TWI401038B - 保護性頭盔 - Google Patents

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TWI401038B TW097105477A TW97105477A TWI401038B TW I401038 B TWI401038 B TW I401038B TW 097105477 A TW097105477 A TW 097105477A TW 97105477 A TW97105477 A TW 97105477A TW I401038 B TWI401038 B TW I401038B
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Description

保護性頭盔
本發明係關於保護性頭盔，其可用於軍事、執法及其他應用場合。
保護性頭盔係眾所周知的。此等頭盔已用於軍事及非軍事應用中。後者之實例包括執法使用的頭盔、運動時使用的頭盔及其他類型之安全頭盔。用於軍事及執法用途之保護性頭盔尤其需要抗衝擊。
當前最流行之軍事頭盔係自芳族聚醯胺纖維形成，通常呈若干層芳族聚醯胺纖維連同一樹脂材料(例如一酚醛樹脂)之形式。在第4.199.388、4.778.638及4.908.877號美國專利(舉例而言)中揭示自芳族聚醯胺纖維形成之頭盔。儘管此等頭盔一般而言具有滿意性能，但其相當重。
人們期望能提供一種具有減輕重量且對威脅射彈亦具有增強抗衝擊性之保護性頭盔。
根據本發明，提供一種包括一殼之模製頭盔，該殼自外側至內側包括：第一複數個纖維層，該等纖維層包括存於第一樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維；及第二複數個纖維層，其黏著至該第一複數個纖維層，該第二複數個纖維層包括存於第二樹脂基體中之高韌性纖維 網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維，條件係：當該第一複數個纖維層之該等纖維包括聚烯烴纖維時，則該第二複數個纖維層之該等纖維包括芳族聚醯胺纖維，且當該第一複數個纖維層之該等纖維包括芳族聚醯胺纖維時，則該第二複數個纖維層之該等纖維包括聚烯烴纖維。
亦根據本發明，提供一種包括一殼之模製頭盔，該殼自外側至內側包括：第一複數個纖維層，該等纖維層包括存於第一樹脂基體中之玻璃纖維；第二複數個纖維層，其黏著至該第一複數個纖維層，該第二複數個纖維層包括存於第二樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維；及第三複數個纖維層，其黏著至該第二複數個纖維層，該第三複數個纖維層包括存於第三樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維，條件係：當該第二複數個纖維層之該等纖維包括聚烯烴纖維時，則該第三複數個纖維層之該等纖維包括芳族聚醯胺纖維，且當該第二複數個纖維層之該等纖維包括芳族聚醯胺纖維時，則該第三複數個纖維層之該等纖維包括聚烯烴纖維。
進一步根據本發明，提供一種形成頭盔殼之方法，該方法包括以下步驟： 將第一複數個纖維層供應至一模具，該等纖維層包括存於第一樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維；將第二複數個纖維層供應至該模具，該第二複數個纖維層包括存於第二樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維，條件係：當該第一複數個纖維層之該等纖維包括聚烯烴纖維時，則該第二複數個纖維層之該等纖維包括芳族聚醯胺纖維，且當該第一複數個纖維層之該等纖維包括芳族聚醯胺纖維時，則該第二複數個纖維層之該等纖維包括聚烯烴纖維；及將熱及壓力施加至該第一複數個纖維層及該第二複數個纖維層，藉此使該第一複數個纖維層黏著至該第二複數個纖維層，以藉此形成一整體頭盔殼。仍進一步根據本發明，提供一種形成頭盔殼之方法，該方法包括以下步驟：將第一複數個纖維層供應至一模具，該等纖維層包括存於第一樹脂基體中之玻璃纖維；將第二複數個纖維層供應至該模具，該第二複數個纖維層包括存於第二樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維；將第三複數個纖維層供應至該模具，該第三複數個纖維層包括存於第三樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維，條件係：當該第二複數個纖維層之該等纖維包括聚烯烴纖維時，則該第 三複數個纖維層之該等纖維包括芳族聚醯胺纖維，且當該第二複數個纖維層之該等纖維包括芳族聚醯胺纖維時，則該第三複數個纖維層之該等纖維包括聚烯烴纖維；及將熱及壓力施加至該第一複數個纖維層、該第二複數個纖維層及該第三複數個纖維層，藉此使該第一複數個纖維層附著至該第二複數個纖維層，及使該第二複數個纖維層附著至該第三複數個纖維層，以藉此形成一整體頭盔殼。
已發現，藉由使用兩單獨組高強度纖維之纖維網絡，可產生重量更輕之頭盔。此外，該頭盔之成本可藉由使用第三組玻璃纖維之纖維網絡而顯著降低。本發明之頭盔具有極佳抗衝擊性，且能夠使射彈變形及捕獲破碎或變形之射彈。該等頭盔為衝擊保護提供必要之保護性系統，但亦可用在非衝擊應用中。
較佳地，在一自兩種複數個層形成之結構之情形下，外部層係自芳族聚醯胺纖維形成且內層係自高韌性聚烯烴纖維(更佳地，高韌性聚乙烯纖維)形成。在三組分頭盔材料之情形下，外部層係自複數個玻璃纖維層形成，中間層較佳地係自複數個芳族聚醯胺纖維層形成，且內層較佳地係自複數個高韌性聚烯烴纖維(更佳地，高韌性聚乙烯纖維)形成。
本發明之保護性頭盔包含複數個高強度芳族聚醯胺纖維網絡層及複數個高強度聚烯烴纖維網絡層。如上所述，其亦可包含複數個玻璃纖維網絡層。
為本發明之目的，纖維係細長體，其長度尺寸遠大於寬度及厚度之橫向尺寸。相應地，術語"纖維"包括單絲、複絲、絲帶、條、棉及其他形式之切、割或非連續纖維及具有規則或不規則截面之諸如此類者。術語"纖維"包含複數個任何前述者或其一組合。紗線係包括許多纖維或絲之連續線。
如本文中所使用，術語"高韌性纖維"意指具有等於或大於約7 g/d之韌性之纖維。較佳地，如根據ASTM D2256所量測，此等纖維具有至少約150 g/d之初始拉伸模數及至少約8 J/g之斷裂能量。如本文中所使用，術語"初始拉伸模數"、"拉伸模數"及"模數"對於紗線而言係指藉由ASTM 2256所量測之彈性模數且對於彈性體或基質材料而言係指藉由ASTM D638所量測之彈性模數。
較佳地，高韌性纖維之韌性等於或大於約10 g/d；更佳地，等於或大於約15 g/d；尤佳地，等於或大於約20 g/d；且最佳地等於或大於約25 g/d。
可用於本發明中之纖維之截面可在較寬範圍內變化。其截面可係圓形、扁平或橢圓形。其亦可係不規則或規則多葉片截面，該截面具有一個或多個自該絲之線性或縱軸線突出之規則或不規則葉瓣。尤佳地，該等纖維之截面大致係圓形、扁平或橢圓形；最佳地，該等纖維之截面大致係圓形。
本文中所使用之高韌性纖維紗線可係任何合適丹尼爾，例如(舉例而言)，約50至約5000丹尼爾；更佳地自約200至 約5000丹尼爾；尤佳地自約650至約3000丹尼爾；且最佳地自約800至約1500丹尼爾。
本發明之纖維網絡較佳地係呈織造、針織或非織造織物之形式。較佳地，該複數個高韌性纖維層之該等層中之纖維有至少約50重量%係高韌性纖維。更佳地，該複數個高韌性纖維層之該等層中之纖維有至少約75重量%係高韌性纖維。最佳地，該複數個高韌性纖維層之該等層中之所有或基本上所有纖維皆係高韌性纖維。
根據本發明，該頭盔殼係自不同抗衝擊材料層形成。較佳地，一組纖維層自一類型之高韌性纖維形成，且第二組纖維層自第二類型之高韌性纖維形成。此等纖維係芳族聚醯胺纖維或聚烯烴纖維。聚烯烴纖維較佳地係高韌性聚乙烯纖維及/或高韌性聚丙烯纖維。最佳地，聚烯烴纖維係高韌性聚乙烯纖維，亦已知為延長鏈聚乙烯纖維或高定向高分子量聚乙烯纖維。本文中有用之芳族聚醯胺纖維或聚烯烴纖維已眾所周知且具有極佳之抗衝擊特性。
美國專利4.457.985大體而言論述高分子量聚乙烯纖維及聚丙烯纖維，且該專利之揭示內容在此在不與本文相矛盾之限度內以引用方式併入本文中。在聚乙烯纖維之情形下，合適纖維係重量平均分子量至少約150,000之彼等纖維，較佳地至少約一百萬，且更佳地介於約二百萬與約五百萬之間。此等高分子量聚乙烯纖維可在溶液中紡成(見美國專利第4.137.394號及美國專利第4.356.138號)，或自溶液紡成長絲以形成凝膠結構(見美國專利第4.413.110 號、德國專利第3.004.699號及英國專利第2051667號)，或該等聚乙烯纖維可藉由卷拉製程產生(見美國專利第5.702.657號)。如本文中所使用，術語聚乙烯意指主要呈線性的聚乙烯材料，其可含納少量支鏈或共單體(每100個主鏈碳原子不超過約5個修飾單元)，且其還可含納與其混合之不超過50重量%之一種或多種聚合物添加劑，例如烯烴－1－聚合物，具體而言，低密度聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯、含納單烯烴作為主單體之共聚物、氧化聚烯烴、接枝聚烯烴共聚物及聚甲醛；或低分子量添加劑，例如抗氧化劑、潤滑劑、紫外線屏蔽劑、色料及通常所併入之諸如此類者。
高韌性聚乙烯纖維可自市場購得，且由Honeywell International公司(Morristown，美國新澤西州)以商標SPECTRA銷售。亦可使用來自其他來源之聚乙烯纖維。
端視成形技術、拉伸率及溫度及其他條件而定，可賦予此等纖維各種特性。聚乙烯纖維之韌性係至少約7 g/d，較佳地至少約15 g/d，更佳地至少約20 g/d，仍更佳地至少約25 g/d，且最佳地至少約30 g/d。類似地，如藉由一Instron拉伸試驗機所量測，該等纖維之初始拉伸模數較佳地係至少約300 g/d，更佳地至少約500 g/d，仍更佳地至少約1,000 g/d，且最佳地至少約1,200 g/d。初始拉伸模數及韌性之此等最高值大體而言僅藉由使用溶液生長或凝膠紡絲製程方可獲得。許多絲之熔點高於形成其之聚合物之熔點。因此，舉例而言，約150,000、約一百萬及約二百萬 分子量之高分子量聚乙烯大體而言具有大體138℃之熔點。由此等材料製成之高定向聚乙烯長絲具有較彼等高約7℃至約13℃之熔點。因此，熔點之輕微增加反映該等長絲與本體聚合物相比之結晶完整性及更高結晶取向。
類似地，可使用如下高定向高分子量聚丙烯纖維：重量平均分子量至少約200,000，較佳地至少約一百萬，且更佳地至少約二百萬。此延長鏈聚丙烯可藉由上文所提及各參考文獻中所述之技術、尤其藉由第4.413.110號美國專利之技術形成合理良好定向之長絲。由於聚丙烯與聚乙烯相比更偏離結晶材料且含納側甲基，故聚丙烯可獲得之韌性值大體而言顯著小於聚乙烯之對應值。相應地，合適韌性較佳地係至少約8 g/d，更佳地至少約11 g/d。聚丙烯之初始拉伸模數較佳地係至少約160 g/d，更佳地至少約200 g/d。聚丙烯之熔點大體而言藉由定向製程可增加數度，以便聚丙烯長絲較佳地具有至少168℃之主熔點，其更佳為至少170℃。上述參數之尤佳範圍可有利地提供最終物件之改良性能。使用重量平均分子量為至少約200,000以及上述參數(模數及韌性)之較佳範圍之纖維可有利地提供最終物件之改良性能。
在芳族聚醯胺纖維之情形下，自芳族聚醯胺形成之合適纖維闡釋在第3.671.542號美國專利中，該專利在不與本文相矛盾之限度內以引用方式併入本文中。較佳芳族聚醯胺纖維將具有至少約20 g/d之韌性、至少約400 g/d之初始拉伸模數、及至少約8 J/g之斷裂能量；且尤佳芳族聚醯胺纖 維將具有至少約20 g/d之韌性、及至少約20 J/g之斷裂能量。最佳芳族聚醯胺纖維將具有至少約20 g/d之韌性、至少約900 g/d之模數、及至少約30 J/g之斷裂能量。舉例而言，具有中等高模數及韌性值之聚(對伸苯基對苯二甲醯胺)長絲在形成抗衝擊複合物尤其有用。實例係Kevlar29及Kevlar49，其初始拉伸模數及韌性值分別係500 g/d和22 g/d及1000 g/d和22 g/d。其他實例係可自杜邦公司獲得之400、640及840丹尼爾之Kevlar129及KM2，及可自Teijin獲得之具有1000丹尼爾之TwaronT2000。在本發明中亦可使用來自其他生產商之芳族聚醯胺纖維。亦可使用聚(對伸苯基對苯二甲醯胺)之共聚物，例如共聚(對伸苯基對苯二甲醯胺3.4'氧基二伸苯基對苯二甲醯胺)。亦可用於本發明之實踐中者係由杜邦公司以商標名Nomex銷售之聚(間伸苯基間苯二甲醯胺)纖維。本發明中可使用自多個供貨商之芳族聚醯胺纖維。
該等高強度纖維在一較佳呈織造、針織或非織造織物(例如，單向取向纖維層，或沿隨機取向氈合之纖維)形式之網絡中。可使用呈任何織造圖案之織造織物，例如平紋織造、籃式織造、斜紋、錦緞、三維織造織物，及其若干變化形式中之任一者。平紋織造織物係較佳者，且更佳者係具有相等經紗與緯紗數量之平紋織造織物。
在每一組纖維層中之纖維網絡皆較佳地呈相同織物格式(例如，織造、斜紋或非織造)。另一選擇為，在每一組纖維層之層中可存在混合織物類型。在一較佳實施例中，在 兩組纖維中之所有纖維層皆呈織造織物形式。
在一實施例中，織物較佳地在經紗與填充方向皆具有介於約15與約55個端頭/英吋(約5.9至約21.6個端頭/cm)，且更佳地，介於約17至約45個端頭/英吋(約6.7至約17.7個端頭/cm)。該等紗線較佳地具有自約375至約1300之丹尼爾。結果係一織造織物之重量較佳地介於約5與約19盎司/平方碼(約169.5至約644.1 g/m2 )之間，且更佳地介於約5與約11盎司/平方碼(約169.5至約373.0 g/m2 )之間。此等織物之實例係稱為902、903、904、952、955、及960型SPECTRA織物之彼等織物。其他實例包含自籃式織造形成之織物，例如912型SPECTRA織物。芳族聚醯胺織物之實例係稱為704、705、706、708、710、713、720、745及755型Kevlar織物者及5704、5716及5931型Twaron織物者。前述織物係可自例如Hexcel(South Carolina，Anderson，美國)獲得。如熟悉此項技術者將瞭解，在此說明之織物構造僅係實例性，且不意欲將本發明限定於此。
如上所述，該織物可呈針織織物形式。針織結構係由交叉環組成之構造，具有四種主要類型：翠可特經編(tricot)結構、拉舍爾經編(raschel)結構、網結構及取向結構。由於該環結構之性質，前三類之針織係不合適的，此乃因其未完全利用纖維之強度。然而，取向針織結構使用藉由細丹尼爾針織縫合保持就位之直嵌入紗線。該等紗線係絕對直的，在織造織物中未發現因紗線上之交錯效應導致之捲曲效應。此等嵌入紗線依據設計要求可沿單軸、雙 軸或多軸方向取向。較佳地，在嵌入承載紗線中使用之特定針織設備能夠使得紗線不被刺穿。
另一選擇為，該組纖維網絡層之高強度織物可呈非織造織物形式，例如單向取向纖維層，或沿隨機取向氈合之纖維。當使用單向取向纖維時，較佳地其以交叉層佈置使用，在該佈置中一層纖維沿一方向延伸，且第二層纖維之延伸方向與該第一纖維呈90∘。當各層係單向取向纖維時，連續層較佳地係彼此相對旋轉，舉例而言以角度0∘/90∘、0∘/90∘/0∘/90∘或0∘/45∘/90∘/45∘/0∘或其他角度。當纖維網絡呈氈形式時，其可係針刺氈。氈係隨機取向纖維之非織造網絡，較佳地至少其中一者係不連續纖維，較佳係長度範圍自約0.25英吋(0.64 cm)至約10英吋(25cm)之短纖維。此等氈可藉由業內已知之數種技術形成，例如藉由梳理或流體紡絲、熔吹紡絲及旋轉紡絲。纖維網絡藉由以下方式整合：機械方式，例如藉由針刺、縫編、水刺纏結、氣刺纏結、紡絲黏合、水刺或諸如此類；化學方式，例如使用黏合劑；或熱方式，使用纖維點結合或使用低熔點摻合纖維。較佳整合方法係單獨針刺或隨後採用該等其他方法之一者。較佳氈係針刺氈。
纖維層存於一樹脂基體中。纖維層之樹脂基體可自具有期望特性之各種彈性體材料及其他材料形成。在一實施例中，藉由ASTM D638所量測，在此基體中使用之彈性體材料擁有等於或小於約6,000 psi(41.4 MPa)之初始拉伸模數(彈性模數)。更佳地，該彈性體具有等於或小於約2,400 psi(16.5 MPa)之初始拉伸模數。最佳地，該彈性體材料具 有等於或小於約1,200 psi(8.23 MPa)之初始拉伸模數。此等樹脂材料通常具有熱塑性性質，但亦可使用熱固性材料。
較佳地，樹脂基體可經選擇以在固化時具有高拉伸模數，例如，藉由ASTM D638所量測，至少約1×106 psi(6895 MPa)。此等材料之實例揭示於例如美國專利第6.642.159號中，其揭示內容在不與本文相矛盾之限度內以引用方式明確地併入本文中。
複合層中之樹脂基體材料與纖維之比例可視最終用途而在寬範圍內變化。以纖維及樹脂基體之總重量計，樹脂基體材料較佳佔約1重量%至約98重量%，更佳佔約5重量%至約95重量%，仍更佳佔約5重量%至約40重量%，且最佳佔約10重量%至約25重量%。上述百分比皆係基於經整合織物。
各種材料皆可用作樹脂基體，包含熱塑性及熱固性樹脂，其中以後者為佳。舉例而言，可使用以下任何材料：聚丁二烯、聚異戊二烯、天然橡膠、乙烯－丙烯共聚物、乙烯－丙烯－二烯三元共聚物、多硫化物聚合物、熱塑性聚胺基甲酸酯、聚胺基甲酸酯彈性體、氯磺化聚乙烯、聚氯丁二烯、使用鄰苯二甲酸二辛酯或此項技術中已知之其他增塑劑之增塑聚氯乙烯、丁二烯丙烯腈彈性體、聚(異丁烯－共－異戊二烯)、聚丙烯酸酯、聚酯、聚醚、含氟彈性體、聚矽氧彈性體、熱塑性彈性體、及乙烯之共聚物。熱固性樹脂之實例包含可溶於碳－碳飽和溶劑中之彼等樹 脂，該等飽和溶劑例如甲基乙基酮、丙酮、乙醇、甲醇、異丙醇、環乙烷、乙基丙酮及其組合。熱固性樹脂包括乙烯酯、苯乙烯－丁二烯嵌段共聚物、鄰苯二甲酸二烯丙酯、酚系樹脂(例如，苯酚甲醛樹脂)、聚乙烯縮丁醛樹脂、環氧樹脂、聚酯樹脂、聚胺基甲酸酯樹脂及其混合物及諸如此類。包含揭示於前述美國專利第6.642.159號中之彼等樹脂。較佳熱固性樹脂包含環氧樹脂、酚系樹脂、乙烯基酯樹脂、胺基甲酸酯樹脂及聚酯樹脂及其混合物。聚乙烯纖維織物之較佳熱固性樹脂包含至少一乙烯基酯、鄰苯二甲酸二烯丙酯及視需要一用於固化該乙烯基酯樹脂之觸媒。
一類較佳彈性體材料係共軛二烯與芳族乙烯基共聚物之嵌段共聚物。丁二烯及異戊二烯係較佳共軛二烯彈性體。苯乙烯、乙烯基甲苯及第三－丁基苯乙烯係較佳共軛芳族單體。納入聚異戊二烯之嵌段共聚物可經氫化以產生具有飽和烴彈性體段之熱塑性彈性體。該等聚合物可係R－(BA)x (x＝3－150)類型之簡單三嵌段共聚物：其中A係來自聚乙烯芳族單體之嵌段，且B係來自共軛二烯彈性體之嵌段。一較佳樹脂基體係異戊二烯－苯乙烯－異戊二烯嵌段共聚物，例如可自Kraton Polymer LLC獲得之KratonD1107異戊二烯－苯乙烯－異戊二烯嵌段共聚物。本文中另一有用樹脂基體係熱塑性聚胺基甲酸酯，例如分散於水中之聚胺基甲酸酯樹脂之共聚物混合物。
樹脂材料可混有填充劑，例如炭黑、矽石等，且可用油 增量，及藉由硫、過氧化物、金屬氧化物或放射固化系統使用橡膠技術中已知之方法硬化。亦可使用不同樹脂之摻合物。
較佳地，複數個纖維層中之每一者中之樹脂基體皆與在其他複數個纖維層中之樹脂基體相同或相容。"相容"意指樹脂化學性質可使得每一預浸料樹脂可在相同模製壓力、溫度及模製時間下處理。此確保頭盔殼可在一輪中模製，不管是否有兩個或更多個複數個不同纖維之纖維層。
如上所述，在本發明之某些態樣中，使用複數個玻璃纖維之纖維層，較佳地作為頭盔殼之外層。此等層亦形成為在樹脂基體中之纖維層。
可用於玻璃纖維層之樹脂與上文針對高韌性纖維層所述之樹脂相同，且在纖維層中之存在量可與上文針對其他層所述之量相同。本文中可使用各種玻璃纖維，包含E及S型纖維。玻璃纖維層亦可以各種織物形式存在，例如上文針對高韌性纖維層所述之織造、針織及非織造(單向且隨機氈合)織物類型。織造玻璃纖維織物之實例係彼等稱為1528、3731、3733、7500、7532、7533、7580、7624、7628及7645型且可自Hexcel獲得之織物。
藉由使用玻璃纖維預浸料可使頭盔之成本顯著減小，此乃因玻璃纖維之成本與芳族聚醯胺及聚乙烯織物之成本相比僅係其一小部分。該等玻璃纖維層最硬且具有高度研磨性。因此，其佈置為頭盔之外層較為合意。芳族聚醯胺纖維層具有良好抗衝擊性及適宜背面變形，且尤其適合用作 三段複合頭盔之中間段。聚乙烯織物複合物較具撓性，且模製時最少研磨，且具有最低重量及對某些射彈具有最高抗衝擊性。聚乙烯織物尤其適合用作三段頭盔之之內部。另一選擇為，在三段頭盔中聚乙烯層可係中間段且芳族聚醯胺層可用作複合頭盔之內部段。
當頭盔係僅自兩段韌性纖維層形成時，較佳地，外段係自芳族聚醯胺層形成，內部段係自聚乙烯層形成，但若需要則此可顛倒。
較佳地，複數個纖維層之每一者在模製之前塗覆或浸漬樹脂基體，以便形成預浸料織物。一般而言，本發明之纖維層係較佳地藉由以下形成：先構造一纖維網絡(例如，以一織造織物層開始)，且隨後使用基體組合物塗覆該網絡。如本文中所使用，術語"塗覆"廣義地用於說明一纖維網絡，其中各纖維在該等纖維之表面具有一圍繞該等纖維之連續基體組合物層或不連續的基體組合物層。在前者之情形中，可以說纖維係完全包埋在基體組合物中。在本文中，術語塗覆及浸漬可相互換用。儘管在模具中可將樹脂基體施用於無樹脂纖維層，但此係較不合意的，此乃因樹脂塗層之均勻性可能難以控制。
基體樹脂組合物可以任何適合方式施用在纖維層上，例如作為溶液、分散液或乳液施用。隨後乾燥經基體塗覆之纖維網絡。可將基體樹脂之溶液、分散液或乳液噴灑在長絲上。另一選擇為，可藉由浸塗或藉由一輥塗器或諸如此類將水溶液、分散液或乳液塗覆於纖維層結構上。在塗覆 之後，經塗覆纖維層此時可穿過一烘箱加以乾燥，在該烘箱中該或該等經塗覆纖維網絡層經充分加熱以蒸發基體組合物中之水或其他液體。經塗覆纖維網絡隨後可佈置在一載體網片上，該載體網徵可係紙張或薄膜基板，或可先將該等織物置於載體網片上再塗覆基體樹脂。含納織物層之基板及樹脂基體隨後可以已知方式捲入至連續輥中。
纖維網絡可經由各種方法構建。在單向對齊纖維網絡之情形中，高韌性長絲之紗束可自一紗架供應，且在塗覆基體材料之前經由導架及一個或多個擴展桿引入一準直梳。該準直梳以共面方式及大致單向模式對齊長絲。
在使用樹脂基體塗覆織物層之後，該等層較佳地以一已知方式整合以形成一預浸料。"整合"意指基體材料及纖維網絡層組合成一單個整體層。整合可經由乾燥、冷卻、加熱、壓力或其一組合發生。
端視所需頭盔類型、所需性能及所需重量而定，在複數個纖維層之每一段中之層數可在寬範圍內變化。舉例而言，在複數個纖維層之每一段中之層數範圍可自約2至約40層，更佳地自約2至約25層，且最佳地自約2至約15層。在複數個纖維層之每一段中之層數可不同或可相同。該等層可具有任何適合厚度。舉例而言，該複數個纖維層之一段中之每一層皆可具有一自約1密爾至約40密爾(25至1016 μm)之厚度，更佳地自約3至約30密爾(76至762 μm)，且最佳地自約5至約20密爾(127至508 μm)。每一複數個纖維網絡之每一層之厚度皆可相同或不同。
同樣地，該複數個纖維層之每一段中之每一層之重量可在寬範圍內變化，但通常選擇為可使頭盔之總重量處於配戴者可接受的舒適及保護範圍內。舉例而言，在該複數個纖維層之每一段中之每一層之重量範圍可自約5至約200克，更佳地自約10至約100克，且最佳地自約20至約75克。同樣，每一複數個纖維網絡之每一層之重量皆可相同或不同。在具有複數個纖維層之兩段之一殼之一實例中，第一複數個纖維層之總重量範圍自約200(較佳地約400)至約600克，且第二複數個纖維層之總重量範圍相應地自約600至約200(較佳地約400)克。
該等層之重量比可視需要而不同。對於一僅自兩段高韌性織物形成之頭盔殼而言，含納芳族聚醯胺之層之存在量可佔該頭盔殼總重量之約20重量%至約80重量%，更佳地佔約35重量%至約65重量%，且最佳地佔約45重量%至約55重量%。相應地，含納聚烯烴之層之存在量可佔該頭盔殼總重量之約80重量%至約20重量%，更佳地佔約65重量%至約35重量%，且最佳地佔約55重量%至約45重量%。
對於自本文所使用三段織物形成之頭盔殼而言，含納玻璃纖維之層之存在量可佔該頭盔殼總重量之約5重量%至約65重量%，更佳地佔約10重量%至約50重量%，且最佳地佔約20重量%至約40重量%；且含納芳族聚醯胺之層之存在量可佔約5重量%至約65重量%，更佳地佔約10重量%至約50重量%，且最佳地佔約20重量%至約40重量%；且含納聚烯烴之層之存在量可佔約5重量%至約65重量%，更 佳地佔約10重量%至約50重量%，且最佳地佔約20重量%至約40重量%。在一自此三段織物形成之頭盔殼之實例中，該第一、第二及第三複數個纖維層之每一者之總重量皆具有自約250至約400克之重量範圍。
一類已知之廣泛用於軍事應用之頭盔係地面部隊個人裝甲系統，縮寫為PASGT。合意地，此等材質頭盔具有一自約750至約1500克之重量範圍，且更佳地自約800至約1100克。
為形成本發明之頭盔殼，將兩種類型或更多種類型之纖維網絡預浸料施加至一模具。當僅使用兩段或預浸料時，較佳地將樹脂基體中期望數量之個別芳族聚醯胺纖維層佈置在適合模具位置以形成該頭盔殼之外段。該模具可係任何期望類型，例如匹配模製模具。接著將所需數量之各高韌性聚乙烯纖維層佈置在該模具中且定位成可使得其形成該頭盔殼之內部段。當然，端視期望將哪些纖維層作為該頭盔之外層，可顛倒該順序。合意地，對樹脂加以選擇以便當將其置於模具中時其不具黏性。此允許各層在彼此之上相互滑動以完全填充該模具且形成期望之頭盔形狀。在各高韌性纖維層或纖維層組之間不需要使用黏結劑，此乃因各層之(一或多種)樹脂可在該等層之間提供所需之黏結。然而，若需要，則可使用一層或多層單獨黏結劑。
應小心地完全且均勻地填充模具，並以正確取向佈置所有層。此確保整個頭盔殼具有一致性能。若混合材料之合併體積多於頭盔模具可處理之體積，則該模具將不會閉合 且因此不能模製頭盔。若混合材料之合併體積少於模具體積，則儘管該模具將會閉合，但該材料將因缺少模製壓力而不能模製。
一旦模具正確地裝載所需數量及類型之纖維層，頭盔殼就可在期望模製條件下模製。此等條件可類似於在模製單獨芳族聚醯胺織物層及單獨聚乙烯織物層中使用之彼等條件。舉例而言，模製溫度範圍可自約65至約250℃，更佳地自約90至約330℃，且最佳地自約120至約320℃。夾具模製壓力之範圍可(舉例而言)自約10至約500噸(10.2至508公噸，更佳地自約50至約350噸(50.8至356公噸)，且最佳地自約100至約200噸(102至203公噸)。模製時間範圍可自約5至約60分鐘，更佳地自約10至約35分鐘，且最佳地自約15至約25分鐘。
在期望之模製條件下，倘使係熱固性樹脂，則在纖維網絡中存在之一或多種樹脂會固化。這就使得各層及各層組之強黏結形成作為整體單一模製之期望頭盔形狀。據信，每一組織物之熱固性樹脂皆在其介面處藉由該等樹脂之交聯黏結。對於熱塑性樹脂而言，使頭盔冷卻至樹脂之軟化溫度以下且隨後自模具中拉出。在受熱及受壓條件下，熱塑性樹脂在織物層之間流動，亦達成整體單一模製。在冷卻期間，維持模製壓力。此後自模具取出模製產品，且若需要則修整該部件。
儘管較佳地具有一種類型高強度纖維網絡之第一堆疊及自不同纖維形成之高強度纖維網絡之第二堆疊，但在纖維 層堆疊之一者或兩者中可能包含每一類型纖維層。此等可以重覆或非重覆模式相互交替排列。然而，較佳地每一堆疊係自單一類型之高韌性纖維材料形成。
在三種不同類型之預浸料之情形下，一頭盔較佳地係藉由首先將玻璃纖維織物層引進模具、然後引進芳族聚醯胺織物層(若其擬作為該構造之中間段)、且最終引進聚烯烴織物層(若其擬作為該頭盔殼之內部段)而形成。同樣，該三種不同類型之預浸料之引進順序可端視期望哪些預浸料在頭盔殼之外層、中間層及內層而有所不同。
在複合結構中使用之織物相對較薄但很強壯。各織物層之較佳厚度係自約1至約36密爾(25至911 μm)，較佳地自約5至約28密爾(127至711 μm)，且最佳地自約10約23密爾(254至584 μm)。
舉出下列非限定實例旨在提供對本發明之更完整理解。為闡述本發明之原理所列出之特定技術、條件、材料、比例及報告數據僅為例示性且不應理解為限制本發明之範疇。除非另有說明，否則所有百分比皆係重量百分比。
實例 實例1
自高韌性芳族聚醯胺纖維層及高韌性聚乙烯纖維層形成頭盔殼。芳族聚醯胺纖維係呈705型Kevlar織造織物層之形式，其係平紋織造31×31端頭/英吋(12×12端頭/cm)構造。該織物層具有6.8盎司/平方碼(231 g/m2 )之重量及12密爾(305 μm)之厚度。每一織物層皆如下所述使用乙烯基 酯樹脂(來自Ashland Chemical公司之Derakane 411－45樹脂)塗覆。藉由使用工業溶劑(例如丙酮)稀釋及添加固化劑來製備樹脂溶液。將織物安放在一框架上以維持均勻張力，且將該織物浸入該溶液中以完全由該樹脂混合物覆蓋。將該經塗覆之織物在低於75℃之溫度下乾燥足夠時間以達成小於1%之揮發物含量。然後將該等預浸料織物與釋放膜或紙卷至輥上以免彼此直接接觸。乾燥後，織物層上之樹脂含量係15.2重量%。
聚乙烯纖維係呈903型Spectra織物層之形式，其係一平紋織造21×21端頭/英吋(8.3×8.3端頭/cm)構造。該織物層具有7盎司/平方碼(237 g/m2 )之重量及20密爾(508 μm)之厚度。該聚乙烯織物使用與芳族聚醯胺織物使用者相同之乙烯樹脂藉由相同技術塗覆。乾燥後，該織物上之樹脂含量係15.3%。
自17層芳族聚醯胺織物及13層聚乙烯織物模製頭盔殼。該殼形狀係PASGT模具形狀，具有0.310英吋(7.8 mm)之頭盔模具厚度。該等織物層係呈針輪式圖案之形式，在每一頭盔中皆具有三個7英吋(17.8 cm)之冠狀輪。冠狀層係用於補償冠狀區域中之厚度之小直徑針輪。非冠狀區域由於頭盔形狀而具有交疊織物。沿一方向將各芳族聚醯胺層佈置在模具中以便該等芳族聚醯胺層位於頭盔殼外側。聚乙烯層佈置在該等芳族聚醯胺層之頂部以便位於頭盔殼內側。在如下條件下模製頭盔：在190噸(193公噸)之夾具壓力及250℉(121℃)下加熱15分鐘，隨後冷卻至220℉(104 ℃)保持15分鐘。所獲得之頭盔具有1035克之修整殼重量。
按照MIL－STD－662F標準使用符合MIL－P－46593A標準之17粒碎片模擬射彈(FSP)測試該頭盔之抗衝擊性能。結果顯示於下表1中。其中顯示每一頭盔構造之V50速度。該V50速度係射彈具有50%穿透機率之速度。
實例2
如實例1所述模製一種頭盔，其具有以下不同之處。使用三組織物。外層係來自Hexcel之7628型玻璃纖維織造織物，其係平紋織造17×12端頭/英吋(6.7×4.7端頭/cm)構造。該織物層具有6.0盎司/平方碼之重量及6.8密爾(172 μm)之厚度。每一織物層使用與芳族聚醯胺織物及聚乙烯織物使用者相同之乙烯樹脂藉由相同技術塗覆。乾燥後，織物層上之樹脂含量係10.1重量%。
藉由下述模製頭盔殼：10層玻璃纖維作為外層，12層芳族聚醯胺織物作為中間層，及12層聚乙烯織物作為內層。使用相同材質PASGT殼形狀匹配模製模具。在與實例1相同之條件下模製頭盔。該頭盔具有1112克之修整重量。
按照MIL－STD－662F標準使用符合MIL－P－46593A標準之17粒FSP對該頭盔進行抗衝擊性能測試。結果顯示於下表1中。
實例3(比較性)
僅自實例1中使用之聚乙烯織物層形成頭盔殼。將總共25層聚乙烯織物引進模具，且在與實例1相同之條件下模 製頭盔。修整殼之重量係849克。
按照MIL－STD－662F標準使用符合MIL－P－46593A標準之17粒FSP對該頭盔進行抗衝擊性能試驗。結果顯示於下表1中。
實例4(比較性)
僅自實例1中使用之芳族聚醯胺織物層形成頭盔殼。將總共33層芳族聚醯胺織物引進模具，且在與實例1相同之條件下模製頭盔。修整殼之重量係1103克。
按照MIL－STD－662F標準使用符合MIL－P－46593A標準之17粒FSP對該頭盔進行抗衝擊性能測試。結果顯示於下表1中。
可以看出，在單一模製抗衝擊頭盔殼中使用兩種抗衝擊材料與僅自高韌性聚乙烯纖維或僅自芳族聚醯胺纖維形成之比較性頭盔殼相比可對17粒FSP射彈提供更高之抗衝擊性。此外，在單一模製抗衝擊頭盔殼中使用三種抗衝擊材料可對17粒FSP射彈提供最高之抗衝擊性。當與單一材料之昂貴頭盔相比時，後者頭盔之成本顯著降低，且可在不 犧牲單一材料頭盔之突出抗衝擊性之情形下實現。
此外，在不需改變匹配模製模具之情形下模製兩或三種抗衝擊材料之頭盔殼之製程可為抗衝擊頭盔設計選擇各種材料提供額外選擇。此外，用於製造單一纖維類型之頭盔殼之相同模具可用於製造本發明之多材料頭盔殼。
實例5
以與實例1中相同之方式使用相同數量之芳族聚醯胺織物層及相同數量之聚乙烯織物層形成頭盔殼，其中芳族聚醯胺織物層位於外側。
在與實例1中相同之條件下模製頭盔殼。該修整殼之重量係1039克。
使用9 mm全金屬外殼(FMJ)124粒子彈作為射彈對該頭盔進行抗衝擊性能測試。結果展示於下表2中。
實例6
以與實例2中相同之方式使用相同數量之玻璃纖維織物層、芳族聚醯胺織物層及聚乙烯織物層形成頭盔殼。該頭盔殼係在與實例1相同之條件下形成，其中玻璃纖維織物層位於外側，芳族聚醯胺織物層位於中間且聚乙烯織物層位於內側。該修整殼之重量係1122克。
使用9 mm全金屬外殼(FMJ)124粒子彈作為射彈對該頭盔進行抗衝擊性能測試。結果展示於下表2中。
實例7(比較性)
僅自實例1使用之聚乙烯織物層形成頭盔殼。將總共25層聚乙烯織物引進模具，且在與實例1相同之條件下模製 頭盔。該修整殼之重量係853克。
使用9 mm全金屬外殼(FMJ)124粒子彈作為射彈對該頭盔進行抗衝擊性能測試。結果展示於下表2中。
實例8(比較性)
僅自實例1使用之芳族聚醯胺織物層形成頭盔殼。將總共33層芳族聚醯胺織物引進模具，且在與實例1相同之條件下模製頭盔。該修整殼之重量係1098克。
使用9 mm全金屬外殼(FMJ)124粒子彈作為射彈對該頭盔進行抗衝擊性能測試。結果展示於下表2中。
可以看出，在單一模製抗衝擊頭盔殼中使用兩種抗衝擊材料與僅自高韌性聚乙烯纖維或僅自芳族聚醯胺纖維形成之頭盔殼相比可對9 mm FMJ子彈提供更佳之抗衝擊性，且亦具有可接受之背面變形。此外，當與僅自高韌性聚乙烯纖維或僅自芳族聚醯胺纖維形成之頭盔殼相比時，在單一模製抗衝擊頭盔殼中使用三種抗衝擊材料可對9 mm FMJ子彈提供相當抗衝擊性。此外，該三種抗衝擊材料頭 盔殼具有非常低之背面變形且因此將具有進一步減小之背面損傷。當與單一材料之昂貴頭盔相比時，該三種抗衝擊材料之頭盔之成本顯著降低，且當與單一材料頭盔殼相比時可在不犧牲該合意抗衝擊性之情形下實現。
本發明之頭盔具有極佳抗衝擊性及抗撞擊性和結構剛度。其可以比習用頭盔更輕之重量製造。該等頭盔可用於軍事及非軍事應用中，例如執法頭盔、運動頭盔及其他類型之安全頭盔。
雖然本文以充分之細節闡釋了本發明，但應瞭解無須嚴格遵守此等細節且熟習此項技術者可聯想到進一步變化及修改，該等變化及修改皆屬於隨附申請專利範圍所界定之本發明範疇。

Claims (31)

  1. 一種模製頭盔，其包括一殼，該殼自外側至內側包括：第一複數個纖維層，該等纖維層包括存於第一樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維，其中該第一複數個纖維層之該高韌性纖維網絡係呈織造織物之形式；及第二複數個纖維層，其黏著至該第一複數個纖維層，該第二複數個纖維層包括存於第二樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維，其中該第一複數個纖維層之該等纖維包括芳族聚醯胺纖維，及該第二複數個纖維層之該等纖維包括聚烯烴纖維。
  2. 如請求項1之頭盔，其中該第一複數個纖維層之纖維係由芳族聚醯胺纖維組成及該第二複數個纖維層之纖維係由聚烯烴纖維組成。
  3. 如請求項2之頭盔，其中該等聚烯烴纖維包括聚乙烯纖維。
  4. 如請求項1之頭盔，其中該第一樹脂及該第二樹脂係化學上相容的。
  5. 如請求項1之頭盔，其中該第一樹脂及該第二樹脂係化學上相同的。
  6. 如請求項1之頭盔，其中該第二複數個纖維層之該高韌性纖維網絡係呈單向取向非織造織物或氈合織物之形式。
  7. 如請求項1之頭盔，其中該第二複數個纖維層之該等高韌性纖維網絡係呈織造織物之形式。
  8. 如請求項1之頭盔，其中該第一及第二樹脂係選自由環氧樹脂、胺基甲酸酯樹脂、聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、酚系樹脂及其混合物組成之群。
  9. 如請求項1之頭盔，其中該第一及第二樹脂各包括乙烯基酯樹脂。
  10. 如請求項1之頭盔，其中該第一複數個纖維層佔該殼之約20重量%至約80重量%，且該第二複數個纖維層相應地佔該殼之約80重量%至約20重量%。
  11. 如請求項1之頭盔，其中該第一複數個纖維層之該重量大致與該第二複數個纖維層之該重量相同。
  12. 如請求項1之頭盔，其中該第一及第二樹脂包括乙烯基酯樹脂。
  13. 如請求項1之頭盔，其中該第一複數個纖維層包括自約2至約40層，且該第二複數個纖維層包括自約2至約40層。
  14. 如請求項1之頭盔，其中該第一複數個纖維層之重量範圍係自約200至約600克，且該第二複數個纖維層之重量範圍相應地係自約600至約200克。
  15. 如請求項1之頭盔，其中該第一樹脂佔該第一複數個纖維層之總重量之約10重量%至約25重量%，且該第二樹脂佔該第二複數個纖維層之總重量之約10重量%至約25重量%。
  16. 如請求項1之頭盔，其進一步包括複數個纖維層，該複數個纖維層包括存於第三樹脂基體中之玻璃纖維，該複數個玻璃纖維層係定位在該殼之外側。
  17. 一種模製頭盔，其包括一殼，該殼自外側至內側包括：第一複數個纖維層，該等纖維層包括存於第一樹脂基體中之玻璃纖維，其中該第一複數個纖維層係呈織造織物之形式；第二複數個纖維層，其係黏著至該第一複數個纖維層，該第二複數個纖維層包括存於第二樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維；及第三複數個纖維層，其係黏著至該第二複數個纖維層，該第三複數個纖維層包括存於第三樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維，其中該第二複數個纖維層之該等纖維包括芳族聚醯胺纖維，及該第三複數個纖維層之該等纖維包括聚烯烴纖維。
  18. 如請求項17之頭盔，其中該第二複數個纖維層之纖維係由芳族聚醯胺纖維組成及該第三複數個纖維層之纖維係由聚乙烯纖維組成。
  19. 如請求項17之頭盔，其中該第一樹脂、該第二樹脂及該第三樹脂之每一者皆係化學上相容的。
  20. 如請求項17之頭盔，其中該第一樹脂、該第二樹脂及該第三樹脂之每一者皆係化學上相同的。
  21. 如請求項17之頭盔，其中該第一複數個纖維層佔該殼之約5重量%至約65重量%，該第二複數個纖維層佔該殼之約5重量%至約65重量%，且該第三複數個纖維層佔該殼之約5重量%至約65重量%。
  22. 如請求項17之頭盔，其中該第一複數個纖維層、該第二複數個纖維層及該第三複數個纖維層各具有大致相同重量。
  23. 如請求項17之頭盔，其中該第二及第三複數個纖維層之該等高強度纖維網絡係呈織造織物、針織織物、單向取向非織造織物或氈合織物之形式。
  24. 如請求項23之頭盔，其中該第二複數個纖維層及該第三複數個纖維層之該等高強度纖維網絡係呈織造織物之形式。
  25. 如請求項17之頭盔，其中該第一、第二及第三樹脂各自係選自由環氧樹脂、胺基甲酸酯樹脂、聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、酚系樹脂及其混合物組成之群。
  26. 如請求項17之頭盔，其中該第一、第二及第三樹脂各包括乙烯基酯樹脂。
  27. 如請求項17之頭盔，其中該第一複數個纖維層包括自約2至約40層，該第二複數個纖維層包括自約2至約40層，且該第三複數個纖維層包括自約2至約40層。
  28. 一種形成頭盔殼之方法，其包括以下步驟：將第一複數個纖維層供應至一模具，該等纖維層包括存於第一樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖 維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維，其中該第一複數個纖維層之該高韌性纖維網絡係呈織造織物之形式；將第二複數個纖維層供應至該模具，該第二複數個纖維層包括存於第二樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維，其中該第一複數個纖維層之該等纖維包括芳族聚醯胺纖維，及該第二複數個纖維層之該等纖維包括聚烯烴纖維；及將熱及壓力施加至該第一複數個纖維層及該第二複數個纖維層，藉此該第一複數個纖維層黏著至該第二複數個纖維層，以藉此形成整體頭盔殼。
  29. 如請求項28之方法，其中第一及第二樹脂係化學上相同的，且皆係選自由環氧樹脂、胺基甲酸酯樹脂、聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、酚系樹脂及其混合物組成之群；該第一及該第二複數個層之每一纖維層皆包括織造織物，且該第一複數個纖維層包括自約2至約40層，且該第二複數個纖維層包括自約2至約40層。
  30. 一種形成頭盔殼之方法，其包括以下步驟：將第一複數個纖維層供應至一模具，該等纖維層包括存於第一樹脂基體中之玻璃纖維，其中該第一複數個纖維層係呈織造織物之形式；將第二複數個纖維層供應至該模具，該第二複數個纖維層包括存於第二樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維；將第三複數個纖維層供應至該模具，該第三複數個纖 維層包括存於第三樹脂基體中之高韌性纖維網絡，該等高韌性纖維包括聚烯烴纖維或芳族聚醯胺纖維，其中該第二複數個纖維層之該等纖維包括芳族聚醯胺纖維，及該第三複數個纖維層之該等纖維包括聚烯烴纖維；及將熱及壓力施加至該第一複數個纖維層、該第二複數個纖維層及該第三複數個纖維層，藉此該第一複數個纖維層黏著至該第二複數個纖維層，且該第二複數個纖維層黏著至該第三複數個纖維層，以藉此形成整體頭盔殼。
  31. 如請求項30之方法，其中該第一、第二及第三樹脂係化學上相同的，且係選自由環氧樹脂、胺基甲酸酯樹脂、聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、酚系樹脂及其混合物組成之群；該第一、該第二及該第三複數個層之每一纖維層皆包括織造織物，且該第一複數個纖維層包括自約2至約40層，該第二複數個纖維層包括自約2至約40層，且該第三複數個纖維層包括自約2至約40層。
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