KR101735840B1 - 방탄 제품의 개선된 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방탄 섬유와 임의적으로 열가소성 결합제의 단층을 하나 이상 포함하는 각각의 시트를 2개 이상 적층하여 시트들의 스택을 형성하는 단계; 상기 시트들의 스택을 감소된 대기 압력 환경에 적용시키는 단계; 및 상기 감소된 대기 압력 환경을 유지하면서, 상기 시트들의 스택을 고온에서 10 MPa 이상의 압력으로 압밀화시키는 단계를 포함하는 방탄 제품의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 방탄 제품에 관한 것이다.

Description

방탄 제품의 개선된 제조 방법{IMPROVED PROCESS FOR MANUFACTURING AN ANTI-BALLISTIC ARTICLE}

본 발명은 방탄 섬유 단층을 하나 이상 포함하는 각 시트(sheet)들의 스택으로부터 형성된 방탄 제품의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 방탄 제품, 및 방탄 제품의 제조에 있어서 진공 백(vacuum bag)의 용도에 관한 것이다.

주어진 면적 밀도당 보다 우수한 성능을 제공하는 방탄 제품에 대한 요구가 증가하고 있다. 예를 들어, 군용 헬멧에 장착되는 전자 감시 장비량의 증가는 무겁고 불편한 헬멧의 문제를 낳았고, 결과적으로 동일한 방탄 성능을 제공하는 보다 경량의 헬멧을 요구하게 되었다. 또한, 차량에 대한 탄도 보호를 개선하기 위해, 방탄 층의 두께를 상기 방탄 층이 차량의 기동성 및 조종성과 절충되는 점까지 증가시킬 필요가 있었다. 방탄 성능의 증가에 더하여, 방탄 제품에 대한 늘어나는 수요는 또한 증가된 생산 용량을 가능하게 하기 위해 더욱 짧은 생산 사이클을 필요로 하게 되었다.

방탄 제품은 또한 종종 장기간 동안 고온에 노출될 수도 있다. 방탄 제품은 그의 기능성이 손상되지 않도록 그의 모양을 유지하기에 충분한 치수 안정성을 갖는 것이 중요하다. 하나의 예는 자동차 엔진에 인접하여 위치하는 방탄 패널이다. 차량용 방탄 패널은 필요로 하는 방탄 성능을 달성하기 위해 필연적으로 두껍고, 방탄 패널에서의 심지어 작은 치수 변화조차도 차량의 뼈대(framework)에 압력을 미침으로써 차량의 구조적 일체성을 손상시키는 패널을 초래할 수 있다. 또 다른 예는 고온 환경(예컨대, 차량의 트렁크)에 적용되는 헬멧 및 조끼이다. 그러므로, 고온 환경에 적용되는 이와 같은 개인 보호용으로 고안된 방탄 제품은 또한 착용자의 몸에 편안한 착용감을 유지하도록 우수한 치수 안정성을 가져야 한다.

본 발명의 목적은 상기 언급된 문제들의 적어도 일부를 극복한 방탄 제품 및 방탄 제품의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

이러한 목적은

(a) 방탄 섬유들 및 임의적으로 열가소성 결합제의 단층을 하나 이상 포함하는 각각의 시트를 2개 이상 적층하여 시트들의 스택("stack")을 형성하는 단계; 이어서,

(b) 상기 시트들의 스택을 감소된 대기 압력 환경에 적용시키는 단계; 및

(c) 상기 감소된 대기 압력 환경을 유지하면서, 상기 시트들의 스택을 고온에서 10 MPa 이상의 압력에 적용하는 단계

를 포함하는 방탄 제품의 제조 방법에 의해 달성된다.
상기 방법에서, 상기 단계 (b) 및 (c)는 동시에 수행될 수 있다.

도 1은 치수 안정성(최대 두께 증가(ΔT))과 방탄 성능 간의 관계를 나타낸 그래프이다.

놀랍게도, 상기 스택에 감소된 대기 압력을 적용하면서 상기 스택을 고온으로 압축하였더니, 물질의 비-에너지 흡수도(SEA)에 의해 측정시, 방탄 성능이 놀랍게 증가하였음이 발견되었다. 바람직하게는, 상기 시트는 일방향성 시트로서, 상기 스택에서, 단층 내 방탄 섬유의 방향은 인접한 단층 내 섬유 방향에 대해 각 α를 갖는다. 그러나, 섬유들의 다른 어셈블리 및 배향 또한 가능하다. 예를 들어, 또 다른 실시양태에서, 상기 시트는 직포(woven) 시트이다.

본 발명의 방법은 개선된 방탄 성능을 제공하는 문제를 해결한다.

본 발명은 스택의 SEA 증가로부터 유도되는 다수의 추가적인 이점들을 제공한다:

1. 종래 제조된 방탄 제품에 비해 증가된 방탄 성능을 갖는 동일한 면적 밀도의 방탄 제품을 제조할 수 있고,

2. 종래의 기법에 의해 제조된 스택과 동일한 방탄 성능을 갖는 보다 경량의 보다 콤팩트한 방탄 제품을 제조할 수 있다.

본 발명의 한 실시양태에서, 폴리에틸렌 방탄 섬유 및 열가소성 결합제의 단층을 하나 이상 포함하는 각각의 시트들의 스택을 포함하는 방탄 제품이 제공되며, 상기 방탄 제품의 비-에너지 흡수도(SEA)는 145 J/kg/㎡를 초과하고, 약 90℃에서 측정된 최대 %두께 증가가 90℃에서 160시간 동안 상기 제품을 저장한 후에 8% 미만인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 SEA는 147 J/kg/㎡ 초과, 더욱 바람직하게는 149 J/kg/㎡ 초과, 더욱더 바람직하게는 151 J/kg/㎡ 초과, 가장 바람직하게는 153 J/kg/㎡ 초과이다. 최대 %두께 변화는 7.5% 미만, 더욱 바람직하게는 7.0% 미만, 더욱더 바람직하게는 6.5% 미만, 가장 바람직하게는 6.0% 미만이다.

본 발명의 방탄 제품은 앞서 기술한 바와 같이 진공 및 압력의 적용을 통해 제조될 수 있음이 확인되었다.

상기 방법을 참고로 하여 제조된 방탄 제품을 기술하는 다양한 실시양태들이 또한 방탄 제품만을 기술하는 실시양태들에 적용가능함을 알 수 있을 것이다.

스택

본 발명에 따른 방탄 제품은 시트들의 스택을 포함한다. 시트는 방탄 섬유로부터 유도될 뿐만 아니라 방탄 섬유로부터 유도된 단층들의 스택으로부터 유도된 직포 또는 부직포 시트(즉, 펠트(felt) 구조)를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 이들 시트는, 일방향성 배향된 방탄 섬유 및 결합제의 단층을 하나 이상 포함하는 일방향성 시트이다.
상기 스택에서, 각각의 시트는 일방향성 방탄 섬유 및 열가소성 결합제의 단층을 두 층 이상 포함할 수 있다.

"일방향성 방탄 섬유의 단층"이란 용어는 일방향으로 배향된 방탄 섬유들, 즉 본질적으로 평행하게 배향된 한 평면 내의 방탄 섬유들의 층을 지칭한다. 본 발명의 이러한 양태에서, 단층 내 상기 섬유들의 방향은 바람직하게는 인접한 단층 내 섬유들의 방향에 대해 각 α를 갖는다. 각 α는 바람직하게는 5 내지 90°, 더욱 바람직하게는 45 내지 90°, 가장 바람직하게는 75 내지 90°이다.

본 발명에 따른 제품은 2개 이상, 바람직하게는 40개 이상, 더욱 바람직하게는 80개 이상, 더욱더 바람직하게는 120개 이상, 가장 바람직하게는 160개 이상의 시트를 포함한다.

"방탄 섬유"란 용어는 단일필라멘트뿐만 아니라 특히 다중필라멘트 얀(yarn) 및 테이프(tape)를 포함한다.

섬유 형성

본 발명에 따른 스택 내 방탄 섬유는 바람직하게는 약 1.2 GPa 이상의 인장 강도(ASTM D2256에 따라 측정됨) 및 40 GPa 이상의 인장 모듈러스(tensile modulus)를 가진다. 이들 섬유는 바람직하게는 2 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 2.5 GPa 이상 또는 가장 바람직하게는 3 GPa 이상의 인장 강도를 가진다. 이들 섬유의 장점은 이들의 인장 강도가 매우 높아서 이들이 특히 예를 들어 경량이고 강성인 제품에 사용하기에 적합하다는 점이다.

바람직하게는, 방탄 섬유의 필라멘트당 섬도는 5 데니어/필라멘트(dpf) 미만, 더욱 바람직하게는 3 dpf 미만, 더욱더 바람직하게는 2 dpf 미만, 가장 바람직하게는 1.5 dpf 미만이다. 방탄 섬유는 무기 또는 유기 섬유일 수 있다.

적합한 무기 섬유는 예를 들어 유리 섬유, 탄소 섬유 및 세라믹 섬유이다.

이와 같은 높은 인장 강도를 갖는 적합한 유기 섬유는, 예를 들어 방향족 폴리아미드 섬유(일반적으로 아라미드 섬유라고도 함), 특히 폴리(p-페닐렌 테레프탈아마이드), 액정 중합체 및 사다리형 중합체 섬유 예컨대 폴리벤즈이미다졸 또는 폴리벤조옥사졸, 특히 폴리(1,4-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)(PBO), 또는 폴리(2,6-다이이미다조[4,5-b-4',5'-e]피리디닐렌-1,4-(2,5-다이하이드록시)페닐렌)(PIPD; M5라고도 함) 및 예컨대 겔 방사 공정에 의해 얻어지는 고도로 배향된 폴리올레핀(예컨대, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌), 폴리비닐 알콜 및 폴리아크릴로니트릴의 섬유들이 있다.

더욱 바람직하게는, 방향족 폴리아마이드 섬유, 특히 폴리(p-페닐렌 테레프탈아마이드), 액정 중합체 및 사다리형 중합체 섬유 예컨대 폴리벤즈이미다졸 또는 폴리벤조옥사졸, 특히 폴리(1,4-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸) 또는 폴리(2,6-다이이미다조[4,5-b-4',5'-e]피리디닐렌-1,4-(2,5-다이하이드록시)페닐렌) 및 초고분자량 폴리에틸렌이 방탄 섬유로 사용된다.

본 발명의 한 실시양태에서, 상기 방탄 섬유는 예를 들어 GB 2042414 A, WO 01/73173 또는 문헌["Advanced Fibre Spinning Technology", Ed. T. Nakajima, Woodhead Publ. Ltd(1994), ISBN 185573 182 7]에 기술된 바와 같은 겔 방사 공정에 의해 제조된 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 필라멘트들로 이루어진다. 이러한 UHMWPE 섬유들의 사용은 단위 중량당 매우 우수한 방탄 성능을 가져온다. 겔 방사 공정은 본질적으로 고유 점도가 높은 선형 폴리에틸렌의 용액을 제조하고, 용해 온도보다 높은 온도에서 상기 용액을 필라멘트로 방사하고, 상기 필라멘트를 겔화 온도 미만으로 냉각하여 겔화시키고, 상기 필라멘트를 상기 용매의 제거 전, 도중 또는 후에 연신(drawing)하는 것으로 이루어진다.

겔 방사 실시양태에서, 바람직하게는 선형 폴리에틸렌이 사용된다. 선형 폴리에틸렌은 본원에서 측쇄가 100개의 탄소 원자당 1개 미만, 바람직하게는 측쇄가 300개의 탄소 원자당 1개 미만인 폴리에틸렌을 의미하는 것으로 이해되며, 여기서 측쇄 또는 분지는 일반적으로 10개 이상의 탄소 원자를 함유한다. 측쇄는 적합하게는, 예를 들어 EP 0269151에 언급된 바와 같이, 2 mm 두께의 압축 몰딩된 필름에서 FTIR에 의해 측정될 수 있다. 선형 폴리에틸렌은 함께 공중합가능한 1종 이상의 다른 알켄, 예를 들어 프로펜, 부텐, 펜텐, 4-메틸펜텐, 옥텐을 최대 5 몰% 추가로 함유할 수 있다. 바람직하게는, 선형 폴리에틸렌은, 135℃에서 데칼린 중의 용액에서 특정시, 고유 점도가 4 dl/g 이상, 더욱 바람직하게는 8 dl/g 이상, 가장 바람직하게는 10 dl/g 이상인 고 몰 질량을 가진다. 이와 같은 폴리에틸렌은 또한 초고 몰질량의 폴리에틸렌이라고도 한다. 고유 점도는 실제의 몰 질량 변수(예컨대, Mn 및 Mw)보다 더 쉽게 결정될 수 있는 분자량에 대한 척도이다. IV와 Mw 간에는 수개의 경험적 관계가 있지만, 이와 같은 관계는 분자량 분포에 매우 의존한다. 방정식 Mw = 5.37×10⁴[IV]^1.37(EP 0504954 A1 참조)에 기초하여, 4 또는 8 dl/g의 IV는 각각 약 360 또는 930 kg/mol의 Mw에 해당한다.

시트 또는 단층 내 방탄 섬유의 단위 면적당 중량은 바람직하게는 5 내지 250 g/㎡, 더욱 바람직하게는 10 내지 200 g/㎡, 가장 바람직하게는 20 내지 150 g/㎡이다.

본 발명에 따른 방법에서, 상기 스택은 2개 이상의 단층으로부터 형성된 시트들(바람직하게는 일방향성 시트들) 대신에 단일의 단층을 포함하는 시트들로부터 출발하여 제조될 수 있다. 그러나, 단일의 단층들을 포함하는 시트들은, 섬유 방향으로 쉽게 찢어진다는 점에서 취급이 어렵다. 따라서, 섬유 방향에 대해 소정의 각, 예컨대 십자형으로 놓이는 2 내지 8개, 전형적으로 2, 4 또는 8개의 단층들을 함유하는 시트들 또는 압밀화된 단층 패키지로부터 스택을 제조하는 것이 바람직하다. "압밀화된"이란 단층들이 서로 단단히 부착되어 이 단층들이 실온의 정상적인 사용 조건 하에서 탈리되지 않는 것을 의미한다.

또한, 상기 섬유들을 배향시켜 직포 또는 부직포 시트를 형성할 수 있다.

본 발명의 시트는 다양한 방법, 예를 들어 롤간 캘린더링(calendaring) 또는 압축 성형에 의해 제조될 수 있다. 또한, 단층 패키지(즉, 단층을 포함하는 시트 또는 시트들)를 고온 및 임의적으로 고압에서 압축하고, 이어서 고압 하에, 바람직하게는 5 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 이전 단계에서와 동일한 압력 하에 냉각시키는 경우 매우 양호한 결과가 달성된다. 경제력이 허용되는 한, 일방향성 시트의 형성은 또한 본 발명의 범위 내에서 진공 및 고압을 조합하여 달성될 수도 있다.

편평한( flat ) 테이프 형성

본 발명의 특정 실시양태에서, 상기 방탄 섬유는 테이프이다. 본 발명의 목적을 위한 테이프(또는 편평한 테이프)는 횡단면 종횡비가 적어도 5:1, 더욱 바람직하게는 적어도 20:1, 더욱더 바람직하게는 적어도 100:1, 더욱더 바람직하게는 적어도 1000:1인 섬유이다. 편평한 테이프의 폭은 바람직하게는 1 내지 600 mm, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 400 mm, 더욱더 바람직하게는 2 내지 300 mm, 더욱더 바람직하게는 5 내지 200 mm, 가장 바람직하게는 10 내지 180 mm이다. 편평한 테이프의 두께는 바람직하게는 10 내지 200 ㎛, 더욱 바람직하게는 15 내지 100 ㎛이다.

방탄 섬유가 편평한 테이프인 실시양태에서, 편평한 테이프는 필름의 형태로 제조될 수 있다. 테이프는 필름으로부터 유도되거나 필름을 포함할 수 있다. 이와 같은 필름 또는 테이프를 형성하는 바람직한 방법은 엔드리스(endless) 벨트 사이에 중합체성 분말을 공급하고, 이 중합체성 분말을 이의 융점 미만의 온도에서 압축-몰딩하고, 생성된 압축-몰딩된 분말을 압연(rolling)한 후 연신하는 것을 포함한다. 이와 같은 공정은 예를 들어 EP 0 733 460 A2에 기재되어 있으며, 이를 본원에 참고로 인용한다. 필요에 따라, 상기 중합체 분말을 공급하고 압축-몰딩하기 전에, 상기 중합체를 이의 융점보다 높은 비등점을 갖는 적합한 액체 유기 화합물과 혼합할 수 있다. 압축 몰딩은 또한 상기 중합체 분말을 엔드리스 벨트 사이에 일시적으로 유지한 채 이들을 운반함으로써 수행될 수 있다. 이는, 예를 들어 상기 엔드리스 벨트와 함께 압판 및/또는 롤러를 가압시켜 수행될 수 있다. 바람직하게는, UHMWPE가 이러한 공정에 사용된다. 이러한 UHMWPE는 고체 상태에서 연신가능한 것이어야 한다. 상업적으로 입수가능한 고체 상태 연신가능한 UHMWPE의 예는 티코나(Ticona) 제조 GUR 4150™, GUR 4120™, GUR 2122™, GUR 2126™; 미쯔이(Mitsui) 제조 미펠론(Mipelon) XM 220™ 및 미펠론 XM 221U™; 및 몬텔(Montell) 제조 1900™, HB312CM™ 및 HB320CM™을 포함한다.

필름을 형성하는 또 다른 바람직한 방법은 압출기에 중합체를 공급하고, 필름을 이 필름의 융점보다 높은 온도로 압출하고, 이 압축된 중합체 필름을 연신하는 것을 포함한다.

필요에 따라, 상기 중합체를 압출기에 공급하기 전에, 상기 중합체를 적합한 유기 화합물과 혼합하여, 예를 들어 초고분자량 폴리에틸렌을 사용하는 경우에서와 같이, 겔을 형성할 수 있다.

바람직하게는, 상기 폴리에틸렌 필름은 섬유 형성과 관련하여 앞서 기술한 겔 공정에 의해 제조된다. 간략하게, 테이프 형성에 관한 겔 방사 공정은 높은 고유 점도의 폴리올레핀의 용액을 제조하고, 상기 용액을 용해 온도보다 높은 온도에서 필름으로 압출하고, 상기 필름을 겔화 온도 미만으로 냉각시켜 상기 필름을 적어도 부분적으로 겔화시키고, 상기 필름을 상기 용매의 적어도 부분적인 제거 전, 도중 및/또는 후에 연신하는 것을 포함한다.

상기 제조된 필름의 연신, 바람직하게는 일축 연신은 당해 분야에 공지된 수단에 의해 수행될 수 있다. 이와 같은 수단은 적합한 연신 유닛 상에서의 압출 연신 및 인장 연신을 포함한다. 기계적 강도 및 강성도를 증가시키기 위해, 연신은 다단계로 수행될 수 있다. 바람직한 초고분자량 폴리에틸렌 필름의 경우, 연신은 전형적으로 다수의 연신 단계에서 일축 방식으로 수행된다. 제 1 연신 단계는 예를 들어 3의 연신 인자(factor)로 연신하는 것을 포함할 수 있다. 다중 연신은 전형적으로 최대 120℃의 연신 온도에서 9의 연신 인자, 최대 140℃의 연신 온도에서 25의 연신 인자, 최대 150℃ 및 그 초과의 연신 온도에서 50의 연신 인자를 유발할 수 있다. 온도 증가에 따른 다중 연신에 의해, 약 50 이상의 연신 인자에 도달할 수 있다. 이는 고 강도 테이프를 유발하고, 이에 의해 초고분자량 폴리에틸렌의 테이프의 경우, 상기 강도 범위는 바람직하게는 1.2 내지 3 GPa이고 보다 높은 강도는 쉽게 얻어질 수 있다.

상기 섬유가 테이프인 실시양태에서, 상기 테이프는 일방향성 단층 또는 시트뿐만 아니라 직포 시트를 형성하도록 배향될 수 있다.

열가소성 결합제

상기 시트는 특히 상기 시트가 일방향성 시트인 실시양태에서 열가소성 결합제를 포함하는 것이 바람직하다. "결합제"란 용어는 단층 또는 시트 내의 방탄 섬유들을 함께 결합시키거나 고정하는 물질을 지칭한다. 결합제는 방탄 섬유들을 전체적으로 또는 부분적으로 둘러쌀 수 있어서 단층의 구조가 시트를 취급하고 제조하는 동안에 유지될 수 있도록 한다. 결합제는 다양한 형태 및 방식으로 적용될 수 있는 데, 예를 들어 (용융시켜 방탄 섬유들을 적어도 부분적으로 피복하는 것에 의한) 박층 필름, 횡방향 결합 스트립(strip) 또는 횡방향 섬유(일방향성 섬유에 대해 횡방향)로서, 매트릭스 물질, 예컨대 액체 중 중합체 물질의 중합체 용융물, 용액 또는 분산액에 상기 섬유들을 함침 및/또는 매입시키는 것에 의해 적용될 수 있다. 바람직하게는, 매트릭스 또는 결합제 물질은 단층의 전체 표면상에 균등하게 분포되는 반면, 결합 스트립 또는 결합 섬유는 국소적으로 적용될 수 있다. 적합한 결합제는 예를 들어 EP 0191306 B1, EP 1170925 A1, EP 0683374 B1 및 EP 1144740 A1에 기재되어 있다.

열가소성 결합제의 장점은 상기 결합제가 특히 고온에서 낮은 수준의 휘발성 기체들을 배출시킨다는 점이다.

바람직하게는, 결합제는 섬유의 신율보다 큰 파단 신율을 갖는 열가소성 물질이다. 결합제는 바람직하게는 2 내지 600%, 더욱 바람직하게는 4 내지 500%의 신율을 갖는다. 적합한 열가소성 결합제 물질은 예를 들어 WO 91/12136 A1(15 내지 21면)에 열거되어 있다. 바람직한 열가소성 물질은 열가소성 중합체 폴리우레탄, 폴리비닐, 폴리아크릴, 폴리올레핀 또는 열가소성 엘라스토머성 블록 공중합체 예컨대 폴리아이소프로펜-폴리에틸렌-부틸렌-폴리스타이렌 또는 폴리스타이렌-폴리아이소프렌-폴리스타이렌 블록 공중합체가 결합제 물질로서 선택될 수 있다.

한 실시양태에서, 결합제는 바람직하게는 실질적으로 단층에 있는 상기 섬유의 개별 필라멘트를 피복하고 약 250 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 약 400 MPa 이상의 인장 모듈러스(25℃에서 ASTM D638에 따라 결정됨)를 갖는 열가소성 중합체로 본질적으로 이루어진다. 이와 같은 결합제는 열경화성 중합체에 비해 감소된 휘발성 기체들을 배출한다. 그 결과, 상기 감소된 대기 환경에서 절대 압력은 보다 쉽게 유지될 수 있다.

대안적인 실시양태에서, 결합제는 약 250 MPa 미만, 더욱 바람직하게는 약 100 MPa 미만, 더욱더 바람직하게는 40 MPa 미만, 더욱더 바람직하게는 20 MPa 미만, 가장 바람직하게는 2 MPa 미만의 인장 모듈러스(25℃에서 ASTM D638에 따라 결정됨)를 갖는 열가소성 중합체로 이루어진다.

바람직하게는, 결합제는 물 중의 분산액으로서 적용된다. 적합한 결합제 물질의 예는 아크릴레이트, 폴리우레탄, 개질된 폴리올레핀 및 에틸렌 비닐 아세테이트를 포함한다.

상기 열가소성 결합제 물질에 의해 강화 섬유를 함침시키는 것은, 예를 들어 열가소성 물질의 박층 필름 하나 이상을 상기 섬유의 표면 상면, 하면 또는 양면에 적용한 다음에 이들을 가열된 압력 롤을 통해 상기 섬유와 함께 통과시킴으로써 이루어질 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 한 면에 평행한 방식으로 배향시킨 후, 상기 단층의 열가소성 결합제 물질을 함유하는 소정량의 액체 물질로 상기 섬유들을 코팅한다. 이의 장점은 상기 섬유를 보다 신속하고 우수하게 함침시킨다는 점이다.

상기 액체 물질은 예를 들어 열가소성 물질의 용액, 분산액 또는 용융물일 수 있다. 상기 열가소성 물질의 용액 또는 분산액을 단층의 제조에 사용하는 경우, 상기 방법은 또한 상기 용매 또는 분산제를 증발시키는 것을 포함한다.

다르게는, 결합제를 방탄 섬유를 가로질러 국소적으로 적용함으로써, 결합제의 사용량을 최소화하면서도 방탄 섬유가 취급 및 가공에 충분히 안정적일 수 있게 할 수 있다(여기서, 시트들의 스택은 후속적인 진공화 단계를 거친다).

상기 시트에 있는 결합제의 양은 바람직하게는 상기 스택에 있는 방탄 섬유 및 결합제의 총 중량에 대해 30 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 20 중량% 이하, 더욱더 바람직하게는 15 중량% 이하, 가장 바람직하게는 10 중량% 이하이다. 상기 시트 내에 충분한 안정성을 제공하기 위해, 상기 시트는 상기 스택에 있는 방탄 섬유 및 결합제의 총 중량에 대해 바람직하게는 3 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 5 중량% 이상의 결합제를 포함한다. 본 발명의 일부 실시양태에서, 상기 섬유에 첨가되는 추가적인 결합제는 필요하지 않다. 예를 들어, 편평한 테이프 직포 시트로부터 유도되는 스택은 추가적인 결합제를 필요로 하지 않고도 가공하기에 충분히 안정할 수 있다. 일반적으로, 결합제 함량이 낮을수록 일방향성 시트들의 스택의 SEA는 더 높아진다.

본 발명에 따른 스택은, 가요성 및 강성 구조를 포함하는, 넓은 범위에 걸쳐 분포되는 중량(본원에서 면적 밀도라고도 함)을 갖는다. 본 발명에 따른 진공 적용의 유익한 효과가 약 2.0 kg/㎡ 또는 심지어는 그보다 낮은 수준까지 관찰되었다. 그러나, 상기 스택의 면적 밀도는 6.0 g/㎡ 이상, 더욱 바람직하게는 8.0 g/㎡ 이상인 것이 바람직하다. 대안적인 실시양태에서, 예를 들어 무장 차량에 사용되는 스택과 관련된 면적 밀도는 15 g/㎡ 이상, 더욱 바람직하게는 20 g/㎡ 이상, 더욱더 바람직하게는 30 g/㎡ 이상이다.

상기 스택에 있는 단층 또는 시트의 개수를 더욱 높여서 달성되는 비교적 높은 면적 밀도는 본 발명의 범주 하에 특히 우수한 방탄 성능을 나타내는 것으로 확인되었다.

감소된 대기 압력 환경

감소된 대기 압력 환경을 본 발명에 따른 고압과 함께 적용하면 고압만을 적용한 것에 비해 스택의 밀도를 측정가능하게 변화시킬 수 없는 것으로 확인되었고, 이는 그 기술적 효과를 더욱더 예측할 수 없게 만든다.

"감소된 대기 압력 환경"이란 대기 압력이 1 기압(약 0.1 MPa) 미만인 것을 의미한다. 스택을 감소된 대기 압력 환경에 적용하기 위해, 흡입기 또는 진공 공급원을 상기 감소된 대기 압력 환경을 한정하는 인클로저(enclosure)에 연결시킨다.

바람직하게는, 상기 인클로저는 가요성 물질로 형성되어, 진공이 상기 인클로저에 적용될 때, 상기 가용성 물질이 스택 주위로 늘어나, 스택을 형성하는 시트들 간의 상대적인 움직임을 안정화시키고 방지시킨다. 스택을 가요성 물질 내로 고정시킴으로써, 상기 스택을 제조 사이클 동안에 신속하게 그리고 효과적으로 취급 및 운반할 수 있다. 이는 제조 속도를 높이고/높이거나 스택 안정화에 보다 소량의 결합제를 사용할 수 있도록 하는 장점을 갖는다.

한 실시양태에서, 상기 스택을 진공 백에 두어 진공 공급원 예컨대 진공 펌프가 진공 백 내의 대기 압력을 대기압 미만으로 낮추도록 할 수 있다. 진공 백은 바람직하게는 스택을 완전히 감싸 진공 포트를 통해 진공이 스택에 적용될 수 있도록 구성된다. 진공 백은 바람직하게는, 몰딩된 제품을 완전히 감싸고, 진공 백 내의 기체 환경에 흡인을 적용하는 개구 또는 진공 포트를 포함하는 가요성 중합체성 시트이다. 그러나, 일부 실시양태에서, 상기 감소된 대기 압력 환경은 몰드와 같은 강성 표면과 함께 진공 백에 의해 한정되는 진공 챔버이다.

바람직하게는, 인-시튜(in-situ) 형성되고(예컨대, 진공 백은, 진공 백의 구멍을 진공 포트로서 작용하도록 남겨둔 채 중합체성 시트를 가열 밀봉함으로써 형성됨) 이어서 진공 후 밀봉되는 진공 포트가 상기 진공 백에 적용된다. 예시적인 실시양태에서, 진공 백은 하나 이상의 중합체성 시트로부터 형성된다. 상기 하나 이상의 중합체성 시트는 진공 백으로 예비형성되거나 인-시튜 형성될 수 있다. 진공 백이 인-시튜 형성되는 경우, 상기 중합체성 시트의 두 표면은 스택 주변으로 클램핑되어 진공 포트를 포함하는 인클로저를 형성한다. 진공 포트를 통해 스택에 진공을 가한 후, 인클로저를 바람직하게는 가열 밀봉하여 진공 백을 형성한다.

진공 백은 바람직하게는 진공 백 가공 온도보다 높은 융점을 갖는 중합체성 시트화 물질, 예를 들어 폴리에틸렌, 특히 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스터 또는 폴리아마이드로부터 제조된다. 다층 라미네이트 구조를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 3층 중합체 라미네이트는, 저밀도 폴리에틸렌 중합체, 폴리아마이드 층, 및 상기 저밀도 폴리에틸렌 층 및 상기 폴리아마이드 층을 라미네이트 필름으로 압출할 수 있도록 바람직한 레올로지 특성을 갖는 계면 "타이(tie)" 층으로 이루어진다. 추가의 실시양태에서, 알루미늄 호일 층을 포함하는 진공 백의 적어도 일부를 형성하는 라미네이트 층은 화염 장벽으로 작용한다.

진공 백은 당해 분야에 공지된 수단에 의해 변형된 진공 백의 조성 및 두께를 갖는 단일 또는 다용도 적용례로 고안될 수 있다. 단일 용도 진공 백은, 상기 진공 백이 최종 방탄 제품의 일부를 형성하도록 고안되거나, 또는 진공화 단계 및 압축 단계가 상이한 위치에서 수행됨으로써 백의 재사용이 비경제적인 경우에 바람직하다.

특정 실시양태에서, 진공 백은 최대 진공 백 가공 온도 또는 그 미만의 융점을 갖는 중합체성 시트화 물질로부터 제조된다(단계 c). 바람직하게는, 상기 중합체성 시트는 상기 최대 진공 백 가공 온도보다 10℃ 이상 낮은, 더욱 바람직하게는 5℃ 이상 낮은 융점을 갖는다(단계 c). 뜻밖에도, 진공 백 최대 가공 온도 또는 그 미만의 융점을 갖는 진공 백은 여전히 본 발명에 기여가능한 기술적 효과를 낼 수 있는 것으로 확인되었다.

바람직한 실시양태에서, 진공 백은 가공 동안에 방탄 제품의 전체 부분을 형성한다. 진공 백의 중합체성 시트를 포함하는 스택의 외층에, 추가적인 기능성을 방탄 제품의 외층에 추가할 수 있다. 특히, 외층의 인쇄적성은 우수한 인쇄적성의 중합체성 물질 또는 인쇄적성을 향상시키기 위해 (예컨대, 코로나 방전) 처리된 중합체성 물질로부터 제조된 진공 백을 적용함으로써 개선될 수 있다.

진공 백은 또한 하나 이상의 인쇄된 중합체성 시트로부터 제조되므로, 방탄 제품의 외 표면에 진공 백의 하나 이상의 표면을 통합시키는 것을 통해 방탄 제품은 인쇄된 외층을 수득하게 된다. 방탄 제품의 표면에 진공 백을 통합시키면, 하나 이상의 후-압축 사이클 처리 단계를 제거하는 것에 의해 최종 제품을 제조하는 처리 시간을 감소시킬 수 있는 이점을 제공한다.

진공 백은, 스택의 외 표면과의 통합 결합을 형성하는 진공 백 물질의 사용을 통해, 몰딩된 제품의 외 표면에 통합될 수 있고, 그와 동시에 통합 씰(seal)을 형성함으로써 고압 사이클의 적용 동안에 진공이 유지된다. 이는 결합 또는 접착제의 사용을 통해 방탄 제품의 표면에 진공 백의 표면을 결합시킴으로써 달성될 수 있다. 다르게는, 진공 백을 최대 가공 온도 미만의 연화점을 갖는 물질로부터 제조하여(단계 c), 상기 물질이 가공 중에 상기 외 표면에 결합하도록 할 수 있다. 바람직하게는, 상기 진공 백 물질의 연화점은 최대 가공 온도보다 40℃ 이상 낮은, 더욱 바람직하게는 30℃ 이상 낮은, 가장 바람직하게는 20℃ 이상 낮다(단계 c). 바람직하게는, 열 활성화된 접착제를, 이 접착제를 활성화시키는 가열 압축 사이클에 의해 진공 백의 내면으로 예비코팅함으로써 진공 백의 표면과 방탄 제품의 외 표면 간의 결합을 형성한다.

다르게는, 진공 백의 적어도 일측 또는 부분은, 최대 압축 사이클 온도보다 낮은 융점을 갖는 중합체성 조성물을 포함하고, 이에 의해 상기 압축 사이클 동안에 상기 진공 백의 적어도 일측 또는 부분이 방탄 제품의 외층에 열 융합될 수 있다.

조작시, 스택은 앞서 기술한 바와 같이 진공 백 내로 삽입되고, 진공 공급원은 상기 진공 백의 내용물에 적용된다. 바람직하게는, 상기 감소된 대기 압력 환경에서 절대 기체 압력은 0.01 MPa 이하이다. 더욱 바람직하게는, 상기 감소된 대기 압력 환경에서 절대 기체 압력은 0.005 MPa 이하, 더욱더 바람직하게는 0.001 MPa 이하, 가장 바람직하게는 0.0005 MPa 이하이다. 일반적으로, 보다 낮은 압력 수준은 증가된 방탄 성능을 나타낸다. 상기 진공 수준은, 전형적으로 진공 공급원에 부탁된 진공 게이지 또는 다른 측정 수단으로부터 측정된다.

필요한 절대 압력에 도달하기 위해, 상기 감소된 대기 압력 환경은 바람직하게는 20초 이상, 더욱 바람직하게는 60초 이상, 가장 바람직하게는 180초 이상 동안 진공 공급원에 연결된다. 정확한 진공화 시간은 진공 포트, 진공 백 및 스택의 구조에 따라 다를 것이다. 예를 들어, 방탄 제품이 복수 개의 일방향성 시트(예컨대, 100개 초과)로부터 형성되는 실시양태라면, 감소된 대기 압력 환경에 걸쳐 기체 압력에 관한 평형 수준에 도달하도록 하기 위해(즉, 압력은 백 전체에 걸쳐 실질적으로 동일함) 더 긴 시간이 필요할 수 있다. 정확한 진공화 시간은 당해 분야 숙련자들에 의해 통상의 실험을 통해 결정될 수 있다.

진공 처리 단계 (b)는 제공된 진공 프레스 하에 수행될 수 있으며, 여기서 상기 스택은, 진공 포트를 포함하는 진공 백에 놓여지고 진공 프레스에 놓여진다. 이어서, 진공 백은 감압 하에 적용되는 챔버 안에 포함된다. 진공화 단계의 완성 후, 진공 포트를 바람직하게는 열 씰링하고, 배깅된(bagged) 스택을 상기 프레스에서 제거한다.

제공된 진공 프레스를 사용하는 이러한 실시양태의 장점은, 고압 처리 장치의 생산성을 최대화하기 전에 복수 개의 스택을 진공 프레스시킬 수 있다는 점이다. 실제로, 상기 스택은 상이한 생산 설비로 진공 팩킹되고, 저장되고 운반되어 제공된 고압 프레스에서 압축 사이클을 수행할 수 있다. 따라서, 상기 스택은 압축 사이클 이전에 30초 내지 3시간, 바람직하게는 4시간 이하, 일부 실시양태에서는 2일 이하, 바람직하게는 3일 이하 또는 그 초과 동안 진공 하에 있을 수 있다.

상기 스택을 진공 팩킹하는 장점은 단층, 또는 단층의 예비형성된 통합 스택을 결합제 물질에 비교적 적게 의존하고 및/또는 조심스러운 취급을 비교적 적게 들일 수 있는 지점으로 고정시킬 수 있다는 점이다. 따라서, 개선된 생산 속도 및 개선된 방탄 성능을 동시에 달성할 수 있다.

제공된 진공 프레스를 사용하는 것에 대한 대안으로, 상기 스택을, 가압 수단의 일부 예컨대 수압 프레스를 형성하는 진공 챔버 내의 감소된 대기 가스 환경에 노출시킬 수 있다.

상기 스택을 단지 진공 백에 의해서만 부분적으로 포함하는 실시양태에서, 상기 진공 백은 바람직하게는 몰딩 장치의 구성요소에 결합됨으로써, 상기 스택이 진공 백 또는 커버로부터의 가요성 시트와 몰딩 장치의 강성 표면의 조합에 의해 완전히 감싸진다. 바람직하게는, 진공 개구 또는 포트가 몰딩 장치의 기저부에 걸쳐 균일하게 분포된다. 개구의 균일한 분포는 스택에 걸쳐 진공의 불균일한 분포를 방지한다. 일부 실시양태에서, 진공 개구는, 스톱 리버스 씰링된 밸브(stop reverse sealed valve) 및 진공 펌프에 연결시키기 위한 진공 배관과 연결된 몰딩 장치 내측의 진공 공동(cavity)에 연결된다.

본 발명의 추가적인 실시양태에서, 방탄 제품, 특히 방탄 섬유로부터 유도된 방탄 제품의 제조에 있어서 진공을 이용한다. 바람직하게는, 진공 사용은 앞서 기술한 바와 같은 진공 백을 사용하여 달성된다.

바람직한 실시양태에서, 압밀화 단계 (c)는 하기와 같은 압축 사이클의 일부로서 수행된다:

압축 사이클

스택을 감압 환경 하에 놓은 후, 스택을 고온에서 압축 사이클에 적용시키는 것이 바람직하다. 고온에서의 압축이란 상기 스택을, 결합제의 모듈러스가 충분히 낮도록 온도가 충분히 높지만(예컨대, 온도는 결합제의 유리전이온도 또는 융점보다 높음) 섬유들의 융점 또는 연화점보다는 낮은 압축 온도에서 특정 압축 시간 동안 주어진 압력을 적용하는 것을 의미한다. 필요한 압축 시간과 압축 온도는 섬유 및 결합제의 종류, 및 몰딩 제품의 두께에 의존하며, 이는 당해 분야 숙련자에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 용융 또는 반응 동안의 온도는 일반적으로 방탄 섬유가 예를 들어 용융으로 인해 그의 높은 기계적 특성을 잃게 되는 온도보다 낮게 선택된다.

압축 사이클에서 제 1 단계는 스택의 압밀화(즉, 시트들 간의 우수한 접착)를 가능하게 하기에 충분한 온도로 스택을 예비가열하는 것이다.

폴리올레핀과 같이 비교적 낮은 융점을 갖는 방탄 섬유로부터 스택을 형성하는 실시양태에서는, 스택을 전형적으로 방탄 섬유의 융점보다 10℃ 이상 낮은, 바람직하게는 20℃ 이상 낮은, 더욱 바람직하게는 25℃ 이상 낮은 온도로 예비가열한다.

종종 155℃의 융점을 갖는 UHMWPE 섬유의 경우, 145℃보다 낮은 온도가, 더욱 바람직하게는 135℃보다 낮은 온도가 선택될 것이다. 일반적으로 최소 온도를 선택하여 압밀화에 바람직한 속도를 수득한다. 이와 관련하여, 50℃가 적당하게 낮은 온도 한계치이고, 바람직하게는 이러한 하한치는 75℃ 이상이고, 더욱 바람직하게는 95℃ 이상이고, 가장 바람직하게는 115℃ 이상이다. 예시적인 실시양태에서, UHMWPE 섬유들로부터 유도된 스택을 120 내지 130℃의 온도로 가열한다. 상기 예비가열 단계는 전형적으로 사용되는 물질에 고유한 특정 열 전달 변수에 따라 10분 내지 2시간에 걸쳐 일어난다.

압축 사이클에서 제 2 단계는 고압 압축 단계이며, 여기서 상기 스택은 10 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 12 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 15 MPa, 더욱더 바람직하게는 20 MPa 이상, 더욱더 바람직하게는 25 MPa 이상, 가장 바람직하게는 30 MPa 이상의 하중 하에서 가압 수단에 의해 압축된다. 압축 사이클은 전형적으로 제 1 단계가 완성되기 전에 개시된다(즉, 스택의 온도는 여전히 증가 중에 있다). 상기 스택이 고압 조건에 노출되는 시간은 일반적으로 가공 조건, 예컨대 상기 스택에 있는 일방향성 시트들의 온도, 압력, 조성 및 개수에 따라 5 내지 100분이다.

압축 사이클에서 제 3 단계는 후속적으로 100℃ 미만, 바람직하게는 80℃ 미만, 더욱 바람직하게는 60℃ 미만의 온도로 스택을 냉각시키는 것이다. 바람직한 실시양태에서는 여전히 압력 하에서, 바람직하게는 5 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 이전 가압 단계에서와 동일한 압력 하에서 스택을 냉각시킨다.

본 발명의 방법에 의해 얻어진 방탄 제품은 바람직하게는 만곡형의 몰딩된 제품, 예컨대 헬멧, 또는 차량의 패널의 윤곽과 일치하는 방호(armoured) 플레이트이다.

방탄 제품이 만곡형 제품인 실시양태에서, 단계 (c)는 스택을 몰드에 위치시키는 단계를 추가로 포함하며, 이때 스택의 압밀화가 일어나고, 상기 몰드가 가압 수단에 의해 적어도 부분적으로 가압된다. 상기 몰드는 상부 표면 및/또는 스택의 저부 표면과 일치하는 만곡형 또는 형상화된 제품 및/또는 주변 몰드 부분의 형태의 하나 이상의 몰드 부분을 포함한다.

생성된 방탄 제품은 우수한 방탄 성능을 갖는다.

본 발명은 또한 앞서 기술한 바와 같이 제조하는 데 사용되는 방법에 따라 수득가능한 방탄 제품에 관한 것이다. 특히, 앞서 기술한 방탄 제품은 통상의 방탄 제품에 비해 뚜렷한 기술적 특징을 보여준다.

본 발명의 목적을 위해, 압력 단위는 메가 파스칼(MPa) 또는 바(bar)로 표시되며, 여기서 1 MPa는 120 bar와 같다.

실시예

실시예 1

90°의 각으로 십자형으로 배치된 각각 2개의 단층으로 이루어진 73개 일방향성 시트들의 스택(약 40 cm × 40 cm)을 제조하였다. 방탄 섬유는 약 36 cN/dtex의 강도, 약 1180 cN/dtex의 모듈러스 및 약 1의 횡단면 종횡비를 갖는 필라멘트당 약 2 데니어의 섬도를 갖는 UHMWPE의 고도로-연신된 섬유였다. 각각의 단층은, 수성 분산액으로 적용된, 25℃에서 ASTM D638(크레이톤 폴리머스(Kraton Polymers)로부터 입수가능)에 따라 측정된 약 1 MPa의 인장 모듈러스 값을 갖는 스타이렌-아이소프렌-스타이렌 3원블록 공중합체로 이루어진, 단층의 총 중량에 대해 20 중량%의 결합제를 함유한다. 상기 일방향성 시트의 면적 밀도는 265 g/㎡이었다. 상기 스택/방탄 제품의 면적 밀도는 약 19 kg/㎡이었다.

상기 스택을, 중합체성 필름으로 제품을 진공 씰링하도록 설계된 독립 장치로부터 적용된 진공 압력에 의해 상기 스택에 적용된 약 5 mBar(5×10^-4 MPa)의 감소된 대기 압력 하의 폴리아마이드 6 진공 백 안에 두었다. 진공 백을 가열 씰링하고 진공 공급원으로부터 제거하기 전에 약 25초 동안 진공 백의 개구를 통해 흡입시켰다.

이어서, 감소된 대기 압력 환경 하에서 씰링된 스택을 가열된 수압 프레스로 옮겼다. 최대 도달 온도가 약 125℃가 되는 약 45분 동안 스택에 300 bar(30 MPa)의 압력을 적용하기 전에 60℃보다 높은 온도로 상기 스택을 가열하였다. 300 bar 압력을 유지하는 동안, 프레스를 개방하고 스택을 제거하기 전에 온도를 80℃ 미만으로 감소시켰다. 추가 냉각시, 상기 스택/방탄 제품을 상기 백에서 제거하였다.

비교 실험예 A

하기를 제외하고는, 비교 실험예 A의 스택(실시예 1의 스택과 조성 및 구조가 균등함)을 실시예 1의 스택과 동일한 방식으로 가공하였다:

- 스택을 진공 백에 두지 않고 감소된 대기 압력 환경으로 처리하지 않았다.

- 300 bar 압력의 적용 이전에, 스택을 5분 동안 탈기 단계로 처리하였다. 탈기 단계는, 스택을 10 bar의 압력으로 압축하고, 몰드를 개방하여(이에 의해 스택은 대기 압력을 나타냄) 압력을 감소시키고, 300 bar 압력을 적용하기 전에 5분 동안 방치시켰다.

실시예 2 및 3

실시예 2는 실시예 1의 반복이고, 실시예 3은 압밀화 압력이 165 bar인 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.

비교 실험예 B, C, D 및 E

비교 실험예 B는 비교 실험예 A의 반복이다. 비교 실험예 C, D 및 E는 비교 실험예 A와 균등하지만 상이한 압력을 사용하여 압축하였고, 한 경우에는 진공을 사용하였다.

조건은 다음과 같다:

비교 실험예 B: 30 MPa 압력,

비교 실험예 C: 16.5 MPa,

비교 실험예 D: 2.0 MPa(진공: 5 mbar), 및

비교 실험예 E: 2.0 MPa(진공 없음).

비교 실험예 E를 제외하고, 모든 실험예는 2회 반복 수행되었다.

실시예 및 비교 실험예의 결과를 표 1에 제시하였다. 반복 시험 결과는 예를 들어 비교 실험예 B의 경우 라벨 B-1 및 B-2로서 나타내었다.

밀도

샘플들의 밀도는 각 샘플 약 50 g을 2회 칭량하고 이 샘플을 에탄올에 침지하고 그 에탄올의 변위 부피를 측정함으로써 결정하였다. 이어서, 이 밀도를, 표 1에 보고된 2회 평균을 사용하여, 샘플 중량을 그의 부피로 나누어 결정하였다.

방탄 성능

무장된 플레이트 형태의 스택을, 체코 공화국의 셀리어 앤드 벨리어트(Sellier & Belliot)에 의해 제조된 AK47 7.62×39 mm 마일드 스틸 코어(Mild Steel Core; MSC) 탄환을 사용하여 수행된 사격 시험에 적용하였다. 제 1 샷(shot)을, 상기 샷들의 50%가 정지하게 되는 예상 발사체 속도(V₅₀ 값)로 발사하였다. 실제 탄환 속도는 충격 바로 직전의 거리에서 측정하였다. 정지한 경우, 다음 샷은 이전 속도보다 20 m/s 높은 예상 속도로 발사하였다. 관통한 경우, 다음 샷은 이전 속도보다 20 m/s 낮은 속도로 발사하였다. 실험적으로 얻어진 V₅₀ 값에 대한 결과는 로지스틱 회귀 분석(logistical regression analysis)을 사용하여 결정하였다. 탄환의 V₅₀에서의 운동 에너지를 플레이트의 총 면적 밀도로 나누어, 소위 SEA 값을 얻었다.

[표 1] - 방탄 시험 결과

표 1의 결과는 감소된 대기 압력 환경과 고압의 조합이 SEA를 약 8% 개선시켰음을 보여준다. 이 결과는 또한 감소된 대기 압력 환경과 고압의 조합 사용이, GB 2253420에 교시된 바와 같이 스택을 압밀화시키는 종래의 접근 방법인 비교 실시예에서의 탈기 단계와 유사한 조밀화 현상을 가져옴을 확인해 준다.

치수 안정성

22개의 패널을 제조하고 실시예 1 및 대응하는 비교 실험예에 따라 시험하였다. 패널의 절반(11개)을 상기 기술한 바와 같은 (열 컨디셔닝 없이) 방탄 시험에 대해 시험하였다. 패널의 나머지 절반을 각각 10 cm 동일하게 이격시키고 모서리로부터 5 cm (또는 이들과 균등한 비율로) 이격시킨 16개의 지점에 표시하였다. 동일한 주 패널로부터 컷팅된 인접한 패널들을 사용하여 방탄성 및 치수 안정성의 결과를 짝짓기 위해 패널들을 맞붙였다. 기정의된 위치 각각에서의 패널의 원래 두께를 측정하였으며, 이때 패널에 따른 변화는 1% 미만(또는 0.2 mm 미만)으로 확인되었고 대부분의 경우 0.5% 미만(0.1 mm 미만)으로 확인되었다. 패널들을 160시간 동안 90℃로 설정된 오븐 안의 트레이에 위치시켰다(열 컨디셔닝). 24시간 이상의 규칙적인 간격으로, 패널들을 오븐에서 제거하고 기정의된 위치의 두께를 측정하였다. 또한, 상기 보드 상의 임의의 위치의 최대 두께를 측정하였다. 패널 두께를 측정하고, 오븐에서 패널을 제거한지 10분, 바람직하게는 5분 안에 오븐에 다시 넣어 측정하였다. 이러한 과정에서, 측정시의 패널의 온도를 오븐 안의 온도(즉, 약 90℃)와 거의 동일한 것으로 간주하였다. 이러한 과정을 두께의 최대 %증가가 최대로 도달할 때까지 반복하였다.

평균 두께 및 최대 패널 두께의 변화는 측정 데이터로부터 결정하였다. 최대 패널 두께는 패널의 중앙 부분에서 기록하였으며, 이때 치수 변화는 주변의 기정의된 위치로부터 4개 중앙의 기정의된 위치로 증가하였다. 치수 안정성(최대 두께 증가(ΔT))과 방탄 성능 간의 상호관계에 관한 그래프를 도 1에 제공하였다.

상기 결과(도 1)는 본 발명의 압밀화 단계 동안에 시트들의 스택에 압력 및 진공을 적용하면, 개선된 치수 안정성뿐만 아니라 개선된 방탄 성능을 갖는 제품을 제공함을 나타낸다. 실제로, 유사한 방탄 성능을 갖도록 제조된 종래의 방탄 제품의 경우에는 본 발명의 진공 기술을 사용한 단지 16.5 MPa에 비해 30 MPa의 압밀화 압력을 필요로 한다(비교 실험예 B-2 및 실시예 3-1 비교). 그러나, 종래의 제품이 본 발명의 것과 균등한 방탄 성능을 갖도록 제조되는 경우, 관련 치수 안정성은 단지 본 발명의 범주 하에서 제조된 제품의 것의 반밖에 안 된다(도 1). 그러므로, 본 발명의 범주 하에 제조된 제품은 종래의 제품과는 구별된다.

놀랍게도, 이러한 기술적 효과는 본 발명의 범주를 벗어난 보다 낮은 압력에서는 나타나지 않으며, 실제로 보다 낮은 압력(2.0 MPa)에서 적용된 진공으로 인해 방탄 성능은 약간 감소한다(D-1, D-2 및 E-1).

Claims (15)

1. (a) 방탄 섬유의 단층을 하나 이상 포함하는 각각의 시트(sheet)를 2개 이상 적층하여 시트들의 스택(stack)을 형성하는 단계; 이어서,
   (b) 상기 시트들의 스택을 0.1 MPa 미만의 감소된 대기 압력 환경에 적용시키는 단계; 및
   (c) 상기 0.1 MPa 미만의 감소된 대기 압력 환경을 유지하면서, 상기 시트들의 스택을 50℃ 내지 상기 방탄 섬유의 융점보다 10℃ 이상 낮은 온도 범위에서 10 MPa 이상의 압력으로 압밀화(consolidating)시키는 단계
   를 포함하는, 방탄 제품(anti-ballistic article)의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 시트가 일방향성 시트이고,
   상기 시트의 단층 내 방탄 섬유의 방향이, 인접한 단층 내 방탄 섬유 방향에 대해 5 내지 90°의 각 α를 갖는, 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   각각의 시트가 열가소성 결합제를 추가로 포함하는, 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 열가소성 결합제 함량이 상기 스택 내 방탄 섬유와 결합제의 총 중량에 대해 5 중량% 이상 30 중량% 이하인, 방법.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 시트들의 스택을, 일방향성 시트들의 스택을 진공 백(vacuum bag) 내에 위치시키고 상기 백에 진공 공급원을 연결함으로써 감소된 대기 압력 환경에 적용시키는, 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 진공 백의 적어도 일부가 상기 방탄 제품의 일부를 형성하는, 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 스택에서, 각각의 시트가 일방향성 방탄 섬유 및 열가소성 결합제의 단층을 두 층 이상 포함하는, 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 시트들의 스택이 2 kg/㎡ 이상의 면적 밀도(areal density)를 갖는, 방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 방탄 섬유가 5:1보다 큰 횡단면 종횡비(aspect ratio)를 갖는, 방법.
10. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 단층이, 상기 방탄 섬유가 직포 시트를 형성하도록 정렬된 복수 개의 섬유를 포함하는, 방법.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (c)가, 상기 시트들의 스택을 만곡형(curved) 몰드에 위치시킨 후 상기 스택을 만곡형 몰드 내로 압밀화시킴으로써 만곡형 방탄 제품을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (b) 및 (c)를 동시에 수행하는, 방법.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 수득가능한 방탄 제품.
14. 제 5 항에 있어서,
    단계 (c)에서의 최대 가공 온도 이하의 융점을 갖는 진공 백을 사용하는, 방법.
15. 폴리에틸렌 방탄 섬유와 열가소성 결합제의 단층을 하나 이상 포함하는 각각의 시트들의 스택을 포함하는 방탄 제품으로서,
    상기 방탄 제품의 비-에너지 흡수도(SEA)가 145 J/kg/㎡를 초과하고, 90℃에서 측정된 최대 %두께 증가가 90℃에서 160시간 동안 상기 제품을 저장한 후에 8% 미만인 것을 특징으로 하는, 방탄 제품.

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