НЕПРОБИВАЕМЫЕ ЗАЩИТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2008 года по МПК D03D15/00 

Уровень техники

1. Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к непробиваемым защитным изделиям, конкретно к защитным изделиям, не пробиваемым колющим оружием, и более конкретно к защитным изделиям, не пробиваемым колющим оружием и пулями.

2. Описание предшествующего уровня техники

Новые непробиваемые изделия постоянно совершенствуются, поскольку постоянно принимаются или модернизируются стандарты и требования по обеспечению защиты от опасных для жизни факторов.

В сентябре 2000 г. Национальным институтом юстиции (NIJ) опубликован стандарт-0115.00 NIJ, озаглавленный "Стойкость персональной нательной брони к колющему оружию", и стандарт-0101.04 NIJ, озаглавленный "Пуленепробиваемость персональной нательной брони". В связи с указанными новыми стандартами существует потребность в облегченной, комфортабельной и гибкой защитной одежде с улучшенной стойкостью к пробиванию колющим оружием, или колющим оружием и пулями, которую для обеспечения достаточной защиты, исходя из ежедневных потребностей, могут носить, например, полицейские, военнослужащие и другие сотрудники служб безопасности, с поправками на требования, предъявляемые к их специфической работе, и в зависимости от рабочей обстановки.

В патентах США 5578358 (Foy и др.) и 5622711 раскрыты не пробиваемые колющим оружием изделия, изготовленные из тканых арамидных нитей с определенным сочетанием линейной плотности пряжи и коэффициента плотности ткани, изготовленной из пряжи. В указанных патентах применяются пряжи с ударной вязкостью, по меньшей мере, 30 джоулей на грамм.

В патенте США 6103646 описаны изделия, не пробиваемые колющим оружием и пулями. У таких изделий имеются не пробиваемые колющим оружием слои и слои, не пробиваемые пулями, в сочетании с не пробиваемыми колющим оружием слоями на наружной поверхности или ударной поверхности изделия.

В патенте США 5565264 раскрыта защитная ткань с высокоплотным переплетением. А именно, для образования сверхплотной блокирующей структуры, устойчивой к смещению нитей поперечные сечения нитей деформируются с помощью ткачества до приблизительно квадратных форм.

В патентах США 5837623 и 5976996 раскрыты подложки для защитной ткани, изготовленные из пряж с высокоплотным переплетением, включающих штапельные пряжи. В указанных патентах показано, что штапельные пряжи применяются только там, где ткань будет подвергаться незначительному растяжению или разрывной нагрузке, и что с помощью покрытия на ткани можно усилить ее прочность и улучшить ее эксплуатационные характеристики в отношении растяжения и разрывной нагрузки. Покрытие плотных тканых материалов, о котором сообщается в указанных патентах, является в значительной степени большим по высоте, то есть порядка 130-140%. Для описанных в указанных патентах тканей коэффициенты плотности ткани составляют более 1,15. Такие ткани, как правило, очень жесткие, плохо драпируются, и из-за высокоплотной тканой подложки ткани имеют ограниченную гибкость, независимо от типов применяемых пряж.

В связи с вышесказанным целью настоящего изобретения является создание улучшенного, гибкого, облегченного изделия, не пробиваемого колющим оружием и также, при необходимости, пулями.

Сущность изобретения

Изобретение относится к непробиваемому защитному изделию, содержащему:

множество гибких слоев, не пробиваемых колющим оружием, с поверхностной плотностью от 0,5 до 6,0 кг на квадратный метр, каждый из слоев изготовлен из тканого материала;

тканый материал с коэффициентом плотности ткани от 0,75 до 1,15, изготовленный из пряж;

пряжи с линейной плотностью 500 децитекс или менее, прочностью от 3 до 20 г на децитекс и энергией разрушения от 8 до менее 30 джоулей на грамм, пряжи, дополнительно содержащие штапельные волокна; и

штапельные волокна с линейной плотностью от 0,2 до 7,0 децитекс на волокно.

В соответствии со вторым вариантом осуществления настоящее изобретение дополнительно включает в себя второе множество пуленепробиваемых слоев.

Краткое описание чертежей

Изобретение можно более полно понять из следующего его подробного описания, связанного с сопровождающими чертежами, описанными далее.

На фиг.1 показана схематическая иллюстрация непробиваемого защитного изделия с не пробиваемыми колющим оружием слоями согласно настоящему изобретению.

На фиг.2A-C показаны схематические иллюстрации соответственно смешанной штапельной пряжи, крученой штапельной пряжи и смешанной непрерывной комплексной нити.

На фиг.3 показана схематическая иллюстрация непробиваемого защитного изделия с не пробиваемыми колющим оружием слоями и с пуленепробиваемыми слоями, согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к непробиваемым защитным изделиям, включая защитные изделия, не пробиваемые колющим оружием, и защитные изделия, не пробиваемые колющим оружием и пулями.

В первом варианте осуществления непробиваемое защитное изделие 10 содержит тканый материал, изготовленный из множества гибких слоев 12, 14, не пробиваемых колющим оружием. На фиг.1 позиция 14 обозначает слои, третьи или более по счету, которые при необходимости могут включаться в изделие. Тканый материал изготовлен из пряж. Пряжи содержат штапельные волокна.

(1) Слои

Изделие 10 содержит множество гибких слоев 12, 14, не пробиваемых колющим оружием.

Слои 12, 14, не пробиваемые колющим оружием, в совокупности обладают поверхностной плотностью от 0,5 до 6,0 кг на квадратный метр и предпочтительно от 1,0 до 5,0 кг на квадратный метр. Когда поверхностная плотность слоев составляет менее 0,5, слои 12, 14 не обеспечивают достаточную защиту. Когда поверхностная плотность объединенного множества слоев превышает 6,0 кг на квадратный метр, объединенные слои 12, 14 обычно становятся слишком объемными, тяжелыми и жесткими, становясь некомфортабельными при носке. Когда поверхностная плотность слишком велика, это мешает способности владельца передвигаться и быстро маневрировать, и приводит к значительной усталости владельца во время длительного периода носки.

Чем больше количество слоев 12, 14, тем больше поверхностная плотность объединенных слоев 12, 14. Чем ниже линейная плотность штапельных пряж, идущих на изготовление ткани для слоев 12, 14, тем больше количество слоев 12, 14, которое можно применять, с приемлемой поверхностной плотностью объединенных слоев 12, 14. Например, когда ткани изготавливают из штапельной пряжи с 220 децитекс как в основном направлении, так и в направлении заполнения, число слоев 12, 14 тканого материала находится в диапазоне от 3 до 50. С другой стороны, когда ткани изготавливают из штапельной пряжи со 110 децитекс как в основном направлении, так и в направлении заполнения, число слоев 12, 14 тканого материала находится в диапазоне от 6 до 80.

Слои 12, 14 могут удерживаться вместе или соединяться каким-либо способом, таким как сшивание, или их можно укладывать вместе стопкой и удерживать, например, с помощью оболочки из ткани или с помощью крепежного элемента. Слои 12, 14 можно разделить на секции, которые можно по отдельности укладывать стопкой и соединять, или все слои 12, 14 можно укладывать стопкой и соединять в виде одного блока. Предпочтительно слои 12, 14 или секции слоев соединяют вместе по углам или в точках, расположенных вдоль кромок слоев 12, 14 на расстоянии друг от друга, и иным способом, по существу не используя средства для удержания слоев 12, 14 ткани вместе. Как вариант, слои 12, 14 или секции слоев можно скреплять вместе в точках или небольших областях, расположенных приблизительно на расстоянии 15 или более сантиметров друг от друга. Обеспечение значительной подвижности слоев 12, 14 по отношению к каждому из соседних слоев, так, как описано выше, повышает стойкость к более значительным воздействиям колющего оружия, однако может уменьшить стойкость по отношению к пулям.

Объединение слоев 12, 14 или секций слоев согласно настоящему изобретению производят путем укладывания их вместе лицом к лицу по отношению друг к другу со слоями других материалов или без них, если требуется. Материалы для других слоев, которые можно помещать между слоями 12, 14, или секций слоев, включают в себя, например, водоотталкивающие материалы, противотравматические материалы и т.п.

(2) Ткань

Слои 12, 14 изготавливают из тканого материала. Под тканым понимается любое ткацкое переплетение, такое как миткалевое переплетение, V-образное переплетение, переплетение "рогожка", атласное переплетение, саржевое переплетение и т.п. Миткалевое переплетение является наиболее общим.

Ткань, из которой изготовлены слои 12, 14, представляет собой ткань с "плотным переплетением", что означает, что ее коэффициент плотности составляет от 0,75 до 1,15 и предпочтительно, от 0,85 до приблизительно 1,10. Более предпочтительно, чтобы слои 12, 14 из плотного тканого материала имели следующее соотношение между линейной плотностью пряжи (децитекс) и коэффициентом плотности ткани:

Y > или = X 6,25·10^-4 + 0,69 (1)

где Y = коэффициент плотности ткани и X = линейная плотность пряжи, как описано в вышеупомянутом патенте США 5578358.

"Коэффициент плотности ткани" и "коэффициент заполнения" являются обозначениями, характеризующими плотность переплетения ткани. Коэффициент заполнения представляет собой расчетное значение, связанное с геометрией переплетения и указывающее процент общей площади поверхности ткани, заполненной нитями ткани. Коэффициент заполнения можно рассчитать различными способами, хорошо известными в данной области. Например, способ, применяемый для расчета коэффициента заполнения, может быть следующим (из публикации Weaving: Conversion of Yarns to Fabric, Lord and Mohamed, опубликованной Merrow (1982), стр. 141- 143):

dw = ширина основной пряжи в ткани;

df = ширина пряжи для заполнения ткани;

Pw = шаг основной пряжи (количество нитей на единицу длины);

pf = шаг пряжи для заполнения.

Коэффициент заполнения в основном направлении =

Коэффициент заполнения в направлении заполнения =

Коэффициент заполнения ткани =

Ширины основной пряжи и пряжи для заполнения, d_w и d_f, можно рассчитать различными способами, известными в данной области, такими как перечисленные в публикации "All-Fiber System Соответствует Needs Fabric Engineering" автором J.B.Dickson, vol.102, p.113 - 250 of Textile World (1952).

В зависимости от типа переплетения ткани максимальный коэффициент заполнения может быть довольно низким, даже если нити в ткани расположены близко друг к другу. По этой причине более применимым показателем плотности переплетения является "коэффициент плотности ткани". Коэффициент плотности ткани представляет собой меру плотности переплетения ткани по сравнению с максимальной плотностью переплетения в зависимости от коэффициента заполнения.

Коэффициент плотности ткани =

Например, максимальный коэффициент заполнения, который возможен без сминания нитей в ткани, для ткани с миткалевым переплетением составляет 0,75; и, следовательно, ткань с миткалевым переплетением с фактическим коэффициентом заполнения 0,68 будет иметь коэффициент плотности ткани 0,91, а ткань с миткалевым переплетением с фактическим коэффициентом заполнения 0,83 будет, следовательно, иметь коэффициент плотности ткани 1,1. Предпочтительным переплетением при применении настоящего изобретения на практике является миткалевое переплетение.

(3) Пряжи

Тканый материал изготавливают из пряж. Пряжи обладают линейной плотностью 500 децитекс или меньше и предпочтительно, по меньшей мере, 25 децитекс. Пряжи обладают прочностью от 3 до 20 г на децитекс и предпочтительно от 5 до 16 г на децитекс. Энергия разрушения пряж (или ударная вязкость) составляет от 8 до менее 30 джоулей на г и предпочтительно от 10 до 25 джоулей на г. Относительное удлинение при разрыве пряж предпочтительно составляет, по меньшей мере, 2,0 процента, и верхний предел относительного удлинения при разрыве не известен. При относительном удлинении при разрыве менее 2,0 процентов обычно получают пряжу, которая является хрупкой (непрочной).

Пряжи в большинстве тканевых слоев содержат штапельные волокна. См. фиг.2A, которая является схематической иллюстрацией смешанной штапельной пряжи. Пряжи могут представлять собой исключительно штапельные пряжи. Однако тканый материал может быть изготовлен из множества пряж, изготовленных из штапельных волокон, и других пряж, содержащих непрерывную комплексную нить. См. фиг.2C, которая является схематической иллюстрацией смешанной непрерывной комплексной нити. Возможно любое трикотажное переплетение, в котором применяются как штапельные пряжи, так и непрерывные комплексные нити, такое как трикотажное переплетение (a) со штапельными пряжами и непрерывными комплексными нитями, перемежающимися в любом из двух или в обоих направлениях - основном направлении и направлении заполнения, (b) с двумя или более непрерывными комплексными нитями в довершение к штапельной пряже в любом из двух или в обоих направлениях - основном направлении и направлении заполнения, или (c) с двумя или более штапельными пряжами в довершение к непрерывной комплексной нити в любом из двух или в обоих направлениях - основном направлении и направлении заполнения.

Изделие 10 может включать в себя множество слоев 12, 14 тканого материала, изготовленных исключительно или частично из штапельной пряжи, и один или более слоев, изготовленных из тканого материала, изготовленного исключительно из непрерывной комплексной нити. Например, изделие 10 может содержать повторяющийся набор из одного или более слоев, изготовленных из непрерывной комплексной нити, уложенных стопкой вслед за одним или более слоев 12, 14, изготовленных исключительно или частично из штапельной пряжи.

Когда изделие включает в себя, по меньшей мере, один слой тканого материала, изготовленного из пряжи, включающей в себя непрерывные комплексные нити, такая ткань предпочтительно обладает коэффициентом плотности ткани, по меньшей мере, 0,75, и такая пряжа обладает линейной плотностью менее 500 децитекс.

Кроме того, пряжи, применяемые для изготовления тканого материала в слое или в различных слоях, можно изготовить из одного полимера, различных полимеров, сополимера, различных сополимеров или их смесей. Здесь описаны подходящие полимеры и сополимеры.

Пряжи могут быть кручеными с уровнем крутки в диапазоне, соответствующем коэффициенту крутки, равному не более 5. См. фиг.2B, которая является схематической иллюстрацией крученой штапельной пряжи. Под коэффициентом крутки подразумеваются отношения числа круток в пряже, выраженного в количестве кручений на 1 дюйме, к квадратному корню из номера пряжи. Под эффективным скручиванием подразумевается, что для того, чтобы скрутить нить, один конец нити удерживается неподвижно, а другой конец поворачивается или вращается вокруг продольной оси нити. Крученая пряжа обладает коэффициентом крутки, который можно рассчитать следующим образом:

Коэффициент крутки = tpi·sqrt(денье)/73 (7)

= tpc·sqrt(децитекс)/30,3 (8)

= tpi/sqrt (номер хлопчатобумажной пряжи) (9)

где tpi = число кручений на 1 дюйм,

tpc = число кручений на 1 сантиметр, и

номер хлопчатобумажной ткани = число мотков пряжи по 840 ярдов в 1 фунте.

Пряжи могут содержать множество нитей, свитых (то есть, объединенных) и скрученных вместе. Когда две нити свиваются и скручиваются вместе, такая нить называется бикомпонентной нитью. Скручивание комплексной нити будет происходить в направлении, противоположном любому скручиванию индивидуальных нитей в комплексной нити. Одно- или более компонентные нити могут представлять собой непрерывную комплексную нить.

Количество нитей или концов в основном направлении и направлении заполнения может быть одинаковым или различаться. Линейная плотность нитей или концов в основном направлении и направлении заполнения, или даже в одном и том же направлении, может быть одинаковой или различной. Для обеспечения адекватной защиты жизни в сочетании с приемлемой гибкостью и комфортом требуется более высокая линейная плотность нитей в тканом материале, меньшее количество концов на единицу длины.

(4) Волокна

Пряжи изготавливают из штапельных волокон. Для указанных здесь целей термин "волокно" определяется как относительно гибкое, макроскопически гомогенное тело с высоким отношением длины к ширине по всей области поперечного сечения, перпендикулярного к его длине. Поперечное сечение волокна может быть любой формы, однако обычно круглой формы. На равных основаниях с термином "волокно" применяется термин "элементарная нить".

Штапельные волокна могут быть смешанными; пряжа может быть крученой; прочее и тем и другим. Когда нить изготавливают из "смешанных" штапельных волокон, она представляет собой объединенный элемент из дискретных волокон, перемешанных или спутанных по длине нити для сохранения единства нити.

Штапельные волокна обладают линейной плотностью от 0,2 до 7,0 децитекс на волокно и предпочтительно от 0,4 до 5,0 децитекс на волокно.

Штапельные волокна имеют (a) в значительной степени одинаковую длину, (b) переменную или произвольную длину или (c) подгруппы штапельных волокон, имеющих в значительной степени одинаковую длину, и штапельные волокна в других подгруппах, имеющие разные длины, будучи смешанными вместе со штапельными волокнами в подгруппах, образуют в значительной степени однородное распределение.

Подходящие штапельные волокна имеют длину от 1 до 30 сантиметров. Штапельные волокна изготавливают с помощью способов получения коротких штапельных волокон, получая при этом волокно длиной от 1 до 6 см.

Штапельные волокна можно изготавливать любым способом. Штапельные волокна можно формировать путем штапелирования жгута из непрерывных волокон, получая при этом штапельные волокна с деформированными участками, которые играют роль извитостей. Штапельные волокна можно отрезать от непрерывных неизвитых волокон, получая в результате неизвитое (то есть, без извитости) штапельное волокно, или дополнительно отрезать от извитых непрерывных волокон, имеющих извитость пилообразной формы вдоль длины штапельного волокна, с частотой извитости (или повторяющегося изгиба) не более 8 извитостостей на сантиметр.

Волокна могут присутствовать в непокрытой или покрытой форме, или иной, предварительно обработанной (например, путем предварительной вытяжки или термообработки) форме. В случае, когда применяется полиарамидное волокно, оно, как правило, представляет собой волокно, которое нет необходимости покрывать или иным образом предварительно обрабатывать.

Штапельные волокна, получаемые штапелированием жгута, можно изготавливать путем разрыва жгута или пучка из непрерывных элементарных нитей в процессе штапелирования жгута с одной или более зонами разрыва, которые находятся на заданном расстоянии, создавая волокна произвольной переменной массы со средней длиной отрезка, контролируемой с помощью приспособления для регулировки зоны разрыва. Для таких нитей характерна тенденция к разрывной нагрузке в диапазоне приблизительно от 4 до 15 г на денье (то есть, приблизительно от 3 до 13,5 г на децитекс) в зависимости от средней длины волокна. Волокна, получаемые штапелированием жгута, неизвитые, поскольку степень извитости придается волокну вледствие натяжения и последующей деформации при сжатии после разрыва.

Штапельные волокна согласно настоящему изобретению можно превращать в пряжи с помощью традиционных способов кольцевого прядения длинных и коротких штапельных волокон, которые хорошо известны в данной области. Для системы прядения коротковолокнистого хлопка обычно применяют волокна с длинами от 3/4 дюйма до 2 и 1/4 дюйма (то есть от 1,9 до 5,7 см). Для гребенной системы прядения или аппаратной системы прядения обычно применяют длинноволокнистые волокна до 6 и 1/2 дюйма (то есть до 16,5 см). Однако изобретение не ограничивается кольцевым прядением, поскольку пряжу также можно формовать, применяя способ прядения с обдувом воздухом, пневмомеханический способ прядения и многие другие типы прядения, с помощью которых штапельное волокно превращается в подходящую для применения пряжу.

Штапельные волокна, получаемые штапелированием жгута, обычно имеют длину до 7 дюймов (то есть 17,8 см) и могут быть изготовлены с помощью традиционных способов штапелирования жгута до гребенной ленты штапеля. Штапельные волокна с максимальными длинами приблизительно до 20 дюймов (то есть до 51 см) можно получить с помощью способа, описанного, например, в международной публикации заявки WO 0077283. Таким образом, пряжи изготавливают путем объединения волокон в пряжу путем переплетения элементарных нитей с обдувами воздухом, имеющую прочность в диапазоне от 3 до 7 г на децитекс. Такие пряжи могут иметь вторичную крутку, то есть их можно подвергнуть крутке после формирования для придания волокну большей прочности, при этом прочность может находиться в диапазоне от 10 до 18 г на денье (то есть от 9 до 17 г на децитекс). Штапельным волокнам, получаемым штапелированием жгута, обычно не требуется извитость, поскольку волокно наделяется степенью извитости в процессе.

Применение пряж, изготовленных из штапельных волокон, а не из непрерывных волокон, обеспечивает многочисленные преимущества. Когда применяются пряжи из штапельных волокон, можно разработать технические характеристики изделия с более различающимися по линейной плотности нитями, чем это возможно для непрерывных комплексных нитей. Поставщики пряж из непрерывных элементарных нитей изготавливают пряжи только с ограниченным числом линейных плотностей. Изменение способа прядения от производства пряжи с одной линейной плотностью до пряжи с другой линейной плотностью приводит к потерям времени производства и трудовым затратам. Чтобы получить пряжу с линейной плотностью, которая прежде не производилась, требуются дополнительные затраты, такие как затраты на разработку и установку необходимых многоканальных мундштуков для нитей и на разработку других изменений производственного оборудования, которые могут потребоваться. Однако пряжи из штапельных волокон можно изготавливать из нитей, изготовленных из разных непрерывных волокон.

Также штапельные нити с линейной плотностью менее 500 децитекс стоят значительно дешевле, чем непрерывные комплексные нити. Кроме того, потребность в непрерывных комплексных нитях с определенными линейными плотностями может быть больше, чем мощности для изготовления таких нитей. В таком случае для производства требуемых штапельных пряж можно использовать непрерывные комплексные нити с другими линейными плотностями, производимые в избытке или имеющиеся в запасе, для значительного снижения издержек.

Кроме того, применение пряж, изготовленных из штапельных волокон, позволяет изготавливать пряжи с однородной смеской волокон или изготавливать смесь волокон с высокими эксплуатационными характеристиками, изготовленными из различных полимеров или сополимеров. Это практически неосуществимо на сегодняшнем производственном оборудовании для изготовления непрерывных комплексных нитей.

Применение штапельных пряж также повышает способность изделия соответствовать контурам формы тела владельца.

Волокнообразующий полимер

Волокна изготавливают из полиамидных волокон, полиолефиновых волокон, полибензоксазольных волокон, полибензотиазольных волокон, поли{2,6-диимидазо[4,5-b4′,5′-e]пиридинилен-1,4-(2,5-дигидрокси)фениленового} волокна (PIPD) или их смесей. Предпочтительно, волокна изготавливают из полиамида.

Когда полимер представляет собой полиамид, предпочтительным является арамид. Под "арамидом" подразумевается полиамид, в котором, по меньшей мере, 85% амидных (-CO-NH-) связей присоединяются непосредственно к двум ароматическим кольцам. Подходящие арамидные волокна описаны в публикации Man-Made Fibers - Science and Technology, Volume 2, в части, озаглавленной "Fiber-Forming Aromatic Polyamides", стр. 297, W. Black и др., Interscience Publishers, 1968. Арамидные волокна также описаны в патентах США 4172938; 3869429; 3819587; 3673143; 3354127 и 3094511.

Можно применять добавки к арамиду, и установлено, что с арамидом можно смешивать вплоть до 10 процентов по массе другого полимерного материала, или что можно применять сополимеры, содержащие вплоть до 10 процентов другого диамина, замещающего диамин арамида или вплоть до 10 процентов хлорангидрида другой двухосновной кислоты, замещающего хлорангидрид двухосновной кислоты или арамид.

Предпочтительный арамид представляет собой пара-арамид, и поли(п-фенилентерефталамид)(PPD-T) представляет собой предпочтительный пара-арамид. Под PPD-T подразумевается гомополимер, образующийся в результате полимеризации при соотношении "моль на моль" п-фенилендиамина и терефталоилхлорида, а также сополимеры, образующиеся в результате включения наряду с п-фенилендиамином небольших количеств других диаминов и наряду с терефталоилхлоридом небольших количеств хлорангидридов других двухосновных кислот. Как правило, другие диамины и хлорангидриды других двухосновных кислот можно применять в количествах приблизительно вплоть до 10 мольных процентов от п-фенилендиамина или терефталоилхлорида, или возможно, в незначительно более высоких количествах, только при условии, что у других диаминов и хлорангидридов двухосновных кислот нет реакционноспособных групп, которые препятствуют реакции полимеризации. Под PPD-T также подразумеваются сополимеры, образующиеся в результате включения других ароматических диаминов и других хлорангидридов ароматических двухосновных кислот, таких как, например, 2,6-нафталоилхлорид, или хлор- или дихлортерефталоилхлорид, или простой 3,4′-диаминодифениловый эфир.

Предпочтительно, если полимер представляет собой полиолефин, полиэтилен или полипропилен. Под полиэтиленом подразумевается преимущественно линейный полиэтилен, предпочтительно с молекулярной массой более одного миллиона, который может содержать незначительные количества разветвлений цепи или незначительные количества сомономеров, не превышающие 5 модифицированных единиц на 100 атомов углерода главной цепи, и который может также содержать в количестве приблизительно не более, чем 50 мас.% примешанные к нему одну или более из полимерных добавок, таких как алкен-1-полимеры, в частности, полиэтилен низкой плотности, пропилен и т.п., или добавки с низкой молекулярной массой, такие как антиоксиданты, смазки, агенты, экранирующие ультрафиолетовое излучение, красители и т.п., которые обычно включаются в состав. Такой полиэтилен обычно известен как полиэтилен с вытянутыми цепями (ECPE). Аналогичным образом, полипропилен представляет собой преимущественно линейный полипропилен с молекулярной массой предпочтительно более одного миллиона. Волокна из линейных полиолефинов с высокой молекулярной массой доступны для приобретения. Получение полиолефиновых волокон обсуждается в патенте США 4457985.

Подходящими являются полибензоксазол (PBO) и полибензотиазол (PBZ), такие как описанные в заявке WO93/20400. Полибензоксазол и полибензотиазол предпочтительно состоят из повторяющихся единиц следующих структур:

Несмотря на то, что указанные ароматические группы, соединенные с атомами азота, могут быть гетероциклическими, предпочтительно они являются карбоциклическими; и, несмотря на то, что они могут представлять собой конденсированные или неконденсированные полициклические системы, предпочтительно они представляют собой отдельные шестичленные кольца. Несмотря на то, что группа, указанная в главной цепи бис-азолов, предпочтительно представляет собой пара-фениленовую группу, такая группа может быть замещена любой двухвалентной органической группой, которая не препятствует получению полимера, или не целой группой. Например, такая группа может представлять собой алифатическую группу, содержащую до двенадцати атомов углерода, толилен, бифенилен, простой бис-фениленовый эфир и т.п.

Полибензоксазол и полибензотиазол, применяемые для изготовления волокон согласно настоящему изобретению, должны иметь, по меньшей мере, 25 и предпочтительно, по меньшей мере, 100 повторяющихся единиц. Получение полимеров и прядение (формование) таких полимеров описано в упомянутой выше международной публикации заявки WO 93/20400.

Изделия

Изделия согласно настоящему изобретению предпочтительно сконструированы исключительно из тканого материала без жестких пластин или пластинок и без отверждающихся связующих, пропитывающих тканые материалы. В результате изделия согласно настоящему изобретению более гибкие и легкие по весу, чем известные непробиваемые конструкции, предлагающие сопоставимую защиту.

Изделие 10 согласно настоящему изобретению предпочтительно соответствует, по меньшей мере, уровню 1, более предпочтительно уровню 2 и наиболее предпочтительно уровню 3 эксплуатационных требований в отношении колющего оружия, которые описаны в стандарте NIJ Standard-0115.00, озаглавленном "Стойкость персональной нательной брони к колющему оружию", датированном сентябрем 2000 г. В соответствии с настоящим изобретением многочисленные технические характеристики изделия по возможности соответствуют указанному стандарту. Например, когда тканые материалы в слоях изготовлены из штапельных пряж с 220 децитекс, как в основном направлении, так и в направлении заполнения, число штапельных волокон или нитей как в основном направлении, так и в направлении заполнения может составлять от 60 до 90 и в зависимости от числа штапельных волокон или нитей выбирается в указанном диапазоне, количество слоев может составлять от 3 до 50. Когда применяются штапельные пряжи разной линейной плотности, существуют соответствующие вариации технических характеристик изделия.

Изделие 20, проиллюстрированное на фиг.3, может при необходимости содержать второе множество пуленепробиваемых слоев 22. На фиг.3 позицией 24 обозначены третьи по счету или более пуленепробиваемые слои, которые можно при необходимости включать в изделие. Изделие 20 согласно настоящему изобретению предпочтительно соответствует, по меньшей мере, типу IIA, более предпочтительно типу II и наиболее предпочтительно типу IIIA эксплуатационных требований в отношении пуль, которые описаны в стандарте NIJ Standard-0101.04, озаглавленном "Пуленепробиваемость персональной нательной брони", датированном сентябрем 2000 г. Здесь можно применять любой из пуленепробиваемых слоев, известных в данной области. Для различных пуленепробиваемых слоев можно применять различные материалы или конструкции. Подходящие пуленепробиваемые слои описаны в патентах США 6119575 и 6195798 и международной публикации заявки WO 01/96111 A1.

Термин "изделие" применяется здесь для обозначения, по меньшей мере, двух гибких не пробиваемых колющим оружием слоев, как здесь описано. Изделие может включать в себя, по меньшей мере, два пуленепробиваемых слоя. Изделие может включать в себя другие слои или материалы, такие как водоотталкивающие материалы, противотравматические материалы, и крепежные элементы или покрытия, или сшивание или склеевание для удерживания слоев вместе.

Термин "защитные" означает, что изделия являются стойкими к пробиванию в отношении определенных опасных для жизни факторов, таких как колющее оружие и предпочтительно пули. Колющее оружие представляет собой острые или заостренные объекты, подобные ледорубу. Термин "пуля" применяется здесь для обозначения пули или другого объекта или такого его фрагмента, как фрагмент, выстреливаемый из огнестрельного оружия.

Защитные изделия защищают те части тела, значительное повреждение которых может привести к смерти. Такие части включают в себя торс, паховую область, шею и голову. По существу защитные изделия включают в себя защитную одежду или нательную броню, которые защищают указанные части, такие как жилетки, жакеты и т.д.

Способы тестирования

В следующих примерах применялись следующие способы тестирования.

Линейная плотность. Линейную плотность нити или волокна определяли путем взвешивания нити или волокна известной длины, основанного на методиках, описанных в ASTM D1907-97 и D885-98. Децитекс или "дтекс" определяли как вес в г 10000 метров нити или волокна.

Механические свойства при растяжении. Тестируемые волокна доводили до кондиции и затем проверяли на растяжение, основываясь на методиках, описанных в ASTM D885-98. Прочность (предел прочности на разрыв), относительное удлинение при разрыве и модуль упругости определяли с помощью пробы на разрыв волокон на разрывной машине "Инстрон".

Поверхностная плотность. Поверхностную плотность слоя ткани определяли с помощью стандартного способа тестирования ASTM D 3776-96 в единицах массы на единицу площади (веса) ткани. Поверхностную плотность композитной структуры определяли путем суммирования поверхностных плотностей отдельных слоев.

Степень извитости. Оценку степени извитости синтетических штапельных волокон проводили с помощью стандартного способа тестирования ASTM D 3937-01 (1995).

Длина отрезки. Оценку длины и распределения длин синтетических штапельных волокон (штапельной диаграммы) проводили с помощью стандартного способа тестирования ASTM D 5103-01 (1995).

Стойкость к колющему оружию. Испытания многослойных панелей на стойкость к колющему оружию проводили в соответствии со стандартом NIJ Standard-0115.00 "Стойкость персональной нательной брони к колющему оружию", опубликованным в сентябре 2000 г., для определения класса защищенности от колющего оружия.

Баллистические характеристики. Испытания многослойных панелей на баллистическом динамометре проводили в соответствии со стандартом NIJ Standard-0101.04 "Пуленепробиваемость персональной нательной брони", опубликованным в сентябре 2000 г.

Примеры

Теперь настоящее изобретение будет проиллюстрировано с помощью следующих конкретных примеров.

Получение пряж

Получены следующие различные типы пряж, изготовленных из поли(п-фенилентерефталамидного) волокна, доступного для приобретения у фирмы E.I. du Pont de Nemours and Company ("DuPont") под торговой маркой KEVLAR.

Пряжа #1

Пряжа #1 представляет собой пряжу из поли(п-фенилентерфталамидной) непрерывной элементарной нити с 220 децитекс, доступную для приобретения у фирмы DuPont под торговой маркой KEVLAR, с номинальной прочностью 24,5 г на децитекс, номинальным модулем 630 г на децитекс, номинальным относительным удлинением при разрыве 3,4% и номинальной линейной плотностью 1,67 децитекс на волокно. Энергия разрушения нити составляет 37,7 Дж/г, что больше 30 Дж/г.

Пряжа #2

Пряжа #2 представляет собой короткоштапельную хлопчатобумажную пряжу KEVLAR кольцевого способа прядения с 660 децитекс (английский номер хлопчатобумажной пряжи 18/2s), 1,67 децитекс на элементарную нить (1,5 dpf). Энергия разрушения нити составляет 11,5 Дж/г, что меньше, чем 30 Дж/г, однако больше, чем 8 Дж/г, номинальная прочность составляет 7,8 г на децитекс, номинальное относительное удлинение при разрыве составляет 4,05%. Такую пряжу производят, применяя 4,8 см, с квадратным сечением, одинаковые по длине штапельные волокна с 1,67 децитекс на элементарную нить. Такие штапельные волокна превращают в пряжи с помощью технологии прядения короткого штапельного волокна, включающей в себя хорошо известное оборудование, имеющееся в продаже. Способ кольцевого прядения коротких штапельных волокон, применяемый для изготовления пряжи согласно данному примеру, включает в себя (1) процесс кардования, где штапельные волокна превращаются в ленту кардного прочеса, (2) многопроходный процесс вытягивания (измельчитель/промежуточный этап (перегонка)/вытягивание на отделочной машине), где ленты многократного кардного прочеса превращаются в ленту с окончательной отделкой после вытягивания, (3) процесс предпрядения (образования ровницы), где лента, полученная после вытягивания, перерабатывается в ровницу, (4) процесс кольцевого прядения, где ровница скручивается кольцами в пряжу, (5) процесс устранения дефектов для удаления нежелательных дефектов из пряжи кольцевого прядения и (6) процесс намотки для упаковки пряжи на конусную бобину.

Пряжа #3

Пряжа #3 представляет собой пряжу кольцевого прядения KEVLAR, получаемую разрывом при натяжении, с 220 децитекс (английский номер хлопчатобумажной пряжи 26,6/1s), 1,67 децитекс на элементарную нить (1,5 dpf). Энергия разрушения нити составляет 9,2 Дж/г, что значительно меньше 30 Дж/г, однако больше, чем 8 Дж/г, номинальная прочность составляет 8,6 г на децитекс, и номинальное относительное удлинение при разрыве составляет 2,44%. Такую пряжу производят из штапельных волокон различной длины разрывом при натяжении с 1,7 децитекс на элементарную нить, средняя длина обычно находится между 7 и 11 см (приблизительно от 3 до 5 дюймов). Такие штапельные волокна производят и превращают в штапельные пряжи, полученные прядением, с помощью гребенной технологии прядения длинномерного штапеля "от жгута до гребенной ленты", включающей в себя хорошо известное оборудование, имеющееся в продаже. Способ, применяемый для изготовления пряжи согласно данному примеру, включает в себя (1) процесс разрыва жгута, где жгут, содержащий множество непрерывных элементарных нитей, натягивают и разрывают с получением произвольных длин для изготовления "гребенной ленты", (2) многопроходный процесс натяжения на валике с игольчатой гарнитурой, известный также как обработка гребенной планкой (измельчитель/промежуточный этап (перегонка)/вытягивание на отделочной машине), где ленты с многократными разрывами, полученными при натяжении, или "гребенная лента", превращаются в ленту с окончательной отделкой после вытягивания, (3) процесс предпрядения (образования ровницы), где лента, полученная после вытягивания, перерабатывается в ровницу, (4) процесс кольцевого прядения, где ровница скручивается кольцами в пряжу, (5) процесс устранения дефектов для удаления нежелательных дефектов из пряжи кольцевого прядения и (6) процесс намотки для упаковки пряжи на конусные бобины.

Пряжа #4

Пряжа #4 представляет собой пряжу из поли(п-фенилентерфталамидных) непрерывных элементарных нитей с 930 децитекс, доступных для приобретения у фирмы DuPont под торговой маркой KEVLAR, с номинальной прочностью 24,1 г на децитекс, с номинальным модулем 630 г на децитекс, номинальным относительным удлинением при разрыве 3,4% и номинальной линейной плотностью 1,67 децитекс на волокно. Энергия разрушения нити составляет 44,3 Дж/г, что больше, чем 30 Дж/г.

Получение слоев

Для испытаний при различных поверхностных плотностях из упомянутых выше пряж изготавливали слои из следующих тканей.

(1). Ткань с миткалевым переплетением из пряжи #1 с 220 децитекс изготовлена при 70 x 70 нитей на дюйм (27,6 x 27,6 нитей на см) с коэффициентом плотности ткани 1,0 и применяется в качестве контрольного образца. Такой слой определяют как слой "A".

(2). Ткань с миткалевым переплетением из пряжи #2 с 660 децитекс изготовлена при 34 x 34 нитей на дюйм (13,4 x 13,4 нитей на см) с коэффициентом плотности ткани 0,88. Такой слой определяют как слой "B".

(3). Ткань с миткалевым переплетением из пряжи #3 с 220 децитекс изготовлена при 70 x 70 нитей на дюйм (27,6 x 27,6 нитей на см) с коэффициентом плотности ткани 1,0. Такой слой определяют как слой "С".

(4). Ткань с миткалевым переплетением из пряжи #4 с 930 децитекс изготовлена при 26 x 26 нитей на дюйм (10,2 x 10,2 нитей на см) с коэффициентом плотности ткани 0,82. Такой слой определяют как слой "D".

Пример 1 изобретения и примеры 2, 3 и 4 для сравнения

В примере 1 изобретения в образцах с различными композитными структурами, на которых проводили испытания на стойкость к колющему оружию, тканевые слои "C" изготавливали согласно изобретению. В примерах для сравнения 2,3 и 4 тканевые слои "A", "B" и "D" изготавливали для композитных структур, на которых проводили испытание на непробиваемость колющим оружием. Проводимые испытания на непробиваемость колющим оружием основываются на протоколе испытаний для уровня 1, описанного в стандарте NIJ Standard 0115.00, озаглавленном "Стойкость персональной нательной брони к колющему оружию", датированном сентябрем 2000 г. В протоколе испытаний устанавливается максимально допустимая пробиваемость не более 7 мм, когда испытания проводятся при 24 Дж, и не более 20 мм, когда испытания проводятся при 36 Дж, чтобы соответствовать уровню 1 эксплуатационных требований. Результаты испытаний на непробиваемость колющим оружием приведены в таблице 1.

Таблица 1Пример №Энергия разрыва нити (Дж/г)КонструкцияПоверхностная плотность (кг/м²)Глубина пробивания (мм)@24 Дж @36 ДжПример 1 изобретения9,226 слоев "С"3,20(< 7)15(<20)Пример 2 для сравнения37,716 слоев "А"2,000Пример 3 для сравнения11,532 слоя "В"7,01922Пример 4 для сравнения44,364 слоя "D"12,83661

Результаты испытания на непробиваемость изделия согласно настоящему изобретению колющим оружием показали хорошую непробиваемость изделия колющим оружием согласно уровню 1 стандарта NIJ при поверхностной плотности 3,2 кг/м², то есть пробиваемость меньше 7 мм, когда испытания проводили при 24 Дж, и меньше 20 мм, когда испытания проводили при 36 Дж, несмотря на значительно низкую энергию разрыва нити, то есть 9,2 Дж/г. В то время как в примере для сравнения 2 также была показана хорошая стойкость к колющему оружию, требуемая энергия разрыва нити была очень высокой, то есть выше 30 джоулей на г, что обычно очень дорого для производства. Результаты сравнительного примера 3 и сравнительного примера 4 показали очень низкую непробиваемость колющим оружием даже при очень высокой поверхностной плотности 7,0 кг/м² и 12,8 кг/м², соответственно.

Пример 5 изобретения

Проведенные испытания на баллистическом динамометре и испытания на стойкость против колющего оружия образца, изготовленого из 22 слоев "C" от ударной поверхности и 16 слоев "D" с изнаночной стороны по отношению к телу, основываются на уровне IIA протокола испытаний на баллистическом динамометре, описанном в стандарте NIJ Standard 0101.04, озаглавленном "Пуленепробиваемость персональной нательной брони", датированном сентябрем 2000 г., и на уровне 1 протокала испытания стойкости против колющего оружия, описанном в стандарте NIJ Standard 0115.00, озаглавленном "Стойкость персональной нательной брони к колющему оружию" и датированном сентябрем 2000 г. Результаты испытаний приведены ниже в таблице 2.

Таблица 2Пример №Поверх-
ност-
ная плот-
ность (кг/м²)Глубина пробивания (мм)Деформация невидимой поверхности согласно уровню IIA NIJV50 (м/сек)@24Дж@36Дж9 мм357 mag9 мм357 magПример 55,90(<7)13(<20)35(<44)41(<44)455409

Испытание непробиваемости объединенных слоев данного образца согласно изобретению против колющего оружия показало очень хорошую непробиваемость колющим оружием по сравнению с уровнем 1 стандарта NIJ, то есть, пробиваемость <7 мм, когда испытания проводили при 24 Дж, и <20 мм, когда испытания проводили при 36 Дж. Испытания V50s на баллистическом динамометре и испытания по деформации невидимой поверхности проводили на объединенных слоях. Пробное изделие согласно изобретению из объединенных слоев показало хорошее значение баллистического V50 при скорости 455 м/сек относительно 9 мм пули и 409 м/сек относительно пули 40 S&W с деформацией невидимой поверхности меньше 44 мм относительно как 9 мм пули, так и пули 40 S&W, в соответствии с баллистическим уровнем IIA стандарта NIJ.

Настоящее изобретение относится к непробиваемым защитным изделиям, включающим в себя защитные изделия, не пробиваемые колющим оружием, и предпочтительно защитные изделия, не пробиваемые колющим оружием и пулями. Содержит множество гибких слоев с поверхностной плотностью от 0,5 до 6,0 кг на квадратный метр, каждый из слоев изготовлен из тканого материала, тканый материал имеет коэффициент плотности ткани от 0,75 до 1,15 и изготовлен из пряж, которые имеют линейную плотность 500 децитекс или меньше, прочность от 3 до 20 г на децитекс и энергию разрушения от 8 до менее 30 Дж на г, пряжи дополнительно содержат штапельные волокна; которые имеют линейную плотность от 0,2 до 7,0 децитекс на волокно. Изобретение обеспечивает создание улучшенного, гибкого, облегченного изделия, не пробиваемого колющим оружием, а также, при необходимости, пулями. 18 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Непробиваемое защитное изделие, содержащее:

множество гибких слоев с поверхностной плотностью от 0,5 до 6,0 кг/м², причем каждый из слоев изготовлен из тканого материала; при этом

тканый материал имеет коэффициент плотности ткани от 0,75 до 1,15 и изготовлен из пряж; а

пряжи имеют линейную плотность 500 децитекс или меньше, прочность от 3 до 20 г на децитекс и энергию разрушения от 8 до менее 30 Дж/г, причем пряжи дополнительно содержат штапельные волокна; при этом

штапельные волокна имеют линейную плотность от 0,2 до 7,0 децитекс на волокно.