(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
混成プライまたは積み重ねた複数の混成プライを含む防弾材料であって、
各混成プライは複数の繊維を含み、かつ、少なくとも２種の物理的に異なる繊維種を含むか、または、各混成プライは複数のテープを含み、かつ、少なくとも２種の物理的に異なるテープ種を含むか、または、各混成プライは繊維とテープの組み合わせを含み、
各混成プライの該繊維及び／またはテープは、重なりがなく、一方向に配向されており、
該物理的に異なる繊維種またはテープ種は少なくとも１つの異なる物理的特性を有し、
該テープは３：１より大きい平均断面縦横比及び１５ｇ／デニール以上の靱性を有し、
該防弾材料が複数の繊維を含む場合、該繊維の５０重量％より多い部分が少なくとも２５ｇ／デニールの靱性を有し、
該少なくとも２種の物理的に異なる繊維種または少なくとも２種の物理的に異なるテープ種は、同じ重合体で形成されている、
防弾材料。
【請求項２】
前記２種の物理的に異なる繊維種が、少なくとも２５ｇ／デニールの靱性を有する高靱性繊維及び１０ｇ／デニール未満の靱性を有する低靱性繊維である、請求項１に記載の防弾材料。
【請求項３】
一体化された積み重ねた複数の混成プライを含み、各混成プライ中の隣接する平行な繊維または隣接する平行なテープは異なる繊維種または異なるテープ種である、請求項１に記載の防弾材料。
【請求項４】
前記複数の繊維が、第一のフィラメントあたりデニールを有する複数の繊維及び第二のフィラメントあたりデニールを有する複数の繊維を含み、該第一のフィラメントあたりデニールが該第二のフィラメントあたりデニールより大きい、請求項１に記載の防弾材料。
【請求項５】
前記複数の繊維またはテープが、複数の物理的に異なるポリエチレン繊維またはテープである、請求項１に記載の防弾材料。
【請求項６】
前記テープが２．５ｍｍ乃至５０ｍｍの幅を有する、請求項１に記載の防弾材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年５月１７日に出願された同時係属中の米国仮出願第６１／６４８，５２０号の利益を主張するものであり、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、単一の繊維プライに複数の異なる繊維種を組み込んだ複数の繊維プライから形成された防弾材料および防弾物品に関する。
【背景技術】
【０００３】
高強度繊維を含む防弾物品がよく知られている。防弾ベスト、ヘルメット、車両パネル、および軍用品の構造部材のような物品は、一般に高強度繊維を含む布から作られている。超高分子量ポリエチレン繊維、アラミド繊維、ポリベンゾオキサゾール繊維、液晶共重合体繊維、およびＭ５（登録商標）剛体棒状繊維のような多種の高強度繊維が知られている。例えば米国特許第４，４０３，０１２号、第４，４５７，９８５号、第４，６１３，５３５号、第４，６２３，５７４号、第４，６５０，７１０号、第４，７３７，４０２号、第４，７４８，０６４号、第５，５５２，２０８号、第５，５８７，２３０号、第６，６４２，１５９号、第６，８４１，４９２号、第６，８４６，７５８号には超高分子量ポリエチレンから形成された防弾複合材が開示されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００４】
各繊維種は独自の特徴と特性を有しており、結果として高強度繊維で作られた複合材の特性は使用される繊維種によって変わる場合がある。例えば、アラミド繊維はその表面に極性官能基を含むため大きな表面エネルギーを有し、したがって樹脂は一般にアラミド繊維に対して強い親和性を示す。それに対して超高分子量ポリエチレン繊維は元来不活性であり、一般に樹脂被覆に対し親和性が弱い。この違いが複合材の所望の最終用途に応じて重要になる。
【０００５】
防弾性に影響を与えるもう１つの因子は布構造の種類である。例えば防弾ベストのような用途の場合、繊維を高分子結合剤で被覆せずに織布または編布を作って柔軟な布複合材を形成することが望ましい場合がある。防弾ヘルメットのようなその他の用途の場合、繊維を高分子結合剤で包むかまたは繊維を高分子結合剤中に組み込んで剛直な不織布複合材を形成することが望ましい場合がある。
【０００６】
この点に関し、装甲品産業では不織一方向性複合材がとりわけ最高性能の材料である。不織一方向性複合材を製造する代表的な方法では、一方向に配置された繊維の複数のプライが配向されて重ねられ、熱と圧力で押圧されて複合材が作られる。異なる繊維種の異なる特性を活かすために混成不織複合材を形成することが知られており、その場合、異なる繊維種で形成された繊維プライを結合して単一の装甲構造にしている。例えば米国特許第５，１７９，２４４号および第５，１８０，８８０号には防護服が教示されており、ここではアラミド繊維プライと非アラミド繊維プライを繋いで結合構造体にしている。また米国特許第６，１１９，５７５号には、第１の重合体母材状の芳香族繊維の少なくとも１つのプライと、織られた樹脂の少なくとも１つのプライと、第２の重合体母材状のポリオレフィン繊維の少なくとも１つのプライとを含む混成構造が教示されている。
【０００７】
米国特許第５，１７９，２４４号、第５，１８０，８８０号、および第６，１１９，５７５号に記載されている各複合材では、個々の構成プライはただ１種の繊維種で構成されており、ここでは１つの一方向性繊維プライは全て１種の繊維種で構成され、他の繊維プライは別の繊維種で構成されている。そのような構造は樹脂接着、一体化温度、摩擦特性、切削抵抗のような異なる繊維の異なる特性の長所を十分に活かすことができない。またそのような混成構造は、物理的構築の性質のため複合材の均一性や複合材内の各繊維種の割合が極端に制限される。当技術分野にはこれらの欠点を解決する要求があり、本発明はこの要求に対する解決策を提供する。具体的には、異なる種類の繊維を単一の繊維プライ内に結合することによって相乗効果が発揮され、各繊維種のいろいろな特性が互いにうまく補完し合い、それによって改良された防弾複合材が形成されることがわかった。
【０００８】
複合材の弾道貫通抵抗はその複合材の構成繊維の強度に直接関係し、この場合、靱性および／または引張弾性率のような繊維強度特性の増大がＶ５０速度の上昇に比例する。したがってここでは、超高分子量ポリエチレン繊維のような大きな引張特性を有する繊維が望ましい。また、後面痕跡（当技術分野では「後面変形」、「外傷的痕跡」、または「鈍器損傷」としても知られている）と樹脂／繊維接合面における繊維の樹脂被覆の結合強度の間にも直接の関連性があり、結合強度が強いほど後面痕跡が少ないという関連性がある。したがって、樹脂／重合体被覆に強い親和性を有するアラミド繊維のような繊維がここでは望ましい。
【０００９】
炭素繊維、ガラス繊維のような他の高性能構造繊維、およびポリエチレンテレフタラート繊維ならびにポリエチレンナフタラート繊維のようなポリエステル繊維が知られており、熱安定性、耐摩耗性、切断抵抗、および衝撃エネルギー吸収のような他の望ましい特性が得られる。本発明の繊維材料は１つ以上の混成繊維プライで形成され、これら混成繊維プライは少なくとも２種の異なる繊維種を結合して形成されていて、各繊維種がもたらす異なる有利な特性を相殺することなくまたは他の望ましい特性を犠牲にすることなく活用している。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は少なくとも１つの混成プライを含む材料を提供し、該混成プライは複数の繊維または複数のテープを含み、該複数の繊維は少なくとも２種の物理的に異なる繊維種を含み、該複数のテープは少なくとも２種の物理的に異なるテープ種を含み、該物理的に異なる繊維種またはテープ種は少なくとも１つの異なる物理的特性を有する。
【００１１】
また本発明は、少なくとも１つの混成プライを含む不織材料も提供し、各混成プライは一方向に配向された実質的に平行な複数の繊維または一方向に配向された実質的に平行な複数のテープを含み、該複数の繊維は少なくとも２種の物理的に異なる繊維種を含み、該複数のテープは少なくとも２種の物理的に異なるテープ種を含み、該物理的に異なる繊維種またはテープ種は少なくとも１つの異なる物理的特性を有し、各混成プライ中の隣接する平行な繊維または隣接する平行なテープは異なる繊維種または異なるテープ種である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
優れた構造特性、高い弾道貫通抵抗、および小さい後面痕跡の間の両立を達成した複合材および他の繊維材料が提供される。
本明細書に用いられる「混成」は、２つ以上の異なる要素、本発明との関連では２種以上の異なる繊維種、２種以上の異なるテープ種、またはそれらの組合せを結合して作られた物の通常的かつ慣習的意味を有する。「混成プライ」は複数の繊維を含んでもよく、この複数の繊維は少なくとも２種の物理的に異なる繊維種を含み、この物理的に異なる繊維種は少なくとも１つの異なる物理的特性を有する。あるいは「混成プライ」は複数のテープを含んでもよく、この複数のテープは少なくとも２種の物理的に異なるテープ種を含んでもよく、この物理的に異なるテープ種は少なくとも１つの異なる物理的特性を有する。
【００１３】
本明細書に用いられている異なる繊維／テープ種は、最低でも物理的に異なる繊維／テープ、すなわち少なくとも１つの異なる物理的特性を有する繊維／テープ種である繊維／テープを指す。繊維／テープの物理的特性の具体例には繊維／テープ引張特性が含まれ、例えば、靱性、初期引張弾性率、最終引張強度、および最終伸び／破断時伸びのようなものがある。他の物理的特性には、繊維／テープ密度、繊維／テープデニール、フィラメントあたりのデニール、クリープ特性（ASTM D6992で求められる）、繊維／テープ直径、電気的特性（誘電率および誘電損失のような誘電特性を含む）、および繊維／テープの軸方向および横断方向の熱膨張係数を含む熱特性が含まれる。
【００１４】
本明細書に用いられている物理的特性には繊維／テープ表面の物理的特徴も含まれ、例えば、繊維／テープの表面仕上げの有無または繊維／テープ表面のプラズマ処理またはコロナ処理のようなものによる処理の有無のようものがある。種々の表面処理が同時係属出願中の第６１／５３１，２３３号、第６１／５３１，２５５号、第６１／５３１，２６８号、第６１／５３１，３０２号、および第６１／５３１，３２３号に記載されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００１５】
本発明の目的では、「繊維」は、その長さ寸法が幅および厚さの横断寸法よりもはるかに大きい長尺体である。本発明に使用される繊維の断面は大きく異なってもよく、円形、扁平、または楕円形の断面でもよい。したがって「繊維」には規則的なまたは不規則な断面を有するフィラメント、リボン、細片等を含むが、繊維が実質的に円形断面を有することが好ましい。本明細書に用いられている「糸」は複数の繊維またはフィラメントからなる１本の連続したストランドとして定義される。１本の繊維はただ１本のフィラメントから形成されても複数のフィラメントから形成されてもよい。ただ１本のフィラメントから形成された繊維を、本明細書では「単一フィラメント」繊維または「モノフィラメント」繊維のいずれかで呼び、複数のフィラメントから形成された繊維を本明細書では「マルチフィラメント」繊維と呼ぶ。本明細書におけるマルチフィラメント繊維の定義は、互いに少なくとも部分的に融合していてモノフィラメント繊維のように見えるマルチフィラメント繊維を表す専門用語である疑似モノフィラメント繊維も含む。本発明のマルチフィラメント繊維は好ましくは２〜約１０００本のフィラメント、さらに好ましくは３０〜５００本のフィラメント、さらに好ましくは１００〜５００本のフィラメント、さらに好ましくは約１００〜約２５０本のフィラメント、最も好ましくは約１２０〜約２４０本のフィラメントを含む。マルチフィラメント繊維は当技術分野では繊維束と呼ばれることも多い。
【００１６】
本明細書に用いられる「繊維プライ」または「テーププライ」は、実質的に重なりがない一方向に配向された繊維、繊維テープ、非繊維テープ、またはそれらの組合せの１枚のシートすなわち全体に平坦な層を含んでもよい。あるいはこれを、実質的に平行な繊維／テープの配列と記述してもよい。この種の繊維／テープ配置は当技術分野では「ユニテープ」、「一方向性テープ」、「ＵＤ」、または「ＵＤＴ」としても知られている。本明細書に用いられる「配列」は、繊維、糸、またはテープの整然とした配置（織布を除く）を表し、「平行な配列」は、繊維、糸、またはテープの整然とした平行な配置を表す。「配向繊維」という文脈で使用される「配向」は繊維の整列を指す。「繊維プライ」は織布を指すことがある。単一の「プライ」には、複数の織布を組み込んだ一体化構造、または重ねられ結合され実質的に平行な繊維／テープの複数の配列を組み込んだ一体化構造は含まれない。
【００１７】
一方、本明細書に用いられる「繊維層」または「テープ層」は、一方向に配向された繊維／テープの単一プライ、一方向に配向された繊維／テープの複数の一体化プライ、織布、複数の一体化織布、または複数の繊維／テープで形成された任意の他の布構造を含んでもよく、無秩序に配向された繊維／テープで構成されたフェルト、マット、および他の構造を含む。「層」は一般に平坦な配置を表す。繊維層は外側上面および外側底面の両方を有することになる。
【００１８】
「布」は、プライ同士を成形すなわち一体化する／しないに関わらず、１つ以上の繊維プライを含むことができる構造を表す。例えば、織布またはフェルトは１つの繊維プライを含んでもよい。一方向性繊維／テープで形成された不織布は一般的に、互いに重ね積み重ねられて一体化された複数の繊維プライを含む。「単一層」構造とは、本明細書で使用する場合、１つ以上の単独プライまたは単独層からなり低圧積層または高圧成形によって必要なら高分子結合剤と一緒に単一構造に結合すなわち一体化された任意の一体化繊維構造を指す。「一体化する」とは、高分子結合剤が各繊維プライと共に結合されて単一層になることを意味する。一体化は乾燥、冷却、加熱、圧力、またはそれらの組合せによって行うことができる。湿式積層法の場合のように繊維／テープ層または布層を単に接着するだけでよければ、熱および／または圧力は必須ではない場合がある。「複合材」とは、一般には少なくとも１つの高分子結合剤との繊維／テープの組合せを指す。「複雑複合材」とは複数の繊維／テープ層の一体化された組合せを指す。本明細書に述べる「不織」布は、織りによって形成されない全ての布構造を含む。例えば不織布は、少なくとも部分的に高分子結合剤で被覆され、積み重ね／重ね合わされ、単一層、一体化要素に一体化されている複数のユニテープ、ならびに平行ではなく無秩序に配向され好ましくは高分子結合剤組成で被覆されている繊維を含むフェルトまたはマットを含んでもよい。
【００１９】
本明細書に用いられている「テープ」は、繊維材料または非繊維材料の幅が狭い細片を指す。テープは全体に平坦な実質的に矩形断面を有する構造であり、約０．５ｍｍ以下、より好ましくは約０．２５ｍｍ以下、さらに好ましくは約０．１ｍｍ以下、さらに好ましくは約０．０５ｍｍ以下の厚さを有する。最も好ましい態様では、重合体テープは最大約３ミル（７６．２μｍ）、より好ましくは約０．３５ミル〜約３ミル（８．８９μｍ〜７６．２μｍ）、最も好ましくは約０．３５ミル〜約１．５ミル（３８．１μｍ）の厚さを有する。厚さは断面の厚さが最大の領域で測定される。テープは一般に約６インチ（１５．２４ｃｍ）以下の幅を有し、好ましくは約２．５ｍｍ〜約５０ｍｍ、より好ましくは約５ｍｍ〜約５０ｍｍ、さらに好ましくは約５ｍｍ〜約２５．４ｍｍ（１インチ）、さらに好ましくは約５ｍｍ〜約２０ｍｍ、最も好ましくは約５ｍｍ〜約１０ｍｍの幅がある。これらの寸法は変化してもよいが、本明細書で形成された重合体テープは最も好ましくは、約３：１より大きい平均断面縦横比（すなわち断面の最大寸法の最小寸法に対する比をテープ品全長にわたって平均したもの）、より好ましくは少なくとも約５：１、さらに好ましくは少なくとも約１０：１、さらに好ましくは少なくとも約２０：１、さらに好ましくは少なくとも約５０：１、さらに好ましくは少なくとも約１００：１、さらに好ましくは少なくとも約２５０：１の平均断面縦横比を達成する寸法を有するように作られ、最も好ましい重合体テープは少なくとも約４００：１の平均断面縦横比を有する。
【００２０】
テープは繊維材料でも、または非繊維材料でもよい。「繊維」テープ材料は１本以上のフィラメントを含むテープである。本発明の重合体テープの断面は矩形でも、楕円でも、多角形でも、不規則形状でも、または本明細書に概要を記載した幅、厚さ、および縦横比の要件を満たす任意形状でもよい。
【００２１】
繊維テープを作る方法は、例えば米国特許第８，２３６，１１９号、および米国特許出願第１３／０２１，２６２号、第１３／４９４，６４１号、第１３／５６８，０９７号、第１３／６４７，９２６号、および第１３／７０８，３６０号に記載されており、その開示が参照によって本明細書に組み込まれる。繊維テープを作る他の方法は、例えば米国特許第２，０３５，１３８号、第４，１２４，４２０号、第５，１１５，８３９号に記載されており、あるいは狭い織布すなわちリボンの織り専用のリボン織機が用いられる。有用なリボン織機は例えば、それぞれTextilma AG（スイス、スタンスタッド）に付与された米国特許第４，５４１，４６１号、第５，５６４，４７７号、第７，４５１，７８７号、および第７，８５７，０１２号に開示されており、本明細書と一致する範囲を参照して各特許が本明細書に組み込まれる。ただし、任意の別のリボン織機も同じく有用である。重合体テープは、押出し、引き抜き、スリットフィルム技術のような他の既知の方法で形成してもよい。例えば、標準厚さのユニテープを切断して所望の長さを有するテープにしてもよい。切断装置の一具体例が米国特許第６，０９８，５１０号に開示されており、シート材料ウェブを前記ロールに巻かれたまま切断する装置が教示されている。切断装置の別の具体例は米国特許第６，１４８，８７１号に開示されており、重合体フィルムのシートを複数の刃で切断して複数のフィルム細片にする装置が教示されている。米国特許第６，０９８，５１０号および米国特許第６，１４８，８７１号の開示は共に、本明細書と一致する範囲を参照して本明細書に組み込まれる。不織非繊維重合体テープを作る方法は、例えば米国特許第７，３００，６９１号、第７，９６４，２６６号、および第７，９６４，２６７号に開示されており、参照によって本明細書に組み込まれる。これらのテープの各態様では、テープ系材料を複数層積み重ね、高分子結合剤を用いて、または用いずに繊維材料と類似の方法で一体化／成形してもよい。
【００２２】
非繊維重合体テープは押出し、引き抜き、スリットフィルム技術、繊維圧縮／平坦化技術のような既知の方法で形成される。例えば、標準厚さのユニテープを切断して所望の長さを有するテープにしてもよく、これは複数プライの不織繊維層でテープを作るのに望ましい方法である。切断装置の一具体例が米国特許第６，０９８，５１０号に開示されており、シート材料ウェブを前記ロールに巻かれたまま切断する装置が教示されている。切断装置の他の具体例は米国特許第６，１４８，８７１号に開示されており、重合体フィルムのシートを複数の刃で切断して複数のフィルム細片にする装置が教示されている。米国特許第６，０９８，５１０号および米国特許第６，１４８，８７１号の開示は共に、本明細書と一致する範囲を参照して本明細書に組み込まれる。他の例示的方法は、米国特許第７，３００，６９１号、第７，９６４，２６６号、および第７，９６４，２６７号に開示されており、本明細書と一致する範囲を参照して本明細書に組み込まれる。布の細片を織って狭いテープ構造を形成することも既知であり、これは一般に任意の従来の織機の設定を調整して達成することができ（そのような装置は米国特許第２，０３５，１３８号、第４，１２４，４２０号、第５，１１５，８３９号に開示されており、本明細書と一致する範囲を参照して本明細書に組み込まれる）、あるいは狭い織布すなわちリボンの織り専用のリボン織機が用いられる。有用なリボン織機は例えば、それぞれTextilma AG（スイス、スタンスタッド）に付与されている米国特許第４，５４１，４６１号、第５，５６４，４７７号、第７，４５１，７８７号、および第７，８５７，０１２号に開示されており、本明細書と一致する範囲を参照して各特許が本明細書に組み込まれる。ただし、任意の別のリボン織機も同じく有用である。
【００２３】
混成繊維プライ中の少なくとも１部の繊維は高強度高引張弾性率の重合体繊維である。本明細書に用いられている「高強度高引張弾性率」繊維は、ASTM D2256繊維で測定時に少なくとも約７ｇ／デニール以上の好ましい靱性、少なくとも約１５０ｇ／デニール以上の好ましい引張弾性率、さらに好ましくは少なくとも約８Ｊ／ｇ以上の破断エネルギーを有する繊維である。本明細書に用いられている「デニール」は線密度の単位であり、繊維の９０００メートルあたりのグラム単位の質量に等しい。本明細書に用いられている「靱性」は、応力を受けていない試験片の単位線密度（デニール）あたりの力（グラム）で表した引張応力を指す。繊維の「初期弾性率」は材料の変形に対する抵抗力を示す特性である。「引張弾性率」は靱性（デニールあたりグラム力（ｇ／ｄ））の変化の歪み（繊維の元の長さの分数（インチ／インチ））の変化に対する比を指す。
【００２４】
特に好適な高強度高引張弾性率繊維には、高密度および低密度ポリエチレンを含むポリオレフィン繊維がある。特に好ましいものは、高配向高分子量ポリエチレン繊維のような延伸鎖ポリオレフィン繊維であり、具体的には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、具体的には超高分子量ポリプロピレン繊維である。また好適なものはアラミド繊維であり、具体的にはパラアラミド繊維、ポリアミド繊維、ポリエチレンテレフタラート繊維、ポリエチレンナフタラート繊維、延伸鎖ポリビニルアルコール繊維、延伸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、Ｍ５（登録商標）繊維のような剛体棒状繊維、およびガラス繊維が含まれ、ガラス繊維には電気等級ガラス繊維（Ｅ−ガラス：電気特性が良好な低アルカリホウケイ酸塩ガラス）、構造等級ガラス繊維（Ｓ−ガラス：高強度マグネシア−アルミナ−ケイ酸）、および抵抗等級ガラス繊維（Ｒ−ガラス：酸化マグネシウムまたは酸化カルシウムを含まない高強度アルミノケイ酸塩ガラス）が含まれる。これらの各繊維種は当技術分野では従来から知られている。また、重合体繊維の製造に適するのは共重合体、ブロック重合体、および上記材料の混合材料である。
【００２５】
最も好ましい繊維種はポリエチレンを含み、具体的には延伸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、具体的には高配向延伸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、および剛体棒状繊維、具体的にはＭ５（登録商標）繊維である。
【００２６】
ポリエチレンの場合、好ましい繊維は少なくとも３００，０００の分子量、好ましくは少なくとも１００万以上の分子量、より好ましくは２００万〜５００万の分子量を有する延伸鎖ポリエチレンである。そのような延伸鎖ポリエチレン（ＥＣＰＥ）繊維は、米国特許第４，１３７，３９４号または第４，３５６，１３８号に記載のように溶液紡糸過程で成長させてもよく（参照によって本明細書に組み込まれる）、あるいは、米国特許第４，４１３，１１０号、第４，５３６，５３６号、第４，５５１，２９６号、第４，６６３，１０１号、第５，００６，３９０号、第５，０３２，３３８号、第５，５７８，３７４号、第５，７３６，２４４号、第５，７４１，４５１号、第５，９５８，５８２号、第５，９７２，４９８号、第６，４４８，３５９号、第６，７４６，９７５号、第６，９６９，５５３号、第７，０７８，０９９号、第７，３４４，６６８号、および米国特許出願公報第２００７／０２３１５７２に記載のように溶液から紡糸されてゲル構造を形成してもよい（これらの全てが参照によって本明細書に組み込まれる）。特に好ましい繊維種は、Honeywell International Inc.からSPECTRA（登録商標）の商標で販売されているポリエチレン繊維である。SPECTRA（登録商標）繊維は当技術分野ではよく知られている。他の便利なポリエチレン繊維種には、Royal DSM N.V. Corporation（オランダ、ヘールレン）から市販されているDYNEEMA（登録商標）ＵＨＭＷＰＥ糸がある。
【００２７】
好ましいアラミド（芳香族ポリアミド）繊維またはパラアラミド繊維は市販されており、例えば米国特許第３，６７１，５４２号に記載されている。例えば有用なポリ（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）フィラメントは、KEVLAR（登録商標）の商標でDuPontによって商用生産されている。また本発明の実施に有用なものは、DuPont（デラウェア州、ウィルミントン）によってNOMEX（登録商標）の商標で商用生産されているポリ（ｍ−フェニレンイソフタルアミド）繊維、Teijin Aramid Gmbh（ドイツ）によってTWARON（登録商標）の商標で商用生産されている繊維、Kolon Industries, Inc.（韓国）によってHERACRON（登録商標）の商標で商用生産されているアラミド繊維、Kamensk Volokno JSC（ロシア）によって商用生産されているｐ−アラミド繊維SVM（登録商標）ならびにRUSAR（登録商標）、およびJSC Chim Volokno（ロシア）によって商用生産されているARMOS（登録商標）ｐ−アラミド繊維である。
【００２８】
本発明の実施に好適なＰＢＯ繊維は市販されており、例えば米国特許第５，２８６，８３３号、第５，２９６，１８５号、第５，３５６，５８４号、第５，５３４，２０５号、および第６，０４０，０５０号に開示されており、それぞれ参照によって本明細書に組み込まれる。本発明の実施に好適な液晶コポリエステル繊維は市販されており、例えば米国特許第３，９７５，４８７号、第４，１１８，３７２号、および第４，１６１，４７０号に開示されており、それぞれ参照によって本明細書に組み込まれ、Kuraray Co., Ltd.（日本、東京）から市販されているVECTRAN（登録商標）液晶コポリエステル繊維が含まれる。好適なポリプロピレン繊維には、米国特許第４，４１３，１１０号に記載の高配向延伸鎖ポリプロピレン（ＥＣＰＰ）繊維が含まれ、参照によって本明細書に組み込まれる。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、および第４，５９９，２６７号に記載されており、参照によって本明細書に組み込まれる。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号に開示されており、参照によって本明細書に組み込まれる。これらの繊維種はそれぞれ従来から知られており、広く市販されている。
【００２９】
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）で形成され、Magellan Systems International（バージニア州、リッチモンド）によって最近製造され、例えば米国特許第５，６７４，９６９号、第５，９３９，５５３号、第５，９４５，５３７号、および第６，０４０，４７８号に記載されており、それぞれ参照によって本明細書に組み込まれる。
【００３０】
有用なガラス繊維にはＳ−ガラス繊維があり、AGY（サウスカロライナ州、エーケン）から市販されているS2-Glass（登録商標）繊維、および3B Fibreglass（ベルギー、バチス）から市販されているHiPerTex（登録商標）Ｅ−ガラス繊維がある。また、好適なものは、VETROTEX（登録商標）の商標でSaint-Gobain（フランス、クールブボア）から市販されているようなＲ−ガラス繊維である。また、上記材料を全て組み合わせても好適である。
【００３１】
繊維テープ材料は上記の方法によって前述の繊維／フィラメント種のうちのいずれかを用いて作ることができる。特に好適な高強度高引張弾性率の非繊維重合体テープ材料はポリオレフィンテープである。好ましいポリオレフィンテープにはポリエチレンテープが含まれ、TENSYLON（登録商標）の商標でE. I. du Pont de Nemours and Company（デラウェア州、ウィルミントン）から市販されているものなどがある。例えば米国特許第５，０９１，１３３号、第７，９６４，２６６号、および第７，９６４，２６７号があり、参照によって本明細書に組み込まれる。また、好適なものはポリプロピレンテープであり、TEGRIS（登録商標）の商標でMilliken & Company（サウスカロライナ州、スパータンバーグ）から市販されているものなどがある。例えば米国特許第７，３００，６９１号があり、参照によって本明細書に組み込まれる。本明細書で破砕抵抗性基材として有用なポリオレフィンテープ系複合材も、例えばRoyal DSM N.V. Corporation（オランダ、ヘールレン）からDYNEEMA（登録商標）BT10の商標で、ENDUMAX（登録商標）の商標でTeijin Aramid Gmbh（ドイツ）から市販されている。
【００３２】
繊維／テープは任意の好適なデニールでよい。例えば、繊維は約５０〜約３０００デニール、より好ましくは約２００〜３０００デニール、さらに好ましくは約６５０〜約２０００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もよい。テープは約５０〜約３０，０００デニール、より好ましくは約２００〜１０，０００デニール、さらに好ましくは約６５０〜約２０００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もよい。この選択は防弾効果および費用を考慮して決定される。細い繊維／テープがほど製造と織りに費用がかかるが、単位重量当たりの防弾効果を高めることができる。
【００３３】
上記のように、高強度高引張弾性率の繊維／テープは、それぞれASTM D2256で測定時に約７ｇ／デニール以上の好ましい靱性、約１５０ｇ／デニール以上の好ましい引張弾性率、および約８Ｊ／ｇ以上の好ましい破断エネルギーを有するものである。好ましい繊維は約１０ｇ／デニール以上の好ましい靱性を有し、より好ましくは約１５ｇ／デニール以上、より好ましくは約２０ｇ／デニール以上、さらに好ましくは約２５ｇ／デニール以上、さらに好ましくは約３０ｇ／デニール以上、さらに好ましくは約４０ｇ／デニール以上、さらに好ましくは約４５ｇ／デニール以上、最も好ましくは約５０ｇ／デニール以上の靱性を有する。好ましいテープは約１０ｇ／デニール以上の好ましい靱性を有し、より好ましくは約１５ｇ／デニール以上、さらに好ましくは約１７．５ｇ／デニール以上、最も好ましくは約２０ｇ／デニール以上の靱性を有する。幅が広いテープほど小さい靱性を有することになる。好ましい繊維／テープは約３００ｇ／デニール以上の好ましい引張弾性率も有し、より好ましくは約４００ｇ／デニール以上、より好ましくは約５００ｇ／デニール以上、より好ましくは約１，０００ｇ／デニール以上、最も好ましくは約１，５００ｇ／デニール以上の引張弾性率を有する。好ましい繊維／テープは約１５Ｊ／ｇ以上の好ましい破断エネルギーも有し、より好ましくは約２５Ｊ／ｇ以上、より好ましくは約３０Ｊ／ｇ以上、最も好ましくは約４０Ｊ／ｇ以上の破断エネルギーを有する。これらを組み合わせた高強度特性を有する好ましい繊維種およびテープ種のそれぞれを形成する方法が当技術分野では従来から知られている。
【００３４】
本発明の一態様では、混成繊維プライまたは混成テーププライの物理的に異なる繊維／テープ種は、実質的に化学的に類似すなわち化学的に同じである物理的に異なる繊維またはテープを含む。ここで化学的に同じとはそれらが同じ重合体で形成されていることを意味する。例えば好ましい材料では、混成繊維プライまたは混成テーププライは物理的に異なる複数のポリエチレン繊維またはテープを含む。別の好ましい繊維材料では、混成繊維プライまたは混成テーププライは物理的に異なる複数のアラミド繊維またはテープを含む。別の好ましい繊維材料では、混成繊維プライまたは混成テーププライは物理的に異なる複数のポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）繊維またはテープを含む。１つの混成繊維プライまたは混成テーププライ内の繊維／テープ種は化学的に同じだが、異なる靱性、異なる引張弾性率、異なる破断時伸び、異なる最終引張強度、異なる繊維／テープデニールのような少なくとも１つの異なる物理的特性を有する。混成繊維層またはテープ層の１つまたは各々は、１つの混成繊維／テーププライ中に化学的性質が類似の３つ以上の異なる繊維／テープ種を有してもよい。
【００３５】
好ましい一態様では、単一の混成繊維プライは、SPECTRA（登録商標）９００繊維、SPECTRA（登録商標）１０００繊維、およびSPECTRA（登録商標）３０００繊維の２種以上を含んでもよく、これらは全てHoneywell International Inc.（ニュージャージー州、モリスタウン）から市販されている。１つの混成繊維プライは複数の高デニール繊維および複数の低デニール繊維の組合せを含んでもよく、その場合前記高デニール繊維は低デニール繊維よ大きい繊維デニールを有する。例えば混成繊維プライは、６５０デニールSPECTRA（登録商標）９００繊維、１２００デニールSPECTRA（登録商標）９００繊維、２４００デニールSPECTRA（登録商標）９００繊維、および４８００デニールSPECTRA（登録商標）９００繊維の組合せを含んでもよい。あるいは１つの混成繊維プライは、６５０デニールSPECTRA（登録商標）９００繊維、１２００デニールSPECTRA（登録商標）９００繊維、２４００デニールSPECTRA（登録商標）９００繊維、および４８００デニールSPECTRA（登録商標）９００繊維の２つ以上の組合せを含んでもよい。別の具体例として、１つの混成繊維プライは、７５デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維、１００デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維、１３０デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維、１８０デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維、２１５デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維、２７５デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維、３７５デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維、４３５デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維、６５０デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維、１３００デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維、１６００デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維、および２６００デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維の２つ以上の組合せを含んでもよい。あるいは１つの混成繊維プライは、１１００デニールSPECTRA（登録商標）３０００繊維、１３００デニールSPECTRA（登録商標）３０００繊維、および１６００デニールSPECTRA（登録商標）３０００繊維の２つ以上の組合せを含んでもよい。また有用なものは、任意の上記SPECTRA（登録商標）繊維種と、任意の種々のアラミド繊維、ポリベンゾオキサゾール繊維、液晶コポリエステル繊維、Ｍ５（登録商標）剛体棒状繊維、炭素繊維、ガラス繊維、ポリエステル繊維他との組合せで、物理的に異なる複数のポリエチレン繊維および物理的に異なる複数のアラミド繊維のようなものである。上記の繊維／フィラメント種で形成された繊維テープの類似の組合せもまた有用である。
【００３６】
別の態様では、１つの混成繊維プライは同じ繊維デニールを有する複数のマルチフィラメント繊維を含んでもよいが、この場合その繊維の要素フィラメントはフィラメントあたり異なるデニール（異なるｄｐｆ）を有する。この態様では、プライ中の全ての繊維は実質的に化学的に類似でもよく、あるいはそのプライは２種以上の化学的に異なる繊維種を含んでもよく、繊維デニールは同じでもよく、これらは同じ靱性、引張弾性率他を有してもよいが、フィラメントあたりデニールは異なる。したがって繊維材料は、フィラメントあたりデニールが大きい複数の繊維およびフィラメントあたりデニールが小さい複数の繊維を含む１種以上の混成繊維プライを含み、フィラメントあたりデニールが大きい前記繊維はフィラメントあたりデニールが小さい繊維よりもフィラメントあたり大きいデニールを有する。一具体例として、６５０デニールSPECTRA（登録商標）９００繊維は１０．８の公称ｄｐｆを有し、１２００デニールSPECTRA（登録商標）９００繊維は１０．０の公称ｄｐｆを有する。上記繊維／フィラメント種で形成された繊維テープの類似の組合せもまた有用である。
【００３７】
さらに別の態様では、混成繊維プライは混成マルチフィラメント繊維束で作られてもよく、その場合、複数の異なるフィラメント種が混合されて１つの混成マルチフィラメント繊維が形成される。そのような混成繊維束は、例えば異なるフィラメントを空気噴流で混ぜて作られてもよい。複数のそのような混成マルチフィラメント繊維は次に複数の繊維プライに構成され、さらに織布または不織布および複合材のような繊維材料にされる。しかし、好ましくは、各繊維は実質的に物理的に類似かつ実質的に化学的に類似の複数のフィラメントを含む。繊維を良好に拡散させるには、混成繊維プライ内の物理的に異なる繊維種を捻らず、かつ互いに交絡もさせないことがまた好ましい。
【００３８】
さらに別の有用な態様では、混成繊維プライは、出願番号第６１／５３１，２３３号、第６１／５３１，２５５号、第６１／５３１，２６８号、第６１／５３１，３０２号、および第６１／５３１，３２３号に記載されているように、プラズマ処理またはコロナ処理された繊維を一部含み、他の繊維は未処理でもよい。別の変更形態では、混成繊維プライは、プラズマ処理された繊維を一部含み、他はコロナ処理された繊維を含んでもよい。別の変更形態では、混成繊維プライは、繊維表面仕上げを実質的に除去した繊維（必要なら繊維はプラズマ処理またはコロナ処理されていてもよい）を一部含み、他は繊維表面仕上げを除去していない繊維（必要なら繊維はプラズマ処理またはコロナ処理されていてもよい）を含んでもよい。また上記繊維／フィラメント種で形成された繊維テープの類似の組合も有用である。
【００３９】
特に好ましい混成繊維プライまたは混成テーププライの一構成では、混成繊維／テーププライは複数のポリエチレン繊維と複数のアラミド繊維を含む。別の特に好ましい混成繊維プライの構成では、前記混成繊維プライは、超高分子量ポリエチレン繊維またはアラミド繊維またはＰＢＯ繊維のような少なくとも約２０ｇ／デニールの靱性を有する複数の高靱性防弾等級繊維を含み、層も約１０ｇ／デニール未満の靱性を有する複数の高性能構造等級繊維を含み、特定の炭素繊維、特定のガラス繊維、および特定のポリエステル繊維を含む。防弾等級繊維と構造等級繊維の両方を含むこの態様では、混成繊維プライが高靱性繊維を５０重量％より多い含有量有することが好ましく、より好ましくは少なくとも約６０重量％、最も好ましくは少なくとも約７０重量％の高靱性繊維を含むことが好ましい。そのような構造等級繊維は防弾等級繊維よりも樹脂／重合体被覆と結合する大きな親和性を示すことができる。好ましくは、構造等級繊維と防弾等級繊維を組み合わせたプライでは、樹脂の構造等級繊維への結合強度は防弾等級繊維への結合強度の少なくとも２倍である。
【００４０】
混成繊維／テーププライが織布を含む場合、織布は当技術分野で既知の任意の技術を用い、平織り、千鳥綾織り、バスケット織り、繻子織り、綾織りのような任意の布織り方法を用いて織られてもよい。繊維が０°／９０°の直交方向に織られる平織りが最も一般的である。縦糸と横糸を水平および垂直の両方向に織ることによって複数のプライが織られた構造が作られる３Ｄ織り法も、また有用である。
【００４１】
複数の混成繊維プライおよび／または混成テーププライを既知の技術に従って結合すなわち一体化して、複数プライ繊維層および／または複数プライテープ層（すなわち複雑複合材）を形成してもよい。その場合必要なら、繊維／テープを高分子結合剤で被覆して一体化を促進してもよい。１つ以上の混成繊維／テーププライを、混成ではないすなわち物理的にも化学的にも互いに同じ複数の繊維／テープで構成されている他の複数の繊維プライと結合してもよい。しかし、複数プライ複合材内の各プライは本発明の混成繊維／テーププライであることが好ましい。これには、繊維の高分子結合剤による被覆／含浸の有無に関わらず、複数の織られた繊維プライを結合して複雑複合材にすること、ならびに繊維の高分子結合剤による被覆／含浸の有無に関わらず、複数の不織繊維プライを結合することを含む。
【００４２】
不織繊維材料を作る方法は当技術分野ではよく知られている。例えば、不織布を形成する好ましい一方法では、複数の繊維が少なくとも１つの配列に配置され、一般的には、実質的に平行な一方向配列に整列された複数の繊維で構成された繊維ウェブとして配置される。代表的な一過程では、繊維束がクリールから供給され、複数の案内および１つ以上の拡散棒を通って平行化櫛内に導かれ、その後、繊維は高分子結合剤で被覆される。拡散棒および平行化櫛は束状繊維を分散および拡散させ、それらを同一平面内に横並びに再編成する。理想的な繊維の拡散により、個々のフィラメントまたは個々の繊維は単一の繊維面内で互いに隣り合い、繊維が互いに重なり合うことなく実質的に一方向に平行な繊維の配列を形成することになる。
【００４３】
不織繊維プライを形成するこの過程によって、混成繊維プライの組成全体の優れた制御が可能になる。例えば、複数のクリールから供給された複数の繊維束を、異なる種類の繊維端が交互になるように配置して、隣り合う繊維が混成繊維プライの幅全体で異なるようにしてもよく、あるいは４本目ごとまたは５本目ごとの繊維が構造等級繊維であり、残りが防弾等級繊維であるような他の模様を要望に合わせて指定してもよい。別の方法では、複数の繊維種を繊維の１つの糸巻きに混ぜてもよい。各混成繊維プライ内の各線種の割合も、構造等級繊維の防弾等級繊維に対する割合で１／９９〜１０／９０または１／９９〜１／９５のように容易に制御することができる。これにより、必要なら混成繊維プライ内の繊維種を均等／均質に分布させる、または略均質に分布させることが可能になる。
【００４４】
先に述べたように、特定の態様では繊維／テープを樹脂または高分子結合剤で被覆することが望ましい。本明細書に用いられている「重合体」結合剤は樹脂およびゴムを含み、これらは当技術分野では一般に「重合体母材」材料として知られている。そのような材料は固有の接着性によって、または既知の熱および／または圧力条件に置かれることによって繊維／テープを結合する。高分子結合剤が存在する場合、個々の繊維／テープは部分的にすなわちほぼ被覆され、好ましくは個々の繊維／テープのそれぞれが実質的に被覆される。
【００４５】
好適な高分子結合剤には低弾性率のエラストマー材料および高弾性率の硬質材料の両方がある。本明細書全体で用いられている引張弾性率は、繊維に関しASTM D2256で、及び、高分子結合剤に関しASTM D638で測定される弾性率を意味する。本発明の複合材で形成された物品の剛性、衝撃特性、および防弾特性は、繊維を被覆している高分子結合剤の重合体の引張弾性率の影響を受ける。好ましい高分子結合剤は低弾性率エラストマー材料を含む。本発明の目的の場合、低弾性率エラストマー材料はASTM D638試験法に従って測定した場合に約６，０００ｐｓｉ（４１．４ＭＰａ）以下の引張弾性率を有する。低弾性率重合体は好ましくは約４，０００ｐｓｉ（２７．６ＭＰａ）以下の引張弾性率を有するエラストマーであり、より好ましくは約２４００ｐｓｉ（１６．５ＭＰａ）以下、より好ましくは１２００ｐｓｉ（８．２３ＭＰａ）以下、最も好ましくは約５００ｐｓｉ（３．４５ＭＰａ）以下の引張弾性率を有するエラストマーである。エラストマーのガラス転移温度（Ｔｇ）は好ましくは約０℃未満であり、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、エラストマーは少なくとも約５０％の好ましい破断時伸びを有し、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％の破断時伸びを有する。低弾性率を有する多種多様な材料および製剤を高分子結合剤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−プロピレン共重合体、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体、ポリスルフィド重合体、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−イソプレン）共重合体、ポリアクリラート、ポリエステル、ポリエーテル、フッ素系エラストマー、シリコーンエラストマー、エチレンの共重合体、ポリアミド（いくつかの繊維種と共に用いるのに有用）、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカルボナートおよびそれらの組み合わせ、ならびに繊維の融点未満で硬化可能な他の低弾性率重合体および共重合体がある。異なるエラストマー材料の混合物、またはエラストマー材料と１種以上の熱可塑性物質の混合物も好ましい。
【００４６】
共役ジエンとビニル芳香族単量体とのブロック共重合体が特に有用である。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。ポリイソプレンを含むブロック共重合体を水素化して飽和炭化水素エラストマー部分を有する熱可塑性エラストマーを生成してもよい。重合体化合物は、Ａ−Ｂ−Ａ型の単純な三元ブロック共重合体、（ＡＢ）ｎ（ｎ＝２〜１０）型の多元ブロック共重合体、またはＲ−（ＢＡ）ｘ（ｘ＝３〜１５０）型の放射状型の共重合体（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）でもよい。これらの重合体の多くは、Kraton Polymers（テキサス州、ヒューストン）によって商用生産されており、技報「Kraton Thermoplastic Rubber（Kraton社製熱可塑性ゴム）」、SC-68-81に記載されている。PRINLIN（登録商標）という商標で販売され、Henkel Technologies（ドイツ、デュッセルドルフ）から市販されているスチレン−イソプレン−スチレン（ＳＩＳ）ブロック共重合体の樹脂分散系も有用である。特に好ましい低弾性率の高分子結合剤重合体は、Kraton Polymers社によって商用生産されKRATON（登録商標）という商標で販売されているスチレンブロック共重合体を含む。特に好ましい高分子結合剤はKRATON（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共重合体を含む。
【００４７】
柔軟な装甲材を形成するのには低弾性率の高分子結合剤が好ましいが、硬質の装甲物品を形成するのには高弾性率の高分子結合剤が好ましい。一般に、好ましい高弾性率の硬質材料は６，０００ｐｓｉよりも大きな初期引張弾性率を有する。本明細書で有用な好ましい高弾性率の硬質高分子結合剤には、ポリウレタン（エーテル系およびエステル系の両方）、エポキシ樹脂、ポリアクリラート、フェノール／ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）重合体、ビニルエステル重合体、スチレン−ブタジエンブロック共重合体、ならびにビニルエステルとフタル酸ジアリルまたはフェノールホルムアルデヒドとポリビニルブチラールのような重合体の混合物がある。特に好ましい硬質高分子結合剤は熱硬化性重合体であって、メチルエチルケトンのような炭素−炭素飽和溶媒に好ましい溶解性があり、かつ硬化時にASTM D638によって測定して少なくとも約１×１０６ｐｓｉ（６８９５ＭＰａ）の高引張弾性率を有するものである。特に好ましい硬質高分子結合剤は米国特許第６，６４２，１５９号に記載されているものであり、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。高分子結合剤は低弾性率材料か高弾性率材料かに関わらず、カーボンブラックまたはシリカのような充填剤を含んでもよく、油展されてもよく、あるいは当技術分野で既知のように硫黄、過酸化物、金属酸化物、または放射線硬化装置で加硫されてもよい。
【００４８】
特に好ましいのは極性樹脂または極性重合体であり、具体的には約２，０００ｐｓｉ（１３．７９ＭＰａ）〜約８，０００ｐｓｉ（５５．１６ＭＰａ）の範囲の引張弾性率の軟質材料および硬質材料の両方の範囲にあるポリウレタンである。好ましいポリウレタンは、最も好ましくは共溶媒を含まない水性ポリウレタン分散系として用いられる。そのようなものには、水性陰イオン性ポリウレタン分散系、水性陽イオン性ポリウレタン分散系、および水性非イオン性ポリウレタン分散系がある。特に好ましいのは水性陰イオン性ポリウレタン分散系であり、最も好ましいのは水性陰イオン性脂肪族ポリウレタン分散系である。そのようなものには、水性陰イオン性ポリエステル系ポリウレタン分散系、水性脂肪族ポリエステル系ポリウレタン分散系、および水性陰イオン性脂肪族ポリエステル系ポリウレタン分散系があり、それらは全て、共溶媒非含有分散系であることが好ましい。そのようなものには、水性陰イオン性ポリエーテルポリウレタン分散系、水性脂肪族ポリエーテル系ポリウレタン分散系、および水性陰イオン性脂肪族ポリエーテル系ポリウレタン分散系もあり、それらは全て、共溶媒非含有分散系であることが好ましい。同様に、水性陽イオン性分散系および水性非イオン性分散系の全ての対応する変種（ポリエステル系、脂肪族ポリエステル系、ポリエーテル系、脂肪族ポリエーテル系等）も好ましい。最も好ましいのは、１００％伸長時の弾性率が約７００ｐｓｉ以上、特に好ましくは７００ｐｓｉ〜約３０００ｐｓｉの範囲の脂肪族ポリウレタン分散系である。より好ましいのは、１００％伸長時の弾性率が約１０００ｐｓｉ以上、さらに好ましくは約１１００ｐｓｉ以上の脂肪族ポリウレタン分散系である。最も好ましいのは、弾性率が１０００ｐｓｉ以上、好ましくは１１００ｐｓｉ以上の脂肪族ポリエーテル系陰イオン性ポリウレタン分散系である。
【００４９】
高分子結合剤を繊維／テープに塗布して、それによってその結合剤を繊維プライに含浸させる方法は当業者には周知であり、当業者によって容易に決定される。「含浸される」は、本明細書では重合体被覆で「埋め込まれる」「被覆される」または別の方法で塗布されることと同義とし、この場合、結合剤は層の中に拡散し単に層の表面にあるのではない。高分子結合剤は任意の適切な塗布方法を利用して施してもよく、具体的な「被覆」のような用語の使用は、フィラメント／繊維／テープに高分子結合剤を適用する方法を限定するものではない。有用な方法には、例えば、重合体または重合体溶液を繊維／テープに吹き付ける、押し出す、あるいはロール塗工する、ならびに繊維／テープを溶融した重合体または重合体溶液に通すことがある。最も好ましい方法は、個々の繊維／テープのそれぞれを実質的に被覆または包み、繊維／テープの表面領域の全てまたは実質的に全てを高分子結合剤で覆うことである。
【００５０】
繊維／テープが任意の結合剤で被覆されたら、被覆された繊維／テープは不織繊維の層または不織テープの層に形成される。これらの不織繊維層または不織テープ層は複数個の重なり合った不織繊維プライまたはテーププライを含み、この不織繊維プライまたはテーププライは単一層、一体化要素に統合されている。好ましい一不織布構造では、複数の積み重ねられたユニテープが形成され、その場合、各１つのプライ（ユニテープ）の平行な繊維／テープは隣接する各１つのプライの平行な繊維／テープの長手方向に対し直交して位置合わせされる。積み重ねられた不織繊維／テーププライは熱および圧力下で、あるいは個々の繊維／テーププライの被覆を接着して一体化されて単一層、一体化要素が形成される。これらの一体化要素は当技術分野では単一層、一体化網状構造とも呼ばれる。ここで「一体化網状構造」とは、重合体母材／結合剤により一体化された（融合された）複数の繊維／テーププライの組合せをいう。本明細書では、繊維材は、織布と不織布の一体化された混成組合せ、および一方向性繊維／テーププライで形成された不織布と不織フェルト布の組合せを含んでもよい。
【００５１】
最も一般的には、不織繊維／テープ層または不織布は１〜約６プライを含むが、種々の用途に必要なだけ約１０〜約２０プライを含んでもよい。プライ数が増えると防弾性も上がるが重量も増す。当技術分野で既知のように、優れた防弾性は、１つのプライの繊維／テープ整列方向が別のプライの繊維／テープ整列方向に対してある相対角度だけ回転しているように個々の繊維／テーププライが交差して重ね合わせられているときに達成される。繊維／テーププライが０°および９０°の角度で直交して重ね合わせられているのが最も好ましいが、隣接するプライを別のプライの繊維／テープの長手方向に対して約０°〜約９０°の実質的に任意の角度に揃えることができる。例えば、３プライ不織構造体は、±４５°に配向された複数のプライを有して＋４５°／０°／−４５°構造を形成してもよく、あるいは５プライ不織構造体は各プライの繊維／テープの各長手方向軸に相対的に０°／４５°／９０°／４５°／０°の角度に配向された複数のプライを有してもよい。そのような回転された一方向整列が、例えば米国特許第４，４５７，９８５号、第４，７４８，０６４号、第４，９１６，０００号、第４，４０３，０１２号、第４，６２３，５７４号、および第４，７３７，４０２号に記載されており、その開示内容全体が参照により本明細書に矛盾しない範囲で本明細書に組み込まれる。隣接プライを隣接プライに対し１５°ごとにまたは３０°ごとに回転させるような他の角度も適している。
【００５２】
繊維／テーププライ／層を一体化して複雑複合体を形成する方法は、米国特許第６，６４２，１５９号に記載の方法のようによく知られている。一体化は、乾燥、冷却、加熱、圧力またはそれらの組み合わせによって行うことができる。熱および／または圧力は、湿式貼り合わせ法の場合のように繊維／布層を互いに単に接着すればよい場合には必要でないこともある。一般に一体化は、個々のプライを互いに十分な熱と圧力の条件下で位置決めしてこれらのプライが結合して１つの布になるようにすることによって行われる。一体化は、温度範囲が約５０℃〜約１７５℃、好ましくは約１０５℃〜約１７５℃、および圧力範囲が約５ｐｓｉｇ（０．０３４ＭＰａ）〜約２５００ｐｓｉｇ（１７ＭＰａ）で、約０．０１秒〜約２４時間、好ましくは約０．０２秒〜約２時間行われてもよい。加熱する場合、高分子結合剤被覆を完全に融解させずに固着または流動させることができる。しかし一般的に、高分子結合剤を融解させる場合、複合材の形成に必要な圧力は比較的低いが、結合剤を単に固着点まで加熱する場合は、通常はより高い圧力が必要となる。従来から当技術分野で知られているように、艶出し装置、平台型積層装置、加圧機、またはオートクレーブで一体化を行ってもよい。真空状態にした型内で材料を真空成型することで一体化を行ってもよい。真空成型技術は当技術分野では周知である。最も一般的には、複数の直交繊維ウェブは結合剤重合体で互いに「接着」され、平台型積層装置に通されて結合の均一性および強度が高められる。さらに、一体化および重合体塗布／結合工程は、２つの別個の工程を含んでもよく、または、単一の一体化／貼り合わせ工程を含んでもよい。
【００５３】
あるいは、一体化を適切な成形装置内における熱および圧力下の成形により達成してもよい。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。あるいは成形はさらに高い圧力、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で行ってもよい。成形工程は約４秒〜約４５分を要してもよい。好ましい成形温度範囲は、約２００°Ｆ（約９３℃）〜約３５０°Ｆ（約１７７℃）、より好ましくは約２００°Ｆ〜約３００°Ｆ、最も好ましくは約２００°Ｆ〜約２８０°Ｆである。繊維層が成形される圧力は、得られる成形製品の剛性または柔軟性に直接的な影響を及ぼす。特に、それらが成形される圧力が高いほど剛性が増し、逆もまた同様である。成形圧力の他に、繊維プライの量、厚さ、および組成ならびに高分子結合剤被覆の種類も複合材の剛性に直接的な影響を及ぼす。
【００５４】
本明細書に記載の成形技術および一体化技術はどれも類似しているが、各過程は異なる。具体的には、成形はバッチ処理であり、一体化は一般に連続処理である。さらに成形では一般に、扁平パネルを形成する場合でも成形型またはマッチドダイ型のような型の使用を伴い、必ずしも平らな製品が得られるわけではない。通常、一体化は平台型積層装置または艶出し装置のニッププレス部で行なわれるかあるいは湿式貼り合わせとして行なわれて、軟質（柔軟な）胴体装甲布を製造する。成形は一般には硬質の装甲、例えば硬質板の製造のためのものである。どちらの過程でも、好適な温度、圧力、および時間は一般に高分子結合剤被覆材料の種類、高分子結合剤の含有量、使用される過程、および繊維／テープ種によって決まる。
【００５５】
好ましい態様では、本発明の繊維複合材を含む結合剤／母材の総重量は、好ましくは繊維／テープ重量＋被覆材重量の約２重量％〜約５０重量％、より好ましくは約５重量％〜約３０重量％、より好ましくは約７重量％〜約２０重量％、最も好ましくは約１１重量％〜約１６重量％を占める。結合剤／母材の含有量が少ないほど織布には適し、その場合、重合体結合剤の含有量は０より多いが繊維／テープ重量＋被覆重量で１０重量％未満であることが一般的には好ましいが、これに制限されるものではない。例えば、フェノール／ＰＶＢ含浸織布は、約２０％〜約３０％のより高い樹脂含有量で作られることがあるが、一般的には約１２％の含有量が好ましい。
【００５６】
本発明の材料は、必要ならその外表面の片面または両面に取り付けられた１つ以上の熱可塑性重合体層を含んでもよい。熱可塑性重合体層に好適な重合体には、これらに限定するものではないが、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル（具体的にはポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）およびＰＥＴ共重合体）、ポリウレタン、ビニル重合体、エチレンビニルアルコール共重合体、エチレンオクタン共重合体、アクリロニトリル共重合体、アクリル重合体、ビニル重合体、ポリカルボナート、ポリスチレン、フッ素系重合体などの他、それらの共重合体および混合物を含み、エチレンビニルアセタート（ＥＶＡ）およびエチレンアクリル酸のようなものがある。また、天然ゴムおよび合成ゴム重合体も有用である。これらのうち、ポリオレフィン層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具体例は低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、直鎖低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、中密度ポリエチレン（ＭＤＰＥ）、直鎖中密度ポリエチレン（ＬＭＤＰＥ）、直鎖超低密度ポリエチレン（ＶＬＤＰＥ）、直鎖極低密度ポリエチレン（ＵＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ならびに共重合体およびそれらの混合物であるがそれらに限定されるものではない。他にも有用なものには、Spunfab, Ltd,（オハイオ州、カイホーガフォールズ）から市販されているSPUNFAB（登録商標、Keuchel Associates, Inc.に登録済み）ポリアミドウェブ、ならびにProtechnic S.A.（フランス、セルネ）から市販されているTHERMOPLASTTMおよびHELIOPLASTTMウェブ、網、およびフィルムがある。そのような熱可塑性重合体層を熱積層のような既知の技術を用いて材料の表面に貼り付けてもよい。一般的に積層は、個々の層を十分な熱と圧力の条件下で互いに貼り付けて一体構造にすることによって行われる。積層は、温度が約９５℃〜約１７５℃、好ましくは約１０５℃〜約１７５℃、圧力が約５ｐｓｉｇ（０．０３４ＭＰａ）〜約１００ｐｓｉｇ（０．６９ＭＰａ）の範囲で約５秒〜約３６時間、好ましくは約３０秒〜約２４時間行われてもよい。あるいはそのような熱可塑性重合体層を材料の表面に、当業者には明らかなように熱接着剤または熱溶解繊維で接着してもよい。
【００５７】
複合材料の厚さは、個々の繊維／テープの厚さおよびその材料に含まれるプライ数に相当する。例えば好ましい織布は、プライ／層あたり約２５μｍ〜約６００μｍ、好ましくは約５０μｍ〜約３８５μｍ、最も好ましくは約７５μｍ〜約２５５μｍの好ましい厚さを有する。好ましい２プライ不織布は、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の好ましい厚さを有する。どのような熱可塑性重合体層も、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の好ましい層厚さを有する非常に薄いものが好ましい。SPUNFAB（登録商標）不織ウェブのような不連続ウェブは好ましくは１平方メートルあたり６グラム（ｇｓｍ）の目付で施される。そのような厚さが好ましいが、当然ながら特定の要求事項を満足させる他の厚さを作ってもよく、それでも本発明の範囲に含まれる。
【００５８】
複数の混成繊維／テーププライで形成された本発明の繊維材料は、約０．２ｐｓｆ〜約８．０ｐｓｆ、より好ましくは約０．３ｐｓｆ〜約６．０ｐｓｆ、さらに好ましくは約０．５ｐｓｆ〜約５．０ｐｓｆ、さらに好ましくは約０．５ｐｓｆ〜約３．５ｐｓｆ、さらに好ましくは約１．０ｐｓｆ〜約３．０ｐｓｆ、最も好ましくは約１．５ｐｓｆ〜約２．５ｐｓｆの好ましい複合材面密度を有する。
【００５９】
本発明の繊維材料を種々の用途に使用して、既知の技術により多種多様な防弾物品を形成することができる。例えば防弾物品の形成に好適な技術は、例えば米国特許第４，６２３，５７４号、第４，６５０，７１０号、第４，７４８，０６４号、第５，５５２，２０８号、第５，５８７，２３０号、第６，６４２，１５９号、第６，８４１，４９２号、および第６，８４６，７５８号に記載されており、これらの開示内容はいずれも参照により本明細書と両立する限りにおいて本明細書に組み込まれる。繊維材料は柔軟性がある軟質装甲物品の形成に特に有用であり、そのような装甲物品には、軍関係者が様々な弾道的脅威（軍事活動および平和維持活動中に遭遇する９ｍｍ被覆綱（ＦＭＪ）弾、および手榴弾、大砲の砲弾、簡易爆発物（ＩＥＤ）および他のそのような装置の爆発により生じる種々の破片など）から身を守るために使用するベスト、ズボン、帽子、または他の衣料品のような衣類、および覆いまたは毛布が含まれる。
【００６０】
本明細書で用いられる「軟質」または「柔軟」装甲とは、相当量の応力を受けた場合にその形状を維持しない装甲である。この構造体は剛直な硬質装甲物品の形成にも有用である。「硬質」装甲とは、十分な機械的強度を有するため相当量の応力を受けた場合に構造的剛性を維持しかつ崩壊することなく自立することができるような物品であって、ヘルメット、軍用車用パネル、または防護遮蔽体のようなものを意味する。この構造体は複数の個別シートに切り分けて積み重ねて物品に形成することができ、あるいは前駆体に形成した後に物品を形成するのに用いることができる。このような技術は当技術分野ではよく知られている。
【００６１】
本発明の衣類は、当技術分野で既知の方法により形成することができる。好ましくは、本発明の防弾物品を衣料品と接合して衣類を形成してもよい。例えばベストは、本発明の防弾構造と接合されている一般的な布製のベストを含み、戦略的に配置されたポケットに本発明の構造体が挿入されているものでもよい。これにより、ベストを軽量化しつつ防弾性を最大限に高めることができる。本明細書で使用される「接合する」または「接合された」は、例えば縫製または接着等による取り付けること、ならびに防弾物品を必要に応じてベストまたは他の衣料品から簡単に取り外すことができるように、この防弾物品を別の布に結合せずに連結または並置することを含むものとする。柔軟なシート、ベスト、および他の衣類のような柔軟な構造体を形成する際に使用される物品は、好ましくは低引張弾性率結合剤を用いて形成される。ヘルメットおよび装甲のような硬質物品は、好ましくは高引張弾性率結合剤を用いて形成されるが、これに限定されるものではない。
【００６２】
防弾特性は、当技術分野で周知の標準的な試験法を用いて測定される。具体的には、防弾複合材の防御力すなわち貫通抵抗は、通常、発射体の５０％がその複合材を貫通し、５０％がその複合材によって止められる衝撃速度（Ｖ５０値としても知られている）を引用して表される。本明細書で用いられる物品の「貫通抵抗」は、指定の脅威物（例えば弾丸、破片、榴散弾等を含む物理的物体）による貫通に対する抵抗力である。面密度（複合材の重量をその面積で割ったもの）が等しい複合材に関しては、Ｖ５０値が大きい程、複合材の防弾性は良好になる。
【００６３】
指定の脅威物に対する貫通抵抗は、防弾材料の総比エネルギー吸収（ＳＥＡＴ）でも表すことができる。総ＳＥＡＴは、脅威物の運動エネルギーを複合材の面密度で割ったものである。ＳＥＡＴ値が高いほど、脅威物に対する複合材の抵抗力は良好になる。本発明の物品の防弾性は多くの要因によって変化し、具体的には繊維材料の製造に用いられる繊維の種類、繊維の繊維材料中の重量割合、被覆材料の物理特性の適合性、複合材を形成している布層の数、および繊維材料の総面密度によって変化する。
【００６４】
以下の非制限的実施例は、本発明を説明するためのものである。
実施例１
本発明による混成繊維プライを作るために、高圧空気噴流を用い６５０デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維束を５００デニールアラミド繊維と混合する。これにより１１００デニール混成繊維となる。この混成繊維から種々の１ポンド混成繊維糸巻きを作る。次にこれらの糸巻きを用いて、その繊維を５３ｇ／ｍ２（ｇｓｍ）の繊維面密度を有する複数のユニテープに変換する。そのユニテープを樹脂槽に浸漬して、水性系ポリウレタン樹脂（例えばBayer DISPERCOLL（登録商標）U53樹脂）を塗布する。次に各ユニテープを加熱炉に通して揮発成分を除去する。完全に乾燥させると、このユニテープの樹脂含有量は１６±２％である。その後これらのユニテープを交差させて重ね合わせて、０°／９０°材料の連続した２プライのロールを作る。
【００６５】
実施例２（比較）
繊維プライを６５０デニールSPECTRA（登録商標）１０００繊維１００％で作ること以外は、実施例１の過程を繰り返す。繊維を同じ樹脂で被覆し、樹脂含有量を同じにする。ユニテープを交差させて重ね合わせて、０°／９０°材料の連続した２プライのロールを作る。
【００６６】
実施例３（比較）
繊維プライを１０００デニールアラミド繊維１００％で作ること以外は、実施例１の過程を繰り返す。繊維を同じ樹脂で被覆し、樹脂含有量を同じにする。ユニテープを交差させて重ね合わせて、０°／９０°材料の連続した２プライのロールを作る。
【００６７】
実施例１〜３の各材料を４０ｃｍ×４０ｃｍの射撃用パックに形成する。射撃用パックの隅を縫い合わせて複数層を１つにする。試験はＮＩＪ規格０１０１．０６に従い、１２７ｃｍ厚の校正済みローマパスチリアノ＃１粘土塊上で実施する。試験は、各射撃用パックあたり少なくとも８発の弾丸の平均で±１５ｍｐｓ内のＶ５０値を達成するように、すなわち弾丸４発は射撃用パックを完全に貫通し４発は貫通しないように実施する。このデータは、混成繊維プライを使用すると防弾性が上がり、後面変形が減ることを示すことが見込まれる。
【００６８】
実施例４（本発明）、実施例５（比較）、及び、実施例６（比較）
実施例１〜３の各々から複数の３０ｃｍ×３０ｃｍ繊維プライを切断し、０°／９０°交差プライ構成を維持して積み重ねる。次に各積層品を２００トンの水圧プレス機に取り付けられ１２０℃に予備加熱された型内で成形する。各材料の積層品を型内で成形圧を加えずに２０分間予備加熱する。２０分後、完全な締結圧を加える。１５分の成形の後に冷却周期を開始する。冷却周期の間は成形圧を解除しない。この過程により積層品が一体化した板に変換される。板が５０℃に達したら型を開け、板を試験に供する。
【００６９】
成形後４８時間、各板を枠に取り付ける。このとき板の背部に粘土はない。各板に数発の１７グレインＦＳＰ（疑似破片発射体）を発射して±１５ｍ／ｓ内のＶ５０を達成する。このデータは、混成繊維プライで形成された板が他の非混成板より優れた弾道貫通抵抗を有することを示すことが見込まれる。
【００７０】
本発明を好ましい態様を参照しながら具体的に示しかつ記載してきたが、当業者には容易に分かるように、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更および修正をなし得る。特許請求の範囲は、開示されている態様、上に記載したそれらの代替形態およびそれらの全ての均等物を包含するように解釈されるものとする。
［１］少なくとも１つの混成プライを含む材料であって、該混成プライは複数の繊維または複数のテープを含み、該複数の繊維は少なくとも２種の物理的に異なる繊維種を含み、該複数のテープは少なくとも２種の物理的に異なるテープ種を含み、該物理的に異なる繊維種またはテープ種は少なくとも１つの異なる物理的特性を有する、材料。
［２］少なくとも２種の物理的に異なる繊維種またはテープ種が実質的に化学的に類似である、［１］に記載の材料。
［３］少なくとも２種の物理的に異なる繊維種またはテープ種が化学的にも異なる、［１］に記載の材料。
［４］混成プライが、複数のポリエチレン繊維および複数のアラミド繊維を含む、［３］に記載の材料。
［５］混成プライが、少なくとも約２０ｇ／デニールの靱性を有する複数の高靱性繊維及び約１０ｇ／デニール未満の靱性を有する複数の低靱性繊維を含む、［１］に記載の材料。
［６］混成プライが、複数の高デニール繊維及び複数の低デニール繊維を含み、該高デニール繊維が該低デニール繊維よりも大きい繊維デニールを有する、［１］に記載の材料。
［７］混成プライが、複数の物理的に異なるポリエチレン繊維を含む、［１］に記載の材料。
［８］混成プライが、複数の物理的に異なるポリエチレン繊維を含み、さらに複数の物理的に異なるアラミド繊維を含む、［１］に記載の材料。
［９］各繊維がフィラメントの束を含み、該フィラメントの束が少なくとも２種の化学的に異なる繊維種を含む、［１］に記載の材料。
［１０］少なくとも１つの混成プライを含む不織材料であって、各混成プライは複数の一方向に配向された実質的に平行な繊維または複数の一方向に配向された実質的に平行なテープを含み、該複数の繊維は少なくとも２種の物理的に異なる繊維種を含み、該複数のテープは少なくとも２種の物理的に異なるテープ種を含み、該物理的に異なる繊維種またはテープ種は少なくとも１つの異なる物理的特性を有し、各混成プライ中の隣接する平行な繊維または隣接する平行なテープは異なる繊維種または異なるテープ種である、不織材料。