CN1072225A - 对-聚芳基酰胺防弹纱和结构 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用对-聚芳基酰胺纱线纺成 的层状防弹结构，该纱具有高断裂伸长率以及必然改 善的防弹性能。

Description

本发明涉及的是用由相对于断裂具有高抗断强度和高伸长率的对一聚芳基酰胺纱纺成的织品制成的防弹结构。

1989年7月25日公开的由Droste等人申请的美国4，850，050号专利揭示了由具有低的单一线性密度的长丝的对-聚芳基酰胺纱制成的防弹服。该发明中所述防弹服的防弹性能与现有的织物相比提高了5%以上。

1989年8月22日公开的由Yang和chiou申请的美国4，859，393号专利揭示了一种生产具有高断裂伸长率的对-聚芳基酰胺纱的方法。

1975年3月4日公开的3，869，429号美国专利以及1985年12月24日公开的4，560，743号美国专利分别揭示了高质量的对-聚芳基酰胺纤维。然而，这些专利并未揭示有关这些纤维构成的织物的任何已被特别认识到的防弹的应用。

本发明提供一种应用若干具有非常高的断裂强度及断裂伸长率的纱纺成的对-聚芳基酰胺防弹结构。该防弹结构被层压，包括了许多由所说对-聚芳基酰胺纱制成的织品层。该纱断裂伸长率大于4%，模量小于600克/登尼尔，并且抗断强度大于23克/登尼尔。

利用对-聚芳基酰胺纤维制成防护服或其它防弹材料经历了很长的时间。对-聚芳基酰胺纤维在一个重量基准上极端结实，并且具有一个相对高的、良好的防弹保护性能。

人们一直花费巨大的努力研制纱和织物，使其具有改善的防弹性能，因为甚至是极小的改进都会拯救防护服使用者的生命。任何改进均来之不易并具有重大意义。本发明防弹极限防弹性能通过V50测量，其改进的性能约为5%。

由通常方法，例如美国专利3，869，429描述的方法制成的聚（对-亚苯基、邻苯二甲酰胺）纤维的纱断裂强度大于大约每登尼尔21克，模量为每登尼尔400-700克，断裂伸长率大约为2.8%至4.1%。

对防弹性能而言强度是重要的，然而强度并不是唯一考虑的因素。人们现在已经发现，对于断裂强度大于大约每登尼尔20克的纤维而言，仅仅提高断裂强度已不能显著改善该纤维的防弹性能，同样，在防弹性能中，模量也不被认为是重要的因素。对于模量大于每登尼尔500克的纤维而言，提高其模量对改善其防弹性能也不显著。通常试验的所有的拉伸特性表明，断裂强度以及相对于断裂的伸长率的组合是防弹性能中最重要的性能之一，纤维断裂强度和断裂伸长率的组合对于起着吸收能量作用的纱的韧性来说有着重要的影响。而对-聚芳基酰胺纤维甚至在每登尼尔23克的中等断裂强度以及3%的低破裂伸长率的状况下仍表现出显著的防弹性能。该冲击性能随着韧性的增加表现出相当戏剧性的改善。

本发明所述的防弹结构由用纱织成的织物制成。该织物制成用于防弹保护的防护服或者其它结构。

所述织物的种类或者所说的纱编织方式对于实现本发明的效果来说并不重要，这就是说，对于任何织物或者编织方式而言，应用本发明所述的纱而获得的防弹性能比起应用由于较低的断裂强度或者较低的断裂伸长率而导致较低韧性的类似纱而获得的防弹性能将有明显改善。

应用防弹织物的防弹服通常由配置或者缝在一起的若干层织物而形成的一种层状结构制成的。该层状结构可包括若干由其它材料制成的附加层，这些材料可以是装饰织物或者是抗湿复盖织物，或者是其它吸收冲击的材料。所说的层状结构的形式以及是否具有其它材料制成的附加层对于实现本发明所述改进的防弹性能并不重要。人们已经发现，任何防弹结构有效性的改善取决于用具有相对较高的断裂强度和/或较高的断裂伸长率的纱取代具有相对较低的断裂强度和/或较低的断裂伸长率的纱。

试验方法

防弹极限

按照如下所述的MIL-STD-662e进行所说复合材料试样的防弹试验：

一个用于试验的复合材料试验品配置于试验支架上，该复合材料试验品绷紧并且与试验弹丸的弹道相垂直。所说的弹丸除非另外指明，均为17格令的碎片模拟弹丸（MIL-P-46593），并且从一个能够发射该弹丸的试验身管中以不同的速度射出，第一次发射到每个试验品的弹丸速度应估计为类似防弹极限V50。当第一次发射实施一个完全的试验品的穿透时，下一次发射的弹丸速度应小于每秒50呎以便获得该试验品的局部穿透。另一方面，当第一次发射没有穿透或者局部穿透时，下一次发射的弹丸速度大于每秒50呎，以便获得该试验品的完全穿透。在获得一个局部和一个完全的弹丸穿透之后，发射速度按照每秒50呎依次增加或依次减少。直到完成足够的发射次数，以便测定所述试验品的防弹极限V50。该防弹极限V50可由5个最高的局部穿透防弹速度值与5个最低的完全穿透防弹速度值的算术平均值来计算。进行该计算的条件是单个的最高和最低防弹速度之差不大于每秒125呎。

拉伸性能

断裂应力与线性密度之比表示韧度，模量由初始应力/应变曲线的斜率表示，经换算后单位与韧度相同。伸长率是在断裂时长度增加的百分数。韧度和模量两者首先用克/登尼尔单位计算。当乘以0.8826时，单位为毫牛顿/特（dN/tex）每次报告的测量值是10次破裂的平均值。

纱的拉伸特性在调节后温度为24℃，相对湿度为55%，试验状态下至少保护14小时的条件下测量。试验之前，每根纱搓捻至1.1搓捻倍数。（例如，标定的1500登尼尔纱大约每英吋搓捻2.1圈）。每根搓捻好的试件具有25.4cm的试验长度，并且应用一个标准的记录应力/应变的装置每分钟拉伸50%（在原始未伸长长度的基础上）。

一支纱的搓捻倍数（TM）由下式限定

$\mathrm{TM=}\frac{{\mathrm{(tPi)(Denier\; )}}^{\mathrm{1/2}}}{\mathrm{73}}=\frac{\mathrm{(每吋圈数)(登尼尔)1／2}}{\mathrm{73}}＝\frac{{\mathrm{(tPc)\; (dtex)}}^{\mathrm{1/2}}}{\mathrm{30.3}}=\frac{\mathrm{(每厘米圈数)(分特)1／2}}{\mathrm{30.3}}$

式中：tPi＝每英吋圈数

tPc＝每厘米圈数

纱的拉伸特性不同于并且低于单个长丝的拉伸特性。纱的拉伸特性值不能成功地和准确地由丝的拉伸特性值求出。

实施例1

聚（对苯二甲酰对-苯二胺）（PPD-T）纤维具有高断裂强度和高拉伸率，该纤维按美国专利4，340，559描述的，利用Tray    G的方式被拉纺。该PPD-T具有6.3dL/g的比浓对数粘度。为了产生纺丝浆液，PPD-T溶解于100.1%的硫酸中，浓度为19.4重量百分比。

该胶状物在真空下脱气，并通过一个具有672个直径为2.5密耳（0.0635mm）的毛细管的喷丝头拉纺。拉纺是在胶状物温度大约为71℃并直接通过一个长度为0.64cm的气口，然后进入一个与凝结液体在一起的纺丝管实现的，凝结液体是一种保持在20℃下的重量百分比为8%的硫酸水溶液。该纺丝的拉伸系数为6.3。该凝结纱往下转到水洗工序、中和工序、干燥工序（该工序是由一对内部蒸气加热的表面温度为150℃的滚子完成的），然后在含湿量为12%的重量百分比的状态下在线轴上缠绕。水洗和中和工序中纱的张力为每登尼尔0.2-0.4克（gPd），而在干燥工序为0.05-0.2克/登尼尔。最后的成品纱为1000登尼尔（1111分特），每长丝登尼尔为1.5（dPf）（每长丝1.67分特）。该纱的断裂拉伸率为4.3%，模量为450克/登尼尔，断裂强度为24克/登尼尔。

利用本发明实施例的纱制成试验织物，并且利用由E.I du Pont de Nemours & Co市场上出售的商标牌号为Kevlar

29的防护服纱制成对照试验织物，对照纱的断裂伸长率为3.4%，模量为605克/登尼尔，断裂强度为23克/登尼尔，对照纱同时也是1000登尼尔和每长丝1.5登尼尔。上述织物均为平纹织法，基本重量大约244克/米²（7.1盎司/码²），结构大约为29×26（W×F/吋）。

上述两种织物在含有去污剂的水中洗涤并在水中漂清，以便去除处理剂。每种织物13层叠在一起按照MIL-STD-662e的要求进行试验，该试验应用MIL-P-46593中规定的口径为22的17格令的碎片模拟弹丸，该碎片模拟弹丸防弹试验结果如表1所示，结果表明本发明结构的防弹极限V50比对照结构防弹极限增大6.4%。

表1

V50(m/s)

试验    对照    本发明

A    477.3    499.0

B    484.0    503.8

C    470.3    520.9

平均    477.2    507.9

在应用非形变弹丸时获得了本发明的效果，但不能扩展到可变形铅弹，其中的原因尚不完全清楚。在上述织物结构15层叠在一起所实施的试验中使用9mm，外壳为夹铅全金属的124格令NATO弹丸，得到的防弹极限V50大约418米/秒，用本发明的结构相对于对照组无明显不同。

实施例2

在这个实施例中PPD-T纱是与实施例1相同的方法纺成的，所不同的是喷丝头具有1000个直径为2.5密耳（0.0635mm）毛细管，生产1500登尼尔（1667分特）、长丝登尼尔为1.5的纱。该纱的破裂伸长率为4.8%、模量为365克/登尼尔、断裂强度为23.3克/登尼尔。

然后，利用本实施例的纱制成织物，并且用由E.I du Pont de Nemours & Co.在市场上出售的商标牌号为Kevlar

29的防护服纱制成对照试验织物。该对照纱的破损伸长率为3.6%，模量为560克/登尼尔、断裂强度为23克/登尼尔，对照纱同时也是1500登尼尔和每长丝1.5登尼尔。上述织物为平纹织法，基本重量为325克/m²（9.60盎司/码²），结构约为24×24（WXF/时）

上述两种织物在含有去污剂的水中洗涤并在水中漂清以去除处理剂。每种织物10层叠在一起按照MIL-STD-662e的要求进行试验，该试验应用MIL-P-46593中规定的22口径、17格令的碎片模拟弹丸。防弹试验结果如表2所示，结果表明本发明结构的防弹极限V50比对照结构防弹极限增加4.1%。

表2

V50(米/秒)

试验    对照    本发明

A    442.3    480.4

B    449.6    456.9

C    450.2    460.2

平均    447.4    456.8

在上述织物12层叠在一起，试验中使用9mm、外壳为铅的全金属的124格令北大西洋公约组织规定的弹丸，得到的防弹极限V50为395米/秒，用本发明的结构与对照结构相比无明显不同。

实施例3

具有高断裂强度和高伸长率的聚（对苯二甲酰对-苯二胺）（PPD-T）纤维的纺制按美国系列号为07/673，552的专利申请（1991年3月8日）所描述的进行。该聚纤维具有6.3dL/g的比浓对数粘度。为了生产抽丝胶状物，聚纤维溶解于100.1%的硫酸中，其浓度为19.4重量百分比。该胶状物在真空下排气并通过一个具有若干直径为2.0密耳（0.051mm）毛细管的多孔喷丝头抽丝。抽丝是在胶状物温度大约71℃并直接通过一个长度为0.64cm的气口，然后进入一个与凝结液在一起的纺丝管，该凝结液体是一种保持在2℃下的重量百分比为8%的硫酸水溶液。该纺丝的拉伸系数为4.14。该凝结纱继续进入到水洗工序、中和工序、干燥工序（该工序是由一对内部蒸汽加热的表面温度为125℃的滚子完成的），然后在含湿量约为12%重量百分比的状态下在线轴上缠绕。水洗和中和工序中纱的张力为每登尼尔0.2-0.3克，在干燥工序中的纱的张力为0.2-0.3克/登尼尔，最后的成品纱为1500登尼尔（1667分特），每长丝登尼尔为1.5（dpf）（每长丝1.67分特）。该纱的断裂伸长率为4.2%、模量为510克/登尼尔、断裂强度为26.2克/登尼尔。

利用本实施例的纱制成试验织物，并且利用由E.I du Pond de Nemours & Co.在市场上出售的商标牌号为Kevlar

29的防护服纱制成对照试验织物。对照纱的断裂伸长率为3.4%模量为605克/登尼尔，断裂强度为23克/登尼尔，对照纱同时也是1500登尼尔和每长丝1.5登尼尔。两种织法如下：一种为平纹织法，基本重量约为339克/米²（10.0盎司/码²），结构约为24×24（W×F/吋）;而另一种是2×2篮孔式织纹，其基本重量约为474克/米²（14.0盎司/码²），结构为36×35。

上述织物在含有去污剂的水中洗涤在水中漂清，以便去除处理剂。每种篮孔式织纹的织物12层、每种平纹织法的织物17层叠在一起按照MIL-STD-662e的要求进行试验，该实验按照MIL-STD-662e应用22口径、17格令的碎片模拟弹丸。冲击试验的结果如表3所示。本发明的篮孔式织纹的织物结构的防弹极限V50比对照结构防弹极限V50增大7.4%，而本发明平纹织法的织物结构的防弹极限V50比对照结构防弹极限增大3.0%。

表3

V50(米/秒)

蓝孔式织纹    平纹织法

试验    对照组    本发明    对照组    本发明

A    532.2    558.4    559.0    -

B    507.2    555.7    560.5    567.8

C    520.6    562.4    555.0    581.3

平均    520.10    558.7    558.0    574.6

改进    -    +7.4%    -    +3.0%

在第二种试验中应用了本实施例先前使用的相同的纱，该试验的织物为2×2的篮孔式织纹，基本重量约为494克/米²（14.6盎司/码²），结构为35×35。利用相同的方法进行防弹试验表明，防弹极限V50与对照织物的501.5米/秒相比为539.6米/秒。这样，本发明防弹结构的防弹极限V50比对照织物增大7.6%。

实施例4

应用实施例2中使用的相同的纱，按照实施例3所述的织法织成试验织品进行试验，试验结果表明，试验织品的防弹极限V50为548.2米/秒，而对照织品的防弹极限为520.0米/秒，改善了5.4%。

Claims (3)

1、一种层状防弹结构，其特征在于包括若干层由对-聚芳基酰胺纱制成的织品，该纱的断裂伸长率大于4%、模量小于600克/登尼尔、断裂强度大于23克/登尼尔。

2、根据权利要求1所述的层状防弹结构，其特征在于该结构中包括若干由其它材料制成的附加层。

3、根据权利要求1所述的层状防弹结构，其特征在于所述的对-聚芳基酰胺是聚（对苯二甲酰对-苯二胺）。