况下不包含浸渍树脂，而硬质防弹装甲制品几乎总是具有浸渍树脂组分。软质防弹装甲的实例包括防护服装，例如保护身体部分免受射弹伤害的背心或夹套。硬质防弹装甲的实例包括头盔和车辆防护板。优选的是子组件以此类方式设置，以便保持整个成品组件中纱线的对准偏移。例如，制品的第二子组件以此类方式置于第一子组件的顶部，使得构成第二子组件底层的纱线的取向相对于构成第一组件顶层的纱线的取向偏移。子组件使用的实际数目根据每个制备的制品的设计需要而不同。例如，防弹背心包的组件通常具有介于4.6至5.3kg/m2之间的总面密度。因此可对子组件的数目进行选择，以达到这个衡量目标，就该目标而言，数目通常为10至30。对于硬质车辆防弹装甲，子组件的数目将是形成厚度为约4.5cm的固化压制复合材料板所需的数量。对于头盔，固化板的厚度为约0.6cm至1.3cm。
测试方法
以下测试方法用于后面的实施例中。
线密度：根据ASTM D1907-97和D885-98中所述的步骤，通过称量已知长度的纱线或纤维来确定纱线或纤维的线密度。分特的定义为10,000米纱线或纤维的重量(克)。旦尼尔(d)为9/10乘以分特。
纱线机械特性：调节用于测试的纱线，然后根据ASTM D885-98中所述的步骤进行拉伸测试。韧度(抗断韧度)、弹性模量和断裂伸长率通过在
Figure BPA00001445336800071
试验机上进行纱线断裂来确定。
面密度：UD层的面密度通过测量10cm×10cm层样品的重量来确定。子组件或最终制品的面密度为10cm×10cm子组件或制品样品的重量。
弹道侵彻性能：防弹性能的统计量度为V50，它是50％的射击中，子弹或碎片侵彻防弹装甲装置的平均速度，而另外50％的射击则未侵彻。该参数在射弹路径与靶标成零度倾斜角时测量。5.56mm碎片模拟射弹(FSP)耐受测试根据MIL-STD-662F，使用三对可完全和部分侵彻的在38m/s内的冲击速度进行，而7.62mm FSP测试则根据MIL-P-46593A，使用三对可完全和部分侵彻的在38m/s内的冲击速度进行。
UD层厚度和当量长丝直径可通过标准电子显微镜技术确定。
实施例
以下给出的实施例是对本发明进行说明，不应解释为以任何方式限制本发明。所有份数和百分比均按重量计，除非另外指明。
实施例1
在该实施例中，单向(UD)层由对位芳族聚酰胺纱线制成，该纱线具有31克力/分特韧度和3.80％断裂伸长率的标称机械特性。每层的85重量％由对位芳族聚酰胺连续长丝纱线组成，并且15重量％为均匀分布于整个纱线表面的聚丙烯基料。每个UD层的平均基重为181g/m2。子组件通过两个层的组装形成，使得第一层中的单向纱线的取向与第二层中的单向纱线成90度。子组件的标称基重为362g/m2。将二十七个子组件按照一定方式堆叠在一起成为最终制品组件，使得每个UD层中的纱线取向与任意一侧UD层中的纱线取向成90度方向。组件的总面密度为9.8kg/m2。然后根据制造商的推荐方法在177℃的热板温度和34个大气压力下，在热压机中对最终制品组件进行模塑，得到保持9.8kg/m2面密度的固化硬质防弹装甲。用喷水法将固化硬质防弹装甲切割成46cm×46cm的正方形。然后在切割的正方形的每个角处利用C-夹具将切割的正方形安装于刚性钢架，并且针对5.56mm和7.62mm FSP进行测试。获得的V50结果在表1中示出。
实施例A
作为实施例1的比较，由对位芳族聚酰胺纱线制成的交叉合股单向材料，可以商品名GoldGV-2112从Honeywell Specialty Materials(Morristown，NJ)获得。该材料以四个涂覆有固定弹性体树脂的UD层提供，其中各个层中的纱线取向为0°/90°/0°/90°，相当于本文定义的两个子组件的组合。这四个层结构的总面密度为222g/m2，并且单个UD层的面密度为55.5g/m2。UD层包含2000等级对位芳族聚酰胺纱线，该纱线可得自TeijinTwaron USA Inc.(Conyers，GA)，并具有30克力/分特和3.45％断裂伸长率的标称机械特性。如同实施例1，面密度为9.8kg/m2的最终制品组件按照如下方式制备：使用44个所提供的“四层UD交叉合股组件”(或88个如本文所定义的两层子组件)，将它们按照一定方式堆叠在一起，使得每个UD层中的纱线取向与任意一侧UD层中的纱线取向成90度方向。然后根据制造商的推荐方法(最低温度为115℃，并且压力为3.4MN/m2)在热压机中对最终制品组件进行模塑，所得固化硬质防弹装甲保持9.8kg/m2的标称面密度。如同实施例1，用喷水法将模塑板切割成46cm×46cm的正方形，然后在其每个角利用C-夹具将其安装于刚性钢架，并且针对5.56mm和7.62mmFSP进行测试。获得的V50结果在表1中示出。
实施例2
重复实施例1的步骤，不同的是最终制品组件具有38个子组件，并且具有14.7kg/m2的面密度。防弹测试也根据实施例1进行，并且结果在表1中示出。
实施例B
作为实施例2的比较，重复实施例A的步骤，不同的是面密度为14.7kg/m2的最终制品组件由66个所提供的“四层UD交叉合股组件”组装而成，相当于132个本文定义的两层子组件。防弹测试也根据实施例A进行，并且结果在表1中示出。
表1示出了实施例1、2、A和B的结果。最值得注意的是由38个UD层子组件构造的、具有更高面密度14.7kg/m2的制品的V50相当于由111个更轻且更薄的UD层构造的相同重量的制品。制造制品所需的层的数目减少超过60％，从而显著提高制造过程的生产力。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.用于防弹装甲制品的子组件，所述子组件包括：
第一层，所述第一层包括多根由连续长丝构成的第一纱线，所述第一纱线在第一方向上是基本平行的；
第二层，所述第二层邻近所述第一层并且与所述第一层接触，且包括多根由连续长丝构成的第二纱线，所述第二纱线在第二方向上是基本平行的，所述第二方向相对于所述第一方向斜交；
其中所述第一纱线和所述第二纱线包括韧度为至少25克/分特并且断裂伸长率为3.6至4.5％的对位芳族聚酰胺纱线，并且
其中在所述第一纱线或所述第二纱线中，所述第一层或所述第二层的厚度与单根连续长丝的当量直径的比率为至少13。
2.权利要求1的子组件，所述子组件还包括至少一种附加的第三纱线，所述第三纱线将所述第一层和所述第二层连接在一起。
3.权利要求2的子组件，其中所述第三纱线包括纤维，所述纤维选自聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、芳族聚酰胺纤维、聚芳唑纤维、聚吡啶并唑纤维、聚吲哚纤维、以及它们的混合物。
4.权利要求1的子组件，其中在所述第二层中的第二纱线与在所述第一层中的第一纱线成正交取向。
5.权利要求1的子组件，其中所述多根第一纱线和第二纱线作为不同纱束存在于所述第一层和第二层中，所述不同纱束在这些纱束外表面上还具有聚合物树脂涂层。
6.权利要求1的子组件，其中在所述第一层和所述第二层中的多根第一纱线和第二纱线的至少一部分用聚合物树脂浸渍。
7.包括多个权利要求1的子组件的防弹装甲制品。
说明或声明(按照条约第19条的修改)
根据“专利合作条约第19条”所作的修改说明
中国专利局PCT处：
我公司卷号：CPCH1162347P
申请人根据“专利合作条约第19条”的有关规定，对本国际申请的权利要求书作了如下修改：
合并权利要求1和2，并对其后权利要求进行重新编号。所作修改详见所附修改示意的权利要求书1页。
随函附上原权利要求书1页的全文替换页1页及其修改示意件1页。
                                此致
敬礼！
                                中国专利代理(香港)有限公司
                                化学和生物部

Claims (8)

1.用于防弹装甲制品的子组件，所述子组件包括：
第一层，所述第一层包括多根由连续长丝构成的第一纱线，所述第一纱线在第一方向上是基本平行的；
第二层，所述第二层邻近所述第一层并且与所述第一层接触，且包括多根由连续长丝构成的第二纱线，所述第二纱线在第二方向上是基本平行的，所述第二方向相对于所述第一方向斜交；
其中所述第一纱线和所述第二纱线包括韧度为至少25克/分特并且断裂伸长率为3.6至4.5％的对位芳族聚酰胺纱线。
2.权利要求1的子组件，其中在所述第一纱线或所述第二纱线中，所述第一层或所述第二层的厚度与单根连续长丝的当量直径的比率为至少13。
3.权利要求1的子组件，所述子组件还包括至少一种附加的第三纱线，所述第三纱线将所述第一层和所述第二层连接在一起。
4.权利要求3的子组件，其中所述第三纱线包括纤维，所述纤维选自聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、芳族聚酰胺纤维、聚芳唑纤维、聚吡啶并唑纤维、聚吲哚纤维、以及它们的混合物。
5.权利要求1的子组件，其中在所述第二层中的第二纱线与在所述第一层中的第一纱线成正交取向。
6.权利要求1的子组件，其中所述多根第一纱线和第二纱线作为不同纱束存在于所述第一层和第二层中，所述不同纱束在这些纱束的外表面上还具有聚合物树脂涂层。
7.权利要求1的子组件，其中在所述第一层和所述第二层中的多根第一纱线和第二纱线的至少一部分用聚合物树脂浸渍。
8.包括多个权利要求1的子组件的防弹装甲制品。
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