防彈材料、其制備方法和用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及新型的防彈和防刺穿材料、其制備方法和用途。所述材料特別適用于 防彈背心、戰(zhàn)斗頭盔、個人防彈衣和/或用于保護(hù)輕步兵車輛和乘用車、卡車和移動控制司 令部免受彈道威脅。
【背景技術(shù)】
[0002] 在柔韌的防彈材料和材料組合的領(lǐng)域中的新改進(jìn)正在持續(xù)地嘗試實施以與彈道 技術(shù)的發(fā)展保持聯(lián)系。美國專利No. 3，841，954公開了由多層織物縫合在一起且在熱和壓力 下壓縮而形成的層壓面板或?qū)訅喊?，由此產(chǎn)生了剛性面板用作個人防彈衣中的部件。美國 專利No . 3，509，833公開了安裝在以交叉簾布方式傾斜布置的柔性層壓纖維的襯墊物上的 陶瓷板的柔韌防護(hù)衣。美國專利如.4,522,871和美國專利如.4,781，351提出了含有多層編 織的芳香聚酰胺(polyaramid)纖維的柔韌防護(hù)衣，例如，以商標(biāo)KEVLAR出售的材料。美國專 利No.4,608,717提出了一種柔韌防護(hù)衣，其包括與塞滿羽毛、泡沫或氈材料的中間層組合 的芳香聚酰胺纖維的多個層。這些層被縫制到一起以形成一體的柔韌面板。美國專利No.3， 924,038公開了適于用于飛行員的長頸套裝的多層面板或者作為在戰(zhàn)爭地帶中飛機(jī)或設(shè)備 的臨時覆蓋。面板被設(shè)計成提供保護(hù)免受通過爆炸彈藥拋出的彈片。多層面板包括尼龍布 和氈的內(nèi)墊、中間的蜂窩狀墊片和陶瓷板的外保護(hù)層。蜂窩狀墊片用來將面板固定成不可 彎曲的結(jié)構(gòu)。美國專利No. 5,060,314公開了由柔韌的彈道織物制成的防護(hù)外套，其含有用 于硬防護(hù)衣彈道襯墊的內(nèi)袋。另外的墊肩具有浮式襯墊以提供水中的飄浮。美國專利No.3， 867，239、No. 4，198，707和No. 4，633，756公開了防護(hù)衣面板，其包括已經(jīng)經(jīng)歷多次硬化的工 藝的板，該板布置在織物襯墊物上的多個層中。美國專利No. 7，825，045公開了由浸漬有在 呈現(xiàn)剪切增稠性能的流體（由于剪切應(yīng)力增大導(dǎo)致的粘度增大，非牛頓流體的類型）中的粒 子懸浮物的聚合纖維制成的個人防彈衣。然而，浸漬帶來一定的限制，例如，限制了顆粒尺 寸且與增加粘度的納米顆粒不相容，由此阻止了浸漬。并且，先前的溶液利用通過高速率沖 擊引起的剪切應(yīng)力導(dǎo)致的有序結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建。膨脹性流體是低粘度溶液，最通常在聚乙二醇 中且含有大量的固體顆粒。所述系統(tǒng)的另一變型利用兩類分子的組合，該結(jié)構(gòu)在低剪切速 度的條件下維持柔性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)由于低分子摩擦帶來的自由運動。然而，在高的速度 下，存在所述分子摩擦上的急劇增大，導(dǎo)致膨脹性流變響應(yīng)。
[0003] 迄今已知的防彈材料是高重量和高體積且缺乏柔韌性，由此極大地限制它們的用 途。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種用于防彈的柔韌材料，例如用在個人防彈衣中，所述材料包括：
[0005] -多個致密的彈道纖維(ballistic fiber)層(例如，層壓品、墊子），和
[0006] -在所述彈道纖維層之間插入的至少一個呈現(xiàn)由于剪切應(yīng)力增大引起的粘度增大 的非牛頓(膨脹性)流體(即剪切增稠材料)的中間層，優(yōu)選地該中間層對彈道纖維層具有良 好的粘合性，且可選地含有l(wèi)nm至700nm尺寸的顆粒或反增塑劑，所述中間層直接地位于彈 道纖維層之間、或者插入位于彈道纖維層之間的載體(例如，致密的或穿孔的塑料載體或纖 維載體)上。
[0007] 載體可以為塑料膜，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯，或載體織物，例如由聚酯(PET)、 聚酰胺(PA)、液晶（市售的Zylon)或聚乙烯(UHMWPE)制成。然而，所述載體織物不同于致密 的彈道纖維層。優(yōu)選地，載體織物是納米纖維織物，即，具有尺寸為大約單位至數(shù)百納米的 纖維。
[0008] 致密的彈道纖維層可以由任何類型的彈道織物制成。彈道織物對于本領(lǐng)域人員是 熟知的。該材料的示例是以諸如Dyne ema或Spec tra商標(biāo)市售的超高分子量聚乙稀 (UHMWPE)。還可以利用由聚芳酰胺化合物(市售示例為Kevlar)或液晶纖維(例如，Zylon)制 成的彈道纖維層。
[0009] 因此，本發(fā)明不涉及浸漬的彈道纖維。本發(fā)明涉及通過采用非牛頓流體的中間層 來連接它們，該非牛頓流體的中間層可以是直接施加在纖維層表面上的熱塑性橡膠材料 (由此使層膠合或粘合)的形式，或者其可以放置在載體或穿孔載體上，例如，在填料或穿孔 的填料內(nèi)。因此由于它們通過中間層接合，故將層縫合到一起不是必要的。這使得在正常條 件下的彎曲期間能夠進(jìn)行層的相互運動，由此產(chǎn)生了具有更大柔韌性的防彈材料用于諸如 個人防彈衣的配件中。然而，當(dāng)利用彈道射彈擊打時，材料變得僵硬，其明顯增大了參與導(dǎo) 彈的攔截的致密的彈道纖維層的厚度。中間層優(yōu)選地具有達(dá)〇. 5_的厚度。
[0010] 具有呈現(xiàn)由于剪切應(yīng)力增大引起的粘度增大的非牛頓流體特征的材料是熟知的。 特別合適的非牛頓流體例如為含有變化長度側(cè)鏈的基于丙烯酸單體的低聚物混合物、基于 二苯甲撐二異氰酸酯(MDI)和己二異氰酸酯(HDI)與酯或聚醚醇的聚氨酯、或基于來源于苯 乙烯-丁二烯/多萜/二戊烯大分子單體的氧化纖維素的聚醇。優(yōu)選地，出于該目的，也可以 利用具有小于_40°C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的熱塑性聚氨酯、丁苯橡膠和其他直鏈的和輕微交 聯(lián)的（0至20%)的非晶態(tài)聚合物。所述流體還可以含有納米顆粒，優(yōu)選地硅酸鹽納米顆粒、 纖維素納米顆粒、氧化鋁納米顆粒，其可以采取任何形狀，例如球形、針形、薄片。合適的填 料納米顆粒包括熱解的和膠態(tài)的二氧化硅、P0SS顆粒的變型（多面體倍半硅氧烷）、硅酸鎂 鋰、Al 2〇3顆?；蚓ы殹⒗w維素晶須和納米晶體、Zr02的顆粒、石墨烯、C60、碳納米管或所述顆 粒的混合式組合。優(yōu)選地，還可以使用納米顆粒的分級的亞微簇。此外，反增塑劑可以用來 實現(xiàn)液體中的膨脹行為。反增塑劑是在高剪切應(yīng)力期間降低聚合物鏈段的運動性的分子。 反增塑劑的選擇取決于待使用的流體。合適的反增塑劑包括氯化聯(lián)苯和三聯(lián)苯、聚苯乙烯 乙二醇、松脂酸(abietlic acid)衍生物、氨基和/或羧基終止的低聚酰胺、二甲基膦酸甲 酯、4-羥基乙酰苯胺和1，2_環(huán)氧基-3-苯氧丙烷。為了實現(xiàn)最小的表面密度，顆粒和反增塑 劑可以組合。
[0011]在優(yōu)選的實施方式中，泡沫層被放置于材料的朝內(nèi)的表面上(攔截側(cè)，即，面向所 保護(hù)的對象的一側(cè)，例如，防彈衣的穿戴者的身體）。泡沫層因此將防護(hù)材料與穿戴者的身 體隔開使得由彈體沖擊所引起的任何變形被防護(hù)所保護(hù)對象(例如，人的身體)的泡沫層墊 料吸收。出于該目的，可以利用諸如聚乙烯泡沫或聚氨酯泡沫的材料。
[0012]本發(fā)明還提供了制備防彈材料的方法，其中至少兩個致密的彈道纖維層通過至少 一個呈現(xiàn)由于剪切應(yīng)力增大引起粘度增大的非牛頓流體的中間層被接合，得到的材料能夠 可選地與另外的致密的彈道纖維層連接，以及在優(yōu)選的實施方式中，得到的材料在一側(cè)被 提供有泡沫層。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計的防護(hù)裝置能夠防護(hù)如通過國家司法研究院標(biāo)準(zhǔn)(National Institute of Justice Standard)0101.03所定義的類型ΠΙΑ彈道威脅。類型ΠΙΑ威脅對 應(yīng)于44Magnum射彈，其具有15.5克的質(zhì)量且以450m/s的速度沖擊，或者9毫米、全金屬外殼 包圍的具有8克質(zhì)量和在450m/s的速度下沖擊的子彈。對威脅的防護(hù)要求在射彈運動方向 上目標(biāo)變形不超過44毫米。在V50彈道測試中，本發(fā)明能夠抵擋大于500m/s、通常大于600m/ s的速度，其中美國標(biāo)準(zhǔn)要求最小速度為430m/s。迄今已有的產(chǎn)品通常能夠擊敗以達(dá)600m/s 的速度行進(jìn)的導(dǎo)彈。另外，新的紡織物具有比當(dāng)前產(chǎn)品小20%至25%的表面密度。
[0014] 本發(fā)明特別適用于制造用于軍人、維和部隊或必須防止免受彈道射彈導(dǎo)致的死亡 或受傷的其他個人的防彈衣。
【附圖說明】
[0015] 圖1是用于防彈的柔性材料的層的布置的一個實施方式的示意圖。
[0016] N-彈道側(cè)，Z-攔截側(cè)（向內(nèi)面向所保護(hù)的對象），BV-來自超高分子量聚乙烯的致密 的彈道纖維層，NNK-剪切增稠材料(非牛頓流體)的層，P-與穿戴者接觸的泡沫層。
【具體實施方式】
[0017] 實現(xiàn)本發(fā)明的實施例
[0018] 實施例1:防彈材料的制備。
[0019] 材料 X3M
[0020] 三個以例如商標(biāo)Dyneema或Spectra市售的基于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的致 密彈道纖維的層(此后稱為墊子或?qū)訅浩罚ㄟ^具有球形Si02納米顆粒和它們的簇的基于 苯乙稀-丁二稀/多砲/二戊稀的非牛頓剪切增稠粘合劑被連接(粘合、膠合)到一起。主要納 米顆粒的尺寸范圍為lnm至20nm，簇具有的尺寸達(dá)500nm。該粘合劑形成薄的平坦膜，該膜的 最大厚度為0.