MX2014008623A - Tela unidireccional de alta densidad para aplicaciones balisticas blandas. - Google Patents

Tela unidireccional de alta densidad para aplicaciones balisticas blandas.

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Jonathan Macneil
Chinkal Patel
Matt Towery
Jason Wilson
Marc-Jan De Haas
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Abstract

Un artículo de balística que está comprendido por fibras con alta densidad, en donde la densidad lineal de masa de las fibras es mayor que 2000 tex como se mide por la ASTM D1907 y las fibras en cada capa tienen una densidad de área total mayor que 100 g/m2. En un ejemplo, el artículo de balística tiene dos hojas que comprenden fibras de para-aramida en un material matriz de copolímero bloque de estireno e isopreno.

Description

TELA UNIDIRECCIONAL DE ALTA DENSIDAD PARA APLICACIONES BALÍSTICAS BLANDAS CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta divulgación se relaciona con artículos resistentes a la balística, especialmente tela de alto rendimiento y laminados de resina para aplicaciones protectorías.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los compuestos multicapa pueden ser utilizados para un número de aplicaciones, incluyendo por ejemplo artículos resistentes a la balística. Los artículos resistentes a la balística pueden ser hechos de capas de telas tejidas o no tejidas que comprenden telas en un material matriz, o una combinación de los mismos. Las telas Unidireccionales (UD) , donde las fibras están orientadas en una sola dirección, pueden ser usadas para artículos balísticos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Se divulga un artículo de balística que tiene por lo menos una hoja de tela unidireccional. La tela unidireccional incluye fibras que tienen una densidad lineal de masa mayor que 2000 dtex y una densidad de área total de las fibras en cada hoja de la por lo menos una hoja es mayor a 100 g/m2.
En otro aspecto, un artículo de balística incluye dos hojas. Cada hoja incluye fibras para-aramidas de material matriz de copolímero bloque de estireno-isopreno-estireno . Una densidad lineal de masa de las fibras es mayor que 2000 dtex y una densidad de área de las fibras en cada hoja es mayor que 100 g/m2. El artículo tiene un valor V50 de prueba de rendimiento balístico con balas .44 Magnum Speer de más de 500 m/s, y un valor V50 de prueba de rendimiento balístico con balas 9mm Remington o .357 Magnum Remington de más de 430 m/s.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los varios elementos y ventajas de los ejemplos divulgados se volverán aparentes para aquellos experimentados en la materia a partir de la siguiente descripción detallada. Los dibujos que acompañan la descripción detallada pueden ser descritos brevemente como sigue: La Figura 1 muestra un ejemplo esquemático de la construcción de tela unidireccional de doble-capa.
La Figura 2 muestra resultados de pruebas de balística para deformar proyectiles en varias construcciones unidireccionales .
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Las construcciones Unidireccionales (UD) tales como aquellas utilizadas para artículos de resistencia balística pueden tener una o más capas, en donde cada capa está compuesta por fibras orientadas a una sola dirección e impregnadas con material matriz. Cuando las capas UD se forman, las fibras se extienden para asegurar una distribución pareja de fibra y filamento a través del material.
Durante la formación de capas UD, se pueden utilizar vibraciones para extender las fibras o filamentos de manera pareja. Por ejemplo, las fibras o filamentos pueden ser pasados a una unidad de extensión que incluye por lo menos una barra y por lo menos una unidad de vibración a lo largo de la barra. La unidad de vibración puede hacer vibrar la barra de manera horizontal, vertical, o de una combinación de las dos direcciones con respecto a la longitud de la fibra. El uso de una barra de vibración puede permitir que las fibras más densas se extiendan mejor. La unidad de vibración puede ser neumática, electro-magnética, o de otro tipo de unidad de vibración. La barra puede ser montada en los bordes utilizando una montura no rígida tal como una montura de caucho para permitir una mejor vibración.
La Figura 1 muestra un ejemplo de construcción UD de doble-capa con capas 20a, 20b. Las capas 20a y 20b tienen orientaciones de fibra desplazadas una de la otra por 90°. Cada capa comprende fibras 24 en un material matriz 26. El cruzamiento de capas puede ser logrado por medio de la aplicación de calor y presión para asegurar una adhesión apropiada de una capa a la otra. Las construcciones UD también pueden tener películas laminadas 22 en las superficies exteriores. La laminación puede realizarse por medio de una banda laminadora, la cual aplica calor y presión para asegurar una adhesión apropiada de la película. Para aplicaciones de balística de blindado blando, pueden utilizarse construcciones UD de doble-capa 0°/90° o de cuádruple-capa 0 ° /90 ° /O ° /90 ° , en donde "0°/90°" representa dos capas apiladas de hojas UD con orientaciones de fibra desplazadas 90° una de la otra. Por ejemplo, la construcción UD 10 de la Figura 1 podría ser una construcción de doble-capa a 0°/90°.
Formar capas UD con fibra de baja densidad de área, por ejemplo, con una densidad de área menor que 50g/m2, requiere de más control sobre los procesos de extensión de fibra durante la producción. El control del proceso de extensión es menos importante para la producción de mono-capas UD más gruesas. Además, para alcanzar un peso deseado de construcción balística con base UD, el cuál es típicamente de 1.0 lbs/ft2 (4.8 kg/m2) , se incrementa el número de mono-capas UD necesarias para la construcción si las fibras tienen baja densidad de área. Un número incrementado de mono-capas UD necesita pasos de manufactura adicionales e incurre en costos de manufactura adicionales. Adicionalmente , hilos con densidades lineales más altas pueden ser menos caras y absorber menos agua que hilos con densidades lineales más baj as .
Un sorprendente beneficio balístico para deformar proyectiles fue descubierto con el uso de construcciones unidireccionales (UD) con alta densidad de área. En un ejemplo, construcciones UD pueden ser fabricadas a partir de fibras para-aramidas tales como aquellas disponibles bajo el nombre comercial Twaron®, y la resina matriz puede ser una resina de copolímero tal como la disponible bajo el nombre comercial Prinlin HV (p.ej. Prinlin B7137 HV) . En otro ejemplo, la construcción UD puede ser recubierta con una película de polietileno (PE) .
Construcciones UD que comprenden hilos con bajas densidades lineales de masa tienen mejor desempeño en pruebas de balística cuando la construcción UD en general tiene una baja densidad de área. Sin embargo, ahora se ha descubierto que ciertas construcciones UD con fibras con altas densidades lineales de masa, por ejemplo, en donde la densidad lineal de masa de las fibras es mayor que 2000 dtex, o alternativamente mayor que 3000 dtex, como es considerado por ASTMD1907, siendo la densidad de área de las fibras mayor que 100 g/m2, se desempeñan comparablemente con o exceden el desempeño balístico de construcciones con baja densidad de área. La densidad de área representa el peso de la fibra seca por unidad de área, y la densidad lineal de masa representa el peso de la fibra seca por unidad de longitud.
En un ejemplo, una tela UD con alta densidad de área (HAD) fue construida con una dirección total de 0o, de solo fibra, con densidad de área de 104 g/m2. La tela UD con alta densidad de área (HAD) incluyó fibras Twaron® de tipo 1000 (T1000) con una densidad lineal de masa de 3360 dtex y una matriz Prinlin B7137 HV con contenido de resina seca de 17%. El contenido de resina seca se determina utilizando la ecuación: contenido de resina seca = (peso de resina seca / (peso de fibra seca + peso de resina seca)) x 100%. Las propiedades materiales de las fibras T1000 se muestran más adelante en la Tabla 1. Estas propiedades materiales, incluyendo tenacidad de la fibra, módulo y elongación al quiebre de la fibra, son medidas de acuerdo con la ASTM D7269-07. La construcción UD final fue un producto de doble-capa con orientación F/0°/90°/F, en donde "F" indica una capa de película y "0°/90°" representa dos capas apiladas de hojas UD con orientaciones de fibra de 90° de desplazamiento de una a la otra. Las capas apiladas fueron cruzadas a temperaturas de 80 a 100°C con una presión menor que 2 bares mientras la laminación por banda fue completada en un proceso de dos pasos. El primer paso fue realizado a presiones por debajo de 5 bares con temperaturas elevadas de 120 a 150°C y el segundo paso fue a temperatura de 80 a 100°C, también por debajo de 5 bares. La construcción UD tenia una película de polietileno (PE) de 0.25 a 0.35 mil (6.4 a 8.9 µp\) en las capas exteriores aplicada durante el proceso de laminación por banda. La película de PE puede ser una película tradicional soplada, tal como una película de polietileno de baja densidad (LDPE, Low-Density Polyethylene) o de polietileno de baja densidad lineal (LLDPE, Linear Low-Density Polyethylene) , o podría ser una película orientada por máquina de dirección (MDO, Machine Direction Oriented) . En este ejemplo, se utiliza una película de 0.25 mil (6.4 µp?) de espesor suministrada por Raven Industries (Sioux Falls, SD) como N025C. La densidad total del producto final de doble-capa fue de 254.4 g/m2.
Esta construcción UD con alta densidad de área (HAD, High Areal Density) fue comparada con una construcción con baja densidad de área (LAD, Low Areal Density) que comprende las mismas fibras Twaron® T1000 de 3360 dtex. La construcción UD con baja densidad de área (LAD) fue un producto de cuádruple-capa con orientación F/0 ° /900 /O ° /90 ° /F y una dirección total de 0o, solo fibra, con densidad de área de 48 g/m2 y una matriz Prinlin B7137 HV con un contenido de resina seca de 17%.
También se probó una segunda construcción UD con baja densidad de área (LAD) que comprende fibras Twaron® tipo 2000 (T2000) de 1100 dtex. Las fibras T2000 tienen diferentes propiedades materiales, que incluyen la tenacidad, módulo y elongación al quiebre de la fibra, como se muestra en la Tabla 1. La Tabla 1 también muestra los resultados de la prueba de balística de las construcciones UD con alta densidad de área (HAD) y baja densidad de área (LAD) . Las pruebas de balística fueron realizadas utilizando balas calibre .44 Magnum Speer (Speer Bullets, Lewinston, ID). El valor V5o de la construcción es indicativo del desempeño balístico y es evaluado de acuerdo con la MIL-STD 662F.
Tabla 1: Resultados de la Prueba de Balística de Construcciones UD con Alta Densidad de Área (HAD) y con Densidad de Área (LAD) con Balas .44 Magnum Speer La construcción UD con alta densidad de área (HAD) mostró un incremento de 15% en desempeño balístico con balas .44 Magnum Speer cuando se compara con la construcción UD con baja densidad de área (LAD) de 3360 dtex en un peso por peso base del paquete de tiro. Además, en este ejemplo el desempeño balístico de la UD con alta densidad de área (HAD) con los hilos de baja tenacidad (HAD de T1000 3360 dtex) fue mejor o por lo menos comparable con el producto UD con baja densidad de área (LAD) utilizando el hilo del alta tenacidad (LAD de T2000 1100 dtex) . Esto es conveniente porque menos capas de material UD con alta densidad de área (HAD) son necesarias para alcanzar un desempeño balístico comparable con el material UD con baja densidad de área (LAD) y porque hilos de baja tenacidad son generalmente menos caros que los hilos de alta tenacidad. Por lo tanto los costos de manufactura, complejidad y producción pueden ser reducidos.
Pruebas de balística similares fueron realizadas con las mismas tres construcciones UD utilizando balas calibre 9mm y balas .357 Magnum no deformables (Remington Arms Company, Inc., Madison, NC) . Los resultados de estas pruebas de balística se dan en las Tablas 2 y 3, respectivamente.
Tabla 2: Resultados de las Pruebas de Balística para Construcciones UD con Alta Densidad de Área (HAD) y Baja Densidad de Área (LAD) con Bala 9mm Remington Tabla 3: Resultados de las Pruebas de Balística para Construcciones UD con Alta Densidad de Área (HAD) y Baja Densidad de Área (LAD) con Bala .357 Magnum Remington La construcción con alta densidad de área (HAD) de baja tenacidad T1000 tuvo un mejor desempeño que la construcción con baja densidad de área (LAD) de baja tenacidad T1000 y se acercó al desempeño de las fibras T2000 con baja densidad de área (LAD) . Como se muestra en la Tabla 1, las fibras T1000 tienen una tenacidad de 2032 mN/tex, mientras que las fibras T2000 tienen una tenacidad de 2350 mN/tex, de la cual se puede esperar un mejor desempeño balístico nominal.
Adicionalmente, las construcciones UD con alta densidad de área (HAD) que comprenden fibras T1000 de 3360 dtex y construcciones UD con baja densidad de área (LAD) que comprenden T2000 de 1100 dtex fabricadas como se describe anteriormente fueron probadas para absorción de agua. Se formaron paneles de prueba cortando capas de 400x4000mm, luego apilando 15 capas y cociendo los paneles en las esquinas. Para las UD con alta densidad de área (HAD) la configuración de las capas fue F/0°/90°/F, y para las UD con baja densidad de área (LAD) la configuración de las capas fue de F/0 ° / 90 ° /0 ° /90 ° /F. Se registró el peso seco de los paneles antes de sumergirlos en agua y se da en la Tabla 4. Los paneles fueron sumergidos por 10 ó 60 minutos. Entonces los paneles fueron removidos del agua y, después de escurrirlos hasta secar por 3 minutos, el peso húmedo de los paneles fue determinado y se da en la Tabla 4. El incremento de peso es por lo tanto medido por el grado de absorción de agua. La absorción de agua por paneles hechos de UD con alta densidad de área (HAD) es significativamente más baja que la de los paneles hechos de UD con baja densidad de área (LAD) .
Tabla 4: Absorción de Agua de Construcciones UD con Alta Densidad de Área (HAD) y Baja Densidad de Área (LAD) En otro ejemplo, construcciones UD de doble-capa con alta densidad de área (HAD) y de cuádruple-capa con baja densidad de área (LAD) fueron fabricadas utilizando fibras Twaron® T1000 con una baja densidad lineal de masa (LLMD, Low Linear Mass Density) de 1680 dtex e impregnado con matriz Prinlin B7137 HV. Se fabricaron construcciones UD de doble-capa con alta densidad de área (HAD) y de cuádruple-capa con baja densidad de área (LAD) similares utilizando fibras Twaron® T1000 con una alta densidad lineal de masa, por ejemplo (HLMD, High Linear Mass Density), con una densidad lineal de masa mayor que 2000 dtex. En un ejemplo, la densidad lineal de masa de las fibras con alta densidad lineal de masa (HLMD) es mayor que 3000 dtex. En el ejemplo probado en particular, la densidad lineal de masa de las fibras con alta densidad lineal de masa (HLMD) fue de 3360 dtex. También se fabricaron construcciones UD similares de doble-capa con alta densidad de área (HAD) y de cuádruple-capa con baja densidad de área (LAD) utilizando fibras Twaron® T2000 con una densidad lineal de masa intermedia (ILMD, Intermedíate Linear Mass Density) de 2200 dtex. Aquí, las construcciones de doble-capa consistieron en 2 capas UD en la configuración F/0°/90°/F en donde cada capa tenía una densidad de área de fibra de 104 g/m2 y las construcciones de cuádruple-capa consistieron en 4 capas UD en la configuración F/0°/90o/0°/90o/F en donde cada capa tenía una densidad de área de fibra de 47 g/m2. En ambas construcciones, la de doble-capa y la de cuádruple-capa, estuvo presente una matriz Prinlin B7137 HV con contenido de resina seca de 17% y se utilizó una película con baja densidad lineal de polietileno (LLDPE, Linear Low-Density Polyethylene ) con 6.4 µp? de espesor suministrada por Raven Industries (Sioux Falls, SD) como N025C. La prueba de balística con proyectiles .357 Mag (Remington Arms Company, Inc., Madison, NC, ) y 9mm DM41 (RUAG mmotec AG, Suiza) , fue realizada en las seis construcciones UD. Se hicieron paneles de prueba con construcciones UD de cuádruple-capa con baja densidad de área (LAD) para proyectiles .357 Mag cortando capas de 400x400mm luego apilando 15 capas y cociendo los paneles en las esquinas. Los paneles de prueba con construcciones UD de doble-capa con alta densidad de área (HAD) para proyectiles .357 Mag se hicieron cortando capas de 400x400mm luego apilando 13 capas y cociendo los paneles en las esquinas. Se hicieron paneles de prueba con construcciones UD de cuádruple-capa con baja densidad de área (LAD) para proyectiles 9mm DM41 cortando capas de 400x400mm luego apilando 19 capas y cociendo los paneles en las esquinas. Se hicieron paneles de prueba con construcciones UD de doble-capa con alta densidad de área (HAD) para proyectiles 9mm DM41 cortando capas de 400x400mm luego apilando 16 capas y cociendo los paneles en las esquinas .
La Figura 2 muestra los valores V5o para cada una de las seis construcciones UD para ambos tipos de proyectiles. Como se hace claro partiendo de la Figura 2, hay una reducción sustancial en el valor V50 para ambos proyectiles .357 Mag y 9mm DM41 yendo desde UD de cuádruple-capa con baja densidad de área (LAD) hasta UD de doble-capa con alta densidad de área (HAD) en el caso de baja densidad lineal de masa (LLMD) . Sin embargo, las construcciones UD de doble-capa y de cuádruple-capa con alta densidad lineal de masa (HLMD) tienen esencialmente el mismo rendimiento. Similarmente, para los proyectiles .357 Mag, los valores V50 para construcciones UD de doble-capa y de cuádruple-capa con densidad lineal de masa intermedia (ILMD, Intermedíate Linear Mass Density) fueron esencialmente los mismos. Para proyectiles 9mm DM41, el valor V50 para la construcción UD de cuádruple-capa con densidad lineal de masa intermedia (ILMD) fue ligeramente más alto que el de la construcción UD de doble-capa con densidad lineal de masa intermedia (ILMD) .
Aunque la combinación de elementos se muestra en los ejemplos ilustrados, no todos ellos necesitan ser combinados para obtener los beneficios de varias modalidades de esta divulgación. En otras palabras, un sistema diseñado de acuerdo a una modalidad de esta divulgación no incluirá necesariamente todos los elementos mostrados en cualquiera de las figuras o en todas las porciones mostradas esquemáticamente en las figuras. Asimismo, los elementos seleccionados de una modalidad ejemplo podrían ser combinados con elementos seleccionados de otras modalidades ejemplo.
La descripción que precede es en naturaleza más ejemplar que limitante. Variaciones y modificaciones de los ejemplos divulgados que no necesariamente se alejen de la esencia de esta divulgación podrían volverse aparentes para aquellos experimentados en la materia. El alcance de la protección legal otorgada a esta divulgación solo puede ser determinado estudiando las siguientes reivindicaciones.

Claims (20)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención como antecede, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES
1. Un articulo de balística que comprende: por lo menos una hoja que comprende fibras en un material polimérico matriz, en donde las fibras tienen una densidad lineal de masa mayor que 2000 dtex como se mide por la ASTM D1907 y las fibras en cada hoja de la por lo menos una hoja tienen una densidad total de área mayor que 100 g/m2.
2. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la densidad lineal de masa es mayor que 3000 dtex como se mide por la ASTM D1907.
3. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las fibras son fibras de para-aramida .
4. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la matriz es un bloque copolímero de estireno e isopreno.
5. El articulo de balística de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la por lo menos una hoja tiene entre 15 y 20% por peso del material polimérico matriz .
6. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la por lo menos una hoja comprende hojas múltiples, en donde cada hoja tiene un desplazamiento de orientación de fibra de 90° a partir de la orientación de fibra de las capas inmediatamente adyacentes.
7. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende una película polimérica dispuesta en por lo menos una superficie exterior del artículo.
8. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la película polimérica es una película de polietileno.
9. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las fibras tienen una tenacidad de entre 1850 y 2500 mN/tex como se mide de acuerdo a la AST D7269-07.
10. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque las fibras tienen una tenacidad de entre 1850 y 2200 mN/tex como se mide de acuerdo a la ASTM D7269-07.
11. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque las fibras tienen una tenacidad de entre 2200 y 2500 mN/tex como se mide de acuerdo a la ASTM D7269-07.
12. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las fibras tienen un módulo entre 60 y 100 GPa como se mide de acuerdo a la ASTM D7269-0 .
13. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque las fibras tienen un módulo entre 60 y 80 GPa como se mide de acuerdo a la ASTM D7269-07.
14. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque las fibras tienen un módulo entre 80 y 100 GPa como se mide de acuerdo a la ASTM D7269-07.
15. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la por lo menos una hoja comprende dos hojas, y el artículo de balística tiene un valor V50 de prueba de rendimiento de balística con balas .44 Magnum Speer de más de 500 m/s como se mide de acuerdo con la MIL-STD 662F, y un valor V50 de prueba de rendimiento de balística con balas 9mm ó .357 Magnum Remington de más de 430 m/s como se mide de acuerdo con la MIL-STD 662F.
16. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la por lo menos una hoja comprende dos hojas en donde el porcentaje de incremento en peso del artículo después de sumergirse en agua por 10 minutos es de menos de 20%, y el porcentaje de incremento en peso del artículo después de sumergirse por 60 minutos es de menos de 30 % .
17. Un artículo de balística que comprende: dos hojas, cada una comprende fibras de para-aramida en un material matriz de copolímero bloque de estireno e isopreno, en donde las fibras en cada hoja tienen una densidad lineal de masa mayor que 2000 dtex como se mide por la ASTM D1907 y las fibras en cada hoja tienen una densidad de área total mayor que 100 g/m2, y en donde un valor V50 de prueba de rendimiento de balística con una bala .44 Magnum Speer es mayor que 500 m/s como se mide de acuerdo con la MIL-STD 662F, y un valor V50 de prueba de rendimiento balístico con balas 9mm o .357 Magnum Remington es mayor que 430 m/s como se mide de acuerdo con MIL-STD 662F.
18. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 17, que además comprende una película de polietileno en por lo menos una superficie exterior del artículo .
19. El articulo de balística de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque las fibras tienen una tenacidad de entre 1850 y 2500 mN/tex como se mide de acuerdo a la ASTM D7269-07.
20. El artículo de balística de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque las fibras tienen un módulo de entre 60 y 100 GPa como se mide de acuerdo a la ASTM D7269-07.
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