ES2332305T3

ES2332305T3 - Estructura balistica laminada que comprende capas unidireccionales y termoplasticas alternas.

Info

Publication number: ES2332305T3
Application number: ES02778880T
Authority: ES
Inventors: Johannes Maria Bergmans; Ernst Michael Winkler; Kurt Rainer Hans-Heinrich Stolze; Carsten Karl Joseph Rose
Original assignee: Teijin Aramid GmbH
Current assignee: Teijin Aramid GmbH
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2010-02-02
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: CN100455977C; NO20035250L; EP1399703A1; DE60234340D1; NO20035250D0; JP2004530039A; RU2289775C2; KR20040019305A; KR100918183B1; CA2450338C; HRP20030973B1; PL197403B1; RU2004100304A; CZ20033391A3; EP1399703B1; HRP20030973A2; CN1514926A; NO328121B1; ZA200308480B; JP4138646B2

Abstract

Una estructura balística laminada, que comprende una disposición de capas de n capas unidireccionales (UD) de fibras balísticas y m capas termoplásticas sustancialmente alternas, excluyendo las capas termoplásticas de los lados exteriores de la estructura, en la que 1/2 n<=m<n y las capas UD comprenden 1-25% en peso de un material elastómero sobre la base del peso de fibra seca.

Description

Estructura balística laminada que comprende capas unidireccionales y termoplásticas alternas.

La invención se refiere a una estructura balística laminada que comprende capas unidireccionales (UD) y termoplásticas alternas.

Son conocidas en la técnica las estructuras balísticas laminadas que comprenden capas UD y termoplásticas. Por ejemplo, en el documento US 5.935.678 se describe una estructura balística laminada compuesta de capas UD de fibras de polietileno. Unas películas de polietileno se sitúan entre dos capas UD. Se coloca la película entre las capas UD para mantener las capas juntas, sin incrustar las fibras individuales en el polietileno. Las capas UD son capas de fibras con filamentos paralelos. Sin embargo, normalmente las estructuras balísticas comprenden capas balísticas de fibras, tales como fibras de aramida o de polietileno de alta densidad, incrustadas en una matriz de caucho o similar al caucho. Tales estructuras balísticas se describen, por ejemplo, en el documento US 4.916.000, en el que los filamentos individuales de las capas balísticas están (preferiblemente) completamente revestidas con un material elastómero termoplástico tal como Kraton. Ambos tipos de estructuras balísticas tienen desventajas. Las estructuras balísticas comunes que contienen material matriz, tales como las del documento US 4.916.000, muestran una resistencia menor al impacto balístico que las estructuras como las del documento US 5.935.678. A mayores contenidos de matriz estas estructuras muestran una disminución del rendimiento balístico con cantidades crecientes de matriz y además un aumento de peso debido al material matriz. La cantidad de matriz no se puede reducir demasiado sin correr el riesgo de obtener estructuras balísticas inestables. Las estructuras balísticas que tienen una película termoplástica entre las capas UD como se describe en el documento US 5.935.678, aunque tienen propiedades balísticas muy buenas, se encontró que eran extremadamente inestables al impacto balístico (véase Experimental). Por lo tanto, todavía hay una considerable necesidad de estructuras balísticas que muestren una alta resistencia al impacto balístico y que al mismo tiempo tengan una alta estabilidad.

Un objetivo de la presente invención es proporcionar una estructura balística laminada con una alta resistencia al impacto balístico y una alta estabilidad.

Se encontró que estos objetivos se cumplen cuando se usa una estructura balística laminada que comprende una disposición de capas de n capas unidireccionales(UD) de fibras balísticas y m capas termoplásticas sustancialmente alternas, excluyendo las capas termoplásticas de los lados exteriores de la estructura, en la que 1/2 n\leqm<n y las capas UD comprenden 1-25% en peso de un material elastómero sobre la base del peso de fibra seca.

Las estructuras balísticas de la presente invención muestran un excelente comportamiento balístico, mientras que las capas son estables y no se produce pérdida de estratificación por impacto balístico. Se enfatiza que se requiere que estén presentes un número sustancial de capas termoplásticas, al menos la mitad del número de capas UD balísticas. Preferiblemente, cada capa UD se alterna con una capa termoplástica, pero cuando tal regularidad de estructura de capas se viola de vez en cuando normalmente no tiene un efecto drástico. Por razón de claridad se enfatiza adicionalmente que se pueden colocar dos o más capas termoplásticas entre dos capas UD. Debido a que tales capas termoplásticas múltiples se funden juntas con la alta presión y temperatura que se usa durante la producción de estas estructuras laminadas, tales capas termoplásticas múltiples se consideran como una capa según esta invención. Cuando ambos lados de cada capa UD están adyacentes a una capa termoplástica, el número de capas termoplásticas es mayor en una unidad que el número de capas UD. Los lados exteriores de la estructura laminada pueden contener capas termoplásticas, por ejemplo, una capa termoplástica en ambos lados que sirven como películas protectoras. Estas capas termoplásticas en los lados exteriores de la estructura no están incluidos en el número "m" que representa el número de otras capas termoplásticas. Cuando no se colocan estas capas termoplásticas exteriores, se pueden colocar en su lugar capas protectoras de cualquier otro material adecuado. Además, incluso cuando los lados exteriores de la estructura laminada se proveen con capas termoplásticas, además de ellas se pueden colocar capas protectoras adicionales de cualquier otro material adecuado si así se desea. Se enfatiza además que las estructuras de la invención son particularmente útiles para fabricar estructuras laminadas balísticas duras. Cuando las capas múltiples contienen muchas capas, tales estructuras son menos adecuadas o no adecuadas para aplicaciones balísticas blandas. Para aplicaciones balísticas duras el número de capas UD normalmente es más de 5, más preferiblemente más de 8. Es muy habitual aplicar 8-25 capas UD y aplicar entre cada una de estas capas, o al menos entre la mayoría de estas capas, una capa termoplástica.

Adicionalmente se encontró que el uso de las capas termoplásticas sólo para fijar las capas UD, aunque producen excelente comportamiento balístico, no es suficiente para garantizar una estructura balística estable. Se encontró que después de presionar y calentar la estructura laminada las capas termoplásticas están en contacto intenso con las capas UD, pero el material termoplástico no rodea completamente ni impregna completamente cada una de las fibras. Por lo tanto, se cree que la estructura no tiene suficiente estabilidad. Se halló que la estabilidad deseada se obtuvo cuando se usaron pequeñas cantidades de un material elastómero como un material matriz. Estas cantidades son normalmente sustancialmente más pequeñas que las que se usan en las estructuras balísticas de la técnica anterior. Además, no es necesario que la matriz revista completamente los filamento individuales, como se prefiere en el caso de la técnica anterior. La matriz presente sirve así para un propósito diferente, porque ya no fija las capas UD sino que sólo evita su pérdida de estratificación. Tal fijación se obtienen por medio de las capas termoplásticas entre las capas UD.

Materiales termoplásticos adecuados son, por ejemplo, polietileno y polipropileno, en los que la matriz elastómera normalmente es un caucho o un material similar al caucho, tal como Kraton o resina de poliuretano, los cuales se usan habitualmente en estructuras balísticas. También otros materiales tales como polibutadieno, poliisopreno, caucho natural, poli(cloruro de vinilo) plastificado, poliacrilatos, poliésteres, y similares. Las estructuras comprenden 1-25% en peso, preferiblemente 3-15% en peso, y más preferiblemente 5-12% en peso de un material elastómero sobre la base de peso de fibra seca (hilaza seca). El espesor de capa de las capas termoplásticas es entre 1 y 250 \mum, preferiblemente 6-50 \mum, y más preferiblemente 10-25 \mum. Las capas UD están preferiblemente contrachapadas, por ejemplo en ángulos de 0 y 90º.

Las fibras balísticas adecuadas se eligen entre aramida, poliolefina y polímeros de varilla rígida. Las fibras de aramida preferidas se fabrican a partir de p-aramida, tal como Twaron^{TM}, Kevlar^{TM}, y Technora^{TM}. Las fibras de poliolefina preferiblemente son polietileno de alta densidad tal como Spectra^{TM} y Dyneema^{TM}. Las fibras adecuadas de polímeros de varilla rígida se seleccionan entre PBO (poli-o-fenilenbenzobisoxazol) tal como Zylon^{TM} y PBI (poli-p-fenilenbenzobisimidazol) tal como "M5".

Aunque en la mayoría de los casos no es necesario, la estructura balística puede comprender paneles rígidos, por ejemplo, de un material cerámico o acero.

La invención se ilustra adicionalmente por medio de los siguientes experimentos.

En todos los experimentos se fabricaron láminas UD con una anchura de 50 cm a partir de 250 hilazas de Twaron^{TM} 2000, 3360 dtex f1000, extendiendo las hilazas uniformemente sobre la totalidad de la anchura.

Experimento 1

(Comparación)

Una película LDPE (de Bührmann) con un espesor de 15 \mum se laminó sobre las hilazas a una temperatura de 150ºC. La lámina UD resultante se cortó en trozos de 50 cm de longitud. Dos trozos de UD se contrachaparon (0 y 90 grados) con las películas en los lados exteriores. Se colocó una película LDPE (de Borden) con un espesor de 23 \mum entre estas dos láminas UD, dando lugar a una estructura con n= 2 y m= 1. Las láminas se presionaron a presión de 0,5 MPa y una temperatura de 130ºC. Se apilaron diez de estos blindajes y se presionaron durante 20 minutos a presión de 9,5 MPa y 135ºC, dando lugar a una estructura con n= 20 y m= 19. El material compuesto balístico se ha ensayado con munición de 9 mm VMR DM11 A1 B2 (fabricada por DAG, el peso de la bala es 8 g) Los valores V50 resultantes fueron altos (480 m/s) pero los blindajes mostraron grave pérdida de estratificación. Por lo tanto, después de varios impactos el material compuesto no se podría usar más.

Experimento 2

(Comparación)

Las hilazas se impregnaron con una dispersión de Kraton (Prinlin^{TM} B7137AL, de Pierce y Stevens). Después de secado se obtuvo una lámina UD con un contenido de matriz de aproximadamente 15% en peso (sobre la base del peso de hilaza seca). Las láminas se cortaron en trozos de 50 cm de longitud. Dos trozos de UD se contrachaparon (0 y 90 grados) y se presionaron juntos a 0,06 MPa y 110ºC. Se apilaron diez de estos blindajes y se presionaron durante 20 minutos a 9,5 MPa y 135ºC. El ensayo con la misma munición de 9 mm como en el ejemplo 1 dio lugar a un valor V50 de 433 m/s. Incluso después de varios impactos el material compuesto no mostró pérdida de estratificación.

Experimento 3

Las hilazas se impregnaron con la dispersión de Kraton como en el Ejemplo 2. Durante el secado de la dispersión (a 135ºC) se laminó una película de LDPE de 15 \mum (de Bührmann) sobre la lámina de hilaza como en el Ejemplo 1. La lámina UD seca contenía 9% en peso de Kraton (sobre la base del peso de hilaza seca). Dos trozos de UD se contrachaparon (0 y 90 grados) con las películas en el exterior. Se colocó una película de LDPE con un espesor de 15 \mum entre estas dos láminas UD. Las láminas se presionaron a presión de 0,06 MPa y una temperatura de 110ºC. Se apilaron nueve de estos blindajes y se presionaron durante 20 minutos a presión de 9,5 MPa y 135ºC. El ensayo con la munición de 9 mm de los Ejemplos anteriores dio lugar a un valor V50 de 467 m/s. Incluso después de varios impactos el material compuesto no mostró pérdida de estratificación.

Conclusión

Los resultados de los Experimentos 1-3 se indican en la tabla, la cual muestra el peso y los valores V50 para los blindajes. Como comparación, también se dan los valores para un laminado pre-impregnado estándar (material Twaron^{TM} CT 736, un lado revestido con 55 g/m^{2} de PVB (resina fenólica modificada con polivinilbenceno). Los blindajes según la invención dan comportamiento superior que el laminado pre-impregnado estándar y también que los blindajes con sólo película de PE o sólo Kraton.

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Claims

1. Una estructura balística laminada, que comprende una disposición de capas de n capas unidireccionales (UD) de fibras balísticas y m capas termoplásticas sustancialmente alternas, excluyendo las capas termoplásticas de los lados exteriores de la estructura, en la que 1/2 n\leqm<n y las capas UD comprenden 1-25% en peso de un material elastómero sobre la base del peso de fibra seca.

2. La estructura balística laminada de la reivindicación 1, en la que las capas UD comprenden 3-15% en peso del material elastómero.

3. La estructura balística laminada de la reivindicación 1, en la que las capas UD comprenden 5-12% en peso del material elastómero.

4. La estructura balística laminada de la reivindicación 1, en la que las capas UD comprenden 5-10% en peso del material elastómero.

5. La estructura balística laminada de una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en la que las capas UD comprenden fibras con una energía de rotura > 8 J/g, un módulo de tracción > 150 g/dtex, y una tenacidad > 7 g/dtex.

6. La estructura balística laminada de la reivindicación 5, en la que las capas UD comprenden aramida, PBO, PBI, y/o fibras de polietileno de alta densidad.

7. La estructura balística laminada de una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en la que el material termoplástico es polietileno o polipropileno.

8. La estructura balística laminada de una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en la que los lados exteriores de la estructura laminada se protegen con una capa protectora.

9. La estructura balística laminada de la reivindicación 8, en la que la capa protectora es una capa termoplástica.

10. La estructura balística laminada de una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en la que la estructura es una estructura laminada balística dura.