防弾性能を低減させない外傷の低減

著者らは特許

F41H1/02 - 装甲した衣服または防弾または対投射物用衣服;合成防御衣服
F41H1/08 - プラスチック製;プラスチック製頭部たて
F41H5/04 - 2層以上の構成

の所有者の特許 JP2016517500:

ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド

 

背面変形と弾道貫通の両方に対して耐性の防弾性複合材料の物品である。複数の複合材料は、各隣接する複合材料中の繊維が異なる角度で配向されるように互いに付着される。各複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、ここで衝突面複合材料の面密度は、全体的な多層複合材料の物品の総面密度の半分より大きい。
【選択図】なし

 

 

この技術は、改善された背面変形耐性、加えて優れた耐弾道貫通性を有する防弾性複合材料の物品に関する。
防弾ベスト、ヘルメット、車両パネルおよび軍用器具の構造部材などの防弾性物品は、典型的には、高強度繊維を含む複合装甲で製造される。複合装甲の制作に慣習的に使用される高強度繊維としては、ポリエチレン繊維、アラミド繊維、例えばポリ(フェニレンジアミンテレフタルアミド)、グラファイト繊維、ナイロン繊維、ガラス繊維および同種のものが挙げられる。いくつかの用途のために、上記繊維は、織布または編布に形成される。他の適用のために、上記繊維は、高分子バインダー材料でコーティングされ、不織布に形成される。
ヘルメット、パネルおよびベストなどの硬質または軟質装甲物品の形成に有用な様々な防弾性の構造が公知である。例えば、全て参照により本明細書に組み入れられる、米国特許第4,403,012号、4,457,985号、4,613,535号、4,623,574号、4,650,710号、4,737,402号、4,748,064号、5,552,208号、5,587,230号、6,642,159号、6,841,492号、6,846,758号は、伸び切り鎖超高分子量ポリエチレンなどの材料で製造された高強度繊維を包含する防弾性複合材料を説明している。これらの複合材料は、様々な程度の弾丸、破裂弾、榴散弾弾子および同種のものなどの高速発射体に対する防弾性を示す。
複合装甲の抗弾道性能の2つの主要な尺度は、耐弾道貫通性および鈍的外傷(「外傷」)耐性である。耐弾道貫通性の共通の特性指摘はV50速度でなされ、これは、発射体が50%の割合の装甲を完全に貫通して、50%の割合の装甲によって完全に停止すると予測される、実験的に得られ統計学的に計算された衝撃速度である。等しい面密度(すなわち複合装甲の重量を表面積で割った値)の複合材料の場合、V50が高ければ高いほど、より優れた複合材料の耐貫通性を有する。
高速発射体が装甲を貫通するかどうかにかかわらず、発射体が装甲とぶつかったときに、その衝撃によっても防護服は衝撃を受けた領域で凹み、重大な非貫通性の鈍的外傷による傷害を引き起こす可能性もある。弾丸の衝撃による防護服の凹み深さの尺度は、背面衝撃痕(backface signature)(「BFS」)として公知であり、これはまた背面変形または外傷衝撃痕(trauma signature)としても当業界公知である。もしかすると結果生じた鈍的外傷による傷害は、個体にとって、弾丸が装甲を完全に貫通して体内に侵入したかのような致命傷になる可能性もある。これはヘルメット装甲の場合に特に重大であり、その場合、止められた弾丸によって生じた一時的な突起がさらにヘルメット真下の頭蓋骨の面に当たり、衰弱性または致死性の脳損傷を引き起こす。したがって当業界では、優れたV50防弾性能に加えて低い背面衝撃痕の両方を有する防弾性複合材料が求められている。
繊維状の複合装甲のV50防弾性能は、複合材料の構成繊維の強度に直接関連することが知られている。テナシティや引張弾性率などの繊維の強度特性における増加は、V50速度の増加と互いに関係があることが公知である。しかしながら、それに対応する繊維の強度特性増加に伴う背面衝撃痕低減における改善は、同様に認識されていない。背面変形低減への取り組みは、典型的には、高いV50の布複合材料と、エネルギー吸収性裏打ち材料、例えば、衝撃エネルギーを使用者に伝えるのではなく吸収するエネルギー緩和性の発泡体またはハニカム材料とを組み合わせることによってなされてきた。しかしながら、このような裏打ち材料は、典型的には過剰な嵩張りおよび/または重量を装甲物品に追加するため、防護服用途での使用にあまり適切ではない。
米国特許第4,403,012号 米国特許第4,457,985号 米国特許第4,613,535号 米国特許第4,623,574号 米国特許第4,650,710号 米国特許第4,737,402号 米国特許第4,748,064号 米国特許第5,552,208号 米国特許第5,587,230号 米国特許第6,642,159号 米国特許第6,841,492号 米国特許第6,846,758号
これらの問題を考慮して、当業界において現在、優れた耐弾道貫通性に加えて低い背面衝撃痕性能の両方を有する改善された装甲の解決策の必要性がある。本発明は、この必要性に対する解決策を提供する。
複数の不織布の繊維状プライを含む第一の複合材料であって、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第一の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第一の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向されている、複合材料と;
第一の複合材料に付着させた第二の複合材料であって、第二の複合材料は、複数の不織布の繊維状プライを含み、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第二の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第二の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向される、複合材料と
を含む防弾性材料であって、
ここで第一の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向は、第二の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向と異なっており;
ここで第一の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第二の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第一の複合材料の面密度は、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の50%より大きい、上記防弾性材料が提供される。
また、以下のような防弾性材料も提供される:
複数の不織布の繊維状プライを含む第一の複合材料であって、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、高分子バインダーで実質的にコーティングされている複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第一の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第一の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向される、複合材料と;
第一の複合材料に付着させた第二の複合材料であって、第二の複合材料は、複数の不織布の繊維状プライを含み、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、高分子バインダーで実質的にコーティングされている複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第二の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第二の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向されている、複合材料と;
第二の複合材料に付着された第三の複合材料であって、第三の複合材料は、複数の不織布の繊維状プライを含み、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、高分子バインダーで実質的にコーティングされている複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第三の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第三の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向されている、複合材料と
を含む防弾性材料であって、
ここで第一の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向は、第二の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向と異なっており;ここで第一の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向は、第三の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向と同じかまたは異なっており;
ここで第一の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第二の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第三の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し;ここで第一の複合材料の面密度は、第一の複合材料、第二の複合材料および第三の複合材料の全体の合計面密度の50%より大きい。
さらに、以下のような防弾性材料が提供される:
複数の織物繊維状層を含む第一の複合材料であって、前記複数の繊維状層は、統合されており;繊維状層のそれぞれは、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有する複数の繊維を含む、複合材料と;
第一の複合材料に付着させた第二の複合材料であって、第二の複合材料は、複数の織物繊維状層を含み、前記複数の繊維状層は、統合されており;繊維状層のそれぞれは、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有する複数の繊維を含む、複合材料と
を含む防弾性材料であって、
ここで各複合材料の各繊維は、縦の繊維方向を有し、第一の複合材料の各層中の繊維の縦の繊維方向は、第二の複合材料の各層中の繊維の縦の繊維方向と異なっており;
ここで第一の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第二の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第一の複合材料の面密度は、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の50%より大きい。
本発明は、2種またはそれより多くの繊維状複合材料を包含し、各複合材料が複数の高強度繊維と任意選択で高分子バインダー材料とを含む物品を提供する。多層複合材料物品は、優れた耐弾道貫通性を有し、背面衝撃痕の程度を低減することにおいて特に有効である。
優れた耐弾道貫通性を有する物品とは、弾丸などの変形可能な発射体による貫通に対して、さらに榴散弾弾子などの断片の貫通に対して防御する優れた特性を示すものである。低い背面衝撃痕を示す物品とは、鈍的外傷による傷害を回避または最小化する物品である。背面衝撃痕は、発射体の衝撃による、裏打ち材料または使用者本体に対する軟質または硬質装甲のいずれかの凹み深さの尺度である。BFSは、当業界においては「背面変形」、「外傷衝撃痕」または「鈍力外傷」(本明細書において同義的に使用される用語)としても公知であるが、装甲真下の体が受け得る鈍的外傷を示す。軟質装甲のBFSを測定するための標準的な方法は、NIJ規格0101.04、タイプIIIAによって概説されており、これは、片面が開いた箱型の固定物中に保持した変形可能な粘土の裏打ち材料に対する貫通しない発射体の衝撃によって生じる、複合材料の物理的変形の伝達方法を確認するものである。NIJ規格に従って、試験される装甲を粘土の裏打ちの前面に直接固定し、標準化した発射体の発射条件の結果生じる粘土のあらゆる変形を確認して、測定する。BFSを測定するために他の方法を使用してもよいが、軍事使用を意図した軟質装甲複合材料を評価するためには、現時点においてNIJ規格が慣習的に使用されている。
「高強度繊維」繊維は、本明細書で使用される場合、それぞれASTM D2256により測定した場合、少なくとも約7g/デニールまたはそれより高い好ましいテナシティ、少なくとも約150g/デニールまたはそれより高い好ましい引張弾性率、および好ましくは少なくとも約8J/gまたはそれより高い破断エネルギーを有する繊維である。本明細書で使用される場合、用語「デニール」は、繊維/ヤーンの9000メートルあたりの質量(グラム)に等しい線密度の単位である。繊維の「テナシティ」は、応力がかけられていない試料の線密度単位(デニール)あたりの力(グラム)として示される引張応力を指す。繊維の「初期弾性率」は、その変形抵抗を代表する材料の特性である。「引張弾性率」は、元の繊維の長さの割合として示される歪み(インチ/インチ)の変化に対する、グラム重量/デニール(g/d)で示されるテナシティにおける変化の比率を指す。
本発明の目的に関して、「繊維」は、細長本体であり、その長さ寸法は、幅および厚さの横断寸法よりかなり大きい。本発明で使用するための繊維の断面は、広く変更することができ、円形、扁平形または長方形の断面であってもよい。また断面は、フィラメントの線形または縦方向の軸から突き出た1つまたはそれより多くの規則的または不規則な葉状物を有する、不規則または規則的な多葉形の断面を有していてもよい。したがって用語「繊維」は、規則的または不規則な断面を有するフィラメント、リボン、ストリップおよび同種のものを包含する。繊維は、実質的に円形の断面を有することが好ましい。用語「ヤーン」は、本明細書で使用される場合、複数の繊維からなる1本のストランドと定義される。単一の繊維は、たった1本のフィラメントから形成されてもよいし、または複数のフィラメントから形成されてもよい。たった1本のフィラメントから形成された繊維は、本明細書では「シングルフィラメント」繊維または「モノフィラメント」繊維のどちらかと称され、複数のフィラメントから形成された繊維は、本明細書では「マルチフィラメント」繊維と称される。
「繊維層」は、本明細書で使用される場合、一方向に配向された繊維の単一プライ、一方向に配向された繊維の複数の統合されたプライ、織布、編布、複数の統合された織布または複数の統合された編布を含み得る。「層」は、全体的に平らな配置を表する。各繊維層は、外側の上面と外側の底面の両方を有する。一方向に配向された繊維の「単一プライ」は、一方向の実質的に平行な配列で並べられた繊維の配置を含む。このタイプの繊維配置は、「ユニテープ(unitape)」、「一方向性テープ」、「UD」または「UDT」としても当業界公知である。「配列」は、本明細書で使用される場合、織布および編布を除いた繊維またはヤーンの規則正しい配置を表し、「平行な配列」は、繊維またはヤーンの規則正しいサイドバイサイド型の同一平面の平行な配置を表する。「配向した繊維」という文脈で使用されるような用語「配向した」は、繊維の伸長方向ではなく繊維の配置される方向を指す。用語「布」は、プライの統合/成形がなされた、またはなされていない1つまたはそれより多くの繊維プライを包含し得る構造を表する。一方向性繊維から形成された不織布は、典型的には、実質的に同じ大きさを有する様式で互いにスタックされ、統合された複数の不織繊維プライを含む。「単層」構造は、本明細書において使用される場合、統合または成形技術によって合体された1つまたはそれより多くの個々のプライまたは個々の層で構成されるあらゆる一体式の繊維状構造を指す。用語「複合材料」は、任意選択で、ただし好ましくは高分子バインダー材料を用いて組み合わされた繊維を指す。
特に好適な高強度、高い引張弾性率の繊維としては、高密度および低密度ポリエチレンなどのポリオレフィン繊維が挙げられる。特に好ましくは、伸び切り鎖ポリオレフィン繊維、例えば高配向の高分子量ポリエチレン繊維、特に超高分子量ポリエチレン繊維、およびポリプロピレン繊維、特に超高分子量ポリプロピレン繊維である。また、アラミド繊維、特にパラアラミド繊維、ポリアミド繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、ポリエチレンナフタレート繊維、伸び切り鎖ポリビニルアルコール繊維、伸び切り鎖ポリアクリロニトリル繊維、ポリベンゾオキサゾール(PBO)繊維、ポリベンゾチアゾール(PBT)繊維、液晶コポリエステル繊維、剛直性棒状繊維(rigid rod fiber)、例えばM5(登録商標)繊維、ならびに電気グレードのガラス繊維(Eガラス;優れた電気特性を有する低アルカリのホウケイ酸ガラス)、構造グレードのガラス繊維(Sガラス;高強度のマグネシア−アルミナ−ケイ酸)および抵抗性グレードのガラス繊維(Rガラス;酸化マグネシウムまたは酸化カルシウム非含有の高強度のアルミノケイ酸ガラス)を包含するガラス繊維も好適である。これらの繊維のタイプはそれぞれ、慣習的に当業界において公知である。また、コポリマー、ブロックポリマーおよび上記材料のブレンドである高分子繊維を生産することも好適である。
最も好ましい繊維のタイプとしては、ポリエチレン繊維(特に伸び切り鎖ポリエチレン繊維)、アラミド繊維、PBO繊維、液晶コポリエステル繊維、ポリプロピレン繊維(特に高配向の伸び切り鎖ポリプロピレン繊維)、ポリビニルアルコール繊維、ポリアクリロニトリル繊維、ガラス繊維および剛直性棒状繊維、特にM5(登録商標)剛直性棒状繊維が挙げられる。特に最も好ましいものは、ポリエチレン繊維およびアラミド繊維である。
ポリエチレンのケースにおいて、好ましい繊維は、少なくとも300,000、好ましくは少なくとも100万、より好ましくは200万〜500万の分子量を有する伸び切り鎖ポリエチレンである。このような伸び切り鎖ポリエチレン(ECPE)繊維は、例えば参照により本明細書に組み入れられる米国特許第4,137,394号または4,356,138号で説明されているような溶液紡糸プロセスで成長させてもよいし、または溶液から紡糸して、例えば全て参照により本明細書に組み入れられる、米国特許第4,413,110号;4,536,536号;4,551,296号;4,663,101号;5,006,390号;5,032,338号;5,578,374号;5,736,244号;5,741,451号;5,958,582号;5,972,498号;6,448,359号;6,746,975号;6,969,553号;7,078,099号;7,344,668および米国特許出願公開公報第2007/0231572号で説明されているようなゲル構造を形成してもよい。特に好ましい繊維のタイプは、ハネウェル・インターナショナル社(Honeywell International Inc.)からスペクトラ(SPECTRA)(登録商標)という商標で販売されているポリエチレン繊維のいずれかである。スペクトラ(登録商標)繊維は当業界周知である。また他の有用なポリエチレン繊維のタイプも挙げられ、例えばオランダ、ヘールレンのロイヤルDSM N.V.社(Royal DSM N.V. Corporation)から市販されているDYNEEMA(登録商標)UHMWPEヤーンである。
好ましいアラミド(芳香族ポリアミド)またはパラアラミド繊維が周知であり、市販されており、例えば米国特許第3,671,542号で説明されている。例えば、有用なアラミドフィラメントは、デュポン(DuPont)によりケブラー(KEVLAR)(登録商標)という商標で商業的に生産されている。また、デラウェア州ウィルミントンのデュポンによりノーメックス(NOMEX)(登録商標)という商標で商業的に生産されたポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)繊維、およびドイツのテイジン・アラミド社(Teijin Aramid Gmbh)によりトワロン(TWARON)(登録商標)という商標で商業的に生産された繊維;韓国のコーロン・インダストリーズ社(Kolon Industries, Inc.)によりヘラクロン(HERACRON)(登録商標)という商標で商業的に生産されたアラミド繊維;p−アラミド繊維のSVM(商標)、およびロシアのカメンスク・ボロクノJSC(Kamensk Volokno JSC)により商業的に生産されたRUSAR(商標)、およびロシアのJSCキム・ボロクノ(JSC Chim Volokno)により商業的に生産されたARMOS(商標)p−アラミド繊維も、本発明の実施において有用である。
本発明の実施のために好適なPBO繊維は、市販されており、例えば、米国特許第5,286,833号、5,296,185号、5,356,584号、5,534,205号および6,040,050号で開示されており、これらはそれぞれ、参照により本明細書に組み入れられる。本発明の実施のために好適な液晶コポリエステル繊維は、市販されており、例えば、それぞれが参照により本明細書に組み入れられる、米国特許第3,975,487号;4,118,372号および4,161,470号で開示されており、例えば、日本、東京の株式会社クラレ(Kuraray Co., Ltd.)から市販されているベクトラン(VECTRAN)(登録商標)液晶コポリエステル繊維が挙げられる。好適なポリプロピレン繊維としては、参照により本明細書に組み入れられる米国特許第4,413,110号で説明されているような高配向の伸び切り鎖ポリプロピレン(ECPP)繊維が挙げられる。好適なポリビニルアルコール(PV−OH)繊維は、例えば、米国特許第4,440,711号および4,599,267号で説明されており、これらは参照により本明細書に組み入れられる。好適なポリアクリロニトリル(PAN)繊維は、例えば、米国特許第4,535,027号で開示されており、これは、参照により本明細書に組み入れられる。これらの繊維のタイプはそれぞれ、慣習的に公知であり、広く市販されている。
M5(登録商標)繊維は、ピリドビスイミダゾール−2,6−ジイル(2,5−ジヒドロキシ−p−フェニレン)から形成され、ごく最近ではバージニア州リッチモンドのマゼラン・システムズ・インターナショナル(Magellan Systems International)によって製造されており、例えば米国特許第5,674,969号、5,939,553号、5,945,537号、および6,040,478号で説明されており、これらはそれぞれ、参照により本明細書に組み入れられる。用語「剛直性棒状」繊維は、このようなピリドビスイミダゾールベースの繊維のタイプに限定されず、多くのPBOおよびアラミド繊維の改変型が剛直性棒状繊維としばしば称される。
ガラス繊維ベースの複合材料は、好ましくは、熱硬化性または熱可塑性高分子樹脂、例えば熱硬化性エポキシまたはフェノール樹脂で含浸させたSガラス繊維を含む。このような材料は当業界周知であり、市販されている。好ましい例としては、これらに限定されないが、サウスカロライナ州エーケンのAGYから市販されているS2−ガラス(S2-Glass)(登録商標)複合材料;およびベルギー、バティスの3Bファイバーガラス(3B Fibreglass)から市販されているハイパーテックス(HiPerTex)(商標)Eガラス繊維から形成された複合材料が挙げられる。また、Rガラス繊維を含む複合材料も好適であり、例えばフランス、クールブヴォワのサンゴバン(Saint-Gobain)からヴェトロテックス(VETROTEX)(登録商標)という商標で市販されているものである。また、全て市販されている上記の全ての材料の組合せも好適である。
上述したように、高強度繊維は、それぞれASTM D2256により測定した場合、約7g/デニールまたはそれより高い好ましいテナシティ、約150g/デニールまたはそれより高い好ましい引張弾性率、および約8J/gまたはそれより高い好ましい破断エネルギーを有する繊維である。好ましい繊維は、好ましくは約15g/デニールまたはそれより高い、より好ましくは約20g/デニールまたはそれより高い、さらにより好ましくは約25g/デニールまたはそれより高い、さらにより好ましくは約30g/デニールまたはそれより高い、さらにより好ましくは約40g/デニールまたはそれより高い、さらにより好ましくは約45g/デニールまたはそれより高い、最も好ましくは約50g/デニールまたはそれより高いテナシティを有する。好ましい繊維は、好ましくは約300g/デニールまたはそれより高い、より好ましくは約400g/デニールまたはそれより高い、より好ましくは約500g/デニールまたはそれより高い、より好ましくは約1,000g/デニールまたはそれより高い、最も好ましくは約1,500g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有する。また好ましい繊維は、好ましくは約15J/gまたはそれより高い、より好ましくは約25J/gまたはそれより高い、より好ましくは約30J/gまたはそれより高い破断エネルギーも有し、最も好ましくは約40J/gまたはそれより高い破断エネルギーを有する。これらの組み合わされた高い強度特性を有する好ましい繊維タイプのそれぞれを形成する方法は、慣習的に当業界において公知である。
繊維は、あらゆる好適なデニールを有していてもよい。例えば、繊維は、約50〜約5000デニール、より好ましくは約200〜5000デニール、さらにより好ましくは約650〜約3000デニール、最も好ましくは約800〜約1500デニールのデニールを有していてもよい。その選択は、防弾効力とコストの考察により決まる。それより細い繊維は、製造と製織によりコストがかかるが、単位重量あたりより大きな防弾効力をもたらすことができる。
本発明の各複合材料を形成する繊維は、好ましくは、ただし必ずではないが、高分子バインダー材料で少なくとも部分的にコーティングされている。高分子バインダー材料はまた、当業界では、一般的に、高分子「マトリックス」材料とも称される。これらの用語は、慣習的に当業界において公知であり、本来備わっている接着性の特徴によって、または周知の熱および/または圧力条件に晒された後のいずれかで繊維を一緒に結合させる材料を表する。「高分子」バインダーまたはマトリックス材料は、本明細書で使用される場合、樹脂およびゴムを包含する。高分子バインダー/マトリックス材料は、存在する場合、個々の繊維を部分的または実質的にのいずれかでコーティングし、好ましくは繊維プライまたは繊維層を形成する個々のフィラメント/繊維のそれぞれを実質的にコーティングする。
好適な高分子バインダー材料としては、低引張弾性率のエラストマー材料と高引張弾性率の硬質材料の両方が挙げられる。引張弾性率という用語は、本明細書全体で使用される場合、高分子バインダー材料ではASTM D638によって測定される弾性係数を意味する。低または高弾性率のバインダーは、様々な高分子材料および非高分子材料を含んでいてもよい。本発明の目的に関して、低弾性率エラストマー材料は、ASTM D638試験法に従って約6,000psi(41.4MPa)またはそれ未満の測定された引張弾性率を有する。低弾性率のポリマーは、好ましくは約4,000psi(27.6MPa)またはそれ未満、より好ましくは約2400psi(16.5MPa)またはそれ未満、さらにより好ましくは1200psi(8.23MPa)またはそれ未満の引張弾性率を有するエラストマーであり、最も好ましくは約500psi(3.45MPa)またはそれ未満である。低弾性率エラストマー材料のガラス転移温度(Tg)は、好ましくは約0℃未満、より好ましくは約−40℃未満、最も好ましくは約−50℃未満である。また低弾性率エラストマー材料は、好ましくは少なくとも約50%、より好ましくは少なくとも約100%、最も好ましくは少なくとも約300%の破断点伸びも有する。
多種多様の材料および調合物が、低弾性率の高分子バインダーとして利用することができる。代表的な例としては、ポリブタジエン、ポリイソプレン、天然ゴム、エチレン−プロピレンコポリマー、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー、ポリスルフィドポリマー、ポリウレタンエラストマー、クロロスルホン化ポリエチレン、ポリクロロプレン、可塑化ポリ塩化ビニル、ブタジエンアクリロニトリルエラストマー、ポリ(イソブチレン−co−イソプレン)、ポリアクリレート、ポリエステル、ポリエーテル、フルオロエラストマー、シリコーンエラストマー、エチレン、ポリアミドのコポリマー(一部の繊維タイプに有用)、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート、およびそれらの組合せ、加えて繊維の融点未満で硬化し得る他の低弾性率ポリマーおよびコポリマーが挙げられる。また、様々なエラストマー材料のブレンド、またはエラストマー材料と1種もしくはそれより多くの熱可塑性物質とのブレンドも有用である。
特に有用なものは、共役ジエンとビニル芳香族単量体とのブロックコポリマーである。ブタジエンおよびイソプレンは、好ましい共役ジエンエラストマーである。スチレン、ビニルトルエンおよびt−ブチルスチレンは、好ましい共役芳香族単量体である。ポリイソプレンを取り込んだブロックコポリマーを水素化して、飽和炭化水素エラストマーセグメントを有する熱可塑性エラストマーを生産してもよい。このようなポリマーは、A−B−A型の単純なトリブロックコポリマー、(AB)(n=2〜10)型のマルチブロックコポリマー、またはR−(BA)(x=3〜150)型の放射状配置を有するコポリマーであってもよく、ここで式中Aは、ポリビニル芳香族単量体からのブロックであり、Bは、共役ジエンエラストマーからのブロックである。これらのポリマーの多くが、テキサス州ヒューストンのクレイトン・ポリマーズ(Kraton Polymers)により商業的に生産されており、会報「Kraton Thermoplastic Rubber」、SC−68−81で説明されている。また、プリンリン(PRINLIN)(登録商標)という商標で販売されており、ドイツ、デュッセルドルフが本拠地のヘンケル・テクノロジーズ(Henkel Technologies)から市販されているスチレン−イソプレン−スチレン(SIS)ブロックコポリマーの樹脂分散液も有用である。防弾性複合材料で採用される従来の低弾性率の高分子バインダーポリマーとしては、クレイトン・ポリマーズによって商業的に生産され、クレイトン(登録商標)という商標で販売されているポリスチレン−ポリイソプレン−ポリスチレン−ブロックコポリマーが挙げられる。
柔軟な装甲材料の形成には低弾性率の高分子バインダー材料が好ましいが、硬質装甲物品の形成には高弾性率の高分子バインダー材料が好ましい。高弾性率、硬質材料は、一般的に6,000psiより大きい初期引張弾性率を有する。有用な高弾性率の硬質高分子バインダー材料としては、ポリウレタン(エーテルベースとエステルベースの両方)、エポキシ、ポリアクリレート、フェノール樹脂/ポリビニルブチラール(PVB)ポリマー、ビニルエステルポリマー、スチレン−ブタジエンブロックコポリマー、加えてポリマーの混合物、例えばビニルエステルおよびフタル酸ジアリル、またはフェノールホルムアルデヒドおよびポリビニルブチラールが挙げられる。特に有用な硬質高分子バインダー材料は、メチルエチルケトンなどの炭素−炭素飽和溶媒に可溶であり、硬化させると、ASTM D638によって測定した場合に少なくとも約1×10psi(6895MPa)の高い引張弾性率を有する熱硬化性ポリマーである。特に有用な硬質高分子バインダー材料は、米国特許第6,642,159号で説明されているものであり、その開示は、参照により本明細書に組み入れられる。
複合材料がバインダーを包含する場合、複合材料を構成するバインダーの総重量は、繊維の重量とバインダーの重量との合計の、好ましくは約2%〜約50%、より好ましくは約5%〜約30%、より好ましくは約7%〜約20%、最も好ましくは約11%〜約16%を構成する。織布/編布にとってはそれより低いバインダー含量が適切であり、その場合、典型的には、繊維の重量とバインダーの重量の合計の0%より大きく10%未満の高分子バインダー含量が最も好ましいが、これは、厳密な限定としての意図はない。時には、例えば、フェノール/PVB含浸アラミド織布が、約20%〜約30%のより高い樹脂含量を用いて製造されるが、典型的には、上記含量は約12%が好ましい。低弾性率素材または高弾性率材料かどうかにかかわらず、高分子バインダーはまた、当業界で周知のように、カーボンブラックまたはシリカなどの充填剤を包含していてもよいし、油展されていてもよいし、または硫黄、過酸化物、金属酸化物または放射線硬化系で加硫されていてもよい。
繊維に高分子バインダー材料を適用することによって繊維のプライ/層をバインダーで含浸するための方法は周知であり、当業者によって容易に決定される。用語「含浸」は、本明細書では、高分子コーティングが「埋め込まれた」、高分子コーティングで「コーティングされた」、またはそれとは別に、バインダー材料が単にプライ/層の表面ではなくプライ/層の繊維に拡散するように高分子コーティングが適用されたことと同義語であるとみなされる。高分子バインダー材料を適用するためにあらゆる適切な適用方法を利用することができ、「コーティングされた」などの用語を特に使用したところで、フィラメント/繊維上に高分子バインダー材料が適用される方法を限定することは意図しない。有用な方法としては、例えば、ポリマーまたはポリマー溶液を繊維上に噴霧、押出し、またはロールコーティングすることが挙げられ、加えて繊維を溶融したポリマーまたはポリマー溶液に通過させることが挙げられる。最も好ましくは、個々の繊維のそれぞれを実質的にコーティングするかまたはカプセル化して、全てのまたは実質的に全ての繊維表面を高分子バインダー材料で覆う方法である。
本発明の複合材料は、織布、不織布または編布を含んでいてもよい。織布は、あらゆる布の織り方、例えば平織、千鳥綾織、バスケット織、繻子織、綾織、三次元織布、およびこれら数種の変形形態のいずれかを使用した当業界周知の技術を使用して形成することができる。繊維を直交する0°/90°の向きで一緒に織る平織が最も一般的であり、好ましい。より好ましくは、縦糸数と横糸数とが等しい平織物である。一実施態様において、織布の単一の層は、縦糸方向と横糸方向の両方において好ましくは1インチあたり約15〜約55個の繊維/ヤーンの端部(1cmあたり約5.9〜約21.6個の端部)、より好ましくは1インチあたり約17〜約45個の端部(1cmあたり約6.7〜約17.7個の端部)を有する。織布を形成する繊維/ヤーンは、好ましくは約375〜約1300のデニールを有する。その結果、織布は、好ましくは約5〜約19オンス/平方ヤード(約169.5〜約644.1g/m)、より好ましくは約5〜約11オンス/平方ヤード(約169.5〜約373.0g/m)の重さを有する。このような織布の例は、サウスカロライナ州アンダーソンのJPSコンポジット・マテリアルズ(JPS Composite Materials)または他の商業的な織布業者より入手可能な、ハネウェル・インターナショナル社製のスペクトラ(登録商標)繊維を用いて製造されるスペクトラ(登録商標)ファブリックスタイル902、903、904、952、955および960と称されるものがある。他の典型的な織布としては、バスケット織で形成された布、例えばスペクトラ(登録商標)ファブリックスタイル912が挙げられる。アラミドベースの織布の例は、デュポンより入手可能なケブラー(登録商標)ファブリックスタイル704、705、706、708、710、713、720、745および755と称されるもの、ならびにコーロン・インダストリーズ社から市販されているトワロン(登録商標)ファブリックスタイル5704、5716および5931である。
編布構造は、互いにかみ合うループで構成される構造体であり、その4つの主要なタイプは、トリコット、ラッシェル、ネットおよび配向構造である。最初の3つのカテゴリーの編物は、ループ構造の性質のために、繊維の強度の利点が十分に活用されないため好適ではない。しかしながら、配向した編物構造は、細いデニールの編み目でその場に保持された、直線状の挿入ヤーン(inlaid yarn)を使用する。このようなヤーンは、ヤーンへの交錯作用のために織布中で見出される捲縮作用を起こすことなく、確実に直線状である。これらの挿入ヤーンは、加工の要件に応じて一軸、二軸または多軸方向で配向されていてもよい。耐荷重性ヤーンの挿入に使用される特別な編物装置は、ヤーンに穴を開けないような装置であることが好ましい。
必須ではないが、複数の織布/編布層を合わせたり、または本発明の他の織布/編布または不織布複合材料と合わせたりすることを容易にするために、織布または編布の繊維は、場合により高分子バインダーでコーティングされていてもよい。典型的には、布の織りまたは編みは、任意選択の高分子バインダーで繊維をコーティングする前に行われ、その場合、布を、その後にバインダーで含浸させる。その代わりに、複数の織布は、3D製織方法を使用して相互連結されてもよく、例えば、縦糸と横糸とを水平および垂直両方で織布のスタックに織り込むことによって相互連結されてもよい。また複数の織布は、他の手段、例えば布間に介在する接着剤フィルムを介した接着剤による付着、z方向で布を一緒に縫い合わせること/ニードルパンチすることによる機械的な付着、またはそれらの組合せによって互いに付着させてもよい。また、このような3D製織方法が採用される場合、織布を高分子バインダー材料でコーティングもしくは含浸させること、または織布層間に介在する接着剤フィルムを適用することも任意選択である。複数の編布を合わせるのに類似の技術を採用してもよい。
本発明の織物複合材料は、最も好ましくは、複数の個々の織布層を高分子バインダーで含浸/コーティングすること、続いて複数の含浸させた布を、実質的に同じ大きさを有する様式で互いにスタックすること、次いで低圧での統合または高圧での成形によってスタックを合わせて単層の構造にすることによって形成される。このような織物複合材料は、典型的には約2〜約100のこれらの織布層、より好ましくは約2〜約85層、および最も好ましくは約2〜約65の織布層を包含する。ここでも、複数の編布を合わせることに類似の技術および選択が適用される。
本発明の不織布複合材料は、当業界における従来の方法によって形成されてもよい。例えば、不織布を形成する好ましい方法では、複数の繊維を少なくとも1つの配列に並べるが、典型的には、実質的に平行な一方向の配列に並べられた複数の繊維を含む繊維ウェブとして並べらる。典型的なプロセスにおいて、繊維の束をクリールから供給して、ガイドおよび1つまたはそれより多くのスプレッダーバーを介してコリメーティングコームに導入する。典型的には、その後に、繊維を高分子バインダー材料でコーティングする。典型的な繊維の束は、約30〜約2000本の個々の繊維を有する。スプレッダーバーおよびコリメーティングコームによって束になった繊維を分散させて拡げ、それらを同一平面の様式でのサイドバイサイド型に再編成する。繊維が理想的に拡げられると、個々のフィラメントまたは個々の繊維が単一の繊維面中で互いに隣り合って配置されて、繊維が互いにオーバーラップすることのない実質的に一方向の平行な繊維配列が形成される。織布と類似して、織布の単一のプライは、好ましくは、1インチあたり約15〜約55個の繊維/ヤーンの端部(1cmあたり約5.9〜約21.6個の端部)、より好ましくは1インチあたり約17〜約45個の端部(1cmあたり約6.7〜約17.7個の端部)を有する。2プライの0°/90°不織布は、両方向で1インチあたり同じ数の繊維/ヤーンの端部を有する。また不織布プライを形成する繊維/ヤーンも、好ましくは約375〜約1300のデニールを有する。
次に、繊維がコーティングされている場合、典型的には、コーティングを乾燥させ、続いてコーティングされた繊維を望ましい長さおよび幅を有する単一プライに形成する。熱またはあらゆる他の公知の方法で繊維を一緒に接合させることによって、コーティングされていない繊維を接着剤フィルムと一緒に結合させて、単一プライを形成してもよい。次いで数枚のこれらの不織布の単一プライを、互いに重ね合わせて同じ大きさを有する様式でスタックして、一緒に統合する。
不織布層は、最も典型的には1〜約6枚のプライを包含するが、様々な適用にとって望ましい場合があるため、約10〜約20枚もの多くのプライを包含していてもよい。プライの数が多くなればなるほど、より大きい防弾性につながるが、重量も重くなる。不織布複合材料は、典型的には約2〜約100枚のこれらの布層、より好ましくは約2〜約85層、最も好ましくは約2〜約65枚の不織布層を包含する。第一の複合材料、第二の複合材料およびあらゆる追加の複合材料それぞれの層の数は異なっていてもよいし、または同じであってもよく、ここでこれらの層はあらゆる好適な厚さを有する。
慣習的に当業界において公知であるように、各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維が、各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向されるように、同じ大きさで互いにスタックされる個々の繊維プライをクロスプライする場合に、優れた防弾性が達成される。最も好ましくは、繊維プライは、0°および90°の角度で直角にクロスプライされているが、隣接するプライが、別のプライの縦の繊維方向に対して約0°〜約90°の実質的にあらゆる角度で並べられていてもよい。例えば、5プライの不織布構造を0°/45°/90°/45°/0°で、または他の角度で配向させたプライを有していてもよい。このような回転させた一方向のアライメントは、例えば、米国特許第4,457,985号;4,748,064号;4,916,000号;4,403,012号;4,623,574号;および4,737,402号で説明されており、これらは全て、本明細書と矛盾しない程度に参照により本明細書に組み入れられる。典型的には、隣接するプライ中の繊維は、互いに45°〜90°、好ましくは60°〜90°、より好ましくは80°〜90°、最も好ましくは約90°の角度で配向され、その場合、1つおきの層中の繊維の角度は、好ましくは実質的に同じである。
本明細書における好ましい実施態様において、好ましくは、第一の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維が、前記第一の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して90°または約90°の角度で配向され、第二の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第二の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して90°または約90°の角度で配向される。本発明の追加の各複合材料が個々に同じ配置であることが好ましい。
上述した0°/90°構造は、複合材料のそれぞれ個々の製造にとって好ましいが、複数の複合材料を含む本発明の多層複合材料の防弾性材料において、1つの複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向は、隣接する各複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向とは異なる角度で配置される。具体的に言えば、第一の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向は、第二の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向と異なっており、第一の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向は、第三の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向と同じかまたは異なっている。隣接する複合材料に対する各複合材料の繊維の向きを変更することにより、剛性が付加されて、それが順に耐弾道貫通性の有効性を低減させずに外傷を低減させる。実施例で強調されるように、第一の複合材料、第二の複合材料および任意選択の第三の複合材料(加えてあらゆる追加の複合材料)のそれぞれが、それぞれの複合材料内に下位層のグループを包含していてもよく、その場合、構成要素の繊維プライの縦の繊維方向は、互いに対して数種の異なる角度であってもよい。このタイプの実施態様は、例えば、1つまたはそれより多くのアラミドベースの複合材料と1つまたはそれより多くのポリエチレンベースの複合材料とを単一の物品に組み合わせたハイブリッド物品において特に重要である。
この縦方向の繊維の向きの差は、実質的には約0°〜約90°(または測定方法に応じて90°〜180°)のあらゆる角度であってもよい。本発明の好ましい2つの複合材料の実施態様において、第一の複合材料および第二の複合材料は、第一の複合材料の外側のプライが第二の複合材料の外側のプライに付着されるように互いに付着され、ここで第一の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向が、第二の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向に対して22.5°または112.5°の角度で配向される。別の実施態様において、第一の複合材料および第二の複合材料は、第一の複合材料の外側のプライが第二の複合材料の外側のプライに付着されるように互いに付着され、ここで第一の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向が、第二の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向に対して45.0°または135.0°の角度で配向される。さらにその他の実施態様において、第一の複合材料および第二の複合材料は、第一の複合材料の外側のプライが第二の複合材料の外側のプライに付着されるように互いに付着され、ここで第一の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向が、第二の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向に対して67.5°または157.5°の角度で配向される。前記外側のプライ中の縦方向の繊維の向きは、好ましくは、同じ複合材料内の1つおきの繊維プライのそれぞれ(すなわち偶数のプライ毎または奇数のプライ毎)における縦方向の繊維の向きと実質的に同じである。
本発明の第一の複合材料、第二の複合材料およびあらゆる追加の複合材料のそれぞれは個々に、他の複合材料の1つまたはそれより多くと互いに化学的に同じであってもよいし、または化学的に異なっていてもよい。一実施態様において、第一の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーはどちらも、第二の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーと化学的に同じである。例えば、各複合材料は、ポリウレタンバインダーでコーティングされた伸び切り鎖ポリエチレン繊維を含んでいてもよい。別の実施態様において、第一の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーはいずれも、第二の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーと化学的に異なる。例えば、第一の複合材料は、ポリウレタンバインダーでコーティングされた伸び切り鎖ポリエチレン繊維を含んでいてもよく、一方で第二の複合材料は、ポリウレタンバインダーでコーティングされたアラミド繊維を含む。
好ましい3つの複合材料(第一/第二/第三)の物品の実施態様において、第一の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーはいずれも、第二の複合材料および第三の複合材料のそれぞれを形成する繊維および高分子バインダーと化学的に同じである。別の好ましい3つの複合材料(第一/第二/第三)の物品の実施態様において、第一の複合材料および第三の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーはいずれも、化学的に同じであるが、第二の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーと異なっている。さらに別の3つの複合材料(第一/第二/第三)の物品の実施態様において、各複合材料は、異なる繊維および異なる高分子バインダー材料から形成される。
他の実施態様において、各複合材料の繊維は互いに同じであってもよいが、高分子バインダーは異なっていてもよい。例えば、第一および第二の複合材料はそれぞれ伸び切り鎖ポリエチレン繊維を含んでいてもよく、ここで第一の複合材料(好ましくは防弾性材料の衝突面として配置される)は、高弾性率の高分子バインダー材料を取り入れており、第二の複合材料(第一の複合材料の後ろに配置される)は、低弾性率の高分子バインダー材料を取り入れている。好ましい一実施態様において、第一の複合材料は、第二の複合材料の曲げ弾性率より少なくとも約15%高い、またはより好ましくは第二の複合材料の曲げ弾性率より25%高い曲げ弾性率を有する。
複合材料は個々に、好ましくは、防弾性材料中の他の複合材料のそれぞれと同じタイプの布構造(例えば、織布、編布または不織布)を有する。その代わりに、異なるタイプの布の組合せが存在して、ハイブリッド構造が形成されていてもよい。好ましい一実施態様において、各複合材料中の繊維の層は、全て不織布である。別の好ましい実施態様において、各複合材料中の繊維の層は全て、全て一方向に配向された繊維を含む不織布である。別の好ましい実施態様において、各複合材料中の繊維の層は全て、全て一方向に配向された繊維を含む不織布である。さらに別の実施態様において、第一の複合材料中の繊維の層は全て、全て一方向に配向された繊維を含む不織布であり、第二の複合材料中の繊維の層は全て、織布である。さらにその他の実施態様において、第一の複合材料中の繊維の層は全て、織布であり、第二の複合材料中の繊維の層は全て、全て一方向に配向された繊維を含む不織布である。3つの複合材料(第一/第二/第三)の物品において、第一および第三の複合材料は、好ましくは同じ構造体であるが、中央の第二の複合材料は構造が異なっていてもよい。
さらに他の好ましい実施態様において、いくつかの複合材料は、他の複合材料より多くの量の高分子バインダーを含んでいてもよく、またはいくつかの複合材料は高分子バインダーを含んでいてもよく、一方で他の複合材料は高分子バインダーを含まない(すなわちマトリックス非含有である)。特に好ましい2つの複合材料の物品の実施態様の1つにおいて、第二の複合材料は、第一の複合材料より多くの高分子バインダー含量を有する。この実施態様は、第二の複合材料の剛性を高め、それゆえに外傷を低減する。
また繊維層のタイプおよび数は、複合材料の面密度にも影響を与え、各複合材料を形成する層の数は、望ましい防弾性物品の最終用途に応じて様々である。例えば、軍事用途のための防弾ベストでは、1.0lb/ft(psf)(4.88kg/m(ksm))の面密度を達成する物品を形成するために、個々の2プライ(例えば0°/90°)層が合計で22枚必要な場合があり、または本明細書で説明される高強度繊維から22枚の織布または編布を形成する場合もある。軍事使用のための最低限レベルの防護服の防弾性は、当業界において周知のように、国立司法研究所(National Institute of Justice;NIJ)の脅威レベルによって類別されている。
本発明の各複合材料は、少なくとも100g/mの面密度を有し、好ましくは少なくとも200g/mの面密度を有し、より好ましくは少なくとも976g/mの面密度を有する。最も好ましくは、第一の複合材料、第二の複合材料および各追加の複合材料のそれぞれは、少なくとも4000g/m(4.0ksm)(約0.82psf)の面密度を有する。好ましい実施態様において、第一の複合材料、第二の複合材料およびあらゆる追加の複合材料の合計は、約0.2psf(0.976ksm)〜約8.0psf(39.04ksm)、より好ましくは約0.3psf(1.464ksm)〜約6.0psf(29.28ksm)、さらにより好ましくは約0.5psf(2.44ksm)〜約5.0psf(24.4ksm)、さらにより好ましくは約0.5psf(2.44ksm)〜約3.5psf(17.08ksm)、さらにより好ましくは約1.0psf(4.88ksm)〜約3.0psf(14.64ksm)、さらにより好ましくは約1.5psf(7.32ksm)〜約3.0psf(14.64ksm)の全体の合計面密度を有する防弾性材料をもたらす。本発明の最も好ましい実施態様において、第一の複合材料、第二の複合材料およびあらゆる追加の複合材料の合計は、1.62psf(7.9056ksm)またはそれより大きい、より好ましくは1.63psf(7.9544ksm)またはそれより大きい、さらにより好ましくは1.64psf(8.0032ksm)またはそれより大きい、最も好ましくは1.65psf(8.052ksm)またはそれより大きい全体の合計面密度を有する防弾性材料をもたらす。
使用時には、第一の複合材料は、好ましくは、防弾性材料前面の「衝突面」、すなわち発射体の脅威が最初に当たる複合材料として配置される。他の実施態様において、第二の複合材料、第三の複合材料、または追加の複合材料のいずれかが衝突面複合材料として配置されてもよいが、第一の複合材料が衝突面複合材料であることが最も好ましい。最大の背面衝撃痕耐性性能のためには、第一の複合材料が衝突面複合材料として配置される場合、この第一の複合材料は、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の50%より大きい面密度を有する。防弾性材料が2つより多くの複合材料を含む場合、第一の複合材料の面密度は、全ての組み合わされた複合材料の全体の合計面密度の50%より大きい。一実施態様において、第一の複合材料の面密度は、全ての組み合わされた複合材料の全体の合計面密度の約60%より大きい。別の実施態様において、第一の複合材料の面密度は、全ての組み合わされた複合材料の全体の合計面密度の約70%より大きい。最も好ましい2つの複合材料の実施態様において、第一の複合材料は、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の約60%〜約75%を構成し、第二の複合材料は、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の約25%〜約40%を構成する。別の実施態様において、好ましくは防弾性物品中に少なくとも第三の複合材料が包含される場合、第一の複合材料の面密度は、第二の複合材料の面密度に等しくてもよい。好ましい3つの複合材料(第一/第二/第三)の物品において、組み合わされた第一および第三の複合材料は、全体の合計面密度の約60%〜約75%を構成し、第二の複合材料は、全体の合計面密度の約25%〜約40%を構成する。
特に好ましい2つの複合材料の配置において、第一の複合材料は、全体の合計面密度の約75%を構成し、第二の複合材料は、全体の合計面密度の約25%を構成する。別の特に好ましい2つの複合材料の配置において、第一の複合材料は、全体の合計面密度の約63%を構成し、第二の複合材料は、全体の合計面密度の約37%を構成する。特に好ましい3つの複合材料(第一/第二/第三)の配置において、組み合わされた第一および第三の複合材料は、全体の合計面密度の約75%を構成し、第二の複合材料は、全体の合計面密度の約25%を構成する。別の特に好ましい3つの複合材料(第一/第二/第三)の配置において、組み合わされた第一および第三の複合材料は、全体の合計面密度の約63%を構成し、第二の複合材料は、全体の合計面密度の約37%を構成する。これらの配置は、優れた耐弾道貫通性と最大の背面衝撃痕耐性性能との組合せを示すことから、特に好ましい。
各複合材料の厚さは、個々の繊維の厚さと複合材料に取り入れられる繊維プライ/層の数に対応する。例えば、好ましい織布/編布複合材料は、好ましくはプライ/層1枚あたり約25μm〜約600μm、より好ましくはプライ/層1枚あたり約50μm〜約385μm、最も好ましくはプライ/層1枚あたり約75μm〜約255μmの厚さを有する。好ましい2プライの不織布複合材料は、好ましくは約12μm〜約600μm、より好ましくは約50μm〜約385μm、最も好ましくは約75μm〜約255μmの厚さを有する。
個々に複合材料を形成する場合、当業界における従来の条件を使用して、個々のプライ/層を合体させて単層の複合材料構造にする。これまで述べたように、圧力なしで、または低い圧力を使用して合体させることは、当業界では「統合」ということが多く、一方で高圧での合体は「成形」と称されることが多いが、これらの用語はしばしば同義的に使用される。オーバーラップする不織布繊維プライ、織布層または編布層の各スタックは、加熱および圧力下で合体されるか、または個々の繊維プライのコーティングを接着させて単層の一体式の要素を形成することによって合体される。繊維プライ/層統合して複雑な複合材料を形成する方法は周知であり、例えば米国特許第6,642,159号で説明されている方法によってなされる。統合は、乾燥、冷却、加熱、圧力またはそれらの組合せを介して起こすことができる。湿式のラミネートプロセスでの場合のように、繊維または布の層を単に一緒に貼り合わせてもよく、その場合、熱および/または圧力を要しない場合がある。統合は、約50℃〜約175℃、好ましくは約105℃〜約175℃の範囲の温度で、約5psig(0.034MPa)〜約2500psig(17MPa)の範囲の圧力で、約0.01秒〜約24時間、好ましくは約0.02秒〜約2時間でなされてもよい。加熱する場合、高分子バインダーのコーティングを完全に融解させずに粘着または流動させる場合も考えられる。しかしながら、一般的に、高分子バインダー材料を溶融させる場合、複合材料を形成するのに比較的わずかな圧力しか必要でないが、粘着を起こすポイントまでバインダー材料を単に加熱するだけだと、典型的にはより高い圧力が必要である。慣習的に当業界において公知であるように、統合は、カレンダー装置、フラットベッドラミネーター、プレス中で行われてもよいし、またはオートクレーブ中で行われてもよい。また統合は、真空下に置かれた鋳型中で材料を真空成形することによって行われてもよい。真空成形技術は当業界周知である。最も一般的には、複数の直交の繊維ウェブは、バインダーポリマーと一緒に「貼り合わされ」、接合の均一性と強度を改善するためにフラットベッド型のラミネーターを通過させる。さらに、統合およびポリマー適用/接合工程は、2つの別個の工程を含んでいてもよいし、または1回の統合/ラミネート工程を含んでいてもよい。
その代わりに、統合は、好適な成形装置における加熱および圧力下での成形によって達成されてもよい。一般的に、成形は、約50psi(344.7kPa)〜約5,000psi(34,470kPa)、より好ましくは約100psi(689.5kPa)〜約3,000psi(20,680kPa)、最も好ましくは約150psi(1,034kPa)〜約1,500psi(10,340kPa)の圧力で行われる。その代わりに、成形は、約5,000psi(34,470kPa)〜約15,000psi(103,410kPa)、より好ましくは約750psi(5,171kPa)〜約5,000psi、より好ましくは約1,000psi〜約5,000psiのより高い圧力で行われてもよい。成形工程は、約4秒〜約45分の時間を要する場合がある。成形温度は、好ましくは約200°F(約93℃)〜約350°F(約177℃)の範囲であり、より好ましくは約200°F〜約300°Fの温度、最も好ましくは約200°F〜約280°Fの温度である。繊維層が成形される圧力は、結果得られた成形製品の剛性またはフレキシビリティーに直接的な作用を有する。特に、それらが成形される圧力が高ければ、剛性はより高くなり、その逆も同様である。成形圧に加えて、繊維プライの量、厚さおよび組成、ならびに高分子バインダーコーティングのタイプも複合材料の剛性に直接的に影響を与える。
本明細書で説明される成形技術と統合技術はそれぞれ類似しているが、各プロセスは異なっている。特に、成形はバッチプロセスであり、統合は一般的に連続プロセスである。さらに、成形は、典型的には、成形された鋳型、またはフラットパネルを形成する場合はマッチドダイ鋳型などの鋳型の使用を含むが、必ずしも平坦な生成物が生じるとは限らない。統合は通常、軟質(柔軟な)防護服用の布を生産するために、フラットベッドラミネーター、カレンダーニップ装置で、または湿式のラミネートとして行われる。成形は、典型的には、硬質装甲、例えば硬質プレートの製造のために特別に設けられている。いずれのプロセスにおいても、好適な温度、圧力および時間は、一般的に、高分子バインダーコーティングの材料のタイプ、高分子バインダーの含量、使用されるプロセスおよび繊維のタイプによって決まる。
その後、第一の複合材料、第二の複合材料およびあらゆる追加の複合材料を互いに付着させる。有用な技術としては、これまで説明した統合または成形技術が挙げられ、その場合、複合材料を一緒にフラットベッドラミネーター、プレスまたはオートクレーブに設置して、合体させる。複合材料が高分子バインダー材料と共に製造される場合、バインダーは、複合材料を互いに結合させるための接着剤として役立つ可能性がある。その代わりに、複合材料がバインダーを含むかどうかにかかわらず、別個の接着剤を使用して複合材料を互いに付着させてもよい。好適な接着剤としては、これらに限定されないが、エラストマー材料、例えばポリエチレン、架橋ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレン、エチレンコポリマー、ポリプロピレン、プロピレンコポリマー、ポリブタジエン、ポリイソプレン、天然ゴム、エチレン−プロピレンコポリマー、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー、ポリスルフィドポリマー、ポリウレタンエラストマー、ポリクロロプレン、当業界周知の1種またはそれより多くの可塑剤(例えばフタル酸ジオクチル)を使用した可塑化ポリ塩化ビニル、ブタジエンアクリロニトリルエラストマー、ポリ(イソブチレン−co−イソプレン)、ポリアクリレート、ポリエステル、不飽和ポリエステル、ポリエーテル、フルオロエラストマー、シリコーンエラストマー、エチレンのコポリマー、熱可塑性エラストマー、フェノール系樹脂、ポリブチラール、エポキシポリマー、スチレン系ブロックコポリマー、例えばスチレン−イソプレン−スチレンまたはスチレン−ブタジエン−スチレンタイプ、および慣習的に当業界公知の他の好適な接着剤組成物が挙げられる。特に好ましい接着剤としては、メタクリレート接着剤、シアノアクリレート接着剤、UV硬化接着剤、ウレタン接着剤、エポキシ接着剤および上記材料のブレンドが挙げられる。これらのなかでも、ポリウレタン系熱可塑性接着剤を含む接着剤、特に1種またはそれより多くのポリウレタン系熱可塑性と1種またはそれより多くの他の熱可塑性ポリマーとのブレンドが好ましい。最も好ましくは、接着剤は、ポリエーテル脂肪族ポリウレタンを含む。このような接着剤は、例えば、ホットメルト、フィルム、ペーストもしくはスプレーの形態で、または二成分の液状接着剤として適用することができる。
要素を直接付着させるための他の好適な手段としては、これらに限定されないが、それらの表面が互いに接触するように、それらを一緒に縫い合わせること、加えてそれらをボルト締めすること、またはそれらを一緒にねじで締めることが挙げられる。好ましい実施態様において、複合材料は、接着剤を用いて互いに付着され、さらに従来のニードルパンチ法によってz方向で強化される。両方の付着手段を利用することにより、複合材料間の層間強度が高められ、これは、より高い剛性および外傷の低減につながる。
また、それぞれ個々の複合材料の個々の層を統合されないままにして、それに続いて複数の統合されていない複合材料のセクションを含む単位を1回の工程で一緒に統合/成形することも本発明の範囲内である。この実施態様において、この1回の一体的な統合/成形工程の前に、個々のセクションのそれぞれを任意選択で一緒に縫い合わせて、それらの完全性を維持してもよい。
本発明の複合材料はまた、任意選択で、それらの外面の一方または両方に付着された1つまたはそれより多くの熱可塑性ポリマー層を含んでいてもよい。熱可塑性ポリマー層にとって好適なポリマーとしては、これらに限定されないが、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル(特にポリエチレンテレフタレート(PET)およびPETコポリマー)、ポリウレタン、ビニルポリマー、エチレンビニルアルコールコポリマー、エチレンオクタンコポリマー、アクリロニトリルコポリマー、アクリル系ポリマー、ビニルポリマー、ポリカーボネート、ポリスチレン、フルオロポリマーおよび同種のもの、加えてそれらのコポリマーおよび混合物、例えばエチレン酢酸ビニル(EVA)およびエチレンアクリル酸などが挙げられる。また、天然および合成ゴムポリマーも有用である。これらのなかでも、ポリオレフィンおよびポリアミド層が好ましい。好ましいポリオレフィンは、ポリエチレンである。有用なポリエチレンの非限定的な例は、低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、中密度ポリエチレン(MDPE)、直鎖状中密度ポリエチレン(LMDPE)、直鎖状超低密度ポリエチレン(VLDPE)、直鎖状超低密度ポリエチレン(ULDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)ならびにそれらのコポリマーおよび混合物である。また、オハイオ州カヤホガフォールズのスパンファブ社(Spunfab, Ltd)から市販されているスパンファブ(SPUNFAB)(登録商標)ポリアミドウェブ(カイケル・アソシエイツ社(Keuchel Associates, Inc.)に登録された商標)、加えてフランス、セルネーのプロテクニック社(Protechnic S.A.)から市販されているサーモプラスト(THERMOPLAST)(商標)およびヘリオプラスト(HELIOPLAST)(商標)ウェブ、ネットおよびフィルムも有用である。
いずれの熱可塑性ポリマー層も極めて薄いことが好ましく、好ましくは約1μm〜約250μm、より好ましくは約5μm〜約25μm、最も好ましくは約5μm〜約9μmの層厚さを有する。スパンファブ(登録商標)不織布ウェブなどの不連続ウェブは、6グラム/平方メートル(gsm)の基本重量で適用されることが好ましい。このような厚さが好ましいが、他の厚さも、特定の必要性が満たされるように生産することが可能であり、それでもなお本発明の範囲内に包含されると理解されるものとする。
このような熱可塑性ポリマー層は、熱ラミネートなどの周知の技術を使用して複合材料表面に接合させてもよい。典型的には、ラミネートは、十分な加熱および圧力条件下に個々の層を互いに配置して、層を合わせて一体化構造にすることによって行われる。ラミネートは、約95℃〜約175℃、好ましくは約105℃〜約175℃の範囲の温度で、約5psig(0.034MPa)〜約100psig(0.69MPa)の範囲の圧力で、約5秒〜約36時間、好ましくは約30秒〜約24時間行ってもよい。その代わりに、当業者であれば理解していることだが、このような熱可塑性ポリマー層は、熱い糊またはホットメルト繊維を用いて複合材料表面に接合させてもよい。
本発明の防弾性物品は、柔軟な軟質装甲物品、加えて硬い硬質装甲物品などの、低い背面変形、すなわち最適な鈍的外傷耐性を必要とするあらゆる防護服用途、加えて車両や建築物の壁などの構造部材の防御に特に好適である。本発明の防弾性物品は、使用時に、第一の複合材料が物品の衝突面として配置されるように配向されるべきである。
以下の実施例は、本発明を例示するのに役立つ。
耐弾道貫通性(V50)と背面衝撃痕性能の両方に対する複合材料の組成および繊維層の向きの影響を決定するために、様々な多層複合材料の物品に弾道試験を行った。ポリエチレン繊維強化複合材料およびアラミド繊維強化複合材料の様々な組合せを含む17種の異なる複合材料の物品配置を製造し、ここで配置毎に各複合材料タイプの比率を変え、さらに複合材料タイプ毎に繊維層の向きを変えた。
各ポリエチレン繊維強化複合材料層を、4枚のクロスプライ不織ポリエチレン繊維プライから0°/90°/0°/90°の配置で加工し、すなわち隣接するプライ中の繊維を互いに縦方向に90°(またはおよそ90°)に配向して、一体式の層に統合した(すなわち、0°/90°/0°/90°または90°/0°/90°/0°)。各プライを個々に、ポリウレタンバインダーでコーティングした一方向に配向した平行なポリエチレン繊維の配列から形成した。ポリエチレン繊維のテナシティは37g/デニールであり、各繊維プライ中の樹脂含量は約16%であった。ポリウレタンバインダーは、登録商標を持つ組成物のものであった。各ポリエチレン繊維強化複合材料の各プライを製造するのに使用した繊維およびバインダーは同じものであった。
各アラミド繊維強化複合材料層を、4枚のクロスプライ不織アラミド繊維プライから0°/90°/0°/90°の配置で加工し、すなわち隣接するプライ中の繊維を互いに縦方向に90°(またはおよそ90°)に配向させ、一体式の層に統合した(すなわち、0°/90°/0°/90°または90°/0°/90°/0°)。各プライを個々に、ポリウレタンバインダーでコーティングした一方向に配向した平行なアラミド繊維の配列から形成した。アラミド繊維は、23g/デニールのテナシティを有する1000デニールのケブラー(登録商標)129繊維であり、各繊維プライ中の樹脂含量は18.5%であった。ポリウレタンバインダーは、アニオン性の脂肪族ポリエステルベースのポリウレタンであった。第二の複合材料の各プライ中の繊維およびバインダーは同じものであった。
個々の層を形成するために、プライを同じ大きさで互いに重ね合わせてスタックし、加熱および圧力下で統合した。統合温度は、約220°F(104.4℃)〜約250°F(121.1℃)であり、統合圧力は、およそ100psi(689.5kPa)であった。
望ましい各配置を組み立てるのに必要な各タイプの望ましい数の層を、長さ25インチおよび幅25インチを有する0°/90°/0°/90°の四角形として用意した。各繊維プライ中の繊維の縦方向の向きが以下に示すように変わるように、スタック中の各繊維層をその前の繊維層の上に配置しながら、層を同じ大きさで互いにスタックした。次いで、複合材料を接触圧力のみの下で10分かけて280°Fにまず予備加熱して、プラテンプレスにおいて2777psi(19.15MPa)で15分間、280°F(137.77℃)で成形することによって、複数の層を一緒に合体させて一体式の物品にした。以下に示す一部の配置の場合、ポリエチレン繊維強化複合材料とアラミド繊維強化複合材料との間に別個の接着剤フィルムを取り入れ、接合強度を強化した。次いで、プレス後、物品を100°F(37.8℃)未満に冷却し、プレスから取り出し、長さ12インチおよび幅12インチを有する4つの四角形に切断し、弾道試験で処理した。
背面衝撃痕の測定
最初の発射体の衝撃を受ける衝突面複合材料として配置された各物品の望ましい面(残りの層は衝突面複合材料の後ろに配置させた)に対して弾道試験を行った。各実施例について、約1430フィート/秒(fps)±30fpsの速度で発射された9mm、124グレーンのFMJ RN発射体に対するBFSを測定した。物品配置毎に25インチ×25インチのサンプルを製造し、その後4つの12インチ×12インチの四角形に切断し、弾道試験で処理した。これらの四角形のうち2つを、それぞれパネルの4つの四分割した領域の中心に当てることによって9mmのBFSに関して試験した。したがってBFSデータは、表1では、サンプル毎に8回の粘土変形測定の決定の平均として報告される。複合材料の物品と粘土ブロックとの間に特注で機械加工したスペーサー要素を挿入することによって、多層複合材料の物品を粘土ブロックから1/2インチ(12.7mm)離して、背面衝撃痕のデータを測定した。特注で機械加工したスペーサー要素は、境界と前記境界によって規定される内部空洞とを有する要素で構成されており、粘土は空洞中に露出しており、スペーサーは粘土の前面と直接接触して配置された。スペーサーの内部空洞に相当する標的位置にある複合材料の物品に向かって高速発射体が発射された。発射体がスペーサーの内部空洞に相当する位置で複合材料の物品に衝突し、各発射体の衝撃により粘土に測定可能な凹みが生じた。全てのBFS測定は、この方法の通りに粘土中の凹みの深さについてのみ注目しており、スペーサー要素の深さは考慮に入れていない(すなわちBFS測定は、複合材料と粘土との実際の距離を包含しない)。この方法はNIJ規格0101.04、タイプIIIAの方法に類似しているが、この方法は、平坦な粘土ブロック上に複合材料の物品を直接置くことを必要とする。試験装置および方法は、参照により本明細書に組み入れられる共同所有された米国特許出願第13/594,757号でより詳細に説明されている。
50測定
各実施例について、少なくとも約3200フィート/秒(fps)(975.36m/s)の速度で発射された16グレーンの直円柱(RCC)発射体に対するV50に対するV50を測定した。慣習的に公知の標準化した技術の下で、特に国防総省の試験方法規格MIL−STD−662Fの条件の通りにV50データを得た。物品配置毎に残りの2つの12インチ×12インチのサンプルを、16グレーンのRCCを用いたV50試験で処理した。各サンプルを4回撃ち、表2に、V50データを、全8回のV50決定の平均として報告した。
離層の測定
表2中の離層は、裏打ち材料中の凹みの深さではなく、実際の試験したパネルの後部変形の深さの試験後測定を指す。このようなものは、測定されるものが粘土の凹みではないため「離層」と称される。発射体の衝撃後、衝撃を受けた領域の布が部分的に収縮するため、この離層測定は、BFS測定値と1/2インチ(12.7mm)のエアーギャップ深さとを足したものより小さい。離層測定は前記収縮の後に行われるが、本明細書で説明されるエアーギャップ法を用いたBFS測定は、最大限の布の後部変形を記録する。前記収縮後の変形は、典型的には、パネルの断面を切断して、パネルの無傷の裏面の面から変形した領域の最も深い外側部分までの深さを測定することによって測定される。
比較例1および2
物品配置1
31枚のポリエチレン繊維強化布の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有する。
物品配置1の総面密度:1.63lb/ft(7.95kg/m(ksm))。
実施例3および4
物品配置2
(A)23枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し;
(B)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)の0°のプライに対して22.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)の0°のプライに対して112.5°の繊維の向きを有し;
(C)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)の0°のプライに対して45.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)の0°のプライに対して135.0°の繊維の向きを有し;
(D)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)の0°のプライに対して67.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)の0°のプライに対して157.5°の繊維の向きを有し;
(E)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)の0°のプライに対して90.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有する。
物品配置2の総面密度:1.63lb/ft(7.95ksm)。
実施例5および6
物品配置3
(A)第一の(衝突面)複合材料:26枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し;
(B)第二の複合材料:8枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し;
(C)第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有する。
物品配置3の総面密度:1.67lb/ft(8.15ksm)。
実施例7〜8
物品配置4
(A)第一の(衝突面)複合材料:26枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し;
(B)第二の複合材料:8枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して45.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して135.0°の繊維の向きを有し;
(C)第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有する。
物品配置4の総面密度:1.67lb/ft(8.15ksm)。
実施例9および10
物品配置5
(A)第一の(衝突面)複合材料:26枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し;
(B)ニュージャージー州パインブルックのアドヘッシブ・フィルム社(Adhesives Films, Inc.)から市販されている4ミルの厚さの熱可塑性ポリウレタン接着剤フィルム;
(C)第二の複合材料:8枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して45.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して135.0°の繊維の向きを有し;
(D)ニュージャージー州パインブルックのアドヘッシブ・フィルム社から市販されている4ミルの厚さの熱可塑性ポリウレタン接着剤フィルム;および
(E)第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有する。
物品配置5の総面密度:1.67lb/ft(8.15ksm)。
実施例11および12
物品配置6
このサンプルは、複合材料間に使用した接着剤フィルムが、スイスのノラックス社(Nolax AG)から市販されているノラックス(NOLAX)(登録商標)A21.2007およびノラックス(登録商標)A21.2017フィルムであったことを除き、物品配置5と同一であった。A21.2007はEVAベースのフィルムであり、PEベースの複合材料に対して配置された。A21.2017フィルムは、アラミドベースの複合材料に対して配置された。A21.2017フィルムは、ポリウレタン層と共に共押し出しされたEVA層を包含する。EVA層をA21.2007フィルムの隣に置き、一方でポリウレタン層をアラミドベースの複合材料の隣に置いた。
物品配置6の総面密度:1.67lb/ft(8.15ksm)。
実施例13および14
物品配置7
(A)第一の(衝突面)複合材料:26枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し;
(B)第二の複合材料:
(i)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して22.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して112.5°の繊維の向きを有し;
(ii)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して45.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して135.0°の繊維の向きを有し;
(iii)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して67.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して157.5°の繊維の向きを有し;
(iv)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して90.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し;
(C)第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して112.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して22.5°の繊維の向きを有する。
物品配置7の総面密度:1.67lb/ft(8.15ksm)。
実施例15および16
物品配置8
(A)第一の(衝突面)複合材料:
(i)2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して45.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して135.0°の繊維の向きを有し;
(ii)2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して22.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して112.5°の繊維の向きを有し;
(iii)22枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し;
(B)第二の複合材料:8枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し;
(C)第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有する。
物品配置8の総面密度:1.67lb/ft(8.15ksm)。
実施例17および18
物品配置9
(A)第一の(衝突面)複合材料:
(i)2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し;
(ii)2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して67.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して157.5°の繊維の向きを有し;
(iii)2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して45.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して135.0°の繊維の向きを有し;
(iv)2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して22.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して112.5°の繊維の向きを有し;
(v)18枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し;
(B)第二の複合材料:8枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し;
(C)第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有する。
物品配置9の総面密度:1.67lb/ft(8.15ksm)。
実施例19および20
物品配置10
このサンプルにおいて、第一の複合材料は物品配置9の複合材料と同一であり、さらに以下に示す(A)(v)の後に合体される複合材料を包含していた:
(B)第二の複合材料:
(i)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して22.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して112.5°の繊維の向きを有し;
(ii)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して45.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して135.0°の繊維の向きを有し;
(iii)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して67.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して157.5°の繊維の向きを有し;
(iv)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し;
(C)第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して112.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して22.5°の繊維の向きを有する。
物品配置10の総面密度:1.67lb/ft(8.15ksm)。
実施例21および22
物品配置11
(A)第一の(衝突面)複合材料:22枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し;
(B)第二の複合材料:11枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し;
(C)第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有する。
物品配置11の総面密度:1.65lb/ft(8.05ksm)。
実施例23および24
物品配置12
(A)第一の(衝突面)複合材料:22枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し;
(B)第二の複合材料:
(i)4枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し;
(ii)7枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して45.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して135.0°の繊維の向きを有し;
(C)第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有する。
物品配置12の総面密度:1.65lb/ft(8.05ksm)。
実施例25および26
物品配置13
(A)第一の(衝突面)複合材料:22枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し;
(B)ニュージャージー州パインブルックのアドヘッシブ・フィルム社から市販されている4ミルの厚さの熱可塑性ポリウレタン接着剤フィルム;
(C)第二の複合材料:
(i)4枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し;
(ii)7枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して45.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して135.0°の繊維の向きを有し;
(D)ニュージャージー州パインブルックのアドヘッシブ・フィルム社から市販されている4ミルの厚さの熱可塑性ポリウレタン接着剤フィルム;および
(E)第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有する。
物品配置13の総面密度:1.65lb/ft(8.05ksm)。
実施例27および28
物品配置14
(A)第一の(衝突面)複合材料:22枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し;
(B)第二の複合材料:
(i)4枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し;
(ii)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して22.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して112.5°の繊維の向きを有し;
(iii)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して45.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して135.0°の繊維の向きを有し;
(iv)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して67.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して157.5°の繊維の向きを有し;
(v)1枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し;
(C)第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して112.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で衝突面複合材料(A)の0°のプライに対して22.5°の繊維の向きを有する。
物品配置14の総面密度:1.65lb/ft(8.05ksm)。
実施例29および30
物品配置15
(A)第一の(衝突面)複合材料:
(i)2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して45.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して135.0°の繊維の向きを有し;
(ii)2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して22.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して112.5°の繊維の向きを有し;
(iii)18枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し;
(B)第二の複合材料:11枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し;
(C) 第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(iii)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有する。
物品配置15の総面密度:1.65lb/ft(8.05ksm)。
実施例31および32
物品配置16
(A)第一の(衝突面)複合材料:
(i)2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し;
(ii)2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して67.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して157.5°の繊維の向きを有する;
(iii)2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して45.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して135.0°の繊維の向きを有し;
(iv)2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して22.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して112.5°の繊維の向きを有し;
(v)14枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが同じ縦方向の繊維の向きを有し;
(B)第二の複合材料:11枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し;
(C)第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有する。
物品配置16の総面密度:1.65lb/ft(8.05ksm)。
実施例33および34
物品配置17
このサンプルにおいて、第一の複合材料は物品配置16の複合材料と同一であり、さらに以下に示す(A)(v)の後に合体される複合材料を包含していた:
(B)第二の複合材料:
(i)4枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し;
(ii)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して22.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して112.5°の繊維の向きを有し;
(iii)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して45.0°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して135.0°の繊維の向きを有し;
(iv)2枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して67.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して157.5°の繊維の向きを有し;
(v)1枚のポリエチレン繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して90°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して0°の繊維の向きを有し;
(C)第三の複合材料:2枚のアラミド繊維強化複合材料の4プライの層であり、全ての奇数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して112.5°の繊維の向きを有し、全ての偶数のプライが、縦方向で(A)(v)の0°のプライに対して22.5°の繊維の向きを有する。
物品配置17の総面密度:1.65lb/ft(8.05ksm)。


結論
表1および2に記載のデータから証明されたように、アラミドベースの複合材料とポリエチレンベースの複合材料とを組み合わせて単一の物品にしたハイブリッド物品において、9mmのBFS性能は明らかに改善され(すなわち変形の深さが低減され)、縦の繊維方向に対する繊維層の向きを操作することによって性能がさらに改善される。
配置1および2を比較すると、両方とも同じ材料の1.67psfのパネルであるが、配置2は、パネルの最後の25%を、2つの生成物層毎に22.5°回転させることにより回転させてある。この配置は、9mmのBFS性能を30%改善し(測定された9mmのBFSにおいて30%の低減)、V50性能に対する影響は小さかった(配置2では1.8%の変化)。ハイブリッドアラミド−PE複合材料でも類似の作用がみられる。配置3〜10は、25%PEベースの複合材料とハイブリッド化したおよそ75%のアラミドベースの複合材料からなり、配置3は、対照として使用される。
配置3を配置1と比較すると、データから、ハイブリッド化は、9mmのBFS性能を89%改善し(測定された9mmのBFSにおいて89%の低減)、V50性能は15%しか低減しなかったことが示される。配置3〜10の比較は、層の向きのシフトとシフトした層の位置の、全体的な9mmのBFSおよびV50性能に対する影響を例示する。配置4〜7は、パネルの裏側の半分(25重量%)のみにシフトした層を含有し、一方で配置8および9は、パネルの前側の半分(それぞれ10%および22重量%)のみにシフトした層を有していた。配置10は、パネルの前側および裏側の半分それぞれにシフトした層を有するハイブリッドであった。配置4、5、6および7を配置3と比較すると、裏側の半分(最大25重量%)中にシフトした層を含有するパネルの9mmのBFSは、54%〜93%の9mmのBFS改善(測定されたBFSにおける低減)があり、V50は10.1%低減しただけであった。
配置8において、パネル前部の最初の10重量%のみがシフトした層からなっていた。このケースにおいて、測定された9mmのBFSは配置3の対照パネルより劣っていた。配置9は、衝突面においてシフトした層の量をおよそ22%に増加させることにより、測定された9mmのBFSを対照(配置3)のBFSよりも低く低減させるが、パネルの裏側半分における層の向きをシフトすることによって達成されるBFSほど低くないことを例示する。配置8および9のV50性能は、対照配置3で観察された性能と、パネルの裏側半分における層の向きをシフトすることによって構築されたパネル(配置4〜7)で観察された性能との間である。
配置10は、シフトした前側および裏側の層の両方を有する。配置10は、配置7に類似しているが、パネルの裏側半分がシフトされていることに加えて、その前部の表面層のおよそ22重量%がシフトしていた。配置10は、配置9よりわずかに低い9mmのBFS測定値を達成したことから、これは、裏打ち層の向きをシフトすることは、BFS性能に追加の改善をもたらすことを示す。配置7と9の比較から、前側半分の層の向きをシフトさせずに、パネル構造体の裏側半分における層の向きをシフトすると、BFS性能の改善が最大になることが示される。
またデータからは、1)パネルの裏側半分(25重量%)における層の向きを、22.5°の増分で2つの生成物層毎にシフトすることは、パネル裏側の25重量%の向きを45°シフトすることより、測定された9mmのBFSを低減することにおいてより有効であると考えられ;2)異なる複合材料タイプ(アラミドおよびPE)間にノラックス(登録商標)接着剤(A21.2007+A21.2017)を使用することにより、接着剤を利用しなかったパネルと比較して測定された9mmのBFS性能が改善された(配置6と配置4との比較を参照)ことも例示される。配置11〜17でも類似の傾向が見られた。
好ましい実施態様を参照しながら本発明を具体的に示し説明したが、当業者であれば、本発明の本質および範囲から逸脱することなく様々な変更および改変をなし得ることを容易に理解する。特許請求の範囲は、開示された実施態様、上記で論じられたそれらの代替物および全ての等価体を包含すると解釈されるものとする。
好ましい実施態様を参照しながら本発明を具体的に示し説明したが、当業者であれば、本発明の本質および範囲から逸脱することなく様々な変更および改変をなし得ることを容易に理解する。特許請求の範囲は、開示された実施態様、上記で論じられたそれらの代替物および全ての等価体を包含すると解釈されるものとする。
本発明の具体的態様は以下のとおりである。
[1] 防弾性材料であって:
複数の不織布の繊維状プライを含む第一の複合材料であって、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第一の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第一の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向されている、第一の複合材料と;
第一の複合材料に付着させた第二の複合材料であって、第二の複合材料は、複数の不織布の繊維状プライを含み、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第二の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第二の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向される、第二の複合材料と
を含み;
ここで第一の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向は、第二の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向と異なっており;
ここで第一の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第二の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第一の複合材料の面密度は、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の50%より大きい、
上記防弾性材料。
[2] 第一の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維が、前記第一の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して90°または約90°の角度で配向され、第二の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維が、前記第二の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して90°または約90°の角度で配向される、[1]に記載の防弾性材料。
[3] 第一の複合材料の面密度が、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の60%より大きい、[1]に記載の防弾性材料。
[4] 第一の複合材料の繊維および第二の複合材料の繊維が、高分子バインダーで実質的にコーティングされている、[1]に記載の防弾性材料。
[5] 第一の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーがいずれも、第二の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーと化学的に同じである、[4]に記載の防弾性材料。
[6] 第一の複合材料が、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の約60%〜約75%を構成し、第二の複合材料が、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の約25%〜約40%を構成する、[5]に記載の防弾性材料。
[7] 第一の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーがいずれも、第二の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーと化学的に異なる、[4]に記載の防弾性材料。
[8] 防弾性材料であって:
複数の不織布の繊維状プライを含む第一の複合材料であって、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、高分子バインダーで実質的にコーティングされている複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第一の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第一の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向される、第一の複合材料と;
第一の複合材料に付着させた第二の複合材料であって、第二の複合材料は、複数の不織布の繊維状プライを含み、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、高分子バインダーで実質的にコーティングされている複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第二の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第二の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向されている、第二の複合材料と;
第二の複合材料に付着された第三の複合材料であって、第三の複合材料は、複数の不織布の繊維状プライを含み、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、高分子バインダーで実質的にコーティングされている複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第三の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第三の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向されている、第三の複合材料と
を含み;
ここで第一の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向は、第二の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向と異なっており;ここで第一の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向は、第三の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向と同じかまたは異なっており;
ここで第一の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第二の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第三の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し;ここで第一の複合材料の面密度は、第一の複合材料、第二の複合材料および第三の複合材料の全体の合計面密度の50%より大きい、
上記防弾性材料。
[9] 第一の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーがいずれも、第三の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーと化学的に同じであり;
第一の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーがいずれも、第二の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーと化学的に異なっており;
第一の複合材料および第二の複合材料が、第一の複合材料の外側のプライが第二の複合材料の外側のプライに付着されるように互いに付着され、ここで第一の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向が、第二の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向に対して22.5°/112.5°、または45.0°/135.0°または67.5°/157.5°の角度で配向され;
第二の複合材料および第三の複合材料が、第二の複合材料の外側のプライが第三の複合材料の外側のプライに付着されるように互いに付着され、ここで第二の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向が、第三の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向に対して22.5°/112.5°、または45.0°/135.0°または67.5°/157.5°の角度で配向される、[8]に記載の防弾性材料。
[10] 防弾性材料であって:
複数の織物繊維状層を含む第一の複合材料であって、前記複数の繊維状層は、統合されており;繊維状層のそれぞれは、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有する複数の繊維を含む、第一の複合材料と;
第一の複合材料に付着させた第二の複合材料であって、第二の複合材料は、複数の織物繊維状層を含み、前記複数の繊維状層は、統合されており;繊維状層のそれぞれは、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有する複数の繊維を含む、第二の複合材料と
を含み;
ここで各複合材料の各繊維は、縦の繊維方向を有し、第一の複合材料の各層中の繊維の縦の繊維方向は、第二の複合材料の各層中の繊維の縦の繊維方向と異なっており;
ここで第一の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第二の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第一の複合材料の面密度は、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の50%より大きい、
上記防弾性材料。




  1. 防弾性材料であって:
    複数の不織布の繊維状プライを含む第一の複合材料であって、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第一の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第一の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向されている、第一の複合材料と;
    第一の複合材料に付着させた第二の複合材料であって、第二の複合材料は、複数の不織布の繊維状プライを含み、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第二の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第二の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向される、第二の複合材料と
    を含み;
    ここで第一の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向は、第二の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向と異なっており;
    ここで第一の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第二の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第一の複合材料の面密度は、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の50%より大きい、
    上記防弾性材料。

  2. 第一の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維が、前記第一の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して90°または約90°の角度で配向され、第二の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維が、前記第二の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して90°または約90°の角度で配向される、請求項1に記載の防弾性材料。

  3. 第一の複合材料の面密度が、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の60%より大きい、請求項1に記載の防弾性材料。

  4. 第一の複合材料の繊維および第二の複合材料の繊維が、高分子バインダーで実質的にコーティングされている、請求項1に記載の防弾性材料。

  5. 第一の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーがいずれも、第二の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーと化学的に同じである、請求項4に記載の防弾性材料。

  6. 第一の複合材料が、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の約60%〜約75%を構成し、第二の複合材料が、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の約25%〜約40%を構成する、請求項5に記載の防弾性材料。

  7. 第一の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーがいずれも、第二の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーと化学的に異なる、請求項4に記載の防弾性材料。

  8. 防弾性材料であって:
    複数の不織布の繊維状プライを含む第一の複合材料であって、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、高分子バインダーで実質的にコーティングされている複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第一の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第一の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向される、第一の複合材料と;
    第一の複合材料に付着させた第二の複合材料であって、第二の複合材料は、複数の不織布の繊維状プライを含み、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、高分子バインダーで実質的にコーティングされている複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第二の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第二の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向されている、第二の複合材料と;
    第二の複合材料に付着された第三の複合材料であって、第三の複合材料は、複数の不織布の繊維状プライを含み、前記複数の繊維状プライは統合されており;繊維状プライのそれぞれは、高分子バインダーで実質的にコーティングされている複数の一方向に配向された繊維を含み、前記繊維は、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有し;ここで第三の複合材料の各繊維状プライ中の一方向に配向された繊維は、前記第三の複合材料の各隣接するプライの縦の繊維方向に対して非平行な縦の繊維方向に配向されている、第三の複合材料と
    を含み;
    ここで第一の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向は、第二の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向と異なっており;ここで第一の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向は、第三の複合材料の各プライ中の繊維の縦の繊維方向と同じかまたは異なっており;
    ここで第一の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第二の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第三の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し;ここで第一の複合材料の面密度は、第一の複合材料、第二の複合材料および第三の複合材料の全体の合計面密度の50%より大きい、
    上記防弾性材料。

  9. 第一の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーがいずれも、第三の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーと化学的に同じであり;
    第一の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーがいずれも、第二の複合材料を形成する繊維および高分子バインダーと化学的に異なっており;
    第一の複合材料および第二の複合材料が、第一の複合材料の外側のプライが第二の複合材料の外側のプライに付着されるように互いに付着され、ここで第一の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向が、第二の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向に対して22.5°/112.5°、または45.0°/135.0°または67.5°/157.5°の角度で配向され;
    第二の複合材料および第三の複合材料が、第二の複合材料の外側のプライが第三の複合材料の外側のプライに付着されるように互いに付着され、ここで第二の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向が、第三の複合材料の外側のプライ中の繊維の縦の繊維方向に対して22.5°/112.5°、または45.0°/135.0°または67.5°/157.5°の角度で配向される、請求項8に記載の防弾性材料。

  10. 防弾性材料であって:
    複数の織物繊維状層を含む第一の複合材料であって、前記複数の繊維状層は、統合されており;繊維状層のそれぞれは、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有する複数の繊維を含む、第一の複合材料と;
    第一の複合材料に付着させた第二の複合材料であって、第二の複合材料は、複数の織物繊維状層を含み、前記複数の繊維状層は、統合されており;繊維状層のそれぞれは、7g/デニールまたはそれより高いテナシティおよび150g/デニールまたはそれより高い引張弾性率を有する複数の繊維を含む、第二の複合材料と
    を含み;
    ここで各複合材料の各繊維は、縦の繊維方向を有し、第一の複合材料の各層中の繊維の縦の繊維方向は、第二の複合材料の各層中の繊維の縦の繊維方向と異なっており;
    ここで第一の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第二の複合材料は、少なくとも約100g/mの面密度を有し、第一の複合材料の面密度は、第一の複合材料および第二の複合材料の全体の合計面密度の50%より大きい、
    上記防弾性材料。

 

 

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