ES2320220T3 - Articulo resistente a las balas. - Google Patents

Abstract

Una lámina preformada que comprende al menos dos monocapas, conteniendo cada monocapa fibras orientadas unidireccionalmente que tienen una resistencia a la tracción de al menos alrededor de 1,2 GPa y un módulo de elasticidad a la tracción de al menos 40 GPa, y un aglutinante, con una dirección de las fibras en cada monocapa girada con respecto a la dirección de las fibras de la monocapa adyacente, y una película separadora en ambas superficies exteriores de la lámina preformada, caracterizada porque la película separadora tiene una porosidad de entre 40 al 90%.

Description

Artículo resistente a las balas.

La invención está relacionada con una lámina preformada, con un conjunto de al menos dos láminas y con un artículo flexible resistente a las balas que comprende dicho conjunto. Una lámina preformada comprende al menos dos monocapas, conteniendo cada monocapa fibras orientadas unidireccionalmente que tienen una resistencia a la tracción de al menos alrededor de 1,2 GPa y un módulo de elasticidad a la tracción de al menos 40 GPa, y un aglutinante, con una dirección de las fibras en cada monocapa girada con respecto a la dirección de las fibras de la monocapa adyacente, y una película separadora en ambas superficies exteriores.

Tal lámina preformada se conoce de EP 0907504 A1. La EP 0907504 A1 describe una capa compuesta (o lámina preformada), la cual fue producida mediante el apilamiento de 4 monocapas en forma cruzada y aplicando una película separadora hecha de un polietileno lineal de baja densidad, y la consolidación subsiguiente de la pila sometiéndola a presión a una temperatura elevada. Las monocapas que contienen fibras orientadas unidireccionalmente fueron producidas mediante fibras de hilo de aramid con un titer de 1680 dtex siendo guiadas desde un marco de bobina sobre un peine y humedeciéndolas con una dispersión acuosa de un copolímero en bloque de poliestireno-polisopreno-poliestireno como aglutinante o material matriz. Fueron hechos artículos flexibles conformados resistentes a las balas a partir de una pila de varias de dichas capas compuestas no unidas, estando estabilizada la pila mediante costuras en las esquinas.

Un inconveniente de la lámina preformada conocida del arte anterior es que la relación entre la absorción de energía de un artículo resistente a las balas que comprende dichas láminas, la cual es una medida para el nivel de protección balística, y el peso del artículo resistente a las balas es desfavorable. Esta relación se expresa generalmente como la absorción específica de energía (SEA), que es la energía absorbida por masa superficial (generalmente llamada densidad superficial (AD)). Esto implica que se requiere un artículo resistente a las balas relativamente pesado para alcanzar un cierto nivel de protección deseado. Si el artículo resistente a las balas, por otro lado, tiene un peso bajo, el artículo proporciona un nivel de protección relativamente bajo contra los impactos de bala. Para un gran número de aplicaciones es de gran importancia el menor peso posible del artículo resistente a las balas en conjunción con un cierto nivel mínimo de protección. Este es el caso, por ejemplo, en el campo de la protección personal, tales como los blindajes para el vestuario y el cuerpo, como por ejemplo los chalecos antibalas; pero también para la aplicación, por ejemplo, en vehículos.

De esta forma hay una necesidad constante en la industria de una lámina preformada que permita la confección de artículos resistentes a las balas que ofrezcan un mayor nivel de protección con un cierto peso del artículo.

De acuerdo con la presente invención, esto se proporciona por una lámina preformada donde la película separadora tiene una porosidad de entre el 40 y el 90%.

Con la lámina preformada de acuerdo con la invención puede obtenerse un nivel de protección sustancialmente mayor con un cierto peso de un conjunto de láminas o de un artículo resistente a las balas que comprende un conjunto de láminas de acuerdo con la invención. Una ventaja adicional de la lámina preformada de acuerdo con la invención es que, además de tener una relación favorable entre el nivel de protección y la densidad superficial, un artículo resistente a las balas que comprenda un conjunto de las láminas preformadas ofrece más flexibilidad, lo cual incrementa el campo de aplicación para el uso de tales artículos resistentes a las balas. Esto hace al artículo particularmente adecuado para aplicaciones donde sean deseables una elevada flexibilidad y el confort en su uso, tales como en el blindaje corporal. Las láminas muestran además una facilidad mejorada para ser impresas con diferentes técnicas, lo cual es una ventaja para los aspectos de producción, control de calidad y rastreabilidad.

Con artículos resistentes a las balas se quiere decir piezas conformadas, que comprenden un conjunto de al menos dos láminas preformadas de acuerdo con la invención, la cual puede usarse como, por ejemplo, vestimenta protectora o para el blindaje de vehículos, y la cual ofrece protección contra impactos balísticos como los de balas y metralla.

Un conjunto de acuerdo con la invención contiene una pila de láminas preformadas que no están unidas una con otra; es decir, las láminas no están unidas o adheridas una con otra en una parte sustancial de sus superficies adyacentes. Sin embargo, es difícil manipular una pila de láminas preformadas que no estén unidas entre ellas, porque tal pila no tiene ninguna coherencia requerida para el procesamiento adicional. Para alcanzar algún nivel de coherencia el artículo resistente a las balas puede, por ejemplo, coserse de un lado a otro. Sin embargo, tal costura se hace tan pequeña como sea posible, por ejemplo, solamente en las esquinas o alrededor de los bordes, para permitir algún movimiento relativo entre las láminas. Otra posibilidad es rodear la pila de láminas preformadas con una cubierta o envoltura flexibles. De esta manera las láminas preformadas del conjunto o del artículo resistente a las balas mantienen la capacidad de desplazarse unas con respecto a otras, mientras que el conjunto o artículo en sí tienen coherencia y muestran buena flexibilidad.

Una lámina preformada comprende al menos dos monocapas de fibras orientadas unidireccionalmente, con la dirección de las fibras de cada monocapa girada con respecto a la dirección de las fibras de una monocapa adyacente, y las al menos dos monocapas estando unidas o fijadas una a la otra. El ángulo de rotación, que quiere decir el menor ángulo encerrado por las fibras de las monocapas adyacentes, está entre 0º y 90º. Preferiblemente, el ángulo está entre 45º y 90º. Más preferiblemente, el ángulo está entre 80º y 90º. Los artículos resistentes a las balas en los cuales las fibras de las monocapas adyacentes están en tal ángulo con respecto a las otras tienen mejores características antibalísticas. El término monocapa se refiere a una capa de fibras orientadas unidireccionalmente y un aglutinante que mantiene básicamente las fibras unidas.

El término fibra comprende no solamente un monofilamento sino, entre otros, también un hilo multifilamento o cintas planas. El término fibras orientadas unidireccionalmente se refiere a fibras que, en un plano, están esencialmente orientadas en paralelo.

Las fibras de la lámina preformada de la invención tienen una resistencia a la tracción de al menos alrededor de 1.2 GPa y un módulo de elasticidad a la tracción de al menos 40 GPa. Las fibras pueden ser fibras inorgánicas u orgánicas. Fibras inorgánicas adecuadas son, por ejemplo, fibras de vidrio, fibras de carbón y fibras cerámicas. Fibras orgánicas adecuadas con tal resistencia elevada a la tracción son, por ejemplo, fibras de aramid, fibras de polímeros cristalinos líquidos y fibras de, por ejemplo, poliolefinas, alcohol de polivinilo y poliacrilonitrilo las cuales son altamente orientadas, tales como las obtenidas, por ejemplo, mediante un proceso de hilado de gel. Las fibras tienen preferiblemente una resistencia a la tracción de al menos alrededor de 2 GPa, al menos 2.5 o incluso al menos 3 GPa. Las fibras de poliolefinos altamente orientadas son usadas preferiblemente. La ventaja de estas fibras es que tienen tanto una elevada resistencia a la tracción como un peso específico bajo, de forma tal que son en particular muy adecuadas para usarlas en artículos resistentes a las balas de peso ligero.

Poliolefinas adecuadas son en particular homopolímeros y copolímeros de etileno y propileno, los cuales pueden contener también pequeñas cantidades de uno o más de otros polímeros, en particular otros polímeros-1-alqueno.

Son obtenidos buenos resultados si se selecciona polietileno (PE) lineal como la poliolefina. Se sobreentiende en este punto que el polietileno lineal significa polietileno con menos de una cadena lateral por 100 átomos de C, y preferiblemente con menos de 1 cadena lateral por 300 átomos de C; una rama o cadena lateral generalmente contiene al menos 10 átomos de C. El polietileno lineal puede contener además hasta 5% mol de uno o más de otros alquenos que son copolimerizables con él, tales como el propeno, el buteno, el penteno, 4-metilpenteno, el octeno.

Preferiblemente, el polietileno lineal es de elevada masa molar; con una viscosidad intrínseca (IV, determinada en soluciones en decalina a 135ºC) de al menos 4 dl/g; más preferiblemente de al menos 8 dl/g. Tal polietileno es también denominado como polietileno de masa molar ultraelevada (UHPE). La viscosidad intrínseca es una medida de la masa molar (también llamada peso molecular) que puede determinarse más fácilmente que los parámetros reales de la masa molar tales como M_{n} y M_{w}. Existen varias relaciones empíricas entre la IV y M_{w}, pero tal relación es altamente dependiente de la distribución de la masa molar. Basándose en la ecuación M_{w} = 5.37 x 10^{4} [IV]^{1.37} (consulte EP 0504954 A1) una IV de 4 u 8 dl/g sería equivalente a un M_{w} de aproximadamente 360 ó 930 kg/mol, respectivamente.

Se utilizan preferiblemente las fibras de polietileno de alto desempeño (HPPE) consistentes de filamentos de polietileno que han sido preparados mediante un proceso de hilado de gel, tal como el descrito, por ejemplo, en GB 2042414 A o WO 01/73173. Un proceso de hilado de gel consiste esencialmente en la preparación de una solución de un polietileno lineal con una viscosidad intrínseca elevada, hilando la solución en filamentos a una temperatura por encima de la temperatura de disolución, enfriando los filamentos por debajo de la temperatura de gelificación, de modo que ocurra la gelificación, y estirando los filamentos antes, durante o después de la eliminación del solvente.

El término aglutinante se refiere a un material que aglutina o mantiene unidas las fibras y puede incluir las fibras en su totalidad o en parte, de forma tal que la estructura de la monocapa se mantiene durante la manipulación y la fabricación de las láminas preformadas. El material aglutinante puede haber sido aplicado en varias formas y modos; por ejemplo como una película, como una cinta de unión transversal (transversal con respecto a las fibras unidireccionales), o mediante la impregnación y/o incrustación de las fibras con un material matriz, por ejemplo, con un polímero fundido o una solución o dispersión de un material polimérico en un líquido. Preferiblemente, el material matriz está distribuido homogéneamente por toda la superficie de la monocapa, mientras que una cinta de unión o las fibras de unión pueden aplicarse localmente. En las patentes EP 0191306 B1, EP 1170925 A1, EP 0683374 B1 y EP 1144740 A1 se describen aglutinantes adecuados.

En una realización preferida, el aglutinante es un material matriz polimérico, y puede ser un material termoestable o termoplástico, o mezclas de los dos. La elongación a la ruptura del material matriz es preferiblemente mayor que la elongación de las fibras. El aglutinante tiene preferiblemente una elongación del 3 al 500%. Materiales termoestables y termoplásticos adecuados se enumeran en, por ejemplo, WO 91/12136 A1 (páginas 15-21). Del grupo de polímeros termoestables, los ésteres de vinilo, los poliésteres no saturados, los epóxidos o las resinas de fenol son seleccionados preferiblemente como material matriz. Del grupo de polímeros termoplásticos, los poliuretanos, los polivinilos, los poliacrílicos, las poliolefinas o los copolímeros de bloque elastoméricos termoplásticos tales como los copolímeros de bloque poliisopropeno-polietileno-butileno-poliestireno o poliestireno-polisopreno-poliestireno pueden seleccionarse como material matriz. Preferiblemente el aglutinante consiste esencialmente de un elastómero termoplástico, el cual preferiblemente recubre sustancialmente los filamentos individuales de dichas fibras en una monocapa, y tiene un módulo de elasticidad a la tracción (determinado en concordancia con ASTM D638, a 25ºC) menor que alrededor de 40 MPa. Tal aglutinante da como resultado una elevada flexibilidad de una monocapa y de un conjunto de láminas preformadas. Se encontró que se obtienen muy buenos resultados si el aglutinante en las monocapas y la lámina preformada es un copolímero de bloque estireno-isopreno-estireno.

En una realización especial de la invención, el aglutinante en la lámina preformada de acuerdo con la invención también contiene, además del material matriz polimérico, un relleno en una cantidad de desde el 5 al 80% en volumen, calculado sobre la base del volumen total del aglutinante. Más preferiblemente, la cantidad de relleno es desde el 10 hasta el 80% en volumen y lo más preferido desde el 20 hasta el 80% en volumen. Se encontró que como un resultado, la flexibilidad del artículo resistente a las balas se incrementa sin efectos adversos significativos sobre las características antibalísticas.

Los rellenos no contribuyen a la unión entre las fibras, sino que más bien sirven para la disolución volumétrica de la matriz entre las fibras, como resultado de lo cual el artículo resistente a las balas es más flexible y tiene una mayor absorción de energía. El relleno comprende preferiblemente una sustancia finamente dispersa que tiene un peso o densidad bajos. El relleno puede ser un gas, aunque el empleo de un gas como relleno presenta problemas prácticos en el procesamiento del material matriz. El relleno puede también, entre otras, comprender las sustancias acostumbradas para la preparación de las dispersiones, tales como emulsores, estabilizadores, aglutinantes y similares o un polvo finamente dispersado.

Se encontró que si el aglutinante contiene una cantidad de relleno por debajo del 80% en volumen, la cantidad de aglutinante es suficiente para alcanzar una unión adecuada entre las fibras, con una cantidad total constante de material matriz. También se encontró que si la matriz contiene una cantidad de relleno mayor que el 5% en volumen, la flexibilidad del artículo resistente a las balas se incrementa.

Preferiblemente, la cantidad de aglutinante en la monocapa es como máximo 30% en masa, más preferiblemente como máximo 25, 20 o incluso 15% en masa como máximo; ya que las fibras contribuyen más al desempeño balístico.

La lámina preformada de la invención comprende películas separadoras con una porosidad de entre el 40 y el 90% en ambas superficies exteriores. Dichas películas pueden ser, por ejemplo, películas porosas de polietileno, de polipropileno o de politetrafluoroetileno, la preparación de las cuales se describe en, por ejemplo, EP 0184392 A1 y EP 0504954 A1. La porosidad de una película es el volumen relativo de los espacios vacíos, poros o canales en la película (expresado en porcentaje del volumen), según se determine en las mediciones de densidad. La porosidad de una película puede determinarse más convenientemente antes de ser aplicada en la lámina preformada; la porosidad puede también reducirse durante la laminación bajo presión para formar la lámina preformada. Durante la laminación o presión tales condiciones (temperatura, presión, tiempo) se seleccionan, de forma de obtener una lámina consolidada; es decir que todas las capas se adhieran entre sí al menos parcialmente, pero sin que haya una fusión sustancial de la película separadora ya que esto deterioraría la porosidad y las propiedades mecánicas de la película.

Preferiblemente, la película separadora tiene una porosidad inicial, que es antes de hacer la lámina preformada, de al menos del 50%, del 60 o incluso al menos del 70%.

Preferiblemente, las películas son las llamadas películas microporosas, lo que significa que los poros y los canales en la estructura esencialmente continua de la matriz tienen un tamaño entre alrededor de 0.001 a 10 micrones, preferiblemente entre alrededor de 0.01 y 5 micrones.

La película separadora está hecha preferiblemente de una poliolefina, más preferiblemente de un polietileno. Hay muchos grados diferentes de polietileno que son muy adecuados para su formación como películas delgadas, incluyendo diferentes tipos de copolímeros de etileno y al menos un comonómero, como una alfa-olefina. En una realización preferida, la película separadora está hecha esencialmente de un polietileno de elevada masa molar, más preferiblemente de un polietileno de masa molar ultraelevada (UHPE) de IV de al menos 4 dl/g. Tales películas muestran generalmente tracciones y módulos relativamente elevados, y alta resistencia al desgaste.

La lámina preformada puede comprender adicionalmente una capa adhesiva entre la película porosa y otras capas, para mejorar la adhesión entre capas, y de esa manera la consistencia y la estabilidad de la lámina.

En una realización especial de la invención, la lámina preformada contiene monocapas que comprenden fibras de HPPE y una película porosa de polietileno, más preferiblemente una película microporosa de UHPE. La ventaja de tal construcción es que ocurre una buena adhesión entre las capas sin adhesivos adicionales, contribuyendo así a la reducción del peso. La flexibilidad de un conjunto que comprende una pila de tales láminas es además muy elevada, probablemente debido a la fricción muy baja entre las superficies de las láminas. Esto mejora grandemente el confort para quien usa los artículos protectores hechos de ellas.

Preferiblemente la película separadora es una película estirada biaxialmente, más preferiblemente una película estirada biaxialmente de 10 a 100 x. Aquí se sobreentiende que una película estirada biaxialmente de 10 a 100 x es una película, la cual se estira en dos direcciones perpendiculares de forma tal que la superficie de la película se incrementa por un factor de 10 a 100. Un método para la fabricación de dichas películas estiradas se describe en EP 0504954 A1. Una ventaja de las películas estiradas biaxialmente es que se puede obtener un nivel de protección aún mayor con cierto peso. Preferiblemente, la película es estirada biaxialmente al menos 20 x, al menos 30 x, o incluso al menos 40 x. Más preferiblemente, se aplican en las láminas las películas estiradas biaxialmente hechas de UHPE. Tales películas tienen una resistencia a la tracción y un módulo relativamente elevados, lo cual puede contribuir a la deformación de la lámina preformada ante un impacto. Las propiedades de tracción son expresadas preferiblemente por anchura de la película (por ejemplo, en N/m) y no por sección transversal (como N/m^{2}), para permitir una mejor comparación con las películas no porosas. Preferiblemente, por lo tanto, la película separadora tiene una resistencia a la tracción por anchura de la película (aquí llamado también factor de resistencia) de al menos 150 N/m, al menos 200, o incluso al menos 250 N/m. En el caso de películas con elongación elevada a la ruptura (por ejemplo mayor que el 20%) se toma preferiblemente como referencia la carga de fluencia en vez del esfuerzo a la ruptura. El módulo de elasticidad a la tracción por anchura de la película es preferiblemente de al menos 3000 N/m, al menos 4000 N/m, o incluso al menos 5000 N/m.

Aunque el espesor, o la masa por área superficial (llamada masa superficial o densidad superficial) de la película no es crítica para el comportamiento balístico, las películas delgadas son preferidas, ya que esto contribuye adicionalmente a la fabricación de láminas, conjuntos y artículos flexibles y ligeros. Los mejores resultados se obtuvieron con una lámina preformada donde la película separadora tiene una densidad superficial de entre 2 y 8, preferiblemente entre 2 y 4 g/m^{2}.

La lámina preformada de acuerdo con la invención comprende al menos dos monocapas que contienen fibras orientadas unidireccionalmente. En general, la lámina preformada comprende 2, 4 u otro múltiplo de 2 monocapas perpendicularmente orientadas. Preferiblemente, la lámina preformada comprende dos monocapas de fibras orientadas unidireccionalmente combinadas con una película estirada biaxialmente. Una lámina preformada con dos monocapas de fibras orientadas unidireccionalmente combinadas con películas estiradas biaxialmente en ambas superficies exteriores produce la mejor protección balística.

En una realización especial de la invención, la lámina preformada contiene como películas separadoras películas estiradas uniaxialmente, preferiblemente películas con una relación de estiramiento de 10 a 50. Estas películas estiradas uniaxialmente son colocadas de forma tal que la dirección de estiramiento de la película es perpendicular a la dirección de las fibras en la capa adyacente de fibras unidireccionales. En tal caso, la lámina puede contener un número impar de monocapas. En una realización especial, 3 monocapas de fibras orientadas unidireccionalmente, una capa central de las cuales puede tener hasta alrededor de la misma densidad superficial que la de ambas monocapas adyacentes juntas, ha sido cubierta con películas estiradas uniaxialmente, con una dirección de estiramiento perpendicular a la dirección de las fibras en la capa adyacente de fibras unidireccionales. La ventaja de tal construcción es, que en un proceso continuo de fabricación de una lámina mediante, por ejemplo, el calandrado de películas estiradas uniaxialmente sobre una pila de monocapas, ambas películas separadoras pueden aplicarse en la misma dirección desde los rodillos de la lámina.

La invención se relaciona además con un conjunto de al menos dos láminas preformadas de acuerdo con la invención, cuyas láminas no están unidas entre ellas. Con el aumento de la cantidad de láminas preformadas, el nivel de protección balística mejora, pero el peso del conjunto aumenta, y la flexibilidad disminuye. Para obtener una flexibilidad máxima, las láminas adyacentes en un conjunto no están unidas entre ellas. Dependiendo de la peligrosidad, y del nivel de protección deseado, la persona calificada puede encontrar un valor óptimo en la cantidad de láminas mediante alguna experimentación.

Se encuentran ventajas adicionales del conjunto resistente a las balas de acuerdo con la invención, o del artículo que comprenda tal conjunto, en aplicaciones en las cuales, además del peso y el nivel de protección del artículo resistente a las balas, la flexibilidad juegue un papel importante.

Los conjuntos y artículos resistentes a las balas pueden emplearse en aplicaciones flexibles permanentemente y por una vez. Las aplicaciones flexibles permanentemente se refieren a aplicaciones en las cuales los artículos resistentes a las balas, como un resultado de su uso continuo experimentan ajustes en la forma, tales como, por ejemplo, artículos resistentes a las balas para usar en el blindaje corporal. Las aplicaciones flexibles por una vez se refieren a aplicaciones en las cuales los conjuntos o artículos resistentes a las balas se llevan a una forma específica solamente una vez. Un ejemplo de esto es un artículo resistente a las balas que se va a adaptar en espacios de difícil acceso tales como el interior de las puertas de automóviles.

Se encontró que si el peso de las láminas preformadas tiene un valor máximo particular se alcanzan una flexibilidad, nivel de protección y peso adecuados del conjunto resistente a las balas. Preferiblemente, el peso, o la densidad superficial de la lámina preformada en los artículos resistentes a las balas en una aplicación flexible permanentemente es como máximo 500 g/m^{2}, estando el contenido de fibras de cada monocapa de 10 a 150 g/m^{2}. Más preferiblemente, el peso de la lámina preformada es como máximo 300 g/m^{2}, siendo el contenido de fibras de cada monocapa de 10 a 100 g/m^{2}.

Las aplicaciones flexibles por una vez pueden hacer uso de un conjunto o artículo resistentes a las balas que contengan láminas preformadas que tengan un peso o densidad superficial de cómo máximo 800 g/m^{2} y preferiblemente mayor que 300 g/m^{2}, porque en esta aplicación flexible por una vez se desea una rigidez mínima, de forma tal que se retenga la forma aplicada. Más preferiblemente, el peso de las láminas preformadas es mayor que 400 g/m^{2} y aún más preferiblemente mayor que 500 g/m^{2}.

El conjunto resistente a las balas puede, en principio, fabricarse mediante cualquier método adecuado, por ejemplo, de acuerdo con los procesos descritos en WO 95/00318, US 4623574, o US 5175040. Se produce una monocapa, por ejemplo, mediante fibras, preferiblemente en la forma de hilos multifilamentos continuos, siendo guiado desde un marco de bobina a través de un peine, como resultado de lo cual se orientan paralelamente en un plano. Para facilitar el procesamiento puede utilizarse una capa de soporte temporal, por ejemplo, una lámina de papel revestido, que se retira de nuevo de la monocapa en una etapa posterior del proceso. Se aplica un aglutinante para mantener básicamente unidas las fibras, es decir, retener la orientación y la estructura de la fibra obtenida durante pasos posteriores del procesamiento. Si se va a aplicar como aglutinante un material matriz, las fibras son preferiblemente recubiertas, antes o después de orientarlas en paralelo en un plano, con una cantidad de una sustancia líquida que contiene el aglutinante o un precursor de este, el cual reacciona para dar un material matriz de polímero que tenga el módulo de elasticidad deseado en una etapa posterior en la fabricación del artículo resistente a las balas. El término precursor se refiere a un monómero, a un oligómero o a una composición de polímero reticulable. La sustancia líquida puede ser una solución, una dispersión o una fusión.

Una cantidad de monocapas se deposita con un ángulo de rotación, preferiblemente a un ángulo de alrededor de 90º, una encima de la otra, y se coloca una película separadora en ambas superficies (en la parte superior y debajo de las monocapas apiladas), formándose una lámina multicapa en el proceso. Preferiblemente, la temperatura y/o la presión se incrementan para consolidar las capas utilizando técnicas conocidas; esto puede hacerse por ejemplo de forma discontinua mediante la compresión de una pila en un molde, o de modo continuo mediante pasos de laminación y de calandrado. Si un material matriz se aplica como aglutinante, el material matriz puede obligarse así a fluir entre las fibras y adherirse a las fibras de las monocapas que yacen debajo o por encima, y opcionalmente a la película separadora. Si se emplea una solución o una dispersión del material matriz, el proceso de formación de las monocapas en una lámina multicapa comprende también un paso de evaporación del solvente o dispersante, generalmente antes de los pasos de colocación y consolidación de las capas de película separadora. Entonces las láminas preformadas se apilan para producir un conjunto, el cual a su vez puede aplicarse para hacer un artículo resistente a las balas, con la opción
de estabilización del conjunto mediante, por ejemplo, la costura o la envoltura de la pila con una cubierta flexible.

Se encontró que, con el propósito de obtener un bajo contenido de aglutinante, especialmente un bajo contenido de material matriz, es ventajoso usar un método en el cual la monocapa sea producida mediante el humedecimiento de hilos teniendo un conteo de hilos (o titer) de entre 500 a 2500 dtex con una dispersión del material matriz y opcionalmente relleno. Los hilos que tienen un conteo de hilos mayor que 500 dtex absorben comparativamente poco material matriz de la dispersión. Preferiblemente, el conteo es mayor que 800 dtex, más preferiblemente mayor que 1000 dtex y lo más preferido mayor que 1200 dtex. El conteo de hilos es preferiblemente menor que 2500 dtex, porque estos hilos pueden esparcirse más rápidamente en el plano de la monocapa.

Preferiblemente, es usada una dispersión acuosa de un material matriz. Una dispersión acuosa tiene una viscosidad baja, lo cual tiene la ventaja de que el material matriz es distribuido muy uniformemente por las fibras, y se obtiene como resultado una unión buena y homogénea entre fibras. Una ventaja adicional es que el agua dispersante no es tóxica y puede por lo tanto evaporarse en el aire abierto. Preferiblemente, la dispersión, de igual modo con el propósito de obtener una distribución uniforme al porcentaje bajo de matriz pretendido, contiene entre 30 y 60% en masa de componentes sólidos (el material matriz elastomérico y cualquier relleno presentes), con relación a la masa total de la dispersión.

El conjunto resistente a las balas de acuerdo con la invención, que se puede obtener de acuerdo con los métodos descritos anteriormente, muestra muy buenas propiedades balísticas como se expresa por los valores V_{50} y SEA, especialmente a densidades superficiales relativamente bajas. Preferiblemente, el conjunto de acuerdo con la invención, o un artículo resistente a las balas flexible que comprenda tal conjunto, tiene una absorción específica de energía (SEA) de al menos 300 Jm^{2}/kg, cuando es impactado por una bala del tipo FMJ Parabellum 9x19 mm (8 gramos). La absorción de energía (EA) ante el impacto de una bala o de metralla se calcula a partir de la energía cinética de una bala o metralla de velocidad V_{50}. La velocidad V_{50} es la velocidad a la cual la probabilidad de que las balas o la metralla penetren a través de la estructura balística es del 50%.

La invención se relaciona más específicamente con un artículo flexible resistente a las balas que comprende un conjunto de una pluralidad de láminas que contienen al menos dos monocapas que consisten esencialmente de hilos multifilamentos de HPPE que tienen una resistencia a la tracción de al menos alrededor de 1,2 GPa y películas separadoras de polietileno poroso, teniendo el conjunto una densidad superficial (AD) de al menos 1,5 kg/m^{2} y una absorción específica de energía (SEA) de al menos 280 J.m^{2}/kg según la medición contra una bala FMJ Parabellum de 9x19 mm de acuerdo con un procedimiento de prueba basado en Stanag 2920. Preferiblemente, el artículo tiene una SEA de a menos 300, 325, 350 o incluso al menos 375 J.m^{2}/kg.

La invención se explica adicionalmente por medio de los ejemplos siguientes, sin estar limitada a estos, no obstante.

Métodos

\bullet IV: la Viscosidad Intrínseca se determina de acuerdo con el método PTC-179 (Hercules Inc. Rev. Abril 29, 1982) a 135ºC en decalina, siendo el tiempo de disolución de 16 horas, con DBPC como antioxidante en una cantidad de
2 g/l de solución, extrapolando la viscosidad medida a diferentes concentraciones hasta la concentración cero;

\bullet Cadenas laterales: la cantidad de cadenas laterales en una muestra de UHPE es determinada mediante FTIR en una película moldeada a compresión de 2 mm de espesor, cuantificando la absorción a 1375 cm^{-1} usando una curva de calibración basada en mediciones NMR (como en, por ejemplo, EP 0269151);

\bullet Propiedades de tensión: la resistencia a la tracción (o resistencia), el módulo de elasticidad a la tracción (o módulo) y la elongación a la ruptura (o eab) son definidos y determinados en hilos multifilamentos como se especifica en ASTM D885M, usando una longitud de referencia nominal de la fibra de 500 mm, una velocidad de la cruceta de 50%/min y fijadores Instron 2714, del tipo Fibre Grip D5618C. El módulo se determina como el gradiente entre 0.3 y 1% de la deformación sobre la base de la curva esfuerzo-deformación medida. Para el cálculo del módulo y de la resistencia, las fuerzas de tracción medidas se dividen por el titre, determinadas pesando 10 metros de fibra; los valores en GPa se calculan suponiendo una densidad de 0,97 g/cm^{3}. Las propiedades de tensión de las películas delgadas se midieron de acuerdo con la ISO 1184(H).

\bullet La porosidad de las películas porosas se calculó a partir de la densidad medida de la película y de la densidad del material a partir del cual estaba hecha la película (para el UHPE se utilizó una densidad de 0.97 g/cm^{3});

\bullet Desempeño balístico: la V_{50} y la SEA de los paneles compuestos se determinó con un procedimiento de prueba de acuerdo con Stanag 2920, usando balas del tipo FMJ Parabellum 9 mm * 19 mm (de Dynamit Nobel). Se fijó un conjunto de capas usando tiras flexibles sobre un soporte relleno con Roma Plastilin como material de respaldo, el cual fue preacondicionado a 35ºC. El efecto de trauma se cuantificó midiendo la profundidad de la deformación de la cara trasera del material de respaldo.

Preparación de las fibras de HPPE.

Se construyó un hilo multifilamento de HPPE mediante la extrusión de una solución al 8% en masa de un homopolímero de UHPE que tiene menos de 0.3 grupos laterales por 1000 átomos de carbono y una IV de 19,8 dl/g en decalina conteniendo una relación de isómeros isómeros cis/trans de entre 38/62 y 42/58 con un extrusor de doble tornillo de 130 mm equipado con una bomba de engranajes a una temperatura ajustada en 180ºC a través de placas de extrusión que tienen 1176 agujeros de extrusión con una dosificación de 2.2 g/min por agujero. Los agujeros de extrusión tenían un canal cilíndrico inicial de 3.5 mm de diámetro y una L/D de 18, seguido por una contracción cónica con un ángulo de cono de 60º dentro de un canal cilíndrico de 0.8 mm de diámetro y una L/D de 10. Los filamentos fluidos se enfriaron después de pasar por un espacio de aire de 25 mm, en un baño de agua mantenido de alrededor de 30 a 40ºC y con un caudal de agua de alrededor de 5 cm/seg perpendicular a los filamentos que entran en el baño, y se extrajeron a una velocidad tal que se aplicó una relación de estiramiento de 16 con respecto a la dimensión extrudida de los filamentos en el espacio de aire. Los filamentos fueron posteriormente estirados adicionalmente en estado sólido en dos pasos; primero en un horno con un gradiente de temperatura de alrededor de 110 a 140ºC, y luego a alrededor de 151ºC, aplicando una relación de estiramiento total en estado sólido de alrededor de 25, proceso durante el cual se evaporó la decalina de los filamentos. Los hilos obtenidos de esta manera tenían un titer de 930 dtex, una resistencia a la tracción de 4.1 GPa y un módulo de 150 GPa.

Experimento comparativo A

Se produjo una monocapa a partir de las fibras de HPPE descritas anteriormente, guiando varios hilos provenientes de un marco de bobina por un peine y humedeciendo los filamentos con una dispersión acuosa de Kraton® D1107 (elastómero termoplástico de copolímero de bloque poliestireno-poliisopropeno-poliestireno) como material matriz. Los hilos se orientaron en paralelo en un plano, y después del secado la densidad superficial de la monocapa era de alrededor de 38 g/m^{2}, el contenido de matriz era de alrededor de 12% en masa. Fue producida una lámina preformada mediante el apilamiento cruzado de 2 monocapas y aplicando una película de polietileno lineal no poroso de baja densidad como capas separadoras con un espesor de 7 micrones (equivalentes a una densidad superficial de alrededor de 7 g/m^{2}), y consolidando las monocapas y las películas separadoras a una presión de alrededor de 0.5 MPa y a una temperatura de alrededor de 110 a 115ºC. La película de polietileno tenía una resistencia a la tracción de alrededor de 10 MPa, o un factor de resistencia de alrededor de 70 N/m.

Un artículo plano resistente a las balas se hizo a partir de un conjunto suelto, no unido de una cantidad de láminas preformadas, estando el conjunto cosido a través de las esquinas. El desempeño balístico para tres conjuntos diferentes se probó con una bala tipo FMJ Parabellum de 9x19 mm (8 g); en la Tabla 1 se dan los resultados de la V_{50}, la SEA y el trauma (deformación de la cara trasera).

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Ejemplo 1

El experimento comparativo A se repitió, pero ahora se aplicó como película separadora una película de UHPE microporosa de 20 micrones de espesor, Solupor® 3P07A con una porosidad del 83% (obtenida de DSM Solutech, Holanda). Esta película estirada biaxialmente tenía una resistencia a la tracción de alrededor de 12 MPa, una elongación a la ruptura del 13% (ambas en la dirección de la mecanización), y un factor de resistencia de alrededor de
240 N/m. Las láminas ensambladas se deslizaban fácilmente entre ellas, enfatizando la necesidad de alguna estabilización durante el procesamiento y pruebas adicionales. La flexibilidad del conjunto estabilizado se consideró que era mayor, la pila podía doblarse con mayor facilidad que la pila del Experimento Comparativo A. Sorprendentemente, los valores observados de V_{50}, y de esa forma los de la SEA, eran marcadamente superiores que los del Experimento Comparativo A; al mismo tiempo el trauma no aumentó.

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Experimento comparativo B y Ejemplo 2

Se repitieron el experimento A y el ejemplo 1, pero las monocapas tenían una AD de alrededor de 39 g/m^{2} y el contenido de matriz era alrededor del 15% en masa. Los resultados de la prueba comprueban el desempeño balístico mejorado de las láminas hechas con capas separadoras porosas, vea la Tabla 1.

Experimento comparativo C y Ejemplo 3

Se hizo una monocapa unidireccional (UD) como en el Experimento Comparativo A con una AD de alrededor de 20 g/m^{2} y un contenido de matriz de alrededor del 15% en masa. Se hizo una lámina preformada colocando 4 monocapas en forma cruzada con una película de polietileno de 7 g/m^{2} en ambos lados, y consolidándola mediante compresión a 110-115ºC. Se apiló un número de estas láminas, estabilizadas con costuras, y se probó su desempeño antibalístico como antes.

En el Ejemplo 3 la lámina preformada contenía dos películas microporosas de UHPE de 8 micrones (densidad superficial de 3 g/m^{2}) y una porosidad del 63%. Esta película de desarrollo se obtuvo de DSM Solutech, Holanda, y era similar a la película Solupor® 3P07A hecha con un proceso como el descrito en EP 0504954 A1. Los conjuntos hechos de la misma muestran un desempeño balístico significativamente mejor que las muestras con películas no porosas, vea la Tabla 1.

El desempeño mejorado está adicionalmente ejemplificado en la Figura 1, donde están trazados los valores observados de la SEA contra la densidad superficial de los conjuntos probados de los experimentos A, B, 1 y 2.

TABLA 1

1

Claims (11)

1. Una lámina preformada que comprende al menos dos monocapas, conteniendo cada monocapa fibras orientadas unidireccionalmente que tienen una resistencia a la tracción de al menos alrededor de 1,2 GPa y un módulo de elasticidad a la tracción de al menos 40 GPa, y un aglutinante, con una dirección de las fibras en cada monocapa girada con respecto a la dirección de las fibras de la monocapa adyacente, y una película separadora en ambas superficies exteriores de la lámina preformada, caracterizada porque la película separadora tiene una porosidad de entre 40 al 90%.

2. Una lámina preformada de acuerdo con la reivindicación 1, donde las fibras comprenden fibras de polietileno de elevado desempeño.

3. Una lámina preformada de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 2, donde el aglutinante consiste esencialmente de un elastómero termoplástico y tiene un módulo de elasticidad a la tracción menor que alrededor de 40 MPa.

4. Una lámina preformada de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, donde la película separadora está hecha de polietileno de masa molar ultraelevada.

5. Una lámina preformada de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, donde la película separadora es una película estirada biaxialmente.

6. Una lámina preformada de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde la película separadora tiene una densidad superficial de 2 a 4 g/m^{2}.

7. Una lámina preformada de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, donde la película separadora tiene un factor de resistencia de al menos 150 N/m.

8. Una lámina preformada de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que comprende dos monocapas de fibras orientadas unidireccionalmente.

9. Conjunto de al menos dos láminas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-8, las cuales no están unidas o adheridas entre ellas en una parte sustancial de sus superficies adyacentes.

10. Artículo resistente a las balas que comprende al menos un conjunto de la reivindicación 9.

11. Artículo resistente a las balas que comprende el conjunto de la reivindicación 9, teniendo el conjunto una densidad superficial de al menos 1.5 kg/m^{2} y una absorción específica de energía de al menos 300 J.m^{2}/kg medida contra una bala FMJ de Parabellum de 9x19 mm de acuerdo con el procedimiento de pruebas basado en Stanag 2920.