УДАРОЗАЩИТНЫЙ КОМПОЗИТНЫЙ ШЛЕМ Российский патент 1997 года по МПК A42B3/00 A42B3/06 

Изобретение относится к разработкам средств индивидуальной защиты, а более конкретно к защитным шлемам из композитов, предназначенным для защиты головы человека при падениях и ударах колющими и режущими предметами.

Известны ударозащитные композитные шлемы, оболочки которых выполнены в виде многослойных конструкций с применением тканых и нетканых волокнистых материалов и термореактивных связующих. Для придания необходимой жесткости в периферийных областях известных шлемов использованы упрочняющие элементы (см. патенты США N 2746049, кл. 2 412, 1956 и N 2956916, кл. 2 412, 1960).

Известные шлемы обладают недостаточной защитной способностью, обусловленной как конструктивными недостатками, так и низкими прочностными характеристиками примененных в них материалов: стеклопластиков на основе стеклоткани и стекломата.

Для обеспечения защитных свойств шлем по патенту США N 2746049 выполнен по меньшей мере из двух слоев стекломата и локально армирован изнутри стеклотканью. Такая конструкция с наружной поверхностью из нетканого материала, покрыта пленкой связующего, обладает высоким противодействием ударным нагрузкам колющими и режущими предметами.

Попытка комбинирования указанных материалов с другими, например с проволочной сеткой, как это сделано в патенте США N 295916, не приводит к достижению необходимых защитных свойств.

В настоящеевремя в производстве специальной защитной одежды и бронешлемов широкое распространение получили тканые и нетканые материалы из высокопрочного и высокомодульного арамидного волокна. От пяти до двадцати пяти слоев арамидной ткани используют для изготовления шлемов, стойких не только к ударным, но и к баллистическим нагрузкам (см. патент ЕПВ N 0226782, кл. F 41 H 1/04, 1986, заявка Великобритании N 2202729, k A 42 B 3/00, 1988).

Однако арамидное волокно, материалы на его основе и изделия, изготовленные из этих материалов, на сегодняшний день очень дороги и реализуют в основном по узкоотраслевым заказам.

Для производства ударозащитных шлемов широкого спроса предлагается использовать арамидные отходы от производства защитной одежды.

Наиболее близким аналогом к изобретению по совокупности существенных признаков является шлем по вышеупомянутому патенту США N 2746049.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание шлема такой конструкции, которая обеспечивала бы бестравмовую защиту головы, была бы легче известной при заданном уровне защиты и долговечной при стабильности обеспечения защиты от динамического воздействия ударных нагрузок.

Поставленная задача решается за счет изменения взаимного расположения конструктивных элементов: слоев и упрочняющих элементов в оболочке шлема, за счет выполнения слоев оболочки из материалов особой структуры с определенным содержанием и конкретным объемным соотношением в готовом изделии.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, достигается всей совокупностью известных и новых существенных признаков изобретения.

Для решения поставленной задачи в ударозащитном композитном шлеме, состоящем из оболочки с подбородочным ремнем, выполненной из слоев тканого и нетканого волокнистых материалов, скрепленных связующим с элементами упрочнения в периферийной области оболочки, его оболочка выполнена по меньшей мере из одного слоя тканого и одного слоя нетканого материалов, а элементы упрочнения расположены между указанными слоями и выполнены из нетканого материала оболочки в виде полосы, уложенной по контуру оболочки, и в виде двух лепестков, размещенных на боковых поверхностях оболочки с перекрытием указанной полосы, при этом тканый и нетканый волокнистые материалы слоев оболочки выполнены из высокопрочного арамидного волокна, имеют поверхностную плотность от 180 до 200 г/м², взяты в объемном соотношении от 1 1 до 1 1,5 при степени наполнения структуры оболочки нетканые материалом 30 35% причем один или два слоя тканого материала могут быть размещены снаружи оболочки, а один дополнительный слой из того же материала изнутри нее.

Отличительными особенностями ударозащитного композитного шлема являются следующие признаки:
выполнение оболочки шлема по меньшей мере из одного слоя тканого и одного слоя нетканого волокнистых материалов,
расположение элементов упрочнения между указанными слоями,
выполнение элементов упрочнения из нетканого материала,
выполнение указанных элементов в виде полосы и двух лепестков,
размещение упомянутой полосы по контуру оболочки, а лепестков по одному с каждой боковой поверхности оболочки с перекрытием указанной полосы на этих участках,
выполнение тканого и нетканого материалов слоев оболочки из высокопрочного арамидного волокна,
величина поверхностной плотности указанных материалов, составляющая от 180 до 200 г/м²,
объемное соотношение тканого и нетканого материалов в оболочке шлема, составляющие от 1 1 до 1 1,5,
степень наполнения структуры шлема нетканым материалом, равная 30 - 35% а также
размещение одного слоя тканого материала снаружи оболочки,
размещение дополнительного к вышеупомянутому слоя тканого материала изнутри оболочки,
размещение двух слоев тканого материала снаружи оболочки.

Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все совместно, направлены на решение поставленной задачи и являются существенными.

Использование существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие предложенного технического решения критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи и характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данное техническое решение является результатом научно-исследовательской и экспериментальной работы по повышению эффективности защиты головы человека без использования известных проектировочных решений, рекомендаций и материалов. Оно обладает неочевидностью, что свидетельствует о соответствии нового технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен общий вид ударозащитного композитного шлема с вырывами для иллюстрации внутренней структуры, на фиг. 2 и 3 варианты исполнения структуры шлема.

Защитный шлем состоит из оболочки 1 (фиг. 1) и подбородочного ремня 2. Оболочка 1 содержит скрепленные связующим стойкий к проникающему ударному воздействию слой 3 из арамидной ткани и ударопоглощающий слой 4 из арамидного нетканого материала. По периферии оболочки 1 между слоями 3 и 4 размещены упрочняющие ее полоса 5 и лепестки 6, выполненные из того же нетканого материала, что и слой 4.

Элементы упрочнения 5 и 6 из нетканого материала придают необходимую жесткость оболочке 1, исключают использование более дорогостоящего тканого материала для этих целей.

Композитная оболочка 1 шлема может быть выполнена в виде трехслойной конструкции с наружными тканевыми слоями 3 (фиг. 2) и промежуточным 4 из нетканого материала, при этом элементы упрочнения 5 и 6 (не показан) предпочтительно располагать между наружным из слоев 3 оболочки и слоем 4.

Оболочка 1 также может быть выполнена из двух наружных слоев 3 из тканого материала и одного внутреннего из нетканого материала, при этом элементы упрочнения 5 и 6 (не показан) располагают между пакетом наружных слоев 3 и слоем 4.

Шлем с необходимыми свойствами получают, взяв тканый и нетканый материалы в объемном соотношении от 1 1 до 1 1,5. Увеличение объемного содержания ткани приводит к утяжелению и удорожанию шлема, а также к избыточности его заданных характеристик по стойкости к пробитию, т.е. к достижению более высокого класса защиты.

Экспериментальным путем было установлено, что композитная структура оболочки шлема не должна содержать нетканого материала более 30 35% ввиду снижения ее стойкости к пробитию. Содержание того же материала менее 30 35% снижает ударопоглощающие характеристики.

Для изготовления заявляемого шлема пригодны материалы на основе арамидного волокна, обладающие поверхностной плотностью от 180 до 200 г/м². Более высокая плотность материала дает более высокий класс защиты, а менее 180 г/м² не обеспечивает необходимые защитные свойства.

В качестве тканого арамидного материала используют арамидную ткань полотняного переплетения.

В качестве нетканого материала используют арамидный нетканый иглопробивной с материал с неориентированным расположением волокна.

В качестве связующего используют термореактивные или термопластичные смолы.

Шлем изготавливают известным способом прессования при нагреве и давлении в форме с применением резинового мешка.

Защитный шлем работает следующим образом.

При ударе по шлему тканевый слой композита препятствует проникновению ударяющего предмета, преобразуя динамическую энергию в энергию упругих деформаций волокон ткани, он поглощает и рассеивает большую часть энергии удара. Слой из нетканого материала благодаря своей изотропности поглощает остаточную энергию ударного воздействия.

Пример. Защитный шлем весом 900 г и толщиной стенки оболочки 3 мм был изготовлен из композита на основе двух слоев ткани Армос толщиной 1 мм и одного слоя нетканого иглопробивного материала из арамидного волокна. Толщина слоя нетканого материала в готовом шлеме составила 1,5 мм (исходная толщина материала 3,5 мм).

Были проведены ударные испытания готового шлема динамической нагрузкой. Деформации шлема не наблюдалось.

Таким образом, предложенный ударозащитный композитный шлем обеспечивает надежную защиту головы от ударных нагрузок, он легок, удобен в эксплуатации, прост в изготовлении, сравнительно не дорог, так как изготавливается из отходов производства защитной одежды.

Задача, поставленная заявителем, решена, доказательством чего является практическая осуществимость изобретения и соответствие критерию "промышленная применимость". Предложенное техническое решение отвечает всем критериям изобретения и требует защиты патентом Российской Федерации.

Изобретение относится к разработкам средств индивидуальной защиты, а более конкретно к ударозащитным шлемам, изготовленным из композитов на основе волокнистых наполнителей и полимерных связующих. Сущность изобретения: шлем состоит из оболочки и подбородочного ремня. Оболочка содержит скрепленные связующим стойкий к проникающему ударному воздействию слой из одного или двух слоев арамидной ткани, расположенных снаружи оболочки, и ударопоглощающий слой из арамидного нетканого материала. По периферии оболочки между слоями размещены упрочняющие ее полоса и лепестки, выполненные из того же нетканого материала, что и слой. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ударозащитный композитный шлем, состоящий из оболочки, выполненной из слоев тканого и нетканого волокнистых материалов, скрепленных связующим, с элементами упрочнения в периферийной области оболочки, отличающийся тем, что его оболочка выполнена по меньшей мере из одного слоя тканого и одного слоя нетканого материалов, а элементы упрочнения расположены между указанными слоями и выполнены из нетканого материала оболочки в виде полосы, уложенной по контуру оболочки, и в виде двух лепестков, размещенных на боковых поверхностях оболочки с перекрытием указанной полосы, при этом тканый и нетканый материалы слоев оболочки выполнены из высокопрочного арамидного волокна, имеют поверхностную плотность 180 200 г/м², взяты в объемном соотношении 1 1 1,5 при степени наполнения стуктуры шлема нетканым материалом 30 35%
2. Шлем по п.1, отличающийся тем, что слой тканого материала размещен снаружи оболочки. 3. Шлем по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительный слой тканого материала размещен изнутри оболочки. 4. Шлем по п. 1, отличающийся тем, что его оболочка содержит два слоя тканого материала снаружи.