PL235795B1

PL235795B1 - Method for producing flexible ballistic armour and the armour produced by this method

Info

Publication number: PL235795B1
Application number: PL424443A
Authority: PL
Inventors: Karolina Olszewska; Katarzyna Kośla; Marcin Łandwijt
Original assignee: Instytut Tech Bezpieczenstwa Moratex
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2020-10-19
Also published as: PL424443A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wykonania elastycznego pancerza balistycznego przeznaczonego do stosowania zwłaszcza w kamizelkach i ubraniach ochronnych specjalnego przeznaczenia.The subject of the invention is a method of making flexible ballistic armor intended for use in vests and protective clothing for special purposes.

Znana jest z opisu patentowego US2005072294 kompozytowa płyta balistyczna pochłaniająca i rozpraszająca energię kinetyczną po uderzeniu pociskiem o dużej prędkości, przeznaczona na osłony pojazdów lub obiektów stałych. Płyta zawiera warstwę utworzoną z pojedynczych peletek wykonanych z ceramiki lub spiekanego materiału ogniotrwałego, tworzących regularne rzędy i kolumny, które są związane i utrzymywane w postaci płyty za pomocą zestalonego elastycznego materiału.Known from the patent description US2005072294 is a composite ballistic plate absorbing and dissipating kinetic energy after a high velocity projectile impact, intended for shielding vehicles or solid objects. The plate comprises a layer made of individual pellets made of ceramics or sintered refractory material forming regular rows and columns which are bonded and held in the form of a plate by a solidified elastic material.

Większość peletek ma co najmniej jedną wypukłą powierzchnię czołową lub kołowy ewentualnie sześciokątny przekrój poprzeczny równoległy do głównej zewnętrznej powierzchni i jest częściowo lub całkowicie zalana materiałem wiążącym. Jako materiał wiążący stosowane jest aluminium lub termoplastyczny polimer, na przykład poliwęglan lub termoutwardzalne tworzywo, jak na przykład żywica epoksydowa. Ponadto płyta może zawierać warstwy tkanego lub nietkanego materiału tekstylnego.Most of the pellets have at least one convex face or a circular or hexagonal cross section parallel to the major outer surface and are partially or completely flooded with binding material. Aluminum or a thermoplastic polymer such as polycarbonate, or a thermosetting plastic such as epoxy resin is used as the bonding material. In addition, the plate may contain layers of woven or non-woven textile material.

Ułożenie peletek zapewnia bezpośredni kontakt sąsiadujących peletek tworzących warstwę. Płyta wytwarzana jest w formie posiadającej dno, prostopadłe do dna dwie główne powierzchnie oraz dwie mniejsze powierzchnie i otwartą górę, przy czym odległość pomiędzy głównymi powierzchniami jest od około 1,1 do 1,4 razy większa niż wysokość peletek. Stopniowo wsypywane peletki tworzą kolejne rzędy rozciągające się pomiędzy mniejszymi powierzchniami formy. Formę wypełnioną peletkami ogrzewa się do temperatury powyżej temperatury płynięcia materiału wiążącego, zalewa stopionym materiałem, umożliwia zestalenie i usuwa płytę z formy. W wariantowym rozwiązaniu przy zastosowaniu matrycy z materiałów polimerowych - proces zalewania prowadzi się bez podgrzewania układu. Płyta ze względu na znaczną masę powierzchniową, grubość i sztywność, nie nadaje się do stosowania w osobistych ubraniach ochronnych.The arrangement of the pellets ensures direct contact between the adjacent pellets forming the layer. The board is manufactured in a mold having a bottom, perpendicular to the bottom, two major surfaces and two smaller surfaces and an open top, the distance between the major surfaces being from about 1.1 to 1.4 times the height of the pellets. Gradually poured pellets form successive rows extending between the smaller surfaces of the mold. The mold filled with pellets is heated to a temperature above the melt temperature of the binding material, poured with the melted material, allowed to solidify and the plate removed from the mold. In an alternative solution, when a matrix made of polymeric materials is used - the pouring process is carried out without heating the system. Due to its significant surface weight, thickness and stiffness, the board is not suitable for use in personal protective clothing.

Znany z opisu patentowego PL224825 pancerz elastyczny przeznaczony do stosowania głównie jako wkład do kamizelek kulo- i odłamkoodpornych, składa się z warstw włókienniczego materiału balistycznego, pomiędzy którymi usytuowana jest warstwa zbudowana z zamkniętych, korzystnie prostokątnych woreczków częściowo zachodzących na siebie, zawierających ciecz, zwła szcza STF (Shear Thickening Fluid) albo MRF (Magneto Rheological Fluid). Pancerz zapewnia odporność na przebicie pociskami mało- i średniokalibrowymi przeciwpancernymi 5,56-14,5 mm oraz na przebicie odłamkami lub wybuch.The flexible armor known from the PL224825 patent, intended for use mainly as a cartridge for bullet-proof and fragment-proof vests, consists of layers of ballistic textile material, between which there is a layer composed of closed, preferably rectangular, partially overlapping pouches containing liquid, especially STF (Shear Thickening Fluid) or MRF (Magneto Rheological Fluid). The armor provides resistance to penetration by 5.56-14.5 mm armor-piercing small- and medium-caliber shells, as well as to fragmentation or explosion.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wykonania elastycznego pancerza balistycznego zapewniającego zwiększoną ochronę przed skutkami trafienia pociskiem i/lub odłamkami, przy jednoczesnym zmniejszeniu masy oraz polepszeniu komfortu użytkowania między innymi poprzez lepsze dopasowanie do sylwetki użytkownika oraz możliwość zastosowania jako ochrony rąk i nóg.The aim of the invention is to develop a method of making a flexible ballistic armor that provides increased protection against the effects of a hit by a bullet and / or fragments, while reducing the weight and improving the comfort of use, inter alia, by better adapting to the user's figure and the possibility of using it as a protection for hands and legs.

Sposób wykonania elastycznego pancerza balistycznego polega na przygotowaniu dolnej części elastomerowej matrycy, wylaniu masy do płaskiej formy, ułożeniu na częściowo zestalonej masie warstwy płytek ceramiki balistycznej, korzystnie obustronnie zabezpieczonych warstwą materiału z włókien balistycznych i/lub filmem samoprzylepnym, przygotowaniu drugiej części elastomerowej matrycy i zalaniu płytek, zestaleniu masy i wyjęciu z formy, przy zastosowaniu odpowiednio dobranych materiałów i parametrów prowadzenia procesu. Polimerową matrycę stanowi chemoutwardzalny polimer na bazie izocyjanianu lub kauczuk silikonowy, korzystnie z dodatkiem cieczy reologicznej zawierającej grafen i/lub zredukowany tlenek grafenu.The method of making a flexible ballistic armor consists in preparing the lower part of the elastomer matrix, pouring the mass into a flat form, laying a layer of ballistic ceramic plates on a partially solidified mass, preferably secured on both sides with a layer of ballistic fiber material and / or a self-adhesive film, preparing the second part of the elastomer matrix and pouring plates, mass solidification and removal from the mold, using appropriately selected materials and process parameters. The polymer matrix is a chemically hardened isocyanate-based polymer or silicone rubber, preferably with the addition of a rheological liquid containing graphene and / or reduced graphene oxide.

Elastyczny pancerz balistyczny zawierający zatopioną w polimerowej matrycy warstwę ceramicznych płytek balistycznych o grubości 3-5 mm, posiada całkowitą grubość 8-10 mm i masę w zakresie 14,6-16,2 kg/m².Flexible ballistic armor with a 3-5 mm thick layer of ceramic ballistic plates embedded in a polymer matrix, has a total thickness of 8-10 mm and a weight in the range of 14.6-16.2 kg / m ² .

Pancerz zastosowany łącznie z podkładem chroni przed penetracją pociskami amunicji pistoletowej nowej generacji 4,6 x 30 mm oraz 5,7 x 28 mm, jak również odłamkami standardowymi typ 2/1, przy czym zmniejszenie strzałki ugięcia podłoża w stosunku do podkładu wynosi co najmniej 40%.The armor used together with the primer protects against the penetration of new generation pistol ammunition 4.6 x 30 mm and 5.7 x 28 mm, as well as standard 2/1 type shrapnel, while the reduction of the base deflection arrow compared to the primer is at least 40 %.

Pancerz według wynalazku przedstawiono na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pancerz, w którym płytki ceramiczne 1 zatopione są bezpośrednio w polimerowej matrycy 2, a fig. 2 pancerz, w którym płytki ceramiczne 1 zabezpieczone są dodatkowo warstwą materiału balistycznego 3.The armor according to the invention is shown in the attached drawing, in which Fig. 1 shows an armor in which ceramic plates 1 are embedded directly in a polymer matrix 2, and Fig. 2 an armor in which ceramic plates 1 are additionally secured with a layer of ballistic material 3.

Sposób wykonania elastycznego pancerza według wynalazku ilustrują przykłady wykonania.The method of making a flexible armor according to the invention is illustrated by the following examples.

Przykład wykonania 1Execution example 1

W naczyniu o pojemności około 1 litra, umieszcza się 120 g pierwszego komponentu chem outwardzalnego polimeru w postaci izocyjanianu EHP40-80 Isocyanate oraz 120 g drugiego komponentuIn a vessel with a capacity of about 1 liter, 120 g of the first component of the chemically hardenable polymer in the form of EHP40-80 Isocyanate and 120 g of the second component are placed.

PL 235 795 B1 w postaci poliolu EHP 40A Polyol, firmy Milar Sp. z o.o., Polska, po czym w temperaturze otoczenia próbkę poddaje się mieszaniu za pomocą mieszadła mechanicznego przy 200-500 obr/min w czasie 10-20 minut. Uzyskaną jednorodną mieszaniny o lepkości 2200 mPa-s poddaje się odpowietrzeniu, po czym wylewa do otwartej formy o wymiarach 250 x 300 mm. Po 1,0-2,0 godzinach, półpłynną warstwę polimeru pokrywa się warstwą heksagonalnych ceramicznych płytek balistycznych o grubości 3 mm firmy Barat Ceramics GmbH, Niemcy, przygotowuje drugą taką samą masę polimeru, zalewa warstwę płytek ceramicznych, wyrównuje powierzchnię i pozostawia na 3 do 5 godz. w temperaturze 20-26°C do pełnego usieciowania. Usieciowany polimer ma postać stałego, elastycznego materiału o ciężarze właściwym 1,05 g/cm³, twardości 40°ShA, oraz wytrzymałości na rozciąganie 3,5 MPa.PL 235 795 B1 in the form of the EHP 40A Polyol, manufactured by Milar Sp. z oo, Poland, and then, at ambient temperature, the sample is mixed with a mechanical stirrer at 200-500 rpm for 10-20 minutes. The obtained homogeneous mixture with a viscosity of 2200 mPa.s is deaerated and then poured into an open mold with dimensions of 250 x 300 mm. After 1.0-2.0 hours, the semi-fluid polymer layer is covered with a layer of 3 mm hexagonal ceramic ballistic plates from Barat Ceramics GmbH, Germany, a second, equal mass of polymer is prepared, flooded the layer of ceramic tiles, leveling the surface and left for 3 to 5 hours at 20-26 ° C until full cross-linking. The cross-linked polymer is in the form of a solid, flexible material with a specific weight of 1.05 g / cm ³ , a hardness of 40 ° ShA, and a tensile strength of 3.5 MPa.

Po wyjęciu z formy, zatopione w polimerowej masie płytki ceramiczne stanowią charakteryzujący się wysoką elastycznością pancerz balistyczny o grubości 8 mm i masie powierzchniowej 16 kg/m².After taking it out of the mold, ceramic tiles embedded in a polymer mass constitute a highly flexible ballistic armor with a thickness of 8 mm and an area weight of 16 kg / m ² .

Elastyczny pancerz, w połączeniu z podkładem w postaci warstwy składającej się z 21 nietkanych arkuszy z włókien UHMWPE, ostrzelano pociskami 4,6 x 30 mm DM21 o masie 2,6 g, prędkości mierzonej (670 ± 15) m/s (zgodnie z normą PN-V-87000:2011) w temperaturze 23°C.Flexible armor, combined with an underlay in the form of a layer consisting of 21 non-woven sheets of UHMWPE fibers, was fired with 4.6 x 30 mm DM21 bullets weighing 2.6 g, measured velocity (670 ± 15) m / s (according to the standard PN-V-87000: 2011) at a temperature of 23 ° C.

Uzyskano deformację podłoża - określaną przez maksymalną strzałkę ugięcia - wynoszącą 17,5 mm, natomiast wzorzec w postaci podkładu jak wyżej, uległ przestrzeleniu.The deformation of the substrate was obtained - determined by the maximum deflection arrow - amounting to 17.5 mm, while the pattern in the form of the substrate as above was shot through.

Przykład wykonania 2Execution example 2

W naczyniu o pojemności około 1 litra umieszcza się 220 g pierwszego komponentu chemoutwardzalnego polimeru silikonowego oraz 22 g katalizatora (10% wag.). Próbkę miesza się za pomocą mieszadła mechanicznego przy 200-500 obr/min w czasie 10-20 minut do uzyskania jednorodnej mieszaniny o lepkości 1800 mPa-s, po czym przelewa do otwartej formy o wymiarach 250 x 300 mm. Po 1,0-2,0 godzinach, na półpłynną warstwę polimeru nakłada się warstwę heksagonalnych ceramicznych płytek balistycznych o grubości 3 mm firmy Barat Ceramics GmbH, Niemcy, uprzednio obustronnie zabezpieczonych filmem w postaci siatki samoprzylepnej. Następnie przygotowuje się drugą taką samą masę polimeru silikonowego, zalewa warstwę płytek, wyrównuje powierzchnię i pozostawia na 3 do 5 godz. w temperaturze 20-26°C do pełnego usieciowania. Usieciowany silikon charakteryzuje się wysoką elastycznością, ciężarem właściwym 1,1 g/cm³, twardością 28°ShA, oraz wytrzymałości na rozciąganie rzędu 5,0 MPa. Po wyjęciu z formy, zatopione w polimerowej masie płytki ceramiczne stanowią charakteryzujący się wysoką elastycznością pancerz balistyczny o grubości 8 mm i masie powierzchniowej 15 kg/m².In an approximately 1 liter vessel are placed 220 g of the first component of the chemosetting silicone polymer and 22 g of catalyst (10% by weight). The sample is mixed with a mechanical stirrer at 200-500 rpm for 10-20 minutes to obtain a homogeneous mixture with a viscosity of 1800 mPas, and then poured into an open mold of 250 x 300 mm. After 1.0-2.0 hours, a layer of 3 mm thick hexagonal ceramic ballistic plates from Barat Ceramics GmbH, Germany, previously secured on both sides with a film in the form of a self-adhesive mesh, is applied to the semi-fluid polymer layer. Then a second, equal mass of silicone polymer is prepared, the layer of tiles is poured over, the surface is smoothed and left for 3 to 5 hours. at 20-26 ° C until full cross-linking. The cross-linked silicone is characterized by high flexibility, specific gravity 1.1 g / cm ³ , hardness 28 ° ShA, and tensile strength of 5.0 MPa. After removing from the mold, ceramic tiles embedded in a polymer mass constitute a highly flexible ballistic armor with a thickness of 8 mm and an area weight of 15 kg / m ² .

Elastyczny pancerz, w połączeniu od strony spodniej z podkładem składającym się z 26 nietkanych arkuszy z włókien UHMWPE, po ostrzeleniu pociskami 4,6 x 30 mm DM21 o masie 2,6 g i prędkości mierzonej (670 ±15) m/s (zgodnie z normą PN-V-87000:2011) w temperaturze 23°C, wykazuje deformację podłoża określoną przez maksymalną strzałkę ugięcia wynoszącą 17,5 mm, natomiast wzorzec ulega przestrzeleniu. W przypadku ostrzelania pociskami 5,7 x 28 mm, typ SS192 DM21 o masie 1,8 g i prędkości mierzonej (715 ±15) m/s (zgodnie z normą PN-V-87000:2011) w temperaturze 23°C, deformacja podłoża wykazuje maksymalną strzałkę ugięcia 10,5 mm, co stanowi zmniejszenie strzałki ugięcia o 40% w stosunku do podkładu.Flexible armor, combined on the underside with an underlay consisting of 26 non-woven sheets of UHMWPE fibers, after being fired with 4.6 x 30 mm DM21 bullets weighing 2.6 g and measured at a velocity of (670 ± 15) m / s (according to the standard PN-V-87000: 2011) at a temperature of 23 ° C, shows a deformation of the substrate defined by a maximum deflection arrow of 17.5 mm, while the pattern is shot through. In the case of shelling with 5.7 x 28 mm projectiles, type SS192 DM21 with a mass of 1.8 g and measured velocity (715 ± 15) m / s (in accordance with PN-V-87000: 2011) at a temperature of 23 ° C, ground deformation shows a maximum deflection arrow of 10.5 mm, which is a reduction of the deflection arrow by 40% compared to the sleeper.

P r z y k ł a d wykonania 3W o rk ing example 3

W naczyniu o pojemności około 1 litra umieszcza się 135 g pierwszego komponentu chemoutwardzalnego polimeru w postaci kauczuku silikonowego, 135 g katalizatora oraz 2% cieczy reologicznej, korzystnie zawierającej grafen w ilości 0,2% wag. Próbkę miesza się za pomocą mieszadła mechanicznego przy 200-500 obr/min w czasie 10-20 minut do uzyskania jednorodnej mieszaniny o lepkości nie mniejszej niż 4000 mPa-s, odpowietrza, po czym przelewa do otwartej formy o wymiarach 250 x 300 mm. Po 1,0-2,0 godzinach, półpłynną warstwę polimeru pokrywa się warstwą heksagonalnych ceramicznych płytek balistycznych o grubości 3 mm firmy Barat Ceramics GmbH, Niemcy, uprzednio obustronnie zabezpieczoną warstwą materiału z włókien balistycznych i filmem samoprzylepnym. Następnie przygotowuje się drugą taką samą masę kauczuku silikonowego, zalewa warstwę płytek, wyrównuje powierzchnię i pozostawia na 3 do 5 godz. w temperaturze 20-26°C do pełnego usieciowania komponentów. Usieciowany kauczuk silikonowy charakteryzuje się wysoką elastycznością, ciężarem właściwym co najmniej 1,16 g/cm³, twardością 22°ShA, oraz wytrzymałością na rozciąganie rzędu 1,8 MPa. Po wyjęciu z formy, zatopione w kauczuku silikonowym płytki ceramiczne stanowią charakteryzujący się wysoką elastycznością pancerz balistyczny o grubości 10 mm i masie powierzchniowej 16 kg/m².135 g of the first component of the chemosetting polymer in the form of silicone rubber, 135 g of catalyst and 2% of the rheological liquid, preferably 0.2% by weight of graphene, are placed in an approximately 1 liter vessel. The sample is mixed with a mechanical stirrer at 200-500 rpm for 10-20 minutes to obtain a homogeneous mixture with a viscosity of not less than 4000 mPas, deaerated, and then poured into an open mold with dimensions of 250 x 300 mm. After 1.0-2.0 hours, the semi-solid polymer layer is covered with a layer of 3 mm thick hexagonal ceramic ballistic plates from Barat Ceramics GmbH, Germany, previously secured on both sides with a layer of ballistic fiber material and a self-adhesive film. Then a second, equal mass of silicone rubber is prepared, the layer of tiles is poured over, the surface is leveled and left for 3 to 5 hours. at a temperature of 20-26 ° C for full cross-linking of the components. Cross-linked silicone rubber is characterized by high flexibility, specific weight of at least 1.16 g / cm ³ , hardness 22 ° ShA, and tensile strength of 1.8 MPa. After taking it out of the mold, ceramic plates embedded in silicone rubber constitute a highly flexible ballistic armor with a thickness of 10 mm and an area weight of 16 kg / m ² .

Elastyczny pancerz, połączony od strony spodniej z balistyczną warstwą składającą się z 42 nietkanych arkuszy z włókien paraaramidowych wykazuje deformację podłoża po uderzeniu odłamkamiFlexible armor, connected on the underside with a ballistic layer consisting of 42 non-woven sheets of para-aramid fibers, shows a deformation of the substrate after impact with debris

PL 235 795 Β1 standardowymi typ 2/1 i prędkości maksymalnej 1295 m/s (zgodnie z normą PN-V-87000:2011) w temperaturze 23°C, wykazuje V50 dla prędkości 1281 m/s, natomiast w przypadku wzorca uzyskano V50 przy prędkości 620 m/s.PL 235 795 Β1 with standard type 2/1 and a maximum speed of 1295 m / s (in accordance with PN-V-87000: 2011) at a temperature of 23 ° C, shows V50 for a speed of 1281 m / s, while in the case of the standard, V50 was obtained at speed 620 m / s.

Dla próby z pancerzem uzyskano wyższą o 50% wartość V50 przy niższej o 20% masie powierzchniowej w stosunku do tradycyjnej płyty kompozytowej.For the test with the armor, the V50 value was 50% higher and the area weight was 20% lower than that of the traditional composite panel.

Claims

A method of making flexible ballistic armor based on a polymer matrix and ballistic ceramics, characterized in that a polymer matrix prepared for cross-linking with a viscosity above 1800 mPas is poured into an open mold, creating a lower layer 2.0-3.5 mm thick. , leave it for 1 to 2 hours at ambient temperature, then cover it with a layer of ballistic ceramic plates, cover it with the same amount of the same polymer matrix and leave the whole for 3 to 5 hours at 20-26 ° C.

2. The method according to p. The method of claim 1, wherein the polymer matrix is a chemically set isocyanate-based polymer.

3. The method according to p. The process of claim 1, wherein the polymer matrix is a silicone rubber.

4. The method according to p. The method of claim 1, wherein the rheological liquid is introduced into the polymer matrix in an amount of 0.5-2.5 wt.%.

5. The method according to p. 1,4, characterized in that the rheological fluid comprises graphene and / or reduced graphene oxide in an amount of 0.2-0.4 wt.%.

6. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the layer of ballistic plates is additionally secured on both sides with a layer of ballistic fiber material and / or a self-adhesive film.