CN1181791A - 抗穿透的芳族聚酰胺制品 - Google Patents

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Abstract

公开了一种芳族聚酰胺制品,它具有改进的抗尖锐工具穿透的性能。制品是由具有韧性、低旦尼尔的芳族聚酰胺纱以紧密的平纹组织织成;而且,当以多层使用时,这些层并不缝合在一起。

Description

抗穿透的芳族聚酰胺制品
本发明的背景
有改进的抗尖头器械穿透能力的防护服是长期以来的要求。但是，往往把注意力直接主要的对着射击和用于防止射击威胁的服装方面。本发明所涉及的制品是防护来自如尖锐的工具像锥子或冰镐的刺穿或***。
由Melec等人申请，于1991年12月17日颁发的美国专利5,073,441公开了一种由芳族聚酰胺纱用针织制成的抗穿透性结构。这一结构可以用作为一种防护网或是可以用树脂结合料浸渍而成为一种刚性较大或较小的防护结构。
由Smith申请于1989年11月7日颁发的美国专利4,879,165公开了一种特殊改进的护甲，它除了芳族聚酰胺或线性聚乙烯纤维之外用离子键共聚物树脂结合料及陶瓷或金属的粒子或小片来提高抗穿透性。
由Harpell等人中请，于1993年2月9日颁发的美国专利5,185,195公开了一种抗穿透性的结构，其中相邻的织造的芳族聚酰胺或线性聚乙烯织物层由间隔小于0.32厘米(0.125英寸)的均衡轨迹使之固结在一起。固结的方法最好是缝合。抗穿透性能还能用一层刚性，叠合的薄层来进一步提高。
由Harpell等人中请，于1993年10月19日颁发的美国专利5,254,383公开了一种改进的抗穿透性复合物，它采用了多叠层并相互连接的所谓的缠有纤维层的陶瓷或金属平面体，以使尖锐的工具不致从各个平面体及各平面体之间滑脱。
1993年1月7日公布的国际专利WO 93/00564公开了一种用高强度对位型芳酰胺纤维纱织成的多层织物的防弹结构。它没有应用抗穿透或刺穿的结构；纱是高线密度的，很明显，织物的紧密度是低的。本发明的概要
本发明涉及抗穿透性的制品，主要包括由线密度小于500分特和韧性至少为30焦耳/克的芳族聚酰胺纱织成的紧密度系数至少为0.75的织物。本发明还涉及这样的抗穿透性制品，其中在该制品中至少包含有两层织物，而且在制品的边缘处相连接，以使相邻的织物层能相互自由移动。附图的简要说明
附图为曲线图，表示本发明纱的线密度与织物紧密度系数之间的关系。详细说明
本发明的防护制品是专门开发用于防止尖锐工具的穿透，不同于对射击威胁的防护。过去曾花了很大精力对防弹服进行改进；而且多次设想改进的防弹服也将能够提高抗剌穿或抗穿透性。本文发明者发现那样的设想是不正确的，并且他们已经发现一种具有多种复合要求质量的织物制品，这种制品确实是提高了抗穿透性。
防弹服是由多层防护织物制成，而这些层体的相邻层几乎常常是相互处于面对面的连接在一起。这些层一般是缝合在一起以形成一个相当厚的整体；但制成的层体是在衣服的整个面上将各层相互缝合在一起。本文发明者发现如果在防护服中相邻的层体不是连住在一起而是相互可以自由移动时抗刺穿性得到了提高。当相邻的层体缝合在一起时抗刺穿性下降。
由此本发明完全由织造的织物构成，没有刚性板或薄层且织物材料不经树脂结合料浸渍。本发明的制品比早先技术的抗穿透性结构更为灵活和重量更轻，提供相当的防护性能。
本发明的织物是由芳族聚酰胺纤维纱制成。芳族聚酰胺的意思是聚酰胺中至少有85％的酰胺(-CO-NH-)键是直接连接在两个芳基环上。合适的芳族聚酰胺纤维见1968年Interscience Publishers出版的化学纤维—科学与技术，第2卷，第297页，由W.Black等人所写的节标题为芳族聚酰胺纤维的形成的说明。在美国专利4,172,938；3,869,429；3,819,587；3,673,143；3,354,127和3,094,511中也说明了芳族聚酰胺纤维。
芳族聚酰胺可以应用添加剂，已经发现多至10％(重量)的其它的聚合材料可以和芳族聚酰胺相混合，或者所得的共聚物可以用多至10％的其它二胺化合物取代芳族聚酰胺中二胺或是可以用多至10％的其它二酰氯取代芳族聚酰胺中的二酰氯。
对位型芳酰胺是本发明中纱纤维的主要聚合物，而聚对苯二甲酰对苯二胺(PPD-T)是优选的对准型芳酰胺。PPD-T意指由对苯二胺与对苯二酰氯分子对分子聚合而得到的均聚物，和也代表对苯二胺结合少量的其它二胺及对苯二酰氯结合有少量的其它二酰氯而得到共聚物。作为一条一般的规则，其它二胺和其它二酰氯的用量可多至约为对苯二胺或对苯二酰氯的10％分子百分比，或是也许更高一些，这只有是在倘若其它二胺和二酰氯没有反应基团干扰聚合反应的时候。PPD-T也代表结合有其它芳族二胺和其它芳族二酰氯诸如，举例，2，6-萘酰氯，或者是一氯或二氯对苯二酰氯或3，4’-二氨基二苯醚所得到的共聚物。PPD-T的制备在美国专利3,869,429；4,308,374和4,698,414中已说明。
“织物的紧密度系数”及“覆盖系数”是对织物组织所给定的密度名称。覆盖系数是关系到组织几何尺寸的计算值并指明织物的纱覆盖住织物总表面积的百分比。计算覆盖系数的公式如下：(它来自织造：纱转化成织物，由Lord and Mohamed所著，1982年Merrow出版，第141-143页)
dw＝织物中经纱的宽度
df＝织物中纬纱的宽度
pw＝纱间距(单位长度中的根数)
pf＝纬纱间距 Cw = dw Pw C f = d f p f
Figure A9619328200053
c fab = ( p w - d w ) d f + d w p f p w p f
＝(cf+cw-cfcw)
根据织物组织的种类，即使织物中的纱相互紧挨最大覆盖系数也有可能很小。为此，就有一种更为有用的组织紧密度标记称为“织物紧密度系数”。织物紧密度系数是织物组织紧密度的测定值与最大组织紧密度相比，是覆盖系数的函数。
Figure A9619328200061
举例，对于平纹组织的织物最大覆盖系数可能为0.75；而平纹组织织物的实际覆盖系数为0.68，所以织物的紧密度系数将为0.91。本发明实际用的组织优选的是平纹组织。
当芳族聚酰胺纱以各种线密度使用时，本文发明者已确定只有当芳族聚酰胺纱的线密度小于500分特时才能得到满意的抗穿透性。大于500分特的芳族聚酰胺纱即使在织造紧密度系数接近1.0的织物时，相信在相邻的纱之间会产生屈服而且很容易被一尖锐的工具所穿透。本发明对抗穿透性的提高有希望延续到很低的线密度；但是，在约100分特时纱开始变得很难在没有损伤的情况下进行织造。要记住，本发明所用的芳族聚酰胺纱的线密度是从100到500分特。
本发现的主要要点是良好的抗穿透性是纱的线密度与此纱所制成的织物的紧密度系数相组合的一个函数。参照图，它表示由例1中所测到的实验数据点的曲线图。图中的每一个点表示从一个织物所测到的结果，它由织物的紧密度系数和纱的线密度来确定，并由测试中确定的所谓抗穿透率来标记。
当抗穿透性降低时抗穿透率降低并且一个在进行的测试中约为30的穿透率被认为对于一般的应用是有足够的抗穿透性，这将在后面进行说明。标记为Y＝X6.25×10-4+0.69的直线将图中由芳族聚酰胺纱做成的织物分为有足够的抗穿透性和没有足够的抗穿透性。
在直线的有足够抗穿透性的一侧中有一个点是没有足够的抗穿透性；而这一点表示制成该织物的纱不是芳族聚酰胺。
好的抗穿透性是要由好几个纱和织物的质量组合而得，它们之中有纱的线密度和织物的紧密度系数。由图可以看到对于芳族聚酰胺纤维来说够得上有好的抗穿透性的织物是紧密度系数与纱的线密度的组合分别在0.75到1.0和500到100分特范围的曲线之下。
本发明所用的芳族聚酰胺纱必须要有高的强度结合有高的断裂伸长以得到一个高的韧性。强度至少应为每分特19克(每旦尼尔21.1克)，对强度尚没有知道上限值。低于每分特11.1克时，纱对于防护意义来说就强度不够。断裂伸长应至少为3.0％，对于伸长尚没有知道上限值。断裂伸长小于3.0％时，纱发脆它的韧性小于本发明所要求的防护。
“韧性”是一根纱在拉伸应力/应变测试中达到它破坏时能量吸收能力的测定。有时韧性还称之为“达到断裂的能量”。韧性或是达到断裂的能量是强度与断裂伸长的组合并由应力/应变曲线从零应变到断裂以下的面积来表示。在导致本发明的工作中发现强度或断裂伸长略微增加时会对抗穿透性有惊人的很大提高。在本发明的实践中，对于足够的抗穿透性被认为纱韧性要求至少为30焦耳/克；而韧性最好是至少38焦耳/克。
本发明的单层机织制品确实是提供了一种抗穿透性(防护程度)的措施；而一般在最终的产品中是用了很多层。本发明在采用多层方面显示出它最显著和惊人的改进提高。本发明者发现本发明的制品当以多层放在一起、制品不是相互固定而是允许相邻层之间能作相对移动时具有惊人的抗穿透性作用。相邻的层或制品也可以在边缘处连接住或是可以有很大间距(对比于制品的厚度)的一些松驰的中间层连接。例如，在本申请中层与层以间距大于约15厘米的点相连接，而它们不受将各层保持在一起的机构的影响基本上是自由的。将各层的表面缝合在一起的层体会对防弹更有效果；但是这样的缝合会使这些层之间不能产生移动，在与以单层测试为基础所期望的抗穿透性作对比时实际上是减少了层体的抗穿透性，它的理由还不完全清楚。测试方法
线密度。纱的线密度由对一已知长度的纱进行称重而得。“分特”是由10,000米的纱重量(克)所确定。“旦尼尔”是由9000米的纱重量(克)所确定。
在实际的实践中，在测试之前纱样所测得的分特，测试条件和样品的标记都输入到计算机中；计算机记录纱的负荷—伸长曲线到纱断裂为止，然后计算出性能。
拉力性能。测试拉力性能的纱，首先是经过调湿的，其次是已经过捻系数为1.1的加捻。纱的捻系数(TM)的确定是：
TM＝(捻数/厘米)/(分特)-1/2/30.3
  ＝(捻数/英寸)(旦尼尔)-1/2/73
被测试的纱在25℃，相对湿度55％下作最少为14小时的调湿而且拉力试验也是在这样的条件下进行。强度(断裂强度)，断裂时的伸长和模量是纱在Instron(Instron Engineering Corp.Canton，Mass.出品)测试仪上作断裂试验所得到。
强度，伸长和初始模量，按ASTM D2101-1985规定，用纱的夹持长度为25.4厘米和伸长速率为50％应变/分来确定。模量是从应力-应变曲线在1％应变处的斜率计算而得，它等于在1％应变(绝对)处应力(克)乘以100，除以测试纱的线密度。
韧性。应用拉力测试中的应力—应变曲线，韧性是由应力/应变曲线一直到纱断裂点下面的面积(A)所确定。它一般是用一个求积仪来确定，给出平方厘米的面积。分特(D)如上面“线密度”所说明。韧性(To)的计算为
To＝A ×(FSL/CFS)(CHS/CS)(1/D)(1/GL)其中
FSL＝满标负荷，克
CFS＝全尺寸图表，厘米
CHS＝十字头速度，厘米/分
CS＝图表速度，厘米/分
GL＝测试样品的夹持长度，厘米。
数字化的应力/应变数据当然可以输入到计算机直接算出韧性。得到的结果To为dN/tex。乘以1.111可以转换为克/旦。当长度的单位自始至终为相同时，上面的公式计算To其单位仅仅由选择的力(FSL)和D来确定。
抗穿透性。抗穿透性是由单一层制品体或几个层的制品用ASTMF1342规定的标准方法对防护服材料的抗穿透性进行确定。在该测试中，被测定的力是使一个尖顶的刺穿针能够穿透样品所要求的力。样品是夹持在平的带有相对0.6厘米孔的金属片之间并放在刺穿针下面2.5厘米处，刺穿针装在测试机中调整到带动刺穿针以50.8厘米/分钟的速率在金属片的孔处穿过样品。穿透前的最大的力被记录下作为抗穿透性。
对多层制品确定抗穿透性是用一个18厘米(7英寸)长和轴直径为0.64厘米(0.25英寸)硬度为洛氏C45度经调质的钢锥或是用一个同样长度轴直径为0.42厘米硬度为洛氏C42度的冰镐来确定。测试是按照HPW测试TP-0400.02(1988年7月22日)进行的，它来自H.P.White Lab，Inc。测试样品被锥冲撞，加重为7.35千克(16.2磅)并以不同的高度落下。其结果是以穿透及变形的程度进行记录。
举例例1
在本例中，几种纤维是采用不同的纱按不同的织物紧密度系数以平纹组织进行织造。
这些纱是
       强度    伸长    断裂能量    线密度纱    (克/分特)    (％)    (焦耳/克)    (分特)A          30.1     3.4       41.2       220B          25.4     3.0       31.2       220C          26.6     3.2       33.9       220D          25.5     3.4       34.2       1110E          30.0     3.4       40.5       440F          31.1     3.4       41.4       670G          30.0     3.4       40.5       440H          38.8     3.1       47.8       415
纱A-G为聚对苯二甲酰对苯二胺(PPD-T)纱，是由E.I.duPont de Nemours公司出售。
纱A的注册商标为KEVLAR159。
纱B-D的注册商标为KEVLAR29。
纱E和F的注册商标为KEVLAR129。
纱G的注册商标为KEVLARLT。
纱H为高分子重量的线性聚乙烯纱，由Allied Signal公司以注册商标SPECTRA1000出售。这些织物是：
    所用    纱尾细度    基本重量  紧密度织物#   的纱    (cm×cm)     (克/米2)    系数1-1      A     27.6×27.6      128       1.01-2      A     24.8×24.8      115       0.931-3      A     19.7×19.7       89       0.781-4      B     27.6×27.6      126       1.01-5      B     24.8×24.8      115       0.931-6      B     19.7×19.7       89       0.781-7      C     19.7×19.7      182       1.01-8      D     12.2×12.2      282       0.991-9      E     17.3×17.3      159       0.931-10     E     13.4×13.4      120       0.751-11     F     14.6×14.6      206       0.941-12     F     11.8×11.8      164       0.801-13     G     13×13          125       0.751-14     G     16×16          139       0.901-15     H     20.1×19.7      173       1.0
所有的织物均被测定，以一层及两层的结构，按照ASTM F1342如前面所说明的，测试的结果，对一层和两层结构都以绝对抗穿透性(克)和抗穿透率(绝对/基本重量)记录在表1中。表1
                                        抗穿透性
     紧密度    织物  基本重量   绝对    抗穿透率   测试织物#    系数      层数   (克/米2)   (克)              次数1-1       1.0        1      128     6,800     53.1       3
                 2      256    15,400     60.2       31-2       0.93       1      115     4,900     42.6       3
                 2      230    11,300     49.1       51-3       0.78       1       89     2,300     25.8       6
                 2      178     4,400     24.7       31-4       1.0        1      126     5,100     40.5       6
                 2      252    11,400     45.2       31-5       0.93       1      114     4,100     36.0       9
                 2      229     8,100     35.4       71-6       0.78       1       89     1,600     18.0       9
                 2      178     3,600     20.2       71-7       1.0        1      182     6,000     23.0       91-8       0.99       1      282     2,400     8.5        5
                 1(重复)        2,200     7.8        31-9       0.93       1      159     3,200     20.1       5
                 2          318    8,700    27.4    3
1-1    0.75      1          120    1,20 0   10.0    5
                 2          240    3,900    16.2    3
1-11   0.94      1          206    2,000     9.7    6
                 2          412    4,100    10.0    6
1-12   0.80      1          164      800     4.9    6
                 2          328    2,600     7.9    6
1-13   0.75      1          139    1,900    13.7    6
1-14   0.90      1          125    1,000     8.0    6
1-15   1.0       1          173    2,300    13.3    6
                 2          346    4,600    13.3    6
由测试得到的单层结构的抗穿透率值，如图所示，是放在纱分特对织物紧密度系数的图表范围内。这些值落在很容易表明特性的两个区域内。在公式Y＝X6.25×10-4+0.69(其中Y是紧密度系数而X为纱的线密度分特)有线的一侧织物具有足够的抗穿透性；而在直线的另一侧抗穿透性是不够的。
由这些测试得到的结果，可以看到本发明的织物是由线密度为100到500分特的芳族聚酰胺纱所制成，织成的织物紧密度系数根据下面的公式至少为0.75：
Y＝或＞X6.25×10-4+0.69其中Y＝织物的紧密度系数
X＝纱的线密度。例2
在本例中，对多层的织物1-1和1-4根据前面提到的落锥方法进行抗穿透性测试。10层这样的织物一起放在Roma“Plastilina”#1白土成型的底面上，加重的锥子以不同的高度落下直到锥子达到穿透为止。织物1-1的抗穿透性达到27.4焦耳的落能而织物1-4的抗穿透性达到18.3焦耳。
当以20层织物及如前所述尖锐体是冰镐进行重复测试时，织物1-1的抗穿透性达到18.3焦耳而织物1-4的抗穿透性达到14.6焦耳。
作为对这些采用本发明的结构的织物作进一步的测试，20层的织物1-1叠放在一起但它们是自由的，不被将这些织物层保持在一起的机构所影响；并用前面提到的锥子按落锥法进行测试。作为一种对照，20层的同样织物以5厘米见方用40特的棉线衍缝在一起，并将此衍缝的叠层也进行测试。结构之间的唯一差异就是本发明的结构是没有衍缝而它的抗穿透性达到54.9焦耳，而作为核对的以5厘米见方衍缝的，如所说的，它的抗穿透性达到36.6焦耳—只是前者的三分之二。

Claims (6)

1.一种抗穿透性制品主要包括由线密度小于500分特和韧性至少为30焦耳/克的芳族聚酰胺纱织成的紧密度系数至少为0.75的织物。
2.按照权利要求1的抗穿透性制品，其中制品至少有两层织物，它们在制品的边缘处连接，并且另外不需要将织物层保持在一起的装置。
3.权利要求1的抗穿透性制品，其中织物紧密度系数与纱的线密度之间的关系是
Y＝或＞X6.25×10-4+0.69其中Y＝织物的紧密度系数
X＝纱的线密度。
4.权利要求1的制品，其中织物紧密度系数大体上为1.0。
5.权利要求1的制品，其中韧性是至少40焦耳/克。
6.权利要求1的制品，其中芳族聚酰胺纱是聚对苯二甲酰对苯二胺。
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