BRPI0707790A2 - mÉtodo para produzir um material composto resistente À balÍstica, artigo, mÉtodo para elevar a resistÊncia de um colete À prova de projÉteis de rifles de alta energia e semelhantes, e artigo de colete À prova de balas - Google Patents

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fibrous
layers
fibers
layer
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Ashok Bhatnagar
Lori L Wagner
David A Hurst
Brian D Arvidson
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Honeywell Int Inc
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Abstract

MÉTODO PARA PRODUZIR UM MATERIAL COMPOSTO RESISTENTE A BALÍSTICA, ARTIGO, MÉTODO PARA ELEVAR A RESISTENCIA DE UM COLETE À PROVA DE PROJÉTEIS DE RIFLES DE ALTA ENERGIA E SEMELHANTES, E ARTIGO DE COLETE À PROVA DE BALAS Método para produzir um material composto resistente à balística tendo elevada resistência a projéteis de refles de alta energia e semelhantes. O método compreende a provisão de pelo menos uma camada fibrosa compreendendo uma rede de fibras de aramida de alta tenacidade. A camada fibrosa é coberta com uma resina termoplástica de poliuretano. A camada fibrosa coberta é moldada a uma pressão de pelo menos cerca de 1500 psi (10,3 MPa) . De preferência, uma pluralidade de camadas fibrosas é empregada, cada qual sendo formada de fibras de aramida orientadas de modo unidirecional em uma matriz de resina termoplástica de poliuretano. Camadas fibrosas adjacentes são, de preferência, orientadas a 90<198> entre si.

Description

MÉTODO PARA PRODUZIR UM MATERIAL COMPOSTO RESISTENTE ABALÍSTICA, ARTIGO, MÉTODO PARA ELEVAR A RESISTÊNCIA DE UMCOLETE À PROVA DE PROJÉTEIS DE RIFLES DE ALTA ENERGIA ESEMELHANTES, E ARTIGO DE COLETE À PROVA DE BALAS
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Campo da Invenção
Essa invenção se refere a produtos balísticos, demodo particular a produtos balísticos formados de materialfibroso de aramida.
Descrição da Técnica Correlata
Produtos à prova de balística para coletes esemelhantes são conhecidos na arte. Muitos desses produtossão baseados em fibras de alta tenacidade, tais como fibrasde aramida. Embora tais produtos tenham excelentespropriedades e tenham alcançado sucesso comercial, existeuma constante necessidade para melhorar as propriedades dosprodutos blindados, tais como produtos para colete à provade balas.
De modo particular, seria desejável fornecerprodutos à prova de balística, que tivessem elevadaresistência a projéteis de rifles de alta energia esemelhantes.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
De acordo com essa invenção., é apresentado ummétodo para produzir um material composto à prova debalística tendo melhorada resistência a projéteis de riflesde alta energia e semelhantes, o método compreendendo aprovisão de pelo menos uma camada fibrosa compreendendo umarede de fibras de aramida de alta tenacidade; cobertura dacamada fibrosa com uma resina termoplástica de poliuretano;e moldagem da camada fibrosa a uma pressão de pelo menoscerca de 1500 psi (10,3 MPa).
Essa invenção também apresenta üm método paraproduzir um material composto resistente à balística, tendomelhorada resistência a projéteis de rifles de alta energiae semelhantes, o método compreendendo a provisão de umaprimeira camada fibrosa compreendendo uma rede de fibras dearamida de alta tenacidade; cobertura da primeira camadafibrosa com uma primeira resina termoplástica depoliuretano; provisão de uma segunda camada fibrosacompreendendo uma rede de fibras de aramida de altatenacidade; cobertura da segunda camada fibrosa com umasegunda resina termoplástica de poliuretano; e moldagemdas primeira e segunda camadas fibrosas a uma pressão depelo menos cerca de 1500 psi (10,3 MPa) .
Além disso, essa invenção apresenta um método paraproduzir um material composto resistente à balística, tendomelhorada resistência a projéteis de rifles de alta energiae semelhantes, um método compreendendo a provisão deuma primeira camada fibrosa não-trançada compreendendo umarede de fibras de aramida de alta tenacidade; cobertura daprimeira camada fibrosa não-trançada com uma resinatermoplástica de poliuretano;. provisão de uma segundacamada fibrosa não-trançada compreendendo uma rede defibras de aramida de alta tenacidade; cobertura da segundacamada fibrosa não-trançada com uma resina termoplástica depoliuretano; disposição das primeira e segunda camadasfibrosas não—trançadas, de forma que as primeira e segundafibras não-trançadas sejam orientadas, uma com relação àoutra; e moldagem das primeira e segunda camadas fibrosas auma pressão de pelo menos cerca de 1500 psi (10,3 MPa) .
Essa invenção ainda apresenta um método para elevara resistência de um colete à prova de projéteis de riflesde alta energia e semelhantes, o método compreendendo aprovisão de uma primeira camada fibrosa compreendendo umarede de fibras de aramida de alta tenacidade; cobertura daprimeira camada fibrosa com uma resina termoplástica depoliuretano; provisão de uma segunda camada fibrosacompreendendo uma rede de fibras de aramida de altatenacidade; cobertura da segunda camada fibrosa com umaresina termoplástica de poliuretano; moldagem das primeirae segunda camadas fibrosas a uma pressão de pelo menoscerca dè 1500 psi (10, 3 MPa) , para formar um artigomoldado; e formação da blindagem corpórea pelo menos emparte através do artigo moldado.
Foi descoberto de maneira surpreendente que, quandouma resina termoplást ica de poliuretano é usada para formaruma estrutura fibrosa de aramida composta, e o composto éformado sob alta pressão, o composto possui elevadaresistência balística a projéteis de rifles de alta energiae semelhantes. Isso é especialmente inesperado, visto queresultados similares não foram observados com compostos dearamida que utilizam outras resinas de coberturaconhecidas.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A presente invenção se refere a compostos formadospor fibras de aramida, que possuem elevada resistênciabalística, especialmente para projéteis de rifles de altaenergia. Esses compostos são de modo particular úteis emartigos de blindagem à prova de balística, tanto flexíveis,como rígidos. Exemplos incluem coletes à prova de balas,capacetes, coberturas e semelhantes.
Projéteis de rifles de alta energia são projéteis,onde o nível de energia geralmente é de cerca de 1500 acerca de 3500 joules, ou superior. Exemplos dessesprojéteis são a bala M80 (também conhecida como bala Nato),a Dragnov LPS7 e semelhantes.
Para fins da presente invenção, uma fibra é umcorpo alongado, cuja dimensão de comprimento é muito maiordo que as dimensões transversais da largura e espessura.Por conseguinte, o termo fibra inclui monofilamento,multifilamento, fita, tira, grampo e outras formas de fibrapicada, cortada ou descontínua e semelhante tendo seçãotransversal regular ou irregular. 0 termo "fibra" incluiurna pluralidade de qualquer um do anterior ou umacombinação desses. Um fio é uma trança continua composta demuitas fibras ou filamentos.
As seções transversais das fibras úteis nessainvenção podem variar de maneira ampla. Elas podem ser deseção transversal circular, plana ou oblonga. Elas podemser de seção transversal com lóbulos múltiplos regulares ouirregulares tendo um ou mais lóbulos regulares ouirregulares projetando-se a partir do eixo linear oulongitudinal do filamento. De modo particular, é preferidoque as fibras sejam de seção transversal substancialmentecircular, plana ou oblonga, mais preferivelmente, que asfibras sejam de seção transversal substancialmentecircular.
Conforme aqui usado, o termo "fibras de altatenacidade" significa fibras que possuem tenacidade igualou superior a cerca de 7 g/d. Essas fibras possuem, depreferência, módulos de tração inicial de pelo menos cercade 150 g/d e energias à ruptura de pelo menos cerca de 8J/g, conforme medido pela ASTM D2256. Fibras preferidas sãoaquelas tendo uma tenacidade igual ou superior a cerca de10 g/d, um módulo de tração igual ou superior a cerca de200 g/d, e uma energia à ruptura igual ou superior a cercade 20 J/g. Fibras particularmente preferidas são aquelastendo uma tenacidade igual ou superior a cerca de 16 g/d,um módulo de tração igual ou superior a cerca de 400 g/d, euma energia à ruptura igual ou superior a cerca de 27 J/g.Dentre estas modalidades particularmente preferidas, maispreferidas são aquelas modalidades, onde a tenacidade dasfibras é igual ou superior a cerca de 22 g/d, o módulo detração é igual ou superior a cerca de 500 g/d, e a energiaà ruptura é igual ou superior a ,cerca de 27 J/g. Conformeaqui usados, os termos "módulo de tração inicial", "módulode tração" e "módulo" significam o módulo de elasticidade,conforme medido pela ASTM 2256 para um fio e pela ASTM D638para um material matricial. Fibras de aramida sãoconhecidas na arte. Fibras de aramida adequadas úteis napresente invenção são formadas de poliamidas aromáticas,tais como aquelas descritas na Patente norte americana U.S.N0 3.671.542, cuja divulgação é aqui expressamenteincorporada para fins de referência, desde que não sejaincompatível com o presente documento. Fibras de aramidaspreferidas terão uma tenacidade de pelo menos cerca de20g/d, um módulo de tração inicial de pelo menos cerca de200 g/d, e uma energia à ruptura de pelo menos cerca de 8J/g, e fibras de aramidas particularmente preferidas terãouma tenacidade de pelo menos cerca de 20g/d, um módulo detração inicial de pelo menos cerca de 400 g/d, e umaenergia à ruptura de pelo menos cerca de 20 J/g.
Fibras de aramidas mais preferidas terão umatenacidade de pelo menos cerca de 23g/d, um módulo de pelomenos cerca de 500 g/d, e uma energia à ruptura de pelomenos cerca de 30 J/g. Por exemplo, filamentos de poli (p-fenileno tereftalamida) , que possuem valores de tenacidadee módulos moderadamente altos, são particularmente úteis naformação de compostos à prova de balística. Exemplos são oTwaron® T2000 da Teijin, que possui um denier de 1000.Outros exemplos são o Kevlar® 29, que possuirespectivamente 500 g/d e 22 g/d, e o Kevlar® 4 9 que possui1000 g/d e 22 g/d, para valores do módulo de tensão iniciale tenacidade, ambos fornecidos pela du Pont. Copolimeros depoli(p-fenileno tereftalamida) podem ser também usados, talcomo co-poli(p-fenileno tereftalamida 3,4' oxidifenilenotereftalamida). Também úteis na prática dessa invenção sãoas fibras de poli(m-fenileno isoftalamida) produzidascomercialmente pela du Pont através da marca comercialNomex®.
As fibras podem ser de qualquer denier adequado,tal como, por exemplo, de cerca de 50 a cerca de 3000denier, mais preferivelmente de cerca de 200 a cerca de3000 denier, ainda mais preferivelmente de cerca de 650 acerca de 1500 denier, e mais preferivelmente ainda de cercade 800 a cerca de 1300 denier.
As fibras de aramida são formadas por pelo menosuma camada de uma rede fibrosa. De preferência, a redefibrosa é um tecido não-trançado, embora outros tipos detecidos possam ser aqui empregados, tais como tecidostrançados ou tricotados. No caso de tecidos trançados, elespodem ser tecidos cora fios tendo diferentes fibras nasdireções da trama e da urdidura, ou em outras direções.
De preferência, existem pelo menos duas camadas deredes fibrosas usadas para preparar os compostos à prova debalística.
Uma configuração particularmente preferida dasfibras é em uma rede, onde as fibras são alinhadas, demaneira unidirecional, de forma que elas fiquemsubstancialmente paralelas entre si ao longo de uma direçãocomum das fibras. De modo alternativo, um tecido não-trançado pode ser usado, onde as fibras são estofadas numadireção aleatória.
De preferência, pelo menos cerca de 50% em peso dasfibras no tecido não-trançado são fibras de aramida de altatenacidade, mais preferivelmente pelo menos cerca de 7 5% empeso das fibras no tecido são fibras de aramida de altatenacidade, e mais preferivelmente substancialmente todasas fibras do tecido são fibras de aramida de altatenacidade. Os fios podem estar em alinhamentoessencialmente paralelo, ou os fios podem ser torcidos,sobrepostos ou enredados.
Tecidos formados por meio de fibras orientadas demaneira unidirecional possuem tipicamente uma camada defibras, que se estende em uma direção, e uma segunda camadade fibras, que se estende em outra direção (de preferênciaa 90°) das fibras na primeira camada. Quando as camadasindividuais são fibras orientadas de maneira unidirecional,as camadas sucessivas são de preferência giradas, uma comrelação à outra, por exemplo, em ângulos de 0o/90°,0o/90o/0°/90o, ou 0o/45o/90o/45o/0°, ou em outros ângulos.
É conveniente caracterizar as geometrias doscompostos da invenção pelas geometrias das fibras. Umadisposição apropriada dessas é uma camada fibrosa, onde asfibras sao alinhadas em paralelo entre si ao longo de umadireção comum de fibras (chamada de uma "rede de fibrasalinhadas de maneira unidirecional"). Camadas sucessivasdes sas fibras alinhadas de maneira unidirecional podem sergiradas com relaçao à camada anterior. De preferência, ascamadas fibrosas do composto são cruzadas, isto é, com adireção de fibra das fibras unidirecionais de cada camadade rede girada com relação à direção de fibra das fibrasunidirecionais das camadas adjacentes. Um exemplo é uraartigo com cinco camadas, com as segunda, terceira, quartae quinta camadas giradas a + 45°, - 45°, 90° e 0o, comrelação à primeira camada. Um exemplo preferido inclui duascamadas com uma assentamento de 0°/90°. Tais alinhamentosgirados de maneira unidirecional são descritos, porexemplo, nas Patentes norte americanas U.S. 4.623.574;4.737.402; 4.748.064; e 4.916.000.
Em geral, as camadas fibrosas da invenção são, depreferência, formadas inicialmente pela construção de umarede de fibras e, a seguir, cobertura da rede com umacomposição matricial. Conforme aqui usado, o termo"cobertura" é usado em um sentido amplo para descrever umarede de fibras, onde as fibras individuais possuem umacamada continua da composição matricial envolvendo asfibras, ou uma camada descontínua da composição matricialna superfície das fibras. No primeiro caso, pode ser ditoque as fibras são inteiramente incorporadas na composiçãomatricial. Os termos 'cobertura' e 'impregnação' são aquiusados de modo intercambiável. As redes de fibras podem serconstruídas por uma variedade de métodos. No caso preferidodas redes fibrosas não-trançadas de fibras alinhadas demaneira unidirecional, meadas de fio dos filamentos de altatenacidade são alimentadas por um urdidor, e conduzidasatravés de guias e um ou mais barras espaçadoras a um pentede colimação antes da cobertura com o material matricial. 0pente de colimação alinha os filamentos de maneira coplanare de uma forma substancialmente unidirecional.
0 método dessa invenção inclui a formação inicialda camada de rede de fibras, de preferência uma redeunidirecional, conforme acima descrito, aplicação de umasolução, dispersão ou emulsão da composição matricial sobrea camada de rede de fibras e, a seguir, secagem da camadade rede fibrosa revestida com matriz. A solução, dispersãoou emulsão é de preferência uma solução aquosa da resina depoliuretano, que pode ser atomizada sobre os filamentos. Demodo alternativo, a estrutura de filamentos pode sercoberta com uma solução, dispersão ou emulsão aquosa porimersão, ou por meio de um aplicador de rolos ousemelhantes.
Após a cobertura, a camada fibrosa coberta pode serentão passada através de um forno para secagem, onde acamada de rede fibrosa revestida (unitape) é submetida acalor suficiente para evaporar a água na composiçãomatricial. A rede fibrosa revestida pode ser então colocadasobre uma teia transportadora, que pode ser um substrato defilme ou de papel, ou as fibras podem ser inicialmentecolocadas sobre uma teia transportadora, antes da coberturacom a resina matricial. 0 substrato e a unitape podem serentão enrolados em um rolo continuo de maneira conhecida.
A unitape pode ser cortada em pedaços distintos eassentada sobre uma pilha para formação do composto de usofinal. Como acima citado, o composto mais preferido éaquele onde a rede de fibras de cada camada é alinhada, demaneira unidirecional, e orientada de modo que as direçõesde fibra nas camadas sucessivas seja uma orientação de0°/90°.
Na modalidade mais preferida, duas camadas de redefibrosa são cruzadas numa configuração de 0o/90° e, aseguir, consolidadas para formar um precursor desubconjunto. As duas camadas de rede fibrosa podem sercruzadas de modo continuo, de preferência pelo corte de umadas redes em comprimentos que podem ser posicionadossucessivamente ao longo da largura da outra rede em umaorientação de 0o/90°. Um equipamento para o cruzamentocontinuo de camadas fibrosas é conhecido, tal comodescrito, por exemplo, nas Patentes norte americanas U.S.5.173.138 e 5.766.725. O subconjunto de duas camadascontinuas resultante pode ser então enrolado em um rolo comuma camada de material de separação entre cada camada. Aslâminas individuais do composto podem ser aderidas entre sipor contato, ou pela aplicação de calor e sem pressão, oucom pressão relativamente baixa.
Conforme acima citado, as fibras de alta tenacidadede cada camada são cobertas com a composição matricial e, aseguir, a combinação de composição matricial/ fibra éconsolidada. "Consolidação" significa que o materialmatricial e a camada fibrosa são combinados em uma únicacamada unitária. A consolidação pode ocorrer por meio desecagem, resfriamento, aquecimento, pressão relativamentebaixa ou uma combinação desses.
Em uma modalidade alternativa, um subconjunto dequatro camadas é formado, onde camadas sucessivas sãoorientadas em uma orientação de 0°/90o/0°/90o.
Quando pronto para formar o composto de uso final,o rolo é desenrolado e o material de separação removido. Osubconjunto com múltiplas camadas é então fatiado em folhasdistintas, empilhado em camadas múltiplas e, a seguir,moldado a fim de formar o modelo acabado e curar a resinamatricial, conforme abaixo descrito.
A matriz de resina para as fibras nas camadasfibrosas é uma resina termoplástica de poliuretano. Aresina de poliuretano pode ser homopolimero ou copolímero,e misturas de uma ou mais dessas resinas podem ser tambémaqui empregadas. Essas resinas são conhecidas na arte e seencontram disponíveis no comércio. De preferência, taisresinas são fornecidas em um sistema aquoso para facilidadede uso. Essas resinas são tipicamente disponibilizadas comoemulsões, dispersões ou solução aquosas, onde o componentede sólidos pode variar de cerca de 20 a cerca de 80% empeso, mais preferivelmente de cerca de 40 a cerca de 60% empeso, com o peso restante sendo água. Tais composições deresina são divulgadas no Pedido de Patente Co-pendentenorte americana U.S. N0 de Série 11/213.253, concedido demaneira conjunta. Aditivos convencionais, tais comomateriais de enchimento e semelhantes, podem ser incluídosna composição da resina.
A proporção entre o material matricial de resina ea fibra nas camadas compostas pode variar amplamente,dependendo do uso final. A resina de poliuretano, baseadoem sólidos, forma de preferência cerca de 1 a cerca de 40%em peso, mais preferivelmente de cerca de 10 a cerca de 30%em peso, e mais preferivelmente ainda de cerca de 15 acerca de 28% em peso, de cada camada composta.De preferência, a mesma resina termoplástica depoliuretano é empregada em pelo menos duas das camadasfibrosas e, mais preferivelmente, em todas as camadasfibrosas.
O método dessa invenção inclui a formação dessesmateriais compostos dessa invenção, podendo ser formadosatravés de lâminas individuais por consolidação sob altapressão. A pressão aqui empregada é de pelo menos cerca de1500 psi (10,3 MPa) , mais preferivelmente de pelo menoscerca de 2000 psi (13,8 MPa), mais preferivelmente ainda depelo menos cerca de 2500 psi (17,2 MPa) , e maispreferivelmente de pelo menos cerca de 3000 psi (20,7 MPa).As pressões aqui empregadas, de preferência, variam decerca de 1500 psi (10,3 MPa) a cerca de 4000 psi (27,6MPa). Temperaturas típicas usadas no método dessa invençãosão, por exemplo, temperatura variando de cerca de 75 acerca de 320° F (24 a 160° C) , mais preferivelmentetemperaturas variando de cerca de 150 a cerca de 305° F (66a 152° C) e, mais preferivelmente ainda, temperaturasvariando de cerca de 220 a cerca de 270° F (104 a 132° C).
A estrutura do composto pode ser moldada emqualquer aparelho de moldagem adequado para formar aestrutura desejada. Exemplos de tal aparelho incluemprensas hidráulicas que propiciam moldagem em alta pressão.Em uma modalidade, as camadas fibrosas individuais sãoassentadas em uma prensa de moldagem, e as camadas sãomoldadas nas temperaturas e altas pressões acima durante umperíodo de tempo adequado, tal como de cerca de 0,5 a cercade 30 minutos, mais preferivelmente de cerca de 10 a cercade 20 minutos.
O número de camadas no material do composto dependedo uso final específico. Mais preferivelmente, cadacomposto é formado por duas camadas fibrosa, que sãoorientadas a 90° entre si e foram consolidadas em uma únicaestrutura. Como acima citado, o composto pode ser, de modoalternat ivo, formado por dois grupos dessas estruturasúnicas, de modo que um total de 4 camadas de fibras sejaempregado; nesse caso, duas das estruturas consolidadas emduas camadas são consolidadas entre si formando umsubconjunto de quatro camadas.
O número de camadas de composto usadas nos artigospor eles formados varia, dependendo do uso final do artigo.Por exemplo, pode haver pelo menos cerca de 4 0 camadas, depreferência pelo menos cerca de 150 camadas, e depreferência na faixa de cerca de 40 a cerca de 4 00 camadas,dos subconjuntos de duas camadas que são usados para moldaro produto desejado. Os artigos moldados podem ter qualquerformato desejado. Para uso em coletes e semelhantes, depreferência as camadas são moldadas formando umaconfiguração relativamente plana. Da mesma forma, parapainéis balísticos, as camadas são de preferência moldadasem uma configuração substancialmente plana. Para outrosartigos, tais como capacetes e semelhantes, as camadas sãomoldadas no formato desejado do produto acabado. Os artigosmoldados podem ser empregados como blindagem rígida ouflexível, conforme desejado, dependendo das condições demoldagem.
Os artigos moldados podem ser combinados com outrosartigos rígidos, flexíveis e/ou moldados para fornecerpropriedades balísticas particularmente desejáveis e outrasmais. Tais artigos podem ser formados com fibras de aramidae/ou outras fibras de alta tenacidade, usando a mesmaresina matricial ou uma distinta, conforme aqui usada, ou apartir de outros materiais.
Uma ou mais películas plásticas podem ser incluídasno composto para permitir diferentes camadas compostasdeslizem entre si para facilidade de formação de um formatocorpóreo e facilidade de uso. Essas películas plásticaspodem ser tipicamente aderidas a uma ou ambas assuperfícies de cada composto. Qualquer película plásticaadequada pode ser empregada, tais como películas feitas depoliolefinas. Exemplos dessas películas são películas depolietileno linear de baixa densidade (LLDPE), películas depolietileno de peso molecular ultra-alto (UHMWPE),películas de poliéster, películas de náilon, películas depolicarbonato e semelhantes. Essas películas podem ser dequalquer espessura desejável. Espessuras típicas variam decerca de 0,1 a cerca de 1,2 mils (2,5 a 30 μπ\) , maispreferivelmente, de cerca de 0,2 a cerca de 1 mil (5 a 25μια) e, mais preferivelmente ainda, de cerca de 0,3 a cercade 0,5 mils (7,5 a 12,5 μπι). Películas mais preferidas sãode LLDPE. As películas podem ser formadas como parte decada subconjunto, ou películas podem ser introduzidas entresubconjuntos, quando colocadas no molde. As películas podemestar em um ou ambos os lados dos subconjuntos e/ou produtomoldado final.
Várias construções são conhecidas para compostosreforçados com fibras usados em artigos à prova debalística e impactos. Esses compostos exibem níveisvariáveis de resistência à penetração por impacto em altavelocidade de projéteis, tais como balas, estilhaços efragmentos, e semelhantes. Exemplos dessas condições sãodivulgados, por exemplo, nas Patentes dos Estados Unidos6.268.301, 6.248.676, 6.219.842; 5.677.029; 5.471.906;5.196.252; 5.187.023; 5.185.195; 5.175.040; e 5.167.876.
Em uma modalidade da invenção, um colete ou outrablindagem corpórea ou outro artigo é formado de uma maneiraconvencional, através de uma pluralidade de camadas domaterial composto. Essas camadas, de preferência, não sãolaminadas entre si, mas podem ser costuradas entre si paraevitar deslizamento das camadas individuais, uma comrelação à outra. Por exemplo, as camadas podem sercosturadas por pontos em cada canto. De modo alternativo,as camadas podem ser encapsuladas como um todo em uma bolsaou outra cobertura.
Os exemplos não limitadores a seguir sãoapresentados para propiciar uma compreensão mais completada invenção. As técnicas, condições, materiais, proporçõese dados informados específicos, apresentados para ilustraros princípios da invenção, são exemplificantes e não devemser considerado como limitadores do escopo da invenção.Todas as porcentagens são por peso, salvo se de outro modoobservado.
EXEMPLOS
Exemplo 1
Um composto não trançado em duas camadas foiformado por camadas de fibra de aramida tendo um denier de1000 e uma tenacidade de 26 g/d (Twaron® T2000 da Teijin).
Unitapes foram preparadas, por passagem das fibras dearamida através de um urdidor e uma estação de pentes paraformar uma rede unidirecional. A rede de fibras foi entãocolocada sobre uma teia transportadora, e as fibras foramcobertas com uma resina matricial. A resina era umadispersão de uma resina termoplástica de poliuretano, asaber, uma mistura copolimérica de resinas de poliuretanoem água (40 - 60% de resina), que é descrita pelofabricante como tendo uma densidade relativa de 1,05 g/cm3a 23° C e uma viscosidade de 40 cps a 23° C.
A rede de fibras cobertas foi então passada atravésde um forno para evaporar a água na composição e foienrolada em um rolo, com a teia transportadora separada damesma, em preparação para formar um material composto. Aestrutura resultante continha 16% em peso da resina depoliuretano. Dois rolos contínuos de fibras unidirecionaispré-impregnadas (prepregs) foram preparados desta maneira.Duas dessas unitapes foram cruzadas a 90° e consolidadaspara criar um laminado com duas lâminas idênticas de fibrasde aramida. Painéis desse material medindo 12 χ 12 pol.(30,5 χ 30,5 cm) foram usados para formar uma estruturacomposta de camadas múltiplas.
Um total de 270 camadas da construção em duascamadas foi colocado em um molde de matriz correspondentede uma prensa hidráulica e moldado a 240° F (11,6° C) a umapressão de moldagem de 1500 psi (10,3 MPa) durante umperíodo de 20 minutos. O laminado, que foi formado, tinhauma configuração substancialmente plana. Após a moldagem, olaminado foi permitido resfriar à temperatura ambiente.
As características balísticas de camadas múltiplasdo composto de 4 camadas foram determinadas. O projétil erauma bala NATO (também conhecida como uma bala M80) , cujotamanho era de 7,62 χ 51 mm. Esse projétil é uma bala derifle de alta energia. A resistência balística foideterminada, de acordo com a norma NIJ 0101.04. Osresultados são mostrados na Tabela 1 abaixo.
O cálculo V50 foi determinado, baseado na média de6 - 10 pares de projéteis interceptados e penetrados noalvo de tiros. A velocidade V50 é aquela velocidade, para aqual o projétil possui uma probabilidade de penetração de50%.
Exemplo Comparativo 2
O Exemplo 1 foi repetido, exceto que a pressão demoldagem foi de 500 psi (3,4 MPa) . As amostras foramnovamente testadas quanto à sua resistência balística,usando o mesmo tipo de projétil, e os resultados sãomostrados na Tabela 1 abaixo.
Exemplo 3
G Exemplo 1 foi repetido, exceto que um total de315 camadas do composto foi usado para formar os painéis.As amostras foram novamente testadas quanto à suaresistência balística, usando o mesmo tipo de projétil, eos resultados são mostrados na Tabela 1 abaixo.
Exemplo Comparativo 4
O Exemplo 3 foi repetido, exceto que a pressão demoldagem foi de 500 psi. As amostras foram novamentetestadas quanto à sua resistência balística, usando o mesmotipo de projétil, e os resultados são mostrados na Tabela 1abaixo.
Exemplo 5
G Exemplo 1 foi repetido, exceto que um total de360 camadas do composto foi usado para formar os painéis.
As amostras foram novamente testadas quanto à suaresistência balística, usando o mesmo tipo de projétil, eos resultados são mostrados na Tabela 1 abaixo.
Exemplo Comparativo 6
O Exemplo 5 foi repetido, exceto que a pressão demoldagem foi de 500 psi. As amostras foram novamentetestadas quanto à sua resistência balística, usando o mesmotipo de projétil, e os resultados são mostrados na Tabela 1abaixo.
TABELA 1
<table>table see original document page 22</column></row><table>
* = exemplo comparativoConforme pode ser visto através dos dados acima,quando a resina matricial foi um copolimero de poliuretanoe o composto foi moldado em alta pressão (2500 psi (17,2MPa)), de acordo com o Exemplo 1, a resistência balísticafoi substancialmente melhor, do que usando-se a mesmaresina matricial, mas com moldagem em baixa pressão, deacordo com o Exemplo Comparativo 1. Esse resultado tornou-se compatível, quando o número de camadas foi aumentado de270 a 315 - 360, conforme indicado nos exemplos. Alémdisso, pode ser visto que um menor número de camadas docomposto formado, de acordo com a invenção, pode serempregado para obter propriedades balísticas similares, doque com um maior número de camadas, que foram moldadas embaixa pressão. Em decorrência disso, o peso da composição,que é moldado em altas pressões, pode ser diminuído semsacrificar as propriedades balísticas.
Exemplos Comparativos 7-9
No Exemplo 7, o Exemplo 1 foi repetido, exceto quea resina matricial foi o Kraton® D1107, elastômerotermoplástico do copolimero de bloco estireno - isopreno-estireno, e o teor da resina das camadas compostas foi de20% em peso. Um total de 250 camadas do pré-conjunto deduas camadas foi usado para formar os painéis de teste, queforam moldados a 250° F (121,1° C) durante 30 minutos a umapressão de moldagem de 200 psi (1,4 MPa). As amostras foramtestadas quanto à sua resistência balística, usando-se omesmo tipo de projétil, de acordo com a MIL-STD-662-F. Osresultados são mostrados na Tabela 2 abaixo.
No Exemplo 8, o Exemplo 7 foi repetido, exceto quea pressão de moldagem foi de 2000 psi (13,8 MPa) . Asamostras foram testadas quanto ao seu desempenho balístico,usando-se o mesmo tipo de projétil, e os resultados sãomostrados na Tabela 2 abaixo.
No Exemplo 9, o Exemplo 7 foi repetido, exceto quea pressão de moldagem foi de 4000 psi (27,6 MPa) . Asamostras foram testadas quanto ao seu desempenho balístico,usando-se o mesmo tipo de projétil, e os resultados sãomostrados na Tabela 2 abaixo.
TABELA 2
<table>table see original document page 24</column></row><table>
* = exemplo comparativo
Através da Tabela 2, pode ser visto que a pressãode moldagem foi elevada, usando-se um composto tendo umaresina elastomérica termoplástica com matriz de estireno-isopreno-estireno, sendo que as propriedades balísticas nãoforam substancialmente melhoradas. Assim, a melhoriasubstancial nas propriedades balísticas observadas com oscompostos, que são formados em alta pressão e que utilizama matriz de poliuretano, não é verificada em compostos queusaram uma resina de matriz elastomérica termoplástica.
Exemplos Comparativos 10 e 11
No Exemplo 10, o Exemplo 7 foi repetido, exceto quea resina matricial foi uma resina epóxi éster vinílica(Derkane 411). 0 teor da resina das camadas de composto foitambém de 20% em peso. Um total de 250 camadas do pré-conjunto de duas camadas foi usado para formar os painéisde teste, que foram moldados a 200° F (93,3° C) durante 30minutos a uma pressão de moldagem de 200 psi (1,4 MPa). Asamostras foram testadas quanto à sua resistência balística,usando-se o mesmo tipo de projétil, e os resultados sãomostrados na Tabela 3 abaixo.
No Exemplo 11, o Exemplo 10 foi repetido, excetoque a pressão de moldagem foi de 889 psi (6,1 MPa) . Asamostras foram testadas quanto ao seu desempenho balístico,usando-se o mesmo tipo de projétil, e os resultados sãomostrados na Tabela 3 abaixo.TABELA 3
<table>table see original document page 26</column></row><table>
* = exemplo comparativo
Os Exemplos Comparativos 10 e 11 da Tabela 3ilustram igualmente que melhorias substanciais naspropriedades balísticas não são obtidas, quando a pressãode mo Idagem é aumentada em compostos que empregam outraresina de matriz convencional (resina epóxi éstervinílica).
Exemplos Comparativos 12 e 13
No Exemplo 12, o Exemplo 10 foi repetido, excetoque o número total de camadas foi de 36. As amostras foramtestadas quanto ao seu desempenho balístico, usando-se umprojétil de arma de mão de 9 mm com jaqueta metálica. Apressão de moldagem foi novamente de 200 psi (1,4 MPa). Osresultados são mostrados na Tabela 4 abaixo.
No Exemplo 13, o Exemplo 12 foi repetido, excetoque a pressão de moldagem foi de 889 psi (5,1 MPa) . Asamostras foram testadas quanto ao seu desempenho balístico,usando-se um projétil de arma manual de 9 mm com jaquetametálica, e os resultados são mostrados na Tabela 4 abaixo.
TABELA 4
<table>table see original document page 27</column></row><table>
* = exemplo comparativo
Os Exemplos Comparativos 12 e 13 mostram igualmenteque melhorias substanciais nas propriedades balísticas nãosão obtidas, quando a pressão de moIdagern é aumentada emcompostos que empregam outra resina de matriz convencional(resina epóxi de éster vinílico), onde o número de camadasé diminuído. A melhoria balística não é observada commaiores pressões, com um projétil de arma de mão.
Exemplo 14
Materiais balísticos de aramida dessa invençãoforam testados para determinar as propriedades estruturais.Painéis do mesmo tamanho foram formados, como no Exemplo 1sob condições similares, exceto que a pressão de moldagemfoi de 1500 psi (10/3 MPa) . Um total de 45 camadas foimoldado, e amostras medindo 1 pol. (2,54 cm) por 6 pol.(15,24 cm) foram cortadas dos painéis. As propriedadesestruturais foram determinadas, de acordo com a ASTM D790,e os resultados são mostrados na Tabela 5 abaixo.
Exemplo Comparativo 15
O Exemplo 14 foi repetido, exceto que a pressão demoIdagem foi de 150 psi (1,0 MPa). As propriedadesestruturais foram determinadas, de acordo com a ASTM D7 90,e os resultados são mostrados na Tabela 5 abaixo.
TABELA 5
<table>table see original document page 28</column></row><table>
* = exemplo comparativo
Como pode ser visto na Tabela 5, compostos defibras de aramida empregando a resina matricial depoliuretano dessa invenção, que são moldados sob altapressão, são mais resistentes do que compostos similares,que são moldados a baixa pressão. Assim, essa invençãoapresenta compostos de fibras de aramida., que possuemmelhoradas propriedades balísticas, bem como melhoradaspropriedades mecânicas.
Por conseguinte, pode ser observado que a presenteinvenção apresenta um método para produzir estruturasbalísticas de compostos de aramida que possuem melhoradaspropriedades balísticas, tal como resistência balística aprojéteis de rifles de alta energia, quando moldadas sobaltas pressões, quando comparadas com estruturas, que sãomoldadas sob baixa pressão. Além disso, as mesmas melhoriasnão são observadas com o uso de outras resinas matriciais.
Tendo assim descrito a invenção em detalhesbastante completos, deverá ficar claro que tais detalhesnão precisam ser estritamente seguidos, mas que outrasmudanças e modificações podem ser sugeridas pelas pessoasversadas na técnica, todas elas incidindo no escopo dainvenção, conforme definido pelas reivindicações apensas.

Claims (35)

1. MÉTODO PARA PRODUZIR UM MATERIAL COMPOSTORESISTENTE À BALÍSTICA, CARACTERIZADO pelo fato de possuirelevada resistência a projéteis de rifles de alta energia esemelhantes, e de compreender:provisão de pelo menos uma camada fibrosacompreendendo uma rede de fibras de aramida de altatenacidade;cobertura da camada fibrosa com uma resinatermoplástica de poliuretano; emoldagem da camada fibrosa a uma pressão de pelomenos cerca de 1500 psi (10,3 MPa) .
2. Método, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de pelo menos duas camadas fibrosasserem previstas, cada uma das ditas camadas fibrosascompreendendo uma rede de fibras de aramida de altatenacidade, e dito método ainda compreende a cobertura decada um das ditas camadas fibrosas com uma resinatermoplástica de poliuretano, e moldagem das ditas camadasfibrosas a uma pressão de pelo menos cerca de 1500 psi(10,3 MPa).
3. Método, de acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADO pelo fato das ditas camadas fibrosas seremmoldadas a uma pressão de pelo menos cerca de 2000 psi(13,8 MPa).
4. Método, de acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADO pelo fato das ditas camadas fibrosas seremmoldadas a uma pressão de pelo menos cerca de 3000 psi(20,7 MPa).
5. Método, de acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADO pelo fato das ditas camadas fibrosas seremmoldadas a uma temperatura de cerca de 75 a cerca de 260 0F(24 a 127 °C).
6. Método, de acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADO pelo fato da dita resina termoplástica depoliuretano estar presente em um teor de cerca de 1 a cercade 40 por cento do peso total do composto.
7. Método, de acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADO pelo fato da dita resina termoplástica depoliuretano estar presente em um teor de cerca de 10 acerca de 30 por cento do peso total do composto.
8. Método, de acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADO pelo fato das ditas camadas fibrosasadjacentes serem cruzadas entre si.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8,CARACTERIZADO pelo fato das ditas camadas fibrosascompreenderem um tecido não-trançado, onde ditas fibras sãodispostas de modo unidirecional em cada camada.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9,CARACTERIZADO pelo fato das camadas fibrosas adjacentesserem ditas fibras nas ditas camadas fibrosas não-trançadas, e serem dispostas de modo unidirecional em cadacamada.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10,CARACTERIZADO pelo fato das ditas camadas fibrosas seremcruzadas a 90° entre si.
12. Método, de' acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender pelo menos umapelícula plástica em contato com pelo menos uma das ditascamadas fibrosas.
13. MÉTODO PARA PRODUZIR UM MATERIAL COMPOSTORESISTENTE À BALÍSTICA, CARACTERIZADO pelo fato de possuirelevada resistência a projéteis de rifles de alta energia esemelhantes, e de compreender:provisão de uma primeira camada fibrosacompreendendo uma rede de fibras de aramida de altatenacidade;cobertura da dita primeira camada fibrosa com umaprimeira resina termoplástica de poliuretano;provisão de uma segunda camada fibrosacompreendendo uma rede de fibras de aramida de altatenacidade;cobertura da dita segunda camada fibrosa com umasegunda resina termoplástica de poliuretano; emoIdagem das ditas primeira e segunda camadasfibrosas a uma pressão de pelo menos cerca de 1500 psi(10,3 MPa).
14. Método, de acordo com a reivindicação 13,CARACTERIZADO pelo fato das ditas camadas fibrosascompreenderem um tecido não-trançado.
15. Método, de acordo com a reivindicação 14,CARACTERIZADO pelo fato das ditas fibras em cada uma dasditas primeira e segunda camadas fibrosas serem dispostasde modo unidirecional em cada camada.
16. Método, de acordo com a reivindicação 15,CARACTERIZADO pelo fato das ditas camadas fibrosas seremcruzadas a 90° entre si.
17. Método, de acordo com a reivindicação 14,CARACTERIZADO pelo fato das ditas camadas fibrosas seremmoldadas a uma pressão de pelo menos cerca de 2000 psi(13,8 MPa).
18. Método, de acordo com a reivindicação 14,CARACTERIZADO pelo fato das ditas camadas fibrosas seremmoldadas a uma pressão de pelo menos cerca de 3000 psi(20,7 MPa).
19. Método, de acordo com a reivindicação 14,CARACTERIZADO pelo fato das ditas camadas fibrosas seremmoldadas a uma temperatura de cerca de 75 a cerca de 260 0F(24 a 127 °C).
20. Método, de acordo com a reivindicação 16,CARACTERIZADO pelo fato das ditas primeira e segundaresinas termoplásticas de poliuretano estarem presentes emum teor de cerca de 1 a cerca de 40 por cento do peso totalde cada uma das ditas camadas.
21. Método, de acordo com a reivindicação 20,CARACTERIZADO pelo fato das ditas primeira e segundaresinas termoplásticas de poliuretano serem a mesma resinade poliuretano.
22. Método, de acordo com a reivindicação 21,CARACTERIZADO pelo fato da dita resina de poliuretanocompreender uma mistura copolimérica de resinas depoliuretano.
23. Método, de acordo com a reivindicação 21,CARACTERIZADO pelo fato das ditas fibras nas ditas primeirae segunda camadas fibrosas terem uma tenacidade de pelomenos cerca de 20 g/d.
24. Método, de acordo com a reivindicação 23,CARACTERIZADO pelo fato da ditas fibras nas ditas primeirae segunda camadas fibrosas terem um denier de cerca de 200a cerca de 3000.
25. Método, de acordo com a reivindicação 23,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender pelo menos umapelícula plástica em contato com pelo menos uma das ditascamadas fibrosas.
26. ARTIGO, CARACTERIZADO pelo fato de ser formadopelo método da reivindicação 13.
27. MÉTODO PARA PRODUZIR UM MATERIAL COMPOSTORESISTENTE À BALÍSTICA, CARACTERIZADO pelo fato de possuirelevada resistência a projéteis de rifles de alta energia esemelhantes, e de compreender:provisão de uma primeira camada fibrosa não-trançada compreendendo uma rede de fibras de aramida dealta tenacidade;cobertura da dita primeira camada fibrosa não-trançada com uma primeira resina termoplástica depoliuretano;provisão de uma segunda camada fibrosa não-trançada compreendendo uma rede de fibras de aramida dealta tenacidade;cobertura da dita segunda camada fibrosa não-trançada com uma segunda resina termoplástica depoliuretano;disposição das ditas primeira e segunda camadasfibrosas nao-trançadas, de forma que as ditas primeira esegunda fibras não-trançadas sejam orientadas, uma comrelação à outra; emoldagem das primeira e segunda camadas fibrosasa uma pressão de pelo menos cerca de 1500 psi (10,3 MPa).
28. Método, de acordo com a reivindicação 14,CARACTERIZADO pelo fato das ditas camadas fibrosas seremmoldadas a uma pressão de pelo menos cerca de 2000 psi(13,8 MPa) , onde as ditas fibras em cada uma das ditasprimeira e segunda camadas fibrosas são dispostas, demaneira unidirecional, em cada camada, e onde as ditascamadas fibrosas são cruzadas a 90° entre si.
29. Método, de acordo com a reivindicação 28,CARACTERIZADO pelo fato das ditas primeira e segundaresinas termoplásticas de poliuretano estarem presentes emum teor de cerca de 10 a cerca de 30 por cento em peso dopeso total de cada uma das ditas camadas.
30. ARTIGO, CARACTERIZADO pelo fato de ser formadopelo método da reivindicação 29.
31. MÉTODO PARA ELEVAR A RESISTÊNCIA DE UM COLETE ÀPROVA DE PROJÉTEIS DE RIFLES DE ALTA ENERGIA E SEMELHANTES,CARACTERIZADO pelo fato de compreender:provisão de uma primeira camada fibrosacompreendendo uma rede de fibras de aramida de altatenacidade;cobertura da dita primeira camada fibrosa com umaprimeira resina termoplástica de poliuretano;provisão de uma segunda camada fibrosacompreendendo uma rede de fibras de aramida de altatenacidade;cobertura da dita segunda camada fibrosa com umasegunda resina termoplástica de poliuretano;moldagem das primeira e segunda camadas fibrosasa uma pressão de pelo menos cerca de 1500 psi (10,3 MPa).,para formar um artigo moldado; eformação do colete pelo menos em parte através dodito artigo moldado.
32. Método, de acordo com a reivindicação 31,CARACTERIZADO pelo fato de compreender pelo menos cerca de- 40 pares de camadas fibrosas, cada uma das ditas camadasfibrosas compreendendo uma rede de fibras de aramida dealta tenacidade; cobertura de cada um das ditas fibras comum resina termoplástica de poliuretano, e moldagem dasditas camadas fibrosas a uma pressão de pelo menos cerca de- 1500 psi (10,3 MPa), para formar o dito artigo moldado.
33. Método, de acordo com a reivindicação 32,CARACTERIZADO pelo fato das ditas camadas fibrosascompreenderem tecidos não-trançados, cujas fibras sãodispostas de maneira unidirecional, e onde as ditas camadasfibrosas são cruzadas a 90° entre si.
34. Método, de acordo com a reivindicação 33,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender pelo menos umapelícula plástica em contato com pelo menos uma das ditascamadas fibrosas.
35. ARTIGO DE COLETE A PROVA DE BALAS,CARACTERIZADO pelo fato dele ser formado pelo método dareivindicação 34.
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