DE69611587T2

DE69611587T2 - Geformter ballistischer Gegenstand und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE69611587T2
Application number: DE69611587T
Authority: DE
Inventors: Ernst Lorenzo Van De Goot
Original assignee: DSM NV
Current assignee: DSM IP Assets BV
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2016-10-05
Also published as: IL119411A0; EP0768507A1; EP0768507B1; NL1001415C2; IL119411A; DE69611587D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines geformten, schußfesten bzw. stoßfesten bzw. ballistischen Gegenstands, enthaltend einen komprimierten bzw. zusammengedrückten Stapel von Einzelschichten, wobei jede Einzelschicht in einer Richtung ausgerichtete Verstärkungsfasern und eine Matrix, bestehend aus einem Polymer, enthält, wobei die Faserrichtung in jeder Einzelschicht in bezug auf die Faserrichtung in einer benachbarten Einzelschicht gedreht wird, die Verstärkungsfasern Aramidfasern sind und das Matrixpolymer einen Elastizitätsmodul mehr als 200 MPa aufweist. Ein derartiger geformter Gegenstand wird ein UD-Komposit bzw. zusammengesetztes Material genannt.
Die EP-A 0 658 589, welche eine Basis für den Oberbegriff von Anspruch 1 ist, offenbart Armierungsplatten, welche durch Formen eines Stapels von Fasernetzwerkschichten hergestellt sind, worin die Fasern in einer Richtung ausgerichtet bzw. in einer Linie angeordnet sind, wobei aufeinanderfolgende Schichten von derartigen, in einer Richtung ausgerichteten Fasern in bezug auf die vorhergehenden Schichten gedreht sein können, die Fasern Aramidfasern sein können und die Matrix einen Modul von mehr als 6900 MPa aufweist. Die Beispiele umfassen Fasernetzwerkschichten von hochfesten Polyethylenfasern mit 20 Gew.-% Matrixgehalt.
Ein geformter Gegenstand dieser Art ist in der US-A 4,623,574 beschrieben, in welcher die Matrix aus einem Elastomer besteht. Ein Nachteil dieser Struktur ist jener, daß die strukturelle Steifigkeit und Dimensionsstabilität dieser geformten Gegenstände für zahlreiche Anwendungen unakzeptabel niedrig sind. Die US-A 4,623,574 beschreibt auch geformte Gegenstände mit einer hohen strukturellen Steifigkeit, jedoch haben diese ein unakzeptabel niedriges Schutzniveau und eine unakzeptabel hohe Rückseitendeformation bei dem Einschlagen eines Projektils.
Aufgrund der hohen Rückseitendeformation steht ihre Anwendung für den Körperschutz außer Frage aufgrund des Risikos einer Verletzung (Traumaeffekt).
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Geschoß-resistenten bzw. schußfesten, geformten Gegenstands zur Verfügung zu stellen, welcher einerseits eine hohe strukturelle Steifigkeit und Dimensionsstabilität aufweist und andererseits ein hohes Schutzniveau und einen niedrigen Traumaeffekt bietet.
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung durch Herstellen der Einzelschicht durch Befeuchten der Aramidfasern in der Form von kontinuierlichen Mehrfadengarnen, die einen Garntiter von wenigstens 1200 Denier aufweisen, mit einer Lösung des Matrixmaterials, das eine Viskosität von weniger als 500 MPa.s aufweist, erreicht, wobei die Einzelschicht einen Fasergehalt zwischen 20 und 145 g/m² aufweist, und der Matrixgehalt höchstens 15 Gew.-% beträgt.
Ein weiterer Vorteil dieses geformten Gegenstands gemäß der Erfindung ist, daß der geformte Gegenstand seine guten, schußfesten Eigenschaften bzw. Ballistikresistenten Eigenschaften bei hohen Temperaturen (beispielsweise über 90ºC) beibehält und sich nach wiederholtem Aussetzen an hohe Temperaturen nicht delaminiert bzw. auflöst, da er dimensionsstabil ist. Aufgrund dieser Eigenschaften ist der geformte Gegenstand sehr geeignet für den Schutz von nicht-lebenden Objekten (Panzerung außerhalb des Körpers), beispielsweise als ein strukturelles Glied von Militärfahrzeugen, Helikoptern und dgl.
Der Fasergehalt des schußfesten, geformten Gegenstands gemäß der Erfindung ist vorzugsweise zwischen 20 und 120 g/m². Noch bevorzugter ist der Fasergehalt in der Einzelschicht höchstens 100 g/m² und am bevorzugtesten höchstens 75 g/m². Der Vorteil eines niedrigen Fasergehalts ist, daß in der Kombination mit der Verwendung des spezifizierten Matrixmaterials ein niedrigerer Matrixgehalt ausreichen kann, um eine ausreichende Faserbindung als ein Ergebnis zu erreichen, wodurch die Vorteile der Erfindung noch prononcierter bzw. ausgeprägter sind. Ein Fasergehalt von weniger als 20 g/m² ist unattraktiv aus dem ökonomischen Gesichtspunkt. Im Hinblick auf den Erhalt von noch besseren antiballistischen Eigenschaften ist der Matrixgehalt des schußfesten, geformten Gegenstands vorzugsweise so niedrig wie möglich gewählt. Der Matrixgehalt des geformten, Ballistikresistenten Gegenstands bzw. schußfesten Gegenstands gemäß der Erfindung ist vorzugsweise höchsten 15 Gew.-% und noch bevorzugter höchstens 10 Gew.-%. Die Matrix in dem geformten Gegenstand besteht aus einem Polymer mit einem Elastizitätsmodul von mehr als 200 MPa. Der Elastizitätsmodul des Matrixmaterials ist gemäß ASTM D638 bestimmt. Es wurde gefunden, daß sehr gute Resultate erhalten werden, wenn das Matrixpolymer in dem schußfesten, geformten Gegenstand einen Vinylester enthält.
Die Einzelschicht kann durch bekannte Verfahren, wie sie beispielsweise in der US-A 4,623,574 beschrieben sind, hergestellt werden. Vorzugsweise indem eine Anzahl von Fasern, vorzugsweise in der Form von kontinuierlichen Mehrfädengarnen, von einem Faserspulenrahmen über eine Spindel gezogen wird, wobei sie in einer Ebene parallel ausgerichtet werden. Vorzugsweise werden, bevor oder nachdem sie in einer Ebene parallel ausgerichtet sind, die Fasern mit einer Menge einer flüssigen Substanz beschichtet, welche das Matrixmateriai oder einen Vorläufer desselben enthält, welcher in einem späteren Stadium der Herstellung des geformten Gegenstands reagiert, um das polymere Matrixmaterial mit dem erforderlichen Elastizitätsmodul auszubilden. Vorläufer ist hier als ein Monomer, ein Oligomer oder ein quervernetzbares Polymer zu verstehen. Die flüssige Substanz kann eine Lösung, eine Dispersion oder eine Schmelze sein.
Der geformte Gegenstand wird durch Stapeln einer Anzahl von Einzelschichten kreuzweise in einer bekannten Art, vorzugsweise unter einem Winkel von 90º, und Formen des Stapels in eine konsolidierte Struktur mittels einer Temperatur- und/ oder Druckerhöhung hergestellt. Der geformte Gegenstand wird vorzugsweise durch Komprimieren von Einzelschichten aufeinander bei einem Kompressionsdruck von wenigstens 1 MPa, vorzugsweise wenigstens 2,5 und insbesondere bevorzugt wenigstens 5 MPa, bei einer Temperatur von mehr als 100ºC und nachfolgendes Abkühlen ohne Druck hergestellt. Der große Vorteil dieses Verfahrens ist ein bedeutend kürzerer Zeitzyklus, der zu einer wesentlichen Reduktion der Produktionskosten führt.
In dem Verfahren zur Herstellung eines geformten Gegenstands wird die Einzelschicht durch Benetzen von kontinuierlichen Mehrfadengarnen mit einer Lösung des Matrixmaterials hergestellt. Die Viskosität der Lösung ist niedriger als 500 MPa.s. Der Vorteil davon ist, daß es ermöglicht, den erforderlichen, niedrigen Matrixprozentsatz in dem geformten Gegenstand gemäß der Erfindung leichter zu erhalten, während eine gute Faserbindung, welche im Hinblick auf das Ziel der Erfindung erforderlich ist, aufrecht erhalten wird. Bei Verwendung einer Lösung wird eine gute Benetzung der Fäden in den Garnen aufgrund der niedrigen Viskosität trotz der geringen Gesamtmenge des angewandten bzw. aufgebrachten Matrixmaterials erreicht. Die Viskosität der Lösung des Matrixmaterials wird mit Hilfe eines Brookfield-Viskosimeters gemäß ASTM D2393-68 gemessen. Zusätzlich ist im Hinblick auf das Erreichen des erforderlichen, niedrigen Matrixprozentsatzes der Garntiter mindestens 1200 und insbesondere bevorzugt mindestens 1500 Denier.
Der schußfeste, geformte Gegenstand gemäß der Erfindung, der gemäß dem oben beschriebenen Verfahren erhältlich ist, hat vorzugsweise eine SEA von mindestens 25 Jm²/kg, bevorzugter mindestens 28 und noch bevorzugter mindestens 30 und am meisten bevorzugt mindestens 32 Jm²/kg. Eine Rückseitendeformation ist vorzugsweise höchstens 20 mm, noch bevorzugter höchstens 15 mm. SEA und Rückseitendeformation sind in dem Beispiel definiert.

Beispiel:

Es wurde eine Einzelschicht unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung, die in der WO 95/00318 beschrieben sind, hergestellt. Als Verstärkungsfasern wurden Twaron 2000® Garne mit einem Titer von 1680 dtex verwendet. Die Garne wurden parallel in einer Ebene mit einem Garngewicht von 50,4 g/m² orientiert. Als Matrixmaterial wurde ein Vinylesterpolymer basierend auf Adlac 580/05®, gemischt mit Dispercol KA 8584® in Kombination mit Trigonox C® als Härtungsmittel verwendet. Der Elastizitätsmodul des Matrixmaterials betrug 3800 MPa. Das Matrixmaterial wurde in Styrol gelöst. Die Viskosität der Lösung betrug 200 mPas. Die Lösung wurde durch Durchleiten der Fasern durch die Lösung aufgebracht. Die Menge des Matrixmaterials (nach Trocknen) war 9 Gew.- %. Ein flacher, geformter Gegenstand (30 · 30 cm) wurde durch Komprimieren von 160 Einzelschichten mit 55,5 g/m² bei 120ºC für 20 min bei einem Druck von 10 bar, wonach der geformte Gegenstand ohne Druck abgekühlt wurde, hergestellt.
Die spezifische Energieabsorption (SEA) wurde gemäß dem STANAG 2920 Test bestimmt, in welchem 22 Kaliber FSPs (Fragment-simulierendes Projektil), nachfolgend als Fragmente bezeichnet, mit einem Gewicht von 1,1 g (gemäß US MIL-P-46593) auf die ballistische Struktur in einer definierten Weise gefeuert wurde. Die Energieabsorption (EA) wird aus der kinetischen Energie eines Fragments mit der V&sub5;&sub0;-Geschwindigkeit berechnet. Die V&sub5;&sub0; ist die Geschwindigkeit, bei welcher die Wahrscheinlichkeit, daß Kugeln die ballistische Struktur durchdringen, 50% ist. Die spezifische Energieabsorption (SEA) wird durch Dividieren der Energieabsorption EA durch die Flächendichte AD des geformten Gegenstands berechnet. Der Traumaeffekt wird durch Placieren des schußfesten, geformten Gegenstands an einem Tonhintergrund und Messen der Tiefe der Rückseitendeformation bei einem Einschlag gemessen. Die V&sub5;&sub0; betrug 707 m/s, die SEA war 31 Jm²/kg, die Rückseitendeformation war 15 mm. Die Steifigkeit war hoch, was bedeutet, daß der geformte Gegenstand sich für eine Verwendung in strukturellen Formungen als geeignet erweist.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines geformten, schußfesten bzw. Ballistikresistenten Gegenstands, enthaltend einen komprimierten Stapel aus Einzelschichten, wobei jede Einzelschicht in einer Richtung orientierte Verstärkungsfasern und eine Matrix, bestehend aus einem Polymer, umfaßt, wobei die Faserrichtung in jeder Einzelschicht in bezug auf die Faserrichtung einer benachbarten Einzelschicht gedreht wird, die Verstärkungsfasern Aramidfasern sind, das Matrixpolymer einen Elastizitätsmodul von mehr als 200 MPa aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelschicht durch Befeuchten der Aramidfasern in der Form von kontinuierlichen Multifilament- bzw. Mehrfadengarnen bzw. -faden bzw. zwirn mit einem Garntiter bzw. -feinheitsgrad von wenigstens 1200 Denier mit einer Lösung des Matrixmaterials, das eine Viskosität von weniger als 500 mPas aufweist, hergestellt wird und daß die Einzelschicht einen Fasergehalt zwischen 20 und 145 g/m² aufweist und daß der Matrixgehalt höchstens 15 Gew.-% beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geformte Gegenstand durch Komprimieren von Einzelschichten aufeinander mit einem Kompressionsdruck von wenigstens 1 MPa bei einer Temperatur von mehr als 100ºC und nachfolgendes Abkühlen ohne Druck hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fasergehalt der Einzelschicht zwischen 20 und 120 g/m beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixgehalt höchstens 10 Gew.-% beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial ein Vinylesterpolymer enthält.