JP2014529692A - 高性能な防弾複合材料および製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2011年9月6日に出願された同時係属中の米国仮出願第61/531,302号の利益を主張するものであり、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、2011年12月2日に出願された同時係属中の米国仮出願第61/566,295号の利益も主張するものであり、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、プラズマ処理で改質されたかコロナ処理で改質され、かつ周囲室温で少なくとも約33g/デニールの靭性を有する改質高強度繊維であって、
a)周囲室温で少なくとも約33g/デニールの靭性を有する高強度繊維であって、該繊維は繊維表面を有し、かつ該表面は繊維表面仕上げ剤によって少なくとも部分的に被覆されているか該繊維は繊維表面仕上げ剤を実質的に含まない高強度繊維を用意する工程と、
b)該繊維表面が繊維表面仕上げ剤によって少なくとも部分的に被覆されている場合、該繊維表面仕上げ剤の少なくとも一部を該繊維表面から除去する工程と、
c)該高強度繊維を改質するのに有効な条件下で、該高強度繊維をプラズマ処理またはコロナ処理に供する工程と、
を含み、
それにより、プラズマ処理で改質されたかコロナ処理で改質され、かつ周囲室温で少なくとも約33g/デニールの靭性を有する改質高強度繊維を得る方法によって製造される、改質高強度繊維も提供する。
以下の実施例は、本発明を例示するためのものである。
実施例1〜10では、繊維を洗浄してそれらの繊維仕上げ剤を除去することもプラズマ処理することもなく、超高分子量ポリエチレン繊維の物理的特性を測定した。実施例1〜30の全てのための繊維試料は、超高分子量ポリエチレン繊維の同じスプールから選択した。
実施例11〜20では、繊維を洗浄してそれらの繊維仕上げ剤を実質的に除去したがプラズマ処理をせずに、超高分子量ポリエチレン繊維の物理的特性を測定した。実施例1〜30の全てのための繊維試料を超高分子量ポリエチレン繊維の同じスプールから選択した。
10種類の洗浄済繊維試料について、繊維のデニール、最大歪み時の繊維負荷、最大負荷時の歪み率、繊維の靭性および繊維の初期引張弾性率を測定した。その結果を表2にまとめる。表では、これらの繊維を洗浄済繊維1〜10として識別している。
実施例21〜30では、繊維を洗浄してそれらの繊維仕上げ剤を実質的に除去し、かつその後にプラズマ処理も施した後に、超高分子量ポリエチレン繊維の物理的特性を測定した。実施例1〜30の全てのための繊維試料を超高分子量ポリエチレン繊維の同じスプールから選択した。
まとめると、実施例1〜30は、繊維を洗浄して繊維仕上げ剤を実質的に除去した後にプラズマ処理を施した繊維は、処理前および処理後の両方にほぼ同じ物理的特性を有することを示している。特に、組み合わせた処理により、繊維の靭性の損失はほぼ認められず、多くの場合、初期引張弾性率が上昇した。繊維特性の平均値に基づいて、これらの実施例は、プラズマ処理前に繊維を洗浄した場合に、約1%の靭性の獲得と約2.7%の初期引張弾性率の上昇を示している。靭性および初期引張弾性率の上昇は、例えば、繊維表面仕上げ剤によるものというよりも繊維表面に直接プラズマ処理を施したことにより、繊維表面で高分子鎖が架橋したことによるものと思われる。
比較例1〜6では、プラズマ処理前に繊維を洗浄してそれらの繊維仕上げ剤を除去することなく、プラズマ処理後に、超高分子量ポリエチレン繊維の物理的特性を測定した。比較例1〜6の全てのための繊維試料を超高分子量ポリエチレン繊維の同じスプールから選択した。
まとめると、比較例1〜6は、最初に繊維を洗浄して繊維仕上げ剤を実質的に除去せずにプラズマ処理を施した繊維は、プラズマ処理により繊維の靭性の顕著な損失、すなわち繊維の平均値に基づき約17%の靭性の損失を被ったことを示している。これは特に、実施例1〜30(すなわち1.5キロワット)における大気圧でのプラズマ処理レベルに対して、比較例1〜6(すなわち250ワット)における低圧での実質的により低い攻撃性のプラズマ処理レベルを考慮すると明らかである。
約45g/dの繊維靭性を有する4プライの一方向に配向された実質的に平行な超高分子量ポリエチレン繊維を組み込んで、4プライ不織複合材料を作製した。
実施例31の複合材料を、一体化された2.0psf試料に作製し、裏面変形量およびV50について室温で試験した。周囲室温で16グレインRCCの発射体に対する平均的なV50値は、3621フィート/秒であった。同じ16グレインRCCの発射体に対する周囲室温での平均的なBFSは、複合材料の背面と粘土裏当て材料との間に1/2インチの空隙を設けて測定した場合、3mmであった。
同時係属中の特許出願第61/531,233号に記載されている装置を用いて裏面変形量を測定した。複合材料物品と粘土の塊との間に特注の機械加工スペーサ要素を挿入して、複合材料を粘土の塊から1/2インチ(12.7mm)だけ離間させた。特注の機械加工スペーサ要素は、境界および前記境界によって画定された内部空洞を有する要素を含み、ここでは、粘土は空洞から露出しており、スペーサは、粘土の前面に直接接触して配置されていた。発射体は、スペーサの内部空洞に対応する標的位置にある複合材料物品を狙撃した。発射体は、スペーサの内部空洞に対応する位置にある複合材料物品に嵌入し、各発射体衝撃により、粘土内に測定可能な凹部が生じた。3mmのBFS測定値は、スペーサ要素の深さを考慮しないこの方法によれば粘土内の凹部深さを指しており、すなわちBFS測定値は、複合材料と粘土との間の実際の距離を含んでいない。
従来から知られている規格化された技術を用い、特に16グレインRCCの発射体に対する国防総省の試験方法規格MIL−STD−662F条件に従って、V50データを取得した。
実施例31および32を繰り返してさらなる2.0psf試料を作製したが、異なる結合剤樹脂を用いた。複合材料を室温で裏面変形量およびV50について試験し、その結果を表6にまとめる。実施例36〜38では、実施例31のようにプラズマ処理ではなくコロナ処理を行った。約15フィート/分の速度で、コロナ処理装置の電力を2キロワットに設定して、洗浄済繊維のウェブを、30インチ幅の電極を有するコロナ処理装置に連続的に通して、コロナ処理を行った。コロナ場内の繊維の滞留時間は約2秒であった。標準的な大気圧で処理を行った。
実施例31の複数の複合材料を、複数の21インチ×21インチの正方形に切断する。複数の正方形を1つ以上の弾道シェルに作製し、弾道シェルを新型戦闘用ヘルメット(Enhanced Combat Helmet)に作製する。各弾道シェルの重量は約2.8ポンド(約2.24psf)である。ヘルメットの外側には、高分子系外側表面被覆物すなわち厚膜が、ヘルメット内部にはポリエチレン系織布(例えば、1200デニールのS900 SPECTRA(登録商標)ポリエチレン繊維が組み込まれた織布スタイル903、21×21端/インチ(端/2.54cm)のピック数(pick count)を有する平織り、7オンス/平方ヤード(217g/m2(gsm)の面積重量))が存在する。上記ヘルメットは、パッドおよび懸架装置で仕上げられていてもよい。
一方向に配向された実質的に平行な45g/d繊維の4プライを含めて4プライ不織複合材料を作製した。繊維を洗浄して、それらの繊維仕上げ剤を実質的に除去し、その後にプラズマ処理を施して乾燥した。プラズマ処理後の繊維の靭性は45g/dであった。その後、これらの繊維を1100psiの弾性率を有する脂肪族の陰イオン性ポリウレタン分散系で被覆した。各プライの樹脂含有量は、プライの約16重量%であった。4プライを各プライの長手繊維方向に対して0°/90°/0°/90°で配向させた。4プライ複合材料は、約53gsmの繊維面密度(1プライにつき)および約64gsmの各プライの総面密度を有していた。
[1]周囲室温で少なくとも約33g/デニールの靭性を有する、プラズマ処理で改質されたかコロナ処理で改質された改質高強度繊維。
[2]周囲室温で少なくとも約37g/デニールの靭性を有する、[1]に記載の改質高強度繊維。
[3]プラズマ処理した繊維が、周囲室温で少なくとも約45g/デニールの靭性を有する、[1]に記載の改質高強度繊維。
[4]繊維表面を有し、該表面が繊維表面仕上げ剤を実質的に含まない、[1]に記載の改質高強度繊維。
[5]複数の[1]に記載の改質高強度繊維を含むマルチ繊維糸。
[6]複数の繊維が実質的に平行な配列に揃えられている、複数の[1]に記載の改質高強度繊維を含む繊維プライ。
[7]複数の[1]に記載の改質高強度繊維から形成された布。
[8]複数の[1]に記載の改質高強度繊維と、該改質繊維の少なくとも幾本かを少なくとも部分的に被覆する高分子結合剤とを含む繊維複合材料。
[9]一体化された複数の繊維プライを含み、各繊維プライが複数の請求項1に記載の改質高強度繊維を含み、かつ該改質繊維の少なくとも幾本かが高分子結合剤により少なくとも部分的に被覆されている、[8]に記載の繊維複合材料。
[10]それぞれを約2.0ポンド/平方フィートの面密度を有する複合材料について測定した場合に、国防総省の試験方法規格MIL−STD−662Fに従って16グレイン直円柱の発射体に対して少なくとも約3300フィート/秒のV50値と、約427m/s〜約445m/s(1430フィート/秒(fps)±30fps)の速度で発射された124グレイン9mmのFMJ RN発射体による衝撃を受けた際に約5mm以下の裏面変形量とを有する、[9]に記載の繊維複合材料。
[11][10]に記載の繊維複合材料から形成された物品。
[12]周囲室温で少なくとも約33g/デニールの靭性を有する、プラズマ処理で改質されたかコロナ処理で改質された改質高強度繊維であって、
a)周囲室温で少なくとも約33g/デニールの靭性を有する高強度繊維であって、該繊維が繊維表面を有し、かつ該表面が繊維表面仕上げ剤によって少なくとも部分的に覆われているか該繊維が繊維表面仕上げ剤を実質的に含まない高強度繊維を用意する工程、
b)該繊維表面が繊維表面仕上げ剤によって少なくとも部分的に覆われている場合は、該繊維表面仕上げ剤の少なくとも一部を該繊維表面から除去する工程、及び
c)該高強度繊維を改質するのに有効な条件で、該高強度繊維をプラズマ処理またはコロナ処理に供する工程、
を含み、
それにより、周囲室温で少なくとも約33g/デニールの靭性を有する、プラズマ処理で改質されたかコロナ処理で改質された改質高強度繊維を製造する方法で製造される、改質高強度繊維。
[13]周囲室温で少なくとも約37g/デニールの靭性を有する、[12]に記載の改質高強度繊維。
[14]工程a)で用意した該繊維は、定められているように繊維表面仕上げ剤を実質的に含んでいない、[12]に記載の改質高強度繊維。
[15]工程c)が、ほぼ大気圧であるか大気圧を超える圧力に維持された室内で行われる、[12]に記載の改質高強度繊維。
Claims (15)
- 周囲室温で少なくとも約33g/デニールの靭性を有する、プラズマ処理で改質されたかコロナ処理で改質された改質高強度繊維。
- 周囲室温で少なくとも約37g/デニールの靭性を有する、請求項1に記載の改質高強度繊維。
- プラズマ処理した繊維が、周囲室温で少なくとも約45g/デニールの靭性を有する、請求項1に記載の改質高強度繊維。
- 繊維表面を有し、該表面が繊維表面仕上げ剤を実質的に含まない、請求項1に記載の改質高強度繊維。
- 複数の請求項1に記載の改質高強度繊維を含むマルチ繊維糸。
- 複数の繊維が実質的に平行な配列に揃えられている、複数の請求項1に記載の改質高強度繊維を含む繊維プライ。
- 複数の請求項1に記載の改質高強度繊維から形成された布。
- 複数の請求項1に記載の改質高強度繊維と、該改質繊維の少なくとも幾本かを少なくとも部分的に被覆する高分子結合剤とを含む繊維複合材料。
- 一体化された複数の繊維プライを含み、各繊維プライが複数の請求項1に記載の改質高強度繊維を含み、かつ該改質繊維の少なくとも幾本かが高分子結合剤により少なくとも部分的に被覆されている、請求項8に記載の繊維複合材料。
- それぞれを約2.0ポンド/平方フィートの面密度を有する複合材料について測定した場合に、国防総省の試験方法規格MIL−STD−662Fに従って16グレイン直円柱の発射体に対して少なくとも約3300フィート/秒のV50値と、約427m/s〜約445m/s(1430フィート/秒(fps)±30fps)の速度で発射された124グレイン9mmのFMJ RN発射体による衝撃を受けた際に約5mm以下の裏面変形量とを有する、請求項9に記載の繊維複合材料。
- 請求項10に記載の繊維複合材料から形成された物品。
- 周囲室温で少なくとも約33g/デニールの靭性を有する、プラズマ処理で改質されたかコロナ処理で改質された改質高強度繊維であって、
a)周囲室温で少なくとも約33g/デニールの靭性を有する高強度繊維であって、該繊維が繊維表面を有し、かつ該表面が繊維表面仕上げ剤によって少なくとも部分的に覆われているか該繊維が繊維表面仕上げ剤を実質的に含まない高強度繊維を用意する工程、
b)該繊維表面が繊維表面仕上げ剤によって少なくとも部分的に覆われている場合は、該繊維表面仕上げ剤の少なくとも一部を該繊維表面から除去する工程、及び
c)該高強度繊維を改質するのに有効な条件で、該高強度繊維をプラズマ処理またはコロナ処理に供する工程、
を含み、
それにより、周囲室温で少なくとも約33g/デニールの靭性を有する、プラズマ処理で改質されたかコロナ処理で改質された改質高強度繊維を製造する方法で製造される、改質高強度繊維。 - 周囲室温で少なくとも約37g/デニールの靭性を有する、請求項12に記載の改質高強度繊維。
- 工程a)で用意した該繊維は、定められているように繊維表面仕上げ剤を実質的に含んでいない、請求項12に記載の改質高強度繊維。
- 工程c)が、ほぼ大気圧であるか大気圧を超える圧力に維持された室内で行われる、請求項12に記載の改質高強度繊維。
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