JP7022742B2 - 低背面変形性の防弾性複合材料による高運動エネルギー吸収作用 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その開示全体が参照として本明細書に援用される、２０１６年９月１５日出願の同時係属中の米国特許仮出願第６２／３９４，９１７号の利益を主張する。

本開示は、背面変形に抵抗する粘弾性の軽量複合アーマー及び背面変形に抵抗する際の複合アーマーの有効性を評価するための方法に関連する。

高強度合成繊維を含む複合材料から製造された防弾性物品は周知である。防弾ベスト、ヘルメット、車両パネル及び軍用機器の構造部材などの物品は、典型的にはＳＰＥＣＴＲＡ（登録商標）ポリエチレン繊維又はＫｅｖｌａｒ（登録商標）アラミド繊維などの高靭性繊維から形成される圧密化された複数の繊維プライを含む繊維複合材料から製造される。ベスト又はベストの部品など多くの適用例について、繊維は、複数の布地を接着剤などで一緒に結合又は接合して織布又は編布に形成されてもよい。他の適用例について、繊維は、高分子マトリックス材料に埋め込まれるか又は高分子マトリックス材料でコーティングされてもよく、不織布に形成されてもよい。例えば、それらの全てが参考として引用され、本明細書に組み込まれる米国特許第４，４０３，０１２号、同第４，４５７，９８５号、同第４，６１３，５３５号、同第４，６２３，５７４号、同第４，６５０，７１０号、同第４，７３７，４０２号、同第４，７４８，０６４号、同第５，５５２，２０８号、同第５，５８７，２３０号、同第６，６４２，１５９号、同第６，８４１，４９２号、同第６，８４６，７５８号は、伸びきり鎖超高分子量ポリエチレン（「ＵＨＭＷ ＰＥ」）などの材料から作製される高強度繊維を含む防弾性複合材料を説明する。そのような高強度合成繊維から製造された防弾性複合材料は、弾丸、破裂弾、榴散弾など発射体からの高速衝撃による貫通に対する様々な程度の耐性、並びに同じ発射体衝撃からもたらされる背面変形に対する様々な程度の耐性を呈する。

各種の高強度繊維は、独自の固有の特質及び特性を有することが既知である。この点に関して、繊維の１つの決定的な特質は、繊維の、例えばポリマー結合剤コーティングなどの表面コーティングと結合するか又はこれに接着する能力である。繊維と結合剤との境界面でより強い結合強度を有する繊維は、高速発射体の運動エネルギーの消散時に優れていることが見出されており、強固な結合は、発射体衝撃後の層間剥離に抵抗するであろう。しかしながら、典型的には繊維加工助剤として使用される繊維表面仕上げは、繊維表面上のポリマー結合剤材料の界面接着性又は結合性を妨害することがある。繊維表面上のポリマー結合剤材料の不十分な接着は、繊維－繊維結合強度及び繊維－結合剤結合強度を低減する恐れがあり、またそれによって一体化された繊維を互いに解放させるかつ／又は結合剤を繊維表面から層間剥離させる。これは、壊滅的な製品故障をもたらすことがある。同様の接着の問題はまた、織布又は編布上に保護用高分子組成物を適用しようとするときにも認められる。最も顕著なことは、この結合の弱さは、鈍的外傷性損傷、すなわち、背面変形に起因する負傷を防ぐアーマーの能力に有害に影響を及ぼす。この点に関して、弾丸が複合アーマーによって停止されるとき、結果として生じる可能性がある鈍的外傷性損傷は、弾丸がアーマーを貫通し身体に入ったかのように個人にとって致命的であり得る。これは、ヘルメットアーマーとの関連で特に重大であり、停止した弾丸に起因する一時的な隆起は、着用者の頭蓋の面に交差したままで消耗性又は致命的脳損傷を引き起こす場合がある。

耐貫通性能又は複合材料の軽重量性のいずれも犠牲にすることなく、複合材料の発射体運動エネルギーを消散し背面変形に抵抗する能力を改善するために、当該技術分野において多くの取り組みがなされてきた。この点に関して、それらの全てが参考として引用され、本開示と一致する範囲で本明細書に組み込まれる同一所有者の米国特許第８，９８６，８１０号、同第９，０２３，４５０号、同第９，０２３，４５１号、同第９，０２３，４５２号、同第９，１６３，３３５号及び同第９，１６８，７１９号に記載される技術によって、良好な結果が達成された。記載した特許で開示された複合材料は、優れた耐背面変形性を有する複合アーマーを実現することが知られているが、当該技術分野において改善された材料及び複合材料の耐背面変形能を評価するための改善された方法に対する必要性が残っている。本開示は、当該技術分野においてこの必要性に対する解決策を提供する。

大規模な試験及び解析を通じて、繊維複合材料の耐背面変形能は、高エネルギー発射体によって衝撃を受け変形した後に縮小する能力を特徴とする粘弾性によって測定できることが予期せず見出された。ライフルから撃たれた弾丸などの高エネルギー発射体が、複合アーマーパネルに衝撃を与えるとき、パネルは、衝撃の部位で変形することになる。複合材料が発射体運動エネルギーを吸収し消散するときに、パネルは変形し、その前面における陥没及びその裏面から対応する隆起の形成をもたらす。発射体が前方に移動する際に、パネルはその動きに抵抗し、その動きを停止させるように働く。ひとたび発射体が停止されると、隆起の拡大は終了し、複合材料は、衝撃部位で縮小し始め、縮小の程度は、複合材料の背面変形に抵抗する能力を示す。粘弾性繊維及び粘弾性ポリマー結合剤（マトリックス）の両方により形成される粘弾性複合材料のＢＦＳが非粘弾性成分から形成される非粘弾性複合材料より小さくなることもまた予期せず見出された。これは、粘弾性複合材料が突然荷重を加えられると硬化し、より短いピーク変位到達時間値を示し、それによって発射体により衝撃が与えられると比較的少ない背面変形を示すことが見出されたためである。

背面変形に抵抗する際の複合材料の有効性を判定するために、本開示は、平坦な複合パネルの縮小指数を決定するプロセスであって、
ａ）圧密化された複数の繊維プライを含む成形した平坦な複合パネルを提供することであって、当該繊維プライのそれぞれは、複数の粘弾性繊維を含み、当該パネルは、前面及び裏面を有する、ことと、
ｂ）当該パネルの前面で発射体を発射することによって発射体が衝撃部位でパネルに衝撃を与えることであって、発射体の衝撃は当該衝撃部位におけるパネルのたわみを引き起こし、それによって陥没がパネルの前面に形成され、対応する裏側隆起がパネルの裏面から延在して形成され、平坦な複合パネルは当該発射体の動きを停止させ、裏側隆起は発射体が停止した後に部分的に縮小し、発射体が停止した後であるが当該縮小の開始する前に一時的なたわみをもたらし、当該部分的な縮小が終了した後に永続的なたわみをもたらす、ことと、
ｃ）当該裏面から当該一時的なたわみの距離を測定し、また当該裏面から当該永続的なたわみの距離を測定することと、
ｄ）一時的なたわみ距離を永続的なたわみ距離と比較する際に、当該複合パネルの縮小の割合を決定することによって当該縮小指数を決定することと、を含むプロセスを提供する。

本開示はまた、平坦な複合パネルのたわみ耐性を評価するためのプロセスであって、
ａ）圧密化された複数の繊維プライを含む成形した平坦な複合パネルを提供することであって、当該繊維プライのそれぞれは、複数の粘弾性繊維を含み、当該パネルは、前面及び裏面を有する、ことと、
ｂ）当該パネルの前面で発射体を発射することによって発射体が衝撃部位でパネルに衝撃を与えることであって、発射体の衝撃は当該衝撃部位におけるパネルのたわみを引き起こし、それによって陥没がパネルの前面に形成され、対応する裏側隆起がパネルの裏面から延在して形成され、平坦な複合パネルは当該発射体の動きを停止させ、裏側隆起は発射体が停止した後に部分的に縮小し、発射体が停止した後であるが当該縮小を開始する前に一時的なたわみをもたらし、当該部分的な縮小が終了した後に永続的なたわみをもたらす、ことと、
ｃ）当該裏面から当該一時的なたわみの距離を測定し、また当該裏面から当該永続的なたわみの距離を測定することと、
ｄ）一時的なたわみ距離を永続的なたわみ距離と比較する際に当該複合パネルの縮小の割合を決定することによって当該縮小指数を決定することと、
ｅ）少なくとも１つの追加の成形した平坦な複合パネルを提供することであって、各追加パネルは、圧密化された複数の繊維プライを含み、当該繊維プライのそれぞれは、複数の繊維を含み、当該追加パネルのそれぞれは、前面及び裏面を有し、全てのパネルは、同じ面密度を有する、ことと、
ｆ）工程ｂ）～ｄ）を追加パネルごとに繰り返して、追加パネルごとに縮小指数を決定することと、
ｇ）パネルごとに決定された縮小指数を比較して、どのパネルが最高指数値を有するかを決定し、それによって、最高指数値を有するパネルを他の全てのパネルよりも優れているものとして識別することと、を含むプロセスも提供する。

本開示は、圧密化された複数の繊維プライを含む、粘弾性で耐たわみ性の繊維複合パネルを更に提供し、当該繊維プライのそれぞれは少なくとも２７ｇ／デニールの靭性を有する複数の粘弾性繊維を含み、当該繊維は、繊維表面仕上げを、５０％を超えて含まない表面を有し、当該繊維複合材料の繊維は、粘弾性結合剤材料でコーティングされており、当該結合剤は、繊維表面に結合され、複合材料は、衝撃部位でパネルのたわみを引き起こすのに十分な運動エネルギーを有する発射体によって衝撃を受けるとき少なくとも１７％の縮小指数を有する。

ＮＩＪ規格０１０１．０６による先行技術の背面痕跡試験セットアップの模式図を図示しており、背面痕跡は、粘土バッキング材におけるたわみの深さを測定することによって試験される。 発射体衝撃の瞬間から複合材料の縮小の完了までの複合パネルの経時的な変位を示す。 発射体衝撃の瞬間から複合材料の縮小の完了までの複合パネルの経時的な変位を示す。 発射体衝撃の瞬間から複合材料の縮小の完了までの複合パネルの経時的な変位を示す。 発射体衝撃の瞬間から複合材料の縮小の完了までの複合パネルの経時的な変位を示す。 ２つの比較複合パネルに対する本開示の複合パネルの経時的な変位を示す。 図３に図示された３つのパネルのそれぞれに関する背面降起の中心の速度のプロットである。 ２つの異なる拡大領域の進行を示す、弾丸で衝撃を加えた後のマルチプライで繊維複合材料の背面拡大の速度のグラフィカルプロットである。

背面痕跡は、発射体衝撃によるバッキング材の中への又はユーザーの身体の中への、ソフト又はハードアーマーのいずれかのたわみの深さの尺度である。より具体的には、当該技術分野においてまた「背面痕跡」（「ＢＦＳ」）、「外傷痕跡」、又は「鈍力外傷」として周知である背面変形は、アーマーが発射体の貫通を停止させた時点で、発射体がどの程度の衝撃をアーマーの下に残すかの尺度であり、アーマーの下で身体が経験する潜在的鈍的外傷を示す。ソフトアーマーのＢＦＳを測定するための標準的な方法は、ＮＩＪ規格０１０１．０６、タイプＩＩＩＡによって概説され、非貫通発射体衝撃から生じる複合材料の物理的変形を、開口面の箱状固定物内に保持された変形可能な粘土バッキング材に伝達する方法を明らかにする。ＮＩＪ規格によって、試験されるアーマーは、粘土バッキングの前面に直接固定され、標準化された発射体の発射条件から生じる粘土の何らかの変形が、特定され測定される。他の方法を使用してＢＦＳを測定することもできる。ＮＩＪ規格は、現在では軍事利用向けのソフトアーマー複合材料を評価するために通常使用される。

用語「背面痕跡」、「背面変形」、「外傷痕跡」、及び「鈍力外傷」は、当該技術分野において同じ意味を有し、本明細書では交換可能に使用される。本開示の目的のために、優れた耐弾道貫通性を有する物品は、弾丸などの変形可能な発射体に対して、また榴散弾などの破片の貫通に対して優れた特性を呈するものを表す。本明細書で使用される場合、「繊維層」は、一方向に配向された繊維の単一プライ、複数の一方向に配向された繊維の単体プライ、複数の一方向に配向された繊維の圧密化されたプライ、織布、複数の圧密化された織布、又はフェルト、マット、及びランダムに配向された繊維を含むものなど他の構造を含む、複数の繊維から形成された任意の他の布構造を含み得る。「層」は、概ね平坦な構成を説明する。それぞれの繊維層は、外側上面及び外側下面の両方を有するであろう。一方向に配向された繊維の「単一プライ」は、一方向に、実質的に平行な配列に整列された重ならない繊維の配置を含む。このタイプの繊維配置はまた、当該技術分野において、「ユニテープ（ｕｎｉｔａｐｅ）」、「一方向テープ」、「ＵＤ」、又は「ＵＤＴ」としても知られている。本明細書で使用される場合、「配列」は、織布を除く、繊維、又は糸の規則正しい配置を説明し、「平行な配列」は、繊維、又は糸の規則正しい、平行な配置を説明している。「配向された繊維」との関係で使用される場合、用語「配向された」は、繊維の延伸に対立するものとして繊維の整列を指す。用語「布」は、プライの成形又は圧密化の有無にかかわらず、１つ以上の繊維プライを含み得る構造を説明している。例えば、織布又はフェルトは、単一の繊維プライを含み得る。一方向の繊維から形成された不織布は、典型的には互いに積み重ねられ、圧密化された複数の繊維プライを含む。本明細書で使用されるとき、「単一層」構造は、低圧積層によって又は高圧成形によってポリマー結合剤材料とともに単一の単体構造に結合された、すなわち圧密化された１つ以上の個々のプライ又は個々の層から構成された任意のモノリシックの繊維性構造を指す。「圧密化する」とは、各繊維プライとともにポリマー結合剤材料を結合して単一の単体層にすることを意味する。圧密化は、乾燥、冷却、加熱、加圧又はそれらの組み合わせによって生じ得る。繊維又は布の層は、ウェットラミネーションプロセスの場合と同様に貼り合わせるだけでもよいので、加熱及び／又は加圧が必要でない場合がある。用語「複合材料」は、繊維と少なくとも１つのポリマー結合剤材料との結合体を指す。本明細書で使用されるとき、「複雑な複合材料」は、複数の繊維層の圧密化された結合体を指す。本明細書に記載されるように、「不織」布は、機織りによって形成されない全ての布構造を含む。例えば、不織布は、少なくとも部分的にポリマー結合剤材料でコーティングされ、積み重ねられ／重ね合わされ、圧密化されて単一層のモノシリック要素になる複数のユニテープ、並びに好ましくはポリマー結合剤複合材料でコーティングされている非平行でランダムに配向された繊維を含むフェルト又はマットを含み得る。

本開示の目的では、「繊維」は、長さ寸法が幅及び厚さの横方向寸法よりはるかに大きい細長い本体である。本明細書で使用するための繊維の断面は、大きく異なってもよく、断面が円形、平坦、又は長円であってもよい。したがって用語「繊維」は、フィラメント、リボン、規則的又は不規則的な断面図を有する細長片などを含むが、繊維が実質的に円形断面を有することが好ましい。本明細書で使用される場合、用語「糸」は、複数の繊維からなる単一ストランドとして定義される。単繊維は、１本のフィラメントからか、又は複数本のフィラメントから形成されてもよい。一本だけのフィラメントから形成された繊維は、本明細書では、「単一フィラメント」繊維、又は「モノフィラメント」繊維のいずれかと称され、複数のフィラメントから形成された繊維は、本明細書では、「マルチフィラメント」繊維と称される。

本開示との関連で、本明細書で使用されるとき複合材料の「縮小指数」という用語は、発射体による衝撃の場所での衝撃から生じるピークたわみに対する複合パネルの縮小の程度の尺度である。この点に関して、複合パネルが弾丸などの高エネルギー発射体によって衝撃を受けるとき、発射体は、パネルを形成する布層（複数可）のたわみを引き起こし、それによって陥没がパネルの前面に形成され、対応する裏側隆起がパネルの裏面から延在して形成される。この点に関して、「高エネルギー」発射体は、パネルにおいていくつかの測定可能なたわみを引き起こす、すなわち、パネルの裏面から測定可能な背面変形を引き起こすのに十分である任意のエネルギーレベルの発射体を単に指し、厳密に制限されることを意図しない。パネルが弾丸の動きを停止させるように働くとき、衝撃の部位における変形は拡大し、裏面からの隆起は、最終的に裏面の元の平面からのピーク距離に達し、次に部分的に縮小する。ピークたわみ値は、本明細書では「一時的なたわみ距離」と呼ばれ、パネルが静止しているとき、当該部分的な縮小の後の最終たわみ値は、「永続的なたわみ距離」と呼ばれる。一時的なたわみ距離及び永続的なたわみ距離のそれぞれは、長さの単位で測定され（例えば、ｍｍ）、縮小指数は、これらの２つの値の間のパーセンテージ差である。複合パネルを比較すると、より大きな縮小指数を有する材料が、背面変形に対するより大きな抵抗を有する材料を示すことが予期せず見出された。したがって、この評価方法は、ヘルメットなどのアーマー物品背面痕跡を正確に表現する。本開示の好ましい実施形態では、本開示の複合材料は、１７％超、より好ましくは約１８％以上、更により好ましくは約１９％以上、更により好ましくは約２０％以上、更により好ましくは約２１％以上、更により好ましくは約２２％以上、及び最も好ましくは約２３％以上の縮小指数を有する。

縮小指数に加えて、縮小の程度はまた、それぞれ距離に関して測定される、縮小量に対する一時的な（ピーク）変形の比に関して特徴付けることができる。この点に関して、本開示の好ましい実施形態では、本開示の複合材料の縮小量に対する一時的な変形の比は、６．０：１未満、より好ましくは５．５：１未満、更により好ましくは５．０：１未満、及び最も好ましくは４．５：１未満である。

本開示の各実施形態において、縮小指数値及び上記比値は、発射体を完全に停止させる、すなわち、発射体が完全に貫通するのを防ぐのに十分な面密度を有する複合パネルに対して決定される。この関連で、非貫通発射体衝撃は、当該値の決定において最高の精度を保証し、これはまた、ＮＩＪ０１０１．０６の政府標準試験方法における必要条件である。

本明細書で定義される縮小指数及び縮小量に対する一時的な変形の比のそれぞれを最高の精度で決定するために、それらは加工した複合材料物品よりむしろ複合材料の平坦な成形パネルを試験することによって決定されるべきである。複合パネルが高エネルギーで高速の発射体を停止することができることを確実にするために、複合パネルは、上に定義され、以下でより詳細に説明されるように、単一の単体構造にともに圧密化されている複数の繊維プライを含むべきである。任意の好適な方法を使用して、複合材料を平面パネルに製造してもよい。好ましい実施形態では、平面パネルは、複数の結合剤でコーティングした繊維プライ（例えば、コーティングされた一方向の不織繊維又は結合剤でコーティングされた織布のプライ）を、所望の寸法を有するように最初にカットすること、続けて実質的に同一の広がりを持つ方式で所望の数のプライを面と面で互いに積み重ねること、続けて積層体に後述の高圧圧密化（すなわち、成形）条件下で平台型ラミネータ（又は同等のもの）を通過させることによって製造される。好適な平台型ラミネータは、当該技術分野において周知である。最も好ましいのは、本明細書と一致する範囲で、参照により本明細書に組み込まれる同一所有者の米国特許出願第１５／０６０，０８２号に記載された装置の１つなどの二重ベルト平台型ラミネータである。

形成される又は提供される各平坦な成形パネルは、実質的に平面であり、前面及び裏面を有するであろう。発射体は、当該パネルの前面で発射され、パネルに衝撃部位で衝撃を与える。衝撃は、衝撃部位でパネルのたわみを引き起こし、それによって、陥没が、パネルの前面に形成され、対応する裏側隆起が、パネルの裏面から延在して形成される。パネルが発射体の動きを停止させた後、複合材料は弛緩し、裏側隆起が部分的に縮小する。隆起が縮小を停止すると、パネルは静止し、パネルの最終的な変位を、歪んでいない裏面の平面から隆起のピークまで測定することができる。この距離は、永続的なたわみとして特定されるのに対して、縮小の開始前の裏面の平面からの隆起の最大距離は、一時的なたわみとして特定される。一時的なたわみと永続的なたわみとの間の距離差は、次に測定され、縮小指数及び縮小の総量に対する一時的な変形の比（すなわち、永続的な変形と一時的な変形との間の差に対する一時的な変形の比）の両方を計算するのに使用される。

当該たわみデータの収集を可能にするために、永続的な変形と一時的な変形との間の差を正確に判別することができる手順が必要である。伝統的に、たわみデータは、上述したＮＩＪ規格０１０１．０６の方法によって測定されており、そこでアーマーサンプルは、粘土バッキング材の表面上に直接位置付けられる。粘土のたわみの深さを、次に測定してＢＦＳを決定する。代替の方法が、同一所有者の米国特許出願第１３／５９４，７５７号（現在は米国特許第９，２２２，８６４号）に記載され、これは参照により本明細書に組み込まれる。その方法において、アーマーサンプルは、内部空洞を有する平坦なスペーサ上に位置付けられる。平坦なスペーサは、バッキング媒体上に位置付けられるか、又はバッキング媒体に直接隣接しており、内部空洞の深さは、周知の距離である。発射体は、次いでアーマーサンプルにおいてスペーサの当該空洞の内部に対応する位置で発射され、それによって、変形の全て又は大部分が、サンプルとバッキング媒体との間の空洞空間内部に生じる。

本開示において、最も好ましい方法は、米国特許出願第１３／５９４，７５７号の方法の変形例であるが、粘土バッキングを全く使用しない。先行技術の発射体発射装置（ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅ ｆｉｒｉｎｇ ｓｅｔ－ｕｐ）の例が、図１に示され、これは、変形可能な媒体、すなわち、背面変形の範囲を測定できるようにする粘土から形成されたバッキング材料にストラップで固定されたアーマーサンプルを示す。本開示との関連で、成形した平面パネルは、米国特許出願第１３／５９４，７５７号に記載されるような、ただしバッキング材料を利用しない平坦な鉄骨フレームなどの支持体に強固にクランプされる又はストラップで固定される。１台以上のハイスピードカメラを次に使用して、最初の発射体衝撃の時点から複合材料が静止している複合縮小の終了までのサンプルと発射体との相互作用を、好ましくは図３に示されるような背景において好適な目盛り付きのパターンを用いて記録する。この点に関して、当業者が容易に決定するような任意の好適なカメラを使用してもよい。特に有用なカメラは、ＦＡＳＴＣＡＭ－ＡＰＸ ＲＳ ２５０Ｋであり、これは、Ｐｈｏｔｒｏｎ ＵＳＡ（Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，ＣＡ）から市販されている。次にビデオを解析して、複合材料の背面変形の一時的なたわみ及び永続的なたわみの範囲を測定する。次にこのデータを使用して、縮小指数などの値を決定しても、また複数の異なる複合材料を比較してもよい。

この方法は、図２Ａ～図２Ｄに図示され、これらの図は、複合パネルに衝撃を与える発射体の一連の４点の連続画像を示し、衝撃の時点からピーク変位の時点までの、かつ永続的な変形に達する時点を通る間のパネルの変位を示す。図に示されるように、経時的な変位の変化は、各ビデオフレームからその前のフレームを差し引くことで示される。これにより、フレーム間の背面エンベロープ（ｂａｃｋｆａｃｅ ｅｎｖｅｌｏｐｅ）の間の変位が暗帯を呈する異なる画像が生じる。暗帯の幅は、正の（拡大する）変位を直接測定する。図２Ａに示されるように、５番目のフレームと４番目のフレームとの間の差は、１１番目のフレームと１０番目のフレームとの間でより小さい暗帯を示す図２Ｂと比較して太い暗帯を示す。更により細い暗帯が、１６番目のフレームと１５番目のフレームとの間の差を示す図２Ｃに示される。これらの図はともに、衝撃区域でのたわみの拡大の速度は、たわみが拡大するにつれて減速することを図示している。図２Ｄに見られる白帯は、背面エンベロープが最大拡大から収縮し始めたことを示す、１８番目のフレームと１７番目のフレームとの間の差の画像である。

図３に図示されるように、撮影したビデオ画像のセットは、３台の別個のビデオから収集されたもので、３つの異なる材料、すなわち、比較市販材料（「ＣＣＭ」）、標準市販材料（「ＳＣＭ」）及び「動的たわみ技術（Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」材料（「ＤＤＴ」）と特定される本開示の材料の背面変形拡大を示す。各複合パネルは、約８３０±１０ｍｐｓでＡＫ－４７から撃たれた８．１ｇ、７．６２ｍｍ×３９ｍｍのＬｅａｄ Ｃｏｒｅ弾丸によって衝撃を受けた。これらの弾丸は、ａ）高い運動エネルギーを持つ、ｂ）成形したパネル上に高い変形及び層間剥離を発生させる、及びｃ）司法当局及び軍隊によって指定されている、という理由で選択される。３つのビデオを、毎秒３００００フレームで記録するハイスピードカメラ（ＦＡＳＴＣＡＭ－ＡＰＸ ＲＳ ２５０Ｋ）を使用して、背景に目盛り付きのパターン及び適切な照明を用いて収集した。その結果、弾丸位置及びパネルのたわみを、最小の陰影又は他の干渉で記録することができた。弾丸がＯｅｈｌｅｒ Ｍｏｄｅｌ ５７赤外線スクリーンを使用したフィールドを通過したときに、トリガを開始した。図では、３つの異なる材料についてハイスピードビデオから６番目、１２番目及び２０番目のフレームが示されており、ＣＣＭ材料が最大の拡大を有することが明らかである一方で、動的たわみ技術（ＤＤＴ）材料は、発射体衝撃時に最小限の拡大を有した。図４は、背面隆起の拡大が、図３に示される弱いパネルにおいてより速いことを示す。

最大の縮小指数を有する材料はまた、一時的な変形及び永続的な変形の両方において最小値を有する材料であることが見出された。収縮量に対する一時的なたわみのより低い比を有するパネルは、発射体が貫通したマルチプライの複合材料の最後のプライと未貫通の裏側プライの部分との間でより少ない層間剥離を呈することが更に見出された。換言すれば、より低い例えば、５：１の比は、より高い６：１の比より良好である。より大きな比値は、プライが貫通された複合材料の領域とプライが貫通されなかった複合材料の領域との間のより大きな層間剥離の程度を示し、層間剥離は２つの領域間に空洞の形成によって現れる。この点に関して、より大きな比値に示される２つの領域間のより大きな層間剥離の程度（領域１は、貫通された層の部分であり、領域２は、貫通されなかった層の部分である）は、繊維と繊維上のポリマー結合剤コーティング（本明細書では「樹脂」又は「マトリックス」とも呼ばれる）との間のより弱い結合性に起因する。この樹脂－繊維結合強度の差は、発射体が複合材料により停止されるときにこれらの２つの領域の拡大速度の差によって更に明らかとなる。変位データ及びビデオフレームレートを使用して、マルチプライの複合材料の背面拡大の速度を計算し、図５に示されるようにプロットすることができる。このグラフでは、２つの領域内に少なくとも２つの異なる速度応答が存在することが示されている。領域Ｉは、３次多項式を備え、速度の急減少を示した。続けて、速度が線形速度で減少した領域ＩＩがある。速度の変化のプロットは、安定した非線形の速度で減速する領域Ｉを明示する一方、領域ＩＩにおいて減速率は、非常に低く、ほぼ一定であった。換言すれば、より低い比値を有する材料は、発射体を停止させるとき、たわみに抵抗する役割をより良好に行い、これは、優れた引張特性を有する繊維及び結合剤材料のみに起因するのではなく、繊維と樹脂コーティングとの間の結合の強度にも起因する。本開示は、したがって、その結合並びに複合材料全体の防弾性を改善するための方法を提供する。

まず、最低限で、繊維を布に形成する前に繊維から既存の繊維表面仕上げを部分的に取り除くことにより、樹脂－繊維結合強度が向上する。この点に関して、布を形成することは、織布層、不織布層、又は不織繊維プライの製造を含む。それらの全てが参考として引用され、本明細書に組み込まれる同一所有者の米国特許出願第１３／５９４，７３５号（現在は米国特許第９，０２３，４５０号）、同第１３／５９４，７４７号（現在は米国特許第９，０２３，４５１号）、及び同第１３／５９４，７６３号（現在は米国特許第９，０２３，４５２号）により詳細に説明されるように、繊維表面仕上げは加工助剤として必要であるため、不織布層若しくは不織繊維プライの形成前、又は織布の製織前の繊維表面仕上げの除去は、独自である。例えば、不織布の製造において、繊維表面仕上げは、一般的に帯電を低減する、繊維のからまりを防ぐ、繊維を滑らかにして織機構成要素の上をスライドできるようにする、及び繊維引き抜き工程中を含む処理中に繊維結合力を改善する必要がある。

繊維表面仕上げは、典型的には従来の布処理中に必要とされるが、一般的には最終的な布特性に寄与しない。逆に、繊維表面を被覆することによって、仕上げは、互いに接する繊維表面の能力の妨害になり、及び繊維上に適用されるポリマー結合剤材料を含む液体又は固体樹脂などのコーティングと直接結合する繊維表面の能力の妨害になる。そのようなコーティングが、繊維表面に直接ではなく、仕上げの上面にコーティングされているとき、結合は、コーティングがきれいな（露出した）繊維表面のすぐ上にあるときよりも弱く、弾道衝撃中の層間剥離の危険を冒す。繊維－繊維摩擦を強化するために、かつ繊維表面に対する樹脂／ポリマー結合剤材料の直接結合を可能にし、したがって繊維－コーティング結合強度を増大させるために、既存の繊維表面仕上げの少なくとも半分を任意のコーティングの適用前に繊維表面から除去することが必要である。後述されるように、繊維表面上に一部の樹脂を残すことの利点が存在するので、本開示の目的では、仕上げの１００％を除去するよりむしろ任意のコーティングを塗布する前に仕上げの５０．０％超～９９．０％を除去することが好ましい。

繊維表面仕上げの除去は、好ましくは水のみで、かつ化学製品又は有機溶剤を使用せずに、好ましくは繊維を洗浄することによって達成される。繊維表面仕上げの部分的な除去は、好ましくは繊維引き抜き／伸張工程が全て完了すると始まるだろう。繊維を洗浄する、ないしは別の方法で繊維仕上げを除去する工程は、下部の繊維表面の５０．０％超を、最大９９．０％の表面積露出まで露出するように繊維仕上げを十分に除去するであろう。洗浄剤の組成（例えば、水又は薬品洗浄）、洗浄技術の機械的属性（例えば、繊維に接する水の力、洗浄槽の撹拌など）などの要素は、除去される仕上げの量に影響するであろう。より好ましい実施形態では、仕上げの少なくとも約７５％～９９．０％が除去され、より好ましくは仕上げの少なくとも約８０％～９９．０％が除去され、更により好ましくは仕上げの少なくとも約９０％～９９．０％が除去され、更により好ましくは仕上げの少なくとも約９５％～９９．０％が除去され、最も好ましくは仕上げの少なくとも約９８％～９９．０％が除去され、これらの値のそれぞれはまた除去／洗浄プロセスの後、露出した繊維表面積のパーセンテージを表している。他の実施形態では、露出した繊維表面積のパーセンテージは、例えば、５０．０％超～最大９８．５％、又は５０．０％超～最大９８．０％、５０．０％超～最大９７．５％、５０．０％超～最大９７．０％、５０．０％超～最大９６．５％、５０．０％超～最大９６．０％、５０．０％超～最大９５．５％、又は５０．０％超～最大９５．０％の範囲であってもよい。残りの繊維表面仕上げの量は、本明細書では残留物と呼ばれる（残留繊維表面仕上げ）。

仕上げ表面積被覆に関して又は露出した繊維表面積に関して除去される繊維表面仕上げの量は、接触及び非接触法を含む従来の表面メトロロジー方法によって測定され得、本明細書では非接触法が好ましい。非接触法は、光学顕微鏡を使用して表面の像を取得し、干渉法、共焦点顕微鏡法、焦点変化、構造光、静電容量、静電容量、電子顕微鏡法、及び写真測量が挙げられる。この方法を使用して、表面トポグラフィーの３次元画像を作成し、単一のフィラメント／繊維でもその表面積被覆を測定することができる。

残留仕上げの量はまた、重量によっても測定され得る。この点に関して、任意の残留仕上げが、繊維の重量プラス仕上げの重量を基準として、約０．５重量％以下、好ましくは約０．４重量％以下、より好ましくは約０．３重量％以下、より好ましくは約０．２重量％以下、及び最も好ましくは繊維の重量プラス仕上げの重量を基準として、約０．１重量％以下の量で存在するであろう。残留仕上げは、薄くなった連続コーティングとしてよりもむしろ仕上げの染みとして存在するであろう。

繊維表面仕上げの除去の後で、除去された仕上げ粒子を繊維から除くこともまた好ましく、結果として表面から、ポリマー結合剤材料、樹脂又は他の吸着質を露出した繊維表面の上に適用する前に破片を全て取り除く。

繊維表面仕上げを除去するための任意の従来既知である方法は、本開示の関連の中で有用であり、機械的及び化学的技術手段の両方を含むが、化学製品は、繊維の引張特性を低下させる有害効果を有し得るので繊維を水のみで洗浄することが好ましい。この点に関して、繊維仕上げは、典型的には１つ以上の潤滑剤、１つ以上の非イオン性乳化剤（界面活性剤）、１つ以上の帯電防止剤、１つ以上の湿潤剤及び粘着剤、並びに１つ以上の抗菌剤化合物の組み合わせを含むだろう。仕上げの部分を水だけで除去することが困難であるとオペレータが見出した場合、機械的手段もまた使用されてもよい。例えば、脱イオン水を使用した仕上げ除去の効率は、水適用プロセスの力、方向、速度などを操作することによって向上し得る。

好ましい実施形態では、繊維は、繊維ウェブとして水で、好ましくは脱イオン水を使用して、他の任意の化学製品を使用しないで、洗浄後の繊維の任意の乾燥を伴って、洗浄される、かつ／又はすすがれる。仕上げが水溶性でない他の実施形態では、例えば、研磨洗浄剤、化学洗浄剤、又は酵素洗浄剤で仕上げを除去するか又は洗い落とすことができる。参照により本明細書に援用され、表面仕上げを除去するための従来既知の化学的手段を教示する、例えば、米国特許第５，５７３，８５０号及び同第５，６０１，７７５号を参照されたい。他の有用な化学薬品は、非排他的に、メタノール、エタノール、及び２－プロパノールなどのアルコール；シクロヘキサン及びトルエンなどの脂肪族及び芳香族炭化水素；ジクロロメタン及びトリクロロメタンなどの塩素系溶剤が挙げられる。繊維の洗浄はまた、他の任意の表面汚染物質を除去し、繊維と樹脂又は他のコーティング材料との間の更なる密接を可能にするであろう。

水で繊維をきれいにするために使用される好ましい手段は、使用される方法が、繊維表面積の５０．０％超を露出するために十分に仕上げを除去できなければならないことを必要とすることを除き、厳密に制限されることを意図しない。好ましい方法では、仕上げの除去は、繊維ウェブを加圧水ノズルに通過させて洗浄する（又はすすぐ）かつ／又は物理的に繊維から仕上げを除去することを含むプロセスによって達成される。繊維は、繊維を当該加圧水ノズルに通過させる前に任意追加的に水浴に予浸される、かつ／又は繊維を加圧水ノズルに通過させた後に浸漬されてもよく、また上述の任意の浸漬工程のいずれかの後に繊維を追加の加圧水ノズルに通過させることによって任意追加的にすすがれてもよい。洗浄した／浸漬した／すすいだ繊維はまた、好ましくは洗浄／浸漬／すすぎが完了した後に乾燥される。繊維を洗浄するために使用される装置及び手段は、布ではなく、すなわち不織繊維層／プライに織る又は形成する前に、個々のマルチフィラメント繊維／マルチフィラメント糸を洗浄することが可能でなければならないことを除き、限定することを意図するものではない。

布形成の前の繊維表面仕上げの除去は、本明細書では特に複数の一方向に整列した繊維を含む複数の繊維プライを圧密化することによって形成される不織布の製造を対象としている。不織の、一方向に整列した繊維プライを形成するための典型的なプロセスにおいて、繊維束は、クリールから供給され、ガイド及び１つ以上のスプレッダバーにより平行化櫛へと導かれ、続けて繊維をポリマー結合剤材料でコーティングする。あるいは、繊維を、スプレッダバーと接触する前にコーティングすることができ、又はコーティングセクションの前後のスプレッダバーの２つのセットの間でコーティングしてもよい。典型的な繊維束（例えば、糸）は、個々のフィラメントを約３０～約２，０００個々のフィラメント有することになり、各繊維は、典型的には個々のフィラメントを約１２０～約２４０含むが、これらに限定されない。スプレッダバー及び平行化櫛は、束にされた繊維を、分散し、広げ、平面配向の様式で隣り合わせに再編する。理想的な繊維の広がりは、個々の繊維、又は更には個々のフィラメントが、単一繊維平面に互いに隣り合って位置され、最小限の量の繊維が互いに重なりあって、実質的に一方向の平行な繊維の配列を形成することをもたらす。この広げる工程の前又は間に繊維表面仕上げを除去することは、繊維／フィラメントが相互作用する洗浄剤（例えば水）の物理的相互作用により、繊維のそのような平行配列への広がりを強化し加速し得る。繊維の広がり及び平行化の後で、そのような平行配列の繊維は、典型的には繊維の太さに応じて１インチあたり約３～１２繊維の縦の打ち込み本数繊維端（１ｃｍあたり１．２～４．７の縦の打ち込み本数）を含むだろう。したがって、繊維表面仕上げの除去は、繊維の広がりを強化し続けて繊維表面に適用される材料／吸着質の結合強度を改善するという二重の効果をもたらす。

繊維表面仕上げの除去は、単独で上記利点を得るが、更に大きな結果を、部分的な仕上げ除去の後に繊維表面上で結合促進処理を行うことによって得ることができる。特に、背面変形の低減は、繊維－繊維摩擦及び繊維－コーティング結合強度の増加に正比例することが見出された。布形成の前に結合促進処理によって繊維表面を処理又は改質することは、特に結合促進処理が繊維の洗浄と組み合わされて繊維仕上げを部分的に除去するとき、複合材料背面痕跡の低減に、更に大きな改善を得ることが見出された。このことは、ポリマー結合剤材料若しくは樹脂など、不織布の製造に従来使用されるポリマー結合剤材料若しくは樹脂など、又は布を製織し、繊維表面仕上げを部分的に除去した後に適用されるところの、コーティングが繊維表面上に適用されるとき、特に明らかである。繊維表面に対するコーティング（例えばポリマー／樹脂）の結合が強くなるほど、背面痕跡の低減が大きくなる。したがって、本開示の最も好ましい実施形態では、繊維表面仕上げの部分的な除去の後であるが、布形成の前に、続けて繊維表面に適用されるコーティング（例えば、ポリマー／樹脂）の吸着性／結合性を強化するのに有効な条件下で繊維表面処理を行うことが特に望ましい。繊維仕上げの初期除去により、これらの追加プロセスを、露出した繊維の表面に直接作用させ、かつ繊維表面仕上げの上面又は表面汚染物質の上面に直接作用させない。このことは、表面仕上げが、バリア又は汚染物質として作用して繊維の表面を処理する試みを妨げる傾向があるので、最も望ましい。したがって仕上げの除去はまた、その後の繊維表面処理の質及び均一性を改善する。仕上げ除去及びそのような更なる処理の効果は、累積的であり、背面痕跡性能の改善は、仕上げ除去の割合の増加とともに、またより高い処理の有効性とともに増加するはずである。しかしながら、これらの処理を剥き出しの繊維表面で直接実行するとき、繊維の引張特性を低下させる可能性がある。この点に関して、いくつかの残留仕上げの存在は、それらの保護特性と表面エネルギー増大の利点とのバランスを取りながら引張特性に対するそのような損失を最小にするのに役立つであろう。

この目的で、有用な処理又は改質は、繊維表面に続けて適用される吸着質の吸着性を強化するのに有効であるものを含み、吸着質は、ポリマー結合剤材料及び樹脂を含む任意の固体、液体、又は気体であってもよく、吸着は、繊維表面に材料を結合する任意の形態を含む。表面を粗面化する処理、表面に極性を付加する処理、繊維表面若しくは繊維表面部分を酸化させる処理、繊維の表面エネルギーを増大させる処理、繊維の接触角を低減する処理、繊維の湿潤性を増大させる処理、繊維表面の架橋密度を変更する処理、繊維表面に化学官能性を付加する処理、表面を除去する処理、又はコーティングの繊維表面への定着を改善するためにバルク繊維と繊維表面コーティングとの間の相互作用を改善する他の任意の手段を含み、これを達成し得る様々な手段が存在する。この改変された相互作用は、ＢＦＳの改善において容易に見ることができる。

好適な繊維表面処理又は表面改質は、繊維のコロナ処理、繊維のプラズマ処理、繊維のプラズマコーティング、フッ素元素による繊維表面の直接フッ素化、化学的ＵＶグラフト化などの化学処理、又はクロムエッチングなどの表面粗化処理のような当該技術分野において周知であり得るプロセスを含む。また、好適なのは、繊維表面仕上げの除去後であるが布形成の前に、露出され処理された繊維表面に吸着質が吸着する能力又は任意の材料が結合する能力を向上させる大がかりなアプリケーションのためのまだ開発されていない処理である。これらの例示のプロセスのそれぞれを、繊維の表面上でそれらの作用を通じて使用して、繊維の化学的性質に依存して、バルク繊維とその後のコーティング材料との間の相互作用を変更、改善又は低減させることができる。これらのプロセスの任意の組み合わせを使用することができ、また、繊維タイプ又は天然繊維の表面特性など様々な要因に依存する他のものより好ましいいくつかの配列が存在し得るが、これらのサブプロセスを異なる配列で配置することができる。上述のように、縮小指数及び一時的な変形：総縮小比について所望の範囲内に複合材料を置くために、本開示の様々な処理工程を、繊維を操作するためのレシピとして利用してもよい。

最も好ましい処理は、繊維表面のコロナ処理及び繊維表面のプラズマ処理である。コロナ処理は、繊維をコロナ放電ステーションに通し、それによって繊維ウェブを一連の高圧放電に通すプロセスであり、ピッティング、粗面化、及び繊維の表面を部分的に酸化させる目的での極性官能基の導入を含む様々な方法で繊維ウェブの表面に作用するのに役立つ。コロナ処理は、典型的には繊維表面を酸化させる、かつ／又は繊維表面に極性を付加する。コロナ処理はまた、焼いて繊維の表面に小さなピット又は孔を作ることによって作用する。繊維が酸化できるとき、酸化の範囲は、コロナ処理の電力、電圧、及び周波数などの要因に依存している。コロナ放電場内の滞留時間もまた要因であり、この滞留時間を、コロナ処理装置設計で、又はプロセスのライン速度で操作することができる。好適なコロナ処理ユニットは、例えば、Ｅｎｅｒｃｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｃｏｒｐ．，（Ｍｅｎｏｍｏｎｅｅ Ｆａｌｌｓ，Ｗｉｓ．）、Ｓｈｅｒｍａｎ Ｔｒｅａｔｅｒｓ Ｌｔｄ，（Ｔｈａｍｅ，Ｏｘｏｎ．，ＵＫ）、又はＳｏｆｔａｌ Ｃｏｒｏｎａ＆Ｐｌａｓｍａ ＧｍｂＨ＆Ｃｏ（Ｈａｍｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から入手可能である。

好ましい実施形態において、繊維は、約２ワット／ｆｔ^２／ＭＩＮ～約１００ワット／ｆｔ^２／ＭＩＮ、より好ましくは約２０ワット／ｆｔ^２／ＭＩＮ～約５０ワット／ｆｔ^２／ＭＩＮの本明細書でエネルギー束と呼ばれる単位時間あたりの単位面積あたりのコロナ処理エネルギーを受ける。約１ワット／ｆｔ^２／ＭＩＮ～約５ワット／ｆｔ^２／ＭＩＮの低いエネルギーのコロナ処理もまた有用、効果が少ない場合がある。繊維表面への電荷の印加に加えて、コロナ処理は、繊維の表面をピッティングすることによって表面を粗面化してもよい。

プラズマ処理では、繊維を、典型的には繊維ウェブとして、酸素、アルゴン、ヘリウム、アンモニアなどの不活性若しくは非不活性気体、又は上記気体の混合を含む別の適切な不活性若しくは非不活性気体で満たされたチャンバ内のイオン化雰囲気に通して、それによって繊維を放電に接触させる。繊維表面で、表面と荷電粒子（イオン）との衝突は、運動エネルギーの移動及び電子の交換の両方などという結果をもたらす。更に、表面と遊離基との間の衝突は、類似の化学的改変という結果をもたらすであろう。励起した原子及び分子のより低い状態への緩和によって放射される紫外線による繊維表面のボンバードはまた繊維基材に化学的変化を引き起こす。

これらの相互作用の結果として、プラズマ処理は、繊維の化学構造並びに繊維表面のトポグラフィーの両方を変更し得る。例えば、コロナ処理のように、プラズマ処理もまた、繊維表面に極性を付加しても、かつ／又は繊維表面部分を酸化させてもよい。プラズマ処理は、繊維の表面エネルギーを増大させ、接触角を低減し、繊維表面の架橋密度を変更し、その後のコーティングの融点及び質量固定を高めるように働いてもよく、また繊維表面に化学官能性を付加し、潜在的に繊維表面を除去し得る。これらの効果は、同様に繊維の化学的性質に依存し、また使用されるプラズマのタイプにも依存している。

異なるプラズマ気体によって、表面の化学構造が異なって変更されるので、所望の表面処理にとって気体の選択は重要である。そのようなことは、当業者によって決定される。例えば、アミン官能性がアンモニアプラズマを使用して繊維表面に導入され得る一方で、カルボキシル基及びヒドロキシル基は、酸素プラズマを使用して導入され得ることは周知である。したがって、反応雰囲気は、アルゴン、ヘリウム、酸素、窒素、アンモニア、及び／又は布のプラズマ処理に好適であると知られている他の気体のうちの１つ以上を含んでもよい。反応雰囲気は、原子、イオン、分子、又は遊離基の形態でこれらの気体のうちの１つ以上を含んでもよい。例えば、本開示の好ましい連続的なプロセスでは、繊維の配列を、好ましくは、アルゴン原子、酸素分子、アルゴンイオン、酸素イオン、酸素遊離基、並びに他の微量化学種を含む制御された反応雰囲気に通す。好ましい実施形態では、反応雰囲気は、アルゴン及び酸素の両方を、アルゴン約９０％～約９５％、及び酸素約５％～約１０％の濃度で含み、アルゴン／酸素の濃度９０／１０又は９５／５が好ましい。別の好ましい実施形態では、反応雰囲気は、ヘリウム及び酸素の両方を、ヘリウム約９０％～約９５％、及び酸素約５％～約１０％の濃度で含み、ヘリウム／酸素の濃度９０／１０又は９５／５が好ましい。他の有用な反応雰囲気は、ゼロガス雰囲気、すなわち、窒素約７９％、酸素約２０％、及び少量の他の気体を含む室内気であり、これはまた、コロナ処理にもある程度有用である。

プラズマ処理は、真空チャンバ内又は大気条件で維持されたチャンバ内で行われてもよい。プラズマ処理は、コロナ処理では反応雰囲気が空気であるのに対して、プラズマ処理が制御された、気体の反応雰囲気内で行われるという点で主にコロナ処理と異なる。プラズマ処理装置内の雰囲気は、容易に制御及び維持することができ、コロナ処理よりも、より制御可能かつ柔軟な方法で表面極性を得ることができるようになる。放電は、気体を、電子、イオン、遊離基、及びメタステーブル生成物に解離させる無線周波数（ＲＦ）エネルギーによるものである。プラズマで生じた電子及び遊離基は、繊維表面と衝突し、共有結合を破断させ、繊維表面に遊離基を生じさせる。バッチプロセスにおいて、所定の反応時間又は温度の後、処理気体及びＲＦエネルギーは、オフにされ、残りの気体及び他の副産物は除去される。本明細書で好ましい連続的なプロセスでは、繊維の配列を、選択した反応性気体の原子、分子、イオン、及び／又は遊離基、並びに他の微量化学種を含む制御された反応雰囲気に通す。反応雰囲気は、恒常的に生成され、補充され、定常状態の組成に達することが予想され、またコーティング機械が停止するまでは、オフにしない又は冷まさない。

プラズマ処理は、任意の有用な市販のプラズマ処理機械（例えば、Ｓｏｆｔａｌ Ｃｏｒｏｎａ＆Ｐｌａｓｍａ ＧｍｂＨ＆Ｃｏ（Ｈａｍｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ）；４^ｔｈ Ｓｔａｔｅ，Ｉｎｃ．（Ｂｅｌｍｏｎｔ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）；Ｐｌａｓｍａｔｒｅａｔ ＵＳ ＬＰ（Ｅｌｇｉｎ，Ｉｌｌｉｎｏｉｓ）；Ｅｎｅｒｃｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｒｅａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ（Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ，Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ）から入手可能なプラズマ処理機械など）を使用して実行され得る。好ましいプラズマ処理プロセスは、略室温（７０°Ｆ～７２°Ｆ）のチャンバ温度で、略大気圧、すなわち、１ａｔｍ（７６０ｍｍ Ｈｇ（７６０トル））にて行われる。プラズマチャンバ内の温度は、潜在的に処理プロセスのために変更する場合があるが、温度は、通常、処理中に独立して冷却又は加熱されず、及び繊維はプラズマ処理装置を迅速に通るので繊維の処理に影響するとは考えられない。プラズマ電極と繊維ウェブとの間の温度は、典型的には約１００℃である。プラズマ処理プロセスは、好ましくは約０．５ｋＷ～約３．５ｋＷ、より好ましくは約１．０ｋＷ～約３．０５ｋＷのＲＦ電力下で行われ、最も好ましくはプラズマ処理は、２．０ｋＷに設定された大気プラズマ処理装置を使用して行われる。この電力は、プラズマ処理領域の幅（又は電極の長さ）にわたって分配され、この電力はまた、基材又は繊維ウェブの長さにわたって、繊維ウェブをプラズマ処理装置の反応雰囲気に通すライン速度に反比例する速度で分配される。この単位時間当たりの単位面積当たりのエネルギー（１分当たりの１平方フィート当たりのワット、つまりＷ／ＳＱＦＴ／ＭＩＮ）、すなわち、エネルギー束は、処理レベルを比較するのに有用な方法である。プラズマ処理エネルギー束の実効値は、好ましくは約０．５～約２００ワット／ＳＱＦＴ／ＭＩＮ、より好ましくは約１～約１００ワット／ＳＱＦＴ／ＭＩＮ、更により好ましくは約１～約８０ワット／ＳＱＦＴ／ＭＩＮ、及び最も好ましくは約２～約４０ワット／ＳＱＦＴ／ＭＩＮである。総気体流量は、約１６リットル／分であるが、これは厳密に制限されることを意図しない。繊維のプラズマ処理時間（又は滞留時間）は、約２秒であるが、これは使用されるプラズマ処理装置の寸法に関連し、厳密に制限されることを意図しない。より適切な尺度は、時間を通じて単位面積当たりの繊維に適用されたＲＦ電力の観点からのプラズマ処理の量である。

プラズマコーティングは、繊維ウェブの表面を活性化し、活性化した繊維ウェブをビニルモノマー、ビニルオリゴマー、又はいくつかの他の反応種を含む雰囲気に通すこととして定義される。プラズマコーティングは、非常に特異的な化学官能性を繊維の表面に付加することができ、異なるポリマー性質を繊維の表面に付加することができる。直接フッ素化処理では、繊維表面は、フッ素元素による繊維の直接フッ素化によって改質される。例えば、繊維表面は、繊維表面と１０％Ｆ_２／９０％Ｈｅの混合物を２５℃で接触させて、当該表面上にフッ素元素を付着させることによってフッ素化され得る。繊維表面上に存在するフッ素元素は、その後に適用されるコーティング材料と結合するための官能基として機能する。また、例えば、参照により本明細書に援用され、フッ素元素、酸素元素、及び搬送気体の混合物を使用した繊維の直接フッ素化を教示する、米国特許第３，９８８，４９１号及び同第４，０２０，２２３号も参照されたい。ＵＶグラフト化もまた、当該技術分野において周知のプロセスである。弾道繊維表面のＵＶグラフト化の任意のプロセスでは、繊維（又は布）を、モノマー、光増感剤、及び溶媒の溶液に浸して、繊維／布表面をモノマー及び光増感剤で少なくとも部分的にコーティングする。当該技術分野において周知のように、コーティングされた繊維を次にＵＶ照射で照射する。モノマータイプ、光増感剤タイプ、及び溶媒タイプの特定の選択は、当業者の所望に応じて、かつ当業者によって容易に決定されるように変化することになる。例えば、本開示と一致する範囲でその開示が参照により本明細書に組み込まれる、標題「Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＵＨＭＷＰＥ ｆｉｂｅｒｓ ｖｉａ ＵＶ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｇｒａｆｔｉｎｇ」（Ｊｉｅｌｉａｎｇ Ｗａｎｇ，ｅｔ ａｌ．ｏｆ ｔｈｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００７２，ＰＲ Ｃｈｉｎａ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌｕｍｅ ２５３，Ｉｓｓｕｅ ２，１５ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００６，ｐａｇｅｓ ６６８～６７３）の論文で議論されるように、アクリルアミド基は、アクリルアミドグラフト化モノマーを介してＵＨＭＷＰＥポリマー鎖上にグラフト化され得る。

更に、本開示の繊維は、これらの任意の処理のうちの１つ又は複数で処理されてもよい。例えば、繊維は、クロムエッチングによる粗面化及びプラズマ処理の両方、又はコロナ処理及びプラズマ処理の両方、又はプラズマ処理及びプラズマコーティングの両方を行われてもよい。更に、本開示の複合材料及び布は、いくらかの処理された繊維及びいくらかの処理されない繊維を含んでもよい。例えば、本明細書の複合材料は、いくらかのコロナ処理された繊維及びいくらかのプラズマ処理された繊維、又はいくらかのフッ素化された繊維及びいくらかのフッ素化されない繊維から製造されてもよい。

これらの処理のそれぞれは、繊維表面仕上げの部分的な除去の後であるが任意の結合剤／マトリックス樹脂又は他の表面吸着質／コーティングの適用の前に行われることになる。整列した繊維ウェブをポリマー結合剤材料又は樹脂でコーティングする直前に、露出した繊維表面を処理することは、繊維製造プロセスにもたらす中断が最小限で済み、最短期間、繊維を改質されたかつ非保護の状態のままにすることになるので最も好ましい。繊維を繊維スプール（巻かれた繊維パッケージ）から解いて、繊維を繊維ウェブに整列させた直後に、繊維表面仕上げを除去し、露出した繊維表面を処理し、続けてただちに繊維をポリマー／樹脂コーティングでコーティングするか又は含浸させることが理想的である。これはまた、繊維の表面改質の貯蔵寿命又は減衰速度について考慮すべき事柄がある場合に、最短期間、繊維を処理されてコーティングされない状態のままにすることになる。

上述の値内で当該縮小挙動を有する上述のように処理された繊維複合材料（洗浄され処理された）は、劣った縮小挙動を有する複合材料に対して著しく低い背面痕跡を呈することが見出された。このことは、成分繊維が、防弾性能において本来他の繊維より優れているがポリマーコーティングに対する本来の親和性が低いポリエチレン繊維であるとき特に明らかである。上述のように、ポリエチレン繊維の表面を、それから形成されるポリエチレン系の布の製造の前に任意の処理の組み合わせで処理すると、アラミド繊維を含む任意の他の繊維タイプより比較的優れている構造特性、耐弾道貫通性及び耐背面痕跡性の組み合わせを得る。

この点に関して、本開示の繊維複合材料は、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 ＦＭＪ ＲＮ発射体で衝撃を受けたとき２．０ｐｓｆの面密度を有する複合材料について測定した約８ｍｍ未満の好ましい背面痕跡を有する。このことは、本開示の繊維複合材料又は物品全てが、２．０ｐｓｆの面密度を有するであろうというのではなく、また本開示の繊維複合材料又は物品全てが、当該速度でのそのようなＦＭＪ ＲＮ発射体に対して８ｍｍのＢＦＳを有するであろうというのでもない。そのようなことは、本開示のプロセスに従って製造された複合材料が２．０ｐｓｆパネルに製造されたとき、その２．０ｐｓｆパネルが当該速度でのそのようなＦＭＪ ＲＮ発射体に対して約８ｍｍ未満のＢＦＳを有するであろうことを特徴とすることを確認するのみである。本開示の好ましい実施形態では、本開示の繊維複合材料は、ＮＩＪ規格０１０１．０６の発射体の発射条件下で約４２７ｍ／ｓ～約４４５ｍ／ｓの速度で発射された１２４グレイン、９ｍｍのＦＭＪ発射体で衝撃を受けたとき、約７ｍｍ未満、より好ましくは約６ｍｍ未満、より好ましくは約５ｍｍ未満、より好ましくは約４ｍｍ未満、より好ましくは約３ｍｍ未満、より好ましくは約２ｍｍ未満のより好ましい背面痕跡を有し、また最も好ましくは約４２７ｍ／ｓ～約４４５ｍ／ｓの速度で発射された１２４グレイン、９ｍｍのＦＭＪ ＲＮ発射体（ベースを除き銅約９０％及び亜鉛１０％を含む弾丸）で衝撃を受けたとき、約１ｍｍ未満の背面痕跡を有する。約４２７ｍ／ｓ～約４４５ｍ／ｓの速度で発射された１２４グレイン、９ｍｍのＦＭＪ ＲＮ発射体に対してＢＦＳを試験することは、当該技術分野において一般的である。

これらのＢＦＳ値を実現する当該繊維複合材料はそれぞれ、複数の隣接した繊維層を含み、各繊維層は、少なくとも部分的にポリマー材料でカバーされている表面を有する繊維を含み、当該繊維は、繊維表面仕上げを５０．０％超～９９．０％含まず（露出した繊維表面積の割合によって測定される）、結果として当該ポリマー材料は、主に繊維表面に直接接しており、主に仕上げの上面にあるのではない。

これらのＢＦＳ値及び列挙した縮小特性の両方を実現する当該繊維複合材料はまた、好ましくは、少なくとも約１，７５０フィート／秒（ｆｐｓ）（５３３．４０ｍ／ｓ）、より好ましくは少なくとも約１，８００ｆｐｓ（５４８．６４ｍ／ｓ）、更により好ましくは少なくとも約１，８５０ｆｐｓ（５６３．８８ｍ／ｓ）、及び最も好ましくは少なくとも約１，９００ｆｐｓ（５７９．１２ｍ／ｓ）の１７グレイン破片模擬発射体（ＦＳＰ）に対してＶ_５０を呈する。上記Ｖ_５０値の全ては、約１．０ｌｂｓ／ｆｔ^２（ｐｓｆ）（４．８８ｋｇ／ｍ^２（ｋｓｍ））の複合材料面密度を有するアーマーパネル用である。上記ＢＦＳ値の全ては、約２．０ｌｂｓ／ｆｔ^２（ｐｓｆ）（７．９６ｋｇ／ｍ^２（ｋｓｍ））の複合材料面密度を有するアーマーパネル用である。ＢＦＳと同様に、これは、本開示の全ての繊維複合材料又は物品が特定の面密度を有するというのでも、本開示の全ての繊維複合材料又は物品が少なくとも約１，７５０フィート／秒の１７グレインＦＳＰに対してＶ_５０を有するというのでもない。そのようなことは、本開示のプロセスに従って製造された複合材料が１．０ｐｓｆパネルに製造されたとき、その１．０ｐｓｆパネルが少なくとも約１，７５０フィート／秒の１７グレインＦＳＰに対してＶ_５０を有するであろうことを特徴とすることを確認するのみである。Ｖ_５０試験に使用される方法は、当該技術分野において従来既知である。

本明細書で形成される繊維層及び複合材料は、好ましくは高強度、高引張弾性率の粘弾性ポリマー繊維から形成された防弾性複合材料である。最も好ましくは、繊維は、防弾性材料及び物品の形成に有用である高強度、高引張弾性率の粘弾性繊維を含む。本明細書で使用されるとき、「高強度、高引張弾性率の繊維」は、各々両方ＡＳＴＭ Ｄ２２５６によって測定された、少なくとも約７ｇ／デニール以上の好ましい靭性、少なくとも約１５０ｇ／デニール以上の好ましい引張弾性率、好ましくは少なくとも約８Ｊ／ｇ以上の破断エネルギーを有するものである。本明細書で使用されるとき、用語「デニール」は、繊維又は糸の９，０００メートル当たりのグラムにおける質量と等しい、線密度の単位を指す。本明細書で使用されるとき、用語「靭性」は、応力を受けていない試料の、線密度（デニール）単位当たりの力（グラム）として表現される、引張応力を指す。繊維の「初期弾性率」は、変形に対する抵抗を表す材料の特性である。用語「引張弾性率」は、歪みの変化に対するデニール当たりの重力グラム（ｇ／ｄ）で表され、元の繊維の長さ（インチ／インチ）の分数として表される、靭性の変化の比を指す。

繊維を形成するポリマーは、好ましくは防弾性複合材料／布の製造に好適な高強度、高引張弾性率繊維である。防弾性複合材料及び物品の形成に特に好適であるところの、特に好適な高強度、高引張弾性率の粘弾性繊維材料は、高密度及び低密度ポリエチレンを含むポリオレフィン繊維を含む。特に好ましいのは、伸びきり鎖ポリオレフィン繊維、例えば、高配向性の高分子量ポリエチレン繊維、特に超高分子量ポリエチレン繊維など、及びポリプロピレン繊維、特に超高分子量ポリプロピレン繊維である。また、好適なのは、粘弾性ポリアミド繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、ポリエチレンナフタレート繊維、伸びきり鎖ポリビニルアルコール繊維、伸びきり鎖ポリアクリロニトリル繊維、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）及びポリベンゾチアゾール（ＰＢＴ）繊維などのポリベンザゾ－ル繊維、並びに粘弾性液晶コポリエステル繊維である。アラミド繊維、ガラス繊維、炭素繊維などの非粘弾性繊維、及びＭ５（登録商標）繊維（ピリドビスイミダゾール－２，６－ジイル（２，５－ジヒドロキシ－ｐ－フェニレン）で形成され、Ｍａｇｅｌｌａｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（Ｒｉｃｈｍｏｎｄ，Ｖｉｒｇｉｎｉａ）により製造され、米国特許第５，６７４，９６９号、同第５，９３９，５５３号、同第５，９４５，５３７号、及び同第６，０４０，４７８号に記載されている）などの非粘弾性剛性ロッド繊維はまた、有用であり得るが、本明細書で所望される縮小性能を満たさない場合がある。上述の繊維タイプの全ては、当該技術分野で従来既知である。また、粘弾性ポリマー繊維を製造するために好適なのは、粘弾性コポリマー、粘弾性ブロックポリマー、及び上記の材料のブレンドである。また、好適なのは、上記の材料全ての組み合わせであり、それらの全てが市販されている。本明細書に用いるのに最も好ましい繊維タイプは、粘弾性ポリエチレン繊維、最も好ましくは超高分子量ポリエチレン繊維である。

ポリエチレンの場合、好ましい繊維は、少なくとも５００，０００、好ましくは少なくとも百万、及びより好ましくは２百万～５百万の分子量を有する、伸びきり鎖ポリエチレンである。かかる伸びきり鎖ポリエチレン（ＥＣＰＥ）繊維は、参照として本明細書に援用される、米国特許第４，１３７，３９４号又は同第４，３５６，１３８号に記載されているような溶液紡糸プロセスで成長され得るか、又は参照として本明細書に援用される、米国特許第４，５５１，２９６号及び同第５，００６，３９０号に記載されているようなゲル構造を形成するための溶液から紡績され得る。本開示で用いるのに特に好ましい繊維タイプは、ＳＰＥＣＴＲＡ（登録商標）の商標でＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．から販売されているポリエチレン繊維である。ＳＰＥＣＴＲＡ（登録商標）繊維は、当該技術分野において周知であり、例えば、米国特許第４，６２３，５４７号及び同第４，７４８，０６４号に記載されている。ポリエチレンに加えて、別の有用なポリオレフィン繊維タイプは、Ｍｉｌｌｉｋｅｎ ＆ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｐａｒｔａｎｂｕｒｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ）から市販されているＴＥＧＲＩＳ（登録商標）繊維などのポリプロピレン（繊維又はテープ）である。

本開示の実行のための好適なポリベンザゾ－ル繊維は、市販されており、例えば、各々が参照として本明細書に援用される、米国特許第５，２８６，８３３号、同第５，２９６，１８５号、同第５，３５６，５８４号、同第５，５３４，２０５号、及び同第６，０４０，０５０号に開示されている。本開示の実行のための好適な液晶コポリエステル繊維は、市販されており、例えば、各々が参照として本明細書に援用される、米国特許第３，９７５，４８７号、同第４，１１８，３７２号、及び同第４，１６１，４７０号に開示されている。好適なポリプロピレン繊維は、参照として本明細書に援用される米国特許第４，４１３，１１０号に記載のような、高配向性伸びきり鎖ポリプロピレン（ＥＣＰＰ）繊維が挙げられる。好適なポリビニルアルコール（ＰＶ－ＯＨ）繊維は、例えば、参照として本明細書に援用される米国特許第４，４４０，７１１号及び同第４，５９９，２６７号に記載されている。好適なポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維は、例えば、参照として本明細書に援用される米国特許第４，５３５，０２７号に開示されている。これらの繊維タイプの各々は、従来既知であり、広く市販されている。

繊維は、例えば、５０～約３，０００デニール、より好ましくは約２００～３，０００デニール、更により好ましくは約６５０～約２，０００デニール、及び最も好ましくは約８００～約１，５００デニールなどの任意の好適なデニールのものであってもよい。その選択は、弾道有効性及びコストの検討により左右される。より微細な繊維は、製造して織るのによりコストがかかるが、単位重量当たりより大きな弾道有効性を生じさせることができる。

前述のように、高強度、高引張弾性率の繊維は、各々ＡＳＴＭ Ｄ２２５６によって測定された、約７ｇ／デニール以上の好ましい靭性、約１５０ｇ／デニール以上の好ましい引張弾性率、及び約８Ｊ／ｇ以上の好ましい破断エネルギーを有するものである。本開示の好ましい実施形態において、繊維の靭性は、約１５ｇ／デニール以上、好ましくは約２０ｇ／デニール以上、より好ましくは約２５ｇ／デニール、更により好ましくは約２７ｇ／デニール以上、及び更により好ましくは約３０ｇ／デニール以上であるべきである。より好ましい実施形態では、繊維は、少なくとも３５ｇ／デニール、更により好ましくは約３７ｇ／デニール以上、更により好ましくは約４０ｇ／デニール以上、更により好ましくは約４５ｇ／デニール以上、更により好ましくは約５０ｇ／デニール以上、更により好ましくは約５５ｇ／デニール以上、及び最も好ましくは約６０ｇ／デニール以上の靭性を有する。好ましい繊維はまた、約３００ｇ／デニール以上、より好ましくは約４００ｇ／デニール以上、より好ましくは約５００ｇ／デニール以上、より好ましくは約１，０００ｇ／デニール以上、及び最も好ましくは約１，５００ｇ／デニール以上の好ましい引張弾性率も有する。好ましい繊維はまた、約１５Ｊ／ｇ以上、より好ましくは約２５Ｊ／ｇ以上、より好ましくは約３０Ｊ／ｇ以上の好ましい破断エネルギーを有し、最も好ましくは約４０Ｊ／ｇ以上の破断エネルギーを有する。これらの組み合わされた高強度特性は、周知のプロセスを使用することによって得られる。米国特許第４，４１３，１１０号、同第４，４４０，７１１号、同第４，５３５，０２７号、同第４，４５７，９８５号、同第４，６２３，５４７号、同第４，６５０，７１０号、同第４，７４８，０６４号、同第７，６３８，１９１号、同第７，７３６，５６１号、同第７，８４６，３６３号、同第８，３６１，３６６号、同第８，４４４，８９８号、及び同第８，７４７，７１５号は、概して好ましい高強度の伸びきり鎖ポリエチレン繊維の形成を考察する。溶液成長又はゲル繊維プロセスを含むそのような方法は、当該技術分野において周知である。パラアラミド繊維を含む、その他の好ましい繊維タイプのそれぞれを形成する方法もまた、当該技術分野で従来既知であり、繊維は市販されている。本開示の繊維複合材料はまた、好ましくは約１．７ｇ／ｃｍ^３以下の繊維面密度を有する繊維を含む。

所望されるように繊維表面から繊維表面仕上げの部分を除去した後で、また繊維表面が、続けて繊維表面に適用される吸着質の吸着性を強化するのに有効な条件下で任意追加的に処理された後で、吸着質は次に任意追加的に、繊維の少なくともいくつかのうちの少なくとも一部分に適用される。本明細書で使用されるとき、用語「吸着」（又は「吸着性」若しくは「吸着する」）は、繊維表面上の任意の材料（固体、液体、気体又はプラズマ）の物理吸着及び化学吸着の両方を広範に包含することを意図しており、「物理吸着」は、本明細書において繊維表面上の材料の物理的結合と定義されており、「化学吸着」は、本明細書において繊維表面上の材料の化学的結合と定義されており、化学反応は、露出した繊維（すなわち、吸着体）表面で発生する。用語「吸着」は、本明細書で使用されるとき、材料を基材表面に物理的又は化学的に装着する、付着する、又は結合する任意の可能な手段を含むことを意図しており、限定することなく、ポリマーマトリックスにおける繊維湿潤／繊維の接着を向上させるための手段を含む。これは、明示的に繊維表面上の任意の固体、液体、若しくは気体材料の接着又はコーティングを含み、モノマー、オリゴマー、ポリマー又は樹脂を含み、繊維表面への任意の有機物質又は無機物質の適用を含む。この点に関して、「吸着質」の定義はまた、限定することを意図するものではなく、ポリマー結合剤材料、樹脂、又は高分子マトリックス材料として有用な全てのポリマーを明示的に含む。しかしながら、本開示の目的では、有用な吸着質のクラスは、スピン仕上げ材料などの繊維表面仕上げ物質を含む結合特性を有しない材料を明示的に除外しており、それらは結合特性を有する結合剤材料ではなく、また逆に、本開示に従って繊維表面から特異的に除去される。

本開示の目的では、樹脂などの粘弾性ポリマー結合剤材料である吸着質の適用は、所望の縮小特性（すなわち、当該縮小指数及び一時的な変形：総縮小比）を有する複合材料を得るために必要とされる。したがって、本開示の織布又は不織布を形成する繊維は、ポリマー結合剤材料でコーティングされるか又はポリマー結合剤材料を含浸してもよい。ポリマー結合剤材料は、部分的に又は実質的にのどちらかで繊維層の個々の繊維をコーティングし、好ましくは各繊維層の個々の繊維のそれぞれを実質的にコーティングする。ポリマー結合剤材料はまた、一般に、「高分子マトリックス」材料として当該技術分野において周知であり、これらの用語は、本明細書では交換可能に使用される。これらの用語は、従来当該技術分野において周知であり、その固有の接着特性によって又は周知の加熱及び／若しくは圧力条件を受けた後のどちらかで繊維を結合する材料を説明する。そのような「高分子マトリックス」又は「ポリマー結合剤」材料はまた、摩耗抵抗及び有害な環境条件に対する抵抗などの他の望ましい特性を有する布を提供するので、例えば織布でなど、その結合特性が重要でないときでもそのような結合剤材料で繊維をコーティングすることが望ましい場合がある。

好適な粘弾性ポリマー結合剤材料は、低引張弾性率、すなわち熱可塑性エラストマー材料、及び高引張弾性率、すなわち剛性サーモプラスチック材料の両方を含む。本明細書の全体にわたり使用されるとき、引張弾性率という用語は、繊維用のＡＳＴＭ ２２５６及びポリマー結合剤材料用のＡＳＴＭ Ｄ６３８によって測定される弾性率を意味する。低又は高弾性率結合剤は、様々なポリマー及び非ポリマー材料を含んでもよい。本開示の目的として、低弾性率熱可塑性エラストマー材料は、ＡＳＴＭ Ｄ６３８試験手順に従って、約６，０００ｐｓｉ（４１．４ＭＰａ）以下で測定された引張弾性率を有する。典型的な低弾性率熱可塑性エラストマーは、約４，０００ｐｓｉ（２７．６ＭＰａ）以下、約２，４００ｐｓｉ（１６．５ＭＰａ）以下、約１，２００ｐｓｉ（８．２３ＭＰａ）以下、又は更には約５００ｐｓｉ（３．４５ＭＰａ）以下の引張弾性率を有する。エラストマーのガラス転移温度（Ｔｇ）は、典型的には約０℃未満、又は約－４０℃未満、又は約－５０℃未満である。低弾性率エラストマーは、少なくとも約５０％、少なくとも約１００％、又は少なくとも約３００％の破断伸度を有し得る。

例示の低弾性率熱可塑性エラストマーとしては、ポリブタジエン、ポリイソプレン、天然ゴム、エチレン－プロピレンコポリマー、エチレン－プロピレン－ジエンターポリマー、ポリスルフィドポリマー、ポリウレタンエラストマー、クロロスルホン化ポリエチレン、ポリクロロプレン、可塑化ポリ塩化ビニル、ブタジエンアクリロニトリルエラストマー、ポリ（イソブチレン－ｃｏ－イソプレン）、ポリアクリレート、ポリエステル、ポリエーテル、フルオロエラストマー、シリコーンエラストマー、エチレンのコポリマー、ポリアミド（いくつかの繊維タイプとともに使用するのに有用な）、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート、及びそれらの組み合わせ、並びに繊維の融点未満で硬化可能な他の低弾性率ポリマー及びコポリマー、並びにまた、異なるエラストマー材料のブレンド、又はエラストマー材料と１つ以上のサーモプラスチックのブレンドが挙げられる。

例示の低弾性率ポリマーとしてはまた、ブタジエン及びイソプレン共役ジエンエラストマー、並びにスチレン、ビニルトルエン及びｔ－ブチルスチレン共役芳香族モノマーを含む、共役ジエン及びビニル芳香族モノマーのブロックコポリマーも挙げられる。ポリイソプレンを組み込んだブロックコポリマーを、水素化して飽和炭化水素エラストマーのセグメントを有する熱可塑性エラストマーを製造してもよい。そのようなブロックコポリマーは、タイプＡ－Ｂ－Ａの単純な三元ブロックコポリマー、タイプ（ＡＢ）_ｎ（ｎ＝２～１０）の多元ブロックコポリマー、又はタイプＲ－（ＢＡ）_ｘ（ｘ＝３～１５０）の放射状に構成されたコポリマーであってもよく、式中、Ａが、ポリビニル芳香族モノマーからのブロックであり、Ｂが、共役ジエンエラストマーからのブロックである。これらのポリマーの多くは、Ｋｒａｔｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ（Ｈｏｕｓｔｏｎ，ＴＸ）により商用に生産され、公報「Ｋｒａｔｏｎ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ Ｒｕｂｂｅｒ」、ＳＣ－６８－８１に記載されており、ＫＲＡＴＯＮ（登録商標）ブランドのポリスチレン－ポリイソプレン－ポリスチレンブロックコポリマーなどの、Ｋｒａｔｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒｓにより商用に生産されたＫＲＡＴＯＮ（登録商標）の商標で市販されるスチレンブロックコポリマーを含む。また既知であるのは、Ｈｅｎｋｅｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（Ｄｕｓｓｅｌｄｏｒｆ，Ｇｅｒｍａｎｙを本拠地とする）よりＰＲＩＮＬＩＮ（登録商標）の商標で市販されている、スチレン－イソプレン－スチレン（ＳＩＳ）ブロックコポリマーの樹脂分散液である。

好適な高弾性率の硬質材料は、ヘルメットなどのハードアーマー物品を形成するのに特に有用であり、実質的に６，０００ｐｓｉ超のより高い初期引張弾性率を有する。既知の高弾性率の剛性ポリマー結合剤材料としては、ポリウレタン（エーテル及びエステル系の両方）、熱可塑性エポキシ、熱可塑性ポリアクリレート、熱可塑性フェノール系／ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）ポリマー、熱可塑性ビニルエステルポリマー、熱可塑性スチレン－ブタジエンブロックコポリマー、並びにポリマーの混合物が挙げられる。エポキシなどの上記の材料のいくつかはまた、本明細書において好適でない熱硬化性の種類も有する。ポリマー結合剤は、低弾性率材料か高弾性率材かにかかわらず、カーボンブラック若しくはシリカなどの充填材を含んでもよいか、油で増量されてもよいか、又は当該技術分野において公知であるように硫黄、過酸化物、金属酸化物若しくは放射線硬化系によって加硫されてもよい。

更に有用なのは、粘弾性極性樹脂又は粘弾性極性ポリマー、特に、約２，０００ｐｓｉ（１３．７９ＭＰａ）～約８，０００ｐｓｉ（５５．１６ＭＰａ）の範囲の引張弾性率で、軟質及び硬質材料の両方の範囲内の粘弾性ポリウレタンである。そのようなポリウレタンは、好ましくは、水性ポリウレタン分散液、好ましくは無共溶媒水性分散液として適用される。そのようなものとしては、水性アニオン性ポリウレタン分散液、水性カチオン性ポリウレタン分散液、及び水性非イオン性ポリウレタン分散液が挙げられる。特に有用なのは、水性脂肪族ポリウレタン分散液、特に無共溶媒水性アニオン性脂肪族ポリウレタン分散液である。そのようなものとしては、水性アニオン性ポリエステル系ポリウレタン分散液；水性脂肪族ポリエステル系ポリウレタン分散液；及び水性アニオン性、脂肪族ポリエステル系ポリウレタン分散液が挙げられ、それらの全ては、好ましくは無共溶媒分散液である。そのようなものとしてはまた、水性アニオン性ポリエーテルポリウレタン分散液；水性脂肪族ポリエーテル系ポリウレタン分散液；及び水性アニオン性、脂肪族ポリエーテル系ポリウレタン分散液も挙げられ、それらの全ては、好ましくは無共溶媒分散液である。また、有用なのは、水性カチオン性及び水性非イオン性分散液の対応する全ての変形（ポリエステル系；脂肪族ポリエステル系；ポリエーテル系；脂肪族ポリエーテル系など）である。最も好ましいポリウレタンは、約７００ｐｓｉ以上、７００ｐｓｉ～約３，０００ｐｓｉの範囲で１００％伸びでの引張弾性率を有する脂肪族ポリウレタンである。より好ましいのは、約１，０００ｐｓｉ以上の、及びより好ましくは約１，１００ｐｓｉ以上の１００％伸びでの弾性率を有する脂肪族ポリウレタンである。更により好ましいのは、１，０００ｐｓｉ以上、好ましくは１，１００ｐｓｉ以上の弾性率を有する脂肪族ポリエーテル系アニオン性ポリウレタンである。当該ポリウレタンの全ては、最も好ましくは分散液として適用される。

先述のとおり、低い弾性率であれ、高い弾性率であれ、好適な結合剤は、粘弾性ポリマーである。粘弾性は、変形を受ける際、粘着性及び弾性特質の両方を呈する材料の特性である。粘弾性材料は、負荷をかけ、次に取り除いたとき、エネルギーを消散させる。粘弾性結合剤の使用は、複合材料全体に向上した粘弾性を提供し、この粘弾性の性質は、複合材料を、特に発射体エネルギーを吸収及び消散するのに有効にし、かつ発射体を停止した後に縮小する能力を促進する。上記結合剤ポリマータイプの間で、最も好ましいのは、粘弾性であるもの、すなわち、粘着性及び弾性の両方の特質を有するものである。そのようなものとしては、上記エラストマーと特定されるポリマーの全てが挙げられる。

本開示の複合材料から形成された物品の剛性特性、衝撃特性、及び弾道特性は、繊維をコーティングするポリマー結合剤ポリマーの引張弾性率により影響を受ける。例えば、米国特許第４，６２３，５７４号は、引張弾性率約６，０００ｐｓｉ（４１，３００ｋＰａ）未満を有するエラストマー系マトリックスで構成した繊維強化複合材料が、より高い弾性率ポリマーで構成した複合材料、及びまたポリマー結合剤材料を使用しないで構成した同じ繊維の両方と比較して優れた弾道特性を有することを開示する。しかしながら、低引張弾性率ポリマー結合剤材料のポリマーはまた、より低い剛性複合材料も生じる。更に、特に複合材料が対弾道モード及び構造モードの両方で機能する必要がある特定の適用例において、優れた防弾性及び剛性の組み合わせが必要とされる。したがって、使用されるポリマー結合剤ポリマーの最も適切なタイプは、本開示の複合材料から形成される物品のタイプに応じて変わるだろう。両方の特性において妥協を得るために、好適なポリマー結合剤は、単一のポリマー結合剤を形成するために低弾性率及び高弾性率材料の両方を混ぜ合わせてもよい。

実際には、４００ＭＰａ以上の引張弾性率（すなわち、弾性係数）を有するエラストマー系、粘弾性ポリマー結合剤を使用することによって、耐弾道貫通性を犠牲にすることなく、背面変形に対する優れた抵抗、非常に少ないピーク変位に達するまでの時間、及び極めて優れた縮小指数（例えば、２３％超）を有する複合材料を得ることができることが予期せず見出された。この点に関して、特に好ましい高弾性率、粘弾性ポリマーは、本明細書と一致する範囲で、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第８，３５７，７６７号に記載されたポリウレタンである。

ポリマー結合剤材料を、同時又は連続的のどちらかで、繊維ウェブ（例えば、平行配列又はフェルト）として配置された複数の繊維に適用してコーティングされたウェブを形成し、織布に適用してコーティングされた織布、つまり別の配置として形成し、それにより繊維層に結合剤を含浸させてもよい。本明細書で使用されるとき、用語「を含浸させた」は、「に埋め込まれた」並びに「でコーティングされた」、ないしは結合剤材料が繊維層に拡散し、単に繊維層の表面の上にあるのではない別の方法でコーティングを施したと同じ意味である。ポリマー材料はまた、繊維ウェブの部分ではない少なくとも１つの繊維の配列の上に適用されてもよく、続けて繊維を織布に製織すること、又は続けて本明細書で前述した方法の後に不織布を配合することを行う。織及び不織繊維プライ、層、並びに布を形成する技術は、当該技術分野において周知である。

必須ではないが、織繊維層を形成する繊維は、少なくとも部分的にポリマー結合剤でコーティングされており、続けて不織繊維層で実施されたものと類似の圧密化工程を行う。そのような圧密化工程を行って複数の織繊維層を互いに融合するか、又は更に結合剤を当該織布の繊維と融合してもよい。例えば、複数の織繊維層は、必ずしも圧密化する必要はなく、従来の接着剤、又は縫製など他の手段によって結合されてもよい。

一般的に、ポリマー結合剤コーティングは、複数の不織繊維プライを効率よく融合する、すなわち、圧密化するために必要である。ポリマー結合剤材料は、個々の繊維の表面積全体の上に、又は繊維の部分的な表面積の上だけに適用されてもよい。最も好ましくは、ポリマー結合剤材料のコーティングは、本開示の繊維層を形成する個々の繊維それぞれの表面積の全てに実質的に適用される。繊維層が複数の糸を含む場合、糸の単一のストランドを形成する各繊維は、好ましくはポリマー結合剤材料でコーティングされている。

任意の適切な適用方法を利用して、ポリマー結合剤材料を適用してもよく、用語「コーティングされた」は、ポリマー結合剤材料をフィラメント／繊維の上に適用する方法を制限する意図はない。ポリマー結合剤材料は、当業者により容易に決定される任意の適切な方法を使用して繊維表面に直接適用され、次いで結合剤は、典型的には本明細書で説明したように繊維層の中に拡散する。例えば、ポリマー結合剤材料は、ポリマー材料の溶液をスプレー、押出し、又はロールコーティングし、続けて乾燥することによって、繊維表面の上に溶液、乳剤、又は分散液の形態で適用されてもよく、溶液の一部は、所望のポリマー（又は複数ポリマー）を含み、溶液の一部は、ポリマー（又は複数ポリマー）を溶解又は分散することができる溶媒を含む。あるいは、ポリマー結合剤材料は、スロットダイを通じてなど従来周知の技術を使用して、又はダイレクトグラビア、メイヤーロッド及びエアナイフシステムなどの当該技術分野において周知である他の技術を通じて、繊維の上に押し出されてもよい。別の方法は、結合剤材料の未希釈のポリマーを、液体、粘着性固体若しくは懸濁液中粒子として、又は流動床としてのいずれかで繊維の上に適用することである。あるいは、コーティングは、適用の温度で繊維の特性に悪影響を与えない好適な溶媒中の溶液、乳剤又は分散液として適用され得る。例えば、繊維を、ポリマー結合剤材料の溶液を通じて移送して、繊維を実質的にコーティングし、次に乾燥することができる。

別のコーティング技術では、繊維を、好適な溶媒中に溶解又は分散されたポリマー結合剤材料を含む溶液の浴に浸漬して、次に溶媒の蒸発又は揮発を通じて乾燥してもよい。この方法は、個々の繊維それぞれをポリマー材料で好ましくは少なくとも部分的にコーティングし、好ましくは個々の繊維のそれぞれを実質的にコーティング又は被包し、フィラメント／繊維表面積の全て又は実質的に全てをポリマー結合剤材料でカバーする。浸漬手順を必要に応じ数回繰り返して、繊維の上に所望の量のポリマー材料を配置してもよい。

適切な場合にゲル繊維前駆体のコーティングを含み、コーティングを繊維に適用するための他の技術、例えば所望のコーティングを実現するための条件下でゲル繊維を適切なコーティングポリマーの溶液に通すことなど、を使用してもよい。あるいは、繊維を、適切なポリマー粉末の流動床の中に押し出してもよい。

繊維表面仕上げの部分的な除去後に、及び繊維表面にその後適用される吸着質の吸着性を向上させる任意の表面処理の後に繊維をポリマー結合剤でコーティングすることが必要であるが、繊維を１つ以上のプライ／層に整列させる前若しくは後、又は繊維が織布に製織された前若しくは後のどちらかに繊維をポリマー結合剤でコーティングしてもよい。織布は、平織り、千鳥綾織り、バスケット織り、朱子織り、綾織りなどの、任意の布の織り方を使用する当該技術分野において公知である技術を使用して形成され得る。製織の前又は後のいずれかに、各織布材料の個々の繊維をポリマー結合剤材料でコーティングしてもよく、しなくてもよい。典型的には、布の製織は、繊維をポリマー結合剤でコーティングする前に実行され、それによって織布に結合剤を含浸させる。しかしながら、本開示は、ポリマー結合剤を繊維に適用する段階によっても、ポリマー結合剤を適用するのに使用される手段によっても限定することを意図しない。

不織布の製造のための方法は、当該技術分野において周知である。本明細書の好ましい実施形態では、複数の繊維は、少なくとも１つの配列に配置され、典型的には、実質的に平行な一方向の配列に整列された複数の繊維を含む繊維ウェブとして配置される。前述したように、不織の、一方向に整列した繊維プライを形成するための典型的なプロセスにおいて、繊維束は、クリールから供給され、ガイド及び１つ以上のスプレッダバーにより平行化櫛へと導かれ、続けて繊維をポリマー結合剤材料でコーティングする。典型的な繊維束は、個々の繊維を約３０～約２，０００有するであろう。スプレッダバー及び平行化櫛は、束にされた繊維を、分散し、広げ、平面配向の様式で隣り合わせに再編する。理想的な繊維の広がりは、個々のフィラメント又は個々の繊維が、単一繊維平面に互いに隣り合って位置され、繊維が互いに重なり合うことなく、実質的に一方向の平行な繊維の配列を形成することをもたらす。この時点で、この広げる工程の前又は間に繊維表面仕上げを除去することにより、繊維の広がりが進み加速し、そのような平行配列になり得る。

繊維を結合剤材料でコーティングした後、コーティングした繊維を、圧密化されて単一層のモノシリック要素になる複数の重なり合う、不織繊維プライを含む不織繊維層に形成する。本開示の好ましい不織布構造体では、複数の積み重ねられた、重なり合うユニテープが形成され、それぞれの単一プライ（ユニテープ）の平行な繊維は、各単一プライの長手の繊維方向に対してそれぞれ隣接する単一プライの平行な繊維と直角に位置付けられる。重なり合う不織繊維プライの積層体は、加熱及び加圧下で圧密化されて、又は個々の繊維プライのコーティングを付着することによって、単一層のモノシリック要素を形成し、これは当該技術分野において単一層の圧密化された網状物とも呼ばれ、「圧密化された網状物」は、繊維プライと高分子マトリックス／結合剤の圧密化された（融合した）組み合わせを説明する。本開示の物品はまた、織布及び不織布のハイブリッドの圧密化された組み合わせ、並びに一方向の繊維プライ及び不織フェルト布から形成された不織布の組み合わせを含んでよい。

最も典型的には、不織繊維層又は布は、１～約６プライを含むが、様々な適用例で所望される場合があるので約１０～約２０プライもの数を含んでもよい。プライ数が大きいほど、防弾性は高くなるが、重量も大きくなる。したがって、繊維層複合材料及び／若しくは布複合材料又は本開示の物品を形成する繊維プライの数は、布若しくは物品の最終的な使用に応じて異なる。例えば、軍事用途のボディーアーマーベストでは、所望される１．０ポンド毎平方フィート以下の面密度（４．９ｋｇ／ｍ^２）を実現する物品複合材料を形成するために、合計で約１００プライ（つまり層）～約５０の個々のプライ（つまり層）が必要になる場合があり、プライ／層は、本明細書に記載された高強度繊維から形成された織物、編物、フェルト、又は不織布（平行に配向された繊維又は他の配置による）であってもよい。別の実施形態では、警察が使用するボディーアーマーベストは、ＮＩＪ脅威レベルに基づいて多数のプライ／層を使用し得る。例えば、ＮＩＪ脅威レベルＩＩＩＡベストでは、合計で４０プライが存在し得る。より低いＮＩＪ脅威レベルでは、より少ないプライ／層が使用され得る。本開示は、他の既知の防弾性構造物と比較して布重量を増加させずに、より多数の繊維プライを組み込んで所望のレベルの弾道保護を実現することを可能にする。

当該技術分野において従来既知であるように、優れた防弾性は、１つのプライの繊維整列方向を別のプライの繊維整列方向に対して所定の角度で回転させるように個々の繊維プライがクロスプライされたときに実現される。最も好ましくは、繊維プライは、０度及び９０度の角度で直交してクロスプライされるが、隣接するプライは、別のプライの長手の繊維方向に対して実質上約０度～約９０度の任意の角度で整列することができる。例えば、５プライ不織構造は、０°／４５°／９０°／４５°／０°、又は他の角度で配向されたプライを有し得る。このような回転する一方向の整列は、例えば、米国特許第４，４５７，９８５号、同第４，７４８，０６４号、同第４，９１６，０００号、同第４，４０３，０１２号、同第４，６２３，５７４号、及び同第４，７３７，４０２号に記載されており、それらの全てを参考として引用し、本明細書と矛盾しない範囲で本明細書に組み込む。

繊維プライを圧密化して繊維層及び複合材料を形成する方法は、米国特許第６，６４２，１５９号に記載の方法など、周知である。圧密化は、乾燥、冷却、加熱、加圧又はそれらの組み合わせによって生じ得る。繊維又は布の層は、ウェットラミネーションプロセスの場合と同様に貼り合わせるだけでもよいので、加熱及び／又は加圧が必要でない場合がある。典型的には、圧密化は、プライを結合させて単体の布にするのに十分な加熱及び圧力の条件下で個々の繊維プライを互いの上に位置付けることによって行われる。圧密化は、約５０℃～約１７５℃、好ましくは約１０５℃～約１７５℃の範囲の温度、及び約５ｐｓｉｇ（０．０３４ＭＰａ）～約２，５００ｐｓｉｇ（１７ＭＰａ）の範囲の圧力で、約０．０１秒～約２４時間、好ましくは約．０２秒～約２時間の間に行われ得る。加熱時、ポリマー結合剤コーティングは、完全に融解しないで固着させる又は流動させることが可能である。しかしながら、一般にポリマー結合剤材料（融解可能なものである場合）を融解させる場合、複合材料を形成するのに比較的小さな圧力しか必要でない一方、結合剤材料を粘着点までしか加熱しない場合、より大きな圧力が典型的には必要とされる。当該技術分野において従来既知であるように、圧密化は、カレンダーセット、平台型ラミネータ、プレス、又はオートクレーブで行われてもよい。最も一般的には、複数の直交する繊維ウェブを、結合剤ポリマーとともに「接着」し、平台型ラミネータを通過させて結合の均一性及び強度を改善する。更に、圧密化及びポリマー適用／結合工程は、２つの別個の工程又は単一の圧密化／積層工程を含んでもよい。

あるいは、圧密化は、好適な成形装置内の加熱及び加圧下で成形することによって実現されてもよい。通常、成形は、約５０ｐｓｉ（３４４．７ｋＰａ）～約５，０００ｐｓｉ（３４，４７０ｋＰａ）、より好ましくは約１００ｐｓｉ（６８９．５ｋＰａ）～約３，０００ｐｓｉ（２０，６８０ｋＰａ）、最も好ましくは約１５０ｐｓｉ（１，０３４ｋＰａ）～約１，５００ｐｓｉ（１０，３４０ｋＰａ）の圧力で行われる。成形は、約５，０００ｐｓｉ（３４，４７０ｋＰａ）～１５，０００ｐｓｉ（１０３，４１０ｋＰａ）、より好ましくは約７５０ｐｓｉ（５，１７１ｋＰａ）～５，０００ｐｓｉ、及び、より好ましくは約１，０００ｐｓｉ～５，０００ｐｓｉの高圧で交互に行われてよい。成形工程は、約４秒～約４５分かかってもよい。好ましい成形温度は、約２００°Ｆ（～９３℃）～約３５０°Ｆ（～１７７℃）の範囲であり、より好ましくは約２００°Ｆ～約３００°Ｆの温度、及び最も好ましくは約２００°Ｆ～約２８０°Ｆの温度である。本開示の複合パネルが成形される圧力は、典型的には、結果として生じる成形製品の剛性又は可撓性に直接影響を与える。より高い圧力で成形すると、一般的に一定の限界までのより硬い材料を製造する。成形圧力に加えて、繊維プライ及びポリマー結合剤コーティングタイプの量、厚さ、及び組成はまた、複合材料から形成される物品の剛性に直接影響を与える。

本明細書に記載した成形及び圧密化技術のそれぞれは、類似しているが、各プロセスは異なる。特に、成形は、バッチプロセスであり、圧密化は、通常連続的なプロセスである。更に、成形は、典型的には成形型（ある形状にした成形型又は平面パネルを成形する際のマッチダイ（ｍａｔｃｈ－ｄｉｅ）型）の使用を伴い、必ずしも平面的製品をもたらさない。通常圧密化は、平台型ラミネータ、カレンダーニップセットで行われるか、又はウェットラミネーションとして行われてソフト（可撓性）ボディアーマーの布を製造する。成形は、典型的にはハードアーマー、例えば剛性プレートの製造のためのものである。いずれかのプロセスでは、好適な温度、圧力及び時間は、一般に、ポリマー結合剤コーティング材料のタイプ、ポリマー結合剤含有量、使用されるプロセス及び繊維のタイプに依存する。最も好ましくは、本明細書に記載したパネルは、高圧成形技術によって形成された成形パネルである。

十分な防弾性を有する複合材料物品を製造するために、結合剤／マトリックスコーティングの総重量は、好ましくは繊維の重量プラスコーティングの重量の約２重量％～約５０重量％、より好ましくは約５重量％～約３０重量％、より好ましくは約７重量％～約２０重量％、及び最も好ましくは約１１重量％～約１６重量％を含み、不織布では１６重量％が最も好ましい。織布では、より低い結合剤／マトリックス含量が適切であり、繊維の重量プラスコーティングの重量の０重量％超であるが１０重量％未満のポリマー結合剤含量が典型的には最も好ましい。これは、制限されることを意図しない。

繊維層の製織又は圧密化に続き、任意の熱可塑性ポリマー層が、従来の方法による繊維複合材料の外側表面の一方又は両方に取り付けられてもよい。熱可塑性ポリマー層に好適なポリマーとしては、非限定的に、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル（特にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、及びＰＥＴコポリマー）、ポリウレタン、ビニルポリマー、エチレンビニルアルコールコポリマー、エチレンオクタンコポリマー、アクリロニトリルコポリマー、アクリルポリマー、ビニルポリマー、ポリカーボネート、ポリスチレン、フルオロポリマーなど、並びにエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）及びエチレンアクリル酸を含むコポリマー並びにそれらの混合物からなる群から選択され得る、熱可塑性ポリマーを非限定的に含む。また有用なのは、天然及び合成ゴムのポリマーである。これらのうちで、ポリオレフィン及びポリアミド層が好ましい。好ましいポリオレフィンは、ポリエチレンである。有用なポリエチレンの非限定的な例としては、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、線状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、中密度ポリエチレン（ＭＤＰＥ）、線状中密度ポリエチレン（ＬＭＤＰＥ）、線状超低密度ポリエチレン（ＶＬＤＰＥ）、線状超低密度ポリエチレン（ＵＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、及びそれらのコポリマー及び混合物である。また、有用なのは、Ｓｐｕｎｆａｂ，Ｌｔｄ，Ｃｕｙａｈｏｇａ Ｆａｌｌｓ，Ｏｈｉｏ）から市販されているＳＰＵＮＦＡＢ（登録商標）ポリアミドウェブ（Ｋｅｕｃｈｅｌ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．に商標登録）、並びにＰｒｏｔｅｃｈｎｉｃ Ｓ．Ａ．（Ｃｅｒｎａｙ，Ｆｒａｎｃｅ）から市販されているＴＨＥＲＭＯＰＬＡＳＴ（商標）並びにＨＥＬＩＯＰＬＡＳＴ（商標）ウェブ、ネット、及びフィルムである。熱可塑性ポリマー層は、熱積層などの周知の技術を使用して複合材料表面に結合されてもよい。典型的には、積層は、層を結合させて単体のフィルムにするのに十分な加熱及び圧力の条件下で個々の層を互いの上に位置付けることによって行われる。個々の層は互いの上に位置付けられ、その組み合わせを次に典型的に当該技術分野において周知の手法によって一対の加熱した積層ローラーのニップに通す。積層加熱は、約９５℃～約１７５℃、好ましくは約１０５℃～約１７５℃の範囲の温度、約５ｐｓｉｇ（０．０３４ＭＰａ）～約１００ｐｓｉｇ（０．６９ＭＰａ）の範囲の圧力で、約５秒～約３６時間、好ましくは約３０秒～約２４時間の間に行われ得る。

個々の布／複合材料／繊維層の厚さは、個々の繊維の太さ及び布に組み込まれた繊維層の数に対応することになる。好ましい織布は、層ごとに約２５μｍ～約６００μｍ、より好ましくは層ごとに約５０μｍ～約３８５μｍ、及び最も好ましくは約７５μｍ～約２５５μｍの好ましい厚さを有するであろう。好ましい不織布、すなわち、不織、単一層、圧密化された網状物は、約１２μｍ～約６００μｍ、より好ましくは約５０μｍ～約３８５μｍ、及び最も好ましくは約７５μｍ～約２５５μｍの好ましい厚さを有することになり、単一層、圧密化された網状物は、典型的には２つの圧密化されたプライ（すなわち、２つのユニテープ）を含む。任意の熱可塑性ポリマー層は好ましくは非常に薄い約１μｍ～約２５０μｍ、より好ましくは約５μｍ～約２５μｍ、及び最も好ましくは約５μｍ～約９μｍの好ましい層厚を有する。ＳＰＵＮＦＡＢ（登録商標）不織布ウェブなどの不連続なウェブは、好ましくは６グラム毎平方メートル（ｇｓｍ）の坪量で適用される。かかる厚さが好ましいが、特定の必要性を満たすように他の厚さのものが製造されてもよいが、本開示の範囲内にあることが理解されるものである。

本開示の布／複合材料は、圧密化／成形前に約２０グラム／ｍ^２（０．００４ｌｂ／ｆｔ^２（ｐｓｆ））～約１，０００ｇｓｍ（０．２ｐｓｆ）の好ましい面密度を有するであろう。圧密化／成形前の本開示の布／複合材料に対するより好ましい面密度は、約３０ｇｓｍ（０．００６ｐｓｆ）～約５００ｇｓｍ（０．１ｐｓｆ）の範囲に及ぶであろう。本開示の布／複合材料に対する最も好ましい面密度は、圧密化／成形前に約５０ｇｓｍ（０．０１ｐｓｆ）～約２５０ｇｓｍ（０．０５ｐｓｆ）の範囲に及ぶであろう。互いの上に積み重ねられ、圧密化された複数の繊維層を含む本開示のパネル及び物品は、約１，０００ｇｓｍ（０．２ｐｓｆ）～約４０，０００ｇｓｍ（８．０ｐｓｆ）、より好ましくは約２，０００ｇｓｍ（０．４０ｐｓｆ）～約３０，０００ｇｓｍ（６．０ｐｓｆ）、より好ましくは約３，０００ｇｓｍ（０．６０ｐｓｆ）～約２０，０００ｇｓｍ（４．０ｐｓｆ）、更により好ましくは約３，７５０ｇｓｍ（０．７５ｐｓｆ）～約１５，０００ｇｓｍ（３．０ｐｓｆ）、及び最も好ましくは少なくとも約５，０００ｇｓｍ（１．０ｐｓｆ）～約１５，０００ｇｓｍ（３．０ｐｓｆ）の好ましい複合材料面密度を有する。ヘルメットに加工された複合材料物品の典型的な範囲は、約７，５００ｇｓｍ（１．５０ｐｓｆ）～約１２，５００ｇｓｍ（２．５０ｐｓｆ）である。

本開示の布を、様々な適用例で使用して、可撓性のソフトアーマー物品並びに剛性のハードアーマー物品を含む、周知の技術を使用した様々な異なる防弾性物品を形成することができる。例えば、防弾性物品を形成するための好適な技術は、例えば、米国特許第４，６２３，５７４号、同第４，６５０，７１０号、同第４，７４８，０６４号、同第５，５５２，２０８号、同第５，５８７，２３０号、同第６，６４２，１５９号、同第６，８４１，４９２号、及び同第６，８４６，７５８号に記載されており、それらの全てを参考として引用し、本明細書と矛盾しない範囲で本明細書に組み込む。複合材料は、ハードアーマー及びハードアーマー物品を製造するプロセスで形成される加工した又は未加工のサブアセンブリ中間体の形成に特に有用である。「ハード」アーマーとは、ヘルメット、軍用自動車用パネル、又は防護盾などの物品を意味し、十分な機械的強度を有し、結果として著しい量の応力を受けたときに、構造的剛性を維持し、かつ崩壊しないで自立することができる。そのようなハード物品は、好ましくは高引張弾性率結合剤材料を使用して形成されるが、限定されるものではない。

１７％超の縮小指数を呈し、少なくとも１．０ｌｂ／ｆｔ^２の面密度を有する本開示の物品は、高エネルギーライフル弾丸、すなわち、少なくとも１，５００ジュールの運動エネルギーレベルを有するライフル弾丸（レベルＩＩＩ弾丸）に打ち勝つ優れた能力を有することが見出された。そして、より大きな縮小指数値を有する複合材料は、更に大きなエネルギーのライフル弾丸を停止させることができる。２３％以上の縮小指数を有する複合材料は、例えば、４，０００ジュール超のエネルギーを有するライフル弾丸を停止させることができる。

１７％超の縮小指数に加え、最低限の背面変形で高エネルギー弾丸に打ち勝つことを可能にする本開示の複合材料の他の特質特性は、ＡＳＴＭ Ｄ２３３４により決定されているように樹脂含量２０重量％未満を有するパネルで４ｋｓｉ以上、好ましくは５ｋｓｉ以上のショートビームせん断強度、ＡＳＴＭ Ｅ１４３－１３により決定されているように約１ＭＰａ～約２ＭＰａの隣接する繊維プライ間の面内せん断強度、及び少なくとも５０ＭＰａの繊維表面と粘弾性結合剤材料との結合界面での有効せん断弾性率を含む。

以下の実施例は、本開示の新規かつ独創的な特徴を示すように働く。

実施例１（比較）
加熱及び成形圧力下で、独自のポリウレタン結合剤（ＳＣＭ）でコーティングされた市販のＳＰＥＣＴＲＡ（登録商標）超高分子量繊維の８８層を積み重ねることによって４０ｃｍ×４０ｃｍ試験パネルを成形した。この繊維を、結合剤でコーティングする前に、洗浄も、（例えば、コロナ又はプラズマ処理によって）表面エネルギーを増大させるための処理もしなかった。成形プロセスは、パネルの中間層に熱電対を挿入すること、及び材料の積層体を接触圧のみで２６０°Ｆで１０分間予熱すること、その後２６０°Ｆに維持された成形型の中で３０分間成形圧力３，０００ｐｓｉを加えていることを含んだ。３０分後、クールダウンサイクルを開始し、パネル中央部が１２０°Ｆに達した時点で成形パネルを成形型から引き出した。ＡＫ－４７（７．６２ｍｍ×３９ｍｍ、Ｌｅａｄ Ｃｏｒｅ弾丸）を使用して弾道試験を行った。各弾丸の重量は、８．１ｇであった。弾丸の初期速度は、約８３０±１０メートル／秒であった。各パネルを、いくつかのＣクランプを使用して鉄骨フレーム上に強固にクランプした。必要な照明とともにＦＡＳＴＣＡＭ－ＡＰＸ ＲＳ ２５０Ｋハイスピードビデオカメラを使用して、その結果、パネルの弾丸位置及びたわみを最小の陰影及び他の干渉で記録した。背景内の目盛り付きのパターンを使用してハイスピード画像を測定した。

第１の実施例について、成形したＳＣＭパネル上の衝撃を、１／１５３，０００秒のシャッター速度により、３６，０００フレーム毎秒でＦＡＳＴＣＡＭ－ＡＰＸ ＲＳ ２５０Ｋビデオカメラを使用してビデオ記録した。弾丸がＯｅｈｌｅｒ Ｍｏｄｅｌ５７赤外線スクリーンを使用したフィールドを通過したときに、トリガを開始した。他の３つのパネル上の衝撃は、３０，０００フレーム毎秒を使用して行われた。画像解析ソフトウェアＩｍａｇｅＪ（周知のオープンソース画像処理プログラム；Ｊａｖａ（登録商標）での画像処理及び解析用にＵ．Ｓ．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈにより開発された）を使用して抽出された、ビデオからの個々のフレームからの画像及びデータ解析を行った。次にＩｍａｇｅ ＴｏｏｌプラグインとともにＡｂｏｄｅ Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ７を使用してビデオフレームを解析した。フレーム内の背景内の目盛り付きのパターンを使用して画像の空間次元を測定した。フレームごとに広がった背面エンベロープのプロファイルを抽出し、将来の評価用にＥｘｃｅｌスプレッドシートにインポートした。

実施例２（比較）
加熱及び成形圧力下で、独自のポリウレタン結合剤でコーティングされた超高分子量ポリエチレン繊維のクロスプライした不織層を含む比較市販材料（ＣＣＭ）の１５５層を積み重ねることによって４０ｃｍ×４０ｃｍ試験パネルを成形した。この繊維を、結合剤でコーティングする前に、洗浄も、（例えば、コロナ又はプラズマ処理によって）表面エネルギーを増大させるための処理もしなかった。実施例１のように、成形プロセスは、パネルの中間層に熱電対を挿入すること、及び材料の積層体を接触圧のみで２６０°Ｆで１０分間予熱すること、その後２６０°Ｆに維持された成形型の中で３０分間成形圧力３，０００ｐｓｉを加えることを含む。３０分後、クールダウンサイクルを開始し、パネル中央部が１２０°Ｆに達した時点で成形パネルを成形型から引き出した。ＡＫ－４７（７．６２ｍｍ×３９ｍｍ、Ｌｅａｄ Ｃｏｒｅ弾丸）を使用して弾道試験を行った。ＦＡＳＴＣＡＭ－ＡＰＸ ＲＳ ２５０Ｋハイスピードビデオカメラを記録用に使用し、画像及びデータ解析を実施例１のように行った。

実施例３
加熱及び成形圧力下で、本明細書に開示される動的たわみ後術（ＤＤＴ）を使用して製造された超高靭性ＳＰＥＣＴＲＡ（登録商標）繊維の１３８層を積み重ねることによって４０ｃｍ×４０ｃｍ試験パネルを成形した。繊維を、洗浄して表面仕上げの９９．０％を除去し、次に独自のアニオン性、脂肪族ポリエステル系ポリウレタン結合剤の適用の前にプラズマ処理した。実施例１のように、成形プロセスは、パネルの中間層に熱電対を挿入すること、及び材料の積層体を接触圧のみで２６０°Ｆで１０分間予熱すること、その後２６０°Ｆに維持された成形型の中で３０分間成形圧力３，０００ｐｓｉを加えることを含んだ。３０分後、クールダウンサイクルを開始し、パネル中央部が１２０°Ｆに達した時点で成形パネルを成形型から引き出した。ＡＫ－４７（７．６２ｍｍ×３９ｍｍ、Ｌｅａｄ Ｃｏｒｅ）を使用して弾道試験を行った。ＦＡＳＴＣＡＭ－ＡＰＸ ＲＳ ２５０Ｋハイスピードビデオカメラを記録用に使用し、画像及びデータ解析を実施例１と同様に行った。

試験の結果は、図３に示され、ＣＣＭ及びＳＣＭパネルの両方と比較して低減したＤＤＴパネルのたわみを明確に示す。

本開示は、特に、好ましい実施形態を参照しながら示され説明されてきたが、本開示の趣旨及び範囲を逸脱することなく、様々な変更及び修正が為され得ることは、当業者によって容易に理解されるであろう。特許請求の範囲は、開示の実施形態、上述されているそれらの代替物、及びそれらの全ての等価物を網羅するように解釈されることを意図する。
本明細書は以下の発明の態様を包含する。
［１］
平坦な複合パネルの縮小指数を決定するプロセスであって、
ａ）圧密化された複数の繊維プライを含む平坦な複合パネルを準備することであって、前記繊維プライのそれぞれは、複数の繊維を含み、前記パネルは、前面及び裏面を有する、ことと、
ｂ）前記パネルの前記前面で発射体を発射することによって前記発射体が衝撃部位で前記パネルに衝撃を与えることであって、前記発射体の前記衝撃は前記衝撃部位における前記パネルのたわみを引き起こし、それによって陥没が前記パネルの前記前面に形成され、対応する裏側隆起が前記パネルの前記裏面から延在して形成され、前記平坦な複合パネルは前記発射体の動きを停止させ、前記裏側隆起は前記発射体が停止した後に部分的に縮小し、前記発射体が停止した後であるが前記縮小の開始する前に一時的なたわみをもたらし、前記部分的な縮小が終了した後に永続的なたわみをもたらす、ことと、
ｃ）前記裏面から前記一時的なたわみの距離を測定し、また前記裏面から前記永続的なたわみの距離を測定することと、
ｄ）前記一時的なたわみ距離を前記永続的なたわみ距離と比較する際に前記複合パネルの縮小の割合を決定することによって前記縮小指数を決定することと、を含む、プロセス。
［２］
工程ｂ）がビデオカメラで記録され、前記裏面からの前記一時的なたわみの前記距離及び前記裏面からの前記永続的なたわみの前記距離が、前記ビデオカメラ記録からフレームキャプチャを評価することによって測定される、［１］に記載のプロセス。
［３］
平坦な複合パネルの耐たわみ性を評価するためのプロセスであって、
ａ）圧密化された複数の繊維プライを含む平坦な複合パネルを準備することであって、前記繊維プライのそれぞれは、複数の繊維を含み、前記パネルは、前面及び裏面を有する、ことと、
ｂ）前記パネルの前記前面で発射体を発射することによって前記発射体が衝撃部位で前記パネルに衝撃を与えることであって、前記発射体の前記衝撃は前記衝撃部位における前記パネルのたわみを引き起こし、それによって陥没が前記パネルの前記前面に形成され、対応する裏側隆起が前記パネルの前記裏面から延在して形成され、前記平坦な複合パネルは前記発射体の動きを停止させ、前記裏側隆起は前記発射体が停止した後に部分的に縮小し、前記発射体が停止した後であるが前記縮小の開始する前に一時的なたわみをもたらし、前記部分的な縮小が終了した後に永続的なたわみをもたらす、ことと、
ｃ）前記裏面から前記一時的なたわみの距離を測定し、また前記裏面から前記永続的なたわみの距離を測定することと、
ｄ）前記一時的なたわみ距離を前記永続的なたわみ距離と比較する際に前記複合パネルの縮小の割合を決定することによって前記縮小指数を決定することと、
ｅ）少なくとも１つの追加の平坦な複合パネルを準備することであって、各追加パネルは、圧密化された複数の繊維プライを含み、前記繊維プライのそれぞれは、複数の繊維を含み、前記追加パネルのそれぞれは、前面及び裏面を有し、全てのパネルは、同じ面密度を有する、ことと、
ｆ）工程ｂ）～ｄ）を追加パネルごとに繰り返して、追加パネルごとに縮小指数を決定することと、
ｇ）パネルごとに決定された前記縮小指数を比較して、どのパネルが最高指数値を有するかを決定し、それによって、前記最高指数値を有する前記パネルを他の全てのパネルよりも優れているものとして識別することと、を含む、プロセス。
［４］
前記一時的なたわみ距離と前記永続的なたわみ距離との差に対する前記一時的なたわみ距離の比が、パネルごとに決定され、全ての前記パネルを比較して、最も低い比を決定する、［３］に記載のプロセス。
［５］
それぞれの工程ｂ）がビデオカメラで記録され、前記裏面からの前記一時的なたわみの前記距離及び前記裏面からの前記永続的なたわみの前記距離が、前記ビデオカメラ記録からフレームキャプチャを評価することによってパネルごとに測定される、［３］に記載のプロセス。
［６］
圧密化された複数の繊維プライを含む粘弾性の耐たわみ性繊維複合パネルであって、前記繊維プライのそれぞれは少なくとも３５ｇ／デニールの靭性を有する複数の繊維を含み、前記繊維は、繊維表面仕上げを、５０％を超えて含まない表面を有し、前記繊維複合材料の前記繊維は、粘弾性結合剤材料でコーティングされており、前記結合剤は、前記繊維表面に結合され、前記複合材料は、衝撃部位で前記パネルのたわみを引き起こすのに十分な運動エネルギーを有する発射体によって衝撃を受けるとき少なくとも１７％の縮小指数を有する、複合パネル。
［７］
前記複合材料が、少なくとも２３％の縮小指数を有する、［６］に記載の複合パネル。
［８］
前記パネルは、前記衝撃部位で前記パネルの前記たわみが、ピークたわみに達し、次に部分的に縮小するところの、縮小挙動を呈し、前記縮小の量に対する前記ピークたわみの比が６．０：１未満である、［６］に記載の複合パネル。
［９］
前記パネルが、ＡＳＴＭ Ｄ２３３４で決定するとき、２０重量％未満の結合剤含有量を有する複合材料に関して少なくとも４ｋｓｉのショートビームせん断強度を有する、［６］に記載の複合パネル。
［１０］
前記繊維表面と前記粘弾性結合剤材料との間の結合界面が、ＡＳＴＭ Ｅ１４３－１３で決定するとき、少なくとも５０ＭＰａの実効せん断弾性率を有する、［６］に記載の複合パネル。

Claims (9)

1. 圧密化された複数の不織繊維プライを含む粘弾性の平坦な耐たわみ性繊維複合材料パネルであって、前記不織繊維プライのそれぞれは少なくとも３５ｇ／デニールの靭性を有する複数の繊維を含み、前記繊維は、繊維表面仕上げを、５０％を超えて含まない表面を有し、前記繊維複合材料の前記繊維は、４００ＭＰａ以上の弾性係数を有する粘弾性ポリウレタンを含有する粘弾性結合剤材料でコーティングされており、前記結合剤は、前記繊維表面に結合され、前記繊維複合材料は、衝撃部位で前記パネルのたわみを引き起こすのに十分な運動エネルギーを有する発射体によって衝撃を受けるとき少なくとも１７％の縮小指数を有し、
   縮小指数が、
   平坦な複合材料パネルを準備することであって、前記平坦な複合材料パネルは、前面及び裏面を有する、ことと、
   前記パネルの前面で発射体を発射することによって前記発射体が衝撃部位で前記パネルに衝撃を与えることであって、前記発射体の前記衝撃は前記衝撃部位における前記パネルのたわみを引き起こし、それによって陥没が前記パネルの前記前面に形成され、対応する裏側隆起が前記パネルの裏面から延在して形成され、前記パネルは前記発射体の動きを停止させ、前記裏側隆起は前記発射体が停止した後に部分的に縮小し、前記発射体が停止した後であるが前記縮小の開始する前に一時的なたわみをもたらし、前記部分的な縮小が終了した後に永続的なたわみをもたらす、ことと、
   前記裏面からの前記一時的なたわみの距離と、前記裏面からの前記永続的なたわみの距離との間の差を測定することと、
   前記一時的なたわみ距離に対する縮小量のパーセンテージとして前記縮小指数を決定すること、ここで、縮小量は、前記裏面からの前記一時的なたわみの距離と、前記裏面からの前記永続的なたわみの距離との間の前記差である、と、を含む、プロセスによって決定される、繊維複合材料パネル。
2. 前記繊維複合材料が、少なくとも２３％の縮小指数を有する、請求項１に記載の繊維複合材料パネル。
3. 前記パネルは、前記衝撃部位で前記パネルの前記たわみが、ピークたわみに達し、次に部分的に縮小するところの、縮小挙動を呈し、前記縮小の量に対する前記ピークたわみの比が６．０：１未満である、請求項１又は２に記載の繊維複合材料パネル。
4. 前記パネルが、ＡＳＴＭ Ｄ２３３４で決定するとき、２０重量％未満の結合剤含有量を有する繊維複合材料に関して少なくとも４ｋｓｉのショートビームせん断強度を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の繊維複合材料パネル。
5. 前記繊維表面と前記粘弾性結合剤材料との間の結合界面が、ＡＳＴＭ Ｅ１４３－１３で決定するとき、少なくとも５０ＭＰａの実効せん断弾性率を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の繊維複合材料パネル。
6. 繊維が超高分子量ポリエチレン繊維である、請求項１～５のいずれか一項に記載の繊維複合材料パネル。
7. 繊維複合材料パネルが、約１ＭＰａ～約２ＭＰａの繊維プライ間の面内せん断強度を有する、請求項１～６のいずれかに記載の繊維複合材料パネル。
8. 少なくとも４．８８ｋｇ／ｍ ^２ の面密度を有し、少なくとも１，５００ジュールの運動エネルギーレベルを有するライフル弾丸の貫通を防ぐ能力を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の繊維複合材料パネル。
9. 発射する工程がビデオカメラで記録され、各複合材料パネルの前記裏面からの前記一時的なたわみの前記距離及び前記裏面からの前記永続的なたわみの前記距離が、前記ビデオカメラ記録からフレームキャプチャを評価することによって測定される、請求項１～８のいずれか一項に記載の繊維複合材料パネル。

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