JP2014509376A - スチレン−ブタジエン樹脂を含む防弾性物品および該物品を製造する方法 - Google Patents

スチレン−ブタジエン樹脂を含む防弾性物品および該物品を製造する方法 Download PDF

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Abstract

複数の繊維層を含む防弾性物品であって、
前記繊維層の各々は、繊維のネットワークとマトリクス材料とを含み、
前記繊維は、ASTM D 7269−07に従って少なくとも800mN/tex(1100MPa)の強度を有し、
前記マトリクス材料は、少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂と、少なくとも1種の粘着付与剤とを含む混合物を含む、防弾性物品を提供する。
同じ構造であるが粘着付与剤を含まないマトリクス材料を含む物品と比較して、本発明の物品は、未劣化状態および劣化状態の両方において繊維層間のより高い接着力、および水への浸漬後のより低い吸水性を備えている。また、さらに金属またはセラミックのプレートを含む物品は、弾道攻撃後、繊維層の層間剥離が最小であるかまたは示しさえしない。対照的に、同じ構造であるがスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂を含まないマトリクス材料を含む物品は、繊維層の(非常に強い)内部層間剥離を示し、同じ構造の、スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂を含むが粘着付与剤を含まないマトリクス材料による物品は、軽度の層間剥離を示す。

Description

本発明は、防弾性物品および該物品を製造する方法に関する。
WO2008/077605には、各層が3.5から4.6GPaの間の引張強度を有する単一方向性配向強化繊維を含み、各層の繊維方向が隣接する層中の繊維方向に対して回転しており、単層の面密度が少なくとも25g/mであり、マトリクス材料の最大で20質量%が、好ましくはポリウレタン、ポリビニル、ポリアクリル、ポリオレフィン、ポリイソプレン−ポリエチレン−ブチレン−ポリスチレンブロック共重合体、およびポリスチレン−ポリイソプレン−ポリスチレンブロック共重合体からなる群から選択される、少なくとも4つの層の積層を含む防弾性シートが記載されている。後者のブロック共重合体は、WO2008/077605の例に使用されているので、特に好ましい。
国際公開第2008/077605号パンフレット
しかしながら、防弾性シートの未劣化状態だけでなく、温度および相対湿度の値が高い気候および/または化学分解性雰囲気、例えば、酸素雰囲気中でのシートの劣化後にも、層間の高い接着力を有する防弾性シートが要求されている。
さらに、水浸漬後の吸水性が低い防弾性シートが要求されている。
また、防弾性シートを金属またはセラミックのプレートに接合した場合に、プレート側からの弾丸攻撃後、プレート裏側の層には、より高い構造的完全性が要求されている。具体的には、弾丸攻撃後のプレート裏側の層には、層間剥離の程度がより低いことが要求されている。
前記課題は、複数の繊維層を含む防弾性物品であって、前記繊維層の各々は、繊維のネットワークとマトリクス材料を含み、前記繊維は、ASTM D 7269−07に従って少なくとも80mN/tex(1100MPa)の強度を有し、前記マトリクス材料は、少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂と、少なくとも1種の粘着付与剤とを含む混合物を含む、防弾性物品により解決される。
驚くべきことに、本発明による防弾性物品は、同じ構造であるが粘着付与剤を含まないマトリクス材料を用いた防弾性物品と比較して、物品の未劣化状態だけでなく、温度および相対湿度の値が高い気候、および/または化学分解性雰囲気、例えば、酸素雰囲気中での物品の長期劣化後にも、層間の接着力が著しく高い。
さらに、驚くべきことに、本発明による防弾性物品は、同じ構造であるが粘着付与剤を含まないマトリクス材料を用いた防弾性物品と比較して、水浸漬後の吸水性が著しく低い。
最後に、本発明の防弾性物品の好ましい実施形態により、複数の繊維層をパネルに形成し、パネルを金属またはセラミックのプレートに接合して硬質防弾性物品を得た場合に、弾丸攻撃後に観察される繊維層の層間剥離は最小であるかまたは全くない一方で、同じ構造であるが粘着付与剤を含まないマトリクス材料を用いた物品は、繊維層の高程度の層間剥離を示す。そのため、本発明による防弾性物品は、同じ構造であるが粘着付与剤を含まないマトリクス材料を用いた防弾性物品と比較して、繊維層間の高い構造的完全性を示す。本発明の防弾性物品における繊維層の驚くほど高い構造的完全性は、本発明の物品の好ましい実施形態においてv50値として測定される防弾性能で評価でき、未劣化状態と、劣化状態、すなわち、温度および相対湿度の値が高い状態での本発明の物品の長期劣化後との両方において、同じ構造であるが粘着付与剤を含まないマトリクス材料を用いた物品のv50値と比較して、非常に類似しているかまたは同一でさえある。上記のように、金属またはセラミックのプレートを含む本発明の防弾性物品は、弾丸攻撃後に繊維層の層間剥離は最小であるかまたは示さない。対照的に、同じ構造であるがスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂を含まないマトリクス材料を用いた物品は、繊維層の(非常に強い)内部層間剥離を示し、同じ構造の、スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂を含むがマトリクス材料として粘着付与剤を含まない物品は、軽度の層間剥離を示す。
本発明において「繊維層」という用語は、その成分の1つとして繊維を含む層を意味する。
本発明において「繊維」という用語は、その長さ寸法が、幅および厚さの横断寸法よりもはるかに大きい細長い物体を意味する。したがって、「繊維」には、モノフィラメント繊維、マルチフィラメント繊維、リボン、ストリップ、ステープルファイバーおよび前記の1種もしくは複数から作られる糸が含まれる。特に好ましい「繊維」は、マルチフィラメント糸を意味する。本発明に使用する「繊維」の横断面は、大きく異なっていてもよい。横断面としては、たとえば、円形、扁平、または長方形であり得る。これらはまた、例えば、フィラメントの縦軸から突出した1種もしくは複数の規則的または不規則的な丸い突出部を有する不規則的または規則的形状であってもよい。好ましくは、「繊維」は、実質的に円形の横断面を示す。
本発明において「複数の繊維層」という用語は、少なくとも2つの繊維層を意味する。しかしながら、本発明の物品は、弾丸攻撃の強度に応じた防弾性を有しなければならず、複数の繊維層を構成する繊維層の数は、本発明を知る当業者が適宜選択することができる。多くの弾丸攻撃状況においては、好ましくは2から250、より好ましくは10から100に及ぶ繊維層の数で十分である。
本発明において「繊維のネットワーク」という用語は、所定の形状に配置された複数の繊維、または所定の形状に配置された撚糸もしくは不撚糸であり、当該撚糸もしくは不撚糸は、複数の繊維が共にグループ化されて形成されることを意味する。繊維のネットワークは、種々の形状を有することができる。例えば、繊維または糸は、フェルトもしくは他の不織布として形成されても、ネットワークに編まれるかもしくは織られても、あるいは任意の従来技術によりネットワークに形成されてもよい。
特に好ましいネットワーク形状としては、繊維のネットワークは、繊維の単一方向性配列、すなわち、繊維が、繊維軸方向に沿って互いに実質的に平行となるよう単一方向に整列された形状である。
本発明の防弾性物品における繊維のネットワークを形成するのに有用な繊維は、ASTM D 7269−07に従って少なくとも1100MPaの強度を有する。このような繊維としては、アラミド繊維が好ましい。本発明において「アラミド繊維」という用語は、繊維形成ポリマーとして芳香族ポリアミドを用いて製造される繊維を意味する。前記繊維形成ポリマー中、アミド(−CO−NH−)結合の少なくとも85%は、2個の芳香環上に直接結合している。特に好ましい芳香族ポリアミドは、p−アラミドである。p−アラミドの中では、ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)が最も好ましい。ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)は、p−フェニレンジアミンおよびテレフタル酸ジクロリドの等モル重合から得られる。例えば、ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)から作られるマルチフィラメント糸からなる繊維は、Teijin Aramid(NL)から商品名Twaron(登録商標)として得ることができる。
本発明の防弾性物品において繊維のネットワークを形成するのに有用なさらなるアラミド繊維は、繊維形成ポリマーとして芳香族共重合体を用いて形成されるものである。前記芳香族共重合体においては、p−フェニレンジアミンおよび/またはテレフタル酸ジクロリドは、他の芳香族ジアミンおよび/またはジカルボン酸クロリドにより部分的または完全に置換されている。
本発明において「マトリクス材料」という用語は、特に、一枚の繊維層中の繊維を互いに結合し、それによって当該繊維層を安定化させる材料を意味する。
本発明の防弾性物品におけるマトリクス材料は、少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂、すなわち、スチレンおよびブタジエンの共重合パラメータがスチレンおよびブタジエンの共重合体鎖においてランダム配列となっている共重合体と、少なくとも1種の粘着付与剤と、を含む混合物を含む。
さらに、混合物は、スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂または粘着付与剤の製造業者により使用される、配合助剤を含んでもよい。例えば、少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂または少なくとも1種の粘着付与剤は、1種または複数の界面活性剤を含んでもよい。さらに、少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂または少なくとも1種の粘着付与剤は、少量の湿潤剤、消泡剤、抗酸化剤、UV安定剤、またはフリーラジカル捕捉剤を含んでもよい。
本発明の防弾性物品の好ましい実施形態では、スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は、カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂である。好ましい実施形態では、本発明の防弾性物品のマトリクス材料を構成する混合物は、少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂を含む。
本発明において「少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂」という用語は、モノマーであるスチレン、ブタジエン、ならびに任意で第3のモノマーを共重合することにより合成された少なくとも1種の共重合体であって、スチレンおよび/またはブタジエンおよび/または第3のモノマーのいずれかにおいて、定量的に示される少量の部分が少なくとも1個のカルボキシル基を含む共重合体を意味する。このため、「少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂」という用語は、以下に記載するいくつかの好ましい実施形態を含む。
第1の好ましい実施形態では、樹脂は、スチレンの小量部分が少なくとも1個のカルボキシル基を含み、スチレンおよびブタジエンをモノマーとして共重合することにより合成された共重合体である。
第2の好ましい実施形態では、樹脂は、ブタジエンの小量部分が少なくとも1個のカルボキシル基を含み、スチレンおよびブタジエンをモノマーとして共重合することにより合成された共重合体である。
第3の好ましい実施形態では、樹脂は、スチレンおよびブタジエンの両方の小量部分が少なくとも1個のカルボキシル基を含み、スチレンおよびブタジエンをモノマーとして共重合することにより合成された共重合体である。
第4の好ましい実施形態では、樹脂は、第3のモノマーの小量部分が少なくとも1個のカルボキシル基を含み、スチレンおよびブタジエンならびに第3のモノマーを共重合することにより合成された共重合体である。第3のモノマーは、エチレン性不飽和カルボン酸からなる群から選択される。選択されたエチレン性不飽和カルボン酸は、モノカルボン酸でも、ポリカルボン酸でも、このような酸の混合物でもよい。好ましくは、この酸は、例えばC2−10鎖を形成するC原子を有する、2から10個の炭素原子鎖であり、エチレン性不飽和結合を含む。カルボン酸の炭素原子は、前記2から10個の炭素(原子)鎖には含まれない。好ましいモノカルボン酸の例は、アクリル酸、メタクリル酸およびクロトン酸である。ポリカルボン酸の例は、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸および3−ブテン−1,2,3−トリカルボン酸である。
第5の好ましい実施形態では、樹脂は、スチレンおよび第3のモノマーの両方の小量部分が少なくとも1個のカルボキシル基を含み、スチレンおよびブタジエンならびに第3のモノマーを共重合することにより合成された共重合体である。
第6の好ましい実施形態では、樹脂は、ブタジエンおよび第3のモノマーの両方の小量部分が少なくとも1個のカルボキシル基を含み、スチレンおよびブタジエンならびに第3のモノマーを共重合することにより合成された共重合体である。
第7の好ましい実施形態では、樹脂は、スチレン、ブタジエン、および第3のモノマーそれぞれの小量部分が少なくとも1個のカルボキシル基を含み、スチレンおよびブタジエンならびに第3のモノマーを共重合することにより合成された共重合体である。
第8の好ましい実施形態では、少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエン樹脂は、第1、第2または第3の実施形態に属する少なくとも1種の共重合体と、第4、第5、第6、および第7の実施形態に属する少なくとも1種の共重合体の混合物である。
上記の好ましい実施形態の各々において「カルボキシル基」という用語は、中性の−COOH、または−COOとしてもしくは−COO塩(式中、Mは金属カチオンである)として生じる陰イオン型、のいずれかで存在するカルボン酸基を意味する。
上に示すような少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の全ての実施形態において、それぞれの共重合体に対する少なくとも1個のカルボキシル基を有するモノマーの重量パーセント(wt.%)は、一般的に低く、例えば、0.05重量%から10重量%の間であり、好ましくは5重量%以下から0.05重量%に至るまでの範囲である。あるいは、重量パーセントは、1重量%以下から0.05重量%以上の範囲である。
少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の全ての実施形態において、カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体におけるカルボン酸(COOH)−基の乾燥重量wCOOH、およびカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂中のモノマーの乾燥重量wmonomerを用いて、以下の式により計算されるカルボキシル化レベルclは、好ましくは0.05%から15.0%の範囲であり、より好ましくは0.05%から10.0%の範囲であり、最も好ましくは0.05%から5.0%の範囲である。
[式1]
cl=(wCOOH/wmonomer)・100(%)
少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の全ての実施形態において、前記共重合体は、ランダム共重合体であり、すなわち、スチレン、ブタジエン、および任意の第3のモノマーの配列が、二元または三元共重合の共重合パラメータにて定義される統計的配列を有する重合体である。
本発明の防弾性物品のさらに好ましい実施形態では、スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は、非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂、すなわち、いかなるカルボキシル基も含まないスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂である。
本発明の防弾性物品のマトリクス材料を製造するために、少なくとも1種の粘着付与剤と共に用いられる、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は、好ましくは−70℃から100℃の間の範囲、より好ましくは−50℃から30℃の間の範囲、最も好ましくは−30℃から20℃の間の範囲のガラス転移温度Tを示す。
本発明において「少なくとも1種の粘着付与剤」という用語は、防弾性物品のマトリクス材料中に存在し、前記マトリクス材料中に均一に分布しており、それによってマトリクス材料に粘着性を与える少なくとも1種の化合物を意味する。また、本発明において「前記マトリクス材料中に均一に分布している」という用語は、マトリクス材料のあらゆる体積要素において、少なくとも1種の粘着付与剤の濃度が同じであることを意味する。
本発明の防弾性物品の好ましい実施形態では、粘着付与剤は、以下からなる群から選択される。
・木の切り株(木質樹脂)、樹液(ガムロジン)、または製紙工程の副産物(トール油ロジン)のいずれかに由来するロジン樹脂であって、
・ロジン酸とアルコールとの間の反応により得られるロジンエステル
・ロジン酸原材料の水素化により得られる水素化ロジンエステル、または
・ロジン酸の二量体化から得られる二量体化ロジン樹脂、
・木材または柑橘類のいずれかのテルペン供給原料に由来するテルペン樹脂、あるいは
・NP−10、NP−25およびFN−175などのいくつかの名称で、Neville Chemical Company、USから市販されている炭化水素樹脂。
本発明の防弾性物品の好ましい実施形態では、粘着付与剤は、マトリクス材料樹脂の重量に対して、1重量%から20重量%、より好ましくは1.5重量%から10重量%、最も好ましくは2重量%から6重量%の範囲で、マトリクス材料中に存在する。粘着付与剤の前記重量パーセントが1重量%未満である場合には、本発明の防弾性物品を製造する際に、単一繊維層の取り扱いがより複雑となり得る。例えば、繊維層が単一方向性配列の繊維を含む場合、前記配列は単一層中で不安定となる。粘着付与剤の前記重量百分率が20重量%より高い場合には、防弾性物品はあまりに硬くなり、カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の有利性が失われる。
本発明の防弾性物品のマトリクス材料を製造するために使用される、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂と、少なくとも1種の粘着付与剤との混合物は、乳濁液の形態で、または例えばラテックス分散液などの分散液の形態で適用することができる。乳濁液または分散液の媒体は有機媒体であってもよく、または好ましくは水性媒体である。
カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂と、少なくとも1種の粘着付与剤との混合物を乳濁液の形態で使用する場合には、この乳濁液は、乳化剤としての陰イオン性、陽イオン性、非イオン性、脂肪酸、またはロジン酸セッケンから選択される乳化剤を用いて調製されたものであってもよい。
前記混合物を調製する場合、好ましくは以下の混合順序を実行する。
工程1:例えば、乳濁液として、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得るスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂を用意する。
工程2:任意選択により、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る別のスチレン−ブタジエンランダム共重合体を、例えば乳濁液として、工程1のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂とブレンドする。
工程3:例えば、水媒性分散液または乳濁液として、少なくとも1種の粘着付与剤を、攪拌しながら工程2のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂に添加する。
工程4:任意選択により、少なくとも1種の架橋剤を、「カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂/粘着付与剤」混合物に添加する。
カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂、ならびに少なくとも1種の粘着付与剤、例えば、前記少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂および少なくとも1種の粘着付与剤を含む乳濁液あるいは分散液は、カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の任意の存在下で、アミノ樹脂、メチル化メラミン、メラミンホルムアルデヒド樹脂またはジヒドラジドなどの、カルボン酸と反応できる架橋剤を含んでもよい。少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂および少なくとも1種の粘着付与剤を水媒性分散液の形態で適用する場合には、例えば、Cytec(Woodland Park,NJ、米国)から市販されている架橋剤Cymel(登録商標)385を用いることができる。
上記から、本発明の防弾性物品の製造の際に架橋剤が加えられる本発明の好ましい実施形態においては、架橋反応に関与するカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂のカルボキシル基の部分は、−COOHまたは−COOまたは−COOとしてはもはや存在しないが、架橋剤に応じて化学修飾された形態で存在することは明らかである。例えば、架橋剤としてアミドを用いる場合には、架橋反応に関与したカルボキシル基はアミド基に変換される。架橋剤の量は、架橋剤の種類、その濃度、ならびに本発明の防弾性物品の製造に適用される温度、圧力および時間の値に依存する。
本発明の防弾性物品のさらに好ましい実施形態では、前記物品の製造中に付加的な架橋剤の存在がない場合でさえ、カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の少なくとも1本のポリマー鎖の少なくとも1個のカルボキシル基とカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の隣接ポリマー鎖における少なくとも1個のカルボキシル基との反応により架橋が起こり得る。この場合には、架橋は、カルボキシル化スチレン−ブタジエン樹脂の隣接鎖間に無水物の橋を形成することにより起こり得る。
さらに、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂と少なくとも1種の粘着付与剤とを含む乳濁液あるいは分散液は、少量の湿潤剤、消泡剤、抗酸化剤、UV安定剤、およびフリーラジカル捕捉剤を含んでもよい。
本発明の防弾性物品のさらなる実施形態では、マトリクス材料は、第1のガラス転移温度T(第1)を有するカルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る第1のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂と、第2のガラス転移温度T(第2)を有するカルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る第2のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂とを含み、ここでT(第1)>T(第2)である。この場合、T(第1)は、好ましくは−10℃から50℃、より好ましくは0℃から40℃の範囲、最も好ましくは10℃から30℃の範囲にあり、T(第2)は、好ましくは−50℃から−10℃、より好ましくは−40℃から−10℃の範囲、最も好ましくは−30℃から−20℃の範囲にある。
本発明の防弾性物品の特に好ましい実施形態では、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る第1のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は、T(第1)>0を有し、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る第2のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は、T(第2)<0を有する。
本発明の防弾性物品のさらに特に好ましい実施形態では、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る第1のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は、T(第1)<0を有し、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る第2のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は、T(第2)<0を有する。
本発明の防弾性物品のさらに特に好ましい実施形態では、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る第1のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は、T(第1)>0を有し、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る第2のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は、T(第2)>0を有する。
本発明による防弾性物品のさらなる実施形態では、マトリクス材料は、少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂にさらに、少なくとも1種の非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂、すなわち、いかなるカルボキシル基も含まない樹脂を含む。例えば、さらに2種類の非カルボキシル化スチレン−ブタジエン樹脂がマトリクス材料に含まれ得る。
さらに、本発明の防弾性物品の好ましい実施形態において、少なくとも1種の非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂が存在する場合には、前記少なくとも1種の非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は、前記物品の繊維層A毎のマトリクス材料において、少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂と少なくとも1種の粘着付与剤との混合物として存在することができ、防弾性物品は繊維層(A)(nは繊維層の総数である)の配列となる。
あるいは、少なくとも1種の非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は、繊維層Bの全マトリクスを構成することができる一方で、隣接する繊維層Cはそのマトリクス材料中に、いかなる非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂も含まないが、少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体および少なくとも1種の粘着付与剤を有する。前記任意の代替実施形態では、本発明の防弾性物品は、繊維層(BC)(nは繊維層の総数である)の配列となる。
本発明の防弾性物品のさらなる実施形態では、マトリクス材料は、少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂および陰イオン性カルボキシル化ブタジエンランダム共重合体樹脂を含む。
カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は、例えば、Mallard Creek(米国)から商品名Rovene(登録商標)、Polymer Latex(ドイツ)から商品名Litex(登録商標)またはLipaton(登録商標)で市販されている。
本発明の防弾性物品では、繊維が重量wであり、マトリクス材料が重量wを有する場合に、(w+w)に対するマトリクス材料の重量パーセントは、好ましくは5重量%から50重量%、より好ましくは10重量%から30重量%、最も好ましくは12重量%から20重量%である。
本発明の防弾性物品のさらに好ましい実施形態では、単一繊維層における繊維の面密度は、好ましくは10g/mから250g/m、より好ましくは60g/mから200g/m、最も好ましくは100g/mから160g/mの範囲である。
本発明の防弾性物品のさらに好ましい実施形態では、単一繊維層の合計面密度は、好ましくは11g/mから350g/m、より好ましくは60g/mから280g/m、最も好ましくは111g/mから230g/mの範囲である。
本発明の防弾性物品のさらに好ましい実施形態では、複数の繊維層をパネルに成形し、パネルを金属またはセラミックのプレートに接合し、前記の有利な特性を示す硬質防弾性物品を得る。しかしながら、金属またはセラミックのプレートに接合していない、複数の繊維層から形成されたパネルを弾丸攻撃に供した場合でも、本発明による防弾性物品の有利な特性が見られる。前記パネルでは、層間剥離による隆起が全くないか、もしくは非常に軽い隆起しか起こらないという、高レベルの構造的完全性が観察できる。
本発明の防弾性物品のさらに好ましい実施形態では、熱可塑性材料を含み、好ましくは熱可塑性材料からなるスクリムを繊維層間に配置する。
第1の好ましい代替形態では、スクリムはメッシュであり、スクリムの総面積に対するメッシュ目開の面積のパーセントは、40%から98%の範囲、より好ましくは65から90%の範囲、最も好ましくは75から85%の範囲にある。好ましくは、スクリムを構成する熱可塑性ポリマーは、ポリオレフィン、コポリアミド、またはポリウレタンである。スクリムの面密度は、好ましくは1g/mから20g/mの範囲、より好ましくは1g/mから10g/mの範囲、最も好ましくは2g/mから6g/mの範囲である。
第2の好ましい代替形態では、スクリムは、好ましくは、熱可塑性ポリマー、例えば、ポリオレフィン、コポリアミド、またはポリウレタンである熱可塑性材料からなるフリースである。
繊維層間にスクリムを含む本発明の防弾性物品の好ましい実施形態では、少なくとも1種の粘着付与剤の量を、例えば、隣接する繊維層間の接着がスクリムを含まない場合と同じ程度まで減らすことができる。
本発明の防弾性物品のさらに好ましい実施形態では、マトリクス材料は、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体と、少なくとも1種の粘着付与剤とに加えて、少なくとも1種の粘着付与剤を含んでいてもよい少なくとも1種の自己架橋アクリル樹脂および/または少なくとも1種の粘着付与剤を含んでいてもよい少なくとも1種の架橋性アクリル樹脂を含んでいてもよい。
本発明の防弾性物品を製造する方法を、好ましい実施形態について説明するが、ここでは複数の繊維層を構成する各繊維層は、単一方向に配列した繊維のネットワークからなる。この場合、本方法は、少なくとも、以下に記載する工程(1)〜(3)を含む。当業者であれば、本記載を用いて、本発明の防弾性物品を製造する方法を、単一方向性配列以外の繊維のネットワーク、例えば、フェルトもしくは他の不織布、および編まれたかもしくは織られた布を含む方法に転換することができる。
(1)単層の単一方向性繊維層の製造:
ASTM D 7269に従って少なくとも800mN/tex(1100MPa)の強度を有する糸を、繊維軸方向に沿って互いに実質的に平行となるよう単一方向に整列させる。次いで、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂と、少なくとも1種の粘着付与剤と、を含む混合物を含む、好ましくはこの混合物のみからなるマトリクス材料にてコーティングし、単繊維層内にて繊維を互いに結合し、それによって単層の単一方向性繊維層を安定化する。単層の単一方向性繊維層を製造する好ましい実施形態では、マトリクス材料でコーティングする前、または間、あるいは後に、糸を広げることができる。コーティングは、例えば、リバースロールコーティング、浸漬、噴霧、または単一方向性繊維層を安定化する、すなわち、マトリクス材料を介して繊維を単一方向性繊維層となるよう接着させることができる他の任意の技術により達成することができる。マトリクスコーティングは、繊維を完全ではなく部分的にカプセル化する形態であってもよく、単一方向性繊維層の横断面にわたって均一である必要はない。例えば、マトリクス濃度は、単一方向性繊維層の上部および底部のほうが、単一方向性繊維層の中心部に向かう場所よりも高くてもよい。単一方向性繊維層の底部に比べて単一方向性繊維層の上部により多くのマトリクス材料が存在してもよく、逆であってもよい。単一方向性繊維層を調製した後に、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の架橋反応を、架橋剤を前記少なくとも1種のスチレン−ブタジエン樹脂に添加することにより、または前記のように少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の隣接ポリマー鎖のカルボキシル基により、行うことができる。
(2)少なくとも2つの単一方向性繊維層による接着性クロスプライの製造:
工程(1)で得られた2つの単一方向性繊維層を、0°から90°の範囲のクロスプライ角度でクロスプライするが、90℃とすることが好ましい。次いで、クロスプライした2つの単一方向性繊維層を、例えば、積層、圧縮、または2つの単一方向性繊維層間に接着を生じさせて接着性二層クロスプライを得ることができる他の任意の手順により、互いに接着する。この目的のために、50℃から225℃の温度範囲、0.5から10バールの圧力範囲、および5秒から200秒の時間範囲を、例えば、適用するマトリクス材料の粘着性および選択する粘着付与剤に応じて適用することができる。また、3以上の単一方向性繊維層を接着性クロスプライに製造することができる。例えば、4の単一方向性繊維層を互いに接着することができ、得られる接着性クロスプライは、例えば、(0°/90°/0°/90°)または(0°/90°/90°/0°)または(90°/0°/0°/90°)または(0°/0°/90°/90°)となるクロスプライ角度の配列を示し得る。
接着性クロスプライの製造において、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の架橋反応を、架橋剤をカルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る前記少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂に添加することにより、または前記のように少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の隣接ポリマー鎖のカルボキシル基により行うことができる。
なお、本発明において「クロスプライ中」という用語は、クロスプライ手順の任意の適当な段階、例えば、積層手順中または圧縮手順中を意味する。
(3)圧密化パネルおよび硬質防弾性物品の製造:
想定される弾丸攻撃に十分な防御力を有する、工程(2)で得られた複数の、例えば二層の、接着性のクロスプライを積層して得られた積層体を、例えば、圧密化パネルをもたらす圧力によって、パネルに圧密化する。圧密化は、例えば、等方加圧で、60℃から300℃の間、より好ましくは120℃から170℃の間の温度で、例えば、25バールから500バール、好ましくは25バールから100バールの値に維持された圧力で、例えば、15分から100分の間の時間、圧縮することにより行うことができる。架橋剤が存在する場合には、または架橋を少なくとも1種のカルボキシル化スチレン−ブタジエン樹脂の隣接ポリマー鎖のカルボキシル基により行う場合には、架橋反応が所望の程度起こるように、温度、圧力、および時間を選択すべきである。必要に応じて、圧縮中のパネルを、加圧下で、約50℃に冷却する。得られた圧密化パネルは、弾丸攻撃が想定される側と、内側とを有する。圧密化は、同じかまたは異なる接着性クロスプライを用いて行うことができる。異なる接着性クロスプライを用いる場合には、弾丸攻撃が想定される側により近い接着性クロスプライは、弾丸攻撃が想定される側から遠い接着性クロスプライとは異なる機械的特性、例えば、異なるTを有する樹脂を含むことができる。後者の実施形態では、より硬く、より大きな剛性を有する接着性クロスプライ、すなわち、より高いTを有するカルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得るスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂を含む接着性クロスプライを、弾丸攻撃が想定される側に向けて配置することができる一方で、硬くなく、可撓性の大きい接着性クロスプライ、すなわち、より低いTを有するカルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得るスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂を含む接着性クロスプライを、弾丸攻撃が想定される側から遠くに、例えば、圧密化パネルの内側に配置することができる。
(4)いずれにしても、得られた圧密化パネルを防弾性物品などとして使用することができ、または任意のプロセス工程(4)で、金属もしくはセラミックのプレートに接合して硬質防弾性物品を得ることができる。
上記のように、本発明の方法における工程(1)に用いるスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る。
本発明の方法の好ましい実施形態では、工程(1)において、スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂はカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂である。
本発明の方法のさらに好ましい実施形態では、工程(1)において、スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂は非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂である。
上記のように、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の架橋反応は、本発明の方法における工程(1)でのみ、または工程(2)でのみ、または工程(3)でのみ行うことができる。
しかしながら、本発明の方法におけるさらなる実施形態では、架橋反応を、本発明の方法における工程(1)および工程(2)で行うことができる。この実施形態では、少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の部分的架橋を工程(1)で行い、工程(2)で架橋が完結する。
本発明の方法のさらなる実施形態では、架橋反応を、本発明による方法の工程(1)、工程(2)、および工程(3)の各々で行うことができる。この実施形態では、カルボキシル化または非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂であり得る少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の部分的架橋を工程(1)で行うことができ、工程(2)で部分的架橋の程度をさらに増加させることができ、工程(3)で架橋が完結する。
本発明を以下の実施例および比較例でより詳細に説明する。
<比較例1>
a)単層の単一方向性繊維層(1L−UD)の製造
ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸(Twaron(登録商標)1000型;3360dtex f2000;製造業者:Teijin Aramid、NL)をクリールから取り出し、リードを通過させて互いに実質的に平行に整列させた。実質的に平行な糸を、リバースロールコーターを用いて、予備希釈した水性カルボキシル化スチレン−ブタジエンラテックス分散液(Rovene(登録商標)4019、固形分=52.0〜54.0重量%、粘度=580cps(Brookfield、スピンドルLV−2、20rpm、25℃);T=+14℃、結合スチレン=62%;製造業者:Mallard Creek Polymers、米国)でコーティングした。予備希釈したラテックス分散液は、水道水を用いて、Rovene(登録商標)4019の固形分が25重量%になるように希釈することにより得た。広げてコーティングした糸を、シリコーンコーティングした剥離紙上にレイアップし、120℃の温度に設定したホットプレート上に通すことにより乾燥し、単層の単一方向性繊維層(1L−UD)を得た。
1L−UD中の樹脂濃度は、1L−UDの総重量基準で、すなわち、水分を含まない糸+マトリクスの重量、すなわち、事実上0重量%(0.5重量%よりもかなり低い含水量を意味する)の含水量まで乾燥した1L−UDの重量に対して、13±1重量%であった。1L−UDにおけるポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸の面密度は、110±5g/mであった。1L−UDの平衡水分含量を含む合計面密度は、樹脂充填および平衡含水量に応じて130±10g/mであった。
b1)2つの1L−UDからの積層クロスプライの製造
a)で得られた2つの1L−UDを、90°のクロスプライ角度でクロスプライした。クロスプライした1L−UDを、加熱ゾーンに引き続いて圧縮ゾーンを有する平坦なベルトラミネーターに積層した。加熱ゾーンでは、クロスプライした1L−UDを120℃のホットベルトに接触させて15秒間加熱し、圧縮ゾーンでは、加熱したクロスプライした1L−UDを3.5バールのカレンダーロール圧力で圧縮し、最後に、冷却したベルトと接触させることで室温に冷却し、2つの1L−UDからの積層クロスプライを得た。
b2)2つの1L−UDからの圧縮クロスプライの製造
a)で得られた2つの1L−UDを、90°のクロスプライ角度でクロスプライし、プレス機に入れ、130℃および10バールで20分間圧縮した。プレス機が50℃に冷めるまで、2つの1L−UDは圧力下でプレス機中に留置した。次いで、プレス機を開き、2つの1L−UDからの圧縮クロスプライを得た。
c)b1)およびb2)によるクロスプライにおける1L−UD間の接着力
b1)およびb2)で得られた積層または圧縮クロスプライにおける1L−UD間の接着力を、それぞれのクロスプライ手順により得られた直後に測定し、接着力(0)とした。
b1)およびb2)で得られた積層または圧縮クロスプライの一部を、最初に65℃および80%相対湿度の人工気候室中で27週間保管し、次いで、人工気候室から取り出し、20℃および65%相対湿度で24時間の条件で保管し、最後に、クロスプライにおける1L−UD間の接着力を測定して接着力(27)とした。
b1)およびb2)で得られた積層または圧縮クロスプライにおける1L−UD間の接着力を測定するために、試料を両プライ中の糸に対して45°の方向でそれぞれのクロスプライから切断した。プライ中の個々の糸が同時に2個のクランプにより固定されるのを防ぐために45°方向を選択した。このように、2つのUD層間の界面のせん断応力およびプライ中のせん断応力のみを測定し、糸の機械的特性は測定しなかった。50×200mmの寸法を有する試料を、平らなクランプおよび10kN荷重計を備えるInstron引張試験機に入れた。100mmのクランプ距離(ゲージ長)を適用し、応力−ひずみ曲線を測定した。この曲線から、最大測定荷重(N/m)を、それぞれのクロスプライにおける1L−UD間の接着力の大きさとみなした。
d)水浸漬後の吸水
b1)で得られた積層クロスプライの吸水を、クロスプライ手順により得られた直後に測定した。
吸水率を測定するために、b1)から得られた積層クロスプライを最初に秤量して重量wを得て、次いで、室温で24時間、0.3重量%塩化ナトリウム水溶液に浸漬し、引き続いて、周囲温度および相対湿度下で15分ドリップドライ、すなわち、クロスプライを前記条件下で15分間つるした。次いで、ドリップドライしたクロスプライを秤量して重量wを得て、式(1)にしたがって吸水率を計算した。
[式2]
吸水率=([w−w]/w)・100(%) (1)
<比較例2>
比較例2は、Rovene 4176(登録商標)(固形分=48〜52重量%、粘度=300cps(Brookfield、スピンドルLV−2、20rpm、25℃);T=−23℃、結合スチレン=50%;製造業者:Mallard Creek Polymers、米国)を、カルボキシル化スチレン−ブタジエンラテックス分散液として適用したという違いを除いて、比較例1と同様に行った。
<比較例3>
比較例3は、Prinlin(商標)B7137 ALをマトリクス材料に適用したという違いを除いて、比較例1と同様に行った。Prinlin(商標)B7137 ALは、ロジン、すなわち、粘着付与剤を含むスチレンイソプレンスチレンブロック共重合体の水性分散液である(固形分=43重量%、粘度=250cps(Brookfield、スピンドルLV−2、30rpm、23℃);スチレン:イソプレンの比=14:86;製造業者:Henkel、米国)。クロスプライの直後(接着力(0))、人工気候室中で27週間後(接着力(27))の接着力、および接着保持の結果を、積層クロスプライについては表1に、圧縮クロスプライについては表2に示す(表1および表2の両方において、「接着保持」項目は、式(2)により計算される)。
[式3]
接着保持=[接着力(27)/接着力(0)]・100(%) (2)
Figure 2014509376
Figure 2014509376
表1および2から、人工気候室中で27週間後、Rovene(登録商標)型のカルボキシル化スチレン−ブタジエン樹脂を含む積層クロスプライおよび圧縮クロスプライの両方がそれぞれ、スチレンイソプレンスチレン樹脂Prinlin(商標)B7137 ALを含むクロスプライよりもかなり高い接着力を示すことが分かる。Rovene(登録商標)型のカルボキシル化スチレン−ブタジエン樹脂を含むクロスプライの人工気候室中27週間後の接着保持は、少なくとも92%である一方で、スチレンイソプレンスチレン樹脂Prinlin(商標)B7137 ALを含むクロスプライの接着保持は、10%未満である。
Prinlin(商標)B7137 AL樹脂は粘着付与剤を含むが、Rovene(登録商標)4019および4176は粘着付与剤を含まないため、上記結果は極めて驚くべきものである。
さらに、Rovene(登録商標)4019を含む積層クロスプライの吸水率は8.13%であり、Rovene(登録商標)4176を含む積層クロスプライの吸水率は7.89%であることが分かった一方で、Prinlin(商標)B7137 ALを含む積層クロスプライの吸水率は、22.9%であることが分かった。
<比較例4>
a)8kg/m 圧縮パネルの製造
単層の単一方向性繊維層(1L−UD)を比較例1a)に記載のように製造した。すなわち、Rovene 4019(登録商標)をカルボキシル化スチレン−ブタジエンラテックス分散液として用いたことを意味する。1L−UDから積層クロスプライを、比較例1b1)に記載のように製造した。8kg/mの面密度を有するパネルが得られるまでクロスプライを積層した。積層したパネルをプレス機に入れ、150℃および50バールで20分間圧縮した。プレス機が50℃に冷却されるまで、パネルを加圧下でプレス機中に留置した。次いで、プレス機を開き、圧縮パネルを得た。このようにして、6枚の圧縮パネルを製造した。
前記圧縮パネルのうちの3枚を、直接、すなわち未劣化状態で、以下のb)部に記載する方法にて3個の硬質防弾性物品にさらに加工した。前記圧縮パネルの他の3枚は最初に劣化させ、すなわち、65℃および80%の相対湿度の人工気候室中にて3箇月間保管し、次いで、以下のb)部で記載する方法にて3個の硬質防弾性物品にさらに加工した。
b)硬質防弾性物品の製造
a)で得られた圧縮パネルの各々を、ThyssenKrupp Steel,DEから市販されている4mm厚さのSecure 500鋼フロントストライクプレート(500×500mm)に接合した。鋼プレートの面密度は32kg/mであった。接合操作のために、パネルの接合側をプライマーとしてのSika(登録商標)209でコーティングし、次いで、鋼プレートおよびパネルの接合側の両方をSIKA Deutschland GmbH、DEから市販されているSikaflex(登録商標)228でコーティングした。
c)硬質防弾性物品のv 50 測定および層間剥離挙動
b)で得られた硬質防弾性物品を、v50、すなわち、弾丸の50%が停止した速度(m/s)を測定することにより、その耐防弾性能を評価した。使用する弾丸は、NIJ脅威レベル3の7.62×51mmソフトコア(NATO M80弾)0°傾斜度とした。v50の評価は、例えば、MIL STD 662Fに記載されている。
さらに、鋼プレートの後ろの圧縮パネル中の1L−UDの層間剥離挙動を、目視検査により評価した。「最小層間剥離」は、圧縮パネル中の1L−UD層の3%未満が層間剥離したことを意味する。「軽い層間剥離」は、圧縮パネル中の1L−UD層の5%未満が層間剥離したことを意味する。「内部層間剥離」は、圧縮パネル中の1L−UD層の30%超が層間剥離したことを意味する。「非常に強い内部層間剥離」は、圧縮パネル中の1L−UD層の70%超が層間剥離したことを意味する。
内部層間剥離およびさらに非常に強い内部層間剥離の両者は、耐防弾性物品の多衝撃能力に劇的に悪影響を与える。
<実施例1>
実施例1は、マトリクス材料を形成するために用いる分散液を、90重量%のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体Rovene(登録商標)4019と10重量%のAquatac(登録商標)6025との混合物としたという違いを除いて、比較例4と同様に行った。Aquatac(登録商標)6025は、約58重量%の粘着付与剤としてのロジンエステル、約39重量%の水、および4重量%未満の界面活性剤を含む水性分散液である。結果を表3に示す。
<比較例5>
比較例5は、Rovene 4176(登録商標)をカルボキシル化スチレン−ブタジエンラテックス分散液として用いたという違いを除いて、比較例4と同様に行った。結果を表3に示す。
<比較例6>
比較例6は、Prinlin(商標)B7137 ALをマトリクス材料に適用したという違いを除いて、比較例4と同様に行った。結果を表3に示す。
Figure 2014509376
表3は、未劣化状態で、90重量%のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂Rovene(登録商標)4019と10重量%の粘着付与剤Aquatac(登録商標)6025とを含む実施例1による本発明の硬質防弾性物品のv50値は、最小の構造的層間剥離を示すことを示している。これは、本発明の硬質防弾性物品の圧縮パネルにおける1L−UD層の3%未満しか、層間剥離していないことを意味する。前記の驚くほど高い構造的完全性は、v50値が816m/sであることにより示されており、この値は、約±15m/sに達する最大誤差範囲であるv50測定の実験誤差内で、比較例4、5、および6による比較の硬質防弾性物品で測定されたv50値と、事実上同一である。
実施例1による本発明の硬質防弾性物品と比較して、比較例4、5、および6による比較の硬質防弾性物品は、低い構造的完全性を示す:
・カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂Rovene(登録商標)4019およびRovene(登録商標)4176のみ含むが、それぞれマトリクス材料中に粘着付与剤を含まない比較例4および5の硬質防弾性物品は、軽度の構造的層間剥離を示す。これは、前記比較の硬質防弾性物品の圧縮パネルにおける1L−UD層の5%未満が、層間剥離していることを意味する。
・スチレンイソプレンスチレンブロック共重合体および粘着付与剤アビエチン酸を含むマトリクス材料Prinlin(商標)B7137 ALを含む比較例6の硬質防弾性物品は、
・未劣化状態では、内部層間剥離が生じ、具体的には、前記比較の硬質防弾性物品の圧縮パネルにおける1L−UD層の30%超が層間剥離し、
・劣化状態では、非常に強い内部層間剥離が生じ、具体的には、前記比較の硬質防弾性物品の圧縮パネルにおける1L−UD層の70%超が層間剥離した。
<比較例7>
各々が8kg/mの面密度を示す4枚の圧縮パネルを、比較例5のように、すなわち、Rovene(登録商標)4176を用いて製造した。前記パネルを劣化させた。すなわち、65℃および80%の相対湿度の人工気候室中で、3箇月間保管した。
劣化したパネルを、Etec Gesellschaft fur Technische Keramik GmbH,DEから得ることができる7mm厚さのALOTEC(登録商標)96 SBセラミックフロントプレート(500×500mm)に接合し、3個の硬質防弾性物品を製造した。セラミックプレートの面密度は26.3kg/mであった。接合操作のために、セラミックプレートおよびパネルの接合側の両方をプライマーとしてのSika(登録商標)209でコーティングし、次いで、Biresin(登録商標)U−1305で両方コーティングした。Sika(登録商標)209およびBiresin(登録商標)U−1305の両方ともSIKA Deutschland GmbH,DEから市販されている。
得られた4個の硬質防弾性物品について、比較例4c)に記載のようにv50を測定して防弾性能を評価したところ、v50=956m/sであり、セラミックプレート後方の圧縮パネルにおける1L−UDには、軽度の変形が生じ、具体的には、前記比較の硬質防弾性物品の圧縮パネルにおける1L−UDの5%未満が層間剥離していた。
<実施例2>
実施例2は、90重量%のRovene(登録商標)4019と10重量%のAquatac(登録商標)6025との混合物をマトリクス材料に用いたという違いを除いて、比較例1と同様に行った。得られた硬質防弾性物品は、最小の変形、具体的には、本発明の硬質防弾性物品の圧縮パネルにおける1L−UD層の3%未満が層間剥離している状態であり、また、850m/sのv50値を示した。
<比較例8>
a)単層の単一方向性繊維層(1L−UD)の製造
ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸(Twaron(登録商標)1000型;3360dtex f2000;製造業者:Teijin Aramid,NL)をクリールから取り出し、リードを通過させて互いに実質的に平行に整列させた。実質的に平行な糸を、樹脂乳濁液を含む槽に浸漬した。樹脂乳濁液は、40重量%のRovene(登録商標)4176(T=−23℃;pH=9〜10)と60重量%のRovene(登録商標)4220(T=−26℃およびpH11〜12を有する)(製造業者:Mallard Creek Polymers、米国)との混合物からなっていた。Rovene(登録商標)4220は、非カルボキシル化スチレン−ブタジエンゴムであり、すなわち、カルボン酸基は含まない。浸漬した糸は、槽から出した後、ニップローラーに通し、広げた。乳濁液でコーティングした広げた糸を、シリコーンコーティングした剥離ライナー上にレイアップし、120℃の温度に設定したオーブンを用いて2から4分間乾燥し、単層の単一方向性繊維層(1L−UD)を得た。
1L−UDにおける樹脂濃度は、1L−UDの総重量基準で、すなわち、糸+マトリクスの重量に対して15.5から19重量%の範囲にあった。1L−UDにおけるポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸の面密度は、110±5g/mであった。1L−UDの合計面密度は、121から137g/mの範囲にあった。
b)2つの1L−UDからの積層クロスプライの製造
a)で得られた2つの1L−UDを、90°±5°のクロスプライ角度でクロスプライした。クロスプライした1L−UDを、多重工程プロセスを用いてクロスプライ装置に積層した。第1の工程で、クロスプライした1L−UDを、いかなる圧力も印加することなく、92.5℃のホットプレートに近接接触させて5から15秒間加熱した。次いで、約1.1バールの圧力を5から15秒間印加し、最後に外気により室温に冷却して2枚の1L−UDから積層クロスプライを得た。
c)19.5kg/m 圧縮パネルの製造
19.5kg/mの面密度を有する381×381mmの寸法のパネルが得られるまで、b)で得られた積層クロスプライを積層した。積層したパネルをプレス機中に移し、30バールの圧力下、135℃の温度で30分間圧縮した。プレス機が30℃に冷却されるまで、パネルを加圧下でプレス機中に留置した。次いで、プレス機を開いて、圧縮パネルを得た。
d)硬質防弾性物品のv 50 測定および層間剥離挙動
c)で得られた圧縮パネルについて、2.851gの重さの30calのFSP脅威(MIL−P−46593A当たりとして)を用いてv50を測定し、その耐防弾性能を評価した。さらに、圧縮パネルの層間剥離挙動を、目視検査により評価した。結果を表4に示す。
<実施例3>
実施例3は、工程a)で90重量%のRovene(登録商標)4176(T=−23℃;pH=9〜10)と10重量%の粘着付与剤Aquatac(登録商標)6025(製造業者:Arizona Chemicals(米国))とからなる乳濁液を用いたという違いを除いて、比較例8と同様に行った。1L−UDにおけるポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸の面密度は、110±5g/mであった。1L−UDにおける樹脂濃度は、1L−UDの総重量基準で、すなわち、糸+マトリクスの重量に対して15.5から19重量%の範囲にあった。1L−UDの合計面密度は、121から127g/mの範囲にあった。
結果を表4に示す。
<比較例9>
比較例9は、工程a)で100重量%のBARRIER PRO/Rovene(登録商標)4560−3−1(T=−17℃およびpH8〜9を有する)(製造業者:Mallard Creek Polymers、米国)からなる乳濁液を用いたという違いを除いて、比較例8と同様に行った。BARRIER PRO/Rovene(登録商標)4560−3−1は、非染色性抗酸化剤を含む陰イオン性カルボキシル化スチレン−ブタジエン共重合体ラテックスである。1L−UDにおけるポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸の面密度は110±5g/mであった。1L−UDにおける樹脂濃度は、1L−UDの総重量基準で、すなわち、糸+マトリクスの重量に対して15.5から19重量%の範囲にあった。1L−UDの合計面密度は、121から127g/mの範囲にあった。
結果を表4に示す。
<実施例4>
実施例4は、工程a)で90重量%のRovene(登録商標)4019(T=+14℃;pH=7〜8)と10重量%の粘着付与剤Aquatac(登録商標)6025(T約25℃)とからなる乳濁液を用いたという違いを除いて、比較例8と同様に行った。1L−UDにおけるポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸の面密度は、110±5g/mであった。1L−UDにおける樹脂濃度は、1L−UDの総重量基準で、すなわち、糸+マトリクスの重量に関して15.5から19重量%の範囲にあった。1L−UDの合計面密度は、121から127g/mの範囲にあった。
結果を表4に示す。
<実施例5>
実施例5は、工程a)で90重量%のRovene(登録商標)4019(T=+14℃;pH=7〜8)、5重量%の粘着付与剤Aquatac(登録商標)6025(T約25℃)、および5重量%の粘着付与剤Aquatac(登録商標)6085(T約85℃)からなる乳濁液を用いたという違いを除いて、比較例8と同様に行った。1L−UDにおけるポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸の面密度は、110±5g/mであった。1L−UDにおける樹脂濃度は、1L−UDの総重量基準で、すなわち、糸+マトリクスの重量に対して15.5から19重量%の範囲にあった。1L−UDの合計面密度は、121から127g/mの範囲にあった。
結果を表4に示す。
<比較例10>
比較例10は、工程a)で60重量%のBARRIER PRO/Rovene(登録商標)4560−3−1(T=−17℃;pH=8〜9)と40重量%のRovene(登録商標)4019(T=+14℃;pH=7〜8)とからなる乳濁液を用いたという違いを除いて、比較例8と同様に行った。1L−UDにおけるポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸の面密度は、110±5g/mであった。1L−UDにおける樹脂濃度は、1L−UDの総重量基準で、すなわち、糸+マトリクスの重量に対して15.5から19重量%の範囲にあった。1L−UDの合計面密度は、121から127g/mの範囲にあった。
結果を表4に示す。
<比較例11>
比較例11は、工程a)で40重量%のRovene(登録商標)4176(T=−23℃;pH=9〜10)と60重量%のBARRIER PRO/Rovene(登録商標)4560−3−1(T=−17℃;pH=8〜9)とからなる乳濁液を用いたという違いを除いて、比較例8と同様に行った。1L−UDにおけるポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸の面密度は、110±5g/mであった。1L−UD中の樹脂濃度は、1L−UDの総重量基準で、すなわち、糸+マトリクスの重量に対して15.5から19重量%の範囲にあった。1L−UDの合計面密度は、121から127g/mの範囲にあった。
結果を表4に示す。
<比較例12>
実施例12は、工程a)で40重量%のRovene(登録商標)4220(T=−26℃;pH=11〜12)と60重量%のRovene(登録商標)4019(T=+14℃;pH=7〜8)とからなる乳濁液を用いたという違いを除いて、比較例8と同様に行った。Rovene(登録商標)4220は、非カルボキシル化スチレン−ブタジエン樹脂である。1L−UDにおけるポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸の面密度は、110±5g/mであった。1L−UDにおける樹脂濃度は、1L−UDの総重量基準で、すなわち、糸+マトリクスの重量に対して15.5から19重量%の範囲にあった。1L−UDの合計面密度は、121から127g/mの範囲にあった。結果を表4に示す。
<実施例6>
実施例6は、工程a)で97重量%のRovene(登録商標)4176(T=−23℃;pH=9〜10)と3重量%の粘着付与剤Aquatac(登録商標)6025(T約25℃)とからなる乳濁液を用いたという違いを除いて、比較例8と同様に行った。1L−UDにおけるポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸の面密度は、110±5g/mであった。1L−UDにおける樹脂濃度は、1L−UDの総重量基準で、すなわち、糸+マトリクスの重量に対して15.5から19重量%の範囲にあった。1L−UDの合計面密度は、121から127g/mの範囲にあった。
結果を表4に示す。
<実施例7>
実施例7は、工程a)で97重量%のRovene(登録商標)4019(T=+14℃;pH=7〜8)と3重量%の粘着付与剤Aquatac(登録商標)6025(T約25℃)とからなる乳濁液を用いたという違いを除いて、比較例8と同様に行った。1L−UDにおけるポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸の面密度は、110±5g/mであった。1L−UDにおける樹脂濃度は、1L−UDの総重量基準で、すなわち、糸+マトリクスの重量に対して15.5から19重量%の範囲にあった。1L−UDの合計面密度は、121から127g/mの範囲にあった。
結果を表4に示す。
<比較例13>
比較例13は、工程a)で100重量%のPrinlin(商標)B7137 HV、すなわち、粘着付与剤としてアビエチン酸を含むスチレンイソプレンスチレンブロック共重合体の分散液からなる乳濁液を用いたという違いを除いて、比較例8と同様に行った。1L−UDにおけるポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸の面密度は、110±5g/mであった。1L−UDにおける樹脂濃度は、1L−UDの総重量基準で、すなわち、糸+マトリクスの重量に対して15.5から19重量%の範囲にあった。1L−UDの合計面密度は、121から127g/mの範囲にあった。
結果を表4に示す。
Figure 2014509376
表4の実施例3と実施例7とを比較すると、防弾性物品用のマトリクス材料を用意するために、わずか3重量%のカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体Rovene(登録商標)4176を3重量%の粘着付与剤Aquatac(登録商標)6025で置換すれば、非常に軽度の隆起を示すかまたは隆起を示しさえしない防弾性物品の製造が可能になることを示している。
<比較例14>
a)2層複合体の製造
以下の構造を有する布帛を用いた。
・平織、1×1
・ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)マルチフィラメント糸(Twaron(登録商標)2040 1100dtex)
・31×31(経糸および緯糸の両方において1インチ当たり31本の糸)
・289g/mの面密度
前記布帛から、1インチ×8インチ(2.54cm×20.32cm)の布片を切断した。得られた布片を紙の上に置き、布片の幅の上部分の0.25〜0.5インチ縁をテープで固定した。
水性カルボキシル化スチレン−ブタジエンラテックス分散液2〜3ml(Rovene(登録商標)4176、固形分=48〜52.0重量%、粘度=300cps(Brookfied、スピンドルLV−2、20rpm、25℃)、T=−23℃、結合スチレン=50%、製造業者:Mallard Creek Polymers、米国)を、テープを除いてゆっくり塗布した。次いで、14Meyerロッドを用いて分散液を落とし、薄いコーティングを布に施した。次いで、別のRovene(登録商標)4019 2〜3mlを、テープを除いてゆっくり塗布し、14Meyerロッドを用いて落とし、コーティングした布片を得た。このように、2枚のコーティングした布片を調製した。
得られた2枚のコーティングした布片を、コーティングした側を互いに向かい合わせて置き、131℃の温度、4.9バールの圧力で1分間加熱圧密化し、室温に冷却して、649g/mの面密度を有する2層複合体を得た。樹脂の重量パーセントは、12重量%であった。
上記様式で、6個の2層複合体を製造した。
前記複合体のうちの3個を、常圧下、空気中、室温(20℃)で保管した。
b)加速劣化
得られた複合体のうち3個を、70℃、300psi(20.7バール)、99.7%酸素中、5日間または10日間、ASTM D572−04による加速した化学および熱劣化に供した。
c)2層複合体中の布帛間の接着力
未劣化状態および劣化状態の2層複合体中の布帛間の接着力をそれぞれ、ASTM 1876−00により測定し、標準偏差と共にそれぞれの3個の複合体の算術平均として重量グラム(1重量グラム=9.807mN)を求めた。
接着力を測定するために、長さ方向に沿った積層体の1/2インチ部分を分離した。いったん2つの層を分離した後、1個の層材料が各クランプ間にあるように試験標本を試験装置のクランプに配置した。積層体をクランプ面に集中させた。次に、6インチの伸長まで10インチ/分の一定ヘッド速度の剥離荷重を印加した。接着力値は、5個のピーク値および5個のトラフ値に基づく平均値とした。
それぞれ649g/mの面密度を有する2層複合体は、表5に示す接着力の測定結果を示した。
<実施例8>
実施例8は、工程a)で95重量%のRovene(登録商標)4176と5重量%のAquatac(登録商標)6025との混合物を用いたという違いを除いて、比較例14と同様に行った。Aquatac(登録商標)6025は、約58重量%のロジンエステル、約39重量%の水、および4重量%未満の界面活性剤を含む水性分散液である。得られた2層複合体は、649g/mの面密度を有し、マトリクス材料の重量パーセントは、12重量%であった。
接着力の測定結果を表5に示す。
<実施例9>
実施例9は、工程a)で90重量%のRovene(登録商標)4176と10重量%のAquatac(登録商標)6025との混合物を用いたという違いを除いて、実施例8と同様に行った。得られた2層複合体は、649g/mの面密度を有し、マトリクス材料の重量パーセントは、12重量%であった。
接着力の測定結果を表5に示す。
<比較例15>
比較例15は、工程a)でRovene(登録商標)4220を用いたという違いを除いて、比較例14と同様に行った。Rovene(登録商標)4220は、T=−26℃を有する非カルボキシル化スチレン−ブタジエンゴムであり、pH11〜12を有する乳濁液として調達される。得られた2層複合体は、649g/mの面密度を有し、マトリクス材料の重量パーセントは、12重量%であった。
接着力の測定結果を表5に示す。
<実施例10>
実施例10は、工程a)で95重量%のRovene(登録商標)4220と5重量%のAquatac(登録商標)6025との混合物を用いたという違いを除いて、比較例15と同様に行った。得られた2層複合体は、649g/mの面密度を有し、マトリクス材料の重量パーセントは、12重量%であった。
接着力の測定結果を表5に示す。
<実施例11>
実施例11は、工程a)で90重量%のRovene(登録商標)4220と10重量%のAquatac(登録商標)6025との混合物を用いたという違いを除いて、実施例10と同様に行った。得られた2層複合体は、649g/mの面密度を有し、マトリクス材料の重量パーセントは、12重量%であった。
接着力の測定結果を表5に示す。
Figure 2014509376
表5に示す結果は、以下のように要約することができる。
1.粘着付与剤Aquatac(登録商標)6025を含むまたは含まないカルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂Rovene(登録商標)4176の複合体
1.1 5日後の接着力
比較例14と実施例8および9との比較からは、常圧の空気中20℃で5日後の布帛間の接着力は、粘着付与剤Aquatac(登録商標)6025を、カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体Rovene(登録商標)4176に添加することにより、増加することが示される。
比較例14と実施例8および9との比較からは、粘着付与剤Aquatac(登録商標)6025を、カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体Rovene(登録商標)4176に添加すると、20.7バールのOにおいて70℃で5日保管した後の布帛間の接着力が増加することが示される。未劣化複合体と劣化複合体の接着力値の比較からは、以下が示される。
・粘着付与剤を含まない場合には、劣化により、2113から1943[重量グラム]までの接着力の減少、すなわち、8%の接着力の減少がもたらされた(比較例14参照)
・5重量%の粘着付与剤を含む場合には、劣化により、3280から3180[重量グラム]までの接着力の減少、すなわち、わずか3%の接着力の減少しか起こらなかった(実施例8参照)
・10重量%の粘着付与剤を含む場合には、劣化により、4577から4553[重量グラム]までの接着力の減少、すなわち、わずか0.5%の接着力の減少しか起こらなかった(実施例9参照)
1.2 10日後の接着力
比較例14における劣化試料と未劣化試料についての10日後の接着力値の比較は、3430から3567[重量g]までの接着力の増加、すなわち、4%の接着力の増加が示される。
実施例8における劣化試料と未劣化試料についての10日後の接着力値の比較は、2875から3415[重量g]までの接着力の増加、すなわち、19%の接着力の増加が示される。
実施例9における劣化試料と未劣化試料についての10日後の接着力値の比較は、3765から4815[重量g]までの接着力の増加、すなわち、28%の接着力の増加が示される。
2.粘着付与剤Aquatac(登録商標)6025を含むまたは含まない非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂Rovene(登録商標)4220の複合体
実施例10および11と比較例15との比較からは、5または10重量%の非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂Rovene 4220を、5または10重量%の粘着付与剤Aquatac(登録商標)6025で置換すれば、2層複合体における布帛の接着力を増加させる傾向があることが示される。

Claims (16)

  1. 複数の繊維層を含む防弾性物品であって、
    前記繊維層の各々は、繊維のネットワークとマトリクス材料とを含み、
    前記繊維は、ASTM D 7269−07に従って少なくとも800mN/tex(1100MPa)の強度を有し、
    前記マトリクス材料は、少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂と、少なくとも1種の粘着付与剤とを含む混合物を含む、防弾性物品。
  2. 前記スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂が、カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂である、請求項1に記載の防弾性物品。
  3. 前記スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂が、非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂である、請求項1に記載の防弾性物品。
  4. 前記粘着付与剤が、ロジン樹脂、テルペン樹脂、および炭化水素樹脂からなる群から選択される、請求項1から3いずれか記載の防弾性物品。
  5. 前記粘着付与剤が、前記マトリクス材料中に、前記マトリクス材料の重量に対して1重量%から20重量%存在する、請求項1から4いずれか記載の防弾性物品。
  6. 前記繊維のネットワークが、繊維の単一方向性配列である、請求項1から5いずれか記載の防弾性物品。
  7. 前記繊維が、アラミド繊維である、請求項1から6いずれか記載の防弾性物品。
  8. 前記繊維が重量wであり、前記マトリクス材料が重量wである場合に、(w+w)に対する前記マトリクス材料の重量パーセントが、5重量%から50重量%である、請求項1から7いずれか記載の防弾性物品。
  9. 単一繊維層における前記繊維の面密度が、10g/mから250g/mである、請求項1から8いずれか記載の防弾性物品。
  10. 単一繊維層の合計面密度が、11g/mから350g/mである、請求項1から9いずれか記載の防弾性物品。
  11. 前記複数の繊維層からパネルが形成され、前記パネルが金属またはセラミックのプレートに接合されている、請求項1から10いずれか記載の防弾性物品。
  12. 熱可塑性材料を含むスクリムが、前記繊維層間に配置されている、請求項1から11いずれか記載の防弾性物品。
  13. (1)少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂と、少なくとも1種の粘着付与剤とを含む混合物を含むマトリクス材料を含み、単一方向性繊維層を製造する工程と、
    (2)工程(1)から得られた少なくとも2つの単一方向性繊維層から、接着性クロスプライを製造する工程と、
    (3)工程(2)から得られた複数の接着性クロスプライから圧密化パネルを製造する工程と、必要に応じて、
    (4)工程(3)から得られた前記圧密化パネルを、金属またはセラミックのプレートに接合して硬質防弾性物品を得る工程と、
    を含む、請求項1から12いずれか記載の防弾性物品を製造する方法。
  14. 前記工程(1)におけるスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂が、非カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂である、請求項13に記載の方法。
  15. 前記工程(1)におけるスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂が、カルボキシル化スチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂である、請求項13に記載の方法。
  16. 前記少なくとも1種のスチレン−ブタジエンランダム共重合体樹脂の架橋反応が、前記工程(1)、(2)、または(3)の少なくとも1つに含まれている、請求項13から15いずれか記載の方法。
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