CN1234862A - 防弹结构 - Google Patents

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Abstract

提供一种具有更高防弹性能的防弹构造,它是通过采用具有300～750旦的特定线密度及至少28gpd强度的高强度对位芳族聚酰胺纱线制成的。

Description

防弹结构
发明背景
发明领域
本发明涉及一种由于采用兼备高强度与适中线密度的特殊规格对位芳族聚酰胺纱线从而在防弹保护效果上改善的防弹结构。
先有技术描述
美国专利4,965,033，针对Chiou的申请于1990-10-23授予，公开了一种利用高质量(质量密度)、喷射的凝固液流纺制芳族聚酰胺纤维的方法。
美国专利3,767,756，针对Blades的申请于1973-10-23授予，以及5,173,236，针对Yang的申请于1992-12-22授予，公开了分别采用纺丝孔直径为0.025～0.25mm(1～10密耳)和小于0.064mm(2.5密耳)的喷丝头纺制芳族聚酰胺纤维，并在约0.3克/旦的张力下干燥该纤维的方法。
美国专利4,726,922，针对Cochran及Yang的申请于1988-02-23授予，公开了纺制芳族聚酰胺纤维并在3～7gpd的张力下干燥该纤维以提高纤维强度的方法。
《Melliand Textilberichte(纺织公报)》，“防弹保护背心的结构与作用”，卷463-8(1981)，公开道，细芳族聚酰胺纱线，如220或440dtex纱线的织物可提供比用粗纱线制成的织物更好的防弹保护。
发明概述
提供一种防弹保护织物，它包含线密度为300～750旦、强度至少28克/旦(gpd)的纱线，当该织物以多层重叠形成3.4kg/m2(0.7磅/平方英尺)的面积密度，按照MIL-STD-662e采用重124格令的9mm全金属外壳手枪子弹测定其V50时，显示出大于442m/s(1450英尺/秒)的V50。
该织物采用强度至少是28gpd(25cN/dtex)的聚(对苯二甲酸对苯二酯)(poly(p-phenylene terephthalate))纱线制成，该纱线可采用包括以下步骤的方法制备：(a)从喷丝头挤出比浓对数粘度至少是4的(聚合物)酸溶液的丝束，其中包含至少30g聚(对苯二酰对苯二胺)(poly(p-phenylene terephthalamide))/100mL酸，然后穿过惰性非凝固作用流体层，进入到凝固浴中，继而随同不断溢流的凝固浴液一起流经纺丝管；(b)从丝束进入纺丝管开始的约2毫秒时间内，围绕丝束呈对称并与丝束交成0°～85°的角度，朝下喷入附加的凝固液，(ⅰ)维持溢流与喷入凝固液总和的质量流率对丝束质量流率之间的比值大于约250，(ⅱ)维持喷入与溢流凝固液之间的动量比大于约6.0，(ⅲ)维持纺丝管内溢流与喷入凝固液合并流的平均线速度在低于离开纺丝管的丝束线速度的水平，以及(ⅳ)维持喷入及溢流凝固液二者的流率在恒定的数值；以及(c)将丝束干燥，
其中喷丝头纺丝孔的直径不大于0.051mm(2密耳)，丝束在至少3.0gpd的张力下进行干燥。
附图简述
附图是由本文实例得到的防弹性能数据的三维图形表示。
发明详述
长期以来，防护服及其他防弹材料一直用对位芳族聚酰胺纤维制作。对位芳族聚酰胺纤维，按重量计，强度极高并能提供良好的防弹保护，同时舒适程度也比较高。
人们已倾注了很大的努力来开发防弹性能改善的纱线和织物，因为哪怕微小的改进都意味着拯救防弹服使用者的生命。每一项改进都来之不易并具有很大的意义。本发明代表了在按V50衡量的防弹性能上的改进。
据发现，防弹性能的改进可通过采用同时具备特别高的强度和特定范围线密度的芳族聚酰胺纱线来达到。
据信，对改进芳族聚酰胺纱线防弹性能重要的物理参数是，强度、模量及断裂伸长。在上述参数仍旧维持其重要性的同时，本发明人发现，纱线，特别是高强度--大于28gpd--的纱线，当制成线密度介于约300～750，优选400～600旦时，将提供防弹性能上的惊人改善。
据发现，防弹织物的性能在纱线旦数介于约300～750时处于最佳，而在400～600的旦数范围则最高。据信，由于尚不完全清楚的原因，纱线小于300旦或大于750旦的防弹织物表现出低于由上述范围的纱线制成的织物的防弹性能。
一般地，防弹性能据信可通过采用强度较高的纱线得到改善；本发明人发现，由强度在28～32或高达33gpd的纱线构成的防弹织物可达到本发明的高防弹性能。
本发明的纱线可由单丝旦数范围相当宽，从不足1旦到大于2旦的单丝组成。旦数等于或小于1.5的丝制成纱线，据发现较为柔软，当用于防护服中时较为舒适。
本发明防弹织物由纱线经织造或铺絮制成布料；布料被制成防弹保护用服装或其他构造。织物的种类，不论是否是织造的，而倘若是织造的，也不论采取防弹领域中习惯采用的何种组织将纱线组合起来，对实现本发明的优点并不重要。就是说，对任何织物来说，采用本发明纱线获得的防弹性能将比采用强度较低或线密度位于规定范围以外的类似纱线所获得的都有改进。
使用防弹保护织物的护身具一般由数层铺成或缝为一体从而形成层合结构。该层合结构可包含诸如装饰或防潮面料或者其他缓冲材料之类的其他材料附加层。层合结构的形式，以及是否包含其他材料附加层，对实现本发明防弹性能的改善并不重要。
本发明纱线的强度至少是28gpd。一般而言，这种纱线可按照美国专利3,767,756及4,965,033的公开方法，采用比浓对数粘度至少是4.0的聚(对苯二甲酰对苯二胺)(PPD-T)，溶解在浓度至少是98％的硫酸中来制取。PPD-T溶液从喷丝头挤出，穿过空气隙，并进入到凝固浴中。喷丝头带有直径等于或小于0.051mm(2.0密耳)的纺丝孔。据发现，大于0.051mm(2密耳)的纺丝孔所生产出的纤维丝束，据信具有较低的分子取向度，从而导致强度的降低，因此，不如用直径较小纺丝孔制成的丝束那样结实。从实施的角度，小于约0.025mm(1密耳)的纺丝孔难以使用，且可能生产不出质量可接受的纤维来。
纤维，在纺出并通过了凝固浴之后，经洗涤并干燥就完成了制造过程。纤维必须充分洗涤以去除全部痕量的酸，以便消除与酸有关的纤维的降解。可使用单独的水或者水与碱性溶液的组合来洗涤纤维。一种方便的洗涤方法是用含水碱溶液(如饱和NaHCO3或0.05N NaOH)喷淋离开凝固浴并绕到辊筒上的丝条，以便将其酸含量减少到约0.01％(按纤维干基计)。
纤维可在加热辊(如，160℃)上方便地实现干燥。优选的洗涤方法是采用喷淋洗涤纤维并令其连续地通过维持在约150℃的干燥辊筒。优选的是，纤维从洗涤出来直接导入到干燥过程中，不经过任何使纤维脱水的加工步骤。
本方法的一项要素涉及将纤维在约3.0～7.0gpd的高张力下进行干燥。干燥张力若小于3.0gpd，则制成纤维的分子取向度将降低，造成强度下降，而干燥张力若大于7.0gpd，则会引起过多的丝条断头，相关的操作就难以进行。尤其优选约3.5～6.0gpd的干燥张力。
测试方法
防弹极限
复合材料防弹试验的目的是按照MILL-STD-662e测定防弹极限(V50)，只是，在抛射(参数)选择中按如下执行：待测层合物试样被置于试样夹具上以将试样绷紧并垂直于试验抛射体的轨迹。抛射体是重124格令的9mm全金属弹壳手枪子弹并从一个能够以不同速度发射的试验枪管中射出。对每个层合物试样发射试验的第1发子弹设定在估计为可能的防弹极限(V50)抛射速度。当第1发获得了完全穿透层合物试样的结果时，下一发以减少约50英尺/秒的抛射速度进行发射，以便获得部分穿透层合物的结果。另一方面，当第1发没有穿透或仅部分穿透，下一发以高出约50英尺/秒的抛射速度进行发射以便达到完全穿透的结果。在获得1次部分及1次完全穿透的结果之后，随后采用(每次)增加或减少约50英尺/秒的速度，直至发射了足以确定该层合物防弹极限(V50)的次数为止。
防弹极限(V50)是通过找出相等次数的5个最高部分穿透冲击速度和5个最低完全穿透冲击速度之间的算术平均值来计算的，条件是，个别冲击速度中最高与最低值之间没有相差超过125英尺/秒的情况。
拉伸性能
强度是按断裂应力除以线密度给出的。模量是将初始应力/应变曲线的斜率换算为与强度相同单位得出的。伸长是断裂时的长度增加百分率。强度和模量都是先按gpd为单位算出，得到的结果再乘上0.8826，便是以dN/tex为单位的数值。给出的每个测量值均为10次拉断的平均值。
旦数是9000米纱线或单丝以克为单位的重量，而dtex数则是10,000米长，以克为单位的重量。
纱线的拉伸性能是经过在测定条件下平衡至少14h之后，在24℃及55％相对湿度的条件下测定的。测定前，每根纱线被加捻到1.1的捻度系数(例如，名义1500旦的纱线被加上约0.8个捻回/厘米的捻度)。每根加捻的试样，采用典型的带记录的应力/应变装置，测试长度设定为25.4cm，并按50％/min进行拉伸(以原来未拉伸长度为基准)。
纱线的捻度系数(TM)的定义如下：
TM=(tpi)(旦数)1/2/73=(tpc)(dtex数)1/2/30.3
其中tpi=捻回数/英寸；
tpc=捻回数/厘米。
纱线的拉伸性能不同于且低于单丝的拉伸性能，因此，纱线的这些数值无法成功和准确地由单丝的数值估计出来。
实例
在下面的实例中，溶解前比浓对数粘度约6.3dL/g而成丝后约5.5dL/g的聚(对苯二甲酰对苯二胺)(PPD-T)被纺丝到如美国专利4,340,559的设备中，其中采用盘子G。纺丝管直径是0.76cm(0.3英寸)，采用0.21及0.42mm(8及16密耳)的喷嘴，按喷入流与丝条夹角为30°的方向喷入。制备纺丝原液(dope)所采用的溶剂为约100.1％的硫酸，聚合物在纺丝原液中的浓度为约19.4wt％。
如表Ⅰ所示，采用0.051和0.064mm(2.0和2.5密耳)的喷丝头。所使用的喷丝头纺丝孔数目包括133、266、400、500、560及666孔。空气隙，即丝束从离开喷丝头表面起到刚刚接触凝固液为止所走过的距离，为约0.635cm(0.25英寸)。凝固液维持在约3℃。洗涤期间纱线张力为约1.0gpd，然后对所有的试样按如下所述方法进行中和。
本发明实例采用带有0.051mm纺丝孔的喷丝头。纱线在大于3gpd的张力下进行干燥，纱线的线密度为400～600旦。
对比例采用同样的聚合物及同样的纺丝设备，在基本相同的条件下纺丝，不同的是，干燥张力和喷丝头纺丝孔尺寸不同，具体如表Ⅰ中所示。
本文中制成的纱线经织造变成织物，织物再层合为防弹试片，其中所使用的多层如表Ⅱ所示。织物全部为平纹组织的，具有各种不同的经纬纱根数(经纬密)，具体也参见表Ⅱ。每个试样中的织物层数的选择原则是使得层合后的面积密度尽可能接近3.42g/m2(0.7磅/平方英尺)，并将各层被缝合起来以形成一体结构，用于防弹V50测定。结果载于表Ⅱ，并图示于附图中。表Ⅰ
       本发明                    对比例条件      1      2      A     B     C     D     E     F      G孔径(mil) 2.0    2.0    2.5   2.0   2.5   2.5   2.5   2.5    2.0单丝根数  266    400    133   133   266   500   560   666    532干燥张力  3.5    3.5    0.7   0.3   2.0   2.1   2.1   2.1    3.5(gpd)纱线性能纱线旦数  400    600    200   200   400   750   840   1000   840强度(gpd) 28.5   28.2   23    27    27    26.5  27    26.2   8.2伸长(％)  3.2    3.2    3.0   3.5   3.3   3.3   3.4   3.4    3.3模量(gpd) 830    800    750   700   760   740   760   740    829
由纱线制成的织物按多层层合起来并测定防弹性能，结果如表Ⅱ所示。
从附图中看出，凡纱线旦数小于300或大于750者，对应的V50均低于纱线旦数在上面规定范围的相应数值，而且，纱线强度低于28gpd者，所对应的V50均低于纱线旦数高于该数值的相应数值。本发明防弹保护织物的纱线旦数及纱线强度的极限值以图形的形式表示在附图中。
                     表Ⅱ实例                     经纬                       V50
纱线旦数  纱线强度   根数    层数     面积密度(ft/s)1-1   400       28.5    31×31    32       0.73    15781-2   400       28.5    31×31    32       0.73    15532-1   600       28.2    31×31    21       0.71    15512-2   600       28.2    31×31    21       0.71    1485A-1   200       23      40×40    49       0.72    1215A-2   200       23      50×50    39       0.71    1244A-3   200       23      63×63    30       0.70    1257B-1   200       27      50×50    39       0.72    1312B-2   200       27      70×70    27       0.71    1243C     400       27      36×36    28       0.73    1424D-1   750       26.5    31×31    17       0.72    1310D-2   750       26.5    36×37    14       0.71    1281E-1   840       27      31×31    16       0.72    1423E-2   840       27      26×26    19       0.76    1438F     1000      23      31×31    13       0.75    1285G     840       28.2    26×26    18       0.72    1442

Claims (3)

1．一种防弹保护织物，包含强度至少28克/旦(gpd)且线密度在300～750旦的纱线。
2．权利要求1的织物，其中当按照MIL-STD-662e，采用重124格令的9mm全金属弹壳手枪子弹，对多层层合以获得面积密度为3.4kg/m2(0.7磅/平方英尺)的结构测试时，表现出大于442米/秒(1450英尺/秒)的V50。
3．权利要求1的织物，其中纱线的线密度是400～600旦。
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