СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ ТКАНИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПУЛЕСТОЙКОГО МАТЕРИАЛА И ПУЛЕСТОЙКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2020 года по МПК F41H1/02 

Изобретение относится к броневым конструкциям, в частности, к слоистым пулестойким материалам из баллистической ткани и способам их изготовления, а также способам обработки тканых изделий модифицированной монохлоруксусной кислотой и 1,6-гександиолом, и может быть использовано при изготовлении средств индивидуальной защиты: бронежилетов, защитной одежды, бронешлемов и их элементов.

Известно использование высокопрочных арамидных нитей для изготовления баллистических тканей в слоистых пулестойких материалах, собранных слоями в защитные тканевые пакеты (RU 2126856, D03D 15/00, 27.02.1999; RU 2175035, D03D 15/00, F41H 1/02, 20.10.2001, ЕА 002601, F41H 1/04, 27.06.2002, RU 2337304, F41H 5/04, F41H 1/02, 20.05.2008).

Защитные свойства таких пулестойких материалов определяются устойчивостью самих баллистических тканей к воздействию средств поражения (пули, осколки и т.п.), а также числом слоев баллистической ткани в тканевых пакетах. Однако для обеспечения высокого класса защиты от воздействия современных средств поражения требуется достаточно большое число слоев баллистической ткани в тканевом пакете. Это заметно ограничивает подвижность человека в бронежилете или защитной одежде, изготовленных с использованием многослойных тканевых пакетов, а также увеличивает массу изделия и усложняет технологию изготовления отдельных элементов и самого изделия.

Баллистическая арамидная ткань состоит из нитей, которые изготовлены из элементарных волокон, связанных между собой силами трения и водородных связей. При попадании поражающего элемента (пуля, осколок) в ткань каждое элементарное волокно воспринимает нагрузку самостоятельно, что приводит к неравномерному натяжению элементарных волокон и как следствие к их разрыву.

Вид водородных связей в элементарном волокне баллистической арамидной ткани представлен на Фиг. 1.

Силы трения и водородных связей (обозначены пунктирной линией, имеющие низкую энергию связи - 12,5-20 кДж/моль) не способны распределить нагрузку равномерно на все элементарные волокна в одной нити, а тем более между нитями основы и утка.

Известны арамидные волокна, которое для улучшения влагостойких защитных свойств покрыто фторуглеродным полимером, в состав которого входит фторированный мономер метакрилата (W 09201108, D06M 15/277, 1992.01.23).

Однако ткани и тканевые пакеты, изготовленные из указанных нитей и волокон, могут быть ограниченно использованы для изготовления слоистых баллистических материалов бронежилетов, защитной одежды и т.п., поскольку имеют малую гибкость и низкую баллистическую стойкость.

Известен слоистый пулестойкий материал, включающий слои из баллистической ткани - арамида. Наборы нитей слоев пулестойкого материала обработаны составом фторуглеродного полимера: смесью фторакрилатных полимеров (RU 2308661 С2, F41H 5/04, 2005.09.20).

Недостатком материала является ограниченность его использования для создания современных средств индивидуальной защиты, которые требуют сочетания высокой гибкости защитного материала, его износостойкости и высокого уровня баллистической стойкости.

Известен способ получения пулестойкого материала из слоев баллистической ткани и пулестойкий материал, основанные на использовании фторуглеродного полимера из группы: перфторполиэфирная кислота, перфторлауриновая кислота (RU 2430327 С2, F41H 1/02, C09D 127/12, 2011.09.27).

Недостатком материала является ограниченность его использования для создания современных средств индивидуальной защиты, которые требуют сочетания высокой гибкости защитного материала и высокого уровня баллистической стойкости. Материал, обработанный перфторпроизводными углеводородами, приобретает водоотталкивающие свойства, но не связывает между собой элементарные нити, а также нити основы и утка, что не позволяет перераспределить энергию поражающего элемента на весь объем одного слоя материала.

Также известен способ получения пулестойкого материала из слоев баллистической ткани и пулестойкий материал, основанный на замене водородных связей между элементарными волокнами и нитями основы и утка на ковалентные связи посредством поливинилового спирта (RU 2629744 С2, F41H 1/02, C09D 127/12, 2016.06.15). Фиг. 2 поясняет, что происходит при замене водородных связей в баллистической арамидной ткани между элементарными волокнами и нитями основы и утка.

Недостатком материала является ограниченность его использования для создания современных средств индивидуальной защиты в связи недостаточным уровнем баллистической стойкости, что обусловлено малочисленностью замены водородных связей на ковалентные связи через связи нитей с макромолекулами поливинилового спирта.

Самым близким по назначению и технической сущности (прототипом) является способ получения пулестойкого материала из слоев баллистической ткани и пулестойкий материал, основанный на замене водородных связей (12,5-20 кДж/моль) между элементарными волокнами и нитями основы и утка на ковалентные связи (344-352 кДж/моль) (RU 2701717 C1, F41H 1/02, 2018). Вид водородных связей в баллистической арамидной ткани прототипа представлен на Фиг. 3.

Недостатком материала является недостаточный уровень замены водородных связей на ковалентные связи через связи нитей с макромолекулами поливинилового спирта. В силу своих пространственных размеров макромолекулы поливинилового спирта [-СН₂-СН(ОН)-]_n (n - до 5000) не могут связать все доступные группы уксусной кислоты при атомах азота в арамидном волокне.

Задачей изобретения является создание баллистической ткани и пулестойкого материала с повышенными баллистическими свойствами.

Техническим результатом изобретения является повышение баллистических свойств баллистической ткани и пулестойкого материала, изготовленного из нее.

Технический результат достигается тем, что способ получения баллистической ткани для изготовления пулестойкого материала включает обработку нитей ткани путем погружения ткани в 50% раствор монохлоруксусной кислоты в дистиллированной воде, выдержку в нем, промывку, шлихтование путем погружения в 20-50% раствор 1,6-гександиола в дистиллированной или обессоленной воде, выдержку в нем, сушку до испарения растворителя, обработку катализатором - 20-40% раствором серной кислоты, с последующей отмывкой от катализатора и сушкой до воздушно-сухого состояния.

Изобретение характеризуется также следующими уточняющими признаками, которые относятся к частным случаям осуществления способа получения баллистической ткани:

- 50% раствор монохлоруксусной кислоты готовят растворением монохлоруксусной кислоты в дистиллированной воде в мерной колбе;

- время выдержки ткани в 50% растворе монохлоруксусной кислоты составляет около 1 часа;

- ткань отмывается от раствора монохлоруксусной кислоты до значения рН, близкого к нейтральному, по лакмусовой бумажке;

- 20-50% раствор 1,6-гександиола готовят путем введения 1,6-гександиола в нагретую до температуры 80-90°С дистиллированную или обессоленную воду;

- время выдержки ткани в 20-50% водном растворе 1,6-гександиола составляет около 2 часов;

- время обработки ткани катализатором составляет около 1 часа;

- ткань отмывается от катализатора до значения рН, близкого к нейтральному;

- сушку после обработки катализатором осуществляют при температуре 40-50°С.

Пулестойкий материал изготавливают из слоев баллистической ткани, которая получена путем обработки нитей ткани путем погружения ткани в 50% раствор монохлоруксусной кислоты в дистиллированной воде, с последующей выдержкой в нем, промывкой, шлихтованием путем погружения в 20-50% раствор 1,6-гександиола в дистиллированной или обессоленной воде, выдержкой в нем, сушкой до испарения растворителя, обработкой катализатором - 20-40% раствором серной кислоты, отмывкой от катализатора и сушкой до воздушно-сухого состояния.

Изобретение характеризуется также следующими уточняющими признаками, которые относятся к частным случаям изготовления пулестойкого материала из слоев баллистической ткани:

- 50% раствор монохлоруксусной кислоты готовят растворением монохлоруксусной кислоты в дистиллированной воде в мерной колбе;

- время выдержки ткани в 50% растворе монохлоруксусной кислоты составляет около 1 часа;

- ткань отмывается от раствора монохлоруксусной кислоты до значения рН, близкого к нейтральному, по лакмусовой бумажке;

- 20-50% раствор 1,6-гександиола готовят путем введения 1,6-гександиола в нагретую до температуры 80-90°С дистиллированную или обессоленную воду;

- время выдержки ткани в 20-50% водном растворе 1,6-гександиола составляет около 2 часов;

- время обработки ткани катализатором составляет около 1 часа;

- ткань отмывается от катализатора до значения рН, близкого к нейтральному;

- сушку после обработки катализатором осуществляют при температуре 40-50°С.

Если на Фиг. 1 был представлен вид водородных связей в баллистической арамидной ткани до обработки ткани способом по изобретению, то Фиг. 4, 5 поясняют, что происходит с баллистической тканью в процессе реакций при обработке ее способом по изобретению.

Обработка ткани 50% раствором монохлоруксусной кислоты в дистиллированной воде при реакции нуклеофильного замещения приводит к образованию нитей с замещенными атомами водорода при атоме азота на молекулы уксусной кислоты. Это позволяет активировать все доступные атомы азота на поверхности элементарных нитей арамидного волокна (Фиг. 4).

Обработка 20-50% раствором 1,6-гександиола в дистиллированной или обессоленной воде позволяет заполнить пространство между элементарными волокнами, а также между нитями основы и утка.

При последующей обработке пропитанной и высушенной ткани катализатором - 20-40% раствором серной кислоты в результате реакции этерификации (между кислотным остатком уксусной кислоты и гидроксилами 1,6-гександиола) возникают ковалентные связи (344-352 кДж/моль) не только между элементарными волокнами, но и между нитями основы и утка, что придает ткани «псевдомонолитность», способную равномерно распределять силу нагрузки от воздействия поражающего элемента, не только на нити основы и утка, но и на элементарные волокна. Пространственные размеры 1,6-гександиола позволяют создать ковалентные связи между всеми активными центрами у атомов азота на поверхности элементарных нитей арамидной ткани. Помимо ковалентных связей, возникающих в процессе химической реакции, между высокомолекулярным органическим соединением (элементарными нитями) и 1,6-гександиолом, также сохраняются и водородные связи (12,5-20 кДж/моль). Возникающие ковалентные связи позволяют распределять энергию поражающего элемента в объеме тканого полотна (Фиг. 5).

Заявленная совокупность признаков способа получения баллистической ткани и пулестойкого материала из нее позволяет существенно увеличить баллистическую стойкость ткани, а, следовательно, и изделий из нее.

Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами.

Для проведения испытаний баллистических тканей, обработанных согласно изобретению, использовалась ткань на основе высокопрочных арамидных нитей «РУСАР» линейной плотности 29,4 такс, выполненной с саржевым переплетением арамидных нитей (артикул 56319 А).

Баллистическую ткань погружали в 50% раствор монохлоруксусной кислоты в дистиллированной воде. 50% раствор готовили растворением монохлоруксусной кислоты по ТУ 6-00-5763450-113-90 в дистиллированной воде в мерной колбе. Баллистическую ткань выдерживали в указанном растворе в течение примерно 1 часа с последующей отмывкой от излишков реагента.

Баллистическую ткань погружали в раствор 1,6-гександиола в дистиллированной или обессоленной воде. Раствор готовили следующим образом: 1,6-гександиол вводили в воду, нагретую до температуры 80-90°С, и перемешивали с использованием магнитной мешалки до образования раствора. Концентрация 1,6-гександиола в воде составляла 20-50%. Баллистическую ткань выдерживали в указанном растворе в течение примерно 2 часов, сушили до испарения растворителя при температуре 40-50°С в течение 6-12 часов. Затем производили обработку баллистической ткани катализатором - 20-40% раствором серной кислоты марки ХЧ ГОСТ 4204-77 в течение примерно 1 часа с последующей отмывкой ткани от катализатора до значений рН, близких к нейтральному, и сушкой при температуре 40-50°С в течение 3-6 часов.

Затем из обработанной указанным образом баллистической ткани изготавливали пулестойкий материал по изобретению в виде баллистических пакетов из 3 слоев ткани с размерами 300×300 мм, скрепленных между собой прошивкой по периферии, который подвергали баллистическим испытаниям в соответствии с требованиями ГОСТ Р 55623-2013. Для подтверждения эффективности технического решения по изобретению баллистическим испытаниям подвергались баллистические пакеты из 3 слоев ткани артикул 56319 А, не подвергавшиеся обработке по изобретению (прототип), с размерами 300×300 мм, скрепленные между собой прошивкой по периферии.

Баллистические испытания проводили путем обстрела пакетов с дистанции 0,75 м из баллистического ствола имитаторами осколков - стальными шариками по ГОСТ 3722 диаметром 6,35 мм, массой 1,03…1,05 г, с использованием капсюлированных гильз обр. 43 г. (по 20 счетных выстрелов в каждой группе). При проведении испытаний измеряли скорость осколков баллистическим регистратором РБ-1000 с использованием соленоидной блокировки участка траектории. Затем расчетным путем определяли скорость V_50%, при которой вероятность непробития пакета составляло 50%.

Режимы обработки баллистических тканей и результаты испытаний пулестойких материалов прототипа и обработанных по изобретению приведены в таблице.

Результаты испытаний преграды по изобретению показали, что пулестойкий материал из ткани по изобретению превосходит прототип по баллистической стойкости на 7%. Средства индивидуальной бронезащиты (бронежилеты, защитная одежда и др.), изготовленные из ткани по изобретению, имеют более высокую баллистическую стойкость без увеличения массы.

Изобретение относится к броневым конструкциям, в частности, к слоистым пулестойким материалам из баллистической ткани и способам их изготовления, а также способам обработки тканых изделий модифицированной монохлоруксусной кислотой и 1,6-гександиолом, и может быть использовано при изготовлении средств индивидуальной защиты: бронежилетов, защитной одежды, бронешлемов и их элементов. Способ получения баллистической ткани для изготовления пулестойкого материала включает обработку нитей ткани путем погружения ткани в 50% раствор монохлоруксусной кислоты в дистиллированной воде, выдержку в нем с последующей отмывкой, шлихтование нитей ткани путем погружения ткани в 20-50% раствор 1,6-гександиола в дистиллированной или обессоленной воде, выдержку в нем, сушку до испарения растворителя, обработку катализатором - 20-40% раствором серной кислоты, с последующей отмывкой от катализатора и сушкой до воздушно-сухого состояния. Пулестойкий материал изготавливают из слоев баллистической ткани, которая получена способом по изобретению. Технический результат - повышение баллистических свойств баллистической ткани и пулестойкого материала, изготовленного из нее. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1 Способ получения баллистической ткани на основе высокопрочных арамидных нитей с линейной плотностью 29,4 текс, выполненной саржевым переплетением, для изготовления пулестойкого материала, включающий обработку нитей ткани путем погружения ткани в 50% раствор монохлоруксусной кислоты в дистиллированной воде, выдержку в нем с последующей отмывкой, шлихтование нитей ткани путем погружения ткани в 20-50% раствор 1,6-гександиола в дистиллированной или обессоленной воде, выдержку в нем, сушку до испарения растворителя, обработку катализатором - 20-40% раствором серной кислоты, с последующей отмывкой от катализатора и сушкой до воздушно-сухого состояния.

2 Пулестойкий материал из слоев баллистической ткани на основе высокопрочных арамидных нитей с линейной плотностью 29,4 текс, выполненной саржевым переплетением, которая получена путем обработки нитей ткани путем погружения ткани в 50% раствор монохлоруксусной кислоты в дистиллированной воде, выдержки в нем с последующей отмывкой, шлихтования нитей ткани ее погружением в 20-50% раствор 1,6-гександиола в дистиллированной или обессоленной воде, последующей выдержкой в нем, сушкой до испарения растворителя, обработкой катализатором - 20-40% раствором серной кислоты, отмывкой от катализатора и сушкой до воздушно-сухого состояния.