用于改善柔性身體護(hù)甲彈道沖擊性能的三軸向編織織物構(gòu)造的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種織物，其包括第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線，其中第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線具有彼此不同的紗線取向。第三多根紗線在軸向上取向。第二多根紗線與第一多根紗線交織。第三多根紗線不具有卷曲。第二多根紗線中的紗線具有大于或等于第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度，并且第三多根紗線中的紗線具有大于第二多根紗線中的紗線的平均線密度且小于三倍的第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度。
【專利說明】用于改善柔性身體護(hù)甲彈道沖擊性能的三軸向編織織物構(gòu)造
【背景技術(shù)】
[0001]1.摶術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及織物構(gòu)造和由它們制成的柔性身體護(hù)甲。
[0003]2.相關(guān)領(lǐng)域說明
[0004]保護(hù)性身體護(hù)甲諸如提供防護(hù)彈道型和刺傷型威脅的那些長期以來一直是受到顯著關(guān)注的領(lǐng)域。對于身體護(hù)甲的制造商們來講，一個難題是對穿著者可能在戰(zhàn)場上經(jīng)受的特定一種或多種威脅提供充分的防護(hù)，同時最小化該防護(hù)服的重量或面密度以便不妨礙穿著者的靈巧性。
[0005]對任何護(hù)甲材料防止彈道射彈威脅諸如可變形子彈和不可變形子母彈碎片的保護(hù)能力的表征均需要在某種程度上測定相對于材料面密度和尺寸的彈道速度極限、以及射彈的特性(質(zhì)量、硬度、形狀等)。一種常見的彈道極限性能標(biāo)準(zhǔn)是彈道V50或如下速度，在所述速度下50 %的射彈能夠被護(hù)甲擋住。用于確定身體護(hù)甲的V50的具體測試和計算方案概述于日期為2008年7月的National Institute of Justice (NIJ)StandardOlOl.06Ballistic Resistance of Personal Body Armor 中。除了護(hù)甲的止擋射彈擊穿的能力以外，還需要最小化與對由警察、安全人員、和懲教人員穿著的可隱藏身體護(hù)甲的彈道沖擊相關(guān)聯(lián)的鈍傷，這已變成了 NIJ標(biāo)準(zhǔn)0101.06所述的附加安全要求。該標(biāo)準(zhǔn)概述了對于可接受水平的鈍傷的測試方案和性能要求，通過測量與對放置在粘土背襯體材料上的護(hù)甲的彈道沖擊相關(guān)聯(lián)的“背面變形”。在NIJ標(biāo)準(zhǔn)0101.06中，所述可接受量的“背面變形”被定義為在粘土背襯體(Roma Plastilina粘土, 5.5英寸(140mm)粘土背襯體深度)中不大于44mm。
[0006]所述NIJ標(biāo)準(zhǔn)0101.06限定了針對不同類型的射彈和沖擊能級的彈道要求。對柔性身體護(hù)甲的三種常見的NIJ威脅等級包括威脅等級I1、IIA、和IIIA。威脅等級II涉及較高速度的357馬格南彈(10.2g(158gr))和9mm、8.0g(124gr)的子彈(沖擊速度分別小于約 1400ft/s(427m/s)和 1175ft/s (358m/s))。等級 IIA 涉及較低速度的 40S&W 口徑全金屬被甲彈(具有11.7g(180gr)的標(biāo)稱質(zhì)量)和9mm8.0g(124gr)子彈(沖擊速度分別小于約1025ft/s(312m/s)和1090ft/s (332m/s))。威脅等級IIIA涉及44馬格南彈(15.6g(240gr))和沖鋒槍9mm(124gr)子彈，它們具有小于約1400ft/s的沖擊速度。
[0007]除了上述子彈型可變形威脅以外，許多類型的身體護(hù)甲也必須展示出止擋不可變形碎片類型威脅諸如與爆炸物的爆炸相關(guān)聯(lián)的那些的能力。
[0008]開發(fā)對子彈和碎片威脅具有多威脅防彈性以及對高能量子彈諸如44馬格南彈提供足夠的鈍傷防護(hù)的柔韌身體護(hù)甲系統(tǒng)常常要求兩個或更多個高強(qiáng)度纖維層片結(jié)構(gòu)的混合構(gòu)造，其中每個類型的層片結(jié)構(gòu)具體地適用于擋住特定類別的威脅或阻止“背面變形”。這種開發(fā)柔性身體護(hù)甲的方法可能變成一種低效的開發(fā)策略，因為對身體護(hù)甲的要求趨于增加對各種不同的且不斷增長的威脅進(jìn)行防護(hù)，而同時又試圖減小身體護(hù)甲的總體面密度。[0009]盡管上述防彈性能要求能夠使用多種可商購獲得的防彈材料中的任何材料來實現(xiàn)(單獨(dú)使用或以組合方式使用)，但柔性身體護(hù)甲制造方面的難題是選擇和排列防彈層以便滿足以下要求:(I)以可接受的安全裕度防止擊穿，⑵最小化“背面變形”，⑶最小化護(hù)甲的重量、堆積體積和剛度以改善舒適度，以及(4)減小成本。
[0010]可商購獲得的防彈材料包括多種機(jī)織織物、織物增強(qiáng)的復(fù)合材料、單向纖維層壓體和非織造織物。在這些各種構(gòu)造中，由高韌度纖維紗線制成的機(jī)織織物在柔性身體護(hù)甲的制造中具有最長的使用歷史。編織法長期以來一直是一種相對廉價的從高韌度纖維紗線均勻地產(chǎn)生織物防彈層片的方法，依靠紗線的機(jī)械互鎖或“交織”來固定而不是用粘合劑樹脂進(jìn)行化學(xué)鎖定，所述粘合劑樹脂可增加衣服的重量和剛度。由防彈織物制成的柔性身體護(hù)甲在使用期間常常更具適形性且更柔韌，從而比混合型護(hù)甲提供更大的舒適度，所述混合型護(hù)甲包含剛性背面控制層諸如單向纖維層壓體或樹脂浸潰的織物。另外還表明，完全由機(jī)織高韌度纖維紗線制成的防彈衣在幾年的使用和磨損之后仍然保持防彈特性。針對機(jī)織防彈背心的供選擇的替代方案已被商業(yè)化。此類制品是由高韌度纖維、基質(zhì)樹脂和膜的組合制成的，這使得它們生產(chǎn)起來更加昂貴。另外，由于這些組件材料具有相異于防彈纖維的依賴于溫度和應(yīng)變的物理特性(例如熱膨脹系數(shù)、模量等)，這些復(fù)合層常常具有由所選材料的最弱部分決定的可用使用壽命。
[0011]典型的雙軸向機(jī)織防彈織物(由交織或交錯的紗線組成的織物，所述紗線在織物的平面內(nèi)具有兩個紗線取向)是在自動織機(jī)上生產(chǎn)的。這些機(jī)織操作產(chǎn)生具有如下交織的緯線纖維紗線的機(jī)織織物，所述緯線纖維紗線與經(jīng)紗中的或縱向上的那些紗線成90度取向。織物特性大體上由五個基本變量決定:紗線機(jī)械特性、紗線旦尼爾、紗線支數(shù)、編織圖案和織物整理劑。使用僅以上機(jī)織織物來滿足最小防彈性能要求為防彈護(hù)甲的制造商們帶來了難題。盡管有許多低覆蓋系數(shù)(松散地機(jī)織的)防彈纖維紗線織物以所期望的面密度提供令人滿意的V50性能(能夠表明由它們制成的背心安全地反復(fù)阻止射彈以高于NIJ標(biāo)準(zhǔn)0101.06所述閾值的速度擊穿背心材料)，但它們不提供足夠的“背面變形”抗性。相反，在以相同的背心面密度使用較高覆蓋系數(shù)的(更緊密地機(jī)織的)防彈織物時，盡管改善了“背面變形”性能，但常常導(dǎo)致V50性能顯著降低，有時候降到了 “背面變形”測量所要求的NIJ標(biāo)準(zhǔn)0101.06速度以下。目前，沒有全對位芳族聚酰胺的機(jī)織織物背心可按小于4.93kg/sq.m.(llb/sq.ft.)的面密度商購獲得，所述面密度能夠滿足NI J標(biāo)準(zhǔn)0101.06對于44馬格南彈彈道威脅的等級IIIA背面要求。
[0012]一種常見的用于減小柔性身體護(hù)甲中的“背面變形”的方法是通過并入高韌度纖維的剛性層片或織物增強(qiáng)樹脂復(fù)合層片以在沖擊期間阻止變形。這包括向機(jī)織防彈織物上粘結(jié)聚合物膜或施加聚合物涂層，或粘結(jié)兩個機(jī)織織物層以提供防彈層片，所述防彈層片能夠添加到防彈身體護(hù)甲構(gòu)造上以改善“背面變形”。這種方法描述于PCT公開W000/08411、美國專利5，677，029、和美國專利申請公開2003/0109188中。樹脂或彈性體浸潰的防彈纖維織物為另一種類型的被添加到防彈背心構(gòu)造上以改善彈道“背面變形”的復(fù)合層片。盡管已表明這些層的添加改善了護(hù)甲材料的“背面變形”性能，但它們可對V50性能具有有害效應(yīng)。此外，所述樹脂還增加了防彈背心組件的重量和剛度。
[0013]如下的單向纖維層壓體已變成了能夠提供良好的背面創(chuàng)傷控制同時又保持安全的V50性能的流行防彈材料，所述單向纖維層壓體由用粘結(jié)方法粘結(jié)到聚合物基質(zhì)中的第二多根平行取向的高韌度纖維的聚合物基質(zhì)中的第一多根平行取向的高韌度纖維構(gòu)成，其中第二多根的纖維取向相對于第一多根的取向是90度旋轉(zhuǎn)的。制備這些單向纖維層壓體的方法一般描述于美國專利4，916，000 ;4，748, 064 ;4，737,401 ;4，681,792 ；4，650，710 ;4，623，574 ;4，563，392 ;4，543，286 ;4，501，854 ;4，457，985 ；和 4，403,012 中。
這些單向?qū)訅后w可以商品名 Spectra Sllieldli Plus Flex、和 Gold Flex? 從 HoneywellInternational, Inc.商購獲得，并且可以商品名Dyneema? UD從DSM商購獲得。盡管
這些單向纖維層壓體能夠單獨(dú)地用來提供對一些彈道威脅的防彈保護(hù)，但已表明，當(dāng)結(jié)合機(jī)織防彈纖維紗線織物來使用這些材料時，能夠進(jìn)一步減小面密度并防護(hù)寬范圍的威脅，如美國專利6，119，575所示。
[0014]與在背心中使用單向纖維或織物和樹脂的復(fù)合層相關(guān)聯(lián)的性能改善可在極大程度上取決于它們在所述多層片構(gòu)造中的位置，如美國專利6，119，575所述。在許多可見于文件的例子中，將這些更硬的復(fù)合層放置在傳統(tǒng)防彈織物的后面以提供最佳的“背面變形”和V50性能。由于該“側(cè)面性”的緣故，這些混合型防彈背心構(gòu)造可被不經(jīng)意地里朝外反穿或被錯誤地插入到戰(zhàn)術(shù)背心中，從而提供的對射彈威脅的防護(hù)小于最佳防護(hù)。因此整體的(由全部相同的防彈材料層片構(gòu)成的)或前后對稱的防彈護(hù)甲構(gòu)造是有價值的。
[0015]三軸向織物或由三種紗線構(gòu)成的機(jī)織織物是已知的。授予Stewart的美國專利1，368，215、授予Dow的美國專利3，446，251和3，874，422、以及授予Trost的美國專利4，438，173均教導(dǎo)了三軸向織物結(jié)構(gòu)。在授予Mitchel I的美國專利5，437，538中，公開了由
Kevlar?:纖維制成的三軸向編織織物在用于氣體渦輪發(fā)動機(jī)的葉片射彈密封罩結(jié)構(gòu)中的用途。盡管在美國專利5，437，538中未提供沖擊測試方法，但Mitchell公開了由所述三軸向編織織物構(gòu)成的多層的密封罩的防彈性展示出了相當(dāng)于常規(guī)的機(jī)織織物密封罩的密封性能，而重量節(jié)省了 23%。用以確定渦輪發(fā)動機(jī)密封罩性能的典型的彈道沖擊測試?yán)昧藖喴羲贈_擊速度的相對大的射彈模擬器，所述沖擊速度代表了源自破碎的飛行器渦輪葉片白勺碎片，如報告“FAA Development of Reliable Modeling Methodologies for Fan BladeOut Containment Analysis，，(Authors:Revilock and Pereira, NASA Glenn ResearchCenter)所述。護(hù)甲開發(fā)領(lǐng)域熟知的是，與這些大尺寸且低速度(亞音速)的射彈相關(guān)聯(lián)的沖擊物理學(xué)在極大程度上不同于顯著較小且較高(超音速)的射彈諸如子彈和源于爆炸物的爆炸碎片的沖擊物理學(xué)。
[0016]該文獻(xiàn)中存在實驗研究和計算機(jī)模擬，它們描述了三軸向織物靶標(biāo)對超音速速度的子彈和碎片彈道威脅(對身體護(hù)甲設(shè)計來講很重要)的抗性。在Hearle等人的工作(Hearle, J.ff.S., C.M.Leech, A.Adeyefa, C.R.Cork.1981 “Ballistic Impact Resistanceof Mult1-layer Textile Fabrics”)中，所述測試的三軸向織物的實驗結(jié)果展示出了與雙軸向織物相比較差的高速碎片防彈性。He ar I e和同事們的報告的第二部分中的計算機(jī)模擬還預(yù)測，對于高速子彈和碎片威脅來講，三軸向織物的防彈性能應(yīng)當(dāng)劣于典型的雙軸向機(jī)織織物的性能。公布的由Yen和Caiazzo進(jìn)行的對機(jī)織織物復(fù)合構(gòu)造的彈道沖擊模擬的結(jié)果(Yen、C.F.、和 A.A.Caiazz0.2001 “3D Woven Composites for New andInnovative Impact and Penetration Resistant Systems’’Technical Progress Report,Material Sciences Corporation, prepared for U.S.Army Research Office, ContractN0.DAAD19-00-C-0107)也指示，三軸向編織織物的抗沖擊性劣于雙軸向織物的抗沖擊性。
[0017]仍然需要一種由織物構(gòu)成的輕型身體護(hù)甲，其能夠止擋高能量子彈的擊穿并減小與高能量子彈相關(guān)聯(lián)的鈍傷，并且同時能夠提供改善的對高速碎片威脅的防護(hù)。目前，對于完全由傳統(tǒng)雙軸向機(jī)織織物構(gòu)成的身體護(hù)甲來講，這是個難題。當(dāng)針對高速(超音速)高能量子彈和碎片射彈進(jìn)行測試時，本文所述的本發(fā)明的三軸向編織織物構(gòu)造相對于常規(guī)的雙軸向和其它機(jī)織織物已展示出了防彈性的改善，這是對三軸向機(jī)織織物的早期沖擊研究所未預(yù)料到的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明涉及一種三軸向編織織物，其包括第一多根紗線，所述第一多根紗線在織物的平面內(nèi)彼此平行取向，第二多根紗線，所述第二多根紗線在織物的平面內(nèi)彼此平行取向，和第三多根紗線，所述第三多根紗線在織物的平面內(nèi)彼此平行取向，其中
[0019](i)所述第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線具有彼此不同的紗線取向，
[0020](ii)所述第二多根紗線與所述第一多根紗線交織，
[0021](iii)所述第三多根紗線不與所述第一多根紗線或第二多根紗線交織，
[0022](iv)所述第一多根紗線中的每根紗線以重復(fù)圖案且按頁序從上經(jīng)過所述第二多根紗線中的一根紗線，從上經(jīng)過所述第三多根紗線中的一根紗線，從上經(jīng)過所述第二多根紗線中的一根紗線，并接著從下經(jīng)過所述第二多根紗線中的一根紗線，從下經(jīng)過所述第三多根紗線中的一根紗線，并接著從下經(jīng)過所述第二多根紗線中的一根紗線，
[0023](V)所述第二多根紗線中的每根紗線以重復(fù)圖案且按頁序從上經(jīng)過所述第一多根紗線中的一根紗線，從上經(jīng)過所述第三多根紗線中的一根紗線，從上經(jīng)過所述第一多根紗線中的一根紗線，并接著從下經(jīng)過所述第一多根紗線中的一根紗線，從下經(jīng)過所述第三多根紗線中的一根紗線并從下經(jīng)過所述第一多根紗線中的一根紗線，
[0024](vi)第二多根紗線中的紗線具有大于或等于第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度，并且
[0025](vii)第三多根紗線中的紗線具有大于第二多根紗線中的紗線的平均線密度且小于三倍的第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度。
[0026]本發(fā)明也涉及使用上述三軸向編織織物制成的復(fù)合層片、以及包含這些三軸向編織織物的防彈制品。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1示出了三軸向編織織物的平面圖。
【具體實施方式】
[0028]術(shù)語表
[0029]紗線:紗線為一種呈適用于加工成織物形式的連續(xù)的細(xì)絲股線。紗線有時候稱作“絲束”或“經(jīng)線(end)”。
[0030]機(jī)織織物:術(shù)語“機(jī)織”在本文中是指能夠通過編織制成的任何織物；即，通常以直角交織至少兩根紗線。一般來講，通過交織一組稱為經(jīng)紗的紗線和另一組稱為緯紗或緯線的紗線制成此類織物。典型的機(jī)織織物可具有基本上任何編織形式，諸如平織、四經(jīng)破緞紋織、方平織、緞紋編織、斜紋編織、非平衡織等。
[0031]三軸向編織:由交織的編織紗線和軸向紗線構(gòu)成的三軸向織物。軸向紗線平行于成品織物的長度取向并且由交織的編織紗線固定。軸向紗線方向有時候稱作縱向。
[0032]編織角:在編織紗線和該編織物的縱向軸線或換句話講縱向之間形成的銳角。對于管狀編織物，縱向軸線將平行于所述管的軸線。對于三軸向編織物，編織角被定義為編織紗線和軸向紗線之間的銳角。
[0033]復(fù)合織物層片:這是至少一個三軸向編織織物層和至少一個第二層的組合，所述至少一個第二層包括另一種基底諸如另一種織物型式或聚合物膜。
[0034]平均線密度:多根紗線的平均線密度為構(gòu)成所述多根紗線的所有紗線的平均線密度。
[0035]織物&紗線
[0036]本發(fā)明的三軸向織物為一種特定織物，其改善了防彈性并減小了鈍傷可能性。該織物是通過編織方法制成的。該織物包括紗線。圖1 一般以10示出了本發(fā)明的三軸向編織織物的一部分的平面圖。該織物包括第一多根紗線11，所述第一多根紗線11在織物的平面內(nèi)彼此平行取向。該織物也包括第二多根紗線12，所述第二多根紗線12在織物的平面內(nèi)彼此平行取向。該織物還包括第三多根紗線13，所述第三多根紗線13在織物的平面內(nèi)彼此平行取向。第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線具有彼此不同的紗線取向。第三多根紗線在軸向上取向。
[0037]第二多根紗線與第一多根紗線交織。第三多根紗線不與第一多根紗線或第二多根紗線交織。第三紗線不具有卷曲。第三多根紗線(軸向紗線)也稱為“襯緯(laid-1n)”紗線并且由第一多根紗線和第二多根紗線固定。襯纟韋紗線還描述于Atkins&Pearce的Handbookof Industrial Braiding的第4.5頁中。第一多根紗線中的每根紗線以重復(fù)圖案從上經(jīng)過第二多根紗線中的一根紗線，從上經(jīng)過第三多根紗線中的一根紗線，從上經(jīng)過第二多根紗線中的一根紗線，并接著從下經(jīng)過第二多根紗線中的一根紗線，從下經(jīng)過第三多根紗線中的一根紗線，并接著從下經(jīng)過第二多根紗線中的一根紗線。第二多根紗線中的每根紗線以重復(fù)圖案從上經(jīng)過第一多根紗線中的一根紗線，從上經(jīng)過第三多根紗線中的一根紗線，從上經(jīng)過第一多根紗線中的一根紗線，并接著從下經(jīng)過第一多根紗線中的一根紗線，從下經(jīng)過第三多根紗線中的一根紗線并且從下經(jīng)過第一多根紗線中的一根紗線。
[0038]第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線中的紗線具有10至65克/分特的韌度。在一些實施例中，韌度為15至40克/分特；并且在其它實施例中，韌度為20至35克/分特。第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線中的紗線具有100至3500克/分特的紗線模量。在一些實施例中，紗線模量為150至2700克/分特。第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線中的紗線優(yōu)選地具有3.6至5.0%的斷裂伸長率。在一些其它實施例中，斷裂伸長率為3.6至4.5%。
[0039]第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線中的紗線具有50至4，500分特的線密度。在一些實施例中，紗線線密度為100至3500分特；并且在其它實施例中，線密度為300至1800分特。第二多根紗線中的紗線具有大于或等于第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度。第三多根紗線中的紗線具有大于第二多根紗線中的紗線的平均線密度且小于三倍的第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度。已發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)谌喔喚€中的紗線具有等同于或小于第二多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度時，所述編織的三軸向織物對于令人滿意的防彈性能來講缺乏足夠的穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)谌喔喚€中的紗線等同于或大于三倍的第一多根紗線中的紗線的平均線密度時，防彈性是不能令人滿意的，因為增加了織物緊密度。
[0040]如上所述的紗線可通過將兩根較低線密度的前體紗線裝配或粗紡在一起而制成。例如，具有850分特線密度的兩種前體紗線可被組裝成具有1700分特線密度的成品紗線。
[0041]該織物具有30至800g/sq.m的基重。在一些實施例中，該織物的基重為45至500g/sq.m。在一些其它實施例中，該織物的基重為55至300g/sq.m。
[0042]在一些實施例中，這些織物具有50至70度的編織角。在一些其它實施例中，編織角為55至65度。在一些其它實施例中，編織角為60度。如果編織角小于50度，則該織物將具有不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。如果編織角大于70度，則該織物將不是平衡的，因而這將影響防彈性。
[0043]本發(fā)明的織物可在管狀編織機(jī)上生產(chǎn)?？椢镆部砂雌教剐问绞褂闷娇椃▉碇苽?。
[0044]纖維(細(xì)絲)
[0045]為了本文的目的，術(shù)語“纖維”被定義為相對柔韌、宏觀上均勻并且在垂直于其長度方向的橫截面上具有高的長寬比的主體。纖維橫截面可為任何形狀，但通常為圓形或豆形的。纖維為實心的，即其不是中空纖維。在本文中，術(shù)語“纖維”與術(shù)語“細(xì)絲”互換使用。
[0046]用于本發(fā)明的紗線的優(yōu)選的纖維為聚合物。聚合物纖維的例子包括芳族聚酰胺、聚乙烯、聚唑。共聚物和共聚物共混物也是適用的。一種優(yōu)選的芳族聚酰胺為對位芳族聚酰胺。
[0047]術(shù)語“芳族聚酰胺”是指其中至少85%的酰胺鍵(-C0NH-)直接連接到兩個芳族環(huán)的聚酰胺。合適的芳族聚酰胺纖維在Man-Made Fibres-Science and Technology第2卷(Interscience Publishers, 1968 年)的標(biāo)題為 “Fibre-Forming 芳族聚酸胺”的章節(jié)中(第297頁，W.Black等人)有所描述。芳族聚酰胺纖維和它們的制備還公開于美國專利 3，767，756 ;4，172，938 ;3，869，429 ;3，869，430 ;3，819，587 ;3，673，143 ;3，354，127 ；和3，094，511 中。
[0048]優(yōu)選的對位芳族聚酰胺是被稱為Pro-T的聚(對苯二甲酰對苯二胺)。所謂PPD-T，是指由對苯二胺和對苯二甲酰氯的等摩爾比聚合反應(yīng)產(chǎn)生的均聚物，以及由少量其它二胺與對苯二胺結(jié)合、少量其它二甲酰氯與對苯二甲酰氯結(jié)合所得的共聚物。作為一般原則，其它二胺和其它二甲酰氯可按至多多達(dá)對苯二胺或?qū)Ρ蕉柞Ｂ鹊募s10摩爾百分t匕，或可能略高的量使用，唯一的前提條件是其它二胺和二甲酰氯不含干擾聚合反應(yīng)的反應(yīng)性基團(tuán)。Pro-T也指其它芳族二胺和其它芳族二甲酰氯結(jié)合所得的共聚物，例如2，6-萘亞甲基酰氯或氯代對苯二甲酰氯或二氯對苯二甲酰氯或3，4’ - 二氨基二苯醚。在一些優(yōu)選的實施例中，復(fù)合材料的紗線僅由pro-τ長絲構(gòu)成；在一些優(yōu)選的實施例中，復(fù)合材料中的層僅由pro-τ紗線構(gòu)成；換句話講，在一些優(yōu)選的實施例中，復(fù)合材料中的所有長絲均為PPD-T細(xì)絲。
[0049]添加劑可與芳族聚酰胺一起使用，并且已發(fā)現(xiàn)，按重量計至多多達(dá)10%或更多的其它聚合材料可與芳族聚酰胺共混?？墒褂闷渲卸噙_(dá)10%或更多的取代了芳族聚酰胺的二胺的其它二胺或者其中多達(dá)10%或更多的取代了二甲酰氯或芳族聚酰胺的其它二甲酰氯的共聚物。
[0050]對位芳族聚酰胺纖維是以商品名Kevlar?出售的，購自E.1.du Pont de Nemoursand Company (Wilmington, DE)，并且以商品名 Twaroil'購自 Teijin Arami d, Arnhem,Netherlands。
[0051]當(dāng)聚合物為聚烯烴時，優(yōu)選聚乙烯或聚丙烯。術(shù)語“聚乙烯”是指分子量優(yōu)選地大于一百萬的占主導(dǎo)地位的線性聚乙烯材料，其可以包含微量的鏈分支或每100個主鏈碳原子中不超過5個改性單元的共聚單體，其還可以包含與其混合在一起的不超過約50重量百分比的一種或多種聚合物添加劑，如烯烴-1-聚合物，具體地講是低密度聚乙烯、丙烯等，或低分子量添加劑，如通常摻入的抗氧化劑、潤滑劑、紫外線遮蔽劑、著色劑等。此類物質(zhì)通常被稱為伸展鏈聚乙烯(ECPE)或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。聚乙烯纖維分別以商品名Dyneema?和Spectra?購自 DSM(Greenville, NC)和 HoneywellInternational(Morristown, NJ)。
[0052]纖維也可包含聚唑。在一些實施例中，聚唑為聚芳唑，諸如聚苯唑和聚吡啶并唑。合適的聚唑包括均聚物和共聚物。添加劑可與聚唑一起使用，并且至多多達(dá)10重量％的其它聚合材料可與聚唑共混。還可使用的共聚物具有多達(dá)10 %或更多的用于替代聚唑單體的其它單體。合適的聚唑均聚物和共聚物可以用已知的工序制備。
[0053]優(yōu)選的聚苯并唑為聚苯并咪唑、聚苯并噻唑和聚苯并1惡唑，更優(yōu)選為可形成具有35克/分特或更高紗線韌度的纖維的此類聚合物。如果聚苯并唑為聚苯并噻唑，則優(yōu)選為聚(對亞苯基苯并二噻唑)。如果聚苯并唑為聚苯并Hi唑，則優(yōu)選為聚(對亞苯基苯并二囉唑)，并且更優(yōu)選為稱為PBO的聚(對亞苯基-2’ 6-苯并二?唑)。
[0054]優(yōu)選的聚吡啶并唑為聚吡啶并咪唑、聚吡啶并噻唑、和聚吡啶并1惡唑，更優(yōu)選地，此類聚合物為可以形成為具有30克/分特或更大的紗線韌度的纖維的聚合物。在一些實施例中，優(yōu)選的聚吡啶并唑為聚吡啶并二唑。優(yōu)選的聚(吡啶并二氧雜唑)為聚(1，4-(2，5-二羥基)亞苯基_2，6-吡啶并[2，3-d:5，6-d' ] 二咪唑)，其稱為PIPD。包括聚吡啶并二唑在內(nèi)的合適的聚吡啶并唑可通過已知的工序制備。對位亞苯基苯并二 1惡唑(PBO)纖維是以商品名Z.yloi,出售的，并且購自Toyobo, Osaka, Japan。
[0055]其它可用的芳族聚合物包括芳族不飽和聚酯，諸如聚對苯二甲酸己二醇酯、芳族聚酰亞胺、芳族聚酰胺、芳族聚酰胺酰亞胺酯、芳族聚醚酰胺酰亞胺和芳族聚酯酰亞胺。也可使用任何上述類別的材料的共聚物。
[0056]液晶聚合物-液晶熱致聚酯,諸如以商品名Vectran?出售的那些，購自KurarayAmerica Inc.(Fort Mill, SC)。
[0057]就聚乙烯醇(PV-OH)而言，重均分子量為至少約500，000，優(yōu)選地為至少約750，000，更優(yōu)選地介于約1，000, 000和約4，000, 000之間，并且最優(yōu)選地介于約1，500, 000和約2，500，000之間的PV-OH纖維可用于本發(fā)明?？捎玫睦w維應(yīng)當(dāng)具有至少約160克但尼爾，優(yōu)選地至少約200克/旦尼爾，更優(yōu)選地至少約300克/旦尼爾的模量；以及至少約10克/旦尼爾且更優(yōu)選地至少約14克/旦尼爾且最優(yōu)選地至少約17克/旦尼爾的韌度。具有至少約500，000的重均分子量，至少約200克/旦尼爾的韌度以及至少約10克/旦尼爾的模量的PV-OH纖維在防彈復(fù)合材料的生產(chǎn)中特別有用。具有此類特性的PV-OH纖維可例如通過了 1984年I月11日提交的授予Kwon等人且共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請序列號569，818所公開的方法來生產(chǎn)。
[0058]本發(fā)明的織物也可包含聚合物紗線和/或非聚合物紗線的共混物。
[0059]復(fù)合層片
[0060]本發(fā)明的另一個實施例為復(fù)合層片的產(chǎn)生，所述復(fù)合層片能夠用于身體護(hù)甲的構(gòu)造。這種復(fù)合層片可被提供為供身體護(hù)甲的制造商們使用的連續(xù)的卷繞貨品。一種復(fù)合層片包括至少一個本發(fā)明所述的三軸向編織織物和包括另一個基底的至少一個第二層。另一個基底可為不同的織物類型、單向纖維層、非織造織物、聚合物層或聚合物樹脂浸潰的織物結(jié)構(gòu)。復(fù)合層片的所述各種層可通過縫編、粘結(jié)、壓塑或涂層被整合成單一組件。
[0061]聚合物層可呈薄膜或非織造織物的型式，其熔融粘結(jié)或聚合物涂覆到三軸向織物上。熔融粘結(jié)可經(jīng)由加熱的臺板壓縮或加熱的壓延來實現(xiàn)。聚合物涂層可從溶劑基或乳液/膠乳基聚合物來施加，然后進(jìn)行干燥以從該織物除去溶劑。此類聚合物層可為連續(xù)的，因為它們覆蓋該織物的整個表面，或可橫跨該織物構(gòu)造的表面為不連續(xù)的以最小化對防彈層的重量和剛度的貢獻(xiàn)。不連續(xù)的樹脂涂層包括該織物上的開口圖案或樹脂線或離散的樹脂點。這能夠使用被切成開口圖案的熔融粘合劑膜來獲得，所述熔融粘合劑膜可附著到該織物表面上。作為另外一種選擇，可使用照相凹版印刷法等以前述不連續(xù)型式將溶劑基聚合物涂層或聚合物乳液/膠乳轉(zhuǎn)印到三軸向織物上。
_2] 防彈制品
[0063]本發(fā)明的三軸向編織織物可被裝配成包裝件，所述包裝件形成防彈制品的一部分，所述防彈制品對子彈威脅表現(xiàn)出減小的“背面變形”，同時也展示出對碎片威脅的有利的抗性。也可增強(qiáng)對刺傷或刺穿的抗性。這種多威脅防護(hù)能力在利用常規(guī)正交的經(jīng)紗-緯紗雙軸向機(jī)織織物的情況下是難以獲得的。
[0064]在一些實施例中，所述各個三軸向編織織物層和/或上述復(fù)合層片能夠用來構(gòu)造整個防彈身體護(hù)甲。在其它實施例中，結(jié)合防彈身體護(hù)甲制品中的其它防彈材料來使用所述各個三軸向編織織物層。例如，這些層可與由對位芳族聚酰胺或聚乙烯紗線機(jī)織成的平織、方平織或緞紋編織織物組合。這些層也可與單向或多軸向織物結(jié)構(gòu)諸如購自DuPont的Kevlarli XP組合。在一些實施例中，也可將熱塑性或熱固性膜并入到身體護(hù)甲織物組件中。構(gòu)成身體護(hù)甲織物組件的所述各種織物層中的一些或全部可被縫紉在一起。構(gòu)成身體護(hù)甲織物組件的所述各種織物層的定位情況將取決于特定的設(shè)計要求而有變化。在一些實施例中，至少一個三軸向編織織物層位于身體護(hù)甲織物組件的擊打面處，因此面向射彈。_5] 測試方法
[0066]以下測試方法用于以下例子中。
[0067]線密度:根據(jù)ASTM D1907-97和D885-98中所述的步驟，通過稱量已知長度的紗線或纖維來確定紗線或纖維的線密度。分特(decitex)或“分特(dtex) ”被定義為10，000米紗線或纖維的重量，以克計。旦尼爾(d)為9/10乘以分特。
[0068]紗線的機(jī)械特性:調(diào)理待測的紗線，然后根據(jù)ASTM D885-98中所述的步驟進(jìn)行拉伸測試。韌度(抗斷韌度)、彈性模量和斷裂伸長率通過在Instron?萬能試驗機(jī)上使紗線斷裂來確定。[0069]基重:通過如下方式來確定這些織物的基重:稱重該織物的15英寸X 15英寸層片，并且以oz/yd2或g/m2為單位計算單位面積織物的重量。
[0070]面密度:通過測量由多個織物或復(fù)合層片構(gòu)成的15英寸X 15英寸樣板的質(zhì)量來確定試驗樣板的面密度。由該測量以lbs/ft2為單位來計算面密度。
[0071 ] 直接從所述三軸向織物測量編織角。
[0072]防彈性能:根據(jù)用于V50的NIJ標(biāo)準(zhǔn)0101.06和MIL-STD662F以及用于“背面變形”的NIJ標(biāo)準(zhǔn)0101.06來進(jìn)行試驗樣板的防彈測試。所用的射彈為44馬格南子彈和17格令重碎片模擬射彈(FSP)。被報告為V50的防彈性值為統(tǒng)計學(xué)上的測量值，其表示子彈或碎片在有50%擊穿率和另外50%未擊穿率的情況下?lián)舸┳o(hù)甲裝備的平均速度。測量的參數(shù)為零度的V50，其中角度是指射彈相對于目標(biāo)的傾斜度。所報告的值為射向每個例子的子彈數(shù)量的平均值?！氨趁孀冃巍?BFD)為當(dāng)由非擊穿性射彈沖擊產(chǎn)生時，在背襯材料中造成的凹陷的深度?！氨趁孀冃巍笔菑挠杀骋r材料夾具的前邊緣限定的平面測量的。根據(jù)NIJ標(biāo)準(zhǔn)，該值不允許超過44mm。“背面變形”測試是以435±9m/s (1430±30ft/s)的速度對抵靠Roma Plastilina粘土背襯體放置的靶標(biāo)進(jìn)行的。對于針對17格令重射彈測試的樣板，使用機(jī)架和夾具組件將樣板圍繞周邊夾緊固定。
[0073]實魁
[0074]對于下述實例和比較例，所述三軸向編織結(jié)構(gòu)是使用管狀編織法產(chǎn)生的。該編織操作產(chǎn)生了管狀織物，其中編織紗線在編織過程中圍繞管的螺旋型式取向，并且軸向紗線在其形成期間平行于管狀編織物的軸線取向。為了產(chǎn)生用于構(gòu)造彈道試驗樣板的平坦織物，將管狀編織物沿側(cè)部切開，并且將所得平坦織物切割成所期望的尺寸。
[0075]根據(jù)本發(fā)明制備的實例用數(shù)值來指示。對照實例或比較例用字母來指示。
[0076]比較例A:
[0077]從26層由Kevlar KM2 Plus纖維紗線機(jī)織成的本色平織織物制備了 15英寸X 15英寸(38X38cm)正方形彈道試驗樣板，所述紗線具有667分特(600旦尼爾)的線密度。該織物具有如下紗線支數(shù):經(jīng)紗中34經(jīng)線/英寸(13.4經(jīng)線/厘米)、然后是第一多根紗線、以及緯線中34經(jīng)線/英寸(13.4經(jīng)線/厘米)、第二多根紗線。不存在第三多根紗線。該織物是由Lincoln Fabrics, Inc.(Geneva, AL)生產(chǎn)的。該織物具有測量的26.9克/旦尼爾(29.9g/dtex)經(jīng)紗和27.1克/旦尼爾(30.2g/dtex)緯線的抽取紗線韌度、和5.65oz./sq.yd.(192g/m2)的面密度。通過沿經(jīng)向和緯向進(jìn)行切割產(chǎn)生了各個正方形織物層(使經(jīng)紗和緯紗纖維紗線平行于所述正方形的側(cè)邊)。將織物層布置成使得對于該疊堆中的所有織物層，經(jīng)紗和緯紗纖維在相同方向上取向。將這些織物層圍繞樣板的周邊在從邊緣算起的1/2英寸(1.27cm)處縫合在一起。樣板的面密度為5.02kg/sq.m.(1.021bs/sq.ft)。評測了針對44馬格南子彈的防彈性能。所述V50和“背面變形”結(jié)果示出于表I中。
[0078]比較例B
[0079]從32層由Kevlar KM2 Plus纖維紗線機(jī)織成的本色平織織物制備了 15英寸X 15英寸(38X38cm)正方形彈道試驗樣板，所述紗線具有666分特(600旦尼爾)的線密度。該織物具有如下紗線支數(shù):經(jīng)紗中28經(jīng)線/英寸(11.0經(jīng)線/厘米)、第一多根紗線、和緯線中28經(jīng)線/英寸(11.0經(jīng)線/厘米)、第二多根紗線。不存在第三多根紗線。該織物是由Lincoln Fabrics, Inc.(Geneva, AL)生產(chǎn)的。該織物具有測量的(27.7)克/旦尼爾(30.8g/dtex)經(jīng)紗和27.4克/旦尼爾(30.5g/dtex)緯線的抽取紗線韌度、和(4.46) oz./sq.yd.(151g/m2)的面密度。通過沿經(jīng)向和緯向進(jìn)行切割產(chǎn)生了各個正方形織物層(使經(jīng)紗和緯紗纖維紗線平行于所述正方形的側(cè)邊)。將織物層布置成使得對于該疊堆中的所有織物層，經(jīng)紗和緯紗纖維在相同方向上取向。將這些織物層圍繞樣板的周邊在從邊緣算起的1/2英寸(1.27cm)處縫合在一起。樣板的面密度為4.93kg/sq.m.(1.011bs/sq.ft)。評測了針對44馬格南子彈的防彈性能。所述V50和“背面變形”結(jié)果示出于表I中。
[0080]比較例C
[0081]從26層由管狀編織物(由A&P Technology, Inc.生產(chǎn))產(chǎn)生的編織的三軸向織物制備了 15英寸X15英寸(38X38cm)正方形彈道試驗樣板。用來產(chǎn)生所述三軸向織物的紗線為600旦尼爾的Kevlarli KM2 Plus纖維。該編織構(gòu)造由下列組成:61.5度的編織角，用于每個編織紗線的單一 600旦尼爾Kevlar KM2紗線、每個軸向位置中的單一 600旦尼爾Kevlar KM2紗線、和5.59oz./sq.yd.(190g/m2)的基重。為了產(chǎn)生平坦的三軸向編織織物，將4.85"直徑的管狀編織物沿一側(cè)在軸向上切開。從所得平坦織物切出15英寸X 15英寸的層片并堆疊起來，將所有層片在相同方向上取向。將這些織物層圍繞樣板的周邊在從邊緣算起的1/2英寸(1.27cm)處縫合在一起。樣板的面密度為4.94kg/sq.m.(1.0llbs/sq.ft) 0評測了針對44馬格南子彈的防彈性能。所述V50和“背面變形”結(jié)果示出于表I中。
[0082]比較例D
[0083]從19層由管狀編織物(由A&P Technology, Inc.生產(chǎn))產(chǎn)生的編織的三軸向織物制備了 15英寸X15英寸(38X38cm)正方形彈道試驗樣板。用來制造該編織物的紗線為Kevlar? KM2 Plus纖維。第一和第二多根紗線(編織紗線)具有666分特(600旦尼爾)的線密度。第三多根紗線(軸向紗線)具有1998分特(1800旦尼爾)的線密度，是由三根667分特的紗線裝配成的。該織構(gòu)造由(64.5)度的編織角、和(7.72)oz./sq.yd.(262gsm)的基重組成。為了產(chǎn)生平坦的三軸向編織織物，將4.85"直徑的管狀編織物沿一側(cè)在軸向上切開。從該織物切出15英寸X15英寸的層片并堆疊起來，將所有層片在相同方向上取向。將這些織物層圍繞樣板的周邊在從邊緣算起的1/2英寸(1.27cm)處縫合在一起。樣板的面密度為5.02kg/sq.m.(1.021bs/sq.ft)。評測了針對44馬格南子彈的防彈性能。所述V50和“背面變形”結(jié)果示出于表I中。
[0084]實例I
[0085]從22層由管狀編織物(由A&P Technology, Inc.生產(chǎn))產(chǎn)生的編織的三軸向織物制備了 15英寸X 15英寸(38X38cm)正方形彈道試驗樣板。用來制造該編織物的紗線為Kevlar? KM2 Plus纖維。第一和第二多根紗線(編織紗線)均具有666分特(600旦尼爾)的線密度。第三多根紗線(軸向紗線)具有1332分特(1200旦尼爾)的線密度，是由兩根666分特的紗線裝配成的。該編織構(gòu)造由63度的編織角和6.62oz./sq.yd(224gsm)的基重組成。為了產(chǎn)生平坦的三軸向編織織物，將4.85"直徑的管狀編織物沿一側(cè)在軸向上切開。從該織物切出15英寸X 15英寸的層片并堆疊起來，將所有層片在相同方向上取向。將這些織物層圍繞樣板的周邊在從邊緣算起的1/2英寸(1.27cm)處縫合在一起。樣板的面密度為4.97kg/sq.m.(1.011bs/sq.ft)。評測了針對44馬格南子彈的防彈性能。所述V50和“背面變形”結(jié)果示出于表I中。[0086]比較例E
[0087]如比較例A所述，使用27個織物層片制造了試驗樣板。樣板的面密度為5.17kg/sq.m.(1.051bs/sq.ft)。評測了針對17格令重FSP的防彈性能。所述V50結(jié)果示出于表2中。
[0088]比較例F
[0089]如比較例B所述，使用33個織物層片制造了試驗樣板。樣板的面密度為5.17kg/sq.m.(1.051bs/sq.ft)。評測了針對17格令重FSP的防彈性能。所述V50結(jié)果示出于表2中。
[0090]比較例G
[0091]如比較例C所述，使用27個所述三軸向編織織物的層片制造了試驗樣板。樣板的面密度為5.17kg/sq.m.(1.051bs/sq.ft)。評測了針對17格令重FSP的防彈性能。所述V50結(jié)果示出于表2中。
[0092]比較例H [0093]如比較例D所述，使用20個所述三軸向編織織物的層片制造了試驗樣板。樣板的面密度為5.22kg/sq.m.(1.061bs/sq.ft)。評測了針對17格令重FSP的防彈性能。所述V50結(jié)果示出于表2中。
[0094]實例 2
[0095]如實例I所述，使用23個所述三軸向編織織物的層片制造了試驗樣板。樣板的面密度為5.17kg/sq.m.(1.051bs/sq.ft)。評測了針對17格令重FSP的防彈性能。所述V50結(jié)果不出于表2中。
[0096]表1
【權(quán)利要求】
1.三軸向織物，包括: 第一多根紗線，所述第一多根紗線在所述織物的平面內(nèi)彼此平行取向， 第二多根紗線，所述第二多根紗線在所述織物的平面內(nèi)彼此平行取向， 和 第三多根紗線，所述第三多根紗線在所述織物的平面內(nèi)彼此平行取向， 其中 (i)所述第一多根紗線、第二多根紗線和第三多根紗線具有彼此不同的紗線取向， (?)所述第二多根紗線與所述第一多根紗線交織， (iii)所述第三多根紗線不與所述第一多根紗線或第二多根紗線交織， (iv)所述第一多根紗線中的每根紗線以重復(fù)圖案且按頁序從上經(jīng)過所述第二多根紗線中的一根紗線，從上經(jīng)過所述第三多根紗線中的一根紗線，從上經(jīng)過所述第二多根紗線中的一根紗線，并接著從下經(jīng)過所述第二多根紗線中的一根紗線，從下經(jīng)過所述第三多根紗線中的一根紗線，并接著從下經(jīng)過所述第二多根紗線中的一根紗線， (v)所述第二多根紗線中的每根紗線以重復(fù)圖案且按頁序從上經(jīng)過所述第一多根紗線中的一根紗線，從上經(jīng)過所 述第三多根紗線中的一根紗線，從上經(jīng)過所述第一多根紗線中的一根紗線，并接著從下經(jīng)過所述第一多根紗線中的一根紗線，從下經(jīng)過所述第三多根紗線中的一根紗線并從下經(jīng)過所述第一多根紗線中的一根紗線， (vi)所述第二多根紗線中的紗線具有大于或等于所述第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度，并且 (vii)所述第三多根紗線中的紗線具有大于所述第二多根紗線中的紗線的平均線密度且小于三倍的所述第一多根紗線中的紗線的平均線密度的平均線密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的織物，其中所述紗線具有纖維，所述纖維由下列制成:芳族聚酰胺、聚唑、聚烯烴、芳族不飽和聚酯、芳族聚酰亞胺、人造絲、液晶聚合物、聚丙烯腈、聚乙烯醇、陶瓷或它們的共聚物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紗線，其中所述芳族聚酰胺為對位芳族聚酰胺。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紗線，其中所述聚烯烴為超高分子量聚乙烯。
5.防彈或防刺穿制品，包含至少一層權(quán)利要求1所述的織物。
6.防彈制品，其在擊打面處包含至少一種權(quán)利要求1所述的織物。
【文檔編號】A41D31/00GK103797169SQ201280042931
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月7日
【發(fā)明者】R.G.小伊格雷斯 申請人:納幕爾杜邦公司