JP2006503258A - 耐弾道性で耐火性の複合物品 - Google Patents

耐弾道性で耐火性の複合物品 Download PDF

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Abstract

航空機室内装飾並びに他の用途のための耐弾道性で耐火性の複合物品。少なくとも約80,000 lb/in2 (552 MPa) の曲げ弾性率、少なくとも約800 lb/in2 (5.52 MPa) の曲げ降伏強さ、約0.9 lb/ft2 (4.40 kg/m2) 乃至約1.5 lb/ft2 (5.86 kg/m2) の面密度、2002年1月1日付けの合衆国法律集第14編第25.853節の要件を満たす耐火性及び240 gr (15.6 g) 質量の.44マグナム被覆中空先端 (JHP) 弾丸および124 gr (8.0 g) 質量の9 mm金属全被覆丸形先端 (FMJRN) 弾丸を用いる2002年1月10日付けの合衆国連邦航空局助言回状第25.795.2号による試験で少なくとも約1,430 ft/sec (427 m/s) のV0速度を有する複合物品を提供する。

Description

発明の詳細な説明
発 明 の 背 景
１．発明の分野
本発明は耐弾道性で耐火性の複合物品、更に詳しくは航空機室内装飾並びに他の用途のための耐弾道性で耐火性の複合物品に関する。
２．関連先行技術の説明
航空機室内装飾に用いられる材料は連邦規則法律集第14編第25部により規制されている。最近までは、このような材料に関する主な関心は難燃性であった。しかし2001年9月1日の自殺テロリスト等による航空機ハイジャックの結果として他の種類の脅威に対する保護の関心が高まってきた。それらの関心事のうちの主なものは小火器に対するパイッロトおよび操縦室の安全性である。ピストルの弾薬に対して耐貫通性でしかも耐火性の現基準を維持する操縦室扉用軽量材料が必要とされている。
航空機室内装飾用の耐火性材料は合衆国特許第4,780,359号、5,175,198号、5,714,419号、5,972,512号及び 6,044,605号に記載されている。米国特許第6,044,605号は“・・・耐火性で耐弾道性の材料で作られている・・・”ドア構造を記載している。
合衆国特許第3,934,066号は軟質保護層及び発泡性防炎樹脂配合物を含浸した多孔
性セルロース系シート状材料を含む発泡性防炎層を含む可燃性または感熱性基材への用途に適した難燃性積層板システムを記載している。該軟質保護層は金属箔であってもよい。
耐火性と耐弾道性の双方を有する材料類は合衆国特許第4,822,439、4,842,923、4,929,651、5,167,876、5,215,813及び 5,480,706号に記載されている。
合衆国特許第4,822,439及び4,929,651号は水酸化カルシウム及びイソフタール酸熱硬化性ポリエステルを含浸したアルミノケイ酸マグネシアガラス繊維ロービング織布を約60％乃至約75％含む複合物を記載している。
合衆国特許第4,842,923及び 5,167,876号は少なくとも2.5 lb/ft2の面密度を有する硬化フェノールホルムアルデヒド樹脂のマトリックス中にバランス良く交錯したアルミノケイ酸マグネシアガラス繊維織布の複数の層を含む複合物を記載している。
合衆国特許第5,167,876号は二つ以上の層を含み、少なくともその一つの層はマトリックス中の繊維の網状組織であり、また少なくともその一つの層は熱に晒されると吸熱性を有する難燃性層である複合物を記載している。
合衆国特許第5,480,706号は複数の交互する第1及び第2のプライを含み、その第1プライは第１のマトリックス中の高強度易燃性繊維の網状組織を含み、第2プライは耐火性マトリックス中の耐火性有機または無機繊維の網状組織を含む複合物を記載している。
上に引用した複合物品の各々はその指向する目標に向けての進歩を示している。しかしいずれも本発明の特定の構成を記載しておらず、本発明が満たす全ての要求を満足していなかった。
これらの初期の複合物品は主にガラス繊維等の比較的稠密な無機材料からなるという主要な不利益を有していた。このような材料は過剰重量が結果として不必要かつ高価な燃料消費となる航空機室内装飾用には理想的ではない。一方、複合物の密度が低すぎてそれが過剰な空間を占めることがある。有用な密度と組み合わされた強度、靭性、弾丸耐性及び耐火性を呈する複合材料が求められている。
発 明 の 概 要
本発明は強度、靭性、弾丸耐性、耐火性及び有用な密度をこれまでに知られていなかった組み合わせで発現す複合物品を提供する。本発明の複合物品は少なくとも約80,000 lb/ft2 (552 MPa) の曲げ弾性率、少なくとも約800 lb/ft2(5.52 MPa) の曲げ降伏強さ、少なくとも約0.9 lb/ft2 (4.40 kg/m2) 乃至約1.5 lb/ft2 (5.86 kg/m2) の面密度、2002年1月1日付けの合衆国法律集第14編第25.853節の要件を満たす耐火性及び240 gr (グレン) (15.6 g) 質量の.44マグナム被覆中空先端(JHP)弾丸及び124 gr (8.0 g) 質量の9 mm金属全被覆丸形先端(FMJRN)弾丸を用いる2002年1月10日付けの合衆国連邦航空局助言回状第25.795.2号による試験で少なくとも約1,430 ft/sec (427 m/s) のV0速度を有する。
一つの態様において、本発明の複合物品は複数のプライを含み、第1プライは金属箔を含み、第2プライは難燃性結合材料を含み、そして第3プライは複数の層を含み、前記層の各々はマトリックス中の易燃性高分子繊維の網状構造を含み、前記高分子繊維は少なくとも約17 g/d (デニール) の強力、少なくとも約500 g/dの引張弾性率及び少なくとも約20 J/gの破壊エネルギーを有する。
発 明 の 詳 細 な 記 述
本発明は強度、靭性、弾丸耐性、耐火性及び低密度をこれまでに知られていなかった組み合わせで発現する複合材料を提供する。本発明の複合物品は少なくとも約80,000 lb/ft2 (552 MPa) の曲げ弾性率、少なくとも約800 lb/ft2(5.52 MPa) の曲げ降伏強さ、少なくとも約0.9 lb/ft2 (4.40 kg/m2) 乃至1.5 lb/ft2 (5.86 kg/m2) の面密度、2002年1月1日付けの合衆国法律集第14編第25.853節の要件を満たす耐火性及び240 gr (15.6 g) 質量の.44マグナム被覆中空先端 (JHP) 弾丸および124 gr (8.0 g) 質量の9 mm金属全被覆丸形先端(FMJRN) 弾丸を用いる2002年1月10日付けの合衆国連邦航空局助言回状第25.795.2号により試験を行ったとき、少なくとも約1,430 ft/sec (427 m/s) のV0速度を有する。
該曲げ弾性率及び該曲げ降伏強さは米国材料試験協会(ASTM)基準試験法ASTM D790-00により測定される。
合衆国法律集第14編第25.853節は航空機区画室内装飾用の易燃焼性基準を定める。内部隔壁用材料は付録F、第I、IV及び V部に規定する試験要件を満たなければならない。
合衆国法典第14編第25.853節、付録F，第I部 (a) 1 (i) は垂直試験で隔壁材料は自己消化性でなければならないことを特定する。試験体は少なくとも幅2 in (5 cm)、長さ12 in (30 cm)で航空機用適格な最低厚さ以下でなければならない。最低３試験体を試験してその結果を平均しなければならない。該試験体を最低1,550ｏＦ (843℃) の炎温度のブンゼン或いはティリル (Tirrill) バーナーの炎に暴露する。該炎を60秒間該試験体の下端の中心線に作用させて取り除く。炎源を取り除いた後の平均燃焼時間は15秒以下でなければならない。平均燃焼長は６ in (15 cm) 以下でなければならない。試験体からの滴下がもしあれば、滴下後平均3秒を越えて燃焼し続けてはならない。
合衆国法律集第14編第25.853節、付録F、第IV部は特別に設計された試験室において輻射熱に暴露された機室材料からの最大熱放出率を特定する。試験体は5分間の試験時間中、3.4 W/cm2 の全熱流束を該試験体に作り出すように調節された輻射熱源に暴露される。試験体は5.91 in×5.91 in (14.9 cm×14.9 cm) の大きさで、航空機に使用されるのと同じ厚みを有する。該試験体は露出された表面垂直面で試験される。該試験室から出る燃焼物を監視して該熱放出率を計算する。3個以上の試料の各々に対する最初の2分間にわたる正の熱放出全てを平均し、そしてその試料のピーク熱放出率を平均する。該平均ピーク熱放出率は65 kW/m2を超えてはならない。露出された表面積に影響する溶融、垂れ下がり、剥離または他の挙動或いは燃焼態様が起こった場合は、これらの挙動をその観察された時間と共に報告しなければならない。
合衆国法律集第14編第25.853節、付録F、第V部は機室材料の最大発煙特性を特定し、該試験手順の詳細はASTM F814-83を参照する。最低３試験体を試験してその結果を平均しなければならない。3×3 in (7.62×7.62 cm) の試験体を特別に設計した部屋で垂直の向きに装着する。電気加熱輻射エネルギー源は該試験体の直径1.5 in (3.81 cm) の中心領域上に平均して2.2 BTU/s-ft2 (2.5 W/cm2) の輻射照射度を作り出す。6管バーナーを用いて一列の等距離火炎を露出試験体領域の下端を横切って当てる。1.5分及び4分後に得られた比光学煙密度 (Ds) を光学煙密度の最大値 (DsMax) 及DsMaxの時間とともに記録する。該平均DsMaxは200を超えてはならない。
複合物のV0速度は特定の発射体が該複合物を貫通しない最高速度である。本発明の複合物のV0速度は240 gr (15.6 g) 質量の.44マグナムJHP弾丸および124 gr (8.0 g) 質量の9 mm FMJRN 弾丸を用いる2002年1月10日付けの合衆国連邦航空局助言回状第25.795.2号の試験手順により決定される。
該発射体の速度は該発射体の軌跡に沿った照射線スクリーン (lumiline screens) により測定される。試験パネルを各放射体につき4発は発射体の軌跡に対して直角に装着し、また2発は放射体に対して直角から30度逸らして装着する。該V0速度は各衝突角度で
試験パネルを完全及び部分貫通させるように発射剤の充填量を変えて測定する。該V0速度は最高部分貫通速度である。本発明の複合物は240 gr (15.6 g) 質量の.44マグナムJHP弾丸及び124 gr (8.0 g) 質量の9 mm FMJRN 弾丸を用いて試験するとき、V0が少なくとも約1,430 ft/sec (427 m/s) である。
一つの態様において、本発明の複合物品はまとめて接合した複数のプライを含み、第1プライは金属箔を含み、第2プライは難燃性結合材料を含み、そして第3プライは複数の層を含み、前記層の各々はマトリックス中の易燃性高分子繊維の網状構造を含み、前記高分子繊維は少なくとも約17 g/dの強力（tenacity）、少なくとも約500 g/dの引張弾性率及び少なくとも約20 J/gの破壊エネルギーを有する。
別の態様において、本発明の複合物品はまとめて接合した複数のプライを含み、第1プライは金属箔を含み、第2プライは発泡性防燃樹脂配合物であり、第3プライは難燃性結合材料を含み、そして第4プライは複数の層を含み、前記層の各々はマトリックス中の易燃性高分子繊維の網状構造を含み、前記高分子繊維は少なくとも約17 g/dの強力、少なくとも約500 g/dの引張弾性率及び少なくとも約20 J/gの破壊エネルギーを有する。
好ましくは、本発明の複合物品は対称プライ構造を所有し、中央プライがマトリックス中の易燃性高分子繊維の網状構造からなる。好ましい一態様において、該複合物品はまとめて接合した5枚のプライを含み、第1プライ及び第5プライは金属箔を含み、第２プライ及び第4プライは難燃性結合材料を含み、そして中央第3プライはマトリックス中の易燃性高分子繊維の網状構造を含み、前記高分子繊維は少なくとも17 g/dの強力、少なくとも500 g/dの引張弾性率及び少なくとも約20 J/gの破壊エネルギーを有する。
別の好ましい一態様において、該複合物品はまとめて接合した7枚のプライを含み、第1プライ及び第7プライは金属箔を含み、第2及び第6プライは発泡性防燃樹脂配合物であり、第3及び第5プライは難燃性結合材料であり、そして中央第4プライはマトリックス中の易燃性高分子繊維の網状構造を含み、前記高分子繊維は少なくとも約17 g/dの強力、少なくとも約500 g/dの引張弾性率及び少なくとも約20 J/gの破壊エネルギーを有する。
各態様におけるプライ類は組み立てられ、そしてまとめて接合される。好ましくは、該接合は約100℃乃至約150℃の温度及び約15 psi (103 kPa) 乃至約5,000 psi（34,475 kPa）の圧力で該層類を接合するに充分な時間行われる。より好ましくは、該接合は約120℃乃至約130℃の温度及び約50 psi (345 kPa) 乃至約200 psi (1,380 kPa) で約30分間行われる。
好ましくは、各態様における金属箔は厚さ約0.0005 in (12.7 μm）乃至約0.005 in (127 μm) のアルミである。より好ましくは、該金属箔は厚さ約0.001 in (25.4 μm) 乃至約0.003 in (76.2 μm) のアルミである。
好ましくは、該耐火性結合材料は少なくとも10重量％の熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂から選ばれる高分子材料を含む。本発明の該結合材料に有用な熱可塑性重合体類はポリオレフィン類、ポリジエン類、ポリエステル類、ポリアミド類、ビニル重合体類、イオノマー類、アクリル樹脂類、アクリル酸樹脂類、ポリスルホン類、ポリフェニレンオキシド類、アセタール類、シリコーン類、熱可塑性ポリウレタン類、熱可塑性ポリイミド類、ポリケトン類、これらの共重合体類及びハロゲン化誘導体類を含むがそれらに限定されない。有用な熱硬化性重合体類はフェノール重合体類、メラミン重合体類、エポキシ類、シリコーン類、不飽和ポリエステル類及び熱硬化性ポリウレタン類を含むがこれらに限定されない。
該難燃性結合材料の重合体部分は内在的に難燃性であってもよく、或いは難燃剤との混合により難燃性にしたものであってもよい。
もし該難燃剤を使用するのであれば、それは有機、無機或いは有機金属であってもよい。好ましい難燃剤の例としては、“高分子材料の難燃性 (Flame Retardancy of Polymeric Materials)”、Kuryla及び Papa編集、Marcel Dekker, Inc.、ニューヨーク、 第1巻、第1頁乃至第111頁、1973年に列挙されている添加剤が挙げられるがそれらに限定されない。
これらの添加剤は以下の有機添加剤を含む。
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好ましい無機難燃剤としては、酸化アンチモン (Sb2O3); 硫化アンチモン (Sb2OS3、Sb2S3、Sb2S4); アンチモンハロゲン化物 (SbCl3、SbCl5、SbBr3、SbBr5); アンチモン酸ナトリウムまたはカリウム、例えば (NaSbO3); リン酸アンモニウム、ナトリウムまたはカリウム、例えば [(NH4)3PO4、(NH4)2HPO4、(NH4)H2PO4、(NH4PO3)x]; リンハロゲン化物(PCl3、PCl5、POCl3)、ホスホニトリル塩化物 (PNCl2)x、五硫化リン (P２S５); ホウ酸ナトリウム類[Na2O(B2O3)3.5・4H2O、Na2B4O7・10H2O]; テトラフルオロホウ酸ナトリウム、カリウムまたはアンモニウム、例えば (NaBF4); ホウ酸カルシウムまたはバリウム、例えば [Ca(BO2)2 及びCa3(BO3)2]; テトラホウ酸リチウム、ナトリウムまたはカリウム、例えば (LiB4O7)；ホウ酸 (H3BO3)；トリメトキシボロジン [(CH3OBO)3]；酸化アルミニウム水和物 [Al2O3・3H2O、Al(OH)3]; アルミノリン酸塩水和物 [Al2O3・ (AlPO4)x・(H2O)y]; ケイ酸ナトリウム [(Na2O)n(SiO2)m]、臭化アンモニウム (NH4Br); 硫酸アンモニウム [(NH4)2SO4]; ケイ酸リチウム類 [LiO2(SiO2)5.9、Li2O (Na2O)n(SiO2)m]; 酸化モリブデン (MoO3); パラモリブデン酸アンモニウム [(NH4)6Mo7O24(H2O)x]; 硫化モリブデン (MoS2); 及びスルファミド [(NH2)2SO2] 等が挙げられる。
好ましい有機金属難燃剤類としては下記のものが挙げられる。
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該難燃性結合材料に有用な好ましい内在的難燃性重合体類の例として、塩素化ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ1,1-ジクロルエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ1,1-ジクロロ-2-フルオロエチレン、ポリ1,2-ジクロロ-1.2-ジフルオロエチレン、ポリ1,1-ジフルオロエチレン、ポリ1,2-ジフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリトリフルオロエチレン、ポリペンタフルオロエチルエチレン、ポリテトラデカフルオロペンチルエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリ2,3,3,3-テトラフルオロプロピレン、ポリ3,3,3-トリフルオロプロピレン、ポリヘプタフルオロプロピルエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリトリブロモスチレン、それらの混合物及びこれらのポリマーに含まれる先行単量体の共重合体のごときハロゲン化重合体類がある。
該難燃性結合材料に有用な好ましい非ハロゲン化内在的難燃性重合体類の例として、メラミンホムアルデヒド、尿素ホムアルデヒド、フェノールホムアルデヒド、他のフェノール重合体類及びFIRE PRF2-1000の表示のもとで Borden Chemicals and Plasticsによる二液単量体の形で販売されているホルムアルデヒド−フルフラール−レゾルシノール−フェノール生成物等の共重合体類がある。
好ましくは、該難燃性結合材料は、BOSTIK (登録商標) 14-576-3 (Bostik Findley, Inc.) で表示されたポリアクリル酸エステル樹脂結合剤中の酸化アンチモン (Sb2O3)、デカブロモジフェニルエーテル及びポリ塩素化パラフィンワックスのブレンドを含む。
該難燃性結合材料の非重合体部分は発泡性防炎配合物からなっていてもよい。発泡性防炎配合物は熱の影響下で耐火性材料の発砲絶縁層を形成することにより働く。該発泡性防炎材料はまた吸熱分解を受ける。
発泡性防炎配合物は膨張して元の厚さの5倍を越えるチャーを生成する。該発泡物は基材を酸素及び/または過熱から防護し、それにより炎の拡がりを防ぐか或いは遅延させる。発泡性防炎システムは普通、重合体、チャーまたは炭素骨格形成物質 [“炭素形成物質 (carbonific）”]、発泡剤 [“泡形成物質 (spumific)”] 及び酸形成物質からなる。炭素形成物質としては、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、トリペンタエリスリトール、でん粉及び糖類のような有機ポリヒドロキシ化合物が用いられている。泡形成物質の例としては、メラミン、メラミン塩類、メラミン誘導体類、尿素、ジシアンジアミド及びグアニジンのような含窒素化合物類がある。該泡形成物質は不活性ガスを放出することにより発泡性防炎層を形成する。酸形成物質類としては通常、アミノリン酸塩、リン酸アンモニウム類、リン酸アミン類、ポリリン酸アンモニウム類およびリン酸メラミンが用いられている。
本発明において有用な発泡性防炎配合物は例えば、合衆国特許第6,309,746 B1; 6,228,914 B1; 5,962,603; 5,759,692; 5,708,065; 5,591,791; 5,356,568; 5,225,464; 5,185,103; 5,130,349; 4,857,364; 4,442,157; 4,542,170; 4,380,593; 4,198,328及び3,849,178号に記載されおり、それと矛盾しない範囲において参照としてここに組み入れる。
好ましい態様において、本発明の複合物品は発泡性防炎樹脂配合物の少なくとも１枚のプライを含む。好ましい発泡性防炎樹脂配合物はBorden Chemicalのフェノール樹脂FIRE PRF2-1000と約8乃至約18重量％のMAXICHAR (登録商標) の表示のもとにBroadview Technologies, Inc.により販売されているメラミンピロフォスフェート (C3H6N6・H4P2O7) 及びビス（メラミンピロフォスフォリック）アシッド (C6H12N12・H4P4O7) との混合物である。
好ましくは、該発泡性防炎樹脂配合物は、更に3M (登録商標) SCOTCHLITE (登録商標)ガラスバブルの表示のもとにMinnesota Mining and Manufacturing Co. により販売されているソーダ石灰ホウケイ酸ガラスバブルのごときガラスバブルを約2乃至約35重量％を含む。最も好ましくは、該ガラスバブルは5重量％以下が合衆国基準篩80番 (177 μ）上に留まるような大きさ有する。
好ましくは、本発明の複合物品の少なくとも1枚のプライは複数の層を含み、前記層の各々はマトリックス中の易燃性重合体繊維の網状構造を含み、前記重合体繊維は少なくとも約25 g/dの強力、少なくとも約900 g/dの引張弾性率及び少なくとも約25 J/gの破壊エネルギー（energy-to-break）を有する。
本発明の目的には、繊維は細長い本体で、その長さの寸法は幅及び厚さの横寸法よりもはるかに大きい。従って、用語“繊維”は一定な或いは不規則な断面を有するフィラメント、リボン、ストリップ等を含む。糸は多くの繊維またはフィラメントからなる連続したストランドである。
ここで使用されている“繊維の網状組織”は、所定の配列に配置された複数の繊維或いは複数の繊維を一まとめにして撚糸または未撚糸を形成し、その糸を所定の配列に配置したものを表す。この繊維の網状組織は種々の配列をとり得る。例えば、該繊維または糸を従来の技法によりフェルトとして、或いは他の不織布、編物または織布として網状組織にすることができる。好ましい網状組織配列によれば、一つの層において該繊維は共通の繊維方向に沿って実質的に互いに平行となるように一方向に揃えられている。このような一方向に揃えられた繊維の次に続く層は前の層に対して回転していることが好ましい。
易燃性繊維は燃焼を支持するものである。易燃性繊維としては中でも非修飾ポリオレフィン類、ポリエステル類、ポリビニルアルコール及びポリアクリロニトリル等が挙げられる。
最も好ましくは、複合物の繊維の網状組織層は、各網状組織層の一方向繊維の繊維方向が隣接する層の一方向繊維の繊維方向に対して回転して配置されている。一例として、第2、3、4及び5層が第1層に対して夫々+45度、-45度、90度及び0度回転している5層プライがある。特に好ましい例は、ひとつ置きの層が互いに0度及び90度に揃えられた50層プライである。
本発明の複合物を構成する最も好ましい該易燃性繊維は高強度ポリエチレン繊維である。本発明に使用される高強度ポリエチレン繊維は約17 g/d以上の強力、約500 g/d以上の初期引張弾性率及び約20 J/g以上の破壊エネルギーを有するものである。本発明の目的には、該強力、初期引張弾性率及び破壊エネルギーはASTM D2256により糸状で測定する。好ましい繊維は、約25 g/d以上の強力、約900 g/d以上の初期引張弾性率及び約25 J/g以上の破壊エネルギーを有するものである。特に好ましい繊維は、約30 g/d以上の強力、約1,200 g/d以上の初期引張弾性率及び約30 J/g以上の破壊エネルギーを有するものである。最も好ましい繊維は、約30 g/d以上の強力、約1,200 g/d以上の初期引張弾性率及び約40 J/g以上の破壊エネルギーを有するものである。
このような高強度ポリエチレン繊維は合衆国特許第4,137,394号または第 4,356,138号に記載されているように溶液中で成長させるか、或いはドイツ公開公報第3,004,699号 及び英国特許第2051667号に記載されているように、特に合衆国特許第4,413,110号に記載されているように溶液から紡糸してゲル構造を形成させることができる。該ポリエチレン繊維はまた合衆国特許第5,702,665号に記載されている圧延延伸法により製造することができ、そしてTENSYLON (登録商標) の名称でITS Industries Inc.により販売されている。本明細書に使用される用語“ポリエチレン”は、主として線状ポリエチレン材料を意味し、100主鎖炭素につき5修飾単位を超えない少量の鎖分枝またはコモノマーを含んでも良く、またアルケン−1−ポリマー類、特に低密度ポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリブチレン、主コモノマーとしてモノオレフィン類を含む共重合体類、酸化ポリオレフィン類、グラフトポリオレフィン共重合体類及びポリオキシメチレン類等の一種以上の重合体添加物或いは抗酸化剤類、潤滑剤類、紫外線遮蔽剤類、着色剤及び通常参照として組み入れられるもの等の低分子量添加物を約50重量％以下でそれと混合して含んでも良い。
驚くべきことに、本発明の複合物品は、主要部が比較的薄い難燃性表面層により遮蔽された易燃性繊維の網状組織からなるという事実にも拘わらず、航空機内装用の厳しい難燃性要件を満たす。本発明がなぜ作用するかの特別の理論にこだわるこのなく、該繊維の網状組織層及び該難燃性表面層が協働して炎源の伝播を遅らせるように作用するものと考えられる。該外部金属箔及び難燃性結合材料が酸素を阻止し、該複合体の内部へ高温度が伝播するのを初期の段階で遅延させる。高温の前線が最終的に該複合体の外部層を貫通するとき、該易燃性繊維は該熱源から収縮して空隙を創り出し熱源が更に伝播するのを遅延せる。該繊維の網状組織層と該複合体表面との間に発泡性防炎配合物が在る態様において、この熱源の伝播の遅延は更に増加する。この総合的効果が非常に広い安全性の限界をもって航空機室内装飾用の該要件を満たす高度に効果的な難燃性複合体である。
以下の実施例は本発明のより完全な理解を供するために提示されている。特定の技法、条件、材料、比率及び報告されたデータは本発明の原則を示すために記載されもので、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。特に、記載された技法は試験試料の作製のためのものであって容易に連続生産系統での実施へ拡張される。
実 施 例
比較例1
次の対称プライ構成を有する９プライ複合物品を作製した。
第1及び第9プライ：厚さ0.001 in(0.0254 mm)の302型ステンレス鋼箔;
第2及び第8プライ：発泡性防炎樹脂配合物;
第3及び第7プライ：フェノール樹脂含浸ガラス繊維；
第4及び第6プライ：難燃性感圧フィルム接着材；そして
第5プライ：50層のエポキシビニルエステルマトリックス中の一方向ポリエチレン繊維
の網状組織
該第2及び第8プライを構成する該発泡性防炎樹脂配合物は次のようにして作製したシート状材料であった。すなわち、60.9重量％の２液型ホルムアルデヒド−フルフラール−レゾルシノール−フェノール単量体 (Borden Durite FIRE PRF2-1000; Part A-100 pph、
Part B-24 pph)、9.1重量％のメラミンピロフォスフェート (C3H6N6・H4P2O7) 及びビス（メラミンピロフォスフォリック）アシッド (C6H12N12・H4P4O7) [Broadview Technologies、MAXICHAR (登録商標)] を含む発泡性防炎添加剤及び30重量％のガラスバブル (3M Type K1) からなる混合物を作製した。該混合物をシリコーン剥離紙上に厚さ0.020 in (0.51 mm) に平らに拡げ、その上に別の剥離紙を載せた。該混合物をプレスで約200ｏＦ (93℃) で約1 psi (7 kPa) の微圧下約30分間加熱して硬化させ固体状のシートにした。該シートの端部を整え、そのシートを等分して複合物の第２及び第８プライを形成した。
第3及び第7プライを構成する含浸ガラス繊維は難燃剤LC 194フェノール樹脂 (Lewcott Corp.) でプレプレグされ、厚さ約0.095 in (2.41 mm) の57×54端部/in (22×21端部/cm)の朱子織E-ガラス布帛、様式7781であった。
第4及び第6プライを形成する難燃性感圧フィルム接着材はBOSTIK (登録商標) 14-576-3 (Bostik Findley, Inc.) と表示されたアクリル酸エステル樹脂結合剤中の酸化アンチモン (Sb2O3)、デカブロモジフェニルエーテル及びポリ塩素化パラフィンワックスのブレンドであった。
中央第5プライは高強度ポリエチレン繊維の50層からなり、該ポリエチレン繊維はひとつの層において一方向に揃えられ、隣接層の繊維は互いに90度配向させて配置されていた。該ポリエチレン繊維は1,100 dであり、約 3.1 GPaの引張強さ、約107 GPaの初期引張弾性率及び約3.3%の破断伸度（elongation-to-break）を有しており、約500 kpsi (3.5 GPa) を有するエポキシビニルエステル樹脂 [Honeywell International Inc. から入手したSPECTRA SHIELD (登録商標) VE PLUS] を含むマトリックス中にあった。
複合物品のこれらのプライを組み立て、100 psi (690 kPa) の圧力下、温度121℃で30分間プレスで一まとめに接合した。
合衆国法律集第14編第25.853節、付録F、第IV部に従って行った該複合品の試験は平均最大熱放出率が65 kW/m2未満であるとする要件に比べて11 kW/m2の最大熱放出率を示した。しかし該パネルは1.84 lb/ft2 (8.99 kg/m2) の面密度を有しており、これは過剰であると考えられた。
比較例2
第2及び第8プライ以外は比較例１と同一の対称プライ構成を有する9プライ複合物品を作製した。第2及び第8プライに含まれる発泡性防炎樹脂配合物は次のようにして作製したシート状材料であった。
メラミンピロフォスフェート及びビス（メラミンピロフォスフォリック）アシッド [INTUMAX (登録商標) EP1115、Broadview Technologies、Inc.] を含む発泡性防炎性エポキシ樹脂の2液を一緒に混合し、そしてシリコーン剥離紙上に厚さ0.020 in (0.51 mm) に平らに拡げ、その上に別の剥離紙を載せた。この樹脂にはガラスバブルは含まれていなかった。該混合物をプレスで約200ｏＦ (93℃) で約1 psi (7 kPa) の微圧下30分間加熱して硬化させ固体状のシートにした。該シートの端部を整え、そのシートを等分して複合物の第2及び第8プライを形成した。
複合物の残りのプライは比較例１に記載の対応するプライと同一であった。
複合物品のこれらのプライを組み立て、100 psi (690 kPa) の圧力下、温度121℃で30分間プレスで一まとめに接合した。
合衆国法律集第14編第25.853節、付録F、第IV部に従って行った該複合品の試験は47 kW/m2の平均最大熱放出率を示した。この値は許容範囲にあるが比較例1で製作した該カラスバルブルを含む複合物の11 kW/m2の値より劣っていた。この複合物品は1.56 lb/ft2 (7.62 kg/m2) の改良された面密度を有しており、許容されうる範囲のほぼ外縁にあると考えられた。
実施例1
次の対称プライ構成を有する7プライ複合物品を作製した。
第1及び第7プライ：厚さ0.003 in (0.076 mm) のアルミ箔;
第2及び第6プライ：発泡性防炎樹脂配合物;
第3及び第5プライ：難燃性感圧フィルム接着材；そして
第4プライ：50層のエポキシビニルエステルマトリックス中の一方向ポリエチレン繊維
の網状組織
第2及び第6プライを構成する発泡性防炎樹脂配合物は次のようにして作製した。95.3重量％の2液型の発泡性防炎性エポキシ樹脂 [INTUMAX(登録商標)EP1115、Broadview Technologies、Inc.] 及び4.7重量％のガラスバブル（3M Type K1）を含む混合物を作製した。該混合物をシリコーン剥離紙上に厚さ0.016 in (0.41 mm) に平らに拡げ、その上に別の剥離紙を載せた。該混合物をプレスで約200ｏＦ (93℃) で約1 psi (7 kPa) の微圧下約30分間加熱して硬化させ固体状のシートにした。該シートの端部を整え、そのシートを等分して複合物の第2及び第6プライを形成した。
難燃性感圧フィルム接着材を形成する第2及び第6プライはBOSTIK (登録商標) 14-576-3 (Bostik Findley, Inc.) と表示されたアクリル酸エステル樹脂結合剤中の酸化アンチモン (Sb2O3)、デカブロモジフェニルエーテル及びポリ塩素化パラフィンワックスとのブレンドを含んでいた。
中央第4プライは高強度ポリエチレン繊維の50層からなり、該ポリエチレン繊維はひとつの層において一方向に揃えられ、隣接層の繊維は互いに90度配向させて配置されていた。該ポリエチレン繊維は1,100 dであり、約 3.1 GPaの引張強さ、約107 GPaの初期引張弾性率、約3.3%の破断伸度及び約45 J/gの破壊エネルギーを有しており、約500 kpsi (3.5 GPa) を有するエポキシビニルエステル [Honeywell International Inc.から入手したSPECTRA SHIELD (登録商標) VE PLUS] を含むマトリックス中にあった。
複合物品のこれらのプライを組み立て、100 psi (690 kPa) の圧力下、温度121℃で30分間プレスで一まとめに接合した。
本発明のこの複合物品は1.22 lb/ft2 (5.96 kg/m2) の面密度を有しており、許容されうるものと考えられた。この複合物を2002年1月1日付けの合衆国法律集第14篇第 25.853節、付録F及び240 gr (15.6 g)質量の .44マグナムJHP弾丸及び 124 gr (8.0 g) 質量の 9 mm FMJRN弾丸を用いる 2002年 1 月10日付けの合衆国連邦航空局助言回状第 25.795.2号による試験に付した。
該複合物品の曲げ弾性率及び曲げ降伏強さをASTM D790-00の方法により測定した。これらの試験結果を他の実施例及び比較例のデータとともに表１に示す。本発明の実施例１の複合物品（易燃性ポリエチレン繊維を含む）が全ての連邦航空局 (FAA)の要件を満たしていた。
実施例2
実施例１の複合物品と同一の構造を有する7プライ複合物品を同様にして作製した。この複合物品は1.19lb/ft2 (5.82 kg/m2) の面密度を有しており、この面密度は許容されうるものと考えられた。表1の試験結果は実施例２の複合物品が全てのFAA要件を満たしていたことを示している。
実施例3
次の対称プライ構成を有する7プライ複合物品を作製した。
第1及び第7プライ：厚さ0.003 in (0.076 mm) のアルミ箔;
第2及び第6プライ：発泡性防炎樹脂配合物;
第3及び第5プライ：難燃性感圧フィルム接着材；そして
第4プライ：50層の熱可塑性エラストマー系マトリックス [Honeywell International
Inc. から入手したSPECTRA SHIELD (登録商標) PCR PLUS] 中の一方向
ポリエチレン繊維の網状組織
第2及び第6プライを構成する発泡性防炎樹脂配合物は以下のようにして作製した。すなわち、74.2重量％の２液型ホムアルデヒド−フルフラール−レゾルシノール−フェノール単量体 (Borden Durite FIRE PRF2-1000; Part A-100pph、Part B-24 pph)、12.9重量％のメラミンピロフォスフェート (C3H6N6・H4P2O7) 及びビス（メラミンピロフォスフォリック）アシッド(C6H12N12・H4P4O7) (Broadview Technologies、MAXICHAR(登録商標))を含む発泡性防炎性添加物及び12.9重量％のガラスバブル (3M Type K1) からなる混合物を作製した。該混合物をシリコーン剥離紙上に厚さ0.016 in (0.41 mm) に平らに拡げ、その上に別の剥離紙を載せた。該混合物をプレスで約200ｏＦ (93℃)で約1 psi(7 kPa)の微圧下30分間加熱して硬化させ固体状のシートにした。該シートの端部を整え、そのシートを等分して複合物の第2及び第6プライを形成した。
難燃性感圧フィルム接着材を含む第3及び第5プライはBOSTIK (登録商標) 14-576-3 (Bostik Findley, Inc.) と表示されたアクリル酸エステル樹脂結合剤中の酸化アンチモン(Sb2O3)、デカブロモジフェニルエーテル及びポリ塩素化パラフィンワックスのブレンド
を含んでいた。
中央第4プライは50層の高強度ポリエチレン繊維からなり、該ポリエチレン繊維はひとつの層において一方向に揃えられ、隣接層の繊維は互いに90度配向させて配置されていた。該ポリエチレン繊維は1,100 dであり、約 3.1 GPaの引張強さ、約107 GPaの初期引張弾性率、約3.3%の破断伸度及び約45 J/gの破壊エネルギーを有していた。該高強度ポリエチレン繊維の網状組織は約100 psi (6.9 kPa) の引張弾性率を有する熱可塑性エラストマー [Honeywell International Inc. から入手したSPECTRA SHIELD (登録商標) PCR PLUS] を含むマトリックス中にあった。
複合物品のこれらのプライを組み立て、100 psi (690 kPa) の圧力下、温度121℃で30分間プレスで一まとめに接合した。
本発明の該複合物品は1.19 lb/ft2 (5.82 kg/m2) の面密度を有しており、この面密度は許容されうるものと考えられた。表1の試験結果は実施例3の複合物品が全てのFAA要件を満たしていたことを示している。
実施例4
次の対称プライ構成を有する5プライ複合物品を作製した。
第1及び第5プライ：厚さ0.001 in (0.0254 mm) のアルミ箔;
第2及び第4プライ：難燃性感圧フィルム接着材 [BOSTIK14 (登録商標) 14-576-3];そして
第3プライ：50層の熱可塑性エラストマー系マトリックス [Honeywell International
Inc. から入手したSPECTRA SHIELD (登録商標) PCR PLUS] 中の一方向
ポリエチレン繊維の網状組織
複合物品のこれらのプライを組み立て、100 psi (690 kPa) の圧力下、温度121℃で30分間プレスで一まとめに接合した。
この複合物品は1.0 lb/ft2 (4.89 kg/m2) の減少した面密度を有しており、この面密度は許容されうるものと考えられた。表1の試験結果は実施例4の複合物品が全てのFAA要件を満たしていたことを示している。
実施例5
中央第3プライ以外は実施例4と同一の対称プライ構成を有する５プライ複合物品を作製した。この実施例において、中央プライは50層の高強度ポリエチレン繊維からなり、該ポリエチレン繊維はひとつの層において一方向に揃えられ、隣接層の繊維は互いに90度配向させて配置されていた。該ポリエチレン繊維は1,100 dであり、約 3.1 GPaの引張強さ、約107 GPaの初期引張弾性率、約3.3%の破断伸度および他の糸の物理的性質を有しており、約500 kpsi (3.5 GPa) の引張弾性率を有するエポキシビニルエステル [Honeywell International Inc. から入手したSPECTRA SHIELD (登録商標) VE PLUS] を含むマトリックス中にあった。
複合物品のこれらのプライを組み立て、100 psi (690 kPa) の圧力下、温度121℃で30分間プレスで一まとめに接合した。
実施例5の複合物品もまた1.0 lb/ft2 (4.89 kg/m2) の面密度を有しており、許容されうるものと考えられた。表1の試験結果は実施例5の複合物品が全てのFAA要件を満たしていたことを示している。
本発明をかなり充分に記載したが、この詳細を厳密に固執する必要はなく、更に変更及び改良を加えることは当業者に示唆されうるものであり、付け加えられている特許請求の範囲に定義された本発明の範囲内に全て該当すると解される。
Figure 2006503258

Claims (17)

  1. 少なくとも約80,000 lb/in2 (552 MPa) の曲げ弾性率、少なくとも約800 lb/in2(5.52 MPa) の曲げ降伏強さ、約0.9 lb/ft2 (4.40 kg/m2) 乃至約1.5 lb/ft2(5.86 kg/m2)の面密度、2002年1月1日付けの合衆国法律集第14編第25.853節の要件を満たす耐火性及び240 gr (15.6 g) 質量の.44マグナム被覆中空先端 (JHP) 弾丸および124 gr (8.0 g) 質量の9 mm金属完全被覆丸形先端 (FMJRN) 弾丸を用いる2002年1月10日付けの合衆国連邦航空局助言回状第25.795.2号による試験で少なくとも約1,430 ft/sec (427 m/s) のV0速度を有する複合物品。
  2. 複数の一まとめに接合されたプライを含む複合物品であって、第1のプライは金属箔を含み、第2のプライは難燃性結合材料を含み、そして第3のプライは複数の層を含み、前記層の各々はマトリックス中の易燃性重合体繊維の網状組織を含み、前記重合体繊維は少なくとも約17 g/dの強力、少なくとも約500 g/dの引張弾性率及び少なくとも約20 J/gの破壊エネルギーを有する複合物品。
  3. 難燃性結合材料を含む第４プライと金属箔を含む第5プライとを更に含む、請求項2の複合物品。
  4. 前記第１プライと第２プライとの間に発泡性防炎樹脂配合物を更に含む、請求項2の複合物品。
  5. 発泡性防炎樹脂配合物からなる第5プライ、難燃性結合材料を含む第6プライ及び金属箔を含む第7プライを更に含む、請求項4の複合物品。
  6. 前記金属箔が約0.0005 in (12.7 μm）乃至約0.005 in (127μm) の厚さを有するアルミである、請求項2また請求項4の複合物品。
  7. 前記難燃性結合材料が、ポリオレフィン類、ポリジエン類、ポリエステル類、ポリアミド類、ビニル重合体類、イオノマー類、アクリル樹脂類、アクリル酸樹脂類、ポリスルホン類、ポリフェニレンオキシド類、アセタール類、シリコーン類、熱可塑性ポリウレタン類、熱可塑性ポリイミド類、ポリケトン類、フェノール重合体類、メラミン重合体類、エポキシ類、シリコーン類、不飽和ポリエステル類、熱硬化性ポリウレタン類、これらの共重合体類及びハロゲン化誘導体類から選ばれた高分子結合剤及び“高分子材料の難燃性 (Flame Retardancy of Polymeric Materials)”、Kuryla及び Papa編集、Marcel Dekker、Inc.、ニューヨーク、 第１巻、第1頁乃至第111頁、1973年に列挙されている難燃剤類の群の少なくとも一種を含む、請求項2また請求項4の複合物品。
  8. 前記難燃性結合材料が、ポリアクリル酸樹脂結合剤中の酸化アンチモン (Sb2O3)、 デカブロモジフェニルエーテル及びポリ塩素化パラフィンワックスのブレンドである、請求項2また請求項4の複合物品。
  9. 前記易燃性重合体繊維がポリエチレンである、請求項2また請求項4の複合物品。
  10. 前記ポリエチレン繊維が、ひとつの層内で一方向に配向されており、そして隣接する層内の繊維は互いに約90度で配向されている、請求項9の複合物品。
  11. 前記マトリックスが約6,000 psi (41.4 MPa) 未満のASTM D638により測定された初期引張弾性率を有するエラストマーである、請求項2また請求項4の複合物品。
  12. 前記マトリックスが共役ジエンとビニル芳香族単量体とのブロック共重合体を含むエラストマーである、請求項11の複合物品。
  13. 前記マトリックスが少なくとも約300 kpsi (2.1 GPa) の引張弾性率を有する熱硬化性樹脂である、請求項2または請求項4の複合物品。
  14. 前記マトリックスがエポキシビニルエステル樹脂である、請求項13の複合物品。
  15. 前記発泡性防炎樹脂配合物が、フェノール重合体類、メラミン重合体類、エポキシ類、シリコーン類、不飽和ポリエステル類及び熱硬化性ポリウレタン類からなる群より選ばれた樹脂中に分散されたメラミン、メラミン塩類、メラミン誘導体類、尿素、ジシアンジアミド及びグアニジンからなる群より選ばれた泡形成剤を含む、請求項3の複合物品。
  16. 前記発泡性防炎樹脂配合物が、メラミンピロフォスフェート (C3H6N6・H4P2O7) 及びビス（メラミンピロフォスフォリック）アシッド (C6H12N12・H4P4O7) からなる群より選ばれた少なくとも一種及びホルムアルデヒド−フルフラール−レゾルシノール−フェノール樹脂及びエポキシ樹脂からなる群より選ばれた一種を含む、請求項4の複合物品。
  17. 前記発泡性防炎樹脂配合物が更に約2乃至約35重量％のガラスバブルを含む、請求項12の複合物品。
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