Слоистый материал

013586 Изобретение относится к слоистым материалам, содержащим первый слой и второй слой, прикрепленный к первому слою, причем указанный второй слой включает высокостойкие волокна. Такой слоистый материал известен из US 5180190. В этом патенте описан контейнер для транспортировки текучих сред. Стенка контейнера имеет слоистую структуру, содержащую первый слой, в основном, формирующий стенку контейнера. Поверх первого слоя прикреплен второй слой, содержащий ткань из высокостойких волокон и матрицу. Данная матрица прикреплена к волокнам и первому слою. Назначение второго слоя состоит в том, чтобы улучшить сопротивляемость повреждениям данного контейнера. Данный известный слоистый материал имеет недостаток, который заключается в том, что он имеет неудовлетворительную сопротивляемость повреждениям. В особенности, при ударе данного слоистого материала крупным тупым предметом, повреждение является серьезным из-за разрыва ткани на большом участке, также называемом каскадным повреждением. Повреждения такого характера происходят часто. Например, оно может произойти при манипуляции с контейнером, когда стенка контейнера подвергается ударам со стороны автопогрузчика. Ударяя стенку контейнера, вилка погрузчика последовательно разрушает отдельные волокна как в направлении основы, так и в направлении утка, и в последующих слоях,если они присутствуют. Цель настоящего изобретения состоит в создании слоистого материала, имеющего улучшенную сопротивляемость повреждениям. Неожиданно оказалось, что данная цель может быть достигнута созданием слоистого материала,содержащего первый слой и второй слой, связанный с первым слоем, причем указанный второй слой включает высокостойкие волокна, имеющие сопротивление разрыву по меньшей мере 0,5 ГПа, которые расположены в виде сетчатой структуры. Слоистый материал в соответствии с настоящим изобретением является очень устойчивым к повреждениям. Слоистый материал в соответствии с настоящим изобретением является особенно устойчивым к каскадному повреждению. Еще одно преимущество слоистого материала согласно настоящему изобретению состоит в том, что он имеет низкий вес, в связи с чем он очень подходит для применения в сооружении мобильных, легковесных конструкций, например авиационных грузовых контейнеров. Кроме того, неожиданно было обнаружено, что слоистый материал по настоящему изобретению по сравнению с известными слоистыми материалами обладает более высоким поглощением энергии при воздействии быстродвижущихся предметов, то есть предметов, движущихся со скоростью выше чем 40 м/с, например, вследствие вспышки или взрыва, происшедшей вблизи от слоистого материала. Более того, данный слоистый материал может быть выполнен в различных исполнениях, чтобы удовлетворять всем требованиям, определяемым назначением материала. Функция первого слоя часто состоит в том, чтобы обеспечить жесткость слоистому материалу. Поэтому модуль изгиба первого слоя составляет предпочтительно по меньшей мере 10 ГПа, более предпочтительно по меньшей мере 30 ГПа, еще более предпочтительно по меньшей мере 50 ГПа, наиболее предпочтительно по меньшей мере 70 ГПа. Первый слой может быть металлом, например алюминием, сплавом, включающим магний и т.д. Первый слой может быть фанерой, предпочтительно березовой фанерой. Также возможно, чтобы первый слой имел сэндвичевую или сотовую структуру. Предпочтительно первый слой содержит термопластичный или термоотверждающийся полимер. Так, хорошие результаты получены, если первый слой является полипропиленом, поликарбонатом или термопластичным полиэфиром. Еще более предпочтительно первый слой является композиционным материалом, содержащим углеродные волокна и/или стекловолокна и термоотверждающийся полимер. Примерами таких термоотверждающихся полимеров являются эпоксидная смола, полиуретановая смола,ненасыщенная полиэфирная смола, виниловая сложноэфирная смола. Наиболее предпочтительно первый слой является композиционным материалом, включающим углеродные волокна и эпоксидную смолу или виниловую сложноэфирную смолу. Специалисты знают, как выбрать толщину, жесткость и другие параметры первого слоя, чтобы приспособить его к намеченному применению. Примерами высокостойких волокон во втором слое являются волокна, содержащие арамидные нити, нити S-стекла, нити высокостойких полиэфиров и волокна, включающие полиэтиленовые нити ультравысокой молекулярной массы. Волокна, включающие арамидные нити продают, например, под торговой маркой Kevlar иTwaron. Волокна, включающие высокостойкие полиэфирные нити продают, например, под торговой маркой Vectran, волокна, включающие полиэтиленовые нити ультравысокой молекулярной массы продают, например, под торговой маркой Dyneema и Spectra. Предпочтительно волокна, включающие полиэтиленовые нити ультравысокой молекулярной массы, которые применяют во втором слое в качестве высокопрочных волокон, расположены в виде сетчатой структуры. Такие волокна получают предпочтительно в соответствии с так называемым процессом гель-прядения, как описано, например, в ЕР 0205960 А, ЕР 0213208 A1, US 4413110, GB 2042414 А, ЕР 0200547 В 1, ЕР 0472114 B1, WO 01/73173 А 1 и Advanced Fiber Spinning Technology, Ed. T, Nakajima,-1 013586Woodhead Publ. Ltd. (1994), ISBN 1-855-73182-7 и рекомендациях, процитированных там. Гель-прядение включает, по меньшей мере, стадии прядения по меньшей мере одной нити из раствора полиэтилена ультравысокой молекулярной массы в растворителе прядения; охлаждение полученной нити, чтобы сформировать гелевую нить; удаление, по меньшей мере, частично растворителя прядения из гелевой нити и протяжку нити по меньшей мере на одной стадии протяжки до, во время или после удаления растворителя прядения. Подходящие растворители прядения включают, например, парафины, минеральное масло, керосин или декалин. Растворитель прядения может быть удален испарением, экстракцией или комбинацией испарения и экстракции. Линейный полиэтилен ультравысокой молекулярной массы, применяемый для получения нитей,может иметь среднее значение молекулярной массы по меньшей мере 400000 г/моль. Высокостойкие волокна предпочтительно имеют предел прочности на разрыв по меньшей мере 1 ГПа, еще более предпочтительно по меньшей мере 1,5 ГПа, наиболее предпочтительно по меньшей мере 2 ГПа. В сетчатой структуре расстояние между осями смежных волокон в сетке больше, чем диаметр волокна. Это означает, что всегда существует определенное расстояние между поверхностями двух смежных волокон в сетке. Предпочтительно, чтобы расстояние между осями двух смежных волокон в сетке равнялось или было больше чем 1,25 диаметра волокна, более предпочтительно больше чем 1,5 диаметра волокна, более предпочтительно больше чем 2 диаметра волокна, наиболее предпочтительно больше чем 2,5 диаметра волокна. Вследствие этого получают слоистый материал, имеющий очень высокую сопротивляемость повреждениям. Волокна могут быть расположены в сетчатой структуре различными способами. Например, возможно создать открытую ткань, имеющую сетчатую структуру, и использовать данную ткань в слоистом материале. Другой вариант состоит в том, чтобы создать сетку. Возможно даже создать сетчатую структуру из высокостойких волокон созданием ткани, включающей множества высокостойких волокон, причем отверстия в сетке между высокостойкими волокнами являются заполненным другими волокнами. Предпочтительно укладывать волокна в сетчатой структуре непосредственно поверх первого слоя. Предпочтительно, чтобы сетчатая структура была образована двумя или более рядами параллельных волокон, причем угол между волокнами данных рядов был более чем 0, предпочтительно более чем 45, более предпочтительно более чем 60, более предпочтительно более чем 89, наиболее предпочтительно угол равняется 90. Наиболее предпочтительно, чтобы сетчатая структура была образована двумя или более рядами параллельных волокон. Специалисты знают, как получить и уложить на нужное место такие ряды. Волокно может иметь титр от 800 до 35000 дтекс. Если применяются волокна, включающие нити полиэтилена ультравысокой молекулярной массы,данные волокна предпочтительно имеют титр от 1000 до 18000 дтекс, более предпочтительно от 5000 до 15000 дтекс, наиболее предпочтительно от 8000 до 12000 дтекс. Таким способом получают хороший баланс между сопротивляемостью повреждениям и весом слоистого материала. Хорошие результаты получают, если второй слой содержит от 200 до 2000 г высокостойких волокон на квадратный метр, причем данные волокна расположены в сетчатой структуре. Предпочтительно второй слой содержит от 200 до 1000 г высокостойких волокон на квадратный метр, более предпочтительно от 300 до 600 г на квадратный метр. Хорошие результаты получают, если толщина второго слоя меньше чем 3 диаметра волокна. Предпочтительно толщина меньше чем 2 диаметра волокна. Таким способом получают слоистый материал,имеющий очень высокую сопротивляемость повреждениям и низкий вес. Второй слой, включающий высокостойкие волокна, может быть прикреплен к первому слою несколькими способами. Например, он может быть прибит или приклеен к первому слою. Предпочтительно второй слой содержит матрицу, которая сцеплена с волокнами и с первым слоем. Примеры подходящих материалов для составления матрицы включают эпоксидную смолу, виниловую сложноэфирную смолу или сополимер этилена и винилацетата (EVA). Очень хороший слоистый материал согласно настоящему изобретению, имеющий очень низкий вес,являющийся очень жестким и имеющий очень высокую сопротивляемость повреждениям, содержит первый слой, включающий углеродные волокна и термоотверждающийся полимер, и содержит второй слой,содержащий волокна, содержащие нити полиэтилена ультравысокой молекулярной массы, и термоотверждающийся полимер. Углеродные волокна в первом слое предпочтительно образуют ткань. Однако углеродные волокна могут быть также упорядочены в других конфигурациях, как, например, сетчатая структура, войлок или находится в виде рубленых углеродных волокон. Предпочтительно первый слой и второй слой включают один и тот же полимер. Настоящее изобретение также имеет отношение к сооружениям, содержащим слоистый материал согласно настоящему изобретению. Примеры применений для данного слоистого материала включают купола радаров, резервуары для-2 013586 транспортировки текучих сред, особенно для транспортировки опасных текучих сред, как, например,бензин. Предпочтительными примерами является устройство для воздушной транспортировки, включающей слоистый материал согласно настоящему изобретению. Примерами являются авиационный грузовой контейнер и наружный слой грузового люка воздушных судов. Такие наружные слои защищают внутреннюю стенку воздушного судна от повреждения, например, когда воздушное судно загружают грузами, от воздействий при столкновении частей груза с внутренней стенкой. Неожиданно было обнаружено, что авиационный грузовой контейнер, включающий слоистый материал по настоящему изобретению, имеет повышенное сопротивление взрыву, т.е. повышенную сопротивляемость повреждениям от взрыва или вспышки, происходящим внутри или снаружи указанного контейнера. Еще одно преимущество авиационного грузового контейнера по настоящему изобретению состоит в том, что при таком же сопротивлении взрыву, как у известных контейнеров, он имеет намного более легкий вес. Еще одно преимущество авиационного грузового контейнера по настоящему изобретению состоит в том, что ему легко может быть придана форма, удовлетворяющая интерьеру самолета. Кроме того, указанный контейнер более дешев в производстве и обслуживании, чем известные контейнеры,которые обеспечивают такое же сопротивление взрыву. Предпочтительно сетка расположена со стороны структуры, подвергаемой воздействию. Для контейнера она находится на внешней стороне. Для наружного слоя грузового люка она является стороной,направленной во внутреннюю часть воздушного судна. Данное изобретение далее объяснено с привлечением чертежа. Чертеж показывает фотографию волокон, включающих нити полиэтилена ультравысокой молекулярной массы (Dyneema SK75, 14080 дтекс), причем волокно расположено в сетчатой структуре. Данная сетчатая структура получена путем производства открытой гладкой ткани с переплетением 2,5 волокна на сантиметр, как в направлении утка, так и в направлении основы. Угол между параллельными рядами волокон составляет 90. Пример 1. Двойной слой волокна Dyneema SK75, 5280 дтекс связывают в прямоугольную симметричную гладкую сетку с 2,5 узлами на сантиметр в обоих направлениях. Расстояние в сетке между осями двух смежных волокон составляет примерно 2 диаметра одного волокна, так что отверстия в сетке имеют размер, примерно равный диаметру одного волокна. Сетку объединяют с тканью из углеродных волокон в плоскую панелеобразную пластинчатую упаковку, используя стандартную смолу на основе сложного винилового эфира. Смолу на основе сложного винилового эфира применяют в качестве матрицы как для ткани из углеродных волокон, так и для данной сетки. После отверждения смолы на основе сложного винилового эфира получают жесткий, тонкий и устойчивый к воздействиям слоистый материал толщиной примерно 3 мм, имеющий поверхностный рисунок, подобный сетке. Данный слоистый материал имеет массу примерно 1 кг на квадратный метр. Из слоистого материала вырезают панель и устанавливают в раму авиационного грузового контейнера. Контейнер заполняют металлическими блоками, моделирующими авиационный груз, массой 600 кг. Двухвилочный электрический автопогрузчик среднего размера движется с расстояния в пределах от 0,0 до 2,5 м с полным ускорением напротив панели. Панель противостоит удару, по меньшей мере, с расстояния 1,5 м. Если в панели пробито отверстие, погрузчик не может порвать большее отверстие, поднимая 600 кг груза, находящегося в контейнере. Сравнительный эксперимент А. Повторяли пример 1, однако, вместо двойного слоя сетки из волокон Dyneema SK75 применяли плотнотканную ткань из волокон SK75, имеющую воздушную плотность, количество которой на единицу поверхности равнялось количеству Dyneema SK75, используемой в примере 1. Удар двухвилочным погрузчиком с расстояния уже 1 м привел к значительному повреждению. Более того, при подъеме контейнера было получено значительное количество каскадных повреждений. Сравнительный эксперимент В. Повторяли пример 1, однако, вместо слоистого материала применяли алюминиевую панель толщиной 0,7 мм и массой 1,9 кг на квадратный метр. Данная панель не противостояла удару двухвилочным погрузчиком даже с расстояния 0,5 м. Пример 2. Определили скорость (V50), при которой существует 50%-ная вероятность того, что пуля пробьет слоистый материал, и специфическое поглощение энергии (СПЭ, SEA) слоистого материала по примеру 1 при 21 С с помощью испытаний согласно STANAG 2920, применяя стальные снаряды, моделирующиеосколки (СМО) (Fragment Simulating Projectiles, FSP) массой 1,1 г. После создания условий примерно 21 С и относительной влажности примерно 65% в течение примерно 24 ч слоистый материал закрепляли,применяя гибкие накладки, на опоре, заполненной поддерживающим материалом "римский пластилин"(Roma Plastilin), который предварительно был приведен в надлежащую форму при 35 С. Поверхностная плотность (AD) слоистого материала была равна 1,3 г/м 2.-3 013586 Найдено, что V50 равняется 170 м/с при SEA 12,23 Джм 2/кг. Сравнительный эксперимент С. Алюминиевую пластину качества F220 (толщиной 0,8 мм) с AD 2,1 г/м 2 испытывали также как в примере 2. Найдено, что V50 данной алюминиевой пластины равнялась 110 м/с при SEA 3,17 Джм 2/кг. Величины SEA слоистого материала по примеру 1 и указанной алюминиевой пластины показывают, что данная алюминиевая пластина имеет сопротивление взрыву почти в 4 раза меньше, чем слоистый материал по примеру 1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Жесткий слоистый материал, содержащий первый слой, обеспечивающий жесткость материала, и второй слой, включающий высокостойкие волокна, прикрепленный к первому слою, причем первый слой выполнен из материала, выбранного из группы, состоящей из металла, фанеры, термопластического или термоотверждающегося полимера и композиционного материала, содержащего углеродные волокна и/или стекловолокна, и указанные высокостойкие волокна имеют предел прочности на разрыв по меньшей мере 0,5 ГПа и расположены в виде сетчатой структуры, в которой расстояние между осями смежных волокон в сетке больше, чем диаметр волокна. 2. Слоистый материал по п.1, в котором первый слой имеет модуль изгиба по меньшей мере 10 ГПа. 3. Слоистый материал по п.1 или 2, в котором высокостойкие волокна содержат арамидные нити,нити S-стекла, нити высокостойкого полиэфира. 4. Слоистый материал по любому из пп.1-3, в котором высокостойкие волокна содержат нити полиэтилена ультравысокой молекулярной массы. 5. Слоистый материал по любому из пп.1-4, в котором сетчатая структура образована двумя или более рядами параллельных волокон, угол между которыми больше 0. 6. Слоистый материал по любому из пп.1-5, в котором высокостойкие волокна имеют толщину от 800 до 35000 дтекс. 7. Слоистый материал по любому из пп.1-6, в котором второй слой содержит от 200 до 2000 г высокостойких волокон на 1 м 2. 8. Защитное устройство для воздушной транспортировки, содержащее жесткий слоистый материал по любому из пп.1-7.