專利名稱：對-聚芳基酰胺防彈紗和結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是用由相對于斷裂具有高抗斷強度和高伸長率的對一聚芳基酰胺紗紡成的織品制成的防彈結構。
1989年7月25日公開的由Droste等人申請的美國4，850，050號專利揭示了由具有低的單一線性密度的長絲的對-聚芳基酰胺紗制成的防彈服。該發(fā)明中所述防彈服的防彈性能與現(xiàn)有的織物相比提高了5%以上。
1989年8月22日公開的由Yang和chiou申請的美國4，859，393號專利揭示了一種生產(chǎn)具有高斷裂伸長率的對-聚芳基酰胺紗的方法。
1975年3月4日公開的3，869，429號美國專利以及1985年12月24日公開的4，560，743號美國專利分別揭示了高質量的對-聚芳基酰胺纖維。然而，這些專利并未揭示有關這些纖維構成的織物的任何已被特別認識到的防彈的應用。
本發(fā)明提供一種應用若干具有非常高的斷裂強度及斷裂伸長率的紗紡成的對-聚芳基酰胺防彈結構。該防彈結構被層壓，包括了許多由所說對-聚芳基酰胺紗制成的織品層。該紗斷裂伸長率大于4%，模量小于600克/登尼爾，并且抗斷強度大于23克/登尼爾。
利用對-聚芳基酰胺纖維制成防護服或其它防彈材料經(jīng)歷了很長的時間。對-聚芳基酰胺纖維在一個重量基準上極端結實，并且具有一個相對高的、良好的防彈保護性能。
人們一直花費巨大的努力研制紗和織物，使其具有改善的防彈性能，因為甚至是極小的改進都會拯救防護服使用者的生命。任何改進均來之不易并具有重大意義。本發(fā)明防彈極限防彈性能通過V50測量，其改進的性能約為5%。
由通常方法，例如美國專利3，869，429描述的方法制成的聚(對-亞苯基、鄰苯二甲酰胺)纖維的紗斷裂強度大于大約每登尼爾21克，模量為每登尼爾400-700克，斷裂伸長率大約為2.8%至4.1%。
對防彈性能而言強度是重要的，然而強度并不是唯一考慮的因素。人們現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于斷裂強度大于大約每登尼爾20克的纖維而言，僅僅提高斷裂強度已不能顯著改善該纖維的防彈性能，同樣，在防彈性能中，模量也不被認為是重要的因素。對于模量大于每登尼爾500克的纖維而言，提高其模量對改善其防彈性能也不顯著。通常試驗的所有的拉伸特性表明，斷裂強度以及相對于斷裂的伸長率的組合是防彈性能中最重要的性能之一，纖維斷裂強度和斷裂伸長率的組合對于起著吸收能量作用的紗的韌性來說有著重要的影響。而對-聚芳基酰胺纖維甚至在每登尼爾23克的中等斷裂強度以及3%的低破裂伸長率的狀況下仍表現(xiàn)出顯著的防彈性能。該沖擊性能隨著韌性的增加表現(xiàn)出相當戲劇性的改善。
本發(fā)明所述的防彈結構由用紗織成的織物制成。該織物制成用于防彈保護的防護服或者其它結構。
所述織物的種類或者所說的紗編織方式對于實現(xiàn)本發(fā)明的效果來說并不重要，這就是說，對于任何織物或者編織方式而言，應用本發(fā)明所述的紗而獲得的防彈性能比起應用由于較低的斷裂強度或者較低的斷裂伸長率而導致較低韌性的類似紗而獲得的防彈性能將有明顯改善。
應用防彈織物的防彈服通常由配置或者縫在一起的若干層織物而形成的一種層狀結構制成的。該層狀結構可包括若干由其它材料制成的附加層，這些材料可以是裝飾織物或者是抗?jié)駨蜕w織物，或者是其它吸收沖擊的材料。所說的層狀結構的形式以及是否具有其它材料制成的附加層對于實現(xiàn)本發(fā)明所述改進的防彈性能并不重要。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，任何防彈結構有效性的改善取決于用具有相對較高的斷裂強度和/或較高的斷裂伸長率的紗取代具有相對較低的斷裂強度和/或較低的斷裂伸長率的紗。
試驗方法防彈極限按照如下所述的MIL-STD-662e進行所說復合材料試樣的防彈試驗一個用于試驗的復合材料試驗品配置于試驗支架上，該復合材料試驗品繃緊并且與試驗彈丸的彈道相垂直。所說的彈丸除非另外指明，均為17格令的碎片模擬彈丸(MIL-P-46593)，并且從一個能夠發(fā)射該彈丸的試驗身管中以不同的速度射出，第一次發(fā)射到每個試驗品的彈丸速度應估計為類似防彈極限V50。當?shù)谝淮伟l(fā)射實施一個完全的試驗品的穿透時，下一次發(fā)射的彈丸速度應小于每秒50呎以便獲得該試驗品的局部穿透。另一方面，當?shù)谝淮伟l(fā)射沒有穿透或者局部穿透時，下一次發(fā)射的彈丸速度大于每秒50呎，以便獲得該試驗品的完全穿透。在獲得一個局部和一個完全的彈丸穿透之后，發(fā)射速度按照每秒50呎依次增加或依次減少。直到完成足夠的發(fā)射次數(shù)，以便測定所述試驗品的防彈極限V50。該防彈極限V50可由5個最高的局部穿透防彈速度值與5個最低的完全穿透防彈速度值的算術平均值來計算。進行該計算的條件是單個的最高和最低防彈速度之差不大于每秒125呎。
拉伸性能斷裂應力與線性密度之比表示韌度，模量由初始應力/應變曲線的斜率表示，經(jīng)換算后單位與韌度相同。伸長率是在斷裂時長度增加的百分數(shù)。韌度和模量兩者首先用克/登尼爾單位計算。當乘以0.8826時，單位為毫牛頓/特(dN/tex)每次報告的測量值是10次破裂的平均值。
紗的拉伸特性在調節(jié)后溫度為24℃，相對濕度為55%，試驗狀態(tài)下至少保護14小時的條件下測量。試驗之前，每根紗搓捻至1.1搓捻倍數(shù)。(例如，標定的1500登尼爾紗大約每英吋搓捻2.1圈)。每根搓捻好的試件具有25.4cm的試驗長度，并且應用一個標準的記錄應力/應變的裝置每分鐘拉伸50%(在原始未伸長長度的基礎上)。
一支紗的搓捻倍數(shù)(TM)由下式限定TM=(tPi)(Denier )1/273=(每吋圈數(shù))(登尼爾)1／273＝(tPc) (dtex)1/230.3=(每厘米圈數(shù))(分特)1／230.3]]>式中tPi＝每英吋圈數(shù)tPc＝每厘米圈數(shù)紗的拉伸特性不同于并且低于單個長絲的拉伸特性。紗的拉伸特性值不能成功地和準確地由絲的拉伸特性值求出。
實施例1聚(對苯二甲酰對-苯二胺)(PPD-T)纖維具有高斷裂強度和高拉伸率，該纖維按美國專利4，340，559描述的，利用TrayG的方式被拉紡。該PPD-T具有6.3dL/g的比濃對數(shù)粘度。為了產(chǎn)生紡絲漿液，PPD-T溶解于100.1%的硫酸中，濃度為19.4重量百分比。
該膠狀物在真空下脫氣，并通過一個具有672個直徑為2.5密耳(0.0635mm)的毛細管的噴絲頭拉紡。拉紡是在膠狀物溫度大約為71℃并直接通過一個長度為0.64cm的氣口，然后進入一個與凝結液體在一起的紡絲管實現(xiàn)的，凝結液體是一種保持在20℃下的重量百分比為8%的硫酸水溶液。該紡絲的拉伸系數(shù)為6.3。該凝結紗往下轉到水洗工序、中和工序、干燥工序(該工序是由一對內部蒸氣加熱的表面溫度為150℃的滾子完成的)，然后在含濕量為12%的重量百分比的狀態(tài)下在線軸上纏繞。水洗和中和工序中紗的張力為每登尼爾0.2-0.4克(gPd)，而在干燥工序為0.05-0.2克/登尼爾。最后的成品紗為1000登尼爾(1111分特)，每長絲登尼爾為1.5(dPf)(每長絲1.67分特)。該紗的斷裂拉伸率為4.3%，模量為450克/登尼爾，斷裂強度為24克/登尼爾。
利用本發(fā)明實施例的紗制成試驗織物，并且利用由E.I du Pont de Nemours & Co市場上出售的商標牌號為Kevlar
29的防護服紗制成對照試驗織物，對照紗的斷裂伸長率為3.4%，模量為605克/登尼爾，斷裂強度為23克/登尼爾，對照紗同時也是1000登尼爾和每長絲1.5登尼爾。上述織物均為平紋織法，基本重量大約244克/米2(7.1盎司/碼2)，結構大約為29×26(W×F/吋)。
上述兩種織物在含有去污劑的水中洗滌并在水中漂清，以便去除處理劑。每種織物13層疊在一起按照MIL-STD-662e的要求進行試驗，該試驗應用MIL-P-46593中規(guī)定的口徑為22的17格令的碎片模擬彈丸，該碎片模擬彈丸防彈試驗結果如表1所示，結果表明本發(fā)明結構的防彈極限V50比對照結構防彈極限增大6.4%。
表1V50(m/s)試驗對照本發(fā)明A477.3499.0B484.0503.8C470.3520.9平均477.2507.9在應用非形變彈丸時獲得了本發(fā)明的效果，但不能擴展到可變形鉛彈，其中的原因尚不完全清楚。在上述織物結構15層疊在一起所實施的試驗中使用9mm，外殼為夾鉛全金屬的124格令NATO彈丸，得到的防彈極限V50大約418米/秒，用本發(fā)明的結構相對于對照組無明顯不同。
實施例2在這個實施例中PPD-T紗是與實施例1相同的方法紡成的，所不同的是噴絲頭具有1000個直徑為2.5密耳(0.0635mm)毛細管，生產(chǎn)1500登尼爾(1667分特)、長絲登尼爾為1.5的紗。該紗的破裂伸長率為4.8%、模量為365克/登尼爾、斷裂強度為23.3克/登尼爾。
然后，利用本實施例的紗制成織物，并且用由E.I du Pont de Nemours & Co.在市場上出售的商標牌號為Kevlar 29的防護服紗制成對照試驗織物。該對照紗的破損伸長率為3.6%，模量為560克/登尼爾、斷裂強度為23克/登尼爾，對照紗同時也是1500登尼爾和每長絲1.5登尼爾。上述織物為平紋織法，基本重量為325克/m2(9.60盎司/碼2)，結構約為24×24(WXF/時)
上述兩種織物在含有去污劑的水中洗滌并在水中漂清以去除處理劑。每種織物10層疊在一起按照MIL-STD-662e的要求進行試驗，該試驗應用MIL-P-46593中規(guī)定的22口徑、17格令的碎片模擬彈丸。防彈試驗結果如表2所示，結果表明本發(fā)明結構的防彈極限V50比對照結構防彈極限增加4.1%。
表2V50(米/秒)試驗對照本發(fā)明A442.3480.4B449.6456.9C450.2460.2平均447.4456.8在上述織物12層疊在一起，試驗中使用9mm、外殼為鉛的全金屬的124格令北大西洋公約組織規(guī)定的彈丸，得到的防彈極限V50為395米/秒，用本發(fā)明的結構與對照結構相比無明顯不同。
實施例3具有高斷裂強度和高伸長率的聚(對苯二甲酰對-苯二胺)(PPD-T)纖維的紡制按美國系列號為07/673，552的專利申請(1991年3月8日)所描述的進行。該聚纖維具有6.3dL/g的比濃對數(shù)粘度。為了生產(chǎn)抽絲膠狀物，聚纖維溶解于100.1%的硫酸中，其濃度為19.4重量百分比。該膠狀物在真空下排氣并通過一個具有若干直徑為2.0密耳(0.051mm)毛細管的多孔噴絲頭抽絲。抽絲是在膠狀物溫度大約71℃并直接通過一個長度為0.64cm的氣口，然后進入一個與凝結液在一起的紡絲管，該凝結液體是一種保持在2℃下的重量百分比為8%的硫酸水溶液。該紡絲的拉伸系數(shù)為4.14。該凝結紗繼續(xù)進入到水洗工序、中和工序、干燥工序(該工序是由一對內部蒸汽加熱的表面溫度為125℃的滾子完成的)，然后在含濕量約為12%重量百分比的狀態(tài)下在線軸上纏繞。水洗和中和工序中紗的張力為每登尼爾0.2-0.3克，在干燥工序中的紗的張力為0.2-0.3克/登尼爾，最后的成品紗為1500登尼爾(1667分特)，每長絲登尼爾為1.5(dpf)(每長絲1.67分特)。該紗的斷裂伸長率為4.2%、模量為510克/登尼爾、斷裂強度為26.2克/登尼爾。
利用本實施例的紗制成試驗織物，并且利用由E.I du Pond de Nemours & Co.在市場上出售的商標牌號為Kevlar 29的防護服紗制成對照試驗織物。對照紗的斷裂伸長率為3.4%模量為605克/登尼爾，斷裂強度為23克/登尼爾，對照紗同時也是1500登尼爾和每長絲1.5登尼爾。兩種織法如下一種為平紋織法，基本重量約為339克/米2(10.0盎司/碼2)，結構約為24×24(W×F/吋);而另一種是2×2籃孔式織紋，其基本重量約為474克/米2(14.0盎司/碼2)，結構為36×35。
上述織物在含有去污劑的水中洗滌在水中漂清，以便去除處理劑。每種籃孔式織紋的織物12層、每種平紋織法的織物17層疊在一起按照MIL-STD-662e的要求進行試驗，該實驗按照MIL-STD-662e應用22口徑、17格令的碎片模擬彈丸。沖擊試驗的結果如表3所示。本發(fā)明的籃孔式織紋的織物結構的防彈極限V50比對照結構防彈極限V50增大7.4%，而本發(fā)明平紋織法的織物結構的防彈極限V50比對照結構防彈極限增大3.0%。
表3V50(米/秒)藍孔式織紋平紋織法試驗對照組本發(fā)明對照組本發(fā)明A532.2558.4559.0-B507.2555.7560.5567.8C520.6562.4555.0581.3平均520.10558.7558.0574.6改進-+7.4%-+3.0%在第二種試驗中應用了本實施例先前使用的相同的紗，該試驗的織物為2×2的籃孔式織紋，基本重量約為494克/米2(14.6盎司/碼2)，結構為35×35。利用相同的方法進行防彈試驗表明，防彈極限V50與對照織物的501.5米/秒相比為539.6米/秒。這樣，本發(fā)明防彈結構的防彈極限V50比對照織物增大7.6%。
實施例4應用實施例2中使用的相同的紗，按照實施例3所述的織法織成試驗織品進行試驗，試驗結果表明，試驗織品的防彈極限V50為548.2米/秒，而對照織品的防彈極限為520.0米/秒，改善了5.4%。
權利要求
1.一種層狀防彈結構，其特征在于包括若干層由對-聚芳基酰胺紗制成的織品，該紗的斷裂伸長率大于4%、模量小于600克/登尼爾、斷裂強度大于23克/登尼爾。
2.根據(jù)權利要求1所述的層狀防彈結構，其特征在于該結構中包括若干由其它材料制成的附加層。
3.根據(jù)權利要求1所述的層狀防彈結構，其特征在于所述的對-聚芳基酰胺是聚(對苯二甲酰對-苯二胺)。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種用對-聚芳基酰胺紗線紡成的層狀防彈結構，該紗具有高斷裂伸長率以及必然改善的防彈性能。
文檔編號D03D15/00GK1072225SQ9210888
公開日1993年5月19日 申請日期1992年6月26日 優(yōu)先權日1991年6月26日
發(fā)明者M·J·邱, H·H·楊 申請人:納幕爾杜邦公司