CN1214229C - 抗刀刺防弹制品 - Google Patents

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Abstract

公开了一种分层结构的组合，用于防护刀刺和子弹威胁，其中，外面是刀刺打击面并且包括多层疏松纺织的织物并且里面包括防弹层。

Description

抗刀刺防弹制品
发明背景
发明领域
众所周知，用于防弹的柔软服装不一定有效抵抗刀刺。反之亦然，抗刀刺制品不一定有效防弹。本发明涉及柔软的制品，其同时提供防刀刺和防弹。
现有技术
根据Chiou等的申请，1997年4月22日授权的美国专利No.5,662,771公开了一种由具有特别低线密度的紧密织成的芳族聚酰胺纱线制成的抗刺穿制品。
1993年1月7日公开的国际公开WO 93/00564中公开了使用多层得自高韧度对-芳族聚酰胺纱线纺织的织物的防弹结构。
1995年9月6日公开的欧洲专利申请No.670,466描述了一种防弹抗刀刺系统，其中，通过在聚合物树脂中包埋锁子甲(chainmail)赋予抗刀刺性。
1997年11月3日提出的美国专利申请系列No.08/963,094(KB-4180-A)公开了一种抗碎冰锥刺穿的复合材料，其外面是紧密纺织的纱线，里面是防弹材料，其中，外面必须是威胁打击面。
发明概述
本发明涉及一种抗刀刺防弹制品，其包含含有多个疏松纺织的抗刀刺织物层的外面和含有多个防弹层的里面。
发明详述
为了提供对刀子和刀刃如钻孔锥、厨刀、蝶型刀、剔骨刀等的刺穿以及防弹的双重保护，特别开发了本发明。警察和保安人员具有在同一件防护服中同时防护刀刺威胁和防弹威胁已经变得越来越重要。这样的服装必须是尽可能柔软的，以保证足够的舒适性，使得该服装容易穿用。本发明人已经研究了抗刀刺制品和防弹制品，并且做出了与这些制品的组合相关的惊人发现。
对于刺穿防护的改善，过去已经作了许多努力；并且设想是使用更紧密纺织的织物将获得抗刀刺的改善。
本发明人已经发现，就刀刺来说，这一设想是不正确的。他已经发现，具有疏松编织的纺织品复合材料相当意外地表现出抗刀刺刺穿性。
本发明人已经发现，当用来制造制品的织物被织成小于0.65的紧密系数时，织物复合材料的抗刀刺性明显改善。可以认为，低到0.20的紧密系数将提供改善的抗刀刺性。一直到本发明之前，抗刺穿织物被紧密地纺织或者用基质树脂浸渍或者两种方法同时采用。在与目前的技术理解完全相反的工作中，本发明人发现，具有低织物紧密系数的无基质树脂的织物表现出改善的抗刀刺性。虽然具有任何紧密系数减小的任何织物都预计表现出一些改进，但是发现最大的改进是紧密系数小于0.65并大于0.20。当紧密系数进一步降低到小于0.20时，织物纺织变得太疏松使得对于有效防护要求不可接受的高面密度。
防弹服装一般使用若干层防护织物制成，并且若干层几乎总是用一种方式连接在一起，使得相邻层的面相互之间保持在固定位置上。已经发现，如果在防护复合材料中的相邻层不固定在一起而是相互之间可以自由移动，则改善抗刀刺刺穿性。当相邻层紧密缝合在一起时，抗刀刺刺穿性降低。
本发明完全由柔软的纺织品构成，而没有任何刚性的板或薄片并且没有浸渍织物材料的基质树脂。与提供类似刀刺防护的现有技术的抗刺穿结构相比，本发明的制品是更柔软、重量更轻、触摸更柔软、穿用更舒适并且更柔韧。
本发明的织物整体或者部分由具有至少每分特10克的韧度和至少每分特150克的拉伸模量的纱线制成。这样的纱线可以用芳族聚酰胺、聚烯烃、聚苯并噁唑、聚苯并噻唑等制成。
“芳族聚酰胺”是指一种聚酰胺，其中，至少85％的酰胺键(-CO-NH-)直接连接到两个芳环上。合适的芳族聚酰胺纤维描述于Man-MadeFibers-Science and Technology，Volume 2，Section titledFiber-Forming Aromatic Polyamides，297页，W.Black等，Interscience Publishers，1968中。芳族聚酰胺纤维还公开在美国专利4,172,938、3,869,429、3,819,587、3,673,143、3,354,127和3,097,511中。
可以与芳族聚酰胺一起使用添加剂，并已经发现最多达10重量％的其它聚合物材料可以与芳族聚酰胺共混，或者可以使用多达10％的取代芳族聚酰胺的二胺的其它二胺或多达10％取代芳族聚酰胺的二酰氯的其它二酰氯的共聚物。
对芳族聚酰胺是本发明的芳族聚酰胺纱线纤维中的基本聚合物，聚(对亚苯基对苯二酰胺)(PPD-T)是优选的对芳族聚酰胺。PPD-T是指由对苯二胺和对苯二酰氯等摩尔聚合获得的均聚物，以及通过与对苯二胺一起引入少量其它二胺和与对苯二酰氯一起引入少量其它二酰氯获得的共聚物。作为一般原则，其它二胺和其它二酰氯可以用最多达约为对苯二胺或对苯二酰氯的10摩尔％的用量或者可能略高，条件仅仅是其它二胺和二酰氯没有干扰聚合反应的反应性基团。PPD-T还指由引入其它芳族二胺和其它芳族二酰氯获得的共聚单体，例如2，6-萘二酰氯或氯代或二氯代对苯二酰氯或3，4’-二氨基二苯基醚。PPD-T的制备描述在美国专利No.3,869,429、4,308,374和4,698,414中。
聚烯烃是指聚乙烯或聚丙烯。聚乙烯是指主要为线性的聚乙烯材料，其具有优选大于1百万的分子量，可能含有少量支链或每100个主链碳原子不超过5个修饰单元的共聚单体，并且其还可以含有与其混合的不大于约50重量％的一种或多种聚合添加剂如烯烃-1-聚合物，特别是低密度聚乙烯、聚丙烯等，或者通常引入的低分子量添加剂如抗氧化剂、润滑剂、紫外线遮蔽剂、色剂等。这在伸直链聚乙烯(ECPE)中是公知的。类似地，聚丙烯是主要为线性的聚丙烯材料，其具有优选大于1百万的分子量。高分子量线性聚烯烃纤维是可购得的。聚烯烃纤维的制备在US 4,457,985中讨论。
聚苯并噁唑和聚苯并噻唑优选的是由以下结构的链节组成：
虽然与氮原子结合的所示芳族基团可以是杂环的，但是，它们优选的是碳环的；并且虽然它们可以是稠合或未稠合的多环系统，但是它们优选的是单6元环。虽然在二-唑的主链中所示的基团是优选的对亚苯基，但是，该基团可以被任何不干扰聚合物制备的任何二价有机基团置换，或者根本没有基团。例如，该基团可以是最多12个碳原子的脂肪族基团、亚苄基、亚联苯基、二-亚苯基醚等。
用来制备本发明的纤维的聚苯并噁唑和聚苯并噻唑应该具有至少25，优选的是至少100个链节单元。聚合物的制备和这些聚合物的纺丝公开在国际公开WO 93/20400中。
“织物紧密系数”和“布面覆盖系数”是赋予织物编织密度的名字。布面覆盖系数是与纺织几何结构相关的计算值，并且表示被织物纱线覆盖的织物总表面积的百分数。用来计算布面覆盖系数的公式如下(来自Weaving：Conversion of Yarns to Fabric，Lord andMohamed，published by Merrow(1982)，141-143页)：
dw＝织物中经纱的宽度
df＝织物中纬纱的宽度
pw＝经纱的节距(每单位长度的末端数)
pf＝纬纱的节距
C w = d w p w C f = d f p f
Figure C0181105300072
C fab = ( p w - d w ) d f + d w p f p w p f
= ( C f + C w - C f C w )
根据织物纺织种类，即使织物的纱线靠近在一起，但是最大布面覆盖系数可能相当低。由于这一原因，纺织紧密度的更有用的指标称为“织物紧密系数”。织物紧密系数是与最大纺织紧密度相比，织物纺织紧密度的度量，其是布面覆盖系数的函数。
Figure C0181105300075
例如，对于平纹织物可能的最大布面覆盖系数为0.75；所以实际布面覆盖系数为0.68的平纹织物的织物紧密系数为0.91。
作为一般原则，柔软的防弹制品是用多层织物制成，这些织物由在有效抵抗特定威胁的足够的层中使用由高韧度和韧性的纱线制成。用于防弹的织物一般使用具有较高线密度的纱线，并且在纺织时，除了避免非常紧的纺织以避免由于纺织的苛刻损坏纱线纤维以外，对于纺织紧密度很少重视。
本发明的特定组合，利用抗刀刺材料和防弹材料，表现出良好的防弹和抗刀刺性，其远大于由该组合的各个组成部分的抗刀刺性的总和所预计的。本发明的组合的各个组成部分包括外面和里面。
外面包括一些用高强度纤维纱线制成的较疏松纺织的织物层，其中，所述纱线的韧度一般至少为每分特10克(每旦尼尔11.1克)。虽然对于韧度没有上限，但是韧度低于每分特约5克的纱线对于有意义的防护不能表现出足够的强度。本文所用的纱线必须具有至少150克/分特的拉伸模量，因为太低的模量将导致过大的纤维伸长和子弹或刺刀运动的无效限制。对于拉伸模量没有上限。在这些纱线中的各个单丝的线密度为0.2-8分特，优选的是0.7-2.5分特。外面的层可以用芳族聚酰胺、聚烯烃、聚苯并噁唑、聚苯并噻唑或其它聚合物制成。外面的层优选的材料是对芳族聚酰胺纱线。对于外面织物，可以使用常用织法的任何一种，包括平纹、四经破缎纹、方平组织、锻纹、斜纹等。对于本发明的抗刀刺材料的优选织法是斜纹和锻纹及它们的变化，包括四经破缎纹，有时称为4通丝锻纹织法，因为它们比平纹织法更柔软且更柔韧，并且可以更好地贴合到复杂曲线和表面上。对于外面中的纱线，优选的线密度是100-4000分特，这些纱线优选的是织成0.2-0.65的织物紧密系数。
虽然本发明的改善刀刺防护的原因还不十分清楚，但是，可以认为与吸收来自刀刃的能量有关，此时由于与刺入的刀刃接触，疏松纺织的织物中的纱线移动而不被切断。
本发明的抗刀刺材料的织物制品的单层可以提供抗刀刺刺穿性的度量，因此提供防护程度的度量，但是在最终的制品中需要多个层。正是在总面密度至少为1kg/m2的多个低紧密系数织物层的使用中，本发明表现出其最突出且惊人的改进。已经发现，本发明的制品在多层放在一起时，当该制品不相互固定从而可以在相邻层之间产生相对移动时，提供了惊人的有效抗刺穿性。本发明的防护结构的组织还包括多层上述纺织物和毛毡材料，一般由芳族聚酰胺人造短纤维制成。所述毛毡可以具有200-4000克/平方米的密度，优选的是500-1000克/平方米。相邻的层或制品可以在边缘连接，或者可以由一些疏松的中间层连结，与制品的厚度相比，其间距较大。对于本申请，例如，点间距大于约15厘米的层与层结合可以作为基本没有把这些层保持在一起的措施。已经在这些层表面上缝合在一起的层可以提供更有效的防弹保护；但是这样的缝合引起这些层之间的固定，并且由于还不完全清楚的原因，与基于单层试验的预测相比，最终降低了这些层的抗刀刺刺穿性。
虽然在全球已经开发和使用了各种标准，但是，对于刀刺防护的标准一般要求大于20焦耳的抗刀刺刺穿性。本发明的复合材料以较低的面密度达到了该水平。同时，由于低紧密系数，该复合材料是柔软透气的，并且可以舒适地与身体形状贴合作为有效的防护服装组成。刀刺防护当然随着复合材料面密度增大而改善；但是本发明人估计，由于笨重增加并且防护服的舒适性降低，在大于约20kg/m2的面密度获得很小的实用益处。
里面包括多个纤维材料层，其提供防弹保护。里面的层可以是纺织的或非纺织的，并且如果是非纺织的，可以是单向的、单纺织的等。这些层可以用芳族聚酰胺、聚烯烃、聚苯并噁唑、聚苯并噻唑或其它用于防弹的常用聚合物。该里面的层的优选构造是线密度为100-4000分特的纺织对-芳族聚酰胺纱线。如果是纺织的，平纹织造对于大于约0.90的织物紧密系数是优选的，尽管可以使用其它纺织类型，如席纹织造、锻纹织造或斜纹织物。优选的对芳族聚酰胺是聚(对亚苯基对苯二酰胺)。
对于外面和里面，在本发明的织物中所用的纱线应该表现出大于10克/分特的韧度，并且高达50克/分特或更大；断裂伸长率至少为2％并且高达6％或更大；模量至少为150克/分特并且高达2000克/分特或更大。
通过把二者以面对面的关系放在一起制造外面和里面的组合，按照要求，在二者之间放入或者不放入其它层材料。例如，可以放在外面和里面之间的其它层材料包括弹性垫料、粘结材料、防水材料等。
已经发现，根据本发明的外面和里面的组合产生了远大于单独由外面和里面表现出的抗刀刺性总和的抗刀刺性。相当明显地，以在本发明范围之外的方式组合外面与里面提供远低于各个面的抗刀刺性总和的抗刀刺性。
具体地，如实施例中将会表明的，在外面与里面的组合中，其中，里面对于刀刺威胁用作打击面，抗刀刺性远小于单独的各个面抗刀刺性的总和。对于该相同组合，当外面用作刀刺威胁的打击面时，抗刀刺性远大于单独的各个面抗刀刺性的总和。
本发明的要点在于发现了不同层材料的组合，在以一种方式构造时，产生了意外差的结果，当用另一种方式构造时，产生意外好的结果。本发明组合的外面是最大抗刀刺性的面，对于本发明的目的，其必须是被刀刺威胁打击的面。
测试方法
线密度：通过称重已知长度的纱线，确定纱线的线密度。术语“分特”定义为10,000米纱线的重量，用克计。
在实际的实践中，在测试开始前，把所测得的纱线样品的分特、测试条件和样品标识输入计算机；计算机记录纱线破坏时的负荷-伸长曲线，然后计算性质。
拉伸性能：对于拉伸性能测试的纱线首先被调湿，然后捻成1.1的捻系数。纱线的捻系数(TM)定义为：
TM＝(捻数/厘米)(分特)1/2/30.3
待测的纱线在25℃、55％相对湿度调湿最少14小时，并且在这些条件下进行拉伸试验。韧度(抗断韧度)、断裂伸长率和模量通过破坏试验纱线在Instron试验机(Instron Engineering Corp.，Canton，Mass.)上测定。
使用25.4厘米的纱线测量长度和50％应变/分钟的伸长速度，测定韧度、伸长率和原始模量，如ASTM D2101-1985中所定义的。模量由在1％应变时的应力-应变曲线的斜率计算，并且等于在1％应变(绝对)时的应力(用克表示)乘以100，除以测试纱线的线密度。
韧性：使用拉伸试验的应力-应变曲线，按最高到纱线破坏点的应力/应变曲线下的面积(A)确定韧性。其通常使用面积仪确定，以便用平方厘米提供面积。分特(D)如上在“线密度”下所述。韧性(To)计算为：
To＝A×(FSL/CFS)(CHS/CS)(1/D)(1/GL)
其中：
FSL＝满标负荷，用克表示
CFS＝记录纸满标，用厘米表示
CHS＝十字头速度，用厘米/分钟表示
CS＝走纸速度，用厘米/分钟表示
GL＝试样的计量长度，用厘米表示
数字化的应力/应变数据当然可以送入计算机，用于直接计算韧性。结果是To，用dN/tex表示。乘以1.111转变成克/旦尼尔。当长度单位全部相同时，以上公式计算To的单位仅由对力(FSL)和D所选的单位决定。
抗刺穿性：按照由the Police Scientific Development Branchof the United Kingdom在1999年发布的“防弹衣的PSDB抗刀刺标准(PSDB Stab Resistance Standard for Body Armor”中说明的，使用Rockwell硬度为52-55、总长度为10cm并且厚度为2mm的PSDB P1单刃刀片在多层织物上测定抗刀刺刺穿性。根据来自H.P.White Lab.，Inc.，的HPW下落试验TP-0400.03(1994年11月28日)进行测试，但是使用PSDB P1刀刃，且四层6mm氯丁橡胶、一层30mm的Plastazote泡沫和两层6mm橡胶的复合材料用作衬底材料，根据上述PSDB抗刀刺试验标准进行。试样放在衬底材料上，用重量为4.54千克(10磅)的PSDB P1刀从各种高度落下冲击，直至实现通过在试验下样品小于7mm的刺穿。通过把刺穿高度的能量千克-米乘以9.81，将结果报告为刺穿能量(焦耳)。
防弹性能：根据MIL-STD-662e进行多层布的防弹测试，以确定防弹极限(V50)，但是在用于背衬材料的Roma Plastilina No.1制模粘土的使用和弹丸的选择中，如下所述：把待测布放在样品台上，使所述布绷紧并且垂直于测试弹丸的路径。弹丸是9mm全金属外壳手枪子弹，重124格令，并且由能以不同速度发射弹丸的试验枪管发出。对于每块布的第一次发射是估计为可能防弹极限(V50)的弹丸速度。当第一次发射产生完全的布料穿透时，下一次发射的弹丸速度约小15.5米(50英尺)/秒，以获得该布的部分穿透。另一方面，当第一次发射不产生穿透或部分穿透时，下一次发射的速度约大15.2米(50英尺)/秒，以获得完全穿透。在获得一次部分穿透和一次完全穿透之后，随后使用增大或减小约15.2米(50英尺)/秒的速度，直至进行足够的发射，以测定该布的防弹极限(V50)。
通过找出等数量的至少三个最高部分穿透冲击速度和最低完全穿透冲击速度的算术平均值来计算防弹极限(V50)，条件是在最高和最低各个冲击速度之间的差值不大于38.1米(125英尺)/秒。
实施例1
使用纺织芳族聚酰胺纱线的层进行本实施例的测试。纱线是由E.E.du Pont de Nemours and Company以商标Kevlar销售的芳族聚酰胺纱线。芳族聚酰胺是聚(对亚苯基对苯二酰胺)。
使用用韧度为21.3克/分特、模量为790克/分特、断裂伸长率为2.5％的1266分特芳族聚酰胺纱线用四经破锻纹编织法以7×7经线/厘米和0.56的织物紧密系数纺织的24层织物制造外面，外面的面密度为4.34kg/m2。
使用用韧度为24.0克/分特、模量为675克/分特、断裂伸长率为3.4％的930分特芳族聚酰胺纱线用平纹编织法以12.2×12.2经线/厘米和0.925的织物紧密系数纺织的22层织物制造里面，里面的面密度为5.08kg/m2。
单独和组合测试外面和里面的抗刀刺性和防弹极限。所述组合通过把外面和里面放在一起制成。测试结果表示在表中。
                                                    防弹极限
面           层数       最小刺穿动能(焦尔)       V50(米/秒)
只有外面      24          20.3                      423
只有里面      22          ＜5                       466
里面在
外面面上      22/24       13.6                      591
外面在
里面面上      24/22       50.9                      573
最小刺穿动能是在测试方法中所述的抗刀刺测试的用焦耳表示的测试结果。注意，外面表现出为20焦耳的相当大的最小刺穿能量，里面表现出非常小的抗刀刺性。当里面和外面组合并以里面作为打击面时，最小刺穿动能小于单独测试外面的最小刺穿动能。
当里面和外面组合并以外面作为打击面(根据本发明)测试时，最小刺穿动能意外地高，甚至大于单独测试两个面的总和的二倍。本发明的制品还表现出V50为573米/秒的良好防弹保护。

Claims (7)

1.一种抗刀刺防弹制品，其包括一个外面和一个里面，外面包含多个纺织成织物紧密系数小于0.65的疏松纺织抗刀刺织物层，里面包含多个防弹层，其中，所述外面是作为受刀刺威胁打击面的所述制品的面，所述织物层包含韧度至少为10克/分特、断裂伸长率至少为2％、和拉伸模量至少为150克/分特的纱线。
2.权利要求1的制品，其中，抗刀刺层包含用芳族聚酰胺纱线纺织的织物，并且其特征在于该织物纺织成0.2-0.65的织物紧密系数。
3.权利要求2的制品，其中，所述芳族聚酰胺是对芳族聚酰胺纱线。
4.权利要求2的制品，其中，所述纱线的线密度为100-4000分特。
5.权利要求1的制品，其中，所述防弹层的纱线是纺织的。
6.权利要求1的制品，其中，所述防弹层的纱线是非纺织的。
7.权利要求1的制品，其中，所述防弹层的纱线是对芳族聚酰胺。
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