(57)【要約】  軽量防弾プレート等、耐衝撃性構造は、少なくとも部分的に熱可塑性樹脂を浸透されかつ熱可塑性プレートもしくは他の基体に積層された織布を含む。
2009500591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
射撃による脅威に対する保護のための耐衝撃性パネルを備える物品において、
前記パネルは、２つまたはそれ以上の層（２４０、２８０）の積層アセンブリを備え、
前記アセンブリの少なくとも１層（２６０、２７０）は、少なくとも部分的に熱可塑性樹脂を浸透させたクロスを備え、かつ
前記アセンブリの少なくとも１層は、前記クロス層に積層された熱可塑性樹脂による射出成形プレート（２４０、２５０）を備える物品。
【請求項２】
少なくとも１つの前記クロス層は、熱可塑性樹脂の２つの成形プレートの間に積層される請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記アセンブリの少なくとも１層は、ストライクフェース材料によるプレート（２８０）を備える請求項１に記載の物品。
【請求項４】
少なくとも１つの前記クロス層は、織製ガラス繊維を備える請求項１に記載の物品。
【請求項５】
少なくとも１つの前記クロス層は、少なくとも部分的にポリメタクリル酸メチルを浸透させ、かつポリカーボネートを含む熱可塑性樹脂による少なくとも１つの成形プレートに直接積層される請求項１に記載の物品。
【請求項６】
少なくとも１つの前記クロス層は、少なくとも部分的にでんぷんを浸透させ、かつポリカーボネートを含む熱可塑性樹脂による少なくとも１つの成形プレートに直接積層される請求項１に記載の物品。
【請求項７】
織布を含むプリフォーム（２２０）を用意するステップと、
前記プリフォームは、少なくとも部分的に液化熱可塑性樹脂を浸透させるステップ（１０、２０）と、
前記プリフォームを熱可塑性樹脂の層と共にオーバーモールドするステップ（３０、４０）とを包含する耐衝撃性物品の製造方法。
【請求項８】
前記オーバーモールドするステップ中、前記プリフォームはストライクフェース材料によるプレート（２８０）に積層される請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記浸透される樹脂は、ポリメタクリル酸メチルを含み、前記オーバーモールドされた樹脂はポリカーボネートを含む請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記オーバーモールドするステップは、高圧射出成形により実行される請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料から製作される構造物品に関し、特に樹脂注入クロスを含む積層品に関する。
【背景技術】
【０００２】
耐衝撃性パネルは、通信機器の筐体、車両、および人員の保護をはじめとする多くの用途がある。それらおよび他の目的のために望ましい特性には、軽量で、ボリュームが小さく、かつ低コストであることが含まれる。
【０００３】
概して、機器類および車両の保護は、金属或いはセラミックス製のパネルによって与えられる。それらには、比較的に重く、かつ特にセラミックスの場合には、比較的に高価でもあるという欠点がある。
【０００４】
人員の保護のための防弾パネルは、軽量であることが望ましく、樹脂を浸透させたクロスを含む複合材料から製作されることが多い。例えば、Ｋｅｖｌａｒ（Ｅ．Ｉ．Ｄｕｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ，Ｉｎｃ．の登録商標）は、熱硬化性エポキシ樹脂を浸透させた強力な有機繊維による織布である。そのようなパネルは、きわめて有効であることが立証されているが、小火器からの保護を高レベルとするため、概ね防護材料の層を多くする必要がある。その結果、嵩張りなおかつ比較的に高価な防弾具となる。
【０００５】
高レベルの、射撃による脅威から保護するための軍用ベストには、セラミック・プレートが組み込まれる。そのような構成要素によって、望ましくない重量が増し、柔軟性が減少する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、銃撃その他の脅威からの衝撃に対する保護を与え、同時に有効性、コスト、重量、およびボリュームとのより良好な見返りとなるパネルもしくは他の構造が依然必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
出願人は、上記の因子との見返りを向上することが可能な防護構造を開発した。出願人の新規な構造は、少なくとも部分的に熱可塑性樹脂を浸透されかつ熱可塑性プレートもしくは他の基体に積層された織布を含む。
具体的実施形態において、出願人の発明は上記に説明した構造に関わる。
他の具体的実施形態においては、出願人の発明は以下に説明するように、そのような構造の製造方法に関わる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、耐衝撃性物品を製造するための、１つの考えられるプロセス・シーケンスを示す。ステップ１０において、適切な材料によるクロスもしくはマットが、軟化樹脂もしくは液化樹脂等のエマルジョンによりウエットアウトされる。出願人は、ガラス繊維の立体状織布がこの点でとりわけ有用であることを発見した。特定の用途によっては、同様に有用と思われる代替品として、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）もしくはＳｐｅｃｔｒａ（登録商標）もしくは他のアラミドもしくは高弾性ポリエチレン・ファイバ等があるが、これらの繊維によるクロスはガラス繊維より著しく高価であろう。（Ｓｐｅｃｔｒａは、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｆｉｂｅｒｓ社の登録商標である。）
【０００９】
ウエットアウトとは、クロスもしくはマットを液状の湿潤剤、もしくはエマルジョンによって含浸し、液の硬化時には、少なくともそのクロスもしくはマットが自身の形状を積層中或いは以下に説明するオーバーモールド（外側被覆、ｏｖｅｒｍｏｌｄ）するステップ中に維持するのに十分とされる剛性を備える程度にすることをいう。剛化されたクロスもしくはマットは、プリフォームと称される。プリフォームは、一般的に、成形部品もしくはその部品を作るキャビティ（即ち成形ツールの）の中心線ジオメトリなりの形となる。
【００１０】
湿潤剤としては、外側被覆(オーバーモールディング)樹脂を含むほかの材料と化学的に相溶性があり、かつ外側被覆材料の液化温度或いは注入加工温度より低温で軟化する熱可塑性エマルジョンを使用するのが有利とされる。（「樹脂」とは、応力下で流動し、一定の温度範囲で軟化もしくは融解する高分子材料を意味する。）出願人は、でんぷん、各種パラフィン、もしくはワックス等の有機高分子がエマルジョン材料としてよく働くことを発見した。更に、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、スチレン、およびポリマー合金（ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ  ａｌｌｏｙ）も試用して功を奏している。材料系の特定の選択次第により、他にポリビニル、ポリブチレン、ポリエステル、および少なくとも幾つかの熱可塑性ポリウレタン等も使用可能と思われるが、それに限らない。湿潤剤を適用するについては、吹付け、塗布、樹脂トランスファー成形、樹脂フィルム注入、および浸漬をはじめとして、これらに限らず、様々なよく知られた方法がいずれも使用可能とされる。
【００１１】
ステップ２０において、プリフォームは、例えばドレープ・モールド等に置かれることによって成形され、プリフォームと成形部品の間の固着促進のために選択された湿潤材による界面で処理される。（「界面」とは、成形された部品に密着される面のことをいう。）硬化時には、エマルジョン或いは湿潤剤によって、プリフォームはドレープ・モールドの形状を保つことが可能とされ、それはオーバーモールド・プロセスを容易にする上で、取扱い方および射出成形型キャビティ内での形状維持のために有利とされる。
【００１２】
ステップ３０において、プリフォームは、型内に置かれ、型が閉じられる。図２に示すように、例示的型は、２つの嵌合セグメント、即ちコア・セグメント２００およびキャビティ・セグメント２１０を含む。プリフォーム２２０は型内でコア２００とキャビティ２１０の間に位置付けされる。型のキャビティ側は「Ａ」側或いは「外観」側と称されることがあり、型のコア側は「Ｂ」側或いは「非外観側」と称されることがある。
【００１３】
成形プロセスのための設定中に適切な整合を取るための固着を容易にし、並びに成形後の放出を容易にするために、様々なよく知られた作用物質がプリフォームとコアの間に適用される。そのような作用物質には、接着剤、噴霧剤、コーキング材、或いはテープを含み、これらに限らない。単純な真空吸引を使用しても役立つであろう。射出成形樹脂をプリフォームの両側に必要とする成形部品については、スタンドオフ、スペーサ、或いはシム（常設または犠牲的な）によって、プリフォームの背面側とコア・モールドの間に所定のスペースもしくはギャップを創生することが可能とされる。斯様にして、熱可塑性樹脂をプリフォームの両側に注入することにより、複合的なジオメトリが創生できる。そのようなジオメトリには、例えば、サポート・リブ、ポスト、スクリュー・ボス、およびスナップ要素を含む。そのような要素によって、例えば、陸上車両、航空機、通信設備、要員ステーション、および防弾着等への耐衝撃性成形部品の組付けが容易になろう。
【００１４】
型のコアおよびキャビティ・セグメントが図３に示すように合わせられると、空間２３０が型表面とプリフォームの間に画定される。当分野でよく知られているように、空間２３０には加熱され液化した外側被覆材料が成形プロセス中に注入される。
【００１５】
図１に戻り、ステップ４０において、成形部品が、例えば低圧もしくは高圧射出成形或いはストラクチュラル・フォーム成形法（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｆｏａｍ  ｍｏｌｄｉｎｇ）によって成形される。成形部品は、高耐衝撃性熱可塑性樹脂から成形される。この目的のために有用な熱可塑性樹脂の１つは、ラバー・インパクト変性ポリカーボネートとされる。具体的な用途次第により、他に有用な熱可塑性樹脂としては、塩化ビニル、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエステル、ポリウレタン、ナイロン、およびＰＣ／ＡＢＳ等の合金が含まれよう。
【００１６】
高圧射出成形に関しては、プロセス・パラメータとして材料の加工温度（押出スクリュー・バレル内およびノズル内）、型温度、およびサイクル・タイムが含まれる。
低圧射出成形に関しては、化学的またはガス発泡剤が樹脂を発泡させるためのプロセスに加えられ、それによって材料の密度が低下し、厚めの壁の成形が可能とされる。
【００１７】
高圧および低圧射出成形の方法は、よく知られており、ここで詳述するには及ばない。しかし、プリフォームと成形部品の間の密着は、或るプロセス・パラメータに対して敏感となり得ることに留意されたい。出願人らは、オーバーモールディング・ポリカーボネートをでんぷん浸透またはアクリル浸透ガラス繊維クロスに対して試用し、プロセス・パラメータの幾つかの調整によって良好な密着が得られることを発見した。
【００１８】
具体的には、摂氏約２３２度〜２６０度（華氏約４５０度〜５００度）範囲の樹脂加工温度（ポリカーボネート樹脂の）、摂氏約１０４度〜１２１度（華氏約２２０度〜２５０度）範囲の湿潤エマルジョン温度（一般的に、樹脂の華氏温度の約２分の１）、低圧および高圧射出成形プロセス両方の注入圧力の上昇、およびサイクル・タイムの僅かな延びによって、良好な密着が得られ、空隙がほとんど無いか皆無で、かつ分子配向の比較的高度な親和性製品断面の形成が促進された。
【００１９】
したがって、出願人らが使用した温度範囲においては、湿潤エマルジョン温度より摂氏約９３度〜１２１度（華氏約２００度〜２５０度）高温（或いは絶対温度目盛で約３０％〜３５％増）が樹脂加工温度として有利と思われた。注入圧力上昇は、出願人らの例示的加工条件に関しては、樹脂製造家の推奨より、例えば、約２５％高かろう。そのような圧力増は、樹脂をロービングの隙間内に押入するのに有用であり、機械的な型締め作用が付加されることによって、化学的付着を高める。これに関するサイクル・タイムの僅かな延びは、樹脂製造家の推奨より、例えば、１０％〜１５％増であろう。
概して、熱可塑性湿潤剤は、多くの無定形射出成形樹脂と化学的に相溶性があり、良好な密着を発揮すると思われる。
【００２０】
プリフォーム用のマットもしくはクロスは、単層或いは多層で使用可能であることに留意されたい。更に、上記に説明した外側被覆（オーバーモールド）するプロセスの繰返しをはじめ、知られている技術は、多層マットもしくはクロスおよび複合成形熱可塑性層を含む複合品を作るのに使用可能とされる。複合品には、オーバーモールディングもしくは他のプロセスによって適用される他の材料の層も含まれる。そのような材料には、熱硬化性樹脂等、他の高分子材料、並びにセラミックもしくは金属も含まれよう。特に、ストライクフェース材料（ｓｔｒｉｋｅ−ｆａｃｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ）が含まれよう。ストライクフェース材料は、硬度がきわめて高く、一般にダイヤモンドの硬度に僅かに劣るのみとされるセラミックもしくは他の材料である。ストライクフェース材料の１つの用途は、銃弾もしくは他の発射体がストライクフェース材料に衝突時にこれを粉砕もしくは変形させることである。ストライクフェース材料の組成には、炭化珪素、酸化アルミニウム、炭化ホウ素、もしくはジルコニアが含まれる。
【００２１】
図４は、最も外側に位置する樹脂層２４０および２５０と、それぞれの樹脂層に隣接して位置するクロス層２６０および２７０と、クロス層の間に位置しかつ隣接するストライクフェース材料のプレート２８０とを含む成形品の分解図である。
【００２２】
上記に説明したオーバーモールドするプロセスは、説明のためにすぎず、積層複合品を形成する他のプロセスも使用可能とされることにも留意されたい。これに代わる１つのよく知られた成形プロセスは圧縮成形であり、半固体プラスチックおよび強い締付け力を使用して実行される。更に、複合熱可塑性樹脂を型に注入する別のプロセスも知られている。例えば、コインジェクション（ｃｏ−ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）においては、２つの材料が２つのフィードを使用して注入される。ツイン・ショット成形では、２つの材料が１つのフィードを使用して注入される。そのようなプロセスは、とりわけ、２つまたはそれ以上のエンジニアリング樹脂を構造プリフォームに重ねて得る複合形状品を成形するのに有用とされる。
【００２３】
更に亦、様々な非注入式プロセスを使用することにより、熱可塑性樹脂シートを圧縮成形し、プリフォームの両側に接合することが可能とされる。そのようなアプローチは、射出成形にはとうてい無理な大型品を製造するときに、特に有用とされる。その点で有用な、よく知られている技術には、真空成形、ツイン・シート成形、圧力成形、減圧バッグ成形、その他の真空および圧力成形法が含まれる。
【実施例】
【００２４】
出願人は、上述の技術により、ポリカーボネート、でんぷん、およびガラス繊維による幾つかの複合パネルを製作した。小火器の発砲を使用する弾道試験において、出願人のパネルは、熱硬化性樹脂を使用して作られた同等のパネルと比較して、意外な程の耐衝撃性を示した。
【００２５】
出願人の複合パネルを図５に示す。図は模式的にすぎず、比率通りには描かれていない。層３００は、まずガラス繊維−でんぷんプリフォームとして用意された。このガラス・クロスは立体的に織られ、織機によってｘおよびｙ方向の織りに対してｚ方向にウーブン・ロービング（織製ロービング、ｗｏｖｅｎ  ｒｏｖｉｎｇ）・ステッチングが加えられた。プリフォームを作るため、クロスは裁断され、でんぷんを材料とする低温湿潤剤によりウエットアウトされた。（他の試験パネルでは、ＰＭＭＡを湿潤剤として使用し奏功した。）湿潤剤は圧力ポットで前述のように溶融され、クロスの浸漬および刷毛塗り両用の液が作られた。プリフォームはすべて完全に浸漬された後に、コアハーフ・モールディング・ツールのジオメトリに従ったドレープ・モールドに掛けられた。
【００２６】
プリフォーム・クロスの液が乾燥すると、プリフォームはその形状を保持し、取扱いおよび生産射出成形型に掛けることが可能になった。ポリカーボネート射出成形樹脂がプリフォームを外側被覆するために選択された。ポリカーボネート樹脂は合成ゴム・コンパウンドを含み、特に低温範囲、即ち冷温から脆化温度に遷移する範囲に近い温度において衝撃強さが向上した。
【００２７】
更に図５に関し、仕上がり品の層３１０は、ポリカーボネート外側被覆樹脂を示す。層３１０は、エマルジョン含有クロスから成る外側被覆（オーバーモールディング）層３００により、高圧射出成形において融解温度約摂氏２３２度（華氏４５０度）で形成された。仕上がり品の層３１０の厚さは、０．４７８ｃｍ（０．１８８インチ）であった。より大きい厚さは、例えば、化学的もしくはガス発泡剤を１つの射出成形ショットに加えることにより、或いは樹脂を複数サイクルにおいて注入することによって生成することが可能とされる。
【００２８】
この図は、クロス層３００の一方側にのみ形成された樹脂層３１０を示しているが、よく知られた成形技術を使用してクロス層の両側に樹脂層を形成し、或いはクロス層を樹脂中に完全に包囲することは容易であることが理解されよう。
【００２９】
図３の複合材料による、実質的に同一のパネル数枚が小火器の射撃を受けた。１つのパネルは、４５口径拳銃から距離１５．２４メートル（５０フィート）で発射されたフル・メタル・ジャケット付き２００グラム銃弾を止めた。クロス層３００が接近する発射体に直面した。２つのパネルがそれぞれ、２２口径カートリッジ装填式ロング・ライフル銃から距離１５．２４メートル（５０フィート）で発射された発射体を止めた。一方のパネルでは、樹脂層３１０が接近する発射体に直面し、他方のパネルでは、クロス層３００が接近する発射体に直面した。
【００３０】
予備試験は、ライフル銃からの高速衝撃荷重は積層品の層の数を増やすことにより、或いは超硬度ストライクフェース材料によるプレートまたは他の構造をストラクチュラル・プリフォームに加えることによって止めることが可能なことを示唆している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】耐衝撃性物品製造のための、１つの考えられるプロセス・シーケンスの流れ図である。
【図２】開いた状態の射出成形型の概略斜視図である。型内のプリフォームを示す。
【図３】閉じた状態の射出成形型の概略斜視図である。図２のプリフォームが型キャビティ内で心出しされた様を示す。
【図４】本発明によって製作された例示の物品の分解図である。
【図５】本発明によって製作された例示の物品の斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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