KR101356452B1 - 국소 왁스 코팅을 이용한 저중량 및 고 내구성의 유연 방탄복 복합체 - Google Patents

국소 왁스 코팅을 이용한 저중량 및 고 내구성의 유연 방탄복 복합체 Download PDF

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Abstract

내마모성을 갖는 내탄도성 물품이 제공된다. 특히, 왁스에 기초한 국소 처리를 갖는 내마모성, 내탄도성 물품 및 복합체가 제공된다.

Description

국소 왁스 코팅을 이용한 저중량 및 고 내구성의 유연 방탄복 복합체{LOW WEIGHT AND HIGH DURABILITY SOFT BODY ARMOR COMPOSITE USING TOPICAL WAX COATINGS}
본 발명은 국소 왁스 코팅을 갖는 내탄도성 물품에 관한 것이다.
발사체에 대한 우수한 특성을 갖는 고강도 섬유를 함유하는 내탄도성 물품이 잘 알려져 있다. 내탄도성 조끼, 헬멧, 차량용 패널 및 군사 장비의 구조 부재와 같은 물품들은 전형적으로 고강도 섬유를 포함하는 직물로부터 제조된다. 통상적으로 사용되는 고강도 섬유는 폴리에틸렌 섬유, 폴리(페닐렌디아민 테레프탈아미드)와 같은 아라미드 섬유, 그라파이트 섬유, 나일론 섬유, 유리 섬유 등을 포함한다. 다른 적용에 있어서, 상기 섬유들은 짜여진(woven) 또는 부직(non-woven)의 단단하거나 유연한 직물을 형성하기 위해 중합 매트릭스 물질내로 캡슐화되거나 매립될 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 직물을 형성하는 각각의 개별 섬유들은 주로 바인더(매트릭스) 물질로 코팅되거나 캡슐화된다.
헬멧, 패널 및 조끼와 같은 단단하거나 유연한 방호 물품의 형성에 유용한 다양한 내탄도성 구조물들이 알려져 있다. 예를 들어, 미국 특허 4,403,012, 4,457,985, 4,613,535, 4,623,574, 4,650,710, 4,737,402, 4,748,064, 5,552,208, 5,587,230, 6,642,159, 6,841,492, 6,846,758(이들 모두는 본 발명에 참조로 편입되었음)에는 사슬 연장된 초-고분자량 폴리에틸렌과 같은 물질들로부터 만들어진 고강도 섬유를 포함하는 내탄도성 복합체들이 기재되어 있다. 이들 복합체는 탄환(bullet), 유탄(shell), 유산탄(shrapnel) 등과 같은 발사체의 고속 충격에 의한 관통에 대해 다양한 정도의 저항성을 나타낸다.
예를 들면, 미국특허 4,623,574 및 4,748,064에는 탄성중합체 매트릭스(elastomeric matrix) 내에 매립된 고강도 섬유를 포함하는 간단한 복합체 구조물이 개시되어 있다. 미국특허 4,650,710에는 고강도, 사슬 연장된 폴리올레핀(ECP) 섬유를 포함하여 이루어진 다수의 탄력층(flexible layers)들을 포함하는 탄력적인 제품들의 제조가 개시되어 있다. 상기 망(network)들의 섬유들은 저 인장 모듈러스의 탄성중합체 물질들로 코팅된다. 미국 특허 5,552,208 및 5,587,230에는 고강도 섬유와 비닐 에스테르 및 디알릴 프탈레이트를 포함하는 매트릭스 구조물로 이루어진 적어도 하나의 망을 포함하는 제품 및 그 제조방법이 개시되어 있다. 미국 특허 6,642,159에는 그 사이에 탄성중합체 층들을 가지며, 매트릭스 내에 위치하는 필라멘트 망을 포함하는 다수의 섬유층을 갖는 내충격 경질 복합체(impact resistant rigid composite)가 개시되어 있다. 상기 복합체는 단단한 플레이트에 결합되어 장갑탄 발사체에 대한 보호를 강화한다.
단단하거나 경질의 방탄복이 우수한 내탄도성을 제공하지만, 매우 뻣뻣하고 부피가 클 수 있다. 따라서, 방탄 조끼와 같은 방탄복은 바람직하게 탄력적이거나 유연한 방호 물질로 형성된다. 그러나, 이러한 탄력적이거나 유연한 물질들이 뛰어난 내탄도성을 나타내지만, 이들은 또한 일반적으로 만족스럽지 못한 내마모성을 나타내며, 이는 방호품의 내구성에 영향을 미친다. 당 기술분야에서는 향상된 내마모성 및 내구성을 가지면서 유연하고, 탄력적인 내탄도성 물질을 제공하는 것이 원하여진다. 본 발명은 이러한 요구에 대한 방안을 제공한다. 보다 중요하게, 왁스 코팅의 존재는 9mm 풀 메탈 자켓 탄도 및 44 매그넘 탄도와 같은 발사체에 대해 본 명세서에 기술된 내탄도성 복합체의 탄도 침투 저항성을 현저히 향상시키는 것을 예기치않게 발견하였다.
본 발명은 이의 상부에 다층 코팅을 갖는 적어도 하나의 섬유 기질을 포함하며, 상기 섬유 기질은 약 7g/데니어 이상의 강도 및 약 150g/데니어 이상의 인장 모듈러스를 갖는 하나 이상의 섬유를 포함하며; 상기 다층 코팅은 상기 하나 이상의 섬유의 표면상에 중합 바인더 물질층, 및 상기 중합 바인더 물질층상에 왁스층을 포함하는, 내탄도성 복합체를 제공한다.
본 발명은 또한
i) 일 표면을 갖는 적어도 하나의 코팅된 섬유 기질을 제공하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 섬유 기질은 약 7g/데니어 이상의 강도 및 약 150g/데니어 이상의 인장 모듈러스를 갖는 하나 이상의 섬유를 포함하며; 상기 각 섬유들의 표면은 주로 중합 바인더 물질로 코팅되는, 적어도 하나의 코팅된 섬유 기질을 제공하는 단계; 및
ii) 상기 적어도 하나의 코팅된 섬유 기질의 적어도 일부상에 왁스를 도포하는 단계
를 포함하는 내탄도성 복합체를 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 향상된 내마모성 및 내구성을 가지면서 유연하고, 탄력적인 내탄도성 물질이 제공된다.
본 발명은 우수한 내구성 및 향상된 탄도 침투 저항성을 갖는 내마모성 섬유 복합체 및 물품을 제시한다. 특히, 본 발명은 적어도 하나의 섬유 기질상에 본 발명의 다층 코팅을 도포함으로써 형성되는 섬유 복합체를 제공한다. 본 명세서에 사용된 "섬유 기질"은 펠트를 포함하는 단일 섬유 또는 다수의 섬유로부터 형성된 직물일 수 있다. 바람직하게, 상기 섬유 기질은 짜여진(woven) 및 부직의 직물을 포함하는 일체식 구조로서 통합된 다수의 섬유들을 포함하는 직물이다. 섬유 웹으로 배열되거나 다른 배열로 배열되며, 코팅시 직물인 것으로 간주되거나 그렇지 않을 수 있는 다수의 섬유들상에 상기 중합 바인더 물질 또는 중합 바인더 물질과 왁스 두 가지 모두로 이루어진 코팅이 적용될 수 있다.
본 발명의 섬유 기질은 적어도 하나의 중합 바인더 물질층 및 적어도 하나의 왁스층을 포함하며, 상기 층들은 다른, 다층 코팅으로 코팅된다. 적어도 하나의 중합 바인더 물질층은 하나 이상의 섬유의 표면상에 직접 적용되며, 그리고 적어도 하나의 왁스의 국소 코팅이 중합 바인더 물질층의 상부상에 적용된다. 하기에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 왁스 코팅은 중합 바인더층의 "상부상에" 존재하지만, 이들 둘이 반드시 서로 직접적으로 접촉할 필요는 없다.
왁스는 일반적으로 실온에서는 고형이지만 약 40℃이상의 온도에서 분해없이 용융되거나 유연한 물질로 정의된다. 이들은 일반적으로 유기물이며 실온에서 물에 녹지 않으나, 비극성 유기 용매와 같은 일부 용매에서 물에 적셔질 수 있으며, 페이스트 및 겔을 형성할 수 있다. 왁스는 분지형이거나 선형일 수 있으며, 높거나 낮은 결정도를 가질 수 있으며, 그리고 상대적으로 낮은 극성을 가질 수 있다. 이들의 분자량은 약 400-25,000 범위일 수 있으며, 약 40-150℃ 범위의 녹는점을 가질 수 있다. 이들은 일반적으로 보다 높은 등급의 폴리머와 같이, 독립형 필름을 형성하지 않으며, 일반적으로 오일 및 그리스보다 많은 탄소 원자를 함유하는 지방족 탄화수소이다. 왁스의 점도는 낮은 것에서부터 높은 것까지 다양할 수 있으며, 이는 전형적으로 분자량 및 결정도에 따라 달라진다. 이들의 녹는점 이상에서 왁스의 점도는 전형적으로 낮으며, 그리고 국소 왁스 코팅은 저 점도 왁스를 포함하는 것이 바람직하다. 본 명세서에 사용된, "저 점도 왁스"는 140℃에서 약 500센티푸아즈(cps) 이하의 용융 점도를 갖는 왁스를 가리킨다. 바람직하게, 저 점도 왁스는 140℃에서 약 250cps미만의 점도를 가지며, 가장 바람직하게 140℃에서 약 100cps미만의 점도를 갖는다. 그러나, 일부 선형 폴리에틸렌 왁스(약 2000-10,000의 분자량) 및 폴리프로필렌 왁스는 용융 후에 중간 정도 내지 고 점도, 즉, 10,000센티푸아즈 정도로 높은 점도를 가질 수 있다. 점도값은 당 기술분야에 잘 알려진 기술을 이용하여 측정되며, 예를 들어, 캐필러리, 회전식 또는 이동식 바디 유량계를 이용하여 측정될 수 있다. 바람직한 측정 도구는 브룩필드 회전식 점도계이다. 바람직한 왁스는 약 400-10,000의 중량평균 분자량을 갖는다. 보다 바람직하게, 상기 왁스는 주로 선형 폴리머이며, 약 1500미만의 중량평균 분자량을 가지며, 그리고 바람직하게 약 800미만의 수평균 분자량을 갖는다.
적절한 왁스는 천연 및 합성 왁스를 포함하며, 그리고 비제한적으로 밀랍, 차이니즈 납, 셀락 왁스, 스퍼마세티 앤드 울 왁스(라놀린)와 같은 동물성 왁스; 월계수 열매 왁스, 칸델릴라 왁스, 카르나우바 왁스, 캐스터 왁스, 에스파르토 왁스, 목랍, 호호바오일 왁스, 오우리큐리 왁스, 쌀겨 왁스 및 콩 왁스와 같은 식물성 왁스; 세레신 왁스, 몬탄 왁스, 오조세라이트 왁스 및 피트 왁스와 같은 미네랄 왁스; 파라핀 왁스 및 미정질 왁스와 같은 석유 왁스; 및 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 왁스를 포함하는 폴리올레핀 왁스, 피셔-트로프쉬 왁스, 스테아라미드 왁스(에틸렌 비스-스테아라미드 왁스 포함), 중합 α-올레핀 왁스, 치환 아미드 왁스(예, 에스테르화 또는 사포닌화 치환 아미드 왁스) 및 기타 화학적으로 개질된 왁스를 포함하는 합성 왁스를 포함한다. 또한 미국 특허 4,544,694에 개시된 왁스들이 적절하며, 이는 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다. 이들 중, 바람직한 왁스는 파라핀 왁스, 미정질 왁스, 피셔-트로프쉬 왁스, 분지형 및 선형 폴리에틸렌 왁스, 폴리프로필렌 왁스, 카르나우바 왁스, 에틸렌 비스-스테아라미드(EBS) 왁스 및 이의 조합을 포함한다. 표 1은 이러한 바람직한 왁스들의 특성을 개략적으로 나타내었다.
왁스 분자량(Mw) 결정도 밀도 녹는점(℃) 침투 경도(dmm) 녹는점 이상에서의 전형적 점도(cps)
파라핀 ~400 낮음 0.9 50-70 10-20 낮음
미정질 ~650 낮음 0.96 60-90 5-30 낮음
피셔-트로프쉬 ~600 매우 높음 0.94 95-100 1-2 낮음
분지형 폴리에틸렌 1000-10,000 중간 0.91-0.94 90-140 1-100 낮음 내지 중간
선형 폴리에틸렌 1000-10,000 중간 내지 매우 높음 0.93-0.97 90-140 <0.5-5 낮음 내지 높음
폴리프로필렌 2000-10,00
0		 매우 높음 0.9 90-140 <0.5 중간 내지 높음
카르나우바 저 MW 물질
의 혼합물		 높음 0.97 78-85 2-3 낮음
EBS 593 중간 내지 매우 높음 0.97 135-146 <5 낮음
본 발명에 유용한 다른 왁스는 당 기술분야에서 통상적으로 지글러 슬러리 중합 공정으로 알려진 공정을 통해 에틸렌과 지글러-나타 촉매와 같은 지글러-타입 촉매의 중합 도중에 회수되는 부산물 조성물을 포함한다. 일반적으로, 지글러 슬러리 중합 공정은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 호모폴리머 또는 에틸렌-α-올레핀 코폴리머와 같은 에틸렌 코폴리머를 형성하기 위해 사용된다. 중합 도중, 저 분자량, 왁스성 분획은 중합 도중에 사용되는 희석제에 용해되며, 이로부터 회수될 수 있다. 이러한 부산물 왁스는 일반적으로 고밀도 폴리에틸렌 왁스이며, 전형적으로 약 0.92-0.96g/cc를 갖는 폴리에틸렌 호모폴리머 왁스이다. 부산물 왁스는 에틸렌으로부터 직접적인 합성에 의해 만들어지거나 고분자량 폴리에틸렌 수지의 열분해에 의해 만들어진 다른 폴리에틸렌 왁스와 구별되며, 이의 각각은 고밀도 및 저밀도 모두의 폴리머를 형성한다. 이러한 부산물 왁스는 또한 일반적으로 기상 중합 공정 또는 용액 중합 공정과 같은 다른 공정으로부터 회수되지 않는다.
왁스로 간주되지 않는 다른 물질들과 혼합된 왁스를 포함하는 왁스 블렌드가 왁스층에 또한 적절하다. 바람직한 왁스 블렌드는 불소 함유 폴리머와 왁스의 블렌드를 포함한다. 이러한 적절한 불소 함유 폴리머는 TEFLON®(E.I.duPont de Nemours and Company of Wilminton, Delaware로부터 상업적으로 이용가능함)과 같은 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함한다. 바람직한 블렌드는 블렌드의 중량으로 약 5-50중량%의 플루오로폴리머, 보다 바람직하게 블렌드의 중량으로 약 10-30중량%의 플루오르폴리머를 포함한다. 바람직한 플루오로폴리머/왁스 블렌드는 유기 왁스를 포함한다. 공정 보조제로 사용될 수 있는 실리카, 알루미나 및/또는 미카와 같은 물질과 혼합된 왁스를 포함하는 왁스 블렌드가 또한 바람직하다. 공정 보조제는 블렌드의 약 50중량%까지의 수준으로 블렌드내로 편입될 수 있으며, 바람직하게 약 1-25중량%, 그리고 가장 바람직하게 약 2-10중량% 범위이다.
보다 바람직하게, 왁스 코팅은 Shamrock S-379 및 S-394 왁스(Shamrock Technologies, Inc. of Newark, NJ로부터 상업적으로 이용가능함) 및 A-C 6, A-C 7, A-C 8, A-C 9, A-C 617 및 A-C 82 왁스(Honeywell International Inc. of Morristown, NJ로부터 상업적으로 이용가능함)와 같은 하나 이상의 폴리에틸렌 호모폴리머 왁스; NEPTUNETM 5223-N4 및 NEPTUNETM S-250 SD5(Shamrock Technologies, Inc.(Newark, NJ)로부터 상업적으로 이용가능함) 및 A-C 629 및 A-C 673(Honeywell International Inc.(Morristown, NJ)로부터 상업적으로 이용가능함)와 같은 산화 폴리에틸렌 호모폴리머 왁스; Shamrock S-400(Shamrock Technologies, Inc.(Newark, NJ)로부터 상업적으로 이용가능함) 및 Acrawax® C(Lonza Group, Ltd.(Basel, Switzerland)로부터 상업적으로 이용가능함)와 같은 에틸렌 비스-스테아라미드 왁스; Grade #63 및 Grade #200(Strahl & Pitsch, Inc.(West Babylon, NY)로부터 상업적으로 이용가능함) 및 Shamrock S-232(Shamrock Technologies, Inc.(Newark, NJ)로부터 상업적으로 이용가능함)와 같은 카르나우바 왁스; Hydropel QB(Shamrock Technologies, Inc.로부터 상업적으로 이용가능함)와 같은 파라핀 왁스 뿐만 아니라 FLUOROSLIPTM 731MG(PE/PTFE 블렌드, Shamrock Technologies, Inc.로부터 상업적으로 이용가능함)와 같은 이러한 물질들 중 어느 것을 함유하는 블렌드 및 합금을 포함한다. 왁스는 잠재적인 연마재에 대한 장벽으로 작용하며, 또한 직물의 필라멘트들 사이의 공동내에 채워질 수 있어, 직물의 무결성을 증가시킨다. 왁스는 또한 복합 직물 표면의 경도 또는 인성을 증가시킬 수 있으며, 이는 내구성을 증가시킨다. 왁스는 또한 기질을 얇은 왁스층으로 균일하게 코팅하고 내마모성을 증가시키는 윤활제로 작용할 수 있다.
본 발명의 코팅된 섬유 기질은 특히, 보다 우수한 탄도 침투 저항성을 갖는 직물 및 물품의 제조용으로 의도된다. 본 발명의 목적상, 보다 우수한 탄도 침투 저항성을 갖는 물품은 총알과 같은 변형가능한 발사체에 대해, 그리고 파편과 같은 조각의 침투에 대해 뛰어난 특성을 나타내는 것들을 가리킨다.
본 발명의 목적상, "섬유"는 이의 길이 치수가 폭 및 두께의 횡 치수보다 상당히 큰 길다란 바디이다. 본 발명에 사용되는 섬유들의 횡단면은 상당히 다양할 수 있다. 이는 횡단면이 원형이거나, 편평하거나 직사각형일 수 있다. 따라서, 용어 섬유는 규칙적이거나 비규칙적인 횡단면을 갖는 필라멘트, 리본, 스트립 등을 포함한다. 이들은 또한 섬유의 선형 또는 종축으로부터 돌출된 하나 이상의 규칙적이거나 비규칙적인 로브를 갖는 비규칙적이거나 규칙적인 멀티로브 횡단면일 수 있다. 상기 섬유는 단일로브이며 주로 원형의 횡단면을 갖는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 다층 코팅은 단일 중합 섬유 또는 다수의 중합 섬유상에 적용될 수 있다. 다수의 섬유는 섬유 웹(예, 병렬적 배열 또는 펠트), 직물, 부직물 또는 얀(여기서, 얀은 다중 섬유로 구성된 스트랜드로서 정의되며, 직물은 다수의 통합된 섬유를 포함함)의 형태로 존재할 수 있다. 다수의 섬유를 포함하는 구현에서, 다층 코팅은 섬유가 직물 또는 얀내로 배열되기 전에 적용되거나, 또는 섬유가 직물 또는 얀내로 배열된 후에 적용될 수 있다.
본 발명의 섬유는 어느 중합 섬유 타입을 포함할 수 있다. 가장 바람직하게, 상기 섬유는 내탄도성 물질 및 물품의 형성에 유용한 고 강도, 고 인장 모듈러스 섬유를 포함한다. 본 명세서에 사용된, "고 강도, 고 인장 모듈러스 섬유"는 모두 ASTM D2256에 의해 측정시, 적어도 약 7g/데니어 이상의 바람직한 강도, 적어도 약 150g/데니어 이상의 바람직한 인장 모듈러스, 그리고 바람직하게 적어도 약 8J/g 이상의 파괴에너지(energy-to-break)를 갖는 것이다. 본 명세서에 사용된, 용어 "데니어"는 섬유 또는 얀 9000미터당 질량 그램과 동등한 선형 밀도의 단위를 칭한다. 본 명세서에 사용된 용어 "강도"는 가압된 시편의 선형 밀도(데니어)당 힘(그램)으로 표현된 인장 스트레스를 칭한다. 섬유의 "초기 계수"는 이의 변형 저항성을 나타내는 물질의 특성이다. 용어 "인장 모듈러스"는 원래 섬유 길이의 분수(in/in)로서 표기되는 스트레인의 변화에 대한 데니어(g/d)당 그램-힘으로 표기되는, 강도의 변화율을 칭한다.
섬유를 형성하는 폴리머는 바람직하게 내탄도성 직물의 제조에 적절한 고 강도, 고 인장 모듈러스 섬유이다. 내탄도성 물질 및 물품의 형성에 특히 적절한 고 강도, 고 인장 모듈러스 섬유 물질은 고 밀도 및 저 밀도 폴리에틸렌을 포함하는 폴리올레핀 섬유를 포함한다. 고 배향, 고분자량 폴리에틸렌 섬유, 특히 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 및 폴리프로필렌 섬유, 특히 초고분자량 폴리프로필렌 섬유와 같은 연장 사슬 폴리올레핀 섬유가 특히 바람직하다. 또한, 아라미드 섬유, 특히 파라-아라미드 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유, 연장 사슬 폴리비닐 알코올 섬유, 연장 사슬 폴리아크릴로니트릴 섬유, 폴리벤즈옥사졸(PBO) 및 폴리벤조티아졸(PBT) 섬유와 같은 폴리벤즈아졸 섬유, 액정 코폴리에스테르 섬유 및 M5® 섬유와 같은 경질 로드 섬유가 적절하다. 각각의 이러한 섬유 타입은 통상적으로 당 기술분야에 알려져 있다. 또한, 코폴리머, 블록 폴리머 및 이들 물질의 블렌드가 중합 섬유를 제조하기에 적절하다.
내탄도성 직물에 가장 바람직한 섬유 타입은 폴리에틸렌, 특히 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유, 아라미드 섬유, 폴리벤즈아졸 섬유, 액정 코폴리에스테르 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 특히 고배향 연장 사슬 폴리프로필렌 섬유, 폴리비닐 알코올 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유 및 경질 로드 섬유, 특히 M5® 섬유를 포함한다.
폴리에틸렌의 경우, 바람직한 섬유는 적어도 500,000의 분자량, 바람직하게 적어도 일백만 및 보다 바람직하게 2백만 내지 5백만의 분자량을 갖는 연장 사슬 폴리에틸렌이다. 이러한 연장 사슬 폴리에틸렌(ECPE) 섬유는 본 명세서에 참고문헌으로 편입된 미국 특허 4,137,394 또는 4,356,138과 같은 용액 스피닝 공정에서 성장될 수 있으며, 또는 역시 본 명세서에 참고문헌으로 편입된 미국 특허 4,551,296 및 5,006,390에 기술된 바와 같이 겔 구조를 형성하기 위해 용액으로부터 스펀될 수 있다. 본 발명에 사용하기에 특히 바람직한 섬유 타입은 Honeywell International Inc.에서 상표 SPECTRA®로 판매되는 폴리에틸렌 섬유이다. SPECTRA® 섬유는 당 기술분야에 잘 알려져 있으며, 예를 들어, 미국 특허 4,623,547 및 4,748,064에 기재되어 있다.
또한, 아라미드(방향족 폴리아미드) 또는 파라-아라미드 섬유가 특히 바람직하다. 이들은 상업적으로 이용가능하며, 예를 들어, 미국 특허 3,671,542에 기재되어 있다. 예를 들어, 유용한 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)필라멘트는 KEVLAR®의 상표로 DuPont에 의해 상업적으로 생산된다. 또한, NOMEX®의 상표로 DuPont에 의해 상업적으로 생산되는 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드) 섬유 및 TWARON®의 상표로 Teijin에 의해 상업적으로 생산되는 섬유; HERACRON®의 상표로 Kolon Industies, Inc.(Korea)에 의해 상업적으로 생산되는 아라미드 섬유; Kamensk Volokno JSC(Russia)에 의해 상업적으로 생산되는 p-아라미드 섬유 SVMTM 및 RUSARTM 및 JSC Chim Volokno(Russia)에 의해 상업적으로 생산되는 ARMOSTM p-아라미드 섬유가 본 발명의 실시에 유용하다.
본 발명의 실시에 적절한 폴리벤즈아졸 섬유는 상업적으로 이용가능하며, 예를 들어, 미국 특허 5,286,833, 5,296,185, 5,356,584, 5,534,205 및 6,040,050에 개시되어 있으며, 이들은 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다. 본 발명의 실시에 적절한 액정 코폴리에스테르 섬유는 상업적으로 이용가능하며, 예를 들어, 미국 특허 3,975,487, 4,118,372 및 4,161,470에 기재되어 있으며, 이들은 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다.
적절한 폴리프로필렌 섬유는 본 명세서에 참고문헌으로 편입된 미국 특허 4,413,110에 개시된 바와 같은 고배향 연장 사슬 폴리프로필렌(ECPP) 섬유를 포함한다. 적절한 폴리비닐 알코올(PV-OH) 섬유는 예를 들어, 본 명세서에 참고문헌으로 편입된 미국 특허 4,440,711 및 4,599,267에 개시되어 있다. 적절한 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유는 예를 들어, 본 명세서에 참고문헌으로 편입된 미국 특허 4,535,027에 개시되어 있다. 각각의 이러한 섬유 타입은 통상적으로 알려져 있으며, 폭넓게 상업적으로 이용가능하다.
본 발명에 사용되는 다른 적절한 섬유 타입은 M5® 섬유와 같은 경질 로드 섬유 및 모두 상업적으로 이용가능한 상기한 모든 물질들의 조합을 포함한다. 예를 들어, 섬유층은 SPECTRA® 섬유 및 Kevlar® 섬유의 조합으로부터 형성될 수 있다. M5® 섬유는 피리도비스이미다졸-2,6-디일(2,5-디히드록시-p-페닐렌)으로부터 형성되며, Magellan Systems International(Richmond, Virginia)에 의해 제조되며, 예를 들어, 미국 특허 5,674,969, 5,939,553, 5,945,537 및 6,040,478에 기재되어 있으며, 이들 각각은 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다. 특히 바람직한 섬유는 M5® 섬유, 폴리에틸렌 SPECTRA® 섬유, 아라미드 Kevlar® 섬유 및 아라미드 TWARON® 섬유를 포함한다. 상기 섬유는 예를 들어, 50 내지 약 3000 데니어, 보다 바람직하게 약 200-3000 데니어, 보다 바람직하게 약 650-2000 데니어, 그리고 가장 바람직하게 약 800-1500 데니어와 같은 어느 적절한 데니어일 수 있다. 선택은 탄도 효과 및 비용을 고려하여 이루어진다. 보다 질 좋은 섬유는 제조 및 직물을 짜기에 보다 비용적일 수 있으나, 단위 중량당 보다 우수한 탄도 효과를 생성할 수 있다.
본 발명의 목적상 가장 바람직한 섬유는 고 강도, 고 인장 모듈러스 연장 사슬 폴리에틸렌 섬유 또는 고 강도, 고 인장 모듈러스 파라-아라미드 섬유이다. 상술한 바와 같이, 고 강도, 고 인장 모듈러스 섬유는 각각 ASTM D2256에 의해 측정시, 약 7g/데니어 이상의 바람직한 강도, 약 150g/데니어 이상의 바람직한 인장 모듈러스 및 약 8J/g 이상의 바람직한 파괴 에너지를 갖는 것이다. 본 발명의 바람직한 구현으로, 섬유의 강도는 약 15g/데니어 이상이어야 하며, 바람직하게 약 20g/데니어 이상, 보다 바람직하게 약 25g/데니어 이상이며, 그리고 가장 바람직하게 약 30g/데니어 이상이다. 본 발명의 섬유는 또한 약 300g/데니어 이상의 바람직한 인장 모듈러스, 보다 바람직하게 약 400g/데니어 이상, 보다 바람직하게 약 500g/데니어 이상, 보다 바람직하게 약 1,000g/데니어 이상, 그리고 가장 바람직하게 약 1,500g/데니어 이상의 인장 모듈러스를 갖는다. 본 발명의 섬유는 또한 약 15J/g 이상의 바람직한 파괴에너지, 보다 바람직하게 약 25J/g 이상, 보다 바람직하게 약 30J/g 이상, 그리고 가장 바람직하게 약 40J/g 이상의 파괴 에너지를 갖는다.
이러한 복합 고강도 특성은 잘 알려진 공정에 의해 획득가능하다. 미국 특허 4,413,110, 4,440,711, 4,535,027, 4,457,985, 4,623,547, 4,650,710 및 4,748,064에는 일반적으로 본 발명에 사용되는 바람직한 고 강도, 연장 사슬 폴리에틸렌 섬유의 형성에 대해 기술되어 있다. 솔루션 그로운 또는 겔 화이버 프로세스를 포함하는 이러한 방법은 당 기술분야에 잘 알려져 있다. 파라-아라미드 섬유를 포함하는 각각의 다른 바람직한 섬유 타입을 형성하는 방법은 또한 당 기술분야에 통상적으로 알려져 있으며, 상기 섬유는 상업적으로 이용가능하다.
당 기술분야에 중합 매트릭스 물질로도 알려진 중합 바인더 물질층은 바람직하게, 이의 고유 접착 특성에 의해 또는 잘 알려진 열 및/또는 압력 조건에 적용한 후에 다수의 섬유를 서로 바인딩시키는 당 기술분야에서 중합 바인더 또는 매트릭스 물질로서 통상적으로 사용되는 적어도 하나의 물질을 포함한다. 이들은 저 모듈러스, 탄성중합 물질 및 고 모듈러스, 경질 물질 모두를 포함한다. 바람직한 저 모듈러스 탄성중합 물질은 ASTM D638에 의해 37℃에서 측정시 약 6,000psi(41.3MPs)미만의 초기 인장 모듈러스를 갖는 것들이다. 바람직한 고 모듈러스, 경질 물질은 일반적으로 보다 높은 초기 인장 모듈러스를 갖는다. 본 명세서 전반에 걸쳐 사용된, 용어 인장 모듈러스는 섬유에 대해 ASTM 2256에 의해 그리고 중합 바인더 물질에 대해 ASTM D638에 의해 측정된 탄성 모듈러스를 의미한다. 일반적으로, 중합 바인더 코팅은 효율적으로 합쳐지는, 즉, 다수의 부직 섬유 플라이들을 통합시키는 것이 요구된다. 중합 바인더 물질은 개별 섬유들의 전체 표면적에 적용되거나, 섬유들의 일부 표면적에만 적용될 수 있다. 가장 바람직하게, 중합 바인더 물질의 코팅은 본 발명의 짜여진 또는 부직의 직물을 형성하는 각 개별 섬유의 실질적으로 모든 표면적에 적용된다. 직물이 다수의 얀을 포함하는 경우에, 얀의 단일 스트랜드를 형성하는 각각의 섬유는 바람직하게 중합 바인더 물질로 코팅된다.
탄성 중합 바인더 물질은 다양한 물질을 포함할 수 있다. 바람직한 탄성중합 바인더 물질은 저 모듈러스 탄성중합 물질을 포함한다. 본 발명의 목적상, 저 모듈러스 탄성중합 물질은 ASTM D638 시험 방법에 따라 약 6,000psi(41.4MPa) 이하로 측정되는 인장 모듈러스를 갖는다. 바람직하게, 엘라스토머의 인장 모듈러스는 약 4,000psi(27.6MPa) 이하, 보다 바람직하게 약 2400psi(16.5MPa) 이하, 보다 바람직하게 1200psi(8.23MPa) 이하, 그리고 가장 바람직하게 약 500psi(3.45MPa) 이하이다. 엘라스토머의 유리전이온도(Tg)는 바람직하게 약 0℃이하, 보다 바람직하게 약 -40℃이하, 그리고 가장 바람직하게 약 -50℃이하이다. 엘라스토머는 또한 적어도 약 50%의 바람직한 파괴 신도(elongation to break), 보다 바람직하게 적어도 약 100%, 그리고 가장 바람직하게 적어도 약 300%의 파괴 신도를 갖는다.
저 모듈러스를 갖는 광범위하게 다양한 물질 및 배합물이 중합 바인더 코팅에 이용될 수 있다. 대표적인 예는 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 천연 고무, 에틸렌-프로필렌 코폴리머, 에틸렌-프로필렌-디엔 3량체, 폴리설피드 폴리머, 폴리우레탄 엘라스토머, 클로로설포네이티드 폴리에틸렌, 폴리클로로프렌, 가소화 폴리비닐클로라이드, 부타디엔 아크릴로니트릴 엘라스토머, 폴리(이소부틸렌-코-이소프렌), 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리에테르, 에틸렌의 코폴리머, 및 이의 조합, 및 다른 저 모듈러스 폴리머 및 코폴리머를 포함한다. 또한, 다른 탄성중합 물질의 블렌드, 또는 하나 이상의 열가소성플라스틱과 탄성중합 물질의 블렌드가 바람직하다.
복합 디엔과 비닐 방향족 단량체의 블록 코폴리머가 특히 유용하다. 부타디엔 및 이소프렌이 바람직한 복합 디엔 엘라스토머이다. 스티렌, 비닐 톨루엔 및 t-부틸 스티렌이 바람직한 복합 방향족 단량체이다. 폴리이소프렌을 포함하는 블록 코폴리머는 포화 탄화수소 엘라스토머 세그멘트를 갖는 열가소성플라스틱 엘라스토머를 생성하기 위해 수화될 수 있다. 폴리머는 타입 A-B-A의 간단한 트리-블록 코폴리머, 타입 (AB)n(n=2-10)의 다중-블록 코폴리머 또는 타입 R-(BA)x(x=3-150)의 라디컬 형태 코폴리머(여기서, A는 폴리비닐 방향족 단량체의 블록이며, B는 복합 디엔 엘라스토머의 블록임)일 수 있다. 다수의 이러한 폴리머는 Kraton Polymers(Houston, TX)에 의해 상업적으로 생산되며, 회보 "Kraton Thermoplastic Rubber", SC-68-81에 기재되어 있다. 가장 바람직한 저 모듈러스 중합 바인더 물질은 스티렌 블록 코폴리머, 특히 Kraton Polymers에 의해 상업적으로 생산되며 상표 KRATON®로 판매되는 폴리스티렌-폴리이소프렌-폴리스티렌-블록 코폴리머 및 Noveon, Inc.(Cleveland, Ohio)에서 상업적으로 이용가능한 HYCAR® 아크릴 폴리머를 포함한다.
중합 바인더 물질에 유용한 바람직한 고 모듈러스, 경질 폴리머는 비닐 에스테르 폴리머 또는 스티렌-부타디엔 블록 코폴리머와 같은 폴리머, 및 비닐 에스테르 및 디알릴 프탈레이트 또는 페놀 포름알데히드 및 폴리비닐 부티랄과 같은 폴리머의 혼합물을 포함한다. 특히 바람직한 고 모듈러스 물질은 열경화 폴리머이며, 바람직하게는 메틸 에틸 케톤과 같은 탄소-탄소 포화 용매에 가용성이며, 경화시 ASTM D638로 측정하여 적어도 약 1×105psi(689.5MPa)의 고 인장 모듈러스를 갖는 열 경화 폴리머이다. 특히 바람직한 경질 물질은 본 명세서에 참고문헌으로 편입된 미국 특허 6,642,159에 개시된 것들이다.
본 발명의 바람직한 구현으로, 중합 바인더 물질층은 폴리우레탄 폴리머, 폴리에테르 폴리머, 폴리에스테르 폴리머, 폴리카보네이트 폴리머, 폴리아세탈 폴리머, 폴리아미드 폴리머, 폴리부틸렌 폴리머, 에틸렌-비닐 아세테이트 코폴리머, 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머, 이오노머, 스티렌-이소프렌 코폴리머, 스티렌-부타디엔 코폴리머, 스티렌-에틸렌/부틸렌 코폴리머, 스티렌-에틸렌/프로필렌 코폴리머, 폴리메틸 펜텐 폴리머, 하이드로게네이티드 스티렌-에틸렌/부틸렌 코폴리머, 말레익 안하이드리드 작용성 스티렌-에틸렌/부틸렌 코폴리머, 카르복실산 작용성 스티렌-에틸렌/부틸렌 코폴리머, 아크릴로니트릴 폴리머, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 코폴리머, 폴리프로필렌 폴리머, 폴리프로필렌 코폴리머, 에폭시 폴리머, 노볼락 폴리머, 페놀릭 폴리머, 비닐 에스테르 폴리머, 니트릴 고무 폴리머, 천연 고무 폴리머, 셀룰로즈 아세테이트 부티레이트 폴리머, 폴리비닐 부티랄 폴리머, 아크릴 폴리머, 아크릴 코폴리머 또는 논-아크릴 단량체를 포함하는 아크릴 코폴리머를 포함한다.
또한, 불소 함유 중합 바인더 물질 뿐만 아니라 불소를 함유하지 않는 폴리머와 불소 함유 폴리머의 블렌드가 본 발명에 유용하다. 본 명세서에 사용된, "불소 함유" 폴리머는 플루오로폴리머 및 플루오로카본-함유 물질(즉, 플루오로카본 수지)을 포함한다. "플루오로카본 수지"는 일반적으로 플루오로카본기를 포함하는 폴리머를 가리킨다. 본 발명에서 유용한 플루오로폴리머 및 플루오로카본 수지 물질은 플루오로폴리머 호모폴리머, 플루오로폴리머 코폴리머 또는 이의 블렌드를 포함하며, 이들은 당 기술분야에 잘 알려져 있으며, 예를 들어, 미국 특허 4,510,301, 4,544,721 및 5,139,878에 기재되어 있다. 또한, 폴리아크릴산(즉, 플루오로카본-개질 폴리아크릴산) 또는 폴리아크릴레이트(즉, 플루오로카본-개질 폴리아크릴레이트) 및 폴리우레탄(즉, 플루오로카본-개질 폴리우레탄)과 같은 통상적인 폴리에테르(즉, 플루오로카본-개질 폴리에테르), 폴리에스테르(즉, 플루오로카본-개질 폴리에스테르), 폴리아니온스(즉, 플루오로카본-개질 폴리아니온스) 상에 플루오로카본 측쇄를 그라프팅하여 형성되는 플루오로카본-개질 폴리머, 특히 플루오로-올리고머 및 플루오로폴리머가 바람직하다. 이러한 플루오로카본 측쇄 또는 퍼플루오로 화합물은 일반적으로 텔로머화 공정에 의해 생성되며, 일반적으로 C8 플루오로카본으로 칭하여진다. 예를 들어, 플루오로폴리머 또는 플루오로카본 수지는 불포화 플루오로-화합물의 텔로머화로부터 유도되어, 플루오로텔로머를 형성하며, 여기서 상기 플루오로텔로머는 계속해서 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리아니온, 폴리아크릴산, 폴리아크릴레이트 또는 폴리우레탄과 반응하여 변성되고, 그 다음, 상기 플루오로텔로머는 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리아니온, 폴리아크릴산, 폴리아크릴레이트 또는 폴리우레탄상에 그라프팅된다. 이러한 플루오로카본 함유 폴리머의 좋은 대표적인 예는 NUVA® 플루오로폴리머 제품들(Clariant International, Ltd. Switzerland)이다. 퍼플루오로 산계 및 퍼플루오로 알코올계 측쇄를 갖는 다른 플루오로카본 수지들, 플루오로-올리고머 및 플루오로폴리머가 또한 가장 바람직하다. C6, C4 또는 C2와 같이 보다 짧은 길이의 플루오로카본 측쇄를 갖는 플루오로폴리머 및 플루오로카본 수지가 또한 적절하며, 이러한 예로는 PolyFoxTM 플루오로케미컬을 들 수 있으며, 이는 Omnova Solutions, Inc.(Fairlawn, Ohio)로부터 상업적으로 이용가능하다.
본 발명의 섬유 복합체로부터 형성되는 물품의 강성률, 충격 및 탄도 특성은 섬유를 코팅하는 바인더 폴리머의 인장 모듈러스에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 미국 특허 4,623,574에는 약 6000psi(41,300kPa)미만의 인장 모듈러스를 갖는 탄성중합 매트릭스로 구성된 섬유 강화 복합체가 보다 높은 모듈러스 폴리머로 구성된 복합체 뿐만 아니라 하나 이상의 중합 바인더 물질 코팅이 없는 동일한 섬유 구조와 비교하여 보다 우수한 탄도 특성을 갖는 것이 개시되어 있다. 그러나, 저 인장 모듈러스 중합 바인더 폴리머는 또한 보다 낮은 강성도의 복합체를 생성한다. 또한, 특정 적용시, 특히, 복합체가 방탄 및 구조적 방식 모든 면에서 기능을 하여야 하는 경우에, 보다 우수한 조합의 탄도 저항성과 강성도가 요구된다. 따라서, 사용되는 가장 적절한 타입의 중합 바인더 물질은 본 발명의 직물로부터 형성되는 물품의 타입에 따라 달라질 것이다. 두 모든 특성의 타협을 이루기 위해, 적절한 중합 바인더 물질은 또한 저 모듈러스 및 고 모듈러스 물질 모두의 조합을 포함할 수 있다. 각 폴리머 또는 왁스 층은 또한 당 기술분야에 잘 알려진 바와 같이 적절하게, 카본 블랙 또는 실리카와 같은 필러, 공정 보조제를 포함할 수 있으며, 오일과 함께 연장되거나, 황, 퍼옥시드, 금속 산화물 또는 방사 경화 시스템에 의해 경화될 수 있다.
충분한 내탄도 특성을 갖는 직물 물품을 생성하기 위해, 직물을 형성하는 섬유의 비율은 바람직하게 섬유와 혼합된 코팅을 합한 중량의 약 50-98중량%, 보다 바람직하게 섬유와 코팅을 합한 중량의 약 70-95중량%, 그리고 가장 바람직하게 약 78-90중량%를 포함한다. 따라서, 혼합된 코팅의 총 중량은 바람직하게 섬유와 혼합된 코팅을 합한 중량의 약 1-50중량%, 보다 바람직하게 약 2-30중량%, 보다 바람직하게 약 10-22중량%, 그리고 가장 바람직하게 약 14-17중량%를 포함하며, 여기서 16%가 부직 직물에 대해 가장 바람직하다. 보다 낮은 바인더/매트릭스 함량은 짜여진 직물에 적절하며, 여기서 바인더 함량은 섬유와 혼합된 코팅을 합한 중량의 0이상 내지 10중량%미만이 가장 바람직하다. 국소 왁스 코팅의 중량은 섬유와 혼합된 코팅을 합한 중량의 바람직하게 약 0.01-7.0중량%, 보다 바람직하게 약 0.1-3.0중량%, 그리고 가장 바람직하게 0.2-2.0중량%이다. 이러한 범위는 직물 기질의 양면의 코팅을 포함할 수 있으며, 여기서 각 표면은 동등한 코팅 중량을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이 원하여지는 코팅 중량을 달성하기에 부합되는 왁스 코팅의 두께는 다양할 것이다. 다른 왁스는 동일한 코팅 중량에 대해 다른 두께를 형성할 수 있는 다른 밀도를 가지며, 다른 직물은 최적 성능을 달성하기 위해 보다 높거나 낮은 코팅 중량을 필요로 할 수 있는 독특한 표면을 가질 수 있다.
부직 직물을 형성할 경우, 중합 바인더 코팅은 섬유 웹(예, 병렬 배열 또는 펠트)으로 배열되거나 다른 배열의 다수의 섬유에 적용되어, 이에 따라 섬유는 상기 코팅으로 그 위에 코팅되거나, 함침되거나, 매립되거나 도포된다. 섬유는 바람직하게 하나 이상의 섬유 플라이내로 배열되고, 그 다음 플라이는 후속되는 통상적인 기술로 통합된다. 다른 기술로, 섬유는 코팅되고, 무작위적으로 배열되고 통합되어 펠트를 형성한다. 짜여진 직물을 형성하는 경우에, 섬유는 직조 전 또는 후에, 바람직하게는 직조 후에 중합 바인더 코팅으로 코팅된다. 이러한 기술은 당 기술분야에 잘 알려져 있다. 본 발명의 물품은 또한 단일방향 섬유 플라이 및 부직 펠트 직물로부터 형성된 짜여진 직물, 부직물의 조합을 포함할 수 있다.
그 후, 왁스의 국소 코팅이 중합 바인더 물질층의 상부에 있는 통합 직물(또는 다른 섬유 기질)의 적어도 일 표면상에 적용된다. 따라서, 본 발명의 섬유 기질은 상기 하나 이상의 섬유의 표면상에 적어도 하나의 중합 바인더 물질층, 및 상기 중합 바인더 물질층의 상부에 적어도 하나의 왁스층을 포함하는 다층 코팅으로 코팅된다. 바람직하게, 직물의 외부 표면은 모두 왁스로 코팅되어 전체적인 내구성이 향상되지만, 직물의 일 외부 표면만이 왁스로 코팅하는 것 역시 향상된 내마모성을 제공할 것이며, 특히, 만일 최종 물품내에 직물 플라이의 올바른 방향을 유지하고 보다 적은 중량이 가해지도록 주의된다면 그러할 것이다. 저 중량 복합체를 더욱 유지하기 위해, 바람직한 구현은 바람직하게 단지 하나의 중합 바인더 물질층 및 하나의 왁스층만을 포함한다. 그러나, 다중 중합 바인더 물질층 및/또는 다중 왁스층이 섬유 기질에 적용될 수 있다. 부가적인 층 또는 코팅이 존재하는 경우에, 이러한 물질들은 중합 바인더 코팅(들) 및/또는 왁스 코팅(들)의 둘중 하나(또는 어느) 상부(또는 사이에) 위치할 수 있다. 부가적인 바인더 및/또는 왁스 코팅이 존재하는 경우, 각 왁스층은 다른 왁스층과 동일하거나 다를 수 있으며, 각 중합 바인더 층은 다른 중합 바인더층과 동일하거나 다를 수 있다. 예를 들어, 파라핀 왁스층이 폴리에틸렌 호모폴리머 왁스층 상부에 적용될 수 있다.
다른 구현으로, 타이(tie) 층이 중합 바인더와 국소 왁스 코팅 사이에 적용될 수 있다. 따라서, 왁스 코팅이 중합 바인더층의 "상부에" 존재하지만, 그 둘은 반드시 서로 직접적으로 접촉될 필요는 없다. 적절한 타이 층은 이에 한정하는 것은 아니나, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 비닐 폴리머, 플루오로폴리머 및 이의 코폴리머 및 혼합물로부터 형성된 층과 같은 열가소성 플라스틱 폴리머를 포함한다. 다른 택일적인 구현으로, 예를 들어, 실리카 분말과 같은 고마찰 물질의 코팅이 중합 바인더의 상부에 적용되고, 후속적으로 국소 왁스 코팅이 적용될 수 있다. 또한, 하나 이상의 다른 유기 또는 무기 물질 층이 중합 바인더의 상부에 적용되고, 후속적으로 국소 왁스 코팅이 적용될 수 있다. 유용한 무기물은 이에 한정하는 것은 아니나, 세라믹, 유리, 금속-충전 복합체, 서멧(세라믹 및 금속 물질의 복합체), 고강도 강, 아머 알루미늄 합금, 티타늄 또는 이의 조합을 포함한다. 다른 택일적인 구현으로, 내탄도성 복합체는 섬유(들)상에 중합 바인더 물질의 제 1 코팅, 그 다음 상기 바인더 코팅상의 국소 왁스 코팅, 그 다음으로 상기 왁스상에 실리콘계 물질의 최종적인 국소 코팅을 포함할 수 있다. 따라서, 다수의 다른 변화가 가능하며, 공정 보조제와 혼합된 바인더/왁스/실리콘, 바인더/연마재/왁스, 바인더/타이층/왁스, 및 바인더/왁스가 바람직한 변형이다. 그럼에도 불구하고, 섬유 기질의 하나 이상의 외표면상의 최외층이 왁스층인 것이 가장 바람직하다. 다층 코팅은 바람직하게 스핀 피니쉬와 같은 어느 기존의 섬유 피니쉬의 상부에 적용되거나, 또는 기존의 섬유 피니쉬는 코팅 적용전에 적어도 부분적으로 제거될 수 있다. 상기 왁스는 복합 직물의 한쪽 또는 양쪽 외부 표면상에 존재하는 것이 요구될 뿐이며, 각각의 섬유들이 이와 함께 반드시 코팅될 필요는 없다.
본 발명의 목적상, 용어 "코팅된(coated)"은 폴리머층이 섬유 기질 표면상에 적용되는 방법을 한정하려는 것은 아니다. 중합 바인더 물질층이 우선 섬유 표면상에 적용된 다음, 후속적으로 왁스층을 중합 바인더 물질층상에 적용하는 어느 적절한 적용법이 이용될 수 있다.
예를 들어, 중합 바인더층은 중합 물질의 용액을 섬유 표면상에 분무 또는 롤 코팅한 다음 건조함으로써 용액 형태로 적용될 수 있으며, 여기서 용액의 일부는 원하는 폴리머 또는 폴리머들을 포함하며, 그리고 용액의 일부는 상기 폴리머 또는 폴리머를 용해할 수 있는 용매를 포함한다. 다른 방법은 액체, 서스펜션으로 끈끈한 고체 또는 입자로서, 또는 유체 베드로서 섬유에 중합 바인더 물질(들)의 니트 폴리머를 적용하는 것이다. 택일적으로, 중합 바인더 물질은 적용 온도에서 섬유의 특성에 해로운 영향을 주지않는 적절한 용매에 용해된 용액, 에멀젼 또는 분산물로서 적용될 수 있다. 예를 들어, 섬유는 중합 바인더 물질의 용액을 통해 전달되고, 주로 중합 바인더 물질로 코팅된 다음, 건조되어 코팅된 섬유 기질을 형성할 수 있다. 그 다음, 그 결과 코팅된 섬유는 원하는 형태로 배열되고, 그 후 왁스로 코팅된다. 다른 코팅 기술로서, 단일 배향된 섬유 플라이 또는 짜여진 직물이 우선 배열되고, 그 다음 각 개별 섬유가 적어도 부분적으로 폴리머로 코팅되도록 플라이 및 직물을 적절한 용매에 용해된 중합 바인더 물질을 함유하는 용액조내로 디핑한 다음, 용매의 증발 또는 휘발을 통해 건조하고, 후속적으로 왁스를 동일한 방법을 통해 적용할 수 있다. 디핑 공정은 섬유상에 각 중합 코팅의 원하는 양을 놓이게 하도록, 바람직하게 각각의 개별 섬유들을 실질적으로 코팅하거나 캡슐화하고, 중합 바인더 물질로 실질적으로 모든 섬유 표면적을 덮도록, 필요에 따라 수회 반복될 수 있다.
섬유에 중합 바인더 코팅을 적용하는 다른 기술이 사용될 수 있으며, 이는 섬유로부터 용매를 제거하기 전 또는 후에(만일 겔-스피닝 섬유 형성 기술을 이용한 경우), 섬유가 고온 스트레칭 작업에 적용되기 전에 고 모듈러스 전구체(겔 섬유)를 코팅하는 것을 포함한다. 그 다음, 섬유는 상승된 온도에서 스트레칭되어 코팅된 섬유를 형성할 수 있다. 겔 화이버는 원하는 코팅을 이룰 수 있는 조건하에서 적절한 코팅 폴리머의 용액을 통해 통과될 수 있다. 겔 섬유내에서 고분자량 폴리머의 결정화는 섬유가 용액내로 통과하기 전에 일어나거나 일어나지 않을 수 있다. 택일적으로, 섬유는 적절한 중합 분말의 유체 베드로 압출될 수 있다. 또한, 만일 스트레칭 작업 또는 예를 들어, 용매 교환, 건조 등과 같은 다른 조작 공정이 수행될 경우, 중합 바인더 물질은 최종 섬유의 전구체 물질에 적용될 수 있다.
바인더 코팅된 섬유는 단일층의 일체식 구성요소로 통합된 다수의 오버래핑, 부직 섬유 플라이를 포함하는 부직 섬유로 형성될 수 있다. 가장 바람직하게, 각 플라이는 단일배향의 실질적으로 병렬 배열로 정렬된 논-오버래핑 섬유의 배열을 포함한다. 이러한 타입의 섬유 배열은 당 기술분야에서 "유니테이프"(단일배향 테이프)로서 알려져 있으며, 본 명세서에서 "단일 플라이"로 칭하여진다. 본 명세서에 사용된, "배열"은 섬유 또는 얀의 순서적인 배열을 나타내며, "병렬 배열"은 섬유 또는 얀의 순서적인 병렬 배열을 나타낸다. 섬유 "층"은 하나 이상의 플라이를 포함하는 짜여진 또는 부직 섬유 또는 얀의 평면 배열을 나타낸다. 본 명세서에 사용된, "단일-층" 구조는 단일의 일원화된 구조로 통합된 하나 이상의 개별 섬유 플라이로 구성된 일체형 구조를 칭한다. "통합"이란 중합 바인더 코팅이 각 섬유 플라이와 함께 단일의 일원화된 층으로 합쳐지는 것을 의미한다. 통합은 건조, 냉각, 가열, 가압 또는 이의 조합을 통해 일어날 수 있다. 습식 라미네이션 공정에서와 같은 경우처럼 섬유 또는 직물 층이 서로 부착될 수 있는 경우에, 가열 및/또는 가압은 필수적이지 않을 수 있다. 용어 "복합체"는 섬유와 한 가지 또는 두 가지 모든 코팅의 조합을 칭하며, 내마모성 복합체는 왁스 코팅을 포함할 것이다. 이는 당 기술분야에 잘 알려져 있다.
본 발명의 바람직한 부직 직물은 다수의 적층, 오버래핑 섬유 플라이(다수의 유니테이프)를 포함하며, 각 단일 플라이(유니테이프)의 병렬 섬유는 각 단일 플라이의 종적 섬유 방향에 대해 각기 인접한 단일 플라이의 병렬 섬유에 직교(0°/90°)로 위치한다. 오버래핑 부직 섬유 플라이의 적층은 가열 및 가압하에, 또는 각 섬유 플라이의 코팅을 부착하여 통합함으로써 단일층의 일체형 구성요소를 형성하며, 이는 또한 당 기술분야에서 단일층, 통합 네트워크로서 칭하여지며, 여기서 "통합 네트워크"는 섬유 플라이와 중합 바인더/매트릭스의 통합(합류)된 결합을 나타낸다. 용어 "중합 바인더" 및 "중합 매트릭스"는 본 명세서에서 상호호환적으로 사용되며, 섬유들을 서로 바인딩시키는 물질을 나타낸다. 이러한 용어는 통상적으로 당 기술분야에 알려져 있다. 본 발명의 목적상, 섬유 기질이 단일층의 통합 네트워크로서 형성된 부직, 통합 직물인 경우, 원하는 직물을 제공하기 위해 섬유는 주로 중합 바인더 코팅으로 코팅되지만, 각각의 구성요소 섬유 플라이가 아니라 바람직하게 일체형 직물 구조의 외부 표면만이 왁스 코팅으로 코팅된다.
당 기술분야에 통상적으로 알려진 바와 같이, 뛰어난 내탄도성은 하나의 플라이의 섬유 배열 방향이 다른 플라이의 섬유 배열 방향에 대해 소정의 각도로 회전하도록 각 섬유 플라이가 교차-플라이될 경우에 달성된다. 가장 바람직하게, 섬유 플라이는 다른 플라이의 종적 섬유 방향에 대해 0° 및 90° 각도로 직교로 교차-플라이되나, 인접한 플라이는 다른 플라이의 종적 섬유 방향에 대해 약 0° 내지 90° 사이의 사실상 어느 각도로 배열될 수 있다. 예를 들어, 5 플라이 부직 구조는 0°/45°/90°/45°/0°로 또는 다른 각도로 배향된 플라이들을 가질 수 있다. 이러한 회전된 단일배향 배열은 예를 들어, 미국 특허 4,457,985; 4,748,064; 4,916,000; 4,403,012; 4,623,573; 및 4,737,402에 기재되어 있다.
가장 전형적으로, 부직 직물은 1 내지 약 6 플라이를 포함하나, 다양한 적용에서 원하여질 수 있는 경우에 약 10-20 플라이 정도로 많이 포함할 수 있다. 플라이의 수가 많을 수록 내탄도성이 우수해지지만, 또한 중량이 증가한다. 따라서, 본 발명의 직물 또는 물품을 형성하는 섬유 플라이의 수는 직물 또는 물품의 최종 용도에 따라 달라진다. 예를 들어, 군사적 적용을 위한 방탄복 조끼에서, 원하는 1.0 파운드 퍼 스퀘어 푸트 면적 밀도(4.9kg/㎡)를 달성하는 물품 복합체를 형성하기 위해, 총 약 20 플라이(또는 층) 내지 약 60 개별 플라이(또는 층)이 요구될 수 있으며, 여기서 플라이/층은 본 발명의 고강도 섬유로 형성된 짜여진, 니트, 펠트 또는 부직 직물(병렬 배향 섬유 또는 다른 배열을 가진)일 수 있다. 다른 구현으로, 법 집행 용도용 방탄 조끼는 미국 법무 연구소(NIJ) 위험 수준에 기초하여 다수의 플라이/층을 가질 수 있다. 예를 들어, NJ 위험 수준 IIIA 조끼용으로, 총 22 플라이/층일 수 있다. 보다 낮은 NIJ 위험 수준에 대해, 보다 적은 플라이/층이 사용될 수 있다.
통합된 부직 직물은 본 명세서에 참고문헌으로 편입된 미국 특허 6,642,159에 기재된 방법에 의한 바와 같이 잘 알려진 방법을 사용하여 제작될 수 있다. 당 기술분야에 잘 알려진 바와 같이, 통합은 개별 섬유 플라이를 플라이가 일원화된 직물로 결합되기에 충분한 열 및 압력의 조건하에서 서로 위에 위치시킴으로써 수행된다. 통합은 약 50-175℃, 바람직하게 약 105-175℃의 온도 범위 및 약 5psig(0.034MPa) 내지 약 2500psig(17MPa)의 압력 범위에서 약 0.01초 내지 약 24시간, 바람직하게 약 0.02초 내지 약 2시간동안 수행될 수 있다. 가열시, 중합 바인더 코팅은 완전히 용융되지 않고 붙거나 흐르게 될 수 있는 것이 가능하다. 그러나, 일반적으로, 중합 바인더 물질이 용융된다면, 상대적으로 적은 압력이 복합체를 형성하는데 필요로 하며, 한편 만일 바인더 물질이 스티킹 포인트로 가열되는 경우에는 보다 높은 압력이 전형적으로 요구된다. 통상적으로 당 기술분야에 알려진 바와 같이, 통합은 칼렌더 세트, 플랫-베드 라미네이터, 압력 또는 오토클래이브내에서 수행될 수 있다.
택일적으로, 통합은 적절한 성형 장치에서 열 및 압력하에 성형함으로써 달성될 수 있다. 일반적으로, 성형은 약 50psi(344.7kPa) 내지 약 5000psi(34470kPa), 보다 바람직하게 약 100psi(689.5kPa) 내지 약 1500psi(10340kPa), 가장 바람직하게 약 150psi(1034kPa) 내지 약 1000psi(6895kPa)의 압력에서 수행된다. 성형은 택일적으로 약 500psi(3447kPa) 내지 약 5000psi, 보다 바람직하게 약 750psi(5171kPa) 내지 약 5000psi, 그리고 보다 바람직하게 약 1000-5000psi의 보다 높은 압력에서 수행될 수 있다. 성형 단계는 약 4초 내지 약 45분간 취해질 수 있다. 바람직한 성형 온도 범위는 약 200℉(~93℃) 내지 약 350℉(~177℃), 보다 바람직하게 약 200℉ 내지 약 300℉(~149℃), 그리고 가장 바람직하게 약 200℉ 내지 약 280℉(~121℃)의 온도이다. 본 발명의 직물이 성형되는 압력은 그 결과 성형되는 제품의 경도 또는 유연성에 직접적인 영향을 미친다. 특히, 직물이 성형되는 압력이 높을 수록, 경도가 보다 높아지며, 그 역도 또한 마찬가지이다. 성형 압력에 부가적으로, 직물 플라이 및 중합 바인더 코팅 타입의 양, 두께 및 조성은 또한 본 발명의 직물로부터 형성되는 물품의 경도에 직접적으로 영향을 미친다. 가장 일반적으로, 다수의 직교 섬유 웹은 매트릭스 폴리머와 함께 "접착"되고, 플랫 베드 라미네이터를 통해 러닝되어 결합의 균일성 및 강도가 향상된다.
본 명세서에 기술된 각 성형 및 통합 기술은 유사하나, 각 공정은 다르다. 특히, 성형은 뱃치 공정이며, 통합은 연속 공정이다. 또한, 성형은 전형적으로 성형 몰드 또는 편평한 패널을 형성하는 경우에 매치-다이 몰드와 같은 몰드의 사용을 포함하며, 반드시 평면 제품을 형성할 필요는 없다. 정상적으로 통합은 플랫 베드 라미네이터, 칼렌더 닙 세트에서 또는 습식 라미네이션으로 수행되어 유연한(가요성) 방탄복 직물을 생성한다. 성형은 전형적으로 경질 플래이트와 같은 단단한 방호복의 제조용으로 유지된다. 본 발명의 정황상, 통합 기술 및 유연 방탄복의 형성이 바람직하다.
어느 공정에 있어서, 적절한 온도, 압력 및 시간은 일반적으로 중합 바인더 코팅 물질의 타입, (결합되는 코팅의) 중합 바인더 함량, 사용되는 공정 및 섬유 타입에 따라 달라진다. 본 발명의 직물은 임의로 이들의 표면을 매끄럽게 하거나 광택을 내기 위해 열 및 압력하에 칼렌더링될 수 있다. 칼렌더링 방법은 당 기술분야에 잘 알려져 있다.
짜여진 직물은 플레인 위브, 크로우풋 위브, 바스켓 위브, 사틴 위브, 트윌 위브 등과 같은 어느 직물 위브를 사용하는 당 기술분야에 잘 알려진 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 플레인 위브가 가장 일반적이며, 여기서 섬유는 직교 0°/90° 방향으로 서로 엮어진다. 위빙 전에, 각각의 짜여진 직물 물질의 개별 섬유들은 중합 바인더 물질층으로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있다. 상기 왁스층은 가장 바람직하게 짜여진 직물상에 코팅된다. 다른 구현으로, 하이브리드 구조가 어셈블리될 수 있으며, 여기서 짜여진 직물 및 부직 직물 모두가 통합에 의한 것과 같이 결합되고 서로 연결되며, 이 경우에 왁스층은 가장 바람직하게 하이브리드 구조의 외부 표면상에 코팅된다.
섬유 기질 또는 기질들을 중합 바인더 물질로 코팅한 후, 그 다음 상기 기질들은 왁스로 코팅된다. 본 발명의 전형적인 구현으로, 섬유 기질은 짜여진 직물 또는 부직 직물이다. 다중 플라이, 부직 직물의 경우에, 왁스는 다중 플라이의 통합후에 직물 표면 또는 표면들에 적용된다. 왁스는 섬유상의 모든 또는 실질적으로 모든 중합 바인더 물질 코팅을 덮도록 적용될 수 있다. 가장 바람직하게, 왁스의 국소 코팅은 코팅된 섬유 또는 코팅된 직물상에 단지 부분적으로 적용된다. 즉, 직물의 외부 표면을 코팅하는 것만이 요구된다.
왁스는 중합 바인더 물질의 상부에 있는 섬유 기질에 적용된다. 이는 예를 들어, 수동적으로 또는 자동화된 분말 코팅, 분말 분무 또는 스캐터 코팅 기술을 통해 수행될 수 있다. 코팅이 수동적으로 수행될 경우, 건조 분말(니트) 왁스가 섬유 기질 시료의 일면 또는 양면상에 수동적으로 적용된다. 그 다음, 시료는 왁스를 복합 직물의 표면내로/상에 프레스/용융/융합시키기에 충분한 온도에서 플랫 베드 라미네이터를 통해 러닝된다. 적절한 온도는 다양할 것이며, 일반적으로 주위 조건에서부터 최대 재료의 분해 온도까지의 범위일 것이다. 자동화 기술에서, 기질은 바람직하게 플랫 베드 라미네이터로 들어갈 때, 분말 코터 또는 스캐터 코터에 의해 왁스 분말로 코팅된다. 코터는 복합 직물의 왁스 드롭 속도 및 선 속도에 기초하여 복합 직물의 단위면적당 공지량의 왁스를 운반하기위해 각 특정 왁스로 조정될 수 있으며, 이는 복합 직물에 의한 왁스의 표적 중량 픽업을 가능케 한다. 그 다음, 기질은 상기한 바와 같이 플랫 베드 라미네이터내로 공급된다. 임의로, 새로이 적용된 왁스는 플랫 베드 라미네이터에 들어가기 전에 버핑 롤러로 복합 직물의 표면에 버핑될 수 있다. 왁스는 또한 고형, 비분말 형태로 또는 용액 또는 분산물로 적용될 수 있으며, 또는 당 기술분야의 숙련자에 의해 쉽게 결정될 수 있는 어느 다른 유용한 수단에 의해 적용될 수 있다.
개별 직물의 두께는 개별 섬유의 두께에 상응할 것이다. 바람직한 짜여진 직물은 바람직하게 층당 약 25-500㎛, 보다 바람직하게 층당 약 50-385㎛, 그리고 가장 바람직하게 약 75-255㎛의 두께를 갖는다. 바람직한 부직 직물, 즉, 부직의 단일층, 통합 네트워크는 바람직하게 약 12-500㎛, 보다 바람직하게 약 50-385㎛, 그리고 가장 바람직하게 약 75-255㎛의 두께를 가지며, 여기서 단일층, 통합 네트워크는 전형적으로 두 개의 통합 플라이(즉, 2 유니테이프)를 포함한다. 국소 왁스 코팅의 두께는 왁스의 타입 및 원하는 코팅 중량에 따라 달라지나, 가장 바람직한 범위는 (직물 표면당) 약 0.5-5㎛이며, 다만 이러한 범위는 한정되는 것은 아니다. 이러한 두께가 바람직하나, 특정 요구를 만족하기 위해 다른 두께가 생성될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 직물은 약 50grams/㎡(gsm)(0.01 lb/ft2(psf) 내지 1000gsm(0.2psf)의 바람직한 면적 밀도를 가질 것이다. 본 발명의 직물에 보다 바람직한 면적 밀도는 약 70gsm(0.014psf) 내지 약 500gsm(0.1psf) 범위일 것이다. 본 발명의 직물에 가장 바람직한 면적 밀도는 약 100gsm(0.02psf) 내지 약 250gsm(0.05psf) 범위일 것이다. 하나의 개별 직물층이 다른 하나의 개별 직물층상에 적층된 다중 개별 직물층을 포함하는 본 발명의 물품은 또한 바람직하게 약 1000gsm(0.2psf) 내지 약 40,000gsm(8.0psf), 보다 바람직하게 약 2000gsm(0.40psf) 내지 약 30,000gsm(6.0psf), 보다 바람직하게 약 3000gsm(0.60psf) 내지 약 20,000gsm(4.0psf), 그리고 가장 바람직하게 약 3750gsm(0.75psf) 내지 약 10,000gsm(2.0psf)의 면적 밀도를 가질 것이다.
본 발명의 조성물은 잘 알려진 기술을 이용하여 다양한 다른 내탄도성 물품을 형성하기 위해 다양한 적용에 사용될 수 있다. 예를 들어, 내탄도성 물품을 형성하기에 적절한 기술은 예를 들어, 미국 특허 4,623,574, 4,650,710, 4,748,064, 5,552,208, 5,587,230, 6,642,159, 6,841,492 및 6,846,758에 기재되어 있다. 상기 복합체는 특히, 9mm 풀 메탈 자켓(FMJ) 총알과 같은 다수의 탄도 위협 및 수류탄, 포탄, 사제폭발물(IED) 및 군대와 평화유지단에서 접하게 되는 장치들과 같은 기타 폭발로 인해 발생되는 다양한 파편을 방어하기 위해 군인에 의해 사용되는 조끼, 바지, 모자, 또는 다른 의복 물품, 및 덮개 또는 장막과 같은 의복을 포함하는 가요성의 유연한 방탄 물품의 형성에 유용하다.
본 명세서에 사용된, "유연" 또는 "가요성" 방호품은 현저한 양의 스트레스가 가해질 경우 이의 형태를 유지하지 않는 방호품이다. 상기 구조물은 또한 경질의 단단한 방호 물품의 형성에 유용하다. "경질" 방호품은 헬멧, 군사 차량용 패널 또는 보호 방패와 같이, 현저한 양의 스트레스가 가해질 경우 구조적 강도를 유지하고 붕괴없이 단독으로 서 있을 수 있도록 충분한 기계강도를 갖는 물품을 의미한다. 상기 구조물은 다수의 개별 시트로 절단되고 적층되어 물품으로 형성될 수 있으며, 또는 이는 후속적으로 물품을 형성하는데 사용되는 전구체로 형성될 수 있다. 이러한 기술은 당 기술분야에 잘 알려져 있다.
본 발명의 의복은 당 기술분야에 통상적으로 알려진 방법을 통해 형성될 수 있다. 바람직하게, 의복은 본 발명의 내탄도성 물품을 천 물품과 결합함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 조끼는 본 발명의 내탄도성 구조물과 결합되는 일반 직물 조끼를 포함할 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 구조물은 전략적으로 설치된 주머니내에 삽입된다. 이는 탄도 보호를 최대화하며 조끼의 중량을 최소화한다. 본 명세서에 사용된, 용어 "결합" 또는 "결합되는"이란 바느질 또는 부착 등에 의한 결합을 포함하며, 뿐만 아니라 내탄도성 물품이 조끼 또는 다른 천 물품으로부터 임의로 쉽게 제거될 수 있도록 다른 직물과의 비결합 커플링 또는 병치를 포함하는 것을 의미한다. 가요성 시트, 조끼 및 기타 방호품과 같은 가요성 구조물을 형성하는데 사용되는 물품들은 바람직하게 저 인장 모듈러스 바인더 물질을 사용하여 형성된다. 헬멧 및 방호복과 같은 단단한 물품은 바람직하게, 하지만 이에 한정하는 것은 아니나, 고 인장 모듈러스 바인더 물질을 사용하여 형성된다.
내탄도 특성은 당 기술분야에 잘 알려진 표준 시험 방법을 사용하여 측정된다. 특히, 내탄도성 복합체의 보호력 또는 내침투성은 일반적으로 발사체의 50%가 복합체를 침투하고, 50%는 복합체에 의해 정지되는 충격 속도를 인용함으로써 표기되며, 이는 또한 V50 값으로도 알려져 있다. 본 명세서에 사용된, 물품의 "내침투성"은 총알, 파편, 유산탄 등을 포함하는 물리적 물체와 같은 지정된 위협에 의한 침투에 대한 저항성을 의미한다. 복합체의 중량을 이의 면적으로 나눈 동등한 면적 밀도를 갖는 복합체에 있어서, V50이 높을 수록, 복합체의 내탄도성은 보다 우수하다. 본 발명의 물품의 내탄도 특성은 다수 인자들, 특히 직물 제조에 사용된 섬유의 타입, 복합체내 섬유 중량퍼센트, 코팅 물질의 물리적 특성의 적합성, 복합체를 형성하는 직물층의 수 및 복합체의 총 면적 밀도에 따라 달라질 것이다.
가장 중요하게, 왁스 코팅의 존재는 고 에너지 발사체에 대해 본 발명의 내탄도성 복합체의 탄도 침투 저항성을 현저히 향상시키는 것이 예기치 않게 발견되었다. 하기 실시예에 예시된 바와 같이, 왁스 코팅의 존재는 다양한 복합체의 9mm 총알 V50을 평균적으로 약 80ft/초(24m/sec) 증가시키며, 다양한 복합체의 44 매그넘 V50을 평균적으로 74ft/초(23m/sec) 증가시키는 것이 매우 예기치 않게 발견되었다. 따라서, 본 발명의 물질은 바람직하게 증강된 내마모성 및 향상된 탄도 침투 저항성 모두를 달성한다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 설명한다.
실시예 1-16
다양한 직물 시료를 하기 예시된 바와 같이 내마모성에 대해 시험하였다. 각 시료는 중합 바인더 물질로 코팅된 1000-데니어 TWARON® 타입 2000 아라미드 섬유를 포함하였다. 시료 A1-A8에 있어서, 바인더 물질은 플루오로카본-개질된, 수성 아크릴 폴리머(HYCAR® 26-1199(Noveon, Inc. Cleveland, Ohio)로서 판매되는 아크릴 코폴리머 84.5중량%; NUVA® NT X490 플루오로카본 수지(Clariant International, Ltd. Switzerland) 15중량%; 및 Dow TERGITOL® TMN-3 비이온 계면활성제(Dow Chemical Company, Midland, Michigan) 0.5중량%)이었다. 시료 B1-B8에 있어서, 바인더 물질은 플루오로폴리머/니트릴 고무 블렌드(TYLAC®68073(Dow Reichhold, North Carolina)로서 판매되는 니트릴 고무 폴리머 84.5중량%; NUVA® TTH U 플루오로카본 수지 15중량%; 및 Dow TERGITOL® TMN-3 비이온 계면활성제 0.5중량%)이었다.
각 직물 시료는 2-플라이(2 유니테이프), 0°/90°구조를 가진 부직의 통합 직물이었다. 상기 직물은 각 시료에 대해 동일한 섬유 면적 중량 및 총 면적 밀도(TAD)(섬유와 중합 바인더 물질을 포함하는 직물의 면적 밀도)를 가졌다. 각 직물의 섬유 함량은 약 85%이었으며, 나머지 15%는 왁스를 함유하지 않는 중합 바인더 물질이었다. 왁스 코팅된 각 시료 A2-A8 및 B2-B8은 하기 왁스들로 코팅되었다. 시료 A2 및 B2는 Shamrock FLUOROSLIPTM731MG로 양면상에 코팅되었으며, 이는 Shamrock Technologies, Inc.로부터 상업적으로 이용가능한 폴리에틸렌 왁스, 카나우바 왁스 및 폴리테트라플루오로에틸렌의 블렌드이다. 시료 A3 및 B3는 Shamrock Hydropel QB로 양면상에 코팅되었으며, 이는 Shamrock Technologies, Inc.로부터 상업적으로 이용가능한 파라핀 왁스와 합성 왁스의 알로이이다. 시료 A4 및 B4는 에틸렌 비스-스테아라미드 왁스이며 Shamrock Technologies, Inc.로부터 상업적으로 이용가능한 Shamrock S-400 N5로 양면상에 코팅되었다. 시료 A5 및 B5는 산화 폴리테트라플루오로에틸렌계 왁스이며 Shamrock Technologies, Inc.로부터 상업적으로 이용가능한 Shamrock Neptune 5031로 양면상에 코팅되었다. 시료 A6 및 B6은 폴리에틸렌 왁스와 카나우바 왁스의 블렌드이며, Shamrock Technologies, Inc.로부터 상업적으로 이용가능한 Shamrock S-232 N1으로 양면상에 코팅되었다. 시료 A7 및 B7은 Shamrock Technologies, Inc.로부터 상업적으로 이용가능한 Shamrock SST-4MG 폴리테트라플루오로에틸렌으로 양면상에 코팅되었다. 시료 A8 및 B8은 Shamrock Technologies, Inc.로부터 상업적으로 이용가능한 Shamrock SST-2 폴리테트라플루오로에틸렌으로 코팅되었다. 각각의 왁스 코팅된 시료는 직물과 매트릭스/바인더 및 왁스를 합친 중량의 약 2중량%의 왁스와 98중량%의 복합 직물로 구성되었다. 각각의 이러한 왁스 코팅된 시료는 시료의 양 표면상에 과량의 왁스를 수동적으로 스프링클하고, 그 층의 표면주변의 왁스를 버핑한 다음, 상기 층의 표면에 부착하지 않은 과량의 왁스를 제거함으로써 코팅되었다. 그 다음, 각각의 시료 A2 내지 A8 및 B2 내지 B8은 220℉(104.44℃)로 설정된 플랫 베드 라미네이터를 통해 통과시켜 상기 층의 표면내로/상에 왁스를 프레스/용융/융합하였다.
상기 각각의 16개 시료 A1 내지 A8 및 B1 내지 B8은 ASTM D3886의 변형된 인플래이티드 다이아프램 시험법에 따라 내마모성에 대해 시험되었다. 표준 시험 ASTM D3886 방법에 대한 변형은 5lbs의 상단 적재 설정, 4psi의 다이아프램 압력 및 평가를 위한 런닝 2000 사이클로 구성되었다. 시료 A1 및 B1은 이의 표면상에 왁스가 코팅되지 않은 대조군으로 간주되었다. 그 결과는 (5lbs의 상단 적재 및 4psi의 다이아프램 압력으로) 2000 사이클후 부서지지 않은 표면 특성의 요건을 기준으로 "통과" 또는 "불합격"으로 수량화되었다. 시료 및 연마재 모두 각 실시예에서 동일하였다. 그 결과를 표 2에 요약하였다.
내마모성
변형* ASTM D3886-인플래이티드 다이아프램법
실시예 시료 왁스 코팅 결과
1 A1 없음 불합격
2 A2 FLUOROSLIPTM 731MG 통과
3 A3 Hydropel QB 통과
4 A4 S-400 N5 통과
5 A5 Neptune 5031 통과
6 A6 S-232 N1 통과
7 A7 SST-4MG 통과
8 A8 SST-2 통과
9 B1 없음 불합격
10 B2 FLUOROSLIPTM 731MG 통과
11 B3 Hydropel QB 통과
12 B4 S-400 N5 통과
13 B5 Neptune 5031 통과
14 B6 S-232 N1 통과
15 B7 SST-4MG 통과
16 B8 SST-2 통과
*변형: (마모재상의) 상단 적재 중량은 5lb.(2.27kg)로 설정되었으며, 사이클수는 2000으로 설정되었음.
상기 데이타는 복합 직물의 표면상에 국소 왁스 코팅의 적용이 복합 직물의 내마모성 및 내구성을 크게 향상시키는 것을 보여준다.
실시예 17-33
다양한 직물 시료는 하기 예시된 바와 같이 탄도 성능에 대해 시험되었다. 각 시료는 중합 바인더 물질로 코팅되고 45개의 15" × 15"(38.1cm × 38.1cm) 섬유층을 포함한 1000-데니어 TWARON® 타입 2000 아라미드 섬유를 포함하였다. 시료 C1-C5에 대해, 바인더 물질은 개질되지 않은 수성 폴리우레탄 폴리머이었다. 시료 D1-D5에 대해, 바인더 물질은 플루오로카본-개질된 수성 아크릴 폴리머(HYCAR® 26-1199(Noveon, Inc. Cleveland, Ohio)로 판매되는 아크릴 코폴리머 84.5중량%; NUVA® NT X490 플루오로카본 수지(Clariant International, Ltd. Switzerland) 15중량%; Dow TERGITOL® TMN-3 비이온 계면활성제(Dow Chemical Company, Midland, Michigan) 0.5중량%)이었다. 시료 E1-E7에 대해, 바인더 물질은 플루오로폴리머/니트릴 고무 블렌드(TYLAC®68073(Dow Reichhold, North Carolina)로 판매되는 니트릴 고무 폴리머 84.5중량%; NUVA® TTH U 플루오로카본 수지 15중량%; 및 Dow TERGITOL® TMN-3 비이온 계면활성제 0.5중량%)이었다.
각각의 직물 시료는 2-플라이(2 유니테이프), 0°/90°구조를 가진 부직, 통합 직물이었다. 45층 직물 시료는 표 3에 나타낸 바와 같은 총 중량 및 TAD를 가졌다. 각 직물의 섬유 함량은 약 85%이었으며, 나머지 15%는 상기 왁스를 함유하지 않은 중합 바인더 물질이었다. 각 왁스 코팅된 시료 C2-C4, D2-D4, E2-E4 및 E7은 Shamrock Technologies, Inc로부터 상업적으로 이용가능한 에틸렌 비스-스테아라미드 왁스인 Shamrock S-400 N5 왁스로 코팅되었다. 왁스 코팅은 섬유와 매트릭스/바인더 및 왁스를 합한 중량에 대해 각 시료 약 2중량%로 구성되었다. 이러한 왁스 코팅된 시료내의 각 층은 각 직물층을 일차 칭량한 다음, 각 층을 각 층의 양 표면상에 과량의 Shamrock S-400 N5를 수동적으로 스프링클하여 코팅하고, 상기 층의 표면주변의 왁스를 버핑하고, 상기 층의 표면에 부착하지 않은 과량의 왁스를 제거하고, 그 다음, 시료들을 재칭량하여 중량 픽업을 측정하여 제조되었다. 또한, 시료 C2, C3, D2, D3, E2, E3 및 E7의 각층은 220℉로 설정된 플랫 베드 라미네이터를 통해 통과시켜 상기 층의 표면내로/상에 왁스를 프레스/용융/융합하였다. 시료 C1, D1, E1 및 E6는 국소 왁스 코팅을 함유하지 않으며 공정 처리되지 않은 미가공 대조군 시료이었다. 미가공 대조군 시료, 코팅은 되었으나 공정 처리되지 않은 시료 및 공정 처리된 대조군 시료의 포함은 탄도 성능에 있어 어떠한 변화가 왁스에 영향을 미칠 수 있는지 또는 공정이 또한 성능에 영향을 미치는지 조사하기 위해 이루어진 것이었다.
각 시료는 MIL-STD-662F의 표준 시험 조건에 따라 9mm, 124 그레인 탄환에 대한 V50에 대해 시험되었다. 내탄도성 방호품은 내탄도성 직물의 개별층을 추가하거나 감하여 원하는 V50을 달성하도록 디자인되고 제작될 수 있다. 이러한 실험의 목적상, 물품의 구성은 물품의 총 면적 밀도가 약 1.01±0.02psf가 되도록 충분한 직물층 수를 적층하여 표준화되었다. 그 결과를 표 3에 요약하였다.
실시예 시료 중량(lbs.) TAD(lb/ft2) 왁스 공정 V50(ft/sec)
17 C1 1.532
(0.695kg)		 0.98
(4.78kg/㎡)		 N/A N/A 1690
(515m/sec)
18 C2 1.573
(0.714kg)		 1.01
(4.93kg/㎡		 Y Y 1804
(550m/sec)
19 C3 1.570
(0.712kg)		 1.00
(4.88kg/㎡)		 Y Y 1824
(556m/sec)
20 C4 1.613
(0.732kg)		 1.03
(5.03kg/㎡)		 Y N/A 1794
(547m/sec)
21 C5 1.534
(0.696kg)		 0.98
(4.78kg/㎡)		 N/A Y 1724
(525m/sec)
22 D1 1.590
(0.721kg)		 1.02
(4.98kg/㎡)		 N/A N/A 1693
(516m/sec)
23 D2 1.600
(0.726kg)		 1.02
(4.98kg/㎡)		 Y Y 1711
(522m/sec)
24 D3 1.590
(0.721kg)		 1.02
(4.98kg/㎡)		 Y Y 1743
(531m/sec)
25 D4 1.598
(0.725kg)		 1.02
(4.98kg/㎡)		 Y N/A 1742
(531m/sec)
26 D5 1.545
(0.701kg)		 0.99
(4.83kg/㎡)		 N/A Y 1648
(502m/sec)
27 E1 1.544
(0.700kg)		 0.99
(4.83kg/㎡)		 N/A N/A 1673
(510m/sec)
28 E2 1.584
(0.719kg)		 1.01
(4.93kg/㎡)		 Y Y 1779
(542m/sec)
29 E3 1.580
(0.717kg)		 1.01
(4.93kg/㎡)		 Y Y 1792
(546m/sec)
30 E4 1.584
(0.719kg)		 1.01
(4.93kg/㎡)		 Y N/A 1802
(549m/sec)
31 E5 1.542
(0.699kg)		 0.99
(4.83kg/㎡)		 N/A Y 1729
(527m/sec)
32 E6 1.550
(0.703kg)		 1.00
(4.88kg/㎡)		 N/A N/A 1710
(521m/sec)
33 E7 1.600
(0.726kg)		 1.00
(4.88kg/㎡)		 Y Y 1757
(536m/sec)
매우 예기치않게, 상기 데이타의 회귀 분석 결과, 왁스 코팅의 존재는 실제로 9mm 탄환 V50을 약 80ft/second(24m/sec) 증가시킨 것으로 발견되었다. 따라서, 본 발명의 물질은 바람직하게, 증가된 내마모성 및 향상된 탄도 침투 저항성 모두를 달성한다.
실시예 34-43
다음으로, 다양한 직물 시료의 다른 세트를 하기 예시된 바와 같이 탄도 성능에 대해 시험하였다. 각 시료는 중합 바인더 물질로 코팅되고 45개의 15" × 15" 섬유층을 포함한 1000-데니어 TWARON® 타입 2000 아라미드 섬유를 포함하였다. 시료 F1-F5에 대해, 바인더 물질은 플루오로카본 개질된, 수성 아크릴 폴리머(HYCAR® 26477(Noveon, Inc. Cleveland, Ohio)로 판매되는 아크릴 코폴리머 84.5중량%; NUVA® LB 플루오로카본 수지(Clariant International, Ltd. Switzerland) 15중량%; Dow TERGITOL® TMN-3 비이온 계면활성제(Dow Chemical Company, Midland, Michigan) 0.5중량%)이었다. 시료 G1-G5에 대해, 바인더 물질은 플루오로폴리머/폴리우레탄 블렌드(SANCURE 20025로서 판매되는 폴리우레탄 폴리머(Noveon, Inc., Cleveland, Ohio) 84.5중량%; NUVA® NT X490 플루오로카본 수지 15중량%; 및 Dow TERGITOL® TMN-3 비이온 계면활성제 0.5중량%)이었다.
각각의 직물 시료는 2-플라이(2 유니테이프), 0°/90°구조를 가진 부직, 통합 직물이었다. 45층 직물 시료는 표 4에 나타낸 바와 같은 총 중량 및 TAD를 가졌다. 각 직물의 섬유 함량은 약 85%이었으며, 나머지 15%는 상기 왁스를 함유하지 않은 중합 바인더 물질이었다. 각 왁스 코팅된 시료 F4 및 G4는 Shamrock Technologies, Inc(Newark, NJ)로부터 상업적으로 이용가능한 카나우바 왁스와 폴리에틸렌 왁스 블렌드인 Shamrock S-232 N1 왁스로 코팅되었다. 각 왁스 코팅된 시료 F5 및 G5는 Shamrock Technologies, Inc(Newark, NJ)로부터 상업적으로 이용가능한 카나우바 왁스, 폴리에틸렌 왁스 및 폴리테트라플루오로에틸렌 블렌드인 Shamrock FluoroSlip 731MG N1 왁스로 코팅되었다. 왁스 코팅은 섬유와 매트릭스/바인더 및 왁스를 합한 중량에 대해 각 시료 약 2중량%로 구성되었다. 이러한 왁스 코팅된 시료내의 각 층을 칭량한 다음, 상기 층의 양 표면상에 과량의 분말 왁스를 수동적으로 스프링클하여 왁스로 코팅하고, 상기 층의 표면주변의 왁스를 버핑하고, 상기 층의 표면에 부착하지 않은 과량의 왁스를 제거하고, 그 다음, 시료들을 재칭량하여 중량 픽업을 측정하였다. 또한, 시료 F4, F5, G4 및 G5의 각층은 220℉로 설정된 플랫 베드 라미네이터를 통해 통과시켜 상기 층의 표면내로/상에 왁스를 프레스/용융/융합하였다. 시료 F1, F2, G1 및 G2는 국소 왁스 코팅을 함유하지 않으며 공정 처리되지 않은 미가공 대조군 시료이었다. 시료 F3 및 G3는 공정처리된 대조군 시료이었으며, 이는 국소 왁스 코팅을 함유하지 않았지만 220℉에서 플랫 베드 라미네이터를 통해 공정 처리되었다. 미가공 대조군 시료 및 공정 처리된 대조군 시료의 포함은 탄도 성능에 있어 어떠한 변화가 왁스에 영향을 미칠 수 있는지 또는 공정이 또한 성능에 영향을 미치는지 조사하기 위해 이루어진 것이었다.
각 시료는 MIL-STD-662F의 표준 시험 조건에 따라 44 매그넘 탄환에 대한 V50에 대해 시험되었다. 내탄도성 방호품은 내탄도성 직물의 개별층을 추가하거나 감하여 원하는 V50을 달성하도록 디자인되고 제작될 수 있다. 이러한 실험의 목적상, 물품의 구성은 물품의 총 면적 밀도가 약 1.01±0.02psf가 되도록 충분한 직물층 수를 적층하여 표준화되었다. 그 결과를 표 4에 요약하였다.
실시예 시료 중량(lbs.) TAD(lb/ft2) 왁스 공정 V50(ft/sec)
34 F1 1.573
(0.714kg)		 1.01
(4.93kg/㎡)		 N/A N/A 1550
(472m/sec)
35 F2 1.545
(0.701kg)		 0.99
(4.83kg/㎡)		 N/A N/A 1630
(496m/sec)
36 F3 1.590
(0.721kg)		 1.02
(4.98kg/㎡)		 N/A Y 1597
(487m/sec)
37 F4 1.613
(0.732kg)		 1.03
(5.03kg/㎡)		 S-232 N1 Y 1709
(521m/sec)
38 F5 1.590
(0.721kg)		 1.02
(4.98kg/㎡)		 731MG Y 1669
(508m/sec)
39 G1 1.532
(0.695kg)		 0.98
(4.78kg/㎡)		 N/A N/A 1538
(468m/sec)
40 G2 1.598
(0.725kg)		 1.02
(4.98kg/㎡)		 N/A N/A 1502
(458m/sec)
41 G3 1.534
(0.696kg)		 0.98
(4.78kg/㎡)		 N/A Y 1581
(482m/sec)
42 G4 1.570
(0.712kg)		 1.00
(4.88kg/㎡)		 S-232 N1 Y 1629
(496m/sec)
43 G5 1.600
(0.726kg)		 1.02
(4.98kg/㎡)		 731MG Y 1648
(502m/sec)
실시예 17-33에서 관찰된 패턴에 따라, 실시예 34-43에 대한 상기 데이타의 회귀 분석 결과, 왁스 코팅의 존재는 예기치않게 44 매그넘 V50을 약 74ft/second(23m/sec) 증가시킨 것으로 발견되었다. 따라서, 본 발명의 물질은 바람직하게, 증가된 내마모성 및 향상된 탄도 침투 저항성 모두를 달성한다.
본 발명은 바람직한 구현을 참고로 구체적으로 나타내고 설명되었으나, 당 기술분야의 숙련자는 다양한 변화 및 변형이 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 청구항은 개시된 구현, 상술된 대안 및 이에 상당하는 모든 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 내탄도성 복합체로서 이의 상부에 다층 코팅을 갖는 적어도 하나의 섬유 기질을 포함하며, 상기 섬유 기질은 7g/데니어 이상의 강도 및 150g/데니어 이상의 인장 모듈러스를 갖는 하나 이상의 섬유를 포함하며; 상기 다층 코팅은 상기 하나 이상의 섬유의 표면상에 중합 바인더 물질층, 및 상기 중합 바인더 물질층상에 왁스층을 포함하는, 내탄도성 복합체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 왁스는 밀랍, 차이니즈 납, 셀락 왁스, 스퍼마세티 앤드 울 왁스, 월계수 열매 왁스, 칸델릴라 왁스, 카르나우바 왁스, 캐스터 왁스, 에스파르토 왁스, 목랍, 호호바오일 왁스, 오우리큐리 왁스, 쌀겨 왁스, 콩 왁스; 세레신 왁스, 몬탄 왁스, 오조세라이트 왁스, 피트 왁스, 파라핀 왁스, 미정질 왁스, 폴리에틸렌 왁스, 폴리프로필렌 왁스, 알파-올레핀 왁스, 피셔-트로프쉬 왁스, 스테아라미드 왁스, 에스테르화 아미드 왁스, 사포닌화 아미드 왁스 또는 이의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 왁스층은 왁스와 불소 함유 폴리머의 블렌드를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 섬유 기질은 다수의 섬유로부터 형성된 직물을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 왁스는 상기 복합체의 0.01-5.0중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합체.
  6. 제 1항의 복합체를 포함하는 물품.
  7. i) 일 표면을 갖는 적어도 하나의 코팅된 섬유 기질을 제공하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 섬유 기질은 7g/데니어 이상의 강도 및 150g/데니어 이상의 인장 모듈러스를 갖는 하나 이상의 섬유를 포함하며; 상기 각 섬유들의 표면은 중합 바인더 물질로 코팅되는, 적어도 하나의 코팅된 섬유 기질을 제공하는 단계; 및
    ii) 상기 적어도 하나의 코팅된 섬유 기질의 적어도 일부상에 왁스를 도포하는 단계
    를 포함하는 내탄도성 복합체를 형성하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 왁스는 밀랍, 차이니즈 납, 셀락 왁스, 스퍼마세티 앤드 울 왁스, 월계수 열매 왁스, 칸델릴라 왁스, 카르나우바 왁스, 캐스터 왁스, 에스파르토 왁스, 목랍, 호호바오일 왁스, 오우리큐리 왁스, 쌀겨 왁스, 콩 왁스; 세레신 왁스, 몬탄 왁스, 오조세라이트 왁스, 피트 왁스, 파라핀 왁스, 미정질 왁스, 폴리에틸렌 왁스, 폴리프로필렌 왁스, 알파-올레핀 왁스, 피셔-트로프쉬 왁스, 스테아라미드 왁스, 에스테르화 아미드 왁스, 사포닌화 아미드 왁스 또는 이의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 섬유 기질은 다수의 섬유로부터 형성된 직물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 복합체로부터 물품을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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