KR101569548B1 - 방탄 직물 및 그 제조방법 - Google Patents

방탄 직물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

가혹한 환경 하에서 및 장기간 사용 후에도 방탄성능의 저하가 최소화되는 방탄복용 방탄 직물 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 방탄 직물은 초고분자량 폴리에틸렌(high molecular weight polyethylene) 섬유, 아라미드(aramid) 섬유 및 폴리벤즈옥사졸(polybenzoxazole) 섬유 중 적어도 하나로 제직된 직물; 및 상기 직물 상의 발수층(water repelling layer)을 포함하고, 상기 발수층은 플루오로카본(fluorocarbon) 및 가교제(cross-linking agent)를 포함하는 발수제로 상기 직물이 처리됨으로써 형성된다.

Description

방탄 직물 및 그 제조방법{Ballistic Fabric and Method for Manufacturing The Same}
본 발명은 방탄복용 방탄 직물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 가혹한 환경 하에서 및 장기간 사용 후에도 방탄성능의 저하가 최소화되는 방탄복용 방탄 직물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
방탄복은 포탄의 파편 또는 탄환으로부터 인체를 보호하기 위하여 개발된 의류의 일종이다. 따라서, 방탄복이 갖추어야 할 가장 중요한 요건들 중 하나는 방탄 성능이다.
또한, 사용자가 방탄복을 착용한 상태에서 움직이는데 불편함이 없어야 하기 때문에 착용감 역시 방탄성능 못지않게 중요한 요건이다. 방탄복의 중량이 너무 무겁거나 유연하지 못할 경우에는 그 착용감이 떨어져 비록 방탄성능이 우수하다고 할지라도 좋은 방탄복으로 인정될 수 없다.
방탄복의 구조 또는 방탄복을 구성하는 직물 자체에 대한 연구개발을 통해 방탄복의 방탄성능 및 착용감을 동시에 향상시키고자 하는 노력이 꾸준히 진행되고 있으나 아직까지 만족할만한 성과가 나오지 않고 있다. 특히, 종래의 방탄복은 가혹한 환경 하에서 또는 장기간 사용 후에 그 방탄성능이 저하되는 심각한 문제점을 보여주고 있다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 방탄 직물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면은 가혹한 환경 하에서 및 장기간 사용 후에도 방탄성능의 저하가 최소화되는 방탄 직물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 가혹한 환경 하에서 및 장기간 사용 후에도 방탄성능의 저하가 최소화되는 방탄 직물의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술될 것이고, 부분적으로는 그러한 기술로부터 자명할 것이다. 또는, 본 발명의 실시를 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 학습되어질 수 있을 것이다. 본 발명의 목적들 및 다른 이점들은 첨부된 도면은 물론이고 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특정된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.
본 발명의 일 측면으로서, 초고분자량 폴리에틸렌(high molecular weight polyethylene) 섬유, 아라미드(aramid) 섬유 및 폴리벤즈옥사졸(polybenzoxazole) 섬유 중 적어도 하나로 제직된 직물; 및 상기 직물 상의 발수층(water repelling layer)을 포함하고, 상기 발수층은 플루오로카본(fluorocarbon) 및 가교제(cross-linking agent)를 포함하는 발수제로 상기 직물이 처리됨으로써 형성된 것을 특징으로 하는 방탄 직물이 제공된다.
본 발명의 다른 측면으로서, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 아라미드 섬유 및 폴리벤즈옥사졸 섬유 중 적어도 하나로 직물을 제직하는 단계; 플로오로카본 및 가교제를 포함하는 발수제를 준비하는 단계; 및 상기 발수제를 상기 직물에 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 직물의 제조방법이 제공된다.
위와 같은 일반적 서술 및 이하의 상세한 설명 모두는 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 특허청구범위의 발명에 대한 더욱 자세한 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 의한 방탄 직물 및 이를 이용하여 제조된 방탄복은 가혹한 환경 하에서 및 장기간 사용 후에도 방탄성능의 저하가 최소화될 수 있다.
본 발명의 다른 효과들은 그와 관련된 기술적 구성과 함께 이하에서 자세히 기술될 것이다.
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.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄 직물 및 그 제조방법을 상세하게 설명한다.
본 발명의 방탄 직물은 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 아라미드 섬유 및 폴리벤즈옥사졸 섬유 중 적어도 하나로 제직된 직물을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 초고분자량 폴리에틸렌(high molecular weight polyethylene) 섬유, 아라미드(aramid) 섬유 및 폴리벤즈옥사졸(polybenzoxazole) 섬유 중 어느 하나를 경사 및 위사로 이용하여 직물을 제직한다. 선택적으로, 서로 다른 종류의 섬유가 직물의 경사 및 위사로 각각 사용될 수 있다. 또한, 직물의 경사 및 위사 각각이 2 이상의 서로 다른 종류의 섬유들을 포함할 수도 있다.
설명의 편의를 위하여, 이하에서는 아라미드 섬유의 일종인 전방향족 폴리아미드 섬유를 경사 및 위사로 이용하여 제직된 직물을 설명하도록 한다.
먼저, 전방향족 폴리아미드 섬유의 제조를 위해, 방향족 디아민과 방향족 디에시드클로라이드를 중합용매 내에서 중합시킴으로써 방향족 폴리아미드 중합체를 제조한다. 방향족 폴리아미드 중합체를 농황산 용매에 용해시켜 방사도프를 제조한다. 상기 방사도프를 방사구금의 다수의 홀들을 통과시킨 후 응고시킴으로써 멀티필라멘트를 제조한다.
일정 섬도를 갖는 멀티필라멘트의 경우 모노필라멘트의 섬도가 작을수록 더욱 많은 모노필라멘트들을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티필라멘트는 1.6 데니어 이하의 섬도를 갖는 가느다란 모노필라멘트들로 구성되기 때문에 비교적 많은 개수의 모노필라멘트들을 포함할 수 있고, 이로부터 제직된 직물은 충격에 대한 향상된 흡수력을 가질 수 있다.
한편, 0.7 미만의 섬도를 갖는 모노필라멘트들로 이루어진 멀티필라멘트는 직물의 제직 자체를 어렵게 만든다. 따라서, 직물의 제직에 사용되는 멀티필라멘트는 0.7 이상의 섬도를 갖는 것이 제직의 용이성 관점에서 유리하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전방향족 폴리아미드 멀티필라멘트는 0.7 내지 1.6 데니어의 섬도를 갖는 400 내지 1,600 개의 모노필라멘트들을 포함한다. 상기 전방향족 폴리아미드 멀티필라멘트는 22 g/d 이상의 인장강도를 갖는 것이 방탄 직물의 방탄 성능 측면에서 유리하다. 다만, 모노필라멘트의 개수와 섬도, 그리고 멀티필라멘트의 인장강도가 본 발명에서 특별히 한정되는 것은 아니다.
직물을 제직하는 공정은 평직(plain weave) 또는 바스켓직(basket weave)을 통해 수행될 수 있다. 경사밀도 및 위사밀도는 각가 5~15본/cm일 수 있으며, 얻어지는 직물은 5,000~10,000 N/5cm의 인장강도를 가질 수 있다. 다만, 본 발명에서 직물의 경사밀도, 위사밀도 및 인장강도가 특별히 한정되는 것은 아니다.
직물이 완성되면 전방향족 폴리아미드 멀티필라멘트에 부착되어 있는 유제 또는 이물질을 제거하기 위한 정련(scouring) 공정이 실시될 수 있다.
일반적으로 전방향족 폴리아미드 멀티필라멘트는 지관에 권취되기 직전에 가해지는 방사 유제(spinning oil)를 그 표면 상에 가질 수 있다. 이와 같은 유제가 표면에 묻어 있는 상태에서 후술하는 발수제로 직물을 처리할 경우 발수제와 직물 사이의 강한 결합력을 기대할 수 없다. 그 결과, 시간의 경과에 따른 발수 특성의 급격한 저하 및 그로 인한 방탄 성능의 저하가 초래될 수 있다. 따라서, 후술하는 발수 처리 전에 직물에 부착되어 있는 유제 또는 이물질을 제거하기 위한 정련 공정을 실시하는 것이 바람직하다.
상기 정련 공정은 40 내지 100 ℃에서 NaOH 및/또는 Na2CO3와 같은 계면활성제(surfactant)를 포함하는 정련제(scouring agent)를 이용하여 수행될 수 있다. 정련제로 직물을 처리한 후 수세 공정 및 건조 공정이 순차적으로 수행된다.
이어서, 플루오로카본 및 가교제를 포함하는 발수제로 상기 직물을 처리함으로써 상기 직물 상에 발수층을 형성한다.
상기 플루오로카본 화합물로서 하이드록실레이티드 퍼플루오로알킬에틸 아크릴레이트 코폴리머(hydroxylated perfluoroalkylethyl acrylate copolymer)가 사용될 수 있다.
상기 가교제는 이소시아네이트 작용기(isocianate functional group)를 갖는다. 더욱 구체적으로, 상기 가교제는 톨루엔 디이소시아네이트(toluene diisocianate) 또는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(methylene diphenyl diisocianate)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발수제를 더욱 구체적으로 설명하면, 발수제는 1 내지 7 중량%의 플루오로카본 화합물, 1 내지 5 중량%의 가교제, 0.1 내지 0.5 중량%의 소포제, 0.1 내지 0.5 중량%의 에멀젼 안정제, 및 89 내지 96 중량%의 물을 포함할 수 있다.
플루오로카본 화합물은 직물에 발수성을 부여하는 역할을 하는 것으로서, 그 함량이 1 중량% 미만일 경우 원하는 발수성을 기대하기 어렵고, 그 함량이 7 중량%를 초과할 경우 발수성 증가는 크지 않은 반면 직물의 유연성이 오히려 떨어질 수 있다.
가교제는 직물에 발수성을 부여하는 성분, 즉 플루오로카본과 직물 사이의 결합을 강화시킴으로써 가혹한 환경 하에서 및 장기간 사용 후에도 직물의 방탄성능 저하가 최소화되도록 한다. 가교제의 함량이 1 중량% 미만일 경우에는 원하는 만큼의 발수성 유지가 어렵고, 그 함량이 5 중량%를 초과할 경우에는 더이상의 효과가 나타나지 않고 제조비만 상승하는 문제점이 있다.
소포제는 그 함량이 0.1 중량% 미만일 경우 기포 제거 기능이 떨어질 수 있고, 그 함량이 0.5 중량%를 초과할 경우 상대적으로 발수성 및 유연성 부여를 위한 다른 성분들의 비율이 낮아져 직물의 발수성 및 유연성이 떨어질 수 있다. 상기 소포제로서 디프로필렌글리콜이 사용될 수 있다.
에멀젼 안정제의 경우 0.1 중량% 미만에서는 기능을 발휘하지 못하고 0.5 중량%를 초과할 경우에는 직물의 물성 저하를 야기할 수 있다. 상기 에멀젼 안정제로서 사과산이 사용될 수 있다.
상기 발수제를 상기 직물에 가한다. 발수제를 직물에 가하는 단계는 패딩(padding), 코팅, 침지, 분무, 브러싱, 또는 필름-코팅 등의 방법에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 충분히 교반한 발수제에 상기 직물을 침지시켜 발수제를 직물에 함침시키고, 패딩 공정 및 건조 공정을 차례로 수행함으로써 직물의 발수 처리를 완료한다.
선택적으로, 상술한 발수 공정을 통해 발수층이 형성된 직물을 열처리할 수 있다. 열처리 공정은 120 내지 200 ℃에서 15 내지 150초 동안 수행될 수 있다. 열처리 온도가 120℃ 미만이거나 열처리 시간이 15초 미만이면 발수 처리 효과가 떨어질 수 있고, 열처리 온도가 200℃를 초과하거나 열처리 시간이 150초를 초과하면 직물의 손상이 야기될 수 있다.
위와 같은 방법을 통해 제조된 본 발명의 방탄 직물은 10 내지 25N의 강연도(flexibility)를 가진다. 강연도는 직물의 유연성 정도에 대한 판단 척도가 되는 것으로서 ASTM D 4032에 의한 원형굽힘 방법(circularbend method)을 통해 측정된다. 방탄 직물의 강연도가 10N 미만이면 방탄 직물의 강도가 너무 낮아 방탄 특성이 후면 변형 측면에서 특히 좋지 못하고, 방탄 직물의 강연도가 25N을 초과하면 방탄 직물의 유연성이 부족하여 그것으로 제조된 방탄복의 착용감이 좋지 못하다.
또한, 본 발명의 방탄 직물은 90 내지 100의 초기 발수도(initial resistance to surface wetting)를 가지며, 상기 직물의 500회 마찰 후의 발수도는 80 이상이다. 발수도는 방탄 직물의 발수성(water repellency)을 나타내는 것으로서, ISO 4920:1981에 기초한 스프레이 방법(spray method)으로 측정된다. 방탄 직물에 대한 마찰은 쉬퍼형 웨어 테스터(Shiefer type wear tester: SAT-250)를 통해 수행된다.
본 발명의 방탄 직물은 90 내지 100의 우수한 초기 발수도를 가질 뿐만 아니라, 500회 마찰 후에도 80 이상의 높은 발수도를 유지한다. 이것은 본 발명의 방탄 직물이 장기간 사용된 후에도 우수한 발수성을 유지할 수 있고, 그 결과 수분 흡수로 인한 상기 직물의 방탄 성능 저하가 최소화될 수 있음을 의미한다.
또한, 본 발명의 방탄 직물은 4~5 급의 방우성(water repellency, Bundesmann Test, 10 min.)을 갖는다. 방탄 직물의 방우성은 가혹한 환경 하에서 방탄 직물의 발수도, 즉 방탄 성능이 얼마나 잘 유지되는지를 나타내는 척도로서, ISO9685;1992 방법으로 측정된다.
위와 같이 제조된 본 발명의 방탄 직물 10 내지 50 매가 적층된 적층체를 이용하여 방탄복이 제조될 수 있다. 이와 같이 제조된 방탄복은 우수한 발수성 및 유연성을 가지며, 가혹한 환경 하에서 및 장기간 사용 후에도 방탄성능의 저하가 최소화될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴본다.
실시예 1
섬도가 1.0인 전방향족 폴리아미드 모노필라멘트 1,000개로 이루어진 전방향족 폴리아미드 멀티필라멘트를 경사 및 위사로 사용하여 평직으로 직물을 제직하였다. 경사밀도 및 위사밀도는 각각 10본/cm이었다. 이어서, 상기 직물을 약 60 ℃에서 Na2CO3를 포함하는 정련제로 처리하고, 수세 및 건조시켰다.
이어서, 정련 처리된 상기 직물을 발수제에 침지시킴으로써 발수제를 직물에 함침시켰다. 상기 발수제는 3 중량%의 하이드록실레이티드 퍼플루오로알킬에틸 아크릴레이트 코폴리머, 2 중량%의 톨루엔 디이소시아네이트, 0.2 중량%의 디프로필렌 글리콜, 0.2 중량%의 사과산, 및 94.6 중량%의 물을 포함하였다.
발수제가 함침된 직물에 대하여 패딩 공정 및 건조 공정을 수행함으로써 방탄 직물을 완성하였다.
실시예 2
발수제의 성분 중 톨루엔 디이소시아네이트의 함량이 1 중량%이고 물의 함량이 95.6 중량%이었다는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 방법으로 방탄 직물을 제조하였다.
실시예 3
발수제의 성분 중 톨루엔 디이소시아네이트의 함량이 3 중량%이고 물의 함량이 93.6 중량%이었다는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 방법으로 방탄 직물을 제조하였다.
실시예 4
발수제의 성분 중 톨루엔 디이소시아네이트의 함량이 4 중량%이고 물의 함량이 92.6 중량%이었다는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 방법으로 방탄 직물을 제조하였다.
실시예 5
발수제의 성분 중 톨루엔 디이소시아네이트의 함량이 5 중량%이고 물의 함량이 91.6 중량%이었다는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 방법으로 방탄 직물을 제조하였다.
비교실시예 1
톨루엔 디이소시아네이트가 발수제에 포함되지 않았고, 발수제 성분 중 물의 함량이 96.6 중량%이었다는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 방법으로 방탄 직물을 제조하였다.
비교실시예 2
발수제의 성분 중 톨루엔 디이소시아네이트의 함량이 0.5 중량%이고 물의 함량이 96.1 중량%이었다는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 방법으로 방탄 직물을 제조하였다.
비교실시예 3
발수제의 성분 중 톨루엔 디이소시아네이트의 함량이 7 중량%이고 물의 함량이 89.6 중량%이었다는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 방법으로 방탄 직물을 제조하였다.
실시예 1 내지 5 및 비교실시예 1 내지 3에 의해 각각 제조된 방탄 직물들의 강연도, 초기 발수도, 마찰 후 발수도 및 방우성을 다음의 방법들에 의해 각각 측정하였다.
강연도 측정
방탄 직물을 절단하여 100mm × 200mm 샘플을 준비하였고, ASTM D 4032에 의한 원형굽힘 방법을 이용하여 이 샘플의 강연도를 측정하였다. 구체적으로는, 102mm × 102mm × 6mm의 크기를 갖는 받침대에 38.1mm 직경의 구멍을 뚫고 그 위에 상기 샘플을 반으로 접은 상태로 올려놓고 위에서 바(bar)로 샘플을 눌렀을 때 상기 구멍을 통해 샘플을 밀고 내려가는 힘을 측정하였다. 측정된 결과는 아래의 표 1에 나타내었다.
초기 발수도 측정
방탄 직물을 절단하여 250mm × 250mm 샘플을 준비하였고, ISO 4920:1981에 기초한 스프레이 방법을 이용하여 샘플의 초기 발수도를 측정하였다. 측정된 결과는 아래의 표 1에 나타내었다.
마찰 후 발수도 측정
방탄 직물을 절단하여 250mm × 250mm 샘플을 준비하였고, 쉬퍼형 웨어 테스터(Shiefer-type wear abrasion tester: SAT-250)를 사용하여 상기 샘플에 500회 마찰을 가하였다. 이어서, ISO 4920:1981에 기초한 스프레이 방법을 이용하여 샘플의 초기 발수도를 측정하였다. 측정된 결과는 아래의 표 1에 나타내었다.
방우성 측정
방탄 직물을 절단하여 250mm × 250mm 샘플을 준비하였고, 분데스만 테스트(10min., ISO9685:1992) 방법으로 각 샘플의 방우성을 측정하였다.
강연도 (N) 초기 발수도 500회 마찰 후 발수도 방우성
실시예 1 15 100 90 4급
실시예 2 13 100 80 4급
실시예 3 16 100 90 4급
실시예 4 17 100 90 4급
실시예 5 18 100 90 4급
비교실시예 1 10 80 70 3급
비교실시예 2 11 90 70 3급
비교실시예 3 18 100 90 4급

Claims (10)

  1. 초고분자량 폴리에틸렌(high molecular weight polyethylene) 섬유, 아라미드(aramid) 섬유 및 폴리벤즈옥사졸(polybenzoxazole) 섬유 중 적어도 하나로 제직된 직물; 및
    상기 직물 상의 발수층(water repelling layer)을 포함하고,
    상기 발수층은 1 내지 7 중량%의 플루오로카본(fluorocarbon), 1 내지 5 중량%의 가교제(cross-linking agent), 0.1 내지 0.5 중량%의 소포제, 0.1 내지 0.5 중량%의 에멀젼 안정제, 및 89 내지 96 중량%의 물을 포함하는 발수제로 상기 직물이 처리됨으로써 형성된 것을 특징으로 하는 방탄 직물.
  2. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 아라미드 섬유 및 폴리벤즈옥사졸 섬유 중 적어도 하나로 제직된 직물; 및
    상기 직물 상의 발수층을 포함하고,
    상기 발수층은 플루오로카본 및 가교제를 포함하는 발수제로 상기 직물이 처리됨으로써 형성되며,
    ASTM D 4032에 의한 원형굽힘 방법(circularbend method)으로 측정한 강연도가 10 내지 25 N이고,
    쉬퍼형 웨어 테스터(Shiefer-type wear abrasion tester)에 의한 500회 마찰 후 ISO 4920:1981에 기초한 스프레이 방법(spray method)으로 측정한 발수도(resistance to surface wetting)가 80 이상이며,
    분데스만 테스트(10min., ISO9685:1992) 방법으로 측정한 방우성(water repellency)이 4급 이상인 것을 특징으로 하는 방탄 직물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가교제는 이소시아네이트 작용기(isocianate functional group)를 갖는 것을 특징으로 하는 방탄 직물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가교제는 톨루엔 디이소시아네이트(toluene diisocianate) 또는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(methylene diphenyl diisocianate)인 것을 특징으로 하는 방탄 직물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플루오로카본은 하이드록실레이티드 퍼플루오로알킬에틸 아크릴레이트 코폴리머(hydroxylated perfluoroalkylethyl acrylate copolymer)인 것을 특징으로 하는 방탄 직물.
  6. 삭제
  7. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 아라미드 섬유 및 폴리벤즈옥사졸 섬유 중 적어도 하나로 직물을 제직하는 단계;
    1 내지 7 중량%의 플루오로카본, 1 내지 5 중량%의 가교제, 0.1 내지 0.5 중량%의 소포제, 0.1 내지 0.5 중량%의 에멀젼 안정제, 및 89 내지 96 중량%의 물을 포함하는 발수제를 준비하는 단계; 및
    상기 발수제를 상기 직물에 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 직물의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 발수제를 상기 직물에 가하는 단계는 패딩, 코팅, 침지, 분무, 브러싱, 또는 필름-코팅에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방탄 직물의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 발수제를 상기 직물에 가하기 전에, 상기 직물을 계면활성제(surfactant)를 포함하는 정련제(scouring agent)로 정련하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 직물의 제조방법.
  10. 삭제
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