專利名稱：：形成單取向纖維結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及形成包含單取向纖維的纖維結(jié)構(gòu)的方法，和基于此纖維結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。相關(guān)技術(shù)描述現(xiàn)在已知多種單取向纖維結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括以大致共平面關(guān)系延伸的多根一般對齊的纖維。由高韌度纖維形成的這種結(jié)構(gòu)在防彈、結(jié)構(gòu)和其他應(yīng)用中得到有意義的使用。在一個一般結(jié)構(gòu)中，使多根取向纖維結(jié)構(gòu)形成多層復(fù)合材料，其中相鄰的層相互以一定角度取向。兩個或多個相鄰層可相互層壓，并且使多個此類層壓層形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。取向纖維結(jié)構(gòu)一般用基質(zhì)樹脂涂覆或浸漬，基質(zhì)樹脂可以為熱塑性、熱固性或彈性體物質(zhì)。此類復(fù)合結(jié)構(gòu)已成功用于防彈制品，如防彈背心、結(jié)構(gòu)面板等。合乎需要提供一種具有改善均勻性的單取向纖維結(jié)構(gòu)，這種纖維結(jié)構(gòu)可使防彈或結(jié)構(gòu)性能改善。發(fā)明概述本發(fā)明提供一種形成包含高韌度纖維的單取向纖維結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括(a)提供多根包含多根高韌度纖維的紗，所述紗相互單向布置；(b)將紗用具有約5至約600厘泊粘度的液體涂覆；(c)將張力施加到紗上；(d)使紗通過纖維鋪展裝置；并且(e)使紗干燥；其中在通過纖維鋪展裝置后使紗厚度減小，并使寬度增加，并使形成紗的纖維鋪展開，以便提供相對薄的單取向纖維結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供一種形成包含至少一層單取向高韌度纖維的復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括(a)提供多根包含多根高韌度纖維的紗，所述紗相互單向布置；(b)將紗用具有約5至約600厘泊粘度的液體涂覆；(c)將張力施加到紗上；(d)使紗通過纖維鋪展裝置；(e)使紗干燥；其中在通過纖維鋪展裝置后使紗厚度減小，使寬度增加，并使形成紗的纖維鋪展開，以便提供相對薄的單取向纖維結(jié)構(gòu)；并且(f)使相對薄的纖維結(jié)構(gòu)結(jié)合到另一個纖維結(jié)構(gòu)上。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種形成包含高韌度纖維的單取向紗的方法，所述方法包括(a)提供包含多根高韌度纖維的紗；(b)將紗用具有約5至約600厘泊粘度的液體涂覆；(c)將張力施加到紗上；(d)使紗通過纖維鋪展裝置；并且(e)使紗干燥；其中在通過纖維鋪展裝置后使紗厚度減小，使寬度增加，并使形成紗的纖維鋪展開。本發(fā)明提供一種形成較均勻纖維帶材料的方法，所述材料提供用于預(yù)期應(yīng)用的較均勻復(fù)合制品。已發(fā)現(xiàn)，液體的粘度是纖維在紗中鋪展提高的關(guān)鍵因素。通過使纖維鋪展，單取向纖維結(jié)構(gòu)更薄，因為在紗中有更少的纖維位于其他纖維上。結(jié)果為纖維帶制品的非共平面纖維數(shù)減少，因此提供較薄制品。由于用單向預(yù)浸料制成的很多制品由以不同角度交疊的多層預(yù)浸料制成，制成品的均勻性與單向涂覆或浸漬帶的均勻性相關(guān)。另夕卜，一些制成品可通過在制成的復(fù)合制品內(nèi)更多分層來增強(qiáng)。纖維鋪展越大，層越薄，這將增加給定重量的制成復(fù)合制品內(nèi)的層數(shù)。此因素對為了提高多層復(fù)合結(jié)構(gòu)防彈性能的多種應(yīng)用重要，如防彈應(yīng)用。附圖簡述在參考本發(fā)明以下優(yōu)選實施方案的詳細(xì)說明和附圖后，對本發(fā)明的理解將變得更加充分，其他優(yōu)點也變得顯而易見，其中圖1為制造單取向纖維結(jié)構(gòu)的方法的示意圖；圖2為芳族聚酰胺紗的纖維鋪展-粘度的曲線圖；圖3為高分子量聚乙烯紗的纖維鋪展-粘度的曲線圖；并且圖4為PBO紗的纖維鋪展-粘度的曲線圖。發(fā)明詳述按照本發(fā)明意圖，纖維為其長度尺寸比寬度和厚度的橫向尺寸大得多的伸長體。因此，術(shù)語"纖維"包括具有規(guī)則或不規(guī)則橫截面的單絲、復(fù)絲、帶、條、短纖維和其他形式的切段纖維、切斷纖維或不連續(xù)纖維等。術(shù)語"纖維"包括多種任何前述或其組合。紗為包含4艮多纖維或長絲的連續(xù)股。優(yōu)選本發(fā)明所用的紗無捻，并且不以任何方式纏結(jié)。本發(fā)明所用纖維的橫截面可在很大范圍變化。它們可以為圓、平或橢圓形;f黃截面。它們也可以為具有從纖維的線性軸或縱向軸伸出的一個或多個規(guī)則或不規(guī)則葉片的不規(guī)則或規(guī)則多葉形橫截面。優(yōu)選纖維為實質(zhì)圓形、平或橢圓形橫截面，最優(yōu)選為實質(zhì)圓形。本文所用術(shù)語"高韌度纖維"是指具有等于或大于約7g/d韌度的纖維。優(yōu)選這些纖維具有由ASTMD2256測定至少約150g/d的初始拉伸模量和至少約8J/g的斷裂能。在本文中，術(shù)語"初始拉伸模量"、"拉伸模量"和"模量"是指彈性的模量，對于紗由ASTM2256測定，對于彈性體或基質(zhì)物質(zhì)由ASTMD638測定。高韌度纖維優(yōu)選具有等于或大于約10g/d的韌度，更優(yōu)選等于或大于約16g/d，甚至更優(yōu)選等于或大于約22g/d,最優(yōu)選等于或大于約28g/d。在纖維層中使用的紗可以為任何適合旦數(shù)，例如約50旦至約3000旦，更優(yōu)選約75旦至約2000旦。更優(yōu)選紗的旦數(shù)為約200至約2000,更優(yōu)選約650至約1500旦。最優(yōu)選紗為約650旦至約1500旦。選擇由考慮防彈效果和成本決定。制造較細(xì)紗花費更大，但可每單位重量產(chǎn)生更大防彈效果。構(gòu)成紗的纖維的數(shù)目可在寬范圍變化，并且也取決于所需紗的旦數(shù)。紗可由約30根至約2000根纖維形成，更優(yōu)選約90根至約2000根纖維，最優(yōu)選約120根至約2000根纖維。最優(yōu)選纖維為單絲形式。在本發(fā)明的紗和織物中使用的高強(qiáng)度纖維包括高取向高分子量聚烯烴纖維，特別為高;f莫量聚乙烯纖維和聚丙烯纖維、芳族聚酰胺纖維、聚苯并唑纖維(如聚苯并嗯唑(PBO)和聚苯并噻唑(PBT))、聚乙烯醇纖維、聚丙烯腈纖維、聚酰胺纖維、聚酯纖維、液晶共聚酯纖維、玻璃纖維、^談纖維或玄武巖纖維或其他礦物纖維和剛性棒狀聚合物纖維及其混合物和共混物。在本發(fā)明使用的優(yōu)選高強(qiáng)度纖維包括聚烯烴纖維、芳族聚酰胺纖維和聚苯并唑纖維及其混合物和共混物。最優(yōu)選為高分子量聚乙烯纖維、芳族聚酰胺纖維和聚苯并嗯唑纖維及其混合物和共混物。紗可包含單一類型纖維或兩種或更多種纖維的共混物。另外，形成纖維結(jié)構(gòu)的紗可以為相同或不同類型。美國專利4,457,985—般討論了此類高分子量聚乙烯和聚丙烯纖維，此專利與本文一致的公開內(nèi)容通過引用結(jié)合到本文中。在聚乙烯的情況下，適合的纖維為至少約150,000重均分子量的纖維，優(yōu)選至少約l，OOO，OOO，更優(yōu)選約2,000,000至約5,000，000。此類高分子量聚乙烯纖維可在溶液中紡成(見美國專利4,137,394和美國專利4,356,138),或從溶液紡絲形成凝膠結(jié)構(gòu)(見美國專利4,413,110、GermanOff.No.3，004,699和英國專利20S1667),或者通過軋制(rolling)和拉伸方法制造聚乙烯纖維(見美國專利5,702,657)。本文所用術(shù)語"聚乙烯"是指主要線形聚乙烯物質(zhì)，該物質(zhì)可包含每100個主鏈碳原子不超過約5個改性單元的少量鏈分支或共聚單體，也可包含與其混合的不多于約50%重量的一種或多種聚合物添加劑，如l-烯烴聚合物，尤其是低密度聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯、含單烯烴作為主要單體的共聚物、氧化的聚烯烴、接枝聚烯烴共聚物和聚甲醛，或通常加入的低分子量添加劑，如抗氧化劑、潤滑劑、紫外線掩蔽劑、著色劑等。高韌度聚乙烯纖維(也稱為伸直鏈或高分子量聚乙烯纖維)為優(yōu)選的^i希少圣纖纟,，并由HoneywellInternationalInc.ofMorristown，NewJersey,U.S.A.以商標(biāo)SPECTRA⑧銷售。根據(jù)形成技術(shù)、拉伸比和溫度及其他條件，可給予這些纖維多種性能。聚乙烯纖維的韋刃度為至少約7g/d,優(yōu)選至少約15g/d，更優(yōu)選至少約20g/d，更優(yōu)選至少約25g/d，最優(yōu)選至少約30g/d。類似地，由Instron拉伸試驗機(jī)檢測，纖維的初始拉伸沖莫量優(yōu)選為至少約300g/d，更優(yōu)選至少約500g/d,更優(yōu)選至少約l,000g/d,最優(yōu)選至少約l,200g/d。初始拉伸模量和韌度的這些最高值通?？芍挥萌芤荷L或凝膠紡絲方法獲得。很多長絲具有高于形成它們的聚合物熔點的熔點。因此，例如，約150,000、約1,000,000和約2,000,000分子量的高分子量聚乙烯一般具有138。C的本體熔點。由這些物質(zhì)制成的高取向聚乙烯長絲具有高約7。C至約13。C的熔點。因此，熔點略微增加反映出與本體聚合物相比長絲的結(jié)晶完整和更高的結(jié)晶取向。類似可使用至少約200,000重均分子量的高取向高分子量聚丙烯纖維，優(yōu)選至少約1,000,000,更優(yōu)選至少約2,000,000。通過以上涉及的不同文獻(xiàn)規(guī)定的技術(shù)，尤其通過美國專利4,413,110的技術(shù)，可使這種伸直鏈聚丙烯形成合理充分取向的長絲。由于聚丙烯為比聚乙烯結(jié)晶性小得多的物質(zhì)并且包含懸垂曱基，因此，可用聚丙烯得到的韌度值一般實質(zhì)低于聚乙烯的相應(yīng)值。因此，適合的韋刃度優(yōu)選為至少約8g/d,更優(yōu)選至少約11g/d。對于聚丙烯的初始拉伸模量優(yōu)選為至少約160g/d，更優(yōu)選至少約200g/d。聚丙烯的熔點一般由取向過程升高幾度，使得聚丙烯長絲優(yōu)選具有至少168。C的主熔點，更優(yōu)選至少170°C。上述參數(shù)的特別優(yōu)選范圍可有利地改善最終制品的性能。至少約200,000重均分子量與上述參數(shù)(;漠量和韌度)優(yōu)選范圍結(jié)合的纖維的利用可有利地改善最終制品的性能。在芳族聚酰胺纖維的情況下，由芳族聚酰胺形成的適合纖維描述于美國專利3,671,542,所述專利與本文一致的部分通過引用結(jié)合到本文中。優(yōu)選的芳族聚酰胺纖維具有至少約20g/d的韌度，至少約400g/d的初始拉伸模量，至少約8J/g的斷裂能，特別優(yōu)選的芳族聚酰胺纖維具有至少約20g/d的韌度，和至少約20J/g斷裂能。最優(yōu)選的芳族聚酰胺纖維具有至少約23g/d的韌度，至少約500g/d的模量，和至少約30J/g的斷裂能。例如，具有適度高^f莫量和韌度值的聚(對苯二甲酰對苯二胺)長絲特別用于形成防彈復(fù)合材料。其實例為購自Teijin的1000旦的TwaronT2000。其他實例為具有500g/d和22g/d相應(yīng)初始拉伸才莫量和韌度值的Kevlar29,和400、640和840旦的Kevlar129和KM2(購自duPont)。可在本發(fā)明中使用得自其他制造商的芳族聚酰胺纖維。也可使用聚(對苯二甲酰對苯二胺)的共聚物，如共聚(對苯二甲酰對苯二胺-對苯二曱酰3,4'氧基二苯胺)(co-poly(p-phenyleneterephthalamide3,4'oxydiphenyleneterephthalamide))。在本發(fā)明實施中也可使用由duPont以商品名Nomex⑧銷售的聚(間苯二曱酰間苯二胺)纖維。具有高拉伸模量的高分子量聚乙烯醇(PV-OH)纖維描述于授予Kwon等人的美國專利4,440,711，所述專利與本文一致的部分通過引用結(jié)合到本文中。高分子量PV-OH纖維應(yīng)具有至少約200,000的重均分子量。特別有用的PV-OH纖維的沖莫量應(yīng)為至少約300g/d，韌度優(yōu)選至少約10g/d，更優(yōu)選至少約14g/d,最優(yōu)選至少約17g/d,斷裂能為至少約8J/g。具有此特性的PV-OH纖維可例如通過美國專利4,599,267公開的方法制造。在聚丙烯腈(PAN)的情況下，PAN纖維應(yīng)具有至少約400,000的重均分子量。特別有用的PAN纖維應(yīng)具有優(yōu)選至少約10g/d的切度和至少約8J/g的斷裂能。具有至少約400,000分子量、至少約15至20g/d韌度和至少約8J/g斷裂能的PAN纖維最有用，這些纖維例如^^開于美國專利4,535,027。實施本發(fā)明所用的適合液晶共聚酯纖維例如公開于美國專利3,975,487、4,118,372和4，161,470。實施本發(fā)明所用的適合聚苯并唑纖維例如公開于美國專利5,286,833、5,296,185、5,356,584、5,534,205和6，040,050。聚苯并唑纖維以商品名Zylon⑧纖維由ToyoboCo.購得。剛性棒狀纖維例如公開于美國專利5,674,969、5,939,553、5,945，537和6,040,478。此類纖維可以商品名M5⑧纖維由MagellanSystemsInternational購得。形成單取向纖維結(jié)構(gòu)的總體方法顯示于圖l(a)中。類似方法例如描述于美國專利6,642,159和5,552,208,這些專利與本文一致的公開內(nèi)容通過引用結(jié)合到本文中。如圖1所示，紗102從粗紗架提供并通過精梳站104，以形成單向纖維網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)選用張力裝置103在多根紗102上施加后張力。張力裝置103顯示為粗紗架102的一部分，但可以為精梳站104的一部分，或者另外位于涂覆槽108的上游。將纖維網(wǎng)絡(luò)帶進(jìn)涂覆槽108,在涂覆槽108中用液體涂覆或浸漬，這在以下更明確描述?？衫闷渌扛惭b置，如瀑涂器(waterfallcoater)、噴涂器、輥涂器等。涂覆的纖維網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選通過輥對110，輥110擠出過量液體，并使液體組合物實質(zhì)均勻地在長絲之間鋪展。使涂覆的紗通過纖維鋪展裝置105。鋪展裝置105顯示為一對鋪展棒107,109。應(yīng)了解，可使用附加的鋪展棒，并且可使用其他鋪展裝置。鋪展裝置105也可放在其他位置，例如涂覆槽108的上游。如圖所示，可使紗102在第一鋪展棒107下通過，然后在第二鋪展棒109上通過。然后優(yōu)選在載網(wǎng)106上放置鋪展的纖維網(wǎng)絡(luò)，載網(wǎng)106可以為紙或薄膜基材或支持纖維網(wǎng)絡(luò)并且優(yōu)選可從其釋放的任何其他適合材料。可用壓料輥114控制層厚度。將涂覆的纖維網(wǎng)絡(luò)層干燥，優(yōu)選通過第一加熱烘箱112?；蛘?，涂覆的纖維網(wǎng)絡(luò)可經(jīng)空氣干燥。在烘箱112中，使涂覆的纖維網(wǎng)絡(luò)層("單方向預(yù)浸帶，，)經(jīng)過足夠熱量，以使涂料組合物中的液體從固體揮發(fā)。鋪展棒107,109優(yōu)選為固定棒，但它們可以旋轉(zhuǎn)?？衫闷渌佌寡b置，如以與紗相反方向旋轉(zhuǎn)的輥或以與紗相同方向但與紗不同速度旋轉(zhuǎn)的輥。如果需要，可將表面涂層施加到纖維網(wǎng)絡(luò)的頂部表面上，例如通過在噴霧站116噴涂適合的物質(zhì)。表面涂層不必是連續(xù)的。它可由離散的噴滴形成，優(yōu)選均勻分布到纖維網(wǎng)絡(luò)的表面上。作為噴涂施加的替代，也可通過纖維網(wǎng)絡(luò)在與含所需涂料的儲器接觸的輥(未示出)下運行施加表面涂層，或者可使用其他涂覆裝置。如果施加第二涂層，則使纖維網(wǎng)絡(luò)通過第二加熱烘箱118，以使涂料組合物中的液體揮發(fā)。可用壓料輥120將載網(wǎng)和單方向預(yù)浸帶拉過系統(tǒng)。然盾可使基材和固結(jié)的單方向預(yù)浸帶在輥122上纏繞成連續(xù)的巻，并且壓料輥120或纏繞輥122對單取向的纖維結(jié)構(gòu)提供張力。張力裝置103可以為粗紗架松巻軸上的制動形式，或任何其他適合張力裝置，如盤形張力器、針形張力器、軸制動機(jī)制的電子反饋、松緊調(diào)節(jié)臂張力器等。應(yīng)了解，可使用其他張力裝置。如上指明，在本發(fā)明的方法中，在涂覆紗時對紗施加張力，優(yōu)選在整個過程中施加。所施加張力的量取決于紗中纖維的類型、紗旦數(shù)、韌度、模量、伸長、彈性、每根紗的長絲數(shù)、每根長絲的旦數(shù)、要鋪展的紗的特性和紗整理。一般需要各紗上的總體張力(在最后的鋪展器棒上測量)為約100至約1000克，更優(yōu)選約200至約800克。通過在工藝前端提供張力裝置充當(dāng)后張力，可改變進(jìn)入纖維的張力，這將改變通過鋪展裝置的張力，從而在最后的棒上取得在所需張力范圍內(nèi)的張力。較小纖維損傷、較低設(shè)備成本和增加操作效率需要較低總張力。本發(fā)明使得在整個系統(tǒng)以較小張力取得更大纖維鋪展成為可能。本文所用術(shù)語"涂層"廣義上描述一種纖維網(wǎng)絡(luò)，其中單獨的纖維基質(zhì)組合物層。在前一種情況下，可以說纖維完全包埋在基質(zhì)組合物中。本文所用術(shù)語涂覆和浸漬可互換使用。已發(fā)現(xiàn)，用于涂覆紗的液體的類型可在寬范圍變化。液體可以為熱塑性、熱固性、彈性體物質(zhì)或此類物質(zhì)的混雜或共混樹脂。液體的粘性比液體本身的性質(zhì)更重要。優(yōu)選涂料液體也作為基質(zhì)樹脂用于單向纖維結(jié)構(gòu)，但樹脂基質(zhì)可在第二步驟施加(例如通過涂覆站116)。涂料液體可以為溶液、懸浮液、分散液、乳液或其他物理形式，涂料組合物的固體含量也可有很大變化。涂層可由具有所需性質(zhì)的多種物質(zhì)形成。在一個實施方案中，作為基質(zhì)樹脂的物質(zhì)具有根據(jù)ASTMD638測定小于或等于約6,000psi(41.4MPa)的初始拉伸模量(彈性模量)。更優(yōu)選涂層具有等于或小于約2,400psi(16.5MPa)的初始拉伸模量。最優(yōu)選涂層物質(zhì)具有等于或小于約1,200psi(8.23MPa)的初始拉伸模量。這些樹脂物質(zhì)一般為熱塑性質(zhì)。應(yīng)注意到，所有的拉伸沖莫量對涂料組合物的干燥樣品測定?；蛘撸蛇x擇樹脂基質(zhì)在固化時具有高拉伸模量，如至少約1x106psi(6895MPa)。此類物質(zhì)的實例z〉開于例如前述美國專利6,642,159。以上指出，涂料液體具有約5至約600cps的粘度，更優(yōu)選約10至約300cps,最優(yōu)選約10至約250cps。用作涂料的液體的粘度可以在本領(lǐng)域已知的方式變化。例如，可將粘度改性劑或增稠劑加到涂料組合物。或者，可改變涂料組合物的固體含量，以提供所需粘度范圍。另外，可調(diào)節(jié)涂料組合物的溫度(加熱或冷卻)，以提供所需的粘度。可將多種物質(zhì)用作涂料組合物(優(yōu)選為復(fù)合材料用的樹脂基質(zhì))。例如，可利用任何以下彈性體物質(zhì)聚丁二烯、聚異戊二烯、天然橡膠、乙烯-丙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物、聚硫化物聚合物、聚氨酯彈性體、氯磺化的聚乙烯、聚氯丁二烯、利用苯二曱酸二辛酯或在本領(lǐng)域熟知的其他增塑劑塑化的聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈彈性體、異丁烯-異戊二烯共聚物、聚丙烯酸酯、聚酯、聚醚、含氟彈性體、硅氧烷彈性體、熱塑性彈性體、熱塑性聚氨酯和乙烯的共聚物。熱固性樹脂的實例包括可溶于碳-碳飽和溶劑的那些樹脂，溶劑如甲基-乙基酮、丙酮、乙醇、甲醇、異丙醇、環(huán)己烷、乙基丙酮及其組合。在這些熱固性樹脂中有乙烯基酯、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、苯二甲酸二烯丙酯、苯酚曱醛樹脂、聚乙烯醇縮丁醛及其混合物，如前述美國專利6,642,159所公開。優(yōu)選的熱固性樹脂包括至少一種乙烯基酯、苯二甲酸二烯丙酯和任選的用于使乙烯基酯樹脂固化的催化劑。一組優(yōu)選物質(zhì)為共軛二烯和乙烯基芳族共聚物的嵌段共聚物。丁二烯和異戊二烯是優(yōu)選的共軛二烯彈性體。苯乙烯、乙烯基曱苯和叔丁基苯乙烯也是優(yōu)選的共軛芳族單體?？墒菇Y(jié)合有聚異戊二烯的嵌段共聚物氫化，以制得具有飽和烴彈性體片斷的熱塑性彈性體。聚合物可以為R-(BA)x型簡單三嵌段共聚物(x-3-150)，其中A為來自聚乙烯基芳族單體的嵌段，B為來自共軛二烯彈性體的嵌段。一種優(yōu)選的樹脂基質(zhì)為異戊二烯-苯乙烯-異戊二烯嵌段共聚物，如KratonD1107異戊二烯-苯乙烯-異戊二烯嵌段共聚物，得自KratonPolymerLLC。根據(jù)是否需要"硬"或"軟"型防彈或其他材料，樹脂基質(zhì)可以為熱塑性或熱固性物質(zhì)。優(yōu)選涂料組合物為水基樹脂或溶劑基樹脂?；蛘撸苛辖M合物可以為蠟或加熱提供熱熔體然后涂覆于紗上的其他物質(zhì)。另外，也可將粉末物質(zhì)加熱成熔體，然后涂在紗上。在將涂料組合物施加到紗后，使高強(qiáng)度纖維網(wǎng)絡(luò)固結(jié)成基質(zhì)組合物/纖維組合。"固結(jié)"是指基質(zhì)物質(zhì)和纖維網(wǎng)絡(luò)層結(jié)合成單一整體層。可通過干燥、冷卻、加熱、壓力或其組合進(jìn)行固結(jié)。復(fù)合層中涂料與纖維的比例可根據(jù)最終用途和是否涂料要用作基質(zhì)樹脂有很大變化。樹脂基質(zhì)物質(zhì)優(yōu)選為纖維和樹脂基質(zhì)總重量的約1至約98%重量，更優(yōu)選約5至約95%重量，最優(yōu)選約5至約40%重量。在涂料液體不形成樹脂基質(zhì)但纖維合乎需要鋪展的情況下，可使用其他物質(zhì)。此類涂料液體的實例為水與適合的粘度改性劑或增稠劑，如淀粉、聚丙烯酸、聚乙烯醇和纖維素樹脂等?？墒褂玫钠渌镔|(zhì)為石油、粘性溶劑(如甘油)、低濃度高分子量物質(zhì)的粘性溶液或具有增稠劑(如纖維素物質(zhì))的溶劑等。以上作為實例提供，而不是可在所需粘度范圍內(nèi)使用的物質(zhì)的詳盡清單。如上提到，本發(fā)明的方法提供相對薄的單取向纖維結(jié)構(gòu)。"相對薄"是指所述纖維結(jié)構(gòu)比由未鋪展纖維形成的類似結(jié)構(gòu)薄。優(yōu)選各纖維結(jié)構(gòu)的厚度為單紗直徑到單紗直徑的大約5倍。單取向纖維結(jié)構(gòu)各層的厚度可根據(jù)所需最終用途和最終制品中的層數(shù)選擇。例如，各單取向纖維結(jié)構(gòu)層可具有約0.35至約3密耳(9至76nm)的厚度，更優(yōu)選約0.35密耳至約1.5密耳(9至38pm)。根據(jù)所需最終用途，可用得到的單取向非織造織物在多層結(jié)構(gòu)中作為一層。優(yōu)選使一個或多個另外的單向織物與所述一層固結(jié)成多層結(jié)構(gòu)。例如，可通過兩個一層結(jié)構(gòu)的單元交疊形成兩層復(fù)合材料，或者通過與三個另外的一層結(jié)構(gòu)的單元交疊形成四層復(fù)合材料。由本發(fā)明的纖維結(jié)構(gòu)形成的復(fù)合材料優(yōu)選具有至少兩個高韌度纖維的纖維層。連續(xù)層優(yōu)選相互例如以0790°、0790°/0。/90?；?745°/90°/45°/0°或其他所需角度旋轉(zhuǎn)。使這些層固結(jié)成多層纖維結(jié)構(gòu)。這種旋轉(zhuǎn)的單向排列描述于例如美國專利4,457,985、4,748,064、4,916,000、4,403,012、4，623,574和4,737,402。各相鄰層中的纖維可相同或不同，盡管復(fù)合材料的相鄰層中的纖維優(yōu)選是相同的。如果需要，可使一層與一層或多層不同類型的層結(jié)合成所需的多層結(jié)構(gòu)。這些其他層可由機(jī)織、針織或其他類型的非織造結(jié)構(gòu)(如縮絨織物)形式的高韌度纖維制成。如果纖維層的織物為機(jī)織物形式，則可以為任何組織圖案，包括平紋組織、斜紋組織、緞紋組織、三維機(jī)織物及其任何幾種變型。平紋組織織物優(yōu)選，更優(yōu)選為具有相同經(jīng)紗支數(shù)和綿紗支數(shù)的平紋組織織物。機(jī)織物可用在經(jīng)向和煒向或其他方向具有不同纖維的紗織成。不考慮各纖維結(jié)構(gòu)的物理形式，優(yōu)選各層中至少50%重量的纖維為高韌度纖維，更優(yōu)選至少約75%重量的纖維為高韌度纖維，最優(yōu)選實質(zhì)所有的纖維為高韌度纖維。根據(jù)最終用途，可用一個或多個塑性薄膜與纖維結(jié)構(gòu)組合，以便在幾個復(fù)合材料相互放置時減少復(fù)合材料之間的摩擦。在例如身體護(hù)具(bodyarmor)的應(yīng)用中，這合乎需要地提供穿著更舒適的身體護(hù)具?？衫萌魏芜m用的塑性薄膜，如由聚烯烴制成的薄膜。此類薄膜的實例為線形低密度聚乙烯(LLDPE)薄膜、聚酯薄膜、尼龍薄膜、聚碳酸酯薄膜等。這些薄膜可以為任何合乎需要的厚度。一般厚度為約0.1至約1.2密耳(2.5至30|iim)，更優(yōu)選約0.2至約1密耳(5至25pm)，最優(yōu)選約0.3至約0.5密耳(7.5至12.5pm)。已知多種結(jié)構(gòu)用于在抗沖擊和防彈制品中使用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，這些制品如頭盔、面板和背心。這些復(fù)合材料顯示不同程度的抗高速彈體(如子彈、彈片和碎片等)沖擊穿透性。例如，美國專利6,268，301、6,248,676、6,219,842、5,677,029、5,587,230、5,552,208、5,471,906、5,330,820、5,196,252、5,190,802、5,187,023、5,185,195、5,175,040、5,167,876、5,165,989、5,124,195、5,112,667、5，061，545、5,006,390、4,953,234、4,916,000、4,883,700、4,820,568、4,748,064、4,737,402、4,737,401、4,681,792、4,650,710、4,623,574、4，613,535、4,584,347、4,563,392、4,543,286、4,501,856、4,457,985和4,403,012均描述了防彈復(fù)合材料，這些復(fù)合材料包含由例如高分子量聚乙烯、芳族聚酰胺和聚苯并唑的材料制成的高強(qiáng)度纖維。據(jù)稱這些復(fù)合材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)性質(zhì)和所用的材料為柔韌性或剛性?？蓪⒐探Y(jié)的單方向預(yù)浸帶切成離散的片，并鋪放成用于形成最終用途復(fù)合材料的堆垛，或者可使它們形成組件前體，隨后用組件前體形成最終用途的復(fù)合材料。"最終用途的復(fù)合材料"是指完整的多層復(fù)合材料，可以為本發(fā)明的制品，如頭盔或車輛防護(hù)板。如前提到，最優(yōu)選的復(fù)合材料為其中各層的纖維網(wǎng)絡(luò)單向?qū)R和取向，以便連續(xù)層中的纖維方向為0790。結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。在一個實施方案中，兩個纖維網(wǎng)絡(luò)層以0790。結(jié)構(gòu)交疊，然后模制成組件前體。優(yōu)選通過網(wǎng)絡(luò)之一切段，然后使各段以0790。取向跨另一個網(wǎng)絡(luò)的寬度連續(xù)放置，可使兩個纖維網(wǎng)絡(luò)層連續(xù)交疊。美國專利5,173,138和5,766,725描述了連續(xù)交疊所用裝置。得到的連續(xù)雙層組件然后可纏繞成巻，巻在各層之間具有隔離材料層。在準(zhǔn)備形成最終用途復(fù)合材料時，將巻展開，并將隔離材料剝?nèi)?。為了形成完成型材并使基質(zhì)樹脂固化，然后將雙層組件切成離散的片，以多層堆疊，隨后經(jīng)過熱和壓力。纖維網(wǎng)絡(luò)片莫制暴露的溫度和/或壓力取決于所用高強(qiáng)度纖維的類型。通過在約150至400psi(1,030至2,760kPa)壓力(優(yōu)選約180至250psi(1,240至1,720kPa))和約104。C至約127。C溫度下模制一個兩層組件的疊層，可制造用于防護(hù)板的最終用途復(fù)合材料。通過在約1500至3000psi(10.3至20.6MPa)壓力和約104。C至約127。C溫度下沖莫制一個兩層組件的疊層，可制造用于頭盔的最終用途復(fù)合材料。由本發(fā)明方法形成的單取向纖維結(jié)構(gòu)的特征是，紗變平，并且纖維鋪開到所需的距離。通過使纖維鋪開，纖維有更多的空間呈現(xiàn)更平的結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生較薄的纖維結(jié)構(gòu)。對于一些應(yīng)用，例如防彈應(yīng)用，這很重要，因為有較少的纖維相互堆疊。這使更多的纖維用于防止彈體穿透。較薄的結(jié)構(gòu)也允許用更多的纖維結(jié)構(gòu)層增加防彈保護(hù)而不增加防護(hù)服等的總厚度。為了更完全的理解本發(fā)明，現(xiàn)提出以下非限制實施例。闡明說明本發(fā)明原理的具體技術(shù)、條件、材料、比例和報告數(shù)據(jù)為示例性，而不應(yīng)解釋為對本發(fā)明范圍的限制。實施例實施例1-9使用由高韌度芳族聚酰胺纖維形成的紗。紗具有1000旦數(shù)，并由1000根芳族聚酰胺長絲形成(從Teijin作為Twaron1100dtexf1000Type2000購得)。將紗從線軸送入容納涂料組合物的容器。將6盎司(170克)重量施加到供線軸的軸上。將紗浸入涂料組合物，然后送入鋪展站，鋪展站由1英寸(25.4mm)直徑并且隔開0.29英寸(7.37mm)的兩個不銹鋼平行金屬棒形成。紗首先在第一鋪展器棒下送過，然后在第二鋪展器棒上送過。紗纏繞在涂覆有剝離膜的圓筒絡(luò)紗機(jī)上。紗的寬度在第二鋪展棒測量，張力在鋪展棒之前測量。張力在紗通入涂料容器并向上通過巻繞裝置時保持。用不同涂料組合物和不同粘度進(jìn)行一系列試驗。在某些情況下改變固體，以改變粘度(如在溶劑基樹脂中，如Kratron/環(huán)己烷)，在其他情況下用添加劑增加粘度，而用水減小水基樹脂的粘度。對各組合物和液體粘度檢測在棒上的纖維鋪展。在實施例1中(比較性)，不使用液體，纖維在空氣中鋪展。在實施例2和3中(比較性)，液體分別為水和環(huán)己烷。在實施例4中(比較性)，液體為水與0.1至1.0。/。重量的流變改性劑(Acryso膝)。在實施例5中，使用環(huán)己烷中不同濃度的KratronD1107苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物，這產(chǎn)生不同的粘度。在實施例6中，液體為聚氨酯樹脂(Sancure⑧12929)本身和與0.1至0.4%重量Acrysol。在實施例7中，液體為水基苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯樹脂(PrinlinB7137AL)與不同量的Acrysol⑧改性劑。在實施例8中，液體為聚氨酯樹脂(Disperco11⑧U53)與不同量的Acrysol⑧改性劑。在實施例9中使用不同SAE等級的石油。結(jié)果顯示于以下表1中，表1匯總液體樹脂的固體百分比和相應(yīng)粘度。結(jié)果也以圖形描繪于圖2中。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>表l(續(xù))<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>注a=改性劑為AcrysolRM-8W氧化乙烯氨基曱酸酯流變改性劑，購自RohmandHaas。b=購自KratonPolymers的KratonD1107苯乙烯國異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物，在環(huán)己烷中的重量百分比。c=購自Noveon的Sancure12929水基聚氨酯+AcrysolRM-8W。d=PrinlinB7137AL(Kraton⑧Dl107苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯樹脂的水基分散體(21%固體))+AcrysolRM-8W。e=PrinlinB7137AL(KratonD1107苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯樹脂的水基分散體(35%固體》+AcrysolRM-8W。f=購自Bayer的DispercollU53水基聚氨酯(28%固體)十AcrysolRM-8W。g=購自Bayer的DispercollU53水基聚氨酯(45°/。固體)+Acrysol脂-8W。添加劑百分比基于液體中樹脂的固體含量。SAE=美國汽車工程師學(xué)會圖2中的圖例如下八=空氣，B"K,C二環(huán)己烷，0=水與Acrysol,E=Kraton，F(xiàn)=Sancure與Acrysol，G=Prinlin與Acrysol,H=DispercollU53與Acrysol,1=石油?？梢园l(fā)現(xiàn)，用具有本發(fā)明范圍粘度的液體處理芳族聚酰胺纖維取得顯著的纖維鋪展。與空氣、水和不具有本發(fā)明粘度的其他液體比專交，用具有本發(fā)明特性的液體處理芳族聚酰胺纖維促進(jìn)纖維鋪展。實施例10-15用購自HoneywellInternationalInc的高韌度聚乙烯紗(1300旦，由240根Spectra1000纖維絲形成)重復(fù)實施例1-9。結(jié)果顯示于以下表2中，并以圖形描繪于圖3中。<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>a=購自Bayer的DispercollU53水基聚氨酯(28%固體)+Acryso頓RM-8W。b=購自KratonPolymers的KratonD1107苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物，在環(huán)己烷中的重量百分比。c=PrinlinB7137AL(Kmton⑧Dl107苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯樹脂的水基分散體(21%固體))+AcrysolRM-8W。d=PrinlinB7137AL(Kraton⑧Dl107苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯樹脂的水基分散體(35%固體》+AcrysolRM-8W。添加劑百分比基于液體中樹脂的固體含量。圖3中的圖例如下A二空氣，B"K，C^不己烷,D:U53與Acrysol,E=Kraton，F(xiàn)=Prinlin與Acrysol?？蓮囊陨蠈嵤├吹?，雖然高韌度聚乙烯紗在空氣中鋪展最佳，但如果利用液體介質(zhì)，則使用約5至約600厘泊范圍的粘度有益。在液體中處理紗尤其在用液體作為介質(zhì)對高韌度聚乙烯紗提供基質(zhì)樹脂時合乎需要。實施例16-18用作為ZylonASAl110T購自ToyoboCo的PBO紗(1000旦紗，1110dtex)重復(fù)實施例1-9。結(jié)果顯示于以下表3中，并以圖形描繪于圖4中。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>圖4中的圖例如下A二空氣，8=水，0=石油?？梢园l(fā)現(xiàn)，用具有本發(fā)明范圍粘度的液體處理PBO纖維取得顯著的纖維鋪展。與空氣和水比較，用本發(fā)明的液體處理PBO纖維促進(jìn)纖維鋪展?？梢园l(fā)現(xiàn)，本發(fā)明通過首先用一定粘度范圍的涂料組合物涂覆提供促進(jìn)高韌度纖維鋪展的方法。已意外地發(fā)現(xiàn)，在用此粘度范圍的液體涂覆紗時，纖維鋪展得到促進(jìn)。這允許用鋪展的紗制造較薄的單取向纖維結(jié)構(gòu)。因此，在防彈應(yīng)用中例如提高彈體與纖維的相互作用，從而增加由數(shù)個單向?qū)又瞥傻淖罱K制品的防彈能力。通過提供較薄層，可對于相同重量提供更多層，并且制成的制品有更好的防彈性能。另外，用本文公開的液體涂覆紗允許纖維在較低的總張力鋪展，從而減少纖維斷裂并增加操作效率。雖然已相當(dāng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但應(yīng)了解，這些細(xì)節(jié)不必嚴(yán)格拘泥，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可想到其他的變化和修改，這些變化和修改均落在附加權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。權(quán)利要求1.一種形成包含高韌度纖維的單取向纖維結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括(a)提供多根包含多根高韌度纖維的紗，所述紗相互單向布置；(b)將紗用具有約5至約600厘泊粘度的液體涂覆；(c)將張力施加到紗上；(d)使紗通過纖維鋪展裝置；并且(e)使紗干燥；其中在通過纖維鋪展裝置后使紗厚度減小，使寬度增加，并使形成紗的纖維鋪展開，以便提供相對薄的單取向纖維結(jié)構(gòu)。2.權(quán)利要求1的方法，所述方法進(jìn)一步包括在紗干燥后巻繞紗的步驟3.權(quán)利要求l的方法，其中高韌度纖維選自高分子量聚烯烴、芳族聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚苯并唑、聚酰胺、聚酯、液晶聚酯、玻璃、碳、玄武巖、礦物纖維和剛性棒狀纖維及其共混物。4.權(quán)利要求l的方法，其中高韌度纖維包括芳族聚酰胺纖維。5.權(quán)利要求1的方法，其中高韌度纖維選自高分子量聚乙烯纖維、芳族聚酰胺纖維、聚苯并唑纖維及其共混物。6.權(quán)利要求l的方法，其中高韌度纖維具有至少約28克/旦的韌度。7.權(quán)利要求1的方法，所述方法包括在步驟(b)至(e)期間對紗施加后張力的步驟。8.權(quán)利要求l的方法，其中粘度為約10至約300厘泊。9.權(quán)利要求1的方法，其中液體包含水基樹脂、溶劑基樹脂或熱熔物質(zhì)。10.權(quán)利要求l的方法，其中液體包含聚氨酯樹脂。11.權(quán)利要求l的方法，其中液體包含粘度改性劑。12.權(quán)利要求1的方法，其中張力為約100至約1000克。13.權(quán)利要求1的方法，其中液體包含固體，所述固體形成用于單取向纖維結(jié)構(gòu)中的纖維的基質(zhì)樹脂。14.權(quán)利要求1的方法，所述方法進(jìn)一步包括使至少兩個單取向纖維結(jié)構(gòu)層交疊的步驟。15.權(quán)利要求1的方法，其中纖維鋪展裝置包括多個纖維鋪展棒。16.—種單取向纖維結(jié)構(gòu)，所述單取向纖維結(jié)構(gòu)通過權(quán)利要求1的方法形成。17.—種護(hù)具，所述護(hù)具包含多個通過權(quán)利要求1的方法形成的單取向纖維結(jié)構(gòu)。18.—種形成復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)的方法，所述復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)包含至少一層單取向高韌度纖維，所述方法包括(a)提供多根包含多根高韌度纖維的紗，所述紗相互單向布置；(b)將紗用具有約5至約600厘泊粘度的液體涂覆；(c)將張力施加到紗上；(d)使紗通過纖維鋪展裝置；(e)使紗干燥；其中在通過纖維鋪展裝置后使紗厚度減小，使寬度增加，并使形成紗的纖維鋪展開，以便提供相對薄的單取向纖維結(jié)構(gòu)；并且(f)使相對薄的纖維結(jié)構(gòu)結(jié)合到另一個纖維結(jié)構(gòu)上。19.一種形成包含高韌度纖維的單取向紗的方法，所述方法包括O)提供包含多根高韌度纖維的紗；(b)將紗用具有約5至約600厘泊粘度的液體涂覆；(c)將張力施加到紗上；(d)使紗通過纖維鋪展裝置；并且(e)使紗干燥；其中在通過纖維鋪展裝置后使紗厚度減小，使寬度增加，并使形成紗的纖維鋪展開。20.權(quán)利要求19的方法，其中纖維選自高分子量聚乙烯纖維、芳族聚酰胺纖維和聚苯并唑纖維及其共混物。全文摘要由高韌度纖維形成的單取向纖維結(jié)構(gòu)的形成方法。本發(fā)明提供多根高韌度纖維的紗，所述紗為單取向。紗用具有約5至約600厘泊粘度的液體涂覆，并將張力施加到紗上。使紗通過纖維鋪展裝置，并使紗干燥。在通過纖維鋪展裝置后使紗厚度減小，使寬度增加，并使形成紗的纖維鋪展開，從而提供相對薄的單取向纖維結(jié)構(gòu)。文檔編號B32B5/26GK101589185SQ200780049992公開日2009年11月25日申請日期2007年11月15日優(yōu)先權(quán)日2006年11月16日發(fā)明者A·巴特納加,B·D·阿維森,H·G·阿迪夫,L·L·沃納,R·克萊因申請人:霍尼韋爾國際公司