TWI414746B - 交互層疊之複合防彈物件 - Google Patents

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Description

交互層疊之複合防彈物件
本發明係關於適用於防彈及其他應用之複合材料及其製造方法。
在此項技術中已知防彈產品。其可為可撓性或剛性類型。此等產品中之多種係基於高韌度纖維且用於如人體鎧甲之應用，諸如防彈背心。
一流行類型之防彈產品係由諸如高韌度聚乙烯纖維或芳族聚醯胺纖維之單向定向高韌度纖維製成。儘管此等產品具有所需防彈特性，但仍需要提供具有增強特性之產品。
因此，將需要提供具有改良防彈特性之防彈產品。
根據本發明，提供一種多層複合織物，該複合織物包含：(a)包含第一纖維層及第二纖維層之第一織物，第一纖維層包含在第一樹脂基質中之非編織單向定向纖維，該等纖維包含高韌度纖維，第一纖維層包含第一及第二表面，第二纖維層包含在第二樹脂基質中之非編織單向定向纖維，該等纖維包含高韌度纖維，第二纖維層包含第一及第二表面，第二纖維層之第一表面鄰近於第一纖維層之第二表面，使第二纖維層中之纖維相對於第一纖維層之單向定向纖維之方向成一角度來排列；及(b)包含視情況在第三樹脂基質中之多向定向纖維的第 二織物，第二織物包含高韌度纖維，第二織物具有第一及第二表面，第二織物之第一表面鄰近於第二纖維層之第二表面，且第二織物直接或間接黏合於第一織物，藉此形成複合織物。
進一步根據本發明，提供一種多層複合織物，該複合織物包含：(a)包含第一纖維層及第二纖維層之第一織物，第一纖維層包含在第一樹脂基質中之非編織單向定向纖維，該等纖維包含高韌度纖維，第一纖維層包含第一及第二表面，第二纖維層包含在第二樹脂基質中之非編織單向定向纖維，該等纖維包含高韌度纖維，第二纖維層包含第一及第二表面，該第二纖維層之第一表面與第一纖維層之第二表面接觸，使第二纖維層中之纖維相對於第一纖維層之單向定向纖維之方向成一角度來排列；(b)視情況，黏合於該第一織物之第一纖維層的第一表面之第一塑膠膜；(c)黏合於第一織物之第二纖維層的第二表面之第二塑膠膜；及(d)包含視情況在第三樹脂基質中之多向定向纖維的第二織物，第二織物包含高韌度纖維，第二織物具有第一及第二表面，使第二織物之第一表面黏合於第二塑膠膜。
亦根據本發明，提供一種形成複合織物結構之方法，該方法包含：(a)供應包含在第一樹脂基質中之非編織單向定向纖維之 第一纖維層，該等纖維包含高韌度纖維，第一纖維層包含第一及第二表面；(b)供應包含在第二樹脂基質中之非編織單向定向纖維之第二纖維層，該等纖維包含高韌度纖維，第二纖維層包含第一及第二表面；(c)將第一與第二纖維層黏合在一起，以致第二纖維層之第一表面黏合於第一纖維層之第二表面，使第二纖維層中之纖維相對於第一纖維層之單向定向纖維之方向成一角度來排列；(d)視情況將第一塑膠膜塗佈於第一纖維層之第一表面；(e)將第二塑膠膜塗佈於第二纖維層之第二表面；(f)供應包含視情況在第三樹脂基質中之多向定向纖維之第二織物，第二織物包含高韌度纖維，第二織物具有第一及第二表面；及(g)將該第二織物之第一表面黏合於第二塑膠膜以藉此形成複合織物。
本發明提供包含單向定向纖維之兩個纖維層的第一織物，該等纖維相對於彼此成一角度來排列(通常稱為"交互層疊")。將第一織物黏合於包含多向定向纖維之第二織物。另外，層可存在於複合結構中，諸如在第一織物之一或兩個表面上之塑膠膜。當存在於第二纖維層之底面上時，塑膠膜將第一與第二織物黏合在一起。可採用其他層且可使用複合織物之若干層以形成所需產品，諸如防彈產 品。
令人驚訝地，已發現該複合結構在與其中第一與第二織物並未黏合在一起之類似結構相比時具有改良之防彈效能。另外，已驚訝地發現藉由將兩個織物層黏合在一起可減少背面變形。
本發明包含多層複合織物，其由至少一第一織物層及一第二織物層形成。第一及第二織物層中之纖維均包含高韌度纖維，且直接或間接將該等層黏合在一起。
出於本發明之目的，纖維為狹長體，其長度尺寸比寬度及厚度之橫向尺寸大得多。因此，術語"纖維"包括單絲、複絲、絲帶、條、短纖維(staple)及其他形式之短切、切割或不連續纖維及具有規則或不規則截面之類似物。術語"纖維"包括複數個前述物質中之任一者或其組合。紗為包含多個纖維或長絲之連續股線。纖維亦可呈分裂膜或帶之形式。
本文中適用之纖維的截面可廣泛變化。其截面可為圓形、平面或長方形。其亦可為具有一或多個自纖維之線性軸或縱軸突出之規則或不規則凸起部的不規則或規則多凸起部截面。該等纖維較佳具有大體上圓形、平面或長方形截面，最佳為圓形截面。
如本文中所用，術語"高韌度纖維"意謂具有等於或大於約7 g/d之韌度的纖維。此等纖維較佳具有如ASTM D2256所量測之至少約150 g/d之初始拉伸模數及至少約8 J/g之斷 裂能。如本文中所用，術語"初始拉伸模數"、"拉伸模數"及"模數"意謂如ASTM 2256所量測之紗的彈性模數及如ASTM D638所量測之彈性體或基質材料的彈性模數。
高韌度纖維較佳具有等於或大於約10 g/d，更佳等於或大於約16 g/d，甚至更佳等於或大於約22 g/d且最佳等於或大於約28 g/d之韌度。
適用於本發明之紗及織物的高強度纖維包括高度定向高分子量聚烯烴纖維，尤其高模數(或高韌度)聚乙烯纖維及聚丙烯纖維、芳族聚醯胺纖維、聚苯并唑纖維(諸如聚苯并噁唑(PBO)及聚苯并噻唑(PBT))、聚乙烯醇纖維、聚丙烯腈纖維、液晶共聚酯纖維、聚醯胺纖維、聚酯纖維、玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、玄武岩(basalt)或其他礦物纖維、剛性桿聚合物纖維及其混合物及摻合物。適用於本發明之較佳高強度纖維包括聚烯烴纖維(更佳地，高韌度聚乙烯纖維)、芳族聚醯胺纖維、聚苯并唑纖維、石墨纖維及其混合物及摻合物。最佳為高韌度聚乙烯纖維及/或芳族聚醯胺纖維。
美國專利第4,457,985號一般討論此等高分子量聚乙烯及聚丙烯纖維，且此專利之揭示內容以引用方式併入本文中，其引用程度與本文一致。在聚乙烯之情況下，合適纖維為重量平均分子量為至少約150,000，較佳至少約一百萬且更佳在約兩百萬與約五百萬之間的纖維。此等高分子量聚乙烯纖維可在溶液中紡絲(參見美國專利第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(參見美國專利第4,413,110號、German Off.第3,004,699號及英國專利第2051667號)，或聚乙烯纖維可藉由軋製及拉伸方法來製造(參見美國專利第5,702,657號)。如本文中所用，術語聚乙烯意謂主要線性之聚乙烯材料，其可含有少量鏈分枝或不超過約5個修飾單位之共聚單體/100個主鏈碳原子，且其亦可含有與其混合的不多於約50重量%之一或多種聚合添加劑，諸如烯烴-1-聚合物，詳言之低密度聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯、含有單烯烴作為一級單體之共聚物、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，諸如抗氧化劑、潤滑劑、紫外線掩蔽劑、著色劑及通常併入之類似物。
高韌度聚乙烯纖維(亦稱為伸展鏈或高分子量聚乙烯纖維)為較佳的且例如可以商標SPECTRA纖維及紗自Honeywell International Inc. of Morristown, New Jersey, U.S.A購得。
視形成技術、拉伸比及溫度以及其他條件而定，可將多種特性賦予此等纖維。聚乙烯纖維之韌度為至少約7 g/d，較佳至少約15 g/d，更佳至少約20 g/d，亦更佳至少約25 g/d及最佳至少約30 g/d。類似地，如Instron拉伸測試機所量測，纖維之初始拉伸模數較佳為至少約300 g/d，更佳至少約500 g/d，亦更佳至少約1,000 g/d及最佳至少約1,200 g/d。僅藉由採用溶液生長或凝膠紡絲方法，一般可獲得初始拉伸模數及韌度之此等最高值。許多長絲具有高於形成其之聚合物之熔點的熔點。因此，舉例而言，具有約 150,000、約一百萬及約兩百萬分子量之高分子量聚乙烯一般具有138℃之本體熔點。由此等材料製成之高度定向聚乙烯長絲具有高於該材料約7℃至約13℃之熔點。因此，與本體聚合物相比，熔點略增大反映長絲之結晶完整性及較高結晶取向。
所用聚乙烯較佳為具有少於約一個甲基/千個碳原子，更佳少於約0.5個甲基/千個碳原子及少於約1重量%其他成份之聚乙烯。
類似地，可使用重量平均分子量為至少約200,000，較佳至少約一百萬及更佳至少約兩百萬之高度定向高分子量聚丙烯纖維。藉由在上文所提及之各種參考文獻中之規定技術，且尤其藉由美國專利第4,413,110號之技術，可使此伸展鏈聚丙烯形成相當良好定向之長絲。因為聚丙烯為比聚乙烯結晶少得多之材料且含有側位甲基，所以聚丙烯可達成之韌度值一般大體上低於聚乙烯之對應值。因此，合適韌度較佳為至少約8 g/d，更佳至少約11 g/d。聚丙烯之初始拉伸模數較佳為至少約160 g/d，更佳至少約200 g/d。一般藉由定向方法將聚丙烯之熔點升高若干度，以致聚丙烯長絲較佳具有至少168℃、更佳至少170℃之主熔點。上文所述參數之尤其較佳範圍可在最終物件中有利地提供改良效能。採用具有至少約200,000之重量平均分子量連同上述參數(模數及韌度)之較佳範圍的纖維可在最終物件中提供有利改良之效能。
在伸展鏈聚乙烯纖維之情況下，在各種公開案中描述製 備及拉伸凝膠紡絲聚乙烯纖維，該等公開案包括美國專利4,413,110；4,430,383；4,436,689；4,536,536；4,545,950；4,551,296；4,612,148；4,617,233；4,663,101；5,032,338；5,246,657；5,286,435；5,342,567；5,578,374；5,736,244；5,741,451；5,958,582；5,972,498；6,448,359；6,969,553及美國專利申請公開案2005/0093200，其揭示內容以引用方式明確併入本文中，其引用程度與本文一致。
在芳族聚醯胺纖維之情況下，例如以與本文一致之程度引用的方式併入本文中之美國專利第3,671,542號中描述由芳族聚醯胺形成之合適纖維。較佳之芳族聚醯胺纖維將具有至少約20 g/d之韌度、至少約400 g/d之初始拉伸模數及至少約8 J/g之斷裂能，且尤其較佳之芳族聚醯胺纖維將具有至少約20 g/d之韌度及至少約20 J/g之斷裂能。最佳之芳族聚醯胺纖維將具有至少約23 g/d之韌度、至少約500 g/d之模數及至少約30 J/g之斷裂能。舉例而言，具有適度高模數及韌度值之聚對苯二甲醯胺對苯二胺(poly(p-phenylene terephthalamide))長絲尤其適用於形成防彈複合物。實例為具有1000丹尼爾(denier)之來自Teijin之TwaronT2000。其他實例為Kevlar29，其具有分別為500 g/d及22 g/d之初始拉伸模數及韌度值，以及Kevlar129及KM2，其可以400、640及840丹尼爾自du Pont購得。來自其他製造商之芳族聚醯胺纖維亦可用於本發明中。亦可使用聚對苯二甲醯胺對苯二胺之共聚物，諸如共聚對苯二甲醯胺對苯二胺對苯二甲醯胺3,4'二苯醚。由du Pont以 商標名Nomex出售之聚間苯二甲醯胺間苯二胺(poly(m-phenylene isophthalamide))纖維亦適用於本發明之實踐中。
在Kwon等人之美國專利第4,440,711號中描述具有高拉伸模數之高分子量聚乙烯醇(PV-OH)纖維，該專利之揭示內容以引用方式併入本文中，其引用程度與本文一致。高分子量PV-OH纖維應具有至少約200,000之重量平均分子量。尤其適用之PV-OH纖維應具有至少約300 g/d之模數，較佳至少約10 g/d、更佳至少約14 g/d且最佳至少約17 g/d之韌度，及至少約8 J/g之斷裂能。例如，藉由美國專利第4,599,267號中所揭示之方法可製造具有此等特性之PV-OH纖維。
在聚丙烯腈(PAN)之情況下，PAN纖維應具有至少約400,000之重量平均分子量。尤其適用之PAN纖維應具有較佳地至少約10 g/d之韌度及至少約8 J/g之斷裂能。具有至少約400,000之分子量、至少約15 g/d至20 g/d之韌度及至少約8 J/g之斷裂能的PAN纖維最適用；且例如，在美國專利第4,535,027號中揭示此等纖維。
例如，在美國專利第3,975,487號、第4,118,372號及第4,161,470號中揭示適用於實施本發明的液晶共聚酯纖維。液晶共聚酯纖維可以名稱vectran纖維自Kuraray America Inc購得。
適用於實施本發明之聚苯并唑纖維述於例如美國專利第5,286,833號、第5,296,185號、第5,356,584號、第 5,534,205號及第6,040,050號中。聚苯并唑纖維可以名稱Zylon纖維自Toyobo Co.購得。
剛性桿纖維揭示於例如美國專利第5,674,969號、第5,939,553號、第5,945,537號及第6,040,478號中。此等纖維可以名稱M5纖維自Magellan systems International購得。
第一織物層中之纖維較佳係選自高韌度聚烯烴纖維(更佳地，高韌度聚乙烯纖維)、芳族聚醯胺纖維、PBO纖維、石墨纖維及其摻合物之群。同樣地，第二織物層中之纖維選自相同纖維群。
本發明之織物層較佳由所有或大體上所有高韌度纖維形成。或者，織物層中之至少約50重量%纖維為高韌度纖維且更佳地，織物層中之至少約75重量%纖維為高韌度纖維。
第一織物呈高韌度單向定向纖維之非編織品形式。第一織物具有複數個纖維層，且各纖維層包括單向定向纖維。已知在此排列中，使各層之單向定向纖維沿共同纖維方向彼此平行地對準。單向定向纖維層可包括少量向產品提供一些橫向穩定性之材料；此材料可呈纖維、紗或黏著紗之形式，該等形式並非均為高韌度材料，或呈樹脂、黏著劑、膜及可沿單向定向纖維層之長度間隔開但以一角度向其延伸之類似物的形式。此等材料若存在，則可占各纖維層之總重量的至多約10重量%，更佳至多約5重量%。
可經由多種方法構築第一織物。形成第一織物之各纖維 層較佳藉由自粗紗架供應高韌度長絲之紗束而形成，且經引導經由導紗器且進入準直梳中。共面地且以大體上單向之方式使準直梳對準長絲。接著，可將纖維引入一或多個可包括於塗佈裝置中或可位於塗佈裝置之前或之後的平壓機中。
以基質樹脂組合物塗佈第一織物之纖維層。如本文中所用，以廣義使用術語"塗佈"以描述纖維網路，其中個別纖維具有包圍纖維之基質組合物的連續層或在纖維表面上之基質組合物的不連續層。在前一情況下，可稱為將纖維充分嵌入基質組合物中。在本文中，術語塗佈與浸漬可互換使用。第一織物之各纖維層的基質樹脂較佳地具有相同或類似化學結構，以便各層可易於彼此黏合。
例如，在美國專利5,552,208及6,642,159中描述形成各纖維層之典型方法，該等專利之揭示內容以引用方式明確併入本文中，其引用程度與本文一致。
以使得各層之定向角不同之方式組合第一織物之至少兩個纖維層。此等纖維層可以此項技術中已知之方式交互層疊。舉例而言，第一纖維層中之纖維較佳與第二纖維層中之纖維成90∘延伸。各纖維層中之纖維的旋轉角度可為任何所選角度，諸如0∘/90∘、0∘/90∘/0∘/90∘或0∘/45∘/90∘/45∘/0∘或其他角度。例如，在美國專利4,623,574、4,737,402、4,748,064及4,916,000中描述此等旋轉單向對準。
可藉由任何所需技術將第一織物之第一與第二纖維層黏合在一起。舉例而言，可將兩層之基質樹脂或樹脂用作黏 合劑。或者，可藉助於黏著劑、塑膠膜或任何其他合適方式來黏合兩個纖維層。
在一較佳實施例中，兩個纖維層以0∘/90∘組態或以近似0∘/90∘組態交互層疊，且接著凝固以形成第一織物層。較佳地，藉由將一纖維層切割為可橫穿以0∘/90∘定向之其他網路的寬度依次置放之長度，可使兩個纖維網路層連續地交互層疊。已知用於纖維層之連續交互層疊的設備，且其(例如)描述於美國專利5,173,138及5,766,725中。接著，可將所得連續雙層第一織物捲繞為卷筒，較佳在各相鄰雙層結構之間具有一層分離材料。
第一纖維層及第二纖維層之高韌度纖維可為相同或化學性不同之纖維。為便於製造，各纖維層之高韌度纖維為相同的，但在一些構造中，可需要各纖維層中之纖維不同以便組合各纖維材料之不同特性。第一織物構造之實例包括在兩個纖維層中用作纖維之高韌度聚乙烯纖維、在兩個纖維層中用作纖維之芳族聚醯胺纖維、在第一纖維層中用作纖維之高韌度聚乙烯纖維及在第二纖維層中用作纖維之芳族聚醯胺纖維、在第一纖維層中用作纖維之芳族聚醯胺纖維及在第二纖維層中用作纖維之高韌度聚乙烯纖維，以及使用上文所述之任何高韌度纖維之其他構造。
如上所述，第一織物可由兩個以上纖維層形成，且任何所需數目之纖維層均可用於第一織物。舉例而言，第一織物可為四層結構，其中相鄰纖維層相對於彼此較佳以90∘定向。
相對於第二織物，第二織物層較佳地並未經基質樹脂塗佈。或者，第二織物可經較佳地具有與第一織物之纖維層中相同或類似的化學結構之基質樹脂塗佈。
基質樹脂組合物可以溶液、分散液或乳液或其類似物之形式塗佈於形成第一織物層之纖維層的纖維上。可藉由任何所需技術，諸如藉由噴霧、浸漬、輥塗、熱熔塗佈或其類似技術來塗佈基質樹脂。接著，可使經塗佈織物層經過乾燥烘箱，其中經塗佈織物層經受足夠熱以蒸發基質樹脂組合物中之水或其他溶劑。
第二織物層亦由高韌度纖維形成，但該等纖維在織物中以多個方向定向。亦即，第二織物中之纖維為多向定向地。此意謂存在以偏離織物之主方向之第二方向延伸之足夠纖維以向織物提供一些程度之橫向強度。術語"多向定向纖維"與"單向定向纖維"不同。
第二織物可呈編織品、針織物、編結物(braided fabric)、毛氈織物、紙織物及其類似物之形式。第二織物較佳呈編織品之形式。可將此第二織物層稱為防彈紡織產品。
如上所述，第二織物層中之高韌度纖維選自上文關於第一織物層所述之相同纖維群。第二織物層中之纖維較佳亦選自高韌度聚烯烴纖維(更佳地，高韌度聚乙烯纖維)、芳族聚醯胺纖維、PBO纖維、石墨纖維及其摻合物之群。此等纖維最佳為高韌度聚乙烯纖維及/或芳族聚醯胺纖維。
若採用編織品，則其可為任何編織圖樣，包括平織、籃 式編織、斜紋織、緞面、三維編織品及其若干變化中之任一者。平織及籃式編織織物為較佳的，且更佳為具有相同經及緯計數之此等織物。在如上所述之一實施例中，編織品並不包括樹脂基質。在另一實施例中，編織品在黏合於第一織物之前可包括樹脂基質。
編織品之紗可扭曲、外包覆或扭結。第二織物可用在經及緯方向中或在其他方向中具有不同纖維之紗編織。舉例而言，編織品可由在經向中之芳族聚醯胺纖維及在緯向中之高韌度聚乙烯纖維形成，或反之亦然。
如上所述，第二織物或者可呈針織物之形式。針織結構為由相互嚙合迴路組成之構造，四個主要類型為翠可特經編組織(tricot)、拉舍爾(raschel)、網及定向結構。由於迴路結構之性質，前三個種類之針織物並不適用，因為其並未充分利用纖維之強度。然而，定向針織結構使用藉由細丹尼爾針織縫合而固定於適當位置之直的嵌入紗。該等紗為絕對直的，而無由於對紗之交織影響造成的見於編織品中之捲曲效應。視工程化要求而定，此等襯墊紗可在單軸、雙軸或多軸方向中定向。用於夾入承載紗之特定針織設備較佳地使得紗不被刺穿。
或者，第二織物可由諸如呈毛氈(諸如針刺毛氈)形式之織物的非編織品形成。毛氈為無規定向纖維之非編織網路，較佳地其中至少一者為不連續纖維，較佳為具有介於約0.25吋(0.64 cm)至約10吋(25 cm)範圍內之長度的切段纖維。可藉由此項技術中已知之若干技術，諸如藉由粗梳法 或流體敷設、熔噴法及紡絲敷設來形成此等毛氈。以機械方式(諸如藉由針刺、縫合黏合、水扭結、空氣扭結、紡絲黏合、紡絲編織或其類似方法)、以化學方式(諸如以黏著劑)或以熱學方式(以點式黏合纖維或具有較低熔點之摻合纖維)使纖維之網路凝固。
或者，第二織物可呈紙織物之形式，舉例而言，該紙織物可藉由使含有高韌度纖維之液體成漿而形成。
在另一實施例中，第二織物可呈多層複合織物之形式，諸如包括第三層之織物，該第三層可為單向定向織物或多向定向織物。第三層亦較佳由高韌度纖維形成。
適用於各種纖維層之紗可具有任何合適丹尼爾，且可在各層中具有相同或不同丹尼爾。舉例而言，紗可具有約50至約3000之丹尼爾。其選擇取決於對防彈有效性、其他所需特性及成本之考慮。對於編織品，較細紗之製造及編織較為昂貴，但每單位重量可產生較大防彈有效性。紗較佳為約200丹尼爾至約3000丹尼爾。紗更佳為約400丹尼爾至約2000丹尼爾。紗最佳為約500丹尼爾至約1600丹尼爾。
第一織物及第二或其他織物(若存在)之纖維層的基質樹脂可由具有所需特徵之多種熱塑性、熱固性或彈性體材料形成。在一實施例中，如ASTM D638所量測，用於此基質之彈性體材料具有等於或小於約6,000 psi(41.4 MPa)之初始拉伸模數(彈性模數)。彈性體更佳地具有等於或小於約2,400 psi(16.5 Mpa)之初始拉伸模數。彈性體材料最佳地具有等於或小於約1,200 psi(8.23 MPa)之初始拉伸模數。 此等樹脂材料實際上通常為熱塑性材料。
或者，可選擇基質樹脂以在固化時具有高拉伸模數，如至少約1×105 psi(690 MPa)。此等材料之實例揭示於例如美國專利6,642,159中，該專利之揭示內容以引用方式明確併入本文中，其引用程度與本文一致。
複合層中樹脂基質材料與纖維之比例可視最終用途而廣泛變化。以纖維與樹脂基質之總重量計，樹脂基質材料較佳構成約1至約98重量%，更佳約5至約95重量%，且亦更佳約5至約40重量%，且最佳約10至約25重量%。
多種彈性體材料可用作樹脂基質。舉例而言，可採用以下材料中之任一者：聚丁二烯、聚異戊二烯、天然橡膠、乙烯-丙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三聚物、多硫化物聚合物、聚胺酯彈性體、氯磺化聚乙烯、聚氯丁烯、使用鄰苯二甲酸二辛酯或此項技術中熟知之其他增塑劑增塑之聚氯乙烯、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括可溶於碳-碳飽和溶劑中之彼等樹脂，該等碳-碳飽和溶劑諸如甲基乙基酮、丙酮、乙醇、甲醇、異丙醇、環己烷、乙基丙酮及其組合。如上述美國專利6,642,159中所揭示，在熱固性樹脂中為乙烯基酯、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、鄰苯二甲酸二烯丙酯(diallyl phthalate)、苯酚甲醛、聚乙烯醇縮丁醛及其混合物。用於聚乙烯纖維織物之較佳熱固性樹脂包括至少一種乙烯基酯、鄰苯二甲酸二烯丙 酯，及視情況用於固化乙烯基酯樹脂之催化劑。
用於聚乙烯纖維織物之一群較佳材料為共軛二烯之嵌段共聚物及乙烯基芳族共聚物。丁二烯及異戊二烯為較佳之共軛二烯彈性體。苯乙烯、乙烯基甲苯及第三丁基苯乙烯為較佳之共軛芳族單體。可將併有聚異戊二烯及/或聚丁二烯之嵌段共聚物氫化以產生具有飽和烴彈性體片段之熱塑性彈性體。聚合物可為類型R-(BA)x (x=3-150)之簡單三嵌段共聚物；其中A為來自聚乙烯基芳族單體之嵌段且B為來自共軛二烯彈性體之嵌段，或為A-B-A類型彈性體。較佳樹脂基質為苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物，諸如可自Kraton Polymer LLC購得之KratonD1107苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
芳族聚醯胺纖維之一較佳基質樹脂為聚胺酯樹脂，諸如水基聚胺酯樹脂。
在一較佳實施例中，選擇基質樹脂以致複合織物為可撓性的，且適用於如軟鎧甲產品及其類似物之應用中。
較佳地，在第一織物之層黏合在一起之後，將第二織物黏合於第一織物。可採用將第一織物黏合於第二織物之任何合適方式。舉例而言，當使第二織物直接連接於第一織物之一纖維層時，可將纖維層之基質樹脂用作將兩個織物黏合在一起之材料。此可在合適之熱及/或壓力下達成。或者，第一與第二織物可藉助於黏著劑之隔離層而黏合，該黏著劑可類似於或不類似於用於第一織物中之基質樹脂。可藉由噴霧、浸漬、輥塗、塗佈為膜、擠壓塗佈或任 何其他合適技術來塗佈此等黏著劑。又，熱及/或壓力可用以將兩個織物層黏合在一起。此外，若第二織物包括基質樹脂，則該樹脂可為使兩個織物層連接之媒劑。亦可採用其他黏合技術。
由於多種原因，一或多種塑膠膜可包括於複合結構中，舉例而言，以允許不同的相鄰複合層彼此滑過。此允許便於形成體形狀且易於穿戴以及獲得其他所需特性。此等塑膠膜通常可黏附於第一織物之一或兩個表面。可採用任何合適之塑膠膜，諸如由聚烯烴製成之膜。此等膜之實例為線性低密度聚乙烯(LLDPE)膜、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)膜、聚酯膜、耐綸膜、聚碳酸酯膜及其類似物。此等膜可具有任何所需厚度。典型厚度介於約0.1至約1.2密耳(2.5至30 μm)範圍內，更佳介於約0.2至約1密耳(5至25 μm)範圍內，且最佳介於約0.2至約0.5密耳(5至12.5μm)範圍內。最佳為LLDPE膜。
舉例而言，黏合在一起且交互層疊之兩個單向定向高韌度纖維層可具有塗佈於一側或較佳兩側之塑膠膜。接著，使內部塑膠膜與第二織物接觸且將其用作將第一與第二織物黏合在一起之材料。此可在熱及/或壓力下達成。外部塑膠膜向該結構提供滑溜程度以便當複數個複合織物堆疊在一起時，其可彼此滑過。必要時，亦可將塑膠膜塗佈於第二織物之經暴露外表面。
將第一織物與第二織物黏合在一起之後，可將其切割為所需形狀或捲繞為卷筒以用於進一步加工。
物件可由多層之複合織物結構(無論其為兩層織物層結構、三層織物結構、四層織物結構或具有額外層之結構)形成。存在於此物件中之複合織物結構的層數目視多種因素而定，包括應用類型、所需重量等。舉例而言，在諸如背心之防彈物件中，兩個織物複合結構之層數目可介於約2至約60範圍內，更佳介於約8至約50範圍內，且最佳介於約10至約40範圍內。可組合此等層而未以習知方式(諸如藉由僅沿邊’緣縫合)將若干層黏合在一起。為形成此物件，可將複合織物切為所需形狀。
基於所需應用、防彈威脅及諸如阻燃性、耐久性及拒水性之所需特性，可製造各種組態之複合織物。舉例而言，可將芳族聚醯胺材料用於第二多向定向織物層及第一單向織物層之纖維層，或可將高韌度聚乙烯纖維用於此等織物層。或者，高韌度聚乙烯纖維與芳族聚醯胺纖維可以任何所需組合來組合，諸如第一織物為芳族聚醯胺織物且第二織物為高韌度聚乙烯織物，或第一織物為高韌度聚乙烯織物且第二織物為芳族聚醯胺織物。在另一實施例中，可將石墨第一織物連接於高韌度聚乙烯纖維編織第二織物，或可將PBO第一織物連接於芳族聚醯胺編織第二織物。此等材料可以任何所需組態來排列。可採用高韌度纖維之其他組合。
如上所述，額外織物層可存在於複合織物中，且此等層可為單向定向織物或多向定向織物。
為形成本發明之一較佳複合織物，一較佳方法包括供應 各包含在樹脂基質中之非編織單向定向纖維之第一及第二纖維層，各層之纖維包含高韌度纖維。纖維可為相同或不同化學類型。將第二纖維層之第一表面黏合於第一纖維層之第二表面，且使該等層交互層疊以致第二纖維層中之纖維相對於第一層之單向定向纖維之方向成一角度來排列。
可將塑膠膜塗佈於第一及第二纖維層之兩個外表面(亦即第一層之第一表面及第二層之第二表面)或僅第二纖維層之外表面。藉助於接觸塑膠膜，將包含多向定向高韌度纖維之第二織物黏合於第一織物。因此，形成複合織物。第二織物亦可包括樹脂基質(第三樹脂基質)。
可將本發明之複合織物用於多種應用，諸如防彈產品、結構產品、汽車組件及航空行業等。較佳應用為軟或硬鎧甲產品，諸如防彈人體鎧甲(背心及其類似物)、交通工具面板等。
呈現以下非限制性實例以提供本發明之較完全瞭解。為說明本發明之原理而闡明之特定技術、條件、材料、比例及報導資料為例示性的且不應視為限制本發明之範疇。
實例 實例1
由單向定向芳族聚醯胺纖維及芳族聚醯胺編織品之各層形成複合物。單向定向非編織品係呈單向芳族聚醯胺纖維層(以0∘/90∘交互層疊)之交互層疊結構之形式。各單向芳族聚醯胺層經具有200 psi(1.4 MPa)之拉伸模數的苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯彈性體(KratonD1107)塗佈。使低密度 聚乙烯之襯墊膜連接至纖維層之外層。塗層之重量為16±2%。使纖維層交互層疊之後，在熱及壓力下將聚乙烯膜層壓於材料之兩側。各膜重7 g/m2 且具有7微米之厚度。此材料之總區域密度為124 g/m2 且厚度為0.004吋(0.01 cm)。
作為編織品，採用重4.5盎斯/平方碼(152.6 g/m2 )之具有29×29根紗/吋(11.4×11.4根紗/公分)之平織芳族聚醯胺織物。無樹脂塗佈於芳族聚醯胺編織品上。
所有樣品均量測為18×18吋(45.7×45.7 cm)。
採用單向定向纖維層中之兩者且其中夾入經編織芳族聚醯胺織物。在模具中在240℉(116℃)下預熱10分鐘，施加500 psi(3.5 MPa)之成型壓力歷時10分鐘，在壓機中冷卻10分鐘直至達成160℉(71℃)之溫度，接著自模具移除樣品且使其冷卻至室溫，藉此在熱及壓力下使該等層成型。低密度聚乙烯膜將所有層均黏合在一起。
使用12層複合織物為防彈性測試製備樣品。組合結構具有0.98 psf(4.81 kg/m2 )之理論區域密度及2.19磅(0.99 kg)之重量。根據MIL-STD-662E，使用符合MIL-P-46593A之模擬射彈(FSP)之17粒(grain)片段來測試樣品之防彈性。下表1中展示結果。
每個測試方法MIL-STD-662E測試複合物之防彈片段保護，且所用片段符合MIL-P-46593A。此等片段為17粒、22口徑、FSP硬化片段模擬器。藉由引用終止50%射彈之衝擊速度來表示樣品複合物之保護能力的一量測。將以英尺/秒之單位表示之此速度指定為V50 。
實例2(比較)
由39層用於實例1之單向定向芳族聚醯胺非編織品形成樣品。理論區域密度為0.99 psf(4.85 kg/m2 )且重量為2.22磅(1.01 kg)。下表1中亦展示防彈結果。
實例3(比較)
由32層用於實例1之芳族聚醯胺編織品層形成樣品。理論區域密度為1.00 psf(4.90 kg/m2 )且重量為2.28磅(1.04kg)。下表1中亦展示防彈結果。
實例4(比較)
由用於實例1之單向定向芳族聚醯胺非編織品連同用於實例1之芳族聚醯胺織物形成樣品。將芳族聚醯胺織物夾於非編織品層之間，但並未將其黏合於其中。使用總共12層經組合之3層結構。理論區域密度為0.98 psf(4.81 kg/m2 )且重量為2.22磅(1.01kg)。下表1中亦展示防彈結果。
實例5
由12層如實例1中之組合織物製備樣品。樣品具有0.98 psf(4.81 kg/m2 )之理論區域密度及2.20磅(1.00 kg)之重量。 根據MIL-STD-662E，使用9 mm全金屬護套(full metal jacket)(FMJ)124粒子彈來測試樣品之防彈性。測定V50等級及背面變形。下表2中展示防彈結果。
實例6(比較)
由39層用於實例5之單向定向芳族聚醯胺非編織品形成樣品。理論區域密度為0.99 psf(4.85 kg/m2 )且重量為2.22磅(1.00 kg)。下表2中亦展示防彈結果。
實例7(比較)
由32層用於實例5之芳族聚醯胺編織品層形成樣品。理論區域密度為1.00 psf(4.90 kg/m2 )且重量為2.29磅(1.04 kg)。下表2中亦展示防彈結果。
實例8(比較)
由用於實例6之單向定向芳族聚醯胺非編織品連同用於實例7之芳族聚醯胺織物形成樣品。將芳族聚醯胺織物夾於非編織品層之間，但並未將其黏合於其中。使用總共12層經組合之3層結構。理論區域密度為0.98 psf(4.81 kg/m2 )且重量為2.22磅(1.01 kg)。下表2中亦展示防彈結果。
結果展示藉由層壓高韌度纖維之交互層疊單向非編織品與高韌度纖維之編織品，就V50而言之防彈效能驚人地增大，且背面變形減小。
本發明提供製造相對簡單且具有優良防彈特性及其他所需特性之複合織物。將織物黏合在一起，從而產生改良之防彈效能。
儘管已因此以相當全之細節描述了本發明，但應瞭解不需要嚴格地依附於此細節，而其他改變及修改可對熟習此項技術者自我顯現，其均屬於由隨附申請專利範圍所定義之本發明範疇內。

Claims (22)

  1. 一種多層複合織物，該複合織物包含：(a)包含第一纖維層及第二纖維層之第一織物，該第一纖維層包含在第一樹脂基質中之非編織單向定向纖維，該等纖維包含高韌度纖維，該第一纖維層包含第一及第二表面，該第二纖維層包含在第二樹脂基質中之非編織單向定向纖維，該等纖維包含高韌度纖維，該第二纖維層包含第一及第二表面，該第二纖維層之該第一表面鄰近於該第一纖維層之該第二表面，該第二纖維層中之該等纖維相對於該第一纖維層之單向定向纖維之方向係排列成一角度；及(b)包含視情況在第三樹脂基質中之多向定向纖維的第二織物，至少約50重量%之該第二織物之該纖維包含高韌度纖維，該高韌度纖維具有相當於或大於約10 g/d之韌度，該第二織物具有第一及第二表面，該第二織物之該第一表面鄰近於該第二纖維層之該第二表面，且該第二織物直接或間接黏合於該第一織物，藉此形成該複合織物。
  2. 如請求項1之複合織物，其中該第二織物包含選自由編織品、針織物、編結物、毛氈織物及紙織物組成之群的織物。
  3. 如請求項1之複合織物，其中該第一織物及該第二織物藉由黏著劑加以黏合。
  4. 如請求項1之複合織物，其另外包含至少一塑膠膜，該 塑膠膜位於該第一與該第二織物之間，該塑膠膜將該第一織物及該第二織物黏合在一起。
  5. 如請求項4之複合織物，其另外包含黏合於該第一纖維層之該第一表面的塑膠膜。
  6. 如請求項1之複合織物，其中該第一織物及該第二織物之該等高韌度纖維係選自由以下各物組成之群：聚烯烴纖維、芳族聚醯胺纖維、聚苯并唑纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯腈纖維、液晶共聚酯纖維、聚醯胺纖維、聚酯纖維、玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、玄武岩(basalt)或其他礦物纖維、剛性桿聚合物纖維及其摻合物。
  7. 如請求項1之複合織物，其中該第一織物及該第二織物之該等高韌度纖維係選自由以下各物組成之群：高韌度聚乙烯纖維、芳族聚醯胺纖維、PBO纖維、石墨纖維及其摻合物。
  8. 如請求項1之複合織物，其中該第一織物及該第二織物之該等高韌度纖維包含高韌度聚乙烯纖維及/或芳族聚醯胺纖維。
  9. 如請求項8之複合織物，其中該第一織物之該等高韌度纖維與該第二織物之該等高韌度纖維之化學性相同。
  10. 如請求項1之複合織物，其中該第二織物呈編織品之形式。
  11. 如請求項1之複合織物，其中該第一織物之該等高韌度纖維包含芳族聚醯胺纖維且該第二織物之該等高韌度纖維包含芳族聚醯胺纖維。
  12. 如請求項11之複合織物，其中該第二織物呈編織品之形式。
  13. 如請求項1之複合織物，其中該第一纖維層之高韌度纖維係充分包埋入該第一樹脂基質中；其中該第二纖維層之高韌度纖維係充分包埋入該第二樹脂基質中；且其中該第二織物之高韌度纖維係視情況充分包埋入該第三樹脂基質中。
  14. 一種多層防彈複合織物，該複合織物包含：(a)包含第一纖維層及第二纖維層之第一織物，該第一纖維層包含在第一樹脂基質中之非編織單向定向纖維，該等纖維包含高韌度纖維，該第一纖維層包含第一及第二表面，該第二纖維層包含在第二樹脂基質中之非編織單向定向纖維，該等纖維包含高韌度纖維，該第二纖維層包含第一及第二表面，該第二纖維層之該第一表面鄰近於該第一纖維層之該第二表面，該第二纖維層中之該等纖維相對於該第一纖維層之單向定向纖維之方向係排列成一角度；(b)視情況之黏合於該第一織物之該第一纖維層的該第一表面之第一塑膠膜；(c)黏合於該第一織物之該第二纖維層的該第二表面之第二塑膠膜；及(d)包含視情況在第三樹脂基質中之多向定向纖維的第二織物，至少約50重量%之該第二織物之該纖維包含高韌度纖維，該高韌度纖維具有相當於或大於約10 g/d之 韌度，該第二織物具有第一及第二表面，使該第二織物之該第一表面黏合於該第二塑膠膜。
  15. 如請求項14之複合織物，其中該第一織物及該第二織物之該等高韌度纖維包含高韌度聚乙烯纖維及/或芳族聚醯胺纖維。
  16. 如請求項14之複合織物，其中該第一纖維層之高韌度纖維係充分包埋入該第一樹脂基質中；其中該第二纖維層之高韌度纖維係充分包埋入該第二樹脂基質中；且其中該第二織物之高韌度纖維係視情況充分包埋入該第三樹脂基質中。
  17. 如請求項16之複合織物，其中該第二織物呈編織品之形式。
  18. 一種防彈物件，其包含如請求項1之多層複合織物。
  19. 一種防彈物件，其包含約2至約60層之如請求項1之多層複合織物。
  20. 一種形成複合織物結構之方法，該方法包含：(a)供應包含在第一樹脂基質中之非編織單向定向纖維的第一纖維層，該等纖維包含高韌度纖維，該第一纖維層包含第一及第二表面；(b)供應包含在第二樹脂基質中之非編織單向定向纖維的第二纖維層，該等纖維包含高韌度纖維，該第二纖維層包含第一及第二表面；(c)將該第一纖維層與該第二纖維層黏合在一起，以使得該第二纖維層之該第一表面鄰近於該第一纖維層之該 第二表面，使該第二纖維層中之該等纖維相對於該第一纖維層之單向定向纖維之方向成一角度來排列；(d)視情況將第一塑膠膜塗佈於該第一纖維層之該第一表面；(e)將第二塑膠膜塗佈於該第二纖維層之該第二表面；(f)供應包含視情況在第三樹脂基質中之多向定向纖維的第二織物，至少約50重量%之該第二織物之該纖維包含高韌度纖維，該高韌度纖維具有相當於或大於約10 g/d之韌度，該第二織物具有第一及第二表面；及(g)將該第二織物之該第一表面黏合於該第二塑膠膜以藉此形成該複合織物。
  21. 如請求項20之方法，其中該第二織物包含編織品。
  22. 如請求項20之方法，其中該第一纖維層之高韌度纖維係充分包埋入該第一樹脂基質中；其中該第二纖維層之高韌度纖維係充分包埋入該第二樹脂基質中；且其中該第二織物之高韌度纖維係視情況充分包埋入該第三樹脂基質中。
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