JP2000507339A - 防護用布地 - Google Patents

防護用布地

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Abstract

(57)【要約】 9mmまたは.357マグナム弾薬筒の弾丸に耐えうる防弾布地であって、1平方フィート当たりの比重が約0.65から0.87ポンドであり、結合樹脂またはマトリックス樹脂を実質的に含まない複数枚の織布をキルト加工した布地である。

Description

【発明の詳細な説明】 防護用布地 この発明は、弾丸の貫通に対して物体、特に人体を防護するのに使用する新規 な布地(fabric)に関するものである。これは通常、防弾チョッキ(bullet- resistant vest)と呼ばれるものである。この発明は、特には、銃器から発射さ れた9mmまたは.357マグナム弾丸の貫通に対する防護のための新規で非常に軽量 の布地に関するものである。 発明の背景 人体防護服(body armor)は古くから存在した。一般に、この人体防護服は軽く 、できるだけ通気性が良く、そして弾丸の衝撃に対して耐久性があることが要求 される。近年、織布(woven fabric)と不織布(non-woven fabric)との組み合わせ からなる人体防護服がいくつか作成されている。これらの織布および不織布はい ずれも、非常に高分子量のポリマー、好ましくは、超高分子量の鎖伸長ポリエチ レンまたはポリプロピレンのようなポリオレフィン、ポリエステル、ポリビニル アルコール、ナイロン、アラミドポリマーの繊維を有している。これに関する参 考文献としては、Harpell等による米国特許第4,737,402があり、この文献は、こ れらの繊維の化学的性質に関する優れた考察を提示し、これらの繊維が防護用布 地への使用に適したものであることが示されている。この特許の全内容は参考と してこの発明に組み込まれている。これらの布地の目的は、弾丸によって布地の 繊維が伸長し、歪み、破断さえもすることによって弾丸のエネルギーを消耗させ 、これによって布地によって防護されている物体に弾丸が貫通しようとする力を 消失させることである。 最近、複層の高分子量織布を有する第1要素と、特殊な方法で重合された複層 の不織布を有する第2要素とを備えた特定構造の複合布地(composite fabric)が 、.44マグナム弾薬筒から発射された超高エネルギー弾丸のような非常に強いエ ネルギーをもった弾丸の貫通を阻止する性能を有することが見出された。これは 米 国特許第5,395,671号であり、その全内容は参考としてこの発明に組み込まれて いる。この布地は、2つの独立した層からなる構成要素を有し、2層の構成要素 はそれぞれ多数の個別層(sub-layer)を有している。この構造では、2つの要素 は互いに接触していない。 この布地は、弾丸が進入してくる側の面が、超高分子量のポリマー繊維を有す る不織布からなる複数の個別層または一重布(ply)により構成されるのが好まし い。弾丸が進入してくる面と反対側で、防護する対象側の面は、織布からなる複 数の個別層または一重布で構成されるのが好ましい。この織布は、高分子量のポ リマー繊維を有し、個別層または一重布は互いにキルティングされている。個別 層または一重布だけが互いにキルティングされているということ、および不織布 層が弾丸の進入方向に配置されていることが、'671特許発明の基本的要件である 。なぜならば、完成された複合布地に予期せぬほどの優れた遮断力をもたらすの は、これら2つの構成要素の組み合わせだからである。 ’671特許の複合布地は優れた防護材であり、この布地から優れた防護衣類が 作成される。しかしながら、この複合布地は、240グレーンの.44マグナム弾薬筒 から発射され、毎秒1450フィート以上の衝撃速度で飛来する弾丸を遮断すること を意図したため、必然的にかなり厚い。この布地は、上記のとおりに構成された 織布および不織布双方の個別層からなる多くの層で出来ている。この布地は、異 例なほどの遮断力を有し、そのような織布および不織布の複数層からなることを 必須としているため、かなり硬い。.44マグナム弾薬筒から発射される弾丸を停 止させるには、この布地はかなりの数の不織布層を必要とする。高分子量のポリ マー繊維からなり、この繊維が好ましくはマトリックス樹脂によって固定され、 互いに連結されているような不織布を複数層使用することは布地を硬くし、それ 故に着用者にとっては快適なものではなかった。さらに、マトリックス樹脂の存 在によってこの布地は通気性がなく、このことも着用者には不快であった。 この'671特許の布地が提唱するような重大な衝撃防護への要求にも関わらず、 そのユニークな構造によって、この特殊な布地構造は、1平方フィート当たり約 0.95から1.15ポンドというかなり低い全体的な面比重で構成されている。この特 殊な構造によって、この複合布地をそのような比較的小さな面比重で構成し、し かも.44マグナム弾薬筒から発射され、毎秒1450フィート以上の衝撃速度で飛来 する弾丸を遮断することさえ可能となることが見出されたている。このことは、 '671特許の布地が発明された時点では全く異例の性能であり、それ故にこの布地 はレベルIIIAタイプの人体防護服としてかなりの商業的成功をおさめた。 強固な防護衣類、特に繊維が非常に堅く編み込まれ、または配置されているよ うな衣類、さらにはマトリックス樹脂によって固定された不織布層を有するよう な衣類は、着用者の不快感の程度がその遮断力に直接比例し、その程度はその面 比重とその柔軟性の関数である。同一のポリマー繊維でも、面比重が高くなれば なるほどその柔軟性と通気性は低下し、そのために布地の遮断力は強まる。また 、同一の繊維からできている布地であっても、多くの不織布が使われているほど 強固になる。何故なら、マトリックス樹脂が空間を少なくしていくからである。 防護服における硬さと空間の欠如の究極的なものは、昔の騎士が着用した硬い金 属製の鎧である。この硬い金属鎧の防護服は空間がなく、その面比重は原料であ る鉄のそれと同じである。それはまた非常に硬く、どの金属鎧板も同じ曲げ性を 有していた。人はこの鉄製の鎧を着用しなければならないとしたらどれほど不快 であるかを想像するだけだが、一方で、この鎧は岩や矢のような当時のミサイル の襲撃、そして剣のような他の危険物に対する優れた防護となっていた。 現代の防護衣服では、衣服または布地の弾丸遮断力と、その着用者の不快感の 程度のバランスをとることが要求されている。もし布地の繊維が少なすぎるか、 布地を構成する繊維の分子量またはデニールが小さすぎるが、または布地が薄す ぎると、着用者の防護が不十分となり、その布地は防護という目的を達成しない であろう。この分野の進む方向は、銃器の威力の進む方向と一致している。すな わち、弾丸の衝突速度と貫通力は増加し続けており、それ故に防護服の遮断力も 向上している。このことは、より強力でより高分子量の繊維の使用や、布地重量 の増加、布地をマトリックス樹脂に埋め込んで固定した不織布の使用、そして織 布と不織布のような異なる要素によって布地を構成することなどによって達成さ れており、これらは各々異なった種類の、しかも相乗的に作用する遮断力をもた らす。しかしながら、防護用の布地を強力な弾丸の貫通に耐えうるものにしよう とする要求を満たしながらも、布地を軽量化し、着用者にとってより快適なもの とすることも求められる。 発明の目的と簡単な説明 この発明の目的は、従って、少なくともレベルIIの遮断力を有する軽量で新し い布地を提供することである。 この発明の他の目的は、9mmの124グレーン弾薬筒から発射され、毎秒1175フィ ート以上の速度で布地に激突するFMJ弾丸の貫通を遮断することのできる新し い布地を提供することである。 この発明のさらに別の目的は、.357マグナムの158グレーン弾薬筒から発射さ れ、毎秒1395フィート以上の速度で布地に激突するJPS弾丸の貫通を遮断する ことのできる新しい布地を提供することである。 この発明のさらにまた別の目的は、レベルIIの脅威に有効であり、快適に着用 することもできる防護用布地を提供することである。 他の付加的な目的は、明細書全体およびそれに付された請求の範囲から明らか になるであろう。 これらの目的に沿って、そしてこれらの目的を達成するために、この発明の防 護用布地は基本的に、数多くの布製の個別層または一重布からなっている。これ らの布地のほとんど、好ましくは全ては、約180から420デニールの繊維からで きている。布地の幾つかは異なったデニールの繊維で出来ていてもよく、そして /または幾つかまたは全ての布地の何本かの繊維は全繊維数の約10%を越えない 範囲で他の繊維と異なったデニールのものでもよい。この発明の個別布地(sub-f abric)を構成する繊維と、それらの繊維を有する個別布地、およびこれらの個別 布地からできている複合布地は、マトリックス樹脂で固められていない。従来の 防護用布地で示したような、マトリックス樹脂で固められた複数の不織布からな る独立要素の排除はこの発明の基本的要件である。この発明の防護用布地が、樹 脂マトリックス内で固定化された不織布よりむしろ、全面的にまたは少なくとも 優先的に織布層で構成されているということがこの発明の基本的な要件である。 高分子量の布地の複数層をキルティングすることは、実質的にマトリックス樹脂 での固定を必要とせず、このこともこの発明の基本的要件の一つである。キルテ ィングは、この布地に求められる弾丸遮断力を達成するに十分なほど互いに密接 に、しかも完成された複合布地に求められる柔軟性と快適さを維持するために十 分なほど離れていることが重要である。 この発明の複合布地構造(composite multi-layer fabric structure)は、キル ト加工された複数の個別層または一重布からなり、少なくともそのほとんどは高 分子量を有する繊維で編み上げられている。キルト加工され、マトリックス樹脂 を含まないこの発明の複合布地は、1平方フィート当たり約0.87ポンド未満、好 ましくは1平方フィート当たり0.75未満の面比重を有している。上記のような弾 薬筒から発射される弾丸を遮断するためには、布地は少なくとも1平方フィート 当たり0.65ポンドの面比重を有することが必要である。この発明の複合布地の面 比重と、この複合布地のキルティングの頻度および範囲には密接な関連性があり 、一方では、複合布地の柔軟性と密接な関連性がある。また、マトリックス樹脂 を含まないこの発明の複合布地とキルティングの間隔と範囲、およびこの布地の 弾丸遮断力との間にも基本的な関連性がある。これらの関連性はこの発明を特徴 付けるものである。この発明の複合布地の最終製品は、9mmの124グレーン弾薬筒 から発射され、毎秒1175フィート以上の速度で激突する弾丸、または.357マグナ ムの158グレーン弾薬筒から発射され、毎秒1395フィート以上の速度で激突する 弾丸によって約44mmm未満の裏面変形を生じさせることによっても特徴付けられ る。 この発明の記載の範囲内では、個々の布地層(sub-plies of fabric)を構成す る繊維は高分子量のポリマーとされている。これらの高分子量ポリマーは、この 分野ではしばしば樹脂と呼ばれる。この発明の一つの重要な側面は、個々の布地 層および積層キルト加工された布地が、繊維または布地の固定用樹脂マトリック スを有意量含んでいないことである。 「樹脂」という用語はこの発明の文脈において不明確であるかもしれない。そ こで、この明細書では、「樹脂」という用語は、従来の布地が固定されたような マトリックスまたは結合剤のみに使用し、この発明の繊維を含むような高分子量 材料には「ポリマー」という用語を使用する。 以上のとおり、この発明の文脈においては、この発明の防護用布地は基本的に 数多くの個々の布地層からなり、少なくともそれらのほとんど(少なくとも約80 %、好ましくは100%)は織布である。これらの布地層の少なくとも実質的な枚 数、好ましくは全ては共にキルト加工されている。この発明の複合布地は、必要 枚数の織布層の間に何枚かの不織布を有することもできる。しかしながら、不織 布層が用いられる場合でも、それにマトリックス樹脂を結合させるべきではない 。この発明の布地には、マトリックス樹脂を全く結合させないことが好ましいが 、しかしながら、この発明の範囲内では、布地の約10%重量以下のマトリックス 樹脂を含むようにしてもよい。マトリックス樹脂がゴム材のような柔軟材の場合 には、約15%重量まで使用してもこの発明の布地の着心地を大きく損なうことは ない。 発明の詳細な説明 この発明に従えば、この布地は、互いにキルト加工された複数の織布層からな り、その各層はポリオレフィンやアラミドのような高分子量ポリマーの多様な繊 維を含んでいる。他のポリマーの使用もこの発明の範囲内である。どのような繊 維を使用しようとも、それらは最小の張力モジュールが約160g/デニールであ り、強度はデニール当たり少なくとも約7gであることが基本である。この発明 の織布を形成する繊維は、好ましくは最小の張力モジュールが約300g/デニー ルであり、強度はデニール当たり少なくとも約15gである。 繊維材料が異なれば物理特性も幾分か異なり、従って、この発明において有効 な様々な繊維の最小物理特性値も僅かに異なっている。これらの特性は一般に知 られ、既に報告されている。特に、米国特許第4,681,792号は防護用の布地およ び衣服に有用な様々なポリマー繊維を記載しているため、この発明に役立つ。こ の特許の全体的な内容は参考としてこの発明に組み込まれている。 ポリエチレン繊維を使用する場合、それらは好ましくは最小の重量平均分子量 が500,000であり、最小の張力モジュールがデニール当たり500gであり、強度が デニール当たり少なくとも15gであり、破断エネルギーがグラム当たり少なくと も約22ジュールである。好ましくは、分子量が少なくとも1,000,000、より好ま しくは少なくとも2,000,000のポリエチレン繊維を使用する。ポリプロピレン繊 維を使用する場合は、例えば、それらの重量平均分子量は少なくとも約 750,000、好ましくは約1,000,000から4,000,000、より好ましくは1,500,000 から2,500,000の範囲とすべきである。これらの繊維は、張力モジュールがデニ ール当たり300g、強度がデニール当たり少なくとも8gであり、破断エネルギ ーがグラム当たり少なくとも約22ジュールとなるはずである。典型的なポリビニ ルアルコール繊維は上記のポリエチレンと同様の最小特性を有している。ナイロ ン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンテレフサテート、およびアラミドポリ マーもまたこの発明に有用な繊維ポリマーの例であり、上記と同様の最小物理特 性を有している。 この技術分野では、弾丸の衝撃を封じ込めるために、防護用布地に使用する繊 維をセラストマー樹脂材等で修飾することが知られている。そのように修飾され た繊維を使用することもこの発明の範囲に含まれている。さらに、この発明の範 囲では、この発明の布地に含まれる繊維のうちエラストマー繊維の割合は小さい 。 好ましくは、繊維の10%未満をエラストマー製とする。また、好ましくは、エラ ストマー等による修飾繊維の割合が、修飾対象となる布地層の重量に対して10% 以上にならないようにすべきである。 少なくとも上記のような最小物理特性を有する繊維を使用することによって、 個々の布地層が一般的な方法により織り上げられる。織り上げは、所望の平面織 りになるような一般的は構造であればどのようなものであってもよい。他の織構 造も同様に使用する事ができる。この発明では、基本的な2次元布地層を提供す る。しかしながら、3次元的な織布からなる布地層を使用することもこの発明の 範囲に含まれるものである。そのような3次元的な布地は、何枚かの2次元布地 の代わりに使用される。この場合、3次元布地の厚みは、それが代用する2次元 布地の合計枚数とほぼ同一の厚みとなるようにする。 個別の布地層を構成する織布の1枚の1平方フィート当たりの面比重は、重ね 合わせてキルティングする前の値で約0.015から0.02ポンドとする。何枚かまた は全ての織布層に不織布を介在させる場合には、不織布の面比重は織布のそれと 同等もしくは若干小さくする。また、個々の布地層の面比重と比較して、複合布 地の面比重が実質的に変化しないように積層した布地層をキルティングする。重 ね合わせてキルティングした複合布地の面比重は、個々の布地層に比べて僅かに 増加する。この発明では、2次元または3次元布地層は、同一の繊維で構成した 同一の面比重を有するものでもよく、あるいは、異なる繊維で構成した異なる面 比重を有するものでもよい。これらの相違はランダムでもよく、あるいは、積層 した個別布地の片側から反対側へ一定の割合で変化させるようにしてもよい。 この発明によれば、複数の布地層は個々に作成されて重ね合わされる。この発 明では、1枚の長い2次元的な織布を作成し、蛇行させて重ね合わせるようにす ることもできる。重ね合わせ方法は特に限定されない。重ね合わせたのち、それ らをキルティングする。縫い糸は、織布を作成するのに使用した繊維と同一のも のを使用するのが好ましいが、これに限定されるものではない。また、連続する 1本の糸でキルティングすることが好ましいが、不連続な糸で縫うこともできる 。 この発明では、個々の布を互いに化学的にキルティングすることによって最終 製品を完成させることもできる。重ね合わせた個々の布を化学的にキルティング することは繊維産業では良く知られている。従って、布地表面の所定位置に点状 または線状の結合樹脂を付着させたのち、複数枚重ね合わせた布を結合樹脂によ って吸着させてもよい。結合樹脂は、縫い糸の代わりに、または縫い糸と組み合 わせて使用することもできる。ただし、結合樹脂を使用する場合には、最終複層 製品の柔軟性をできるだけ損なわないような最小量を使用するように注意する。 キルティングの目的は、複数枚の織布を複合体とし、しかも弾丸の衝撃によっ て個々の繊維が分離するのを防ぐことである。一般的に、これらのキルティング 糸は、本来は弾丸をくい止めるためのものではないが、布地の全体構造を保ち、 これによって個別層、特に織布の繊維は弾丸をくい止めることができる。換言す れば、いかなる作用原理にも関係なく、個別層の繊維は実際に弾丸のエネルギー と勢いを減弱させることによって弾丸をくい止めることができるのである。キル ティングは繊維を一体に保持することによって、弾丸がそのエネルギーを減弱す ることなく繊維を拡張および/または破断させて布地に進入、貫通することを防 いでいる。この発明の別の重要な側面は、キルティングが布地の各層の分離を防 止すること、あるいは少なくとも分離しにくくすることである。このことによっ て、複数の布が共に作用し、個々の布の遮断力に比較して複合キルト生地の遮断 力が確実に増加する。 キルティングの頻度は、織布を構成する個々の繊維の破断力および織布層の編 み上げの強さとは幾分かは逆の比率である。すなわち、編み上げの強さ、キルテ ィングの頻度、あるいは繊維の破断力を調節することによって、同一の遮断力を 得ることができる。これら3つのパラメータを組み合わせることによって、この 発明の複合布地の所望の遮断力を得ることができる。 一般的に、上記のような繊維地に柔軟性と通気性を付与するためには、比較的 粗く編み上げる必要がある。好ましくは、各々1インチに43から56本の密度で直 交するように編み上げる。キルティングは、0.75から3インチの間隔で行なう。 キルティングは、布地の編み方向と対角に行い、その各々の縫い糸の間隔は、中 心が約2インチ離れるように行なうのが好ましいが、これに限定される必要はな い。一般に、キルティングは約0.75間隔で行い、中心が1.6から3インチ離れる ように行なうことができる。布地を構成する個々の布地層は、それぞれの編み上 げ方向が同一となるように重ね合わせるのが一般的であるが、その必要はない。 個々の布は、互いに編み上げ方向が逆向きになるように互い違いにすることもで きる。 レベルII、すなわち9mmまたは.357マグナム弾薬筒から発射される弾丸の貫通 を阻止するのに必要な強度と保全性を有し、しかも非常に快適な着心地をもたら す軽さと柔軟性を有する複合布地を作成するには、約40から50枚の布を縫い合わ せればよい。この発明の布製シールドを構成するのに何枚の布を重ね合わせるか は基本要件ではなく、むしろその枚数は希望する防護のレベルによって変わって くる。また、各々の個別層の少なくとも80%、好ましくは100%は織布とすべき である。 この発明の実施態様では、布地の表面を修飾することも好ましい。この修飾の 目的は、繊維および布地、個々の布地と最終的に完成された複合布地に水や石油 製品がしみ込むのを防ぐためである。この発明が対象としているようなタイプの 布地が何等かの液体、特に水や滑性有機液に濡れると、個々の繊維間の摩擦係数 が実質的に減じられるため、弾丸の貫通が容易になることが知られている。それ 故、この発明の好ましい側面は、公知の方法によって布地が液体を吸収しないよ うにすることである。 この発明の他の好ましい側面は、個々の布地の何枚かまたは全部、あるいは最 終的な複合布地、あるいはそれら両方をカレンダ加工することである。この加工 それ自体は公知のものであるが、織布(個々の布地または個々の布地かキルティ ング縫いされた複合体)の繊維はカレンダロールの間で圧延される。圧延力によ って布地は伸ばされ、面比重は低減する。また、個々の繊維もより伸長し、布地 もより柔軟に着やすくなる。 発明を実施するための最良の形態の実施例 実施例1 この発明の好ましい態様として、個々の布地層となる織布をポリエチレン繊維 によって作成した。このポリエチレン繊維は、防弾布地の作成に通常用いられて いるような一般的な平均分子量、デニール、強度、張力モジュールを有するもの を使用した。繊維は各々1インチに43本が直交するように編み上げ、全体の面比 重は0.78であった。これらの織布40枚を、互いの編み方向が一致するように上下 に重ね合わせて最終的な複合布地を作成した。この複合布地を、各布地の作成に 用いたのと同一の繊維で縫い合わせてキルト加工した。キルト縫いは約2インチ の間隔で行い、このキルト製品をカレンダ加工して、1インチ当たりの面比重が 0.85ポンドの最終製品を作成した。 比較例1 比較のため、第2の複合布地を作成した。この布地は、同一繊維からなる布地 を同一枚数用いたが、キルト加工は行なっていない。 比較例2 比較のため、第3の複合布地を作成した。この布地は、実施例1と同一の繊維 を用いて作成したが、これらの繊維は編み上げされてはいない。ただし、この不 織布は実施例1と同様の方法でキルト加工された。 これら3つの試料は、実質的に9mm弾薬筒から毎秒1175フィートの衝突速度で 発射される弾丸と同様の重量と大きさの弾丸によってテストされた。実施例1の 製品は弾丸の貫通を阻止し、裏面に44mm以下の変形が形成されたが、2つの比較 例の製品はでは弾丸が完全に通過した。
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Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 次の弾丸の少なくとも一方の貫通に耐えうる布地であって、その弾丸 とは、9mmの124グレーン弾薬筒から発射され、毎秒1175フィート以上の速度で布 地に激突するFMJ弾丸、または.357マグナムの158グレーン弾薬筒から発射さ れ、毎秒1395フィート以上の速度で布地するJPS弾丸であり、この布地は、1 平方フィート当たりの比重が約0.65から0.87ポンド、マトリックス樹脂含量が10 %重量未満、そして個々の布が約50層まで積層されてキルト加工された複合体で あり、個々の布は、180から420デニールの繊維を有し、この繊維は各々1インチ に43から56本の密度で直交するように織られており、そしてキルティングは各々 の中心が0.75から3インチの間隔である。 2. マトリックス樹脂を実質的に含まない請求項1の布地。 3. 基本的に個々の織布層からなる請求項1の布地。 4. 1平方フィート当たりの比重が約0.75から0.87ポンドである請求項1 の布地。 5. 繊維が、超高分子量ポリエチレン繊維を有する請求項1の布地。 6. 布地への液体のしみ込みを阻止する修飾を表面に施した請求項1の布 地。 7. 少なくとも人体の一部にフィットする形状であって、請求項1の布地 を有する衣類。 8. 次の弾丸の少なくとも一方による直接的な衝撃に対して物体を防護す る方法であって、その弾丸とは、9mmの124クルーン弾薬筒から発射され、毎秒 1175フィート以上の速度で布地に激突するFMJ弾丸、または.357マグナムの15 8グレーン弾薬筒から発射され、毎秒1395フィート以上の速度で布地に激突する JPS弾丸であり、この方法は、物体と弾丸との間に布地を配置することからな り、その布地は、1平方フィート当たりの比重が約0.65から0.87ポンド、マトリ ックス樹脂含量が10%重量未満、そして個々の布が約50層まで積層されてキルト 加工された積層体であり、個々の布は、180から420デニールの繊維を有し、この 繊維は各々1インチに43から56本の密度で直交するように織られており、そして キルティングは各々の中心が0.75から3インチの間隔である。
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