CN103917856A - 刚性结构和低背衬凹陷深度的防弹ud/制品和制造方法 - Google Patents

刚性结构和低背衬凹陷深度的防弹ud/制品和制造方法 Download PDF

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Abstract

具有改进的防弹性质的防弹纤维复合材料的制造。更特别是具有提高的动态储能模量的防弹纤维复合材料，提高的动态储能模量与低复合材料背衬凹陷深度相关联。

Description

刚性结构和低背衬凹陷深度的防弹UD/制品和制造方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求2011年9月6日提交的共同待审的美国临时申请序号No. 61/531,323的权益，其公开内容全文经此引用并入本文。
发明背景。
发明领域
本发明涉及具有提高的动态储能模量、同时保持优异的防弹性质的防弹纤维复合材料。提高的动态储能模量与低复合材料背衬凹陷深度（ backface signature）相关联。
相关技术描述
由包含高强度合成纤维的复合材料制成的防弹制品是公知的。防弹背心、头盔、车身板和军事装备的结构件之类的制品通常由包含高强度纤维，如SPECTRA®聚乙烯纤维或Kevlar®芳族聚酰胺纤维的织物制成。对许多用途，如背心或背心部件而言，可以在机织或针织物中使用纤维。对其它用途而言，可以将纤维包封或嵌在聚合基质材料中并成形成非织造织物。例如，美国专利4,403,012、4,457,985、4,613,535、4,623,574、4,650,710、4,737,402、4,748,064、5,552,208、5,587,230、6,642,159、6,841,492、6,846,758（所有这些都经此引用并入本文）描述了包括由材料如伸展链超高分子量聚乙烯（“UHMW PE”）制成的高强度纤维的防弹复合材料。由这样的高强度合成纤维制成的防弹复合材料表现出不同程度的抗来自如子弹、弹壳、榴霰弹之类射弹的高速冲击穿透性以及不同程度的由相同射弹冲击造成的背衬凹陷深度。
每种类型的高强度纤维已知具有自己的独特特征和性质。就此而言，纤维的一个定义性特征是纤维与表面涂料，如树脂涂料粘合或粘着的能力。例如，超高分子量聚乙烯纤维相对惰性，而芳族聚酰胺纤维具有含有极性官能团的高能表面。相应地，树脂通常对芳族聚酰胺纤维表现出比对惰性UHMW PE纤维强的亲合力。但是，合成纤维也通常已知自然倾向于静电积聚并因此通常要求施加纤维表面整理剂以利于进一步加工成可用的复合材料。纤维整理剂用于降低静电积聚，在无捻或非缠结纤维的情况中，有助于保持纤维内聚力。整理剂还润滑纤维表面，保护纤维免受设备破坏和保护设备免受纤维破坏。本领域教导了用于各种工业的许多类型的纤维表面整理剂。参见例如美国专利5,275,625、5,443,896、5,478,648、5,520,705、5,674,615、6,365,065、6,426,142、6,712,988、6,770,231、6,908,579和7,021,349，它们教导了用于纺成纤维的纺丝整理剂组合物。
但是，典型的纤维表面整理剂不是普遍合意的。一个重要原因是因为纤维表面整理剂会干扰聚合粘合剂材料在纤维表面，包括芳族聚酰胺纤维表面上的界面粘结或粘合。聚合粘合剂材料的强粘合在防弹织物，尤其是非织造复合材料，如Honeywell International Inc. of Morristown, NJ生产的非织造SPECTRA SHIELD®复合材料的制造中是重要的。聚合粘合剂材料在纤维表面上的粘合不足可能降低纤维-纤维粘合强度和纤维-粘合剂粘合强度并由此使结合的纤维互相分离和/或使粘合剂从纤维表面上层离。在尝试将保护性聚合组合物施加到机织物上时也认识到类似的粘合问题。这有害地影响此类复合材料的防弹性质（防弹性能）并造成灾难性的产品失效。
复合材料装甲的防弹性能可以以不同的方式表征。一个常见特征是V50速度。对于面密度（即复合板的重量除以表面积）相等的复合材料，V50越高，该复合材料的抗穿透性越好。但是，即使防弹装甲足以防止射弹穿透，但射弹在装甲上的冲击也会造成显著的非穿透性钝伤（“创伤”）。相应地，防弹性能的另一重要量度是装甲背衬凹陷深度。背衬凹陷深度（“BFS”）——在本领域中也被称作背衬变形（backface deformation）或trauma signature，衡量由子弹冲击造成的防弹衣变形深度。当子弹被复合材料装甲挡住时，可能造成的钝伤有可能像子弹穿透装甲并进入身体时那样对个体是致命的。这尤其在头盔装甲领域中发生，其中由挡住的子弹造成的瞬时凸出仍穿过佩戴者颅骨的平面并造成使人衰弱或致命的脑损伤。
复合材料的V50防弹性能已知与该复合材料的组分纤维的强度直接相关。纤维强度性质，如韧度和/或拉伸模量的提高已知与V50速度的提高相关联。但是，尚未类似地认识到随纤维强度性质提高而相应地改进背衬凹陷深度降低。因此，在本领域中需要制造具有优异的V50防弹性能以及低背衬凹陷深度的防弹复合材料的方法。本发明为这一需求提供解决方案。
已经意外地发现，在由射弹冲击造成的背衬凹陷深度与防弹复合材料的组分纤维互相层离和/或与纤维表面涂料层离的倾向之间存在直接相关性。通过改进纤维表面与纤维表面涂料之间的粘合，降低纤维-纤维分离和/或纤维-涂料层离效应，由此提高纤维上的摩擦和提高射弹与纤维的咬合。相应地，改进复合材料结构性质并以降低复合材料背衬变形的方式耗散射弹冲击能量。
本发明通过在将纤维组合成非织造纤维层或织物之前或在将纤维织造成机织物之前和在用所选聚合物涂布纤维之前以及在将多个纤维层合并成多层片或多层复合材料之前加工纤维以改进纤维表面与纤维表面涂料之间的粘合来解决本领域中的这一需要。已经发现，由此类处理过的纤维形成的纤维复合材料的动态储能模量大于尚未类似处理的相当纤维复合材料的动态储能模量。特别地，加工纤维以除去至少一部分纤维表面整理剂以暴露出至少一部分纤维表面，由此使随后施加的聚合物与纤维表面直接粘合以使该聚合物主要与纤维表面直接接触而非主要在整理剂上。也可以进行各种其它的纤维处理以进一步增强随后施加的材料吸附到、粘着到或粘合到纤维表面上的能力。较高的动态储能模量反映单个纤维层片内提高的纤维-纤维粘合、单个多层片织物或多层片纤维层内提高的层片-层片粘合并与改进的复合材料结构性质以及改进的复合材料背衬凹陷深度。
发明概述
本发明提供纤维上的聚合粘合剂涂料的动态机械分析方法，所述方法包括：
a) 提供包含固结的多个交叉层叠的纤维层片（cross-plied fiber plies）的第一纤维复合材料，各纤维层片包含多根平行纤维，各所述纤维具有主要被纤维表面整理剂覆盖的表面并具有在所述纤维表面整理剂上的聚合粘合剂材料涂层，其中所述纤维表面整理剂在纤维表面与聚合粘合剂材料之间；
b) 对所述第一纤维复合材料施加离轴正弦应变（off-axis sinusoidal strain ），由此测定第一纤维复合材料的纤维上的所述聚合粘合剂涂层的离轴动态储能模量，在偏离各纤维层片中的纤维的纵向纤维轴的方向上施加所述离轴正弦应变；
c) 对与所述第一纤维复合材料相当的第二纤维复合材料重复步骤b)，所述第二纤维复合材料包含固结的多个交叉层叠的纤维层片，各纤维层片包含多根平行纤维，各所述纤维具有至少部分被聚合粘合剂材料覆盖的表面，且其中所述纤维主要不含纤维表面整理剂以使所述聚合粘合剂材料主要与纤维表面直接接触；
d) 比较第一纤维复合材料的离轴动态储能模量与第二纤维复合材料的离轴动态储能模量以确定哪种复合材料具有更高的离轴动态储能模量。
本发明还提供包含多个毗连纤维层的纤维复合材料，各纤维层包含具有至少部分被聚合材料覆盖的表面的纤维，其中所述纤维主要不含纤维表面整理剂以使所述聚合材料主要与纤维表面直接接触；所述纤维复合材料的动态储能模量大于具有主要被纤维表面整理剂覆盖的纤维表面（其中所述纤维表面整理剂在纤维表面与聚合材料之间）的相当纤维复合材料的动态储能模量。
本发明进一步提供形成包含至少两个毗连纤维层的纤维复合材料的方法，各纤维层包含具有至少部分被聚合材料覆盖的表面的纤维，其中所述纤维主要不含纤维表面整理剂以使所述聚合材料主要与纤维表面直接接触；所述复合材料具有至少8.0 x 109 dyn/cm2的在25℃（77℉）下测得的动态储能模量，所述方法包括提供多根具有主要不含纤维表面整理剂的表面的聚合纤维；任选处理纤维表面以增强随后施加的聚合材料对纤维表面的表面吸附性、粘合或粘着；将聚合材料施加到所述纤维的至少一部分上，由此使聚合材料吸附、粘合或粘着到纤维表面上；在将所述聚合材料施加到所述纤维上之前或之后由所述纤维制造多个纤维层片；和固结所述多个纤维层片以制造纤维复合材料。
发明详述
背衬凹陷深度衡量软质或硬质装甲由于射弹冲击而向背衬材料内或向使用者身体内变形的深度。更具体地，BFS，在本领域中也被称作“背衬变形”、“trauma signature”或“钝力伤（blunt force trauma）”衡量在装甲阻挡射弹穿透时射弹在装甲下方留下多少冲击，表明装甲下方的身体可能经受的钝伤。NIJ Standard 0101.04, Type IIIA概述了测量软质装甲的BFS的标准方法，其确定将由非穿透性射弹冲击造成的复合材料物理变形转移到装在开放面（open face）盒类夹具中的可变形粘土背衬材料中的方法。根据NIJ标准，将受试装甲直接固定到粘土背衬的正面并确认和测量由标准化的射弹发射条件造成的粘土的任何变形。可以使用其它方法测量BFS。目前照惯例使用NIJ标准评估用于军事用途的软质装甲复合材料。
术语“背衬凹陷深度”、“背衬变形（backface deformation）”、“trauma signature”和“钝力伤”在本领域中具有相同含义并在本文中可互换使用。对本发明而言，具有优异的防弹药穿透性的制品描述了表现出优异的抗可变形弹（如子弹）和抗碎片（如榴霰弹）穿透性质的那些。本文所用的“纤维层”可包含单向取向纤维的单层片、单向取向纤维的多个未固结层片、单向取向纤维的多个固结层片、机织物、多个固结的机织物或由许多纤维形成的任何其它织物结构，包括毡、垫和其它结构，如包含无规取向纤维的那些。“层”描述大致平面布置。各纤维层具有外顶面和外底面。单向取向纤维的“单层片”包含以单向基本平行阵列排列的非重叠纤维的布置。这种类型的纤维布置在本领域中也被称作“单带（unitape）”、“单向带”、“UD”或“UDT”。本文所用的“阵列”描述纤维或纱线的有序排列，这是机织物独有的，“平行阵列”描述纤维或纱线的有序平行排列。就“取向纤维”所用的术语“取向”是指与纤维拉伸相反的纤维排列。术语“织物”描述可包括一个或多个纤维层片的结构，这些层片经过或未经过模制或固结。例如，机织物或毡可包含单个纤维层片。由单向纤维形成的非织造织物通常包含互相叠加并固结的多个纤维层片。本文所用的“单层”结构是指由一个或多个独立层片或独立层构成的任何整体纤维结构，其已与聚合粘合剂材料一起合并成，即通过低压层合或通过高压模制固结成单一整体结构。“固结”是指聚合粘合剂材料与各纤维层片一起结合成单一整体层。可通过干燥、冷却、加热、压力或它们的组合实现固结。热和/或压力可能不是必要的，因为纤维或织物层可以仅胶粘在一起，如湿层合法的情况中那样。术语“复合材料”是指纤维与至少一种聚合粘合剂材料的组合。本文所用的“复杂复合材料”是指多个纤维层的固结组合。本文所述的“非织造”织物包括不通过织造形成的所有织物结构。例如，非织造织物可包含多个单向带，它们至少部分用聚合粘合剂材料涂布，堆叠/重叠并固结成单层整体元件以及包含优选被聚合粘合剂组合物涂布的非平行无规取向纤维的毡或垫。
对本发明而言，“纤维”是长度远大于宽度和厚度的横向尺寸的细长体。用于本发明的纤维的横截面可千差万别，它们的横截面可以是圆形、扁平或长椭圆形。因此术语“纤维”包括具有规则或不规则横截面的单丝、带、条等，但该纤维优选具有基本圆形横截面。本文所用的术语“纱线”是指由许多纤维构成的单束。单纤维可以由仅一根长丝形成或由多根长丝形成。由仅一根长丝形成的纤维在本文中被称作“单丝”纤维( “monofilament” fiber)，由多根长丝形成的纤维在本文中被称作“复丝”纤维。
在本发明中，术语复合材料的“动态储能模量”(E’)在本文中用于衡量复合材料经受在给定频率和给定温度下的振动应变(oscillating strain)时的动力学性质（应力应变比）。已经发现，在给定温度下，对具有较大动态储能模量的样品而言，树脂/聚合物在纤维上的粘合强度较大。相应地，可以使用树脂-纤维粘合增强处理提高动态储能模量，并可通过测量动态储能模量确定所述处理的效率。
测量复合材料的动态储能模量的优选方法被称作动态机械分析。动态机械分析（DMA）用于测定粘弹性材料性质，如动态储能模量。为了进行动态机械分析，将受试试样置于DMA装置中，夹在该装置内的固定器件中并通过该装置中的发动机施以动态振动应变。通过该装置中的传感器（transducer）测量试样中产生的应力响应。还测量施加的正弦应变与产生的正弦应力之间的相位差。将试样尺寸计入考虑，这一信息可用于测定弹性的动态储能模量，或弹性模量的弹性分量（动态储能模量）和粘性分量（损耗模量）。动态机械分析表征例如在温度、不同的激发频率、相变或试样的化学转化的影响下的粘弹性行为。可通过将试样置于温度可变的试验室中来进行温度依赖性测量。例如从例如美国专利5,139,079、5,710,426、6,058,784、6,098,465、6,146,013、6,389,906、6,880,385中获知用于动态机械分析的方法和装置，其公开内容在与本文相容的程度上经此引用并入本文。但是，这些方法和装置无意构成限制，可以使用如本领域技术人员决定的任何合适的应变受控装置进行DMA测试，包括可获自TA Instruments of New Castle, Delaware的Rheometrics Solids Analyzer (RSA II)、RSA-G2分析仪或RSA 3分析仪。
从包含机织物或非织造织物的纤维复合材料上切下要经受DMA分析的试样。这种纤维复合材料通常由多个连续纤维制成。在测量本发明的复合材料的动态储能模量时，受试复合材料应包含或由多个毗连纤维层/层片构成，各纤维层包含具有至少部分被聚合材料覆盖的表面的纤维。本文所用的毗连纤维层可包括毗连的单向带和/或毗连的机织物，且纤维层/层片可通过本领域中的任何传统技术毗连。毗连的单向带通常以传统交叉层叠的0º/90º取向布置以使防弹药穿透性最大化（例如通过标准化V50试验测定），尽管这种取向不是强制性的并且不一定最适合使复合材料的背衬变形最小化。使用如下文更详细描述的聚合粘合剂材料固结毗连的单向带。不同于非织造织物，机织物不需要聚合粘合剂材料将组分纤维互连形成单纤维层。但是，通常需要粘合剂或聚合粘合剂材料将多个机织纤维层固结或合并成多层纤维复合材料。相应地，通常必须存在一定形式的粘合剂或聚合粘合剂材料以形成包括至少一些机织物层的复合材料以测试该复合材料的动态储能模量。在一个优选实施方案中，机织物在固结前用聚合粘合剂材料预浸渍。
无论是机织物还是非织造织物，当存在这种聚合涂料时，该聚合材料涂料优选牢固粘合到纤维上。已经意外地发现，通过在偏离各纤维层/纤维层片中的单向纤维的纵轴的方向上施加动态振动应变，DMA分析可用于评估该聚合物/树脂涂料在纤维上的粘合强度。当将该离轴动态储能模量与在相同离轴角下测得的另一复合材料的离轴动态储能模量比较时，具有较大纤维-树脂粘合强度的复合材料具有较高的动态储能模量。
在这方面，如下文详细描述，“相当的”复合材料具有与和其比较的复合材料相同的纤维、相同的树脂和相同的纤维/树脂比例，复合材料之间的唯一区别是纤维与树脂之间的粘合强度。在这方面，动态储能模量差异指示纤维/树脂粘合差异，其受纤维表面处理的类型和程度影响。
本文所用的“离轴”正弦应变是指在与各纤维层片的纵向纤维轴的方向不同的方向上施加的正弦应变。在0º/90º复合材料（其中相邻层片的纤维互相正交取向）中，离轴角可以是0º/90º之间的任何角度，包括15º、30º、45º、60º、75º等，其中在最大纤维拉伸强度方向中不进行DMA测试。最优选以相对于各纤维层片中的纤维的纵向纤维轴45º施加正弦应变，这是相对于0º/90º复合材料中的所有纤维层片中的纤维呈45º。通过控制试样的纤维取向实现施加的力的可变角度。具体而言，无论试样是由机织物/纤维层还是非织造织物/多层片纤维层制成的样品，该样品都包含具有正交0º/90º取向的纤维。在典型的机织物/纤维层中，经向纤维垂直于纬向纤维取向。在典型的非织造织物/纤维层中，固结单向层片，其中各单独层片的纤维互相垂直取向（0º/90º）。在优选方法中，从测得为例如12” x 12”的较大样品上切下具有大约6毫米至8毫米宽度和大约40毫米长度的大致矩形试样。在纤维以相对于纵向和横向45º取向的基础上切割样品。样品长度可随DMA测试装置的尺寸和调节上下夹具之间的间隙距离的能力而变。这容易由本领域技术人员确定。在4层片非织造单向复合材料上进行优选测试。优选在10弧度/秒（rad/s）的试验频率和0.1%的施加应变下进行测试。然后加热样品，以25℃开始，直至130℃，以1℃为间隔测量动态储能模量（E’）。如本领域技术人员确定，这些值可能随因素如受试试样的尺寸、试样几何形状、端支架之间的跨距（span between the end supports）、应变速率和温度而变，因此优选和理想的是在对比测试过程中使所有试验因素保持不变。当测试包含热塑性聚合物的材料的动态储能模量时，试验温度是特别重要的因素，因为较高温度倾向于软化热塑性聚合物，改变该材料的性质。
在下示所有本发明的实例中，在包含非织造纤维层的复合材料上进行动态机械分析，在如上所述的温度范围测量动态储能模量。各复合材料由固结的多个4-层片非织造纤维层构成，所述纤维层包含0º取向的第一层片、90º取向的第二层片、0º取向的第三层片和90º取向的第四层片。
本发明的纤维复合材料与其它纤维复合材料的区别在于它们的较高动态储能模量和相应优异的对抗高速非穿透性射弹的背衬凹陷深度性能。在最低限度上通过在将纤维加工成织物之前从纤维上至少部分除去预先存在的纤维表面整理剂实现本发明的纤维复合材料的动态储能模量的改进，其中形成织物包括制造机织物层、非织造织物层或非织造纤维层片。在形成非织造织物层或非织造纤维层片之前或在机织物织造之前除去纤维表面整理剂此前并未为人所知，因为纤维表面整理剂如上所述通常被认为是必要的加工助剂。例如，在非织造织物的制造中，通常需要纤维表面整理剂以降低静电积聚，防止纤维缠结，润滑纤维以使其能在织机部件上滑动并改进加工过程中，包括纤维拉伸步骤过程中的纤维内聚力。
尽管在常规纤维加工过程中通常需要纤维表面整理剂，但它们通常无助于最终织物性质。相反，通过覆盖纤维表面，整理剂干扰纤维表面互相接触的能力并干扰纤维表面直接吸附随后施加的被吸附物，如施加到纤维上的液体或固体树脂或聚合粘合剂材料的能力，以致被吸附物位于整理剂上而非直接位于纤维表面上。这是成问题的。在前一情况中，整理剂充当纤维表面上的润滑剂并由此降低相邻纤维之间的摩擦。在后一情况中，整理剂阻碍随后施加的材料直接和牢固粘合到纤维表面上，可能完全阻碍涂料粘合到纤维上以及在弹药冲击过程中具有层离危险。为了增强纤维-纤维摩擦和允许树脂或聚合粘合剂材料直接粘合到纤维表面上，由此提高纤维-涂料粘合强度，必须从构成纤维复合材料的一些或所有组分纤维的整个或一部分纤维表面上至少部分除去，优选基本完全除去存在的纤维表面整理剂。
纤维表面整理剂的至少部分脱除优选在所有纤维拉制/拉伸步骤一完成时就开始。洗涤纤维或以其它方式除去纤维整理剂的步骤除去足够的纤维整理剂以暴露出至少一部分下方纤维表面，尽管应该期望不同的脱除条件脱除不同量的整理剂。例如，洗涤剂的组成（例如水）、洗涤技术的机械属性（例如水接触纤维的力；洗涤浴的搅动等）之类的因素会影响除去的整理剂的量。对本文目的而言，用于实现纤维整理剂的最低限度脱除的最低限度加工通常暴露出至少10%的纤维表面积。优选除去纤维表面整理剂以使纤维主要不含纤维表面整理剂。本文所用的“主要不含”纤维表面整理剂的纤维是已除去其整理剂的至少50重量%，更优选除去其整理剂的至少大约75重量%，更优选除去其整理剂的至少大约80重量%的纤维。该纤维更优选基本不含纤维表面整理剂。“基本不含”纤维整理剂的纤维是已除去其整理剂的至少大约90重量%，最优选已除去其整理剂的至少大约95重量%的纤维，由此暴露出至少大约90%或至少大约95%的之前被纤维表面整理剂覆盖的纤维表面积。最优选地，任何残留整理剂以占纤维重量 + 整理剂重量的小于或等于大约0.5重量%，优选小于或等于大约0.4重量%，更优选小于或等于大约0.3重量%，更优选小于或等于大约0.2重量%，最优选占纤维重量 + 整理剂重量的小于或等于大约0.1重量%的量存在。
根据纤维整理剂组合物的表面张力，整理剂可能表现出在纤维表面上自分布的倾向，即使除去显著量的整理剂。因此，主要不含纤维表面整理剂的纤维可能仍有一部分表面积被纤维整理剂的极薄涂层覆盖。但是，这种残留纤维整理剂通常作为整理剂的残留斑块而非连续涂层存在。相应地，具有主要不含纤维表面整理剂的表面的纤维优选具有至少部分暴露出来并且未被纤维整理剂覆盖的表面，其中优选小于50%的纤维表面积被纤维表面整理剂覆盖。包含主要不含纤维整理剂的纤维表面的本发明的纤维复合材料随后用聚合粘合剂材料涂布。如果纤维整理剂的脱除导致小于50%的纤维表面积被纤维表面整理剂覆盖，聚合粘合剂材料由此将与大于50%的纤维表面积直接接触。
由于这样的整理剂脱除，本发明的纤维复合材料的动态储能模量大于具有主要被纤维表面整理剂覆盖的纤维的相当纤维复合材料（例如其中纤维表面整理剂在大于50%的纤维表面积上存在于纤维表面与聚合材料之间）的动态储能模量。
最优选地，从纤维上基本完全除去纤维表面整理剂并基本完全暴露出纤维表面。在这方面，基本完全除去纤维表面整理剂是除去至少大约95%，更优选至少大约97.5%，最优选除去至少大约99.0%的纤维表面整理剂，由此纤维表面至少大约95%暴露，更优选至少大约97.5%暴露，最优选至少大约99.0%暴露。理想地，除去100%的纤维表面整理剂，由此暴露出100%的纤维表面积。在除去纤维表面整理剂后，还优选在将聚合粘合剂材料、树脂或其它被吸附物施加到暴露的纤维表面上之前从纤维上清除任何脱除的整理剂颗粒。
本文所用的“相当的”纤维复合材料是指与本发明的处理的复合材料相同或基本类似的复合材料（理论上或实际上），其中本发明的复合材料已除去至少一部分纤维表面整理剂以暴露出至少一部分纤维表面，任选进行附加纤维处理，如等离子体处理或电晕处理，且其中在已除去整理剂的区域中聚合材料相应地直接粘合到纤维表面上。在这方面，“基本类似”是指在设定恒定因素时承受的任何最小误差。换言之，相当的纤维复合材料是“对照复合材料”，本发明的“处理的复合材料”与其进行对比。特别地，对照复合材料和本发明的处理的复合材料都由相同纤维类型（相同纤维化学、韧度、模量等）制造，包含相同纤维层结构（例如机织或非织造），包含涂布在纤维上的相同类型的聚合材料（也称作粘合剂聚合物、聚合粘合剂材料或聚合基质）、复合材料中的树脂量相同、纤维层片/层数相同等。对照复合材料和处理的复合材料也都根据相同的固结/模制条件形成。除本文所述的纤维表面处理外的所有因素都旨在保持不变。这些都是重要的考虑，因为数据显示，例如，BFS和动态储能模量在一定程度上取决于所用树脂的类型，正如BFS和动态储能模量在一定程度上取决于纤维整理剂的存在和纤维的表面处理。本文中提供的数据支持这一前提，即处理的复合材料表现出比相同或基本类似的对照复合材料低的BFS和高的动态储能模量性质，相对于具有未保持不变的要素的其它复合材料而言不一定如此。由于用于实现纤维整理剂的最低限度脱除的纤维加工通常暴露出至少大约10%的纤维表面积，尚未类似洗涤或处理以除去至少一部分纤维整理剂的相当复合材料暴露出少于10%的纤维表面积——具有0%表面暴露或基本没有纤维表面暴露。
如上所述，纤维表面整理剂的脱除增强纤维-纤维摩擦以及纤维与随后施加的涂料之间的粘合强度。提高纤维-纤维摩擦和提高纤维-涂料粘合强度已被发现提高射弹与纤维的咬合，由此改进由所述纤维形成的纤维复合材料的动态储能模量以及改进由所述纤维形成的纤维复合材料阻挡射弹的能力，以及降低由射弹冲击造成的背衬凹陷深度。改进的纤维-涂料粘合强度还降低将纤维充分粘合在一起所需的粘合剂的量。粘合剂量的这种降低允许在织物中包含更大量的纤维，这可能产生具有改进的强度的更轻防弹材料。这还导致所得织物复合材料的进一步改进的防刺性以及复合材料的提高的抗反复冲击性。
用于除去纤维表面整理剂的任何传统已知的方法都可用于本发明的背景中，包括机械和化学技术手段。必要的方法通常取决于整理剂的组成。例如，在本发明的优选实施方案中，用仅用水就能洗掉的整理剂涂布纤维。通常，纤维整理剂包含一种或多种润滑剂、一种或多种非离子乳化剂（表面活性剂）、一种或多种抗静电剂、一种或多种润湿和聚结剂和一种或多种抗微生物化合物的组合。本文中优选的整理剂配方可以仅用水洗掉。也可以与化学试剂一起使用机械手段以改进化学脱除的效率。例如，可以通过控制水施加过程的力、方向、速度等提高使用去离子水除去整理剂的效率。
最优选地，以纤维网形式用水洗涤和/或冲洗纤维，优选使用去离子水，在洗涤后任选干燥纤维，不使用任何其它化学品。在该整理剂不溶于水的另一些实施方案中，可以用例如擦洗剂、化学清洁剂或酶清洁剂除去或洗掉整理剂。例如，经此引用并入本文的美国专利5,573,850和5,601,775教导了使纱线经过含有非离子表面活性剂（Hostapur® CX，可购自Clariant Corporation of Charlotte, N.C.）、磷酸三钠和氢氧化钠的浴，接着冲洗纤维。其它可用的化学剂非排他地包括醇，如甲醇、乙醇和2-丙醇；脂族和芳族烃，如环己烷和甲苯；氯化溶剂，如二氯甲烷和三氯甲烷。洗涤纤维还除去任何其它表面污染物，以实现纤维与树脂或其它涂料之间的更密切接触。
用水清洁纤维的优选方式无意受到限制，只要能从纤维上基本除去纤维表面整理剂。在优选方法中，通过包括使纤维网经过加压喷水嘴以从纤维上洗涤（或冲洗）和/或物理除去整理剂的方法实现整理剂的脱除。任选在使纤维经过所述加压喷水嘴之前将纤维预先浸泡在水浴中，和/或在使纤维经过所述加压喷水嘴之后浸泡，并也任选在任何所述任选浸泡步骤之后通过使纤维经过附加的加压喷水嘴进行冲洗。洗涤/浸泡/冲洗过的纤维优选在洗涤/浸泡/冲洗完成后干燥。用于洗涤纤维的设备和方式无意受到限制，只是其必须能洗涤单独的复丝纤维/复丝纱而非织物，即在将它们织造或形成为非织造纤维层或层片之前。
在织物形成之前除去纤维表面整理剂在本文中尤其旨在生产通过固结多个包含多根单向排列纤维的纤维层片形成的非织造织物。在用于形成非织造单向排列纤维层片的典型方法中，从筒子架供应纤维束并经由导辊和一个或多个舒展杆（spreader bars）引导到准直梳（collimating comb）中，接着用聚合粘合剂材料涂布纤维。或者，纤维可以在遇到舒展杆之前涂布或它们可以在两组舒展杆（一组在涂布段之前，一组在涂布段之后）之间涂布。典型的纤维束（例如纱线）具有大约30至大约2000根单长丝，各纤维通常包括，但不限于，大约120至大约240根单长丝。舒展杆和准直梳分散和铺开成束纤维，使它们以共面方式并排重组。理想的纤维铺展使得单纤维或甚至单长丝在单纤维面中彼此紧邻布置，以形成纤维的基本单向的平行阵列，极少量的纤维互相重叠。在这种铺展步骤之前或之中除去纤维表面整理剂可由于与纤维/长丝相互作用的清洁剂（例如水）的物理相互作用而增强和加速纤维铺展成这种平行阵列。在纤维铺展和准直后，这种平行阵列的纤维通常根据纤维厚度含有大约3至12个纤维端/英寸（1.2至4.7端/厘米）。相应地，纤维表面整理剂的脱除实现增强纤维铺展和改进随后施加的材料/被吸附物在纤维表面上的粘合强度的双重益处。
尽管纤维表面整理剂的脱除本身实现上述益处，但通过在至少部分整理剂脱除后在纤维表面上进行粘合增强处理可实现更大的结果。特别地，已经发现，背衬凹陷深度的降低与纤维-纤维摩擦和纤维-涂料粘合强度的提高成正比。在织物形成之前用粘合增强处理法处理或改性纤维表面已被发现实现复合材料背衬凹陷深度降低的更大改进，特别是当粘合增强处理与洗涤纤维以至少部分除去纤维整理剂相结合时。在将被吸附物，如聚合粘合剂材料或树脂施加到纤维表面上时（如传统上用于制造非织造织物或在织造织物和至少部分除去纤维表面整理剂后施加的聚合粘合剂材料或树脂），这特别明显。被吸附物（例如聚合物/树脂）与纤维表面的粘合越强，背衬凹陷深度的降低越大。相应地，在本发明的最优选实施方案中，在纤维表面整理剂的至少部分脱除之后，但在织物成形之前，特别希望在有效增强随后施加的被吸附物（例如聚合物/树脂）在纤维表面上的吸附性/粘合的条件下进行纤维表面的处理。纤维整理剂的脱除能使这些附加工艺直接作用于纤维表面而非作用于纤维表面整理剂或作用于表面污染物。这最合意，因为表面整理剂倾向于干扰处理纤维表面的尝试，充当阻隔物或污染物。整理剂的脱除因此还改进随后的纤维表面处理的质量和均匀性。整理剂脱除和这些进一步处理的益处是累计的，且背衬凹陷深度性能的改进随整理剂脱除百分比的提高和处理效率的提高而提高。
为此，可用的处理或改性包括有效增强随后施加的被吸附物在纤维表面上的吸附性的任何处理或改性，其中被吸附物可以是任何固体、液体或气体，包括聚合粘合剂材料和树脂，且其中吸附包括该材料以任何形式粘合到纤维表面上。有多种方式可用于实现这一点，包括使表面粗糙化的处理，向表面添加极性，氧化纤维表面或纤维表面部分，提高纤维的表面能，降低纤维的接触角，提高纤维的可润湿性，改变纤维表面的交联密度，向纤维表面添加化学官能团，烧蚀表面或改进本体纤维（bulk fiber）与纤维表面涂料之间的相互作用以改进涂料锚固在纤维表面上的任何其它方式。在BFS的改进中容易看出这种改性的相互作用。
合适的纤维表面处理或表面改性包括本领域中已知的方法，如电晕处理纤维、等离子体处理纤维、等离子体涂布纤维、用元素氟直接氟化纤维表面、化学处理如化学UV接枝，或表面粗糙化处理，如铬蚀刻。在脱除纤维表面整理剂之后但在织物成形之前增强被吸附物吸附在或任何材料粘合到暴露和处理过的纤维表面上的能力的尚未开发用于大规模用途的处理也合适。这些示例性方法各自（通过它们在纤维表面上的作用）可用于根据纤维化学改变、改进或降低本体纤维与随后施加的涂料之间的相互作用。可以使用这些方法的任何组合并且这些子过程可以以不同次序布置，尽管根据各种因素，如纤维类型或天然纤维表面性质，一些次序优于另一些次序。本发明的各种处理步骤可用作控制纤维以使该复合材料在动态储能模量的所需范围内的手段。如果动态机械分析测定特定复合材料具有低于预期的动态储能模量（例如低于8.0 x 109 dyn/cm2），这表明应进行进一步纤维洗涤和/或进一步表面处理（例如电晕处理、等离子体处理等）以进一步提高动态储能模量以落在所需范围内。
最优选的处理是纤维表面的电晕处理和纤维表面的等离子体处理。电晕处理是使纤维经过电晕放电站，由此使纤维网经过一系列高电压放电的方法，所述高电压放电倾向于以各种方式作用于纤维网的表面，包括点蚀、粗糙化和通过部分氧化纤维表面引入极性官能团。电晕处理通常氧化纤维表面和/或向纤维表面添加极性。电晕处理还通过在纤维表面中烧出小坑或孔发挥作用。当纤维可氧化时，氧化程度取决于电晕处理的功率、电压和频率之类的因素。在电晕放电场内的停留时间也是一个因素，这可通过电晕处理机设计或通过该方法的线速度控制。合适的电晕处理单元可例如获自Enercon Industries Corp., Menomonee Falls, Wis.，获自Sherman Treaters Ltd, Thame, Oxon., UK或获自Softal Corona & Plasma GmbH & Co of Hamburg, Germany。
在一个优选实施方案中，对纤维施以大约2 Watts/ft2/MIN至大约100 Watts/ft2/MIN，更优选大约20 Watts/ft2/MIN至大约50 Watts/ft2/MIN的电晕处理。大约1 Watts/ft2/MIN至大约5 Watts/ft2/MIN的较低能量的电晕处理也可用，较不有效。除向纤维表面施加电荷外，电晕处理可通过点蚀（pitting）纤维表面而使该表面粗糙化。
在等离子体处理中，通常为纤维网形式的纤维经过充满惰性或非惰性气体，如氧气、氩气、氦气、氨或另外适当的惰性或非惰性气体，包括上述气体的组合的室中的电离气氛，由此使纤维与放电接触。在纤维表面，带电颗粒（离子）碰撞表面导致动能转移和电子交换等。此外，表面与自由基之间的碰撞导致类似的化学重排。受激原子和松弛至低能态的分子发射的紫外线轰击纤维表面也导致纤维基底的化学变化。
由于这些相互作用，等离子体处理可以改变纤维的化学结构以及纤维表面的形貌。例如，类似于电晕处理，等离子体处理也可以向纤维表面添加极性和/或氧化纤维表面部分。等离子体处理也可用于提高纤维的表面能，降低接触角，改变纤维表面的交联密度，提高熔点和随后的涂料的锚固质量，并可以向纤维表面添加化学官能团和可能烧蚀纤维表面。这些效应同样取决于纤维化学，也取决于所用等离子体的类型。
气体的选择对所需表面处理是重要的，因为使用不同的等离子气体不同地改变表面的化学结构。这由本领域技术人员决定。已知的是，例如，可以使用氨等离子体将胺官能团引入纤维表面，并可以使用氧等离子体引入羧基和羟基。相应地，反应性气氛可包含氩气、氦气、氧气、氮气、氨和/或已知适用于织物的等离子体处理的其它气体中的一种或多种。该反应性气体可包含原子、离子、分子或自由基形式的这些气体中的一种或多种。例如，在本发明的优选连续方法中，使纤维阵列经过优选包含氩原子、氧分子、氩离子、氧离子、氧自由基以及其它痕量物类的受控反应性气氛。在一个优选实施方案中，该反应性气氛包含浓度为大约90%至大约95%氩和大约5%至大约10%氧的氩和氧，90/10或95/5的氩/氧浓度是优选的。在另一优选实施方案中，该反应性气体包含浓度为大约90%至大约95%氦和大约5%至大约10%氧的氦和氧，90/10或95/5的氦/氧浓度是优选的。另一可用的反应性气氛是零气体气氛（zero gas atmosphere,），即包含大约79%氮、大约20%氧和少量其它气体的室内空气，其在一定程度上也可用于电晕处理。
等离子体处理可以在真空室中或在保持在大气条件下的室中进行。等离子体处理与电晕处理的区别主要在于，等离子体处理在受控的反应性气体气氛中进行，而在电晕处理中，反应性气氛是空气。等离子体处理机中的气氛容易控制和保持，从而以比电晕处理更可控和灵活的方式实现表面极性。放电是通过射频（RF）能量，其将气体离解成电子、离子、自由基和亚稳产物。等离子体中产生的电子和自由基碰撞纤维表面，以破坏纤维表面上的共价键并产生自由基。在间歇法中，在预定反应时间或温度后，切断工艺气体和RF能量并除去剩余气体和其它副产物。在本文中优选的连续法中，使纤维阵列经过包含所选反应性气体的原子、分子、离子和/或自由基以及其它痕量物类的受控反应性气氛。不断生成和补充反应性气氛，可能达到稳态组成，并且不切断或猝灭直至停止涂布机。
等离子体处理可以使用任何可用的市售等离子体处理机，如可获自Softal Corona & Plasma GmbH & Co of Hamburg, Germany；4th State, Inc of Belmont California；Plasmatreat US LP of Elgin Illinois；Enercon Surface Treating Systems of Milwaukee, Wisconsin的等离子体处理机进行。优选的等离子体处理法在约大气压，即1 atm（760 mm Hg (760 torr)）下以大约室温（70℉-72℉）的室温度进行。等离子室内的温度可能由于处理过程而改变，但温度通常在处理过程中不独立地冷却或加热，并且被认为不影响纤维处理，因为它们快速通过等离子体处理机。等离子电极与纤维网之间的温度通常为大约100℃。等离子体处理法优选在大约0.5 kW至大约3.5 kW，更优选大约1.0 kW至大约3.05 kW的RF功率下进行，最优选使用设定在2.0 kW的大气等离子体处理机进行等离子体处理。这一功率分布在等离子体处理区的宽度（或电极的长度）上，这一功率也以与纤维网经过等离子体处理机的反应性气氛的线速度成反比的速率分布在基底或纤维网的长度上。每单位面积每单位时间的这种能量（瓦特/平方英尺/分钟或W/SQFT/MIN）或能量通量是可用于比较处理水平的方式。能量通量的有效值优选为大约0.5至大约200 Watts/SQFT/MIN，更优选大约1至大约100 Watts/SQFT/MIN，再更优选大约1至大约80 Watts/SQFT/MIN，最优选大约2至大约40 Watts/SQFT/MIN。总气体流速为大约16升/分钟，但这无意构成严格限制。纤维的等离子体处理时间（或停留时间）为大约2秒，尽管这与所用等离子体处理机的尺寸有关并且无意构成严格限制。更适当的度量是以随时间经过施加到每单位面积纤维上的RF功率计的等离子体处理量。
等离子体涂布是指活化纤维网的表面并使活化的纤维网经过含有乙烯基单体、乙烯基低聚物或一些其它反应性物类的气氛。等离子体涂布可以向纤维表面添加非常特异性的化学官能团并可以向纤维表面添加不同的聚合特性。在直接氟化处理中，通过用元素氟直接氟化纤维而改性纤维表面。例如，可以通过在25℃下使纤维表面与10% F2/90% He的混合物接触以在所述表面上沉积元素氟来氟化纤维表面。纤维表面上存在的元素氟充当与随后施加的涂料粘合用的官能团。也参见例如美国专利3,988,491和4,020,223，其经此引用并入本文，其教导了使用元素氟、元素氧和载气的混合物直接氟化纤维。UV接枝也是本领域中公知的方法。在防弹纤维表面的任选UV接枝法中，将纤维（或织物）浸泡在单体、光敏剂和溶剂的溶液中以用单体和光敏剂至少部分涂布纤维/织物表面。涂布的纤维然后如本领域中公知的那样用紫外线辐射照射。本领域技术人员按需要改变并容易确定单体类型、光敏剂类型和溶剂类型的特定选择。例如，如名为“Studies on surface modification of UHMWPE fibers via UV initiated grafting”的文章，Jieliang Wang等人，the Department of Applied Chemistry, School of Science, Northwestern Polytechnical University, Xi’an, Shaanxi 710072, PR China. Applied Surface Science, 第253卷, Issue 2, 2006年11月15日, 第668-673页（其公开内容在与本文相容的程度上经此引用并入本文）中所论述，可经由丙烯酰胺接枝单体将丙烯酰胺基团接枝到UHMWPE聚合物链上。
另外，本发明的纤维可以用一种或多于一种的这些任选处理法处理。例如，纤维可以通过铬蚀刻粗糙化并等离子体处理，或电晕处理并等离子体涂布，或等离子体处理并等离子体涂布。另外，本发明的复合材料和织物可包含一些处理过的纤维和一些未处理的纤维。例如，本文中的复合材料可以由一些电晕处理的纤维和一些等离子体处理的纤维，或一些氟化的纤维和一些未氟化的纤维制成。
这些处理各自在至少部分除去纤维表面整理剂之后但在施加任何粘合剂/基质树脂或其它表面被吸附物/涂料之前进行。最优选在刚要用聚合粘合剂材料或树脂涂布排列的纤维网之前处理暴露的纤维表面，因为其对纤维制造过程造成最低干扰并使纤维最短时间保持改性和不受保护的状态。理想的是在纤维从纤维卷筒（卷绕的纤维卷装）上退绕并将纤维排列成纤维网之后立即除去纤维表面整理剂和处理暴露的纤维表面，接着立即用聚合物/树脂涂料涂布或浸渍纤维。这也使纤维最短时间保持处理过的和未涂布的状态，应该考虑纤维的表面改性的贮存寿命或衰减速率。但是，这主要是由于对整个制造过程造成最低干扰而理想，不是实现该复合材料的动态储能模量或BFS性能的改进所必须的。
由于至少部分除去纤维整理剂和任选的表面处理，包含多个毗连纤维层的本发明的纤维复合材料具有至少大约8.0 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约8.5 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约9.0 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约9.5 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约10.0 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约12.0 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约15.0 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约20.0 x 109 dyn/cm2，最优选至少大约25.0 x 109 dyn/cm2的优选动态储能模量，都在25℃（77℉）的环境温度下在具有大约6毫米至大约8毫米宽度、大约40毫米长度和大约0.4毫米厚度的试样上，以大约20毫米的夹具之间的间隙距离、10 radians/sec的频率和大约0.1%的施加应变，在可变温度下测量。这些动态储能模量值与在所述条件下测试并具有上文规定的试样尺寸和形状的复合材料样品相关。特别应该对具有相同的组成层片/层数或相同厚度或相当的面密度的样品进行比较测量。任何比较测量都必须比较在相同测试温度下测试的样品。
如上所述具有所述动态储能模量值的纤维复合材料已被发现表现出明显低于具有比本发明的复合材料差的动态储能模量的复合材料的背衬凹陷深度。当组分纤维是聚乙烯纤维（其防弹能力天然优于其它纤维，但具有较低的对聚合物涂料的天然亲合力）时，这特别明显。在制造由其形成的聚乙烯基织物之前用，如上所述的处理的任何组合处理聚乙烯纤维表面以提高聚乙烯基复合材料的动态储能模量实现了相对优于任何其它纤维类型（包括芳族聚酰胺纤维）的结构性质、抗弹药穿透性和背衬凹陷深度抗性的组合。
在这方面，本发明的纤维复合材料在被以大约427 m/s至大约445 m/s（1430英尺/秒（fps） ± 30 fps）的速度射出的124格令（grain）9 mm FMJ RN射弹冲击时具有小于大约8 mm的对具有2.0 psf面密度的复合材料测得的优选背衬凹陷深度。这并不是说本发明的所有纤维复合材料或制品都具有2.0 psf的面密度，也不是说本发明的所有纤维复合材料或制品都对在所述速度下的所述FMJ RN射弹具有8 mm的BFS。这仅确定根据本发明的方法制成的复合材料的特征在于，当制造成2.0 psf板时，该2.0 psf板对在所述速度下的所述FMJ RN射弹具有小于大约8 mm的BFS。还应该理解的是，术语BFS、背衬变形、trauma signature和钝力伤不是测量由射弹冲击造成的复合材料凹进深度，而是测量由射弹冲击造成的在背衬材料中或在使用者身体内的凹进深度。这特别关系到硬装甲，特别是头盔装甲的研究，因为通常通过将原型头盔置于金属头部模型上来测试头盔BFS，其中通过将头盔与头部模型分开½英寸（1.27厘米）的悬挂系统将头盔固定在头部模型上。该头部模型的区块被粘土填充，并测量这些粘土区域中的凹进深度作为BFS，在测量中不包括这½英寸间距深度。这是为了将实验室BFS试验与军人在现场使用时经受的实际BFS相关联，其中由于头盔内部垫料或悬挂系统/固定工具（retention harness.），典型的头盔包含典型的与头部的1/2英寸偏距。另一方面，软装甲的BFS传统上通过将该装甲无间距地直接置于粘土表面上进行测试，这与其在实际现场使用中的位置一致。相应地，BFS深度测量结果与所用的试验方法相关，在比较BFS深度测量结果时，必须确认所用试验方法是要求将试样直接置于背衬材料上还是与背衬材料间隔开。在这方面，本发明的纤维复合材料的BFS试验都在2.0 psf样品与粘土背衬材料之间存在1/2英寸空间的情况下测量。在本发明的优选实施方案中，本发明的纤维复合材料在NIJ Standard 0101.04的射弹发射条件下被以大约427 m/s至大约445 m/s的速度射出的124格令9 mm FMJ射弹冲击时具有小于大约7 mm的更优选的背衬凹陷深度，更优选小于大约6 mm，更优选小于大约5 mm，更优选小于大约4 mm，更优选小于大约3 mm，更优选小于大约2 mm，最优选在被以大约427 m/s至大约445 m/s的速度射出的124格令9 mm FMJ RN射弹（不包括base在内，包含大约90%铜和10%锌的子弹）冲击时具有小于大约1 mm的背衬凹陷深度。针对以大约427 m/s至大约445 m/s的速度射出的124格令9 mm FMJ RN射弹测试BFS是本领域中常见的。
实现这些BFS值的所述纤维复合材料各自包含多个毗连纤维层，各纤维层包含具有至少部分被聚合材料覆盖的表面的纤维，其中所述纤维主要不含纤维表面整理剂以使所述聚合材料主要与纤维表面直接接触，并具有至少大约8.0 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约8.5 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约9.0 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约9.5 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约10.0 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约12.0 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约15.0 x 109 dyn/cm2，更优选至少大约20.0 x 109 dyn/cm2，最优选至少大约25.0 x 109 dyn/cm2的在具有上述尺寸的样品上测试的在25℃（77℉）的环境温度下的动态储能模量。实现这些BFS值和此类动态储能模量性质的所述纤维复合材料还优选表现出至少大约1750英尺/秒（fps）（533.40 m/s），更优选至少大约1800 fps（548.64 m/s），再更优选至少大约1850 fps（563.88 m/s），最优选至少大约1900 fps（579.12 m/s）的对17格令碎片模拟弹（FSP）的V50。所有上述V50值都是针对具有大约1.0 lbs/ft2（psf）（4.88 kg/m2 (ksm)）的复合材料面密度的装甲板。所有上述BFS值都是针对具有2.0 lbs/ft2（psf）（7.96 kg/m2 (ksm)）的复合材料面密度的装甲板。如BFS那样，这并不是说本发明的所有纤维复合材料或制品都具有特定面密度，也不是说本发明的所有纤维复合材料或制品都具有至少大约1750英尺/秒的对17格令FSP的V50。这仅确定根据本发明的方法制成的复合材料的特征在于，当制造成1.0 psf板时，该1.0 psf板具有至少大约1750英尺/秒的对17格令FSP的V50。
本文中形成的纤维层和复合材料优选是由高强度高拉伸模量聚合纤维形成的防弹复合材料。该纤维最优选包含可用于形成防弹材料和制品的高强度高拉伸模量纤维。本文所用的“高强度高拉伸模量纤维”是具有至少大约7克/旦或更大的优选韧度、至少大约150克/旦或更大的优选拉伸模量、至少大约8 J/g或更大的优选致断能量的纤维，各自通过ASTM D2256测量。本文所用的术语“旦”是指等于每9000米纤维或纱线的质量（以克计）的线性密度单位。本文所用的术语“韧度”是指以无应力试样的力（克）/单位线性密度（旦）表示的拉伸应力。纤维的“初始模量”是代表其抗形变性的材料性质。术语“拉伸模量”是指以克-力/旦（g/d）表示的韧度变化与以原始纤维长度的分数（in/in）表示的应变变化的比率。
形成纤维的聚合物优选是适用于制造防弹复合材料/织物的高强度高拉伸模量纤维。特别适用于形成防弹复合材料和制品的特别合适的高强度高拉伸模量纤维材料包括聚烯烃纤维，包括高密度和低密度聚乙烯。特别优选的是伸展链聚烯烃纤维，如高取向的高分子量聚乙烯纤维，特别是超高分子量聚乙烯纤维和聚丙烯纤维，特别是超高分子量聚丙烯纤维。芳族聚酰胺纤维也合适，特别是对芳族聚酰胺纤维、聚酰胺纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚萘二甲酸乙二醇酯纤维、伸展链聚乙烯醇纤维、伸展链聚丙烯腈纤维、聚苯唑纤维，如聚苯并噁唑（PBO）和聚苯并噻唑（PBT）纤维、液晶共聚酯纤维和其它刚性杆状纤维，如M5®纤维。这些纤维类型各自是本领域中传统已知的。上述材料的共聚物、嵌段聚合物和共混物也适用于制造聚合纤维。
防弹织物的最优选的纤维类型包括聚乙烯，特别是伸展链聚乙烯纤维、芳族聚酰胺纤维、聚苯唑纤维、液晶共聚酯纤维、聚丙烯纤维，特别是高取向的伸展链聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维和其它刚性杆状纤维，特别是M5®纤维。最优选的纤维尤其是芳族聚酰胺纤维。
在聚乙烯的情况下，优选的纤维是分子量为至少500,000，优选至少1百万，更优选2百万至5百万的伸展链聚乙烯。这样的伸展链聚乙烯（ECPE）纤维可以如经此引用并入本文的美国专利4,137,394或4,356,138中所述在溶液纺丝法中生长，或可以如也经此引用并入本文的美国专利4,551,296和5,006,390中所述由溶液纺丝以形成凝胶结构。用于本发明的特别优选的纤维类型是由Honeywell International Inc以商标SPECTRA®出售的聚乙烯纤维。SPECTRA®纤维是本领域中公知的并描述在例如美国专利4,623,547和4,748,064中。除聚乙烯外，另外可用的聚烯烃纤维类型是聚丙烯（纤维或带），如可购自Milliken & Company of Spartanburg, South Carolina的TEGRIS®纤维。
芳族聚酰胺（aromatic polyamide）或对芳族聚酰胺纤维也特别优选。这些可购得并描述在例如美国专利3,671,542中。例如，DuPont以商标KEVLAR®商业生产可用的聚(对苯二甲酰对苯二胺)。DuPont以商标NOMEX®商业生产的聚(间苯二甲酰间苯二胺)纤维和Teijin以商标TWARON®商业生产的纤维；Kolon Industries, Inc. of Korea以商标HERACRON®商业生产的芳族聚酰胺纤维；Kamensk Volokno JSC of Russia商业生产的对芳族聚酰胺纤维SVM™和RUSAR™和JSC Chim Volokno of Russia商业生产的ARMOS™对芳族聚酰胺纤维也可用于实施本发明。
适用于实施本发明的聚苯唑纤维可购得并公开在例如美国专利5,286,833、5,296,185、5,356,584、5,534,205和6,040,050中，各自经此引用并入本文。适用于实施本发明的液晶共聚酯纤维可购得并公开在例如美国专利3,975,487；4,118,372和4,161,470中，各自经此引用并入本文。合适的聚丙烯纤维包括如经此引用并入本文的美国专利4,413,110中所述的高取向的伸展链聚丙烯（ECPP）纤维。例如在经此引用并入本文的美国专利4,440,711和4,599,267中描述了合适的聚乙烯醇（PV-OH）纤维。例如在经此引用并入本文的美国专利4,535,027中公开了合适的聚丙烯腈（PAN）纤维。这些纤维类型各自是传统已知的并可广泛购得。
M5®纤维由吡啶并双咪唑-2,6-二基(2,5-二羟基-对亚苯基)形成，由Magellan Systems International of Richmond, Virginia制造并描述在例如美国专利5,674,969、5,939,553、5,945,537和6,040,478中，各自经此引用并入本文。所有上述材料的组合也合适，所有这些都可购得。例如，可以由芳族聚酰胺纤维、UHMWPE纤维（例如SPECTRA®纤维）、碳纤维等以及玻璃纤维和其它性能更低的材料中的一种或多种的组合形成纤维层。但是，BFS和V50值可随纤维类型而变。
该纤维可具有任何合适的旦数，例如，50至大约3000旦，更优选大约200至3000旦，再更优选大约650至大约2000旦，最优选大约800至大约1500旦。通过考虑防弹效力和成本来决定该选择。更细纤维的制造和织造成本更高，但可产生更大的每单位重量防弹效力。
如上所述，高强度高拉伸模量纤维是具有大约7克/旦或更大的优选韧度、大约150克/旦或更大的优选拉伸模量和大约8 J/g或更大的优选致断能量的纤维，各自通过ASTM D2256测量。在本发明的优选实施方案中，纤维的韧度应该为大约15克/旦或更大，优选大约20克/旦或更大，更优选大约25克/旦，再更优选大约30克/旦或更大，再更优选大约37克/旦或更大，再更优选大约40克/旦或更大，再更优选大约45克/旦或更大，再更优选大约50克/旦或更大，再更优选大约55克/旦或更大，最优选大约60克/旦或更大。优选的纤维还具有大约300克/旦或更大，更优选大约400克/旦或更大，更优选大约500克/旦或更大，更优选大约1,000克/旦或更大，最优选大约1,500克/旦或更大的优选拉伸模量。优选的纤维还具有大约15 J/g或更大，更优选大约25 J/g或更大，更优选大约30 J/g或更大的优选致断能量，最优选具有大约40 J/g或更大的致断能量。这些综合的高强度性质可使用公知方法获得。美国专利4,413,110、4,440,711、4,535,027、4,457,985、4,623,547、4,650,710和4,748,064大致论述了优选的高强度伸展链聚乙烯纤维的形成。此类方法，包括溶液生长或凝胶纤维法是本领域中公知的。形成各其它优选纤维类型，包括对芳族聚酰胺纤维的方法也是本领域中传统已知的，且这些纤维可购得。本发明的纤维复合材料还优选包含具有大约1.7克/立方厘米或更低的纤维面密度的纤维。
在按需要从纤维表面除去至少一部分纤维表面整理剂后和在任选在有效增强随后施加的被吸附物在纤维表面上的吸附性的条件下处理纤维表面后，随后任选将被吸附物施加到至少一些纤维的至少一部分上。本文所用的术语“吸附”（或“吸附性”）广义地旨在包括任何材料（固体、液体、气体或等离子体）物理吸附和化学吸附在纤维表面上，其中“物理吸附”在本文中被定义为是材料在纤维表面上的物理粘合，“化学吸附”在本文中被定义为是材料在纤维表面上的化学结合，其中在暴露的纤维（即吸附剂）表面发生化学反应。本文所用的术语“吸附”旨在包括将材料物理或化学粘贴、粘着或粘合到基底表面上的任何可能的手段，包括但不限于，提高纤维在聚合物基质中的纤维润湿/粘合的手段。这明确包括任何固体、液体或气体材料粘着或涂布在纤维表面上，包括任何单体、低聚物、聚合物或树脂并包括任何有机材料或无机材料施加到纤维表面上。在这方面，“被吸附物”的定义也无意构成限制并明确包括可用作聚合物粘合剂材料、树脂或聚合基质材料的所有聚合物。但是，对本发明而言，可用的被吸附物的种类明确排除没有粘合性质的材料，包括纤维表面整理剂物质，如纺丝整理剂材料，它们不是具有粘合性质的粘合剂材料，相反根据本发明专门从纤维表面除去。
对本发明而言，需要施加聚合物粘合剂材料被吸附物，如树脂以获得具有所需动态储能模量的复合材料。相应地，用聚合粘合剂材料涂布或浸渍形成本发明的机织物或非织造织物的纤维。该聚合粘合剂材料部分或基本涂布纤维层的各个纤维，优选基本涂布各纤维层的各个纤维。该聚合粘合剂材料在本领域中也常被称作“聚合基质”材料，且这些术语在本文中可互换使用。这些术语是本领域中传统已知的并描述通过其固有的粘合特性或在经受公知的热和/或压力条件后将纤维粘合在一起的材料。这种“聚合基质”或“聚合粘合剂”材料还可以为织物提供其它合意的性质，如耐磨性和对有害环境状况的耐受性，因此即使其粘合性质不重要（如对机织物而言），也可能希望用这种粘合剂材料涂布纤维。
合适的聚合粘合剂材料包括低模量弹性体材料和高模量刚性材料两者。本文中通篇所用的术语拉伸模量是指对纤维而言通过ASTM 2256和对聚合粘合剂材料而言通过ASTM D638测得的弹性模量。低或高模量粘合剂可包含多种聚合和非聚合材料。优选的聚合粘合剂包含低模量弹性体材料。对本发明而言，低模量弹性体材料具有大约6,000 psi（41.4 MPa）或更低的根据ASTM D638测试程序测得的拉伸模量。低模量聚合物优选具有大约4,000 psi（27.6 MPa）或更低，更优选大约2400 psi（16.5 MPa）或更低，更优选1200 psi（8.23 MPa）或更低，最优选大约500 psi（3.45 MPa）或更低的弹性体拉伸模量。弹性体的玻璃化转变温度（Tg）优选低于大约0℃，更优选低于大约-40℃，最优选低于大约-50℃。该弹性体还具有至少大约50%，更优选至少大约100%的优选致断伸长，最优选具有至少大约300%的致断伸长。
多种多样的具有低模量的材料和制剂可用作聚合粘合剂。代表性实例包括聚丁二烯、聚异戊二烯、天然橡胶、乙烯-丙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物、聚硫化物聚合物、聚氨酯弹性体、氯磺化聚乙烯、聚氯丁烯、塑化聚氯乙烯、丁二烯丙烯腈弹性体、聚(异丁烯-共聚-异戊二烯)、聚丙烯酸酯、聚酯、聚醚、含氟弹性体、有机硅弹性体、乙烯共聚物、聚酰胺（可用于某些纤维类型）、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯及其组合，以及在低于纤维的熔点下可固化的其它低模量聚合物和共聚物。不同弹性体材料的共混物或弹性体材料与一种或多种热塑性塑料的共混物也优选。
共轭二烯和乙烯基芳族单体的嵌段共聚物特别有用。丁二烯和异戊二烯是优选的共轭二烯弹性体。苯乙烯、乙烯基甲苯和叔丁基苯乙烯是优选的共轭芳族单体。包含聚异戊二烯的嵌段共聚物可氢化产生具有饱和烃弹性体链段的热塑性弹性体。该聚合物可以是A-B-A类型的简单三嵌段共聚物、(AB)n（n= 2-10）类型的多嵌段共聚物或R-(BA)x（x=3-150）类型的放射构造共聚物；其中A是来自聚乙烯基芳族单体的嵌段且B是来自共轭二烯弹性体的嵌段。许多这些聚合物由Kraton Polymers of Houston, TX商业生产并描述在通报“Kraton Thermoplastic Rubber”, SC-68-81中。以商标PRINLIN®出售并可购自Henkel Technologies（位于Düsseldorf, Germany）的苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯（SIS）嵌段共聚物的树脂分散体也可用。特别优选的低模量聚合粘合剂聚合物包含Kraton Polymers商业生产的以商标KRATON®出售的苯乙烯嵌段共聚物。特别优选的聚合粘合剂材料包含以商标KRATON®出售的聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯-嵌段共聚物。
尽管低模量聚合基质粘合剂材料最可用于形成软质装甲，如防弹背心，但可用于形成硬质装甲制品，如头盔的高模量刚性材料在此特别优选。优选的高模量刚性材料通常具有高于6,000 psi的初始拉伸模量。在此可用的优选的高模量刚性聚合粘合剂材料包括聚氨酯（醚和酯基）、环氧树脂、聚丙烯酸酯、酚类/聚乙烯醇缩丁醛（PVB）聚合物、乙烯酯聚合物、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物，以及聚合物的混合物，如乙烯酯与邻苯二甲酸二烯丙酯，或酚醛与聚乙烯醇缩丁醛。用于本发明的特别优选的刚性聚合粘合剂材料是热固性聚合物，优选可溶于碳-碳饱和溶剂，如甲乙酮并在固化时具有通过ASTM D638测得的至少大约1x106 psi（6895 MPa）的高拉伸模量。特别优选的刚性聚合粘合剂材料是美国专利6,642,159中描述的那些，其公开内容经此引用并入本文。该聚合粘合剂，无论是低模量材料还是高模量材料，还可包括填料，如炭黑或二氧化硅，可以用油增量，或可以如本领域中公知的那样用硫、过氧化物、金属氧化物或辐射固化体系硫化。
最尤其优选的是极性树脂或极性聚合物，特别是在拉伸模量为大约2,000 psi（13.79 MPa）至大约8,000 psi（55.16 MPa）的柔性和刚性材料范围内的聚氨酯。优选的聚氨酯作为最优选但不是必须无助溶剂的水性聚氨酯分散体使用。这包括水性阴离子聚氨酯分散体、水性阳离子聚氨酯分散体和水性非离子聚氨酯分散体。特别优选的是水性阴离子聚氨酯分散体；水性脂族聚氨酯分散体，最优选的是水性阴离子型脂族聚氨酯分散体，所有这些都优选是无助溶剂的分散体。这包括水性阴离子聚酯基聚氨酯分散体；水性脂族聚酯基聚氨酯分散体；和水性阴离子型脂族聚酯基聚氨酯分散体，所有这些都优选是无助溶剂的分散体。这还包括水性阴离子聚醚聚氨酯分散体；水性脂族聚醚基聚氨酯分散体；和水性阴离子型脂族聚醚基聚氨酯分散体，所有这些都优选是无助溶剂的分散体。类似优选的是水性阳离子和水性非离子分散体的所有相应的变体（聚酯基；脂族聚酯基；聚醚基；脂族聚醚基等）。最优选的是具有大约700 psi或更大的在100%伸长下的模量的脂族聚氨酯分散体，特别优选的范围是700 psi至大约3000 psi。更优选的是具有大约1000 psi或更大，再更优选大约1100 psi或更大的在100%伸长下的模量的脂族聚氨酯分散体。最优选的是具有1000 psi或更大，优选1100 psi或更大的模量的脂族聚醚基阴离子聚氨酯分散体。
由本发明的复合材料形成的制品的刚性、冲击和防弹性质受涂布纤维的聚合粘合剂聚合物的拉伸模量影响。例如，美国专利4,623,574公开了用拉伸模量小于大约6,000 psi（41,300 kPa）的弹性体基质构造的纤维增强复合材料与用更高模量的聚合物构造的复合材料相比以及与无聚合粘合剂材料的相同纤维结构相比都具有更优的防弹性质。但是，低拉伸模量聚合粘合剂材料聚合物也产生较低刚性的复合材料。此外，在某些用途，特别是复合材料必须以防弹和结构模式发挥作用的那些用途中，需要防弹性与刚性的优异组合。相应地，所用的聚合粘合剂聚合物的最适当类型随要由本发明的复合材料形成的制品的类型而变。为了实现这两种性质的折衷，合适的聚合粘合剂可组合低模量和高模量材料两者以形成单一聚合粘合剂。
该聚合粘合剂材料可以同时或相继施加到排列为纤维网（例如平行阵列或毡）的许多纤维上以形成涂布网，施加到机织物上以形成涂布的机织物，或作为另一布置，由此用粘合剂浸渍纤维层。本文所用的术语“浸渍”与“嵌入”以及“涂布”或以其它方式施加涂料同义，其中粘合剂材料扩散到纤维层中而非简单位于纤维层表面上。也可以将该聚合材料施加到不是纤维网的一部分的至少一系列纤维上，接着将这些纤维织造成机织物或接着根据本文中之前描述的方法配制非织造织物。形成机织和非织造纤维层片、层和织物的技术是本领域中公知的。
尽管不要求，构成机织纤维层的纤维至少部分用聚合粘合剂涂布，接着进行与对非织造纤维层进行的类似的固结步骤。可以进行这种固结步骤以使多个机织纤维层互相合并，或进一步使粘合剂与所述机织物的纤维合并。例如，多个机织纤维层不一定必须固结，并可通过其它手段，如借助常规粘合剂或通过缝合接合。
通常，聚合粘合剂涂料是有效合并，即固结多个非织造纤维层片所必需的。可以将聚合粘合剂材料施加到各纤维的整个表面积上或仅施加到纤维的部分表面积上。最优选将聚合粘合剂材料的涂料施加到构成本发明的纤维层的各单纤维的基本整个表面积上。如果纤维层包含多根纱线，优选用聚合粘合剂材料涂布构成单股纱的各纤维。
任何适当的施加方法可用于施加该聚合粘合剂材料且术语“涂布”无意限制将其施加到长丝/纤维上的方法。使用本领域技术人员容易确定的任何适当的方法将聚合粘合剂材料直接施加到纤维表面上，粘合剂随后通常如本文所述扩散到纤维层中。例如，该聚合粘合剂材料可以通过将该聚合物材料的溶液喷涂、挤出或辊涂到纤维表面上而以溶液、乳状液或分散体形式施加，其中一部分溶液包含所需聚合物，且一部分溶液包含能够溶解或分散该聚合物的溶剂，接着干燥。或者，可以使用传统已知的技术，如通过狭缝模头，或通过本领域中公知的其它技术，如直接凹版、Meyer棒和气刀系统，将聚合粘合剂材料挤出到纤维上。另一方法是将粘合剂材料的纯聚合物以液体、粘稠固体或悬浮的颗粒、或流化床形式施加到纤维上。或者，可作为在施加温度下不会不利地影响纤维性质的合适溶剂中的溶液、乳状液或分散体施加涂料。例如，可以将纤维传送经过聚合粘合剂材料的溶液以基本涂布纤维，然后干燥。
在另一涂布技术中，可以将纤维浸在含有溶解或分散在合适溶剂中的聚合粘合剂材料的溶液浴中，然后通过溶剂的蒸发或气化干燥。这种方法优选用该聚合材料至少部分涂布各单纤维，优选用聚合粘合剂材料基本涂布或包封各单纤维并覆盖整个或基本整个长丝/纤维表面积。浸渍程序可以按需要重复数次以将所需量的聚合物材料施加到纤维上。
可以使用其它将涂料施加到纤维上的技术，包括在适当时涂布凝胶纤维前体，如通过使凝胶纤维在获得所需涂层的条件下经过适当的涂料聚合物的溶液。或者，可以将纤维挤出到适当的聚合物粉末的流化床中。
尽管必须在至少部分除去纤维表面整理剂后，优选在增强随后施加的被吸附物在纤维表面上的吸附性的表面处理后用聚合粘合剂涂布纤维，但可以在将纤维排列成一个或多个层片/层之前或之后，或在将纤维织成机织物之前或之后用聚合粘合剂涂布纤维。可以使用本领域中公知的技术使用任何织物组织，如平纹组织、四经破缎纹（crowfoot）组织、方平组织、缎纹组织、斜纹组织等形成机织物。在织造之前或之后，各机织物材料的单纤维可以被或不被聚合粘合剂材料涂布。通常在用聚合粘合剂涂布纤维之前进行织物的织造，其中由此用粘合剂浸渍该机织物。但是，本发明无意受到将聚合粘合剂施加到纤维上的阶段限制，也不受用于施加聚合粘合剂的手段限制。
非织造织物的制造方法是本领域中公知的。在本文中的优选实施方案中，将多根纤维排列成至少一个阵列，通常排列成包含以基本平行的单向阵列排列的多根纤维的纤维网。如上所述，在用于形成非织造单向排列纤维层片的典型方法中，从筒子架供应纤维束并经由导辊和一个或多个舒展杆引导到准直梳中，接着用聚合粘合剂材料涂布纤维。典型的纤维束具有大约30至大约2000根单纤维。舒展杆和准直梳分散和铺开成束纤维，使它们以共面方式并排重组。理想的纤维铺展使得单长丝或单纤维在单纤维面中彼此紧邻布置，以形成纤维的基本单向的平行阵列，而没有纤维互相重叠。此时，在这种铺展步骤之前或之中除去纤维表面整理剂可增强和加速纤维铺展成这种平行阵列。
在用粘合剂材料涂布纤维后，将涂布的纤维成形成包含多个重叠的非织造纤维层片（它们固结成单层整体元件）的非织造纤维层。在本发明的优选非织造织物结构中，形成多个堆叠的重叠单向带，其中相对于各单层片的纵向纤维方向，各单层片（单向带）的平行纤维与各相邻单层片的平行纤维正交布置。重叠的非织造纤维层片的堆叠体在热和压力下固结或通过粘贴各纤维层片的涂料固结，以形成单层整体元件，其在本领域中也被称作单层固结网络，其中“固结网络”描述纤维层片与聚合基质/粘合剂的固结（融合）组合。本发明的制品还可包含机织物与非织造织物的杂化固结组合以及由单向纤维层片形成的非织造织物与无纺毡织物的组合。
最通常，非织造纤维层或织物包括1至大约6个层片，但可以视各种用途的需要包括多达大约10至大约20个层片。较大的层片数意味着较大防弹性，但也意味着较大重量。相应地，构成本发明的纤维层复合材料和/或织物复合材料或制品的纤维层片数随该织物或制品的最终用途而变。例如，在用于军事用途的防弹背心中，为了形成实现所需的1.0磅/平方英尺或更低面密度（4.9千克/平方米）的复合材料制品，可能需要总共大约100个层片（或层）至大约50个单层片（或层），其中这些层片/层可以是由本文所述的高强度纤维形成的机织、针织、毛毡或非织造织物（具有平行取向纤维或其它排列）。在另一实施方案中，用于执法用途的防弹背心可具有基于NIJ威胁等级的层片/层数。例如，对NIJ Threat Level IIIA背心而言，可能有总共40个层片。对较低NIJ Threat Level而言，可以使用更少的层片/层。与其它已知的防弹结构相比，本发明能够并入更大数量的纤维层片以实现所需防弹水平，而不提高织物重量。
如本领域中传统已知的那样，当各纤维层片交叉层叠以使一个层片的纤维排列方向相对于另一层片的纤维排列方向以一定角度旋转时实现优异的防弹性。纤维层片最优选以0º和90º角正交交叉层叠，但相邻层片可相对于另一层片的纵向纤维方向以在大约0º和大约90º之间的几乎任何角度排列。例如，五层非织造结构可具有以0º/45º/90º/45º/0º或其它角度取向的层片。这样的旋转单向排列描述在例如美国专利4,457,985；4,748,064；4,916,000；4,403,012；4,623,574；和4,737,402，所有这些都在不与本文冲突的程度上经此引用并入本文。
固结纤维层片以形成纤维层和复合材料的方法是公知的，如通过美国专利6,642,159中描述的方法。可通过干燥、冷却、加热、压力或它们的组合实现固结。热和/或压力可能不是必要的，因为纤维或织物层可以仅胶粘在一起，如湿层合法的情况中那样。通常，通过在足以使这些层片合并成整体织物的热和压力条件下将各纤维层片互相叠加来进行固结。固结可以在大约50℃至大约175℃，优选大约105℃至大约175℃的温度下和在大约5 psig（0.034 MPa）至大约2500 psig（17 MPa）的压力下进行大约0.01秒至大约24小时，优选大约.02秒至大约2小时。在加热时，可以使聚合粘合剂涂料发粘或流动而不完全熔融。但是，通常，如果使聚合粘合剂材料（如果其能够熔融）熔融，需要相对较小的压力形成复合材料，而如果仅将粘合剂材料加热至发粘点，通常需要更大压力。如本领域中传统已知的那样，可以在轧光辊组（calender set）、平板层合机、压机或高压釜中进行固结。最通常，用粘合剂聚合物将多个正交纤维网“胶粘”在一起并经过平板层合机以改进粘合的均匀性和强度。此外，固结和聚合物施加/粘合步骤可包含两个单独的步骤或单个固结/层合步骤。
或者，可以通过在合适的模制装置中在热和压力下模制实现固结。通常，在大约50 psi（344.7 kPa）至大约5,000 psi（34,470 kPa），更优选大约100 psi（689.5 kPa）至大约3,000 psi（20,680 kPa），最优选大约150 psi（1,034 kPa）至大约1,500 psi（10,340 kPa）的压力下进行模制。或者可以在大约5,000 psi（34,470 kPa）至大约15,000 psi（103,410 kPa），更优选大约750 psi（5,171 kPa）至大约5,000 psi，更优选大约1,000 psi至大约5,000 psi的更高压力下进行模制。模制步骤可花费大约4秒至大约45分钟。优选的模制温度为大约200℉（~93℃）至大约350℉（~177℃），更优选在大约200℉至大约300℉的温度下，最优选在大约200℉至大约280℉的温度下。模制本发明的纤维层和织物复合材料的压力通常对所得模制品的刚性或挠性具有直接影响。在较高压力下模制通常产生较硬的材料，直至一定极限。除模制压力外，纤维层片的量、厚度和组成以及聚合粘合剂涂料类型也直接影响由该复合材料形成的制品的刚性。
尽管本文所述的各模制和固结技术类似，但各方法不同。特别地，模制是间歇法，固结是大致连续法。此外，模制通常涉及使用模具，如成型模具或在形成平板时为配套模具（match-die mold），并且不一定产生平面产品。通常在平板层合机、轧光咬送辊组（calendar nip set）中或作为湿层合进行固结以制造软质（柔性）防弹衣织物。模制通常用于制造硬装甲，例如刚性板。在任一方法中，合适的温度、压力和时间通常取决于聚合粘合剂涂料的类型、聚合粘合剂含量、所用方法和纤维类型。
为了制造具有充足防弹性质的织物制品，粘合剂/基质涂料的总重量优选占纤维 + 涂料重量的大约2重量%至大约50重量%，更优选大约5%至大约30%，更优选大约7%至大约20%，最优选大约11%至大约16重量%，其中对非织造织物而言16%是最优选的。较低粘合剂/基质含量适合机织物，其中大于0但小于纤维 + 涂料重量的10重量%的聚合粘合剂含量通常最优选。这无意构成限制。例如，酚类/PVB浸渍的机织芳族聚酰胺织物有时以大约20%至大约30%的更高树脂含量制造，尽管大约12%含量通常优选。
在纤维层的织造或固结后，可以通过常规方法将任选的热塑性聚合物层粘附到纤维复合材料的一个或两个外表面上。适用于该热塑性聚合物层的聚合物非排他地包括热塑性聚合物，其非排他地选自聚烯烃、聚酰胺、聚酯（特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和PET共聚物）、聚氨酯、乙烯基聚合物、乙烯乙烯醇共聚物、乙烯辛烷共聚物、丙烯腈共聚物、丙烯酸聚合物、乙烯基聚合物、聚碳酸酯、聚苯乙烯、含氟聚合物等以及它们的共聚物和混合物，包括乙烯乙酸乙烯酯（EVA）和乙烯丙烯酸。天然和合成橡胶聚合物也可用。其中，聚烯烃和聚酰胺层是优选的。优选的聚烯烃是聚乙烯。可用的聚乙烯的非限制性实例是低密度聚乙烯（LDPE）、线性低密度聚乙烯（LLDPE）、中密度聚乙烯（MDPE）、线性中密度聚乙烯（LMDPE）、线性极低密度聚乙烯（VLDPE）、线性超低密度聚乙烯（ULDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）和它们的共聚物和混合物。可购自Spunfab, Ltd, of Cuyahoga Falls, Ohio的SPUNFAB®聚酰胺网（Keuchel Associates, Inc.的注册商标）以及可购自Protechnic S.A. of Cernay, France的THERMOPLAST™和HELIOPLAST™网、网络和膜也可用。该热塑性聚合物层可以使用公知技术，如热层合粘合到复合材料表面上。通常，通过在足以使这些层合并成整体膜的热和压力条件下将各层互相叠加布置来进行层合。将各层互相叠加布置，然后通常通过本领域中公知的技术使该组合经过一对加热层合辊的辊隙。层合加热可以在大约95℃至大约175℃，优选大约105℃至大约175℃的温度下、在大约5 psig（0.034 MPa）至大约100 psig（0.69 MPa）的压力下进行大约5秒至大约36小时，优选大约30秒至大约24小时。
各织物/复合材料/纤维层的厚度对应于单纤维的厚度和并入织物中的纤维层的数量。优选的机织物具有大约25微米至大约600微米/层，更优选大约50微米至大约385微米，最优选大约75微米至大约255微米/层的优选厚度。优选的非织造织物，即非织造的单层固结网络具有大约12微米至大约600微米，更优选大约50微米至大约385微米，最优选大约75微米至大约255微米的优选厚度，其中单层固结网络通常包括两个固结层片（即两个单向带）。任何热塑性聚合物层优选非常薄，具有大约1微米至大约250微米，更优选大约5微米至大约25微米，最优选大约5微米至大约9微米的优选层厚度。不连续网，如SPUNFAB®非织造网优选具有6克/平方米（gsm）的基重。尽管这些厚度是优选的，但要理解的是，可以制造其它厚度以满足特定需要，但仍落在本发明的范围内。
本发明的织物/复合材料在固结/模制前具有大约20克/平方米（0.004磅/平方英尺（psf））至大约1000 gsm（0.2 psf）的优选面密度。本发明的织物/复合材料在固结/模制前的更优选的面密度为大约30 gsm（0.006 psf）至大约500 gsm（0.1 psf）。本发明的织物/复合材料在固结/模制前的最优选的面密度为大约50 gsm（0.01 psf）至大约250 gsm（0.05 psf）。包含互相堆叠并固结的多个纤维层的本发明的制品具有大约1000 gsm（0.2 psf）至大约40,000 gsm（8.0 psf），更优选大约2000 gsm（0.40 psf）至大约30,000 gsm（6.0 psf），更优选大约3000 gsm（0.60 psf）至大约20,000 gsm（4.0 psf），最优选大约3750 gsm（0.75 psf）至大约15,000 gsm（3.0 psf）的优选复合材料面密度。成型成头盔的复合材料制品的典型范围为大约7,500 gsm（1.50 psf）至大约12,500 gsm（2.50 psf）。
本发明的织物可用于多种用途以使用公知技术形成多种不同的防弹制品，包括柔性软质装甲制品以及刚性硬质装甲制品。例如，适用于形成防弹制品的技术描述在例如美国专利4,623,574、4,650,710、4,748,064、5,552,208、5,587,230、6,642,159、6,841,492和6,846,758，所有这些都在不与本文冲突的程度上经此引用并入本文。该复合材料特别可用于形成硬质装甲和在制造硬质装甲制品的过程中形成的成型或未成型的组件中间体。“硬质”装甲是指具有充足机械强度以在经受显著量应力时保持结构刚性并能自立而不扁塌的制品，如头盔、军用车辆的板或防护屏。这样的硬质制品优选，但不是必须使用高拉伸模量粘合剂材料形成。
可以将该结构切割成许多分立的片并堆叠以形成制品，或可以将它们成型成前体，其随后用于形成制品。这样的技术是本领域中公知的。在本发明的一个最优选的实施方案中，提供多个纤维层，各自包含固结的多个纤维层片，其中在固结多个纤维层片的固结步骤之前、之中或之后将热塑性聚合物粘合到各纤维层的至少一个外表面上，其中随后通过将多个纤维层固结成装甲制品或装甲制品的组件（sub-assembly）的另一固结步骤合并多个纤维层。
可以根据本领域中公知的技术测量本发明的纤维复合材料的防弹性质，包括抗弹药穿透性和背衬凹陷深度。
下列实施例用于例示本发明：。
实施例
评估纤维整理剂脱除和任选其它纤维表面处理对各种复合材料的动态储能模量和背衬凹陷深度性能的影响，以产生下表2中指定的结果。如下进行纤维加工技术：
纤维整理剂脱除
多根复丝纤维从多个纤维卷筒（每根复丝纤维一个卷筒）上退绕，然后经过固定的准直梳以将纤维组织成均匀间隔的纤维网。然后将纤维网导过含有去离子水的预浸泡水浴，大致停留时间为大约18秒。在离开预浸泡水浴后，通过一排（a bank of）30个喷水嘴冲洗纤维。各喷水嘴的水压为大约42 psi，水流速为每个喷嘴大约0.5加仑/分钟。离开喷嘴的水形成为相对扁平的流，水在纤维上的接触角相对于相邻喷嘴射出的流的入射角为0º或30º。测得水温为28.9℃。经过预浸泡水浴和经过一排喷水嘴的线速度为大约4 m/min至大约20 m/min。浸泡浴中的水和输往喷嘴的水通过首先经过单独的去离子系统去离子。洗过的纤维随后干燥并送往进一步加工。
表1概括仅用于例示某些洗涤变量如何影响从纤维上除去的整理剂的量的代表性实施例。各样品由一起成束在一个样品卷筒上的4个端（ends）构成。各样品行进至少400英尺，总计每个样品60克纤维。纤维上的%残留代表在根据表中规定的条件洗涤后留在纤维上的整理剂的量的重量分析测量结果。该重量分析测量结果基于与未洗涤的对照纤维上存在的整理剂的量的比较。
表 1
样品 喷嘴类型 喷嘴压力 (psi) 线速度 (Ft/ min) 喷嘴输出量 (gpm) 纤维上的%残留
I A1 42 15 0.20 2.3
II B1 30 15 0.29 2.4
III C1 30 15 0.41 3.1
IV C2 15 15 0.30 3.1
V A2 42 15 0.20 4.0
VI B2 30 15 0.29 4.1
VII A3 56 50 0.23 5.0
VIII C3 15 15 0.30 5.1
IX A4 56 30 0.23 5.5
X C4 30 15 0.41 5.9
XI C5 34 30 0.44 5.9
XII C6 34 60 0.44 6.2
电晕处理
洗过的纤维的18-英寸宽的网幅以大约15 ft/min的速率连续经过具有30英寸宽的电极的电晕处理机，该电晕处理机设定为2kW功率。这导致功率分布在纤维面积上，以瓦特密度计2000W/(2.5Ft x 15-FPM)或53 Watts/ft2/min施加到纤维上。纤维在电晕场内的停留时间为大约2秒。在标准大气压下进行处理。
等离子体处理
洗过的纤维的29-英寸宽的网幅以大约12 ft/min的速率连续经过大气等离子体处理机（型号：Enercon Plasma3 Station Model APT12DF-150/2，来自Enercon Industries Corp.，具有29英寸宽的电极），该等离子体处理机设定为2kW功率。这导致功率分布在纤维面积上，以瓦特密度计2000W/(29 in. x 12-FPM)或67 Watts/ft2/min施加到纤维上。纤维在等离子体处理机内的停留时间为大约2秒。在标准大气压下进行处理。
动态储能模量的测量
在下面例示的所有本发明的实施例中，在非织造纤维层上进行动态机械分析以测量动态储能模量。使用来自TA Instruments的RSA 3 DMA测试机进行测试。
将受试复合材料的纤维嵌在各种聚合粘合剂（聚合基质）材料中。各复合材料包含相同的聚乙烯纤维类型，各自在纤维上包含不同的阴离子脂族聚酯基聚氨酯涂料。比较各种处理以显示纤维处理的作用，其中纤维处理是唯一变量。通过在大约270℉（132℃）的温度和大约2777 psi的压力下一起模制两个2-层片纤维层以形成4-层片复合材料，形成该复合材料。
测试程序如下：
1. 在压机中在270℉和2777 psi下模制2个12" × 12"交叉层叠的2-层片单向纤维层以制造4-层片板。　
2. 在此基础上，从该板上切割大约6-8毫米宽的试样（与纵向和横向呈45度）。　
3. 测量试样的宽度和厚度。　
4. 将TA Instruments RSA 3 DMA装置的上下夹具之间的间隙距离设定为20毫米。　
5. 试验频率设定为10 rad/s，施加的应变为0.1%。　
6. 在大约25℃开始加热样品，以1℃为间隔测量动态储能模量（E’） 直至130℃。　
7. 随温度相关地记录动态储能模量，包括记录在25℃和71℃（160℉）的值。　
8. 根据这种方法测试来自各样品的两个试样并平均结果。
V50 测量
根据传统已知的标准化技术，特别是根据Department of Defense Test Method Standard MIL-STD-662F的条件获取V50数据。
背衬凹陷深度测量
通过与NIJ Standard 0101.04, Type IIIA的方法类似的新设计的方法测量表3A中指定的背衬凹陷深度数据——不是将复合材料制品直接放在平粘土块上，而是通过在复合材料制品与粘土块之间插入定制加工的间隔件使该复合材料与粘土块隔开½英寸（12.7毫米）。定制加工的间隔件包含具有边界和由所述边界划定的内腔的元件，其中透过该内腔暴露出粘土，且其中间隔件与粘土的正面直接接触布置。射弹在与该间隔件的内腔对应的目标位置射向该复合材料制品。射弹在与间隔件的内腔对应的位置冲击复合材料制品，且每次射弹冲击造成粘土中的可测量的凹进。表3A中的所有BFS测量仅是指根据这种方法在粘土中的凹进深度并且不考虑间隔件的深度，即表3A中的BFS测量不包括复合材料与粘土之间的实际距离。
层离测量
表3A中的层离是指实际受试板的后部变形深度的测量，而非背衬材料的凹进深度。这被称作“层离”，因为其不是测量粘土凹进。层离的这种测量结果小于BFS测量结果 + 1/2”（12.7 mm）气隙深度，因为在射弹冲击后，冲击区域处的织物部分回缩。层离测量在所述回缩后进行，而用本文所述的气隙法进行的BFS测量记录织物的后部变形的完整程度。通常通过切开板的横截面并测量从板的未受损背面的平面到变形区的最深外部的深度来测量在所述回缩后的变形。
对于各实施例，测量具有2.0磅/平方英尺（psf）的面密度和53克/平方米（gsm）的纤维面密度（单个平行纤维层片，即一个单向带的面密度）的12” x 12”正方形样品的BFS。对于各实施例，针对以大约1430英尺/秒（fps） ± 30 fps的速度射出的9 mm 124格令FMJ RN射弹测量BFS。
表2显示在比较由未洗涤和未处理的纤维形成的织物与由经受各种处理的纤维形成的织物时测得的动态储能模量的差异。产品A、B和C各自包含相同的聚乙烯纤维类型且各自在纤维上包含不同的阴离子脂族聚酯基聚氨酯涂料。
表 2
PROD A PROD A PROD B PROD B PROD C PROD C
动态储能模量(dyn/cm2) X 109 动态储能模量(dyn/cm2) X 109 动态储能模量(dyn/cm2) X 109 动态储能模量(dyn/cm2) X 109 动态储能模量(dyn/cm2) X 109 动态储能模量(dyn/cm2) X 109
处理 环境温度 160℉ 环境温度 160℉ 环境温度 160℉
无 12.0 5.7 7.1 4.0 6.5 3.5
洗涤 9.6 6.5 9.2 5.3 9.3 4.4
电晕 15.0 7.1 7.7 3.8 13.0 5.2
等离子体 (Ar/O2 90/10) 19.0 7.6 7.4 3.2 8.0 3.1
等离子体 (He/O2 90/10) 28.0 11.0 10.0 4.6 9.8 4.3
洗涤& 等离子体 (Ar/O2 90/10) 26.0 13.0 9.7 4.2 12.0 5.5
表3A显示在比较由未洗涤和未处理的纤维形成的织物与由经受各种处理的纤维形成的织物时测得的BFS和层离的差异。各产品I-VI包含相同的聚乙烯纤维类型且各自在纤维上包含不同的阴离子脂族聚酯基聚氨酯涂料。表3A中的最后两列——指定BFS + ½”（12.7 mm）间隙减去层离——确定织物回缩量并显示用于测量硬质装甲在实际现场使用中的BFS的完整预期程度的气隙间隔BFS测量法的更高准确度。
表 3A
表3B显示如通过纤维处理区别开的抗弹药穿透性（V50）和动态储能模量（E’）性质的差异。
表 3B
尽管已参照优选实施方案特别显示和描述了本发明，但本领域普通技术人员容易认识到，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下作出各种变动和修改。权利要求书旨在被解释为涵盖所公开的实施方案、上文已论述的那些备选方案和它们的所有等同物。

Claims (15)

1.纤维上的聚合粘合剂涂料的动态机械分析方法，所述方法包括：
a) 提供包含固结的多个交叉层叠的纤维层片的第一纤维复合材料，各纤维层片包含多根平行纤维，各所述纤维具有主要被纤维表面整理剂覆盖的表面并具有在所述纤维表面整理剂上的聚合粘合剂材料涂层，其中所述纤维表面整理剂在所述纤维表面与所述聚合粘合剂材料之间；
b) 对所述第一纤维复合材料施加离轴正弦应变，由此确定第一纤维复合材料的纤维上的所述聚合粘合剂涂层的离轴动态储能模量，在偏离各纤维层片中的纤维的纵向纤维轴的方向上施加所述离轴正弦应变；
c) 对与所述第一纤维复合材料相当的第二纤维复合材料重复步骤b)，所述第二纤维复合材料包含固结的多个交叉层叠的纤维层片，各纤维层片包含多根平行纤维，各所述纤维具有至少部分被聚合粘合剂材料覆盖的表面，且其中所述纤维主要不含纤维表面整理剂以使所述聚合粘合剂材料主要与纤维表面直接接触；
d) 比较第一纤维复合材料的离轴动态储能模量与第二纤维复合材料的离轴动态储能模量以测定哪种复合材料具有更高的离轴动态储能模量。
2.权利要求1的方法，其中以相对于各纤维层片中的纤维的纵向纤维轴0º至90º之间的角度施加所述离轴正弦应变。
3.权利要求1的方法，其中以相对于各纤维层片中的纤维的纵向纤维轴45º施加所述离轴正弦应变。
4.包含多个毗连纤维层的纤维复合材料，各纤维层包含具有至少部分被聚合材料覆盖的表面的纤维，其中所述纤维主要不含纤维表面整理剂以使所述聚合材料主要与纤维表面直接接触；所述纤维复合材料的动态储能模量大于具有主要被纤维表面整理剂覆盖的纤维表面的相当纤维复合材料的动态储能模量，其中该纤维表面整理剂在所述纤维表面与所述聚合材料之间。
5.权利要求4的纤维复合材料，其中所述复合材料具有至少8.0 x 109 dyn/cm2的在25℃（77℉）下测得的动态储能模量。
6.权利要求5的纤维复合材料，所述复合材料具有至少大约1750英尺/秒（fps）（533.40 m/s）的根据Department of Defense Test Method Standard MIL-STD-662F对9 mm射弹的V50值。
7.权利要求5的纤维复合材料，其中所述复合材料在被以大约427 m/s至大约445 m/s（1430英尺/秒（fps） ± 30 fps）的速度射出的124格令9 mm FMJ RN射弹冲击时具有小于大约8 mm的背衬凹陷深度，其中对具有2.0 psf的面密度的复合材料测量背衬凹陷深度。
8.权利要求4的纤维复合材料，其中所述复合材料具有至少大约12.0 x 109 dyn/cm2的在25℃（77℉）下测得的动态储能模量。
9.权利要求4的纤维复合材料，其中所述复合材料具有至少大约20.0 x 109 dyn/cm2的在25℃（77℉）下测得的动态储能模量。
10.权利要求4的纤维复合材料，其中所述复合材料包含聚乙烯纤维。
11.权利要求4的纤维复合材料，其中所述纤维表面在纤维表面与聚合材料之间基本不含纤维表面整理剂以使所述聚合材料与纤维表面基本直接接触。
12.形成包含至少两个毗连纤维层的纤维复合材料的方法，各纤维层包含具有至少部分被聚合材料覆盖的表面的纤维，其中所述纤维主要不含纤维表面整理剂以使所述聚合材料主要与纤维表面直接接触；所述复合材料具有至少8.0 x 109 dyn/cm2的在25℃（77℉）下测得的动态储能模量，所述方法包括提供多根具有主要不含纤维表面整理剂的表面的聚合纤维；任选处理该纤维表面以增强随后施加的聚合材料对纤维表面的表面吸附性、粘合或粘着；将聚合材料施加到所述纤维的至少一部分上，由此使聚合材料吸附、粘合或粘着到纤维表面上；在将所述聚合材料施加到所述纤维上之前或之后由所述纤维制造多个纤维层片；和固结所述多个纤维层片以制造纤维复合材料。
13.权利要求12的方法，其中进行处理纤维表面的所述任选步骤以增强随后施加的聚合材料对纤维表面的表面吸附性、粘合或粘着。
14.权利要求12的方法，其中所述纤维处理包含等离子体处理或电晕处理。
15.通过权利要求14的方法形成的纤维复合材料。
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