KR100244168B1 - 내충격성 헬멧 - Google Patents

Abstract

그 점들의 최소한 둘은 상이한 수평면들내에 위치되는 다수의 점들에 의하여 정하여지는 최소한 하나의 면을 갖는 내충격성 물품으로서, 상기 물품이 다수의 프리프레그 패키트들(prepreg packets)을 포함하고 각각의 프리프레그 패키트는 중합체 매트릭스중 섬유 그물조직(fibrous network)으로 구성되는 최소한 둘의 프리프레그 층들(prepreg layers)을 포함하며 상기 프리프레그 패키트들은 인접 층들의 인접 표면들을 결합하기에 충분한 온도 및 압력에서 사전압축 되어진 것임을 특징으로 하는 내충걱성 물품.

Description

내충격성 헬멧

제1도는 본 발명의 헬멧의 평면도.

제2도는 본 발명의 헬멧의 측면도.

제3도는 프리프레그 패키트(prepreg packet)을 보여주는 본 발명의 헬멧의 측면도.

제4도는 프리프레그층들(prepreg layers)의 섬유방향을 보여주는 본 발명의 헬멧의 일부 절개도.

제5도는 프리프레그 패키트들을 보여주는 헬멧 셸 일부분의 단면도.

제6도는 프리프레그층들을 보여주는 프리프레그 패키트 일부분의 단면도.

제7도 및 제8도는 본 발명의 헬멧의 셸을 만드는데 유용한 패턴으로 절단된 프리프레그 패키드의 일정 비율로 축적되지 않은 도면들.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

8,18 : 직물 10 : 헬멧

12 : 셸 14 : 프리프레그 패키트들

16 : 프리프레그층 28 : 시임

30 : 로브들

본 발명은 다층 내충격성 합성물들(multilayered impact resistant composites) 및 그러한 합성물들로부터 제조된 물품들, 바람직하게는, 내충격성 합성물 셸(composite shell)포함하는 헬멧에 괸한 것이다.

내충격성 및 특히 탄도 내충격성(ballistic impact resistance)을 갖는 합성물들 및 헬멧들이 당기술분야에서 알려져있다. 예를들면, 영국특허 출원 No. 2898852; 및 미국특허 Nos. 4,403,012; 4,953,234; 4,457,985; 4,501,856; 4,613,535; 4,199,308; 4,623,574; 4,650,710; 4,309,487; 4,079,161; 4,953,234 및 5,112,667을 참조할 수 있다.

본 발명은 그 점들의 최소한 둘이 상이한 수평면들내에 위치되는, 다수의 점들에 의해 정하여지는 최소한 하나의 면을 갖는, 헬멧같은, 내충격성 물품에 관한 것으로서, 그 물품은 다수의 프리프레그 패키트들(prepreg packets)을 포함하며, 각각의 프리프레그 패키트는 중합체 매트릭스중 직물, 부직물, 하나 이상의 일배향성 섬유 그물 조직들(fiber networks)또는 그의 조합 같은 섬유 그물조직으로 구성된 최소한 둘의 프리프레그층들을 포함하고, 프리프레그 패키트들운 상기 물품내로의 도입전에 인접층들의 인접표면들을 결합하기에 충분한 온도 및 압력에서 사전 압축되어진다.

본 발명의 내충격성 물품은 통상적인 내충격성 물품들을 능가하는 하나 이상의 장점들을 나타내는대, 예를들면 동일한 면적 밀도에 대해 향상된 내층격성을 갖는다. 여기서, 물품의 “내충격성(impact resistance)'는 지정 스레트(threat)에 의한 관통에 대한 내성이며, 지정 스레트들은 예를들면 탄환들, 파편들, 유산탄들 등의 물리적 실체들 뿐만 아니라 폭발로 부터의 충격등과 같은 비물리적 실체들도 포함한다. 지정 스레트에 대한 내충격성은 최소한 세가지 방법들에 의하여 표현될 수 있다; (1) V /50 은 스레트들의 50%는 방호갑에 의하여 저지되는 한편 50%는 합성물을 관통하게 되는 속도이다. 동일한 면적 밀도(합성물 패널의 중량을 표면적으로 나눈 값)의 합성물에 대하여, V /50 이 더 클수록 합성물의 내충격성이 더 좋다. (2)총비에너지 흡수(SEAT : Total Specific Energy Absorption) : SEAT 는 스레트의 운동 에너지를 합성물의 면적 밀도로 나눈 값이다. SEAT 값이 더 클수록 스레트에 대한 합성물의 내성이 더 좋다. (3) 타격속도(V /s : Striking velocity) vs. 잔여속도(V/r : Residual velocity) : 스레트가 (V/s)의 속도로 방호갑 패널을 타격할 때, 잔여속도(V/r)는 스레트가 합성물을 관통한 후 측정된다. (V/s)와 (V/r)의 차이가 클수록, 동일한 면적밀도의 합성물 패털들에 관하여 스레트에 대한 내성이 더 좋다. 여기서, ”면적밀도(areal density)"는 내충격성 방호갑의 단위면적당 중량에 상응한다. 섬유강화 합성물들의 경우, 그들의 내충격성은 주로 필라멘트들에 좌우되며, 다른 유용한 중량 특성은 합성물의 섬유 면적밀도이다. 이 항목은 합성물의 단위면적당 필라멘트 강화물의 중량(AD)에 상응한다.

향상된 내충격성은 물품내로 프리프레그 패키트들의 도입전 프리프레그 패키트를의 사전압축으로부터 유래되는 것으로 생각된다. 향상된 내충격성은 섬유 그물조직이 특히 광 또는 탄도 발사체에 부딪치는 직물 또는 부직물인 경우 특히 명백하다.

이제 첨부도면들을 참조하여 본 발명을 설명하나, 첨부도면들은 다만 본 발명의 바람직한 실시태양을 설명하는 것이고 본 발명의 영역을 한정하는 것은 아니다.

본 발명은 제1도 및 2도에서 10으로 표기된 헬멧과 같은 비평면 합성물에 관한 것이다. 헬멧 10은 다수의 프리프레그 패키트들 14(이하, 단지 “패키트(들) 14‘라 하기도 한다)를 내포하는 내충격성 합성물 셸 12를 포함한다. 본 발명의 헬멧은 최소한 둘의 프리프레그 패키트들 14를 필요로 한다. 프리프레그 패키트들 14의 총수는 물품의 용도에 따라 광범위하게 변화될 것이다. 일반적으로, 프리프레그 패키트들 14계면들의 수가 클수록, 물품의 내관통성(penetration resistance)이 더 낮아진다. 그러므로, 개선된 내충격성이 요구되는 경우, 프리프레그 패키트들 14의 수를 극소화시킴으로써 패키트 계면들의 수를 극소화시키는 것이 바람직하다. 이는 적은 층들이 존재하는 경우 시임들(seams)의 약점을 상쇄하는 조화를 이룬다. 사용되는 물질들 및 필요한 보호의 양에 따라서, 이 조화는 일반적인 실험을 통해 최적화될 수 있다. 합성물 셸 12는 바람직하게는 최소한 약 5, 더욱 바람직하게는 약 5-30, 가장 바람직하게는 약 5-20 프리프레그 패키트들 14로 제조된다.

본 발명의 물품에 도입되기 전에, 프리프레그 패키트들 14는 인접층들의 표면들이 상호 결합되기에 충분한 온도 및 압력에서 각각 사전 압축된다. 각각의 프리프레그 패키트들 14이 사전 압축되는 요건은 본 발명에 의한 물뭄의 향상된 내충격성에 격정적인 것이다. 놀라웁게도, 물품구성에서 사전압축된 프리프레그 패키트들 14의 사용이 향상된 내충격성을 가져오는 것으로 밝혀졌다.

이것은 이제까지 감소된 내관통성, 특히 더 낮은 화약 발사체들에 대한 감소된 내관통성을 나타냈던 섬유성 내충격 물품에 있어서 특히 해당된다. 바람직하게, 프리프레그 패키트들은 약 80℃ 이하의 온도 및 약 40MPa 이하의 압력에서 사전 압축된다. 유용한 사전압축 온도들 및 압력들은 바람직하게 각각 약 20-70℃ 및 약 5-40MPa, 가장 바람직하게는 각각 약 50-60℃ 및 약 7-30MPa 이다.

헬멧 10은 중합체 매트릭스내에 매립된 직물 또는 부직물 또는 일배향성 섬유 구조물(unidirectional fiber construction)같은 섬유 그물구조로부터 형성된 프리프레그 층들 16으로 구성된 사전 압축된 프리프레그 패키트들 14을 갖는 장점을 극대화시킨다. 그러한 구조가 개선된 내충격성을 가져온다. 도면들에서 보듯이, 본 발명의 바람직한 구체화에서, 섬유, 특히 직물이 메트릭스 내에 매립된다. 헬멧 10은 다수의, 최소한 둘의, 바람직하게 최소한 약 5의, 더욱 바람직하게 약 5-20의, 제7도 및 8도에 도시된 바와같은 패턴들(patterns) 22로 절개된 프리프레그 패키트를 14를 갖는다. 각각의 패키트 14내의 층들이 수를 그대화시키고 패키트들 14의 수를 극소화시키는 것이 바람직하다. 이것은 수용될 수 없는 주름들이 발생하거나 또는 절개부들(cuts) 24 가 헬멧내에서 수용될 수 없는 약점을 가져오는 시임들 28을 초래할만큼 패키트들 14가 두꺼워지지 않을 정도로 행하여진다. 패턴 22는 삼차원 형상으로 취하여질 수 있도록 과잉 물질이 제거된 절개부 24같은 절개부들(cuts)을 포함하며 절개 부분들은 패턴 22가 셸 12로 형성될 때 시임들 28을 형성하도록 충분히 봉합되는 가장자리들 26을 갖는다. 셸 12는 다수의 프리프레그 패키트들 14에 의하여 형성된다. 인접한 패키트들 14의 시임들은 중첩되지 않도록 배치된다. 제7도 및 8도는 두 패키트들 14에서 시임들이 중첩되지 않도록 사용된 두가지 상이한 패턴들 22가 도시되어 있다.

절개부들 24 사이의 나머지 물질은 로브들(lobes) 30이다. 비록 제7도 및 8도에는 8개의 로브들 30을 가진 바람직한 패턴 22를 도시하였지만, 로브들 30의 수는 예를들면 물품의 형상등의 많은 인자들에 크게 좌우될 수 있다. 각각의 로브 31은 패턴 22로 절개되어진 패키트 14를 형상하도록 조립되어지는 인접층들 32 및 33내의 바람직한 직물 섬유 그물 구조를 개략적으로 보여준다. 다수의 패턴들이 상호 배치되고 그것이 셸 12로 형성화되도록 적당한 수단에 도입될 수 있다. 이것은 압축형 모울드 또는 스탬핑 모울드에 의하여 행하여질 수 있다. 헬멧들은 오토클레이브 내에서 성형될 수도 있다. 헬멧들은 적당한 모울드 상에서 바람직하게 압축성형된다. 물질들에 따라서, 시간, 온도 및 압력같은 성형 파라미터들이 변할 수 있다. 예를들면, 쇄확장된 폴리에틸렌 섬유를 사용하여 제조된 약 0.12㎡(1.29ft²)의 표면적을 갖는 헬멧 10을 성형하는 가장 바람직한 한 세트의 조건들은 약 30-90톤(27,000kg-82,000kg)의 압력, 약 80-130℃의 온도 및 약 5-90분, 특히, 약 10-45분의 시간이다.

프리프레그층들 16(이하 단지 ‘층(들) 16’이라 하기도 한다)의 제조에 사용되는 섬유들은 다양하며 유기 섬유들일 수도 있고 무기섬유들일 수도 있다. 본 발명의 목적을 위하여, 섬유는 그것의 길이 치수가 넓이 및 두께의 횡치수들 보다 훨씬 큰, 가늘고 긴 몸체를 갖는다. 따라서, 섬유라는 용어는 규칙적인 또는 불규칙적인 단면을 갖는 단필라멘트 성유(monofilamentfiber), 다필라멘트 섬유(multi-filament fiber), 리본, 스트립, 또는 그 조합들을 포함한다. 섬유들은 꼬여질 수도 있고 또는 꼬여지지 않을 수도 있다. 본 발명의 다층 합성물내의 프리프레그 층들의 적용에 따라서, 상이한 섬유들 및 상이한 매트릭스들이 사용될 수 있다.

근본적으로, 광범위한 물질들로 제조되며 광범위한 인장 성질들 및 기타 성질들을 갖는 어떠한 섬유도 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 본 발명의 실시에 바람직한 섬유들은 약 7g/데니어(g/d) 이상의 인성(tenacity), 약 50g/d 이상의 인장 모듈러스(tensile modulus) 및 약 30J/g 이상의 파괴에너지(energy-to-break)를 갖는 것들이다. 인장 성질들은 25.5cm/min (10in/min)에서 배럴 클램프들에 고정된 25.4cm(10in) 길이의 섬유를 잡아 당김으로써, 인스트론 인장시험기(lnstron Tensile Tester)에 의해 측정된다. 가장 바람직한 구체화에 있어서, 섬유의 인성은 약 15g/d 이상이고, 인장 모듈러스는 약 300g/d 이상이며, 파괴에너지는 약 20J/g 이상이다. 본 발명의 실시에서, 최상의 섬유는 악 19g/d 이상의 인성, 약 1300g/d 이상의 인장 모듈러스 및 약 40J/d 이상의 파괴에너지를 갖는다.

섬유의 데니어(denier)는 광범위하게 변할 수 있다. 일반적으로, 섬유 데니어는 약 4000이하이다. 본 발명의 실시에서, 섬유 데니어는 바람직하게는 약 10-4000, 더욱 바람직하게는 약 10-2600, 가장 바람직하게는 약 10-1300이다.

섬유는 무기물질 또는 유기물질로부터 형성될 수 있다. 유용한 무기 섬유들은 다양하다. 그러한 섬유들을 예로들면, 유리(S-유리, E-유리등) 섬유들, 붕소섬유들, 탄화규소 섬유들, 흑연 섬유들 등이다.

유용한 유기 섬유들도 다양하다. 유용한 유기섬유들을 예로들면, 폴리에스테르들; 폴리올레핀들; 폴리에테르아미드들; 플루오로중합체들; 폴리에테르들; 셀룰로우즈들; 페놀수지들; 폴리에스테르아미드들; 폴리우레탄들; 에폭시들; 아미노플라스틱들; 폴리술폰들; 폴리에테르케톤들; 폴리에테르에테르-케톤들; 폴리에스테르이미드들; 폴리페닐렌 술파이드들; 폴리에테르 아키릴 케톤들; 폴리(아미드이미드)들; 폴리이미드들; 아라미드들; 폴리(2,2,2-트리메틸-헥사메틸렌 테러프탈아미드)(kevlar)같은 방향족 폴리아미드들; 폴리헥사메틸렌 아디프아미드(나일론 66), 폴리카프로락탐(나일론 6)등과 같은 지방족 및 고리지방족 폴리아미드들; 및 폴리(1,4-시클로헥실리덴 디메틸렌 테레프탈레이트) 시스 및 트랜스, 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)등 같은 지방족, 고리지방족 및 방향족 폴리에스테르들과 같은 열경화성 수지들 및 열가소성 중합체로 구성된 것들이다. 유용한 유기 필라멘트들의 다른 예들은 폴리-벤질 L-글루타르메이트 등과 같은 폴리펩티드들을 포함한 이온성 액체 결정성 중합체들(lyotropic liquid crystalline polymers); 폴리(1,4-벤즈아미드), 폴리(4,4‘-비페닐렌-4,4’-비벤조아미드), 풀리(1,4-페닐렌-4,4‘-테트라페닐렌 아미드), 폴리(1,4-페닐렌 2,6-나프탈아미드)등과 같은 방향족 폴리아미드들; 2,2’-디메틸-4,4‘-디아미노 비페닐, 클로로-1,4-페닐렌 디아민등으로부터 유도된 것들같은 폴리옥사미드들; 폴리클로로 테레프탈로히드라지드등과 같은 폴리히드라지드들; 폴리(테레프탈로일-1,4-아미노-빈즈히드라지드- 및 4-아미노- 벤즈히드라지드, 옥살릭 디히드라지드, 테레프탈릭 디히드라지드와 파라-방향족 이산 클로라이드들로부터 제조된 것들 같은 폴리(아미드 히드라지드); 폴리(옥시-트랜스-1,4-시클로헥실렌옥시카르보닐-트랜스-1,4-시클로헥실렌카르보닐-트랜스-β, 5-페닐렌옥시테레프탈로일), 폴리(옥시-트랜스-1,4-시클로헥실렌-옥시카르보닐-트랜스-1,4-시클로헥실렌카르보닐-β-옥시-(2-메틸-1,4-페닐렌옥시-테레프탈로일)등과 같은 폴리에스테르들; 4,4’-디아미노벤즈아닐리드와 테레프탈알데히드, 메틸-1,4-페닐렌 디아민과 테레프탈알데히드 등으로부터 제조된 것들 같은 폴리아조메틴들, 폴리(페닐 에틸 이소시아나이드), 폴리(n-옥틸 이소시아나이드)등과 같은 폴리 이소시아나이드들; 예를들면 폴리(n-부틸 이소시아네이트), 폴리(n-헥실 이소시아네이트)등의 폴리(n-알킬 이소시아네이트)들 같은 폴리이소시아네이트들; 폴리(1,4-게닐렌-2,6-벤즈비스옥사졸)(PBO), 폴리(1,4-페닐렌-1,3,4-옥사디아졸), 폴리(1,4-페닐렌-2,6-벤조비스이미다졸), 폴리[2,5,(6)-벤즈이미다졸](AB-PBI), 폴리[2,6-(1,4-페닐렌)-4-페닐퀴놀린], 폴리「1,1‘-비페닐렌-6,6’-비스(4-페닐퀴놀린)」등처럼 헤테로고리 단위들을 갖는 이온성 결정성중합체들; 폴리포스파진, 폴리비스페녹시포스파진, 폴리비스(2,2,2‘-트리플루오로에틸렌) 포스파진 등과 같은 폴리 유기포스파진들; 요오드화구리 및 아민의 존재하에서 트랜스-비스(트리-n-부틸포스핀) 백금 디클로라이드와 비스아세틸렌 또는 트랜스-비스(트리-n-부틸포스핀) 비스(1,4-부타디인일)백금 및 유사한 조합들의 축합으로부터 유도된 것들과 같은 금속 중합체들; 예를들면 트리아세테이트 셀룰로우즈, 아테이트 셀룰로우즈, 아세테이트-부티레이트 셀룰로우즈, 니트레이트 셀룰로우즈, 및 술페이트 셀룰로우즈 같은 셀룰로우즈의 에스테르들, 에틸렌 에테르 셀룰로우즈, 히드록시프로필에테르 셀룰로우즈, 카르복시메틸 에테르 셀룰로우즈, 에틸 히드록시에틸 에테르 셀룰로우즈, 시아노에틸에틸에테르 셀룰로우즈, 아세톡시에틸 에테를 셀룰로우즈, 벤조일옥시프로필 에테르셀룰로우즈, 페닐 우레탄 셀룰로우즈 등과 같은 셀룰로우즈 및 셀룰로우즈 유도체들’ 6-히드록시-2-나프토산과 p-히드록시 벤조산의 공중합체들, 6-히드록시-2-나프토산, 테레프탈산 및 p-아미노페놀의 공중합체들, 6-히드록시-2-나프토산, 테레프탈산 및 히드로퀴논의 공중합체들, 6-히드록시-2-나프토산, p히드록시벤조산, 히드로퀴논 및 테레프탈산의 공중합체들, 2,6-나프탈렌 디카르복시산과, 테레프탈산, 이소프탈산 및 히드로퀴논의 공중합체들, 2,6-나프탈렌 디카르복시산과 테레프탈산의 공중합체들, p-히드록시벤조산, 테레프탈산4,4'-디히드록시디페닐의 공중합체들, p-히드록시벤조산, 테레프탈산, 이소프탈산 및 4,4‘-디히드록시페닐의 공중합체들, p-히드록시벤조산, 이소프탈산, 히드로퀴논 및 4,4’-디히드록시벤조페논의 공중합체들, 펜틸테레프탈산과 히드로퀴논의 공중합체들, 클로로히드로퀴논, 테레프탈산 및 p-아세톡시신남산의 공중합체들, 클로로히드로퀴논, 테레프탈산 및 에틸렌 디옥시-4,4‘-디벤조산의 공중합체들, 히드로퀴논, 메틸히드로퀴논, p-히드록시벤조산 및 이소프탈산의 공중합체들, (1-페닐에틸)히드로퀴논, 테레프탈산 및 히드로퀴논의 공중합체들, 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)와 p-히드록시벤조산의 공중합체들과 같은 감열성 혼성 폴리에스테르들; 및 감열성 폴리아미드들과 감열성 혼성 폴리(아미드-에스테르)들이다.

본 발명의 바람직한 실시에서, 직물을 형성하는데 사용되는 섬유는 유기 섬유들이다. 바람직한 유기 섬유들은 폴리에틸렌 섬유(바람직하게는 고분자량의 것), 나일론 6 또는 나일론 66 섬유(바람직하게는 나일론 6), 아라미드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 액체 결정성 혼성 폴리에스테르 같은 액체 경정성 중합체들호부터 형성된 성유 및 그의 혼합물들이다. 이러한 섬유들 및 그들의 제조방법들은 당기술분야의 숙련자들에게 알려져 있다. 예를들면, 적당한 폴리(에틸렌) 섬유들 및 그 제법들이 미국특허 Nos. 4,457,985; 4,551,296; 4,137,394; 및 4,356,139; Ger. off. 3,004,699; GB 2051667; 및 EPA 64,167에 기술되어 있다. 그러한 섬유들은 예를들면 Spectra폴리에틸렌 섬유들로서 알라이드 시그날 인코포레이티드로부터 상업적으로 구입가능하다.

적당한 아라미드 섬유들은 주로 방향족 폴리아미드로부터 형성된 것들이다. 그러한 섬유들 및 그들의 제조방법이 미국특허 No. 3,671,542에 기술되어 있다. 예로서 폴리(페닐렌 테레프탈아미드)섬유들 및 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드) 섬유들 같은 섬유들은 각각 상품명 Kevlar29,49,129 와 149 및 상품명 Nomex하에 듀풍 코포레이션에 의해 공업적으로 제조되고 있다. 액체 결정성 혼성 폴리에스테르들의 경우, 적당한 섬유들이 미국특허 Nos. 3,975,487; 4,118,372; 및 4,161,470 에 기술되어 있다.

층들 16 내의 섬유 말단들(fiber ends)의 수는 비한정적이며 상당히 변할 수 있다. 본 발명의 프리프레그 층들 16은 바람직하게는 약 5-30 섬유말단들/in(1.57-20 섬유 말단들/cm), 및 더욱 바람직하게는 약 10-20 섬유말단들/in(2.4-9.4 섬유말단들/cm)을 포함한다. 각각의 층 16은 약2.54 x 10^-10cm 내지 약 0.1cm(0.0001-0.04in), 바람직하게는 0.0013-0.035cm(0.0005-0.01in),더욱 바람직하게는 약 0.0013-0.08cm(0.0005-0.03in), 및 가장 바람직하게는 약 0.0013-0.05cm(0.0005-0.02in)의 두께를 갖는다. 이러한 치수들을 갖는 층들은 약 1200 데니어/118 필라멘트들의 사를 갖는 확장쇄 폴리에틸렌으로 만들어진 경우 특히 유용하다.

면적 밀도는 프리프레그층의 단위면적당 섬유 및/또는 수지의 양을 나타내는데 사용된다. 그것은 프리프레그 시이트의 단위 넓이당 놓여진 사스트랜드들의 수 및 그 사에 적용된 수지의 양에 의해 결정된다. 전형적으로 만약 1200 데니어/118 필라멘트사가 15 말단들/in(6말단들/cm)에 의해 놓여진다면, 프리프레그 시이트내의 사면적 밀도(yarn areal density)는 약 79g/m²일것이다.

프리프레그 층들 16은 섬유 뭉치내에 포함된 각각의 필라멘트를 바람직하게 충분히 도포하는 중합체 매트릭스내에 매립된 또는 실질적으로 매립된 섬유 그물구조(다양한 형상을 가질 수 있음)를 포함하며, 프리프레그 패키트 14는 다수의 그러한 층들을 포함한다. 프리프레그 층들 16은 적당한 방법들에 의하여 형성되고 프리그레그 패키트 14로 조립될 수 있다. 예를들면, 다수의 필라멘트들이 다양한 배열로 꼬여진 또는 꼬여지지 않은 사뭉치들 (yarn bundles)을 형성하도록 배합될 수 있다.

섬유들은 다양한 통상의 기술들에 의하여 펠트, 편직 또는 제직(평직, 배스킷직, 수자직 및 크로우피트직등) 그물구조로서 형성되고, 부직물로서 제조되고, 평행 일축상 배열되고, 적층되고, 또는 직물 또는 부직물로서 형성될 수 있으며, 적당한 방법에 의하여 매트릭스내에 분산될 수 있다. 그러한 적당한 방법을 예로들면, 중합체 융융물내에서 섬유들을 융융혼합시키는것, 중합체 용액내에서 섬유들을 용액 혼합시킨 다음 용매를 제거하고 중합체 도포된 섬유들을 고화시키는 것, 섬유의 전재하에거 단량체를 중합시키는 것등이다. 그후, 바람직한 중합체 매트릭스 물질로 직물 또는 부직물이 함침되도록 바람직한 배열로 프리프레그 층들 16을 정렬하고 프리프레그 패키트들 14를 형성한다. 한가지 그러한 절차는 바람직한 수의 프리프레그츠ㄷ들 16, 바람직하게는 최소한 둘의 인접 공동평면 프리프레그 층들 16을 정렬시키는 것을 포함한다. 그 다음, 정렬된 프리프레그 층들 16은 소망두께의 프리프레그 패키트 14가 형성되도록 적당한 온도 및 압력에서 성형된다.

다른 적당한 절차는 섬유 그물구조가 다수의 단측(單軸)층들로 형성되는 경우인데, 여기서 섬유들은 다수의 그러한 단축 층들로 구성되는 적층된 프리프레그 페키트 14로 제조되어지는 프리프레그 시이트에서처럼 실질적으로 평행하게 그리고 일방향성으로 배열되며, 매트릭스를 형성하는 중합체는 다필라멘트 섬유들의 필라멘트들을 도포 또는 실질적으로 도포하고 도포된 섬유들은 시트형 배열로 정렬되고 통상적인 섬유 방향을 따라 다른 것과 평행하게 배열된다. 그러한 도포된 일방향성 섬유들의 연속적인 단일한 축을 갖는 층들(uniaxial layers) 16은 적층된 섬유 페키트 14가 형성되도록 그이전에 형성된 층(前層, previous layer) 16에 대하여 회전될 수 있다. 그러한 이와같은 적층된 섬유 패키트 14의 한예는 제2, 제3, 제4 및 제5의 단일한 축을 갖는 층들이 제1층에 대해 +45。, -45, 90。 및 0。(반드시 이 순서일 필요는 없음) 횐전된 합성물들이다. 다른 예들은 인접 단축 층들내의 섬유들의 0。/90。 배치(layout)를갖는 합성물들이다. 소망되는 수의 단일한 축을 갖는 층들 16으로 구성되는 적층된 패키트 14는 필요로하는 두께를 갖는 패키트가 형성되도록 적당한 온도 및 압력에서 사전 압축될 수 있다. 내충격 적용들을 위한 중합체 매트릭스내에 매립된 섬유 그물 구조를 형성하는 유용한 기술들에는 아라미드 및 폴리에틸렌 직물들 및 일방향성 프리프레그들을 제조하고 그들을 내충격성 물품들로 고화시키는데 일반적으로 사용되는 여러 가지 방법들이 포함된다. 예를들면, 미국특허 Nos. 4,181,768; 4,916,000; 4,650,710; 4,681,792; 4,737,401; 4,543,286; 4,563,392; 3,971,072; 3,988,780; 4,183,097; 3,855,632; 4,522,871; 4,510,200; 4,501,856; 4,623,574; 4,748,064; 4,457,985 및 4,403,012; PCT/WO 91/08895; 및 엠.알.실리퀴스트등, J.Macromal Sci, Chem., A7(1), pp. 203 et. seq.(1973)에 기술된 방법들이 특히 적합하다. 본 발명의 바람직한 실시에서, 셸 12는 직물 또는 부직물의 층들로 형성되고, 더욱 바람직한 실시에서는 직물 8,18들로 형성된다.

중합체 매트릭스들 내의 섬유들의 습윤 및 접착은 섬유들의 표면을 전처리 함으로써 향상된다. 표면처리 방법은 화학적방법, 물리적 방법, 또는 화학적 및 물리적 방법들의 조합일 수 있다. 예로서, 순수한 화학적 처리들은 SO3 또는 클로로술폰산을 사용한다. 예로서, 화학적 및 물리적 처리들의 조합은 여러 가지 통상적으로 이용가능한 장치들을 사용하는 코로나방전처리 또는 플라즈마처리이다.

매트릭스 물질들은 다양할 수 있으며 어떠한 열가소성 중합체, 열경화성 수지 또는 그 혼합물로부터 형성될 수 있다. 적당한 중합체 매트릭스 물질들에는 층 16의 섬유들의 형성에서의 사용에 관해 언급된 것들이 포함된다. 유용한 매트릭스 중합체 물질들은 약 500psi(3450kPa) 이하의 모듈러스를 나타낼 수도 있고 또는 비교적 높은, 즉, 약 500psi(3450kPa) 이상의 모듈러스를 나타낼 수도 있다. 약 20,000psi(139MPa) 이하, 바람직하게는 약 6,000psi(41MPa) 이하처럼 낮은 ASTM-638 인장 모듈러스를 갖는 것과 같은 저 모듈러스 매트릭스 물질로 만들어진 헬멧이 공액 아렌들과 비닐 방향족 단량체들의 블랙 공중합체들 같은 고모듈러스 매트릭스물질을 갖는 매트릭스 중합체를 사용하여 만들어진 헬멧보다 타도충격(ballistic impact)시 층들의 탈리(delamination)에 대해 더욱 저항적인 것으로 밝혀졌다. 그러나, 낮은 모듈러스 물질을 사용하여 만들어진 헬멧들은 폴리우레탄 같은 하나이상의 열가소성 중합체들과 비닐에스테르같은 하나 이상의 열경화성 수지들의 혼합물들처럼 높은 모듈러스를 갖는 물질, 즉, 6,000psi(41MPa)이상 바람직하게는 약 20,000psi(138MPa)이상의 높은 인장 모듈러스를 갖는 물질들을 사용하여 만들어진 헬멧들만큼 강하거나 단단하지 못하다. 따라서, 본 발명은 상이한 매트릭스 물질들을 사용하여 만들어진 별도의 층들을 갖는 합성물, 및 그 합성물로 만들어진 헬멧을 포함한다. 더 높은 모듈러스 메트릭스 물질들은 강성(rigidity)을 제공하는데 사용되고 더 낮은 모율러스 매트릭스물질은 탈리에 대한 저항성을 제공하는데 사용된다. 바람직하게, 합성물은 최소한 한면 및 임의로 양쪽 외면들 상에 하나 또는 그 이상의 고모듈러스 수지-함유 층들을 갖는다. 헬멧에 사용하기 위한 적용에서, 헬멧의 외측상에 최소한 하나 및 바람직하게는 최소한 둘의 고모듈러스 매트릭스 물질을 갖는 프리프레그 패키트들이 존재하도록 고안된다.

합성물의 내측 상에는 최소한 하나 및 바람직하게는 최소한 둘의 저 모듈러스 매트릭스 물질-함유 프리프레그 패키트들이 존재한다. 이것은 강성 및 층 탈리내성을 갖는 헬멧을 제공한다.

본 발명의 한 바람직한 구체화에서, 메트릭스 물질은 하나 또는 그이상의 열가소성 중합체들과 하나 또는 그 이상의 열경화성 수지들의 비교적 높은 모듈러스 혼합물이다. 열가소성 중합체와 열경화성 수지 및 그들의 상대적인 양들의 선택은 합성물의 소망 특성들에 따라 상당히 변화될 수 있다. 유용한 매트릭스 물질들은 WO 91-08895 에 더 상세히 기술되어 있으며 바람직하게는 열경화성 비닐 에스테르 수지와 열가소성 폴리우레탄의 혼합물이다.

본 발명의 다른 바람직한 구체화에서, 매트릭스 물질은 비교적 낮은 모율러스 탄성물질들로 구성된 군으로부터 선택된다. 매우 다양한 탄성 물질들 및 배합물이 본 발명의 바람직한 구체화에 사용될 수 있다. 매트릭스의 형성에 사용하기 적합한 탄성물질들의 대표적인 예들은 Encyclopedia of Polymer Science, Vol. 5, Sec. Elastomers-Synthetic(존 윌리 앤드 선즈, 인코포레이티드, 1964)에 요악된 구조, 성질, 및 교차 결합 절차들에 관련된 배합을 갖는 것들 및 미국특허 No. 4,916,000 에 기술된 것들이며, 바람직하게는 부타디엔 및 이소프렌 같은 공액 디엔들과 스티렌, 비닐톨루엔 및 t-부틸 스티렌 같은 비닐 방향족 단량체들의 블록 공중합체들이다. 폴리이소프렌을 함유하는 블록 공중합체들은 포화 탄화수소 탄성체 세그먼트들(saturated hydrocarbon elastomer segments)을 갖는 열가소성 탄성체들을 산출하기 위하여 수소화될 수 있다. 중합체들은 A-B-A 유형의 단순한 3-블록 공중합체들, (AB)n (n=2-10) 유형의 멀티블록 공중합체들, 또는 R-(BA)x(x=3-150) 유형의 방사상 공중합체들일 수 있으며; 여기서, A 는 폴리비닐방향족 단량체로부터의 블록이고 b 는 공액 디엔 탄성체로부터의 블록이다. 많은 이러한 중합체들이 셸 케미칼에 의하여 공업적으로 제조되며, 잡지 "Kraton Thermoplastic Rubber", SC-68-81 에 기술되어 있다.

섬유에 대한 수지의 부피비들(volume ratios)은 변할 수 있다. 일반적으로, 그 비는 수지와 섬유의 총부피 기준으로 약 5vol%이상이다. 본 발명의 바람직한 구체화에서 그 비는 약 5vol%-약 70vol% 이고, 본 발명의 더욱 바람직한 구체화에서 그 비는 약 10vol%-약 50vol% 이며,본 발명의 가장 바람직한 구체화에서 그 비는 약 15vol%-약40vol% 이다.

합성물들은 전술한 프리프레그 패키트들 14를 사용하여 제조된다. 합성물을 제조하는 한가지 방법은 소망되는 수의 프리프레그 층들 16을 배열하고 최소한 2의 사전압축된 층들, 바람직하게는 2-약 500의 사전 압축된 층들, 더욱 바람직하게는 40-150의 사전압축된 층들 및 가장 바람직하게는 60-120의 사전압축된 층들을 갖는 프리프레그 패키트 14를 형성하기 위해 그들을 사전 압축시키는 단계들을 포함한다. 합성물은 예비합성물을 형성하기 위하여 소망되는 수의 프리프레그 패키트들 17를 배열한 다음, 매트릭스 물질이 유동하여 어떠한 빈 공간들을 채우도록 그 에비합성물을 압력하에 가열함으로써 제조된다. 적당한 방법들은 압축성형, 스탬핑, 또는오토클레이브 내에서의 가압가열을 포함한다. 전술한 경우들에서, 매트릭스가 완전히 융융됨이 없이 점착 또는 유동되는 것도 가능하다. 일반적으로, 매트릭스 물질이 용융되어진다면, 합성물을 형성하는데 비교적 적은 압력이 요구되는 반면; 매트릭스 물질이 단지 점착점(sticking point)까지 가열된다면, 일반적으로 더 크 압력이 요구된다.

[실시예 1]

본 실시예는 중간크기의 변형 PASGT 형 모울드를 사용하여 군용 헬멧을 제조하는 방법을 설명한다. 중간크기의 표준 PASGT 모울드는 0.88cm(0.345")의 벽두께를 갖는데, 이것은 1016kg(2.551bs)의 셸 중량을 수용하도록 1cm(0.40")의 벽두께로 변형 확장되었다. 제1 및 2도는 이러한 유형의 헬멧셸의 일반적인 모양을 나타낸다.

헬멧 셸은 36개의 수지-도포 Spectra R-900 직물층들로부터 제조되었다. Spectra-900 직물은 알라이드-시그날 인코포레이티드에 의해 제조된 확장쇄 폴리에틸렌사인 Spectra사(yarn)으로부터 제직된 것이다.

­Spectra-900 사는 약 29g/데니어의 인성(tenacity), 약 1250g/데니어의 모듈러스(modulus), 약 55J/데니어의 파괴에너지, 약 1200/118 필라멘트들의 사 데니어(yarn denier) 및 10의 필라멘트 당 데니어를 갖는다. S-904 및 S-903 두가지 유형의 Spectra직물들이 제조되었다. 유형들 S-904 및 S-903 은 둘다 Spectra-900사들로부터 제직되었으나, 6 oz/sq. yard(204g/㎡)의 S-904에 비하여 S-903은 7 oz/sq. yard(238/㎡)으로 더 촘촘하게 제직되었다. 유혐S-904 직물 82wt% 는 코로나 처리되었고 18wt%는 비경화 열경화성 비닐에스테르 수지로 도포되었다. 코로나 처리는 Spectra직물과 비닐에스테르 수지 사이의 계면 접착성(interfacial adhesion)을 향상시켰다. 비닐에스테르 수지는 충격에 기인한 덴팅(denting)을 방지하기 위한 셸의 외면에 대해 적합한 강도 때문에 선택되었다. 유형 S-903 직물은 먼저 비경화 열경화성 비닐에스테르로 도포된 다음 열가소성 우레탄으로 도포되었다. 직물/비닐에스테르/우레탄의 중량비는 80/10/10 이었으며, 우레탄이 접착제 물질이며 또한 그의 탄성에 기인하여 내충격성을 향상시킬 것이므로, 이렇게 이중도포된 직물은 내장용으로 적합하다.

이러한 수지 도포된 직물 모두는 두 개의 30.5cm(12")의 직경 원형 크라운 패치들을 제외하고, 53cm(21") x 53cm(21)" 사각형들로 절단되었다. 크라운 패치는 6-로브들(lobes) 배열의 스탬핑 동안 도입되는 어떠한 두게 편차를 보상하는데 사용되었다. 본 발명의 새로운 면은 다수의 수지 도포된 직물층(53cm x 53cm 사각형들)을 사전 압축시키는 것인데, 예를들면, 플라이 형성을 위해 6개의 층들이 실온에서 5분동안 1.27 x 106kg/㎡(130tons/sq.ft)의 압력하에 사전압축된다. 그다음, 각각의 플라이는 제7도 및 제8도에 도시된 "A" 또는"b" 패턴으로 절단된다. 코어 모울드상에서의 직물층, 플라이들, 및 원형 크라운 패치들의 핸드 레이업의 개시 순차가 아음 도표에 표시되어 있다.

[표]

층들 2-7, 8-13, 15-20, 22-27(6층들), 28-31(4층들), 32-34(3층들) 각각은 상기 도표에 표시된 바와같이 “A”또는“B”패턴의 사전압축된 플라이들 이었다.

상기 층들, 플라이들 및 원형 패치들의 모두가 약110℃ 로 가열된 모울드의 코어상으로 걸쳐진 다음, 비닐에스테르/폴리우레탄 수지 매트릭스가 경화되도록 모울드는 20분동안 1.8 x 106kg(200tons)의 압력하에서 폐쇄되었다. 스탬핑된 셸을 모울드로부터 꺼내어 가장자리를 다듬고 중량 측정한 경과 1.15kg(2.53lbs)이었다. 그 셸은 약 1.07cm(0.42")의 평균 벽두꼐(wall thickness)을 갖는다. 이 셸의 탄동 성능이 에치.피.화이트 라보레이토리, 인코포레이티드에서 평가되었다. 발사(firings)는 지정된 파편 시뮬레이터를 사용하여 MIL-STD-662E 의 일반적인 요건들에 따라서 수행되었다. V/50 은 1295m/sec(4249 ft/sec) 이었다. V/50 은 최소한 50%의 파편들이 타게트에 의해 정지된 때의 속도이다. 계측 총비에너지 흡수(SEAT)는 11.2J- ㎡/kg 이다.

[실시예 2]

다수의 층들이 플라이들로서 사전 압축되는 대신, 상기 도표에 표시된 36개의 각각의 수지도표 직물등들로부터 셸이 제조된 것을 제외하고는, 실시예101 반복하여 실시되었다. 셸 중량은 1.16kg(2.56lb)이었고, 계측 V/50 및 SEAT 는 각각 1245m/sed(4084 ft/sec) 및 10.3 J-㎡/kg 이었다.

Claims (11)

1. 그 점들의 최소한 둘은 상이한 수평면들내에 위치되는 다수의 점들에 의하여 정하여지는 최소한 하나의 면을 갖는 내충격성 물품으로서, 상기 물품이 다수의 프리프레그 패키트들 (prepreg packets)을 포함하고 각각의 프리프레그 패키트는 중합체 매트릭스중 섬유 그물조직(fibrous network)으로 구성되는 최소한 둘의 프리프레그 층들(prepreg layers)을 포함하며 상기 프리프레그 패키트들은 인접층들의 인접 표면들을 결합하기에 충분한 온도 및 압력에서 사전압축 되어진 것입을 특징으로 하는 내충격성 물품.
2. 제1항에 있어서, 그 물품이 헬멧인 것을 특징으로 하는 내충격성 물품.
3. 제2항에 있어서, 프리프레그 패키트들은 평탄하고 셸의 형상으로 형성 되어질 수 있는 패턴들로서 절단되고, 패턴내의 절개부들(cuts)은 셸의 형상으로 형성되어질 때 접합부를 형성하도록 봉합되는 인접 가장자리들을 갖는 절개부들에 주름이 생기지 않고 프리프레그 패키트들이 중첩되지 않는 접합부들을 갖도록 만들어지느 것을 특징으로 하는 헬멧.
4. 제2항에 있어서, 프리프레그 층이 최소한 둘의 인접한 공면 섬유 요소들 (coplanar fibrous elements)을 포함하며 가가의 요소는 중합체 매트릭스내에 매립된 직물을 포함하며 인접 요소들은 중합체 매트릭스에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 헬멧.
5. 제2항에 있어서, 그 섬유들이 최소한 40g/d의 인장 모듈러스 및 최소한 7J/g의 파괴에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 헬멧.
6. 제5항에 있어서, 각각의 프리프레그 패키트가 5 이상의 프리프레그층들을 갖는 것을 특징으로하는 헬멧.
7. 제2항에 있어서, 합성물 셸이 2-50의 프리프레그 패키트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 헬멧.
8. 제2항에 있어서, 그 섬유가 폴리에틸렌, 나일론, 폴리에스테르, 폴리아라미드, 및 그 조합들로 구성된 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 헬멧.
9. 제3항에 있어서, 프리프레그 패키트의 교호하는 프리프레그 층들내의 섬유의 각도가 동일한 것을 특징으로 하는 헬멋.
10. 제2항에 있어서, 최소한 둘의 프리프레그 패키트들의 중합체 매트릭스의 인장모듈러스가 상이한 것을 특징으로 하는 헬멧.
11. 제9항에 있어서, 셸이 내측 및 외측을 가지며 그 셸에 포함된 최소한 둘의 외측 프리프레그 패키트들은 셸의 다른 패키트들의 중합체 매트릭스보다 더 높은 인장 모듈러스를 갖는 중합체 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 헬멧.