УСТОЙЧИВОЕ К ПРОБИВАНИЮ ИЗДЕЛИЕ ИЗ АРАМИДА Российский патент 1999 года по МПК D03D15/00 F41H1/02 

Долгое время существовала необходимость в защитных костюмах, демонстрирующих повышенную устойчивость к пробиванию оружием с заостренным концом. Внимание, однако, в основном, было направлено на баллистическое оружие и на костюмы, обеспечивающие защиту от баллистической угрозы. Это изобретение касается изделий, которые защищают от пробивания, такого как прокалывание или протыкание острыми инструментами, такими как шило или ледяные кирки.

Патент США N 5073441, выданный 17 декабря 1991 г. по заявке Melec et al. , открывает устойчивую к пробиванию структуру, связанную из полиарамидной нити. Эта структура может быть использована в качестве защитной сетки или может пропитываться связующей смолой, обеспечивая более или менее жесткую защитную структуру.

Патент США N 4879165, выданный 7 ноября 1989 г. по заявке Smith, открывает доспехи, существенно модифицированные для усиления защиты от пробивания за счет использования связующих иономерных смол и керамической или металлической крошки или пластин в дополнение к арамидным или линейным полиэтиленовым волокнам.

Патент США N 5185195, выданный 9 февраля 1993 г. по заявке Harpell et al. , открывает устойчивые к пробиванию структуры, в которых соседние слои тканого материала из арамида или полиэтилена скрепляются вместе повторяющимися линиями, расположенными друг от друга на расстоянии менее 0,32 см (0,125 дюймов). Соединение, предпочтительно, осуществляется путем сшивания. Устойчивость к пробиванию может быть дополнительно улучшена за счет использования слоя жестких, частично перекрывающихся пластин.

Патент США N 5254383, выданный 19 октября 1993 г. по заявке Harpell et al, открывает композиционный материал с улучшенной устойчивостью к пробиванию, в котором используется множество перекрывающихся и взаимно прикрепленных так называемых плоских тел из керамики или металла, покрытых волокнистыми слоями, для предотвращения соскальзывания острого инструмента относительно и между плоских тел.

Международная Публикация номер WO 93/00564, опубликованная 7 января 1993 г. , открывает баллистические структуры, в которых используются многочисленные слои тканого материала из пара-арамидной нити с высокой прочностью на разрыв. Отсутствует предложение использования структур для сопротивления пробиванию или прокалыванию; нити имеют высокую линейную плотность; и материалы соответственно имеют низкие коэффициенты плотности прочности ткани.

Это изобретение касается устойчивого к пробиванию изделия, состоящего, в основном, из материала, сотканного с коэффициентом плотности ткани по меньшей мере 0,75 из арамидной нити, имеющей линейную плотность менее 500 дтекс и упругость по крайней мере 30 Дж/г. Изобретение также касается такого устойчивого к пробиванию изделия, у которого в состав изделия входят по крайней мере два слоя ткани и которые соединяются по краям изделия таким образом, что соседние слои ткани остаются свободными для движения относительно друг друга.

Чертеж является графическим изображением взаимосвязи между линейной плотностью нитей и коэффициентом плотности тканей изделия.

Защитное изделие данного изобретения специально разрабатывалось для обеспечения защиты от проникновения острых инструментов в противоположность защите от баллистического оружия. В прошлом значительные усилия были затрачены на усовершенствование баллистических костюмов, и многократно высказывали предположение о том, что усовершенствованные баллистические костюмы также будут демонстрировать повышенную устойчивость к прокалыванию или устойчивость к пробиванию. В данном случае, изобретатели нашли, что предположение некорректно, и они открыли изделие из ткани с сочетанием нескольких необходимых качеств, которое действительно демонстрирует улучшенную устойчивость к пробиванию.

Баллистические костюмы изготавливают, используя несколько слоев защитной ткани, и несколько слоев практически всегда скрепляются до некоторой степени вместе для фиксации лицевых сторон соседних слоев относительно друг друга. Слои обычно сшиваются вместе с образованием единого целого достаточной толщины, сборки слоев, но имеющиеся слои прошиты вместе на поверхности костюма. Здесь изобретатели открыли, что устойчивость к прорезанию повышается, если соседние слои в защитном костюме не фиксируются вместе, а свободны для движения друг относительно друга. Если соседние слои сшиваются вместе, устойчивость к прорезанию снижается.

Это изобретение полностью строится на тканом материале без жестких листов или пластинок и без связующих полимеров, пропитывающих тканые материалы. Изделия этого изобретения более эластичные и легкие по массе по сравнению с устойчивыми к пробиванию структурами предшествующей технологии, предлагающей сравнимую защиту.

Ткани настоящего изобретения изготавливают из нитей арамидного волокна. Под "арамидом" подразумевается полиамид, у которого по крайней мере 85% амидных (-CO-NH-) связей непосредственно соединяются с двумя ароматическими кольцами. Соответствующие арамидные волокна описываются в Man-Made Fibers - Science and Technology, Volume 2, в разделе, озаглавленном "Волокна-образующие ароматические полиамиды" ("Fiber-Forming Aromatic Polyamides"), р. 297, W.Black et al., Interscience Publishers, 1968. Арамидные волокна также открывают патенты США 4172938; 3869429: 3819587; 3673143; 3354127 и 3094511.

Вместе с арамидом могут быть использованы добавки, и было найдено, что с арамидом может быть смешено до 10% (по весу) другого полимерного вещества или что могут быть использованы сополимеры, имеющие до 10% другого диамина, замещающего диамин арамида или до 10% другого хлорида дикислоты, замещающего хлорид дикислоты арамида.

Исходными полимерами в волокнах нити этого изобретения являются пара-арамиды, и предпочтительным пара-арамидом является поли(p-фенилентерефталамид) (PPD-T). Под PPD-T подразумевается гомополимер, получающийся при полимеризации моль на моль p-фенилендиамина и терефталоилхлорида, а также сополимеры, получающиеся при включении небольших количеств других диаминов в p-фенилендиамин и небольших количеств других хлоридов дикислот в терефталоилхлорид. Как правило, другие диамины и другие хлориды дикислоты могут быть использованы в количествах до примерно 10 моль% p-фенилендиамина или терефталоилхлорида или, возможно, несколько выше, при условии, что другие диамины и хлориды дикислот не имеют реакционноспособных групп, которые влияют на реакцию полимеризации. Кроме того, PPD-T обозначает сополимеры, получающиеся при включении других ароматических аминов или других хлоридов ароматических дикислот, таких как, например, 2,6-нафталоилхлорид или хлор- или дихлортерефталоилхлорид или 3,4'-диаминодифенилэфир. Получение PPD-T описывается в Патентах США N 3869429; 4308374 и 4698414.

"Коэффициент плотности ткани" и "коэффициент заполнения" являются обозначениями, показывающими плотность плетения ткани. Коэффициент заполнения является рассчитанной величиной, касающейся геометрии плетения и указывающий на процент общей площади поверхности ткани, который заполняется нитями ткани. Уравнение, используемое для расчета коэффициента заполнения, выглядит следующим образом (из Weaving: Conversion of Yarns to Fabric, Lord and Mohamed, published by Morrow (1982), p. 141-143): d_w = ширина нити основы ткани; d_f = ширина уточной нити ткани; p_w = шаг нити основы (концов на единицу длины); p_f = шаг нити утка ткани;

Коэффициент заполнения ткани - C_fab


В зависимости от типа плетения ткани максимальный коэффициент заполнения может быть достаточно низким, несмотря на то, что нити ткани располагаются близко друг к другу. По этой причине наиболее полезным показателем плотности плетения является так называемый "коэффициент плотности ткани". Коэффициент плотности ткани является показателем плотности плетения ткани по сравнению с максимальной плотностью плетения как функция коэффициента заполнения.

Например, максимальный коэффициент заполнения, который возможен для ткани с гладким переплетением, составляет 0,75, и ткань с гладким переплетением с действительным коэффициентом заполнения 0,68 будет, следовательно, иметь коэффициент плотности ткани 0,91. Предпочтительным плетением данного изобретения является гладкое переплетение. Тогда как в наличие имеются арамидные нити с широким диапазоном линейных плотностей, изобретателями здесь было определено, что приемлемая устойчивость к пробиванию может быть получена только в том случае, если линейная плотность арамидных нитей составляет менее 500 дтекс. Предполагается, что арамидные нити более 500 дтекс, даже сотканные с коэффициентом плотности ткани около 1,0, деформируются между соседними нитями и допускают более легкое проникновение острого инструмента. Можно ожидать, что повышение устойчивости к пробиванию этого изобретения распространится на очень низкие линейные плотности; но, при примерно 100 дтекс нити очень трудно ткать без повреждения. Имея это в виду, арамидные нити этого изобретения имеют линейную плотность от 100 до 500 дтекс.

Важным элементом данного открытия является то, что высокий показатель устойчивости к пробиванию является функцией сочетания линейной плотности нити и коэффициента плотности ткани, изготовленной из этой нити. Делается ссылка на чертеж, который является графическим изображением результатов испытаний, проведенных в примере 1. Каждая точка на графике представляет собой результаты испытания одной из тканей, определяется коэффициентом плотности ткани и линейной плотностью нити и обозначает так называемую относительную устойчивость к пробиванию, определенную в данном испытании.

Как здесь будет объясняться далее, при снижении устойчивости к пробиванию относительная устойчивость к пробиванию снижается, и считается, что получаемое в проводимых в данном случае тестах значение относительной устойчивости, равное 30, представляет собой соответствующую устойчивость к пробиванию для общего применения. Линия на чертеже, обозначенная как Y = X 6,25 • 10^-4 + 0,69, отделяет соответствующую устойчивость к пробиванию от несоответствующей устойчивости к пробиванию тканей, изготовленных из арамидных нитей.

В части графика "соответствующая требованиям устойчивость к пробиванию" есть одна точка, которая показывает несоответствующую устойчивость к пробиванию, но эта точка представляет ткань, изготовленную из нити, не являющейся арамидной. Хорошая устойчивость к пробиванию требует сочетания нескольких качеств нити и ткани, среди которых линейная плотность нити и коэффициент плотности ткани. Из чертежа можно увидеть, что для арамидных волокон, хорошая устойчивость к пробиванию свойственна тканям с сочетанием коэффициента плотности и линейной плотности нити, попадающим под кривую в интервале от 0,75 до 1,0 и 500 - 100 дтекс соответственно.

Арамидные нити, использованные в данном изобретении, должны иметь высокую прочность на разрыв, сочетающуюся с высоким разрывным удлинением, с тем, чтобы обеспечивать высокую упругость. Прочность на разрыв должна составлять по меньшей мере 19 г на децитекс (21,1 г на денье), и высший предел прочности на разрыв неизвестен. Ниже примерно 11,1 г на децитекс нить не показывает соответствующего сопротивления для значительной защиты. Разрывное удлинение должно составлять, по меньшей мере, 3,0%, и верхние границы удлинения неизвестны. Разрывное удлинение, которое составляет менее 3,0%, дает нить, являющуюся хрупкой и дающую упругость меньшую необходимой для подразумеваемой здесь защиты.

"Упругость (работа, затраченная на разрыв образца" - показатель способности поглощения энергии нитью до точки потери растяжения в испытании напряжение/деформация. Кроме того, иногда "упругость" известна как "энергия, затраченная на разрыв образца". Упругость или энергия, затраченная на разрыв образца, является сочетанием прочности на разрыв и разрывным удлинением и определяется площадью под кривой напряжение/деформация от нулевой точки деформации до разрыва. В работе, которая привела к этому изобретению, нашли, что незначительное увеличение прочности на разрыв или разрывного удлинения приводит к удивительно значительному повышению устойчивости к пробиванию. Предполагается, что для соответствующей устойчивости к пробиванию в предложенной данным изобретением технологии упругость нити должна составлять по меньшей мере 35 Дж/г; и предпочтительна упругость по меньшей мере 38 Дж/г.

Одинарный слой тканого изделия данного изобретения действительно обеспечивает критерий устойчивости к пробиванию и, следовательно, степень защиты, но обычно в конечном продукте применяется множество слоев. При применении многочисленных слоев данное изобретение демонстрирует наиболее выраженное и неожиданное усовершенствование. Изобретатели здесь открыли, что изделия данного изобретения при расположении вместе в виде множества слоев придают неожиданно эффективную устойчивость к пробиванию в том случае, если изделия не соединяются друг с другом для того чтобы допускать относительное движение между соседними слоями. Соседние слои или изделия могут закрепляться по краям или могут иметь место некоторые неплотные соединения между слоями на относительно больших расстояниях по сравнению с толщиной изделий. Например, в данной заявке работает расстояние между точками прикрепления слоев более примерно 15 см, которое будет достаточно свободным с точки зрения удержания слоев. Слои, которые были прошиты вместе по поверхности слоев, могут обеспечивать более эффективную баллистическую защиту, но такие сшивки вызывают неподвижность слоев и по не до конца выясненным причинам в действительности снижают устойчивость к пробиванию слоев по сравнению с ожиданиями от испытаний одинарного слоя.

Линейная плотность. Линейную плотность нити определяют путем взвешивания нити известной длины. "Децитекс" обозначает массу, в граммах, нити длиной 10000 м. "Денье" - это масса, в граммах, нити длиной 9000 м.

На практике измеренное значение децитекс образца нити в условиях испытания (теста) и идентификация образца вводится в компьютер перед началом испытания; компьютер выдает кривую нагрузка-растяжение для нити до разрывания нити и затем рассчитывает показатели.

Прочностные свойства. Нити, испытываемые на прочностные свойства, являются, во-первых, кондиционными и, кроме того, скручены с коэффициентом скрученности 1,1. Коэффициент скрученности (TM или KK) нити определяется как:
KK = (обороты/см)/(децитекс) - 1/2/30.3 = (обороты/дюйм)(денье) - 1/2/73
Нити для тестирования проверяют при 25^oC, относительная влажность 55% в течение минимум 14 ч, и прочностные испытания проводят при этих условиях. Прочность на разрыв (относительная разрывная нагрузка), разрывное удлинение и коэффициент упругости определяют в тесте на разрыв нити на тестере Instron (Instron Engineering Corp., Canton, Mass).

Прочность на разрыв, удлинение и исходный коэффициент упругости, по определению ASTM D2101-1985, определяют, используя нити расчетной длины 25,4 см и скорость удлинения 50% деформаций/минуту. Коэффициент упругости рассчитывается по наклону кривой напряжение-деформация при напряжении 1% и равняется напряжению на грамм при 1% деформации (абсолютной) на 100, деленному на линейную плотность тестируемой нити.

"Упругость". Используя кривую напряжение-деформация, полученную при испытании прочностных свойств, упругость определяется как площадь (A) под кривой напряжение/деформация до точки разрыва нити. Ее обычно определяют с помощью планиметра, получая площадь в квадратных сантиметрах. Децитекс (D) описывается выше в разделе "Линейная плотность". Упругость (To) рассчитывается как
To=Ax(FSL/CFS)(CHS/CS)(1/D)(1/GL),
где FSL - полная нагрузка в граммах; CFS - масштаб диаграммы в сантиметрах; CHS - скорость ползуна в см/мин; CS - скорость диаграммы в см/мин; GL - расчетная длина тестируемого образца в сантиметрах.

Цифровые данные отношения напряжение/деформация могут быть, конечно, занесены в компьютер для непосредственного расчета упругости. Результатом является To в dN/tex. Умножение на 1,111 превращает в г/денье. Если во всех случаях используются одни и те же единицы длины, то в вышеуказанном уравнении To рассчитывается в единицах, определяемых только единицами, выбранными для силы (FSL) и D.

Устойчивость к пробиванию. Устойчивость к пробиванию определяют на изделиях из одного слоя или нескольких слоев стандартным методом для определения устойчивости защитного материала для одежды к пробиванию (Protective Clothihg Material Resistance to Puncture), обозначенному как ASTM F 1342. В этом тесте измеряется сила, которая требуется для того чтобы острозаточенный зонд для прокалывания прошел через образец. Образец зажимается между плоскими металлическими листами с 0,6 см отверстиями на противоположных сторонах и размещается на 2,5 см ниже зонда для прокалывания, установленного в испытательной установке с тем, чтобы направлять зонд к образцу через отверствия в металлических листах со скоростью 50,8 см/мин. Максимальная сила перед пробиванием обозначается как устойчивость к пробиванию.

Устойчивость к пробиванию определяется на изделиях из множества слоев либо с помощью шила из закаленной стали длиной 18 см (7 дюймов) и диаметром стержня 0,64 см (0,25 дюймов) с твердостью по Роквеллу C-45, либо ледяной кирки такой же длины, диаметром 0,42 см и твердостью по Роквеллу C-42. Тесты проводятся в соответствии с HPW test TP-0400.02 (22 июля 1988 г) Н.Р. White Lab., Inc. На испытываемые образцы воздействуют шилом, их нагружают весом до 7,35 кг (16,2 фунта) и сбрасывают с различной высоты. Результаты выражаются в виде степени пробивания и деформации (см. пример 1 и таблицу).

Значения относительной устойчивости к пробиванию для однослойных конфигураций, полученные на основе этих испытаний, накладывали на графическое поле "децитекс нити" относительно коэффициента плотности ткани как показано на чертеже. Значения распадались на две легко характеризуемые области. На одной стороне от линии уравнения Y = X 6,25 • 10^-4 + 0,69 (где Y - коэффициент плотности и X - линейная плотность нити в децитекс) ткань имеет соответствующую устойчивость к пробиванию; и по другую сторону линии устойчивость к пробиванию, не отвечающая требованиям.

На основании результатов этих тестов видно, что ткани данного изобретения получаются из нитей арамида, имеющего линейную плотность нити от 100 до 500 дтекс, и которые сотканы с коэффициентом плотности ткани по меньшей мере 0,75 в соответствии со следующей формулой:
Y = или > X6.25 • 10^-4 + 0,69
где Y - коэффициент плотности ткани и X - линейная плотность нити.

Пример 2. В этом примере многослойные ткани 1-1 и 1-4 испытывали на устойчивость к пробиванию в соответствии с указанным выше методом падения шила. Десять слоев каждой из этих тканей складывали вместе на основу из Roma "Plastilina" # 1, иммитирующей глину, и взвешенное шило бросали с различной высоты до тех пор, пока шило не пробивало ткань. Ткань 1-1 выдерживала пробивание до 27,4 Дж энергии падения, и ткань 1-4 выдерживала пробивание до 18,3 Дж.

При повторении этого испытания с двадцатью слоями тканей и более острой, указанной выше, ледяной киркой, ткань 1-1 выдерживала пробивание до 18,3 Дж, и ткань 1-4 выдерживала пробивание до 14,6 Дж.

В качестве дополнительного испытания этих тканей в конфигурациях, которые включены в данное изобретение, двадцать слоев ткани 1-1 складывали вместе, не используя средств удержания слоев вместе, и испытывали по методу падения шила, применяя указанное выше шило. В качестве контроля двадцать слоев той же ткани простегивали вместе на 5 см квадраты хлопковой нитью 40 текс и также испытывали простеганные слои. Единственным различием между конфигурациями было то, что конфигурация этого изобретения не была прошита и выдерживала пробивание до 54,9 Дж, тогда как контроль, простеганный на 5 см квадраты, как сказано выше, выдерживал пробивание до 36,6 Дж - только до две третей.

Устойчивое к пробиванию изделие имеет более высокую устойчивость к пробиванию и состоит в основном из тканого материала из арамидной нити с линейной плотностью менее 500 дтекс и упругостью по меньшей мере 30 Дж/г и охарактеризованное по наличию тканого материала с коэффициентом плотности ткани по меньшей мере 0,75 и по наличию в изделии по меньшей мере двух слоев материала, которые соединяются на краях изделия и являются, другими словами, в значительной степени свободными от удержания вместе слоев материала. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Устойчивое к пробиванию изделие, состоящее, в основном, из тканого материала из арамидной нити с линейной плотностью менее 500 дтекс и упругостью по меньшей мере 30 Дж/г и охарактеризованное по наличию тканого материала с коэффициентом плотности ткани по меньшей мере 0,75 и по наличию в изделии по меньшей мере двух слоев материала, которые соединяются на краях изделия, и являются, другими словами, в значительной степени свободными от удержания вместе слоев материала. 2. Устойчивое к пробиванию изделие согласно п.1, где взаимосвязь между фактором плотности ткани и линейной плотностью нити выражается как
Y ≥ X6, 25 x 10^-4 + 0,69,
где Y - коэффициент плотности ткани и X - линейная плотность нити. 3. Изделие согласно п.1, где коэффициент плотности ткани, по существу, равняется 1,0. 4. Изделие согласно п. 1, где упругость составляет по меньшей мере 40 Дж/г. 5. Изделие согласно п.1, где арамидная нить является поли(р-фенилентерефталамидом).