BRPI0620557A2 - tecido multiaxial, vestimenta, artigo e método de produção de tecido - Google Patents
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Abstract
TECIDO MULTIAXIAL, VESTIMENTA, ARTIGO E MéTODO DE PRODUçãO DE TECIDO. A presente invenção refere-se a tecidos multiaxiais que compreendem pelo menos uma camada de tecido não tecido, filme termoplástico ou filme termo-estável, primeira camada que compreende uma pluralidade de primeiros fios que são substancialmente paralelos em primeira direção, segunda camada que compreende uma pluralidade de segundos fios que são substancialmente paralelos em segunda direção e inclinados ou deslocados em relação aos primeiros fios e fio transversal entrelaçado transversalmente nas camadas, em que cada camada pode ser disposta em qualquer ordem seqúencial e opcionalmente revestida com polímero de alta viscosidade que possui Tg na faixa de cerca de -40 a cerca de 0<198>C e viscosidade de fusão de corte zero de cerca de 2 x 10^ 6^ a cerca de 10^ 13^ poise a 20<198>C.
Description
"TECIDO MULTIAXIAL, VESTIMENTA, ARTIGO E MÉTODO DE PRODUÇÃO
DE TECIDO" Referência Cruzada a Pedido Relacionado
O presente pedido reivindica o benefício do Pedido Norte- Americano n° 60/749.146, depositado em oito de dezembro de 2005, que é incorporado ao presente como referência.
Campo da Invenção A presente invenção refere-se a tecido multiaxial útil em aplicações balísticas.
Antecedentes da Invenção
Armadura balística pessoal, particularmente vestimentas, capacetes e outros artigos, é geralmente formada com materiais que servem para evitar a penetração de balas ou outros projéteis e qualquer outro objeto que é aplicado com força à armadura, tal como faca. Estes artigos são principalmente utilizados pelas forças armadas, mas também possuem aplicações civis e policiais. Existe crescente demanda de aumento da capacidade de vestir e eficácia geral de sistemas de armadura utilizados por soldados e policiais em ambientes de combate. A espessura e o peso geral de sistemas de armadura podem afetar a capacidade de vestir, mas a redução desses parâmetros em sistemas atualmente conhecidos pode comprometer a eficácia da armadura contra penetração.
Tecidos conhecidos para aplicações balísticas incluem os que contêm pelo menos duas camadas que possuem fibras unidirecionais, de forma que as fibras na segunda camada sejam torcidas em fibras na primeira camada. Vide, por exemplo, os Pedidos de Patente Norte-Americanos n° 2002/0164911, 2003/0228815 e 2005/0081571.
Certas construções balísticas foram impregnadas com material de união. Vide o Pedido de Patente Norte-Americano n° 2004/0045428 e a Patente Norte-Americana n0 6.238.768. A Patente Norte-Americana n° 5.160.776 descreve composto que contém pelo menos uma camada que é rede de certos filamentos com alta resistência em material de matriz. A Patente Norte-Americana n° 4.183.993 descreve o uso de laminados em tecido de reforço unidirecional que inclui tecido de fios tecidos na trama formados de uma série de pontos tecidos na trama e uma série de insertos de urdidura que se estendem longitudinalmente em paralelo mantidos no tecido costurado na trama.
A Patente Norte-Americana n° 5.935.678 descreve estrutura laminada balística em forma de folha que inclui primeiro e segundo conjuntos de feixes de fibras orientados de forma unidirecional. O segundo conjunto de feixes de fibras é pregueado em ângulo para o primeiro conjunto de feixes de fibras. Nesta construção, filme polimérico reside entre os primeiro e segundo conjuntos pregueados de feixes de fibras, de forma a aderir-se aos primeiro e segundo conjuntos de feixes de fibras sem penetração substancial do filme nos feixes de fibras. A Patente Norte-Americana n° 5.677.029 descreve artigo balístico que contém pelo menos uma camada fibrosa e pelo menos uma camada polimérica que se encontra em contato com a camada fibrosa e a ela é unida, no todo ou em parte.
Certos tecidos que contêm camadas tecidas e não tecidas também são conhecidos. Vide o Pedido de Patente Norte-Americano n° 2004/0132368.
Existe necessidade de tecidos e artigos balísticos com desempenho aprimorado.
Descrição Resumida da Invenção
São fornecidos tecidos multiaxiais que compreendem:
- pelo menos uma camada de tecido não tecido, filme termoplástico ou filme termo-estável; - uma primeira camada que compreende uma pluralidade de primeiros fios que são substancialmente paralelos em uma primeira direção;
- uma segunda camada que compreende uma pluralidade de segundos fios que são substancialmente paralelos em uma segunda direção e inclinados ou deslocados em relação aos primeiros fios;
- um fio transversal entrelaçado transversalmente nas camadas e que fornece sustentação mecânica para as mencionadas camadas;
em que cada camada pode ser disposta em qualquer ordem seqüencial e opcionalmente revestida com um polímero de alta viscosidade que possui Tg na faixa de cerca de -40 a cerca de 0°C e viscosidade de fusão de corte zero de cerca de 2 x 106 a cerca de 10"13 poise a 20°C.
Também são fornecidos vestimenta e artigo que compreendem esses tecidos e método de fabricação desses tecidos.
A descrição resumida acima e a descrição detalhada a seguir são apenas exemplos e explicações, não restringindo a presente invenção, conforme definido nas reivindicações anexas.
Breve Descrição das Figuras
Realizações são ilustradas na figura anexa para aumentar a compreensão dos conceitos apresentados no presente.
A Fig. 1 inclui ilustração do uso de diversas camadas unidirecionais e fibras transversais na construção de tecido multiaxial.
Os técnicos no assunto apreciam que os objetos da figura são ilustrados para simplicidade e clareza e não foram necessariamente desenhados em escala. As dimensões de alguns dos objetos na figura podem ser exageradas com relação a outros objetos para ajudar a aumentar a compreensão das realizações.
Descrição Detalhada da Invenção
Em algumas realizações, a presente invenção refere-se a tecidos multiaxiais que compreendem:
- pelo menos uma camada de material não tecido, filme termoplástico ou filme termo-estável;
- primeira camada que compreende uma pluralidade de primeiros fios que são substancialmente paralelos em primeira direção;
- segunda camada que compreende uma pluralidade de segundos fios que são substancialmente paralelos em segunda direção e inclinados ou deslocados em relação aos primeiros fios;
- fio transversal entrelaçado transversalmente nas camadas que fornece sustentação mecânica para as mencionadas camadas;
em que cada camada pode ser disposta em qualquer ordem seqüencial e revestida opcionalmente com polímero sob alta viscosidade que possui Tg na faixa de cerca de -40 a cerca de 0°C e viscosidade de fusão de corte zero de cerca de 2 χ 106 a cerca de 1013 poise a 20°C.
Em algumas realizações, pelo menos uma pluralidade de fios compreende fibra de aramida.
Em certas realizações, pelo menos uma pluralidade de fios compreende poliarenazóis, polipiridazóis, polipiridobisimidazol e fibra de poliaramida. Um polipiridobisimidazol preferido é poli[2,6-diimidazo[4,5-b;4,5-c]- piridinileno-1,4 (2,5-di-hidróxi)fenileno).
Em algumas realizações, a pelo menos uma camada de tecido não tecido, filme termoplástico ou filme termo-estável é feltro de aramida. Alguns feltras de aramida compreendem fibra descontínua de poli(p-fenileno tereftalamida).
Fios transversais apropriados incluem fibra de poliéster, polietileno, poliamida, aramida, poliarenazóis, polipiridazóis ou polipiridobisimidazol.
Em algumas realizações, o tecido compreende ainda terceira camada de fios que compreende uma pluralidade de terceiros fios que são substancialmente paralelos em terceira direção e inclinados ou deslocados em relação aos primeiros fios e segundos fios. Em certas realizações, o tecido compreende quarta camada de fio que compreende uma pluralidade de quartos fios que são substancialmente paralelos em quarta direção e inclinados ou deslocados com relação aos primeiro, segundo e terceiro fios.
A presente invenção também se refere a vestimenta ou artigo que compreende tecido descrito no presente.
Também é fornecido método de produção de tecido que compreende:
contato de uma camada de tecido não tecido, filme termoplástico ou filme termo-estável com uma primeira camada que compreende uma pluralidade de primeiros fios que são substancialmente paralelos em uma primeira direção;
- contato da mencionada primeira camada com uma segunda camada, em que a mencionada segunda camada compreende uma pluralidade de segundos fios que são substancialmente paralelos em uma segunda direção e inclinados ou deslocados em relação aos primeiros fios; e
entrelaçamento transversal de fio com as camadas para formar um tecido multiaxial;
em que camada pode ser opcionalmente revestida com um polímero de alta viscosidade que possui Tg na faixa de cerca de -40 a cerca de 0 °C e viscosidade de corte zero de cerca de 2 χ 10^6 a cerca de 10^13 poise a 20°C.
A presente invenção pode ser compreendida mais facilmente por meio de referência à descrição detalhada a seguir de realizações ilustrativas e preferidas que fazem parte do presente relatório descritivo. Deve-se compreender que o escopo das reivindicações não se limita aos dispositivos, métodos, condições ou parâmetros específicos descritos e/ou exibidos no presente e que a terminologia utilizada no presente destina-se ao propósito de descrever realizações específicas unicamente por meio de exemplo e não se destina a limitar a presente invenção. Além disso, conforme utilizado no relatório descritivo, incluindo as reivindicações anexas, as formas no singular "um", "uma" e "o/a" incluem o plural e referência a valor numérico específico inclui pelo menos aquele valor específico, a menos que contexto exija claramente o contrário. Ao expressar-se faixa de valores, outra realização inclui de um valor específico e/ou até o outro valor específico. De forma similar, quando valores forem expressos na forma de aproximações, utilizando o antecedente "cerca de", compreender-se-á que o valor específico forma outra realização. Todas as faixas são inclusivas e combináveis.
Da forma utilizada no presente, o termo "deslocado" indica apenas não diretamente no topo. O termo "inclinado", ao referir-se a duas pluralidades de fios, indica que as pluralidades repousam em ângulos diferentes entre si. Podem ser utilizados quaisquer ângulos que forneçam desempenho aceitável. Os técnicos no assunto são capazes de determinar a inclinação ideal para uma construção específica. Com duas camadas, por exemplo, as pluralidades podem ser de O graus e 90 graus. Outros exemplos são 0 graus/45 graus/90 graus e 0 graus/45 graus/90 graus/45 graus.
Exemplos de fibras apropriadas para uso nas camadas incluem as fabricadas com polímero tal como poliolefina (por exemplo, polietileno ou polipropileno), poliimida, poliéster, álcool (poli)vinílico, polibenzazóis, tais como polibenzimidazol (PBI), poliaramida, tal como poli(parafenileno tereftalamida) vendida pela Ε. I. du Pont de Nemours and Company (DuPont), Wilmington DE com o nome comercial KEVLAR®, e polipiridazóis, tais como o polipiridobisimidazol disponível por meio da Magellan Systems International, Richmond VA com a marca comercial M5®. A tenacidade de fibra deverá ser de pelo menos cerca de 900 MPa de acordo com ASTM D-885, a fim de fornecer resistência superior à penetração balística. Preferencialmente, fibra também possui módulo de pelo menos cerca de 10 GPa.
Quando o polímero for poliamida, prefere-se aramida. Por "aramida", indica-se poliamida em que pelo menos 85% das ligações amida (- CO-NH-) são ligadas diretamente a dois anéis aromáticos. Fibras de aramida apropriadas são descritas em Man-Made Fibers - Science and Technology, volume 2, capítulo intitulado Fiber-Forming Aromatic Poiyamides, pág. 297, W. Black et ai, Interscience Publishers1 1968. Fibras de aramida também são descritas nas Patentes Norte-Americanas n° 4.172.938, 3.869.429, 3.819.587, 3.673.143, 3.354.127 e 3.094.511. Aditivos podem ser utilizados com a aramida e foi descrito que até 10% em peso de outro material polimérico pode ser misturado com a aramida ou que podem ser utilizados copolímeros que contenham até 10% de outra diamina substituída pela diamina da aramida ou até 10% de outro cloreto diácido substituído pelo cloreto diácido ou aramida.
A aramida preferida é para-aramida e poli(p-fenileno tereftalamida) (PPD-T) é a para-aramida preferida. PPD-T indica o homopolímero resultante de polimerização cerca de mol por mol de p-fenileno diamina e cloreto de tereftaloíla e também copolímeros resultantes da incorporação de pequenas quantidades de outras diaminas com a p-fenileno diamina e pequenas quantidades de outros cloretos diácidos com o cloreto de tereftaloíla. Como regra geral, outras diaminas e outros cloretos diácidos podem ser utilizados em quantidades de até cerca de 10% molar da p-fenileno diamina ou cloreto de tereftaloíla, ou talvez um pouco mais, desde que somente as outras diaminas e cloretos diácidos não contenham grupos reativos que interfiram com a reação de polimerização. PPD-T também indica copolímeros resultantes da incorporação de outras diaminas aromáticas e outros cloretos diácidos aromáticos, tais como cloreto de 2,6-naftaloíla ou cloreto de cloro ou diclorotereftaloíla ou 3,4'-diaminodifeniléter. Quando o polímero for poliolefina, polietileno ou polipropileno são preferidos. Por polietileno, indica-se material de polietileno predominantemente linear preferencialmente com peso molecular de mais de um milhão que pode conter pequenas quantidades de ramificação de cadeias ou comonômeros que não excedam cinco unidades de modificação por cem átomos de carbono de cadeia principal e que podem também conter, com eles misturados, não mais de cerca de 50% em peso de um ou mais aditivos poliméricos tais como polímeros de alqueno-1, particularmente polietileno de baixa densidade, propileno e similares, ou aditivos com baixo peso molecular tais como antioxidantes, lubrificantes, agentes filtrantes de ultravioleta, corantes e similares que são comumente incorporados. Um desses polímeros é comumente conhecido como polietileno de cadeia estendida (ECPE). De forma similar, polipropileno é preferencialmente material de polipropileno predominantemente linear com peso molecular de mais de um milhão. Fibras de poliolefina linear com alto peso molecular são disponíveis comercialmente. A preparação de fibras de poliolefina é discutida na Patente Norte-Americana n° 4.457.985.
Polímeros de poliarenazol, tais como polibenzazóis e polipiridazóis, podem ser fabricados por meio de reação de mistura de ingredientes secos com solução de ácido polifosfórico (PPA). Os ingredientes secos podem compreender monômeros formadores de azol e pós metálicos. Bateladas precisamente pesadas desses ingredientes secos podem ser obtidas por meio do emprego de pelo menos algumas das realizações preferidas da presente invenção.
Exemplos de monômeros formadores de azóis incluem 2,5- dimercapto-p-fenileno diamina, ácido tereftálico, ácido bis-(4-benzóico), ácido oxi-bis(4-benzóico), ácido 2,5-di-hidroxitereftálico, ácido isoftálico, ácido 2,5- piridodicarboxílico, ácido 2,6-naftalenodicarboxílico, ácido 2,6- quinolinodicarboxílico, 2,6-bis(4-carboxifenil)piridobisimidazol, 2,3,5,6- tetraaminopiridina, 4,6-diaminoresorcinol, 2,5-diaminoidroquinona, 1,4-diamino- 2,5-ditiobenzeno ou qualquer de suas combinações. Preferencialmente, os monômeros formadores de azol incluem 2,3,5,6-tetraaminopiridina e ácido 2,5- di-hidroxitereftálico. Em certas realizações, prefere-se que os monômeros formadores de azol sejam fosforilados. Preferencialmente, monômeros formadores de azol fosforilados são polimerizados na presença de ácido polifosfórico e catalisador metálico.
Pós metálicos podem ser empregados para ajudar a construir o peso molecular do polímero final. Os pós metálicos incluem tipicamente pó de ferro, pó de estanho, pó de vanádio, pó de cromo e qualquer de suas combinações.
Os monômeros formadores de azol e pós metálicos são misturados e, em seguida, a mistura é reagida com ácido polifosfórico para formar solução de polímero de poliarenazol. Ácido polifosfórico adicional pode ser agregado à solução de polímero, se desejado. A solução de polímero é tipicamente extrudada ou fiada através de molde ou fieira para preparar ou fiar o filamento.
Polibenzoxazol (PBO) e polibenzotiazol (PBZ) são dois polímeros de polibenzazol apropriados. Esses polímeros são descritos no Pedido PCT n° WO 93/20400. Polibenzoxazol e polibenzotiazol são preferencialmente compostos de unidades repetitivas das estruturas a seguir: <formula>formula see original document page 11</formula>
Embora os grupos aromáticos exibidos ligados aos átomos de nitrogênio possam ser heterocíclicos, eles são preferencialmente carbocíclicos; e, embora possam ser sistemas policíclicos fundidos ou não fundidos, eles são preferencialmente anéis isolados de seis membros. Embora o grupo exibido na cadeia principal dos bis-azóis seja o grupo para-fenileno preferido, esse grupo pode ser substituído por qualquer grupo orgânico divalente que não interfira com a preparação do polímero, ou nenhum grupo. Esse grupo pode ser, por exemplo, alifático até doze átomos de carbono, tolileno, bifenileno, bis-fenileno éter e similares.
O polibenzoxazol e polibenzotiazol utilizados para fabricar fibras de acordo com a presente invenção deverão ser de pelo menos 25 e, preferencialmente, pelo menos cem unidades repetitivas. A preparação dos polímeros e a fiação desses polímeros são descritas no Pedido de Patente PCT n° WO 93/20400 mencionado acima.
Fibras fabricadas com polímeros de poli(piridazol) são apropriadas para uso na presente invenção. Esses polímeros incluem poli(pirimidazol), poli(piridotiazol), poli(piridoxazol), poli(piridobisimidazol), poli(piridobistiazol) e poli(piridobisoxazol).
Poli(piridobisimidazol) é polímero de vara rígido que possui alta resistência. A fibra de poli(piridobisimidazol) pode possuir viscosidade inerente de pelo menos 20 dl/g ou pelo menos 25 dl/g ou pelo menos 28 dl/g. Essas fibras incluem fibra de PIPD (também conhecida como fibra M5® e fibra fabricada com poli[2,6-diimidazo[4,5-b;4,5-e]-piridinileno-1,4 (2,5-di- hidróxi)fenileno). Fibra de PIPD é baseada na estrutura:
<formula>formula see original document page 12</formula>
Fibra de poli(piridobisimidazol) pode ser diferenciada da fibra de PBI ou fibra de poli(benzimidazol) disponível comercialmente bem conhecida pelo fato de que a fibra de poli(benzimidazol) é fibra de poli(bibenzimidazol). Fibra de poli(bibenzimidazol) não é polímero de vara rígido e possui baixa resistência de fibra e baixo módulo de tensão em comparação com poli(piridobisimidazóis).
Relatou-se que fibras de PIPD possuem o potencial de ter módulo médio de cerca de 310 GPa (2100 gramas/denier) e tenacidades médias de até cerca de 5,8 GPa (39,6 gramas/denier). Essas fibras foram descritas por Brew et al, Composite Science and Technology 1999, 59, 1109; Van der Jagt e Beukers, Poiymer 1999, 40, 1035; Sikkema, Poiymer 1998, 39, 5981; Klop e Lammers, Poiymer, 1998, 39, 5987; Hageman et ai, Poiymer 1999, 40, 1313.
Os tecidos, artigos, vestimentas e similares podem possuir camadas adicionais ou podem possuir tecidos descritos no presente ao lado de outros tecidos ou folhas. Estruturas de fibras com alto desempenho podem assumir várias formas tais como tecido costurado, material tecido, estruturas unitecidas, folhas unidirecionais, folhas multidirecionais (tais como as que possuem fibras que se cruzam em ângulo de cerca de 29 a 90 graus), camada de não tecido (tal como feltro) ou mesmo na forma de fibras isoladas. Estrutura de fibra pode assumir a forma de mais dez, vinte, quarenta ou sessenta camadas de estruturas de fibras individuais de acordo com a presente invenção.
Algumas camadas podem ser tratadas com polímero. Camadas tratadas podem ser colocadas na parte de trás, longe do ponto de impacto, ou podem ser colocadas no meio, ou de qualquer outra forma, a fim de otimizar o desempenho da armadura. A concentração de polímero pode ser a mesma para cada uma das camadas tratadas ou pode variar de camada para camada, de forma a fornecer variação desejada de rigidez ao longo do pacote. Camadas tratadas podem ser utilizadas em pacote que consiste de tipos de estruturas de tecido que podem variar de camada para camada.
Armadura protetora é aplicação importante da presente invenção. A estrutura de fibra com alto desempenho pode ser fabricada na forma de armadura corporal por meio de processo de fabricação de vestuário padrão. Armadura corporal é construída por fabricantes para atender às exigências de resistência à penetração, trauma brusco ou outras, conforme estabelecido pelo Instituto Nacional de Justiça por meio de NIJ 100-98. Segundo NIJ 100-98, a forma em que os painéis balísticos são montados em uma única unidade difere de um fabricante para outro. Em alguns casos, as diversas camadas são costuradas de forma orientada em volta de toda a extremidade do painel; em outros, as camadas são costuradas por adesão entre si em vários locais. Alguns fabricantes reúnem os tecidos com uma série de fileiras de costura vertical ou horizontal; alguns podem até acolchoar todo o painel balístico. Não existe evidência de que a costura prejudique as propriedades resistentes a balas de painel. Ao contrário, a costura tende a melhorar o desempenho geral, especialmente em casos de trauma brusco, dependendo do tipo de tecido utilizado.
Em algumas realizações da presente invenção, um ou mais adesivos de polímero com alta viscosidade e baixas temperaturas de transição em vidro são revestidos em estrutura de fibra ou nela impregnados. O adesivo de polímero com alta viscosidade pode ser indicado de várias formas como polímero ou adesivo. Além disso, ao utilizar-se o termo impregnado, dever-se-á compreender que também se pretende incluir revestimento. Excelente resistência balística é preservada enquanto a resistência a traumas bruscos é aprimorada. Deformação da face traseira (BFD) é indicador de trauma brusco, ou seja, quanto mais baixa a BFD, menos trauma sustentaria pessoa que vestisse dispositivo protetor. Acredita-se que adesivo líquido impregnado a estrutura de fibra em baixos níveis aja essencialmente como amplificador de fricção modificando a fricção de deslizamento dos filamentos na tecedura sob condições de impacto balístico. Além disso, esses materiais proporcionam redução da deformação da face traseira, retendo ou levemente aumentando a resistência balística à penetração em artigo tal como armadura corporal. BFD é expressa em milímetros (mm).
Em algumas realizações, a presente invenção é também um artigo que compreende uma ou mais camadas de estrutura de fibra com alto desempenho impregnada (ou revestida) com cerca de 1 a 15% em peso de adesivo com alta viscosidade com Tg que varia de cerca de -40 0C a 0 0C. As temperaturas de transição em vidro foram medidas utilizando calorimetria de varredura diferencial (DSC) em velocidades de aquecimento de 10 °C/minuto. O ponto central da transição foi selecionado como Tg. Tg é expressa em 0C ao longo de todo o relatório descritivo. Geralmente, são preferidos adesivos líquidos a adesivos sólidos. Matrizes de adesivos sólidos podem resultar em redução da resistência à penetração balística, bem como outros aditivos mais rígidos e sistemas que são rígidos demais ou possuem fricção alta demais devido à presença de cerca de 15% em peso ou mais do aditivo adesivo. Conforme discutido abaixo, espera-se esse comportamento para rigidez e fricção muito altas em tecidos impregnados, tal como quando diversas camadas sofrem impacto por projéteis em alta velocidade.
Com relação à resposta de tecidos com adesivos sob baixa Tg durante o impacto, é importante considerar a dependência da taxa de estiramento desses sistemas. Uma forma de compreender isso experimentalmente é a aplicação de métodos mecânicos dinâmicos dependentes de freqüência. Para testes, tecidos de sustentação de vidro inertes são impregnados com propionato de (poli)vinila (PVP) ou com metacrilato de (poli)hexila (PHM). O PHM é depositado fora da solução com tolueno e o tolueno é removido. Essas amostras são utilizadas em análise mecânica dinâmica (DMA) dependente de freqüências. O experimento e o equipamento são padrão e descritos em Use of a Dynamical Mechanical Analyzer to Study Supported Polymers, Starkweather, H. W., Giri, M. R., J. Appl. Polym. S.i. 1982, 27, 1243. As transições em vidro dependentes de freqüências são resolvidas como máximo na perda de sinal. Tomando os extremos de freqüências, a 0,1 Hz e 30 Hz, a Tg em PHM varia de -18,5°C a -2 °C, respectivamente. Ao longo da mesma faixa de freqüências, a Tg para PVP varia de 3°C a 12,5°C. Estas correspondem a energias de ativação de 40 kcal/mol e 65 kcal/mol para PHM e PVP, respectivamente. As taxas de estiramento muito altas do evento balístico contribuem para alta freqüência equivalente de deformação (>> 10^5 Hz). Esta taxa de estiramento elevada converte facilmente PVP e PHM da fase líquida para a fase sólida vítrea. A 10^5 Hz, por exemplo, a Tg baseada nessa energia de ativação para PHM seria alterada para 25 0C. Este valor demonstra que mesmo PHM está bem na fase vítrea à temperatura ambiente sob as altas taxas de estiramento induzidas por impacto balístico.
A Tg do adesivo com alta viscosidade utilizado na presente invenção encontra-se na faixa de cerca de -40 a cerca de 0°C e, preferencialmente, na faixa de cerca de -35 a cerca de -10°C. Para estes materiais, as altas taxas de estiramento do evento balístico são suficientes para alterar essa Tg dependente de freqüência acima da temperatura ambiente, convertendo os adesivos viscosos em sólidos vítreos rígidos. Devido à baixa Tg e natureza "fluida", esses adesivos fornecem tecidos flexíveis para a fabricação de vestimentas protetoras que sejam confortáveis sob condições estáticas. Caso a transição em vidro seja de menos de cerca de -40°C, as taxas de estiramento não são suficientemente altas para converter o sistema em fase vítrea.
Conforme indicado acima, em algumas realizações preferidas, os adesivos deverão ser fluidos de polímero com alta viscosidade. Eles não deverão ser sólidos elásticos, polímeros com peso molecular muito alto, sólidos elásticos semicristalinos ou sólidos elásticos reticulados. Polímeros, tais como estes, podem reduzir a resistência à penetração e serão mais rígidos, de forma a causar redução do conforto. Além disso, os adesivos sólidos aplicados em baixos níveis, especialmente, não serão autocurantes e perderão a eficácia após a deformação substancial do tecido.
Esses adesivos com alta viscosidade proporcionam fricção moderada a relativamente alta. Para adesivos com alta viscosidade que possuem Tg na faixa de cerca de -40°C a cerca de 0°C, fricção elevada sobre amostra de controle de tecido seco correlaciona-se bem com BFD e contribui para vantagem de desempenho. A viscosidade do aditivo impregnado também se correlaciona com a rigidez do tecido.
Além de Tg, os adesivos utilizados na presente invenção podem também ser caracterizados pelo seu peso molecular (Mw) e viscosidade. Os pesos moleculares são ponderais médios e tipicamente determinados por meio de cromatografia de permeação de gel. O peso molecular do polímero fluido viscoso pode estar, por exemplo, na faixa de cerca de 20.000 a 400.000 g/mol (20.000 a 100.000 em algumas realizações). A faixa de viscosidade desejada para os polímeros fluidos viscosos é de cerca de 2 χ 10^6 a cerca de 10^13 poise.
A viscosidade é tipicamente medida à temperatura ambiente, mas, geralmente, as viscosidades dos presentes adesivos fornecidos no presente são altas demais à temperatura ambiente para que sejam medidas por meio de métodos padrão. Neste caso, a viscosidade é estimada por meio de extrapolação a partir da viscosidade de fusão sob alta temperatura, caracterização de índice de fluxo de fusão ou outra caracterização reológica qualitativa. Um método típico aplicado para caracterização de viscosidade de corte zero de fluidos de polímero é a reometria de cone e placa ou viscometria capilar. Baixa viscosidade fora da faixa acima tipicamente reduzirá o desempenho, tal como no caso de fluidos de siloxano com baixa Tg, mesmo com altos Mws. Esses materiais reduzem a fricção devido à lubrificação. Isso foi correlacionado com mau desempenho balístico, conforme descrito por Briscoe, B. J., Motamedi, F., The Ballistic Impact Characteristics of Aramid Fabrics: The Influence of Interface Frietion, Wear 1992 158 (1-2), 229).
Adesivos líquidos com propriedades apropriadas podem ser formados de várias maneiras, incluindo como suspensão, emulsão ou polimerização de fusão e na forma de mistura ou copolímero. Exemplos de polímeros úteis como adesivos com alta viscosidade no presente incluem propionato de (poli)vinila, metacrilato de (poli)hexila, acrilato de (poli)isopropila e copolímero de etileno e acrilato de metila (em que o teor de etileno é de 38% em peso e o teor de acrilato de metila é de 62% em peso).
Adesivos com alta viscosidade e propriedades de módulo e fluxo distintamente diferentes de elastômeros sólidos foram impregnados em tecidos balísticos. Nível desejavelmente alto de resistência à penetração balística e deformação da face traseira (medida de trauma brusco) foi encontrado na faixa de cerca de 1 a cerca de 15% em peso de nível aditivo em tecido de poliaramida, dependendo da quantidade de camadas tratadas. Acredita-se que este tipo de sistema forneceria cerca de 20 a 30% de economia em comparação com a densidade de área necessária para fornecer proteção satisfatória contra traumas bruscos em vestimentas de tecidos atualmente utilizadas. Adesivos com alta viscosidade conforme utilizado na presente invenção possuem temperatura de transição em vidro Tg que os permite fornecer desempenho de adesivo líquido desejável na presente invenção e controlam deformação da face traseira por meio de efeitos de fricção e viscosidade em estrutura de fibra.
Para os propósitos da presente invenção, o termo "fibra" é definido como corpo relativamente flexível e macroscopicamente homogêneo que possui alta razão entre comprimento e largura ao longo da sua área de seção cruzada perpendicular ao seu comprimento. A seção cruzada de fibra pode ser de qualquer formato, mas é tipicamente redonda. No presente, o termo "filamento" ou "filamento contínuo" é utilizado de forma intercambiável com o termo "fibra".
Da forma utilizada no presente, a expressão "fibras descontínuas" designa fibras que são cortadas até comprimento desejado ou fibras que ocorrem naturalmente ou que possuem naturalmente baixa razão entre comprimento e largura ao longo da sua área de seção cruzada perpendicular ao seu comprimento em comparação com filamentos. O comprimento pode variar de cerca de 2,54 mm a vários metros. Em algumas realizações, o comprimento é de 2,54 mm a cerca de 20,32 cm. Fibras descontínuas fabricadas pelo homem são cortadas em comprimento apropriado para processamento em equipamento de fiação de fios de algodão, lã ou lã fiada.
As fibras descontínuas podem possuir (a) comprimento substancialmente uniforme, (b) comprimento variável ou aleatório ou (c) subconjuntos das fibras descontínuas possuem comprimento substancialmente uniforme e as fibras descontínuas nos outros subconjuntos possuem comprimentos diferentes, com as fibras descontínuas nos subconjuntos misturadas entre si, formando distribuição substancialmente uniforme.
Em algumas realizações, fibras descontínuas apropriadas possuem comprimento de 1 a 30 cm. Fibras descontínuas fabricadas por meio de processos de fibras descontínuas curtas resultam em comprimento de fibra de 1 a 6 cm.
As fibras descontínuas podem ser fabricadas por meio de qualquer processo. As fibras descontínuas podem ser formadas por meio de quebra por estiramento de fibras contínuas, resultando em fibras descontínuas com seções deformadas que agem como ondulações. As fibras descontínuas podem ser cortadas a partir de fibras retas contínuas utilizando cortador giratório ou cortador de guilhotina, resultando em fibra descontínua reta (ou seja, não ondulada) ou adicionalmente cortadas a partir de fibras contínuas onduladas que possuem ondulação em forma de dentes de serra ao longo do comprimento da fibra descontínua, com freqüência de ondulação (ou dobra repetida) de não mais de oito ondulações por centímetro.
Fibras descontínuas quebradas por estiramento podem ser fabricadas por meio de quebra de chumaço ou feixe de filamentos contínuos durante operação de quebra por estiramento que possui uma ou mais zonas de quebra que se encontram em distância prescrita, criando massa variável aleatória de fibras que possuem comprimento de corte médio controlado por ajuste da zona de quebra.
As fibras descontínuas de acordo com a presente invenção podem ser convertidas em fios, utilizando processos de fiação de anéis básicos longos e curtos tradicionais que são bem conhecidos na técnica. Para sistema de algodão básico curto, são tipicamente utilizados comprimentos de fibras de fiação de 1,9 a 5,7 cm. Para fiação de sistema de lã ou lã penteada com fibras descontínuas longas, são tipicamente utilizadas fibras de até 16,5 cm. Não se pretende, entretanto, limitar-se a fiação de anéis porque os fios podem também ser fiados utilizando fiação a jato de ar, fiação de extremidades abertas e muitos outros tipos de fiação que convertem fibra descontínua em fios utilizáveis.
As fibras descontínuas quebradas por estiramento possuem tipicamente comprimento de até 17,8 cm e podem ser fabricadas utilizando processos tradicionais de estopa quebrada por estiramento em fibras descontínuas superiores. Fibras descontínuas que possuem comprimentos máximos de até cerca de 51 cm são possíveis por meio de processos descritos, por exemplo, no Pedido de Patente PCT n0 WO 00/77283. Fios são elaborados desta forma por fibras consolidadas em fio fiado utilizando entrelaçamento de filamentos com jatos de ar que possuem tenacidade na faixa de três a sete gramas por decitex. Esses fios podem possuir torção secundária, ou seja, podem ser torcidos após a formação para fornecer mais tenacidade ao fio, caso em que a tenacidade pode estar na faixa de dez a dezoito gramas por denier (ou seja, 9 a 17 gramas por dtex). Fibras descontínuas quebradas por estiramento normalmente não necessitam de ondulação, pois o processo proporciona grau de ondulação à fibra.
A expressão filamento contínuo designa fibra flexível que possui diâmetro relativamente pequeno e comprimento maior que o indicado para fibras descontínuas. Fibras com filamento contínuo podem ser convertidas em fios multifilamentosos por meio de processos bem conhecidos dos técnicos no assunto.
Os tecidos de acordo com a presente invenção podem assumir numerosas configurações, que incluem, mas sem limitar-se a tecidos costurados ou tecidos ou estruturas não tecidas. Essas configurações de tecidos são bem conhecidas dos técnicos no assunto.
Por material "não tecido", indica-se rede de fibras, que incluem unidirecionais (se contidas em resina de matriz), feltro, conjuntos de fibras e similares.
Por material "tecido", indica-se material tecido utilizando qualquer tecedura de tecido, tal como tecedura plana, tecedura de trama curta, tecedura de cestos, tecedura de cetim, tecedura de sarja e similares. Acredita-se que teceduras plana e de sarja sejam as teceduras mais comuns utilizadas no comércio.
A presente invenção é exemplificada pelos exemplos a seguir, que não se destinam a limitar o escopo da presente invenção.
Exemplos Exemplo Comparativo 1
No Exemplo Comparativo 1, camadas de tecido multiaxial são fabricadas com fio de filamento contínuo de poli(p-fenileno tereftalamida) de 1570 dtex com alta tenacidade e densidade linear de 1,66 dtex por filamento, disponível por meio da Ε. I. DuPont de Nemours and Company com a marca comercial Kevlar® 129. Cada camada de tecido é construída com quatro conjuntos de fios paralelos a vinte extremidades por polegada em diferentes ângulos e unidos entre si por um conjunto de fios de polietileno formadores de laços com baixo denier e baixa tenacidade, como na Figura 1. A densidade de área de cada camada multiaxial é de cerca de 0,52 kg/m2. A resistência à tensão dos quatro conjuntos de fios utilizados no tecido multiaxial é de 24,3 gramas/dtex e a densidade da fibra é de 1,44 g/cm3. A estabilidade da camada de tecido multiaxial é relativamente ruim. Os fios da camada de tecido multiaxial podem ser distorcidos e empurrados para o lado pela penetração de objeto pontiagudo.
Nove camadas do tecido multiaxial com tamanho de cerca de 38,1 cm χ 38,1 cm são costuradas entre si em volta da extremidade e com costura cruzada para formar estrutura composta com densidade de área total de cerca de 4,7 kg/m2. O conjunto é testado em seguida contra bala de 9 mm segundo o padrão balístico NIJ 0101.04 para Nível II para determinar a deformação balística V50 e da face traseira. Os resultados, especialmente a deformação da face traseira da estrutura composta do exemplo, serão ruins devido à baixa estabilidade de estrutura das camadas de tecido.
Exemplo 1
No Exemplo 1 de acordo com a presente invenção, camadas de tecido multiaxial são fabricadas com fio de filamento contínuo de poli(p-fenileno tereftalamida) de 1570 dtex com alta tenacidade e densidade linear de 1,66 dtex por filamento, disponível por meio da Ε. I. DuPont de Nemours and Company com a marca comercial Kevlar® 129, junto com camada de feltro de aramida, disponível por meio da Tex Tech Industries. Cada camada de tecido é construída com quatro conjuntos de fios paralelos a vinte extremidades por polegada dispostos em diferentes ângulos e uma camada de feltro de aramida e unidos entre si por um conjunto de fios de polietileno formadores de laços com baixa tenacidade conforme a Figura 1. A densidade de área de cada camada multiaxial de acordo com a presente invenção é de cerca de 0,69 kg/m2. A resistência à tensão do fio utilizado no tecido multiaxial é de 24,3 gramas/dtex e a densidade da fibra é de 1,44 g/cm3. A estabilidade da camada de tecido multiaxial de acordo com a presente invenção é muito boa.
Sete camadas do tecido multiaxial de acordo com a presente invenção com tamanho de cerca de 38,1 cm χ 38,1 cm são costuradas entre si em volta da extremidade e com ponto cruzado para formar estrutura composta com densidade de área total de cerca de 4,8 kg/m2. O conjunto é testado em seguida contra bala de 9 mm por meio do padrão balístico NIJ 0101.04 para Nível II e deformação balística V50 e da face traseira. O resultado, especialmente a deformação da face traseira da estrutura composta do exemplo de acordo com a presente invenção, é muito melhor que o da técnica, descrito no Exemplo Comparativo 1.
Exemplo 2
No Exemplo 2 de acordo com a presente invenção, camadas de tecido multiaxial são fabricadas com fio de filamento contínuo de poli(p-fenileno tereftalamida) de 1570 dtex com alta tenacidade e densidade linear de 1,66 dtex por filamento, disponível por meio da Ε. I. DuPont de Nemours and Company com a marca comercial Kevlar® 129, junto com duas camadas de filme Surlyn® com espessura de cerca de 38 micra, disponível por meio da Ε. I. DuPont de Nemours and Company. Cada camada de tecido é construída com quatro conjuntos de fios paralelos a vinte extremidades por fio dispostos em ângulos diferentes e uma camada de filme Surlyn® entre o primeiro e o segundo conjunto de fios paralelos e uma camada de filme Surlyn® entre o terceiro e o quarto conjunto de fios. Toda a estrutura é unida entre si por meio de um conjunto de fios de polietileno formadores de laços com baixa tenacidade e é produzida em uma operação como na Figura 1. A densidade de área de cada camada multiaxial de acordo com a presente invenção é de cerca de 0,596 kg/m2. A resistência à tensão do fio utilizado no tecido multiaxial é de 24,3 gramas/dtex e a densidade da fibra é de 1,44 gramas/cm3. Cada camada é adicionalmente consolidada sob prensa a 100°C e pressão de 0,5 MPa por cerca de dez minutos. A estabilidade da camada de tecido multiaxial consolidada de acordo com a presente invenção é muito boa. Oito camadas do tecido multiaxial consolidado de acordo com a presente invenção com tamanho de cerca de 38,1 cm x 38,1 cm são costuradas por adesão no canto para formar estrutura composta com densidade de área total de cerca de 4,8 kg/m2. O conjunto é testado em seguida contra bala de 9 mm por meio do padrão balístico NIJ 0101.04 para Nível II para determinar a deformação balística V50 e da face traseira. Os resultados, especialmente, a deformação da face traseira da estrutura composta do Exemplo de acordo com a presente invenção é muito melhor que a da técnica, descrita no Exemplo Comparativo 1.
Exemplo 3
No Exemplo 3 de acordo com a presente invenção, camadas de tecido multiaxial foram fabricadas com fio de filamento contínuo de poli(p- fenileno tereftalamida) de 1570 dtex com alta tenacidade e densidade linear de 1,66 dtex por filamento, disponível por meio da Ε. I. DuPont de Nemours and Company com a marca comercial Kevlar® 129, junto com camada de feltro de aramida, disponível por meio da Tex Tech Industries. Cada camada de tecido é construída com quatro conjuntos de fios paralelos a vinte extremidades por polegada dispostos em ângulos diferentes e uma camada de feltro de aramida e unidos entre si por um conjunto de fios de polietileno formadores de laços com baixa tenacidade conforme a Figura 1. A densidade de área de cada camada multiaxial de acordo com a presente invenção é de cerca de 0,69 kg/m2. A resistência à tensão do fio utilizado no tecido multiaxial é de 24,3 gramas/dtex e a densidade da fibra é de 1,44 g/cm3. A camada de tecido multiaxial é adicionalmente revestida sobre a camada externa (oposta ao feltro) de tecido com cerca de 2% em peso de polímero com alta viscosidade que possui Tg na faixa de -40°C a cerca de 10°C com viscosidade de fusão de corte zero de 2 x 106 a cerca de 1013 poise a 20°C e peso molecular de cerca de 20.000 a 100.000. A estabilidade da camada de tecido multiaxial de acordo com a presente invenção é muito boa. Sete camadas do tecido multiaxial de acordo com a presente invenção com tamanho de cerca de 38,1 cm χ 38,1 cm são costuradas entre si em volta da extremidade com costura cruzada para formar estrutura composta com densidade de área total de cerca de 4,9 kg/m2.
O conjunto é testado em seguida contra bala de 9 mm de acordo com o padrão balístico NIJ 0101.04 para Nível Il para deformação balística V50 e de face traseira. Espera-se que a deformação balística V50 e de face traseira, especialmente a última, da estrutura composta do exemplo de acordo com a presente invenção seja muito melhor que o estado da técnica, conforme descrito no Exemplo Comparativo 1.
Deve-se apreciar que certas características são, por clareza, descritas no presente no contexto de realizações separadas e podem ser fornecidas em combinação em uma única realização. Por outro lado, diversas características que são, por brevidade, descritas no contexto de uma única realização podem ser fornecidas separadamente ou em qualquer subcombinação.
Claims (20)
1. TECIDO MULTIAXIAL, caracterizado pelo fato de que compreende: - pelo menos uma camada de tecido não tecido, filme termoplástico ou filme termo-estável; - uma primeira camada que compreende uma pluralidade de primeiros fios que são substancialmente paralelos em uma primeira direção; uma segunda camada que compreende uma pluralidade de segundos fios que são substancialmente paralelos em uma segunda direção e inclinados ou deslocados em relação aos primeiros fios; - um fio transversal entrelaçado transversalmente nas camadas e que fornece sustentação mecânica para as mencionadas camadas; em que cada camada pode ser disposta em qualquer ordem seqüencial e opcionalmente revestida com um polímero de alta viscosidade que possui Tg na faixa de cerca de -40 a cerca de 0 ºC e viscosidade de fusão de corte zero de cerca de 2 χ 106 a cerca de 1013 poise a 20 ºC.
2. TECIDO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma pluralidade de fios compreende fibra de aramida.
3. TECIDO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma pluralidade de fios compreende poliarenazóis, polipiridazóis, polipiridobisimidazol e fibra de poliaramida.
4. TECIDO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o polipiridobisimidazol é poli[2,6-diimidazo[4,5-b:4,5-e]- piridinileno-1,4 (2,5-di-hidróxi)fenileno).
5. TECIDO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma camada de tecido não tecido, filme termoplástico ou termo-estável é um feltro de aramida.
6. TECIDO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o feltro de aramida compreende fibra descontínua de poli(p- fenileno tereftalamida).
7. TECIDO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fio transversal compreende fibra de poliéster, polietileno, poliamida, aramida, poliarenazóis, polipiridazóis ou polipiridobisimidazol.
8. TECIDO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma terceira camada de fio que compreende uma pluralidade de terceiros fios que são substancialmente paralelos em uma terceira direção e inclinados ou deslocados em relação aos primeiros fios e aos segundos fios.
9. TECIDO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma pluralidade de fios compreende fibra de aramida.
10. TECIDO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma pluralidade de fios compreende fibra de polipiridobisimidazol.
11. TECIDO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o polipiridobisimidazol é poli[2,6-diimidazo[4,5-b:4,5-e]- piridinileno-1,4 (2,5-di-hidróxi)fenileno).
12. TECIDO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma camada de tecido não tecido, filme termoplástico ou filme termo-estável é um feltro de aramida.
13. TECIDO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma quarta camada de fio que compreende uma pluralidade de quartos fios que são substancialmente paralelos em uma quarta direção e inclinados ou deslocados em relação aos primeiro, segundo e terceiro fios.
14. TECIDO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma pluralidade de fios compreende fibra de aramida.
15. TECIDO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma pluralidade de fios compreende fibra de polipiridobisimidazol.
16. TECIDO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o polipiridobisimidazol é ppli[2,6-diimidazo[4,5-b:4,5-e]- piridinileno-1,4 (2,5-di-hidróxi)fenileno).
17. TECIDO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma camada de tecido não tecido, filme termoplástico ou filme termo-estável é um feltro de aramida.
18. VESTIMENTA, caracterizada pelo fato de que compreende o tecido conforme definido na reivindicação 1.
19. ARTIGO, caracterizado pelo fato de que compreende o tecido conforme definido na reivindicação 1.
20. MÉTODO DE PRODUÇÃO DE TECIDO, caracterizado pelo fato de que compreende: contato de uma camada de tecido não tecido, filme termoplástico ou filme termo-estável com uma primeira camada que compreende uma pluralidade de primeiros fios que são substancialmente paralelos em uma primeira direção; contato da mencionada primeira camada com uma segunda camada, em que a mencionada segunda camada compreende uma pluralidade de segundos fios que são substancialmente paralelos em uma segunda direção e inclinados ou deslocados em relação aos primeiros fios; e entrelaçamento transversal de fio com as camadas para formar um tecido multiaxial; em que cada camada pode ser opcionalmente revestida com um polímero de alta viscosidade que possui Tg na faixa de cerca de -40 a cerca de 0°C e viscosidade de corte zero de cerca de 2 χ 10^6 a cerca de 10^13 poise a 20°C.
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