TWI797221B - 防彈頭盔殼體 - Google Patents

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哈姆 凡德沃爾夫
羅伊洛夫 馬瑞森
尤瑞曲 海瑟爾
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Abstract

本發明係關於一種用以製造防彈之彎曲模製物件的方法，該方法包括形成一複數片複合片材的堆疊，在溫度於80℃至150℃間及壓力於10至400巴間加壓該包含複合片材的堆疊至少5分鐘以獲得一彎曲之模製物件，將該壓密的堆疊冷卻至溫度低於80℃同時維持壓力大於10巴，自該經冷卻的彎曲模製物件釋放壓力；其中該複合片材包括單向排列的高韌性聚乙烯纖維與一包含聚乙烯樹脂的基質，其中該樹脂係乙烯的同元聚合物或共聚物，其具有密度係在870至980公斤/立方公尺間，當根據ISO 1183測量時；及熔體流動指數係在0.5至50克/10分鐘間，當根據ASTM 1238B-13在溫度190℃及重量21.6公斤下測量時。

Description

防彈頭盔殼體
發明領域
本發明係關於一種用以製造防彈之彎曲模製物件的方法，其中該物件包括複數層包含超高分子量聚乙烯纖維與基質的複合片材。本發明亦關於一種防彈之彎曲模製物件，及特別關於一種具有經改良的機械性質之防彈頭盔殼體。
發明背景
在先述技藝中已知曉用以製造防彈之彎曲模製物件的方法，即，頭盔殼體，其中該物件包括一包含單向排列的防彈纖維與接合劑之複合片材的固結堆疊。例如，來自WO 2007/107359。於最近幾年中，頭盔殼體發展的焦點放在減低頭盔重量同時維持或甚至進一步改良防彈性質的頭盔。此發展係考慮到增加穿戴舒適度及防彈頭盔的現代用途，包括加入設備，諸如通訊設備、護目鏡及夜視鏡。典型來說，該重量減低係藉由對該殼體選擇較低密度並結合高勁度的高性能纖維系統達成。於最近幾年中，已經常報導出此改良係藉由包含高強度但是輕重量之超高分子量 基底的聚乙烯基底纖維，亦指為高模數聚乙烯(HMPE)纖維之複合片材達成。已經達成具有維持或甚至改良彈道性質之輕重量頭盔。
至此已被忽略的問題為頭盔之面密度減低，特別是藉由HMPE纖維複合物來置換芳族聚醯胺或無機纖維系統已造成頭盔系統具有差的鈍性衝擊(blunt impact)性能。再者，此具有實質上減低的面密度及厚度之輕頭盔顯示出該頭盔殼體在亦已知為耳至耳勁度(ear to ear stiffness)的側向壓縮測試中具有低性能。
發明概要
本發明的目標為提供一種用以製造防彈之彎曲模製物件的方法，特別是頭盔殼體，其提供高標準的彈道保護及低重量並結合改良的鈍性衝擊性能，特別是當根據DOT FMVSS 218測量時，具有低於110 G的加速度之平均鈍性衝擊。進一步目標為提供一種用以製造防彈性彎曲模製物件的方法，特別是頭盔殼體，其中當根據NIJ010601進行對抗9毫米FMJ RN Remmington威脅的測試時，其具有較高的防彈性程度且結合經改良的背襯變形。本發明的進一步目標為提供一種用以製造防彈性彎曲模製物件之方法，特別是頭盔殼體，其結合一些所提到的優點與高耳至耳勁度。
本發明家已發現具有上述優點的彎曲模製物件可容易地藉由壓縮模製一包括單向排列的超高分子量 聚乙烯(UHMWPE)纖維與包含聚乙烯樹脂的基質之複合片材的堆疊來製造。此外，本發明提供一種用以製造防彈之彎曲模製物件的方法，該方法包括在一模具中加壓一包含複數片具有單向排列的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維與包含聚乙烯樹脂的基質之複合片材的堆疊，其中該樹脂係乙烯同元聚合物或共聚物，其具有密度係在870至980公斤/立方公尺間，當根據ISO 1183測量時；及熔體流動指數係在0.5至50克/10分鐘間，當根據ASTM 1238B-13在溫度190℃及重量21.6公斤下測量時。
本發明亦提供一種可藉由如於本文中所定義的方法獲得之防彈彎曲模製物件。
本發明進一步提供一種防彈之彎曲模製物件，其中該物件包含複數片包括單向排列的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維與包含聚乙烯樹脂的基質之模製複合片材，其中該樹脂係乙烯同元聚合物或共聚物，其具有密度係在870至980公斤/立方公尺間，當根據ISO 1183測量時；及熔體流動指數係在0.5至50克/10分鐘間，當根據ASTM 1238B-13在溫度190℃及重量21.6公斤下測量時；其中該防彈之彎曲模製物件具有面密度少於8.0公斤/平方公尺及V50 17格令FSP至少770公尺/秒。
本發明亦提供一種防彈頭盔殼體或天線罩。
頭盔殼體係頭盔的基本結構及其提供防彈性。該殼體排除內襯、皮帶、接頭、裝飾及配件。
如於本文中所使用，「壓密或固結的堆疊」 指為於高溫下加壓在一起以製造單一物件之多重複合片材。
如於本文中所使用，「彎曲」模製物件係一種非平面的模製物件。其具有三維而非二維形式。該物件可具有單一或多重曲線。
如於本文中所使用，用語「複數」意謂著大於1的整數。
如於本文中所使用，用語「單向排列」意謂著在層中的纖維係於由該層所界定的平面中被定向成實質上彼此平行。
如於本文中所使用，「平均厚度」係採用分佈在彎曲物件上的至少5個度量點進行測量，每個度量點與其它度量點間隔開至少5公分及計算平均值。
如於本文中所使用，平均面密度係藉由將該壓縮模製彎曲物件的平均厚度乘以密度來計算。
如於本文中所使用，該壓縮模製物件的密度係藉由稱重該壓縮模製物件的樣品及將其除以該樣品的體積來進行測量。
本發明之方法包括下列步驟：形成複數片複合片材之堆疊；在溫度於80℃至145℃間及壓力於10至400巴間下加壓該包含複合片材的堆疊至少5分鐘，以獲得一彎曲之模製物件；將該壓密的堆疊冷卻至溫度低於80℃，同時將壓力維持在大於10巴；及自該經冷卻的彎曲模製物件釋放壓力。較佳的是，此方法係由熟悉技藝之人士 所熟知，其係在適當的模具中進行，其中該堆疊係放置在由母及公組件組成的開放式模具中。該堆疊選擇性被鉗夾至該模具的一個組件，通常為母組件。此鉗夾可透過所謂的控制成員並以將該堆疊朝向該模具組件固定在其位置上之方式進行，但是該堆疊仍然可在該模具封閉期間，即，當該公組件移進母模具組件中時滑動及移動。當該彎曲形狀的組件具有實質曲率諸如頭盔殼體時，可有利地使用該鉗夾。
一旦該模具係例如藉由將公組件移進母模具組件中進行封閉，讓該堆疊在溫度及壓力下固結成彎曲的模製物件，諸如頭盔殼體。該方法包括下列步驟：將該複合片材之堆疊加熱至溫度範圍在80℃至150℃間，較佳為在90℃至145℃間及更佳為在100℃至140℃間。該較低溫度較佳為高於該聚乙烯樹脂的熔化溫度，且該較高溫度應該低於該UHMWPE纖維的熔化溫度，典型為153℃。在該固結步驟期間所施加之壓力係於10至400巴間，較佳為該壓力係於50至350巴間，更佳為於100至300巴間。在較佳具體實例中，該堆疊之加熱係與壓縮同時發生。在進一步較佳的具體實例中，該堆疊之壓縮係以多於一個壓縮階段進行，其中會在該堆疊的加熱階段期間施加及釋放壓力。在固結期間施加至該堆疊的最大壓力亦稱為波峰壓力。該在於此上述提供的固結溫度及波峰壓力下之固結時間可係5分鐘，較佳為該固結時間係至少10分鐘，更佳為至少15。該固結的堆疊較佳為在模具中仍然於壓力下冷卻。一旦該 固結的堆疊已冷卻至典型溫度80℃，較佳為50℃時，可打開該模具及自該模具釋放出該固結的堆疊。再者，可透過已知的機械技術如鋸開、輪磨、鑽孔來將該固結的堆疊進一步加工成想要的最後尺寸。
纖維於本文中經了解係一長度尺寸更大於其橫向的寬度尺寸及厚度之拉伸主體。此外，用語「纖維」包括具有規則或不規則截面的細絲、緞帶、長條、條帶、膠帶及其類似物。該纖維可具有連續長度，在技藝中已知例如為細絲或連續的細絲；或不連續長度，在技藝中已知為人造短纖維。對本發明的目來說，紗線係一包括許多各別纖維的拉伸主體。各別纖維於本文中經了解係纖維其本身。較佳的是，本發明的高韌性聚乙烯纖維有膠帶、細絲或人造短纖維。
在本發明的上下文中，高韌性聚乙烯纖維經了解係具有韌性至少1.5牛頓/德士的聚乙烯纖維，更佳為至少1.8牛頓/德士，更佳為至少2.0牛頓/德士，甚至更佳為至少2.5牛頓/德士及最佳為至少3.5牛頓/德士。較佳的聚乙烯係高分子量(HMWPE)或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。當該高韌性聚乙烯纖維包含超高分子量聚乙烯(UHMWPE)且具有韌性至少2.0牛頓/德士，更佳為至少3.5牛頓/德士時，獲得最好的結果。本發明家觀察到HMWPE及UHMWPE可達成最好的彈道性能。
存在於該纖維中的聚乙烯(PE)可係線性或分枝，其中線性聚乙烯較佳。線性聚乙烯於本文中經了解 意謂著每100個碳原子含有少於1條側鏈的聚乙烯，及較佳為每300個碳原子含有少於1條側鏈；該側鏈或分枝通常包括至少10個碳原子。該側鏈可合適地藉由FTIR測量。該線性聚乙烯可進一步包括最高5莫耳%之一或多種可與之共聚合的其它烯烴，諸如丙烯、1-丁烯、1-戊烯、4-甲基戊烯、1-己烯及/或1-辛烯。
該PE較佳為具有高分子量與本質黏度(IV)至少2分升/克，更佳為至少4分升/克，最佳為至少8分升/克。此具有IV超過4分升/克的聚乙烯亦指為超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。本質黏度係一種分子量度量法，其可比實際的莫耳質量參數如數量及重量平均分子量(Mn及Mw)更容易地決定。
存在於根據本發明的複合片材中之高韌性纖維可藉由多種方法獲得，例如，熔融紡絲方法、凝膠紡絲方法或固態粉末壓製方法。此等方法已由熟悉技藝之人士所熟知。
在本發明之方法中所使用的複合片材包括一包含聚乙烯樹脂之基質，其中該樹脂係乙烯的同元聚合物或共聚物。該基質可包含進一步的聚合物組分和常用的添加劑，諸如塑化劑、界面活性劑、充填劑、安定劑、著色劑等等。
存在於根據本發明的複合片材中之同元聚合物或聚乙烯樹脂的量可在寬範圍內變化，及特別將依該防彈之彎曲模製物件所需要的最後性質和存在於該單層中 之聚乙烯纖維本質而定。典型來說，存在於該複合片材中之聚乙烯樹脂的量係至少2重量%，較佳為至少5重量%。在較佳具體實例中，該聚乙烯樹脂的濃度係至多25重量%，較佳為至多20重量%，甚至更佳為至多18重量%及最佳為至多16重量%。在另一個較佳具體實例中，該聚乙烯樹脂的量係在2至25重量%間，較佳為在5至20重量%間，最佳為在8至18重量%間，其中該重量百分比係在複合片材的總重量中之聚乙烯樹脂的重量。在進一步較佳具體實例中，該聚乙烯樹脂的量係至少15重量%，較佳為至少18重量%及甚至更佳為至少20重量%。在另一個較佳具體實例中，該聚乙烯樹脂的量係在10至50重量%間，較佳為在15至40重量%間，最佳為在18重量%至30重量%間。
存在於該基質中的聚乙烯樹脂具有密度係在870至980公斤/立方公尺之範圍內，如根據ISO 1183測量，較佳為890至970公斤/立方公尺，更佳為910至960公斤/立方公尺。本發明家認定具有密度在該較佳範圍內的聚乙烯樹脂提供與該複合片材之其它組分有改良的相容性。
當根據ASTM 1238B-13在溫度190℃及重量21.6公斤下測量時，該聚乙烯樹脂具有熔體流動指數在0.5至50克/10分鐘間。在較佳具體實例中，該熔體流動指數係在1.0至30間及更佳為在2.0至20克/10分鐘間。本發明家觀察到該聚乙烯樹脂的此黏度範圍提供本發明之方法有最佳加工窗口的優點，此允許以工業可應用的加工窗口自本發明的方法製造該模製物件。太高的熔體流動指數可 造成該纖維及/或薄片有在加工期間由於太高的聚乙烯樹脂潤滑性而發生偏移之問題。比較上，具有太低的熔體流動指數，即，熔體流動指數接近零的聚乙烯樹脂無法熔融加工，及可阻礙該基質及/或聚乙烯樹脂在該複合片材或由其製得的壓縮模製物件之製造方法期間的移動率及熔化特徵，而造成該聚乙烯樹脂遍及該薄片或物件不均勻及/或不連續地分佈。因此，在本發明的較佳具體實例中，該聚乙烯樹脂係一種可熔融加工的樹脂。該聚乙烯樹脂及特別是在下列進一步描述之至少部分中和的聚合物，其熔體流動指數可受所測量的樣品之水分含量影響。因此，除了上述提到的ASTM方法外，該聚乙烯樹脂需要於乾燥狀態測量，此可藉由在測試前於120℃之真空中乾燥該樣品至少12小時達成。
本發明的進一步態樣係關於存在於該複合片材的基質中之聚乙烯樹脂的模數，其可在寬範圍內變化。然而到目前為止所描述，該薄片之製備及進一步加工係受該聚乙烯樹脂在室溫下而且亦在加工溫度附近之性質影響，其中本發明的較佳具體實例為該聚乙烯樹脂具有模數在25℃下係於50MPa至500MPa間，較佳為於80至400MPa間及更佳為於100至300MPa間；及在110℃下的模數係於0.1至10MPa間，較佳為於0.2至8MPa間及最佳為於0.4至5MPa間，其中該模數係根據ASTM D5026，藉由DMTA，在2毫米厚的樣品上，於頻率1赫茲下，以5℃之加熱速率決定。
在本發明的上下文中，該聚乙烯樹脂共同或各別指為聚乙烯及乙烯共聚物。其可包含多種形式的聚乙烯、乙烯-丙烯共聚物；含有共單體諸如1-丁烯、異丁烯，和含有含雜原子單體諸如不飽和羧酸或其衍生物，如丙烯酸、甲基丙烯酸、醋酸乙烯酯、馬來酸酐、丙烯酸乙酯、丙烯酸甲酯的其它乙烯共聚物。在缺乏共單體的聚乙烯樹脂中，可使用於線性低密度聚乙烯(LLDPE)、非常低密度聚乙烯(VLDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)或高密度聚乙烯(HDPE)當中之廣泛多種的聚乙烯或聚丙烯。
因此，本發明的較佳具體實例包含一複合片材，其中該聚乙烯樹脂包含至少90莫耳%衍生自乙烯的單體單元，較佳為至少92莫耳%，更佳為至少93莫耳%，甚至更佳為至少94莫耳%及最佳為至少95莫耳%之乙烯衍生出的單體單元。較佳的是，該衍生自乙烯之單體單元的量係至多99莫耳%，更佳為至多98莫耳%。
較佳的是，該聚乙烯樹脂可係官能化的聚乙烯或乙烯共聚物。此官能化的聚合物經常指為官能性共聚物或接枝聚合物，其中該接枝指為該聚合物骨架主要以包含雜原子的乙烯化不飽和單體進行化學改質，然而該官能性共聚物指為乙烯與包含雜原子的乙烯化不飽和單體共聚合。較佳的是，該乙烯化不飽和單體包含氧及/或氮原子。最佳的是，該乙烯化不飽和單體包含羧酸基團或其衍生物，其產生醯化的聚合物，特別是乙醯化的聚乙烯。較佳的是，該羧酸反應物係選自於由下列所組成之群：丙烯酸、甲基 丙烯酸、桂皮酸、巴豆酸、及馬來酸、反丁烯二酸、及衣康酸反應物。該官能化的聚合物典型包含在1至8莫耳%間之羧酸反應物。此官能化存在於該樹脂中可實質上提高該樹脂的分散性及/或允許減少存在用於該目的之進一步添加劑，諸如界面活性劑。
在該情況中，該聚乙烯樹脂係一種以羧酸基團或其衍生物官能化的聚乙烯，其中本發明的較佳具體實例係該羧酸基團係至少部分經中和。於本文中，經中和或中和指為事實上該羧酸基團係以含有相應的陽離子抗衡離子之羧酸鹽呈現。此至少部分中和的酸性聚合物亦指為離子聚合物。本發明家認定該至少部分中和的羧酸官能基存在於聚乙烯樹脂中會進一步改良來自本發明的薄片之壓縮模製物件的製造方法之穩健性。本發明家尚不清楚的是此改良是否可解釋為更複雜的聚合物流變、極性增加及/或聚乙烯樹脂之任何其它物理性質改變。
在本發明的進一步較佳具體實例中，該聚乙烯樹脂係一種進一步包含衍生自至少一種不飽和羧酸的單體單元之至少部分中和的乙烯共聚物。此聚乙烯樹脂顯示出能進一步增加本發明之薄片的面內剪切弦模數。然而，衍生自乙烯的單體單元對該不飽和羧酸單體之莫耳比率可廣泛地變化，本發明家認定含有增加的乙烯單體單元程度之聚乙烯樹脂將受到青睞，因為它們會進一步改良本發明的薄片及壓縮模製物件在高溫下之性能，同時仍然提供可在製造期間容易加工的聚乙烯樹脂。
在含有羧酸單體單元之至少部分中和的乙烯共聚物之情況中，該聚乙烯樹脂的密度範圍較佳為在910至970公斤/立方公尺內，較佳為920至970公斤/立方公尺，更佳為930至960公斤/立方公尺，其中該密度可與該聚合物組成物及中和程度二者相依。
在本發明的進一步較佳具體實例中，存在於該至少部分中和的乙烯共聚物中之至少一種不飽和羧酸共單體係丙烯酸或甲基丙烯酸或其組合。在尚較佳的具體實例中，該乙烯共聚物係乙烯丙烯酸共聚物(EAA)或乙烯甲基丙烯酸共聚物(EMA)或其混合物。本發明家認定這些聚合物之離子聚合物衍生物提供一組合適於加工該包含高韌性聚乙烯纖維的複合片材之加工條件。在該加工條件期間，所關心的聚乙烯樹脂變成可熔融加工而沒有實質上損失黏度或增加對所使用的設備之組件的黏著性。
該聚乙烯樹脂可由大量多種陽離子物種中和，諸如承載至少一個正電荷的原子，而且亦可係承載2或更多個正電荷的分子結構，諸如聚合物。較佳的是，該羧酸包含選自於由下列所組成之群的陽離子作為中和離子：Na+、K+、Li+、Ag+、Cu+、Cu2+、Be+、Mg2+、Ca2+、Sn2+、Sn4+、Fe2+、Fe3+、Zn2+、Al3+、NH4 +及其組合。已觀察到使用這些較佳陽離子，可將該聚乙烯樹脂的黏度及其它物理性質控制至用以製備及/或使用本發明之複合片材的加工條件。特別佳的陽離子有Na+、K+、Li+、Mg2+、Ca2+、Sn2+、Zn2+、Al3+及其混合物。這些陽離子提供在80至140 ℃之溫度範圍內具有最佳化加工性能的聚乙烯樹脂。
在本發明的較佳具體實例中，該聚乙烯樹脂，特別是含有至少一種不飽和羧酸共單體之至少部分中和的乙烯共聚物包含至少二種可區別的中和離子。
在本發明的更佳具體實例中，該聚乙烯樹脂，特別是更包含衍生自至少一種不飽和羧酸的單體單元之至少部分中和的乙烯共聚物包含在1.0至30間莫耳%的NH4 +離子作為該中和離子。剩餘的中和離子可係上述較佳陽離子的任何一種或組合。較佳的是，該氨陽離子(NH4 +)的量係在2.0至25莫耳%間，及更佳為在5.0至20莫耳%間。於本文中，莫耳%經了解係所關心的陽離子對存在於該聚乙烯樹脂中作為中和離子的總陽離子之莫耳比率。本發明家觀察到當氨陽離子係以上述較佳範圍呈現時，其提供一可容易地在本發明的薄片及自其製造的壓縮模製物件之商業加工條件下熔融加工的聚乙烯樹脂。更佳的是，該聚乙烯樹脂，特別是更包含衍生自至少一種不飽和羧酸的單體單元之至少部分中和的乙烯共聚物包括在70至99莫耳%間之選自於由Na+、K+、Li+、Mg2+、Ca2+、Sn2+、Zn2+、Al3+及其混合物所組成之群的中和離子，更佳為75至98莫耳%，及甚至更佳為80至95莫耳%。本發明家觀察到上述較佳混合物及比率提供具有不滿足的加工穩健性之複合片材，特別是關於由氣泡形成的內部缺陷。
於本文中，至少部分中和經了解係該羧基之至少某些係以羧酸鹽呈現。較佳的是，整體中和程度係至 少10莫耳%，較佳為至少20莫耳%及更佳為至少30莫耳%，其中該以莫耳%計的中和程度係羧酸鹽的莫耳數除以存在於該聚乙烯樹脂，特別是更包含衍生自至少一種不飽和羧酸的單體單元之至少部分中和的乙烯共聚物中之羧酸與羧酸鹽的莫耳數之表示。最大中和程度係100莫耳%，此指出該聚乙烯樹脂無可測量的量之呈經質子化形式的羧酸基團存在。在較佳具體實例中，該聚乙烯樹脂，特別是共聚物的羧酸基團之中和程度係在50至100莫耳%間，更佳為在60至99莫耳%間。
如藉由本發明之方法製造的彎曲模製物件提供迄今未由包含高韌性聚乙烯纖維之防彈彎曲模製物件達成的性質組合。因此，本發明亦關於一種防彈之彎曲模製物件，特別是頭盔殼體，其中該物件包括複數片包含單向排列的高韌性聚乙烯纖維與包括聚乙烯樹脂的基質之模製複合片材，其中該樹脂係乙烯的同元聚合物或共聚物，其具有密度係在870至980公斤/立方公尺間，當根據ISO 1183測量時；及熔體流動指數係在0.5至50克/10分鐘間，當根據ASTM 1238B-13在溫度190℃及重量21.6公斤下測量時；其中該防彈之彎曲模製物件具有面密度少於8.0公斤/平方公尺及V50 17格令FSP大於750公尺/秒。再者，本發明之彎曲模製物件，特別是頭盔殼體可具有V50 17格令FSP至少770公尺/秒，更佳為至少790公尺/秒。較佳的是，該彎曲模製物件的面密度係少於7.5公斤/平方公尺，更佳為少於7.0公斤/平方公尺，甚至更佳為少於6.5公斤/平方 公尺及最佳為少於6.0公斤/平方公尺。較佳的是，該彎曲模製物件的面密度係在4.0至7.0公斤/平方公尺間，更佳為在4.5至6.5公斤/平方公尺間及最佳為在5.0至6.0公斤/平方公尺間。本發明家認定甚至在此低面密度下，根據本發明所獲得之頭盔殼體顯示出好的耳至耳勁度及防彈性質。
本發明的較佳具體實例係關於一種防彈之彎曲模製物件，其包括多於70重量%的高韌性聚乙烯纖維，較佳為多於75重量%及最佳為多於80重量%的高韌性聚乙烯纖維，其中該重量%係纖維的質量對該模製物件的總質量之表示。
本發明家認定根據本發明之彎曲模製物件能在該彎曲模製物件的平均厚度降低下提供優異的機械及防彈性質。因此，本發明的較佳具體實例係關於一種防彈之彎曲模製物件，其具有平均厚度至多8.0毫米，較佳為至多7.5毫米，更佳為至多7.0毫米及最佳為至多6.5毫米。較佳的是，本發明的彎曲模製物件之平均厚度係在4.0至8.0毫米間，更佳為在5.0至7.5毫米間及最佳為在5.5至7.0毫米間。在這些較佳範圍內的彎曲模製物件，特別是頭盔殼體，能在模製物件之防彈性能與輕重量間顯示出妥協。
此外，本發明家已發現其它防彈性質可經改良，例如，背襯變形。背襯凹陷深度(back face signature)係在該物件的非衝擊邊上之有效可測量的衝擊凹痕尺寸。典型來說，其係與該防彈物件的衝擊表面之平面垂直的最大變形之度量，以毫米計。已驚人地觀察到，若將根據本 發明之彎曲模製物件使用在盔甲中時，其衝擊凹痕尺寸小。換句話說，該背襯凹陷深度小。此盔甲特別合適於戰鬥頭盔殼體，因為它們在遏止彈頭時顯示出減少的背襯凹陷深度，因此減低在因遏止彈頭之撞擊後於人類頭骨及腦上的損傷。因此，本發明之具體實例係關於一種防彈之彎曲模製物件，其當根據NIJ010601/9毫米FMJ測量時具有背襯凹陷深度(BFS)少於20毫米。較佳的是，該BFS係少於18毫米，更佳為少於16毫米。
在進一步具體實例中，除了上述高韌性聚乙烯纖維外，該防彈之彎曲模製物件亦可包含第二防彈纖維。因此要了解的是，該除了自聚乙烯製造外的高韌性纖維有諸如無機纖維，如碳纖維、礦物纖維及玻璃纖維；或自選自於由聚醯胺及聚芳香醯胺所組成之群的聚合物製造之有機纖維，例如，聚(對-伸苯基對酞醯胺)(已知為Kevlar®)；聚(四氟乙烯)(PTFE)；聚{2,6-雙咪唑并-[4,5b-4’,5’e]伸吡啶基-1,4(2,5-二羥基)伸苯基}(已知為M5)；聚(對-伸苯基-2,6-苯并雙
Figure 107146443-A0305-02-0018-2
唑)(PBO)(已知為Zylon®)；液晶聚合物(LCP)；聚(六伸甲基己二醯胺)(已知為耐綸6,6)、聚(4-胺基丁酸)(已知為耐綸6)；聚酯，例如，聚(對酞酸乙二酯)、聚(對酞酸丁二酯)及聚(對酞酸1,4亞環己基二亞甲基酯)；聚乙烯醇類；及亦有聚烯烴，例如，丙烯的同元聚合物及共聚物。較佳的是，此等進一步纖維係存在於至少一片包含該第二防彈纖維與基質之進一步複合片材中。此層可放置在該層堆疊之內或外表面上，或在該堆疊之二層間，或 二種之組合，例如，單向排列的防彈纖維層與接合劑交替。該第二防彈纖維可係選自於所列出的範圍之防彈纖維。較佳的是，該第二防彈纖維係無機纖維。最佳的是，該第二防彈纖維係碳纖維。
較佳的是，該包含第二防彈纖維的層係接近本發明之防彈彎曲模製物件或在其外表面(或撞擊面)處。該塑形部分之撞擊面係該產物面對彈道衝擊那邊。該包含第二防彈纖維的層可小於該防彈彎曲模製物件之表面區域。例如，其可僅透過該物件的部分之截面呈現出。在該防彈之彎曲模製物件係頭盔殼體的情況中，其位於接近冠處可採用小碟形式。任擇地，其可以開口圓或孔環存在於該頭盔殼體之前面、背面及側邊處而非在冠處。關於此之優點有當以根據本發明之方法獲得一塑形部分，例如，呈頭盔形式時，其在側向方向上提供較高的勁度。此意謂著穿戴此頭盔的人士在衝擊後具有進一步改良的側邊保護，例如，其耳朵。典型來說，本發明的防彈彎曲模製物件進一步包含至少一層碳纖維。較佳的是，該至少一層碳纖維係設置在接近該防彈的彎曲模製物件處，特別是頭盔殼體或在外表面處。該碳纖維層包含編織或不織的碳纖維，包括經單向定向，及接合劑。
該防彈之彎曲模製物件，較佳為頭盔殼體可進一步包含一塗層。例如，授予抗衝擊性的塗層易於裝飾或易於自模具脫模。該塗層可係聚醯胺或聚乙烯。較佳的是，本發明的防彈彎曲模製物件進一步在外表面上包括一 包含聚尿素的塗層，例如，可自Line-X®，Huntsville，Alabama，USA獲得的Paxcon®。
本發明家認定根據本發明之方法製造的頭盔殼體提供優良的防彈及非彈道性質。已驚人地發現包含高韌性聚乙烯纖維的殼體當接受單次或循環壓縮時顯示出未預期的高勁度。特別是，與先述技藝已知的含高韌性聚乙烯頭盔比較，該頭盔殼體實質上改良對橫向耳至耳壓縮的抗性。因此，本發明的較佳具體實例為一種具有耳至耳勁度至多5毫米之防彈頭盔殼體，此係在200磅下25次壓縮循環後測量24小時。較佳的是，該頭盔殼體具有耳至耳勁度至多4毫米，更佳為至多3毫米及最佳為至多2毫米。根據本發明的頭盔殼體進一步顯示出當在300磅的循環負載下測量時，其相等地滿足耳至耳勁度要求。因此，本發明的進一步較佳具體實例係一種具有耳至耳勁度至多5毫米之防彈頭盔殼體，其係在300磅下25次壓縮循環後測量24小時。較佳的是，該頭盔殼體具有耳至耳勁度至多4毫米，更佳為至多3毫米及最佳為至多2毫米。
再者，雖然根據本發明的頭盔具有高勁度，該頭盔殼體顯示出經改良的抗鈍性衝擊性，藉此該頭盔殼體顯示出最大加速度明顯低於對技藝頭盔殼體狀態所觀察到的最大加速度。因此，本發明的進一步具體實例係關於一種防彈頭盔殼體，其中當根據DOT FMVSS 218測量時，其具有平均鈍性衝擊性能少於110 G。較佳的是，該平均鈍性衝擊性能係至多100 G，更佳為至多95 G。此頭盔殼 體不僅較輕及提供經改良的抗變形穩健性，而且這些頭盔殼體對當由重物碰撞時的頭部傷害提供額外保護。
如於本文中所描述之頭盔殼體能夠製造出比迄今已知的頭盔較輕及較安全之防彈頭盔。因此，本發明的具體實例係關於一種包含如於此上述所描述的防彈頭盔殼體之防彈頭盔。
如在本申請案中指出的測試方法係如下：
‧IV：本質黏度係根據ASTM D1601方法(2004)，在135℃下，於十氫萘中，溶解時間為16小時，且作為抗氧化劑的BHT(丁基化的羥基甲苯)呈2克/升溶液之量，藉由對如在不同濃度下所測量的黏度外插至零濃度而決定。
‧拉力性質：韌性及破損伸張率(或eab)係根據ISO 5079：1995所定義及以下列程序在單絲纖維上決定：使用Textechno’s Favimat(測試機編號37074，來自Textechno Herbert Stein GmbH & Co.KG，Monchengladbach，德國)，使用標稱隔距長度50毫米的纖維，夾頭速率(crosshead speed)25毫米/分鐘及自Plexiglas®製造的氣動夾緊器型式具有標準顎夾面(4*4毫米)之夾鉗。以25毫米/分鐘之速度，使用0.004牛頓/德士來預負載該細絲。為了計算韌性，將所測量的拉力除以該細絲的線性密度(纖度)，假設密度0.97克/立方公分來計算以GPa計的值。
‧在具有寬度大約2毫米自該聚乙烯樹脂的壓縮膜衝壓出之樣品上進行聚乙烯樹脂的DMTA測量。該厚度係以 經校正的Heidenhain厚度計量器測量。該動態機械分析係根據ASTM D5026，使用來自TA Instruments的RSA-G2測試系統，於頻率1赫茲下及在-130℃至250℃之溫度範圍內，以5℃/分鐘之加熱速率進行。在該測量期間，儲存模數(E’)、損耗模量(E”)及介質損耗檢測(tangent delta)(tan δ)係以溫度之函數決定。
‧熔體流動指數係藉由在測試前，於120℃之真空中乾燥樣品至少12小時來決定。然後，該樣品係根據ASTM 1238B-13在溫度190℃及重量21.6公斤下進行測量。
‧V50 17格令FSP係根據MIL-STD-662f(1997)決定：使用17格令碎片模擬彈(fragment simulating projectiles)(FSP)進行射擊。以約等於預計的V50(800公尺/秒)之意欲的FSP速度進行射擊。在衝擊前測量實際的FSP速度。在發生貫穿的情況中，下一次射擊的速度係降低15公尺/秒之預期量。在彈頭係經遏止的情況中，下一次意欲的FSP速度增加15公尺/秒。每個頭盔以彼此約等距及離頭盔邊緣約6公分的距離繞著頭盔的框邊接受八次射擊。最後，V50係決定為遏止的三個最高速度與產生貫穿的三個最低速度之平均。
‧已經根據DOT FMVSS 218，在室溫下進行PASGT_L頭盔殼體的鈍性衝擊測試。藉此所報導的加速度係在所進行的測試內之平均。該頭盔已配備有¾英吋Team Wendy Zorbium墊及具有5點扣留的ACH-5皮帶系統。該墜重係11磅測試頭在下墜高度50公分及衝擊速度10 呎/秒下。
‧背襯凹陷深度係根據NIJ010601以9毫米FMJ RN Remmington威脅以1400-1450呎/秒進行射擊測量。殼體、墊及扣留系統係與使用於鈍性衝擊測試者相同。
‧根據ASTM測試方法D-76，於固定拉伸速率(CRE)的機器上，在該頭盔殼體上進行耳至耳勁度，亦指為抗壓性(邊至邊)，除了該機器係以壓縮模式使用外。該頭盔殼體之最大殼體寬度尺寸係使用頂平砧(top flat anvil)來定位該測試樣品，以便最高寬度尺寸係與該頂砧的中心對齊來進行測量。以300毫米/分鐘之速率壓縮該測試樣品直到各別達到力量200或300磅。將所施加的力量釋放至5磅及重覆測試總共25循環。在24小時之時期後，再次測量高度尺寸。高度偏差係以毫米報導。
較佳實施例之詳細說明
比較用實驗
頭盔殼體(PASGT_L)係藉由堆疊正交層疊的單層薄片製得，其中該單層包括在17重量%的聚胺基甲酸酯基質中之具有紗線韌性約40.5釐牛頓/分德士(cN/dtex)之單向排列的超高分子量聚乙烯纖維。在每個正交疊層中及在全部正交疊層間，該單層之纖維方向相關於毗連的單層係呈角度90°。該正交疊層具有厚度約140微米及面密度約136克/平方公尺。為了在該頭盔殼體中獲得相等厚度，堆疊32層具有尺寸53公分x53公分、5片具有直徑260毫米的圓形 填料層、2片具有直徑200毫米的填料層及一片具有直徑160毫米的填料層，使得該堆疊的總面密度係約5.4公斤/平方公尺。將該堆疊夾鉗在頭盔模具之母組件上的位置中。面密度係相關於該頭盔殼體的外表面測量。
該堆疊係朝向該母模具組件固定在其位置中。藉由將公組件插入該模具的母組件中來封閉該模具，藉此該平坦的堆疊慢慢對著該母模具表面進行定位。此封閉係在5分鐘的時間跨距內完成，以便讓溫度自該公及母模具組件轉移至該堆疊。該模具的溫度係約130℃。所施加的壓力係2MPa及將該堆疊保留於模具中直到在該堆疊的中心處之溫度係130℃。對該系統除氣3次，同時在2MPa下停留5分鐘。隨後，將該壓力增加至約25MPa的壓縮壓力，及於130℃下將該堆疊保持在此壓力下15分鐘。其次，在30分鐘內於相同壓縮壓力下將該堆疊係冷卻至溫度50℃。隨後，打開該模具及自該頭盔切掉碎屑以獲得平滑的頭盔邊緣。
實施例
重覆上述比較用實驗，其差異為42片具有埋入聚乙烯樹脂中之紗線韌性約40.5釐牛頓/分德士之單向排列的超高分子量聚乙烯纖維之正交層疊的單層複合片材，其中該樹脂係經中和的乙烯丙烯酸共聚物。該共聚物的丙烯酸程度係約10重量%，藉此該羧酸之中和超過98%及由約17莫耳%氨與83莫耳%鉀抗衡離子組成。該經乾燥中和的共聚物之熔體流動指數係4.5克/10分鐘(21.6公斤， 190℃)。中和的共聚物具有波峰熔化溫度在85℃處，其模數藉由DMTA在25℃及110℃下各別為150MPa及0.7MPa。該複合片材具有基質含量約13重量%及面密度約126克/平方公尺及厚度約130微米。使用如比較用實驗般的堆疊樣式，其差異為已經使用34層具有尺寸53公分x53公分的層。該堆疊之面密度係約5.4公斤/平方公尺。該堆疊係接受與比較用實驗相同的壓縮模製步驟。
結果係顯示在表1中。
Figure 107146443-A0305-02-0025-1
結果指示出本發明之頭盔殼體具有相當大的彈道性質及耳至耳勁度少於5毫米且具有平均鈍性衝擊減速度約93 G。再者，驚人地，本發明之頭盔殼體具有經改良的背襯凹陷深度。
(無)

Claims (15)

  1. 一種用以製造防彈之彎曲模製物件的方法，該方法包含：-形成一複數片複合片材的堆疊；-在溫度於80℃至150℃間及壓力於10至400巴間加壓該包含複合片材的堆疊至少5分鐘以獲得一彎曲之模製物件；-將該壓密的堆疊冷卻至溫度低於80℃同時維持壓力大於10巴；-自該經冷卻的彎曲模製物件釋放壓力；其中該複合片材包括單向排列的高韌性聚乙烯纖維與一包含聚乙烯樹脂的基質，其中該聚乙烯樹脂係乙烯的同元聚合物或共聚物，當根據ISO 1183測量時，該聚乙烯樹脂具有密度係在870至980公斤/立方公尺間；及當於乾燥狀態及根據ASTM 1238B-13在溫度190℃及重量21.6公斤下測量時，熔體流動指數係在0.5至50克/10分鐘間。
  2. 如請求項1之方法，其中，以該複合片材之總重量為基準，該複合片材包含2至25重量%的聚乙烯樹脂。
  3. 如請求項1或2的方法，其中該聚乙烯樹脂具有拉伸模數在25℃下係於50MPa至500MPa間，及拉伸模數在110℃下係於0.1至10MPa間，此係根據ASTM D5026在頻率1赫茲下以5℃之加熱速率決定。
  4. 如請求項1或2的方法，其中該聚乙烯 樹脂包含至少90莫耳%之衍生自乙烯的單體單元。
  5. 如請求項1或2的方法，其中該聚乙烯樹脂係一至少部分中和的乙烯共聚物，其更包含衍生自至少一種不飽和羧酸之單體單元。
  6. 一種防彈之彎曲模製物件，其可藉由如請求項1至5中任一項的方法獲得。
  7. 一種防彈之彎曲模製物件，其中該物件包含複數片模製複合片材，該模製複合片材包括單向排列的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維與一包含聚乙烯樹脂的基質，其中該聚乙烯樹脂係乙烯的同元聚合物或共聚物，當根據ISO 1183測量時，該聚乙烯樹脂具有密度係在870至980公斤/立方公尺間；及當於乾燥狀態及根據ASTM 1238B-13在溫度190℃及重量21.6公斤下測量時，熔體流動指數係在0.5至50克/10分鐘間；其中該防彈之彎曲模製物件具有面密度係少於8.0公斤/平方公尺，及具有根據MIL-STD-662f(1997)之V50 17格令FSP係大於750公尺/秒。
  8. 如請求項7之防彈彎曲模製物件，其中該防彈之彎曲模製物件具有平均厚度少於8毫米。
  9. 如請求項7或8的防彈之彎曲模製物件，其中當根據NIJ010601 9毫米FMJ RN Remmington威脅(FMJ RN Remmington threat)進行測量時，該防彈之彎曲模製物件具有背襯凹陷深度(back face signature)少於20毫米。
  10. 如請求項7或8的防彈之彎曲模製物件，其進一步包含至少一層包含碳纖維的層。
  11. 如請求項7或8的防彈之彎曲模製物件，其進一步在該外表面上包括一包含聚尿素的塗層。
  12. 如請求項7或8的防彈之彎曲模製物件，其中該防彈之彎曲模製物件係防彈頭盔殼體或天線罩。
  13. 如請求項12的防彈之彎曲模製物件，其中該防彈之彎曲模製物件係防彈頭盔殼體，其具有耳至耳勁度至多5毫米，此係在200磅下25次壓縮循環後測量24小時而得。
  14. 如請求項12的防彈之彎曲模製物件，其中該防彈之彎曲模製物件係防彈頭盔殼體，其當根據DOT FMVSS 218測量時，具有鈍性衝擊性能少於110 G。
  15. 一種防彈頭盔，其包含如請求項12至14中任一項中所定義的防彈頭盔殼體。
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