Многослойная структура для баллистической защиты

 

Изобретение относится к многослойной мягкой структуре для баллистической защиты, которую используют для изготовления предметов защитной одежды. Предложенная многослойная структура для баллистической защиты содержит, по меньшей мере, два слоя тканой пара-арамидной пряжи и размещенный между ними, по меньшей мере, один слой волокнистой массы, составляющей от 5 до 20 вес.% от веса слоев тканой пряжи. Слои тканой пряжи имеют общую поверхностную плотность от 1,5 до 24 кг/м². Отдельные частицы волокнистой массы имеют длину от 0,1 до 8 мм, диаметр от 0,1 до 15 мкм и среднюю площадь поверхности свыше 3 м²/г. Волокнистая масса в заявленной структуре может быть выполнена из арамида или пара-арамида. Техническим результатом изобретения является получение высококачественной и недорогой в изготовлении многослойной структуры для баллистической защиты. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Настоящее изобретение относится к многослойной, так называемой мягкой структуре для баллистической защиты. С использованием этих структур можно изготавливать предметы одежды, в которых эти структуры имеют улучшенные характеристики гибкости, возможности использования и удобства, и в то же время обеспечивают удовлетворительную баллистическую защиту. Эти структуры в основном изготавливались с помощью нескольких слоев материалов, при этом каждый из этих слоев по отдельности имеет некоторую степень баллистической защиты. Данное изобретение использует, по меньшей мере, один слой волокнистой массы, отдельные частицы которой очень короткие и отдельные слои которой, сами по себе, обеспечивают небольшую баллистическую защиту, если вообще обеспечивают таковую.

Патент США 4574105, выданный 04 марта 1986, по заявке Донована, раскрывает стойкие к проникновению структуры из слоев тканых и нетканых волокон поли(р-фенилен терефталамида) и полиамида. В этом патенте раскрыты и испытаны различные комбинации слоев волокон и приведены различные результаты баллистической защиты. Но во всех нетканых слоях используют только штапельные волокна, спрессованные в войлок прошивкой и имеющие длину около 10 см.

Заявка на патент Великобритании 2198824, опубликованная 22 июня 1988, раскрывает гибкую броню, содержащую слои спрессованного войлока для удобства ношения и для повышенной защиты. Раскрытые спрессованные войлоки предпочтительно являются арамидами и выполнены из штапельных волокон от 5 до 10 см длиной.

Заявка на патент Германии 3515726, выложенная 06 ноября 1986, раскрывает материал, имеющий высокую стойкость в отношении проникновения пуль; материал выполнен с использованием, по меньшей мере, двух наложенных друг на друга слоев волокон арамида. Один из этих слоев является тканым, а другой - нетканым, и оба слоя выполнены из арамидных пряжей непрерывных или штапельных волокон.

В патенте США 2049087 раскрыта многослойная структура для баллистической защиты, содержащая, по меньшей мере, два слоя тканой пряжи и размещенный между ними, по меньшей мере, один слой волокнистой массы.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание высококачественной однородной и недорогой в изготовлении многослойной структуры для баллистической защиты.

Этот результат достигается тем, что многослойная структура для баллистической защиты содержит, по меньшей мере, два слоя пара-арамидной тканой пряжи и размещенный между ними, по меньшей мере, один слой волокнистой массы, составляющий от 5 до 20 вес.% от веса слоев тканой пряжи.

Слои тканой пряжи в структуре данного изобретения могут иметь общую поверхностную плотность от 1,5 до 24 кг/м².

Отдельные частицы волокнистой массы в, по меньшей мере, одном слое волокнистой массы имеют длину от 0,1 до 8 мм, диаметр от 0,1 до 15 мкм и среднюю площадь поверхности свыше 3 м²/г.

В предпочтительных вариантах осуществления данной структуры волокнистая масса является арамидом или пара-арамидом.

Далее приводится более подробное описание изобретения, со ссылками на чертеж, который графически изображает нормализованные баллистические показатели структур для баллистической защиты в виде зависимости от содержания волокнистой массы в структуре.

Под "арамидом" понимается полиамид, в котором, по меньшей мере 85% амидных (-CO-NH-) связей непосредственно присоединены к двум ароматическим кольцам. Соответствующие арамидные волокна описаны в публикации "Искусственные Волокна" - Сайенс энд Текнолоджи, том 2, раздел "Волокноформирующие ароматические полиамиды", стр. 297, У. Блэк и др., изд. Интерсайенс Паблишерс, 1968. Арамидные волокна также раскрыты в патентах США 4172938; 3869429; 3819587; 3673143; 3354127 и 3094511.

С арамидом можно также применять присадки, и определено, что с арамидом можно смешивать до 10 вес.% другого полимерного материала, и можно применять сополимеры, имеющие до 10% другого диамина, замещающего диамин арамида, или до 10% другого двухосновного хлорида, замещающего двухосновной хлорид арамида.

Пара-арамиды являются наиболее предпочтительными полимерами в волокнах данного изобретения, и поли(р-фенилен терефталамид) (ПФД-Т) является предпочтительным пара-арамидом. ПФД-Т означает гомополимер, получаемый мольной полимеризацией р-фенилена диамина и терефталоилхлорида, и также сополимеры, получаемые включением небольших количеств других диаминов в р-фенилен диамин и небольших количеств других двухосновных хлоридов в терефталоилхлорид. Как правило, другие диамины и другие двухосновные хлориды можно применять в количествах до, примерно, 10%-ной молярной концентрации р-фенилендиамина и терефталоилхлорида, либо в немного большей концентрации, но при том условии, что другие диамины и двухосновные хлориды не будут иметь реакционноспособных групп, которые мешают реакции полимеризации. ПФД-Т также означает сополимеры, получаемые включением других ароматических диаминов и других ароматических двухосновных хлоридов, таких как, например, 2,6-нафталоилхлорид или хлоро- или дихлоротерефталоилхлорид, но обязательно при том условии, чтобы другие ароматические диамины и ароматические двухосновные хлориды присутствовали в количествах, которые позволяют приготовить анизотропные прядильные растворы. Приготовление ПФД-Т описано в патентах США 3869429, 4308374 и 4698414.

Структура для баллистической защиты, согласно изобретению, может включать в себя ткани любого переплетения, используемого для целей баллистической защиты. При этом не имеется какого-либо ограничения или предпочтения как с точки зрения вида переплетения, так и с точки зрения ткани. Среди приемлемых видов переплетения можно упомянуть полотняное переплетение, переплетение "рогожка" 2х2, переплетение "рогожка" 8х8, стрельчатое переплетение, некоторые виды атласного переплетения и т.п. Полотна пряжи в этих тканях могут быть в пределах от 5х5 до 20х20 основных нитей на сантиметр; вес ткани может быть в пределах от 200 до 700 г/м².

Структура согласно данному изобретению содержит слои тканой пряжи и расположенный между ними слой волокнистой массы. Волокнистая масса является продуктом размола (или дефибрирования) коротких длин волокон для измельчения и фибриллирования волокон с целью получения расширенных основных нитей и волосковых элементарных нитей, выходящих из ствола волокна. Короткие волокна или "хлопья", которые служат исходным материалом, имеют длину, приблизительно, от 3 до 13 мм, и обычно имеют диаметр, приблизительно, от 10 до 20 мкм. После размола отдельные частицы волокнистой массы имеют длину, приблизительно, от 0,1 до 8 мм, и могут иметь диаметр от 0,1 до 15 мкм, а диаметр элементарных нитей составляет от 0,1 до 10 мкм. Волокнистую массу согласно данному изобретению получают из арамида, более предпочтительно - из ПФД-Т. Волокнистая масса раскрыта в патентах США 5171402, 5084136, 5028372.

Волокнистая масса для осуществления данного изобретения используется в качестве усовершенствованной замены штапельным волокнам. Штапельные волокна имеют длину, приблизительно, от 2 до 20 см, и нарезаются из непрерывного жгута волокнистого материала. Частицы волокнистой массы, как указано выше, имеют элементарные нити и фибриллированные основные нити, и элементарные нити и основные нити обусловливают перепутывание и взаимное зацепление частиц волокнистой массы друг с другом для получения однородной бумажной структуры. Штапельные волокна, с другой стороны, труднее выполнить в виде однородного листа. Частицы волокнистой массы можно выполнить в виде сцепляющихся листов с помощью обычных процессов изготовления бумаги, в то время как штапельные волокна нужно прочесывать, диспергировать, пневматически укладывать и уплотнять; для того, чтобы слои преобразованного прочеса не разъединялись, материал нужно подвергнуть иглопробивке или гидроперепутыванию.

Структура данного изобретения использует, по меньшей мере, один слой волокнистой массы, присутствующей в виде относительно однородного и уплотненного слоя. Предпочтительно выполнять волокнистую массу в виде толстой бумаги с помощью любого хорошо известного процесса изготовления бумаги. Толщина этой бумаги должна быть от 0,5 до 5 мм, а поверхностная плотность должна быть, приблизительно, от 100 до 1000 г/м².

Хотя в этом и нет необходимости, но листы волокнистой массы могут включать в себя незначительные количества полимерных связующих материалов, таких, например, как полиэтилен, полимерные латексы, такие как поливинилхлориды, и т. п. Другие полимерные связующие материалы могут использоваться для особых целей, например можно использовать теплостойкие полимеры в качестве связующих для высокотемпературных случаев применения. Эти связующие материалы используют в таких количествах, которые содействуют удерживанию частиц волокнистой массы вместе, и в общем они не превышают 10% по весу от веса волокнистой массы. Эти связующие материалы не являются обязательными для осуществления данного изобретения или для использования структуры данного изобретения, но они могут улучшить манипуляционные характеристики слоев волокнистой массы при образовании структуры для баллистической защиты. Несмотря на то, что слои волокнистой массы в комбинации со слоями тканой пара-арамидной пряжи обеспечивают высокую степень баллистической защиты, они сами по себе очень слабые и при манипуляции ими они часто ломаются.

Нетканые слои волокнистой массы, выполненные как процессами свойлачивания, так и процессами изготовления бумаги, должны помещаться между слоями тканой пряжи в структуре согласно данному изобретению. Ввиду непрочности на растяжение, присущей слоям волокнистой массы, структура для баллистической защиты должна иметь, по меньшей мере, внешний слой тканой пряжи и защитный слой тканой пряжи. Часто имеется несколько дополнительных слоев тканой пряжи и часто несколько дополнительных слоев волокнистой массы. Помимо того требования, что структура для баллистической защиты должна иметь внешний и защитный слои из тканой пряжи, дополнительные слои тканой пряжи и дополнительные слои волокнистой массы могут располагаться в структуре любым удобным или желательным образом. Например, тканые слои и слои волокнистой массы можно чередовать по толщине структуры. Для структуры умеренной толщины - до, приблизительно, 35 всех слоев тканой пряжи и волокнистой массы - предпочтительно, чтобы слои, прилегающие к внешнему слою, были из волокнистой массы, а слои, прилегающие к защитному слою - слоями тканой пряжи.

Слои волокнистой массы должны удерживаться в нужном положении в структуре и удерживаться вместе как отдельные слои. Это можно осуществить плотным и близким их размещением посредством внешнего и защитного слоев или сшивания слоев волокнистой массы с ткаными слоями или другими средствами. В структурах умеренной толщины предпочтительно, чтобы вся структура была пошита вместе по всем слоям. Сшивание может быть произвольным или упорядоченным, и обычно сшивание выполняют в виде ромбовидной строчки с параллельными линиями стежка с интервалом, приблизительно, 2-5 см.

Один из неожиданных аспектов данного изобретения заключается в том, что баллистическая защита, предоставляемая только листам волокнистой массы, очень низкая или совсем отсутствует, но листы волокнистой массы могут использоваться в сочетании с ткаными листами в количествах до 20 вес.% от веса тканых листов, и при этом потери баллистического предела эквивалентной поверхностной плотности только одних тканых листов составляют менее 5%.

На чертеже данные приводимого здесь примера даны в графическом виде: показано, что структура для баллистической защиты данного изобретения, имеющей 20%-ное весовое содержание арамидного волокна, обеспечивает почти 95%-ные показатели баллистической защиты, которая была бы реализована при использовании арамидных тканей без содержания волокнистой массы.

СПОСОБЫ ИСПЫТАНИЙ Баллистический предел. Баллистические испытания композитных образцов были проведены в соответствии с нормативом MIL-STD-662e следующим образом: испытываемый пакет устанавливают в оправе для образца испытаний; пакет устанавливают в натянутом положении и перпендикулярно траектории выстреливаемых при испытании пуль. Применяемые пути представляют собой пули типа 1, 5,56 мм (22-й калибр), осколки весом 1,1 г (17 гран) для моделирования пуль (MIL-H-44099), если не указываются другие типы; пули выстреливаются из испытательного ствола, который выполнен с возможностью вести стрельбу разной скорости. Первые выстрелы для каждого пакета производят со скоростью пули, определяемой как вероятный баллистический предел (V₅₀). После того, как первые выстрелы дадут полное проникновение в пакет, следующие выстрелы производят для скорости пули на, приблизительно, 15 м/с (50 футов в секунду) меньшей, чтобы получить частичное проникновение в пакет. С другой стороны, если первые выстрелы не дают проникновения или частичного проникновения, то следующие выстрелы производят для скорости на, приблизительно, 15 м/с (50 футов в секунду) большей, чтобы получить полное проникновение. По получении одного частичного и одного полного проникновения пули, последующие скорости увеличивают или уменьшают на, приблизительно, 15 м/с (50 футов в секунду), пока не будет произведено достаточно выстрелов, чтобы определить баллистический предел (V₅₀) для этого пакета.

Баллистический предел (V₅₀) вычисляют определением среднего арифметического равного числа трех наибольших скоростей удара частичного проникновения и трех наименьших скоростей удара полного проникновения - при том условии, что между наибольшей и наименьшей отдельными скоростями удара имеется не более 38 м/с (125 футов в секунду).

Среди многих других случаев применения структуры данного изобретения может быть указано применение в баллистических занавесах и укрытиях, в баллистической защите личного состава в виде предметов одежды и мягкой брони и т.п.

Примеры Испытываемые материалы были сконструированы с помощью комбинаций тканых листов и листов волокнистой массы из пара-арамидных материалов в соответствии с приводимой ниже таблицей. Испытываемые материалы оценивались относительно баллистического предела. Листы были прямоугольными и размером, приблизительно 28 х 36 см. Каждая комбинация листов была сшита по всем краям и в обоих направлениях по диагонали, чтобы удерживать листы вместе. В листах волокнистой массы связующие материалы не использовались.

"Тканые листы" являются листами из пряжи поли(р-фенилен терефталамида), 1363 дтекс (1500 денье), компани "Э.И. дюПон де Немур и Ко.," под торговым названием "Кевлар" К-29, с тканым переплетением "рогожка" 2х2 с количеством основных нитей 13,8 х 13,4 на сантиметр (35 х 34 основных нитей на дюйм). "Листы волокнистой массы" являются листами прессованными из волокнистой массы поли(р-фенилен терефталамида) компани "Э.И. дюПон де Немур и Ко.," под торговым названием "Кевлар" IF-305; при этом волокнистая масса имеет среднеарифметическую длину частицы около 0,45 мм и площадь поверхности около 7,5 м²/г.

В этой таблице слово "нормализованная" означает, что (V₅₀) обозначен как процент от (V₅₀) всей структуры тканого материала одинаковой поверхностной плотности.

Формула изобретения

1. Многослойная структура для баллистической защиты, содержащая, по меньшей мере, два слоя тканой пара-арамидной пряжи и размещенный между ними, по меньшей мере один слой волокнистой массы, составляющей от 5 до 20 вес. % от веса слоев тканой пряжи.

2. Структура по п. 1, в которой слои тканой пряжи имеют общую поверхностную плотность от 1,5 до 24 кг/м².

3. Структура по п. 1, в которой отдельные частицы волокнистой массы имеют длину от 0,1 до 8 мм, диаметр от 0,1 до 15 мкм и среднюю площадь поверхности свыше 3 м²/г.

4. Структура по п. 1, в которой волокнистая масса является арамидом.

5. Структура по п. 1, в которой волокнистая масса является параарамидом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2