CN1297525A

CN1297525A - 防步枪子弹保护用复合板

Info

Publication number: CN1297525A
Application number: CN99805081.4A
Authority: CN
Inventors: N·A·范兹尔; W·马尔多纳多; 任俭荣
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1998-04-15
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2001-05-30
Also published as: BR9908409A; HUP0103790A2; CA2321626A1; WO1999061862A2; EP1070226A2; PL343761A1; AU6017099A; WO1999061862A3; TR200002979T2

Abstract

公开一种防弹保护复合板,包括多层由热熔性基质树脂浸渍的高强度热稳定纱线制成的机织织物。这些层模塑在一起形成能承受大功率步枪子弹的单张板。

Description

防步枪子弹保护用复合板

发明背景

大功率步枪构成对战士和警察生命的重大威胁，因为从这种步枪射出的子弹携带着高能量。传统的防弹保护，例如防7.62X51NATOBall子弹，包括陶瓷板，其背面衬以树脂浸渍的高强度纤维。此种体系的缺点是为达到足够保护作用需要较高板重以及受冲击后的损伤容易蔓延，从而影响到它防多次射击的保护能力。

最近，推出了基于超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)的复合板。此种板依靠纤维的单向结构，能有效对付选择的步枪威胁。这种复合板的缺点是：制造单向结构需要高投资；铺置过程劳动强度大而且容易产生误差；由于聚乙烯纤维密度低，故结构需要的厚度大；此种板不适合高温场合；以及该结构在受到冲击之后常常脱层。

又知用于防护服的另一类防弹组合物，其中叠合了多层彼此分离的基质浸渍织物，旨在保持挠性和对穿戴者一定程度的舒适。此种组合物的缺点是，它们只适用于防低能量子弹而且它们按重量-保护程度衡量的效能较低。

发明概述

本发明涉及一种用于防高能量步枪子弹的模塑复合板，包含由强度大于3550MPa(28.0g/d(克/旦))的热稳定纱线制成的机织织物以及热熔性基质树脂材料，它们浸渍到各个织物层中并将各织物层粘附在一起。本发明的模塑复合板能以小于28kg/m²的面积密度达到NIJ标准0103.01规定的Ⅲ级保护或者其外国等价标准的要求。

本发明还涉及制造上述复合板的方法，包括下列步骤：面积密度小于400g/m²、由强度大于3550MPa的纱线制成的芳族聚酰胺机织织物层与热熔性基质树脂材料一起叠合并加热、加压，从而使织物与基质树脂模塑在一起。

发明描述

以可接受的重量和厚度获得防大功率步枪子弹的保护，长期以来一直是防弹保护技术追求的目标。本发明复合板代表在实现这一目标方面的重大进步，正如根据各种工业标准进行的试验以及下面所描述的实施例所证明的。

本发明是一种复合板，由热熔性基质树脂材料与机织织物模塑制成。具体地说，本发明是一种模塑复合板，特别由强度极高的热稳定纱线织造的机织织物借助热熔性基质树脂材料层合而成。

现已发现，采用强度极高的热稳定纤维制造的此种模塑复合板可转化为“重量/性能比”改善的坚硬、能阻挡高能量步枪子弹的防弹复合板。就是说，作为本发明的效果，该高强度纱线的模塑复合板能够以低于较低强度纱线模塑复合板的重量提供较好的防弹保护。

本发明的重要特征是采用强度极高、热稳定的纱线制成轻质织物。该织物中使用的纱线强度介于3550MPa(28.0g/d)～5760MPa(45.0g/d)，优选大于3675MPa(29.0g/d)。所谓“热稳定”是指，纱线和纱线中的纤维在高于200℃的温度方才熔融或分解。

本发明的纱线可采用任何表现出足够强度和热稳定性的材料制造。当然，它们必须能够用于机织并在复合板模塑要求的温度进行加工。在此类材料当中，可举出芳族聚酰胺、聚苯并噁唑、聚苯并噻唑等。

当纱线是芳族聚酰胺时，所谓“芳族聚酰胺”是指这样的聚酰胺，其中至少85％酰胺(-CO-NH-)键直接连接在2个芳环上。合适的芳族聚酰胺纤维描述在《人造纤维-科学与技术》卷2，标题为“成纤芳族聚酰胺”一节，p.297,W.Black等人，Interscience出版社，1968。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；以及3,094,511中。

该芳族聚酰胺中可使用添加剂，而且还发现，最高10wt％其他聚合物材料可与该芳族聚酰胺掺混，或者可使用以多达10％其他二胺代替该芳族聚酰胺的二胺或者用多达10％其他二酰氯替代该芳族聚酰胺的二酰氯制成的共聚物。

优选的芳族聚酰胺是对位芳族聚酰胺，而聚(对苯二甲酰对苯二胺)(PPDT)则是优选的对位芳族聚酰胺。所谓PPDT是指通过对苯二胺与对苯二甲酰氯按1∶1摩尔比聚合生成的均聚物，也指以少量其他二胺配合该对苯二胺以及少量其他二酰氯配合该对苯二甲酰氯所获得的共聚物。一般而言，其他二胺和其他二酰氯的用量最高为对苯二胺或对苯二甲酰氯的约10mol％或者稍高，只要所述其他二胺和二酰氯不具有干扰聚合反应的反应性基团。PPDT还指通过加入诸如2,6-萘二甲酰氯或者氯代-或二氯代对苯二甲酰氯或者3,4’-二氨基二苯醚之类的其他芳族二胺和其他芳族二酰氯获得的共聚物。

当纱线是聚苯并噁唑或聚苯并噻唑时，该聚合物优选由下列结构的链节(mers)构成：

虽然图中与氮原子相连接的芳基可以是杂环，但是它们优选是碳环；虽然它们可以是稠合或未稠合多环体系，但是它们优选是单六元环。虽然图中所示的二吡咯主链基团是优选的对亚苯基基团，但该基团也可换成任何不妨碍聚合物制备的二价有机基团，或者完全不存在此等基团。例如，该基团可以是最多12个碳原子的脂族、亚甲苯基、亚联苯基、亚联苯醚基等等。

用来制备本发明纤维的聚苯并噁唑和聚苯并噻唑应具有至少25，优选至少100个链节单元。该聚合物的制备和该聚合物的纺丝公开在上述国际公开号WO93/20400中。

该织物可以是机织织物，并可采取任何通常使用的织物组织进行机织，例如织成平纹、四经破缎纹、方平组织、缎纹组织等。优选采用平纹组织。

本发明所用织物的面积密度小于400g/m²；优选小于200g/m²；更优选小于160g/m²，最优选小于120g/m²。

本发明复合板中使用的基质树脂是热固性树脂、弹性体或热塑性树脂。当然，所有的基质树脂至少起初必须为可热熔的，以便制造本发明的模塑复合板。优选使用热塑性基质树脂。基质树脂的作用是使单根纤维和纱线固定在每个织物层中的适当位置，并使板中相邻织物层粘附在一起。

热固性基质树脂的例子包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚树脂、密胺树脂、脲树脂以及苯酚与聚(乙烯基丁醛)树脂的反应混合物等。苯酚与聚(乙烯基丁醛)树脂的反应混合物是优选的。

弹性体基质树脂的例子综述于《聚合物科学大全》卷5，“合成弹性体”(John Wiley&Sons 1964)中。例如，下列材料中任何一种均可使用：聚丁二烯、聚异戊二烯、乙烯-丙烯共聚物、聚氨酯弹性体、聚醚、聚酯、氟弹性体、硅氧烷弹性体、热塑性弹性体等。热塑性弹性体是优选的。

热塑性基质树脂的例子是低密度聚乙烯、聚酰胺、离聚物、聚酯等。对大多数用途而言，低密度聚乙烯是优选的。

基质树脂的选择应考虑能够在特定加工温度下熔融，以便允许温度敏感织物实现模塑。

基质树脂的用量应保证复合板的织物得到充分浸渍。基质树脂过少将导致模塑复合板固结性能差，过多，将不利于模塑板的防弹保护极限。本发明的复合板应包含5～50wt％基质树脂、更优选5～30wt％基质树脂，最优选8～18wt％基质树脂。

在复合板的制造中，织物被裁成要求形状和尺寸的层，然后各层连同基质树脂材料叠合在一起。一般地，各层应该是交替的织物与基质树脂材料，而且一般地，基质树脂材料是薄膜或者在织物上的涂层。然后，通过加热、加压使各层模塑起来，从而制成坚硬防弹板。

本发明模塑复合板的面积密度以小于28kg/m²，就能达到NIJ(全国司法协会)标准0103.01中的保护等级Ⅲ，或者外国等价标准如英国RF1等级，后者规定在英国警察科学发展机构(PSDB)人体铠甲标准1995中。更优选的面积密度小于25kg/m²，就能达到上述保护等级，最优选的面积密度小于22.5kg/m²。

本发明的方法与单向方法相比，在板的制造期间可节省大量劳动力成本。另外，本发明的复合材料可由具备传统织造设备和方法的人制造，不需要在昂贵的单向机器上额外投资。

试验方法

线密度。纱线的线密度可通过称取已知长度纱线的重量来确定。“旦(d)”的定义是9,000m纱线的重量克数；“分特(dtex)的定义是10,000m纱线的重量克数。

在具体实践中，在开始试验之前将某一纱线样品的旦数或分特数测定值、试验条件以及样品名称输入到电脑中；电脑记录纱线直至断裂过程中的载荷-伸长曲线，然后计算出各项性能。

抗张性能。准备测试抗张性能的纱线首先进行平衡，然后加捻到1.1的捻度系数。纱线的捻度系数的定义如下：

TM=(捻回数/厘米)(dtex)^1/2/30.3

待测纱线在25℃、55％相对湿度下平衡至少14h，然后在此条件下进行抗张试验。强度(断裂强度)、断裂伸长以及模量是，通过在Instron试验机(Instron工程公司，Canton，麻萨诸塞)上将试验纱线拉断来测定的。

按照ASTM D2101-1985规定的强度、伸长和初始模量的测定采用，纱线隔距长度25.4cm和伸长速率50％应变每分钟的条件进行。模量是根据应力-应变曲线上1％应变点处的斜率算出的，它等于1％应变处的应力的克数(绝对值)乘上100，除以试验纱线线密度。

防弹性能。就本发明而言，实施2种类型防弹试验：按照防弹规范试验的(ⅰ)防弹极限(V₅₀)和(ⅱ)检定(V₀)。防弹极限(V₅₀)试验的目的是比较不同材料阻挡选定抛射体的相对性能。检定试验(V₀)的目的是展示，在达到要求的防弹极限(V₅₀)之后，待测体系，按照试验中规定的特定射击顺序和图形，能承受的射击。射击顺序和图形描述在具体实施例中。

对多层板实施防弹试验，以确定根据NATO标准(Stanag 2920-个人铠甲防弹试验方法)修改版的防弹极限(V₅₀)，该试验大致如下：在安装成将待测板固定在垂直于试验抛射体轨迹位置的样品中，将待测板抵住背衬材料Roma Plastina 1号粘土放置。抛射体从一个能够以不同速度将抛射体射出的试验枪管中射出。每块板所接受的第1发子弹，以估计等于可能的防弹极限(V₅₀)的抛射速度射出。当第1发完全穿透试验板时，下一发则降低抛射速度约30m(98英尺)每秒，以期达到板的部分穿透。另一方面，当第1发未能或仅仅部分穿透，则下一发提高抛射速度约30m(98英尺)每秒，以期达到完全穿透。获得一次部分和一次完全“抛射体穿透”之后，接着采用提高或降低约15m(49英尺)每秒的速度，直至发射了足以确定该板防弹极限(V₅₀)的次数。

防弹极限(V₅₀)是这样计算的：从最高的部分穿透冲击速度和最低的完全穿透冲击速度中各选出相等数目的，但至少2个速度值，并求出算术平均值，条件是，该最高与最低单个冲击速度值之间相差不超过40m(131英尺)每秒。

实施例

实例1

制备3块复合板，所采用的机织织物由3种如下所示不同对位芳族聚酰胺纱线制成。该织物为平纹组织，面积密度介于185～190g/m²。

纱线强度模量

A 28.9gpd 736gpd

B 26.5 760

C 26.5 570

所有纱线均为560根单丝、总共840旦，由聚(对苯二甲酰对苯二胺)制成，并由杜邦公司按如下商品名供应：A-Kevlar纤维型号NFT；B-Kevlar纤维型号964C；以及C-Kevlar纤维型号964H。

为了利用每种织物制成板，裁出110片25X30cm的织物，并叠合，其中交替地插入作为基质树脂的厚度0.02mm的线型低密度聚乙烯薄膜片材。每一摞在40～60bar和150℃条件下模塑至少20min，然后冷却并修整，从而制成板。该板包含14wt％基质树脂，面积密度等于25.5-25.7kg/m²。测定每块板的V₅₀防弹性能，采用0.308Winchester(7.62X51 NATO Ball，Norma-17622)(子弹)，抵住背衬块Roma Platsilina 1号，条件均按照NIJ标准0103.01。

V₅₀结果如下：

板织物 V₅₀(m/s)

A(本发明) 842.6

B(对比例) 818.6

C(对比例) 796.4

注意，采用织物B和C制成的板不代表本发明的板，其试验的目的是为了进行比较。

实例2

制备3块复合板，所采用的机织织物由2种如下所示不同高强度纱线制成。该织物为平纹组织，面积密度为185g/m²。

纱线强度模量

D 40-43.5gpd 1380-1390gpd

C 27.0 781纱线D由聚(对亚苯基2，6-苯并二噁唑)(PBO)构成，由东洋纺公司按商品名Zylon供应；纱线E由聚(对苯二甲酰对苯二胺)(PPDT)制成，由杜邦公司按商品名Kevlar 964C供应。每种纱线具有667根单丝，1000旦。

为了采用这些织物制造板，裁出115片25X30cm的织物，并叠合，其中交替地插入作为基质树脂的厚度0.020mm的线型低密度聚乙烯薄膜片材。制备了3块板。一种，每块采用100％的上述织物之一；一种采用上述织物各50％。在这种板中，不同的织物各占50％交替地铺置。每一摞在与实例1中所采用的相同条件下进行模塑，然后冷却并修整成板。这些板包含14～15wt％基质树脂，面积密度等于26.8～26.9kg/m²。每块板按照与实例1相同的方式并在相同的条件下进行试验。

V₅₀结果如下：

板织物 V₅₀(m/s)

100％PBT 911.8

50％/50％PBT/PPDT 897.7

100％PPDT 838.5

注意，采用100％PPDT的板不代表本发明的板，其试验的目的是为了进行比较。

实例3

制备模塑复合板：122层平纹机织织物与作为基质树脂的线型低密度聚乙烯层交替铺置，然后，该摞在40bar压力、150℃下处理40～50min。织物采用600旦、强度28.1g/d的PPDT纱线制成，该纱线由杜邦公司按商品名Kevlar A-200供应。该织物的面积密度为160g/m²。基质树脂在模塑之前为薄膜形式，面积密度为20～22g/m²。复合板的面积密度为22kg/m²。

该板按照英国程序，PSDB手枪等级Ⅱ，采用NATO 7.62X51 L2A2英国产子弹进行试验。该板放在背衬块Roma Plastilina 1号前面进行试验，条件按照UK PSDB防弹人体铠甲标准(1995)。试验程序为：从能够以不同速度发射抛射体的枪管中发射3轮规定的子弹。在这种情况下，“合适的射击效果”允许的速度介于830±15m/s。发射3发子弹，打出三角形图形，图形上每发之间的距离至少是100mm。结果如下：

速度(m/s) 穿透

827.1 未

823.7 未

821.7 未

这些结果表明，此种板在22kg/m²的面积密度条件下能达到UKPSDB人体铠甲标准(1995)规定的保护等级RF1的要求。作为比较，背衬高强度纤维的传统陶瓷板，将需要30～32kg/m²才能达到该要求。

实例4

将实例3的板作为旨在达到NIJ标准0103.01、保护等级Ⅲ的软背心的嵌入板，进行试验，采用NATO 7.62X51 Ball SMI(意大利产)作为子弹。射击采用NATO标准公报的7.62径步枪，能838±15m/s的速度发射抛射体。瞄准三角形图形，2发之间的距离至少是100mm，发射了3枪。结果如下：

速度(m/s) 穿透

834.7 未

843.2 未

845.3 未

实例5

组成与实例1中的板A相同的板作为各种不同软背心嵌入板按各种不同试验方法进行试验(这些板的面积密度为24.4～25.5kg/m²)。

Ⅰ．对UK PSDB核准的HG2等级软背心，面积密度7.7kg/m²，进行试验，采用的试验方法根据UK PSDB防弹人体保护铠甲标准(1995)，RF1保护等级，子弹采用NATO 7.62X51 Ball L2A2(英国产)。

速度(m/s) 穿透穿入深度(mm)

841 未 15

839 未 25

826 未 24

Ⅱ．对UK PSDB核准的HG2等级软背心，面积密度12.1kg/m²，进行试验，采用的试验方法根据UK PSDB防弹人体保护铠甲标准(1995)，RF1保护等级以及SG1等级，子弹分别采用NATO 7.62X51Ball L2A2(英国产)子弹和12-号1盎司步枪子弹。

速度(m/s) 穿透穿入深度(mm)

RF1等级，NATO 7.62X51 Ball L2A2子弹

849 未 13

843 未 6

845 未 11

SG1等级，12-号1盎司步枪子弹

444 未 0

Ⅲ．对NIJ标准保护等级ⅢA软背心，面积密度6.6kg/m²，进行试验，采用的试验方法根据NIJ标准0103.01保护等级Ⅲ，子弹采用NATO 7.62X51 Ball(M80,150格令)。每两枪(弹着点)之间的距离应至少是100mm。

速度(m/s) 穿透穿入深度(mm)第1板

853 未 29

855 未

858 未

852 未

854 未 33

847 未第2板

853 未 33

843 未

848 未

852 未

855 未 31

850 未

Claims

1．一种模塑复合板，包含多层由强度大于3550MPa(28.0g/d)的纱线制成的机织织物，其中以热熔性基质树脂浸渍织物层并通过它使该多层粘附在一起。

2．权利要求1的复合板，其中板的面积密度小于28kg/m²。

3．权利要求1的复合板，其中该板能以小于28kg/m²的面积密度到达到NIJ标准0103.01中的保护等级Ⅲ的要求。

4．权利要求1的复合板，其中热熔性基质树脂是热塑性的。

5．权利要求1的复合板，其中纱线强度是3550MPa(28.0g/d)-5760MPa(45.0g/d)。

6．权利要求1的复合板，其中热塑性基质树脂是聚乙烯。

7．权利要求1的复合板，其中热塑性基质树脂占到总板重的5～50wt％。

8．权利要求1的复合板，其中纱线选自芳族聚酰胺纱线、芳族聚苯并噁唑纱线、芳族聚苯并噻唑纱线以及这些纱线的组合。

9．权利要求1的复合板，其中纱线是聚(对苯二甲酰对苯二胺)纱线。

10．权利要求1的复合板，其中纱线是聚(对亚苯基2,6-苯并二噁唑)纱线。