[发明专利]具有增强的物理和粘合性质的表面处理纱线和织物及其制造方法

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求2011年9月6日提交的共同待审的美国临时申请序号No. 61/531,302的权益，其公开内容全文经此引用并入本文。本申请还要求2011年12月2日提交的共同待审的美国临时申请序号No. 61/566,320的权益，其公开内容全文经此引用并入本文。

发明领域

本发明涉及改性高韧度纤维而不降低该纤维的物理强度性质的方法。本发明更特别涉及用等离子体处理或电晕处理改性纤维而不降低纤维的物理强度性质的方法。

相关技术描述

许多不同的技术已知用于制造高韧度纤维和长丝，包括高分子量聚乙烯纤维和长丝。此外，由包含高韧度合成纤维的复合材料制成的防弹制品是公知的。防弹背心、头盔、车身板和军事装备的结构件之类的制品通常由包含高韧度纤维，如SPECTRA?聚乙烯纤维或Kevlar?芳族聚酰胺纤维的织物制成。

对许多用途而言，可以在机织或针织物中使用高韧度纤维。对其它用途而言，可以将纤维包封或嵌在聚合基质材料中并成形成非织造布。例如，美国专利4,403,012、4,457,985、4,613,535、4,623,574、4,650,710、4,737,402、4,748,064、5,552,208、5,587,230、6,642,159、6,841,492、6,846,758（所有这些都经此引用并入本文）描述了由高韧度纤维，如伸展链超高分子量聚乙烯（“UHMW PE”）纤维形成的防弹复合材料。每种类型的高韧度纤维具有自己的独特特征和性质，由高韧度纤维制成的防弹复合材料表现出不同程度的抗射弹穿透性和背衬凹陷深度（“BFS”）。背衬凹陷深度（backface signature）——在本领域中也被称作背衬变形（backface deformation）或trauma signature，衡量由射弹冲击造成的防弹衣变形深度。

纤维的一个定义性特征是纤维与表面涂料，包括树脂涂料粘合或粘着的能力。聚合粘合剂材料的强粘合在防弹织物的制造中是重要的。聚合粘合剂材料在纤维表面上的差粘合可能降低纤维-纤维粘合强度和纤维-粘合剂粘合强度并由此使结合的纤维互相分离和/或使粘合剂从纤维表面上层离。这降低此类复合材料的防弹性质（也称作防弹性能）并造成灾难性的产品失效。例如，如共同待审的申请序号Nos. 61/531,233；61/531,255；61/531,268；61/531,302；和61/531,323中所述，在由射弹冲击造成的背衬凹陷深度与防弹复合材料的组分纤维互相层离和/或与纤维表面涂料层离的倾向之间存在直接相关性。

通过改进纤维表面与纤维表面涂料之间的粘合，降低纤维-纤维分离和/或纤维-涂料层离效应，由此提高纤维上的摩擦和提高射弹与纤维的咬合。粘合强度的这种改进导致复合材料结构性质的改进，从而以降低复合材料背衬变形的方式耗散射弹冲击能量。

如本领域中已知，通过电晕处理或等离子体处理纤维，可以改进纤维与表面涂料粘合或粘着的能力。电晕处理是使纤维经过电晕放电站，由此使纤维网经过一系列高电压放电的方法，所述高电压放电倾向于以各种方式作用于纤维网的表面，包括点蚀、粗糙化和通过部分氧化纤维表面引入极性官能团。等离子体处理类似于电晕处理，但与电晕处理的区别主要在于，等离子体处理在受控的反应性气体气氛中进行，而在电晕处理中，反应性气氛是空气。这些处理例如通过烧蚀纤维表面、点蚀或粗糙化纤维表面、从纤维表面除去污染物、氧化纤维表面、极化纤维表面、造成纤维表面的聚合物分子的链断裂和分子量降低和/或通过经由自由基结合使纤维表面附近的聚合物链交联来改性纤维。由于这些改性，提高随后施加的材料吸附、粘着或粘合到纤维表面上的能力，由此降低纤维表面涂料的层离倾向并由此降低射弹冲击时的复合材料背衬变形。

但是，现在已经认识到等离子体处理和电晕处理的苛刻条件对纤维韧度是破坏性的。数据已经表明，纤维韧度预处理明显大于纤维韧度后处理。这是不合意的，因为纤维抗穿透性与构成复合材料的纤维的物理强度成正比，因此物理强度的降低与V₅₀速度的降低相关联，以牺牲抗穿透性为代价实现BFS的所需改进。相应地，本领域中仍然需要制造具有降低的背衬凹陷深度而不牺牲优异的V₅₀防弹性能的防弹复合材料的方法。本发明为这一需求提供解决方案。

发明概述