説明

布帛を粘性液体ポリマーで処理する方法

織布を処理する方法であって、布帛に、溶剤により5〜40wt%溶液にある粘性ポリマーを適用し、ここでポリマーのT9が約マイナス40〜約0℃の範囲でありかつ20℃で測定したときのゼロ剪断溶融粘度が約2×10〜約1013ポアズであり、次に溶剤を蒸発させて、ポリマーのみが部分的に布帛に浸透して、ポリマーが固化する前に繊維束の中または間に浸透するようにする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、防護衣類に用いられる布帛を、粘性ポリマー溶液で処理することに係る。
【背景技術】
【0002】
織布から作製された現在の軟質防護服は、44mm未満の背面変形(NIJ規格0101.04改訂Aに必要とされるBFD)を達成することを一部目的として、高い面積重量密度を必要としている。BFDは、鈍的外傷の指標であり、BFDが低いほど、鈍的外傷からの防護が良好である。多くの軟質防護服構造は、弾道発射物を適切に止めることができるものの、鈍的外傷に関連した衝撃によって、重傷や死を招く可能性が尚ある。織布およびそれから作製された関連の軟質防護服は、典型的に大きなBFD値を示すため、NIJ規格0101.04 Rev.Aに準拠するためには大きな坪量を必要とすることが多い。例えば、現在の100%織布ケブラー(Kevlar)(登録商標)チョッキは、NIJ規格下でレベルIIの防護とするためには1平方フィート当たり1ポンド(psf)を超える重量となる。例えば、従来の布帛は、フィルム形態で布帛にラミネートされたポリエチレン等固形接着剤で含浸されることが多い。
【0003】
ブリスコー(Briscoe)B.J、モタメジ(Motamedi)Fの非特許文献1、およびブリスコー(Briscoe)B.J、モタメジ(Motamedi)Fの非特許文献2は、両方とも、布帛に含浸した中粘度ポリマー流体について記載している。添加剤は−115℃という低いTgを有していた。それらは、予測通りの潤滑効果であった。
【0004】
国際出願の特許文献1は、防弾布帛に溶剤含浸した粘弾性ポリマー流体および関連の繊維含有防弾シートを開示している。ガラス転移温度(Tg)の好ましい範囲は、−128℃〜−40℃である。0.25Pa s〜2.5×10Pa sの低粘度も検討された。
【0005】
特許文献2および特許文献3には、パウチまたはポリアラミドパネルの裏に、ずり粘稠化粒子サスペンションを備えたポリアラミド布帛が記載されている。
【0006】
非特許文献3では、防弾繊維と組み合わせた粒子のずり粘稠化サスペンションが検討されている。
【0007】
特許文献4および特許文献5では、繊維層について接着剤マトリックス材料として低Tg、高分子量エラストマーを用いた。これらは、単配向性防弾層に可撓性を与えた。
【0008】
溶融物からのかかる固形接着剤を、低レベル、約3%未満で適用してもBFDを改善するには有効ではない。というのは、高粘度のために樹脂が十分に流れず、布帛の含浸が不完全で、僅かしか含浸されないからである。溶融物から中レベルの固形接着剤を適用すると、布帛の剛性を増大し、BFDを改善するのに有効であるが、V50が大幅に下がって、快適性が犠牲となる。「溶融物から」という言い回しは、接着剤を、ラミネートにより布帛表面に溶融した元々固体のフィルムとすることができる、またはスリットダイから布帛表面への熱ポリマーの薄い溶剤フリーの層の押し出し物とすることができることを意味している。いずれの場合も、ポリマーは、布帛表面の外側に粘着して、効率的に浸透できない。
【0009】
溶液から低レベルの固形接着剤またはエラストマーを適用するのは有効ではない。というのは、布帛の束間の疎な接着剤結合は脆性で、通常の着用中の機械的変形後、元に戻らないからである。
【0010】
【特許文献1】国際公開第2004/074761 A1号パンフレット
【特許文献2】国際公開第00/46303号パンフレット
【特許文献3】米国特許第3,649,426号明細書
【特許文献4】米国特許第5,354,605号明細書
【特許文献5】米国特許第4,623,574号明細書
【非特許文献1】「ヤーンおよび布帛メカニックにおける界面摩擦と潤滑の役割(Role of interfacial friction and lubrication in yarn and fabric mechanics)」、テキスタイルリサーチジャーナル(TextileResearch Journal)1990年6(12)、697
【非特許文献2】「アラミド布帛の防弾衝撃特性:界面摩擦の影響(The ballistic impact characteristics of aramid fabrics)」、ウエアー(Wear)1992年158(1−2)、229
【非特許文献3】リーY.S.ら(Lee,Y.S. et al.)(ずり粘稠化流体を利用するN.J.最新防護服、23回米陸軍科学会議、2002年(N.J. Advanced Body Armor Utilizing Shear Thickening Fluids,23rd Army Science Conference,2002)
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、
少なくとも10gpdの靭性を備えたヤーンを含んでなる織布を準備し、
布帛に、溶剤により5〜40wt%溶液にある粘性ポリマーを適用し、ここでポリマーのTgが約マイナス40℃〜約0℃の範囲であり、
溶剤を蒸発させて、ポリマーのみが部分的に布帛に浸透して、ポリマーが固化する前に繊維ヤーンと共に配置されるようにすること
を含む、布帛の製造方法に係る。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
本発明は、従来の100%織布システムで現在得られている鈍的外傷の範囲を大幅に減少する大幅に低い坪量を有する防弾衣類の製造を提供する。適切なV50および可撓性も保持される。布帛は、1デニール当たり少なくとも10グラム(gpd)の靭性を有するヤーンから織ることができる。
【0013】
布帛に適用する粘性ポリマーは、ポリマーと溶剤の総重量に基づいて5〜40wt%の溶液で提供される。ポリマーのTgは、−40〜約0℃の範囲であり、ゼロ剪断溶融粘度は、20℃で測定したとき、約2×10〜約1013ポアズである。粘性ポリマーコーティングは、最終的に、繊維の束間に部分的に存在し、比較的低重量パーセンテージのポリマーコーティング材料で、より効率的に束滑り摩擦を増大することができる。束は、布帛を形成するマルチフィラメントまたは繊維(すなわち、ヤーン)である。理論に縛られるものではないが、ポリマーの中には束に浸透できるものがあるが、有効量が束の外側で維持できて所望の効果が達成できるものと考えられる。これは、比較的高粘度と、溶剤の比較的早い蒸発速度との組み合わせにより達成される。この組み合わせを制御すると、ある範囲の浸透を行うことができる。このように、ポリマーは、主に、布帛の片側に位置しているが、部分的に、束の下に配置させたり、布帛を通って、コートされていない側の束まで部分的に流すことができる。
【0014】
適切な重量平均分子量(Mw)およびガラス転移温度(Tg)を備えた歪み応答粘性液体ポリマーが、同じくデュポン(DuPont)に譲渡された同時係属特許出願に、KB−4800として記載されている。接着剤のこの適用は、高V50を保持するために、ある坪量で防弾繊維の量を最大にするのに重要である。さらに、これは、改善されたBFDにより達成される。
【0015】
本発明において、ポリマー溶液の粘度および即時の溶剤蒸発が、ポリマー溶液のマルチフィラメント束への流れを制限する。このように、ポリマーは、最終的に、束間のより厚く丈夫な層に部分的に存在する。溶剤蒸発により、適所に固定されるからである。さらに、これらの液体(ただし高粘性の)接着剤で処理した布帛は、固体エラストマーで含浸したものとは違って、自己回復性である。こうした属性を有するかかる粘性液体接着剤を用いることは、従来技術では考えられていなかった。
【0016】
仕上げ油が、織布を製造するのに用いられることが多く、これらの弱い接着剤の接着力の減少のために、この束滑り摩擦を減じる傾向があるため、BFDが増大する(すなわち、悪くする)。仕上げ油を適切に除去するのと共に、中粘度の溶液からの噴霧コーティングを用いても、同じ不完全な束含浸となって、良好なBFDにつながる。従来技術は、かかる低接着剤防弾システムにおいて界面を修正するのに、仕上げ除去を行っていない。
【0017】
網羅的なリストではないが、ドクターブレード、転写コーティングおよびスリットダイからの溶液押し出しコーティング等その他のコーティング方法を用いることができる。これらは、従来技術で示されているよりも低いポリマー添加レベルで行われる。
【0018】
意外にも、精錬、すなわち、布帛の比較的短い間の水濯ぎによる仕上げ除去によって、歪み応答ポリマーの十分な効率が得られ、低いBFD値が得られる、ということが分かった。典型的に、精錬とは、大量の仕上げ油を除去するための水濯ぎによる仕上げ除去のことを指すが、この場合は、精錬とは、比較的少量の仕上げ油の除去を指す。布帛の濯ぎは、室温の水浴で実施され、水浴には4つの浸漬サイクルが含まれ、サイクル間で絞ることにより過剰の水が除去される。布帛は、最終的に、約70℃で約45秒間、中程度の真空下で加熱されて、水を徐々に除去することにより、布帛を乾燥した。ポリマーコーティング適用後の乾燥のための後コーティング加熱では、同様の中程度の時間および温度サイクルを用いる。ケブラー(Kevlar)(登録商標)等のポリアラミドの場合には、高V50を保持するには、中程度の乾燥時間および温度が必要である。中温(約100℃)でも脱水され、V50の永久損失となる可能性があるためである。
【0019】
通常、ここで提供される目的の接着剤のゼロ剪断粘度は、標準技術により測定される室温では高すぎる。毛管粘度測定データは、50℃〜100℃の温度および1s−1〜1000s−1の剪断速度で得られた。これらの温度から20℃まで、ゼロ剪断速度を外挿することにより、ゼロ剪断速度粘度を推定した。
【0020】
以下の実施例に利点をさらに示すが、これらに限られるものではない。
【実施例】
【0021】
実施例
以下の実施例において、約100,000g/モルの高MW、および毛管粘度測定法により測定された20℃で1×10ポアズ(Po)のゼロ剪断溶融粘度を有するエチレン/メチルアクリレート(38/62w/w%)コポリマーは、「高E/MA」と呼ぶ。デュポン(DuPont)よりベイマック(Vamac)(登録商標)VCD6200として入手可能である。ガラス転移温度が−32℃で、約40,000g/モルの中MWおよび20℃で6×10Poのゼロ剪断速度溶融粘度を有するエチレン/メチルアクリレート(38/62w/w%)は、「中E/MA」と呼ぶ。デュポン(DuPont)製の実験等級のものである。400,000g/モルのMwの高Mwポリ(ヘキシルメタクリレート)は、「PHM」と呼ばれ、サイエンティフィックポリマープロダクツカンパニー(Scientific Polymer Products Company)(ニューヨーク州、オンタリオ(Ontario,NY))より入手可能である。
【0022】
全ての実施例(実施例3〜5以外)について、2回の発射についてのそれぞれのBFD値を平均せずに示した。
【0023】
実施例1
1インチ当たり26×26の端部数(1センチメートル当たり10.2×10.2の端部数)で織られ、公称面重量が5.8oz/平方ヤード(197g/m)のデュポン(DuPont)よりケブラー(KEVLAR)(登録商標)という商品名で入手可能な840デニールの平織構造を有するポリアラミド布帛パネルを、精錬し乾燥した。精錬した布帛パネルを、ガラス転移温度が−32℃の高E/MAと共に、ゴムドクターブレードを用いて、20℃での溶液粘度が144センチポアズの、トルエン中15%溶液から、コートした。最終コーティングは、本発明の条件下で、トルエンを蒸発させた後のコートされた布帛重量の3.4wt%であった。21層のコートしたパネルから作製された、1平方フィート当たり約0.87ポンド(psf)(52.5g/m)の坪量を有する防弾パックを、クレイ床に対して配置し、NIJレベルII試験条件下で.357マグナム発射により試験した。V50を測定したところ、1583ft/sであった。背面変形値は、1440ft/s(439m/s)および1440ft/s(439m/s)で、それぞれ32mmおよび33mmであった。
【0024】
比較実施例AおよびB
比較実施例Aは、21層のコートしていないポリアラミド布帛から作製された、840デニールヤーンの平織構造を有し、公称面重量を有し、約0.87psf(52.5g/m)の坪量を有する防弾パックであり、クレイ床に対して配置し、NIJレベルII試験条件下で.357マグナム発射により試験した。V50を測定したところ、1秒当たり1577フィート(ft/s)(481m/s)であった。背面変形値は、1460ft/s(445m/s)および1443ft/s(440m/s)で、それぞれ40mmおよび38mmであった。
【0025】
比較実施例Bでは、21層のコートしていないポリアラミド布帛から作製された、840デニールヤーンの平織構造を有し、約5.8oz/平方ヤード(197g/m)の公称面重量を有する約0.84psf(50.7g/m)の坪量を有する他の防弾パックであった。パックを、クレイ床に対して配置し、NIJレベルII試験条件下で.357マグナム発射により試験した。弾性貫通抵抗性を測定したところ、1627ft/s(496m/s)であった。背面変形値は、1450ft/s(442m/s)および1452ft/s(443m/s)の衝撃速度で、それぞれ44mmおよび41mmであった。
【0026】
実施例1は、粘性ポリマー溶液から片側にコートされた高E/MA粘性液体ポリマーを3.4%添加することにより、良好なBFDおよびV50を示しているが、比較実施例AおよびBのコートされていない布帛層はこれより高いBFD値を示している。比較実施例AのBFDは、坪量が高いため、比較実施例Bより僅かに良好であった。
【0027】
実施例2
実施例1同様、840デニールの平織構造を有し、5.8oz/平方ヤード(197g/m)の公称面重量を有するポリアラミド布帛パネルを、精錬し乾燥した。精錬した布帛パネルを、トルエン中15%溶液から、ガラス転移温度が−32℃の中E/MAにより、噴霧技術を用いてコートした。最終コーティングは、本発明の条件下で、トルエン蒸発後、コートされた布帛重量の5.1%であった。20層のコートしたパネルから作製された、約0.84psf(50.7g/m)の坪量を有する防弾試験パックを、クレイ床に対して配置し、NIJレベルII試験条件下で.357マグナム発射により試験した。弾性貫通抵抗性を測定したところ、1560ft/s(475m/s)であった。背面変形値は、1427ft/s(435m/s)および1453ft/s(443m/s)の衝撃速度で、それぞれ32mmおよび35mmであった。本実施例によれば、中粘度のポリマー溶液から片側にコートした中E/MA粘性液体ポリマー噴霧を5.1%添加することにより、良好なBFDおよびV50が示されている。噴霧中の即時の乾燥によって、ポリマー溶液のマルチフィラメント束へのフローが特に制限されて、摩擦が大きくなり、BFDが良好になっている。
【0028】
実施例3、4、5および比較実施例C
上述した平織構造を有する22層の840dケブラー(Kevlar)(登録商標)ポリアラミド布帛パネルを、以下に示すように、様々に処理し、BFDおよびV50について試験した。ポリマーで処理しなかった21層の布帛を比較実施例Cに用いた。比較実施例Cについては、10回の発射の平均である以外は、1430±30ft/s(436±9m/s)での5回の.357マグナム発射からとった平均である。
【0029】
【表1】

【0030】
実施例3、4および5は、最良の低コーティング重量分率、ならびに良好なBFDおよび比較的良好なV50につながる方法についてさらに実証するものであり、2種類の異なる粘性ポリマー添加剤(高E/MAおよびPHM)を含んでいる。コートされていない比較実施例CのBFDは悪く、これら全項目についてV50は実質的に同じである。
【0031】
比較実施例D
精錬していないポリアラミド布帛パネルは、840デニールの平織り構造を有していた。公称面重量が5.8oz/sq yd(197g/m)布帛パネルは、ガラス転移温度が−32℃の高E/MAで、20℃での溶液粘度が76cPoiseのトルエン中13%溶液からコートされていた。最終コーティングを測定したところ、本発明の条件下で、トルエンを蒸発させた後のコートされた布帛重量の2.3wt%であった。21層のコートしたパネルから作製された、約0.84psf(50.7g/m)の坪量を有する防弾パックを、クレイ床に対して配置し、NIJレベルII試験条件下で.357マグナム発射用いて試験した。弾性貫通抵抗性を測定したところ、1571ft/s(479m/s)であった。背面変形値は、1461ft/s(445m/s)および1459ft/s(445m/s)で、それぞれ43mmおよび40mmであった。精錬しなかったことで、仕上げ油が布帛に残り、ポリマー溶液の接着が妨げられたものと考えられる。
【0032】
仕上げ油が接着を妨げ、減じて、束摩擦を下げ、BFDを悪くするため、比較実施例CのBFDは乏しく、一方、実施例1は、コーティングの前に油が除去されているため、BFDが良好であったと考えられる。用いたコーティング溶液およびコーティング方法は、これらの例の両方について同じであった。
【0033】
実施例6
本実施例においては、上述した840dケブラー(Kevlar)(登録商標)ヤーンを含み、坪量が5.8oz/yd(197g/m)の四角形織布の幅63インチ(1.6m)×長さ20ヤード(18.3m)の試料を、同じ長さの2枚のナイロン布帛間でつなぎ合わせた。ナイロン布帛は、後の処理でのリーダー材料として作用した。機織により、0.2wt.%未満の仕様までの残渣仕上げレベルとすることにより、適切な精錬プロセスを布帛には予め施しておいた。
【0034】
布帛を、連続コーターの送り込みに配置された巻き戻し部に装着した。厚さ2ミル(0.051mm)のシリコーンがコートされたポリ(エチレンテレフタレート)(PET)剥離ライナの幅62インチ(1.57m)のロールを、コーターの送り込みの第2の巻き戻し部に配置した。布帛と剥離フィルムの両方を、4.5ヤード/分(4.1m/分)でコーターを通して処理した。特に、剥離フィルムをまず、リバースロールコーティングステーションへ通し、そこで、メチルエチルケトン(MEK)中エチレン/メチルアクリレート(高E/MA)の15wt%の溶液を、剥離フィルムのシリコーン処理表面に幅60インチ(1.52m)までコートした。高E/MA/MEK溶液コート剥離フィルムを、布帛に、第2のステーションでラミネートして、剥離フィルムのコート側が布帛の一表面と接触するようにした。2本のアイドラローラを1組配置して、コート剥離フィルム/布帛ラミネートが「S」ラップを作製するようにした。剥離フィルムと布帛との間の接触圧が増大して、高E/MA/MEKコーティングが、布帛に実質的に転写されて、布帛に部分的に含浸された。ケブラー(Kevlar)(登録商標)布帛を処理する前に、リバースロールコーティングステーションで調整を行って、システムが、0.28oz/yd2(9.5g/m)のコーティング重量(乾燥基準)を与えて、後にコートされ乾燥されたケブラー(Kevlar)(登録商標)布帛が、4.6wt%の高E/MAを含むようにした。
【0035】
その後、剥離フィルム/布帛ラミネートを、対流ホットエア乾燥機に連続的に通過して、MEK溶剤を除去した。ラミネートを配向して、布帛が、衝突するホットエアフローに露出されて、乾燥速度が早くなるようにした。乾燥機の設定は、MEKを実質的に含まず、73℃の温度となった乾燥機からラミネートが出るようなものとした。ラミネートを、圧搾ロール1組に連続的に通過させて、剥離フィルムに残った残渣高−E/MAを布帛に転写した。フィルム/布帛ラミネートを、標準布帛巻き取り機のボール紙芯に集めた。ケブラー(Kevlar)(登録商標)布帛のいずれかの端部にある剥離フィルムおよびナイロン布帛を除去し廃棄した。
【0036】
ケブラー(Kevlar)(登録商標)布帛を、公称15インチ×15インチ(38cm×38cm)の層へ切断して、これを用いて、試験用の20層の弾性パネルを構築した。357マグナムJSP弾丸を用いて、NIJ規格0101.04タイプIIに従った防弾範囲でパネルを試験した。4枚のパネルの平均V50は1546ft/秒(471m/s)であり、平均BFD変形は37mmであった。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
(a)少なくとも10gpdの靭性を備えたヤーンを含んでなる織布帛を準備し、
(b)布帛に、溶剤により5〜40wt%溶液にある粘性ポリマーを適用し、ここでポリマーのTgがマイナス40℃〜0℃の範囲でありかつ20℃で測定したときのゼロ剪断溶融粘度が2×10〜1013ポアズであり、
(c)溶剤を蒸発させてポリマーのみが部分的に布帛に浸透して繊維束間に存在するようにする
ことを含んでなる布帛の製造方法。
【請求項2】
工程(c)のあとに存在するポリマーが、布帛の重量を基準として9wt%未満である請求項1に記載の方法。
【請求項3】
工程(b)の前に、布帛が100℃未満の温度に維持されるように、布帛を20〜100℃の水で濯いで乾燥させる精錬工程を含む請求項1に記載の方法。
【請求項4】
ポリマーが、中分子量エチレン/メチルアクリレート、高分子量エチレン/メチルアクリレートおよび高分子量ポリ(ヘキシルメタクリレート)よりなる群から選択される請求項1に記載の方法。
【請求項5】
ポリマーが溶液からのものであり、溶液粘度が20℃で0.01ポアズを超え、溶剤の融点が150℃未満である請求項1に記載の方法。
【請求項6】
ポリマーが溶液から適用され、溶剤が100℃未満で蒸発する請求項1に記載の方法。
【請求項7】
布帛がポリアラミドヤーンを含んでなる請求項1に記載の方法。
【請求項8】
粘性ポリマーが、ナイフまたはドクターブレードコーティングにより布帛に直接適用される請求項1に記載の方法。
【請求項9】
粘性ポリマーが、布帛に直接ロールコーティングすること、フィルムをコーティングして、次にそのコーティングされたフィルムから布帛へ転写コーティングすることおよび噴霧することよりなる群の1つによって適用される請求項1に記載の方法。
【請求項10】
ヤーンが芳香族ポリアミド、ポリオレフィン、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリ{2,6−ジイミダゾ[4,5−b4’,5’−e]ピリジニレン−1,4(2,5−ジヒドロキシ)フェニレン}、ポリアレーンアゾール、ポリピリダゾール、ポリピリドビスイミダゾールおよびこれらの混合物よりなる群から選択される繊維を含んでなる請求項1に記載の方法。

【公表番号】特表2008−544108(P2008−544108A)
【公表日】平成20年12月4日(2008.12.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−518320(P2008−518320)
【出願日】平成18年6月21日(2006.6.21)
【国際出願番号】PCT/US2006/024005
【国際公開番号】WO2007/130098
【国際公開日】平成19年11月15日(2007.11.15)
【出願人】(390023674)イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー (2,692)
【氏名又は名称原語表記】E.I.DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY
【Fターム(参考)】