NL8802114A

NL8802114A - Laminated helmet

Info

Publication number: NL8802114A
Application number: NL8802114A
Authority: NL
Original assignee: Stamicarbon
Priority date: 1988-08-27
Filing date: 1988-08-27
Publication date: 1990-03-16

Abstract

Helmet comprising continuous layers of film (foil) and fibres with a high tensile strength and modulus and a binder, which is produced by thermoforming (deep-drawing) and compression.

Description

GELAAGDE HELMLAYERED HELMET

De uitvinding betreft een gelaagde helm, in hoofdzaakbestaande uit een composiet van lagen vezelmateriaal dat vezels meteen hoge treksterkte en een hoge modulus bevat en een bindmiddel.The invention relates to a layered helmet mainly consisting of a composite of layers of fiber material which contains fibers with a high tensile strength and a high modulus and a binder.

Gelaagde helmen vinden op allerlei gebied toepassing, maarzijn in het bijzonder geschikt als ballistische helm, voor hetbeschermen van het hoofd tegen projectielen zoals kogels, gra¬naatscherven en dergelijke.Layered helmets find application in a wide variety of areas, but are particularly suitable as a ballistic helmet, for protecting the head against projectiles such as bullets, shrapnel and the like.

Een dergelijke gelaagde helm is bekend uit DE-A-2927653. Dezeaanvrage beschrijft ballistische structuren die worden vervaardigddoor het persen bij verhoogde temperatuur van een pakket van lagenvezelmateriaal en een thermoplastisch bindmiddel. Na het persen wordteen vaste structuur verkregen, waarin de lagen vezelmateriaal metelkaar zijn verbonden, maar waarin de vezels in de lagen vezelma¬teriaal niet volledig zijn gefixeerd. Hierdoor wordt een zeer goedeballistische weerstand van de structuur bereikt.Such a layered helmet is known from DE-A-2927653. This application describes ballistic structures manufactured by pressing at elevated temperature a package of layer fiber material and a thermoplastic binder. After pressing, a solid structure is obtained, in which the layers of fiber material are joined together, but in which the fibers in the layers of fiber material are not completely fixed. This achieves a very good ballistic resistance of the structure.

Wanneer sterk gekromde structuren, zoals bij helmen dienen te wordenvervaardigd, moeten de lagen vezelmateriaal van insnijdingen en/ofinkepingen worden voorzien, omdat anders bij het persen de vorming vankreukels optreedt. Kreukels leveren een verslechtering van de aanbliken de duurzaamheid van de helm en zijn bovendien nadelig voor deballistische eigenschappen. De insnijdingen of inkepingen uit hetvezelmateriaal maken het mogelijk de weefsels over de helmvorm te dra¬peren zonder vorming van kreuken. Indien het weefsel slechts ingesne¬den is, zullen dan overlappingen gemaakt moeten worden. Indien inke¬pingen gemaakt worden, worden deze zodanig vorm gegeven, dat geenoverlappingen ontstaan.When highly curved structures, such as helmets, are to be manufactured, the layers of fiber material must be cut and / or notched, otherwise wrinkling will occur during pressing. Creases cause deterioration of the appearance of the helmet and endanger the ballistic properties. The incisions or notches of the fiber material allow the fabrics to be draped over the helmet shape without creasing. If the tissue is only cut, overlaps will have to be made. If indentations are made, these are shaped in such a way that no overlaps occur.

Nadelen van het gebruik van lagen vezelmateriaal met inke¬pingen, ook wel "bloemvormen" genoemd, zijn dat het afvalpercentagebij het uitsnijden groot is (+45%) en dat het hanteren van vele lagen "bloemvormen", nodig voor een ballistische helm, lastig is*,Bovendienis de struktuur van de helm die wordt verkregen inhomogeen, vanwege deoverlapping van lagen vezelmateriaal, hetgeen van nadeel is voor deballistische weerstand.Disadvantages of using layers of fiber material with indentations, also called "flower shapes", are that the waste percentage during cutting is large (+ 45%) and that the handling of many layers of "flower shapes", necessary for a ballistic helmet, is difficult In addition, the structure of the helmet obtained is inhomogeneous, due to the overlapping of layers of fiber material, which is disadvantageous for ballistic resistance.

Het afvalpercentage bij het uitsnijden kan door toepassingvan zogenaamde "low waste" snijmethoden worden verkleind tot 10%,maar de overige hiervoor genoemde nadelen worden hierdoor nietverholpen.The waste percentage during cutting can be reduced to 10% by using so-called "low waste" cutting methods, but the other disadvantages mentioned above are not remedied.

Het doel van de uitvinding is het vinden van een gelaagdehelm met homogene struktuur, die kan worden vervaardigd op eenvoudigeen goedkope wijze.The object of the invention is to find a layered helmet with a homogeneous structure, which can be manufactured in a simple and inexpensive manner.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt door een pakketvan lagen vezelmateriaal te dieptrekken, voor of tijdens het persenvan de helm. Het dieptrekken geschiedt door met behulp van een stempeleen pakket met één of meer lagen vezelmateriaal in aanwezigheid vaneen bindmiddel in een matrijs in de vorm van een helm te drukken,waarbij op de matrijs een plooihouder is aangebracht. Doordat de lagenvezelmateriaal tussen de plooihouder en de matrijs zijn geklemd,ontstaat er in het vezelmateriaal tijdens het dieptrekken een spanningen door deze spanning nemen de lagen vezelmateriaal de vorm van dehelm aan zonder te plooien. Een plooihouder en het gebruik daarvan isbekend uit het tijdschrift: "Kunststoff & Rubber" 1987, nummer 2 blz.28 en 29.This object is achieved according to the invention by deep drawing a package of layers of fiber material, before or during the pressing of the helmet. Deep drawing is effected by pressing a package with one or more layers of fiber material in the presence of a binder into a mold in the form of a helmet, a pleat holder being arranged on the mold. Because the layers of fiber material are clamped between the pleat holder and the mold, there is a tension in the fiber material during deep drawing, because of this tension, the layers of fiber material take the form of the helmet without folding. A pleat holder and its use is known from the magazine: "Kunststoff & Rubber" 1987, number 2 pages 28 and 29.

Op bekende wijze wordt nu door persen en laten uitharden vanhet bindmiddel een vast geheel in de vorm van een helm gevormd. Metvoordeel wordt een plooihouder op de matrijs van de pers aangebracht,zodat persen en dieptrekken in één stap plaatsvinden. Er wordt volgensdeze methode een helm verkregen die wordt gekenmerkt door lagenvezelmateriaal die het gehele oppervlak van de helm bestrijken, zondervan insnijdingen te zijn voorzien.In a known manner, a solid unit in the form of a helmet is formed by pressing and allowing the binder to harden. Advantageously, a pleat holder is applied to the die of the press, so that pressing and deep drawing take place in one step. According to this method, a helmet is obtained which is characterized by a layer of fiber material covering the entire surface of the helmet, without being provided with cuts.

Volgens de uitvinding wordt aldus een zeer homogene helmverkregen, die is te vervaardigen met behulp van een eenvoudigemethode, die een laag afvalpercentage geeft, vanwege het ontbreken vansnijbewerkingen.According to the invention, a very homogeneous helmet is thus obtained, which can be manufactured using a simple method, which gives a low waste percentage, due to the absence of cutting operations.

Het pakket van lagen vezelmateriaal kan de vezels in verschillende vormen bevatten; zo kunnen de lagen bestaan uit bijvoor¬beeld vilt, breisel of weefsel, van belang is een goede vervorm-baarheid van de lagen. Zeer geschikt is bijvoorbeeld satijnweefsel.Wanneer een pakket van meerdere lagen breisel of weefsel wordt toege¬past, is de vezelrichting in alle lagen bij voorkeur in essentie het¬zelfde, daar het vezelpakket dan tijdens het dieptrekken het best ver¬vormbaar is. Een schematische weergave van de vervorming die optreedtdoor het dieptrekken van een weefsel is gegeven in figuur 1.The package of layers of fiber material can contain the fibers in various shapes; for example, the layers can consist of felt, knit or fabric, it is important that the layers have good deformability. Very suitable is, for example, satin fabric. When a multi-layer package of knitwear or fabric is used, the fiber direction in all layers is preferably essentially the same, since the fiber package is then most deformable during deep drawing. A schematic representation of the deformation that occurs through the deep drawing of a fabric is given in figure 1.

Zeer goede resultaten worden bij het dieptrekken verkregenwanneer de plooihouder zodanig is ingericht, dat op het vezelpakketeen grotere kracht wordt uitgeoefend in de richtingen waarin hetpakket goed vervormbaar is dan in de overige richtingen. Dit is bijeen weefsel bijvoorbeeld in de richting onder een hoek van 45n tenopzichte van de ketting en inslag garens.Very good results are obtained during deep drawing when the pleat holder is arranged such that a greater force is exerted on the fiber package in the directions in which the package is easily deformable than in the other directions. This is a woven fabric, for example, in the 45n angle relative to the warp and weft yarns.

Bij voorkeur wordt het pakket dat wordt diepgetrokken opge¬bouwd uit afwisselende lagen vezelmateriaal en lagen folie van ther¬moplastische kunststof en wordt het pakket na dieptrekken en persenbij verhoogde temperatuur afgekoeld zodat de thermoplastischekunststof als bindmiddel fungeert. Om de handelbaarheid van de com¬binatie van lagen folie en lagen vezelmateriaal te vergroten kan defolielaag op het vezelmateriaal worden gecacheerd. In de gelaagde helmvolgens de uitvinding kunnen de bekende vezelmaterialen met hogetreksterkte en hoge modulus worden toegepast, zoals vezels opgebouwduit poly-parafenyl terephtalamide (PPDT), polyetheen (PE), polyacry-lonitrile (PAN), polyvinylalkohol.Preferably, the package which is deep drawn is built up from alternating layers of fiber material and layers of thermoplastic plastic film and, after deep drawing and pressing, the package is cooled at an elevated temperature so that the thermoplastic plastic functions as a binder. In order to increase the manageability of the combination of layers of foil and layers of fiber material, the foil layer can be coated on the fiber material. In the layered helmet according to the invention, the known high tensile strength and high modulus fiber materials can be used, such as fibers composed of poly-paraphenyl terephthalamide (PPDT), polyethylene (PE), polyacrylonitrile (PAN), polyvinyl alcohol.

De hierboven genoemde vezelmaterialen hebben in het alge¬meen een treksterkte van tenminste 2 GPa en een modulus van tenminste20 GPa.The above-mentioned fiber materials generally have a tensile strength of at least 2 GPa and a modulus of at least 20 GPa.

In het bijzonder kan men bij de onderhavige uitvindingpolyetheen vezels toepassen die verkregen zijn door een oplossing vaneen polyetheen met een gewichtsgemiddeld molekuulgewicht van ten¬minste 6 * 10^ door thermoreversibele gelering om te zetten tot eenhomogeen polyetheengel met vrijwel dezelfde samenstelling als deuitgangsoplossing en deze gel te verstrekken met een verstrekgraad vantenminste 10, in het bijzonder tenminste 30.In particular, in the present invention, one can use polyethylene fibers obtained by converting a solution of a polyethylene having a weight average molecular weight of at least 6 * 10 ^ by converting thermoreversible gelation into a homogeneous polyethylene gel having substantially the same composition as the starting solution and draw with a draw ratio of at least 10, in particular at least 30.

De bereiding van dergetijke vezels is ondermeer beschreven inUS-A-4.344.908; US-A-4.422.993; US-A-4.430.383; US-A-4.411.854 enUS-A-4.436.689.The preparation of such fibers is described inter alia in US-A-4,344,908; US-A-4,422,993; US-A-4,430,383; US-A-4,411,854 and US-A-4,436,689.

Het bindmiddel kan zowel thermohardende als thermoplastischekunststof zijn. Voorbeelden van thermohardende kunststoffen die kunnenworden toegepast zijn gemodificeerde fenol-formaldehyde harsen, epoxy¬harsen of harsen van vinylesters of polyester. Bij voorkeur wordt eenthermoplastische kunststof in de composiet verwerkt, met name geschiktzijn polyolefinen, in het bijzonder polyetheen. Zeer geschikt is eenlineair lage dichtheid polyetheen (LLDPE) met een melt flow indexbepaald volgens ISO 1130 (A/4) van tenminste 5 dg/min en een Vicatverwerkingstemperatuur bepaald volgens ISO 306A kleiner dan 135bC.The binder can be either thermosetting or thermoplastic plastic. Examples of thermosetting plastics that can be used are modified phenol-formaldehyde resins, epoxy resins or vinyl esters or polyester resins. Preferably, a thermoplastic plastic is incorporated in the composite, in particular polyolefins, in particular polyethylene, are suitable. Very suitable is a linear low density polyethylene (LLDPE) with a melt flow index determined according to ISO 1130 (A / 4) of at least 5 dg / min and a Vicat processing temperature determined according to ISO 306A less than 135bC.

De hoeveelheid bindmiddel in het composiet bedraagt 5-50 gew.%, bijvoorkeur 15-25 gew.% t.o.v. het totaalgewicht van het composiet.The amount of binder in the composite is 5-50% by weight, preferably 15-25% by weight, relative to the total weight of the composite.

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van devolgende voorbeelden.The invention will be elucidated by means of the following examples.

Als maat voor de ballistische weerstand werd gekozen deV50-waarde voor projectielen van kaliber .22 parabellum bepaaldvolgens de methoden MIL-STD-662B/1971 en MIL-P-46593 C0RD)/1962 vanhet Amerikaanse leger.As a measure of ballistic resistance, the V50 value for caliber .22 parabellum projectiles determined by the methods of the United States Army, MIL-STD-662B / 1971 and MIL-P-46593 CODR / 1962, was chosen.

Voorbeeld:Example:

Een "medium si ze" gelaagde helm met als composiet polyetheenvezels met hoge sterkte en modulus en lineair lage dichtheidpolyetheen folie werd als volgt vervaardigd, met behulp vandiept rekken.A "medium sized" layered helmet with composite polyethylene fibers of high strength and modulus and linear low density polyethylene film was prepared as follows, using deep stretching.

Er wordt een vierkant pakket gevormd van 41 lagen satijrrweefsel van Dynee»aR polyetheen, diagonaal uitgesneden in formaat van43 x 43 cm, en 40 lagen vlakfolie van StamylexR 4408 folie.A square package is formed of 41 layers of Dynee »aR polyethylene satin weave, cut diagonally in 43 x 43 cm format, and 40 layers of StamylexR 4408 film.

DyneemaR en StamylexR zijn geregistreerde merknamen vanDSH. Het weefsel en de folie hebben de volgende eigenschappen:DyneemaR and StamylexR are registered brand names of DSH. The fabric and foil have the following properties:

Weefsel: Satijn, 4x4 keper 16 draden/cm ketting en inslag400 denier,gewicht 150 g/m2.Fabric: Satin, 4x4 twill 16 strands / cm warp and weft 400 denier, weight 150 g / m2.

StamylexR 4408: Meltindex (190,2.16): 40 dg/min E modulus 800 MPaStamylexR 4408: Melt index (190.2.16): 40 dg / min E modulus 800 MPa

Vicat verwerkingstemperatuur 115bCdikte folie 50 ym.Vicat processing temperature 115bC film thickness 50 ym.

De plooihouder bestaat uit een stalen plaat van 0.6 mm dikte,voorzien van opstaande ruggen. Nadat het pakket op de matrijs werdgelegd werd de plooihouder gemonteerd door gecontroleerd vastdraaienvan bouten.The pleat holder consists of a steel plate of 0.6 mm thickness, with raised ridges. After the package was placed on the mold, the pleat holder was mounted by controlled tightening of bolts.

Het pakket wordt diepgetrokken en geperst bij 125oc in eenBattenfeld BPM 2000 pers met een aluminium, olieverwarmde matrijs.The package is deep drawn and pressed at 125 ° C in a Battenfeld BPM 2000 press with an aluminum, oil heated die.

De zuigerdruk bedraagt 200 bar. Na het persen wordt de gevormde helmonder druk afgekoeld tot 60hc.The piston pressure is 200 bar. After pressing, the molded helmet is cooled under pressure to 60hc.

De verkregen helm heeft een zeer homogene structuur en eengewicht van 965 g. Het gewicht per oppervlak bedraagt 9.0 kg/m2. DeV50 bedraagt 604 m/s.The helmet obtained has a very homogeneous structure and a weight of 965 g. The weight per surface is 9.0 kg / m2. DeV50 is 604 m / s.

Claims

Layered helmet, mainly consisting of a composite of layer fiber material containing fibers of high tensile strength and high modulus and a binder, characterized in that the layer fiber material covers the entire surface of the helmet without being cut.

2. Layered helmet according to claim 1, characterized in that the binder is a thermoplastic plastic.

Layered helmet according to claim 2, characterized in that the binder is polyethylene and the fiber material consists of polyethylene fibers with a tensile strength of at least 2 GPa and a modulus of at least 20 GPa.

Layered helmet according to any one of claims 1-3, characterized in that the layers of fiber material consist of knit or fabric.

Layered helmet according to claim 4, characterized in that the layer fiber material consists of satin fabric.

6. A method of manufacturing a helmet according to any one of claims 1 to 5, wherein two or more layers of fiber material and a binder are pressed in the form of a helmet, characterized in that a package of the layers of fiber material is deep-drawn before or during pressing.

A method according to claim 6, characterized in that the package consists of layers of fabric or knit where the fiber direction is essentially the same in all layers of the package.

Method according to claim 7, characterized in that during deepening the package a greater force is exerted in the directions in which the package is deformable, than in the other directions.

Method according to any one of claims 6-8, characterized in that the package consists of alternating layers of fiber material and layer film of thermoplastic plastic.

10. Helmet as described and / or explained on the basis of the example.