TWM464463U - 超高分子量聚乙烯纖維複合結構 - Google Patents

Description

超高分子量聚乙烯纖維複合結構

本新型是有關於一種纖維複合結構，且特別是有關於一種超高分子量聚乙烯纖維複合結構。

近年來國內外對超高強力纖維材料的開發日趨重視，目前主要使用的高分子纖維材料為芳香族聚醯胺纖維及超高分子量聚乙烯纖維兩大類。

芳香族聚醯胺纖維具有優良的結晶結構，在高溫下，其形態穩定，具有很高的抗張強度及抗張彈性係數。芳香族聚醯胺纖維的斷裂強度小、能耐高溫、耐火焰燃燒、抵抗一般化學品以及有機溶劑的侵蝕

超高分子量聚乙烯纖維，具有很高的理論抗張強度值，且其比重為0.96 g/cm³，相較於碳纖維密度為1.76 g/cm³、玻璃纖維2.5 g/cm³及芳香族聚醯胺纖維1.45 g/cm³，顯示超高分子量聚乙烯纖維具有質輕的優點。此外，超高分子量聚乙烯纖維具抗水性、抗化學藥品、耐冷凍、耐磨擦等性質，其可預期的用途極為廣泛，深具未來發展潛力。

目前市面上的防彈背心的材料以芳香族聚醯胺纖維為主，並且以梭織布的方式織造，其纖維排列緻密，具有高抗拉強度、高彈性模數等特性，經過實彈測試也具備良好的抗彈性能，也具有防刺的作用，因此大量被使用在防護裝備上。此外，也發展出以超高分子量聚乙烯纖維製成之 防彈背心，其採用單一方向疊層交叉鋪疊技術織造(即不織布方式)，此種纖維密度0.96g/cm³，比芳香族聚醯胺纖維的密度1.45 g/cm³還要低，顯示超高分子量聚乙烯纖維具有質輕之優點，而根據文獻資料顯示超高分子量聚乙烯纖維的抗彈性能亦不比芳香族聚醯胺纖維差，且具有更高的韌度及耐腐蝕等優點。

然而，超高分子量聚乙烯纖維的表面活性低，且界面黏結性差，使得纖維層之接著力不夠強，所測之剝離強度較低；再加上以不織布方式織造，使得防彈衣具備防彈功能，卻不具有防穿刺功能。因此，要製造一件抗彈強度佳、質輕柔軟且穿著舒適的防彈衣實屬不易，而目前尚需一種足以同時提供具備防彈、防穿刺且質輕性質的材料結構，藉以製成符合各項需求的防彈衣。

本新型之目的在於提供一種適合用於製作防彈衣之高抗彈性且質輕的複合纖維材料。因此，本新型之一態樣是在提供一種超高分子量聚乙烯纖維複合結構，其至少包含纖維層與接著層。其中，纖維層包含超高分子量聚乙烯纖維束構成之經紗及緯紗，以相互垂直的排列方式上下交錯而成，纖維層的超高分子量聚乙烯纖維束其表面係經電漿處理而具有活性基團結構層。接著層形成於各該纖維層之表面並夾於纖維層之間，且接著層與活性基團結構層結合以固結該些纖維層。

以下將以圖式揭露本新型之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本新型。也就是說，在本新型部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

第1圖係繪示依照本新型一實施方式的一種超高分子量聚乙烯纖維複合結構100的剖面圖。超高分子量聚乙烯纖維複合結構100具有至少兩層纖維層110以及至少一層接著層120，且接著層120夾於兩層纖維層110之間。在此以示意的方式，繪示兩層纖維層110以及一層接著層120，如第1圖所示。

纖維層110包含超高分子量聚乙烯纖維束構成之經紗及緯紗，以相互垂直的排列方式上下交錯而成，其中經紗之粗細的範圍為380~390丹尼，密度的範圍為145~155根/英吋，緯紗之粗細的範圍為380~390丹尼，密度的範圍為145~155根/英吋，然而，經緯紗之粗細與密度範圍並不受限於此，可依實際情況而定。纖維層110之超高分子量聚乙烯纖維束的排列方式為梭織布型式，第2A及2B圖係繪示依照本新型一實施方式之纖維層110之超高分子量聚乙烯纖維束的俯視圖，第2A圖為單絲編織，而第2B圖為整束編織。纖維層110之厚度h為35~45微米，如第1圖所示。

纖維層110的表面係經電漿處理而具有活性基團結構 層112，如第一圖所示。高分子量聚乙烯纖維因表面無任何可供反應的官能基，故使用電漿對高分子量聚乙烯纖維之表面進行改質，使得纖維層表面具有官能基，提升纖維表面反應性。電漿處理後，使得纖維層表面更為粗糙，可以提升其表面積，進而從化學與物理手段上增加纖維間黏合強度。

為使纖維強度不因表面電漿處理而強度下降，本新型之纖維層的高分子量聚乙烯纖維表面係經一低瓦數之電漿處理，故可在不影響纖維整體強度的前提下，於纖維層的高分子量聚乙烯纖維表面形成官能基。電漿處理的方式並無特殊限制，例如可為氬氣電漿、氦氣電漿或大氣電漿處理；電漿處理之適當條件可經由測試而得，電漿處理之功率可在10~300瓦之範圍內，以及處理時間為30~300秒。

接著層120形成於纖維層110之表面並夾於纖維層110之間，如第一圖所示。接著層120與活性基團結構層112反應結合以固結該些纖維層110；其中的反應結合係指接著層120的接著劑成分與活性基團結構層112中之活性基團彼此間之化學鍵結反應結合，或彼此錨定結合產生結合上的交錯固結。接著層係以單面或雙面塗佈一接著劑於每一纖維層110上而形成。根據一實施方式，單面或雙面塗佈接著層係以含浸方式為之。

相較於纖維層110，接著層120的拉伸性或彈性等機械性質較差，因此，若接著層厚度t太厚，可能影響到超高分子量聚乙烯纖維複合材100的機械性質；若接著層厚度t太薄，則可能造成黏著強度不足。接著層120之厚度t 為1500~2500微米。

接著層之材料係為壓克力樹脂、環氧樹脂、聚氨酯或其組合。在一實施方式中，接著層120為以甲苯二異氰酸酯(toluene diisocyanate,TDI)或異佛爾酮二異氰酸酯(isophorone diisocyanate,IPDI)為主成分之樹脂。在製備接著層之材料時，可依實際所需將接著劑稀釋為包含50~100%之樹脂。

第3圖係繪示依照本新型另一實施方式之超高分子量聚乙烯纖維複合結構300的剖面圖。如圖所示，超高分子量聚乙烯纖維複合結構300更包含至少一強化層310夾於兩層纖維層110之間。強化層310係一鐵網層、一無機氧化物層、一聚酯緩衝層或其組合。

未加強化層時，接著劑塗佈於各纖維層110之表面，纖維層110黏合後，只形成一層接著層120夾於兩纖維層110間，如第1圖所示。而強化層310加入後，兩纖維層之表面的接著層120被強化層310隔開，因此具有兩層接著層120，如第3圖所示。

在一實施方式中，強化層310係一鐵網層，且鐵網層之層數可視最終纖維複合結構之用途而有所不同。當刀刺入時，鐵網層可以拘束刀尖，以防止刀尖的刺入。因此，鐵網的密度越高，質量越輕，纖維複合結構的防刺效果越好。鐵網層為250~350網目(mesh)。

在另一實施方式中，強化層310為一無機氧化物層，且無機氧化物層之層數可視最終纖維複合結構之用途而有所不同。上述無機氧化物可為一金屬氧化物，其具有類似 砂紙之功能，當刀刺入時，有助於磨損及鈍化刀尖，以降低刀尖刺入的造成的傷害。

在又一實施方式中，強化層310為一聚酯緩衝層，且聚酯緩衝層之層數可視最終纖維複合結構之用途而有所不同。聚酯緩衝層之組成至少包含橡膠，其可降低刀尖進入時的緩衝能量，以減少生物體受到的傷害。

超高分子量聚乙烯纖維複合結構之製備

以下的實施例係用以詳述本新型之特定態樣，並使本新型所屬技術領域中具有通常知識者得以實施本新型，不應用以限制本新型。

實施例1

首先，製備不織布型式之纖維層，使用梭織打樣機編織(碩奇科技股份有限公司，型號為SL8900)，經紗細度平均為約385 D，緯紗密度平均為約385 D；織物經密為150根/1inch，緯密為120根/1inch。電漿處理前，使用無水酒精擦拭纖維織物樣布，一共8片。待纖維織物樣布乾燥後，以氦氣電漿處理纖維層，電漿瓦數為30瓦，電漿處理時間為30秒。電漿處理後，塗佈一般常溫硬化型接著劑於各纖維層之表面，厚度約0.4mm，以形成接著層，然後與另一片纖維層相互黏合為複合結構。其中將接著劑稀釋為樹脂含量50%(實施例1A)、60%(實施例1B)、75%(實施例1C)及100%(實施例1D)。將上述複合結構分別進行60℃熱壓，時間約5分鐘，壓力為約50kgf/cm²，完成一經電漿處 理之超高分子量聚乙烯纖維織物。

接下來，進行剝離強度測試及衝擊強力試驗，剝離強度測試結果如第4圖所示，實施例1所示折線分別代表實施例1A~1D。此外，利用金相顯微鏡拍攝剝離後樹脂殘留狀況(250倍)，如附件第1A~1D圖所示，分別代表實施例1A~1D；以及利用掃描式電子顯微鏡(SEM)拍攝剝離後樹脂殘留情況(17倍)，如附件第2A~2D圖所示，分別代表實施例1A~1D。衝擊強力試驗結果如附件第3A~3D圖所示(以金相顯微鏡觀察，100倍)，分別代表實施例1A~1D。

實施例2

實施例2與實施例1使用相同的材料與相同的製備方法，其中將接著劑稀釋為樹脂含量50%(實施例2A)、60%(實施例2B)、75%(實施例2C)及100%(實施例2D)。惟電漿處理的參數不同。實施例2A~2D中，電漿瓦數為150瓦，電漿處理時間為300秒。接下來，進行剝離強度測試及衝擊強力試驗，試驗結果如第4圖所示，實施例2所示折線分別代表實施例2A~2D。此外，利用金相顯微鏡拍攝剝離後樹脂殘留狀況，如附件第4A~4D圖所示，分別代表實施例2A~2D；以及利用SEM拍攝剝離後樹脂殘留情況，如附件第5A~5D圖所示，分別代表實施例2A~2D。衝擊強力試驗結果如附件第6A~6D圖所示，分別代表實施例2A~2D。

剝離強度測試結果如第4圖所示，實施例1A~1D在以30瓦電漿處理30秒的條件下，隨著樹脂含量增加，剝離強力由約0.75kgf上升至約2.6kgf。而實施例2A~2D在以 150瓦電漿處理300秒的條件下，隨著樹脂含量增加，剝離強力由約0.8kgf上升至約3.2kgf。此外，在附件第1A~1D圖及附件第4A~4D圖中，樹脂含量越高的織物纖維結構，其纖維層間接著力越強，因此剝離後可清楚看見織物纖維有受到拉扯的情形；比較附件第1A~1D圖及附件第4A~4D圖，可以看出織物在30瓦30秒之電漿處理下，其纖維表面進行剝離強度測試後狀況與150瓦300秒之電漿處理後的狀況差異不大。另在附件第2A~2D圖和附件第5A~5D圖中，以SEM拍攝電漿處理後纖維層表面的情形，可觀察到樹脂含量越高，樹脂殘留量越多，且高瓦數處理與底瓦數處理後的差異不大。從附件第3A~3D圖及附件第6A~6D圖，同樣可得知樹脂含量越高，黏著力越好，並且造成衝擊強力破壞面積下降，且低瓦數電漿處理下，纖維層表面破壞程度差異不大。

習知技術中，以高瓦數之電漿處理纖維層之表面，以提高纖維表面的粗糙度，進而增加接著的表面積來提升纖維層間的接著強度；然而，在本實施例中，以30瓦之低電壓處理纖維表面，也可達到具有一定強度的接著強度以及接受衝擊強力破壞的能力。

比較例1

首先，製備不織布型式之纖維層，使用梭織打樣機編織(碩奇科技股份有限公司，型號為SL8900)，經紗細度平均為約107D，緯紗密度平均為約200D；織物經密為150根/1inch，緯密為80根/1inch。接著，塗佈樹脂(膠)作為接 著劑於各纖維層之表面，以形成接著層，然後與另一片纖維層相互黏合為複合結構。將上述複合結構進行60℃熱壓，時間約5分鐘，壓力為約50kgf/cm²，完成未經電漿處理之超高分子量聚乙烯纖維複合結構。

實施例3

首先，製備不織布型式之纖維層，使用梭織打樣機編織(碩奇科技股份有限公司，型號為SL8900)，經紗細度平均為約107D，緯紗密度平均為約200D；織物經密為150根/1inch，緯密為80根/1inch。電漿處理前，使用無水酒精擦拭纖維織物樣布，一共8片。待纖維織物樣布乾燥後，以氦氣電漿處理纖維層，電漿瓦數為30瓦，電漿處理時間為30秒。電漿處理後，塗佈樹脂(膠)作為接著劑於各纖維層之表面，厚度約0.4mm，以形成接著層，然後與另一片纖維層相互黏合為複合結構。將上述複合結構分別進行60℃熱壓，時間約5分鐘，壓力為約50kgf/cm²，完成一經電漿處理之超高分子量聚乙烯纖維織物。

接下來，進行剝離強度測試及衝擊強力試驗，試驗結果如下列表一。並利用金相顯微鏡拍攝剝離後樹脂殘留狀況(250倍)，如附件第7A(比較例1)及7B(實施例3)圖所示，以及利用SEM拍攝剝離後樹脂殘留情況，附件第8A及8B圖分別為40倍及95倍放大倍率下比較例1之織物，附件第9A及9B圖分別為40倍及95倍放大倍率下實施例3之織物。此外，也對纖維織物進行衝擊強力試驗，附件第10A及10B圖分別為比較例1之纖維織物在500公斤及1000 公斤衝擊強力下的破壞情形，附件第11A及11B圖分別為實施例3之纖維織物在500公斤及1000公斤衝擊強力下的破壞情形(以金相顯微鏡觀察，100倍)；並且依據抗穿刺試驗的標準規範(NIJ0115)測試織物纖維複合結構的抗穿刺效果，試驗結果如下列表一。另以SEM觀察纖維表面(500倍)，附件第12A及12B圖為比較例1在0度及30度穿刺下的纖維表面，而附件第13A及13B圖為實施例3在0度及30度穿刺下的纖維表面。

經由表一可知，經過電漿處理的纖維織物，其纖維層間接著強力較大，因此剝離強力較大，且受衝擊強力破壞的纖維面積明顯小於未經電漿處理的纖維織物；此外，經過電漿處理的纖維織物，其衝擊高度約一公分時之所需能量，明顯大於未經電漿處理的纖維織物。顯見本實施例之低電漿處理之纖維織物，具有較佳的接著力、抗衝擊力以及抗穿刺的作用。

實施例4

首先，製備不織布型式之纖維層，使用梭織打樣機編織(碩奇科技股份有限公司，型號為SL8900)，經紗細度平均為約385 D，緯紗密度平均為約385 D；織物經密為58根/1inch，緯密為44根/1inch。電漿處理前，使用無水酒精擦拭纖維織物樣布。待纖維織物樣布乾燥後，以氦氣電漿處理纖維層，電漿瓦數為30瓦，電漿處理時間為30秒。電漿處理後，塗佈樹脂(膠)作為接著劑於各纖維層之表面，厚度約0.4 mm，以形成接著層，然後與另一片纖維層相互黏合為複合結構，實施例4A~4D分別為2層、4層、6層和8層纖維層相黏和。將上述纖維複合結構分別進行60℃熱壓，時間約5分鐘，壓力為約50kgf/cm²，完成超高分子量聚乙烯纖維織物。

抗穿刺功能測試的方法為先放置防彈層(即防彈纖維布)在穿刺機的機台上，共34層，然後放置上述實施例C1~C4超高分子量聚乙烯纖維複合結構，作為防穿刺層，比較例A2為0層防穿刺層。接著進行穿刺試驗，以25焦耳之能量撞擊纖維複合結構，刺入的深度越小，代表纖維吸收撞擊能量越好，試驗結果如表二所示。另外，也以一般顯微鏡(100倍)分別拍攝實施例4A~4D之纖維複合結構受穿刺後所造成的破壞結構，如附件第14A~14D圖所示，以及以金相顯微鏡(250倍)分別拍攝實施例4A~4D之纖維複合結構受穿刺後所造成的破壞結構，如附件第15A~第15D所示。

經由表二可知，防穿刺層越多層，刀刺穿的深度越小，並且4層時，即可達到防穿刺的效果，也就是說超高分子量聚乙烯纖維複合結構至少需要4層，才能承受能量25焦耳。在一實施方式中，將此具有防刺效果之4層超高分子量聚乙烯纖維複合結構應用於防彈衣，此超高分子量聚乙烯纖維複合結構4層之重量為206.488克，所製備出防彈衣一件約為2109克，相較於市售之防彈衣一件約為3000克，本新型所製備之防彈衣總重小於3公斤，具有質輕，且同時具備防彈和防刺之功能。

雖然本新型已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本新型，任何熟習此技藝者，在不脫離本新型之精神和 範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本新型之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧超高分子量聚乙烯纖維複合結構

110‧‧‧纖維層

112‧‧‧活性基團結構層

120‧‧‧接著層

h‧‧‧厚度

t‧‧‧厚度

300‧‧‧超高分子量聚乙烯纖維複合結構

310‧‧‧強化層

為讓本新型之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示依照本新型一實施方式之超高分子量聚乙烯纖維複合結構的剖面圖。

第2A圖係繪示依照本新型一實施方式之纖維層之超高分子量聚乙烯纖維束的俯視圖。

第2B圖係繪示依照本新型另一實施方式之纖維層之超高分子量聚乙烯纖維束的俯視圖。

第3圖係繪示依照本新型另一實施方式之超高分子量聚乙烯纖維複合結構的剖面圖。

第4圖係繪示依照本新型之超高分子量聚乙烯纖維複合結構在不同樹脂含量下之剝離強力的折線圖。

100‧‧‧超高分子量聚乙烯纖維複合結構

110‧‧‧纖維層

112‧‧‧活性基團結構層

120‧‧‧接著層

h‧‧‧厚度

t‧‧‧厚度

Claims (10)

1. 一種超高分子量聚乙烯纖維複合結構，包含：複數個纖維層，其中每一該些纖維層包含複數條超高分子量聚乙烯纖維束構成之經紗及緯紗，以相互垂直的排列方式上下交錯而成；以及至少一接著層，形成於至少一該些纖維層之表面並夾於各兩層該些纖維層之間，其中，每一該些纖維層之該些超高分子量聚乙烯纖維束的表面係經電漿處理而具有一活性基團結構層，且該至少一接著層與該活性基團結構層結合以固結該些纖維層。
2. 如請求項1所述之複合結構，其中該至少一接著層係以單面或雙面塗佈方式施加一接著劑於每一該些纖維層上而形成。
3. 如請求項1所述之複合結構，其中該些纖維層之該些超高分子量聚乙烯纖維束的排列方式為梭織布型式編織，且為單絲編織或整束編織。
4. 如請求項1所述之複合結構，其中個別該些纖維層之厚度為3500~4500微米。
5. 如請求項1所述之複合結構，其中該至少一接著層之厚度為1500~2500微米。
6. 如請求項1所述之複合結構，其中該經紗之粗細為380~390丹尼，密度為145~155根/英吋。
7. 如請求項1所述之複合結構，其中該緯紗之粗細為380~390丹尼，密度為145~155根/英吋。
8. 如請求項1所述之複合結構，更包含至少一強化層夾於各兩層該些纖維層之間。
9. 如請求項8所述之複合結構，其中該強化層係一鐵網層、一無機氧化物層、一聚酯緩衝層或其組合。
10. 如請求項1所述之複合結構，其中該電漿處理之功率為10~300瓦，時間為30~300秒。