DE60117546T2

DE60117546T2 - Messerstichschutzgewebe

Info

Publication number: DE60117546T2
Application number: DE60117546T
Authority: DE
Inventors: J. Minshon Chesterfield CHIOU
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: AU6822601A; CN1436295A; IL152974A0; IL152974A; WO2001096805A2; CN1214229C; TW593968B; WO2001096805A3; KR20030011889A; CA2409761A1; RU2003100525A; KR100655830B1; RU2267735C2; EP1290396A2; DE60117546D1; CA2409761C; BR0111647A; JP2004503740A; US6475936B1; EP1290396B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Es ist gut bekannt, dass flexible Kleider, welche zum Schutz vor ballistischen Gefährdungen hergestellt werden, nicht notwendigerweise wirksam gegen Messerstiche sind. Das Gegenteil ist ebenfalls richtig – gegen Messerstiche widerstandsfähige Artikel sind nicht notwendigerweise wirksam gegen ballistische Gefährdungen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Artikel, welche flexibel sind und welche einen Schutz sowohl vor Messerstichgefährdungen als auch vor ballistischen Gefährdungen liefern.
DISKUSSION DES STANDES DER TECHNIK
Das Patent United States No. 5,622,771, ausgestellt am 22. April 1997 auf der Basis der Anmeldung von Chiou et al., offenbart einen gegenüber einer Durchdringung widerstandsfähigen Artikel, welcher aus eng und straff gewebten Aramidgarnen mit einer besonders hohen linearen Dichte hergestellt ist.
Die internationale Veröffentlichung No. WO 93/00564, veröffentlicht am 7. Januar 1993, offenbart ballistische Strukturen unter Verwendung von Schichten aus Textilien, welche aus einem Para-Aramidgarn mit einer hohen Zähigkeit gewebt sind. Die Dichtheitsfaktoren liegen bei 0,75 und darüber.
Die Europäische Patentanmeldung No. 670,466, am 6. September 1995 veröffentlicht, beschreibt ein ballistisches, gegenüber von Stichen widerstandsfähiges System, bei welchem die Widerstandsfähigkeit gegenüber von Messerstichen dadurch verliehen wird, dass eine flexible Rüstung aus Kettenringen in ein Polymerharz eingebettet wird.
Die Patentanmeldung der Vereinigten Staaten U.S. Serial No. 08/963,094, eingereicht am 3. November 1997 (KB-4180-A), offenbart einen Verbundartikel, der gegen eine Durchdringung durch einen Eispickel widerstandsfähig ist und sich darstellt mit einer äußeren Seite eines eng und straff gewebten Garnes und mit einer inneren Seite eines ballistisch widerstandsfähigen Materials, wobei die äußere Seite die Stossfläche bei der Gefährdung sein muss.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen gegen Messerstiche widerstandsfähigen ballistischen Artikel, welcher eine äußere Seite aufweist, die eine Vielzahl von locker gewebten, gegen Messerstiche beständige Textilschichten umfasst, und eine innere Seite, welche eine Vielzahl von ballistischen Schichten umfasst.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Der Schutzartikel gemäß dieser Erfindung ist spezifisch dafür entwickelt worden, einen zweifachen Schutz zu liefern, einmal vor einer Durchdringung von Messern und Messerklingen, etwa von Stiletts, Küchenmessern, Klappmessern, von zum Entbeinen dienenden Messern und dergleichen, und zum anderen vor ballistischen Gefährdungen. Es wird immer wichtiger, dass die Polizei und das Sicherheitspersonal in ein und derselben Schutzkleidung gleichzeitig einen Schutz sowohl vor den Gefahren durch Messerstiche als auch vor ballistischen Gefährdungen besitzen. Solche Schutzkleidungen müssen so flexibel wie möglich sein, um einen ausreichenden Komfort zu gewährleisten, so dass die Kleidungen leicht und bequem zu tragen sind. Der Erfinder hat in diesem Rahmen gegen Messerstiche widerstandsfähige Artikel und ballistische Artikel untersucht und er hat dabei verblüffende, Aufsehen erregende Entdeckungen gemacht, welche sich auf die Kombination dieser Artikel beziehen.
In der Vergangenheit sind beträchtliche Anstrengungen aufgewendet worden hinsichtlich der Verbesserung des Schutzes gegenüber einer Durchdringung durch drohende Stiche; und dabei hat die Annahme bestanden, dass eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber den Stichen erzielt werden kann dank der Verwendung von Textilerzeugnissen, welche straffer gewebt werden.
Der Erfinder hat nunmehr herausgefunden, dass diese Annahme in dem Falle nicht richtig ist, wo Messerstiche betroffen sind. Er hat entdeckt, dass ein gewebter Textilverbundstoff mit einem losen Gewebe in ganz überraschender Weise eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen eine Durchdringung durch Messerstiche vorzeigt.
Der Erfinder hat in diesem Rahmen entdeckt, dass die Widerstandsfähigkeit eines Textilverbandstoffes gegenüber einer Durchdringung durch Messerstiche dramatisch verbessert wird, wenn die Garne, die zum Herstellen des Textilerzeugnisses des Artikels, verwendet werden, bis zu einem Dichtheitsfaktor für Textilerzeugnisse von weniger als 0,65 gewebt werden. Man glaubt, dass ein Dichtheitsfaktor, der so klein wie 0,20 ist, eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Messerstichen liefern wird. Bis zu der vorliegenden Erfindung sind die Textilerzeugnisse, die dazu bestimmt waren gegenüber einer Durchdringung widerstandsfähig zu sein, straff gewebt worden oder mit Hilfe eines Matrixharzes imprägniert worden oder sie wiesen beide Merkmale auf. Der Erfinder hat in seinen Bemühungen, welche vollkommen in die Gegenrichtung des gegenwärtigen technischen Verständnisses gegangen sind, nunmehr mit dieser Erfindung entdeckt, dass Textilerzeugnisse, welche frei von einem Matrixharz sind und einen niedrigen Dichtheitsfaktor für Textilerzeugnisse aufweisen, eine verbessere Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Durchdringung durch Messerstiche zeigen. Obwohl man erwarten kann, dass irgendwelche Textilerzeugnisse mit irgendeinem etwas verminderten Dichtheitsfaktor eine gewisse Verbesserung zeigen, hat man herausgefunden, dass die größte Verbesserung bei einem Dichtheitsfaktor von kleiner als 0,65 und von höher als 0,20 vorhanden ist. In dem Maße wie der Dichtheitsfaktor unter den Wert von 0,20 herab vermindert wird, wird das Textilgewebe so locker, dass eine nicht annehmbar hohe Flächendichte erforderlich wäre, um einen wirksamen Schutz zu ergeben.
Ballistische Kleider werden im Allgemeinen unter Verwendung mehrerer Schichten eines textilen Schutzgewebes hergestellt und die mehreren Schichten werden fast immer auf solch eine Art und Weise miteinander fest zusammengebunden, dass die Seiten der benachbarter Schichten in einer festen Position relativ zueinander gehalten werden. Man hat herausgefunden, dass die Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Durchdringung durch Messerstiche verbessert wird, wenn die benachbarten Schichten in einem Schutzverbundmaterial nicht zusammengehalten werden; sondern wenn sie frei sind, sich relativ zueinander frei zu bewegen. Wenn benachbarte Schichten eng zusammengenäht werden, in dem Fall nimmt die Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Durchdringung durch Messerstiche ab.
Die hier vorliegende Erfindung ist vollständig aus einem flexiblen, gewebten Textilstoff aufgebaut ohne starre Platten oder Plättchen und auch ohne Matrixharze, welche die Textilmaterialien imprägnieren würden. Die Artikel gemäß dieser Erfindung sind flexibler, leichter im Gewicht, weicher anzufühlen, komfortabler zu tragen und geschmeidiger als diejenigen gegenüber einer Durchdringung widerstandsfähigen Bauweisen gemäß dem Stand der Technik sind, welche einen vergleichbaren Schutz gegenüber Messerstichen bieten.
Textilerzeugnisse gemäß der vorliegenden Erfindung werden ganz oder teilweise hergestellt aus Garnen mit einer Zähigkeit von mindestens 10 Gramm pro dtex und mit einem Zugelastizitätsmodul von mindestens 150 Gramm pro dtex. Solche Garne können hergestellt werden aus Aramiden, Polyolefinen, Polybenzoxazol, Polybenzothiazol und dergleichen.
Unter dem Begriff "Aramid" ist ein Polyamid gemeint, bei dem mindestens 85 % der Amidbindungen (-CO-NH-) direkt mit zwei aromatischen Ringen verbunden sind. Geeignete Aramidfasern werden beschrieben in Man-Made Fibers – Science and Technology, Volume 2, in dem Abschnitt mit dem Titel Fiber-Forming Aromatic Polyamides, Seite 297, W. Black et al., Interscience Publishers, 1968. Aramidfasern sind ebenfalls offenbart worden in den Patenten U.S. 4,172,938; 3,869,429; 3,819,587; 3,673,143; 3,354,127; und 3,094,511.
Zusatzstoffe können zusammen mit dem Aramid verwendet werden und man hat herausgefunden, dass eine Menge bis zu 10 Gewichtsprozent eines anderen polymeren Materials mit dem Aramid zusammengemischt werden kann oder dass Copolymere verwendet werden können, die eine Menge bis zu 10 Gewichtsprozent eines anderen Diamins aufweisen, welches an die Stelle des Diamins in dem Aramid substituiert worden ist, oder die eine Menge bis zu 10 Gewichtsprozent eines anderen Disäurechlorids aufweisen, welches an die Stelle des Disäurechlorids in dem Aramid substituiert worden ist.
Para-Aramide sind die primären Polymere in den Aramidgarnfasern gemäß dieser Erfindung und Poly(p-phenylenterephthalamid) (PPD-T) ist das bevorzugte Para-Aramid. Unter PPD-T versteht man das Homopolymer, das sich aus der Mol-für-Mol Polymerisation des p-Phenylendiamins und des Terephthaloylchlorids ergibt, und auch die Copolymere, welche sich aus der Einbindung von kleinen Mengen anderer Diamine in das p-Phenylendiamin und von kleinen Mengen anderer Disäurechloride in das Terephthaloylchlorid ergeben. Als eine generelle Regel gilt, dass andere Amine und andere Disäurechloride in Mengen verwendet werden können, welche bis zu etwa 10 Molprozent des p-Phenylendiamins oder des Terephthaloylchlorids reichen, oder vielleicht in einer leicht höheren Menge, vorausgesetzt dass die anderen Diamine und Disäurechloride nur keine reaktiven Gruppen aufweisen, welche mit der Polymerisationsreaktion interferieren. PPD-T bedeutet auch Copolymere, welche sich aus der Einbindung von anderen aromatischen Diaminen und von anderen aromatischen Disäurechloriden ergeben, zum Beispiel 2,6-Naphthaloylchlorid oder Chloro- oder Dichlorterephthaloylchlorid oder 3,4'-Diaminodiphenylether. Die Herstellung von PPD-T wird beschrieben in den Patenten United States No. 3,869,429; 4,308,374; und 4,698,414.
Unter "Polyolefin" ist Polyethylen oder Polypropylen gemeint. Unter Polyethylen ist vorwiegend ein lineares Polyethylenmaterial mit einem Molekulargewicht von vorzugsweise mehr als einer Million gemeint, welches kleinere Mengen einer verzweigenden Kette oder Comonomere enthalten kann, welche 5 modifizierende Einheiten pro 100 Kohlenstoffatome aus der Hautkette nicht übersteigt, und welche ebenfalls in Mischung damit nicht mehr als etwa 50 Gewichtsprozent von einem oder von mehreren polymeren Zusatzstoffen enthalten kann, wie etwa Alken-1-polymere, insbesondere Polyethylen von geringer Dichte, Propylen und dergleichen, oder Zusatzstoffe mit einem geringen Molekulargewicht wie etwa Antioxidantien, Schmiermittel, ultraviolette Screeningstoffe, Farbstoffe und dergleichen, welche gewöhnlich mit darin eingebunden sind. Derartiges ist gewöhnlich bekannt als gestrecktes Kettenpolyethylen (ECPE = extended chain polyethylen). In ähnlicher Weise ist Polypropylen vorwiegend ein lineares Polypropylenmaterial mit einem Molekulargewicht von vorzugsweise mehr als einer Million. Lineare Polyolefinfasern mit einem hohen Molekulargewicht sind im Handel erhältlich. Die Herstellung von Polyolefinfasern wird in dem Patent US 4,457,985 diskutiert.
Polybenzoxazol und Polybenzothiazol besteht vorzugsweise aus Meren mit den folgenden Strukturen:
Obwohl die gezeigten aromatischen Gruppen, die an die Stickstoffatome gebunden sind, heterozyklisch sein können, sind sie vorzugsweise carbozyklisch; und obwohl sie kondensierte oder nicht kondensierte polyzyklische Systeme sein können, sind sie vorzugsweise einzelne sechsgliedrige Ringe.
Obwohl die in der Hauptkette der bis-Azole gezeigte Gruppe die bevorzugte Para-Phenylengruppe darstellt, kann diese Gruppe ersetzt werden durch irgendeine zweiwertige organische Gruppe, welche nicht mit der Herstellung des Polymers interferiert, oder ansonsten durch überhaupt keine Gruppe. Zum Beispiel kann diese Gruppe eine aliphatische Gruppe sein mit bis zu 12 Kohlenstoffatomen, Toluol, Biphenylen, bis-Phenylenether und dergleichen.
Das Polybenzoxazol und das Polybenzothiazol, welche verwendet werden, um die Fasern dieser Erfindung herzustellen, sollten mindestens 25 und vorzugsweise mindestens 100 Mereinheiten aufweisen. Die Herstellung der Polymere und das Spinnen dieser Polymere ist in der Internationalen Patentveröffentlichung WO 93/20400 offenbart worden.
"Dichtheitsfaktor" für Textilerzeugnisse" und "Bedeckungsfaktor" sind Bezeichnungen, die der Dichte des Gewebes eines Textilerzeugnisses gegeben worden sind. Der Bedeckungsfaktor ist ein berechneter Wert, welcher sich auf die Geometrie des Gewebes bezieht und welcher den Prozentsatz der gesamten Oberflächenausdehnung eines Textilerzeugnisses angibt, welches durch Garne des Textilerzeugnisses bedeckt ist. Die Gleichung, die verwendet wird, um den Bedeckungsfaktor zu berechnen, lautet wie folgt (aus Weaving: Conversion of Yarns to Fabric, Lord and Mohamed, veröffentlicht von Merrow (1982), Seiten 141–143):

d_w = Breite des Kettgarns in dem Textilerzeugnis
d_f = Breite des Füllungsgarns in dem Textilerzeugnis
p_w = Steigung der Kettgarne (Enden pro Einheitslänge)
p_f = Steigung der Füllungsgarne Cw = (dw/pw) Cf = df/pf Bedeckungsfaktor für Textilerzeugnisse = Cfab = (gesamte verborgene Fläche)/(umschlossene Fläche) Cfab = [(pw – dw) df + dw pf]/(pw pf) = (Cf + Cw – Cf Cw)

Abhängig von der Art des Gewebes eines Textilerzeugnisses kann der maximale Bedeckungsfaktor ganz niedrig sein, selbst wenn die Garne des Textilerzeugnisses eng beieinander angeordnet sind. Aus diesem Grund wird ein Indikator, der für die Bezeichnung der Dichtheit der Gewebe ist nützlicher, als der "Dichtheitsfaktor für Textilerzeugnisse" bezeichnet. Der Dichtheitsfaktor für Textilerzeugnisse ist ein Maß der Dichtheit des Gewebes eines Textilerzeugnisses, verglichen mit dem Maximum der Gewebe Dichtheit als eine Funktion des Bedeckungsfaktors. Dichtheitsfaktor für Textilerzeugnisse = (tatsächlicher Bedeckungsfaktor)/(maximaler Bedeckungsfaktor)
Zum Beispiel liegt der maximale Bedeckungsfaktor, der für ein einfaches Gewebe eines Textilerzeugnisses möglich ist bei 0,75; und ein einfaches Gewebe eines Textilerzeugnisses mit einem tatsächlichen Bedeckungsfaktor von 0,68 wird daher einen Dichtheitsfaktor für Textilerzeugnisse von 0,91 aufweisen.
Als eine generelle Regel gilt, dass flexible ballistische Artikel hergestellt werden unter Verwendung von Textilschichten, die aus einem Garnmaterial mit einer hohen Zähigkeit und Festigkeit in genügend Schichten hergestellt werden, um wirksam gegen eine spezifische Gefährdung zu sein. Textilerzeugnisse für einen ballistischen Schutz verwenden im Allgemeinen Garne mit relativ hohen linearen Dichten und, wenn sie gewebt sind, nehmen sie kaum Rücksicht auf die Dichtheit des Gewebes, es sei denn, um extrem straffe Gewebe zu vermeiden, damit eine Beschädigung der Garnfasern vermieden wird, die sich aus den harten Bedingungen des Webens ergibt.
Die besondere Kombination dieser Erfindung, nämlich das Verwenden eines gegenüber Messerstichen widerstandsfähigen Materials und eines ballistischen Materials, zeigt einen guten ballistischen Schutz und eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Messerstichen, welche viel größer ist als diejenige, die man erwarten würde aus der Summe der Widerstandsfähigkeit gegenüber Messerstichen der einzelnen Elemente der Kombination. Die einzelnen Elemente der Kombination dieser Erfindung weisen eine äußere Seite und eine innere Seite auf
Die äußere Seite enthält eine Vielzahl von relativ locker gewebten Textilschichten, welche aus Garnen von Fasern mit einer hohen Festigkeit hergestellt sind, wobei die Garne allgemein eine Zähigkeit von mindestens 10 Gramm pro dtex aufweisen (11,1 Gramm pro Denier). Während es keine obere Grenze für die Zähigkeit gibt, so zeigt das Garn unterhalb einer Zähigkeit von etwa 5 Gramm pro dtex keine angemessene Festigkeit für einen Schutz von Bedeutung. Die hierin verwendeten Garne müssen einen Zugelastizitätsmodul von mindestens 150 Gramm pro dtex aufweisen, weil ein zu kleiner Modul zu einer übermäßigen Faserdehnung und zu einer ineffektiven Bewegungsbeschränkung des Geschosses bzw. der Kugel oder des Messerstiches führen wird. Es gibt keine obere Grenze für den Zugelastizitätsmodul. Einzelne Filamente in diesen Garnen weisen eine lineare Dichte von 0,2 bis 8 dtex und vorzugsweise von 0,7 bis 2,5 dtex auf. Die Schichten der äußeren Seite sind hergestellt aus Aramiden, Polyolefinen, Polybenzoxazolen, Polybenzothiazolen oder anderen Polymeren. Das bevorzugte Material für die Schichten der äußeren Seite besteht aus Para-Aramidgarnen. Für die äußere Seite des Textilerzeugnisses kann irgendeines der gewöhnlich verwendeten Gewebe verwendet werden, einschließlich eines einfachen Gewebes, eines Hahnenfußmustergewebes, eines Korbgewebes, eines Satingewebes, eines Köperstoffes und dergleichen. Die bevorzugten Gewebe für das gegenüber Messerstichen widerstandsfähige Material dieser Erfindung sind Köper- und Satingewebe und deren Varianten, einschließlich des Hahnenfußmustergewebes, manchmal als das 4-Harnisch-Satingewebe bekannt, weil sie flexibler und biegsamer als einfaches Gewebe sind und weil sie sich besser an komplexe Kurven und Oberflächen anpassen können. Die bevorzugte lineare Dichte für Garne in der äußeren Seite beträgt 100 bis 4000 dtex und diese Gare sind vorzugsweise bis zu einem Dichtheitsfaktor für Textilerzeugnisse zwischen 0,2 und 0,65 gewebt.
Obwohl der Grund für den verbesserten Schutz dieser Erfindung gegenüber Messerstichen nicht gut verstanden wird, so glaubt man doch, das der Schutz in Beziehung steht zu der Absorption von Energie aus einer Messerklinge, weil Garne in einem locker gewebten Textilerzeugnis durch den Kontakt mit einer stechenden Klinge bewegt, aber nicht zerschnitten werden.
Eine einzelne Schicht des gewebten Artikels von dem gegenüber einem Stich widerstandsfähigen Material gemäß dieser Erfindung würde ein Maß für die Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Durchdringung durch Messerstiche und damit einen Gradmesser für den Schutz liefern; aber eine Vielzahl von Schichten ist in einem abschließenden Produkt erforderlich. Es zeigt sich, dass die vorliegende Erfindung im praktischen Gebrauch mit einer Vielzahl von Textilschichten mit einem niedrigen Dichtheitsfaktor für Textilerzeugnisse mit einer totalen Flächendichte von mindestens 1 kg/m² ihre am stärksten ausgeprägte und überraschende Verbesserung zeigt. Man hat entdeckt, dass Artikel gemäß dieser Erfindung, wenn sie zusammen zu einer Vielzahl von Schichten angeordnet werden, eine überraschend wirkungsvolle Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Durchdringung leisten, wenn die Artikel nicht gegenseitig miteinander befestigt sind, wodurch eine relative Bewegung zwischen den benachbarten Schichten möglich wird. Die Bauweise der Schutzstruktur nach dieser Erfindung kann auch eine Vielzahl von Schichten des zuvor erwähnten Textilerzeugnisses mit einschließen und ein Filzmaterial, welches im Allgemeinen aus Aramidstapelfasern hergestellt ist. Der Filz kann eine Dichte von 200 bis 4000 Gramm pro Quadratmeter aufweisen, vorzugsweise von 500 bis 1000 Gramm pro Quadratmeter. Benachbarte Schichten oder Artikel können an den Ecken befestigt werden oder es können einige stärker gelockerte Verbindungen der Zwischenschichten an relativ großen Abständen vorhanden sein, verglichen mit der Dicke der Artikel. Zum Beispiel würden die Schicht-zu-Schicht Befestigungen an Abstandspunkten von größer als etwa 15 Zentimeter für diese Anwendung dazu dienen, im wesentlich frei von Mitteln zum Zusammenhalten der Schichten zu bleiben. Schichten, welche über der Oberfläche der Schichten zusammengenäht worden sind, können einen wirkungsvolleren ballistischen Schutz liefern; aber solch ein Nähen verursacht eine Immobilität zwischen den Schichten und aus Gründen, die noch nicht ganz verstanden werden, nimmt tatsächlich die Widerstandsfähigkeit der Schichten gegenüber einer Durchdringung durch Messerstiche ab, verglichen mit den Erwartungen, die auf den Tests mit einer einzelnen Schicht beruhen.
Während verschiedene Standards entwickelt worden sind und global verwendet werden, schreiben die Normen für einen Schutz gegenüber einer Durchdringung durch Messerstiche im Allgemeinen einem Wert vor, welcher größer als 20 Joule ist. Das Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung vollbringt seine Leistung auf diesem Niveau bei einer relativ niedrigen Flächendichte. Auch ist das Verbundmaterial als ein Ergebnis des geringen Dichtheitsfaktors flexibel und atmungsaktiv und es kann sich an die Form des Körpers für den Komfort als eine wirkungsvolle Schutzkleidungskomponente anpassen. Der Schutz gegenüber Messerstichen wird natürlich verbessert, wenn die Flächendichte des Verbundmaterials erhöht wird; aber der Erfinder schätzt, dass nur ein kleiner praktischer Zusatzvorteil erzielt wird bei Flächendichten oberhalb von etwa 20 kg/m², dies auf Grund der angestiegenen Masse und Schwere und des verminderten Komforts der Schutzkleidung.
Die innere Seite bzw. Fläche umfasst eine Vielzahl von Schichten aus einem faserförmigen Material, welches einen ballistischen Schutz liefert. Die Schichten der inneren Seite können gewebt oder nicht gewebt sein und, wenn sie nicht gewebt sind, können sie unidirektional, als Eingewebe oder dergleichen ausgebildet sein. Die Schichten können hergestellt werden aus Aramiden, Polyolefinen, Polybenzoxazolen, Polybenzothiazolen oder aus anderen Polymeren, welche gewöhnlich für einen ballistischen Schutz verwendet werden. Die bevorzugte Bauweise für Schichten dieser inneren Seite besteht aus gewebten Para-Aramidgarnen mit einer linearen Dichte von 100 bis 4000 dtex. Wenn sie gewebt sind, dann zieht man ein einfaches Gewebe mit einem Dichtheitsfaktor für Textilerzeugnisse von mehr als etwa 0,90 vor, obwohl andere Webtypen wie etwa Korbgewebe, Satingewebe oder Köpergewebe verwendet werden können. Das bevorzugte Para-Aramid ist Poly(p-phenylenterephthalamid).
Die in den Textilerzeugnissen gemäß dieser Erfindung verwendeten Garne für die äußeren Seiten und für die inneren Seiten sollten eine Zähigkeit von mehr als 10 Gramm pro dtex aufweisen und zwar so viel wie 50 Gramm pro dtex oder mehr; eine Dehnung bis zum Bruch von mindestens 2 % und zwar so viel wie 6 % oder mehr; und einen Modul von mindestens 150 Gramm pro dtex und zwar so viel wie 2000 Gramm pro dtex oder mehr.
Eine Kombination einer äußeren Seite und einer inneren Seite wird bewerkstelligt, indem man die zwei Seiten zusammen anordnet, und zwar so, dass sich die eine Seite direkt gegenüber der anderen befindet, wobei sich, je nach dem wie dies gewünscht wird, andere Schichtmaterialien dazwischen befinden können. Andere Schichtmaterialien, welche zwischen der äußeren Seite und der inneren Seite angeordnet werden können, enthalten zum Beispiel Dämpfungsmaterialien, Bindemittelmaterialien, gegen Wasser abdichtende Materialien und dergleichen.
Man hat entdeckt, dass eine Kombination einer äußeren Seite und einer inneren Seite entsprechend der vorliegenden Erfindung eine Widerstandsfähigkeit gegenüber Messerstichen erzeugt, welche viel größer ist als die Summe der Widerstandsfähigkeiten gegenüber Messerstichen, die durch die äußere Seite und durch die innere Seite ausgewiesen werden würde, wenn man diese Seiten einzeln nehmen würde. In ganz bemerkenswerter Weise ist auch entdeckt worden, dass eine Kombination einer äußeren Seite mit einer inneren Seite in einer Art und Weise außerhalb der vorliegenden Erfindung eine Widerstandsfähigkeit gegenüber Messerstichen liefert, welche viel geringer ist als die Summe der Widerstandsfähigkeiten der einzelnen Seiten gegenüber Messerstichen.
Um spezifisch zu sein und wie es in dem Beispiel gezeigt wird, ist die Widerstandsfähigkeit gegenüber Messerstichen bei einer Kombination einer äußeren Seite mit einer inneren Seite, wobei die innere Seite als die Stossfläche bei einer Gefährdung durch einen Stich verwendet wird, viel geringer ist als die Summe der Widerstandsfähigkeiten der einzelnen Seiten gegenüber Messerstichen, wenn man diese Seiten für sich alleine nimmt. Für dieselbe Kombination, wenn aber die äußere Seite als die Stossfläche bei einer Gefährdung durch einen Stich verwendet wird, ist die Widerstandsfähigkeit gegenüber Messerstichen viel größer als die Summe der Widerstandsfähigkeiten der einzelnen Seiten gegenüber Messerstichen, wenn man diese Seiten für sich alleine nimmt.
Das Wesentliche dieser Erfindung liegt in der Entdeckung, dass eine Kombination verschiedener Schichtenmaterialien dann, wenn sie auf dem einen Weg konfiguriert werden, in unerwarteter Weise schlechte Ergebnisse erbringen, aber dass sie dann, wenn sie auf einem anderen Weg in einer anderen Art und Weise konfiguriert werden, in unerwarteter Weise gute Ergebnisse erbringen. Die äußere Seite bei der Kombination gemäß dieser Erfindung ist die Seite mit der größten Widerstandsfähigkeit gegenüber Messerstichen und für die Zwecke dieser Erfindung muss sie diejenige Seite sein, auf welche bei der Gefährdung durch einen Messerstich aufgetroffen werden soll.
PRÜFVERFAHREN
LINEARE DICHTE
Die lineare Dichte eines Garnes wird bestimmt durch Abwiegen einer bekannten Länge des Garnes. Der Ausdruck "dtex" ist definiert als das Gewicht, ausgedrückt in Gramm, von 10.000 Metern des Garnes.
In der tatsächlichen Praxis werden der gemessene dtex-Wert einer Garnprobe, die Testbedingungen und die Probenidentifikation vor dem Start eines Testes in einen Computer gefüttert; der Computer zeichnet die Belastungs-Dehnungskurve des Garnes auf, bis es zum Bruch kommt, und berechnet dann die Eigenschaften.
ZUGDEHNUNGSEIGENSCHAFTEN
Garne, welche auf ihre Zugdehnungseigenschaften getestet werden, werden zuerst konditioniert und dann bis zu einem Zwirnmultiplikationsfaktor von 1.1 gezwirnt. Der Zwirnmultiplikationsfaktor (TM = twist multiplier) eines Garnes ist definiert als:
TM = (Zwirndrehungen/cm) (dtex)^1/2/30,3
Die zu testenden Garne werden bei 25 °C und 55 % relativer Feuchtigkeit während einer Zeitdauer von minimal 14 Stunden konditioniert und die Zugdehnungstests werden unter diesen Bedingungen ausgeführt. Die Zähigkeit (Bruchzähigkeit), Dehnung bis zum Bruch und der Modul werden bestimmt, indem man die Testgarne auf einem Instron Tester (Instron Engineering Corp., Canton, Mass.) zum Bruch bringt.
Die Zähigkeit, Dehnung und Anfangsmodul, wie sie durch ASTM D2101-1985 definiert sind, werden bestimmt, indem man Garnmaßlängen von 25,4 cm und eine Dehnungsgeschwindigkeit von 50 % Spannung/Minute verwendet. Der Modul wird berechnet aus der Steigung der Kurve in dem Spannungs- Dehnungsdiagramm bei 1 % Dehnung und er ist gleichwertig mit der Spannungsbelastung in Gramm bei 1 % Dehnung (absolut) mal 100, dividiert durch die lineare Dichte des Testgarnes.
FESTIGKEIT
Unter Verwendung des Spannungs-Dehnungskurve aus dem Dehnungstest wird die Festigkeit bestimmt als die Fläche (A = area) unter der Spannungs-Dehnungskurve bis zu dem Punkt des Garnbruches. Sie wird gewöhnlich unter Einsatz eines Planimeters bestimmt, um die Fläche in Quadratzentimetern zu liefern. Dtex (D) ist die Größe, wie sie oben unter "Lineare Dichte" beschrieben worden ist. Die Festigkeit (To = toughness) wird berechnet als To = A × (FSL/CFS)(CHS/CS)(1/D)(1/GL)wobei:

FSL: = volle Belastung auf der Skala in Gramm
CFS: = volle Skala der Diagramms in Zentimetern
CHS: = Kreuzkopfgeschwindigkeit in cm/min
CS: = Diagrammgeschwindigkeit in cm/min
GL: = Maßlänge der Testprobe in Zentimetern.

Die digitalisierten Spannungs-/Dehnungsdaten können natürlich in einen Computer eingegeben werden, um die Festigkeit direkt zu berechnen. Das Ergebnis ist To in dN/tex. Eine Multiplikation mit dem Faktor 1,111 wandelt das Ergebnis um in die Einheiten g/denier. Wenn die Einheiten der Länge durchgehend dieselben sind, dann berechnet die obige Gleichung To in diejenigen Einheiten um, welche man nur für die Kraft (FSL) und D wählt.
WIDERSTANDSFÄHIGKEIT GEGENÜBER EINER DURCHDRINGUNG
Die Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Durchdringung durch Messerstiche wird aus einer Vielzahl von Schichten der Textilerzeugnisse bestimmt unter Verwendung einer PSDB P1 Einzelkanten-Klinge mit einer Rockwellhärte von 52–55 und mit einer gesamten Länge von 10 cm und einer Dicke von 2 mm, so wie dies in dem "PSDB Stab Resistance Standard for Body Armor" spezifiziert wird, herausgegeben in 1999 von der Police Scientific Development Branch of the United Kingdom (von der wissenschaftlichen Entwicklungsabteilung der Polizei des Vereinigten Königreiches). Die Tests werden durchgeführt in Übereinstimmung mit dem HPW Falltest TP-0400.03 (28. November 1994) gemäß dem H. P. White Lab., Inc., mit der Ausnahme, dass PSDB P1 Klingen verwendet werden, und es wird ein Verbundmaterial aus vier Schichten von 6 mm Neopren, einer Schicht aus 30 mm Plastazote-Schaum, und zwei Schichten aus 6 mm Gummi verwendet als das Unterlagematerial gemäß dem zuvor oben erwähnten PSDB Resistance Standard. Testproben, welche auf dem Unterlagematerial angeordnet sind, werden der Schlageinwirkung des PSDB P1 Messers ausgesetzt, dessen Gewicht mit 4,54 Kilogramm (10 engl. Pfund) abgewogen worden ist und welches aus verschiedenen Höhen fallen gelassen wird so lange, bis eine Durchdringung von weniger als 7 mm durch die Testprobe erreicht wird. Die Ergebnisse wiedergegeben als Durchdringungsenergie (Joule), indem man die Kilogramm-Meter, aus der Energie bei der Höhe der Durchdringung, mit dem Faktor 9,81 multipliziert.
BALLISTISCHE LEISTUNGSFÄHIGKEIT
Ballistische Tests der mehrschichtigen Paneele werden ausgeführt, um die ballistische Grenze (V50) zu bestimmen, und zwar gemäß MIL-STD-662e, mit der Ausnahme dass das Modellierungston Roma Plastilina No. 1 als das Unterlagematerial verwendet und die Auswahl der Projektilen wie folgt vor sich geht: Ein zu testendes Paneel wird in einer Aufmontierung einer Probe angeordnet, um das Paneel straff und senkrecht zu dem Weg der Testprojektile zu halten. Die Projektile bestehen aus 9 mm Kugeln für Handwaffen mit einer vollständigen Ummantelung aus Metall mit einem Gewicht von 124 Gran (grains) und sie werden angetrieben mit Hilfe eines Testrohres, das in der Lage ist, die Projektile mit verschiedenen Geschwindigkeiten abzufeuern. Das erste Abfeuern für ein jedes Paneel erfolgt mit einer Projektilgeschwindigkeit, von der man schätzungsweise annimmt, sie sei die wahrscheinliche ballistische Grenze (V50). Wenn das erste Abfeuern eine vollständige Paneeldurchdringung ergibt, dann erfolgt das nächste Abfeuern für eine Projektilgeschwindigkeit von etwa 15,5 Meter (50 Fuß) pro Sekunde weniger, um nur eine teilweise Eindringung in das Paneel zu erzielen. Andererseits, wenn das erste Abfeuern keine Durchdringung oder eine teilweise Eindringung ergibt, dann erfolgt das nächste Abfeuern für eine Geschwindigkeit, die etwa 15,2 Meter (50 Fuß) pro Sekunde höher ist, um eine vollständige Durchdringung zu erzielen. Nach dem Erzielen einer teilweisen und einer vollständigen Projektildurchdringung werden die nachfolgenden Geschwindigkeitszunahmen oder -abnahmen von etwa 15,2 Meter (50 Fuß) pro Sekunde so lange verwendet, bis genügend Abschüsse getätigt worden sind, um die ballistische Grenze (V50) für das betreffende Paneel zu bestimmen.
Die ballistische Grenze (V50) wird berechnet, indem man den arithmetischen Mittelwert einer gleichen Anzahl von mindestens drei der höchsten teilweisen Durchdringungsaufschlaggeschwindigkeiten und der kleinsten vollständigen Durchdringungsaufschlaggeschwindigkeiten findet, vorausgesetzt, dass es einen Unterschied von nicht mehr als 38,1 Meter (125 Fuß) pro Sekunde gibt zwischen der höchsten und der kleinsten einzelnen Stossgeschwindigkeit.
BEISPIEL 1
Versuche für dieses Beispiel werden durchgeführt unter Verwendung von Schichten, die aus Aramidgarnen gewebt sind. Das Garn ist ein Aramidgarn, das von E. I. du Pont de Nemours and Company unter der Handelsmarke Kevlar^® verkauft wird. Das Aramid ist ein Poly(p-phenylenterephthalamid).
Die äußere Seite wird hergestellt unter Verwendung von vierundzwanzig (24) Textilschichten, welche gewebt sind aus einem 1266 dtex Aramidgarn mit einer Zähigkeit von 21,3 Gramm pro dtex, einem Modul von 790 Gramm pro dtex und einer Dehnung bis zum Bruch von 2,5 % in einem Hahnenfussmustergewebe an 7 × 7 Enden pro Zentimeter und bei einem Dichtheitsfaktor des Textilerzeugnisses von 0,56. Die äußere Seite weist eine Flächendichte von 4,34 kg/m² auf.
Die innere Seite wird hergestellt unter Verwendung von zweiundzwanzig (22) Textilschichten, welche gewebt sind aus einem 930 dtex Aramidgarn mit einer Zähigkeit von 24,0 Gramm pro dtex, einem Modul von 675 Gramm pro dtex und einer Dehnung bis zum Bruch von 3,4 % in einem einfachen Gewebe an 12,2 × 12,2 Enden pro Zentimeter und bei einem Dichtheitsfaktor des Textilerzeugnisses von 0,925. Die innere Seite weist eine Flächendichte von 5,08 kg/m² auf.
Die innere und die äußere Seite werden einzeln und in Kombination getestet auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber Messerstichen und auf die ballistische Grenze. Die Kombination wird hergestellt, indem man die äußere Seite und die innere Seite zusammen anordnet. Ergebnisse dieser Tests sind in der Tabelle gezeigt.
Die kinetische Energie der minimalen Durchdringung ist das Testergebnis in Joule für den in den Prüfverfahren beschriebenen Widerstandsfähigkeitstest gegenüber Messerstichen. Zu bemerken ist, dass die äußere Seite eine respektable Energie der minimalen Durchdringung von 20 Joule aufweist und dass die innere Seite eine sehr kleine Widerstandsfähigkeit gegenüber Messerstichen zeigt. Wenn die innere und die äußere Seite zum Testen kombiniert werden, wobei die innere Seite die Stossfläche ist, dann ist die kinetische Energie der minimalen Durchdringung kleiner als diejenige, wenn die äußere Seite alleine getestet wird.
Wenn die innere und die äußere Seite zum Testen kombiniert werden, wobei die äußere Seite die Stossfläche ist (gemäß dieser Erfindung), dann ist die kinetische Energie der minimalen Durchdringung in überraschender Weise hoch und sie ist sogar doppelt so hoch wie die Summe der zwei Seiten, wenn sie jeweils alleine getestet werden. Der Gegenstand gemäß dieser Erfindung weist auch einen guten ballistischen Schutz bei einem V50 von 573 m/sec auf.

Claims

Gegen Messerstiche widerstandsfähiger ballistischer Artikel, welcher aufweist; eine äußere Seite, die eine Vielzahl von locker gewebten, gegen Messerstiche beständigen Textilschichten umfasst, welche zu einem Dichtheitsfaktor für Textilerzeugnisse von weniger als 0,65 gewebt sind, und eine innere Seite, welche eine Vielzahl von ballistischen Schichten umfasst, wobei die äußere Seite diejenige Seite des Artikels ist, welche die Stossfläche bei einer Gefährdung durch Messerstiche darstellt.
Artikel gemäß Anspruch 1, bei welchem die gegen Messerstiche beständigen Schichten ein Textilerzeugnis aufweisen, welches aus Aramidgarn gewebt ist und dadurch gekennzeichnet ist, dass das Textilerzeugnis bis zu einem Dichtheitsfaktor für Textilerzeugnisse zwischen 0,2 und 0,65 gewebt ist.
Artikel gemäß Anspruch 2, bei welchem das Aramidgarn aus Para-Aramidgarn besteht.
Artikel gemäß Anspruch 2, bei welchem das Garn eine lineare Dichte von 100 bis 4000 dtex aufweist.
Artikel gemäß Anspruch 1, bei welchem die Schichten des Textilerzeugnisses aus Fasern hergestellt sind, die eine Dehnung bis zum Bruch von mehr als 2 %, einen Modul von mehr als 150 Gramm pro dtex und eine Zähigkeit von mehr als 10 Gramm pro dtex aufweisen.
Artikel gemäß Anspruch 2, bei welchem die Schichten des Textilerzeugnisses aus Fasern hergestellt sind, die eine Dehnung bis zum Bruch von mehr als 2 %, einen Modul von mehr als 150 Gramm pro dtex und eine Zähigkeit von größer als 10 Gramm pro dtex aufweisen.
Artikel gemäß Anspruch 1, bei welchem die Garne der ballistischen Schichten gewebt sind.
Artikel gemäß Anspruch 1, bei welchem die Garne der ballistischen Schichten nicht gewebt sind.
Artikel gemäß Anspruch 1, bei welchem die Garne der ballistischen Schichten aus Para-Aramid bestehen.