DE20321877U1

DE20321877U1 - Verbesserte energieabsorbierende Materialien

Info

Publication number: DE20321877U1
Application number: DE2003221877
Authority: DE
Original assignee: Tex Tech Industries Inc
Current assignee: Tex Tech Industries Inc
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2013-09-11
Also published as: US20040132368A1; WO2004109213A2; US20070079487A1; EP1579167A2; EP2484517A2; EP2484517A3; US7101818B2; ES2391269T3; US7631405B2; WO2004109213A3; CA2504631C; AU2003304187A8; CA2504631A1; EP1579167B1; EP1579167A4; AU2003304187A1

Abstract

Ballistisches Material, das einen Stapel von gewebten Lagen und mindestens eine nichtgewebte Lage auf einer Fläche dieses Stapels von gewebten Lagen umfasst, wobei diese nichtgewebte Lage durch Vernadeln an den Stapel von gewebten Lagen angebracht und mit diesem verwoben ist, um ein integrales Material mit einem Flächengewicht von etwa 0,07 Pfund pro Quadratfuß (342 g/m2) bis zu etwa 10 Pfund pro Quadratfuß (48,8 kg/m2) zu bilden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft verbesserte energieabsorbierende Materialien. Die Materialien haben einen Nutzen in der Herstellung von ballistischen Westen, harter und weicher Armierung, Lebensschutzsystemen und antiballistischen Systemen.
Beschreibung des Stands der Technik
Materialien, die aus Fasern mit ballistischem Gütegrad hergestellt sind, sind in der Technik bekannt, wie beispielsweise die bekannten Aramidfaser-basierten Materialien, die unter dem Handelsnamen Kevlar^® verkauft werden. Verfahren zur Verarbeitung dieser Materialien zu fertigen Artikeln sind ebenso bekannt. Ballistische Fasermaterialien, ballistische Westenkonstruktionen und andere Materialien und Methoden sind beispielsweise in U.S. Pat. Nr. 6,276,255 ; 6,268,301 ; 6,266,819 ; 6,248,676 ; und 6,026,509 beschrieben, die hier durch Verweisung aufgenommen werden. Die in diesen US-Patenten beschriebenen Materialien und Methoden können ohne Einschränkung in Kombination mit den hierin beschriebenen neuen Aspekten der Erfindung verwendet werden.
Vernadelung, auf das hier manchmal als Vernadeln oder Nadeln Bezug genommen wird, ist ein Verfahren, das in der Textilindustrie verwendet wird, in welchem ein Element wie zum Beispiel eine Hakennadel in ein Gewebe hinein und heraus geführt wird, um die Fasern zu verweben. Vernadelung selbst ist nicht neu und beispielweise in U.S. Pat. Nr. 5,989,375 ; 5,388,320 ; 5,323,523 ; 3,829,939 ; und 6,405,417 beschrieben, die hier alle durch Verweisung aufgenommen werden.
Die Verwendung von quasi-unidirektionalen Gewebelagen in ballistischen Materialien ist bekannt.
Beispielsweise ist ein quasi-unidirektionales Gewebe von Barrday Inc. of Cambridge Ontario, Kanada unter dem Handelsnamen Sentinel^® kommerziell erhältlich. Dieses Gewebe umfasst mindestens zwei unidirektionale Gewebelagen, die in einer 0/90-Konfiguration relativ zueinander über Kreuz gelegt sind. Diese ballistisch resistenten Garne sind in ein zweites Gewebe eingewoben, das aus Garnen mit erheblich niedrigerer Zugfestigkeit und Zugspannung als die über Kreuz gelegten ballistischen Garne besteht, um die ballistischen Garne in Position zu halten. Diese Konstruktionsmethode bildet theoretisch ein Gewebe, das aufgrund der mangelnden Krümmung in den ballistisch resistenten Garnen, die das Ergebnis eines traditionellen Webvorgangs ist, wesentlich fester ist als herkömmliche gewebte Materialien. Aufgrund des inhärenten Stabilitätsmangels in der Struktur ist die Performance solcher Materialien jedoch limitiert. Da die ballistischen Garne während eines ballistischen Ereignisses nicht in der Position gesichert sind, werden sie sich splitten und den Durchtritt eines Projektils durch die Zwischenräume erlauben.
Somit besteht weiterhin ein Bedarf an Geweben mit hoher ballistischer Abwehrleistungsfähigkeit in einem dichten, kompakten Format, die günstig hergestellt werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Unter einem Gesichtspunkt ist die Erfindung ein ballistisches Material, das mindestens eine gewebte Lage von Fasern mit ballistischem Gütegrad und mindestens eine nichtgewebte Lage von Gewebe umfasst, wobei diese nichtgewebte Lage mit der gewebten Lage in einer Richtung verwoben ist, die im Wesentlichen rechtwinklig zu jeder x-y-Ebene des ballistischen Materials ist, vorzugsweise durch ein Vernadelungsverfahren. Wie hierin verwendet, umfasst ”gewebt” unidirektionale und quasi-unidirektionale Gewebe.
Die Erfindung kann ausgeführt werden als ein Stapel von gewebten Lagen (wie zum Beispiel das oben erwähnte quasi-unidirektionale Sentinel^®-Gewebe) und einer nichtgewebten Lage, die an den Stapel von gewebten Lagen auf einer oder beiden Flächen angebracht und mit diesem verknüpft ist, um eine integrale Struktur mit einem Flächengewicht von etwa 0,07 Pfund pro Quadratfuß (342 g/m²) bis zu etwa 10 Pfund pro Quadratfuß (48,8 kg/m²) zu bilden. Die resultierende integrale Struktur bietet Vorteile bei der Handhabung und nachfolgenden Verarbeitung, da das Material gebrauchsfertig ist und keine Herstellung einzelner ballistischer Gewebelagen erfordert.
Unter einem anderen Gesichtspunkt ist die Erfindung ein ballistisches Material, das durch ein Verfahren hergestellt wird, bei dem eine nichtgewebte Faserlage auf eine gewebte Faserlage oder -Lagen mit ballistischem Gütegrad aufgelagert wird, um einen Stapel zu bilden, und der Stapel einer Vernadelung unterzogen wird, bis die Faserlagen angebracht sind und Fasern der nichtgewebten Lage in den Zwischenräumen der gewebten Lage oder Lagen verwoben sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
ist eine auseinandergezogene Darstellung eines ballistischen Materials, die nichtgewebte Lagen, Lagen von Material mit ballistischem Gütegrad und eine graphische Darstellung der Vernadelungselemente zeigt.
ist eine Graphik, die die Performance von erfindungsgemäßen ballistischen Materialien im Vergleich zu ballistischen Materialen des Stands der Technik zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In Bezug auf , erstreckt sich erfindungsgemäßes ballistisches Material (4) generell in der x-y-Ebene. Mindestens eine und vorzugs weise ein Stapel von Lagen (1) umfasst gewebte Gewebe mit ballistischem Gütegrad, wie zum Beispiel Lagen von unidirektionalen Faserspinnkabeln oder Garnen. Falls unidirektionale Spinnkabeln oder Garne verwendet werden, werden diese vorzugsweise in 90 Grad-Winkeln in Bezug zueinander über Kreuz gelegt und durch leichtes Heften, Nähen, oder durch Zwischenweben von leichtgewichtigen Garnen in Position gehalten, sodass das Material während des Herstellungsprozesses ohne Trennung und ohne Krümmung der einzelnen Spinnkabel oder Garne handhabbar bleibt.
In einem unidirektionalen Gewebe laufen die Spinnkabel alle in dieselbe Richtung. In einem quasi-unidirektionalen Gewebe können die Spinnkabels in mehr als einer Richtung gelegt sein. Wie hierin verwendet, umfasst ”unidirektional” sowohl unidirektionales als auch quasi-unidirektionales Gewebe, es sei denn, der Kontext erfordert etwas anderes.
Als gewebte Lagen können Gewebe verwendet werden, die aus ballistischen Fasern in einer Vielfalt von Webarten gewebt sind, einschließlich glatt, Basket, Twill, Satin und anderen komplexen Webarten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf unidirektionale, quasi-unidirektionale und dreidimensionale Materialien, alleine oder in Kombination. Wie hier verwendet, umfassen ”gewebte” Gewebe genähte Spinnkabel und Maschenwaren. Eine Vielzahl an gewirkten Lagen oder genähten Spinnkabeln kann mit der Erfindung verwendet werden.
In bevorzugten Ausführungsformen umfassen Lagenstapel (1) mehrfache Lagen von quasi-unidirektionalem Gewebe wie zum Beispiel dasjenige, das kommerziell von Barrday Inc. aus Cambridge Ontario, Kanada unter dem Handelsnamen Sentinel^® erhältlich ist. Dieses Material ist ein Gewebe mit unidirektionalen ballistisch resistenten Garnen in mindestens zwei Lagen, die in Bezug zueinander in neunzig Grad-Winkeln über Kreuz gelegt sind. Die ballistisch resistenten Garne werden dann dadurch in Position gehalten, dass sie in ein zweites Gewebe eingewebt werden, das aus Garnen mit wesentlich geringerer Zugfestigkeit und Zugmodul als die ballistischen über Kreuz gelegten Garne besteht. Alternativ dazu kann (können) die Lage(n) (1) einfach gewebte Fasern mit ballistischem Gütegrad sein, wie zum Beispiel Kevlar^® (Para-Aramidfasern), Poly(p-phenylen-2,6-benzobisoxazol) (PBO), Spectra (Polyethylen-Fasern mit hohem Molekulargewicht) oder ballistische Nylons.
Die Lage(n) mit ballistischem Gütegrad (1) ist (sind) mit nichtgewebten Wattierungslagen (2) kombiniert oder zwischen Lagen von nichtgewebtem Wattierungsmaterial geschichtet. Nach Ausrichten des Materials wird der Stapel einem Vernadelungsverfahren unterzogen, um die Lagen aneinanderzuheften, die Dichte zu erhöhen und das fertige Gewebe zu stabilisieren.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die nichtgewebte Lage aus ballistisch resistenten high-performance-Fasern zusammengesetzt, insbesondere einer ballistisch resistenten Faser mit einer Zugfestigkeit von mindestens 15 Gramm pro Denier (13,5 g/Decitex) und einem Zugmodul von mindestens 400 Gramm pro Denier (360 g/Decitex) (nachstehend ”nichtgewebte Fasern mit ballistischem Gütegrad”). Die nichtgewebte Lage kann aus natürlichen Fasern und synthetischen Fasern ausgewählt werden. Natürliche Fasern umfassen Baumwolle, Wolle, Sisal, Leinen, Jute und Seide. Synthetische Fasern umfassen Aramidfasern, längerkettige Polyethylenfasern, PBG-Fasern, regenerierte Cellulose, Rayon, Polynosic Rayon, Celluloseester, Acryle, Modacryl, Polyamide, Polyolefine, Polyester, Gummi, Kunstfaser, Saran, Glass, Polyacrylnitril, Acrylnitril-Vinylchlorid-Copolymere, Polyhexamethylenadipamid, Polycaproamid, Polyundecanamid, Polyethylen, Polypropylen und Polyethylenterephthalat. Es ist möglich, anstelle der nichtgewebten Lage nichtgewebte Fasern mit nicht-ballistischem Gütegrad zu verwenden und dennoch ein Material mit zufriedenstellender ballistischer Performance für einige Anwendungen herzustellen.
Der Vernadelungsschritt stabilisiert die Gewebelagen und hält die einzelnen Spinnkabel davon ab, sich zu trennen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst (umfassen) die nichtgewebte(n) Lage(n) (2) Stapelfasern mit ballistischem Gütegrad, und der Vernadelungsschritt verwebt diese Fasern in den Zwischenräumen des gewebten Gewebes oder der über Kreuz gelegten Spinnkabel oder Garne, sodass einige in einer Richtung sind, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der x-y-Ebene des Gewebes ist und die Gewebelagen mechanisch verbindet. Diese mechanische Verbindung verhindert, dass ein hochenergetisches Projektil die einzelnen Spinnkabel der unidirektionalen Gewebelagen splittet, wenn das Projektil das Material penetriert. Während eine Verwebung von nichtgewebten Fasern die Trennung der Spinnkabel verhindert, verhindert das Verfahren auch die Delamination der einzelnen Lagen. Zusätzlich erhöht dieses Stabilisierungsverfahren die Dichte des Materials und erfasst dabei mehr Fasern pro Volumeneinheit. In bevorzugten Ausführungsformen wird eine nichtgewebte Lage auf einer Seite des Stapels von Gewebelagen durch Vernadelung angebracht; ein erfindungsgemäßes gebrauchsfertiges ballistisches Material kann jedoch auf beiden Seiten davon nichtgewebte Lagen angebracht haben.
Die Dicke des fertigen Materials ist nicht genau limitiert und kann von etwa 0,025 In. (0,0635 cm) bis zu etwa 4,0 In. (10,06 cm) reichen, vorzugsweise von etwa 0,10 In. (0,254 cm) bis zu etwa 2,0 In. (5,03 cm), abhängig vom Verwendungszweck und der gewünschten Anzahl an gewebten Gewebelagen. Die Anzahl an gewebten Gewebelagen (einschließlich unidirektionaler oder quasi-unidirektionaler Lagen) in einem Stapel ist gleichermaßen determiniert durch die Art der verwendeten gewebten Lagen und dem Verwendungszweck. Mehr als zwei, beispielsweise vier bis fünfhundert, und vorzugsweise vier bis zwanzig Lagen von an eine nichtgewebte Lage angebrachtem gewebtem Gewebe ist geeignet, um ein Kernmaterial für viele Lebensschutzsystemanwendungen zu bilden. In Ausführungsformen wird ein erster Stapel mit einer Vielzahl gewebter Lagen und einer nichtgewebten Lage auf einer von dessen Flächen durch Vernadeln hergestellt, und es wird ein zweiter Stapel mit gleichartiger Konstruktion hergestellt. Der erste Stapel und der zweite Stapel können dann zusammenvernadelt werden, sodass die nichtgewebten Lagen sich gegenüberliegende Seiten des Materials belegen.
Die Vernadelung der nichtgewebten Lage oder Lagen und der Stapel von gewebten Lagen müssen entsprechend der gewebten Gewebeart variiert werden. Die Variation des Vernadelungsverfahrens kann die Anzahl der Nadelstiche pro Flächeneinheit und/oder die Tiefe dieser Stiche umfassen. Das optimale Ausmass und die Art der Vernadelung und die Menge an nichtgewebten Fasern kann durch ballistische Untersuchungen bestimmt werden, die vorzugsweise unter Verwendung von ballistischen Standarduntersuchungsverfahren durchgeführt werden, wie zum Beispiel Military Standard (Mil Std) 662 F oder National Institute of Justice (NIJ) Standard 0104.04, die hier durch Verweisung aufgenommen werden.
Nur beispielsweise und in nicht-einschränkender Weise wurden hier beispielsgemäße Materialien dadurch hergestellt, dass nichtgewebtes Material (das beispielsweise durch Trockenkardierung und mechanische Vernadelung hergestellt werden kann) mit einem Flächengewicht von etwa 2,5 oz/sq. yd. (84,78 g/m²) und einer Dicke von etwa 0,060 In. (0,152 cm) auf der Einlassseite eines Vernadelungswebstuhls auf einem automatischen Rollenförderungssystem platziert wurde, das so eingestellt wurde, dass das Material bei derselben Rate wie die Maschinengeschwindigkeit zugeführt wurde. Lagen von quasi-unidirektional gewebten Materialien wurden auf der Einlassseite des Vernadelungswebstuhls in einer Stapelkonfiguration angeordnet. Die Führungskante der gewebten Lagen wurde dann zur Stabilisierung zu einem Führungsgewebe (einem Gewebe, das nur dazu benutzt wird, ein anderes Material durch den Vernadelungswebstuhl zu bringen) zusammengeheftet. Das nichtgewebte Gewebe wurde der Vernadelungswebstuhlkante zugeführt und das gesamte System aus nichtgewebten und gewebten Materialien wurde dem Vernadelungswebstuhl zur Verfestigung zugeführt. Der Schritt der Auflagerung einer nichtgewebten Lage auf einen Stapel von gewebten Lagen umfasst die Platzierung einer nichtgewebten Lage auf dem Stapel aus gewebten Lagen auf dem Webstuhl. Lagen von nichtgewebtem Gewebe können zwischen Lagen von gewebtem Gewebe verschachtelt werden.
Der erste Durchgang durch den Vernadelungswebstuhl erfolgte mit 400 Penetrationen/sq. In. (62 Penetrationen/cm²) mit einer 8 mm-Penetration der Nadel in die Materialien. Die Art der verwendeten Nadel ist eine Finishing-Nadel. Die Maschine lief mit 1,6 Yards/Minute (1,46 m/min.). Das verfestigte Material wird dann ein zweites Mal durch den Webstuhl geleitet, wobei die nichtgewebte Komponente weiterhin nach oben zeigt. Der zweite Durchgang dient dazu sicherzustellen, dass alle gewebten Lagen in der z-Richtung mit der nichtgewebten Lage mechanisch verwoben werden. Der zweite Durchgang durch den Webstuhl erfolgte bei 600 Penetrationen/sq. Inch (93 Penetrationen/cm²) mit einer 8 mm-Penetration der Nadel in die Materialien. Für diesen Durchgang lief die Maschine mit 2,0 Yards/Minute (1,83 m/min.).
Im Ergebnis war die nichtgewebte Lage fest an die gewebten Lagen angebracht und das fertiggestellte Material war für die Herstellung von ballistischen Artikeln gebrauchsfertig, ohne die Zusammenfügung einzelner Lagen zu erfordern.
Nach der Vernadelung kann das Material weiter durch Kalandrieren des vernadelten Stapels durch Druckwalzen verfestigt werden. Kalandrieren in einer Druckwalze verdichtet das System weiter und vermindert das Gesamtdickenprofil des Materials. Kalandrieren ist das Verfahren, bei dem Druck und manchmal Wärme auf ein Material ausgeübt wird, um es weiter zu verdichten. Die Dichte eines verfestigten Materials ist generell um zwischen 40 bis 55 Prozent erhöht und die Dicke um zwischen 30 bis 35 Prozent vermindert. Es ist zu erwarten, dass die kombinierten Ergebnisse dieser Schritte die Performance des Systems hinsichtlich ballistischer Untersuchungen erhöhen, die gemäß NIJ-Standards für Projektilpenetration, Rückseitensignatur und gegen Fragment-simulierende Projektile (FSP's) durchgefühhrt werden. Das fertiggestellte Material kann durch Einsatz einer wasserabweisenden Behandlung oder einer anderen Beschichtung oder Behandlung weiter verbessert werden.
Es können andere Verfahren als Vernadelung zum mechanischen Verweben verwendet werden, wie zum Beispiel Hydroentanglement, die Verwendung eines Wasser- oder Airjets und dergleichen.
Aufgrund der erhöhten ballistischen Performance der erfindungsgemäßen Gewebe kann weniger Material verwendet werden, um eine gleichwertige ballistische Performance zu erzielen, was die Endprodukte leichter, flexibler und somit als ballistisches Kleidungsstück komfortabler macht. Das Verfahren verbindet einzelne Lagen durch den Webprozess miteinander, was die interlaminare Scherfestigkeit und Kommunikation zwischen benachbarten Lagen während eines ballistischen Ereignisses erhöht. Durch diesen Effekt kann die Energie eines auftreffenden Projektils besser absorbiert und gleichmäßiger in den Gewebelagen verteilt werden.
Die Dicke und das Gewicht des fertigen ballistischen Materials variiert in Abhängigkeit von der Menge der in der nichtgewebten Lage verwendeten Fasern, dem Grad der Vernadelung und der Art und Anzahl der gewebten Lagen in dem Stapel. Das Format des Produkts hängt auch von der beabsichtigten Verwendung ab. In herkömmlicher ballistischer Westenbekleidung besteht die Weste typischerweise aus mehrfachen Lagen gewebten Materials mit ballistischem Gütegrad, die dann genäht und in manchen Fällen laminiert werden, um die Lagen in Position zu halten. Die Lagen, allgemein als Pack bekannt, werden dann mit einem tragbareren Bekleidungsobermaterial bedeckt. Das Neue an der vorliegenden Erfindung ist die Einführung der Einbringung eines vorgefertigten Kerns als ballistische Schutzkomponente. Der Kern wird als ballistischer Basisschutz angesehen, von dem ausgehend der übrige ballistische Schutzgrad aufgebaut wird. Um die erwünschte ballistische Performance des Packs zu erhalten, können verschiedene Kerne hinzugefügt werden, genauso wie andere im Stand der Technik bekannte Materialien mit ballistischem Gütegrad. Für eine ballistische Weste kann ein Kernmaterial mit einer einzelnen Lage von nichtgewebtem Material hergestellt werden, die durch Vernadelung an einen Stapel gewebter Lage angebracht wird (welche definitionsgemäß unidirektionale und quasi-unidirektionale Lagen umfasst), um ein Material mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,1 In. (0,254 cm) bis etwa 0,3 In. (0,76 cm), typischerweise etwa 0,25 In. (0,63 cm) zu bilden, das als einzelne Lage zugeschnitten ist, um eine Weste zu bilden.
Generell ist es für ballistische Materialien (insbesondere tragbare Materialien) ein wichtiges Ziel, die ballistische Performance bei leichterem Materialgewicht zu erhöhen. Ein geeignetes Materialgewicht für ein ballistisches Kernmaterial liegt im Bereich von etwa 0,07 lbs/ft² (342 g/m²) bis etwa 10 lbs/ft² (48,8 kg/m²), und vorzugsweise etwa 0,18 lbs/ft² (878 g/m²) bis etwa 0,60 lbs/ft² (2,928 kg/m²). In den bevorzugtesten Anwendungen hat das ballistische Kernmaterial ein Gewicht von 0,18 lbs/ft² (878 g/m²) bis etwa 0,32 lbs/ft² (1,562 g/m²).
Zusätzlich zu dem Performance-Vorteil bildet das Vernadelungsverfahren ein ballistisches Kernmaterial, das kein weiteres Zusammenfügen der Lagen erfordert. Falls das Gewebe beispielsweise von einem Hersteller von ballistischen Westen verwendet würde, um eine ballistische Weste zu erzeugen, könnte der Hersteller eine Materialeinheit von einer einzigen Rolle Gewebe abschneiden, das hinsichtlich der Erfüllung spezifischer ballistischer Erfordernisse getestet ist. Diese Methode vermeidet die zusätzliche Arbeit, viele Lagen von ballistischem Gewebe zu schneiden, zu stapeln, zu zählen und die Lagen zusammenzunähen oder zu steppen. Das Kernmaterial ist somit ballistisches ”Fertig-”Material, das sowohl ökonomische als auch Performance-Vorteile in einem einzigen monolitischen Kernmaterial bietet, welches dann als Baustein zur Schaffung verschiedener Konstruktionen bei zahlreichen potentiellen Produkten für sowohl harte als auch weiche Rüstungsmaterialien verwendet werden kann.
Das erfindungsgemäß hergestellte Kernmaterial hat abgesehen von der Herstellung ballistischer Westen und anderer ballistischer Bekleidung auch andere Verwendungen. Zum Beispiel kann das Material geharzt werden und als Hartarmierung oder Hartverbundarmierung und sowohl in harten, als auch in weichen Containmentstrukturen, Bombencontainmentstrukturen und Abschwächungselementen verwendet werden. Die mehrere vorgefertigte Lagen umfassenden Kernmaterialien sorgen in vielen dieser Anwendungen für eine einfache Handhabung.
Für gewöhnlich erhöht die Weiterverarbeitung durch sekundäre Schritte den Verbrauch von Gewebe in Westen, Decken und Compositen, insbesondere für kugelsichere Anwendungen. Während eines ballistischen Ereignisses wird Energie in verschiedenen Richtungen übertragen: orthogonal zur Flugrichtung des Projektils entlang der Garne der Gewebelage und gleichzeitig longitudinal zu der Bahn des Projektils in das Pack. Dieser longitudinale Energietransfer tritt auf, bevor das Projektil die Gewebelage penetriert. Dieser Energietransfer in das Pack spielt eine maßgebliche Rolle beim Stoppen des Projektils. Für einen effektiven longitudinalen Energietransfer müssen die Gewebelagen in engem Kontakt sein. Deshalb werden die Gewebelagen konventionell weiterverarbeitet, um diesen Kontakt aufrechtzuerhalten.
Der(die) Sekundärschritte(e) werden auch verwendet, um das ballistische Pack zu versteifen und/oder die Energie, die auf den Körper während des Abstoppens einer ballistischen Bedrohung übertragen wird, zu reduzieren oder zu verteilen (stumpfes Trauma). Gewebe, das einem ballistischen Ereignis ausgesetzt ist, wird durch das Projektil während der Einwirkung konusförmig zurückgedrängt. Der Konus hat eine größere Oberfläche als die ursprünglich glatte Oberfläche, und die Sekundärverarbeitung erlaubt dem Gewebe sich aufzusplitten, um die vergrößerte Fläche abzudecken. Solche konventionellen Sekundärverarbeitungsschritte tragen außerdem dazu bei, zu verhindern, dass sich die Gewebelagen während des ballistischen Ereignisses öffnen. Konventionelle Sekundärschritte, die angewandt werden können, umfassen Nähen und/oder Laminieren der Gewebelagen. Die Verwendung von erfindungsgemäßer Kern-Technologie ersetzt diese konventionellen Sekundärschritte durch Erhöhung des engen Kontakts zwischen den Lagen. Zudem stellt die Kern-Technologie diesen Kontakt in effektiverer Weise her. Das mechanische Verweben der Kern-Technologie stellt nicht nur den Kontakt zwischen den Gewebelagen her, sondern verstärkt auch den Kontakt zwischen den Spinnkabeln in jeder Gewebelage. Bei einigen Anwendungen können konventionelle Sekundärverfahren einschließlich Nähen und/oder Laminierung jedoch in Kombination mit mechanischem Verweben angewandt werden.
Im Stand der Technik bekannte Beschichtungen, wie zum Beispiel eine wasserabweisende Polytetrafluorethylen-Beschichtung, können zweckmäßigerweise auf das fertige Gewebe aufgebracht werden, um die Performance zu verbessern.
Die folgenden Gewebe wurden erfindungsgemäß hergestellt:
BEISPIEL 1
Ein nichtgewebtes Gewebe bestehend aus para-Aramidfasern wurde auf acht über Kreuz gelegte Lagen eines para-Aramid- quasi-unidirektionalen Gewebes aufgelagert, um einen Stapel zu bilden.
Der Stapel wurde einer Vernadelungsverfestigung unterzogen, um eine Dicke von etwa 0,11 Inches (0,28 cm) und ein Gewicht von etwa 0,24 lbs/sq. ft. (1,171 kg/m²) zu erhalten. Das resultierende Material zeigte im Vergleich zu einem Stapel über Kreuz gelegter Lagen eines quasi-unidirektionalen Gewebes mit vergleichbarer Dicke eine verbesserte ballistische Performance, wie in den nachstehen Vergleichsbeispielen gezeigt wird.
BEISPIEL 2
Ein nichtgewebtes Gewebe bestehend aus para-Aramidfasern wurde auf acht über Kreuz gelegte Lagen eines para-Aramid- quasi-unidirektionalen Gewebes aufgelagert, um einen Stapel zu bilden. Der Stapel hatte (vor nachfolgenden Schritten) eine kumulative Dicke von etwa 0,25 Inches. Der Stapel wurde einer Vernadelungsverfestigung unterzogen. Nachfolgend wurden sieben weitere gewebte Lagen (quasi-unidirektional) und eine zweite nichtgewebte Lage gleichzeitig an dem ursprünglichen Stapel durch Vernadelung angebracht. Die zweite nichtgewebte Lage wurde an der freiliegenden gewebten Seite angebracht. Somit ist die Herstellung ähnlich wie die aus Beispiel 1, außer dass eine Vielzahl von Stapeln von gewebtem Gewebe und eine Vielzahl von nichtgewebten Lagen verwendet wurden. Das fertige Gewebe hatte eine Flächendichte von etwa 0,48 lbs/sq. ft. (2,342 kg/m²), eine Dicke von etwa 0,2 In. (0,51 cm).
BEISPIEL 3
Ein nichtgewebtes Gewebe bestehend aus para-Aramidfasern wurde auf zehn über Kreuz gelegte Lagen eines para-Aramid-glattgewebten Gewebes aufgelagert, um einen Stapel zu bilden. Der Stapel wurde einer Veenadelungsverfestigung unterzogen. Das fertige Material hatte eine kumulative Dicke von etwa 0,13 In. (0,33 cm) und ein Gewicht von etwa 0,38 lbs/sq. ft. (1,854 kg/m²). Das Kernmaterialdesign dieses Beispiels ist dem aus Beispiel 1 ähnlich, außer dass eine glattgewebte Lage verwendet wurde.
BEISPIEL 4
Ein nichtgewebtes Gewebe bestehend aus para-Aramidfasern wurde auf zehn über Kreuz gelegte Lagen eines para-Aramid-glattgewebten Gewebes aufgelagert und durch Vernadelung verfestigt, um einen ersten Stapel zu bilden, der dem Stapel aus Beispiel 3 ähnlich ist. Ein zweiter Stapel, der im Wesentlichen mit dem ersten Stapel identisch war, wurde Rücken-an-Rücken an den ersten Stapel angebracht, sodass die gewebten Lagen zwischen die nichtgewebten Lagen geschichtet wurden. Das fertige Gewebe hatte eine Flächendichte von etwa 0,76 lbs/sq. ft. (3,709 kg/m²) und eine Dicke von etwa 0,24 In. (0,61 cm).
BEISPIEL 5
Das Gewebe aus Beispiel 1 wurde ferner einem Kalandrierungsschritt zwischen Druckwalzen unterzogen, die das Material durch die Kraft der Rollen zwischen und durch die Rollen und auf der anderen Seite heraus befördern. Die Materialdichte wurde auf 43 lb/ft³ (0,69 g/cm³) mit einer Dicke von 0,135 Inches (0,34 cm) erhöht, eine Steigerung der Dichte um 50 Prozent und eine Verminderung der Dicke um 33 Prozent.
VERGLEICHSBEISPIELE:
Eine durch erfindungsgemäße mechanische Vernadelung zusammengefügte gewebte/nichtgewebte Materialkonfiguration wurde mit drei ballistischen Standardmaterialien, die unter Verwendung desselben gewebten Materials und verschiedenen Verfestigungsmethoden hergestellt wurden, hinsichtlich der ballistischen Performance verglichen. Die ballistische Performance wurde unter Verwendung von Mil Std 662. V-50, V-0 bestimmt und die korrespondierenden Rückseitensignaturergebnisse wurden verglichen. V-50 ist gemeinhin bekannt als die Messung derjenigen Geschwindigkeit, bei der fünfzig Prozent der abgefeuerten Projektile das zu bewertende ballistische Material durchdringen. V-0 ist gemeinhin bekannt als die Messung derjenigen Geschwindigkeit, bei der null Prozent der abgefeuerten Projektile das zu bewertende ballistische Material durchdringen. Rückseitensignaturmessungen werden durch Aufzeichnung der Tiefe bestimmt, bei der das Material in einen Ton-Kugelfänger eindringt. NIJ hat festgelegt, dass eine Rückseitensignatur von 44 mm oder weniger als überlebbar gilt.
Vergleichsbeispiel 1:
Eine ”x-Naht” wurde verwendet, um einzelne Lagen von quasi-unidirektional gewebtem Sentinel^®-Gewebe zu verbinden. Das Gesamtgewicht des Materials betrug etwa 0,5 lbs/sq. ft. (2,44 kg/m²).
Vergleichsbeispiel 2:
Eine 1-Inch Quiltnaht wurde verwendet, um einzelne Lagen von quasi-unidirektional gewebtem Sentinel^®-Gewebe zu verbinden. Das Gesamtgewicht des Materials betrug etwa 0,5 lbs/sq. ft. (2,44 kg/m²). Dieses gequiltete Format ist das typische Design von herkömmlichen ballistischen Geweben.
Vergleichsbeispiel 3:
Lagen von quasi-unidirektional gewebtem Sentinel^®-Gewebe wurden durch Verwendung eines polymeren Laminats aneinandergeheftet. Die gesamte Laminatstruktur wurde daraufhin wärmebehandelt, um das verfestigte Endmaterial zu erzeugen. Dieses Material ist steif und wiegt 0,5 lbs/sq. ft. (2,44 kg/m²).
Erfindungsgemäßes Beispiel:
Eine vernadelte nichtgewebte Lage wurde verwendet, um einen Stapel von quasi-unidirektional gewebtem Sentinel^®-Gewebe zu verbinden, um ein Gesamtgewicht von etwa 0,5 lbs/sq. ft. (2,44 kg/m²) zu erhalten. Die Kern-Verbindungen wurden unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Methode gebildet.

Tabelle 1 führt die Performance der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen Beispiel für sowohl den V-50-Wert in Fuß pro Sekunde als auch die Rückseitensignatur in Millimeter auf. Das erfindungsgemäße Gewebe performt sowohl hinsichtlich des V-50-Werts als auch der Rückseitensignatur besser als die Vergleichsbeispiele 1 bis 3. Obwohl Vergleichsbeispiel 2 hinsichtlich V-50 beinahe genauso performt, ist das quiltgenähte Material mühsamer herzustellen und hat eine unbefriedigende Rückseitensignatur. Vergleichsbeispiel 3 wies ausreichende Performance auf, aber Vergleichsbeispiel 3 ist ein steifes Material, das sich dem Körper nicht anpasst. Tabelle 1

		Flächendicht		V-50	Erlebnisse
		Flächendicht		V-50	Rückseitenprägu
Probe	Naht	e lbs/sq.	Projektil	(fps\|m/s)	ng (mm)
Vergleichbsp. 1	x-Naht	0,5	9 mm	990\|302	70
Vergleichbsp. 2	1 Inch Quilt	0,5	9 mm	1241\|378	52
Vergleichbsp. 3	keine	0,5	9 mm	1115\|340	40
Erfindungsgem. Bsp.	keine	0,5	9 mm	1264\|385	34

Tabelle 2 zeigt die prozentuale Verbesserung für das erfindungsgemäße Beispiel im Vergleich zu jedem der Vergleichsbeispiele. Tabelle 2

V50 % Verbesserung

Rückseitenprägung

Vergleichbsp. 1 28% 62%

Vergleichbsp. 2 27% 35%

Vergleichbsp. 3 12% 15%
zeigt eine graphische Interpretation der V-0 bis V-50-Ergebnisse für Vergleichsbeispiele 2 und 3 und das erfindungsgemäße Beispiel, wobei es den Vorteil der Vernadelungsverfestigung im Vergleich zu konventionellen Verfestigungsmethoden zeigt. Das Material, welches Vernadelungstechnologie enthält, steigert und verbessert die ballistische Performance, wie aus den V-0 bis V-50-Daten ersichtlich.
In der Regel ist die Steigung der Performancekurve für traditionell gewebte ballistische Materialien wie ein ”S” geformt. Dies sieht man bei Vergleichsbeispiel 2, das ein konventionelles ballistisches Materialdesign ist. Bei Vergleichsbeispiel 3, das ein starres Material ist, würde man nicht erwarten, dass es das S-förmige Profil aufweist. In Abhängigkeit von der Art des Materials kann die Steigung der V-0 bis V-50-Kurve graduell oder steil sein. Eine graduelle ”S”-Form macht es schwer, den wahren und konsistenten V-0-Wert eines gegebenen Designs exakt festzustellen und ist deshalb weniger bevorzugt. Wie in gezeigt, erhöht die Verwendung der erfindungsgemäßen Vernadelungstechnologie die Steigung der Kurve, was eine exaktere und verlässlichere Feststellung von V-0 zulässt. Diese Veränderung der Steigung ist auch ein Anzeichen für die Veränderung der Beschaffenheit der zur Bildung der Technologie verwendeten Materialien. Die Steigung der Kurve für die vernadelten Materialien zeigt eine gesteigerte Konsistenz in der gesamten Materialkonstruktion für das erfindungsgemäße Beispiel.
Die vorhergehenden Beispiele und detaillierte Beschreibung sollen nicht als die Erfindung limitierend angesehen werden, welche durch die folgenden Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist so zu verstehen, als dass die solche Modifikationen davon umfasst, die für den Durchschnittsfachmann offensichtlich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6276255 [0002]
US 6268301 [0002]
US 6266819 [0002]
US 6248676 [0002]
US 6026509 [0002]
US 5989375 [0003]
US 5388320 [0003]
US 5323523 [0003]
US 3829939 [0003]
US 6405417 [0003]

Claims

Ballistisches Material, das einen Stapel von gewebten Lagen und mindestens eine nichtgewebte Lage auf einer Fläche dieses Stapels von gewebten Lagen umfasst, wobei diese nichtgewebte Lage durch Vernadeln an den Stapel von gewebten Lagen angebracht und mit diesem verwoben ist, um ein integrales Material mit einem Flächengewicht von etwa 0,07 Pfund pro Quadratfuß (342 g/m²) bis zu etwa 10 Pfund pro Quadratfuß (48,8 kg/m²) zu bilden.
Ballistisches Material nach Anspruch 1, das eine nichtgewebte Lage auf jeder Fläche des Stapels von gewebten Lagen umfasst.
Ballistisches Material nach Anspruch 1, wobei der Stapel von gewebten Lagen 4 bis 20 quasi-unidirektionale Aramidfasergewebelagen umfasst, die rechtwinklig über Kreuz gelegt sind.
Ballistisches Material nach Anspruch 1, wobei die nichtgewebte Lage im Wesentlichen aus Fasern mit einer Zugfestigkeit von mindestens 15 Gramm pro Denier (13,5 g/Decitex) und einem Zugmodul von mindestens etwa 400 Gramm pro Denier (360 g/Decitex) besteht.
Ballistisches Material nach Anspruch 1, das eine Rückseitensignatur von weniger als 44 mm bei einer Materialflächendichte von 0,5 Pfund pro Quadratfuß (2,44 kg/m²) hat.
Ballistisches Material nach Anspruch 1, das auf eine Dicke von etwa 0,1 Inch (0,254 cm) bis etwa 0,3 Inch (0,76 cm) mit einer Flächendichte von 0,18 Pfund pro Quadratfuß (878 g/m²) bis etwa 0,60 Pfund pro Quadratfuß (2,928 kg/m²) kalandriert ist.
Ballistisches Material, das mindestens eine gewebte Lage Fasern mit ballistischem Gütegrad und mindestens eine nichtgewebte Faserlage umfasst, wobei diese nichtgewebte Lage mit der gewebten oder unidirektionalen Lage in einer Richtung verwoben ist, die im Wesentlichen rechtwinklig zu jeder x-y-Ebene des ballistischen Materials ist.
Material nach Anspruch 7, wobei die nichtgewebte Lage mit der gewebten Lage durch Vernadelung verwoben ist.
Material nach Anspruch 7, wobei die gewebte Lage unidirektionale oder quasi-unidirektionale Fasern mit ballistischem Gütegrad umfasst.
Material nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine nichtgewebte Lage Fasern mit ballistischem Gütegrad umfasst.
Material nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine nichtgewebte Lage Stapel-Para-Aramidfasern umfasst.
Material nach Anspruch 7, das eine Vielzahl von Lagen unidirektionaler Spinnkabel aus Fasern mit ballistischem Gütegrad umfasst, welche in 90 Grad-Winkeln über Kreuz gelegt sind.
Material nach Anspruch 7, das eine Vielzahl von Lagen gewobener Fasern mit ballistischem Gütegrad umfasst.
Material nach Anspruch 7, das eine Vielzahl von Lagen gewirkter Fasern mit ballistischem Gütegrad umfasst.
Material nach Anspruch 7, das eine Vielzahl von Lagen genähter Spinnkabel aus Fasern mit ballistischem Gütegrad umfasst.
Material nach Anspruch 7, das weiterhin eine wasserabweisende Beschichtung umfasst.
Material nach Anspruch 7, dessen Dicke durch Kalandrieren vermindert ist.
Ballistisches Material, erhältlich durch ein Verfahren, bei dem: mindestens eine nichtgewebte Faserlage einer gewebten oder unidirektionalen Faserlage mit ballistischem Gütegrad aufgelagert wird, um einen Stapel zu bilden, und der Stapel einer mechanischen Verknüpfung der Fasern der nichtgewebten Lage unterzogen wird.
Ballistisches Material, erhältlich durch ein Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die nichtgewebte Lage mit der gewebten Lage durch Vernadelung mit der gewebten Lage verwoben wird.
Ballistisches Material, erhältlich durch ein Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Stapel 4 bis 500 Lagen von unidirektionalen, quasi-unidirektionalen, gewirkten oder genähten Spinnkabellagen umfasst.
Ballistisches Material, erhältlich durch ein Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Stapel 4 bis 20 Lagen von unidirektionalem oder quasi-unidirektionalem Aramidfasergewebe umfasst, das in 90 Grad-Winkeln über Kreuz gelegt ist.
Ballistisches Material, erhältlich durch ein Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Stapel nichtgewebte Lagen umfasst, die den sich gegenüberliegenden Seiten der 4 bis 20 Lagen an unidirektionalem oder quasi-unidirektionalem Aramidfasergewebe aufgelagert und mit diesen verwoben sind.
Material, erhältlich durch ein Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Material ferner nach der Vernadelung kalandriert wird, um die Dichte zu erhöhen.
Ballistisches Material, erhältlich durch ein Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Material auf eine Dichte von etwa 0,07 Pfund pro Quadratfuß (342 g/m²) bis zu etwa 0,80 Pfund pro Quadratfuß (3,906 kg/m²) und einer Dichte von etwa 0,1 Inch (0,254 cm) bis etwa 0,3 Inch (0,76 cm) kalandriert wird.
Ballistisches Material, erhältlich durch ein Verfahren nach Anspruch 16, bei dem ferner eine wasserabweisende Beschichtung auf das Material aufgetragen wird.
Material, erhältlich durch ein Verfahren nach Anspruch 16, bei dem vor der Vernadelung nichtgewebte Lagen zwischen Lagen aus gewebtem oder unidirektionalem Gewebe geschichtet werden.
Material, erhältlich durch ein Verfahren nach Anspruch 16, bei dem ein erster Stapel mit einer Vielzahl gewebter Lagen und einer nichtgewebten Lage auf einer von dessen Flächen vernadelt wird und ein zweiter Stapel mit einer Vielzahl gewebter Lagen und einer nichtgewebten Lage auf einer von dessen Flächen vernadelt wird und der erste Stapel und der zweite Stapel zusammenvernadelt werden, sodass die nichtgewebten Lagen sich gegenüberliegende Seiten des Materials belegen.
Material, erhältlich durch ein Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das ballistische Material ferner nach der Herstellung auf eine Rückseitensignatur von weniger als 44 mm getestet wird, sodass das Material gebrauchsfertig für die Herstellung ballistischer Artikel ist.
Ballistisches Material, das einen Stapel aus vier bis zwanzig gewebten Lagen und mindestens eine nichtgewebte Lage auf einer Fläche dieses Stapels von gewebten Lagen umfasst, wobei die nichtgewebte Lage durch Hydroentanglement oder die Verwendung eines Wasser- oder Airjets an den Stapel von gewebten Lagen angebracht und mit diesem verwoben ist.
Ballistisches Bekleidungsstück, umfassend einen oder mehrere vorgefertigte(n) Materialkern(e), der(die) einen Stapel gewebter Lagen mit ballistischem Gütegrad, mindestens eine Lage von nichtgewebtem Material sowie eine wasserabweisende Beschichtung umfasst(umfassen), wobei die mindestens eine Lage von nichtgewebtem Material durch Vernadelung an den Stapel gewebter Lagen angebracht ist.
Ballistisches Bekleidungsstück, umfassend ein vorgefertigtes Kernmaterial mit einer einzelnen Lage von nichtgewebtem Material, die durch Vernadelung an einen Stapel gewebter Lagen angebracht ist, wobei das Kernmaterial eine Dicke im Bereich von etwa 0,1 In. (0,254 cm) bis etwa 0,3 In. (0,76 cm), vorzugsweise etwa 0,25 In. (0,63 cm) aufweist.
Ballistisches Bekleidungsstück, umfassend ein vorgefertigtes Kernmaterial mit einer einzelnen Lage von nichtgewebtem Material, die durch Vernadelung an einen Stapel gewebter Lagen angebracht ist, wobei das Kernmaterial ein Materialgewicht im Bereich von etwa 0,07 lbs/ft² (342 g/m²) bis etwa 10 lbs/ft² (48,8 kg/m²), vorzugsweise etwa 0,18 lbs/ft² (878 g/m²) bis etwa 0,60 lbs/ft² (2,928 kg/m²) und am meisten bevorzugt von 0,18 lbs/ft² (878 g/m²) bis etwa 0,32 lbs/ft² (1,562 g/m²) aufweist.