DE3928408C2 - Herstellung eines gewebeverstärkten Verbundartikels mit ballistischer Widerstandsfähigkeit - Google Patents

Herstellung eines gewebeverstärkten Verbundartikels mit ballistischer Widerstandsfähigkeit

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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 die aus aliphatischen Polyamidfasern bestehenden Garngewebe wärmebehandelt werden und dann aus aliphatischen Polyamidfasern bestehende Garngewebe bzw. aus aromatischen Polyamidfasern bestehende Garngewebe vorgewärmt werden, bevor sie in eine Lösung aus warmhärtbarem Harz getaucht werden.
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 warmhärtbarem 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 kunststoffimprägnierten 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.
Beispiel 1
(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.
Beispiel 2
(1) 1/2 Würfelbindungsgewebe (Dichte 36×36 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.
Beispiel 3
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.
Tabelle 1
  • (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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