JP2018513954A - 耐弾性複合材料 - Google Patents

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Abstract

本発明は、二峰性バインダーを含み、それを制御された温度において低い圧力に短い時間曝露する方法で成形することができる耐弾性複合材料２０に関する。より詳しくは、複合材料２０の二峰性バインダーによって、例えばフラットベッド積層機（これは、スチールベルトプレスのような他の加工方法よりも安価にすることができる）によって複合材料を形成することが可能になる。【選択図】 図２

Description

[0001]本出願は、２０１５年３月２６日出願の共に係属している米国仮出願６２／１３８，５４８（その開示事項はその全部を参照として本明細書中に包含する）の利益を主張する。
[0002]本発明は、二峰性バインダーを用いて形成される複合材料に関する。特に、本発明は、複数の繊維及び二峰性バインダーから形成される耐弾性複合材料、及びそれを形成する方法に関する。
[0003]耐弾性物品には、銃弾、榴散弾、及び破裂弾の侵入に抵抗する、ベスト、ヘルメット、乗物用パネル、更なる衣料品、及び軍隊又は警察用途のための更なる物品のような種々の物品に成形することができる高強度繊維を含めることができる。代表的な高強度繊維は、ポリエチレン繊維、アラミド繊維、グラファイト繊維、ナイロン繊維、ガラス繊維などである。耐弾性衣料品のような多くの用途に関しては、繊維は織成又は編成布で用いることができる。他の用途に関しては、繊維をポリマーマトリクス材料中に封入又は埋封して、織成又は不織複合材料を形成することができる。
[0004]硬質又は剛性の防護具は良好な耐弾性を与えるが、嵩高で堅い可能性がある。したがって、耐弾ベストのような防護服は、好ましくは可撓性又は軟質の防護具材料から形成される。しかしながら、かかる可撓性又は軟質の防護具材料は良好な耐弾品質を有するが、これらの材料は低い摩耗抵抗も示す可能性があり、これは防護具の耐久性に影響を与える。更には、硬質及び軟質の耐弾性物品は、材料の耐弾性を劣化させる可能性がある環境条件に耐える必要がある。例えば、軍隊用途の特質のために、耐弾性物品は、海水、ガソリン、銃の潤滑剤、及び石油のような材料を劣化させる可能性がある種々の環境条件に曝露される可能性がある。よって、耐弾性物品は、環境条件又は物質に曝露された際にかかる劣化に抵抗するように形成される。
[0005]図１を参照すると、軟質の耐弾性防護具を製造する１つの方法は、スチールベルトプレス２のようなベルトプレスを用いる。例として、スチールベルトプレス２は、第１のベルト１０、第２のベルト１２、第１のベルト１０を支持する第１の複数のローラー４、第２のベルト１２を支持する第２の複数のローラー６、及び温度ユニット８を含む等圧スチールベルトプレス機ダブルベルトプレスである。図１に示されるように、第１の複数のローラー４は時計方向に回転し、第２の複数のローラー６の上方に配置されている。これとは逆に、第２の複数のローラー６は反時計方向に回転し、これは第１の複数のローラー４の時計方向の回転と組み合わさって、スチールベルトプレス２を通して複合材料１４を前進させる。
[0006]複合材料１４には、高性能繊維及びバインダーを含めることができる。バインダーは、少なくとも部分的にポリマー材料から形成することができ、従来の被覆プロセス（例えば、キャスト、分散）によって繊維に施すことができる。
[0007]複合材料１４がスチールベルトプレス２に導入された際に、第１及び第２のベルト１０、１２は、複合材料１４がスチールベルトプレス２を通って前進するにつれて、約７０ｂａｒ又は１，０００ｐｓｉまでの連続的な圧力を複合材料１４に加えるように構成されている。更に、複合材料１４は、加熱部８ａ及び冷却部８ｂを含む温度ユニット８に通される。よって、複合材料１４は、加熱されている際及び冷却されている際の両方において第１及び第２のベルト１０、１２から連続的な高い圧力を受け、これによって複合材料１４における高い圧縮度及び空気細孔の減少がもたらされる。スチールベルトプレス２からの圧縮によって複合材料１４内の空隙及び他の隙間が除去され、それによって腐食及び劣化条件に抵抗性の平滑な表面が与えられると考えられる。
[0008]耐弾性複合材料１４を製造するためにスチールベルトプレス２を用いることの１つの欠点は、スチールベルトプレス２の高いコストのために複合材料１４の製造に関連するコストが高くなる可能性があることである。しかしながら、複合材料１４に圧力、熱、及び冷却を加えるように構成されている他のより安価な加工技術は、同等のレベルの圧力及び／又は連続圧力を加えるように構成されていない可能性がある。更に、これらのより安価な加工技術によって製造される防護具及び他の耐弾性材料は、その耐弾特性を犠牲にすることなく、かかる複合材料の材料特性を劣化させると考えられる環境条件（例えば、燃料、塩水、湿分等）に耐えるように構成しなければならない。したがって、種々の環境条件に耐えることができる軟質の耐弾性物品を製造する低コストの方法に対する必要性が存在する。
[0009]本発明は、複数の繊維、及び複数の繊維に施されている二峰性バインダーを含む耐弾性複合材料を提供する。
[0010]その一形態においては、本発明は、複数の繊維、及び複数の繊維に施されている二峰性バインダーを含む耐弾性複合材料を提供する。バインダーは、融点を有する結晶質成分、及び軟化点を有するアモルファス成分を有する。結晶質成分及びアモルファス成分は、互いに対して次の特性：（１）結晶質成分の融点はアモルファス成分の軟化点よりも低く；（２）結晶質成分の融点より高い温度において、結晶質成分の粘度はアモルファス成分の粘度よりも低く；そして（３）結晶質成分の融点より高い温度において、結晶質成分の表面エネルギーはアモルファス成分の表面エネルギーよりも小さい；の少なくとも１つを有する。
[0011]幾つかの態様においては、結晶質成分は、カルナバワックス、ステアラミドワックス、ポリエチレンワックス、パラフィンワックス、ポリオレフィンワックス、及び微結晶質ワックスからなる群から選択されるワックス材料であり、アモルファス成分は、アクリル樹脂、ポリウレタン、ニトリルゴム、アクリロニトリルブタジエンコポリマー、及びフルオロカーボンからなる群から選択されるポリマー材料である。更に、複数の繊維にはポリエチレンを含めることができる。
[0012]幾つかの態様においては、複数の繊維は、少なくとも第１の繊維プライ、及び第１の繊維プライから９０°で配向されている第２の繊維プライを形成する。
[0013]幾つかの態様においては、アモルファス成分は二峰性バインダーの６０〜９５重量％を構成し、結晶質成分は二峰性バインダーの５〜４０重量％を構成する。
[0014]幾つかの態様においては、結晶質成分の融点は約５０℃〜１４０℃である。
[0015]その他の形態においては、本発明は、一方向配向の第１の複数の繊維を与え、一方向配向の第２の複数の繊維を与え、そしてアモルファス成分及び結晶質成分を有するバインダーを与えることを含む、耐弾性複合材料を形成する方法を提供する。この方法は、第１の複数の繊維をバインダーで被覆し、第２の複数の繊維をバインダーで被覆し、第１の複数の繊維を第２の複数の繊維に対して９０°の角度で配置し、第１及び第２の複数の繊維を結晶質成分の融点範囲内の温度に加熱し、結晶質成分の融点範囲内の温度にある時点で第１及び第２の複数の繊維に１ｂａｒ未満の圧力を加え、そして第１及び第２の複数の繊維を冷却することを更に含む。
[0016]幾つかの態様においては、かかる圧力工程はフラットベッド積層機を用いて行う。
[0017]幾つかの態様においては、かかる印加工程は、加熱工程中に０．５ｐｓｉ未満の第１の圧力を複合材料に加え、そして複合材料が結晶質成分の融点範囲内の温度にある時点で１０ｐｓｉ〜３００ｐｓｉの第２の圧力を加えることを含む。
[0018]幾つかの態様においては、複合材料は、０．０１秒間、０．５０秒間、１．０秒間、１．５秒間、２．０秒間、２．５秒間、３．０秒間程度の短い時間、又は１分間、２分間、３分間、４分間、若しくは５分間程度の長い時間、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲の時間、加熱及び／又は冷却することができる。
[0019]また、
アモルファス成分及び結晶質成分を含む第１の二峰性バインダーで被覆されている複数の一方向配向の第１の繊維を含む第１の繊維プライを与え；
アモルファス成分及び結晶質成分を含む第２の二峰性バインダーで被覆されている複数の一方向配向の第２の繊維を含む第２の繊維プライを与え；
第１の繊維プライ及び第２の繊維プライを積層配列で配置し；
第１の繊維プライ及び第２の繊維プライを、結晶質成分の融点範囲内の温度に加熱し；
プライが結晶質成分の融点範囲内の温度にある時点で第１の繊維プライ及び第２の繊維プライに１ｂａｒ未満の圧力を加え、それによって第１の繊維プライと第２の繊維プライを互いと接合させて、それによって耐弾性複合材料を形成し；そして
第１の繊維プライ及び第２の繊維プライを冷却する；
ことを含む、耐弾性複合材料を形成する方法も提供される。
[0020]本発明の上述及び他の特徴、並びにそれらを達成する方法は、添付の図面と組み合わせて以下の複数の態様の記載を参照することによってより明らかになり、より良好に理解されるであろう。
[0021]図１は、等圧スチールベルトプレス、及びその中で形成される複合材料の概要断面図である。 [0022]図２は、フラットベッド積層機の概要図である。 [0023]図３は、複数の被覆装置を有する拡張型フラットベッド積層機の概要図である。
[0024]本発明は、二峰性バインダーを含み、それを制御された温度において低い圧力に短い時間曝露する方法で成形することができる耐弾性複合材料２０に関する。より詳しくは、複合材料２０の二峰性バインダーによって、例えばフラットベッド積層機（これはスチールベルトプレスのような他の加工方法よりも安価にすることができる）によって複合材料を形成することが可能になる。
[0025]複合材料２０は、二峰性ポリマーマトリクス又はバインダー材料２０ｂ内に埋封されている複数の繊維２０ａを含む（図３）。二峰性バインダー材料２０ｂは、本明細書において更に詳説するように、アモルファス成分の第１のモード、及び結晶質成分の第２のモードを含む。より詳しくは、アモルファス成分はバインダー材料２０ｂの主成分を構成し、結晶質成分と化学的及び／又は物理的に非混合性であってよい。例えば、本明細書において更に詳説するように、アモルファス成分の少なくとも軟化点、又は或いはガラス転移温度、及び材料構造は、結晶質成分のものと異なる。
Ａ．繊維材料
[0026]耐弾性複合材料２０は、二峰性バインダー材料２０ｂに埋封されている繊維材料２０ａを含む。繊維材料２０ａは、それぞれが幅及び厚さの横方向の寸法よりも遙かに大きい長さを有する長尺の本体を有する複数の繊維から形成される。繊維材料２０ａの繊維の断面は、円形、平坦、又は楕円形であってよい。したがって、「繊維」という用語は、規則的又は不規則な断面を有するフィラメント、リボン、ストリップなどを包含する。繊維材料２０ａのそれぞれの繊維はまた、繊維の直線軸又は縦軸から突き出ている規則的又は不規則な多葉断面のものであってもよい。
[0027]代表的な繊維材料２０ａは、不織のクロスプライ一方向布帛を含む。より詳しくは、繊維材料２０ａは、クロスプライ構成で配向している一方向繊維の複数のプライを含み、繊維材料２０ａの第１のプライは繊維の隣接する第２のプライに対して９０°で配向している。それぞれのプライ内の繊維は互いと隣接して平行であり、したがって一方向配列で配向している。一態様においては、それぞれの繊維は直径が約０．０６３インチ又は１．５８８ｍｍであってよい。
[0028]繊維材料２０ａには、ポリエチレン繊維、アラミド繊維、グラファイト繊維、ナイロン繊維、ガラス繊維などを含めることができる。例えば、一態様においては、繊維材料２０ａは、Honeywell 1150デニールSPECTRA（登録商標）Merge 95121−ＵＨＭＷＰＥ繊維、及び／又はHoneywell 1300デニールSPECTRA（登録商標）Merge 95159−ＵＨＭＷＰＥ繊維のような超高分子量ポリエチレンを含む。繊維材料２０ａのそれぞれの繊維プライは、約１５ｇ／ｍ２〜約２５０ｇ／ｍ２、通常は約２０ｇ／ｍ２〜約１００ｇ／ｍ２、しばしば約２５ｇ／ｍ２〜約７０ｇ／ｍ２、最も好ましくは約３５ｇ／ｍ２の繊維面密度を有していてよい。繊維面密度とは、単位面積あたりの繊維のみの重量（即ちバインダーを含まない）を指す。繊維材料２０ａの更なる詳細は、２０１１年８月９日に発行された米国特許７，９９４，０７５、及び２０１１年９月１３日に発行された米国特許８，０１７，５３０（これらの全ての開示事項は明白に参照として本明細書中に包含する）において開示されている可能性がある。
Ｂ．二峰性バインダー材料
[0029]二峰性バインダー材料２０ｂを繊維材料２０ａに施して耐弾性複合材料２０を形成する。代表的なバインダー材料２０ｂは、当業者に公知なように、拡大することによって識別できるアモルファス相を有するアモルファス成分、及び拡大することによって識別できる結晶質相を有する結晶質成分を含む二峰性バインダーである。
１．アモルファス成分
[0030]バインダー材料２０ｂのアモルファス成分は、結晶質材料の特徴である長距離秩序を有しないのでアモルファスと特徴付けられる。長距離秩序が存在しないことによって、アモルファス成分は柔軟になり、これにより複合材料２０における柔軟性が可能になり、これは着用している際に屈曲及び動くように構成される軟質防護具の形成の際に必要である可能性がある。バインダー材料２０ｂの代表的なアモルファス成分は、バインダー材料２０ｂの主要成分を形成する。例えば、アモルファス成分は、バインダー材料２０ｂの全重量の少なくとも５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、９９％、又は上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内の割合を構成することができる。
[0031]アモルファス成分には、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂、ニトリルゴム樹脂、アクリロニトリルブタジエンコポリマー樹脂、フルオロカーボン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリイソプレン樹脂、エチレン−プロピレン樹脂、ポリスルフィド樹脂、ポリアクリレート樹脂、ポリエステル樹脂、及び／又はポリエーテル樹脂のような液体又は粉末の樹脂を含めることができる。例えば、バインダー材料２０ｂのアモルファス成分は、Charlotte, NC000000のMallard Creek Polymersから商業的に入手できるTYLAC（登録商標）873のような固形分４０％で供給されているアクリロニトリルブタジエンコポリマーの水性分散液、及び／又はドイツのClariant GMBH Corporationから商業的に入手できるNUVA（登録商標）2040のようなフルオロカーボン樹脂の水性分散液であってよい。
[0032]バインダー材料２０ｂの代表的なアモルファス成分は、結晶質成分の融点の範囲内の温度にある際に結晶質成分よりも高い粘度、表面エネルギー、及び／又は軟化点を有する。より詳しくは、一態様においては、結晶質成分とアモルファス成分は、結晶質成分の融点がアモルファス成分の軟化点よりも低く、及び／又は結晶質成分の融点よりも高い温度にある際に結晶質成分の粘度がアモルファス成分の粘度よりも低くなるように選択される。更に、アモルファス成分と結晶質成分は、結晶質成分の融点よりも高い温度において、結晶質成分の表面エネルギーがアモルファス成分の表面エネルギーよりも低くなるように選択することができる。例えば、一態様においては、バインダー材料２０ｂのアモルファス成分の軟化点は、繊維材料２０ａの分解温度よりも低いが、結晶質成分の融点よりも実質的に高く、結晶質成分が溶融して流動し始める時点で、アモルファス成分は感知しうる程度に溶融又は物理変化を起こさず、流動に対する抵抗性さえも示す可能性がある。より詳しくは、アモルファス材料は明瞭な融点を有していない可能性があるが、軟化点範囲内で軟化し始め、温度が上昇するにつれて軟化し続ける。これとは逆に、結晶質材料は真正の融点を有し、非常により狭い温度範囲で硬質の固体から流体に劇的に変化する。したがって、アモルファス成分は、結晶質成分の物理的転移の間に結晶質成分によって物理的に変性されず、又はこれと化学的に反応性でないので、アモルファス成分は結晶質成分と非混合性である。一態様においては、Honeywell 1150デニールSPECTRA（登録商標）Merge 95121−ＵＨＭＷＰＥ繊維及び／又はHoneywell 1300デニールSPECTRA（登録商標）Merge 95159−ＵＨＭＷＰＥ繊維は約１４０℃の分解温度を有する可能性があり、結晶質成分は本明細書において更に詳説するように１４０℃以下の融点を有する可能性がある。したがって、アモルァス成分の軟化点は、９０℃、１００℃、１１０℃、１２０℃、１３０℃、１４０℃、１５０℃、１６０℃、１７０℃、１８０℃、１９０℃程度の低い値、又は２００℃、２１０℃、２２０℃、２３０℃、２４０℃、２５０℃、２６０℃、若しくはそれ以上の程度の高い値、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内であってよい。
[0033]或いは、一態様においては、アモルファス成分の軟化点は、結晶質成分の融点よりも低くてよい。しかしながら、アモルファス成分の粘度及び／又は表面エネルギーは、結晶質成分の融点の範囲内の温度にある際は結晶質成分のものよりも高いので、アモルファス成分は固体又は非常に粘稠質の状態のままであり、したがって結晶質成分はアモルファス成分の周囲を流動して、アモルファス成分と結晶質成分は混合しない。バインダー材料２０ｂのアモルファス成分の更なる詳細は、２０１１年８月９日に発行された米国特許７，９９４，０７５及び２０１１年９月１３日に発行された米国特許８，０１７，５３０（これらの全部の開示事項を参照として本明細書中に包含する）に開示されている可能性がある。
２．結晶質成分
[0034]バインダー材料２０ｂの結晶質成分は、アモルファス成分に加えるか、又はその中にドープする。バインダー材料２０ｂの結晶質成分は、結晶格子によって定められる高秩序化分子構造を有するので結晶質として特徴付けられる。結晶質成分の結晶格子は、当業者に公知なように拡大することによって識別できる可能性がある。アモルファス成分とは異なり、結晶質成分は柔軟性がより低い可能性があるが、減少した圧力を有する処理条件において複合材料２０を圧縮及び緻密化して、それによって複合材料２０の耐弾特性を増加させることができるのでバインダー材料２０ｂ中に含める。また、下記において更に議論するように、本複合材料の処理中においては、結晶質材料は溶融のような相変化を起こし、これにより結晶質材料をアモルファス材料に対して流動させ、その後に再び固化させて平滑性及び密度の増大のような望ましい特性を与えて腐食性環境に対する抵抗性を与えることができる。
[0035]バインダー材料２０ｂの結晶質成分はその小数成分である。例えば、結晶質成分は、バインダー材料２０ｂの全重量の４５％、４０％、３５％、３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、５％、１％を構成していてよく、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内であってよい。
[0036]結晶質成分には、アモルファス成分と非混合性である任意の結晶質ポリマーを含めることができる。より詳しくは、結晶質成分はアモルファス成分と非混合性であってよく、２つの成分は混合又は単一の成分として機能しない。例えば、本発明の結晶質成分は、カルナバワックス、ポリエチレンワックス、ポリオレフィンワックス、パラフィンワックス、ステアラミドワックス、及び／又は微結晶質ワックスのようなワックス材料であってよい。ワックスは、一般に、室温で固体であるが、約４０℃より高い温度で分解することなく溶融又は軟化する材料として定義される。ワックスは、一般に有機化合物であり、室温で水中に不溶であるが、水湿潤性である可能性があり、非極性有機溶剤のような幾つかの溶剤中でペースト及びゲルを形成することができる。ワックスの分子量は約４００〜約２５，０００ｇ／モルの範囲であってよく、約４０℃〜約１５０℃の範囲の融点を有していてよい。ワックスは、一般により高次のポリマーのように自立型の膜を形成せず、一般にオイル及びグリースよりも多い炭素原子を有する脂肪族炭化水素である。
[0037]ワックスの粘度は、通常はワックスの分子量及び結晶化度に応じて低い値から高い値までの範囲であってよい。それらの融点よりも高い温度におけるワックスの粘度は、通常は低い。本明細書において用いる「低粘度のワックス」とは、１４０℃において約５００センチポアズ（ｃｐｓ）以下の溶融粘度を有するワックスを示す。好ましくは、低粘度のワックスは、１４０℃において約２５０ｃｐｓ未満、最も好ましくは１４０℃において約１００ｃｐｓ未満の粘度を有する。しかしながら、幾つかの線状ポリエチレンワックス（約２，０００〜約１０，０００ｇ／モルの分子量）及びポリプロピレンワックスは、溶融後に高い粘度、即ち１０，０００ｃｐｓ程度の高い粘度に調節することができる。粘度の値は、当該技術において周知の技術を用いて測定され、例えば毛細管、回転、又は運動体粘度計を用いて測定することができる。好ましい測定具はブルックフィールド回転粘度計である。
[0038]好適なワックスとしては天然及び合成ワックスの両方が挙げられ、非排他的に、蜜蝋、虫白蝋、セラックワックス、鯨蝋及び木蝋（ラノリン）のような動物性ワックス；べーベリーワックス、カンデリラワックス、カルナバワックス、キャスターワックス、エスパルトワックス、はぜ蝋、ホホバオイルワックス、アブラヤシワックス、ライスワックス、及び大豆ワックスのような植物性ワックス；セレシンワックス、モンタンワックス、オゾセライトワックス、及びピートワックスのような無機ワックス；パラフィンワックス及び微結晶質ワックスのような石油系ワックス；並びにポリオレフィンワックス、ポリエチレン、ポリプロピレンワックス、フィッシャー・トロプシュワックス、ステアラミドワックス（エチレンビスステアラミドワックスを含む）、重合α−オレフィンワックス、置換アミドワックス（例えばエステル化又は鹸化置換アミドワックス）、及び他の化学変性ワックスなどの合成ワックス；が挙げられる。また、米国特許４，５４４，６９４（その全部の開示事項を参照として明白に本明細書中に包含する）に記載されているワックスも好適である。これらの中で、好ましいワックスとしては、パラフィンワックス、微結晶質ワックス、フィッシャー・トロプシュワックス、分岐及び線状ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、大粒径ポリエチレンワックス、カルナバワックス、エチレンビスステアラミド（ＥＢＳ）ワックス、及びこれらの組合せが挙げられる。
[0039]例えば、バインダー材料２０ｂの代表的な結晶質材料は、Newark, NJのShamrock Technologies Inc.から商業的に入手できるHYDROCER（登録商標）EC-35のような固形分３５％で供給されるカルナバワックスの水性分散液；Cincinnati, OhioのMichelman, Inc.から商業的に入手できるLL405のような固形分４０％で供給される大粒径ポリエチレンワックスの水性分散液；Michelman Inc.のL411のような固形分３５％で供給される高密度ポリエチレンワックスの水性分散液；Michelman Inc.の454のような固形分３２％で供給されるパラフィンワックスの水性分散液；Michelman Inc.のHL-480のような固形分４０％で供給される微結晶質ワックスの水性分散液；及び／又はMichelman Inc.のME98040のような固形分４０％で供給されるフィッシャー・トロプシュポリエチレンワックスの水性分散液；であってよい。
[0040]バインダー材料２０ｂの代表的な結晶質成分は、低い溶融粘度、及び５０℃、５５℃、６０℃、６５℃、７０℃、７５℃、８０℃、８５℃、９０℃、９５℃、１００℃、１０５℃、１１０℃、１１５℃、１２０℃、１２５℃、１３０℃、１３５℃、１４０℃、又は上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲の融点を有していてよい。より詳しくは、カルナバワックスは、約７５〜８５℃の融点、及び低い溶融粘度を有する可能性がある。同様に、微結晶質ワックスは、約６０〜９０℃の融点、及び低い溶融粘度を有する可能性がある。更に、フィッシャー・トロプシュワックスは、９５〜１００℃の融点、及び低い溶融粘度を有する可能性がある。また、パラフィンワックスは、５０〜７０℃の融点、及び低い溶融粘度を有する可能性がある。更に、ポリエチレンワックスは、ポリエチレンワックスの構造によって９０〜１４０℃の融点を有する可能性があり、低いか、適度か、又は高い粘度を有する可能性がある。結晶質成分それ自体は、約５〜５０℃の範囲のみである可能性がある鋭い融点範囲を有し、これにより結晶質成分は迅速に溶融及び冷却させることができる。
[0041]本明細書において詳説するように、結晶質成分の融点及び溶融粘度は、アモルファス成分の軟化点及び粘度と異なっていてよい。したがって、結晶質成分をその融点範囲内の温度に曝露すると、結晶質成分は速やかに溶融して、結晶質成分の融点範囲内の温度において感知できるほどは溶融しない固体アモルファス成分の周囲を流動し始める。溶融した結晶質成分は、次にブレンドされたバインダー材料２０ｂ内の空隙、及び複合材料２０内の空隙も満たすことができる。更に、結晶質成分をその融点範囲よりも低い温度に曝露すると、結晶質成分は速やかに冷却されて再び固相を形成する。しかしながら、結晶質成分はその融点にある際は固体アモルファス成分の周囲を流動していたので、冷却されると、結晶質成分はアモルファス成分に埋封してそれと混合される。
[0042]例えば、アモルファス合成ゴムがバインダー２０ｂのアモルファス成分を形成し、結晶質ポリウレタン樹脂がバインダー２０ｂの結晶質成分を形成する場合には、バインダー材料２０ｂのキャスト膜によって、結晶質ポリウレタン樹脂の別個の領域がアモルファス合成ゴムのより大きな塊の中に維持される。例えばフラットベッド積層機内で複合材料２０に熱を加えると、合成ゴムのアモルファス領域は固体状態を維持するが、ポリウレタン樹脂の別個の結晶質領域は溶融して繊維材料２０ａ内の空隙中に流入し、これにより、毛細管力が減少し、複合材料２０の全有効表面積が減少することによって複合材料２０の流体抵抗が向上する。したがって、複合材料２０はアモルファス合成ゴムに起因して柔軟なままであるが、結晶質ポリウレタン樹脂に起因して向上した耐弾性を有する。
[0043]或いは、一態様においては、アモルファス成分の軟化点は結晶質成分の融点よりも低くてよい。しかしながら、アモルファス成分の粘度及び／又は表面エネルギーは、結晶質成分の融点よりも高い温度にある際には結晶質成分のものよりも高いので、アモルファス成分は固体又は高粘稠のままであり、したがって結晶質成分はアモルファス成分の周囲を流動し、アモルファス成分と結晶質成分は混合しない。より詳しくは、一態様においては、結晶質成分とアモルファス成分は、結晶質成分の融点がアモルファス成分の軟化点よりも低く、及び／又は結晶質成分の融点より高い温度にある際に結晶質成分の粘度がアモルファス成分の粘度よりも低くなるように選択される。更に、アモルファス成分と結晶質成分は、結晶質成分の融点より高い温度にある際に、結晶質成分の表面エネルギーがアモルファス成分の表面エネルギーよりも低くなるように選択することができる。バインダー材料２０ｂの結晶質成分の更なる詳細は、２０１１年８月９日に発行された米国特許７，９９４，０７５、及び２０１１年９月１３日に発行された米国特許８，０１７，５３０（これらの全ての開示事項は明白に参照として本明細書中に包含する）において開示されている可能性がある。
Ｃ．耐弾性複合材料
[0044]二峰性バインダー材料２０ｂを形成するためには、結晶質成分及びアモルファス成分を種々のプロセスによって混合する。
１．二峰性バインダーの製造
[0045]一態様においては、結晶質成分とアモルファス成分は、湿式ブレンドエマルジョン及び／又は湿式ブレンド溶液を形成することによって混合することができる。より詳しくは、湿式ブレンドエマルジョン及び／又は湿式ブレンド溶液は、アモルファス成分及び結晶質成分の両方がその中に可溶である溶媒を含む。この湿式ブレンド溶液及び／又は湿式ブレンドエマルジョンは、結晶質成分及びアモルファス成分が乾燥膜内の別個の領域中に保持されている乾燥膜にキャストすることができる。
[0046]バインダー材料２０ｂはまた、固体形態の結晶質成分を、アモルファス成分の水性エマルジョン又はアモルファス成分の溶媒ベースの溶液のいずれかの中に粗大分散させることによって混合することもできる（図３）。
２．繊維への二峰性バインダーの適用
[0047]混合したら、バインダー材料２０ｂを繊維材料２０ａに施して複合材料２０を形成する。バインダー材料２０ｂは、スプレーガン、繊維引抜き、繊維含侵、ホットメルト押出、グラビア被覆、及び／又は他のロール被覆法などを用いる種々のプロセスによって繊維材料２０ａに施す。例えば、繊維含侵法を用いて、バインダー材料２０ｂを繊維材料２０ａに施すことができる。繊維含侵法を用いる場合には、過剰のバインダー材料２０ｂの水性エマルジョン又は分散液を繊維材料２０ａに施す。次に、一連の固定バー及び圧力ローラーによって、過剰のバインダー材料２０ｂを圧搾して複合材料２０を形成する。次に、複合材料２０をシリコーン被覆剥離紙上に一時的にキャストしてそれによって移送し、水を乾燥させる場合には、複合材料２０を更なる処理のためにロール上に巻き取る。
[0048]更に、上述の複数の方法の組合せを用いて、バインダー材料２０ｂを繊維材料２０ａに施すことができる。例えば、繊維含侵法によってアモルファス成分の単一の水性エマルジョンを繊維材料２０ａに施すことができる。次に、静電スプレー器を用いて結晶質成分を乾燥形態で複合材料２０の表面に施すことができる。乾燥形態の結晶質成分は、アモルファス成分の水性エマルジョンからの水を乾燥させる前、又はその後のいずれかにおいて繊維材料２０ａに施すことができる。
[0049]更に、一態様においては、上述の繊維含侵法を用いて、アモルファス成分を溶媒キャスト膜として繊維材料２０ａに施すことができる。次に、結晶質成分を乾燥形態でアモルファス成分の溶媒キャスト膜の表面に施すことができる。
[0050]バインダー材料２０ｂを繊維材料２０ａに施すために選択される方法に関係なく、繊維材料２０ａは、バインダー材料２０ｂをそれに施す前に、脱イオン水で洗浄して乾燥させることができる。次に、繊維材料２０ａを、５０〜８０ワット／ｆｔ２／分、好ましくは６７ワット／ｆｔ２／分のエネルギー束でプラズマ処理することができる。その後、繊維材料２０ａの個々の繊維を一緒に接着する上述のプロセス、及び繊維材料２０ａの種々のプライを互いに接着させる上述のプロセスの１以上によって、バインダー材料２０ｂを繊維材料２０ａに施す。より詳しくは、繊維材料２０ａを、５〜３０％の樹脂含量、好ましくは１７％の樹脂含量でバインダー材料２０ｂによって被覆する。バインダー材料２０ｂを繊維材料２０ａに施したら、繊維材料２０ａをスプール上に巻き取り、更なる処理を行うまでロールとして貯蔵する。
３．フラットベッド積層機
[0051]図２を参照すると、バインダー材料２０ｂを繊維材料２０ａに施した後、バインダー材料２０ｂを少なくとも他の繊維材料２０ａの層に施して、繊維の第２のプライを形成する。次に、繊維の種々のプライの層を積層配列で配置し、それぞれのプライを隣接するプライから９０°で配向させる。複合材料２０に関する種々の用途に適合させるために、任意の数のプライを複合材料２０中に含めることができる。
[0052]次に、複数のローラー３３の周りを回転させることができる第１又は上部ベルト３２、及び複数のローラー３５の周りを回転させることができる第２又は下部ベルト３４を含むフラットベッド積層機３０を用いて、複合材料２０を形成することができる。第１及び第２のベルト３２、３４は、非粘着性の被覆、例えばWilmington, DelawareのE.I. DuPont De Nemours and Companyから商業的に入手できるTEFLON（登録商標）のようなフルオロポリマーベースの材料で被覆することができる。第１及び第２のベルト３２、３４は、複合材料２０を通すための通路３６によって互いから離隔している。図２に示すように、実例の第１のベルト３２は反時計方向に回転させ、第２のベルト３４は時計方向に回転させて、これによってフラットベッド積層機３０を通して複合材料２０を前進させる。一態様においては、第１及び第２のベルト３２、３４は、１〜１５メートル／秒、好ましくは３メートル／秒の速度で回転させる。実例として、第１及び第２のベルト３２、３４はほぼ同じ長さを有していて、複合材料２０が第１及び第２のベルト３２、３４の両方とほぼ同じ長さの時間接触するようになっている。
[0053]図２のフラットベッド積層機３０は、加熱部分又は区域３８、冷却部分又は区域４０、並びに加熱部分３８と冷却部分４０の中間に配置されている複数のニップ又は圧力ローラー４２を更に含む。複合材料２０がフラットベッド積層機３０内を前進するにつれて、複合材料２０は加熱部分３８内で加熱される。例えば、加熱部分３８は、５０℃、６０℃、７０℃、８０℃程度の低い温度、又は９０℃、１００℃、１１０℃、１２０℃、１３０℃、１４０℃、１５０℃程度の高い温度、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲の温度で運転するように構成することができる。加熱部分３８の温度は結晶質成分の融点範囲内にして、バインダー２０ｂの結晶質成分が加熱部分３８内で溶融するようにする。一態様においては、複合材料２０は、０．０１秒間、０．５０秒間、１．０秒間、１．５秒間、２．０秒間、２．５秒間、３．０秒間程度の短い時間、又は１分間、２分間、３分間、４分間、若しくは５分間程度の長い時間、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲の時間、加熱することができる。加熱の時間及び温度は、結晶質成分の性質及びその具体的な融点範囲に基づく。
[0054]複合材料２０が加熱部分３８から出たら、結晶質成分が溶融している間に圧力ローラー４２によって圧力を複合材料２０に加える。圧力ローラーは、金属（例えば鋼材）、ポリマー（例えば弾性ゴム）、及び／又はセラミクスのような種々の材料で構成することができる。更に、圧力ローラー４２の１つは固定した位置を有することができ、圧力ローラー４２の他のものは、力がそれに加えられた際に動くことができるようにして、圧力ローラー４２の１つに力が加えられたら、複合材料２０にも力が加えられるようにすることができる。より詳しくは、圧力ローラー４２は、１ｂａｒ未満の圧力を複合材料２０に加えることができる。例えば、圧力ローラー４２は、１０ｐｓｉ、３０ｐｓｉ、５０ｐｓｉ、７０ｐｓｉ、９０ｐｓｉ、１１０ｐｓｉ、１３０ｐｓｉ、１５０ｐｓｉ、１７０ｐｓｉ、１９０ｐｓｉ、２１０ｐｓｉ、２３０ｐｓｉ、２５０ｐｓｉ、２７０ｐｓｉ、２９０ｐｓｉ、３１０ｐｓｉ、又は上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内のニップ圧を複合材料２０に加えることができる。一態様においては、圧力ローラーは１４ｐｓｉの圧力を複合材料２０に加えることができる。複合材料２０に加えられる最も高い圧力は、第１及び第２のベルト３２、３４に平行な圧力ローラー４２の接線５０において生じる。しかしながら、圧力ローラー４２の円形の断面のために、接線５０に隣接する圧力ローラー４２の表面が複合材料２０と接触する際には、より小さい量の圧力が複合材料２０に加えられる。例えば、複合材料２０の一部がフラットベッド積層機３０を通して移動する際には、複合材料２０が始めに圧力ローラー４２の間に配置されるにつれて、傾斜的に増加した量の圧力が複合材料２０に加えられる。複合材料２０が圧力ローラー４２の接線５０に向かって移動するにつれて、より大きな圧力が複合材料２０に加えられ、最も高い圧力は圧力ローラー４２の接線５０のすぐ間にある時点で複合材料２０に加えられる。更に、複合材料２０が接線５０を通過して移動するにつれて、複合材料２０が圧力ローラー４２の間にもはや位置しなくなるまで、傾斜的に減少した量の圧力が複合材料２０に加えられる。
[0055]フラットベッド積層機３０の異なるデザインによって、複合材料２０に異なる圧力を加えることができる。例えば、圧力ローラー４２が鋼材で構成されている外表面を有する場合には、複合材料２０上の圧力ローラー４２の接触跡は比較的小さく、複合材料２０に加えられる平均点圧力は大きい。しかしながら、圧力ローラー４２が弾性ゴムで構成されている外表面を有する場合には、複合材料２０上の圧力ローラー４２の接触跡は比較的大きく、複合材料２０に加えられる平均点圧力は小さい。
[0056]圧力ローラー４２からの圧力は、約０．０２秒間〜約５秒間の間、複合材料２０に加える。より詳しくは、圧力は、約０．０１秒間、０．５０秒間、１．０秒間、１．５秒間、２．０秒間、２．５秒間程度の短い時間、又は３．０秒間、３．５秒間、４．０秒間、４．５秒間、５．０秒間程度の長い時間、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内の継続時間の間、複合材料２０に加えることができる。一態様においては、圧力は０．０１〜０．０５秒間の間、複合材料２０に加えることができる。更に、圧力ローラー４２は円形の断面を有しているので、上述の時間は複合材料２０が圧力を受ける全持続時間を意味する。例えば、概算計算を用いると、圧力ローラー４２の間の跡の長さが１ｃｍであり、フラットベッド積層機３０のライン速度が５メートル／分である場合には、複合材料２０が圧力ローラー４２によって加えられる圧力を受ける滞留時間は０．１２秒間である。しかしながら、０．１２秒間は、複合材料２０が圧力ローラー４２から圧力を受ける総時間量を表しているので、最初の０．０６秒間に関しては上昇する圧力の勾配が存在し、最後の０．０６秒間に関しては減少する圧力の勾配が存在する。よって、図２の態様においては、圧力は、加熱部分３８及び冷却部分４０を通過する際は複合材料２０に加えられないので、圧力ローラー４２によって複合材料２０に加えられる圧力は連続的ではない。或いは、フラットベッド積層機３０は、複合材料２０が未だ加熱部分３８内にあって結晶質成分が溶融している時点で圧力を複合材料２０に加えるように構成することができる。しかしながら、冷却中に複合材料２０に加えられる応力を最小にするために、冷却部分４０を通過する際には複合材料２０に圧力を加えない。よって、フラットベッド積層機３０は、複合材料２０に連続的な圧力を加えるようには構成しない。
[0057]ローラー４２によって圧力を複合材料２０に加えた後、複合材料２０は冷却部分４０を通して移動した後、フラットベッド積層機３０から排出される。一態様においては、冷却部分４０は、バインダー材料２０ｂの結晶質成分の融点よりも低い温度になるように構成する。例えば、冷却部分４０は、バインダー材料２０ｂ内に含められる特定の結晶質成分に応じて、０℃、５℃、１０℃、１５℃、２０℃、２５℃、３０℃、３５℃、４０℃、４５℃、５０℃、６０℃、７０℃、８０℃、９０℃、又は上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内の温度で運転するように構成することができる。冷却部分４０の長さは加熱部分３８の長さとほぼ同等であるので、複合材料２０を、それを加熱した時間とほぼ同じ量の時間、冷却することができる。より詳しくは、複合材料２０は、０．０１秒間、０．５０秒間、１．０秒間、１．５秒間、２．０秒間、２．５秒間、３．０秒間程度の短い時間、又は１分間、２分間、３分間、４分間、若しくは５分間程度の長い時間、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲の時間、冷却することができる。複合材料２０が冷却部分４０を通過する間は、冷却中に複合材料２０に加えられる応力を最小にするために、複合材料２０は平坦状態を保って湾曲させないことが必要である。或いは、熱伝達は結晶質成分内で速やかに起こるので、複合材料２０がその温度を結晶質成分の融点より低く低下させて結晶質成分を固化させるのに十分な熱をその周囲に放射させることができる場合には、フラットベッド積層機３０から冷却部分４０を排除することができる。
[0058]更に、本明細書において詳述するように、バインダー材料２０ｂの結晶質成分の融点より低く冷却している際の複合材料２０への応力を最小又は排除することが望ましい可能性がある。圧力は冷却している際は複合材料２０に加えられないので、結晶質成分の結晶構造中に応力は導入されない。また、熱伝達は結晶質成分内で速やかに起こるので、結晶質成分が溶融している際にアモルファス成分の周囲、及び繊維材料２０ａ内の空隙中へ流れる結晶質成分の個々の部分は、アモルファス成分と化学的又は物理的に混合することなく保持される。したがって、アモルファス成分及び結晶質成分はバインダー材料２０ｂ内で別個に維持され、互いと非混合性である。
[0059]更に、第１及び第２のベルト３２、３４は、ローラー４２によって加えられる圧力未満の低い圧力を複合材料２０に加えることができる。第１及び第２のベルト３２、３４によって加えられる圧力は低いので、冷却部分４０を通過する際に更なる応力は複合材料２０中に導入されない。或いは、ベルト３２、３４は、冷却部分４０を通過する際に複合材料２０にいかなる圧力も加えないようにすることができる。一例においては、第１及び第２のベルト３２、３４は、複合材料２０が加熱部分３８及び冷却部分４０を通過する際に、０．０１ｐｓｉ、０．０５ｐｓｉ、０．１０ｐｓｉ、０．１５ｐｓｉ、０．２０ｐｓｉ、若しくは０．２５ｐｓｉ程度の低い値、又は１．０ｐｓｉ、２．０ｐｓｉ、３．０ｐｓｉ、４．０ｐｓｉ、５．０ｐｓｉ、６．０ｐｓｉ、７．０ｐｓｉ、８．０ｐｓｉ、９．０ｐｓｉ、若しくは１０．０ｐｓｉ程度の高い値、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内の圧力を複合材料２０に加えることができる。一態様においては、第１及び第２のベルト３２、３４によって加えられる圧力は０．５ｐｓｉ未満である。より詳しくは、第１及び第２のベルト３２、３４によって加える圧力は、フラットベッド積層機３０のベルト速度に反比例する持続時間で加える。一態様においては、第１及び第２のベルト３２、３４によって圧力を複合材料２０に加える滞留時間は、１秒間、３秒間、５秒間、７秒間、９秒間、若しくは１１秒間程度の短い時間、又は１分間、２分間、３分間、４分間、若しくは５分間程度の長い時間、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲である。よって、複合材料２０には２つの別個の圧力：加熱及び／又は冷却部分３８、４０を通過する際に第１及び第２のベルト３２、３４によって加えられる第１の低い圧力、及び圧力ローラー４２によって加えられる第２のより高い圧力をかけることができる。
[0060]図３を参照すると、複合材料２０はまた、フラットベッド積層機３０’として示されているフラットベッド積層機３０の他の態様を用いて形成することもできる。フラットベッド積層機３０’は、ローラー３３の周りを反時計方向に回転させることができる第１のベルト３２、及び複数のローラー３５’の周りを時計方向に回転させることができる第２のベルト３４’を含む。一態様においては、第１及び第２のベルト３２、３４’は、１〜１５メートル／秒の速度、好ましくは３メートル／秒の速度で回転させる。実例として、第２のベルト３４’の長さは第１のベルト３２の長さよりも長くして、複合材料２０は第１のベルト３２よりも長い時間、第２のベルト３４’と接触するようにする。
[0061]図３を参照すると、フラットベッド積層機３０’は、加熱部分３８、冷却部分４０、及びその間に配置されている圧力ローラー４２を更に含む。圧力ローラー４２の位置に基づいて、複合材料２０は、加熱部分３８及び冷却部分４０を通って移動している際は圧力下にないが、ローラー４２の間を通過する際に、１０ｐｓｉ、３０ｐｓｉ、５０ｐｓｉ、７０ｐｓｉ、９０ｐｓｉ、１１０ｐｓｉ、１３０ｐｓｉ、１５０ｐｓｉ、１７０ｐｓｉ、１９０ｐｓｉ、２１０ｐｓｉ、２３０ｐｓｉ、２５０ｐｓｉ、２７０ｐｓｉ、２９０ｐｓｉ、３１０ｐｓｉ、又は上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内のニップ圧を受ける。
[0062]図３のフラットベッド積層機３０’はまた、少なくとも１つの被覆装置４４も含む。実例として、フラットベッド積層機３０’は第１の被覆装置４４ａ及び第２の被覆装置４４ｂを含み、これらはホットメルト塗布器または乾燥被覆塗布器であってよい。より詳しくは、被覆装置４４ａ、４４ｂは、加熱及び冷却部分３８、４０の上流に配置され、第１の被覆装置４４ａは、その中に含まれるバインダー材料２０ｂを第２のベルト３４’上に施すように構成されており、一方、第２の被覆装置４４ｂは、繊維材料２０ａが通路３６に導入される前に、その中に含まれるバインダー材料２０ａを繊維材料２０ａの上に施すように構成されている。
[0063]図３に示すように、繊維材料２０ａは、複数のローラー４６に沿って第１及び第２のベルト３２、３４’に向かって移動する。第１の被覆装置４４ａは、所定量のバインダー材料２０ｂを第２のベルト３４’に施す。よって、繊維材料２０ａが第２のベルト３４’と接触すると、第２のベルト３４’上のバインダー材料２０ｂは繊維材料２０ａの下面に施される。更に、第２の被覆装置４４ｂからのバインダー材料２０ｂは、繊維材料２０ａが第１のベルト３２と接触する前に繊維材料２０ａの上面に施される。したがって、バインダー材料２０ｂは繊維材料２０ａの上面及び底面の両方に施されて、複合材料２０が、通路３６、加熱部分３８、冷却部分４０、及び圧力ローラー４２に導入される前に複合材料２０を形成する。
[0064]複合材料２０が加熱部分３８に導入されると、バインダー材料２０ｂの結晶質成分は溶融して繊維材料２０ａ中に流入し、繊維材料２０ａと一体化する。圧力ローラー４２によって圧力を複合材料２０に加える。より詳しくは、フラットベッド積層機３０に関して本明細書中で詳説したように、圧力ローラー４２によって、約０．０１秒間、０．５０秒間、１．０秒間、１．５秒間、２．０秒間、２．５秒間程度の短い時間、又は３．０秒間、３．５秒間、４．０秒間、４．５秒間、５．０秒間程度の長い時間、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内の持続時間の間、圧力を加えることができる。ローラー４２によって圧力を複合材料２０に加えた後、複合材料２０は冷却部分４０を通って移動し、フラットベッド積層機３０’から排出される。よって、複合材料２０が加熱部分３８及び冷却部分４０を通過する際は複合材料２０に圧力は加えられないので、圧力ローラー４２によって複合材料２０に加えられる圧力は連続的でない。
[0065]バインダー材料２０ｂの結晶質成分は、アモルファス成分よりも低い溶融粘度及び低い表面エネルギーを有し、より低い融点を有する可能性があるので、圧力ローラー４２によって複合材料２０に圧力を加えると、結晶質成分においてより大きな湿潤、より大きな空気置換、及びより大きな圧密が起こる可能性がある。よって、フラットベッド積層機３０、３０’内における複合材料２０の形成中において、アモルファス成分内の空隙、エアポケット、隙間、又は他の内部開口部の存在が減少する。したがって、複合材料２０は概して空隙を含まない平滑な表面を有して、これによって毛細管力及び複合材料２０の全有効表面積が減少し、これにより、海水、ガソリン、石油、溶剤、及び潤滑剤のような環境条件が複合材料２０中に浸透しないので、複合材料２０の耐弾性が増加する。更に、複合材料２０の表面における空隙が減少することに加えて、複合材料２０の圧密によって複合材料２０内の内部空隙、ポケット、及びチャネルが減少又は置換され、これによって流体のウィッキング又は他の浸透の傾向が減少する。上述の開示にしたがって形成される複合材料２０は、耐弾性物品のために用いることができ、複合材料２０を劣化させる可能性がある環境条件に対して抵抗性である。
実施例Ａ．二峰性バインダー材料の塩水試験
[0066]バインダー材料内において種々のレベルの結晶質成分を用いて、複合材料の種々の試料を形成した。次に、複合材料のこれらの試料を長時間塩水に曝露して、結晶質成分の存在が複合材料の耐腐食性に影響を与えたかどうかを求めた。
複合材料の形成
[0067]これらの試料を形成するために、表１にしたがって種々の濃度のバインダー材料を形成して、比較例１、実施例１の複合材料２０、及び実施例２の複合材料２０を形成した。
Figure 2018513954
[0068]バインダー材料を、Honeywell 1150デニールSPECTRA（登録商標）Merge 95121−ＵＨＭＷＰＥ繊維から構成される繊維材料に施した。より詳しくは、繊維含侵塗工機を用いて、バインダー材料を第１の一方向繊維ウエブに施し、被覆された繊維ウエブを乾燥した。乾燥した繊維ウエブをロール上に巻き取った。また、第２の一方向繊維ウエブの第２のロールも、繊維含侵塗工機を用いて被覆し、乾燥し、ロール上に巻き取った。第１のロール上の第１の被覆繊維ウエブを正方形に切り出した。巻き取った繊維の第２のロールをフラットベッド積層機３０、３０’の入口又はその付近に設置し、第２の繊維ウエブは解舒して、フラットベッド積層機３０、３０’を通して供給した。フラットベッド積層機３０、３０’の加熱部分３８の温度は、結晶質成分の融点より低い温度に設定した。第２の被覆繊維ウエブがフラットベッド積層機３０、３０’中に移動し始めたら、第２の繊維ウエブがフラットベッド積層機３０、３０’に導入される前に、第１の被覆繊維ウエブの正方形の試料を第２の被覆繊維ウエブの上に配置した。第１の繊維ウエブのそれぞれの正方形の試料の繊維方向は、第２の繊維ウエブの繊維方向に対して９０°の配向で配置した。更に、第１の繊維ウエブのそれぞれの正方形の試料は、第２の繊維ウエブ上の先の隣接する正方形の試料の後部に接して配置して、連続的な被覆２プライ繊維材料を形成した。この連続２プライ繊維材料をフラットベッド積層機３０、３０’に導入し、ローラー４２によって加える圧力によって、第１の繊維ウエブの正方形の試料を第２の繊維ウエブに接着させた。しかしながら、結晶質成分がバインダー材料中に存在していた場合には、ローラー４２からの圧力及び加熱部分３８の熱によっては、バインダー材料の結晶質成分は溶融しなかった。次に、第１の繊維ウエブの切り出された正方形の試料、及び第２の繊維ウエブの連続ロールから形成された２プライの繊維ウエブを、フラットベッド積層機３０、３０’に通して一緒に接着させた後に、ロール上に巻き取った。次に、結晶質成分が存在していた場合には、フラットベッド積層機３０、３０’の加熱部分３８の温度を、バインダー材料内の結晶質成分の融点範囲内の温度に上昇させた。次に、２プライ繊維材料のロールを解舒し、２プライ繊維材料をフラットベッド積層機３０、３０’に通して送った。加熱部分３８の温度はバインダー材料内の結晶質成分の融点範囲であったので、ローラー４２を通過する際に圧縮又は緻密化が２プライ繊維材料に加えられた。フラットベッド積層機３０、３０’を通過した後、２プライ繊維材料を正方形に切り出し、２プライ繊維材料の５２の層を積層することによって、耐弾性試料を製造した。それぞれの試料の全面密度、又は布帛の複数の層の面積あたりの合計重量は、０．８９ポンド／ｆｔ２であった。
複合材料の試験
[0069]比較例１、実施例１、及び実施例２をそれぞれ、水道水中３．５％の海塩の濃度の塩水中に２４時間浸漬した。比較例１、実施例１、及び実施例２を吊り下げて、１５分間吊し乾燥した。次に、比較例１、実施例１、及び実施例２をそれぞれ、更にNIJ STD 0101.06レベルIIIにおいて開示されているようにクレーブロック又はプラットホーム上に配置し、比較例１、実施例１、及び実施例２を、３５７マグナムＳＪＨＰレミントン弾によって１４３０±３０フィート／秒の速度で射撃した。
Figure 2018513954
[0070]比較例１、実施例１、及び実施例２の２つの試料のそれぞれを、３５７マグナムＳＪＨＰレミントン弾でそれぞれ３回射撃して、それぞれの試料中に侵入したそれぞれの弾丸の深さを求めた。表２に示すように、比較例１のそれぞれの試料に対する射撃２及び射撃３は、表２において「貫通」によって示されるように、複合材料を完全に貫通した。しかしながら、実施例１又は実施例２の試料はいずれも完全には貫通しなかった。より詳しくは、弾丸は、フルオロカーボンアモルファス成分及びカルナバワックス結晶質成分を含んでいた実施例１の試料中への侵入が最も少なかった。
実施例Ｂ．種々の濃度のアモルファス成分及び結晶質成分を有する二峰性バインダー材料
[0071]バインダー材料内において種々のレベルの結晶質成分を用いて、複合材料の種々の試料を形成した。次に、複合材料のこれらの試料を９ｍｍ弾で射撃して、結晶質成分の存在が複合材料の耐弾性に影響を与えたかどうかを求めた。
複合材料の形成
[0072]これらの試料を形成するために、表３にしたがって種々の濃度のバインダー材料を形成して、比較例１、実施例１の複合材料２０、実施例２の複合材料２０、及び実施例３の複合材料２０を形成した。これらの試料を形成するための被覆及び複合材料処理条件は、上記の実施例１のものと同じであった。
Figure 2018513954
複合材料の試験
[0073]比較例１及び実施例１〜３の試料をそれぞれ、更にNIJ STD 0101.06レベルIIIにおいて開示されているようにクレーブロック又はプラットホーム上に配置し、比較例１及び実施例１〜３のそれぞれの試料を、表４に示す種々の速度で９ｍｍ弾で射撃した。より詳しくは、表４は、弾丸の５０％が比較例１及び実施例１〜３内で停止し、弾丸の５０％が比較例１及び実施例１〜３を完全に貫通した理論速度：Ｖ５０を与える。例えば、Ｖ５０速度を求めるために、比較例１及び実施例１〜３のそれぞれの試料を種々の速度の複数の弾丸で射撃して、弾丸が試料を完全に貫通した速度範囲、及び弾丸が試料に部分的に侵入した速度範囲を求めた。それぞれの試料に関するこれらの射撃のグループを統計分析にかけて、試験した比較例１及び実施例１〜３のそれぞれの試料に関するＶ５０速度を求めた。
Figure 2018513954
[0074]表４に示すように、二峰性バインダーではなかった比較例１は、実施例１、２、及び３と比べて最も低いＶ５０速度を有していた。よって、実施例１〜３の試料は、弾丸が試料を完全に貫通することなく、より高い速度の弾丸の射撃に耐えることができた。更に、１５％の結晶質成分を含んでいた実施例１、及び４０％の結晶質成分を含んでいた実施例３は、それぞれ同等のＶ５０速度を有していた。
実施例Ｃ：種々の結晶質成分を用いた二峰性バインダー材料
[0075]バインダー材料内において種々のレベルの結晶質成分を用いて、複合材料の種々の試料を形成した。次に、複合材料のこれらの試料を９ｍｍ弾で射撃して、結晶質成分の存在が複合材料の耐弾性に影響を与えたかどうかを求めた。
複合材料の試験
[0076]これらの試料を形成するために、表３にしたがって種々の濃度のバインダー材料を形成して、比較例１、実施例１の複合材料２０、実施例２の複合材料２０、実施例３の複合材料２０、実施例４の複合材料２０、実施例５の複合材料２０、及び実施例６の複合材料２０を形成した。これらの試料を形成するための被覆及び複合材料処理条件は、上記の実施例１のものと同じであった。
Figure 2018513954
複合材料の試験
[0077]比較例１及び実施例１〜６のそれぞれの試料をそれぞれ、更にNIJ STD 0101.06レベルIIIにおいて開示されているようにクレーブロック又はプラットホーム上に配置し、比較例１及び実施例１〜６のそれぞれの試料を、表６に示す種々の速度で９ｍｍ弾で射撃した。より詳しくは、表６は、弾丸の５０％が比較例１及び実施例１〜６内で停止し、弾丸の５０％が比較例１及び実施例１〜６を完全に貫通した理論速度：Ｖ５０を与える。例えば、Ｖ５０速度を求めるために、比較例１及び実施例１〜６のそれぞれの試料を種々の速度の複数の弾丸で射撃して、弾丸が試料を完全に貫通した速度範囲、及び弾丸が試料に部分的に侵入した速度範囲を求めた。それぞれの試料に関するこれらの射撃のグループを統計分析にかけて、試験した比較例１及び実施例１〜６のそれぞれの試料に関するＶ５０速度を求めた。
Figure 2018513954
[0078]表５に示すように、二峰性バインダーではなかった比較例１は、実施例１〜６と比べて最も低いＶ５０速度を有していた。よって、実施例１〜６の試料は、弾丸が試料を完全に貫通することなく、より高い速度の弾丸の射撃に耐えることができた。更に、微結晶質ワックスを含んでいた実施例３は、最も高いＶ５０を有していた。
[0079]好ましい態様を参照して本発明を特に示し且つ記載したが、発明の精神及び範囲から逸脱することなく種々の変更及び修正を行うことができることは、当業者に容易に認められるであろう。特許請求の範囲は、開示した態様、上記で議論したこれらの代替、及びこれらに対する全ての均等物をカバーするように解釈されると意図される。
[0079]好ましい態様を参照して本発明を特に示し且つ記載したが、発明の精神及び範囲から逸脱することなく種々の変更及び修正を行うことができることは、当業者に容易に認められるであろう。特許請求の範囲は、開示した態様、上記で議論したこれらの代替、及びこれらに対する全ての均等物をカバーするように解釈されると意図される。
本発明の具体的態様は以下のとおりである。
[１]
耐弾性複合材料であって：
複数の繊維；並びに
前記複数の繊維に施されている二峰性バインダーであって、融点を有する結晶質成分及び軟化点を有するアモルファス成分を有し、前記結晶質成分及び前記アモルファス成分は互いに対して次の特性：
（１）前記結晶質成分の融点は前記アモルファス成分の軟化点よりも低い；
（２）前記結晶質成分の融点より高い温度において、前記結晶質成分の粘度は前記アモルファス成分の粘度よりも低い；及び
（３）前記結晶質成分の融点より高い温度において、前記結晶質成分の表面エネルギーは前記アモルファス成分の表面エネルギーよりも小さい；
の少なくとも１つを有する、前記二峰性バインダー；
を含む、前記耐弾性複合材料。
[２]
前記結晶質成分が、カルナバワックス、ステアラミドワックス、ポリエチレンワックス、パラフィンワックス、ポリオレフィンワックス、及び微結晶質ワックスからなる群から選択されるワックス材料である、[１]に記載の耐弾性複合材料。
[３]
前記アモルファス成分が、アクリル、ポリウレタン、ニトリルゴム、アクリロニトリルブタジエンコポリマー、及びフルオロカーボンからなる群から選択されるポリマー材料の少なくとも１つを含む、[１]に記載の耐弾性複合材料。
[４]
前記アモルファス成分が前記二峰性バインダーの６０〜９５重量％を構成し、前記結晶質成分が前記二峰性バインダーの５〜４０重量％を構成する、[１]に記載の耐弾性複合材料。
[５]
前記結晶質成分の融点が５０℃〜１４０℃である、[１]に記載の耐弾性複合材料。
[６]
耐弾性複合材料を形成する方法であって：
複数の一方向配向の第１の繊維を含む第１の繊維プライを与える工程であって、前記第１の繊維がアモルファス成分及び結晶質成分を含む第１の二峰性バインダーで被覆されている、前記工程；
複数の一方向配向の第２の繊維を含む第２の繊維プライを与える工程であって、前記第２の繊維がアモルファス成分及び結晶質成分を含む第２の二峰性バインダーで被覆されている、前記工程；
前記第１の繊維プライ及び第２の繊維プライを積層配列で配置する工程；
前記第１の繊維プライ及び前記第２の繊維プライを、前記結晶質成分の融点範囲内の温度に加熱する工程；
前記プライが前記結晶質成分の融点範囲内の温度にある時点で前記第１の繊維プライ及び前記第２の繊維プライに１ｂａｒ未満の圧力を加え、それによって前記第１の繊維プライ及び第２の繊維プライを互いと接合させて、それによって耐弾性複合材料を形成する工程；並びに
前記第１の繊維プライ及び前記第２の繊維プライを冷却する工程；
を含む、前記方法。
[７]
前記第１の繊維プライ及び前記第２の繊維プライに圧力を加える工程を、フラットベッド積層機を用いて行う、[６]に記載の方法。
[８]
前記第１の繊維プライ及び前記第２の繊維プライに圧力を加える工程が、前記加熱工程中に０．５ｐｓｉ未満の第１の圧力を前記積層プライに加え、前記プライが前記結晶質成分の融点範囲内の温度にある時点で１０ｐｓｉ〜３００ｐｓｉの第２の圧力を前記積層プライに加える工程を含む、[６]に記載の方法。
[９]
前記アモルファス成分が、アクリルポリマー、ポリウレタン、ニトリルゴム、アクリロニトリルブタジエンコポリマー、フルオロカーボンポリマー、又はこれらの組合せを含み、前記結晶質成分が、カルナバワックス、ステアラミドワックス、ポリエチレンワックス、パラフィンワックス、ポリオレフィンワックス、微結晶質ワックス、又はこれらの組合せを含む、[６]に記載の方法。
[１０]
耐弾性複合材料を形成する方法であって：
一方向配向の第１の複数の繊維を与える工程；
一方向配向の第２の複数の繊維を与える工程；
アモルファス成分及び結晶質成分を有するバインダーを与える工程；
前記第１の複数の繊維を前記バインダーで被覆する工程；
前記第２の複数の繊維を前記バインダーで被覆する工程；
前記第１の複数の繊維を前記第２の複数の繊維に対して９０°の角度で配置する工程；
前記第１及び第２の複数の繊維を前記結晶質成分の融点範囲内の温度に加熱する工程；
前記結晶質成分の融点範囲内の温度にある時点で前記第１及び第２の複数の繊維に１ｂａｒ未満の圧力を加える工程；並びに
前記第１及び第２の複数の繊維を冷却する工程；
を含む、前記方法。

Claims (10)

  1. 耐弾性複合材料であって：
    複数の繊維；並びに
    前記複数の繊維に施されている二峰性バインダーであって、融点を有する結晶質成分及び軟化点を有するアモルファス成分を有し、前記結晶質成分及び前記アモルファス成分は互いに対して次の特性：
    （１）前記結晶質成分の融点は前記アモルファス成分の軟化点よりも低い；
    （２）前記結晶質成分の融点より高い温度において、前記結晶質成分の粘度は前記アモルファス成分の粘度よりも低い；及び
    （３）前記結晶質成分の融点より高い温度において、前記結晶質成分の表面エネルギーは前記アモルファス成分の表面エネルギーよりも小さい；
    の少なくとも１つを有する、前記二峰性バインダー；
    を含む、前記耐弾性複合材料。
  2. 前記結晶質成分が、カルナバワックス、ステアラミドワックス、ポリエチレンワックス、パラフィンワックス、ポリオレフィンワックス、及び微結晶質ワックスからなる群から選択されるワックス材料である、請求項１に記載の耐弾性複合材料。
  3. 前記アモルファス成分が、アクリル、ポリウレタン、ニトリルゴム、アクリロニトリルブタジエンコポリマー、及びフルオロカーボンからなる群から選択されるポリマー材料の少なくとも１つを含む、請求項１に記載の耐弾性複合材料。
  4. 前記アモルファス成分が前記二峰性バインダーの６０〜９５重量％を構成し、前記結晶質成分が前記二峰性バインダーの５〜４０重量％を構成する、請求項１に記載の耐弾性複合材料。
  5. 前記結晶質成分の融点が５０℃〜１４０℃である、請求項１に記載の耐弾性複合材料。
  6. 耐弾性複合材料を形成する方法であって：
    複数の一方向配向の第１の繊維を含む第１の繊維プライを与える工程であって、前記第１の繊維がアモルファス成分及び結晶質成分を含む第１の二峰性バインダーで被覆されている、前記工程；
    複数の一方向配向の第２の繊維を含む第２の繊維プライを与える工程であって、前記第２の繊維がアモルファス成分及び結晶質成分を含む第２の二峰性バインダーで被覆されている、前記工程；
    前記第１の繊維プライ及び第２の繊維プライを積層配列で配置する工程；
    前記第１の繊維プライ及び前記第２の繊維プライを、前記結晶質成分の融点範囲内の温度に加熱する工程；
    前記プライが前記結晶質成分の融点範囲内の温度にある時点で前記第１の繊維プライ及び前記第２の繊維プライに１ｂａｒ未満の圧力を加え、それによって前記第１の繊維プライ及び第２の繊維プライを互いと接合させて、それによって耐弾性複合材料を形成する工程；並びに
    前記第１の繊維プライ及び前記第２の繊維プライを冷却する工程；
    を含む、前記方法。
  7. 前記第１の繊維プライ及び前記第２の繊維プライに圧力を加える工程を、フラットベッド積層機を用いて行う、請求項６に記載の方法。
  8. 前記第１の繊維プライ及び前記第２の繊維プライに圧力を加える工程が、前記加熱工程中に０．５ｐｓｉ未満の第１の圧力を前記積層プライに加え、前記プライが前記結晶質成分の融点範囲内の温度にある時点で１０ｐｓｉ〜３００ｐｓｉの第２の圧力を前記積層プライに加える工程を含む、請求項６に記載の方法。
  9. 前記アモルファス成分が、アクリルポリマー、ポリウレタン、ニトリルゴム、アクリロニトリルブタジエンコポリマー、フルオロカーボンポリマー、又はこれらの組合せを含み、前記結晶質成分が、カルナバワックス、ステアラミドワックス、ポリエチレンワックス、パラフィンワックス、ポリオレフィンワックス、微結晶質ワックス、又はこれらの組合せを含む、請求項６に記載の方法。
  10. 耐弾性複合材料を形成する方法であって：
    一方向配向の第１の複数の繊維を与える工程；
    一方向配向の第２の複数の繊維を与える工程；
    アモルファス成分及び結晶質成分を有するバインダーを与える工程；
    前記第１の複数の繊維を前記バインダーで被覆する工程；
    前記第２の複数の繊維を前記バインダーで被覆する工程；
    前記第１の複数の繊維を前記第２の複数の繊維に対して９０°の角度で配置する工程；
    前記第１及び第２の複数の繊維を前記結晶質成分の融点範囲内の温度に加熱する工程；
    前記結晶質成分の融点範囲内の温度にある時点で前記第１及び第２の複数の繊維に１ｂａｒ未満の圧力を加える工程；並びに
    前記第１及び第２の複数の繊維を冷却する工程；
    を含む、前記方法。
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