DE68902350T2

DE68902350T2 - Schusssichere struktur.

Info

Publication number: DE68902350T2
Application number: DE8989201136T
Authority: DE
Inventors: Peter Bruinink; Wilhelmus Alphonsus Ra Pessers
Original assignee: DSM NV
Current assignee: Koninklijke DSM NV
Priority date: 1988-05-06
Filing date: 1989-05-03
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2009-05-04
Also published as: US5035952A; ATE79174T1; ES2035525T3; EP0340877B1; NL8801195A; DE68902350D1; EP0340877A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine flache oder gebogene ballistische Struktur, welche eine feste Kombination aus einer ersten Schicht, welche aus einem Metall besteht, einer zweiten Schicht, welche aus einem Verbundmaterial aus Fasermaterial und einem Bindemittel, das aus einem Kunstharz besteht, und aus einer aus einem Polymermaterial bestehenden Bindeschicht zwischen der ersten und zweiten Schicht enthält.
Im speziellen dienen die erfindungsgemäßen Strukturen dazu, den menschlichen Körper zu schützen, insbesondere in Form eines Helmes, um den Kopf gegen Projektile, wie Kugeln, Granatsplitter und dergl. zu schützen. Als zweite Schicht dabei jene Schicht angesehen, welche bei normaler Verwendung dem zu schützenden Körper zugewandt ist.
Eine solche Struktur ist aus der EP-A-0 188 747 bekannt. Durch Verwendung zweier Schichten, einer aus Metall und einer aus einem Verbundmaterial aus Fasern und Kunststoff, wird eine Struktur erhalten, welche verhältnismäßig leicht ist, einen hohen ballistischen Widerstand und einen niedrigen Gestehungspreis hat. Nach der EP-A-0 188 747 ist die benützte Faser im speziellen ballistisches Aramid, z. B. Kevlar (Handelsbezeichnung für eine aromatische Polyamidfaser der Du Pont de Nemours, E.I. Co. USA). Ein Nachteil der Verwendung von Aramidfasern liegt darin, daß die zweite Schicht, welche damit geformt ist, Umweltbedingungen gegenüber empfindlich ist. Im speziellen ist sie gegenüber Wasser sehr empfindlich. Wenn die zweite Schicht, welche Aramidfasern enthält, mit Wasserdampf in Berührung kommt, können Brüche, Abblätterungen oder weiche Flecke entstehen, welche einen sehr nachteiligen Effekt auf die ballistischen Eigenschaften der zweiten Schicht haben. Überdies wurde gefunden, daß, wenn ein schützender Teil, der aus Metall und einem Verbundmaterial besteht, welches Aramidfasern enthält, getroffen wird, sich die zweite Schicht leicht ausbeult, selbst wenn kein vollständiges Eindringen des Projektils erfolgt. Ziel der Erfindung ist es, eine ballistische Struktur zu erhalten, welches einen hohen ballistischen Widerstand und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Ausbeulen aufweist.
Diesem Ziel wird nach der Erfindung dadurch entsprochen, daß als Fasermaterial ein Material gewählt wird, welches Polyäthylenfasern mit einer Zugfestigkeit von mindestens 2 GPa und einem Modul von mindestens 20 GPa und mit einer massegemittelten Molekülmasse von mindestens 4 · 10&sup5; enthält, wobei das Bindemittel aus einem thermoplastischen Polymer und die Bindeschicht aus einem modifizierten Polyolefin besteht.
Im besonderen können bei der vorliegenden Erfindung Fasern verwendet werden, welche durch Umwandlung, durch thermoreversibles Gelieren, einer Lösung eines Polyäthylens mit einer massegemittelten Molekülmasse von mindestens 6 · 10&sup5; in ein homogenes Polyäthylengel mit praktisch der gleichen Zusammensetzung wie die Ausgangslösung und recken dieses Gels mit einem Reckverhältnis von mindestens 10, im besonderen von mindestens 30, erhalten worden sind.
Die Bildung solcher Fasern wurde z. B. in US-A-4 344 908, US- A-4 422 993, US-A-4 430 383, US-A-4 411 854 und US-A-4 436 689 beschrieben.
Die Verwendung von Polyäthylenfasern in ballistischen Strukturen ist aus EP-A-89 537 bekannt.
Die Form in der die Fasern im Verbundmaterial vorgesehen werden ist nicht wesentlich. Die Fasern können in Form von Monofilen oder in Form von Garnen, die aus mehreren Monofilen bestehen oder aus Stapelfasern zusammengesetzt sind, vorliegen. Die Garne können für sich, "non woven" verwendet werden oder in Form gestrickter oder gewebter Garne, all dies in Verfahren, welche für die Herstellung von Verbundmaterialien bekannt sind. Vorzugsweise wird ein Stoff aus einem multifilen Garn verwendet. Es sind verschiedene bekannte Bindungsarten geeignet, z. B. Leinwandbindungen, Matten (Panama)-Bindungen, Köperbindungen oder Atlasbindungen.
Vorzugsweise werden Polyolefine, im speziellen Polyäthylene, als Bindemittel im Verbundmaterial der zweiten Schicht verwendet. Sehr geeignet ist ein lineares Polyäthylen niedriger Dichte (LLDPE), mit einem nach 150 1130 (A/4) bestimmten Schmelzflußindex von mindestens 5 dg/min und einer nach ISO 306A bestimmten Vicat-Erweichungstemperatur von weniger als 135ºC. Die Menge an Bindemittel im Verbundmaterial beträgt 5 bis 50 Gew.%, vorzugsweise 15 bis 25 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundmaterials.
Die erste Schicht besteht aus einem Metall oder einer Metallegierung, welche an sich allgemein als ballistisches Material bekannt ist, wie Stahl, Aluminium, Titan. Vorzugsweise wird Stahl für die erste Schicht verwendet. Um die Haftung zwischen dem Metall und dem Verbundmaterial zu verbessern wird die Oberfläche des Metalls vorzugsweise aufgerauht, z. B. durch Scheuern oder Sandstrahlen.
Vorzugsweise enthält die Verbindungsschicht ein Copolymer aus Äthylen und einem α-Olefin oder einem äthylenisch ungesättigten Ester, z. B. Vinylacetat, und ein Pfropfpolymer aus Polyäthylen und mindestens einem Anhydrid einer ungesättigten Karbonsäure mit kondensiertem Ring.
Die Struktur kann aus den vorerwähnten Komponenten auf bekannte Weise zusammengesetzt werden. Z.B. kann ein Paket von Schichten eines mit unter Wärmeeinfluß härtenden Kunststoffkomponenten imprägnierten gepreßten Stoffes auf eine Metallschicht formend aufgepreßt werden, welche mittlerweile erhitzt worden ist. Dieses Verfahren ist für einen Helm in der EP-A-0224015 dargelegt. Ein anderes Verfahren zum Zusammensetzen der Struktur besteht z. B. darin, ein Laminat aus Stofflagen, welche mit thermoplastischen Filmen abwechseln, zu formen. Dieses Laminat kann dann unter Erwärmen auf eine erwärmte Metallschicht formend aufgepreßt werden. Bei diesem Verfahren kann die Verbindungsschicht zwischen dem Komponentenmaterial und dem Metall leicht aufgebracht werden, in dem man einen Film aus geeignetem Material vor dem formgebenden Pressen zwischen dem Verbundmaterial und dem Metall plaziert. Nach dem formgebenden Pressen auf die vorerwähnte Weise wird die Zusammensetzung abkühlen gelassen, wonach eine Struktur erhalten ist, in der die zweite Schicht und die metallische erste Schicht einen festgefügten Aufbau bilden.
Die Erfindung wird nun unter Zuhilfenahme der folgenden Beispiele erläutert.
Verwendete Testmethoden:
Als Maß für den ballistischen Widerstand wurde der V50 Wert für Projektile der Kaliber .22 und 9 mm Parabellum benützt, der nach den Verfahren MIL-STD-662B/1971 und MIL-P-46593 (ORD)/1962 der amerikanischen Armee bestimmt wurde.

Beispiel I

Es wurden ballistische Helme A und B durch Formpressen der folgenden Materialien bei einer Temperatur von 125ºC hergestellt:
- Erste Schicht: Stahlblech mit einer mittleren Dicke von 1 mm, Typ Duressa (Warenzeichen), geliefert von Ulbricht GmbH.
- Zweite Schicht: Verbundmaterial aus 12 Schichten von geschnittenem Stoff mit Atlasbindung mit einer Dichte von 0,150 kg/m² aus Dyneema (Warenzeichen) Polyäthylenfasern abwechselnd mit 12 Schichten eines Polyäthylenfilms mit einer mittleren Dicke von 50 um, Typ Stamylex (Warenzeichen) 4408, geliefert von DSM.
- Verbindungsschicht (mittlere Dichte 50 um in jedem Helm):
Helm A: Plexar (Warenzeichen) 169 geliefert von DSM
Helm B: Plexar (Warenzeichen) 326 geliefert von DSM.
Die erhaltenen Helme hatten ein Flächengewicht von 10,9 kg/m² ( hievon 7,5 kg/m² für die erste Schicht und 3,4 kg/m² für die zweite Schicht und die Verbindungsschicht).
Das Verbundmaterial im Helm ist gegenüber Umwelteinflüssen besonders widerstandsfähig und im speziellen sehr unempfindlich gegenüber Wasser.
Die V50 Werte werden nach den vorerwähnten Untersuchungsmethoden mit Kaliber .22 und 9 mm Parabellum Projektilen bestimmt. Der "stumpf Trauma" Effekt wird bestimmt und durch das Ausbeulen der zweiten Schicht gekennzeichnet. Das Ausbeulen wird gemessen, wenn ein Kaliber .22 den Helm mit dem V50 Wert getroffen hat. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angeführt. Tabelle 1 Helm V50, Kaliber .22 [m·s&supmin;¹] Parabellum Ausbeulung
Beide Helme A und B, die unter Verwendung von Plexar (Warenzeichen) 169 und Plexar (Warenzeichen) 326, hergestellt waren, welche modifizierte Polyolefine enthalten, geben die besten Ergebnisse.
Vergleichsbeispiel A Es wurden Helme C, D und E hergestellt, welche die gleiche Zusammensetzung der ersten und der zweiten Schicht hatten, und wie in Beispiel 1 angeführt untersucht.
Die Verbindungsschicht (mittlere Dichte 50 um in jedem Helm) war wie folgt:
Helm C: keine Verbindungsschicht
Helm D: Epoxy-Kleber, DER (Warenzeichen) XZ 87740, geliefert von DOW Chemical
Helm E: PUR-Kleber, Resicoat (Warenzeichen) RD 3184, geliefert von Resina Chemie. Tabelle 2 Helm V50, Kaliber .22 [m·s&supmin;¹] Parabellum Ausbeulung

Vergleichsbeispiel B

Es wurden ballistische Helme F, G und H durch Formpressen der folgenden Materialien bei einer Temperatur von 135ºC hergestellt:
- Erste Schicht: Stahlblech mit einer mittleren Dicke von 1 mm wie in Beispiel 1.
- Zweite Schicht: Verbundmaterial zusammengesetzt aus 12 Schichten von geschnittenem Atlasbindungsstoff wie in Beispiel 1, imprägniert mit Epoxyharz.
- Verbindungsschicht (mittlere Dicke 50 um in jedem Helm):
Helm F: Plexar R 169
Helm G: Epoxy-Kleber, wie in Beispiel 1
Helm H: PUR-Kleber, wie in Beispiel 1.
Die erhaltenen Helme hatten eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Einfluß von Wasser (Dampf) und hatten ein Flächengewicht von 11,6 kg/m² (hievon 7,5 kg/m² der ersten Schicht und 4,2 kg/m² der zweiten Schicht).
Die V50 und Ausbeulwerte wurden wie in Beispiel 1 bestimmt und sind in Tabelle 3 angeführt. Tabelle 3 Helm V50, Kaliber .22 [m·s&supmin;¹] Parabellum Ausbeulung
Es liegt ein großer "stumpf-Trauma" Effekt vor, wenn ein Epoxyharz als Bindemittel verwendet wird.

Beispiel II

Es wurde durch Formpressen der folgenden Materialien bei einer Temperatur von 125ºC eine ballistische Struktur hergestellt.
- Erste Schicht: flaches Stahlblech mit einer mittleren Dicke von 12, 5 mm, Typ Mars (Warenzeichen) 240, geliefert von Creusot-Loire Industrie.
- Zweite Schicht: Verbundmaterial aus 39 Schichten von geschnittenem Stoff mit Atlasbindung wie in Beispiel 1 abwechselnd mit 39 Schichten Polyäthylenfilm, wie in Beispiel 1.
- Verbindungsschicht: Plexar (Warenzeichen) 326 Film mit einer mittleren Dicke von 50 um.
Die ballistische Struktur wurde mit einem Kaliber 7,62 AP nach NIJ 0108.01 Standard mit einer Geschwindigkeit von 800 m/s getroffen. Es ergab sich kaum irgendeine Ausbeulwirkung.

Claims

1. Ballistische Struktur, welche eine feste Kombination aus einer ersten Schicht, welche aus einem Metall besteht, einer zweiten Schicht, welche aus einem Verbundmaterial aus Fasermaterial und einem Bindemittel, das seinerseits aus einem Kunstharz besteht, und aus einer Verbindungsschicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht, welche aus einem Polymermaterial besteht, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial Polyäthylenfasern mit einer Zugfestigkeit von mindestens 2 GPa und einem Modul von mindestens 20 GPa und einer massegemittelten Molekülmasse von mindestens 4 · 10&sup5; enthält, daß das Bindemittel aus einem thermoplastischen Polymer besteht und daß die Verbindungsschicht aus einem modifizierten Polyolefin besteht.

2. Ballistische Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel aus einem Polyolefin besteht.

3. Ballistische Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyolefin ein lineares Polyäthylen niedriger Dichte mit einem gemäß 150 1139 (A/4) bestimmten Schmelzflußindex von mindestens 5 dg/min und einer nach 150 306 bestimmten Vicat-Erweichungstemperatur von weniger als 135ºC ist.

4. Ballistische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindeschicht ein Pfropfcopolymer aus Polyäthylen und mindestens einem Anhydrid einer ungesättigten Karbonsäure mit kondensiertem Ring und ein Copolymer von Äthylen und einem äthylenisch ungesättigten Ester oder einem α-Olefin enthält.

5. Ballistische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht aus Stahl besteht.

6. Helm, der aus einer ballistischen Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5 geformt ist.