Результат интеллектуальной деятельности: Равноплотная ткань, способ её изготовления, композиционный материал и баллистический защитный пакет

Группа изобретений относится к текстильной промышленности, в частности к тканям с особым расположением нитей, способу их изготовления и может использоваться при производстве композиционных материалов и баллистических защитных панелей для средств индивидуальной бронезащиты (СИБ).

Известно, что высокопрочные высокомодульные синтетические нити (Кевлар, Тварон, Херакрон, Тапаран, СВМ, Русар, Армос, Руслан и др.) являются основой текстильной брони и композиционных материалов. Обладающие комплексом уникальных свойств нити из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) также являются перспективным материалом для изготовления защитных систем. Но традиционный подход к изготовлению баллистических тканей из этих нитей на ткацком оборудовании приводит к существенному снижению физико-механических характеристик исходного полимера. Чтобы сохранить разрывную нагрузку нити из СВМПЭ была разработана технология, при которой нити с нулевой круткой тем или иным способом укладывают рядом, полученную однонаправленную ткань покрывают полиэтиленовой пленкой или смазывают клеем, разворачивают в плоскости на 90°, производят поперечную укладку таких же нитей и затем подпрессовывают изделие, получая гибкую двухслойную однонаправленную (UD) композицию. («Легкие баллистические материалы». Серия: Мир материалов и технологий под. ред. А. Бхатнагара, М.:Техносфера, 2011 г. 392 с). Помимо двухслойных композиций, подобным образом получают четырех-, шести - и восьмислойные композиции. Такие композиции не обладают гибкостью традиционных тканей, но способны обеспечить надежную баллистическую защиту от большинства поражающих элементов при соответствующей поверхностной плотности бронепанели, которая определяется количеством однонаправленных слоев. Наряду с гибкими и полугибкими бронепанелями путем прессования можно изготавливать жесткие бронепанели и каски. Для этих целей применяют однонаправленные ткани из СВМПЭ, производимые под брендом SPECTRASHIELD, SPECTRAFLEX, SPEKTRASHIELDPLUS. По аналогии с успешно используемыми для баллистической защиты однонаправленными тканями на основе СВМПЭ был создан ряд однонаправленных тканей на основе других высокопрочных нитей, в частности, арамидных -GOLDFLEX и Зайлона -ZYLONSHIELD.

Производство однонаправленных материалов позволило снизить вес некоторых систем бронирования, тем не менее, этим материалам присущ ряд недостатков. Прежде всего, это двухстадийное изготовление ткани при поперечном наложении второго ее слоя. Наличие в ткани соединяющей пленки или клея препятствует изготовлению органокомпозитов определенного состава с заданными свойствами. И, наконец, присутствие адгезива (пленки или клея) препятствует продольному перемещению составных элементов ткани - нитей при баллистическом воздействии, которое переводит в тепло кинетическую энергию баллистического снаряда и способствует эффективному его задержанию.

Исключению этих недостатков способствует технология изготовления однонаправленных тканей на текстильном оборудовании, описанная в пат.US №8017532 (2011 г. Barrday Inc.,CA). Согласно патенту, однонаправленные структурные нити основы и утка, лежащие в распрямленном состоянии под углом 90° друг к другу, удерживаются вместе системой переплетающих нитей меньшей прочности и малой линейной плотности, которые также состоят из нитей основы и утка, располагающиеся соответственно между основными и уточными структурными нитями. Такой однонаправленной ткани присущи все характеристики, свойственные обыкновенным тканям (гибкость, подвижность, драпируемость), но в отличие от последних, структурные нити, которые в основном определяют физико-механические свойства ткани, и в основе, и в утке распрямлены. Эти ткани в исходном виде можно использовать в защитных баллистических панелях, а также как армирующую структуру в композитах с различными матрицами. Сечение структурных нитей может быть круглым или плоским. Отсутствие операции перекрестного наложения двух однонаправленных слоев существенно снижает трудоемкость изготовления UD-структуры. Недостатком данной ткани является сравнительно большое содержание переплетающих нитей, доходящее до 14%, что не лучшим образом сказывается и на баллистической стойкости защитных панелей и на характерных свойствах композитов.

Для повышения стабильности однонаправленной ткани и улучшения ее баллистических свойств в пат.US №7514378 (2009 г. Warwick Mills Inc.) предложено использовать в качестве переплетающей нити пряжу (штапельную нить), причем для стабилизации ткани количество переплетающих нитей по основе и утку может быть доведено до трех, что также ухудшает потребительские свойства ткани, так как снижает содержание в ткани структурных элементов.

В пат.US №4320160 (1982 г.Toray Ind., Inc.) в качестве структурных нитей основы и утка применяют нити разной линейной плотности с разной плотностью укладки. Предлагается для переплетающей нити использовать саржевую структуру, перевивать переплетающей нитью структурные нити, включать в схему перевивки структурную нить, получая при этом трехслойную однонаправленную ткань. В данном случае наряду с нежелательным увеличением толщины ткани возможна деформация структурных нитей в поперечном направлении и появление местных неоднородностей, которые отрицательно скажутся в изготовленных изделиях.

В патентных документах WO 2013/127460A1, RU №2587554, 2016 г. (Grots-Bekkert KG, DE) заявлена ткань для композитных материалов, в которой структурные нити круглого или плоского сечения удерживаются вместе полуперевивкой или перевивкой переплетающих нитей, причем количество последних по основе и утку отличается в 2 раза. Переплетающие нити могут быть бикомпонентными и могут участвовать в процессе формирования матрицы при изготовлении композита. Перевивке присущи плотный охват и прочное удержание перевиваемых нитей, что при изгибе ткани или при изготовлении из нее преформ будущего изделия из композита приведет к нежелательному перераспределению прочностных характеристик по площади ткани и в изделии из нее и к ухудшению свойств изделия.

Стабильность ткани по всей ее поверхности в обоих направлениях прежде всего обеспечивает ее равноплотная структура по основе и утку. Линейная плотность нити, из которой изготавливают ткань, ее текстильная структура, а также плотность набивки нитей обеспечивают требуемую стабильность ткани в поперечном направлении и определяют ее внутритканевое взаимодействие. Это присуще не только обыкновенным тканям, но и тканям с выпрямленными не переплетающимися нитями основы и утка (тканям UD-структуры). Поскольку такая UD-структура содержит наряду с выпрямленными не переплетающимися структурными нитями основы и утка (первый компонент ткани), которые определяют свойства ткани, переплетающие нити (второй компонент ткани), объединяющие структурные нити основы и утка в единое целое. Важно, чтобы эти переплетающие нити оказывали минимальное влияние на свойства ткани и изделий из нее.

Для всех приведенных способов изготовления UD-структур на текстильном оборудовании характерна одна особенность: на одну структурную нить в ткани приходится одна или несколько переплетающих нитей.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение потребительских характеристик тканых UD-структур путем изменения соотношения первого и второго компонентов ткани: от 2 до 30 структурных нитей на одну переплетающую нить, а также снижение трудозатрат на изготовление UD-структур и резкое повышение производительности оборудования.

Дополнительной задачей изобретения является создание полимерного композиционного материала с улучшенными физико-механическими характеристиками и повышенной баллистической стойкостью.

Для этого в равноплотной ткани, выполненной полотняным переплетением регулярно чередующихся двух компонентов основы с двумя идентичными компонентами утка первый компонент основы и утка состоит из 2-30 одинаковых, сгруппированых в ленту, одиночных нитей с удельной разрывной нагрузкой 150-350 сН/текс, линейной плотностью 20-330 текс и круткой 0-50 кр./м, а второй компонент основы и утка представляет собой одиночную нить с удельной разрывной нагрузкой 5-150 сН/текс, линейной плотностью 2,2-58,8 текс и круткой 5-350 кр./м

Поставленная задача решается также тем, что в способе изготовления равноплотной ткани первый компонент основы, в виде сгруппированных в ленту от 2 до 30 одинаковых одиночных нитей проводят через галева одной или нескольких ремизных рам, поднимающихся и опускающихся синхронно, а второй компонент основы в виде одиночных нитей проводят через галева ремизной рамы, поднимающейся и опускающейся в противофазе к одной или нескольким ремизным рамам с нитями первого компонента основы, при этом ряд нитей основы первого компонента перемежается с одиночными нитями основы второго компонента с чередованием порядка 2-30/1, а первый и второй компоненты утка прокладывают поочередно в попеременно открывающийся зев в том же порядке, последовательно чередуя 2-30 нитей первого компонента с одной нитью второго компонента.

Технический результат изобретения заключается в повышении защитных и эксплуатационных свойств ткани, за счет снижения содержания в ткани переплетающих компонентов другой природы, а также значительного повышения скорости изготовления UD-структуры за счет прокладки в открытый зев основы не одной, а одновременно до пяти уточных нитей структурной компоненты ткани, что в настоящее время осуществимо на рапирных ткацких станках.

Техническим результатом изобретения также является повышение баллистической стойкости тканевой защитной структуры.

Изобретение иллюстрируется схемой переплетения нитей ткани и примерами.

На рисунке представлена схема переплетения тканой однонаправленной структуры при соотношении структурного компонента (первый компонент) и переплетающего компонента (второй компонент) равном 3/1.

Нити основы (1) и нити утка (2) в данном случае сгруппированы в ленты по три структурные нити в каждой. В направлении основы это (1а), в направлении утка - (2а). Распрямленные структурные нити утка (2) лежат на распрямленных нитях основы (1) без пересечения и переплетения. Вместе они удерживаются изгибающимися переплетающими нитями основы (3) и изгибающимися переплетающими нитями утка (4). Переплетающие нити основы (3) и утка (4) также не переплетаются между собой. Их изгиб, определяемый как природой переплетающей нити, так и настройкой ткацкого оборудования, позволяет удерживать структурные нити в распрямленном состоянии, которое обеспечивает однонаправленной структуре уникальные свойства.

Пример 1. Однонаправленную ткань в структуре 3/1 (на три нити первой компоненты приходится одна нить второй компоненты) изготовили из комплексной арамидной нити Русар-С линейной плотности 29,4 текс, причем из этой нити изготовлены обе компоненты основы и утка. Нити первой и второй компоненты подавали на станок с разных навоев, регулируя натяжение второй компоненты таким образом, чтобы не искажалась прямолинейность нитей первой компоненты (структурной). Суммарная плотность по основе и утку составляла 25 нитей на 1 см ширины, а поверхностная плотность ткани равнялась 165 г/м². Внутритканевое взаимодействие (удельное сопротивление структурной нити ее извлечению из ткани, отнесенное к единице длины извлекаемой нити, Н/см) оказалось равным 13,9 Н/см, что в 4,5 раз ниже, чем у контрольного образца ткани атласного переплетения 8/3 (62,5 Н/см) из той же нити и с той же поверхностной плотностью. Данная однонаправленная ткань будет эффективней обволакивать нитью баллистический снаряд, находясь во фронтальных слоях защитного пакета, увеличивая поверхность его трения о защитную структуру, способствуя повышенному поглощению энергии снаряда. Защитный пакет из 15 слоев контрольного образца ткани (атлас 8/3) при обстреле имитатором осколка (стальной шарик диаметром 6,35 мм и массой 1.03 г) показал предел баллистической стойкости V50, равный 520 м/с. Замена в пакете четырех фронтальных слоев атласной ткани на четыре слоя однонаправленной ткани 3/1 повысила этот показатель до 529 м/с.

Пример 2. Однонаправленную ткань в структуре 7/1 (на семь нитей первой компоненты приходится одна нить второй компоненты) изготовили из комплексной арамидной нити Русар-С линейной плотности 29,4 текс, которая использовалась в качестве первой компоненты и полиамидной мононити линейной плотности 7,8 текс (диаметр 90 мкм) в качестве второй компоненты. Нити первой и второй компоненты подавали на станок с разных навоев, регулируя натяжение второй компоненты таким образом, чтобы не искажать прямолинейность нитей первой компоненты (структурной). Плотность структурных нитей по основе и утку составляла 35 нитей на 1 см ширины, а поверхностная плотность ткани равнялась 214 г/м², причем 4% плотности ткани приходилось на полиамидную мононить. Внутритканевое взаимодействие равнялось 11 Н/см, что в 14 раз ниже, чем у контрольного образца ткани атласного переплетения 8/3 (155 Н/см) из той же нити с той же поверхностной плотностью. Защитный пакет из 15 слоев контрольного образца ткани (атлас 8/3) при обстреле имитатором осколка (стальной шарик диаметром 6,35 мм и массой 1,03 г. ) показал предел баллистической стойкости V50, равный 478 м/с. Замена в пакете четырех фронтальных слоев атласной ткани на четыре слоя однонаправленной ткани 7/1 повысила этот показатель до 512 м/с.

Пример 3.

Однонаправленную ткань в структуре 30/1 (на тридцать нитей первой компоненты приходится одна нить второй компоненты) изготовили из комплексной арамидной нити «Русар-С» линейной плотности 60 текс, которая использовалась в качестве первой компоненты и арамидной пряжи линейной плотности 20 текс в качестве второй компоненты. Нити первой и второй компонент подавали на станок с разных навоев, регулируя натяжение второй компоненты таким образом, чтобы не искажать прямолинейность нитей первой компоненты. Плотность структурных нитей основы и утка составляла 20 нитей на 1 см ширины, а поверхностная плотность ткани равнялась 243 г/м², причем 1,1% плотности ткани приходилось на арамидную пряжу. 15 слоев полученной ткани ламинировали полиэтиленовой пленкой толщиной 10 мкм, укладывая по одному слою пленки между слоями ткани. Полученный пакет прессовали под давлением 10 кг/см^{2 при температуре 114°С в течение 30 минут, охлаждали до 70°С и сбрасывали давление. Полученную панель с поверхностной плотностью 3,83 кг/м2 испытали на баллистическую стойкость имитатором осколка (стальной шарик диаметром 6,35 мм и массой 1,03 г). Предел баллистической стойкости V50 равнялся 401 м/с.}

Пример 4. Однонаправленную ткань в структуре 15/1 (на пятнадцать нитей первой компоненты приходится одна нить второй компоненты) изготовили из комплексной арамидной нити Русар-С линейной плотности 60 текс, которая использовалась в качестве первой компоненты, и полиэфирной нити линейной плотности 2,2 текс в качестве второй компоненты. Нити первой и второй компоненты подавали на станок с разных навоев, регулируя натяжение второй компоненты таким образом, чтобы не искажать прямолинейность нитей первой компоненты. Плотность структурных нитей основы и утка составляла 18 нитей на 1 см ширины, а поверхностная плотность ткани равнялась 230 г/м², причем 1,9% плотности ткани приходилось на полиэфирную нить. Одновременно из этой же нити была изготовлена ткань сравнения с такой же плотностью набивки нитей основы и утка и такой же поверхностной плотностью в виде атласа 8/3. Из каждой ткани были сформированы шестнадцатислойные пакеты. Между каждыми двумя слоями ткани в обоих пакетах уложили по одному слою полиамидфенольного клея ПКС 171 (ТУ 6-06-20-88). Пакеты прессовали под давлением 25 кг/см² при температуре 160°С в течении 1,5 часов. После охлаждения до 70°С давление сбрасывали. Из полученных панелей с 6% связующего с поверхностной плотностью 3,9 кг/м² изготовили образцы органокомпозита длиной 200 и шириной 25 мм и подвергли их испытанию на разрыв. Разрывная нагрузка у органокомпозита из ткани сравнения оказалась равной 873 МПа, а у образца из однонаправленной ткани - 912 МПа, что на 4,5% выше.

Пример 5. Однонаправленную ткань в структуре 21/1 (на двадцать одну нить первой компоненты приходится одна нить второй компоненты) изготовили из сверхвысокомолекулярной полиэтиленовой комплексной нити линейной плотности 110 текс с относительной разрывной нагрузкой 280 сН/текс, которая использовалась в качестве первой компоненты, и полиамидной мононити линейной плотности 7,8 текс (диаметр 90 мкм) в качестве второй компоненты. Нить первой и второй компонент подавали на станок с разных навоев, регулируя натяжение второй компоненты таким образом, чтобы не искажать прямолинейность структурных нитей. Плотность структурных нитей по основе и утку составляла 10 нитей на 1 см ширины. Поверхностная плотность ткани составляла 220 г/м², причем 0,35% плотности ткани приходилось на полиамидную мононить. 20 слоев полученной ткани ламинировали полиэтиленовой пленкой толщиной 10 мкм, укладывая по одному слою пленки между слоями ткани. Полученный пакет прессовали под давлением 10 кг/см² при температуре 114°С в течении 30 минут, охлаждали до 70°С и сбрасывали давление. Полученную панель с поверхностной плотностью 4,58 кг/м² испытали на баллистическую стойкость имитатором осколка (стальной шарик диаметром 6,35 мм и массой 1,03 г. ). Предел баллистической стойкости V50 равнялся 348 м/с.