CN108350624B - 低孔隙率高强度uhmwpe织物 - Google Patents

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Abstract

低孔隙率纤维材料、由其形成的制品及它们的形成方法。高韧度复丝伸长体的多个层片任选缝合在一起并作为组压制，而没有互相层合、粘附或热熔结。压制使伸长体的组分长丝铺展，迫使长丝占据相邻纤维之间的间隔并由此降低完成的多层片材料的孔隙率。

Description

低孔隙率高强度UHMWPE织物
对相关申请的交叉引用
本申请要求2015年9月17日提交的共同待审美国临时申请序号No. 62/219,990的权益，其公开内容全文经此引用并入本文。
背景。
技术领域
本技术涉及低孔隙率纤维材料、由其形成的制品和它们的形成方法。
相关技术描述
高韧度(tenacity)纤维，如SPECTRA®聚乙烯纤维或芳纶纤维如KEVLAR®纤维由于它们的极高强度重量比性能而众所周知可用于形成高性能制品，如防弹和抗冲击制品。由高韧度纤维带形成的此类制品也是已知的。由此类高韧度纤维形成的制品也表现出合意的性质，如在低纤维体积下良好的耐磨性、耐切割性和耐砍性(slash resistance)。
对于许多应用，可以将所述纤维或带形成为机织或针织织物。对于其它应用，可以将所述纤维或带包封或嵌在聚合物基质材料中并形成为非织造织物(non-wovenfabrics)，如单向织物或毡(felts)。在一种常见的非织造织物结构中，许多单向取向的纤维以大致共面的、同延关系排列并被粘合基质树脂涂覆以将纤维粘合在一起。通常，多个这样的单向取向纤维的层片(plies)合并成多层片复合材料。参见例如美国专利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；和6,846,758，所有这些都在与本文相符的程度上经此引用并入本文。
尽管由此类高韧度纤维形成的制品具有物理强度益处，但这些制品往往由于高孔隙率而具有不合意的液体传输性质。这在其中纬向纤维以波状方式横向穿过纵向经向纤维之间铺设的机织织物中特别成问题。解决这一问题的一种方式是通过将聚合物膜或涂层施加到织物表面上而密封织物孔隙。但是，这为制造方法增加额外的复杂性并提高织物重量，这可能是不合意的。解决液体穿透织物传输问题的另一种手段是使相邻纤维之间的间隔最小化，例如通过向纤维层增加更多纤维。但是，这也将增加织物的重量，这通常不合意。使相邻纤维之间的间隔最小化的一种更优选方法是铺展开长丝以形成具有更少的彼此叠加的纤维的更薄纤维层。但是，当纤维的长丝非常薄地铺展时，特别是当制造单向非织造织物时，难以制造具有足够的机械完整性以供加工成制品的薄织物。
解决在单向非织造织物制造过程中的这一不足的机械完整性问题的一种方法是在加工过程中使用离型纸(release paper)载体片。在一种典型方法中，用粘合剂树脂涂覆单向取向的平行纤维的阵列，然后在该树脂仍然是湿的时使涂覆的纤维与有机硅涂覆的离型纸接触。然后将涂层干燥并移除离型纸。但是，这种方法不完美，因为希望避免在制造过程中使用载体片并且也希望避免对粘合树脂的需要。
美国专利8,349,112教导了与粘合线一起机织聚合物带的方法，使用聚合物带作为经纱并使用粘合线作为纬纱，或使用聚合物带作为纬纱并使用粘合线作为经纱，接着用足以熔化粘合线的热固结多个层。熔化使粘合线变形，使树脂分布在未熔化的聚合物带周围，由此充当胶粘涂层。这消除了由机织法造成的波纹。但是，这种方法没有产生具有足够机械完整性的树脂含量小于10%的制品。美国专利8,349,112没有提到粘合树脂含量，但粘合剂纤维的热破坏损害在聚合物带的横向方向上的织物断裂强度。粘合剂纤维的熔化也消除了由机织法建立的经向和纬向纤维的机械互锁，导致粘合剂聚合物充当常规胶粘涂层的非织造织物。这种所得织物具有大于10%树脂含量或小于10%树脂含量和不足的机械完整性，因此与现有技术复合材料相比没有改进。因此，美国专利8,349,112没有实现本公开的目的。
美国专利4,680,213教导了其中通过用相对于纺织纱线横向铺设的粘合纱线粘结而粘合非热塑性增强纺织纱线的结构。所述增强纺织纱线彼此间隔开且所述粘合纱线彼此间隔开，以在它们的层合材料中形成永久性孔。这种类型的开放结构对本文需要的防水织物应用而言不可接受。
因此，本领域中仍然需要在低或无粘合聚合物含量下具有良好机械完整性的轻质、低孔隙率机织和非织造织物并且其中表面聚合物膜的使用是任选的。本公开提供对此需求的解决方案。
公开概述
本公开提供一种纤维材料，其包含：
包含多个第一复丝伸长体的第一纤维层片，其中所述第一复丝伸长体的至少一些没有互相连接、粘合或熔结，各所述第一复丝伸长体具有至少大约7克/旦的韧度和至少大约150克/旦的初始拉伸模量；
在所述第一纤维层片上并与其同延的第二纤维层片，所述第二纤维层片包含多个第二复丝伸长体，其中所述第一复丝伸长体的至少一些没有互相连接、粘合或熔结，各所述第二复丝纤维具有至少大约7克/旦的韧度和至少大约150克/旦的初始拉伸模量；
其中所述第一纤维层片和所述第二纤维层片没有互相层合、粘附或热熔结。
本公开还提供一种纤维材料，其包含：
包含多个第一复丝伸长体的第一纤维层片，各所述第一复丝伸长体具有至少大约7克/旦的韧度和至少大约150克/旦的初始拉伸模量；
在所述第一纤维层片上并与其同延的第二纤维层片，所述第二纤维层片包含多个第二复丝伸长体，各所述第二复丝纤维具有至少大约7克/旦的韧度和至少大约150克/旦的初始拉伸模量；和
将第一纤维层片与第二纤维层片互相连接的至少第一组线，所述第一组线包含多个第三伸长体，其中所述第一纤维层片和所述第二纤维层片没有互相层合、粘附或热熔结。
还提供一种形成纤维材料的方法，所述方法包括：
a) 提供包含以平面、平行阵列排列的多个第一复丝伸长体的第一纤维层片，各所述第一复丝伸长体具有至少大约7克/旦的韧度和至少大约150克/旦的初始拉伸模量；
b) 提供包含以平面、平行阵列排列的多个第二复丝伸长体的第二纤维层片，各所述第二复丝伸长体具有至少大约7克/旦的韧度和至少大约150克/旦的初始拉伸模量；
c) 与第二纤维层片同延地(coextensively)布置第一纤维层片，然后任选地将第一纤维层片和第二纤维层片互相机械接合，由此形成一组层片，其中所述第一复丝伸长体的至少一些没有互相连接、粘合或熔结；且其中所述第一复丝伸长体的至少一些没有互相连接、粘合或熔结；
d) 此后，将所述层片组加热到大约270℉(132.2℃)至大约302℉(150.0℃)的温度并与所述加热同时或在所述加热后在压机(press)中在低于500 psi(大约3447 kPa)的压力下将所述层片组压制在一起，由此使所述复丝伸长体的长丝铺展开，由此使各个纤维层片中的相邻复丝伸长体的纵向边缘互相发生接触；和
e) 任选地使加热的层片组冷却，其中所述第一纤维层片和所述第二纤维层片没有互相层合、粘附或热熔结。
还提供了包含单个纤维层片的纤维材料，所述纤维层片包含多个复丝伸长体，其中各所述复丝伸长体具有至少2:1的横截面纵横比，且其中所述纤维层片的所述复丝伸长体的至少一些没有互相连接、粘合或熔结。
还提供了一种增强的机织织物，其基本由以下组成：
I) 包含单向取向的高韧度伸长体的单个非织造纤维层片；或
包含多个无规取向的短纤维的单个非织造纤维层片；或
包含与多个横向铺设的高韧度纬向伸长体交织的多个高韧度经向伸长体的单个机织纤维层片；
和
II) 穿过(I)的所述单个纤维层片机械设置并增强(I)的所述单个纤维层片的至少第一组线，所述第一组线包含多个第三伸长体并形成多个针脚(stitches)，其中多个伸长体或短纤维被布置在每个针脚内。
进一步提供了由所述纤维材料形成的多层制品。
附图简述
图1是现有技术的非织造纤维材料的透视示意图，其具有在纵向上的高韧度复丝纤维的第一纤维层片、在横向方向上横穿纵向体铺设的高韧度复丝纤维的第二纤维层片和将所述两个纤维层片互相连接的与高韧度复丝伸长体交错的线。
图2是具有用交错在高韧度复丝伸长体的组之间的线互相连接的两个纤维层片的本公开的非织造纤维材料的透视示意图。
图3是图解本公开的多层片织物的形成的透视示意图(未按比例绘制)，其中在一组辊之间将纤维层片压制在一起，其中复丝伸长体铺展并减小相邻伸长体之间的间隙。
图4是图解本公开的多层片织物的形成的透视示意图(未按比例绘制)，其中在两组辊之间将纤维层片压制在一起，其中复丝伸长体铺展并减小相邻伸长体之间的间隙。
图5是图解第一和第二纤维层片在平压机(platen press)中的压缩(compression)的侧视示意图(未按比例绘制)。
详述
如图2-4中所示，通过用线将高韧度伸长体的多个层片机械接合在一起、接着将所述层片压制在一起以铺展组分伸长体的长丝以使铺展的长丝占据直接相邻的伸长体之间的可用间隔而制造了多层片纤维材料10。
本文所用的"伸长体(elongate bodies)"是长度尺寸远大于宽度和厚度横向尺寸的物体。这包括单丝(仅缝合体)、熔结或未熔结的无捻复丝纤维(即无捻纱)、熔结或未熔结的加捻复丝纤维(即加捻纱)、无捻热熔结的复丝带、或非纤维聚合物带(仅缝合体)。在这方面，"熔结"是指单个实体(single body)的单独长丝互相熔结。
本文所用的"纤维"是其长度尺寸远大于宽度和厚度横向尺寸的材料长条(strand)，如聚合物材料条。所述纤维优选是长的相对连续的条而非本领域中被称作"短纤(staple)"或"短纤维(staple fiber)"的条的短片段。"条(strand)"按其普通定义是单根细长事物，如线或纤维。本文所用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。它们也可具有不规则或规则的多叶形(multi-lobal)横截面，其具有从长丝的线性轴或纵轴伸出的一个或多个规则或不规则的叶(lobes)。因此术语"纤维"包括具有规则或不规则横截面的长丝、长带、长条等。所述纤维优选具有基本圆形的横截面，横截面纵横比为大约1:1至大约2:1。单根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"单根丝(single-filament)"纤维或"单丝(monofilament)"纤维，由多根长丝形成的纤维在本文中被称作"复丝"纤维。本文中定义的复丝纤维优选包括2至大约3000根长丝，更优选2至1000根长丝，再更优选30至500根长丝，再更优选40至500根长丝，再更优选大约40根长丝至大约240根长丝，最优选大约120至大约240根长丝。复丝纤维在本领域中通常也被称作纤维束或长丝束。"纱线"被定义为由多根长丝构成的单束，类似于复丝纤维，但通常(尽管不是必须)其中长丝加捻或缠结在一起。术语"韧度"是指以力(克)每单位无应力试样线密度(旦)表示的拉伸应力。术语"初始拉伸模量"是指以克-力/旦(g/d)表示的韧度变化与作为原始纤维/带长度的分数(in/in)表示的应变变化的比率。
本文所用的"高韧度"伸长体是具有通过ASTM D2256测试程序测得的至少大约7克/旦，优选大于10克/旦，更优选至少大约15克/旦，再更优选至少大约20克/旦，再更优选至少大约27克/旦的韧度，更优选大约28克/旦至大约60克/旦，再更优选大约33克/旦至大约60克/旦，再更优选39克/旦或更大，再更优选至少39克/旦至大约60克/旦，再更优选40克/旦或更大，再更优选43克/旦或更大、或至少43.5克/旦，再更优选大约45克/旦至大约60克/旦，再更优选至少45克/旦、至少大约48克/旦、至少大约50克/旦、至少大约55克/旦或至少大约60克/旦的韧度的伸长体。
这样的高韧度伸长体还具有通过ASTM D2256测试程序测得的至少大约150克/旦，更优选至少大约300克/旦，更优选大约400克/旦或更大，更优选大约500克/旦或更大，再更优选大约1,000克/旦或更大，最优选大约1,500克/旦或更大的初始拉伸模量。所述高韧度伸长体还具有至少大约8 J/g或更大，更优选至少大约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或更大的断裂能量，最优选具有大约40 J/g或更大的断裂能量，通过ASTM D2256测试程序测得。形成具有这些综合高强度性质的伸长体的方法是本领域中常规已知的。
术语"旦"是指线密度单位，等于每9000米纤维/带的以克计的质量。在这方面，形成各纤维层片的伸长体可具有任何合适的旦数。例如，纤维可具有大约50至大约5000旦，更优选大约200至5000旦，再更优选大约300至大约3000旦，最优选大约350至大约1000旦的旦数。
本文所用的术语"带"是指长度大于其宽度且平均横截面纵横比(即在带制品的长度上平均的横截面最大尺寸与最小尺寸的比率)为至少大约3:1的材料的平、窄、一体长条。已知的带可以是纤维的或非纤维的，其中"纤维"带包含一根或多根长丝。但是，与本公开的目的相符，只有纤维带可用于本文，从而组分长丝在以下论述的压缩过程中铺展。本公开的聚合物带的横截面可以是矩形、椭圆形、多边形、不规则形状或满足本文描述的宽度、厚度和纵横比要求的任何形状。
这样的带优选具有基本矩形的横截面，厚度为大约0.5毫米或更小，更优选大约0.25毫米或更小，再更优选大约0.1毫米或更小，再更优选大约0.05毫米或更小。在最优选的实施方案中，所述聚合物带具有最多大约3密尔(76.2微米)，更优选大约0.35密尔(8.89微米)至大约3密尔(76.2微米)，最优选大约0.35密尔至大约1.5密尔(38.1微米)的厚度。在横截面的最厚区域测量厚度。
可用于本文中的聚合物带具有大约2.5毫米至大约50毫米，更优选大约5毫米至大约25.4毫米，甚至更优选大约5毫米至大约20毫米，最优选大约5毫米至大约10毫米的优选宽度。这些尺寸可变，但本文中形成的聚合物带最优选制造成具有实现大于大约3:1，更优选至少大约5:1，再更优选至少大约10:1，再更优选至少大约20:1，再更优选至少大约50:1，再更优选至少大约100:1，再更优选至少大约250:1的平均横截面纵横比(即在带制品的长度上平均的横截面最大尺寸与最小尺寸的比率)的尺寸，最优选的聚合物带具有至少大约400:1的平均横截面纵横比。
带通过常规已知的方法形成。例如，可以将织物切割或纵切成具有所需长度的带。在美国专利6,098,510中公开了纵切装置的一个实例，其教导了在片材材料网卷绕到所述辊上时纵切该片材材料网的装置。在美国专利6,148,871中公开了纵切装置的另一实例，其教导了用多个刀片将聚合物膜的片纵切成多个膜长条的装置。美国专利6,098,510和美国专利6,148,871的公开内容都在与本文相符的程度上经此引用并入本文。在共有美国专利8,263,119；8,697,220；8,685,519；8,852,714；8,906,485中描述了用于形成纤维带的特别有用的方法，它们各自在与本文相符的程度上经此引用并入本文；以及共有的美国授权前公开2013-0101787和2014-0260933中描述了纤维和非纤维带，它们各自在与本文相符的程度上经此引用并入本文。类似于纤维，所述带可具有任何合适的旦数，优选具有大约50至大约30,000，更优选大约200至大约10,000旦，再更优选大约650至大约2000旦，最优选大约800至大约1500旦的旦数。
本文所用的"纤维层片(fibrous ply)"包含任何类型的单轴或多轴织物，包括单向取向或无规取向(即毡制)非织造纤维的单 层片或机织织物的单 层片。在这方面，"层片"描述具有外顶部(第一)平面表面和外底部(第二)平面表面的大致平面的布置。单向取向纤维的单个层片包含以单向、基本平行阵列排列的纤维布置。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布置，这不包括机织和针织织物，"平行阵列"描述纤维或纱线的有序、并排、共面平行布置。"取向纤维"情形中所用的术语"取向"是指纤维的排列方向而非纤维的拉伸方向。术语"织物"描述可包括一个或多个纤维层片的结构，层片经过或未经过固结/模制。
由多个非织造纤维层片形成的非织造织物包含以基本同延方式面对面互相叠加并固结的层片。术语"复合材料"是指纤维的组合，任选使用聚合物粘合剂材料。
所述高韧度伸长体可包含具有至少大约7克/旦的韧度和至少大约150克/旦的初始拉伸模量的由任何常规已知的聚合物类型形成的纤维或带。特别合适的是由以下形成的伸长体：聚烯烃，包括聚乙烯和聚丙烯；聚酰胺纤维，包括芳纶纤维，特别是对位芳纶纤维；聚酯，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯；聚苯硫醚；伸直链聚乙烯醇；伸直链聚丙烯腈；凝胶纺丝聚四氟乙烯(PTFE)；聚苯并噁唑(PBO)纤维、聚苯并噻唑(PBT)纤维、液晶共聚酯纤维、刚性杆形纤维(rigid rod fibers)如M5®纤维，和玻璃纤维，包括电子级玻璃纤维(E-玻璃；具有良好电性质的低碱硼硅酸盐玻璃)、结构级玻璃纤维(structural grade fiberglass)(S-玻璃；高强度氧化镁-氧化铝-硅酸盐)和电阻级玻璃纤维(resistance grade fiberglass)(R-玻璃；不含氧化镁或氧化钙的高强度铝硅酸盐玻璃)。这些纤维类型各自是本领域中常规已知的。特别优选的是伸直链聚烯烃伸长体，如高取向高分子量聚乙烯，特别是超高分子量聚乙烯(UHMW PE)伸长体和超高分子量聚丙烯伸长体。上述这些伸长体类型各自是本领域中常规已知的。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物伸长体。例如，可用的伸长体可以由包含至少两种不同的长丝类型，如两种不同类型的UHMW PE长丝或聚酯长丝和UHMW PE长丝的共混物的复丝元件形成。
尤其最优选的是由超高分子量聚乙烯形成的伸长体。超高分子量聚乙烯长丝、纤维、纱线和带由具有至少300,000，优选至少1百万，更优选2百万至5百万的分子量的伸直链聚乙烯形成。这样的伸直链聚乙烯纤维/带可以在溶液纺丝法中生长，例如描述于美国专利4,137,394或4,356,138中，其经此引用并入本文，或可以由溶液纺丝以形成凝胶结构，例如描述于美国专利4,413,110；4,536,536；4,551,296；4,663,101；5,006,390；5,032,338；5,578,374；5,736,244；5,741,451；5,958,582；5,972,498；6,448,359；6,746,975；6,969,553；7,078,099；7,344,668和美国专利申请公开2007/0231572中，全部在与本公开相符的程度上经此引用并入本文。特别优选的纤维类型是由Honeywell International Inc.以商标SPECTRA®出售的任何聚乙烯纤维，包括SPECTRA® 900纤维、SPECTRA® 1000纤维和SPECTRA® 2000纤维，它们都可商购自Honeywell International Inc. of Morristown,NJ。
特别优选的用于形成UHMW PE纤维的方法是能够制造具有至少39克/旦的韧度的UHMW PE纤维的方法，最优选其中所述纤维是复丝纤维。最优选的方法包括共有的美国专利7,846,363；8,361,366；8,444,898；8,747,715；以及美国公开no. 2011-0269359中描述的那些，它们的公开内容在与本文相符的程度上经此引用并入本文。此类方法被称作"凝胶纺丝"方法，也被称作"溶液纺丝"，其中形成超高分子量聚乙烯和溶剂的溶液，接着经多孔喷丝头挤出该溶液以形成溶液长丝，将溶液长丝冷却成凝胶长丝，并萃取溶剂以形成干长丝。将这些干长丝集合成束，其在本领域中被称作纤维或纱线。所述纤维/纱线然后拉伸(牵拉)至最大牵拉能力以提高它们的韧度。
最优选的UHMW PE纤维具有大约7 dl/g至大约40 dl/g，优选大约10 dl/g至大约40 dl/g，更优选大约12 dl/g至大约40 dl/g，最优选大约14 dl/g至35 dl/g的通过ASTMD1601-99在135℃在十氢化萘中测得的特性粘度。最优选的UHMW PE纤维是高取向的并具有至少大约0.96，优选至少大约0.97，更优选至少大约0.98，最优选至少大约0.99的c-轴取向函数(orientation function)。c-轴取向函数是对分子链方向与长丝方向对齐程度的描述。其中分子链方向与长丝轴完美对齐的聚乙烯长丝将具有1的取向函数。通过适用于聚乙烯的Correale, S. T. & Murthy, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 101,447–454 (2006)中描述的广角x-射线衍射法测量C-轴取向函数(fc)。
优选的芳纶(芳族聚酰胺)纤维是公知的并可商购，并描述在例如美国专利3,671,542中。例如，DuPont以商标KEVLAR®商业生产可用的芳纶长丝。在本文中还可使用的是DuPont of Wilmington, DE以商标NOMEX®商业生产的聚(间苯二甲酰间苯二胺)纤维和Teijin Aramid Gmbh of Germany以商标TWARON®商业生产的纤维；Kolon Industries,Inc. of Korea以商标HERACRON®商业生产的芳纶纤维；Kamensk Volokno JSC of Russia商业生产的对位芳纶纤维SVM™和RUSAR™和JSC Chim Volokno of Russia商业生产的ARMOS™对位芳纶纤维。
当希望使用加捻伸长体时，加捻纤维/纱线的各种方法是本领域中已知的并可以使用任何方法。在这方面，优选通过首先将进料纤维/纱线前体加捻、接着将该加捻前体压缩成带来形成加捻复丝带。可用的加捻方法例如描述在美国专利2,961,010；3,434,275；4,123,893；4,819,458和7,127,879中，它们的公开内容经此引用并入本文。将纤维/纱线加捻以具有至少大约0.5捻度/英寸纤维/纱线长度至大约15捻度/英寸，更优选大约3捻度/英寸至大约11捻度/英寸纤维/纱线长度。在一个可选的优选实施方案中，将纤维/纱线加捻以具有至少11捻度/英寸纤维/纱线长度，更优选大约11捻度/英寸至大约15捻度/英寸纤维/纱线长度。测定加捻纱线中的捻度的标准方法是ASTM D1423-02。
当希望使用熔结伸长体时，各种熔结纤维/纱线的方法是本领域中已知的并可以使用任何方法。如同加捻，优选通过首先熔结进料纤维/纱线前体、接着将该熔结前体压缩成带来形成熔结复丝带。在这方面，可以如美国专利5,540,990；5,749,214；和6,148,597(它们在与本文相符的程度上经此引用并入本文)中所述借助使用热和张力(tension)或通过在暴露在热和张力下之前施加溶剂或增塑材料来实现纤维/纱线长丝的熔结。可以例如通过用具有胶粘性质的树脂或其它聚合物粘合剂材料，如可以以商标KRATON® D1107商购自Kraton Polymers of Houston, TX的聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯-嵌段共聚物树脂或本文描述的任何其它胶粘剂聚合物，至少部分涂覆长丝来实现粘合熔结(fusion bybonding)。形成单独伸长体的长丝也可以不用胶粘剂涂层热粘合在一起。热粘合条件将取决于纤维类型。当用具有胶粘性质的树脂或其它聚合物粘合剂材料涂覆进料纤维/纱线以粘合长丝时，只需要少量树脂/粘合剂。在这方面，施加的树脂/粘合剂的量优选不大于长丝+ 树脂/粘合剂的总重量的5重量%，以使长丝基于长丝 + 树脂/粘合剂的总重量计占涂覆的纤维/纱线的至少95重量%，且由该纱线形成的相应的带由此也将包含至少95重量%的组分长丝。更优选地，该纤维/纱线和带包含至少大约96重量%长丝，再更优选97重量%长丝，再更优选98重量%长丝，再更优选99重量%长丝。最优选地，该纤维/纱线和由其形成的压缩带无树脂，即不用粘合树脂/粘合剂涂覆并基本由或仅由长丝组成。而且，本公开的复丝带最优选不熔结从而它们的组分长丝可在较低压力下铺展。
形成本公开的各纤维层片的纤维或带任选，但不优选，部分或完全用聚合物粘合剂材料涂覆。该聚合物粘合剂材料在本领域中也常称作聚合物"基质"材料。这些术语是本领域中常规已知的。本文所用的"聚合物"粘合剂或基质材料包括树脂和橡胶。当存在时，该聚合物粘合剂/基质材料部分或基本涂覆单独纤维，任选完全包封形成纤维层片的各个单独长丝/纤维。但是，最优选本公开的纤维材料完全无基质(无粘合剂)。当使用聚合物粘合剂/基质材料时，其构成纤维材料的不大于10重量%，优选不大于5%，更优选不大于纤维材料的4重量%，更优选不大于纤维材料的3重量%，更优选不大于纤维材料的2重量%，最优选不大于纤维材料的1重量%。当使用时，这种树脂可有助于填充可由下文论述的缝合方法(stitching process)产生的在纤维/带之间的微小间隔。
合适的聚合物粘合剂材料仅是低拉伸模量弹性体材料。本文中通篇所用的术语拉伸模量是指弹性模量，其对聚合物粘合剂材料而言通过ASTM D638测量。低模量粘合剂可包含各种聚合物和非聚合物材料。对本发明目的而言，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。低模量聚合物优选是具有大约4,000 psi(27.6 MPa)或更低，更优选大约2400 psi(16.5 MPa)或更低，再更优选1200psi(8.23 MPa)或更低，最优选大约500 psi(大约3447 kPa)(3.45 MPa)或更低的拉伸模量的弹性体。所述低模量弹性体材料的玻璃化转变温度(Tg)优选低于大约0℃，更优选低于大约-40℃，最优选低于大约-50℃。所述低模量弹性体材料还具有至少大约50%，更优选至少大约100%，最优选至少大约300%的优选断裂伸长(elongation to break)。所述聚合物粘合剂还可包括填料，如炭黑或二氧化硅，可以用油增量，或可以用硫、过氧化物、金属氧化物或辐射固化体系硫化，如本领域中公知的那样。
多种多样的材料和制剂可用作低模量聚合物粘合剂。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(polysulfide polymers)、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、硅氧烷弹性体、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，以及在纤维的熔点之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(thermoplastics)的共混物也可使用。
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加氢以产生具有饱和烃弹性体链段的热塑性弹性体。所述聚合物可以是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)类型的放射构型共聚物；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商业生产并描述在快报"Kraton Thermoplastic Rubber", SC-68-81中。以商标PRINLIN®出售并可商购自位于Düsseldorf, Germany的Henkel Technologies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使用。防弹复合材料中所用的常规低模量聚合物粘合剂聚合物包括Kraton Polymers商业生产的以商标KRATON®出售的聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物。
最尤其优选的粘合剂聚合物是极性树脂或极性聚合物，特别是在大约2,000 psi(13.79 MPa)至大约8,000 psi(55.16 MPa)的拉伸模量在软质和硬质材料两者范围内的聚氨酯。优选的聚氨酯作为水性聚氨酯分散体使用，其最优选但不是必须不含助溶剂。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或更高的100%伸长率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或更高，再更优选大约1100 psi或更高的100%伸长率模量的脂族聚氨酯分散体。最优选的是具有1000 psi或更高，优选1100 psi或更高的模量的脂族聚醚基阴离子聚氨酯分散体。
将聚合物粘合剂材料施加到纤维由此用粘合剂浸渍纤维材料(纤维材料层片/层)的方法是公知的并且可由本领域技术人员容易地确定。术语"浸渍"在本文中被认为与"嵌入"、"涂覆"或以其它方式施加聚合物涂层同义，其中聚合物材料扩散到纤维层片/层中而非简单地位于该层片/层的表面上。可以使用任何适当的施加方法施加该聚合物粘合剂材料，且术语如"涂覆"的特定使用无意限制将其施加到长丝/纤维上的方法。可用的方法包括例如将聚合物或聚合物溶液喷涂、挤出或辊涂到纤维上以及将纤维传送经过熔融聚合物或聚合物溶液。最优选的是用聚合物粘合剂材料基本涂覆或包封各个单独纤维并覆盖所有或基本所有纤维表面区域的方法。
本公开提供三个主要实施方案：1) 包含任选缝合在一起的至少两个高韧度纤维的非织造纤维层片的非织造纤维材料；2) 包含任选缝合在一起的至少两个高韧度纤维的机织纤维层片的机织纤维材料；和3) 包含用线，如针脚(stitches)增强的单个纤维层片的纤维材料，所述单个纤维层片可具有任何机织或非织造构造，包括毡。在各个这些实施方案中，形成各个单独纤维层片的复丝伸长体的至少一些没有互相连接、粘合或熔结，并且优选地，机械接合，如缝合是将多个层片接合在一起的唯一手段。
在图1中显示的是来自共有美国专利6,841,492和7,073,538的一个实施方案，其显示了作为纵向延伸体布置的单向高韧度纤维的第一纤维层片和横向铺设在第一纤维层片的纤维下方并横穿第一纤维层片的纤维的单向高韧度纤维的第二纤维层片。如进一步所显示，将第一纤维层片和第二纤维层片缝合在一起，由此用缝合线互相连接。如所示，缝合线以周期性交叉(periodic cross-overs)交错穿过这两个层片，从而只有单根纤维位于各针脚内，从而通过单个针脚将层的各个单独纤维固定就位。这不同于本公开，其中形成各纤维层片的复丝伸长体的至少一些没有互相连接、粘合或熔结。这显示在本公开的图2中，其中将包含、由或基本由作为纵向延伸体布置的单向高韧度伸长体12组成的第一纤维层片18与包含、由或基本由横向铺设在第一纤维层片18的伸长体12下方并横穿第一纤维层片18的伸长体12的单向高韧度伸长体14组成的第二纤维层片20缝合在一起。如该图中所示，至少两个紧邻的伸长体12位于第一组线16的各个针脚内，从而各针脚内的紧邻伸长体12没有互相连接、粘合或熔结以使它们没有相对于彼此受限并因此在受压时，特别在以下描述的条件下，能够自由移动，以允许在压缩下增强的长丝铺展。第二组线(未显示)可类似地在垂直于线16的方向上交错穿过层片，其中至少两个相邻伸长体14(即至少两根(ends))位于所述第二组线的各个针脚内。在优选实施方案中，至少三个伸长体(即至少三根)位于各针脚内，更优选至少四个伸长体，再更优选至少5个伸长体(根)，再更优选至少6个伸长体(根)，再更优选至少7个伸长体(根)，再更优选至少8个伸长体(根)，再更优选至少9个伸长体(根)，最优选至少10个伸长体(根)位于各针脚内。通过增加各针脚内的伸长体数量，通过在以下描述的条件下压制织物实现了更大的长丝/纤维铺展，这由此使所得纤维材料的孔隙率最小化。纤维层可以以规则或不规则的间隔缝合并且各针脚内的长丝数可彼此相等或可变。图2显示了包括规则间隔的针脚的一个实施方案，其中各针脚包括两个伸长体12。在图2的这一实施方案中，显示了穿过总共12个伸长体12的各线16的总共六个针脚。这些层片一起形成单个非织造纤维层。多个这些纤维层可以贴合(adjoined)形成多层制品。
本公开的非织造单向纤维层片可通过本领域中的常规方法形成。例如，在形成非织造单向纤维层片的一种优选方法中，将多个伸长体排列成阵列，通常排列成包含排为基本平行的单向阵列的多个伸长体的纤维网。在一种典型方法中，从筒子架供应复丝纤维、包括多根纤维的纤维束或复丝带并经由导丝器和一个或多个伸幅杆(spreader bars)引导到准直梳中。在一种常规方法中，此后用聚合物粘合剂材料涂覆纤维，但这一步骤对本公开目的而言是任选的。纤维束或复丝带可具有大约30至大约2000根单独长丝。伸幅杆和准直梳分散和铺展纤维和/或它们的组分长丝，以共面方式使它们并排重组。
或者，所述非织造纤维层片可以是毡。毡是无规取向纤维的非织造网络，优选由不连续纤维，如具有大约0.25英寸(0.64厘米)至大约10英寸(25.4厘米)的长度的短纤维形成。可以通过本领域中已知的几种公知技术的任一种，如通过梳理或流体铺设、熔喷和旋转铺设形成毡。
根据本公开，至少第一非织造纤维层片和第二非织造纤维层片是根据本领域中的此类常规手段形成。此后，第一纤维层片与第二纤维层片和视需要的任何附加层片同延布置，从而所述层片以同延方式互相叠加。在优选实施方案中，当第一和第二纤维层片是非织造单向层片时，优选所述层片相对于它们的组分伸长体的它们的各自纵轴以0°/90°或+45°/-45°角度取向。这已知实现多层纤维材料中的强尺寸稳定性。此后，优选根据本领域中的常规手段用至少第一组线将第一纤维层片和第二纤维层片缝合在一起，以由此形成一组层片。然后将如下文所论述压制这组层片而不使层片互相层合、粘附或熔结或以其它方式互相粘附粘合或热粘合。
在第二主要实施方案中，通过以本领域中的常规方法制造至少两个高韧度纤维的机织纤维层片形成机织纤维材料，其中优选随后将所述机织层片缝合在一起。可以使用任何公知的织物组织，如平纹组织、四经破缎纹组织(crowfoot weave)、方平组织、缎纹组织、斜纹组织、三维机织织物和它们的几种变体的任一种形成机织织物。平纹组织最常见，其中纤维(或带)以正交0°/90°取向机织在一起，经向纤维垂直于纬向(纬线)纤维取向。这种方法在本文中是优选的。在机织织物中，在本领域中被称作"经纬密度(pick count)"或"网目数(mesh count)"的经纱和纬纱(纬线)数是机织织物的密度的量度。平纹组织织物可具有相等或不相等的经纱和纬纱数。在这方面，优选的第一纤维材料具有在经向和纬向各自中大约20根/英寸至大约80根/英寸，更优选在经向和纬向各自中大约25根/英寸至大约70根/英寸，最优选在经向和纬向各自中大约25根/英寸至大约60根/英寸的优选经纬密度。优选的第二纤维材料具有在经向和纬向各自中大约15根/英寸至大约70根/英寸，更优选在经向和纬向各自中大约20根/英寸至大约60根/英寸，再更优选在经向和纬向各自中大约20根/英寸至大约50根/英寸，最优选在经向和纬向各自中大约25根/英寸至大约40根/英寸的优选经纬密度。这些每英寸根数范围是针对未压制的机织材料，也优选针对未压制的单向非织造织物。
根据本公开，至少第一机织纤维层片和第二机织纤维层片是根据本领域中的此类常规手段形成。此后，第一纤维层片与第二纤维层片和视需要的任何附加层片同延布置，从而所述层片以同延方式互相叠加。此后，优选根据本领域中的常规手段用至少第一组线将第一纤维层片和第二纤维层片缝合在一起，以由此形成一组层片。然后将如下文所论述压制这组层片而不使层片互相层合、粘附或熔结或以其它方式互相粘附粘合或热粘合。
本公开的第三主要实施方案类似于本公开的第一和第二实施方案的每一个，只是其仅包括单个纤维层片，其优选通过穿过层片设置的至少第一组线(如通过缝合(stitching)或缝纫(sewing))增强。最优选地，此类单层片结构是机织织物。这种单层片结构特别有利于形成其中需要低孔隙率的轻质制品，如背包、袋等。在这一实施方案中，无论是缝合还是未缝合，各所述复丝伸长体具有至少2:1的横截面纵横比，且其中所述纤维层片的所述复丝伸长体的至少一些没有互相连接、粘合或熔结。
尽管上述这些主要实施方案是最优选的，但各种其它实施方案都在本公开之内，只要在任何多纤维层片织物中，组分层片没有互相层合、粘附或熔结或以其它方式互相粘附粘合或热粘合。例如，本公开的多层片纤维材料可包含组合一个或多个机织纤维层片与一个或多个非织造纤维层片的混杂体。在一个可选例子中，本公开的织物可以用包含低拉伸强度纤维或带而非高韧度纤维或带的伸长体形成或用高韧度伸长体和低韧度伸长体的组合(例如与低韧度体的第二层片缝合在一起的高韧度体的第一层片，或其中各层片包含低韧度体和高韧度体的组合)形成。在这方面，如本文所用，"低韧度纤维"是具有小于7克/旦的韧度的纤维。第一纤维材料由具有比形成第二纤维材料的纤维低的拉伸强度的纤维形成。示例性的低韧度纤维非排他地包括尼龙纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、低韧度聚烯烃纤维、或其组合。优选的是尼龙纤维，包括低旦数尼龙纤维(大约30-100旦)和高旦数尼龙纤维(大约400-1500旦)。特别优选的是具有400至2000旦，更优选大约500至大约1500旦，最优选大约500至大约1000旦的旦数的尼龙纤维。
一旦形成所有的所需单独纤维层片，将所有层片以同延方式互相叠加以形成堆叠体，之后任选将这些层片互相机械接合，如通过在z-方向上将纤维层片缝合或针刺在一起。毡制的纤维层片可以通过缝合或针刺机械固结，但也可以通过已知手段，如水力缠结、空气缠结、水刺(spin lacing)等在其它层(机织、UD非织造或毡制非织造)上形成。这些之中优选方法是缝合或针刺。
根据本公开，在本公开的所有实施方案中可以使用任何可用的缝合体(stitchingbodies)使用任何常规已知的缝合方法，只要至少两个伸长体(根)位于各个针脚内。可用的缝合体非排他地包括本文中描述为可用于形成高韧度纤维层片的所有纤维和带，特别是高强度SPECTRA® UHMWPE纤维，以及低韧度纤维，如尼龙纤维。尽管任何常规缝合方法都可用于本文，但特别优选的是共有美国专利6,841,492和7,073,538中所描述的缝合技术和缝合线，它们在与本文相符的程度上经此引用并入本文，只要缝合被实施为布置至少两个伸长体(根)在各个针脚内。如这些专利中所描述，在本公开中独立的两组线纱(threadingyarns)可与第一和第二纤维层片交错(interleaved)，一组线纱与第一层片的伸长体呈横向排列并与其交错，以及第二组线纱与第二层片的伸长体呈横向排列并与其交错。
如在美国专利6,841,492和7,073,538中那样，在本文中最优选地是，形成第一纤维层片和第二纤维层片的伸长体的韧度为将第一纤维层片与第二纤维层片互相连接的各组线的伸长体(即在本文中称作第三伸长体)的韧度的至少两倍，且形成第一纤维层片和第二纤维层片的伸长体具有所述第三伸长体的最多大约一半的断裂伸长百分比。这些第三伸长体用于在压缩前将第一和第二纤维层片的所述体固定就位。在压缩下，在横向铺设的第一和/或第二伸长体分别铺展时，第三伸长体将被拉伸。高断裂伸长防止所述线断裂，同时允许它们拉伸以促进更高韧度伸长体的长丝铺展，同时保持互相连接的层片组的机械完整性。在一种防弹复合材料中，由于美国专利6,841,492和7,073,538中所述的原因，这也是有益的。
优选的第三伸长体包括美国专利6,841,492和7,073,538中公开的那些，包括由聚酰胺、聚酯、聚乙烯醇、聚烯烃、聚丙烯腈、聚氨酯、乙酸纤维素、棉、羊毛和它们的共聚物和共混物形成的纤维。最优选地，第三伸长体选自尼龙6、尼龙66、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚丙烯、聚乙烯醇和聚氨酯。特别优选的是聚乙烯醇纤维和聚氨酯纤维。合适的聚氨酯纤维是本领域中被称作氨纶(elastane)纤维或斯潘德克斯(spandex)纤维的那些，其可以例如以品牌名LYCRA®从DuPont商购。第三伸长体可以包含弹性体纤维或短纤维。
根据本公开，在任选通过所需手段以机械方式互相连接多个纤维层片以形成一组层片后，该组层片在高温，即大约270℉(132.2℃)至大约302℉(150.0℃)下压制，同时最优选保持在低压力，即不大于500 psi(大约3447 kPa)下。在高温下可实现比在低温下更高的长丝铺展，但更高温度已知使纤维降解并降低它们的拉伸性质。特别是对于具有大约130℃至136℃(266℉至276.8℉)的熔点的超高分子量聚乙烯纤维，之前相信，该纤维在加热到高于130℃时会降解。但是，现在已经出人意料地发现，UHMWPE纤维当它们受到约束(constrained)，优选连续受到约束例如通过在恒定张力下并在低压力下压制时可在高达大约150℃的温度下有效铺展，即在张力下时加热并且在不高于500 psi(大约3447 kPa)的压缩压力下压缩，不损失分子链的取向和不使纤维/带拉伸性能劣化。可任选使用高于500psi，如500 psi至1000 psi或高达1000 psi或高于1000 psi的较高压缩压力以实现纤维铺展，但在更高压力下，纤维降解风险提高，在小于500 psi，更优选在小于400 psi，更优选在小于300 psi，最优选在小于250 psi实现最佳结果。通过这种方法实现的增强的长丝铺展有效地使相邻伸长体之间的间隔最小化，特别是在多个相邻的体没有互相连接并能够在纤维层片内自由移动时，由此使得能够制造具有极低孔隙率或没有孔隙率的纤维材料。低压力也防止纤维层片熔结或以其它方式互相粘合，这进一步促进增强的长丝铺展。
图3和图4图解压缩纤维的两种优选方法。在图3的方法中，纤维层片组10从第一存储辊22退卷并在第一组加热的张紧辊26之间压制，其中复丝伸长体铺展并减小相邻伸长体之间的间隙，形成如所示的低孔隙率或无孔隙率材料。该低/无孔隙率材料然后重绕在第二存储辊24上。图4图解在将材料重绕到存储辊24上之前使用第二组加热的张紧辊28从而该纤维材料在重绕前压制两次的一个实施方案。优选将加热的张紧辊加热到大约270℉(132.2℃)至大约302℉(150.0℃)，更优选大约280℉(137.8℃)至大约302℉(150℃)，最优选大约290℉(143.3℃)至大约302℉(150℃)的温度。最合适的温度将随用于形成高韧度伸长体的聚合物的熔点而变。所述加热的辊在互相连接的纤维层片上施加压力，以在大约50psi(344.7 kPa)至大约500 psi(3447 kPa)，更优选大约200 psi(1379 kPa)至大约500psi(3447 kPa)，再更优选大约300 psi(2068 kPa)至大约500 psi(3447 kPa)，最优选大约400 psi(2758 kPa)至大约500 psi(3447 kPa)的压力下压制层片。
所述纤维材料经过辊的速率将由本领域技术人员确定，但通常将为大约1米/分钟至大约100米/分钟，更优选大约2米/分钟至大约50米/分钟，再更优选大约3米/分钟至大约50米/分钟，再更优选大约4米/分钟至大约30米/分钟，最优选大约5米/分钟至大约20米/分钟的速率。所选速率、压力和温度必须足以防止第一纤维层片和所述第二纤维层片互相层合、粘附或热熔结从而纤维铺展被最大化。这些实施方案仅是示例性的并且可以使用本领域技术人员确定的另外的加热或未加热张紧辊。所述互相连接的纤维层片也可以经过辊26或辊26和28多次直至实现所需长丝铺展程度。压制的纤维材料在卷绕到第二存储辊24上之前优选冷却到低于130℃。
在保持所指定温度和压力范围的同时，本领域技术人员确定的其它压缩手段也可能是合适的。例如，互相连接的纤维层片组可以如图5中所示在常规平压机中在两个加热的压板(platens)之间压缩。在这一实施方案中，压板优选在最高150.0℃的温度和最高大约500 psi(大约3447 kPa)的压力下加热。在平压机中的合适停留时间将由本领域技术人员确定，但通常将为大约30秒至大约3分钟。该停留时间足以防止第一纤维层片和所述第二纤维层片互相层合、粘附或热熔结从而纤维铺展被最大化。
在上述条件下压制复丝纤维或带导致长丝横向铺展开，将伸长体压平成更薄结构，其中它们的厚度降低且宽度增加。在这方面，如果伸长体是复丝纤维，则压制前的纤维在本文中被称作具有ARi的纵横比的前体纤维且压制后的纤维在本文中被称作具有ARf的纵横比的最终纤维。第一纤维层片的前体纤维具有1ARi的纵横比且压制的最终纤维具有1ARf的纵横比，第二纤维层片的前体纤维具有2ARi的纵横比且压制的最终纤维具有2ARf的纵横比，以此类推。在本公开的优选实施方案中，当纤维层片由复丝纤维形成时，在压制的纤维材料中，第一和第二复丝纤维和各任选附加层片的复丝纤维各自优选具有至少2:1的ARf。更优选地，在包含复丝纤维的各纤维层片中，各复丝纤维具有是所述ARi(压制前的纵横比)的至少两倍的ARf(压制后的纵横比)。再更优选地，各纤维层片的复丝纤维具有大约1:1至大约2:1的ARi和大约2:1至大约4:1的ARf。再更优选地，各复丝纤维的ARf为ARi的至少五倍，以及对于各纤维层片的各复丝纤维，最优选地ARi为大约1:1至大约2:1且ARf为大于大约10:1。
当所述伸长体是纤维带时，复丝纤维带在本文中被称作具有压制前横截面纵横比ARit和压制后横截面纵横比ARft。各带的ARit为至少3:1，其优选通过压制至少翻倍以实现至少6:1的ARft。更优选地，各纤维带的ARft为ARit的至少五倍。
在最优选的实施方案中，纤维充分铺展以消除伸长体之间的间隔从而紧邻的复丝伸长体之间不存在间隙，由此尽可能降低纤维材料的孔隙率。如果希望，例如如果需要抗水渗透，也可以在压制/压缩步骤后通过将聚合物膜施加到第一纤维层片和/或第二纤维层片和/或任何附加纤维层片中的一个或每一个表面上而增补纤维材料的阻隔性能。在这些实施方案中，特别优选的聚合物膜非排他地包括热塑性聚合物层，包括聚烯烃、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、丙烯酸系聚合物、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。这些之中，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。此类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。尽管此类厚度是优选的，但要理解的是，可以制造其它厚度以满足特定需要并仍落在本发明的范围内。在将单独的纤维层片或纤维材料层融合在一起之前、期间或之后，可以使用公知的技术，如热层合将此类热塑性聚合物层粘合到复合材料表面上。通常，通过在足以使这些层合并成一体结构的热和压力条件下将单独的层彼此叠加布置来进行层合。层合可以在大约95℃至大约175℃，优选大约105℃至大约175℃的温度、在大约5 psig(0.034MPa)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。此类热塑性聚合物层也可以任选用本领域技术人员会理解的热胶或热熔体纤维粘合到复合材料表面上。另外，作为聚合物膜的一种替代，可以用保护性涂层，如提供拒水性质的涂层涂覆纤维材料层的一个或多个表面。如本领域技术人员会确定的那样，合适的涂层非排他地包括天然橡胶、聚氯乙烯、聚氨酯、硅氧烷弹性体、含氟聚合物和蜡。特别优选的防水聚合物涂层非排他地包括含氟聚合物基涂层，如可商购自Huntsman LLC of SaltLake City, Utah的OLEOPHOBOL™拒水剂，和聚氨酯涂层。
本文中形成的无/低孔隙率纤维材料优选具有低面密度，使得它们更可用于工业应用而非装甲应用。在优选实施方案中，本公开的无/低孔隙率纤维材料具有大约0.1 lb/ft2 (psf)(0.488 kg/m2)(ksm)至大约1.0 psf (4.88 ksm)，更优选大约0.2 psf至大约0.9psf (0.4.392 ksm)，再更优选大约0.3 psf (1.464 ksm)至大约0.8 psf (3.904 ksm)，最优选大约0.4 psf (1.952 ksm)至大约0.6 psf (2.928 ksm)的面密度。
本公开所得的无/低孔隙率纤维材料可用于宽范围的应用，但特别可用于制造其中需要耐磨性和无/低孔隙率的轻质非装甲制品，如气囊、气帘、船用织物、帆布、屋面材料、遮棚、横幅、旗帜、天篷、地板材料、床品、窗帘、家具、帐篷、降落伞、防水布、套管、景观美化材料、排水和侵蚀控制材料、传送带、压敏胶带、行李箱、背包、设备包、户外服装如雨衣和风衣、运动服如滑雪服装、自行车服装和游泳衣、军事服装、工作服(work gear)、鞋、靴等。
下列非限制性实施例用于例示本公开的优选实施方案：
实施例1
提供两个1200旦、SPECTRA® S900超高分子量聚乙烯纤维的机织织物层片(平纹组织)，各织物具有21 x 21根/英寸的经纬密度和7 oz./yd2的纤维面密度。织物都没有用聚合物粘合剂涂覆，即纤维含量为100%。将织物切割成具有40 cm x 40 cm的尺寸，然后将层片彼此同延堆叠并居中放置在两个被离型纸覆盖的45 cm x 45 cm钢板之间。将钢板转移到具有保持在138℃的压板的加热的液压机中。关闭压机并施加15巴压力15分钟。在15分钟后，通过切换成冷水，将压机切换到冷却周期。一旦压机压板达到65℃，打开压机，取出钢板并释放织物样品。所得织物在纤维之间具有闭合间隙(closed gaps)，并且还为就这样使用它或为二次加工提供了足够的耐久性，但层片没有互相层合、粘附或热熔结。
实施例2
提供一个实施例1的机织SPECTRA® S900织物的层片。还提供一个375旦、SPECTRA® 1000超高分子量聚乙烯纤维的机织织物层片(平纹组织)(54 x 54根/英寸、2.9 oz/yd²纤维面密度)。织物都没有用聚合物粘合剂涂覆，即纤维含量为100%。将各织物层片切割成具有40 cm x 40 cm的尺寸，并且用纱线以正方形图案(1" x 1"网格)用聚酰胺(尼龙6)纤维将它们缝合在一起。然后将层片彼此同延堆叠并居中放置在两个被离型纸覆盖的45 cmx 45 cm钢板之间，并在与实施例1中相同的条件下压制。所得织物产品在这两种形式的SPECTRA®织物之间具有闭合间隙，并且还为就这样使用它或为二次加工提供了足够的耐久性，但层片没有互相层合、粘附或热熔结。
实施例3
提供一个实施例1的机织SPECTRA® S900织物的层片。还提供一个无规取向的1200旦、SPECTRA® S900超高分子量聚乙烯短切、3英寸长的短纤维的非织造毡层片(7 oz/yd²)。将各织物层片切割成具有40 cm x 40 cm的尺寸，然后将层片彼此同延堆叠并居中放置在两个被离型纸覆盖的45 cm x 45 cm钢板之间，并在与实施例1中相同的条件下压制。所得织物产品在这两种形式的SPECTRA®织物之间具有闭合间隙，并且还为就这样使用它或为二次加工提供了足够的耐久性，但层片没有互相层合、粘附或热熔结。
实施例4
提供单个实施例1的机织SPECTRA® S900织物的层片。然后用纱线以正方形图案(1" x 1"网格)用聚氨酯分段嵌段纤维(polyurethane segmented block fibers)(LYCRA®牌，可商购自DuPont of Wilmington, DE)缝合该层片。还提供一层具有40 cm x 40 cm的尺寸的线性低密度聚乙烯膜。将该机织织物切割成具有40 cm x 40 cm的尺寸。然后将该膜和织物彼此同延堆叠并居中布置在两个被离型纸覆盖的45 cm x 45 cm钢板之间，并在与实施例1中相同的条件下压制。所得织物产品在纤维之间具有闭合间隙，并且还为就这样使用该织物或为二次加工提供了足够的耐久性。
实施例5
提供一个实施例1的机织SPECTRA® S900织物的层片。还提供一层单向非织造织物，其包含375旦、SPECTRA® 1000超高分子量聚乙烯纤维的两个交叉层叠的层片(以0°/90°交叉层叠)。该非织造织物的两个层片用聚乙烯醇纤维缝合结合(stitch bonded)在一起，并且该组合具有1.5 oz/yd²的面密度。将各织物切割成具有40 cm x 40 cm的尺寸，然后将层片彼此同延堆叠并居中放置在两个被离型纸覆盖的45 cm x 45 cm钢板之间，并在与实施例1中相同的条件下压制。所得织物产品在这两种形式的SPECTRA®织物之间具有闭合间隙，并且还为就这样使用它或为二次加工提供了足够的耐久性，但层片没有互相层合、粘附或热熔结。
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会容易地认识到，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方案。

Claims (15)

1.一种纤维材料，其包含：
含有多个第一复丝伸长体的第一纤维层片，其中所述第一复丝伸长体的至少一些没有互相连接、粘合或熔结，各所述第一复丝伸长体具有至少7克/旦的韧度和至少150克/旦的初始拉伸模量；
在所述第一纤维层片上并与其同延的第二纤维层片，所述第二纤维层片含有多个第二复丝伸长体，其中所述第二复丝伸长体的至少一些没有互相连接、粘合或熔结，各所述第二复丝伸长体具有至少7克/旦的韧度和至少150克/旦的初始拉伸模量；
其中所述第一纤维层片和所述第二纤维层片没有互相层合、互相用粘合剂粘附粘合或互相热熔结，并且
其中各所述第一复丝伸长体包含具有至少2:1的横截面纵横比1ARf的第一复丝纤维且各所述第二复丝伸长体包含具有至少2:1的横截面纵横比2ARf的第二复丝纤维。
2.权利要求1的纤维材料，其进一步包含将第一纤维层片与第二纤维层片互相连接的至少第一组的线，所述第一组的线包含多个第三伸长体。
3.权利要求1的纤维材料，其中所述第一复丝纤维由具有1ARi的纵横比的第一复丝前体纤维形成且所述第二复丝纤维由具有2ARi的纵横比的第二复丝前体纤维形成，其中1ARf为1ARi的至少两倍且其中2ARf为2ARi的至少两倍。
4.权利要求3的纤维材料，其中1ARi为1:1至2:1且1ARf为2:1至4:1，且其中2ARi为1:1至2:1且2ARf为2:1至4:1。
5.权利要求3的纤维材料，其中1ARf为1ARi的至少五倍且其中2ARf为2ARi的至少五倍，其中多个所述第一复丝伸长体没有互相连接、粘合或熔结并且其中多个所述第二复丝伸长体没有互相连接、粘合或熔结。
6.权利要求2的纤维材料，其中该第三伸长体含有第三纤维且其中所述第一复丝纤维和所述第二复丝纤维各自具有该第三纤维的韧度的至少两倍的韧度，且其中各所述第三纤维具有所述第一复丝纤维和所述第二复丝纤维的断裂伸长的至少两倍的断裂伸长，且其中所述第一复丝纤维和所述第二复丝纤维各自用聚合物粘合剂涂覆，其中所述聚合物粘合剂构成所述纤维材料的10重量%或更少。
7.权利要求1的纤维材料，其中在相邻的第一复丝伸长体之间不存在间隙并且其中在相邻的第二复丝伸长体之间不存在间隙且其中所述第一纤维层片和所述第二纤维层片是非织造的。
8.一种形成纤维材料的方法，所述方法包括：
a) 提供包含以平面、平行阵列排列的多个第一复丝伸长体的第一纤维层片，各所述第一复丝伸长体具有至少7克/旦的韧度和至少150克/旦的初始拉伸模量；
b) 提供包含以平面、平行阵列排列的多个第二复丝伸长体的第二纤维层片，各所述第二复丝伸长体具有至少7克/旦的韧度和至少150克/旦的初始拉伸模量；
c) 与第二纤维层片同延地布置第一纤维层片，并然后任选地将第一纤维层片和第二纤维层片互相机械接合，由此形成层片组；
d) 此后，将所述层片组加热到270℉至302℉的温度并与所述加热同时或在所述加热后在压机中在低于500 psi的压力下将所述层片组压制在一起，由此使所述复丝伸长体的长丝铺展开，由此使各个纤维层片中的相邻复丝伸长体的纵向边缘互相发生接触；和
e) 任选地，使加热的层片组冷却，其中所述第一纤维层片和所述第二纤维层片没有互相层合、粘附或热熔结；
其中各所述第一复丝伸长体包含具有至少2:1的横截面纵横比1ARf的第一复丝纤维且各所述第二复丝伸长体包含具有至少2:1的横截面纵横比2ARf的第二复丝纤维。
9.权利要求1的纤维材料或权利要求8的方法，其中所述第一纤维层片和所述第二纤维层片是非织造的。
10.权利要求1的纤维材料或权利要求8的方法，其中所述第一纤维层片和所述第二纤维层片中的一个是机织的，并且所述第一纤维层片和所述第二纤维层片中的一个是非织造的。
11.权利要求1的纤维材料，其中所述第一复丝伸长体的至少一些紧邻的伸长体没有互相连接、粘合或熔结以使它们没有相对于彼此受限并能够在第一纤维层片内自由移动，并且其中所述第二复丝伸长体的至少一些紧邻的伸长体没有互相连接、粘合或熔结以使它们没有相对于彼此受限并能够在第二纤维层片内自由移动。
12.权利要求1的纤维材料，其中所述第一复丝伸长体和所述第二复丝伸长体各自包含没有用粘合树脂/粘合剂涂覆的复丝纤维。
13.权利要求3的纤维材料，其中1ARi为1:1至2:1和1ARf为大于10:1，且其中2ARi为1:1至2:1和2ARf为大于10:1。
14.权利要求8的方法，其中各所述第一复丝伸长体包含具有至少2:1的横截面纵横比1ARf的第一复丝纤维且各所述第二复丝伸长体包含具有至少2:1的横截面纵横比2ARf的第二复丝纤维；和其中所述第一复丝纤维由具有1ARi的纵横比的第一复丝前体纤维形成且所述第二复丝纤维由具有2ARi的纵横比的第二复丝前体纤维形成，其中1ARf为1ARi的至少两倍且其中2ARf为2ARi的至少两倍。
15.一种纤维材料，其包含：
含有多个第一复丝伸长体的第一纤维层片，其中所述第一复丝伸长体的紧邻的伸长体没有互相连接、粘合或熔结以使它们没有相对于彼此受限并能够在第一纤维层片内自由移动，各所述第一复丝伸长体具有至少7克/旦的韧度和至少150克/旦的初始拉伸模量；
在所述第一纤维层片上并与其同延的第二纤维层片，所述第二纤维层片含有多个第二复丝伸长体，其中所述第二复丝伸长体的紧邻的伸长体没有互相连接、粘合或熔结以使它们没有相对于彼此受限并能够在第二纤维层片内自由移动，各所述第二复丝伸长体具有至少7克/旦的韧度和至少150克/旦的初始拉伸模量；
其中所述第一纤维层片和所述第二纤维层片没有互相层合、互相用粘合剂粘附粘合或互相热熔结。
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