多方向纖維增強(qiáng)的帶材/膜制品和制造該制品的方法
【專利說明】多方向纖維増強(qiáng)的帶材/膜制品和制造該制品的方法
[000。 相關(guān)申請的香叉引用 本申請為2009年8月11日提交的共有未決申請序列號12/539, 185的部分延續(xù)，在此 將其全部公開內(nèi)容引入作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及高初性，高伸長率復(fù)絲聚合物帶材，W及由其制造的防彈織物、復(fù)合材 料和制品。
[0003] 相關(guān)巧術(shù)的說巧 高性能熱塑性纖維/紗線，例如SPECTRA?聚己締纖維/紗線或芳族聚酷胺纖維/紗 線，例如KEVLAR?和TWARON?，已知可用于形成具有優(yōu)異防彈性能的制品。因?yàn)楦邚?qiáng)度纖維 /紗線極高的強(qiáng)度對重量性能，各種制品，例如防彈背屯、、鋼盎、車輛鑲板和軍事裝備的構(gòu)件 典型地由包含高強(qiáng)度纖維/紗線的織物制造。對于許多應(yīng)用，該纖維/紗線可W形成為紡 織織物或針織織物。對于其它申請，該纖維/紗線可W包封或嵌入聚合物基質(zhì)材料中并形 成為無紡織物。在一種常見的無紡織物結(jié)構(gòu)中，多個(gè)單向取向的纖維/紗線W通常共面的 關(guān)系排列，并用基質(zhì)材料涂布W使纖維/紗線粘結(jié)在一起。典型地，將多個(gè)該種單向取向的 纖維/紗線的簾布層合并成一種多層復(fù)合材料。例如參見美國專利4, 403, 012 ;4, 457, 985 ; 4, 613, 535 ;4, 623, 574 ;4, 650, 710 ;4, 737, 402 ;4, 748, 064 ;5, 552, 208 ;5, 587, 230 ; 6, 642, 159 ;6, 841，492 ;和6, 846, 758,在此將其全部W與此一致的程度引入作為參考，其 描述了包括多層無紡纖維/紗線簾布層的防彈復(fù)合材料。
[0004] 由無紡織物制造的復(fù)合材料已知比紡織織物復(fù)合材料更好地阻止拋射物，因?yàn)闊o 紡織物中的組分纖維/紗線并不像紡織材料中的纖維/紗線那樣卷曲。纖維/紗線卷曲降 低了纖維/紗線保持張力和立刻吸收拋射物能量的能力，損害它們的有效性。另外，與紡織 織物相比，拋射物對無紡織物的損壞更加局部化，允許增強(qiáng)多次打擊性能。但是，無紡復(fù)合 材料技術(shù)仍然不完美。例如，傳統(tǒng)的無紡復(fù)合材料并不理想，因?yàn)橥ǔＰ枰獦渲繉觼硎菇M 分纖維/紗線保持粘結(jié)在一起。相對于不引入樹脂涂層的織物，該種樹脂代替大量高強(qiáng)度 纖維/紗線存在，整體纖維/紗線含量的減少降低了同等重量基準(zhǔn)下的最大可實(shí)現(xiàn)防彈效 率。另外，傳統(tǒng)的多層無紡織物由/90°角交叉層疊的相鄰簾布層形成，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該 種構(gòu)造具有比其它構(gòu)造更大的抗彈道穿透性能。但是，當(dāng)該織物成型成為不同的輪廓時(shí)，例 如在制造鋼盎和其它曲線制品中，0° /90°簾布層發(fā)生層離。該樣降低了它們的通用性。 因此，本領(lǐng)域中對于彈道性能和通用性得到改善的無紡復(fù)合材料存在長期需求。
[0005] 關(guān)于該一點(diǎn)，最近在共有未決申請序列號12/539, 185中描述了可W通過使用樹 脂涂布的條帶（strips)或鍛帶（ribbons)而不是樹脂涂布的復(fù)絲紗線作為無紡復(fù)合材料 的組分成分，W改善復(fù)合材料的防彈效率，在此將其引入作為參考。如序列號12/539, 185 中所述，在美國專利4, 623, 574中首次認(rèn)識到該一點(diǎn)，其將包含具有較平整矩形橫截面（即 縱橫比為至少約5)的超高分子量聚己締（"UHMW PE")鍛帶的復(fù)合材料的防彈效率與由具 有更常規(guī)圓形橫截面的UHMW PE復(fù)絲紗線形成的復(fù)合材料進(jìn)行比較。意外地，人們發(fā)現(xiàn)復(fù)絲 紗線具有比鍛帶更高的初性，即30克/旦巧爾對23. 6克/旦巧爾，并且用鍛帶構(gòu)成的復(fù)合 材料的比能吸收（SEA)高于用紗線構(gòu)成的復(fù)合材料的SEA。公開由平坦鍛帶或帶材形成制 品的其它公開文獻(xiàn)為美國專利 4, 413, 110 ;4, 996, 011 ;5, 002, 714 ;5, 091，133 ;5, 106, 555， 5, 200, 129 ;5, 578, 373 ;5, 628, 946 ;6, 017, 834 ;6, 328, 923 ;6, 458, 727 ;6, 951，685 ; 7, 279, 441 ;7, 470, 459 ;7, 740, 779 ;和 7, 976, 930, W及美國專利申請公開 2010/0260968。
[0006] 該些公開文獻(xiàn)教導(dǎo)各種形成平整纖維結(jié)構(gòu)的方法。在一種方法中，使聚己締長絲 在高溫下經(jīng)受接觸壓力，W有選擇地烙融一部分長絲并使它們粘結(jié)在一起，隨后擠壓該粘 結(jié)的長絲形成帶材。在另一種方法中，將聚己締粉末在高溫下擠壓，W將粉末顆粒粘結(jié)成為 連續(xù)片材，然后將該片材進(jìn)一步擠壓和拉伸。如此生產(chǎn)的聚己締帶材W商標(biāo)TENS化ON?市 售，其現(xiàn)在可購自 E. I. du Pont de Nemours 和 Company of Wilmington,DE，其描述在美 國專利5, 091，133中。該種TENS化ON?帶材的最高報(bào)告的極限拉伸強(qiáng)度扣T巧為19. 5 g/d (1.67 GPa)，極限伸長率百分?jǐn)?shù)（肥%)為 1.9%。購自 Ilie Netherlands 的 Royal DSM N. V.的 聚己締帶材具有36. 7 cn/化ex (41. 58克/旦巧爾）的報(bào)告UTS和3. 2%的報(bào)告肥％，如其 美國專利申請公開號2008/0156345中所述。W商標(biāo)ENDUMAX?購自日本的Teijin Fibers Ltd.的聚己締帶材具有22-28. 6克/旦巧爾的報(bào)告UTS和1. 5%至2%的報(bào)告肥％。
[0007] 雖然TENS化0N?，DYNEEMA?和ENDUMAX?聚合物帶材已經(jīng)代表現(xiàn)有技術(shù)水平的改 進(jìn)，但是對于在高極限拉伸強(qiáng)度（UT巧下具有改善的極限伸長率的聚合物帶材存在需求。 高肥％是理想的，因?yàn)楦蟮姆剩マD(zhuǎn)變?yōu)楦蟮哪芰课眨腋蟮哪芰课辙D(zhuǎn)變?yōu)楦纳频?防彈性能。但是，雖然本領(lǐng)域中持續(xù)嘗試生產(chǎn)具有更大UTS的材料，但是UTS升高理所當(dāng)然 地遭遇肥％降低。因此，對于改進(jìn)的需求仍然持續(xù)。本發(fā)明提供對于該種需求的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明提供一種聚合物帶材，其包含平整化復(fù)絲紗線，所述紗線包含多個(gè)加搶在 一起和粘結(jié)在一起的連續(xù)聚合物長絲；其中所述帶材具有至少15克/旦巧爾的極限拉伸強(qiáng) 度和其中該帶材的極限拉伸強(qiáng)度（克/旦巧爾）的值乘W帶材的極限伸長率（%)扣TS*UE) 為至少150。
[0009] 本發(fā)明還提供一種聚合物帶材，其包含平整化復(fù)絲紗線，所述紗線包含多個(gè)加搶 在一起和粘結(jié)在一起的連續(xù)聚合物長絲；其中所述帶材具有彼此成比例并且符合W下關(guān)系 式的極限伸長率（y) (%)和極限拉伸強(qiáng)度（X)(克/旦巧爾） y=-0. 04x + b，其中b = 5或更大，和X為15或更大。
[0010] 本發(fā)明進(jìn)一步提供一種形成包含多個(gè)聚合物帶材的層的方法，該方法包括： a) 提供多個(gè)聚合物帶材，該聚合物帶材各自包含平整化復(fù)絲紗線，所述紗線包含多個(gè) 加搶在一起和粘結(jié)在一起的連續(xù)聚合物長絲，具有每英寸紗線長度至少約3搶度和每英寸 紗線長度低于約15搶度，其中該聚合物帶材具有至少約10:1的平均截面縱橫比； b) 將所述多個(gè)聚合物帶材排列成并排的平坦陣列，僅使得它們的邊緣彼此接觸； C)任選在所述帶材陣列上施加聚合物粘結(jié)劑材料；和 d)在足W使所述帶材陣列固化成為基本平坦的整體層的條件下，向所述帶材陣列施 加熱和/或壓力。
[0011] 還提供由此類聚合物帶材形成的織物、復(fù)合材料和制品。
[00。] 附圖簡巧 圖1為生產(chǎn)聚合物帶材的第一種設(shè)備的略圖，說明擠壓-拉伸-擠壓-拉伸-擠壓的 順序。
[001引圖2為生產(chǎn)聚合物帶材的第二種設(shè)備的略圖，說明擠壓-擠壓-拉伸的順序。
[0014] 圖3為生產(chǎn)聚合物帶材的第；種設(shè)備的略圖，說明拉伸-擠壓-拉伸的順序。
[0015] 圖4為生產(chǎn)聚合物帶材的第四種設(shè)備的略圖，說明拉伸-S個(gè)連續(xù)擠壓-拉伸的 順序。
[0016] 圖5為生產(chǎn)聚合物帶材的第五種設(shè)備的略圖，說明在六區(qū)域烘箱中拉伸-擠 壓-拉伸-擠壓-拉伸的順序。
[0017] 圖6為生產(chǎn)聚合物帶材的第6種設(shè)備的略圖，說明在4區(qū)域烘箱中拉伸-兩個(gè)連 續(xù)擠壓-拉伸的順序。
[0018] 圖7為生產(chǎn)聚合物帶材的第走種設(shè)備的略圖，說明擠壓-拉伸-在升高的張力下 拉伸-擠壓的順序。
[0019] 圖8為說明公式y(tǒng)=-0. 04x + b (其中b=5和其中b=15)的范圍的圖示。
[0020] 圖9為說明表1中給出的UTSWE%數(shù)據(jù)的圖示。
[0021] 在各圖1-7中，為清楚起見，僅顯示一個(gè)紗線末端，但是可W由本發(fā)明的方法并聯(lián) 地同時(shí)處理若干紗線末端，W生產(chǎn)若干聚合物帶材，或單一的寬的聚合物帶材。
[00。] 發(fā)巧詳巧 如在此使用的，術(shù)語"帶材"表示長度大于其寬度的纖維材料的窄帶，其中"纖維材料" 包含一個(gè)或多個(gè)長絲。本發(fā)明的聚合物帶材的橫截面可W為矩形、楠圓形、多邊形、不規(guī)則 形狀，或滿足在此所述寬度、厚度和縱橫比要求的任何形狀。優(yōu)選地，該帶材為平整結(jié)構(gòu)，該 結(jié)構(gòu)具有基本矩形的橫截面，厚度為約0.5 mm或更小，更優(yōu)選為約0.25 mm或更小，更優(yōu)選 為約0.1 mm或更小，和更優(yōu)選為約0.01 mm或更小。在最優(yōu)選的實(shí)施方案中，該聚合物帶材 具有至多約3密耳（76. 2 y m)，更優(yōu)選約0. 35密耳巧.89 y m)至約3密耳（76. 2 y m)， 和最優(yōu)選約0. 35密耳至約1. 5密耳（38. 1 ym)的厚度。厚度在橫截面的最厚區(qū)域測量。
[0023] 本發(fā)明的聚合物帶材具有約100 cm或更小，更優(yōu)選約50 cm或更小，和更優(yōu)選約 25 cm或更小的寬度。帶材典型地具有小于或等于約6英寸（15.24 cm)的寬度，優(yōu)選的寬 度為約5 mm至約50 mm，更優(yōu)選為約5 mm至約25. 4 mm (1英寸），甚至更優(yōu)選為約5 mm 至約20 mm，和最優(yōu)選為約5 mm至約10 mm。
[0024] 該些尺寸可W變化，但是在此形成的聚合物帶材最優(yōu)選被制造為具有獲得平均截 面縱橫比的尺寸，即在整個(gè)帶材制品的長度上平均的截面的最大對最小尺寸的比率大于約 10:1。更優(yōu)選地，本發(fā)明的聚合物帶材具有至少約20:1，更優(yōu)選至少約50:1，更優(yōu)選至少約 100:1，更優(yōu)選至少約250:1和最優(yōu)選至少約400:1的平均截面縱橫比。
[0025] 各個(gè)帶材由多個(gè)復(fù)絲紗線形成，其中各紗線包括2至約1000根長絲，更優(yōu)選30至 500根長絲，更優(yōu)選100至500根長絲，更優(yōu)選約100根長絲至約250根長絲，和最優(yōu)選約 120至約240根長絲。復(fù)絲纖維在本領(lǐng)域中也經(jīng)常稱為纖維束。
[0026] 類似于帶材，如在此定義的，"纖維"、"長絲"和"紗線"各自定義為伸長體 (elongate body),其長度尺寸比寬度和厚度的橫向尺寸大得多。纖維、長絲和紗線的橫截 面可W變化，并且可W是規(guī)則或不規(guī)則的，包括圓形、平面或長楠圓形（oblong)橫截面，基 本圓形的橫截面是最優(yōu)選的。纖維和紗線