JP2011504940A - 硬質防護製品のための複合弾道布帛構造物 - Google Patents
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Abstract
【選択図】なし
Description
高靭性繊維の少なくとも1つの網状構造を用意すること(ここで、該高靭性繊維は少なくとも約7g/dの靭性を有する);
高靭性繊維の網状構造に、水性媒質中の熱可塑性ポリウレタン樹脂マトリックス材料を塗布すること(ここで、該ポリウレタン樹脂マトリックス材料は室温で半結晶性であり、乾燥時のポリウレタンマトリックス材料は少なくとも約500psi(3.45MPa)の引張モジュラス(伸び率100%のとき)、少なくとも約500psi(3.45MPa)の引張モジュラス(伸び率300%のとき)、および少なくとも約2000psi(13.78MPa)の極限引張り強さを有する);そして
得られた高靭性繊維の網状構造および熱可塑性ポリウレタンマトリックス樹脂の組み合わせを圧密すること
を含む。
熱可塑性ポリウレタンマトリックス材料として、水性媒質中の熱可塑性ポリウレタン樹脂を用いること(ここで、該熱可塑性ポリウレタン樹脂マトリックス材料は室温で半結晶性であり、乾燥時の熱可塑性ポリウレタンマトリックス材料は少なくとも約500psi(3.45MPa)の引張モジュラス(伸び率100%のとき)、少なくとも約500psi(3.45MPa)の引張モジュラス(伸び率300%のとき)、および少なくとも約2000psi(13.78MPa)の極限引張り強さを有する)
を含む。
本発明のヤーンおよび布帛に有用な高強度繊維には、高延伸高分子量ポリオレフィン繊維、特に高モジュラス(または高靭性)ポリエチレン繊維およびポリプロピレン繊維、アラミド繊維、ポリベンズアゾ−ル繊維、例えばポリベンゾオキサゾール(PBO)およびポリベンゾチアゾール(PBT)、ポリビニルアルコール繊維、ポリアクリロニトリル繊維、液晶コポリエステル繊維、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、ガラス繊維、グラファイト繊維、炭素繊維、玄武岩または他の鉱物繊維、硬質ロッドポリマー繊維、並びにそれらの混合物およびブレンドが含まれる。本発明において有用な好ましい高強度繊維には、ポリオレフィン繊維(より好ましくは高靭性ポリエチレン繊維)、アラミド繊維、ポリベンズアゾ−ル繊維、グラファイト繊維、並びにそれらの混合物およびブレンドが含まれる。最も好ましいのは高靭性ポリエチレン繊維および/またはアラミド繊維である。
同様に、重量平均分子量が少なくとも約200,000、好ましくは少なくとも約1,000,000、より好ましくは少なくとも約2,000,000の高延伸高分子量ポリプロピレン繊維を用いることができる。そのような伸び切り鎖ポリプロピレンは、上記の様々な文献、特に米国特許第4,413,110号に記載の技術によって無理なく十分に延伸されたフィラメントに形成されうる。ポリプロピレンはポリエチレンよりもはるかに結晶質が低く、そしてペンダントメチル基を含んでいるので、ポリプロピレンで達成される靭性値はポリエチレンの場合に相当する値よりも一般的にかなり低い。従って、好適な靭性は、好ましくは少なくとも約8g/d、より好ましくは少なくとも約11g/dである。ポリプロピレンの初期引張モジュラスは、好ましくは少なくとも約160g/d、より好ましくは少なくとも約200g/dである。ポリプロピレンの融点は一般的には延伸プロセスによって数度上昇し、ポリプロピレンフィラメントの主融点は、好ましくは168℃以上、より好ましくは170℃以上である。上記パラメーターの特に好ましい範囲は、最終製品の性能の改善を有利にもたらすことができる。上記パラメーター(モジュラスおよび靭性)の好ましい範囲と共に少なくとも約200,000の重量平均分子量を有する繊維を用いると、最終製品の性能の改善が都合よくもたらされる。
好ましくは、高靭性繊維の網状構造からなる複数の層が用いられる。1つの例では、2層複合材料が形成される。別の例では、4層複合材料が形成される。本技術分野で公知のとおり、多層の複合材料またはプリプレグは弾道抵抗性製品の形成に使用することができる。
本発明に用いられるポリウレタン組成物は、一定の範囲の固形分を有する。例えば、固形分は約20〜約80重量%、好ましくは約30〜約70重量%、より好ましくは約40〜約60重量%であり、残部は水である。充填剤、粘度調節剤等の添加剤が樹脂組成物に含まれていてよい。
本発明の複合材料布帛は、様々な弾道抵抗性製品、例えば車両パネル、胸当て(セラミック仕上げ有り又はセラミック仕上げ無し)、軍隊および警察用ヘルメット、盾、可動弾道壁および仕切り、ブリーフケース、スポールライナー等に用いることができる。複合材料布帛は車両保護プレート(陸、海および/または空軍輸送手段)に特に有用である。
4層の不織複合材料を、一方向延伸1300デニール高靭性ポリエチレンヤーン(ハネウエル・インターナショナル社のSpectraR 1000)から形成した。ユニテープは、繊維を、クリールからコーミング・ステーションに通して一方向網状構造を形成することによって製造した。次に、繊維網状構造をキャリヤーウェッブ上に置き、繊維をスチレン−イソプレン−スチレンブロックコポリマーマトリックス樹脂(ヘンケル社のPrinlinR B7137HV)で塗布した。
本実施例では、実施例1と同じ種類の繊維について弾道性について試験したが、繊維は上記米国特許出願第11/213,253号の実施例1に記載の樹脂で塗布した。マトリックス樹脂は熱可塑性ポリウレタン樹脂であり、その製造業者によると23℃での相対密度1.05g/ccおよび23℃での粘度40cpsを有する、水中のポリウレタン樹脂のコポリマーミックス(40〜60%樹脂)である。マトリックス樹脂は乾燥時に複合材料の約16重量%を構成していた。
実施例3
マトリックス樹脂が水性分散液中の半結晶性熱可塑性ポリウレタン樹脂(バイエル社のDispercollR U53)であった以外は、実施例1を繰り返した。乾燥時のポリウレタン樹脂の性質は次の通りである:引っ張りモジュラス(伸び率100%のとき)1230psi(8.47MPa)、引っ張りモジュラス(伸び率300%のとき)1340psi(9.23MPa)、極限引張り強さ5610psi(38.65MPa)、および破断点伸び710%。さらに、室温で60分間再結晶化を行った後、乾燥時のポリウレタンマトリックス材料のショアーA硬度は約92である。水性分散液中の樹脂含有率は40重量%であった。
空気中で乾燥したU53の試料の結晶化度は、XRDおよびDSC分析によって測定した。
実施例1を繰り返し、重量3.6ポンド/フィート2(17.6kg/m2)のパネルをAK−47弾丸(7.62×39mm)に対する弾道性能について試験した。結果を以下の表2に示す。
実施例2を繰り返し、重量3.6ポンド/フィート2(17.6kg/m2)のパネルをAK−47弾丸(7.62×39mm)に対する弾道性能について試験した。結果を以下の表2に示す。
実施例3を繰り返し、重量3.6ポンド/フィート2(17.6kg/m2)のパネルをAK−47弾丸(7.62×39mm)に対する弾道性能について試験した。結果を以下の表2に示す。
実施例1を繰り返し、重量が4.0ポンド/フィート2(19.6kg/m2)のパネルをRussian Dragnov弾丸(7.62×54Rmm)に対する弾道性能について試験した。結果を以下の表3に示す。
実施例2を繰り返し、重量が4.0ポンド/フィート2(19.6kg/m2)のパネルをRussian Dragnov弾丸(7.62×54Rmm)に対する弾道性能について試験した。結果を以下の表3に示す。
実施例3を繰り返し、重量が4.0ポンド/フィート2(19.6kg/m2)のパネルをRussian Dragnov弾丸(7.62×54Rmm)に対する弾道性能について試験した。結果を以下の表3に示す。
ポリウレタン樹脂としてバイエル社のDispercollR U54を用いて実施例3を繰り返す。この樹脂は結晶質ポリウレタンとみなされており、以下の特性を有する:引張モジュラス(伸び率100%のとき)1140psi(7.85MPa)、引張モジュラス(伸び率300%のとき)1150psi(7.92MPa)、極限引張強さ5610psi(38.52MPa)、および破断点伸び820%。さらに、乾燥時のポリウレタンマトリックス材料は、室温で60分間再結晶化を行った後に測定して、約95のショアー硬度を有する。ポリウレタンは水性分散液の状態であり、固形分は約50重量%であり、残部は水である。パネルを弾道性能について試験すると、同様の結果が得られる。
ポリウレタン樹脂としてバイエル社のDispercollR U56を用いて実施例3を繰り返す。この樹脂は結晶質ポリウレタンとみなされており、以下の特性を有する:引張モジュラス(伸び率100%のとき)1140psi(7.85MPa)、引張モジュラス(伸び率300%のとき)1140psi(7.85MPa)、極限引張強さ4060psi(27.97MPa)、および破断点伸び860%。さらに、乾燥時のポリウレタンマトリックス材料は、室温で60分間再結晶化を行った後に測定して、約95のショアー硬度を有する。ポリウレタンは水性分散液の状態であり、固形分は約50重量%であり、残部は水である。パネルを弾道性能について試験すると、同様の結果が得られる。
Claims (31)
- 硬質防護製品に有用な弾道抵抗性複合材料であって、該複合材料は熱可塑性マトリックス材料中における高靭性繊維の少なくとも1つの圧密化網状構造を含み、該熱可塑性マトリックス材料は室温で半結晶性の熱可塑性ポリウレタン樹脂を含み、該高靭性繊維は少なくとも約7g/dの靭性を有し、ここで、圧密前に該マトリックス材料は水性媒体中の該ポリウレタン樹脂を含み、乾燥時の該ポリウレタンマトリックス材料は少なくとも約500psi(3.45MPa)の引張モジュラス(伸び率100%のとき)、少なくとも約500psi(3.45MPa)の引張モジュラス(伸び率300%のとき)、および少なくとも約2000psi(13.78MPa)の極限引張り強さを有する、上記の弾道抵抗性複合材料。
- 複合材料が、高靭性繊維からなる複数の圧密化網状構造を含む、請求項1に記載の弾道抵抗性複合材料。
- 乾燥時のポリウレタンマトリックス材料が、少なくとも約1000psi(6.89MPa)の引張モジュラス(伸び率100%のとき)、少なくとも約1000psi(6.89MPa)の引張モジュラス(伸び率300%のとき)、および少なくとも約4000psi(27.56MPa)の極限引張り強さを有する、請求項1に記載の弾道抵抗性複合材料。
- 乾燥時のポリウレタンマトリックス材料が少なくとも約1100psi(7.58MPa)の引張モジュラス(伸び率100%のとき)、少なくとも約1100psi(7.58MPa)の引張モジュラス(伸び率300%のとき)、および少なくとも約5000psi(34.45MPa)の極限引張り強さを有する、請求項1に記載の弾道抵抗性複合材料。
- 乾燥時のポリウレタンマトリックス材料が少なくとも約1200psi(8.27MPa)の引張モジュラス(伸び率100%のとき)、少なくとも約1200psi(8.27MPa)の引張モジュラス(伸び率300%のとき)、および少なくとも約5500psi(37.90MPa)の極限引張り強さを有する、請求項1に記載の弾道抵抗性複合材料。
- 乾燥時のポリウレタンマトリックス材料が少なくとも約600%の破断点伸びを有する、請求項1に記載の弾道抵抗性複合材料。
- 乾燥時のポリウレタンマトリックス材料が、室温で60分間再結晶化を行った後に測定したとき、少なくとも約60のショアーA硬度を有する、請求項1に記載の弾道抵抗性複合材料。
- 乾燥時のポリウレタンマトリックス材料が、室温で60分間再結晶化を行った後に測定したとき、少なくとも約80のショアーA硬度を有する、請求項1に記載の弾道抵抗性複合材料。
- 高靭性繊維の網状構造が不織布を含む、請求項1に記載の弾道抵抗性複合材料。
- 不織布が一方向延伸不織布を含む、請求項1に記載の弾道抵抗性複合材料。
- 高靭性繊維の網状構造が織布を含む、請求項1に記載の弾道抵抗性複合材料。
- 形成後、ポリウレタン樹脂が複合材料の重量に基づいて約10〜約25重量%の量で存在する、請求項1に記載の弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料。
- 高靭性繊維が、ポリオレフィン繊維、アラミド繊維、ポリベンズアゾール繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアクリロニトリル繊維、液晶コポリエステル繊維、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、ガラス繊維、グラファイト繊維、炭素繊維、玄武岩または他の鉱物繊維、硬質ロッドポリマー繊維、並びにそれらのブレンドよりなる群から選択される、請求項1に記載の弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料。
- 高靭性繊維が、高靭性ポリエチレン繊維、アラミド繊維、PBO繊維、グラファイト繊維およびそれらのブレンドよりなる群から選択される、請求項1に記載の弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料。
- 高靭性繊維が、高靭性ポリエチレン繊維および/またはアラミド繊維を含む、請求項1に記載の弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料。
- 繊維の圧密化網状構造の隣接層同士が斜めになるように配置されている、請求項2に記載の弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料。
- 複数の圧密化網状構造が圧密化網状構造の2プライ構造を含む、請求項2に記載の弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料。
- 複数の圧密化網状構造が4プライ構造の圧密化網状構造を含む、請求項2に記載の弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料。
- 圧密材料が約10〜約60層の繊維の圧密化網状構造を含む、請求項1に記載の弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料。
- 圧密前は、マトリックス材料がポリウレタン樹脂の水性分散液を含む、請求項1に記載の弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料。
- 乾燥時のポリウレタンマトリックス材料が少なくとも約30%の結晶化度を有する、請求項1に記載の弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料。
- 請求項1の複合材料から形成された車両保護プレート。
- 硬質防護製品の形成に有用な予備含浸部材であって、該予備含浸部材は、室温で半結晶性である熱可塑性ポリウレタン樹脂を含む熱可塑性マトリックス材料中における高靭性繊維網状構造の少なくとも2つの圧密隣接層を含み、高靭性繊維は少なくとも約7g/dの靭性を有し、ここで、圧密前に該マトリックス材料は水性媒体中のポリウレタンを含み、乾燥時のポリウレタンマトリックス材料は少なくとも約500psi(3.45MPa)の引張モジュラス(伸び率100%のとき)、少なくとも約500psi(3.45MPa)の引張モジュラス(伸び率300%のとき)、および少なくとも約2000psi(13.78MPa)の極限引張り強さを有する、予備含浸部材。
- 乾燥時のポリウレタンマトリックス材料が少なくとも約1000psi(6.89MPa)の引張モジュラス(伸び率100%のとき)、少なくとも約1000psi(6.89MPa)の引張モジュラス(伸び率300%のとき)、および少なくとも約4000psi(27.56MPa)の極限引張り強さを有する、請求項23に記載の予備含浸部材。
- 硬質防護製品に有用な弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料であって、該製品は熱可塑性マトリックス材料中における高靭性繊維の少なくとも1つの圧密化網状構造を含み、該熱可塑性マトリックス材料は室温で半結晶性である熱可塑性ポリウレタン樹脂を含み、該高靭性繊維は高靭性ポリエチレン繊維を含み、該高靭性繊維の網状構造は一方向延伸不織布を含み、ここで、圧密前に該マトリックス材料は水性媒体中の該ポリウレタン樹脂を含み、乾燥時の該ポリウレタンマトリックス材料は少なくとも約1000psi(6.89MPa)の引張モジュラス(伸び率100%のとき)、少なくとも約1000psi(6.89MPa)の引張モジュラス(伸び率300%のとき)、少なくとも約4000psi(27.56MPa)の極限引張り強さ、および室温で60分間再結晶化を行った後に測定したとき、少なくとも約60のショアーA硬度を有する、弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料。
- 硬質防護製品に有用な弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料を形成する方法であって、
高靭性繊維の少なくとも1つの網状構造を用意すること、ここで、高靭性繊維は少なくとも約7g/dの靭性を有する;
高靭性繊維の網状構造に、水性媒質中の熱可塑性ポリウレタン樹脂マトリックス材料を塗布すること、ここで、ポリウレタン樹脂マトリックス材料は室温で半結晶性であり、乾燥時のポリウレタンマトリックス材料は少なくとも約500psi(3.45MPa)の引張モジュラス(伸び率100%のとき)、少なくとも約500psi(3.45MPa)の引張モジュラス(伸び率300%のとき)、および少なくとも約2000psi(13.78MPa)の極限引張り強さを有する;そして
得られた高靭性繊維の網状構造および熱可塑性ポリウレタンマトリックス樹脂の組み合わせを圧密させること
を含む弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料の形成方法。 - 高靭性繊維の網状構造が不織布を含む、請求項26に記載の方法。
- 高靭性繊維の複数の網状構造を用意すること、および繊維の網状構造同士が斜めになるように配置することを含む、請求項27に記載の方法。
- 不織布が一方向延伸不織布を含み、且つ、高靭性繊維が高靭性ポリエチレン繊維および/またはアラミド繊維を含む、請求項28に記載の方法。
- 熱可塑性ポリウレタンマトリックス材料中に高靭性繊維の圧密化網状構造を含む弾道抵抗性弾道抵抗性複合材料の弾道抵抗性弾道抵抗性を改善する方法であって、高靭性繊維が少なくとも約7g/dの靭性を有し、該方法が、
熱可塑性ポリウレタンマトリックス材料として水性媒質中の熱可塑性ポリウレタン樹脂マトリックス材料を用いること(ここで、熱可塑性ポリウレタン樹脂マトリックス材料は室温で半結晶性であり、乾燥時の熱可塑性ポリウレタンマトリックス材料は少なくとも約500psi(3.45MPa)の引張モジュラス(伸び率100%のとき)、少なくとも約500psi(3.45MPa)の引張モジュラス(伸び率300%のとき)、および少なくとも約2000psi(13.78MPa)の極限引張り強さを有する。)
を含む方法。 - 乾燥時のポリウレタンマトリックス材料が、室温で60分間再結晶化を行った後に測定したとき、少なくとも約60のショアーA硬度を有する、請求項30に記載の方法。
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