TW200933118A - Multilayered material sheet for use in soft ballistics - Google Patents

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TW200933118A
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TW97121121A
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David Vanek
Shitij Chabba
David Cordova
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Dsm Ip Assets Bv
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Description

200933118 九、發明說明： t發明所Λ之技術領域3 本發明係關於一種包含纖維層之非固結堆疊體及一層 或多層創傷減少層之多層材料片。 5 【先前技術】 此種多層材料片係用於軟性防彈物件，諸如防彈背心 及軟性盔曱系統。此種物件之一項重要要求顯然係可停止 衝擊該物件之子彈。但此外，也重要地須限制物件的變形， 特別為創傷或背面變形(B F D )，例如軟性盔甲系統可停止衝 1〇擊的子彈免於穿透該系統，但可能於其非衝擊侧上變形太 嚴重因而對欲藉該盔曱系統保護之設備及人受損。技藝界 已經提示於軟性防彈物件限制BFD之解決之道。此等解決 之道通常提示係添加創傷減少層至該多層材料片之背面， 亦即與面對彈道威脅側（亦即撞擊側）相對之表面。 15 包含一纖維層堆疊體及數層創傷減少層之多層材料片 由US 2003/0200861A1為已知。本公開文獻揭示包含至少兩 小堆之-總成之身體蓋甲系統，各小堆含有多層纖維層。 根據US 2003/0200861A卜第-小堆包含多層纖維層，其係 配置來於第一小堆之前接收來自於子彈的衝擊，允許子彈 減1·曼速度。於第一小堆之纖維層可配置成針刺鼓形式。第 =堆耗散該衝擊之輪入能，對抗第二小堆被子彈所完全 透。於第二小堆之纖維層可呈防彈纖維之編織物形式。 二所揭下之多層㈣#之小堆經常係額成第—小堆係位 “隹疊體外側。因此’根據US 2G03/0200861A1之教示， 200933118 用來減慢子彈速度之纖維層須位於多層材料片之背面。經 由減慢衝擊時的子彈速度，顯然可減少創傷。 雖然根據US 2003/0200861A1之多層材料片顯示滿意 的防彈效能，但此種效能仍可更進一步改良。 5 【發明内容】 本發明之目的係提供一種比較已知材料具有於減少創 傷或背面變形之改良防彈性質之多層材料片。 根據本發明之目的可經由提供一種包含一纖維層堆疊 體以及一個或多個創傷減少層小堆之軟性防彈物件而達 10成，其中該等小堆中之至少一者係位於該堆疊體内部。出 乎意外地發現此種特徵之特定組合比較已知之多層材料 片’可獲得呈減少創傷或背面變形形式之改良防彈效能。 更特定言之’多層材料片之平均BFD出乎意外地小於聚類 似重量之已知多層材料片之BFD。此點特別可用於需要質 15輕之用途’諸如防彈背心。低重量對防彈背心的穿戴者提 供最大舒適。因根據本發明之材料片比較已知材料片提供 改良之安全邊際，因此可由較少纖維層所組成因而質量較 輕0
k方式；J 根據本發明之-種特佳多層材料片之特徵在於該 體包含由至少-層纖維層隔_至少兩小堆創傷減少 此種較佳實_騎進—錢良之㈣效能。經由於1 層堆疊體㈣有至少料_傷減少層，直到當行進: 該堆整體咖然連續減—降低卿。本發明 3 20 200933118 甚至更佳實施例之特徵在於該堆疊體包含由至少一層纖維 層所隔開之至少三小堆，更佳為至少四小堆。更佳至少一 層纖維層係存在於兩相鄰設置之小堆所組成之各個集合 間。甚至更佳於二相鄰小堆間，纖維層距離或纖維層數目 5並非怪定。如此表示第一小堆與第二小堆間之纖維層數目 係與例如該第二小堆與第三小堆間之纖維層數目不同。甚 至更佳該多層材料片包含面對纖維層之至少一小堆創傷減 /層纖維層數目與面對另〜j、堆創傷減少層之纖維層數 目之差異至少為1G%。最佳纖維層差異至少為鳩。此種創 Π)傷減少層間之非均勻間隔進一步改良亦即進一步減少背面 變形。 原則上可於寬廣範圍改變各小堆内部之創傷減少層數 量。用於大多數軟性防彈料，纖維層總量典型係由約2〇 15
20 至約60。觸減少層之較佳總量係由ljL2〇 ,更佳由：㈣， 及最佳由3至6。於根據本發明之較佳實施财，各小堆包 含至少四層創傷減少層，更佳至少兩層創傷減少層，及最 佳至少-層創傷減少層。特佳實施例有至少四小堆，因此 Ϊ部=部小堆只包含一層創傷減少層。因此其中創傷 減少層係跨堆疊體厚度方向分布之實施例獲得最低㈣， ^別當婦之㈣小堆間之纖維層數目非^時尤為如 此0 於已知之多層材料片中， 疊體之背面。較佳位置係堆疊 根據本發明之多層材料片中.， 創傷減少層係位於纖維層堆 體背面，亦即非衝擊侧。於 一堆叠體内部之創傷減少層 7 200933118 較佳係朝向堆疊體正面（揸敏 於根據本發明之特佳材料^)，此乃與—般的信念相反。 至少50%係位於該堆叠體2，創傷減少層總面積重量之 面對衝擊側或撞擊側之半部。 又更佳，創傷減少層總面稽 5體之面對撞擊側之半部。量之至少75%係位於該堆疊 =明’多層村料片包含織維層及創傷減少層。 整堆疊體維持柔軟可幫。適當連接技術包 =綴’較佳係只順著堆叠體之背脊縫綴。此外，可跨一 層表：用縫綴。此種表面縫敏可施用至纖維層之一部 1〇 Ρ難若干_層經部分或經衫表面賴。典型地2% =。，較佳5_’更佳7%至5^ 纖維層經表面縫級。此種表面縫敏更進-步減少背面變形。 纖^較佳包含纖_絡，_傷減少層較佳 包含纖 維網路但也包含其它材料形式，容後詳述。 15 麟—詞表”或__成多種形式找置。舉例 言之，多根纖維可集合成群來形成加检紗或非加检紗例 如纖維或紗可形成為耗，可經過針織或編織（平織、席紋 織、锻紋収躲_)呈祕，製造成顧物(隨機定向或 有序定向），排列成平行陣列，藉多種習知技術層疊或成形 20 成為織物。 於較佳實施例中’該堆4體之纖維層包含選自於由加 強纖維之織造娜、加賴維Κ娜、加_維之络 編網絡及定向加強纖維之非織網絡所組成之組群。更佳纖 維層包含十字層疊之UD。此術語容後詳述。 200933118 根據本發明之材料片之又一較佳實施例之特徵在於定 向加強纖維之非織網絡包含多層單向單層，因而相鄰之單 層相對於彼此交又堆疊，也稱作為交又層叠UD。於本發明 之内文中，「單向單層」一詞係指單一方向定向之加強纖維 5之纖維網絡層以及視需要含有基本上將加強纖維固定在一 起之黏結劑。「單向定向加強纖維」—詞係指於—個平面上 大致上彼此平行之定向纖維。「加強纖維」於此處表示其長 度尺寸係大於寬度及厚度之橫向尺寸之細長本體。「加強纖 維」-詞包括具有規則或不規則截面之單絲紗、多絲紗、 10薄帶、條狀物、線、短纖紗及其它細長物件。於根據本發 明之材料片之又更佳實施例中，於一個單層中之加強纖維 係相對於另-單層中之加強纖維夾角定向。於較佳材料片 中，該網絡包含交織或編織單向薄帶。 用於本發明之較佳實施例之單層可含有黏結劑。重要 15地’纖維層實質上不會與網絡間之黏結劑固結，俾便連接 纖維層，讓整個堆疊體或多層材料片維持柔軟可f。 黏結劑-詞係指於包含單向定向加強纖維單層及黏結 劑之片狀物中將加強纖維黏結或固定在一起之材料。黏社 劑可將加強纖維整體或部分包裹，因此於欲成形材料片： 處理期間及製造期間可維持單層結構。黏結劑係以多種形 式及方式施用，舉例吕之，呈薄膜你解而至少部分覆蓋防 彈纖維），呈橫向連結長條或呈橫向纖維(相對於單向纖維為 橫向或經由將纖維浸潰以或埋置以基質材料，例如聚合 物溶體、聚合物料於液體之溶液或分散液。較佳基質材料 9 200933118 係均質分布於單層之整體表面上，而連結條或連結纖維可 局部施用。於較佳實施例中，黏結劑為聚合基質材料，可 為熱固性材料或熱塑性材料或二者之混合物。基質材料之 斷裂點伸長率較佳係大於纖維之伸長率。黏結劑較佳具有 5 2%至600%之伸長率，更佳具有4%至500%之伸長率。於基 質材料為熱固性聚合物乙烯酯之情況下，較佳選用不飽和 聚酯類、環氧樹脂類或酚系樹脂類作為基質材料。於基質 材料為熱塑性聚合物時’較佳選用聚胺基甲酸職、聚乙婦 系、聚丙烯酸系、聚烯烴或熱塑性彈性體嵌段共聚物諸如 10聚異丙烯-聚乙烯-丁烯-聚苯乙烯或聚苯乙烯-聚異戍間二 烯-聚笨乙烯嵌段共聚物作為基質材料。較佳黏結劑係由熱 塑性聚合物所組成，該黏結劑較佳呈單層完全塗覆加強纖 維之個別長絲，以及該黏結劑具有抗拉模量（根據ASTM D638於25°C測定）至少為250 MPa，更佳至少為4〇〇 Mpa。此 15種黏結劑獲得包含單層之片狀物之高度可撓性以及於固結 之堆疊體中具有夠高之挺度。 較佳，單層中之黏結劑含量至多為3〇重量％，更佳至 多為25%、2G%、或甚至更佳至多為15重量％。如此獲得最 佳彈道學效能。 20 於根據本發明之多層材料片中之創傷減少層較佳係包 含選自於由隨機定向加強纖維之非織網絡、加強纖維之開 放針織網絡及/或聚合物薄膜及/或聚合物泡沫體所組成之 組群中之網絡。更佳，根據本發明之多層材料片中之創傷 減少層包含隨機定向加強纖維之非織網絡、聚合物薄膜或 聚合物、、由 中心束體。於根據本發明之材料片之第一較佳實施例 為隨機，減少層包含隨機定向加強纖維之非織網絡，更佳 最佳為^非連續加強纖維之非織網絡’又更佳為範以及 5 _較佳隨機定向非連續加強纖維之非織網絡具有約〇5〇 里米’更佳約2 5〇至25厘# ’及最佳約5至Μ厘米之纖 〜度。隨著纖維長度的增長’防彈效能通常改良。隨機 〇 =向非連續加強纖維之非_絡本身為已知且可例如藉梳 或藉氣舖統鋪而製備。赌或黏結加強纖維網絡用於 0處理可以機械方式例如藉針刺進行，以化學方式例如使用 黏著劑進行’及/或以熱方式例如形成點連結或與具有較低 溶點之加強纖維交混而進行。較佳隨機定向非連續加強纖 維之非織網絡係單獨藉針刺固結或接著為其它方法中之任 一者而固結。 15 根據本發明之進一步較佳材料片之特徵在於創傷減少 層包含聚合物薄膜及/或聚合物泡沫體。適當（熱塑性）聚合 G 物包括聚醯胺、聚醯亞胺、聚趟礙、聚醚醚酮、聚胺基曱 酸酯、聚烯烴諸如聚乙烯及聚丙烯、聚伸乙基硫化物、聚 醯胺-醯亞胺、丙烯腈丁二烯-笨乙烯(ABS)、苯乙烯/順丁 20烯二酐(SMA)、聚碳酸酯、聚伸苯基氧化物摻合物(PPO)、 熱塑性聚醋諸如聚對笨二曱酸伸乙酯、聚對苯二曱酸伸丁 酯、及前述聚合物中之一者或多者之混合物及共聚物。以 聚合物泡沫體特別為聚乙烯泡沫體為特佳。以聚碳酸酯為 特佳之聚合物薄膜。也可使用熱固性聚合物。其適當實例 11 200933118 匕括裒氧樹月曰、不飽和聚酿樹脂 '蜜胺/甲搭樹脂、盼/甲搭 樹脂、聚胺基甲酸酯樹脂等。 呈聚口物薄膜及/或泡珠體形式之創傷減少層之適當 表面进度可於寬廣範圍内選用。較佳表面密度係由⑺至獅 5克/平方米’更佳由5〇至4〇〇克/平方米，及最佳由酬至别 平方米車乂佳呈隨機定向纖維之非織網絡形式之創傷減 少層之較佳表面密度係⑽至_克/平方米，更佳由齡 働克/平方米，又更佳由刚議克/平方米，及最佳由⑼ 至250克/平方米。纖維層之較佳表面密度係由50至500克/ 平方米，較佳由80至250克/平方米，及最佳由1〇〇至2〇〇克/ 上 N八热纖維或合成纖維皆可用於纖維層』 或創傷減少層作為加強纖維。例如可❹金屬_、半 15 20
屬纖維 '無機纖維、有機纖維或其混合物。纖維須為彈: ^有效’更特U之要求纖維具有高抗拉強度、高抗如 量及/或誠吸錢。此等_於本_文也_為防⑷ 維。較佳於本發明之單層中之加_維具有抗拉強度至, 約1地，更佳至少約2.0GPa，又更佳至少約2地。 最佳至少約4Gpae較佳於本發明之單層中之加強纖糊 ^拉模量至少為40 GPa。適當纖維可為無機或有機加㈣ 維。適當錢加__如為__、碳卿及陶究餐 維。具有此種高抗拉強度之料有機加強纖軸如為芳香 族聚醯胺麟(_之_顏維），特料聚(對.伸苯基到 苯二甲縣）、液㈣合物及梯絲合__如聚苯并味 12 200933118 唑類或聚苯并十坐類，特別為聚（I’M申苯基-2,6·苯并料 。坐）(_、或聚（2,6-二味座并[4,5切別伸㈣基 HU}二經基)伸苯基）（鹏；也稱作為Μ5)及例如藉凝 膠纺絲法經過高度定向之聚稀煙、聚乙稀醇、及聚丙稀猜 5 等纖維。 適當聚稀烴特別為乙嫦及丙烯之均聚物及共聚物，也 3有小量-種或多種其它聚合物特別為其它稀小聚合物。 若選用、線性聚乙烯(ρΕ)作為聚稀煙，則獲得特佳結 果於此處須了解，線性聚烯烴表示每1〇〇個碳原子含有少 10於1支鏈且較佳母3〇〇個碳原子含有少於1支鏈之聚稀烴；支 鍵或分支鏈通常含有至少1〇個碳原子。線性聚乙稀進一步 含有高達5莫耳％之可共聚合之一種或多種其它稀，諸如内 稀、丁稀、戊烯、4-甲基戊烯、辛烯。較佳高莫耳量之線 性聚乙烯具有特性黏度(IV，於135°C於十氫萘溶液測定）至 15少為4分升/克；更佳至少為8分升/克。此種聚乙烯也稱作為 超咼莫耳量聚乙烯。特性黏度為比較實際莫耳量參數例如 Μη及Mw更容易測定之分子量之測量值。間有若干 實驗性關係，但此種關係與分子量分布有高度相依性。基 於方程式Mw=5.37xl〇4 [IV] 1.37(參考EP 0504954 Al)，Iv 20為4或8分升/克分別係等於Mw約360或930千克/莫耳。 由聚乙稀長絲所組成之高效能聚乙浠（HPPE)纖維可 藉凝膠紡絲法製造，諸如說明於GB 2042414 A或 01/73173 ’ HPPE較佳用作為（防彈）加強纖維。如此導致 每單位重量極佳防彈效能。一種凝膠紡絲方法主要包含 13 200933118 製備具有高特性黏度之線性聚 ♦、田 歸’谷液，於高於溶解、、田庐 之溫度將溶液纺絲成為長絲 解'皿度 Τ部長絲至低於膠凝溫度因 向發生膠凝，以及於溶劑去 絲。 ’、、去除中或去除後拉伸長 抑於特佳實施例中，根據本發明之 早向單層作為纖維層，較佳至少 ’’ I至少2 更佳至少碑向單層作為纖維層層料纖維層， 作為纖維層，及最佳至少8G單 至）4G早向卓層 « « 平層作為纖維層。較佳與 10 15 20 之交又層咖。料之纖維方向不同，亦即所謂 根據树狀彡㈣糾特財祕防㈣件諸如防 或盾牌之製造。最佳根據本發明之多層材料片係用 謂之與可撓性物件相關之「軟性彈道學」的製造。彈 應用包含對抗數種子彈之彈道學威脅應用包括對抗盘 刺穿所t胃之AP、設有爆炸裝置之伟及硬粒諸如碎片及 榴霰彈。 ❹ 此外，本發明進一步係關於一種多層材料片包含纖 維層之一堆疊體及一小堆或多小堆相鄰設置之創傷減少 層，具有低重量與低BFD之絕佳組合，其特徵為BFD (單位 夫象 'τ 鼋米）與表面密度(AD，單位為千克/平方米）之乘積小於 240毫米.千克/平方米且較佳當對0.44馬革努(Magnum) JHP 子彈測試時小於210。 現在將藉下列實例及比較實驗進一步闡釋本發明但非 限制性。 14 200933118 實例ΐ-νπ 戴尼瑪(Dyneema) UD SB31為市面上得自dsm戴尼瑪 公司之具有超高分子量聚乙烯纖維之交又層疊UD，共36單 層戴尼瑪UD SB31包裝與4層戴尼瑪FRi〇魅堆疊而形成多 5層材料片。堆疊順序示於表1。多層材料片之周邊經縫綴。 * 戴尼瑪110 SB31薄片之表面密度為135克/平方米，而戴尼瑪 FR10層之表面密度為2〇〇克/平方米。總包裝之表面密度對 各實例分別於5.5至5.7千克/平方米間。
❹ 比較實驗A 10 共36單層戴尼瑪UD SB31包裝堆疊而形成一個完整包 裝。完整包裝的周邊經縫綴。戴尼瑪111) SB31薄片之表面 密度為135克/平方米。
實例VIIT 共36單層戴尼瑪UD SB31包裝與4層黎桑(Lexan)聚碳 15酸西日薄膜堆疊而形成-完整包裝。完整包裝之周邊經縫 綴堆疊順序示於表1。戴尼瑪UD SB31薄片之表面密度為 ， 135克/平方米’而黎桑聚碳酸酯薄膜之表面密度為310克/ 平方米。
實例IX 2〇 共36單層戴尼瑪UD SB31包裝與4層厚約4毫米之聚乙 烯’包沫體堆疊而形成-完整包裝。完整包裝之周邊經縫 ’綴堆4順序示於表1。戴尼瑪UD SB31薄片之表面密度為 135克7平方米’而聚乙烯泡沫體之表面密度為360克/平方 米0 15 200933118 測試程庠： 使用内部發射樣板，使用0.44馬革努JHP於436米/秒於 NIJ 0101.04等級IIIA測試各包裝之背面變形(BFD)測量值。 結果： 5 所得BFD值示於表1。 堆疊順序 平均BFD (毫米） 實例I 18U/1T/10U/2T/4U/1T/4U 38 實例II 20U/2T/8U/2T/8U 38 實例III 5U/1T/8U/1 T/1 OU/1T/8U/1T/5U 37 實例IV 8U/1T/10U/1T/10U/1T/4U/1T/4U 35 實例V 8U/4T/28U 39 實例VI 28U/4T/8U 40 實例VII 18U/4T/18U 39 實例VIII 8U/1T/10U/1T/10U/1T/4U/1T/4U 40 實例IX 8U/1 T/1 OU/1 T/1 OU/1 T/4U/1T/4U 31 比較實驗A 36U 42 轰1:防彈測試結果(#U表示戴尼瑪UD SB31之層數，
#T表示創傷減少層之層數：由撞擊面至背面）
結果指出根據本發明之包裝比業界現況之包裝具有實 質上較低之平均BFD。 1〇 本發明之多層材料片之防彈物件比先前已知之防彈材 料特別優異，原因在於其作為已知之輕質量物件提供改良 保護程度特別為背面變形之保護。 义 式簡單说明】 (無） 15 【主要元件符號説明】 (無） 16

Claims (1)

  1. 200933118
    10 15
    20 十、申請專利範圍： 1. 一種多層材料片，包含一纖維層堆疊體及一個或多個創 傷減少層小堆，包含隨機定向加強纖維之非織網絡、聚 合物泡沫體或聚合物薄膜，其中該等小堆中之至少一者 係位於該堆疊體内部。 2. 如申請專利範圍第1項之材料片，其中該堆疊體包含由 至少一纖維層隔開之至少四小堆。 3. 如申請專利範圍第1或2項之材料片，其中各小堆包含至 多四創傷減少層。 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之材料片，其中各小 堆只包含一創傷減少層。 5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之材料片，其中該等 創傷減少層之總面積重量中之至少50%係位於該堆疊 體之面對撞擊面之該半部。 6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之材料片，其中該等 創傷減少層之總面積重量中之至少75%係位於該堆疊 體之面對撞擊面之該半部。 7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之材料片，其中該等 纖維層包含選自於由加強纖維之編織網絡、加強纖維之 針織網絡、加強纖維之綹編網絡及定向加強纖維之非織 網絡所組成之組群中之網絡。 8. 如申請專利範圍第7項之材料片，其中於該等纖維層中 之該定向加強纖維之非織網絡包含多數單向單層。 9. 如申請專利範圍第8項之材料片，其中於一個單層之該 17 200933118 等加強纖維係相對於相鄰單層 定向。 中之該等加強纖維夾角 10.如申請專利範圍第丨項之 薄帶。 ，其中該網絡包含編織 U.2請專利範圍第1㈣項中卜項之材料片，其中今 ^機定向加強纖維之非織網絡包含非連續纖維。" 申清專利範圍第1J_U項中任__項之材料片其中該 喊定向加強纖維之非織網絡H 〃 Μ 10 〇 3.種防彈背心，包含如申請專利範圍第1-12項中任 之多層材料片。 種如申請專利ϋ圍第W2項中任一項之材 製造軟性防彈物件之用途。 、 18 200933118 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（）圖。（無) (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：
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