KR101894815B1 - Epi가 다른 복수의 일방향 아라미드 시트를 이용한 경량화된 방탄재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 EPI가 상이한 일방향 아라미드 시트(UD) 두 종류를 이용한 경량화된 방탄재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 EPI가 높은 일방향 아라미드 시트(UD)를 EPI가 낮은 일방향 아라미드 시트(UD)보다 전면에 위치하도록 적층하여 방탄성능을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해 제조된 방탄재는 기존의 일방향 아라미드 시트(UD)나 하이브리드 매트릭스(Hybrid Matrix)만으로 제조된 방탄재에 비하여 방탄성능의 향상 및 경량화가 가능한 장점이 있다.

Description

EPI가 다른 복수의 일방향 아라미드 시트를 이용한 경량화된 방탄재{LIGHTWEIGHT ANTI-BALLISTIC MATERIAL USING EPI-DIFFERENT UNIDIRECTIONAL ARAMID SHEETS}

본 발명은 EPI가 높은 일방향 아라미드 시트(UD)와 EPI가 낮은 일방향 아라미드 시트(UD)를 이용한 경량화된 방탄재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 EPI가 높은 일방향 아라미드 시트(UD)를 EPI가 낮은 일방향 아라미드 시트(UD) 보다 충격을 받는 전면부에 오도록 적층하여 방탄성능을 향상시킨 방탄재에 관한 것이다.

방탄복은 포탄의 파편 또는 탄환으로부터 인체를 보호하기 위하여 개발된 의류의 일종이며, 외피(Garment)와, 탄도판 및 그 외피(Panal amp; Panel Cover) 그리고 방탄판(Plate)으로 구성되어 있다.

방탄복이 갖추어야 할 가장 중요한 요건들 중 하나는 방탄 성능이다. 방탄용 복합재료는 탄환이나 포탄으로부터 군인 등의 신체를 보호하기 위한 제품으로서, 사용하는 재료에 따라 방탄 성능이 크게 좌우된다.

이러한 방탄용 복합재료 중 고강도 폴리에틸렌(HMPE, High Molecular Weight Polyethylene)은 물보다 낮은 0.98 정도의 낮은 비중을 구비하고 있기 때문에 방탄용 재료로 널리 사용되고 있다. 그러나, 고강도 폴리에틸렌은 사용 중 물리적 충격을 받을 경우 변형이 크게 일어날 수 있고 열에 약해 쉽게 파열되는 문제가 있다.

다른 방탄용 복합재료 중 아라미드 섬유로 통칭되는 전방향족 폴리아미드 섬유는, 벤젠 고리들이 아미드기(-CONH)를 통해 직선적으로 연결된 구조를 갖는 파라계 아라미드 섬유와 그렇지 않은 메타계 아라미드 섬유를 포함한다.

전방향족 폴리아미드 필라멘트는 미국특허 제 3,869,492 호 및 미국특허 제 3,869,430호 등에 게재되어 있는 바와 같이, 방향족 디아민과 방향족 디에시드클로라이드를 N-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 중합용매 중에서 중합시켜 전방향족 폴리아미드 중합체를 제조하는 공정과, 상기 중합체를 농황산 용매에 용해시켜 방사원액을 제조하는 공정과, 상기 방사원액을 방사 구금으로부터 방사하여 방사된 방사물을 비응고성 유체층을 통해 응고액 욕조 내로 통과시켜 필라멘트를 형성하는 공정과, 상기 필라멘트를 수세, 건조 및 열처리하는 공정들을 거쳐 제조된다.

응고방법에 관련된 종래의 기술은 한국공개특허 제2000-52793호에서 미세 모세관을 통해 파라-아라미드 용액을 압출하고, 높은 장력 하에서 생성된 필라멘트를 건조시킴으로써 높은 강도의 파라-아라미드 필라멘트를 제조하는 방법을 제시하고 있다.

또한, 일본공개특허 제11-189916호는 통과필라멘트 질량에 대한 응고액 양 비를 조절함으로써 고강도, 고탄성 아라미드 섬유를 제조하는 방법을 제시하고 있다.

응고액 질량/속도에 관한 특허인 미국등록특허 제4,965,033호와 일본공개특허 제11-189916호는 응고액질량과 필라멘트질량의 비, 방사튜브 내에서의 필라멘트의 속도와 응고액 속도의 비, 오리피스의 직경 등을 제한하고 있다. 미국등록특허 제5,330,698호에서는 응고액 온도를 40~80℃로 유지하여 높은 신도를 얻을 수 있는 방법을 제시하고 있다.

한국공개특허 제2008-22832호는 종래방법에서는 방사물이 상온의 응고액 내에서 서서히 냉각되기 때문에 최종적으로 제조된 필라멘트는 스킨층(S)이 1㎛ 이하 수준으로 얇게 형성되어 강도가 낮은 문제점이 있어, 두꺼운 스킨층을 구비하기 위해 -5℃의 응고욕을 사용하는 방법을 제시하고 있다.

파라계 아라미드 섬유는 고강도, 고탄성, 저수축 등의 우수한 특성을 가지고 있는데, 5㎜의 가느다란 실로 2톤의 자동차를 들어올릴 정도의 막강한 강도를 가지고 있어 방탄용 복합재료로 널리 사용되고 있다.

이러한 아라미드 섬유를 이용한 방탄용 복합재료는, 통상적으로, 아라미드 섬유를 이용하여 아라미드 직물을 제조하고 이러한 아라미드 직물에 고분자 수지를 함침시켜 반경화 아라미드 직물을 제조하고 이러한 반경화 아라미드 직물을 몰드에 여러 겹으로 적층한 후 경화시켜 제조한다.

종래의 일방향 아라미드 시트를 제조함에 있어 일방향 아라미드 시트의 표면에 울트라 박막 폴리에틸렌 필름(Ultra Thin PE film)이 보호필름 형태로 존재하는 예가 있었다.

종래의 일방향 아라미드 시트는 아라미드 원사를 수지에 디핑(Dipping)한 후, 균일한 수지 함량(Resin Content)을 맞추기 위해 짜내어 준다. 그 후, 그 위에 울트라 박막 필름(Ultra Thin Film)을 부착시키거나, 필름 바인더(Film Binder)를 사용 후 원사 표면에 점탄성 물체를 코팅하는 공정으로 제조되나, 제조 공정이 번거로운 문제점이 있었다.

종래의 방탄복 중 하나로서, 나일론 직물을 수십 겹씩 적층하여 제조한 방탄복이나 또는 나일론 직물과 아라미드 직물을 교대로 수십 겹씩 적층하여 제조한 방탄복이 있는데, 이 경우 높은 방탄성능을 얻기 위해서는 직물의 적층수를 증가시켜야 하기 때문에 방탄복의 중량이 너무 커져 착용감이 떨어지는 단점이 있었다.

또한, 일방향(unidirectional, UD) 제품의 방탄 성능은 우수하지만 제조 공정이 복잡하기 때문에, 다른 타입의 방탄 복합재료와 비교하여 제조원가가 높은 편이다. 따라서 물성이 우수한 방탄복을 제조하기 위하여 Kevlarⓡ, Twaronⓡ, Heracronⓡ,Spectralⓡ, Dyneemaⓡ 등의 소재를 사용하여 하이브리드(다종 소재), 다중적층구조 등의 다양한 제조 방법을 개발해왔으나, 상대적으로 하이브리드 방탄복에 대한 연구는 발표된 바가 거의 없다.

이상과 같이, 종래에는 방탄복의 구조 또는 방탄복을 구성하는 직물의 재료 등과 같은 측면의 연구개발을 통해서 착용자의 생존성과 기동성 향상을 위하여 가볍고, 유연하고, 착용감이 우수한 방탄복이 절실히 요구되며, 방탄복의 방탄성능 및 착용감을 향상시키고자 하는 노력이 꾸준히 진행되고 있다. 그러나 종래의 방탄복은 방탄성능은 향상된다 하더라도 중량이 너무 커지는 등 경량화 면에서 아직 만족스러운 결과를 얻지 못하고 있고, 또한 방탄성능 면에서도 초기의 방탄성능은 어느 정도 우수하다 할지라도 장기간 사용함에 따라 방탄성능이 급격히 저하되는 문제점을 보여주고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 종래 방탄재와 동일하거나 더 우수한 방탄성능을 나타내면서도, 경량화된 방탄재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 EPI 21 내지 25의 일방향 아라미드시트와 EPI 15 내지 19의 일방향 아라미드 시트가 포함된 것을 특징으로 한다.

한편, EPI가 상이한 상기 두 종류의 일방향 아라미드 시트의 배열하는 방법에 따라 방탄 성능이 달라진다는 점에 착안하여, 상기 EPI 21 내지 25의 일방향 아라미드시트가 충격을 받는 전면부에 4 내지 8겹으로 적층되고, 그 배면에 상기 EPI 15 내지 19의 일방향 아라미드시트가 22 내지 29겹으로 적층된 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 방법으로 제조된 경량화된 방탄재는 단위제곱미터당 중량이 4.9 내지 5.4kg, 방탄성능은 527 내지 560m/sec 인 것을 특징으로 하며, 종래방법으로 제조된 방탄재 대비 더욱 우수한 성능을 갖는다.

또한, 본 발명의 방탄재는 방탄성능 발현 시 종래방법 대비 약 10% 중량이 가벼운 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단과 같이 본 발명이 구성됨으로써, 본 발명에 따른 EPI가 서로 다른 일방향 아라미드 시트를 적층한 방탄재는 종래 일방향 아라미드 시트나 하이브리드 매트릭스만으로 제조된 방탄재와 비교하여 동일하거나 더 우수한 방탄성능을 나타내면서도, 10% 이상 경량화된 방탄재를 제공하는 것이 가능하다.

이하 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예 등에서 사용된 용어 등은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시한 것에 불과할 뿐 본 발명의 청구범위가 이에 한정되어 해석되어서는 아니된다.

아라미드 원사의 제작

우선 방향족 디아민과 디카르복실산 할라이드를 중합시켜서 방향족폴리아미드 중합물을 제조한다.

방향족 디아민은 파라페닐렌 디아민, 4,4’디아미노비페닐, 2-메틸-파라페닐렌디아민, 2-클로로-파라페닐렌디아민, 2,6-나프탈렌디아민, 1,5-나프탈렌디아민, 4,4’디아미노벤즈아닐리드 등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 방향족 디카르복실산 할라이드는 테레프탈로일클로라이드(TPC), 4,4’벤조일 클로라이드, 2-클로로테레프탈로일 클로라이드, 2,5-디클로로테레프탈로일 클로라이드, 2-메틸테레프탈로일 클로라이드, 2,6-나프탈렌카르복실산 클로라이드, 1,5-나프탈렌카르복실산 클로라이드 등을 들 수 있다.

방사도프는 p-페닐렌디아민과 테레프탈로일클로라이드를 저온 축중합으로 제조된 고유점도(I.V.) 5.5 이상의 방향족폴리아미드 중합물이 사용된다. 이때 5.5 미만이면 방사용액 용해성이 저하되므로 5.5 이상으로 하는 것이 바람직하다.

방사는 습식, 건식, 건습식 등이 사용 가능하지만 특히 건습식 방사법에서 균일한 구조의 방향족 폴리아미드 섬유 제조가 가능하므로 고강도 섬유 제조가 가능하다.

건습식 방사공정을 구체적으로 설명하면, 기어펌프로부터 방향족 폴리아미드 용액을 정량적으로 공급하면, 방사노즐을 통해 토출된 방사원액이 수직방향으로 공기층을 통과하여 응고액의 계면에 도달한다. 사용한 방사노즐의 형태는 통상 원형이다. 용도 면에서 타이어코드 및 산업용임을 감안하고, 용액의 균일한 냉각을 위한 홀 간격 을 고려하여, 홀 개수 를 조절하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 방사속도가 500 내지 1000m/min 이 바람직하며, 이때 방사속도가 500m/min 미만이면 생산성이 떨어지고, 1000m/min 초과하면 필라멘트의 물성이 급격히 저하된다.

방사노즐을 통과한 섬유상의 방사원액이 응고액 속에서 응고될 때, 유체의 직경이 크게 되면 표면과 내부 사이에 응고속도의 차이가 커지므로 치밀하고 균일한 조직의 섬유를 얻기가 힘들어진다. 그러므로 방향족 폴리아미드 용액을 방사할 때 동일한 토출량이라도 적절한 공기층을 유지함으로써 섬유가 보다 가는 직경을 지니며 응고액 속으로 입수할 수 있다. 너무 짧은 공기층 거리는 빠른 표면층 응고와 탈용매 과정에서 발생하는 미세공극 발생분율이 증가하여 연신비 증가에 방해가 되므로 방사속도를 높이기 힘든 반면, 너무 긴 공기층 거리는 필라멘트의 점착과 분위기 온도, 습도의 영향을 상대적으로 많이 받아 공정안전성을 유지하기 힘들다. 상기 공기층은 바람직하게는 3 내지 20mm이다.

EPI가 상이한 하이브리드 일방향 아라미드 시트 방탄재 제작

본 발명은 서로 다른 EPI 성질을 갖는 EPI 21 내지 25의 일방향 아라미드 시트와 EPI 15 내지 19의 일방향 아라미드 시트의 조합으로 구성된 방탄재에 관한 것으로, 충격을 받는 전면부에 EPI 21 내지 25의 일방향 아라미드 시트 층이 4 내지 8겹으로 적층되고, 그 배면에 EPI 15 내지 19의 일방향 아라미드 시트 층이 22 내지 29겹 적층된 것이 바람직하다.

상기 EPI 21 내지 25의 일방향 아라미드 시트가 4겹 미만으로 적층될 경우 충분한 방탄성능을 얻기 어려우며, 8겹을 초과하여 적층될 경우 중량의 증가한다는 단점에 비하여 방탄성능의 향상의 장점을 기대하기 어렵다.

한편 상기 EPI 15 내지 19의 일방향 아라미드 시트가 22겹 미만으로 적층될 경우 EPI가 다른 일방향 아라미드 시트를 조합한 것으로 얻어지는 방탄성능 향상은 기대할 수 없으며, 29겹을 초과하여 적층될 경우 추가되는 비용 대비 방탄 성능 향상을 기대하기 어렵다.

또한, 상기 EPI 21 내지 25의 일방향 아라미드 시트 층이 상기 EPI 15 내지 19의 일방향 아라미드 시트 층보다 충격을 받는 전면부에 위치하는 것이 본 발명의 방탄재 성능을 우수하게 만드는 데 더욱 효과적이다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 경량화된 방탄재는 동일한 방탄중량에서 EPI 21 내지 25의 일방향 아라미드 시트가 6장이 적층된 배면에 EPI 15 내지 19의 일방향 아라미드 시트 25장이 적층되는 것이 가장 바람직하다.

본 발명의 상기 일방향 아라미드 시트는 400de 이상의 아라미드 원사를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 600de 이상의 아라미드 원사를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 800de 이상의 아라미드 원사를 사용할 수 있다.

상기와 같은 방법으로 제조된 일방향 아라미드 시트와 하이브리드 매트릭스로 구성된 방탄재는 방탄중량 5.5kg/㎡ 이하의 무게에서 국제규격으로 사용되는 NIJ-Standard-0101.06 ⅢA 기준을 만족하는 우수한 성능을 나타낸다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 예시적인 목적일 뿐 발명이 이에 한정되는 것은 아니될 것이다.

실시예 1

EPI 22, 섬도 840de인 아라미드 원사와 EPI 17, 섬도 840de인 아라미드 원사를 사용하여, EPI 22, EPI 17의 조직치밀도를 갖는 일방향 아라미드 시트를 각 제조한 뒤, 상기 EPI 22의 일방향 아라미드 시트를 직접 충격을 받는 방탄재의 전면부에 6겹으로 적층하였고, 상기 EPI 17의 일방향 아라미드 시트를 그 배면부에 25겹으로 적층하여 본 발명의 방탄재용 적층구조를 제조하였다.

비교예 1

EPI 14, 섬도 1500de인 아라미드 원사를 사용한 일방향 아라미드 시트 적층하여 방탄재를 제조하였다.

비교예 2

EPI 17, 섬도 840de인 아라미드 원사를 사용한 일방향 아라미드 시트를 적층하여 방탄재를 제조하였다.

비교예 3

EPI 22, 섬도 840de인 아라미드 원사를 사용한 일방향 아라미드 시트를 적층하여 방탄재를 제조하였다.

방탄 성능 평가

시험규격 NIJ-STD-0101.06, LEVEL IIIA, 9mm FMJ 탄을 사용하여 방탄성능을 시험하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구 분	de	EPI	AD(kg/㎡)	Layers		TAD		V50(m/sec)
실시예 1	840	22	0.202	31	6	5.337	1.212	542
		17	0.165		25		4.125
비교예 1	1500	14	0.24	28		6.72		525
비교예 2	840	17	0.165	34		5.61		508
비교예 3	840	22	0.202	27		5.454		540

상기 표 1과 같이 방탄 성능 평가 결과 EPI가 상이한 두 종류의 일방향 아라미드 시트를 사용한 본 발명 방탄재가 Total Arel Density(kg/㎡, 면밀도)가 낮음에도 다른 일방향 아라미드 시트를 사용한 방탄재보다 V50 값이 같거나 높게 측정되었다.

Claims (6)

1. EPI 밀도가 21 내지 25인 일방향 아라미드 시트와 EPI 밀도가 15 내지 19인 일방향 아라미드 시트를 포함하는, 두가지 이상의 일방향 아라미드 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 경량화된 방탄재.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 EPI 21 내지 25의 일방향 아라미드시트가 충격을 받는 전면부에 4 내지 8겹으로 적층되고, 그 배면에 상기 EPI 15 내지 19의 일방향 아라미드시트가 22 내지 29겹으로 적층된 것을 특징으로 하는 경량화된 방탄재.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 경량화된 방탄재는 단위제곱미터당 중량이 4.9 내지 5.4kg이고 방탄성능은 527 내지 560m/sec인 것을 특징으로 하는 경량화된 방탄재.
   
5. 삭제
6. 제1항에 기재된 경량화된 방탄재를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량화된 방탄복.