DE102016100784A1

DE102016100784A1 - Bullet-resistant composite element

Info

Publication number: DE102016100784A1
Application number: DE102016100784.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2016-07-28
Also published as: DE202015100363U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein geschosshemmendes Verbundelement, insbesondere als Einschubelement für Schutzwesten oder ähnlicher Schutzeinrichtungen. Das erfindungsgemäße Verbundelement enthält neben den Lagen aus einem textilen Flächengebilde zusätzlich mindestens eine schaumartige Zwischenlage. Diese Zwischenlage besteht aus einer Polymermatrix, beispielsweise aus Polyurethan, mit eingearbeiteten Mineralschaumteilchen. Ein solches neues geschosshemmendes Verbundelement hat ein vergleichsweise geringeres Flächengewicht und kann als ein Einschub in Schutzwesten auch an eine Körperform angepasst werden.The invention relates to a bullet-resistant composite element, in particular as a push-in element for protective vests or similar protective devices. In addition to the layers of a textile fabric, the composite element according to the invention additionally contains at least one foam-like intermediate layer. This intermediate layer consists of a polymer matrix, for example of polyurethane, with incorporated mineral foam particles. Such a new bullet-resistant composite element has a relatively lower basis weight and can be adapted as a slot in protective vests on a body shape.

Description

Die Erfindung betrifft ein geschosshemmendes Verbundelement, insbesondere als Einschubelement für Schutzwesten oder ähnlicher Schutzeinrichtungen. The invention relates to a bullet-resistant composite element, in particular as a push-in element for protective vests or similar protective devices.

Ein solches geschosshemmendes Verbundelement ist in der deutschen Patentanmeldung 10 2014 113 812.0 des Anmelders beschrieben. Dieses geschosshemmende Verbundelement ist zum Einsatz als Einschubelement für Schutzwesten geeignet und ist, wie bekannte Komposite, aus mehreren Lagen eines textilen Flächengebildes aufgebaut. Dies kann beispielsweise ein Gewebe, ein Gelege oder ein Gewirke sein, bevorzugt sind es geschlossenflächige Gewebe, wobei die Orientierung der Fasern in den unterschiedlichen Lagen des textilen Flächengebildes gleich oder unterschiedlich sein kann. Das textile Flächengebilde besteht aus festen Hochmodulfasern, die eine hohe Kraft in Faserlängsrichtung aufnehmen können. Die Fasern des textilen Flächengebildes können aus para-Aramidfasern, bekannt unter dem Handelsnamen Kevlar und/oder auch aus Siliciumcarbidfasern und/oder aus Polyphenylen-2,6-benzoisoxazol (PBO), wie z.B. Zylon, und/oder aus ultrahochmolekularen Polyethylen (UHMPE), wie z.B. aus DYNEEMA bestehen. In einer Lage sind auch Hybride, d.h. unterschiedliche Fasern möglich. Zusätzlich können auch Fasern aus einem Flüssigkristall-Elastomer, wie beispielsweise Vectran, vorgesehen werden, welche sich durch eine hohe Knickbruchbeständigkeit auszeichnen. Such a bullet-resistant composite element is in the German patent application 10 2014 113 812.0 described by the applicant. This bullet-resistant composite element is suitable for use as a plug-in element for protective vests and, like known composites, constructed of several layers of a textile fabric. This may be, for example, a woven fabric, a scrim or a knitted fabric, preferably closed-cell fabrics, wherein the orientation of the fibers in the different layers of the textile fabric may be the same or different. The textile fabric consists of solid high-modulus fibers, which can absorb a high force in the fiber longitudinal direction. The fibers of the textile fabric may be made of para-aramid fibers, known under the trade name Kevlar and / or also of silicon carbide fibers and / or of polyphenylene-2,6-benzoisoxazole (PBO), such as Zylon, and / or of ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMPE). , such as consist of DYNEEMA. In one layer, hybrids, ie different fibers are possible. In addition, it is also possible to provide fibers of a liquid-crystal elastomer, such as, for example, Vectran, which are distinguished by a high resistance to buckling fracture.

Die Fasern bzw. Fäden des textilen Flächengebildes werden im Verbundelement durch ein Bindemittel gehalten, welches aus zwei unterschiedlichen Komponenten zusammengesetzt ist. Es besteht erstens aus einem thermoplastischen Elastomer, nämlich der Haftkomponente. Dies können beispielweise thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis sein. Diese Komponente bewirkt die Verbindung der Fasern im Verbundelement. Als zweite Komponente in dem polymeren Bindemittel sind mindestens 5 bis 70 Gew% einer Füllkomponente vorgesehen, vorzugsweise 50 Gew% eines Elastomers. Bei diesem Elastomer im Bindemittel kann es sich um Naturkautschuk und/oder synthetischen Kautschuk und/oder vulkanisiertem Kautschuk und/oder Nitrilkautschuk und/oder Gummi handeln. Dieses Elastomer ist ein weiches Totmaterial in dem Bindemittel und unterbricht durch seine Anwesenheit im Bindemittel lokal die durch das thermoplastische Elastomer bewirkte Haftung zwischen den Hochmodulfasern. Darüber hinaus kann die Füllkomponente im Bindemittel Partikel mehrerer Elastomere und/oder Partikel ein oder mehrerer anorganischer Mineralien und/oder ein oder mehrerer Sorten an Kurzschnittfasern umfassen. Bei den anorganischen Mineralien sind Borcarbid, Korund oder andere Mineralien mit hoher Härte und bei den Kurzschnittfasern sind Siliciumcarbidfasern, Carbonfasern oder Aramidfasern mit einer Länge von ca. 0,1 mm bis 0.6 mm bevorzugt. The fibers or threads of the textile fabric are held in the composite element by a binder, which is composed of two different components. First, it consists of a thermoplastic elastomer, namely the adhesive component. These may be, for example, urethane-based thermoplastic elastomers. This component causes the connection of the fibers in the composite element. As the second component in the polymeric binder at least 5 to 70% by weight of a filler component is provided, preferably 50% by weight of an elastomer. This elastomer in the binder can be natural rubber and / or synthetic rubber and / or vulcanized rubber and / or nitrile rubber and / or rubber. This elastomer is a soft dead material in the binder and by its presence in the binder locally interrupts the adhesion between the high modulus fibers caused by the thermoplastic elastomer. In addition, the filler component in the binder may comprise particles of a plurality of elastomers and / or particles of one or more inorganic minerals and / or one or more types of short cut fibers. In the inorganic minerals are boron carbide, corundum or other minerals with high hardness and in the short cut fibers are preferred Siliziumcarbidfasern, carbon fibers or aramid fibers having a length of about 0.1 mm to 0.6 mm.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, geschosshemmende Verbundelemente zur Verfügung zu stellen, die beispielsweise als Einschübe für Schutzwesten eingesetzt werden können, die bei geringerem Flächengewicht einen verbesserten Schutz bieten. The object of the present invention is to provide bullet-resistant composite elements which can be used, for example, as inserts for protective vests, which offer improved protection at a lower basis weight.

Diese Aufgabe wird mit einem geschosshemmenden Verbundelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen beschreiben die Unteransprüche. This object is achieved with a bullet-resistant composite element having the features of claim 1. Advantageous embodiments describe the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verbundelement enthält neben den Lagen aus einem textilen Flächengebilde zusätzlich mindestens eine schaumartige Zwischenlage. Diese Zwischenlage besteht aus einer Polymermatrix, beispielsweise aus Polyurethan, mit eingearbeiteten Mineralschaumteilchen. In addition to the layers of a textile fabric, the composite element according to the invention additionally contains at least one foam-like intermediate layer. This intermediate layer consists of a polymer matrix, for example of polyurethane, with incorporated mineral foam particles.

Zur Herstellung einer solchen Zwischenlage werden Mineralschaumteilchen in möglichst idealer geometrischer Packungsdichte in eine flexible Polymermatrix eingebettet. Es werden so viele Mineralschaumteilchen eingearbeitet und möglichst homogen verteilt bis diese dicht an dicht liegen. Je enger und kompakter die Mineralschaumteilchen in der entstehenden schaumartigen Zwischenlage angeordnet sind desto größer ist der ballistische Effekt. To produce such an intermediate layer, mineral foam particles are embedded in a flexible polymer matrix in the most ideal geometric packing density possible. As many mineral foam particles are incorporated and distributed as homogeneously as possible until they are close to each other. The closer and more compact the mineral foam particles are arranged in the resulting foam-like intermediate layer, the greater the ballistic effect.

Die Mineralschaumteilchen können beispielsweise aus Alkali- oder Erdalkali-Silikaten, Alkali- oder Erdalkali-Carbonaten, Metalloxiden oder Siliziumoxid bestehen und gegebenenfalls auch zusätzlich harte Partikel, beispielsweise aus Korund oder Borcarbid, enthalten. The mineral foam particles may, for example, consist of alkali metal or alkaline earth silicates, alkali metal or alkaline earth metal carbonates, metal oxides or silicon oxide and optionally also additionally contain hard particles, for example of corundum or boron carbide.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform werden Mineralschaumteilchen in einer Menge von 30 Gew% bis 80 Gew% in den Polyurethanschaum eingearbeitet. In an advantageous embodiment, mineral foam particles are incorporated in an amount of from 30% to 80% by weight into the polyurethane foam.

Das geschosshemmende Verbundelement kann dann auf folgende Weise hergestellt werden. Es wird ein Pulvergemenge aus körnigen thermoplastischen Elastomer-Partikeln und mindestens 5 bis 70 Gew% aus körnigen Elastomer-Partikeln hergestellt. Es können beispielsweise ein thermoplastisches Elastomer und ein Elastomer gemahlen und die entsprechenden Pulverpartikel gut vermengt werden. Dieses möglichst gut durchmischte inhomogene Gemenge wird auf eine Lage eines textilen Flächengebildes aus Hochmodulfasern aufgetragen, beispielsweise einseitig auf ein Kevlargewebe aufgebracht und ggf. mittels Temperatur und Druckanwendung angeschmolzen, so dass die einzelnen Lagen mit der Bindemittelbeschichtung besser händelbar sind. Anschließend werden mehrere solcher beschichteter Lagen des textilen Flächengebildes zu einem Stapel übereinandergelegt, wobei die Orientierung der Fasern in den unterschiedlichen Lagen des textilen Flächengebilde gleich oder unterschiedlich sein kann. Zwischen diese beschichteten Lagen des textilen Flächengebildes werden die vorbeschriebenen neuen schaumartigen Zwischenlagen gelegt, die selbst auch mit der Bindemittelbeschichtung versehen sein oder aber mit einem andersartigen Klebstoff beschichtet sein können. Beispielsweise werden zwischen 12 Lagen aus Aramidgewebe 3 bis 8 schaumartige Zwischenlagen angeordnet. The bullet-resistant composite element can then be produced in the following manner. A powder mixture of granular thermoplastic elastomer particles and at least 5 to 70% by weight of granular elastomer particles is produced. For example, a thermoplastic elastomer and an elastomer can be ground and the corresponding powder particles mixed well. This mixed inhomogeneous mixture mixed as well as possible is applied to a layer of a textile fabric made of high-modulus fibers, for example applied on one side to a kevlar fabric and possibly melted by means of temperature and pressure application, so that the individual layers with the binder coating better are negotiable. Subsequently, a plurality of such coated layers of the textile fabric are stacked in a stack, wherein the orientation of the fibers in the different layers of the fabric may be the same or different. Between these coated layers of the textile fabric, the above-described new foam-like intermediate layers are laid, which themselves may also be provided with the binder coating or may be coated with a different type of adhesive. For example, 3 to 8 foam-like interlayers are arranged between 12 layers of aramid fabric.

Dann wird der Stapel in einer Presse durch Druckanwendung und durch Temperaturanwendung zu einem plattenförmigen Element verpresst. Hierbei wird die Eindringtiefe der Pulverpartikel in die Fasern so gesteuert, dass diese nur bis in die jeweils benachbarten Lagen eindringen, d.h. das Bindemittel nicht wie bei bekannten Verbundelementen alle Lagen durchdringt. Mit einer Doppelbandpresse, welche sowohl Walzen zur Ausübung eines Liniendrucks als auch geheizte Presselemente zur Ausübung eines Flächendrucks umfasst, können beispielsweise mehrere beschichtete Lagen verpresst werden und durch Einstellung der Spaltbreite der Doppelbandpresse die Eindringtiefe der Pulverpartikel in die Hochmodulfasern gezielt eingestellt werden, nämlich dass diese nur bis in die jeweils benachbarten Lagen gelangen und möglichst in diese jeweils benachbarte Lage auch nur zu 70% eindringen. Es können auch andere Pressen verwendet werden und gleichzeitig mit dem Verpressen eine Verformung vorgenommen werden. Eine Verformung kann auch separat nach dem Verpressen vorgenommen werden. So können in vorteilhafter Weise auch an die Körperform angepasste Einschübe erzielt werden. Then the stack is pressed in a press by applying pressure and by applying temperature to a plate-shaped element. Here, the penetration depth of the powder particles is controlled in the fibers so that they penetrate only in the adjacent layers, i. the binder does not penetrate all layers as in known composite elements. With a double belt press, which includes both rollers for exerting a line pressure and heated pressing elements for exerting a surface pressure, for example, several coated layers can be pressed and adjusted by adjusting the gap width of the double belt press the penetration depth of the powder particles in the high modulus fibers, namely that these only reach into the adjacent layers and penetrate as possible in this respective adjacent position even to 70%. Other presses can be used and deformation can be made simultaneously with the compression. A deformation can also be made separately after the pressing. Thus, adapted to the body shape insets can be achieved in an advantageous manner.

Ein so erzieltes plattenförmiges Element wird in entsprechende Größen, beispielsweise für die Einschübe bei Schutzwesten, geschnitten oder aber ein solcher Zuschnitt erfolgt bereits bei der Herstellung der Lagen des Flächengebildes, so dass beim Verpressen ein plattenförmiges Element in der Größe des gewünschten Einschubs erhalten wird. Such a plate-shaped element is cut into appropriate sizes, for example for the inserts in protective vests, or such a blank already takes place in the production of the layers of the sheet, so that a plate-shaped element is obtained in the size of the desired insertion during pressing.

Die Mineralschaumteilchen haben eine Größe zwischen 0 bis 800 µm. Bei einem geschosshemmenden Verbundelement wird je nach Beschussklasse eine unterschiedliche Anzahl an textilen Lagen vorgesehen. Ebenso können unterschiedlich viele schaumartige Zwischenlagen zwischen den textilen Lagen angeordnet sein. Diese schaumartigen Zwischenlagen werden in gleicher Weise wie die textilen Lagen mit dem polymeren Bindemittel verklebt. The mineral foam particles have a size between 0 to 800 microns. In a bullet-resistant composite element, a different number of textile layers is provided depending on the bullet class. Likewise, a different number of foam-like intermediate layers can be arranged between the textile layers. These foam-like intermediate layers are bonded in the same way as the textile layers with the polymeric binder.

Gelangt ein Projektil in ein solches Verbundelement so wird das Projektil in den ersten textilen Lagen sowie schaumartigen Zwischenlagen abgebremst. Aufgrund der vorhandenen Weichkomponente im polymeren Bindemittel können sich die Hochmodulfasern der textilen Lagen in Kraftrichtung legen, was durch das Eindringen des Projektils bewirkt wird. Dann trifft ein Projektil auf Fasern in Längsrichtung, welche die hohe Kraft des Geschosses aufnehmen, die Geschwindigkeit enorm abbremsen und das Geschoss abfangen können. Die Mineralschaumteilchen der Zwischenlagen tragen aufgrund ihrer Härte zur Zerstörung des Projektils bei und können aufgrund ihrer Porosität den mit der Projektileinwirkung einhergehenden steigenden Luftdruck in vorteilhafter Weise quer zur Einwirkrichtung des Projektils verteilen. Die verbesserten ballistischen Effekte sind bei einem Einschub aus einem solchen geschosshemmenden Verbundelement sichtbar, nämlich an den zwar vorliegenden Deformationen der Platte aber den fehlenden Durchschüssen und an einer zum Stand der Technik stärkeren Verformung (Aufpilzung) der Projektile. If a projectile enters such a composite element, the projectile is braked in the first textile layers and foam-like intermediate layers. Due to the existing soft component in the polymeric binder, the high modulus fibers of the textile layers may be in the direction of force, which is caused by the penetration of the projectile. Then a projectile hits fibers in the longitudinal direction, which absorb the high power of the projectile, slow down the speed enormously and can catch the projectile. Due to their hardness, the mineral foam particles of the intermediate layers contribute to the destruction of the projectile and, due to their porosity, can distribute the rising air pressure associated with the projectile effect advantageously transversely to the direction of action of the projectile. The improved ballistic effects are visible in the case of an insert made from such a bullet-resistant composite element, namely the deformations of the plate that are present, but the missing bullet passes and a deformation (mushrooming) of the projectiles which is more severe than the state of the art.

Zur Unterstützung der vorgenannten Effekte können in Einwirkrichtung eines Geschosses Zwischenlagen mit unterschiedlichen und/oder mit unterschiedlich großen Mineralschaumteilchen vorgesehen sein. So trägt ein Anteil an harten Bestandteilen in den Mineralschaumteilchen, wie beispielsweise Borcarbid, zur Zerstörungswirkung bei. Andererseits können durch die Größe der Mineralschaumteilchen die Packungsdichte und Porosität beeinflusst werden. Bei einer Ausführungsform für eine hohe Beschussklasse haben die vorderen, in Einwirkrichtung eines Projektils ersten, schaumartigen Zwischenlagen feinere Mineralschaumteilchen und die hinteren Zwischenlagen gröbere Mineralschaumteilchen. To support the aforementioned effects, intermediate layers with different and / or different sized mineral foam particles may be provided in the direction of action of a projectile. Thus, a proportion of hard constituents in the mineral foam particles, such as boron carbide, contributes to the destructive effect. On the other hand, the size of the mineral foam particles can influence the packing density and porosity. In one embodiment for a high firing class, the front, in the direction of action of a projectile first, foam-like intermediate layers finer mineral foam particles and the rear intermediate layers coarser mineral foam particles.

In besonders vorteilhafter Weise können die Verbundelemente, insbesondere für Einschübe in Schutzwesten, auch an die menschlichen Körperformen angepasst werden. Dies ist insbesondere für weibliche Träger der Schutzwesten ein wesentlicher Vorteil. Die neuen schaumartigen Zwischenlagen zeigen hierbei den Vorteil, dass diese flexibel sind und daher ein an den Körper des Trägers angepasster Einschub bei verbesserter ballistischer Wirkung herstellbar ist. In a particularly advantageous manner, the composite elements, in particular for inserts in protective vests, can also be adapted to the human body shapes. This is a significant advantage especially for female carriers of the protective vests. The new foam-like intermediate layers show the advantage that they are flexible and therefore an adapted to the body of the carrier insert with improved ballistic effect can be produced.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102014113812 [0002]

Claims

Anti-bullet composite element, in particular as a protective vest insert element, constructed from a plurality of layers of a textile fabric which are bonded to each other by means of a polymeric binder, wherein the polymeric binder is an inhomogeneous mixture comprising an adhesive component of a thermoplastic elastomer and a filler component in a weight proportion from 5 to 70% by weight - wherein the textile fabric consists of high-modulus solid fibers, characterized in that - additionally at least one foam-like intermediate layer of a polymer matrix with incorporated mineral foam particles is provided.

Composite element according to claim 1, characterized in that mineral foam particles in an amount of 30 wt% to 80 wt% are contained in a polyurethane foam.

Composite element according to claim 1 or 2, characterized in that mineral foam particles of a size up to 800 microns are included.

Composite element according to claim 1 to 3, characterized in that a plurality of foam-like intermediate layers are provided between the textile layers, wherein in the direction of action of a bullet front intermediate layers contain finer mineral foam particles and the rear intermediate layers coarser mineral foam particles.

The bullet-resistant composite element according to one of claims 1 to 4 in the form of a flat, plate-shaped insert or in a form adapted to the human body shape.