DE4207294A1 - Durchdringungsfester schichtstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen durchdringungsfesten Schicht­ stoff zur Verwendung in Schutzgegenständen, wie beispiels­ weise Schutzhelmen oder dergleichen.

Ein Helm wird im allgemeinen aus vier Hauptbestandteilen gefertigt. Der erste Bestandteil ist eine harte Außenscha­ le, welche Stoßbelastungen über ein weites Gebiet verteilt und Objekte daran hindert, in das Helminnere einzudringen. Die Außenschale dient auch als eine Plattform für am Helm montierte Zubehörteile. Der zweite Bestandteil ist das energieabsorbierende Futter, welches Stoßenergie absor­ biert. Diese Funktion der Energieabsorption wird manchmal auch durch den dritten Bestandteil erfüllt, das sogenannte Aufhäng-Retentions-System, mit dessen Hilfe der Helm in bestimmter Position auf dem Kopf des Trägers angeordnet wird und welches den Helm während eines Unfalls auf dem Kopf festhält. Der vierte Bestandteil ist das Schallab­ schwächsystem, welches bei typischen Ausführungsformen ein Paar von am Retentionssystem befestigten Ohrbüchsen umfaßt.

Das Verfahren, welches bei der Herstellung einer Helmscha­ le Anwendung findet, entspricht dem Verfahren zur Herstel­ lung ähnlicher, zusammengesetzter Strukturen. Eine Kunst­ harzmatrix wird in Gewebelagen eingeführt; das Ergebnis hiervon ist entweder eine feuchte Auflage ("lay-up") oder, wenn die Imprägnierung vorher durch den Gewebelieferanten ausgeführt ist, ein vorimprägniertes Produkt ("pre-preg"). Ein Helm wird dadurch geformt, daß man das Gewebe und Kunstharz unter Hitze und Druck in die gewünschte Form bringt. Wenn das Kunstharz aushärtet, ergibt sich eine rohe Helmschale, die durch weitere Operationen des Her­ stellungsprozesses einer Endbearbeitung unterworfen wird. Wegen dieses allgemeinen Verfahrens wird verwiesen auf die US-Patentschriften 47 78 638, 45 96 056, 35 82 990 und 30 18 210, die im Besitz der Anmelderin sind.

Gegenwärtig verfügbare Schichtstoffe für Schutzhelme oder dergleichen verwenden gewöhnlich Lagen oder Schichten aus Strukturgewebe oder anderen Strukturstoffen, die zu einer gewünschten Gestalt geformt und mit Kunstharz miteinander verbunden werden. Das am häufigsten in diesen Schichtstof­ fen zum Einsatz gelangende Strukturgewebe ist ein Gewebe aus Glasfasern, Aramidfasern, beispielsweise KEVLAR sowie Graphitfasern. Helme werden gewöhnlich aus einem oder meh­ reren dieser Gewebe, entweder allein oder in Kombination, hergestellt.

Helmschalen aus Strukturgeweben sind im allgemeinen sehr erwünscht, da Strukturgewebe dazu verwendet werden können, relativ steife Helmschalen mit relativ geringen Gewichten zu erzeugen. Steife Helmschalen biegen sich definitionsge­ mäß nicht leicht und bieten eine stabile Plattform für die Montage der Helmzubehörteile. Da sie weiterhin dazu bei­ tragen, eine Stoßkraft über einen weiteren Bereich des energieabsorbierenden Futters zu verteilen, können steife Helmschalen zum Zwecke des Stoßschutzes von weniger dich­ ten Futtermaterialien Gebrauch machen.

Wenn eine Helmschale typischen Aufbaus eindringenden Objekten widerstehen muß, ergibt sich ein Problem. Die Energieart, welcher die Fasern des Gewebes oder anderen Stoffes widerstehen müssen, ist eine Zerreißenergie, also eine Energie, welche die Fasern bis zum Bruch zieht und streckt. Die steifen Strukturmaterialen, wie sie in Helm­ zusammensetzungen verwendet werden, sind im allgemeinen von niedriger Duktilität oder Dehnbarkeit; die Verlänge­ rungen, welche die Fasern vor ihrem Bruch erfahren können, sind klein. Daher zwingt ein eindringendes Objekt die Fasern dazu, zu brechen, bevor größere Energiemengen absorbiert werden können. Aus diesen Gründen erfordern Standardzusammensetzungen, wie sie für Helmschalen verwen­ det werden, eigene Gewebelagen, um das eindringende Objekt unter Kontrolle zu bringen. Jedoch führt eine Erhöhung der Gewebelagen bei der Herstellung einer Helmschale zu zusätzlichen Kosten, erhöhtem Gewicht und mehr sperriger Masse. All dies ist, beispielsweise bei einem leichten Fliegerhelm, unerwünscht.

Bestimmte bekannte Schichtstoffe enthalten Mehrfachlagen aus hochfestem Gewebe ("high-modulus fabric"), deren Fasern streck- oder dehnbar sind, so daß sie auch als ein "ballistisches" oder durchdringungsresistentes Gewebe oder Textilmaterial wirken. Ein derartiger Schichtstoff ("lami­ nate") wird aus Schichten eines Polyäthylengewebes mit ultrahohem Molekulargewicht hergestellt, welches unter dem Warenzeichen "SPECTRA" vertrieben wird. Jedoch ist ein solcher hochfester ballistischer Stoff sehr teuer, er kann während seiner Ausformung schmelzen und ist zudem leicht entflammbar.

Andere Schichtstoffe, wie sie beispielsweise in der US-Pa­ tentschrift 47 32 803 beschrieben sind, enthalten Gewebe­ lagen, die mit Zonen eines abnehmenden Young-Moduls und wachsender Dehnungsmerkmale ausgerüstet sind. Obwohl der­ artige Anordnungen eine Teillösung des Problems der Kombi­ nation struktureller Steifheit mit Durchdringungsfestig­ keit bieten, erfordern sie zahlreiche Lagen aus Struktur­ gewebe, um eine annehmbare Steifheit zu vermitteln.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen durchdringungsresi­ stenten Aufbau zu vermitteln, der von geringem Gewicht ist, eine ausreichende Steifheit besitzt, um als Plattform von Zubehörteilen zu dienen, und der mit vernünftigen Kosten herstellbar ist.

Die Aufgabe wird durch einen durchdringungsfesten Schicht­ stoff gelöst, wie er Gegenstand des Patentanspruchs 1 ist.

Im allgemeinen wird ein durchdringungsresistenter Schicht­ stoff zur Anwendung bei Schutzgegenständen, beispielsweise bei Helmschalen in Betracht gezogen, wobei der Schicht­ stoff eine Kunstharzmatrix umfaßt, die ihrerseits eine erste und eine zweite Schicht aus hochfestem Gewebe und eine mittlere Schicht aus einem ballistischen, gegenüber den ersten und zweiten Schichten verschiedenen Gewebe ent­ hält. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind eine erste Lage aus Glasfaser oder Graphit und eine zweite Lage aus Graphit durch eine mittlere Lage aus Nylon voneinander getrennt, während bei einer anderen bevorzugten Ausfüh­ rungsform eine Glasfaserschicht nahe bei einer ersten Graphitschicht auf der anderen Seite der Nylonschicht vor­ gesehen ist.

Unter "hochfestem" Gewebe wird hier ein Gewebe oder ande­ res Textilmaterial verstanden, dessen einzelne Fasern einen hohen Young′schen Elastizitätsmodul haben, vorzugs­ weise von wenigstens etwa 70 000 kg/cm². Unter einem "bal­ listischen" Gewebe wird hier ein Gewebe oder anderes Tex­ tilmaterial verstanden, dessen Fasern streck- oder dehnbar sind und infolgedessen große Mengen an Stoßenergie absor­ bieren können, vorzugsweise wenigstens etwa 480 000 cm/kg pro kg Faser, bevor sie brechen. Die zu diesem Zweck absorbierte Energie ist der Bereich unter der gegenüber der Dehnung aufgetragenen Spannungskurve. Geeignete "hoch­ feste" Gewebsstoffe umfassen Stoffe aus Aramidfasern, wie sie unter den Warenzeichen KEVLAR und NOMEX bekannt sind. Außerdem kommen Gewebe aus Borfasern, Glasfasern oder Graphitfasern in Frage. Glasfasern werden bevorzugt als die äußere oder exponierte Strukturschicht verwendet, da sie leicht einer Endbearbeitung ("finish") unterzogen wer­ den können. Zu den hier in Frage kommenden ballistischen Gewebsstoffen gehören Stoffe aus Nylon, Polyolefin oder Polyester.

Obwohl die besondere Auswahl des Kunstharzes nicht kri­ tisch ist, hat sich Epoxyharz als sehr günstig erwiesen. Auch andere hitzehärtbare Kunstharze, beispielsweise hitzehärtbares Polyester-Harz können Anwendung finden.

Alternativ können auch thermoplastische Kunstharze, bei­ spielsweise thermoplastischer Polyester (PET), Polyäther­ imid (PEI), Polyätherketon (PEEK) und Nylon 6/6 zum Ein­ satz gelangen. Wenn ein thermoplastisches Harz Anwendung findet, sollte eine ballistische Schicht aus Nylon oder einem anderen niederschmelzenden Material durch ein pas­ sendes ballistisches Gewebe ersetzt werden, beispielsweise S-Glas, das denjenigen Temperaturen widerstehen kann, die bei der Plastifizierung des Harzes Anwendung finden.

Erfindungsgemäße Schichtstoffe haben neben den oben erwähnten Vorteilen eine zusätzlichen Vorteil. Graphit ist im Vergleich mit anderen Strukturmaterialien extrem brü­ chig und kann unter hartem Stoßeinfluß zerbrechen. Wenn Graphit als Mittelschicht verwendet wird, wirkt Nylon dahingehend, die zerbrochenen Stücke festzuhalten, etwa in der gleichen Weise wie bei Automobil-Sicherheitsglas, bei dem eine Plastikschicht sandwichartig zwischen zwei Glas­ schichten angeordnet ist. Diese Haltewirkung des Nylon trägt dazu bei, eine Personenverletzung aufgrund der scharfen Kanten des gebrochenen Graphits zu verhindern.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsfor­ men der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schichtstoffes und

Fig. 2 eine Teilschnittansicht ähnlich Fig. 1, jedoch mit einer zusätzlichen Schicht eines hochfesten Materials.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine einzige Schicht oder Lage aus ballistischem Gewebe sandwichartig zwischen zwei Schichten oder Lagen aus hoch­ festem Gewebe angeordnet ist. Insbesonder umfaßt der durchdringungsresistente Schichtstoff 10 eine Epoxyharz- Matrix 12, die ihrerseits eine erste Schicht 14 eines hochfesten Glasfaser- oder Graphitgewebes, eine zweite Schicht 18 aus hochfestem Graphitgewebe und eine mittlere Schicht 16 aus ballistischem Nylongewebe enthält, wobei die letztere Schicht zwischen den Schichten 14 und 18 angeordnet ist. Bei der Herstellung des Schichtstoffes 10 werden die Schichten 14, 16 und 18, die mit Kunstharz 12 getränkt sind, in der Weise, wie sie in den oben genannten Patentschriften beschrieben ist, zu Helmschalen oder ande­ ren Gegenständen geformt.

Das Glasfasergewebe kann ein 120-Glasfasergewebe der Firma Clark Schwebel Fiber Glass Corporation, White Plains, New York sein. Bei dem Nylongewebe kann es sich um eine Webart von 396,2 g/0,84 m² handeln, wie sie von der Anmelderin hergestellt wird. Bei der Graphitschicht kann es sich um eine G-104-Graphitware der Firma Textile Technologies, Inc., Hatboro, Pennsylvania handeln, oder auch um ein Flächengewebe von 161,3 g/0,84 m² aus MAGNAMITE (Waren­ zeichen) der Type AS4 aus Graphitfasern, hergestellt von Herkules Inc., Wilmington, Delaware. Die Auswahl zwischen Glasfaser und Graphit für die erste Schicht 14 hängt von den Forderungen ab, wie sie vom Benutzer gestellt werden. Auf der einen Seite ist Glasfaser gegenüber Graphit wegen seiner leichten Endbearbeitkeit vorzuziehen. Andererseits ist Graphit etwa viermal so steif wie Glasfaser und ist geringfügig weniger dicht. Daher ist Graphit dort vorzuzie­ hen, wo Gewichts- und Steifheits-Überlegungen den Gesichtspunkt der Endbearbeitbarkeit überwiegen.

Die Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform, die mit dem Bezugszeichen 20 versehen ist. Bei dieser Ausfüh­ rungsform enthält eine Epoxyharzmatrix 22 eine Graphit-, Nylon- und Graphitschicht 26, 28 bzw. 30, vergleichbar mit den Schichten 14, 16 und 18 in Fig. 1, zusammen mit einer zusätzlichen Schicht 24 aus Glasfasern auf derjenigen Sei­ te der Schicht 26, welche der Nylonschicht 28 abgewandt ist.

Die Durchdringungsfestigkeiten verschiedener Schichtstof­ fe, die in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt worden waren, wurden mit solchen Laminaten verglichen, welche mehrere Lagen aus Aramidfaser-Geweben enthielten. Es wurde ein Prüfstand benutzt, um die Versuchsproben festzuhalten. Die Versuchsproben waren zu einem sphäri­ schen Abschnitt mit 13,75 cm Radius und 2,5 cm Höhe geformt. Auf der 2,5-cm-Ebene ging der Schichtstoff in eine flache Platte über, welche dazu diente, die Versuchs­ proben in den Bahnen des Prüfstandes unbeweglich zu halten.

Ein Prall- oder Schlagkörper von 5 kg Gewicht wurde auf die jeweils angegebene Höhe oberhalb der Probe angehoben und fallengelassen. Die Kante des Schlagkörpers war ein flaches Stück aus gehärtetem Stabvorrat. Beim Aufprall traf das Schlaggewicht unter einem Winkel von 45° auf die Oberfläche der Versuchsprobe auf. Die Länge des in jeder Probe entstandenen Risses ist in der nachstehenden Tabelle angegeben.

In der Tabelle bedeuten: K = KEVLAR-Aramidfasergewebe; S= SPECTRA 1000 (Warenzeichen) Polyäthylengewebe mit ultraho­ hem Molekulargewicht (Allied Chemical Corp.); H = 396,2 g/0,84 m² ballistisches Nylon der Anmelderin; g = G104 Graphitgewebe (Textile Technologies Inc., Hatboro, Pa.); F = 120 fiberglass (Clark Schwebel Fiber Glass Corp., White Plains, N.Y.); n = 226,4 g/0,84 m² ballistisches Nylon­ material der Anmelderin; + = würde die aufgezeichnete Riß­ länge überschritten haben; * = Gewicht ohne abgescherte Nase; ** = Probe gegen den Boden des Prüfstandes gesetzt. In jedem der Beispiele 7 bis 19 und 22 bis 25 waren die ballistischen Schichten (S, N oder n) sandwichartig zwi­ schen den anderen Schichten angeordnet.

Im allgemeinen zeigen die erfindungsgemäß ausgebildeten Schichtstoffe (Beispiel 7 bis 19 und 22 bis 25) bessere Durchdringungsfestigkeiten im Vergleich mit herkömmlichen Aufbauten (Beispiele 3 bis 6, 20 und 21) von vergleichba­ rem Gewicht und vergleichbarer Dicke, welche identische Schichten aus Strukturgeweben enthielten. So hatte eine Versuchsprobe mit drei Schichten (Beispiel 15), welche jeweils Schichten aus Glasfaser und Graphit sowie eine Mittelschicht aus Nylon enthielt, ein Gewicht von 36,1 g und eine Rißlänge von 3,18 cm. Eine zweite, drei Schichten umfassende Versuchsprobe (Beispiel 16), die ähnliche Mate­ rialien enthielt, hatte ein Gewicht von 33,4 g und eine Rißlänge von 4,45 cm. Eine Versuchsprobe mit vier Schich­ ten (Beispiel 24), die aufeinanderfolgende Schichten aus Glasfaser, Graphit, Nylon und Graphit enthielt, besaß ein Gewicht von 41,1 g und eine Rißlänge von weniger als 0,317 cm. Im Gegensatz hierzu hatte ein sieben Schichten umfas­ sendes Laminat (Beispiel 20), wobei die Schichten alle aus Aramid-Fasern bestanden, ein Gewicht von 53,9 g und eine Rißlänge, die größer als 6,73 cm war.

Es ist somit ersichtlich, daß der hier beschriebene Schichtstoff durchdringungsresistent und ausreichend steif ist, um als eine Plattform für die Montage von Zubehörtei­ len zu dienen. Gleichzeitig ist der Schichtstoff von geringem Gewicht und unter vernünftigen Kosten herstell­ bar.

Obwohl die hier im einzelnen gegebene Beschreibung sich auf Helmschalen bezieht, können die hier beschriebenen Schichtstoffe auch für andere Anwendungszwecke eingesetzt werden, bei denen steife, durchdringungsfeste Materialien erforderlich sind. Zu diesen Anwendungsmöglichkeiten gehö­ ren beispielsweise ballistische und strukturelle Flugzeug- Platten, Automobil-Treibstofftanks und Automobil-Türpa­ nele.

Claims (13)

1. Durchdringungsfester Schichtstoff, gekennzeichnet durch eine Kunststoffmatrix, in der eine erste und eine zweite Schicht (14, 18) aus hochfestem Gewebe und eine mittlere Schicht (16) aus einem ballisti­ schen, gegenüber den ersten und zweiten Schichten verschiedenen Gewebe angeordnet sind.

2. Schichtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Schichten (14, 18) Fasern aus Aramid, Bor, Glas oder Graphit umfassen.

3. Schichtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Schichten (14, 18) Graphit umfassen.

4. Schichtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht (16) Fasern aus Nylon, Poly­ olefin oder Polyester umfaßt.

5. Schichtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht (16) Nylonfasern umfaßt.

6. Schichtstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Schicht (24) aus hochfestem Gewebe­ material auf der anderen, der Mittelschicht (28) abgewandten Seite der ersten Schicht (26).

7. Schichtstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Schicht (24) Glasfasern umfaßt.

8. Schichtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Fasern der ersten und zweiten Schichten (14, 18) einen Young-Modul von wenigstens 70 000 kg/cm² haben.

9. Schichtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Fasern der Mittelschicht (16) eine Energieabsorptionsfähigkeit von wenigstens etwa 4800 mkg pro kg Faser haben.

10. Schichtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (14) Glasfasern oder Graphit, die zweite Schicht (18) Graphit und die mittlere Schicht (16) Nylon umfaßt.

11. Schichtstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste Schicht (14) Glasfasern umfaßt.

12. Schichtstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste Schicht (14) Graphit umfaßt.

13. Schichtstoff nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Schicht (24) aus Glasfaser auf der anderen, der mittleren Schicht (28) abgewandten Seite der ersten Schicht (26).