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Die
vorliegende Erfindung betrifft ballistisches Material, umfassend
neue hochfeste Polyethylenfasern. Insbesondere betrifft sie ballistisches
Material enthaltend hochfeste Polyethylenfasern, die für gewerbliche
und private Verwendungen verbreitet werden können.
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Als
hochfeste Polyethylenfasern wurden z.B. in JP-B 60-47922 hochfeste
Fasern mit einem hohen Modul offenbart, die durch ein "Gelspinnverfahren" erzeugt wurden,
wobei als Grundmaterial Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht
verwendet wurde. Diese hochfesten Polyethylenfasern wurden für die Industrie bereits
auf verschiedenen Gebieten in großem Umfang verwendet, z.B.
als Seile oder Netze für
die Industrie oder Privatzwecke, als Hochleistungstextilien, wie
ballistische Materialien oder Gegenstände oder Schutzhandschuhe;
oder als Geotextilien oder Arbeitsnetze auf dem Gebiet des Bauwesens
und der Architektur.
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In
den letzten Jahren wurde gefordert, daß diese hochfesten Polyethylenfasern
noch bessere Eigenschaften, insbesondere Haltbarkeit, z.B. mechanische
Beständigkeit über einen
langen Zeitraum oder Anpassungsfähigkeit
bei harten Verwendungsbedingungen, aufweisen sollen. Es wurde sogar
gefordert, daß Textilien
wie Sportbekleidung, oder Angelschnüre haltbar sein sollen, wenn
sie lange Zeit verwendet werden. Außerdem wurde gefordert, daß verstärkende Bahnmaterialien
oder -stränge,
die Erdbebensicherheit bieten, eine Haltbarkeit, insbesondere Beständigkeit
gegen Dauerbiegeermüdung
oder Abriebfestigkeit, aufweisen müssen, so daß es beim Aufwickeln um Träger oder
andere Teile nicht dazu kommt, daß die Fasern an den Ecken brechen.
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Hochfeste
Polyethylenfasern haben tatsächlich
eine hervorragende Zugfestigkeit und einen hervorragenden Elastizitätsmodul,
andererseits ist jedoch die Struktur ihrer stark orientierten Molekülketten
für den Nachteil
verantwortlich, daß sie
z.B. im Vergleich zum Polyestern oder Nylon für übliche Bekleidungsstücke eine
schlechte Haltbarkeit, insbesondere eine schlechte Beständigkeit
gegen Dauerbiegeermüdung
oder schlechte Abriebfestigkeit, aufweisen. Dieser Nachteil wurde
bei der umfangreichen Anwendung von hochfesten Polyethylenfasern
auf verschiedenen Gebieten für
die Industrie zu einem Hindernis.
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Ferner
wurden aufgrund ihrer hervorragenden Beständigkeit gegenüber Chemikalien,
Licht und Witterung z.B. viele Versuche unternommen, hochfeste Polyethylenfasern
in chemischen Prozessen zu verwenden, z.B. die Verwendung bei Faservlies,
wie chemischen Filtern oder Trennwänden einer Batteriezelle, oder
hochfeste Polyethylenfasern als Verstärkungsfasern für Beton
oder Zement zu verwenden, da Bedarf nach faserverstärkten Betonprodukten
mit einer hohen Rißbeständigkeit
und hohen Zähigkeit
sowie auch einer hervorragenden Schlagzähigkeit und einer hervorragenden
Haltbarkeit über
lange Zeit besteht, da es durch Wandmaterialien, die von der Oberfläche von
Eisenbahntunneln oder Brücken
abgehen oder herunterfallen, zu Unfällen gekommen war.
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Wenn
Schnittfasern oder Stapel durch Zerschneiden herkömmlicher
hochfester Polyethylenfasern hergestellt werden, ist die Fibrillenbildung
der Fasern oder deren hohe Oberflächenhärte für den Nachteil verantwortlich,
daß diese
Fasern durch Druck zusammenkleben, wodurch ein Faserbündel gebildet
wird, dem das Dispersionsvermögen
fehlt. Wenn sie zudem als Verstärkungsfasern
für Beton
oder Zement verwendet werden, wird ihre Dispergierbarkeit in der
Zementmatrix durch das Verbiegen oder Verfilzen der Fasern beeinträchtigt.
Aus diesem Grund waren verschiedene Behandlungen erforderlich, z.B.
das Vormischen mit Zement, eine Hydrophilie bereitstellende Behandlung
unter Verwendung von Metalloxiden oder das Verbinden mit Harzen.
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Um
diese Nachteile zu beseitigen, sollte die Orientierung der langen
Molekülketten
von Polyethylen weiter relaxiert werden, dieses Verfahren führt jedoch
zu einer Verringerung der Festigkeit und des Elastizitätsmoduls
und kann folglich nicht angewendet werden. Außerdem haben Polyethylenfasern
keine starke Wechselwirkung zwischen den Molekülketten und führen durch
wiederholte Ermüdung
zur Fibrillenbildung, womit es sehr schwierig wird, die Haltbarkeit
dieser Fasern zu verbessern.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich in der Bereitstellung
von ballistischem Material, umfassend hochfeste Polyethylenfasern,
wobei die Fasern etwa die gleiche oder eine höhere Festigkeit und den gleichen
oder einen höheren
Elastizitätsmodul
als herkömmliche
hochfeste Polyethylenfasern und außerdem eine hervorragende Beständigkeit
gegen Dauerbiegeermüdung
und eine hervorragende Abriebfestigkeit aufweisen und kaum zur Fibrillenbildung
führen
und außerdem
eine hohe Härte
der Oberfläche
aufweisen.
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Das
heißt,
daß die
vorliegende Erfindung ballistisches Material, umfassend hochfeste
Polyethylenfasern betrifft, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Faser
ein hochmolekulares Polyethylen umfaßt, das im wesentlichen aus
einer Ethylen-Struktureinheit besteht; es eine Grenzviskositätszahl von
5 oder mehr und eine durchschnittliche Festigkeit von 22 cN/dtex
oder mehr aufweist; und die Messung der Faser durch Differentialscanningkalorimetrie
(DSK) eine Temperaturanstiegs-DSK-Kurve mit mindestens einem endothermen
Peak innerhalb eines Temperaturbereichs von 140°C bis 148°C (auf der Tieftemperatur-Seite)
und mindestens einem endothermen Peak innerhalb eines Temperaturbereichs
von 148°C
oder mehr (auf der Hochtemperatur-Seite) zeigt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ballistisches Material, umfassend
hochfeste Polyethlyenfasern, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Faser
ein hochmolekulares Polyethylen umfaßt, das im wesentlichen aus
einer Ethylen-Struktureinheit besteht; sie eine Grenzviskositätszahl von
5 oder mehr und eine durchschnittliche Festigkeit von 22 cN/dtex
oder mehr aufweist; und die Anzahl der Reibungen bis zum Bruch der Faser
in einer Abriebprüfung
gemäß Verfahren
B zur Messung der Abriebfestigkeit in Prüfverfahren für gesponnenes
Garn (JIS L 1095) 100.000 oder mehr beträgt.
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1 zeigt
eine Temperaturanstiegs-DSK-Kurve, die durch Differentialscanningkalorimetrie
(DSK) der hochfesten Polyethylenfaser von Beispiel 1 erhalten wurde;
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2 zeigt
eine Temperaturanstiegs-DSK-Kurve, die durch Differentialscanningkalorimetrie
(DSK) der hochfesten Polyethylenfaser von Beispiel 2 erhalten wurde;
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3 zeigt
eine Temperaturanstiegs-DSK-Kurve, die durch Differentialscanningkalorimetrie
(DSK) der hochfesten Polyethylenfaser von Beispiel 3 erhalten wurde;
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4 zeigt
eine Temperaturanstiegs-DSK-Kurve, die durch Differentialscanningkalorimetrie
(DSK) der hochfesten Polyethylenfaser von Vergleichsbeispiel 1 erhalten
wurde;
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5 zeigt
eine Temperaturanstiegs-DSK-Kurve, die durch Differentialscanningkalorimetrie
(DSK) der hochfesten Polyethylenfaser von Vergleichsbeispiel 2 erhalten
wurde.
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Die
hochfesten Polyethylenfasern, welche für das ballistische Material
der vorliegenden Erfindung verwendet werden (im nachfolgenden soll
der Begriff „hochfeste
Polyethylenfasern der vorliegenden Erfindung" immer als „hochfeste Polyethylenfasern,
die für
das ballistische Material der vorliegenden Erfindung verwendet werden" verstanden werden)
bestehen aus hochmolekularem Polyethylen, das im wesentlichen aus
einer Ethylen-Struktureinheit besteht.
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Der
Begriff "hochmolekulares
Polyethylen, das im wesentlichen aus einer Ethylen-Struktureinheit besteht" steht für ein Polyethylen,
das im wesentlichen als ein Ethylen-Homopolymer angesehen werden kann, das
eine Ethylen-Struktureinheit mit einem Anteil von 99,5 mol-% oder
mehr, vorzugsweise 99,8 mol-% oder mehr enthält und eine Grenzviskositätszahl von
5 oder mehr, vorzugsweise 8 oder mehr und stärker bevorzugt 10 oder mehr
aufweist. Für
die Zwecke der Verbesserung der Polymerisationsgeschwindigkeit oder
der Verbesserung der Zeitstandfestigkeit und anderer Eigenschaften
der schließlich
erhaltenen Fasern wird eine Einführung
von Verzweigungen in das Polyethylen empfohlen, indem sehr geringe
Mengen copolymerisierbarer Monomere, wie α-Olefine, zugesetzt werden;
größere Mengen
copolymerisierbarer Monomere sind jedoch nicht bevorzugt, um die
Haltbarkeit der Fasern zu verbessern, da z.B. angenommen wird, daß die Copolymerisation
mit α-Olefinen
das wechselseitige Gleiten der Molekülketten in den Kristallen verhindert,
wodurch es unmöglich
wird, bei einer ständig
wiederholten Verformung eine Spannungsrelaxation zu erreichen. Wenn
das Basispolymer eine Grenzviskositätszahl von weniger als 5 aufweist,
zeigen sich die mechanischen Eigenschaften der Fasern, insbesondere
die Zugfestigkeit, nur schwer. Andererseits gibt es für die Grenzviskositätszahl keine
Obergrenze; wenn jedoch die Stabilität und die Produktivität beim Garnherstellungsverfahren,
die Haltbarkeit der Fasern und andere Faktoren in Betracht gezogen
werden, ist es bevorzugt, daß die
Grenzviskositätszahl
30 oder weniger beträgt.
Grenzviskositätszahlen
von mehr als 30 können
z.B. in einigen Fällen
zu einer Verringerung der Haltbarkeit führen, wobei dies von den Stretchbedingungen
für die
Spinnfasergarne abhängt.
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Somit
ergibt sich für
die erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern, die aus hochmolekularem Polyethylen bestehen,
das im wesentlichen aus einer Ethylen-Struktureinheit besteht, eine
Grenzviskositätszahl
von 5 oder mehr. Hier steht die Grenzviskositätszahl der Fasern für einen
entsprechenden Wert, der durch eine Viskositätsmessung in Decalin bei 135°C und Extrapolieren
von ηsp/c (wobei ηsp die
spezifische Viskosität ist
und c die Konzentration ist) in Richtung der Konzentration Null
erhalten wurde. Tatsächlich
erfolgt die Viskositätsmessung
bei einigen Konzentrationen, und in der graphischen Darstellung
der spezifischen Viskosität ηsp gegenüber
der Konzentration c wird nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate
eine gerade Linie gezogen und in Richtung der Konzentration Null
extrapoliert, wodurch die Grenzviskositätszahl bestimmt wird.
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Außerdem ist
das hochmolekulare Polyethylen als Basispolymer nicht besonders
begrenzt, sofern die am Ende erhaltenen Fasern die vorstehend genannte
Grenzviskositätszahl
erfüllen.
Um die Haltbarkeit der Fasern bis zu ihrem Grenzwert zu verbessern,
ist die Verwendung eines Basispolymers mit einer engeren Molekulargewichtsverteilung
bevorzugt. Die Verwendung eines Basispolymers mit einem Index der
Molekulargewichtsverteilung (Mw/Mn) von 5 oder weniger ist stärker bevorzugt,
wobei dieses Polymer unter Verwendung von Polymerisationskatalysatoren,
wie Metallocenkatalysatoren, erhalten wird.
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Die
erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern haben eine durchschnittliche Festigkeit von 22 cN/dtex
oder mehr. Die durchschnittliche Festigkeit steht hier für einen
Durchschnittswert der Festigkeit (cN/dtex), der durch Auftragen
der Zug-Belastungs-Kurve unter Verwendung eines Zugprüfgeräts bei folgenden
Bedingungen: Länge
der Probe 200 mm (Abstand zwischen den Spannfuttern); Dehnungsgeschwindigkeit 100
%/min; Atmosphärentemperatur
20°C und
relative Feuchte 65 %; und Berechnung aus der Belastung beim Bruchpunkt
auf der erhaltenen Kurve (Anzahl der Messungen 10) erhalten wird.
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Bei
den erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern zeigt die Messung durch Differentialscanningkalorimetrie
(DSK) eine Temperaturanstiegs-DSK-Kurve mit mindestens einem endothermen
Peak innerhalb eines Temperaturbereichs von 140 bis 148°C (auf der
Tieftemperatur-Seite) und mindestens einem endothermen Peak innerhalb
eines Temperaturbereichs von 148°C
oder darüber
(auf der Hochtemperatur-Seite). Die Temperaturanstiegs-DSK-Kurve
wird erhalten, indem eine Probe von Fasern, die auf eine Länge von
5 mm oder weniger zugeschnitten wurde, verwendet wird, die Probe
in einer Inertgasatmosphäre
in einem vollständig
ungebundenen Zustand gehalten wird und die Probe bei einer Erwärmungsgeschwindigkeit
von 10°C/min von
Raumtemperatur auf 200°C
erwärmt
wird. Für
die endothermen Peaks werden nur Peaks verwendet, bei denen die
Temperatur bei diesem Peak abgelesen werden kann, und die erhaltene
ansteigende DSK-Kurve wird in bezug auf die Grundlinie korrigiert,
dem folgt das Ablesen der Temperaturen bei diesem Peak und der Peakhöhen. Grundlinie
steht hier für
den Teil der DSK-Kurve
in dem Temperaturbereich, in dem es in der Probe weder zu einem Übergang
noch zu einer Umsetzung kommt, wie es in Prüfverfahren für Übergangstemperaturen
von Kunststoffen (JIS K 7121) definiert ist. Die Peakhöhe betrifft
den Abstand, der senkrecht zur Abszisse von einer dazwischenliegenden
Grundlinie und der Spitze des Peaks gemessen wird. Bei diesen Prüfverfahren für Übergangstemperaturen
von Kunststoffen (JIS K 7121) wird der Peak als der Teil der DSK-Kurve
definiert, in dem die Kurve die Grundlinie verläßt und danach zur gleichen
Grundlinie zurückkehrt.
Wenn in der vorliegenden Erfindung die erhaltene Temperaturanstiegs-DSK-Kurve abgeleitet
wird (d.h. die Kurve der 1. Ableitung aufgetragen wird) und sich
der Wert der Ableitung (d.h. der Abstand, der senkrecht zur Abszisse
zwischen der Kurve der 1. Ableitung und der Abszisse gemessen wird;
der Wert der Ableitung hat eine positives oder negatives Vorzeichen,
wenn die Kurve über
bzw. unter der Abszisse liegt) sein Vorzeichen von Plus nach Minus ändert, wird
ein solcher Teil der Kurve als Peak bezeichnet, und der Teil der
Kurve, in der sich der Wert der Ableitung von einer monotonen Zunahme
zu einer monotonen Abnahme ändert,
wobei dessen positives oder negatives Vorzeichen erhalten bleibt,
wird als Schulter definiert. Anhand dieser Definition wird z.B.
die Schlußfolgerung
gezogen, daß die
DSK-Kurve, die in 2 gezeigt ist, 2 Peaks aufweist,
und die in 4 gezeigte DSK-Kurve einen Peak
und eine Schulter hat.
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JP-A
63-275708 offenbart übrigens
hochfeste Polyethylenfasern, die durch ein spezielles Verfahren erhalten
werden, das die Copolymerisation mit α-Olefinen verwendet, und beschreibt,
daß, wenn
diese Fasern um eine Aluminiumschale gewickelt werden, um sie unter
einer Spannung zu halten, und dann einer Messung durch Differentialscanningkalorimetrie
(DSK) unterzogen werden, zusätzlich
zum Hauptpeak zwei oder mehr Peaks auf der Hochtemperatur-Seite beobachtet
werden, die sich durch die Copolymerisation ergeben. Es ist jedoch
allgemein bekannt, daß es,
wenn hochfeste Polyethylenfasern so unter Spannung der DSK-Messung unterzogen
werden, gewöhnlich
zu einer Zunahme des Schmelzpunktes oder in einigen Fällen zum
Auftreten von zwei oder mehr Peaks kommt, die durch eine Kristallumwandlung
oder andere Faktoren entstehen.
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Demgegenüber bestehen
die erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern aus einem Polyethylen, das im wesentlichen als
Ethylen-Homopolymer angesehen werden kann, und in der vorliegenden
Erfindung erfolgt die Messung durch Differentialscanningkalorimetrie
(DSK) unter Verwendung einer Probe von Fasern, die auf eine Länge von
5 mm oder weniger zugeschnitten wurden, wobei die Probe in einem
vollständig freien
Zustand gehalten wird. Laut Kenntnis des Erfinders gab es bisher
keinen Bericht darüber,
daß hochfeste Polyethylenfasern
sogar in einem solchen Fall zwei oder mehr endotherme Peaks auf
der Hochtemperatur-Seite zeigen. Der Grund für das Auftreten von zwei oder
mehr endothermen Peaks auf der Hochtemperatur-Seite selbst in einem
derart vollständig
freien Zustand ist anscheinend das Vorhandensein einer Kristallstruktur,
die bei hoher Temperatur schmilzt (hier nachstehend als "HMC" bezeichnet), die
sich vom üblichen Polyethylenkristall
(hier nachstehend als "EC" bezeichnet) unterscheidet.
Wie in den Beispielen gezeigt, werden vorteilhafte Ergebnisse erhalten,
wenn die Strukturbildung durch ein gezielteres Entfernen der in
der Faseroberfläche
enthaltenen Lösungsmittel
erreicht wird. Es kann folglich angenommen werden, daß die HMC vorzugsweise
auf der Oberflächenschicht
der Fasern erzeugt wird, wobei diese HMC-Schicht die Funktion hat, die
Festigkeit der Fasern zu erhalten, und einen Faktor bei der Ausprägung der äußerst guten
Beständigkeit gegen
Dauerbiegebelastung und äußerst guten
Abriebfestigkeit darstellt. Es wird auch angenommen, daß die hervorragende
Abriebbeständigkeit
die Fibrillenbildung verhindert und eine Faseroberfläche mit
hoher Härte erzeugt.
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JP-A
61-289111 offenbart halbgestreckte Garne, die durch ein Spinnverfahren
erhalten werden, wobei zwei Arten spezieller Lösungsmittel verwendet werden,
und beschreibt, daß deren
DSK-Kurven, die durch Messung in einem "freien Zustand" aufgetragen werden, zwei oder mehr
endotherme Peaks aufweisen. Obwohl es keine andere Möglichkeit
gibt, als nur zu raten, was dieser "freie Zustand" ist, ist allgemein bekannt, daß oft zwei
oder mehr endotherme Peaks beobachtet werden, selbst wenn Fasern,
die nicht kurz geschnitten wurden, für die Messung in ein Aluminiumschale
gegeben werden, obwohl festgestellt werden kann, daß diese Fasern
in einem freieren Zustand vorliegen als bei der üblichen Messung mit Fasern,
die um ein kleines Aluminiumstück
gewickelt sind, da die Fasern in der Schale tatsächlich zwischen dem Boden und
der Abdeckung der Pfanne teilweise festgehalten werden oder es zu
einer ungleichmäßigen Verteilung
der Belastung entlang der Probe kommt. Um einen solchen Einfluß bei der
Messung zu verhindern, sollte die Probe sorgfältig auf eine sehr kurze Länge zugeschnitten
werden, wie es die hier genannten Erfinder gemacht haben. Selbst
wenn die in der vorstehend genannten Veröffentlichung offenbarte Messung
die gleiche wie die in der vorliegenden Erfindung ist, unterscheidet
sich der Temperaturbereich der endothermen Peaks, der in der vorstehend
genannten Veröffentlichung
offenbart ist, von dem in der vorliegenden Erfindung, und es wird
aus dem folgenden Grund angenommen, daß die dort offenbarten gereckten
Garne eine schlechte Beständigkeit
gegen Dauerbiegebelastung und eine schlechte Abriebfestigkeit aufweisen.
Schließlich
ist es bei dem in der vorstehend genannten Veröffentlichung offenbarten Herstellungsverfahren,
d.h. einem langsamen Verfahren, bei dem das erste und das zweite
Lösungsmittel
im wesentlichen direkt nach dem Spinnen entfernt werden, ziemlich schwierig,
eine Faseroberfläche
mit einer geschlossenen Struktur bereitzustellen.
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Wie
vorstehend für
die erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern beschrieben, hat deren Temperaturanstiegs-DSK-Kurve
mindestens einen endothermen Peak innerhalb eines Temperaturbereichs von
140 bis 148°C.
Insbesondere ist ein solcher Peak vorzugsweise der Hauptpeak, der
dem Höchstwert
des Wärmeflusses
von zwei oder mehr endothermen Peaks entspricht, die in der Temperaturanstiegs-DSK-Kurve vorkommen.
Es wird angenommen daß dieser
Hauptpeak die übliche
Struktur (EC) widerspiegelt, den der wesentliche Teil der Fasern
einnimmt, und wenn die Temperatur bei diesem Peak weniger als 140°C beträgt, haben
diese Fasern eine unzureichende Wärmebeständigkeit. Wenn demgegenüber die
Temperatur bei diesem Peak mehr als 148°C beträgt, wird die übliche Faserstruktur
stark eingeschränkt,
z.B. ein Aggregat aus vollständig
verlängerten
Ketten, wodurch die Haltbarkeit der Fasern abnimmt. Die hier genannten
Erfinder haben festgestellt, daß die
Haltbarkeit von Fasern, in diesem Fall insbesondere die Beständigkeit
gegen Dauerbiegebelastung, optimal wird, wenn der Hauptpeak innerhalb
eines Temperaturbereichs von 140 bis 148°C erscheint.
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Bei
den erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern hat die Temperaturanstiegs-DSK-Kurve ferner mindestens einen endothermen
Peak innerhalb eines Temperaturbereichs von 148°C oder darüber (auf der Hochtemperatur-Seite).
Es wird angenommen, daß dieser
endotherme Peak auf der Hochtemperatur-Seite der HMC-Struktur entspricht,
die einen großen
Einfluß auf
die Haltbarkeit, insbesondere die Abriebfestigkeit hat, deren Entstehungsmechanismus
nachfolgend beschrieben wird; und Fasern, die auf der Hochtemperatur-Seite
keinen endothermen Peak zeigen, haben eine extrem schlechte Abriebfestigkeit.
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Wie
vorstehend beschrieben wird angenommen, daß der maximale endotherme Peak
auf der Hochtemperatur-Seite von zwei oder mehr endothermen Peaks,
die in den Temperaturanstiegs-DSK-Kurven
von erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern festgestellt werden, von der HMC-Struktur stammt.
Durch eine Regelung der Höhe
dieses maximalen endothermen Peaks auf der Hochtemperatur-Seite
wird es möglich,
hochfeste Polyethylenfasern mit einer optimalen Haltbarkeit zu erhalten.
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Im
allgemeinen wird die Ermüdung
von Fasern mit einer Molekülorientierung,
für die
hochfeste Polyethylenfasern ein typisches Beispiel darstellen, durch
Biegung oder Abrieb hauptsächlich
durch die Fibrillenbildung der Fasern aus der Oberflächenschicht
verursacht. Es wird angenommen, daß diese erfindungsgemäßen hochfesten Polyethylenfasern eine Oberflächenschicht
aus HMC mit stärker
verwickelten Molekülketten aufweisen,
was zu einer Struktur führt,
bei der es nur schwer zu einer Fibrillenbildung kommt; durch diese
geschlossenere Oberflächenstruktur
werden die Fasern folglich hervorragend beständig gegen Dauerbiegebelastung
und abriebfest, womit verhindert wird, daß die Fasern durch Druck zusammenkleben,
wenn sie geschnitten werden.
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Es
ist jedoch wichtig, daß die
erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern einen bestimmten Anteil der HMC aufweisen sollten,
der die gesamte Kristallstruktur einnimmt. Wie vorstehend festgestellt
wird angenommen, daß sich
der maximale endotherme Peak auf der Hochtemperatur-Seite vom Schmelzen
der EC ableitet und sich der maximale endotherme Peak auf der Tieftemperatur-Seite
vom Schmelzen der HMC ableitet. Das Höhenverhältnis dieser maximalen endothermen
Peaks innerhalb der entsprechenden Temperaturbereiche liegt gewöhnlich im
Bereich von 1,4:1,0 bis 3,0:1,0, vorzugsweise 1,5:1,0 bis 2,9:1,0
und stärker bevorzugt
von 1,6:1,0 bis 2,8:1,0. Wenn das Verhältnis kleiner als 1,4:1,0 ist,
d.h. wenn der maximale endotherme Peak auf der Hochtemperatur-Seite
im Verhältnis
höher ist,
bedeutet das, daß der
Anteil der HMC, der die Oberflächenschicht
der Fasern bildet, größer ist,
wodurch die Haltbarkeit der Fasern abnimmt. Das beruht möglicherweise
darauf, daß eine übermäßige Zunahme
der Härte der
Oberfläche
eine Beeinträchtigung,
wie eine Ermüdung
durch Abknicken, fördert.
Wenn demgegenüber
das Verhältnis
größer als
3,0:1,0 ist, d.h. wenn der maximale endotherme Peak auf der Hochtemperatur-Seite
verhältnismäßig niedriger
ist, ist der Anteil der HMC geringer, was für die Festigkeit oder den Elastizitätsmodul
nicht problematisch ist jedoch keine Verbesserung der Haltbarkeit
bewirkt, so daß nicht
verhindert werden kann, daß die
Fasern durch Druck zusammenkleben, wenn sie zugeschnitten werden,
wodurch es unmöglich
wird, Schnittfasern mit einem guten Dispersionsvermögen zu erhalten.
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Außerdem ist
die HMC-Struktur der Oberfläche
gemäß der vorliegenden
Erfindung für
die Verbesserung der Schlagzähigkeit
sehr wirksam. Um eine hohe Schlagzähigkeit zu erreichen, müssen die
Fasern eine hohe Festigkeit und einen hohen Dehnungsgrad bei einer
Verformung bei einer hohen Dehnungsgeschwindigkeit aufweisen, was
als Zähigkeit
bezeichnet wird. Gemäß der vorliegenden
Erfindung hat die HMC-Struktur der Oberfläche die Funktion, diese beiden
Eigenschaften zu verbessern. Hinsichtlich der viskoelastischen Eigenschaften
können
Polymermaterialien als eine Kombination aus elastischen Komponenten
und viskosen Komponenten angesehen werden, wie es mit dem sogenannten
Takayanagi-Modell erklärt
wird. Im Falle einer Verformung bei einer hohen Dehnungsgeschwindigkeit
haben die Viskositätseigenschaften
einen großen
Einfluß,
und die HMC-Struktur der Oberfläche
zeigt gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Reaktion der Viskositätseigenschaften auf eine Verformung
bei einer starken Dehnung, wodurch es möglich wird, die Schlagzähigkeit
zu verbessern. Folglich sind die erfindungsgemäßen hochfesten Polyethylenfasern
mit einer solchen besseren Schlagzähigkeit für ballistische Materialien
und Gegenstände
oder als verstärkende
Fasern für
Helme geeignet.
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Die
erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern haben im Vergleich mit herkömmlichen hochfesten Polyethylenfasern
folglich eine deutlich bessere Haltbarkeit, insbesondere Abriebfestigkeit.
Insbesondere beträgt
die Anzahl der Reibungen bis zum Bruch der Faser bei einer Abriebprüfung gemäß Verfahren
B zur Messung der Abriebfestigkeit in Prüfverfahren für gesponnenes
Garn (JIS L 1095) 100.000 oder mehr.
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Die
erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern sollten bewußt
nach einem neuen Herstellungsverfahren, z.B. dem nachstehend beschriebenen
Verfahren, hergestellt werden, das empfohlen wird, jedoch natürlich nicht
darauf begrenzt ist.
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Zuerst
wird ein hochmolekulares Polyethylen, wie es vorstehend beschrieben
ist, gleichmäßig in einem
Lösungsmittel
gelöst,
wodurch eine Spinnlösung
erhalten wird. Die Spinnlösung
hat gewöhnlich
eine Konzentration von 50 % oder weniger, vorzugsweise 30 % oder
weniger. Das Lösungsmittel
kann flüchtige
Lösungsmittel,
wie Decalin oder Tetralin, und nichtflüchtige Lösungsmittel, wie Paraffinöl oder Paraffinwachs,
einschließen.
Die Verwendung von flüchtigen
Lösungsmitteln
ist bevorzugt. Der Grund ist, daß bei Lösungsmitteln, die bei einer üblichen
Temperatur im festen Zustand vorliegen oder nichtflüchtig sind,
die Entfernungsgeschwindigkeit des Lösungsmittels aus den Filamenten
gering ist und es folglich schwierig ist, eine ausreichende Entstehung
der HMC zu erreichen, wohingegen flüchtige Lösungsmittel in der Faseroberfläche beim
Spinnen zwangsläufig
verdampft werden, womit eine höhere
Konzentration in der Faseroberfläche
erhalten wird, wodurch es möglich
wird, eine bestimmte Kristallstruktur (HMC) zu bilden, in der die
Molekülketten
stärker
orientiert und miteinander verbunden sind. Im Falle herkömmlicher
Spinnverfahren ist ein Strukturunterschied zwischen der Faseroberfläche und
der -innenseite für
die Abnahme der Festigkeit der Fasern verantwortlich; die Auswahl
der Spinnbedingungen, damit die Querschnittstruktur der Fasern möglichst
einheitlich wird, ist dem Fachmann deshalb nicht nur auf dem Fachgebiet
des Gelspinnens sondern auch des Trockenspinnens, des Naßspinnens
und des Schmelzspinnens von z.B. Polyvinylalkohol und Polyacrylnitril,
d.h. auf dem Fachgebiet des Spinnens im allgemeinen, allgemein bekannt.
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Demgegenüber haben
die hier genannten Erfinder festgestellt, daß es die Ausbildung eines Strukturunterschiedes
zwischen der Faseroberfläche
und der -innenseite beim Spinnschritt, insbesondere die Ausbildung
der HMC, durch sofortiges und gezieltes Entfernen der Lösungsmittel
in der Faseroberfläche,
wodurch die Spinnspannung auf der Oberflächenschicht konzentriert wird,
ermöglicht,
Fasern zu erhalten, die eine hohe Festigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul
beibehalten und außerdem
eine hervorragende Beständigkeit
gegen Dauerbiegebelastung und eine hervorragende Abriebfestigkeit
aufweisen.
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Bei
der Herstellung der erfindungsgemäßen hochfesten Polyethylenfasern
wird ein Verfahren empfohlen, bei dem ein Inertgas mit hoher Temperatur
direkt unter der Spinndüse
auf die ausgestoßenen
Filamente geblasen wird, um Lösungsmittel
auf der Oberfläche
der Filamente gezielt zu entfernen. Das führt zur Bildung einer sehr
dünnen
HMC-Schicht auf der Oberfläche,
wodurch die Spannung bei Spinnen konzentriert wird, womit es möglich wird,
eine bestimmte Struktur zu erzeugen, bei der die Molekülketten
wie vorstehend beschrieben miteinander verbunden sind. Die Temperatur
des Inertgases beträgt
gewöhnlich
60°C oder
mehr, vorzugsweise 80°C
oder mehr und stärker
bevorzugt 100°C
oder mehr, jedoch weniger als 150°C.
Als Inertgas ist aus ökonomischer
Sicht die Verwendung von Stickstoffgas bevorzugt, es ist jedoch
nicht darauf begrenzt.
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Die
so erhaltenen ungestreckten Filamente werden erneut erwärmt, um
die restlichen Lösungsmittel zu
entfernen, dabei werden sie auf ein Verhältnis gestreckt, das das Mehrfache
beträgt.
In Abhängigkeit
vom jeweiligen Fall kann ein mehrstufiges Strecken angewendet werden.
Die HMC-Struktur der Oberflächenschicht,
die beim Spinnen erzeugt wird, kann bei den späteren Streckschritten nie beseitigt
werden, wodurch es möglich
wird, hochfeste Polyethylenfasern mit ganz hervorragenden Eigenschaften
zu erhalten, wie sie vorstehend beschrieben sind. Die erhaltenen
hochfesten Polyethylenfasern, selbst geschnittene, kleben aufgrund ihrer
geschlossenen Struktur in der Oberfläche kaum durch Druck zusammen,
wenn sie geschnitten werden, obwohl dieses Phänomen des Zusammenklebens bei
herkömmlichen
Fasern beobachtet wird; folglich können Schnittfasern oder Stapel
mit einem guten Dispersionsvermögen
erhalten werden.
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Die
erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern weisen eine hervorragende Beständigkeit gegen Dauerbiegebelastung
und eine hervorragende Abriebfestigkeit auf, wobei sie etwa die
gleiche oder eine bessere Festigkeit und den gleichen oder einen
höheren
Elastizitätsmodul
als herkömmliche
hochfeste Polyethylenfasern aufweisen; folglich sind die erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern geeignet für
verschiedene Seile oder Kabel für
industrielle oder private Zwecke, insbesondere mitlaufende Kabel,
die über
längere
Zeit verwendet werden, wie Haltetaue und Klüsen, verdeckte Kabel, Druckerkabel,
geeignet, und sie sind auch als Materialien für verschiedene Sportartikel
und Sportkleidung, wie Angelschnüre,
Zelte, Sportstrümpfe und
Uniformen und verschiedene Bekleidungsstücke vorteilhaft. Die erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern sind wegen ihrer hervorragenden Schnittfestigkeit
und Beständigkeit
gegenüber
Klingen, die sich durch die vorstehend genannten hervorragenden
Eigenschaften ergibt, auch für
Hochleistungstextilien, wie ballistische Materialien oder Gegenstände oder
Schutzhandschuhe, äußerst nützlich.
Die erfindungsgemäßen hochfesten
Polyethylenfasern sind aufgrund ihrer geschlossenen Oberfläche ferner
bei chemischen Prozessen vorteilhaft und haben folglich als Schnittfasern
für die
Herstellung von Faservlies, wie als chemische Filter oder Trennwände für eine Batteriezelle,
die chemisch beständig
sein müssen,
im Vergleich mit herkömmlichen Fasern
aus Polyethylen mit extrem hohen Molekulargewicht eine deutlich
bessere Beständigkeit
gegenüber Chemikalien
Licht und Witterung. Die erfindungsgemäßen hochfesten Polyethylenfasern
sind ferner als verstärkende
Fasern in Verbundmaterialien für
Sportartikel, wie Helme und Ski, und für Lautsprecherkonusse, als Verstärkungsmaterialien
für Beton
oder Mörtel,
insbesondere Sprühbeton
oder normaler glatter Beton in Tunnels, oder als Fasern zum Verstärken von
Bahnmaterialien und Strängen,
um eine Erdbebensicherheit zu bieten, vorteilhaft.
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Die
ballistischen Materialien oder Elemente der vorliegenden Erfindung
können
unter Verwendung der vorstehend genannten neuen hochfesten Polyethylenfasern
als Basisgarne hergestellt werden, wobei die Fasern mit anderen
aus dem Stand der Technik bekannten Fasern gemischt werden können. Die
ballistischen Materialien oder Elemente der vorliegenden Erfindung
können
zum Beispiel durch Weben der Basisgarne in Stoffe oder Parallellegung
der Basisgarne entlang einer Richtung und nachfolgendes Imprägnieren
der parallel angeordneten Garne mit Harzen, gefolgt von Überschichten,
um Lagen zu bilden, so daß die
parallel angeordnete Richtung der einen Lage senkrecht zu der der
nächsten
Lage ist; und Laminieren zweier oder mehrerer solcher Stoffe oder
Lagen, hergestellt werden.
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Beispiele
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Die
vorliegende Erfindung wird durch einige Beispiele weiter erläutert, die
vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele begrenzt.
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Zuerst
werden Beispiele der erfindungsgemäßen hochfesten Polyethylenfasern
anhand der Beispiele 1 bis 3 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2
dargestellt. Bei den mit diesen Beispielen und Vergleichsbeispielen hergestellten
Polyethylenfasern wurden die physikalischen Eigenschaften durch
folgende Meß-
und Prüfverfahren
gemessen, und deren Leistung wurde ausgewertet.
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Grenzviskositätszahl der
Fasern
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Bei
verdünnten
Lösungen
mit unterschiedlichen Konzentrationen wurde die Viskosität in Decalin
bei 135°C
mit einem Kapillarviskositätsrohr
vom Ubbelohde-Typ gemessen, und die Grenzviskositätszahl wurde bestimmt,
indem in der graphischen Darstellung ihrer spezifischen Viskosität gegen
die Konzentration nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate eine
gerade Linie gezogen und diese gerade Linie bis zur Konzentration Null
extrapoliert wurde. Bei der Messung der Viskosität wurde eine Probe auf eine
Länge von
etwa 5 mm zerhackt, und ein Antioxidans (unter der Handelsbezeichnung "Yoshinox BHT", von Yoshitomi Pharmaceutical
Industries, Ltd. erhältlich)
wurde mit 1 Gew.-% im Verhältnis
zur Probe zugesetzt, danach wurde zum Auflösen 4 Stunden bei 135°C gerührt, wodurch
eine Lösung
für die
Messung erhalten wurde.
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Festigkeit
und Elastizitätsmodul
der Fasern
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Mit
einem "Tensilon", von Orientech Corp.
erhältlich,
wurde eine Zug-Belastungs-Kurve unter folgenden Bedingungen erstellt:
Länge der
Probe 200 mm (Abstand zwischen den Spannfuttern), Dehnungsgeschwindigkeit
100 %/min, Atmosphärentemperatur
20°C und
relative Feuchte 65 %; und die Festigkeit (cN/dtex) wurde aus der
Belastung am Bruchpunkt in der erhaltenen Kurve berechnet, und der
Elastizitätsmodul
(cN/dtex) wurde aus der Tangente berechnet, die den maximalen Gradienten
auf der Kurve in der Nähe des
Ursprungs liefert. Die Anzahl der Messungen wurde mit 10 festgelegt,
und die Festigkeit und der Elastizitätsmodul wurden durch die entsprechenden
Durchschnittswerte angegeben.
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Differentialscanningkalorimetrie
(DSK) der Fasern
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Mit
einem "DSC7", von Perkin-Elmer
Corp. erhältlich
(maximale Empfindlichkeit 8 μW/cm)
wurde die DSK wie folgt durchgeführt.
Eine Probe wurde auf 5 mm oder weniger geschnitten, und etwa 5 mg
der Probe wurden in einen Aluminiumtiegel gegeben und verschlossen.
Der gleiche, jedoch leere Aluminiumtiegel diente als Bezug. Die
Temperaturanstiegs-DSK-Kurve wurde erstellt, indem die Probe unter
einer Inertgasatmosphäre
bei einer Erwärmungsgeschwindigkeit
von 10°C/min
von Raumtemperatur bis auf 200°C
erwärmt
wurde. Die erhaltene Temperaturanstiegs-DSK-Kurve wurde in bezug
auf die Grundlinie korrigiert, danach folgten das Ablesen der Anzahl
der Peaks, der Temperatur bei diesen Peaks und der Peakhöhen innerhalb
eines Temperaturbereichs von 140 bis 148°C (auf der Tieftemperatur-Seite) und innerhalb
eines Temperaturbereichs von 148°C
oder darüber
(auf der Hochtemperatur-Seite) und eine Berechnung des Höhenverhältnisses
des maximalen endothermen Peaks auf der Tieftemperatur-Seite und
des maximalen endothermen Peaks auf der Hochtemperatur-Seite. Wenn
sich die endothermen Peaks aufgrund ihrer schulterähnlichen
Formen schwer ablesen ließen,
wurden die Werte des Wärmeflusses
bei 145,5°C
und 150°C
als endotherme Peaks auf der Tieftemperatur-Seite bzw. der Hochtemperatur-Seite
angesehen, um das Verhältnis
der Peakhöhen
zu berechnen.
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Abriebprüfung der
Fasern
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Eine
Probe wurde durch Vervielfachen oder Einstellen so hergestellt,
daß sie
eine lineare Dichte von etwa 1500 dtex aufwies, und die Abriebfestigkeit
wurde durch eine Abriebprüfung
gemäß Verfahren
B zur Messung der Abriebfestigkeit in Prüfverfahren für gesponnenes
Garn (JIS L 1095) ausgewertet. Jede Prüfung wurde mit einer Spitze
mit 0,9 nun Ø aus
hartem Stahl als Reibungskontakt bei folgenden Bedingungen durchgeführt: Belastung
0,5 g/d, Reibungsgeschwindigkeit 115 Mal/min, Abstand der sich wiederholenden
Bewegung 2,5 cm und Reibungswinkel 110°. Die Abriebfestigkeit wurde
als Anzahl der Reibungen bestimmt, bis die Probe brach. Die Anzahl
der Versuche wurde mit 2 festgelegt, und die Ergebnisse sind als
Durchschnittswerte angegeben. Die Werte wurden bis zur dritten Stelle
gerundet.
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Beispiel 1
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Ein
Suspensionsgemisch von 10 Gew.-% Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht,
das eine Grenzviskositätszahl
von 21,0 und einen Index der Molekulargewichtsverteilung (Mw/Mn)
von 3,7 aufwies, und 90 Gew.-% Decalin wurde einer Knetvorrichtung
vom Schneckentyp bei 230°C
zugeführt,
und dessen Auflösung
wurde erreicht, wodurch eine Spinnlösung erhalten wurde, danach
folgte das Spinnen bei 170°C
mit einer Ausstoßgeschwindigkeit
durch jede Düse
von 1,4 g/min unter Verwendung einer Spinndüse (Durchmesser jeder Düse 0,7 mm,
Anzahl der Düsen
400). Die ausgestoßenen
Filamente wurden mit Stickstoffgas mit 100°C mit einer mittleren Flußgeschwindigkeit
von 1,2 m/s möglichst
gleichmäßig durch
eine schlitzförmige Öffnung für die Gaszufuhr
geblasen, wobei sich die Öffnung
direkt unter der Spinndüse
befand, so daß das
Decalin in der Faseroberfläche
gezielt entfernt wurde. Unmittelbar danach wurden die Filamente
mit einem Luftstrom mit 30°C
wesentlich abgekühlt
und mit einer Geschwindigkeit von 75 m/min mit Rollen vom Nelson-Typ
aufgewickelt, die sich stromabwärts
der Spinndüse
befanden. Zu diesem Zeitpunkt hatte das Gewicht des in den Filamenten
enthaltenen Lösungsmittels
bereits um die Hälfte
des ursprünglichen
Gewichtes abgenommen. Danach wurden die erhaltenen Filamente in
einem Heizofen bei 100°C
auf ein Verhältnis
von 4 gestreckt, und außerdem
in einem Heizofen bei 149°C
auf ein Verhältnis
von 4 gestreckt, wodurch eine Polyethylenfaser erhalten wurde. Die
physikalischen Eigenschaften und die Auswertung der Leistung der
Faser sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Temperaturanstiegs-DSK-Kurve, die durch
Differentialscanningkalorimetrie (DSK) erhalten wurde, vor der Korrektur
in bezug auf die Grundlinie, ist in 1 gezeigt.
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Beispiel 2
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Eine
Polyethylenfaser wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben
hergestellt, außer daß die ausgestoßenen Filamente
mit einem Stickstoffgas bei 120°C
und einer durchschnittlichen Fließgeschwindigkeit von 1,4 m/s
geblasen wurden. Die physikalischen Eigenschaften und die Auswertung
der Leistung der Faser sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Temperaturanstiegs-DSK-Kurve,
die durch Differentialscanningkalorimetrie (DSK) erhalten wurde,
vor der Korrektur in bezug auf die Grundlinie, ist in 2 gezeigt.
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Beispiel 3
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Eine
Polyethylenfaser wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben
hergestellt, außer daß hochmolekulares
Polyethylen mit einer Grenzviskositätszahl von 12,1 und einem Index
der Molekulargewichtsverteilung (Mw/Mn) von 5,4 verwendet wurde,
die Konzentration der Spinnlösung
auf 30 Gew.-% eingestellt wurde und das Strecken auf ein Verhältnis von
3 in der ersten Stufe und 2,2 in der zweiten Stufe erfolgte. Die
physikalischen Eigenschaften und die Auswertung der Leistung der
Faser sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Temperaturanstiegs-DSK-Kurve, die durch
Differentialscanningkalorimetrie (DSK) erhalten wurde, vor der Korrektur
in bezug auf die Grundlinie, ist in 3 gezeigt.
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Vergleichsbeispiel 1
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Eine
Polyethylenfaser wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben
hergestellt, außer daß die abgegebenen
Filamente nicht direkt unter der Spinndüse mit Stickstoffgas mit einer
hohen Temperatur geblasen sondern sofort mit Stickstoffgas mit 30°C abgekühlt wurden
und das Strecken bei einem Verhältnis von
4,0 in der ersten Stufe und 3,5 in der zweiten Stufe erfolgte. Die
physikalischen Eigenschaften und die Auswertung der Leistung der
Faser sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Temperaturanstiegs-DSK-Kurve,
die durch Differentialscanningkalorimetrie (DSK) erhalten wurde,
vor der Korrektur in bezug auf die Grundlinie, ist in 4 gezeigt.
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Vergleichsbeispiel 2
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Das
Spinnen erfolgte in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben,
außer
daß Paraffinöl als Lösungsmittel
verwendet wurde und das Strecken auf ein Verhältnis von 4 erfolgte, wobei
das Lösungsmittel
in einem n-Decan enthaltenden Kühlbad
bei etwa 80°C
im wesentlichen entfernt wurde, wobei sich dieses Bad direkt unter
der Spinndüse
befand. Es wurde nicht gründlich
gezielt mit Inertgas gekühlt.
Die erhaltenen halbgestreckten Filamente wurden außerdem in
einem Ofen bei 145°C
unter einer Inertgasatmosphäre
auf ein Verhältnis
von 4 gestreckt, so daß das
enthaltene n-Decan im wesentlichen verdampfte, wodurch eine Polyethylenfaser
erhalten wurde. Die physikalischen Eigenschaften und die Auswertung
der Leistung der Faser sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Temperaturanstiegs-DSK-Kurve,
die durch Differentialscanningkalorimetrie (DSK) erhalten wurde,
vor der Korrektur in bezug auf die Grundlinie, ist in 5 gezeigt.
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Wie
aus Tabelle 1 ersichtlich ist, hatten die Polyethylenfasern der
Beispiele 1 bis 3 aufgrund ihrer 3,5-mal größeren Reibungszahlen bis zum
Brechen der Fasern bei der Abriebprüfung eine hervorragende Abriebfestigkeit,
wobei sie etwa die gleiche oder eine höhere Festigkeit und etwa den
gleichen oder einen höheren
Elastizitätsmodul
aufwiesen, verglichen mit den Polyethylenfasern der Vergleichsbeispiele
1 und 2. Bei den Polyethylenfasern der Beispiele 1 bis 3 hatten
die Temperaturanstiegs-DSK-Kurven nur einen oder zwei endotherme
Peaks auf der Hochtemperatur-Seite und einen endothermen Peak auf
der Tieftemperatur-Seite. Demgegenüber hatte bei der Polyethylenfaser
von Vergleichsbeispiel 1 die Temperaturanstiegs-DSK-Kurve keinen endothermen
Peak auf der Tieftemperatur-Seite, wohingegen als endothermer Peak
auf der Hochtemperatur-Seite kein deutlicher Peak, sondern eine
Schulter festgestellt wurde. Bei der Polyethylenfaser von Vergleichsbeispiel
2 hatte die Temperaturanstiegs-DSK-Kurve einen vollständigen Peak
auf der Hochtemperatur-Seite, wohingegen auf der Tieftemperatur-Seite
kein endothermer Peak, sondern eine kleine Schulter bei etwa 133°C festgestellt
wurde. Bei den Polyethylenfasern der Vergleichsbeispiele 1 und 2
wird aufgrund ihrer extrem beeinträchtigten Abriebfestigkeit angenommen,
daß deren
maximale endotherme Peaks auf der Hochtemperatur-Seite vom EC und nicht von der HMC kommen.
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Nunmehr
werden anhand des Beispiels 4 und des Vergleichsbeispiels 3 ballistische
Materialien oder Elemente der vorliegenden Erfindung, welche die
hochfesten Polyethylenfasern verwenden, erläutert. Bei den in diesem Beispiel
und Vergleichsbeispiel hergestellten ballistischen Materialien wurde
die Leistung durch folgendes ballistisches Prüfverfahren ausgewertet.
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Ballistisches
Prüfverfahren
für ballistische
Materialien
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Eine
Probe der Materialien wurde in Quadrate, deren Seiten jeweils 20
cm messen, geschnitten und diese Quadrate wurden aufeinander geschichtet,
um ein Gewicht von etwa 1 kg/m2 zu ergeben,
und dann peripher mit Overlock-Nähten
befestigt, um eine Probe für
das ballistische Prüfverfahren
zu ergeben.
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Das
ballistische Prüfverfahren
wurde gemäß MIL-STD-662E
ausgeführt.
Ein ein 17-Korn-Fragment
simulierendes Projektil, wie in MIL-P-46593A beschrieben, wurde
mit einer Geschwindigkeit von etwa 500 m/s aus einem Gewehrlauf
mit einem Treibmittel abgefeuert, um mit der Probe zu kollidieren.
Zu diesem Zeitpunkt, wurden die Geschwindigkeiten V1 und
V2 des Fragment-simulierenden Projektils
vor der Kollision mit der Probe bzw. nach dem Eindringen mit einem
ein Photoraster verwendenden Chronograph gemessen. Die Schlagzähigkeit
wurde durch Energieverlust pro Einheit (SEA) ermittelt, die durch
die folgende Gleichung aus den Geschwindigkeiten V 1 und
V2 berechnet wurde: SEA
= ½ × (V1 2 – V2 2) × 0,0011/
Gewicht des Probestücks
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Die
Anzahl der Durchläufe
wurde auf 3 festgelegt und der Wert der SEA wurde durch deren Durchschnittswert
ausgedrückt.
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Beispiel 4
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Die
hochfeste Polyethylenfaser, wie in Beispiel 2 erhalten (Grenzviskositätszahl 18,4;
lineare Dichte 448 dtex; Festigkeit 35.2 cN/dtex; Elastizitätsmodul
1612 cN/dtex) wurde gedreht um einen Drehungskoeffizienten von 0,7
zu erhalten, wodurch ein Basisgarn erhalten wurde. Ein einfach gewebtes
Gewebe (Gewicht 180,6 g/m2), bei dem die
Anzahl sowohl der Kettgarne als auch der Durchschußgarne 48
Garne/25 mm betrug, wurde mit diesem Basisgarn hergestellt. Das
erhaltene ballistische Material wurde dem ballistischen Prüfverfahren
unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.
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Vergleichsbeispiel 3
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In
der gleichen Weise wie in Beispiel 4 beschrieben wurde ein einfach
gewebtes Gewebe (Gewicht 188,1 g/m2) herstellt,
außer,
daß die
wie in Vergleichsbeispiel 2 erhaltene hochfeste Polyethylenfaser
(Grenzviskositätszahl
18,3; lineare Dichte 471 dtex; Festigkeit 35,7 cN/dtex; Elastizitätsmodul
1623 cN/dtex) verwendet wurde. Das Gewebe wurde dann dem ballistischen
Prüfverfahren
unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.
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Wie
aus Tabelle 2 ersichtlich ist, wies das ballistische Material in
Beispiel 4 einen höheren
Energieverlust pro Einheiten auf; dabei wies es verglichen mit dem
ballistischen Material des Vergleichsbeispiels 3 hervorragende Schlagzähigkeit
auf.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung können
hochfeste Polyethylenfasern erhalten werden, die etwa die gleiche
oder eine höhere
Festigkeit und etwa den gleichen oder einen höheren Elastizitätsmodul
als herkömmliche
hochfeste Polyethylenfasern aufweisen und gleichzeitig eine hervorragende
Haltbarkeit, insbesondere Beständigkeit
gegen Dauerbiegebelastung, und eine hervorragende Abriebfestigkeit,
aufweisen. Diese hochfesten Polyethylenfasern können als Materialien für leistungsstarke
ballistische Materialien oder Elemente verbreitet verwendet werden.
