Пуленепробиваемое изделие - RU2284005C2

Описание

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область изобретения

Данное изобретение относится к области пуленепробиваемых изделий.

2. Описание предшествующего уровня техники

В данной области существует необходимость обеспечения таких изделий, как жилеты, предметы одежды и подобное, которые имеют улучшенную пуленепробиваемость и в то же время комфортабельны в носке. Попытки прототипов повысить пуленепробиваемость изделия фокусируются либо на повышении прочности, либо на снижении денье волокон, используемых в данных изделиях.

Например, международная публикация WO № 93/00564 раскрывает пуленепробиваемые структуры, использующие слои материала, тканого из высокопрочных на разрыв пара-арамидных пряж.

Патент США № 4850050 раскрывает доспехи, изготовленные из пара-арамидных пряж, содержащих нити низкой индивидуальной линейной плотности. Сообщается, что баллистические характеристики доспехов, изготовленных в соответствии с данным изобретением, дают 5% улучшение по сравнению с материалом прототипов.

Melliand Textilberichte, Structure and Action of Bullet-Resistant Protective Vests, № 6, pp. 463-8 (1981) раскрывает, что материалы из тонких арамидных пряж, например, 220 или 440 dtex обеспечивают лучшую баллистическую защиту, чем материалы, изготовленные из более грубых нитей.

Патент США № 5187003 раскрывает материал, полезный для баллистической защиты, который имеет разнородные волокна в направлениях основы и утка. Что касается коэффициента покрытия, указано, что материал с коэффициентом покрытия менее 0,6 был бы слишком рыхлым для эффективной баллистической защиты.

Патент США № 4287607 раскрывает пуленепробиваемый жилет, изготовленный из множества двойных слоев материи из неплотно тканого арамидного волокна с нейлоновой пленкой или нейлоновой тканью, вставленной между некоторыми слоями двойной тканой материи. Такие двойные слои материи имеют коэффициент плотности, который определен здесь, около 0,71.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение касается гибкого пуленепробиваемого изделия, содержащего множество слоев тканого материала, имеющего поверхностную плотность от 2 до 10 кг/м², в котором, по меньшей мере, два слоя материала являются неплотно ткаными. Неплотно тканые слои материала включают в себя материал, тканый с коэффициентом плотности от 0,3 до 0,6, и изготовлены с применением непрерывных пряж для нитей при линейной плотности, по меньшей мере, 200 dtex, прочности на разрыв, по меньшей мере, 10 г на dtex и модуле растяжения, по меньшей мере, 150 г на dtex. Смежные слои неплотно тканого материала соединены друг с другом для обеспечения ограничения движения слоев неплотно тканого материала относительно друг друга.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание эластичного пуленепробиваемого изделия. Данное изделие включает в себя множество слоев тканого материала, в котором, по меньшей мере, два слоя из указанных являются неплотно ткаными. Неплотно тканые слои соединены вместе для ограничения движения слоев относительно друг друга. Данное изделие совершенно неожиданно демонстрирует улучшенную пуленепробиваемость.

Заявитель данного изобретения обнаружил, что пуленепробиваемость ткани существенно улучшается, если изделие включает в себя слои ткани из пряж, которые сотканы с коэффициентом плотности менее 0,6. Полагают, что коэффициент плотности ниже 0,3 обеспечивает улучшение пуленепробиваемости. Используемый здесь термин «неплотно тканый» в применении к слоям ткани обозначает слой ткани, содержащий пряжи, которые сотканы с коэффициентом плотности примерно от 0,3 до 0,6.

До настоящего изобретения пуленепробиваемые материалы были плотно ткаными. В попытках, совершенно противоположных современному техническому пониманию, заявитель настоящего изобретения обнаружил, что неплотно тканые материалы демонстрируют улучшенную пуленепробиваемость. Притом, что некоторые материалы с повышенным коэффициентом плотности, как ожидается, демонстрируют некоторое улучшение, максимальное улучшение обнаружено при коэффициенте плотности ниже 0,6. Если коэффициент плотности снижать далее, то пуленепробиваемость улучшается до достижения коэффициента плотности 0,3, где плетение ткани такое неплотное, что для эффективной баллистической защиты потребовалась бы нежелательно высокая поверхностная плотность. Пуленепробиваемое изделие данного изобретения изготовлено с применением множества слоев защитного материала и включает в себя, по меньшей мере, два слоя неплотно тканого материала. Неплотно тканые слои скреплены вместе посредством закрепления данных слоев ткани таким образом, чтобы ограничить движение данных слоев ткани относительно друг друга. Такие способы закрепления могут представлять любые средства, обычно применяемые для скрепления слоев ткани вместе, такие как сшивка, стежка, клеящие средства и/или липкие ленты. Не существует ограничений по тому, как сшиты и/или состеганы неплотно тканые слои. Сшивку и/или стежку можно выполнить по краям данных слоев, или поперек слоев путем сшивки и/или стежки по диагонали, или путем сшивки и/или стежки наподобие стеганого одеяла.

Другие слои ткани также можно скрепить вместе, применяя средства скрепления, но то, что другие слои скреплены вместе, не является критичным, как и то, что нет относительного движения этих слоев относительно друг друга.

Конструкция пуленепробиваемого изделия данного изобретения противоположна изделию, устойчивому к прониканию ножа при ударе, где смежные слои защитного материала не скреплены вместе, а свободно движутся относительно друг друга, повышая сопротивление данного изделия прониканию ножа при ударе.

Заявленное здесь изделие сконструировано полностью из тканого материала без необходимости применения твердых пластин или пластинок малого размера и без необходимости применения вяжущих смол или связующего покрытия или пропитки материалов ткани. Однако такие твердые пластины или пластинки малого размера, вяжущие смолы или связующие можно применять с изделием данного изобретения.

Изделия данного изобретения являются более гибкими, легче по весу, мягче на ощупь, более комфортабельны в носке и более пластичны, чем обычные пуленепробиваемые конструкции изделий предшествующего уровня техники.

Материалы настоящего изобретения, содержащие неплотно тканые слои материала, изготовлены целиком или частично из пряж, имеющих прочность на разрыв, по меньшей мере, 10 г на dtex, и модуль растяжения, по меньшей мере, 150 г на dtex. Такие пряжи могут быть изготовлены из арамидов, полиолефинов, полибензоксазола, полибензотиазола и подобного; и, если требуется, ткани можно изготовить из смесей таких пряж. Например, данные ткани могут включать пряжи одного типа в направлении утка и пряжи другого типа в направлении заполнения.

Термин «арамид» обозначает полиамид, в котором, по меньшей мере, 85% амидных (-СО-NH-) связей присоединены непосредственно к двум ароматическим кольцам. Подходящие арамидные волокна описаны в Man-Made Fibers - Science and Technology, т. 2, раздел, озаглавленный Fiber-Forming Aromatic Polyamides, стр. 297, W. Black и др., Interscience Publishers, 1968. Арамидные волокна раскрыты также в патентах США №№ 4172938, 3869429, 3819587, 3673143, 3354127 и 3094511.

Вместе с арамидом можно применять добавки и обнаружено, что с арамидом можно смешивать другие полимерные вещества в количестве до 10 масс.% или применять сополимеры, имеющие не более 10% другого диамина, замещающего диамин арамида, или не более 10% другого хлорангидрида двухосновной кислоты, замещающего хлорангидрид двухосновной кислоты арамида.

Пара-арамиды представляют первостепенные полимеры в материалах из арамидных пряж данного изобретения, и предпочтительным пара-арамидом является поли(пара-фенилентерефталамид) (PPD-T). Сокращение PPD-T обозначает гомополимер, полученный в результате полимеризации моль-на-моль пара-фенилендиамина и терефталоилхлорида, а также сополимеры, полученные в результате включения небольших количеств других диаминов с пара-фенилендиамином и небольших количеств других хлорангидридов двухосновных кислот с терефталоилхлоридом. Как основное правило, другие диамины и другие хлорангидриды двухосновных кислот можно применять в количествах до примерно 10 мольных % от пара-фенилендиамина или терефталоилхлорида или, возможно, немного больших при одном условии, что другие диамины и хлорангидриды двухосновных кислот не имеют реакционноспособных групп, которые мешают реакции полимеризации. Сокращение PPD-T обозначает также сополимеры, полученные в результате включения других ароматических диаминов и других хлорангидридов ароматических двухосновных кислот, например, 2,6-нафталоилхлорида, или хлор- или дихлортерефталоилхлорида, или 3,4'-диаминодифенилового эфира. Получение PPD-T описано в патентах США №№ 3869429, 4308374 и 4698414.

Термин «полиолефин» обозначает полиэтилен или полипропилен. Термин «полиэтилен» обозначает преимущественно линейный полиэтиленовый материал предпочтительно с молекулярной массой более одного миллиона, который может содержать небольшие количества разветвлений цепи или сомономеров, не более 5 модифицирующих единиц на 100 атомов углерода основной цепи, и который может также содержать в смеси не более 50 масс.% одной или большего количества полимерных добавок, таких как алкен-1-полимеры, в особенности полиэтилен низкой плотности, пропилен и подобные, или низкомолекулярных добавок, таких как антиоксиданты, лубриканты, агенты, защищающие от ультрафиолетового излучения, красители и подобные, которые обычно включают. Такой материал общеизвестен как полиэтилен с протяженной цепью (ЕСРЕ). Аналогично полипропилен представляет собой преимущественно линейный полипропиленовый материал преимущественно с молекулярной массой более одного миллиона. Волокна из высокомолекулярных линейных полиолефинов доступны коммерчески. Получение полиолефиновых волокон обсуждается в патенте США № 4457985.

Полибензоксазол и полибензотиазол предпочтительно имеют мономерные звенья следующих структур:

Притом, что показанные ароматические группы, присоединенные к атомам азота, могут быть гетероциклическими, предпочтительно они являются карбоциклическими; и предпочтительно они представляют отдельные шестичленные циклы, хотя могут быть конденсированными или неконденсированными полициклическими системами. Притом, что группа, показанная в основной цепи бисазолов, предпочтительно представляет пара-фениленовую группу, ее можно заменить любой бивалентной органической группой, которая не мешает получению полимера, или такая группа может вообще отсутствовать. Например, данная группа может быть алифатической группой до двенадцати атомов углерода, толиленом, бифениленом, бисфениленовым эфиром и подобной.

Полибензоксазол и полибензотиазол, применяемые для получения волокна данного изобретения, должны иметь, по меньшей мере, 25 и предпочтительно, по меньшей мере, 100 мономерных единиц. Получение данных полимеров и прядение таких полимеров раскрыто в упомянутой выше международной публикации WO № 93/20400.

«Коэффициент плотности ткани» и «коэффициент покрытия» являются обозначениями, данными для плотности переплетения ткани. Коэффициент покрытия является расчетной величиной, относящейся к геометрии переплетения и указывающей процент площади валовой поверхности ткани, которая покрыта нитями ткани. Далее приведено уравнение, применяемое для расчета коэффициента покрытия (из Weaving: Conversion of Yarns to Fabric, Lord and Mohamed, опубликовано Merrow (1982), стр. 141-143):

d_w = ширина пряжи основы в ткани

d_f = ширина пряжи заполнения в ткани

p_w = шаг пряжи основы (концов на единицу длины)

p_f = шаг пряжи заполнения

В зависимости от вида переплетения ткани максимальный коэффициент покрытия может быть очень низким, даже если нити ткани расположены близко друг к другу. Поэтому более полезный показатель называется «коэффициентом плотности ткани». Коэффициент плотности ткани представляет меру плотности переплетения ткани по сравнению с максимальной плотностью переплетения как функцию коэффициента покрытия.

Например, максимально возможный коэффициент покрытия для гладко тканого материала составляет 0,75; следовательно, гладко тканый материал с фактическим коэффициентом покрытия 0,45 будет иметь коэффициент плотности ткани 0,60. В качестве материала для данного изобретения можно применять различные переплетения ткани, такие как гладкое переплетение, саржевое или атласное и их варианты. Предпочтительными вариантами для применения в данном изобретении являются саржевое и атласное переплетения и их варианты, включая переплетение crowfoot, иногда известное как 4-жгутовое атласное переплетение, так как они более гибкие и пластичные, чем гладкое переплетение, и могут лучше соответствовать сложным изгибам и поверхностям.

Используемые в данном изобретении пряжи должны иметь высокую прочность на разрыв, по меньшей мере, 10 г на dtex (11,1 г на денье), и верхний предел прочности на разрыв неизвестен. Пряжи с прочностью на разрыв ниже примерно 5 г на dtex демонстрируют недостаточную прочность для надлежащей защиты. Пряжи должны иметь модуль растяжения, по меньшей мере, 150 г/dtex, так как слишком низкий коэффициент будет давать избыточное вытягивание ткани и неэффективно ограничивать движение пули. Верхний предел модуля растяжения неизвестен.

Отдельный слой тканого материала данного изобретения обеспечивает некоторую степень баллистического сопротивления и, следовательно, степень защиты; а множество слоев, по меньшей мере, с двумя неплотно ткаными слоями материала необходимы в окончательном пуленепробиваемом изделии. Именно при использовании множества слоев ткани с общей поверхностной плотностью (которую определяют по общей массе слоев ткани на единицу площади), по меньшей мере, от 2 до 10 кг/м², предпочтительно от 2,5 до 8 кг/м², причем, по меньшей мере, два из слоев ткани являются неплотно ткаными слоями, настоящее изобретение демонстрирует наиболее явное и неожиданное улучшение. Обнаружено, что неплотно тканые слои материала данного изобретения, предпочтительно расположенные вместе во множестве слоев, обеспечивают неожиданно эффективную баллистическую устойчивость, если неплотно тканые слои материала присоединены один к другому, ограничивая относительное движение смежных слоев.

Конструкцию защитных изделий данного изобретения можно также применять в сопряжении с другими сетками из волокон тканых или нетканых пуленепробиваемых слоев, такими как однонаправленные, одинаково тканые или подобные. Данные слои можно изготовить из арамидов, полиолефинов, полибензоксазолов, полибензотиазолов или других полимеров, обычно применяемых для баллистической защиты. Слои ткани данного изобретения могут быть расположены под или поверх других пуленепробиваемых слоев или между двумя другими пуленепробиваемыми слоями. Если необходимо, материал данного изобретения можно также покрыть или пропитать вяжущими смолами или связующими для повышения жесткости слоя ткани.

СПОСОБЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Линейная плотность. Линейную плотность пряжи или нити определяют взвешиванием пряжи или нити известной длины. «Dtex» определяют как массу в граммах 10000 метров материала. «Денье» представляет массу в граммах 9000 метров материала.

На практике измеренную dtex образца пряжи или нити, условия исследования и идентификацию образца вводят в компьютер до начала исследования, компьютер регистрирует кривую «нагрузка-удлинение» образца до разрыва и затем рассчитывает характеристики.

Способность к растяжению. Пряжи, исследуемые на способность к растяжению, сначала приводят в соответствие с нормами и затем скручивают до коэффициента кручения 1,1. Коэффициент кручения ТМ пряжи определяют следующим образом:

Подлежащие исследованию пряжи приводят в соответствие с нормами при 25^оС, 55% относительной влажности в течение минимум 14 часов и при данных условиях проводят тесты на растяжение. Прочность (на разрыв), удлинение до разрыва и модуль растяжения определяют при разрыве исследуемых пряж на устройстве Instron (Instron Engineering Corp., Canton, Mass.).

Прочность на разрыв, удлинение и модуль растяжения, определенные в ASTM D2101-1985, измеряют, используя нить эталонной длины 25,4 см и скорость вытягивания 50% растяжение/мин. Модуль рассчитывают из наклона кривой усилие-растяжение при 1% растяжении, и он равен усилию в граммах при 1% растяжении (абсолютное), умноженному на 100, поделенному на линейную плотность исследуемой пряжи.

Прочность, удлинение и модуль растяжения индивидуальных нитей определяют аналогичным образом как для пряжи; но нити не скручивают и используют эталонную длину 2,54 см.

Баллистические характеристики. Для определения баллистического предела (V50) проводят баллистические исследования многослойных панелей в соответствии с MIL-STD-662e за исключением выбора пуль, следующим образом: исследуемую панель помещают на поддерживающий материал из глины Roma Plastina № 1 в держателе для образца, который поддерживает панель туго натянутой перпендикулярно траектории снарядов. Снаряды представляют 9-мм пули для ручного ружья в цельно металлическом кожухе весом 124 гран и пули soft point в кожухе из 0,357 magnum весом 158 гран и выпускаются из оружия, способного производить стрельбу с различными скоростями. Для каждой панели первый выстрел производят со скоростью выпуска снаряда, определенной как вероятный баллистический предел (V50). Если первый выстрел дает полное проникание через панель, то следующий выстрел производят со скоростью выпуска снаряда, меньшей примерно на 15,5 м (50 футов) в секунду, чтобы получить частичное проникание через панель. С другой стороны, если первый выстрел не дает проникания или дает частичное проникание, то следующий выстрел производят со скоростью, большей на 15,2 м (50 футов) в секунду, чтобы получить полное проникание. После получения одного частичного и одного полного проникания снаряда последующие скорости увеличивают или уменьшают примерно на 15,2 м (50 футов) в секунду до получения достаточного количества выстрелов для определения баллистического предела (V50) для данной панели.

Баллистический предел (V50) рассчитывают, находя среднее арифметическое значение для равного числа, по меньшей мере, трех из наибольших ударных скоростей при частичном проникании и наименьших ударных скоростей при полном проникании, при условии, что разница между указанными индивидуальными наибольшими и наименьшими ударными скоростями составляет не более 38,1 м (125 футов) в секунду.

ПРИМЕРЫ

В следующих примерах смеси множества слоев материала исследуют на пуленепробиваемость по прониканию. Для теста конструируют баллистические панели размером 40,6 см х 40, 6 см, в которых все слои ткани сшиты вокруг по краям и дополнительно прошиты по диагонали поперечными стежками. Несколько различных тканей с различными коэффициентами плотности, полученных из пряж различных материалов, исследуют при различных коэффициентах плотности и при поверхностных плотностях от 5,4 до 6,2 кг/м².

ПРИМЕРЫ 1-4 И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 5

Для данных примеров готовят множество слоев из тканой арамидной пряжи. Пряжа представляет арамидную пряжу и продается E. I. du Pont de Nemours and Company под торговой маркой Kevlar^® . Арамид является поли(пара-фенилентерефталамидом).

В примере 1 сорок (40) слоев ткани сотканы из 1111 dtex Kevlar^® 29 с гладким переплетением и количеством концов 6, 3х6,3 на см, при коэффициенте плотности ткани 0,59 и поверхностной плотности примерно 5,8 кг/м². В примере 2 сорок (40) слоев ткани получены как в примере 1 за исключением того, что получают ткань с переплетением crowfoot и 6,7х6,7 концов на см, и ткань имеет коэффициент плотности 0,53 и поверхностную плотность примерно 6,2 кг/м².

В примере 3 сорок (40) слоев ткани сотканы из 933 dtex Kevlar^® 129 с гладким переплетением и 7х7 концов на см, при коэффициенте плотности ткани 0,6 и поверхностной плотности примерно 5,4 кг/м². В примере 4 сорок (40) слоев ткани получены как в примере 1 за исключением того, что получают ткань с переплетением crowfoot и 7,9х7,9 концов на см, и ткань имеет коэффициент плотности 0,56 и поверхностную плотность примерно 5,8 кг/м².

В сравнительном примере 5 получают ткань, которая имеет примерно такую же поверхностную плотность, как ткани в примерах 1-4. Данная ткань включает двадцать два (22) слоя плотно тканого материала из 933 dtex Kevlar^® 129 с гладким переплетением и 12,2х12,2 концов на см, при коэффициенте плотности ткани 0,93 и поверхностной плотности примерно 5,4 кг/м².

Конструкции тканей примеров 1-4 и сравнительного примера 5 суммированы ниже в таблице 1.

Слои ткани в примерах 1-4 и сравнительном примере 5 исследуют на баллистические характеристики V50 против пуль 9 мм и 0,357 mag. Результаты баллистических исследований, приведенные в таблице 2, показывают, что результаты V50 для изделий данного изобретения, которые представлены в примерах 1-4, существенно лучше, чем V50 изделия сравнительного примера 5. Суммируя, изделия данного изобретения демонстрируют улучшение примерно на 7,5-13% по сравнению с изделием сравнительного примера 5.

ПРИМЕРЫ 6-7 И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 8

Для данных примеров готовят множество слоев из тканой полибензоксазольной (РВО) пряжи. Данная пряжа продается Toyobo Co., Ltd. под торговой маркой Zylon^®.

В примере 6 сорок (40) слоев ткани сотканы из 1111 dtex Zylon^® с гладким переплетением и 6,3х6,3 концов на см, при коэффициенте плотности ткани 0,59 и поверхностной плотности примерно 5,8 кг/м². В примере 7 тридцать пять (35) слоев ткани получены, как в примере 6, за исключением того, что получают ткань с переплетением crowfoot и 7,5х7,5 концов на см, и ткань имеет коэффициент плотности 0,58 и поверхностную плотность примерно 5,9 кг/м².

В сравнительном примере 8 тридцать (30) слоев ткани сотканы из 1111 dtex Zylon^® при 8,7х8,3 концов на см, с коэффициентом плотности ткани 0,76 и поверхностной плотности примерно 5,8 кг/м².

Конструкции тканей примеров 6-7 и сравнительного примера 8 суммированы ниже в таблице 3.

Слои ткани в примерах 6-7 и сравнительном примере 8 исследуют, как описано выше для примеров 1-4 и сравнительного примера 5. Результаты баллистических исследований с применением пуль 9 мм и 0,357 mag, приведенные в таблице 4, показывают, что результаты V50 для изделий данного изобретения существенно лучше, чем V50 сравнительного примера 8. Суммируя, изделия данного изобретения демонстрируют улучшение примерно на 5,9-13% по сравнению с изделием сравнительного примера 8.

Реферат

Изобретение относится к многослойным баллистическим материалам. Предложено эластичное пуленепробиваемое изделие, содержащее множество слоев материала, имеющего поверхностную плотность от 2 до 10 кг/м², в котором по меньшей мере два слоя материала являются неплотно ткаными, причем неплотно тканые слои содержат материал, тканый с коэффициентом плотности от 0,3 до 0,6 и содержащий непрерывные нити пряжи с линейной плотностью по меньшей мере 200 dtex, прочностью на разрыв, по меньшей мере 10 г на dtex и модуль растяжения по меньшей мере 150 г на dtex, причем смежные слои неплотно тканого материала соединены друг с другом для обеспечения ограничения движения слоев неплотно тканого материала относительно друг друга. Изобретение направлено на создание эластичного изделия, имеющего улучшенную пуленепробиваемость. 11 з.п. ф-лы, 4 табл.

Формула