(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５００ｄｔｅｘ以下の線形密度と少なくとも３０ジュール／グラムの粘り強さを示すアラミド糸を織った生地から本質的に成る耐貫入性製品であって、この生地が少なくとも０．７５の生地気密係数を持つように織った生地でありそして該製品が該生地の層を少なくとも２層有していて該製品の縁の所で或いは１５センチメートル以上の間隔を置いた点で接合しておりそしてそれ以外には該生地の層を一緒に保持する手段を実質的に含まないことを特徴とする耐貫入性製品。
【請求項２】
該生地気密係数が０．７５から１．０の範囲である請求の範囲第１項の製品。
【請求項３】
該粘り強さが少なくとも４０ジュール／グラムである請求の範囲第１項の製品。
【請求項４】
該アラミド糸がポリ（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）である請求の範囲第１項の製品。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
先端が鋭角な道具による貫入に対して向上した抵抗を示す保護衣が長年に渡って求められていた。しかしながら、注意は主に弾道学および弾丸の脅威から保護する衣服に向けられていた。本発明は、鋭角な道具、例えばキリまたはアイスピックなどの貫入、例えば突き刺しまたは押し刺しなどから保護する製品に関する。
Ｍｅｌｅｃ他の出願に対して１９９１年１２月１７日付けで発行された米国特許第５，０７３，４４１号には、ポリアラミド糸を編むことで作られた耐貫入性（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ  ｒｅｓｉｓｔａｎｔ）構造物が開示されている。その構造物は保護用網細工として使用可能であるか或は多少とも堅い保護構造物が得られるようにそれにマトリックス樹脂を含浸させることも可能である。
Ｓｍｉｔｈの出願に対して１９８９年１１月７日付けで発行された米国特許第４，８７９，１６５号には、アラミドもしくは線状ポリエチレンの繊維に加えてアイオノマーマトリックス樹脂およびセラミックもしくは金属のグリットもしくは小板（ｐｌａｔｅｌｅｔｓ）を用いて耐貫入性が向上するように特別に修飾した保護具が開示されている。
Ｈａｒｐｅｌｌ他の出願に対して１９９３年２月９日付けで発行された米国特許第５，１８５，１９５号には、アラミドもしくは線状ポリエチレンの織り生地で出来ている隣接層を０．３２センチメートル（０．１２５インチ）未満離れて位置する規則正しい経路（ｐａｔｈｓ）で一緒に固着させた耐貫入性構造物が開示されている。その固着は好適には縫い合わせることで行われている。硬質小板をオーバーラップさせた層を用いると耐貫入性が更に向上し得る。
Ｈａｒｐｅｌｌ他の出願に対して１９９３年１０月１９日付けで発行された米国特許第５，２５４，３８３号には、向上した耐貫入性を示す複合体が開示されており、そこでは、セラミックもしくは金属で出来ているいわゆる平板体（ｐｌａｎａｒ  ｂｏｄｉｅｓ）をオーバーラップさせて互いに結合させたものが複数利用されていて、それらは、鋭利な道具が個々の平板体を剥がしてその間に入り込まないようにする目的で、繊維状の層で取り巻かれている。
１９９３年１月７日付けで公開された国際公開番号ＷＯ  ９３／００５６４には、高いじん性（ｔｅｎａｃｉｔｙ）を示すパラ−アラミド糸を織ることで作られた生地の層を多層利用した弾道用構造物が開示されている。耐貫入性、即ち耐突き刺し性の目的でその構造物を用いることは全く示唆されておらず、その糸は高い線形密度（ｌｉｎｅａｒ  ｄｅｎｓｉｔｙ）の糸でありかつその生地は明らかに低い生地気密係数（ｆａｂｒｉｃ  ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ  ｆａｃｔｏｒｓ）を示す。
発明の要約
本発明は、５００ｄｔｅｘ以下の線形密度と少なくとも３０ジュール／グラムの粘り強さ（ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）を示すアラミド糸を生地気密係数が少なくとも０．７５になるように織った生地から本質的に成る耐貫入性製品に関する。本発明は、また、上記製品に上記生地の層を少なくとも２層含めてこの生地の隣接層が互いに関して自由に動くような様式で上記少なくとも２層を上記製品の縁の所で接合させた耐貫入性製品にも関する。
図の簡単な説明
本図は、本発明の糸の線形密度と生地の生地気密係数の間の関係を示すグラフである。
詳細な説明
本発明の保護製品は、弾丸の脅威から保護するのとは対照的に、特に、鋭利な道具による貫入から保護する目的で開発したものである。過去において、弾道用衣服の改良にかなりの努力が費やされてきており、しばしば、弾道用衣服を改良するとまた耐突き刺し性、即ち耐貫入性も向上すると仮定されていた。本発明者らは、本明細書において、そのような仮定は正しくないことを見い出し、そして本発明者らは、必要な特性をいくつか組み合わせて有する生地製品を見い出し、これは実際向上した耐貫入性を示す。
弾道用衣服は、保護生地の層を数層用いて作られていて、その数層は、ほとんど常に、隣接層の面を互いに関して適当な位置に保持するように、一緒にしっかりと固定されている。上記層は通常一緒に縫い合わされていて実質的な厚みを有する単一体になっており、この単一体は層で構成されているが、それらの層が衣服の領域全体に渡って一緒に縫い合わされている。本発明者らは、本明細書において、保護衣服に入れる隣接層を一緒に保持しないで互いに関して自由に動くようにすると耐突き刺し性が向上することを見い出した。隣接層を一緒にして縫い合わさせると、耐突き刺し性が低下する。
本明細書では、硬質の板も小板も用いることなくかつマトリックス樹脂を生地材料に含浸させることなく、本発明品を全体的に織り生地で構成させる。本発明の製品は、匹敵した保護を与える従来技術の耐貫入性構造物よりも柔らかくて軽い。
本発明の生地はアラミド繊維の糸から作成した生地である。「アラミド」は、アミド（−ＣＯ−ＮＨ−）結合の少なくとも８５％が２つの芳香族環に直接結合しているポリアミドを意味する。適切なアラミド繊維は、Ｍａｎ−Ｍａｄｅ  Ｆｉｂｅｒｓ−Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第２巻（Ｗ．Ｂｌａｃｋ他、Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、１９６８）の２９７頁の表題がＦｉｂｅｒ−Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ａｒｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｌｙａｍｉｄｅｓの章に記述されている。アラミド繊維はまた米国特許第４，１７２，９３８；３，８６９，４２９；３，８１９，５８７；３，６７３，１４３；３，３５４，１２７；および３，０９４，５１１号にも開示されている。
このアラミドと一緒に添加剤を使用することも可能であり、そしてこのアラミドに他のポリマー材料をほぼ１０重量パーセントに及んでブレンドすることも可能であり、或はこのアラミドに含めるジアミンのほぼ１０パーセントを他のジアミンに置き換えたコポリマーを用いることも可能であり、或はこのアラミドに含める二酸クロライドのほぼ１０パーセントを他の二酸クロライドに置き換えたコポリマーを用いることも可能であることを見い出した。
本発明の糸用繊維では、パラ−アラミドが主要ポリマーであり、ポリ（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）（ＰＰＤ−Ｔ）が好適なパラ−アラミドである。ＰＰＤ−Ｔは、ｐ−フェニレンジアミンとテレフタロイルクロライドを１モル対１モルで重合させる結果として得られるホモポリマー、そしてまたｐ−フェニレンジアミンと一緒に他のジアミン類を少量組み込む結果として得られるコポリマー類、およびテレフタロイルクロライドと一緒に他の二酸クロライドを少量組み込む結果として得られるコポリマー類も意味する。一般に、他のジアミン類および他の二酸クロライド類は、ｐ−フェニレンジアミンもしくはテレフタロイルクロライドの約１０モルパーセントに及ぶ量で使用可能であるか、或は恐らくは若干高い量で使用可能であり、ただ１つの条件は、他のジアミン類および二酸クロライド類が重合反応を妨害する反応性基を持たないことである。ＰＰＤ−Ｔは、また、他の芳香族ジアミン類を組み込むことで得られるコポリマー類および他の芳香族二酸クロライドを組み込むことで得られるコポリマー類、例えば２，６−ナフタロイルクロライドまたはクロロ−もしくはジクロロテレフタロイルクロライドまたは３，４’−ジアミノジフェニルエーテルなどを組み込むことで得られるコポリマー類も意味する。ＰＰＤ−Ｔの製造は米国特許第３，８６９，４２９号、４，３０８，３７４号および４，６９８，４１４号に記述されている。
「生地気密係数」および「被覆係数（Ｃｏｖｅｒ  ｆａｃｔｏｒ）」は、生地の織り密度に対して与える名称である。被覆係数は、織りの幾何形態に関係する計算値であり、生地の糸で覆われている生地表面積全体のパーセントを示す。被覆係数の計算で用いる式は下記の通りである［ＬｏｒｄおよびＭｏｈａｍｅｄ著、Ｗｅａｖｉｎｇ：Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｙａｒｎｓ  ｔｏ  Ｆａｂｒｉｃ（Ｍｅｒｒｏｗ出版、１９８２）、１４１−１４３頁から採用］：
ｄw＝生地中の縦糸の幅
ｄf＝生地中の横糸の幅
Ｐw＝縦糸のピッチ数（単位長当たりの末端数）
Ｐf＝横糸のピッチ数
0003855130.tif 000002
最大被覆係数は、生地の糸が一緒に近くに位置していたとしても、生地の織りの種類に応じて極めて低くなり得る。その理由で、織りの気密さをより有効に示す係数を「生地気密係数」と呼ぶ。この生地気密係数は、上記被覆係数の関数として最大織り気密さ（ｍａｘｉｍｕｍ  ｗｅａｖｅ  ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ）と比較した時の生地の織りの気密さの尺度である。
0003855130.tif 000003
例えば、平織り生地で可能な最大被覆係数は０．７５であり、実際の被覆係数が０．６８である平織り生地の場合の生地気密係数は上記に従って０．９１になる。本発明の実施で用いるに好適な織りは平織りである。
アラミド糸は幅広く多様な線形密度で入手可能であるが、本発明者らは、本明細書において、容認され得る耐貫入性を得ることができるのはアラミド糸の線形密度が５００ｄｔｅｘ以下の時のみであることを確認した。５００ｄｔｅｘを越えるアラミド糸の場合、それを生地気密係数が１．０近くになるように織った時でも、隣接する糸が鋭角な道具の貫入に屈服して、それらの間への貫入が容易に起こると考えている。本発明の耐貫入性向上は非常に低い線形密度に至るまで継続して得られると期待され得るが、約１００ｄｔｅｘになると、そのような糸を損傷なしに織るのが非常に困難になり始める。それを心に留めて、本発明のアラミド糸には１００から５００ｄｔｅｘの線形密度を持たせる。
本明細書で見い出した事項の主要な要素は、耐貫入性の優秀さは糸の線形密度とその糸から作成した生地に持たせる気密係数の組み合わせの関数であることを見い出したことである。本明細書の実施例１で行った試験から得たデータ点をグラフで表す本図を参照されたい。このグラフの各点は、生地の１つを用いて得た試験結果を表しており、それの位置は、上記生地の気密係数とその糸の線形密度によって決められ、そしてこれをこの試験におけるいわゆる測定比耐貫入度（ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ）で識別する。
本明細書の以下に説明するように、比耐貫入度は耐貫入性が低下するにつれて低下し、本明細書で実施する試験で比貫入度の値が約３０である場合には耐貫入性が一般的使用に充分であると見なす。本図において、Ｙ＝Ｘ６．２５ｘ１０-4＋０．６９として識別する線は、アラミド糸から作成した生地の場合の充分な耐貫入性と不充分な耐貫入性を分離する線である。
不充分な耐貫入性を表す点が上記線の「充分な耐貫入性」側に１つ存在しているが、その点は、アラミドでない糸から作成した生地を表している。
良好な耐貫入性を得るには、糸の特性と生地の特性をいくつか組み合わせる必要があり、とりわけ糸が有する線形密度と生地が示す気密係数の組み合わせが要求される。アラミド繊維の場合には気密係数および糸線形密度がそれぞれ０．７５から１．０の範囲および５００から１００デシテックス（ｄｅｃｉｔｅｘ）の範囲の曲線下に入るそれらの組み合わせを持つ生地を用いると良好な耐貫入性が得られることが本図から分かるであろう。
高い粘り強さを得るには、本発明で用いるアラミド糸に高い破壊伸びに加えて高いじん性を持たせる必要がある。このじん性は１ｄｔｅｘ当たり少なくとも１９グラム（１デニール当たり少なくとも２１．１グラム）でなければならず、じん性の上限は認識していない。１ｄｔｅｘ当たり約１１．１グラム未満であると、そのような糸は、意味有る保護を与えるに充分な強度を示さない。破壊伸びは少なくとも３．０パーセントでなければならず、伸びの上限は認識していない。破壊伸びが３．０パーセントより低いと、結果としてその糸は脆くなり、それによってもたらされる粘り強さは、本明細書で探求する保護に必要な粘り強さ以下である。
「粘り強さ」は、糸が引張り応力／歪み試験でそれの破断点に至るまでにエネルギーを吸収する能力の尺度である。粘り強さは時としてまた「破壊エネルギー（Ｅｎｅｒｇｙ  ｔｏ  Ｂｒｅａｋ）」としても知られる。粘り強さ、即ち破壊エネルギーは、じん性と破壊伸びの組み合わせであり、ゼロ歪みから破断までの応力／歪み曲線下の面積で表される。本発明をもたらした研究において、じん性または破壊伸びを若干高くすると結果として耐貫入性が驚くべきほど大きく向上することを見い出した。本発明の実施で充分な耐貫入性を得るには糸の粘り強さを少なくとも３０ジュール／グラムにする必要があると考えており、少なくとも３８ジュール／グラムの粘り強さが好適である。
本発明の織り品に含める層の１層で耐貫入度、従って保護の度合の尺度を示すが、最終的な製品では通常複数の層を用いる。本発明品が最も卓越した驚くべき向上を示すのは層を複数用いた時である。本発明者らは、本明細書において、本発明の製品を複数の層で一緒に位置させる場合には上記製品を互いに固着させないで隣接する層間で相対的に動くことを可能にすると驚くべきほど有効な耐貫入性が得られることを見い出した。層または製品を隣接して位置させる場合には、それらをその縁の所で固定してもよいか、或は拘束されていないある種の層間接続部（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ）を上記製品の厚みに比較して相対的に大きな間隔で存在させることも可能である。本出願で、例えば約１５センチメートル以上の間隔で層と層を点で結合させることは、層を一緒に保持する手段が実質的に存在しないとして取り扱うものとする。上記層の表面全体に渡って一緒に縫い合わせた層は、弾道保護に関してはより有効であり得るが、そのような縫い合わせを行うと層間の運動性が損なわれることから、完全には理解していない理由で、実際には層の耐貫入性が単一層試験を基とした予測に比較して低下する。
試験方法
線形密度
長さが既知の糸を重量測定することを通して糸の線形密度を測定する。「ｄｔｅｘ」を１０，０００メートルの糸の重量（グラム）として定義する。「デニール」は、９０００メートルの糸の重量（グラム）である。
実際の実施では、試験の開始に先立って、糸サンプルの測定ｄｔｅｘ、試験条件、およびサンプルの識別をコンピューターに送り込み、その糸を破断させた時にその糸が示す負荷−伸び曲線をコンピューターで記録した後、その特性を計算する。
引張り特性
引張り特性試験用糸を最初に条件付けした後、１．１のヨリ係数にまで撚る。糸のヨリ係数（ＴＭ）を下記の如く定義する：
ＴＭ＝（ヨリ数／ｃｍ）／（ｄｔｅｘ）-1/2／３０．３
＝（ヨリ数／インチ）（デニール）-1/2／７３。
試験を受けさせるべき糸の条件付けを５５％の相対湿度下２５℃で最低１４時間行った後、引張り試験を上記条件下で実施する。Ｉｎｓｔｒｏｎ試験機（Ｉｎｓｔｒｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃｏｒｐ．、Ｃａｎｔｏｎ、Ｍａｓｓ．）で試験糸を破断させることを通して、じん性（破壊じん性）、破壊伸びおよび引張り応力の測定を行う。
ＡＳＴＭ  Ｄ１２０１−１９８５に定義されている如く、２５．４ｃｍの糸ゲージ長と５０％歪み／分の伸び速度を用いてじん性、伸びおよび初期引張り応力を測定する。引張り応力を１％歪みにおける応力−歪み曲線の傾きから計算し、これは、１％歪みにおける応力（絶対）（グラム）に１００を掛けて試験糸の線形密度で割った値に等しい。
粘り強さ
引張り試験で得た応力−歪み曲線を用い、糸が破断する地点に至るまでの応力／歪み曲線下の面積（Ａ）として粘り強さを測定する。通常、これの測定を面積計を用いて行って平方センチメートルで面積を表す。ｄｔｅｘ（Ｄ）はこの上の「線形密度」で記述した通りである。粘り強さ（Ｔｏ）の計算を下記の如く行う：
Ｔｏ＝Ａｘ（ＦＳＬ／ＣＦＳ）（ＣＨＳ／ＣＳ）（１／Ｄ）（１／ＧＬ）
ここで、
ＦＳＬ＝フルスケールロード（ｆｕｌｌ−ｓｃａｌｅ  ｌｏａｄ）（グラム）、
ＣＦＳ＝チャートフルスケール（ｃｈａｒｔ  ｆｕｌｌ  ｓｃａｌｅ）（センチメートル）、
ＣＨＳ＝クロスヘッド速度（ｃｍ／分）、
ＣＳ＝チャート速度（ｃｍ／分）、
ＧＬ＝試験片のゲージ長（センチメートル）。
勿論、デジタル化した応力／歪みデータをコンピューターに送り込んで粘り強さを直接計算することも可能である。その結果として得られるＴｏはｄＮ／ｔｅｘで表される。ｇ／デニールに変換する場合にはそれに１．１１１を掛ける。長さの単位が全体を通して同じである時、上記式で計算するＴｏの単位は、力（ＦＳＬ）およびＤで選択した単位によってのみ決定される。
耐貫入性
ＡＳＴＭ  Ｆ１３４２として識別する標準方法「保護衣材料の耐穴開き性（Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ  Ｃｌｏｔｈｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｔｏ  Ｐｕｎｃｔｕｒｅ）」を用いて、単一層から成る製品または数層から成る製品の耐貫入度を測定する。この試験では、先端が鋭角な穴開け用針が試験片に貫入する時に要する力を測定する。向かい合う０．６ｃｍの穴が開いている金属製平板の間に試験片を挟んで、試験機内に取り付けた穴開け用針の下２．５ｃｍの所に位置させて、その試験機を、上記針が５０．８ｃｍ／分の速度で上記金属板の穴を通って上記試験片を貫通するように設定する。貫入が起こる前の最大力を耐貫入度として報告する。
Ｃ−４５のＲｏｃｋｗｅｌｌ硬度を有していて軸直径が０．６４センチメートル（０．２５インチ）で長さが１８センチメートル（７インチ）の焼入れ鋼製キリを用いるか或は長さが同じでＣ−４２のＲｏｃｋｗｅｌｌ硬度を有していて軸直径が０．４２センチメートルのアイスピックを用いて、複数の製品層に関して耐貫入度を測定する。Ｈ．Ｐ．Ｗｈｉｔｅ  Ｌａｂ．，Ｉｎｃ．によるＨＰＷ試験ＴＰ−０４００．０２（１９８８年７月２２日）に従って試験を実施する。重量が７．３５キログラム（１６．２ポンド）のキリをいろいろな高さから落下させることで試験サンプルに衝突させる。結果を貫入度および変形度として報告する。
実施例
実施例１
この実施例では、いろいろな糸を用いて、いろいろな生地気密係数で数種の生地を平織りで織った。
糸は下記の通りであった：
0003855130.tif 000004
生地は下記の通りであった：
0003855130.tif 000005
この上に記述したＡＳＴＭ  Ｆ１３４２に従って、上記生地全部の試験を１層形態および２層形態として行った。１層形態および２層形態両方に関する試験結果を表１に絶対耐貫入度（グラム）および比耐貫入度（絶対値／基本重量）として報告する。
0003855130.tif 000006
単層形態の場合の上記試験で得た比耐貫入値を、本図に示すように、生地気密係数に対する糸デシテックスのグラフ上に位置させた。上記値は容易に特徴付け可能な２つの領域内に入る。式Ｙ＝Ｘ６．２５ｘ１０-4＋０．６９[式中、Ｙは気密係数であり、そしてＸは、糸線形密度（デシテックスで表す）である]の線の一方の側に位置する生地は充分な耐貫入性を示し、上記線のもう一方の側に位置する生地が示す耐貫入性は充分でない。
この試験結果から、本発明の生地は糸線形密度が１００から５００デシテックスのアラミド糸を下記の式：
Ｙ＝または＞Ｘ６．２５ｘ１０-4＋０．６９
[式中、Ｙ＝生地気密係数、そして
Ｘ＝糸線形密度]
に従って生地気密係数が少なくとも０．７５になるように織ることで作られたものであることが分かる。
実施例２
この実施例では、この上に記述したキリを落下させる手順に従って複数層の生地１−１および１−４を耐貫入性に関して試験した。上記生地各々を１０層一緒にしてＲｏｍａ「Ｐｌａｓｔｉｌｉｎａ」＃１モデリングクレイ（ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｃｌａｙ）の裏地上に置いて、重量測定したキリを、いろいろな高さから、そのキリで貫入が達成されるまで落下させた。生地１−１は２７．４ジュールの落下エネルギーに及んで貫入に耐え、そして生地１−４は１８．３ジュールに及んで貫入に耐えた。
より鋭利な上記アイスピックを用い、生地を２０層用いて上記試験を繰り返した時、生地１−１は１８．３ジュールに及んで貫入に耐え、そして生地１−４は１４．６ジュールに及んで貫入に耐えた。
本発明に包含させる形態における上記生地のさらなる試験として、生地の層を一緒に保持する手段を用いないで生地１−１の２０層を一緒に置いて、この上に記述したキリを用い、そのキリを落下させる手順に従って試験を行った。対照として、４０ｔｅｘの綿糸を用いて上と同じ生地の２０層を５センチメートル平方で一緒に縫い合わせ、そしてまたこの縫い合わせた層にも試験を受けさせた。上記形態間のただ１つの差は、本発明の形態の場合には、縫い合わせを行わないで、５４．９ジュールに及んで貫入に耐える一方、上記対照の場合には、この上で述べたように５センチメートル平方で縫い合わせを行い、貫入に耐えたのは３６．６ジュールまででちょうど２／３のみであった点である。
0003855130.tif 000007