(57)【要約】  本発明は、防弾材料を提供する。本発明に係る防弾材料は、防弾繊維からなる複数の緻密層と、上記防弾繊維からなる層の間に挿入された、剪断応力の増加に伴って粘度の増加を示す非ニュートン性流体からなり、１〜７００ｎｍのサイズの粒子または逆可塑剤を選択的に含む少なくとも１つの中間層とを含み、上記中間層は、上記防弾繊維からなる層の間に直接配置されているか、または、上記防弾繊維からなる層の間に充填剤または多孔充填剤または適合したファブリックを介して配置されていることを特徴としている。本発明は、さらに、前述の材料の製造方法を提供する。上記材料は、柔軟かつ軽量であり、防弾チョッキ、戦闘ヘルメット、個人用ボディアーマーおよび／または軽歩兵および旅客車両の保護に好適である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
防弾繊維からなる複数の緻密層と、
上記防弾繊維の層の間に挿入された、剪断応力の増加に伴って粘度の増加を示す非ニュートン性流体からなる少なくとも１つの中間層とを含み、
上記中間層は、上記防弾繊維からなる層の間に直接配置されているか、または、上記防弾繊維からなる層の間に担持体または多孔担持体を介して配置されていることを特徴とする防弾材料。
【請求項２】
非ニュートン性流体からなる上記中間層は、１〜７００ｎｍのサイズを有する粒子および逆可塑剤の少なくとも一方を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の防弾材料。
【請求項３】
上記担持体または上記多孔担持体は、プラスチックフィルムであることを特徴とする請求項１または２に記載の防弾材料。
【請求項４】
上記担持体または上記多孔担持体は、ナノ繊維ファブリックであることを特徴とする請求項１または２に記載の防弾材料。
【請求項５】
上記防弾材料の１つの表面に発泡層が配置されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の防弾材料。
【請求項６】
請求項１に記載の防弾材料の製造方法であって、
剪断応力の増加に伴って粘度の増加を示す非ニュートン性流体からなる少なくとも１つの中間層によって、防弾繊維からなる少なくとも２つの緻密層を結合し、
得られた材料を、防弾繊維からなる緻密層にさらに結合することを特徴とする防弾材料の製造方法。
【請求項７】
上記得られた材料の一方の側に発泡層を設けることを特徴とする請求項６に記載の防弾材料の製造方法。
【請求項８】
請求項１から５のいずれか１項に記載の材料を、防弾チョッキ、戦闘ヘルメット、個人用ボディアーマー、および／または、軽歩兵および旅客車両の保護のために使用することを特徴とする材料の使用。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［技術分野］
本発明は、新規の防弾および防刃材料、当該材料の製造方法および使用に関する。上記材料は、防弾チョッキ、戦闘ヘルメット、個人用ボディアーマー（personal body armor）への使用、並びに、軽歩兵、旅客車両、トラック、および移動用司令部を銃弾の脅威から保護するための使用に特に適している。
［背景技術］
柔軟（可撓）性を有する防弾材料および材料を組合せる分野において、防弾技術の発展に伴い新規な改良の取り組みが継続的に進められている。米国特許第３，８４１，９５４号明細書は、ファブリック（fabric）を縫い合わせて加熱および加圧下において圧縮した複数の層から形成したラミネイトパネルまたはプレートを開示しており、これにより、個人用ボディアーマーの構成部品として使用される硬質パネルを作製している。米国特許第３，５０９，８３３号明細書は、柔軟な下地に取り付けられたセラミックプレートで作られた柔軟性のあるアーマーを開示しており、ラミネイト繊維はクロスプライパターンで斜めに配置されている。米国特許第４，５２２，８７１号明細書および米国特許第４，７８１，３５１号明細書は、織ったポリアラミド繊維の複数の層を含む柔軟性のあるアーマーを提案しており、その材料は、市販されている例えばＫＥＶＬＡＲ（トレードマーク）である。米国特許第４，６０８，７１７号明細書は、羽毛、発泡体またはフェルト材料が詰められた中間層と組み合わされた複数のポリアミド層を含む柔軟性のあるアーマーを提案している。上記層は、共に縫い合わされて、柔軟性のある完全なパネルを形成する。米国特許第３，９２４，０３８号明細書は、パイロットの防弾ジャケットまたは戦闘地域における飛行機または設備の臨時カバーに適した複数の層のパネルを開示している。上記パネルは、爆発兵器によって飛ばされた爆弾の金属片に対する保護が講じられるように設計されている。上記複数の層のパネルは、ナイロン生地およびフェルトの内側クッション、中間のハニカムスペーサー、およびセラミックプレートの外側保護層を含む。ハニカムスペーサーは、上記パネルを硬くして、柔軟性のない構造にする役割を果たす。米国特許第５，０６０，３１４号明細書は、防弾ファブリックから構成された保護ジャケットを開示しており、保護ジャケットは硬質のアーマー防弾補強材を挿入するための内部ポケットを含む。追加的なショルダーパッドは、水中で浮力を提供する浮揚性のクッションを有する。米国特許第３，８６７，２３９号明細書、米国特許第４，１９８，７０７号明細書および米国特許第４，６３３，７５６号明細書は、複数回の硬化処理が施されたプレートを含むアーマーパネルを開示しており、ファブリックの下地に多数の層が配置されている。米国特許第７，８２５，０４５号明細書は、剪断増粘（shear thickening）性を示す流体（剪断応力の増加に伴って粘度の増加を示す、非ニュートン性流体のタイプ）の粒子懸濁液に含浸した高分子繊維から構成された個人用ボディアーマーを開示している。しかしながら、含浸では、ある種の制限があり、例えば粒子サイズが限定され、また、粘度を増加さることで含浸を妨げるナノ粒子との相性が良好ではい。さらに、前述の溶液は、高速度衝撃によって引き起こされる剪断応力に伴う規則構造の形成を利用する。ダイラタント流体は低粘度溶液であり、ほとんどの場合ポリエチレングリコール中に大量の固体粒子を含む。前述の系のその他のバリエーションでは、２つのタイプの分子を組み合わせて使用し、低い剪断速度の条件下での上記構造は柔軟性を残したまま、低い分子摩擦により自由運動を可能にする。一方、��速度では、上記分子摩擦が急増し、膨張流体学的反応となる。
【０００２】
これまで知られた防弾材料は、重量および質量が大きく、かつ、柔軟性が欠如しており、このため、これらの使用は非常に制限される。
［発明の開示］
本発明に係る防弾材料は、例えば、個人用ボディアーマーなどに使用される柔軟性のある防弾材料であって、上記材料は、
−防弾繊維からなる複数の緻密層（例えば、ラミネイト、マット）と、
−上記防弾繊維の層の間に挿入された、剪断応力の増加に伴って粘度の増加を示す非ニュートン（ダイラタント）性流体（すなわち、剪断増粘材料）から構成され、好ましくは防弾繊維に対して良好な粘着性があり、かつ、１〜７００ｎｍのサイズの粒子または逆可塑剤を選択的に含む、少なくとも１つの中間層とを含み、上記中間層は、上記防弾繊維からなる層の間に直接挿入されているか、または、上記防弾繊維からなる層の間に、担持体（例えば、緻密または多孔、プラスチックまたは繊維担持体）を介して挿入されている。
【０００３】
上記担持体（保持体：carrier）は、例えばポリエチレンテレフタレートなどのプラスチックフィルム、または、例えばポリエステル（ＰＥＴ）、ポリアミド（ＰＡ）、液晶（市販されているＺｙｌｏｎ）またはポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）などから構成される担持ファブリックであってよい。ただし、上記担持ファブリックは、上記防弾繊維の緻密層と同一ではない。好ましくは、担持ファブリックはナノ繊維ファブリックであり、すなわち、ほぼ数百ｎｍオーダー単位の繊維を有する。
【０００４】
上記防弾繊維の緻密層は、どのようなタイプの防弾ファブリックからでも構成することができる。上記防弾ファブリックは、当業者に公知である。そのような材料の一例としては、例えば、市販されているＤｙｎｅｅｍａ（トレードマーク）またはＳｐｅｃｔｒａ（トレードマーク）のような超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）が挙げられる。ポリ芳香族アミド化合物（例えば、市販されているＫｅｖｌａｒ）または液晶（例えば、Ｚｙｌｏｎ）を使用して、防弾繊維の層が構成される。
【０００５】
このように、本発明は、含浸させた防弾繊維の技術に関するものではない。本発明は、非ニュートン性流体の中間層を採用することによって防弾繊維の層を結合することに関するものである。中間層は、繊維層の表面に直接設けられた（すなわち、層を接着または接合する）、または、担持体または多孔担持体、例えば充填剤または多孔充填剤の内側に設けられた熱可塑性ゴム材料の形をとっている。したがって、層を縫い合わせる必要がなく、これらは中間層によって結合される。これにより、通常の状態の間は層の相互の動きが可能になり、従って、個人用ボディアーマーの付属品としての使用において非常に柔軟性のある防弾材料を作製することができる。一方、被弾した場合、弾丸の妨害に伴って緻密防弾繊維の層の厚みが顕著に増加し、上記材料は硬化する。上記中間層は、０．５ｍｍ以下の厚みを有することが好ましい。
【０００６】
材料の特徴である、剪断応力の増加に伴って粘度の増加を示す非ニュートン性流体は公知である。特に好適な非ニュートン性流体は、例えば様々な長さの側鎖を含むアクリル系モノマーを基にしたオリゴマー混合物、エステルまたはエーテルポリオールを含むメチレンジフェニルジイソシアネート（ＭＤＩ）およびヘキサメチレンジイソシアナート（ＨＤＩ）を基にしたポリウレタン、または、スチレンブタジエン熱可塑性樹脂／ポリテルペン／ジペンテンマクロモノマーから生成された酸化セルロースを基にしたポリオールである。好ましくは熱可塑性ポリウレタン樹脂、スチレンブタジエンゴム、および−４０℃未満のガラス転位温度であるその他の線形および軽度架橋（０〜２０％）非晶質ポリマーを目的のために使用してもよい。前述の流体は、さらにナノ粒子、好ましくは、例えば球状、針状、血小板状などのような形状をとる珪酸塩、セルロース、アルミナのナノ粒子を含む。好適なフィラーナノ粒子は熱分解性コロイダルシリカ、ＰＯＳＳ粒子（多面体シルセスキオキソン）の変異体、ラポナイト、Ａｌ2Ｏ３粒子またはウィスカー、セルロースウィスカーおよびナノ結晶、ＺｒＯ２粒子、グラフェン、Ｃ６０、カーボンナノチューブまたは前述の粒子のハイブリッド結合である。好ましくは、ナノ粒子の階層的サブミクロンクラスターを使用することもできる。加えて、逆可塑剤は、流体における膨張作用を得るために使用することができる。逆可塑剤は、高い剪断応力の間、ポリマー断片の移動を少なくする分子である。逆可塑剤の選択は、使用する流体に依存する。好適な可塑剤は、塩化ビフェニル、およびテルフェニル族、ポリスチレングリコール、アビエチン酸誘導体、アミノおよび／またはカルボキシル末端オリゴマーアミド類、メチルホスホン酸ジメチル、４−ヒドロキシアセトアニリドおよび１．２−エポキシ−３−フェノキシプロパンを含む。面密度の最小化を達成するために、粒子と逆可塑剤とを組み合わせてもよい。
【０００７】
好ましい実施形態では、上記材料の内部対向表面（遮断側、すなわち、例えばボディアーマーの着用者の身体である保護対象物に対向する側）に発泡層が配置される。上記発泡層は、着用者の身体から上記保護材料を分離することで、被弾による衝撃によって起こる変形を発泡層のパッドで吸収して、例えば人の身体である保護対象物を保護する。例えば、発泡ポリエチレンまたは発泡ポリウレタンなどの材料を、目的のために使用することができる。
【０００８】
さらに、本発明は、防弾材料の製造方法を提供する。防弾材料の製造方法では、剪断応力の増加に伴って粘度の増加を示す非ニュートン性流体からなる少なくとも１つの中間層によって、防弾繊維からなる少なくとも２つの緻密層を結合し、得られた材料を、防弾繊維からなる緻密層にさらに結合し、また、実施形態にように得られた材料の一つの側に発泡層を設けることもできる。
【０００９】
本発明に基づいて設計された保護道具は、国立司法省研究所基準０１０１．０３ＡタイプＩＩＩＡスレットによって規定されたタイプＩＩＩＡの銃弾スレット（ballistic threat）から保護することが可能である。タイプＩＩＩＡは、質量１５．５グラムおよび着弾速度４５０ｍ／ｓの４４マグナム弾、または、質量８グラムおよび着弾速度４５０ｍ／ｓの９ミリメートルフルメタルジャケット丸型弾に相当する。上記スレットに対する保護は、４４ミリメートル以下を超えないで、弾道の移動方向にテスト対象が変形することを要求している。Ｖ５０防弾テストの間、米国規格は最低４３０ｍ／ｓを要求しているところ、本発明は、５００ｍ／ｓより速い、多くの場合６００ｍ／ｓ超の速度でのテストに耐えることが可能であった。これまでの既存製品は、通常、６００ｍ／ｓ以下の着弾速度に耐えることは可能であった。そのうえで、新規の繊維製品は、従来製品に比べて２０〜２５％面密度を小さくすることができる。
【００１０】
本発明は、被弾による死亡または負傷から保護すべき平和維持部隊またはその他の独立部隊などの兵士のボディアーマーの製造に特に好適である。
［図面の簡単な説明］
［図１］柔軟性のある防弾材料の層配置の一実施形態を示す模式図である。
【００１１】
Ｎは防弾側、Ｚは遮断側（保護対象物に対向する内部）、ＢＶは超高分子量ポリエチレンからなる防弾繊維の緻密層、ＮＮＫは剪断増粘材料（非ニュートン性流体）、Ｐは着用者に接触する発泡層を示す。
［発明を実施するための形態］
実施例１：防弾材料の製造
（材料Ｘ３Ｍ）
超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）を基にした緻密防弾繊維（例えば、市販されているＤｙｎｅｅｍａ（トレードマーク）またはＳｐｅｃｔｒａ（トレードマーク）、以降マットまたはラミネイトと称する。）の３つの層を、球状のＳｉＯ２ナノ粒子およびそれらのクラスターを含む、スチレンブタジエン／ポリテルペン／ジペンテンを基にした非ニュートン性剪断増粘粘着剤（non-Newtonian shear thickening adhesive）によって共に結合（接合、接着）した。主たるナノ粒子のサイズは１〜２０ｎｍの範囲内にあり、クラスターのサイズは５００ｎｍ以下である。この粘着剤は、最大厚みが０．５ｍｍの均一なフィルム状に薄く形成した。このようにして結合された３つのマットは、３層構造体を形成する。
【００１２】
防弾パネルを形成するために、（防弾側に）合計５個の３層構造体を使用し、さらに、１０個の追加の独立したマットによって補強した。上記防弾パネルの遮断側の外側の層に、衝撃吸収ライニングとしての機能を果たす発泡ポリエチレン（ＰＥ）からなるパッドを付加した。
【００１３】
Ｘ３Ｍと表記する得られた材料は、柔軟性のある個人用ボディアーマーとして非常に好適である。
【００１４】
（材料Ｘ２）
超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）を基にした緻密防弾繊維（例えば、市販されているＤｙｎｅｅｍａ（トレードマーク）またはＳｐｅｃｔｒａ（トレードマーク）、以降マットまたはラミネイトと称する。）の３つの層を共に結合し、これにより、三層構造体を形成した。３つのマットは、球状のＳｉＯ２ナノ粒子およびそれらのクラスターを含む、アクリルモノマーを基にした剪断増粘粘着剤の薄層を担持（保持）するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）担持フィルムによって互いに結合した。主たるナノ粒子のサイズは１〜２０ｎｍの範囲内にあり、クラスターのサイズは５００ｎｍ以下である。この粘着剤は、最大厚みが０．５ｍｍの均一なフィルム状に薄く形成した。
【００１５】
このサンプルの防弾パネルの５個の三層構造体を、合計１０個の独立したマットによって補強した。上記防弾パネルの遮断側の外側の層に、衝撃吸収ライニングとしての機能を果たす発泡ポリエチレン（ＰＥ）からなるパッドを付加した。
【００１６】
Ｘ２と表記する得られた材料は、柔軟性のある個人用ボディアーマーとして非常に好適である。
【００１７】
（材料Ｘ２−ＴＯＰ）
超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）を基にした緻密防弾繊維（例えば、市販されているＤｙｎｅｅｍａ（トレードマーク）またはＳｐｅｃｔｒａ（トレードマーク）、以降マットまたはラミネイトと称する。）の３つの層を共に結合し、これにより、三層構造体を形成した。３つのマットは、球状のＳｉＯ２ナノ粒子、およびそれらのクラスターを含む、アクリルモノマーを基にした剪断増粘粘着剤の薄層を担持（保持）するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）担持フィルムによって互いに結合した。主たるナノ粒子のサイズは１〜２０ｎｍの範囲内にあり、クラスターのサイズは５００ｎｍ以下である。この粘着剤は、最大厚みが０．５ｍｍの均一なフィルム状に薄く形成した。
【００１８】
合計１０個の独立したマットによって、このサンプルの防弾パネルの５個の三層構造体を補強した。外側の層に、衝撃吸収ライニングとしての機能を果たす発泡ポリエチレン（ＰＥ）からなるパッドを付加した。
【００１９】
Ｘ２−ＴＯＰと表記する得られた材料は、柔軟性のある個人用ボディアーマーとしての使用に非常に好適である。
【００２０】
（材料Ｘ２−Ｍ）
超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）に基づく緻密防弾繊維層（例えば、市販されているＤｙｎｅｅｍａ（トレードマーク）またはＳｐｅｃｔｒａ（トレードマーク）、以降マットまたはラミネイトと称する。）の３つの層を共に結合し、これにより、三層構造体を作成した。３つのマットは、球状のＳｉＯ２ナノ粒子およびそれらのクラスターを含む、アクリルモノマーを基にした剪断増粘粘着剤の薄層を担持（保持）するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）担持フィルムによって互いに結合した。主たるナノ粒子のサイズは１〜２０ｎｍの範囲内にあり、クラスターのサイズは５００ｎｍ以下である。この粘着剤は、最大厚みが０．５ｍｍの均一なフィルム状に薄く形成した。
【００２１】
このサンプルは、防弾パネルを形成するために、防弾側に合計５個の独立したマットと、追加の５個のマットで補強した５個の三層構造体とを含む。外側の層に、衝撃吸収ライニングとしての機能を果たす発泡ポリエチレン（ＰＥ）からパッドを付加した。
【００２２】
Ｘ２−Ｍと表記する得られた材料は、可撓性のある身体の防護服としての使用に非常に好適である。
【００２３】
（材料ＡＰＵ）
超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）を基にした緻密防弾繊維（例えば、市販されているＤｙｎｅｅｍａ（トレードマーク）またはＳｐｅｃｔｒａ（トレードマーク）、以降マットまたはラミネイトと称する。）の３つの層を共に結合し、これにより、三層構造体を形成した。３つのマットは、最小寸法１〜２０ｎｍおよび最大寸法１０ｎｍ〜１ｍｍの針状および血小板状（platelet-shaped）の粒子を含む、ポリウレタンを基にした剪断増粘粘着剤によって互いに結合されている。セルロースウィスカーは、針状の例えばナノ粒子のフィラーであり、一方、ラポナイトは、例えば血小板状のナノ粒子のフィラーである。この粘着剤は、最大厚みが０．５ｍｍの均一なフィルム状に薄く形成した。
【００２４】
このサンプルでは、防弾側の合計１０個の独立したマットを、さらに５個の三層構造体によって補強し、防弾パネルを形成した。外側の層には、衝撃吸収ライニングとしての機能を果たす発泡ポリエチレン（ＰＥ）からなるパッドを付加した。
【００２５】
（材料ＡＰＵＮＳ）
超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）を基にした緻密防弾繊維（例えば、市販されているＤｙｎｅｅｍａ（トレードマーク）またはＳｐｅｃｔｒａ（トレードマーク）、以降マットまたはラミネイトと称する。）の３つの層を共に結合し、これにより、三層構造体を形成した。３つのマットは、０．１〜１２重量％のシリカナノ粒子を含む、ポリウレタンを基にした剪断増粘粘着剤によって互いに結合した。この粘着剤は、最大厚みが０．５ｍｍの均一なフィルム状に薄く形成した。
【００２６】
このサンプルでは、防弾側の合計１０個の独立したマットを、さらに５個の三層構造体によって補強し、防弾パネルを形成した。外側の層には、衝撃吸収ライニングとしての機能を果たす発泡ポリエチレン（ＰＥ）からなるパッドを付加した。
【００２７】
（材料ＡＰＵＡ）
超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）を基にした緻密防弾繊維（例えば、市販されているＤｙｎｅｅｍａ（トレードマーク）またはＳｐｅｃｔｒａ（トレードマーク）、以降マットまたはラミネイトと称する。）の３つの層を共に結合し、これにより、三層構造体を形成した。３つのマットは、１２〜２０重量％のアルミナナノ粒子を含む、ポリウレタンを基にした剪断増粘粘着剤によって互いに結合した。この粘着剤は、薄く、最大厚みが０．５ｍｍの均一なフィルムを形成する。
【００２８】
このサンプルでは、防弾側の合計１０個の独立したマットを、さらに５個の三層構造体によって補強し、防弾パネルを形成した。外側の層には、衝撃吸収ライニングとしての機能を果たす発泡ポリエチレン（ＰＥ）からなるパッドを付加した。
【００２９】
（材料Ｘ２−ＴＯＰ−ＭＯＤ２）
超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）を基にした緻密防弾繊維（例えば、市販されているＤｙｎｅｅｍａ（トレードマーク）またはＳｐｅｃｔｒａ（トレードマーク）、以降マットまたはラミネイトと称する。）の３つの層を共に結合し、これにより、三層構造体を形成した。３つのマットは、球状のＳｉＯ２ナノ粒子およびそれらのクラスターを含む、アクリルモノマーを基にした剪断増粘粘着剤の薄層を担持（保持）するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）担持フィルムによって互いに結合した。主たるナノ粒子のサイズは１〜２０ｎｍの範囲内にあり、クラスターのサイズは５００ｎｍ以下である。この粘着剤は、最大厚みが０．５ｍｍの均一なフィルム状に形成した。
【００３０】
防弾パネルを形成するために、防弾パネルの防弾側に合計６個の三層構造体を使用し、さらに１０個の追加の独立したマットで補強した。外側の層には、衝撃吸収ライニングとしての機能を果たす発泡ポリエチレン（ＰＥ）からなるパッドを付加した。
【００３１】
〔実施例２：防弾限界速度〕
個々の材料を製造するための防弾限界速度は、ＮＩＪ規格−０１０１．０４テストに基づいて決定され、Ｓ＆Ｂ  Ｖｌａｓｉｍによって製造された９×１９ＦＭＪＲＮ丸型弾、重さ８グラムを使用して実施した。試験条件下において、完全貫通または部分的貫通が生じた速度を評価した。結果は、５回の完全貫通と５回の部分的貫通との相加平均速度である。
【００３２】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】柔軟性のある防弾材料の層配置の一実施形態を示す模式図である。Ｎは防弾側、Ｚは遮断側（保護対象物に対向する内部）、ＢＶは超高分子量ポリエチレンからなる防弾繊維の緻密層、ＮＮＫは剪断増粘材料（非ニュートン性流体）、Ｐは着用者に接触する発泡層を示す。
【図１】
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【国際調査報告】
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