DE3928408A1 - Herstellung eines gewebeverstaerkten verbundartikels mit ballistischer widerstandsfaehigkeit - Google Patents
Herstellung eines gewebeverstaerkten verbundartikels mit ballistischer widerstandsfaehigkeitInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
gewebeverstärkten Verbundartikels, der eine verbesserte
ballistische Widerstandsfähigkeit und Haltbarkeit hat. Die
gewebeverstärkten Verbundartikel, die mittels der Erfindung
hergestellt werden, umfassen einen Helm, einen Tankschutz,
eine kugelsichere Weste, eine kugelsichere Verkleidung und
einen kugelsicheren Behälter.
Im Detail bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur
Herstellung eines gewebeverstärkten Verbundartikels, der eine
verbesserte ballistische Widerstandsfähigkeit hat, bei
welcher halbausgehärtete Prepregs hergestellt werden mittels
Eintauchens wärmebehandelter und dann vorerwärmter, aus
aliphatischen Polyamidfasern bestehender Garngewebe
bzw. vorerwärmter, aus aromatischen Polyamidfasern bestehender
Garngewebe in eine Lösung aus Phenolformaldehyd oder in eine
Lösung aus Epoxyharz oder in eine Lösung aus Vinylester oder
in eine Lösung aus Harz, die sich zusammensetzt aus
ungesättigtem Polyester, Polyvinylbutylaldehyd und Methanol,
und diese kunststoffimprägnierten Prepregs werden auf die
richtige Größe zugeschnitten und übereinandergeschichtet
erwärmt und gepreßt.
Bekannte Verfahren verwendeten, um einen Helm mit
kugelsicheren Eigenschaften und Haltbarkeit bereitzustellen,
das eine Verfahren, bei welchem die kunststoffimprägnierten
Prepregs durch Eintauchen eines aus aliphatischen
Polyamidfasern bestehenden Garngewebes in eine Lösung aus
Harz, zusammengesetzt aus Phenolharz und Methanol, erwärmt
und gepreßt werden, nachdem sie übereinandergeschichtet
wurden, und das andere Verfahren, bei welchem aus
aliphatischen Polyamidfasern bestehendes Garngewebe und aus
aromatischen Polyamidfasern bestehendes Garngewebe, die
abgetrocknet wurden, nachdem sie in eine Lösung aus
Phenolharz oder in eine Lösung aus Epoxyharz getaucht worden
sind, auf die richtige Größe zugeschnitten und gesondert oder
abwechselnd übereinandergeschichtet, erhitzt und gepreßt
werden.
Der Verbundartikel, der gemäß derartigen, oben beschriebenen
Verfahren hergestellt ist, hat jedoch nicht nur eine geringe
Zugfestigkeit und ballistische Widerstandsfähigkeit, weil die
in eine Lösung aus Harz getauchten Gewebe aufgrund der
geringeren Klebekraft zwischen Harz und Gewebe aufblättern,
sondern auch eine geringe Produktionseffizienz aufgrund der
Schrumpfung des in eine Lösung aus Harz getauchten Gewebes,
während es erhitzt und gepreßt wird. Zusätzlich wird die
Lebensdauer des Gewebes durch Oberflächenrisse verkürzt und
es zeigt sich auch eine Biegefestigkeits-Ermüdung sowie das
Phänomen, daß sich übereinandergeschichtete Lagen trennen.
Durch die Erfindung jedoch werden die Probleme, die zuvor
geschildert wurden, dadurch gelöst, daß das aus aliphatischen
Polyamidfasern bestehende Garngewebe wärmebehandelt wird und
dann das aus aliphatischen Polyamidfasern bestehende
Garngewebe bzw. das aus aromatischen Polyamidfasern
bestehende Garngewebe vorgewärmt werden, bevor es in eine
Lösung aus warmhärtbarem Harz getaucht wird.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird wie folgt detailliert
beschrieben:
Nachdem ein aliphatisches Polyamid-Fasergarn zu einem Gewebe
(Kette- und Schußdichte 30 bis 100 Fäden/inch (12 bis 40
Fäden/cm)) verwoben wurde und bei 100 bis 200°C während 1 bis
10 Minuten wärmebehandelt wurde, und nachdem aromatisches
Polyamidfasergarn (1000 bis 3000 Denier) zu einem Gewebe
(Kette- und Schußdichte 30 bis 100 Fäden/inch (12 bis 40
Fäden/cm) verwoben wurde, werden diese Gewebe auf 50 bis
120°C während 1 bis 10 Minuten vorgewärmt und in eine Lösung
aus Phenolformaldehyd oder in eine Lösung aus Epoxyharz oder
in eine Lösung aus Vinylester oder in eine Lösung aus
warmhärtbaren Harz, das aus ungesättigtem Polyester,
Polyvinylbutylaldehyd und Methanol besteht, getaucht. Nachdem
sie bei 50 bis 150° während 1 bis 10 Minuten getrocknet
wurden, werden sie zu halbausgehärteten kunstoffimprägnierten
Prepregs verarbeitet und auf die richtige Größe
zugeschnitten.
Sodann werden sie so aufeinandergeschichtet, daß 5 bis 18
aliphatische Polyamidprepregs in der äußeren Schicht liegen
und 1 bis 10 aromatische Polyamidprepregs die innere Schicht
bilden. Danach werden sie bei 50 bis 120° gewärmt und mit 50
bis 300 kg/cm2 gepreßt und abgekühlt.
Für eine Lösung aus warmhärtendem Harz, die nach der
Erfindung verwendet wird, ist es wünschenswert, daß die
Lösung aus 5 bis 30 Gew% Polyvinylbutylaldehyd, 5 bis 40 Gew
% Methanol und 10 bis 90 Gew% Phenolformaldehyd oder
Epoxyharz oder Vinylester oder ungesättigtem Polyester
besteht. Es ist auch erwünscht, daß der Harzgehalt (HG) und
der Gehalt an flüchtigen Verbindungen (FG) des aus
aliphatischen Polyamidfasern bestehenden Garngewebes und des
aus aromatischen Polyamidfasern bestehenden Garngewebes einen
Gehalt von 5 bis 40 Gew% bzw. 1 bis 10 Gew% betragen. Unter
dem FG, auf den oben verwiesen wurde, ist der Gehalt an Harz
zu verstehen, der als Dampf entweicht, wenn ein Gewebe
getrocknet wird, nachdem es in Harz getaucht worden ist.
Der Grund dafür, daß ein aus aliphatischen Polyamidfasern
bestehendes Garngewebe gemäß der Erfindung wärmebehandelt
wird, ist der, daß es in den Stand versetzt wird, seine
thermische Stabilität und Festigkeit durch Reduzierung der
verbleibenden Kontraktionsfähigkeit des aus aliphatischen
Polyamidfasern bestehenden Garngewebes und Verbesserung
seines molekularen Orientierungsgrades zu erhöhen und die
Affinität zwischen dem warmhärtbaren Harz und dem Gewebe zu
fördern, indem der Gehalt an Emulsion in dem Gewebe
erniedrigt wird.
Ein Grund dafür, daß das aliphatische und das aromatische
Polyamidfasergarngewebe vorgewärmt werden ist es, die
Abbinde- und Nachbehandlungszeit des Gewebes in Hinsicht
darauf, daß das Harz schnell mit dem Gewebe bei hohen
Temperaturen abbindet, zu verkürzen.
Der Grund dafür, daß aliphatische Polyamidprepregs in die
äußere Schicht und aromatische Polyamidprepregs in die innere
Schicht gelegt werden, ist es, die ballistische
Widerstandsfähigkeit dadurch zu maximieren, daß die
hochdehnbaren aliphatischen Polyamidprepregs für ein
Auffangen des Anfangsaufpralls und die hochelastischen
aromatischen Polyamidprepregs für das Auffangen der
verbleibenden Wucht angeordnet sind.
Der Grund dafür, daß bei der Herstellung der Prepregs gemäß
der Erfindung Polyvinylbutylaldehyd einer Harzlösung
hinzugefügt wird, ist es, das äußere Aussehen der Prepregs zu
verschönern und die Abbindekraft zwischen dem Gewebe und dem
Harz zu einem beträchtlichen Grad zu steigern.
Obwohl aliphatisches oder aromatisches Polyamidfaserngarn zu
einem Gewebe mittels Leinwandbindung, Körperbindung,
Würfelbindung oder Satinbindung verwoben werden können, wird
die Leinenbindung für die Erfindung am meisten bevorzugt.
Helme, kugelsichere Westen und kugelsichere Behälter, die aus
gewebeverstärkten Verbundartikeln gemäß der Erfindung
hergestellt sind, haben sich nicht nur als ausgezeichnet in
der ballistischen Widerstandsfähigkeit und in der
Stoßwiderstandsfähigkeit, sondern auch im äußeren Aussehen
und in der Haltbarkeit bewiesen.
(1) Würfelbindungsgewebe (Dichte 38×36 Fäden/inch (14×14
Fäden/cm)) aus aliphatischem Polyamidfasergarn (840 Denier,
Zugfestigkeit 7 g/d, Dehnung 20%) wurde gewoben. Es wurde bei
100°C während 5 Minuten entspannt und dann eine Minute lang
bei 150°C wärmebehandelt.
(2) Leinwandbindungsgewebe (Dichte 17×17 Fäden/inch (etwa 7×7
Fäden/cm)) wurde aus aromatischem Polyamidfasergarn (3000
Denier, Zugfestigkeit 20 g/d, Dehnung 3%) gewoben.
Nachdem die oben genannten Gewebe (1) (2) bei 90° während 5
Minuten vorgewärmt und in eine Lösung aus Harz getaucht
worden sind, die zu 50 Gew% aus Phenolformaldehyd (oder Epoxy
Harz oder Vinylester oder ungesättigtem Polyester), 10 Gew%
Polyvinylbutylaldehyd und 40 Gew% Methanol bestand, wurden
sie aufgenommen, so daß sie einen Harzgehalt von 36 Gew% oder
16 Gew% und einen Gehalt von 2 Gew% flüchtige Bestandteile
hatten, und 5 Minuten lang bei 120°C getrocknet.
Dann wurden sie zu Prepregs verarbeitet und auf die
gewünschte Größe zurechtgeschnitten. Als nächstes wurden 12
Lagen der aliphatischen Polyamidprepregs zu einer äußeren
Schicht aufeinandergeschichtet und drei Schichten mit
aromatischen Polyamidprepregs zu einer inneren Schicht
aufeinandergeschichtet, aber 1 Lage aus aliphatischem
Polyamidprepreg (HG 36 Gew%) und 11 Lagen aus aliphatischen
Polyamidprepregs (HG 16 Gew%) + 2 Lagen aus aromatischen
Polyamidprepregs (HG 15 Gew%) und 1 Lage aus aromatischem
Polyamidprepreg (HG 38 Gew%) wurden von der äußersten Schicht
übereinandergeschichtet. Nachdem sie unter Wärme und Druck
bei 60°C bzw. 100 kg/cm3 geformt waren, wurden sie in 20°C
warmem Wasser 10 Minuten lang gekühlt und zu einem
kugelsicheren Helm verarbeitet. Resultate einer Prüfung, der
sie unterzogen wurden, sind in Tabelle 1 angegeben.
(1) 1/2 Würfelbindungsgewebe (Dichte 36×38 Fäden/inch (14×
14 Fäden/cm)) wurde aus aliphatischem Polyamidfasergarn (850
Denier, Zugfestigkeit 7 g/d, Dehnung 20%) gewoben und 5
Minuten lang bei 100°C entspannt.
(2) Satinbindungsgewebe (Dichte 17×17 Fäden/inch (etwa 7×7
Fäden/cm)) wurde aus aromatischem Polyamidfasergarn (3000
Denier, Zugfestigkeit 20 g/d, Dehnung 3%) gewoben.
Die oben genannten Gewebe (1) (2) wurden in derselben Weise
wie in Beispiel 1 beschrieben zu einem kugelsicheren Helm
verarbeitet, mit der Ausnahme, daß der Vorwärmungsprozeß
entfällt. Die Resultate der Tests sind in Tabelle 1 zu sehen.
Die beiden Gewebe werden in derselben Weise ausgebildet wie
im Beispiel, aber ein kugelsicherer Helm wurde so
hergestellt, daß aromatische Polyamidprepregs an die
Außenseite und aliphatische Polyamidprepregs die Innenseite
gelegt wurden. Ergebnisse einer Prüfung, der sie unterzogen
wurden, sind in Tabelle 1 zu sehen.
- (1) Ballistische Widerstands prüfung: MIL - STD - 662 E, Caliber 0.22; Geschoßgewicht 17 grain.
- (2) Widerstandsfähigkeit gegen Biegungsermüdung: UK MOD SC 4796 A.
- (3) Stoßfestigkeit: Eine Stahlkugel (3,6+0.3 kg, Durchmesser 10 cm) wird aus einer Höhe von 1,5 m fallengelassen.
- (4) Erwärmungs- und Drucktest: Sie wird in ein Druck- und Erwärmungsgefäß getan, bei einem Sättigungsgrad von 1,2 ± 0,1 kg/cm² für 90 Minuten.
- (5) Die Imprägnierungszeit des Gewebes mit Harz und dessen Härtezeit werden gemessen, wenn das Gewebe durch eine Härtungskammer mit 25 m/min läuft.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung eines gewebeverstärkten
Verbundartikels, der eine verbesserte ballistische
Widerstandsfähigkeit hat, bei welchem ein aus
aliphatischen Polyamidfasern bestehendes Garngewebe und
ein aus aromatischen Polyamidfasern bestehendes
Garngewebe in eine Lösung aus warmhärtbaren Harz getaucht
werden und getrocknet werden und zu Prepregs verarbeitet
werden und, nachdem sie auf die richtige Größe
zugeschnitten wurden, bis zu einer vorbestimmten Dicke
aliphatische Polyamidprepregs auf die Außenschicht
geschichtet und aromatische Polyamidprepregs auf die
Innenschicht geschichtet werden, wonach sie erwärmt und
gepreßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die aus
aliphatischen Polyamidfasern bestehenden Garngewebe
wärmebehandelt werden und daß dann aus aliphatischen
Polyamidfasern bestehende Garngewebe bzw. aus
aromatischen Polyamidfasern bestehende Garngewebe
vorgewärmt werden, bevor sie in eine Lösung aus
wärmehärtbarem Harz getaucht werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein aus aliphatischen Polyamidfasern bestehendes
Garngewebe 1 bis 10 Minuten lang bei 100 bis 200°C
wärmebehandelt wird und dann 1 bis 10 Minuten lang bei 50
bis 130°C vorgewärmt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein aus aromatischen Polyamidfasern bestehendes
Garngewebe 1 bis 10 Minuten lang bei 50 bis 150°
vorgewärmt wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das aus aliphatischen Polyamidfasern bestehende
Garngewebe Werte von 250 bis 1500 Denier in Feinheit und
30 bis 100 Fäden/inch (12 bis 40 Fäden/cm) Kette- und
Schußdichte aufweist.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das aus aromatischen Polyamidfasern bestehende Garngewebe
Werte von 1000 bis 3000 Denier in Feinheit und 30 bis 100
Fäden/inch (12 bis 40 Fäden/cm) Kette- und Schußdichte
aufweist.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Lösung aus wärmehärtbarem Harz zusammengesetzt ist
aus einem Phenolformaldehyd oder Epoxyharz oder einem
Vinylester oder einem ungesättigten Polyester und
Polyvinylbutylaldehyd und Methanol.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
geschichtete Prepregs erwärmt und gepreßt werden bei 50
bis 200°C und 50 bis 300 kg/cm2 während 1 bis 30 Minuten.
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