TWI421463B - 複合防彈織物結構 - Google Patents

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Description

複合防彈織物結構
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。此等產品具有所需防彈特性，但需要複雜製造方法。因此，其製造成本通常比其他類型之防彈複合物更高。
需要提供包括單向定向纖維但可用較經濟之方式製造的防彈產品，以及製造此產品之方法。
根據本發明，提供一種多層複合織物，該複合織物包含：(a)包含第一樹脂基質中之非編織單向定向纖維的第一織物，該等纖維包含高韌度纖維，第一織物包含第一及第二表面；及(b)包含視情況在第二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，將第二織物之第一表面黏合於第一織物之第二表面，藉此形成複合織物。
另外，根據本發明，提供一種自高韌度纖維形成複合織物結構之方法，其改良之處包含：(a)形成包含非編織單向定向纖維之第一織物，該等纖維包含高韌度纖維；(b)以包含多向定向纖維之第二織物支撐第一織物，該第二織物包含高韌度纖維；(c)在第一織物經第二織物支撐之前、之後或同時將第一基質樹脂塗佈於第一織物上，使得基質樹脂自第一織物延伸且至少延伸至第二織物中，及(d)將第一織物及第二織物凝固為複合織物，藉助於基質樹脂使得第一織物與第二織物黏合在一起，藉此第二織物變成複合織物之主要部分。
另外，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)供應包含第一樹脂基質中之非編織單向定向纖維之第一織物，該等纖維包含高韌度纖維，第一織物包含第一及第二表面；(b)供應包含視情況在第二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(c)將第二織物之第一表面黏合於第一織物之第二表面以藉此形成複合織物。
除兩個織物層之外，亦可存在其他織物或非織物層。舉例而言，可存在三層結構，其中兩個外層為單向定向纖維 層，或該等外層為多向定向纖維層。另外，可提供四層結構，其中外層均為單向定向纖維層且內層均為多向定向纖維層。若第二織物包含第二基質樹脂，則其較佳與第一基質樹脂之化學性相同以便於獲得可製造性及均勻性。
本發明提供具有優良防彈特性之多層複合材料。另外，此材料可藉由將多向定向織物(諸如編織品)之一層或多層用作單向定向纖維之支撐結構而製得。多向定向織物變成複合材料之主要部分且因此降低製造成本，因為存在較少廢料。另外，藉由使支撐層變成複合材料之主要部分來增強材料品質。
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，且各層黏合在一起。
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(flat)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300g/d，更佳至少約500g/d，亦更佳至少約1,000g/d及最佳至少約1,200g/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8g/d，更佳為至少約11g/d。聚丙烯之初始拉伸模數較佳為至少約160g/d，更佳至少約200g/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，由芳族聚醯胺形成之適宜纖維述於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。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纖維亦適用於本發明實務中。
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；且此等纖維揭示於例如美國專利第4,535,027號中。
例如，在美國專利第3,975,487號、第4,118,372號及第4,161,470號中揭示適用於本發明之實踐的液晶共聚酯纖 維。液晶共聚酯纖維可以名稱Vectran纖維自Kuraray America Inc.購得。
例如，在美國專利第5,286,833號、第5,296,185號、第5,356,584號、第5,534,205號及第6,040,050號中揭示適用於本發明之實踐的聚苯并唑纖維。聚苯并唑纖維可以名稱Zylon纖維自Toyobo Co.購得。
例如，在美國專利第5,674,969號、第5,939,553號、第5,945,537號及第6,040,478號中揭示剛性桿纖維。此等纖維以名稱M5纖維自Magellan Systems International購得。
第一織物層中之纖維較佳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。已知在此排列中，使單向定向纖維沿共同纖維方向彼此平行地對準。單向定向織物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、膜及可沿單向定向織物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，則可占第一織物之總重量的至多 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層。較佳地，自粗紗架供應高韌度長絲之紗束，且引導其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形成第一織物之單向定向纖維的高韌度纖維網路。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。
迄今，在形成此單向定向織物時，在以樹脂基質塗佈之前或之後，藉由諸如黏性處理紙或膜基板之載體網來支撐單向織物。例如，在美國專利5,552,208及6,642,159中描述此等先前方法，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。在此方法中，最終自單向定向織物剝離載體網且將其丟棄。
根據本發明，較佳在以基質樹脂塗佈單向定向纖維之後，藉助於可呈捲筒形式之第二織物來支撐第一織物；或者，可在塗佈步驟之前或期間支撐第一織物。第二織物可在第一織物下方送紗，使得第二織物之一表面以(例如)上述美國專利6,642,159中所示之方式(除載體網為第二織物材料以外)接觸第一織物之一表面。亦即，在塗佈第一織 物層之後，將第二織物層連接至第一織物層。或者，第二織物層可在塗佈步驟之前接觸及/或支撐第一織物層，且接著在諸如上述美國專利5,552,208中所示之塗佈步驟中塗佈兩個織物層。
在本發明方法之一實施例中，首先以所需基質樹脂塗佈第一織物之單向定向纖維。塗佈之後，較佳地諸如藉助於一對滾筒將第一織物層中之過量基質樹脂擠出。其後，將經塗佈之第一織物置於第二織物上。接著，使織物均凝固且使其冷卻或經加熱，藉此來自第一織物之基質樹脂將第二織物之至少接觸面黏合於第一織物以藉此形成整體結構。藉由使組合織物結構經過烘箱中來乾燥織物。
第二織物層在與經塗佈之第一織物接觸之前較佳不包括樹脂基質，使得第二織物至少部分由第一織物層之基質樹脂滲透。或者，可以較佳具有相同或類似化學結構之另一基質樹脂預塗佈第二織物，隨後使其接觸且支撐第一織物層。接著，使用熱及/或壓力將該等層層壓在一起。在此情況下，更佳地亦將用作第一織物之基質樹脂的同一樹脂用於第二織物。
或者，任一織物層均可完全以基質樹脂浸漬且接著與其他織物網組合，視樹脂之量及黏度而定，其可變得飽和或僅黏合於表面。
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網路上。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。如上所述，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的。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、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(fluid laying)、熔噴法及紡絲敷設(spin laying)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。
用於纖維層之樹脂基質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)。例如，在美國專利6,642,159中揭示此等材料之實例，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、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。
在將第一織物與第二織物黏合在一起之後，較佳將其捲繞為卷筒。可採用分離片以阻止各層在捲繞期間黏在一起。
如上所述，可將額外層併入本發明之複合織物中。舉例而言，可藉由併有高韌度纖維之另一單向定向織物來形成三層結構。將此額外層黏合於第二層之與第一層黏合之表面的反面。在其他織物層組合之同時，額外單向定向織物可與其他織物層組合，或此第三織物層可預連接於第二織物層或在黏合第一與第二織物層之後與其組合。舉例而言，在形成第一及第二織物之結構後，複合結構可又用以支撐高韌度纖維之另一單向定向織物，使第二織物層支撐第二單向定向織物層。舉例而言，首先形成之複合織物可定位於第二單向定向織物之下方，使多向定向織物鄰近於第二單向定向織物之表面，且第二單向定向織物之基質樹 脂可與多向定向織物相抵經壓迫或可壓入多向定向織物中。所得結構包括夾於兩個單向定向織物之間的第二多向定向織物。
同樣地，另一多向定向織物(例如編織品)可與第一及第二織物組合，以致其黏合於並未連接於第二織物之單向定向第一織物之表面。以此方式，使第一單向定向織物層夾在兩個多向定向織物之間。
在此等三層結構之每一者中，各織物之高韌度纖維可與其他織物層中之纖維相同或不同。又，各織物層中之基質樹脂若存在，則其較佳為化學性相同或大體上相同。或者，不同織物層之基質樹脂可不同但應相容以可達成層之所需黏合。
在本發明之另一實施例中，四層織物構造可由兩個單向定向織物層及兩個多向定向織物層形成。舉例而言，兩個編織品層可黏合在一起且形成複合結構之內部織物層，使兩個單向定向織物層形成結構之外層。
或者，藉由適當黏合各由如上所述之第一及第二織物形成之兩個複合織物結構可提供四層結構，將該等結構黏合以致兩個相同類型織物層中之任一者黏合在一起或兩個不同類型之織物層黏合在一起。
不考慮複合織物結構中之織物層數目，複合織物均藉由凝固各層而形成。"凝固"意謂將基質材料與纖維組合成整體層。凝固可藉助於乾燥、冷卻、加熱、壓迫或其組合而發生。
物件可由多層之複合織物結構(無論其為兩層結構、三層結構、四層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。
當採用若干層含有單向定向纖維之複合織物時，單向定向織物較佳相對於彼此成一角度經安置(例如交互層疊)。此等角度可為約0°/90°或任何其他所需角度。
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支撐多向定向織物層及單向織物層，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，可將石墨單向定向織物連接於高韌度聚乙烯纖維編織品，或可將PBO單向織物連接於芳族聚醯胺編織品。此等材料可以任何所需組態來排列。
舉例而言，為了便於形成體形狀且易於穿戴，或為了其 他原因，一或多種塑膠膜可包括於複合物中以允許不同複合層彼此滑過。此等塑膠膜通常可黏附於複合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12.5 μm)範圍內。最佳為LLDPE膜。
本發明之非限制性實施例包括：連接於高韌度聚乙烯紗之編織品的高韌度聚乙烯紗之單向非編織品；連接於芳族聚醯胺紗之編織品的芳族聚醯胺紗之單向非編織品；連接於芳族聚醯胺紗之編織品的高韌度聚乙烯紗之單向非編織品；連接於高韌度聚乙烯紗之編織品的芳族聚醯胺紗之單向非編織品；及其他具有相同或不同高韌度纖維之結構。
本發明之複合織物可用於多種應用中，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。自粗紗架送入1000丹尼爾之芳族聚醯胺紗且使其經過梳理台以形成單向纖維網路。在塗佈之前，單向織物重45 g/m2 。使紗進入含有滲透至單向織物中之聚胺酯基質樹脂的溶液之槽中。接著，使經塗佈之單向織物經過一對滾筒以擠出過量基質樹脂溶液且將基質溶液大體上均勻地展布於長絲之中及之間。以經塗佈織物之總重量計，樹脂提取為約16重量%。
接著，將經塗佈單向織物置於自獨立卷筒送入之乾燥芳族聚醯胺編織品(不含基質樹脂)上。編織品為重7盎斯/平方碼(237.4 g/m2 )之840丹尼爾芳族聚醯胺紗之平織精練織物。將編織品送入單向織物層之底部且用作其支撐物。將組合結構送入至一對夾壓卷筒中，該對夾壓卷筒控制複合織物之厚度且使得來自單向非編織品之基質樹脂至少接觸編織品之鄰接面。接著，使組合結構經過乾燥烘箱中，其中基質樹脂溶劑揮發。將凝固複合織物捲繞為連續卷筒。
以重1.00 psf(4.88 kg/m2 )之發射包(shoot pack)抵抗9 mm全金屬護套(FMJ)124粒子彈及17粒、22口徑、FSP硬化片段模擬器，對量測到18×18吋(45.7×45.7 cm)之複合織物之樣品測試防彈性。發現材料之防彈特性對於防彈物件而言為可接受的。
實例2
重複實例1，但單向非編織品係由1300丹尼爾高韌度聚乙烯紗(Spectra1000，來自Honeywell International Inc.) 形成，其中單向纖維基質重53 g/m2 (塗佈之前)。基質樹脂為苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯彈性體(KratonD1107)。編織品為高韌度聚乙烯紗(來自Honeywell International Inc.之375丹尼爾紗Spectra1000纖維)之平織織物。以經塗佈織物之總重量計，樹脂提取為約16重量%。
當如實例1中測試樣品時，記錄到類似結果。
本發明之方法係與目前製造方法相反，在目前製造方法中單向帶主要藉由在加工期間使用提供交叉方向強度之基板來製造，從而保持樹脂與單向纖維且在捲繞期間保持單向纖維之完整性。在此方法中，基板隨後被丟棄且並未用作成品之主要部分。本發明採用呈多向定向織物形式之第二織物，諸如具有某一程度之交叉方向強度之防彈紡織產品，以用將為成品物件提供防彈特性之產品替換經丟棄之基板。本發明之產品可藉由降低材料製造成本之方法來製造且產品具有可接受之(若非改良)防彈效能。
有可能用本發明減少複合結構中之樹脂之量，從而使得每單位重量防彈結構(諸如背心)可產生較高防彈效能。可降低複合材料之成本且亦可減少製造鎧甲產品及其類似物所需之層的數目。
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 (23)

  1. 一種多層複合織物，該複合織物包含：(a)包含於第一樹脂基質中非編織單向定向纖維的第一織物，該樹脂基質包圍該等纖維，且該等纖維包含高韌度纖維，該第一織物包含第一及第二表面；及(b)包含視情況在第二樹脂基質中之多向定向纖維的第二織物，該第二織物包含高韌度纖維，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黏合於該第一織物之該第二表面，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，其中該第二織物不包含第二樹脂基質。
  3. 如請求項1之複合織物，其中該第一織物及該第二織物至少藉由該第一樹脂基質之樹脂來黏合。
  4. 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該第一樹脂基質及該第二樹脂基質之樹脂來黏合，且該第一樹脂基質與該第二樹脂基質中之樹脂之化學性相同。
  5. 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。
  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：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。
  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包含高韌度聚乙烯纖維及/或芳族聚醯胺纖維。
  8. 如請求項7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。
  9. 如請求項1之複合織物，其中該第二織物呈編織品之形式。
  10. 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。
  11. 如請求項10之複合織物，其中該第二織物呈編織品之形式。
  12. 如請求項1之複合織物，其另外包含第三織物，該第三織物包含在第三樹脂基質中之非編織單向定向高韌度纖維，該第三織物具有第一及第二表面，該第三織物之該第一表面黏合於該第二織物之該第二表面，藉此將第二織物安置於該第一織物與該第三織物之間。
  13. 如請求項1之複合織物，其另外包含第三及第四織物，該第三織物包含視情況在第三樹脂基質中之多向定向高韌度纖維，該第三織物具有第一及第二表面，該第三織 物之該第一表面黏合於該第二織物之該第二表面，該第四織物包含在第四樹脂基質中之非編織單向定向高韌度纖維，該第四織物具有第一及第二表面，該第四織物之該第一表面黏合於該第三織物之該第二表面。
  14. 如請求項1之複合織物，其另外包含第三織物，該第三織物包含視情況在第三樹脂基質中之多向定向高韌度纖維，該第三織物具有第一及第二表面，該第三織物之該第一表面黏合於該第一織物之該第一表面，藉此將該第一織物安置於該第二織物與該第三織物之間。
  15. 如請求項1之複合織物，其另外包含第三及第四織物，該第三織物包含在第三樹脂基質中之非編織單向定向高韌度纖維，該第三織物具有第一及第二表面，該第三織物之該第一表面黏合於該第二織物之該第二表面，該第四織物包含視情況在第四樹脂基質中之多向定向高韌度纖維，該第四織物具有第一及第二表面，該第四織物之該第一表面黏合於該第三織物之該第二表面。
  16. 如請求項1之複合織物，其另外包含連接於該第一織物及該第二織物中至少一者之至少一塑膠膜。
  17. 一種防彈物件，其包含如請求項1之多層複合織物。
  18. 一種由高韌度纖維形成複合織物結構之方法，其改良之處包含：(a)形成包含非編織單向定向纖維之第一織物，該等纖維包含高韌度纖維；(b)以包含多向定向纖維之第二織物支撐該第一織物， 該第二織物包含高韌度纖維；(c)在該第一織物經該第二織物支撐之前、之後或同時，將第一基質樹脂塗佈於該第一織物上，使得該樹脂基質自該第一織物延伸且至少延伸至該第二織物中，且其中該樹脂基質包圍至少該第一織物之該等纖維；及(d)將該第一織物及該第二織物凝固為複合織物，藉助於該樹脂基質使得該第一織物與該第二織物黏合在一起，藉此該第二織物變成該複合織物之主要部分。
  19. 如請求項18之方法，其中該第二織物包含編織品，其中該第二織物不包含第二樹脂基質。
  20. 如請求項19之方法，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。
  21. 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織物，該樹脂基質包圍該等纖維，且該等纖維包含高韌度纖維，該第一織物包含第一及第二表面；(b)供應包含視情況在第二樹脂基質中之多向定向纖維的第二織物，該第二織物包含高韌度纖維，該第二織物具有第一及第二表面；及(c)將該第二織物之該第一表面黏合於該第一織物之該第二表面以藉此形成該複合織物。
  22. 如請求項21之方法，其中該第二織物包含編織品，其中該第二織物不包含第二樹脂基質。
  23. 如請求項21之方法，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。
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