ES2294335T3 - Material compuesto flexible anti-penetracion. - Google Patents

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ES2294335T3 ES03772241T ES03772241T ES2294335T3 ES 2294335 T3 ES2294335 T3 ES 2294335T3 ES 03772241 T ES03772241 T ES 03772241T ES 03772241 T ES03772241 T ES 03772241T ES 2294335 T3 ES2294335 T3 ES 2294335T3
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Abstract

Un material compuesto balístico flexible y antipenetración que comprende un conjunto de fibras balísticas dispuestas en capas superpuestas, donde al menos una parte de dichas fibras está humedecida o impregnada con un polímero caracterizado porque dicho polímero tiene la forma de un líquido viscoso o viscoelástico que retiene sus características de fluido de tal modo que el material compuesto balístico flexible antipenetración queda permanentemente mojado o humedecido por dicho polímero.

Description

Material compuesto flexible anti-penetración.
La presente invención se refiere a un material compuesto flexible anti-penetración.
En particular, la presente invención se refiere a un material compuesto altamente flexible que tiene elevadas propiedades balísticas y a artículos cómodos antibalas, producidos con este material.
Los artículos resistentes a la penetración generalmente consisten en una serie de capas superpuestas de tejidos balísticos particulares.
Se sabe que los tejidos balísticos están hechos con gran tenacidad y con fibras resistentes entre las cuales las del tipo de aramídica, polietileno o polibenzobisoxazol son preferentes.
Las fibras pueden disponerse en diferentes construcciones, que son bien conocidas en la técnica como la estructura de urdimbre o trama para dar una tela tejida de modo que sea una estructura uni, multi o semidireccional.
Para la producción de artículos balísticos comúnmente usados, como chaquetas, armaduras para el cuerpo o chalecos anti-balas, las fibras mencionadas generalmente están presentes en forma de tejidos en urdimbre-trama o tejidos unidireccionales, semidireccionales, biaxiales o multiaxiales.
Se ha verificado que en las estructuras balísticas, el efecto anti-penetración y, como consecuencia, el arresto de la bala básicamente tiene lugar en dos fases:
-
en la primera fase, la propagación de una onda expansiva ocurre a lo largo de las fibras de las capas superficiales del tejido balístico golpeado por la bala. La velocidad de propagación de la onda expansiva, y como consecuencia el mecanismo de absorción de energía, está directamente relacionada con el módulo de la fibra y con la velocidad de propagación de sonido a lo largo de las propias fibras. Este fenómeno de propagación de onda tiene una duración de tiempo en el orden de microsegundos y tiene el principal fin de deformar la bala.
-
en la segunda fase, la estructura balística deforma y absorbe una parte adicional de energía.
En tejidos balísticos convencionales en urdimbre-trama, en los cuales las fibras en urdimbre se cruzan con las fibras en trama, las ondas expansivas a lo largo de las propias fibras se reflejan en los puntos de entrelazado en la misma dirección y con la misma magnitud que la primera onda del incidente o episodio; como consecuencia, la fibra sufre el fenómeno de carga superpuesta con una prematura estructura flexible.
Otra desventaja que se observa en el uso de tejidos balísticos tradicionales es que la diferencia en la involución del hilo de urdimbre con respecto al hilo de trama generalmente produce un tejido desequilibrado que provoca la propagación no homogénea de carga, tensión y alargamiento en direcciones de urdimbre y trama.
WO 91/12136, que forma una base para el preámbulo de la reivindicación 1, describe un método para tratar longitudes de láminas impregnadas con resina para que puedan suministrarse en forma de rollo para posteriores procesos o usos. Las láminas se impregnan por medio del uso de una resina termoestable que se cura o una resina de termoplástico que se endurece tras someterla a calor y que a continuación se prensa.
Con el fin de aumentar las propiedades balística, los tejidos en urdimbre-trama se han mejorado cosiendo capas superpuestas, por ejemplo tal y como se ilustra en la patente americana U.S. 5,619,748.
Posteriormente, se descubrió que los tejidos unidireccionales tienen un comportamiento balístico mejorado con respecto a los tejidos en urdimbre-trama. Esta mejora balística principalmente se debe a la ausencia de puntos de entrelazado entre las fibras, reduciendo de este modo el reflejo de la onda expansiva.
Sin embargo, se ha descubierto que en tejidos balísticos unidireccionales, las fibras tienden a separarse como resultado del impacto de la bala sin contribuir por lo tanto al freno o paro de la bala.
Con el fin de evitar estos inconvenientes y, por consiguiente, incrementar las propiedades anti-penetración de tejidos balísticos, se efectúa el tratamiento con acabado de resina en las fibras.
La función de la resina es permitir la transferencia de energía entre fibrillas de las fibras por medio de procesos de delaminación entre la fibrilla y la resina. Como consecuencia, se mejora la absorción de energía.
Un ejemplo típico de un tejido balístico del tipo urdimbre-trama con resina se describe en la patente americana U.S 6,127,291.
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El uso de otro tipo de tejidos para fines balísticos, el tejido llamado unidireccional cuyas fibras se impregnan con una matriz sólida que contribuye a aumentar al impacto, es también conocido por ejemplo en la patente americana U.S. 4,173,138.
Un tejido balístico unidireccional que tiene una matriz polimérica de una naturaleza elastomérica, en particular hecha de Kraton, con un módulo inferior a 41,300 kPa, también se conoce por la patente americana U.S. 4,623,574.
Sin embargo, estos tejidos tienen el inconveniente de tener una elevada rigidez estructural a causa de las propiedades mecánicas de la resina que forma una armadura balística corporal excesivamente rígida e incómoda, sobre todo si se lleva durante largos periodos.
También se ha descubierto que en el caso de un conflicto con armas de fuego, los movimientos de los sujetos que llevan un chaleco antibalas hecho con materiales rígidos son muy limitados, convirtiéndoles en un objetivo fácil.
Por lo tanto, se han realizado intentos para mejorar la flexibilidad de tejidos unidireccionales aplicando una serie de pliegues o arrugas en la capa externa hecha de material polimérico. Este tratamiento también demostró que era insatisfactorio con respecto a las propiedades de flexibilidad.
También se conocen varias estructuras anti-penetración, producidas mediante la impregnación o laminación de los tejidos con adecuadas resinas elastoméricas sólidas de termoplástico o termoestables.
La Patente U.S Nº 5,090,053 describe un material compuesto amortiguador de choques para uso en parachoques amortiguadores de choque, equipos deportivos protectores y en prendas protectoras, que está formado por una selección de malla abierta formada por un conjunto de hebras cruzadas interconectadas y por un conjunto de capas de dicha malla aseguradas en relación superpuesta, donde cada una de estas hebras tiene un centro o núcleo rodeado por un polímero viscoelástico que preferentemente consiste en sorbotano, un polímero sólido. Se describe que el material compuesto puede proporcionarse con un sistema de enfriamiento para pasos de fluido interconectados en cada intersección de hebra. La selección de malla abierta del compuesto no es adecuada para parar o frenar balas o cuchillos y tan sólo puede emplearse como funda contra el trauma.
También se conoce a través de la Patente U.S Nº 4,836,084 un compuesto de placa de armadura dura que consiste en una capa dura de impacto basada en material cerámico unido a un laminado sub-capa que está formado por una laminado de capas de fibras alternas y placas de metal. Las fibras en el laminado sub-capa están impregnadas con un material sólido sintético de enlace que tiene propiedades viscoelásticas. En una muestra del material sintético viscoelástico empleado, la tangente del ángulo de pérdida \delta, medida a 20ºC y a una frecuencia de 1 Hercio tiene los valores 0.01 < tangente \delta < 100 y el módulo de pérdida-rotura, en las mismas condiciones, tiene el valor 10^{2} Pa < G'' < 10^{9} Pa. El compuesto de placa de armadura descrito no es flexible en absoluto lo que da como resultado una estructura muy rígida que ofrece muy poca comodidad.
Sin embargo, se ha descubierto que la presencia de estas resinas sólidas o matrices en el artículo balístico final aún crea una estructura excesivamente rígida.
Por lo tanto, se necesitan materiales o tejidos balísticos que combinen características satisfactorias desde un punto de vista balístico y que ofrezcan una elevada flexibilidad y comodidad.
Por consiguiente, uno de los objetivos generales de la presente invención consiste en evitar reducir la incidencia de algunos inconvenientes de los artículos balísticos de la técnica anterior conocida, proporcionando un material compuesto flexible anti-penetración.
Un objetivo adicional de la presente invención consiste en proporcionar un artículo balístico que sea altamente resistente a la penetración de balas y a los cuerpos afilados en general, ofreciendo una gran comodidad en su uso.
Un objetivo final, aunque no por ello menos importante, de la presente invención consiste en proporcionar un chaleco anti-balas que sea flexible y confortable incluso cuando se lleva puesto durante largos periodos de tiempo y con una elevada resistencia a la penetración de cuerpos afilados.
A la vista de estos y otros objetivos que resultarán más evidentes a continuación, un primer aspecto de la presente invención se refiere a un material compuesto flexible anti-penetración que está formado por un conjunto de fibras balísticas dispuestas en capas superpuestas, en las cuales al menos una parte de dichas fibras está impregnada con un polímero en la forma de un líquido viscosos o visco-elástico que mantiene sus características de fluido.
En el alcance de la invención, el término polímero se refiere tanto a un material polimérico como a una resina natural o sintética, y sus mezclas.
Se ha descubierto que aplicando o mojando un polímero en la forma de un líquido viscoso o visco-elástico en fibras sintéticas, las características balísticas finales aumentan, y así mismo, las propiedades de flexibilidad también se mejoran. En particular, si el polímero empleado es un líquido visco-elástico, continuamente se deforma cuando se somete a fuerzas de intercambio y tiene a readquirir su forma en la ausencia de dichas fuerzas. De manera ventajosa, el polímero visco-elástico empleado, que está en forma líquida, conserva sus características de fluido de modo que el material compuesto flexible anti-penetración de la invención permanece permanentemente mojado por dicho polímero.
El término fibra generalmente se refiere a un cuerpo alargado cuya longitud es muy mayor que su sección transversal. En particular, las fibras balísticas están formadas por estas fibras que se emplean para producir materiales, tejidos, productos finales y artículos que tienen una resistencia a la penetración de balas, cuchillas cortantes, destornilladores, bayonetas y cualquier producto en general que tenga una forma puntiaguda o afilada.
Ejemplos de fibras balísticas que pueden usarse dentro del alcance de la invención incluyen fibras basadas en alcohol de polivinilo, poliacrilonitrilo, polibenzobisoxazol (PBO), poliolefínico, polimídico, poliaramídico, poliamídico, fibras de carbono o cristal y sus mezclas.
Las fibras balísticas preferentes para los fines de la invención se seleccionan de fibras poliamídicas aromáticas (fibras aramídicas), fibras de polietileno, fibras de polibenzobisoxazol (PBO) y sus mezclas.
Dentro el alcance de la invención, el uso de fibras balísticas que tienen una fuerza de impacto igual a al menos 15 J/g, un módulo de al menos 200 g/dtex, una fuerza de rotura de al menos 10 g/dtex, un total de 50 a 5,000 dtex y un total de fibrillas que oscila entre 0.5 20 dtex, resulta también ventajoso.
Las fibras usadas en el material compuesto flexible de la invención pueden estar normalmente en una forma impregnada, no cubierta, o pueden estar cubiertos por otros materiales, por ejemplos materiales poliméricos. Normalmente, las fibras pueden tratarse previamente, por ejemplo, se pueden estirar, calentar o humedecer previamente.
De acuerdo con un aspecto de la invención, las fibras balísticas del material de la invención están dispuestas en una capa y preferentemente en un conjunto de capas superpuestas que forman una estructura multi-capa anti-penetra-
ción.
En el material compuesto de la invención, las fibras balísticas pueden estar dispuestas en varias construcciones, por ejemplo, como un tejido del tipo unidireccional o multidireccional, como un tejido de urdimbre o trama, como tejido semi-unidireccional o semi-multidireccional en el cual al menos el 70% por peso de las fibras en la estructura están alineadas en la misma dirección, como un tejido lizo, como un tejido biaxial o multiaxial, como una tela no tejida, o como un fieltro.
La capa de fibras puede realizarse por medio de diferentes procedimientos operativos, por ejemplo, mediante tradicionales telares urimbre-trama, telares multiaxiales, telares de punto, o telares unidireccionales o multidireccionales, máquinas para perforar con aguja, y otras máquinas textiles conocidas por personas expertas en la técnica. También es posible emplear técnicas mezcladas usando una o más máquinas de las anteriormente citadas.
De acuerdo con una realización de la invención, el material compuesto tiene la forma de un tejido preferentemente del tipo multiaxial, en el cual las fibras tienen una gran fuerza de impacto. El peso de estos tejidos normalmente oscila entre 0.05 a 0.09 kg/m^{2} y preferentemente entre 0.07 a 0.5 kg/m^{2}, valores que permiten que se obtenga un radio favorable entre la resistencia de penetración y el peso.
La protección balística puede aumentar convenientemente por medio de la superposición de dos o más capas de red de fibras o mediante la superposición de capas de tejido con diferentes construcciones.
De acuerdo con otra realización, las capas de fibras pueden coserse juntas en una serie de capas o conectarse entre sí mediante otros medios de conexión, por ejemplo recurriendo al uso de resinas plastoméricas de reticulación, elastoméricas o termoestables o polímeros o mezclas de los mismos, por ejemplo, en la forma de envolturas, fieltros o polvos.
Las capas de fibras superpuestas pueden disponerse al azar o a lo largo de direcciones y ángulos predefinidos con respecto a la dirección principal de las fibras.
En el material compuesto de la invención, las fibras balísticas, o al menos una parte de las mismas, están situadas en contacto o impregnadas con un polímero en la forma de un líquido viscosos, convenientemente visco-elástico que mantiene sus características de fluido, convenientemente en todas las temperaturas activas.
El término líquido visco-elástico se refiere a un líquido que tiene tanteo un comportamiento viscoso como elástico.
Por comportamiento viscoso se entiende que el medio líquido sufre deformación continua cuando se somete a una tensión o carga de rotura y permanece deformado incluso cuando ya no se aplica la tensión o carga.
Por comportamiento elástico se entiende que el medio líquido sufre deformación cuando se somete a una tensión o carga de rotura y después vuelve a su forma original cuando se deja de aplicar la tensión o carga.
Los parámetros de material empleados para describir un líquido viscoso o visco-elástico son viscosidad (con respecto al comportamiento viscoso) y módulo elástico (G') y la pérdida de módulo elástico (G'') para describir el comportamiento visco-elástico. La viscosidad y el módulo en un polímero están generalmente relacionados con la tasa de rotura, peso molecular, temperatura, presión, cristalinización, concentración y composición.
La viscosidad dinámica del polímero fluido empleado dentro del alcance de la invención es de manera ventajosa superior a 250 mPa x s, y preferentemente oscila entre 5,000 y 500,000 mPa*s y más preferentemente entre 50,000 y 25,000,000 mPa*s a 25ºC. Preferentemente, una viscosidad cinemática del polímero fluido usado dentro del alcance de la invención es de manera superior a 200 cST.
Otra caracterización de un líquido viscoso o visco-elástico es su temperatura de transición a cristal, a partir de ahora llamado Tg.
El polímero líquido empleado dentro del alcance de la invención tiene de manera conveniente un Tg inferior a 0ºC, y preferentemente oscila entre -40ºC y -128ºC.
El polímero líquido adecuado para la presente invención es preferiblemente químicamente estable, estable a la luz, a la degradación ambiental, no-sujeto a polimerización espontánea, no perjudicial para la salud, hidrofóbico, y de manera conveniente tiene una presión de vapor insignificante a temperaturas medias (20-40ºC). Además, el polímero de la invención mantiene de manera conveniente un elevado índice de viscosidad en relación con la temperatura.
Se ha verificado que la impregnación parcial o total de una fibra con dicho polímero en la forma de un líquido viscoso o visco-elástico permite que cada filamento de las fibras se pase aun filamento adyacente. Esta característica mejora la flexibilidad de la red de fibras balísticas y, sorprendentemente, aumenta las propiedades balísticas del material compuesto de la invención.
De acuerdo con una realización preferente de la invención, el polímero líquido tiene un comportamiento líquido también en temperaturas inferiores a -40ºC y preferentemente hasta -128ºC y tiene G'' < G', convenientemente en todas las temperaturas y frecuencias.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona por lo tanto una fibra, que está en contacto o impregnada o humedecida con un polímero en la forma de un líquido viscoso o visco-elástico adecuado para fines balísticos.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un material compuesto balístico flexible, que comprende una serie de dichas fibras balísticas puestas en contacto o impregnadas con un polímero en la forma de un líquido viscoso o un líquido visco-elástico.
En el material compuesto balístico de la invención, las fibras balísticas pueden estar completamente cubiertas o impregnadas con dicho polímero líquido o pueden estar sólo parcialmente cubiertas o impregnadas.
El baño de las fibras balísticas o porciones de las mismas con el polímero líquido de la invención puede efectuarse antes de la realización de la red de fibras o preferentemente actúa el agente encolador de las fibras. Esto significa que el líquido también actúa como un coadyuvante de hilado o tejido, es decir, un agente de finalización.
De acuerdo con una realización, el líquido viscoso o visco-elástico puede disolverse en un medio disolvente adecuado para controlar su viscosidad antes de aplicarse a las fibras. El baño puede efectuarse de varios modos: por ejemplo, mojando la red de fibras en el polímero líquido, o de manera alternativa el polímero líquido puede pulverizarse en la superficie mediante boquillas.
Otra posibilidad es impregnar la red de fibras pasando por encima un cilindro rotatorio humedecido por el polímero líquido.
Si el líquido se ha diluido previamente con un disolvente, entonces el disolvente se evapora de manera conveniente antes de someter a la red de fibra a posibles procesos adicionales.
La red de fibras impregnadas puede entonces procesarse sometiéndose a presión y a temperatura.
Se adoptan de manera conveniente temperaturas de -20ºC a 200ºC y preferentemente entre 100ºC y 145ºC, y presiones entre 0.1 Bar y 200 Bar, en tiempos que oscilan entre 0.1 y 30 minutos. Pueden ser necesarios periodos de tiempo más largos para aplicaciones especiales, por ejemplo usando el material para compuestos balísticos rígidos.
La red puede someterse a temperatura y presión antes y/o después de la impregnación.
De acuerdo con otra realización, pueden añadirse rellenos al polímero líquido viscoso o visco-elástico, en forma de partículas o similares, como por ejemplo polvos metálicos, polvos con base mineral, por ejemplo carburos de silicona, carbonato de calcio, silicona, dióxido de silicona, micro-globos, cristales filiformes, en una cantidad que oscila, por ejemplo, entre 0.1 y 300% por peso con respecto al peso de la resina.
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Pueden añadirse uno o más agentes espesantes al polímero líquido viscoso con el fin de modificar el perfil viscoso o para proporcionar tixotropía. Por citar un ejemplo, pueden emplearse polímeros que modifican la viscosidad, como polímeros en bloque, aceites de parafina, ceras y sus mezclas. También es posible añadir al polímero líquido otras sustancias adecuadas para proporcionar características específicas a la red de fibras, tales como repelencia al hidro-aceite, como siliconas, fluorocarbonos y aceites. Sin embargo, los rellenos y otros polímeros añadidos no deben varias el estado físico del polímero de la invención.
Se ha comprobado que la aplicación de un polímero líquido viscoso o visco-elástico en fibras balísticas de manera inesperada aumenta las características balísticas y al mismo tiempo su flexibilidad.
Polímeros o resinas con la forma de un líquido viscoso o visco-elástico son adecuados para los fines de la invención comprenden poliolefina, en particular polialfa-olefinas o poliolefinas modificadas (entre las cuales se encuentre polietileno, polipropileno), derivados de alcohol polivinilo, polisoprenos, polibutadienos, polibutenos, poliisobutilenos, poliesteres, poliacrilatos, poliamidas, polisulfonas, polisulfuros; poliuretanos, policarbonatos, carbonos polifluoro, siliconas, glicoles, entre los cuales se encuentran glicol de polipropileno y de polietileno; copolímeros en bloque líquidos como polibutadieno -co- acrilonitrilo, poliestireno - polibutadieno - poliestireno, etileno co - polipropileno, resinas entre las cuales se encuentran resinas poliacrílicas, epoxi, fenólicas, opcionalmente modificadas, y gomas
líquidas.
Los polímeros fluidos particularmente adecuados tienen de manera ventajosa un peso molecular mayor que o igual a 250, preferentemente oscilando entre 250 y 50,000 y sin embargo mantiene el estado fluido y una elevada viscosidad.
Los polímeros fluidos particularmente adecuados dentro del alcance de la invención son fluidos líquidos no Newtonianos, también tixotrópicos y preferentemente líquidos visco-elásticos.
En el material compuesto de la invención, el polímero con la forma de un líquido viscoso o visco-elástico está presente en cantidades que de manera conveniente oscilan entre 0.05% y 50% por peso con respecto al peso de las fibras balísticas y preferentemente entre 5 a 30% por peso, con respecto al peso de las fibras.
Las características de un polímero líquido con base de polibuteno que puede emplearse para los fines de la presente invención resultarán más evidentes a partir de la siguiente ilustrativa aunque no limitadora descripción, en referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos.
En particular, el comportamiento reológico del polímero fluido con base de polibuteno depende del índice de rotura (índice de deformación), la frecuencia de aplicación de carga y la temperatura, de acuerdo con la siguiente caracterización preferente:
-
de 100ºC a 180ºC el líquido, si se somete a un flujo de rotura, muestra comportamiento newtoniano, es decir, se caracteriza por un valor constante de viscosidad dinámica (radio entre la tensión o carga aplicad y la velocidad de deformación) hasta que el índice de rotura se acerca a 900 s^{-1}, tal y como se ilustra en la Figura 1. Con el índice de rotura mayor que 900 s^{-1}, el líquido muestra una reducida reducción en la viscosidad (comportamiento pseudo-plástico). (La Figura 1 indica los valores de viscosidad medidos en relación con dos índices de rotura distintos (1 y 900 s^{-1})). Los valores de fuerza normales altos N (componente de la fuerza que actúa perpendicularmente con respecto a la dirección del flujo) no se midieron dentro de este rango de temperatura (ilustrado en la Figura 5, N < 1 Pa). En el mismo rango de temperatura, el módulo elástico (G') y el módulo disipativo (G'') tienen un comportamiento que revela el predominio del comportamiento líquido/viscoso con respecto al módulo elástico (G'' < G') en todas las frecuencias ilustradas en las Figuras 2, 3 y 4; los datos relacionados con el módulo elástico (E') y el módulo disipativo (E''), obtenidos a partir de medidas de compresión, también confirman la naturaleza frecuentemente viscosa del líquido en cuestión, tal y como se ilustra en la Figura 6.
-
De 99ºC a -40ºC el comportamiento es decididamente no-Newtoniano del tipo fuertemente pseudo-plástico, es decir, es de tal modo que la viscosidad disminuye con un incremento en el índice de rotura, tal y como se muestra en la Figura 1. En este rango de temperatura, las fuerzas normales alta (N) se midieron indicando cómo el comportamiento visco-elástico (que aparece con el efecto Weissenberg) aumenta con un descenso en la temperatura, tal y como se ilustra en la Figura 5. A pesar de la elevada viscosidad y la fuerza normal alta, la muestra, hasta una temperatura de -40ºC, siempre muestra el predominio del componente disipativo con respecto al componente elástico tanto en las medidas de flujo de rotura (G'' < G', como se demuestra en las Figuras 2, 3, y 4) como en las medidas de compresión (E'' < E', como se ilustra en la Figura 6). Este resultado explica la capacidad de la energía disipante que el líquido mantiene, también en condiciones de bajas temperaturas y/o elevada frecuencia (principio de inversión tiempo/tempe- ratura).
De acuerdo con el principio de inversión tiempo/temperatura el comportamiento de alta frecuencia se obtuvo (de 0.01 Hz a 8,000 Hz) a 25ºC, tal y como se muestra en la Figura 7, empleando los datos obtenidos del cambio de frecuencia a diferentes temperaturas (ver Figuras 2, 3 y 4). La Figura 8 muestra la tendencia del componente elástico E' y el componente disipativo E'' con una variación en la temperatura, aplicando cargas a una frecuencia de 1 Hz.
Un tejido extremadamente útil para los fines de la presente invención se obtiene preferentemente en un telar multi-axial se está hecho por dos o más capas de fibra balística interconectadas por una capa polimérica y opcionalmente por hilos de coser.
En este caso específico, el tejido es bi-axial y está hecho preferentemente con 1100 dtex hilo aramídico; durante la fase de deposición de los hilos balísticos se inserta de manera conveniente una capa polimérica entre las dos capas adyacentes de los propios hilos. De modo ventajoso, el tejido se estabiliza por medio de hilos de coser que enlazan las dos capas de fibras balísticas y, como consecuencia, se calandra e impregna con un polímero líquido y se presiona con temperatura. Los valores de presión habituales durante la fase de calandrar oscilan entre 5 y 50 bar, los valores de temperatura habitual oscilan entre 75 y 150ºC en relación con el tipo de polímero insertado entre las dos capas de fibras.
Preferentemente, los valores obtenidos mediante la impregnación son en una cantidad que oscila entre 10 y 30 g/m^{2}; una presión posterior opcional aplicada sobre el tejido impregnado con el polímero líquido, efectuada de manera conveniente a 5/10 bar, homogeniza la distribución del polímero líquido en el tejido.
El peso del tejido acabado es normalmente alrededor de 500 g/m^{2}.
Otro tipo de tejido útil para los fines de la presente invención se obtiene en telares tradicionales de urdimbre y trama. Los tejidos que tiene 10 hilos de urdimbre y 9,7 hilos de trama, también se realizan para un peso total de aproximadamente 190 g/m^{2}.
Tras el paso de tejer, el tejido se impregna mediante total inmersión en el polímero líquido, objeto de la presente invención, en una cantidad de aproximadamente 20 g/m^{2}.
El proceso finaliza con un alisamiento que se efectúa en láminas calientes a 100ºC con una presión de 1 bar.
En una segunda realización, el tejido está hecho de tejidos tradicionales urdimbre-trama, como tejido semi-unidireccional no tradicional, impregnado en polímero líquido y posteriormente se presiona bajo calor de manera opcional.
En otra realización de la presente invención una capa que comprende un polímero seleccionado de polímeros termoplásticos, termoestables, elastoméricos, entrecruzables o mezclas de los mismos, puede laminarse sobre las superficies del tejido mojado con las resinas líquidas por medio de calor y temperatura.
En una realización posterior, el tejido está hecho de dos o más capas superpuestas de fibras unidireccionales o semi-unidireccionales (con un ángulo de punto de entrelazado normalmente entre 80 y 100º), entre las cuales se inserta una capa polimérica; el tejido se trata con polímero líquido de la invención y se alisa y/o presiona.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona una armadura para el cuerpo, en particular un chaleco antibalas, hecho con el material compuesto balístico tal y como se ha descrito anteriormente.
De acuerdo con otro aspecto se proporcionan los productos o artículos finales protectores, comprendiendo el material compuesto balístico de la invención.
Se ofrecen los siguientes ejemplos con fines puramente ejemplares y no deben considerarse como limitativos de su alcance protector tal y como se especifica en las reivindicaciones adjuntas.
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Parte experimental
Con el fin de definir la flexibilidad de una red de fibras balísticas, se define un índice de flexibilidad de acuerdo con el siguiente test: se colocan dos superficies horizontales planas una sobre la otra, estando conectadas en un lado mediante un cierre o cremallera. La dimensión de la superficie es igual a 660 x 50 mm.
Las superficies citadas se mantienen mediante una estructura vertical que cruza las superficies horizontales en un lado de la superficie de orientación.
La red de fibras que tiene dimensiones de 400 x 400 mm se inserta entre las dos superficies horizontales con un lado paralelo al otro lado de la superficie horizontal. La distancia desde un lado de la red al primer lado de la superficie horizontal es igual a 100 mm.
El índice de flexibilidad es el radio de la distancia horizontal de un lado de un panel no plegado de la superficie vertical y la distancia de un panel doblado de la superficie vertical.
El impacto de la bala induce a la deformación de la protección balística en el lado trasero cuyo valor está inversamente relacionado con la cantidad de energía absorbida por la propia protección. Los valores de estas deformaciones se toman en una plastilina® en un modo bien conocido por la persona experta en la técnica.
Una mayor energía absorbida por la protección corresponde con una menor energía transferida al usuario del chaleco.
Las propiedades reológicas del líquido se estudiaron empleando dos reómetros diferentes:
-
Reómetro RMS800 de control de deformación rotacional de Rheometric Scientific para las medidas llevadas a cabo aplicando un campo de deformación por rotura.
-
Reómetro para medidas mecánicas dinámicas RSA2 de Rheomtetric Scientific, para medidas de "compresión".
Los sistemas de medida (geometrías de medida) fueron:
-
para las medidas de rotura (reómetro RMS800), se emplearon placas paralelas (diámetro 50 mm, 25 mm y 8 mm con una ranura vertical que oscila entre 1.5 y 3 mm);
-
para las medidas de "compresión" (reómetro RSA2), se empleo una geometría de placa paralela, con un diámetro de 25 mm.
El experimento se levó a cabo con variaciones en:
-
el índice de rotura de 0.1 a 100 s-1
-
la frecuencia de 0.1 a 100 rad/s (1 rad/s = 1 Hz),
-
la temperatura de -40ºCn a 180ºC.
El uso de dos instrumentos para estudiar las propiedades reológicas del líquido se debe a la posibilidad de estimular la tensión o carga a la cual el líquido se somete de manera comprensible durante su "actividad" normal. Más información relacionada con la información técnica e instrumentos útiles para medir la viscosidad se encuentra disponible en la publicación Laboratorio 2000, Noviembre 2001 (strumenti per la misura della viscosità).
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Ejemplo 1
Se preparó el panel balístico sobreponiendo 8 capas de +/- 45º tejido biaxial, se empleó un arámido 1100 dtex como hilo balístico.
Se usó un hilo no balístico para mantener las fibras correctamente alineadas en cada capa.
Entre la fibra alineada unidireccional de cada capa reside una capa elastomérica. Tras el alisamiento, la capa de fibras se cubrió con un líquido viscoso con base de polibuteno (TEXTOL® por Lamberti Spa, Ardizzate, Mi) que cubre la parte restante de las fibras no cubierta por la capa elastomérica.
El peso de cada capa fue 475 g/m^{2}.
El peso total fue 3,8 kg/m^{2}.
Las principales propiedades del fluido líquido viscoso son las siguientes:
-
peso molecular 5900
-
viscosidad cinemática 1.00.000 centistokes (1.000.000 mPas) a 25ºC.
-
Punto de fluidez
\hskip0.5cm
-60ºC
-
Tg
\hskip2.4cm
-40ºC
El índice de capacidad para doblarse o índice de flexibilidad para cada capa fue 0.400.
El índice de capacidad para doblarse o índice de flexibilidad para el conjunto fue 0.433.
La prueba balística se llevó a cabo siguiendo el disparo NIJ 01.01.003 clase II con bala SJSP 0.357 158 gr. No se dio ninguna perforación. El trauma registrado en la plastilina® fue 34 mm.
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Ejemplo 2
Se utilizó la misma red del ejemplo 1 con la única diferencia que la cubierta se realizó con un polímero elastomérico (acrílico) disponible en el mercado que ha demostrado buenas actuaciones balísticas.
Las características del elastómero acrílico son las siguientes:
-
fuerza (DIN 53455)
\hskip1.2cm
1.86/mm^{2}
-
alargamiento en la rotura
\hskip0.5cm
522%
-
TG
\hskip3.5cm
-30ºC
El índice de capacidad para doblarse o índice de flexibilidad para cada capa fue 0.480. El índice de capacidad para doblarse o índice de flexibilidad para el conjunto fue 0.581.
La prueba balística se llevó a cabo siguiendo el disparo NIJ 01.01.003 para la clase II con bala SJSP 0.357 158 gr.
No se dio ninguna perforación. El trauma registrado en la plastilina® fue 34 mm.
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Ejemplo 3
Se impregnaron 23 capas de tejido de urdimbre y trama con base aramídica llamado con la denominación Style 802 (8.5 hilos/cm urdimbre y 8.5 hilos/cm en trama - total 1100 dtex - peso 190 g/m^{2} en estado de telar) se impregnaron en 7 g/m^{2} de fluido líquido viscoso polibuteno como en el ejemplo 1.
El índice de capacidad para doblarse para cada capa fue 0.127. El índice de capacidad para doblarse para el conjunto fue 0.133.
El conjunto balístico se realizó mediante una simple superimposición de las mencionadas 23 capas. El peso total fue 4,530 kg/m^{2}. La prueba balística se llevó a cabo siguiendo el disparo NIJ 01.01.003 para la clase II con bala SJSP 0.357 158 gr. No se dio ninguna perforación. El trauma registrado en la plastilina® fue 41 mm.
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Ejemplo 4
Se impregnaron 24 capas de tejido de urdimbre y trama con base aramídica Style 802 (8.5 hilos/cm urdimbre y 8.5 hilos/cm en trama - total 1100 dtex - peso 190 g/m^{2} en estado de telar) se impregnaron en 7 g/m^{2} de fluido líquido viscoso polibuteno como en el ejemplo 1.
El índice de capacidad para doblarse para cada capa fue 0.127; El índice de capacidad para doblarse para el conjunto fue 0.133.
El conjunto balístico se realizó mediante una simple superposición de las mencionadas 24 capas de fibras. El peso total fue 4,728 kg/m^{2}. La prueba balística se llevó a cabo siguiendo el disparo NIJ 01.01.003 para la clase II con bala SJSP 0.357.158 gr. No se dio ninguna perforación. El trauma registrado en la plastilina® fue 36 mm.
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Ejemplo 5
Se superpusieron 24 capas del mismo tejido de urdimbre y trama con base aramídica Style 802 (8.5 hilos/cm urdimbre y 8.5 hilos/cm en trama - total 1100 dtex - peso 190 g/m^{2}) en estado de telar, sin impregnación.
El panel se cosió transversalmente en el centro con dos puntos pequeños de 50 mm. Cada uno. El peso fue 4,560 kg/m^{2}.
El índice de capacidad para doblarse para el conjunto fue 0.233.
La prueba falló porque el trauma superó los límites.
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Ejemplo 6
Se utilizaron 24 capas del tejido de urdimbre y trama con base aramídica llamado con la denominación Style 802 (8.5 hilos/cm urdimbre y 8.5 hilos/cm en trama - total 1100 dtex - peso 190 g/m^{2}) en estado de telar.
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El conjunto se realizó superponiendo las 24 capas y a continuación cosiendo con dos costuras periféricas con hilo de aramido.
El índice de capacidad para doblarse para el conjunto fue 0.743.
El peso total fue 4,560 kg/m^{2}.
La prueba se llevó a cabo como en el ejemplo 3. El trauma registrado fue 43 mm.
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Ejemplo 7
Se superpusieron 24 capas del tejido de urdimbre y trama con base aramídica Style 802 (8.5 hilos/cm urdimbre y 8.5 hilos/cm en trama - total 1100 dtex - peso 190 g/m^{2}), sin impregnación.
El conjunto se cosió en un patrón de 40x40 mm con hilo de aramido a 45 grados con respecto a la dirección de las fibras balísticas.
El índice de capacidad para doblarse para el conjunto fue prácticamente infinito.
La prueba balística se llevó a cabo siguiendo el disparo NIJ 01.01.003 para la clase II con bala SJSP 0.357 158 gr. No se dio ninguna perforación. El trauma registrado en la plastilina® fue 391 mm.
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Ejemplo 8
Se impregnaron 22 capas de tejido semi-unidireccional con el mismo líquido viscoso empleado en el ejemplo 1.
El tejido se hizo con hilo de aramido 930 dtex. Se insertó una capa plastomérica entre los dos sustratos haciendo una única capa.
Los dos sustratos tienen las fibras balísticas formando un ángulo de aproximadamente 90º.
El conjunto se hizo mediante superposición de las mencionadas 22 capas para conseguir un peso total de 4,950/kg por metro cuadrado.
El índice de capacidad para doblarse para cada capa fue 0.307.
El índice de capacidad para doblarse para el conjunto fue 0.373.
La prueba balística se llevó a cabo siguiendo el disparo NIJ 01.01.003 con clase III A con una bala SJSP de calibre 0,44 Magnum. No se dio ninguna perforación y el trauma fue 41 mm.
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Ejemplo 9
Se superpusieron 23 capas del mismo tejido que el ejemplo 8 sin ninguna impregnación para producir el conjunto balístico. El peso total medido fue 5,065/kg por metro cuadrado.
El índice de capacidad para doblarse para cada capa fue 0.233.
La prueba balística se llevó a cabo siguiendo el disparo NIJ 01.01.003 con clase III A con una bala SJSP de calibre 0,44 Magnum. La prueba falló porque el trauma sobrepasó los requisitos de las especificaciones.
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Ejemplo 10
Se cubrieron 22 capas de tejido semi-unidireccional como las del ejemplo 8 con un fluido líquido viscoso como el del ejemplo 1.
El peso total fue 5.065 m^{2}.
El índice de capacidad para doblarse para cada capa fue 0.307.
El índice de capacidad para doblarse para el conjunto fue 0.373.
La prueba balística se llevó a cabo siguiendo el disparo NIJ 01.01.003 con clase II con una bala SJSP de calibre 0.357 Magnum. No se registró ninguna perforación. El trauma fue 41 mm.
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Ejemplo 11
Se mojaron 22 capas del mismo tejido descrito en el ejemplo 8 con un polímero elastomérico acrílico que es bien conocido por ser una matriz activa (como en el ejemplo 2) en construcción balística. Las capas se superpusieron.
La cantidad de polímero fue 10 g/m^{2}. El peso total fue 5.130 kg/m^{2}.
El índice de capacidad para doblarse para cada capa fue 0.500.
El índice de capacidad para doblarse para el conjunto fue 0.443.
La prueba se llevó a cabo siguiendo el disparo NIJ 01.01.003 con clase II con una bala SJSP de calibre 0.357 Magnum. No se registró ninguna perforación y el trauma fue 38 mm.
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Ejemplo 12
Una construcción unidireccional con cruce de capa a 90º y peso de 263 g/m^{2} se hizo con fibra aramida 1100 dtex. Se colocó una capa de polietileno entre las subcapas unidireccionales.
17 capas de la construcción mencionada se cubrieron parcialmente con 8 g/m^{2} del mismo polímero líquido viscoso del ejemplo 1 y se superpusieron una sobre otra.
El peso total fue 4.470 kg/m^{2}.
El índice de capacidad para doblarse para de capa fue 0.447.
El índice de capacidad para doblarse del conjunto fue 0.383.
El conjunto fue testado con el fin de encontrar el límite balístico con bala 9 mm FJM KM 11A_{1}B_{2}.
Descubrimos que el límite V 50 fue 475 m/seg.
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Ejemplo 13
La construcción textil como la del ejemplo 12 se impregnó usando un elastómero termoplástico llamado Kraton D-1161 (sustituyendo Kraton D-1107 pero con características mecánicas similares) que es bien conocido por ser una matriz de actuación en Construcción Balística. La cantidad de resina fue 7 g/m^{2}.
Se superpusieron 17 capas. El peso total fue 4.488 kg/m^{2}.
El índice de capacidad para doblarse para la única capa fue 0.717.
El índice de capacidad para doblarse del conjunto fue 0.740.
Se testó la estratificación con el fin de conseguir el límite del índice de perforación con un proyectil de 9 mm.
El límite balístico encontrado fue 473 m/seg.
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Comparación entre Ejemplo 1 y Ejemplo 2
Cubriendo el mismo número de capas de tejido biaxial con un líquido viscoelástico o con un polímero sólido elastomérico se descubrió:
La capacidad para doblarse es mayor cuando se aplica el líquido viscoelástico (0.400 en comparación con 0.480).
Las propiedades balísticas no varían.
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Comparación entre Ejemplo 1 y Ejemplo 5
Comparando el tejido urdimbre-trama cubierto con un líquido viscoelástico con un tejido cubierto que no es urdimbre-trama se concluye lo siguiente:
El índice de capacidad para doblarse es mayor cuando se aplica un líquido viscoelástico (0.127 en comparación con 0.233).
Las propiedades balísticas son superiores cuando se aplica el líquido (el panel no cubierto falló la prueba relacionada con el trauma) incluso con un peso específico total inferior.
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Comparación de Ejemplos 4, 6 y 7
Comparando la actuación balística de un tejido urdimbre-trama impregnado con un líquido polibuteno de la invención con un tejido urdimbre-trama no impregnado, teniendo capas unidas por puntos centrales, periféricos o puntos de acolchado, se descubre que el índice de capacidad para doblarse es mayor cuando se aplica un líquido viscoelástico (0.127 en comparación con 0.743 y 15).
Además, las propiedades balísticas son mayores cuando se aplica el líquido; el trauma es de 36 mm contra 43 mm en el tejido cosido periférico, de 39 mm en el tejido cosido acolchado y de 44 mm en el tejido cosido central.
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Comparación entre Ejemplos 8 y 9
Comparando un tejido semi-unitrama cubierto con un líquido polimérico viscoso como polibuteno con el mismo tejido no cubierto se concluye que:
El índice de capacidad para doblarse es comparable (0.307 comparado con 0.233) cuando se aplica el fluido líquido viscoelástico y las propiedades balísticas son superiores cuando se aplica el líquido polimérico (el panel no cubierto falló la prueba relacionada con el trauma) incluso con un peso específico total inferior.
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Comparación entre Ejemplo 10 y Ejemplo 11
Comparando un tejido semi-unitrama cubierto por un líquido polimérico viscoso (polibuteno) con el mismo tejido cubierto por un polímero elastomérico en forma sólida, se concluye que el índice de capacidad para doblarse es mayor(0.307 comparado con 0.500) cuando se aplica el líquido viscoelástico; las propiedades balísticas relacionadas con el trauma son las mismas (38 mm para ambas soluciones).
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Comparación entre Ejemplo 12 y Ejemplo 13
Comparando un tejido biaxial impregnado con un líquido viscoelástico con el mismo tejido cubierto por un polímero elastomérico en forma sólida, se concluye:
El índice de capacidad para doblarse es mayor cuando se aplica un líquido viscoelástico (0.447 en comparación con 0.717).
Las propiedades balísticas relacionadas con V_{50} son prácticamente las mismas (474 m/seg y 473 m/seg).
Lo anterior es una evidencia de que humedeciendo o impregnando un conjunto (red) de fibras balísticas con un líquido viscoso o viscoelástico de acuerdo con la invención, la flexibilidad y las propiedades balísticas mejoran.

Claims (29)

1. Un material compuesto balístico flexible y antipenetración que comprende un conjunto de fibras balísticas dispuestas en capas superpuestas, donde al menos una parte de dichas fibras está humedecida o impregnada con un polímero caracterizado porque dicho polímero tiene la forma de un líquido viscoso o viscoelástico que retiene sus características de fluido de tal modo que el material compuesto balístico flexible antipenetración queda permanentemente mojado o humedecido por dicho polímero.
2. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con la reivindicación 1, donde dicho polímero es un líquido viscoelástico no-Newtoniano.
3. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-2, donde dicho polímero tiene la forma de un líquido viscoelástico, donde el componente disipativo es mayor con respecto al componente elástico G'' > G'.
4. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con la reivindicación 1, donde dicho polímero tiene una viscosidad dinámica que oscila entre 250 y 25,000,000 mPas a 25ºC.
5. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde dicho polímero tiene una viscosidad cinemática superior a 200 cST a 25ºC.
6. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, donde dicho polímero tiene un peso molecular que oscila entre 250 y 50,000.
7. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, donde dicho polímero se selecciona del grupo consistente en poliolefinas, derivados de alcohol polivinilo, polisoprenos, polibutadienos, polibutenos, poliisobutilenos, poliesteres, poliacrilatos, poliamidas, polisulfonas, polisulfuros; poliuretanos, policarbonatos, fluoro-carbonos, siliconas, glicoles, copolímeros en bloque líquidos, poliacrílicos, epoxi, fenólicos, gomas líquidas y sus mezclas.
8. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-7, donde dicho polímero tiene forma líquida y está por debajo de una temperatura de -128ºC.
9. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con lar reivindicaciones 1-8, donde dicho polímero es un líquido con un comportamiento tixotrópico.
10. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-9, donde las fibras están dispuestas en una forma seleccionada de tejido urdimbre-trama, estructura unidireccional, estructura semi-unidireccional, estructura multidireccional, estructura semimultidireccional, estructura bi o multiaxial o combinaciones de las mismas.
11. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-10, donde dichas fibras balísticas se seleccionan del grupo consistente en alcohol de polivinilo, poliacrilonitrilo, polietileno, polibenzobisoxazol (PBO), polimídico, poliaramídico, poliamídico, bramido heterocíclico, fibras de carbono o cristal y sus mezclas.
12. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-11, donde la fuerza de dichas fibras balísticas es al menos 15 g/den.
13. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-12, donde el módulo de dichas fibras balísticas es al menos 200 g/den.
14. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-13, donde la energía para romper dichas fibras balísticas es al menos 10 julios/g.
15. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-14, donde el total de dichas fibras balísticas oscila entre 50 y 3,000 dtex y/o el total de cada fibrilla oscila entre 0.5 y 20
dtex.
16. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-15, donde una parte de dichas fibras balísticas está en contacto con un polímero termoplástico, termoestable, elastomérico, de cruce y sus mezclas.
17. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-16, donde al menos una parte de dichas fibras balísticas está impregnada por dicho polímero en la forma de un líquido viscoso o viscoelástico.
18. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-17, que también comprende una capa polimérica entre o fuera de una o más capas de las fibras balísticas.
19. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-18, donde dicha capa polimérica comprende un polímero o una resina, cada uno de los cuales puede ser independientemente de termoplástico o termoestable, de cruce, elastomérico, y mezclas de los mismos.
20. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-19, donde al menos dos capas de fibras están unidas entre sí por medio de medios de conexión.
21. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con la reivindicación 20, donde dichos medios de conexión comprenden hilos o monofilamentos.
22. El material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-21, caracterizado porque el polímero en forma líquida es polibuteno.
23. Armadura para el cuerpo caracterizada porque comprende un material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-22.
24. La armadura para el cuerpo de acuerdo con la reivindicación 23, consistente en un chaleco antibalas.
25. Uso de una fibra impregnada o mojada con un polímero fluido en la forma de un líquido viscoso o viscoelástico para la producción de un artículo balístico antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 23-24.
26. Un proceso para la preparación de un material compuesto balístico flexible y antipenetración de acuerdo con las reivindicaciones 1-22 que comprende la aplicación de un polímero caracterizado porque dicho polímero tiene la forma de un líquido viscoso o viscoelástico en al menos una parte de dicha fibra balística.
27. El proceso de acuerdo con la reivindicación 26, que comprende la costura de las fibras balísticas, la impregnación del tejido producido con un polímero líquido viscoso o viscoelástico y el alisamiento del tejido impregnado.
28. El proceso de acuerdo con la reivindicación 26, donde el tejido se impregna con un polímero líquido antes de la fase de costura y alisamiento.
29. Uso de un polímero en la forma de un líquido viscoso o viscoelástico, como un agente de acabado o agente encolador en la preparación o costura de artículos finales balísticos o tejidos de acuerdo con las reivindicaciones 23-24.
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