MXPA05004717A

MXPA05004717A - Procedimiento para la manufactura de un articulo moldeado de resistencia balistica.

Info

Publication number: MXPA05004717A
Application number: MXPA05004717A
Authority: MX
Inventors: Jean Hubert Marie Beugels
Original assignee: Dsm Ip Assets Bv
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-08-03
Also published as: DK1575758T3; AU2008100825A4; CN1708392A; DK1724097T3; US20060051564A1; JP4585863B2; CN101592459B; IL168200A; JP2006504925A; KR100996025B1; KR101078983B1; EP1724097A2; BR0315860A; NL1021805C2; ATE394215T1; BR0315860B1; DE60308223T2; WO2004039565A1; DE60320875D1; AU2003279606B2

Abstract

La invencion se refiere a un procedimiento para la manufactura de un articulo moldeado de resistencia balistica en el cual se forma una pila de capas monomoleculares, cada capa monomolecular contiene fibras de refuerzo orientadas de manera unidireccional y no mas de 30% en masa de un material compuesto de matriz plastica, las fibras de refuerzo siendo fibras de polietileno muy estiradas, y con la direccion de fibra en cada capa monomolecular estando girada con respecto a la direccion de fibra en una capa monomolecular adyacente, posteriormente la pila se comprime a una presion de mas de 25 MPa y a una temperatura de entre 125 y 150¦C, y el material compuesto de matriz plastica teniendo un modulo al 100% de por lo menos 3 MPa.

Description

PROCEDIMIENTO PARA LA MANUFACTURA DE UN ARTICULO MOLDEADO DE RESISTENCIA BALISTICA MEMORIA DESCRIPTIVA La presente invención se refiere a un procedimiento para la manufactura de un artículo moldeado de resistencia balística en el cual se forma una pila de capas monomoleculares, cada capa monomolecular contiene fibras de refuerzo orientadas de manera unidireccional y no más de 30% en masa de un material compuesto de matriz plástica, las fibras de refuerzo siendo fibras de polietileno muy estiradas, y con la dirección de fibra en cada capa monomolecular estando girada con respecto a la dirección de fibra en una capa monomolecular adyacente, posteriormente la pila se comprime a una temperatura elevada a una presión dada. Tal procedimiento es conocido a partir de EP 0 833 742 A1 , EP 0 833 742 A1 describe un procedimiento para la manufactura de un artículo moldeado de resistencia balística en el cual una pila está elaborada de capas monomoleculares, cada capa monomolecular contiene fibras de refuerzo orientadas de manera unidireccional y no más de 30% en masa de un copolímero tribloque de estireno-isopreno-estireno, las fibras de refuerzo siendo fibras de polietileno muy estiradas y con la dirección de fibra en cada capa monomolecular estando girada con respecto a la dirección de fibra en una capa monomolecular adyacente, posteriormente la pila se comprime a una temperatura entre 115 y 125 °C y a una presión de no más de 16.5 MPa. Debido a que los paneles protectores balísticos o el equipo, a menudo se almacenan, o utilizan, a temperaturas arriba de las condiciones ambientales, por ejemplo cuando se aplican en vehículos, se debe garantizar la protección balística también a temperaturas elevadas. Una desventaja del procedimiento conocido es que la absorción de energía específica (SEA) para las balas para rifle, tal como AK47, SS109 ó 7.62 NATO Ball, de un artículo moldeado manufacturado mediante este procedimiento es significativamente menor a 80 °C que a temperatura ambiente, de manera que en muchos casos la protección proporcionada es inadecuada. La SEA se entiende a ser la absorción de energía por el impacto de una bala que choca con el artículo moldeado a una velocidad tal que la probabilidad de que el artículo moldeado detenga la bala, es de 50% (V50) dividida entre la densidad de área (masa por m2) del artículo moldeado. El objeto de la invención es proveer un procedimiento que provea artículos moldeados que no tengan la desventaja referida o que tengan la ventaja referida a un grado mucho menor. Este objetivo se logra por medio del material compuesto de matriz plástica que tiene un módulo de por lo menos 3 MPa y la pila siendo comprimida a una presión de más de 25 Mpa y a una temperatura de entre 125 y 150 °C. El procedimiento de conformidad con la invención se puede utilizar para la manufactura de artículos moldeados, los cuales tienen una absorción de energía específica a 80 °C a fin de que se proporcione una buena protección balística. En el campo de estructuras de resistencia balística en capas, la absorción de energía específica alta contra balas para AK47 generalmente se entiende que corresponde a una SEA de más de 100 Jm2/kg. La SEA del artículo moldeado manufacturado con el procedimiento de conformidad con la invención preferiblemente es mayor de 120 Jm2/kg y más preferiblemente mayor de 0 Jm2/kg. De aquí en adelante, las propiedades balísticas buenas se entenderán a ser en particular una SEA alta contra balas para rifle tal como AK47, SS109 y 7.62 NATO Ball. La ventaja de una SEA alta es que los fragmentos que tienen una velocidad se pueden detener mediante un artículo en capas que tiene una masa areal. La masa areal indica la masa por m2 de superficie del artículo, y también es referida como densidad areal. Una masa areal baja es muy importante para aumentar la seguridad de uso, lo cual junto con una protección buena es el principal objetivo cuando se desarrollan materiales nuevos en vestuario de resistencia balística. Una reducción en masa también es una ventaja en el caso de por ejemplo blindajes de helicópteros o vehículos. Dentro del contexto de la presente solicitud, capa monomolecular significa una capa de fibras de refuerzo sustancialmente paralelas intercaladas en un material compuesto de matriz plástica. El término material compuesto de matriz significa un material, el cual conserva las fibras juntas y el cual encapsula las fibras parcial o completamente. Tales capas monomoleculares (también llamadas como hojas preimpregnadas por un experto en la técnica) y los métodos para obtener dicha capa monomolecular se describen por ejemplo en EP 191 306 y WO 95/00318 A1. Una capa monomolecular se puede obtener orientando una pluralidad de fibras de manera coplanar y paralela en un plano, por ejemplo estirando un número de fibras o hilos a partir de un banco de bobinas de fibra sobre una carda, e impregnar las fibras con el material compuesto de matriz plástica en una forma conocida antes, durante o después de la orientación. En este procedimiento, se pueden utilizar fibras que se hayan revestido previamente con un polímero diferente al material compuesto de matriz plástica para, por ejemplo, proteger las fibras durante la manipulación o para obtener una mejor adhesión de las fibras sobre el plástico de la capa monomolecular. Preferiblemente, se utilizan fibras no revestidas. El material compuesto de matriz plástica en el procedimiento de conformidad con la invención tiene un módulo al 100% de por lo menos 3 MPa. Esto se entiende a ser un módulo secante medido de conformidad con ISO 527 a un esfuerzo de deformación de 100%. Los materiales compuestos de matriz adecuados incluyen materiales termoplásticos y termoestables. Preferiblemente, se aplican termoplásticos como material compuesto de matriz, y particularmente adecuados son aquellas matrices que se pueden aplicar como una dispersión en agua. Ejemplos de materiales poliméricos adecuados incluyen: acrilatos, poliuretanos, poliolefinas modificadas y etilenvinilacetato. Preferiblemente, el material compuesto de matriz contiene un poliuretano. Más preferiblemente, el poliuretano es un polieteruretano; que está basado en un polieterdiol, ya que provee un rendimiento bueno sobre una escala de temperatura amplia. En una modalidad especial, el poliuretano o polieteruretano está a base de un diisocianato alifático a medida que éste provee adicionalmente un rendimiento de producto, que incluye su estabilidad de color. El módulo al 100% del material compuesto de matriz plástica es de por lo menos 3 MPa. Preferiblemente el módulo al 100% es de por lo menos 5 MPa. El módulo al 100% generalmente es inferior de 500 MP. La impregnación de las fibras de refuerzo con el material compuesto de matriz plástica puede por ejemplo efectuarse aplicando una o más películas del plástico en la parte superior, inferior o en ambos lados del plano de las fibras y posteriormente pasar dichas películas, junto con las fibras a través de rodillos de presión calentados. Sin embargo, preferiblemente, las fibras, después de orientarse en forma paralela en un plano, son revestidas con una cantidad de una sustancia líquida que contiene el material compuesto de matriz plástica de la capa monomolecular. La ventaja de esto es que se obtiene una mejor impregnación y más rápida de la fibra. La sustancia líquida puede ser por ejemplo una solución o una dispersión o una fusión del plástico. Si se utiliza una solución o una dispersión del plástico en la manufactura de la capa monomolecular, el procedimiento también comprende evaporar el solvente o dispersante. En el procedimiento de conformidad con la invención, la pila se comprime a una presión de más de 25 MPa, en una máquina de moldeo por compresión o presión. Preferiblemente, la presión es de por lo menos 27, ó por lo menos 29 MPa ya que ésta aumenta adicionalmente el rendimiento del artículo moldeado. La temperatura durante la compresión es de entre 125 y 150 °C. Una temperatura elevada tiene la ventaja de que se puede reducir el tiempo de compresión, pero la temperatura no deberá exceder 150 °C, ésta permanece debajo de la escala de fusión de las fibras de polietileno. En una modalidad preferida, la pila que comprende preferiblemente un material compuesto de matriz plástica, se comprime durante por lo menos 60 minutos a una temperatura de entre 125 y 135 °C, o inclusive más preferido durante 20 minutos a una temperatura de entre 135 y 150 °C. Después de presionar a temperatura elevada, la pila se enfría antes de removerla de la prensa a una temperatura debajo de 100 °C, preferiblemente debajo de 80 °C, en una modalidad preferida, la pila se enfría mientras todavía está bajo presión, preferiblemente de por lo menos 5 MPa, más preferiblemente bajo la misma presión que en la etapa anterior de presionar. La dirección de la fibra en cada capa monomolecular en el artículo moldeado de resistencia balística preparado con el procedimiento de conformidad con la invención se gira con respecto a la dirección de fibra en una capa monomolecular adyacente. Se obtienen resultados buenos cuando esta rotación equivale a por lo menos 45 grados. Preferiblemente, está rotación equivale a aproximadamente 90 grados. Tal construcción es referida de aquí en adelante como a ser "en capas transversales". En la presente, la fibra de refuerzo significa un cuerpo alargado cuya dimensión de longitud es mayor que las dimensiones transversales de la anchura y grosor. El término fibra de refuerzo incluye un monofilamento, un hilo de multifilamentos, una cinta, una tira, una rosca, un hilo de fibra cortado y otros objetos alargados que tienen una sección transversal regular o irregular. Preferiblemente, las fibras de refuerzo contienen predominantemente fibras muy estiradas de polietileno lineal de masa molecular alta. Masa molecular alta se entiende a ser una masa molecular de por lo menos 400,000 g/moles. En la presente, el polietileno lineal se entiende a ser un polietileno con menos de una cadena lateral por 100 átomos de carbono y preferiblemente menos de una cadena lateral por 300 átomos de carbono; una cadena lateral, también llamada rama, contiene por lo menos 0 átomos de carbono. Adicionalmente, el polietileno puede contener hasta 5 % en moles de uno o más de otros alquenos los cuales son copolimerizables con el mismo, tal como propileno, butano, centeno, 4-metilpenteno, octeno. Preferiblemente, se hace uso de fibras de polietileno muy estiradas que comprenden filamentos preparados por un proceso de hilado como se describe por ejemplo en GB 2042414 A, GB 2051667 A, ó WO 01/73 73 A1. El procedimiento comprende esencialmente la preparación de una solución de una poliolefina de viscosidad intrínseca alta, enfriar los filamentos a una temperatura por debajo de la temperatura de gelatinización de manera que ocurre la gelatinización y estirar los filamentos antes, durante o después de retirar el solvente. La forma de la sección transversal de los filamentos se puede elegir a través de la selección de la forma de la abertura de hilado. Preferiblemente, la capa monomolecular contiene fibras de polietileno fuertes, con un denier por filamento (dpf) mayor que o igual a 0.5 dpf. Más preferiblemente, se hace uso de hilos de filamento de polietileno lineal de masa molecular ultra alta con una viscosidad intrínseca de por lo menos 5 dl/g, determinada en decalina a 135 °C, y un título del hilo de por lo menos 50 denier, dicho hilo tiene una resistencia a la tracción de por lo menos 35 cN/dtex y un módulo de tensión de por lo menos 1000 cN/dtex y con los filamentos teniendo un grado de aspecto de sección transversal de no más de 3. El uso de estas fibras se ha encontrado adicionalmente para mejorar el nivel de protección alto del artículo moldeado de resistencia balística manufacturado de conformidad con el procedimiento de la invención. En el procedimiento de conformidad con la invención la pila se puede elaborar en principio a partir de capas monomoleculares separadas. Sin embargo, las capas monomoleculares separadas son difíciles de manejar debido a que ellas se rompen fácilmente en la dirección de la fibra. Por lo tanto, se prefiere elaborar la pila a partir de paquetes de capas monomoleculares consolidadas que contienen de 2 a 8, como regla 2, 4 u 8, capas monomoleculares que se colocan en un ángulo con respecto a la dirección de fibra, por ejemplo, de manera seccional. El término consolidado significa que las capas monomoleculares están unidas firmemente entre sí. Estos paquetes de capas monomoleculares se pueden elaborar con diferentes métodos, por ejemplo calendarizar entre rodillos, o mediante moldeo por comprensión. Se obtuvieron resultados muy buenos si los paquetes de capas monomoleculares también se comprimen a una temperatura elevada, opcionalmente a una presión alta como con el procedimiento de conformidad con la invención, y subsecuentemente se enfrían bajo una presión alta; preferiblemente de por lo menos 5 MPa, aún más preferiblemente bajo la misma presión como durante la etapa previa. La invención también se refiere a un artículo moldeado de resistencia balística que comprende una pila de capas monomoleculares, cada capa monomolecular conteniendo fibras de refuerzo orientadas de manera unidireccional y no más de 30% en masa de un material compuesto de matriz plástica, las fibras de refuerzo son fibras de polietileno muy estiradas, y con la dirección de fibra en cada capa monomolecular estando girada con respecto a la dirección de fibra en una capa monomolecular adyacente, caracterizado en que el material compuesto de matriz plástica contiene poliuretano y el artículo moldeado tiene una SEA a 80 °C que es de por lo menos 100 J/(kg/m2).

Sorprendentemente se ha encontrado que los artículos moldeados de conformidad con la invención tienen humidificación acústica baja. La humidificación acústica de artículos moldeados con un grosor de 2 cm, medida a 0.5 MHz, es menor que 30 dB. Por lo tanto, la absorción por unidad de grosor es menor de 15 dB/cm. Como resultado, los artículos moldeados se pueden distinguir fácilmente de artículos moldeados de conformidad con el estado de la técnica.

EJEMPLOS l-XIH Materiales utilizados Un paquete de capas monomoleculares que consiste de dos capas monomoleculares dispuestas de manera transversal a un ángulo de 90 grados. Las fibras son fibras muy estiradas de polietileno lineal de masa molecular alta elaboradas de Dyneema® SK76 con una resistencia de aproximadamente 36 cN/dtex, un módulo de aproximadamente 180 cN/dtex y una finura de aproximadamente 2 denier por filamento con un grado de aspecto de sección transversal de aproximadamente 1. La capa monomolecular contiene 18% en masa de material compuesto de matriz que consiste de poliuretano de Baxenden Chemicals Ltd., cuyo poliuretano está basado en polieterdiol y diisocianato alifático, y se aplica como una dispersión acuosa. El módulo de esfuerzo de deformación al 100% de la matriz es de 8 MPa, medido en una película elaborada a partir de dispersión. La densidad areal del paquete de capas monomoleculares es de 130.5 g/m2 En el Cuadro 1 , tales materiales están indicados por HB25.

Procedimiento Ciclo de compresión corto: 144 de los paquetes de capas monomoleculares mencionados anteriormente se apilaron para producir un paquete en donde el paquete en su totalidad se precalentó en un horno durante 2.5 horas a una temperatura de 125 °C. Posteriormente, el paquete se comprimió durante 10 minutos en una prensa a la temperatura y presión dadas en el Cuadro 1. El paquete se enfrió subsecuentemente a una temperatura de 60 °C bajo la misma presión de compresión. Ciclo de compresión largo: 144 de los paquetes de capas monomoleculares mencionados anteriormente se apilaron para producir un paquete y subsecuentemente se comprimieron durante 65 minutos en una prensa a la temperatura y presión dadas en el Cuadro 1. El paquete se enfrió subsecuentemente a una temperatura de 60 °C bajo la misma presión de compresión.

Procedimientos de prueba El módulo del material compuesto de matriz se determinó de conformidad con ISO 527. El módulo al 100% se determinó en tiras de película con una longitud de 100 mm (longitud libre entre las abrazaderas) y una anchura de 24 mm. El módulo al 100% es el módulo secante medido entre esfuerzos de deformación de 0% a 100%. El V50 de los paneles se midió de conformidad con un procedimiento derivado de Stanag 2920. Los paneles se sujetaron con abrazaderas sobre un banco de acero y se dispararon, sin respaldo, con municiones para AK47 a 20 y 80 °C. Los paneles se acondicionaron a una temperatura controlada en un horno durante por lo menos 24 horas antes de la prueba. Inmediatamente antes de que inicie la prueba, el panel acondicionado que será disparado se tomó del horno y se unió al banco, sobre el cual tuvo lugar el disparo dentro de dos minutos. El método utilizado para la determinación de la humidificación acústica es una técnica de medición de transmisión de pulso (escala de frecuencia 0.5-10 MHz). La medición tuvo lugar a una frecuencia de 0.5 MHz. El panel utilizado para la determinación de la humidificación acústica tiene una densidad areal de aproximadamente 19 kg/cm2 y un grosor de aproximadamente 20 mm. Las muestras fueron tiras que tienen un ancho de aproximadamente 100 mm que se han cortado del (lado de) un panel. La transmisión se midió entre un transmisor y un receptor a una distancia de 10 cm en ambos lados de la muestra y se realizó el acoplamiento acústico por medio de un chorro de agua. El área de superficie total de las muestras se escaneo, después de lo cual se determinó el humidificación acústico.

Resultados El Cuadro 1 presenta los valores de 50 y los valores de SEA obtenidos como una función de la presión y temperatura de compresión. El tiempo de acondicionamiento a 80 °C fue de 24 horas, excepto par los Ejemplos IV y VIII (1 semana), y V (4 semanas). También se dieron los resultados de la humidificación acústica para algunos paneles.

ExDerimentos comparativos La presión descrita en los Ejemplos se repitió a una presión de compresión de menos de 25 MPa y a una temperatura de compresión de 125 °C. Los resultados de este Experimento Comparativo A se dan en el Cuadro 1. El procedimiento anterior se repitió para un paquete de capas monomoleculares que consiste de cuatro capas monomoleculares dispuestas de manera transversal a un ángulo de 90 grados. Las fibras son fibras muy estiradas de polietileno lineal de masa molecular alta elaboradas de Dyneema® SK76 con una resistencia de aproximadamente 36 cN/dtex, un módulo de 1 180 cN/dtex y una finura de 2 denier por filamento con un grado de aspecto de sección transversal de aproximadamente 1. La capa monomolecular contiene aproximadamente 18% en masa de material compuesto de matriz que consiste de Kraton®, aplicado a partir de una dispersión acuosa. Kraton es una composición de copolímero tribloque de estireno-isopreno-estireno. El módulo de esfuerzo de deformación al 100% de esta matriz es de 1.4 MPa. La densidad areal del paquete de capas monomoleculares es 265 g/m2 En el Cuadro 1 este material está indicado por HB2 para los Experimentos Comparativos B-D. La densidad areal de estas muestras fue de aproximadamente 19 Kg/m2, como para el resto. Los resultados muestran que la SEA a 80 °C contra AK47 de los artículos moldeados manufacturados de conformidad con el procedimiento de la invención siempre fue mayor de 100 J/(kg/m2).

CUADRO 1 Temperatura Tiempo de Tiempo de Presión de Ve» SEA Vso SEA Humidificación Material de acondicionamie compresión compresión 20 °C 20°C 80 °C 80 °C 0.5 MHz compresión nto a 80 °C minutos MPa °C m/s J/fkg/m') Días m/s J/(kg/m') dB/cm I HB25 10 30 125 833 148 1 776 128 14.9 II HB25 10 30 135 878 164 1 778 129 III HB25 10 30 140 836 1 9 1 817 142 IV HB25 10 30 140 780 129 7 776 128 V HB25 10 30 140 828 146 28 775 128 VI HB25 10 30 140 765 125 1 792 133 17.3 VII HB25 10 30 145 1 845 152 VIII HB25 10 30 145 7 826 145 IX HB25 65 30 125 813 141 1 773 127 X HB25 65 30 140 830 146 1 812 140 A HB25 10 16.5 125 743 1 17 1 605 78 25.5 B HB2 65 30 140 835 148 1 <618 <81 >40 c HB2 65 16.5 125 848 153 1 <631 <85 D HB2 10 16.5 125 807 139 1 <631 <85 >40

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1.- Un procedimiento para la manufactura de un artículo moldeado de resistencia balística, en el cual se forma una pila de capas monomoleculares, cada capa monomolecular contiene fibras de refuerzo orientadas de manera unidireccional y no más de 30% en masa de un material compuesto de matriz plástica, las fibras de refuerzo siendo fibras de polietileno muy estiradas, y con la dirección de fibra en cada capa monomolecular estando girada con respecto a la dirección de fibra en una capa monomolecular adyacente, posteriormente la pila se comprime a una temperatura elevada a una presión de compresión dada, caracterizado porque el material compuesto de matriz plástica tiene un módulo al 100% de por lo menos 3 MPa y la pila se comprime a una presión de más de 25 MPa y a una temperatura de ente 125 y 150 °C.

2. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el material compuesto de matriz plástica contiene poliuretano.

3. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la pila se comprime durante por lo menos 60 minutos a una temperatura de entre 125 y 135 °C.

4 - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la compresión tiene lugar durante 20 minutos a una temperatura de entre 135 y 150 °C.

5. - Un artículo moldeado de resistencia balística que comprende una pila de capas monomolecuiares, cada capa monomolecular contiene fibras de refuerzo orientadas de manera unidireccional y no más de 30% en masa de un material compuesto de matriz plástica, las fibras de refuerzo siendo fibras de polietileno muy estiradas, y con la dirección de fibra en cada capa monomolecular estando girada con respecto a la dirección de fibra en una capa monomolecular adyacente, caracterizado porque el material compuesto de matriz plástica contiene poliuretano y el artículo moldeado tiene una SEA a 80 °C contra balas para AK47 que es de por lo menos 100 J/(kg/m2).

6. - El artículo moldeado de resistencia balística de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque la humidificación acústica, medida a 0.5 MHz es de menos de 20 dB/cm.