Слой из нетканого материала, слоистая структура (варианты), способ изготовления слоя из нетканого материала

 

Сущность изобретения: слой из нетканого материала, содержащий короткие полиолефиновые волокна с пределом прочности при растяжении, равным по меньшей мере 1,2 ГПа и модулем упругости, равным по меньшей мере 40 ГПа, представляет собой войлок, состоящий из по меньшей мере, 80% по объему полиолефиновых волокон, при этом волокна, по существу, расположены хаотично в плоскости слоя и имеют длину 40-100 мм. Другой вариант выполнения слоя характеризуется в отличие от предыдущего выполнением его только из полиолефиновых волокон, при этом волокна, по существу, расположены хаотично в плоскости слоя, извиты, имеют длину 40-100 мм и имеют тонину 0,5-8 денье. Из по меньшей мере двух слоев вышеописанного первого варианта конструкции изготовлена слоистая структура, в которой слои скреплены между собой. Представлен и другой вариант слоистой структуры, где слои выполнены идентично другому варианту выполнения слоя, а структура содержит по меньшей мере один слой из ткани, скрепленный с одним или каждым слоем из нетканого материала. В изобретении представлен и способ изготовления слоя из нетканого материала. 5 с. и 30 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к текстильной промышленности, и в частности к слою из нетканого материала, слоистой структуре и к способу изготовления слоя из нетканого материала.

Известен слой из нетканого материала, содержащий короткие полиолефиновые волокна с пределом прочности при растяжении, равным по меньшей мере 1,2 ГПа, и модулем упругости, равным по меньшей мере, 40 ГПа. (WO-A-89/01126).

Известна слоистая структура, состоящая из по меньшей мере двух скрепленных между собой слоев из нетканого материала, каждый из которых содержит короткие полиолефиновые волокна с пределом прочности при растяжении, равным по меньшей мере 1,2 ГПа, и модулем упругости, равным по меньшей мере 40 ГПа. (WO-A-89/01126).

Известна слоистая структура, содержащая по меньшей мере один слой из нетканого материала, который содержит короткие полиолефиновые волокна с пределом прочности при растяжении, равным по меньшей мере 1,2 ГПа, и модулем упругости, равным по меньшей мере 40 ГПа. (WO-A-89/01126).

Известен способ изготовления слоя из нетканого материала, содержащий формирование слоя из коротких волокон, подачу слоя на разгрузочное устройство с обеспечением укладки его зигзагообразными складками и последующей выгрузки полученного пакетного слоя из частично налегающих друг на друга по ширине слоев, уплотнение пакетного слоя для уменьшения его толщины (патент Швейцарии N 679161, кл. D 04 H 3/00, 1991).

Известные слои из нетканого материала и слоистые структуры на основе этих слоев обычно применяются в слоистых баллистически стойких структурах.

Недостатком известного слоя из нетканого материала, слоистой структуры на основе этого слоя, а следовательно и недостатком способа их изготовления является то, что удельное поглощение энергии (УПЭ), которое является поглощением энергии баллистического удара, разделенным на поверхностную плотность (вес, разделенный на площадь в м²) довольно низко. По этой причине баллистически стойкий слой (структура) должен обладать большим весом в расчете на один м² площади, чтобы обеспечить достаточную защиту от баллистических ударов. Другим недостатком является наличие в слое основы, в результате чего уменьшается его гибкость и он не дышит. Из-за этого баллистически стойкая одежда, такая как устойчивые к осколкам и пуленепробиваемые жилеты, в которой применяется этот слой (структура), оказывается не слишком удобной для ношения.

Целью настоящего изобретения является попытка в значительной степени преодолеть эти недостатки.

По одному из аспектов изобретения эта цель достигается посредством слоя из нетканого материала, содержащего короткие полиолефиновые волокна с пределом прочности при растяжении, равным по меньшей мере 1,2 ГПа, и модулем упругости, равным по меньшей мере 40 ГПа, который согласно изобретению представляет собой войлок, содержащий по меньшей мере 80% по объему полиолефиновых волокон, при этом волокна, по существу, расположены хаотично в плоскости слоя и имеют длину 40-100 мм.

Целесообразно, чтобы слой состоял из коротких полиолефиновых волокон. Предпочтительно, чтобы волокна имели тонину 0,5-12 денье и были извиты. Полезно, чтобы удельное поглощение энергии слоя из нетканого материала составляло по меньшей мере 40 Дж·м²/кг. Желательно, чтобы полиолефиновые волокна в слое из нетканого материала состояли из линейного полиэтилена с приведенной вязкостью в декалине при 135^oC равной по меньшей мере 5 дл./г, а отношение длины и ширины поперечного сечения волокон составляло 2-20. Наиболее предпочтительно, чтобы поверхность волокон была модифицирована путем обработки короной, плазменной обработки, химической функционализации, или посредством заполнения волокон.

По другому аспекту изобретения эта цель достигается посредством слоя из нетканого материала, содержащего короткие полиолефиновые волокна с пределом прочности при растяжении, равным по меньшей мере 1,2 ГПа, и модулем упругости, равным по меньшей мере 40 ГПа, который, согласно изобретению, является войлоком, состоящим из полиолефиновых волокон, при этом волокна, по существу, расположены хаотично в плоскости слоя, извиты, имеют длину 40-100 мм и имеют тонину от 0,5 до 8 денье.

Целесообразно, чтобы удельное поглощение энергии слоя из нетканого материала составляло по меньшей мере 40 Дж·м²/кг. Желательно, чтобы полиолефиновые волокна в слое из нетканого материала состояли из линейного полиэтилена с приведенной вязкостью в декалине при 135^oC равной по меньшей мере 5 дл/г, а отношение длины и ширины поперечного сечения волокон составляло 2-20. Наиболее предпочтительно, чтобы поверхность волокон была модифицирована путем обработки короной, плазменной обработки, химической функционализации, или посредством заполнения волокон.

По еще одному аспекту изобретения эта цель достигается посредством слоистой структуры, состоящей из по меньшей мере двух слоев из нетканого материала, каждый из которых содержит короткие полиолефиновые волокна с пределом прочности при растяжении, равным по меньшей мере 1,2 ГПа, и модулем упругости, равным по меньшей мере 40 ГПа, причем слои скреплены между собой, в которой, согласно изобретению, каждый из слоев представляет собой войлок, содержащий по меньшей мере 80% по объему полиолефиновых волокон, при этом волокна, по существу, расположены хаотично в плоскости слоя и имеют длину 40-100 мм.

Целесообразно, чтобы каждый из слоев слоистой структуры состоял из коротких полиолефиновых волокон, которые имели бы тонину 0,5-12 денье. Наиболее предпочтительно, чтобы волокна каждого из слоев были извиты и имели бы тонину 0,5-8 денье. Желательно, чтобы удельное поглощение энергии каждого слоя из нетканого материала составляло по меньшей мере 40 Дж.·м²/кг, а полиолефиновые волокна в каждом слое из нетканого материала состояли из линейного полиэтилена с приведенной вязкостью в декалине при 135^oC равной по меньшей мере 5 дл/г. Полезно, чтобы отношение длины и ширины поперечного сечения волокон каждого слоя составляло 2-20. Наиболее предпочтительно, чтобы поверхность волокон каждого слоя была модифицирована путем обработкой короной, плазменной обработки, химической функционализации, или посредством заполнения волокон.

По еще одному аспекту изобретения эта цель достигается посредством слоистой структуры, содержащей по меньшей мере один слой из нетканого материала, который содержит короткие полиолефиновые волокна с пределом прочности при растяжении, равным по меньшей мере 1,2 ГПа, и модулем упругости, равным по меньшей мере 40 ГПа, которая согласно изобретению, содержит по меньшей мере один слой из ткани, скрепленный с одним или каждым слоем из нетканого материала, а один или каждый слой из нетканого материала является войлоком, содержащим по меньшей мере 80% по объему полиолефиновых волокон, при этом волокна, по существу, расположены хаотично в плоскости слоя и имеют длину 40-100 мм.

Целесообразно, чтобы один или каждый слой из нетканого материала состоял из коротких полиолефиновых волокон, а волокна одного или каждого слоя из нетканого материала имели тонину 0,5-12 денье. Желательно, чтобы волокна одного или каждого слоя из нетканого материала были извиты и имели тонину 0,5-8 денье. Полезно, чтобы удельное поглощение энергии одного или каждого слоя из нетканого материала составляло по меньшей мере 40 Дж·м²/кг. Предпочтительно, чтобы полиолефиновые волокна в одном или каждом слое из нетканого материала состояли из линейного полиэтилена с приведенной вязкостью в декалине при 135^oC равной, по меньшей мере 5 дл/г, а отношение длины и ширины поперечного сечения волокон одного или каждого слоя из нетканого материала составляло 2-20. Наиболее предпочтительно, чтобы поверхность волокон одного или каждого слоя нетканого материала была модифицирована путем обработки короной, плазменной обработки, химической функционализации, или посредством заполнения волокон.

По еще одному аспекту изобретения эта цель достигается посредством способа изготовления слоя из нетканого материала, содержащего формирование слоя из коротких волокон, подачу слоя на разгрузочное устройство с обеспечением укладки его зигзагообразными складками и последующей выгрузки полученного пакетного слоя из частично налегающих друг на друга по ширине слоев, уплотнение пакетного слоя для уменьшения его толщины, в котором, согласно изобретению, слой формируют, по существу, из одинаково направленных полиолефиновых волокон с пределом прочности при растяжении, равным по меньшей мере 1,2 ГПа, модулем упругости, равным по меньшей мере 40 ГПа и длиной 40-100 мм, а после уплотнения пакетного слоя его растягивают в направлении загрузки и спутывают растянутый слой для получения войлока.

Целесообразно использовать извитые волокна с тониной 0,5-8 денье. Предпочтительно, чтобы спутывание осуществляли посредством иглопробивки или гидроспутывания. Желательно уплотнять по меньшей мере растянутый слой войлока.

Изобретение будет более понятным из последующего подробного его описания.

Войлок представляет собой слой, в котором отдельные волокна не собираются вместе, образуя определенную структуру, подобную получаемой при вязании и ткачестве, причем этот слой по определению не включает основы.

Неожиданно было обнаружено, что этот слой обладает улучшенным удельным поглощением энергии (УПЭ) и поэтому очень подходит для использования в слоистой баллистически стойкой структуре, в особенности для защиты от осколков снарядов.

Ясно, что повышенная способность к баллистической стойкости в первую очередь определяется высоким УПЭ. В области применения слоистых баллистически стойких структур к высоким значениям УПЭ обычно относят УПЭ, превышающее 35 Дж·м²/кг. Значение УПЭ обычно определяют с помощью стандартного испытания Stanag 2920, применяя имитирующие осколки снаряды весом 1,1±0,02 г. УПЭ слоя из нетканого материала, являющегося предметом нестоящего изобретения, предпочтительно превышает 40 Дж·м²/кг, и более предпочтительно, более 50 Дж·м²/кг, а наиболее предпочтительно, более 60 Дж·м²/кг.

Преимущество высокого УПЭ заключается в том, что имеющие определенную скорость осколки могут быть задержаны слоем со значительно меньшей поверхностной плотностью. Низкая поверхностная плотность очень важна для повышения удобства ношения, что, наряду с хорошей защитой, является главной целью разработки новых материалов для баллистически стойкой одежды.

Еще одним важным преимуществом слоя из нетканого материала для баллистически стойкой одежды, являющегося предметом настоящего изобретения является то, что он не имеет основы и поэтому более гибок и легче приспосабливается к форме тела, и может, кроме того, дышать, так, что можно легко удалять пары, образующиеся при потении.

Дополнительное преимущество заключается в том, что структура, являющаяся предметом настоящего изобретения, может быть изготовлена с помощью более простого процесса, который может быть осуществлен путем использования обычного и применяемого в промышленности оборудования.

Хотя упомянутые преимущества изобретения четко проявляются в упоминавшейся выше баллистически стойкой одежде, такой, как устойчивые к осколкам и пуленепробиваемые жилеты, применение изобретения, ими не ограничивается. Другими сферами применения являются, например, покрывала и панели для бомб.

Являющийся предметом настоящего изобретения слой из нетканого материала состоит, по существу, из коротких волокон. Термин по существу подразумевает, что этот слой может включать определенное количество других составляющих, исключая основу. Такими другими составляющими могут, например, быть короткие волокна из другого материала. Обнаружено, что другие составляющие оказывают отрицательное влияние на хорошие результаты, полученные с помощью настоящего изобретения. Содержание посторонних составляющих предпочтительно должно быть меньше 20% более предпочтительно менее 10% еще более предпочтительно менее 5% и наиболее предпочтительно 0% (объемные проценты).

Обнаружено, что показатели баллистической стойкости повышаются с повышением тонины волокна. Тониной волокна называют вес на единицу волокна (в денье). Хорошие результаты получаются при тонине волокон в диапазоне 0,5-12 денье. Трудно получать войлок из волокон тониной менее 0,5 денье. Войлок, изготовленный по существу из волокон тониной более 12 денье, имеет худшие показатели баллистической стойкости и более низкую плотность. Предпочтительно тонина должна составлять 0,5-8 денье, более предпочтительно 0,5-5 денье и наиболее предпочтительно 0,5-3 денье.

Волокна предпочтительно являются извитыми. Войлок, состоящий по существу из извитых волокон, обладает улучшенными механическими свойствами и показателями баллистической стойкости. Извитые короткие полиолефиновые волокна могут быть получены из извитых полиолефиновых нитей с пределом прочности при растяжении, равным по меньшей мере 1,2 ГПа и модулем упругости, равным по меньшей мере 40 ГПа, путем их уменьшения известными способами, например, рубкой или резанием. Извитые ними могут быть получены любым известным в технике способом, однако предпочтительно с помощью камеры гофрирования. Придание извитости не может заметно ухудшить механические характеристики волокна, такие как предел прочности при растяжении и модуль упругости.

Наиболее подходящими полиолефинами являются гомополимеры и сополимеры полиэтилена и полипропилена. Кроме того, применяемые полиолефины могут включать небольшое количество одного или нескольких других полимеров, в особенности других алкен-1-полимеров.

Хорошие результаты получаются, если в качестве полиолефина выбирают линейный полиэтилен. Под линейным полиэтиленом здесь подразумевается полиэтилен с менее чем одним ответвлением на 100 атомов углерода, предпочтительно с менее чем одним ответвлением на 300 атомов углерода, который может к тому же включать до 5 молярных процентов одного или нескольких сополимеров кроме алкенов, таких как пропилен, бутилен, пентен, 4-метилпентан и октен.

Предпочтительно в слое нетканого материала, являющемуся предметом настоящего изобретения, применяют полиолефиновые волокна, состоящие из линейного полиэтилена с характеристической вязкостью в декалине при 135^oC, равной по меньшей мере 5 дл/г.

Длина волокон должна составлять 40-100 мм. При длине волокна менее 40 мм когезия, прочность и УПЭ слоя из нетканого материала слишком низки. При длине волокна более 100 мм УПЭ и плотность нетканого слоя значительно ниже. Плотность равна поверхностной плотности, разделенной на толщину слоя. В общем слой с более высокой плотностью более эффективно уменьшают травматическое воздействие тупого удара. Травматическое воздействие тупого удара является отрицательным результатом изгибания баллистически стойкой структуры в результате удара снаряда. Важно, чтобы наряду с высокими УПЭ баллистически стойкая одежда обеспечивала низкое травматическое воздействие тупого удара.

Важно также, чтобы волокна обладали высоким пределом прочности при растяжении, высокими модулем упругости и высоким поглощением энергии. В слое из нетканого материала, являющемся предметом настоящего изобретения, применяются полиолефиновые волокна из мононити, обладающей прочностью по меньшей мере равной 1,2 ГПа и модулем упругости равным по меньшей мере 40 ГПа. При использовании волокон с более низкими значениями прочности и модуля упругости невозможно получить высокие показатели и баллистической стойкости.

Слой, являющийся предметом настоящего изобретения, может включать волокна с различным поперечным сечением, например, круглые, прямоугольные (ленточные) или овальные волокна. Форма поперечного сечения волокон может также, например, быть изменена путем их прокатки, форма поперечного сечения волокна выражается отношением длины к ширине поперечного сечения. Предпочтительно отношение длины к ширине поперечного сечения составляет 2-20, более предпочтительно 4-20. Волокна с более высоким значением отношения длины к ширине демонстрируют более высокую степень взаимодействия в слое из нетканого материала, в результате чего они с меньшей легкостью могут сдвигаться относительно друг друга в результате баллистического удара. Это позволяет получить улучшенное УПЭ слоя из нетканого материала.

Степень взаимодействия может также быть изменена путем модификации поверхности волокон. Волокна могут быть модифицированы путем включения в волокна наполнителя. Наполнителем может быть неорганический материал, такой как гипс, или полимер. Поверхность волокна может также быть модифицирована путем коронирования, плазменной и/или химической обработки. Модификация может включать огрубление поверхности благодаря наличию ямок травления, увеличение полярности поверхности и/или химическую функционализацию поверхности.

УПЭ и уменьшение травматического воздействия тупого удара слоем из нетканого материала могут быть улучшены за счет увеличения степени взаимодействия между волокнами. Однако в случае, если взаимодействие слишком велико, величина УПЭ может вновь уменьшиться. Оптимальное значение может быть определено специалистом в данной области путем проведения серии обычных экспериментов.

Хорошие показатели баллистической стойкости достигается согласно настоящему изобретению при условии, что полиолефиновые волокна, описанные выше, ориентированы в плоскости слоя нетканого материала по существу произвольно. Выражение по существу произвольно следует понимать в том смысле, что волокна не имеют предпочтительной ориентации, ведущей к возникновению механических свойств в плоскости слоя. Механические свойства в плоскости слоя по существу изотропны, т. е. по существу, одинаковы в различные направлениях. Различие механических свойств в различных направлениях в плоскости слоя из нетканого материала не может превышать 20% предпочтительно не более 10% Более предпочтительно, чтобы разброс характеристик нетканого слоя был таким, чтобы разброс характеристик слоистой структуры, состоящей из одного или нескольких слоев из нетканого материала, являющегося предметом настоящего изобретения был меньше 10% Предпочтительно следует использовать полиолефиновые волокна, полученные из полиолефиновых нитей, изготовленных процессом вытягивания из геля. В основном этот процесс включает приготовление раствора полиолефина с высокой характеристической вязкостью, определяемой в декалине при 135^oC, вытягивания раствора в нити при температуре, превышающей температуру растворения, охлаждение нитей до температуры ниже температуры остудневания, чтобы вызвать остудневание и удаление растворителя до, в течение или после растягивания нитей. Форму поперечного сечения нитей можно выбрать путем подбора соответствующей формы апертуры для вытягивания.

Слой из нетканого материала, являющийся предметом настоящего изобретения, может различным образом использоваться в баллистически стойких структурах. Слой из нетканого материала, являющийся предметом настоящего изобретения, может использоваться как таковой в форме единственного слоя.

Конкретной областью применения изобретения является слоистая структура, состоящая по меньшей мере двух слоев нетканого материала, являющихся предметом настоящего изобретения, скрепленных вместе. Преимущество такого применения заключается в том, что указанная слоистая структура более компактна и удобнее в обращении чем один слой нетканого материала.

Другой конкретной областью применения изобретения является слоистая структура, состоящая из одного или нескольких слоев нетканого материала, являющихся предметом настоящего изобретения и одним или нескольких слоев ткани, скрепленными вместе. Слой из ткани должен предпочтительно также обладать хорошей баллистической стойкостью. Слой из ткани предпочтительно состоит из полиолефиновых волокон с пределом прочности при растяжении, равным по меньшей мере 1,2 ГПа и модулем упругости, равным по меньшей мере 40 ГПа. Преимущество такой слоистой структуры заключается в ее большой плотности и в том, что наряду с повышенным УПЭ она обладает низким травматическим свойством при тупом ударе. Слои слоистых структур, описанные выше, могут быть скреплены вместе иглопробиванием, гидросоединением или сшиванием.

Слоистая структура для баллистической защиты может состоять из одного или нескольких слоев нетканого материала, или из слоистых структур, описанных выше. Количество слоев в слоистой структуре зависит от требующегося уровня защиты. При использовании в баллистически стойкой одежде выбор количества слоев и, таким образом, поверхностей плотности слоистой баллистически стойкой структуры, заключается в трудном обеспечении, с одной стороны, нужного уровня защиты и, с другой стороны, нужного комфорта при ношении. Комфорт при ношении определяется главным образом весом и, таким образом, поверхностной плотностью баллистически стойкой структуры. Важным преимуществом слоя из нетканого материала, являющегося предметом настоящего изобретения является то, что удается добиться более высокого УПЭ при более низкой поверхностей плотности. В связи с этим слой из нетканого материала, являющийся предметом настоящего изобретения, особенно удобен при использовании в баллистически стойких структурах с низкой и средним уровнями защиты (50 от 450-500 м/сек) в связи с очень низким весом (низкой поверхностной плотностью) и отсюда большим удобством для ношения. Преимущества слоя из нетканого материала, являющегося предметом настоящего изобретения, в особенности очевидны для слоистых структур, состоящих из пакета нетканых слоев и имеющих поверхностную плотность ниже 4 кг/м², или более предпочтительно менее 3 кг/м², или наиболее предпочтительно ниже 2 кг/м². Слоистые структуры с высокой поверхностной плотностью получают предпочтительно путем неплотной укладки в пакет большого числа слоев с очень небольшой поверхностной плотностью.

Войлочные слои из нетканого полотна или слоистые структуры могут быть соединены со слоями иного типа, которые могут обладать некоторыми иными специфическими баллистическими свойствами или другими свойствами. Недостатки сочетания со слоями иного типа заключаются в ухудшении, среди других свойств, УПЭ и удобства ношения. Поэтому предпочтительно вся структура должна состоять из слоев нетканого материала или упомянутых слоистых структур. Предпочтительно, чтобы такая слоистая структура имела толщину 10-30 мм.

Слой из нетканого материала может быть изготовлен разными способоми, такими например, как способы приготовления бумаги, предусматривающие размещение водной взвеси волокон на проволочном сите с последующим обезвоживанием. Однако предпочтительно слой из нетканого материала изготавливают способом, включающим: формирование слоя по существу из одинаково направленных коротких полиолефиновых волокон с пределом прочности при растяжении, равным по меньшей мере 1,2 ГПа, модулем упругости, равным по меньшей мере 40 ГПа и длиной 40-100 мм, посредством прочесывания рыхлой массы волокон, из которых формируется нетканый прочес; подачу полученного таким образом нетканого прочеса на разгрузочное устройство, перемещающееся в направлении, перпендикулярном тому, в котором поступает на него прочес, с обеспечением укладки его зигзагообразными складками и последующей выгрузки полученного пакетного слоя из частично налегающих друг на друга по ширине слоев; (каландрирование) уплотнение пакетного слоя для уменьшения его толщины; растягивание полученного каландрированного пакетного слоя в направлении разгрузки; и спутывание растянутого слоя для получения войлока.

В результате всего этого должен получиться слой из нетканого материала в форме войлока с улучшенными показателями баллистической стойкости, в частности с удельным поглощением энергии, превышающим 35 Дж·м²/кг, в особенности более 40 Дж·м²/кг и возможно более 50 Дж·м²/кг.

Короткие полиолефиновые волокна предпочтительно должны быть извитыми.

Извитые волокна можно получить, подвергая известным сами по себе приемам обработки для гофрирования полиолефиновые нити, обладающие нужными механическими свойствами и тониной, которые могут быть получены с использованием известных и упомянутых выше способов. Примером известного способа гофрирования является обработка нитей в камере гофрирования. Полученные таким образом извитые нити следует затем нарезать на нужные длины, 40-100 мм. В ходе такой резки часто получается плотная масса волокон. Эту массу можно распутать (разрыхлить), например, путем механического прочесывания или продувки. В ходе этого процесса перепутанные волокна, которые получаются при использовании моноволокон, одновременно разделяются на, по существу, отдельные волокна. Преимущество применения в описанном выше способе извитых волокон заключается в том, что извитые волокна легче распутываются (разрыхляются) после резания и легче прочесываются с получением ватки-прочеса.

Прочесывание может осуществляться на обычной карбочесальной машине. Толщина слоя волокон, поступающего в карбочесальную машину, может выбираться в широких пределах: она в значительной степени зависит от нужной поверхностной плотности нетканого полотна, которое требуется получить в результате. В частности, необходимо сделать допуск на растягивание, выполняемое на последней стадии процесса, при котором поверхностная плотность уменьшится в зависимости от выбранной степени растягивания.

Чесаная нетканая ватка-прочес укладывается зигзагообразными складками на разгрузочное устройство, движущееся в направлении, перпендикулярном тому, в котором подается на него ватка-прочес. Это направление является направлением разгрузки. Разгрузочным устройством может служить, например, конвейерная лента, скорость перемещения которой относительно скорости подачи нетканой ватки- прочеса подбирается таким образом, чтобы уложенный пакетный слой состоял из нужного количества частично взаимно налегающих слоев.

Ориентация волокон в пакетном слое зависит от соотношения упомянутых выше скорости подачи и скорости перемещения и соотношения ширины ватки-прочеса и ширины пакета слоев. Волокна будут ориентированы по существу в двух направлениях, что определяется зигзагообразной схемой укладки.

Каландрирование (уплотнение) пакетного слоя может осуществлять с использованием известных устройств. Толщина слоя в ходе процесса уменьшается, и контакт между волокнами становится плотнее.

После этого каландрированный слой растягивают по длине, т.е. в направлении разгрузки. Это ведет к увеличению площади поверхности так, что толщина и, следовательно, поверхностная плотность растянутого слоя могут несколько уменьшиться. Степень растягивания составляет предпочтительно 20-100% Обнаружено, что ориентация волокон в плоскости слоя в ходе процесса растягивания становится в значительной степени произвольной.

Сцепление, прочность и плотность растянутого слоя увеличиваются путем укрепления этого слоя. Это укрепление может осуществляться путем иглопробивки слоя или гидросоединения. В случае иглопробивки нетканое полотно пробивают иглами, имеющими мелкие зубцы, протягивающие волокна сквозь слои. Плотность иголок может варьировать в пределах 5-50 иголок на см². Предпочтительно плотность иголок находится в пределах 10-20 иголок на см². В случае гидросоединения растянутый слой прошивают множеством струек воды под высоким давлением. Преимуществом гидросоединения перед иглопробивкой является то, что в этом случае меньше повреждаются волокна. Преимуществом иглопробивки является ее техническая простота.

Дальнейшее уплотнение войлока может осуществляться путем дополнительной иглопробивки или каландирования растянутого слоя и/или войлока. Результатом дополнительной иглопробивки или каландрирования слоя войлока является то, что войлок становится более плотным, за счет чего снижается травматическое воздействие тупого удара без неприемлемо большого уменьшения УПЭ. Обнаружено, что укрепление помогает также увеличению произвольности ориентации волокон и изотропности механических свойств в плоскости слоя.

Толщина слоя войлока определяется поверхностной плотностью рыхлой массы коротких волокон поступающих на карбочесальную машину в отношении к количеству уложенных в пакет нетканых прочесов и от уменьшения толщины в процессе каландрирования, растягивания и укрепления. Толстые слои войлока могут быть получены путем увеличения толщины слоя в начале процесса или путем меньшей степени уплотнения в ходе упомянутых выше этапов процесса. Более толстый войлок может также быть получен путем укладки пакета из нескольких слоев и последующего соединения их вместе, например, путем иглопробивки. Преимущество более толстого плотного войлока заключается в том, что, наряду с высокими УПЭ, оно позволяет снизить травматическое воздействие тупого удара, и с ним легче обращаться, чем с одним толстым слоем нетканого материала.

Особенно предпочтительный вариант войлока получается путем его соединения иглопробивкой с тканью или другими типами слоев. Эти смешанные структуры гораздо тоньше и, наряду со значительно возросшей стойкостью к осколкам, обеспечивает низкое травматическое воздействие тупого удара.

Полученные таким образом слои из нетканого материала или их конкретные варианты реализации, описанные выше, могут комбинироваться в слоистой баллистической стойкой структуре со слоями иного типа, которые могут способствовать улучшению некоторых других показателей баллистической стойкости или иных свойств с целью повышения удельного поглощения энергии этой структуры.

Изобретение разъясняется со ссылкой на следующие примеры, но не ограничивается ими. Количественные показатели, упомянутых в примерах, определяются следующим образом.

Предел прочности при растяжении и предел упругости определяются с помощью испытания на растяжение на разрывной машине Zwick 1484. Нити измеряют без извива. Нити зажимают на длину 200 мм в зажимах для волокон Orientec (250), с давлением в зажиме 8 бар, предупреждающем проскальзывание нитей в зажимах. Скорость перемещения зажима составляет 100 мм/мин. Под модулем упругости подразумевается его первоначальное значение. Оно определяется при относительном удлинении 1% Тонину определяют путем взвешивания волокна с известной длиной.

Толщину (Т) слоев войлока измеряли в сжатом состоянии, применяя давление 5,5 КПа. Поверхностную плотность (ПП) определяли путем взвешивания части слоя с точно измеренной площадью.

Удельное поглощение энергии (УПЭ) определяют согласно испытанию STANAG 2920, при котором МОС (снаряды, моделирующие осколки) калибра 0,22, обозначаемые далее как осколки, из недеформируемой стали определенной формы, веса (1,1г), твердости и размеров (согласно USMIL-P-46593), определенным образом выстреливают в баллистически стойкую структуру. Поглощение энергии (ПЭ) рассчитывают на основе кинетической энергии пули, имеющей скорость V 50. V 50 это скорость, при которой вероятность проникновения пуль в баллистически стойкую структуру равна 50% Удельное поглощение энергии (УПЭ) рассчитывают путем деления поглощения энергии (ПЭ) на поверхностную плотность (ПП) слоя.

Примеры 1. Полиэтиленовое многониточное волокно (Dyneema SK60) с пределом прочности при растяжении 2,65 ГПа, первоначальным модулем упругости 90 ГПа, тониной 1 денье на мононить и отношением длины и ширины поперечного сечения волокна приблизительно 6 подвергали гофрированию в камере гофрирования. Извитые волокна нарезали на волокна длиной по 60 мм. Полученные волокна помещали в карбочесальную машину слоем толщиной 12±3 г/м² Полученную прочесанную нетканую ватку-прочес укладывали зигзагообразными складками на конвейерную ленту, причем соотношение скорости ленты и скорости подачи прочесанной ватки-прочеса, поступающей на ленту под прямым углом, выбрано таким образом, что удалось получить слой шириной приблизительно 2 м, состоящий из 10 уложенных пакетом нетканых прочесов. Пакетный слой каландрировали при небольшом давлении на ленточном каландре, в результате чего получился более плотный и тонкий каландрированный слой. Каландрированный слой растянули по длине на 38% Растянутый слой уплотняли иглопробивкой с плотностью игл 15 шт/см². Поверхностная плотность нетканого полотна, полученного таким образом, составила 120 г/м². 22 слоя этого войлока, обозначаемого далее как FO, уложили пакетом, чтобы получить баллистически стойкую структуру, F1, с поверхностной плотностью 2,6 кг/м² и толщиной 23 мм.

Пример 2. Войлок FO, полученный в соответствии с примером 1, подвергали дополнительной иглопробивке с плотностью игл 15 шт/см², чтобы уплотнить войлок. 22 слоя этого войлока уложили пакетом, чтобы получить баллистически стойкую структуру, F2, с поверхностной плотностью 2,7 кг/м² и толщиной слоя 22 мм.

Пример 3. Войлок FO полученный в соответствии с примером 1, подвергали, с целью дальнейшего уплотнения, дополнительному каландрированию. Затем несколько этих слоев уложили пакетом для получения баллистически стойкой структуры (F3) с поверхностной плотностью 3,1 кг/м² и толщиной слоя 20 мм.

Пример 4. Войлок с повышенным весом и плотностью получили путем укладки пакетом трех слоев войлока FO, полученного в соответствии с примером 1, и соединения их между собой путем иглопробивки с плотностью игл 15 шт/см². Затем несколько полученных таким образом слоев уложили пакетом для получения баллистически стойкой структуры (F4) с поверхностной плотностью 2,9 кг/м² и толщиной слоя 20 мм.

Пример 5. Войлок был изготовлен так, как это описано в примере 1, только в этом случае укрепление выполняли струйками воды под высоким давлением. Затем несколько полученных таким образом слоев уложили пакетом для получения баллистически стойкой структуры (F5) с поверхностной плотностью 2,6 кг/м² и толщиной слоя 20 мм.

Пример 6. Несколько слоев нетканого войлока FO, полученного в соответствии с примером 1, скрепили иглопробивкой с тканью Dyneema 504, с целью получения баллистической стойкой структуры F6, с поверхностной плотностью 2,6 кг/м² и толщиной слоя 8 мм. Dyneema 504 является гладким тканым полотном 1х1, поставляемым DSM, с волокном 400 денье Dyneema SK66, с количеством нитей в основе и утке по 17 на сантиметр и поверхностной плотностью 175 г/м².

Примеры 7 и 8. Войлок был изготовлен так, как описано в примере 1, за исключением того, что в этом случае вместо волокон длиной 60 мм использовали волокна длиной 90 мм. Несколько слоев полученного таким образом войлока сложили вместе, чтобы получить баллистически стойкие структуры F7 и F8, с поверхностной плотностью 2,7 кг/см² и 2,6 кг/см² и толщиной 3,2 и 4,8 см соответственно. Структура F7 подвергалась дополнительной иглопробивке и поэтому плотнее и тоньше, чем F8.

Пример 9. Изготовили войлок в соответствии со способом, описанном в примере 1, за исключением того, что для получения баллистически стойкой структуры F9 с поверхностной плотностью 1,5 кг/ м² и толщиной слоя 10 мм использовали меньшее количество слоев войлока FO.

Сравнительные опыты 1 и 2.

Несколько слоев упоминавшейся выше ткани Dyneema 504 уложили пакетом, чтобы получить баллистически стойкие структуры C1 и C2 с поверхностной плотностью 2,9 кг/м² и 4,5 кг/м ² соответственно.

Сравнительные опыты 3-7.

Примеры 1-5 из таблицы упоминавшейся выше заявки на патент WO-A-89/01126 взяли в качестве сравнительных примеров C3-C7. Значения, приведенные в этом патенте для удельного поглощения энергии и поверхностной плотности, основаны только на весе волокна. Для того чтобы иметь возможность сравнивать эти значения с примерами для настоящего изобретения, значения были приведены к общей поверхностной плотности и общему удельному поглощению энергии путем деления и умножения значений ПП и УПЭ, соответственно, на долю массы волокна.

Из баллистически стойких структур F1-F8 и C1-C2, описанных выше, вырезали образцы площадью 40х40 см, которые затем подвергали испытаниям с целью определить показатели их баллистической стойкости путем измерения V 50 согласно испытания STANAG 2920, описанному выше. Баллистически стойкие структуры из сравнительных примеров C3-C7 в патентной заявке WO-A-8901126 были испытаны согласно тому же самому стандарту. В таблице приведены полученные результаты.

Сравнение полученных результатов показывает, что все баллистически стойкие слоистые структуры F1-F9, включающие по меньшей мере один слой нетканого материала, являющийся предметом настоящего изобретения, демонстрируют более высокое удельное поглощение энергии, чем наилучшая баллистически стойкая структура из числа C1-C7. соответствующая современному состоянию техники. Значения УПЭ нетканых полотен F7 и F8, состоящих из волокон длиной 90 мм, ниже аналогичных значений нетканых структур F1-F5, состоящих из волокон длиной 60 мм, но сопоставимы или лучше, и в большинстве случаев значительно лучше чем у до сих пор известных структур C1-C7. F7 имеет более низкое УПЭ за счет особенностей строения и меньшей толщины пакета, Однако УПЭ значительно выше, чем у большинства наилучших известных баллистически стойких структур из сравнительных примеров C1-C7. У войлока F9 при приблизительно половинном значении поверхностей плотности более высокая баллистическая стойкость, чем структура C1. Сравнение войлока F9 с войлоками F1-F8 показывает, что при более низкой поверхностной плотности достигается все более высокое значение УПЭ.

Формула изобретения

1. Слой из нетканого материала, содержащий короткие полиолефиновые волокна с пределом прочности при растяжении по меньшей мере 1,2 ГПа и модулем упругости по меньшей мере 40 ГПа, отличающийся тем, что слой представляет собой войлок, содержащий по меньшей мере 80 об. полиолефиновых волокон, при этом волокна, по существу, расположены хаотично в плоскости слоя и имеют длину 40 100 мм.

2. Слой по п.1, отличающийся тем, что слой состоит из коротких полиолефиновых волокон.

3. Слой по п.1, отличающийся тем, что волокна имеют тонину 0,5 12,0 денье.

4. Слой по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что волокна извиты.

5. Слой по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что удельное поглощение энергии слоем из нетканого материала составляет по меньшей мере 40 Дж · м²/кг.

6. Слой по любому из пп.1 5, отличающийся тем, что полиолефиновые волокна в слое из нетканого материала состоят из линейного полиэтилена с приведенной вязкостью в декалине при 135^oС по меньшей мере 5 дл./г.

7. Слой по любому из пп.1 6, отличающийся тем, что отношение длины и ширины поперечного сечения волокон составляет 2 20.

8. Слой по любому из пп.1 7, отличающийся тем, что поверхность волокон модифицирована путем обработки короной, плазменной обработки, химической функционализации или посредством заполнения волокон.

9. Слой из нетканого материала, содержащий короткие полиолефиновые волокна с пределом прочности при растяжении по меньшей мере 1,2 ГПа, и модулем упругости по меньшей мере 40 ГПа, отличающийся тем, что слой является войлоком, состоящим из полиолефиновых волокон, при этом волокна, по существу, расположены хаотично в плоскости слоя, извиты, имеют длину 40 100 мм и тонину 0,5 8,0 денье.

10. Слой по п.9, отличающийся тем, что удельное поглощение энергии слоем из нетканого материала составляет по меньшей мере 40 Дж · м²/кг.

11. Слой по п.9 или 10, отличающийся тем, что полиолефиновые волокна в слое из нетканого материала состоят из линейного полиэтилена с приведенной вязкостью в декалине при 135^oС по меньшей мере 5 дл./г.

12. Слой по любому из пп.9 11, отличающийся тем, что отношение длины и ширины поперечного сечения волокон составляет 2 20.

13. Слой по любому из пп.9 12, отличающийся тем, что поверхность волокон модифицирована путем обработки короной, плазменной обработки, химической функционализации или посредством заполнения волокон.

14. Слоистая структура, состоящая из по меньшей мере двух слоев из нетканого материала, каждый из которых содержит короткие полиолефиновые волокна с пределом прочности при растяжении по меньшей мере 1,2 ГПа и модулем упругости по меньшей мере 40 ГПа, причем слои скреплены между собой, отличающаяся тем, что каждый из слоев представляет собой войлок, содержащий по меньшей мере 80 об. полиолефиновых волокон, при этом волокна, по существу, расположены хаотично в плоскости слоя и имеют длину 40 100 мм.

15. Структура по п.14, отличающаяся тем, что каждый из слоев состоит из коротких полиолефиновых волокон.

16. Структура по п.14, отличающаяся тем, что волокна каждого из слоев имеют тонину 0,5 12,0 денье.

17. Структура по п.14, отличающаяся тем, что волокна каждого из слоев извиты.

18. Структура по любому из пп.14, 15 и 17, отличающаяся тем, что волокна каждого из слоев имеют тонину 0,5 8,0 денье.

19. Структура по любому из пп.14 18, отличающаяся тем, что удельное поглощение энергии каждого слоя из нетканого материала составляет по меньшей мере 40 Дж · м²/кг.

20. Структура по любому из пп.14 19, отличающаяся тем, что полиолефиновые волокна в каждом слое из нетканого материала состоят из линейного полиэтилена с приведенной вязкостью в декалине при 135^oС по меньшей мере 5 дл. /г.

21. Структура по любому из пп.14 20, отличающаяся тем, что отношение длины и ширины поперечного сечения волокон каждого слоя составляет 2 20.

22. Структура по любому из пп.14 21, отличающаяся тем, что поверхность волокон каждого слоя модифицирована путем обработки короной, плазменной обработки, химической функционализации или посредством заполнения волокон.

23. Структура, содержащая по меньшей мере один слой из нетканого материала, который содержит короткие полиолефиновые волокна с пределом прочности при растяжении по меньшей мере 1,2 ГПа и модулем упругости по меньшей мере 40 ГПа, отличающаяся тем, что структура содержит по меньшей мере один слой из ткани, скрепленный с одним или каждым слоем из нетканого материала, а один или каждый слой из нетканого материала представляет собой войлок, содержащий по меньшей мере 80 об. коротких полиолефиновых волокон, при этом волокна, по существу, расположены хаотично в плоскости слоя из нетканого материала и имеют длину 40 100 мм.

24. Структура по п.23, отличающаяся тем, что один или каждый слой из нетканого материала состоит из коротких полиолефиновых волокон.

25. Структура по п.23, отличающаяся тем, что волокна одного или каждого слоя из нетканого материала имеют тонину 0,5 12,0 денье.

26. Структура по п.23, отличающаяся тем, что волокна одного или каждого слоя из нетканого материала извиты.

27. Структура по любому из пп.23, 24 и 26, отличающаяся тем, что волокна одного или каждого слоя из нетканого материала имеют тонину 0,5 8,0 денье.

28. Структура по любому из пп.23 27, отличающаяся тем, что удельное поглощение энергии одним или каждым слоем из нетканого материала составляет по меньшей мере 40 Дж · м²/кг.

29. Структура по любому из пп.23 28, отличающаяся тем, что полиолефиновые волокна в одном или каждом слое из нетканого материала состоят из линейного полиэтилена с приведенной вязкостью в декалине при 135^oС по меньшей мере 5 дл./г.

30. Структура по любому из пп.23 29, отличающаяся тем, что отношение длины к ширине поперечного сечения волокон одного или каждого слоя из нетканого материала составляет 2 20.

31. Структура по любому из пп.23 30, отличающаяся тем, что поверхность волокон одного или каждого слоя из нетканого материала модифицирована путем обработки короной, плазменной обработки, химической функционализации или посредством заполнения волокон.

32. Способ изготовления слоя из нетканого материала, содержащий формирование слоя из коротких волокон, подачу слоя на разгрузочное устройство с обеспечением укладки его зигзагообразными складками и последующей выгрузки полученного пакетного слоя из частично налегающих друг на друга по ширине слоев, уплотнение пакетного слоя для уменьшения его толщины, отличающийся тем, что слой формируют, по существу, из одинаково направленных полиолефиновых волокон с пределом прочности при растяжении по меньшей мере 1,2 ГПа, модулем упругости по меньшей мере 40 ГПа и длиной 40 100 мм, а после уплотнения пакетного слоя его растягивают в направлении разгрузки и спутывают растянутый слой для получения войлока.

33. Способ по п.32, отличающийся тем, что используют извитые волокна с тониной 0,5 8,0 денье.

34. Способ по п.32 или 33, отличающийся тем, что спутывание осуществляют посредством иглопробивки или гидроспутывания.

35. Способ по любому из пп.32 34, отличающийся тем, что уплотняют, по меньшей мере, растянутый слой войлока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2