EA000934B1 - Баллистическая структура - Google Patents

Description

Предпосылки создания изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Это изобретение относится к баллистической структуре, которая обеспечивает улучшенную баллистическую защиту благодаря использованию конкретно заданной параарамидной нити, обладающей сочетанием высокой прочности на разрыв и умеренной линейной плотности.

Предшествующий уровень техники

В патенте Соединенных Штатов № 4 965 033, выданном 23 октября 1990 г., описан способ формования волокон ароматического полиамида с использованием большого массового расхода коагулирующей жидкости, нагнетаемой струёй.

В патентах Соединенных Штатов № 3 767 756, выданном 23 октября 1973 г. и № 5 173 236, выданном 22 декабря 1992 г. описаны формование волокон ароматического полиамида с использованием многоканальных мундштуков, имеющих капилляры от 0,025 до 0,25 мм (от 1 до 10 мил) и менее 0,064 мм (2,5 мил), соответственно, и сушка таких волокон при натяжениях порядка 0,3 граммов на денье (г/д).

В патенте Соединенных Штатов № 4 726 922, выданном 23 февраля 1988 г. описаны формование волокон ароматического полиамида и их сушка при натяжении 3-7 г/д.

В первоисточнике Melliand Textilberichte, Structure and Action of Bullet-Resistant Protective Vests, vol. 463-8 (1981) указано, что полотна из тонких арамидных нитей, например 220 или 440 дтекс, обеспечивают лучшую баллистическую защиту, чем полотна, изготовленные из более грубых нитей.

Краткое изложение сущности изобретения

Разработано баллистическое защитное полотно, содержащее нить, имеющую прочность на разрыв по меньшей мере 28 г/д с линейной плотностью от 300 до 750 денье, которое, при испытаниях с оценкой по V₅₀ в соответствии с MIL-STD-662e с использованием девятимиллиметровых пистолетных пуль с полностью металлической оболочкой, весящих 1 24 грана (8,035 г), в слоях для получения поверхностной плотности 3,3 кг/м² (0,7 фунта на квадратный фут) проявляет V50 свыше 442 м/с (1450 футов в секунду).

Полотно изготавливают с использованием нити из поли(р-фенилентерефталата), имеющей прочность на разрыв, по меньшей мере, 28 г/д (25 сН/дтекс), изготовленной способом, заключающимся в том, что: (а) осуществляют экструзию элементарных нитей из кислотного раствора, содержащего, по меньшей мере, 30 г поли(рфенилентерефталамида), имеющего характеристическую вязкость, по меньшей мере, 4, на 1 00 мл кислоты, из многоканального мундштука и через слой инертной некоагулирующей текучей среды в коагуляционную ванну, а затем - через формующую трубку вместе с перетекающей коагулирующей жидкостью; (б) обеспечивают нагнетание струи дополнительной коагулирующей жидкости симметрично вокруг элементарных нитей в направлении вниз по течению, образующем угол 0 - 85° относительно элементарных нитей, в течение примерно 2,0 мс с момента, когда элементарные нити попадают в формующую трубку, (i) поддерживают отношение массового расхода совокупной перетекающей и нагнетаемой струёй коагулирующей жидкости к массовому расходу элементарных нитей превышающим примерно 250, (ii) поддерживают отношение количеств движения нагнетаемой струёй и перетекающей коагулирующих жидкостей превышающим примерно 6,0, (iii) поддерживают среднюю линейную скорость совокупной перетекающей и нагнетаемой струёй коагулирующей жидкости в формующей трубке меньше, чем скорость элементарных нитей, выходящих из формующей трубки, и (iv) поддерживают постоянными расходы как нагнетаемой струёй, так и перетекающей коагулирующих жидкостей; и (в) сушат элементарные нити, при этом многоканальный мундштук имеет капилляры с диаметрами не более 0,051 мм (2 мил), а сушку нитей осуществляют при натяжении по меньшей мере 3,0 г/д.

Краткое описание чертежа

Фигура дает трехмерное графическое представление данных баллистической рабочей характеристики на основе приведенных здесь примеров.

Подробное описание изобретения

Защитные предметы одежды и другие баллистические материалы долгое время изготавливали с использованием р-арамидных волокон. p-арамидные волокна исключительно прочны ввиду их массы и обеспечивают хорошую баллистическую защиту с относительно высокой степенью удобства.

В разработку нитей и полотен с улучшенной баллистической рабочей характеристикой вложено много сил, поскольку даже небольшие улучшения сохраняют жизни пользователей защитных предметов одежды. Каждое улучшение дается с трудом и очень важно. В настоящем изобретении представлено улучшение баллистической рабочей характеристики, измеряемое с помощью V₅₀.

Обнаружено, что улучшенную баллистическую рабочую характеристику можно получить, используя арамидные нити, обладающие сочетанием особо высокой прочности на разрыв и линейной плотностью в некотором конкретном диапазоне.

Физическими параметрами, которые считались важными для баллистической рабочей характеристики в случае арамидных нитей, являются прочность на разрыв, модуль и удлинение до разрыва. Хотя эти параметры попрежнему считаются важными, было обнаружено, что нити особо высокой прочности на раз3 рыв - свыше 28 г/д, используемые в диапазоне линейной плотности примерно 300-750, предпочтительно - 400-600 денье, будут обеспечивать удивительное улучшение баллистической рабочей характеристики.

Обнаружено, что рабочая характеристика баллистических полотен находится в точке оптимума в диапазоне денье нити примерно 300750 и является наивысшей в диапазоне денье 400-600. По причинам, которые не вполне ясны, считается, что баллистические полотна, имеющие нити с параметрами менее 300 денье и более 750 денье, проявляют баллистическую рабочую характеристику, которая ниже, чем рабочая характеристика полотен, изготовленных из нитей, попадающих в этот диапазон.

Как правило, считают, что баллистическая характеристика улучшается за счет использования нитей, проявляющих повышенную прочность на разрыв, и было обнаружено, что баллистические полотна, изготовленные из нитей с прочностью на разрыв 28-32 или даже 33 г/д, дают высокую баллистическую характеристику в соответствии с этим изобретением.

Нити, соответствующие этому изобретению, можно изготавливать из отдельных элементарных нитей, которые имеют относительно широкий диапазон денье на элементарную нить - от менее одного до более двух. Обнаружено, что нити с элементарными нитями, имеющими денье 1,5 или менее, мягче и удобнее при использовании в защитных предметах одежды.

Баллистические полотна, соответствующие этому изобретению, изготавливают с использованием нитей, которые ткут или вплетают в полотна, а из этих полотен формуют предметы одежды или другие структуры для баллистической защиты. Вид полотна - тканое или нетканое, и, в случае тканого полотна, какая бы то ни было ткань, обычно используемая в баллистических приложениях, не важны при реализации преимущества этого изобретения. То есть, для любого полотна баллистическая рабочая характеристика, полученная с использованием нити, соответствующей этому изобретению, будет лучше, чем полученная с использованием аналогичной нити, имеющей более низкую прочность на разрыв или линейную плотность вне заданного диапазона.

Нательную броню, в которой используются защитные полотна, обычно изготавливают с несколькими слоями, переплетенными или сшитыми друг с другом для получения слоистой структуры. Слоистая структура может включать в себя дополнительные слои других материалов, например, декоративных или влагостойких покрывающих полотен или других ударопоглощающих материалов. Форма слоистой структуры и тот факт, включает ли она в себя дополнительные слои других материалов, не важны для реализации улучшенной баллистической характеристики, соответствующей этому изобретению.

Нити, соответствующие настоящему изобретению, имеют прочность на разрыв, по меньшей мере, 28 г/д. Вообще говоря, эти нити можно изготавливать в соответствии со способом, описанным в патентах Соединенных Штатов № 3 767 756 и 4 965 033, с использованием поли(р-фенилентерефталамида) (ППФТА), имеющего характеристическую вязкость, по меньшей мере, 4,0, растворенного в серной кислоте, имеющей концентрацию, по меньшей мере, 98%. Раствор ППФТА экструдируют из многоканального мундштука через воздушный зазор в коагуляционную ванну. Многоканальный мундштук имеет капилляры с диаметром 0,051 мм (2,0 мил) или менее. Обнаружено, что капилляры диаметром более 0,051 мм (2,0 мил) дают элементарные нити волокон, которые считаются имеющими ухудшенную молекулярную ориентацию, что проявляется в сниженной прочности, и поэтому не так прочны, как изготовленные с использованием капилляров меньшего диаметра. На практике трудно использовать капилляры менее примерно 0,025 мм (1 мил), и они не дают волокна нитей приемлемого качества.

Волокна, только что сформованные и прошедшие через коагуляционную ванну, промывают и сушат для завершения изготовления. Волокна следует тщательно промывать для удаления всех следов кислоты и исключения ухудшения качества волокон, связанного с кислотой. Для промывки волокон можно использовать одну воду или сочетания воды и щелочных растворов. Удобным способом промывки является обрызгивание линии нитей, когда она покидает коагулирующую ванну по роликам, водными щелочными растворами (например, насыщенным ЫаНСОз или 0,0 5-нормальным NaOH) для уменьшения содержания кислоты до уровня примерно 0,01% (в сухих волокнах).

Волокна можно с удобством сушить на нагреваемых роликах (например, при температуре 160°С). Предпочтительным способом промывки для этого изобретения является промывка волокон разбрызгиваемой жидкостью и непрерывное пропускание их к роликам сушильной установки, поддерживаемым при температуре примерно 150°С. Предпочтительно подавать волокна с промывки непосредственно на сушку, не подвергая волокна обезвоживанию какими-либо способами.

Один важный элемент способа, соответствующего этому изобретению, подразумевает сушку волокон при высоком натяжении примерно 3,0-7,0 г/д. Натяжения при сушке менее примерно 3,0 г/д приводят к получению волокон, которые имеют ухудшенную молекулярную ориентацию, результатом чего является сниженная прочность, а натяжения при сушке свыше 7,0 г/д вызывают избыточный разрыв линии нитей и связанные с этим технологические трудности. Конкретно предпочтительными являются натяжения при сушке примерно 3,56,0 г/д.

Методы испытаний

Баллистический предел

Баллистические испытания композиционных образцов проводят для определения баллистического предела (V₅₀) в соответствии с MILSTD-662e, за исключением выбора пуль, следующим образом. Многослойный образец, подлежащий испытанию, помещают на опору для образцов, чтобы поддерживать многослойный образец натянутым и перпендикулярным траектории испытательных пуль. Пули представляют собой девятимиллиметровые пистолетные пули с полностью металлической оболочкой, весящие 124 грана (8,035 г) и выпускаемые из испытательного барабана, выполненного с возможностью выстрелов пулями с различными скоростями. Первый выстрел для каждого многослойного образца делают при скорости пули, которая оценивается как соответствующая вероятному баллистическому пределу (V50). Когда первый выстрел дает полное пронизывание многослойного образца, следующий выстрел делают при скорости пули примерно на 50 футов в секунду (15,24 м/с) меньше, чтобы получить частичное пронизывание многослойного образца. С другой стороны, когда первый выстрел не дает полное пронизывание многослойного образца, следующий выстрел выполняют при скорости пули примерно на 50 футов в секунду (1 5,24 м/с) больше, чтобы получить полное пронизывание многослойного образца. После получения одного частичного и одного полного пронизывания используют последовательные увеличения или уменьшения скорости примерно на 50 футов в секунду (1 5,24 м/с) до тех пор, пока не будет сделано достаточно выстрелов для определения баллистического предела (V50) для этого многослойного образца.

Баллистический предел (V50) вычисляют путем нахождения среднего арифметического одинакового числа из пяти наибольших скоростей при ударе с частичным пронизыванием и пяти наименьших скоростей при ударе с полным пронизыванием, при условии, что разница между наибольшими и наименьшими отдельными скоростями при ударе составляет не более 1 25 футов в секунду (38,1 м/с).

Свойства при растяжении

Прочностью на разрыв называется напряжение при разрыве, деленное на линейную плотность. Модулем называется наклон исходной кривой напряжение/деформация, преобразованный в те же единицы, что и прочность на разрыв. Удлинение - это процентное увеличение длины при разрыве. И прочность на разрыв, и модуль сначала вычисляют в единицах г/денье, что после умножения на 0,8826 дает единицы дН/текс. Каждое измерение, о котором говорится, является средним по 1 0 разрывам.

Денье - это масса в граммах, 9000 метров, дтекс - это масса в граммах, 1 0000 метров нити или элементарной нити.

Свойства при растяжении для нитей измеряют при 24°С и относительной влажности 55% после выдержки в условиях испытаний минимум в течение 1 4 ч. Перед испытаниями каждую нить скручивают до достижения коэффициента крутки 1,1 (например, нить с номинальным параметром 1 500 денье скручивают примерно до 0,8 оборота на сантиметр). Каждый скрученный образец имеет испытываемую длину 25,4 см и удлиняется на 50% в минуту (исходя из начальной длины в нерастянутом состоянии) с помощью типового устройства регистрации напряжения/деформации.

Коэффициент крутки (КК) нити определяется как (об/дюйм) (Денье)¹⁷² (об/см) (дтекс)¹⁷²

КК = - = 73 30,3 где об/дюйм = обороты на дюйм, а об/см = обороты на сантиметр.

Свойства при растяжении для нитей отличаются от свойств при растяжении отдельных элементарных нитей и ниже их, и такие значения для нитей нельзя успешно и точно оценить, исходя из значений для элементарных нитей.

Примеры

В следующих примерах поли(парафенилентерефталамид) (ППФТА), имеющий характеристическую вязкость примерно 6,3 дл/г до растворения и примерно 5,5 дл/г в форме волокон, подавали в устройство, проиллюстрированное в патенте США № 4 340 559, с помощью лотка G. Диаметр формующей трубки составлял 0,76 см (0,3 дюйма), и применялись струи диаметром 0,21 и 0,42 мм (8 и 16 мил) с углом 30° между потоком, нагнетаемым струёй, и линией нитей. Раствором, применяемым при изготовлении формующей добавки, была примерно 100,1%-ная серная кислота, а концентрация полимера в формующей добавке составляла примерно 19,4 мащ%.

Как показано в таблице I, применяли многоканальные мундштуки с капиллярами 0,051 и 0,064 мм (2,0 и 2,5 мил). Количество капилляров применяемых многоканальных мундштуков включало 133, 266, 400, 500, 560 и 666 капилляров. Воздушный зазор, т.е. расстояние перемещения элементарных нитей от выходной поверхности многоканального мундштука до первого контакта с коагулирующей жидкостью, составлял примерно 0,635 см (0,25 дюйма). Коагулирующую жидкость поддерживали при температуре примерно 3°С. Во всех описанных ниже примерах применяли натяжения нити примерно 1 ,0 г/д во время промывки и нейтрализации.

В примерах осуществления изобретения использовали многоканальные мундштуки с капиллярами 0,051 мм. Нити сушили при натяжении более 3 г/д, и нити имели линейные плотности 400-600 денье. В сравнительных примерах использовали один и тот же полимер и одно и то же формующее устройство, по существу, в одних и тех же условиях, за исключением того, что натяжения при сушке и размеры капилляров многоканальных мундштуков были разными, как показано в таблице I.

Изготовленные, как здесь указано, нити ткали в полотна, и эти полотна собирали, используя многочисленные пряди, как показано в Таблице II. Количество прядей полотна в каждом образце выбирали так, чтобы получить поверхностную плотность как можно ближе к 3,42 кг/м² (0,7 фунта на квадратный фут), и сшивали пряди для формирования унитарных структур для баллистических испытаний с оценкой по V₅₀. Результаты показаны в таблице II и в графической форме на чертеже.

Полотна, изготовленные из нитей, собирали в слои и испытывали на баллистическую рабочую характеристику, как описано в таблице II.

Как видно на чертеже, для денье нитей менее 300 и более 750 V₅₀ ниже, чем для денье нитей в этом диапазоне, и V₅₀ для прочностей нитей на разрыв менее чем 28 г/д ниже, чем для прочностей нитей на разрыв, превышающих это значение. Пределы денье нити и прочности нити на разрыв для баллистического защитного полотна, соответствующего этому изобретению, графически воспроизведены на чертеже.

Таблица I

Изоб	ретение	Сравнительные примеры
Условия	1	2	А	В	С	D	Е	F	G
Диаметр капилляров (мил)	2,0	2,0	2,5	2,0	2,5	2,5	2,5	2,5	2,0
(мм)	0,051	0,051	0,064	0,051	0,064	0,064	0,064	0,064	0,051
Количество элем. нитей	266	400	133	133	266	500	560	666	532
Натяжение при сушке (г/д)	3,5	3,5	0,7	0,3	2,0	2,1	2,1	2,1	3,5
Свойства нити
Денье нити	400	600	200	200	400	750	840	1000	840
Прочность на разрыв (г/д)	28,5	28,2	23	27	27	26,5	27	26,2	8,2
Удлинение(%)	3,2	3,2	3,0	3,5	3,3	3,3	3,4	3,4	3,3
Модуль (г/д)	830	800	750	700	760	740	760	740	829

Таблица II

Пример	Денье нити	Предел прочности нити	Плотность ткани	Кол-во слоев	Поверхн. плотность	V50 (фут/с)	(м/с)
1-1	400	28,5	31х31	32	0,73	1578	480,97
1-2	400	28,5	31х31	32	0,73	1553	473,35
2-1	600	28,2	31х31	21	0,71	1551	472,74
2-2	600	28,2	31х31	21	0,71	1485	452,63
А-1	200	23	40х40	49	0,72	1215	370,33
А-2	200	23	50х50	39	0,71	1244	379,17
А-3	200	23	63х63	30	0,70	1257	383,13
В-1	200	27	50х50	39	0,72	1312	399,90
В-2	200	27	70х70	27	0,71	1243	378,87
С	400	27	36х36	28	0,73	1424	434,04
D-1	750	26,5	31х31	17	0,72	1310	399,29
D-1	750	26,5	36х37	14	0,71	1261	390,45
Е-1	840	27	31х31	16	0,72	1423	433,73
Е-2	840	27	26х26	19	0,76	1438	438,30
F	1000	23	31х31	13	0,75	1285	391,67
G	840	28,2	26х26	18	0,72	1442	439,52

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Claims (5)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Баллистическое защитное полотно, отличающееся тем, что содержит параарамидную нить, имеющую прочность на разрыв, по меньшей мере, 28 грамм на денье (г/д) и линейную плотность от 300 до 750 денье.
2. 2. Полотно по п.1, отличающееся тем, что параарамидом является поли(р-фенилентерефталамид).
3. 3. Полотно по п.1, отличающееся тем, что при тестировании в соответствии с MIL-STD9

   662e с использованием девятимиллиметровых пистолетных пуль с полностью металлической оболочкой, весящих 124 грана (8,035 г), в слоях для получения поверхностной плотности 3,4 килограмма на квадратный метр (0,7 фунта на квадратный фут) проявляет V₅₀ свыше 442 метров в секунду (1450 футов в секунду).
4. 4. Полотно по п.1, отличающееся тем, что нить имеет линейную плотность от 400 до 600 денье.
5. 5. Полотно по п.1, отличающееся тем, что нить имеет элементарные нити с 1,5 или менее денье.