JP4226334B2 - 耐弾性物品 - Google Patents

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Description

本発明は、耐弾性物品の分野に関する。
改良された耐弾性を有すると同時に快適に着用できるチョッキ、衣服などのような物品を提供することが、依然として当技術分野で必要とされている。物品の耐弾性を増大させようとする先行技術における取組みは、これらの物品に使用される繊維の強度を増大させるかまたはデニール数を減少させることに焦点があてられてきた。
たとえば、(特許文献1)には、高強力性パラ−アラミド糸から織られた布の層を用いた防弾構造体が開示されている。
(特許文献2)には、低い個別線密度のフィラメントを含むp−アラミド糸から作製された身体防護具が開示されている。その発明に従って作製された身体防護具の防弾性能は、先行技術の比較布に対して5%の改良を示すことが報告された。
(非特許文献1)には、たとえば220または440dtexの細いアラミド糸の布は、より太い糸から作製された布よりも良好な防弾防護性を提供すると開示されている。
(特許文献3)には、経方向と緯方向で異なる繊維を有する防弾防護に有用な布が開示されている。布カバーファクターに関して、0.6未満のカバーファクターを有する布は、効果的な防弾防護を行うには目が粗すぎるおそれがあることが示唆されている。
(特許文献4)には、二重織物の層のうちのいくつかの間に挟設されたナイロンフィルムまたはナイロン布を有する粗織アラミド繊維の複数の二重織物層から作製された防弾チョッキが開示されている。それらの二重織物層は、本明細書中に定義される布タイトネスファクターが約0.71である。
国際公開WO93/00564号パンフレット 米国特許第4,850,050号明細書 米国特許第5,187,003号明細書 米国特許第4,287,607号明細書 「耐弾性防護チョッキの構造および機能(Structure and Action of Bullet−Resistant Protective Vests)」,Melliand Textilberichte,1981年,第6号,p.463−8
本発明は、2〜10kg/mの面密度を有する、布の複数の層を含む可撓性耐弾性物品に関する。布の層のうちの少なくとも2層は粗織である。粗織布層は、0.3〜0.6の布タイトネスファクターで織られた布を含んでおり、かつ少なくとも200dtexの線密度、1dtexあたり少なくとも10グラムの強力、および1dtexあたり少なくとも150グラムの引張モジュラスを有する連続フィラメント糸を用いて作製されている。隣接する粗織布層は、粗織布層の相互の相対運動を制限するように層を固定するための手段により一体に接合されている。
本発明は、可撓性耐弾性物品に関する。物品は複数の織布層を含み、それらの層のうちの少なくとも2層は粗織である。粗織層は、それらの層の相互の相対運動を制限するように一体に接合されている。物品は、きわめて驚くべきことに、改良された耐弾性を呈する。
本発明者は、物品が、0.6未満のタイトネスファクターになるように織られた糸を有する布の層を含む場合、布の耐弾性が劇的に改良されることを見いだした。タイトネスファクターが0.3程度に低いと、改良された耐弾性が得られると考えられる。本明細書中で使用する場合、布層に適用される「粗織」という用語は、約0.3から約0.6までのタイトネスファクターになるように織られた糸を有する布層を意味する。
本発明に至るまでは、耐弾性布は密織であった。現在の技術的解釈とは正反対の取組みの中で、本発明者は、粗織された布が改良された耐弾性を呈することを見いだした。タイトネスファクターがいくらかでも減少した布であれば、なんらかの改良を呈すると予想されるが、最大の改良は、0.6未満のタイトネスファクターで見いだされる。タイトネスファクターをさらに減少させると、タイトネスファクターが約0.3に達するまで耐弾性はさらに改良される。約0.3では布の織組織の目が粗すぎて、効果的な防弾防護を行うには許容できないほど高い面密度が必要とされるであろう。
本発明の防弾物品は、防護布の複数の層を用いて作製され、粗織布の少なくとも2層を含む。粗織層は、それらの層の相互の相対運動を制限するように布のそれらの層を固定するための手段により一体に固定されている。この固定手段は、縫着、縫合、接着剤、および/またはテープのように布の層を固定一体化させるために通常使用される任意の手段であってよい。粗織層がどのように縫着および/または縫合一体化されるかに関して制限はない。縫着および/または縫合は、斜め縫着および/または縫合あるいはキルト様の縫着および/または縫合のように、それらの層の縁周辺でまたは層を横切って行ってもよい。
布の他の層も固定手段により固定一体化させてもよいが、それらの層の相互の相対運動が生じないようにそれらの他の層を固定一体化させるのは重要なことではない。
本発明の防弾物品の構成は、耐ナイフ突刺貫通性物品とは対照的である。後者の物品では、その物品の耐ナイフ突刺貫通性を増大させるために、防護布の隣接層は一体化されず相互の相対運動は自由である。
本発明は、硬質のプレートもプレートレットも必要とすることなく、しかも布材料を被覆または含浸するマトリックス樹脂もバインダーも必要とすることもなく、完全に織布から構成される。しかしながら、そのような硬質のプレートもしくはプレートレットまたはマトリックス樹脂もしくはバインダーを本発明の物品と併用してもよい。
本発明の物品は、先行技術の従来の耐弾性構成体よりも、しなやかで、軽量で、感触が柔らかく、着心地がよく、かつ柔軟性がある。
粗織布層を含む本発明の布は、全部または一部分が、1dtexあたり少なくとも10グラムの強力および1dtexあたり少なくとも150グラムの引張モジュラスを有する糸から作製される。そのような糸は、アラミド、ポリオレフィン、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾールなどから作製することが可能であり、所望により、そのような糸の混合物から布を作製することができる。たとえば、布は、緯方向に1つのタイプの糸を含み緯方向に異なるタイプの糸を含んでいてもよい。
「アラミド」とは、アミド(−CO−NH−)結合の少なくとも85%が2つの芳香環に直接結合したポリアミドを意味する。好適なアラミド繊維については、人造繊維の科学技術(Man−Made Fibers−Science and Technology),第2巻,繊維形成性芳香族ポリアミドという標題の節,297頁,W.ブラック(W.Black)ら,インターサイエンス・パブリッシャーズ(Interscience Publishers),1968年に記載されている。アラミド繊維については、米国特許第4,172,938号、同第3,869,429号、同第3,819,587号、同第3,673,143号、同第3,354,127号、および同第3,094,511号にも開示されている。
添加剤をアラミドと併用することが可能であり、重量基準で10パーセント程度までの他の高分子物質をアラミドとブレンドしたりまたはアラミドのジアミンの代わりに10パーセント程度の他のジアミンを有するかもしくはアラミドの二酸クロリドの代わりに10パーセント程度の他の二酸クロリドを有するコポリマーを使用したりすることができることを見いだした。
パラ−アラミドは本発明のアラミド糸繊維中の主要なポリマーであり、ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)(PPD−T)は好ましいパラ−アラミドである。PPD−Tとは、p−フェニレンジアミンとテレフタロイルクロリドとの等モル重合から得られるホモポリマーを意味するとともに少量の他のジアミンをp−フェニレンジアミンと組合せかつ少量の他の二酸クロリドをテレフタロイルクロリドと組合せて得られるコポリマーをも意味する。一般的には、他のジアミンおよび二酸クロリドが、重合反応を妨害する反応性基をもたない限り、p−フェニレンジアミンまたはテレフタロイルクロリドの約10モルパーセント程度までの量で他のジアミンおよび他の二酸クロリドを使用することができる。PPD−Tはまた、たとえば2,6−ナフタロイルクロリドまたはクロロもしくはジクロロテレフタロイルクロリドあるいは3,4’−ジアミノジフェニルエーテルのような他の芳香族ジアミンおよび他の芳香族二酸クロリドを組合せて得られるコポリマーをも意味する。PPD−Tの調製については、米国特許第3,869,429号、同第4,308,374号、および同第4,698,414号に記載されている。
「ポリオレフィン」とは、ポリエチレンまたはポリプロピレンを意味する。ポリエチレンとは、分子量が好ましくは100万を超える主に線状のポリエチレン物質を意味し、副次量の鎖分枝または主鎖炭素原子100個あたり5変性単位を超えないコモノマーを含有していてもよく、かつ約50重量パーセント以下の1種以上の高分子添加剤、たとえばアルケン−1−ポリマー、とくに低密度のポリエチレン、ポリプロピレンなど、または低分子量添加剤、たとえば、一般に組込まれる酸化防止剤、滑剤、紫外線遮蔽剤、着色剤などを混合して含有していてもよい。そのようなものは、伸長鎖ポリエチレン(ECPE)として一般に知られている。同様に、ポリプロピレンとは、分子量が好ましくは100万を超える主に線状のポリプロピレン物質である。高分子量の線状ポリオレフィン繊維は、市販品として入手可能である。ポリオレフィン繊維の調製については、米国特許第4,457,985号に論じられる。
ポリベンゾオキサゾールおよびポリベンゾチアゾールは、好ましくは以下の構造のモノマー単位から構成される。
Figure 0004226334
窒素原子に連結されて示される芳香族基は複素環であってもよいが、好ましくは炭素環であり、それらは縮合多環系であっても非縮合多環系であってもよいが、好ましくは単一の六員環である。ビス−アゾールの主鎖中に示される基は好ましいパラ−フェニレン基であるが、その基は、ポリマーの調製を妨害しない任意の二価有機基と交換してもよく、まったく基が存在しなくてもよい。たとえば、その基は、12個までの脂肪族炭素原子、トリレン、ビフェニレン、ビス−フェニレンエーテルなどであってもよい。
本発明の繊維を作製するために使用されるポリベンゾオキサゾールおよびポリベンゾチアゾールは、少なくとも25、好ましくは少なくとも100モノマー単位を有していなければならない。該ポリマーの調製および該ポリマーの紡糸については、先に述べた国際公開WO93/20400号に開示されている。
「布タイトネスファクター」および「カバーファクター」とは、布の織組織の密度に与えられた名称である。カバーファクターは、織組織の幾何学的形状に関して計算された値であり、布の総表面積に対する布の糸により覆われた割合を表す。カバーファクターを計算するために使用される式は、以下のとおりである(製織:糸から布への変換(Weaving:Conversion of Yarns to Fabric),ロード(Lord)およびモハメッド(Mohamed)著,マーロウ(Merrow)刊(l982年),141−143頁より)。
=布の経糸の幅
=布の緯糸の幅
=経糸のピッチ(単位長さあたりのエンド数)
=緯糸のピッチ
Figure 0004226334
Figure 0004226334
Figure 0004226334
布の織組織の種類にもよるが、たとえ布の糸が互いに接近して配置されたとしても、最大カバーファクターがきわめて小さいこともある。そのため、織組織のタイトネスを示すより有用な指標は、「布タイトネスファクター」と呼ばれる。布タイトネスファクターは、カバーファクターの関数として織組織の最大タイトネスと比較される布の織組織のタイトネスの尺度である。
Figure 0004226334
たとえば、平織の布の場合の可能な最大カバーファクターは0.75であるので、実際のカバーファクターが0.45である平織の布は、0.60の布タイトネスファクターを有することになる。平織、綾織、朱子織、およびそれらの変形織のようなさまざまな布の織組織を本発明用の布として使用することができる。本発明を実施するのに好ましい織組織は、綾織および朱子織ならびにそれらの変形織、たとえば、四ハーネス朱子織と呼ばれることもある千鳥綾織である。なぜなら、それらは平織よりもしなやかで柔軟性があり、複雑な曲線および表面により良好に整合するからである。
本発明に使用される糸は、1dtexあたり少なくとも10グラム(1デニールあたり11.1グラム)の高い強力を有しなければならず、強力の上限はわかっていない。1dtexあたり約5グラム未満の強力では、糸は、意味のある防護を行うのに適した強度を示さない。モジュラスが低すぎると繊維が過剰に伸びて弾丸の移動を効果的に制限できなくなるので、糸は、少なくとも150g/dtexの引張モジュラスを有していなければならない。引張モジュラスの上限はわかっていない。
本発明の織布の単層は、耐弾性の尺度つまり防護の度合を提供するであろうが、最終的な耐弾性物品には少なくとも2層の粗織布層を有する複数の層が必要である。本発明がその最も顕著で最も驚くべき改良を呈するのは、単位面積あたりの布層の全重量により測定される全面密度が少なくとも2〜10kg/m、好ましくは2.5〜8kg/mである複数の布層を使用しかつ布層のうちの少なくとも2層が粗織布層であるときである。本発明の粗織布層を、好ましくは複数の層の中に、配置一体化する際、隣接層間の相対運動を制限するように粗織布層を相互に固定すると驚くほど効果的な耐弾性が得られることを見いだした。
本発明の防護物品の構成は、一方向織、単織などのような織布または不織布の防弾層の繊維の他の網状構造と併用されたものであってもよい。これらの層は、アラミド、ポリオレフィン、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、または防弾防護用に通常使用される他のポリマーから作製することができる。本発明の布層は、他の防弾層の上もしくは下または2つの他の防弾層の間に配置することができる。所要により、布層の剛性を増大させるために、本発明の布をマトリックス樹脂またはバインダーで被覆または含浸することができる。
試験方法
線密度
糸またはフィラメントの線密度は、既知の長さの糸またはフィラメントを秤量することにより決定される。「dtex」は、10,000メートルの材料のグラム単位の重量として定義される。「デニール」は、9000メートルの材料のグラム単位の重量である。
実際には、糸またはフィラメントのサンプルの測定されたdtex値、試験条件、およびサンプル識別子を、試験開始前にコンピューターに入力し、破壊時のサンプルの荷重−伸び曲線をコンピューターにより記録し、次に性質を計算する。
引張特性
最初に、引張特性の試験に供される糸を状態調節し、次に、1.1の撚係数になるように撚る。糸の撚係数TMは、次のように定義される。
TM=(撚数/cm)(dtex)−1/2/30.3
=(撚数/インチ)(デニール)−1/2/73
試験に供される糸を25℃、相対湿度55%で少なくとも14時間状態調節し、その条件で引張試験を行う。インストロン(Instron)試験機(マサチューセッツ州カントンのインストロン・エンジニアリング・コーポレーション(Instron Engineering Corp.,Canton,Mass.))で試験糸を破壊することにより、強力(破壊強力)、破断伸び、および引張モジュラスを決定する。
25.4cmの糸ゲージ長および50%歪/分の伸長速度を用いて、ASTM D2101−1985に定義される強力、伸び、および引張モジュラスを決定する。モジュラスは、1%歪における応力−歪曲線の傾きから計算され、1%歪(絶対歪)におけるグラム単位の応力を100倍して試験糸の線密度で割った値に等しい。
糸の場合と同一の方法で、個別フィラメントの強力、伸び、および引張モジュラスを決定するが、フィラメントに撚を加えることはせず、2.54cmのゲージ長を使用する。
防弾性能
銃弾の選択を以下のように行った以外はMIL−STD−662eに準拠して、多層パネルの防弾試験を行い、防弾限界(V50)を決定した。パネルをぴんと張った状態で試験銃弾の経路に垂直に保持するために、サンプル取付具のローマ・プラスチナ(Roma Plastina)No.1粘土のバッキング材料に当接させてパネルを配置した。銃弾は、124グレーンの重量を有する9mm全金属被甲拳銃弾および158グレーンの重量を有する0.357マグナム被甲軟頭弾であり、さまざまな速度で銃弾を発射することのできる試験銃身から発射させた。適切な防弾限界(V50)であると推定される銃弾速度で各パネルに対して最初の発砲を行った。最初の発砲でパネルを完全貫通した場合、次の発砲は、パネルを部分貫通するように毎秒約15.5メートル(50フィート)小さい銃弾速度で行った。一方、最初の発砲で貫通しないかまたは部分貫通した場合、次の発砲は、完全貫通するように毎秒約15.2メートル(50フィート)大きい速度で行った。銃弾1発が部分貫通し1発が完全貫通したら、そのパネルの防弾限界(V50)を決定するのに十分な発砲が行われるまで、毎秒約15.2メートル(50フィート)の次の速度増加量または減少量を用いた。
同数の少なくとも3つの最高部分貫通衝撃速度および最低完全貫通衝撃速度の算術平均を求めることにより防弾限界(V50)を計算した。ただし、最高個別衝撃速度と最低個別衝撃速度との差が38.1メートル(125フィート)以下になるようにした。
以下の実施例では、耐弾丸貫通性に関して複数の布層の複合体を試験した。すべての布層を縁周辺で縫付け、さらに十字縫で対角線方向に縫付けた16インチ×16インチの防弾パネルを作製し、試験に供した。異なるタイトネスファクターを有するいくつかの異なる布を異なる材料の糸から作製し、それらの布を種々の布タイトネスファクターおよび5.4〜6.2kg/mの面密度で試験した。
実施例1〜4および比較例5
これらの実施例では、織られたアラミド糸からなる複数の層を作製した。糸は、ケブラー(Kevlar)(登録商標)という商標でイー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー(E.I.du Pont de Nemours and Company)により販売されているアラミド糸であった。アラミドは、ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)であった。
実施例1では、0.59の布タイトネスファクターおよび約5.8kg/mの面密度を有する1センチメートルあたり6.3×6.3エンドの平織で1111dtexのケブラー(Kevlar)(登録商標)29から40層の布を製織した。実施例2では、1センチメートルあたり6.7×6.7エンドの千鳥綾織で布を作製しかつ布が0.53の布タイトネスファクターおよび約6.2kg/mの面密度を有していた以外は実施例1のときと同様に40層の布を作製した。
実施例3では、0.6の布タイトネスファクターおよび約5.4kg/mの面密度を有する1センチメートルあたり7×7エンドの平織で933dtexのケブラー(Kevlar)(登録商標)129から40層の布を製織した。実施例4では、1センチメートルあたり7.9×7.9エンドの千鳥綾織で布を作製しかつ布が0.56の布タイトネスファクターおよび約5.8kg/mの面密度を有していた以外は実施例3のときと同様に40層の布を作製した。
比較例5では、実施例1〜4の布とほぼ同一の面密度を有する布を作製した。933dtexのケブラー(Kevlar)(登録商標)129からなる22層の密織布を含む布を、0.93の布タイトネスファクターおよび約5.4kg/mの面密度を有する1センチメートルあたり12.2×12.2エンドの平織で作製した。
実施例1〜4および比較例5の布の構成を以下の表1にまとめる。
9mm弾および0.357マグナム弾に対する防弾V50に関して実施例1〜4および比較例5の布の層を試験した。表2に示される防弾試験の結果から、実施例1〜4に示される本発明の物品のV50の結果が比較例5のV50よりも有意に大きかったことがわかる。要約すると、本発明の物品は、比較例5の物品と比較して約7.5〜13%の改良を示した。
Figure 0004226334
Figure 0004226334
実施例6〜7および比較例8
これらの実施例では、織られたポリベンゾオキサゾール(PBO)糸からなる複数の層を作製した。糸は、ザイロン(Zylon)(登録商標)という商品名で東洋紡績株式会社(Toyobo Co.,Ltd.)により販売されているものであった。
実施例6では、0.59の布タイトネスファクターおよび約5.8kg/mの面密度を有する1センチメートルあたり6.3×6.3エンドの平織で1111dtexのザイロン(Zylon)(登録商標)から40層の布を製織した。実施例7では、1センチメートルあたり7.5×7.5エンドの千鳥綾織で布を作製しかつ布が0.58の布タイトネスファクターおよび約5.9kg/mの面密度を有していた以外は実施例6のときと同様に35層の布を作製した。
比較例8では、1111dtexのザイロン(Zylon)(登録商標)から製織される30層の布を、0.76の布タイトネスファクターおよび約5.8kg/mの面密度をもたせて1センチメートルあたり8.7×8.7エンドで作製した。
実施例6〜7および比較例8の布の構成を以下の表3にまとめる。
先に実施例1〜4および比較例5で説明したように実施例6〜7および比較例8の布の層を試験した。表4に示される9mm弾および0.357マグナム弾に対する防弾試験の結果から、本発明の物品のV50の結果が比較例8のV50よりも有意に大きかったことがわかる。要約すると、本発明の物品は、比較例8の物品と比較して約5.9〜13%の改良を示した。
Figure 0004226334
Figure 0004226334

Claims (10)

  1. 2〜10kg/m2の面密度を有する、布の複数の層を含む可撓性耐弾性物品であって、布の層のうちの少なくとも2層が粗織であり、粗織布層が、0.3〜0.6の布タイトネスファクターで織られた布を含み、かつ1dtexあたり少なくとも10グラムの強力および1dtexあたり少なくとも150グラムの引張モジュラスを有する少なくとも200dtexの線密度の連続フィラメント系を含み、隣接する粗織布層が、粗織布層の相互の相対運動を制限するように層を固定するための手段により一体に接合されている可撓性耐弾性物品。
  2. 2.5〜8kg/m2の面密度を有する、請求項1に記載の可撓性耐弾性物品。
  3. 前記粗織布層がマトリックス樹脂またはバインダーを含む、請求項1に記載の可撓性耐弾性物品。
  4. 前記粗織布層がアラミド糸を含む、請求項1に記載の可性耐弾性物品。
  5. 前記アラミドポリp‐フェニレンテレフタルアミド糸である、請求項4に記載の可撓性耐弾性物品。
  6. 前記粗織布層がポリオレフィン糸を含む、請求頂1に記載の可撓性耐弾性物品。
  7. 前記担織布層がポリベンゾオキサゾール糸またはポリベンゾチアゾール糸を含む、請求項1に記載の可撓性耐弾性物品。
  8. 前記粗織布層の経方向と緯方向の糸が異なる、請求項1に記載の可撓性耐弾性物品。
  9. 経方向の糸がアラミドを含み、かつ緯方向の糸がポリベンゾオキサゾールまたはポリベンソチアゾールを含む、請求項8に記載の可撓性耐弾性物品。
  10. 経方向の糸がポリベンゾオキサゾールまたはポリベンゾチアゾールを含み、かつ緯方向の糸がアラミドを含む、請求項8に記載の可撓性耐弾性物品。
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