TWI406769B - 水滲進衝擊材料之抑制作用 - Google Patents

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Description

水滲進衝擊材料之抑制作用
本發明係關於對於由液體暴露造成之劣化具有出色抵抗性之抗衝擊性物品。更特定言之，本發明係關於在暴露於諸如海水及有機溶劑(諸如汽油及其他石油基產品)之液體中之後仍保持其出色抗衝擊性效能之抗衝擊性織物及物品。
具有出色抗射彈性質之含有高強度纖維之抗衝擊性物品為人所熟知。諸如防彈背心、頭盔、汽車面板及軍用設備之結構構件之物品通常由包含高強度纖維之織物製成。通常使用之高強度纖維包括聚乙烯纖維、芳族聚醯胺纖維(諸如聚(對苯二甲醯胺苯二胺))、石墨纖維、耐綸纖維、玻璃纖維及其類似物。對於多種應用(諸如背心或背心部件)而言，該等纖維可用於編織品或針織品中。對於其他應用而言，纖維可裹入或嵌入基質材料中以形成編織或非編織剛性或可撓性織物。
已知適用於形成硬質或軟質裝甲物品(諸如頭盔、面板及背心)之各種抗衝擊性構造。舉例而言，美國專利4,403,012、4,457,985、4,613,535、4,623,574、4,650,710、4,737,402、4,748,064、5,552,208、5,587,230、6,642,159、6,841,492、6,846,758(該等文獻全部係以引用的方式併入本文中)描述抗衝擊性複合物，其包括由諸如伸展鏈超高分子量聚乙烯之材料製成之高強度 纖維。該等複合物對來自射彈(諸如子彈、炮彈、榴散彈及其類似物)之高速撞擊之穿透顯示不同程度之抵抗性。
舉例而言，美國專利4,623,574及4,748,064揭示包含嵌入彈性基質中之高強度纖維之簡單複合結構。美國專利4,650,710揭示一種可撓性製造物品，其包含複數個由高強度伸展鏈聚烯烴(ECP)纖維組成之可撓性層。該網路之纖維係經低模數彈性材料塗佈。美國專利5,552,208及5,587,230揭示一種物品及一種製造物品之方法，該物品包含至少一種高強度纖維網路及包括乙烯酯及鄰苯二甲酸二烯丙酯之基質材料。美國專利6,642,159揭示一種抗撞擊性剛性複合物，其具有複數個包含安置於基質中之長絲網路之纖維層，其間具有彈性層。該複合物與硬質板黏結以增加抗穿甲射彈之保護。
硬質或剛性防彈衣提供良好抗衝擊性，但可極硬且笨重。因此，防彈衣(諸如抗衝擊性背心)較佳係由可撓性或軟質裝甲材料形成。然而，儘管此等可撓性或軟質材料展現出色抗衝擊性質，但其通常亦展現不良之液體(包括淡水、海水及有機溶劑(諸如石油、汽油、槍潤滑油及源自石油之其他溶劑))抵抗性。因為通常已知當此等材料暴露於液體中或浸沒於液體中時，其抗衝擊性效能劣化，所以此為難以解決之難題。此外，儘管已經已知向織物表面塗覆保護性膜以增強織物耐久性及耐磨性以及抗水性或耐化學性，但該等膜增加該織物之重量。因此，此項技術中將需要提供在與多種液體接觸或浸沒於多種液體中之後在可 接受抗衝擊性標準下執行以及具有出色耐久性之軟質可撓性抗衝擊性材料。
本發明提供纖維複合材料，其提供抵抗液體之所需保護，以及耐熱性及耐寒性及耐磨性，同時保持良好可撓性。特定言之，本發明提供併入有至少兩個纖維層之抗衝擊性結構，在該等纖維層表面中之每一者上包裹有聚合物膜，且其中纖維層包含至少部分經聚合物黏合材料塗佈之纖維，該聚合物黏合材料抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解。已發現聚合物膜與纖維層之此組合有助於在長期暴露於潛在有害之液體中之後保持織物之抗衝擊性質，消除藉由保護性表面膜來達成此等益處之需要。亦已出人意料地發現各纖維表面上聚合物膜之存在抑制液體在織物邊緣浸潤入織物中且防止液體停留於纖維間之空間中。因此，本發明之織物在浸沒於水或其他液體中之後保持低重量。
本發明提供一種纖維複合材料，其按次序包含：a)第一外部聚合物膜；b)第一纖維層，其與該第一外部聚合物膜接觸；該第一纖維層包含複數個纖維，其中該等纖維至少部分經聚合物黏合材料塗佈，該聚合物黏合材料抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解；c)中心聚合物膜，其與該第一纖維層接觸；d)第二纖維層，其與該中心聚合物膜接觸；該第二纖維層包含複數個纖維，其中該等纖維至少部分經聚合物黏合 材料塗佈，該聚合物黏合材料抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解；及e)第二外部聚合物膜，其與該第二纖維層接觸。
本發明亦提供一種形成纖維複合材料之方法，其包含：a)提供第一外部聚合物膜；b)將第一纖維層附著至該第一外部聚合物膜上；該第一纖維層包含複數個纖維，其中該等纖維至少部分經聚合物黏合材料塗佈，該聚合物黏合材料抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解；c)將中心聚合物膜附著至該第一纖維層上；d)將第二纖維層附著至該中心聚合物膜上；該第二纖維層包含複數個纖維，其中該等纖維至少部分經聚合物黏合材料塗佈，該聚合物黏合材料抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解；及e)將第二外部聚合物膜附著至該第二纖維層上。
本發明呈現一種纖維複合材料及物品，其在暴露於水(尤其海水)及有機溶劑(尤其源自石油之溶劑，諸如汽油)中之後仍保持出色抗衝擊穿透性。本發明之物品具有抵抗高能衝擊威脅(包括子彈及高能碎片，諸如榴散彈)之出色抗衝擊穿透性。
本發明之纖維複合材料之特徵在於交替之聚合物膜及纖維層，其中各相鄰材料層係不同的。圖1及圖2示意性說明本發明複合物之較佳層狀結構。如圖1及圖2中所說明，本 發明之纖維複合材料較佳包含兩種較佳結構中之一者。各結構較佳包括至少五個組份層。可包括其他交替層，但最佳為總共五層以保持低重量。如圖1中所示，說明纖維複合材料10，其按次序包含第一外部聚合物膜14、第一纖維層20、中心聚合物膜16、第二纖維層22及第二外部聚合物膜18。如圖2中所示，說明纖維複合材料12，其按次序包含第一外部聚合物膜14、第一纖維層24、中心聚合物膜16、第二纖維層26及第二外部聚合物膜18。
各實施例包括多個聚合物膜及多個纖維層。兩個實施例之主要區別在於纖維層之結構。在圖1中所說明之本發明之第一實施例中，第一纖維層20及第二纖維層22各包含單層片非編織、較佳非重疊纖維，其排列為單向、大體上平行陣列。此類纖維層在此項技術中稱作"單方向預浸帶"(或"單向預浸帶")且在本文中亦稱作"單層片"。如圖式中所說明，相對於各纖維層片之縱向纖維方向而言，該第一纖維層20之平行纖維較佳係與該第二纖維層22之平行纖維正交定位，以使得各纖維層之纖維係關於彼此以0∘/90∘交又層疊。如此項技術中通常已知，當個別纖維層經交又層疊以使得一層之纖維排列方向係關於另一層之纖維排列方向以一定角度旋轉時，達成出色抗衝擊性。相鄰層可關於另一層之縱向纖維方向以介於約0∘與約90∘之間之幾乎任何角度排列。最佳地，纖維層20與纖維層22之纖維係以0∘及90∘角正交交又層疊。
根據本發明，此第一實施例之各單層片纖維層包含至少 部分經聚合物黏合材料塗佈之纖維，該聚合物黏合材料抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解。此聚合物黏合材料有助於結合層14、16、18、24及26，以及有助於提供對由環境污染物造成之降解具有良好抵抗性之穩定複合材料。
在本發明之第二實施例中，第一纖維層24及第二纖維層26各自較佳包含固結為單層一體元件之複數個重疊非編織纖維層片，其中各層片包含排列為單向、大體上平行陣列之纖維，且其中相對於各纖維層片(單方向預浸帶)之縱向纖維方向而言，纖維層之各層片係與彼纖維層內各相鄰層片之平行纖維正交定位。纖維層24及26中之每一者亦包含至少部分經聚合物黏合材料塗佈之纖維，該聚合物黏合材料抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解。纖維層24及26最佳僅包括以0∘/90∘交又層疊之兩個固結"單方向預浸帶"，但其他單方向預浸帶可併入該固結單層元件中，且相鄰層片亦可以除0∘及90∘之外之角度交又層疊。任何其他層較佳亦相對於相鄰纖維層片之縱向纖維方向以特定角度交又層疊。舉例而言，五層非編織結構可具有以0∘/45∘/90∘/45∘/0∘定向或其他角度之層片。此等旋轉單向排列描述於(例如)美國專利4,457,985；4,748,064；4,916,000；4,403,012；4,623,573；及4,737,402中。當包含非編織纖維層片時，纖維層24及26最通常將包括1層片至約6層片，但可按照各種應用所需包括多達約10層片至約20層片。可使用熟知方法(諸如藉由美國專利6,642,159中所述之方法)來建構此等非編織纖維層。
層片數愈多轉化為愈大抗衝擊性，但重量亦愈大。形成纖維層24或26或形成複合結構10(其中附著其他單層片纖維層)之纖維層片數係視所需抗衝擊性物品之最終用途而改變。舉例而言，在軍事應用之防彈背心中，為形成達到所需每平方呎面積1.0磅之密度(4.9 kg/m2 )之物品複合物，可需要總共22個個別層片，其中該等層片可為由本文中所述之高強度纖維形成之編織、針織、氈製或非編織織物。在另一實施例中，根據國家司法協會(National Institute of Justice；NIJ)威脅等級(Threat Level)，用於執法用途之防彈背心可具有眾多層。舉例而言，對於NIJ威脅等級IIIA背心而言，亦可為共22層。對於較低NIJ威脅等級而言，可使用較少層。
纖維層24及26或者可包含編織纖維層。可使用此項技術中熟知之技術，使用任何織物編織(諸如平織、破斜紋編織、籃式編織、緞織、斜織及其類似編織)來形成編織纖維層。平織最為常見，其中纖維係以0∘/90∘定向編織在一起。在另一實施例中，可裝配混合結構，其中一纖維層包含編織纖維層且另一纖維層包含非編織纖維層。或者，纖維層24及26亦可包含編織纖維層與非編織纖維層之固結組合。
就本發明之目的而言，"纖維"為其長度尺寸遠大於寬度及厚度之橫向尺寸之狹長體。用於本發明中之纖維之橫截面可寬泛改變。其可為圓形、扁平或橢圓形橫截面。因此，術語纖維包括具有規則或不規則橫截面之長絲、織 帶、條帶及其類似物。其亦可具有不規則或規則多凸起橫截面，該橫截面具有一或多個自纖維之線性或縱向軸突出之規則或不規則凸起部。纖維較佳為單凸起且具有大體上圓形之橫截面。
如本文中所用，"陣列"描述纖維或紗線之有序排列，且"平行陣列"描述纖維或紗線之有序平行排列。纖維"層"描述編織或非編織纖維或紗線之平坦排列。如本文中所用"單層"結構係指由已固結為單一整體結構之一或多個個別纖維層組成之一體結構。一般而言，"織物"可係關於編織材料或非編織材料。本發明之纖維層片或者可包含紗線而非纖維，其中"紗線"為由多個長絲組成之股線。非編織纖維層片亦可包含氈製結構，其係使用通常已知之技術(包含隨機定向之纖維)形成。
根據本發明，包含纖維層20、22、24及26中之每一者之纖維較佳包含高強度高拉伸模數纖維。如本文中所用，"高強度高拉伸模數纖維"為具有至少約7公克/丹尼爾(denier)或更大之較佳韌度、至少約150公克/丹尼爾或更大之較佳拉伸模數及至少約8 J/g或更大之較佳斷裂能(每一者係根據ASTM D2256量測)之纖維。如本文中所用，術語"丹尼爾"係指線密度單位，其等於每9000公尺纖維或紗線以公克計之質量。如本文中所用，術語"韌度"係指不受應力之樣品之以每單位線密度(丹尼爾)之力(公克)表示之拉伸應力。纖維之"初始模數"為代表其抗變形性之材料性質。術語"拉伸模數"係指韌度變化(以每丹尼爾之公克力 (g/d)表示)與應變變化(以原始纖維長度之分率(in/in)表示)之比率。
尤其適合之高強度高拉伸模數纖維材料包括聚烯烴纖維(尤其伸展鏈聚烯烴纖維)，諸如高度定向之高分子量聚乙烯纖維(尤其超高分子量聚乙烯纖維及超高分子量聚丙烯纖維)。亦適合者為芳族聚醯胺纖維(尤其對芳族聚醯胺纖維)、聚醯胺纖維、聚對苯二甲酸乙二酯纖維、聚萘二甲酸乙二酯纖維、伸展鏈聚乙烯醇纖維、伸展鏈聚丙烯腈纖維、聚苯并唑纖維(諸如聚苯并噁唑(PBO)及聚苯并噻唑(PBT)纖維)及液晶共聚酯纖維。此項技術中通常已知該等纖維類型中之每一者。
在聚乙烯之情況下，較佳纖維為具有至少500,000、較佳至少100萬且更佳介於200萬與500萬之間之分子量的伸展鏈聚乙烯。此等伸展鏈聚乙烯(ECPE)纖維可以溶液紡絲方法生長(諸如描述於美國專利4,137,394或4,356,138中之方法，該等文獻係以引用的方式併入本文中)，或可自溶液紡絲以形成凝膠結構(諸如描述於美國專利4,551,296及5,006,390中之方法，該等文獻亦係以引用的方式併入本文中)。用於本發明中之尤其較佳纖維類型為來自Honeywell International Inc之以商標SPECTRA銷售之聚乙烯纖維。此項技術中熟知SPECTRA纖維且其描述於(例如)美國專利4,623,547及4,748,064中。
亦尤其較佳者為芳族聚醯胺(aramid；aromatic polyamide)或對芳族聚醯胺纖維。此等物質可購得且描述 於(例如)美國專利3,671,542中。舉例而言，有用之聚(對苯二甲醯胺對苯二胺)長絲係由Dupont公司以商標名KEVLAR商業製造。在實施本發明中亦有用者為Dupont以商標名NOMEX商業製造之聚(間苯二甲醯胺間苯二胺)纖維及Teijin以商標名TWARON商業製造之纖維。
用於實施本發明之適合聚苯并唑纖維可購得且揭示於(例如)美國專利5,286,833、5,296,185、5,356,584、5,534,205及6,040,050中，該等文獻中之每一者係以引用的方式併入本文中。較佳聚苯并唑纖維為來自Toyobo Co之ZYLON牌纖維。用於實施本發明之適合液晶共聚酯纖維可購得且揭示於(例如)美國專利3,975,487；4,118,372及4,161,470中，該等文獻中之每一者係以引用的方式併入本文中。
適合聚丙烯纖維包括如美國專利4,413,110中所述之高度定向之伸展鏈聚丙烯(ECPP)纖維，該文獻係以引用的方式併入本文中。適合聚乙烯醇(PV－OH)纖維描述於(例如)美國專利4,440,711及4,599,267中，該等文獻係以引用的方式併入本文中。適合聚丙烯腈(PAN)纖維揭示於(例如)美國專利4,535,027中，該文獻係以引用的方式併入本文中。該等纖維類型中之每一者通常已知且可廣泛購得。
用於本發明中之其他適合纖維類型包括玻璃纖維、由碳形成之纖維、由玄武岩或其他礦物形成之纖維、剛性棒狀纖維(諸如M5纖維)及所有上述材料之組合，其全部可購得。舉例而言，可由SPECTRA纖維與Kevlar纖維之組 合形成纖維層。M5纖維係由吡啶幷雙咪唑－2,6－二基(2,5－二羥基－對伸苯基)所形成且可獲自Richmond,Virginia之Magellan Systems International，且描述於(例如)美國專利5,674,969、5,939,553、5,945,537及6,040,478中，該等文獻中之每一者係以引用的方式併入本文中。特定言之，較佳纖維包括M5纖維、聚乙烯SPECTRA纖維及芳族聚醯胺Kevlar纖維。該等纖維可具有任何適合丹尼爾，諸如50丹尼爾至約3000丹尼爾，更佳約200丹尼爾至3000丹尼爾，再更佳約650丹尼爾至約2000丹尼爾，且最佳約800丹尼爾至約1500丹尼爾。
就本發明之目的而言，最佳纖維為高強度高拉伸模數伸展鏈聚乙烯纖維或高強度高拉伸模數對芳族聚醯胺纖維。如上所述，高強度高拉伸模數纖維為具有約7公克/丹尼爾或更大之較佳韌度，約150公克/丹尼爾或更大之較佳拉伸模數及約8 J/g或更大之較佳斷裂能(每一者係根據ASTM D2256量測)之纖維。在本發明之較佳實施例中，纖維韌度應為約15公克/丹尼爾或更大、較佳約20公克/丹尼爾或更大，更佳約25公克/丹尼爾或更大且最佳約30公克/丹尼爾或更大。本發明之纖維亦具有約300公克/丹尼爾或更大，更佳約400公克/丹尼爾或更大，更佳約500公克/丹尼爾或更大，更佳約1,000公克/丹尼爾或更大且最佳約1,500公克/丹尼爾或更大之較佳拉伸模數。本發明之纖維亦具有約15 J/g或更大，更佳約25 J/g或更大，更佳約30 J/g或更大之較佳斷裂能且最佳具有約40 J/g或更大之斷裂能。
該等組合高強度性質可藉由使用熟知方法獲得。美國專利4,413,110、4,440,711、4,535,027、4,457,985、4,623,547、4,650,710及4,748,064一般論述本發明中所用之較佳高強度伸展鏈聚乙烯纖維之形成。此項技術中熟知此等方法(包括溶液生長或凝膠纖維方法)。此項技術中亦通常已知形成其他較佳纖維類型(包括對芳族聚醯胺纖維)中之每一者之方法，且該等纖維可購得。
如上所述，纖維層20、22、24及26中之每一者進一步包含聚合物黏合材料，其在此項技術中通常亦稱作聚合物基質材料。該聚合物基質材料包括一或多種組份且在經受熱及/或壓力後促進多個纖維層片(亦即多個單方向預浸帶)固結或結合在一起，藉此形成固結整體單層元件。對於纖維層20、22、24及26中之每一者而言，塗佈於其組份纖維上之聚合物黏合材料包含抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解之材料，其為可選的。形成該等纖維層之纖維中之每一者之表面至少部分經聚合物基質材料塗佈，且較佳大體上由基質材料塗佈。可在編織之前或之後用聚合物基質材料進行編織纖維層或織物之纖維之塗佈。該等纖維層或者可包含複數個經基質材料塗佈且固結之紗線層片，或氈製結構，該氈製結構包含纏結且壓縮在一起之嵌入適合基質材料中之無規定向之纖維。
本發明之纖維層可使用多種基質材料(包括低模數彈性基質材料及高模數剛性基質材料)來製備。有用聚合物基質材料包括具有上述所需性質之低模數熱塑性基質材料及 高模數熱固性基質材料，或其組合。適合熱塑性基質材料較佳具有小於約6,000 psi(41.3 MPa)之初始拉伸模數，且適合高模數熱固性材料較佳具有至少約300,000 psi(2068 MPa)之初始拉伸模數，每一者係在37℃下根據ASTM D638進行量測。如遍及本文中所用，術語拉伸模數意謂基質材料之根據ASTM D638所量測之彈性模數。就製造軟質防彈衣而言，低模數熱塑性基質材料最佳。較佳低模數熱塑性材料具有約4,000 psi(27.6 MPa)或更小、更佳約2400 psi(16.5 MPa)或更小、更佳1200 psi(8.23 Mpa)或更小且最佳約500 psi(3.45 MPa)或更小之拉伸模數。
如本文中所述，聚合物基質材料獨立地抗(尤其)海水溶解且獨立地抗一或多種有機溶劑(諸如柴油或非柴油汽油、槍潤滑油、石油及源自石油之有機溶劑)溶解。聚合物基質材料較佳亦抗水與一或多種有機溶劑之組合溶解。通常，存在兩種類型之主要用於製造軟質防彈衣之聚合物，亦即溶劑基合成橡膠及水基合成橡膠；及聚胺基甲酸酯(通常為水基)。該等合成橡膠通常為苯乙烯與異戊二烯之嵌段共聚物，尤其為苯乙烯－異戊二烯－苯乙烯(SIS)共聚物。該等SIS共聚物係於溶劑基溶液及水基分散液中加工。溶劑基合成橡膠通常對石油溶劑敏感且在暴露後將溶解。此等溶劑基合成橡膠通常不受水影響。然而，視分散方法及分散液物質而定，水基分散液可對水及海水極為敏感。由於目前使用之聚胺基甲酸酯基質聚合物之固有極性，其通常抵抗石油溶劑，其中存在一些例外情況。水基 聚胺基甲酸酯可由水(尤其海水)降解，其可造成聚胺基甲酸酯鏈之水解斷裂，導致分子量及物理性質降低。
已發現具極性及水解穩定性之聚合物達成抗水性與抗有機溶劑性之所需平衡，同時保持有效抗衝擊性物品所必要之所需抗衝擊性質。極性聚合物通常抗非極性有機溶劑溶解，且水解穩定性聚合物對水解穩定，亦即抵抗暴露於水中之後之化學分解。因此，在長期暴露於此等液體中之後，併入有此等聚合物基質材料之所形成之抗衝擊性物品保持其抗衝擊性質。
在本發明之較佳實施例中，適合聚合物基質材料較佳包括合成橡膠、二烯橡膠及苯乙烯系嵌段共聚物(包括苯乙烯－異戊二烯－苯乙烯(SIS)及苯乙烯－丁二烯－苯乙烯(SBS))、極性乙烯基聚合物、極性丙烯酸系聚合物、聚氯乙烯均聚物、聚氯乙烯共聚物、聚氯乙烯三聚物、聚乙烯醇縮丁醛、聚偏二氯乙烯、聚偏二氟乙烯、極性乙烯乙酸乙烯酯共聚物、極性乙烯丙烯酸共聚物、聚矽氧、熱塑性聚胺基甲酸酯、腈橡膠、聚氯丁二烯(諸如氯丁橡膠(由DuPont製造))、聚碳酸酯、聚酮、聚醯胺、纖維素、聚醯亞胺、聚酯、環氧樹脂、醇酸樹脂、酚系樹脂、聚丙烯腈、聚醚碸及其組合。
亦適合者為本文中未指定之其他極性、水解穩定性聚合物。非極性合成橡膠及苯乙烯系嵌段共聚物(諸如SIS及SBS)通常應經極性基團改質(諸如藉由接枝羧基或添加酸或醇官能基或任何其他極性基團改質)以具充分疏油性。 舉例而言，非極性聚合物可與含有羧酸基團(諸如丙烯酸或順丁烯二酸)或另一極性基團(諸如胺基、硝基或磺酸酯基)之單體共聚。此項技術中熟知此等技術。
尤其較佳者為具有C－C聚合物主鏈之極性聚合物。如本文中所述，極性聚合物通常抗非極性有機溶劑溶解。具有C－C－主鏈之聚合物(諸如乙烯基聚合物，包括(例如)丙烯酸系聚合物、乙烯乙酸乙酯、聚偏二氯乙烯等)具有水解穩定性分子結構。亦尤其較佳者為極性熱塑性聚胺基甲酸酯，尤其為經調配以增強水解穩定性之極性熱塑性聚胺基甲酸酯。與C－C鍵不同，胺基甲酸酯鍵及酯鍵通常易於水解降解。因此，具有此等鍵之聚合物通常經調配或改質以增強疏水性及水解穩定性。舉例而言，聚胺基甲酸酯可經由與聚醚多醇或脂族多元醇組份或已知增強水解穩定性之其他組份共聚來調配以增強水解穩定性。主要聚胺基甲酸酯製備反應係在催化劑存在下發生於脂族或芳族二異氰酸酯與多元醇(通常為聚乙二醇或聚酯多醇)之間。異氰酸酯共反應物之選擇亦可影響水解穩定性。共反應物中之一者或兩者上之龐大側基亦可保護胺基甲酸酯鍵免受進攻。藉由改變所用單體之類型及藉由添加其他物質(諸如藉由防水劑、pH值緩衝劑、交聯劑及螯合劑等)以改質其特性或增強其水解穩定性，可製得多種密度及硬度之聚胺基甲酸酯。最佳聚胺基甲酸酯基質材料包含極性、水解穩定性聚醚基或脂族基熱塑性聚胺基甲酸酯，其優於聚酯基聚胺基甲酸酯。
熱塑性聚胺基甲酸酯可為均聚物、共聚物或聚胺基甲酸酯均聚物與聚胺基甲酸酯共聚物之摻合物。此等聚合物可購得。此等聚胺基甲酸酯通常係以水溶液、分散液或乳液形式獲得，其中固體組份可在約20重量%至80重量%、更佳約40重量%至約60重量%之範圍內，其中剩餘重量為水。就易於使用而言，水性系統較佳。較佳聚胺基甲酸酯塗佈纖維層描述於美國專利申請案第11/213,253號中，該文獻係以引用的方式全文併入本文中。
較佳熱塑性基質材料之玻璃轉移溫度(Tg)較佳小於約0℃、更佳小於約－40℃且最佳小於約－50℃。較佳熱塑性材料亦具有至少約50%、更佳至少約100%之較佳斷裂伸長率且最佳為至少約300%之斷裂伸長率。
關於編織纖維層，通常不必將纖維塗佈聚合物基質材料，因為未進行固結。然而，包含編織纖維層之纖維較佳經抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解之聚合物基質材料塗佈，以達成本文中所述之益處。
由本發明之織物複合物形成之物品之剛性、撞擊性及衝擊性質係由基質聚合物之拉伸模數實現。舉例而言，美國專利4,623,574揭示，與由較高模數聚合物建構之複合物相比且亦與不具有基質之相同纖維結構相比，由具有小於約6000 psi(41,300 kPa)之拉伸模數之彈性基質建構的纖維增強複合物具有出色衝擊性質。然而，低拉伸模數基質聚合物亦產生較低剛性複合物。此外，在某些應用(尤其複合物必須以抗衝擊性模式及結構性模式作用之應用)中，需 要抗衝擊性與剛性之優異組合。因此，最適當類型之待使用基質聚合物將視由本發明之織物形成之物品類型而改變。為達成兩種性質之折衷，適合基質材料可將低模數材料與高模數材料組合以形成單一基質材料。基質材料亦可包括諸如碳黑或二氧化矽之填料，可經油增量，或可由硫、過氧化物、金屬氧化物或此項技術中所熟知之輻射固化系統硫化。
在固結纖維層片之前進行基質之塗覆。該基質可以多種方式塗覆於纖維上，且術語"塗佈"並非意欲限制將基質材料塗覆於一或多個纖維表面上之方法。舉例而言，聚合物基質材料可以溶液形式藉由噴霧或輥塗基質材料之溶液而塗覆於纖維表面上，其中一部分溶液包含一或多種所需聚合物且一部分溶液包含能夠溶解該或該等聚合物之溶劑，接著進行乾燥。
另一方法在於將塗佈材料之純聚合物以液體、黏性固體或於懸浮液中之粒子形式或以流化床形式塗覆於纖維上。或者，可以於適合溶劑(其在塗覆溫度下不會不良影響纖維之性質)中之溶液或乳液形式塗覆塗層。舉例而言，纖維可穿過基質材料溶液傳送以大體上塗佈該纖維且隨後乾燥以形成塗佈纖維。隨後可將所得塗佈纖維排列為所需纖維層組態。在另一塗佈技術中，可首先排列纖維層，接著將該層浸漬於含有溶解於適合溶劑中之基質材料之溶液浴中，以使得各個別纖維大體上經基質材料塗佈，且隨後經由蒸發溶劑來將其乾燥。可按需要將浸漬程序重複若干次 以將所需量之基質材料塗層置於纖維上，較佳用基質材料包裹個別纖維中之每一者或覆蓋100%之纖維表面積。
儘管可使用能夠溶解或分散聚合物之任何液體，但較佳溶劑群包括水、石蠟油及芳族溶劑或烴溶劑，其中例示性特定溶劑包括石蠟油、二甲苯、甲苯、辛烷、環己烷、甲基乙基酮(MEK)及丙酮。用於將塗佈聚合物溶解或分散於溶劑中之技術將為通常用於將類似材料塗佈於多種基板上之技術。
可使用用於將塗層塗覆於纖維上之其他技術，包括在使纖維經受高溫拉伸操作之前，在自纖維移除溶劑之前或之後(若使用凝膠紡絲纖維形成技術)塗佈高模數前驅物(凝膠纖維)。隨後可將纖維在高溫下拉伸以產生塗佈纖維。凝膠纖維可在特定條件下穿過適當塗佈聚合物之溶液以獲得所需塗層。在纖維通入溶液中之前，可發生或可不發生凝膠纖維中高分子量聚合物之結晶。或者，纖維可經擠壓入適當聚合物粉末之流化床中。此外，若進行拉伸操作或其他操縱過程(例如溶劑交換、乾燥或其類似過程)，則可將塗層塗覆於最終纖維之前驅物上。在本發明之最佳實施例中，本發明之纖維首先經基質材料塗佈，接著將複數個纖維排列為編織或非編織纖維層。此項技術中熟知此等技術。
因此，本發明之纖維可經基質材料塗佈、經基質材料浸漬、經嵌入基質材料中或藉由將基質材料塗覆於纖維上而以其他方式經基質材料塗覆且隨後將基質材料－纖維組合 固結以形成複合物。如上所述，"固結"意謂基質材料及各個別纖維層經合併為單一整體層。可經由乾燥、冷卻、加熱、壓力或其組合發生固結。術語"複合物"係指纖維與基質材料之固結組合。如先前所述，如本文中所用之術語"基質"為此項技術中所熟知，且係用於表示在固結後將纖維黏合在一起之黏合材料(諸如聚合物黏合材料)。
如圖1及圖2中所說明，聚合物膜14、16及18係附著於纖維層20、22、24及26之各表面上。如圖2中所說明，聚合物膜14、16及18較佳在任何可用固結步驟後附著於該等纖維層上。該等聚合物膜之適合聚合物非排他地包括熱塑性聚合物及熱固性聚合物。適合熱塑性聚合物可非排他地選自由聚烯烴、聚醯胺、聚酯、聚胺基甲酸酯、乙烯基聚合物、氟聚合物及其共聚物及混合物組成之群。其中，聚烯烴層較佳。較佳聚烯烴為聚乙烯。聚乙烯膜之非限制性實例為低密度聚乙烯(LDPE)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)、線性中密度聚乙烯(LMDPE)、線性極低密度聚乙烯(VLDPE)、線性超低密度聚乙烯(ULDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)。其中，最佳聚乙烯為LLDPE。適合熱固性聚合物非排他地包括熱固性烯丙基聚合物、胺基聚合物、氰酸酯聚合物、環氧樹脂、酚系樹脂、不飽和聚酯、雙順丁烯二醯亞胺、剛性聚胺基甲酸酯、聚矽氧、乙烯基酯及其共聚物及摻合物，諸如美國專利6,846,758、6,841,492及6,642,159中所描述之彼等者。在各實施例中，聚合物膜14、16及18可相同或不同。
聚合物膜14、16及18較佳為經冷卻且使用熟知層壓技術藉由層壓而附著於纖維層上之擠壓層。通常，藉由在足夠熱及壓力條件下將個別層彼此層疊定位來進行層壓以使得該等層合併。將個別層彼此層疊定位，且隨後通常由此項技術中熟知之技術使組合穿過一對加熱層壓滾筒之夾持點。可在約95℃至約175℃、較佳約105℃至約175℃之範圍內之溫度下，在約5 Psig(0.034 MPa)至約100 psig(0.69 MPa)之範圍內之壓力下進行層壓加熱歷時約5秒至約36小時、較佳約30秒至約24小時。在第一纖維層20及第二纖維層22各自僅由單層片纖維組成之本發明實施例中，較佳在單一層壓－固結步驟中進行聚合物膜至纖維層20及22之附著及纖維層20及22彼此之間之附著。或者，聚合物膜可在塗佈步驟中附著於纖維上，其中黏合劑樹脂經塗覆於纖維上且隨後置於膜上，或經塗覆於膜及位於基板上樹脂中之纖維上且使其在彼此接觸下乾燥。在第一纖維層24及第二纖維層26包含複數個非編織纖維層片之本發明實施例中，該等纖維層較佳在聚合物膜14、16及18層壓之前固結。
用於將纖維層片固結成纖維層24及/或26之適合固結條件與該等層壓條件類似。在典型固結方法中，交又層疊纖維層片係在約200℉(約93℃)至約350℉(約177℃)之溫度下、更佳在約200℉至約300℉(約149℃)之溫度下且最佳在約200℉至約250℉(約121℃)之溫度下且在約25 psi(約172 kPa)至約500 psi(3447 kPa)或更高之壓力下壓製在一起歷時約30秒至約24小時之持續時間。此項技術中通常已知此 等方法。在加熱時，有可能可使基質在不完全熔融之情況下黏著或流動。然而，通常若使基質材料熔融，則需要相對較小壓力以形成複合物，但若僅將基質材料加熱至黏著點，則通常需要較大壓力。固結步驟通常可用時約10秒至約24小時。與模製類似，適合固結溫度、壓力及時間通常係視聚合物類型、聚合物含量、所用方法及纖維類型而定。如此項技術中通常已知，固結或者可於高壓釜中進行。亦可於單一固結步驟中進行將纖維層片固結成纖維層24及/或26及附著聚合物膜。
本發明之結構10及12亦可藉由於適合模製裝置中在熱及壓力下模製將各結構之多個組份層合併而形成。通常，模製係在約50 psi(344.7 kPa)至約5000 psi(34474 kPa)、更佳約100 psi(689.5 kPa)至約1500 psi(10342 kPa)、最佳約150 psi(1034 kPa)至約1000 psi(6895 kPa)之壓力下進行。亦可使用約500 psi(3447 kPa)至約5000 psi、更佳約750 psi(5171 kPa)至約5000 psi且更佳約1000 psi至約5000 psi之較高壓力。模製步驟可用時約4秒至約45分鐘。較佳模製溫度在約200℉(約93℃)至約350℉(約177℃)之範圍內，更佳在約200℉至約300℉(約149℃)之溫度下且最佳在約200℉至約280℉(約138℃)之溫度下。適合模製溫度、壓力及時間通常將視聚合物基質類型、聚合物基質含量、層數、材料質量及纖維類型而改變。儘管本文中所述之模製及固結技術中之每一者係類似的，但各方法不同。特定言之，模製為分批法，而固結為連續法。此外，模製通常涉及使用 模具，諸如成型模具或匹配壓模(match－die mold)。本發明之織物經模製之壓力對所得模製產品之硬度具有直接影響。特定言之，複合物經模製之壓力愈高，則硬度愈高，且反之亦然。除模製壓力之外，織物層之量、厚度及組成、基質類型及聚合物膜類型亦直接影響由本發明複合物形成之物品之硬度。
本發明之複合結構10及12可視情況在熱及壓力下壓光以使其表面平滑或將其表面拋光。此項技術中熟知壓光方法且其可在模製之前或之後進行。
在本發明之較佳實施例中，聚合物膜層較佳佔總纖維複合材料(其包括纖維、可選聚合物基質材料及聚合物膜之重量)之約2重量%至約20重量%，更佳佔總纖維複合材料之約2重量%至約15重量%且最佳佔約2重量%至約10重量%。聚合物膜層之重量百分比通常將視形成多層膜之織物層數而改變。若存在，則構成纖維層之基質材料之比例較佳佔該層之約3重量%至約30重量%、更佳佔該層之約3重量%至約20重量%、更佳佔該層之約3重量%至約16重量%、更佳佔該層之約5重量%至約15重量%且更佳佔該層之約11重量%至約15重量%。構成本發明之各纖維層之纖維之比例較佳佔該層之約60重量%至約98重量%、更佳佔該層之約70重量%至約95重量%且最佳佔該層之約80重量%至約90重量%。
個別纖維層之厚度將對應於個別纖維之厚度及形成纖維層之層片數。因此，較佳單層片非編織纖維層片將具有約 5 μm至約3000 μm、更佳約15 μm至約300 μm且最佳約25 μm至約125 μm之較佳厚度。較佳單層多層片固結非編織纖維層將具有約12 μm至約3000 μm、更佳約15 μm至約385 μm且最佳約25 μm至約255 μm之較佳厚度。較佳編織纖維層將具有約25 μm至約500 μm、更佳約75 μm至約385 μm且最佳約125 μm至約255 μm之較佳厚度。聚合物膜較佳極薄，其具有約1 μm至約250 μm、更佳約5 μm至約25 μm且最佳約5 μm至約9 μm之較佳厚度。結構10及12各自具有約5 μm至約1000 μm、更佳約6 μm至約750 μm且最佳約7 μm至約500 μm之較佳總厚度。儘管此等厚度較佳，但應瞭解可產生其他膜厚度以滿足特定需要且其仍在本發明之範疇內。本發明之物品此外具有約0.25 lb/ft2 (psf)(1.22 kg/m2 (ksm))至約5.0 psf(24.41 ksm)、更佳約0.5 psf(2.44 ksm)至約2.0 psf(9.76 ksm)、更佳約0.7 psf(3.41 ksm)至約1.5 psf(7.32 ksm)且最佳約0.75 psf(3.66 ksm)至約1.25 psf(6.1 ksm)之較佳面密度。
本發明之結構可用於各種應用中以使用熟知技術來形成多種不同抗衝擊性物品。舉例而言，用於形成抗衝擊性物品之適合技術描述於(例如)美國專利4,623,574、4,650,710、4,748,064、5,552,208、5,587,230、6,642,159、6,841,492及6,846,758中。
該等結構尤其適用於形成可撓性、軟質裝甲物品，包括軍事人員用於抵禦多種衝擊性威脅(諸如9 mm全金屬外殼(FMJ)子彈及多種由手榴彈、炮彈、簡易爆炸裝置 (Improvised Explosive Devices；IED)及在軍事及維和任務中遭遇之其他此等裝置爆炸產生之碎片)的衣服(諸如背心、褲子、帽子)或其他衣物及覆蓋物或掩蓋物。如本文中所用，"軟質"或"可撓性"裝甲為在經受顯著量之應力時不保持其形狀且在不倒下之情況下不能自立之裝甲。該等結構亦適用於形成剛性、硬質裝甲物品。"硬質"裝甲意謂諸如頭盔、軍事車輛用面板或保護性遮罩之物品，其具有足夠機械強度以使得其在經受顯著量之應力時保持結構剛性且能夠在不倒下之情況下自立。該等結構可切割為複數個離散薄片且堆疊以形成物品，或其可形成前驅物，該前驅物隨後用於形成物品。此項技術中熟知此等技術。
可經由此項技術中通常已知之方法來形成本發明之衣服。較佳可藉由將本發明之抗衝擊性物品與衣物聯接來形成衣服。舉例而言，背心可包含與本發明之抗衝擊性結構聯接之普通織物背心，藉此將本發明之結構插入關鍵處置放之口袋中。此允許衝擊性保護最大化，同時將背心重量降至最低。如本文中所用，術語"聯接"意欲包括(諸如)藉由縫製或黏附及其類似形式以及與另一織物非附著結合或並置而連接，以使得抗衝擊性物品可視情況易於自背心或其他衣物移除。用於形成可撓性結構(如可撓性薄片、背心及其他衣服)之物品較佳係使用低拉伸模數基質材料形成。如頭盔及裝甲之硬質物品較佳係使用高拉伸模數基質材料形成。
使用此項技術中所熟知之標準測試程序來測定抗衝擊性 質。特定言之，通常藉由引用50%之射彈穿透複合物、而50%由遮罩阻止時之撞擊速度(亦稱作V50 衝擊性限度值)來表示結構之保護力或抗穿透性。如本文中所用，物品之"抗穿透性"為對指定威脅(諸如實際物體，包括子彈、碎片、榴散彈及其類似物；及非實際物體，諸如爆炸衝擊波)穿透之抵抗性。就相等面密度(其為複合物重量除以表面積)之複合物而言，V50 愈高，則複合物之抵抗性愈佳。本發明物品之抗衝擊性質將視眾多因素(尤其用於製造織物之纖維類型)而改變。然而，使用抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解之聚合物基質材料不會不利地影響本發明物品之衝擊性質。
當用17喱碎片模擬彈(Fragment Simulating Projectile；FSP)射彈或9 mm全金屬外殼(FMJ)手槍子彈撞擊時，本文中所形成之可撓性防彈裝甲(重至少約0.75 psf)具有至少1450 fps(442 mps)之V50 。本發明之可撓性防彈裝甲之特徵亦較佳在於在浸漬於自來水或海水中之後，在用17喱FSP或9 mm FMJ手槍子彈撞擊時保持至少約85%、更佳至少90%之V50 效能。在該等條件下，可撓性防彈裝甲亦展現較之其乾重較佳不大於50%且更佳不大於約40%之重量增加。此外，本發明之可撓性防彈裝甲之特徵較佳在於在70℉±5℉(21℃±2.8℃)下於汽油中浸漬4小時後，在用9 mm FMJ子彈或17喱FSP撞擊時保持其V50 效能之至少約85%、更佳至少約90%。
以下實例用於說明本發明：
實例1(比較性)
製備用於測試碎片抵抗性之包括27個織物層的衝擊性射擊包。在形成射擊包之前，將織物層自連續層壓材料薄片切下，該連續層壓材料薄片包含兩個經聚合物黏合材料(包含KratonD1107熱塑性黏合樹脂)浸漬之固結單向高模數聚乙烯(HMPE)纖維層片。HMPE纖維為由Honeywell International Inc.製造之SPECTRA1300且具有35公克/丹尼爾之韌度、1150公克/丹尼爾之拉伸模數及3.4%之斷裂伸長率。KratonD1107樹脂為包含14重量%苯乙烯之聚苯乙烯－聚異戊二烯－聚苯乙烯－嵌段共聚物且可購自Houston,TX之Kraton Polymers。各織物層包含以纖維之重量加黏合樹脂之重量計為79.5重量%之纖維，且包含以纖維之重量加黏合樹脂之重量計為20.5重量%之黏合樹脂。
各層之兩個纖維層片係經交又層疊以使得相對於各纖維層片之縱向纖維方向而言，一層片之纖維係以第二層片之纖維之直角方向定向(習知0∘/90∘組態)。該等層片係在兩個線性低密度聚乙烯(LLDPE)膜之間層壓，該等膜各自具有9 μm之厚度及16公克/平方公尺(gsm)之面密度。此構造在此項技術中亦稱作SPECTRA SHIELDLCR，其可購自Honeywell International,Inc。層壓方法包括在110℃下在200 psi(1379 kPa)壓力下將LLDPE膜壓製於交又層疊材料上歷時30分鐘，藉此形成具有0.06"(1.524 mm)厚度之連續層壓材料薄片。將該薄片切割以形成27個分離層，其各自具有18"×18"(45.7 mm×45.7 mm)之長度及寬度，且一織物 層之總面密度為150 gsm。隨後將該27層鬆散堆疊在一起以形成射擊包。該等層未彼此黏結。該射擊包之面密度為0.84 psf(4.01 ksm)。
就針對碎片抵抗性之測試而言，將射擊包安裝於試驗台架上且穩固夾持於該台架頂部。將該台架與自一緊固安裝之通用接受器射擊之碎片線呈90度定向安裝。將17喱碎片模擬彈用於測試且其符合根據MIL－P－46593A之形狀、尺寸及重量。根據MIL－STD－662E程序進行V50 衝擊性測試以在實驗上測定子彈在具有50%之穿透測試目標之可能性時的速度。
射擊若干17喱FSP碎片，改變各碎片之速度。視先前碎片射擊是否完全穿透或部分穿透射擊包之少許層而定，將各碎片之速度上下移動。藉由在125 fps(38.1 mps)之速度差額範圍內包括最少四個部分穿透及四個完全碎片穿透來達成平均速度。計算8個部分及完全穿透之平均速度且將其稱作V50 。此射擊包之V50 經計算為1500 fps(457.2 mps)。靶之比能量吸收(SEAT)經計算為27.86 J－m2 /kg。射擊包結構及測試結果之概述展示於表1中。
實例2(比較性)
與實例1類似來製備衝擊性射擊包，但其包括33個堆疊織物層。該射擊包之面密度為1.00 psf(4.88 ksm)。如實例1中測試該包之碎片抵抗性。此射擊包之V50 經計算為1705 fps(519.7 mps)。SEAT經計算為30.23 J－m2 /kg。射擊包結構及測試結果之概述展示於表1中。
實例3(比較性)
與實例1類似來製備衝擊性射擊包，但其包括28個織物層。此外，在此實例中各織物層包含以纖維之重量加黏合樹脂之重量計為89.9重量%之纖維，且包含以纖維之重量加黏合樹脂之重量計為10.1重量%之黏合樹脂。該射擊包之面密度為0.76 psf(3.71 kg/m2 )。如實例1中測試該包之碎片抵抗性。此射擊包之V50 經計算為1616 fps(492.6 mps)。SEAT經計算為35.7 J－m2 /kg。射擊包結構及測試結果之概述展示於表1中。
實例4
製備用於測試碎片抵抗性之包括11個織物層的衝擊性射擊包。將該等織物層自形成具有圖2中所示結構之連續層壓材料薄片切下。特定言之，該材料具有以下構造：a)第一LLDPE膜；b)四個單向芳族聚醯胺纖維(1000丹尼爾TWARON纖維)層片，該等層片以0∘、90∘、0∘、90∘方向定向；c)第二LLDPE膜；d)四個額外單向芳族聚醯胺纖維層片，該等層片以0∘、90∘、0∘、90∘方向定位；及e)第三LLDPE膜。
該等芳族聚醯胺纖維層片經水基聚胺基甲酸酯熱塑性黏合材料(Bayer DISPERCOLLU53聚胺基甲酸酯樹脂)塗佈且該等層片經黏合劑固結以形成一體非編織織物。該等LLDPE膜各自具有9 μm之厚度及16 gsm之面密度。各織物層包含以纖維之重量加黏合樹脂之重量計為86重量%之芳族聚醯胺纖維，且包含以纖維之重量加黏合樹脂之重量計 為14.0重量%之黏合樹脂。將此多層片材料在110℃下在200 psi(1379 kPa)壓力下層壓在一起歷時30分鐘，形成具有0.021(.533 mm)厚度之連續織物薄片。將該薄片切割以形成11個分離層，其各自具有18"×18"之長度及寬度，且一織物層之總面密度為459 gsm。隨後將該11層鬆散堆疊在一起以形成射擊包。該等層未彼此黏結。該射擊包之面密度為1.01 psf(4.94 ksm)。如實例1中測試射擊包之碎片抵抗性。此射擊包之V50 經計算為1841 fps(561.28)。SEAT經計算為34.89 J－m2 /kg。射擊包結構及測試結果之概述展示於表1中。
實例5(比較性)
重複實例1，射擊包僅包括25個織物層且對其進行抗9 mm全金屬外殼子彈(子彈重量：124喱)測試。該射擊包之尺寸為18"×18"(45.7mm×45.7mm)。射擊包之面密度為0.78 psf(3.81 ksm)。就針對9 mm FMJ子彈抵抗性之測試而言， 將射擊包安裝於填充Plastilina #1黏土之試驗台架上且捆紮於該台架上。將該Plastilina填充台架與自一緊固安裝之通用接受器射擊之碎片線呈90度定向安裝。用於測試之9 mm FMJ子彈符合根據國家司法協會(NIJ)0101.04測試標準之形狀、尺寸及重量。
根據MIL－STD－662E之程序進行衝擊性測試。射擊若干9 mm FMJ子彈，改變每一者之速度。視先前子彈射擊是否完全穿透或部分穿透射擊包之少許層而定，將各子彈之速度上下移動。藉由在125 fps之速度差額範圍內包括最少四個部分穿透及四個完全碎片穿透來達成平均速度。計算8個部分及完全穿透速度之平均值且將其稱作V50 。此射擊包之V50 經計算為1475 fps(449.6 mps)且Piastilina上之平均背面變形經量測為39 mm。SEAT經計算為210.87 J－m2 /kg。射擊包結構及測試結果之概述展示於表2中。
實例6(比較性)
如實例5中對如實例3中之射擊包進行抗9 mm FMJ子彈測試。該射擊包之面密度為0.77 psf(3.75 ksm)。此射擊包之V50 經計算為1620 fps(493.8 mps)且Piastilina上之平均背面變形經量測為43 mm。SEAT經計算為257.67 J－m2 /kg。射擊包結構及測試結果之概述展示於表2中。
實例7(比較性)
用9 mm FMJ子彈重複實例6，但織物之樹脂含量自10.1%降至7.0%。該射擊包之面密度為0.77 psf(3.75 ksm)。此射擊包之V50 經計算為1571 fps(478.8 mps)且 Piastilina上之平均背面變形經量測為55 mm。SEAT經計算為242.32 J－m2 /kg。射擊包結構及測試結果之概述展示於表2中。
實例8
藉由堆疊9個實例4中所述之材料之織物層來製備衝擊性射擊包。該等堆疊層未彼此黏結。該射擊包之面密度為0.74 psf(3.61 ksm)。如實例5中測試該射擊包抗9 mm FMJ子彈之V50 。此射擊包之V50 經計算為1572 fps(479 mps)且Piastilina上之平均背面變形經量測為25 mm。SEAT經計算為252.46 J－m2 /kg。射擊包結構及測試結果之概述展示於表2中。
實例9(比較性)
根據ASTM D1876－01對實例1中所述之材料進行剝落強度測試。沿0∘或90∘纖維方向自完全層壓材料薄片切割10個2吋(5.08 cm)×12吋(30.48 cm)樣品條。將該等樣品中之每一者於INSTRON試驗機中在2吋寬末端中之一者之左右邊緣處夾緊，留下約1吋(2.54 cm)寬之中心部分以進行剝落測試。將各樣品之中心部分以90∘剝落以測定各樣品0∘與90∘層片之間的剝落強度。10個樣品之平均剝落強度經量測為2.42 lbs。材料結構及測試結果之概述展示於表3中。
實例10(比較性)
根據實例9對自實例3中所述之材料切割之10個2吋×12吋樣品條進行剝落強度測試。該10個樣品之平均剝落強度經量測為1.01 lbs。材料結構及測試結果之概述展示於表3中。
實例11
根據實例9對自實例4中所述之材料切割之10個2吋×12吋樣品條進行剝落強度測試。該10個樣品之平均剝落強度經量測為2.62 lbs。材料結構及測試結果之概述展示於表3中。
實例12(比較性)
根據ASTM 570－05測試方法對實例l之材料進行吸水率測試。將三個測試樣品(各自為直徑為2吋(50.8 mm)之圓盤形式)於填充有自來水之4吋(50.8 mm)寬8吋(101.6 mm)長玻璃燒杯中浸泡50小時。將1"×1"×0.2"(25.4 mm×25.4 mm×5.1 mm)瓷磚置於該等樣品上，以使得樣品不會漂浮於水中。藉由以若干時間間隔每次自水中取出一個樣品、用乾布將其擦乾且對樣品稱重來記錄吸收率。材料結構及測試結果之概述展示於表4中。
實例13
根據實例12中所用相同方法對實例4之材料測試吸水率。材料結構及測試結果之概述展示於表4中。如表中所示，實例13之材料之吸水率低於比較性實例12之材料之吸水率。
實例14(比較性)
根據ASTM 570－05準則測試實例1之材料之汽油吸收率。與實例12及13類似，將三個測試樣品(各自為直徑為2吋(50.8 mm)之圓盤形式)於填充有汽油(而非水)之4吋(50.8 mm)寬8吋(101.6 mm)長玻璃燒杯中浸泡4小時。將1"×1"×0.2"(25.4 mm×25.4 mm×5.1 mm)瓷磚置於該等樣品上，以使得樣品不會漂浮於汽油中。藉由目視觀測樣品來記錄汽油吸收率之影響。材料結構及測試結果之概述展示於表5中。
實例15
根據實例14中所用相同方法來測試實例4之材料之汽油吸收率。藉由目視觀測樣品來記錄汽油吸收率之影響。材料結構及測試結果之概述展示於表5中。如表中所示，實例14中之樣品在於汽油中浸泡後1分鐘內展示纖維層片與LDPE膜之分離。然而，實例15中之材料在於汽油中浸泡4小時後展示無影響。
實例16(比較性)
根據ASTM 570－05測試方法測試實例1之材料之鹽水吸收率。將三個測試樣品(各自為直徑為2吋(50.8 mm)之圓盤形式)於填充有鹽水混合物(與海水相當)之4吋(50.8 mm)寬8吋(101.6 mm)長玻璃燒杯中浸泡270小時。將1"×1"×0.2"(25.4 mm×25.4 mm×5.1 mm)瓷磚置於該等樣品上，以使得樣品不會漂浮於水中。藉由以若干時間間隔每次自水中取出一個樣品、用乾布將其擦乾且對樣品稱重來記錄吸水率。材料結構及測試結果之概述展示於表6A及表6B中。
實例17
根據實例16中所用相同方法來測試實例4之材料之吸水率。材料結構及測試結果之概述展示於表6A及表6B中。如表中所示，實例17之材料之吸水率低於比較性實例16之材料之吸水率。
實例18
形成五層材料，其包括兩個經水基聚胺基甲酸酯熱塑性黏合材料(Bayer DISPERCOLLU53)塗佈的單向TWARON1000丹尼爾芳族聚醯胺纖維層片和三個LLDPE膜。該五層片材料形成為如圖1中所說明之結構，亦即LLDPE膜/0∘單方向預浸帶/LLDPE膜/90∘單方向預浸帶/LLDPE膜。各LLDPE膜具有9 μm之厚度及16 gsm之面密度。各單向層片包含以纖維之重量加黏合樹脂之重量計為86重量%之芳族聚醯胺纖維，且包含14重量%之黏合樹脂。將該五層片材料在110℃下在200 psi(1379 kPa)壓力下層壓在一起歷時30分鐘，形成具有0.021(.533 mm)厚度之一體連續織物薄片。將該薄片切割以形成分離層，其各自具有18"×18"之長度及寬度，且一織物層之總面密度為116 gsm。隨後將32個分離層鬆散堆疊在一起以形成衝擊性射擊包。該等層未彼此黏結。
在未於水中預先浸泡之情況下，如實例5中所述，使此構造之乾燥射擊包經受抗9 mm FMJ子彈(子彈重量：124喱)之衝擊性測試。射擊包結構及衝擊性測試結果之概述展示於表7中。
實例19
將此構造之第二射擊包於海水中浸泡24小時，接著垂直滴乾15分鐘以排出射擊包層之間截留之任何水。隨後將此射擊包如實例18中經受抗9 mm FMJ子彈之衝擊性測試。射擊包結構及衝擊性測試結果之概述展示於表7中。
實例20
如實例12中所述對實例18之材料測試吸水率。測試結果之概述展示於表8中。
實例21
如實例14中所述對實例18之材料測試汽油吸收率。測試結果之概述展示於表9中。
儘管本發明已關於較佳實施例具體展示且描述，但一般技術者應易於瞭解可在不悖離本發明之精神及範疇之情況下作出各種改變及更改。希望將申請專利範圍理解為涵蓋所揭示實施例、上文已論述之彼等替代物及其所有等價物。
10‧‧‧纖維複合材料
12‧‧‧纖維複合材料
14‧‧‧第一外部聚合物膜
16‧‧‧中心聚合物膜
18‧‧‧第二外部聚合物膜
20‧‧‧第一纖維層
22‧‧‧第二纖維層
24‧‧‧第一纖維層
26‧‧‧第二纖維層
圖1為本發明之五層複合結構之示意性代表圖，其中第一纖維層及第二纖維層中之每一者係由單向非編織平行陣列組成。
圖2為本發明之五層複合結構之示意性代表圖，其中第一纖維層及第二纖維層中之每一者係由多層重疊非編織纖維層片或者編織織物組成。
10‧‧‧纖維複合材料
14‧‧‧第一外部聚合物膜
16‧‧‧中心聚合物膜
18‧‧‧第二外部聚合物膜
20‧‧‧第一纖維層
22‧‧‧第二纖維層

Claims (27)

  1. 一種纖維複合材料，其依序包含：a)第一外部聚合物膜；b)第一纖維層，其與該第一外部聚合物膜接觸；該第一纖維層包含複數個纖維，其中該等纖維至少部分經聚合物黏合材料塗佈，該聚合物黏合材料抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解；c)中心聚合物膜，其與該第一纖維層接觸；d)第二纖維層，其與該中心聚合物膜接觸；該第二纖維層包含複數個纖維，其中該等纖維至少部分經聚合物黏合材料塗佈，該聚合物黏合材料抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解；及e)第二外部聚合物膜，其與該第二纖維層接觸。
  2. 如請求項1之纖維複合材料，其中該第一纖維層及該第二纖維層各自包含排列為大體上平行陣列之單層片非編織非重疊纖維。
  3. 如請求項2之纖維複合材料，其中相對於各纖維層片之縱向纖維方向，該第一纖維層之該等平行纖維係與該第二纖維層之該等平行纖維正交定位。
  4. 如請求項1之纖維複合材料，其中該第一纖維層及該第二纖維層各自包含複數個固結非編織纖維層片。
  5. 如請求項1之纖維複合材料，其中該第一纖維層及該第二纖維層各自包含固結為單一元件之複數個重疊非編織纖維層片，其中各層片包含排列為大體上平行陣列之纖 維，且其中相對於各纖維層片之縱向纖維方向，纖維層之各層片係與彼纖維層內各相鄰層片之該等平行纖維正交定位。
  6. 如請求項1之纖維複合材料，其中該第一纖維層及該第二纖維層各自包含纖維之編織陣列。
  7. 如請求項1之纖維複合材料，其中該第一纖維層及該第二纖維層各自包含具有約7公克/丹尼爾(denier)或更大之韌度及約150公克/丹尼爾或更大之拉伸模數之纖維。
  8. 如請求項1之纖維複合材料，其中各纖維層之該等纖維包含聚烯烴纖維、芳族聚醯胺纖維、聚苯并唑纖維、聚乙烯醇纖維、聚醯胺纖維、聚對苯二甲酸乙二酯纖維、聚萘二甲酸乙二酯纖維、聚丙烯腈纖維、液晶共聚酯纖維、包含吡啶幷雙咪唑－2,6－二基(2,5－二羥基－對伸苯基)之剛性棒狀纖維或其組合。
  9. 如請求項1之纖維複合材料，其中該抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解之聚合物黏合材料包含水解穩定性極性聚合物。
  10. 如請求項1之纖維複合材料，其中該抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解之聚合物黏合材料包含極性乙烯基聚合物。
  11. 如請求項1之纖維複合材料，其中該抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解之聚合物黏合材料包含二烯橡膠、苯乙烯系嵌段共聚物、極性乙烯基聚合物、極性丙烯酸系聚合物、聚氯乙烯均聚物、聚氯乙烯共聚物、聚氯乙烯 三聚物、聚乙烯醇縮丁醛、聚偏二氯乙烯、聚偏二氟乙烯、極性乙烯乙酸乙烯酯共聚物、極性乙烯丙烯酸共聚物、聚矽氧、熱塑性聚胺基甲酸酯、腈橡膠、聚氯丁二烯、聚碳酸酯、聚酮、聚醯胺、纖維素、聚醯亞胺、聚酯、環氧樹脂、醇酸樹脂、酚系樹脂、聚丙烯腈、聚醚碸或其組合。
  12. 如請求項1之纖維複合材料，其中該抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解之聚合物黏合材料包含水解穩定性熱塑性聚胺基甲酸酯。
  13. 如請求項1之纖維複合材料，其中該第一外部聚合物膜、該中心聚合物膜及該第二外部聚合物膜包含聚烯烴、聚醯胺、聚酯、聚胺基甲酸酯、乙烯基聚合物、氟聚合物或其共聚物或組合。
  14. 如請求項1之纖維複合材料，其中該第一外部聚合物膜、該中心聚合物膜及該第二外部聚合物膜各自包含線性低密度聚乙烯。
  15. 如請求項1之纖維複合材料，其中該聚合物黏合材料於該第一纖維層及該第二纖維層各佔約3重量%至約16重量%。
  16. 一種抗衝擊性物品，其係由如請求項1之纖維複合材料所形成。
  17. 一種形成纖維複合材料之方法，其包含：a)提供第一外部聚合物膜；b)將第一纖維層附著至該第一外部聚合物膜上；該第 一纖維層包含複數個纖維，其中該等纖維至少部分經聚合物黏合材料塗佈，該聚合物黏合材料抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解；c)將中心聚合物膜附著至該第一纖維層上；d)將第二纖維層附著至該中心聚合物膜上；該第二纖維層包含複數個纖維，其中該等纖維至少部分經聚合物黏合材料塗佈，該聚合物黏合材料抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解；及e)將第二外部聚合物膜附著至該第二纖維層上。
  18. 如請求項17之方法，其中該第一纖維層及該第二纖維層各自包含排列為大體上平行陣列之單層片非編織非重疊纖維。
  19. 如請求項18之方法，其中相對於各纖維層片之縱向纖維方向，該第一纖維層之該等平行纖維係與該第二纖維層之該等平行纖維正交定位。
  20. 如請求項17之方法，其中該第一纖維層及該第二纖維層各自包含複數個固結非編織纖維層片。
  21. 如請求項17之方法，其中該第一纖維層及該第二纖維層各自包含固結為單一元件之複數個重疊非編織纖維層片，其中各層片包含排列為大體上平行陣列之纖維，且其中相對於各纖維層片之縱向纖維方向，纖維層之各層片係與彼纖維層內各相鄰層片之該等平行纖維正交定位。
  22. 如請求項17之方法，其中該第一纖維層及該第二纖維層 各自包含纖維之編織陣列。
  23. 如請求項17之方法，其中該抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解之聚合物黏合材料包含極性乙烯基聚合物。
  24. 如請求項17之方法，其中該抗水溶解且抗一或多種有機溶劑溶解之聚合物黏合材料包含水解穩定性熱塑性聚胺基甲酸酯。
  25. 如請求項17之方法，其中該第一纖維層及該第二纖維層各自包含具有約7公克/丹尼爾或更大之韌度及約150公克/丹尼爾或更大之拉伸模數之纖維。
  26. 如請求項17之方法，其中該第一外部聚合物膜、該中心聚合物膜及該第二外部聚合物膜包含聚烯烴、聚醯胺、聚酯、聚胺基甲酸酯、乙烯基聚合物、氟聚合物或其共聚物或組合。
  27. 如請求項17之方法，其中該聚合物黏合材料於該第一纖維層及該第二纖維層各佔約3重量%至約16重量%。
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