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技術 混成繊維一方向性テープおよび複合積層体

出願人 ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド
発明者 アーヴィドソン,ブライアン・ディーバトナガー,アショクハースト,デーヴィッド・エイラムズデル,ロバート・シーワグナー,ロリ・エル
出願日 2013年4月25日 (6年2ヶ月経過) 出願番号 2015-512660
公開日 2015年9月3日 (3年10ヶ月経過) 公開番号 2015-525304
状態 特許登録済
技術分野 不織物 武器;爆破 強化プラスチック材料
主要キーワード 拡散棒 剛体棒 重ね積み 重合体母材 高弾性率材料 低圧積層 ポリオレフィンテープ 的痕跡
関連する未来課題
重要な関連分野

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課題・解決手段

複数の異なる繊維種またはテープ種を1つのプライに組み込んだ繊維/テーププライから形成された防弾材料および防弾物品。異なる繊維種またはテープ種は物理的に異なるが、化学的に異なってもあるいは実質的に化学的に似ていてもよい。

概要

背景

高強度繊維を含む防弾物品がよく知られている。防弾ベストヘルメット車両パネル、および軍用品構造部材のような物品は、一般に高強度繊維を含む布から作られている。超高分子量ポリエチレン繊維アラミド繊維ポリベンゾオキサゾール繊維液晶共重合体繊維、およびM5(登録商標剛体棒状繊維のような多種の高強度繊維が知られている。例えば米国特許第4,403,012号、第4,457,985号、第4,613,535号、第4,623,574号、第4,650,710号、第4,737,402号、第4,748,064号、第5,552,208号、第5,587,230号、第6,642,159号、第6,841,492号、第6,846,758号には超高分子量ポリエチレンから形成された防弾複合材が開示されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

各繊維種は独自の特徴と特性を有しており、結果として高強度繊維で作られた複合材の特性は使用される繊維種によって変わる場合がある。例えば、アラミド繊維はその表面に極性官能基を含むため大きな表面エネルギーを有し、したがって樹脂は一般にアラミド繊維に対して強い親和性を示す。それに対して超高分子量ポリエチレン繊維は元来不活性であり、一般に樹脂被覆に対し親和性が弱い。この違いが複合材の所望の最終用途に応じて重要になる。

防弾性に影響を与えるもう1つの因子布構造の種類である。例えば防弾ベストのような用途の場合、繊維を高分子結合剤被覆せずに織布または編布を作って柔軟な布複合材を形成することが望ましい場合がある。防弾ヘルメットのようなその他の用途の場合、繊維を高分子結合剤で包むかまたは繊維を高分子結合剤中に組み込んで剛直な不織布複合材を形成することが望ましい場合がある。

この点に関し、装甲産業では不織一方向性複合材がとりわけ最高性能の材料である。不織一方向性複合材を製造する代表的な方法では、一方向に配置された繊維の複数のプライ配向されて重ねられ、熱と圧力で押圧されて複合材が作られる。異なる繊維種の異なる特性を活かすために混成不織複合材を形成することが知られており、その場合、異なる繊維種で形成された繊維プライを結合して単一の装甲構造にしている。例えば米国特許第5,179,244号および第5,180,880号には防護服が教示されており、ここではアラミド繊維プライと非アラミド繊維プライを繋いで結合構造体にしている。また米国特許第6,119,575号には、第1の重合体母材状の芳香族繊維の少なくとも1つのプライと、織られた樹脂の少なくとも1つのプライと、第2の重合体母材状のポリオレフィン繊維の少なくとも1つのプライとを含む混成構造が教示されている。

米国特許第5,179,244号、第5,180,880号、および第6,119,575号に記載されている各複合材では、個々の構成プライはただ1種の繊維種で構成されており、ここでは1つの一方向性繊維プライは全て1種の繊維種で構成され、他の繊維プライは別の繊維種で構成されている。そのような構造は樹脂接着一体化温度、摩擦特性切削抵抗のような異なる繊維の異なる特性の長所を十分に活かすことができない。またそのような混成構造は、物理構築性質のため複合材の均一性や複合材内の各繊維種の割合が極端に制限される。当技術分野にはこれらの欠点を解決する要求があり、本発明はこの要求に対する解決策を提供する。具体的には、異なる種類の繊維を単一の繊維プライ内に結合することによって相乗効果が発揮され、各繊維種のいろいろな特性が互いにうまく補完し合い、それによって改良された防弾複合材が形成されることがわかった。

複合材の弾道貫通抵抗はその複合材の構成繊維の強度に直接関係し、この場合、靱性および/または引張弾性率のような繊維強度特性の増大がV50速度の上昇に比例する。したがってここでは、超高分子量ポリエチレン繊維のような大きな引張特性を有する繊維が望ましい。また、後面痕跡(当技術分野では「後面変形」、「外傷的痕跡」、または「鈍器損傷」としても知られている)と樹脂/繊維接合面における繊維の樹脂被覆の結合強度の間にも直接の関連性があり、結合強度が強いほど後面痕跡が少ないという関連性がある。したがって、樹脂/重合体被覆に強い親和性を有するアラミド繊維のような繊維がここでは望ましい。

炭素繊維ガラス繊維のような他の高性能構造繊維、およびポリエチレンテレフタラート繊維ならびにポリエチレンナフタラート繊維のようなポリエステル繊維が知られており、熱安定性耐摩耗性切断抵抗、および衝撃エネルギー吸収のような他の望ましい特性が得られる。本発明の繊維材料は1つ以上の混成繊維プライで形成され、これら混成繊維プライは少なくとも2種の異なる繊維種を結合して形成されていて、各繊維種がもたらす異なる有利な特性を相殺することなくまたは他の望ましい特性を犠牲にすることなく活用している。

概要

複数の異なる繊維種またはテープ種を1つのプライに組み込んだ繊維/テーププライから形成された防弾材料および防弾物品。異なる繊維種またはテープ種は物理的に異なるが、化学的に異なってもあるいは実質的に化学的に似ていてもよい。

目的

本発明はこの要求に対する解決策を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

少なくとも1つの混成プライを含む材料であって、該混成プライは複数の繊維または複数のテープを含み、該複数の繊維は少なくとも2種の物理的に異なる繊維種を含み、該複数のテープは少なくとも2種の物理的に異なるテープ種を含み、該物理的に異なる繊維種またはテープ種は少なくとも1つの異なる物理的特性を有する、材料。

請求項2

少なくとも2種の物理的に異なる繊維種またはテープ種が実質的に化学的に類似である、請求項1に記載の材料。

請求項3

少なくとも2種の物理的に異なる繊維種またはテープ種が化学的にも異なる、請求項1に記載の材料。

請求項4

混成プライが、複数のポリエチレン繊維および複数のアラミド繊維を含む、請求項3に記載の材料。

請求項5

混成プライが、少なくとも約20g/デニール靱性を有する複数の高靱性繊維及び約10g/デニール未満の靱性を有する複数の低靱性繊維を含む、請求項1に記載の材料。

請求項6

混成プライが、複数の高デニール繊維及び複数の低デニール繊維を含み、該高デニール繊維が該低デニール繊維よりも大きい繊維デニールを有する、請求項1に記載の材料。

請求項7

混成プライが、複数の物理的に異なるポリエチレン繊維を含む、請求項1に記載の材料。

請求項8

混成プライが、複数の物理的に異なるポリエチレン繊維を含み、さらに複数の物理的に異なるアラミド繊維を含む、請求項1に記載の材料。

請求項9

各繊維がフィラメントの束を含み、該フィラメントの束が少なくとも2種の化学的に異なる繊維種を含む、請求項1に記載の材料。

請求項10

少なくとも1つの混成プライを含む不織材料であって、各混成プライは複数の一方向に配向された実質的に平行な繊維または複数の一方向に配向された実質的に平行なテープを含み、該複数の繊維は少なくとも2種の物理的に異なる繊維種を含み、該複数のテープは少なくとも2種の物理的に異なるテープ種を含み、該物理的に異なる繊維種またはテープ種は少なくとも1つの異なる物理的特性を有し、各混成プライ中の隣接する平行な繊維または隣接する平行なテープは異なる繊維種または異なるテープ種である、不織材料。

技術分野

0001

関連出願の相互参照
本出願は、2012年5月17日に出願された同時係属中の米国仮出願第61/648,520号の利益を主張するものであり、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

0002

本発明は、単一の繊維プライに複数の異なる繊維種を組み込んだ複数の繊維プライから形成された防弾材料および防弾物品に関する。

背景技術

0003

高強度繊維を含む防弾物品がよく知られている。防弾ベストヘルメット車両パネル、および軍用品構造部材のような物品は、一般に高強度繊維を含む布から作られている。超高分子量ポリエチレン繊維アラミド繊維ポリベンゾオキサゾール繊維液晶共重合体繊維、およびM5(登録商標剛体棒状繊維のような多種の高強度繊維が知られている。例えば米国特許第4,403,012号、第4,457,985号、第4,613,535号、第4,623,574号、第4,650,710号、第4,737,402号、第4,748,064号、第5,552,208号、第5,587,230号、第6,642,159号、第6,841,492号、第6,846,758号には超高分子量ポリエチレンから形成された防弾複合材が開示されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

0004

各繊維種は独自の特徴と特性を有しており、結果として高強度繊維で作られた複合材の特性は使用される繊維種によって変わる場合がある。例えば、アラミド繊維はその表面に極性官能基を含むため大きな表面エネルギーを有し、したがって樹脂は一般にアラミド繊維に対して強い親和性を示す。それに対して超高分子量ポリエチレン繊維は元来不活性であり、一般に樹脂被覆に対し親和性が弱い。この違いが複合材の所望の最終用途に応じて重要になる。

0005

防弾性に影響を与えるもう1つの因子布構造の種類である。例えば防弾ベストのような用途の場合、繊維を高分子結合剤被覆せずに織布または編布を作って柔軟な布複合材を形成することが望ましい場合がある。防弾ヘルメットのようなその他の用途の場合、繊維を高分子結合剤で包むかまたは繊維を高分子結合剤中に組み込んで剛直な不織布複合材を形成することが望ましい場合がある。

0006

この点に関し、装甲産業では不織一方向性複合材がとりわけ最高性能の材料である。不織一方向性複合材を製造する代表的な方法では、一方向に配置された繊維の複数のプライ配向されて重ねられ、熱と圧力で押圧されて複合材が作られる。異なる繊維種の異なる特性を活かすために混成不織複合材を形成することが知られており、その場合、異なる繊維種で形成された繊維プライを結合して単一の装甲構造にしている。例えば米国特許第5,179,244号および第5,180,880号には防護服が教示されており、ここではアラミド繊維プライと非アラミド繊維プライを繋いで結合構造体にしている。また米国特許第6,119,575号には、第1の重合体母材状の芳香族繊維の少なくとも1つのプライと、織られた樹脂の少なくとも1つのプライと、第2の重合体母材状のポリオレフィン繊維の少なくとも1つのプライとを含む混成構造が教示されている。

0007

米国特許第5,179,244号、第5,180,880号、および第6,119,575号に記載されている各複合材では、個々の構成プライはただ1種の繊維種で構成されており、ここでは1つの一方向性繊維プライは全て1種の繊維種で構成され、他の繊維プライは別の繊維種で構成されている。そのような構造は樹脂接着一体化温度、摩擦特性切削抵抗のような異なる繊維の異なる特性の長所を十分に活かすことができない。またそのような混成構造は、物理構築性質のため複合材の均一性や複合材内の各繊維種の割合が極端に制限される。当技術分野にはこれらの欠点を解決する要求があり、本発明はこの要求に対する解決策を提供する。具体的には、異なる種類の繊維を単一の繊維プライ内に結合することによって相乗効果が発揮され、各繊維種のいろいろな特性が互いにうまく補完し合い、それによって改良された防弾複合材が形成されることがわかった。

0008

複合材の弾道貫通抵抗はその複合材の構成繊維の強度に直接関係し、この場合、靱性および/または引張弾性率のような繊維強度特性の増大がV50速度の上昇に比例する。したがってここでは、超高分子量ポリエチレン繊維のような大きな引張特性を有する繊維が望ましい。また、後面痕跡(当技術分野では「後面変形」、「外傷的痕跡」、または「鈍器損傷」としても知られている)と樹脂/繊維接合面における繊維の樹脂被覆の結合強度の間にも直接の関連性があり、結合強度が強いほど後面痕跡が少ないという関連性がある。したがって、樹脂/重合体被覆に強い親和性を有するアラミド繊維のような繊維がここでは望ましい。

0009

炭素繊維ガラス繊維のような他の高性能構造繊維、およびポリエチレンテレフタラート繊維ならびにポリエチレンナフタラート繊維のようなポリエステル繊維が知られており、熱安定性耐摩耗性切断抵抗、および衝撃エネルギー吸収のような他の望ましい特性が得られる。本発明の繊維材料は1つ以上の混成繊維プライで形成され、これら混成繊維プライは少なくとも2種の異なる繊維種を結合して形成されていて、各繊維種がもたらす異なる有利な特性を相殺することなくまたは他の望ましい特性を犠牲にすることなく活用している。

0010

本発明は少なくとも1つの混成プライを含む材料を提供し、該混成プライは複数の繊維または複数のテープを含み、該複数の繊維は少なくとも2種の物理的に異なる繊維種を含み、該複数のテープは少なくとも2種の物理的に異なるテープ種を含み、該物理的に異なる繊維種またはテープ種は少なくとも1つの異なる物理的特性を有する。

0011

また本発明は、少なくとも1つの混成プライを含む不織材料も提供し、各混成プライは一方向に配向された実質的に平行な複数の繊維または一方向に配向された実質的に平行な複数のテープを含み、該複数の繊維は少なくとも2種の物理的に異なる繊維種を含み、該複数のテープは少なくとも2種の物理的に異なるテープ種を含み、該物理的に異なる繊維種またはテープ種は少なくとも1つの異なる物理的特性を有し、各混成プライ中の隣接する平行な繊維または隣接する平行なテープは異なる繊維種または異なるテープ種である。

実施例

0012

優れた構造特性、高い弾道貫通抵抗、および小さい後面痕跡の間の両立を達成した複合材および他の繊維材料が提供される。
本明細書に用いられる「混成」は、2つ以上の異なる要素、本発明との関連では2種以上の異なる繊維種、2種以上の異なるテープ種、またはそれらの組合せを結合して作られた物の通常的かつ慣習的意味を有する。「混成プライ」は複数の繊維を含んでもよく、この複数の繊維は少なくとも2種の物理的に異なる繊維種を含み、この物理的に異なる繊維種は少なくとも1つの異なる物理的特性を有する。あるいは「混成プライ」は複数のテープを含んでもよく、この複数のテープは少なくとも2種の物理的に異なるテープ種を含んでもよく、この物理的に異なるテープ種は少なくとも1つの異なる物理的特性を有する。

0013

本明細書に用いられている異なる繊維/テープ種は、最低でも物理的に異なる繊維/テープ、すなわち少なくとも1つの異なる物理的特性を有する繊維/テープ種である繊維/テープを指す。繊維/テープの物理的特性の具体例には繊維/テープ引張特性が含まれ、例えば、靱性、初期引張弾性率、最終引張強度、および最終伸び破断時伸びのようなものがある。他の物理的特性には、繊維/テープ密度、繊維/テープデニールフィラメントあたりのデニール、クリープ特性ASTMD6992で求められる)、繊維/テープ直径、電気的特性誘電率および誘電損失のような誘電特性を含む)、および繊維/テープの軸方向および横断方向の熱膨張係数を含む熱特性が含まれる。

0014

本明細書に用いられている物理的特性には繊維/テープ表面の物理的特徴も含まれ、例えば、繊維/テープの表面仕上げの有無または繊維/テープ表面のプラズマ処理またはコロナ処理のようなものによる処理の有無のようものがある。種々の表面処理が同時係属出願中の第61/531,233号、第61/531,255号、第61/531,268号、第61/531,302号、および第61/531,323号に記載されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

0015

本発明の目的では、「繊維」は、その長さ寸法が幅および厚さの横断寸法よりもはるかに大きい長尺体である。本発明に使用される繊維の断面は大きく異なってもよく、円形、扁平、または楕円形の断面でもよい。したがって「繊維」には規則的なまたは不規則な断面を有するフィラメント、リボン細片等を含むが、繊維が実質的に円形断面を有することが好ましい。本明細書に用いられている「糸」は複数の繊維またはフィラメントからなる1本の連続したストランドとして定義される。1本の繊維はただ1本のフィラメントから形成されても複数のフィラメントから形成されてもよい。ただ1本のフィラメントから形成された繊維を、本明細書では「単一フィラメント」繊維または「モノフィラメント」繊維のいずれかで呼び、複数のフィラメントから形成された繊維を本明細書では「マルチフィラメント」繊維と呼ぶ。本明細書におけるマルチフィラメント繊維の定義は、互いに少なくとも部分的に融合していてモノフィラメント繊維のように見えるマルチフィラメント繊維を表す専門用語である疑似モノフィラメント繊維も含む。本発明のマルチフィラメント繊維は好ましくは2〜約1000本のフィラメント、さらに好ましくは30〜500本のフィラメント、さらに好ましくは100〜500本のフィラメント、さらに好ましくは約100〜約250本のフィラメント、最も好ましくは約120〜約240本のフィラメントを含む。マルチフィラメント繊維は当技術分野では繊維束と呼ばれることも多い。

0016

本明細書に用いられる「繊維プライ」または「テーププライ」は、実質的に重なりがない一方向に配向された繊維、繊維テープ、非繊維テープ、またはそれらの組合せの1枚のシートすなわち全体に平坦な層を含んでもよい。あるいはこれを、実質的に平行な繊維/テープの配列と記述してもよい。この種の繊維/テープ配置は当技術分野では「ユニテープ」、「一方向性テープ」、「UD」、または「UDT」としても知られている。本明細書に用いられる「配列」は、繊維、糸、またはテープの整然とした配置(織布を除く)を表し、「平行な配列」は、繊維、糸、またはテープの整然とした平行な配置を表す。「配向繊維」という文脈で使用される「配向」は繊維の整列を指す。「繊維プライ」は織布を指すことがある。単一の「プライ」には、複数の織布を組み込んだ一体化構造、または重ねられ結合され実質的に平行な繊維/テープの複数の配列を組み込んだ一体化構造は含まれない。

0017

一方、本明細書に用いられる「繊維層」または「テープ層」は、一方向に配向された繊維/テープの単一プライ、一方向に配向された繊維/テープの複数の一体化プライ、織布、複数の一体化織布、または複数の繊維/テープで形成された任意の他の布構造を含んでもよく、無秩序に配向された繊維/テープで構成されたフェルトマット、および他の構造を含む。「層」は一般に平坦な配置を表す。繊維層は外側上面および外側底面の両方を有することになる。

0018

「布」は、プライ同士を成形すなわち一体化する/しないに関わらず、1つ以上の繊維プライを含むことができる構造を表す。例えば、織布またはフェルトは1つの繊維プライを含んでもよい。一方向性繊維/テープで形成された不織布は一般的に、互いに重ね積み重ねられて一体化された複数の繊維プライを含む。「単一層」構造とは、本明細書で使用する場合、1つ以上の単独プライまたは単独層からなり低圧積層または高圧成形によって必要なら高分子結合剤と一緒単一構造に結合すなわち一体化された任意の一体化繊維構造を指す。「一体化する」とは、高分子結合剤が各繊維プライと共に結合されて単一層になることを意味する。一体化は乾燥、冷却、加熱、圧力、またはそれらの組合せによって行うことができる。湿式積層法の場合のように繊維/テープ層または布層を単に接着するだけでよければ、熱および/または圧力は必須ではない場合がある。「複合材」とは、一般には少なくとも1つの高分子結合剤との繊維/テープの組合せを指す。「複雑複合材」とは複数の繊維/テープ層の一体化された組合せを指す。本明細書に述べる「不織」布は、織りによって形成されない全ての布構造を含む。例えば不織布は、少なくとも部分的に高分子結合剤で被覆され、積み重ね/重ね合わされ、単一層、一体化要素に一体化されている複数のユニテープ、ならびに平行ではなく無秩序に配向され好ましくは高分子結合剤組成で被覆されている繊維を含むフェルトまたはマットを含んでもよい。

0019

本明細書に用いられている「テープ」は、繊維材料または非繊維材料の幅が狭い細片を指す。テープは全体に平坦な実質的に矩形断面を有する構造であり、約0.5mm以下、より好ましくは約0.25mm以下、さらに好ましくは約0.1mm以下、さらに好ましくは約0.05mm以下の厚さを有する。最も好ましい態様では、重合体テープは最大約3ミル(76.2μm)、より好ましくは約0.35ミル〜約3ミル(8.89μm〜76.2μm)、最も好ましくは約0.35ミル〜約1.5ミル(38.1μm)の厚さを有する。厚さは断面の厚さが最大の領域で測定される。テープは一般に約6インチ(15.24cm)以下の幅を有し、好ましくは約2.5mm〜約50mm、より好ましくは約5mm〜約50mm、さらに好ましくは約5mm〜約25.4mm(1インチ)、さらに好ましくは約5mm〜約20mm、最も好ましくは約5mm〜約10mmの幅がある。これらの寸法は変化してもよいが、本明細書で形成された重合体テープは最も好ましくは、約3:1より大きい平均断面縦横比(すなわち断面の最大寸法の最小寸法に対する比をテープ品全長にわたって平均したもの)、より好ましくは少なくとも約5:1、さらに好ましくは少なくとも約10:1、さらに好ましくは少なくとも約20:1、さらに好ましくは少なくとも約50:1、さらに好ましくは少なくとも約100:1、さらに好ましくは少なくとも約250:1の平均断面縦横比を達成する寸法を有するように作られ、最も好ましい重合体テープは少なくとも約400:1の平均断面縦横比を有する。

0020

テープは繊維材料でも、または非繊維材料でもよい。「繊維」テープ材料は1本以上のフィラメントを含むテープである。本発明の重合体テープの断面は矩形でも、楕円でも、多角形でも、不規則形状でも、または本明細書に概要を記載した幅、厚さ、および縦横比要件を満たす任意形状でもよい。

0021

繊維テープを作る方法は、例えば米国特許第8,236,119号、および米国特許出願第13/021,262号、第13/494,641号、第13/568,097号、第13/647,926号、および第13/708,360号に記載されており、その開示が参照によって本明細書に組み込まれる。繊維テープを作る他の方法は、例えば米国特許第2,035,138号、第4,124,420号、第5,115,839号に記載されており、あるいは狭い織布すなわちリボンの織り専用のリボン織機が用いられる。有用なリボン織機は例えば、それぞれTextilma AG(スイススタンスタッド)に付与された米国特許第4,541,461号、第5,564,477号、第7,451,787号、および第7,857,012号に開示されており、本明細書と一致する範囲を参照して各特許が本明細書に組み込まれる。ただし、任意の別のリボン織機も同じく有用である。重合体テープは、押出し、引き抜き、スリットフィルム技術のような他の既知の方法で形成してもよい。例えば、標準厚さのユニテープを切断して所望の長さを有するテープにしてもよい。切断装置の一具体例が米国特許第6,098,510号に開示されており、シート材料ウェブを前記ロールに巻かれたまま切断する装置が教示されている。切断装置の別の具体例は米国特許第6,148,871号に開示されており、重合体フィルムのシートを複数の刃で切断して複数のフィルム細片にする装置が教示されている。米国特許第6,098,510号および米国特許第6,148,871号の開示は共に、本明細書と一致する範囲を参照して本明細書に組み込まれる。不織非繊維重合体テープを作る方法は、例えば米国特許第7,300,691号、第7,964,266号、および第7,964,267号に開示されており、参照によって本明細書に組み込まれる。これらのテープの各態様では、テープ系材料複数層積み重ね、高分子結合剤を用いて、または用いずに繊維材料と類似の方法で一体化/成形してもよい。

0022

非繊維重合体テープは押出し、引き抜き、スリットフィルム技術、繊維圧縮平坦化技術のような既知の方法で形成される。例えば、標準厚さのユニテープを切断して所望の長さを有するテープにしてもよく、これは複数プライの不織繊維層でテープを作るのに望ましい方法である。切断装置の一具体例が米国特許第6,098,510号に開示されており、シート材料ウェブを前記ロールに巻かれたまま切断する装置が教示されている。切断装置の他の具体例は米国特許第6,148,871号に開示されており、重合体フィルムのシートを複数の刃で切断して複数のフィルム細片にする装置が教示されている。米国特許第6,098,510号および米国特許第6,148,871号の開示は共に、本明細書と一致する範囲を参照して本明細書に組み込まれる。他の例示的方法は、米国特許第7,300,691号、第7,964,266号、および第7,964,267号に開示されており、本明細書と一致する範囲を参照して本明細書に組み込まれる。布の細片を織って狭いテープ構造を形成することも既知であり、これは一般に任意の従来の織機の設定を調整して達成することができ(そのような装置は米国特許第2,035,138号、第4,124,420号、第5,115,839号に開示されており、本明細書と一致する範囲を参照して本明細書に組み込まれる)、あるいは狭い織布すなわちリボンの織り専用のリボン織機が用いられる。有用なリボン織機は例えば、それぞれTextilma AG(スイス、スタンスタッド)に付与されている米国特許第4,541,461号、第5,564,477号、第7,451,787号、および第7,857,012号に開示されており、本明細書と一致する範囲を参照して各特許が本明細書に組み込まれる。ただし、任意の別のリボン織機も同じく有用である。

0023

混成繊維プライ中の少なくとも1部の繊維は高強度高引張弾性率の重合体繊維である。本明細書に用いられている「高強度高引張弾性率」繊維は、ASTMD2256繊維で測定時に少なくとも約7g/デニール以上の好ましい靱性、少なくとも約150g/デニール以上の好ましい引張弾性率、さらに好ましくは少なくとも約8J/g以上の破断エネルギーを有する繊維である。本明細書に用いられている「デニール」は線密度の単位であり、繊維の9000メートルあたりのグラム単位の質量に等しい。本明細書に用いられている「靱性」は、応力を受けていない試験片単位線密度(デニール)あたりの力(グラム)で表した引張応力を指す。繊維の「初期弾性率」は材料の変形に対する抵抗力を示す特性である。「引張弾性率」は靱性(デニールあたりグラム力(g/d))の変化の歪み(繊維の元の長さの分数(インチ/インチ))の変化に対する比を指す。

0024

特に好適な高強度高引張弾性率繊維には、高密度および低密度ポリエチレンを含むポリオレフィン繊維がある。特に好ましいものは、高配向高分子量ポリエチレン繊維のような延伸鎖ポリオレフィン繊維であり、具体的には超高分子量ポリエチレン繊維、およびポリプロピレン繊維、具体的には超高分子量ポリプロピレン繊維である。また好適なものはアラミド繊維であり、具体的にはパラアラミド繊維ポリアミド繊維、ポリエチレンテレフタラート繊維、ポリエチレンナフタラート繊維、延伸鎖ポリビニルアルコール繊維、延伸鎖ポリアクリロニトリル繊維、ポリベンゾオキサゾール(PBO)繊維、ポリベンゾチアゾール(PBT)繊維、液晶コポリエステル繊維、M5(登録商標)繊維のような剛体棒状繊維、およびガラス繊維が含まれ、ガラス繊維には電気等級ガラス繊維(E−ガラス電気特性が良好な低アルカリホウケイ酸塩ガラス)、構造等級ガラス繊維(S−ガラス:高強度マグネシアアルミナケイ酸)、および抵抗等級ガラス繊維(R−ガラス:酸化マグネシウムまたは酸化カルシウムを含まない高強度アルミノケイ酸塩ガラス)が含まれる。これらの各繊維種は当技術分野では従来から知られている。また、重合体繊維の製造に適するのは共重合体ブロック重合体、および上記材料の混合材料である。

0025

最も好ましい繊維種はポリエチレンを含み、具体的には延伸鎖ポリエチレン繊維、アラミド繊維、PBO繊維、液晶コポリエステル繊維、ポリプロピレン繊維、具体的には高配向延伸鎖ポリプロピレン繊維、ポリビニルアルコール繊維ポリアクリロニトリル繊維、および剛体棒状繊維、具体的にはM5(登録商標)繊維である。

0026

ポリエチレンの場合、好ましい繊維は少なくとも300,000の分子量、好ましくは少なくとも100万以上の分子量、より好ましくは200万〜500万の分子量を有する延伸鎖ポリエチレンである。そのような延伸鎖ポリエチレン(ECPE)繊維は、米国特許第4,137,394号または第4,356,138号に記載のように溶液紡糸過程成長させてもよく(参照によって本明細書に組み込まれる)、あるいは、米国特許第4,413,110号、第4,536,536号、第4,551,296号、第4,663,101号、第5,006,390号、第5,032,338号、第5,578,374号、第5,736,244号、第5,741,451号、第5,958,582号、第5,972,498号、第6,448,359号、第6,746,975号、第6,969,553号、第7,078,099号、第7,344,668号、および米国特許出願公報第2007/0231572に記載のように溶液から紡糸されてゲル構造を形成してもよい(これらの全てが参照によって本明細書に組み込まれる)。特に好ましい繊維種は、Honeywell International Inc.からSPECTRA(登録商標)の商標で販売されているポリエチレン繊維である。SPECTRA(登録商標)繊維は当技術分野ではよく知られている。他の便利なポリエチレン繊維種には、Royal DSMN.V. Corporation(オランダヘールレン)から市販されているDYNEEMA(登録商標)UHMWPE糸がある。

0027

好ましいアラミド芳香族ポリアミド)繊維またはパラアラミド繊維は市販されており、例えば米国特許第3,671,542号に記載されている。例えば有用なポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)フィラメントは、KEVLAR(登録商標)の商標でDuPontによって商用生産されている。また本発明の実施に有用なものは、DuPont(デラウェア州ウィルミントン)によってNOMEX(登録商標)の商標で商用生産されているポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)繊維、Teijin Aramid Gmbh(ドイツ)によってTWARON(登録商標)の商標で商用生産されている繊維、Kolon Industries, Inc.(韓国)によってHERACRON(登録商標)の商標で商用生産されているアラミド繊維、Kamensk Volokno JSC(ロシア)によって商用生産されているp−アラミド繊維SVM(登録商標)ならびにRUSAR(登録商標)、およびJSC Chim Volokno(ロシア)によって商用生産されているARMOS(登録商標)p−アラミド繊維である。

0028

本発明の実施に好適なPBO繊維は市販されており、例えば米国特許第5,286,833号、第5,296,185号、第5,356,584号、第5,534,205号、および第6,040,050号に開示されており、それぞれ参照によって本明細書に組み込まれる。本発明の実施に好適な液晶コポリエステル繊維は市販されており、例えば米国特許第3,975,487号、第4,118,372号、および第4,161,470号に開示されており、それぞれ参照によって本明細書に組み込まれ、Kuraray Co., Ltd.(日本、東京)から市販されているVECTRAN(登録商標)液晶コポリエステル繊維が含まれる。好適なポリプロピレン繊維には、米国特許第4,413,110号に記載の高配向延伸鎖ポリプロピレン(ECPP)繊維が含まれ、参照によって本明細書に組み込まれる。好適なポリビニルアルコールPV−OH)繊維は、例えば米国特許第4,440,711号、および第4,599,267号に記載されており、参照によって本明細書に組み込まれる。好適なポリアクリロニトリル(PAN)繊維は、例えば米国特許第4,535,027号に開示されており、参照によって本明細書に組み込まれる。これらの繊維種はそれぞれ従来から知られており、広く市販されている。

0029

M5(登録商標)繊維はピリドビスイミダゾール−2,6−ジイル(2,5−ジヒドロキシ−p−フェニレン)で形成され、Magellan Systems International(バージニア州リッチモンド)によって最近製造され、例えば米国特許第5,674,969号、第5,939,553号、第5,945,537号、および第6,040,478号に記載されており、それぞれ参照によって本明細書に組み込まれる。

0030

有用なガラス繊維にはS−ガラス繊維があり、AGY(サウスカロライナ州、エーケン)から市販されているS2-Glass(登録商標)繊維、および3B Fibreglass(ベルギー、バチス)から市販されているHiPerTex(登録商標)E−ガラス繊維がある。また、好適なものは、VETROTEX(登録商標)の商標でSaint-Gobain(フランス、クールブボア)から市販されているようなR−ガラス繊維である。また、上記材料を全て組み合わせても好適である。

0031

繊維テープ材料は上記の方法によって前述の繊維/フィラメント種のうちのいずれかを用いて作ることができる。特に好適な高強度高引張弾性率の非繊維重合体テープ材料はポリオレフィンテープである。好ましいポリオレフィンテープにはポリエチレンテープが含まれ、TENSYLON(登録商標)の商標でE. I. du Pont de Nemours and Company(デラウェア州、ウィルミントン)から市販されているものなどがある。例えば米国特許第5,091,133号、第7,964,266号、および第7,964,267号があり、参照によって本明細書に組み込まれる。また、好適なものはポリプロピレンテープであり、TEGRIS(登録商標)の商標でMilliken & Company(サウスカロライナ州、スパータンバーグ)から市販されているものなどがある。例えば米国特許第7,300,691号があり、参照によって本明細書に組み込まれる。本明細書で破砕抵抗性基材として有用なポリオレフィンテープ系複合材も、例えばRoyal DSMN.V. Corporation(オランダ、ヘールレン)からDYNEEMA(登録商標)BT10の商標で、ENDUMAX(登録商標)の商標でTeijin Aramid Gmbh(ドイツ)から市販されている。

0032

繊維/テープは任意の好適なデニールでよい。例えば、繊維は約50〜約3000デニール、より好ましくは約200〜3000デニール、さらに好ましくは約650〜約2000デニール、最も好ましくは約800〜約1500デニールのデニールを有してもよい。テープは約50〜約30,000デニール、より好ましくは約200〜10,000デニール、さらに好ましくは約650〜約2000デニール、最も好ましくは約800〜約1500デニールのデニールを有してもよい。この選択は防弾効果および費用を考慮して決定される。細い繊維/テープがほど製造と織りに費用がかかるが、単位重量当たりの防弾効果を高めることができる。

0033

上記のように、高強度高引張弾性率の繊維/テープは、それぞれASTMD2256で測定時に約7g/デニール以上の好ましい靱性、約150g/デニール以上の好ましい引張弾性率、および約8J/g以上の好ましい破断エネルギーを有するものである。好ましい繊維は約10g/デニール以上の好ましい靱性を有し、より好ましくは約15g/デニール以上、より好ましくは約20g/デニール以上、さらに好ましくは約25g/デニール以上、さらに好ましくは約30g/デニール以上、さらに好ましくは約40g/デニール以上、さらに好ましくは約45g/デニール以上、最も好ましくは約50g/デニール以上の靱性を有する。好ましいテープは約10g/デニール以上の好ましい靱性を有し、より好ましくは約15g/デニール以上、さらに好ましくは約17.5g/デニール以上、最も好ましくは約20g/デニール以上の靱性を有する。幅が広いテープほど小さい靱性を有することになる。好ましい繊維/テープは約300g/デニール以上の好ましい引張弾性率も有し、より好ましくは約400g/デニール以上、より好ましくは約500g/デニール以上、より好ましくは約1,000g/デニール以上、最も好ましくは約1,500g/デニール以上の引張弾性率を有する。好ましい繊維/テープは約15J/g以上の好ましい破断エネルギーも有し、より好ましくは約25J/g以上、より好ましくは約30J/g以上、最も好ましくは約40J/g以上の破断エネルギーを有する。これらを組み合わせた高強度特性を有する好ましい繊維種およびテープ種のそれぞれを形成する方法が当技術分野では従来から知られている。

0034

本発明の一態様では、混成繊維プライまたは混成テーププライの物理的に異なる繊維/テープ種は、実質的に化学的に類似すなわち化学的に同じである物理的に異なる繊維またはテープを含む。ここで化学的に同じとはそれらが同じ重合体で形成されていることを意味する。例えば好ましい材料では、混成繊維プライまたは混成テーププライは物理的に異なる複数のポリエチレン繊維またはテープを含む。別の好ましい繊維材料では、混成繊維プライまたは混成テーププライは物理的に異なる複数のアラミド繊維またはテープを含む。別の好ましい繊維材料では、混成繊維プライまたは混成テーププライは物理的に異なる複数のポリベンゾオキサゾール(PBO)繊維またはテープを含む。1つの混成繊維プライまたは混成テーププライ内の繊維/テープ種は化学的に同じだが、異なる靱性、異なる引張弾性率、異なる破断時伸び、異なる最終引張強度、異なる繊維/テープデニールのような少なくとも1つの異なる物理的特性を有する。混成繊維層またはテープ層の1つまたは各々は、1つの混成繊維/テーププライ中に化学的性質が類似の3つ以上の異なる繊維/テープ種を有してもよい。

0035

好ましい一態様では、単一の混成繊維プライは、SPECTRA(登録商標)900繊維、SPECTRA(登録商標)1000繊維、およびSPECTRA(登録商標)3000繊維の2種以上を含んでもよく、これらは全てHoneywell International Inc.(ニュージャージー州、モリスタウン)から市販されている。1つの混成繊維プライは複数の高デニール繊維および複数の低デニール繊維の組合せを含んでもよく、その場合前記高デニール繊維は低デニール繊維よ大きい繊維デニールを有する。例えば混成繊維プライは、650デニールSPECTRA(登録商標)900繊維、1200デニールSPECTRA(登録商標)900繊維、2400デニールSPECTRA(登録商標)900繊維、および4800デニールSPECTRA(登録商標)900繊維の組合せを含んでもよい。あるいは1つの混成繊維プライは、650デニールSPECTRA(登録商標)900繊維、1200デニールSPECTRA(登録商標)900繊維、2400デニールSPECTRA(登録商標)900繊維、および4800デニールSPECTRA(登録商標)900繊維の2つ以上の組合せを含んでもよい。別の具体例として、1つの混成繊維プライは、75デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維、100デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維、130デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維、180デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維、215デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維、275デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維、375デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維、435デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維、650デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維、1300デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維、1600デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維、および2600デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維の2つ以上の組合せを含んでもよい。あるいは1つの混成繊維プライは、1100デニールSPECTRA(登録商標)3000繊維、1300デニールSPECTRA(登録商標)3000繊維、および1600デニールSPECTRA(登録商標)3000繊維の2つ以上の組合せを含んでもよい。また有用なものは、任意の上記SPECTRA(登録商標)繊維種と、任意の種々のアラミド繊維、ポリベンゾオキサゾール繊維、液晶コポリエステル繊維、M5(登録商標)剛体棒状繊維、炭素繊維、ガラス繊維、ポリエステル繊維他との組合せで、物理的に異なる複数のポリエチレン繊維および物理的に異なる複数のアラミド繊維のようなものである。上記の繊維/フィラメント種で形成された繊維テープの類似の組合せもまた有用である。

0036

別の態様では、1つの混成繊維プライは同じ繊維デニールを有する複数のマルチフィラメント繊維を含んでもよいが、この場合その繊維の要素フィラメントはフィラメントあたり異なるデニール(異なるdpf)を有する。この態様では、プライ中の全ての繊維は実質的に化学的に類似でもよく、あるいはそのプライは2種以上の化学的に異なる繊維種を含んでもよく、繊維デニールは同じでもよく、これらは同じ靱性、引張弾性率他を有してもよいが、フィラメントあたりデニールは異なる。したがって繊維材料は、フィラメントあたりデニールが大きい複数の繊維およびフィラメントあたりデニールが小さい複数の繊維を含む1種以上の混成繊維プライを含み、フィラメントあたりデニールが大きい前記繊維はフィラメントあたりデニールが小さい繊維よりもフィラメントあたり大きいデニールを有する。一具体例として、650デニールSPECTRA(登録商標)900繊維は10.8の公称dpfを有し、1200デニールSPECTRA(登録商標)900繊維は10.0の公称dpfを有する。上記繊維/フィラメント種で形成された繊維テープの類似の組合せもまた有用である。

0037

さらに別の態様では、混成繊維プライは混成マルチフィラメント繊維束で作られてもよく、その場合、複数の異なるフィラメント種が混合されて1つの混成マルチフィラメント繊維が形成される。そのような混成繊維束は、例えば異なるフィラメントを空気噴流で混ぜて作られてもよい。複数のそのような混成マルチフィラメント繊維は次に複数の繊維プライに構成され、さらに織布または不織布および複合材のような繊維材料にされる。しかし、好ましくは、各繊維は実質的に物理的に類似かつ実質的に化学的に類似の複数のフィラメントを含む。繊維を良好に拡散させるには、混成繊維プライ内の物理的に異なる繊維種をらず、かつ互いに交絡もさせないことがまた好ましい。

0038

さらに別の有用な態様では、混成繊維プライは、出願番号第61/531,233号、第61/531,255号、第61/531,268号、第61/531,302号、および第61/531,323号に記載されているように、プラズマ処理またはコロナ処理された繊維を一部含み、他の繊維は未処理でもよい。別の変更形態では、混成繊維プライは、プラズマ処理された繊維を一部含み、他はコロナ処理された繊維を含んでもよい。別の変更形態では、混成繊維プライは、繊維表面仕上げを実質的に除去した繊維(必要なら繊維はプラズマ処理またはコロナ処理されていてもよい)を一部含み、他は繊維表面仕上げを除去していない繊維(必要なら繊維はプラズマ処理またはコロナ処理されていてもよい)を含んでもよい。また上記繊維/フィラメント種で形成された繊維テープの類似の組合も有用である。

0039

特に好ましい混成繊維プライまたは混成テーププライの一構成では、混成繊維/テーププライは複数のポリエチレン繊維と複数のアラミド繊維を含む。別の特に好ましい混成繊維プライの構成では、前記混成繊維プライは、超高分子量ポリエチレン繊維またはアラミド繊維またはPBO繊維のような少なくとも約20g/デニールの靱性を有する複数の高靱性防弾等級繊維を含み、層も約10g/デニール未満の靱性を有する複数の高性能構造等級繊維を含み、特定の炭素繊維、特定のガラス繊維、および特定のポリエステル繊維を含む。防弾等級繊維と構造等級繊維の両方を含むこの態様では、混成繊維プライが高靱性繊維を50重量%より多い含有量有することが好ましく、より好ましくは少なくとも約60重量%、最も好ましくは少なくとも約70重量%の高靱性繊維を含むことが好ましい。そのような構造等級繊維は防弾等級繊維よりも樹脂/重合体被覆と結合する大きな親和性を示すことができる。好ましくは、構造等級繊維と防弾等級繊維を組み合わせたプライでは、樹脂の構造等級繊維への結合強度は防弾等級繊維への結合強度の少なくとも2倍である。

0040

混成繊維/テーププライが織布を含む場合、織布は当技術分野で既知の任意の技術を用い、平織り千鳥綾織り、バスケット織り、繻子織り、綾織りのような任意の布織り方法を用いて織られてもよい。繊維が0°/90°の直交方向に織られる平織りが最も一般的である。縦糸横糸を水平および垂直の両方向に織ることによって複数のプライが織られた構造が作られる3D織り法も、また有用である。

0041

複数の混成繊維プライおよび/または混成テーププライを既知の技術に従って結合すなわち一体化して、複数プライ繊維層および/または複数プライテープ層(すなわち複雑複合材)を形成してもよい。その場合必要なら、繊維/テープを高分子結合剤で被覆して一体化を促進してもよい。1つ以上の混成繊維/テーププライを、混成ではないすなわち物理的にも化学的にも互いに同じ複数の繊維/テープで構成されている他の複数の繊維プライと結合してもよい。しかし、複数プライ複合材内の各プライは本発明の混成繊維/テーププライであることが好ましい。これには、繊維の高分子結合剤による被覆/含浸の有無に関わらず、複数の織られた繊維プライを結合して複雑複合材にすること、ならびに繊維の高分子結合剤による被覆/含浸の有無に関わらず、複数の不織繊維プライを結合することを含む。

0042

不織繊維材料を作る方法は当技術分野ではよく知られている。例えば、不織布を形成する好ましい一方法では、複数の繊維が少なくとも1つの配列に配置され、一般的には、実質的に平行な一方向配列に整列された複数の繊維で構成された繊維ウェブとして配置される。代表的な一過程では、繊維束がクリールから供給され、複数の案内および1つ以上の拡散棒を通って平行化内に導かれ、その後、繊維は高分子結合剤で被覆される。拡散棒および平行化櫛は束状繊維を分散および拡散させ、それらを同一平面内に横並び再編成する。理想的な繊維の拡散により、個々のフィラメントまたは個々の繊維は単一の繊維面内で互いに隣り合い、繊維が互いに重なり合うことなく実質的に一方向に平行な繊維の配列を形成することになる。

0043

不織繊維プライを形成するこの過程によって、混成繊維プライの組成全体の優れた制御が可能になる。例えば、複数のクリールから供給された複数の繊維束を、異なる種類の繊維端が交互になるように配置して、隣り合う繊維が混成繊維プライの幅全体で異なるようにしてもよく、あるいは4本目ごとまたは5本目ごとの繊維が構造等級繊維であり、残りが防弾等級繊維であるような他の模様要望に合わせて指定してもよい。別の方法では、複数の繊維種を繊維の1つの糸巻きに混ぜてもよい。各混成繊維プライ内の各線種の割合も、構造等級繊維の防弾等級繊維に対する割合で1/99〜10/90または1/99〜1/95のように容易に制御することができる。これにより、必要なら混成繊維プライ内の繊維種を均等/均質分布させる、または略均質に分布させることが可能になる。

0044

先に述べたように、特定の態様では繊維/テープを樹脂または高分子結合剤で被覆することが望ましい。本明細書に用いられている「重合体」結合剤は樹脂およびゴムを含み、これらは当技術分野では一般に「重合体母材」材料として知られている。そのような材料は固有接着性によって、または既知の熱および/または圧力条件に置かれることによって繊維/テープを結合する。高分子結合剤が存在する場合、個々の繊維/テープは部分的にすなわちほぼ被覆され、好ましくは個々の繊維/テープのそれぞれが実質的に被覆される。

0045

好適な高分子結合剤には低弾性率エラストマー材料および高弾性率硬質材料の両方がある。本明細書全体で用いられている引張弾性率は、繊維に関しASTMD2256で、及び、高分子結合剤に関しASTM D638で測定される弾性率を意味する。本発明の複合材で形成された物品の剛性衝撃特性、および防弾特性は、繊維を被覆している高分子結合剤の重合体の引張弾性率の影響を受ける。好ましい高分子結合剤は低弾性率エラストマー材料を含む。本発明の目的の場合、低弾性率エラストマー材料はASTM D638試験法に従って測定した場合に約6,000psi(41.4MPa)以下の引張弾性率を有する。低弾性率重合体は好ましくは約4,000psi(27.6MPa)以下の引張弾性率を有するエラストマーであり、より好ましくは約2400psi(16.5MPa)以下、より好ましくは1200psi(8.23MPa)以下、最も好ましくは約500psi(3.45MPa)以下の引張弾性率を有するエラストマーである。エラストマーのガラス転移温度(Tg)は好ましくは約0℃未満であり、より好ましくは約−40℃未満、最も好ましくは約−50℃未満である。また、エラストマーは少なくとも約50%の好ましい破断時伸びを有し、より好ましくは少なくとも約100%、最も好ましくは少なくとも約300%の破断時伸びを有する。低弾性率を有する多種多様な材料および製剤を高分子結合剤として利用することができる。代表的な例としては、ポリブタジエンポリイソプレン天然ゴムエチレン−プロピレン共重合体、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体ポリスルフィド重合体、ポリウレタンエラストマークロロスルホン化ポリエチレンポリクロロプレン可塑化ポリ塩化ビニルブタジエンアクリロニトリルエラストマー、ポリ(イソブチレンイソプレン)共重合体、ポリアクリラートポリエステルポリエーテルフッ素系エラストマーシリコーンエラストマー、エチレンの共重合体、ポリアミド(いくつかの繊維種と共に用いるのに有用)、アクリロニトリルブタジエンスチレンポリカルボナートおよびそれらの組み合わせ、ならびに繊維の融点未満で硬化可能な他の低弾性率重合体および共重合体がある。異なるエラストマー材料の混合物、またはエラストマー材料と1種以上の熱可塑性物質の混合物も好ましい。

0046

共役ジエンビニル芳香族単量体とのブロック共重合体が特に有用である。ブタジエンおよびイソプレンは好ましい共役ジエンエラストマーである。スチレンビニルトルエンおよびt−ブチルスチレンは好ましい共役芳香族単量体である。ポリイソプレンを含むブロック共重合体を水素化して飽和炭化水素エラストマー部分を有する熱可塑性エラストマーを生成してもよい。重合体化合物は、A−B−A型の単純な三元ブロック共重合体、(AB)n(n=2〜10)型の多元ブロック共重合体、またはR−(BA)x(x=3〜150)型の放射状型の共重合体(式中、Aはポリビニル芳香族単量体からのブロックであり、Bは共役ジエンエラストマーからのブロックである)でもよい。これらの重合体の多くは、Kraton Polymers(テキサス州、ヒュストン)によって商用生産されており、技報「Kraton Thermoplastic Rubber(Kraton社製熱可塑性ゴム)」、SC-68-81に記載されている。PRINLIN(登録商標)という商標で販売され、Henkel Technologies(ドイツ、デュッセルドルフ)から市販されているスチレン−イソプレン−スチレン(SIS)ブロック共重合体の樹脂分散系も有用である。特に好ましい低弾性率の高分子結合剤重合体は、Kraton Polymers社によって商用生産されKRATON(登録商標)という商標で販売されているスチレンブロック共重合体を含む。特に好ましい高分子結合剤はKRATON(登録商標)という商標で販売されているポリスチレン−ポリイソプレン−ポリスチレンブロック共重合体を含む。

0047

柔軟な装甲材を形成するのには低弾性率の高分子結合剤が好ましいが、硬質装甲物品を形成するのには高弾性率の高分子結合剤が好ましい。一般に、好ましい高弾性率の硬質材料は6,000psiよりも大きな初期引張弾性率を有する。本明細書で有用な好ましい高弾性率の硬質高分子結合剤には、ポリウレタンエーテル系およびエステル系の両方)、エポキシ樹脂、ポリアクリラート、フェノールポリビニルブチラール(PVB)重合体、ビニルエステル重合体、スチレン−ブタジエンブロック共重合体、ならびにビニルエステルフタル酸ジアリルまたはフェノールホルムアルデヒドとポリビニルブチラールのような重合体の混合物がある。特に好ましい硬質高分子結合剤は熱硬化性重合体であって、メチルエチルケトンのような炭素−炭素飽和溶媒に好ましい溶解性があり、かつ硬化時にASTMD638によって測定して少なくとも約1×106psi(6895MPa)の高引張弾性率を有するものである。特に好ましい硬質高分子結合剤は米国特許第6,642,159号に記載されているものであり、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。高分子結合剤は低弾性率材料高弾性率材料かに関わらず、カーボンブラックまたはシリカのような充填剤を含んでもよく、油展されてもよく、あるいは当技術分野で既知のように硫黄過酸化物金属酸化物、または放射線硬化装置加硫されてもよい。

0048

特に好ましいのは極性樹脂または極性重合体であり、具体的には約2,000psi(13.79MPa)〜約8,000psi(55.16MPa)の範囲の引張弾性率の軟質材料および硬質材料の両方の範囲にあるポリウレタンである。好ましいポリウレタンは、最も好ましくは共溶媒を含まない水性ポリウレタン分散系として用いられる。そのようなものには、水性陰イオン性ポリウレタン分散系、水性陽イオン性ポリウレタン分散系、および水性非イオン性ポリウレタン分散系がある。特に好ましいのは水性陰イオン性ポリウレタン分散系であり、最も好ましいのは水性陰イオン性脂肪族ポリウレタン分散系である。そのようなものには、水性陰イオン性ポリエステル系ポリウレタン分散系、水性脂肪族ポリエステル系ポリウレタン分散系、および水性陰イオン性脂肪族ポリエステル系ポリウレタン分散系があり、それらは全て、共溶媒非含有分散系であることが好ましい。そのようなものには、水性陰イオン性ポリエーテルポリウレタン分散系、水性脂肪族ポリエーテル系ポリウレタン分散系、および水性陰イオン性脂肪族ポリエーテル系ポリウレタン分散系もあり、それらは全て、共溶媒非含有分散系であることが好ましい。同様に、水性陽イオン性分散系および水性非イオン性分散系の全ての対応する変種(ポリエステル系、脂肪族ポリエステル系、ポリエーテル系、脂肪族ポリエーテル系等)も好ましい。最も好ましいのは、100%伸長時の弾性率が約700psi以上、特に好ましくは700psi〜約3000psiの範囲の脂肪族ポリウレタン分散系である。より好ましいのは、100%伸長時の弾性率が約1000psi以上、さらに好ましくは約1100psi以上の脂肪族ポリウレタン分散系である。最も好ましいのは、弾性率が1000psi以上、好ましくは1100psi以上の脂肪族ポリエーテル系陰イオン性ポリウレタン分散系である。

0049

高分子結合剤を繊維/テープに塗布して、それによってその結合剤を繊維プライに含浸させる方法は当業者には周知であり、当業者によって容易に決定される。「含浸される」は、本明細書では重合体被覆で「埋め込まれる」「被覆される」または別の方法で塗布されることと同義とし、この場合、結合剤は層の中に拡散し単に層の表面にあるのではない。高分子結合剤は任意の適切な塗布方法を利用して施してもよく、具体的な「被覆」のような用語の使用は、フィラメント/繊維/テープに高分子結合剤を適用する方法を限定するものではない。有用な方法には、例えば、重合体または重合体溶液を繊維/テープに吹き付ける、押し出す、あるいはロール塗工する、ならびに繊維/テープを溶融した重合体または重合体溶液に通すことがある。最も好ましい方法は、個々の繊維/テープのそれぞれを実質的に被覆または包み、繊維/テープの表面領域の全てまたは実質的に全てを高分子結合剤で覆うことである。

0050

繊維/テープが任意の結合剤で被覆されたら、被覆された繊維/テープは不織繊維の層または不織テープの層に形成される。これらの不織繊維層または不織テープ層は複数個の重なり合った不織繊維プライまたはテーププライを含み、この不織繊維プライまたはテーププライは単一層、一体化要素に統合されている。好ましい一不織布構造では、複数の積み重ねられたユニテープが形成され、その場合、各1つのプライ(ユニテープ)の平行な繊維/テープは隣接する各1つのプライの平行な繊維/テープの長手方向に対し直交して位置合わせされる。積み重ねられた不織繊維/テーププライは熱および圧力下で、あるいは個々の繊維/テーププライの被覆を接着して一体化されて単一層、一体化要素が形成される。これらの一体化要素は当技術分野では単一層、一体化網状構造とも呼ばれる。ここで「一体化網状構造」とは、重合体母材/結合剤により一体化された(融合された)複数の繊維/テーププライの組合せをいう。本明細書では、繊維材は、織布と不織布の一体化された混成組合せ、および一方向性繊維/テーププライで形成された不織布と不織フェルト布の組合せを含んでもよい。

0051

最も一般的には、不織繊維/テープ層または不織布は1〜約6プライを含むが、種々の用途に必要なだけ約10〜約20プライを含んでもよい。プライ数が増えると防弾性も上がるが重量も増す。当技術分野で既知のように、優れた防弾性は、1つのプライの繊維/テープ整列方向が別のプライの繊維/テープ整列方向に対してある相対角度だけ回転しているように個々の繊維/テーププライが交差して重ね合わせられているときに達成される。繊維/テーププライが0°および90°の角度で直交して重ね合わせられているのが最も好ましいが、隣接するプライを別のプライの繊維/テープの長手方向に対して約0°〜約90°の実質的に任意の角度に揃えることができる。例えば、3プライ不織構造体は、±45°に配向された複数のプライを有して+45°/0°/−45°構造を形成してもよく、あるいは5プライ不織構造体は各プライの繊維/テープの各長手方向軸に相対的に0°/45°/90°/45°/0°の角度に配向された複数のプライを有してもよい。そのような回転された一方向整列が、例えば米国特許第4,457,985号、第4,748,064号、第4,916,000号、第4,403,012号、第4,623,574号、および第4,737,402号に記載されており、その開示内容全体が参照により本明細書に矛盾しない範囲で本明細書に組み込まれる。隣接プライを隣接プライに対し15°ごとにまたは30°ごとに回転させるような他の角度も適している。

0052

繊維/テーププライ/層を一体化して複雑複合体を形成する方法は、米国特許第6,642,159号に記載の方法のようによく知られている。一体化は、乾燥、冷却、加熱、圧力またはそれらの組み合わせによって行うことができる。熱および/または圧力は、湿式貼り合わせ法の場合のように繊維/布層を互いに単に接着すればよい場合には必要でないこともある。一般に一体化は、個々のプライを互いに十分な熱と圧力の条件下で位置決めしてこれらのプライが結合して1つの布になるようにすることによって行われる。一体化は、温度範囲が約50℃〜約175℃、好ましくは約105℃〜約175℃、および圧力範囲が約5psig(0.034MPa)〜約2500psig(17MPa)で、約0.01秒〜約24時間、好ましくは約0.02秒〜約2時間行われてもよい。加熱する場合、高分子結合剤被覆を完全に融解させずに固着または流動させることができる。しかし一般的に、高分子結合剤を融解させる場合、複合材の形成に必要な圧力は比較的低いが、結合剤を単に固着点まで加熱する場合は、通常はより高い圧力が必要となる。従来から当技術分野で知られているように、艶出し装置平台積層装置加圧機、またはオートクレーブで一体化を行ってもよい。真空状態にした型内で材料を真空成型することで一体化を行ってもよい。真空成型技術は当技術分野では周知である。最も一般的には、複数の直交繊維ウェブは結合剤重合体で互いに「接着」され、平台型積層装置に通されて結合の均一性および強度が高められる。さらに、一体化および重合体塗布/結合工程は、2つの別個の工程を含んでもよく、または、単一の一体化/貼り合わせ工程を含んでもよい。

0053

あるいは、一体化を適切な成形装置内における熱および圧力下の成形により達成してもよい。一般的に成形は、約50psi(344.7kPa)〜約5,000psi(34,470kPa)、より好ましくは約100psi(689.5kPa)〜約3,000psi(20,680kPa)、最も好ましくは約150psi(1,034kPa)〜約1,500psi(10,340kPa)の圧力で行われる。あるいは成形はさらに高い圧力、約5,000psi(34,470kPa)〜約15,000psi(103,410kPa)、より好ましくは約750psi(5,171kPa)〜約5,000psi、より好ましくは約1,000psi〜約5,000psiで行ってもよい。成形工程は約4秒〜約45分を要してもよい。好ましい成形温度範囲は、約200°F(約93℃)〜約350°F(約177℃)、より好ましくは約200°F〜約300°F、最も好ましくは約200°F〜約280°Fである。繊維層が成形される圧力は、得られる成形製品の剛性または柔軟性に直接的な影響を及ぼす。特に、それらが成形される圧力が高いほど剛性が増し、逆もまた同様である。成形圧力の他に、繊維プライの量、厚さ、および組成ならびに高分子結合剤被覆の種類も複合材の剛性に直接的な影響を及ぼす。

0054

本明細書に記載の成形技術および一体化技術はどれも類似しているが、各過程は異なる。具体的には、成形はバッチ処理であり、一体化は一般に連続処理である。さらに成形では一般に、扁平パネルを形成する場合でも成形型またはマッチドダイ型のような型の使用を伴い、必ずしも平ら製品が得られるわけではない。通常、一体化は平台型積層装置または艶出し装置のニッププレス部で行なわれるかあるいは湿式貼り合わせとして行なわれて、軟質(柔軟な)胴体装甲布を製造する。成形は一般には硬質の装甲、例えば硬質板の製造のためのものである。どちらの過程でも、好適な温度、圧力、および時間は一般に高分子結合剤被覆材料の種類、高分子結合剤の含有量、使用される過程、および繊維/テープ種によって決まる。

0055

好ましい態様では、本発明の繊維複合材を含む結合剤/母材の総重量は、好ましくは繊維/テープ重量+被覆材重量の約2重量%〜約50重量%、より好ましくは約5重量%〜約30重量%、より好ましくは約7重量%〜約20重量%、最も好ましくは約11重量%〜約16重量%を占める。結合剤/母材の含有量が少ないほど織布には適し、その場合、重合体結合剤の含有量は0より多いが繊維/テープ重量+被覆重量で10重量%未満であることが一般的には好ましいが、これに制限されるものではない。例えば、フェノール/PVB含浸織布は、約20%〜約30%のより高い樹脂含有量で作られることがあるが、一般的には約12%の含有量が好ましい。

0056

本発明の材料は、必要ならその外表面の片面または両面に取り付けられた1つ以上の熱可塑性重合体層を含んでもよい。熱可塑性重合体層に好適な重合体には、これらに限定するものではないが、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル(具体的にはポリエチレンテレフタラート(PET)およびPET共重合体)、ポリウレタン、ビニル重合体エチレンビニルアルコール共重合体、エチレンオクタン共重合体、アクリロニトリル共重合体アクリル重合体、ビニル重合体、ポリカルボナート、ポリスチレン、フッ素系重合体などの他、それらの共重合体および混合物を含み、エチレンビニルアセタートEVA)およびエチレンアクリル酸のようなものがある。また、天然ゴムおよび合成ゴム重合体も有用である。これらのうち、ポリオレフィン層およびポリアミド層が好ましい。好ましいポリオレフィンはポリエチレンである。有用なポリエチレンの具体例は低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖低密度ポリエチレンLLDPE)、中密度ポリエチレン(MDPE)、直鎖中密度ポリエチレン(LMDPE)、直鎖超低密度ポリエチレン(VLDPE)、直鎖極低密度ポリエチレン(ULDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、ならびに共重合体およびそれらの混合物であるがそれらに限定されるものではない。他にも有用なものには、Spunfab, Ltd,(オハイオ州、カイホーガフォールズ)から市販されているSPUNFAB(登録商標、Keuchel Associates, Inc.に登録済み)ポリアミドウェブ、ならびにProtechnic S.A.(フランス、セルネ)から市販されているTHERMOPLASTTMおよびHELIOPLASTTMウェブ、網、およびフィルムがある。そのような熱可塑性重合体層を熱積層のような既知の技術を用いて材料の表面に貼り付けてもよい。一般的に積層は、個々の層を十分な熱と圧力の条件下で互いに貼り付けて一体構造にすることによって行われる。積層は、温度が約95℃〜約175℃、好ましくは約105℃〜約175℃、圧力が約5psig(0.034MPa)〜約100psig(0.69MPa)の範囲で約5秒〜約36時間、好ましくは約30秒〜約24時間行われてもよい。あるいはそのような熱可塑性重合体層を材料の表面に、当業者には明らかなように熱接着剤または熱溶解繊維で接着してもよい。

0057

複合材料の厚さは、個々の繊維/テープの厚さおよびその材料に含まれるプライ数に相当する。例えば好ましい織布は、プライ/層あたり約25μm〜約600μm、好ましくは約50μm〜約385μm、最も好ましくは約75μm〜約255μmの好ましい厚さを有する。好ましい2プライ不織布は、約12μm〜約600μm、より好ましくは約50μm〜約385μm、最も好ましくは約75μm〜約255μmの好ましい厚さを有する。どのような熱可塑性重合体層も、約1μm〜約250μm、より好ましくは約5μm〜約25μm、最も好ましくは約5μm〜約9μmの好ましい層厚さを有する非常に薄いものが好ましい。SPUNFAB(登録商標)不織ウェブのような不連続ウェブは好ましくは1平方メートルあたり6グラム(gsm)の目付で施される。そのような厚さが好ましいが、当然ながら特定の要求事項満足させる他の厚さを作ってもよく、それでも本発明の範囲に含まれる。

0058

複数の混成繊維/テーププライで形成された本発明の繊維材料は、約0.2psf〜約8.0psf、より好ましくは約0.3psf〜約6.0psf、さらに好ましくは約0.5psf〜約5.0psf、さらに好ましくは約0.5psf〜約3.5psf、さらに好ましくは約1.0psf〜約3.0psf、最も好ましくは約1.5psf〜約2.5psfの好ましい複合材面密度を有する。

0059

本発明の繊維材料を種々の用途に使用して、既知の技術により多種多様な防弾物品を形成することができる。例えば防弾物品の形成に好適な技術は、例えば米国特許第4,623,574号、第4,650,710号、第4,748,064号、第5,552,208号、第5,587,230号、第6,642,159号、第6,841,492号、および第6,846,758号に記載されており、これらの開示内容はいずれも参照により本明細書と両立する限りにおいて本明細書に組み込まれる。繊維材料は柔軟性がある軟質装甲物品の形成に特に有用であり、そのような装甲物品には、関係者が様々な弾道的脅威(軍事活動および平和維持活動中に遭遇する9mm被覆FMJ)弾、および手榴弾大砲砲弾簡易爆発物IED)および他のそのような装置の爆発により生じる種々の破片など)から身を守るために使用するベストズボン帽子、または他の衣料品のような衣類、および覆いまたは毛布が含まれる。

0060

本明細書で用いられる「軟質」または「柔軟」装甲とは、相当量の応力を受けた場合にその形状を維持しない装甲である。この構造体は剛直な硬質装甲物品の形成にも有用である。「硬質」装甲とは、十分な機械的強度を有するため相当量の応力を受けた場合に構造的剛性を維持しかつ崩壊することなく自立することができるような物品であって、ヘルメット、軍用車用パネル、または防護遮蔽体のようなものを意味する。この構造体は複数の個別シート切り分けて積み重ねて物品に形成することができ、あるいは前駆体に形成した後に物品を形成するのに用いることができる。このような技術は当技術分野ではよく知られている。

0061

本発明の衣類は、当技術分野で既知の方法により形成することができる。好ましくは、本発明の防弾物品を衣料品と接合して衣類を形成してもよい。例えばベストは、本発明の防弾構造と接合されている一般的な布製のベストを含み、戦略的に配置されたポケットに本発明の構造体が挿入されているものでもよい。これにより、ベストを軽量化しつつ防弾性を最大限に高めることができる。本明細書で使用される「接合する」または「接合された」は、例えば縫製または接着等による取り付けること、ならびに防弾物品を必要に応じてベストまたは他の衣料品から簡単に取り外すことができるように、この防弾物品を別の布に結合せずに連結または並置することを含むものとする。柔軟なシート、ベスト、および他の衣類のような柔軟な構造体を形成する際に使用される物品は、好ましくは低引張弾性率結合剤を用いて形成される。ヘルメットおよび装甲のような硬質物品は、好ましくは高引張弾性率結合剤を用いて形成されるが、これに限定されるものではない。

0062

防弾特性は、当技術分野で周知の標準的な試験法を用いて測定される。具体的には、防弾複合材の防御力すなわち貫通抵抗は、通常、発射体の50%がその複合材を貫通し、50%がその複合材によって止められる衝撃速度(V50値としても知られている)を引用して表される。本明細書で用いられる物品の「貫通抵抗」は、指定の脅威物(例えば弾丸、破片、榴散弾等を含む物理的物体)による貫通に対する抵抗力である。面密度(複合材の重量をその面積で割ったもの)が等しい複合材に関しては、V50値が大きい程、複合材の防弾性は良好になる。

0063

指定の脅威物に対する貫通抵抗は、防弾材料の総比エネルギー吸収(SEAT)でも表すことができる。総SEATは、脅威物の運動エネルギーを複合材の面密度で割ったものである。SEAT値が高いほど、脅威物に対する複合材の抵抗力は良好になる。本発明の物品の防弾性は多くの要因によって変化し、具体的には繊維材料の製造に用いられる繊維の種類、繊維の繊維材料中の重量割合、被覆材料の物理特性適合性、複合材を形成している布層の数、および繊維材料の総面密度によって変化する。

0064

以下の非制限的実施例は、本発明を説明するためのものである。
実施例1
本発明による混成繊維プライを作るために、高圧空気噴流を用い650デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維束を500デニールアラミド繊維と混合する。これにより1100デニール混成繊維となる。この混成繊維から種々の1ポンド混成繊維糸巻きを作る。次にこれらの糸巻きを用いて、その繊維を53g/m2(gsm)の繊維面密度を有する複数のユニテープに変換する。そのユニテープを樹脂槽に浸漬して、水性系ポリウレタン樹脂(例えばBayer DISPERCOLL(登録商標)U53樹脂)を塗布する。次に各ユニテープを加熱炉に通して揮発成分を除去する。完全に乾燥させると、このユニテープの樹脂含有量は16±2%である。その後これらのユニテープを交差させて重ね合わせて、0°/90°材料の連続した2プライのロールを作る。

0065

実施例2(比較)
繊維プライを650デニールSPECTRA(登録商標)1000繊維100%で作ること以外は、実施例1の過程を繰り返す。繊維を同じ樹脂で被覆し、樹脂含有量を同じにする。ユニテープを交差させて重ね合わせて、0°/90°材料の連続した2プライのロールを作る。

0066

実施例3(比較)
繊維プライを1000デニールアラミド繊維100%で作ること以外は、実施例1の過程を繰り返す。繊維を同じ樹脂で被覆し、樹脂含有量を同じにする。ユニテープを交差させて重ね合わせて、0°/90°材料の連続した2プライのロールを作る。

0067

実施例1〜3の各材料を40cm×40cmの射撃用パックに形成する。射撃用パックの隅を縫い合わせて複数層を1つにする。試験はNIJ規格0101.06に従い、127cm厚の校正済みローマパスチリアノ#1粘土塊上で実施する。試験は、各射撃用パックあたり少なくとも8発の弾丸の平均で±15mps内のV50値を達成するように、すなわち弾丸4発は射撃用パックを完全に貫通し4発は貫通しないように実施する。このデータは、混成繊維プライを使用すると防弾性が上がり、後面変形が減ることを示すことが見込まれる。

0068

実施例4(本発明)、実施例5(比較)、及び、実施例6(比較)
実施例1〜3の各々から複数の30cm×30cm繊維プライを切断し、0°/90°交差プライ構成を維持して積み重ねる。次に各積層品を200トン水圧プレス機に取り付けられ120℃に予備加熱された型内で成形する。各材料の積層品を型内で成形圧を加えずに20分間予備加熱する。20分後、完全な締結圧を加える。15分の成形の後に冷却周期を開始する。冷却周期の間は成形圧を解除しない。この過程により積層品が一体化した板に変換される。板が50℃に達したら型を開け、板を試験に供する。

0069

成形後48時間、各板を枠に取り付ける。このとき板の背部粘土はない。各板に数発の17グレインFSP(疑似破片発射体)を発射して±15m/s内のV50を達成する。このデータは、混成繊維プライで形成された板が他の非混成板より優れた弾道貫通抵抗を有することを示すことが見込まれる。

0070

本発明を好ましい態様を参照しながら具体的に示しかつ記載してきたが、当業者には容易に分かるように、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更および修正をなし得る。特許請求の範囲は、開示されている態様、上に記載したそれらの代替形態およびそれらの全ての均等物を包含するように解釈されるものとする。

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