KR101605925B1 - 개선된 돌발 화재 및 아크 보호를 위한 결정화된 메타-아라미드 블렌드 - Google Patents

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Abstract

아크 및 화염 보호에 사용하기 적합하며 개선된 돌발 화재 보호를 가진 얀, 천 및 의복은 적어도 20%의 결정도를 갖는, 중량 기준으로, 다량의 메타-아라미드 섬유, 및 소량의 모드아크릴 섬유, 파라-아라미드 섬유 및 정전기 방지 섬유를 함유한다. 얀으로부터 제조된 의복은 열 보호를 제공하여 ASTM F1930에 따라 4초의 돌발 화재 노출에 노출될 때 착용자가 65% 미만의 예상 신체 화상을 경험하는 한편, ASTM F1959 및 NFPA 70E에 따른 카테고리 2 아크 등급을 유지한다.

Description

개선된 돌발 화재 및 아크 보호를 위한 결정화된 메타-아라미드 블렌드{CRYSTALLIZED META-ARAMID BLENDS FOR IMPROVED FLASH FIRE AND ARC PROTECTION}
본 발명은 아크 및 화염 보호 특성뿐만 아니라, 돌발 화재에 노출될 때 개선된 성능을 보유하는 천의 생산에 유용한 블렌딩된 얀에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 천으로 생산된 의복에 관한 것이다.
보호 의류로 잠재적인 돌발 화재로부터 작업자를 보호할 경우 실제 화염에 대한 노출 시간이 중요한 고려사항이다. 일반적으로 용어"돌발(flash)" 화재는 화염에 대한 노출이 수 초 정도의, 매우 짧은 기간이기 때문에 사용된다. 또한, 일 초의 차이가 작아보이지만, 화재에 노출될 경우, 화염에 일 초 더 노출되는 것은 화상에서 엄청난 차이를 의미할 수 있다.
돌발 화재에서 재료의 성능은 ASTM F1930의 시험 프로토콜을 이용하여 장비설치된 마네킹을 이용하여 측정될 수 있다. 마네킹은 측정될 재료의 옷을 입고, 이어서 버너로부터의 화염에 노출되며; 마네킹에 걸쳐 분포된 온도 센서가 마네킹이 경험하는 국부 온도를 측정하며 이는 동일한 양의 화염에 노출되는 경우 사람 신체가 경험하는 온도일 것이다. 표준 화염 강도를 고려하여, 사람이 경험할 화상의 정도(즉, 1도, 2도 등) 및 화상을 입은 신체의 백분율을 마네킹 온도 데이터로부터 측정할 수 있다.
주(Zhu) 등에 허여된 미국 특허 제7,348,059호는 아크 및 화염 보호 천 및 의복에 사용하기 위한 모드아크릴/아라미드 섬유 블렌드를 개시한다. 그러한 블렌드는 평균적으로 높은 함량(40 내지 70 중량%)의 모드아크릴 섬유와 적어도 20%의 결정도를 가진 낮은 함량(10 내지 40 중량%)의 메타-아라미드 섬유, 및 파라-아라미드 섬유(5 내지 20 중량%)를 갖는다. 그러한 블렌드로 제조된 천 및 의복은 전기 아크 및 최대 3초까지의 돌발 화재에 대한 노출로부터 보호를 제공한다. 주에 허여된 미국 특허 출원 공개 US2005/0025963호는 10 내지 75 부의 적어도 하나의 아라미드 스테이플 섬유, 15 내지 80 중량부의 적어도 하나의 모드아크릴 스테이플 섬유, 및 5 내지 30 중량부의 적어도 하나의 지방족 폴리아미드 스테이플 섬유의 블렌드로부터 제조된 개선된 난연성 블렌드, 얀, 천 및 의류 용품을 개시한다. 이러한 블렌드는 이러한 블렌드 내의 가연성 지방족 폴리아미드 섬유의 높은 비율 때문에 186.5 내지 237 그램/제곱미터(5.5 내지 7 온스/제곱야드) 범위의 천에 대한 카테고리 2 아크 등급을 제공하지 못할 것이다. 로바식(Lovasic) 등에 허여된 미국 특허 제7,156,883호는 무정형 메타-아라미드 섬유, 결정화된 메타-아라미드 섬유, 및 난연성 셀룰로오스 섬유를 포함하는 섬유 블렌드, 천, 및 보호 의복을 개시하는데, 메타-아라미드 섬유는 50 내지 85 중량%이며 메타-아라미드 섬유의 1/3 내지 2/3는 무정형이며 메타-아라미드 섬유의 2/3 내지 1/3은 결정형이다. 다시, 이들 블렌드로 제조된 천은 186.5 내지 237 그램/제곱미터(5.5 내지 7 온스/제곱야드) 범위의 천에 대한 카테고리 2 아크 등급을 제공하지 않을 것이다.
NFPA 2112 표준에 따라, 돌발 화재 보호 의류에 요구되는 최소 성능은 3초의 화염 노출로부터 50% 미만 신체 화상이다. 돌발 화재는 일부 산업에서 작업자들에게 매우 현실적인 위협이며, 개인이 화염에 얼마나 오랫동안 뒤덮일지 완전히 예상하는 것이 불가능하므로, 보호 의류 천 및 의복의 돌발 화재 성능에 있어서 임의의 개선은 생명을 구할 잠재성을 갖는다. 특히, 만일 보호 의류가 3초 초과, 예를 들어, 4초 이상의 화재 노출에 대해 향상된 보호를 제공할 수 있으면, 이는 33% 이상만큼의 잠재적 노출 시간의 증가를 나타낸다. 돌발 화재는 작업자가 경험할 수 있는 열적 위협 중 가장 극심한 유형 중 하나를 나타내며; 그러한 위협은 화염에 대한 단순 노출보다 훨씬 더 심각하다. 따라서, 낮은 평량에서 높은 수준의 아크 보호와 개선된 돌발 화재 성능의 조합을 제공하는 임의의 개선이 필요하다.
본 발명은 아크 및 화염 보호에 사용하기 위한 얀과 그 얀으로부터 제조된 천과 의복에 관한 것이며, 상기 얀은 다음의 성분 (a), (b), (c) 및 (d)의 총중량을 기준으로 적어도 20%의 결정도를 갖는 메타-아라미드 섬유 50 내지 80 중량%, 모드아크릴 섬유 10 내지 30 중량%, 파라-아라미드 섬유 5 내지 20 중량%, 및 정전기 방지 섬유 1 내지 3 중량%로 본질적으로 이루어진다. 천 및 의복은 186.5 내지 237 그램/제곱미터(5.5 내지 7 온스/제곱야드) 범위의 평량을 갖는다.
일 실시 형태에서, 얀으로부터 제조된 의복은, 카테고리 2 아크 등급을 유지하는 한편, 착용자가 ASTM F1930에 따라 4초의 돌발 화재 노출에 노출될 때 65% 미만의 예상 신체 화상을 경험하도록 하는 열적 보호를 제공한다.
본 발명은 아크 보호와 우수한 돌발 화재 보호를 제공하는 천과 의복이 생산될 수 있는 얀을 제공하는 것에 관한 것이다. 전기 아크는 전형적으로 수천 볼트 및 수천 암페어의 전류를 수반하여, 의복 또는 천을 강한 입사 에너지에 노출시킨다. 착용자에게 보호를 제공하기 위하여 의복 또는 천은 이러한 에너지가 착용자에게 전달되는 것을 저지하여야 한다. 이는 천과 착용자 신체 사이의 에어-갭, 및 입사 에너지의 일부를 흡수하는 천에 의해 그리고 파열을 저지하는 천에 의해 발생하는 것이라 여겨진다. 파열 동안 천에는 구멍이 형성되어 표면 또는 착용자를 입사 에너지에 직접 노출시킨다.
전기 아크로부터의 강한 입사 에너지를 저지하는 것에 더하여, 의복 및 천은 또한 3초보다 긴 돌발 화재에 대한 긴 노출로부터 에너지의 열전달을 저지한다. 본 발명은 입사 에너지의 일부를 흡수함으로써 그리고 전달되는 열 에너지를 감소시키는 개선된 탄화에 의해 에너지 전달을 감소시키는 것이라 여겨진다.
얀은 메타-아라미드 섬유, 모드아크릴 섬유, 파라-아라미드 섬유, 및 정전기 방지 섬유의 블렌드로 본질적으로 이루어진다. 전형적으로, 얀은 적어도 20%의 결정도를 가진 50 내지 80 중량% 메타-아라미드 섬유, 10 내지 30 중량% 모드아크릴 섬유, 5 내지 20 중량% 파라-아라미드 섬유, 및 1 내지 3 중량% 정전기 방지 섬유로 이루어진다. 바람직하게는, 얀은 적어도 20%의 결정도를 가진 65 내지 75 중량% 메타-아라미드 섬유, 15 내지 25 중량% 모드아크릴 섬유, 5 내지 15 중량% 파라-아라미드 섬유, 및 2 내지 3 중량% 정전기 방지 섬유로 이루어진다. 상기 백분율은 4가지 명명된 성분을 기준으로 한다. "얀"은 함께 방적되거나 트위스트되어, 직조(weaving), 편직(knitting), 브레이딩(braiding), 또는 플레이팅(plaiting)에 사용될 수 있거나 또는 다르게는 직물 재료 또는 천으로 제조될 수 있는 연속 스트랜드를 형성하는 섬유의 집합체를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "아라미드"는 아미드(-CONH-) 결합 중 적어도 85%가 2개의 방향족 고리에 직접 부착되는 폴리아미드를 의미한다. 첨가제가 아라미드와 함께 사용될 수 있으며, 사실상, 최대 10 중량%만큼의 다른 중합체 재료가 아라미드와 함께 블렌딩될 수 있거나, 또는 아라미드의 다이아민 대신에 10%만큼의 다른 다이아민 또는 아라미드의 이산 클로라이드 대신에 10%만큼의 다른 이산 클로라이드를 갖는 공중합체가 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 적합한 아라미드 섬유는 문헌[Man-Made Fibers--Science and Technology, Volume 2, Section titled Fiber-Forming Aromatic Polyamides, page 297, W. Black et al., Interscience Publishers, 1968]에 설명되어 있다. 아라미드 섬유는 또한 미국 특허 제4,172,938호; 제3,869,429호; 제3,819,587호; 제3,673,143호; 제3,354,127호; 및 제3,094,511호에 개시되어 있다. 메타-아라미드는 아미드 결합이 서로에 대하여 메타-위치에 있는 아라미드이며, 파라-아라미드는 아미드 결합이 서로에 대하여 파라-위치에 있는 아라미드이다. 가장 자주 사용되는 아라미드는 폴리(메타페닐렌 아이소프탈아미드) 및 폴리(파라페닐렌 테레프탈아미드)이다.
얀에서 사용될 경우, 메타-아라미드 섬유는 약 26의 한계 산소 지수(LOI)를 가진 난연성 탄화 형성 섬유를 제공한다. 메타-아라미드 섬유는 또한 화염에 대한 노출로 인한 얀에 대한 손상의 확산을 저지한다. 모듈러스와 연신의 물리적 특성의 균형 때문에, 메타-아라미드 섬유는 또한 종래의 셔츠, 바지, 및 전신작업복(coverall) 형태의 산업용 의류로 착용하고자 하는 단층 천 의복에 유용한 편안한 천을 제공한다. 돌발 화재에 오래 노출되는 동안 에너지의 열전달을 저지하기 위하여 경량의 천 및 의복에 개선된 탄화를 제공하기 위하여, 얀이 적어도 50 중량% 메타-아라미드 섬유를 갖는 것은 중요하다. 일부 바람직한 실시 형태에서, 얀은 적어도 65 중량% 메타-아라미드 섬유를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 메타-아라미드 섬유의 바람직한 최대량은 75 중량% 이하이지만; 80 중량%만큼 많은 양이 사용될 수 있다.
모드아크릴 섬유는 아크릴로니트릴을 주로 포함하는 중합체로부터 제조된 아크릴 합성 섬유를 의미한다. 바람직하게는, 중합체는 30 내지 70 중량%의 아크릴로니트릴 및 70 내지 30 중량%의 할로겐-함유 비닐 단량체를 포함하는 공중합체이다. 할로겐-함유 비닐 단량체는 예를 들어 비닐 클로라이드, 비닐리덴 클로라이드, 비닐 브로마이드, 비닐리덴 브로마이드 등으로부터 선택된 적어도 하나의 단량체이다. 공중합가능한 비닐 단량체의 예는 아크릴산, 메타크릴산, 그러한 산의 염 또는 에스테르, 아크릴아미드, 메틸아크릴아미드, 비닐 아세테이트 등이다.
바람직한 모드아크릴 섬유는 비닐리덴 클로라이드와 조합된 아크릴로니트릴의 공중합체이며, 이 공중합체는 개선된 난연성을 위해 추가로 안티몬 산화물 또는 안티몬 산화물들을 갖는다. 그러한 유용한 모드아크릴 섬유에는 2 중량%의 삼산화안티몬을 갖는, 미국 특허 제3,193,602호에 개시된 섬유; 적어도 2 중량%의 양으로, 바람직하게는 8 중량% 이하의 양으로 존재하는 다양한 안티몬 산화물들로 제조된, 미국 특허 제3, 748,302호에 개시된 섬유; 및 8 내지 40 중량%의 안티몬 화합물을 갖는, 미국 특허 제5,208,105호 및 미국 특허 제5,506,042호에 개시된 섬유가 포함되지만 이로 한정되지 않는다.
얀 내에서 모드아크릴 섬유는 안티몬 유도체를 이용한 도핑의 수준에 따라 전형적으로 LOI가 적어도 28인 난연성 탄화 형성 섬유를 제공한다. 모드아크릴 섬유는 또한 화염에 대한 노출로 인한 얀에 대한 손상 확산을 저지한다. 모드아크릴 섬유는 고도의 난연성을 갖는 한편, 전기 아크에 노출될 때 원하는 수준의 파열 내성을 제공하기 위하여 얀 또는 얀으로부터 제조된 천에 적절한 인장 강도를 자체만으로는 제공하지 않는다. 얀은 적어도 10 중량% 모드아크릴 섬유를 가지며 일부 바람직한 실시 형태에서 얀은 적어도 15 중량% 모드아크릴 섬유를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 모드아크릴 섬유의 바람직한 최대량은 25 중량% 이하이지만; 30 중량%만큼 많은 양이 사용될 수 있다.
메타-아라미드 섬유는 얀 및 얀으로부터 형성된 천에 추가의 인장 강도를 제공한다. 모드아크릴 및 메타-아라미드 섬유의 조합은 고도의 난연성을 갖지만 전기 아크에 노출될 때 원하는 수준의 파열 내성을 제공하기 위해 얀 또는 얀으로부터 제조된 천에 적절한 인장 강도를 제공하지는 않는다.
메타-아라미드 섬유가 아크 보호에서의 개선을 실현하기 위하여 소정의 최소한도의 결정도를 갖는 것이 중요하다. 메타-아라미드 섬유의 결정도는 적어도 20% 그리고 더욱 바람직하게는 적어도 25%이다. 최종 섬유 형성의 용이성으로 인한 설명을 위해, 결정도의 실질적 상한은 (더 높은 백분율이 적합하게 고려되기도 하지만) 50%이다. 일반적으로, 결정도는 25 내지 40% 범위일 것이다. 이러한 결정도를 가진 상업적인 메타-아라미드 섬유의 예는 미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 이. 아이. 듀폰 디 네모아 앤드 컴퍼니(E. I. du Pont de Nemours & Company)로부터 입수가능한 노멕스(Nomex)(등록상표) T-450이다.
메타-아라미드 섬유의 결정도는 두 방법 중 하나에 의해 측정된다. 첫 번째 방법은 비공동(non-voided) 섬유를 이용하는 한편, 두 번째 방법은 공동이 완전히 없지는 않은 섬유에서 이루어진다.
첫 번째 방법에서 메타-아라미드의 % 결정도는 우수하고 본질적으로 비공동인 샘플을 이용하여 결정도에 대한 선형 보정 곡선을 먼저 생성함으로써 측정된다. 그러한 비공동 샘플의 경우 비 체적(specific volume)(1/밀도)은 2-상(phase) 모델을 이용하여 결정도와 직접 관련될 수 있다. 샘플의 밀도는 밀도 구배관(density gradient column)으로 측정된다. x-선 산란법에 의해 비결정성으로 판단된 메타-아라미드 필름을 측정하여 평균 밀도가 1.3356 g/㎝3로 밝혀졌다. 이어서, 완전히 결정성인 메타-아라미드 샘플의 밀도는 x-선 단위 셀의 치수로부터 1.4699 g/㎝3로 측정되었다. 일단 이들 0% 및 100% 결정도 종점이 확립되면, 밀도가 알려진 임의의 비공동 실험 샘플의 결정도는 하기의 선형 관계로부터 측정될 수 있다:
Figure 112011009458776-pct00001
많은 섬유 샘플이 공동이 완전히 없지는 않기 때문에, 라만(Raman) 분광법이 결정도 측정을 위한 바람직한 방법이다. 라만 측정은 공동 함량에 민감하지 않으므로, 1650-1 ㎝에서 카르보닐 신장의 상대적 강도를 이용하여, 공동이 있든 없든, 임의의 형태의 메타-아라미드의 결정도를 측정할 수 있다. 이를 달성하기 위하여, 결정도와 1002 ㎝-1에서의 고리 신장 모드의 강도에 대해 정규화된 1650 ㎝-1에서의 카르보닐 신장의 강도 사이의 선형 관계를, 결정도가 상기한 바와 같은 밀도 측정으로부터 미리 측정되어 알려진 최소 공동 샘플을 이용하여 나타냈다. 밀도 보정 곡선에 의존하는 하기의 실험 관계를 니콜렛 모델(Nicolet Model) 910 FT-라만 분광계를 이용하여 % 결정도에 대해 나타냈다:
Figure 112011009458776-pct00002
여기서 I(1650 ㎝-1)는 그 점에서 메타-아라미드 샘플의 라만 강도이다. 이 강도를 이용하여 실험 샘플의 % 결정도가 식으로부터 계산된다.
메타-아라미드 섬유는, 용액으로부터 방적되고, 켄칭되고, 추가적인 열 또는 화학 처리 없이 유리 전이 온도 미만의 온도를 이용하여 건조될 경우, 단지 낮은 수준의 결정도를 형성한다. 그러한 섬유는 라만 산란 기술을 이용하여 섬유의 결정도를 측정할 경우 15% 미만의 % 결정도를 갖는다. 낮은 결정도를 가진 이들 섬유는 열 또는 화학 수단을 이용하여 결정화될 수 있는 무정형 메타-아라미드 섬유로 간주된다. 결정도 수준은 중합체의 유리 전이 온도에서의 또는 그 이상에서의 열처리에 의해 증가될 수 있다. 그러한 열은 전형적으로 원하는 양의 결정도를 섬유에 부여하기에 충분한 시간 동안 장력 하에서 섬유를 가열된 롤과 접촉시킴으로써 가해진다.
m-아라미드 섬유의 결정도 수준은 화학 처리에 의해 증가될 수 있으며, 일부 실시 형태에서 이는 천으로 포함되기 전에 섬유를 착색, 염색, 또는 모의 염색하는 방법을 포함한다. 일부 방법은, 예를 들어 미국 특허 제4,668,234호; 제4,755,335호; 제4,883,496호; 및 제5,096,459호에 개시된다. 염료 캐리어로도 알려진 염료 보조제는 아라미드 섬유의 염료 픽업(pick up)을 증가시키는 것을 돕기 위해 사용될 수 있다. 유용한 염료 캐리어는 아릴 에테르, 벤질 알코올, 또는 아세토페논을 포함한다.
파라-아라미드 섬유는 고 인장강도 섬유를 제공하는데, 이는 적절한 양으로 얀에 첨가될 때 화염 노출 후 얀으로부터 형성된 천의 파열 내성을 개선한다. 얀 내의 대량의 파라-아라미드 섬유는 착용자에게 불편한 얀을 포함하는 의복을 만든다. 얀은 적어도 5 중량%의 파라-아라미드 섬유를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 파라-아라미드 섬유의 바람직한 최대량은 15 중량% 이하이지만; 20 중량%만큼 많은 양이 사용될 수 있다.
용어 인장 강도는 파열 또는 파손 전에 재료에 가해질 수 있는 응력의 최대량을 말한다. 인열 강도는 천을 인열시키는 데 필요한 힘의 양이다. 일반적으로 천의 인장 강도는 천이 얼마나 쉽게 인열되거나 찢어지는 지에 관련된다. 인장 강도는 또한 천이 영구적으로 신장되거나 변형되는 것을 피하는 능력에 관련될 수 있다. 천의 인장 및 인열 강도는 의복의 의도된 보호 수준을 상당히 양보할 수 있는 방식으로 의복의 찢어짐, 인열, 또는 영구적 변형을 방지하기 위해 충분히 높아야 한다.
정전기 방전은 민감한 전기 장비와 함께 또는 가연성 증기 근처에서 작업하는 작업자들에게 유해할 수 있으므로, 얀, 천 또는 의복은 정전기 방지 성분을 함유한다. 예시적인 예로는 스틸 섬유, 탄소 섬유, 또는 기존 섬유와 조합된 탄소가 있다. 정전기 방지 성분은 전체 얀의 1 내지 3 중량%의 양으로 존재한다. 일부 바람직한 실시 형태에서 정전기 방지 성분은 단지 2 내지 3 중량%의 양으로 존재한다. 미국 특허 제4,612,150호(드 호위트(De Howitt에게 허여됨)) 및 미국 특허 제3,803453호(훌(Hull)에게 허여됨)는 특히 유용한 전도성 섬유를 개시하는데, 카본 블랙이 열가소성 섬유 내에 분산되어 섬유에 정전기 방지 전도성을 제공한다. 바람직한 정전기 방지 섬유는 탄소-코어 나일론-외피(sheath) 섬유이다. 정전기 방지 섬유의 사용은, 정전기적 경향이 감소되고 그에 따라서 겉보기 전기장 강도 및 방해 정전기가 감소된 얀, 천 및 의복을 제공한다.
요구되는 결정도가 최종 얀에 존재하면, 얀은 링 방적, 코어 방적, 및 에어 젯 방적으로 제한되지 않는 이와 같은 얀 방적 기술에 의해 생산될 수 있는데, 에어 젯 방적은 스테이플 섬유를 얀으로 트위스트하기 위해 공기가 사용되는 무라타(Murata) 에어 젯 방적과 같은 에어 방적 기술을 포함한다. 단일 얀들이 생산되면, 이들은 바람직하게는 함께 쌓여서, 천으로 만들어 지기 전에 적어도 2개의 단일 얀을 포함하는 겹으로 트위스트된 얀을 형성한다.
전기 아크에 의해 야기되는 강한 열 스트레스로부터 보호하기 위하여, 아크 보호 천 및 그 천으로부터 형성된 의복은 난연성을 위해 공기중 산소 농도보다 높은 (즉, 21보다 크며 바람직하게는 25보다 큰) LOI, 천에 대한 손상의 느린 진행을 나타내는 짧은 탄화 길이(char length), 및 보호층 아래의 표면에 입사 에너지가 직접 충돌하는 것을 방지하기 위한 우수한 파열 내성과 같은 특징을 보유하는 것이 바람직하다.
명세서와 첨부된 특허청구범위에 사용되는 바와 같이, 용어 천은 앞서 설명된 하나 이상의 상이한 유형의 얀을 이용하여 직조, 편직 또는 다르게는 조립된 원하는 보호층을 말한다. 바람직한 실시 형태는 직조 천이며, 바람직한 직조는 능직이다. 일부 바람직한 실시 형태에서, 천은 평량에 대해 정규화된 내아크성(arc resistance)이 적어도 0.14 줄/제곱센티미터/그램/제곱미터(1.1 칼로리/제곱센티미터/온스/제곱야드)이다. 일부 실시 형태에서, 평량에 대해 정규화된 내아크성은 바람직하게는 적어도 0.16 줄/제곱센티미터/그램/제곱미터(1.3 칼로리/제곱센티미터/온스/제곱야드)이다.
앞서 설명된 바와 같이 메타-아라미드 섬유, 모드아크릴 섬유, 파라-아라미드 섬유 및 정전기 방지 섬유의 비율을 가진 얀은 천에 독점적으로 존재한다. 직조 천의 경우에는 얀은 천의 경사 및 위사 둘 모두에 사용된다. 원한다면, 메타-아라미드 섬유, 모드아크릴 섬유, 파라-아라미드 섬유 및 정전기 방지 섬유의 상대량은 얀의 조성이 앞서 설명한 범위 내에 속하는 한은 얀에서 변할 수 있다.
천 제조에 사용되는 얀은 기술된 비율로 앞서 설명한 바와 같이 메타-아라미드 섬유, 모드아크릴 섬유, 파라-아라미드 섬유 및 정전기 방지 섬유로 본질적으로 이루어지며, 임의의 다른 추가의 열가소성 또는 가연성 섬유 또는 재료를 포함하지 않는다. 다른 재료 및 섬유, 예를 들어 폴리아미드 또는 폴리에스테르 섬유는 얀, 천 및 의복에 가연성 재료를 제공하며, 의복의 돌발 화재 성능에 영향을 주는 것으로 생각된다.
앞서 설명된 바와 같이 메타-아라미드 섬유, 모드아크릴 섬유, 파라-아라미드 섬유, 및 정전기 방지 섬유의 비율을 가진 얀으로 제조된 의복은 카테고리 2 아크 등급을 유지하는 한편 4초의 돌발 화재에 노출될 때 65% 미만의 예상 신체 화상에 등가인 열 보호를 착용자에게 제공한다. 이는 3초 노출에서 착용자에 대한 50% 미만의 예상 신체 화상의 최소 표준을 넘는 상당한 개선이며; 화상은 본질적으로 일부 다른 난연성 천의 경우 화염 노출에 관해 사실상 기하급수적이다. 1초 추가의 화염 노출 시간이 있는 경우, 의복에 의해 제공되는 보호는 삶과 죽음 사이의 차이를 잠재적으로 의미할 수 있다.
아크 등급에 대한 두 가지 일반적 카테고리 등급 시스템이 있다. 국가 화재 보호 협회(The National Fire Protection Association)(NFPA)는 4가지 상이한 카테고리를 가지는데, 카테고리 1은 최저 성능을 가지며 카테고리 4는 최고 성능을 갖는다. NFPA 70E 시스템 하에서, 카테고리 1, 2, 3 및 4는 각각 4, 8, 25 및 40 칼로리/제곱센티미터의 천을 통한 열유동에 해당한다. 국가 전기 안전 코드(The National Electric Safety Code)(NESC)는 또한 3가지 상이한 카테고리를 가진 등급 시스템을 갖는데, 카테고리 1은 최저 성능을 가지며 카테고리 3은 최고 성능을 갖는다. NESC시스템 하에서, 카테고리 1, 2 및 3은 각각 4, 8 및 12 칼로리/제곱센티미터의 천을 통한 열유동에 해당한다. 따라서, 카테고리 2 아크 등급을 가진 천 또는 의복은, 표준 세트 방법 ASTM F1959에 따라 측정할 때, 8 칼로리/제곱센티미터의 열 유동을 견딜 수 있다.
돌발 화재에서 의복의 성능은 ASTM F1930의 시험 프로토콜을 이용하여 장비설치된 마네킹을 이용하여 측정한다. 마네킹은 의복을 입고 버너로부터의 화염에 노출되며 센서는 동일량의 화염에 노출되면 사람 신체가 경험할 국소 피부 온도를 측정한다. 표준 화염 강도를 고려하여, 사람이 경험할 화상의 정도(즉, 1도, 2도 등) 및 화상을 입은 신체의 백분율을 마네킹 온도 데이터로부터 결정할 수 있다. 낮은 예상 신체 화상은 돌발 화재 위험에서 의복의 더 나은 보호를 나타낸다.
앞서 설명한 바와 같은 얀, 천 및 의복에서 결정형 메타-아라미드 섬유의 사용은 돌발 화재에서 개선된 성능을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 상당히 감소된 세탁 수축도를 야기한다. 이러한 감소된 수축도는, 유일한 차이가 결정도를 증가시키도록 처리되지 않은 메타-아라미드 섬유와 비교하여 앞서 설명한 결정도를 가진 메타-아라미드 섬유를 사용한 것인 동일한 천에 기초한다. 본 명세서에서의 목적을 위하여 수축도는 60℃(140℉)의 수온에서 20분의 세탁 사이클 후 측정된다. 바람직한 천은 10회 세탁 사이클 후 그리고 바람직하게는 20회 사이클 후 5% 이하의 수축도를 입증한다. 단위 면적 당 천의 양이 증가하면, 잠재적 위험과 보호될 대상 사이의 재료의 양이 증가한다. 천의 평량의 증가는 증가된 파열 내성, 증가된 열 보호 인자, 및 증가된 아크 보호를 가져오지만, 더 경량의 천으로 어떻게 개선된 성능이 이루어질 수 있는지는 명백하지 않다. 앞서 설명한 바와 같은 얀은 보호 의류에서, 특히 보다 편안한 단일 천 의복에서, 개선된 성능으로, 경량 천의 사용을 가능하게 한다. 원하는 아크 및 돌발 화재 성능 둘 모두를 가진 천의 평량은 186.5 g/㎡(5.5 oz/yd) 이상, 바람직하게는 200 g/㎡(6.0 oz/yd2) 이상이다. 일부 실시 형태에서, 바람직한 최대 평량은 237 g/㎡(7.0 oz/yd2)이다. 이러한 최대치를 초과해서는, 단일 천 의복에서 경량 천의 편안함에 대한 이득이 감소되는 것으로 생각되며, 이는 더 높은 평량의 천이 증가된 강성을 나타낼 것으로 생각되기 때문이다.
탄화 길이는 직물의 난연성의 척도이다. 탄화는 열분해 또는 불완전 연소의 결과로서 형성되는 탄소성 잔류물로 정의된다. 본 명세서에서 보고된 바와 같은 ASTM 6413-99의 시험 조건 하에서 천의 탄화 길이는 화염에 직접 노출되는 천 가장자리로부터 특정 인열 힘이 가해진 후 가시적인 천 손상의 가장 먼 지점까지의 거리로 정의된다. NFPA 2112 표준에 따라 천의 탄화 길이는 10.2 ㎝(4 인치) 미만이어야 한다.
일부 바람직한 실시 형태에서, 천은 보호 의복에서 단층으로 사용된다. 본 명세서 내에서, 천의 보호 값은 그 천의 단층에 대해 보고된다. 일부 실시 형태에서, 본 발명은 또한 그 천으로 제조된 다층 의복을 포함한다.
특히 유용한 일부 실시 형태에서, 앞서 설명한 바와 같은 메타-아라미드 섬유, 모드아크릴 섬유, 파라-아라미드 섬유 및 정전기 방지 섬유의 비율을 가진 방적 스테이플 얀이 난연성 의복을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 의복은 본질적으로 방적 스테이플 얀으로부터 제조된 하나의 층의 보호 천을 가질 수 있다. 이러한 유형의 예시적인 의복에는 소방관 또는 군인을 위한 낙하복(jumpsuit) 및 전신작업복이 포함된다. 그러한 슈트(suit)는 전형적으로 소방관 의류 전반에 사용되며 산불을 진화하기 위한 지역으로 들어가는 낙하산에 사용될 수 있다. 다른 의복에는 극한의 열 관련 사건이 발생할 수 있는 화학 처리 산업 또는 산업 전기/설비와 같은 상황에서 착용될 수 있는 바지, 셔츠, 장갑, 슬리브(sleeve) 등이 포함될 수 있다.
시험 방법
ASTM D-3884-01 "방직 천의 내마모성에 대한 표준 가이드(회전식 플랫폼, 이중 헤드 방법)"(Standard Guide for Abrasion Resistance of Textile Fabrics (Rotary Platform, Double Head Method))에 따라 천의 마모 성능을 측정한다.
ASTM F-1959-99 "의류용 재료의 아크 열 성능 값을 측정하기 위한 표준 시험 방법"(Standard Test Method for Determining the Arc Thermal Performance Value of Materials for Clothing)에 따라 천의 내아크성을 측정한다.
ASTM D-5034-95 "천의 파단 강도 및 연신율에 대한 표준 시험 방법(그랩 시험)"(Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Fabrics)(Grab Test))에 따라 천의 파단 강도를 측정한다.
ASTM G-125-00 "기체성 산화제에서 액체 및 고체 재료 화재 한계를 측정하기 위한 표준 시험 방법"(Standard Test Method for Measuring Liquid and Solid Material Fire Limits in Gaseous Oxidants)에 따라 천의 한계 산소 지수(LOI)를 측정한다.
ASTM D-5587-03 "사다리꼴 절차에 의한 천의 인열에 대한 표준 시험 방법"(Standard Test Method for Tearing of Fabrics by Trapezoid Procedure)에 따라 천의 내인열성을 측정한다.
NFPA 2112 "돌발 화재에 대해 산업 요원을 보호하기 위한 난연성 의복에 대한 표준"(Standard on Flame Resistant Garments for Protection of Industrial Personnel Against Flash Fire)에 따라 천의 열보호 성능을 측정한다. 용어 열 보호 성능(또는 TPP)은 천이 직접적인 화염 또는 복사열에 노출될 때 천 아래의 착용자의 피부에 연속적이며 신뢰할 수 있는 보호를 제공하는 천의 능력에 관한 것이다.
시험 천으로 제조된 표준 패턴 전신작업복을 입은 장비설치된 열 마네킹을 이용하여 ASTM F-1930에 따라 돌발 화재 보호 수준 시험을 실시하였다.
ASTM D-6413-99 "방직물의 난연성에 대한 표준 시험 방법(수직 방법)(Standard Test Method for Flame Resistance of Textiles (Vertical Method))" 에 따라 천의 탄화 길이를 측정한다.
실온에서 초기에 천의 화염 연소를 단지 지원할, 산소와 질소의 혼합물 중 산소의 최소 농도(부피%로 표현됨)는 ASTM G125 / D2863의 조건 하에서 측정된다.
수축도는 1회 이상의 세탁 사이클 후 천의 단위 면적을 물리적으로 측정함으로써 측정된다. 사이클은 60℃(140℉)의 수온으로 20분 동안 산업용 세탁기에서 천을 세탁하는 것을 나타낸다.
본 발명을 설명하기 위하여, 하기 실시예가 제공된다. 달리 나타내지 않으면 모든 부 및 백분율은 중량 기준이며 섭씨 온도이다.
[실시예]
실시예 1
이 실시예는 적어도 20%의 결정도를 가진 다량의 메타-아라미드 섬유가 소량의 모드아크릴 섬유, 파라-아라미드 섬유 및 정전기 방지 섬유와 조합된 얀, 천 및 의복을 예시한다. 이 재료는 2의 바람직한 아크 등급과 < 65%의 4초 노출에서의 장비설치된 열 마네킹 예상 신체 화상 둘 모두를 갖는다.
노멕스(등록상표) 타입 450 섬유, 케블라(Kevlar)(등록상표) 29 섬유, 모드아크릴 섬유 및 정전기 방지 섬유의 밀접하게 결합된 블렌드의 에어 젯 방적사를 경사 및 위사 둘 모두에서 가진 내구성의 아크 및 열 보호 천이 제조된다. 노멕스(등록상표) 타입 450은 결정도가 33 내지 37%인 폴리(m-페닐렌 아이소프탈아미드)(MPD-I)이다. 모드아크릴 섬유는 6.8% 안티몬을 가진 ACN/폴리비닐리덴 클로라이드 공중합체 섬유(프로텍스(Protex)(등록상표)C로 상업적으로 알려짐)이다. 케블라(등록상표) 29 섬유는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)(PPD-T) 섬유이며 정전기 방지 섬유는 P140으로 상업적으로 알려진 탄소-코어 나일론-외피 섬유이다.
70 중량%의 노멕스(등록상표) 타입 450 섬유, 8 중량%의 케블라(등록상표) 29 섬유, 20 중량%의 모드아크릴 섬유, 및 2 중량%의 P140 섬유의 피커 블렌드 슬리버(picker blend sliver)가 마련되어, 면화 시스템 가공 및 에어 젯 방적 프레임을 이용하여 방적 스테이플 얀으로 제조된다. 생성된 얀은 21 tex(28 면 카운트) 단일 얀이다. 이어서, 두 개의 단일 얀을 연사기(plying machine)에서 꼬아서 3.9 회전/㎝(10 회전/인치) 트위스트를 가진 2겹 얀을 제조한다.
이어서, 얀을 구직기(shuttle loom)에서 3x1 능직 구조로 제조된 천의 경사 및 위사로서 사용한다. 미가공(greige) 능직 천은 평량이 203 g/㎡(6 oz/yd2)이다. 이어서, 미가공 능직 천을 고온의 물에서 문질러 세탁하고 염기성 염료를 이용하여 제트 염색한 후 건조시킨다. 완성된 능직 천은 31 경사 × 16 위사/㎝(77 경사 × 47 위사/인치)의 구조 및 220 g/㎡(6.5 oz/yd2)의 평량을 갖는다. 그 다음, 이 천의 일부는 그의 아크, 열 및 기계 특성에 대해 시험되며, 일부는 돌발 화재 시험을 위한 단층 보호 전신작업복으로 만들어 진다.
실시예 2
이는 적어도 20%의 결정도를 가진 다량의 메타-아라미드 섬유가 소량의 모드아크릴 섬유, 파라-아라미드 섬유, 및 정전기 방지 섬유와 조합된 얀, 천 및 의복을 예시하는 다른 실시예이다. 이 재료는 2의 바람직한 아크 등급과 < 65%의 4초 노출에서의 장비설치된 열 마네킹 예상 신체 화상 둘 모두를 갖는다.
동일한 양의 노멕스(등록상표) 타입 N301 섬유가 밀접하게 결합된 블렌드에서 노멕스(등록상표) 타입 450 섬유 대신 사용되는 것을 제외하고는 실시예 1이 반복된다. 노멕스(등록상표) 타입 N301 섬유는, 생산자에 의해 착색되었으며 약 33 내지 37%의 결정도를 갖는 95%의 폴리(m-페닐렌 아이소프탈아미드)(MPD-I) 섬유, 및 5% 케블라(등록상표) 29 섬유의 블렌드이다. 이는 66.5 중량% 결정화 메타-아라미드 섬유, 20 중량% 모드아크릴 섬유, 11.5 중량% 파라-아라미드 섬유, 및 2% 정전기 방지 섬유의 블렌드를 가진 최종 슬리버를 생성한다. 그 다음, 이 천의 일부는 그의 아크, 열 및 기계 특성에 대해 시험되며, 일부는 돌발 화재 시험을 위한 단층 보호 전신작업복으로 만들어 진다.
비교예 A
이 실시예는 결정도가 20% 미만인 메타-아라미드 섬유를 가진 비교를 위한 얀, 천 및 의복을 예시한다. 이 재료는 2 미만의 바람직하지 못한 아크 등급을 갖는다.
내구성의 아크 및 열 보호 천이 실시예 1에서와 같이 제조되지만, 동일한 양의 비결정화 노멕스(등록상표) 타입 455가 밀접하게 결합된 혼합물에서 노멕스(등록상표) 타입 450 섬유를 대신한다.
그 다음, 이 천의 일부는 그의 아크, 열 및 기계 특성에 대해 시험되며, 일부는 돌발 화재 시험을 위한 단층 보호 전신작업복으로 만들어 진다.
비교예 B
이 실시예는 적어도 20%의 결정도를 가진 메타-아라미드 섬유가 난연성 레이온 섬유, 파라-아라미드 섬유, 및 정전기 방지 섬유와 조합된 비교를 위한 얀, 천 및 의복을 예시한다. 이 재료는 2 미만의 바람직하지 못한 아크 등급을 갖는다.
내구성의 아크 및 열 보호 천이 예 A에서와 같이 제조되지만, 동일한 양의 노멕스(등록상표) 타입 450이 밀접하게 결합된 블렌드에서 비결정화 노멕스(등록상표) 타입 455 섬유를 대신하며 동일한 양의 FR 레이온 섬유가 얀에서 모드아크릴 섬유를 대신한다. 노멕스(등록상표) 타입 450은 결정도가 33 내지 37%인 폴리(m-페닐렌 아이소프탈아미드)(MPD-I)이다.
그 다음, 이 천의 일부는 그의 아크, 열 및 기계 특성에 대해 시험되며, 일부는 돌발 화재 시험을 위한 단층 보호 전신작업복으로 만들어 진다.
비교예 C
이 실시예는 적어도 20%의 결정도를 가진 소량의 메타-아라미드 섬유가 소량의 모드아크릴 섬유, 및 파라-아라미드 섬유 및 정전기 방지 섬유와 조합된 비교를 위한 얀, 천 및 의복을 예시한다. 이 재료는 2의 허용가능한 아크 등급을 갖는 한편, 4초 노출에서의 장비설치된 열 마네킹 예상 신체 화상은 바람직하지 못한 > 70%이다.
내구성의 아크 및 열 보호 천이 예 A에서와 같이 제조되지만, 노멕스(등록상표) 타입 450이 밀접하게 결합된 블렌드에서 노멕스(등록상표) 타입 455 섬유를 대신하며, 블렌드 내의 노멕스(등록상표) 450의 양이 25 중량%로 감소되는 한편, 밀접하게 결합된 블렌드 내의 모드아크릴 섬유의 양은 65 중량%로 상승된다. 파라-아라미드 및 정전기 방지 섬유의 양은 동일하게 남아 있다. 노멕스(등록상표) 타입 450은 결정도가 33 내지 37%인 폴리(m-페닐렌 아이소프탈아미드)(MPD-I)이다.
그 다음, 이 천의 일부는 그의 아크, 열 및 기계 특성에 대해 시험되며, 일부는 돌발 화재 시험을 위한 단층 보호 전신작업복으로 만들어 진다.
표는 실시예에서 설명된 얀, 천 및 의복의 예상 성능을 요약한다. 비교용 재료는 적절한 아크 등급을 갖지 못하거나 돌발 화재 시험에서 바람직한 성능을 갖지 못한다.
[표]
Figure 112011009458776-pct00003

Claims (15)

  1. (a) 결정도가 적어도 20%인 50 내지 80 중량% 메타-아라미드 섬유;
    (b) 10 내지 30 중량% 모드아크릴 섬유;
    (c) 5 내지 20 중량% 파라-아라미드 섬유; 및
    (d) 1 내지 3 중량% 정전기 방지 섬유
    - 상기 백분율은 성분 (a), (b), (c) 및 (d)를 기준함 - 로 이루어진 아크 및 화염 보호에 사용하기 위한 얀.
  2. 제1항에 있어서,
    (a) 65 내지 75 중량% 메타-아라미드 섬유;
    (b) 15 내지 25 중량% 모드아크릴 섬유;
    (c) 5 내지 15 중량% 파라-아라미드 섬유; 및
    (d) 2 내지 3 중량% 정전기 방지 섬유로 이루어진 얀.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 메타-아라미드 섬유는 20 내지 50% 범위의 결정도를 갖는 얀.
  5. (a) 결정도가 적어도 20%인 50 내지 80 중량% 메타-아라미드 섬유;
    (b) 10 내지 30 중량% 모드아크릴 섬유;
    (c) 5 내지 20 중량% 파라-아라미드 섬유; 및
    (d) 1 내지 3 중량% 정전기 방지 섬유
    - 상기 백분율은 성분 (a), (b), (c) 및 (d)를 기준함 - 로 이루어진 얀을 포함하며,
    186.5 내지 237 그램/제곱미터(5.5 내지 7 온스/제곱야드) 범위의 평량을 갖는, 아크 및 화염 보호에 사용하기 위한 천.
  6. 제5항에 있어서, 얀은
    (a) 65 내지 75 중량% 메타-아라미드 섬유;
    (b) 15 내지 25 중량% 모드아크릴 섬유;
    (c) 5 내지 15 중량% 파라-아라미드 섬유; 및
    (d) 2 내지 3 중량% 정전기 방지 섬유로 이루어진 천.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서, ASTM F-1959-99에 따른 천의 내아크성이 적어도 0.14 줄/제곱센티미터/그램/제곱미터(1.1 칼로리/제곱센티미터/온스/제곱야드)인 천.
  9. 제8항에 있어서, 천의 내아크성이 적어도 0.16 줄/제곱센티미터/그램/제곱미터(1.3 칼로리/제곱센티미터/온스/제곱야드)인 천.
  10. 제5항에 있어서, 메타-아라미드 섬유는 20 내지 50% 범위의 결정도를 갖는 천.
  11. 제5항에 있어서, 10회 세탁 사이클 후 5% 이하의 수축도를 갖는 천.
  12. (a) 결정도가 적어도 20%인 50 내지 80 중량% 메타-아라미드 섬유;
    (b) 10 내지 30 중량% 모드아크릴 섬유;
    (c) 5 내지 20 중량% 파라-아라미드 섬유; 및
    (d) 1 내지 3 중량% 정전기 방지 섬유
    - 상기 백분율은 성분 (a), (b), (c) 및 (d)를 기준함 - 로 이루어진 천을 포함하며,
    천의 평량이 186.5 내지 237 그램/제곱미터(5.5 내지 7 온스/제곱야드) 범위인, 아크 및 화염 보호에 사용하기 위한 의복.
  13. 제12항에 있어서, 천은
    (a) 65 내지 75 중량% 메타-아라미드 섬유;
    (b) 15 내지 25 중량% 모드아크릴 섬유;
    (c) 5 내지 15 중량% 파라-아라미드 섬유; 및
    (d) 2 내지 3 중량% 정전기 방지 섬유로 이루어진 의복.
  14. 제12항에 있어서, ASTM F1959 및 NFPA 70E에 따른 카테고리 2 아크 등급을 유지하는 한편, ASTM F1930에 따라 4초 화염 노출에서 65% 미만의 신체 화상에 등가인 열 보호를 제공하는 의복.
  15. 제12항에 있어서, 천은 10회 세탁 사이클 후 5% 이하의 수축도를 갖는 의복.
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