KR101834578B1 - 형상화된 신체 방호구 및 그의 제조 방법 - Google Patents

형상화된 신체 방호구 및 그의 제조 방법 Download PDF

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KR101834578B1
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Abstract

본 발명은, 가슴 윤곽체가 서로 겹쳐져 위치하도록, 접합 없이, 적층체로 배열된, 여성 가슴의 형상으로 윤곽화된 복수의 별개의 시트 부조립체를 포함하며, 각각의 부조립체는 파라-아라미드와 같은 고강인도 얀의 2개 이상의 부직물층, 결합제 및 코팅 수지를 포함하는, 신체 방호구에 사용하기 위한 물품에 관한 것이다.

Description

형상화된 신체 방호구 및 그의 제조 방법 {SHAPED BODY ARMOR AND METHOD OF MAKING}
본 발명은 여성용 신체 방호구에 사용하기 위한 물품, 및 물품의 제조 방법에 관한 것이다.
펠스(Fels) 등의 미국 특허 제6,048,486호는 아라미드 평면 구조체, 특히 아라미드 섬유로부터 제조된 텍스타일 평면 구조체에서 윤곽을 형성하는 방법을 개시한다. 윤곽화(contouring)는 180 내지 300℃의 온도 범위 및 0.4 내지 0.8 ㎫ (4 내지 8 bar)의 압력 범위에서 성형에 의해 수행된다. 성형에 의해 윤곽화된 평면 구조체는 여성용 방탄 보호 의류 및 방탄 헬멧의 제조에 특히 적합하다. 총탄 및 파편의 침투에 대한 효능은 성형 공정에 의해 영향을 받지 않는다.
펠스 등의 미국 특허 제6,034,004호는 방탄 작용을 하는 섬유로부터 제조된 텍스타일 평면 구조체를 포함할 수 있는, 하나의 보호층 또는 서로 포개지고 선택적으로 결합된 복수의 보호층을 포함하는 보호 의류에 관해 다루고 있으며, 상기 보호층은 수지의 동시 사용 없이 수행되는 성형 공정에 의해 부여되는 신체 형상에 맞추기 위한 윤곽화된 형상을 포함한다.
모우렉스(Moureaux) 등의 미국 특허 제5,943,694호는 보호할 형상화된 영역, 예를 들어, 여성 착용자의 가슴에 맞도록 특별히 형상화된, 다층의 내관통성 재료로 제조된, 예를 들어, 폴리아라미드 섬유로 제조된 방호구, 특히 여성 착용자를 위한 신체 방호구를 개시한다. 방호구의 형상화된 부분은 일련의 다트(dart)에 의해서 상기 재료의 연속층으로 형상이 유지된다. 재료층 내의 각각의 다트는 가장자리가 결합되어 다트를 형성하는 일반적으로 V-형상인 섹션을 포함한다. 재료의 V-형상 섹션은 둘로 접혀서 주름을 형성하고, 이는 다트의 한쪽 면 위로 접혀 재료의 인접 부분 위에 놓이거나 아래에 놓이는 추가된 두께를 형성한다.
본 발명은, 가슴 윤곽체(breast contour)가 서로 겹쳐져 위치하도록, 접합 없이, 적층체로 배열된, 여성 가슴의 형상으로 윤곽화된 복수의 별개의 시트 부조립체를 포함하는, 신체 방호구에 사용하기 위한 물품으로서, 각각의 부조립체는
(i) 2개 이상의 부직물층 - 각각의 층은 선밀도가 50 내지 4500 dtex이고 강인도(tenacity)가 10 내지 65 g/dtex이고, 모듈러스(modulus)가 150 내지 2700 g/dtex이고, 파단 연신율(elongation to break)이 1 내지 8%인 복수의 부직물 연속 멀티필라멘트 중합체 얀(yarn)을 포함하며, 상기 층 내의 얀은 서로 사실상 평행하게 배열되되, 단, 임의의 하나의 층 내의 얀은 상기 임의의 하나의 층과 접촉하는 임의의 다른 층의 얀의 배향(orientation)에 대해 오프셋 배향됨 -,
(ii) 열경화성 또는 열가소성 필름 또는 분말의 결합제, 및
(iii) 하나의 부조립체 내의 수지, 결합제 + 얀의 총 중량의 백분율로 표시할 때, 결합제와 코팅 수지의 중량%가 0.5% 내지 30%의 범위가 되게 하는 코팅 수지를 포함하는 시트이고,
상기 부조립체들에는 다트(dart), 솔기(seam), 또는 주름(pleat)이 없는 물품에 관한 것이다.
본 발명은, 순서대로,
(a) (i) 선밀도가 50 내지 4500 dtex이고, 강인도가 10 내지 65 g/dtex이고, 모듈러스가 150 내지 2700 g/dtex이고, 파단 연신율이 1 내지 8%인 연속 멀티필라멘트 중합체 얀의 2개 이상의 부직물 층 - 각각의 층 내의 얀은 서로 사실상 평행하게 배열되되, 단, 임의의 하나의 층 내의 얀은 상기 임의의 하나의 층과 접촉하는 임의의 다른 층의 얀의 배향에 대해 오프셋 배향됨 -, (ii) 결합제, 및 (iii) 부조립체 내의 수지, 결합제 + 얀의 총 중량의 백분율로 표시할 때, 결합제와 코팅 수지의 중량%가 0.5% 내지 30%의 범위가 되게 하는 코팅 수지를 또한 포함하는 편평한 부직물 부조립체 시트를 일정 길이로 절단하는 단계,
(b) 상기 절단된 시트를 100℃ 내지 160℃의 온도로 예열하는 단계,
(c) 상기 예열된 시트를, 다트형성 또는 주름형성 없이, 적어도 하나의 윤곽화된 표면을 갖는 주형 내에 위치시키는 단계,
(d) 100 내지 175℃의 온도 및 0.03 내지 10 ㎫ (0.3 내지 100 bar)의 압력에서 0.5 내지 15분 동안 시트를 성형하여 윤곽화된 부조립체를 형성하는 단계,
(e) 상기 부조립체를 60℃ 이하의 온도로 냉각하는 단계,
(f) 상기 부조립체를 상기 주형으로부터 제거하는 단계,
(g) 원하는 개수의 부조립체를 얻는 데 필요한 만큼 단계 (a) 내지 단계 (f)를 반복하는 단계, 및
(h) 윤곽체가 서로 겹쳐져 위치하도록 복수의 부조립체를 신체 방호구 물품으로 조립하는 단계를 포함하는, 윤곽화된 신체 방호구 물품을 형성하는 방법에 관한 것이다.
물품
본 물품은 신체 방호구에 포함시키기 위한 것이며, 가슴 윤곽체가 서로 겹쳐져 위치하도록, 접합 없이, 적층체로 배열된, 여성 가슴의 형상으로 윤곽화된 복수의 별개의 시트 부조립체를 포함한다. '별개의'는 일부 택 스티치(tack stitch)를 갖는 것 외에, 물품 내에서 각각의 부조립체가 물품의 다른 부조립체에 대해 자유롭게 움직임을 의미한다. 다시 말하면, 부조립체들은 함께 접합되지 않는다. 탄도체 충격(ballistic impact) 동안 하나의 부조립체가 다른 부조립체에 대해 자유롭게 움직이는 것이 유용하다. 택 스티칭은 조립체에 약간의 밀착성(coherence)을 제공하고 조립체가 조끼 팩(vest pack)에 끼워질 때 부조립체들이 분리되는 것을 방지하기 위하여 연질 신체 방호구 산업에서 사용되는 일반적인 기술이다. 면 또는 파라-아라미드와 같은 재료의 미세 필라멘트 얀이 부조립체의 적층체를 통한 택 스티칭을 위해 사용된다. 스티치는 보통 조립체의 코너를 가로질러 위치되지만, 조립체를 가로지르는 대각선 스티치 패턴이 또한 사용될 수 있다. 바람직하게는 부조립체는 그의 표면적의 단지 10% 이하가 스티칭되어, 나머지 부조립체의 전부 또는 대부분이 인접한 부조립체에 대해 측방향으로 이동 및/또는 분리되게 한다. 더욱 바람직하게는, 부조립체는 그의 표면적의 5% 미만, 더욱 더 바람직하게는 3% 미만이 스티칭된다.
바람직하게는, 물품을 형성하는 부조립체의 적층체는 면적 밀도가 2.0 내지 6.5 ㎏/㎡, 더욱 바람직하게는 3.0 내지 5.5 ㎏/㎡이고, 바람직한 실시 형태에서, 물품은 4 내지 60개의 부조립체, 더욱 바람직하게는 4 내지 30개의 부조립체를 포함한다. 바람직하게는, 하나의 부조립체의 외측 표면 상의 얀의 배향은 상기 하나의 부조립체와 접촉하는 부조립체들의 외측 표면 상의 얀의 배향과 상이하다.
부조립체
부조립체는 단방향성 천의 복수의 층을 포함하는 시트이다. '단방향성'은 층 내의 보강 얀 전부가 동일한 방향으로 놓여있음을 의미한다. 그러한 층을 흔히 부직물 층이라고 지칭한다. 바람직한 실시 형태에서, 부조립체는 4개의 부직물 천 층을 포함하며, 더욱 바람직한 실시 형태에서는, 2개의 부직물 천 층을 포함한다. 부조립체의 하나의 층에서의 얀의 배향은 인접한 층에서의 얀의 배향과 상이하다. 예로서, 부직물 천의 제1 층에서의 얀의 배향은 0도, 즉, 기계 방향 또는 진행 방향일 수 있는 반면, 제2 층에서의 얀은 제1 층에서의 얀의 배향에 대해 90도의 각도로 배향될 수 있다. 다른 일반적인 배향 각도는 +45도 및 -45도를 포함한다. 바람직한 실시 형태에서, 부직물 천의 연속층에서의 얀은 서로에 대해 +45도 및 -45도로 배향된다.
부직물 천 층은 복수의 필라멘트를 갖는 멀티필라멘트 얀을 포함한다. 얀은 서로 얽히게 되고(intertwined)/되거나 꼬일(twisted) 수 있다. 본 명세서에서의 목적상, "필라멘트"라는 용어는 그 길이에 수직인 그 단면 영역을 가로지르는 폭에 대한 길이의 비가 큰, 비교적 가요성이며 거시적으로 균질한 물체(body)로서 정의된다. 필라멘트 단면은 임의의 형상일 수 있지만, 전형적으로는 원형 또는 콩 형상이다. 본 명세서에서, 용어 "섬유"는 용어 "필라멘트"와 서로 교환가능하게 사용된다. 필라멘트는 임의의 길이일 수 있다. 바람직하게는, 필라멘트는 연속적이다. 패키지 내의 보빈(bobbin) 상으로 방사된 멀티필라멘트 얀은 복수의 연속적인 필라멘트를 포함한다. 멀티필라멘트 얀은 스테이플 섬유(staple fiber)로 절단될 수 있으며, 본 발명에 사용하기에 적합한 스펀 스페이플 얀(spun staple yarn)으로 제조될 수 있다. 스테이플 섬유는 약 3.8 ㎝ 내지 약 12.7 ㎝ (약 1.5 인치 내지 약 5 인치)의 길이를 가질 수 있다. 스테이플 섬유는 크림핑(crimping)되지 않거나, 또는 그 길이를 따라 톱니 형상의 크림프를 갖도록 ㎝당 약 1.4 내지 약 7.1 크림프 (인치당 약 3.5 내지 약 18 크림프)의 크림프 (또는 반복하는 굴곡부) 빈도수로 크림핑될 수 있다.
바람직하게는, 얀은 얀 강인도가 7 g/dtex 이상이고 모듈러스가 100 g/dtex 이상이다. 바람직하게는, 얀은 50 내지 4500 dtex의 선밀도, 10 내지 65 g/dtex의 강인도, 150 내지 2700 g/dtex의 모듈러스, 및 1 내지 8%의 파단 연신율을 갖는다. 더 바람직하게는, 얀은 100 내지 3500 dtex의 선밀도, 15 내지 50 g/dtex의 강인도, 200 내지 2200 g/dtex의 모듈러스, 및 1.5 내지 5%의 파단 연신율을 갖는다.
얀에 적합한 재료는 폴리아미드, 폴리올레핀, 폴리아졸 및 이들의 혼합물을 포함한다.
중합체가 폴리아미드일 때, 아라미드가 바람직하다. "아라미드"라는 용어는 아미드(-CONH-) 결합의 적어도 85%가 2개의 방향족 고리에 직접 부착되는 폴리아미드를 의미한다. 적합한 아라미드 섬유가 문헌[Man-Made Fibres - Science and Technology, Volume 2, Section titled Fibre-Forming Aromatic Polyamides, page 297, W. Black et al., Interscience Publishers, 1968]에 기술되어 있다.
바람직한 아라미드는 파라-아라미드이다. 바람직한 파라-아라미드는 PPD-T로 불리는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)이다. PPD-T라는 것은 p-페닐렌 다이아민 및 테레프탈로일 클로라이드의 몰-대-몰(mole-for-mole) 중합에서 생성되는 단일중합체와, 또한, p-페닐렌 다이아민을 포함하는 소량의 기타 다이아민의 그리고 테레프탈로일 클로라이드를 포함하는 소량의 기타 이산 클로라이드(diacid chloride)의 혼입에서 생성되는 공중합체를 의미한다. 대개, 기타 다이아민 및 기타 이산 클로라이드는, 기타 다이아민 및 이산 클로라이드가 중합 반응을 방해하는 반응성 기를 전혀 갖고 있지 않기만 한다면, p-페닐렌 다이아민 또는 테레프탈로일 클로라이드의 최대 약 10 몰%만큼 많은, 또는 아마도 약간 더 많은 양으로 사용될 수 있다. 또한, PPD-T는 기타 방향족 다이아민 및 기타 방향족 이산 클로라이드, 예를 들어 2,6-나프탈로일 클로라이드 또는 클로로- 또는 다이클로로테레프탈로일 클로라이드 또는 3,4'-다이아미노다이페닐에테르의 혼입에서 생성되는 공중합체를 의미한다.
첨가제가 아라미드와 함께 사용될 수 있으며, 최대 10 중량% 이상만큼 많은 기타 중합체성 물질이 아라미드와 블렌딩될 수 있음이 밝혀졌다. 아라미드의 다이아민을 치환하는 10% 이상만큼 많은 기타 다이아민 또는 아라미드의 이산 클로라이드를 치환하는 10% 이상만큼 많은 기타 이산 클로라이드를 갖는 공중합체가 사용될 수 있다.
중합체가 폴리올레핀일 때, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌이 바람직하다. "폴리에틸렌"이라는 용어는, 100개의 주쇄 탄소 원자당 5개의 개질 단위를 초과하지 않는 소량의 사슬 분지부 또는 공단량체를 함유할 수 있으며, 또한 그와 혼합되는 약 50 중량% 이하의 하나 이상의 중합체성 첨가제, 예를 들어 알켄-1-중합체, 특히 저밀도 폴리에틸렌, 프로필렌 등, 또는 일반적으로 혼입되는 저분자량 첨가제, 예를 들어 산화방지제, 윤활제, 자외선 스크리닝제, 착색제 등을 함유할 수 있는, 바람직하게는 분자량이 100만을 초과하는 주로 선형인 폴리에틸렌 물질을 의미한다. 그러한 것은 일반적으로 연장된 사슬형의 폴리에틸렌(ECPE) 또는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)으로 알려져 있다.
몇몇 바람직한 실시 형태에서, 폴리아졸은 폴리아렌아졸, 예컨대 폴리벤즈아졸 및 폴리피리다졸이다. 적합한 폴리아졸은 단일중합체와, 또한 공중합체를 포함한다. 첨가제가 폴리아졸과 함께 사용될 수 있으며, 최대 10 중량%만큼 많은 기타 중합체성 물질이 폴리아졸과 블렌딩될 수 있다. 또한, 폴리아졸의 단량체를 치환하는 10% 이상만큼 많은 기타 단량체를 갖는 공중합체가 사용될 수 있다. 적합한 폴리아졸 단일중합체 및 공중합체는 공지된 절차에 의해 제조될 수 있다.
바람직한 폴리벤즈아졸은 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤조티아졸, 및 폴리벤즈옥사졸이고, 더욱 바람직하게는 30 g/dtex 이상의 얀 강인도를 갖는 섬유를 형성할 수 있는 중합체이다. 폴리벤즈아졸이 폴리벤조티오아졸인 경우, 바람직하게는 이는 폴리(p-페닐렌 벤조비스티아졸)이다. 폴리벤즈아졸이 폴리벤즈옥사졸인 경우, 바람직하게는 이는 폴리(p-페닐렌 벤조비스옥사졸)이고, 더욱 바람직하게는 PBO로 불리는 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)이다.
바람직한 폴리피리다졸은 폴리피리드이미다졸, 폴리피리도티아졸, 및 폴리피리드옥사졸이고, 더욱 바람직하게는 30 gpd 이상의 얀 강인도를 갖는 섬유를 형성할 수 있는 중합체이다. 몇몇 실시 형태에서, 바람직한 폴리피리다졸은 폴리피리도비스아졸이다. 바람직한 폴리(피리도비스오즈아졸)은 PIPD로 불리는 폴리(1,4-(2,5-다이하이드록시)페닐렌-2,6-피리도[2,3-d:5,6-d']비스이미다졸이다. 폴리피리도비스아졸을 포함하는 적합한 폴리피리다졸은 공지된 절차에 의해 제조될 수 있다.
부조립체의 부직물 층 내의 얀은 상이한 중합체로부터의 얀을 포함할 수 있다. 대안적인 실시 형태에서, 부조립체는 상이한 층에서 상이한 중합체 얀을 갖는 층들을 포함할 수 있으나, 한 층 내의 모든 얀은 동일한 중합체로부터의 것이다.
바람직한 실시 형태에서, 부조립체의 부직물 천 층들 사이에 결합층이 존재하여 부직물 층들을 함께 유지하며 서로 미끄러져 움직이지 않게 한다. 결합층은 열경화성 또는 열가소성 재료일수 있다. 결합층은 필름과 같은 연속 형태, 또는 천공 필름 또는 분말과 같은 불연속 형태일 수 있다. 이러한 결합층에 적합한 재료에는 열가소성 폴리올레핀 필름, 열가소성 탄성중합체 필름, 폴리에스테르 필름, 폴리아미드 필름, 우레탄 필름 및 그 혼합물이 포함된다. 유용한 열가소성 폴리올레핀 필름에는 저밀도 폴리에틸렌 필름, 고밀도 폴리에틸렌 필름, 및 선형 저밀도 폴리에틸렌 필름의 것들이 포함된다. 결합층은 얀 내로 완전히 스며들지 않는다.
결합층의 대안으로서 또는 그에 더하여, 결합 실(binding thread)이 또한 존재할 수 있다. 이러한 실은 부조립체의 부직물 천 층을 통해 스티칭된다. 임의의 적합한 스티칭 실은 폴리에스테르, 아라미드, 폴리에틸렌, 및 특히 적합한 나일론과 사용될 수 있다.
부직물 천 부조립체 층의 얀은 바람직하게는 매트릭스 수지로 코팅된다. 얀 코팅 수지는 열가소성 또는 열경화성일 수 있다. 적합한 재료에는 점성 또는 점탄성 액체 형태의 중합체 또는 수지가 포함된다. 바람직한 재료는 폴리올레핀, 특히, 폴리알파-올레핀 또는 개질된 폴리올레핀, 폴리비닐 알코올 유도체, 폴리아이소프렌, 폴리부타다이엔, 폴리부텐, 폴리아이소부틸렌, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 폴리아미드, 폴리설폰, 폴리설파이드, 폴리우레탄, 폴리카르보네이트, 폴리플루오로-카본, 실리콘, 글리콜, 액체 블록 공중합체, 폴리스티렌-폴리부타다이엔-폴리스티렌, 에틸렌 코-폴리프로필렌, 폴리아크릴, 에폭시, 페놀 수지 및 액체 고무이다. 바람직한 폴리올레핀은 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌이다. 바람직한 글리콜은 폴리프로필렌 글리콜 및 폴리에틸렌 글리콜이다. 바람직한 공중합체는 폴리부타다이엔-코-아크릴로니트릴이다. 폴리아이소부틸렌이 바람직한 수지이다. 바람직한 실시 형태에서, 코팅 수지는 얀에 완전히 스며들지 않는다. 바람직하게는, 코팅 수지 및 결합제 수준은 코팅 수지, 결합제 및 얀의 총 중량을 기준으로 0.5 내지 30, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 15 중량%의 양으로 존재한다.
방법
상기한 재료로 이루어지는, 윤곽화된 신체 방호구 물품을 형성하는 방법은, 순서대로,
(a) (i) 선밀도가 50 내지 4500 dtex이고, 강인도가 7 내지 65 g/dtex이고, 모듈러스가 100 내지 2700 g/dtex이고, 파단 연신율이 1 내지 8%인 연속 멀티필라멘트 중합체 얀의 2개 이상의 부직물 층 - 각각의 층 내의 얀은 서로 사실상 평행하게 배열되되, 단, 임의의 하나의 층 내의 얀은 상기 임의의 하나의 층과 접촉하는 임의의 다른 층의 얀의 배향에 대해 오프셋 배향됨 -, (ii) 열경화성 또는 열가소성 필름 또는 분말의 결합제, 및 (iii) 부조립체 내의 코팅 수지, 결합제 및 얀의 총 중량의 백분율로 표시할 때, 결합제 및 코팅 수지의 중량%가 0.5% 내지 30%의 범위, 바람직하게는 1 내지 15%의 범위가 되게 하는 코팅 수지를 또한 포함하는 편평한 부직물 부조립체 시트를 일정 길이로 절단하는 단계,
(b) 상기 절단된 시트를 100℃ 내지 160℃의 온도로 예열하는 단계,
(c) 상기 예열된 시트를, 다트형성 또는 주름형성 없이, 적어도 하나의 윤곽화된 표면을 갖는 주형 내에 위치시키는 단계,
(d) 100 내지 175℃의 온도 및 0.03 내지 10 ㎫ (0.3 내지 100 bar), 바람직하게는 0.85 내지 8 ㎫ (8.5 내지 80 bar)의 압력에서 0.5 내지 15분 동안 시트를 성형하여 윤곽화된 부조립체를 형성하는 단계,
(e) 상기 시트를 60℃ 이하의 온도로 냉각하는 단계,
(f) 상기 시트를 상기 주형으로부터 제거하는 단계,
(g) 원하는 개수의 부조립체를 얻는 데 필요한 만큼 단계 (a) 내지 단계 (f)를 반복하는 단계, 및
(h) 윤곽체가 서로 겹쳐져 위치하도록 복수의 부조립체를 신체 방호구 물품으로 조립하는 단계를 포함한다.
부조립체 시트 재료는 보통 롤 형상으로 제공되며, 이를 적합한 길이로 절단한다. 이어서, 절단된 시트를 100℃ 내지 160℃의 온도로 예열한다. 가열은 오븐에서, 또는 유전 가열과 같은 다른 수단에 의해서 수행될 수 있다. 사용되는 실제 온도는 천 부조립체에서의 수지의 선택에 의해 좌우될 것이다. 온도 및 체류 시간은 수지를 연화시키고 부조립체를 더욱 가요성으로 만들기에 충분해야 한다. 선택적인 실시 형태에서, 예열된 시트는 다트형성 또는 주름형성 없이 부분적으로 형상화되거나 예비형성된다. 그러한 공정을 위한 도구는 최종 성형 단계에서와 동일한 치수 정확성을 요구하지 않으므로, 대략적인 예비 형상이 시트에 부여된다. 예비형성 압력은 0.03 내지 10 ㎫ (0.3 내지 100 bar), 바람직하게는 0.85 내지 8 ㎫ (8.5 내지 80 bar)이다.
이어서, 예열된 시트를, 원하는 윤곽의 형상인 표면을 갖는 주형 내에 위치시킨다. 시트는 시트의 다트형성 또는 주름형성 없이 주형 내에 위치시킨다. 물품을 형상화하는 데 사용되는 공정에 따라, 주형은 1개 또는 2개의 섹션을 포함한다. 정합 주형 공정의 경우, 주형은 2개의 섹션으로 이루어지는데, 그 중 하나는 물품의 내측 표면으로 윤곽화되고 나머지 하나는 물품의 외측 표면으로 윤곽화된다. 오븐 또는 오토클레이브에서 형성하는 것과 같은 대안적인 공정에서는, 단지 하나의 섹션만 있으며, 그 섹션은 물품의 내측 표면의 윤곽을 갖는다. 이어서, 진공백 조립체가 주형 표면에 대한 부조립체의 필수적인 압축을 제공한다. 그러한 형성 기술은 복합 재료 가공 산업에서 잘 알려져 있다. 이어서, 시트를 100 내지 175℃의 온도 및 0.03 내지 10 ㎫ (0.3 내지 100 bar), 바람직하게는 0.85 내지 8 ㎫ (8.5 내지 80 bar)의 압력에서 0.5 내지 15분 동안 성형하여 윤곽화된 부조립체를 형성한다. 사용된 실제 수지 온도 및 압력은 천 부조립체에서의 수지의 선택에 의해 좌우될 것이다. 주형을 60℃ 이하의 온도로 냉각하고 부조립체를 주형으로부터 제거한다.
상기 단계들을 반복하여 원하는 개수의 부조립체를 얻는다. 이어서, 복수의 부조립체를 조합하여 물품을 생성한다. 윤곽화된 섹션이 서로 겹쳐져 맞춰지도록 하는 방식으로 부조립체들을 함께 적층한다. 일단 적층되면, 최종 조립체를 택 스티칭한다. 바람직하게는, 코너를 가로질러 스티치를 위치시킨다. 이어서, 물품은 조끼 팩에 끼워질 준비가 된다.
선택적인 실시 형태에서, 복수의 시트가 적층체 내에서 동시에 예열될 수 있다. 그러한 공정에서, 이형층은 각각의 시트 사이에 위치된다. 즉, 이형층은 제1 천의 상부 표면과 제2 천의 하부 표면 사이 등에 개재된다. 가열 후에 이형층을 제거한다. 다양한 이형층이 수지 가공 산업 분야로부터 입수가능하며 임의의 적합한 한 가지가 사용될 수 있다.
시험 방법
하기 실시예에서 다음의 시험 방법을 사용하였다.
온도: 모든 온도는 섭씨(℃) 단위로 측정한다.
선밀도: 얀 또는 섬유의 선밀도는 ASTM D1907-97 및 D885-98에 기재된 절차에 기초하여, 기지의 길이의 얀 또는 섬유를 칭량함으로써 결정한다. Dtex 또는 "dtex"는 10,000 미터의 얀 또는 섬유의 그램 단위의 중량으로서 정의된다. 데니어(d)는 dtex의 (9/10)배이다.
인장 특성: 시험할 섬유를 컨디셔닝한 다음에, ASTM D885-98에 기재된 절차에 기초하여 인장 시험하였다. 강인도 (파단 강인도), 탄성 모듈러스 및 파단 연신율은 인스트론(Instron) 시험기 상에서 시험 섬유를 파단시킴으로써 결정한다.
면적 밀도: 천 층의 면적 밀도는 선택된 크기, 예컨대 10 ㎝ × 10 ㎝의 각각의 단일 층의 중량을 측정함으로써 결정한다. 복합 구조체의 면적 밀도는 개별 층들의 면적 밀도의 합에 의해 결정한다.
탄도체 관통 및 배면 변형 성능: 다층 패널의 탄도체 시험은 레벨 IIA, II, IIIA 및 III 보호에 대한 신체 방호구의 능력을 정의하는, 2000년 9월 발행된 NIJ 표준 - 0101.04 "개인용 신체 방호구의 방탄성(Ballistic Resistance of Personal Body Armor)"에 따라 수행하였다. 보고된 값은 각각의 실시예에 있어서 발사된 발사 횟수에 대한 평균값이다. 레밍턴(Remington) 9 ㎜ 풀 메탈 자켓 발사체(full metal jacketed projectile)를 사용하였다.
실시예
하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위해 주어졌으며 본 발명을 어떠한 방식으로도 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 방법 또는 방법들에 따라 제조된 실시예들은 숫자로 표시된다. 대조군 또는 비교예는 문자로 표시된다.
모든 실시예 및 비교예에서, 사용된 얀은 공칭 강인도가 24.5 g/dtex이고, 공칭 모듈러스가 680 g/dtex이고, 공칭 파단 연신율이 3.4%인, 미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 이.아이. 듀폰 디 네모아 앤드 컴퍼니(E.I. du Pont de Nemours and Company; 듀폰)로부터 입수가능한 케블라(Kevlar)(등록상표) 129였다.
실시예 1
이 실시예에서는, 듀폰으로부터 입수가능한 부직물 천의 단일 시트를 사용하였다. 이 천은 상표명 케블라(등록상표) XP™ S102로 구매가능하며, +45ㅀ/-45ㅀ 배열(configuration)의 2층의 단방향으로 정렬된 케블라(등록상표) 129 파라-아라미드 얀을 포함한다. 2층 천 시트는 공칭 중량이 500 g/㎡이었다.
비교예 A
이 비교예에서는, 천 스타일(style) 726을 사용하였다. 스타일 726은 840 데니어 (930 dtex) 파라-아라미드 케블라(등록상표) 129 얀으로 제조된, 미국 사우스캐롤라이나주 앤더슨 소재의 제이피에스 컴포지트 머터리얼즈(JPS Composite Materials)로부터 입수가능한 평직 직물 천이다. 이 천은 10.2 × 10.2 엔드/센티미터 (26 × 26 엔드/인치)를 가지며 공칭 면적 중량이 203 g/㎡이다.
실시예 1 및 비교예 A의 천 둘 모두를 여성용 조끼의 윤곽으로 성형하였다. 102 ㎜ 직경 포환(shot put)을 반으로 절단하고, 고전도도 260℃ 경화 에폭시 수지를 사용하여 2개의 반구체를 알루미늄 플레이트에 접합하여 주형 도구를 제조하였다. 포환을 알루미늄 플레이트에 접합하는 데 사용한 에폭시 수지는, 100부 수지 대 8부 경화제의 비로 혼합된, 콜트로닉스 코포레이션(Coltronics Corp), 듀랄코(DURALCO) 132 IP였다. 수지를 24시간 동안 실온에서 경화한 후에 180℃에서 1시간 동안 후경화하였다. 이것이 주형의 하부 반부(half)이다. 정합 주형 상부 반부는 주형의 하부 반부 위에 실리콘 고무를 캐스팅하고 고무의 블록을 고형화시켜 제조하였다. 직사각형 고형 실리콘 블록은 평판 하부 반부 주형의 볼록한 반구형 돌출부(extension)에 정합하는 오목한 반구형 공동(cavity)을 가졌다.
38 ㎝ × 38 ㎝ 샘플의 실시예 1의 천을 공급재료 롤(feedstock roll)로부터 절단하였다. 샘플을 130℃의 온도로 예열하고, 다트형성 또는 접힘 없이, 진공 테이블 상에 놓인 주형의 하부 반부 상의 스펀레이싱된 노멕스(Nomex)(등록상표) 브리더 플라이(breather ply) 위에 위치시켰다. 0.8 ㎜ 두께의 실리콘 시트 (규격[Mil Spec ZZ-R-765-CL 2 A&B]에 따름) 진공 블래더(bladder)를 천 및 주형의 하부 부분 위에 놓고, 이어서 진공 테이블의 가장자리를 따라 밀봉하였다. 0.07 ㎫ (0.7 bar)의 진공을 가하고 몰드 조립체의 온도를 125℃로 올렸다. 이러한 온도를 3분 동안 유지하였다. 천의 가슴 컵에서 온도를 측정하였다. 이어서, 주형을 40℃로 냉각하고, 진공을 해제하고 형상화된 천을 제거하였다.
주형의 정합된 상부를 사용한 점을 제외하고는, 비교예 A의 천에 대해 유사한 공정을 사용하였다. 4개 시트의 천을 함께 적층하고 성형하였다. 주형 온도는 180℃였고, 가해진 압력은 0.7 ㎫ (7 bar)였다. 이러한 조건은 종래 기술인 펠스의 미국 특허 제6,048,486호의 것을 모사한다.
주형으로부터 제거한 후에, 치수 비교를 위해, 실시예 1의 윤곽화된 물품의 컵 깊이와, 비교예 A의 4개의 윤곽화된 천 시트 중 하나의 컵 깊이를 둘 모두 측정하였다. 얇은 자를 컵 개구를 가로질러 위치시키고, 또 하나의 얇은 자를 컵 안으로 삽입하여 최대 깊이를 측정하였다. 둘 모두를 동일한 도구로 형성하였음에도 불구하고, 실시예 1로부터의 컵 깊이는 43 ㎜ 깊이였고 비교예 A로부터의 컵 깊이는 단지 30 ㎜ 깊이였다. 이는 본 발명의 방법 및 물품의 더 우수한 형성 특성을 입증한다.
각각의 실시예로부터, 127 ㎜ 폭 × 254 ㎜ 길이의 직사각형을 절단하여 각각의 물품의 안정성을 또한 입증하였다. 길이를 실시예 1에 대해서는 섬유 방향으로 절단하였고 비교예 A에 대해서는 경사 방향으로 절단하였다. 컵은 각각의 절단된 스트립의 중앙에 있었다. 이어서, 2가지 재료를, 152 ㎜ 폭의 조(jaw) 및 152 ㎜ 게이지 길이(gage length)를 갖는 한 세트의 에어 그립(air grip)으로 클램핑하였다. 이어서, 인스트론(Instron)(등록상표) 1125 CRE 시험 기기를 사용하여 샘플을 최대 400 psi 응력의 2회 사이클을 거치면서 하중을 가하였다. 이는 여전히 하중이 가해진 채로 양 시험 샘플로부터 형상을 잡아당기는 데 충분하였다. 2회 시험 사이클 후에, 상기한 바와 같이 컵 깊이를 측정하였다. 실시예 1로부터의 컵 깊이는 41 ㎜ 깊이였고, 깊이 보존율은 94%였으며, 비교예 A로부터의 컵 깊이는 15 ㎜ 깊이였고, 깊이 보존율은 단지 50%였다. 이는 다른 기술과 비교할 때 본 발명의 방법 및 물품의 개선된 안정성을 입증한다.
실시예 2
이 실시예에서는, 10개 시트의 부직물 천을 실시예 1에 따라 성형하였다. 부직물 천은 미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 이.아이. 듀폰으로부터 상표명 케블라(등록상표) XP™ S102로 구매가능하며, 2층의 단방향으로 정렬된 케블라(등록상표) 129 파라-아라미드 얀을 포함한다. 2층 천 시트의 공칭 평량은 500 g/㎡였다. 10개 시트를 가슴 윤곽체가 서로 겹쳐져 위치하도록 조립체로 적층하였다. 이어서, 25 ㎜ 길이의 택 스티치를 코너를 가로질러 스티칭하여 조립된 패키지에 약간의 밀착성을 제공하였다. 10개 시트의 조립체는 면적 밀도가 5.0 ㎏/㎡였다.
비교예 B
이 비교예에서는, 10개 시트의 편평한 케블라(등록상표) XP™ S102 부직물 천을, 소정 형상으로 성형하지 않고, 조립체로 적층하였다. 이어서, 25 ㎜ 길이의 택 스티치를 코너를 가로질러 스티칭하여 조립된 패키지에 약간의 밀착성을 제공하였다. 10개 시트의 편평한 조립체는 면적 밀도가 5.0 ㎏/㎡였다.
비교예 C
이 비교예에서는, 26개 시트의 천 스타일 726을 비교예 A에 따라 성형하였다. 26개 시트를 가슴 윤곽체가 서로 겹쳐져 위치된 조립체로 적층하였다. 이어서, 25 ㎜ 길이의 택 스티치를 코너를 가로질러 스티칭하여 조립된 패키지에 약간의 밀착성을 제공하였다. 26개 시트의 조립체는 면적 밀도가 5.2 ㎏/㎡였다.
탄도 시험
실시예 2 및 비교예 B와 비교예 C의 조립체를 탄도 시험하고 NIJ 표준에 대해 평가하였다.
방호구는 NIJ 레벨 IIIA에 대해 (436 m/sec +/- 9 m/sec (1430 ft/sec +/- 30 ft/sec)로서 정의되는 기준 속도 (Vo)에서 발사체에 의한 배면 변형(BFD; backface deformation)이 44 ㎜ 이하이어야 한다. 두번째 보고된 값은 V50인데, 이는 발사 중 50%에서 총탄 또는 파편이 방호구 장비를 관통하고 나머지 50%는 관통하지 않을 때의 평균 속도를 확인하는 통계적 척도이다. 측정된 파라미터는 0도에서의 V50인데, 여기서 각도는 표적에 대한 발사체의 경사를 말한다. 실시예 2 및 비교예 3에서, 추가의 발사는 또한 가슴 컵을 표적으로 하였다. 그 결과가 표 1에 나타나있다. 결과는, 유사한 성형 공정을 거친 비교예 C의 직물 천 구조물과 비교하여, 실시예 2가 개선된 배면 변형 및 V50, 즉, 유의하게 더 낮은 배면 변형 및 더 높은 V50을 가짐을 나타낸다. 추가로, 비교예 B에 예시된 바와 같은, 성형되지 않은 동일한 구조의 조립체와 비교할 때, 실시예 2의 성형 공정은 방탄 성능의 어떠한 감소도 야기하지 않는다.
Figure 112012064479838-pct00001

Claims (17)

  1. 가슴 윤곽체(breast contour)가 서로 겹쳐져 위치하도록, 접합 없이, 적층체로 배열된, 여성 가슴의 형상으로 윤곽화된 복수의 별개의 시트 부조립체를 포함하는, 신체 방호구에 사용하기 위한 물품으로서,
    각각의 부조립체는
    (i) 2개 이상의 부직물층 - 각각의 층은 선밀도가 50 내지 4500 dtex이고 강인도(tenacity)가 10 내지 65 g/dtex이고, 모듈러스(modulus)가 150 내지 2700 g/dtex이고, 파단 연신율(elongation to break)이 1 내지 8%인 복수의 부직물 연속 멀티필라멘트 중합체 얀(yarn)을 포함하며, 상기 층 내의 얀은 서로 사실상 평행하게 배열되되, 단, 임의의 하나의 층 내의 얀은 상기 임의의 하나의 층과 접촉하는 임의의 다른 층의 얀의 배향(orientation)에 대해 오프셋 배향됨 -,
    (ii) 열경화성 또는 열가소성 필름 또는 분말의 결합제, 및
    (iii) 하나의 부조립체 내의 코팅 수지, 결합제 및 얀의 총 중량의 백분율로 표시할 때, 결합제 및 코팅 수지의 중량%가 0.5% 내지 30%의 범위가 되게 하는 코팅 수지
    를 포함하는 시트이고,
    상기 부조립체들에는 다트(dart), 솔기(seam), 또는 주름(pleat)이 없는 물품.
  2. 제1항에 있어서, 얀 중합체는 폴리아미드, 폴리올레핀, 폴리아렌아졸, 또는 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 물품.
  3. 제2항에 있어서, 폴리아미드 중합체는 파라-아라미드인 물품.
  4. 제1항에 있어서, 코팅 수지는 열경화성 수지, 열가소성 수지 또는 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 물품.
  5. 제1항에 있어서, 4 내지 60개의 별개의 부조립체를 포함하는 물품.
  6. 순서대로,
    (a) (i) 선밀도가 50 내지 4500 dtex이고, 강인도가 10 내지 65 g/dtex이고, 모듈러스가 150 내지 2700 g/dtex이고, 파단 연신율이 1 내지 8%인 연속 멀티필라멘트 중합체 얀의 2개 이상의 부직물 층 - 각각의 층 내의 얀은 서로 사실상 평행하게 배열되되, 단, 임의의 하나의 층 내의 얀은 상기 임의의 하나의 층과 접촉하는 임의의 다른 층의 얀의 배향에 대해 오프셋 배향됨 -,
    (ii) 결합제, 및
    (iii) 부조립체 내의 코팅 수지, 결합제 및 얀의 총 중량의 백분율로 표시할 때, 결합제 및 코팅 수지의 중량%가 0.5% 내지 30%의 범위가 되게 하는 코팅 수지를 또한 포함하는 편평한 부직물 부조립체 시트를 일정 길이로 절단하는 단계,
    (b) 상기 절단된 시트를 100℃ 내지 160℃의 온도로 예열하는 단계,
    (c) 상기 예열된 시트를, 다트형성 또는 주름형성 없이, 적어도 하나의 윤곽화된 표면을 갖는 주형 내에 위치시키는 단계,
    (d) 100 내지 175℃의 온도 및 0.03 내지 10 ㎫ (0.3 내지 100 bar)의 압력에서 0.5 내지 15분 동안 시트를 성형하여 윤곽화된 부조립체를 형성하는 단계,
    (e) 상기 부조립체를 60℃ 이하의 온도로 냉각하는 단계,
    (f) 상기 부조립체를 상기 주형으로부터 제거하는 단계,
    (g) 원하는 개수의 부조립체를 얻는 데 필요한 만큼 단계 (a) 내지 단계 (f)를 반복하는 단계, 및
    (h) 윤곽체가 서로 겹쳐져 위치하도록 복수의 부조립체를 신체 방호구 물품으로 조립하는 단계
    를 포함하는, 윤곽화된 신체 방호구 물품을 형성하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 단계 (b)는 상기 예열된 시트를, 다트형성 또는 성형 없이, 0.03 내지 10 ㎫ (0.3 내지 100 bar)의 압력에서, 예비 윤곽화된 형상으로 부분적으로 예비형성하는 선택적인 단계를 포함하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 얀 중합체는 폴리아미드, 폴리올레핀, 폴리아렌아졸, 또는 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 코팅 수지는 열경화성 수지, 열가소성 수지 또는 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 단계 (h)에서의 별개의 부조립체의 개수는 4 내지 60개인 방법.
  11. 제8항에 있어서, 폴리아미드 중합체는 파라-아라미드인 방법.
  12. 순서대로,
    (a) (i) 선밀도가 50 내지 4500 dtex이고, 강인도가 10 내지 65 g/dtex이고, 모듈러스가 150 내지 2700 g/dtex이고, 파단 연신율이 1 내지 8%인 연속 멀티필라멘트 중합체 얀의 2개 이상의 부직물 층 - 각각의 층 내의 얀은 서로 사실상 평행하게 배열되되, 단, 임의의 하나의 층 내의 얀은 상기 임의의 하나의 층과 접촉하는 임의의 다른 층의 얀의 배향에 대해 오프셋 배향됨 -,
    (ii) 결합제, 및
    (iii) 부조립체 내의 코팅 수지, 결합제 및 얀의 총 중량의 백분율로 표시할 때, 결합제 및 코팅 수지의 중량%가 0.5 내지 30%의 범위가 되게 하는 코팅 수지를 또한 포함하는 복수의 편평한 부직물 부조립체 시트를 일정 길이로 절단하는 단계,
    (b) 상기 절단된 시트를 100℃ 내지 160℃의 온도로 예열하는 단계,
    (c) 상기 예열된 시트를, 다트형성 또는 주름형성 없이, 적어도 하나의 윤곽화된 표면을 갖는 주형 내에 위치시키는 단계,
    (d) 이형층을 상기 시트의 상부 표면 상에 위치시키는 단계,
    (e) 추가의 예열된 천 시트를, 다트형성 또는 주름형성 없이, 상기 이형층의 위에 위치시키는 단계,
    (f) 원하는 개수의 시트가 주형 내에 있게 될 때까지 단계 (d) 및 단계 (e)를 반복하는 단계,
    (g) 100 내지 175℃의 온도 및 0.03 내지 10 ㎫ (0.3 내지 100 bar)의 압력에서 0.5 내지 15분 동안 시트를 성형하여 복수의 별개의 윤곽화된 부조립체를 형성하는 단계,
    (h) 상기 부조립체를 60℃ 이하의 온도로 냉각하는 단계,
    (i) 상기 부조립체를 상기 주형으로부터 제거하는 단계,
    (j) 각각의 부조립체를 이형층으로부터 분리하는 단계, 및
    (k) 윤곽체가 서로 겹쳐져 위치하도록 복수의 부조립체를 신체 방호구 물품으로 조립하는 단계
    를 포함하는, 윤곽화된 신체 방호구 물품을 형성하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 단계 (b)는 상기 예열된 시트를, 다트형성 또는 성형 없이, 예비 윤곽화된 형상으로 부분적으로 예비형성하는 선택적인 단계를 포함하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 얀 중합체는 폴리아미드, 폴리올레핀, 폴리아렌아졸, 또는 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 코팅 수지는 열경화성 수지, 열가소성 수지, 또는 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  16. 제12항에 있어서, 단계 (k)에서의 별개의 부조립체의 개수는 4 내지 60개인 방법.
  17. 제14항에 있어서, 폴리아미드 중합체는 파라-아라미드인 방법.
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