Квазиоднонаправленная ткань для баллистического применения
Группа изобретений относится к баллистически стойким тканям и материалам. Предложена ткань, содержащая однонаправленные баллистически стойкие нити пряжи, расположенные, по меньшей мере, в двух слоях. При этом указанные слои расположены под углом 90°±5° по отношению друг к другу, указанные баллистически стойкие нити пряжи стабилизированы переплетениями второй ткани, а указанная вторая ткань сформирована из нитей, имеющих значительно меньшую прочность на разрыв и коэффициент растяжимости, чем баллистически стойкая пряжа. Также предложен баллистически стойкий материал, который выполнен из множества слоев описанной выше баллистической ткани. Изобретение направлено на создание высокопрочных баллистически стойких ткани и материала, которые могут быть использованы в различных комбинациях с другими материалами в бронежилетах и других бронированных изделиях. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.
Ссылка на связанные заявки
В настоящей заявке заявлен приоритет, в соответствии со статьей 35 Свода законов США 119(е), по предварительной заявке на патент США №60/288,568, поданной 3 мая 2001 года.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение направлено на ткань, предназначенную для применения в качестве баллистической ткани. Такая ткань содержит однонаправленные, высокоэффективные, стойкие к баллистическому воздействию нити основы и нити заполнителя, которые стабилизированы во втором тканом материале. Ткань такого типа здесь называется квазиоднонаправленной тканью.
Уровень техники
Однонаправленные ткани представляют собой ткани, в которых нити основы и уточные нити расположены, по существу, параллельно и находятся в плоскости ткани без верхнего и нижнего изгиба тканой структуры. Из-за отсутствия взаимно переплетенной структуры однонаправленные слои пряжи ткани нужно удерживать вместе с помощью некоторой дополнительной структуры. Примеры дополнительных структур включают смолу, пленку, прошивку, вязаные ткани и тканые материалы.
Однонаправленные ткани изготавливают уже в течение длительного времени. Например, в американском патенте № US 2893442 автора Genin описана укладка нитей из стекловолокна с высоким коэффициентом растяжимости поперек друг друга, без изгиба нитей пряжи. Нити свободно удерживаются вместе благодаря переплетению, с использованием гораздо более тонкой и более гибкой пряжи. Получаемую в результате ткань использовали в качестве армирующего элемента в пластиковых слоистых материалах.
Однонаправленные тканые материалы можно использовать в качестве армирующих материалов при введении волокна с высоким коэффициентом растяжимости в направлении основы или в уточном направлении трикотажных материалов в процессе изготовления трикотажного материала на вязальной машине, например, как описано в американских патентах №№ US 3105372, 3592025 и 3819461. Получаемый в результате продукт содержит однонаправленные волокна в направлении утка или в направлении основы, закрепленные на месте с помощью трикотажной ткани. Такие материалы в настоящее время производят и обычно используют для получения армирующего полотна из стекловолокна для пластмасс. Также известна трикотажная ткань с баллистически стойкой нитью, расположенной в направлении основы или в направлении заполнителя материала.
Однонаправленные ткани второго типа используют для армирования композитных материалов, например, как описано в американских патентах №№ US 4416929, 4550045 и 4484459. Такие ткани обычно содержат два или три слоя однонаправленных нитей, причем, по меньшей мере, два слоя ориентированы под углом 90 градусов по отношению друг к другу. Обычно два из слоев пряжи ориентированы под углом 0/90 градусов или под углом 45/45 градусов к продольному направлению ткани. Нити пряжи затем сшивают вместе, обычно с использованием линий стежков, расположенных близко друг к другу, например, с промежутком приблизительно одна восьмая дюйма (0,3 см). Угол, под которым ориентированы слои нитей пряжи по отношению друг к другу, может изменяться, и промежуток между строчками прошивки, а также длина отдельных стежков также могут изменяться. Такие ткани коммерчески поставлялись компанией Hexcel в 1980-ых годах в качестве баллистически стойких материалов. При изготовлении таких материалов между слоями пряжи наносили термопластичную пленку, но также использовали материалы без применения пленки. При использовании пленки между слоями ткань обрабатывали способом горячего прессования, в результате чего получали твердую (жесткую) броню. Во время прессования пленка плавилась и служила в качестве полимерной системы в получаемом в результате композитном материале. Без пленки материал использовали для мягкой брони, например, в бронежилетах и в качестве защитных покрытий, когда требовалось обеспечить гибкость материала. Следует отметить, что этот материал не нашел широкого применения в баллистически стойких продуктах.
Однонаправленная ткань другого типа состоит из высокоэффективной пряжи с нитями большого диаметра, располагаемыми в направлении основы или в направлении заполнителя, и из пряжи с меньшей прочностью, нити которой имеют меньший диаметр, используемой в качестве противоположно направленных нитей. Благодаря поддержанию напряженного состояния в направлении высокоэффективных волокон, соединенных с использованием поперечно направленной пряжи с меньшим размером нитей, высокоэффективные волокна, по существу, удерживаются в прямом положении с минимальным верхним и нижним изгибом. Такие ткани используют в основном при производстве парусины, где из этого материала изготавливают паруса, в которых высокоэффективная пряжа ориентирована в направлении нагрузки паруса, в то время, как более слабая пряжа обеспечивает стабильность во внеосевом направлении. Такую ткань обычно ламинируют полиэфирной пленкой, при этом пленка обеспечивает некоторую стабильность в направлении смещения материала. Ткань такого типа также используют для баллистического применения с термопластической пленкой, ламинированной с использованием тепла с одной стороны ткани, например, как описано в американских патентах №№ US 5437905, 5635288 и 5935678. В баллистических вариантах применения материал дополнительно обрабатывают в ходе второго этапа, на котором на ткань накладывают дополнительный поперечный слой ткани, так что один слой располагается под углом 90 градусов по отношению к другому слою. Материал затем нагревают и прикладывают давление. Получаемый в результате двухслойный материал используют в качестве мягкой брони. Множество слоев такого материала можно прессовать с нагревом для формирования жесткой слоистой брони.
Другое семейство однонаправленных материалов описано в патентах, выданных компании Honeywell (бывшей AlliedSignal), например, в американских патентах №№ US 5354605, 5173138 и 4623574. Эти ткани получают путем импрегнирования однонаправленного слоя нитей высокоэффективной пряжи с системой термопластичной смолы. Два слоя получаемого в результате пропитанного смолами полуфабриката композиционной ткани накладывают друг на друга так, что волокна в слоях ориентируют под углом 90 градусов по отношению друг к другу, для формирования одиночного листа баллистически стойкого материала. Для вариантов применения в качестве мягкой брони с каждой стороны материала с перекрестным наложением слоев наносят тонкую термопластичную пленку. При применении в качестве жесткой брони ткань используют без пленки и ее слои соединяют под давлением с приложением тепла. Такие продукты коммерчески поставляются с использованием нескольких товарных знаков, включая Spectra Shield, Spectra Flex, Spectra Shield Plus, Gold Flex и Zyloshield.
Трехмерные материалы также могут быть сформированы с использованием двух или более однонаправленных слоев высокоэффективной пряжи, ориентированных под углом 90 градусов по отношению друг к другу, в которых высокоэффективные волокна вплетены в ткань, нити которой расположены перпендикулярно к однонаправленным слоям. Этот материал выглядит так же, как однонаправленные материалы с плотной прошивкой, описанные выше, и имеет очень близкие к ним характеристики. Такие материалы описаны в американских патентах №№ US 5465760, 5085252, 6129122 и 5091245.
В разработке новых видов тканых материалов можно наблюдать тенденцию снижения степени изгиба волокон ткани и в увеличения расстоянии между точками пересечения волокон. Это достигается благодаря переплетению волокна в виде более открытой конструкции, обычно с сохранением конструкции полотняного (миткалевого) переплетения. Отдельные волокна в такой ткани должны быть расположены в одной плоскости и разнесены друг от друга для получения открытой конструкции ткани, используемой для баллистических целей. Если не использовать плоские, разнесенные нити пряжи, промежутки между отдельными нитями становятся слишком большими, и пуля может проскальзывать через получаемые в результате отверстия во время ее воздействия, легко пробивая слои брони. Усовершенствования в технологии производства пряжи и текстильной технологии позволили получать переплетения высокоэффективной пряжи с очень незначительным изгибом или без изгиба вообще, в результате чего обеспечивается расположение в одной плоскости разнесенных нитей пряжи в материале. Хотя открытый материал имеет исключительно высокие характеристики, при его применении достигается большее снижение веса, чем повышение баллистических характеристик, и для выполнения требований баллистического применения необходимо использовать большее количество слоев материала. Увеличенное количество слоев, само по себе, является преимуществом. Использование дополнительных слоев, как считается, позволяет более равномерно распределять энергию удара по слоям ткани. Однако существует предел характеристик открытой структуры переплетения, которые могут быть получены с использованием стандартных тканых материалов. По мере увеличения степени открытости структуры материал проявляет тенденцию большей сетчатости, чем ткань, и такой материал не обладает какими-либо преимуществами или его нельзя использовать в качестве брони. Кроме того, ткань становится настолько тонкой, что ее нельзя обрабатывать или разрезать без нарушения ориентации волокон пряжи и разрушения материала. Для улучшения тканых материалов необходимо использовать однонаправленные материалы.
Соответствующим образом сконструированные однонаправленные материалы обеспечивают лучшие характеристики при баллистических вариантах применения, чем тканые материалы. Вес слоев однонаправленных материалов, требуемых для обеспечения условий баллистического применения, будет меньшим, чем вес слоев эквивалентных тканых материалов, то есть материалов, изготовленных с использованием баллистической пряжи с тем же значением денье, необходимым для удовлетворения тех же требований. Следует понимать, что пряжа с другим значением денье позволяет получить другие результаты при баллистическом применении как при использовании стандартных тканых материалов, так и однонаправленных материалов. Общий вес законченных слоев материала используют для сравнения и такой материал может содержать различные пленки, смолы или пряжу, требуемые для стабилизации однонаправленных нитей пряжи.
Оптимально сконструированные однонаправленные баллистические материалы содержат два или более однонаправленных слоев пряжи, расположенных под углом 90 градусов по отношению друг к другу. При использовании более чем двух слоев такие слои чередуют и располагают под углом 90 градусов по отношению друг к другу. Такую ориентацию получают при укладке в виде слоев двух однонаправленных материалов или слоев полуфабриката композиционного материала, пропитанных смолами, причем верхнюю часть одного слоя соединяют с нижней частью расположенного выше слоя. Такое соединение выполняют в ходе второй операции с использованием пленки или смолы в качестве связующего слоя. Ориентация под углом 90 градусов необходима для обеспечения требуемых баллистических характеристик, и это условие представляет собой общепринятый стандарт ориентации под углом 90±5 градусов. Нити пряжи основы и пряжи заполнителя тканых материалов по своей природе ориентированы под углом 90 градусов.
Второе требование для оптимально разработанных однонаправленных материалов состоит в том, что пряжа должна обеспечивать свободную передачу энергии от области удара. Для обеспечения эффективной передачи энергии нити пряжи не должны быть плотно зажаты. Отсутствие связей между нитями пряжи позволяет обеспечить максимальное рассеяние энергии вдоль длины нити, как будет описано ниже при сравнении тканых и однонаправленных материалов. Зажим волокна должен быть минимизирован благодаря использованию пленки с низким коэффициентом растяжимости для соединения двух слоев или благодаря использованию пряжи с малой прочностью и низким коэффициентом растяжимости нитей для соединения отдельных слоев.
При ударе снаряда напряжение растяжения немедленно передается на нити пряжи однонаправленных материалов, не имеющих верхнего и нижнего изгибов, которые присутствуют в нитях пряжи в тканых материалах. В отличие от этого, при ударе снаряда пряжа в тканых материалах перемещается назад до тех пор, пока не будет выбран изгиб нитей, и только тогда на нити пряжи воздействует нагрузка растяжения. При движении материала назад формируется углубление и, таким образом, открывается переплетение материала. Увеличение области такого углубления уменьшает количество нитей пряжи, которые оказывают сопротивление снаряду, и уменьшает общее количество нитей пряжи, непосредственно участвующих в данном баллистическом событии. Кроме того, полость, формирующаяся в материале во время такого движения назад, ограничивает деформацию снаряда из-за зажима боковых сторон снаряда. Уменьшенная площадь снаряда оказывает дополнительное отрицательное влияние на баллистические характеристики системы материала из-за ограниченного количество нитей пряжи, находящихся под деформируемым снарядом. Поскольку количество нитей пряжи, находящихся под снарядом, пропорционально квадрату диаметра снаряда, деформация представляет собой очень важный момент как при разработке материала, так и при конструировании бронежилета, в случаях, когда требуется обеспечить защиту от деформируемого снаряда. Кроме того, при деформации снаряда происходит поглощение энергии. Снижение деформации приводит к меньшему поглощению энергии самим снарядом.
Другая причина лучших рабочих характеристик однонаправленных материалов по сравнению с ткаными материалами состоит в том, что в однонаправленных материалах отсутствуют точки, в которых нити пряжи зажаты. В отличие от этого, в тканых материалах отдельные нити зажаты в точках пересечения, в частности, когда при движении назад под воздействием удара снаряда материал стягивается. Точки зажима отражают волну напряжения, распространяющуюся вдоль нитей пряжи, во время баллистического случая. Эта отраженная волна накладывается на исходную волну напряжения, что увеличивает общую нагрузку растяжения, воздействующую на нити пряжи, и это приводит к преждевременному разрыву нитей пряжи до того, как максимальное количество энергии может быть поглощено вдоль их длины.
Производство некоторых однонаправленных материалов позволило существенно снизить вес некоторых систем бронежилетов или систем бронирования. Однако стоимость производства удачных однонаправленных материалов существенно выше, чем стоимость тканых материалов. Повышенные производственные затраты связаны, в основном, с требованием изготовления отдельных слоев материала путем одной ткацкой операции или операции предварительной пропитки заготовки, а поперечное наложение слоев должно производиться во время второй операции для получения конструкции 0/90.
Таким образом, необходимо улучшение баллистически стойких материалов.
Сущность изобретения
В одном из аспектов настоящее изобретение направлено на ткань, содержащую однонаправленные, баллистически стойкие нити пряжи, расположенные, по меньшей мере, в двух слоях, причем указанные слои ориентированы под углом 90°±5° по отношению друг к другу, указанные баллистически стойкие нити пряжи стабилизированы переплетением во второй ткани, причем указанная вторая ткань сформирована из нитей пряжи, имеющих значительно меньшую прочность на разрыв и коэффициент растяжимости, чем указанная баллистически стойкая пряжа.
В предпочтительном варианте выполнения материала в соответствии с настоящим изобретением баллистически стойкая пряжа представляет собой высокоэффективную баллистически стойкую пряжу, в частности баллистически стойкую пряжу, имеющую прочность на разрыв, составляющую, по меньшей мере, приблизительно 15 грамм на денье (денье - единица веса нити, характеризующая ее тонкость, значение денье составляет вес в граммах 9000 метров нити) и коэффициент растяжимости, по меньшей мере, приблизительно 400 грамм на денье.
В других вариантах выполнения баллистически стойкую пряжу выбирают из группы, состоящей из арамидных волокон, волокон из полиэтилена с растянутой цепью, волокон из поли(п-фенилен-2, 6-бензобисоксазола) (РВО) и стекловолокон.
В другом варианте выполнения нити пряжи второго материала имеют значение денье в диапазоне от приблизительно 20 до приблизительно 1000.
В других вариантах выполнения второй материал нитей пряжи выбирают из группы, состоящей из натуральных волокон и синтетических волокон. В частности, натуральное волокно может быть выбрано из группы, состоящей из хлопка, шерсти, сизаля (лубяное волокно), льна, джута и шелка, и синтетическое волокно может быть выбрано из группы, состоящей из регенерированной целлюлозы, вискозы, волокон вискозы полинозик (polynosic - природное полимерное волокно из древесной массы, подобное вискозе), сложных эфиров целлюлозы, акриловых волокон, модакриловых волокон, полиамидных, полиолефиновых, полиэфирных волокон, волокон из каучука, синтетического каучука и сарана (поливинил-иденхлорида). Пряжа второго материала может содержать стекловолокно.
В предпочтительных вариантах выполнения второй материал нитей пряжи выбирают из группы, состоящей из полиакрилонитрила, сополимеров акрилонитрила и винилхлорида, полигексаметиленадипамида, поликапроамида, полиундеканоамида, полиэтилена, полипропилена и полиэтилентерефталата.
В другом варианте выполнения волокна пряжи второго материала имеют высокую степень удлинения.
В еще одном варианте выполнения разрыв нитей второй пряжи происходит до разрыва баллистически стойкой пряжи при ударе снаряда по ткани.
В еще одном варианте выполнения материал выполнен с покрытием или содержит пленку, нанесенную на него в виде слоя.
В аспекте настоящего изобретения обеспечивается формирование баллистически стойкой ткани, содержащей множество слоев материала, описанного в настоящем описании.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрировано чертежами, на которых:
фиг.1 изображает вид сверху тканого материала, изометрия
фиг.2 - квазиоднонаправленный материал в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3 - диаграмма "напряжение-деформация", описанная ниже.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение направлено на материал для баллистических вариантов применения. Такой материал содержит однонаправленные высокоэффективные баллистически стойкие нити основы и нити заполнителя, стабилизированные во втором тканом материале. Чертежи, представляющие строение тканого материала с полотняным переплетением и однонаправленного материала, показаны на фигурах 1 и 2. На фигуре 1 показано полотняное переплетение 10, содержащее взаимно переплетенные уточные нити 12 и нити 14 основы или заполнителя. На фигуре 2 показана так называемая квазиоднонаправленная ткань 20 в соответствии с настоящим изобретением, содержащая однонаправленные нити 22 и 24 основы и утка, которые не переплетены и не содержат взаимного соединения. Материал 20 также включает переплетенные нити 26 и 28 второй ткани.
Вторая ткань соткана с использованием пряжи, имеющей существенно меньшие значения прочности на разрыв и коэффициента растяжимости, что обеспечивается благодаря меньшим размерам ее волокон. Значение денье второй пряжи может находиться в диапазоне от приблизительно 20 денье или меньше до приблизительно 1000 денье, в зависимости от размера волокон баллистически стойкой пряжи. Ткань, в соответствии с настоящим изобретением, одновременно содержит баллистически стойкие, однонаправленные нити основы и нити заполнителя, и слои такой ткани не требуется накладывать с перекрещиванием друг на друга, как предлагалось раньше в способах изготовления однонаправленной баллистически стойкой ткани.
При изготовлении ткани, в соответствии с настоящим изобретением, не требуется использовать операцию перекрестного наложения двух однонаправленных слоев, поскольку два однонаправленных слоя формируют во время операции переплетения, причем эти слои ориентированы под углом приблизительно 90 градусов по отношению друг к другу. Кроме того, однонаправленные нити пряжи ткани остаются не зажатыми, поскольку стабилизирующий материал формируют с использованием пряжи, имеющей низкую прочность на разрыв и низкий коэффициент растяжимости, так что она легко разрывается во время баллистического события.
Материал в соответствии с настоящей заявкой содержит два однонаправленных слоя пряжи, расположенных под углом приблизительно 90 градусов по отношению друг к другу, стабилизированных вторым тканым материалом. Такой материал может быть соткан на стандартных ткацких станках, включая рапирный ткацкий станок, челночный ткацкий станок, ткацкие станки со струей воздуха и струей воды. Он также может быть изготовлен на вязальных машинах такого типа, как описано в вышеуказанных американских патентах №№ US 3592025 и 3819461, на трехмерных ткацких машинах такого типа, как описан в американских патентах №№ US 5465760, 5085252, 6129122 и 5091245 или на оборудовании, разработанном для производства двух или большего количества однонаправленных слоев, соединяемых вместе способом прошивки, как описано в американских патентах №№ US 4416929, 4550045 и 4484459.
Ткани в соответствии с настоящим изобретением содержат баллистически стойкие, однонаправленные нити основы и нити заполнителя, которые выполнены без наложения слоев друг на друга, в отличие от использовавшихся ранее однонаправленных баллистически стойких материалов.
Баллистически стойкая пряжа определена как пряжа, имеющая прочность на разрыв, составляющую приблизительно 15 грамм на денье и выше, и коэффициент растяжимости, по меньшей мере, приблизительно 400 грамм на денье. Примеры такой пряжи составляют арамидные волокна, полиэтиленовые волокна с растянутой цепью, волокна из поли(п-фенилен-2, 6-бензобисоксазола) (РВО) и стекловолокна. Арамидные волокна и волокна из сополимера арамида коммерчески поставляют компании DuPont, Twaron Products и Teijin под торговыми наименованиями Kevlar®, Twaron®, и Technora® соответственно. Полиэтиленовые волокна с растянутой цепью коммерчески поставляют компании Honeywell, DSM, Mitsui и Toyobo под торговыми наименованиями Spectra®, Dyneema®, Tekmilon® и Dyneema соответственно. Волокна из полиэтилена с растянутой цепью также производят в Китае и в настоящее время поставляют на рынок под названием полиэтиленовое волокно с высокой интенсивностью и с высоким коэффициентом растяжимости (High-intensity & High-modulus polyethylene fibre). Полиэтиленовые волокна и пленки производит компания Synthetic Industries и поставляет под торговым наименованием Tensylon®. Поли(п-фенилен-2, 6-бензобисоксазол) (РВО) производит компания Toyobo под коммерческим наименованием Zylon®. Жидкокристаллические полимеры производит компания Celanese под торговым наименованием Vectran®. Можно использовать также другие баллистически стойкие пряжи.
Вторая, стабилизирующая пряжа, сплетенная с баллистически стойкой пряжей, имеет существенно меньшее значение денье, чем однонаправленные нити пряжи, или представляет собой пряжу, имеющую существенно меньшую прочность на разрыв и коэффициент растяжимости. Для определения свойств такой стабилизирующей пряжи проводят множество испытаний. В результате таких многократно проводимых испытаний материалов и результатов их баллистической стойкости получают параметры, которые можно использовать для изготовления квазиоднонаправленного материала, обладающего исключительными свойствами баллистической стойкости.
Диаметр нитей стабилизирующей ткани в предпочтительной конструкции, а именно в конструкции с использованием полотняного переплетения с чередующимися нитями стабилизирующей пряжи и баллистической пряжи, незначительно влияет на изгиб нитей пряжи, если только значения таких параметров, как коэффициент растяжимости и прочность на разрыв, соответствует требованиям, приведенным ниже. Изгиб нитей пряжи будет одинаковым, как в случае, когда диаметр стабилизирующей пряжи составляет приблизительно 2,5% диаметра баллистически стойкой пряжи, так и когда диаметр стабилизирующей пряжи составляет приблизительно 10% диаметра баллистически стойкой пряжи. Отношение диаметра нейлоновых нитей к диаметру нитей баллистически стойкой пряжи, используемых в структуре квазиоднонаправленного материала, может составлять приблизительно 14% и при этом получаемый материал все еще покажет в результате испытаний параметры, эквивалентные наиболее однородному материалу, сотканному из той же баллистически стойкой пряжи.
Общая прочность стабилизирующей пряжи и ее коэффициент растяжимости следует контролировать для обеспечения свойств баллистической стойкости, получаемой в результате конструкции материала, превышающих значения стандартного баллистически стойкого материала, сотканного из баллистически стойкой пряжи того же размера. Волны напряжения, распространяющиеся по длине нитей баллистически стойкой пряжи в результате удара о нить, отражаются в точках пересечения нити стабилизирующей пряжи так же, как эти волны отражаются в случаях пересечения нитей баллистически стойкой пряжи при стандартном переплетении ткани. Амплитуда отраженной волны прямо пропорциональна силе удержания, которая прикладывается со стороны стабилизирующей пряжи и передается на нити баллистически стойкой пряжи. Величина и длительность этой силы представляют собой функцию общей прочности стабилизирующей пряжи и ее коэффициента растяжимости. Область соответствующей диаграммы напряжений/деформаций (фиг.3) составляет не более приблизительно 3,5% исходного удлинения. При значении приблизительно 3,5% баллистически стойкая пряжа разрушается, и происходит разрушение структуры ткани в месте воздействия. На фигуре 3 показаны диаграммы "напряжения-деформация" для двух волокон, а именно нейлона 78 децитекс (dtex - вес волокна в граммах при длине 10000 м) и полиэфирного волокна размером 44 децитекс.
Квазиоднонаправленные ткани были сотканы с использованием нитей стабилизирующей пряжи различного размера так, чтобы был получен материал со свойствами баллистической стойкости, эквивалентными свойствам стандартных тканых баллистически стойких материалов той же конструкции. Материал был соткан с использованием полиэфирной пряжи размером 40 денье, которую использовали в качестве стабилизирующей пряжи и арамидной пряжи размером 840 денье, которую использовали в качестве баллистически стойкой пряжи. То же переплетение материала применяли с использованием нейлоновой пряжи размером 70 денье в качестве стабилизирующей пряжи. Материал, сотканный с использованием полиэфирной пряжи размером 40 денье, после испытаний показал результаты, аналогичные стандартному тканому материалу, но материал, сотканный с использованием нейлонового волокна с большим значением денье, обладал гораздо лучшими свойствами баллистической стойкости.
Свойства растяжения полиэфирной пряжи измеряли, сравнивали со свойствами баллистически стойкой пряжи и анализировали свойства предела прочности на разрыв, которыми может обладать стабилизирующая пряжа, при выражении этих свойств в процентном отношении к свойствам баллистически стойкой пряжи. Момент сопротивления сечения при удлинении на 0,2% полиэфирного волокна размером 40 денье составил 1777 грамм силы на текс, в то время как общая прочность нити пряжи при растяжении на 3% составила 88 грамм или 0,40% от прочности на разрыв арамидной пряжи. Момент сопротивления сечения при удлинении на 0,2% полиэфирного волокна размером 70 денье составил 966 грамм силы на текс, в то время как общая прочность пряжи при удлинении 3% составила 83 грамма или 0,38% прочности на разрыв арамидной пряжи. Для всех нитей, составляющих стабилизирующую пряжу, свойства максимальной прочности на разрыв обеспечивались при значении момента сопротивления сечения 1777-грамм силы на текс при 0,2% удлинении, и/или при значении общей прочности пряжи при 3%-ом удлинении, составляющем 0,4% от прочности пряжи на разрыв.
Стабилизирующие волокна, которые можно называть обволакивающей пряжей, можно выбрать из широкого диапазона волокон. Такие волокна включают натуральные волокна, такие как хлопок, шерсть, сизаль, лен, джут и шелк. Эти волокна также могут включать искусственные волокна и нити, такие как волокна из регенерированной целлюлозы, вискозы, вискозы полинозик и сложных эфиров целлюлозы. Волокна дополнительно могут включать синтетические волокна и нити, такие как акриловые волокна, например полиакрилонитриловые, модакриловые волокна, такие как волокна из сополимеров акрилонитрила и винилхлорида, полиамидные волокна, например волокна из полигексаметиленадипамида (нейлон 66), поликапроамида (нейлон 6), полиундеканоамида (нейлон 11), полиолефиновые волокна, например волокна из полиэтилена и полипропилена, полиэфирные волокна, например волокна из полиэтилентерефталата, волокна из каучука и синтетический каучука и сарана. Также можно использовать стекловолокно. Кроме того, можно использовать штапельную пряжу, и она может включать любые из вышеуказанных волокон, штапельные баллистически стойкие волокна с низким значением денье, или любую комбинацию этих нитей. Нити из штапельного волокна используют, в частности, когда основные свойства непрерывных волокон пряжи превышают максимальные допустимые свойства, требуемые для применения в квазиоднонаправленном материале. Штапельные волокна благодаря разрывной природе нитей, из которых сформирована пряжа, могут иметь значительно более низкие значения показателей прочности и коэффициента растяжимости, чем пряжа, состоящая из непрерывных волокон. Значение денье может быть в диапазоне от низкого, составляющего приблизительно 20 денье, или меньше, до приблизительно 1000 денье, в зависимости от размера баллистически стойких волокон.
Характеристики получаемого в результате материала, в частности, зависят от свойств обволакивающей пряжи. Предпочтительно, обволакивающая пряжа должна иметь достаточно низкое значение денье, которое было бы практичным для формирования ткани. Также предпочтительно, удлинение ее должно быть как можно более высоким, в то время как коэффициент растяжимости и прочность на разрыв низкими насколько это возможно. Вышеуказанные свойства обволакивающей пряжи позволяют использовать ее в баллистически стойких тканях. При соответствующем повышении или снижении указанных выше параметров свойства конечной баллистически стойкой ткани улучшаются.
Когда ткань, в соответствии с настоящим изобретением, изготавливают на ткацком станке, материал содержит две или несколько нитей пряжи основы и две или несколько нитей пряжи заполнителя. Однонаправленные нити пряжи основы и нити пряжи заполнителя представляют собой нити баллистически стойкой пряжи. Вторые нити пряжи основы и нити пряжи заполнителя имеют меньшее значение денье и представляют собой нити пряжи с меньшей прочностью, то есть обволакивающие нити. Нити с меньшей прочностью переплетают с получением ткани, которая удерживает и стабилизирует однонаправленные нити пряжи. Можно использовать такое простое переплетение, как полотняное переплетение, в котором нити пряжи с низкой прочностью чередуются с баллистически стойкими нитями пряжи как с нитями заполнителя, так и с нитями основы. Получаемый в результате материал содержит однонаправленные баллистически стойкие нити пряжи, помещенные между внутри ткани, сотканной из нитей пряжи с низкой прочностью. Высокоэффективные нити пряжи не пересекаются в конструкции такого материала ни в верхней, ни в нижней ее части, но вместо этого расположены без изгибов в однонаправленных слоях, ориентированных под углом 90 градусов по отношению друг к другу. Нити пряжи с низкой прочностью имеют тканую конструкцию, проходящую сверху и снизу, и обволакивают и стабилизируют баллистически прочные нити пряжи. Нити пряжи заполнителя с низким значением денье удерживают на месте нити основы однонаправленной пряжи, и кроме того, нити пряжи основы с низким значением денье удерживают на месте однонаправленные нити пряжи заполнителя. Величина общего изгиба нитей в таком материале будет иметь большое значение, но такой изгиб полностью происходит с нитями пряжи с низкой прочностью.
Предпочтительная конструкция квазиоднонаправленного материала представляет собой полотняное переплетение с использованием обволакивающей пряжи и баллистически стойкой пряжи с чередованием нитей. В правильно сконструированном материале нити баллистически стойкого материала имеют изгиб менее приблизительно 1%. Количество нитей пряжи на дюйм является критическим значением для обеспечения характеристик материала, в частности, когда материал используют в гибких бронежилетах без добавления полимерных материалов. Некоторое минимальное значение остаточного напряжения обволакивающей пряжи требуется для изгиба нитей пряжи и для обеспечения возможности формирования ткани. Однако, если в готовом материале сохранится остаточное напряжение, оно может оказаться достаточным для нарушения баллистических свойств материала. Конструкция должна быть достаточно открытой, тогда под действием напряжения обволакивающей пряжи материал будет стягиваться и обеспечит рассеивание остаточного напряжения, образующегося в результате текстильной обработки. Величина подсчета количества пиков нитей в ткани, используемой в настоящем изобретении, без полимерного заполнителя можно рассчитать по значению максимальной плотности, которая может быть получена при формировании ткани с полотняным переплетением при использовании 100% баллистически стойкой пряжи. Для обеспечения оптимального значения баллистической стойкости количество нитей баллистически стойкой пряжи на дюйм должно составлять приблизительно 50% от этого значения плюс-минус два пика. Значение количества переплетений может отличаться от этой величины подсчета, но свойства баллистической стойкости будут при этом снижаться. Такой вариант может использоваться в случае, когда в конструкции ткани определяющими являются некоторые другие свойства, помимо свойств баллистической стойкости. Квазиоднонаправленные материалы, используемые в системах жесткой брони, получаемых с применением различных систем полимерного наполнения, являются менее чувствительными к остаточным напряжениям в обволакивающей ткани, поскольку степень зажатия баллистически стойкой пряжи со стороны полимерной системы заполнителя превышает степень зажатия, накладываемую со стороны обволакивающей пряжи. При этом можно применять конструкции с использованием пряжи с величиной подсчета до 84% от максимально возможного значения. Обычно величина подсчета нитей баллистически стойкой пряжи на дюйм составляет приблизительно от 40 до приблизительно 85% от максимальной плотности, которая может быть получена в ткани с полотняным переплетением, полностью состоящей из одинаковых нитей баллистически стойкой пряжи.
Для переплетения нитей пряжи с низкой прочностью также можно использовать структуру диагонального трикотажного переплетения, структуру переплетения "рогожка", структуру атласного переплетения или любую другую структуру переплетения. При использовании различных структур переплетения обеспечивается возможность изменения количества однонаправленных нитей основы и нитей заполнителя, размещаемых в каждом отверстии переплетения нитей пряжи с малой прочностью. Структура переплетения также определяет частоту взаимного соединения нитей пряжи с малым значением денье.
Количество нитей пряжи с малой прочностью может изменяться как в направлении основы, так и в направлении заполнителя, что обеспечивает возможность получения различных конечных продуктов в зависимости от количества нитей пряжи с малой прочностью по сравнению с количеством нитей баллистически стойкой пряжи и от количества нитей баллистически стойкой пряжи, заключенных в каждом отверстии переплетения.
Общее количество нитей пряжи с малой прочностью и частота их взаимного соединения представляют собой важные факторы при определении жесткости квазиоднонаправленного материала в соответствии с настоящим изобретением. Материалы с большей пропорцией нитей пряжи малой прочности и с большим количеством взаимных соединений проявляют тенденцию повышенной жесткости и содержат более зажатые баллистически стойкие нити пряжи. Хотя в соответствии с общепринятой теорией, более жесткий материал имеет меньшую баллистическую стойкость, следует ожидать, что такой материал, в случае баллистического события, передает меньшую травму на тело. Таким образом, конструирование жилетов для баллистического конечного использования представляет собой задачу балансирования пропорции более жесткой ткани с более гибкой тканью для получения оптимальной конструкции бронежилета. В качестве общей рекомендации, более жесткий материал следует использовать позади более гибкого материала, но в некоторых случаях могут быть предпочтительными и обратные конструкции. Следует понимать, что существует большое количество квазиоднонаправленных материалов, которые могут быть сотканы так же, как материал в соответствии с настоящим изобретением, причем каждый из них будет иметь различный набор свойств. Благодаря этому, может быть обеспечено достаточно большое количество комбинаций квазиоднонаправленных материалов для конструирования бронежилета. Различные комбинации могут быть предпочтительными для различных вариантов применения.
Предпочтительно обеспечить минимальный вес пряжи с низкой прочностью как процент от общего веса материала, поскольку эта пряжа не участвует в баллистическом событии. Однако увеличенная пропорция пряжи с низкой прочностью позволяет получить более износостойкий, стабильный материал, хотя вес такого материала будет выше и он будет иметь пониженные свойства баллистической стойкости из-за увеличенной степени зажима однонаправленных нитей пряжи стабилизирующей тканью. Предпочтительно используемая пряжа должна иметь наименьшее значение денье и должна представлять собой пряжу с наименьшим значением прочности, которую еще можно использовать для формирования ткани и которая удовлетворяет всем требованиям конкретного варианта применения. Значение денье пряжи может изменяться в зависимости от варианта применения.
В вариантах выполнения настоящего изобретения было определено, что нейлоновая пряжа с размером нити 78 децитекс при сплетении с использованием конструкции полотняного переплетения и при чередовании с пряжей Spectra® 1330 децитекс, обеспечивает достаточную стабильность и долговечность ткани, предназначенной для использования в мягком баллистически стойком бронежилете при гарантии, что ткань будет стабильной в течение, как минимум, пятилетнего срока службы бронежилета. Такая ткань проявляет повышенные на 22-30% свойства баллистической стойкости при сравнении баллистических свойств прессованной панели с панелью того же веса, изготовленной из стандартного тканого материала Spectra® 1330 децитекс. В других вариантах выполнения было определено, что такая ткань обладает лучшими свойствами, когда она соткана с уменьшенным количеством подсчета пиков по сравнению со стандартньм тканым материалом, изготовленным из той же баллистически стойкой пряжи. В других вариантах выполнения было определено, что снижение значения подсчета волокон ниже определенного значения не приводит к улучшению характеристик баллистической стойкости.
В общем, ткани, сотканные из баллистически стойкой пряжи с меньшим значением денье, обеспечивают лучшие характеристики, чем материалы, сотканные из баллистически стойкой пряжи с большим диаметром, в то же время первые являются более дорогостоящими. Считается, что ткани могут быть сотканы из коммерчески доступной баллистически стойкой пряжи с различным значением денье. Значение денье стабилизирующей пряжи может отличаться от значения денье баллистически стойкой пряжи. Для каждого типа и значения денье баллистической стойкой пряжи следует ожидать, что существует оптимальный по характеристике V-50 тканый материал для применения в качестве мягкой брони. Характеристика V-50 тканевой цели представляет собой скорость, при которой 50% снарядов определенного типа, при ударе о тканевую цель, полностью пробивают цель.
Материал, сотканный в соответствии с настоящим изобретением, с использованием полиэтиленовой пряжи, можно обрабатывать с использованием способов обработки под высоким давлением, применяемых для обработки существующих полиэтиленовых продуктов. Следует ожидать, что квазиоднонаправленная ткань в соответствии с настоящим изобретением, при прессовании под давлением в диапазоне 3000-4000 фунтов на квадратный дюйм (210-280 кг/см2), будет проявлять улучшенные свойства баллистической стойкости. Также можно предполагать, что обработка коронарным разрядом полиэтиленовой пряжи перед покрытием системой заполнителя из полимерной смолы повысит адгезию и улучшит свойства баллистической стойкости получаемого в результате композитного материала.
Описанный здесь материал может поставляться в том виде, как он был приготовлен, или он может проходить дополнительную обработку. Для вариантов применения в качестве жесткой брони материал может быть изготовлен в виде полуфабриката с пропиткой, с использованием пленки или влажной смолы. Пленку или смолу можно наносить с одной стороны ткани, или ткань может быть полностью импрегнирована смолой, пленка также может быть внедрена в структуру ткани. В качестве пленки или смолы можно использовать термопластическую или термореактивную смолу. Любая смола или пленка, которую можно применять для получения баллистически стойкого пропитанного полуфабриката, может использоваться с этими тканями. Два слоя такой ткани также могут быть соединены вместе для получения двухслойного материала.
Ткань может содержать пленку, соединенную с ее поверхностью с помощью клея. Пленка обеспечивает большую стабильность ткани и формирует поверхность износа ткани. Такую структуру можно использовать для бронежилета, предназначенного для использовании в жестких условиях эксплуатации. В результате нанесения на ткань пленки также получают более жесткий материал, который можно использовать для управления количеством энергии, передаваемой через бронежилет. Пленка в этом случае, предпочтительно, может представлять собой тонкую полиэтиленовую пленку, но также можно использовать любую пленку, которая может быть приклеена к ткани.
Если материал изготовлен на вязальной машине с внедрением нитей, в качестве внедряемых в ткань однонаправленных нитей можно использовать баллистически стойкие волокна, в то время как в качестве трикотажной нити, обволакивающей высокоэффективные волокна, можно использовать пряжу с малой прочностью/диаметром нити. Нити пряжи с малым значением денье и малой прочностью выполняют ту же роль, что и в тканом материале, то есть обволакивают и стабилизируют баллистически прочную пряжу без излишнего зажима этих нитей. Такие стабилизирующие нити должны удовлетворять требованиям максимальной прочности и коэффициента растяжимости, приведенным выше, то есть момент сопротивления сечения при удлинении на 0,2% должен составлять 1777 грамм силы на текс или меньше, и общая прочность нити пряжи при 3%-ом удлинении должна составлять 0,40% прочности на разрыв арамидной пряжи. Вязанный материал можно использовать в качестве баллистически стойкой ткани, если удовлетворяется один из этих критериев. При этом возможно одновременно вводить нити однонаправленной основы и однонаправленного заполнителя. В этом случае не требуется использовать поперечное наложение тканей для баллистического применения. Если вводят только одну баллистически стойкую нить пряжи в направлении основы или направлении заполнителя, такую ткань необходимо соединять с наложением на другую такую же ткань, с поперечным расположением нитей для формирования баллистически стойкого материала или изделия. Из такой трикотажной ткани также может быть изготовлена пропитанная заготовка, соединенная в виде слоистой структуры с пленкой, нанесенной так же, как на тканый материал, описанный выше.
Если материал изготовлен на трехмерном ткацком станке, в качестве нитей основы и нитей заполнителя используют баллистически стойкие нити, в то время как в качестве перпендикулярно переплетенных нитей используют нити малой прочностью, с низким значением денье. Нити пряжи с малым значением денье и малой прочностью выполняют те же функции, что и нити в тканом материале, то есть обволакивают и стабилизируют баллистически стойкие нити пряжи без излишнего зажима этих нитей. Такие стабилизирующие нити должны удовлетворять требованиям по прочности на разрыв и коэффициенту растяжимости, приведенным выше, то есть момент сопротивления сечения при удлинении на 0,2% должен составлять 1777 грамм силы на текс или меньше, и общая прочность пряжи при 3%-ном удлинении должна составлять 0,40% от прочности на разрыв арамидной пряжи. Тканый материал может иметь те же характеристики, что и баллистически стойкий материал, если выполняется любой из этих критериев. Из такого трехмерного материала можно изготовить пропитанные заготовки, соединяемые вместе, или на него может быть нанесена пленка так же, как и на тканый материал, описанный выше.
Если такой материал изготовлен из двух сшитых вместе однонаправленных нитей пряжи, в качестве однонаправленных нитей пряжи используют баллистически стойкие нити, в то время как нити, используемые для прошивки, будут представлять собой пряжу с малой прочностью. Такие нити для прошивки должны удовлетворять требованиям по прочности и коэффициенту растяжимости, приведенным ниже, то есть момент сопротивления сечения при удлинении на 0,2% должен составлять 1777 грамм силы на текс или меньше, и общая прочность пряжи при в 3%-ном удлинении должна составлять 0,40% от прочности на разрыв арамидной пряжи. Тканый материал можно использовать в качестве баллистически стойкой ткани, если удовлетворяется один из этих критериев. Такую ткань в этом виде не требуется накладывать с пересечением на другую ткань. Из такого сшитого материала можно изготовить пропитанные заготовки, соединяемые вместе, или на него может быть нанесена пленка так же, как и на тканый материал, описанный выше.
Настоящее изобретение, в частности, разработано для получения квазиоднонаправленного материала для применения в качестве баллистически стойкой брони. Такой материал может использоваться сам по себе или в комбинации с различными другими баллистически стойкими тканями и материалами для получения гибкой брони. Такие другие баллистически стойкие ткани могут включать тканые баллистически стойкие материалы, изготовленные из волокон арамида, полиэтилена, поли(п-фенилен-2, 6-бензобисоксазола) (РВО) или стекловолокон. Другие материалы могут включать различные однонаправленные продукты, полученные с использованием известной технологии изготовления однонаправленного полотна, где баллистически стойкие волокна представляют собой арамидные волокна, полиэтиленовые или поли(п-фенилен-2, 6-бензобисоксазоловые) (РВО) волокна.
Материал, в соответствии с настоящим изобретением, можно использовать в различных комбинациях с материалами, приведенными выше, он может заменять любой из материалов или комбинацию материалов в существующих конструкциях бронежилета. Кроме того, материал, в соответствии с настоящим изобретением, может быть соединен вместе или ламинирован с пленками для получения материала, предназначенного для дополнительного уменьшения травмы, передаваемой через систему брони. В качестве альтернативы, ламинированный материал можно использовать в бронежилетах, где более гибкий материал заменен на более жесткий ламинированный материал. Гибкий материал в этом случае должен быть в достаточной степени прошит, в то время как ламинированный материал можно использовать с прошивкой или без нее. Пропорция каждого материала и общий вес брони могут изменяться в зависимости от баллистической угрозы, то есть конкретных технических условий, предъявляемых для баллистических бронежилетов или брони. Аналогично, пропорции материалов и общий вес брони могут изменяться в зависимости от количества дополнительного материала, используемого изготовителем в конструкции брони, для гарантирования того, что такая броня пройдет многократные баллистические испытания. При варианте применения в качестве жесткой брони материал, в соответствии с настоящим изобретением, можно использовать с различными системами полимерных наполнителей для формирования жесткой панели. Такую панель можно использовать самостоятельно в качестве брони или в комбинации с другими жесткими панелями, изготовленньми из арамидных, полиэтиленовых, поли(п-фенилен-2, 6-бензобисоксазоловых) (РВО) волокон или стекловолокон. Такие панели или комбинации панелей можно использовать в системах брони с подкладкой из баллистически стойких материалов. В качестве альтернативы, панели, изготовленные из ткани в соответствии с настоящим изобретением, отдельно или в комбинации с вышеуказанным броневыми панелями можно использовать в качестве подкладки, располагаемой позади керамических или металлических пластин для формирования системы композитной брони. В отношении вышеуказанных образцов брони могут быть выполнены различные вариации и модификации. В частности, новые конструкции ткани, в соответствии с настоящим изобретением, можно использовать в бронированных изделиях, имеющих общепринятую конструкцию. Хотя при этом точное количество слоев ткани и точный вес комбинаций материалов заранее не известны, их значения можно легко получить для конкретных технических условий и свойств в результате баллистических испытаний материалов. Проведение таких испытаний является обычным для специалистов по разработке брони.
Дополнительные варианты применения тканей включают изготовление из них материала для парусов, где требуется обеспечить отсутствие изгиба или растяжения в одном или в обоих направлениях ткани, и при изготовлении композитных материалов, где также требуется обеспечить отсутствие изгибов армирующей пряжи. При использовании в качестве материала для парусов в качестве обволакивающей пряжи предпочтительно использовать полиэфирную пряжу, поскольку она прилипает к пленке Mylar®, используемой для высокоэффективных парусов. При использовании композитных материалов наиболее предпочтительно в качестве обволакивающей пряжи использовать пряжу из стекловолокна с низкой гибкостью.
Настоящее изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Пример I
Экспериментальную ткань изготовили из пряжи Spectra® с размером 1330 децитекс (полиэтилен с растянутой цепью), используемой в качестве нитей основы и нитей заполнителя, и нейлоновой пряжи 78 децитекс, используемой в качестве нитей основы и нитей заполнителя. Нити пряжи Spectra® были кручеными, в то время как нейлоновая пряжа была не крученой. Пряжу Spectra® подавали в ткацкий станок с одного цилиндра, в то время как нейлон подавали со второго цилиндра ткацкого станка.
Различные нити пряжи основы чередовали в этом материале, то есть после нити Spectra® следовала нить нейлоновой пряжи, с повторением по всему материалу. Нити заполнителя также представляли собой чередующиеся нити Spectra® и нейлоновые нити. Материал соткали с использованием полотняного переплетения ткани. Для отражения различий по прочности, коэффициенту растяжимости и диаметру нити пряжи Spectra были однонаправленными, в то время как нейлоновые нити формировали ткань с перегибами, окружающую нити Spectra. Подсчет количества нитей в материале составил 21 нитей Spectra на дюйм и 21 нейлоновую нить на дюйм (8,3 нитей на сантиметр) как в направлении основы, так и в направлении заполнителя. Максимальное количество нитей пряжи размером 1200 денье, которые можно соткать с использованием полотняного переплетения, составляет 25 концов на один дюйм (9,8 концов на сантиметр). Отношение диаметра обволакивающей пряжи к диаметру баллистически стойкой пряжи составило 5,4%. Законченный материал покрыли термопластичным эластомером (эластомер Barrday 015671), 20% по массе для формирования пропитанной заготовки. Тринадцать слоев пропитанной заготовки прессовали при температуре 250°F (121°C) и под давлением 230 фунтов на квадратный дюйм (16,2 кг/см2) в течение 30 минут. Панель охладили под давлением до температуры 200°F (93°С), после чего убрали давление. Полученную в результате панель немедленно охладили путем прижима к холодной металлической пластине.
Контрольный образец из тринадцати слоев стандартного тканого материала из пряжи Spectra® размером 1330 децитекс, style 4431 с покрытием из 20% вышеуказанного термопластичного эластомера Barrday прессовали с получением панели с использованием вышеописанной процедуры. Общее содержание пряжи Spectra® в этой панели совпало с содержанием пряжи в экспериментальной квазиоднонаправленной панели.
Свойства баллистической стойкости панелей определяли путем измерения характеристики V-50 с использованием 9 мм пуль с полной металлической оболочкой, с использованием подложки под панелями из 4 дюймов (10,2 см) глины на масляной основе. Панель 4431 (контрольная) показала значение характеристики V-50 280 метров в секунду. Значение характеристики V-50 для панели, в соответствии с настоящим изобретением, составило 328 метров в секунду. Такое значение характеристики V-50 на 17% выше по сравнению с контрольной панелью.
Пример II
Экспериментальную ткань изготовили с применением пряжи Spectra® с размером 1330 децитекс, используемой в качестве нитей основы и нитей заполнителя, и нейлоновой пряжи 78 децитекс, используемой в качестве нитей основы и нитей заполнителя. Нити пряжи Spectra® были кручеными, в то время как нейлоновая пряжа была не крученой. Нити пряжи Spectra® подавали в ткацкий станок с одного цилиндра, в то время как нейлоновую пряжу подавали со второго цилиндра ткацкого станка.
Различные нити пряжи чередовали в этом материале, то есть после нити Spectra® следовала нить нейлоновой пряжи, с повторением по всему материалу. Нити заполнителя также представляли собой чередующиеся нити Spectra® и нейлоновые нити. Материал соткали с использованием полотняного переплетения ткани. Для отражения различий по прочности, коэффициенту растяжимости и диаметру нити пряжи Spectra® были однонаправленными, в то время как нейлоновые нити формировали ткань с перегибами, окружающую нити Spectra®. Подсчет количества нитей в материале составил 16 нитей Spectra на дюйм и 16 нейлоновых нитей на дюйм (6,3 нитей на сантиметр) как в направлении основы, так и в направлении заполнителя. Максимальное количество нитей пряжи размером 1200 денье, которые можно соткать с использованием полотняного переплетения, составляет 25 концов на дюйм (9,8 концов на сантиметр). Отношение диаметра обволакивающей пряжи к диаметру баллистически стойкой пряжи составило 5,4%. Законченный материал покрыли термопластичным эластомером по Примеру I в количестве 20% мас., для формирования пропитанной заготовки. Семнадцать слоев такой заготовки прессовали при температуре 250°F (121°C) под давлением 230 фунтов на квадратный дюйм (16,2 кг/см2) в течение 30 минут. Панель охладили под давлением до температуры 200°F (93°С), после чего убрали давление. Полученную в результате панель немедленно охладили путем прижима к холодной металлической пластине. Плотность размещения нитей на единице площади, полученной в результате панели, близко соответствовала плотности на единицу площади контрольной панели по Примеру I.
Свойства баллистической стойкости такой панели определяли путем измерения характеристики V-50 панели при использовании 9 мм пуль с полной металлической оболочкой, с использованием подложки под панелями из 4 дюймов (10,2 см) глины на масляной основе. Характеристика V-50 этой панели составила 365 метров в секунду. Такое значение характеристики V-50 на 30% выше по сравнению с контрольным образцом по Примеру I.
Пример III
Ткань изготовили с применением пряжи Spectra® с размером 1330 децитекс, используемой в качестве нитей основы и нитей заполнителя, и нейлоновой пряжи 78 децитекс, используемой в качестве нитей основы и нитей заполнителя. Нити пряжи Spectra® были кручеными, в то время как нейлоновая пряжа была не крученой. Нити пряжи Spectra® подавали в ткацкий станок с одного цилиндра, в то время как нейлоновую пряжу подавали со второго цилиндра ткацкого станка. Различные нити пряжи чередовались в материале, то есть нить Spectra® следовала после нейлоновой нити, что повторялось по всей ткани. В нитях заполнителя также чередовались нити Spectra® и нейлоновые нити. Такой материал соткали с использованием полотняного переплетения. Для отражения различий по прочности, коэффициенту растяжимости и диаметру нити Spectra® были однонаправленными, в то время как нейлоновые нити формировали ткань с перегибами, окружающую нити Spectra®. Подсчет количества нитей в материале для нитей Spectra® составил 10,5 нитей на дюйм и 10,5 нейлоновых нитей на дюйм (4,1 нитей на сантиметр) как в направлении основы, так и в направлении заполнителя. Максимальное количество нитей размером 1200 денье, которые можно было соткать с использованием полотняного переплетения, составляет 25 концов на дюйм (9,8 концов на сантиметр). Отношение диаметра обволакивающей пряжи к диаметру баллистически стойкой пряжи составило 5,4%. Законченный материал покрыли термопластичным эластомером по Примеру I с использованием 20 мас.% эластомера для формирования пропитанной заготовки. Двадцать пять слоев такой пропитанной заготовки прессовали при температуре 250°F (121°С) под давлением 230 фунтов на квадратный дюйм (16,2 кг/см2) в течение 30 минут. Полученную в результате панель охладили под давлением до температуры 200°F (93°С), после чего давление сняли. Панель немедленно охладили путем прижима к холодной металлической пластине. Плотность нитей на единицу площади, полученной в результате панели, близко соответствовала плотности нитей на единицу площади контрольной панели по Примеру I.
Характеристики баллистической стойкости такой панели определяли путем измерения свойств V-50 панели с использованием 9 мм пуль с полной металлической оболочкой, с использованием подложки под панелями из 4 дюймов (10,2 см) глины на масляной основе. Характеристика V-50 этой панели составила 364 метра в секунду. Такое значение характеристики V-50 на 29% выше по сравнению с контрольным образцом по Примеру I.
Пример IV
Ткань изготовили с применением пряжи Spectra® с размером 1330 децитекс, используемой в качестве нитей основы и нитей заполнителя, и нейлоновой пряжи 78 децитекс, используемой в качестве нитей основы и нитей заполнителя. Нити основы Spectra® были кручеными, в то время как нити заполнителя Spectra® были не кручеными. Нейлоновые нити были не кручеными. Нити Spectra® подавали в ткацкий станок с одного цилиндра, в то время как нейлоновые нити подавали со второго цилиндра ткацкого станка. Различные нити пряжи основы чередовались в материале, то есть после нитей Spectra® следовала нейлоновая нить, что повторялось по всему материалу. В нитях заполнителя также чередовались нити Spectra® и нейлоновые нити.
Материал соткали с использованием полотняного переплетения. Для отражения различий по прочности, коэффициенту растяжимости и диаметру нити Spectra® были однонаправленными, в то время как нейлоновые нити формировали ткань с перегибами, окружающую нити Spectra®. Подсчет количества нитей в материале для нитей Spectra® составил 15 нитей на дюйм и 15 нейлоновых нитей на дюйм (5,9 нитей на сантиметр) как в направлении основы, так и в направлении заполнителя. Законченный материал покрыли термопластическим эластомером по Примеру I с использованием 18% мас. эластомера для формирования пропитанной заготовки. Восемнадцать слоев таких заготовок прессовали при температуре 250°F (121°C) под давлением 230 фунтов на квадратный дюйм (16,2 кг/см2) в течение 30 минут. Панель охладили под давлением до температуры 200°F (93°C), после чего давление сняли. Полученную в результате панель немедленно охладили путем прижима к холодной металлической пластине.
Второй контрольный образец из тринадцати слоев из ткани, полученной из пряжи Spectra® 1330 децитекс, style 4431 с покрытием из 20% вышеуказанного термопластичного эластомера изготовили так же, как в Примере I. Общее содержание пряжи Spectra® в этой панели было таким же, как и в экспериментальной, квазиоднонаправленной панели.
Характеристики баллистической стойкости обеих панелей определяли путем измерения характеристики V-50 панели при использовании 9 мм пуль с полной металлической оболочкой с использованием подложки под панелями из 4 дюймов (10,2 см) глины на масляной основе. Характеристика V-50 контрольной панели составила 298 метров в секунду, в то время как значение характеристики V-50 экспериментальной панели составило 364 метра в секунду. Такое значение V-50 на 30% выше по сравнению с контрольным образцом по Примеру I и на 22% выше по сравнению с контрольным образцом, использованным в данном примере.
Пример V
Квазиоднонаправленную ткань из пряжи Kevlar (арамид) 3000 денье соткали с нейлоновой пряжей 70 денье в качестве стабилизирующей пряжи. Нейлоновая пряжа представляла собой пряжу размером 70 денье из 34 нитей из текстурированного нейлона с матированной поверхностью, крученую на 2,5 оборота на дюйм (0,98 оборота на сантиметр). Количество пиков на дюйм пряжи Kevlar составило 9 (3,5 пика на сантиметр). Максимальное количество нитей пряжи размером 3000 денье, которые можно соткать с использованием полотняного переплетения, составляет 18 концов на дюйм (7 концов на сантиметр). Отношение диаметра обволакивающей пряжи к диаметру баллистически стойкой пряжи составило 2,6%. Материал прессовали с получением твердой бронированной панели с использованием термопластического эластомера по Примеру I. В полученную в результате панель с плотностью 0,88 фунтов на квадратный фут (4,3 кг на 1 м2) пряжи стреляли с использованием 9 мм пуль и получили значение характеристики V-50, составляющее 35 метров в секунду, что (на 16%) лучше, чем у лучших материалов, сотканных из пряжи Kevlar размером нити 3000 денье. Эта ткань представляла собой ткань с полотняним переплетением 11x11. Баллистически стойкую панель плотностью 0,93 фунта пряжи на квадратный фут (4,5 кг на 1 м2) прессовали с той же системой полимерного наполнения.
Пример VI
Квазиоднонаправленную ткань из арамидной пряжи (Twaron) с размером 840 денье соткали с использованием нейлоновой пряжи 70 денье в качестве обволакивающей пряжи. Нейлоновая пряжа представляла собой пряжу 70 денье из 34 нитей текстурированного нейлона с матированной поверхностью, крученую на 2,5 оборота на дюйм (0,98 оборота на сантиметр). Количество пиков на дюйм арамидной пряжи составило 17 (6,7 пиков на сантиметр). Максимальное количество нитей 840 денье, которые можно соткать с использованием полотняного переплетения, составляет 34 конца на дюйм (13,4 концов на сантиметр). Отношение диаметра обволакивающей пряжи к диаметру баллистически стойкой пряжи составило 9,4%. Ткань сложили слоями в виде двух наборов панелей из материала, каждая из которых состояла из 22 слоев ткани. Один набор панелей оставили без прошивки, в то время как вторую панель прошили линиями диагональных стежков, расположенных через интервал в 1,5 дюйма (3,8 см). Прошитая панель показала характеристику V-50 при стрельбе 9 мм пулями на 80 метров в секунду (35%) больше, чем в результате стрельбы по не прошитой панели. Показатели стрельбы по этой панели были очень неравномерными и минимальный показатель проникновения был на 81 метр в секунду ниже, чем характеристика V-50 для прошитой панели.
Пример VII
Квазиоднонаправленную ткань из арамидной пряжи (Twaron) с размером 840 денье соткали с использованием нейлоновой пряжи 70 денье в качестве обволакивающей пряжи. Нейлоновая пряжа представляла собой пряжу 70 денье из 34 нитей текстурированного нейлона с матированной поверхностью, крученую на 2,5 оборота на дюйм (0,98 оборота на сантиметр). Количество пиков на дюйм арамидной пряжи составило 17 (6,7 пиков на сантиметр). Максимальное количество нитей 840 денье, которые можно соткать с использованием полотняного переплетения, составляет 34 конца на дюйм (13,4 концов на сантиметр). Отношение диаметра обволакивающей пряжи к диаметру баллистически стойкой пряжи составило 9,4%. Два слоя законченного материала соединили вместе с использованием термопластичного эластомера по Примеру I. Вес смолы составил 36 грамм на квадратный метр. Слоистый материал из слоев ткани сложили с получением двух наборов панелей, каждая из которых состояла из 11 слоев ткани. Один набор панелей оставили без прошивки, в то время как вторую панель прошили линиями диагональных стежков, расположенных через интервал в 1,5 дюйма (3,8 см). Прошитая панель показала характеристику V-50 при стрельбе 9 мм пулями на 62 метра в секунду (на 15%) выше, чем в результате стрельбы по не прошитой панели.
Пример VIII
Квазиоднонаправленную ткань из арамидной пряжи (Twaron) 840 денье соткали с пряжей размером 40 денье, используемой в качестве обволакивающей пряжи. Обволакивающая пряжа состояла из полиэфирной пряжи размером 40 денье. Количество пиков на дюйм арамидной пряжи составило 17 (6,7 пиков на сантиметр). Максимальное количество нитей размеров 840 денье, которые можно соткать с использованием полотняного переплетения, составляет 34 конца на дюйм (13,4 концов на сантиметр). Отношение диаметра обволакивающей пряжи к диаметру баллистически стойкой пряжи составило 5,4%. Ткань прошили с получением двух панелей из ткани. Панели сшили вместе с использованием линии стежков вдоль внешнего края панели. Панель показала характеристику V-50 такую же, что и панель, полученная из контрольной ткани. Плотность нитей на единицу площади (вес на единицу площади) этой панели была такой же, что и в экспериментальной панели. Ткань с покрытием представляла собой ткань с полотняным переплетением 27x27. Момент сопротивления сечения полиэфирной пряжи при удлинении на 0,2% составил 1777 грамм на текс, и максимальная прочность при 3%-ном удлинении составила 0,31% от значения для баллистически стойкой пряжи.
В качестве вывода настоящего описания можно отметить, что настоящее изобретение обеспечивает получение уникальной ткани, в которой однонаправленные баллистически стойкие волокна пряжи расположены, по меньшей мере, в двух слоях, расположенных под углом 90°±5° по отношению друг к другу, стабилизированы с помощью переплетения второй тканью, сформированной из пряжи, имеющей существенно более низкую прочность на разрыв и коэффициент растяжимости. В пределах объема настоящего изобретения возможны различные его модификации.
1. Ткань, характеризующаяся тем, что она содержит однонаправленные баллистически стойкие нити пряжи, расположенные, по меньшей мере, в двух слоях, причем указанные слои расположены под углом 90°±5° по отношению друг к другу, указанные баллистически стойкие нити пряжи стабилизированы переплетениями второй ткани, причем указанная вторая ткань сформирована из нитей, имеющих значительно меньшую прочность на разрыв и коэффициент растяжимости, чем баллистически стойкая пряжа.
2. Ткань по п.1, характеризующаяся тем, что баллистически стойкая пряжа представляет собой высокоэффективную баллистически стойкую пряжу.
3. Ткань по любому из пп.1 и 2, характеризующаяся тем, что баллистически стойкая пряжа имеет прочность на разрыв, составляющую, по меньшей мере, 15 г на денье и коэффициент растяжимости, по меньшей мере, 400 г на денье.
4. Ткань по любому из пп.1-3, характеризующаяся тем, что баллистически стойкая пряжа выбрана из группы, состоящей из арамидных волокон, полиэтиленовых волокон с растянутой цепью, поли(п-фенилен-2,6-бензобисоксазоловых) (РВО) волокон и стекловолокон.
5. Ткань по любому из пп.1-4, характеризующаяся тем, что нити пряжи второй ткани имеют размер в диапазоне 20-1000 денье.
6. Ткань по любому из пп.1-5, характеризующаяся тем, что нити пряжи второй ткани выбраны из группы, состоящей из натуральных волокон, предпочтительно хлопка, шерсти, сизаля, льна, джута или шелка, синтетических волокон, предпочтительно волокон из регенерированной целлюлозы, вискозы, вискозы полинозик, сложных эфиров целлюлозы, акриловых, модакриловых, полиамидных, полиолефиновых, полиэфирных, каучуковых волокон, волокон из синтетического каучука и сарановых волокон, более предпочтительно из волокон из полиакрилонитрила, сополимеров акрилонитрила и винилхлорида, полигексаметиленадипамида, поликарбоамида, полиундеканоамида, полиэтилена, полипропилена и полиэтилентерефталата и стекла.
7. Ткань по любому из пп.1-6, характеризующаяся тем, что пряжа второй ткани имеет высокую степень удлинения и предпочтительно ее разрыв происходит до разрыва баллистически стойких нитей пряжи при ударе снаряда о ткань.
8. Ткань по любому из пп.1-7, характеризующаяся тем, что ткань выполнена с покрытием или содержит пленку, нанесенную на нее в качестве слоя.
9. Ткань по любому из пп.1-8, характеризующаяся тем, что нити пряжи второй ткани имеют диаметр, составляющий до 14%, предпочтительно 2,5% от диаметра баллистически стойкой пряжи.
10. Ткань по любому из пп.1-9, характеризующаяся тем, что нити пряжи второй ткани имеют максимальный коэффициент растяжимости, составляющий 1777 г на текс.
11. Ткань по любому из пп.1-10, характеризующаяся тем, что нити пряжи второй ткани имеют максимальную прочность при 3%-ном удлинении, составляющую 0,31% от максимальной прочности баллистически стойкой пряжи.
12. Ткань по любому из пп.1-11, характеризующаяся тем, что количество нитей пряжи баллистически стойкой пряжи на дюйм составляет 40-85%, предпочтительно 50%±1% от максимальной плотности нитей, с которой их можно соткать с использованием полотняного переплетения ткани, состоящей полностью из баллистически стойкой пряжи того же размера.
13. Баллистически стойкий материал, характеризующийся тем, что он выполнен из множества слоев ткани по любому из пп.1-12.
14. Баллистически стойкий материал по п.13, характеризующийся тем, что он имеет прошивку ткани через все множество слоев ткани для улучшения сопротивления к проникновению.
15. Баллистический стойкий материал по любому из пп.13 и 14, характеризующийся тем, что множество слоев ткани состоит из двух наложенных друг на друга слоев ткани.
