БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ СЛОИСТЫЙ МАТЕРИАЛ, СОДЕРЖАЩИЙ ТЕКСТИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, В КОТОРЫХ БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ НИТИ ПЕРЕСЕКАЮТ НЕБАЛЛИСТИЧЕСКИЕ НИТИ
BALLISTIC LAYERED MATERIAL COMPRISING TEXTILE ELEMENTS, IN WHICH BALLISTIC THREADS CROSS NON-BALLISTIC THREADS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к текстильной конструкции для осуществления баллистической защиты, которая позволяет уменьшить вес при сохранении тех же баллистических характеристик.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основным требованием при производстве средств индивидуальной баллистической защиты является сочетание высокой эффективности (с точки зрения как поглощаемой энергии, так и уменьшения травматизма, вызванного энергией попадающего метательного снаряда) с уменьшением массы и с достаточной гибкостью и, следовательно, комфортом носящего.
Было установлено, что чем прямее расположены нити, тем выше результирующие баллистические характеристики.
Однонаправленные нити должны быть стабилизированы дополнительными текстильными элементами, как, например, раскрыто в патенте США № US7820565 компании Barray.
Патент США № US 7132382 компании Tejin заявляет так называемую полуоднонаправленную структуру, в которой небаллистические нити переплетаются с баллистическими нитями.
Чтобы обеспечить стабилизацию, небаллистические нити должны иметь линейную плотность, значительно превышающее 50 дтекс.
Диаметр указанной нити, когда она сплетена вместе с баллистическими нитями, создает волнистости, которые являются невыгодными как для баллистических назначений самих по себе, так и для целей сопротивления истиранию. Согласно этому патенту число небаллистических нитей меньше, чем число баллистических нитей. Однако малое число пересечений между баллистическими нитями и небаллистическими нитями не позволяет обеспечить достаточную стабильность ткани, которая поэтому должна быть покрыта с обеих сторон защитными пленками, необязательно различных типов, с последующим применением давления и нагрева.
Дополнительным недостатком является то, что небаллистические нити не способствуют баллистическим характеристикам получаемой структуры, поэтому они представляют своего рода мертвый груз, особенно когда баллистические нити имеют линейную плотность менее 930 дтекс.
В двунаправленных или разнонаправленных слоистых материалах ряд необязательно пропитанных предварительно баллистических нитей помещают поверх по меньшей мере одного второго ряда необязательно пропитанных предварительно баллистических нитей. Впоследствии их каландрируют и покрывают с обеих сторон полимерными пленками различных типов.
Поскольку между фактическими нитями нет пересечений, полученная структура нестабильна и не может пройти испытания во вращающемся барабане, как это предусмотрено американскими техническими требованиями N. J 01 01 06.
В многоосных тканях, как описано, например, в международной публикации WO 2004074761 A1 компании «Читтерио» (Citterio), баллистические нити по меньшей мере двух слоев удерживаются соединенными между собой вторичной структурой посредством различных типов перевязки, например перевязкой трико. Для осуществления соединения такого типа иглы должны обязательно проходить через баллистические нити, неизбежно вызывая обрыв некоторых волокон составляющих баллистических нитей.
ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить элемент баллистической защиты, который уменьшает недостатки уровня техники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Этот результат был достигнут в соответствии с настоящим изобретением путем выполнения баллистического слоистого материала для изготовления конструкции баллистической защиты, содержащего по меньшей мере первый текстильный элемент и по меньшей мере второй текстильный элемент, причем упомянутый по меньшей мере первый текстильный элемент содержит уток, выполненный из множества небаллистических нитей с линейной плотностью менее 40 дтекс, и основу, выполненную из множества баллистических нитей с линейной плотностью более 40 дтекс, упомянутый по меньшей мере второй текстильный элемент содержит уток, выполненный из множества баллистических нитей с линейной плотностью более 40 дтекс, и основу, выполненную из множества небаллистических нитей с линейной плотностью менее 40 дтекс, при этом соотношение R между линейной плотностью баллистических нитей (tfB) и линейной плотностью небаллистических нитей (tfnB) составляет между 5 и 120, в соответствии с формулой 5<R<120, где R=tfB/tfnB.
-1
-1
-1
В предпочтительном варианте реализации динамически измеренная механическая прочность баллистических нитей по меньшей мере на 20% выше, чем статическая прочность тех же нитей. Статическая прочность измерена квазистатическим продольным испытанием согласно методу испытания по стандарту ASME с применяемой скоростью деформации 0,001 с, а динамически измеренная механическая прочность измерена с применением высокой скорости деформации в диапазоне от 1000 с до 2000 с.
Предпочтительно, баллистические нити выполнены из одного или более из следующих материалов: арамидного, полиарамидного, сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), сополиарамидного, полибензоксазола, полибензотиазола, жидких кристаллов, стеклоуглерода, необязательно смешанных друг с другом. В предпочтительном варианте реализации баллистические нити выполнены из материала, включающего в себя волокно AuTx производства ОАО "Каменскволокно".
2
2
2
Упомянутые по меньшей мере первый текстильный элемент и по меньшей мере второй текстильный элемент могут необязательно быть соединены вместе посредством адгезива с одним или более из следующих материалов: термопластичные полимеры, термореактивные полимеры, эластомерные полимеры, вязкие или вязкоупругие полимеры, необязательно смешанные друг с другом. Полимеры адгезива для соединения могут быть в одной или более из следующих форм: пленки, порошки, пасты, нити, полоски, необязательно нанесенные в прерывистом виде. Предпочтительно, количество полимера адгезива составляет от 2 до 100 г/м, и при этом количество пропитывающего полимера составляет от 8 г/м до 180 г/м.
Альтернативно, упомянутые по меньшей мере первый текстильный элемент и по меньшей мере второй текстильный элемент связаны друг с другом перевязкой или могут быть связаны вместе посредством иглопробивного процесса.
Преимущественно, слоистый материал последовательно по меньшей мере частично пропитан одним или более из следующих полимеров: термопластичным, термореактивным, эластомерным, вязким, вязкоупругим, водо- и/или маслоотталкивающим.
2
2
Масса каждого текстильного элемента обычно составляет от 10 г/м до 500 г/м. Баллистические нити имеют статическую прочность выше 200 сН/текс и динамически измеренную механическую прочность, равную или большую 500 сН/текс. Преимущественно, баллистические нити имеют прочность на растяжение более 20 сН/дтекс, модуль упругости более 40 ГПа и относительное удлинение при разрыве более 1%.
Настоящее изобретение дополнительно относится к баллистической защите, содержащей по меньшей мере один слой баллистического слоистого материала, описанного выше.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и дополнительные преимущества, объекты и признаки настоящего изобретения будут лучше поняты любым специалистом в данной области техники из нижеследующего описания и из прилагаемых чертежей, которые относятся к вариантам реализации примерного характера и не должны пониматься как ограничивающие, на которых:
– фиг. 1 представляет собой вид в перспективе конструкции для выполнения средств баллистической защиты в соответствии с возможным вариантом реализации настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Баллистический слоистый материал согласно настоящему изобретению выполняют с использованием традиционных ткацких станков типа "основа–уток". В предпочтительной форме слои (элементы) содержат по меньшей мере один первый текстильный элемент, у которого баллистические нити основы, имеющие линейную плотность более 40 дтекс, пересекают небаллистические нити утка, имеющие линейную плотность менее 40 дтекс, и по меньшей мере один второй текстильный элемент, у которого небаллистические нити основы, имеющие линейную плотность менее 40 дтекс, пересекают баллистические нити утка, имеющие линейную плотность более 40 дтекс.
Эти два элемента впоследствии соединяются вместе, необязательно с использованием различных технологий для получения устойчивой структуры.
Небаллистические нити, используемые для настоящего изобретения, предпочтительно имеют линейную плотность от 6 дтекс до 39 дтекс, а более предпочтительно от 10 до 30 дтекс, причем упомянутые небаллистические нити содержат нити из полиэтилена, полиамида, акрила, вискозы, мета–арамида, поливинилацетата (ПВА), необязательно в растворимой хлопчатобумажной форме, производные бамбука, выполненные как в непрерывном, так и в прерывистом виде. Предпочтительно, упомянутые нити могут быть скручены с переменной круткой от 10 до 1000 витков на метр.
Альтернативно, те нити, которые необязательно не скручены, могут быть подвергнуты процессу переплетения. Упомянутые нити также могут быть в виде моноволокон, особенно когда их линейная плотность составляет менее 10 дтекс. Можно использовать больше типов нити, необязательно смешанных друг с другом. Для лучшей временной стабилизации элементов дополнительно могут использоваться водорастворимые и растворимые в растворителе нити, которые могут быть удалены после связывания упомянутых по меньшей мере двух элементов. Например, могут использоваться непрерывные водорастворимые нити, например, имеющие торговое название Solvron или Mintval, у которых температуры растворения в воде составляют менее 90°C.
Также могут использоваться нити горячего расплава, температура которых должна быть меньше, чем температура плавления баллистических нитей.
Признаки баллистических нитей являются существенными для целей достижения эффективности функционирования слоистого материала. Баллистические нити для выполнения слоистого материала согласно настоящему изобретению предпочтительно имеют прочность на растяжение 20 сН/дтекс, более предпочтительно прочность на растяжение 30 сН/дтекс, а более предпочтительно прочность на растяжение более 40 сН/дтекс.
Особенно полезны сополиарамидные нити, у которых динамически измеренная механическая прочность по меньшей мере на 20% превышает статическую прочность (или сопротивление) согласно методу испытаний, осуществляемой Американским университетом Пердью и опубликованной в технических паспортах сополиарамидов, таких как те, которые носят название AuTx или Русар (Rusar) или Руслан (Ruslan) производства ОАО "Каменскволокно". Для проведения испытания лаборатории университета Пердью применили следующие параметры:
-1
– на так называемую "статическую прочность" (или точнее "квазистатическую") были проведены квазистатические продольные испытания согласно методу испытания по стандарту ASME на прочность на растяжение отдельных текстильных волокон (D3822–07). Была применена скорость квазистатической деформации 0,001 с;
-1
-1
– для "динамически измеренной механической прочности" была применена высокая скорость деформации от 1000 с до 2000 с.
В этих изделиях (AuTx производства ОАО "Каменскволокно") предел прочности на растяжение, измеренный традиционными методами, составляет 230 сН/текс, в то время как динамический предел прочности на растяжение, измеренный по методу, разработанному указанным университетом, составляет 522 сН/текс. Установлено, что для объекта настоящего изобретения предпочтительными являются другие нитевые технологии, включая арамидные нити, нити из полибензоксазола (ПБО), нити из полибензотиазола (ПБТ), нити из полиэтилена, в том числе с молекулярными массами более 1 000 000, обозначаемыми как СВМПЭ.
Вторым параметром, характеризующим баллистические волокна, является модуль растяжения. Баллистические нити, имеющие модули растяжения от 40 до 200 ГПа, являются особенно полезными.
Для выполнения баллистического слоистого материала согласно настоящему изобретению могут использоваться баллистические нити, характеризующиеся линейной плотностью от 60 до 4000 дтекс, более предпочтительно от 120 до 900 дтекс, а более предпочтительно от 280 до 600 дтекс.
В частности, для пряж с более низкой линейной плотностью полезно обеспечить от 10 до 200 оборотов кручения. Альтернативно, нить может быть подвергнута фазе переплетения отдельных составляющих волокон нити.
Преимущественно, соотношение R между линейной плотностью баллистических нитей (tfB) и линейной плотностью небаллистических нитей (tfnB) составляет от 5 до 120, в соответствии с формулой 5<R<120, где R=tfB/tfnB.
Упомянутые по меньшей мере два слоя (текстильных элемента) аналогичны структуре основа/уток, где нити утка переплетаются с нитями основы в соответствии с некоторыми схемами (упрочнениями), основанными, например, на одинарном или двойном полотне, сарже или атласных тканях, которые хорошо известны специалистам в этой области техники.
Фиг. 1 показывает предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения, в котором упомянутый по меньшей мере первый текстильный элемент 101 выполнен путем размещения небаллистических нитей 2 в утке, а баллистических нитей 1 – в основе. Второй текстильный элемент 103 содержит баллистические нити 1 в утке и небаллистические нити 2 в основе. Порядок расположения упомянутого по меньшей мере первого текстильного элемента 101 и упомянутого по меньшей мере второго текстильного элемента 103 также может быть обратным, и число текстильных элементов может меняться, но предпочтительно четным числом с чередованием элементов первого типа, имеющих уток с небаллистическими нитями и основу с баллистическими нитями, и элементов второго типа, имеющих уток с баллистическими нитями и основу с небаллистическими нитями.
2
Масса на м конструкции упомянутого по меньшей мере первого текстильного элемента предпочтительно по существу равна или аналогична массе и конструкции упомянутого по меньшей мере одного второго текстильного элемента.
Полученные таким образом два текстильных элемента помещают один поверх другого и соединяют.
В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения система соединения представлена прокладыванием связующего слоя, необязательно прерывистого (несплошного), выполненного с использованием термопластичных, термореактивных, эластомерных, вязких или вязкоупругих полимеров в виде, например, пленок, полос, порошков или паст. В предпочтительном варианте реализации используется термопластичная пленка. Фиг. 1 показывает промежуточный слой 105 в виде пленки.
2
Количество наносимого связующего материала основано на массе, образованной суммой масс текстильных элементов. Как правило, в процентном отношении это количество составляет от 2% до 50%. Связующий материал может состоять из веществ различных химических семейств, включая полиэтилены, полиуретаны, акрилы, сложные полиэфиры, эпоксиды, фенольные соединения, полиамиды, виниловые соединения, полибутеновые соединения, иономеры. За прокладыванием связующего слоя следует прессование с применением нагрева. Типичные значения давления составляют от 1 до 250 кг/см. Типичные значения температуры составляют от 50°C до 250°C. Эти значения выбираются на основе признаков связующего слоя; после указанной операции сечение баллистических нитей, которое обычно является круглым, приобретает полосовую конфигурацию, имеющую лучшее "покрытие", что очень полезно в области баллистики. Увеличенная площадь контакта связующего слоя увеличивает прочность сцепления между элементами, создавая тем самым высокостабильное соединение.
В одном возможном альтернативном варианте реализации такое соединение происходит путем перевязки между текстильными элементами, которые размещены один поверх другого. Различные типы перевязки достаточно известны и не описаны здесь; из различных типов перевязки преимущественно используется система "трико". В этом случае, помимо комбинированного элемента, можно вставлять между элементами дополнительный текстильный элемент, образованный войлоками, которые также образованы баллистическими волокнами.
2
2
В другом возможном варианте реализации такое соединение осуществляют путем пробивки иглой. Волокна, используемые для этой операции, могут иметь баллистические или небаллистические свойства. Количество используемых волокон предпочтительно составляет от 2 г/м до 100 г/м.
В этом случае, если используемые для пробивки иглой волокна являются баллистическими, прочность на растяжение преимущественно составляет более 15 сН/текс.
Так, например, используются арамидные волокна, волокна ПВА, волокна высокомолекулярного полиэтилена, жидкокристаллические волокна, сополиарамидные волокна. Волокна для пробивки иглой, когда они небаллистические, обычно имеют прочность на растяжение менее 10 сН/текс; они включают в себя волокна низкомолекулярного полиэтилена, полиэфирные волокна, полиамидные волокна, поливинилспиртовые волокна, вискозные волокна, ацетатные волокна или натуральные волокна, такие как волокна конопли, хлопка, шелка или бамбука.
Слоение, полученное просто путем приложения давления, которое выгодно для баллистических назначений, также полезно при этих последних двух видах соединения.
Полученные таким образом слоистые материалы могут предпочтительно быть впоследствии пропитаны. Системы пропитки хорошо известны специалистам в данной области техники и поэтому не будут описаны.
Термопластичные, термореактивные, эластомерные, вязкие или вязкоупругие полимеры, обычно растворенные в растворителе, таком как полиуретаны, акрилы, полибутиленовые соединения, фенольные соединения, необязательно смешанные друг с другом, оказываются особенно полезными для пропитки.
Если для слоистого материала желательны масло–водоотталкивающие свойства, то к пропиточным полимерам добавляют полимеры, имеющие по меньшей мере 6 атомов углерода во фторированной цепи.
Общее количество нанесенной смолы составляет от 2% до 50% в зависимости от массы слоистого материала.
Упомянутые по меньшей мере два текстильных элемента могут также быть пропитаны по отдельности и затем соединены вместе, необязательно без прокладывания связующих веществ, с применением давления и нагрева; в этом случае связующее вещество поступает из полимеров, которые пропитывают отдельные элементы и которые после применения давления и нагрева концентрируются на внешних поверхностях упомянутых элементов, делая возможным тесный контакт между упомянутыми по меньшей мере двумя отдельными элементами.
ПРИМЕРЫ
2
2
Для оценки баллистических характеристик слоистого материала согласно настоящему изобретению с точки зрения поглощенной энергии, измеряемой в Дж/кг/м, приготовили наслоения из традиционных тканей и других баллистических слоистых материалов, имеющих массу 3,5 кг/м ± 3%.
Эти наслоения подвергали баллистическим испытаниям, используя метательные снаряды (пули) марки Remington калибра 9 мм и массой 8 граммов, измеряя параметр V50 в соответствии со стандартом US NJ 01 01 004.
Сравнительный пример 1 (уровень техники)
В данном примере использовали 18 слоев традиционной ткани типа основа–уток, выполненной с использованием арамидных волокон линейной плотностью 930 дтекс.
2
Масса отдельного слоя составляла приблизительно 194 г/м; полученный параметр V50 составлял 400 м/с.
2
2
2
Удельная поглощенная энергия рассчитывалась по формуле E=1mV/P, в которой P – масса на м защиты, m – масса пули, а V – квадрат измеренной скорости (V50).
2
Таким образом, поглощенная энергия была равна 182 Дж/кг/м.
Сравнительный пример 2 (уровень техники)
В данном примере использовали 18 слоев традиционной ткани, выполненной с использованием арамидных волокон на основе микрофиламентов нового поколения.
2
2
Масса отдельного слоя составляла приблизительно 194 г/м, а полученный параметр V50 составлял 410 м/с, что соответствует поглощенной энергии 192 Дж/кг/м.
Сравнительный пример 3 (уровень техники)
2
В данном примере использовали 7 слоев однонаправленной многоосной ткани массой 500 г/м с использованием традиционных арамидных волокон.
2
Полученный параметр V50 составил 440 м/с, что соответствует поглощенной энергии 221 Дж/кг/м.
Сравнительный пример 4 (уровень техники)
2
2
В данном примере использовали 15 слоев чисто однонаправленной ткани массой 235 г/м, которые были пропитаны и впоследствии покрыты с обеих сторон полиэтиленовой пленкой массой 10 г/м.
2
Полученный параметр V50 составил 226 Дж/кг/м.
Сравнительный пример 5 (уровень техники)
2
В данном примере использовали 32 слоя ткани, выполненных с использованием сополиарамидной нити массой 110 г/м для каждого отдельного слоя. Плетение саржи 3 типа осуществляли на традиционных ткацких станках. Свойства сополиарамидной нити были следующими:
Динамическая прочность на растяжение 522 сН/текс
Статическая прочность на растяжение 230 сН/текс
2
Поглощенная энергия равна 309 Дж/кг/м.
Пример 1
Чтобы выполнить баллистическую защиту для сравнения, использовали 16 слоистых материалов согласно настоящему изобретению. Слоистые материалы получали с использованием тех же арамидных баллистических нитей, которые упоминались в сравнительном примере 1, имеющих линейную плотность 930 дтекс.
Текстурированные небаллистические полиэфирные нити имели линейную плотность 30 дтекс.
Отдельные элементы ткали на традиционных ткацких станках, используя конструкцию одиночного полотна.
2
2
2
Каждый отдельный элемент весит ± 101 г/м, из которых 3,2 г/м – полиэфирная небаллистическая нить, а 97,8 г/м – арамидная баллистическая нить 930 дтекс.
2
Отдельные элементы размещали один поверх другого, как показано на фиг. 1, с прокладыванием полиуретановой пленки массой 15 г/м.
2
2
Затем их непрерывно каландрировали при давлении 40 бар и температуре 120°С. Конечная масса составляла 218 г/м, а масса всего наслоения составляла 3,478 кг/м.
2
Для сравнения со сравнительным примером 1 слоистый материал подвергали тем же баллистическим испытаниям, но с увеличивающейся скоростью. По параметру V50 зарегистрированный предел составил 520 м/с, что соответствует поглощенной энергии 240 Дж/кг/м.
Пример 2
То же самое испытание повторили с использованием сополиарамидных нитей AuTx 294 дтекс, у которых статическая прочность на растяжение составляла 230 сН/текс и у которых динамическая прочность на растяжение составляла 522 сН/текс.
2
2
2
2
Масса каждого отдельного элемента составляла 101 г/м, из которых 6 г/см составляла полиэфирная нить 20 дтекс. Когда между двумя отдельными элементами была проложена полиуретановая пленка массой 15 г/м, как показано на фиг. 1, конечная общая масса в расчете на один слой составляла 218 г/м; их ламинировали непрерывно при давлении 40 бар и температуре 120°С.
2
2
Для наслоения использовали 16 слоистых материалов, что соответствует общей массе 3,488 кг/м. Полученный параметр V50 составил 570 м/с, что соответствует поглощенной энергии 370 Дж/кг/м.
Таким образом, очевидно, что как при использовании традиционных баллистических нитей, так и при использовании баллистических нитей, у которых статическая прочность на растяжение намного ниже динамически измеренной прочности на растяжение, слоистый материал согласно настоящему изобретению, как показано в примерах 1 и 2, превосходит традиционные ткани типа основа–уток более чем на 20% по поглощенной энергии.
Однако это еще не все; слоистая ткань согласно настоящему изобретению обладает превосходными баллистическими свойствами даже по сравнению с однонаправленными или многоосными слоистыми материалами, такими как указаны в сравнительных примерах 3, 4 и 5.
Следует отметить, что в контексте настоящего изобретения термин "полимер" относится как к полимерному материалу, так и к природной или синтетической смоле, и их смесям. Следует также отметить, что термин "волокно" относится к удлиненным телам с продольным размером, значительно превышающим поперечный размер.
На практике подробности осуществления могут в любом случае изменяться эквивалентным образом в отношении описанных и проиллюстрированных отдельных конструктивных элементов и в отношении природы указанных материалов, без отступления при этом от принятой концепции решения, но оставаясь при этом в пределах объема охраны, предоставляемой настоящим патентом.