IT201900007413A1

IT201900007413A1 - Laminato balistico comprendente strati unidirezionali uniti tra loro

Info

Publication number: IT201900007413A1
Application number: IT102019000007413A
Authority: IT
Inventors: Giorgio Citterio; Filippo Citterio
Original assignee: Spa Fratelli Citterio
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-11-28
Also published as: IL288356A; EP3976369A1; CA3138994A1; CN114174063B; WO2020239829A1; US20220228840A1; CN114174063A; BR112021023610A2

Description

Sezione Classe Sottoclasse Gruppo Sottogruppo

B 32 B 27 40

Sezione Classe Sottoclasse Gruppo Sottogruppo

B 32 B 3 26

Sezione Classe Sottoclasse Gruppo Sottogruppo

F 41 H 5 04

Titolo

Laminato balistico comprendente strati unidirezionali uniti tra loro DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE

TITOLO: Laminato balistico comprendente strati unidirezionali uniti tra loro

CAMPO TECNICO

La presente invenzione riguarda una struttura per la realizzazione di protezioni balistiche che combini elevate prestazioni di arresto del proiettile e di riduzione del trauma a una flessibilità e traspirabilità elevate.

RESTROSPETTIVA TECNICA

Un’esigenza primaria nella produzione di protezioni balistiche risulta quella di combinare elevate prestazioni sia in termini di arresto del proiettile, sia di limitazione del trauma indotto dall’energia dello stesso con una flessibilità adeguata, non solo per consentire un buon comfort, ma anche per permettere la necessaria libertà di movimento durante la fase di eventuale azione.

I tessuti con costruzione di tipo trama/ordito pur essendo molto flessibili presentano valori balistici modesti dovuti al fatto che i fili di trama si intrecciano con i fili di ordito; tali intrecci rappresentano una limitazione alla velocità di propagazione dell’onda meccanica causata dall’energia dell’impatto del proiettile sulla superficie del tessuto, limitando quindi anche la quantità di energia assorbita.

In alternativa a questa struttura ne sono note altre come per esempio riferibili ai brevetti US 7,820,565 a nome Barrday <® >o US 7,132,382 a nome Teijin<® >nelle quali i filati balistici posti in trama e/o in ordito vengono intrecciati con fili non balistici il cui titolo risulta molto inferiore. L’onda d’urto quindi può propagarsi più facilmente consentendo migliori prestazioni balistiche rispetto ai tessuti tradizionali trama/ordito.

In una soluzione alternativa secondo l’arte nota i filati balistici vengono deposti unidirezionalmente anche in più strati adesivizzati e poi sottoposti a laminazione. Essendo tali filati deposti unidirezionalmente, la struttura non presenta intrecci, l’onda d’urto quindi si propaga senza impedimenti con risultati balistici molto elevati. La struttura richiede comunque l’applicazione sulle facce esterne di film che proteggono le fibrille dei filati da azioni di deterioramento conseguenti a frizioni inevitabili quando il pacco balistico viene flesso. Tali ulteriori elementi comportano non solo un irrigidimento della struttura ma ad una completa non traspirabilità causa di disagio per l’utilizzatore.

Inoltre, essendo i filati di rinforzo depositati linearmente, gli stessi non consentono, quando la struttura viene flessa un allungamento a trazione che non sia quello dato dalle caratteristiche meccaniche del filato stesso.

Esempio di tali strutture sono riconducibili a strutture U.D. indicate per esempio con il nome Goldflex<® >Spectraflex<® >Dyneema<® >SB<®>.

SCOPO DELL’INVENZIONE

Scopo principale della presente invenzione è quello di proporre un elemento di protezione balistica che riduca gli svantaggi dell’arte nota.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

A questo risultato si è pervenuti, in conformità della presente invenzione, attraverso la realizzazione di un laminato balistico per la realizzazione di una struttura di protezione balistica, il laminato comprendente almeno un primo elemento tessile unidirezionale e almeno un secondo elemento tessile unidirezionale, il primo elemento tessile comprendente una prima pluralità di fibre balistiche disposte sostanzialmente secondo una prima direzione, il secondo elemento tessile comprendente una seconda pluralità di fibre balistiche disposte sostanzialmente secondo una seconda direzione, la prima e la seconda direzione formando un angolo relativo di 90º /- 10º, il laminato essendo coperto da un primo strato protettivo esterno al primo elemento tessile unidirezionale e da un secondo strato protettivo esterno al secondo elemento tessile unidirezionale, il laminato essendo caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di fori passanti di diametro compreso tra 0,02 mm e 3 mm. Preferibilmente il numero dei fori passanti per cm<2 >risulta compreso tra 0,5 e 10.

Secondo una realizzazione preferita, le fibre balistiche sono di materiale aramidico, poliaramidico, polietilenico ad altissimo peso molecolare denominato UHMWPE, copoliaramidico, polibenzossazolico, co-polibenzotiazolico, a cristalli liquidi, vetro, carbonio anche in mescolanza tra loro.

Preferibilmente il primo e il secondo strato protettivo e l’almeno primo e l’almeno secondo elemento tessile unidirezionale sono uniti tra loro mediante pressatura. I fori passanti sono preferibilmente realizzati successivamente alla fase di pressatura. In una realizzazione preferita il primo e il secondo strato protettivo e l’almeno primo e l’almeno secondo elemento tessile unidirezionale sono uniti tra loro tramite cucitura. Almeno una parte dei fori passanti viene realizzata durante la fase di cucitura. Qualora si utilizzi, la cucitura è realizzata preferibilmente per mezzo di aghi aventi un diametro superiore di almeno 20% rispetto al filato utilizzato per la cucitura. In alternativa i fori possono essere realizzati per mezzo di un sistema dotato di un rullo o un cilindro con una pluralità di punte atte a creare i fori durante il rotolamento a pressione del rullo (o cilindro) sul laminato.

In una realizzazione preferita della presente invenzione il primo e il secondo strato protettivo sono in forma di film e comprendono uno o più dei seguenti materiali: film di poliuretano, poliestere, poliammide, polietilene, polipropilene.

Il peso di ogni elemento tessile risulta preferibilmente compreso fra 10 g/m<2 >e 500 g/m<2>.

In un secondo aspetto della presente invenzione si realizza un processo per produrre un laminato balistico come sopra descritto.

Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione si fornisce una protezione balistica comprendente almeno uno strato di laminato balistico sopra descritto.

BREVE DESCRIZIONE FIGURE

Questi e ulteriori vantaggi, scopi e caratteristiche della presente invenzione saranno meglio compresi da ogni tecnico dalla descrizione che segue e dal disegno allegato, relativi a esempi di realizzazione aventi carattere esemplificativo, ma da non intendersi in senso limitativo, in cui:

- la Figura1 rappresenta una vista prospettica di una struttura per la realizzazione di protezioni balistiche secondo una possibile forma di attuazione della presente invenzione, prima che vengano praticati i fori;

- la Figura 2 mostra una vista laterale della struttura di Figura 1;

- la Figura 3 mostra schematicamente l’inflessione (o discontinuità) nella direzione rettilinea delle fibre unidirezionali causata dai fori passanti.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Il laminato balistico oggetto della presente invenzione viene realizzato preferibilmente sovrapponendo almeno due strati di filati balistici 101 e 103, disposti in modo unidirezionale secondo direzioni inclinate tra loro di circa 90° (+/- 10°). Ogni strato (nell’esempio di Figura 1, gli strati 101 e 103) comprende una pluralità di fibre 1 disposte unidirezionalmente secondo una direzione sostanzialmente parallela tra loro (+/- 10°).

In alternativa ai filati generalmente composti da numerosi filamenti si possono utilizzare piattine o monofilamenti. I titoli di tali filati (piattine, monofilamenti) risultano vantaggiosamente compresi tra 20 e 6500 d/tex le tenacità risultano superiori a 10gr per d/tex, i moduli risultano superiori a 400 GPa e gli allungamenti a trazione risultano compresi tra l’1% e il 10%; appartengono, per esempio, a queste classi i filati aramidici prodotti da Teijin<®>, DuPont<®>, Kolon, Hyundai<®>, con nomi commerciali rispettivamente di Twaron<®>, Kevlar<®>, Heracron<®>, Alkex<®>.

In aggiunta ai filati aramidici si possono utilizzare filati di P.E. ad altissimo peso molecolare prodotti da Honeywell<®>, DSM<®>, con un nome commerciale rispettivamente di Spectra<® >e Dyneema<®>, anche in forma di piattine note con il nome commerciale Tensylon<® >o Endumax <®>. Recentemente sono stati introdotti filati copoliaramidici con nome di Ruslan<®>, Rusar<®>, Autx<® >prodotti dalla Kamenksvolokno<®>. Questi filati sono caratterizzati da una resistenza a trazione dinamica almeno il doppio della resistenza statica consentendo quindi prestazioni balistiche elevate. Tali valori di resistenza dinamica vengono misurati secondo una procedura messa a punto dall’Università americana Perdue come descritto per esempio nel documento:

- MECHANICAL PROPERTIES OF A265 SINGLE FIBER –Jaeyoung Lima and Weinong W Chena –school of Aeronautics and Astronautics, Purdue University, West Lafayette, IN 47907-2045-Per lo scopo della presente invenzione, come mostrato in Fig.1, le strutture unidirezionali vengono realizzate sovrapponendo due o più strati di filati balistici 101 e 103. Preferibilmente, gli almeno due strati di filati balistici vengono preventivamente pre-impregnati con resine termoplastiche, elastomeriche, termoindurenti anche in mescolanza tra loro. Tra queste risultano particolarmente utili resine acriliche polietileniche, polibuteniche, poliuretaniche. Le quantità applicate risultano comprese tra il 3% ed il 30%. Lo scopo dell’applicazione della resina è quello di facilitare l’adesione tra i vari strati di filati unidirezionalmente deposti e tra loro sovrapposti. In aggiunta, tali resine mettono in stretto contatto le varie fibrille dei filati creando una continuità utile ai fini balistici. Sulle facce esterne degli almeno due strati di filati balistici 101 e 103 vengono applicati ulteriori elementi 105 con lo scopo di migliorare la protezione delle fibrille dei filati da un’azione meccanica conseguente allo sfregamento reciproco degli strati durante la fase di utilizzo. Questi ulteriori elementi possono essere rappresentati da film 105 anche discontinui, feltri, reti e tessuti non tessuti. La composizione di questi strati esterni deve permettere l’adesione permanente alla struttura di base. Vengono perciò utilizzati elementi basati su polimeri termoplastici elastomerici, termoindurenti anche in mescolanza tra loro. Particolarmente utili risultano per esempio film di polietilene, poliuretano, policarbonato, poliammide, polipropilene, poliestere, anche in forma di copolimeri. Vantaggiosamente i pesi di tali elementi aggiuntivi risultano compresi tra 3 e 30gr/m<2 >e più vantaggiosamente tra 6 e 20 gr/m<2>. Questa struttura così realizzata viene poi ulteriormente laminata con la deposizione di film protettivi sulle facce esterne. L’applicazione del film offre importanti vantaggi in quanto lo sfregamento tra gli strati durante la fase di utilizzo senza questa protezione porterebbe durante la fase di utilizzo ad un precoce deterioramento della struttura. Film utili per questo scopo risultano basati su polimeri essenzialmente termoplastici come per esempio di polietilene, polipropilene, poliestere, poliammide. Poiché il film di protezione non contribuisce alle caratteristiche balistiche, è opportuno che il suo spessore sia il più sottile possibile, compatibilmente con la protezione desiderata. Tipici spessori risultano compresi tra 6 micron e 20 micron. La struttura così ottenuta viene sottoposta all’azione della pressione e della temperatura. Vantaggiosamente le pressioni sono comprese tra 2 e 200bar e più vantaggiosamente tra 20 e 40bar. Le temperature di pressatura risultano comprese tra 50° e 200C° e più vantaggiosamente tra 80° e 140C°. Opzionalmente, un’operazione di pressatura viene effettuata anche prima della deposizione dei film protettivi. L’applicazione della combinazione pressione/temperatura avviene seguendo i processi conosciuti dagli addetti al settore e possono risultare sia continui che discontinui. Il laminato così ottenuto viene sottoposto ad un’ulteriore fase di processo che consiste nel realizzare delle discontinuità attraverso tutta la struttura del laminato.

In Figura 2 viene rappresentata schematicamente la struttura di Figura 1 vista in sezione: si vedono, dall’alto in basso, lo strato protettivo 105 (e.g. film adesivo), lo strato tessile balistico unidirezionale 101, lo strato tessile balistico unidirezionale 103 avente le fibre disposte secondo una direzione sostanzialmente perpendicolare a quelle delle fibre dello strato 101, lo strato protettivo 105 (e.g. film adesivo).

Qualora nella struttura laminata unidirezionale vengano effettuate dei fori passanti che attraversano tutta la struttura, si creano delle ondulazioni e quindi delle inflessioni (o discontinuità) nell’andamento rettilineo dei fili balistici, come mostrato in Figura 3. Si è sorprendentemente verificato che grazie alla presenza di tali inflessioni, le caratteristiche di flessibilità vengono enormemente migliorate e così pure le caratteristiche di traspirabilità senza pregiudicare le caratteristiche balistiche sia in termini di potere di arresto sia il valore del trauma indotto dall’energia dell’impatto. Il numero di questi fori passanti e il loro diametro può essere adattato alle esigenze di ogni singola struttura (per aumentare o diminuire la flessibilità e la traspirabilità. Vantaggiosamente i fori hanno preferibilmente forma sostanzialmente circolare (ma potrebbero anche avere altra forma, per esempio ellittica); il diametro di tali fori, in una realizzazione preferita della presente invenzione, è compreso tra 0,02mm e 3mm preferibilmente tra 0,5 e 2 mm. Il numero di tali fori passanti (cioè la loro densità) risulta preferibilmente compreso fra 0,1 e 10 per cm<2>.

In una soluzione preferita i vari strati del laminato vengono tra loro cuciti ed è proprio l’operazione di cucitura a creare i fori passanti

Risulta preferibile che il diametro del filo di cucitura risulti inferiore dal 20% al 90% rispetto al diametro del foro passante creato dall’ago o dal crochet che provvede a tale tipo di cucitura. Tale filo di cucitura viene selezionato in base alla struttura e al peso del laminato che si vuole realizzare. Vantaggiosamente il titolo del filo di cucitura è compreso tra 20 d/tex e 300 d/tex. Vengono utilizzati filati basati su polimeri organici come per esempio poliestere, poliammidi, polietilene, polipropilene, oppure inorganici come per esempio; basalto, carbonio, vetro. Le tipologie di cucitura non risultano determinanti per le prestazioni del laminato. In alcuni casi allorquando il diametro del filo di legatura risulta molto inferiore al diametro del foro/canale creato e soprattutto con certi tipi di legatura, il filo risulta non bloccato e quindi facilmente “sfilabile”, cessando così di svolgere il suo ruolo. In questo caso viene impiegato per la cucitura stessa un monofilamento bicomponente nel quale la parte esterna risulta facilmente fusibile al contrario di quella interna la cui temperatura in fusione risulta di molto superiore rimanendo quindi integra durante la fase di pressatura in presenza di temperatura. In una forma preferita di realizzazione, gli aghi (e.g. i crochet) sono alimentati da fili non balistici che passano perpendicolarmente attraverso tutti gli strati del laminato incrementando così, dopo essere opportunamente annodati con una annodatura per esempio tipo tricot o catenella, la coesione fra i vari strati del laminato.

La lunghezza del punto di legatura risulta vantaggiosamente compresa tra 1 e 20mm e la distanza tra i vari fili di cucitura in senso longitudinale risulta vantaggiosamente compresa tra 1 e 20mm.

Per realizzare le cuciture si possono utilizzare dispositivi e macchinari noti agli esperti del ramo, eventualmente opportunamente modificati, come per esempio macchine trapuntatrici o macchine da cucire con teste multiple.

Come detto, la cucitura della struttura è opzionale. La caratteristica essenziale secondo la presente invenzione è la presenza dei fori passanti che, in mancanza dell’operazione di cucitura potrà essere ottenuta con metodi alternativi. Uno dei metodi alternativi per realizzare i fori passanti e le relative discontinuità nella direzione rettilinea delle fibre consiste nel sottoporre il laminato all’azione di una serie di punzoni disposti su un cilindro rotante opportunamente caricato per esercitare la pressione necessaria a perforare il laminato facendo in modo da far penetrare tali punzoni attraverso tutto lo spessore del laminato.

E’ anche possibile, in una realizzazione opzionale della presente invenzione, che le due tecniche coesistano, cioè venga effettuata sia la cucitura che la punzonatura (o altra tecnica atta a produrre i fori passanti): in questo caso, alcuni fori avranno i filo di cucitura al loro interno, mentre altri fori no.

Per meglio descrivere i contenuti della presente invenzione in figura 2 viene evidenziata l’ondulazione che si viene a creare nel filato posto unidirezionalmente a seguito della penetrazione dell’ago, del punzone, del crochet. La realizzazione di tali discontinuità non deve comportare eventuali danneggiamenti alle fibre balistiche. I punzoni, i crochet o gli aghi che creano tali discontinuità non devono presentare quindi, spigoli o parti taglienti, ma devono opportunamente essere arrotondati.

La struttura del laminato risulta composta da almeno 2 strati di filati preimpregnati tra loro sovrapposti con la direzione dei filati unidirezionali di ogni strato inclinata tra loro di 90° /- 10º.

Claims

In una forma preferita di realizzazione, il numero degli strati di un singolo laminato è di 2 strati, ma può anche essere maggiore, per esempio 2, 4, 6, 8 (preferibilmente multiplo di 2). In una forma di realizzazione preferita, tali strati vengono poi ricoperti con film continui atti a consentire la richiesta resistenza alla abrasione. Una protezione balistica realizzata con il laminato della presente invenzione, può comprendere un numero variabile di strutture laminate sopra descritte, preferibilmente compreso da un minimo di 1 a un massimo di 50. RIVENDICAZIONI 1. Laminato balistico per protezione balistica, il laminato comprendente almeno un primo elemento tessile unidirezionale e almeno un secondo elemento tessile unidirezionale, il primo elemento tessile comprendente una prima pluralità di fibre balistiche disposte sostanzialmente secondo una prima direzione, il secondo elemento tessile comprendente una seconda pluralità di fibre balistiche disposte sostanzialmente secondo una seconda direzione, la prima e la seconda direzione formando un angolo relativo di 90º /- 10º, il laminato essendo coperto da un primo strato protettivo esterno al primo elemento tessile unidirezionale e da un secondo strato protettivo esterno al secondo elemento tessile unidirezionale, il laminato essendo caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di fori passanti di diametro compreso tra 0,02 mm e 3 mm, i fori passanti attraversano il primo e il secondo strato protettivo e l’almeno primo e l’almeno secondo elemento tessile unidirezionale.
2. Laminato balistico secondo la rivendicazione 1, in cui la densità dei fori passanti è compresa tra 0,5 e 10 per cm<2>.
3. Laminato balistico secondo una delle rivendicazioni precedenti nel quale le fibre balistiche comprendono uno o più dei seguemti materiali: aramidico, poliaramidico, polietilenico ad altissimo peso molecolare denominato UHMWPE, copoliaramidico, polibenzossazolico, polibenzotiazolico, a cristalli liquidi, vetro di carbonio anche in mescolanza tra loro.
4. Laminato balistico secondo una delle rivendicazioni precedenti nel quale il primo e il secondo strato protettivo e l’almeno primo e l’almeno secondo elemento tessile unidirezionale sono uniti tra loro mediante pressatura.
5. Laminato balistico secondo la rivendicazione 4 nel quale i fori passanti sono realizzati successivamente alla fase di pressatura.
6. Laminato balistico secondo una delle rivendicazioni precedenti nel quale il primo e il secondo strato protettivo e l’almeno primo e l’almeno secondo elemento tessile unidirezionale sono uniti tra loro tramite cucitura e almeno una parte dei fori passanti è realizzata durante la fase di cucitura.
7. Laminato balistico secondo la rivendicazione 6 in cui la cucitura è realizzata per mezzo di aghi aventi un diametro superiore di almeno 20% rispetto al diametro del filato utilizzato per la cucitura.
8. Laminato balistico secondo la rivendicazione 5 nel quale i fori passanti sono realizzati per mezzo di un dispositivo rotante dotato di una pluralità di punte atte a creare i fori durante il rotolamento del dispositivo sul laminato.
9. Laminato balistico secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui il primo e il secondo strato protettivo comprendono uno o più dei seguenti materiali: poliuretano, poliestere, poliammide, polietilene, polipropilene, in forma di film o di altra struttura, come reti, feltri o tessuto/non tessuto.
10. Laminato balistico secondo una delle rivendicazioni precedenti nel quale il peso di ogni elemento tessile risulta compreso fra 10 g/m<2 >e 500 g/m<2>.