KR100298998B1 - 장력하의 아라미드 섬유를 함유하는 섬유 보강 방호구 - Google Patents

장력하의 아라미드 섬유를 함유하는 섬유 보강 방호구 Download PDF

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Abstract

구조물의 아라미드 필라멘트가 인장력하에 유지되는 충격 구조물이 기술되어 있다. 이 충격 구조물은 필라멘트가 0.01g/dtex 이상의 인장력하에 존재하는 고 강력 연속 필라멘트사를 함유하는 직물을 1층 이상 포함한다. 적합한 아라미드사는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)이다.

Description

[발명의 명칭]
장력하의 아라미드 섬유를 함유하는 섬유 보강 방호구
[발명의 배경]
[발명의 분야]
본 발명은 충격 방어용(ballistic) 구조물에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 고 강력(high tenacity) 연속 필라멘트사를 함유하는 충격 방어용 구조물에 관한 것이다.
[선행 기술의 설명]
제이. 지. 도노반(J. G. Donovan)의 1986년 3월 4일자 미합중국 특허 제4,574,105호는 아라미드사의 직조층이 부직층과 조합되어 이루어진 충격 방어용 구조물을 기술하고 있다. 상기 문헌에는 상기 층 중 어느 것이든 장력을 받는 상태로 두는 것에 대한 어떠한 암시도 없다.
슈에르호프(Schuerhoff) 등의 1992년 5월 19일자 미합중국 특허 제5,114,653호는 장력을 주어 수지 매트릭스내에 매립시킨 다음, 다시 콘크리트 내에 매립시킨, 연속적인 개개의 평행한 필라멘트사에 의해 보강된 캐스트되고 예비-응력을 준(cast pre-stressed) 콘크리트를 기술하고 있다.
[발명의 요약]
본 발명은 구조물내에서 0.01g/dtex 이상의 장력을 받고 있는 상태로 고 강력 연속 필라멘트사를 함유하는 하나 이상의 직물층을 포함하는 충격 방어용 구조물을 제공한다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 장력하에 있는 본 발명의 충격 방어용 구조물의 개략도이다.
[발명의 상세한 설명]
본 발명의 충격 방어용 구조물은 직물 또는 다른 충격 방어사(ballistic yarn)를 매트릭스 수지 또는 강성 지지체 없이 포함하고 있는 연성 구조물, 및 충격 방어사를 매트릭스 수지내에 고정된 상태로 포함하는 복합 또는 강성 충격 방어용 구조물 모두를 포함한다.
본 발명에서 사용하기에 적절한 직물은 모든 사 또는 충격 방어 섬유가 실질적으로 평행하며 직조된 것이 아닌 단방향 직물을 포함하여 여러 유형의 직물 중 어떤 것이나 무방하다. 그러한 단방향 구조물에 있어서, 단방향 요소의 정렬 상태를 유지시키기 위해 수 개의 횡방향 사가 제공될 수 있다. 본 발명의 직물은 또한 2층 이상의 단방향 사를 포함하며, 이 중 한 층은 다른 층과 서로 90도 각도로 배향되어 있는 이방향으로 정렬되고 직조되지 않은 충격 방어사로부터 제조될 수 있다. 이때, 본 발명의 실시에 있어서, 두 방향의 층 중 한 층 또는 두 층 모두가 장력을 받은 상태로 존재할 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 직물의 3번째 유형은, 경사(warp yarn) 또는 위사(fill yarn) 또는 이들 모두가 충격 방어사일 수 있으며, 본 발명의 목적을 위해 경사 또는 위사 또는 이들 둘 모두가 장력을 받은 상태로 존재할 수 있는 직조 형태이다.
본 발명에 사용되는 사는 강력과 신장율이 큰 연속 필라멘트사이어야 한다.
공지된 충격 방어사로서는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) (PPD-T)와 같은 아라미드, 아라미드와 PPD-T의 공중합체, 나일론, 폴리(비닐, 알콜), 및 고배향 폴리에틸렌을 들 수 있다.
본 발명의 구조물에 사용되는 사의 필라멘트는 강력이 12g/dtex 이상이고, 파단점 신장율이 2.2% 이상이어야 한다. 사의 dtex(선 밀도)는 본 발명을 실시하는 데 있어 결정적으로 중요하지 않지만, 일반적으로 55 내지 3300이다. 필라멘트의 dtex는 일반적으로 1 미만 내지 최대 10.0이다. 사는 특정 용도에 따라 꼬인 형태이거나 또는 아닐 수도 있다. 꼬인 형태인 경우, 사는 일반적으로 1cm 당 0.5 내지 3.0회의 꼬임을 갖는다.
장력은 본 발명의 구조물내의 필라멘트에 능동 방식으로 또는 수동 방식으로 가해질 수 있다. 본 명세서에서 "능동 방식"이란 충격 방어용 구조물 자체내의 필라멘트에 장력을 직접 가함으로써 장력이 구조물내의 필라멘트에 가해지는 것을 의미한다. "수동 방식"이란 필라멘트를 중합체 매트릭스내에 함침시키는 동안, 및 중합체가 그 매트릭스 중에서 경화되는 동안 장력이 필라멘트에 가해지는 것을 의미한다. 중합체 매트릭스를 경화시킨 후, 장력은 완화될 수 있으며, 장력은 중합체 매트릭스내에 보유됨으로써 유지될 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 필라멘트 상의 장력은 0.01 내지 1.0g/dtex이어야 한다. 어떠한 정도의 장력도 구조물의 충격 방어능을 어느 정도 개선시키기 때문에 본 발명의 충격 방어용 구조물내의 필라멘트에 가해지는 장력은 결정적인 요소는 아니다. 장력의 크기가 적을수록, 방어능의 개선은 적을 것이며, 장력의 크기가 상술한 범위보다 클 경우에는 실제로 이를 가하고 유지시키가 어렵다.
매트릭스 수지가 필라멘트에 강하게 접착되는 경우라도 적절한 정도의 잔여 장력을 유지하기 어려우므로 수동 방식에 의해 충격 방어용 구조물에 혼입되는 사는 비교적 높은 장력하에 혼입되어야 한다. 본 발명의 충격 방어용 구조물을 수동 방식으로 제조하는 경우에 필라멘트에 아주 우수한 접착력을 갖는 매트릭스계를 제공하도록 주의를 기울여야 한다. 매트릭스 중합체는 에폭시 수지, 페놀계 수지, 폴리이미드 수지 및 폴리에스테르 등이어야 한다.
[시험 방법]
[인장 특성]
인장 특성에 대해 시험될 사를 먼저 콘디셔닝시킨 다음, 1.1의 꼬임 계수로 꼰다. 사의 꼬임 계수(TM)는 하기와 같이 정의된다:
TM=(꼬임수/인치)/(5315/사의 데니어)-1/2
시험될 사를 25℃ 및 55%의 상대 습도에서 14시간 이상 동안 콘디셔닝시키고, 이 조건에서 인장 시험을 행한다. 강력(파단점 강력), 신장율(파단점 신장율) 및 모듈러스는 시험될 사를 인스트론 시험기(Instron Engineering Corp., MA, Canton 소재) 상에서 파단시킴으로써 측정한다.
ASTM D2101-1985에서 정의한 바와 같은 강력, 신장율, 및 초기 모듈러스를 25.4cm의 사 게이지 길이 및 50% 변형/분의 신장 속도를 사용하여 측정한다. 모듈러스는 1% 변형에서 응력-변형 곡선의 기울기로부터 계산하며, 1% 변형(절대치)에서의 응력(g)에 100을 곱한 것을 시험 사의 dtex로 나눈 값에 해당한다.
[dtex]
사의 dtex는 소정 길이의 사를 칭량함으로써 측정한다. dtex는 10,000m의 사의 중량(g)으로 정의된다.
실제 시험에서, 측정된 사 샘플의 dtex, 시험 조건 및 샘플 표시 번호를 시험 개시 전 컴퓨터에 입력하면, 컴퓨터는 파단시 사의 하중-신장 곡선을 기록한 다음 특성을 계산한다.
[충격 방어 한계]
충격 방어 시험은 MIL-STD-662e에 따라 다음과 같이 수행한다: 시험될 시험편(lay-up)을 시험 충격체의 경로에 수직하게, 목적하는 장력으로 시험편을 유지시키도록 샘플 마운트에 장착시킨다. 충격체는 17-그레인 단편 모의 충격체이며, 달리 언급이 없는 한 충격체를 상이한 속도로 발사시킬 수 있는 배럴로부터 발사된다. 각각의 시험편에 대한 첫 번째 발사는 적절한 충격 방어 한계(V50)인 것으로 예측되는 충격체 속도 측정을 위한 것이다. 첫 번째 발사에 의해 시험편이 완전히 관통되었을 때, 그 다음 발사는 시험편의 부분 관통을 위해 약 15.24m(50ft)/초 만큼 낮은 발사 속도로 수행한다. 한편, 첫 번째 발사가 시험편을 관통하지 않았거나 부분적으로만 관통시켰을 경우, 두 번째 발사는 완전 관통을 위해 약 15.24m(50ft)/초 만큼 큰 속도로 수행한다. 한번의 부분적 관통 및 한번의 완전 관통이 있은 후, 발사 속도를 약 15.24m(50ft)/초 만큼 증가시키거나 감소시키면서 충분한 횟수로 발사를 수행하여 시험편에 대한 충격 방어 한계(V50)를 측정한다.
충격 방어 한계(V50)는 3개의 가장 큰 부분 관통 충격 속도와 3개의 가장 작은 완전 관통 충격 속도를 산술 평균하여 계산하며, 단, 가장 큰 개개의 충격 속도와 가장 작은 개개의 충격 속도간의 차이가 38.10m(125ft)/초 보다 크면 안된다.
[바람직한 실시 태양의 기술]
하기 실시예에서, 파라-아라미드사로부터 제조된 각종 구조물을 장력을 받고 있는 상태로 위치시켜 충격 시험을 수행하였다. 각 경우에 있어서 장력을 받고 있지 않은 상태의 동일한 구조물에 대해 충격 시험을 수행하여 대조 시험을 수행하였다.
도면에서, 충격 방어용 구조물(1)은 클램프(2, 3, 4 및 5)에 의해 유지된다. 클램프(2 및 3)은 고정 지지대(6)에 장착되며, 클램프(4 및 5)는 장력 부하 수단에 부착되어 있다. 코드(7)은 클램프(4)를 통해 도르래(8) 상에서 장력추(9)까지 이어진다. 코드(10)은 클램프(5)를 통해 도르래(11) 상에서 장력추(12)까지 이어진다.
[실시예 1]
본 실시예에서는 1667dtex 사인 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) (E. I. du Pont de Nemours and Company, 상표명29)로부터 2×2 바스킷 조직(basket weave; 13.8×13.4 올/cm)으로 직조된 직물 2 겹을 사용하여 상술한 충격 방어 시험을 수행하였다. 본 실시예의 2겹의 충격 방어용 구조물에 대한 면밀도는 948g/㎡이었다. 장력은 경사와 위사 방향 모두에서 약 0.018g/dtex의 크기로 가했다. 장력을 받고 있는 상태의 충격 방어용 구조물에 대한 V50은 299m/초였으며, 이는 장력이 가해지지 않은 동일한 시험 직물에 대한 V50인 279m/초 보다 7% 증가한 것을 나타낸다.
[실시예 2]
본 실시예에서는 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 직물을 3겹으로 사용하여 충격 방어 시험을 행하였다. 면밀도는 1422g/㎡이었다. 장력은 경사와 위사 방향 모두에 0.012g/dtex로 가했다. 본 발명의 충격 방어용 구조물에 대한 V50은 330m/초였으며, 이는 대조용 직물의 V50인 305m/초 보다 8% 증가한 것을 나타낸다.
[실시예 3]
본 실시예에서는 833 dtex의 사로부터 평직(11.0×10.2올/cm)으로 직조된 5겹의 직물을 사용하여 충격 방어 시험을 행하였다. 이 직물에서 경사는 PPD-T(E. I. du Pont de Nemours and Company, 상표명129)이었고, 위사는 PPD-T(E. I. du Pont de Nemours and Company, 상표명29)이었다. 면밀도는 1104g/㎡이었다. 본 발명의 충격 방어용 구조물에 가해지는 장력은 경사와 위사 방향 모두에서 0.018g/dtex이었다. 본 발명의 충격 방어용 구조물에 대한 V50은 340m/초였으며, 이는 장력이 가해지지 않은 동일한 시험 직물의 V50인 276m/초보다 23% 증가한 것을 나타낸다.
본 발명의 구조물은 참호(foxhole) 커버, 폭동 진압용 방패, 휴대용 천막 및 자동차 운반 장치 커버 등과 같은 각종 분야에 사용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 구조물내에서 0.01g/dtex 이상의 장력을 받고 있는 상태로 고 강력 연속 필라멘트사를 함유하는 하나 이상의 직물층을 포함하는 충격 방어용(ballistic) 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연속 필라멘트사가 상기 직물내에서 경사 및 위사 모두로 존재하는 구조물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 경사 및 위사가 모두 0.01g/dtex 이상의 장력을 받고 있는 구조물.
  4. 제2항에 있어서, 상기 경사가 0.01g/dtex 이상의 장력을 받고 있는 구조물.
  5. 제2항에 있어서, 상기 위사가 0.01g/dtex 이상의 장력을 받고 있는 구조물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연속 필라멘트사가 아라미드사인 구조물.
  7. 제6항에 있어서, 상기 아라미드사가 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드인)인 구조물.
  8. 구조물내에서 0.01g/dtex 이상의 능동 장력(active tension)을 받고 있는 상태로 고 강력 연속 필라멘트사를 함유하는 하나 이상의 직물층을 포함하는 충격 방어용 구조물.
  9. 구조물내 고 강력 연속 필라멘트사에 직접적으로 가해진 0.01g/dtex 이상의 장력을 받고 있는 상태로 고 강력 연속 필라멘트사를 함유하는 하나 이상의 직물층을 포함하는 충격 방어용 구조물.
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