KR101377573B1 - 폴리우레탄 수지를 포함하는 방탄복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

폴리우레탄 수지를 포함하는 방탄복합재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리우레탄을 포함하는 방탄복합재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리에틸렌 직물 상에 비닐에스테르 및 폴리우레탄을 함유하는 코팅액으로 이루어진 코팅층을 포함하여 이루어지는 방탄복합재 또는 비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물과 폴리우레탄이 코팅된 폴리에틸렌 직물이 적층되어 이루어지는 방탄복합재로 이루어짐으로써 탄자의 충격에너지를 효율적으로 분산/흡수시켜 복합재료의 방탄효과를 향상시키는 방탄복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

폴리우레탄 수지를 포함하는 방탄복합재 및 이의 제조방법{Bullet-proof Composites Including Polyurethane Resin and Method for Preparation Thereof}
본 발명은 폴리우레탄을 포함하는 방탄복합재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리에틸렌 직물 상에 비닐에스테르 및 폴리우레탄을 함유하는 코팅액으로 이루어진 코팅층을 포함하여 이루어지는 방탄복합재 또는 비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물과 폴리우레탄이 코팅된 폴리에틸렌 직물이 적층되어 이루어지는 방탄복합재로 이루어짐으로써 탄자의 충격에너지를 효율적으로 분산/흡수시켜 복합재료의 방탄효과를 향상시키는 방탄복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현대전에서 병사들의 사상원인을 분석한 결과, 59%가 포탄/폭팔물의 파편에 의하여, 19%는 총탄에 의한 것으로(기타 22%) 보고되고 있어, 개인 방탄장비에 대한 중요성이 그 어느 때보다 크게 대두되고 있다. 초기의 방탄재로는 금속이 주로 사용되었으나, 두께가 두꺼워질수록 방탄성능은 향상되나 중량이 증가되는 문제가 있었다. 그러나 20세기 중반 고강도 섬유의 등장과 함께 방탄재에 획기적인 전기가 마련되었으며, 이를 이용한 방탄복합재는 기존의 방탄재에 비하여 중량대비 방호효율이 뛰어나고, 내부식성 및 내마모성이 우수할 뿐만 아니라 진동에 대한 감쇄 효과가 크고, 수명이 길다는 장점 때문에 사용이 날로 증가되고 있다.
현재 사용되고 있는 대표적인 방탄용 고강도 섬유는 아라미드 계열의 케블라(Kevla)®29, KM-2®(DuPont,1000~1500d), Twaron®(Teijin)과 UHMWPE계의 Dyneema®(DSM) 및 Spectra®(Honeywell)가 있으며, 최근에 국내의 코오롱에서 아라미드 계열의 Heracron®이 생산되고 있어 고강도 섬유 국산화가 기대되고 있다. 이들 고강도 섬유는 일방향(unidirectional: UD), 펠트(felt) 또는 직조섬유가 사용되고 있으며, 이중 UD가 가장 우수한 방탄효과를 보여주나 곡면 성형시 고강도 섬유가 밀리면서 방탄효과가 낮아지는 문제가 있어, 섬유의 밀림 현상이 적은 펠트 또는 직조섬유가 선호되고 있다.
그러나, 이들 고강도 섬유의 방탄능력은 대체로 우수한 편이나, 현재 요구되는 방탄성능 구현에는 부족함이 있어, 이들 고강도 섬유와 페놀-레졸(phenol-resole) 및 비닐에스테르 등 열경화성 또는 폴리우레탄과 같은 열가소성 수지와 함께 제조된 복합재료 방탄재가 사용되고 있다. 그러나 이러한 방탄복합재로 제조된 방탄헬멧이나 방탄복은 지속적인 연구개발에도 불구하고 현존하는 총탄으로부터 병사를 보호하기에는 아직 부족한 상태이며, 아울러 무게가 다소 무거우며, 착용이 불편하다는 문제점도 가지고 있다. 따라서 보다 가벼우며, 착용이 편리하고, 방탄성능이 우수한 방탄복합재의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술들의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 본 발명의 목적은 폴리에틸렌 직물 상에 비닐에스테르 및 폴리우레탄을 함유하는 코팅액으로 이루어진 코팅층을 포함하여 이루어지는 복합재를 제조하거나, 또는 비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물과 폴리우레탄이 코팅된 폴리에틸렌 직물이 적층되어 이루어지는 방탄복합재를 제조함으로써 탄자의 충격에너지를 효율적으로 분산 및 흡수하여 방탄효과가 향상된 방탄복합재 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방탄복합재는, 폴리에틸렌 직물 상에 비닐에스테르 및 폴리우레탄을 함유하는 코팅액으로 이루어진 코팅층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방탄복합재는, 비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물과 폴리우레탄이 코팅된 폴리에틸렌 직물이 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 폴리에틸렌 직물은 폴리에틸렌 섬유로 제직된 직물로서, 상기 폴리에틸렌 섬유는 그 종류에 특별히 한정이 없고, 제직 방법 또한 한정이 없다.
본 발명에 따른 폴리에틸렌 직물 상에 비닐에스테르 및 폴리우레탄을 함유하는 코팅액으로 이루어진 코팅층을 포함하는 방탄복합재에 있어서, 상기 코팅액은 비닐에스테르 수지 및 폴리우레탄 수지, 용매 및 개시제를 포함하는 것이 바람직한데, 상기와 같이 구성됨으로써 방탄복합재의 충격흡수능력이 증가되어 방탄성능을 향상시킬 수 있다.
상기 코팅액은, 비닐에스테르 수지 100중량부에 대하여 폴리우레탄 수지 100~300중량부, 용매 50~100중량부 및 개시제 0.001~5중량부를 포함하는 것이 바람직한데, 각 성분들의 함량이 상기 범위를 벗어나면 원하는 방탄효과를 얻을 수 없거나, 또는 점도가 높아 코팅이 어려울 수 있어 바람직하지 않다.
상기 비닐에스테르 수지로는 그 종류에 특별히 제한이 없으며, 원활한 코팅 및 경화를 위하여 분자량이 낮은 것으로 선택되는 것이 바람직한데, 특별히 한정은 없고, 500g/mol 이하인 것이 더욱 바람직하다.
상기 폴리우레탄 수지는 충격 흡수 능력을 향상시키기 위하여 사용되는 것으로서, 비닐에스테르 수지와 함께 경화(co-curing)가 가능하도록 폴리우레탄 수지의 말단에 C=C 관능기를 가지며, 수평균 분자량이 3,000~8,000g/mol인 것이 바람직하다.
상기 용매는 그 종류에 특별히 제한이 없으며, 바람직하게는 아세톤, 에틸알코올, 메틸알코올 등으로부터 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 개시제는 그 종류에 특별히 제한이 없으며, 바람직하게는 벤질퍼옥사이드 및 티-부틸퍼옥시벤조에이트(tert-butyl peroxybenzoate) 등으로부터 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 코팅액에는 일반적인 통상의 첨가제들을 통상의 사용량으로 더 배합할 수도 있다.
상기 코팅된 폴리에틸렌 직물들의 적층수는 특별히 제한이 없으나, 바람직하게는 방탄복합 재료의 강도 유지를 위하여 상기 코팅액이 코팅된 폴리에틸렌 직물층이 20~30층 적층되어 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물과 폴리우레탄이 코팅된 폴리에틸렌 직물이 적층되어 이루어지는 방탄복합재에 있어서, 상기 비닐에스테르 및 폴리우레탄의 코팅량은 각각 이들이 코팅된 폴리에틸렌 직물의 총 중량의 20~25중량%인 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나면 중량대비 방탄효과가 저하하여 바람직하지 않다.
상기 코팅된 폴리에틸렌 직물들의 적층구조는 특별히 제한이 없으나, 바람직하게는 방탄복합 재료의 강도 유지를 위하여 비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물이 표층, 폴리우레탄이 코팅된 폴리에틸렌 직물이 중간층으로 이루어질 수 있다.
상기 코팅된 폴리에틸렌 직물들의 적층수는 특별히 한정이 없고, 예를 들면 비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물이 표층, 폴리우레탄이 코팅된 폴리에틸렌 직물이 중간층으로 이루어진 적층구조의 경우, 중량대비 방탄효과를 고려하여 표층이 5~10층, 중간층이 10~20층으로 적층되는 것이 바람직하고, 총 적층수는 20~30층인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 폴리에틸렌 직물 상에 비닐에스테르 및 폴리우레탄을 함유하는 코팅액으로 이루어진 코팅층을 포함하여 이루어지는 방탄복합재의 제조방법은,
(1) 비닐에스테르, 폴리우레탄 수지, 용매 및 개시제를 혼합하여 코팅액을 만드는 단계; 및
(2) 상기 코팅액을 폴리에틸렌 섬유로 직조된 폴리에틸렌 직물에 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (2) 단계에서 상기 코팅액을 폴리에틸렌 직물에 코팅하는 방법은 특별히 한정이 없고, 스프레이 코팅, 롤코팅, 침지코팅, 캐스트 코팅 등이 있다.
상기 방탄복합재의 제조방법에 있어서, 상기 (2) 단계에서 코팅액을 폴리에틸렌 직물에 코팅할 시에 코팅액의 사용량은 코팅된 폴리에틸렌 직물의 전체 중량의 20~25중량%인 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나면 방탄효과가 저하하여 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 또 다른 구조의 방탄복합재인, 비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물과 폴리우레탄이 코팅된 폴리에틸렌 직물이 적층되어 이루어지는 방탄복합재는,
(a) 폴리에틸렌 직물 상에 비닐에스테르를 코팅하여 건조하는 단계;
(b) 폴리에틸렌 직물 상에 폴리우레탄을 코팅하여 건조하는 단계; 및
(c) 상기 (1) 단계 및 (2) 단계에서 각각 제조된 코팅된 폴리에틸렌 직물들을 적층하여 방탄복합재를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 및 (b) 단계에서 상기 비닐에스테르 및 폴리우레탄을 폴리에틸렌 직물에 코팅하는 방법은 특별히 한정이 없고, 스프레이 코팅, 롤코팅, 침지코팅, 캐스트 코팅 등이 있다.
본 발명에 따른 방탄 복합재는 충격흡수 능력이 우수한 폴리우레탄 수지가 첨가됨에 따라 탄자의 충격에너지를 효율적으로 분산/흡수시켜 복합재료의 방탄효과를 향상시키는 효과를 갖는다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 하기에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 보호 범위를 제한하는 것도 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예 1
비닐에스테르 수지(세원화성 XSR-10, 30% 아세톤 함유) 100중량부에 폴리우레탄 수지(SK Cytec, 분자량: 8,000g/mol, C=C 말단기 부착) 100중량부를 첨가하여 혼합한 후, 여기에 아세톤 50중량부 및 벤질퍼옥사이드 0.05중량부를 혼합하여 코팅액을 제조하였다. 이어서, 폴리에틸렌 섬유(Dyneema, 1580d)로 직조(2×2 plain)된 폴리에틸렌 직물에 상기 코팅액을, 코팅된 폴리에틸렌 직물 전체 중량의 21중량%가 되는 양으로 분사하여 코팅층을 형성시켰고, 100℃ 오븐에서 약 30분간 건조시켜 프리프레그를 제조하였다.
그런 다음, 이들 코팅된 직물을 24층 적층한 후, 125℃에서 150kg/cm2의 압력으로 20분간 경화시켰고, 이와 같이 제조된 압축된 시편을 이용하여 V50, IZOD 충격강도, 쇼트 빔 쉐어(short beam shear)를 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 2
폴리우레탄 수지를 300중량부 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 방탄복합재를 제조하였다.
실시예 3
폴리에틸렌 섬유(Dyneema, 1580d)로 직조(2×2 plain)된 폴리에틸렌 직물에, 코팅된 폴리에틸렌 직물의 총중량을 기준으로 21중량%의 비닐에스테르(세원화성 XSR-10, 30% 아세톤 함유)를 코팅하여 프리프레그를 제조하였고, 그런 다음 100℃에서 약 30분간 건조시켰다. 또한 상기와 같은 폴리에틸렌 직물에, 직물의 총중량을 기준으로 21중량%의 폴리우레탄(SK Cytec, 분자량: 8,000g/mol, C=C 말단기 부착)을 코팅하여 프리프레그를 제조하였고, 그런 다음 100℃에서 약 30분간 건조시켰다.
상기 비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물을 6층 적층하고, 그 위에 폴리우레탄이 코팅된 폴리에틸렌 직물을 12층 적층한 후, 그 위에 비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물을 6층 적층한 다음 125℃에서 150kg/cm2의 압력으로 20분간 경화시켜 방탄복합재를 제조하였다.
실시예 4
비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물을 3층 적층하고, 그 위에 폴리우레탄이 코팅된 폴리에틸렌 직물을 18층 적층한 후, 그 위에 비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물을 3층 적층한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 제조하였다.
비교예 1
폴리에틸렌 섬유(Dyneema, 1580d)로 직조(2×2 plain)된 폴리에틸렌 직물에, 코팅된 폴리에틸렌 직물의 총중량을 기준으로 21중량%의 비닐에스테르를 코팅하였고, 그런 다음 100℃에서 약 30분간 건조시켰다. 이어서, 상기 코팅된 폴리에틸렌 섬유를 24층 적층하고, 그런 다음 125℃에서 150kg/cm2의 압력으로 20분간 경화시켜 방탄복합재를 제조하였다. 이와 같이 제조된 압축된 시편을 이용하여 V50, IZOD 충격강도, 쇼트 빔 쉐어(short beam shear)를 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1
V50(m/sec)1) 486 492 487 493 481
IZOD 충격강도
(kgf-cm/cm2)		 34.1 34.5 - - 32.9
쇼트빔 쉐어(Short beam shear)(MPa)2) 3.9 3.6 - - -
주) 1) 모의 파편탄(FSP, 1.1g)을 이용하여 방탄시험을 실시하였으며, 탄자의 속도를 변화시키면서 9발 사격하고, 관통된(complete penetration; CP)탄과 관통되지 않은 탄(partial penetration; PP)으로부터 충격시 속도를 기준으로 계산한 것으로 방탄성능을 나타냄.
2) 일방향성 섬유강화 수지의 층간 전단강도로서, 짧게 잘라낸 시편에 삼점휨하중을 가하여 측정함.
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 4의 V50값은 각각 486m/sec, 492m/sec, 487m/sec 및 493m/sec로, 비교예 1의 V50값인 481m/sec 보다 우수함을 알 수 있다. 따라서, 실시예 1 내지 4는 방탄복합재의 방탄성능이 향상되었음을 알 수 있다.
특히, 실시예 2(492m/sec)는 실시예 1(486m/sec)에 비하여, 그리고 실시예 4(493m/sec)는 실시예 3(487m/sec)에 비하여 다소 높은 V50값을 보여주고 있는데, 이는 비닐에스테르 수지와 폴리우레탄 수지를 혼합하여 사용한 것보다, 각각의 수지로 프리프레그를 만든 다음, 바닐에스테르 수지 프리프레그를 표층으로, 폴리우레탄 수지 프리프레그를 중간층으로 하여 제조한 복합재료가 더 우수한 방탄효과를 보여주고 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 1 및 2의 Izod 충격강도 결과는 각각 34.1kgf-cm/cm2 및 34.5kgf-cm/cm2로, 비교예 1의 Izod 충격강도 결과인 32.9kgf-cm/cm2보다 높은 결과를 나타내어 방탄복합재의 충격강도가 증가함을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 폴리에틸렌 직물 상에 비닐에스테르 및 폴리우레탄을 함유하는 코팅액으로 이루어진 코팅층을 포함하여 이루어지고,
    상기 비닐에스테르 및 폴리우레탄을 함유하는 코팅액은 비닐에스테르 수지 100중량부에 대하여 폴리우레탄 수지 100~300중량부, 용매 50~100중량부 및 개시제 0.001~5중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방탄복합재.
  2. 비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물과 폴리우레탄이 코팅된 폴리에틸렌 직물이 적층되어 이루어지고,
    상기 비닐에스테르의 코팅량은 코팅된 폴리에틸렌 직물의 총 중량의 20~25중량%이고, 상기 폴리우레탄의 코팅량은 코팅된 폴리에틸렌 직물의 총 중량의 20~25중량%인 것을 특징으로 하는 방탄복합재.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 폴리우레탄 수지는 수평균 분자량이 3000~8000g/mol인 것을 특징으로 하는 방탄복합재.
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서, 상기 방탄복합재는 비닐에스테르가 코팅된 폴리에틸렌 직물이 표층, 폴리우레탄이 코팅된 폴리에틸렌 직물이 중간층으로 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방탄복합재.
  8. (1) 비닐에스테르, 폴리우레탄 수지, 용매 및 개시제를 혼합하여 코팅액을 만드는 단계; 및
    (2) 상기 코팅액을 폴리에틸렌 섬유로 직조된 폴리에틸렌 직물에 코팅하는 단계;를 포함하고,
    상기 (2) 단계에서 상기 코팅액의 코팅량은 코팅된 폴리에틸렌 직물의 전체 중량의 20~25중량%인 것을 특징으로 하는 제1항에 따른 방탄복합재의 제조방법.
  9. 삭제
  10. (a) 폴리에틸렌 직물 상에 비닐에스테르를 코팅하여 건조하는 단계;
    (b) 폴리에틸렌 직물 상에 폴리우레탄을 코팅하여 건조하는 단계; 및
    (c) 상기 (a) 단계 및 (b) 단계에서 제조된 폴리에틸렌 직물들을 적층하여 방탄복합재를 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 (a) 단계에서 비닐에스테르의 코팅량은 코팅된 폴리에틸렌 직물의 총 중량의 20~25중량%이고, 상기 (b) 단계에서 폴리우레탄의 코팅량은 코팅된 폴리에틸렌 직물의 총 중량의 20~25중량%인 것을 특징으로 하는 제2항에 따른 방탄복합재의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010522657A (ja) * 2007-03-28 2010-07-08 ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド 耐環境性の軟質防護具複合体の作製方法

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