KR101551630B1 - 라이플총 탄환에 대한 보호용 헬멧 - Google Patents

라이플총 탄환에 대한 보호용 헬멧 Download PDF

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허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
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Abstract

헬멧 쉘은 섬유 층의 외부섹션, 섬유 층의 중간섹션 및 섬유 층의 내부 섹션을 갖도록 형성된다. 상기 외부 섹션은 수지 매트릭스 내에 고인성 연마용 섬유를 함유한다. 상기 중간 섹션 층은 고인성 폴리올레핀 섬유를 함유하며, 수지 매트릭스와 제직 또는 편직 패브릭의 형태로 존재한다. 상기 내부 섹션 층은 고강도 폴리올레핀 섬유를 함유하며, 수지 매트릭스와 부직 패브릭의 형태로 존재한다. 상기 헬멧은 경량이고, 라이플총 탄환의 관통을 저지한다.

Description

라이플총 탄환에 대한 보호용 헬멧{HELMETS FOR PROTECTION AGAINST RIFLE BULLETS}
본 발명은 군대, 법 집행 및 기타 용도로 사용하기에 적합한 보호 헬멧에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 라이플총 탄환에 대한 보호를 제공하는 그러한 헬멧에 관한 것이다.
보호 헬멧은 잘 알려져 있다. 이러한 헬멧은 군용 및 비군용으로 사용되어 왔다. 후자의 예로는 법 집행 용도, 스포츠 용도 및 기타 안전 헬멧 타입을 포함한다.
군용 및 법 집행용 용도로 사용되는 보호 헬멧은 특히 탄환 저항성일 것이 요구된다.
전형적인 헬멧은 탄환 파편에 대해 보호하도록 구성된다.
라이플총 탄환에 대한 보호는 라이플총 탄환이 갖는 상당히 증가된 에너지의 관점에서 이러한 헬멧에 대해 개선을 요구한다. 라이플총 탄환에 대하여 보호하는 헬멧은 상대적으로 가벼운 중량이며, 착용하기에 편안해야 한다. 그러나, 이전에 제안된 헬멧은 상대적으로 무거웠다.
보호가 요구되는 라이플총 탄환의 예로는 NATO M80 총탄(ball), AK 47, AK 74, 러시아 LPS 및 유럽 SS 109, 등을 포함한다.
현재 가장 대중적인 군용 헬멧은 아라미드 섬유, 전형적으로는 페놀 수지와 같은 수지 재료와 함께 여러 층의 아라미드 섬유 형태로 형성된다. 아라미드 섬유로 형성된 헬멧은 예를 들어, U.S. 특허 제4,199,388호, 제4,778,638호 및 제4,908,877호에 개시되어 있다.
일반적으로 이러한 헬멧은 만족스러운 것이나, 이들은 상당히 무겁다. 또한, 이러한 헬멧은 라이플총 탄환에 대한 강력한 보호를 제공하지 않는다. 상대적으로 무거운 헬멧이 갖는 하나의 문제점은 착용자에게 불편하다는 것이다. 이는 이러한 헬멧의 불사용 또는 제한된 사용의 결과를 야기할 수 있다.
추진하는 파편(라이플총 탄환이라기보다는)에 대하여 보호하도록 설계된 헬멧의 예로는 2007년 2월 15일자로 출원된 U.S. 특허출원 시리얼 No. 제11/706,719호에 기재되어 있으며, 이들 개시사항은 여기에서 양립 가능한 범위에서 참조예로 여기에 병합된다.
감소된 중량을 가지며, 또한 라이플총 탄환에 의한 관통에 대한 저항성이 있는 헬멧을 제공하는 것이 요구된다.
본 발명에 따르면, 라이플총 탄환에 의한 관통에 대하여 저항성이 있는 경량 몰딩된 헬멧이 제공되며, 상기 헬멧은 쉘을 포함하고, 상기 쉘은 외부에서부터 내부로:
제1 수지 매트릭스 내에 고인성 연마용 섬유(high tenacity abrasive fibers)를 포함하는 제1 복수의 섬유 층;
제2 수지 매트릭스 내에 폴리올레핀 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 제직 또는 편직 네트워크를 포함하며, 상기 제1 복수의 섬유 층에 부착된 제2 복수의 섬유 층; 및
제3 수지 매트릭스 내에 폴리올레핀 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 부직 네트워크를 포함하며, 상기 제2 복수의 섬유 층에 부착된 제3 복수의 섬유 층을 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 라이플총 탄환에 의한 관통에 대하여 저항성이 있는 경량 몰딩된 헬멧이 제공되며, 상기 헬멧은 쉘을 포함하고, 상기 쉘은 외부에서부터 내부로:
열경화성 수지를 포함하는 제1 수지 매트릭스 내에 유리 섬유의 제직 네트워크를 포함하는 제1 복수의 섬유 층;
열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 포함하는 제2 수지 매트릭스 내에 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 제직 네트워크를 포함하며, 상기 제1 복수의 섬유층에 부착된 제2 복수의 섬유층; 및
열 가소성 수지를 포함하는 제3 수지 매트릭스 내에 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 부직 네트워크를 포함하며, 상기 제2 복수의 섬유 층에 부착된 제3 복수의 섬유 층을 포함하며,
상기 헬멧은 약 3 내지 약 5파운드/평방피트(14.6 내지 24.4 kg/m2)의 전체 면적 밀도를 가지며, 적어도 약 1600줄의 에너지를 갖는 라이플총 탄환에 대하여 저항성이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 라이플총 탄환에 대한 관통에 대해 저항성이 있는 경량 헬멧의 쉘을 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은:
제1 수지 매트릭스 내에 연마용 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 네트워크를 포함하는 제1 복수의 섬유 층을 몰드에 제공하는 단계로서, 상기 제1 복수의 섬유 층은 상기 몰드의 내부로 향하는, 단계;
상기 몰드에 제2 수지 매트릭스 내에 폴리올레핀 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 제직 네트워크를 포함하는 제2 복수의 섬유 층을 제공하는 단계로서, 상기 제2 복수의 섬유 층은 상기 제1 복수의 섬유 층 상에 놓이며, 상기 제1 및 제2 수지는 융화가능하여 상기 제1 및 제2 복수의 섬유 층이 서로 결합할 수 있는, 단계;
상기 몰드에 제3 수지 매트릭스 내에 폴리올레핀 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 부직 네트워크를 포함하는 제3 복수의 섬유 층을 제공하는 단계로서, 상기 제3 복수의 섬유 층은 제2 복수의 섬유 층 상에 놓이는, 단계; 및
제1 복수의 섬유 층, 제2 복수의 섬유 층 및 제3 복수의 섬유 층에 열과 압력을 가하여 그에 의해 헬멧 쉘을 형성하는 단계를 포함한다.
라이플총 탄환에 의한 관통에 대하여 저항성인 경량 몰딩된 헬멧은 수지 매트릭스 내에 고인성 연마성 섬유로 형성된 외부 섬유 층 섹션, 제2 수지 매트릭스 내에 제직 또는 편직 고인성 폴리올레핀 섬유로 형성된 중간 섬유 층 섹션 및 제3 수지 매트릭스 내에 부직 고인성 폴리올레핀 섬유로 형성된 내부 섬유층 섹션을 적용함으로써 형성될 수 있음을 발견하였다. 상기 제1, 제2 및 제3 수지 층 섹션에서의 수지는 각각 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
이러한 헬멧은 우수한 탄도 저항성을 가지며, 고 에너지 라이플총 탄환의 관통을 방지하는데 특히 유용하다. 동시에, 상기 헬멧은 경량이며, 그리하여 착용하는데 있어서 편안하다.
본 발명의 보호용 헬멧은 수지 매트릭스 내에 복수의 고인성 연마용 섬유의 네트워크 층을 포함하는 제1 외부 섹션, 수지 매트릭스 내에 복수의 고인성 폴리올레핀 섬유의 제직 또는 편직 네트워크 층을 포함하는 제2 중간 섹션 및 수지 매트릭스 내에 복수의 고인성 폴리올레핀의 부직 네트워크 층을 포함하는 제3 내부 섹션으로 형성된 쉘을 포함한다.
본 발명의 목적을 위해, 섬유는 폭 및 두께의 가로 치수보다 보다 큰 길이 치수의 신장체이다. 따라서, 상기 용어 섬유는 모노 필라멘트, 멀티 필라멘트, 리본, 스트립, 스테이플 및 규칙 또는 불규칙적인 단면을 갖는 기타 잘게 썬, 잘린 또는 불연속적인 형태 등을 포함한다. 상기 용어 "섬유(fiber)"는 복수의 앞에서 말한 것의 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함한다. 원사(yarn)는 많은 섬유 또는 필라멘트로 구성된 연속적인 스트랜드이다.
여기서 사용된 것으로서, 상기 용어 "고인성(high tenacity fibers)"은 약 7g/d 또는 이 보다 큰 인성을 갖는 섬유를 의미한다. 바람직하게는 이들 섬유는 적어도 약 150g/d의 초기 인장 계수(tensile moduli) 및 ASTM D2256으로 측정된 것으로서 적어도 약 8j/g의 파괴 에너지(energies-to-break)를 갖는다. 여기서 사용된 것으로서, 용어 "초기 인장 계수(initial tensile modulus)" 및 "계수(modulus)"는 원사에 대하여 ASTM 2256으로, 그리고 엘라스토머 또는 매트릭스 재료에 대하여 ASTM D638에 의해 측정된 것으로서 탄성률(modulus of elasticity)를 의미한다.
바람직하게는 상기 제2 및 제3 섹션의 고인성 섬유는 약 10g/d 이상, 보다 바람직하게는 약 15g/d 이상, 더욱 더 바람직하게는 약 20g/d 이상, 가장 바람직하게는 약 25g/d 이상의 탄성을 갖는다. 고인성 폴리에틸렌 섬유에 있어서 보다 바람직한 탄성은 약 20 내지 약 55g/d의 범위이다.
본 발명에서 유용한 섬유의 단면은 다양하게 변할 수 있다. 이들은 단면이 원형이거나, 납작하거나(flat), 또는 직사각형일 수 있다. 이들은 또한 필라멘트의 길이 또는 세로 축으로부터 돌출하는 불규칙 또는 규칙적인 멀티-로발(multi-lobal) 단면일 수 있다. 상기 섬유는 실질적으로 원형이거나, 납작하거나 또는 직사각형의 단면인 것이 특히 바람직하며, 실질적으로 원형의 단면인 것이 가장 바람직하다.
여기서 사용된 고인성 섬유의 원사는 예를 들어, 약 50 내지 약 5000데니어, 보다 바람직하게는 약 200 내지 약 5000데니어, 더욱 더 바람직하게는 약 650 내지 약 3000데니어, 그리고 가장 바람직하게는 약 800 내지 약 1500데니어와 같은 어떠한 적합한 데니어(denier)일 수 있다.
바람직하게는, 제1 복수의 섬유 층에서 적어도 약 50중량%, 보다 바람직하게는 적어도 약 75중량%, 그리고 가장 바람직하게는 모든 또는 실질적으로 모든 섬유가 고인성 연마용 섬유이다. 유사하게, 제2 복수의 섬유 층에서 바람직하게는 적어도 약 50중량%, 보다 바람직하게는 적어도 약 75중량%, 그리고 가장 바람직하게는 모든 또는 실질적으로 모든 섬유가 고인성 폴리올레핀 섬유이다. 또한, 제3 복수의 섬유 층에서 적어도 약 50중량%, 보다 바람직하게는 적어도 약 75중량%, 그리고 가장 바람직하게는 모든 또는 실질적으로 모든 섬유가 고인성 폴리올레핀 섬유이다.
본 발명에 따르면, 상기 헬멧 쉘은 다른 탄도 저항성 물질의 층들로 형성된다. 상기 헬멧은 적어도 3개의 섬유 층의 섹션 또는 그룹을 포함한다. 이들은 층의 외부를 접하는 그룹, 층의 중간 그룹 및 층의 내부를 접하는 그룹이다.
상기 섬유 층의 외부 그룹은 탄환을 무력화하거나, 방탄 자켓을 벗기거나 그리고/또는 그 외 탄환을 약화시키는 그러한 연마특성을 갖는 것을 선택한다. 상기 섬유 층의 외부 그룹은 연마용 섬유로 형성된다. 이들 섬유는 적어도 약 2.0 GPa, 바람직하게는 적어도 약 2.4 GPa, 보다 바람직하게는 적어도 약 3.4 GPa, 가장 바람직하게는 적어도 약 4.0 GPa의 인장강도를 갖는 무기섬유이다. 여기서 유용한 연마용 섬유의 예로는 유리섬유, 그라파이트 섬유, 실리콘 카바이드 섬유, 보론 카바이드 섬유 등 및 이들의 혼합물을 포함한다. 이러한 섬유의 예는 예를 들어, 통상적으로 양도되어 계속중인 2004년 10월 4일 출원된 미국 특허출원 시리얼 번호 제10/957,773호(공개된 PCT 출원 WO2007/005043에 상응함)에 기재되어 있으며, 이 출원의 개시사항은 여기서 모순되지 않는 범위에서 참조예로 여기에 명시적으로 병합되어 있다. 바람직하게는 상기 연마용 섬유는 유리섬유이다.
타입 E 및 S 파이버를 포함하여 유리섬유의 여러 가지 타입이 사용될 수 있다. 제직 유리섬유 패브릭의 예로는 스타일 1528, 3731, 3733, 7500, 7532, 7533, 7580, 7624, 7628 및 7645로 명명되는 것들이며, 이들은 USA, South Carolina, Hexcel of Anderson으로부터 입수가능하다.
연마용 섬유로서 유리섬유를 사용하는 잇점은 상기 유리 섬유는 폴리올레핀 패브릭의 비용에 비하여 단지 적은 부분만을 차지하기 때문에 헬멧의 비용을 상당히 줄일 수 있다는 것이다.
섬유 층의 외부 그룹은 바람직하게는 복수의 제직 패브릭 층의 형태이다. 그러나, 섬유층의 외부 그룹은 선택적으로 편직 또는 부직 패브릭 층의 형태일 수 있다. 후자의 예로는 단일방향으로 배향된 섬유 층 및 랜덤 또는 펠트 섬유층이다. 상기 외부 그룹의 섬유 네트워크 층은 바람직하게는 동일한 직물형태(즉, 제직, 편직 또는 부직)이다. 선택적으로, 층들의 외부 그룹에서 직물의 형태의 혼합(제직, 편직, 및/또는 부직 패브릭)일 수 있다. 제직 패브릭이 바람직하며, 평직, 바스켓직(basket weave), 능직, 새틴, 삼차원 제직 패브릭 및 이들 중 어느 몇 개의 변형과 같은 어떠한 짜임 패턴의 직물이 사용될 수 있다.
또한 섬유 층의 외부 그룹의 층들은 수지 매트릭스를 포함한다. 수지 매트릭스의 예는 아래에서 논의한다.
상기한 바와 같이, 중간 및 내부 그룹의 섬유에서의 섬유들은 폴리올레핀 섬유, 바람직하게는 고인성 폴리에틸렌 섬유 및/또는 고인성 폴리프로필렌 섬유를 포함한다. 가장 바람직하게는 상기 폴리올레핀 섬유는 연장된 사슬의 폴리에틸렌 섬유 또는 고 배향된 고분자량 폴리에틸렌 섬유로도 알려져 있는 고인성 폴리에틸렌 섬유이다.
U.S. 특허 제4,457,985호는 대체적으로 고분자량 폴리에틸렌 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 기재하며, 이 특허의 개시사항은 여기와 모순되지 않는 범위에서 참조예로서 여기에 병합된다. 폴리에틸렌 섬유의 경우, 적합한 섬유로는 적어도 약 150,000, 바람직하게는 적어도 약 백만, 보다 바람직하게는 2백만과 5백만 사이의 의 중량평균 분자량이다. 이러한 높은 분자량의 폴리에틸렌 섬유는 용액에서 방사될 수 있으며(U.S. Pat. No. 제4,137,394호 및 U.S. Pat. No. 제4,356,138호 참조), 용액으로부터 방사된 필라멘트는 겔 구조를 형성할 수 있으며(U.S. Pat. No. 제4,413,110호, German Off. No. 제3,004, 699호 및 GB Patent No. 제2051667호 참조) 또는 폴리에틸렌 섬유는 롤링 및 드로우잉 공정에 의해 제조될 수 있다(U.S. Pat. No. 제5,702,657호 참조). 여기서 사용된 것으로서, 용어 폴리에틸렌은 소량의 사슬 가지 또는 100주쇄 탄소 원자당 약 5 개질 유닛을 초과하지 않는 코모노머를 함유할 수 있고, 그리고 또 거기에 혼합된 약 50중량퍼센트 미만의 하나 이상의, 예를 들어, 알켄-1-폴리머, 특별하게는 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리부틸렌, 제1 모노머로서 모노-올레핀 함유 코폴리머 및 폴리옥시메틸렌와 같은, 폴리머릭 첨가제 또는 통상적으로 병합되는 산화방지제, 윤활제, 자외선 차단제, 색소 등과 같은 저분자량 첨가제와 같은 주로 선형의 폴리에틸렌 물질을 의미한다.
고인성 폴리에틸렌 섬유는 상업적으로 입수할 수 있으며, U.S.A. New Jersey, Morristown 소재 Honeywell International Inc.의 상품명 SPECTRA®로 판매된다. 다른 출처의 폴리에틸렌 섬유를 사용할 수도 있다.
형성 기술, 연신율 및 온도 및 기타 조건에 따라, 다양한 특성이 이들 섬유에 부여될 수 있다. 폴리에틸렌 섬유의 인장강도(tenacity)는 적어도 약 7 g/d, 바람직하게는 적어도 약 15 g/d, 보다 바람직하게는 적어도 약 20 g/d, 한층 더 바람직하게는 적어도 약 25 g/d, 가장 바람직하게는 적어도 약 30 g/d이다. 유사하게, lnstron 인장 테스트 기계로 측정한 것으로서, 상기 섬유의 초기 탄성율(tensile modulus)은 바람직하게는 적어도 약 300 g/d, 보다 바람직하게는 적어도 약 500 g/d, 한층 더 바람직하게는 적어도 약 1,000 g/d, 가장 바람직하게는 적어도 약 1,200 g/d이다. 이들 초기 탄성율 및 인장강도 최대값은 일반적으로 용액 성장 또는 겔 방사 공정을 사용함에 의해서만 얻어질 수 있다. 상기 필라멘트의 대부분은 이들을 형성하는 폴리머의 용융점보다 높은 용융점을 갖는다. 그러므로, 예를 들어, 분자량 약 150,000, 약 백만, 그리고 약 2백만의 고분자량 폴리에틸렌은 일반적으로 벌크상태에서 138℃의 용융점을 갖는다. 이들 물질로 제조된 고도로 배향된 폴리에틸렌 필라멘트는 약 7℃ 내지 약 13℃ 이상의 용융점을 갖는다. 그러므로, 용융점의 약간의 증가는 벌크 폴리머와 비교되는 것으로서 필라멘트의 결정 성숙 및 보다 높은 결정 배향을 나타낸다.
유사하게, 중량평균 분자량 적어도 약 200,000, 바람직하게는 적어도 약 백만 및 보다 바람직하게는 적어도 약 2백만의 고도로 배향된 고분자량 폴리에틸렌 섬유가 사용될 수 있다. 이러한 신장된 사슬 폴리프로필렌은 상기 여러 가지 참조예, 특히 U.S. Pat. No. 제4,413,110호에 의해 기재된 기술에 의해 상당히 잘 배향된 필라멘트로 형성될 수 있다. 폴리프로필렌은 폴리에틸렌에 비하여 훨씬 덜 결정성의 물질이며, 펜던트 메틸기를 포함하기 때문에, 폴리프로필렌으로 달성할 수 있는 인장강도 값은 일반적으로 폴리에틸렌에 대한 상응하는 값보다 실질적으로 낮다. 따라서, 적합한 인장강도는 적어도 약 8g/d, 보다 바람직하게는 적어도 약 11g/d이다. 폴리프로필렌에 대한 초기 탄성율은 바람직하게는 적어도 약 160g/d, 보다 바람직하게는 적어도 약 200g/d이다. 폴리프로필렌의 용융점은 일반적으로 배향 과정에 의해 몇도 상승하여, 폴리프로필렌 필라멘트는 바람직하게는 적어도 168℃, 보다 바람직하게는 적어도 약 170℃의 주된 용융점을 갖는다. 상기한 파라미터에 대한 특히 바람직한 범위는 최종 제품에 유리하게 향상된 성능을 제공한다. 상기 파라미터에 대한 바람직한 범위로 연결된 적어도 약 200,000의 중량평균분자량을 갖는 섬유를 사용하는 것은 최종 제품에서 유리하게 향상된 성능을 제공할 수 있다.
섬유층의 중간 섹션의 폴리올레핀 섬유의 고강도 섬유 네트워크는 제직 또는 편직 패브릭의 형태이다. 제직 패브릭이 바람직하며, 평직, 바스켓직(basket weave), 능직, 새틴, 삼차원 제직 패브릭 및 이들 중 어느 몇 개의 변형과 같은 어떠한 짜임 패턴의 직물이 사용될 수 있다. 평직 패브릭이 보다 바람직하며, 동일한 경사 및 위사 수를 갖는 평직 패브릭이 보다 바람직하다.
일 구현예로서, 제직 패브릭은 보다 바람직하게는 경사 및 위사 방향 모두 인치당 약 15 내지 약 55 가닥(cm당 약 5.9 내지 약 21.6 가닥), 보다 바람직하게는 인치당 약 17 내지 약 45 가닥(cm 당 약 6.7 내지 약 17.7가닥)을 갖는다. 상기 원사는 바람직하게는 약 375 내지 약 1300의 데니어를 갖는다. 그 결과, 평방 야드당 약 5 내지 약 19 온스(약 169.5 내지 약 644.1g/㎡), 보다 바람직하게는 평방 야드당 약 5 내지 약 11온스(약 169.5 내지 약 373.0g/㎡)의 제직 패브릭 중량이다. 이러한 패브릭의 예는 SPECTRA® 패브릭 스타일 902, 903, 904, 952, 955 및 960으로 명명되는 것이다. 다른 예로는 SPECTRA® 패브릭 스타일 912와 같은 바스켓직으로 형성되는 것을 포함한다. 앞의 패브릭은 예를 들어, Hexcel로부터 입수할 수 있다. 본 기술분야에서 잘 알려진 것으로서, 여기에서 기재된 상기 패브릭 구조는 단지 대표적인 예이며, 본 발명을 이들로 한정하고자 하는 것이 아니다.
편직 패브릭이 섬유 층의 중간섹션(또는 섬유 층의 외부 섹션)에 사용되는 경우, 다른 니트 구조가 사용될 수 있다. 니트 구조는 교락 루프(intermeshing loops)로 구성된 구조이다. 배향된 편직 구조는 미세한 데니어의 편직 스티치에 의해 부여된 직선상의 인레이드 원사(straight inlaid yarns)를 사용하기 때문에 바람직하다. 상기 원사는 교락 효과로 인한 제직 패브릭에서 발견되는 크림프 효과가 없는 완전히 직선이다. 원사에 놓여진(laid) 것들은 설계된 조건에 따라 단일축, 2축 또는 다축 방향으로 배향될 수 있다. 로드 베어링 원사(load bearing yarns)에 두는데 사용되는 특별한 니트 설비는 원사를 관통하지 않는 그러한 것이 바람직하다.
섬유층의 중간 그룹 층들은 마찬가지로 또한 수지 매트릭스를 포함한다. 상기 수지 물질의 예로는 다음에 논의한다.
상기한 바와 같이, 섬유 층의 내부 그룹은 또한 고인성 폴리올레핀 섬유, 가장 바람직하게는 고인성 폴리에틸렌 섬유를 포함한다. 이들 섬유층은 단일방향으로 배향된 섬유 또는 랜덤 배열로 펠트화된 섬유의 플라이와 같은 섬유 부직 네트워크의 형태이다. 단일방향으로 배향된 섬유가 사용되는 경우, 바람직하게는 이들은 하나의 섬유층이 일방향으로 연장하고, 두 번째 섬유 층이 그 첫 번째 섬유와 90° 방향으로 신장하는 교차-플라이 배열로 사용된다. 개별 플라이가 단일방향으로 배열된 섬유일 경우, 다음의 계속적인 플라이는 바람직하게는 서로와의 관계에서 예를 들어, 0°/90°, 0°/90/0°/90 또는 0°/45°/90745°/0°의 각도 또는 다른 각도로 회전되는 것이 바람직하다. 섬유의 네트워크가 펠트의 형태인 경우, 이들은 니들 펀칭된 펠트일 수 있다. 펠트는 랜덤으로 배향된 섬유, 바람직하게는 불연속적인 섬유, 바람직하게는 약 0.25인치(0.64cm) 내지 약 10인치(25.4cm) 범위의 길이를 갖는 스테이플 파이버의 적어도 하나의 부직 네트워크이다. 이들 펠트는 카딩(carding) 또는 유체 배열(fluid laying), 멜트 블로우잉(melt blowing) 및 스핀 배열(spin laying)과 같은 본 분야에서 알려진 몇 가지 기술로 형성될 수 있다. 상기 섬유 네트워크는 니들 펀칭, 스티치-본딩, 수류교략(hydro-entanglement), 공기교략(air entanglement), 스펀 본드, 스펀 레이스(spun lace) 등에 의해서와 같이 기계적으로, 접착제와 같이 화학적으로, 또는 섬유-포인트 본드(fiber point bond) 또는 보다 낮은 융점을 갖는 혼합된 파이버로 열적으로 강화된다. 보다 바람직한 강화 방법은 니들 펀칭 단독 또는 이에 연속된 다른 방법의 하나이다. 보다 바람직한 펠트는 니들 펀칭된 펠트이다. 부직 구조가 제1 그룹의 연마 섬유에 사용되는 경우, 이들은 여기서 상기한 것과 유사한 구조를 갖는다.
상기 섬유 층의 내부 그룹 층은 또한 유사하게 수지 매트릭스를 포함한다. 상기 수지 재료의 예는 아래에서 논의된다.
헬멧 쉘의 외부, 중간 및 내부 섹션 각각의 섬유 층은 또한 수지 매트릭스를 포함한다. 섬유 플라이에 대한 상기 수지 매트릭스는 아주 다양한 엘라스토머 및 기타 원하는 특성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 일 구현예로서, 이러한 매트릭스에 사용되는 엘라스토머 물질은 ASTM D638로 측정된 것으로서, 약 6,000psi(41.4MPa) 이하의 초기 탄성율(initial tensile modulus)(탄성율(modulus of elasticity))을 갖는다. 보다 바람직하게는 상기 엘라스토머는 약 2,400psi(16.5MPa) 이하의 초기 탄성율을 갖는다. 가장 바람직하게는 상기 엘라스토머는 약 1,200psi(8.23MPa) 이하의 초기 탄성율을 갖는다. 이들 수지 물질은 전형적으로 본질적으로 열가소성이나, 열경화성 물질도 또한 유용하다.
수지 매트릭스는 선택적으로 경화되었을 때 ASTM D638으로 측정된 것으로서 적어도 약 1x106psi(6895MPa)와 같은 높은 탄성율을 갖도록 선택된다. 이러한 물질의 예로서, 예를 들면, U.S. Patent 6,642,159에 개시되어 있으며, 상기 개시사항은 여기서와 모순되지 않는 범위 내에서 참조예로서 여기에 명백하게 병합된다.
열가소성 및 열경화성 수지를 포함하여, 매우 다양한 물질이 섬유 층의 외부, 중간 및 내부 섹션의 각각에 대하여 수지 매트릭스로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 다음 물질의 어느 것이 사용될 수 있다: 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 천연 고무, 에틸렌-프로필렌 코폴리머, 에틸렌-프로필렌-디엔 터폴리머, 폴리술파이드 폴리머, 열가소성 폴리우레탄, 폴리우레탄 엘라스토머, 클로로술포네이트된 폴리에틸렌, 폴리클로로프렌, 디옥틸프탈레이트또는 기타 본 분야에서 잘 알려진 가소제를 사용하여 가소화된 폴리비닐클로라이드, 폴리(이소부틸렌-co-이소프렌), 폴리아크릴레이트류, 폴리에스테르류, 폴리에테르류, 플루오로엘라스토머류, 실리콘 엘라스토머류, 열가소성 엘라스토머류, 및 에틸렌의 코폴리머류. 열경화성 수지의 예로는 메틸에틸케톤, 아세톤, 에탄올, 메탄올, 이소프로필알코올, 시클로헥산, 에틸아세톤 및 이들의 혼합물과 같은 탄소-탄소 포화된 용매에 가용성인 것을 포함한다. 상기 열경화성 수지 중에는 비닐에스테르, 스티렌-부타디엔 블록 코폴리머, 디알릴프탈레이트, 페놀 포름알데히드와 같은 페놀성 수지, 폴리비닐부티랄, 에폭시 수지류, 폴리에스테르 수지류, 열경화성 폴리우레판 수지류, 및 이들의 혼합물 등이다. 상기 U.S. Patent 6,642,159에 개시된 수지를 포함한다. 바람직한 열경화성 주시는 에폭시수지류, 우레탄 수지류, 폴리에스테르 수지류, 비닐에스테르 수지류, 페놀수지류, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 폴리에틸렌 섬유 패브릭에 대한 바람직한 열경화성 수지류는 적어도 하나의 비닐 에스테르, 디알릴 프탈레이트, 및 선택적으로 비닐 에스테르 수지를 경화하는 촉매를 포함한다. 다른 열경화성 수지는 멜라민 수지류, 아크릴레이트 수지류, 실리콘 수지류, 폴리우레아 수지류 등을 포함한다.
하나의 바람직한 그룹의 수지로는 열가소성 폴리우레탄 수지류이다. 다른 바람직한 그룹으로는 컨주게이트된 디엔의 블록 코폴리머류와 비닐 방향족 코폴리머류인 엘라스토머 물질이다. 부타이덴 및 이소프렌이 바람직한 컨주게이트된 디엔 엘라스토머류이다. 스티렌, 비닐톨루엔 및 t-부틸스티렌이 바람직한 컨주게이트된 방향족 모노머이다. 블록코폴리머 함유 폴리이소프렌은 수화되어 포화된 하이드로카본 엘라스토머 세그먼트를 갖는 열가소성 엘라스토머를 제조할 수 있다. 상기 폴리머는 단순한 R-(BA)x(x=3-150) 타입의 트리-블록 코폴리머이며, 여기서 A는 폴리비닐 방향족 모노머의 블록이며, B는 컨주게이트된 디엔 엘라스토머의 블록이다. 바람직한 수지 매트릭스는 Kraton Polymer LLC로부터 입수가능한 Kraton® D1 107 이소프렌-스티렌-이소프렌 블록 코폴리머와 같은 이소프렌-스티렌-이소프렌 블록 코폴리머이다. 이러한 수지들은 물 또는 유기 용매에 분산될 수 있다. 열가소성 폴리우레탄 수지의 일 타입은 물에 분산된 폴리우레탄 수지의 코폴리머 혼합물이다.
수지 물질은 카본블랙, 실리카 등과 같은 필러와 화합될 수 있으며, 오일로 신장되고, 그리고 고무 기술자에게 잘 알려진 방법을 사용하여 황, 퍼옥사이드, 금속 산화물 또는 방사선 경화 시스템으로 경화될 수 있다. 다른 수지의 혼합물이 또한 사용될 수 있다.
바람직하게는, 복수의 섬유 층 각각의 수지 매트릭스는 동일하거나 또는 다른 다수의 수지 매트릭스 또는 다수의 섬유층의 수지 매트릭스와 혼화가능하다. "혼화가능한(compatible)"은 여러 층이 화학적 수단 또는 기계적 수단에 의해 함께 결합될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 층의 여러 가지 그룹의 수지의 화학적 성질이 바람직하게 혼합가능하여, 여러 가지 층이 동일한 몰딩 압력, 온도 및 몰딩 지속 조건하에서 처리될 수 있다. 이는 헬멧 쉘이 하나의 유효한 사이클로 몰딩될 수 있게 한다. 일 구현예로서, 섬유 층의 외부 그룹의 수지는 섬유 층의 중간 그룹의 수지와 혼화가능하여 이들 층이 함께 결합한다. 바람직하게는, 섬유층의 외부 그룹의 수지와 섬유층의 중간 그룹의 수지가 화학적으로 동일하며, 섬유층의 내부 그룹의 수지가 다른 수지들과 화학적으로 상이하다.
섬유 층의 외부 그룹으로서 바람직한 수지는 열경화성 수지이며, 보다 바람직하게는 비닐에스테르 수지이다. 섬유층의 중간 그룹으로서 바람직한 수지는 열경화성 또는 열가소성 수지이며, 보다 바람직하게는 열경화성 수지가 사용될 때에는 비닐에스테르수지이다. 또한, 섬유 층의 중간 그룹으로서 바람직한 것은 열가소성 폴리우레탄 수지 및/또는 스티렌-이소프렌-스티렌 블록 코폴리머이다. 섬유층의 내부 그룹으로서 바람직한 수지는 열가소성 수지이며, 보다 바람직하게는 열가소성 폴리우레탄 수지 및/또는 스티렌-이소프렌-스티렌 블록 코폴리머이다.
상기 헬멧의 3개의 섹션 각각에서 수지 매트릭스 물질 대 섬유의 비는 다양하게 변화할 수 있다. 일반적으로, 수지 매트릭스 물질은 섬유 및 층에서 수지 매트릭스의 전체 중량의 바람직하게는 약 1 내지 약 98중량퍼센트, 보다 바람직하게는 약 5 내지 약 95중량퍼센트, 한층 더 바람직하게는 약 5 내지 약 40중량퍼센트를 형성한다. 상기 퍼센트는 강화된 패브릭에 기초한다. 가장 바람직하게는 섬유 층의 외부 그룹에서 수지는 외부 섬유층의 전체 중량의 약 5 내지 약 25중량퍼센트 포함하며; 섬유 층의 중간 그룹에서 수지는 중간 섬유 층의 전체 중량의 약 10 내지 약 25중량퍼센트를 포함하며, 섬유층의 내부 그룹에서 수지는 내부 섬유 층의 전체 중량의 약 10 내지 약 40중량퍼센트를 포함한다.
바람직하게는, 복수의 섬유층 각각은 프리프레그 패브릭을 형성하도록 몰딩에 앞서서 상기 수지 매트릭스로 코팅되거나 또는 주입될(impregnated) 수 있다. 일반적으로, 본 발명의 섬유층은 바람직하게는 섬유 네트워크를 먼저 구성하고(즉, 제직, 편직, 또는 부직 패브릭 층을 시작으로), 그 후에 매트릭스 조성물로 상기 네트워크를 코팅함으로써 형성된다. 여기에 사용된 것으로서, 상기 용어 "코팅(coating)"은 섬유 네트워크를 나타내는 광범위한 의미로 사용되며, 여기서, 상기 각각의 섬유는 섬유를 둘러싸는 매트릭스 조성물의 연속적 층 또는 상기 섬유의 표면상에 상기 매트릭스의 불연속적인 층의 어느 것을 갖는다. 앞의 경우에, 상기 섬유는 매트릭스 조성물에 완전히 파묻힌다고 말할 수 있다. 상기 용어 코팅 및 주입(impregnating)은 여기서 호환가능한 것으로 사용된다. 수지 매트릭스를 수지-프리 섬유 층으로 적용하는 것이 가능하지만, 몰딩 중에 있어서는, 수지 코팅의 균일성을 제어하기 어렵기 때문에 덜 바람직하다.
매트릭스 수지 조성물은 상기 섬유 층 상에 용액, 분산 또는 에멀젼과 같은 어떠한 적합한 방법으로 적용될 수 있다. 상기 매트릭스-코팅된 섬유 네트워크는 그 후에 건조된다. 상기 매트릭스 수지의 용액, 분산 또는 에멀젼은 필라멘트 상에 스프레이될 수 있다. 선택적으로, 상기 섬유 층 구조는 침지에 의해 또는 롤코터 등의 수단에 의해 수용액, 분산 또는 에멀젼으로 코팅될 수 있다. 코팅 후, 상기 코팅된 섬유 층은 그 후에 코팅된 섬유 네트워크 층 또는 층들은 건조를 위해 매트릭스 조성물에 물 또는 다른 액체를 증발시키기에 충분한 열을 가하는 오븐을 통과할 수 있다. 상기 코팅된 섬유 네트워크는 그 후에 종이 또는 필름 기재일 수 있는 캐리어 웹 상에 놓여질 수 있거나, 또는 상기 패브릭은 매트릭스 수지로 코팅하기 전에 먼저 캐리어 웹 상에 놓여질 수 있다. 상기 기재 및 패브릭 층 또는 층들을 함유하는 수지 매트릭스는 그 후에 공지의 방법으로 연속 롤안에서 권취될 수 있다.
섬유 네트워크는 다양한 방법으로 제조될 수 있다. 단일방향으로 정렬된 섬유 네트워크의 경우, 상기 매트릭스 물질로 코팅하기 전에 고인성 필라멘트의 원사 다발은 크릴(creel)로부터 공급되고, 가이드 및 하나 이상의 스프레더 바(spreader bars)를 통해 평행한 소면기로 안내될 수 있다. 상기 평행한 소면기를 필라멘트를 동일 평면으로, 그리고 실질적으로 단일 방향 형태로 배열한다.
상기 수지 매트릭스로 패브릭 층의 코팅 후에, 상기 층은 취급의 편의를 위해 상기 섬유 층이 서로 결합되지 않거나 또는 서로에 대해 가볍게 붙여진 상태로 헬멧 형태로 미리 형성될 수 있다. 이와 같이 미리 형성하는 것은 최종 성형 공정을 돕는다.
복수의 섬유 층의 각 섹션에서 층의 수는 헬멧의 원하는 타입, 원하는 기능, 및 원하는 중량에 따라 다양하게 변화할 수 있다. 예를 들어, 복수의 섬유 층의 각 섹션에서의 층의 수는 약 2 내지 약 100개 층, 보다 바람직하게는 약 2 내지 85개 층, 그리고 가장 바람직하게는 약 2 내지 약 65개 층의 범위일 수 있다. 복수의 섬유 층의 각 섹션에서의 층 수는 상이할 수 있거나 또는 동일할 수 있다. 상기 층들은 어떠한 적합한 두께일 수 있다. 예를 들어, 복수의 섬유 층의 섹션의 각 층은 1mil 내지 약 40mils(25 내지 1016μm), 보다 바람직하게는 약 3 내지 약 30mils(76 내지 762μm), 그리고 가장 바람직하게는 약 5 내지 약 20mils(127 내지 508μm)의 두께를 가질 수 있다. 각 복수의 섬유 내트워크의 각 층의 두께는 동일하거나 상이할 수 있다.
복수의 섬유 층의 각 섹션에서 각 층의 면적 밀도는 다양하게 변화할 수 있으나, 일반적으로 헬멧 전체 중량이 편안함과 착용자의 보호를 위해 적합한 범위 내가 되도록 선택된다. 예를 들어, 복수의 섬유 층의 외부 섹션에 있어서 각 층의 면적 밀도는 약 5 내지 약 35oz/yd2(약 169.5 내지 약 1186.5g/m2), 보다 바람직하게는 약 5 내지 약 25oz/yd2(약 169.5 내지 약 847.5g/m2)의 범위일 수 있다. 복수의 섬유 층의 중간 섹션에서 각 층의 면적 밀도는 약 5 내지 약 65oz/yd2(약 169.5 내지 약 2203.5g/m2), 보다 바람직하게는 약 5 내지 약 14oz/yd2(약 169.5 내지 약 474.7g/m2)의 범위일 수 있다. 복수의 섬유 층의 내부 섹션에서 각 층의 면적 밀도는 약 1 내지 약 90oz/yd2(약 33.9 내지 약 3051g/m2), 보다 바람직하게는 약 1 내지 약 7oz/yd2(약 33.9 내지 약 237.3g/m2)의 범위일 수 있다. 상기 외부, 중간 및 내부 섹션 각각에서 섬유 층의 면적 밀도는 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 층들의 중량비는 원하는 바에 따라 변화할 수 있다. 섬유 층의 외부 그룹은 헬멧 쉘의 전체 중량 기준으로, 약 2 내지 약 35중량퍼센트, 보다 바람직하게는 약 5 내지 약 15중량퍼센트, 그리고 가장 바람직하게는 10중량퍼센트 이하로 존재할 수 있다. 섬유 층의 중간 그룹은 헬멧 쉘의 전체 중량 기준으로, 약 2 내지 약 65중량퍼센트, 보다 바람직하게는 약 10 내지 약 50중량퍼센트, 그리고 가장 바람직하게는 40중량퍼센트 이하로 존재할 수 있다. 섬유 층의 내부 그룹은 헬멧 쉘의 전체 중량 기준으로, 약 5 내지 약 96중량퍼센트, 보다 바람직하게는 약 20 내지 약 90중량퍼센트, 그리고 가장 바람직하게는 60중량퍼센트 이하로 존재할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 헬멧 쉘은 "경량(lightweight)"이다. 경량은 전체 면적 밀도가 약 5파운드/평방 피트(24.4kg/m2) 이하이다. 바람직하게는 상기 헬멧 쉘의 전체 면적 밀도는 약 3 내지 약 5파운드/평방피트(약 14.6 내지 약 24.4kg/m2)의 범위이다.
군용에서 사용되어온 헬멧 쉘의 일 타입은 머리글자어 ACH(Advanced Combat Helmet)으로 알려져 있다. 바람직하게는 이러한 헬멧(라이플총 탄환 저항성이 아니더라도)은 약 900 내지 약 1500그램, 보다 바람직하게는 약 1000 내지 약 1300그램 범위의 중량을 갖는다.
본 발명의 헬멧 쉘을 형성하기 위해, 섬유 층의 각 섹션의 적층체가 어떠한 소정 형태의 적합한 몰드에 놓일 수 있다. 효율성을 위해 상기 3개의 섹션으로부터 단일 몰딩 단계로 쉘을 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 바람직하게는, 상기 하나 또는 두 개의 섹션을, 나머지 섹션을 상기 몰드에 도입하기 전에, 먼저 몰딩할 수 있다. 상기 몰드는 사발(bowl) 형상, 타원형상 등과 같은 어떠한 원하는 형상일 수 있다.
바람직하게는, 먼저 상기 쉘의 외부 섹션을 형성하는 느슨하게 결합되거나 결합되지 않은 층들의 적층체가 상기 몰드에 놓여진다. 이러한 적층체는 원하는 형상으로 대략적으로 미리 형성될 수 있다. 다음으로, 상기 쉘의 중간 섹션을 형성하는 느슨하게 결합되거나 결합되지 않은 층들의 적층체를 외부 섹션 층의 상부에 놓여진다. 다음으로, 상기 쉘의 내부 섹션을 형성하는 느슨하게 결합되거나 결합되지 않은 적층체가 중간 섹션 층의 상부에 놓여진다. 여기서 단일방향으로 배열된 패브릭이 상기 쉘의 내부 섹션의 부직 패브릭 층으로서 사용되는 경우, 둘 이상의 층은 바람직하게는 0°/90°, 0°/90°/0°/90° 등의 각도와 같이, 먼저 서로 교차-플라이된다. 그 후, 이들 교차-플라이된 구조들(통상 보호제품(shield products)라고 한다.)이 상기 몰드에 도입된다. 헬멧의 중간 및 내부 섹션의 적층체는 또한 대략적으로 소정 형상으로 형성될 수 있다.
개별 층의 수지 또는 수지들이 상기 층간의 요구되는 결합을 제공하기 때문에 개별층간 또는 고인성 섬유 층의 섹션 간에 접착제가 사용될 필요는 없다. 그러나, 필요한 경우 별도의 접착층 또는 층들이 사용될 수 있다.
완전하고, 균일하게 몰드를 채우고, 상기 모든 층을 적절한 배향으로 두도록 주의해야 한다. 이는 헬멧 쉘 전체에 대해 균일한 성능을 가능하게 한다. 섬유 섹션들의 혼합된 부피가 취급할 수 있는 헬멧 몰드보다 크면, 상기 몰드는 닫히지 않을 것이며, 따라서 상기 헬멧은 몰딩되지 않을 것이다. 상기 재료의 혼합된 부피가 몰드의 부피보다 적으면, 상기 몰드는 닫히지만, 그 재료는 몰딩 압력의 부족으로 인해 몰딩되지 않을 것이다.
상기 몰드가 필요한 수 및 섬유 층의 타입으로 적재되면, 상기 헬멧은 소정의 몰딩 조건 하에서 몰딩될 수 있다. 이러한 조건들은 별도의 아라미드 패브릭 및 별도의 폴리에틸렌 패브릭 층을 몰딩하는데 사용되는 것과 유사할 수 있다. 예를 들어, 몰딩 온도는 약 65 내지 250℉, 보다 바람직하게는 약 90 내지 330℉, 그리고 가장 바람직하게는 약 120 내지 약 320℉의 범위일 수 있다. 클램프 몰딩 압력(clamp molding pressure)은 예를 들어, 약 10 내지 500톤(10.2 내지 508미터톤), 보다 바람직하게는 약 50 내지 약 350톤(50.8 내지 356미터톤), 그리고 가장 바람직하게는 약 100 내지 약 200톤(102 내지 203미터톤)의 범위일 수 있다. 몰딩 시간은 약 5 내지 60분, 보다 바람직하게는 약 10 내지 약 35분, 그리고 가장 바람직하게는 약 15 내지 25분의 범위일 수 있다.
원하는 몰딩 조건 하에서, 섬유 네트워크에 존재하는 수지 또는 수지들은 열경화성 수지의 경우에 경화된다. 이는 완전한, 하나의 몰딩으로서 원하는 헬멧 형상 내의 개별 층들 및 층들의 그룹들의 강력한 결합을 가져온다. 각 패브릭 세트의 열경화성 수지는 수지들의 가교결합에 의해 이들 계면에서 결합된다고 여겨진다. 열가소성 수지들에 있어서, 헬멧은 수지의 연화점 아래로 냉각시킨 후 몰드로부터 떼어낸다. 열 및 압력 하에서, 열가소성 수지는 패브릭 층들 사이를 흘러, 또한 완전한, 하나의 몰딩의 결과를 가져온다. 냉각 중에 상기 몰딩 압력은 유지된다. 상기 몰딩된 제품은 그 후에 몰드로부터 꺼내고, 필요에 따라 부품을 장식한다.
상기 복합 구조에 사용된 패브릭은 상대적으로 얇지만 매우 강력하다. 개별 패브릭 층의 바람직한 두께는 약 1 내지 약 36mils(25 내지 911μm), 보다 바람직하게는 약 3 내지 약 28mils(76.2 내지 711μm), 그리고 가장 바람직하게는 약 5 내지 약 23mils(127 내지 584μm)이다.
앞에서 기재한 바와 같이, 본 발명의 상기 헬멧은 라이플총 탄환의 관통을 방지할 수 있다. 이러한 탄환은 매우 강한 에너지 수준을 갖는다. 상기 본 발명의 헬멧은 적어도 약 1600줄의 에너지 수준을 갖는 탄환, 보다 바람직하게는 약 1600 내지 약 4000줄의 에너지 수준을 갖는 탄환, 그리고 가장 바람직하게는 약 1700 내지 약 3000줄의 에너지 수준을 갖는 탄환에 의한 관통을 방지할 수 있다.
다음은 총구에서 측정된 속도 및 에너지로서, 다양한 탄환 및 이들의 에너지 수준의 목록이다. 라이플총 탄환은 권총 탄환에 비하여 매우 높은 에너지 수준을 가지며, 그리하여 헬멧을 관통하는 것이 한층 더 어려움을 알 수 있다.
탄환의 운동에너지
탄환 질량, 그레인(g) 속도, mps 에너지, 줄(joule)
9 MM FMJ 124(g) 373±10 537
357 158(9.5g) 440±10 958
44 Mag 240(15g) 441±10 1510
AK 47 128(8g) 900±10 1960
NATO (M80) (9.5g) 810±10 3000
AK 74 (3.4g) 750±10 1700
LPS 179(11.6g) 804±10 3814
본 발명의 헬멧이 경량이라 하더라도, 이들의 독특한 구조로 인해, 높은 에너지의 라이플총 탄환의 관통을 방지할 수 있다. 바람직한 중량 및 탄도 저항성의 이러한 조합은 상기 헬멧이 높은 에너지 수준의 위협으로부터 보호받고자 하는 개인에 의해 매우 용이하게 사용될 수 있는 것임을 의미한다.
상기 헬멧 구조는 원하는 바에 따라 다양한 부착물을 받을 수 있도록 개조될 수 있다. 예를 들어, 상기 헬멧은 소정 기어의 부착을 촉진하기 위해 홈 또는 빌트인 채널(built in channel)이 형성될 수 있다.
어떤 특별한 이론에 의해 한정되는 것은 아니지만, 연마용 섬유의 섬유 층을 포함하는 외부 섹션이 라이플총 탄환 및 그 피갑(jacket)을 변형시키는 역할을 하는 것으로 여겨진다. 제직 및 편직 고인성 폴리올레핀 섬유의 층을 함유하는 중간 섹션은 탄환 피갑 또는 외피(outer casing)를 벗겨낸다. 부직 고인성 폴리올레핀 섬유의 층을 포함하는 내부 섹션은 탄환의 나머지를 변형시키고, 그것을 포획하며, 그에 의해 헬멧을 관통하는 것을 방지한다.
다음 비제한적인 실시예는 보다 완전한 발명의 이해를 제공하기 위해 제공된다. 본 발명의 이론을 설명하기 위해 기재된 구체적인 기술, 조건, 물질, 비율 및 기재된 데이터는 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 모든 퍼센트는 달리 기재하지 않는 한, 중량에 의한 것이다.
실시예
실시예 1
3개의 다른 고인성 섬유 섹션으로부터 헬멧 쉘이 형성된다. 외부 층은 제직 구조에서 유리 섬유로 형성된다(Hexcel로부터의 Style 7628, 이는 17x12 가닥/인치(6.7 x 4.7가닥/cm)의 평직이다). 각각의 제직 유리 섬유 층은 상기 제직 패브릭을 아세톤 용매 및 경화제에 용해된 비닐 에스테르 수지(Ashland Chemical 사의 Derakane 41 1-25 수지)를 함유하는 용기에 담금으로써 상기 비닐 에스테르 수지로 코팅된다. 건조 후, 상기 제직 유리 섬유 층이 10중량%의 비닐 에스테르 수지를 가짐을 알았다. 각 층의 면적 밀도는 200g/m2이다. 제직 유리섬유 복합체의 2층 전체는 느슨하게 적층되어 있으며, 대략적인 헬멧 형상으로 미리 형성되어 있다.
상기 헬멧 쉘의 중간 층은 제직 고인성 폴리에틸렌 섬유(Honeywell International Inc. 제의 Spectra® 900)로 형성된다. 이들 섬유는 30g/d의 인성을 갖는다. 상기 제직 패브릭은 21x21 가닥/인치(8.3x8.3 가닥/cm) 패브릭의 평직인 Hexcel 사의 style 903이다. 각각의 제직 폴리에틸렌 섬유 층은 수지 용액의 용익 내에 패브릭을 침지함으로써 유리섬유 층으로 사용되는 동일한 비닐 에스테르 수지로 코팅된다. 건조 후, 제직 폴리에틸렌 섬유 층은 20중량%의 비닐에스테르 수지를 가짐을 알았다. 각 층의 면적 밀도는 296 g/m2이다. 제직 고인성 폴리에틸렌 섬유 복합체의 전체 2개 층은 느슨하게 적층되고, 대략적인 헬멧의 형태로 미리 형성된다.
상기 헬멧 쉘의 내부 층은 1300데니어를 갖는 단일 방향으로 배향된 고인성 폴리에틸렌 섬유(Honeywell International Inc. 제의 Spectra® 3000)로 형성된다. 단일방향으로 배향된 섬유의 웹은 물에 용해된 열가소성 폴리우레탄 수지를 함유하는 코팅 욕을 통과하여, 상기 수지를 건조 후, 부직 섬유 층의 16중량%를 이루는 것을 알았다. 이들 층의 4개 층을 0°/90°/0°/90°로 교차-플라이하고, 서로 라미네이트하여 4-플라이 보호 제품(four-ply shield product)을 형성하였다. 4-플라이 복합체의 면적 밀도는 257 g/m2이다. 인접 섬유층의 섬유 배향이 서로 90° 오프세트(offset)되도록 4-플라이 층을 총 67층으로 서로 느슨하게 적층한다. 섬유 층은 대략적인 헬멧의 형상으로 미리 형성된다. 헬멧의 3개 섹션을 소정의 헬멧 형상을 갖는 몰드(ACH 몰드)에 도입하며, 외부 층을 먼저 상기 몰드에 놓고, 이어서 중간층, 그 다음에 내부 층을 놓는다. 층들의 적층체를 90℉(32℃)에서 15분 동안 가열하여 190톤(193미터톤) 클램프 압력 하에서 몰딩하고, 이어서 220℉(104℃)로 15분 동안 냉각한다. 상기 몰드로부터 떼어낸 후, 헬멧 쉘의 가장자리를 다듬는다. 헬멧 쉘의 전체 면적 밀도는 3.75파운드/평방 피트(18.31kg/m2)이다.
상기 헬멧 쉘을 MIL-STD-662F 표준 하에서 라이플총 탄환(AK47, AK74 and NATO Ball)에 대해 테스트하여, 이러한 탄환의 관통을 차단하는 것을 알았다.
실시예 2
중간 층에 사용된 수지가 상기 내부 섹션의 층에 사용된 열가소성 폴리우레탄 수지와 동일한 타입인 것을 제외하고는 실시예 1에서와 같이 헬멧을 준비하였다. 중간 섬유 층의 수지 함량은 20중량퍼센트이다.
상기 헬멧 쉘은 실시예 1에서와 같이 테스트되고, 유사한 결과가 기재된다.
실시예 3
내부층의 수지가 스티렌-이소프렌-스티렌 블록 코폴리머(Kraton D-1 107)인 것을 제외하고, 헬멧을 실시예 1에서와 같이 제조하였다. 상기 내부 섬유층의 수지 함량은 17중량퍼센트였다. 상기 헬멧 쉘은 실시예 1과 같이 테스트되고, 그리고 유사한 결과가 기재된다.
본 발명의 헬멧은 경량이나, 라이플총 탄환에 대하여 우수한 저항성을 갖는다. 상기 헬멧은 또한 우수한 충격 저항성 및 구조적 강직성을 갖는다. 상기 헬멧은 군용 및 법 집행 헬멧, 스포팅 헬멧 및 안전 헬멧의 기타 타입과 같은 비군용으로 유용하다.
본 발명을 다소 완전히 상세하게 기재하였으나, 이러한 상세한 기재는 엄격하게 고수할 필요는 없으며, 추가적인 변경, 개조가 본 분야의 기술자 스스로 제안할 수 있으며, 추가된 청구항에 의해 정의된 것으로서 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 이해될 것이다.

Claims (10)

  1. 라이플총 탄환에 의한 관통에 대해 저항성인 경량 몰딩된 헬멧으로서, 상기 헬멧은 쉘을 포함하며, 상기 쉘은 외부에서 내부로:
    제1 수지 매트릭스로 주입된 고인성 연마용 섬유를 포함하는 제1 복수의 섬유 층;
    상기 제1 복수의 섬유 층에 결합되고, 제2 수지 매트릭스로 주입된 폴리올레핀 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 제직 또는 편직 네트워크를 포함하는 제2 복수의 섬유 층; 및
    상기 제2 복수의 섬유 층에 결합되고, 제3 수지 매트릭스로 주입된 폴리올레핀 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 부직 네트워크를 포함하는 제3 복수의 섬유 층을 포함하는 헬멧.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제2 및 제3 복수의 섬유 층은 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 것인 헬멧.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제3 복수의 섬유 층은 서로에 대해 배향되는 단일방향으로 배향된 섬유 층들을 포함하는 것인 헬멧.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제1 복수의 섬유 층의 섬유는 상기 제1 수지 매트릭스 내에 완전히 매립되고, 상기 제2 복수의 섬유 층의 섬유는 상기 제2 수지 매트릭스 내에 완전히 매립되고, 상기 제3 복수의 섬유 층의 섬유는 상기 제3 수지 매트릭스 내에 완전히 매립되는 것인 헬멧.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제1 수지 매트릭스는 열경화성 수지를 포함하며, 상기 제2 수지 매트릭스는 열경화성 또는 열가소성 수지를 포함하며, 그리고, 상기 제3 수지 매트릭스는 열가소성 수지를 포함하는 것인 헬멧.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제1 수지 매트릭스 및 제2 수지 매트릭스는 화학적으로 동일하고, 상기 제3 수지 매트릭스는 화학적으로 상기 제1 수지 매트릭스 및 상기 제2 수지 매트릭스와 상이한 것인 헬멧.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 연마용 섬유는 유리섬유, 그라파이트 섬유, 실리콘 카바이드 섬유, 보론 카바이드 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 헬멧.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제1 복수의 섬유 층의 상기 섬유 층은 5 내지 35 oz./yd2 (169.5 내지 1186.5 g/m2)의 면적 밀도를 가지고, 상기 제2 복수의 섬유 층의 상기 섬유 층은 5 내지 65 oz./yd2 (169.5 내지 2203 g/m2)의 면적 밀도를 가지고, 그리고, 상기 제3 복수의 섬유 층의 상기 섬유 층은 1 내지 90 oz./yd2 (33.9 내지 3051 g/m2)의 면적 밀도를 가지며, 상기 쉘의 전체 면적 밀도는 3 내지 5파운드/평방피트(14.6 내지 24.4kg/m2)인 헬멧.
  9. 라이플총 탄환에 의한 관통에 대하여 저항성인 경량 몰딩된 헬멧으로서, 상기 헬멧은 쉘을 포함하며, 상기 쉘은 외부에서 내부로:
    제1 수지가 열경화성 수지를 포함하는 제1 수지 매트릭스로 주입된 고인성 유리 섬유의 제직 네트워크를 포함하는, 제1 복수의 섬유 층;
    상기 제1 복수의 섬유 층에 결합되고, 제2 수지가 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 포함하는 제2 수지 매트릭스로 주입된 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 제직 네트워크를 포함하는, 제2 복수의 섬유 층; 및
    상기 제2 복수의 섬유 층에 결합되고, 제3 수지가 열가소성 수지를 포함하는 제3 수지 매트릭스로 주입된 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 부직 네트워크를 포함하는, 제3 복수의 섬유 층을 포함하며,
    상기 헬멧은 3 내지 5파운드/평방피트(14.6 내지 24.4 kg/m2)의 전체 면적 밀도를 가지며, 적어도 1600줄의 에너지를 갖는 라이플총 탄환에 대하여 저항성인 헬멧.
  10. 라이플총 탄환에 의한 관통에 대하여 저항성인 경량 헬멧의 쉘을 형성하는 방법으로서,
    제1 수지 매트릭스로 주입된 연마용 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 네트워크를 포함하는 제1 복수의 섬유 층을 몰드에 제공하되, 상기 제1 복수의 섬유 층은 상기 몰드의 내부로 대면하는 것인 단계;
    제2 수지 매트릭스로 주입된 폴리올레핀 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 제직 네트워크를 포함하는 제2 복수의 섬유 층을 상기 몰드에 제공하되, 상기 제2 복수의 섬유 층은 상기 제1 복수의 섬유 층 상에 놓이고, 상기 제1 및 제2 수지는 혼화가능한 것으로서, 상기 제1 및 제2 복수의 섬유층이 서로 결합될 수 있는 것인 단계;
    제3 수지 매트릭스로 주입된 폴리올레핀 섬유를 포함하는 고인성 섬유의 부직 네트워크를 포함하는 제3 복수의 섬유 층을 상기 몰드에 제공하되, 상기 제3 복수의 섬유 층은 상기 제2 복수의 섬유 층 상에 놓이는 것인 단계; 및
    상기 제1 복수의 섬유 층, 상기 제2 복수의 섬유 층 및 상기 제3 복수의 섬유 층에 열과 압력을 가하고, 이에 의해 상기 헬멧의 쉘을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
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