Структура с воздухопроницаемой тканью для осуществления защиты от огнестрельного и холодного оружия - RU2696457C2
Код документа: RU2696457C2
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к гибкой, дышащей, непробиваемой ткани, сделанной из антибаллистических нитей в сочетании с одной или более полимерными смолами.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Защита от ножей, шильев и других режущих и колющих инструментов становится почти абсолютной потребностью, особенно для служб безопасности, так как все более часто эти службы сталкиваются с новыми типами преступлений, в которых используются такие инструменты, поскольку они являются легкодоступными и их легко скрыть.
Нельзя также не принимать во внимание необходимость в защите от таких угроз, как огнестрельное оружие или осколки, образующиеся в результате взрывов металлических предметов.
Механизм защиты от так называемого холодного оружия, то есть ножей и т.д., как было описано выше, полностью отличается от механизма защиты от пуль и осколков.
Для того, чтобы получить эффективную защиту от обеих угроз, используемые средства защиты обычно объединяют по меньшей мере два отдельных типа защиты, которые получаются преимущественно с помощью текстильных структур.
Имеется ряд известных решений в конкретной области защиты от проникновения холодного оружия.
Американский патент № 6737368 описывает структуру, состоящую, по меньшей мере, из трех отдельных элементов для одновременной защиты от режущего оружия, колющего оружия и пуль, в которых по меньшей мере один элемент пропитывается термопластичными или термореактивными смолами.
Американский патент № 6133169 описывает структуру для защиты от режущего и колющего оружия, состоящую из металлической гибкой структуры и множества тканей, получаемых различным образом.
Патент № 7340779 описывает текстильную структуру, способную защищать только от колющего оружия.
Патент № 8067317 описывает структуру, способную защищать от режущего оружия и от пуль, но не от колющего оружия.
Патент № 8450222 описывает текстильную структуру, покрытую по меньшей мере с одной стороны пленкой сополимера акриловой кислоты и этилена, имеющей определенные характеристики твердости и прочности при растяжении.
Патент EP 1102958 B1 описывает структуру, реализуемую с помощью двух слоев тканей, объединенных с пленкой поликарбоната, нацеленную на защиту только от холодного оружия.
Другие возможные решения, известные специалистам в данной области техники, включают в себя один или несколько из следующих типов тканей: ткани высокой плотности; дополнительно уплотненные ткани высокой плотности; ткани, покрытые абразивными частицами; комбинации стальной сетки с ламинированными и неламинированными тканями.
Для того, чтобы получить защиту от пуль, смолы, используемые для армирования структуры, выбираются из тех смол, которые имеют высокое относительное удлинение при разрыве, низкое сопротивление разрыву и низкую твердость, так что, например, патент EP1595105 (заявляющий приоритет итальянской патентной заявки № IT2003MI00295, поданной 19 февраля 2003 г.), принадлежащий F. Citterio, описывает структуру, пропитанную вязкоупругой смолой, которая остается жидкой даже после того, как растворитель испарится, и следовательно, является даже более мягкой, чем при значении 00 по Шору D.
Современные противопулевые структуры делаются из баллистических нитей, расположенных параллельно без переплетения, причем упомянутые структуры называются однонаправленными или полуоднонаправленными. Следовательно, благодаря отсутствию переплетения и используемым мягким смолам такая структура является абсолютно неподходящей для защиты от холодного оружия.
Каждое из вышеописанных решений имеет очевидные недостатки, например, они либо являются абсолютно воздухонепроницаемыми, и следовательно не дышащими, либо они не защищают одновременно от этих трех угроз - режущего оружия, колющего оружия и пуль - и из них приходится делать гибрид, что делает их тяжелыми.
ЗАДАЧИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Главной задача настоящего изобретения соостоит в том, чтобы предложить элемент баллистической защиты и защиты от холодного оружия, который имел бы меньше недостатков, чем предшествующий уровень техники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Этот результат был получен в соответствии с настоящим изобретением посредством структуры, включающей в себя по меньшей мере текстильный элемент, волокна которого имеют отрицательный осевой коэффициент теплового расширения (CTE), пропитываемый по меньшей мере одной полимерной смолой, имеющей положительный коэффициент теплового расширения (CTE), твердость более 75 по Шору D и такую когезионную прочность, что после сушки полимерная смола становится рыхлой. В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения полимерная смола имеет твердость более чем 80 по Шору D. Предпочтительно по меньшей мере одна смола включает в себя по меньшей мере одну смолу, выбираемую из: природных или синтетических смол, таких как канифоль, эпоксифенольные, полиамидные, акриловые, полиуретановые смолы, PVC (ПВХ), PVA (ПВА). По меньшей мере одна смола предпочтительно имеет неопределяемую когезионную прочность, такую, что после сушки она может быть легко превращена в порошок даже пальцами. Данная по меньшей мере одна полимерная смола предпочтительно включает в себя сополимер бутилакрилат-метилметакрилат. В одном предпочтительном варианте осуществления эта по меньшей мере одна полимерная смола включает в себя 5-хлор-2-метил-2H-изотиазол-3-он или 2-метил-2H-изотиазол-3-он или их смесь. Предпочтительно, данная по меньшей мере одна смола содержит акриловую смолу Acrilem 7105.
Структура настоящего изобретения обеспечивает гибкую и воздухопроницаемую защиту от пуль, режущего и колющего оружия, в которой присутствие отверстий и полимерного покрытия, состоящего из микрочастиц, обеспечивает воздухопроницаемость и защиту от режущего и колющего оружия без ущерба для эффективной защиты от пуль и без необходимости в создании гибридов из разных защит.
В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения значение CTE волокон текстильного элемента находится внутри диапазона от -20×10-6/°C до 0/°C, предпочтительно в диапазоне от -20×10-6 до -0,1×10-6 на градус Цельсия, в то время как значение CTE по меньшей мере одной смолы составляет более 10×10-6/°C. В структуре в соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения полимерный слой после обработки представляет собой структуру с разрывами, которые позволяют проходить воздуху. Такие разрывы могут быть микропорами, имеющими размеры в диапазоне 10-300 мкм.
В одном дополнительном варианте осуществления по меньшей мере одна смола содержит по меньшей мере первую и вторую смолу, смешанные друг с другом, причем вторая смола имеет твердость меньше чем 75 по Шору D, удлинение более 300%, и доля второй смолы в смеси не превышает 10 мас.% по общей массе смолы. В одном дополнительном варианте осуществления частицы, имеющие размер от 2 до 200 нм, диспергируются по меньшей мере в одной смоле. Эти частицы могут быть керамическими или нет, также могут иметь форму наночастиц, и могут состоять, например, из одного или более из следующих материалов: TiO2, Al2O3, SiC, Si3N4 и углерода.
Текстильный элемент предпочтительно содержит волокна одной из следующих групп: арамидные, сополиарамидные, полиуретановые, полибензооксазольные, полиэтиленовые, углеродные или стеклянные волокна.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается способ производства, который способствует адгезии матрица/волокно; этот способ в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения включает в себя следующие стадии:
- нанесение смолы на текстильный элемент в соответствии с одним из множества способов, известных в данной области техники; причем характеристики ткани и смолы соответствуют описанным выше;
- сушка данного текстильного элемента с нанесенной на него смолой;
- прессование при температуре TP, которая зависит от характеристик используемой ткани и смолы. Эта температура выбирается так, чтобы удовлетворялось следующее соотношение:
|CTEf * (Tp-Ta)|+|CTEr * (Ts-Ta)| > 300x 10-6
где
CTEf - осевой коэффициент расширения волокна текстильного элемента;
Tp - температура прессования;
Ta - температура окружающей среды;
CTEr - коэффициент расширения смолы.
Как было указано выше, значение CTE ткани является отрицательным, в то время как значение CTE смолы является положительным.
Температура Tp предпочтительно находится в диапазоне от 20 до 200°C, давление находится в диапазоне от 5 до 200 бар, и время прессования составляет более 5 с.
Настоящее изобретение позволяет получить элемент баллистической защиты, который является особенно эффективным как против пистолетных и винтовочных пуль, так и против холодного оружия, и который в то же самое время обладает дышащими характеристиками.
Неожиданно было найдено, что использование чрезвычайно твердых полимерных смол, имеющих значение твердости больше чем 75 по Шору D (или даже больше чем 80 по Шору D), чья хрупкость даже не позволяет оценить значения когезии с положительным коэффициентом расширения в комбинации с уточно/основовязаными полотнами, полученными из нитей, имеющих отрицательный осевой коэффициент расширения, позволяет получить все заданные характеристики, в частности: воздухопроницаемость и большую гибкость в случае, если эти смолы после пропитки и возможного удаления растворителя подвергаются термическому циклу с возможным применением давления.
Конкретная хрупкость этих смол вместе с разностью коэффициентов расширения смолы и нити, во время стадии охлаждения ткани, подвергающейся термическому циклу, обеспечивает образование микротрещин, и следовательно разрывов, которые увеличивают гибкость за счет создания калиброванных проходов для воздуха без снижения эффективности против холодного оружия и пуль. Это происходит потому, что твердость смолы эффективно противостоит проникновению холодного оружия, а ее микроразрывы позволяют нитям ткани удлиняться и динамически поглощать энергию удара пули.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Эти и другие преимущества, задачи и характеристики настоящего изобретения будут лучше поняты специалистом в данной области техники из следующего описания со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления, имеющие чисто иллюстративный характер и не предназначенные для ограничения настоящего изобретения.
Баллистические нити с отрицательным осевым коэффициентом расширения использовались для производства тканей, стойких к воздействию холодного оружия и пуль, которые являются дышащими и гибкими. Отрицательный коэффициент расширения означает, что длина нити уменьшается с увеличением температуры.
Такие нити, полезные для предмета настоящего изобретения, включают в себя арамидные, сополиарамидные, полиуретановые, полибензооксазольные, полиэтиленовые, углеродные или стеклянные нити. Сопротивление разрыву таких нитей должно быть больше чем 10 г/децитекс, модуль должен быть больше чем 300 ГПа, а удлинение при разрыве должно быть больше чем 1%.
Отрицательный осевой коэффициент расширения таких нитей, полезных для предмета настоящего изобретения, должен быть меньше нуля и больше чем -20×10-6/°C, предпочтительно в диапазоне от -20×10-6 до -0,1×10-6 на градус Цельсия.
Такие нити ткутся для того, чтобы получить устойчивую структуру. Такие структуры характеризуются «переплетением». Известно множество переплетений, которые включают в себя гладкие переплетения, двухсторонние переплетения, саржевые переплетения, атласные переплетения и т.д.
Переплетения, которые являются особенно полезными для предмета настоящего изобретения, представлены тканями, имеющими структуру гладкого переплетения, где каждая уточная нить пересекает каждую нить основы.
Текстильная структура также может быть составлена из нитей, полученных из различных полимеров, объединяемых вместе и имеющих различный размер (индекс). В любом случае, по меньшей мере 30% таких нитей должны иметь отрицательный осевой коэффициент расширения.
Индекс нитей находится в диапазоне 100-4500 децитекс, предпочтительно 200-3360 децитекс.
Вес таких тканей перед пропиткой находится в диапазоне от 80 г/м2 до 1000 г/м2, предпочтительно от 120 до 500 г/м2.
Нить может быть предварительно обработана перед переплетением, или ткань может быть подвергнута перед пропиткой обработке, которая полярным образом активирует поверхность; это применяется в частности к тканям на основе волокон из ультравысокомолекулярного полиэтилена, например с молекулярной массой больше чем 1000000. Нити могут скручиваться с количеством оборотов от 10 об/м до 200 об/м. Используемые нити также могут иметь прерывистую форму.
Перед тем, как быть пропитанной полимерной смолой, ткань может быть обработана другими смолами (например, кремнийорганическими материалами или фторопластами) для того, чтобы модифицировать адгезию полимера (полимеров), являющегося предметом настоящего изобретения, к волокнам нитей, которые составляют эту ткань.
Нанесение смолы (или смол) на ткань в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения выполняется с помощью технологий, известных специалистам в данной области техники, например, с помощью шабера, распыления, погружения; если смола находится в растворителе, растворитель после этого полностью испаряется. Если смола находится в форме порошка, стадия сушки не нужна. Ткань также может быть пропитана частично или пропитана только на одной поверхности.
Предпочтительно после стадии пропитки ткань подвергается стадии прессования с давлением от 1 до 200 бар и температурой, которая выбирается так, чтобы удовлетворялось следующее соотношение
| CTEf x (Tp-Ta) |+| CTEr x (Tp-Ta) | > 300×10-6
где CTEf - (отрицательный) осевой коэффициент расширения волокна текстильного элемента;
Tp - температура прессования;
Ta - температура окружающей среды, с которой балансируются нить или смола;
CTEr - коэффициент расширения смолы.
Полимер или полимеры, которые пропитывают ткани, должны иметь положительный коэффициент расширения, больше чем 10×10-6 /C°. Эти полимеры включают в себя, например, природные или синтетические смолы, такие как канифоль, эпоксидные смолы, фенольные смолы, полиамидные смолы, акриловые смолы, полиуретановые смолы, PVC, PVA. Твердость таких смол не должна быть ниже, чем 75 по Шору D, а удлинение должно быть меньше чем 5%.
В одном предпочтительном варианте осуществления используемая смола может представлять собой раствор термопластичного акрилового полимера типа 7105 (ACRILEM 7105) производства компании Icap Sira, для которого невозможно реализовать структуру, которая могла бы быть уплотнена самостоятельно, из-за хрупкости этой смолы. Ее способность к когезии равна нулю, так что после сушки этот продукт может быть легко превращен в порошок просто пальцами. Смола ACRILEM 7105 содержит сополимер бутилакрилат-метилметакрилат; более конкретно она включает в себя следующие компоненты, смешанные вместе: 5-хлор-2-метил-2H-изотиазол-3-он [EC № 247-500-7] и 2-метил-2H-изотиазол-3-он [EC № 220-239-6].
Другой полимер (B) может быть добавлен к этому полимеру (A) в количестве 10 мас.% по массе смолы A в качестве модификатора адгезии полимера к волокнам нитей.
Полимеры на основе высокоэластичного полиуретана, полибутилена, полиизобутилена, акриловой, метакриловой смол, поливинилбутираля и т.п., являются особенно полезными для целей настоящего изобретения.
Соблюдая вышеупомянутые правила, полимерные смолы A или А+B могут включать в себя керамические или некерамические частицы, также в форме наночастиц, имеющие размеры в диапазоне 2-200 нм, например, частицы на основе TiO2, Al2O3, SiС, Si3N4 и углерода. Эти частицы могут увеличивать величину сцепления ножа или пули, улучшая таким образом характеристики продукта.
Количество такой наносимой смолы (смол) находится в диапазоне от 10 г/м2 до 200 г/м2 сухого продукта на ткани. В частности, в пересчете на проценты количество сухой смолы на ткани находится в диапазоне от 10% до 80%, и предпочтительно в диапазоне от 20% до 60%.
Образование зазоров благодаря жесткости смолы и разности абсолютного коэффициента расширения между смолами и нитью ткани позволяет получить зазоры как в форме маленьких отверстий, так и растрескавшихся областей. Чем больше разность между коэффициентом расширения нити и коэффициентом расширения смолы, тем больше такие зазоры и выше температура формования.
Зазоры, полученные с помощью этого процесса, варьируются по размеру от 30 до 300 мкм. В частности, акриловая полимерная смола 7105 показывает абсолютную устойчивость к экстремальной влажности среды, как это можно понять из описанных ниже тестов: ряд тканей под названием Style 640, сделанных из нитей Aramide Kevlar® производства компании DuPont®, имеющих вес 165 г/м2 и полученных из волокон с толщиной 670 децитекс, были пропитаны смолой 7105 в количестве приблизительно 70 г/м2. После сушки и формования при 125°C ряд образцов был подвергнут искусственному кондиционированию при температуре 60°C и относительной влажности 90%.
Достаточное количество таких тканей было взято с интервалами в 250 час. Те же самые ткани, повторно кондиционированные при 20°C и влажности 60%, были подвергнуты воздействию ножа в соответствии с американским правилом 01 0115NIJ, используя нож P1B и шило. Все эти тесты были выполнены с новым ножом для каждого воздействия с энергией 50 Джоулей и с новыми шильями для каждого воздействия с энергией 50 Джоулей.
Типология образцов
Образцы были произведены в соответствии со стандартом OPR87/C/2014.
Обезжиренная ткань Style 640 пропитывалась смолой в количестве 65 г/м2 и формовалась.
Из нее формировались пакеты в 30 слоев с весом приблизительно 6,4 кг/м2.
Процесс старения
Старение в температурной камере с влажностью 90% и температурой 60°C выполнялось в течение 250, 500, 750, 1000 час.
В конце каждого периода старения образцы сушились и кондиционировались при температуре 20°C и влажности 60% в течение 24 час.
Процедура теста
Тест в соответствии с HOSDB, нож P1B.
Каждый пакет был подвергнут двум сериям из 3 ударов:
- первая с энергией 50 Дж
- вторая с энергией 36 Дж
Расстояние между местами ударов: 60 мм
Нож заменялся после каждых 3 ударов.
Результаты
Для завершенности исследования пакеты, состаренные в течение 0 час, 750 час и 1000 час, были протестированы с помощью 9 мм револьвера Remington.
Были получены следующие результаты:
Для шила=0.
Следовательно, необходимо отметить, что стабильность смолы является оптимальной даже после 1000 час кондиционирования.
Другой ряд составных ламинированных тканей, полученных в соответствии с настоящим изобретением, был сравнен с другим рядом тканей без смолы для того, чтобы проверить их износостойкость. Используемая система соответствует стандартам UNI EN ISO 12947-1:2000, UNI 12947-3:2000 (Martindale) проверки того, может ли хрупкость смолы ухудшить механические свойства. После 20000 циклов ткань в ее неизменном состоянии потеряла 15,8 мг своего веса, ламинированная ткань потеряла 15,4 мг своего веса, что является немного более лучшим результатом относительно ткани в ее неизменном состоянии.
Другой ряд тканей с добавленной смолой и ламинированных тканей был затем подвергнут тестам на воздухопроницаемость в соответствии со стандартом UNI EN ISO 9237:1997; прикладываемый вакуум составлял 200 Па. Результат показал среднюю проницаемость, равную 1,55 мм/с, которая подтверждает, что заданные цели были достигнуты также и в терминах воздухопроницаемости.
В другом предпочтительном варианте осуществления 5% высокоэластичного полимера типа Kraton 3301 (смола типа B) было добавлено к смоле 7105.
Используя тот же самый технологический процесс, предложенный настоящим изобретением, был произведен пакет из 32 слоев размером 40 см x 40 см. Эти слои тканей из арамидного волокна DuPont® K29 типа Kevlar® с весом 190 г/м2 были покрыты 80 г/м2 смолы А+B для того, чтобы проверить их одновременную стойкость к воздействию режущего, колющего и огнестрельного оружия в соответствии с регламентами NIJ 01 004 Уровня IIIA и NIJ 01 0115 Уровня 50 Дж. Требования этих регламентов были легко удовлетворены, и воздухопроницаемость составила 2,05 мм/с.
Следует понимать, что в рамках настоящего изобретения термин «полимер» относится к полимерному материалу, а также к природным или синтетическим смолам и их смесям. Также следует понимать, что термин «волокно» относится к удлиненным телам, продольный размер которых является намного более длинным, чем поперечный размер.
На практике, в любом случае, детали реализации могут равным образом варьироваться как в отношении отдельных конструктивных элементов, как было описано и проиллюстрировано, так и в отношении природы указанных материалов, без отступлений от идеи предлагаемого решения и, следовательно, без выхода за пределы защиты, обеспечиваемой настоящим патентом.
Реферат
Изобретение относится к области баллистических текстильных материалов и касается структуры с воздухопроницаемой тканью для осуществления защиты от огнестрельного и холодного оружия. Гибкая, дышащая, непробиваемая ткань выполнена из антибаллистических нитей, частично или полностью пропитана одной или более полимерными смолами и имеет положительный коэффициент расширения и твердость более 75 по Шору D. Структура, получаемая с помощью процесса в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивает дышащие свойства, что делает защиту, реализованную с использованием этой структуры, особенно комфортной. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 табл.
