KR101148639B1 - 만곡된 물품의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부과된 인장 응력에서의 섬유의 융점과 상기 융점보다 20℃ 아래의 온도 사이의 온도에서 섬유를 연신시키기에 충분히 높은 인장 응력을 섬유에 부과하는 단계를 포함하는, 중합체성 섬유를 함유하는 하나 이상의 적층 플라이의 패키지를 승온에서 변형시킴으로써 그로부터 하나 이상의 방향에서 만곡된 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이러한 공정은 낮은 내부 및/또는 상호 변형성을 가진 편평한 섬유 플라이를 사용하여 인지할만한 구김이 없이, 그리고 제어된 방식으로 물질을 다이내로 연신시키지 않고 편평한 섬유 플라이로부터 제조되는, 하나 이상의 방향에서 만곡된 물품을 제공한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 공정에 의해 수득할 수 있는, 하나 이상의 방향에서 만곡된 물품에 관한 것이다.

Description

만곡된 물품의 제조방법{PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF CURVED OBJECTS}

본 발명은 중합체성 섬유를 함유하는 하나 이상의 적층된 플라이(stacked ply)의 패키지(package)를 승온에서 변형시킴으로써 그로부터 하나 이상의 방향에서 만곡된(curved) 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 방법으로 수득할 수 있는, 하나 이상의 방향에서 만곡된 물품에 관한 것이다.

상기 방법은 문헌["The Smart Blankholder as a Development Tool for the Rubber Forming Process of Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics" by C.A.J.R. Vermeeren et al. in the Proceedings of the ICCM held at San Diego, California, on 14-18 July 2003]에 공지되어 있다.

상기 문헌은 중합체성 섬유를 함유하는 적층된 편평한 플라이(이하에서는 간단히 섬유 플라이라 지칭됨)로부터 하나 이상의 방향에서 만곡된 물품(예, 헬멧)을 제조하는 경우에 있어서의 구김화의 문제를 처리한 것이다. 그 해법으로서, 다이가 밀폐됨에 따라 물질이 적절한 위치에서 적합한 양으로 다이내로 연신되도록 사용된 다이의 중공부(hollow part)의 상측상에 섬유 플라이의 테두리를 제어된 방식으로 클램핑하는 것을 제안하고 있다. 편평한 플라이로부터 만곡된 물품으로의 변형 메카니즘으로서, 여분의 물질이 국부화된 영역에서 제어된 방식으로 다이내로 연신되는 것 이외에도, 다양한 플라이 사이에서 및 플라이내에서 발생하는 전단 또는 슬립(slip)을 언급하고 있다. 또한, 직물 또는 편직물과 같은 섬유 플라이의 경우에는, 또한 그들의 구성으로 인한 신장이 일부 분명하게 작용한다.

블랭크홀더(blankholder)의 제어된 조정, 즉, 클램핑 메카니즘은 복잡하며 시간-소모적이다. 더욱이, 제품에 따라, 상기 언급된 전단 및 슬립의 가능한 양이 제한되며, 결국 다이내로 연신되는 물질내에서 구김화가 몇몇 지점에서 일어날 것이다.

네덜란드 특허 출원 제 NL 8802114A 호에는 환상 리세스(recess)를 가진 블랭크홀더를 사용하는 것이 공지되어 있다. 또한, 상기 공개 문헌에는 섬유 플라이의 변형성이 중요한 요건이며, 블랭크홀더는 섬유 플라이상에서 변형성이 최대인 방향에서 더 큰 힘을 가하도록 설계하는 것으로 언급되어 있다. 따라서, 이러한 공정에서, 섬유 방향은 바람직하게는 모든 플라이내에서 필수적으로 동일하다. 이는 또한 물질이 제어된 방식으로 다이내에서 연신되며, 이를 사용하면 섬유 플라이의 패키지내에서 전단 및 슬립이 발생한다는 것을 의미한다.

네덜란드 특허 출원 제 NL 9000079A 호에서는, 전술한 문헌중의 하나에 필적하는 블랭크홀더를 적용하고, 다이상에 설치하여 제어된 방식으로 클램핑한다. 또한, 여기서는 성형 공정시 섬유 플라이 패키지의 변형성이 이용된다.

따라서, 상기 2가지 특허에 기술된 공정은 동일한 상기 결점들을 갖는다.

발명의 개요

본 발명의 목적은 상기한 결점들을 갖지 않거나 또는 그러한 결점들을 아주 적은 정도로 갖는 공정을 제공하는데 있다.

이러한 목적은 부과된 인장 응력에서의 섬유의 융점과 상기 융점보다 20℃ 낮은 온도 사이의 온도에서 섬유를 연신시키기에 충분히 높은 인장 응력을 섬유에 부과함을 포함하는 본 발명의 공정에 따라 달성된다.

이러한 공정은 낮은 내부 및/또는 상호 변형성을 가진 편평한 섬유 플라이를 사용하여 인지할만한 구김이 없이, 그리고 제어된 방식으로 물질을 다이내로 연신시키지 않고 편평한 섬유 플라이로부터 제조되는, 하나 이상의 방향에서 만곡된 물품을 제공한다.

섬유 플라이의 변형성 및 제어된 물질의 첨가에 완전히 의존하기 보다 오히려 섬유 플라이내의 섬유의 연신성을 이용함으로써, 물품내의 편평한 상태에서 만곡된 상태로의 전이에서 요구되는 형상 변화가 물품내에 존재하는 섬유를 연신시킴으로써 초래되는 각 위치에서의 요구되는 길이를 변화시킴으로써 가능하다.

본 발명에 따른 공정의 다른 이점은 패키지의 플라이내의 섬유를 일방향 이상, 즉 필요한 모든 방향에서 배향시킴으로써, 보다 균일한 특성을 가진 구김이 없는 물품이 수득될 수 있다는 것이다.

상기에서 언급된 베르미어렌(Vermeeren) 등의 문헌에서는, 드레이프(Drape)라는 컴퓨터 프로그램을 이용하여 변형 거동을 예측한다. 이러한 프로그램은 전적으로 전단, 슬립 및 선택적으로는 구성으로 인한 낮은 탄성 변형률 또는 신장률과 같은 변형 메카니즘의 효과에 기초한 것이다.

2004년 4월 발표된 이.에이.디. 라머스(E.A.D. Lamers)의 논문[Technical University of Twente(NL), "Shape distortions in fabric reinforced composite products due to processing induced fibre orientation"]에서는, 또한 전단에 기초한 변형 모델을 사용하는 것이 제시되어 있으며, 섬유 변형률은 무시할 수 있는 것으로 가정하였다.

따라서, 섬유의 연신성을 섬유 플라이의 패키지에 대한 변형 메카니즘으로서 이용할 수 있다는 지식이 전적으로 본 기술분야에는 없었다.

본 발명의 공정은 하나 이상의 방향에서 만곡된 물품의 제조에 관한 것이다. 이러한 물품의 실례로는 레이돔(radome), 헬멧, 어깨용의 탄도 보호 패널 또는, 예를 들면, 다른 군용 보호수단 및 자동차 또는 군용 헬리콥터용의 방호 패널이 포함된다.

이러한 물품은 중합체성 섬유를 함유하는 하나 이상의 플라이의 패키지로부터 형성된다. 적합한 중합체성 섬유는 중합체 물질로부터 제조되는데, 그의 거대분자는 부과된 응력의 영향하에 융점 미만의 온도, 즉 고체 상태에서 특정한 정도의 체인 슬립(chain slip)을 나타낸다. 이러한 중합체의 실례로는 다양한 폴리올레핀, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 그와 선택적으로는 다른 단량체와의 공중합체, 폴리비닐 알콜, 및 폴리아마이드 및 폴리에스터, 특히 하나 이상의 지방족 단량체 단위를 함유하는 폴리아마이드 및 폴리에스터가 포함된다. 바람직하게는, 폴리올레핀 섬유, 특히 폴리에틸렌 섬유가 사용된다. 폴리에틸렌 섬유는 바람직하게는 선형 폴리에틸렌, 즉 100 C-원자당 10개 이상의 탄소원자를 함유하는 1개 미만의 측쇄, 보다 바람직하게는 300 C-원자당 1개 미만의 측쇄를 가진 폴리에틸렌으로부터 제조된다.

다양한 형태의 섬유가 본 발명에 따른 공정에 사용될 수 있다. "섬유"는 그의 길이가 가로 치수보다 훨씬 더 크고, 모노필라멘트, 멀티필라멘트 사(絲), 스트립, 리본 또는 테이프 등을 포함하는 본체를 포함한다. 적합한 섬유는 멀티필라멘트 사를 포함하며, 이때 필라멘트의 두께 및 개수는 중요하지 않다. 적합한 사는 예를 들면 100 내지 4000dtex의 역가(titer)를 갖는다. 사를 구성하는 필라멘트당 두께는 예를 들면 0.2 내지 20dpf로 변할 수 있다. 또한, 단 필라멘트 또는 스테이플 섬유로부터 방적된 사를 사용할 수도 있다. 그러나, 바람직하게는, 멀티필라멘트 사가 사용된다.

바람직하게는, 소위 고성능 사가 사용되며; 이들은 탁월한 기계적 특성, 특히 2 GPa 이상의 인장 강도 및 50 GPa 이상의 인장 모듈러스를 갖는 섬유이다. 보다 바람직하게는, 인장 강도는 2.5 GPa 이상, 보다 바람직하게는 3 GPa이며, 모듈러스는 70 GPa 이상, 보다 바람직하게는 90 GPa이다. 섬유의 인장 특성은 ASTM D885M에 명시된 방법으로 측정한다. 이러한 고 모듈러스 및 인장 강도를 갖는 섬유를 사용하면 매우 양호한 기계적 특성 및 탄도 특성, 및 외부의 힘에 대해 고저항성을 갖는 물품(예, 헬멧)이 제조된다.

본 발명에 따른 공정에 사용하기 부적합하거나 또는 덜 적합한 것은 방향족 폴리아마이드(아라미드), 폴리벤즈이미다졸 또는 폴리벤즈옥사졸과 같은 리오트로픽(lyotropic) 또는 서모트로픽(thermotropic) 액정 거동을 나타내는 중합체를 기본으로 하는 고성능 섬유인 것으로 밝혀졌다. 이러한 유형의 섬유는 목적하는 높은 기계적 강성 및 강도를 가지며, 따라서 헬멧과 같은 물품에 사용하기에 적합하지만, 그의 융점보다 낮은 온도에서 임의의 불가역적 변형을 전혀 나타내지 않거나 약간 나타낸다. 이와 유사한 이유로, 고성능 유리 섬유 및 탄소 섬유는 본 발명의 공정에 사용하기에 부적합한 것으로 입증되었다.

놀랍게도, 우수한 기계적 특성을 가진 몇몇 섬유, 특히 극-고분자량 폴리에틸렌계 섬유가 본 발명에 따른 공정에 사용하기에 적합한 것으로 밝혀졌다.

이러한 강성 섬유는 바람직하게는 극-고분자량 폴리에틸렌(UHPE)으로부터 제조된다. UHPE는 4 dl/g 이상, 바람직하게는 8 dl/g 이상의 고유점도(Ⅳ, 135℃에서 데칼린중의 용액에 대해 측정)를 갖는 선형 폴리에틸렌인 것으로 생각된다. 이러한 섬유의 제조방법 및 특성들이 많은 공개 문헌, 예를 들면 GB 204214 A 및 WO 01/73171 A1에 기술되어 있으며, 이러한 섬유는, 예를 들면 DSM(네덜란드)사의 다이니마(Dyneema, 등록상표), 허니웰(Honeywell)(미국)사의 스펙트라(Spectra, 등록상표)라는 상품명으로 시판되고 있다.

섬유를 함유하는 플라이, 또한 섬유 플라이는 바람직하게는 연속 섬유를 함유한다. 이는 90% 이상의 섬유가 플라이의 전체에 걸쳐 연장되며, 플라이의 외부 테두리에서 시작하여 종결되거나 또는 그 역으로 시작하여 종결된다는 것을 의미한다. 적합한 플라이는 직물의 형상을 가질 수 있지만, 또한 플라이내의 섬유가 평행하게 정렬된 비방향성 플라이, 또는 섬유가 불규칙한 방향을 가진 매트와 같은 소위 부직포일 수도 있다. 섬유의 경사(warp) 및 위사(weft)는 동일하거나 유사한 섬유로 이루어질 수 있지만, 고성능 섬유를 또한 어느 한쪽 방향에서 적용하고 결코 우수하지 않은 기계적 특성을 갖는 섬유를 다른 방향에서 적용할 수도 있다. 직물은 균형을 이룰 수 있으며, 이는 거의 모든 많은 섬유가 양방향에서 존재하는 것을 의미하지만, 균형을 이루지 못하거나 또는 일방향 특성을 가진 직물인 일방향직물 구조를 가질 수도 있다. 그의 적합한 실례가 예를 들면 EP 1144740 B1에 기술되어 있다. 섬유는 모노필라멘트로서 존재할 수 있지만, 꼬임 사 또는 비꼬임 사 번들(bundle)로 존재할 수도 있다.

바람직하게, 다수의 적층된 섬유 플라이의 패키지가 출발 형태이다. 일방향 플라이가 사용되는 경우, 각 플라이내에서의 섬유 방향은 바람직하게는 인접한 플라이 또는 플라이들에서 서로에 대해 일정한 각도, 예를 들면 약 90°이다. 특정 실시태양에서, 섬유 방향은 패키지내에서 균일하게 분포된다. 이는 성형 공정에서 보다 등방성으로 분포된 힘을 가하며, 따라서 보다 균질의 특성을 갖는 물품이 제공된다.

섬유 플라이는 단지 섬유만으로 이루어질 수 있지만, 이러한 플라이는 또한 섬유 및 섬유가 매립되는 매트릭스로서의 50 질량% 이하의 결합제, 예를 들면 적합한 중합체로 이루어질 수도 있다. 본원에서 사용되는 "결합제"란 용어는 섬유를 완전하게 또는 부분적으로 감싸서 가공 도중 및 가공 후에 섬유를 함께 유지시켜 주는 물질을 지칭한다. 이러한 결합제는 매트릭스 물질일 수 있지만, 또한 섬유 방향에 대해 일정한 각도로 위치되는 접착제 스트립일 수도 있다. 결합제는 다양한 형태중의 하나의 형태, 예를 들면 필름으로서 적용될 수 있지만, 또한 중합체 용융물, 현탁액 또는 용액으로서 섬유상의 단지 특정 영역에 적용되거나 또는 섬유상에 균질하게 분포될 수 있다. 또한 상이한 결합제의 조합이 적용될 수도 있다. 적합한 결합제가 예를 들면 EP 0191306 B1, EP 1170925 A1 및 EP 0683374 B1에 기술되어 있다.

바람직하게, 결합제는 열경화성 또는 열가소성의 중합체성 물질 또는 그의 혼합물이며, 이러한 물질의 파쇄시 변형률은 바람직하게는 플라이가 형성되어 만곡된 물품을 수득하는 섬유의 최대 연신 변형률보다 더 크다. 이러한 최대 연신 변형률의 실례로서 하기 예를 제공할 수 있다: 편평한 플라이로부터 반구체를 형성하는 경우, 섬유는 약 1.6의 연신비에 상응하는 인자 1/2 π 이하로 변형될 것이다.

적합한 중합체성 결합제는 예를 들면 WO 91/12136 A1(15 내지 21면)에 언급된 것들이다. 바람직하게는, 비닐 에스터, 불포화 폴리에스터 및 에폭시 수지 또는 페놀 수지가 열경화성 중합체로서 사용된다. 바람직하게, 열가소성 결합제는 예를 들면 폴리우레탄, 비닐 중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리올레핀, 또는 폴리아이소프로펜-폴리에틸렌-부텐-폴리스타이렌 또는 폴리스타이렌-폴리아이소프렌 블록 공중합체와 같은 열가소성 블록 공중합체이다. 특정 실시태양에서, 결합제는 바람직하게는 섬유내의 개별 필라멘트를 보호하며 (25℃에서 ASTM D638에 따라 측정하였을 때) 40 MPa 미만의 인장 모듈러스를 갖는 열가소성 탄성중합체로 필수적으로 이루어진다. 이러한 결합제는 고굴곡성을 갖는 플라이 및 강성 및 인성의 조합을 갖는 물품을 생성한다. 총탄의 충격과 같은 다양한 물품에 대한 보호능을 제공해야 하는 헬멧과 같은 물품을 성형하는 경우, 높은 강성을 가진 결합제 물질을 사용하는 것이 바람직한 반면; 다른 방법으로는 만곡된 물품의 강성을 향상시키는 물질을 패키지에 첨가한다.

또한, 필름이 섬유 플라이내에 결합제(바람직하게는, 열가소성 물질, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 그의 공중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에스터, 폴리아마이드 또는 폴리우레탄 및 전술된 중합체의 열가소성 탄성중합체성 이형체, 보다 바람직하게는 폴리에틸렌(이의 융점은 바람직하게는 섬유의 융점보다 낮다)과 같은 폴리올레핀)로서 사용될 수도 있으며, 이러한 필름은 물품의 제조 온도에서 용융되어 섬유를 완전히 또는 부분적으로 보호하거나 감쌀 수 있다. 적합한 필름은, 예를 들면, 20㎛ 미만, 바람직하게는 15㎛ 미만, 보다 바람직하게는 10㎛ 미만의 두께를 갖는다. 이러한 필름은 또한 결합제, 예를 들면 매트릭스 물질을 이미 함유하고 있는 일방향 섬유 플라이의 적층물상의 외부 플라이로서 적용될 수도 있다.

섬유 플라이내의 결합제의 양은 바람직하게는 30 질량% 이하, 보다 바람직하게는 25 질량% 이하, 보다 더 바람직하게는 20 질량% 이하, 가장 바람직하게는 15 질량% 이하이며, 이는 섬유가 대부분 목적하는 기계적 특성 또는 탄도 특성에 기여하기 때문이다.

특정 실시태양에서, 섬유 플라이는, 본 발명에 따른 공정 도중에 또는 그 이전에 온도, 압력 및 시간을 조합하여 부분적으로 용융시키고 표면에서 융합(또한 소결로도 알려짐)시킨 섬유만을 함유한다. 이러한 섬유는 장력을 유지하며, 따라서 분자 이완의 결과로서 양호한 기계적 특성이 손실되거나 또는 상당히 감소하는 것을 억제한다. 소결된 섬유 플라이를 갖는 이러한 물품은 레이더 빔(radar beam)에 매우 투명하며, 따라서, 예를 들면 강하게 이중으로 만곡된 레이돔에 사용하기에도 또한 적합하다.

패키지는 목적하는 두께에 도달하도록 다수의 섬유 플라이로 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 공정에서는, 원칙적으로는 다수의 상이한 섬유 배열뿐만 아니라 조합을 섬유 플라이에 사용할 수 있다. 그 예로는 다양한 직물, 예를 들면 불규칙하거나 일방향으로 배향된 섬유 플라이를 가진 부직포가 있다. 이는 출발 물질내에 하나 초과의 섬유 방향이 존재하는 경우에 어려워지는, 평면 전단에 의해 거의 배타적으로 형성되는 공지된 공정 이상으로 유리한 점이다. 특히, 패키지를 구성하는 개별 플라이가 2개 초과의 섬유 방향을 갖는 경우, 공지된 공정으로 구김이 없는 물품을 생산한다는 것은 거의 불가능하다. 본 발명에 따른 공정에서는, 섬유 방향의 수에 대한 제한이 전혀 없으며; 실제로는, 매우 균일한 특성을 갖는 물품을 수득하는 점에서 다수의 상이한 섬유 방향이 유리하다.

발사체(projectile)를 정지시키도록 설계된, 헬멧과 같은 소위 탄도 물품의 경우, 비교적 얇은 개별 섬유 플라이, 예를 들면 일방향 플라이를 사용하는 것이 유리하다. 일반적으로, 보다 얇은 플라이가 동일한 총 중량에서 개수는 더 적지만 더 두꺼운 플라이의 패키지보다 더 나은 결과를 제공한다. 개별 섬유 플라이의 두께는 바람직하게는 0.1㎜보다 얇고, 보다 바람직하게는 0.05㎜보다 얇고, 보다 더 바람직하게는 0.03㎜보다 얇다.

섬유 플라이의 패키지는 서로 부착되지 않은 플라이의 느슨한 적층물일 수 있을 뿐만 아니라, 예를 들면 접착제를 사용하고/사용하거나 가압하에 및 섬유의 융점 미만의 승온에서 플라이를 압착하여 느슨한 플라이를 일체화시킨 이전 단계의 결과로서 플라이가 서로 부착된 시이트일 수도 있다. 전자의 경우, 본 발명에 따른 공정은 또한 바람직하게는 플라이를 가압하에 및 섬유의 융점 미만의 승온에서 함께 가압시키는 단계를 포함한다. 이러한 단계는 인장 응력을 가한 후에 즉시 이어지거나, 또는 전적으로 또는 부분적으로 그와 동시에 일어날 수 있다. 느슨하게 적층된 섬유 플라이 사이의 부착은 섬유 플라이내의 결합제의 존재로 인하여, 상기 언급된 소결 효과로 인하여, 또는 예를 들면 전술한 바와 같은 필름 형태의 접착제 플라이와 같은 패키지내의 추가적인 플라이의 존재로 인하여 유발될 수 있다.

목적하는 섬유 방향을 가진 목적하는 수의 적층된 섬유 플라이는 승온에서 그를 변형(열변형)시킴으로써 목적하는 형상으로 된다. 이러한 변형은 가열된 다이, 및 경우에 따라서는, 상보적 마스터 몰드(complementary master mould)를 사용한 성형과 같은 그자체로 공지된 적합한 기법을 이용하여 실시될 수 있다. 이때, 섬유 플라이를 지지 표면내의 개구부상에, 특히 몰드 개구부상에 위치시키고, 밀폐된 테두리를 가진 블랭크홀더를 사용하여 개구부의 슬립이 없는 외측을 지지 표면상에 클램핑한다. 본원에서, "슬립이 없는 클램핑"이란, 하기에 논의된 섬유 플라이상에 인장 응력을 부과함으로써 클램핑된 섬유 플라이상에서 가하는 힘하에서, 섬유 플라이가 제위치에 유지되고, 공지된 공정과는 반대로, 몰드내로 연신된다 하더라도 거의 연신되지 않는 그러한 힘으로 지지 표면에 대해 가압하는 것을 의미한다. 바람직하게, 최대 연신은 섬유 플라이가 열변형되는 신장의 30% 이하, 바람직하게는 20% 이하가 섬유 플라이를 블랭크홀더의 바로 아래에서 멀리 슬리핑시키고, 따라서, 그 결과로 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상의 섬유가 연신되는 것을 의미한다.

결과적으로, 목적하는 형상을 가진 다이가 섬유 플라이상에 직각으로 나타나고, 개구부를 통하여 확장하며, 다이는 테두리에 의해 한정된 평면에 대해 필수적으로 수직한 밀폐된 테두리내에 위치된 플라이의 구역상에서 힘을 가한다. 이러한 방식에서, 섬유는 인장 응력을 받게 된다.

블랭크홀더로 클램핑하기 전에, 섬유 플라이를, 예를 들면 오븐내에서, 섬유 중합체의 융점 미만의 온도가 되도록 하며; 다른 방법으로는, 클램핑한 후에, 예를 들면 적외선 가열이나 열기를 이용하여 섬유 플라이를 목적하는 온도가 되도록 한다. 바람직하게, 이러한 온도는 다이, 및 사용된 경우, 하기에서 정의되는 몰드의 온도와 동등하다.

다이, 및 사용된 경우, 몰드의 온도는 섬유 중합체의 융점보다 10℃ 이하 정도 위의 온도와 상기 융점보다 20℃ 이하, 바람직하게는 15℃ 이하 정도 아래의 온도 사이의 온도가 된다. 가열된 다이와 외측 섬유 플라이와의 접촉으로 인하여, 그러한 플라이 및 추가의 플라이의 온도는 섬유 중합체의 융점과 상기 융점보다 20℃ 이하 정도 아래의 온도 사이일 것으로 추측된다.

다이는 섬유 중합체 자체의 융점보다 더 높은 온도를 가질 수 있는데, 그 이유는 다이가 인장될 경우(이는 다이가 개구부를 통하여 강력하게 확장되는 경우이다)에 섬유의 융점이 상승하기 때문이다.

섬유 플라이상에서 다이에 의해 가해지는 힘은 섬유내에서 인장 응력을 야기하며, 충분히 큰 경우에는, 상기 온도 범위에서 섬유의 불가역적 변형 또는 연신을 유도한다. 그 마지막에, 부과된 응력은 바람직하게는 섬유의 인장 강도의 5 내지 90%가 되어야 한다. 패키지상에서 다이에 의해 가해지는 힘은 플라이내의 섬유의 양 및 그의 인장 강도에 의해 측정된다. 바람직하게, 부과된 응력은 섬유 인장 강도의 10% 또는 바람직하게는 20% 내지 그의 80% 이하, 바람직하게는 70% 이하이다. 응력이 더 커지면 섬유의 이완이 억제된다.

온도가 부과된 응력에서의 융점인 섬유의 실질적인 융점에 더 가까워지고, 부과된 섬유 응력이 상승함에 따라 연신 공정이 더 신속하게 진행될 것이다. 연신 공정이 더 느리게 진행함에 따라, 섬유내에서의 분자 이완의 위험이 증가하며, 이는 섬유의 강도 및 모듈러스, 및 따라서 형성되는 물품의 특성에 대해 역효과이다. 실질적인 융점보다 더 높은 온도에서는 섬유의 양호한 특성이 손실되며, 부과된 응력이 섬유의 인장 강도보다 더 높은 경우에는 섬유가 파손된다.

본 발명에 따른 공정의 특정 실시태양에서, 섬유가 강성 프레임의 주변에서 상이한 방향으로 권취됨으로써 섬유 플라이가 몰드내로 연신되어 다양한 플라이가 형성되는 것이 억제된다. 프레임이 변형되지 않은 경우, 부과된 인장 응력은 단지 부수적인 블랭크홀더를 사용하지 않고서도 권취된 섬유를 연신시킬 것이다.

상기 지시내용은 본 기술분야의 전문가들로 하여금 목적하는 시간내에 섬유가 적절히 연신되도록 온도와 섬유 장력의 적합한 조합을 선택할 수 있도록 해준다. 극고분자량 폴리에틸렌으로 제조한 섬유를 함유하는 패키지의 경우, 달성되는 온도, 인장 응력 및 변형량에 따라, 통상적으로는 목적하는 변형 및 연신이 약 1 내지 40분, 바람직하게는 약 2 내지 30분내에 일어날 것이다.

본 발명에 따른 공정에 사용되는 패키지가 예비 가압시킨 패키지와 같은 서로 부착된 플라이의 패널인 경우, 선택적으로는 상보적 다이 또는 몰드를 사용한다. 몰드를 사용하고 가압하는 이점은 형성된 물품 특성의 또 다른 개선이다. 사용된 패키지가 섬유 플라이의 느슨한 적층물인 경우, 또한 인장 응력의 영향하에 섬유의 연신 단계와 부분적으로 동시에 일어날 수 있는 다음 단계에서, 패키지가 섬유의 융점 미만의 승온에서 다이 및 몰드의 조합에 의해 가압되고, 섬유 플라이가 서로 부착되거나 연결된 물품이 수득되도록 상보적 몰드를 사용하는 것이 바람직하다. 패키지에 인가되는 압력은, 예를 들면 약 0.1 MPa 내지 약 30 MPa에서 광범위하게 변할 수 있으며, 더 높은 압력에서 더 양호한 결과가 수득된다.

성형하고 선택적으로 가압한 후, 섬유의 바람직하지 않은 이완 공정을 피하고 물품의 향상된 치수를 달성하기 위하여, 바람직하게는 물품의 온도가 약 80℃보다 낮게 될 때까지 다이를 제위치에서 유지시켜 물품을 냉각시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 공정의 부수적인 이점은 연신 공정이 특히 이완이 억제된 경우에 섬유의 기계적 특성을 더 향상시킨다는 점이다.

추가의 이점은 본 발명에 따른 공정이 다수의 다이 및 몰드를 사용하여 많은 수의 생성물을 패키지로부터 동시에 쉽게 제조할 수 있게 한다는 점이다. 공지된 공정에서, 섬유 플라이는 다이가 확장됨에 따라 과도하게 이동한다. 하나의 패키지로부터 많은 수의 생성물을 동시에 제조하는 경우, 패키지내의 플라이의 변형은 형성된 물품의 품질에 부정적인 영향을 미친다. 따라서, 본 발명에 따른 공정에서는, 하나의 패키지로부터 더 나은 품질 및 더 적은 물질내에서의 엣지(edge) 손실을 갖는 많은 수의 물품을 동시에 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 공정에 의해 제조된 물품은 몰드내로의 연신, 전단 및 슬립이 보다 균질한 구조에 의한 변형 메카니즘이라는 점에서 그 자체로 공지된 공정에 의해 제조된 물품과 구별된다. 제조된 물품은 구김이 없으며(이는 임의의 구김이 전혀 없거나 거의 없음을 의미한다), 2개의 인접 플라이내의 섬유 사이의 각도가 물품 전체에 걸쳐 더 적게 다르다. 공지된 물품에서, 분명한 차이는 상기 파라미터내에서 블랭크홀더 아래에서의 몰드내에서의 섬유 플라이의 불균질 연신 및 변형의 결과로서 및 서로 마주하여 발생하여 슬립되어 물품 특성에서의 불균일을 일으키는 전단의 결과로서 나타날 수 있다.

그러므로, 본 발명은 또한 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 공정에 의해 수득할 수 있는 하나 이상의 방향에서 만곡된 물품에 관한 것이다.

본 발명의 특이한 특징은 섬유가 성형 공정 도중에 변형된다는 것이다. 변형량은 물품의 다른 위치에서의 섬유에 대해 서로 다르다. 변형 도중, 섬유 부피가 실질적으로 동일하게 유지되기 때문에 섬유 직경은 감소한다. 본 발명의 공정에 의해 수득할 수 있는 물품의 특징은 물품내의 섬유의 평균 직경이 출발 패키지내의 섬유의 평균 직경보다 더 작다는 것이다. 섬유 직경은 통상 통계적인 범위를 나타낸다. 본원에서 평균 직경은 대부분의 섬유에 대해 통상적인 직경으로서 정의된다. 다시 말하여, 섬유 직경의 통계 분포의 그래프 도표내의 피크에서의 직경이 최고로 높다(필라멘트 직경 막대그래프). 섬유의 필라멘트 직경 분포를 예를 들면 광학 기법을 영상 분석법과 함께, 예를 들면 공급자인 호니크 피버테크(Hornik Fibertech)(CH)의 지침에 따라 OFDA 100 자동화 투영 현미경과 함께 사용하여 측정할 수 있다. 섬유 플라이의 가압 패널 또는 성형된 물품의 경우, 현미경, 예를 들면 광 현미경 또는 전자 현미경을 사용하여 그의 단면상에서 섬유 직경을 육안으로 볼 수 있는 플라크(plaque)를 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 공정에 의해 수득할 수 있는, 하나 이상의 방향에서 만곡된 물품은 상기 언급된 정의에 따르면 상이한 위치에서 상이한 평균 섬유 직경을 나타내며, 이때 측정된 최대 평균 값과 최소 평균 값 사이의 차는 7% 이상(약 15%의 신장률 차이에 상응)이다. 따라서, 최대 측정 값은 패키지의 섬유 플라이내의 섬유의 평균 섬유 직경의 초기 값과 실질적으로 동등하다. 이는 특히 인장 응력을 적용하기 이전에 하나의 특정한 평균 섬유 직경을 가진 섬유를 함유한 섬유 플라이의 패키지로부터 물품을 수득한 경우에 적용한다. 그러므로, 본 발명은 또한 이러한 직경의 차이가 있는 섬유를 함유하는 만곡된 물품에 관한 것이기도 하다. 바람직하게, 이러한 차이는 10% 초과, 보다 바람직하게는 15% 초과(약 30%의 신장률 차이에 상응), 가장 바람직하게는 25% 초과이다.

Claims (15)

1. 중합체성 섬유를 함유하는 하나 이상의 적층 플라이의 패키지를 승온에서 변형시킴으로써 그로부터 하나 이상의 방향에서 만곡된(curved) 물품을 제조하는 방법으로서,

   상기 섬유에 섬유의 인장 강도의 5% 내지 90%의 인장 응력을 부과하되, 부과된 인장 응력에서의 섬유의 융점과 상기 융점보다 20℃ 아래의 온도 사이의 온도에서 부과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   온도가 부과된 인장 응력에서의 섬유의 융점과 상기 융점보다 15℃ 아래의 온도 사이인 방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   섬유가 2 GPa 이상의 인장 강도 및 50 GPa 이상의 모듈러스를 갖는 폴리에틸렌 섬유인 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   플라이내의 섬유가 본질적으로 평행하게 정렬되는 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   플라이내의 섬유가 인접한 플라이내의 섬유에 대해 일정한 각도를 이루는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   패키지가 3개 이상의 플라이를 함유하고, 섬유의 방향이 360°에 걸쳐 동등하게 분포되는 방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   플라이가 섬유 및 결합제의 총량에 대하여 0 초과 내지 50 질량%의 섬유용 결합제를 추가로 함유하는 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   결합제의 양이 0 초과 내지 25 질량%인 방법.
10. 제 8 항에 있어서,

    결합제가 폴리에틸렌 필름인 방법.
11. 제 1 항에 있어서,

    물품이 헬멧이거나 또는 돔-형상(dome-shaped)인 방법.
12. 제 1 항에 있어서,

    패키지의 외부 테두리를 고정함으로써 인장 응력을 부과하고, 상기 외부 테두리내에 위치된 플라이의 영역에 상기 외부 테두리에 의해 한정된 평면에 대해 수직인 힘을 가하는 방법.
13. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 내지 제 12 항중 어느 한 항의 방법에 의해 수득되는 물품.
14. 제 13 항에 있어서,

    헬멧인 물품.
15. 중합체성 섬유를 함유하는 하나 이상의 플라이를 포함하는, 하나 이상의 방향에서 만곡되고 구김이 없는(wrinkle-free) 물품으로서,

    다른 위치에서 다른 평균 섬유 직경을 나타내며, 최대 평균 값과 최소 평균 값 사이의 차가 7% 이상인 물품.