KR101458665B1 - 방탄 헬멧용 복합재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

상대적으로 경량임에도 불구하고, 높은 경도 및 우수한 형태 안정성을 가짐으로써 향상된 방탄 성능을 구현할 수 있는 방탄 헬멧용 복합재 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 방탄 헬멧용 복합재는, 2개의 제1 프리프레그들; 및 상기 2 개의 제1 프리프레그들 사이의 다수의 제2 프리프레그들을 포함하고, 상기 제1 프리프레그들 각각은, 제1 폴리머 매트릭스; 및 상기 제1 폴리머 매트릭스 내의, 11 g/denier 이상의 강력(tenacity) 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율(tensile modulus)를 갖는 고강도 섬유의 제1 네트워크를 포함하고, 상기 제2 프리프레그들 각각은, 11 g/denier 이상의 강력 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율을 갖는 고강도 섬유의 제2 네트워크; 및 상기 제2 네트워크의 일 면 상의 폴리머 필름을 포함한다.

Description

방탄 헬멧용 복합재 및 그 제조방법{Composite for Ballistic Helmet and Method for Manufacturing The Same}
본 발명은 방탄 헬멧용 복합재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 상대적으로 경량임에도 불구하고, 높은 경도 및 우수한 형태 안정성을 가짐으로써 향상된 방탄 성능을 구현할 수 있는 방탄 헬멧용 복합재 및 그 제조방법을 제공한다.
방탄제품은 탄환이나 포탄으로부터 인체를 보호하기 위한 제품으로서, 우수한 방탄 성능과 함께 경량성이 요구된다. 그러나, 방탄 성능의 향상을 위해서는 방탄 제품의 경량성이 어느 정도 희생되는 것이 일반적이다. 반대로, 방탄 제품의 경량화는 방탄 성능의 저하를 야기한다.
예를 들어, 방탄 헬멧용 복합재를 제조하는 통상적인 방법은, 고강도 섬유로 형성된 원단을 고분자 수지에 침지시킨 후 건조시켜 프리프레그를 제조하고, 이렇게 제조된 복수개의 프리프레그들을 적층하는 것이었다. 그러나, 침지 공정을 통해 프리프레그를 제조하는 경우, 원단 내에 함침되는 고분자 수지의 양을 일정 수준으로 조절하는 것이 어려웠다. 또한, 디핑에 의한 함침 방식 자체에 기인한 문제로서, 원단 내에 함침된 고분자 수지의 양이 지나치게 많아 방탄 제품의 경량화를 어렵게 만드는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법으로서, 본 출원인은, 소정의 단위 면적당 중량을 갖는 폴리머 필름을 원단의 일 면에 라미네이팅함으로써 제조된 복수개의 프리프레그들을 적층하는 방법을 개발하였고, 이 방법을 대한민국 특허출원 제10-2009-0066842호로 출원한 바 있다.
상기 라미네이팅 방식에서는, 고분자 수지가 필름 형태로 원단에 가해지기 때문에 원단에 코팅되는 고분자 수지의 양을 일정하게 조절하는 것이 용이하다. 또한, 원단 내에 가해지는 고분자 수지의 양이 상대적으로 적은 상기 라미네이팅 방식이 상기 디핑 방식에 비해 방탄 제품의 경량화를 달성하는데 유리하다. 또한, 상기 폴리머 필름은 폴리비닐부티랄 수지를 포함하고 있어 프리프레그들이 서로 강하게 접착될 수 있고, 그 결과, 디핑 방식에 비해 더욱 우수한 방탄 성능이 구현될 수 있다.
그러나, 라미네이팅 방식에 의해 제조된 복합재를 이용하여 헬멧을 제조하는 경우에도, 다소 약한 경도를 나타내는 부분들이 부분적으로 존재하고 탄환 충돌시 최내층(innermost layer)의 후면 변형이 다소 발생하는 등, 방탄 성능 면에서 여전히 개선되어야 할 여지가 남아 있었다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 방탄 헬멧용 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 관점은, 상대적으로 경량임에도 불구하고, 높은 경도 및 우수한 형태 안정성을 가짐으로써 향상된 방탄 성능을 구현할 수 있는 방탄 헬멧용 복합재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 관점은, 상대적으로 경량임에도 불구하고, 높은 경도 및 우수한 형태 안정성을 가짐으로써 향상된 방탄 성능을 구현할 수 있는 방탄 헬멧용 복합재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술된 것이고, 부분적으로는 그러한 기술로부터 자명할 것이다. 또는, 본 발명의 실시를 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 목적들 및 다른 이점들은 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특정된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.
위와 같은 이점들을 달성하기 위하여, 그리고 본 발명의 목적에 따라, 2개의 제1 프리프레그들; 및 상기 2 개의 제1 프리프레그들 사이의 다수의 제2 프리프레그들을 포함하고, 상기 제1 프리프레그들 각각은, 제1 폴리머 매트릭스; 및 상기 제1 폴리머 매트릭스 내의, 11 g/denier 이상의 강력(tenacity) 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율(tensile modulus)를 갖는 고강도 섬유의 제1 네트워크를 포함하고, 상기 제2 프리프레그들 각각은, 15 g/denier 이상의 강력 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율을 갖는 고강도 섬유의 제2 네트워크; 및 상기 제2 네트워크의 일 면 상의 폴리머 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재가 제공된다.
본 발명의 다른 측면으로서, 11 g/denier 이상의 강력 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율을 갖는 고강도 섬유로 제1 네트워크를 형성하는 단계; 상기 제1 네트워크를 폴리머 수지에 디핑하는 단계; 제1 프리프레그를 얻기 위해, 상기 디핑에 의해 상기 제1 네트워크에 함침된 폴리머 수지를 건조시키는 단계; 15 g/denier 이상의 강력 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율을 갖는 고강도 섬유로 제2 네트워크를 형성하는 단계; 폴리머 필름을 형성하는 단계; 제2 프리프레그를 얻기 위해, 상기 제2 네트워크의 일 면 상에 상기 폴리머 필름을 라미네이팅하는 단계; 및 2개의 상기 제1 프리프레그들 사이에 다수의 상기 제2 프리프레그들이 위치하도록 상기 제1 및 제2 프리프레그들을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 의해 제조된 방탄 헬멧용 복합재는 상대적으로 경량임에도 불구하고, 높은 경도 및 우수한 형태 안정성을 가짐으로써 향상된 방탄 성능을 구현할 수 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄 헬멧용 복합재의 분해 단면도이다.
이하에서는 본 발명의 방탄 헬멧용 복합재 및 그 제조방법의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
아래에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 예들에 불과한 것으로서 본 발명의 권리범위를 제한하지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 '프리프레그' 용어는 고분자 수지가 코팅 또는 함침되어 있는 원단을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄 헬멧용 복합재의 분해 단면도이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄 헬멧용 복합재는, 2개의 제1 프리프레그들(100) 및 상기 2개의 제1 프리프레그들(100) 사이에 위치하는 다수의 제2 프리프레그들(200)을 포함한다.
상기 제1 프리프레그들(100) 각각은, 제1 폴리머 매트릭스(120) 및 상기 제1 폴리머 매트릭스(120) 내에 위치하는 제1 네트워크(110)를 포함한다.
상기 제1 네트워크(110)는 11 g/denier 이상의 강력(tenacity) 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율(tensile modulus)를 갖는 고강도 섬유(111, 112)로 형성된 원단(fabric)이다. 상기 고강도 섬유(111, 112)는 초고분자량 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Polyethylene: UHMWPE) 섬유 또는 아라미드(aramid) 섬유일 수 있다.
상기 제1 네트워크(110)는 다양한 형태들, 예를 들어, 경사와 위사로 구성된 직물(woven fabric), 일방향으로 배열된 섬유들로 구성된 일방향 원단(unidirectional fabric), 또는 부직포(non-woven fabric) 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 네트워크(110)는, 600 내지 3000 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유를 경사 및 위사(111, 112)로 포함하는 직물 형태를 가지며, 150 내지 520 g/m2의 단위 면적당 중량을 갖는다.
직물 형태에서는 경사 및 위사가 일정한 굴곡을 이루면서 형성되어 있기 때문에, 총탄 등에 의한 외력을 받을 경우 외력이 직물 전체로 균일하게 분산될 수 있다.
상기 단위 면적당 중량이 150g/m2 미만이면, 직물에 틈들이 존재할 수 있어 방탄 성능이 저하될 수 있다. 한편, 상기 단위 면적당 중량이 520g/m2 를 초과하도록 제직하는 것은 생산 효율이 떨어진다.
상기 제1 폴리머 매트릭스(120)는 페놀 수지를 포함하며, 선택적으로 폴리비닐부티랄 수지를 연성을 부여하기 위한 첨가제로서 소량 더 포함할 수 있다. 상기 제1 폴리머 매트릭스(120)가 실질적으로 페놀 수지만으로 형성되기 때문에, 방탄 헬멧용 복합재의 최외층 및 최내층을 구성하는 본 발명의 제1 프리프레그(100)가 우수한 경도를 갖가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 네트워크(110)가 600 내지 3000 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유를 경사 및 위사(111, 112)로 포함하는 직물 형태로서 150 내지 520 g/m2의 단위 면적당 중량을 갖고, 상기 제1 네트워크(110)에 대한 상기 제1 폴리머 매트릭스(120)의 중량비는 20 내지 38%이다. 상기 중량비가 20% 미만이면, 상기 제1 폴리머 매트릭스(120)가 제1 네트워크(110)를 충분히 보호할 수 없어 외부 마찰에 의해 제1 네트워크(110), 즉 아라미드 직물이 쉽게 손상될 수 있다. 반면, 상기 중량비가 38%를 초과하면 복합재의 중량 증가로 인해 경량의 방탄 헬멧을 제조할 수 없다.
본 발명의 제2 프리프레그들(200) 각각은, 도 1에 예시된 바와 같이, 제2 네트워크(210) 및 상기 제2 네트워크(210) 상에 코팅되어 있는 폴리머 필름(220)을 포함한다.
상기 제2 네트워크(210)는 15 g/denier 이상의 강력 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율을 갖는 고강도 섬유(211, 212)로 형성된 원단이다. 상기 고강도 섬유(211, 212)는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 또는 아라미드 섬유일 수 있다.
상기 제2 네트워크(210)는 다양한 형태들, 예를 들어, 직물, 일방향으로 배열된 섬유들로 구성된 일방향 원단, 또는 부직포 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 네트워크(210)는, 600 내지 3000 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유를 경사 및 위사(211, 212)로 포함하는 직물 형태를 가지며, 150 내지 520 g/m2의 단위 면적당 중량을 갖는다. 상기 단위 면적당 중량이 150g/m2 미만이면, 직물에 틈들이 존재할 수 있어 방탄 성능이 저하될 수 있다. 한편, 상기 단위 면적당 중량이 520g/m2 를 초과하도록 제직하는 것은 생산 효율이 떨어진다.
상기 폴리머 필름(220)은 20 내지 70 중량%의 페놀 수지, 20 내지 70 중량%의 폴리비닐부티랄 수지, 및 1 내지 10 중량%의 가소제를 포함한다. 상기 가소제는 디옥틸프탈레이트(dioctyl phthalate: DOP), 디옥틸아디페이트(dioctyl adipate: DOA), 트리크레실포스페이트(tricresyl phosphate: TCP), 또는 디이소노닐프탈레이트(diisononyl phthalate: DINP)일 수 있다. 상기 폴리비닐부티랄 수지의 함량이 20중량% 미만일 경우에는 제2 프리프레그(200)의 접착력 및 성형성이 떨어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2 네트워크(210)가 600 내지 3000 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유를 경사 및 위사(211, 212)로 포함하는 직물 형태로서 150 내지 520 g/m2의 단위 면적당 중량을 갖고, 상기 제2 네트워크(210)에 대한 상기 폴리머 필름(220)의 중량비는 10 내지 18%이다. 상기 중량비가 10% 미만이면, 제2 프리프레그들(200) 간의 접착력 및 제1 프리프레그(100)와 제2 프리프레그(200) 사이의 접착이 약화되어 방탄 성능이 저하될 수 있다. 반면, 상기 중량비가 18%를 초과하면 복합재의 경량화라는 본 발명의 목적을 달성할 수 없다.
선택적으로, 탄환에 대한 1차 방어 및/또는 탄환충돌로 인한 충격의 흡수를 더욱 강화하기 위하여, 본 발명의 방탄 헬멧용 복합재는 상기 2개의 제1 프리프레그들(100) 중 적어도 하나의 바로 위에 적층된 제3 프리프레그를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 프리프레그는, 제2 폴리머 매트릭스 및 상기 제2 폴리머 매트릭스 내에 위치하는 제3 네트워크를 포함한다.
상기 제3 네트워크는 11 g/denier 이상의 강력 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율을 갖는 고강도 섬유로 형성된 원단이다. 상기 고강도 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 또는 아라미드 섬유일 수 있다.
상기 제3 네트워크는 다양한 형태들, 예를 들어, 직물, 일방향 원단, 또는 부직포 형태를 가질 수 있다.
상기 제2 폴리머 매트릭스는 페놀 수지를 포함하며, 선택적으로 폴리비닐부티랄 수지를 연성을 부여하기 위한 첨가제로서 소량 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제3 네트워크가 600 내지 3000 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유를 경사 및 위사로 포함하는 직물 형태로서 150 내지 520 g/m2의 단위 면적당 중량을 갖고, 상기 제3 네트워크에 대한 상기 제2 폴리머 매트릭스의 중량비는 20 내지 38%이다.
이하에서는, 본 발명의 방탄 헬멧용 복합재의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
제1 프리프레그들(100)을 다음의 방법으로 제조한다.
먼저, 11 g/denier 이상의 강력 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율을 갖는 고강도 섬유(111, 112)로 제1 네트워크(110)를 형성한다. 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 고강도 섬유(111, 112)는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 또는 아라미드 섬유일 수 있고, 상기 제1 네트워크(110)는 직물, 일방향 원단, 또는 부직포 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 600 내지 3000 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유를 경사 및 위사(111, 112)로 이용하여 150 내지 520 g/m2의 단위 면적당 중량을 갖는 직물을 제조한다. 구체적으로 설명하면, 방향족 디아민과 방향족 디에시드클로라이드를 중합용매 중에서 중합시킴으로써 방향족 폴리아미드 중합체를 제조하고, 상기 방향족 폴리아미드 중합체를 포함하는 방사도프를 방사구금을 통해 방사하며, 상기 방사된 방사도프를 응고, 수세, 및 건조시켜 아라미드 섬유를 제조한다. 상기 아라미드 섬유를 경사로 적용하여 경사빔을 제조한 후, 상기 경사빔을 직기에 설치하고 아라미드 섬유를 위사로 적용하여 직조함으로써 아라미드 직물을 완성한다.
이어서, 상기 제1 네트워크(110)를 용매(예를 들어, 메탄올)로 희석된 폴리머 수지에 10 내지 60분 동안 디핑한다. 상기 폴리머 수지는 페놀 수지를 포함하며, 선택적으로 연성을 부여하기 위한 첨가제로서 폴리비닐부티랄 수지를 소량 더 포함할 수 있다. 상기 제1 네트워크(110) 전체에 폴리머 수지가 균일하게 함침될 수 있도록, 상기 디핑 공정이 수차례 반복될 수 있다.
이어서, 상기 디핑 공정에 의해 상기 제1 네트워크(110)에 함침된 폴리머 수지를 건조시킴으로써 제1 프리프레그(100)를 얻는다. 상기 폴리머 수지가 함침된 제1 네트워크(110)가 소정 온도로 유지되는 챔버 내를 소정 속도로 통과함으로써 상기 건조 공정이 연속적으로 수행될 수 있다.
한편, 상기 제1 프리프레그(100) 내의 상기 폴리머 수지의 함량을 조절하기 위하여, 상기 용매로 희석된 폴리머 수지의 농도를 조절할 수 있다. 또한, 상기 건조 단계 전에, 상기 폴리머 수지가 함침된 상기 제1 네트워크(100)를 스퀴징하는 단계를 더 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 네트워크(110)가 아라미드 직물일 경우, 상기 공정들을 통해 상기 아라미드 직물에 대한 상기 폴리머 수지의 중량비를 20 내지 38%로 조절할 수 있다.
상기 스퀴징 공정은, 가압 롤러를 이용하여 연속적으로 수행되거나, 가압 판을 이용하여 비연속적으로 수행될 수 있다.
한편, 제2 프리프레그들(200)은 다음의 방법에 의해 제조될 수 있다.
먼저, 위에서 설명한 제1 네트워크(110)의 제조방법과 동일한 방법으로 제2 네트워크(210)를 제조한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 600 내지 3000 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유를 경사 및 위사(211, 212)로 이용하여 150 내지 520 g/m2의 단위 면적당 중량을 갖는 직물을 제조한다.
상기 제2 네트워크(210) 제조 공정과는 별개로, 폴리머 필름(220)을 형성한다. 상기 폴리머 필름(220)은 20 내지 70 중량%의 페놀 수지, 20 내지 70 중량%의 폴리비닐부티랄 수지, 및 1 내지 10 중량%의 가소제를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2 네트워크(210)는 150 내지 520 g/m2의 단위 면적당 중량을 갖는 아라미드 직물이고, 상기 아라미드 직물에 대한 상기 폴리머 필름(220)의 중량비가 10 내지 18%가 되도록 하기 위한 단위 면적당 중량 및 두께를 갖도록 상기 폴리머 필름(220) 형성된다.
이어서, 상기 제2 네트워크(210)의 일 면 상에 상기 폴리머 필름(220)을 라미네이팅한다. 즉, 상기 제2 네트워크(210)의 일 면 상에 상기 폴리머 필름(220)을 얹는 단계, 상기 폴리머 필름(220)이 얹혀진 제2 네트워크(210)를 20 내지 60℃에서 1 내지 7분 동안 건조시키는 단계, 및 100 내지 130℃에서 상기 제2 네트워크(210) 및 폴리머 필름(200)에 압력을 가하는 단계를 순차적으로 수행한다.
상기 제2 네트워크(210)에 상기 폴리머 필름(220)을 얹는 단계는 연속 또는 비연속 공정을 통해 수행될 수 있다. 연속 공정에 의하면, 제2 네트워크(210)와 폴리머 필름(220)가 별개의 공급 롤러들에 의해 동시에 각각 공급되면서 상기 제2 네트워크(210) 상에 상기 폴리머 필름(220)이 얹혀진다. 반면, 비연속 공정에 의하면, 서로 동일한 모양 및 크기를 갖는 제2 네트워크(210)와 폴리머 필름(220)이 서로 정렬된 후 상기 제2 네트워크(210) 상에 상기 폴리머 필름(220)이 얹혀진다.
상기 건조 공정은 챔버 등을 이용하여 연속적으로 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 폴리머 필름(220)이 얹혀진 제2 네트워크(210)가 20 내지 60℃로 유지되는 챔버(들)를 4 내지 20 m/분의 속도로 통과하도록 할 수 있다. 건조온도가 20℃ 미만인 경우 건조가 원활하게 이루어질 수 없고, 반면 상기 건조온도가 60℃를 초과할 경우 상기 폴리머 필름(220)의 고분자 수지가 경화됨으로써 제2 프리프레그(200)의 접착력이 떨어질 수 있다.
상기 가압 공정은, 가열된 가압 롤러를 이용하여 연속적으로 수행되거나, 가압 판을 이용하여 비연속적으로 수행될 수 있다.
위에서 설명한 방법을 통해 본 발명의 제1 및 제2 프리프레그들(100, 200)이 준비되면, 2개의 제1 프리프레그들(100) 사이에 다수의 제2 프리프레그들(200)이 위치하도록 상기 제1 및 제2 프리프레그들(100, 200)을 적층한다. 2개의 제1 프리프레그들(100) 사이에 위치하는 제2 프리프레그들(200)의 개수는 12 내지 40일 수 있다. 선택적으로, 상기 제1 프리프레그들(100)의 적어도 하나에 상기 제1 프리프레그(100)와 동일한 구성을 갖는 제3 프리프레그를 더 적층할 수도 있다.
이어서, 적층된 상기 제1 및 제2 프리프레그들(100, 200)에 고압을 고온 하에서 가함으로써 본 발명의 방탄 헬멧용 복합재를 완성한다. 상기 가압 공정을 위하여, 히트 프레스(heat press) 또는 오토클레이브(autoclave) 등의 장치가 이용될 수 있다. 고온 및 고압 조건 하에서, 상기 제1 및 제2 프리프레그들(100, 200) 내의 폴리머 수지가 경화된다. 이러한 경화 공정을 통해, 상기 제1 및 제2 프리프레그들(100, 200)들이 서로 강하게 접착되고 이로 인해 방탄성능도 향상된다.
본 발명에 의하면, 페놀 수지가 제1 네트워크(110)의 양면에 충분히 함침된 제1 프리프레그들(100)이 방탄 헬멧의 최외층 및 최내층을 구성함으로써, 방탄 헬멧의 경도 및 방탄성능을 향상시키고 후면 변형을 최소화시킬 수 있다. 그와 동시에, 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 폴리머 필름이 제2 네트워크(210)의 일 면에만 코팅되어 있는 본 발명의 제2 프리프레그들(200)을 방탄 헬멧의 최외층 및 최내층 사이에 위치시킴으로써, 복합재의 성형성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 경량의 방탄 헬멧을 구현할 수 있다.
이하, 실시예들과 비교예들을 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이므로 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안 된다.
실시예 1
1500 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유(코오롱 인더스트리 주식회사, 헤라크론®)를 경사 및 위사로 이용하여 평직을 수행함으로써 아라미드 직물을 제조하였다. 상기 아라미드 직물은 415 g/㎡의 단위 면적당 중량을 가졌다. 이어서, 상기 아라미드 직물을 메탄올로 희석되어 있는 페놀 수지에 디핑한 후, 가압 롤러를 이용한 스퀴징 공정을 통해 상기 아라미드 직물에 대한 상기 페놀 수지의 중량비를 30%로 조절하였다. 이어서, 페놀 수지가 함침된 상기 아라미드 직물을 70℃의 온도에서 5 m/분의 속도로 건조챔버를 통과시켜 건조시킴으로써 제1 프리프레그를 완성하였다.
이어서, 다음과 같은 방법을 통해 제2 프리프레그를 완성하였다.
1500 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유(코오롱 인더스트리 주식회사, 헤라크론®)를 경사 및 위사로 이용하여 평직을 수행함으로써 아라미드 직물을 제조하였다. 상기 아라미드 직물은 415 g/㎡의 단위 면적당 중량을 가졌다. 이어서, 58 g/㎡의 단위 면적당 중량을 갖는 폴리머 필름을 제조하였다. 상기 폴리머 필름은 48중량%의 페놀 수지, 48중량%의 폴리비닐부티랄 수지, 및 4중량%의 가소제를 포함하였다. 이어서, 상기 아라미드 직물의 일 면 상에 상기 폴리머 필름을 얹은 후 45℃의 온도에서 약 3.75분 동안 건조시켰다. 이어서, 가열된 가압 롤러를 이용하여 115℃의 온도에서 가압함으로써 제2 프리프레그를 완성하였다.
이어서, 위와 같은 방법으로 얻어진 2개의 제1 프리프레그들 사이에 15개의 제2 프리프레그들이 위치하도록 상기 제1 및 제2 프리프레그들을 적층한 후, 히트 프레스(heat press)를 이용하여 150℃의 온도에서 6000psi의 압력을 상기 스택(stack)에 가함으로써 방탄 헬멧용 복합재를 완성하였다.
실시예 2
상기 제1 프리프레그와 동일한 방법으로 제조된 2개의 제3 프리프레그들을 상기 제1 프리프레그들 상에 각각 더 적층하였다는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 방탄 헬멧용 복합재를 제조하였다.
실시예 3
상기 제1 프리프레그를 제조할 때, 메탄올에 희석되어 있는 페놀 수지의 농도를 조정하여 상기 아라미드 직물에 대한 상기 페놀 수지의 중량비가 19%로 조절되었다는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 방탄 헬멧용 복합재를 제조하였다.
실시예 4
상기 제1 프리프레그를 제조할 때, 메탄올에 희석되어 있는 페놀 수지의 농도를 조정하여 상기 아라미드 직물에 대한 상기 페놀 수지의 중량비가 39%로 조절되었다는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 방탄 헬멧용 복합재를 제조하였다.
비교예 1
전술한 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 17개의 제1 프리프레그들을 적층한 후, 히트 프레스를 이용하여 150℃의 온도에서 6000psi의 압력을 상기 스택에 가함으로써 방탄 헬멧용 복합재를 완성하였다.
비교예 2
전술한 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 17개의 제2 프리프레그들을 적층한 후, 히트 프레스를 이용하여 150℃의 온도에서 6000psi의 압력을 상기 스택에 가함으로써 방탄 헬멧용 복합재를 완성하였다.
상기 실시예들 및 비교예들에 의해 제조된 방탄 헬멧용 복합재들 각각의 단위 면적당 중량, 평균 속도, 및 후면 변형을 다음의 방법들로 각각 측정하였고 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.
복합재의 단위 면적당 중량
ISO 9864:2007에서 규정된 시험방법으로 제1 및 제2 프리프레그들의 단위 면적당 중량(g/m2)을 각각 측정한 후, 해당 프리프레그의 개수를 곱함으로써 복합재의 단위 면적당 중량을 산출하였다.
평균속도( V50 ) 및 후면 변형 측정
복합재의 방탄 성능 정도를 간접적으로 나타내는 평균 속도(㎧)는, MIL-STD-662F 규정에 따라 Cal.22구경 파편모의탄(FSP)을 이용하여 완전 관통했을 때의 속도와 부분 관통했을 때의 속도를 평균한 값으로부터 측정하였다.
후면 변형은 평균 속도에서의 충격에 의해 방탄재 후면부의 돌출된 부분의 최대 직경(㎜)을 측정하였다.
단위 면적당 중량
(g/m2)		 평균 속도(V50)
(m/s)		 후면 변형
(mm)
실시예1 8275 627 30
실시예2 8509 625 35
실시예3 8135 621 37
실시예4 8435 617 39
비교예1 10030 598 50
비교예2 8041 605 46
100: 제1 프리프레그 200: 제2 프리프레그
110: 제1 네트워크 120: 제1 폴리머 매트릭스
210: 제2 네트워크 220: 폴리머 필름

Claims (12)

  1. 2개의 제1 프리프레그들; 및
    상기 2 개의 제1 프리프레그들 사이의 다수의 제2 프리프레그들을 포함하고,
    상기 제1 프리프레그들 각각은,
    제1 폴리머 매트릭스; 및
    상기 제1 폴리머 매트릭스 내의, 11 g/denier 이상의 강력(tenacity) 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율(tensile modulus)를 갖는 고강도 섬유의 제1 네트워크를 포함하고,
    상기 제2 프리프레그들 각각은,
    11 g/denier 이상의 강력 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율을 갖는 고강도 섬유의 제2 네트워크; 및
    상기 제2 네트워크의 일 면 상의 폴리머 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 네트워크들은 아라미드 섬유로 형성된 직물이고,
    상기 제1 폴리머 매트릭스는 페놀 수지를 포함하며,
    상기 폴리머 필름은 페놀 수지, 폴리비닐부티랄 수지, 및 가소제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 아라미드 섬유는 600 내지 3000 denier의 섬도를 갖고,
    상기 제1 및 제2 네트워크들은 150 내지 520 g/m2의 단위 면적당 중량을 갖는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 프리프레그에 있어서, 상기 제1 네트워크에 대한 상기 제1 폴리머 매트릭스의 중량비는 20 내지 38%이고,
    상기 제2 프리프레그에 있어서, 상기 제2 네트워크에 대한 상기 폴리머 필름의 중량비는 10 내지 18%인 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 폴리머 매트릭스는 폴리비닐부티랄 수지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 제1 프리프레그들 중 적어도 하나의 바로 위에 적층된 제3 프리프레그를 더 포함하되,
    상기 제3 프리프레그는,
    제2 폴리머 매트릭스; 및
    상기 제2 폴리머 매트릭스 내의, 11 g/denier 이상의 강력 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율을 갖는 고강도 섬유의 제3 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 네트워크는 600 내지 3000 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유로 형성된 직물로서 150 내지 520 g/m2의 단위 면적당 중량을 갖고,
    상기 제2 폴리머 매트릭스는 페놀 수지를 포함하며,
    상기 제3 네트워크에 대한 상기 제2 폴리머 매트릭스의 중량비는 20 내지 38%인 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 폴리머 매트릭스는 폴리비닐부티랄 수지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재.
  9. 11 g/denier 이상의 강력 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율을 갖는 고강도 섬유로 제1 네트워크를 형성하는 단계;
    상기 제1 네트워크를 폴리머 수지에 디핑하는 단계;
    제1 프리프레그를 얻기 위해, 상기 디핑에 의해 상기 제1 네트워크에 함침된 폴리머 수지를 건조시키는 단계;
    11 g/denier 이상의 강력 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율을 갖는 고강도 섬유로 제2 네트워크를 형성하는 단계;
    폴리머 필름을 형성하는 단계;
    제2 프리프레그를 얻기 위해, 상기 제2 네트워크의 일 면 상에 상기 폴리머 필름을 라미네이팅하는 단계; 및
    2개의 상기 제1 프리프레그들 사이에 다수의 상기 제2 프리프레그들이 위치하도록 상기 제1 및 제2 프리프레그들을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 프리프레그 내의 상기 폴리머 수지의 함량을 조절하기 위하여, 상기 건조 단계 전에, 상기 폴리머 수지가 함침된 상기 제1 네트워크를 스퀴징하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 네트워크는 600 내지 3000 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유로 형성된 직물로서 150 내지 520 g/m2의 단위 면적당 중량을 갖고,
    상기 폴리머 수지는 페놀 수지를 포함하며,
    상기 제1 프리프레그에 있어서 상기 제1 네트워크에 대한 상기 폴리머 수지의 중량비가 20 내지 38%가 되도록 상기 스퀴징 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제2 네트워크는 600 내지 3000 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유로 형성된 직물로서 150 내지 520 g/m2의 단위 면적당 중량을 갖고,
    상기 폴리머 필름은 페놀 수지, 폴리비닐부티랄 수지, 및 가소제를 포함하며,
    상기 제2 프리프레그에 있어서 상기 제2 네트워크에 대한 상기 폴리머 필름의 중량비가 10 내지 18%가 되도록 하기 위한 단위 면적당 중량을 상기 폴리머 필름이 갖도록 상기 폴리머 필름 형성 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧용 복합재의 제조방법.
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