JP4551501B2 - 侵入抵抗性アラミド製品 - Google Patents

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Description

【0001】
技術分野
本発明は、侵入抵抗性アラミド製品に関する。更に詳細には、本発明は、500dtex以下の線密度(linear density)を有するヤーンから、少なくとも0.75の布地の目の詰まり因子(tightness factor)に織られた布地から本質的になる、但しタフネス(toughness)が少なくとも30ジュール/gであり且つヤーンのフィラメントが1.67dtex以下の線密度を有する、侵入抵抗性製品に関する。
【0002】
背景の技術
鋭く尖った道具に対して改良された侵入抵抗性を示す保護服は必要とされている。しかしながら今までは、銃弾に対する及び銃弾の脅威に対する保護服が基本的に注目されてきた。本発明は、鋭い道具例えば千枚通しまたはアイスピックのような鋭い道具の突き刺しまたは脅しのようなその侵入から保護するための製品に関する。
【0003】
フォイ(Foy)及びマイナー(Miner)の申請による1996年・・・・付け米国特許第・・・・・号(1995年4月12日付けUSSN第08/421350号)は、低線密度及び高靭性を有する目を詰めて織ったアラミドヤーンから製造される侵入抵抗性製品を開示している。
【0004】
1993年2月9日付けのハーペル(Harpell)らの米国特許第5185195号は、織られたアラミドまたは線状ポリエチレン布地が規則的な、接近したパス(path)で一緒に固定されている侵入抵抗性の構造を開示している。この固定は好ましくは縫い取りによって行われる。
【0005】
1989年7月25日付けのドロステ(Droste)らの米穀特許第4850050号は、布地のヤーンが1.5dtexより小さい線密度を有するフィラメントから作られたアラミド布地の積層に基づく体の防護物を開示している。
【0006】
発明の概略
本発明は、侵入抵抗性アラミド製品に関する。更に詳細には本発明は、500dtex以下の線密度(linear density)を有するヤーンから、少なくとも0.75の布地の目の詰まり因子(tightness factor)に織られた布地から本質的になる、但しタフネス(toughness)が少なくとも30ジュール/gであり且つヤーンのフィラメントが1.67dtex以下の線密度を有する、侵入抵抗性製品に関する。更に本発明は、布地の少なくとも2つの層が製品に含まれ、そして布地の隣の層が相対的に自由に動けるようにそれらが製品の端で接合されている侵入抵抗性製品に関する。
【0007】
発明の詳細な説明
本発明の保護製品は、銃弾の脅威からの保護に相対するように、鋭い道具の侵入からの保護を提供するように特に開発された。過去には、防弾服の改善にかなりの努力が払われてきた。この改善された防護服は改善された突き刺し抵抗性または侵入抵抗性も示すだろうという仮定が度々成されてきた。しかし発明者は、この仮定が正しくないことを見出し、そして確かに改善された侵入抵抗性を示すいくつかの必要な性質を組み合わせて有する布地製品を開発した。
【0008】
今や本発明者は、製品の布地を作るために使用されるヤーンが約1.67dtex以下の線密度を有するフィラメントで作られているとき、布地製品の侵入抵抗性が劇的に改善されることを発見した。減少した線密度のフィラメントは、減少したフィラメント間の空間を有する布地製品を与え、これによって鋭い道具の侵入しにくい構造を提供すると思われる。
【0009】
防弾服をいくつかの層の保護布地を用いて作る場合、その隣の層の面が互いにその位置に保持されるようにほとんど常にそれらが一緒に固定されているのに対して、侵入抵抗性は保護服の隣の層が一緒に保たれていなくて、互いに自由に動ける場合に改善されるということが発見された。隣の層が一緒に密に縫い合わされているときには、侵入抵抗性が減少する。
【0010】
かくして本発明は、硬いプレートまたはプレートレットなしに、またマトリックス樹脂が布地物質中に染み込まずに、全体が織られた布地から構成される。本発明の製品は、対比できる保護を提供する従来法の侵入抵抗性構造体よりも、柔軟で、重さが軽く、手触りが柔らかく、しなやかである。
【0011】
本発明の布地は、アラミド繊維のヤーンから作られる。ここに「アラミド」とは、アミド(−CO−NH−)結合の少なくとも85%が2つの芳香族環に直接結合するポリアミドを意味する。適当なアラミド繊維は、W.ブラック(Black)ら、「人造繊維−科学と技術」、第2巻「繊維形成芳香族ポリアミド」、297ページ、1968年、インタ−サイエンス出版社(Interscience Publisher)に記述されている。またアラミド繊維は、米国特許第4172938号、第3869429号、第3819587号、第3673143号、第3354127号、及び第3094511号にも記述されている。
【0012】
アラミドとは添加剤が一緒に使用でき、また他の重合体材料を10重量%までの多量でアラミドと混合でき、或いはアラミドのジアミンの代わりに10%程度の多量までの他のジアミンがまたはジ酸クロリドをもしくはアラミドの代わりに10%程度までの他のジ酸クロリドを有する共重合体が使用できることが発見された。
【0013】
パラアラミドは本発明のヤーン繊維における主たる重合体であり、ポリ(p−フェニレンテレフタラミド)(PPD−T)は好適なパラーアラミドである。ここにPPD−Tとは、p−フェニレンジアミン及びテレフタロイルクロリドのモル−モル重合に由来する単独重合体、更にはp−フェニレンジアミンに少量の他のジアミン並びにテレフタロイルクロリドに少量の他のジ酸クロリドを混入した共重合体を意味する。概して、他のジアミン及び他のジ酸ジクロリドは、他のジアミン及びジ酸クロリドが重合反応を妨害する反応性基を有さないという条件下に、p−フェニレンジアミンまたはテレフタロイルクロリドの約10モル%程度の多量で、または多分それより僅かにそれ以上までの量で使用できる。またPPD−Tは、他の芳香族ジアミン及び他の芳香族ジ酸クロリド例えば2、6−ナフタロイルクロリドまたはクロロもしくはジクロロテレフタロイルクロリドまたは3、4’−ジアミノジフェニルエーテルの導入に由来する共重合体を意味する。PPD−Tの製造は、米国特許第3869429号、第4308374号、及び第4698414号に記述されている。
【0014】
「布地の目の詰まり因子」及び「カバー(cover)因子」は、布地の織りの密度に与えられた意味である。カバー因子は、織りの幾何に関する計算された値であり、布地のヤーンで覆われた布地の全表面積のパーセントを示す。カバー因子を計算するために使用される方程式は次の通りである[ロード(Lord)及びモハメッド(Mohamed)、「織り:ヤーンの布地への転化」、メロー(Merrow)出版(1982)、141〜143ページ]。
w=布地の縦糸の幅
f=布地のフィル(fill)糸の幅
w=布地の縦糸のピッチ(単位長さ当たりの端)
f=布地のフィル(fill)糸のピッチ
Figure 0004551501
【0015】
最大のカバー因子は、布地の織りの種類に依存して、例え布地のヤーンが一緒に蜜に存在していたとしても全く小さい値であってよい。その理由のために、織りの目の詰まりのより有用な指標は「布地の目の詰まり因子」と呼ばれる。布地の目の詰まり因子は、カバー因子の関数として最大の織りの目の詰まりと比べての、布地の織りの目の詰まりの尺度である。
Figure 0004551501
【0016】
例えば平織の布地に対して可能な最大のカバー因子は0.75であり、従って0.68の実際のカバー因子を有する平織の布地は0.91の布地の目の詰まり因子を有するであろう。本発明の実施に好適な織りは平織である。
【0017】
アラミドヤーンは広範な線密度で入手できるが、アラミドヤーンの線密度が500dtex以下である時にはじめて許容できる侵入抵抗性が得られるということが決定された。500dtex以上のアラミドヤーンは、殆ど1.0の布地の目の詰まり因子までに織ったときでさえ、隣のヤーン間で降伏し、鋭い道具が容易に侵入されると考えられる。侵入抵抗性の改善は、ヤーンの低線密度のために非常に低い線密度まで連続するであろうと期待されるが、約100dtexにおいてヤーンは損傷なしに織りが非常に難しくなり始まる。これを気にすると、本発明のアラミドヤーンは、100〜500dtexの線密度dfを有する。
【0018】
今や本発明は、1.67dtex以下の線密度を有するフィラメントのヤーンから作った布地が劇的に改善された侵入抵抗性を示すということを発見した。実施例1で行った試験からのデータをグラフ的に表示する図1を参照しよう。グラフ上の各点は布地の1つからの試験結果を表し、布地の規格化された侵入抵抗性及びヤーンフィラメントの線密度によってプロットされている。
【0019】
支持実施例で行われた試験からのデータをグラフ的に表示する図2を参照しよう。グラフ上の各点は、布地の1つからの試験結果をあらわし、布地の目の詰まり因子及びヤーンフィラメントの線密度によってプロットされ、そして試験で決定されるいわゆる特有抵抗性により同一化される。
【0020】
後に説明するように、特有抵抗性は侵入抵抗性が低下するにつれて低下し、ここで行われる試験における特有侵入に対する約30の値は一般的な用途に対して適当な侵入抵抗性を表すと考えられる。Y=X6.25x10-4+0.69として同一化される線は、アラミドヤーンから作った図2の布地に対して適当な侵入抵抗性を不適当な侵入抵抗性から区別する。
【0021】
線の「適当な侵入抵抗性」側には、不適当な侵入抵抗性を示す点が1つあるが、この点はアラミドでないヤーンから作った布地の点である。
良好な侵入抵抗性はいくつかのヤーン及び布地の性質の組み合わせを必要とする。これらにはヤーンの線密度及び布地の侵入抵抗性がある。図1及び2から、アラミド繊維の場合改善された侵入抵抗性は、図1で示されるように1.67dtex以下のフィラメント線密度並びに図2の線の下のそれぞれ0.75〜1.0及び500〜100dtexに入る目の詰まり因子及びヤーン線密度の組み合わせを有する布地で提供されるということが分かる。
【0022】
本発明で使用されるアラミドヤーンは、高い靭性(tenacity)を高い破断伸張と組み合わせて有して、高度のタフネス(toughness)を示さねばならない。靭性は少なくとも19グラム/dtex(21.1g/デニル)であるべきであり、この靭性に対しては既知の上限はない。約11.1g/dtex以下において、ヤーンは有意な保護に対して適当な強度を示さない。破断伸張は少なくとも3.0%であるべきであり、この伸張に対しては既知の上限はない。3.0%以下の破断伸張は、脆いヤーンをもたらし、本明細書で探求する保護に対して必要以下の強さとなる。
【0023】
「タフネス」は、引っ張り応力/歪み試験における降伏点までにヤーンが吸収しうるエネルギーの尺度である。また時にタフネスは「破断エネルギー」としても公知である。タフネスまたは破断エネルギーは、靭性と破断エネルギーの組み合わせであり、応力/歪み曲線の下のゼロ破断歪みからの面積で表される。靭性または破断伸張の僅かな増加は、侵入抵抗性を驚くほど大きく改善するということが発見された。少なくとも35ジュール/グラムのヤーンのタフネスは、本発明の実施における適当な侵入抵抗性に対して必要であると考えられ、少なくとも38ジュール/グラムのタフネスが好適である。
【0024】
本発明の織った製品の単一層は、侵入抵抗性、従って保護の程度の尺度を提供するが、普通究極的な製品には複数の層が使用される。本発明が最も重要な且つ驚くほどの改善を示すのは、複数の層を使用した場合である。本発明の製品は、複数の層で一緒にしたとき、製品が互いに固定されていない、即ち隣の層間で相対的に動けるならば、驚くほど効果的な侵入抵抗性を提供する。隣の層または製品はその端で固定されていてよく、或いは製品の厚さと比べて比較的大きな間隔で、いくつかの緩い層間の連結が存在してもよい。例えば約15cmより大きい点間隔での層と層の連結は、その用途において、実質的に層を一緒に保持するための手段ではないものとして役立つであろう。層の表面上の一緒に縫い合わされた層は、より効果的な銃弾保護を提供するかも知れないが、そのような縫い付けは層間を不動化し、完全に理由が理解されているわけではないが、単一層の試験で予想される値と比べて、層の侵入抵抗性を実際的にもたらさない。
【0025】
試験法
線密度。ヤーンまたはフィラメントの線密度は、既知の長さのヤーンまたはフィラメントの重さを計ることによって決定される。「dtex」は材料10000mの重さ(g)として定義される。「デニル」は材料9000mの重さ(g)として定義される。
【0026】
実際の場合、ヤーンまたはフィラメント試料の測定されたdtex、試験条件、及び試料の同定情報は、試験の開始前にコンピュータに入力され、コンピュータは試料が破断するにつれての試料の負荷−伸張曲線を記録し、その性質を計算する。
【0027】
引っ張り性。引っ張り性に関して試験されるヤーンは、最初にこれを調整し、ついで1.1の捩れ倍率まで捩る。このヤーンの捩れ倍率(TM)は次のように定義される。
TM=(捩れ/cm)/(dtex)-1/2/30.3
=(捩れ/インチ)/(dtex)-1/2/73
【0028】
試験すべきヤーンを最短14時間、25℃、相対湿度55%で調整し、これらの条件下に引っ張り試験を行う。靭性(破断靭性)、破断伸張、及びモジュラスは、試験ヤーンをインストロン試験機[インストロン・エンジニアリング社(Instron Engineering Corp.,Canton,Mass.)]で破断することによって決定される。
【0029】
ASTM D2101−1985で定義されるような靭性、伸張及び初期モジュラスは、ヤーンのゲージ長25.4cm及び伸張速度50%歪み/分を用いて決定した。モジュラスは、1%歪みにおける応力−歪み曲線の勾配から計算し、1%歪み(絶対)における応力(g)を100倍して試験ヤーンの線密度で割った値に等しい。
【0030】
個々のフィラメントの靭性、伸張及び初期モジュラスは、ヤーンと同一の方法で決定されるが、フィラメントは捩りを行っていないし、ゲージ長2.54cmを使用した。
【0031】
タフネス。引っ張り試験からの応力−歪み曲線を用いることにより、応力/歪み曲線の下のヤーン破断点までの面積(A)としてタフネスを決定する。それは普通面積を平方センチメートルで与えるプラニメータを用いて決定される。一般に殆ど直線的な応力−歪み曲線を示すアラミドの場合、タフネスは靭性と伸張の積の半分として見積もられる。dtex(D)は「線密度」の項で上述した通りである。タフネス(To)は、次式で計算される。
To=Ax(FSL/CFS)(CHS/CS)(1/D)(1/GL)
但し、FSL=全スケールの負荷(g)
CFS=チャートの全スケール(cm)
CHS=クロスヘッドの速度(cm/分)
CS=チャート速度(cm/分)
GL=試験試料のゲージ長(cm)
【0032】
勿論、デジタル化した応力/歪みのデータをコンピュータに入力し、タフネスを直接計算する。結果はdN/tex単位のToである。1.111を掛ければg/デニル単位となる。長さの単位が全体で同一の場合、上記方程式は力(FSL)及びDに対して選んだ単位によってだけで決まる単位でToを計算する。
【0033】
侵入抵抗性。侵入抵抗性は、ASTM F1342として知られる保護衣服材料の侵入抵抗性に対する標準法により、単一層または数層の製品について決定される。この試験においては、鋭く尖った突き刺し試験具を試料中に侵入させるために必要とされる力が測定される。試料を、対置する0.6cmの穴を有する平らな金属シート間に挟み、試験機に取り付けられた突き刺し試験具の下2.5cmの所へ置く。試験具が金属シートの穴の試料中を50.8cm/分で通るように、試験機を設定する。侵入前の最大力を侵入抵抗性として記録する。
【0034】
侵入抵抗性は、ロックウエル硬度C−45を有する長さ18cm(7インチ)及び軸の直径0.64cm(0.25インチ)の焼き入れたスチールの千枚通しまたは同一の長さ、0.42cmの軸の直径、及びロックウエル硬度C−42のアイス・ピックのいずれかを用いて決定される。試験はH.P.ホワイト研究所(White Lab.,Inc)からのHPW試験TP−0400.02(1988年7月22日)にしたがって行われる。試験試料に、7.35kg(16.2ポンド)までの重量の且つ種々の高さから落下する千枚通しを衝突させる。
【0035】
実施例
実施例1
本実施例においては、種々の線密度を有する220dtex(200デニル)のアラミドヤーンを用いて、いくつかの布地を織った。この布地は70x70端の平織であり、1.0の布地の目の詰まり因子を示した。
【0036】
これらのヤーンは次の性質を有した
Figure 0004551501
これらのヤーンから作った布地を、10層の形態で、前述したような落下千枚通し法に従って、侵入抵抗性に関して試験した。この侵入抵抗性試験の結果を、最小侵入エネルギー(ジュール)として及び布地1−1のヤーンのタフネスに対して規格化した最小侵入エネルギー(ジュール)として表1に報告する。
【0037】
侵入抵抗性は、タフネスの変化によって導入される変動を排除するために一定のヤーンのタフネスに対して規格化した。
Figure 0004551501
【0038】
各布地に対する規格化された侵入抵抗性を、布地のヤーンに対するフィラメントの千密度の関数として、図1にプロットした。2.0dtexより大きい線密度を有するフィラメントのヤーンを用いて作った布地は非常に低い侵入抵抗性を示し、一方1.2dtexより小さい線密度を有するフィラメントのヤーンを用いて作った布地は非常に高い侵入抵抗性を示すことが容易に見て取れる。これらの布地の侵入抵抗性は、布地ヤーンのフィラメントの線密度が2.0dtexから1.2dtexへ低下するにつれて非常に低い値から非常に高い値へ急に増加し、また図の曲線の変曲点が約1.67dtexにあるように見える。
【0039】
上のすべては、一定の、高い、布地の目の詰まり因子で且つ同一の線密度のヤーンを用いて行った。前述したように、100〜500dtexの線密度及び0.75以上の布地の目の詰まりを有するヤーンを使用して高い侵入低孔性の布地を作った。本発明は、.67dtex以下の線密度のフィラメントを有するヤーンを用いることにより、侵入抵抗性が更に増大させることができるという発見において改善を提示する。本発明の好適な布地は、1.67dtex以下のフィラメントから作られた且つ0.75以上の布地の目の詰まり因子に織られた100〜500dtexのヤーンの組み合わせを必要とする。
支持実施例
【0040】
本実施例においては、種々の布地の目の詰まり因子において、種々のヤーンを平織にしてくつかの布地を織った。
【0041】
これらのヤーンは次の性質を有した
Figure 0004551501
【0042】
ヤーンA〜Gは、E.I.デユポン社(du Pont de Numours and Co.)から市販されているポリ(p−フェニレンテレフタラミド)(PPD−T)である。
ヤーンAは商品名ケブラー(KEVLAR▲R▼)159を持つ。
ヤーンB〜Dは商品名ケブラ−29を持つ。
ヤーンE及びFは商品名ケブラー129を持つ。
ヤーンGは商品名ケブラ−LTを持つ。
ヤーンHはアライド・シグナル(Allied Signal)から商品名スペクトラ(SPECTRA▲R▼)1000として市販されている高分子量の線状ポリエチレンヤーンである。
布地は次の通りであった。
Figure 0004551501
【0043】
布地のすべてを、前述したようにASTM F1342に従って1及び2層形態で試験した。この試験の結果を、1及び2層形態の両方に対し、絶対の(absolute)目の詰まり因子(グラム−力)として及び特有の(specific)目の詰まり因子(絶対/基本重量)として表2に報告する。
Figure 0004551501
これらの試験からの単一層形態に対する特有の目の詰まり因子値を、図2に示すように、ヤーン(dtex)と布地の目の詰まり因子とのグラフで表示した。これらの値は2つの容易に特徴づけられる領域に分類できる。方程式Y=X6.25x10-4+0.69[但しYは目の詰まり因子であり、Xはヤーンの線密度(dtex)]の線の片側において布地は適当な目の詰まり因子を有し、一方線の他の側において目の詰まり因子が不適当である。
【0044】
これらの試験結果から、侵入抵抗性の布地は、100〜500dtexのヤーンの線密度を有するアラミドヤーンから、次式
Y=または>X6.25x10-4+0.69
[式中、Y=布地の目の詰まり因子、及びX=ヤーンの線密度]
に従って少なくとも0.75の布地の目の詰まり因子に織られて作られるということが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の布地に使用されるヤーンのフィラメントに対する線密度とこれらの布地の侵入抵抗性との関係を表すグラフである。
【図2】図2は、ヤーンに対する線密度と侵入抵抗性である布地に対する布地の目の詰まり因子との関係を表すグラフである。

Claims (5)

  1. 500dtex以下の線密度を有するアラミドヤーンから少なくとも0.75の布地の目の詰まり因子に織られた布地から本質的になる、但しタフネスが少なくとも30ジュール/gであり且つフィラメントが1.67dtex以下の線密度を有する、なお布地の目の詰まり因子とヤーンの線密度の関係が
    Y=または>X6.25x10-4+0.69
    [式中、Y=布地の目の詰まり因子、及びX=ヤーンの線密度]
    であり、侵入抵抗性における特有抵抗性の値が30以上である、柔軟な、鋭く尖った道具に対する侵入抵抗性の製品。
  2. 布地の少なくとも2つの層が製品に含まれ、製品の端で連結されている、請求の範囲1の鋭く尖った道具に対する侵入抵抗性の製品。
  3. 布地の目の詰まり因子が実質的に1.0である、請求の範囲1の鋭く尖った道具に対する侵入抵抗性の製品。
  4. タフネスが少なくとも40ジュール/グラムである、請求の範囲1の鋭く尖った道具に対する侵入抵抗性の製品。
  5. アラミドヤーンがポリ(p−フェニレンテレフタラミド)である、請求の範囲1の鋭く尖った道具に対する侵入抵抗性の製品。
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