IT202100005624A1 - Materiale in rotolo anticoltello, metodo ed impianto per la sua produzione - Google Patents

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matrix
thermoplastic
powder
textile
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Franco Merletti
Vedova Thomas Della
Carmine Lucignano
Paolo Canonico
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Saati Spa
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Description

Descrizione del Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo: "MATERIALE IN ROTOLO ANTICOLTELLO, METODO ED IMPIANTO PER LA SUA PRODUZIONE "
DESCRIZIONE
Il presente trovato ha come oggetto un materiale in rotolo anticoltello ed un metodo e impianto per la sua produzione.
Pi? particolarmente, il presente trovato si riferisce ad un materiale utilizzato come base per la realizzazione di manufatti dotati di protezione balistica, in particolar modo per la realizzazione di giubbetti antiproiettile aventi anche un determinato livello di protezione all?accoltellamento (coltello o spike).
Il campo della protezione personale, come inteso in questo documento, ? caratterizzato dall?utilizzo dei pi? svariati materiali, con lo scopo di rispondere soprattutto a specifici requisiti di performance balistica e di resistenza all?accoltellamento, ma anche a requisiti comunemente conosciuti e ritenuti rilevanti in seguito a indagini di mercato, quali flessibilit?, ottimizzazione degli scarti del produttore, ecc.
Una soluzione balistica per ?soft armouring?, cos? ? identificata la parte funzionale di un giubbetto antiproiettile, ? composta da molti strati di diversi tipi di materiali, ognuno dei quali contribuisce totalmente o parzialmente ad una o pi? funzioni.
L?elenco dei materiali utilizzati per comporre una soluzione balistica ? molto ampio e la loro combinazione viene ottimizzata soprattutto grazie ad un approccio empirico, trial and error, dove il primo test ? definito sulla base di un database di partenza.
Tra i prodotti utilizzati troviamo: tessuti aramidici, tessuti in polietilene, unidirezionali aramidici, unidirezionali in polietilene, feltri aramidici, maglie metalliche, piastre metalliche, barriere a scaglie metalliche o ceramiche, laminati realizzati con resine/film su tessuti aramidici o polietilenici, lastre Multi Threat Penetration - MTP, ossia prodotti in foglio dotati sia di propriet? balistiche sia di propriet? antiaccoltellamento.
Accanto ai materiali puramente balistici esiste un tipo di prodotti in grado di aggiungere al giubbetto un determinato livello di protezione all?accoltellamento, detti appunto prodotti anticoltello.
I materiali anticoltello analoghi a quello qui descritto vengono in generale realizzati tramite un processo a quattro fasi:
- laminazione di un film termoplastico o spalmatura di resina termoindurente su un tessuto aramidico allo scopo di renderlo solidale ad esso;
- taglio del rotolo di accoppiato in fogli di lunghezza definita;
- stratificazione di fogli singoli alternati a fogli di materiale con finitura distaccante di opportune dimensioni;
- inserimento del pacchetto stratificato in pressa statica e applicazione di un ciclo di pressatura in temperatura, pressione e durata definite.
Il prodotto risultante ? un numero finito di lastre piane semirigide con propriet? balistiche e anticoltello determinate da diversi fattori: dalla scelta del tessuto, della matrice, dalla percentuale in peso di quest?ultima rispetto al tessuto, dalla natura chimica e dal grado di compenetrazione della matrice in esso.
La realizzazione del prodotto finale consiste nel taglio di tali lastre, ed eventualmente altri materiali da utilizzare in combinazione, secondo le sagome di un giubbetto antiproiettile, in accordo alle linee guida della normativa per cui esso viene proposto, e nel confezionamento del giubbetto secondo una disposizione degli strati studiata al fine di soddisfare i requisiti di performance per cui viene proposto.
Compito del presente trovato ? quello di fornire un sistema di produzione di un materiale composito fibro-rinforzato e preimpregnato, cosiddetto pre-preg, innovativo ed alternativo rispetto ai tradizionali sistemi di spalmatura/laminazione.
Nell?ambito di questo compito, uno scopo del trovato ? quello di realizzare un sistema che metta a disposizione un prodotto in rotolo che permetta a tutti i produttori, non dotati di infrastrutture per la sagomatura di molte lastre piane, di lavorare con materiali MTP allo stesso modo con cui lavorano con tessuti, unidirezionali, ecc.
Un altro scopo del trovato ? quello di realizzare un sistema che permetta di ottimizzare gli scarti, a parit? di sagome utilizzate, mettendo a disposizione un rotolo continuo anzich? pezzi discreti.
Un ulteriore scopo del presente trovato ? quello di fornire una elevata versatilit? nella definizione della configurazione del prodotto finale ed una conseguente notevole riduzione dei costi.
Questo ed altri scopi, che meglio appariranno evidenziati in seguito, sono raggiunti da un materiale in rotolo anticoltello ed un metodo e impianto per la sua produzione, come rivendicati nelle unite rivendicazioni.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'oggetto del presente trovato risulteranno maggiormente evidenziati attraverso un esame della descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, del trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo nei disegni allegati, in cui:
la figura 1 ? una vista schematica illustrante un esempio di impianto per la realizzazione del materiale secondo l?invenzione;
la figura 2 illustra in prospettiva la composizione del laminato 10 ottenuto con il procedimento dall'invenzione.
Esso si compone di un tessuto di base 3, sulla cui superficie ? depositata la matrice 12 formata dalla polvere micrometrica 2 che ? stata fusa, compattata al di sopra del medesimo tessuto 3 e non solo adesa, ma anche ben compenetrata in esso. Nella fattispecie l?oggetto rappresentato in figura 2 ? stato rappresentato come un prodotto ottenuto con un processo di deposizione e presso-fusione su entrambi i lati del tessuto.
Con particolare riferimento ai simboli numerici delle suddette figure, il metodo di produzione del materiale composito, secondo il trovato, ? realizzato mediante un impianto, schematicamente illustrato in figura 1 ed indicato globalmente con il numero di riferimento 1.
Secondo la presente invenzione, una matrice termoplastica di partenza in forma di polvere micrometrica 2 viene distribuita su tutta la superficie di una struttura tessile, in particolare un tessuto aramidico 3 mentre esso viene svolto al di sopra di un nastro trasportatore 4, grazie all?utilizzo di una postazione di powder scattering 5.
A questa deposizione segue l?entrata del materiale nel cuore della linea di produzione costituito da un sistema di doppia cinghia a contatto, diviso in due sezioni, grazie al quale il materiale avanza lungo la linea: una prima sezione calda 6 ed una seconda sezione relativamente fredda 7.
La prima sezione 6 applica alla polvere 2 una temperatura da 100 a 250?C ed una pressione da 0,1 N/cm<2 >a 200 N/cm<2>, preferibilmente 160-250?C e 10-200 N/cm<2>, a seconda delle caratteristiche chimicofisiche della polvere utilizzata, funzionali alla formazione del detto film termoplastico superficiale 12, per fusione della polvere 2 al di sopra del tessuto 3. Il film 12 aderisce quindi sul tessuto 3, anche per parziale compenetrazione all?interno delle fibre del detto tessuto, formando in tal modo un pre-preg 10 avvolto in forma di rotolo 13 (figura 1).
La seconda sezione 7 permette di facilitare il distacco del materiale dalle cinghie costituenti, per raffreddamento ad una temperatura preferibilmente al di sotto di quella di fusione o di transizione vetrosa del film 12.
Il sistema a doppia cinghia comprende una cinghia superiore 8 ed una cinghia inferiore 9 e, secondo la presente invenzione, il film termoplastico 12 risulta parzialmente compenetrato e ben adeso al tessuto 3, uniforme e ben coeso, con la grammatura desiderata ottenuta in funzione della velocit? della linea e delle impostazioni della testa di scattering 5.
Secondo l?invenzione, il tessuto 3 ? un tessuto per applicazione balistica realizzato a partire da fibre para-aramidiche, di vetro, polietileniche (UHMWPE) o polipropileniche con titolo da 220 a 3300 dtex.
Dal canto suo la matrice termoplastica 2 ? ottenuta a partire da una polvere preferibilmente a base di poliesteri, polieteri, poliolefine, polivinilbutirrale, poliuretani, poliammidi, poliimmidi ed eventuali derivati o combinazioni di essi, aventi una distribuzione dei diametri delle polveri tra 0,1 e 750 ?m.
Il sistema di powder scattering 5 associato al sistema a doppia cinghia, secondo l?invenzione, permette di effettuare una scelta totalmente libera da vincoli riguardo la quantit? di polvere 2 aggiunta al supporto 3.
La presente invenzione permette infatti una regolazione della grammatura della polvere 2 da 20 fino a 250 g/m<2>, in un solo passaggio.
Il laminato 10 derivante dalla presente invenzione mette a disposizione un prodotto in rotolo il quale permette a tutti i confezionatori finali, non dotati di infrastrutture per la sagomatura di lastre piane, di lavorare con materiali MTP allo stesso modo con cui lavorano con tessuti, unidirezionali, ecc. Infatti, secondo l'invenzione il laminato 10 viene raccolto alla fine della linea di produzione in forma di rotolo 13.
Il prodotto anticoltello in rotolo, ottenuto secondo la presente invenzione, presenta prestazioni analoghe alle lastre tradizionali, realizzate a partire da componenti simili, ma grazie alla speciale architettura ed alla sua natura il prodotto realizzato secondo la presente invenzione pu? essere utilizzato con un numero di gran lunga inferiore di strati.
Ci? permette di acquisire un ulteriore significativo vantaggio economico rispetto ai prodotti tradizionali.
La seguente tabella 1 mostra un esempio comparativo relativo a tessuti aramidici con differenti matrici, percento peso di matrice, da tecnologia standard e da quella secondo l'invenzione.
Tabella 1. Comparazione delle performance prodotto innovativo in rotolo con una lastra tradizionale ad elevate performance.
*KR1 test in accordo al Home_Office_Body_Armour_Standard (2017), E2 = 36J. ;Secondo la presente invenzione, la produzione di prodotti anticoltello in rotolo con performance analoghe pu? essere effettuata a partire dai seguenti componenti: ;- tessuti o non tessuti composti da fibre tessili ad alta tenacit? e/o alto modulo tipicamente utilizzate per applicazioni balistiche o per la produzione di compositi, quali fibra aramidica, polietilene ad alta densit? (UHMWPE), polipropilene, poliammide, poliimmide, poliestere, poliarilestere, PBO, S-glass, E-glass, fibra di carbonio; all?interno della medesima ?famiglia? chimica la prestazione pu? cambiare al variare del brand utilizzato seppur a parit? di caratteristiche nominali; ;- tra le fibre tessili con particolare riferimento a fibre aramidiche e polietileniche ad alta densit? si identificano titoli tra 110 e 3300 dtex; per ogni specifico tessuto esiste una quantit? ideale di matrice per ottenere delle performance anticoltello, a sua volta legata alla natura chimica della stessa ed al modo in cui interagisce con ogni specifica fibra; ;- tra le matrici utilizzabili si identificano resine termoplastiche o termoindurenti aventi natura chimica a base di polimeri quali: polietileni, poliuretani, polipropilene, poliammide, poliestere, poliarilestere, polivinilbutirrale, policarbonato, resine fenoliche, epossidiche, fenossidiche, poliuretaniche e acriliche; ;- la quantit? di matrice necessaria in percentuale rispetto al peso totale del laminato pu? variare dal 10 al 50% peso, e la quantit? ideale ? strettamente correlata alle caratteristiche del tessuto o del non tessuto con cui ? combinata, ad esempio con riferimento alla tabella 1 il tessuto da 1100 dtex utilizzato acquisisce in forma di laminato 10 le performance ottimali con l?applicazione al 40% di una matrice opportunamente scelta; ;- nel caso del tessuto, oltre peso areale e al titolo della/e fibra/e componente/i, risultano parametri importanti il numero di fili al centimetro e il tipo di armatura scelta. In particolare nella tabella 2 seguente vengono mostrati diversi laminati ottenibili in rotolo e le loro prestazioni al variare dei parametri menzionati: ;; ;; Tabella 2. Comparazione delle performance tra diversi prodotti innovativi in rotolo al variare delle loro caratteristiche di base ;*KR1 test in accordo al Home_Office_Body_Armour_Standard (2017), E2 = 36J
Si ? in pratica constatato come il trovato raggiunga il compito e gli scopi prefissati.
Il laminato secondo la presente invenzione ? ottenuto grazie ad una tecnologia sostanzialmente diversa rispetto ad una spalmatura/laminazione di tipo tradizionale ed offre svariati sostanziali vantaggi.
La presente invenzione garantisce una notevole versatilit? nella definizione della configurazione prodotto. Vi sono almeno i seguenti aspetti da considerare.
Le resine termoindurenti usate in balistica, a base acqua o a solvente, vengono utilizzate in modo da stabilire un contenuto resina per ottenere ottimizzate performance del prodotto successivamente stampato.
La scelta della grammatura pu? essere fatta su una scala continua, tuttavia al di sopra di determinate quantit? (da 20 g/m<2 >a circa 80 g/m<2>) il dominio del processo per ottenere un?impregnazione uniforme diventa molto difficile in termini di gestione dei fenomeni di evaporazione del solvente o dell?acqua. Al di sopra del limite indicato la formazione di bolle e l?appiccicosit? residua rendono il prodotto in uscita ingestibile e inutilizzabile.
Perci?, laddove possibile, si procede con step multipli di impregnazione con un conseguente aumento notevole dei costi.
Viceversa, la presente invenzione permette una regolazione della grammatura da 20 fino a 250 g/m<2 >in un solo passaggio, richiedendo al pi? un?ottimizzazione dei parametri di processo (solitamente un semplice innalzamento della temperatura di pochi gradi centigradi), poich? l?assenza di solventi comporta l?assenza di problemi legati alla formazione di bolle ed elevata appiccicosit?.
Allo stesso modo, l?accoppiamento su due lati mediante un sistema tradizionale pu? essere un?operazione difficile od onerosa, mentre con la presente invenzione l?accoppiamento su due lati ? realizzabile in modo agevole e con un aumento contenuto dei costi in quanto l?utilizzo di polveri termoplastiche opportune permette la scelta di temperature e pressioni nella sezione 6 che in fase di spalmatura sul secondo lato non alterano quanto gi? deposto sul lato opposto.
I sistemi tradizionali a base termoplastica vengono realizzati a partire da film a grammatura ben definita (pi? comunemente 50-100 g/m<2>, talvolta 25-75-125 g/m<2>), fattore limitante per quanto riguarda la scelta del contenuto di matrice, che spesso non permette di adottare contemporaneamente il tessuto migliore e di scegliere il contenuto di resina ottimale per soddisfare una performance richiesta.
Con il processo oggetto della presente invenzione tale limite viene superato potendo scegliere grammature da 20 a 250 g/m<2 >con soluzione di continuit?.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI
1. Procedimento per la produzione di un materiale in rotolo anticoltello, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di:
- svolgere una struttura tessile (3) su mezzi trasportatori;
- distribuire una polvere micrometrica (2) di materiale termoplastico sulla superficie della detta struttura tessile (3);
- riscaldare alla temperatura di fusione e comprimere la detta polvere (2) sulla citata superficie della struttura tessile (3) in modo da formare su di essa una matrice termoplastica (12) parzialmente compenetrata e adesa alla medesima struttura tessile (3) mentre essa viene svolta;
- raffreddare il materiale composito (10) cos? ottenuto, per facilitare il distacco di quest'ultimo dai detti mezzi trasportatori.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la detta polvere (2) ? riscaldata ad una temperatura da 160 a 250?C ed ? successivamente compressa ad una pressione da 0,1 N/cm<2 >a 200 N/cm<2>.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il citato raffreddamento del materiale composito (10) ? realizzato al di sotto della temperatura di fusione o di transizione vetrosa della detta matrice termoplastica (12).
4. Materiale in rotolo anticoltello ottenuto con il procedimento secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una matrice (12) distribuita su tutta la superficie della detta struttura tessile (3) e formante un film superficiale parzialmente compenetrato ed adeso a detta struttura tessile.
5. Materiale secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta struttura tessile (3) ? costituita da un tessuto o non tessuto composto da elementi scelti tra fibre tessili, fibre aramidiche e polietileniche ad alta densit?.
6. Materiale secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta struttura tessile (3) ? costituita da un tessuto o non tessuto composto da elementi scelti tra fibre tessili ad alta tenacit? e/o alto modulo, compositi quali fibra aramidica, polietilene ad alta densit? (UHMWPE), polipropilene, poliammide, poliimmide, poliestere, poliarilestere, PBO, S-glass, E-glass, fibra di carbonio.
7. Materiale secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta matrice (12) ? scelta tra resine termoplastiche o termoindurenti aventi natura chimica a base di polimeri quali: polietileni, poliuretani, polipropilene, poliammide, poliestere, poliarilestere, polivinilbutirrale, policarbonato, resine fenoliche, epossidiche, fenossidiche, poliuretaniche e acriliche.
8. Materiale secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la detta matrice (12) ? presente dal 10% peso al 50% peso rispetto al peso totale di detto materiale.
9. Impianto di produzione di un materiale in rotolo anticoltello, caratterizzato dal fatto di comprendere un nastro trasportatore (4) sul quale viene svolta una struttura tessile (3); una postazione di powder scattering (5) atta a distribuire una matrice termoplastica in forma di polvere micrometrica (2) sulla detta struttura tessile (3) mentre essa viene svolta su detto nastro trasportatore (4); un sistema di doppia cinghia a contatto (8,9), diviso in due sezioni, in cui detta struttura tessile (3) avanza; detto sistema di doppia cinghia a contatto definendo una prima sezione calda (6) ed una seconda sezione relativamente fredda (7); detta prima sezione (6) applicando una temperatura ed una pressione funzionali alla formazione di un film termoplastico superficiale su detta struttura tessile; detta seconda sezione (7) facilitando il distacco di detta struttura tessile.
10. Impianto, secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto sistema a doppia cinghia comprende una cinghia superiore (8) ed una cinghia inferiore (9) agenti su detta struttura tessile (3) e detta matrice termoplastica (12), effettuando una adesione ed una parziale compenetrazione di detta matrice sulla citata struttura tessile.
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