Способ получения композита высокой плотности для средств бронезащиты Российский патент 2024 года по МПК F41H1/00 

Изобретение относится к способам получения полимерных UD-структур высокой плотности для бронирования изогнутых поверхностей, в частности различных средств бронезащиты.

Из уровня техники известен способ нагрева сырой ленты для ее непрерывной вулканизации на горизонтально расположенном каландре (RU 2015154177, опубл. 21.06.2017 г.) в котором нагревают цилиндрическую часть каландра изнутри, а сырую ленту прижимают к наружной цилиндрической поверхности каландра и перемещают вместе с ней бесконечной сеткой. Наружную поверхность каландра нагревают инфракрасным излучением, поддерживая ее температуру 250°С, направляя его непосредственно на эту поверхность между прижимными цилиндрами, непрерывно измеряя температуру поверхности каландра пирометром в верхней части его торца. Сырую ленту нагревают инфракрасным излучением, поддерживая ее температуру 250°С.

Основным недостатком аналога является техническая сложность реализации способа из-за того, что наружную поверхность каландра необходимо нагревать инфракрасным излучением до температуры 250°С; для чего требуется использование дополнительных функциональных элементов, таких как излучатели, отражатели, пирометры и т.д. Узкая область применения из-за того, что поверхность каландра разогревают до температуры 250°С. Наличие такой температуры негативно сказывается на характеристиках целого ряда используемых материалов, которые теряют свои полезные свойства и подвергаются термомеханическому разрушению при нагреве до указанной температуры.

Из уровня техники известна гибкая броня (RU 198813, опубл. 29.07.2020 г.) известная тем, что бронеэлементы, каждый из которых поверхностной плотностью не менее 0,93 кг/кв. м, совмещают друг с другом без термопрессования так, чтобы направление волокон располагалось в перпендикулярном направлении, получая бронепанель поверхностной плотности 11,5-12,0 кг/кв. м.

Основным недостатком аналога является узкая область применения из-за того, что используются отдельные многослойные бронеэлементы поверхностной плотностью не менее 0,93 кг/м которые имеют большую массу и непригодны для использования для носимых средств бронезащиты (например, бронежилетов). Также недостатком является низкая прочность из-за того, что материалы скреплены между собой связующим средством, без использования дополнительной термообработки.

Также из уровня техники известна баллистическая ткань, использующая однонаправленный арамидный лист и полиэтиленовую пленку, и способ ее изготовления (US 2016297184 А1, опубл. 13.10.2016 г.) известная тем, что слои арамидного мультифиламента из однонаправленных монофиламентов, располагают перпендикулярно, через полиэтиленовую пленку. В свою очередь, полиэтиленовая пленка играет роль связующего и роль защиты поверхности листа. Уложенные слои подвергают процессу прессования и процессу охлаждения, для получения баллистической ткани.

Основным недостатком аналога является высокая механическая жесткость получаемого материала из-за того, что процесс изготовления включает прессование под высокой температурой и охлаждение. При этом воздействие высоких температур и последующее охлаждение придает материалу высокую жесткость, ограничивая при этом его гибкость и возможность сгибания. Все вышеуказанное ограничивает применение заявленного способа в условиях, когда необходимо осуществление сгибания баллистической ткани при сложной геометрии бронируемой поверхности.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения полимерных UD-структур высокой плотности для индивидуальных средств бронезащиты и бронирования изогнутых поверхностей (RU 2021/108412 А1, опубл. 29.09.2021 г.) известный тем, что несколько полимерных слоев пропускают через каландр или планшетный термопресс при температуре 115-118°С. За счет термообработки заданной рабочей температуры слои, расположенные на внешних сторонах исходной UD полимерной структуры высокой плотности, подвергаются частичному термомеханическому разрушению (расплавлению). По итогу получают полимерную UD-структуру с плотностью от 300 г/м² до 2300 г/м² с толщиной 2-6 мм.

Основным недостатком прототипа является факт частичного термомеханического разрушения волокнистой полимерной структуры. Именно волокнистая защитная структура определяет высокую эффективность полимерной композиции, а разрушение даже частично волокнистого слоя существенно ухудшает эти характеристики. Например, комплексная нить 800D из высокомодульного полиэтилена состоит из 240 волокон. Удельная разрывная нагрузка такой нити 36 сН/д.текс. При нарушении волокнистого состава удельная разрывная нагрузка уменьшается до 26 сН/д.текс, соответственно нить становится менее прочной и баллистические свойства самого материала также ухудшаются.

Также ввиду того, что температура плавления арамидных волокон существенно превышает 115-118°С, расплавление матрицы не произойдет. Такая структура будет хуже работать в условиях интенсивной эксплуатации. А для волокон сверхвысокомолекулярного полиэтилена (далее - СВМПЭ) такая температура является пограничной и расплавиться и сцепиться могут только верхние слои. Таким образом, общая жесткая сцепка описанной волокнистой структуры недостаточна и при баллистическом воздействии волокна будут раздвигаться, позволяя пули разрушить полимерную структуру.

Техническим результатом изобретения является создание высокопрочной полимерной структуры, обеспечивающей надежную защиту объектов любой формы и конфигурации от поражения стрелковым оружием.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ получения высокопрочного композита, включающий два или более поперечнонаправленных полимерных слоев с последующей термообработкой и прессованием, при этом полимерные слои предварительно пропитываются клеевым связующим, а между слоями дополнительно устанавливается термоактивируемая пленка толщиной 5-8 мкм из реактопластичного материала с последующим термопрессованием композиции при рабочей температуре в диапазоне от 120 до 130°С.

Выбор рабочей температуры прессования 120-130°С является оптимальным диапазоном, полученным эмпирическим путем в результате составленной выборки по температуре, поскольку данный температурный спектр обеспечивает качественное соединение слоев в структуре полимерного материала. При температуре ниже 120°С реактопластичный материал не достигает вязкотекучего состояния, необходимого для появления проникающего свойства. В свою очередь, увеличение температуры более 130°С провоцирует переход в вязкотекучее состояние всей полимерной структуры, в результате чего последняя необратимо нарушается.

Наличие дополнительной термоактивируемой пленки из реактопластичного материала обосновывается тем, что связующее из пленки является дозированным клеем, а реатопластичной она должна быть для того, чтобы материал не смог испортиться под воздействием внешних факторов.

В частности полимерный слой может быть выполнен из полимерных волокон, полимерных нитей, лент или плоских нитей.

Кроме того, термоактивируемая пленка может быть дополнительно установлена, по крайней мере, с одной из внешних сторон композита.

Осуществление изобретения. Устройство для получения полимерной однонаправленной композитной UD-структуры с поверхностной плотностью 40-80 г/м² представляет из себя систему из различных установок. Первая часть занята шпулярной. Шпулярная представляет из себя установку со шпулями для бобин. После нее установлена специальная гребенка для распределения комплексных нитей. Далее установлен рулонный каландр. Рулонный каландр выполнен с возможностью задания температуры рабочих поверхностей вращающихся валов греющих барабанов 120-130°С, путем регулировки температуры термостатируемой среды в нагревающем оборудование. После него установлена система валов для охлаждения готового полимерного полотна.

Для получения однонаправленной полимерной структуры нити из СВМПЭ проходят через специализированную гребенку производственной линии. На линии СВМПЭ-нити соединяются с полимерным раствором (клеем). Необходимая плотность полотна на выходе значительно зависит от расстояния зубчиков в гребенке, которое вычисляется по формуле 3:

Где L - максимальная длина гребенки, м,

m - необходимая масса рулона (нетто) при условии, что с линии выходят рулоны одинаковой длины, кг,

ρ(x) - поверхностная плотность полотна в точке x, кг/м²,

А(x) - площадь поперечного сечения волокна в точке x, м².

Полимерный раствор обладает высокой адгезией к СВМПЭ-нитям. Обеспечивает надежное сцепления их между собой, а также обладает структурной прочностью и устойчивостью к воздействию влаги, тепла и химических веществ для обеспечения долговечности и надежности композитного материала.

Для получения высокопрочного композита используются специальные гидравлические пресса. Пресс состоит из нагревательных плит. Плиты могут смыкаться и размыкаться. Процесс можно описать следующим образом. Несколько однослойных однонаправленных полимерных слоев располагаются перпендикулярно друг к другу через пленку. Под действием температуры 120-130°С происходит расплавление пленки и спекание полотен, за счет чего происходит удержание СВМПЭ-нитей в полотне.

Эффективность предложенного в изобретении технического решения подтверждена результатом пулевых испытаний. Изготовленный опытный образец включал в себя высокопрочный композит из поперечнонаправленных полимерных слоев. Слои были пропитаны клеевым связующим и подверглись термообработке на прессе через пленку при температуре 120°С.

Данный образец был отправлен на пулестойкие испытания. Обстрел проводился из 9-мм АПС, пистолетными патронами, с пулей Пст, со стальным сердечником с расстояния 5 метров. Испытания проводились с использованием аттестованного испытательного оборудования и поверенных средств измерений в Испытательном центре специальных материалов и изделий (ИЦ СМИ) АО «НПО Спецматериалов», имеющем аккредитацию в Федеральной службе по аккредитации (Росаккредитация). Испытания подтвердили высокий уровень бронестойкости комбинированной брони. Пробитие защитного элемента не произошло, пуля застряла во внешних слоях полимерной структуры.

Заявленное техническое решение по получению высокопрочного композита является новым, так как совокупность отличительных признаков изобретения, в том числе и в частных случаях, неизвестна из литературных данных и практического опыта работ в этой области.

Заявленное решение промышленно применимо для защиты техники от пистолетных пуль, что следует из результатов проведенных натурных испытаний образцов.

Изобретение относится к способам получения композита высокой плотности для бронирования изогнутых поверхностей средств бронезащиты, характеризующееся тем, что размещают два или более однонаправленных полимерных слоев один над другим, формируя при этом многослойное покрытие, далее многослойное покрытие подвергают термообработке, в ходе которой однонаправленные полимерные слои многослойного покрытия соединяют между собой, при этом однонаправленные полимерные слои располагают перпендикулярно друг к другу, при этом предварительно пропитывают клеевым связующим, а между однонаправленными полимерными слоями дополнительно устанавливают термоактивируемую пленку толщиной 5-8 мкм из реактопластичного материала с последующим термопрессованием композиции при рабочей температуре в диапазоне от 120 до 130°С, что позволяет защитить объекты любой формы и конфигурации от поражения стрелковым оружием. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ получения композита высокой плотности для средств бронезащиты, характеризующийся тем, что размещают два или более однонаправленных полимерных слоев один над другим, формируя при этом многослойное покрытие, далее многослойное покрытие подвергают термообработке, в ходе которой однонаправленные полимерные слои многослойного покрытия соединяют между собой, отличающийся тем, что однонаправленные полимерные слои располагают перпендикулярно друг к другу, при этом предварительно пропитывают клеевым связующим, а между однонаправленными полимерными слоями дополнительно устанавливают термоактивируемую пленку толщиной 5-8 мкм из реактопластичного материала с последующим термопрессованием композиции при рабочей температуре в диапазоне от 120 до 130°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полимерный слой выполнен из полимерных волокон.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полимерный слой выполнен из полимерных нитей.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полимерный слой выполнен из лент или плоских нитей.

5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что термоактивная пленка дополнительно устанавливается по крайней мере с одной из внешних сторон композита.