ЭЛАСТИЧНОЕ ИЗДЕЛИЕ, УСТОЙЧИВОЕ К ПРОНИКНОВЕНИЮ Российский патент 2001 года по МПК D03D15/00 F41H1/02 

Существует необходимость в защитной одежде, имеющей повышенную устойчивость к проникновению остроконечных предметов. Однако внимание было направлено прежде всего на баллистику и одежду, которая обеспечивает защиту от баллистических опасностей. Это изобретение относится к изделиям, которые защищают от проникновения, такого как колющий удар или укол остроконечных предметов, таких как шило или приспособления для колки льда.

Американский патент N 5578358, выданный 26 ноября 1996 г. (USSN 08/421350, зарегистрированный 12 апреля 1995 г.) по заявке Foy и Miner, раскрывает устойчивое к проникновению изделие, изготовленное из плотно сплетенной арамидной пряжи, имеющей низкую линейную плотность и высокую прочность.

Американский патент N 5185195, выданный 9 февраля 1993 г. по заявке Harpell и соавторов, раскрывает устойчивое к проникновению трикотажное переплетение, в котором смежные слои сплетенной арамидной или линейной полиэтиленовой ткани соединены друг с другом регулярными, плотными межсоединениями. Соединение проводится предпочтительно при помощи сшивания.

Американский патент N 4850050, выданный 25 июля 1989 г. по заявке Droste и соавторов, раскрывает бронежилет, изготовленный из ламинированных слоев арамидных тканей, в котором пряжа в ткани изготовлена из нитей с линейной плотностью меньше, чем 1,5 дтекс.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к изделию, устойчивому к проникновению, состоящему в значительной степени из ткани, сплетенной с коэффициентом плотности ткани не менее 0,75 из арамидной пряжи, имеющей линейную плотность менее, чем 500 дтекс, прочность не менее 30 Дж/г и нитями пряжи, имеющими линейную плотность менее, чем 1,67 дтекс. Изобретение также относится к такому устойчивому к проникновению изделию, в котором по крайней мере два слоя ткани включены в изделие и соединены по краям изделия таким образом, что смежные слои ткани могут свободно перемешаться относительно друг друга.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 является графическим представлением зависимости между линейной плотностью нити в пряже, используемой в тканях данного изобретения, и устойчивостью к проникновению этих тканей.

Фиг. 2 является представлением зависимости между линейной плотностью пряжи и коэффициентами плотности тканей, которые устойчивы к проникновению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Защитные изделия по данному изобретению были специально усовершенствованы для обеспечения защиты от проникновения остроконечных предметов, в отличие защиты от баллистической опасности. В прошлом были приложены значительные усилия для улучшения баллистических одежд; и считалось, что улучшенная баллистическая одежда также будет обладать повышенной устойчивостью к колющим ударам или устойчивостью к проникновению. Обнаружено, что это предположение неверно и было разработано тканое изделие с комбинацией нескольких необходимых качеств, которое действительно обладает повышенной устойчивостью к проникновению.

Обнаружено, что устойчивость тканевого изделия к проникновению значительно повышается, когда пряжа, используемая для изготовления ткани изделия, изготавливается из нитей, имеющих линейную плотность менее, чем примерно 1,67 дтекс. Считается, что использование нитей с уменьшенной линейной плотностью приводит к изделиям из ткани, имеющим уменьшенное расстояние между нитями, таким образом создавая структуру, через которую хуже проникают острые предметы.

Хотя баллистическая одежда изготавливается с использованием нескольких слоев защитной ткани и несколько слоев всегда плотно скреплены друг с другом таким образом, чтобы закреплять наружную поверхность смежных слоев в соответствующем положении, обнаружено, что устойчивость к проникновению повышается, если смежные слои защитной одежды не скрепляются друг с другом, а могут свободно перемещаться относительно друг друга. Когда смежные слои плотно сшиты друг с другом, устойчивость к проникновению уменьшается.

В предложенном изобретении изделие изготовлено целиком из сплетенной ткани без жестких пластин или пластинчатой структуры и без пропитки тканевого материала полимерной матрицей. Изделия по данному изобретению более гибкие, легкие по весу, приятные на ощупь и более пластичные, чем трикотажные переплетения, устойчивые к проникновению, полученные предшествующей технологией и обеспечивающие сравнимую защиту.

Ткани по данному изобретению изготовлены из пряжи из арамидных волокон. Под "арамидом" понимается полиамид, в котором по крайней мере 85% амидных (-CO-NH-) связей присоединены непосредственно к двум ароматическим кольцам. Удовлетворяющие требованиям арамидные волокна описаны в Man-Made Fibers - Science and Technology, Volume 2, раздел под названием Fiber-Forming Aromatic Polyamides, page 297, W. Black et al. Interscience Publishers, 1968. Арамидные волокна также раскрываются в американских патентах 4172938; 3869429; 3819587; 3673143; 3354127 и 3094511.

С арамидом могут использоваться добавки и было обнаружено, что вплоть до 10% по весу другого полимерного материала может быть смешано с арамидом или что могут быть использованы сополимеры, имеющие 10 процентов других диаминов, замещенных диамином арамида, или 10 процентов другого хлорида дикислоты, замещенного хлоридом дикислоты или арамидом.

Параарамиды представляют собой первичные полимеры в пряже волокон данного изобретения и поли(п-терефталамид) (PPD-T) представляет собой предпочтительный параарамид. Под PPD-T понимается гомополимер, получаемый в результате моль на моль полимеризации п-фенилен диамина и терефталоил хлорида и также сополимеры, получаемые внедрением небольших количеств других диаминов с п-фенилен диамином и небольших количеств других хлоридов дикислот с терефталоил хлоридом. В качестве общего правила другие диамины и другие хлориды дикислот могут быть использованы в количествах вплоть до примерно 10 моль процентов п-фенилен диамина или терефталоил хлорида или возможно незначительно выше, обеспечивая только лишь то, что другие диамины или хлориды дикислот не имеют химически активных групп, которые препятствуют реакции полимеризации. PPD-T также означает сополимеры, получаемые в результате внедрения других ароматических диаминов и других хлоридов ароматических кислот, 2,6-нафталоил хлорид или хлоро- или дихлоротерефталоил хлорид или 3,4'- диаминодифениловый эфир. Получение PPD-T описано в американских патентах N 3869429; 4308374 и 4698414.

"Коэффициент плотности ткани" и "Коэффициент заполнения" являются названиями, характеризующими плотность сплетения ткани. Коэффициент заполнения - рассчитываемое значение, относящееся к геометрии сплетения ткани и показывающее процент общей площади поверхности ткани, которая заполнена пряжей ткани. Уравнение, используемое для расчета коэффициента заполнения, имеет следующий вид (из Weaving: Conversion of Yarns to Fabrics, Lord and Mohamed, изданное Merrow (1982), pages 141-143):
d_W - ширина пряжи основы ткани,
d_f - ширина заполняющей пряжи ткани,
P_W - шаг пряжи основы (концы на единицу длины),
p_f - шаг заполняющей пряжи,

Коэффициент заполнения ткани =

Зависящий от характера сплетения ткани, максимальный коэффициент заполнения может быть довольно низким, вследствие того, что нити ткани расположены близко друг от друга. С этой точки зрения более полезный индикатор плотности сплетения носит название "Коэффициент плотности ткани". Коэффициент плотности ткани представляет собой оценку плотности сплетения ткани по сравнению с максимальной плотностью сплетения, как функция коэффициента заполнения.

Коэффициент плотности ткани =
Например максимальный коэффициент заполнения, который возможен для ткани полотняного переплетения составляет 0,75; и ткань полотняного переплетения с фактическим коэффициентом заполнения 0,65 будет, таким образом, иметь коэффициент плотности ткани 0,91. Предпочтительным переплетением для практического использования по данному изобретению является полотняное переплетение.

Хотя арамидная пряжа доступна в широком диапазоне линейных плотностей, было показано, что приемлемая устойчивость к проникновению может быть получена только в том случае, когда линейная плотность арамидной пряжи меньше, чем 500 дтекс. Арамидная пряжа более 500 дтекс, даже когда она сплетена с коэффициентом плотности ткани примерно 1,0, как считается, деформирует соседними нитями и облегчает проникновение остроконечных предметов. Ожидается, что повышение устойчивости к проникновению из-за низкой линейной плотности пряжи продолжается до очень низких линейных плотностей; но примерно при 100 дтекс пряжу становится очень трудно сплести без повреждения. Учитывая это, арамидная пряжа по данному изобретению имеет линейную плотность от 100 до 500 дтекс.

Обнаружено, что ткани, изготовленные из пряжи с линейной плотностью нити менее, чем 1,67 дтекс, показывают значительное повышение устойчивости к проникновению. В качестве ссылки представлена фиг. 1, представляющая собой графическую зависимость экспериментальных точек из испытаний, проведенных здесь в эксперименте 1. Каждая точка на графике представляет результаты испытаний одной из тканей и ее положение определяется нормированной устойчивостью к проникновению и линейной плотностью нитей пряжи.

В качестве ссылки представлена фиг. 2, которая является графиком экспериментальных точек испытаний, приведенных в подтверждающем эксперименте. Каждая точка на графике представляет результаты испытаний одной ткани и ее положение определяется коэффициентом плотности ткани и линейной плотностью пряжи и идентифицируется так называемой удельной устойчивостью к проникновению, определяемой в испытании.

Как будет здесь далее объяснено, удельная устойчивость к проникновению уменьшается при уменьшении устойчивости к проникновению и значение удельной устойчивости к проникновению примерно 30 в испытаниях, проводимых здесь, рассматривается как достаточная устойчивость для основного применения. Линия, определяемая как Y = X 6,25 • 10^-4 + 0,69, разделяет достаточную устойчивость к проникновению от недостаточной устойчивости к проникновению для тканей на фиг. 2, изготовленных из арамидной пряжи.

Имеется одна точка со стороны "достаточной устойчивости к проникновению" от линии, которая обладает недостаточной устойчивостью к проникновению; но эта точка представляет собой ткань, изготовленную из пряжи, которая не была арамидной.

Хорошая устойчивость к проникновению требует комбинации нескольких характеристик пряжи и ткани, среди которых линейная плотность пряжи и коэффициент плотности ткани. Из фиг. 1 и 2 можно увидеть, что для арамидных волокон повышенная устойчивость к проникновению будет реализовываться для тканей с комбинацией линейной плотности нитей, которая меньше, чем 1,67 дтекс, как показано на фиг. 1, и коэффициента плотности и линейной плотности пряжи, которые попадают под кривую на фиг. 2 в диапазоне от 0,75 до 1,0 и от 500 до 100 децитекс соответственно.

Арамидные пряжи, используемые в этом изобретении, должны иметь высокую прочность на разрыв, комбинированную с высоким относительным удлинением при разрыве, приводящим к высокой прочности. Прочность на разрыв должна быть по крайней мере 19 грамм на дтекс (21,1 грамм на denier) и не существует известного верхнего предела для прочности на разрыв. Ниже примерно 11,1 г на дтекс пряжа не обладает достаточной силой для значимой защиты. Относительное удлинение при разрыве должно быть по крайней мере 3,0% и не известно верхнего предела для относительного удлинения. Относительное удлинение при разрыве, которое меньше 3,0%, приводит к хрупкой пряже и дает прочность, которая меньше, чем необходимая для защиты, которая предусматривается.

"Прочность" представляет собой меру энергии, характеризующей способность пряжи вплоть до точки ее разрушения в испытаниях предела прочности напряжения/деформации. Прочность иногда также называют "Энергией разрыва". Прочность или энергия разрыва представляет собой комбинацию прочности и относительного удлинения при разрыве и представляется площадью под кривой зависимости деформации и напряжения от нуля до напряжения разрыва. Обнаружено, что незначительное увеличение прочности на разрыв или относительного удлинения при разрыве приводит к значительному повышению устойчивости к проникновению. Прочность пряжи по крайней мере 35 Дж/г рассматривается как необходимая для достаточной устойчивости к проникновению; прочность по крайне мере 38 Дж/г предпочтительна.

Один слой сплетенного изделия по данному изобретению обеспечивает единицу устойчивости к проникновению и, таким образом, степень защиты; но в окончательном изделии обычно используется множество слоев. Именно использование множества слоев позволяет данному изобретению давать наиболее четко выраженное и значительное повышение устойчивости. Обнаружено, что изделие данного изобретения при использовании множества слоев дает эффективную устойчивость к проникновению, когда изделия не фиксированы один с другим, таким образом допуская относительное перемещение между смежными слоями. Смежные слои или изделия могут быть скреплены по краям или могут быть скреплены межслоевыми связями на сравнительно большом расстоянии по сравнению с толщиной изделия. Например, прикрепление слоя к слою в точках разделенных более, чем примерно 12 сантиметрами, могут использоваться в данном случае, поскольку в значительной степени свободны от средств, скрепляющих слои друг с другом. Слои, которые были сшиты друг с другом по всей поверхности слоев могут обеспечить более эффективную баллистическую защиту; но такое сшивание вызывает уменьшение подвижности между слоями и из-за причин не до конца понятных, фактически уменьшает устойчивость слоев к проникновению по сравнению с ожидаемой величиной, основанной на испытаниях для одного слоя.

МЕТОДЫ ТЕСТИРОВАНИЯ
Линейная плотность. Линейная плотность пряжи или нити определяется взвешиванием пряжи или нити известной длины. "Дтекс" определяется как вес, в граммах, 10000 метров материала. "Denier" представляет собой вес, в граммах, 9000 метров материала.

В реальной практике измеряемая дтекс образца пряжи или нити, условия испытания и идентификация образца вносятся в компьютер перед началом испытания; компьютер записывает кривую зависимости относительного удлинения на разрыв от нагрузки и затем рассчитывает характеристики.

Характеристики растяжения. Пряжи, исследуемые на характеристики растяжения, в первую очередь кондиционируются и затем скручиваются с коэффициентом скрутки 1,1. Коэффициент скрутки (KC) пряжи определяется как
КС = (скрутка/см)/(дтекс)^-1/2/30,3 = (скрутка/дюйм) (denier)^-1/2/73,3
Исследуемые пряжи кондиционируются при 25^oC, 55% относительной влажности в течение минимум 14 часов и испытания растяжения проводятся при тех же условиях. Прочность на разрыв (сопротивление разрыву), относительное удлинение при разрыве и модуль определяются на основе исследований разрыва пряжи на Instron tester (Instron Engineering Corp., Canton, Mass.).

Прочность на разрыв, относительное удлинение и начальный модуль деформации при разрыве, как определено в ASTM (Американское общество испытаний материалов) D2101-1985, определяются при использовании эталона пряжи длиной 25,4 см и скорости относительного удлинения 50% деформация/мин. Модуль рассчитывается из тангенса наклона кривой зависимости деформации от напряжения при 1% деформации и равен напряжению в граммах при 1% деформации (абсолютной), умноженной на 100 и деленной на полученную в испытаниях линейную плотность пряжи.

Прочность на разрыв, относительное удлинение и начальный модуль отдельных нитей определяются таким же образом, как и пряжи; но нити не подвергаются скрутке и используется эталонная длина 2,54 см.

Прочность. При использовании кривой зависимости деформации от напряжения, полученной испытанием предела прочности на разрыв, прочность определяется как площадь (A) под кривой зависимости деформации от напряжения до точки разрыва пряжи. Она обычно определяется с использованием планиметра для получения площади в квадратных сантиметрах; и для арамидов, которые обычно обладают практически линейной кривой зависимости деформации от напряжения, прочность может быть определена как половина результата произведения прочности на разрыв, умноженной на относительное удлинение. "Дтекс" (D) описаны выше в "Линейной плотности". Прочность (T₀) рассчитывается, как
T₀ = A x (FSL/CFS) (CHS/CS) (1/D) (1/GL),
где FSL - общая нагрузка в граммах,
CFS - полная шкала графика в сантиметрах,
CHS - скорость перемещения траверсы в см/мин,
CS - скорость на графике в сантиметрах,
GL - эталонная длина тестового образца в сантиметрах.

Оцифрованные данные о зависимости деформации от напряжения, конечно, могут быть занесены в компьютер для непосредственного расчета прочности. Результат представляет собой T₀ в dN/текс. Умножение на 1,111 переводит в г/denier. Когда единицы длины одни и те же во всех параметрах, описанное выше уравнение рассчитывает T₀ в единицах, определяемых только теми, которые выбраны для силы (FSL) и D.

Сопротивление проникновению. Устойчивость к проникновению для изделия с одним слоем или несколькими слоями определяется стандартным методом Protective Clothing Material Resistance to Puncture, определяемым как ASTM F1342. В этом испытании измеряется сила, которая требуется для того, чтобы вызвать прокол остроконечным зондом, проникающим через образец. Образец зажимают между плоскими металлическими листами с противоположными отверстиями и помещают на 2,5 см ниже зонда, используемого для прокола, помещенного в машину для испытаний, который начинает двигаться через образец сквозь отверстия в металлических пластинах со скоростью 50,8 см/мин. Максимальная сила перед проникновением регистрируется как устойчивость к проникновению.

Устойчивость к проникновению определяется для множества слоев образцов при использовании либо закаленного стального шила длиной 18 сантиметров (7 дюймов) и диаметром стержня 0,64 сантиметра (25 дюймов), имеющего жесткость по Роквеллу C-45, или приспособлением для колки льда той же длины с диаметром стержня 0,42 сантиметра и жесткостью по Роквеллу C-42. Испытания проводились согласно HPW испытаниям ТР-0400.02 (22 июля 1998) из Н. P. White Lab., Inc. Тестовые образцы подвергались ударной нагрузке шилом весом 7,35 кг (16,2 фунтов), сбрасывающимся с различной высоты.

ПРИМЕРЫ
Пример 1
В этом примере несколько тканей были сплетены при использовании арамидных пряж 220 дтекс (200 denier), содержащих нити различной линейной плотности. Ткани представляли собой полотняные переплетения с плотностью пряжи 70 x 70 концов, обладающих коэффициентом плотности ткани 1,0.

Пряжи см. в табл. 1.

Ткани, изготовленные из этих пряж, испытывались на устойчивость к проникновению, в форме десяти сложений, в соответствии с процедурой падающего шила, как описано выше. Результаты испытаний на проникновение приведены в табл. 1A, в качестве минимума энергии проникновения в джоулях и в качестве минимума энергии проникновения в джоулях, нормированной на прочность пряжи ткани, здесь определена 1-1.

Устойчивость к проникновению была нормирована на постоянную прочность пряжи для того, чтобы исключить систематическую ошибку, которая вносится изменением в прочности.

Нормированная устойчивость к проникновению для каждой ткани наносилась на график в качестве функции линейной плотности нити пряжи, и этот график представлен на фиг. 1. Легко увидеть, что ткани, полученные при использовании пряжи из нитей, имеющих линейную плотность больше, чем 2,0 дтекс, обладают очень низкой устойчивостью к проникновению и ткани, изготовленные при использовании пряжи из нитей, имеющих линейную плотность менее, чем 1,2 дтекс, обладают очень высокой устойчивостью к проникновению. Устойчивость к проникновению этих тканей быстро увеличивается от очень низкой до очень высокой, при уменьшении линейной плотности нитей пряжи ткани от 2,0 дтекс до 1,2 дтекс, и, как видно, точка перегиба на кривой наблюдается на фиг. 1 примерно при 1,67 дтекс.

Все вышеописанное проводилось при постоянном высоком коэффициенте плотности и при использовании пряжи с одной и той же линейной плотностью. Как указывалось выше, ткани с высокой устойчивостью к проникновению изготавливаются при использовании пряжи, имеющей линейную плотность от 100 до 500 децитекс и коэффициент плотности выше, чем 0,75. Усовершенствование данного изобретения состоит в обнаружении того, что устойчивость к проникновению может быть значительно больше увеличена при использовании пряжи, имеющей нити с линейной плотностью менее, чем 1,67 дтекс. Предпочтительные ткани по данному изобретению требуют комбинации пряж от 100 до 500 децитекс, изготовленных из нитей менее 1,67 децитекс и сплетенных в ткань с коэффициентом плотности большим 0,75.

Подтверждающий пример
В этом примере несколько тканей были сплетены при использовании различных пряж в полотняное переплетение при разных коэффициентах плотности ткани. Пряжи см. в табл. 1Б.

Пряжи A-G представляют собой поли(п-фенилен терефталамида) (PPD-T) пряжи, продаваемые E.I. du Font de Nemours and Company.

Пряжа A имеет торговую марку KEVLAR^® 159.

Пряжи B-D имеют торговую мapкy KEVLAR^® 29.

Пряжи E и F имеют торговую марку KEVLAR^® 129.

Пряжа G имеет торговую мapкy KEVLAR^® LT.

Пряжи H является высокомолекулярной линейной полиэтиленовой пряжей, продаваемой Allied Signal под торговой маркой SPECTRA^®1000.

Ткани см. в табл. 1В.

Все эти ткани были исследованы в форме одного и двух сложений в согласии с ASTM F1342, как описано выше. Результаты испытаний представлены в табл. 2 в качестве абсолютной устойчивости к проникновению (грамм-сила) и в качестве удельной устойчивости к проникновению (абсолютная/основной вес) для обоих форм одинарного и двойного сложения.

Значения удельной устойчивости к проникновению для формы одного сложения из этих испытаний были отложены на графической области дтекс пряжи как функция коэффициента плотности ткани, как показано на фиг. 2. Значения попадают в две легко различимые области. С одной стороны линии уравнения Y = X 6,25 • 10^-4 + 0,69 (где Y является коэффициентом плотности и X представляет собой линейную плотность пряжи в децитекс) ткани имеют достаточную устойчивость к проникновению; и с другой стороны линии устойчивость к проникновению недостаточна.

Предложенное изобретение дальше описано в пунктах 1-5 формулы изобретения.

Из результатов этих тестов видно, что ткани, устойчивые к проникновению, изготавливаются из арамидных пряж, имеющих линейную плотность пряжи от 100 до 500 децитекс и которые сплетаются с коэффициентом плотности ткани по крайней мере 0,75 в согласии со следующей формулой:
Y ≥ X 6,25 • 10^-4 + 0,69,
где Y - коэффициент плотности ткани,
X - линейная плотность пряжи.

Изобретение относится к текстильной промышленности и касается эластичного изделия, устойчивого к проникновению, состоящего по существу из ткани, сплетенной с коэффициентом плотности ткани по крайней мере 0,75 из арамидной пряжи, имеющей линейную плотность менее 500 дтекс, прочность по крайней мере 30 Дж/г, и изготовленного из нитей, имеющих линейную плотность менее 1,67 дтекс, в котором зависимость между коэффициентом плотности ткани и линейной плотностью пряжи имеет вид Y ≥ X 6,25 • 10^-4 + 0,69, где Y - коэффициент плотности ткани и Х - линейная плотность пряжи. Данное изделие имеет повышенную устойчивость к проникновению остроконечных предметов. 4 з. п. ф-лы, 2 ил., 5 табл.

1. Эластичное изделие, устойчивое к проникновению, состоящее по существу из ткани, сплетенной с коэффициентом плотности ткани по крайней мере 0,75 из арамидной пряжи, имеющей линейную плотность менее 500 дтекс, прочность по крайней мере 30 Дж/г, и изготовленное из нитей, имеющих линейную плотность менее 1,67 дтекс, в котором зависимость между коэффициентом плотности ткани и линейной плотностью пряжи имеет вид
Y ≥ X 6,25 • 10^-4 + 0,69,
где Y - коэффициент плотности ткани;
X - линейная плотность пряжи. 2. Изделие по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере два слоя ткани включены в изделие и соединены по его краям, иначе говоря, по существу свободно от средств, скрепляющих слои ткани друг с другом. 3. Изделие по п.1, отличающееся тем, что коэффициент плотности ткани равен, по существу, 1,0. 4. Изделие по п.1, отличающееся тем, что прочность составляет по крайней мере 40 Дж/г. 5. Изделие по п.1, отличающееся тем, что арамидная пряжа представляет собой поли (п-фенилен терефталамид).