NL8803219A

NL8803219A - Ballistische materialen.

Info

Publication number: NL8803219A
Application number: NL8803219A
Authority: NL
Original assignee: Owens Corning Fiberglass Corp
Priority date: 1987-07-27
Filing date: 1988-12-30
Publication date: 1990-07-16
Also published as: KR960007472B1; US4842923A; JPH07116308B2; ZA882993B; CA1286584C; DE3871122D1; IL86099A; EP0324803B1; AU1591788A; NL189203C; JPH02500035A; IL86099A0; KR890701977A; AU600630B2; WO1989001124A1; EP0324803A1; NL189203B

Description

'beschrijving.

BALLISTISCHE MATERIALEN

TECHNISCH TERREIN

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op glasvezelcomposiet-voorwerpen en meer in het bijzonder op glasvezelcomposiet-voorwerpen met ballistische bestendigheids-eigenschappen. Vooral heeft de onderhavige uitvinding betrekking op de vervaardiging van dikke, zelf dragende vezelcompo-sieten met ballistische bestendigheid, die toegepast kunnen worden als bekleding of als structurele bepantsering.

Zeer sterke vezels bevattende voorwerpen met ballistische bestendigheid voor toepassing als structurele elementen en panelen voor een groot aantal verschillende militaire uitrustingen zijn bekend. Tot nu toe is een van de meer succesvclle vezels een polyaramide en meer in het bijzonder poly(fenyleendiaminetereftaalamide). Dergelijke vezels, in weefselvorm, worden volgens hun gebruikelijke toepassing ingekapseld of ingebed in een composietvoorwerp van een thermohardende hars.

Wil een composiet geschikt zijn voor een zo ruim mogelijke toepassing wat betreft ballistische bestendigheids-doeleinden is het van belang, dat een dergelijke composiet beschikt over uitgebalanceerde belangrijke eigenschappen. Dergelijke toepassingen variëren van structurele bepantsering tot splintering onderdrukkende bekledingen. De eigenschappen omvatten vanzelfsprekend de juiste ballistische prestatie, dat wil zeggen dat de composiet op bevredigende wijze dient te functioneren als een ballistisch bepantseringsysteem. Andere vereiste eigenschappen zijn dat het materiaal stijf en zelfdragend is, met behulp van de machine kan worden bewerkt, tot dikke duurzame secties kan worden verwerkt, brandbestendig is, rookbestendig is, niet toxisch is, niet geleidend is en thermisch isolerend is. Een belangrijke eigenschap is dat de composiet gemakkelijk gesneden, bijgewerkt en geboord kan worden met behulp van eventueel Carbide of diamantboren. Composieten met dergelijke gewenste uitgebalanceerde eigenschappen kunnen niet gemakkelijk worden vervaardigd of ze zijn onvoldoende beschikbaar.

Bij een thans toegepast laminaat, of composiet, wordt gebruik gemaakt van polyaramide en een laminerende hars, die het geharde reactieprodukt is van een polyvinylbutyral, fenolformaldehyde, trimethylolfenol en ftaa1zuuranhydride. Dergelijke laminaten zijn toepasbaar voor bepantseringsdoel-einden en als bekleding tegen splinteren, waarbij echter ëën van hun belangrijkste gebreken is, dat ze niet gemakkelijk machinaal kunnen worden bewerkt en gemakkelijk beschadigd kunnen worden (gekrast, enz.). Dergelijke laminaten zijn in het algemeen bij een gegeven gewicht per vierkante centimeter erg dik en volumineus en zijn bovendien zeer onderhevig aan krom trekken. Deze eigenschappen leiden tot een verlies aan zeer waardevolle ruimte bij militaire toepassingen.

Het zal duidelijk zijn, dat in de techniek behoefte is aan composieten met uitgebalanceerde eigenschappen opdat zij geschikt zijn voor toepassing voor een groot aantal structurele bepantseringsdoeleinden en bekleding tegen splinteren, welke composieten worden vervaardigd uit materialen anders dan een polyaramide. Er is ook behoefte aan het verschaffen van composietmaterialen met ballistische bestendigheid, die gemakkelijker machinaal kunnen worden bewerkt en die goede water- en weersbestendigheidseigenschappen bezitten. Het zal voorts duidelijk zijn, dat er behoefte is aan composieten, die op gewichtsbasis verhoogde ballistische prestatie-eigenschappen hebben, dat wil zeggen dat er behoefte is aan materialen met verhoogde ballistische prestatie (V^q PBL) bij een gegeven oppervlaktedichtheid. Dergelijk type materialen met dit grote aantal noodzakelijke eigenschappen kan op betrouwbare wijze worden vervaardigd volgens de onderhavige uitvinding, welke bovendien bij een bepaald gewicht per oppervlakte-eenheid niet volumineus zijn en goede bestendigheid hebben tegen krom trekken en deformatie.

BESCHRIJVING VAN DE UITVINDING

Dienovereenkomstig gaat het volgens de uitvinding om ballistisch bestendige materialen, die bestand zijn tegen brand, rook, niet toxisch zijn, niet geleidend zijn, zelf dragend zijn en stijf zijn, machinaal kunnen worden bewerkt, dik en sterk zijn, zodat zij kunnen worden toegepast in structurele pantserdoeleinden en als ballistisch bestendige bekledingen. Een belangrijk aspect van deze composieten is dat zij een zeer gelijkmatige kwaliteit hebben en dat zelfs dikke gedeelten geen last hebben van de aanwezigheid van ingesloten bijprodukt water.

Dergelijke composieten kunnen worden vervaardigd volgens een werkwijze, waarbij eerst een gemakkelijk hanteerbare prepreg wordt gevormd. Deze prepreg wordt gevormd door coating of impregnering van een uitgebalanceerd symmetrisch weefsel met daarin zeer sterke magnesiumoxidealuminiumsili-caatglasvezels met een oplossing van een partiëel gecondenseerd, verder condenseerbaar laag-molecuulgewicht-fenolform-aldehyderesoolreactieprodukt en indamping van het oplosmiddel uit de oplossing. Het gecoate of geïmpregneerde weefsel wordt vervolgens verhit, doch niet aanzienlijk hoger dan zijn gel-punt, teneinde het resoolmolecuulgewicht te doen toenemen en daarbij het gemakkelijk hanteerbare prepreg te vormen. Prepreg lagen worden vervolgens gevormd door verhitting, in de eerste plaats tot een temperatuur niet noemenswaardig hoger dan het gelpunt van de hars en onder contactdruk, waarbij het op een temperatuur beneden een dergelijke contactdruk wordt gehouden, teneinde ervoor te zorgen, dat het bijprodukt water geleidelijk ontsnapt. Dan worden ze verhit tot verhoogde temperatuur en op die temperatuur gehouden voor het volledig polyconden-seren en harden van de hars. Een aantal platen van dergelijke prepregs wordt gevormd, waarbij composieten worden gevormd met een oppervlaktedichtheid groter dan tenminste ca. 12,2 kg per m2 (2,5 pound per vierkante voet). Zo hebben bijv. de gelamineerde composietpanelen, gevormd volgens de onderhavige uitvinding, met een dikte in de orde van grootte tot aan ca. 12,7 mm (è inch) met een oppervlaktedichtheid tussen ca. 22,0 kg per m2 (4,5 pound per vierkante voet) tot ca. 25,4 kg per m2 (5,2 pound per vierkante voet) een V^Q-waarde (beschermende ballistische grens) van meer dan ca. 827,5 meter per seconde (2.715 voet per seconde) tot aan 873 meter per seconde (2.865 voet per seconde) of zelfs hoger met (2,6 g staal 7,62 mm fragment- simulatieprojectielen). Deze waarden zijn significant hoger dan die uit het Amerikaanse octrooischrift 4.664.967.

BESTE WIJZE VAN UITVOERING VAN DE UITVINDING

Voor de praktijk van de onderhavige uitvinding kan men gebruik maken van conventionele inrichting en technieken, zowel voor de vorming van de prepreg als voor het compressie-persen tot het eindcomposietprodukt, Wanneer bijv. de prepreg wordt gevormd kan het weefsel van geïnterliniëerde zeer sterke magnesiumoxidealuminiumsilicaatglasvezels in een oplossing van de fenolformaldehydehars worden gedompeld, gevolgd door het doorleiden via tussenwalsen, waarna het oplosmiddel wordt ingedampt en een geregelde verdere condensatie-hittebehande-ling wordt meegegeven/ onder vorming van een hanteerbare prepreg. Compressiepersen van een aantal platen van het pre-pregmateriaal kan worden gerealiseerd onder gebruikmaking van iedere commercieel beschikbare Compressiepersinrichting.

Het aantal prepregplaten, dat aan compressiepersen wordt onderworpen, dient in het algemeen voldoende te zijn voor de vorming van een eindcomposietprodukt met een oppervlak tedichtheid van tenminste ca. 12,2 kg per m2 (2,5 pound per vierkante voet). Voor andere toepassingen , bijv. schip-board-type toepassingen zal het in het algemeen wenselijk zijn composieten te vormen met dichtheden boven ca. 36,6 kg per m2 (7,5 pound per vierkante voet) en typisch tussen ca. 36,6 kg/ m2 (7,5 pound per vierkante voet) tot ca. 41,5 kg/m2 (8,5 pound per vierkante voet). Op bevredigende wijze worden voertuig spl in tervoeringen vervaardigd onder gebruikmaking van een voldoende aantal platen, onder oplevering van oppervlaktedichtheid in een overmaat van ca. 19 kg/m2 (3,9 pound per vierkante voet) en typisch tussen ca. 19 kg/m2 (3,9 pound per vierkante voet en ca. 25,4 kg/m2 (5,2 poünd per vierkante voet). Gewoonlijk worden door toepassing van ca. 13 tot ca.

26 platen uitstekende produkten verkregen. Zo worden bijv. bij een glasgehalte in het eindprodukt in de orde van grootte van ca. 78 % tot ca. 84 % (per gewicht) uitstekende composieten verkregen. In het algemeen hebben de ballistische bestendig-heidspanelen volgens de uitvinding een dikte in de orde van grootte van tenminste ca. 6,4 mm (i inch) en kunnen zo dik zijn als 76,2 mm (3 inch) of meer. De buigsterkten van de gerede ballistische bestendigheidscomposieten volgens de uitvinding bedragen meer dan ca. 172.369 kilopascal (25.000 psi) terwijl 6 de buigmodulus in het algemeen meer dan ca. 27,6 x 10 kilo-> pascal (4.000.000 psi) bedraagt.

Zoals aangegeven wordt gebruik gemaakt van een uitgebalanceerd symmetrisch weefsel van geïnterliniëerde zeer sterke magnesiumoxidealuminiumsilicaatglasvezels. Onder uitgebalanceerde symmetrische weefsels van geïnterliniëerde vezels dienen te worden verstaan weefsels bestaande uit een samenstel van nagenoeg evenwijdige en loodrechte glasvezels van gelijk gewicht met gelijke ruimten daartussen. Voorkeursweefsels zijn die met een biaxiale symmetrie. Zo kan bijv. gebruik worden gemaakt van een (plus en minus 45) schroeflijnvormige filament-opgewonden glasmat, alsmede een aan elkaar gestikt glasvezelsamenstel, ofschoon de toepassing van een geweefd glasvoorspinsel de meeste voorkeur verdient. Het geweefde voorspinsel kan een vlakke weef of een keperweef zijn (bijv.

1 ï 3) of satijnweef of varianten ervan, die een uitgebalanceerde symmetrische structuur mogelijk maken. Het gewicht per oppervlakte-eenheid van het toegepaste weefsel bedraagt bij voorkeur tenminste ca. 18 tot 48 met een weefsel met een waarde van ca. 569 g per m2 (24 ounce per vierkante yard), onder oplevering van uitstekende resultaten. De geïnterlinieerde vezels van het glasweefsel hebben in het algemeen een breekpunt minder dan ca. 311 m/kg (750 yard per pound). Vezels met breekpunten in de orde van grootte van ca. 104 m/kg (250 yard per pound) leiden tot materialen van goede kwaliteit. In het algemeen verdient het de voorkeur gebruik te maken van vezels met een breekpunt boven ca. 41,5 m/kg (100 yard per pound) .

Monofilamentvezels die het weefsel of voorspinsel vormen, en die een diameter hebben van G of K, leiden tot zeer gewenste resultaten. Deze monofilamentvezels hebben diameters van ongeveer 15 micron of minder en in het algemeen tussen ca.

8 tot ca. 15 micron.

De hierbij gebruikte magnesiumoxidealuminiumsili-caatglasvezels zijn zeer sterke vezels en hebben typisch een 6 treksterkte van meer dan ca. 3,5 x 10 kilopascal (500.000 psi). Deze vezels bestaan grofweg voor ca. tweederde uit siliciumoxide en typisch in de orde van grootte van ca. 65 % siliciumoxide en voor eenderde uit magnesiumoxide en aluminiumoxide, waarbij aluminiumoxide in een grotere hoeveelheid aanwezig is dan het magnesiumoxide. Typisch bedraagt de hoeveelheid aluminiumoxide ca. 25 gew.% en het magnesiumoxide ca. 10 gew.% voor het verkrijgen van uitstekende resultaten. De beste resultaten worden verkregen wanneer de vezels een waterbestendige, stoot opvangende appretlaag hebben. Voorkeurs-appretlagen zijn die met daarin een op epoxy gebaseerde film-vormer en een epoxysilaankoppelingsmiddel, te samen met andere gebruikelijke materialen. Waterbestendigheid van de appretlaag kan worden getest onder gebruikmaking van een kokend-water-proef, waarbij vezelcomposieten gedurende ca. 2 uur worden ondergedompeld en vervolgens gedroogd. Vezels die tenminste ca. 80 % van hun oorspronkelijke buigsterkte behouden hebben een voldoende waterbestendigheid. (Zie ASTM-D570 en ASTM-D790 voor nadere bijzonderheden). Onder stoot opvangende appretlaag dient te worden verstaan een appret, dat tijdens het verwerken wanneer glasvezelbundels worden overgebracht in de vloeistofmatrixhars, de glasvezels grondig worden gedisper-geerd, maar eenmaal in de composietmatrix opgenomen de geappreteerde vezels een grenslaagafschuifsterkte of hechting hebben, zodanig dat filamenten en de bundels in de matrix los komen en uitgetrokken worden, hetgeen resulteert in compressie-af-schuifgebrek. De laatst genoemde aspecten kunnen worden geëvalueerd door middel van ASTM-D2344 (grensvlakafschuifsterktes , gemeten via korte-bundelafschuiftest) en ASTM-D695 (een compressietest door de composietdikte). Grensvlakafschuif-sterktes via de korte-bundeltest van minder dan 41.369 kilopascal (6.000 psi) zijn wenselijk met goede verkregen resultaten bij ca. 13.790 kilopascal (2.000 psi). De compressietest-waarden liggen bij voorkeur boven ca. 620.528 kilopascal (90.000 psi), bij voorkeur boven ca. 689.476 kilopascal (100.000 psi) met waarden van ca. 689.476-827-371 kilopascal (100.000-120.000 psi), waarbij goede resultaten worden verkregen.

De fenolformaldehydehars is een resoolfenolhars , die op zichzelf niet nieuw is. Dit type harsen werd in het verleden gebruikt voor de vorming van fenolhars-vezelcomposie-ten bij conventionele technieken, zoals het uitleggen met de ► hand, heet vormen, vacuum spuiten, filament opwinden, pul-trusie- of prepregtechnieken. Bevredigende resultaten worden verkregen door toepassing van harsen, waarbij de molaire reagensverhouding van formaldehyde tot fenol tussen 1 : 1 tot 3 : 1 ligt en bij voorkeur tussen 1 : 1 en ca. 2 : 1, waarbij de beste resultaten worden verkregen bij ca. 1,1 : 1 tot ca. 1,5 of 1,6 : 1. Boven de 3 : 1 verhouding kan de ballistische bestendigheid of stopvermogen bevredigend zijn, waarbij echter het beschadigingsgebied bij ballistische stoot toeneemt. Het beschadigingsgebied omvat zowel de composietdeforraatie en ge-localiseerde delaminering als plaatseparatie. Deze harsen zijn laag-moleculaire materialen, waarbij uitstekende resultaten worden verkregen onder gebruikmaking van harsen met gemiddelde molecuulgewichten in het gebied van ca. 200 tot ca. 800. De harsen zijn in de handel verkrijgbaar en worden aangeleverd in de vorm van oplosmiddeloplossingen. De beste resultaten zijn verkregen onder gebruikmaking van oplosmiddeloplossingen van de partieel gecondenseerde verder condenseerbare moleculaire fenolformaldehyderesool, waarbij de oplossingen naast vrij fenol ook vrij formaldehyde bevatten. De oplossingen kunnen ook vrij water bevatten. Typisch te gebruiken oplosmiddelen zijn ethylalcohol, isopropylalcohol en methylethylketon of combinaties ervan. Beste resultaten kunnen worden verkregen onder gebruikmaking van oplosmiddeloplossingen, die ca. 50-70 gew.% vaste stof, ca. 2 of 3 % tot ca. 16 of 17 gew.% vrij fenol en tussen ca. 0,1 tot ca. 2 gew.% vrij formaldehyde bevatten. Uitstekende resultaten werden verkregen onder gebruikmaking van vaste-stofgehaltes van ca. 60 tot 66 gew.%, van ca. 1 gew.% vrij formaldehyde en ca. 6 tot ca. 16 gew.% vrij fenol. De oplossingen., die de beste resultaten geven bevatten in de orde van grootte van 24 of 25 % hetzij ethylalcohol, hetzij isopropylalcohol, waarbij de laatste de voorkeur verdient, terwijl het vrije water minder dan ca. 10 % bedraagt. De viskositeiten van de oplossingen, die typisch werden gebruikt voor de vorming van de prepreg bedragen in de orde van grootte van ca. 100 tot ca. 400 centipoise.

Nadat eenmaal het weefsel van de geïnterliniëerde glasvezels is geïmpregneerd of bekleed met de resoolfenol-oplossing en het oplosmiddel is verdampt, wordt het materiaal verhit tot een temperatuur die niet veel hoger is dan het gel-punt van de hars en op die temperatuur gehouden gedurende voldoende tijd om zijn molecuulgewicht te doen toenemen en een prepreg te vormen, die na afkoeling tot kamertemperatuur gemakkelijk hanteerbaar is. Het zal de vakman vanzelfsprekend duidelijk zijn, dat de hanteerbaarheid deel uitmaakt van een groot aantal belangrijke eigenschappen, waaronder de juiste drapering, geschikte hechting en goede machineverwerkbaarheid. De hier gebezigde term gelpunt betekent dat stadium, waarbij de resoolfenolhars een tamelijk plotselinge en enigszins drastische toename van de viskositeit vertoont, in het algemeen de snelheid waarbij de viskositeit met de tijd en/of de temperatuur toeneemt. De gelpunten liggen in het algemeen tussen 135°C (275°F) tot ca. 143°C (290°F). De resoolfenol heeft na deze verhitting een verhoogd molecuulgewicht, doch nog in het algemeen beneden ca. 1.500, hetgeen de aanwezigheid van een significante hoeveelheid oligomeren aangeeft. Wanneer de verhitting achterwege blijft gedurende een voldoende tijdsperiode wordt er geen hanteerbare prepreg gevormd. Op typische wijze wordt het te klevering en zeer moeilijk verplaatsbaar. Overmatige verhitting veroorzaakt teveel polycondensatie op dit tijdstip en dit veroorzaakt op zijn beurt moeilijkheden wat betreft de consolidatie tijdens het vormen. Voorafgaande aan de boven genoemde verhitting van de hars heeft het gedeeltelijk gecondenseerde verder condenseerbare resool een reac-tiewarmte van ca. 100 tot ca. 250 Joules per gram. Voldoende verhitting resulteert in het algemeen in een hars met een verminderde reactiewarmte, bijv. voldoende voor het produceren van een verder condenseerbare hars met een reactiewarmte van ca. 10 tot ca. 90 Joules/gram. Alternatief kan worden gesteld dat wanneer het oplosmiddel eenmaal is ingedampt het resool-harsmateriaal gedurendeeen voldoende tijdsperiode wordt verhit zodat het gehalte aan vaste stoffen toeneemt en wordt gehouden in het traject van ca. 64 tot ca. 12 h.

Het zal duidelijk zijn, dat desgewenst diverse toevoegsels, katalysatoren of andere materialen aan de oplosmid-deloplossing kunnen worden toegevoegd teneinde de karakteristieke eigenschappen van het eindprodukt in gunstige zin te beïnvloeden of de snelheid, waarbij ze kunnen worden gevormd, te doen toenemen. Zo kunnen desgewenst zuren, zoals Lewiszuren worden toegevoegd, teneinde de hardingssnelheid te doen toenemen. Boorzuur en para-tolueensulfonzuur zijn in het bijzonder geschikt. Koolzwart kan voor diverse doeleinden worden toegevoegd. Naast het beïnvloeden van de algemene vloeiïngs-eigenschappen van het fenol is koolzwart bij lage concentraties, bijv. 1 tot 2 gew.%, wenselijk voor kleurdoeleinden. Tussen 1 en 5 gew.% verschaft koolzwart ook UV-bescherming en hogere percentages tot ca. 15 gew.% doen de elektrische geleiding toenemen, alsmede de ablatiewarmte van de ballistische bestendigheidscomposiet. Indien gebruikt wordt het koolzwart bij voorkeur toegepast in een hoeveelheid van ca. 2 tot 7 gew.% bij een deeltjesgroote in de orde van grootte van ca.

30 tot 70 millimicron.

Na afkoeling van het prepregmateriaal tot kamertemperatuur kunnen de prepregs worden bewaard of desgewenst onmiddellijk worden gebruikt voor de vorming van het eindprodukt. Het gerede produkt wordt verkregen door een aantal prepregs over te brengen in een compressiepers, gevolgd door controleerbare verhitting onder gecontroleerde druk, onder vorming van een eindprodukt, dat vrij is van opgesloten waterdamp. Verrassenderwijze is gebleken, dat door het volgen van de onderhavige maatregelen gemakkelijk een dikke resoolcompo-siet kan worden gevormd, bijv. een in de orde van grootte van tenminste ca, 6,35 mm (J inch) in dikte en zeer verrassenderwijze zelfs dikkere materialen, bijv. 12,7-76,2 mm (§ inch tot 3 inch) en zelfs dikker. Dit kan zeer verrassend zonder significante problemen met opgesloten water worden bereikt. Daarentegen zou de vervaardiging van dergelijke dikke voorwerpen onder toepassing van de bekende compressieperstechnieken niet mogelijk zijn. De bekende technieken omvatten in het algemeen verhitting van het materiaal en "bumpen" bij ca. 166-177°C

(330 tot 350°F). Bij de bekende technieken wordt de vorm gesloten, onder druk gezet en tot 166°C (330°F) verhit en vervolgens "gebumpt" door opening van de vorm, gevolgd door een eventuele herhaling van de cyclus, waarna de eindvorming plaatsvindt. Deze bumpingcycli van de stand der techniek zijn niet geschikt voor het nauwkeurig vrijmaken van het vochtige bijprodukt bij de vorming van dikke composieten.

Volgens de onderhavige uitvinding worden de pre-pregs verhit tot een temperatuur, die praktisch niet hoger is dan het gelpunt en onder contactdruk van de compressiepers, terwijl ze op die temperatuur en druk worden gehouden voor het consolideren en voor het mogelijk maken van het ontsnappen van vluchtige condensatieprodukten. Contactdruk betekent in hoofdzaak de druk, die inherent wordt uitgeoefend door de vorrn-apparatuur zonder positieve en krachtige samendrukking. Met een relatief grote compressiepersmachine kan deze contactdruk van ca. 207 kilopascal (30psi) of minder (bij geringere vorm-eenheden bedraagt de contactdruk in de orde van grootte van ca. 13,8 tot 20,6 kilopascal (2 tot 3 pound per vierkante inch).

Na verhitting onder deze contactdruk wordt de vormdruk vervolgens verhoogd en de temperatuur opgevoerd tot een hardings-temperatuur, bijv. 149 tot 177°C (340 tot 350°F). Het materiaal wordt vervolgens gedurende een voldoend lange periode onder die condities gehouden teneinde volledige polycondensa-tie te bewerkstellingen en het fenol-formaldehydereactiepro-dukt te harden tot een verknoopte structuur, onder vorming van ballistische bestendigheidspanelen (met inbegrip van rechte en gebogen vormen) met de boven aangegeven eigen schappen. Een verhittingscyclus kan bijv. bestaan uit het verhitten van de op elkaar gelegde platen van de prepreg onder contactdruk tot ca. 135°C (275°F) en het geheel gedurende ca. 7 minuten op die temperatuur te houden, waarna de druk kan worden opgevoerd en de temperatuur kan toenemen tot ca. 171 tot 177°C (340-350°F). De materialen worden dan op die temperatuur gehouden gedurende ca. 30 minuten en in het algemeen onder een druk van tenminste ca. 793 kilopascal (115 psi) en typisch in de orde van grootte van ca. 793 kilopascal (115 psi) tot 2.068 kilopascal( 300 psi). Hierna wordt het materiaal afgekoeld onder druk tot ca.

65,6°C (150°F), waarna de druk wordt opgeheven en het gerede materiaal tot kamertemperatuur wordt afgekoeld. Zoals boven aangegeven bedraagt de oppervlaktedichtheid van de gerede produkten tenminste ca. 12,2 kg/m2 (2,5 pound per vierkante ► voet) en liefst tenminste ca. 19,5 kg/m2 (4 pound per vierkante voet). Deze oppervlaktedichtheid wordt vanzelfsprekend verkregen door variëren van het aantal platen, die worden gebruikt voor het compressiepersen van het eindprodukt.

Ofschoon het boven gestelde de vakman de mogelijkheid biedt de onderhavige uitvinding na te werken en toe te passen, volgt hierna een meer specifiek voorbeeld.

VOORBEELD

Geweven voorspinsel, afkomstig van Owens-Coming Fiberglas Corporation onder de aanduiding S-2 glas, 250 AA463 5X5.12 PW (een vlak geweven weefselvoorspinsel, vervaardigd uit van appret voorziene magnesiumoxidealuminiumsilicaatglas-vezels van G-filamentdiameter) en in het algemeen met de volgende specificaties: een S-2 glas input-voorspinselbreek-punt van 104 meter per kilogram (250 yard per pound), een geweven gewicht van 569 g per m2 (24 ounce per vierkante yard) met een vlak geweven constructie van 1,9 kettingeinden per centimeter (5 kettingeinden per inch) en 2,0 inslageinden per centimeter (5,12 inslageinden per inch) werd gebruikt. De resoolfenoloplossing was die, welke commerciëel afkomstig was van de Borden Chemical Company met de aanduiding SC1008. Dit is een oplossing, die ca. 60 tot ca. 66 gew.% vaste stof en ca. 25 gew.% isopropylalcohol als oplosmiddel bevat. Vrij formaldehyde is in een hoeveelheid van ca. 1 % en vrij fenol van ca. 10-16 gew.% aanwezig. Het had een pH van ca. 8,0 en een viskositeit van ca. 180-300 centipoise. De SC-1-08 hars werd aangebracht en vervolgens overgebracht op het geweven voorspinsel door drukwalsen met een kneepafstelling van 22-26 mils. (Alternatief kan gebruik worden gemaakt van een afstrijkmestechniek) . Het oplosmiddel werd ingedampt en het geïmpregneerde geweven weefsel werd verhit tot en gehouden op een temperatuur van ca. 121-135°C (250-275°F) gedurende 10-12 minuten. De reactiewarmte van het fenolformaldehyde was ca.

50 Joule per gram bij 68 % vaste stof. Na afkoeling werden de prepregs onderworden aan compressiepersen, onder gebruikmaking van de gebruikelijke pellaagmaterialen. De inrichting van de compressiepers kan ook worden behandeld met een loslaatmate-riaal teneinde het plakken tot een minimum te beperken. Zesentwintig lagen prepreg werden aangebracht in een vooraf verhitte pers, waarbij de lagen een zodanige dikte hadden, dat een eindprodukt werd verkregen met een dikte van ca. 12,7 mm (è inch).

De compressiepers werd gesloten, echter zonder een hoge druk op de pers uit te oefenen, terwijl, slechts de contactdruk van de persinrichting tot de druk bijdroeg. Dit was in de orde van grootte van ca. 34,5 kilopascal (5 pound per vierkante inch). De pers had een temperatuur van ca.

135°C (275°F), terwijl de prepregplaten gedurende ca. 7 minuten op die temperatuur werden gehouden. Er werd gebruik gemaakt van een thermokoppel voor het bepalen van de warmteoverdracht en voor het verzekeren dat praktisch de gehele massa van prepreg een temperatuur van 135°C (275°F) had bereikt bij een interval van 7 minuten. Na de verblijfstijd werd de pers onder druk gezet (ergens tussen 793 kilopascal tot 2.068 kilopascal (115 psi tot 300 psi)) en verhit tot 171 — 1 770C (340-350°F). Dit nam ca. 15 minuten in beslag voordat de temperatuur werd bereikt, waarna de prepregmaterialen gedurende ca, 30 minuten op die temperatuur werden gehouden.

Na verloop van een interval van 10 minuten werden de samengeperste prepregs onder druk afgekoeld tot ca. 65,6°C (150°F) waarna de druk werd opgeheven en de gevormde prepreg tot kamertemperatuur werd afgekoeld. Het verkregen materiaal was brandbestendig, rookbestendig en praktisch niet toxisch bij branden. Het laminaat was stijf en zelfdragend en kom gemakkelijk machinaal worden bewerkt, onder gebruikmaking van diamant-gereedschap en carbide-water-gekoelde gereedschappen en was praktisch vrij van opgesloten water. De dikte van de laminaten was ca. 12,7 mm (i inch), terwijl de laminaten een oppervlaktedichtheid hadden van ca. 22 kg/m2 (4,5 pound per vierkante voet) tot ca. 25,4 kg/m2 (5,2 pound per vierkante voet) naast -waarden van 2,6 gram (44 korrel) staal 7,62 mm (0,30 kaliber) fragmentsimulatieprojectielen van tussen ca.

827,5 meter per seconde (2.715 voet per seconde) tot ca. 873 meter per seconde (2.865 voet per seconde). Dit zijn uitstekende waarden, in het bijzonder voor splintervoeringen.

In tegenstelling hiermee en in een vergelijkings-proef bij toepassing van de bekende techniek van eenvoudig verhitten van de compressiepers tot ca. 166~177°C (330-350°F) en dan bumpen door opening van de persen, teneinde waterdamp vrij te maken, gevolgd door sluiten en voortzetting van de harding, bestonden er problemen wat betreft de vorming van een kwaliteitsprodukt. Dit betekent dat er geen dikke materialen met hoge oppervlaktedichtheid konden worden verkregen, omdat de materialen niet in staat waren het bijprodukt water los te laten bij diktes van groter dan 6,35 mm (è inch). De aldus vervaardigde composieten bleken niet acceptabele ballistische prestatieniveaus te hebben.

Het zal duidelijk zijn, dat varianten van het boven beschrevene mogelijk zijn, welke varianten vallen binnen het kader van het octrooi en niet afwijken van de geest en strekking ervan.

INDUSTRIËLE TOEPASBAARHEID

De onderhavige uitvinding beschrijft een vezel-glascomposiet uit een zeer sterk magnesiumoxidealuminiumsili-caatglasweefsel en een fenolformaldehydecondensatieprodukt als de matrixhars. De composiet heeft een hoge bestendigheid tegen penetratie door ballistische penetranten en kan worden toegepast voor bepantsering of als een voering tegen versplintering voor militaire voertuigen.

Claims

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een stijf en zelfdragend, machinaal verwerkbaar, dik, brandbestendig en rookbestendig ballistisch bestendig materiaal, met het kenmerk , dat een uitgebalanceerd symmetrisch weefsel van geïnterlinieerde zeer sterke magnesiumoxidealuminiumsili-caatglasvezels wordt bekleed met een oplossing van een partiëel gecondenseerd, verder te condenseren fenolformalde-hyderesoolreactieprodukt, welke oplossing vrij fenol en vrij formaldehyde bevat en verkregen wordt door reactie van formaldehyde en fenol in een mo.laire verhouding van groter dan ca. 1 : 1 en kleiner dan ca. 3 : 1, welke vezels zijn Voorzien van een waterbestendige ontbindbare appretlaag en een breekpunt hebben van minder dan ca. 311 meter per kilogram (750 yard per pound); het oplosmiddel uit de oplossing wordt verdampt en het met resool beklede weefsel wordt verhit tot een temperatuur tot ca. het gelpunt van het fenolformaldehyderesool-reactieprodukt, teneinde het resool verder te condenseren en zijn molecuulgewicht te doen toenemen, gevolgd door koeling van het reactieprodukt, onder vorming van een hanteerbare prepreg; een aantal prepregs wordt gestapeld in een compressie-pers; de prepregs onder contactdruk in de pers worden verhit tot een temperatuur tot ca. het gelpunt van het fenolformalde-hyde, welke temperatuur wordt aangehouden teneinde het ontwijken van vluchtige condensatiebijprodukten mogelijk te maken; de prepregs verder worden verhit tot verhoogde temperatuur, op welke temperatuur de prepregs worden gehouden bij een druk hoger dan de genoemde contactdruk gedurende een zodanige tijdsperiode, dat het fenolformaldehydereactieprodukt praktisch volledig wordt gepolycondenseerd en gehard, onder oplevering van een ballistisch bestendig materiaal met een oppervlaktedichtheid groter dan ca. 12,2 kg/rn2 (2,5 pound per vierkante voet).

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk , dat het weefsel een vlak geweven of keper-geweven voorspinsel is. ,

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het· kenmerk , dat de vezels een treksterkte hebben van 6 tenminste 3,5 x 10 kilopascal (500.000 psi).

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk , dat het ballistische materiaal ca. 78 tot ca. 84 gew,% glas bevat.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk , dat de vezels een grensvlakafschuifsterkte met betrekking tot het fenolformaldehyderesool hebben van minder dan ca. 41.369 kilopascal (6.000 psi).

6. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk , dat het ballistische bestendigheidsmateriaal een oppervlaktedichtheid heeft van tenminste ca. 19,5 kg/m2 (4 pound per vierkante voet).

7. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk , dat het gewicht per oppervlakte-eenheid van dit weefsel tussen tenminste ca. 427 g/m2 (18 ounce per vierkante yard) tot ca. 1.139 g/m2 (48 ounce per vierkante yard) ligt.

8. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk , dat de vezels een filamentdiameter hebben van ca. 8 micron tot ca. 15 micron bij een breekpunt van ca. 104 meter per kilogram (250 yard per pound).

9. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk , dat de fenolformaldehyderesoolhars wordt bereid door het tot reactie brengen van formaldehyde en fenol in een molecuulverhouding van ca. 1,1 : 1 tot ca. 1,6 : 1.

10. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk , dat het fenolformaldehyderesool in de oplossing een gemiddeld molecuulgewicht heeft tussen ca. 200 tot 800.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk , dat het beklede weefsel wordt verhit tot beneden het gelpunt gedurende een zodanige periode, dat het molecuulgewicht van het fenolformaldehyde toeneemt tot ca. 1.500 of minder.

12. Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het kenmerk , dat de contactdruk ca. 207 kilopascal (30 psi) of minder is.

13. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het gelpunt ca. 135°C (275°F) tot ca. 143°C (290°F) is.

14. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk , dat het fenolformaldehyderesool in de oplossing een molecuulgewicht heeft van ca. 200 tot 800, het gelpunt ervan ca. 135°G (275°F) tot ca. 143°C (290°F)is, terwijl het beklede weefsel wordt verhit gedurende een voldoend lange periode om zijn molecuulgewicht te doen toenemen tot ca. 1.500 of minder, waarbij resool na verhitting een reactiewarm-te heeft van ca. 10-90 Joule per gram.

15. Werkwijze volgens: conclusie 14, met het kenmerk , dat de contactdruk ligt tussen ca. 20,7 kilo-pascal (3 psi) tot ca. 138 kilopascal (20 psi), terwijl de opgestapelde prepregs onder contactdruk worden gehouden gedurende tenminste ca. 7 minuten bij 135°C (275°F).

16. Glasvezelcomposiet, m e t h e t kenmerk , dat de composiet bestand is tegen kromtrekken en deformatie, brandbestendig en rookbestendig is, machinaal verwerkbaar is, zelfdragend is en een oppervlaktedichtheid heeft van tenminste ca. 12,2 kg/m2 (2,5 pound per vierkante voet) , welke composiet bestaat uit een aantal lagen van een uitgebalanceerd geïnterliniëerd zeer sterk magnesiumoxide-aluminiumsilicaatglasvezelweefsel, in een matrix van een geharde fenolformaldehyderesoolhars, welke composiet praktisch vrij is van opgesloten waterdamp.

17. Composiet volgens conclusie 16, met het k e n me r k , dat de composiet een buigsterkte heeft boven ca. 172.369 kilopascal (25.000 psi) en een buigmodulus boven ca. 27,6 x 106 kilopascal (4.000.000 psi).

18. Composiet volgens conclusie 17, met het kenmerk , dat de composiet bij een oppervlaktedichtheid van tussen ca, 22 kilogram tot ca. 25,4 kilogram per vierkante meter (4,5-5,2 pound per vierkante voet) een V_q-waarde heeft tussen ca. 827,5 meter per seconde (2.715 voet per seconde) tot ca. 873 meter per seconde (2.865 voet per seconde).

19. Werkwij ze voor de vervaardiging van een brandbestendig , rookbestendig, stijf en zelfdragend machinaal verwerkbaar ballistisch bestendig materiaal met een oppervlakte- dichtheid van tenminste ca. 12,2 kg/m2 (2,5 pound per vierkante voet) , met het kenmerk, dat een aantal prepregs wordt opgestapeld in een compressiepers, welke pre-pregs gevormd worden langs een proces, waarbij een uitgebalanceerd symmetrisch weefsel van geïnterliniëerde zeer sterkte magnesiumoxidealuminiumsilicaatvezels wordt voorzien van een laag van een oplossing van een fenolformaldehyderesoolreactie-produkt, waarbij het resool wordt gevormd uit de reactie van formaldehyde en fenol in een molecuulverhouding van tenminste 1 : 1 tot ca. 2 : 1 en waarbij het beklede weefsel wordt verhit tot een temperatuur tot ca. 135°C (275°F) en op die temperatuur gehouden, teneinde het fenolformaldehydereactie-produkt verder te polymeriseren; de op elkaar gestapelde prepregs in de pers worden verhit onder contactdruk tot een temperatuur van ca. 135°C (275°F), waarna de prepregs op die temperatuur worden gehouden gedurende tenminste ca. 7 minuten; de persdruk wordt opgevoerd tot tenminste ca. 793 kilopascal (115 psi), waarna de prepreg wordt verhit tot een temperatuur van tenminste ca. 171°C (340°F), waarna de stapel prepregs op die temperatuur wordt gehouden bij die druk gedurende een voldoende tijdsperiode teneinde het fenolformaldehydereactie-produkt praktisch volledig te polycondenseren en het ballistisch bestendige materiaal te vormen.

20. Werkwijze volgens conclusie 19, met het kenmerk , dat de oplossing koolzwart bevat