KR101928863B1 - 복수 방식의 프리프레그를 이용하여 경량화된 방탄헬멧 - Google Patents

복수 방식의 프리프레그를 이용하여 경량화된 방탄헬멧 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본 발명은 필름형 프리프레그 층의 양면에 딥(dip)형 프리프레그를 적층하여 제조된 방탄헬멧으로, 방탄성능 뿐만 아니라 안정성도 우수하며 경량화된 방탄헬멧이다.

Description

복수 방식의 프리프레그를 이용하여 경량화된 방탄헬멧{LIGHTWEIGHT BULLET-PROOF HELMET USING HYBRID PREPREG}
본 발명은 필름형 프리프레그 층의 양면에 딥(dip)형 프리프레그를 적층하여 제조된 방탄헬멧으로, 안정성이 높아 헬멧 성형에 유리하면서도 방탄성능이 우수하며, 중량도 가벼운 경량화된 방탄헬멧이다.
방탄의류는 포탄의 파편 또는 탄환으로부터 인체를 보호하기 위하여 착용하는 보호장비의 일종이다. 따라서 방탄의류가 갖추어야 할 가장 중요한 요건들 중 하나는 방탄 성능이다. 방탄용 복합재료는 탄환이나 포탄으로부터 군인 등의 신체를 보호하기 위한 제품으로서, 사용하는 재료나 제작방법에 따라 방탄 성능이 크게 좌우된다.
그런데, 방탄의류는 기본적으로 인체에 직접 착용하여 임무를 수행하기 위한 보호장비이므로 방탄성능 뿐만 아니라, 임무를 수행하는 동안 행동에 불편을 주는 일이 없도록 착용했을 시의 착용감 또한 우수하여야 한다.
그 중 방탄헬멧은 총탄 및 파편에 저지효과를 갖추고 방탄 후 2차 충격으로 인하여 인체에 치명적인 두부 상해가 발생하는 것을 방지하기 위한 다른 방탄의류보다도 특히 방탄 성능이 특히 강조된다.
방탄헬멧은 아라미드(aramid)와 같은 방탄용 고강도 섬유 등을 적층한 후, 이를 성형하여 제조한다. 일반적으로 섬유의 방사에 있어서는 방사 노즐당 오리피스 개수가 50개 정도로 이루어진 의류용 섬유의 방사보다 방사 노즐당 오리피스 개수가 200 내지 2,000개인 산업용 섬유의 방사 시 많은 기술적 어려움이 있다. 이러한 이유는 오리피스의 개수가 증가함에 따라 균일한 방사 압력을 조절하기가 어려워서 방사 노즐과 분배판을 적절히 설계하여 제작해야 함은 물론, 특히 공기층에서 균일하게 냉각시킬 수 있는 조건과 200 내지 2,000 필라멘트 전체가 균일하게 수세, 건조시킬 수 있는 조건의 조절이 매우 어려우며, 이 때문에 일정 수준 이상의 물성을 발현하는 것과 전체적으로 필라멘트의 균일한 물성을 유지하는 것이 매우 어렵기 때문에 단순히 50가닥 정도의 섬유 물성을 참조하여 산업용 사에 적용하는 것에는 어려움이 있다.
특히, 공기층 방사는 필라멘트 수의 증가에 따라 방사 노즐에 토출된 필라멘트의 점착에 대한 공정 안정성 및 냉각 효율이 달라지므로 방사 노즐의 외경, 오리피스의 직경과 간격뿐만 아니라, 노즐에 아라미드 용액을 균일하게 분산시키는 분배판의 홀 수, 홀 간격, 홀 직경 및 피드롤러를 이용할 경우 장력 등의 조건들이 매우 중요하다.
그리고 공기층 길이, 냉각 공기 부여조건, 응고액의 진행방향 및 방사속도에 따른 건조 조건 등을 고려한 새로운 설계가 필요하며 그 설계에 따라 물성 차이를 유발할 수 있다.
전방향족 폴리아미드 필라멘트는 미국특허 제 3,869,492 호 및 미국특허 제 3,869,430호 [0002] 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.
한편 성능이 우수한 방탄재 및 방탄헬멧에 대하여, 한국등록특허 제944502호는 여러 겹으로 적층되는 방탄섬유 사이에 방탄필름을 한 장 이상 적층하여 방탄헬멧을 제조하는 방법으로 무게를 줄이면서 방탄성능 및 내충격성을 향상시킨 방탄헬멧의 제조방법을 제시하고 있다.
한국등록특허 제1398748호는 방탄용 복합재료 및 이를 이용하여 제조된 방탄성능 및 경량성이 우수하고 충격에 의한 후면 변형을 최소화할 수 있는 방탄용 헬멧을 제시하고 있으며, 고강도의 방탄소재 원단들을 일정한 형태로 조합함으로써 경량성 및 외충격성을 향상시키는 방법을 제안하고 있다.
한국등록실용 제313856호는 폴리에틸렌 일방향 섬유에 열가소성수지를 코팅하고, 내/외층에 열경화성 수지가 코팅된 날개모양 및 사각모양의 동일직조 섬유를 적층 가압하여 얇고 가벼우면서도 방탄성능 및 내충격성이 우수한 방탄헬멧을 제시하고 있다.
미국공개특허 2011-0189914호는 상대적으로 가벼우면서도 전체 성능이 향상된 방탄 소재 시스템 제공하기 위하여, 대칭 하이브리드 구조의 방탄 층들을 제시하고 있다.
이처럼 복합소재를 사용하거나 경화된 소재를 사용하여 방탄헬멧의 성능을 향상시키는 종래 기술들이 존재하나, 여전히 다음과 같은 문제는 해결하지 못하고 있다. 단순히 아라미드 직물에 디핑(dipping)후 적층하여 방탄헬멧을 제조하는 경우 방탄성능은 확보할 수 있지만, 방탄헬멧 쉘의 중량 증가 및 이로 인한 착용감 저하가 발생하는 단점이 있다.
디핑(dipping) 방식으로 제조된 프리프레그(Prepreg)를 (이하 ‘딥형 프리프레그’라고 함) 적층하여 방탄 헬멧을 제조하는 경우 딥형 프리그레그의 뻣뻣한 특성으로 인해 쉘 성형 위한 프리프레그를 적층하기는 쉬운 반면, 성형시 접히는 부분이 많아 성형 후 방탄 헬멧 쉘의 중량 편차가 크게 나타났다. 또한 필름형 프리프레그(Film Type prepreg) 에 비해 방탄 성능이 낮아, 동일한 방탄성능을 발현하기 위해선 필름형 프리프래그 대비 방탄 헬멧 쉘 중량이 증가하고, 이로 인해 착용감이 저하되는 단점이 있다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 직물의 한 면에 수지 필름을 라미네이팅한 방탄재를 사용하여 방탄헬멧을 성형하기도 하나 이 경우 방탄재의 형태 안정성이 낮아, 적층시간이 오래 걸리고 접히는 현상이 발생할 가능성이 높다는 문제점이 있다.
이처럼 방탄헬멧의 경우 두부를 안전하게 보호하기 위하여 특별히 우수한 방탄성능이 요구되지만 그와 동시에 착용감 또한 무시할 수 없으며, 방탄성능과 함께 착용감을 위한 안정성은 항시 적절한 균형을 이루며 유지되어야 한다.
따라서, 방탄 헬멧을 제조하는 데 있어 금형 갭, 성형 온도, 성형 시간, 방탄재 패턴, 적층 겹수, 적층 패턴 등 최적화된 공정인자들이 고려되어야 한다는 점은 자명한 사실이다.
직물의 한 면에 수지 필름을 라미네이팅한 방탄재로 헬멧을 성형하는종래의 기술은 직물의 형태 안정성을 유지하기 어려워 헬멧 성형 시 접히는 문제가 발생할 수 있는데, 동일한 갭에서 헬멧 상부 쪽의 방탄재가 접히게 되면 헬멧의 쉘 중량이 증가하고 이에 따라 착용감이 크게 하락하게 된다. 한편 헬멧 귀 부분의 방탄재가 접혀 두꺼워지면 상부는 얇아지지만, 귀 부위가 두꺼워져 헬멧 쉘 중량이 증가하게 된다.
이처럼 헬멧 상부가 접히면 귀 부분이 얇아지고, 귀 부분이 접히면 상부가 얇아져 상기의 어떤 경우에도 결과적으로 쉘 중량이 증가하게 되므로, 성형 시 형태 안정성을 확보할 기술이 절실히 요구된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 방탄재의 안정성을 확보하면서 방탄성능도 함께 향상시킨 경량화된 방탄헬멧에 관한 것이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 것으로, 필름형 프리프레그 층; 및 상기 필름형 프리프레그 층의 양면에 적층된 딥형 프리프레그를 포함하는 방탄헬멧이다.
본 발명의 상기 필름형 프리프레그는 아라미드 UD 또는 직물에 필름이 적층된 것을 특징으로 하며, 이 때 상기 필름형 프리프레그 100중량부에 대하여 접착액은 7 내지 14 중량부인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 상기 딥형 프리프레그는 아라미드 UD 또는 직물을 접착액에 디핑한 것을 특징으로 하며, 상기 딥형 프리프레그 100중량부에 대하여 접착액은 15 내지 25 중량부인 것이 바람직하다.
본 발명의 방탄헬멧은 20개 성형하였을 시에도 쉘 중량의 변동범위가 5g이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 방탄헬멧은 안정성이 높아 헬멧 성형에 유리하면서도 성형시간이 단축되며, 딥형 프리프레그 방탄헬멧보다 방탄성능이 향상되고 중량도 가벼운 우수한 방탄헬멧이다.
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 원사 제조
주도프액 100중량부에 대비 고유 점도가 5.5 이상인 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) 단위 18 내지 25중량부를 황산에서 용해시킨, 방사도프를 제조하는 단계; 상기 방사도프를 방사노즐을 통해 방사한 후, 방사된 원사를 피드롤러를 사용하여 응고조, 수세조, 공기층을 순차적으로 통과시켜 권취하는 단계;를 포함하고, 상기 원사가 응고조를 통과한 후 수세조에 이르기까지의 수세단계에서는 0.3~0.7g/d의 g/d 이하의 장력, 수세조를 통과한 후 공기층을 지나는 건조단계까지는 0.5~2.0g/d의 장력을 적용하고, 모노필라멘트의 데니어가 2.25 내지 4.5데니어인 것을 특징으로 하는 방향족 폴리아미드 멀티필라멘트의 제조방법을 제공한다.
상기 방향족폴리아미드 멀티필라멘트의 강도는 20g/d 이상이고, 절단 신도는 3.0 내지 4.5%이며 상기방향족폴리아미드 멀티필라멘트의 초기 탄성률이 450 내지 700g/d인 것이 특징이다.
이때,제작되는 방향족 멀티필라멘트의 총섬도는 400 내지 3000데니어인 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 방향족폴리아미드 중합물인 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)는 p-페닐렌디아민과 테레프탈로일클로라이드의 저온 축중합으로 제조되며 고유점도(I.V.) 5.5 이상인 것이 사용된다. 이때 5.5 미만이면 섬유의 강도가 떨어지게 된다.
방사는 습식, 건식, 건습식 등이 사용 가능하지만 특히 건습식 방사법에서 균일한 구조의 방향족 폴리아미드 섬유 제조가 가능하므로 고강도 섬유 제조가 가능하다.
본 발명에 따른 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 노즐 간격을 고려하여, 노즐 개수는 200 내지 1,500 개가 바람직하다.
본 발명에서는 방사속도가 500 내지 1,000m/min이 바람직하며, 이때 방사속도가 500m/min 미만이면 생산성이 떨어지고, 1,000m/min를 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 방지된 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. 상기공기층은 바람직하게는 3 내지 20mm이다.
프레프레그 적층
본 발명은 딥형 및 필름형 프리프레그 층을 제조한 후; 상기 필름형 프리프레그 양면에 딥형 프리프레그를 적층하여 제조한 방탄 헬멧이다.
상기 필름형 프리프레그는, 상기의 방법으로 제조된 아라미드 UD 또는 직물에 필름이 적층된 것을 특징으로 하며, 상기 필름형 프리프레그 100중량부에 대하여 접착액 단위 7 내지 14 중량부인 것을 특징으로 한다. 접착액이 7 중량부 미만인 경우 접착력 및 형태 안정성이 떨어져 방탄성능이 저하될 수 있으며, 14 중량부를 초과하는 경우 중량이 증가하고, 수지함량이 과함으로 인해 방탄성능이 저하될 수 있다.
상기 딥형 프리프레그는 아라미드 직물을 접착액에 디핑한 것을 특징으로 하며, 상기 딥형 프리프레그 100중량부에 대하여 상기 접착액 단위 15 내지 25 중량부 이하인 것이 바람직하다. 접착액이 15중량부 미만인 경우 접착부위가 분리될 위험이 있으며, 25 중량부를 초과하는 경우 중량이 증가하고, 수지함량이 과함으로 인해 방탄성능이 저하될 수 있다.
본 발명의 적절한 실시예에 따르면 본 발명의 방탄헬멧은 20개 성형 시에도 쉘 중량 변동범위가 5g이하로 매우 우수한 안정성을 가진 것을 특징으로 한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 예시적인 목적일 뿐 발명이 이에 한정되는 것은 아니될 것이다.
실시예 1
㈜효성의 파라 아라미드 섬유인 ALKEX 840de 고강도 원사가 적용된 방탄 헬멧용 직물을 제작하고, 접착액 함량은 중량대비 10wt%로 하여 필름형 프리프레그를 제조한 후(Film Type Prepreg born dry 중량 270g/m2 이하) ; 상기 필름형 프리프레그의 양면에 접착액 함량이 중량대비 20wt%인 딥형 프리프래그를 추가로 적층하여 한국형 방탄 헬멧 L 사이즈를 20개 제조하였다.
비교예 1
실시예 1과 동일한 딥형 프리프레그로만 한국형 방탄 헬멧 L 사이즈를 20개 제조하였다.
비교예 2
실시예 1과 동일한 필름형 프리프레그로만 한국형 방탄 헬멧 L 사이즈를 20개 제조하였다.
비교 및 평가
방탄 성능과 쉘 중량을 비교하여 하기 표 1에 나타내었다.
* 한국군 헬멧 L 사이즈 기준으로 쉘 중량을 비교하였음
** 방탄재의 적층된 총 겹(layer) 수는 모두 동일
　구 분 실시예 1 비교예 1 비교예 2
타입　 Dip + Film dip prepreg Film prepreg
평균 쉘 중량(g) 905 920 900
17grain FSP V50(m/sec) 620 587 620
20개 성형시
쉘 중량
변동 범위(g)		 5 30 15
실시예 1 필름형 프리프레그의 양면에 딥형 프리프레그를 적층하여 성형 제작한 방탄헬멧
비교예 1 딥형 프리프레그만 적층하여 성형 제작한 방탄헬멧
비교예 2 필름형 프리프레그만 적층하여 성형 제작한 방탄헬멧
상기 표 1에 나타난 바와 같이 본 발명에 의한 경량화된 방탄 헬멧이 방탄성능 뿐만 아니라 중량 변동범위도 우수한 것을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. 필름형 프리프레그 층; 및
    상기 필름형 프리프레그 층의 양면에 적층된 딥(dip)형 프리프레그를 포함하며,
    20개 성형 시 쉘 중량변동범위가 5g 이하인 것을 특징으로 하는 방탄헬멧.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필름형 프리프레그 층은 아라미드 UD 또는 직물에 필름이 적층된 것을 특징으로 하며, 상기 필름형 프리프레그 층 100중량부에 대하여 접착액 단위 7 내지 14 중량부인 것을 특징으로 하는 방탄헬멧.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 딥(dip)형 프리프레그는 아라미드 UD 또는 직물을 접착액에 디핑(dipping)한 것을 특징으로 하며, 상기 딥(dip)형 프리프레그 100중량부에 대하여 접착액 단위 15 내지 25 중량부인 것을 특징으로 하는 방탄헬멧.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 딥(dip)형 프리프레그는 한 겹 또는 두 겹 이상이 적층된 것을 특징으로 하는 방탄헬멧.
  5. 삭제
KR1020170008587A 2017-01-18 2017-01-18 복수 방식의 프리프레그를 이용하여 경량화된 방탄헬멧 KR101928863B1 (ko)

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