JP4691159B2 - ポリマーストライプで塗膜した、防弾性能の増大した布帛 - Google Patents

ポリマーストライプで塗膜した、防弾性能の増大した布帛 Download PDF

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Description

本発明は、防護衣類に用いられる粘性ポリマー溶液の塗膜布帛に係る。
多くの可撓性防護服は、弾道発射物を適切に止めることができるものの、防護チョッキ等の物品において、ある坪量の布帛だと、鈍的外傷によって、重傷や死を招く可能性が尚ある。従来から、鈍的外傷を減じるために、より剛性の層の布帛が、身体近くに使われてきたが、貫通に対する弾道抵抗性を大幅に損なうことが知られている。さらに、布帛は、接着剤で均一に含浸され、これに伴う坪量の増加を補うために、含浸層を身体の近くに配置して、鈍的外傷を減じるのが一般的である。これによって、防護服の重量が増し、快適さが減じる。
特許文献１には、防弾繊維および布帛への、カーボンブラック、フュームドシリカ（ナノ−シリカ）および少量の接着剤「グルー」からなる典型的な組成の膨張性乾燥粉末の適用が開示されている。
特許文献２では、接着力修正剤で塗膜され、マトリックス樹脂中に埋め込まれたアラミド織布の剛性複合体が検討された。摩擦が減じ、界面が脆弱化することによって、防弾性能の改善となった。布帛での摩擦が大きすぎたり、マトリックスの剛性が大きすぎる場合には、弾道抵抗性が大幅に損なわれる。
特許文献３は、樹脂が、繊維用のバインダーとして作用する複合体材料に関する。これは、主に、単配向性である。これらの繊維配列は、樹脂の２枚の連続層間に挟まれている。
特許文献４は、可撓性を増大するために、単配向性構造にパッチで樹脂を適用するものである。
坪量を大幅に減少するには、弾道貫通抵抗性（Ｖ５０）の改善および背面変形（ＢＦＤ）の減少が必要である。本発明は、この問題を解決する手段を提供する。
米国特許第５，７７６，８３９号明細書 米国特許第５，２２９，１９９号明細書 米国特許第５，０６１，５４５号明細書 米国特許出願公開第２００２／００３７３９１ Ａ１号明細書
本発明は、ポリマーの塗膜を含んでなる布帛層であって、塗膜が一連の曲線、ストライプまたはこれらの組み合わせにおいて布帛層に配列され、かつ一連の曲線、ストライプまたはこれらの組み合わせ内で実質的に連続し、そして布帛層の２０％以下を覆い、および布帛が６．５Ｎ／ｃｍ〜１０Ｎ／ｃｍの引抜力を有する、布帛層に関する。
本発明によって、非常に強い樹脂で布帛を適切に含浸することができ、これに伴うＶ５０の損失とはならずに、非常に高い繊維摩擦レベルとなる。繊維布帛の弾道抵抗性は、多数の変数の相互作用や、非常に短時間の事象（約１００マイクロ秒）のために、非常に複雑な問題である。コンピュータシミュレーションによって、繊維歪みの役割や層内動力学等、以前は分かっていなかった、現象の見識や理解が可能となっている。
これは、多様な液状および固形接着剤を用いて、一連の比較的細いストライプで布帛に適用することにより成される。ストライプは、実質的に連続した直線、曲線またはこれらの組み合わせの形態とすることができる。ストライプは、布帛層の約２０％以下としなければならない。布帛は、アラミド繊維から形成したとき、約６．５Ｎ／ｃｍ〜１０Ｎ／ｃｍの引抜力を有しているのが好適である。コンピュータで調べると、防護衣類に用いられる従来の布帛の中には弾道抵抗性に乏しいものがあるが、これは、（ｉ）ヤーンの引抜力の値が低いこと、（ｉｉ）大量の強固な接着剤の略均一な含浸による過剰な曲げ剛性、および（ｉｉｉ）非常に可撓性の布帛層を、剛性の含浸布帛層と混合する複合システムの使用によるものである、ということが分かっている。
これは、細いストライプで接着剤を適用することにより対処されており、坪量が減じるために、塗膜または含浸された布帛を多層システム全体で用いることができ、上述した問題（ｉｉｉ）を解決している。
このコンピュータモデルでは、約１０ｍｍ離れた細いストライプに沿って配列され、織り方パターンに対して対角に延在する強固な接着剤を、布帛全面積を約１８％覆うように塗膜して、布帛層を分析した。ストライプの代表的なパターンを図１に示す。ストライプは、図１に示すように、ほぼ２つのヤーン交差部に相当する幅を有しており、ヤーン２と２’とは、縦糸／横糸織り方のように、実質的に垂直である。このように、幅は、布帛を作製する織り方の緻密さおよびヤーンのデニールに応じて異なる。ストライプの幅は、約２ｍｍであるのが好ましい。ストライプは、図１に示す布帛織り方の面内のいずれかの軸に対して余角の（すなわち、合計が９０度に等しい）角度ＡおよびＡ’で配列されている。このように、角度Ａの１つもしくはそれ以上のストライプは、互いに実質的に平行で、互いに実質的に平行な角度Ａ’の１つもしくはそれ以上のストライプと９０度で交差している。角度ＡおよびＡ’は、約３０〜６０度の範囲内である。ＡおよびＡ’はそれぞれ約４５度であるのがより好ましい。
接着剤の役割は、（ｉ）ヤーン引抜力、Ｆｐｕｌｌおよび（ｉｉ）Ｅｂｅｎｄ＝０．２．Ｅｆ．ｄ３／１２（アラミドヤーンについては、ｄ＝０．２５ｍｍはヤーンの直径、Ｅｆ＝１４０Ｇｐａは引張係数である）に設定された値により曲げ係数を増大することと想定された。ストライプのパターンは、１つの層から次へ、パックの厚さを通して、不規則にシフトする。試験のために、パックは、クレイの弾性（圧縮率Ｅｃ＝３ＭＰａ）を有するバックグラウンドに対して配置されたものと想定され、質量１０．２ｇおよび半径３．７ｍｍの球の非変形性発射に対して試験される。
弾性貫通抵抗性は、Ｙ．ターモニア、織布の耐衝撃性、テキスタイルリサーチジャーナル（Ｙ． Ｔｅｒｍｏｎｉａ，Ｉｍｐａｃｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｗｏｖｅｎ Ｆａｂｒｉｃｓ．Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｊｏｕｒｎａｌ）、７４， ７２３−７２９ （２００４年）］により、各層を横断する歪み波動方程式を解いて、アイリング活性化速度理論およびＹ．ターモニアおよびＰ．スミス（Ｅｙｒｉｎｇ’ｓ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｙ．Ｔｅｒｍｏｎｉａ ａｎｄ Ｐ．Ｓｍｉｔｈ）、ポリ（フェニレン−テレフタルアミド）繊維の最終機械特性の理論的研究、ポリマー（Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｌｔｉｍａｔｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｏｌｙ（ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ−ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｍｉｄｅ）Ｆｉｂｅｒｓ．Ｐｏｌｙｍｅｒ）、２７、１８４５−１８４９（１９８６年）］に基づいた運動破壊モデルに従ってヤーンを破損することにより測定された。実際のインストロン繊維引抜試験によれば、高Ｆｐｕｌｌ＝１０Ｎ／ｃｍ値は、本発明の教示に従って適用されたＥＡ９３１３（芳香族アミンエポキシ、カリフォルニア州、ベイポイントのロックタイト（Ｌｏｃｔｉｔｅ，Ｂａｙ Ｐｏｉｎｔ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）より入手可能）等の高靭性を有するハイソールエポキシ（Ｈｙｓｏｌ Ｅｐｏｘｉ）０１５１樹脂を用いることにより得られることが分かった。布帛を塗膜するのに好適なその他のポリマーとしては、シアノアクリレート接着剤、ウレタン接着剤および脂肪族アミンエポキシ樹脂が挙げられる。ポリマーは、ホモポリマー、コポリマー、ブレンドまたはこれらの混合物とすることができる。
Ｆｐｕｌｌ＝１０Ｎ／ｃｍは、（４０ｃｍｘ４０ｃｍ）層の中心での衝撃については、アラミドヤーンの破断強度に近い値に対応していることに、最後に留意する。これらの高値は、非常に強固で剛性のある樹脂によってのみ得ることができ、パンチスルーを避けるためには、本発明の教示に従って、局所的に適用されなければならない。
布帛層を作製するのに好適な材料としては、ポリアミド、芳香族ポリアミド、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、ポリ｛２，６−ジイミダゾ［４，５−ｂ４’，５’−ｅ］ピリジニレン−１，４（２，５−ジヒドロキシ）フェニレン｝、ポリアレーンアゾール、ポリピリダゾール、ポリピリドビスイミダゾールおよびこれらの混合物が挙げられる。
本発明は、平面変形とＶ５０の良好な釣り合いを取って、かなり少ない坪量で、防弾衣類を製造するものである。良好なドレープ性というさらなる利点もあり、快適さが増す。
実施例１
８４０デニールヤーン（引張り係数Ｅｆ＝１４０Ｇｐａ）の平織り構造を有し、１６６ｇ／ｍ２（４．９ｏｚ／ｓｑｙ）の公称面重量を有するポリアラミド布帛層のパックを、コンピュータを用いてシミュレートした。表１に、臨界穿孔速度Ｖ５０および背面変形値ＢＦＤ（対応のＶ５０で測定）の、層の合計数および６〜１０Ｎ／ｃｍ内の繊維引抜力（Ｆｐｕｌｌ）に対する計算された依存性を示す。モデル予測は、対角に沿った強固な樹脂の細いストライプで処理された層についてのＶ５０およびＢＦＤについてである。
Figure 0004691159
表１に示した結果によれば、約８〜１０Ｎ／ｃｍという高ＦｐｕｌｌでＶ５０が大幅に増加していることが分かる。
実施例２
布帛全面積を実質的に同じく１８％覆うようにするため、さらに離して（約２０ｍｍの距離）配置された、より幅広の対角ストライプ（約４ｍｍ）以外は、布帛のモデリングは実施例１と同じであった。
Figure 0004691159
防弾性能は、表１の細いストライプよりも低い約１５〜２０ｍ／秒であり、まだ許容できる結果である。
比較実施例Ａ
以下の例は、樹脂がない以外は、実施例１に記載した布帛の２２枚の層のパックについてのコンピュータモデルにより予想される防弾性能を示すものである。Ｆｐｕｌｌの値は、未処理の８４０デニールの平織りアラミド布帛について実験的に測定されたものに特有である。実施例１と同様に、ＢＦＤ値は対応のＶ５０で測定したものである。
Figure 0004691159
防弾性能は、実施例１および２で得られたものよりもかなり低い。
比較実施例Ｂ
これは、ヤーン方向に沿ってストライプが延びている、すなわち、ストライプが、縦糸と横糸のように、互いに相互に垂直である以外は、実施例１と同様である。
Figure 0004691159
防弾性能は、実施例１におけるよりも、６０ｍ／秒とかなり低い。
比較実施例Ｃ
この例は、布帛面積を同じく１８％覆ったダイヤモンド形パッチへと適用された樹脂の場合についてである。ダイヤモンドは、幅約１２ｍｍで、図２に示すようなサテンデザインで３３ｍｍ離して（中心から中心まで）配置されている。ダイヤモンド形パッチは、サテンパターンであり、約１１の交差部に等しい対角幅を有している。
Figure 0004691159
Ｖ５０の防弾性能は、実施例１におけるよりも、４５ｍ／秒と低い。

本発明の主な特徴及び態様を挙げれば以下のとおりである。
１． 布帛層であって、ポリマーが一連の曲線、ストライプまたはこれらの組み合わせにおいて布帛層に配列され、かつ一連の曲線、ストライプまたはこれらの組み合わせ内で実質的に連続し、そして布帛層の２０％以下を覆い、および布帛が６．５Ｎ／ｃｍ〜１０Ｎ／ｃｍの引抜力を有する、布帛層。
２． ポリアミド、芳香族ポリアミド、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、ポリ｛２，６−ジイミダゾ［４，５−ｂ４’，５’−ｅ］ピリジニレン−１，４（２，５−ジヒドロキシ）フェニレン｝、ポリアレーンアゾール、ポリピリダゾール、ポリピリドビスイミダゾールおよびこれらの混合物よりなる群から選択される材料を含んでなる上記１に記載の布帛層。
３． ポリマーがシアノアクリレート接着剤、ウレタン接着剤、脂肪族アミンエポキシ樹脂および芳香族アミンエポキシ樹脂よりなる群から選択される上記１に記載の布帛。
４． 布帛が織布である上記１に記載の布帛。
５． ポリマーが、一重織交差部の最長対角断面を実質的に覆うのに十分な幅である上記４に記載の布帛。
６． ポリマーが、布帛織り方の方向に沿った面内のいずれかの軸に対して余角で、実質的に平行なストライプにおいて配列されている上記５に記載の布帛。
７． 余角が３０〜６０度の範囲である上記６に記載の布帛。
８． 上記１〜７のいずれかに記載の布帛の１０〜６０層を含んでなる物品。
９． 防護衣類を含んでなる上記８に記載の物品。
１０． 織布帛層を準備し、布帛層に、布帛織り方の方向に沿った面内のいずれかの軸に対して余角で、一連の実質的に平行なストライプにおいてポリマーを適用することを含んでなる、布帛層の処理方法。
ポリマーのストライプの配列の概略図である。 ポリマーの従来の配列の概略図である。

Claims (2)

  1. 布帛層であって、ポリマーが一連の曲線、ストライプまたはこれらの組み合わせにおいて布帛層に配列され、かつ一連の曲線、ストライプまたはこれらの組み合わせ内で実質的に連続し、そして布帛層の表面の２０％以下を覆い、および布帛層が６．５Ｎ／ｃｍ〜１０Ｎ／ｃｍの引抜力を有する、布帛層。
  2. 織布帛層を準備し、布帛層に、布帛織り方の方向に沿った面内のいずれかの軸に対して余角で、一連の実質的に平行なストライプにおいてポリマーを適用することを含んでなる、布帛層の処理方法。
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