PL183778B1

PL183778B1 - Warstwowa struktura kuloodporna

Info

Publication number: PL183778B1
Application number: PL97329600A
Authority: PL
Inventors: Chitrangad
Original assignee: Du Pont
Priority date: 1996-04-23
Filing date: 1997-04-03
Publication date: 2002-07-31
Also published as: WO1997040333A1; IL126606A; US6030683A; ES2164338T3; EP0895571B1; CN1216609A; CN1080409C; AU2660297A; PL329600A1; RU2180954C2; EP0895571A1; DE69707124T2; IN191976B; TR199802111T2; IL126606A0; DE69707124D1

Abstract

1. Warstwowa struktura kuloodporna, zawierajaca co najmniej dwie warstwy mate- rialu para-amidowego, znamienna tym, ze jako warstwy z materialu para-aramidowego zawiera warstwy tkancej przedzy para- -aramidowej, a pomiedzy nimi znajduje sie co najmniej jedna warstwa masy wlóknistej, przy czym masa wlóknista stanowi 5 - 20% wagowych tej struktury w przeliczeniu na mase warstw tkanej przedzy. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest warstwowa struktura kuloodporna, stanowiąca miękką strukturę tkaninową. Taka struktura nadaje się do wytwarzania odzieży o polepszonej elastyczności i podatności na obróbkę oraz zapewniającej komfort, a jednocześnie wykazującej zadowalającą kuloodporność. Struktura według wynalazku znajduje zastosowanie np. w kuloodpornych zasłonach i osłonach, osobistych osłonach kuloodpornych w postaci odzieży i miękkiego opancerzenia itp. Struktury kuloodporne zwykle składają się z kilku warstw materiałów, przy czym te warstwy oddzielnie wykazywałyby pewien stopień kuloodporności.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4574105 ujawniono odporne na penetracje struktury utworzone z warstw tkanych i nietkanych włókien z poli(p-fenylenotereftalamidu) i poliamidu. Opisano i zbadano różne połączenia warstw włókien i podano wyniki różnych badań kuloodporności. Jednakże we wszystkich nietkanych warstwach stosowano tylko włókna staplowe o długości około 10 cm, sprasowane w filc przez igłowanie.

W brytyjskim zgłoszeniu patentowym nr 2198824 ujawniono elastyczny pancerz zawierający warstwy sprasowanego filcu dla wygody użytkownika i lepszej ochrony. Sprasowane filce, jak ujawniono, były korzystnie z aramidów, a wytwarzano je z włókien staplowych o długości 5-10 cm.

W brytyjskim zgłoszeniu patentowym nr 2286798 ujawniono wielowarstwową płytę odporną na kule i odłamki, zawierającą pomiędzy dwiema warstwami kuloodpornymi z materiału para-aramidowego warstwę polietylenu o małym wydłużeniu liniowym,jednak nie opisano konkretnej postaci tej warstwy.

W niemieckim zgłoszeniu patentowym nr 3515726 ujawniono materiał wykazujący znaczną odporność na penetracje przez pociski, przy czym ten materiał zawiera co najmniej dwa rodzaje warstw włókien aramidowych, nałożonych jedna na drugą. Jeden z tych rodzajów warstw to tkanina, a drugi włóknina, przy czym obydwa rodzaje warstw wytwarza się z przędzy aramidowej w postaci włókien ciągłych lub staplowych.

Warstwowa struktura kuloodporna według wynalazku zawiera co najmniej dwie warstwy materiału para-amidowego, a cechą tej struktury jest to, że jako warstwy materiału para-amidowego zawiera warstwy tkanej przędzy para-aramidowej, a pomiędzy nimi znajduje się co najmniej jedna warstwa masy włóknistej, przy czym masa włóknista stanowi 5-20% wagowych tej struktury w przeliczeniu na masę warstw tkanej przędzy.

183 778

Korzystnie struktura kuloodporna zawiera warstwy tkanej przędzy o całkowitej gramaturze 1,5 - 24 kg/m2

Korzystnie struktura kuloodporna zawiera warstwę masy włóknistej, której pojedyncze cząstki mają długość 0,1-8 mm, średnice 0,1-15 um i średnią powierzchnię właściwą powyżej 3 m²/g.

Korzystnie struktura kuloodporna zawiera warstwę masy włóknistej z aramidu. Szczególnie korzystnie ta struktura zawiera warstwę masy włóknistej z para-aramidu. Struktura według wynalazku zawiera co najmniej jedną warstwę materiału włóknistego, którego pojedyncze cząstki są bardzo krótkie. Same pojedyncze warstwy tego materiału wykazują niewielką kuloodporność, a nawet jej nie wykazują, natomiast w połączeniu z warstwami materiału para-aramidowego tworzą wysoce kuloodporną strukturę.

“Aramid” oznacza poliamid, w którym co najmniej 85% wiązań amidowych (-CO-NH-) jest związanych bezpośrednio z dwoma pierścieniami aromatycznymi. Odpowiednie włókna aramidowe opisano w Man-Made Fibers - Science and Technology, tom 2, rozdział zatytułowany Fiber-Forming Aromatic Polyamides, str. 297, W. Black i inni, Interscience Publishers, 1968. Włókna aramidowe ujawniono także w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4172938, 3869429, 3819587, 3673143,3354127 i 3094511.

Z aramidem można stosować dodatki, przy czym stwierdzono, że z aramidem można zmieszać aż do 10% wagowych innego materiału polimerycznego, względnie że można stosować kopolimery zawierające aż do 10% merów innej diaminy zamiast diaminy użytej do wytworzenia aramidu, albo aż do 10% chlorku innego dikwasu zamiast chlorku dikwasu użytego do wytworzenia aramidu.

Para-aramidy stanowiąnajkorzystniejsze polimery do wytwarzania włókien, a korzystnym para-aramidem jest poli(p-fenylenotereftalamid) (PPD-T). Przez PPD-T rozumie się homo-polimer otrzymany w wyniku polimeryzacji równomolowych ilości p-fenylenodiaminy i chlorku tereftaloilu, a także kopolimery powstałe w wyniku włączenia niewielkich ilości innych diamin do p-fenylenodiaminy i niewielkich ilości chlorków innych dikwasów do chlorku tereftaloilu. Ogólnie, inne diaminy i chlorki innych dikwasów można stosować w ilościach do około 10% molowych p-fenylenodiaminy lub chlorku tereftaloilu, a nawet nieco wyższych, o ile te inne diaminy i chlorki dikwasów nie mają reaktywnych grup zakłócających reakcję polimeryzacji. PPD-T oznacza także kopolimery powstałe w wyniku włączenia innych diamin aromatycznych i chlorków innych dikwasów aromatycznych, takich jak np. chlorek 2,6-naftaloilu lub chlorek chloro- lub dichlorotereftaloilu, jeśli tylko te inne diaminy aromatyczne i chlorki dikwasów aromatycznych będą obecne w ilościach pozwalających na wytwarzanie domieszek ze spinem anizotropowym. Wytwarzanie PPD-T ujawniono w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3869429,4308374 i 4698414.

Struktura według wynalazku może zawierać tkaniny o dowolnym splocie, zwykle stosowanym do celów balistycznych. Nie ma konkretnych ograniczeń lub preferencji, ani odnośnie wzoru splotu, ani gramatury tkaniny. Spośród dopuszczalnych wzorów splotów można wymienić splot płócienny, splot koszykowy (basket) 2x2, splot koszykowy 8x8, splot wzorzysty typu crowfoot, pewne sploty satynowe itp. Przędza w tych tkaninach może mieć od 5x5 do 20x20 końców/cm, a gramatura tkaniny może wynosić 200 - 700 g/m².

Struktura według wynalazku zawiera warstwy tkanej przędzy z warstwą masy włóknistej umieszczo nąpomiędzy nimi. Masa włóknistajest produktem wytworzonym przez rozdrobnienie (lub mielenie) krótkich włókien w celu ich pokruszenia i rozwłóknienia, z utworzeniem wystrzępionych końców i włosowatych włókienek sterczących z pnia włókna. Krótkie włókna lub kosmyki, służące jako materiał wyjściowy, mająokoło 3-13 mm długości i zwykle średnice około 10 20 pm. Po rozdrobnieniu pojedyncze cząstki masy włóknistej mająokoło 0,-8 mm długości, mogą mieć średnice 0,1-15 pm i zawierają włókienka o średnicy 0,1-10 pm. Masę włóknista korzystnie wytwarza się z aramidu, korzystniej z PPD-T. Masę włóknistaopisano w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5171402, 5084136 i 5028372.

Masa włóknista stosowana w strukturze według wynalazkujest korzystniejsza od włókien staplowych. Włókna staplowe są włóknami o długości około 2-20 cm, odciętymi z ciągłego kabla włókien. Jak stwierdzono, cząstki masy włóknistej mają włókienka i rozwłóknione końce,

183 778 wskutek czego cząstki masy włóknistej splątuuąsię i sczepiająze sobą tworząc jednorodną strukturę papieru. Natomiast z włókien staplowych trudniej jest uformować jednorodny arkusz. Z cząstek masy włóknistej można uformować spoiste arkusze w prostych procesach wytwarzania papieru, podczas gdy włókna staplowe trzeba gręplować, rozpraszać, formować aerodynamicznie, układać krzyżowo i scalać; aby ułożone krzyżowo warstwy pozostały złączone, materiał trzeba igłować lub splątywać hydrodynamicznie.

Struktura według wynalazku zawiera co najmniej jedną warstwę masy włóknistej, przy czym ta masa włóknista występuje jako stosunkowo jednorodna i zagęszczona warstwa. Korzystnie z masy włóknistej formuje się gruby papier w dowolnym dobrze znanym procesie wytwarzania papieru. Grubość takiego papieru powinna wynosić 0,5 - 5 mm, a gramatura powinna wynosić około 100 - 1000 g/m².

Jakkolwiek niejest to konieczne, arkusze masy włóknistej mogą zawierać niewielkie ilości polimerycznych substancji wiążących, takichjak np. polialkohol winylowy, poliolefiny, takiejak polietylen, lateksy polimerów, takich jak polichlorek winylu, itp. Inne polimeryczne środki wiążące można stosować przy konkretnym zapotrzebowaniu, takimjak stosowanie termoodpornych polimerówjako środków wiążących do zastosowań wysokotemperaturowych. Takie środki wiążące stosuje się w ilościach skutecznych dla wspomagania utrzymywania ze sobą cząstek masy włóknistej, zwykle w ilościach nie większych niż 10% wagowych w przeliczeniu na masę masy włóknistej. Takie środki wiążące nie są konieczne w realizacji wynalazku lub do stosowania w strukturze według wynalazku, lecz mogą być przydatne w polepszaniu charakterystyki manipulowania warstwami masy włóknistej przy składaniu struktury tkaninowej. Chociaż warstwy masy włóknistej w połączeniu z tkanymi warstwami zapewniąjąwysoki stopień kuloodporności struktury według wynalazku, same warstwy masy włóknistej są bardzo słabe i podatne na pękanie podczas manipulacji.

Nietkane warstwy masy włóknistej, wytwarzane przez spilśnianie lub wytwarzane jak papier, musząznajdować się pomiędzy warstwami tkanej przędzy w strukturze według wynalazku. Wskutek naturalnej słabej wytrzymałości na rozciąganie warstwy masy włóknistej, struktura tkaninowa musi mieć co najmniej wierzchną warstwę tkanej przędzy i spodnią warstwę tkanej przędzy. Często stosuje się kilka dodatkowych warstw tkanej przędzy i często kilka dodatkowych warstw masy włóknistej. Poza wymaganiem, że struktura tkaninowa musi mieć wierzchnią i spodnią warstwę z tkanej przędzy, dodatkowe warstwy tkanej przędzy i dodatkowe warstwy masy włóknistej można ułożyć w strukturze w dowolny dogodny lub pożądany sposób. Tak np. warstwy tkane i warstwy masy włóknistej można ułożyć naprzemiennie na grubość struktury tkaninowej. Dla struktur tkaninowych o umiarkowanej grubości - łącznie do około 35 warstwtkanej przędzy i masy włóknistej - korzystnie warstwy sąsiadujące z wierzchnią warstwą powinny być warstwami masy włóknistej, a warstwy sąsiadujące ze spodmąwarstwąpowinny być warstwami tkanej przędzy.

Warstwy masy włóknistej muszą być utrzymywane na miejscu w strukturze tkaninowej i utrzymywane jako indywidualne warstwy; można to osiągnąć poprzez szczelne i dokładne obłożenie wierzchnią i spodnią warstwą, przez przyszycie warstw masy włóknistej do tkanych warstw, albo z użyciem innych środków. W strukturach tkaninowych o umiarkowanej grubości korzystnie cała struktura tkaninowa powinna być przeszyta przez wszystkie warstwy. Szew może być przypadkowy lub tworzyć wzór, a zwykle jest to układ rombowy z równoległymi liniami szwów co około 2-5 cm.

Jedną z nieoczekiwanych zalet struktury według wynalazkujest to, że same arkusze z masy włóknistej wykazująbardzo małą kuloodporność lub jej nie wykazują, natomiast arkusze z masy włóknistej można stosować w połączeniu z arkuszami tkanymi, w ilości do nawet 20% wagowych tkanych arkuszy, przy mniejszym niż 5% spadku granicy kuloodporności w stosunku do samych tkanych arkuszy o równoważnej gramaturze.

Na rysunku graficznie przedstawiono normalizowaną charakterystykę balistyczną struktur kuloodpornych w funkcji zawartości masy włóknistej w strukturze.

W poniższych przykładach stosowano następujące metody badawcze.

183 778

GRANICA KULOODPORNOŚCI.

Testy balistyczne próbek kompozytowych prowadzono zgodnie z MIL-STD-662e w następujący sposób: Laminat do badań umieszcza się w uchwycie na próbki utrzymującym laminat w naprężeniu i prostopadle do toru testujących pocisków. Stosuje się pociski typu 1,5,56 mm (kaliber 22), będące 1,1 gramowymi pociskami udającymi odłamki (MHlH-4099), chyba że podano inaczej, wystrzeliwane z testowej lufy umożliwiającej odpalanie pocisków z różnymi prędkościami. Pierwsze strzelanie dla każdego laminatu przeprowadza się z prędkościąpocisku ocenian ą jako możliwa granica kuloodporności (V5₀). Gdy pierwsze strzelanie spowoduje całkowitą penetrację laminatu, w następnym strzelaniu przyjmuje się prędkość pocisku o 15 m/s mniejszą w celu uzyskania częściowej penetracji laminatu. Natomiast gdy pierwsze strzelanie nie powoduje penetracji lub daje częściową penetrację, w następnym strzelaniu przyjmuje się prędkość o 15 m/s większa, w celu uzyskania pełnej penetracji. Po uzyskaniu jednej częściowej i jednej pełnej penetracji pocisku, prędkość zwiększa się lub zmniejsza o około 15 m/s strzelając tyle razy, aby określić granicę kuloodporności (V5₀) dla tego laminatu.

Granicę kuloodporności (V5o) określa się obliczając średnią arytmetyczną równej liczby trzech najwyższych wartości prędkości uderzenia z częściową penetracją i trzech najniższych wartości prędkości z pełną penetracją, pod warunkiem, że różnica pomiędzy najwyższą i najniższą wartością prędkości uderzenia wynosi nie więcej niż 38 m/s.

Przykłady

Badane materiały wykonano z użyciem tkanych arkuszy i arkuszy z masy włóknistej z materiałów para-aramidowych, jak podano w tabeli poniżej. Oceniono granicę kuloodporności badanych materiałów. Arkusze były prostokątne i miały wymiary około 28 x 36 cm. Każdy zestaw arkuszy zszywano na wszystkich krawędziach i wzdłuż obydwu przekątnych w celu połączenia arkuszy. Nie stosowano środka wiążącego w arkuszach z masy włóknistej.

“Tkane arkusze” są arkuszami z przędzy poli(p-fenylenotereftalamidowej) 1363 dtex (1500 denier) sprzedawanej przez E. I. du Pont de Nemours and Company pod nazwąhandlową “Kevlar” K-29, tkanej splotem koszykowym 2x2 przy 13,8 x 13,4 końców/cm. “Arkusze z masy włóknistej stanowią arkusze sprasowane z masy włókien poli(p-fenylenotereftalamidowych) sprzedawanej przez E. I. du Pont de Nemours and Company pod nazwą handlową “Keylar” IF-305; masa włóknista ma średnią arytmetycznądługość cząstek około 0,45 mm i powierzchnię właściwą około 7,5 m²/g.

Tabela

Konfi- guracja	Masa włóknista (%)	Gramatura (kg/m²)	O >1	Normali- zowana wartość V50·
10 tkanych arkuszy	0	4,84	503	100
1 tkany arkusz, 2 arkusze z masy włóknistej i 8 tkanych arkuszy	10	4,74	489	99,3
2 tkane arkusze, 6 arkuszy z masy włóknistej i 4 tkane arkusze	40	4,84	421	83,7
15 arkuszy z masy włóknistej	100	4,84	-211	42
12 tkanych arkuszy	0	5,82	538	100
1 tkany arkusz, 4 arkusze z masy włóknistej i 9 tkanych arkuszy	16,7	5,82	526	97,8

* “normalizowana” znaczy, że wartość V50 jest podana jako procent V5o całkowicie tkaninowej struktury o tej samej gramaturze

Uzyskane dane przedstawiono graficznie na rysunku. Z wykresu wynika, że struktura według wynalazku, o zawartości aramidowej masy włóknistej nawet do 20% wagowych, wykazuje prawie 95% wartości V50 czyli w 95% odpowiada charakterystyce balistycznej, którą można by uzyskać przy użyciu tkanin aramidowych bez masy włóknistej.

183 778

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Warstwowa struktura kuloodporna, zawierająca co najmniej dwie warstwy materiału para-amidowego, znamienna tym, że jako warstwy z materiału para-aramidowego zawiera warstwy tkanej przędzy para-aramidowej, a pomiędzy nimi znajduje się co najmniej jedna warstwa masy włóknistej, przy czym masa włóknista stanowi 5 - 20% wagowych tej struktury w przeliczeniu na masę warstw tkanej przędzy.
2. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera warstwy tkanej przędzy o łącznej masie powierzchniowej 15-24 kg/m².
3. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym,że zawiera warstwę masy włóknistej, której pojedyncze cząstki majądługość 0,1-8 mm, średnicę 0,1-15 pm i średnią, powierzchnię właściwą powyżej 3 m2/g.
4. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera warstwę masy włóknistej z aramidu.
5. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera warstwę masy włóknistej z para-aramidu.

* * *