(57)【要約】耐衝撃性繊維強化複合材は、引張強度が１７ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、引張り弾性率が４５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の高強度繊維ｆにて形成される繊維シート２と、マトリックス樹脂３とを有する耐衝撃性繊維強化複合材１において、マトリックス樹脂３として、エチレン−メタクリル酸共重合体の分子間を金属イオンで架橋したアイオノマー樹脂を、繊維ｆに対して３〜１００重量％含有する。耐衝撃性繊維強化複合材は、刃物に対する耐刃性能及び弾丸や破片などの高速飛翔体から人体などを保護するための耐弾性能に優れ、且つ、軽量の、防刃チョッキ、防弾チョッキ、防弾ヘルメット、防刃手袋など身体の一部及び全体を刃物、弾丸から守護する衣料、具材、また、警棒、警杖、刺股、盾など携帯用防護用具、更には、車両、舟艇、航空機、ヘリコプターなどに用いる防護材、防弾板などを好適に作製することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
引張強度が１７ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、引張弾性率が４５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の高強度繊維にて形成される繊維シートと、マトリックス樹脂とを有する耐衝撃性繊維強化複合材において、
前記マトリックス樹脂として、エチレン−メタクリル酸共重合体の分子間を金属イオンで架橋したアイオノマー樹脂を、前記繊維に対して３〜１００重量％含有することを特徴とする耐衝撃性繊維強化複合材。
【請求項２】
前記アイオノマー樹脂は、比重が０．９３〜０．９７で、曲げ弾性率が１００〜３３０ＭＰａであることを特徴とする請求項１の耐衝撃性繊維強化複合材。
【請求項３】
前記繊維シートは、織布、編布若しくは不織布とされる布帛を単独で或いは組み合わせて１層以上積層して形成されるか、又は、高強度繊維を一方向に配列した繊維層を繊維の配向角度が互いに異なるように積層して形成されるか、又は、これら各種の布帛及び一方向配列繊維層を組み合わせて形成されることを特徴とする請求項１又は２の耐衝撃性繊維強化複合材。
【請求項４】
前記高強度繊維は、アラミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリエチレン繊維、ポリビニルアルコール繊維、ベンズアゾール繊維、炭素繊維、及び高強度ガラス繊維を、単独で、或いは、複数種の繊維を組み合わせて使用することを特徴とする請求項１、２又は３の耐衝撃性繊維強化複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、一般には複合材料に関し、特に、刃物に対する耐刃性能及び弾丸や破片などの高速飛翔体から人体などを保護するための耐弾性能に優れ、防刃チョッキ、防弾チョッキ、防弾ヘルメット、防刃手袋など身体の一部及び全体を刃物、弾丸から守護する衣料、具材、また、警棒、警杖、刺股、盾など携帯用防護用具、更には、車両、舟艇、航空機、ヘリコプターなどに用いる防護材、防弾板などを好適に作製することのできる耐衝撃性繊維強化複合材に関するものである。
【背景技術】  従来、防刃チョッキ、防弾チョッキ、防弾ヘルメット、防弾板など耐弾用の防護材料としては、特殊鋼、チタンなどの金属が主として使用されている。しかし、金属を使用した材料では、重量が重くなり、着用性、取扱性、操作性において問題が生じる。
そこで、現在、繊維強化複合材が注目を浴びている。例えば、特開平８−１８９７９７号公報では、少なくとも１７ｃＮ／ｄｔｅｘの引張強度と、少なくとも４５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の引張弾性率の高強度高弾性率ポリエチレン繊維を有する布帛と、樹脂からなる防護材料が提案されている。
この特開平８−１８９７９７号公報に開示される防護材料は、特に、樹脂として、ビニルエステル樹脂を使用し、樹脂成分中に末端及び側鎖にビニル基を有するブタジエン／アクリロニトリル共重合体のエラストマーを２０〜８０重量％添加されていることを特徴としている。
上記特開平８−１８９７９７号公報に開示される防護材料は、軽量で且つ高い弾道抵抗性（耐弾性能）及び耐刃性能に優れているという特長を有している。
本願発明者らは、更に、軽量で、且つ、高い弾道抵抗性（耐弾性能）及び耐刃性能に優れている耐衝撃性繊維強化複合材を提供するべく、多くの研究実験を行った。
その結果、特に、樹脂、即ち、高強度繊維に含浸するマトリックス樹脂として、エチレン−メタクリル酸共重合体の分子間を金属イオンで架橋したアイオノマー樹脂を使用し、この樹脂を特定の割合で高強度繊維に含浸させた場合に、軽量化、耐刃性能及び耐弾性能を大幅に改善し得ることを見出した。
本発明は、本発明者らの斯かる新規な知見に基づくものであり、上記特開平８−１８９７９７号公報に開示される防護材料を更に改良し、発展させたものである。
つまり、本発明の目的は、刃物に対する耐刃性能及び弾丸や破片などの高速飛翔体から人体などを保護するための耐弾性能に優れ、且つ、軽量の、防刃チョッキ、防弾チョッキ、防弾ヘルメット、防刃手袋など身体の一部及び全体を刃物、弾丸から守護する衣料、具材、また、警棒、警杖、刺股、盾など携帯用防護用具、更には、車両、舟艇、航空機、ヘリコプターなどに用いる防護材、防弾板などを好適に作製することのできる耐衝撃性繊維強化複合材を提供することである。
【発明の開示】
上記目的は本発明に係る耐衝撃性繊維強化複合材にて達成される。要約すれば、本発明は、引張強度が１７ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、引張弾性率が４５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の高強度繊維にて形成される繊維シートと、マトリックス樹脂とを有する耐衝撃性繊維強化複合材において、
前記マトリックス樹脂として、エチレン−メタクリル酸共重合体の分子間を金属イオンで架橋したアイオノマー樹脂を、前記繊維に対して３〜１００重量％含有することを特徴とする耐衝撃性繊維強化複合材である。
本発明の一実施態様によると、前記アイオノマー樹脂は、比重が０．９３〜０．９７で、曲げ弾性率が１００〜３３０ＭＰａである。
アイオノマー樹脂を繊維シートに含浸させる方法としては、アイオノマーフィルムをラミネートし、加熱圧着させる方法、ペレット若しくはパウダーを加熱圧着させる方法、アイオノマー分散液にディッピングする方法を採用し得る。
本発明の他の実施態様によると、前記繊維シートは、織布、編布若しくは不織布とされる布帛を単独で或いは組み合わせて１層以上積層して形成されるか、又は、高強度繊維を一方向に配列した繊維層を繊維の配向角度が互いに異なるように積層して形成されるか、又は、これら各種の布帛及び一方向配列繊維層を組み合わせて形成される。
本発明の他の実施態様によると、前記高強度繊維は、アラミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリエチレン繊維、ポリビニルアルコール繊維、ベンズアゾール繊維、炭素繊維、及び高強度ガラス繊維を、単独で、或いは、複数種の繊維を組み合わせて使用する。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明に係る耐衝撃性繊維強化複合材の一実施例の断面構成図である。
図２は、繊維シートの一構成例を示す斜視図である。
図３は、繊維シートの他の構成例を示す斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明に係る耐衝撃性繊維強化複合材を更に詳しく説明する。
図１に、本発明に係る耐衝撃性繊維強化複合材の一実施例の断面構成を示す。本実施例にて、耐衝撃性繊維強化複合材１は、高強度繊維ｆにて形成される繊維シート２と、この繊維シート２に含浸された樹脂、即ち、マトリックス樹脂３とを有する。
前記繊維シート２は、図２（Ａ）、（Ｂ）に一例を示すように、織布、編布などの布帛２ａ（図２（Ａ））、或いは、不織布（図２（Ｂ））のような布帛２ｂとすることができる。布帛２ａ、２ｂにおける目付量は、限定されるものではないが、通常、３０〜５００ｇ／ｍ２とされる。また、繊維シート２は、このような布帛２ａ或いは２ｂを、即ち、織布、編布若しくは不織布などとされる布帛を単独で１層以上積層して、又は、異なる種類の布帛を組み合わせて１層以上積層して形成することができる。
又、別法として、図３（Ａ）、（Ｂ）に一例を示すように、高強度繊維ｆを一方向に配列して形成される繊維層を複数層、例えば、３層以上積層した繊維層積層体（繊維層２ａ、２ｂ、２ｃ）とすることもできる（図３（Ａ））。このとき、各繊維層２ａ、２ｂ、２ｃは、好ましくは、各繊維層積層体にて網目構造が形成されるように、各繊維層２ａ、２ｂ、２ｃの繊維の配向角度αａ、αｂ、αｃが互いに異なる角度とされる。一例を挙げれば、例えば、配向角度αａ＝＋３０〜６５°、αｂ＝０°、αｃ＝−３０〜６５°とされる。
又、図３（Ｂ）に示すように、繊維層積層体は、上記３層構成とするのではなく、配向角度αａが９０°とされる繊維層２ａと、配向角度αｂが０°とされる繊維層２ｂとを積層した２層構成の繊維層積層体（繊維層２ａ、２ｂ）とすることもできる。更に、この２層からなる繊維層積層体（２ａ、２ｂ）を２枚以上積層して使用することも可能である。
更には、図２に示す各種の布帛と、図３に示す一方向配列繊維層を組み合わせて形成することも可能である。
本発明によれば、繊維シート２を形成する繊維ｆは、耐刃性能、耐弾性能（弾道抵抗性）及び軽量性を確保するために、引張強度が１７ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、引張弾性率が４５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の高強度繊維であることが必要である。
斯かる高強度繊維としては、上記特開平８−１８９７９７号公報に記載する高強度高弾性率のポリエチレン繊維を使用することができ、その他にも、高強度繊維としては、アラミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリビニルアルコール繊維、ベンズアゾール繊維などの高強度有機繊維、及び、炭素繊維、高強度ガラス繊維などの高強度無機繊維を、単独で、或いは、複数種の繊維を組み合わせて使用することができる。
マトリックス樹脂３として、エチレン−メタクリル酸共重合体の分子間を金属イオンで架橋したアイオノマー樹脂が使用される。
つまり、アイオノマー樹脂は、ポリエチレンの分子鎖にカルボン酸基の側鎖があり、このカルボン酸基の一部が金属陽イオン（Ｎａ＋或いはＺｎ＋＋）によって分子鎖間で架橋された構造を有し、強靱性、弾力性、屈曲性に優れ、極めて良好な耐衝撃特性を有している。
通常、本発明に使用されるアイオノマー樹脂は、比重が０．９３〜０．９７で、曲げ弾性率が１００〜３３０ＭＰａである。
本発明によれば、このようなアイオノマー樹脂をマトリックス樹脂３として、高強度繊維ｆ、即ち、繊維シート２に対して３〜１００重量％含有させることにより、耐刃、耐弾性能に優れ、耐衝撃性繊維強化複合材１を提供することができる。
マトリックス樹脂量が、１００重量％を越えると、上記特開平８−１８９７９７号公報に記載するような防護材料と比較して、耐刃、耐弾性能に優れた複合材が得られなくなり、また、３重量％未満では、繊維シート２の各繊維ｆ間に樹脂３が充填されなくなり、剛性及び保形性が急激に悪化する。
本実施例の耐衝撃性繊維強化複合材１は、任意の方法にて作製することができるが、通常、上記構成の繊維シート２にマトリックス樹脂３を含浸させてプリプレグシートを作製し、このプリプレグシートを所望枚数積層して、金型にて加熱加圧して所定形状に賦形することにより、耐衝撃性繊維強化複合材１を利用した防護製品が得られる。
また、それ以外の作製方法としては、アイオノマーフィルムをラミネートし、加熱圧着させる方法、また、例えばペレット若しくはパウダーとされる粉体状ののアイオノマー樹脂を付着後、加熱圧着などにより溶融含浸させる方法、更には、アイオノマーを分散させた液を調製し、そこへ前記繊維シートをディッピングし、引き続き乾燥工程により作製する方法などを用いることも可能である。
また、このプリプレグシートを所要枚数積層し縫合した場合、或いは、このプリプレグシートと繊維シート２を所要枚数積層し縫合した場合は、柔軟性のある防護製品が得られる。
つまり、耐衝撃性繊維強化複合材１としてのプリプレグシートは、防弾板のような板形状に成形することもできるし、又、防弾ヘルメットなどに成形することもできる。また、このプリプレグシートを所要枚数積層し縫合した場合、或いは、このプリプレグシートと繊維シート２を所要枚数積層し縫合した場合は、柔軟性のある防刃チョッキ、防弾チョッキを作製することができる。
本発明の耐衝撃性繊維強化複合材１によれば、高強度繊維ｆからなる繊維シート２が、強靱性、弾力性、屈曲性に優れ、極めて良好な耐衝撃特性を有したアイオノマー樹脂により被覆、即ち、含浸された構造とされるので、外部より複合材１に加えられた、例えば、弾丸や破片などの高速飛翔体による衝撃が、アイオノマー樹脂３、及び、高強度繊維ｆからなる繊維シート２により十分に吸収され、弾丸に対する優れた耐弾性能、及び、刃物に対する優れた耐刃性能を有することとなる。しかも、本発明の耐衝撃性繊維強化複合材１は、軽量であり、着用性、取扱性、操作性において優れている。
本発明の効果に関しては、以下の理由が考えられる。
つまり、アイオノマー樹脂が含浸されていない場合、飛翔体などから衝撃を受けた場合、その衝撃部位に存在する繊維束とその近傍の繊維束のみが、エネルギーを吸収する傾向にある。一方、アイオノマー樹脂が含浸されている場合、アイオノマー樹脂は、耐衝撃性に優れ且つ接着性に優れているため繊維束が適度に一体化されており、そのために、衝撃部位のみならず、周辺の繊維束まで含めてエネルギー吸収が可能になる。そのために、アイオノマー樹脂を含浸されたシートからなる繊維シート材は、優れた衝撃吸収能力を有すると共に、衝撃による適度の変形を防ぐことが可能となっているものと考えられる。また、アイオノマー成分中には金属イオンが含有されているために金属弾との親和力が高く、そのために、被弾時に金属弾との相互作用が大きく、金属弾の頭部を大変形させる効果が大きく、アイオノマー含浸繊維シートの耐衝撃性と耐変形性能を向上させる効果が発現しているものと考えられる。
アイオノマー含浸繊維シートは、防刃材料としても優れた特性を有している。耐衝撃性と耐擦過性に優れるアイオノマーフィルムは、ゴルフボール用途で多用される材料である。したがって、アイオノマー含浸繊維シートの場合、アイオノマー自体の耐衝撃性と耐擦過性が、刃物などの鋭利なものに対する強靱性に有益に寄与し、またアイオノマーが接着材として繊維シートの繊維束を一体化させ応力を分散させることも防刃材料として優れた性能に寄与しているものと考えられる。
次に、本発明の耐衝撃性繊維強化複合材１を実施例に即して更に説明する。
実施例１、２、３
引張強度３７ｃＮ／ｄｔｅｘ、引張弾性率１１５０ｃＮ／ｄｔｅｘのＰＢＯ繊維（東洋紡績株式会社、商品名「ザイロン」）を用いて、目付け１３５ｇ／ｍ２の平織物を製造し、これを繊維シート２として使用した。
この繊維シート２に、マトリックス樹脂３として、エチレン−メタクリル酸共重合体の分子間を金属イオンで架橋したアイオノマー樹脂（三井・デュポンポリケミカル株式会社製、商品名「ハイミラン」）を、前記強化繊維に対して６０重量％含浸させ、プリプレグを作製した。
次いで、このプリプレグ１０枚と繊維シート２を４０枚積層し、合計５０枚縫合し、実施例１とした。また、このプリプレグ２０枚と繊維シート２を３０枚積層し、合計５０枚縫合し、実施例２とした。また、このプリプレグ３０枚と繊維シート２を２０枚積層し、合計５０枚縫合し、実施例３とした。
比較例１、２、３、４
マトリックス樹脂３として、１２０℃、５分で硬化する末端鎖にビニル基を有するブタジエン／アクリロニトリル共重合体のエラストマーをビニルエステル樹脂中に４０重量％溶解させたものを使用した以外は、上記実施例１〜３と同様にして比較例１、２、３を成形した。
また、繊維シート２を５０枚積層し、縫合して比較例４を作製した。
上記実施例１〜３及び比較例１〜４のサンプルについて、耐刃性能、耐衝撃性能の評価を行った。
（耐刃性能評価）
耐刃性能評価は、被試験資材の裏に厚み４０ｍｍのウレタンを置き、アイスピック、バタフライナイフに加重を掛け、垂直落下させ、刃先の貫通深さによって性能評価を行った。アイスピックは、高久産業（株）製パイロットシリーズ１本爪、爪長１４８ｍｍを使用した。バタフライナイフは、（株）瀬戸金型刃物工業製ＳＥＴＯバタフライシリーズＳＫ−４９Ｗ、刃渡り７０ｍｍを使用した。また、衝撃エネルギーの発生方法は、以下の表１に示す方法で行った。
【表１】
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表２及び表３に、各サンプルの耐刃性能を評価した結果を示す。表２及び表３にて、横軸はエネルギー量、縦軸に被検査資材、表中の数字は貫通深さ（ｍｍ）を示す。
【表２】
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実施例１〜３は貫通深さが少なく、アイスピックに対し耐刃性能が高いことを示している。
【表３】
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実施例１〜３は貫通深さが少なく、バタフライナイフに対し耐刃性能が高いことを示している。
（耐衝撃性能評価）
耐衝撃性能評価は、被試験資材の裏に１００ｍｍ厚の粘土を置き、４４口径の発射装置から１５．６ｇの重さの弾丸を上記サンプルに対し、５ｍの距離から直角に発射し、弾丸の速度を測定し、衝撃のエネルギー量を計算し、それに対する被試験資材の粘土方向への凹み量を測定し、耐衝撃性能を評価した。
表４に、各サンプルの耐衝撃性能を評価した結果を示す。
【表４】
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実施例１〜３は凹み量が少なく、耐衝撃性能が高いことを示している。
【産業上の利用可能性】  以上説明したように、本発明の耐衝撃性繊維強化複合材は、引張強度が１７ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、引張弾性率が４５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の高強度繊維にて形成される繊維シートと、マトリックス樹脂とを有する耐衝撃性繊維強化複合材において、マトリックス樹脂として、エチレン−メタクリル酸共重合体の分子間を金属イオンで架橋したアイオノマー樹脂を、強化繊維に対して３〜１００重量％含有する構成とされるので、刃物に対する耐刃性能及び弾丸や破片などの高速飛翔体から人体などを保護するための耐弾性能に優れ、且つ、軽量の、防刃チョッキ、防弾チョッキ、防弾ヘルメット、防刃手袋など身体の一部及び全体を刃物、弾丸から守護する衣料、具材、また、警棒、警杖、刺股、盾など携帯用防護用具、更には、車両、舟艇、航空機、ヘリコプターなどに用いる防護材、防弾板などを好適に作製することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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