KR100504096B1 - 하이브리드 다축섬유구조 복합재료를 이용한 안전모 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다축섬유구조 복합재료와 고탄성 섬유강화박막 복합재료 등으로 이루어진 하이브리드 복합재료를 발포플라스틱으로 성형된 안전모 형태의 라이너 위에 적층시킨 구조를 가지는 안전모에 관한 것으로서 이러한 헬멧 외피의 구조를 가지는 안전모는 가볍고, 충격강도가 우수하며, 경제적이다. 본 발명은 고분자수지를 발포시켜 성형한 경량의 두부형상의 라이너, 두부형상으로 성형된 발포플라스틱 라이너 위에 적층시킨 하이브리드 다축섬유구조 복합재료 및 기존의 안전모보다 현저히 가벼워진 하이브리드 다축섬유구조 복합재료 안전모를 포함한다.

따라서, 경량이면서도 충격 강도가 우수하고, 용도에 따라 하이브리드 다축섬유구조를 조절함으로써 원하는 물성을 가지는 안전모의 외피구조를 설계할 수 있다.

Description

하이브리드 다축섬유구조 복합재료를 이용한 안전모{A safety helmet using hybrid multi-axial textile composite}

본 발명은 하이브리드 다축섬유구조 복합재료와 발포플라스틱으로 성형된 라이너를 이용한 안전모의 외피구조 및 그로부터 수득되는 안전모에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 발포플라스틱을 사용하여 성형된 두부형상의 라이너; 두부형상으로 성형된 라이너 상에 섬유강화 복합재료와 고탄성 섬유강화박막 복합재료를 다수 적층하여 이루어지는 하이브리드 다축섬유구조 복합재료; 부직포, 직물, 편성물 등의 다축섬유구조로 강화된 하이브리드 복합재료;를 포함하여 이루어지는 안전모의 외피구조 및 그로부터 수득되는 안전모에 관한 것이다.

기존의 안전모 외피는 도 1에 예시적으로 도시한 바와 같이, 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 등과 같은 섬유의 직물이나 부직포를 적절한 열경화성 수지에 혼용한 섬유강화 복합재료의 후막(厚膜)의 단층체 또는 다수의 박막(薄膜)의 적층체를 이용하여 두부(頭部) 형상으로 성형하고, 경화시켜 제조하였다. 따라서, 전체적으로 외피를 이루는 섬유강화 복합재료(11)에서 차지하는 섬유의 비중이 높아 전체적으로 안전모(1)의 중량이 무겁고, 섬유강화 복합재료(11)로 이루어진 외피의 두께가 두꺼워 지는 등의 단점이 있었다.

본 발명의 목적은 발포플라스틱으로 성형된 라이너 외부에 섬유강화 복합재료와 고탄성 섬유강화박막 복합재료를 적층하여 이루어지는 하이브리드 복합재료를 이용하여 새로운 안전모의 외피구조를 설계하는 데 있다.

특히 수십 나노 크기에서 수백 마이크로미터 크기의 기포로 형성된 발포플라스틱으로 라이너를 제조하여 그 외부에 하이브리드 복합재료를 형성시킴으로써 충격 흡수 성능이 매우 우수하고 무게가 가벼운 안전모를 제조할 수 있다.

만약 발포플라스틱의 기포 크기가 수십 나노미터 미만이면 발포공정이 복잡하여 경제성이 부족하고, 또한 기포 크기가 수백 마이크로미터를 초과하면 라이너의 기계적 물성이 떨어져서 바람직하지 않을 뿐만 아니라 기포가 오픈 셀(open cell)로 진행될 수 있다.

본 발명의 다른 목적은 기존의 안전모에 비하여 가볍고, 충격 강도가 우수하며, 경제적인 헬멧의 외피를 제조할 수 있도록 한 안전모의 구조 및 그로부터 수득되는 안전모를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 발포플라스틱과 하이브리드 다축섬유구조 복합재료를 이용한 안전모의 구조는, 발포플라스틱을 사용하여 성형된 두부형상의 라이너; 두부형상으로 성형된 라이너 상에 섬유강화 복합재료와 고탄성 섬유강화박막 복합재료를 다수 적층하여 이루어지는 하이브리드 다축섬유구조 복합재료; 부직포, 직물, 편성물 등의 다축섬유구조로 강화된 하이브리드 복합재료;를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명에 따른 하이브리드 다축섬유구조 복합재료를 이용한 안전모는, 발포플라스틱을 사용하여 두부형상으로 성형한 라이너의 표면에 섬유강화 복합재료와 고탄성섬유강화박막 복합재료를 적층하여 이루어지는 하이브리드 다축섬유구조 복합재료를 적어도 2층 이상 적층하고 경화시켜서 이루어진다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 하이브리드 다축섬유구조 복합재료를 이용한 안전모의 구조는, 도 2에 모식적으로 도시한 바와 같이, 발포플라스틱를 사용하여 제조한 두부형상의 라이너(21); 두부형상으로 성형된 라이너(21) 상에 섬유강화 복합재료(22a) 및 고탄성 섬유박막 복합재료(22b)를 적층하여 이루어지는 하이브리드 다축섬유구조 복합재료(22);로 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명에서는 다른 안전모에서는 사용된 적이 없고 본 발명에서 최초로 사용되는 발포플라스틱을 이용한 라이너의 적용을 그 특징으로 한다.

여기에서 사용될 수 있는 발포플라스틱으로는 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, ABS, PVC, 나일론, 폴리우레탄 등 상용화된 열가소성 수지 및 에폭시, 페놀수지, 폴리우레탄, 불포화 폴리에스테르 등의 상용화된 열경화성 수지들이 모두 사용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 하이브리드 다축섬유구조 복합재료(22)에 사용되는 열경화성 수지와의 접합특성이 우수하고, 내충격성 및 성형성이 우수한 수지들 중에서 선택된 것이 사용될 수 있다. 이렇게 발포플라스틱을 사용하여 두부형상으로 성형된 것을 라이너(21)라 칭하며, 이는 수득되는 안전모에서 최내층을 이룬다.

두부형상으로 성형된 라이너(21) 상에 섬유강화 복합재료(22a)를 적층하여 이루어지는 하이브리드 복합재료(22)를 적어도 2층 이상 적층하며, 이 복합재료의 모재를 구성하는 수지는 바람직하게는 불포화 폴리에스테르, 에폭시, 페놀수지, 폴리우레탄과 같은 열경화성 수지가 될 수 있다. 열경화성 수지의 사용은 수득되는 안전모(1)가 고열에 노출되는 경우에도 변형되지 않으며, 또한 내구성이 우수한 특징을 가질 수 있다. 상기에서 하이브리드 다축섬유구조 복합재료(22)는 열경화성수지에 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 스펙트라섬유 또는 이들 중 2이상의 혼합물들로 이루어진 그룹 중에서 선택된 섬유를 단섬유, 장섬유, 직물 또는 부직포 형태로 혼합하여 보강한 재료로서의 종래의 섬유강화 복합재료(22a)와 특히 탄성이 우수한 고탄성섬유, 예를 들면, 폴리우레탄섬유, 나이론섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트섬유 또는 이들 중 2이상의 혼합물들로 이루어진 그룹 중에서 선택된 고탄성섬유를 단섬유, 장섬유, 직물 또는 부직포 형태로 수지와 혼합하여 박막화한 형태로 된 고탄성섬유강화박막 복합재료(22b)를 적층하여서 특히 중량대비 내충격성과 형태안정성 등을 획기적으로 개선시킨 것을 의미하며, 경량의 안전구조물의 형성을 가능하게 할 수 있다.

삭제

본 발명에서는 이러한 하이브리드 다축섬유구조 복합재료(22)를 사용하여 특히 경량, 고내충격성이 요구되는 안전모에 적용한 점에 특징이 있다.

또한 본 발명에서는 섬유강화 복합재료(22a)를 구성하는 열경화성 수지를 먼저 상기 라이너(21) 상에 도포한 후, 연속하여 열경화성 수지 또는 그 프리폴리머가 함침된 강화용 유리섬유 부직포 또는 유리섬유 직물 등을 적층하고, 계속해서 역시 열경화성 수지 또는 그 프리폴리머가 함침된 고탄성섬유 부직포 또는 그 직물 등의 고탄성 섬유강화박막 복합재료(22b)를 순차적으로 적층하여 직접 제조할 수도 있다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예 및 비교 예들을 아래에 기술하였다. 이하의 실시 예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어져서는 안 될 것이다.

[실시 예 1]

2mm 두께의 발포플라스틱인 발포된 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용하여 두부형상의 라이너(21)를 제조하고, 그 위에 하이브리드 다축섬유구조 복합재료(22)로서, 불포화 폴리에틸렌테레프탈레이트에 유리섬유 직물을 혼합하여서 된 섬유강화 복합재료(22a)와 불포화 폴리에스테르에 폴리우레탄섬유와 나이론의 혼방직물을 혼합하여서 된 고탄성 섬유강화박막 복합재료(22b)를 적층한 하이브리드 다축섬유구조 복합재료(22)를 2개층 적층하여 3.6mm 두께의 안전모를 수득하였고, 그 시편을 취하여 중량, 충격강도 및 전체충격에너지량 등 충격흡수특성을 시험하고, 시험결과를 하기 표 1 에 나타내었다. 충격흡수특성의 시험은 호주에 소재하는 래드마나(Radmana)사의 충격시험기 모델명 아이티알-2000(ITR-2000)을 사용하였으며, 충격시험 시 사용된 질소의 압력은 0.5 MPa이었다.

[실시 예 2]

2mm 두께의 발포 폴리카보네이트를 사용하여 라이너(21)를 제조하는 것을 제외하고는 상기 실시 예 1과 동일하게 수행하여 3.6mm 두께의 시편을 수득하였으며, 상기 실시 예 1과 동일한 조건에서 시험하여 그 결과를 하기 표 1 에 나타내었다.

[실시 예 3]

하이브리드 다축섬유구조 복합재료(22)를 3개층 적층하여 섬유강화 복합재료(22a)의 두께를 더욱 두껍게 하는 것을 제외하고는 상기 실시 예 2과 동일하게 수행하여 4.4mm 두께의 시편을 수득하였으며, 상기 실시 예 1과 동일한 조건에서 시험하여 그 결과를 하기 표 1 에 나타내었다.

[비교 예 1]

통상의 섬유강화 복합재료(22a)로서 유리섬유를 보강한 불포화 폴리에스테르의 복합재료를 사용하여 종래의 방법에 따라 안전모를 제작, 수득하였고, 그 시편을 취하여 상기 실시 예 1과 동일한 조건에서 시험하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구 분	구 조	두께(mm)	충 격 시 험 결 과
			최대하중 (N)	전체충격에너지(J)	전반충격에너지(J)	후반충격에너지(J)	전체변위 (mm)
실시예 1	2mm 라이너 + 2층 하이브리드 적층구조	3.6	3,118	28.14	11.80	16.34	14.94
실시예 2	2mm 발포 라이너 + 2층 하이브리드 적층구조	3.6	3,317	33.18	13.88	19.30	15.68
실시예 3	2mm 발포 라이너 + 3층 하이브리드 적층구조	4.4	4,690	36.24	22.24	10.70	16.16
비교예 1	기존안전모 시편	5.2	5,292	30.97	10.40	20.57	12.16

상기한 실시 예들을 종합한 결과, 본 발명에 따른 안전모는 전체충격에너지의 면에서는 실시 예 2와 실시 예 3에서 비교예 1로서의 종래의 안전모(1) 보다 우수함을 보이고 있으며, 두께도 얇고 중량은 실시 예들 평균 중량이 비교 예(약 1,200g)에 비하여 40% 이상 감소한 것으로 나타났다. 특히, 실시 예2가 얇으면서도 우수한 충격 강도를 보이고 있어 기존의 안전모(1)의 대체용으로 적절하게 사용될 수 있음을 보여주고 있으며, 특수용도에 따라서는 실시 예 3과 같이 전반충격 강도가 우수한 것으로 나타나 특히 초기충격성능을 강화하는 목적으로 사용될 수 있음을 나타내고 있다.

따라서 본 발명에 따르면, 발포플라스틱을 사용하여 두부형상으로 성형한 라이너의 표면에 섬유강화 복합재료와 고탄성 섬유강화 박막 복합재료를 적층하여 이루어지는 하이브리드 다축섬유구조 복합재료를 적어도 2층 이상 적층하고 경화시켜서 이루어진 안전모는 두께도 얇고, 경량이면서도 충격강도가 우수하고, 특히 초기충격성능의 강화나 안전성능의 극대화 등 용도에 따라 적의 변경이 가능한 설계를 할 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 종래의 섬유강화 복합재료를 이용하여 제조한 안전모의 하나의 구체 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따라 발포플라스틱 라이너와 하이브리드 다축섬유구조 복합재료를 이용하여 제조한 안전모의 일 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 3은 발포플라스틱 내부의 미세발포구조의 현미경사진의 일예이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

21 : 라이너

22 : 하이브리드 다축섬유구조 복합재료

22a : 섬유강화 복합재료

22b : 고탄성 섬유강화박막 복합재료

Claims (9)

1. 섬유강화 복합재료를 이용한 안전모의 외피에 있어서,

   기포의 크기가 수십 나노 내지 수백 마이크로미터인 발포플라스틱을 사용하여 두부형상의 라이너를 성형하고, 그리고 상기 두부형상으로 성형된 라이너 상에 적어도 2층의 하이브리드 다축섬유구조 복합재료가 적층되는 것을 특징으로 하는 안전모의 외피.
2. 제 1항에 있어서, 상기 하이브리드 다축섬유구조 복합재료는 섬유강화 복합재료와 고탄성 섬유강화박막 복합재료를 하나 이상 적층하여 이루어진 것을 특징으로 하는 안전모의 외피.
3. 제 2항에 있어서, 상기 섬유강화 복합재료는 열경화성수지에 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 스펙트라섬유 또는 이들 중 2이상의 혼합물들로 이루어진 그룹 중에서 선택된 섬유를 단섬유, 장섬유, 직물 또는 부직포 형태로 혼합하여 보강한 것을 특징으로 하는 안전모의 외피.
4. 제 2항에 있어서, 상기 고탄성 섬유강화박막 복합재료는 폴리우레탄섬유, 나이론섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트섬유 또는 이들 중 2이상의 혼합물들로 이루어진 그룹 중에서 선택된 고탄성섬유를 단섬유, 장섬유, 직물 또는 부직포 형태로 수지와 혼합하여 박막화한 형태로 된 것을 특징으로 하는 안전모의 외피.
5. 제 1항에 있어서, 상기 하이브리드 다축섬유구조 복합재료는 섬유강화 복합재료를 구성하는 열경화성 수지를 먼저 상기 라이너 상에 도포한 후, 연속하여 열경화성 수지 또는 그 프리폴리머가 함침된 강화용 유리섬유 부직포 또는 유리섬유 직물 등을 적층하고, 계속해서 열경화성 수지 또는 그 프리폴리머가 함침된 고탄성섬유 부직포 또는 그 직물 등을 순차적으로 적층하여 직접 제조된 것을 특징으로 하는 안전모의 외피.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서, 상기 발포플라스틱은 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, ABS, PVC, 나일론, 폴리우레탄, 에폭시, 페놀수지 및 불포화 폴리에스테르로 이루어진 군에서 적어도 1개 선택되는 것을 특징으로 하는 안전모의 외피.
8. 제 1항에 있어서, 불포화 폴리에틸렌테레프탈레이트에 유리섬유 직물을 혼합하여서 제조된 섬유강화 복합재료와 불포화 폴리에스테르에 폴리우레탄섬유와 나이론의 혼방직물을 혼합하여서 제조된 고탄성 섬유강화박막 복합재료를 적층한 하이브리드 다축섬유구조 복합재료를 2개 또는 3개 적층하여 이루어진 것을 특징으로 하는 안전모의 외피.
9. 제 1항 내지 제 8항의 안전모 외피를 포함하는 것을 특징으로 하는 안전모.