CN103797169B - 用于改善柔性身体护甲弹道冲击性能的三轴向编织织物构造 - Google Patents

用于改善柔性身体护甲弹道冲击性能的三轴向编织织物构造 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种织物，其包括第一多根纱线、第二多根纱线和第三多根纱线，其中第一多根纱线、第二多根纱线和第三多根纱线具有彼此不同的纱线取向。第三多根纱线在轴向上取向。第二多根纱线与第一多根纱线交织。第三多根纱线不具有卷曲。第二多根纱线中的纱线具有大于或等于第一多根纱线中的纱线的平均线密度的平均线密度，并且第三多根纱线中的纱线具有大于第二多根纱线中的纱线的平均线密度且小于三倍的第一多根纱线中的纱线的平均线密度的平均线密度。

Description

用于改善柔性身体护甲弹道冲击性能的三轴向编织织物构造
背景技术
1.技术领域
本发明涉及织物构造和由它们制成的柔性身体护甲。
2.相关领域说明
保护性身体护甲诸如提供防护弹道型和刺伤型威胁的那些长期以来一直是受到显著关注的领域。对于身体护甲的制造商们来讲，一个难题是对穿着者可能在战场上经受的特定一种或多种威胁提供充分的防护，同时最小化该防护服的重量或面密度以便不妨碍穿着者的灵巧性。
对任何护甲材料防止弹道射弹威胁诸如可变形子弹和不可变形子母弹碎片的保护能力的表征均需要在某种程度上测定相对于材料面密度和尺寸的弹道速度极限、以及射弹的特性(质量、硬度、形状等)。一种常见的弹道极限性能标准是弹道V50或如下速度，在所述速度下50％的射弹能够被护甲挡住。用于确定身体护甲的V50的具体测试和计算方案概述于日期为2008年7月的NationalInstituteofJustice(NIJ)Standard0101.06BallisticResistanceofPersonalBodyArmor中。除了护甲的止挡射弹击穿的能力以外，还需要最小化与对由警察、安全人员、和惩教人员穿着的可隐藏身体护甲的弹道冲击相关联的钝伤，这已变成了NIJ标准0101.06所述的附加安全要求。该标准概述了对于可接受水平的钝伤的测试方案和性能要求，通过测量与对放置在粘土背衬体材料上的护甲的弹道冲击相关联的“背面变形”。在NIJ标准0101.06中，所述可接受量的“背面变形”被定义为在粘土背衬体(RomaPlastilina粘土，5.5英寸(140mm)粘土背衬体深度)中不大于44mm。
所述NIJ标准0101.06限定了针对不同类型的射弹和冲击能级的弹道要求。对柔性身体护甲的三种常见的NIJ威胁等级包括威胁等级II、IIA、和IIIA。威胁等级II涉及较高速度的357马格南弹(10.2g(158gr))和9mm、8.0g(124gr)的子弹(冲击速度分别小于约1400ft/s(427m/s)和1175ft/s(358m/s))。等级IIA涉及较低速度的40S&W口径全金属被甲弹(具有11.7g(180gr)的标称质量)和9mm8.0g(124gr)子弹(冲击速度分别小于约1025ft/s(312m/s)和1090ft/s(332m/s))。威胁等级IIIA涉及44马格南弹(15.6g(240gr))和冲锋枪9mm(124gr)子弹，它们具有小于约1400ft/s的冲击速度。
除了上述子弹型可变形威胁以外，许多类型的身体护甲也必须展示出止挡不可变形碎片类型威胁诸如与爆炸物的爆炸相关联的那些的能力。
开发对子弹和碎片威胁具有多威胁防弹性以及对高能量子弹诸如44马格南弹提供足够的钝伤防护的柔韧身体护甲系统常常要求两个或更多个高强度纤维层片结构的混合构造，其中每个类型的层片结构具体地适用于挡住特定类别的威胁或阻止“背面变形”。这种开发柔性身体护甲的方法可能变成一种低效的开发策略，因为对身体护甲的要求趋于增加对各种不同的且不断增长的威胁进行防护，而同时又试图减小身体护甲的总体面密度。
尽管上述防弹性能要求能够使用多种可商购获得的防弹材料中的任何材料来实现(单独使用或以组合方式使用)，但柔性身体护甲制造方面的难题是选择和排列防弹层以便满足以下要求：(1)以可接受的安全裕度防止击穿，(2)最小化“背面变形”，(3)最小化护甲的重量、堆积体积和刚度以改善舒适度，以及(4)减小成本。
可商购获得的防弹材料包括多种机织织物、织物增强的复合材料、单向纤维层压体和非织造织物。在这些各种构造中，由高韧度纤维纱线制成的机织织物在柔性身体护甲的制造中具有最长的使用历史。编织法长期以来一直是一种相对廉价的从高韧度纤维纱线均匀地产生织物防弹层片的方法，依靠纱线的机械互锁或“交织”来固定而不是用粘合剂树脂进行化学锁定，所述粘合剂树脂可增加衣服的重量和刚度。由防弹织物制成的柔性身体护甲在使用期间常常更具适形性且更柔韧，从而比混合型护甲提供更大的舒适度，所述混合型护甲包含刚性背面控制层诸如单向纤维层压体或树脂浸渍的织物。另外还表明，完全由机织高韧度纤维纱线制成的防弹衣在几年的使用和磨损之后仍然保持防弹特性。针对机织防弹背心的供选择的替代方案已被商业化。此类制品是由高韧度纤维、基质树脂和膜的组合制成的，这使得它们生产起来更加昂贵。另外，由于这些组件材料具有相异于防弹纤维的依赖于温度和应变的物理特性(例如热膨胀系数、模量等)，这些复合层常常具有由所选材料的最弱部分决定的可用使用寿命。
典型的双轴向机织防弹织物(由交织或交错的纱线组成的织物，所述纱线在织物的平面内具有两个纱线取向)是在自动织机上生产的。这些机织操作产生具有如下交织的纬线纤维纱线的机织织物，所述纬线纤维纱线与经纱中的或纵向上的那些纱线成90度取向。织物特性大体上由五个基本变量决定：纱线机械特性、纱线旦尼尔、纱线支数、编织图案和织物整理剂。使用仅以上机织织物来满足最小防弹性能要求为防弹护甲的制造商们带来了难题。尽管有许多低覆盖系数(松散地机织的)防弹纤维纱线织物以所期望的面密度提供令人满意的V50性能(能够表明由它们制成的背心安全地反复阻止射弹以高于NIJ标准0101.06所述阈值的速度击穿背心材料)，但它们不提供足够的“背面变形”抗性。相反，在以相同的背心面密度使用较高覆盖系数的(更紧密地机织的)防弹织物时，尽管改善了“背面变形”性能，但常常导致V50性能显著降低，有时候降到了“背面变形”测量所要求的NIJ标准0101.06速度以下。目前，没有全对位芳族聚酰胺的机织织物背心可按小于4.93kg/sq.m.(1lb/sq.ft.)的面密度商购获得，所述面密度能够满足NIJ标准0101.06对于44马格南弹弹道威胁的等级IIIA背面要求。
一种常见的用于减小柔性身体护甲中的“背面变形”的方法是通过并入高韧度纤维的刚性层片或织物增强树脂复合层片以在冲击期间阻止变形。这包括向机织防弹织物上粘结聚合物膜或施加聚合物涂层，或粘结两个机织织物层以提供防弹层片，所述防弹层片能够添加到防弹身体护甲构造上以改善“背面变形”。这种方法描述于PCT公开WO00/08411、美国专利5,677,029、和美国专利申请公开2003/0109188中。树脂或弹性体浸渍的防弹纤维织物为另一种类型的被添加到防弹背心构造上以改善弹道“背面变形”的复合层片。尽管已表明这些层的添加改善了护甲材料的“背面变形”性能，但它们可对V50性能具有有害效应。此外，所述树脂还增加了防弹背心组件的重量和刚度。
如下的单向纤维层压体已变成了能够提供良好的背面创伤控制同时又保持安全的V50性能的流行防弹材料，所述单向纤维层压体由用粘结方法粘结到聚合物基质中的第二多根平行取向的高韧度纤维的聚合物基质中的第一多根平行取向的高韧度纤维构成，其中第二多根的纤维取向相对于第一多根的取向是90度旋转的。制备这些单向纤维层压体的方法一般描述于美国专利4,916,000；4,748,064；4,737,401；4,681,792；4,650,710；4,623,574；4,563,392；4,543,286；4,501,854；4,457,985；和4,403，012中。这些单向层压体可以商品名SpectraPlusFlex、和GoldFlexTM从HoneywellInternational，Inc.商购获得，并且可以商品名从DSM商购获得。尽管这些单向纤维层压体能够单独地用来提供对一些弹道威胁的防弹保护，但已表明，当结合机织防弹纤维纱线织物来使用这些材料时，能够进一步减小面密度并防护宽范围的威胁，如美国专利6,119,575所示。
与在背心中使用单向纤维或织物和树脂的复合层相关联的性能改善可在极大程度上取决于它们在所述多层片构造中的位置，如美国专利6,119,575所述。在许多可见于文件的例子中，将这些更硬的复合层放置在传统防弹织物的后面以提供最佳的“背面变形”和V50性能。由于该“侧面性”的缘故，这些混合型防弹背心构造可被不经意地里朝外反穿或被错误地插入到战术背心中，从而提供的对射弹威胁的防护小于最佳防护。因此整体的(由全部相同的防弹材料层片构成的)或前后对称的防弹护甲构造是有价值的。
三轴向织物或由三种纱线构成的机织织物是已知的。授予Stewart的美国专利1,368,215、授予Dow的美国专利3,446,251和3,874,422、以及授予Trost的美国专利4,438,173均教导了三轴向织物结构。在授予Mitchell的美国专利5,437,538中，公开了由纤维制成的三轴向编织织物在用于气体涡轮发动机的叶片射弹密封罩结构中的用途。尽管在美国专利5,437,538中未提供冲击测试方法，但Mitchell公开了由所述三轴向编织织物构成的多层的密封罩的防弹性展示出了相当于常规的机织织物密封罩的密封性能，而重量节省了23％。用以确定涡轮发动机密封罩性能的典型的弹道冲击测试利用了亚音速冲击速度的相对大的射弹模拟器，所述冲击速度代表了源自破碎的飞行器涡轮叶片的碎片，如报告“FAADevelopmentofReliableModelingMethodologiesforFanBladeOutContainmentAnalysis”(Authors：RevilockandPereira，NASAGlennResearchCenter)所述。护甲开发领域熟知的是，与这些大尺寸且低速度(亚音速)的射弹相关联的冲击物理学在极大程度上不同于显著较小且较高(超音速)的射弹诸如子弹和源于爆炸物的爆炸碎片的冲击物理学。
该文献中存在实验研究和计算机模拟，它们描述了三轴向织物靶标对超音速速度的子弹和碎片弹道威胁(对身体护甲设计来讲很重要)的抗性。在Hearle等人的工作(Hearle，J.W.S.，C.M.Leech，A.Adeyefa，C.R.Cork.1981“BallisticImpactResistanceofMulti-layerTextileFabrics”)中，所述测试的三轴向织物的实验结果展示出了与双轴向织物相比较差的高速碎片防弹性。Hearle和同事们的报告的第二部分中的计算机模拟还预测，对于高速子弹和碎片威胁来讲，三轴向织物的防弹性能应当劣于典型的双轴向机织织物的性能。公布的由Yen和Caiazzo进行的对机织织物复合构造的弹道冲击模拟的结果(Yen、C.F.、和A.A.Caiazzo.2001“3DWovenCompositesforNewandInnovativeImpactandPenetrationResistantSystems”TechnicalProgressReport，MaterialSciencesCorporation，preparedforU.S.ArmyResearchOffice，ContractNo.DAAD19-00-C-0107)也指示，三轴向编织织物的抗冲击性劣于双轴向织物的抗冲击性。
仍然需要一种由织物构成的轻型身体护甲，其能够止挡高能量子弹的击穿并减小与高能量子弹相关联的钝伤，并且同时能够提供改善的对高速碎片威胁的防护。目前，对于完全由传统双轴向机织织物构成的身体护甲来讲，这是个难题。当针对高速(超音速)高能量子弹和碎片射弹进行测试时，本文所述的本发明的三轴向编织织物构造相对于常规的双轴向和其它机织织物已展示出了防弹性的改善，这是对三轴向机织织物的早期冲击研究所未预料到的。
发明内容
本发明涉及一种三轴向编织织物，其包括第一多根纱线，所述第一多根纱线在织物的平面内彼此平行取向，第二多根纱线，所述第二多根纱线在织物的平面内彼此平行取向，和第三多根纱线，所述第三多根纱线在织物的平面内彼此平行取向，其中
(i)所述第一多根纱线、第二多根纱线和第三多根纱线具有彼此不同的纱线取向，
(ii)所述第二多根纱线与所述第一多根纱线交织，
(iii)所述第三多根纱线不与所述第一多根纱线或第二多根纱线交织，
(iv)所述第一多根纱线中的每根纱线以重复图案且按页序从上经过所述第二多根纱线中的一根纱线，从上经过所述第三多根纱线中的一根纱线，从上经过所述第二多根纱线中的一根纱线，并接着从下经过所述第二多根纱线中的一根纱线，从下经过所述第三多根纱线中的一根纱线，并接着从下经过所述第二多根纱线中的一根纱线，
(v)所述第二多根纱线中的每根纱线以重复图案且按页序从上经过所述第一多根纱线中的一根纱线，从上经过所述第三多根纱线中的一根纱线，从上经过所述第一多根纱线中的一根纱线，并接着从下经过所述第一多根纱线中的一根纱线，从下经过所述第三多根纱线中的一根纱线并从下经过所述第一多根纱线中的一根纱线，
(vi)第二多根纱线中的纱线具有大于或等于第一多根纱线中的纱线的平均线密度的平均线密度，并且
(vii)第三多根纱线中的纱线具有大于第二多根纱线中的纱线的平均线密度且小于三倍的第一多根纱线中的纱线的平均线密度的平均线密度。
本发明也涉及使用上述三轴向编织织物制成的复合层片、以及包含这些三轴向编织织物的防弹制品。
附图说明
图1示出了三轴向编织织物的平面图。
具体实施方式
术语表
纱线：纱线为一种呈适用于加工成织物形式的连续的细丝股线。纱线有时候称作“丝束”或“经线(end)”。
机织织物：术语“机织”在本文中是指能够通过编织制成的任何织物；即，通常以直角交织至少两根纱线。一般来讲，通过交织一组称为经纱的纱线和另一组称为纬纱或纬线的纱线制成此类织物。典型的机织织物可具有基本上任何编织形式，诸如平织、四经破缎纹织、方平织、缎纹编织、斜纹编织、非平衡织等。
三轴向编织：由交织的编织纱线和轴向纱线构成的三轴向织物。轴向纱线平行于成品织物的长度取向并且由交织的编织纱线固定。轴向纱线方向有时候称作纵向。
编织角：在编织纱线和该编织物的纵向轴线或换句话讲纵向之间形成的锐角。对于管状编织物，纵向轴线将平行于所述管的轴线。对于三轴向编织物，编织角被定义为编织纱线和轴向纱线之间的锐角。
复合织物层片：这是至少一个三轴向编织织物层和至少一个第二层的组合，所述至少一个第二层包括另一种基底诸如另一种织物型式或聚合物膜。
平均线密度：多根纱线的平均线密度为构成所述多根纱线的所有纱线的平均线密度。
织物&纱线
本发明的三轴向织物为一种特定织物，其改善了防弹性并减小了钝伤可能性。该织物是通过编织方法制成的。该织物包括纱线。图1一般以10示出了本发明的三轴向编织织物的一部分的平面图。该织物包括第一多根纱线11，所述第一多根纱线11在织物的平面内彼此平行取向。该织物也包括第二多根纱线12，所述第二多根纱线12在织物的平面内彼此平行取向。该织物还包括第三多根纱线13，所述第三多根纱线13在织物的平面内彼此平行取向。第一多根纱线、第二多根纱线和第三多根纱线具有彼此不同的纱线取向。第三多根纱线在轴向上取向。
第二多根纱线与第一多根纱线交织。第三多根纱线不与第一多根纱线或第二多根纱线交织。第三纱线不具有卷曲。第三多根纱线(轴向纱线)也称为“衬纬(laid-in)”纱线并且由第一多根纱线和第二多根纱线固定。衬纬纱线还描述于Atkins&Pearce的HandbookofIndustrialBraiding的第4.5页中。第一多根纱线中的每根纱线以重复图案从上经过第二多根纱线中的一根纱线，从上经过第三多根纱线中的一根纱线，从上经过第二多根纱线中的一根纱线，并接着从下经过第二多根纱线中的一根纱线，从下经过第三多根纱线中的一根纱线，并接着从下经过第二多根纱线中的一根纱线。第二多根纱线中的每根纱线以重复图案从上经过第一多根纱线中的一根纱线，从上经过第三多根纱线中的一根纱线，从上经过第一多根纱线中的一根纱线，并接着从下经过第一多根纱线中的一根纱线，从下经过第三多根纱线中的一根纱线并且从下经过第一多根纱线中的一根纱线。
第一多根纱线、第二多根纱线和第三多根纱线中的纱线具有10至65克/分特的韧度。在一些实施例中，韧度为15至40克/分特；并且在其它实施例中，韧度为20至35克/分特。第一多根纱线、第二多根纱线和第三多根纱线中的纱线具有100至3500克/分特的纱线模量。在一些实施例中，纱线模量为150至2700克/分特。第一多根纱线、第二多根纱线和第三多根纱线中的纱线优选地具有3.6至5.0％的断裂伸长率。在一些其它实施例中，断裂伸长率为3.6至4.5％。
第一多根纱线、第二多根纱线和第三多根纱线中的纱线具有50至4,500分特的线密度。在一些实施例中，纱线线密度为100至3500分特；并且在其它实施例中，线密度为300至1800分特。第二多根纱线中的纱线具有大于或等于第一多根纱线中的纱线的平均线密度的平均线密度。第三多根纱线中的纱线具有大于第二多根纱线中的纱线的平均线密度且小于三倍的第一多根纱线中的纱线的平均线密度的平均线密度。已发现当第三多根纱线中的纱线具有等同于或小于第二多根纱线中的纱线的平均线密度的平均线密度时，所述编织的三轴向织物对于令人满意的防弹性能来讲缺乏足够的稳定性。当第三多根纱线中的纱线等同于或大于三倍的第一多根纱线中的纱线的平均线密度时，防弹性是不能令人满意的，因为增加了织物紧密度。
如上所述的纱线可通过将两根较低线密度的前体纱线装配或粗纺在一起而制成。例如，具有850分特线密度的两种前体纱线可被组装成具有1700分特线密度的成品纱线。
该织物具有30至800g/sq.m的基重。在一些实施例中，该织物的基重为45至500g/sq.m。在一些其它实施例中，该织物的基重为55至300g/sq.m。
在一些实施例中，这些织物具有50至70度的编织角。在一些其它实施例中，编织角为55至65度。在一些其它实施例中，编织角为60度。如果编织角小于50度，则该织物将具有不稳定的结构。如果编织角大于70度，则该织物将不是平衡的，因而这将影响防弹性。
本发明的织物可在管状编织机上生产。织物也可按平坦形式使用平织法来制备。
纤维(细丝)
为了本文的目的，术语“纤维”被定义为相对柔韧、宏观上均匀并且在垂直于其长度方向的横截面上具有高的长宽比的主体。纤维横截面可为任何形状，但通常为圆形或豆形的。纤维为实心的，即其不是中空纤维。在本文中，术语“纤维”与术语“细丝”互换使用。
用于本发明的纱线的优选的纤维为聚合物。聚合物纤维的例子包括芳族聚酰胺、聚乙烯、聚唑。共聚物和共聚物共混物也是适用的。一种优选的芳族聚酰胺为对位芳族聚酰胺。
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在Man-MadeFibres-ScienceandTechnology第2卷(IntersciencePublishers，1968年)的标题为“Fibre-Forming芳族聚酰胺”的章节中(第297页，W.Black等人)有所描述。芳族聚酰胺纤维和它们的制备还公开于美国专利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。
优选的对位芳族聚酰胺是被称为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产生的均聚物，以及由少量其它二胺与对苯二胺结合、少量其它二甲酰氯与对苯二甲酰氯结合所得的共聚物。作为一般原则，其它二胺和其它二甲酰氯可按至多多达对苯二胺或对苯二甲酰氯的约10摩尔百分比，或可能略高的量使用，唯一的前提条件是其它二胺和二甲酰氯不含干扰聚合反应的反应性基团。PPD-T也指其它芳族二胺和其它芳族二甲酰氯结合所得的共聚物，例如2,6-萘亚甲基酰氯或氯代对苯二甲酰氯或二氯对苯二甲酰氯或3，4’-二氨基二苯醚。在一些优选的实施例中，复合材料的纱线仅由PPD-T长丝构成；在一些优选的实施例中，复合材料中的层仅由PPD-T纱线构成；换句话讲，在一些优选的实施例中，复合材料中的所有长丝均为PPD-T细丝。
添加剂可与芳族聚酰胺一起使用，并且已发现，按重量计至多多达10％或更多的其它聚合材料可与芳族聚酰胺共混。可使用其中多达10％或更多的取代了芳族聚酰胺的二胺的其它二胺或者其中多达10％或更多的取代了二甲酰氯或芳族聚酰胺的其它二甲酰氯的共聚物。
对位芳族聚酰胺纤维是以商品名出售的，购自E.I.duPontdeNemoursandCompany(Wilmington，DE)，并且以商品名购自TeijinAramid，Arnhem，Netherlands。
当聚合物为聚烯烃时，优选聚乙烯或聚丙烯。术语“聚乙烯”是指分子量优选地大于一百万的占主导地位的线性聚乙烯材料，其可以包含微量的链分支或每100个主链碳原子中不超过5个改性单元的共聚单体，其还可以包含与其混合在一起的不超过约50重量百分比的一种或多种聚合物添加剂，如烯烃-1-聚合物，具体地讲是低密度聚乙烯、丙烯等，或低分子量添加剂，如通常掺入的抗氧化剂、润滑剂、紫外线遮蔽剂、着色剂等。此类物质通常被称为伸展链聚乙烯(ECPE)或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。聚乙烯纤维分别以商品名和购自DSM(Greenville，NC)和HoneywellInternational(Morristown，NJ)。
纤维也可包含聚唑。在一些实施例中，聚唑为聚芳唑，诸如聚苯唑和聚吡啶并唑。合适的聚唑包括均聚物和共聚物。添加剂可与聚唑一起使用，并且至多多达10重量％的其它聚合材料可与聚唑共混。还可使用的共聚物具有多达10％或更多的用于替代聚唑单体的其它单体。合适的聚唑均聚物和共聚物可以用已知的工序制备。
优选的聚苯并唑为聚苯并咪唑、聚苯并噻唑和聚苯并唑，更优选为可形成具有35克/分特或更高纱线韧度的纤维的此类聚合物。如果聚苯并唑为聚苯并噻唑，则优选为聚(对亚苯基苯并二噻唑)。如果聚苯并唑为聚苯并唑，则优选为聚(对亚苯基苯并二唑)，并且更优选为称为PBO的聚(对亚苯基-2,6-苯并二唑)。
优选的聚吡啶并唑为聚吡啶并咪唑、聚吡啶并噻唑、和聚吡啶并唑，更优选地，此类聚合物为可以形成为具有30克/分特或更大的纱线韧度的纤维的聚合物。在一些实施例中，优选的聚吡啶并唑为聚吡啶并二唑。优选的聚(吡啶并二氧杂唑)为聚(1，4-(2，5-二羟基)亚苯基-2,6-吡啶并[2，3-d：5,6-d′]二咪唑)，其称为PIPD。包括聚吡啶并二唑在内的合适的聚吡啶并唑可通过已知的工序制备。对位亚苯基苯并二唑(PBO)纤维是以商品名出售的，并且购自Toyobo，Osaka，Japan。
其它可用的芳族聚合物包括芳族不饱和聚酯，诸如聚对苯二甲酸己二醇酯、芳族聚酰亚胺、芳族聚酰胺、芳族聚酰胺酰亚胺酯、芳族聚醚酰胺酰亚胺和芳族聚酯酰亚胺。也可使用任何上述类别的材料的共聚物。
液晶聚合物-液晶热致聚酯，诸如以商品名出售的那些，购自KurarayAmericaInc.(FortMill，SC)。
就聚乙烯醇(PV-OH)而言，重均分子量为至少约500,000，优选地为至少约750,000，更优选地介于约1,000,000和约4,000,000之间，并且最优选地介于约1,500,000和约2,500,000之间的PV-OH纤维可用于本发明。可用的纤维应当具有至少约160克但尼尔，优选地至少约200克/旦尼尔，更优选地至少约300克/旦尼尔的模量；以及至少约10克/旦尼尔且更优选地至少约14克/旦尼尔且最优选地至少约17克/旦尼尔的韧度。具有至少约500,000的重均分子量，至少约200克/旦尼尔的韧度以及至少约10克/旦尼尔的模量的PV-OH纤维在防弹复合材料的生产中特别有用。具有此类特性的PV-OH纤维可例如通过了1984年1月11日提交的授予Kwon等人且共同转让的美国专利申请序列号569,818所公开的方法来生产。
本发明的织物也可包含聚合物纱线和/或非聚合物纱线的共混物。
复合层片
本发明的另一个实施例为复合层片的产生，所述复合层片能够用于身体护甲的构造。这种复合层片可被提供为供身体护甲的制造商们使用的连续的卷绕货品。一种复合层片包括至少一个本发明所述的三轴向编织织物和包括另一个基底的至少一个第二层。另一个基底可为不同的织物类型、单向纤维层、非织造织物、聚合物层或聚合物树脂浸渍的织物结构。复合层片的所述各种层可通过缝编、粘结、压塑或涂层被整合成单一组件。
聚合物层可呈薄膜或非织造织物的型式，其熔融粘结或聚合物涂覆到三轴向织物上。熔融粘结可经由加热的台板压缩或加热的压延来实现。聚合物涂层可从溶剂基或乳液/胶乳基聚合物来施加，然后进行干燥以从该织物除去溶剂。此类聚合物层可为连续的，因为它们覆盖该织物的整个表面，或可横跨该织物构造的表面为不连续的以最小化对防弹层的重量和刚度的贡献。不连续的树脂涂层包括该织物上的开口图案或树脂线或离散的树脂点。这能够使用被切成开口图案的熔融粘合剂膜来获得，所述熔融粘合剂膜可附着到该织物表面上。作为另外一种选择，可使用照相凹版印刷法等以前述不连续型式将溶剂基聚合物涂层或聚合物乳液/胶乳转印到三轴向织物上。
防弹制品
本发明的三轴向编织织物可被装配成包装件，所述包装件形成防弹制品的一部分，所述防弹制品对子弹威胁表现出减小的“背面变形”，同时也展示出对碎片威胁的有利的抗性。也可增强对刺伤或刺穿的抗性。这种多威胁防护能力在利用常规正交的经纱-纬纱双轴向机织织物的情况下是难以获得的。
在一些实施例中，所述各个三轴向编织织物层和/或上述复合层片能够用来构造整个防弹身体护甲。在其它实施例中，结合防弹身体护甲制品中的其它防弹材料来使用所述各个三轴向编织织物层。例如，这些层可与由对位芳族聚酰胺或聚乙烯纱线机织成的平织、方平织或缎纹编织织物组合。这些层也可与单向或多轴向织物结构诸如购自DuPont的组合。在一些实施例中，也可将热塑性或热固性膜并入到身体护甲织物组件中。构成身体护甲织物组件的所述各种织物层中的一些或全部可被缝纫在一起。构成身体护甲织物组件的所述各种织物层的定位情况将取决于特定的设计要求而有变化。在一些实施例中，至少一个三轴向编织织物层位于身体护甲织物组件的击打面处，因此面向射弹。
测试方法
以下测试方法用于以下例子中。
线密度：根据ASTMD1907-97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(decitex)或“分特(dtex)”被定义为10,000米纱线或纤维的重量，以克计。旦尼尔(d)为9/10乘以分特。
纱线的机械特性：调理待测的纱线，然后根据ASTMD885-98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万能试验机上使纱线断裂来确定。
基重：通过如下方式来确定这些织物的基重：称重该织物的15英寸×15英寸层片，并且以oz/yd2或g/m2为单位计算单位面积织物的重量。
面密度：通过测量由多个织物或复合层片构成的15英寸×15英寸样板的质量来确定试验样板的面密度。由该测量以lbs/ft2为单位来计算面密度。
直接从所述三轴向织物测量编织角。
防弹性能：根据用于V50的NIJ标准0101.06和MIL-STD662F以及用于“背面变形”的NIJ标准0101.06来进行试验样板的防弹测试。所用的射弹为44马格南子弹和17格令重碎片模拟射弹(FSP)。被报告为V50的防弹性值为统计学上的测量值，其表示子弹或碎片在有50％击穿率和另外50％未击穿率的情况下击穿护甲装备的平均速度。测量的参数为零度的V50，其中角度是指射弹相对于目标的倾斜度。所报告的值为射向每个例子的子弹数量的平均值。“背面变形”(BFD)为当由非击穿性射弹冲击产生时，在背衬材料中造成的凹陷的深度。“背面变形”是从由背衬材料夹具的前边缘限定的平面测量的。根据NIJ标准，该值不允许超过44mm。“背面变形”测试是以435±9m/s(1430±30ft/s)的速度对抵靠RomaPlastilina粘土背衬体放置的靶标进行的。对于针对17格令重射弹测试的样板，使用机架和夹具组件将样板围绕周边夹紧固定。
实例
对于下述实例和比较例，所述三轴向编织结构是使用管状编织法产生的。该编织操作产生了管状织物，其中编织纱线在编织过程中围绕管的螺旋型式取向，并且轴向纱线在其形成期间平行于管状编织物的轴线取向。为了产生用于构造弹道试验样板的平坦织物，将管状编织物沿侧部切开，并且将所得平坦织物切割成所期望的尺寸。
根据本发明制备的实例用数值来指示。对照实例或比较例用字母来指示。
比较例A：
从26层由KevlarKM2Plus纤维纱线机织成的本色平织织物制备了15英寸×15英寸(38×38cm)正方形弹道试验样板，所述纱线具有667分特(600旦尼尔)的线密度。该织物具有如下纱线支数：经纱中34经线/英寸(13.4经线/厘米)、然后是第一多根纱线、以及纬线中34经线/英寸(13.4经线/厘米)、第二多根纱线。不存在第三多根纱线。该织物是由LincolnFabrics，Inc.(Geneva，AL)生产的。该织物具有测量的26.9克/旦尼尔(29.9g/dtex)经纱和27.1克/旦尼尔(30.2g/dtex)纬线的抽取纱线韧度、和5.65oz./sq.yd.(192g/m2)的面密度。通过沿经向和纬向进行切割产生了各个正方形织物层(使经纱和纬纱纤维纱线平行于所述正方形的侧边)。将织物层布置成使得对于该叠堆中的所有织物层，经纱和纬纱纤维在相同方向上取向。将这些织物层围绕样板的周边在从边缘算起的1/2英寸(1.27cm)处缝合在一起。样板的面密度为5.02kg/sq.m.(1.02lbs/sq.ft)。评测了针对44马格南子弹的防弹性能。所述V50和“背面变形”结果示出于表1中。
比较例B
从32层由KevlarKM2Plus纤维纱线机织成的本色平织织物制备了15英寸×15英寸(38×38cm)正方形弹道试验样板，所述纱线具有666分特(600旦尼尔)的线密度。该织物具有如下纱线支数：经纱中28经线/英寸(11.0经线/厘米)、第一多根纱线、和纬线中28经线/英寸(11.0经线/厘米)、第二多根纱线。不存在第三多根纱线。该织物是由LincolnFabrics，Inc.(Geneva，AL)生产的。该织物具有测量的(27.7)克/旦尼尔(30.8g/dtex)经纱和27.4克/旦尼尔(30.5g/dtex)纬线的抽取纱线韧度、和(4.46)oz./sq.yd.(151g/m2)的面密度。通过沿经向和纬向进行切割产生了各个正方形织物层(使经纱和纬纱纤维纱线平行于所述正方形的侧边)。将织物层布置成使得对于该叠堆中的所有织物层，经纱和纬纱纤维在相同方向上取向。将这些织物层围绕样板的周边在从边缘算起的1/2英寸(1.27cm)处缝合在一起。样板的面密度为4.93kg/sq.m.(1.01lbs/sq.ft)。评测了针对44马格南子弹的防弹性能。所述V50和“背面变形”结果示出于表1中。
比较例C
从26层由管状编织物(由A&PTechnology，Inc.生产)产生的编织的三轴向织物制备了15英寸×15英寸(38×38cm)正方形弹道试验样板。用来产生所述三轴向织物的纱线为600旦尼尔的KM2Plus纤维。该编织构造由下列组成：61.5度的编织角，用于每个编织纱线的单一600旦尼尔KevlarKM2纱线、每个轴向位置中的单一600旦尼尔KevlarKM2纱线、和5.59oz./sq.yd.(190g/m2)的基重。为了产生平坦的三轴向编织织物，将4.85″直径的管状编织物沿一侧在轴向上切开。从所得平坦织物切出15英寸×15英寸的层片并堆叠起来，将所有层片在相同方向上取向。将这些织物层围绕样板的周边在从边缘算起的1/2英寸(1.27cm)处缝合在一起。样板的面密度为4.94kg/sq.m.(1.01lbs/sq.ft)。评测了针对44马格南子弹的防弹性能。所述V50和“背面变形”结果示出于表1中。
比较例D
从19层由管状编织物(由A&PTechnology，Inc.生产)产生的编织的三轴向织物制备了15英寸×15英寸(38×38cm)正方形弹道试验样板。用来制造该编织物的纱线为KM2Plus纤维。第一和第二多根纱线(编织纱线)具有666分特(600旦尼尔)的线密度。第三多根纱线(轴向纱线)具有1998分特(1800旦尼尔)的线密度，是由三根667分特的纱线装配成的。该织构造由(64.5)度的编织角、和(7.72)oz./sq.yd.(262gsm)的基重组成。为了产生平坦的三轴向编织织物，将4.85″直径的管状编织物沿一侧在轴向上切开。从该织物切出15英寸×15英寸的层片并堆叠起来，将所有层片在相同方向上取向。将这些织物层围绕样板的周边在从边缘算起的1/2英寸(1.27cm)处缝合在一起。样板的面密度为5.02kg/sq.m.(1.02lbs/sq.ft)。评测了针对44马格南子弹的防弹性能。所述V50和“背面变形”结果示出于表1中。
实例1
从22层由管状编织物(由A&PTechnology，Inc.生产)产生的编织的三轴向织物制备了15英寸×15英寸(38×38cm)正方形弹道试验样板。用来制造该编织物的纱线为KM2Plus纤维。第一和第二多根纱线(编织纱线)均具有666分特(600旦尼尔)的线密度。第三多根纱线(轴向纱线)具有1332分特(1200旦尼尔)的线密度，是由两根666分特的纱线装配成的。该编织构造由63度的编织角和6.62oz./sq.yd(224gsm)的基重组成。为了产生平坦的三轴向编织织物，将4.85″直径的管状编织物沿一侧在轴向上切开。从该织物切出15英寸×15英寸的层片并堆叠起来，将所有层片在相同方向上取向。将这些织物层围绕样板的周边在从边缘算起的1/2英寸(1.27cm)处缝合在一起。样板的面密度为4.97kg/sq.m.(1.01lbs/sq.ft)。评测了针对44马格南子弹的防弹性能。所述V50和“背面变形”结果示出于表1中。
比较例E
如比较例A所述，使用27个织物层片制造了试验样板。样板的面密度为5.17kg/sq.m.(1.05lbs/sq.ft)。评测了针对17格令重FSP的防弹性能。所述V50结果示出于表2中。
比较例F
如比较例B所述，使用33个织物层片制造了试验样板。样板的面密度为5.17kg/sq.m.(1.05lbs/sq.ft)。评测了针对17格令重FSP的防弹性能。所述V50结果示出于表2中。
比较例G
如比较例C所述，使用27个所述三轴向编织织物的层片制造了试验样板。样板的面密度为5.17kg/sq.m.(1.05lbs/sq.ft)。评测了针对17格令重FSP的防弹性能。所述V50结果示出于表2中。
比较例H
如比较例D所述，使用20个所述三轴向编织织物的层片制造了试验样板。样板的面密度为5.22kg/sq.m.(1.06lbs/sq.ft)。评测了针对17格令重FSP的防弹性能。所述V50结果示出于表2中。
实例2
如实例1所述，使用23个所述三轴向编织织物的层片制造了试验样板。样板的面密度为5.17kg/sq.m.(1.05lbs/sq.ft)。评测了针对17格令重FSP的防弹性能。所述V50结果示出于表2中。
表1
“完全”表明存在被弹完全击穿的情况。
表2
实例 比较例E 比较例F 比较例G 比较例H 实例2
面密度(kg/sq.m.) 517 517 517 5.22 5.17
V50(m/s) 610 631 601 608 640
基于表1所示的对几乎等同面密度的样板的44马格南弹的弹道测试，与用三轴向编织织物(具有等同旦尼尔的编织物和轴向纱线)制成的样板(比较例C)、和由三轴向编织织物(具有的轴向纱线旦尼尔为编织纱线旦尼尔的三倍)制成的样板(比较例D)相比，由三轴向编织织物(具有轴向位置纱线，所述纱线的平均旦尼尔为用于编织纱线的两倍)制成的实例1的样板表现出了改善的V50性能和减小的背面性能。另外，与使用通常用于防弹背心构造的双轴向机织织物产生的比较例A和B的样板相比，实例1的样板还展示出了改善的V50性能。
基于表2所示几乎等同面密度的样板的17格令重碎片防弹性能，与由其它三轴向编织织物制成的样板(比较例G和H)、以及由双轴向织物制成的两种样板(比较例E和F)相比，由三轴向编织织物(具有轴向位置纱线，所述纱线的旦尼尔为用于编织纱线的两倍)制成的实例2的样板表现出了改善的V50性能。
基于该研究，显而易见，相对于用来产生编织纱线的纱线旦尼尔，基于待定的用于轴向位置的纱线旦尼尔，能够获得具有最佳防弹性能的三轴向编织织物。已清楚地表明，对于由等同平均旦尼尔的编织纱线制成的三轴向编织织物，与由三轴向编织织物(具有轴向纱线，所述纱线的旦尼尔与编织纱线的相同)制成的样板相比，定位纱线(在每个轴向位置具有两倍的所述旦尼尔)导致了具有改善的防弹性能的柔性身体护甲试验样板。将每个轴向位置的纱线的旦尼尔增加至三倍的编织纱线的旦尼尔导致了较差的防弹性能。该三轴向编织结构的所述改善的防弹性能结果是基于对三轴向织物构造的早期研究(实验上并通过模拟)所未预料到的，所述早期研究提示，三轴向织物的防弹性能应当低于双轴向机织织物(两个交织的纱线多根，源自一个多根中的纱线相对于另一多根中的纱线成90度的角度取向)。
这种改善的防弹性能可为更有效地构造的弹道结构的结果，其中每个轴向位置中的等同纱线旦尼尔导致了具有低稳定性的三轴向编织，其中纱线在弹道事件期间可能过于容易地平移，和/或所述三轴向编织织物缺乏所述稳定性以在样板测试期间不能保持多重射击完整性。将轴向纱线的旦尼尔增加至三倍的编织纱线的旦尼尔导致了如下三轴向编织结构，所述结构明显地更紧密因而导致了编织纱线的更大的卷曲振幅。起因于轴向位置中过大的纱线旦尼尔的这些构造的紧密度或所得织物构造的低效率可能导致了所述减小的弹道V50性能。该研究提示，通过使轴向纱线旦尼尔大于一倍的平均编织纱线旦尼尔(对于改善的多重射击稳定性和织物覆盖)，但小于三倍的所述各个编织纱线的平均值(对于减小的刚度和卷曲振幅)，能够获得最佳三轴向编织构造。

Claims (4)

1.三轴向织物，包括：
第一多根纱线，所述第一多根纱线在所述织物的平面内彼此平行取向，
第二多根纱线，所述第二多根纱线在所述织物的平面内彼此平行取向，和
第三多根纱线，所述第三多根纱线在所述织物的平面内彼此平行取向，其中
(i)所述第一多根纱线、第二多根纱线和第三多根纱线具有彼此不同的纱线取向，
(ii)所述第二多根纱线与所述第一多根纱线交织，
(iii)所述第三多根纱线不与所述第一多根纱线或第二多根纱线交织，
(iv)所述第一多根纱线中的每根纱线以重复图案且按顺序从上经过所述第二多根纱线中的一根纱线，从上经过所述第三多根纱线中的一根纱线，从上经过所述第二多根纱线中的一根纱线，并接着从下经过所述第二多根纱线中的一根纱线，从下经过所述第三多根纱线中的一根纱线，并接着从下经过所述第二多根纱线中的一根纱线，
(v)所述第二多根纱线中的每根纱线以重复图案且按顺序从上经过所述第一多根纱线中的一根纱线，从上经过所述第三多根纱线中的一根纱线，从上经过所述第一多根纱线中的一根纱线，并接着从下经过所述第一多根纱线中的一根纱线，从下经过所述第三多根纱线中的一根纱线并从下经过所述第一多根纱线中的一根纱线，
(vi)所述第二多根纱线中的纱线具有大于或等于所述第一多根纱线中的纱线的平均线密度的平均线密度，并且
(vii)所述第三多根纱线中的纱线具有大于所述第二多根纱线中的纱线的平均线密度且小于三倍的所述第一多根纱线中的纱线的平均线密度的平均线密度；
其中所述第一、第二和第三多根纱线具有纤维，所述纤维由下列制成：芳族聚酰胺、聚唑、聚烯烃、芳族不饱和聚酯、芳族聚酰亚胺、人造丝、液晶聚合物、聚丙烯腈、聚乙烯醇、陶瓷或它们的共聚物。
2.根据权利要求1所述的三轴向织物，其中所述芳族聚酰胺为对位芳族聚酰胺。
3.根据权利要求1所述的三轴向织物，其中所述聚烯烃为超高分子量聚乙烯。
4.防弹或防刺穿制品，包含至少一层权利要求1所述的织物。
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