(57)【要約】【課題】良好な防刃性能を有する防刃材料を提供する。【解決手段】珪素とアルミニウムと酸素および窒素からなる高強度セラミックなどのセラミック粒子とポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やアイオノマー（Ｉｏｎｏｍｅｒ）などの樹脂とを加熱下で混練し加熱下で圧延成形した成形体を加熱下の加圧成形によりアラミド繊維などの布帛に含浸させることによって、防刃性の複合シートを形成する。またこれらを積層した防刃性の複合シート積層体や、これを一体化した耐衝撃性のセラミック樹脂繊維複合防護体を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度セラミックと高強度樹脂とが加熱下で混練され加熱下で圧延されてなる成形体が、加熱下の加圧成形により耐衝撃性の布帛に含浸されてなることを特徴とする防刃性耐衝撃セラミック樹脂複合シート。
【請求項２】
高強度セラミックと高強度樹脂とが加熱下で混練され加熱下で圧延されてなる成形体が加熱下の加圧成形により耐衝撃性の布帛に含浸されてなるシートを、複数枚積層してなることを特徴とする防刃性耐衝撃セラミック樹脂複合シート積層体。
【請求項３】
高強度セラミックと高強度樹脂とが加熱下で混練され加熱下で圧延成形されてなる成形体を加熱下の加圧成形により耐衝撃性の布帛に含浸してなるシートが、複数枚積層され一体化されてなることを特徴とする耐衝撃セラミック樹脂複合防護体。
【請求項４】
高強度セラミックと高強度樹脂とを加熱下で混練して混練物とする混練工程と、
前記混練物を加熱下で圧延成形してセラミック樹脂混合シートとする圧延工程と、
前記セラミック樹脂混合シートと耐衝撃性の布帛とを積層し加熱下で加圧成形をすることにより、前記セラミック樹脂混合シートを布帛に含浸させ、セラミック樹脂複合シート積層体とする積層工程と
を備えたことを特徴とする耐衝撃セラミック樹脂複合シート積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、刃物やアイスピックなどに対し、防護特性を有するセラミックと樹脂と布帛との複合シート、この複合シートを複数枚積層したセラミック樹脂布帛積層体、セラミック樹脂布帛複合防護体、およびに耐衝撃セラミック樹脂複合シート積層体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
先端の鋭利なアイスピックや刃物などに対して防護をするための防護材料として、さまざまな素材、および素材をさまざまな形態に加工したものが知られている。そのような防護材料として多用されているものにチタン板、ステンレス板、セラミック板などがある。チタン板やステンレス板は大きな比重を有し、十分な防刃性能を得るためにはある程度の厚みが必要であることから重量が大きくなり、しかも柔軟性が乏しい、といった難点がある。セラミック板を用いる場合についてもほぼ同様である。
【０００３】
そこで金属やセラミック板と比べて比重の小さいポリカーボネート樹脂や、ナイロン樹脂などの樹脂板を用いることが提案され、また特許文献１（特開平９−２２９５９８号公報）にみられるような金属板およびプラスチック板を布帛で被覆することにより、着用性を改善することが提案されている。しかしながら、これらの方法では、たとえ比重が比較的小さい樹脂であっても、十分な防刃性能を得るためには、厚みを厚くせざるを得ないため、やはり重量的な問題が残り、また、布帛で金属および樹脂を被覆することにより、柔軟性や着用性が改善されるものの、防護性能と柔軟性や着用性との兼ね合いにおいて、まだ十分なものとはならなかった。
【０００４】
また、防刃材料の柔軟性を向上させるために、小さな樹脂ピースを緻密に組み合わせる方法や、高強力繊維からなる繊維配列シート等の不織布に、上記したような各種硬質部材を多数独立させて存在させることによって柔軟性を向上させ、また着用に際し着心地を向上させたたものが、特許文献２（特開昭６３−２６７８９８号公報）に提案されている。しかしながら、これらの防刃材料には、硬質部材のピースとピースの間に刃やアイスピックなどの先端が入ったときの防刃性能が極端に弱いという大きな欠点を有するという問題点があった。
【０００５】
柔軟性を有する高強力繊維不織布の防刃性能を高める方法として、特許文献３（特開昭６１−２１５７０３号公報）および特許文献４（特公平５−５８４４９号公報）には、不織布にエポキシ樹脂、ウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱可塑性または熱硬化性の樹脂を含浸あるいは被覆する方法が提案されている。しかし、これらの場合にも、十分な防刃性能を有するように含浸や被覆をすると、柔軟性が失われるという問題点があった。
【０００６】
また、特許文献５（特開２００２−２０１５６６号公報）には、布帛状物体の少なくとも片側面に粒子の大きさが１０μｍ〜１７００μｍの範囲の硬質無機物粒子を固着させることによって防刃性能を高め、樹脂層の厚みを薄くすることにより軽量化する方法が提案されている。しかし、この防刃材料においても、防刃性と柔軟性とを十分に両立させることができるには至っていない。
【０００７】
さらに、特許文献６（特開平１０−８３６３号公報）には、高強力繊維不織布にロジンを含浸する方法が提案されているが、この方法では、用いられる高強力繊維の強度から期待される範囲内の防刃性能が得られている程度にすぎない。
【特許文献１】特開平９−２２９５９８号公報
【特許文献２】特開昭６３−２６７８９８号公報
【特許文献３】特開昭６１−２１５７０３号公報
【特許文献４】特公平５−５８４４９号公報
【特許文献５】特開２００２−２０１５６６号公報
【特許文献６】特開平１０−８３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の従来技術の背景のもとになされたもので、優れた防刃性能を有し、必要に応じ柔軟性を持たせることができる防刃材料とその製造方法を提供することをその目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の防刃性耐衝撃セラミック樹脂複合シートは、高強度セラミックと高強度樹脂とが加熱下で混練され加熱下で圧延されてなる成形体が、加熱下の加圧成形により耐衝撃性の布帛に含浸されてなることを特徴とする。
【００１０】
本発明者らは、セラミックと樹脂とを混練し、圧延成形した成形体を加圧成形により布帛に含浸させることによって、単にセラミックを粘着剤などの樹脂で布帛と一体化しただけでは得られない高い防刃性が得られることを見出し、本発明をなすに至った。このようにして高い防刃性が得られる機構については、まだ十分に明らかにできてはいないが、加熱混練し、加熱下で圧延成形し、成形体を加熱下で加圧成形して布帛に含浸させることにより、緻密で強靭な防刃性の層が形成されることが考えられ、また圧延、含浸および加圧成形によって樹脂の分子配列やセラミック粒子の配列が形成され、防刃性を高めていることが考えられる。
【００１１】
また本発明の防刃性耐衝撃セラミック樹脂複合シート積層体は、高強度セラミックと高強度樹脂とが加熱下で混練され加熱下で圧延されてなる成形体が加熱下の加圧成形により耐衝撃性の布帛に含浸されてなるシートを、複数枚積層してなることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の耐衝撃セラミック樹脂複合防護体は、高強度セラミックと高強度樹脂とが加熱下で混練され加熱下で圧延成形されてなる成形体を加熱下の加圧成形により耐衝撃性の布帛に含浸してなるシートが、複数枚積層され一体化されてなることを特徴とする。
【００１３】
さらに本発明の耐衝撃セラミック樹脂複合シート積層体の製造方法は、高強度セラミックと高強度樹脂とを加熱下で混練して混練物とする混練工程と、この混練物を加熱下で圧延成形してセラミック樹脂混合シートとする圧延工程と、このセラミック樹脂混合シートと耐衝撃性の布帛とを積層し加熱下の加圧成形をすることにより、このセラミック樹脂混合シートを布帛に含浸させ、セラミック樹脂複合シート積層体とする積層工程とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に基づき、高強度セラミックと高強度樹脂とを加熱下で混練し、これを圧延成形した成形体を加熱下で加圧成形によって耐衝撃性の布帛に含浸させることによって、単にセラミックを粘着剤などの樹脂で布帛と一体化しただけでは得られない高い防刃性が得られるようになった。本発明の防刃性耐衝撃セラミック樹脂複合シートおよび防刃性耐衝撃セラミック樹脂複合シート積層体は、防刃性とともに適度の柔軟性を持たせることができる。また、ボード状にすることにより、高い防刃性能を有することに加えて防弾性能も備えた耐衝撃セラミック樹脂複合防護体が構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に本発明の実施の形態について、図面を参照し、具体的に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態における耐衝撃セラミック樹脂複合シートの製造の流れを示したフローチャートである。図１においてまず、熱可塑性の高強度セラミック粒子１０２と高強度樹脂１０４とを混練する混練工程１０６にて混練して混練物を得る。次にこの混練物を圧延工程１０８にて加熱しながら圧延し、セラミック樹脂混合シート１１０を得る。
【００１７】
続いてこのセラミック樹脂混合シート１１０と布帛１１２とを、加熱しながら加圧することにより、シートを耐衝撃性布帛に含浸させる工程１１４にて一体化し、耐衝撃セラミック樹脂複合シート１１６を得る。なお、混練工程１０６は例えば１００℃以上２００℃以下の温度で加熱しながら行うことが、セラミック粒子と樹脂とをよくなじませ、防刃性を高める上で好ましい。また、圧延工程１０８においては、温度１２０℃以上２２０℃以下にて加熱圧延することが防刃特性を高める上から好ましい。
【００１８】
さらにこの耐衝撃セラミック樹脂複合シート１１６を複数枚重ねて積層する積層工程１１８により、耐衝撃セラミック樹脂複合シート積層体１２０を得る。こうして得られる積層体は、セラミック粒子と樹脂と布帛で形成されており、柔軟性を有する。
【００１９】
上記高強度セラミック粒子１０２としては、例えばボロン、シリコンカーバイド、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウムなどの高硬度の各種セラミックスの粒子を用いるとことができ、特にシリコンと、アルミニウムと酸素および窒素からなる焼結体のファインセラミックスであるサイアロン（メラミックス）の粒子が、防刃性を高める上で特に好ましい。
【００２０】
また高い防刃性を得る上で、上記高強度樹脂１０４として、熱可塑性ポリエステル樹脂を用いることができる。このような熱可塑性ポリエステル樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂のほか、ポリブチレンテレフたレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などがある。またアイオノマー（Ｉｏｎｏｍｅｒ）樹脂も、本発明に用いる樹脂として好ましいものである。
【００２１】
上記高強度セラミック粒子１０２と高強度樹脂１０４とを混練し加熱圧延して製造するセラミック樹脂混合シート１１０において、セラミック粒子と樹脂との比率（セラミックの質量）：（樹脂の質量）は、用いる樹脂によって相違があるものの、概ね４０：６０から６０：４０の範囲であることが、より高い防刃特性を得る上から好ましい。
【００２２】
さらに本発明において強靭性を高めるために、上記耐衝撃性の布帛には、高強度繊維である芳香族ポリアミド繊維、超高分子ポリエチレン繊維、アラミド繊維などを用いることが好ましく、その中でもアラミド繊維、即ち芳香族カルボン酸と芳香族ジアミンや、芳香族網のカルボン酸などの芳香族ポリアミドからなる繊維、例えばパラアラミド繊維であるデュポン社商品名Ｋｅｖｌａｒ）や、ＰＢＯ（ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維など、防護服などの素材として使用される強靭な繊維を用いることが好ましい。本発明にこれらの繊維を用いることにより、繊維自体の持つ防刃性に比べ、著しく高い防刃性を得ることができる。このような繊維の布帛としては、不織布でもよいが、２軸織物を用いることにより強靭性を高めることができ、また、より高い防刃性能を得るために、４軸の織物構造にして用いることもできる。
【００２３】
次に本発明において実施した防刃性の測定評価方法について述べる。防刃性の測定には、落錘型衝撃試験機を用いた。図２（ａ）は、落錘型衝撃試験機によって刃物２０２を所定の高さから試料２０４の表面に落下させた結果、刃物２０２が試料２０４から突き出した場合についての模式図である。刃物２０２を試料２０４の表面に落下させたときの衝撃エネルギーと、落下した刃物２２の試料からの突き出し長さとの関係を求めると、図２（ｂ）のようになり、衝撃エネルギーがある値（Ｅｃ）に達しない場合には突き出しがなく、衝撃エネルギーがＥｃを超えると、突き出しがみられるようになり、図２（ｂ）に示されているように、突き出し長さは衝撃エネルギーに対し直線的に増加する傾向がみられる。衝撃エネルギーがＥｃ未満の範囲では、突き出しがなく、防刃が得らていることになる。防刃材としては、所定の衝撃エネルギー値にて、突き出しがあっても、その長さが規定された範囲内であることが要求される。
【００２４】
(実施例１〜３、比較例１〜２)
図１の工程に従い、防刃性耐衝撃セラミック樹脂複合シート積層体を製作した。図１の高強度セラミックス粒子１０２にはメラミックス（平均粒径（算術平均粒径）が１８μｍ、６．０μｍ、および０．５μｍの３種を、それぞれ実施例１、実施例２、および実施例３）に用い、防刃性耐衝撃セラミック樹脂複合シート積層体の製作を行った。高強度樹脂１０４には、アイオノマー、ＰＥＴまたはアイオノマーとＰＥＴとを用い、高強度セラミックス粒子と高強度樹脂の質量比は５０：５０とした。この高強度セラミックス粒子と高強度樹脂の混合物をブラベンダーにて１６０℃に昇温し、５分間混練して混練物とし、これを圧延機で１８０℃にて圧延し、セラミックス樹脂混合シートを得た。
【００２５】
このセラミックス樹脂混合シートとデュポン社製Ｋｅｖｌａｒ  １０００ｄ繊維とを積層し、この繊維にこの混合シートを含浸させたセラミック樹脂複合シートを得た。続いてこのセラミック樹脂複合シートを１５枚積層し、複合シート積層体試料を得た。
【００２６】
これらの試料に対し、防刃特性の評価を行った。防刃特性は、両刃型の刃物を用い、刃物が試料に与える衝撃エネルギーと突き出し長さの関係によって評価した。
【００２７】
図３は、この結果を示した図である。図３にみられるように、実施例１、２、および３の複合シート積層体試料の場合は、ある衝撃エネルギー値までは突き出し長さがゼロ、あるいは突き出しがあってもその長さが小さく抑えられていること、すなわち防刃性を有していることがわかる。
【００２８】
これらの実施例に対する比較例として、粘着剤を用いてメラミックスシートとＫｅｖｌａｒ繊維とを実施例１〜３の場合と同じ数だけ積層した複合シート積層体（比較例１）、および粘着剤を用いてシリコンカーバイド粒子シートとＫｅｖｌａｒ繊維とを実施例１〜３の場合と同じ数だけ積層した複合シート積層体（比較例２）を製作し、上記と同様の防刃性の評価を行った。その結果についても、上記の実施例の結果を示した図３に併せて示した。
【００２９】
これらの比較例では、防刃性能が上記実施例に比べるとかなり小さいことがわかった。このように本発明においては、高強度セラミックと高強度樹脂とを混練し、圧延成形した成形体を、加圧成形により布帛に含浸させることによって、単にこれらのセラミックを粘着剤などの樹脂で布帛と一体化しただけでは得ることのできない高い防刃性が得られることがわかった。
【００３０】
図４は、セラミック粒子の平均粒径（算術平均粒径）が防刃性に及ぼす影響に着目して測定結果をまとめた図である。この図から、平均粒径が０．５μｍと小粒子の場合には、防刃性が比較的小であるのに対し、平均粒径を１８μｍにすると、防刃性が高まっていることがわかる。また、図には両刃を用いた測定結果に加えて、片刃（出刃包丁）を用いた測定結果を併せて示した。片刃の場合についても、両刃の場合と同様の結果が得られることがわかった。
【００３１】
図５には、実施例１〜３の試料について、衝撃エネルギー１０Ｊにおける加重−変位線図を求めた結果を示す。この図から、セラミック粒子の平均粒径が１８μｍになると、より高負荷に対し変位がより小さくなっており、上記の防刃性の結果と対応した結果が得られている。
【００３２】
(実施例４、５)
セラミック粒子の平均粒径が防刃性に及ぼす影響について、さらに調べるために、セラミックス粒子の平均粒径を３０μｍ(実施例４)、５０μｍ(実施例５)と高めたほかは、実施例３と同じ条件で積層体を製作し、片刃（出刃包丁）にて、同様の測定を行なった。その結果、セラミックス粒子の平均粒径が１８μｍの場合と同様に、高い防刃性が得られることがわかった。図６はその結果を示した図であって、セラミックス粒子の平均粒径を１８μｍから３０μｍ、５０μｍと大きくした場合について、衝撃エネルギーを一定値２５Ｊとし、突き出し長さと粒子形の関係を実験的に求めた結果を示したものである。突き出し長さは最大でも１５ｍｍ未満であった。
【００３３】
このようにセラミック粒子の平均粒径を高めてゆくと、平均粒径１８μｍを超えたところで防刃性は飽和する傾向がみられる。他方、セラミック粒子の粒径が大きくなると、滑らかさが失われ、これをいろいろな用途に用いる場合に、違和感が生じるようになるなどの理由から、セラミックスの平均粒径はあまり大きくしない方が好ましい。このような理由から、セラミック粒子の平均粒径は、６μｍ以上であることが好ましく、１２μｍ以上であることがさらに好ましく、他方でセラミック粒子の平均粒径は、２５μｍ以下であることが好ましく、２５μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３４】
(実施例６〜９、比較例３) 
高強度セラミックと高強度樹脂とが混練され圧延成形された混合シートを加圧成形によりアラミド繊維に含浸させて得た複合シートを積層し一体化したパネルを製作し、その防刃特性を評価し、また防弾特性についても調べた。
【００３５】
アラミド繊維（Ｋｅｖｌａｒ  １０００ｄ）を２４枚積層し、この積層された２４枚のアラミド繊維のうちの上１５枚、上１３枚、上１０枚、および上５枚に、１８μｍのメラミックスとアイオノマーとを質量比１：１にて混練し圧延成形した混合シートを加圧成形によりアラミド繊維に含浸させたセラミック樹脂複合シートを用いた各パネル試料（実施例６、実施例７、実施例８、および実施例９のパネル試料）を作製した。また、比較例３の試料として、アラミド繊維（Ｋｅｖｌａｒ  １０００ｄ）を２４枚積層したパネル試料を作製した。
【００３６】
これらのパネルの各々について、防刃性評価を行ない、衝撃エネルギーを２５Ｊの一定値とした場合の突き出し長さを調べた。
【００３７】
これらの結果を図７に示す。衝撃エネルギーが２５Ｊのもとでは、上１３枚以上（上１５枚〜上１３枚）にすることにより、突き出し長さをゼロにすることができた。
【００３８】
上記実施例６、実施例７および比較例３のパネルについて、防弾測定を行なった。、防弾特性の測定は、米国司法省の対弾道弾防御測定規格（ＮＩＪ）に基づいて行なった。銃口から５ｍの距離に裏あてを設けて配置された測定対象のパネル試料面に対し、直径９ｍｍ径の銃弾を初速度３５０ｍｍ／秒にて射撃し、この射撃にて発生するトラウマを測定した。
【００３９】
その結果、上記実施例６および実施例７において生じるトラウマの深さはそれぞれ２１ｍｍおよび１８ｍｍと比較的浅く、しかもその範囲が比較的広い範囲にわたっており、射撃にる衝撃エネルギーの拡散がみられた。これに対し、比較例３の場合には、トラウマの深さは３６ｍｍと比較的深く、しかもその範囲が比較的狭かった。このように、メラミックスとアイオノマーとを混練し圧延成形した成形体を加圧成形によりアラミド繊維に含浸させ積層した層を備えた実施例６および実施例７のパネルは、このような含浸積層を持たない比較例３のパネルに比べ、防弾特性が著しく高まることがわかった。
【００４０】
従ってこのような積層体構造のパネルにより、本発明に係る防護体が構成できることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明により,良好な防刃性能を有し、必要に応じて柔軟性を持たせることのできる防刃材料が簡便方法により製造できるようになったので、防護服や防護パネル、あるいは貴重品を搬送する際に用いる袋類などの保安分野での利用をベースに、スポーツ分野などでの利用も期待でき、その産業上の利用可能性は大きいものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態における防刃性耐衝撃セラミック樹脂複合シートの製造の流れを示したフローチャートである。
【図２】（ａ）は防刃性の評価方法を示す図であり、図２（ｂ）はこの方法によって得られる結果を衝撃エネルギーと突き出し長さの関係として示した図である。
【図３】実施例および比較例の積層体試料における刃物の衝撃エネルギーと刃物の突き出し長さとの関係の測定結果を示す図である。
【図４】セラミック粒子の平均粒径が防刃性に及ぼす影響を示す図である。
【図５】実施例の試料における加重−変位線図におけるセラミック粒子の平均粒径の影響を示す図である。
【図６】実施例の試料の片刃に対する防刃特性について、セラミック粒子の粒径の影響を調べた結果を示した図である。
【図７】衝撃エネルギー２５Ｊの刃物による実施例および比較例のパネル試料の突き出し長さを測定した結果を示した図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０２…高強度セラミック粒子、１０４…高強度樹脂、１０６…混練工程、１０８…圧延工程、１１０…セラミック樹脂混合シート、１１２…耐衝撃性の布帛、１１４…シートを布帛に含浸させる工程、１１６…耐衝撃セラミック樹脂複合シート、１１８…積層工程、１２０…耐衝撃セラミック樹脂複合シート積層体、２０２…刃物、２０４…試料。
【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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【図６】
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【図７】
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