KR20140133522A - 연성 탄도 응용을 위한 고밀도 단방향 직물 - Google Patents

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KR20140133522A
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제이슨 반 헤덴
조나단 맥네일
친칼 파텔
매트 토웨리
제이슨 윌슨
마르크-잔 데 하스
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바데이 인코포레이티드
데이진 아라미드 비.브이.
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Abstract

탄도 용품은 고밀도 섬유로 구성되며, 섬유의 선형 질량 밀도는 ASTM D1907에 의해 측정 시에 2000 dtex를 초과하며, 각각의 층 내의 섬유는 100 g/m2 초과의 총 면적 밀도를 갖는다. 일 예시에서, 탄도 용품은 스티렌 및 이소프렌 공중합체 매트릭스 재료 내에 파라-아라미드 섬유를 포함하는 2개의 시트를 갖는다.

Description

연성 탄도 응용을 위한 고밀도 단방향 직물{HIGH DENSITY UNIDIRECTIONAL FABRIC FOR SOFT BALLISTICS APPLICATIONS}
이 출원은 2012년 1월 17일자에 출원된 미국 가특허 출원 제61/587,310호를 우선권 주장한다.
이 개시는 방탄 용품, 구체적으로는 보호 응용의 경우 고성능 섬유 및 수지 라미네이트에 관한 것이다.
다-층 복합물은 예를 들어, 방탄 용품을 포함하는 다수의 응용에 대해 사용될 수 있다. 방탄 용품은 매트릭스 재료 내에 섬유를 포함하는 직조 또는 부직포 천의 층 또는 이의 조합으로 제조된다. 섬유들이 단일 방향으로 배향되는 단방향(UD) 직물은 탄도 용품에 대해 사용된다.
단방향 직물의 하나 이상의 시트를 갖는 방탄 용품이 개시된다. 단방향 직물은 2000 dtex 초과의 선형 질량 밀도를 갖는 섬유를 포함하고 하나 이상의 시트의 각각의 시트 내에 섬유의 총 면적 밀도는 100 g/m2 초과이다.
또 다른 양태에서, 방탄 용품은 2개의 시트를 포함한다. 각각의 시트는 스티렌 및 이소프렌 공중합체 매트릭스 재료 내에 파라-아라미드 섬유를 포함한다. 섬유의 선형 질량 밀도는 2000 dtex를 초과하며, 각각의 층 내의 섬유는 100 g/m2 초과의 총 면적 밀도를 갖는다. 용품은 MIL-STD 662F에 500 m/s 초과의 .44 매그넘 스피어 불릿에 대한 탄도 성능 시험의 경우 V50 값 및 430 m/s 초과의 9 mm 또는 0.357 매그럼 레밍턴 불릿에 대한 탄도 성능 시험의 경우 V50 값을 갖는다.
도 1은 도식적인 2-플라이 단방향 직물 구조물을 도시하는 도면.
도 2는 다양한 단방향 직물 구조물에 대한 발사체를 변형하는 탄도 시험 결과를 도시하는 도면.
방탄 용품에 대해 사용되는 것들과 같은 단방향(UD) 구조물은 하나 이상의 층을 가질 수 있으며, 각각의 층은 매트릭스 재료(matrix material)로 함침되고 단일 방향으로 배향된 섬유들로 구성된다. UD 층이 형성될 때, 섬유들은 재료를 통한 균등한 섬유 및 필라멘트 분포를 보장하도록 펼쳐진다.
UD 층을 형성하는 중에, 섬유들 또는 필라멘트들을 균등하게 펼치기 위해 진동이 사용될 수 있다. 예를 들어, 섬유들 또는 필라멘트들은 하나 이상의 바를 포함하는 스프레더 유닛 및 상기 바의 길이를 따라 하나 이상의 진동 유닛에 걸쳐 통과할 수 있다. 진동 유닛은 섬유 길이에 대해 수평 방향, 수직 방향 또는 두 방향의 조합으로 바를 진동시킬 수 있다. 진동 바의 사용에 따라 더 치밀한 섬유들의 향상된 펼쳐짐(spreading)이 가능하다. 진동 유닛은 공압식, 전자-자기식, 또는 또 다른 타입의 진동 유닛일 수 있다. 바는 더 우수한 진동을 위해 고무 마운트와 같은 비-강성 마운트를 사용하여 에지에 장착될 수 있다.
도 1에는 플라이(ply, 20a, 20b)를 갖는 예시적인 2-플라이 UD 구조물이 도시된다. 플라이(20a, 20b)는 서로 90° 오프셋 설정된 섬유 배향을 갖는다. 각각의 플라이는 매트릭스 재료(26) 내에 섬유(24)를 포함한다. 크로스-플라잉(cross-plying)은 서로에 대해 플라이들의 적합한 접착을 보장하기 위하여 열 및 압력의 인가에 의해 구현될 수 있다. UD 구조물은 또한 외부 표면 상에 적층된 막(film, 22)을 가질 수 있다. 적층은 막의 적합한 접착을 보장하기 위하여 열 및 압력을 인가하는 벨트 라미네이터(belt laminator)에 의해 수행될 수 있다. 소프트-방탄(soft-armor ballistics) 응용의 경우, 2-플라이 0°/90° 또는 4-플라이 0°/90°/0°/90° UD 구조물이 사용되고, 여기서 "0°/90°"는 서로 90°로 오프셋 설정된 섬유 배향을 갖는 UD 시트의 2개의 적층된 플라이를 나타낸다. 예를 들어, 도 1의 UD 구조물은 2-플라이 0°/90° 구조물일 수 있다.
낮은 섬유 면적 밀도, 예를 들어, 50g/m2미만의 면적 밀도를 갖는 UD 층을 형성하는 것은 제조 중에 섬유 펼침 공정(fiber spreading process)에 걸쳐 더욱 높은 조절을 요한다. 펼침 공정의 조절은 더 두꺼운 UD 단일층을 제조하는 경우 덜 중요하다. 게다가, 전형적으로 1.0 lbs/ft2(4.8 kg/m2)인 원하는 UD-기반 탄도 구조물 중량을 구현하기 위하여, 구조물에 대해 필요한 UD 단일층의 개수는 섬유들이 낮은 면적 밀도를 갖는 경우 증가한다. UD 단일층의 증가된 개수는 추가 제조 단계를 필요로 하고 추가 제조 비용을 발생시킨다. 추가로, 더 높은 선 밀도를 갖는 얀(yarn)이 덜 고가이고, 더 낮은 선 밀도를 갖는 얀보다 물을 덜 흡수한다.
발사체를 변형시키기 위한 놀라운 탄도 이점은 더 높은 면적 밀도의 단방향(UD) 구조물의 사용으로 발견되었다. 일 예시에서, UD 구조물은 예컨대, 트와론(Twaron)®이라는 상표명으로 입수가능한 것들과 같은 파라-아라미드 섬유(para-aramid fiber)로부터 제조될 수 있고, 수지 매트릭스는 프린린(Prinlin) HV(예를 들어, 프린린 B7137 HV)라는 상표명으로 입수가능한 것들과 같은 공중합체 수지일 수 있다. 또 다른 예시에서, UD 구조물은 폴리에틸렌(PE) 막으로 코팅될 수 있다.
낮은 선형 질량 밀도를 갖는 얀을 포함하는 UD 구조물은 전체 UD 구조물이 낮은 면적 밀도를 가질 때 탄도 시험에서 더 우수하게 기능을 한다. 그러나, ASTM D1907로 측정 시에 100 g/m2 초과의 섬유의 면적 밀도를 가지며 섬유의 선형 질량 밀도가 3000 dtex 초과 또는 2000 dtex를 초과하는, 높은 선형 질량 밀도의 섬유를 갖는 특정 UD 구조물은 낮은 면적 밀도 구조물의 탄도 성능과 유사하거나 또는 이를 초과하여 기능을 한다. 면적 밀도는 단위 면적 당 건조 섬유 중량을 나타내고, 선형 질량 밀도는 단위 길이 당 건조 섬유 중량을 나타낸다.
일 예시에서, 높은 면적 밀도(HAD) UD 직물은 0° 방향의 104 g/m2의 단지 섬유의 면적 밀도로 구성된다. HAD UD는 17%의 건조 수지 함량에서 프린린 B7137 HV 매트릭스 및 3360 dtex의 선형 질량 밀도를 갖는 타입 1000 (T1000) 트와론® 섬유를 포함하였다. 건조 수지 함량은 다음의 등식을 이용하여 측정된다: 건조 수지 함량 = (건조 수지 중량/(건조 섬유 중량+건조 수지 중량)) x 100%. T1000 섬유의 재료 특성은 하기 표 1에 도시된다. 섬유 강도(tenacity) 섬유 모듈러스(fiber modulus) 및 파단 신장률을 포함하는 이들 재료 특성이 ASTM D7269-07에 따라 측정된다. 최종 UD 구조물은 배향 F/0°/90°/F를 갖는 2-플라이 제품이었고, 여기서 "F"는 막 층을 나타내고, "0°/90°"는 서로 90°로 오프셋 설정된 섬유 배향을 갖는 UD 시트의 2개의 적층된 플라이를 나타낸다. 적층된 플라이는 2 바 미만의 압력으로 80 내지 100°C의 온도에서 클로스-플라잉되고 반면 벨트 라미네이션이 2-단계 공정에서 고려된다. 제1 단계는 120 내지 150°C의 승온에서 5 바 미만의 압력에서 수행되고, 제2 단계는 또한 5 바 미만에서 80 내지 100°C의 온도에서 수행된다. UD 구조물은 벨트 라미네이션 공정 중에 인가된 외부 층 상에 0.25 내지 0.35 밀(mil)(6.4 내지 8.9 μm) PE 막을 갖는다. PE 막은 저-밀도 폴리에틸렌(LDPE) 또는 선형 저-밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 막과 같은 전형적인 블로운 막(blown film)일 수 있거나 또는 머신 방향 배향된 (MDO) 막일 수 있다. 이 예시에서, N025C로서 레이븐 인더스트리스(Raven Industries)(사우스다코타, 수폴스)에 의해 공급되는 0.25 밀(6.4 μm) 두께의 LLDPE 막이 사용된다. 최종 2-플라이 제품의 총 밀도는 254.4 g/m2이었다.
이 HAD UD 구조물은 동일한 T1000 3360 dtex 트와론® 섬유를 포함하는 낮은 면적 밀도(LAD) 구조물과 비교된다. LAD UD 구조물은 17%의 건조 수지 함량에서 프린린 B7137 HV 매트릭스와 48 g/m2의 0° 방향의 단지섬유의 면적 밀도와 배향 F/0°/90°/0°/90°/F을 갖는 4-플라이 제품이었다.
또한, 타입 2000 (T2000) 1100 dtex 트와론® 섬유를 포함하는 제2 LAD 구조물을 시험하였다. T2000 섬유는 표 1에 도시된 바와 같이 섬유 강도, 모듈러스 및 파단 신장률을 포함하는 상이한 재료 특성을 갖는다. 표 1은 또한 HAD 및 LAD UD 구조물의 탄도 시험의 결과를 도시한다. 탄도 시험(ballistic test)은 변형가능한 .44 캘리버 매그넘 시피어 불릿(caliber Magnum Speer bullet)(아이다호 루이스턴 소재의 스피어 불릿츠(Speer Bullets))을 사용하여 수행된다. 구조물의 V50 값은 탄도 성능을 나타내고 MIL-STD 662F에 따라 평가된다.
표 1: .44 매그넘 스피어 불릿에 따른 HAD 및 LAD UD 구조물에 대한 탄도 시험 결과
Figure pct00001
HAD UD 구조물은 샷 팩의 평량에 대해 중량에 대하여 3360 dtex LAD UD 구조물을 비교 시에 .44 매그럼 스피어 불릿에 따른 탄도 성능에 있어서 15% 증가를 보인다. 게다가, 이 예시에서, 작은 강도의 얀(HAD T1000 3360 dtex)을 갖는 HAD UD의 탄도 성능은 높은 강도의 얀((LAD T2000 1100 dtex)을 사용하는 LAD UD 제품과 적어도 유사하거나 또는 더 우수하였다. 이는 선호되는데, 그 이유는 HAD UD 재료의 더 적은 플라이가 LAD UD 재료와 유사한 탄도 성능을 구현하기 위해 필요하며, 작은 강도의 얀이 일반적으로 높은 강도의 얀에 비해 덜 고가이기 때문이다. 제조 복잡성 및 제조 비용이 이에 따라 감소될 수 있다.
유사한 탄도 시험을 변형불가 캘리버 9mm 불릿 및 .357 매그넘 블릿(노스 캐롤라이나 매디슨 소재의 레밍턴 암스 컴퍼니, 인코포레이티드(Remington Arms Company, Inc))을 사용하여 동일한 3개의 UD 구조물에 대해 수행하였다. 이들 탄도 시험으로부터의 결과가 표 2 및 표 3에 각각 제시된다.
표 2: 9mm 레밍턴 불릿을 갖는 HAD 및 LAD UD 구조물에 대한 탄도 시험 결과
Figure pct00002
표 3: .375 매그넘 레밍턴 불릿을 갖는 AD 및 LAD UD 구조물에 대한 탄도 시험 결과
Figure pct00003
저강도 T1000 HAD 구조물은 저강도 T1000 LAD 구조물에 비해 더 우수하게 기능을 하고, T2000 LAD 섬유의 성능에 근접한다, 표 1에 도시된 바와 같이, T1000 섬유는 2032 mN/tex의 강도를 갖는 반면 T2000 섬유는 2350 mN/tex의 강도를 가지며 이로부터 우수한 공칭 탄도 성능이 예상될 수 있다.
추가로, 전술된 바와 같이 제조된 T2000 1100 dtex를 포함하는 LAD UD 구조물 및 T1000 3360 dtex 섬유를 포함하는 HAD UD 구조물을 물 흡수에 대해 시험하였다. 시험 패널은 400x400mm의 층들을 절단하고 그 후에 15개의 층을 적층하고 모서리에서 패널들을 스티칭함으로써 형성하였다. HAD UD의 경우, 층 구성은 F/0°/90°/F이고, LAD UD의 경우 층 구성은 F/0°/90°/0°/90°/F이다. 패널의 건조 중량은 수중에 넣기 전에 기록되고 표 4에 제시된다. 패널은 10분 또는 60분 동안 잠수된다. 패널은 그 뒤에 수중으로부터 제거되고, 3분 동안 물기를 뺀 후에, 패널의 습식 중량이 결정되고 표 4에 제시된다. 이에 따라, 중량 증가는 물의 흡수도에 대한 척도이다. HAD UD로 제조된 패널에 대한 물의 흡수는 LAD UD로부터 제조된 패널의 흡수보다 상당히 작다.
표 4: HAD 및 LAD UD 구조물의 물 흡수
Figure pct00004
또 다른 예시에서, 2-ply HAD 및 4-ply LAD UD 구조물이 프린린 B7137 HV 매트릭스로 함침되고 1680 dtex의 낮은 선형 질량 밀도(LLMD)를 갖는 T1000 트와론® 섬유를 사용하여 제조된다. 유사한 2-ply HAD 및 4-ply LAD UD 구조물이 높은 선형 질량 밀도(HLMD), 예를 들어, 2000 dtex 초과의 선형 질량 밀도를 갖는 T1000 트와론® 섬유를 사용하여 제조된다. 일 예시에서, HLMD 섬유의 선형 질량 밀도는 3000 dtex를 초과한다. 시험된 특정 예시에서, HLMD 섬유의 선형 질량 밀도는 3360 dtex이었다. 유사한 2-ply HAD 및 4-ply LAD UD 구조물이 2200 dtex의 중간 선형 질량 밀도(ILMD)를 갖는 T2000 트와론® 섬유를 사용하여 제조된다. 여기서, 2-플라이 구조물은 각각의 층이 104 g/m2의 섬유 면적 밀도를 갖는 F/0°/90°/F 구조물의 2 UD 층으로 구성되고, 4-플라이 구조물은 각각의 층이 47 g/m2의 섬유 면적 밀도를 갖는 F/0°/90°/0°/90°/F 구조물의 4 UD 층으로 구성된다. 2-플라이 구조물과 4-플라이 구조물 둘 모두에서, 17%의 건조 수지 함량의 프린린 B7137 HV 매트릭스가 존재하고, N025C로서 레이븐 인더스트리(사우스다코타, 수폴스)에 의해 공급되는 6.4 μm 두께의 LLDPE 막이 사용되었다. .357 매그(노스 캐롤라이나 매디슨 소재의 레밍턴 암스 컴퍼니, 인코포레이티드) 및 9 mm DM41 발사체(스위스, 루아그 아모텍 아게(RUAG Ammotec AG))를 이용한 탄도 시험이 6개의 UD 구조물에 대해 수행되었다. .357 매그 발사체의 경우 4-플라이 LAD UD 구조물을 갖는 시험 패널이 400x400mm의 층을 절단하고 그 후에 15개의 층들을 적층하며 모서리에서 패널들을 스티칭함으로써 제조된다. .357 매그 발사체의 경우 2-플라이 HAD UD 구조물을 갖는 시험 패널이 400x400mm의 층을 절단하고 그 후에 13개의 층들을 적층하며 모서리에서 패널들을 스티칭함으로써 제조된다. 9mm DM41 발사체의 경우 4-플라이 LAD UD 구조물을 갖는 시험 패널이 400x400mm의 층을 절단하고 그 후에 19개의 층들을 적층하며 모서리에서 패널들을 스티칭함으로써 제조된다. 9mm DM41 발사체의 경우 2-플라이 HAD UD 구조물을 갖는 시험 패널이 400x400mm의 층을 절단하고 그 후에 16개의 층들을 적층하며 모서리에서 패널들을 스티칭함으로써 제조된다.
도 2는 발사체 타입 둘 모두에 대한 6가지의 UD 구조물 각각의 V50 값을 도시한다. 도 2로부터 자명하듯이, LLMD의 경우에 4-플라이 LAD UD로부터 2-플라이 HAD UD까지의 .357 매그 및 9mm DM41 발사체 둘 모두에 대해 V50 값의 실질적인 감소가 있다. 그러나, 2- 및 4-플라이 HLMD UD 구조물은 실질적으로 동일하게 기능을 한다. 유사하게, .357 매그 발사체의 경우 2-플라이 및 4-플라이 ILMD UD 구조물에 대한 V50 값은 실질적으로 동일하다. 9 mm DM41 발사체의 경우, 4-플라이 ILMD UD 구조물에 대한 V50 값은 2-플라이 ILMD UD 구조물에 대한 값보다 다소 높다.
특징부들의 조합이 도시된 예시에 예시될지라도, 본 개시의 다양한 실시 형태의 이점을 구현하기 위하여 어느 것도 조합될 필요는 없다. 즉, 이 개시의 실시 형태에 따라 설계된 시스템은 도면들 중 임의의 하나의 도면에 도시된 모든 특징부 또는 도면에 도식적으로 도시된 모든 부분을 필수적으로 포함하지 않을 것이다. 게다가, 일 예시적인 실시 형태의 선택된 특징부는 다른 예시적인 실시 형태의 선택된 특징들과 조합될 수 있다.
전술된 기술 내용은 본질적으로 제한하기보다는 예시적인 것이다. 개시된 실시 형태에 대한 개조 및 변경이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 당업자에게 자명할 수 있다. 본 개시에 제시된 법률적 보호 범위는 단지 하기 청구항을 고찰함으로써 정해질 수 있다.

Claims (20)

  1. 탄도 용품으로서,
    중합체 매트릭스 재료 내에 섬유를 포함하는 하나 이상의 시트를 포함하고, 섬유는 ASTM D1907에 의해 측정 시에 2000 dtex 초과의 선형 질량 밀도를 가지며, 하나 이상의 시트의 각각의 시트 내의 섬유는 100 g/m2 초과의 총 면적 밀도를 갖는 탄도 용품.
  2. 제1항에 있어서, 선형 질량 밀도는 ASTM D1907에 의해 측정 시에 3000 dtex를 초과하는 탄도 용품.
  3. 제1항에 있어서, 섬유는 파라-아라미드 섬유인 탄도 용품.
  4. 제1항에 있어서, 매트릭스는 스티렌 및 이소프렌의 블록 공중합체인 탄도 용품.
  5. 제1항에 있어서, 하나 이상의 시트가 15 중량% 내지 20 중량%의 중합체성 매트릭스 재료를 갖는 탄도 용품.
  6. 제1항에 있어서, 하나 이상의 시트가 다수의 시트를 포함하고, 하나 이상의 시트는 바로 인접한 층의 섬유 배향으로부터 90° 오프셋 설정된 섬유 배향을 갖는 탄도 용품.
  7. 제1항에 있어서, 용품의 하나 이상의 외부 표면에 배열된 중합체성 막을 추가로 포함하는 탄도 용품.
  8. 제7항에 있어서, 중합체성 필름은 폴리에틸렌 막인 탄도 용품.
  9. 제1항에 있어서, 섬유는 ASTM D7269-07에 따라 측정 시에 1850 내지 2500 mN/tex의 강도를 갖는 탄도 용품.
  10. 제9항에 있어서, 섬유는 ASTM D7269-07에 따라 측정 시에 1850 내지 2200 mN/tex의 강도를 갖는 탄도 용품.
  11. 제9항에 있어서, 섬유는 ASTM D7269-07에 따라 측정 시에 2200 내지 2500 mN/tex의 강도를 갖는 탄도 용품.
  12. 제1항에 있어서, 섬유는 ASTM D7269-07에 따라 측정 시에 60 내지 100 GPa의 모듈러스를 갖는 탄도 용품.
  13. 제12항에 있어서, 섬유는 ASTM D7269-07에 따라 측정 시에 60 내지 80 GPa의 모듈러스를 갖는 탄도 용품.
  14. 제12항에 있어서, 섬유는 ASTM D7269-07에 따라 측정 시에 80 내지 100 GPa의 모듈러스를 갖는 탄도 용품.
  15. 제1항에 있어서, 하나 이상의 시트는 2개의 시트를 포함하고, 탄도 용품은 MIL-STD 662F에 따라 측정 시에 500 m/s 초과의 .44 매그넘 스피어 불릿에 대한 탄도 성능 시험의 경우 V50 값 및 MIL-STD 662F에 따라 측정 시에 430 m/s 초과의 9 mm 또는 0.357 매그럼 레밍턴 불릿에 대한 탄도 성능 시험의 경우 V50 값을 갖는 탄도 용품.
  16. 제1항에 있어서, 하나 이상의 시트는 2개의 시트를 포함하고, 10 분 동안의 잠수 이후에 용품의 중량% 증가는 20% 미만이고, 60 분 동안의 잠수 이후 용품의 중량% 증가는 30% 미만인 탄도 용품.
  17. 스티렌 및 이소프렌의 블록 공중합체 매트릭스 재료 내에 파라-아라미드 섬유를 각각 포함하는 2개의 시트를 포함하고, 섬유는 ASTM D1907에 의해 측정 시에 2000 dtex 초과의 선형 질량 밀도를 가지며, 각각의 시트 내의 섬유는 100 g/m2 초과의 총 면적 밀도를 가지며, .44 매그넘 스피어 불릿에 대한 탄도 성능 시험의 경우 V50 값은 MIL-STD 662F에 따라 측정 시에 500 m/s를 초과하고, 9 mm 또는 0.357 매그럼 레밍턴 불릿에 대한 탄도 성능 시험의 경우 V50 값은 MIL-STD 662F에 따라 측정 시에 430 m/s를 초과하는 탄도 용품.
  18. 제17항에 있어서, 용품의 하나 이상의 외부 표면에 폴리에틸렌 막을 추가로 포함하는 탄도 용품.
  19. 제17항에 있어서, 섬유는 ASTM D7269-07에 따라 측정 시에 1850 내지 2500 mN/tex의 강도를 갖는 탄도 용품.
  20. 제17항에 있어서, 섬유는 ASTM D7269-07에 따라 측정 시에 60 내지 100 GPa의 모듈러스를 갖는 탄도 용품.
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