KR101159141B1 - 에너지 흡수 블렌드 - Google Patents

Abstract

탄성이고, 변형 속도에 따라 증가하는 변형 하에서 저항성 부하를 나타내며, 발포되거나 발포되어 있지 않고, 미분되거나 미분되어 있지 않은 복합재로서, i) 제1 폴리머계 탄성 재료 및 ii) 상기 i)과는 상이하고, 상기 i)이 없을 때 팽창성을 나타내는 제2 폴리머계 재료를 포함하고, 상기 ii)는 상기 i)의 고체 매트릭스에 내포되고, 상기 복합재가 발포되어 있지 않거나, 또는 발포되어 있을 경우에는 발포 이전에 상기 ii)와 i)의 혼합에 의해 제조할 수 있는 복합재.

에너지 흡수 블렌드, 충격 보호 시스템, 복합재, 팽창제, 밀폐 셀 발포체, 뉴마토겐

Description

에너지 흡수 블렌드{ENERGY ABSORBING BLENDS}

본 발명은, 예를 들면 사람, 동물 또는 물체를 충격에 의한 손상으로부터 보호하기 위해 고안된 에너지 흡수 충격 시스템(이하, 충격 보호 시스템이라 칭함)과 같은, 속도 민감성(rate sensitivity)이 성능에 이점을 제공할 수 있는 응용 분야에 관한 것이다.

종래에 충격 보호 시스템은 엘라스토머 발포체 또는 이와 유사하게 비교적 유연한 탄력 압축성 물질을 에너지 흡수재로서 채용하였다. 그러나, 그것으로는 제한된 보호를 얻을 수 있을 뿐이다. 몇몇 시스템에서, 이러한 에너지 흡수재는 보다 넓은 면적에 걸쳐 충격을 확산시켜 그 효과를 감소시키고자 하는 경성 부재(rigid member)와의 결합에 사용된다. 그러나, 그러한 시스템은 가요성이 없기 쉽고, 인체와의 접촉 시 불편감을 준다. 팔꿈치나 무릎처럼 가장 손상을 입기 쉬워 보호가 필요한 신체 부위는 형태상의 변화가 현저하며, 따라서 경성의 하중-분산 형태에 맞추려는 시도들이 대개는 실패한다. 한 가지 해결책은 경성 요소에 교합부(articulation)를 도입하는 것이지만 이는 성능을 떨어뜨리고 비용을 상승시킨다.

좀더 최근에는 종종 실리콘 팽창제(dilatant)로서 알려진 변형률(strain- rate) 민감성 전단 증점 실리콘 퍼티재(shear thickening silicone putty material)를 충격 흡수 시스템의 에너지 흡수재에 사용하거나 에너지 흡수재 자체로 사용하는 방법이 제안되었다. 변형률 민감성 전단 증점제 또는 팽창제란 저속 변형에서는 점성을 갖고 유동하지만, 고속 변형에서는 변형의 변화 속도에 따라 점성이 실질적으로 증가하는 물질을 의미한다. 급격한 충격에 의해 유도되는 것처럼, 훨씬 더 높은 변형 속도에서 상기 물질은 실질적으로 뻣뻣해지거나 경성으로 된다. 예를 들면 특허문헌 US-A-5599290호는 팽창제 또는 전단 증점제로서, 점성 유체 중에 고체 입자가 분산된 분산액을 채용하는 골절 방지 의복을 개시하고 있다. 특허문헌 GB-A-2349798호는 퍼티형 팽창제를 포함하는 에너지 흡수 패드를 개시한다. 그러나, 두 경우 모두, 팽창제의 자기 지지성(self-supporting nature) 결여로 인해 팽창제를 엔빌로프(enbelope)에 내포시켜야 한다. 따라서, 생성물은 제한된 가요성을 가지며, 뾰족한 물체에 의해 손상되기 쉽고, 제조 공정이 비교적 복잡하며 비용이 많이 소요된다. 이들 제조품은 또한 1000kg/㎥을 초과할 수 있는 팽창제의 비교적 높은 밀도로 인해 중량이 많이 나가는 경향이 있고, 매우 낮은 수준의 부하에서도 팽창제가 점성 유동을 나타낼 것이므로 엔빌로프 내에서 팽창제가 이동하는 문제가 있다.

실리콘 팽창제를 활용하기 위한 다른 접근 방법은 이 물질을 폴리우레탄 발포체와 같은 탄성 캐리어와 결합하는 것이었다.

본 발명자의 공동게류중인 국제특허 공개공보 WO 03/055339호에서, 본 발명자는,

i) 발포된 고체형 합성 폴리머 매트릭스;

ii) 상기 매트릭스 전체에 걸쳐 분포하며, 상기 i)의 제조 시 도입된, 상기 i)과는 상이한 폴리머계 팽창제; 및

iii) 상기 매트릭스 전체에 걸쳐 분포된 유체

를 포함하고, 생성되는 복합재(composite)가 탄력 압축성을 갖도록 상기 매트릭스, 팽창제 및 유체가 혼합된 자기 지지형 에너지 흡수 복합재, 및

i) 고체형 밀폐 셀 발포 매트릭스;

ii) 상기 매트릭스 전체에 걸쳐 분포하며, 상기 i)과는 상이한 폴리머계 팽창제; 및

iii) 상기 매트릭스 전체에 걸쳐 분포하는 유체

를 포함하고, 생성되는 복합재가 탄력 압축성을 갖도록 상기 매트릭스, 팽창제 및 유체가 혼합된 자기 지지형 에너지 흡수 복합재를 개시하고 특허청구했다.

본 발명은 충격 흡수재에 사용하거나 충격 흡수재 자체로서 사용하기에 적합한 에너지 흡수재로서, 자기 지지형이고, 밀도를, 예를 들면 블렌딩된 조건에서 임의의 중간 밀도인 약 1150kg/㎥로부터 발포 형태에서의 100kg/㎥까지 특정 응용에 맞추어 조절할 수 있는 에너지 흡수재를 제공한다.

본 발명에 따르면, 탄성이고, 변형 속도에 따라 증가하는 변형 하에서 저항성 부하(resistive load)를 나타내며, 미분되거나 미분되어 있지 않은 복합재로서, i) 제1 폴리머계 탄성 재료 및 ii) 상기 i)과는 상이하고, 상기 i)이 없을 때 팽창성(dilatancy)을 나타내는 제2 폴리머계 재료를 포함하고,

상기 ii)는 상기 i)의 고체 매트릭스에 내포되고, 상기 복합재가 발포되어 있지 않거나, 발포되어 있을 경우 발포 이전에 상기 ii)와 i)의 혼합에 의해 제조할 수 있는 것을 특징으로 하는 복합재가 제공된다.

상기 복합재는 모든 부하 형태 하에서 영구적 세트(permanent set), 예컨대 압축, 장력, 전단 또는 이들의 임의의 조합에 내성인 것이 바람직하다. 여기서 고체 매트릭스라 함은 용기를 필요로 하지 않고 자체의 경계를 유지하는 매트릭스 재료를 의미한다.

본 발명의 복합재는 그 자체로, 또는 후속하여 발포될 복합재에 대한 전구체로서 미발포 상태일 수 있다(즉, 상기 ii)가 상기 i)의 고체 매트릭스에 내포된 후 발포된다).

상기 제1 재료 i) 및 제2 재료 ii)는, 예를 들면 상기 i)과 ii)를 블렌딩하여 얻을 수 있는 긴밀한 혼합체 상태인 것이 바람직하다. 여기서 블렌딩이라 함은 상기 제1 재료 i) 및 제2 재료 ii)가 긴밀한 혼합체 상태인 복합재를 형성하도록 반용융 상태 또는 용융 상태로 폴리머계 성분 i)과 팽창제 ii)를 혼합하는 것을 의미한다.

본 발명의 복합재는 자기 지지형일 뿐 아니라, 현재의 경성 시스템을 능가할 수 있는 충격 보호 정도를 제공하며, 더 나아가, 모든 부하 형태에서 가요성인 동시에 탄력성인 바람직한 구현예에 있어서는 상당히 과도한 형태 변화에서도 긴밀한 접촉을 유지하도록 함으로써 보호하고자 하는 물체의 형태에 부합되는 능력을 갖는다. 이것은 보호 성분 설계에 있어서 중요한 점인데, 그 이유는 유도된 손상이, 힘이 분배되는 면적으로 충격력을 나누어 얻어지는 최대 힘의 함수이기 때문이다. 본 발명의 복합재는 힘을 감소시키고, 힘이 작용하거나 힘을 받는 면적을 증가시킴으로써 주어진 충격에 대하여 전달된 생성 압력이나 스트레스를 현저하게 감소시킨다. 또한, 충격에 대해 어느 정도 부합성(conformity)을 나타내고, 그에 따라 추가의 힘을 흡수할 뿐 아니라 내마모성 면에서 바람직한 형태를 형성하는 능력을 제공한다. 본 발명에 의하면, 독립적으로 사용하는 경우에, 동일 질량의 팽창제를 사용하는 것에 비해 개선된 성능을 얻을 수도 있다.

제1 재료 i)는, 제1 재료 i)를 포함하는 폴리머가, 예를 들면 폴리프로필렌 또는 고압 폴리에틸렌(LDPE), LLDPE 또는 HDPE와 같은 에틸렌계 폴리머 등의 올레핀 폴리머 또는 EVA를 포함하는 것일 수 있다.

상기 제1 재료 i)를 포함하는 폴리머는 엘라스토머를 포함하는 것이 바람직하다. 라텍스 고무와 같은 천연 엘라스토머를 사용할 수도 있지만, 본 발명자들은 합성 엘라스토머(예컨대 네오프렌), 보다 바람직하게는 열가소성 폴리에스테르와 같은 합성형 열가소성 엘라스토머를 선호한다. 그러한 엘라스토머의 바람직한 부류는 엘라스토머형 폴리우레탄 및 엘라스토머형 EVA(에틸렌/비닐 아세테이트 코폴리머)를 포함하고, 실리콘 고무 및 EP 고무, 예를 들면 EPDM 고무와 같은 다른 엘라스토머가 적합할 수도 있다.

적절한 수준의 탄력성을 나타내기만 한다면, 다른 고체 플라스틱 재료도 제1 재료 i)의 폴리머 성분으로서 사용하기에 적합할 수 있다. 상기 i)과는 상이하되 팽창성을 나타내고 제1 재료 i)의 선택된 탄성 성분(들)에 결합시킬 수 있는 임의의 폴리머계 재료를 제2 재료 ii)로서 사용할 수 있다. 팽창성을 나타내는 폴리머계 재료라 함은, 하나 이상의 폴리머 자체 또는 하나 이상의 폴리머와 하나 이상의 성분, 예를 들면 미분된 입자 물질, 점성 유체, 가소제, 증량게 또는 이들의 혼합물과의 조합에 의해 팽창성이 제공되며 이 때 폴리머가 주된 성분인 재료를 의미한다. 바람직한 일 실시예에서, 제2 재료 ii)를 포함하는 폴리머는 팽창제 성질을 나타내는 실리콘 폴리머로부터 선택된다. 실리콘계 폴리머는 붕산염을 이룬 실록산 폴리머로부터 선택되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 팽창제는 충전되거나 충전되지 않은 폴리보로디메틸실록산(PBDMS) 또는 PBDMS를 성분으로 하는 임의 수의 폴리머로부터 선택될 수 있다. 입자상 충전재와 같은 다른 성분을 포함시킴으로서 팽창성을 높일 수 있다.

팽창제는 팽창성을 제공하는 성분 이외에도, 예를 들면, 충전재, 가소제, 착색제, 윤활제 및 희석제와 같은 다른 성분과 조합할 수 있다. 충전재는 입자상인 것(마이크로스피어(microsphere 또는 마이크로벌룬(microballoon)을 포함), 섬유상인 것 또는 입자상인 것과 섬유상인 것의 혼합물일 수 있다. PBDMS게 팽창제로서 특히 바람직한 부류 중 하나는 실리콘 반발 퍼티의 일반명으로 시판되고 많은 제조자에 의해 제조되는 붕산염을 이룬 실리콘계 재료를 포함한다. 이러한 재료로는 Dow Corning사의 제품 카탈로그 번호 3179; Wacker GmbH사의 제품 번호 M48 및 M29 및 The Polish Chemical Institute의 제품명 Polastosil AMB-12 등이 포함된다. Rhodia, GE Plastics, ICI와 같은 다른 회사들도 이러한 재료 및, 예를 들면, 저속 변형에서의 유사한 모듈러스 및 적용되는 변형 속도에 대해 모듈러스의 유사한 플롯을 가진 유사한 팽창 특성을 가진 다른 폴리머계 팽창재를 제조했다.

복합재로 하여금 변형 속도에 따라 증가되는 변형 하에서 저항성 부하를 나타낼 수 있게 하는 것은 복합재 내에 존재하는 붕산염을 이룬 가교결합이라고 믿어진다. 이러한 형태의 가교결합은 일시적인 것으로 생각되는데, 그 이유는 오로지 또는 주로 폴리머의 고속 변형중에 가역적으로 형성된다고 믿어지기 때문이다. PBDMS 폴리머에서, 이러한 효과는 고속 변형중에 실록산 사슬이 슬라이딩되는 것을 억제하며, 그에 따라 점성 유동을 즉시 억제한다. 따라서 이 상태에서, 폴리머는 엘라스토머와 더욱 유사한 거동을 나타낼 것이다. 본 발명의 복합재는 또한 전술한 거동을 나타낼 수 있게 하는 붕산염 가교결합을 가진다. PBDMS 방식의 일시적 가교결합을 나타내는 다른 폴리머를 사용할 수도 있다.

본 발명의 복합재는, 예를 들면 수송이나 몰딩 목적에서 취급을 용이하게 하기 위해 미분하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 전술한 본 발명에 따른 복합재를 제조하는 방법으로서,

a) 상기 제1 재료 i)를 포함시키고자 하는 폴리머를 용융시키는 단계; 및

b) 상기 제2 재료 ii)를 포함시키고자 하는 폴리머계 팽창제를 상기 용융된 폴리머와 블렌딩하는 단계를 포함하는 제조 방법이 제공된다.

상기 제1 재료 i)를 포함시키고자 하는 폴리머는 앞에서 정의한 바와 같고, 및/또는 상기 제2 재료 ii)를 포함시키고자 하는 폴리머계 팽창제는 앞에서 정의한 바와 같다.

상기 폴리머계 팽창제는 상기 블렌딩 단계 (b) 이전 및/또는 도중에 용융되는 것이 바람직하다. 블렌딩 및 냉각 후, 상기 방법으로 형성된 상기 복합재는 (c) 미분하는 것이 적합하다.

블렌드를 형성하는 바람직한 한 가지 방법은, 응집을 방지하기 위해 우선 엘라스토머와 같은 폴리머로 코팅된 제2 재료 ii)로 된 마이크로스피어를 형성하는 것이다. 이들 코팅된 마이크로스피어는 이어서 미분되거나 용융 상태에 있는 상기 제1 재료 i) 내에 도입된다.

본 발명은 또한 전술한 본 발명의 방법에 의해 제조된 복합재를 제공한다.

본 발명의 중요한 태양에 따르면, 전수한 본 발명의 방법에 의해 제조되는 복합재로서, 계속해서 발포된 것이며, 그와 같이 제조된 발포체는 밀폐 셀 발포체인 복합재가 제공된다.

상기 셀은 뉴마토겐(pneumatogen), 가스, 증기, 초임계 액체, 또는 이의 전구체로서, 예를 들면 질소 또는 이산화탄소를 포함하는 것이 바람직하다. 일반적으로 상기 가스나 증기는 매트릭스 전체에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분산될 것이나, 경우에 따라서는 불균일한 분산이 바람직할 수 있다. 가스나 증기가 탄력 압축성에 기여하는 바는 매트릭스 내에서의 가스나 증기의 재분배 또는 가스나 증기의 압축(또는, 실제로 이들 효과 모두)에 기인할 수 있다. 복합재 내에 가스나 증기가 존재함으로써 복합재의 전반적 밀도를 현저히 감소시킬 뿐 아니라, 공압 효과(pneumatic effect)와 관련하여 펌핑 손실로 인해 시스템 내에서의 소정량의 댐핑(damping)을 제공할 수 있다. 발포체에서의 밀폐 셀 대 개방 셀의 비율에 따라 증가되는 공압 효과에 의해 압축 탄성도 높아질 것이다. 공압식 댐핑의 양은 충격 시 에너지 흡수를 고려할 때 바람직하며, 복합재의 반응성을 더욱 높일 것이다.

발포체의 중요한 성질은 발포체가 변형된 후, 특히 압축된 후에 회복되는 속도이다. 바람직하게는, 그러한 회복은 수 초 내, 예컨대 5초 이내, 보다 바람직하게는 2초 이내에 완료되거나 거의 완료된다. 그러나 응용분야에 따라서는 그보다 느린 회복 속도가 바람직할 수 있다.

본 발명의 발포 복합재는 제1 재료 i)를 포함시키고자 하는 폴리머; 제2 재료 ii)를 포함시키고자 하는 폴리머계 팽창제; 및 가스, 증기, 초임계 액체 또는 그의 전구체를 혼합하여, 상기 팽창제와 상기 가스나 증기가 상기 매트릭스 전체에 걸쳐 일반적으로 실질적으로 균일하게 분포되도록 하여 변형 속도에 따라 증가되는 변형 하에서 저항성 부하를 나타내는 탄력 압축형 재료를 생성함으로써 제조될 수 있다. 그러나, 어떠한 공정을 이용하건 간에, 발포체의 구조에 팽창제를 혼입할 수 있는 상태에서 기공(pore)으로부터 가스나 증기를 완전히 치환시키지 않는 것이 중요하다.

그러한 방법의 하나는, 본 발명에 따른 미발포 복합재 또는 상기 i) 및 ii)의 혼합물을 뉴마토겐 공급 수단을 포함하는 사출 성형기의 통(barrel)에 혼입하는 단계; 상기와 같이 정의된 재료를 용융 형태가 되도록 고온 및 고압으로 처리하는 단계; 뉴마토겐을 상기 통에 공급하는 단계; 및 가열된 복합재의 압력을 강하시킴으로써 복합재를 발포시키는 단계를 포함한다.

이 방법에서 압력은, 적합하게 주변 압력에서 상기 복합재를 몰드 내에 사출하거나 상기 복합재를 압출함으로써 강하시킬 수 있다. 그러한 공정은 연속식으로 수행될 수 있다.

상기 i)에 대한 ii)의 중량비는 4 내지 0.25인 것이 바람직하고, 2.3 내지 1인 것이 보다 바람직하다. 가열된 온도는 150℃ 내지 240℃가 바람직하고, 170℃ 내지 210℃가 가장 바람직하다. 뉴마토겐을 사출하는 압력은 1600 psi 내지 2000 psi가 바람직하고, 1700 psi 내지 1900 psi가 가장 바람직하다.

또 다른 방법은, 본 발명에 따른 미발포 복합재 또는 상기 i) 및 ii)의 혼합물을 뉴마토겐 공급 수단을 포함하는 밀봉 용기(hermetic container) 내에 혼입하는 단계; 상기 복합재를 고압 하에서 고온 처리하는 단계; 및 뉴마토겐을 상기 밀봉 용기에 주입하는 단계를 포함한다. 상기 용기의 내부는 몰드로서 형성되어 있는 것이 적합하다.

상기 i)에 대한 ii)의 중량비는 4 내지 0.25인 것이 바람직하고, 2.3 내지 1인 것이 보다 바람직하다. 가열된 온도는 150℃ 내지 240℃가 바람직하고, 170℃ 내지 200℃가 가장 바람직하다. 가압된 압력은 8000 psi 내지 12000 psi가 바람직하고, 9000 psi 내지 11000 psi가 가장 바람직하다.

상기 공정에서, 상기 제1 재료 i)를 포함시키고자 하는 폴리머 및 상기 제2 재료 ii)를 포함시키고자 하는 폴리머계 팽창제는 긴밀한 혼합체를 형성하도록 혼합되고, 얻어지는 혼합물은 이어서 복합재를 형성하도록 발포된다. 채용하는 방법은 다양한 화학적 또는 물리적 발포법(blowing method)과 같은 알려져 있는 여러 가지 산업계에서 사용되는 공정으로부터 선택될 수 있다. 매우 높은 압력의 질소 분위기를 이용하는 또 다른 제조 공정도 가능하다. 이 공정은 가교 결합(화학적으로 또는 조사에 의해)된 다음 질소로 충전된 오토클레이브 내에서 가열 및 가압 사이클 처리되는 블렌드의 고체 압출 섹션을 이용한다. 상기 온도는 매우 높은 압력(10,000 psi) 상태에 있는 가스의 용해도를 보조하는 상기 재료를 연화시킨다. 이 공정은 사용되는 재료의 종류와 두께에 따라 수 시간 소요될 수 있다. 이러한 1차 오토클레이브 공정 후, 얻어지는 재료는 매우 고압에서 질소가 포획된 작은 기포를 갖는다. 다음으로, 2차의 저압/저온 사이클에 의해 포획된 질소가 둘러싼 물질을 팽창시켜 발포체를 형성한다. 이 제2 공정의 정확한 압력과 온도 사이클은 제조되는 발포체의 최종 밀도를 결정하게 된다. 이것은 영국 크로이돈 소재 Zotefoams사가 사용하는 방법이다.

또 다른 방법은, 앞에서 정의한 바와 같은 미발포 복합재 또는 상기 i) 및 ii)의 혼합물의 성분 중 하나 또는 모두와, 가스 또는 증기를 밀봉식으로 캡슐화하는 플라스틱 외피(shell)를 포함하는 마이크로스피어를 혼입하는 단계; 상기 재료를 고온 및 고압 하에서 처리하는 단계; 및 상기 가열된 복합재의 압력을 저하시킴으로써 마이크로스피어를 팽창시켜 상기 복합재를 발포시키는 단계를 포함한다. 이 방법에서 압력은, 적합하게 주변 압력에서 상기 복합재를 몰드 내에 사출하거나 상기 복합재를 압출함으로써 강하시킬 수 있다. 그러한 공정은 연속식으로 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 방법에서, 본 발명의 발포 복합재는 가스를 밀봉식으로 캡슐화하는 폴리머 외피를 포함하는 마이크로스피어를 뉴마토겐으로서 이용하여 제조할 수 있다(예; Akzo Nobel 사의 EXPANCEL). 상기 마이크로스피어는 상기 i)과 ii)의 블렌딩 이전에, 제1 재료 i)와 혼합되거나 제2 재료 ii)로 코팅될 수 있다(또는, 사실상 두 가지 모두 가능). 제조된 블렌드를 가열하면, 마이크로스피어 내의 가스가 팽창(팽창은 약 40배일 수 있음)하여 밀폐 셀을 생성한다.

상기 i)에 대한 ii)의 중량비는 4 내지 0.25인 것이 바람직하고, 2.3 내지 1인 것이 가장 바람직하다. 가열된 온도는 160℃ 내지 230℃가 바람직하고, 190℃ 내지 210℃가 가장 바람직하다. 가압된 압력은 사출 성형기 또는 압출기 내에서 자연 발생된 압력으로서, 5000 psi 내지 8000 psi가 바람직하고, 6000 psi 내지 7000 psi가 가장 바람직하다.

본 발명의 복합재는 상기 제1 재료 i)를 포함시키고자 하는 폴리머, 상기 제2 재료 ii)를 포함시키고자 하는 폴리머계 팽창제 및 가스나 증기 이외에 다른 성분을 포함할 수 있으며, 그 예로는 섬유상 및/또는 입자상 충전재, 가소제, 윤활제, 증량제, 안료 및 염료 등이다. 필요할 경우, 본 발명의 복합재를 경성 또는 가요성인 엔빌로프 내에 수용할 수 있지만, 본 발명의 유용한 특징은 그러한 격납이 필수적은 아니라는 점이다.

유사하게, 상기 복합재를 경성 또는 반경성 성분과 혼합할 수 있지만, 복합재의 사용에 있어서 그러한 혼합이 필수적인 것은 아니며, 심지어 특정 용도에서는 복합재의 성질 중 일부를 절충할 수도 있다.

더 나아가, 본 발명의 복합재를 직물층(textile layer) 또는 그 유사물과 결합시킬 수도 있고, 이 경우 직물은 마모 성능 및 경우에 따라서는 예리한 물체의 침입에 대한 저항을 높이는 기능 및/또는 복합재를 다른 시스템 또는 생성물에 부착시키는 데에 보조하는 기능을 갖는다. 신축성 직물 안감도 재료의 신장을 제한하는 역할을 함으로서 내구성을 제공한다. 직물은 또한 KEVLAR의 특정 직조 등급과 같이 방탄 섬유 또는 스탭 프루프(stab-proof) 섬유의 역할도 한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 탄성, 변형률 민감도, 인장 강도, 경도, 탄성률, 및 크리프 모듈러스와 같은 복합재의 최종 성질을 친화성 부여제(compatibiliser)의 이용 또는 가교결합(또는, 사실상 두 가지 모두)에 의해 주의깊게 제어할 수 있다. 가교결합은 화학적 또는 물리적 가교결합(예를 들면, 조사에 의하거나 엉킴 중합(entanglement polymerisation)에 의한 것)일 수 있고, 제1 재료 i) 또는 제2 재료 ii)(또는, 사실상 두 가지 모두)에 대해 이루어질 수 있다. 제1 재료 i)를 제2 재료 ii)에 가교결합시킬 수 있다.

일반적으로, 본 발명의 복합재는 크리프 및 압축 세트에 내성을 나타낸다. 복합 모듈려스의 낮은 크리프 모듈러스는, 반드시 그런 것은 아니지만, 압축 세트에 대한 내성을 부여하는 데에 있어서 유익하다. 응용분야에 따라서는, 예를 들면 방음 목적을 위해서, 상기 재료에 높은 크리프 특성을 부여하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 복합재의 실제 구성은 소기의 용도에 의해 영향을 받게 될 것이다. 용도는 다양하며, 물체, 동물 및 사람을 충격으로부터 보호하는 용도를 포함한다. 잠재적 용도는, 물체가 표면과 이미 접촉하고 있는 임의의 동적 상황도 포함하며, 정밀한 장비의 포장이나 자동차에 탑승해 있는 인체와 같이 물체와 표면이 결합하면 급격하게 가속되고/되거나 감속될 수 있다. 따라서, 복합재의 성질 및 복합재에 블렌딩하는 팽창제 선택과 비율, 그리고 발포되는 경우, 예를 들면 복합재의 밀도로 표시되는 복합재 중의 가스 또는 증기의 양은 복합재가 채용되는 보호 시스템의 필수 요건에 따라 결정될 것이다. 일반적으로, 팽창제는 복합재 부피의 5% 내지 80%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 더 바람직하게는 15% 내지 40%이고, 발포되는 경우, 가스 또는 증기(바람직하게는 가스인 경우)의 양은 복합재 중 가스나 증기의 양이 바람직하게는 약 20～90 체적%, 보다 바람직하게는 약 30～80 체적%, 보다 더 바람직하게는 약 40～70 체적%가 되도록 하는 양이 된다. 이러한 함량비는 임의의 충전재 또는 추가 성분을 사용하는 경우를 배제한 것임을 알아야 한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 본 발명의 복합재를 포함하는, 예를 들면 필름, 시트, 필라멘트 및 섬유 등, 압출물과 같은 성형물이 제공된다. 상기 복합재의 직조 시트와 같은 성형물은 압축 변형이 상기 복합재의 반응성을 최적화하기 위해 직물을 포함하는 소자를 유리하게 변형하도록 형태가 부여된 직물을 가질 수 있다. 이점은 밀폐 셀 발포체에 있어서 특히 바람직하다. 성형물은 필요할 경우에 복합재 내의 팽창제의 비율이 다른 영역 또는 층에서의 비율과는 상이한 영역 또는 층을 포함하도록 하는 방식으로 제조될 수 있다. 이와 같은 방식으로 섬유 또는 필라멘트와 같은 성형물의 왜곡(distortion)은, 팽창제/매트릭스 계면에서 팽창제 농후 영역의 최대 전단 변형을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.

섬유 또는 필라멘트는 최종 제품 내에 공기가 혼입되도록 직조되거나 뜨게질 되거나 그 밖의 방식으로 구성될 수 있다. 그러한 재료가 충격을 받으면, 각 섬유의 왜곡은 많은 수의 국소화된 벤딩 편향(localised bending deflection)을 제공하는 공간에 의해 촉진되고, 이것은 충격의 흡수에 있어서 상기 복합재의 효율적 이용을 위해 바람직하다.

제1 재료 i)의 선택 및 농도는 복합재를 예를 들면 섬유나 필라멘트 내에 성형할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 변형 속도가 낮은 운동에 있어서, 혼합체 복합 블렌드로부터 형성된 섬유나 필라멘트를 포함하는 직물의 가요성은 섬유 직조 또는 뜨게질의 선택에 의해 제공될 수 있다. 필요할 경우, 그 밖의 섬유나 필라멘트를, 예를 들면, 탄성 섬유 및/또는 내마모성 섬유 등의 직물에 포함시킬 수 있다.

예를 들면 압출이나 방사(spinning)에 의해 형성될 수 있는 섬유는 제1 재료 i) 내에 균일하게 분포된 제2 재료 ii)를 가질 수 있고, 또는 제2 재료 ii)가 더 조밀한 영역 또는 층을 형성하도록 제조될 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 제1 재료 i)의 외피 내에 제2 재료 ii)의 코어를 포함하고, 상기 제1 재료 i)와 상기 제2 재료 ii)는 본 명세서에 정의된 바와 같은 섬유가 제공된다. 상기 코어는 공동(hollow), 바람직하게는 동축 상태의 공동일 수 있다. 상기 섬유는 공압출(coextrusion)에 의해 제조될 수 있다. 상기 섬유는 첨부 도면 1에 도시되어 있으며, 도면부호 1은 제2 재료 ii)의 코어이고, 도면부호 2는 제1 재료 i)의 외피이고, 도면부호 3은 가스(공기)를 수용하는 공동이다.

본 발명의 에너지 흡수 복합재는 다양한 용도로 채용될 수 있는데, 예를 들면 사람과 동물의 보호용 패드 또는 의복으로서 사용되고, 자동차 및 사람이나 동물과 격렬하게 접촉하는 다른 물체의 에너지 흡수 영역 내에 포함되거나 에너지 흡수 영역 자체로 사용되며, 정밀한 물체나 기계의 포장 내에 포함되거나, 그러한 포장재 자체로서 사용될 수 있다. 구체적인 용도의 예로는 헤드웨어(headware) 및 헬멧; 팔꿈치, 무릎, 엉덩이 또는 정강이 보호용 의복 또는 패딩; 예를 들면, 비행 물체 또는 낙하 물체가 위험한 환경에서 사용되는 일반적 신체 보호재; 자동차의 계기판, 내장재 및 시트재 등이다. 다른 잠재적 사용 용도로는 스포츠나 여가 시간에 물체를 가격하는 데 사용되는 신체 부위를 보호하기 위한 의복 또는 패딩; 예를 들면, 런닝화 밑창, 축구화, 복싱 글로브 및 파이브스(fives) 경기용 글로브와 같은 신발류가 있다. 본 발명의 에너지 흡수 복합재는 또한 충격이 없는 상황, 예를 들면 자동차 마운트, 방진 및 방음과 같은 에너지 흡수 및 감소 재료에 활용될 수 있다. 이러한 예는 배타적인 의도는 아니며, 다른 잠재적 용도는 각자에게 다를 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합재로 제조된 섬유를 예시하는 개략도이다.

도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 실시예를 나타내는 개략도이다.

도 5는 신발류에 사용되는 실시예를 나타내는 도면이다.

도 6 내지 도 9는 실시예 2에 구체적으로 설명되어 있는 현미경 사진이다.

도 10 및 도 11은 실시예 3에 구체적으로 설명되어 있는 현미경 사진이다.

도 12는 실시예 4에서 사용된 충격 리그(rig)의 개략도이다.

도 13은 실시예 4의 결과를 나타내는 도면이다.

임의 형태의 활동적 레크리에이션중에 신발 밑창을 통해 전달되는 충격 부하를 받는 상태에서의 유망한 압력 특성 및 보다 높은 수준의 지지를 제공하기 위해, 신발류의 밑창, 예를 들면 내측 바닥, 중간 바닥 또는 외측 바닥의 구조체에 본 발명의 복합재를 사용한다. 실시예에서는 내측 바닥(1)과 외측 바닥(2) 사이에 상기 재료를 사용하는데, 여기서 내측 바닥과 중간 바닥(3) 사이 및 외측 바닥과 중간 바닥 사이의 계면은 모두 본 발명의 발포형 복합재에서 많은 양의 전단 변형을 유도하도록 바람직한 외형을 가지거나 직조되어 있다. 이러한 형태의 구조는, 얻어지는 중간 바닥이 응고되어 내측 바닥과 외측 바닥 모두를 결합시키도록 내측 바닥과 외측 바닥 사이의 캐비티에 발포형 복합재를 주입함으로서 형성될 수 있다. 유사한 구조가 단일 부분 몰딩에 의해 몰드 내에서 재료가 발포되도록 하여 얻어지고, 내측 바닥과 외측 바닥은 몰드 표면에서 생성되는 "스킨(skin)"에 의해 형성된다.

필요할 경우, 복합재에 코팅을 도포할 수 있다.

이하의 실시예들은 본 발명을 예시하는 것이다.

실시예 1

전구체 블렌드 공정 평가를 위해 선택된 탄성 폴리머계 성분 물질은 선형 저밀도 폴리에틸렌(Europa Polymeri사 제조의 Flexirene MR50)이었다. 상이한 비율 로 블렌딩하는 시험용으로 세 가지 팽창제를 선택했다. 상기 세 가지 팽창제는 Dow Corning 실리콘 팽창제 3179, Polastosil AMB-12 및 순수한 PBDMS였다. 이들 재료를 Shaws K1 3리터 혼합을 이용하여 LLDPE MR50과 블렌딩했다. LLDPE를 먼저 과립 형태로 밀에 도입하고, 재료의 전단에 의해 발생되는 온도는 약 110℃까지 상승했다. 그런 다음, 팽창제를 아래와 같은 비율로 내부 믹서에 주입했다:

1. 3179 35 중량%, LLDPE 65 중량%

2. 3179 50 중량%, LLDPE 50 중량%

3. Polastosil ABM-12 50 중량%, LLDPE 50 중량%

4. Polastosil ABM-12 35 중량%, LLDPE 65 중량%

5. PBDMS 30 중량%, LLDPE 70 중량%

6. PBDMS 35 중량%, LLDPE 65 중량%

이어서, 상기 재료 블렌드를 직경 4×2mm 다이를 통해 덤프 압출하여 스트랜드(strand)를 형성한 다음 펠렛으로 만들었다.

실시예 2

실시예 1에서 표준 산업 장치를 사용하여 팽창제와 열가소성 폴리머를 블렌딩하는 방법을 예시하였으며, 실시예 2는 밀폐 셀 구조의 실현을 통해 공정 경로를 확장한다.

밀폐 셀 발포 제조에 적합한 것으로 밝혀진 한 가지 공정은 고압 가스 용액 공정이다. 이 공정은 온도 제어 하에 가스(예컨대 질소)가 충전된 오토클레이트에서 고체 폴리머 재료의 블록에 매우 높은 압력을 가하여 상기 가스를 고체 폴리머 에 강제 주입한다. 이어서, 역시 가스 충전 오토클레이브를 이용하여 상기 블록을 제어된 고압 및 고온 하에 발포시킨다. 발포체 제조에 있어서 이 공정의 이점은 셀 구조의 균일성 및 종래의 발포제로부터의 화학적 퇴적이 없다는 것이다.

상기 제조 공정이 적합하다는 것을 확인하기 위해서는, 상기 혼합물이 제조 공정의 고온에서 안정하다는 것을 입증할 필요가 있다. 이것은 실험 공정에서 폴리머 시트 또는 폴리머 블록을 긴밀한 혼합물로서 팽창제와 매트릭스 재료를 모두 함유하는 제조 샘플로 대체하기 위해서 필요하다. 상기 공정의 정상적 작동 온도는 약 165℃이다.

초기 시도용으로 선택된 폴리머계 탄성 매트릭스 재료는 Hytrel G3548L로서, Du Pont사로부터 입수 가능한 폴리에스테르계 열가소성 엘라스토머이다. Hytrel 50g 및 3179 팽창제 화합물(실시예 1 참조) 50g을 도가니에 넣고 고온 혼합을 준비했다. 실험실 오븐을 220℃로 예열하고, 상기 도가니와 내용물을 오븐에 넣고 30분간 유지했다. 이어서, 도가니를 꺼내고, 금속 주걱으로 내용물을 교반하여 두 물질을 혼합했다. 그런 다음, 얻어진 혼합물을 오븐에 다시 넣고 동일 온도에서 추가로 1시간 동안 열처리한 후, 검사를 위해 꺼냈다. 두 물질을 균일하게 혼합하여 실온에서 고체인 혼합체를 제조했다. 상기 혼합체를 실험실 오븐에서 165℃로 가열하였는데, 8시간에 걸쳐 안정한 것으로 밝혀졌고, 이 시간이 고압 질소 가스 용액 공정의 지속 시간이다. 이러한 결과는 고압 가스(예컨대, 질소) 공정 또는 실제로 다른 물리적 또는 화학적 발포 공정을 이용한 발포에 있어서 상기 샘플의 잠재적 안정성을 나타내는 것이다.

상기 두 물질이 긴밀한 혼합체를 형성할 수 있음을 확인했으므로, 실시예 1에서 설명한 방법을 이용하여 산업적 장치에서 30kg 배치의 제조 규모로 상기 공정을 증량했다.

전구체 물질을 제조하기 위해 Hytrel grade G3548L을 Dow Corning 실리콘 팽창제 3179와 블렌딩했다. 두 블렌드의 비율은 중량비로 팽창제/Hytrel을 35/65 및 50/50으로 선택하였고, 블렌딩 공정의 수율은 각각의 블렌드 비율에서 약 30kg였다.

물리적 또는 화학적 발포 기법을 통한 밀폐 셀 발포체를 제조하기 위한 이들 블렌드의 후속 처리는 상기 재료를 용융 상태로 되돌려야 하기 때문에, 상기 재료의 구조에 대한 이의 효과를 검토했다.

블렌드 재료(현재는 펠렛 형태)를 비점착성 용기에 설치하고 약 200℃의 온도로 가열했다. 상기 펠렛을 1시간 동안 방치한 후, 상기 재료를 용융시키고, 교반한 다음 추가로 1시간 방치한 후 오븐에서 꺼냈다. 냉각하였더니 상기 혼합물은 응고되었다.

다음으로, 고체 성형체를 주사 전자현미경(SEM)으로 검사했다. 상기 재료의 구조를 노출시키기 위해 두 가지 기법을 사용했다 - 면도날로 샘플을 절단하고 액체 질소 중에 침지하여 샘플을 파쇄하고 노치(notch)에서 파쇄했다(면도날에 의한 절단).

도 6, 7, 8, 9의 현미경사진은 각각, 배율 25배에서 50/50 블렌드의 구조; 배율 83배에서 50/50 블렌드의 구조; 배율 33배에서 35/65 블렌드의 구조; 및 배율 1200배에서 35/65 블렌드의 구조를 나타낸다. 도 6 및 도 8은 절단면으로부터 얻어진 것이고, 도 7 및 도 9는 파쇄면으로부터 얻어진 것이다.

관찰된 상(phase)의 화학적 구성을 확립하기 위해 현미경 사진에 추가로 전자 프로브 분석을 실시했다.

현미경 사진에 나타난 밝은 부분은 고밀도 재료의 사진이다(Hytrel G3548L 및 DC3179의 비중은 각각 1.15 및 1.14임). 그러나, 전자 프로브 분석 결과, 밝은 부분일수록 실리콘 함량이 더 높은 것으로 나타나고, 따라서 이것은 화학적으로 Hytrel보다는 DC3179 팽창제에 더 유사하다고 추정된다. 일부의 실리콘도 어두운 부분에서 검출되었으며(주로 Hytrel인 것으로 추정됨), 추가 검사 결과, 이것들은 실리콘계 입자가 매우 미세하게 분산되어 있는 것을 포함하였다. 이들 입자는 본래 결정형 실리카(석영) 형태를 가진 팽창제의 성분이었으며, 따라서 본래의 블렌드는 팽창제와 Hytrel 폴리에테르 에스테르 코폴리머의 매우 긴밀한 혼합물이었음에 틀림없다.

상분리는 거의 틀림없이 블렌드의 후속 용융에 기인하는 것이며, 팽창제 함량이 높을수록 더 많은 분리가 일어난다. 즉, 50/50 블렌드에서 밀도가 더 높은 (팽창제) 재료의 영역은 35/65 블렌드의 경우에 비해 훨씬 크고 크기와 형상이 변한다. 절단 부위와 파쇄 부위(도 1 및 도 2)는 모두 상들 사이의 계면에 갈라진 틈이 존재함으로 인해 두 상 사이에 접착이 불량한 것으로 나타난다.

35/65 블렌드에 존재하는 상은 훨씬 더 미세하다(도 8 참조). 제2의 불연속 상은 직경이 전형적으로 3～10㎛인 구형 입자 형태를 갖는다(도 9). 두 상 사이의 계면에 뒤따르는 평면을 가로질러 파쇄가 일어났으며, 이 역시 두 상 사이의 불량한 접착을 나타낸다.

상기 분석으로부터, 블렌드 재료는 계속해서 용융 상태까지 가열하기 전에는 상들이 서로 매우 긴밀하게 분산되었다는 결론을 내릴 수 있다. 이것은 블렌드의 Hytrel상에서 결정형 실리카의 존재에 의해 표시된다. 50/50 블렌드에서 분명한 상분리는 후속 가열 공정에 기인한다. 동일하게 열처리된 35/65 블렌드에 대한 분리 정도는 상당히 적으며, 따라서 상분리는 팽창제 대 Hytrel의 비율에 의존하는 것으로 생각되며, 팽창제 함량이 높을수록 분리는 더 크다.

제2 재료 내의 팽창제의 미세한 분산이 더 큰 두 상 구조에 비해 이점을 가진다면, 용융 상태에서의 블렌드 비율과 처리 시간을 고려해야 한다. 이것은 50/50 블렌드에서 나타난 바와 같은 구조가 이점을 제공할 경우에도 마찬가지이다. 본 연구의 추론은 상 구조가 블렌드 비율과 열처리에 의해 제어될 수 있다는 것이다.

실시예 3

Expancel 공정을 이용하여 밀폐 셀 발포체를 제조하기 위해 두 배치의 블렌드 재료(35/65 블렌드 및 50/50 블렌드)를 추가로 처리하였다. 사용한 특별 등급의 Expancel은 Akzo Nobel Expancel 092MB120으로서, 마스터배치에서 고농도의 Expancel을 제공하도록 동일한 Hytrel 등급으로 마스터배치 처리한 것이다. 다음으로, 상기 블렌드에 최종적으로 8 중량%의 Expancel을 제공하도록 상기 마스터배치를 두 블렌드와 혼합하였다.

그런 다음, 상기 블렌드와 아울러 동일한 함량의 Expancel을 가진 순수 Hytrel을 시트로 압출했다. 이것은 펠렛 형태의 재료가 담긴 호퍼에 의해 공급되는 가열 스크류 공급기를 이용하여 행해졌다. 재료의 펠렛이 기계의 통으로 스크류 공급됨에 따라, 히터는 펠렛의 온도를 약 200℃로 상승시키고, 이에 따라 재료는 용융 상태로 된다. 이 온도는 또한 Expancel을 활성화시키지만, 통 내의 압력은 이 단계에서 재료가 셀을 형성하는 것을 막는다. 그런 다음, 용융된 재료를 폭이 약 4mm이고 길이가 180mm인 오리피스를 통해 비점착성 연마된 스틸 롤러 상에 사출했다. 용융된 재료가 회전 롤러 상에 유동하는 동안, 압력이 대기압으로 강하됨으로써 Expancel 시스템의 작용 하에 상기 재료가 발포된다. 상기 재료는 또 다른 2개의 롤러를 통해 공급되어 두께가 약 6mm 이고 밀도가 약 380kg/m3인 고체 발포체가 생성된다. 최종적인 밀도와 두께는 스크류 공급기의 속도와 롤러의 회전 속도의 상관 관계에 의해 영향을 받는다. 모든 세 가지 재료, 즉 순수 Hytrel, 35/65 블렌드 및 50/50 블렌드의 감촉은 비교적 뻣뻣하다.

팽창제는 유연하고 유동형이므로, 블렌드 내에 팽창제의 존재가 최종 발포 블렌드에 대해 발포 Hytrel 재료에 비해 약간의 유연성을 부여한 것으로 예상되었다.

그러나, 예상치 않게, 계속해서 재료를 반복 압축하는 동안, 발포된 재료가 전부 유연해진 것으로 나타났다. 모든 재료에 대해 제어된 양의 반복된 압축을 실행함으로써, 발포체는 가장 유연한 상태로 "가공되었다(worked)". 이것은 약 3mm의 간격을 두고 서로 역방향으로 회전하는 스틸 롤러를 통해 상기 재료를 통과시킴 으로써 이루어졌다. 이것은 롤러를 수동으로 회전시키면서 서서히 행해졌고, 각 재료에 대해 20회 반복되었다. 유연성 측정은 상기 재료에 대해 "Shore A" 눈금을 나타내는 휴대형 ASTM D2240 경도계(durometer)를 이용하여 이 공정 단계 전과 후에 행했다. 그 결과를 표 1에 제시한다.

[표 1]

	HYTREL 발포체		35/65 블렌드 발포체		50/50 블렌드 발포체
	압출된 것	연화된 것	압출된 것	연화된 것	압출된 것	연화된 것
Shore a 경도	52	33	52	27	52	25

상기 재료가 반복된 압축 후에 더 유연해진 이유에 대한 설명은 SEM의 도움 하에 이 연화 공정 전후의 구조를 관찰함으로써 주어진다. 블렌드 재료를 보강하는 것은 Expancel임을 알 수 있었다. Expancel은 분리된 비교적 경질의 마이크로벌룬인 것으로 나타난다(도 10: 샘플을 인열하여 내부 구조를 노출시켰다). Expancel 마이크로벌룬은 아무 변화가 없음을 명확히 알 수 있다. 도 11은 연화 공정 후의 구조를 나타낸다. Expancel 마이크로벌룬은 붕괴되어 셀을 보강하지 못하므로 매트릭스 재료가 발포체의 유연성을 한정할 수 있게 된다. 이러한 구조의 변화는 세 가지 재료 모두에서 관찰되었다.

재료의 반복된 압축량에 따른 유연성의 변화는, 발 밑에서 높은 압력을 받는 영역이 깔창을 발 바닥의 형상대로 성형(mould)시키게 되는 깔창과 같은 재료를 실제 사용하는 데 있어서 이점을 제공할 수 있다. 동일한 원리가 스키화 라이너에도 적용될 수 있다.

실시예 4

Hytrel의 충격 성질에 대해 팽창제가 갖는 효과를 평가하기 위해, 충격 시험을 실시했다.

상기 시험은 도 12에 도시되어 있고 그 본질적 특징이 하기 표 2에 기재된 바와 같은, 특수 설계된 진자 충격 리그(pendulum impact rig)를 이용하여 실행하였다. 요약하면, 상기 장치는 수평 암(arm)(4)의 일단에 결합된 교수대(gallows) 형상의 경성 지지체(2)를 포함하고, 수평 암에는 수직 평면으로 스윙하도록 피벗되어 있는 스윙암(swing arm)(6)이 자유 상태로 피벗 장착되어 있다. 스윙암의 자유단에는 충격 헤드(8)가 장착되어 있고, 충격 헤드에는 분동(weight)(10)을 부착시킬 수 있다. 경성 지지체의 수직 암에는, 장착되어 있는 샘플(도시되지 않음)이 충격 헤드에 의해 가격을 받는 위치에 반구형 스틸 모루(anvil)(12)가 설치되어 있다.

[표 2]

스윙암 어셈블리의 질량	4.055 - 9.247kg
스윙암의 반경 [받침점(fulcrum) 중심 으로부터 충격 헤드 중앙선까지]	1.248m
스윙암 질량 중심의 반경 [받침점 중심 으로부터 스윙암의 중력 중심까지]	0.852 - 1.05m
스윙암 재료	알루미늄 압출물 및 스틸 [볼트 체결 어셈블리]
모루(anvil) 직경	0.1m
모루 재료	스틸 [용접된 어셈블리]
충격 헤드 치수	40mm×80mm
충격 헤드의 질량	0.25kg
충격 헤드의 재료	스틸
부가적 분동의 재료	스틸
경성 지지 재료	스틸 [용접된 어셈블리]

충격 리그는 낙하 분동(drop weight) 설계와 스윙 진자(swing pendulum) 설계 중 어느 하나인 것이 가장 일반적이다. 본 실시예의 경우에는, 개발 시험 목적에 있어서 소정의 이점을 제공하는 점에서 스윙 진자 설계를 선택했다. 진자 리그용으로 적용한 충격 하중은, 낙하 분동 설계에 있어서와 같이 잔류 크리프 하중(residual creep load)이 뒤따르지 않으며, 충격 헤드는 충격이 가해진 후에도 시험 샘플과 접촉한 상태를 유지한다. 이것은 특히 감압성 필름과 같은 압력 측정 장치의 이용을 채택하는 충격 시험에 대해서 해당된다. 충격이 가해지는 동안 피크 압력이 기록되고, 2차 가격이나 잔류 하중이 조금이라도 있으면 이들 기록은 오류를 일으킬 수 있다.

어느 충격 시험에 있어서나, 가해진 충격 에너지는 충격 직전의 충격 헤드의 순 운동에너지와 동일하고, 진자 리그의 경우에 이것은 충격 헤드의 속도 및 시스템의 회전 질량의 함수이다. 따라서 충격 리그는, 진자를 해방하기 전에 진자의 경사각을 조절함으로써 소정 범위의 충격 속도를 적용할 수 있고, 충격 헤드 근방에 분동을 가감함으로써 소정 범위의 회전 질량을 적용할 수 있도록 설계되었다. 충격 헤드 및 모루의 형상은 오토바이 본체 보호를 위한 EN 1621-1 1997 표준 시험을 따르도록 선택했다.

시험 절차에 따라, 본체 보호재로서 본체에서 상기 재료가 사용되는 최선의 배향 및 위치에서 재료 샘플이 모루에 적용되도록 하고, 접착 테입을 이용하여 모루에 고정했다. 그런 다음, 충격 스윙암을 해방시키기 전에 설정된 각도까지 후퇴시켰다. 충격을 가하는 동안, 전달된 힘은 보정된 압전 로드셀(piezo-electric load cell)을 이용하여 동역학적으로 측정되고, 최대 힘이 기록되었다. 압전 로드셀의 예비부하는 최선의 실시에 따라 사용되었고, 눈금 제로로 리셋되었다.

부가적으로, 충격을 가하는 동안 모루에 전달되는 압력도 모루에 직접 부착되어 그 에지에서 마스킹 테입으로 고정된 Fuji 압력 필름 상에 기록했다. 상이한 압력 범위에서 전달되는 압력을 동시에 측정하기 위해, 중간압(1400～7000 psi), 저압(350～1400 psi), 및 초저압(70～350 psi) 필름을 차례로 중첩하여 위치시키고 함께 리그에 고정시켰다. 모든 필름 샘플은 미리 폭 5cm와 길이 5.5cm의 크기로 절단했다. 상기 필름을 세로 방향으로 모루에 올려 놓고, 마스킹 테입을 상하에만 부착했다. Fuji 압력 필름은 충격이 가해지는 동안 검사되는 접촉 영역에 걸쳐 피크 압력을 나타내는 간단하면서도 효과적인 방법을 제공한다.

상기 표준 EN 1621-1 시험이 인체에 대한 실제 충격 상황을 대표하는 것은 아닌데, 그 이유는 모루가 매우 경성 시스템인 부분이어서 전혀 신체와 같은 탄력성을 제공하지 못하기 때문이다. 오토바이 보호재에 대한 EN 1621-1 시험에 합격하는 기준은 충격 속도 4.3m/s 및 충격 에너지 50J에 대해 전달되는 피크 하중이 35kN 미만인 것이다. 그러나, 35kN의 피크 전달력이 실제로 인체에 적용될 경우에는 심한 상처를 초래할 것이다.

규정된 속도와 에너지 레벨에 추가하여 3.9m/s의 충격 속도와 20J의 에너지값을 적용한 것은 이러한 이유에서이다. Fuji 압력 필름을 추가로 사용함에 있어서, 제안되는 용도 중 하나가 다양한 스포츠, 예컨대 스노우 스포츠, 스케이트보드 및 산악 자전거 등에 사용되는 신체 보호 시스템인 재료의 성능을 보다 충실하게 정의하는 것과도 관련된다.

두 가지 에너지 레벨을 얻기 위해 추가 질량을 더 높은 50J 충격에 사용했다. 추가 질량은 암을 해방시키는 새로운 질량의 중심을 측정에 의해 결정하는 각도를 계산하기 위해 타격체(striker) 뒤에 추가했다. 이것을 표 3에 나타낸다.

[표 3]

충격 에너지 (J)	수평으로부터 진자의 각도[도]	충격 속도 (m/s)	스윙암 질량 (kg)	질량 반경의 중심(m)
20	22	3.9	4.055	0.805
50	14.5	4.3	6.90	0.986

세 가지 재료 모두를 압출 시트재의 두 층을 사용하여 전술한 바와 같이 시험하였고, 두 가지 충격 에너지 레벨에 대해 압출 및 연화 조건에서의 힘의 결과를 표 4에 나타낸다.

[표 4]

성질		HYTREL		35/65 블렌드		50/50 블렌드
		경질	연질	경질	연질	경질	연질
유연성 - shore a 경도		52	33	52	27	52	25
충격력 (kN)	20J	7	9.6	4.9	9.1	6.7	8.7
	50J	18.6	19.1	15.9	16.1	16.9	16.6
밀도	S.G.	0.4		0.4		0.4
두께	Mm	11		10		10

50J 충격에 해당하는 압력에 관한 재료의 성능을 도 13에 나타낸다.

상기 결과로부터, 팽창제의 블렌딩은 Hytrel 폴리에스테르 코폴리머의 충격 성능에 대해 유익한 효과를 갖는 것으로 나타났다. 발포된 블렌드는 순수한 발포 Hytrel 재료보다 어느 정도 유연했으며, 충격이 가해지는 동안 힘과 압력의 전달 측면에서는 Hytrel을 능가했다. 구체적으로, 순수한 Hytrel은 65/35 블렌드보다 약 19% 이상의 힘의 전달 감소를 나타냈다. 상기 압력을 정량화하기는 어렵지만, 성능상 향상의 징후도 나타난다; 매우 민감한 초저압 필름은 두 블렌드가 증가된 접촉 면적을 가지는 것을 나타내지만, 민감성이 낮은 중간압 필름에 있어서는 접촉 면적이 작다. 이것은 더 민감한 필름에 있어서 더 넓은 면적에 대응하여 상기 블렌드(더 적은 중간 필름 면적이 포화된)에 있어서 더 낮은 피크 압력이 전달되었으며, 재료의 더 많은 체적(따라서 더 넓은 면적)을 통해 하중을 전달하는 충격이 가해지는 동안 블렌드 재료가 경직되었음을 나타낸다는 것을 암시한다. 또한 염두에 둘 것은, 더 유연한 블렌드 재료는 순수 Hytrel 발포체보다 약 10% 적은 두께를 가졌다는 점이다.

이론에 억메이기를 원치 않으나, 제2 재료 ii)(제1 재료 i)이 존재하지 않을 때 팽창성을 나타내는 것)가 고체 매트릭스에서 본 발명의 복합재에 내포되어 있기 때문에, 그것의 유동 능력이 억제됨으로써 국소 변형 속도가 높을 때 전단 증점의 경향이 미발포 복합재에 효율적으로 부여되며, 그 결과 변형 속도에 따라 증가하는 변형 하에서 저항성 부하를 나타내는 것으로 (확인된 것은 아니지만) 믿어진다.

더 나아가, 복합재가 발포되는 경우, 셀 내의 가스나 공기는 그의 압축성 때문에 복합재로 하여금 더 많은 양의 국소 변형을 일으키게 함으로써 충격이 가해지는 동안 복합재가 경징되는 기회를 확대시킨다. 셀이 밀폐 셀인 상기 경우에, 셀 벽의 부가적 공압형 신장이 더 큰 국소적 탄성 변형을 일으키는 것으로 믿어진다.

Claims (40)

1. 충격 흡수재 용도의, 탄성이고, 변형 속도에 따라 증가하는 변형 하에서 저항성 부하(resistive load)를 나타내며, 미분되거나 미분되어 있지 않은 복합재(composite material)로서,

   i) EVA(에틸렌/비닐 아세테이트 코폴리머) 또는 올레핀 폴리머를 포함하는, 제1 폴리머계 탄성 재료, 및

   ii) 실리콘 폴리머들에서 선택되는, 상기 i)과는 상이하고, 상기 i)이 없을 때 팽창성(dilatancy)을 나타내는 제2 폴리머계 재료

   를 포함하고,

   상기 ii)는 상기 i)의 고체 매트릭스에 내포되고, 상기 복합재는 발포되어 있지 않거나, 또는 발포되어 있을 경우에는 발포 이전에 상기 ii)와 i)의 혼합에 의해 제조할 수 있으며, 상기 제1 재료 i)과 상기 제2 재료 ii)는 긴밀한 혼합체(admixture)인 것을 특징으로 하는 복합재.
2. 충격 흡수재 용도의, 탄성이고, 변형 속도에 따라 증가하는 변형 하에서 저항성 부하(resistive load)를 나타내며, 미분되거나 미분되어 있지 않은 복합재(composite material)로서,

   i) 엘라스토머를 포함하는, 제1 폴리머계 탄성 재료, 및

   ii) 실리콘 폴리머들에서 선택되는, 상기 i)과는 상이하고, 상기 i)이 없을 때 팽창성(dilatancy)을 나타내는 제2 폴리머계 재료

   를 포함하고,

   상기 ii)는 상기 i)의 고체 매트릭스에 내포되고, 상기 복합재는 발포되어 있지 않거나, 또는 발포되어 있을 경우에는 발포 이전에 상기 ii)와 i)의 혼합에 의해 제조할 수 있으며, 상기 제1 재료 i)과 상기 제2 재료 ii)는 긴밀한 혼합체(admixture)인 것을 특징으로 하는 복합재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 혼합체는 상기 i)과 상기 ii)를 블렌딩함으로써 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 복합재.
4. 제1항에 있어서,

   상기 올레핀 폴리머는 폴리프로필렌 또는 에틸렌 폴리머인 것을 특징으로 하는 복합재.
5. 제4항에 있어서,

   상기 에틸렌 폴리머는, 고압 폴리에틸렌(LDPE), LLDPE 또는 HDPE로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 복합재.
6. 제2항에 있어서,

   상기 엘라스토머가 천연 엘라스토머인 것을 특징으로 하는 복합재.
7. 제6항에 있어서,

   상기 천연 엘라스토머가 라텍스 고무인 것을 특징으로 하는 복합재.
8. 제2항에 있어서,

   상기 엘라스토머가 합성 엘라스토머인 것을 특징으로 하는 복합재.
9. 제8항에 있어서,

   상기 합성 엘라스토머가 실리콘 고무, 폴리우레탄 또는 EP 고무인 것을 특징으로 하는 복합재.
10. 제9항에 있어서,

    상기 EP 고무가 EPDM인 것을 특징으로 하는 복합재.
11. 제8항에 있어서,

    상기 합성 엘라스토머가 열가소성 엘라스토머인 것을 특징으로 하는 복합재.
12. 제11항에 있어서,

    상기 열가소성 엘라스토머가 폴리에스테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 실리콘 폴리머가 붕산염 처리(borated) 실록산계 폴리머로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 복합재.
14. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 실리콘 폴리머가 충전된(filled) 폴리보로디메틸실록산으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 복합재.
15. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    미분 처리된 것을 특징으로 하는 복합재.
16. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    발포시킨 것을 특징으로 하는 복합재.
17. 제16항에 있어서,

    밀폐 셀 발포체(closed cell foam)가 형성된 것임을 특징으로 하는 복합재.
18. 제17항에 있어서,

    상기 실리콘 폴리머의 적어도 일부가 상기 발포체의 셀 벽 내에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재.
19. 제17항에 있어서,

    상기 셀이 뉴마토겐(pheumatogen)을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재.
20. 제19항에 있어서,

    상기 뉴마토겐이 가스 또는 증기인 것을 특징으로 하는 복합재.
21. 제20항에 있어서,

    상기 뉴마토겐이 가스인 것을 특징으로 하는 복합재.
22. 제21항에 있어서,

    상기 가스가 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재.
23. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 복합재가 성형물(shaped article) 형태임을 특징으로 하는 복합재.
24. 제23항에 있어서,

    상기 성형물이 시트 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재.
25. 제23항에 있어서,

    상기 성형물이 필름 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재.
26. 제23항에 있어서,

    상기 성형물이 필라멘트 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재.
27. 제23항에 있어서,

    상기 성형물이 섬유 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재.
28. 제27항에 있어서,

    상기 섬유의 코어가 공동(hollow)인 것을 특징으로 하는 복합재.
29. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 복합재가 필라멘트 또는 섬유를 포함하는 직물(textile) 또는 웹(web)인 것을 특징으로 하는 복합재.
30. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 복합재가 직물층과 결부되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재.
31. 제29항에 있어서,

    상기 직물이 탄성 섬유를 갖는 것을 특징으로 하는 복합재.
32. 제28항에 있어서,

    상기 복합재가 사용 시 자가 몰딩(self-molding)되는 것을 특징으로 하는 복합재.
33. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 충격 흡수재는 신발류 용인 것을 특징으로 하는 복합재.
34. 제29항에 있어서,

    상기 복합재가 사용 시 자가 몰딩(self-molding)되는 것을 특징으로 하는 복합재.
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