ЗАЩИТНАЯ ТКАНЬ Российский патент 1995 года по МПК D03D15/00 D03D15/12 D03D1/00 

Изобретение относится к текстильной промышленности, в частности к производству тканей для средств индивидуальной бронезащиты, шлемов, бронежилетов, обеспечивающих защиту основных жизненно-важных органов человека от воздействия холодного оружия и пистолетных пуль калибpа 5, 6, 6,35 и 9 мм.

Исходя из условий эксплуатации бронежилетов и анализа комплекса необходимых свойств, которыми должны обладать ткани данного назначения, наиболее существенными показателями, обеспечивающими высокое качество бронежилетов, являются формоустойчивость, стойкость к динамическому воздействию и общему разрушению, обеспечивающие высокие защитные свойства бронежилетов.

Формоустойчивость тканей в значительной степени определяет стабильность формы изделия, что способствует повышению его долговечности. Изменение формы изделия представляет собой один из типов его физического износа из-за необратимых усталостных явлений, ведущих к постепенному общему разрушению материала. В системе физической надежности бронежилетов, которые подвергаются самым интенсивным механическим воздействиям, формоустойчивость тканей играет наибольшую роль. Она проявляется в сохранении ровности поверхности, отсутствии смятия, образования растянутых мест (вздутий, мешков) при механических воздействиях, имеющих многократный характер, а также физико-механических воздействиях воды, горючесмазочных материалов, топлив, моющих средств, к воздействию солнечных лучей и светопогоды во всех климатических зонах.

Формоустойчивость тканей зависит от их сопротивления деформирующим воздействиям и степени восстановления первоначальных размеров и формы после этих воздействий, которые зависят от полуцикловых неразрушающих, одноцикловых, многоцикловых характеристик при деформации растяжения и изгиба, а также их комбинированного воздействия.

Сопротивление деформирующим воздействиям относится к полуцикловым неразрушающим характеристикам и способствует обеспечению ровной поверхности ткани. К ним относится сопротивление ткани растяжению, жесткость на растяжение, которая характеризуется модулем деформации растяжения, т.е. нагрузкой, которую необходимо приложить к ткани, чтобы растянуть ее на 1, 3 и 5% исходя из условий эксплуатации бронежилетов. Важным показателем формоустойчивости является жесткость на изгиб. Данный показатель должен иметь оптимальное значение, т. к. малая жесткость ткани для бронежилета не позволяет создать достаточно формоустойчивое изделие, слишком большая жесткость, не повышая формоустойчивости, ухудшает изгибоустойчивость, стойкость к динамическому воздействию и общему разрушению.

Показатель жесткости ткани на изгиб зависит от поверхностной плотности ткани и ее конструктивных особенностей, в частности от силы трения между структурными элементами ткани, которая зависит от суммарной степени уплотнения элементарных нитей в ткани. Следовательно, наибольшее значение для получения тканей с необходимой формоустойчивостью имеют такие обобщающие показатели их строения, как поверхностная плотность и толщина ткани.

Показатели формоустойчивости ткани также включают одноцикловые характеристики при растяжении показатели полного удлинения под определенной нагрузкой, в частности 100 Н и его составных частей при релаксации возникшей деформации: условно-упругой части, высокоэластической, остаточной (пластической). На данные показатели ткани оказывает влияние структура нитей и тканей. Так, величина полной деформации зависит от степени изогнутости нитей и их собственного удлинения, а также реакции против положенной системы, препятствующей свободному распрямлению нитей. При деформации может изменяться взаимное растяжение структурных элементов, а также напряжение нитей. Смещение структурных элементов относительно друг друга нежелательно, т.к. оно способствует развитию остаточной деформации и снижению защитных свойств, гасящих удар пуль. В то же время необходима незначительная пластичность, которая играет роль амортизатора для погашения энергии от воздействия удара пули. Таким образом, ткань должна обладать достаточно большой удельной энергоемкостью.

Возможность смещения структурных элементов зависит от общей степени уплотненности ткани: чем она выше, тем меньше относительное смещение структурных элементов. Однако с увеличением уплотненности ткани возрастает предварительное напряжение структурных элементов, которое снижает возможность релаксации деформации после снятия нагрузки. На проявление упргоэластичных свойств нитей влияет также наличие внутреннего трения между структурными элементами; чем оно выше, чем меньше возможность релаксации деформации.

Следовательно, максимальное проявление упругоэластических свойств нитей возможно только при оптимальной структуре ткани, которая обеспечивала бы необходимую величину полной деформации, минимальное смещение нитей относительно друг друга их минимальное предварительное напряжение и минимальное трение при релаксации деформации. Эти показатели зависят от вида нитей и степени их крутки.

В системе физической надежности тканей для бронежилетов стойкость к динамическому воздействию и общему разрушению имеет решающее значение, т.к. это связанное с частичной или полной потерей сплошности, с разделением на части ткани. Особую роль играют полуцикловые характеристики: прочность на разрыв и раздирание, удлинение при разрыве и работа разрыва, а также многоцикловые характеристики, в частности изгибоустойчивость. Максимальные значения данных характеристик могут быть достигнуты только при оптимальном наполнении ткани. В этом состоит также и резерв снижения материалоемкости бронежилетов на основе данной ткани.

При эксплуатации ткани для бронежилетов обычно не подвергаются многократному изгибу, приводящему к их разрушению, однако этим показателем можно более полно оценить остаточную работоспособность материалов после различных воздействий на них. Условия деформирования тканей при многократном изгибе более жесткие, чем при многократном растяжении. Это, прежде всего, сосредоточенность нагрузки на малом участке деформирования, что повышает роль остаточной работоспособности нитей.

Из вышеизложенного следует, что основными существенными показателями ткани, обеспечивающими защитные свойства бронежилетов являются:
обобщенные показатели строения: поверхностная плотность, г/м³; толщина ткани, мм; формоустойчивость: модуль деформации растяжения при удлинении 1, 3, 5% Н; жесткость на изгиб, МкН^.см²; полная деформация растяжения, составные части деформации растяжения, условно-упругая, высокоэластическая, остаточная (пластическая); стойкость к динамическому воздействию и общему разрушению; прочность на разрыв, Н; сохранение прочности в мокром состоянии, прочность на раздирание, Н; удлинение при разрыве, работа разрыва, 10^-2 Дж; изгибоустойчивость, циклы; негорючесть (кислородный индекс).

Данные показатели зависят от следующих факторов:
вида нитей (исходные волокнообразующие полимеры);
структуры нитей: линейной плотности, величины крутки, соотношения диаметров элементарной и комплексной нити; структуры тканей; вида переплетения (коэффициент уплотненности переплетения), соотношения плотностей нитей по утку и основе, наполнения тканей.

Анализ технического уровня и тенденций развития тканей, защищающих от пуль стрелкового оружия свидетельствует, что, в основном, это ткани из высокопрочных волокон и комплексных нитей кевлар, терлон и СВМ.

Ткани из традиционных природных и многотоннажных синтетических волокон и нитей (х/б, шерсть, шелк, найлон, полиэфир, полипропилен) не удовлетворяют требованиям по огнестойкости, прочности и формоустойчивости.

Для получения огнестойких материалов, способных выдерживать ударные нагрузки, используют неорганические волокна в смеси с органическими, например высокоглиноземистое волокно 60-80% и лавсановое волокно 20-40% углеродные волокна, оплетенные природными и химическими волокнами. Неорганические волокна (керамические, металлические, стеклянные) и углеродные, хотя и являются высокотермостойкими и негорючими материалами, но не обладают необходимыми механическими и текстильными свойствами. Их относительно высокая плотность является существенным препятствием, при использовании в изделиях, где масса играет определенную роль.

Ряд зарубежных стран используют для бронезащиты ткани на основе термостойких и высокопрочных волокон и нитей кевлар, кевлар 29, кевлар 49, сочетающих небольшую массу химических нитей с высокой термостабильностью неорганических волокон.

Фирма SAAFT (Sosiata Acc. Appionese Tessuti Inolustriali, Италия) ведущий изготовитель технических тканей в мире выпускает ткани из арамидного волокна фирмы Дюпон разнообразных переплетений. Например ткань Saatilar из кевлара 29 выпускают 14 видов следующих переплетений: полотняного, 3-слойного, саржевого, атласного и рогожка. Ткани обладают высокой устойчивостью, упругостью к ударным нагрузкам.

Известна ткань из кевлара Туре 281, США, обладающая необходимой прочностью, однако ее толщина 0,25 мм недостаточна для обеспечения необходимой формоустойчивости.

Недостатком данной ткани, как и всех тканей из кевлара, низкая изгибоустойчивость и прочность при сжатии. Она составляет всего 15-20% от прочности при растяжении.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достаточному эффекту является ткань переплетения саржа 2/2, выполненная с плотностью по основе 200 н/10 см, по утку 210 н/10 см из комплексных нитей СВМ 29,4 текс. Высокопрочные высокомодульные комплексные нити СВМ на основе ароматических полиамидов с гетероциклами в цепи по своим свойствам можно отнести к группе высокопрочных арамидных волокон типа кевлар и терлон. Прочность волокон и нитей этой группы в 2-3 раза выше прочности самых прочных синтетических кордных нитей из алифатических полиамидов (найлона 6 и 66) или из полиэтилентерефталата, а модуль деформации в 10-20 раз выше, чем у указанных нитей. Комплексные нити СВМ обладают большей изгибоустойчивостью, чем нити кевлар и терлон. Данная ткань используется для средств индивидуальной бронезащиты, обладает достаточной прочностью и изгибоустойчивостью, однако она не обладает достаточной толщиной, формоустойчивостью, стойкостью к динамическому воздействию и общему разрушению, что снижает защитные свойства бронежилетов. Кроме того, ткань теряет 45-50% прочности в мокром состоянии, приводя к снижению надежности бронезащиты. Данная ткань принята в качестве прототипа.

Цель изобретения улучшение защитных свойств и надежности путем повышения формоустойчивости, стойкости к динамическому воздействию и общему разрушению
Указанная цель достигается тем, что ткань выполнена с наполнением 100-150% и коэффициентом уплотненности переплетения 0,75-1 из системы основных и уточных высокопрочных комплексных нитей армос линейной плотности 100-58,8 текс с соотношением диаметров элементарной и комплексной нити равным 1: 300-330 на основе ароматических сополиамидов с гетероциклами в цепи. Коэффициент крутки основных нитей составляет 7-15, а коэффициент крутки уточных нитей 2-15. Соотношение заправочных плотностей расположения уточных и основных нитей составляет 0,65-1.

Отличительные особенности примеров предлагаемой ткани и прототипа представлены в табл.1.

Комплексные нити армос на основе ароматических сополиамидов с гетероциклами в цепи обеспечивают высокую прочность, низкое удлинение при разрыве и негорючесть.

Линейная плотность комплексных нитей и элементарных нитей армос обеспечивает получение необходимой толщины и защитных свойств тканей.

Соотношение диаметров элементарной и комплексной нити необходимо для получения застилистости ткани, жесткости на изгиб, энергоемкости, прочности на раздирание и изгибоустойчивости.

Величина крутки и коэффциент крутки нитей основы и утка обеспечивает такие диаметры нитей и шаг витка наклона элементарных нитей к оси комплексной нити под углом 78-89^о, которые необходимы для получения оптимальных компактности и трения нитей, а также формоустойчивости тканей, обеспечивающих гашение энергии удара пули.

Прочность и удлинение при разрыве нитей обеспечивают стойкость к общему разрушению тканей.

Начальный модуль нитей армос в 1,62-2,71 раза ниже, чем нитей СВМ. Данный факт неочевиден и необходим для получения оптимальной жесткости на растяжение и изгиб, а также пластичности и изгибоустойчивости тканей, обеспечивающих высокие качество и надежность бронежилетов. Использование низкомодульных нитей с меньшей жесткостью в предлагаемом техническом решении для повышения жесткости и формоустойчивости ткани для бронежилета в целом является неочевидным, т.к. обычно для этих целей стремятся использовать высокомодульные комплексные нити с большей жесткостью, для получения более жесткой конструкции ткани для бронежилета. Однако более жесткие нити не всегда обеспечивают получение оптимальной жесткой конструкции ткани, обеспечивающей высокие и надежные защитные свойства бронежилетов.

Переплетение ткани саржа 1/2 и полотняное, имеющие коэффициент уплотненности 0,75 и 1, обеспечивают самые высокие показатели жесткости ткани на изгиб.

Наполнение ткани, заправочные плотности и соотношение плотностей по утку и основе обеспечивают получение необходимых поверхностной плотности, толщины формоустойчивости, энергоемкости, стойкости к динамическому воздействию и общему разрушению тканей.

Таким образом, единая совокупность общих существенных признаков прототипа и новых существенных признаков предложенной ткани обеспечивает достижение нового положительного эффекта и характеризует предложенную ткань как соответствующую критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения заключается в следующем. Ткань получали полотняным или саржевым переплетением 1/2 высокопрочных низкомодульных комплексных нитей армос, имеющих величину крутки нитей основы 70-150 кр/м, ( α7-15) нитей утка 20-150 кр/м (α2-15). Соотношение диаметров элементарной и комплексной нити равно 1: 300-300. Наполнение ткани составляет 100-150% а соотношение заправочных плотностей расположения уточных и основных нитей 0,65-1. Полученную таким образом суровую ткань использовали для пошива средств индивидуальной бронезащиты, шлемов, бронежилетов, обеспечивающих защиту основных жизненно важных органов человека от воздействия холодного оружия и пистолетных пуль калибра 5, 6, 6,35 мм и 9 мм.

В табл. 2 представлены сравнительные данные предлагаемой ткани и прототипа в соответствии с отличительными особенностями структуры и свойств, данными в табл.1.

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом у предлагаемой ткани:
поверхностная плотность возросла в 1,9-2,2 раза;
толщина возросла в 1,8-2,2 раза;
модуль деформации растяжения при удлинении на 1% по основе снизился в 4,7 раз, по утку возрос в 6,7-12,3 раза;
модуль деформации растяжения при удлинении на 3% по основе снизился в 8,3-12,5 раз, по утку возрос в 2-3 раза;
модуль деформации растяжения при удлинении на 5% на основе снизился в 7-14 раз, по утку возрос в 2-3 раза;
жесткость на изгиб возросла в 1,5-28,4 раза по основе снизился в 7,3-18 раз, по утку;
полная деформация растяжения по основе возросла в 1,19-2,47 раза, по утку снизилась в 1,43 раза;
условно-упругая составляющая деформации растяжения по основе возросла в 1,14-2 раза, по утку снизилась в 1,11-1,43 раза;
высокоэластическая составляющая деформации по основе возросла в 1,2-2,64 раза, по утку практически осталась без изменения;
остаточная (пластическая) деформация растяжения по основе возросла в 1,32-4,68 раз по утку осталась без изменения;
прочность на разрыв возросла по основе в 3,15-3,55 раз по утку в 2,62-3,16 раза, при условии, что прочность исходных нитей СВМ и армос практически одинакова;
сохранение прочности в мокром состоянии возросло в 1,3 раза;
прочность на раздирание возросла по основе в 2,58 раз, по утку в 2,94 раза;
удлинение при разрыве по основе возросло в 1,57-1,89 раза, по утку практически осталось без изменения;
работа разрыва возросла по основе в 3,98-5 раз, по утку в 2,58-4,24 раза;
изгибоустойчивость возросла по основе в 28,8-68,1 раза, по утку в 6,29-6,97 раз;
кислородный индекс возрос в 1,28 раз.

Таким образом, по основным показателям, характеризующим формоустойчивость, стойкость к динамическому воздействию и общему разрушению, получен значительный положительный эффект. Оценивая данный эффект комплексного по 16 показателям формоустойчивости и 12 показателям стойкости к динамическому воздействию и общему разрушению и негорючести в среднем можно констатировать, что формоустойчивость возросла в 2,9-7,1 раза, стойкость к динамическому воздействию и общему разрушению возросла в 4,8-8,4 раза.

Данный эффект получен за счет использования в предложенном техническом решении определенной стpуктуры и свойств нитей и тканей. Новый положительный неочевидный эффект заключается в следующем. Обычно во всех известных технических решениях авторы стремились использовать для производства высокоэффективных средств бронежилеты высокопрочные нити с высоким начальным модулем, характеризующим жесткость. В предлагаемом техническом решении использованы низкомодульные комплексные нити.

В ткани-прототипе соотношение модулей деформации по утку и основе при 1% составляет 0,42, при 3% 0,92, при 5% 0,93, т.е. меньше 1. В предлагаемом техническом решении данные соотношения при 1; 3 и 5% соответственно 20-25, 19-35, 18-38, т.е. значительно больше 1. Этот факт вместе с повышением полной деформации растяжения и ее составных частей по основе и снижением данных показателей по утку и исключением остаточных деформаций по утку, а также резким повышением жесткости на изгиб приводит к резкому повышению энергоемкости и амортизирующего эффекта, гасящего удар от воздействия пули.

При воздействии пули нити основы, пластично удлиняясь, на не очень большую, но достаточную для погашения энергии пули величину, образуют ячейки-амортизаторы четырехугольной формы. В то же время нити противоположной системы утка, обладая более высокой жесткостью, сдерживают размеры образованных ячеек и обеспечивают жесткость и формоустойчивость конструкции в целом. Так как стойкость к динамическому воздействию и общему разрушению высока, данные ткани обладают большой удельной энергоемкостью и амортизирующим эффектом, гасящем энергию от воздействия пули, защищая тем самым жизненно важные органы человека. Все это позволяет существенно повысить эксплуатационную надежность бронежилетов на основе предлагаемой ткани.

В табл. 3 представлены защитные свойства жилетов на основе предлагаемой ткани и прототипа.

Жилет на основе предлагаемой ткани требует применения меньшего количества слоев в равновесомых защитных пакетах. Из данных табл.3 следует, что защитные свойства предлагаемой ткани превосходят ткани прототип по всем основным параметрам, в том числе по стойкости (непробиваемости) в 1,27-1,39 раза, по степени защиты от динамического (травматического) воздействия в 1,12-1,31 раза.

Таким образом, предлагаемое техническое решение существенно превосходит известные ткани и ткань-прототип по комплексу физико-механических и защитных свойств и является перспективным материалом для изготовления высокоэффективных средств индивидуальной бронезащиты.

Использование: в средствах индивидуальной бронезащиты в шлемах, бронежилетах и др. Сущность изобретения: ткань выполнена с наполнением 100 150% и коэффициентом уплотненности переплетения 0,75 1 из системы основных и уточных высокопрочных комплексных нитей армос на основе ароматических сополиамидов линейной плотности 100 - 58,8 текс. Соотношение диаметров элементарной и комплексной нити 1 300 330. Коэффициент крутки основных нитей 7 15, а коэффициент крутки уточных нитей 2 15. 3 табл.

ЗАЩИТНАЯ ТКАНЬ, содержащая высокопрочные комплексные основные и уточные нити, отличающаяся тем, что ткань выполнена с наполнением 100 150% и коэффициентом уплотненности переплетения 0,75 1,0, высокопрочные комплексные нити представляют собой нити армос на основе ароматических сополиамидов с линейной плотностью 100,0 58,8 текс, с соотношением диаметров элементарной и комплексной нити 1 300 300 на основе ароматических сополиамидов, при этом коэффициент крутки основных нитей составляет 7 15, а коэффициент крутки уточных нитей 2 15.