具有高强度纤维和热塑性纤维的双层织物结构 |
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| 申请号 | CN201480009297.6 | 申请日 | 2014-02-19 | 公开(公告)号 | CN104995013B | 公开(公告)日 | 2017-12-22 |
| 申请人 | 帝人芳纶有限公司; | 发明人 | C·伯特格; R·哈特尔特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及防穿透制品，其至少包括具有热塑性 纤维 和高强度纤维的织物结构，其中高强度纤维具有根据ASTM D‑885至少为1100MPa的强度，织物结构的第二织物具有高强度纤维，其中热塑性纤维位于第二织物上并且通过至少一个经线和/或 纬线 连接至第二织物，其中，热塑性纤维相对于双织物的重量具有5％至35％的重量百分比。本发明还涉及制造这种织物结构的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.防穿透制品，至少包括具有热塑性纤维和高强度纤维的编织织物结构(3)，所述高强度纤维具有根据ASTM D-885至少为1100MPa的强度，其中，高强度纤维连接在一起以形成编织织物结构(3)的编织织物(2)，热塑性纤维相对于编织织物结构(3)的重量具有5％至35％的重量百分比，其特征在于， |
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| 说明书全文 | 具有高强度纤维和热塑性纤维的双层织物结构技术领域[0001] 本发明总体涉及具有编织织物结构的防穿透制品，所述编织织物结构具有高强度纤维和热塑性纤维，所述高强度纤维具有根据ASTM D-885至少1100Mpa的强度。 背景技术[0002] 迄今为止，预浸渍处理(预浸料坯)被用于由高强度纤维织物层构成的防穿透制品的生产，在处理过程中，膜或树脂被施加到织物层上。在压延工序后，几个预浸渍织物层在高的温度和压力下层叠并压紧以产生所希望的材料，例如加强板材。该方法会导致一些问题。压延至高强度纤维织物上的材料含有溶剂。在正常大气条件下，该溶剂迅速扩散，使得树脂膜老化。为了避免这点，预浸渍织物的冷却运输和冷却储存是必要的。另外，织物层在小半径内的悬垂性较低。织物层的压延也很贵。额外的制造步骤花费时间和能量，并且在机器和树脂膜之间需要释放层以避免涂覆材料粘附到制造机器的零件上，还会粘附至下一卷层(当产生卷材时)。通过一纺织工程解决方案可避免预浸渍处理，在该解决方案中，热塑性纱线和高强度纱线纺织在一起，使得在升高的温度和压力下压紧和成型由一些织物层构成的制品时，热塑性物质变成流体，并且像粘合剂一样将织物层连接在一起。 [0003] 已知也用于防弹的由数个织物层构成的制品。也已知在这些织物层之一中使用由热塑性和高强度纤维制成的混合织物。 [0004] US 5,168,006描述了一种织物，其中热塑性和高强度纤维在压紧前编织在一起以形成模块化材料。这里两根纤维分别作为在经轴系统中的经线和纬线被平行地编织。织物的特征在于具有高的热塑性材料含量。 [0005] 也已知通过纺织工程措施来避免预浸渍处理。 [0006] EP 0417827描述了由热塑性纤维和高强度纤维构成的织物，所述织物可作为预浸渍材料以生产例如防护服(头盔)。预处理热塑性纤维和高强度纤维结合以形成随后进行编织的纤维束，其中高强度纤维优选占织物的40-60％。 [0007] 然而，在公开文件中所描述的制品都具有缺点：仅仅具有较低的防穿透效果，并且制品的悬垂性也较低。后一效果的主要原因是织物的高的热塑性材料含量。 [0008] 文献DE 10 2011 102 342描述了具有至少一个双层的多层纺织品。这种多层纺织品的第一层含有加强线，而所述多层纺织品的第二层含有基体线。在多层纺织品【0009】中加强线应具有结构化的配置，由此例如形成无屈曲的织物。两个层使用连接纱线结合在一起。文件没有描述设置在所述结构中的加强线形成加强线的织物。先进的同步织物结构(在EP 0408830中所描述的)在【0016】中被作为多层纺织品的一个优选实施例被提及。在这种结构中，加强线形成彼此交叉的两个无屈曲织物层，且基体线通过交织的上纬线或下纬线将加强线保持在一起。基体材料因而位于加强线之间。根据专利DE 10 2011 102 432的发明的目的是基体线的理想均匀分布，使得当基体材料熔化时，加强纤维的每一单丝被基体材料润湿。为了实现这点，加强线必须不具备织物的形式，因为否则在织物的交叉点基体材料不可能均匀分布。另外，基体材料往该加强纤维织物中的渗透更为困难。在该文件中所描述的平坦织物可以用作飞机、汽车或其它交通工具的外皮【0022】。由于加强纤维的长丝被基体材料均匀地润湿，弹道保持能力会显著下降，因此，DE 10 2011 102 432的材料不能用于防弹目的。 发明内容[0009] 因而本发明的目的是消除或者至少减少现有技术所描述的缺点。 [0010] 所述目的通过防穿透制品实现，所述制品至少包括具有热塑性纤维和高强度纤维的编织织物结构，所述高强度纤维具有根据ASTM D-885至少为1100MPa的强度，其中高强度纤维一起构成编织织物结构的第二编织织物，热塑性纤维位于第二织物之上、并通过至少一个经线和/或纬线连接至第二织物，热塑性纤维相对于双织物重量的重量百分比为5％至35％。 [0011] 热塑性纤维优选地以第一编织织物的形式或者以无屈曲织物的形式存在于编织织物结构中。如果热塑性纤维以无屈曲织物的形式存在，则所述热塑性纤维优选形成单向无屈曲织物。单向无屈曲织物应当被理解为是指：纤维(单丝或复丝)在一个平面内大致彼此平行地布置。 [0012] 在热塑性纤维以第一编织织物的形式存在时，编织织物结构的第一和第二织物优选通过第一织物层的经线和/或纬线(即通过热塑性纤维)结合至第二织物(由高强度纤维构成)。这意味着高强度纤维的织物通过热塑性纤维被结合至热塑性纤维的织物。 [0013] 在热塑性纤维作为无屈曲织物(优选作为单向无屈曲织物)存在于编织织物结构中时，连接优选通过第二织物的至少一个经线和/或纬线完成。这意味着高强度纤维的织物通过高强度纤维的经线和/或纬线被结合至热塑性纤维的无屈曲织物。 [0014] 在两个实施例中(热塑性纤维作为编织织物或者无屈曲织物存在)，高强度纤维的第二织物通过编织连接被结合至热塑性纤维。在第二织物层和热塑性纤维之间不需要另外的结合线或者另外的非纺织连接媒介(例如粘合膜或者薄片)以用于连接。热塑性纤维有利地不编织至高强度纤维织物中，以使得高强度纤维能在它们的织物层中移动。这极大地改进了高强度线的弹道保持能力(ballistische Halteleistung)。更有利的是，热塑性纤维位于高强度纤维织物之上。在热塑性纤维熔化期间，在高强度纤维织物层的表面上形成一薄的热塑性材料涂覆层，但是热塑性材料不渗透高强度纤维的织物层(即高强度纤维的织物层没有被熔化的热塑性材料预浸渍)。该效果也改进或保持了在织物中的高强度纤维的弹道保持能力(撞击时的可控制脱层是可能的)。 [0016] 编织织物结构形成双织物。双织物被理解为两层编织织物层，每一层自身是编织的，但是彼此之间通过连接点接触。通过双织物层，存在有两个编织织物层，例如，一层可位于另一层之上。但是，双织物也被理解为这样的编织织物，其中另一层单向性纤维位于此编织织物层之上，并且该另一层单向纤维通过织物层的经线和/或纬线结合至编织织物层。在这种情况下，双织物被称作为1.5双织物。 [0017] 在下面的描述中，同义地使用术语编织织物结构和双织物。 [0018] 相对于双织物的重量，热塑性纤维的重量百分比优选为8％至20％，更优选为10％至15％。 [0019] 所述的热塑性纤维的重量百分比因而导致了优选几乎没有第一编织织物层的热塑性纤维或者热塑性纤维(热塑性层)的第一无屈曲织物层。热塑性物质占双织物总重量的份额应选择为较低，以使得高强度纤维占较高的比例。热塑性层的主要功能在于结合高强度纤维的第二织物层与其它(另外)的织物层以形成防穿透制品。在另一方面，高强度纤维第二织物的功能主要是影响制品的强度和弹性。当在防弹制品中使用编织织物结构时，高强度纤维的第二织物决定了防弹制品的防弹能力。 [0020] 高强度纤维优选具有双织物总重量65％—95％的份额，更优选地为80-95％，最优选地为至少85-90％。高强度纤维的重量百分比优选使得几乎全部都是第二织物层(高强度织物层)的高强度纤维。因此，在双织物的第二织物中几乎全部都是根据ASTM D-885至少为1100MPa强度的高强度纤维，最优选地为全部都是。 [0021] 由高强度纤维形成的第二织物优选地通过连接点结合至热塑性纤维。在热塑性纤维和高强度织物之间，面积为100cm2的双织物优选地具有20至150个连接点。面积为100cm2的双织物在热塑性纤维和高强度织物之间更优选地具有30至50个连接点。 [0022] 当热塑性纤维为位于编织织物结构中的第一编织织物，双织物的两个织物层优选地通过它们的经线和/或纬线彼此接触，这样不需要使用另外的接触线。例如，第一织物层(热塑性织物层)的每四个经线可在离散的点处和第二织物层(高强度织物层)的纬线编织。这些离散的连接点可以在双织物中规律地或者随机地出现。 [0023] 当高强度纤维形成第一织物层时，用于结合热塑性纤维和第二织物层(高强度织物层)的连接点优选为层间连接(也称作“Anbindungen”或者“Abbindungen”)。纬线-至-经线的连接(“Anbindung”)应当被理解为较低织物层的纬线结合至较高织物层的经线。例如，第一和第二织物层可通过连接第二织物层(高强度织物层)的纬线至第一织物层(热塑性织物层)的经线而结合。经线-至-纬线的连接(“Abbindung”)应被理解为在较低织物层的经线和较高织物层的纬线之间存在有连接。例如，第一和第二织物层可通过经线-至-纬线连接、其中使第二织物层(高强度织物层)的经线结合至第一织物层(热塑性织物层)的纬线而结合。 [0024] 双织物中每单元面积的连接点的个数也会影响防弹元件的悬垂性。双织物中第一织物层(热塑性织物层)和第二织物层(高强度织物层)之间的连接点越少，在压紧前和压紧期间双织物的悬垂性越高。然而，相比于连接点的数目，热塑性材料和高强度纤维的分离对悬垂性有更大的影响。 [0025] 如果热塑性纤维采取无屈曲织物的形式、并且优选为单向性无屈曲织物的形式，那么第二织物层(高强度纤维)优选通过第二织物的至少一个经线和/或纬线结合至热塑性纤维。因而，至少一个热塑性纤维优选通过至少一个经线和/或纬线结合至第二织物。这里再一次地，悬垂性也受到热塑性无屈曲织物层和高强度纤维的编织织物层之间的连接数量的影响。然而，再一次地，热塑性纤维和高强度纤维的分离对织物结构的悬垂性影响最大。 [0026] 出乎意料地证明：对于防弹有利的是，热塑性物质(即热塑性纤维)仅仅主要位于高强度纤维层(第二织物层)之间，并且合适地没有位于高强度纤维之间。这样的原因是高强纤维被热塑性材料的浸渍降低了高强度纤维的能量吸收，因此减少了防穿透效果。这里高强度纤维的高重量百分比被证明是对于织物的物理性能是重要的，特别是对于防弹/防穿透保护而言。 [0027] 在迄今为止的现有技术所有被提及的制品中，热塑性纤维和高强度纤维在织物中平行地布置，使得在加热和压紧时，热塑性物质也在高强度纤维之间分布。在所得到制品中的高强度纤维之后能较少地移动，并且因此在纤维被破坏前在冲击时吸收较少的能量。另外，热塑性物质在织物中的百分比重量相对较高，使得在最终制品中的百分比重量也较高。使用热塑性物质的常规织物连接的优点是热塑性材料和织物之间的连接通常被选择为十分牢固的(例如，通过较高的热塑性材料含量和热塑性材料与织物之间大量的连接点)。但是对于防弹材料，该牢固连接是一个缺点，因为对于能量传递而言(在轰击的情况下)受控的脱层是希望的。对于坚固(刚性)的复合材料，子弹会穿透复合材料，并且相对于如果发生受控脱层会损失较少的能量。 [0028] 优选使用热塑性聚合物作为用于热塑性纤维的材料。尤其优选地，聚酰胺、聚酯或聚氨酯用作热塑性纤维的材料。尤其优选的是，热塑性纤维部分或全部由聚酰胺、特别是聚酰胺11或者聚酰胺12(PA-12)制成。 [0029] 在优选实施例中，第一编织织物层或第一无屈曲织物层(热塑性层)完全由聚氨酯、聚酯或聚氨酯制成，更优选地由聚酰胺、尤其是聚酰胺11或聚酰胺12(PA-12)制成。所述的热塑性纤维可以采用在双织物的第一层(热塑性层)中的单丝和/或复丝的形式。使用PA-12的优点是，其为化学惰性的并且吸收很少的水汽。这使得后者更易于压实并需要更少的能量。另外，PA-12的熔点与在预浸渍工序中使用的树脂的熔点类似，使得可以使用与之前在浸渍织物中使用的机器相同的机器来压实双织物。另外，PA-12是廉价的原材料。PA-12也具有高达大约160℃的有利的高耐热性。 [0030] 如果在第一层中的热塑性纤维具有编织织物的形式，则该第一织物层优选具有30％或者更优选地低于30％的沃尔兹(Walz)织物密度。第一织物层的沃尔兹(Walz)织物密度尤其优选为20％或更低，并且更为优选地为15％或更低。 [0031] 另外，双织物层的第二织物层(高强度织物层)具有优选大于30％的沃尔兹织物密度。这里的大于30％指不包括30％。第二织物层具有尤其优选为大于45％，更优选为大于50％的沃尔兹织物密度。 [0032] 根据沃尔兹的织物密度(DG)计算如下： [0033] DG＝(dk+ds)2×fk×fs [0034] 其中： [0035] dk＝经纱的实际直径，单位为毫米； [0037] fk＝每厘米的经纱线数； [0038] fs＝每厘米的纬纱线数。 [0039] 纱的实际直径dk或ds计算如下： [0040] [0041] 其中d为dk或ds，相应的纱的线密度以单位分特(dtex)输入，纱线密度以单位克/立方厘米(g/cm3)输入。 [0042] 使用上述公式计算的织物密度应用于平纹织物的公式计算。如果使用非平纹的织物，在公式中必须包括织物校正因子。对于具有特殊编织类型的织物，输入例如下面的值作为织物校正因子： [0043] 席纹织物2:2 0.56 [0044] 斜纹织物2:1 0.70 [0045] 斜纹织物2:2 0.56 [0046] 斜纹织物3:1 0.56 [0047] 斜纹织物4:4 0.38 [0048] 缎纹织物1:4 0.49 [0049] 缎纹织物1:5 0.44 [0050] 使用所述公式计算的沃尔兹织物密度DG乘以上述校正因子。织物密度以百分比(％)给出。 [0051] 在由Robert Kochhammer Verlag，Stuttgart于1947年第2期出版的《纺织—实践》的第330页至335页和第366页至370页中(作者为F.Walz和J.Luibrand)中描述了对于其它的织物类型(未给出校正因子)如何确定织物密度。 [0052] 如果在第一层中的热塑性纤维具有编织织物的形式，那么优选地，该第一织物层(热塑性织物)和/或第二织物层(高强度织物)都具有相同的经纱和纬纱线数。这意味着对称的织物，其中经线数等于纬线数。 [0053] 高强度纤维具有根据ASTM D-885至少为1100MPa的强度，优选具有根据ASTM D-885大于2000MPa的强度。 [0054] 高强度纤维优选为芳族聚酰胺纤维(优选为聚对苯二甲酰对苯二胺)或芳族共聚物纤维、具有超高分子量的聚乙烯纤维、具有超高分子量的聚丙烯纤维、聚苯并噁唑纤维或聚苯并噻唑纤维。特别优选地，第二织物层(高强度织物层)包括芳族聚酰胺纤维，例如帝人芳纶(Teijin Aramid)公司的 纤维。更为优选地，超过90％的第二织物层(高强度织物层)由芳族聚酰胺纤维构成。 [0055] 芳族聚酰胺纤维在第二织物层(高强度织物层)中优选采用复丝的形式。 [0056] 在热塑性纤维采用第一编织织物形式的实施例中，第一织物层(热塑性织物层)的热塑性纤维或线在织物中具有与形成第二织物层(高强度织物层)的线相同的平均拉伸(度)。平均拉伸(度)被理解为：在第一织物层内的经线和/或纬线的长度的与编织相关的改变的平均值大致等于在第二织物层内的经线和/或纬线的长度的与编织相关的改变的平均值。结合两个织物层的线不包括在该平均拉伸(度)的考虑范围内。在第一织物层内的经线的平均线长度和第二织物层内经线的平均线长度优选为基本相同。还优选的是，第一织物层的纬线的平均线长度和第二织物层内的纬线的平均线长度基本相同。在另一个实施例中，在一个织物层(第一或第二织物层)内的经线具有与相同织物层(第一或第二织物层)内的纬线的平均拉伸大致相当的平均拉伸。这是指在织物层中(第一或第二织物层)经线的平均长度与纬线的平均长度大致相等。大致相等意指：线长度变化为仅仅大约20％至30％。在双织物层中，织物层相对于彼此可具有大致相同的平均拉伸并且每一织物层可具有大致相同的平均拉伸。如此地确定平均拉伸:根据国际标准ISO 7211/3，选择2cN/tex作为用于高强度织物层纤维的预紧，0.5cN/tex作为用于热塑性织物层纤维的预紧。 [0057] 在热塑性纤维采用非屈曲织物形式、更为优选地采用单向非屈曲织物的形式的实施例中，高强度织物层的经线和/或纬线都具有大致相同的平均拉伸。更为优选地，第二织物层的所有经线具有大致相同的平均拉伸，并且第二织物层的所有纬线具有大致相同的平均拉伸。当与热塑性纤维的连接在第二织物中对称地分布时，该大致相同的平均拉伸是可能的。这里已给出的解释适用于术语“平均拉伸”。 [0058] 本发明的另一目的是用于制造防穿透制品的方法，所述防穿透制品至少包括具有热塑性纤维和高强度纤维的编织织物结构，其中高强度纤维具有根据ASTM D-885至少为1100MPa的强度，所述织物结构具有由高强度纤维形成的第二编织织物，热塑性纤维位于第二织物上并且通过至少一个经纱和/或纬纱结合至第二织物，所述热塑性纤维相对于双织物的重量具有5％至35％的重量百分比。 [0059] 在热塑性纤维采用第一编织织物形式的实施例中，在织物结构中，优选地，在制造双织物层(织物结构)时，第一和第二织物均在单独的经轴上编织。 [0060] 在面积为100cm2的双层织物中，在热塑性纤维和第二织物之间优选制造有20至150个连接点。 [0061] 第二织物(高强度织物层)优选采用平纹、席纹或斜纹编织。 [0062] 优选地，至少一个所述的编织织物结构和至少一个另外的纺织层无预浸渍地在压力和一温度(该温度等于或高于热塑性纤维的熔点并且低于高强度纤维的熔点)下压紧以形成片材。 [0063] 所述另外的纺织层应优选地通过纺织工程技术制造，并且可以为例如编织、针织、拉歇尔经编或纺织层。所述另外的纺织层也可为多轴织物。 [0064] 所述另外的纺织层优选包括具有根据ASTM D-885至少为1100MPa的强度的高强度纤维。更为优选地，所述另外的纺织层由至少80％，更为优选地为90％的所述高强度纤维制成。 [0065] 所述另外的纺织层的高强度纤维优选为芳族聚酰胺纤维、具有超高分子量的聚乙烯纤维、具有超高分子量的聚丙烯纤维、聚苯并噁唑纤维或聚苯并噻唑的纤维。 [0066] 所述另外的纺织层优选为如在本专利申请中所述的编织织物结构的另外的层。 [0067] 一个或多个所述的织物结构(例如和另外的一个或多个纺织层压紧)可在包装(例如焊接)于塑料膜内的防弹制品中使用。所述膜可以例如为高弹性的酯基或醚基聚氨酯膜。该膜优选为黑色的，并具有75至150μm的厚度。这种膜的一个例子是EpurexFilms(拜耳公司)的 U。但是，透明的、但紫外线不可透过的膜也可这样地使用： 织物结构(具有或没有另外的纺织层)可布置到其中、或可被包覆起来(例如，通过焊接)。透明的、紫外线不可透过的膜允许织物结构可从护套外侧看到。如果一防弹组件例如由多个压紧的织物结构和另外的纺织层制成，则该防弹组件可具有射击侧和本体侧。为了识别不同的侧，一个或两个告示(例如，标签)可以附接至防弹组件的一侧或两侧。当防弹组件位于膜内时，这些告示仍然能从外侧看到。如果防弹组件与膜一起插入至防弹夹克内，那么就可有利地确保防弹组件在防弹夹克内被正确地定位。该膜优选地形成包围一个或多个织物结构的护套，并且保护这些织物结构免受湿气、污染和紫外光。例如拜尔公司的产品Epurex白，Epurex浅蓝，Epurex深蓝，Epurex淡黄，Epurex黄或Epurex深黄可用作透明膜。 [0069] 本发明的实施例通过图1至6示出。 [0070] 图1至4示出了具有连接点的编织织物结构的一个可能实施例的三维视图。 [0071] 图5示出了具有连接点的双织物的编织设计。 [0072] 图6到7示意性示出了编织织物结构另一实施例。 具体实施方式[0073] 图1示出了本发明的一个可能实施例的示例，其中在编织织物结构3中，热塑性纤维形成第一编织织物层1，高强度纤维形成第二编织织物层2。织物结构3下面也被称作是双织物。在双织物3中，连接点形成在位于第一织物1和下方的第二织物2之间的规律性重复的点(A)处。第一织物1可例如由热塑性纤维4制成，第二织物2由例如芳族聚酰胺(优选为对位芳族聚酰胺)的高强度纤维5制成。因而，热塑性纤维4位于第二织物2之上。如在图1中可见地，第二织物2具有对称结构，即第二织物2中经线的数量等于纬线的数量。 [0074] 图2还示出了具有第一织物1和第二织物2的双织物3三维视图。 [0075] 图3示意性地示出了双织物3，为更好地说明，其中第一织物1被显示为与第二织物2隔开。在该视图中，可以看出第一织物层1的线与第二织物2编织在一起，使得在第一织物1和第二织物2之间形成连接点A。也可清楚地看到除了连接点A织物还有两个独立的织物层 1、2，并且第一织物1的线基本不位于第二织物2的织物层内。第一织物1因而位于第二织物2之上，并且由各个连接点A连接到第二织物2。第一织物1的90％的面积优选位于该第二织物 2之上。第一织物1还优选地基本平行于第二织物2。 [0076] 图4示出了双织物层3的另外视图。 [0077] 图5的上部示出了一种织物设计，而该图的下部示出了织物的横截面示图。 [0078] 图6示出了织物结构3的另一实施例。在该实施例中，高强度纤维5形成第二编织织物2，热塑性纤维4位于第二编织织物2之上。热塑性纤维4形成无屈曲的织物层6，如在例子中示出的，该织物层6可以是一个单向无屈曲织物层。在该实施例中，第二织物层具有席纹(hopsack)织法。热塑性纤维4被第二织物层的经线(即由高强度纤维5)连接至第二织物层2。高强度纤维5和热塑性纤维4之间的连接也创建了一种由热塑性纤维4和高强度纤维5形成的编织织物，因此术语“双织物3”也同样适用于本实施例。第一织物1从而在经向由热塑性纤维4和高强度纤维形成，第二编织织物2在经向和纬向由高强度纤维5形成。热塑性纤维 4和高强度纤维5的第二织物2之间的连接对称地分布在双织物3中，如箭头所指示的。其结果是，第二织物2的经线在第二织物2内基本上都具有相同的平均拉伸，因为所有经线基本上具有至热塑性纤维4的相同的连接数。 [0079] 图7示意性地详细示出了图6中的实施例。高强度纤维5结合热塑性纤维4与第二织物2，以创建编织织物结构3。 [0080] 附图标记列表： [0081] A 连接点 [0082] 1 第一编织织物(第一织物层，热塑性织物层) [0083] 2 第二编织织物(第二织物层，高强度织物层) [0084] 3 双织物 [0085] 4 热塑性纤维 [0086] 5 高强度纤维 [0087] 6 无屈曲织物层(热塑性纤维) |
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