DE60003165T2

DE60003165T2 - Flexibles flächengebilde aus faserstoff mit unterbrochenem matrixbereich

Info

Publication number: DE60003165T2
Application number: DE60003165T
Authority: DE
Inventors: Allan Gary HARPELL; Igor Palley; Wilheim Max GERLACH; Alexander Lobovsky
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2020-02-18
Also published as: HK1045129B; KR100690099B1; CA2363011A1; ES2200846T5; US7211291B2; EP1161341B2; DE60003165D1; US20020037391A1; CN1347364A; ATE242116T1; TR200102400T2; EP1161341A1; HK1045129A1; KR20010102281A; CA2363011C; EP1161341B1; WO2000048821A1; CN1112990C; AU3597800A; US20020034624A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft fortlaufende Faserlagensysteme, die mit Materialbereichen verkettet sind, die Matrixinseln bilden, und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von fortlaufenden Faserlagensystemen, die mit Matrixinseln zusammengehalten sind, und Zusammensetzungen von fortlaufenden Faserlagensystemen, die mit Matrixinseln vergittert sind. Die Faserlagensysteme der vorliegenden Erfindung stellen Verbundstoffe von hoher Festigkeit mit Biege- und Festigkeitseigenschaften bereit, die für hochstoßfeste, flexible Artikel besonders nützlich sind.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Artikel, da dafür gedacht sind, eine ballistische Einwirkung auszuhalten, wie z. B. kugelsichere Westen, Helme, Körperpanzer, Panzerung und andere Ausrüstungsgegenstände für Polizei und Militär, Strukturelemente von Hubschraubern, Flugzeugen, Schiffen und Fahrzeugkarosserien und Hüllen, die Fasern von hoher Festigkeit enthalten, sind bekannt. Bekannte Fasern von hoher Festigkeit umfassen Aramidfasern, Fasern wie Poly(phenylendiamin-Terephthalamid), Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, Grafitfasern, Keramikfasern, Nylonfasern, Glasfasern und ähnliches. Die Fasern sind im Allgemeinen in einer fortlaufenden Matrix-Materialstruktur eingekapselt oder eingebettet und sind in manchen Fällen mit starren Vorderlagen verbunden, um komplexe Verbundstrukturen zu bilden. Panzer sollten einen Schutz gegen ballistische Projektile bereitstellen, wie z. B. Kugeln und andere ähnliche durchdringende Objekte oder Projektile nach dem Stand der Technik. Allerdings können Körperpanzer, kugelsichere Westen usw. steif sein und die Bewegung des Trägers einschränken.
Schusssichere Verbundartikel sind in Harpell et al., US-Patentschrift Nr. 4,403,012; 4,501,856 und 4,563,392 offenbart worden. Diese Patente offenbaren Netzwerke aus Fasern von hoher Festigkeit in Matrizen aus Olefinpolymeren und Copolymeren, ungesättigten Polyesterharzen, Epoxyharzen und anderen Harzen, die unter dem Schmelzpunkt der Faser vernetzbar sind. Obwohl solche Verbundstoffe eine effektive ballistische Widerstandsfähigkeit bereitstellen, hat A. L. Lastnik et al.: "The Effect of Resin Concentration and Laminating Pressures on Kevlar Fabric Bonded with Modified Phenolic Resin", Technical Report NATICK/TR-84/030, 8. Juni 1984, offenbart, dass ein Zwischengitterharz, das die Fasern eines Stoffes einkapselt und bindet, die ballistische Widerstandsfähigkeit des entstehenden Verbundartikels verringert. Daher besteht eine Notwendigkeit, die Struktur von Verbundstoffen zu verbessern, um die Eigenschaften von Fasern von hoher Festigkeit effektiv auszunützen.
US-Patentschrift Nr. 4,623,574, Harpell et al., eingereicht am 14. Januar 1985 und gemeinsam übertragen, offenbart einfache Verbundstoffe, die Fasern von hoher Festigkeit in einer Elastomermatrix eingebettet umfassen. Überraschenderweise weist die einfache Verbundstruktur einen hervorragenden Schutz gegen Kugeln im Vergleich zu einem einfachen Verbundstoff auf, bei dem starre Matrizen verwendet werden, dessen Ergebnisse dort offenbart sind. Besonders effektiv sind einfache Verbundstoffe, bei denen Polyethylen und Polypropylen mit ultrahohem Molekulargewicht verwendet werden, wie z. B. in US-Patentschrift Nr. 4,413,110 offenbart.
Verbundstoffe mit fortlaufenden Bereichen sind auf dem Fachgebiet offenbart, wobei der Prozentanteil von Harz auf wenigstens 10 Volumsprozent des Fasergehaltes festgelegt ist. US-Patentschrift Nr. 4,403,012 offenbart eine Matrix im bevorzugten Bereich von 10–50 Gewichtsprozent Fasern. US-Patentschrift Nr. 4,501,856 offenbart einen bevorzugten Fasernetzwerkgehalt von 40 bis 85 Volumsprozent des Verbundstoffes. US-Patentschrift Nr. 4,563,392 offenbart keinen Bereich für Mengen einer Matrixkomponente. Es ist erstrebenswert, ein so hohes Volumen und/oder einen so hohen Gewichtsprozentanteil an Fasern als möglich innerhalb eines entstehenden Verbundstoffes aufrecht zu erhalten, um die ballistische Widerstandsfähigkeit zu verbessern.
US-Patentschrift Nr. 5,061,545 und 5,093,158, beide gemeinsam übertragen, offenbaren einen Faser/Polymerverbundstoff mit nicht gleichmäßig verteilter Polymermatrix und ein Verfahren zur Herstellung des Verbundstoffes. Diese Patentschriften betreffen einen Faserstoff mit einem Netzwerk an einseitig gerichteten Fasern und einer Matrixzusammensetzung, die nicht gleichmäßig, aber fortlaufend in der Hauptebene des Faserstoffes verteilt ist. Der Faserstoff wird in der Matrixzusammensetzung eingeschlossen, und obwohl sie nicht gleichmäßig verteilt ist, bleibt die Matrixzusammensetzung als Kontinuum und ist an allen Faserelementen des Faserstoffes befestigt. Die Patentschriften offenbaren das nicht-gleichmäßige Verteilen einer Polymerzusammensetzung zusammen mit einem Faserstoff, so dass es eine gemusterte Oberfläche gibt, wodurch verursacht wird, dass Abschnitte des entstehenden kombinierten Stoffes größere Mengen an Polymer aufweisen als andere Abschnitte. Daher wurde die Gesamtmenge an Polymer verringert, die notwendig ist, um die Einheit des Polymer-imprägnierten Stoffes aufrecht zu erhalten. Die Patentschriften offenbaren ferner, dass die dicken Bereiche, die die Einheit der Polymerlage bereitstellen, vorzugsweise einen fort laufenden Bereich entlang der Oberfläche des Faser/Polymerverbundstoffes bereitstellen.
Andere Patentschriften, wie z. B. US-Patentschrift Nr. 4,623,574 haben die Schwierigkeit bei der Herstellung eines Verbundstoffes gezeigt, der aus einem Flächengebilde innerhalb einer Polymermatrix besteht. In Tabelle 6, Probe 12, wo eine größere Menge an Fasern verwendet wurde, wies die Probe eine fehlende Verfestigung auf und konnte nicht getestet werden.
US-Patentschrift Nr. 3,686,048 offenbart einen Verbundstoff, der mehrere parallele Fasern umfasst, die durch Harzbrücken zwischen zwei oder mehreren benachbarten Filamenten zusammengehalten werden.
Kosten und Stoffqualität haben ebenfalls einen Einfluss auf die Verfügbarkeit von Panzern. Die Kosten für herkömmliche Flächengebilde steigen dramatisch an, wenn das Garn-Denier abnimmt. Außerdem werden sowohl die ballistische Leistung als auch die Flexibilität verbessert, wenn die Flächendichte von einzelnen Lagen abnimmt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein Verbundstoff, der einen Faserstoff mit unterbrochenem Matrixbereich, vorzugsweise einer Polymerzusammensetzung, umfasst. Der Matrixbereich stellt fixe Matrixinseln oder Ankerpunkte innerhalb des Faserstoffes bereit, um Abschnitte der Faserbahn in einer unitären Struktur zu binden. Die Matrixinseln können bereits zwei Filamente innerhalb der Faserbahn befestigen oder können bis zu alle der Faserstofffilamente befestigen, einschließlich dessen, dass sie als fortlaufende Kette geformt werden (stark verlängerter Bereich). Bei ausreichender Anzahl, Größe, Form und Verteilung der Matrixinseln bilden die einzelnen Filamente innerhalb des Faserstoffes eine unitäre Struktur.
Ein Faserstoff ist eine Lage, die durch mehrere Fasern definiert ist. Typischerweise ist die Lage dünn und definiert eine Oberfläche mit einer Tiefe von wenigstens einem Filament. Vorzugsweise ist der Faserstoff ein Band oder eine Lage, in dem/der die Fasern einseitig gerichtet sind. Mit einseitig gerichtet ist gemeint, dass die Fasern zueinander oder innerhalb des Stoffes parallel sind oder dass sich die Fasern ohne Überlappung entlang einer gegebenen Richtungsachse erstrecken. Matrixinseln sind als Ankerpunkte definiert, die zwei oder mehrere Filamente zusammenhalten oder vorzugsweise -binden, wobei jede Matrixinsel von anderen Matrixinseln getrennt oder unterbrochen ist, wodurch eine räumliche Verteilung gebildet wird. Zusammen stellen die Matrixinseln einen Matrixbereich dar, der den Faserstoff als unitäre flexible Struktur bindet. Die Matrixinseln können innerhalb des Matrixbereiches in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Mustern verteilt sein. Die Menge an Polymermaterial des Matrixbereiches ist ausreichend klein, so dass Faserbereiche ohne Matrix (nachfolgend "unbeschichtete Faser" oder "unbeschichtete Filamente") vorliegen. Faserstoffe können kreuzweise übereinandergelegt werden, um flexible Bahnen zu bilden.
Die vorliegende Erfindung umfasst einen Verbundstoff, der mehrere Fasern umfasst, die vorzugsweise entlang einer einseitig gerichteten Achse angeordnet sind, wobei die mehreren Fasern im Wesentlichen parallel zueinander sind, und Matrixinseln, die wenigstens einen Teil der mehreren Fasern überschneiden, der ausreichend ist, um die mehreren Fasern in einer unitären Struktur zu halten und vorzugsweise zu binden, wobei die mehreren Fasern eine Flexibilität aus der Ebene aufweisen.
Zusätzlich umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffes aus einem Faserstoff, der mit Matrixinseln überbrückt ist, umfassend die Schritte des Anordnens mehrerer Fasern in einer Lage und des Anordnens mehrerer Matrixinseln innerhalb der mehreren Fasern, so dass jede Matrixinsel einen ausreichenden Teil der mehreren Fasern überschneidet, um die mehreren Fasern in einer unitären Struktur zu halten und vorzugsweise zu binden.
Der Verbundstoff der vorliegenden Erfindung kann ein flexibles, vorzugsweise einseitig gerichtetes Band (auch als Uni-Band bezeichnet) bilden, das als Vorläufer in herkömmlichen Textilverfahren zum Bandlegen oder Filamentwickeln verwendet werden. Querschnittsformen des Verbundstoffes können mit der Verwendung variieren, wie z. B. eine flache Bandform, elliptische Formen, runde Formen und spezielle Formen, die für gegebene Textilverfahren vorzuziehen sind, wie z. B. Flechten und Wirken. Lagen aus flexiblem Prepreg können kombiniert werden, um kreuzweise übereinandergelegte Produkte zu bilden.
Der Verbundstoff aus Faserstoff und Matrixbereichen und das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten die Bahneinheit aufrecht und führen dabei zu einem Verbundstoff mit deutlichen Vorteilen im Volumenverhältnis von Faser zu Polymer, als bisher auf dem Fachgebiet bekannt. Diese Strukturen sind ballistisch wirksam und hoch flexibel, mit der Fähigkeit, Wasserdampf zu übertragen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf einen bevorzugten Faserstoff mit unregelmäßigen Matrixinseln, die eine einseitig gerichtete Struktur bilden.
1A stellt den Matrixbereich von 1 dar.
2 ist eine Draufsicht auf einen Matrixbereich aus nicht-unregelmäßigen Matrixinseln, die Filamente in einer einseitig gerichteten Struktur binden.
3 stellt eine Draufsicht auf die Form der Matrixinseln entlang der Länge von zwei um 90 Grad kreuzweise übereinandergelegten, einseitig gerichteten Bändern von 1 dar;
3A stellt eine Draufsicht auf die Form einer einzelnen Matrixinsel dar;
4A zeigt eine auseinandergezogene isometrische Ansicht einer kreuzweise übereinandergelegten 0/90 Verbundstruktur aus zwei Lagen der Struktur von 1.
4B zeigt eine Draufsicht auf 4A;
4C zeigt eine Seitenansicht von 4A.
5A zeigt eine Seitenansicht von 4A–4C mit einer äußeren Filmlage;
5B zeigt eine auseinandergezogene isometrische Ansicht von 5A;
6 zeigt eine Draufsicht auf eine kreuzweise übereinandergelegte Struktur der einseitig gerichteten Bänder;
7 ist eine Darstellung eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung des Verbundstoffes der vorliegenden Erfindung; und
8 ist eine Darstellung eines alternativen bevorzugten Verfahrens zur Herstellung des Verbundstoffes der vorliegenden Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundstoff, der Filamente aufweist, die einen Faserstoff definieren, der durch einen Matrixbereich fixiert ist. Der Verbundstoff enthält vorzugsweise mehrere Filamente in Form von parallelen Fasern, was als parallele Filamentanordnung bezeichnet wird, die im Matrixbereich fixiert sind. Der Matrixbereich besteht aus mehreren Matrixinseln, die vorzugsweise aus Polymermaterial hergestellt sind und räumlich innerhalb des Matrixbereiches verteilt sind. Die Matrixinseln verankern und halten gemeinsam die Filamente des Faserstoffes als unitäre Struktur. Diese Anker fixieren die einzelnen Filamente des Faserstoffes in ihrer relativen Position zueinander und erlauben dennoch, dass sich die Kombination biegen kann. Das Gesamtvolumen der Matrixinseln über eine gegebene Fläche des Faserstoffes als Bruch des Faservolumens genommen definiert die volumetrische Verhältnisdichte des Matrixbereiches (V_m/V_f).
Die Matrixinseln des Matrixbereiches sind durch nichts anderes als durch Filamentmaterial physisch miteinander verbunden. Als solches umfasst der Matrixbereich ein unterbrochenes Polymermaterial oder eine "Insel". Allerdings ist der Matrixbereich eine fixe Struktur, da die Matrixinseln bestimmte Faseranordnungen dauerhaft verankern. Die unterbrochene Struktur des Matrixbereiches erlaubt einen höheren Volumsprozentanteil an Fasern im Verbundstoff als es bei einer fortlaufenden Matrixzusammensetzung der Fall wäre. Außerdem wird eine robuste Struktur geschaffen, d.h. der Matrixbereich bindet die Fasern in einer unitären Struktur, die leicht zu handhaben ist ohne die Neigung, sich aufzutrennen oder zu verteilen.
Die unterbrochene Struktur des Matrixbereiches stellt isolierte Bereiche innerhalb des Prepregs und der daraus hergestellten Produkte her. Die isolierten Bereiche, die große Abschnitte an Fasern unbeschichtet oder ohne Matrixmaterial lassen, sind notwendig, um die Biegsamkeit des Verbundstoffes zu verbessern. Die verwendeten Mengen an Matrixbereich müssen ausreichend klein sein, um ein unbeschichtetes Filamentsegment im Prepreg und den entstehenden Produkten bereitzustellen, und können jene Mengen umfassen, die matrixfreie Bereiche fördern. Das volumetrische Verhältnis (V_m/V_f) kann bis zu 0,5 sein, solange die Fasern und das Polymermaterial passend unbeschichtete Filamentbereiche herstellen; allerdings liegt der Matrixbereich vorzugsweise in Volumenverhältnismengen von etwa 0,4 oder weniger, vorzugsweise etwa 0,25 bis etwa 0,02 und insbesondere etwa 0,2 bis etwa 0,05 vor. Durch Bereitstellen einer räumlichen Verteilung der Matrixinseln können extrem hohe Volumen an Fasern eingebaut werden, um eine Struktur zu bilden, die eine verbesserte physische Einheit während der Verarbeitung und der Verwendung aufweist, wie z. B. der Handhabung und des Schneidens des Verbundstoffes und des Stapelns des einseitig gerichteten Prepregbandes. Die entstehende Faserstoffstruktur erhält die Flexibilität der kombinierten unbeschichteten Fasern innerhalb des Faserstoffes aufrecht. Mit Aufrechterhalten dieser Einheit und Fähigkeit, bearbeitet zu werden, ist gemeint, dass der Faserpolymerverbundstoff seine Struktur ohne Garntrennung während der Verarbeitung und Verwendung behält. Mehr als eine Lage des Faserstoffes, gebunden mit Harz, kann aufgebaut werden, um eine Vielzahl verschiedener mehrlagiger Laminate zu bilden, wie z. B. 0/90, +45/–45, +30/–30, 0/60/120, 0/45/90/135 usw. Diese mehrlagigen Verbundstofflaminate haben sich als widerstandsfähig gegenüber Einwirkungen und insbesondere als widerstandsfähig gegenüber Kugeleinwirkungen erwiesen.
Jeder Faserstoffabschnitt des Verbundstoffes der vorliegenden Erfindung weist eine räumliche Verteilung von Polymer, oder Matrixinseln, auf, die zwei oder mehrere Filamente des Faserstoffes zusammenhält (vorzugsweise bindet), wodurch Bereiche mit und ohne Polymermaterial bereitgestellt werden.
1 stellt einen Verbundstoff 10 dar, der einen Faserstoff 12 und einen Matrixbereich 14 umfasst. Der Faserstoff 12 ist aus Filamenten 16 hergestellt, die einseitig ausgerichtet sind. Der Matrixbereich 14, der getrennt in 1A gezeigt ist und einzelne Matrixinseln 18 umfasst, ist innerhalb des Faserstoffes 12 strukturiert und darin durch den Faserstoff 12 definiert. Wie in 1 und 1A zu sehen, ist es die Anordnung der Filamente 16, die die Anordnung der Matrixinseln 18 definiert, obwohl der Matrixbereich 14 die einzelnen Filamente 16 im Verhältnis zueinander bindet.
Wie zuvor erwähnt, wird der Matrixbereich 14 aus der Kombination der Matrixinseln 18 gebildet und liegt als unterbrochene Matrix von Polymermaterial vor. Die unbeschichteten Filamente 16, die durch Matrixinseln 18 fixiert werden, erlauben die dimensionale Flexibilität des Prepregs, die bislang nicht bekannt war. Die Struktur der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Übertragung von Gasen und Flüssigkeiten. Darüberhinaus können die Matrix-freien Bereiche mit anderen Harzen gefüllt werden, um gewünschte Eigenschaften oder Charakteristiken des Verbundstoffes zu erreichen.
In einer Ausführungsform sind die Matrixinseln 18 unregelmäßig und/oder ungleichmäßig innerhalb des Faserstoffes 12 auf der gesamten Länge des Faserstoffes 12 beabstandet. Jede Matrixinsel 18 hält die relativen Positionen von wenigstens zwei Filamenten 16 und kann die relativen Positionen von bis zu allen Filamenten 16 im einseitig gerichteten Band erhalten. Die Matrixinseln 18 sind vorzugsweise so dimensioniert, dass sie nicht dicker als ein Bündel von Filamenten 16 innerhalb einer Bahn 12 sind, da das zusätzliche Polymermaterial dazu neigen würde, die Hohlräume des Faserstoffes 12 auszufüllen. Zusammen stellt die unregelmäßige Sortierung von Matrixinseln 18 einen tragenden Matrixbereich 14 bereit, der den Faserstoff 12 in einer unitären strukturellen Form hält. Verschiedene Abschnitte des Faserstoffes 12 können variierende Mengen an Polymermaterial in Größe und/oder räumlicher Dichte der Matrixinseln 18 aufweisen. Allerdings weist ein gegebener Faserstoff 12 im Allgemeinen eine durchschnittliche Größe, Größenverteilung, einen durchschnittlichen Abstand zwischen den Matrixinseln 18 und andere statistische Eigenschaften von Matrixinseln 18 über die gesamte Länge des Verbundstoffes auf, die bestimmte Eigenschaften bereitstellen. Größen der Matrixinseln 18 sollten auch verhältnismäßig klein sein in Bezug auf die Größe des eintreffenden Projektils, da kleinere Matrixinseln 18 besser die entworfene räumliche Anordnung von parallelen, eng beabstandeten Filamenten lokal auf der Skala der eintreffenden Projektile steuern. Matrixinseln 18 sollten im Vergleich zum Krümmungsradius, der von einem bestimmten Stoff gewünscht wird, klein sein. Unbeschichtete Filamente 16 zwischen den Matrixinseln 18 erlauben Flexibilität im Faserstoff 12, während Bereiche, die Matrixinseln 18 darstellen, als Ankerpunkte bleiben, die mehrere Filamente innerhalb des Faserstoffes 12 in einer fixen Beziehung zueinander halten. Vorzugsweise ist die durchschnittliche Größe der Matrixinseln kleiner als etwa 5 mm in wenigstens einer Richtung, mehr vorzugsweise kleiner als etwa 3 mm und noch mehr bevorzugt kleiner als etwa 2 mm und am meisten bevorzugt kleiner als 1 mm. Obwohl Bereiche mit der Polymerzusammensetzung nicht so flexibel sind wie matrixfreie Bereiche, verleihen die Bereiche mit der Polymerzusammensetzung vorzugsweise dem Faserstoff 12 Flexibilität. Die meisten Längen der Filamente 16 sind vorzugsweise matrixfrei, und in der Folge kann sich der Faserstoff 12 der vorliegenden Erfindung leichter als ein Stoff bewegen, bei dem die Fasern vollständig in einer Matrix eingeschlossen sind.
In einer anderen Ausführungsform, die in 2. gezeigt ist, sind die Matrixinseln 18 gleichmäßig innerhalb des Faserstoffes 12 innerhalb getrennter Matrixbereiche 14 auf der gesamten Länge des Faserstoffes 12 beabstandet. Über ausgedehnte gleiche Langen, gezeigt als Länge A, des Faserstoffes 12 bleibt die räumliche Dichte der Matrixinseln 18 im Allgemeinen konstant. Allerdings kann die räumliche Dichte der Matrixinseln 18 über kürzere Längen des Faserstoffes 12, gezeigt als Länge B, stark variieren. Matrixbereiche 14 können von einer Seite eines einseitig gerichteten Bandes zur anderen fortlaufend sein, wie in 2 gezeigt.
Die Form der Matrixinseln 18 folgt im Allgemeinen der Oberflächenlinie der Fasern, wie in 3 gezeigt, wobei die Matrixinsel 18 auf der oberen Filamentlage 16 mit durchgehenden Linien gezeigt ist und die Matrixinsel 18 auf der unteren Filamentlage 20 gestrichelt gezeigt ist. Die Größe der Matrixinseln 18 zwischen den Filamenten 16 ist durchschnittlich ausreichend, um benachbarte Lagen zu binden und beim Gebrauch strukturelle Einheit zu erhalten. Die Größe, Norm und räumliche Dichte der Matrixinseln 18 innerhalb des Faserstoffes oder Prepregs bestimmen die Bildung von unbeschichteten Filamenten in einem Endprodukt. Die Form der Matrixinseln 18 stellt das Maß der Biegung bereit, das für einen gegebenen Abschnitt des Faserstoffes 12 tolerierbar ist, während funktionelle Attribute als Ankerpunkte für einzelne Filamente 16 immer noch erhalten bleiben. Obwohl die Größe einzelner Matrixinseln 18 im Allgemeinen nicht ausschlaggebend ist, sollte durchschnittlich eine ausreichende Menge an Matrixzusammensetzung über einem Ankerpunkt vorhanden sein, um strukturelle Einheit und Festigkeit für eine gegebene Anwendung bereitzustellen. Die räumliche Verteilung der Matrixinseln 18 stellt die strukturelle Einheit in einer senkrechten oder anderen Winkelverzerrung zur Richtung der Filamente 16 bereit, während die räumliche Dichte bestimmte Eigenschaften des einheitlichen Faserstoffes 12 bereitstellt.
Wie in 3 zu sehen, ist die Form der einzelnen Matrixinseln 18 länglich, wobei ihre Längenabmessung mit der oder parallel zur Länge des Filamentes 16 verläuft. Die längliche Form der Matrixinseln 18 wird durch das Benetzungsphänomen hervorgerufen, wenn Tröpfchen von Matrix (Latexsuspension in Wasser oder Matrixlösung) die Filamente berühren. Das Tröpfchen verteilt sich dann im Raum zwischen den Filamenten und versucht, die Oberflächenenergie zu verringern. Das Seitenverhältnis oder die Längen- und Breitenproportionen (l/w) der Matrixinseln 18, die in 3A gezeigt sind, können über einen breiten Bereich an Maßen verwendbar sein, ausgerichtet auf bestimmte Anwendungen, nicht ausschließlich umfassend Verhältnisse von etwa 35 : 1 bis etwa 1 : 1, etwa 20 : 1 bis etwa 1 : 1, etwa 10 bis etwa 1 : 1 und/oder etwa 3 : 1 bis etwa 1 : 1. Obwohl längliche Formen am üblichsten sind, können regelmäßige oder unregelmäßige Formen verwendet werden, und Beispiele dafür umfassen ohne Einschränkung regelmäßige Formen, wie z. B. Ringe oder Atolle, Rechtecke, Quadrate, Kreise, Ellipsen usw., und unregelmäßige Formen, wie z. B. asymmetrische Inseln. Bei sich kreuzenden Filamenten 20, die in einer kreuzweise übereinandergelegten Verbundstruktur 30 verwendet werden, verläuft die Matrixinsel 18 entlang der Länge von und befestigt sich an beide Filamente 16 und 20. Der Durchmesser der Matrixinsel 18 am Schnittpunkt 22 zwischen dem Filament 16 und dem kreuzenden Filament 20 bestimmt die Haftung der einseitig gerichteten Bahnen (oder Faserstoffe), wenn sie zu kreuzweise übereinandergelegten Formen gebildet werden. Die Uni-Band- und kreuzweise übereinandergelegten Formen der vorliegenden Erfindung stellen hoch flexible, poröse Strukturen bereit. Wenn ein einseitig gerichtetes Band mit einem Polymermaterial, das auf einer Seite vorsteht, mit einem zweiten einseitig gerichteten Band kreuzweise übereinandergelegt wird, werden einzelne Partikel des Polymermaterials in beide einseitig gerichteten Bänder gedrückt. Harz, das vorzugsweise entlang der Faserrichtung jedes einseitig gerichteten Bandes fließt, bildet eine Kreuzform. An jeder Oberfläche eines länglichen Bereiches ist der längliche Bereich so geformt, dass die lange Achse parallel zur Faserrichtung verläuft. Bei einer 0/90 oder +45/–45 Bahn sind längliche Bereich in einem rechten Winkel zueinander übereinandergelegt oder ausgerichtet.
4A–4C stellen eine bevorzugte Ausführungsform der einseitig gerichteten Bänder von 1, zu einer kreuzweise übereinandergelegten Form gebildet, dar. Wie in 4A zu sehen, sind die Bänder 32 und 34 mit ihren jeweiligen Filamenten senkrecht zueinander in Lagen angeordnet, z. B. in einer 0/90, +30/–60 oder +45/–45 Anordnung. Matrixinseln 18, die einen Matrixbereich 14 bilden, binden die Filamente 16 zu einseitig gerichteten Bändern 32 und 34 und binden die Bänder 32 und 34 zusammen. Zusätzliche Bänder können auf einer oder beiden Seiten der Bänder 32 und 34 mit der selben oder einer anderen Ausrichtung angeordnet werden, wie z. B. in einer –45/+45 Form. 4B ist eine Draufsicht auf 4A und zeigt das obere Band 32 mit Matrixinseln 18 in einem unterbrochenen Muster darin. 4C ist eine Seitenansicht von 4A und zeigt die Filamente 16 des oberen Bandes 32 und des unteren Bandes 34, gebunden durch Matrixinseln 18.
Wie in 5A und 5B zu sehen, ist es in manchen Fällen erstrebenswert, einen Oberflächenfilm auf den Bahnen zu haben, um die Möglichkeit zu verringern, dass einzelne Fasern oder Filamente gefangen werden und die Bahnen beim normalen Umgang beschädigt werden. 5A zeigt eine Seitenansicht eines oberen Bandes 32 und eines unteren Bandes 34, die aus Filamenten 16 hergestellt sind, die zwischen zwei Filmen 100 und 102 angeordnet sind. Die Bänder 32 und 34 und die Filme 100 und 102 sind durch Matrixinseln 18 zusammengebunden, die gemeinsam einen Matrixbereich des Verbundstoffes bilden. 5B ist eine auseinandergezogene isometrische Ansicht von 5A und zeigt die Bänder 32 und 34, fixiert durch die Maztrixinseln 18, wobei der obere Film 100 und der untere Film 102 ebenfalls durch die Matrixinseln 18 fixiert sind. Für eine maximale Flexibilität sind die Filme vorzugsweise dünn und an die Bänder punktgebunden.
6 zeigt eine kreuzweise übereinandergelegte Struktur, bei der sich die Matrixinseln 18 über die Breite des Bandes 34 erstrecken. Die ausgedehnten Matrixinseln 18 bleiben voneinander unterbrochen sogar bei Aufbringung eines, zweiten Bandes 32. Sehr längliche, schmale Matrixbereiche 14, die als gerade Linien über die gesamte Vielzahl an parallelen Fasern im einseitig gerichteten Band kreuzen, sind senkrecht zum Satz von Fasern oder in einem Winkel (Φ) vorzugsweise von etwa 10 Grad bis etwa 170 Grad, mehr vorzugsweise etwa 30 Grad bis etwa 150 Grad oder als gebogene Linien, einschließlich Muster, die durch mehrere Kreise, Ellipsen, Ovale und geometrische Figuren erzeugt werden.
Die hochfesten Fasern der vorliegenden Erfindung weisen vorzugsweise einen Zugmodul von wenigstens etwa 160 g/Denier und eine Zähigkeit von wenigstens etwa 7 g/Denier in einem geeigneten Polymer- oder Matrixbereich 14 auf. Die Polymerzusammensetzung des Matrixbereiches 14 kann ein Elastomer, ein thermoplastisches Elastomer, einen Thermoplast, ein wärmehärtbares Material und/oder Kombinationen oder Mischungen davon umfassen. Vorzugsweise umfasst die Polymerzusammensetzung ein elastomeres Matrixmaterial. Die Faser wird gemäß ASTMD 2256 unter Verwendung von 4D Bandagen- und Schnurklammern oder einer Instron.RTM.-Testvorrichtung bei einer Verlängerung von 100%/Minute getestet. Es ist bevorzugt, die Elastomerzusammensetzung mit einem Zugmodul von weniger als 20.000 psi, vorzugsweise weniger als 6000 psi zu haben, gemessen gemäß ASTM D638-84 bei 25°C.
Die Filamente 16 der vorliegenden Erfindung sind längliche Körper von beträchtlicher Längenabmessung im Verhältnis zu ihren Querabmessungen von Breite und Dicke. Der Ausdruck Faser umfasst nicht-ausschließlich ein Monofilament, ein Multifilament, Garn, Band, Streifen und ähnliche Strukturen mit regelmäßigen oder unregelmäßigen Querschnittsflächen. Der Faserstoff 12 für die Zwecke der vorliegenden Erfindung umfasst jede Gruppe von Fasern, die verwendbar sind, um einseitig gerichtete Band- und/oder kreuzweise übereinandergelegte Strukturen herzustellen. Die bevorzugte Faserbahn 12 umfasst stark ausgerichtete Polyethylenfasern mit ultrahohem Molekulargewicht, stark ausgerichtete Polypropylenfasern mit ultrahohem Molekulargewicht, Aramidfasern, Polyvinylalkoholfasern, Polyakrylnitrilfasern, Polybenzoxazolfasern (PBZO), Polybenzothiazolfasern (PBZT), Glasfasern, Keramikfasern oder Kombinationen daraus. Polyethylene mit ultrahohem Molekulargewicht werden im Allgemeinen so verstanden, dass sie Molekulargewichte von etwa 500.000 oder mehr, vorzugsweise etwa 1 Million oder mehr und am meisten bevorzugt mehr als etwa 2 Millionen, bis zu einer Menge von ungefähr 5 Millionen umfassen. Der Zugmodul der Fasern, wie mit einer Instron Zugtestvorrichtung gemessen, ist normalerweise wenigstens etwa 300 g/Denier, vorzugsweise wenigstens etwa 1.000 g/Denier und am meisten bevorzugt wenigstens etwa 1.500 g/Denier. Die Zähigkeit der Fasern beträgt normalerweise wenigstens etwa 15 g/Denier, mehr vorzugsweise wenigstens etwa 25 g/Denier, noch mehr vorzugsweise wenigstens 30 g/Denier und am meisten bevorzugt wenigstens etwa 35 g/Denier. Polypropylene mit ultrahohem Molekulargewicht liegen mit dem durchschnittlichen Molekulargewicht im Bereich von etwa 750.000 oder mehr, mehr vorzugsweise von etwa 1 Million oder mehr und am meisten bevorzugt mehr als etwa 2 Millionen. Da Polypropylen ein viel weniger kristallines Material ist als Polyethylen und anhängige Methylgruppen enthält, sind Zähigkeitswerte, die mit Polypropylen erreichbar sind, im Allgemeinen wesentlich niedriger als die entsprechenden Werte für Polyethylen. Eine geeignete Zähigkeit für Polypropylen kann im Bereich von wenigstens etwa 8 g/Denier liegen, wobei eine bevorzugte Zähigkeit wenigstens 11 g/Denier ist. Der Zugmodul für Polypropylen beträgt wenigstens etwa 160 g/Denier, vorzugsweise wenigstens etwa 200 g/Denier. Der Schmelzpunkt für Polypropylen wird durch den Ausrichtungsprozess im Allgemeinen um mehrere Grade angehoben, so dass die Polypropylenfaser vorzugsweise einen Hauptschmelzpunkt von wenigstens etwa 168°C, insbesondere wenigstens etwa 170°C aufweist.
Aramidfaser wird hauptsächlich aus aromatischen Polyamiden gebildet. Aromatische Polyamidfasern mit einem Modul von wenigstens etwa 400 g/Denier und einer Zähigkeit von wenigstens etwa 18 g/Denier sind verwendbar für den Einbau in Verbundstoffe dieser Erfindung. Beispielhafte Aramidfasern umfassen Poly(-phenylendiaminterephthalamid)fasern, die kommerziell von DuPont Corporation, Wilmington, Delaware, unter den Handelsbezeichnungen Kevlar^® 29, Kevlar^® 49 und Kevlar^® 129 hergestellt werden.
Polyvinylalkohol (PV-OH)-Fasern sind verwendbar bei einem durchschnittlichen Molekulargewicht von wenigstens etwa 100.000, vorzugsweise wenigstens etwa 200.000, mehr vorzugsweise zwischen etwa 5.000.000 und etwa 4.000.000 und am meisten bevorzugt zwischen etwa 1.500.000 und etwa 2.500.000. Verwendbare PV-OH-Fasern sollten einen Modul von wenigstens etwa 60 g/Denier, vorzugsweise wenigstens etwa 200 g/Denier, mehr vorzugsweise wenigstens etwa 300 g/Denier und eine Zähigkeit von wenigstens etwa 7 g/Denier, vorzugsweise wenigstens etwa 10 g/Denier und mehr vorzugsweise wenigstens etwa 14 g/Denier und am meisten bevorzugt wenigstens etwa 17 g/Denier aufweisen. PV-OH-Fasern mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von wenigstens etwa 500.000, einer Zähigkeit von wenigstens etwa 200 g/Denier und einem Modul von wenigstens etwa 10 g/Denier sind besonders nützlich bei der Herstellung von kugelsicheren Verbundstoffen. PV-OH-Fasern mit solchen Eigenschaften können zum Beispiel durch das Verfahren hergestellt werden, das in der gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 4,559,267 an Kwon et al. offenbart ist.
Genaueres über Filamente aus Polybenzoxazolen (PBZO) und Polybenzothiazolen (PBZT) ist in "The Handbook of Fiber Science and Technology; Volume II, High Technology Fibers," Teil D, herausgegeben von Menachem Lewin, zu finden, das hier zum Zwecke der Bezugnahme zitiert wird.
Polyakrylnitrilfasern (PAN) mit einem Molekulargewicht von wenigstens etwa 400.000 und vorzugsweise wenigstens 1.000.000 können ebenfalls verwendet werden. Besonders nützlich sind PAN-Fasern mit einer Zähigkeit von wenigstens etwa 10 g/Denier und einer Bruchenergie von wenigstens etwa 22 Joule/g. PAN-Fasern mit einem Molekulargewicht von wenigstens etwa 400.000, einer Zähigkeit von wenigstens etwa 15–20 g/Denier und einer Bruchenergie von wenigstens etwa 22 Joule/g sind am nützlichsten bei der Herstellung von ballistisch widerstandsfähigen Artikeln, wobei solche Fasern zum Beispiel in US-Patentschrift Nr. 4,535,027 offenbart sind. Für die Zwecke dieser Erfindung umfasst eine Faserlage wenigstens einen Faserstoff aus Fasern entweder alleine oder mit einer Matrix. Fasern umfassen ein oder mehrere Filamente 16. Faser bezeichnet einen länglichen Körper, dessen Längenabmessung viel größer ist als die Querabmessungen von Breite und Dicke. Dementsprechend umfasst der Ausdruck Faser Monofilament, Multifilament, Band, Streifen, Stapel und andere Formen von zerhackten, geschnittenen oder unterbrochenen Fasern und ähnliches mit regelmäßigen oder unregelmäßigen Querschnitten. Der Ausdruck Faser umfasst mehrere von einem beliebigen oder Kombinationen der oben genannten.
Die Querschnitte von Filamenten zur Verwendung in dieser Erfindung können stark variieren. Sie können einen runden, flachen oder länglichen Querschnitt aufweisen. Sie können auch einen unregelmäßigen oder regelmäßigen mehrlappigen Querschnitt mit einem oder mehreren regelmäßigen oder unregelmäßigen Lappen aufweisen, die von der linearen oder Längsachse der Fasern wegstehen. Es ist besonders bevorzugt, dass die Filamente einen im Wesentlichen runden, flachen oder länglichen Querschnitt aufweisen, am meisten bevorzugt ersteren.
Die Fasern können in Faserstoffen mit verschiedenen Formen angeordnet werden. Mit Faserstoff ist ein Netzwerk oder eine Mehrzahl an Fasern gemeint, die zu einer vorbestimmten Form angeordnet werden, oder eine Mehrzahl von Fasern, die zusammen gruppiert sind, um ein gedrehtes oder ungedrehtes Garn zu bilden, wobei die Garne zu einer vorbestimmten Form angeordnet werden. Zum Beispiel können die Fasern oder das Garn als Filz oder als anderes Vlies-, Wirk- oder Gewebe-Flächengebilde (Leinwandbindung, Würfelbindung, Satinbindung und Krähenfußbindung usw.) angeordnet werden, in einer parallelen Gruppierung angeordnet, in Lagen angeordnet oder zu einem Flächengebilde geformt werden durch jede beliebige aus einer großen Zahl an verschiedenen herkömmlichen Techniken. Von diesen Techniken bevorzugen wir für ballistisch widerstandsfähige Anwendungen die Verwendung von parallelen Gruppierungen, bei denen die Fasern flach gedrückt werden, um einzelne Filamente zu im Wesentlichen einer einzelnen Lage auszubreiten. Für schnitt- oder schlitzfeste Anordnungen können andere Fasergruppierungsformen verwendet werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Netzwerkform sind die Fasern einseitig ausgerichtet, so dass sie im Wesentlichen parallel zueinander entlang einer gemeinsamen Faserrichtung sind. Fasern mit fortlaufender Länge sind am meisten bevorzugt, obwohl Fasern, die eine Orientierung aufweisen und eine Länge von etwa 3 bis 12 Inch (etwa 7,6 bis etwa 30,4 Zentimeter) aufweisen, ebenfalls annehmbar sind und für die Zwecke dieser Erfindung als "im Wesentlichen fortlaufend" betrachtet werden.
Sowohl wärmehärtbare als auch thermoplastische Harzpartikel können alleine oder in Kombination bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die bevorzugten wärmehärtbaren Materialien umfassen Epoxidharze, Polyester, Akryle, Polyimide, Phenole und Polyurethane. Die bevorzugten thermoplastischen Materialien umfassen Nylons, Polypropylene, Polyester, Polykarbonate, Akryle, Polyimide, Polyetherimide, Polyarylether und Polyethylen- und Ethylencopolymere. Thermoplastische Polymere weisen eine verbesserte Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse, Bruchzähigkeit und Schlagfestigkeit gegenüber wärmehärtbaren Materialien auf. Prepregs mit thermoplastischen Matrixbereichen weisen ein verlängerte Lagerbeständigkeit und eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber umgebungsbedingten Lagerungsbedenken auf. Die hohe Viskosität von thermoplastischen Polymeren beeinflusst die unterbrochene Aufbringung des Polymermaterials in den Faserstoff 12 nicht. Sogar bei deutlich erhöhten Mengen sind thermoplastische Prepregs der vorliegenden Erfindung flexible Strukturen. Prepregs, die wärmehärtbare Matrixbereiche 14 enthalten, sind vor der Reaktion verhältnismäßig flexibel und klebrig.
Die Matrixbereiche können Polymermaterial aus Polymerpulvern, Polymerlösungen, Polymeremulsionen, zerhackten Filamenten, wärmehärtbaren Harzsystemen und Kombinationen daraus enthalten. Die Aufbringung dieser Polymermaterialien kann durch Sprühen, Tröpfchen, Emulsion usw. erfolgen. Wenn zerhackte Filamente verwendet werden, kann Wärme und/oder Druck angewendet werden, um die Uni-Band- und/oder mehrlagige Bahn zu verfestigen, und die zerhackten Filamente sollten bei einer Temperatur unter jener der Filamente 16 im Uni-Band schmelzen. Zum Beispiel kann eine flexible Struktur unter Verwendung eines Faserstoffes 12 aus 215 Denier Spectra^® 1000 Faser zusammen mit einem Pulver aus entweder Kraton^® D1650 oder mit einem Pulver aus LDPE (Polyethylen niedriger Dichte) oder LLDPE (linearem Polyethylen niedriger Dichte) hergestellt werden, wobei das Formen bei 120°C durchgeführt wird. Dadurch kann die Notwendigkeit eines Polyethylenfilms, der allgemein bei handelsüblichen Einzelelementen verwendet wird, eliminiert werden.
Die Fasern, die wenn gewünscht vorgeformt sein können, können mit einem Polymermaterial (vorzugsweise einem Elastomer) vorbeschichtet werden, bevor sie in einem Netzwerk angeordnet werden, wie oben beschrieben. Das Elastomermaterial, das auch als Matrix verwendet werden kann, weist einen Zugmodul, der bei etwa 23°C gemessen wird, von weniger als etwa 20.000, vorzugsweise weniger als 6.000 psi (41.400 kPa) auf. Vorzugsweise ist der Zugmodul des Elastomermaterials kleiner als etwa 5.000 psi (34.500 kPa) und am meisten bevorzugt kleiner als etwa 2.500 psi (17.250 kPa), um eine noch bessere Leistung bereitzustellen. Die Glasübergangstemperatur (T_g) des Elastomers des Elastomermaterials (wie durch einen plötzlichen Tropfen in der Dehnbarkeit und Elastizität des Materials bewiesen wird) bleibt unter Feld- oder Arbeitsbedingungen, die weniger als etwa 25 °C oder weniger als etwa 0°C umfassen, flexibel. Die T_g des Elastomers kann im Bereich von weniger als etwa –40 °C oder weniger als etwa –50°C liegen, wenn gewünscht. Das Elastomer sollte eine Reißdehnung von wenigstens etwa 50% aufweisen. Vorzugsweise beträgt die Reißdehnung wenigstens etwa 100% und insbesondere etwa 150%.
Jedes beliebige Elastomermaterial, das für die Schaffung von Matrixbereichen geeignet ist, kann für die vorliegende Erfindung verwendet werden. Repräsentative Beispiele für geeignete Elastomere des Elastomermaterials haben ihre Strukturen, Eigenschaften und Formulierungen zusammen mit Vernetzungsverfahren in der Encyclopedia of Polymer Science, Volume 5, "Elastomers-Synthetic" (John Wiley and Sons Inc., 1964) zusammengefasst. Zum Beispiel kann jedes beliebige der folgenden Materialien verwendet werden: Polybutadien, Polyisopren, Naturkautschuk, Ethylen-Propylen-Copolymere, Ethylenpropylen-Dien-Terpolymere, Polysulfidpolymere, Polyurethanelastomere, chlorsulfoniertes Polyethylen, Polychloropren, plastifiziertes Polyvinylchlorid unter Verwendung von Dioktylphthalat oder anderen Plastifizierungsmitteln, die auf dem Fachgebiet gut bekannt sind, Butadien-Akrylnitril-Elastomere, Poly(isobutylen-Co-Isopren), Polyakrylate, Polyester, Polyether, Fluorelastomere, Silikonelastomere, thermoplastische Elastomere, Copolymere von Ethylen. Besonders nützliche Elastomere sind Blockcopolymere von konjugierten Dienen und aromatischen Vinylmonomeren. Butadien und Isopropren sind bevorzugte konjugierte Dienelastomere. Styren, Vinyltoluen und t-Butylstyren sind bevorzugte konjugierte aromatische Monomere. Blockcopolymere, die Polyisopren enthalten, können hydriert werden, um thermoplastische Elastomere mit gesättigten Kohlenwasserstoff-Elastomersegmenten herzustellen. Die Polymere können einfache Tri-Blockcopolymere vom Typ A-B-A, Multi-Blockcopolymere vom Typ (AB)n(n=2-10) oder Copolymere mit radialer Form vom Typ R-(BA)x(x=3-150) sein: wobei A ein Block eines aromatischen Polyvinylmonomers ist und B ein Block von einem konjugierten Dienelastomer ist. Viele dieser Polymere werden kommerziell von Shell Chemical Co. hergestellt und sind im Bulletin "Kraton Thermoplastic Rubber", SC-68-81 beschrieben.
Am meisten bevorzugt enthält das Elastomermaterial eines oder mehrere der oben angeführten Elastomere. Das Elastomermaterial mit niedrigem Modul kann auch Füllstoffe, wie z. B. Rußschwarz, Siliziumdioxid, Glas-Mikrobälle usw. bis zu einer Menge von nicht mehr als etwa 300% des Gewichtes des Elastomers, vorzugsweise nicht mehr als 100 Gew.-% umfassen, und kann mit Ölen gestreckt und durch Schwefel, Peroxid, Metalloxid oder Bestrahlungs-Vulkanisierungssysteme vulkanisiert werden unter Verwendung von Verfahren, die Durchschnittsfachleuten der Gummitechnologie gut bekannt sind. Mischungen von verschiedenen Elastomermaterialien können miteinander verwendet werden oder eines oder mehrere Elastomermaterialien können mit einem oder mehreren thermoplastischen Materialien gemischt werden. Polyethylen hoher Dichte, niedriger Dichte und lineares Polyethylen niedriger Dichte können entweder alleine oder als Mischungen vernetzt werden, um ein Material mit angemessenen Eigenschaften zu erhalten.
Die Proportion (Volumsprozent) an Polymermaterial zu den Fasern oder Flächengebilden variiert entsprechend der Starrheit, Form, Wärmebeständigkeit, Verschleißbeständigkeit, Entflammbarkeitsbeständigkeit und anderen gewünschten Eigenschaften. Andere Faktoren, die diese Eigenschaften beeinflussen, umfassen die räumliche Dichte des Matrixbereiches, den Hohlraumanteil innerhalb des Faserstoffes, die Unregelmäßigkeit der Matrixinseln und andere Variable, die mit der Platzierung, Größe, Form, Anordnung und Zusammensetzung der Polymermaterialien und Fasern zusammenhängen.
Ein besonderes und bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Verbundstoffes der vorliegenden Erfindung ist in 7 dargestellt. Dies ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffes, der einen Faserstoff umfasst, bei dem die Fasern einseitig ausgerichtet sind. Die Filamente 16 werden auf einen Polyethylenfilm 102 gerollt, um einen Faserstoff 12 zu bilden. Ein Latex aus Elastomer, thermoplastischem Elastomer oder thermoplastischem Vorläufer für einen Matrixbereich 14 wird auf den Faserstoff 12 gesprüht. Nach dem Aufsprühen wird der Faserstoff 12 mit dem Vorläufer für den Matrixbereich 14 in einen Trockenschrank 50 geführt, um die Bindung zwischen dem Faserstoff 12 und dem Vorläufer für den Matrixbereich 14 bereitzustellen. Nach dem Abkühlen wird ein einseitig gerichtetes Band 52 gebildet. Polymerlösungen können auf eine ähnliche Weise verwendet werden. Wärmehärtbare Harze und Monomere können auf den Faserstoff 12 aufgesprüht und nachfolgend zur Reaktion gebracht werden. Masken oder Schablonen können verwendet werden, um das Muster der Matrixbereiche 14 zu steuern, wie z. B. durch Verwendung einer Serie von parallelen Drähten, um fortlaufende Längen mit einer geringen Breite von weniger als 200 Mikron zu zeigen. Außerdem können Geometrien, die verwendet werden, um flexible Strukturen durch die Verwendung von drei Sätzen von parallelen Nähten zu erzeugen, eingesetzt werden, wie in US-Patentschrift Nr. 5,316,820 und 5,362,527 offenbart, deren Offenbarungen hier zum Zwecke der Bezugnahme zitiert werden. Allerdings kann jedes beliebige Verfahren für jeden beliebigen Faserstoff verwendet werden.
Als Alternative kann ein Polymerlatex auf den Faserstoff 12 aufgebracht und nachfolgend mit Wärme und/oder Druck an den Faserstoff 12 gebunden werden. Der Faserstoff 12 kann mit Druckrollen 200 in Berührung gebracht werden, die aus Behältern 202 mit Latex 208 zugeführt werden, wie in 8 gezeigt. Der Faserstoff 12 wird in den Spalt zwischen den Druckwalzen 200 geführt. Die Druckwalzen 200 tauchen in die Behälter 202 ein und Latex 208 haftet sich an die Muster, wie z. B. die nicht unterbrochenen Linien 204 oder Punkte 206 auf den Druckwalzen 200. Wenn das einseitig gerichtete Band mit den mit Latex 208 beschichteten Mustern der Druckrollen 200 in Berührung gebracht wird, überträgt sich das Polymer auf den Faserstoff 12, um Matrixinseln 18 zu bilden. Der Faserstoff 12 mit den angebrachten Matrixinseln 18 kann dann, wenn gewünscht, erwärmt werden.
Beschränkte Mengen an Polymer werden in den Faserstoff 12 aufgenommen. Die Mengen sind so, dass polymerfreie Bereiche im Prepreg oder Band und dem daraus entstehenden Endprodukt gebildet werden. Im Allgemeinen liegt die Menge an Polymer im Bereich von etwa 50% oder weniger, vorzugsweise etwa 20% oder weniger, insbesondere etwa 20% bis etwa 2%, noch mehr bevorzugt etwa 15% bis etwa 5% und am meisten bevorzugt etwa 10% bis etwa 5% der Oberfläche der Filamente 16 im Faserstoff 12.
Die unterbrochene Verteilung der Matrixzusammensetzung kann durch andere Mittel erreicht werden. Zum Beispiel umfasst die vorliegende Erfindung das Punktlaminieren eines Faserstoffes mit wenigstens einer unterbrochenen Lage an Polymer. Das könnte durch Zuführen von Polymer auf die erste Lage auf unterbrochene Weise aufgebracht werden oder durch Verwendung einer perforierten oder gemusterten Lage, bei der es Bereiche ohne Polymer und Bereiche mit Polymer, d.h. Löcher, gibt. Die unterbrochene Polymerlage kann mit dem Faserstoff unter Wärme und Druck laminiert werden, um zu einem unterbrochenen Matrixbereich im Faserstoff zu führen. Das führt dazu, dass der Faserstoff durch den Matrixbereich positionsmäßig fixiert wird, so dass einzelne Matrixinseln mit Hohlräumen dazwischen gebildet werden. Der Verbundstoff kann nur 2 Volumsprozent Harz (Matrix) enthalten, die ausreichend verteilt sind, so dass der Faserstoff in der Lage ist, seine Einheit trotz des hohen Volumsprozentanteils an Fasern aufrecht zu erhalten, oder bis zu 50 Volumsprozent Harz, die ausreichend verteilt sind, um Hohlräume zwischen den Filamenten des Faserstoffes zu bilden.
Die Matrix kann auf viele verschiedene Arten auf den Faserstoff aufgebracht werden, wie z. B. als Flüssigkeit, als klebriger Feststoff oder als Partikel in Suspension oder als Fließbett. Als Alternative kann die Matrix als Lösung oder Emulsion in einem geeigneten Lösemittel aufgebracht werden, das die Eigenschaften des Faserstoffes nicht negativ beeinflusst. Geeignete Aufbringungen der Matrix umfassen Drucken, Sprühen, Brei, Pulver durch elektrostatische Verfahren und/oder andere geeignete Matrixaufbringungen, wobei die Art der Aufbringung einer bestimmten Situation von Fachleuten bestimmt wird. Obwohl jede beliebige Flüssigkeit, die in der Lage ist, das Matrixpolymer aufzulösen oder zu dispergieren, verwendet werden kann, umfassen bevorzugte Gruppen an Lösemitteln Wasser, Paraffinöle, Ketone, Alkohole, aromatische Lösemittel oder Kohlenwasserstoff-Lösemittel, die Paraffinöl, Xylen, Toluen und Oktan enthalten. Die Techniken, die verwendet werden, um die Matrixpolymere in den Lösemitteln aufzulösen oder zu dispergieren, sind jene, die herkömmlicherweise für das Beschichten von ähnlichen elastomeren Materialien auf einer Vielzahl von Substraten verwendet werden.
Andere Techniken zum Aufbringen des Polymers (Matrix) auf die Fasern können verwendet werden, umfassend das Beschichten des Vorläufers mit hohem Modul (Gelfaser) vor den Hochtemperatur-Dehnungsvorgängen, entweder bevor oder nachdem das Lösemittel aus der Faser entfernt worden ist. Die Faser kann dann bei erhöhten Temperaturen gedehnt werden, um die beschichteten Fasern herzustellen. Die Gelfaser kann durch eine Lösung des geeigneten Beschichtungspolymers geführt werden (Lösemittel kann Paraffinöl, aromatisches oder aliphatisches Lösemittel sein) unter Bedingungen, um die gewünschte Beschichtung zu erreichen. Kristallisation des Polyethylens mit hohem Molekulargewicht in der Gelfaser kann stattgefunden haben, bevor der Faserstoff in die Abkühlungslösung tritt, oder nicht.
Die Fasern und Netzwerke, die daraus hergestellt werden, werden zu Verbundmaterialien als Vorläufer oder Prepreg zur Herstellung der Verbundartikel gebildet. Die Prepregs mit geringer räumlicher Dichte der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um verfestigte Bahnen zu erzeugen, die ausgezeichneten ballistischen Schutz bereitstellen. Der Ausdruck Verbundstoff soll Kombinationen an Fasern oder Flächengebilden mit Polymermaterial in Form von Matrixinseln bedeuten, die andere Materialien, wie z. B. Füllstoffe, Gleitmittel oder ähnliches, wie zuvor erwähnt, umfassen können.
Weitere Verfahren zum Fixieren von Matrixbereichen 14 können ohne Beschränkung darauf Heißschmelzen, Lösung, Emulsion, Brei, Oberflächenpolymerisation, Faservermischung, Filmzwischenlagen, Galvanisierung und/oder Trockenpulvertechniken umfassen.
Verbundmaterialien können auf viele verschiedene Formen hergestellt und angeordnet werden. Es ist bequem, die Geometrie solcher Verbundstoffe durch die Geometrie der Fasern zu charakterisieren und dann anzugeben, dass das Matrixmaterial einen Teil des oder den gesamten Hohlraum einnehmen kann, der durch das Netzwerk von Fasern übriggelassen wird. Eine solche geeignete Anordnung ist eine Vielzahl von Lagen von Laminaten, in denen die beschichteten Fasern in einer blattartigen Gruppierung angeordnet und parallel zueinander entlang einer gemeinsamen Faserrichtung ausgerichtet sind. Aufeinanderfolgende Lage solcher beschichteten, einseitig gerichteten Fasern können bezüglich der vorhergehenden Lage gedreht werden. Ein Beispiel für solche Laminatstrukturen sind Verbundstoffe, bei denen die zweite, dritte, vierte und fünfte Lage um +45°, –45 °, 90° und 0° bezüglich der ersten Lage gedreht werden, aber nicht unbedingt in dieser Reihenfolge. Andere Beispiele umfassen Verbundstoffe mit abwechselnden Lagen, die zueinander um 90° gedreht werden, z. B. 0/90, +45/–45, +30/–60 usw. Die vorliegende Erfindung umfasst Verbundstoffe mit mehreren Lagen. Es können 1 bis 500, vorzugsweise 2 bis 100 und mehr vorzugsweise 2 bis 75 Lagen sein.
Die normale Technik zur Bildung von Laminaten umfasst die Schritte des Anordnens von beschichteten Fasern zu einer gewünschten Netzwerkstruktur und dann des Verfestigens und Erwärmens der gesamten Struktur, um zu verursachen, dass das Beschichtungsmaterial fließt und einen Teil der Hohlräume einnimmt, wodurch eine fortlaufende Matrix hergestellt wird. Eine andere Technik ist, Lagen oder andere Strukturen von beschichteten oder unbeschichteten Fasern angrenzend an und zwischen verschiedenen Formen, z. B. Filmen, des Matrixmaterials anzuordnen und die gesamte Struktur dann zu verfestigen und dann durch Wärme zu stabilisieren. In den oben angeführten Fällen ist es möglich, dass die Matrix zum Kleben oder Fließen gebracht wird, ohne vollständig zu schmelzen. Im Allgemeinen wenn das Matrixmaterial nur bis zu einem Punkt des Klebens erwärmt wird, ist allgemein mehr Druck erforderlich. Außerdem hängen der Druck und die Zeit, um den Verbundstoff zu härten und optimale Eigenschaften zu erreichen, allgemein von der Natur des Matrixmaterials (chemische Zusammensetzung und Molekulargewicht) und der Verarbeitungstemperatur ab. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung muss ein wesentliches Hohlraumvolumen (matrixfrei) bleiben.
Mehrere Bänder, die den Verbundstoff 10 der vorliegenden Erfindung enthalten, können miteinander kombiniert werden. US-Patentschrift Nr. 5,061,545 und 5,093,158 offenbaren verschiedene Kombinationen von zweilagigen Verbundstoffen, bei denen die Fasern in jeder Lage einseitig gerichtete Fasern sind. Es wird offenbart, dass die Fasern von angrenzenden Lagen in einem Winkel von 45° bis 90° zueinander sind, wobei der bevorzugte Winkel zwischen Fasern in angrenzenden Lagen etwa 90° zueinander ist. Die Offenbarungen von US-Patentschrift Nr. 5,061,545 und 5,093,158 werden hier zum Zwecke der Bezugnahme zitiert.
Verbundstoffe der vorliegenden Erfindung können einen ungewöhnlich hohen Fasergehalt von 90 bis 98 Volumsprozent aufweisen und weisen eine verbesserte ballistische Wirksamkeit im Vergleich zu Verbundstoffen mit einer fortlaufenden Polymermatrix auf. Zusätzlich dazu, dass sie in allgemein bekannten Artikeln verwendbar sind, die ballistische Einwirkungen aushalten sollen, wie z. B. kugelsichere Westen, Helme und Körperpanzer, ist die vorliegende Erfindung besonders wirksam gegen Explosionen und/oder Hochgeschwindigkeitseinwirkungen von bis zu etwa 7 Kilometern pro Sekunde und findet Anwendung in einer Raumumgebung, wo ballistische Einwirkungen mit Mikrometeoriten vorkommen können.
Versuchsverfahren
Schritt A. Herstellung von trockenen Faserstoffen
Garn wurde auf eine rotierende Trommel einer Filament-Aufwickelvorrichtung gewickelt. Die Trommel war 30 Inch (76 cm) im Durchmesser, 48 Inch (122 cm) lang und wurde vor dem Aufwickeln mit einem Halar^®-Film, einem Copolymer aus Chlortrifluorethylen und Ethylen, einem Produkt von AlliedSignal Specialty Films, Pottsville, Pennsylvania, überzogen. Streifen aus 2 Inch (5,08 cm) breitem Doppelklebeband wurden parallel zur Achse der Trommel mit Intervallen von 10 Inch (25,4 cm), Mitte zu Mitte, aufgebracht. Garn wurde auf das Band gewickelt. Einfach klebendes (beschichtetes) Abdeckband wurde über das garnbedeckte Doppelklebeband aufgebracht, um sicherzustellen, dass alle Filamente an ihrer Stelle gehalten wurden. Der garnbedeckte Halar^®-Film wurde von der Trommel geschnitten und entlang der Mittellinie jedes Bandes auseinandergeschnitten. Das Ergebnis war eine Menge von trockenen parallelen Garnen mit 8 Inch (20,3 cm) Länge, unterlegt mit Halar^®-Film und durch ein 1 Inch (2,45 cm) breites Band an jedem Ende an der Stelle gehalten.
B. Herstellung der Versuchs-Schildbahnen
Die 8 Inch (20,3 cm) langen Abschnitte von Schritt A oberhalb wurden auf einem Metallblatt angeordnet und durch ein Band an der Stelle gehalten, um die Garne gerade zu halten. Ein Matrixharz wurde aufgetragen (siehe genaueres in den Beispielen), und ein zweiter 8 Inch (20,3 cm) Abschnitt wurde über den ersten 8 Inch (20,3 cm) Abschnitt gelegt, der um 90 Grad bezüglich der Faserausrichtung gedreht wurde, wobei der Halar^®-Film oben war. Eine 1/8 Inch (0,3175 cm) dicke Aluminiumplatte mit 7,5 Inch × 7,5 Inch (19 cm × 19 cm) wurde auf den Garnen zentriert, und die Anordnung wurde bei 120°C, 3 Tonnen Kraft, für 10 Minuten in eine hydraulische Presse gegeben. Die Metallplatte diente als Abstandshalter, um die Pressplatten von den Bändern, die die Faserstoffe umgaben, freizuhalten.
C. Messung der Flexibilität der Bahnen
Für eine Anwendung als Körperpanzer sollten die Bahnen der vorliegenden Erfindung eine Flexibilität aufweisen, die ähnlich oder größer als bei herkömmlichen, ballistisch widerstandfähigen Flächengebildestrukturen ist. Ein einfacher Test, um ein Maß für die Flexibilität zu bestimmen, ist, eine quadratische Bahn auf eine flache Oberfläche zu legen und eine Seite um eine Länge (l) über eine Kante (Bahnseite parallel zur Kante) hängen zu lassen. Der vertikale Abstand (h) für die flache Oberfläche zur nicht unterstützten Seite der Bahn wird gemessen und der Wert (h/l) wird berechnet. Wenn h/l gleich l ist, ist die Bahn extrem flexibel, und wenn h/l gleich Null ist, ist die Bahn extrem starr. Um die Flexibilität einer Bahn mit jener eines Kontrollflächengebildes zu vergleichen, wird die prozentuelle Flexibilität wie folgt berechnet: 100% × (h/l)Bahn/(h/l)Flächengebilde = % Flexibilität.
Für Körperpanzer ist es erwünscht, dass Bahnen eine prozentuelle Flexibilität von etwa 50% bis etwa 150% des ballistisch widerstandsfähigen, gewebten Kontrollflächengebildes ohne Matrix aufweist, vorzugsweise von etwa 70% bis etwa 150% und insbesondere etwa 85% bis etwa 150%, wie in Beispiel 10.10 nachfolgend beschrieben. Vorzugsweise ist h/l etwa 0,7 oder größer, insbesondere etwa 0,85 oder größer.
Beispiel 1
Spectra^®-Fasern 1000 (215 Denier, 60 Filamente pro Ende), im Handel erhältlich von AlliedSignal Inc., Petersburg, Virginia (40 Enden pro Inch (EPI) und einer nominalen Flächendichte (AD) von 0,00376 g/cm²) und ein Matrixharz aus Kraton^®-Gummi, Typ G1650, Granulat, hergestellt von Shell Chemical Co., Houston, Texas (Partikel wurden durch ein #30, 600 Mikrometer oder 0,0234 Inch Sieb geführt), wurden im oben angeführten Versuchsverfahren verwendet. Das Matrixharz wurde so verwendet, dass 7,5 Gew.% (gesamt) vor dem kreuzweisen Übereinanderlegen über die untere Bahn verteilt wurden. Nach dem Formen wurde das Matrixharz zu punktverbindenden Inseln von Filamenten innerhalb des Faserstranges und zwischen den Fasersträngen. Die Bahn war ursprünglich papierartig, ähnelte aber nach dem Kräuseln und Biegen in der Flexibilität einem Flächengebilde.
Beispiel 2
Beispiel 1 wurde wiederholt mit einem Matrixharz von 15 Gew.-%. Die Ergebnisse waren die selben wie in Beispiel 1, allerdings war die Bahn robuster und widerstandsfähiger gegen Delaminierung.
Beispiel 3
Beispiel 1 wurde wiederholt mit einem Matrixharz von 20 Gew.-%, und eine zusätzliche Lage eines Polyethylenfilms, der 0,00035 Inch (0,000889 cm) dick war und von Raven Industries, Sioux City, South Dakota, hergestellt wurde, wurde auf der Außenseite beider Faserstoffe angeordnet (Halar^®-Film wurde entfernt und Trennpapier wurde vor dem Pressen über den PE-Film gegeben). Die Bahn wies eine robuste Struktur mit guter Flexibilität auf.
Beispiel 4
Fasern von Spectra^® 1000/215/60 (40 Enden pro Inch (EPI) und nominale Flächendichte (AD) von 0,00376 g/cm²) und ein Matrixharz von Prinlin B7137X-1, eine wässrige Dispersion von Kraton^® D1107 Gummi, hergestellt von Pierce & Stevens, Buffalo, New York, wurden im oben angeführten Versuchsverfahren verwendet. Beide Faserstoffe wurden mit feinen Tröpfchen des Prinlin besprüht und vor dem Formen getrocknet, was 85 Gewichtsprozent Fasern ergab. Die Bahn war ursprünglich papierartig, ähnelte aber nach dem Kräuseln und Biegen in der Flexibilität einem Flächengebilde.
Beispiel 5
Fasern von Spectra^® 1000/215/60 (40 Enden pro Inch (EPI) und nominale Flächendichte (AD) von 0,00376 g/cm²) und ein verdünntes Matrixharz von 3 Teilen Wasser und 1 Teil Prinlin B7137X-1 wurden im oben angeführten Versuchsverfahren verwendet. Beide Faserstoffe wurden mit feinen Tröpfchen des Prinlin besprüht und vor dem Formen getrocknet, was 95 Gewichtsprozent Fasern ergab. Die Bahn war ursprünglich papierartig, ähnelte aber nach dem Kräuseln und Biegen in der Flexibilität einem Flächengebilde. Die Bahn war weniger robust als die Bahn von Beispiel 4.
Beispiel 6
Fasern von Spectra^® 1000/215/60 (40 Enden pro Inch (EPI) und nominale Flächendichte (AD) von 0,00376 g/cm²) und ein Matrixharz von Polyethylen-Rotationsgießpulver S3DSBK, 120 Mikron/Feingut, hergestellt von PFS Thermoplastic Powder Coatings Inc., Big Spring, Texas, wurden im oben angeführten Versuchsverfahren verwendet. Das PE wurde vor dem kreuzweisen Übereinanderlegen durch Schütteln über den unteren Faserstoff verstäubt, wobei die PE-Menge nach dem Formen auf 14 Gew.-% des Gesamtgewichtes geschätzt wurde. Die Bahn war ursprünglich papierartig, wurde aber durch Manipulation flächengebildeartig. Eine Oberfläche mit geringer Reibung wurde hergestellt.
Beispiel 7
Fasern von Spectra^® 1000/215/60 (40 Enden pro Inch (EPI) und nominale Flächendichte (AD) von 0,00376 g/cm²) und ein einzelner Polyethylenfilm, 0,00035 Inch (0,000889 cm) dick, hergestellt von Raven Industries, wurde zwischen den zwei Faserstoffen angeordnet, um als Kontrollprobe für Beispiel 6 zu dienen. Die Bahn war weniger flexibel als die Bahn von Beispiel 6, wurde aber als verwendbar eingeschätzt.
Beispiel 8
Fasern von Spectra^® 1000/215/60 (40 Enden pro Inch (EPI) und nominale Flächendichte (AD) von 0,00376 g/cm²) wurden ohne Matrixharz verwendet. Nach dem Formen zeigte die Bahn eine papierartige Qualität und fiel beim Manipulieren auseinander.
Beispiel 9
Fasern von Spectra^® 1000/1300, 240 Filamente pro Ende, ein Produkt von AlliedSignal Inc., (9,25 Enden pro Inch (EPI), nominale Flächendichte (AD) von 0,005266 g/cm²) wurden mit einem Matrixharz von Prinlin B7137X-1 besprüht und gemäß dem oben angeführten Versuchsverfahren verarbeitet, mit Trocknen vor dem Formen, um 78 Gewichtsprozent Fasern zu ergeben. Die Bahn war deutlich flexibler als ähnliche Produkte mit fortlaufender Fasermatrix, die eine äquivalente Faserflächendichte aufwiesen.
Beispiel 10
Beispiel 10.1–10.3 Thermoplastische Elastomer-Monofilamente wurden durch Extrudieren einer Mischung aus zwei thermoplastischen Elastomeren (Kraton^® G1652 und 1657) im Gewichtsverhältnis 2 : 1 hergestellt. Elastomerfasern mit 650 und 1300 Denier wurden wie folgt zu einseitig gerichteten Bändern gebildet. Halar^®-Film wurde auf eine Trommel gebracht, wobei ein 2 Inch (5,08 cm) breites, doppelseitiges Klebeband in Intervallen von 19 Inch (48,26 cm), Mitte zu Mitte, entlang der Längsrichtung befestigt wurde. Die thermoplastischen Elastomerfasern wurden gewickelt, um 4,6 Enden pro Inch (1,81 Enden/cm) Breite zu ergeben. Ein einseitiges Klebeband wurde über der Position des doppelseitigen Bandes angebracht, um die Faserenden an ihrer Stelle zu verankern. Die Verankerungsbänder wurden in der Mitte durchgeschlitzt, was Bahnen mit 17 Inch (43,18 cm) Länge aus verwendbarer, einseitig gerichteter Fasermatte ergab, wo die Filamente durch isolierte Gummistreifen zusammengehalten wurden. Die Bahnen wurden in Intervallen von 17 Inch (43,18 cm) entlang der Längsrichtung geschlitzt, um Quadrate mit 17 Inch (43,18 cm) von einseitig gerichteter Fasermatte herzustellen, die einen beträchtlichen Abstand zwischen den Monofilamenten aufwies. Einseitig gerichtete Spectra^®-Faserbänder wurden auf die selbe Weise hergestellt, mit der Ausnahme, dass das 1300 Denier Spectra^® 1000 2,6 Enden pro Inch (1,02 Enden/cm) auf die Trommel gewickelt wurde. Stabilisierte Verbundbahnen wurden hergestellt durch kreuzweises Übereinanderlegen einer Gummimatte mit einem Spectra^®-Band und indem sie bei 100°C für 5 Minuten bei einem Druck von 10 Tonnen pro Quadratfuß (1,076 × 10⁵ kg/m²) zusammengeformt wurden. Die stabilisierten Bahnen wurden dann kreuzweise in Lagen angeordnet, der Halar^®-Film wurde entfernt, und dann wurden die Bahnen zusammengeformt (unter den selben Bedingungen, wie sie verwendet wurden, um das stabilisierte, einseitig gerichtete Band herzustellen), wobei die harzreichen Seiten des stabilisierten, einseitig gerichteten Bandes zueinander gerichtet waren. Die Ergebnisse sind nachfolgend in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1 Vergleichsweise ballistische Leistung von flexiblem Panzer bei Flächendichte von 1 kg/m² gegen 0,38 Kaliber Bleikugeln – Gummigitterverstärkung
Der Vergleich von 10.1 und 10.2 zeigt, dass das Fasergitter beim selben Gewichtsprozentanteil an Elastomergitter effektiver ist. Ein zusätzliches Elastomergitter führt dazu, dass die Bahnen steif und ballistisch weniger effektiv werden (10.3). Die Ergebnisse zeigen, dass der Gewichtsprozentanteil und die Größe des Gitters für einen optimalen Schutz gegen eine bestimmte ballistische Gefahr optimiert werden müssen.
10.4: VERGLEICHSBEISPIEL: Ein Vergleichsbeispiel für einen parallelen Faserstoff (ein kommerzielles Produkt von AlliedSignal, das unter der Handelsbezeichnung Spectra Shield^® Einzelelement verkauft wird, 1300 Denier Garn aus Spectra^® 1000 Fasern, 240 Filamente pro Garn) wird mit einer Kraton^® D1107 Lösung in Zyklohexan beschichtet. Es beschichtet den parallelen Faserstoff gleichmäßig, der durch eine Trockenkammer tritt, um Lösemittel zu entfernen, um ein einseitig gerichtetes Bandmaterial herzustellen. Dieses Material wird kreuzweise übereinandergelegt und Polyethylenfilm wird auf die obere und untere Oberfläche laminiert, um zu verhindern, dass die Bahnen zusammenkleben. Flächendichte der Bahn, Fasern, Matrix und PE-Film waren jeweils 0,147, 0,105, 0,0262 und 0,0157 kg/m². Der PE-Film wies einen Schmelzpunkt von 114°C auf.
10.5: Ein Halar^®-Film, hergestellt von AlliedSignal Specialty Films; wurde um eine Trommel gewunden, die 4 Fuß lang (121,92 cm) und 30 Inch (76,2 cm) im Durchmesser war. Die Trommel wurde gedreht und Spectra^® 1000 Faser (1300 Denier) wurde mit 9,26 Enden pro Inch (3,65 Enden/cm) darauf gewunden. Der Faserstoff wurde mit einem Latex besprüht (Kraton^® D1107: Kolophonium im Gewichtsverhältnis 3 : 1, Prinlin B7137X-1, ein Produkt von Pierce and Stevens). Dieses einseitig gerichtete Band zusammen mit der Halar-Unterlage wurde in Quadrate mit 15 Inch (38,1 cm) geschnitten und kreuzweise 0/90 übereinandergelegt mit Latex auf der Innenseite. Die Bahn wurde dann bei 125°C für 15 Minuten bei 10 Tonnen/ft² (1,076 × 10⁵ kg/m²) geformt, was 81 Gewichtsprozent Fasern ergab. Der Halar^®-Film wurde entfernt, und der Polyethylenfilm (der selbe wie in Beispiel 10.4 verwendet) wurde auf der Außenseite der 0/90 Bahn angeordnet, und die gesamte Anordnung wurde wie zuvor beschrieben geformt mit der Ausnahme, dass die Formzeit 2 Minuten betrug.
10.6: Diese Probe wurde so hergestellt, dass sie ähnlich wie Beispiel 10.5 war, mit der Ausnahme, dass ein Polyethylenfilm (identisch zu dem Film auf den Bahnen von Beispiel 10.5) auf eine Metalltrommel (4 ft. (121,92 cm) lang und 30 Inch (76,2 cm) im Durchmesser) gewunden wurde, und ein Latex in runden Bereichen von Elastomer auf seine Oberfläche gesprüht wurde, die eine Bandbreite von 125 bis 250 Mikron aufwiesen und ungefähr 25% der Filmoberfläche bedeckten. Der Sprühvorgang wurde mit einem Wagner Power Painter – Model 3 10 unter Verwendung eines 0,8 mm Ventils durchgeführt. Das Sprühen wurde an einem Ende der rotierenden Trommel begonnen und zum anderen Ende weitergeführt, wodurch einzelne runde Bereiche von Kraton D1107 hergestellt wurden. Spectra 1000 Faser wurde auf eine identische Weise, wie in Beispiel 10.5 beschrieben, gewickelt. Ein robustes, einseitig gerichtetes Band wurde hergestellt. Eine Serie aus 0/90-Bahnen wurde geformt mit der Polyethylenfaser auf der Oberfläche. Das Formen wurde bei 80°C, 95°C, 105 °C und 130°C für 15 Minuten bei 10 Tonnen/Quadratfuß (1,076 × 10⁵ kg/m²) durchgeführt. Wenn die Formtemperatur erhöht wurde, wurden die Bahnen papierähnlicher und weniger flächengebildeartig in ihrer Flexibilität. Eine 0/90-Bahn wurde gegen eine Anordnung von Scheiben (0,075 Inch (0,191 cm) dick, äußerer Durchmesser 0,87 Inch (2,21 cm) und innerer Durchmesser 0,37 Inch (0,94 cm)) geformt. Vollständig verfestigte Scheibenformen waren in die Bahnen gedruckt. Das zeigte, dass Verfestigungsmuster aus Bahnen dieser Erfindung erzeugt werden können. Verwendbare Bereichstrukturen können hergestellt werden, um fortlaufende Linien bereitzustellen, die leicht gefaltet werden können (wie z. B. Anordnungen aus gleichseitigen Dreiecken). Acht Bahnen, die bei 95°C geformt wurden, wurden als Beispiel 10.6 bezeichnet und gegen 0,38 Kaliber Bleikugeln getestet. Außerdem wurde eine Bahn in eine Punktbindeform mit einem quadratischen Gitter mit erhabenen runden Abschnitten an den Gitterschittpunkten gegeben. Die runden Abschnitte waren 1,0 mm im Durchmesser, und der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt war 7 mm. Die Bahn wurde in eine Presse bei ungefähr 500 psi gegeben und für 150 Sekunden bei 115°C geformt. Die Bahn blieb flexibel. Klarerweise kann eine große Zahl verschiedener Muster durch diese Formtechnik erzeugt werden.
10.7: Diese Probe wurde auf die selbe Weise wie Beispiel 10.6 hergestellt mit der Ausnahme, dass 1500 Denier Aramidfaser, Twaronfaser (ein Produkt von Akzo, 1450 Denier Garn, 1,5 Denier pro Filament, Zugfestigkeit 24,4 g/Denier, Modul 805 g/Denier), auf die rotierende Trommel 8,03 Enden pro Inch (3,16 Enden/cm) gewickelt wurde. Runde Bereiche wurden auf dem Polyethylenfilm erzeugt, die ähnlich waren wie jene in Beispiel 10.6. Die Bereiche, die durch Sprühen auf den Faserstoff erzeugt wurden, waren ebenfalls verzogen auf die selbe Weise wie in Beispiel 10.6. Rasterelektronenmikroskopie zeigte, dass die beschichteten Bereiche unterbrochen waren. Die Bereiche waren in die Richtung parallel zur Faserlänge (1) viel länger mit Abmessungen im Bereich von 150 Mikron bis 500 Mikron in diese Richtung. Das L/D-Verhältnis variierte bei diesen Bereichen von 3 zu 1 bis 25 zu 1.
10.8: Thermoplastische Elastomerfasern wurden erzeugt durch Extrudieren einer Mischung aus Kraton^® G1652 und 1657 im Gewichtsverhältnis von 2 : 1. Einseitig gerichtete Bänder, die mit Elastomerfasern (650 Denier) hergestellt wurden, wurden auf die folgende Weise gebildet:
Thermoplastische Elastomer-Monofilamente wurden erzeugt durch Extrudieren einer Mischung aus zwei thermoplastischen Elastomeren (Kraton^® G1652 und 1657) im Gewichtsverhältnis 2 : 1. Elastomerfasern mit 650 und 1300 Denier wurden wie folgt zu einseitig gerichteten Bändern gebildet: Halar^®-Film wurde auf eine Trommel gegeben, und 2 Inch (5,08 cm) breites, doppelseitiges Klebeband wurde bei Intervallen von 19 Inch (48,26 cm), Mitte zu Mitte, entlang der Längsrichtung befestigt. Die thermoplastischen Elastomerfasern wurden so gewickelt, dass sie 4,6 Enden pro Inch (1,81 Enden/cm) Breite ergaben. Einseitiges Klebeband wurde über der Position des doppelseitigen Bandes befestigt, um die Faserenden an der Stelle zu verankern. Die Verankerungsbänder wurden durch die Mitte geschlitzt, was Bahnen mit 17 Inch (43,18 cm) Länge von verwendbarer, einseitig gerichteter Fasermatte ergab, wo die Filamente durch isolierte Gummistreifen zusammengehalten werden. Die Bahnen wurden bei Intervallen von 17 Inch (43,18 cm) entlang der Längsrichtung geschlitzt, um Quadrate mit 17 Inch (43,18 cm) von ein seitig gerichteter Gummifasermatte mit beträchtlichem Abstand zwischen den Monofilamenten herzustellen. Einseitig gerichtete Spectra^®-Faserbänder wurden auf die selbe Weise hergestellt mit der Ausnahme, dass das 1300 Denier Spectra^® 1000 mit 2,6 Enden pro Inch (1,02 Enden/cm) auf die Trommel gewickelt wurde. Stabilisierte Verbundbahnen wurden hergestellt, indem eine Gummimatte mit einem Spectra^®-Band kreuzweise übereinandergelegt wurde, und diese bei 100°C für 5 Minuten bei einem Druck von 10 Tonnen pro Quadratfuß (1,076 × 10⁵ kg/m²) zusammengeformt wurden. Die stabilisierten Bahnen wurden dann kreuzweise übereinandergelegt, der Halar^®-Film wurde entfernt, und dann wurden die Bahnen zusammengeformt (unter den selben Bedingungen wie sie verwendet wurden, um das stabilisierte, einseitig gerichtete Band herzustellen), wobei die harzreichen Seiten des stabilisierten, einseitig gerichteten Bandes zueinander gerichtet waren.
Einseitig gerichtete Spectra^®-Faserbänder wurden auf die selbe Weise hergestellt mit der Ausnahme, dass das 1300 Spectra^® 1000 mit 9,26 Enden pro Inch (3,65 Enden/cm) auf die Trommel gewickelt wurde.
Stabilisierte, einseitig gerichtete Bandbahnen wurden hergestellt, indem eine Gummibahn mit einer Spectra^®-Bahn kreuzweise übereinandergelegt wurde, und diese bei 100°C für 5 Minuten bei 10 Tonnen pro Quadratfuß (1,076 × 10⁵ kg/m²) zusammengeformt wurden. Diese stabilisierten Uni-Bänder wurden kreuzweise übereinandergelegt, der Halar^®-Film wurde entfernt, und dann wurden die Bahnen zusammengeformt unter Verwendung der selben Bedingungen, die verwendet wurden, um das stabilisierte Uni-Band herzustellen, wobei die harzreichen Seiten des stabilisierten, einseitig gerichteten Bandes zueinander gerichtet waren.
10.9: Wasserdampfübertragung
Die relative Fähigkeit, Wasserdampf durch eine Bahn dieser Erfindung (Beispiel 10.3), verglichen mit jener von Spectra^® Shield-Material, zu übertragen, wurde bestimmt, indem 15 Gramm Wasser in ein 2 Unzen Gefäß (Innendurchmesser 42 mm) mit breiter Öffnung gegeben wurden, und der Gewichtsverlust in 24 Stunden bei Raumtemperatur und 50% relativer Feuchtigkeit aufgezeichnet wurde. Die Bahnen wurden unter Verwendung von doppelseitigem Klebeband um die Gefäße an den Gefäßen befestigt. Spectra^® 1000 ballistisches Flächengebilde (Style 955–215 Denier Leinwandbindung 55 × 55 Enden/Inch (21,7 × 21,7 Enden/cm)) wurde ebenfalls getestet. Strukturen der vorliegenden Erfindung übertragen Wasserdampf mit ähnlichen Geschwindigkeiten wie Flächengebilde. Die Daten sind unterhalb in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2 Vergleich des Wasserverlustes
10.10: Flexibilität
Der Vergleich der Flexibilität des handelsüblichen Einzelelementes, der gitterverstärkten Bahn (Beispiel 10.3) und eines handelsüblichen Spectra^® 1000 gewebten Flächengebildes wurde vorgenommen (215 Denier Spectra^® 1000/45 × 45 Enden/Inch (17,32 × 17,72 Enden/cm) planare Bindung, ein Produkt von Clark-Schwebel). Die Probe wurde auf eine flache Oberfläche gelegt und an der Kante mit einer Länge (l) von 13 cm überhängen gelassen. Der Abstand (h) unterhalb der flachen Oberfläche der freien Seite wurde bestimmt. Je größer der Abstand (h), desto flexibler die Struktur. Wie in Tabelle 3 unterhalb zu sehen ist, war die Vliesbahn mit dem Gitter sogar flexibler als ein gewebtes Spectra^® 1000 ballistisches Flächengebilde. Die Proben wurden vor dem Testen gebogen, um Beanspruchung zu simulieren.
Tabelle 3 Vergleich der Flexibilität der Bahn
Beispiel 11
11.1: Ein Halar^®-Film, hergestellt von AlliedSignal Specialty Films, wurde um eine Trommel gewunden, die 4 Fuß (121,92 cm) lang und 30 Inch (76,2 cm) im Durchmesser war. Streifen von 2 Inch (5,08 cm) breitem Doppelklebeband wurden um die Länge der Trommel bei Intervallen von 8 Inch (20,32 cm) angebracht. Die Trommel wurde gedreht und Spectra^® 1000 Faser (1300 Denier) wurde mit 9,26 Enden pro Inch (3,65 Enden/cm) aufgewunden. Nach dem Aufwickeln des Spectra^® 1000 Garnes wurden 2 Inch (5,08 Enden/cm) breite Streifen von Abdeckband über den Bereichen angebracht, die durch das Doppelklebeband bedeckt waren, um die Fasern fest an der Stelle zu verankern. Die Klebebänder zusammen mit Halar^®-Film und Spectra^®-Fasern wurden durch die Mittellinie des Klebebandes geschnitten, um Matten mit Faserlängen von 8 Inch (20,32 cm) und Breiten von 48 Inch (121,92 cm) herzustellen. Die Matten wurden weiter auf gewünschte Größen für eine Verwendung mit den Elastomerfasern geschnitten. Eine Monofilament- Elastomerfaser von Kraton^® G1650 (2212) Denier wurde hergestellt durch Extrudieren des Polymers durch eine 0,02 Inch (0,051 cm) Düse bei 260°C unter Verwendung eines Instron Kapillarrheometers. Die parallele Faserbahn, 8 Inch (20,32 cm) im Quadrat, wurde auf die Metallplatte geklebt, und Doppelklebeband wurde auf zwei Seiten des Stoffes angeordnet, wobei die Bandlänge parallel zur Faserlängsrichtung war. Die Kraton^® G1650 Fasern wurden senkrecht zur Faserrichtung angeordnet und auf beiden Seiten des Stoffes in Intervallen von 1 cm an dem Band verankert.
Robuste, einseitig gerichtete Bänder wurden hergestellt, indem sie zwischen Metallplatten mit Halar^®-Film auf einer Seite geformt wurden und dann nach dem Formen bei 125°C bei niedrigem Druck in einer hydraulischen Presse entfernt wurden. Die Bänder wurden kreuzweise übereinandergelegt und erneut geformt, um 0/90 Bahnen mit einer gesamten Flächendichte von 0,154 kg/m² und 32 Gew.-% Matrix zu schaffen. Die Breite der deformierten Kraton^® G1650 Faser war ungefähr 3 mm, was einer Flächenabdeckung von 49% entspricht. Nach einigem anfänglichem Biegen wurde eine weiche Bahn mit geringer Reibung geschaffen. Während des Formvorganges trat ein Verziehen der Spectra^®-Fasern auf, Hohlräume wurden entfernt und die anfängliche Steifheit war hoch im Vergleich zum gebogenen Material.
11.2: Diese Probe war identisch zu Probe 11.1 mit der Ausnahme, dass die Kraton^®-Faser in 3 cm Längen zerhackt wurde, die unregelmäßig auf der Faserbahn angeordnet wurden. Das wurde dann geformt, um ein einseitig gerichtetes Band herzustellen. Ein Fließen des Kraton^® G1650 verursachte ein deutliches Verziehen im Faserstoff, eine unerwünschte Eigenschaft.
11.3: Diese Probe war. ähnlich wie Beispiel 11.1 mit der Ausnahme, dass die Elastomerfaser Kraton^® G1651 mit 275 Denier war, die durch eine 0,007 Inch Düse bei 260°C extrudiert wurde. Sowohl das einseitig gerichtete Band als auch die entstehende 0/90 kreuzweise übereinandergelegte Bahn wies eine Matrix von 5,5 Gew.-% auf. Die Flächendichte der 0/90 Bahn betrug 0,1113 kg/m². Die Elastomerfaser verbreiterte sich auf weniger als 1 mm, was dazu führte, dass 20% der Bahnfläche eine Elastomerbedeckung aufwiesen.
11.4: Diese Probe war ähnlich wie Beispiel 11.1 mit der Ausnahme, dass die Elastomerfasern (Kraton^® G1651 mit 811 Denier) 45 Grad zur Längsrichtung der Spectra^®-Fasern ausgerichtet waren. Die Elastomerfaser wurde durch eine 0,012 Inch (0,0305 cm) Düse bei 260°C extrudiert. Sowohl das einseitig gerichtete Band als auch die entstehende 0/90 kreuzweise übereinandergelegte Bahn wiesen 20 Gew.-% Matrix auf. Zwei verschiedene Strukturen waren möglich, wobei die Elastomerfasern eine Diamantform oder eine Serie von parallelen Linien mit 45 Grad zu den Spectra^®-Faserlängen bildeten. Wenn die harzreichen Seiten zusammengepresst wurden, war die endgültige geformte Bahn kohärent und wies eine sehr geringe Reibung auf.
Beispiel 12
Bänder wurden auf die folgende Weise hergestellt: PE-Film, 0,00035 Inch (0,000889 cm) dick, hergestellt von Raven Industries, Sioux City, South Dakota, wurde auf eine Trommel gegeben; die Trommel wurde gedreht, und Latex wurde auf die Filmoberfläche gesprüht, wodurch eine statisch einheitliche Dispersion von Tröpfchen gebildet wurde. Spectra^®-Faser 1000/650 Denier, 240 Filamente pro Ende, wurde dann auf die Trommel gewickelt und der Spectra^®-Faserstoff wurde mit dem Latex besprüht.
Diese Bänder waren robust genug, um verarbeitet zu werden, um eine endgültige, kreuzweise übereinandergelegte Bahn zu bilden, die geeignet ist für Anwendungen in kugelsicheren Westen. Einseitig gerichtete Bänder wurden übereinandergelegt (0/90) und unter unterschiedlichen Bedingungen geformt. Die kreuzweise übereinandergelegten Bahnen zeigten im Allgemeinen eine Kombination aus guter Flexibilität mit guter ballistischer Leistung. Die kreuzweise übereinandergelegten Bahnen zeigten, dass eine Steuerung der Matrixmenge, Verfestigung und Verteilung mit Eigenschaften maßgeschneidert werden kann, um für eine bestimmte Verwendung zu passen.
12.1: Ein paralleler Faserstoff wurde gleichmäßig mit einer Kraton^® D1107 Lösung in Zyklohexan beschichtet und dann durch eine Trockenkammer geführt, um das Lösemittel zu entfernen, um ein einseitig gerichtetes Bandmaterial herzustellen. Dieses Material wurde kreuzweise übereinandergelegt, und Polyethylenfilm, 0,00035 Inch (0,000889 cm) dick, hergestellt von Raven Industries, Sioux City, South Dakota, wurde auf die Ober- und Unterseite laminiert, um zu verhindern, dass die Bahnen aneinander kleben. Die Formbedingungen waren 120°C für 10 Minuten. Die Flächendichte von Bahn, Faser, Matrix und PE-Film betrug jeweils 0,147, 0,105, 0,0262 und 0,0157 kg/m². Der PE-Film wies einen Schmelzpunkt von 114°C auf. Der Polyethylenfilm fügte Gewicht und Steifheit gegenüber der Matrix Kraton^® D1107 alleine hinzu.
12.2: Matrix vorliegend als einzelne thermoplastische Bereiche
Ein Halar^®-Film (Ein Produkt von AlliedSignal Specialty Films, Pottsville, PA) wurde um eine Trommel (4 Fuß (121,92 cm) lang und 30 Inch (76,2 cm) im Durchmesser) gewunden. Die Trommel wurde gedreht, und Spectra^® 1000 Faser (1300 Denier) wurde mit 9,26 Enden pro Inch (3,65 Enden/cm) aufgewunden. Der Faserstoff wurde mit einem Latex (Kraton^® D1107 und Prinlin B7137X-1, einem Produkt von Pierce and Stevens im Gewichtsverhältnis 3 : 1) besprüht. Dieses einseitig gerichtete Band zusammen mit der Halar^®-Unterlage wurde in Quadrate mit 15 Inch (38,1 cm) geschnitten und 0/90 mit dem Band innen kreuzweise übereinandergelegt. Das kreuzweise übereinandergelegte Material wurde dann bei 125°C für 15 Minuten bei 30 Tonnen/Quadratfuß (1,076 × 10⁵ kg/m²) geformt. Der Halar^®-Film wurde entfernt und ein Polyethylenfilm (identisch zu dem in Beispiel 12.1 verwendeten Film) wurde auf den äußeren Oberflächen der 0/90 Bahn angeordnet, und die gesamte Anordnung wurde auf identische Weise wie beim ersten Formen geformt, außer dass die Formzeit 2 Minuten betrug. Acht 15 Inch (38,1 cm) Quadratbahnen wurden zusammengestapelt, verklemmt und gegen eine Tonunterlage getestet unter Verwendung von 0,38 Kaliber Bleikugeln (158 Körner). Der V₅₀-Wert war 824 ft/s (251,2 m/s).
12.3: Kraton^® D1107 und Prinlin Matrixbereiche mit PE-Film (Matrixbereiche wurden besprüht), 8 Bahnen, Gew.-% Faser bei 81% und ADT = 1,04 kg/m²
Diese Probe wurde so hergestellt, dass sie ähnlich zu Beispiel 12.2 war, mit der Ausnahme, dass ein Polyethylenfilm (identisch zu dem Film auf der Oberfläche der Bahnen von Beispiel 12.2) auf eine Metalltrommel (4 Fuß lang und 30 Inch im Durchmesser) gewunden wurde, und ein Latex auf seine Oberfläche gesprüht wurde (Flächendichte von Kraton^®/Prinlin-Matrix, die auf die Oberfläche gesprüht wurde, betrug 0,0019 kg/m²). Runde Bereiche von Elastomer innerhalb der Ebene des Bandes im Größenbereich von 125 bis 250 Mikron, die ungefähr 25% der Filmoberfläche bedeckten, wurden geschaffen. Der Sprühvorgang wurde mit einem Wagner Power Painter – Model 310 unter Verwendung eines 0,8 mm Ventils durchgeführt. Das Sprühen wurde an einem Ende der rotierenden Trommel begonnen und zum anderen Ende weitergeführt, wodurch einzelne runde Matrixbereiche hergestellt wurden. Spectra^® 1000 Faser wurde auf identische Weise, wie in Beispiel 12.2 beschrieben, aufgewickelt, und die Fasermatte wurde ebenfalls auf identische Weise wie in Beispiel 12.2 besprüht. Dadurch wurde ein robustes, einseitig gerichtetes Band mit Weglassen einer Trennunterlage hergestellt. Eine Serie von 0/90 Bahnen wurde mit dem Polyethylenfilm auf der Oberfläche geformt. Das Formen wurde bei 80°C, 95°C, 105°C und 130°C für 15 Minuten bei 10 Tonnen/Quadratfuß (1,076 × 10⁵ kg/m²) durchgeführt. Wenn die Formtemperatur anstieg, wurden die Bahnen papierähnlicher und weniger flächengebildeartig in ihrer Flexibilität. Die Bahn, die bei 95°C geformt wurde, wurde einige Male gebogen und auf ihre Flexibilität gemessen auf eine Weise, wie sie in Beispiel 10.10 beschrieben ist. Die Bahn wies eine Flexibilität von 0,96 und eine prozentuelle Flexibilität von 114% im Vergleich zum ballistischen Flächengebilde auf (siehe Beispiel 10.10).
Eine 0/90 Bahn wurde gegen eine Anordnung von Scheiben (0,075 Inch dick, äußerer Durchmesser 0,87 Inch und innerer Durchmesser 0,37 Inch) geformt. Vollständig verfestigte Scheibenformen waren in die Bahn gedruckt. Das zeigte, dass Verfestigungsmuster aus Bahnen dieser Erfindung erzeugt werden können. Nützliche Bereichstrukturen, die fortlaufende Linien bereitstellen, die leicht gefaltet werden können (wie z. B. gleichseitige Dreiecksanordnungen), können leicht hergestellt werden.
Acht der Bahnen, die bei 95°C geformt wurden, wurden gegen 0,38 Kaliber Bleikugeln getestet. Außerdem wurde eine Bahn in eine Punktbindungsform mit einem quadratischen Gitter mit erhabenen runden Bereichen an den Gitterschnittpunkten gegeben (die runden Bereiche waren 1,0 mm im Durchmesser und der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt war 7 mm). Die Bahn wurde in eine Presse bei ungefähr 500 psi gegeben und für 150 Sekunden bei 115°C geformt. Die runden Bereiche wurden verfestigt (ungefähr 1,6 Flächenprozent) und die restlichen Bereiche blieben unverfestigt. Die Bahn blieb flexibel.
12.4: Diese Probe wurde hergestellt, wie in Beispiel 12.3 beschrieben.
Tabelle 4 Vergleichsweise ballistische Leistung eines flexiblen Panzers gegen 0,38 Kaliber Bleikugeln
Beispiel 13
Die folgenden Strukturen wurden untersucht:
A. Einzelelement Spectra^® Shield-Material
Diese Struktur, die 0/90 Prepreg enthielt, erfordert PE-Film an der Oberseite und Unterseite, um ein Verschmelzen der Bahnen auf Grund der Klebrigkeit der Matrix (Kraton^® D1107) zu verhindern. Die Bahnen sind kohärent und weisen einen verhältnismäßig niedrigen Gewichtsprozentanteil an Fasern auf (72%). Der Sandwich-Aufbau behindert die Flexibilität, wie in Tabelle 5 gezeigt.
B. Geringfügige Modifikation des Einzelelementes für verbesserte Leistung
Die grundsätzliche Idee ist, die fortlaufende Matrixanordnung im handelsüblichen Produkt A durch Matrixbereiche zu ersetzen, um mehr Flexibilität zu erreichen. Das wurde durchgeführt, indem ein Latex von Kraton^® D1107 durch einen Farbsprüher auf einen Faserstoff auf einer rotierenden Trommel gesprüht wurde, was eine statistisch gleichmäßige Verteilung ergab. Das Verfahren war ziemlich einfach und ergab Bereiche auf der Oberfläche der Fasermatte. Harzreiche Oberflächen wurden zusammengebracht, und PE-Film wurde auf der Oberseite und auf der Unterseite angeordnet. Die Anordnung wurde geformt, um flexible Bahnen herzustellen, die gestapelt wurden, um ballistische Ziele herzustellen, was 81 Gewichtsprozent Faser ergab. Mit Bezugnahme auf Tabelle 5 ist zu beachten, dass die ballistische Effizienz (SEAT) ungefähr 1,3 mal jener des handelsüblichen Kontrollproduktes (A) entspricht, und dass Gew.-% Fasern wesentlich höher ist als beim handelsüblichen Produkt.
C. Matrix – PE-Pulver, gedacht zum Rotationsformen
Beste ballistische Ergebnisse wurden mit diesem System erreicht. Ein lineares Polyethylenpulver niedriger Dichte (T_m = 105°C) wurde als Brei auf eine Fasermatte auf einer rotierenden Trommel gepumpt. Die 0/90 Bahn, die daraus hergestellt wurde, war flexibel und wies eine geringe Oberflächenreibung auf. Vorteile der PE-Pulver waren ihre geringeren Kosten und die lösemittelfreien Herstellungsverfahren. Mit Bezugnahme auf Tabelle 5 war die ballistische Leistung (SEAT) außergewöhnlich im Vergleich zur Kontrollprobe A.
D(1)–D(2). Matrix EPDM/PE-Pulver im Gew.-Verhältnis 1 : 4
Einige Schwierigkeiten sind bei der Herstellung von parallelen Faserstoffen mit PE-Pulver aufgetreten, da das Pulver nicht an den Fasern auf der Trommel haftete und dazu neigte, abzufallen. Es ist herausgefunden worden, dass ein Brei aus PE-Pulver in einer EPDM-Lösung gut an der Fasermatte auf der rotierenden Trommel haftete. Allerdings war die ballistische Leistung nicht so gut, wie sie bei alleiniger Verwendung von PE-Pulver erreicht wird.
Tabelle 5 fasst die ballistische Wirksamkeit dieser Versuchsmaterialien zusammen, basierend auf SEAT-Werten.
Tabelle 5 Vergleichsweise ballistische Leistung von flexiblen Panzern gegen 0,38 Kaliber Bleikugeln
Beispiel 14
Eine Aramidfaser-verstärktes, flexibles Ziel wurde hergestellt, wie in Beispiel 12.3 beschrieben. Twaronfaser (ein Produkt von Akzo, 1450 Denier Garn, 1,5 Denier pro Filament, Zugfestigkeit 24,4 g/Denier, Modul 805 g/Denier) wurde an Stelle des Spectra^® 1000 Garns verwendet und auf die Trommel mit 8,3 Umdrehungen pro Inch gewickelt. Das Ziel, das sieben 0/90 Bahnen mit ADT = 0,995 kg/m² aufwies, wurde ballistisch gegen eine 0,38 Bleikugel getestet. V₅₀ war 924 ft/s (281,6 m/s) und SEAT war 408 J-Kg/m². Die Struktur stellte einen guten ballistischen Schutz bereit.
Beispiel 15
15.1: Ein Halar^®-Film (ein Produkt von Allied Signal Specialty Films, Pottsville, PA) wird um eine Trommel gewunden, die 4 ft (121,92 cm) lang und 30 Inch (76,2 cm) im Durchmesser ist. Die Trommel wird gedreht, und PBZO-Faser (1300 Denier) wurde mit 9,26 Enden pro Inch (3,65 Enden/cm) aufgewunden. Der Faserstoff wird mit einem Latex (Kraton^® D1107 und Prinlin B7137X-1, ein Produkt von Pierce and Stevens im Gewichtsverhältnis 3 : 1) besprüht. Dieses einseitig gerichtete Band, zusammen mit der Halar^®-Unterlage wird in Quadrate mit 15 Inch (38,1 cm) geschnitten und mit dem Band innen 0/90 kreuzweise übereinandergelegt. Das kreuzweise übereinandergelegte Material wird dann bei 125°C für 15 Minuten bei 10 Tonnen/Quadratfuß (1,076 × 10⁵ kg/m²) geformt. Der Halar^®-Film wird entfernt, und ein Polyethylenfilm wird auf den äußeren Oberflächen der 0/90 Bahn angeordnet, und die gesamte Anordnung wird geformt. Acht quadratische Bahnen mit 15 Inch (38,1 cm) werden übereinandergestapelt, verklemmt und gegen eine Tonunterlage unter Verwendung von 0,38 Kaliber Bleikugeln (158 Körner) getestet. Der V₅₀-Wert wird höher erwartet als bei einer ähnlichen Menge an PBZO-Faser in einem herkömmlichen Shield-artigen Produkt.
Beispiel 16
16.1: Ein Halar^®-Film (ein Produkt von AlliedSignal Specialty Films, Pottsville, PA) wird um eine Trommel gewunden, die 4 ft. (121,92 cm) lang und 30 Inch (76,2 cm) im Durchmesser ist. Die Trommel wird gedreht, und PBZT-Faser (1300 Denier) wurde mit 9,26 Enden pro Inch (3,65 Enden/cm) aufgewunden. Der Faserstoff wird mit einem Latex (Kraton^® D1107 und Prinlin B7137X-1, ein Produkt von Pierce and Stevens im Gewichtsverhältnis 3 : 1) besprüht. Dieses einseitig gerichtete Band zusammen mit der Halar^®-Unterlage wird in 15 Inch (38,1 cm) Quadrate geschnitten und mit dem Band innen 0/90 kreuzweise übereinandergelegt. Das kreuzweise übereinandergelegte Material wird dann bei 125°C für 15 Minuten bei 10 Tonnen/Quadratfuß (1,076 × 10⁵ kg/m²) geformt. Der Halar^®-Film wird entfernt, und ein Polyethylenfilm wird auf den äußeren Oberflächen der 0/90 Bahn angeordnet, und die gesamte Anordnung wird geformt. Acht quadratische Bahnen mit 15 Inch (38,1 cm) werden übereinandergestapelt, verklemmt und gegen eine Tonunterlage unter Verwendung von 0,38 Kaliber Bleikugeln (158 Körner) getestet. Der V₅₀-Wert wird höher erwartet als bei einer ähnlichen Menge an PBZT-Faser in einem herkömmlichen Shield-artigen Produkt.
Die vorhergehende Kurzdarstellung, Beschreibung, Beispiele und Zeichnungen der Erfindung sollen nicht einschränkend sein, sondern sind nur Beispiele für die erfinderischen Merkmale, die in den Ansprüchen definiert sind.

Claims

Verbundstoff (10) umfassend mehrere Filamente (16) und mehrere Matrixinseln (18), wobei jede der Matrixinseln (18) wenigstens zwei Filamente (16) verbindet, wobei die Matrixinseln (18) zusammen die mehreren Filamente (16) in einer unitären Struktur halten, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Matrixinseln (18) eine durchschnittliche Größe von weniger als etwa 5 mm aufweist.
Verbundstoff (10) nach Anspruch 1, wobei das Volumenverhältnis der Matrixinseln (18) zu den mehreren Filamenten (16) ungefähr 0,4 oder weniger ist.
Verbundstoff (10) nach Anspruch 2, wobei das Volumenverhältnis der Matrixinseln (18) zu den mehreren Filamenten (16) ungefähr 0,25 bis etwa 0,02 ist.
Verbundstoff (10) nach Anspruch 3, wobei das Volumenverhältnis der Matrixinseln (18) zu den mehreren Filamenten (16) ungefähr 0,2 bis etwa 0,05 ist.
Verbundstoff (10) nach Anspruch 1, wobei die Filamente (16) Filamente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, Polypropylen mit ultrahohem Molekulargewicht, Aramid, Polyvinylalkohol, Polyacrylnitril, Polybenzoxazol, Polybenzothiazol, Glasfaser, Keramik und Kombinationen daraus sind.
Verbundstoff (10) nach Anspruch 1, wobei die Bereichsmatrix eine robuste Struktur von Filamenten bereitstellt.
Verbundstoff (10) nach Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Größe der Matrixinseln (18) kleiner als 3 mm in einer ebenen Abmessung ist.
Verbundstoff (10) nach Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Größe der Matrixinseln (18) kleiner als 1 mm in einer ebenen Abmessung ist.
Verbundstoff (10) nach Anspruch 1, wobei der Verbundstoff (10) eine Flexibilität von etwa 0,7 oder mehr aufweist.
Verbundstoff (10) nach Anspruch 1, wobei der Verbundstoff (10) eine Flexibilität von etwa 0,85 oder mehr aufweist.