KR100580985B1 - 혼성 방호용 복합재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리벤족사졸 또는 폴리벤조티아졸 섬유를 포함하는 하나 이상의 제직물층 (12), 및 다른 중합체를 포함하는 하나 이상의 섬유망층 (14)를 포함하는 방호용 복합재 (10)에 관한 것이다.
폴리벤족사졸, 폴리벤조티아졸, 제직물, 방어능, 방호용 복합재

Description

혼성 방호용 복합재{Hybrid Protective Composite}
본 발명은 통상 사용되는 다른 방호용 복합재에 비해 한편으로는 소정 중량에 대해 보다 큰 방어능을, 다른 한편으로는 보다 가벼운 중량으로 동등한 방어능을 제공하는, 나이프 찌르기 방어 분야에서의 방호재에 관한 것이다. 본 발명의 방호재는 가요성이며, 또한 충격 위협에 대해 양호한 방어능을 제공한다.
1993년 10월 14일에 공개된 국제 공개 제93/20400호에는 충격 방어용품에 있어서 폴리벤족사졸 및 폴리벤조티아졸 섬유의 용도가 개시되어 있다.
<발명의 요약>
본 발명은 폴리벤족사졸(PBO) 또는 폴리벤조티아졸(PBT) 섬유를 포함하는 하나 이상의 제직물층 및 다른 중합체 물질로 이루어진 섬유망을 포함하는 하나 이상의 층을 포함하는 방호용 복합재를 제공한다. 다른 중합체 물질로는 여러 중합체 물질중에서 폴리아미드 및 폴리올레핀이 사용될 수 있다.
나이프 찌르기 방어능은 종종 충격 방어능 다음가는 2차적인 특성으로 여겨지지만 나이프 찌르기 방호용 복합재를 개선시키기 위해 계속 노력해왔다. 일반적으로, 나이프 찌르기 방어능은 호위병, 경찰관 등이 착용하는 의복에 필요하며, 충 격 방어능도 그러한 의복의 바람직한 특성이다. 이러한 의복은 가능한한 쉽게 착용할 수 있는 편안함이 충분히 보장될 정도로 가용성이어야 한다.
물질들이 조합된 본 발명의 혼성 복합재는 증가된 가요성을 보여주는데, 이는 동일한 방어능을 달성하기 위해 동일량의 단일 물질만을 사용하는 경우와 동일한 수준의 찌르기 방어능을 얻는데에 전체 물질을 덜 필요로 한다. 또한, 물질들이 조합된 본 발명의 혼성 복합재는 복합재중에 단일 물질만을 사용하는 경우에 그에 요구되는 양과 동일한 총 물질량을 사용하여 향상된 찌르기 방어능을 제공하도록 제조할 수 있다.
혼성 복합재중의 물질로는 한 층 이상으로 이루어진 한 부분(section)에 사용되는 폴리벤족사졸 또는 폴리벤조티아졸이며, 한 층 이상으로 이루어진 다른 부분에 사용되는 또다른 중합체이다.
폴리벤족사졸 및 폴리벤조티아졸은 통상 본 명세서에 참고로 포함된 상술한 국제 공개 제93/204000호에 기재된 것들이다. 폴리벤족사졸 및 폴리벤조티아졸은다음과 같은 구조의 화합물 수 머(mer)로 구성된 것이 바람직하다.
Figure 112001006934467-pct00001
질소에 결합된 것으로 표시된 방향족기는 헤테로시클릭일 수 있지만, 카르보시클릭이 바람직하고, 이들은 융합 또는 비-융합된 폴리시클릭계일 수 있지만, 단일 6원 고리가 바람직하다. 비스-아졸의 주쇄중에 표시된 기는 파라-페닐렌기가 바람직하지만, 그 기는 중합체 제조를 방해하지 않은 어떠한 2가 유기기로든지 치환될 수 있거나, 또는 전혀 치환되지 않을 수 있다. 예를 들어, 그 기는 탄소 원자 12 개 이하의 지방족 화합물, 톨릴렌, 비페닐렌 및 비스-페닐렌 에테르 등일 수 있다.
본 발명의 섬유를 제조하는데 사용되는 폴리벤족사졸 및 폴리벤조티아졸은 25 머 단위 이상, 바람직하기로는 100 머 단위 이상을 가져야 한다. 이 중합체의 제조 방법 및 방사는 상술한 국제 공개 제93/20400호에 개시되어 있다.
다른 중합체 물질은 통상 강성도가 10 g/dtex 이상이고, 초기 모듈러스가 160 g/dtex인 섬유를 제조하는 모든 물질일 수 있다. 다른 중합체 물질로 바람직한 것은 폴리아미드, 폴리올레핀, 폴리비닐 알콜 및 폴리아크릴로니트릴 등이다. 바람직한 폴리아미드는 아라미드, 특히 파라-아라미드이다, 다른 폴리아미드로는 지방족 폴리아미드, 예를 들어, 나일론 66, 지방족-방향족 폴리아미드 및 방향족-헤테로시클릭 폴리아미드 등이다. 바람직한 폴리올레핀은 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌, 특히 선형, 소위 신장쇄 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌이다. 다른 폴리올레핀으로는 폴리부틸렌 및 폴리메틸-1-펜텐 등이다.
본 발명은 폴리벤족사졸 또는 폴리벤조티아졸 섬유를 포함하는 하나 이상의 제직물층으로 이루어진 부분 및 다른 중합체 물질을 포함하는 하나 이상의 섬유망 층으로 이루어진 부분을 갖는 보호용 복합재물을 제공한다.
폴리벤족사졸 및 폴리벤조티아졸 섬유는 일반적으로 사용되는 어떠한 직물 형태로든지, 예를 들어, 평직, 삼각막음직(crowfoot weave), 바스킷직 및 주자직 등으로 직조된다. 평직이 바람직하다.
어떠한 선밀도의 섬유 및 사(絲)이든지 본 발명에서 찌르기 방어능을 증가시키는데 효과적일 것으로 여겨진다. 각 필라멘트에 대한 바람직한 선밀도는 0.3 내지 17 dtex이고, 가장 바람직한 것은 0.5 내지 3.5 dtex이어야 한다. 100 내지 300 dtex 범위의 사가 바람직하고, 가장 바람직한 것은 200 내지 1700 dtex이다. 선 밀도가 300 dtex를 넘는 사는 일반적으로 제조하기 어렵고 효과적으로 사용하기 어려우며, 100 dtex 미만인 선밀도를 갖는 사는 그 사에 손상을 주지 않고 직조하기 어렵다.
다른 중합체가 폴리아미드인 경우, 아라미드가 바람직하다. "아라미드"라 함은 85% 이상이 아미드(-CO-NH-) 결합이 두 방향족 고리에 직접 결합되어 있는 폴리아미드를 의미한다. 적절한 아라미드 섬유는 문헌[Man-Made Fibers - Science and Technology, Volume 2, Section titled Fiber-Forming Aromatic Polyamides, page 297, W. Black et al., Interscience Publishers, 1968]에 기재되어 있다. 아라미드 섬유는 또한 미국 특허 제4,172,938호, 동 제3,869,429호, 동 제3,819,587호, 동 제3,673,143호, 동 제3,354,127호 및 동 제 3,094,511호에 개시되어 있다.
아라미드와 함께 첨가제를 사용할 수 있으며, 다른 중합체 물질을 10 중량% 이하의 양으로 아라미드와 혼합할 수 있거나, 또는 아라미드중의 디아민이 다른 디아민으로 10 % 이하의 양으로 치환된 공중합체 또는 아라미드중의 디산(diacid) 클로라이드가 다른 디산 클로라이드로 10 % 이하의 양으로 치환된 공중합체를 사용할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
바람직한 아라미드는 파라-아라미드이고, 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)(PPD-T)는 바람직한 파라-아라미드이다. PPD-T는 p-페닐렌 디아민과 테레프탈로일 클로라이드의 몰 대 몰 중합에 의해 생성된 단독중합체와, 또한 소량의 다른 다아민과 p-페닐렌 디아민을 혼합하여 생성시킨 공중합체 및 소량의 다른 디산 클로라이드와 테레프탈로일 클로라이드를 혼합하여 생성시킨 공중합체를 의미한다. 일반적으로, 다른 디아민 및 다른 디산 클로라이드는 p-페닐렌 디아민 또는 테레프탈로일 클로라이드 또는 그보다 약간 더 고급의 것을 약 10 몰% 이하의 양으로 사용하되, 상기 다른 아민 및 디산 클로라이드는 중합 반응을 방해하는 반응성기가 없어야 한다. PPD-T는 또한 다른 방향족 디아민과 다른 방향족 디산 클로라이드를 혼합하여 생성시킨 공중합체, 예를 들어, 2,6-나프탈로일 클로라이드 또는 클로로- 또는 디클로로테레프탈로일 클로라이드, 또는 3,4'-디아미노디페닐에테르를 의미한다.
다른 중합체가 폴리올레핀인 경우, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌이 바람직하다. 폴리에틸렌이라 함은 바람직하기로는 100 개의 주쇄 탄소 원자당 변형 단위 5 개를 초과하지 않는 최소량의 쇄 분지화 분자 또는 공단량체를 가질 수 있고, 또한 약 50 중량% 이하의 1 종 이상의 중합체 첨가제(예를 들어, 알켄-1-중합체, 특히 저밀도 폴리에틸렌 및 프로필렌 등, 또는 통상적으로 혼입되는 산화방지제, 윤활제, 자외선 스크리닝제 및 착색제 등의 저분자량 첨가제)도 함유할 수 있는 바람직하기로는 분자량 백만 이상의 주되게 선형인 폴리에틸렌 물질을 의미한다. 상기는 신장쇄 폴리에틸렌(ECPE)으로 통상적으로 알려저 있다. 유사하게, 폴리프로필렌은 바람직하기로는 분자량 백만 이상의 주되게 선형인 폴리프로필렌 물질을 의미한다. 고분자량 선형 폴리올레핀은 상업적으로 구입할 수 있다. 폴리올레핀 섬유의 제조 방법은 미국 특허 제4,457,985호에 개시되어 있다.
본 발명의 복합재에 있어서, 다른 중합체는 섬유망으로 존재한다. 망은 제직물, 평직물 또는 부직포 구조일 수 있고, 부직포라 함은 일방향성(매트릭스 수지내에 포함된 경우)의 펠트로 가공된 것을 의미한다. 제직물이라 함은 일반적으로 사용되는 제직물이라면 어떠한 것이든지, 예를 들어, 평직, 삼각막음직, 바스킷직 및 주자직 등이다.
본 발명의 복합재는 폴리벤족사졸 또는 폴리벤조티아졸층으로 이루어진 부분과 다른 중합체의 섬유망을 포함하는 층으로 이루어진 부분이 조합된 것이다. 일반적으로, 목적하는 찌르기 방어능을 제공하는데에는 상기 각 물질을 포함하는 층 하나 이상이 요구된다. 폴리벤족사졸 및 폴리벤조티아졸로 이루어진 각 층은 일반적으로 면밀도가 70 내지 450 g/m2이며, 통상 1 내지 15 개의 층이 사용된다. 섬유망을 포함하는 층의 면밀도는 섬유망의 형태와 섬유의 종류 및 선밀도에 좌우된다. 그러나, 폴리벤족사졸 및 폴리벤조티아졸 섬유는 일반적으로 복합재의 10 내지 90 중량%, 바람직하기로는 15 내지 50 중량%를 차지한다. 복합재의 부분들을 형성하는 층들은, 예를 들어, 재봉하는 것과 같이 서로 결합시키거나 함께 적층하여, 예를 들어, 직물 외피내에 담을 수 있다. 상기 각 부분을 구성하는 층들은 통상 함께 놓이고, 그에 따라 복합재는 2 개의 독특한 부분 층을 갖는 구조로 보일 수 있다. 그러나, 복합재는 상기 부분들이 서로 구분되지 않도록 조합하여 제조할 수 있다. 폴리벤족사졸 또는 폴리벤조티아졸 직물로 이루어진 부분은 섬유망을 포함하는 부분과 조합하여 임의의 상이한 물질층을 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 복합재는 폴리벤족사졸 또는 폴리벤조티아졸층을 섬유망층과 교차시켜 제조할 수 있다.
최상의 나이프 찌르기 방어능을 위한 복합재내의 부분들의 바람직한 배열은 폴리벤족사졸 또는 폴리벤조티아졸층의 부분 모두 나이프 찌르기에 대해 노출되어 있는 반면 섬유망을 포함하는 층은 나이프 찌르기로부터 이격되어 있는 구조인 것으로 밝혀졌다.
도 1은 폴리벤족사졸 또는 폴리벤조티아졸을 포함하는 제직물층 (12)들로 이루어진 부분 (11) 및 다른 중합체 물질의 섬유망층 (14)로 이루어진 부분 (13)을 갖는 방호용 복합재 (10)을 보여준다. 층 (12) 및 층 (14)는 부분 (11) 및 (13)이 서로 구분되지 않도록 어떠한 순서로든지 서로 조합할 수 있지만, 층 및 부분은 도시된 바와 같이 실질적으로 나이프 찌르기에 대해 노출되어 있는 부분 (11) 및 나이프 찌르기로부터 이격되어 있는 부분 (13)으로 배열되는 것이 바람직하다.
<시험 방법>
선밀도
사의 선밀도는 공지된 길이의 사의 중량을 구하여 측정하였다. "dtex"는 길이 10,000 미터 사의 중량(그램)으로 정의된다.
실제로 실시하는 경우, 시험을 시작하기 전에 사 샘플의 측정된 dtex, 시험 조건 및 샘플 확인 기록을 컴퓨터에 입력하였다. 컴퓨터는 사가 파단될 때의 하중-신도 곡선을 기록한 후, 그 특성을 평가하였다.
인장 특성
우선, 인장 특성 시험용 사의 상태를 조절하고, 이어서 꼬임 승수(twist multiplier)가 1.1 이 되도록 꼬았다. 사의 꼬임 승수(TM)는 다음과 같이 정의된다.
TM = (꼬임의 수/cm)(dtex)1/2/30.3
시험할 사를 24 ℃ 및 상대 습도 55 %의 시험 조건하에서 최소 14 시간 동안 상태를 조절한 후 사의 인장 시험을 수행하였다. 강성도(파단 강성도), 파단 신도 및 모듈러스는 시험용 사를 인스트론(Instron) 시험기(미국 매사추세츠주 캔톤 소소재 Instron Engineering Corp.)상에서 파단하여 측정하였다.
ASTM D2101-1985에 정의된 바와 같은 강성도, 신도 및 초기 모듈러스는 게이지 길이가 25.4 cm이고, 신장율이 50% 변형/분인 사를 사용하여 측정하였다. 모듈러스는 1% 변형시 응력-변형 곡선의 기울기로부터 계산하며, 이는 1% 변형(절대값)시의 응력(그램)에 100을 곱하고 사의 선밀도로 나눈 값과 동일하다.
관통 방어능
나이프 관통 방어능은 칼 길이가 15 cm(6 inch)이고, 너비가 2 cm(0.8 inch)이며, 끝쪽으로 점점 가늘어지고 록웰 경도가 C-55인 단날 본딩 나이프(미국 매사추세츠주 사우쓰브리지 소재 Russell Harrington Cutlery, Inc.)를 사용하여 측정 하였다. 시험은 HPW 시험 TP-0400.03(H.P. White Lab., Inc., 1994년 11월 28일)에 따라 수행하였다. 시험은 10% 젤라틴 백킹상에 놓인 시험 샘플을 중량이 4.55 kg(10 pound)인 나이프 충격을 가하고, 시험 조건하에서 6 mm를 넘는 샘플이 관통될 때까지 여러 높이에서 떨어뜨려 완수하였다. 결과는 관통되는 높이의 에너지로부터의 킬로그램/미터에 9.81을 곱하여 관통 에너지(J)로 기록하였다.
도 1은 본 발명의 복합재의 확대 단면도이다.
<층의 제작>
다수의 상이한 사들을 직물 또는 섬유의 층으로 직조하거나 제조하고, 찌르기 방어능 시험을 수행하기 위한 복합재물을 제조하였다.
1. 1560 데니어(1733 dtex) 폴리벤족사졸 사의 평직물을 면밀도 0.47 lb/ft2(2.3 kg/m2)의 21 x 21 엔드(end)수/inch(8.3 x 8.3 엔드수/cm)로 제조하였다. 이 사는 Toyobo Co., Ltd.사의 상표명 질론(Zylon, 등록상표)으로 구입하였다.
2. 400 데니어(444 dtex) 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) 사의 평직물을 면밀도 0.92 lb/ft2(4.49 kg/m2)의 31 x 31 엔드수/inch(12.2 x 12.2 엔드수/cm)로 제조하였다. 이 사는 E. I. du Pont de Nemours and Company사의 상표명 케블라(Kevlar, 등록상표)로 구입하였다.
3. 650 데니어(722 dtex) 폴리에틸렌 사의 평직물을 면밀도 0.50 lb/ft2(2.44 kg/m2)의 35 x 35 엔드수/inch(13.8 x 13.8 엔드수/cm)로 제조하였다. 이 사는 AlliedSignal, Inc.사의 상표명 스펙트라(Spectra, 등록상표)로 구입하였다.
4. 0/90도 방향으로 크로스플라이(crossply)되고, 폴리에틸렌 필름과 샌드위치되고, 면밀도가 0.51 lb/ft2(2.49 kg/m2)인 일방향 신장쇄의 폴리에틸렌 섬유(UDECPE) 층을 사용하였다. 이 층은 Allied Signal, Inc.사의 상표명 스펙트라 쉴드 플러스(Spectra Shield Plus, 등록상표)로 완제품으로 구입하였다.
<실시예 1>
폴리벤족사졸(PBO) 층과 기타 중합체를 조합 제조하여 찌르기 방어능에 대해 시험하였다. 그 결과를 폴리벤족사졸 단독 또는 기타 중합체 단독으로부터 제조된 동등한 면밀도의 구조물과 비교하였다. 결과를 다음 표에 나타냈다.
구성 관통 에너지 (J) 면밀도 (psf) (kgsm)
8 개층(PBO) 평직 8.3x8.3 22.6 0.47 2.30
40 개층(PPDT) 평직 12.2x12.2 18.1 0.92 4.49
12 개층(ECPE) 평직13.8x13.8 11.3 0.50 2.44
22 개층(UDECPE) 20.3 0.51 2.49
8 개층(PBO) (T) 40 개층(PPDT) (B) 67.8 1.39 6.79
40 개층(PPDT) (T) 8 개층(PBO) (B) 61.0 1.39 6.79
8 개층(PBO) (T) 12 개층(ECPE) (B) 76.8 0.97 4.74
12 개층(ECPE) (T) 8 개층(PBO) (B) 50.8 0.97 4.74
8 개층(PBO) (T) 22 개층(UDEDPE) (B) 74.6 0.98 4.78
22 개층(UDECPE) (T) 8 개층 (PBO) (B) 45.0 0.98 4.78
(T)는 상부 또는 나이프 찌르기에 대해 노출된 면을 표시한다. (B)는 기부 또는 내면을 표시한다.
본 발명의 복합재물은 조합된 구조의 각 부분의 부재를 단순히 조합한 것으로부터 예상할 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 투과 에너지를 제공함을 주지해야 한다. 또한, 폴리벤족사졸을 포함하는 층의 부분이 (나이프 찌르기에 대해 노출된) 상부에 위치하는 경우 관통 방어능이 현저히 더 높다는 것을 주지해야 한다.

Claims (10)

  1. a) 폴리벤족사졸 또는 폴리벤조티아졸 섬유를 포함하는 하나 이상의 제직물층, 및
    b) 다른 중합체 물질로 이루어진 섬유망을 포함하는 하나 이상의 층
    을 포함하며, 관통 방어능이 45 J 보다 크고 면밀도가 6.83 kg/m2(1.4 lb/ft2) 미만인 방호용 복합재물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 섬유망이 폴리아미드 섬유를 포함하는 것인 복합재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 폴리아미드 섬유가 파라-아라미드인 복합재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 섬유망이 폴리올레핀 섬유를 포함하는 것인 복합재.
  5. 제4항에 있어서, 상기 폴리올레핀 섬유가 폴리에틸렌인 복합재.
  6. 제3항에 있어서, 제직물이 복합재의 10 내지 90 중량%인 것인 복합재.
  7. 제5항에 있어서, 제직물이 복합재의 10 내지 90 중량%인 것인 복합재.
  8. a) 폴리벤족사졸 또는 폴리벤조티아졸 섬유를 포함하는 하나 이상의 제직물층을 포함하는, 나이프 찌르기 (knife stab)에 노출되어 있는 부분; 및
    b) 다른 중합체 물질로 이루어진 섬유망을 포함하는 하나 이상의 층을 포함하는, 나이프 찌르기로부터 이격되어 있는 부분
    을 포함하며, 관통 방어능이 45 J 보다 크고 면밀도가 6.83 kg/m2(1.4 lb/ft2) 미만인, 나이프 찌르기에 대한 관통 방호용 복합재물.
  9. 삭제
  10. 삭제
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