KR101273841B1 - 아라미드 복합재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 후면에 형성된 아라미드 적층재와 전면에 형성된 강판을 포함하고 있되, NIJ 규격 3등급 기준으로 총알직경 7.62㎜인 M80을 사용하여 밀리터리 스탠다드 662F 규정에 따라 V50 기준을 만족하는 것을 특징으로 하는 아라미드 복합재 및, 아라미드 적층재의 표면 및 강판의 표면을 활성화하는 단계와 상기 활성화된 아라미드 적층재와 강판을 접착하는 단계를 포함하여 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 아라미드 복합재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 아라미드 적층재와 강판을 접착시킨 아라미드 복합재는 경량이면서 강도 및 방탄특성이 우수하여 차량 등에 적용시 기동성이 우수할 뿐만 아니라 연료소비를 줄일 수 있어 매우 효율적이다.

아라미드, 복합재, 강판

Description

아라미드 복합재 및 그 제조방법{Aramid complex product and method for manufacturing the same}

본 발명은 강판을 포함하고 있는 아라미드 복합재에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 경량이면서 방탄성능이 우수한 아라미드 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

방탄제품은 탄환이나 포탄으로부터 인체를 보호하기 위한 제품으로서, 방탄제품의 방탄성능은 사용하는 재료에 따라 방탄성능이 크게 좌우된다.

특히, 차량에 사용되는 방탄제품은 외부의 포탄 같은 큰 위험으로부터 인체를 안전하게 보고하기 위해 보다 방탄성능이 우수한 재료를 필요로 하고 있다.

이에 따라, 종래에는 방탄성능이 매우 우수한 강판을 주로 사용하여 차체를 구성하여 제조하여 왔다.

그러나, 강판은 우수한 방탄성능을 가지는 반면 비중이 매우 높아 차량의 중량감을 증가시켜, 기동성이 매우 떨어져 위험에 노출될 확률이 높아지고, 연료의 사용량이 많아 효율적인 운행이 곤란하게 된다.

한편, 고강력 플라스틱이나 고강력 섬유를 이용한 방탄제품은 경량성은 매우 좋으나, 방탄성능이 강판에 비해 떨어져 외부 위험으로부터 인체를 충분히 보호하지 못하는 실정이다.

따라서, 경량성이며 방탄성능이 우수한 방탄성능을 갖는 소재의 필요성이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 강판과 아라미드 적층재를 접착하여 경량성 및 방탄성능이 우수한 특성을 갖는 아라미드 복합재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 경량성 있으나 방탄성능이 다소 떨어지는 소재와 방탄성능은 우수하나 경량성이 떨어지는 소재를 최적으로 복합하여, 경량성과 방탄성능이 모두 우수한 아라미드 복합재를 제공하게 된다.

이에 따른 본 발명의 일 측면으로서, 탄환이 충돌하게 될 전면 및 상기 전면의 반대편에 위치한 후면을 포함하는 아라미드 복합재로서, 상기 전면에 위치한 강판; 상기 후면에 위치한 아라미드 적층재; 및 상기 강판과 상기 아라미드 적층재 사이의 폴리비닐알콜 필름을 포함하고, 상기 폴리비닐알콜 필름에 접촉하는 상기 강판의 접착면에는 미세 요철이 형성되고 있고, 상기 폴리비닐알콜 필름에 접촉하는 상기 아라미드 적층재의 접착면에는 미세 요철이 형성되어 있으며, NIJ 규격 3등급 기준으로 총알직경 7.62㎜인 M80을 사용하여 밀리터리 스탠다드 662F 규정에 따라 V50 기준을 만족하는 것을 특징으로 하는 아라미드 복합재가 제공된다.

한편, 상기 아라미드 적층재는 수지가 함침된 아라미드 직물들을 서로 경화시켜 접착된 적층구조의 형태일 수 있고, 아라미드 직물이 15~45 매로 적층되어 있는 것이 바람직할 수 있다.

더불어, 상기 아라미드 직물은 밀도가 200~650g/㎡ 이고 평직 또는 바스켓 조직인 것이 바람직하고, 500~3,000 데니어의 아라미드 섬유로부터 제조하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 아라미드 적층재는 페놀수지를 포함한 수지조성물을 사용하여 함 침하고 페놀수지의 함량이 10~30중량%인 것이 바람직하다.

삭제

더불어, 상기 강판은 2.5~7㎜의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면으로서, 아라미드 적층재의 일 표면에 미세 요철을 형성하는 단계; 강판의 일 표면에 미세 요철을 형성하는 단계; 상기 미세 요철이 형성된 아라미드 적층재의 표면 상에 폴리비닐알콜 필름을 위치시키는 단계; 상기 폴리비닐알콜 필름에 상기 미세 요철이 형성된 강판의 표면이 접촉하도록, 상기 폴리비닐알콜 필름 상에 상기 강판을 위치시키는 단계; 및 상기 아라미드 적층재, 상기 폴리비닐알콜 필름, 및 상기 강판에 압력 및 열을 가함으로써 이들을 서로 접착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아라미드 복합재의 제조방법이 제공된다.

한편, 상기 아라미드 적층재는 아라미드 섬유로부터 직물을 만드는 단계와, 상기 아라미드 직물에 수지를 함침하는 단계와, 상기 수지함침된 아라미드 직물을 여러 겹으로 적층하는 단계와, 상기 적층된 수지함침 아라미드 직물을 압력하에서 열처리하여 접착하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.

또한, 상기 적층하는 단계에서 수지함침된 아라미드 직물을 15~45 매로 적층하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 아라미드 적층재와 강판은 마찰재를 이용하여 표면을 활성화할 수 있고, 상기 강판은 샌드블라스팅(sandblast) 가공 후 유기용제로 세척하여 표면을 활성화할 수 있다.

더불어, 상기 아라미드 적층재와 강판은 폴리설파이드계 수지를 포함하는 접착제를 도포하여 60℃ 이하에서 접착할 수 있고, 상기 아라미드 적층재와 강판은 비닐계 수지 필름(film)을 삽입하여 고온 및 고압에서 접착할 수 있으며, 상기 비닐계 수지 필름은 폴리비닐알콜이고, 여러 장을 겹쳐서 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 양호한 방탄성능을 갖고 경량성이 좋은 아라미드 적층재와 우수한 방탄성능을 강판을 최적의 조건에서 접착하여 제조된 아라미드 복합재는 경량성이 우수하면서 방탄성능이 우수하게 된다.

본 발명에 따른 방탄 복합재는 기동성이 요구되는 방탄용 차량 등의 차체에 이용되는 경우, 경량화가 가능하여 연료의 소비가 매우 적어 우수한 효율성을 발현한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 아라미드 적층재의 제조방법을 설명하며, 아라미드 섬유를 제조하는 공정과 상기 아라미드 섬유를 이용하여 아라미드 직물을 제직하는 공정과 상기 아라미드 직물을 수지에 함침하여 반경화된 아라미드 직물을 제조하는 공정과 상기 반경화된 아라미드 직물을 적층하여 고온, 고압에서 압착하여 아라미드 적층재를 제조하는 공정을 통해 제조된다.

상기 아라미드 섬유를 제조하는 공정은 방향족 디아민과 방향족 디에시드클로라이드를 중합용매 중에서 중합시킴으로써 방향족 폴리아미드 중합체를 제조하고, 그 후 상기 방사도프를 방사구금을 통해 방사한 후 방사물을 응고시켜 전방향족 폴리아미드 섬유를 제조하는 공정으로 이루어질 수 있다.

상기 전방향족 폴리아미드 섬유는 섬도가 500~3,000데니어(denier) 범위가 바람직한데, 섬도가 500데니어 미만일 경우에는 제직 후 밀도를 증가시켜야 하므로 생산성이 떨어지고 섬도가 3,000데니어를 초과할 경우에는 제직공정시 제직성이 떨어진다.

상기 전방향족 폴리아미드 섬유는 인장강도가 20g/d 이상인 것을 사용하는 것이 양호한 방탄성능을 얻는데 바람직하다.

상기 직물을 제직하는 공정은 상기 전방향족 폴리아미드 섬유를 경사 및 위하로 하여 평직 또는 바스켓직 조직으로 제직하는 것이 바람직하다. 상기 평직 또는 바스켓직 조직은 경사 및 위사가 일정하게 굴곡을 이루면서 형성되어 있기 때문에 총탄과 같은 외력을 받았을 경우, 상기 외력을 균일하게 직물 전체로 분산시켜 방탄성능을 향상시키게 된다.

또한, 아라미드 직물은 밀도가 200~650g/㎡인 것이 바람직하다. 만일, 밀도가 너무 낮은 경우에는 직물에 공간이 생성될 수 있어 방탄성능이 떨어지고, 밀도가 너무 높은 경우에는 직물의 제조가 용이하지 않아 생산 효율이 매우 떨어지게 된다.

상기 제직된 아라미드 직물은 이후, 정련 등의 후가공 공정을 수행할 수 있다.

상기 반경화된 아라미드 직물을 제조하는 공정은 아라미드 직물을 수지에 함침시켜 반경화하는 방법에 의해 수행된다.

상기 함침용 수지는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 모두가 사용되지만, 아라미드 섬유로의 함침이 우수하기 때문에 열경화성 수지가 바람직하다.

열경화성 수지로는 에폭시 수지, 에스테르계 비닐 수지, 페놀 수지, 시아네이트 수지 등을 사용할 수 있다.

열경화성 수지를 아라미드 직물에 함침하는 방법은 열경화성 수지를 메틸에틸케톤 또는 메탄올 등의 용매에 용해하고 여기에 첨가제를 혼합하여 제조된 함침용 조성액에 아라미드 직물을 침지한 후 오븐 등을 사용하여 용매를 증발시켜 반경화(prepreg) 상태의 아라미드 직물을 제조한다.

상기 적층된 아라미드 적층재를 제조하는 공정은 상기 수지가 함침되어 반경화 상태의 아라미드 직물을 15~45 매 범위에서 적층하여 상기 적층된 아라미드 직물들에 압력을 부여하면서 열처리하여 반경화된 수지를 경화시켜 양호한 접착성이 갖는 아라미드 적층재를 제조한다.

상기 아라미드 직물은 15~45 매로 적층하는 것이 바람직한데, 만일 적층 매수가 적으면 방탄성능이 떨어지고, 적층 매수가 많으면 두께가 늘어나고 적정 스펙(spec.)에서 벗어날 수 있다.

본 발명은 열경화성 수지로 페놀 수지를 사용하는 것이 바람직한데, 상기 페놀 수지는 난연성, 경화성 및 내충격성이 우수하기 때문이다. 함침된 페놀 수지의 함유량은 10~30 중량%인 것이 바람직한데, 만일 페놀 수지의 함유량이 너무 적으면 적층된 아라미드 직물의 접착성이 떨어지게 되어 방탄성능이 떨어지게 되고, 함유량이 너무 많으면 아라미드 함량이 떨어져 방탄성능이 떨어진다.

상기 아라미드 복합재를 제조하는 공정은 아라미드 적층재와 강판을 접착물 을 이용하여 접착하여 제조한다.

상기 아라미드 적층재와 강판을 양호하게 접착하기 위해서는 접착면의 활성화가 필요하다. 상기 아라미드 적층재는 샌드페이퍼(sandpaper)를 사용하여 접착면에 미세한 요철을 부여하여 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 강판은 샌드블라스트(sandblast)를 사용하여 강판에 있는 녹 등의 이물질을 제거하면서 미세한 요철을 부여한 후, 아세톤 같은 유기용제를 이용하여 세척을 한다.

한편, 본 발명의 강판은 2.5~7㎜의 두께를 갖는 것이 바람직한데, 만일 두께가 얇으면 방탄성능이 떨어지고 두께가 너무 두꺼우면 우수한 경량성을 발휘할 수 없다.

상기 표면이 활성화된 아라미드 적층재와 강판을 접착하는 방식은 크게 두 가지로 수행할 수 있다. 하나는, 아교(glue)형 또는 폴리설파이드(polysulfide)계 등의 접착제를 강판 또는 아라미드 적층재에 도포하여 압력하에서 접착시킨다. 바람직한 실시예로는 접착제를 아라미드 적층재의 상부에 도포하고 강판을 상기 아라미드 적층재의 상부에 밀착시켜 강판의 중력에 의해 압력이 자연스럽게 가해지도록 하는 것이 바람직하다. 경우에 따라서는 가열하여 원활한 접착을 유도할 수도 있다.

다른 하나는, 폴리비닐알콜(poly vinyl alcohol) 등의 열가소성 필름(film)을 강판과 아라미드 적층재에 삽입하여 오토클래브(autoclave)와 같은 고온고압 처리가 가능한 장치에서 접착시킨다. 상기 접착물인 필름은 원활한 접착력을 부여하기 위해 여러 장을 적층하여 사용할 수 있다.

이와 같이 제조된, 아라미드 복합재는 경량이면서 방탄성능이 우수한 성질을 갖는다. 구체적으로는 본 발명에 따른 아라미드 복합재는 NIJ(National Institute of Justice) 규격 3등급 기준으로 총알직경 7.62㎜인 M80을 사용하여 밀리터리 스탠다드 662F 규정에 따라 V50 기준을 만족한다.

이와 같은 방탄성능을 갖고 경량인 아라미드 복합재를 차량의 몸체를 제작하는데 이용하거나, 전동차 및 항공기 등의 몸체 등의 제작에 이용 가능하다.

이하, 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이므로 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안 된다.

실시예 1

방향족 디아민인 파라-페닐렌디아민과 방향족 디에시드클로라이드인 테레프탈로일 디클로라이드를 N-메틸-2-피롤리돈 중합용매 내에서 중합시켜 폴리 파라페닐렌테레프탈아미드 중합체를 제조하였고, 그 후 상기 중합체를 농황산 용매에 용해시켜 방사도프를 제조하고, 방사도프를 방사구금을 통해 방사한 후 응고시켜 1,000 데니어인 전방향족 아라미드 섬유를 제조하였다.

그 후, 상기 전방향족 아라미드 섬유를 경사 및 위사에 적용하고 평직으로 제직하여 450g/㎡인 밀도를 갖는 아라미드 직물을 제조하였다.

다음으로 페놀 수지를 메탄올 용매에 용해시켜 페놀 수지의 함량이 56중량%인 함침용 조성물에 상기 아라미드 직물을 함침한 후 용매를 제거하여 페놀 수지의 함유량이 20%인 반경화상태의 아라미드 직물을 얻었다.

그 후 수지 함침된 반경화상태의 아라미드 직물을 20 매로 적층 후 압력을 부여하면서 150℃로 가열, 경화하여 아라미드 직물이 적층된 아라미드 적층재를 제조하였다.

다음으로 4.8㎜ 두께인 강판을 샌드블라스트를 이용하여 강판의 표면을 처리하고 그 후 아세톤을 이용하여 세척하였다. 또한, 샌드페이퍼를 이용하여 상기 아라미드 적층재의 표면을 활성화하였다.

그 후 상기 표면이 활성화된 아라미드 적층재 상부에 폴리설파이드계 접착제를 도포한 후 그 위에 강판을 밀착시켜 상온에서 하루 방치하여 아라미드 복합재를 얻었다.

실시예 2

상기 표면이 활성화된 아라미드 적층재 상부에 폴리비닐알콜 필름을 부여한 후 그 위해 강판을 밀착시켜 오토클래브 장치를 이용, 고온 및 고압 하에서 접착시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 아라미드 복합재를 얻었다.

비교예 1

상기 아라미드 적층재가 10 매로 적층된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 아라미드 복합재를 얻었다.

비교예 2

강판두께가 2.0㎜인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 아라미드 복합재를 얻었다.

비교예 3 내지 4

상기 아라미드 직물에 페놀 수지의 함유량이 각각 5중량% 및 40중량%인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 아라미드 복합재를 얻었다.

실시예 및 비교예에 의해 제조된 아라미드 복합재들 각각의 방탄성능을 다음의 방법으로 측정하여 아래의 표 1에 나타내었다.

방탄성능 측정

제조된 아라미드 복합재에 대하여 NIJ(National Institute of Justice) 규격 3등급 기준으로 총알직경 7.62㎜인 M80을 사용하여 실시하였다. 한편, 밀리터리 스탠다드 662F 규정에 따라 총구로부터 50m인 거리에서의 총알 속도가 801±9.1㎧인 V50 규격 기준을 만족하는지 여부로 방탄성능을 측정하였다.

구분	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4
방탄성능	만족	만족	불만족	불만족	불만족	불만족

위 표 1의 실시예 및 비교예로부터, 상기 아라미드 적층재가 적정한 개수로 겹쳐지지 않는 경우 방탄성능이 저하됨을 알 수 있고, 페놀수지의 함유량이 너무 적으면 접착력이 약해져 방탄성능이 불량하고, 함유량이 너무 많으면 상대적으로 아라미드의 함량이 적어져 방탄성능이 저하됨을 알 수 있다.

또한, 강판의 두께가 너무 얇은 경우, 방탄성능이 급격히 떨어짐을 알 수 있다.

Claims (16)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 아라미드 적층재의 일 표면에 미세 요철을 형성하는 단계;

   강판의 일 표면에 미세 요철을 형성하는 단계;

   상기 미세 요철이 형성된 아라미드 적층재의 표면 상에 폴리비닐알콜 필름을 위치시키는 단계;

   상기 폴리비닐알콜 필름에 상기 미세 요철이 형성된 강판의 표면이 접촉하도록, 상기 폴리비닐알콜 필름 상에 상기 강판을 위치시키는 단계; 및

   상기 아라미드 적층재, 상기 폴리비닐알콜 필름, 및 상기 강판에 압력 및 열을 가함으로써 이들을 서로 접착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아라미드 복합재의 제조방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 아라미드 적층재는 아라미드 섬유로부터 직물을 만드는 단계와, 상기 아라미드 직물에 수지를 함침하는 단계와, 상기 수지함침된 아라미드 직물을 여러 겹으로 적층하는 단계와, 상기 적층된 수지함침 아라미드 직물을 압력하에서 열처리하여 접착하는 단계를 포함하여 제조된 것을 특징으로 하는 아라미드 복합재의 제조방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 적층하는 단계에서 수지함침된 아라미드 직물을 15~45 매로 적층하는 것을 특징으로 하는 아라미드 복합재의 제조방법.
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