專利名稱：制造防彈模制件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制造防彈模制件的方法，其中，形成多個單層的疊層，每一單層包含單向取向的增強纖維以及至多30質量％的塑料基體材料，所述增強纖維為高度拉伸的聚乙烯纖維，并且每一單層中的纖維方向相對于相鄰單層中的纖維方向旋轉，該疊層然后在高溫和給定的壓力下被壓制。
這樣的方法從EP 0833742 A1中可知。EP 0833742 A1公開了制造防彈模制件的方法，其中，由多層單層制成疊層，每一單層包含單向取向的增強纖維，以及至多30質量％的苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯三嵌段共聚物，所述增強纖維為高度拉伸的聚乙烯纖維，并且每一單層中的纖維方向相對于相鄰單層中的纖維方向旋轉，該疊層在115和125℃之間的溫度下和至多16.5MPa的壓力下被壓制。因為防彈板或者設備通常被存儲或者使用在高于周圍環(huán)境的溫度下，例如當用于車輛時，在較高的溫度下也要保證防彈。
已知方法的缺點在于，通過其制造的模制件對于諸如AK47、SS109或7.62 NATO Ball的步槍子彈的比能量吸收(specific energy absorption，SEA)在80℃下明顯低于在室溫下，因此在許多情況下所能給予的保護是不夠的。SEA被理解為，在子彈以使得模制件停留住子彈的概率為50％的速度(V50)撞擊模制件時的能量吸收除以模制件的面密度(質量/m2)。
本發(fā)明的目的是提供一種方法，該方法提供沒有前述缺點或者在較小程度上存在前述缺點的模制件。
此目標通過具有至少3MPa的模量的塑料基體材料和在大于25MPa的壓力下以及在125和150℃之間的溫度下被壓制的疊層來實現(xiàn)。
根據本發(fā)明的方法可以被用于制造這樣的模制件，該模制件在80℃下具有高的比能量吸收，因此提供了良好的防彈保護。
在疊層防彈結構的領域中，針對AK47子彈的較高的比能量吸收通常被理解為對應于大于100Jm2/kg的SEA。利用根據本發(fā)明的方法制造的模制件的SEA優(yōu)選高于120Jm2/kg，并且更優(yōu)選高于140Jm2/kg。
這里和此后，良好的反彈性能被具體理解為針對諸如AK47、SS109或7.62NATO Ball的步槍子彈的高SEA值。
高SEA的優(yōu)點在于，具有一定速度的彈片可以被具有低得多的面質量的疊層制件停留住。面質量是指每平方米的制件表面的質量，并且也被稱為面密度。低面質量對于提高穿著舒適性是非常重要的，當開發(fā)防彈服裝中的新材料時，低面質量和良好的保護性一起成為主要目標。在例如車輛或者直升機裝甲的情形中，質量的減小也是有利的。
在本發(fā)明的上下文中，單層是指一層被包埋在塑料基體材料中的基本平行的增強纖維。術語基體材料是指將纖維保持在一起并且整體或者部分包裹纖維的材料。在例如EP 191306和WO 95/00318 A1中公開了這樣的單層(也被本領域技術人員稱為預浸料)和獲得這樣的單層的方法。單層可以通過下面的方法獲得例如通過從纖維線軸經過梳齒抽拔若干纖維或者紗線，以共面和平行的方式在一個平面中對多根纖維進行取向，并且在取向之前、在取向過程中或者在取向之后以公知的方法，用塑料基體材料浸漬所述纖維。在此方法中，可以使用預先已經用不同于所述塑料基體材料的聚合物涂覆的纖維，以便例如在處理過程中保護纖維，或者得到更好的纖維到單層的塑料上的粘附力。優(yōu)選地，使用未經涂覆的纖維。
在根據本發(fā)明的方法中的塑料基體材料具有至少3MPa的100％模量。這被理解為在100％的應變下根據ISO 527所測量的正割模量(secantmodulus)。
合適的基體材料包括熱塑性和熱固性材料。優(yōu)選地，熱塑性材料被用作基體材料，并且特別合適的是那些可以作為水中分散體系被應用的基體。合適的聚合物材料的示例包括丙烯酸酯類、聚氨酯、改性聚烯烴和乙烯乙酸乙烯酯(ethylene vinyl acetate)。優(yōu)選地，基體材料包含聚氨酯。更優(yōu)選地，該聚氨酯是基于聚醚二醇的聚醚氨酯(polyetherurethane)，因為其在寬的溫度范圍內提供良好的性能。在特別的實施例中，聚氨酯或者聚醚氨酯是基于脂肪族二異氰酸酯的，因為這進一步提高了包括其色彩穩(wěn)定性在內的產品性能。
塑料基體材料的100％模量為至少3MPa。優(yōu)選地，100％模量為至少5MPa。100％模量一般低于500MPa。
用塑料基體材料浸漬增強纖維可以例如通過將一層或者多層塑料膜涂到纖維平面的頂面、底面或者兩側，然后將這些與纖維一起通過熱壓輥來實現(xiàn)。然而優(yōu)選地，纖維在以平行的方式在一個平面中被取向之后，用一定量的含單層中的塑料基體材料的液體物質對纖維進行涂層。其優(yōu)點是可獲得對纖維的更快速和更好的浸漬。液體物質可以是例如塑料的溶液、分散液或者熔體。如果塑料的溶液或者分散液被用于制造單層，則該方法還包括蒸發(fā)溶劑或者分散劑。
在根據本發(fā)明的方法中，疊層在大于25MPa的壓力下在壓力機械或者壓制成型機械中被壓制。優(yōu)選地，壓力為至少27MPa，或者至少29MPa，因為這進一步提高了模制件的性能。壓制過程中的溫度處在125℃和150℃之間。較高的溫度具有可以減小壓制時間的優(yōu)點，但是溫度不應超過150℃，該溫度處于聚乙烯纖維的熔融范圍以下。在優(yōu)選的實施例中，優(yōu)選包括聚氨酯基體材料的疊層在125℃和135℃之間的溫度下被壓制至少60分鐘，或者甚至更優(yōu)選在135℃和150℃之間的溫度下壓制20分鐘。
在高溫下受壓之后，疊層在從壓力下移開之前被冷卻到低于100℃、優(yōu)選低于80℃的溫度。在優(yōu)選實施例中，疊層被冷卻同時仍然處在壓力之下，優(yōu)選處在至少5MPa的壓力下，更優(yōu)選處在與前面的處理步驟中的相同的壓力下。
在根據根據本發(fā)明的方法所制備的防彈模制件中的每一單層中的纖維方向相對于相鄰單層中的纖維方向被旋轉。當此旋轉量達到至少45度時得到良好的結果。優(yōu)選地，此旋轉量達到大約90度。這樣的結構此后被稱為“交錯層疊的”。
增強纖維在此是指其長度尺寸大于寬度和厚度的橫向尺寸的細長體。術語增強纖維包括單絲、多絲紗線、帶、條、線、切斷纖維紗線和其他具有規(guī)則或者不規(guī)則橫截面的細長物體。
優(yōu)選地，增強纖維主要包含高分子量線性聚乙烯的高度拉伸纖維。高分子量被理解為至少400,000g/mol的摩爾質量。
線性聚乙烯在此被理解為每100個碳原子具有小于1個的側鏈、并且優(yōu)選每300個碳原子具有小于1個的側鏈的聚乙烯；也被稱為支鏈的側鏈包含至少10個碳原子。此外，所述聚乙烯可以包含高達5mol％的可與其共聚的一種或者多種其他的烯烴，諸如丙烯、丁烯、戊烯、4-甲基戊烯、辛烯。
優(yōu)選地，使用包含聚乙烯絲的高度拉伸的聚乙烯纖維，所述聚乙烯絲通過例如在GB 2042414A、GB 2051667A或者WO 01/73173 A1中所描述的凝膠紡絲工藝所制備。該工藝基本包括制備高特性粘度的聚烯烴溶液；將該溶液在高于溶解溫度的溫度下紡成絲；將絲冷卻到凝膠溫度以下，以使凝膠發(fā)生；以及在去除溶劑之前、在去除溶劑的過程中或者在去除溶劑之后，拉伸所述絲。絲的橫截面的形狀可以通過選擇噴絲孔的形狀來選擇。
優(yōu)選地，單層包含高強度的聚乙烯纖維，該聚乙烯纖維的每絲的旦數(shù)(dpf)大于或者等于0.5dpf。最優(yōu)選地，使用超高分子量線性聚乙烯的多絲紗線，該超高分子量線性聚乙烯具有在十氫化萘中135℃下所確定的至少5dl/g的特性粘度，并且紗線纖度為至少50旦，該紗線的拉伸強度為至少35cN/dtex并且拉伸模量為至少1000cN/dtex，并且其絲的橫截面的縱橫比為至少3。已經發(fā)現(xiàn)使用這樣的纖維進一步提高了根據本發(fā)明的方法所制造的防彈模制件的保護的高水平。
在根據本發(fā)明的方法中，疊層可以從單獨的單層開始制造。但是，單獨的單層難以處理，因為其容易沿纖維方向撕裂。因此，優(yōu)選的是由含從2到8層，并且通常為2、4或8層的單層的固結的單層的組件(package)制成疊層，其中所述多個單層以相對于纖維方向成一定角度，例如以交叉方式放置。“固結的”意在表示多個單層被彼此牢固地連接。這些單層組件可以由不同的方法制造，例如通過在輥之間經過或者通過壓制成型。如果單層組件也在高溫下，并可選地在根據本發(fā)明的方法中的高壓下被壓制，隨后在高壓下冷卻(優(yōu)選在至少5MPa的壓力下、甚至更優(yōu)選在與前面的步驟中的相同的壓力下冷卻)，則獲得良好的結果。
本發(fā)明還涉及包括多個單層的疊層的防彈模制件，每一單層包含單向取向的增強纖維，并且至多30質量％的塑料基體材料，增強纖維為高度拉伸聚乙烯纖維，并且每一單層中的纖維方向相對于相鄰單層中的纖維方向旋轉，其特征在于塑料基體材料包含聚氨酯并且該模制件80℃下的SEA為至少100J/(kg/m2)。
已經令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，根據本發(fā)明的模制件具有低的聲阻尼。在0.5MHz下所測量的厚度為2cm的模制件的聲阻尼低于30dB。因此，每單位厚度的吸收小于15dB/cm。結果，可以容易地將該模制件與根據現(xiàn)有技術的模制件加以區(qū)分。
示例I-XIII所用材料單層組件由兩層以90度的角度的交叉方式布置的單層組成。纖維是商標為DyneemaSk76的高度拉伸的高分子量線性聚乙烯纖維，其強度為約36cN/dtex，模量為約1180cN/dtex，并且細度為約2旦每絲，而橫截面的縱橫比為約1。單層包含18質量％的由來自Baxenden Chemicals Ltd.的聚氨酯組成的基體材料，該聚氨酯是基于聚醚二醇和脂肪族二異氰酸酯的，并且被作為含水分散體系使用。當對由所述分散體系制成的膜進行測量時，基體的100％應變模量為6MPa。單層組件的面密度為130.5g/m2。在表1中，這樣的材料由HB25表示。
工序短壓制周期144個上述的單層組件被層疊以生產一組件，其中，該組件整個在125℃的溫度下在爐子中預熱2.5小時。然后，該組件在表1中給出的溫度和壓力下在壓機中壓制10分鐘。該組件隨后在相同的壓制壓力下被冷卻到60℃的溫度。
長壓制周期144個上述的單層組件被層疊以生產一組件，并隨后在表1中給出的溫度和壓力下在壓機中壓制65分鐘。該組件隨后在相同的壓制壓力下被冷卻到60℃的溫度。
測試過程基體材料的模量根據ISO 527被確定。100％模量由長度為100mm(夾頭之間的自由長度)且寬度為24mm的膜條來確定。100％模量是在0％和100％應變之間所測量的正割模量。
板的V50根據源自Stanag 2920的過程被測量。板被夾持到鋼架上并且在沒有背襯的情況下在20℃和80℃下被AK47彈藥射擊。在測試之前，將板在一爐子中在受控溫度的下處理至少24小時。就在馬上開始測試之前，將待被射擊的經處理的板從爐子中取出，并且安裝到所述架上，此后射擊在2分鐘之內進行。
用于確定聲阻尼的方法為脈沖發(fā)射測量法(頻率范圍0.5～10MHz)。測量在0.5MHz的頻率下進行。用于確定聲阻尼的板具有約19kg/m2的面密度，以及約20mm的厚度。樣品為從板(的側邊)所切割下的寬度約100mm的條。
在樣品兩側的距離為10cm的發(fā)射機和接收機之間測量發(fā)射，并且通過水噴射實現(xiàn)聲耦合。樣品的整個表面積被掃描，之后確定平均阻尼。
結果表1提供了作為壓制溫度和壓力的函數(shù)所得到的V50值和SEA值。除了示例IV和VIII(1周)和V(4周)之外，在80℃下處理的時間為24小時。對于一些板，還給出了聲阻尼結果。
對比例在小于25MPa的壓制壓力和125℃的壓制溫度下，重復在上述示例中所描述的方法。在表1中給出了此對比例A的結果。
對于由四層以90度角度的交叉方式布置的單層組成的單層組件重復上述的方法。纖維是商標為DyneemaSk76的高度拉伸的高分子量線性聚乙烯纖維，其強度為約36cN/dtex，模量為約1180cN/dtex，并且細度為約2旦每絲，而橫截面的縱橫比為約1。單層包含約18質量％的基體材料，該基體材料由含水分散體系形式的Kraton組成。Kraton為苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯三嵌段共聚物。此基體的100％應變模量為1.4MPa。單層組件的面密度為265g/m2。在表1中，對于對比例B-D，此材料由HB2表示。如所有其他的樣品，這些樣品的面密度為約19kg/m2。
結果示出了根據本發(fā)明的工序所制造的模制件的針對AK47在80℃下的SEA總是高于100J/(kg/m2)。
表權利要求
1.制造防彈模制件的方法，其中，形成多個單層的疊層，每一單層包含單向取向的增強纖維以及至多30質量％的塑料基體材料，所述增強纖維為高度拉伸的聚乙烯纖維，并且每一單層中的纖維方向相對于相鄰單層中的纖維方向旋轉，所述疊層然后在高溫和給定的壓制壓力下被壓制，其特征在于所述塑料基體材料具有至少3MPa的100％模量，并且所述疊層在大于25MPa的壓力和125℃與150℃之間的溫度下被壓制。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述塑料基體材料包含聚氨酯。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述疊層在125℃和135℃之間的溫度下被壓制至少60分鐘。
4.如權利要求2所述的方法，其中壓制在135℃和150℃之間的溫度下進行20分鐘。
5.防彈模制件，所述防彈模制件包括多個單層的疊層，每一單層包含單向取向的增強纖維和至多30質量％的塑料基體材料，所述增強纖維為高度拉伸的聚乙烯纖維，并且在每一單層中的所述纖維方向相對于相鄰單層中的所述纖維方向旋轉，其特征在于所述塑料基體材料包含聚氨酯并且所述模制件在80℃下的針對AK47子彈的SEA為至少100J/(kg/m2)。
6.如權利要求5所述的防彈模制件，具有在0.5MHz下測量到的小于20dB/cm的聲阻尼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造防彈模制件的方法，其中，形成多個單層的疊層，每一單層包含單向取向的增強纖維以及至多30質量％的塑料基體材料，所述增強纖維為高度拉伸的聚乙烯纖維，并且每一單層中的纖維方向相對于相鄰單層中的纖維方向旋轉，所述疊層然后在大于25MPa的壓力和125℃與150℃之間的溫度下被壓制，并且所述塑料基體材料具有至少3MPa的100％模量。
文檔編號B29C70/20GK1708392SQ200380102430
公開日2005年12月14日 申請日期2003年10月31日 優(yōu)先權日2002年11月1日
發(fā)明者馬丁努·約翰內斯·尼古拉斯·雅各布斯, 瓊·休伯特·馬里·伯格爾斯, 馬克·布洛烏 申請人:帝斯曼知識產權資產管理有限公司