KR101980250B1 - 하이브리드 섬유 일방향성 테이프 및 복합체 라미네이트 - Google Patents

하이브리드 섬유 일방향성 테이프 및 복합체 라미네이트 Download PDF

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아쇼크 바트나가
데이비드 에이. 허스트
로버트 씨. 람스델
로리 엘. 와그너
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허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
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Abstract

단일 겹 내에 다중의 다른 섬유 또는 테이프 타입을 포함하는 섬유/테이프 겹으로 형성된 내탄도성 물질 및 물품. 상기 다른 섬유 또는 테이프 타입은 물리적으로 비유사하지만, 화학적으로 다르거나 실질적으로 화학적으로 유사할 수 있다.

Description

하이브리드 섬유 일방향성 테이프 및 복합체 라미네이트{HYBRID FIBER UNIDIRECTIONAL TAPE AND COMPOSITE LAMINATES}
본 출원은 2012년 5월 17일에 제출된 계류중 미국 임시출원 번호 제61/648,520호에 대하여 우선권을 주장하며, 그 내용은 전체로서 본 명세서에 참조로서 편입된다.
본 발명은 단일 섬유 겹 내에 다중의 다른 섬유 타입을 포함하는 섬유 겹으로 형성된 내탄도성 물질 및 물품에 관련된다.
관련 기술의 설명
고강도 섬유를 함유하는 내탄도성 물품은 잘 알려져 있다. 방탄 조끼, 헬멧, 차량 패널(vehicle panel) 및 군사 장비의 구조 부재와 같은 물품은 전형적으로 고강도 섬유를 포함하는 패브릭(fabric)으로 만들어진다. 초고분자량 폴리에틸렌(ultra-high molecular weight polyethylene) 섬유, 아라미드 섬유, 폴리벤즈옥사졸 섬유, 액정 코폴리에스테르 섬유 및 M5® 경질 막대 섬유와 같은, 많은 타입의 고강도 섬유가 알려져 있다. 예를 들면, 본 명세서와 일치하는 범위에서 참조로서 편입되는, 미국 특허 제4,403,012호, 제4,457,985호, 제4,613,535호, 제4,623,574호, 제4,650,710호, 제4,737,402호, 제4,748,064호, 제5,552,208호, 제5,587,230호, 제6,642,159호, 제6,841,492호, 제6,846,758호에는, 초고분자량 폴리에틸렌으로 형성된 내탄도성 복합체가 기재되어 있다.
각각의 섬유 타입은 그 자체의 고유의 성질 및 특성을 가지므로, 그 결과, 고강도 섬유로 제조된 복합체의 특성은 이용된 섬유 타입에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 아라미드 섬유는 그 표면이 극성 작용기를 함유하기 때문에, 고표면 에너지를 가지고, 따라서, 수지는 일반적으로 아라미드 섬유에 대해 강한 친화성을 나타낸다. 이에 비해, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유는 본래 비활성이고 일반적으로 수지 코팅에 대해 보다 약한 친화성을 나타낸다. 이런 차이점은 복합체의 바람직한 최종 용도에 따라 중요할 수 있다.
내탄도성에 영향을 미치는 다른 요소는 패브릭 구조체의 타입이다. 예를 들어, 방탄 조끼와 같은 적용처에 있어서, 섬유를 중합성 바인더로 코팅하지 않고 직조 또는 편직(knitted) 패브릭을 제조하여, 가요성 패브릭 복합체를 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 방탄 헬멧과 같은 다른 적용처에 있어서, 중합성 바인더 물질 안에 섬유를 캡슐화하거나 매립하여 부직의, 경질(rigid) 패브릭 복합체를 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
이 점에서, 부직의, 일방향성 복합체는 방호 산업에서 가장 고성능 물질 중 하나이다. 부직의, 일방향성 복합체를 제조하는 전형적인 방법에서, 일방향으로 배열된 섬유의 다중 겹이 적층되고, 배향(orientation), 열 및 압력으로 함께 프레스되어 복합체를 생성한다. 다른 섬유 타입의 다른 특성을 이용하기 위해, 상이한 섬유 타입으로 형성된 섬유 겹들이 단일의 방호 구조로 결합되는, 하이브리드 부직 복합체를 형성하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 미국 특허 제5,179,244호 및 제5,180,880호는 아라미드 및 비-아라미드 섬유 겹이 결합 구조로 합쳐지는 방탄복을 교시한다. 또한, 미국 특허 제6,119,575호는 제 1 중합성 매트릭스 내 적어도 1겹의 방향족 섬유, 적어도 1겹의 직조 플라스틱, 및 제 2 중합성 매트릭스 내 적어도 1겹의 폴리올레핀 섬유를 포함하는 하이브리드 구조를 교시한다.
미국 특허 제5,179,244호; 제5,180,880호; 및 제6,119,575호에 서술된 각각의 복합체에서, 각각의 개별 구성요소 겹은 오직 하나의 섬유 타입으로 구성되고, 여기서 하나의 일방향성 섬유 겹은 전부 하나의 섬유 타입으로 구성되며, 또 다른 섬유 겹은 또 다른 섬유 타입으로 구성된다. 이러한 구조체는 수지 접착, 컨솔리데이션(consolidation) 온도, 마찰 성질, 컷트 저항 등과 같은, 다른 섬유의 상이한 특성을 충분히 이용하지 못한다. 또한, 이들의 물리적 구조체의 본성 때문에, 이러한 하이브리드 구조는 복합체 동종성 및 복합체 내 각 섬유 타입의 퍼센트에 지나치게 한정된다. 당해 기술분야에는 이런 문제점에 대한 해결책의 필요가 존재하고, 본 발명은 이런 필요에 해결책을 제공한다. 구체적으로, 단일 섬유 겹 내에 다른 타입의 섬유를 결합시킴으로써, 각 섬유 타입의 다양한 특성이 서로를 보다 보완하여 이로써 향상된 내탄도성 복합체를 형성하는, 시너지 효과가 획득됨이 발견되었다.
복합체의 내탄도관통성(ballistic penetration resisitance)은 복합체의 구성성분 섬유의 강도에 직접적으로 관련되는바, 강인성 및/또는 인장 모듈러스와 같은 섬유 강도 특성의 증가는 V50 속도의 증가와 상관관계가 있다. 따라서, 높은 인장 특성을 갖는 섬유, 예컨대 초고분자량 폴리에틸렌 섬유는 본 명세서에서 바람직하다. 또한, 백페이스 시그너쳐(backface signature)(당해 기술분야에 "백페이스 변형(backface deformation)", "트라우마 시그너쳐(trauma signature)" 또는 "둔기 외상(blunt force trauma)"으로도 알려짐) 및 수지/섬유 인터페이스에서 섬유 상의(on) 수지 코팅의 결합 강도 사이에 직접적인 상관관계가 있는바, 보다 강한 결합 강도는 보다 낮은 백페이스 시그너쳐와 상관관계가 있다. 따라서, 수지/폴리머 코팅에 강한 친화성을 갖는 섬유, 예컨대 아라미드 섬유는 본 명세서에서 바람직하다.
다른 고성능 구조 섬유, 예컨대 카본 섬유, 유리 섬유, 및 폴리에스테르 섬유, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유는 열적 안정성, 내마모성, 컷트 저항 및 충격 에너지 흡수와 같은 다른 바람직한 특성을 제공하는 것으로 알려진다. 본 발명의 섬유질 물질은, 다른 바람직한 특성을 절충하거나 희생하지 않으면서 각 섬유 타입에 의해 제공되는 다른 이로운 특성을 이용하기 위해, 적어도 2가지의 다른 섬유 타입을 결합함으로써 형성되는 하나 이상의 하이브리드 섬유 겹으로부터 형성된다.
본 발명은 적어도 하나의 하이브리드 겹을 포함하는 물질을 제공하고, 상기 하이브리드 겹은 다수의 섬유 또는 다수의 테이프를 포함하며, 상기 다수의 섬유는 적어도 2가지의 물리적으로 다른 섬유 타입을 포함하고 상기 다수의 테이프는 적어도 2가지의 물리적으로 다른 테이프 타입을 포함하며, 물리적으로 다른 섬유 또는 테이프 타입은 적어도 하나의 비유사 물리적 특성을 갖는다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 하이브리드 겹을 포함하는 부직 물질을 제공하고, 각각의 하이브리드 겹은 다수의 일방향으로 배향된, 실질적으로 평행한 섬유 또는 다수의 일방향으로 배향된, 실질적으로 평행한 테이프를 포함하며, 상기 다수의 섬유는 적어도 2가지의 물리적으로 다른 섬유 타입을 포함하고 상기 다수의 테이프는 적어도 2가지의 물리적으로 다른 테이프 타입을 포함하며, 물리적으로 다른 섬유 또는 테이프 타입은 적어도 하나의 비유사 물리적 특성을 가지며, 각각의 하이브리드 겹 내 인접된 평행한 섬유 또는 인접된 평행한 테이프는 다른 섬유 타입 또는 다른 테이프 타입이다.
우수한 구조적 특성, 우세한 내탄도관통성 및 낮은 백페이스 시그너쳐 성능의 균형을 달성하는 복합체 및 다른 섬유질 물질이 제공된다.
본 명세서에서 사용된, "하이브리드(hybrid)"는 2 이상의 다른 성분을 결합함으로써 만들어진 것이라는 일반적이고 통상적인 의미를 가지는데, 본 발명의 맥락에서는 2 이상의 다른 섬유 타입, 2 이상의 다른 테이프 타입, 또는 이의 조합이다. "하이브리드 겹"은 다수의(a plurality of) 섬유를 포함할 수 있고, 상기 다수의 섬유는 적어도 2가지의 물리적으로 다른 섬유 타입을 포함하며, 물리적으로 다른 섬유 타입은 적어도 하나의 비유사 물리적 특성을 갖는다. 변형적으로, "하이브리드 겹"은 다수의 테이프를 포함할 수 있고, 상기 다수의 테이프는 적어도 2가지의 물리적으로 다른 테이프 타입을 포함하며, 물리적으로 다른 테이프 타입은 적어도 하나의 비유사 물리적 특성을 갖는다.
본 명세서에서 사용된, 다른 섬유/테이프 타입은 최소한 물리적으로 다른 섬유/테이프 타입인 섬유/테이프, 즉 적어도 하나의 비유사 물리적 특성을 갖는 섬유/테이프를 의미한다. 섬유/테이프의 물리적 특성의 예는 섬유/테이프 인장 특성, 예컨대 강인성, 초기 인장 모듈러스, 최대 인장 강도 및 최대 신장률/파단시-신율(elongation-at-break)을 포함한다. 다른 물리적 특성은 섬유/테이프 밀도, 섬유/테이프 데니어(denier), 필라멘트당 데니어, (ASTM D6992로 결정되는 경우) 크리프 성향(creep tendency), 섬유/테이프 직경, (유전체 특성, 예컨대 유전 상수, 및 손실 탄젠트 특성을 포함하는) 전기적 특성, 및 섬유/테이프 축 및 횡 방향 내 열적 팽창 계수를 포함하는 열적 특성을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 사용된, 물리적 특성은 섬유/테이프 표면의 물리적 성질, 예컨대 섬유/테이프 표면 마감재의 존재 또는 부존재, 또는 섬유/테이프 표면이 플라즈마 처리 또는 코로나 처리와 같은 것으로 처리되었는지 여부를 포함한다. 다양한 표면 처리법은 계류중 출원 일련번호 제61/531,233호; 제61/531,255호; 제61/531,268호; 제61/531,302호; 및 제61/531,323호에 서술되고, 이들은 전부 본 명세서에 참조로서 편입된다.
본 발명의 목적으로, "섬유(fiber)"는 폭 및 두께의 가로 치수보다 길이 치수가 훨씬 더 큰 신장형 몸체이다. 본 발명에 이용하기 위한 섬유의 횡단면은 상당히 다를 수 있고, 횡단면으로 원형, 편평 또는 길쭉할(oblong) 수 있다. 따라서 용어 "섬유"는 필라멘트, 리본(ribbon), 스트립 및 기타 규칙적 또는 불규칙 횡단면을 갖는 것일 수 있으나, 섬유는 실질적으로 원형의 횡단면을 갖는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 사용된, 용어 "얀(yarn)"은 다중의 섬유 및 필라멘트로 이루어진 단일의 연속 가닥(strand)으로 정의된다. 단일 섬유는 단지 하나의 필라멘트로부터 또는 다중의 필라멘트로부터 형성될 수 있다. 단지 하나의 필라멘트로부터 형성된 섬유는 본 명세서에서 "단일-필라멘트(single-filament)" 섬유 또는 "모노필라멘트(monofilament)" 섬유로 언급되고, 다수의 필라멘트로 형성된 섬유는 본 명세서에서 "멀티필라멘트(multifilament)" 섬유로 언급된다. 또한, 본 명세서에서 멀티필라멘트 섬유의 정의는 유사-모노필라멘트 섬유를 포괄하는데, 유사-모노필라멘트 섬유는 적어도 부분적으로 함께 융합되어서 모노필라멘트 섬유처럼 보이는 멀티필라멘트 섬유를 서술하는 기술 용어이다. 본 발명의 멀티필라멘트 섬유는 바람직하게는 2 내지 약 1000 필라멘트, 보다 바람직하게 30 내지 500 필라멘트, 보다 더 바람직하게 100 내지 500 필라멘트, 보다 더 바람직하게 약 100 필라멘트 내지 약 250 필라멘트 및 가장 바람직하게는 약 120 내지 약 240 필라멘트를 포함한다. 또한 멀티필라멘트 섬유는 당해 기술분야에서 섬유의 다발(bundles of fibers)로서 언급된다.
본 명세서에서 사용된 "섬유 겹(fiber ply)" 또는 "테이프 겹"은 실질적으로 오버랩되지 않은 일방향으로 배향된 섬유, 섬유질 테이프, 비섬유질 테이프, 또는 이의 조합의 일반적으로 평면 층(planar stratum) 또는 단일 시트를 포함할 수 있다. 대안적으로, 이는 실질적으로 평행한 섬유/테이프의 배열로 서술될 수 있다. 또한 이런 타입의 섬유/테이프 배치는 당해 기술분야에서 "유니테이프(unitape)", "일방향성 테이프(unidirectional tape)", "UD" 또는 "UDT"로서 알려진다. 본 명세서에서 사용된, "배열(array)"은 직조 패브릭을 제외한, 섬유, 얀 또는 테이프의 질서있는 배치를 말하고, "평행한 배열"은 섬유, 얀 또는 테이프의 질서있는 평행한 배치를 말한다. "배향된 섬유"의 맥락에서 이용된 용어 "배향된(oriented)"은 섬유의 정렬(alignment)을 언급한다. "섬유 겹"은 또한 직조 패브릭을 언급할 수도 있다. 단일 "겹"은 적층되고 합쳐진 실질적으로 평행한 섬유/테이프의 다중의 배열 또는 다중의 직조 패브릭을 병합하는 통합된 구조를 배제한다.
반면, 본 명세서에서 사용된 "섬유층(fiber layer)" 또는 "테이프층"은 단일-겹의 일방향으로 배향된 섬유/테이프, 다수의 통합된 겹의 일방향으로 배향된 섬유/테이프, 직조 패브릭, 다수의 통합된 직조 패브릭, 또는 펠트, 매트, 및 무작위 배향된 섬유/테이프를 포함하는 것과 같은 다른 구조를 포함하는, 다수의 섬유/테이프로부터 형성된 임의의 다른 패브릭 구조를 포함할 수 있다. "층(layer)"은 일반적으로 평면적 배치를 말한다. 하나의 섬유층은 바깥쪽 상부면 및 바깥쪽 하부면을 모두 가질 것이다.
용어 "패브릭(fabric)"은 겹을 몰딩(mold) 또는 컨솔리데이션 하거나 하지않은, 하나 이상의 섬유 겹을 포함할 수 있는 구조를 말한다. 예를 들면, 직조 패브릭 또는 펠트는 단일 섬유 겹을 포함할 수 있다. 일방향성 섬유/테이프로 형성된 부직 패브릭은 전형적으로 서로에 대해 적층되고 컨솔리데이트되는 다수의 섬유 겹을 포함한다. 본 명세서에 사용되는 경우, "단층(single-layer)" 구조는 선택적으로 중합성 바인더 물질과 함께 단일의 일원화 구조로 합쳐진 즉, 저압 라미네이션 또는 고압 몰딩에 의해 컨솔리데이트된, 하나 이상의 개별 겹 또는 개별 층으로 구성된 임의의 일체식(monolithic) 섬유질 구조를 언급한다. "컨솔리데이팅(consolidating)"이란 각 섬유 겹과 함께 중합성 바인더 물질이 단일의 일원화 층으로 결합된 것을 의미한다. 컨솔리데이션은 건조, 냉각, 가열, 압력 또는 이의 조합을 통해 일어날 수 있다. 섬유/테이프 또는 패브릭 층이 함께 부착될 수 있기 때문에, 가열 및/또는 압력은 필요 없을 수 있으며, 이는 습식 라미네이션 공정의 경우에 해당된다. 용어 "복합체(composite)"는 섬유/테이프와, 전형적으로 적어도 하나의 중합성 바인더 물질의 조합을 언급한다. "컴플렉스 복합체(complex composite)"는 다수의 섬유/테이프 층의 컨솔리데이트된 조합을 언급한다. 본 명세에 사용된, "부직(non-woven)" 패브릭은 직조(weaving)에 의해 형성되지 않은 모든 패브릭 구조를 포함한다. 예를 들어, 부직 패브릭은 적어도 부분적으로 중합성 바인더 물질로 코팅되고, 적층/오버랩되고 단층의 일체식 성분으로 컨솔리데이트된 다수의 유니테이프, 뿐만 아니라 중합성 바인더 조성물로 바람직하게는 코팅된 비-평행의 무작위 배향된 섬유를 포함하는 펠트 또는 매트를 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된, 용어 "테이프"는 섬유질 또는 비섬유질 물질의 좁은 스트립을 언급한다. 일반적으로 테이프는 실질적으로 직사각형의 횡단면을 갖고, 약 0.5 ㎜ 미만의, 보다 바람직하게는 약 0.25 ㎜ 미만의, 보다 더 바람직하게는 약 0.1 ㎜ 미만의, 보다 더 바람직하게는 약 0.05 ㎜ 미만의 두께를 갖는 평평한 구조이다. 가장 바람직한 구현 예에서, 중합성 테이프는 최대 약 3 mils (76.2 ㎛), 보다 바람직하게는 약 0.35 mils (8.89 ㎛) 내지 약 3 mils (76.2 ㎛), 및 가장 바람직하게는 약 0.35 mils 내지 약 1.5 mils (38.1 ㎛)의 두께를 가진다. 두께는 횡단면의 가장 두꺼운 영역에서 측정된다. 일반적으로 테이프는 약 6 인치(inches) (15.24 ㎝)의 폭을 가지며, 바람직한 폭은 약 2.5 ㎜ 내지 약 50 ㎜, 보다 바람직하게는 약 5 ㎜ 내지 약 50 ㎜, 보다 더 바람직하게는 약 5 ㎜ 내지 약 25.4 ㎜ (1 인치), 보다 더 바람직하게는 약 5 ㎜ 내지 약 20 ㎜, 가장 바람직하게는 약 5 ㎜ 내지 약 10 ㎜ 이다. 이들 치수는 달라질 수 있으나 본 명세서에서 형성된 중합성 테이프는 약 3:1 초과, 보다 바람직하게는 적어도 약 5:1, 보다 더 바람직하게는 적어도 약 10:1, 보다 더 바람직하게는 적어도 약 20:1, 보다 더 바람직하게는 적어도 약 50:1, 보다 더 바람직하게는 적어도 약 100:1, 보다 더 바람직하게는 적어도 약 250:1의, 테이프 물품의 길이에 대해 평균을 낸 평균 횡단면 종횡비(aspect ratio), 즉, 횡단면의 가장 작은 치수에 대한 가장 큰 치수의 비율,을 달성하는 치수를 가지도록 가장 바람직하게는 제조되고, 가장 바람직한 중합성 테이프는 적어도 약 400:1의 평균 횡단면 종횡비를 가진다.
테이프는 섬유질 물질 또는 비섬유질 물질일 수 있다. "섬유질(fibrous)" 테이프 물질은 하나 이상의 필라멘트를 포함하는 테이프이다. 본 발명의 중합성 테이프의 횡단면은 직사각형, 타원형, 다각형, 불규칙, 또는 본 명세서에 서술된 폭, 두께 및 종횡비 요건을 충족하는 임의의 모양일 수 있다.
섬유질 테이프의 제조 방법은, 예를 들어, 미국 특허 제8,236,119호 및 미국 특허 출원 일련번호 제13/021,262호; 제13/494,641호; 제13/568,097호; 제13/647,926호 및 제13/708,360호에 서술되고, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참조로서 편입된다. 다른, 섬유질 테이프의 제조 방법은 예를 들어, 미국 특허 제2,035,138호; 제4,124,420호; 제5,115,839호에 서술된 것, 또는 좁은 직조 패브릭 또는 리본을 직조하는데 특성화된 리본 방직기(loom)의 이용에 의한 것이다. 유용한 리본 방직기는, 예를 들어, 미국 특허 제4,541,461호; 제5,564,477호; 제7,451,787호 및 제7,857,012호에 서술되고, 이들 각각은 Textilma AG(Stansstad, Switzerland)에 양수되고, 본 명세서와 일치하는 범위에서 참조로서 편입되나, 임의의 대체가능한 리본 방직기는 동등하게 유용하다. 또한, 중합성 테이프는 다른 통상적으로 알려진 방법, 예컨대 압출, 인발성형, 슬릿 필름 기법 등으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 표준 두께의 유니테이프는 바람직한 길이를 갖는 테이프로 절단되거나 슬릿(slit)될 수 있다. 슬릿 장치의 예가 미국 특허 제6,098,510호에 개시되고, 이는 시트 물질 웹이 롤 상으로 감길 때 이를 슬릿하는 장치를 교시한다. 슬릿 장치의 다른 예는 미국 특허 제6,148,871호에 개시되고, 이는 다수의 블레이드로 중합성 필름의 시트를 다수의 필름 스트립으로 슬릿하는 장치를 교시한다. 미국 특허 제6,098,510호 및 제6,148,871호의 개시 내용은 일치하는 범위에서 본 명세서에 참조로서 편입된다. 부직의 비섬유질 중합성 테이프의 제조 방법은, 예를 들어, 미국 특허 제7,300,691호; 제7,964,266호 및 제7,964,267호에 서술되고, 이는 본 명세서에 참조로서 편입된다. 각각의 이들 테이프 구현 예에 대하여, 다층의 테이프-기반 물질이, 중합성 바인더 물질과 함께 또는 없이, 섬유질 물질과 유사한 방식으로 적층되고 컨솔리데이트/몰드될 수 있다.
비섬유질 중합성 테이프는 통상적으로 알려진 방법, 예컨대 압축, 인발성형, 슬릿 필름 기법, 섬유를 압축하는/평탄화하는 기법 등으로 형성된다. 예를 들어, 표준 두께의 유니테이프는 바람직한 길이를 갖는 테이프로 절단되거나 슬릿될 수 있고, 이는 멀티-겹의 부직 섬유층으로부터 테이프를 생성하는 바람직한 방법이다. 슬릿 장치의 예가 미국 특허 제6,098,510호에 개시되고, 이는 시트 물질 웹이 롤 상으로 감길 때 이를 슬릿하는 장치를 교시한다. 슬릿 장치의 다른 예는 미국 특허 제6,148,871호에 개시되고, 이는 다수의 블레이드로 중합성 필름의 시트를 다수의 필름 스트립으로 슬릿하는 장치를 교시한다. 미국 특허 제6,098,510호 및 제6,148,871호의 개시 내용은 일치하는 범위에서 참조로서 편입된다. 다른 예시적인 방법은, 미국 특허 제7,300,691호; 제7,964,266호 및 제7,964,267호에 서술되고, 이는 일치하는 범위에서 본 명세서에 참조로서 편입된다. 패브릭의 얇은 스트립을 직조함으로써 좁은 테이프 구조를 형성하는 것도 공지이며, 이는 일반적으로 임의의 통상의 직조 기계의 셋팅을 조정함으로써 달성될 수 있는바, 일치하는 범위에서 본 명세서에 참조로서 편입되는 미국 특허 제2,035,138호; 제4,124,420호; 제5,115,839호에 개시된 것, 또는 좁은 직조 패브릭 또는 리본을 직조하는데 특성화된 리본 방직기의 이용에 의한 것과 같다. 유용한 리본 방직기는, 예를 들어, 미국 특허 제4,541,461호; 제5,564,477호; 제7,451,787호 및 제7,857,012호에 서술되고, 이들 각각은 Textilma AG(Stansstad, Switzerland)에 양수되고, 본 명세서와 일치하는 범위에서 참조로서 편입되나, 임의의 대체가능한 리본 방직기는 동등하게 유용하다.
하이브리드 섬유 겹 내 적어도 일부의 섬유는 고강도, 고 인장 모듈러스 중합성 섬유이다. 본 명세서에서 사용된, "고강도, 고 인장 모듈러스" 섬유는 각각 ASTM D2256 섬유로 측정시, 적어도 약 7 g/데니어 이상의 바람직한 강인성, 적어도 약 150 g/데니어 이상의 바람직한 인장 모듈러스, 및 바람직하게는 적어도 약 8 J/g 이상의 파괴 에너지(energy-to-break)를 갖는 것이다. 본 명세서에서 사용된, 용어 "데니어(denier)"는, 9000 미터의 섬유당 그램 질량과 동일한(equal to the mass in grams per 9000 meters of fiber), 선밀도(linear density)의 단위를 언급한다. 본 명세서에서 이용된, 용어 "강인성(tenacity)"은 비응력(unstressed) 견본의 단위 선밀도(데니어)당 힘(그램)으로 표현되는 인장 응력(tensile stress)을 언급한다. 섬유의 "초기 모듈러스(initial modulus)"는 변형에 대한 저항력을 나타내는 물질의 특성이다. 용어 "인장 모듈러스(tensile modulus)"는 본래의 섬유 길이의 분율(in/in)로 표현되는 스트레인(strain)의 변화에 대한 데니어당 그램-힘(g/d)으로 표현되는 강인성의 변화의 비율을 언급한다.
특히 적절한 고강도, 고 인장 모듈러스 섬유는 고밀도 및 저밀도 폴리에틸렌을 포함하는, 폴리올레핀 섬유를 포함한다. 연장된 쇄 폴리올레핀 섬유, 예컨대 매우 배향된, 고분자량 폴리에틸렌 섬유, 구체적으로는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 및 폴리프로필렌 섬유, 구체적으로는 초고분자량 폴리프로필렌 섬유가 특히 바람직하다. 또한, 아라미드 섬유, 구체적으로는 파라-아라미드 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유, 연장된 쇄 폴리비닐 알코올 섬유, 연장된 쇄 폴리아크릴로니트릴 섬유, 폴리벤즈옥사졸(PBO) 섬유, 폴리벤조티아졸(PBT) 섬유, 액정 코폴리에스테르 섬유, M5® 섬유와 같은 경질 막대 섬유, 및 전기적 등급 섬유유리(E-유리; 우수한 전기적 특성을 갖는 저알칼리 보로실리케이트 유리), 구조적 등급 섬유유리(S-유리; 고강도 마그네시아-알루미나-실리케이트) 및 저항성 등급 섬유유리(R-유리; 산화마그네슘 또는 산화칼슘이 없는 고강도 알루미노 실리케이트 유리)를 포함하는, 유리 섬유가 적절하다. 이들 섬유 타입 각각은 당해 기술분야에 통상적으로 알려져 있다. 또한, 상술한 물질의 코폴리머, 블록 폴리머 및 블렌드는 중합성 섬유의 생성에 적절하다.
가장 바람직한 섬유 타입은 폴리에틸렌, 구체적으로 연장된 쇄 폴리에틸렌 섬유, 아라미드 섬유, PBO 섬유, 액정 코폴리에스테르 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 구체적으로 매우 배향된 연장된 쇄 폴리프로필렌 섬유, 폴리비닐 알코올 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유 및 경질 막대 섬유, 구체적으로 M5® 섬유를 포함한다.
폴리에틸렌의 경우, 바람직한 섬유는 적어도 300,000의, 바람직하게는 적어도 100만의, 보다 바람직하게는 200만 내지 500만의 분자량을 갖는 연장된 쇄 폴리에틸렌이다. 이러한 연장된 쇄 폴리에틸렌(ECPE) 섬유는 본 명세서에 참조로서 편입되는 미국 특허 제4,137,394호 또는 제4,356,138호에 서술된 바와 같이 용액 방사 방법으로 성장되거나, 본 명세서에 참조로서 편입되는 미국 특허 제4,413,110호; 제4,536,536호; 제551,296호; 제4,663,101호; 제5,006,390호; 제5,032,338호; 제5,578,374호; 제5,736,244호; 제5,741,451호; 제5,958,582호; 제5,972,498호; 제6,448,359호; 제6,746,975호; 제6,969,553호; 제7,078,099호; 제7,344,668호 및 미국 특허출원공보 제2007/0231572호에 서술된 바와 같이, 용액으로부터 스핀되어 겔 구조를 형성할 수 있다. 특히 바람직한 섬유 타입은 허니웰 인터내셔널 Inc.의 상표명 SPECTRA® 하에 판매되는 임의의 폴리에틸렌 섬유이다. SPECTRA® 섬유는 당해 기술분야에 잘 알려져 있다. 또한 다른 유용한 폴리에틸렌 섬유 타입은 Royal DSM N.V. Corporation(Heerlen, The Netherlands)으로부터 상업적으로 이용가능한 DYNEEMA® UHMWPE 얀을 포함한다.
바람직한 아라미드 (방향족 폴리아미드) 또는 파라-아라미드 섬유는 상업적으로 이용가능하며, 예를 들어, 미국 특허 제3,671,542호에 서술된다. 예를 들어, 유용한 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) 필라멘트는 상표명 KEVLAR® 하에 DuPont에 의해 상업적으로 생산된다. 또한, 상표명 NOMEX® 하에 DuPont(Wilmington, DE)에 의해 상업적으로 생산되는 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드) 섬유 및 상표명 TWARON®으로 Teijin Aramid Gmbh(Germany)에 의해 상업적으로 생산되는 섬유; 상표명 HERACRON®으로 Kolon Industries, Inc.(Korea)에 의해 상업적으로 생산되는 아라미드 섬유; Kamensk Volokno JSC(Russia)에 의해 상업적으로 생산되는 p-아라미드 섬유 SVMTM 및 RUSARTM 및 JSC Chim Volokno(Russia)에 의해 상업적으로 생산되는 p-아라미드 섬유 ARMOSTM 가 본 발명의 실시에 유용하다.
본 발명의 실시를 위해 적절한 PBO 섬유는 상업적으로 이용가능하고, 예를 들어, 본 명세서에 참조로서 편입되는 미국 특허 제5,286,833호, 제5,296,185호, 제5,356,584호, 제5,534,205호 및 제6,040,050호에 개시된다. 본 발명의 실시에 적절한 액정 코폴리에스테르 섬유는 상업적으로 이용가능하고, 예를 들어, 본 명세서에 참조로서 편입되는 미국 특허 제3,975,487호; 제4,118,372호 및 제4,161,470호에 개시되며, Kuraray Co., Ltd.(Tokyo, Japan)로부터 상업적으로 이용가능한 VECTRAN® 액정 코폴리에스테르 섬유를 포함한다. 적절한 폴리프로필렌 섬유는 본 명세서에 참조로서 편입되는 미국 특허 제4,413,110호에 서술된 매우 배향된 연장된 쇄 폴리프로필렌(ECPP) 섬유를 포함한다. 적절한 폴리비닐알코올(PV-OH) 섬유는, 예를 들어, 본 명세서에 참조로서 편입되는 미국 특허 제4,440,711호 및 제4,599,267호에 서술된다. 적절한 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유는, 예를 들어, 본 명세서에 참조로서 편입되는 미국 특허 제4,535,027호에 개시된다. 이들 섬유 타입은 각각 통상적으로 알려져 있으며 상업적으로 널리 이용가능하다.
M5® 섬유는 피리도비스이미다졸-2,6-디일 (2,5-디하이드록시-p-페닐렌)으로 형성되고, Magellan Systems International(Richmond, Virginia)에 의해 가장 최근 제조되었으며, 예를 들어 본 명세서에 참조로서 편입되는 미국 특허 제5,674,969호, 제5,939,553호, 제5,945,537호 및 제6,040,478호에 서술된다.
유용한 유리 섬유는 AGY(Aiken, South Carolina)으로부터 상업적으로 이용가능한 S-유리 섬유, S2-유리® 섬유 및 3B Fibreglass(Battice, Belgium)로부터 상업적으로 이용가능한 HiPerTexTM E-유리 섬유를 포함한다. 또한 Saint-Gobain(Courbevoie, France)으로부터 상표명 VETROTEX®로 상업적으로 이용가능한 것과 같은, R-유리 섬유가 적절하다. 또한, 모든 상술한 물질의 조합이 적절하다.
섬유질 테이프 물질은 임의의 상술한 섬유/필라멘트 타입을 이용하여 상술한 방법에 따라 제조될 수 있다. 특히 적절한 고강도, 고 인장 모듈러스 비섬유질 중합성 테이프 물질은 폴리올레핀 테이프이다. 바람직한 폴리올레핀 테이프는 E. I. du Pont de Nemours and Company(Wilmington, DE)로부터 상업적으로 이용가능한 상표명 TENSYLON®로 상업적으로 이용가능한 것과 같은, 폴리에틸렌 테이프를 포함한다. 예를 들어, 본 명세서에 참조로서 편입되는 미국 특허 제5,091,133호; 제7,964,266호 및 제7,964,267호 참조. 또한, Milliken & Company(Spartanburg, South Carolina)에서 상표명 TEGRIS®로 상업적으로 이용가능한 것과 같은, 폴리프로필렌 테이프가 적절하다. 예를 들어, 본 명세서에 참조로서 편입되는 미국 특허 제7,300,691호 참조. 본 명세서에 폭열 내성 기재(spall resistant substrate)로서 유용한 폴리올레핀 테이프-기반 복합체는 예를 들어, Royal DSM N.V. Corporation(Heerlen, The Netherlands)으로부터 상표명 DYNEEMA® BT10으로, 및 Teijin Aramid Gmbh(Germany)로부터 상표명 ENDUMAX®로 또한 상업적으로 이용가능하다.
섬유/테이프는 임의의 적절한 데니어일 수 있다. 예를 들어, 섬유는 약 50 내지 약 3000 데니어, 보다 바람직하게는 약 200 내지 약 3000 데니어, 보다 더 바람직하게는 약 650 내지 약 2000 데니어, 및 가장 바람직하게는 약 800 내지 약 1500 데니어의 데니어를 가질 수 있다. 테이프는 약 50 내지 약 30,000, 보다 바람직하게는 약 200 내지 10,000 데니어, 보다 더 바람직하게는 약 650 내지 약 2000 데니어, 및 가장 바람직하게는 약 800 내지 약 1500 데니어의 데니어를 가질 수 있다. 탄도 효과 및 비용의 고려하에 선택이 좌우된다. 보다 미세한(finer) 섬유/테이프일수록 제조하고 직조하는데 비용이 더 많이 들지만, 단위 중량당 더 큰 탄도 효과를 생성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 고강도, 고 인장 모듈러스 섬유/테이프는 각각 ASTM D2256으로 측정시, 약 7 g/데니어 이상의 바람직한 강인성, 약 150 g/데니어 이상의 바람직한 인장 모듈러스 및 약 8 J/g 이상의 바람직한 파괴 에너지를 갖는 것이다. 바람직한 섬유는 약 10 g/데니어 이상의, 보다 바람직하게는 약 15 g/데니어 이상의, 보다 바람직하게는 20 g/데니어 이상의, 보다 더 바람직하게는 약 25 g/데니어 이상의, 보다 더 바람직하게는 30 g/데니어 이상의, 보다 더 바람직하게는 40 g/데니어 이상의, 보다 더 바람직하게는 45 g/데니어 이상의 및 가장 바람직하게는 50 g/데니어 이상의 바람직한 강인성을 가진다. 바람직한 테이프는 약 10 g/데니어 이상의, 보다 바람직하게는 약 15 g/데니어 이상의, 보다 더 바람직하게는 약 17.5 g/데니어 이상의, 및 가장 바람직하게는 약 20 g/데니어 이상의 바람직한 강인성을 가진다. 보다 넓은 테이프는 보다 낮은 강인성을 가질 것이다. 또한, 바람직한 섬유/테이프는 약 300 g/데니어 이상의, 보다 바람직하게는 약 400 g/데니어 이상의, 보다 바람직하게는 약 500 g/데니어 이상의, 보다 바람직하게는 약 1,000 g/데니어 이상의 및 가장 바람직하게는 약 1,500 g/데니어 이상의 바람직한 인장 모듈러스를 가진다. 또한, 바람직한 섬유/테이프는 약 15 J/g 이상의, 보다 바람직하게는 약 25 J/g 이상의, 보다 바람직하게는 약 30 J/g 이상의 바람직한 파괴 에너지를 가지고, 가장 바람직하게는 약 40 J/g 이상의 파괴 에너지를 가진다. 이들 결합된 고강도 특성을 갖는 각각의 바람직한 섬유 및 테이프 타입의 형성 방법은 당해 기술분야에 통상적으로 알려져 있다.
본 발명의 일 구현 예에서, 물리적으로 다른 섬유/테이프 타입의 하이브리드 섬유 또는 하이브리드 테이프 겹은 실질적으로 화학적으로 유사, 즉 화학적으로 동일한, 물리적으로 비유사 섬유 또는 테이프를 포함하고, 여기서 화학적으로 동일한 것은 이들이 동일한 폴리머(polymer)로 형성된 것을 의미한다. 예를 들어, 바람직한 물질에 있어서, 하이브리드 섬유 겹 또는 하이브리드 테이프 겹은 다수의 물리적으로 비유사 폴리에틸렌 섬유 또는 테이프를 포함한다. 다른 바람직한 섬유질 물질에 있어서, 하이브리드 섬유 겹 또는 하이브리드 테이프 겹은 다수의 물리적으로 비유사 아라미드 섬유 또는 테이프를 포함한다. 또 다른 바람직한 섬유질 물질에 있어서, 하이브리드 섬유 겹 또는 하이브리드 테이프 겹은 다수의 물리적으로 비유사 폴리벤즈옥사졸(PBO) 섬유 또는 테이프를 포함한다. 화학적으로 동일하면서도, 단일 하이브리드 섬유 겹 또는 하이브리드 테이프 겹 내 섬유/테이프 타입은 다른 강인성, 다른 인장 모듈라이, 다른 파단시-신율, 다른 최대 인장 강도, 다른 섬유/테이프 데니어 등과 같은 적어도 하나의 비유사 물리적 특성을 가질 것이다. 또한, 하나의 또는 각각의 하이브리드 섬유 또는 테이프 층은 단일 하이브리드 섬유/테이프 겹에 2 초과의 다른 섬유/테이프 타입의 유사 섬유 화학을 가질 것이다.
일 바람직한 구현 예에서, 단일 하이브리드 섬유 겹은 2 이상의 SPECTRA® 900 섬유, SPECTRA® 1000 섬유 및 SPECTRA® 3000 섬유를 포함할 수 있고, 이들은 모두 허니웰 인터내셔널 Inc.(Morristown, NJ)로부터 상업적으로 이용가능하다. 단일 하이브리드 섬유 겹은 다수의 고 데니어 섬유 및 다수의 저 데니어 섬유의 조합을 포함할 수 있고, 여기서 상기 고 데니어 섬유는 저 데니어 섬유보다 큰 섬유 데니어를 가진다. 예를 들어, 하이브리드 섬유 겹은 650 데니어 SPECTRA® 900 섬유, 1200 데니어 SPECTRA® 900 섬유, 2400 데니어 SPECTRA® 900 섬유 및 4800 데니어 SPECTRA® 900 섬유의 조합을 포함할 수 있다. 변형적으로, 단일 하이브리드 섬유 겹은 650 데니어 SPECTRA® 900 섬유, 1200 데니어 SPECTRA® 900 섬유, 2400 데니어 SPECTRA® 900 섬유 및 4800 데니어 SPECTRA® 900 섬유의 2 이상의 조합을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 단일 하이브리드 섬유 겹은 75 데니어 SPECTRA® 1000 섬유, 100 데니어 SPECTRA® 1000 섬유, 130 데니어 SPECTRA® 1000 섬유, 180 데니어 SPECTRA® 1000 섬유, 215 데니어 SPECTRA® 1000 섬유, 275 데니어 SPECTRA® 1000 섬유, 375 데니어 SPECTRA® 1000 섬유, 435 데니어 SPECTRA® 1000 섬유, 650 데니어 SPECTRA® 1000 섬유, 1300 데니어 SPECTRA® 1000 섬유, 1600 데니어 SPECTRA® 1000 섬유 및 2600 데니어 SPECTRA® 1000 섬유의 2 이상의 조합을 포함할 수 있다. 변형적으로, 단일 하이브리드 섬유 겹은 1100 데니어 SPECTRA® 3000 섬유, 1300 데니어 SPECTRA® 3000 섬유 및 1600 데니어 SPECTRA® 3000 섬유의 2 이상의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 임의의 상술한 SPECTRA® 섬유 타입과 임의의 다양한 아라미드 섬유, 폴리벤즈옥사졸 섬유, 액정 코폴리에스테르 섬유, M5® 경질 막대 섬유, 카본 섬유, 유리 섬유, 폴리에스테르 섬유 등, 예컨대 다수의 물리적으로 비유사 폴리에틸렌 섬유 및 다수의 물리적으로 비유사 아라미드 섬유의, 조합이 유용하다. 또한, 상술한 섬유/필라멘트 타입으로 형성된 섬유질 테이프의 유사 조합이 유용하다.
또 다른 구현 예에서, 단일 하이브리드 섬유 겹은, 동일한 섬유 데니어를 갖지만 섬유의 구성요소 필라멘트는 다른 필라멘트당 데니어(dpf)를 갖는, 다수의 멀티-필라멘트 섬유를 포함할 수 있다. 이런 구현 예에서, 겹 내의 모든 섬유는 실질적으로 화학적으로 유사하거나, 겹은 2가지 이상의 화학적으로 다른 섬유 타입을 포함할 수 있고, 섬유 데니어는 동일할 수 있으며, 그리고 이들은 동일한 강인성, 인장 모듈러스 등을 갖지만, 다른 필라멘트당 데니어를 가질 수 있다. 따라서, 섬유질 물질은 다수의 고 필라멘트당 데니어 섬유 및 다수의 저 필라멘트당 데니어 섬유를 포함하는 하나 이상의 하이브리드 섬유 겹을 포함하고, 상기 고 필라멘트당 데니어 섬유는 저 필라멘트당 데니어 섬유보다 큰 필라멘트당 데니어를 가진다. 일 예로서, 650 데니어 SPECTRA® 900 섬유는 10.8의 공개된 dpf를 가지는 반면, 1200 데니어 SPECTRA® 900 섬유는 10.0의 공개된 dpf를 가진다. 또한, 상술한 섬유/필라멘트 타입으로 형성된 섬유질 테이프의 유사 조합이 유용하다.
또 다른 대체가능한 구현 예에서, 하이브리드 섬유 겹은 하이브리드, 멀티필라멘트 섬유의 다발로부터 제조될 수 있고, 여기서 다수의 다른 필라멘트 타입이 함께 혼합되어 단일 하이브리드 멀티필라멘트 섬유를 형성한다. 이러한 하이브리드 섬유 다발은 예를 들어, 다른 필라멘트를 에어 젯으로 함께 블렌딩함으로써 제조될 수 있다. 다수의 이러한 하이브리드 멀티필라멘트 섬유는 이후 섬유 겹으로 배열되고 이후, 직조 또는 부직 패브릭 및 복합체와 같은, 섬유질 물질로 제조될 수 있다. 그러나, 각 섬유는 바람직하게는 실질적으로 물리적으로 유사하고, 실질적으로 화학적으로 유사한 다수의 필라멘트를 포함한다. 우수한 섬유 스프레딩(spreading)을 가능하게 하기 위해, 하이브리드 섬유 겹 내에서 물리적으로 다른 섬유 타입이 서로 비틀리거나 엉키지 않는 것이 또한 바람직하다.
또 다른 유용한 구현 예에서, 하이브리드 섬유 겹은, 다른 섬유는 처리되지 않으면서, 출원 일련번호 제61/531,233호; 제61/531,255호; 제61/531,268호; 제61/531,302호; 및 제61/531,323호에 서술된 바와 같이 플라즈마 처리되거나 코로나 처리된 일부 섬유를 포함할 수 있다. 또 다른 변형에서, 하이브리드 섬유 겹은 플라즈마 처리된 일부 섬유 및 코로나 처리된 다른 섬유를 포함할 수 있다. 또 다른 변형에서, 하이브리드 섬유 겹은 이들의 섬유 표면 마감재가 실질적으로 제거된 일부 섬유(또한 섬유는 선택적으로 플라즈마 또는 코로나 처리될 수 있음) 및 이들의 섬유 표면 마감재가 제거되지 않은 다른 섬유(또한 섬유는 선택적으로 플라즈마 또는 코로나 처리될 수 있음)를 포함할 수 있다. 또한, 상술한 섬유/필라멘트 타입으로 형성된 섬유질 테이프의 유사 조합이 유용하다.
특히 바람직한 하이브리드 섬유 겹 또는 하이브리드 테이프 겹 구조체에서, 하이브리드 섬유/테이프 겹은 다수의 폴리에틸렌 섬유 및 다수의 아라미드 섬유를 포함한다. 또 다른 특히 바람직한 하이브리드 섬유 겹 구조체에서, 상기 하이브리드 섬유 겹은 적어도 약 20 g/데니어의 강인성을 갖는 다수의 고 강인성(high tenacity) 탄도-등급 섬유, 예컨대 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 또는 아라미드 섬유 또는 PBO 섬유를 포함하고, 상기 층은 또한 특정 카본 섬유, 특정 유리 섬유 및 특정 폴리에스테르 섬유를 포함하는, 약 10 g/데니어 미만의 강인성을 갖는 다수의 고성능 구조적-등급 섬유를 포함한다. 탄도-등급 및 구조적-등급 섬유를 포함하는 이런 구현 예에서, 하이브리드 섬유 겹은 50중량% 초과의, 보다 바람직하게는 적어도 약 60중량% 및 가장 바람직하게는 적어도 약 70중량% 의 고 강인성 섬유 함량을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구조적-등급 섬유는 수지/폴리머 코팅과 결합하는 친화성이 탄도-등급 섬유보다 클 수 있다. 바람직하게는, 구조적-등급 섬유 및 탄도-등급 섬유를 모두 결합한 겹에서, 구조적-등급 섬유에 대한 수지의 결합 강도는 바람직하게는 탄도-등급 섬유에 대한 수지의 결합 강도의 적어도 두 배이다.
하이브리드 섬유/테이프 겹이 직조 패브릭을 포함하는 경우, 직조 패브릭은 평직, 크라우풋 위브, 배스킷 위브, 새틴직, 능직 등과 같은 임의의 패브릭 위브를 이용하여 당해 기술분야에 잘 알려진 임의의 기법을 이용하여 직조될 수 있다. 평직은 가장 일반적이고, 섬유는 직교의 0°/90° 배향으로 함께 직조된다. 또한, 수평 및 수직으로 날실 및 씨실을 직조함으로써 멀티-겹 직조 구조가 제조되는 3D 직조 방법도 유용하다.
다수의 하이브리드 섬유 겹 및/또는 하이브리드 테이프 겹은 공지의 기법에 따라 합쳐져, 즉 컨솔리데이트되어, 멀티-겹 섬유층 및/또는 멀티-겹 테이프층 (즉, 컴플렉스 복합체)을 형성할 수 있고, 여기서 섬유/테이프는 선택적으로 중합성 바인더 물질로 코팅되어 컨솔리데이션을 용이하게 할 수 있다. 또한, 하나 이상의 하이브리드 섬유/테이프 겹은 하이브리드가 아닌 다른 섬유 겹, 즉 물리적으로나 화학적으로 서로 동일한 다수의 섬유/테이프로 구성된 겹과 함께 합쳐질 수 있다. 그러나, 멀티-겹 복합체 내의 각각의 겹은 본 발명의 하이브리드 섬유/테이프 겹인 것이 바람직하다. 이는 중합성 바인더로 섬유를 코팅/함침(impregnating) 하거나 하지않고 다수의 직조 섬유 겹을 컴플렉스 복합체로 합치는 것뿐만 아니라, 중합성 바인더로 섬유를 코팅/함침 하거나 하지않고 다수의 부직 섬유 겹을 합치는 것을 포함한다.
부직 섬유질 물질의 생성 방법은 당해 기술분야에 잘 알려져 있다. 예를 들어, 바람직한 부직 패브릭의 형성 방법에서, 다수의 섬유는 적어도 하나의 배열로 배열되고, 실질적으로 평행한, 일방향성 배열로 정렬된 다수의 섬유를 포함하는 섬유 웹으로서 전형적으로 배열된다. 전형적인 방법에서, 섬유 다발은 크리일로부터 공급되고 가이드 및 하나 이상의 스프레더 바를 따라 콜리메이팅 콤으로 인도되며, 이후 중합성 바인더 물질로 섬유를 코팅한다. 스프레더 바 및 콜리메이팅 콤은 다발로 된 섬유를 분산시키고 퍼뜨리며, 이들을 동일평면 방식에서 나란히 재조직한다. 이상적인 섬유 스프레딩은 개별 필라멘트 또는 개별 섬유가 단일 섬유 평면에서 서로의 다음에 배치되며, 섬유가 서로 오버랩됨 없이 실질적으로 일방향성의 평행한 섬유의 배열을 형성하는 결과를 가져온다.
이런 부직 섬유 겹의 형성 방법은 하이브리드 섬유 겹의 조성물에 대해 우수한 조절을 가능하게 한다. 예를 들어, 크리일로부터 제공된 섬유 다발은, 인접된 섬유가 하이브리드 섬유 겹의 전체 폭을 가로질러 다르도록 대체의 다른 타입의 섬유 끝으로 배열될 수 있거나, 또는 모든 네 번째 또는 다섯 번째 섬유는 구조적-등급 섬유이고 나머지는 탄도-등급 섬유인 것처럼 바람직하게 또 다른 패턴이 구체화될 수 있다. 또 다른 방법에서, 다중 섬유 타입은 섬유의 단일 스풀 상에서 결합될 수 있다. 또한, 각 하이브리드 섬유 겹 내의 각 섬유 타입의 비율은 구조적-등급 섬유 대 탄도-등급 섬유의 1/99 내지 10/90, 또는 1/99 내지 1/95 퍼센트 비율과 같이, 용이하게 조절가능하다. 이는, 원한다면, 하이브리드 섬유 겹 내 섬유 타입의 균일한/동종의 분포 또는 거의 동종의 분포를 가능하게 한다.
앞서 언급했듯이, 특정 구현 예에서 수지 또는 중합성 바인더 물질로 섬유/테이프를 코팅하는게 바람직하다. 본 명세서에서 사용된, "중합성(polymeric)" 바인더는 수지 및 고무를 포함하고 이는 당해 기술분야에 일반적으로 "중합성 매트릭스(polymeric matrix)" 물질로도 알려져 있다. 이러한 물질은 이의 내재적 접착 성질에 의해 또는 공지의 가열 및/또는 압력 조건으로 처리된 후 섬유/테이프를 함께 결합시킨다. 존재하는 경우, 중합성 바인더 물질은 개별 섬유/테이프를 부분적으로 또는 실질적으로 코팅하고, 바람직하게는 각각의 개별 섬유/테이프를 실질적으로 코팅한다.
적절한 중합성 바인더 물질은 저 모듈러스, 탄성(elastomeric) 물질 및 고 모듈러스, 경질 물질 모두를 포함한다. 본 명세서를 통해 사용된 용어, 인장 모듈러스는 섬유에 대해 ASTM D2256에 의해, 그리고 중합성 바인더 물질에 대해서는 ASTM D638에 의해 측정되는 탄성 모듈러스를 의미한다. 본 발명의 복합체로 형성된 물품의 견고함(rigidity), 충격(impact) 및 탄도 특성은 섬유를 코팅하는 중합성 바인더 폴리머의 인장 모듈러스에 의해 영향을 받는다. 바람직한 중합성 바인더는 저 모듈러스 탄성 물질을 포함한다. 본 발명의 목적상, 저 모듈러스 탄성 물질은 ASTM D638 시험법에 따라 약 6,000 psi(41.4MPa) 이하로 측정되는 인장 모듈러스를 갖는다. 저 모듈러스 폴리머는 바람직하게는 약 4,000 psi(27.6MPa) 이하, 보다 바람직하게는 약 2400 psi(16.5MPa) 이하, 보다 바람직하게는 1200 psi(8.23MPa) 이하, 가장 바람직하게는 약 500 psi(3.45MPa) 이하의 인장 모듈러스를 갖는 엘라스토머(elastomer)이다. 엘라스토머의 유리전이온도(Tg)는 바람직하게는 약 0 ℃ 미만, 보다 바람직하게는 약 -40 ℃ 미만, 가장 바람직하게는 약 -50 ℃ 미만이다. 또한, 엘라스토머는 적어도 약 50%, 보다 바람직하게는 적어도 약 100% 의 파단 신율(elongation to break)을 가지고, 가장 바람직하게는 적어도 약 300% 의 파단 신율을 갖는다. 저 모듈러스를 갖는 다양한 물질 및 배합물이 중합성 바인더로서 이용될 수 있다. 대표적인 예는 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 천연 고무, 에틸렌-프로필렌 코폴리머, 에틸렌-프로필렌-디엔 터폴리머, 폴리설파이드 폴리머, 폴리우레탄 엘라스토머, 클로로설포네이티드 폴리에틸렌, 폴리클로로프렌, 가소화된 폴리비닐클로라이드, 부타디엔 아크릴로니트릴 엘라스토머, 폴리(이소부틸렌-co-이소프렌), 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리에테르, 플루오로엘라스토머, 실리콘 엘라스토머, 에틸렌의 코폴리머, (일부 섬유 타입과 함께 유용한) 폴리아미드, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리카보네이트 및 이의 조합, 뿐만 아니라 섬유의 용융점 미만에서 경화 가능한 다른 저 모듈러스 폴리머 및 코폴리머를 포함한다. 또한, 각기 다른 엘라스토머 물질의 블렌드, 또는 엘라스토머 물질과 하나 이상의 열가소성 플라스틱(thermoplastic)의 블렌드가 바람직하다.
컨쥬게이티드 디엔과 비닐 방향족 모노머의 블록 코폴리머가 특히 유용하다. 부타디엔 및 이소프렌은 바람직한 컨쥬게이티드 디엔 엘라스토머이다. 스티렌, 비닐 톨루엔 및 t-부틸 스티렌은 바람직한 컨쥬게이티드 방향족 모노머이다. 폴리이소프렌을 포함하는 블록 코폴리머는 수소화되어, 포화 탄화수소 엘라스토머 세그먼트를 갖는 열가소성 플라스틱 엘라스토머를 생성할 수 있다. 상기 폴리머는 타입 A-B-A의 단순한 트리-블록 코폴리머, 타입 (AB)n(n=2-10)의 다중-블록 코폴리머 또는 타입 R-(BA)x(x=3-150)의 방사상 형태 코폴리머일 수 있으며; 여기서 A는 폴리비닐 방향족 모노머의 블록이고, B는 컨쥬게이티드 디엔 엘라스토머의 블록이다. 많은 이들 폴리머는 Kraton Polymers(Houston, TX)에 의해 상업적으로 생산되며, 회보 "Kraton Thermoplastic Rubber", SC-68-81에 기재되어 있다. 또한, 상표명 PRINLIN®로 판매되고 Henkel Technologies(Duesseldorf, Germany)로부터 상업적으로 이용가능한 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 코폴리머의 수지 분산물이 유용하다. 특히 바람직한 저 모듈러스 중합성 바인더 폴리머는 상표명 KRATON®로 판매되고 Kraton Polymers에 의해 상업적으로 생산되는 스티렌 블록 코폴리머를 포함한다. 특히 바람직한 중합성 바인더 물질은 상표명 KRATON®로 판매되는 폴리스티렌-폴리이소프렌-폴리스티렌-블록 코폴리머를 포함한다.
저 모듈러스 중합성 바인더 물질은 가요성 방호물의 형성에 바람직한 반면, 고 모듈러스 중합성 바인더 물질은 경질 방호 물품의 형성에 바람직하다. 바람직한 고 모듈러스, 경질 물질은 일반적으로 6,000 psi보다 큰 초기 인장 모듈러스를 갖는다. 본 명세서에서 유용한 바람직한 고 모듈러스, 경질 중합성 바인더 물질은 폴리우레탄(에테르계 및 에스테르계 모두), 에폭시, 폴리아크릴레이트, 페놀릭/폴리비닐 부티랄(PVB) 폴리머, 비닐 에스테르 폴리머, 스티렌-부타디엔 블록 코폴리머, 뿐만 아니라 비닐 에스테르 및 디알릴 프탈레이트 또는 페놀 포름알데히드 및 폴리비닐 부티랄과 같은 폴리머들의 혼합물을 포함한다. 특히 바람직한 경질 중합성 바인더 물질은 열경화성 폴리머이고, 바람직하게는 메틸 에틸 케톤과 같은 탄소-탄소 포화 용매에 가용성이며, ASTM D638에 의해 측정될 경우에 경화시 적어도 약 1x106 psi(6895MPa)의 고 인장 모듈러스를 갖는다. 특히 바람직한 경질 중합성 바인더 물질은 미국 특허 제6,642,159호에 서술된 것들이며, 이는 본 명세서에 참조로서 편입된다. 상기 중합성 바인더는, 저 모듈러스 물질이든지 고 모듈러스 물질이든지 관계없이, 카본 블랙이나 실리카와 같은 필러를 포함할 수도 있고, 오일로 확장될 수 있으며, 또는 황, 과산화물, 금속 산화물 또는 당해 기술분야에 잘 알려진 방사선 경화 시스템에 의해 경화될 수 있다.
극성 수지 또는 극성 폴리머, 특히 약 2,000 psi(13.79MPa) 내지 약 8,000 psi(55.16MPa) 범위의 인장 모듈러스에서 연성 및 경질 물질 모두의 범위 내에 있는 폴리우레탄이 가장 특히 바람직하다. 바람직한 폴리우레탄은 수성 폴리우레탄 분산물로서 적용되고, 가장 바람직하게는 보조용매가 없다. 이러한 것들로는 수성 음이온성 폴리우레탄 분산물, 수성 양이온성 폴리우레탄 분산물 및 수성 비이온성 폴리우레탄 분산물을 포함한다. 수성 음이온성 폴리우레탄 분산물이 특히 바람직하고, 수성 음이온성, 지방족 폴리우레탄 분산물이 가장 바람직하다. 이러한 것들로는 수성 음이온성 폴리에스테르계 폴리우레탄 분산물; 수성 지방족 폴리에스테르계 폴리우레탄 분산물; 및 수성 음이온성, 지방족 폴리에스테르계 폴리우레탄 분산물을 포함하며, 이들 모두 바람직하게는 보조 용매 부재 분산물이다. 또한, 이러한 것들로는 수성 음이온성 폴리에테르 폴리우레탄 분산물; 수성 지방족 폴리에테르계 폴리우레탄 분산물; 및 수성 음이온성, 지방족 폴리에테르계 폴리우레탄 분산물을 포함하며, 이들 모두 바람직하게는 보조 용매 부재 분산물이다. 마찬가지로, 수성 양이온 및 수성 비이온 분산물의 이에 상응하는 모든 변형물들 (폴리에스테르계; 지방족 폴리에스테르계; 폴리에테르계; 지방족 폴리에테르계 등)이 바람직하다. 100% 신장률에서 약 700 psi 이상의 모듈러스를 갖는 지방족 폴리우레탄 분산물이 가장 바람직하며, 700 psi 내지 약 3000 psi 의 범위를 갖는 것이 특히 바람직하다. 100% 신장률에서 약 1000 psi 이상, 보다 바람직하게는 약 1100 psi 이상의 모듈러스를 갖는 지방족 폴리우레탄 분산물이 보다 바람직하다. 1000 psi 이상, 바람직하게는 1100 psi 이상의 모듈러스를 갖는 지방족, 폴리에테르계 음이온성 폴리우레탄 분산물이 가장 바람직하다.
중합성 바인더 물질을 섬유/테이프에 적용하고 이로써 섬유 겹을 바인더와 함께 함침하는 방법은 잘 알려져 있고 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 본 명세서에서 용어 "함침되는(impregnated)"은 "매립된(embedded)" 및 "코팅된(coated)"과 동의어이거나, 그렇지 않으면 바인더 물질이 단순히 층의 표면에 있지 않고 층 내로 확산되는 중합성 코팅으로 적용되는 것으로 여겨진다. 중합성 바인더 물질을 적용하기 위해 임의의 적절한 적용 방법이 이용될 수 있고 "코팅된"과 같은 용어의 구체적인 사용은 필라멘트/섬유/테이프 상으로 적용되는 방법을 제한하려는 의도는 아니다. 유용한 방법은 예를 들어, 섬유/테이프 상에 폴리머 또는 폴리머 용액을 스프레잉, 압출하는 것 또는 롤 코팅하는 것뿐만 아니라, 용융 폴리머 또는 폴리머 용액을 통해 섬유/테이프를 운반하는 것(transporting)을 포함한다. 가장 바람직한 방법은 중합성 바인더 물질로 모든 또는 실질적으로 모든 섬유/테이프 표면 구역을 커버하고 각각의 개별 섬유/테이프를 실질적으로 코팅하거나 캡슐화하는 방법이다.
선택적 바인더 물질로 섬유/테이프가 코팅된 후에, 코팅된 섬유/테이프는 단층 일체식 성분으로 컨솔리데이트되는 다수의 오버래핑 부직 섬유 또는 테이프 겹을 포함하는 부직 섬유층 또는 부직 테이프층을 형성한다. 바람직한 부직 패브릭 구조에서, 다수의 적층된, 오버래핑 유니테이프가 형성되는데, 여기서 각 단일 겹의 평행한 섬유/테이프(유니테이프)는 각 인접된 단일 겹의 평행한 섬유/테이프에 각 단일 겹의 세로 섬유/테이프 방향에 대해 직교로 배치된다. 오버래핑 부직 섬유/테이프 겹의 적층체는 가열 및 압력 하에 또는 개별 섬유/테이프 겹의 코팅을 부착시킴으로써 컨솔리데이트되어 단층 일체식 성분을 형성하고, 이는 당해 기술분야에서 단층, 컨솔리데이트된 네트워크로도 언급되었고, 여기서 "컨솔리데이트된 네트워크(consolidated network)"는 섬유/테이프 겹과 중합성 매트릭스/바인더의 컨솔리데이트된(합쳐진) 조합을 말한다. 또한, 본 명세서의 섬유질 물질은 직조 패브릭 및 부직 패브릭의 컨솔리데이트된 하이브리드 조합, 뿐만 아니라 일방향성 섬유/테이프 겹으로 형성된 부직 패브릭 및 부직 펠트 패브릭의 조합을 포함한다.
가장 전형적으로, 부직 섬유/테이프 층 또는 패브릭은 1 내지 약 6 겹을 포함하나, 다양한 적용처에 원하는 바에 따라 약 10 내지 약 20 겹 정도로 포함할 수 있다. 겹의 수가 많을수록, 더 우수한 내탄도성을 의미하지만, 중량 또한 더 커진다. 당해 기술분야에 통상적으로 알려진 바와 같이, 1겹의 섬유/테이프 정렬 방향이 다른 겹의 섬유/테이프 정렬 방향에 관한 각도로 회전되도록 개별 섬유/테이프 겹이 교차 플라이되는(cross-plied) 경우 우수한 내탄도성이 성취될 수 있다. 가장 바람직하게, 섬유/테이프 겹은 0° 및 90°각도로 직교로 교차-플라이되나, 인접된 겹들은 또 다른 겹의 세로의 섬유/테이프 방향에 대해 사실상 약 0° 내지 약 90° 사이의 임의의 각도로 정렬될 수 있다. 예를 들어, 3겹 부직 구조는 ±45°로 배향된 겹들을 가져 +45°/0°/-45° 구조를 형성할 수 있거나, 5겹 부직 구조는 각 겹의 각각의 세로의 섬유/테이프 축에 대하여 0°/45°/90°/45°/0°로 배향된 겹들을 가질 수 있다. 이러한 회전된 일방향성 정렬은 예를 들어, 미국특허 제4,457,985호; 제4,748,064호; 제4,916,000호; 제4,403,012호; 제4,623,574호; 및 제4,737,402호에 서술되며, 이들 문헌은 본 명세서와 부합하는 범위에서 참조로서 편입된다. 또한, 인접된 겹에 대하여 15° 증가 또는 30° 증가로 인접된 겹을 회전시키는 것과 같은, 다른 각도도 적절하다.
컴플렉스 복합체를 형성하기 위해 섬유/테이프 겹/층을 컨솔리데이팅하는 방법은 미국 특허 제6,642,159호에 서술된 방법에 의한 것과 같이 잘 알려져 있다. 컨솔리데이션은 건조, 냉각, 가열, 압력 또는 이의 조합을 통해 일어날 수 있다. 가열 및/또는 압력은 습식 라미네이션 공정의 경우에서와 같이 겹/층이 함께 부착될 수 있으므로 불필요할 수 있다. 전형적으로, 컨솔리데이션은 겹을 일원화 패브릭으로 결합시키기에 충분한 열 및 압력의 조건하에서 개별 겹을 서로의 위에 배치시킴으로써 수행된다. 컨솔리데이션은 약 50℃ 내지 약 175℃, 바람직하게 약 105℃ 내지 약 175℃의 범위의 온도에서, 그리고 약 5 psig(0.034MPa) 내지 약 2500 psig(17MPa)의 압력 범위에서, 약 0.01초 내지 약 24시간 동안, 바람직하게는 약 0.02초 내지 약 2시간 동안 수행될 수 있다. 가열시, 중합성 바인더 코팅은 완전히 용융되지 않은 채 끈적거리거나 흐를 수 있다. 그러나, 일반적으로, 중합성 바인더 물질이 용융되게 되면, 복합체 형성에 상대적으로 작은 압력이 필요하며, 한편으로 바인더 물질이 스티킹 포인트(sticking point)로만 가열될 경우에, 보다 높은 압력이 전형적으로 필요하다. 통상적으로 당해 기술분야에 알려져 있는 바와 같이, 컨솔리데이션은 카렌더 세트, 플랫-베드 라미네이터(flat-bed laminator), 프레스 또는 오토클레이브에서 수행될 수 있다. 또한, 컨솔리데이션은 진공 하에 배치된 몰드 내에서 물질을 진공 몰딩함으로써 수행될 수 있다. 진공 몰딩 기법은 당해 기술분야에 잘 알려져 있다. 가장 일반적으로, 다수의 직교 섬유 웹은 바인더 폴리머와 함께 "부착되고(glued)", 플랫-베드 라미네이터를 통해 러닝되어 결합의 균일성 및 강도가 향상된다. 또한, 컨솔리데이션 및 폴리머 적용/결합 단계는 2개의 별도의 단계 또는 단일 컨솔리데이션/라미네이션 단계를 포함할 수 있다.
변형적으로, 컨솔리데이션은 적절한 몰딩 장치에서 열 및 압력하에 몰딩함으로써 달성될 수 있다. 일반적으로, 몰딩은 약 50psi(344.7kPa) 내지 약 5,000psi(34,470kPa), 보다 바람직하게 약 100psi(689.5kPa) 내지 약 3,000psi(20,680kPa), 가장 바람직하게 약 150psi(1,034kPa) 내지 약 1,500psi(10,340kPa)의 압력에서 수행된다. 몰딩은 변형적으로 약 5,000psi(34,470kPa) 내지 약 15,000psi(103,410kPa), 보다 바람직하게 약 750psi(5,171kPa) 내지 약 5,000psi, 및 보다 바람직하게 약 1,000psi 내지 약 5,000psi의 보다 높은 압력에서 수행될 수 있다. 몰딩 단계는 약 4초 내지 약 45분 걸릴 수 있다. 바람직한 몰딩 온도는 약 200℉(~93℃) 내지 약 350℉(~177℃), 보다 바람직하게 약 200℉ 내지 약 300℉의 온도에서 그리고 가장 바람직하게 약 200℉ 내지 약 280℉의 온도범위이다. 섬유층이 몰드되는 압력은 결과의 몰드된 산물의 강성도(stiffness) 및 굴곡성에 직접적인 영향을 미친다. 구체적으로, 보다 높은 압력에서의 몰드될수록 보다 높은 강성도를 가지며, 그 역도 같다. 몰딩 압력에 부가적으로, 섬유 겹의 양, 두께 및 조성 그리고 중합성 바인더 코팅 타입은 또한 복합체 물질의 강성도에 직접적으로 영향을 미친다.
본 명세서에 기재된 각각의 몰딩 및 컨솔리데이션 기술은 유사하나, 각 공정은 다르다. 구체적으로, 몰딩은 배치 공정이며, 컨솔리데이션은 일반적으로 연속 공정이다. 또한, 몰딩은 전형적으로, 평판을 형성하는 경우의 성형 몰드 또는 매치-다이 몰드와 같은 몰드의 이용을 포함하며, 반드시 평면 제품의 결과를 가져오는 것은 아니다. 보통, 컨솔리데이션은 플랫-베드 라미네이터, 카렌더 닙 세트에서 수행되거나 습식 라미네이션으로 수행되어 연성(가요성) 방탄복 패브릭을 생성한다. 몰딩은 전형적으로 예를 들어, 경질 플레이트와 같은 강성 방호물의 제조를 위해 유보된다. 어떠한 공정에서든, 적절한 온도, 압력 및 시간은 일반적으로 중합성 바인더 코팅 물질의 타입, 중합성 바인더 함량, 사용되는 공정 및 섬유 타입에 따라 달라진다.
바람직한 구현 예에서, 본 발명의 섬유질 복합체를 포함하는 바인더/매트릭스의 총 중량은 코팅의 중량에 더하여, 바람직하게 섬유/테이프의 약 2중량% 내지 약 50중량%, 보다 바람직하게 약 5중량% 내지 약 30중량%, 보다 바람직하게 약 7중량% 내지 약 20중량%, 및 가장 바람직하게 약 11중량% 내지 약 16중량% 를 포함한다. 보다 낮은 바인더/매트릭스 함량은 직조 패브릭에 적절하고, 코팅의 중량에 더하여, 섬유/테이프의 0 초과 10 중량% 미만의 중합성 바인더의 함량은 전형적으로 가장 바람직하지만, 제한하고자 의도된 것은 아니다. 예를 들어, 대략 12% 함량이 전형적으로 바람직하지만, 페놀릭/PVB 함침된 직조 패브릭은 가끔 약 20% 내지 약 30% 의 보다 높은 수지 함량으로 제조된다.
또한, 본 발명의 물질은 이의 바깥쪽 표면의 일면 또는 양면에 부착되는 하나 이상의 열가소성 폴리머층을 선택적으로 포함한다. 열가소성 폴리머층에 적절한 폴리머는 비배타적으로 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스테르(구체적으로 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 PET 코폴리머), 폴리우레탄, 비닐 폴리머, 에틸렌 비닐 알코올 코폴리머, 에틸렌 옥탄 코폴리머, 아크릴로니트릴 코폴리머, 아크릴 폴리머, 비닐 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 플루오로폴리머 등, 뿐만 아니라 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 및 에틸렌 아크릴산을 포함하는, 이의 코폴리머 및 혼합물을 포함한다. 또한, 천연 및 합성 고무 폴리머가 유용하다. 이들 중, 폴리올레핀 및 폴리아미드층이 바람직하다. 바람직한 폴리올레핀은 폴리에틸렌이다. 유용한 폴리에틸렌의 비제한적인 예는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 중밀도 폴리에틸렌(MDPE), 선형 중밀도 폴리에틸렌(LMDPE), 선형 극저밀도 폴리에틸렌(VLDPE), 선형 초저밀도 폴리에틸렌(ULDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 및 이의 코폴리머 및 혼합물이다. 또한, Spunfab, Ltd,(Cuyahoga Falls, Ohio)로부터 상업적으로 이용가능한 SPUNFAB® 폴리아미드 웹(Keuchel Associates, Inc.에 의해 등록된 상표명), 뿐만 아니라 Protechnic S.A.(Cernay, France)로부터 상업적으로 이용가능한 THERMOPLASTTM 및 HELIOPLASTTM 웹, 네트 및 필름이 유용하다. 이러한 열가소성 폴리머층은 열 라미네이션과 같이 잘 알려진 기술을 사용하여 물질의 표면에 결합될 수 있다. 전형적으로, 라미네이팅은 개별층들을 일원화 구조로 결합시키는데 충분한 열 및 압력의 조건하에 서로 위에 개별층들을 배치함으로써 수행된다. 라미네이션은 약 95℃ 내지 약 175℃, 바람직하게 약 105℃ 약 175℃ 범위의 온도에서, 약 5psig(0.034MPa) 내지 약 100psig(0.69MPa) 범위의 압력에서, 약 5초 내지 약 36시간, 바람직하게 약 30초 내지 약 24시간 동안 수행될 수 있다. 변형적으로 이러한 열가소성 폴리머층은 통상의 기술자에 의해 이해되듯이 핫 글루 또는 핫 멜트 섬유로 물질의 표면에 결합될 수 있다.
복합체 물질의 두께는 개별 섬유/테이프의 두께 및 물질 내로 병합된 겹의 수와 상응할 것이다. 예를 들어, 바람직한 직조 패브릭은 겹/층당 약 25㎛ 내지 약 600㎛, 보다 바람직하게 겹/층당 약 50㎛ 내지 약 385㎛, 및 가장 바람직하게 겹/층당 약 75㎛ 내지 약 255㎛의 바람직한 두께를 가질 것이다. 바람직한 2겹 부직 패브릭은 약 12㎛ 내지 약 600㎛, 보다 바람직하게 약 50㎛ 내지 약 385㎛, 및 가장 바람직하게 약 75㎛ 내지 약 255㎛의 바람직한 두께를 가질 것이다. 임의의 열가소성 폴리머층은 바람직하게 매우 얇으며, 약 1㎛ 내지 약 250㎛, 보다 바람직하게 약 5㎛ 내지 약 25㎛, 및 가장 바람직하게 약 5㎛ 내지 약 9㎛의 바람직한 층 두께를 갖는다. SPUNFAB® 부직 웹과 같은 불연속 웹은 바람직하게 제곱 미터당 6g(gsm)의 근량(basis weight)으로 적용된다. 이러한 두께가 바람직하나, 특정 요구를 충족하기 위해 다른 두께가 생성될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 여전히 포함되는 것으로 이해될 것이다.
다수의 하이브리드 섬유/테이프 겹으로 형성된 본 발명의 섬유질 물질은 약 0.2 psf 내지 약 8.0 psf, 보다 바람직하게 약 0.3 psf 내지 약 6.0 psf, 보다 더 바람직하게 약 0.5 psf 내지 약 5.0 psf, 보다 더 바람직하게 약 0.5 psf 내지 약 3.5 psf, 보다 더 바람직하게 약 1.0 psf 내지 약 3.0 psf, 및 가장 바람직하게 약 1.5 psf 내지 약 2.5 psf 의 바람직한 복합체 면밀도(areal density)를 가질 것이다.
본 발명의 섬유질 물질은 잘 알려진 기술을 이용하여 다양한 다른 내탄도성 물품을 형성하도록 다양한 적용처에 이용될 수 있다. 예를 들어, 내탄도성 물품의 형성에 적절한 기술은 예를 들어, 미국 특허 제4,623,574호, 제4,650,710호, 제4,748,064호, 제5,552,208호, 제5,587,230호, 제6,642,159호, 제6,841,492호 및 제6,846,758호에 기재되어 있으며, 이들은 모두 본 명세서와 부합하는 범위에서 참조로서 편입된다. 조끼, 팬츠, 모자 또는 다른 의류 물품과 같은 의복을 포함하는 가요성, 연성 방호 물품의 형성, 및 군인력이 수많은 탄도 위협을, 예컨대 수류탄, 포탄, 급조 폭발물(Improvised Explosive Devices, IED), 및 군대와 평화유지 미션에서 마주하게 되는 다른 이러한 장치들의 폭발로 인해 생성되는 다양한 조각들 및 9 mm 풀 메탈 자켓(FMJ) 총탄을 이기기 위해 이용되는, 커버 또는 블랭킷의 형성에 섬유질 물질은 특히 유용하다.
본 명세서에서 이용된, "연성(soft)" 또는 "가요성(flexible)" 방호물은 현저한 양의 응력을 받았을 경우 이의 모양을 유지하지 않는 방호물이다. 또한 상기 구조는 경질의, 강성 방호 물품의 형성에 유용하다. "강성(hard)" 방호물은, 현저한 양의 응력을 받았을 경우에 구조적 견고함을 유지하도록 충분한 기계적 강도를 가지며, 붕괴되지 않고 프리스탠딩할 수 있는, 헬멧, 군사 차량용 패널 또는 보호막과 같은 물품을 의미한다. 상기 구조는 다수의 별개 시트로 잘리고 물품으로의 형성을 위해 적층될 수 있으며, 또는 이들은 차후 물품의 형성에 이용되는 전구체를 형성할 수 있다. 이러한 기술은 당해 기술분야에 잘 알려져 있다.
본 발명의 의복은 당해 기술분야에 통상적으로 알려진 방법을 통해 형성될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 내탄도성 물품을 의류 물품과 함께 인접시킴(adjoining)으로써 의복이 형성될 수 있다. 예를 들어, 전략적으로 배치된 포켓 내로 본 발명의 구조가 삽입되는 조끼는 본 발명의 내탄도성 구조와 함께 인접되는 일반의 패브릭 조끼를 포함할 수 있다. 이는 조끼의 중량을 최소화하면서, 탄도 방호를 최대화하도록 한다. 본 명세서에 이용된, "인접시킴(adjoining)" 또는 "인접되는(adjoined)"은 내탄도성 물품이 조끼 또는 다른 의류 물품으로부터 선택적으로 용이하게 제거될 수 있도록, 붙이기, 예컨대 바느질하기 또는 부착하기 등, 뿐만 아니라 또 다른 패브릭과의 비부착 커플링 또는 병치(juxtaposition)를 포함하도록 의도된 것이다. 가요성 시트, 조끼 및 다른 의복과 같은 가요성 구조의 형성에 이용되는 물품은 바람직하게는 저 인장 모듈러스 바인더 물질을 이용하여 형성된다. 헬멧 및 방호물과 같은 강성 물품은 바람직하게는, 그러나 비배타적으로, 고 인장 모듈러스 바인더 물질을 이용하여 형성된다.
내탄도 특성은 당해 기술분야에 잘 알려진 표준 시험 방법을 이용하여 결정된다. 구체적으로, 내탄도성 복합체의 보호 능력 또는 내관통성은, V50 값으로도 알려진, 50%의 발사체는 복합체를 관통하는 반면 50%는 복합체에 의해 정지되는 충격 속도(impacting velocity)를 인용함으로써 보통 표현된다. 본 명세서에서 이용된, 물품의 "내관통성(penetration resistance)"은 지정된 위협, 예컨대 총탄, 조각들, 파편 등을 포함하는 물질에 의한 관통에 대한 저항성이다. 이의 면적으로 나눈 복합체의 중량인 면밀도가 동일한 복합체에 대하여, V50이 클수록 복합체의 내탄도성이 더 좋다.
또한 지정된 위협에 대한 내관통성은 내탄도 물질의 총 비 에너지 흡수도(total specific energy absorption)("SEAT")로 표현될 수 있다. 총 SEAT는 복합체의 면밀도로 나눈 위협의 운동 에너지이다. SEAT 값이 높을수록 위협에 대한 복합체의 저항성은 크다. 본 발명의 물품의 내탄도 특성은 많은 요소에 따라 달라질 것이며, 특히 섬유질 물질의 제조에 이용되는 섬유의 타입, 섬유질 물질 내 섬유의 중량 퍼센트, 코팅 물질의 물리적 특성의 적합성, 섬유질 물질을 이루는 패브릭의 층 수 및 섬유질 물질의 총 면밀도에 따라 달라질 것이다.
하기의 비제한적인 실시예는 본 발명을 설명하기 위해 제공된다:
실시예 1
본 발명에 따른 하이브리드 섬유 겹을 제조하기 위해, 고압 에어 젯을 이용하여 650 데니어 SPECTRA ® 1000 섬유 다발을 500 데니어 아라미드 섬유와 블렌드한다. 이는 1100 데니어 하이브리드 섬유의 결과를 가져온다. 이런 하이브리드 섬유로부터 여러개의 1 lb 하이브리드 섬유 스풀을 만든다. 이후 이들 스풀을 이용하여, 53 g/m2 (gsm)의 섬유 면밀도를 갖는 다수의 유니테이프로 섬유를 전환시킨다. 섬유를 수지 욕조에 침지시킴으로써 수성 기반 폴리우레탄 수지 (예컨대 Bayer DISPERCOLL® U53 수지)를 유니테이프에 적용한다. 이후 가열된 오븐에 각 유니테이프를 통과시켜 휘발성 물질을 제거한다. 완전한 건조 후, 유니테이프는 16±2% 의 수지 함량을 가진다. 이후 유니테이프를 교차-플라이하여 0°/90° 물질의 연속 2겹 롤을 달성한다.
실시예 2 ( 비교예 )
100%의 650 데니어 SPECTRA ® 1000 섬유로 섬유 겹을 제조한 것만 제외하고 실시예 1과 동일한 공정을 반복한다. 섬유는 동일한 수지로 코팅되고 동일한 수지 함량을 함유한다. 유니테이프를 교차-플라이하여 0°/90° 물질의 연속 2겹 롤을 달성한다.
실시예 3 ( 비교예 )
100%의 1000 데니어 아라미드 섬유로 섬유 겹을 제조한 것만 제외하고 실시예 1과 동일한 공정을 반복한다. 섬유는 동일한 수지로 코팅되고 동일한 수지 함량을 함유한다. 유니테이프를 교차-플라이하여 0°/90° 물질의 연속 2겹 롤을 달성한다.
실시예 1 내지 3의 각 물질을 40 ㎝ × 40 ㎝ 슛팩(shoot pack)으로 만든다. 상기 슛팩은 가장자리에서 스티치되어 층들을 함께 붙든다. NIJ 표준 0101.06에 따른 127 ㎝ 두께 보정된 Roma Plastilina #1 점토 블록 상에 시험을 행한다. 각 슛팩 상에 발사된 적어도 8 총탄의 평균을 기준으로 ±15 mps 내의 V50 값을 달성하도록 시험을 수행하며, 여기서 4 총탄은 슛팩을 완전히 관통하고 4 총탄은 슛팩을 부분적으로 관통한다. 상기 데이터는 하이브리드 섬유 겹을 이용함으로써 내탄도성은 증가하고 백페이스 변형은 감소됨을 보여줄 것으로 예상된다.
실시예 4 ( 발명예 ), 실시예 5 ( 비교예 ) 및 실시예 6 ( 비교예 )
실시예 1 내지 3으로부터 각각 다수의 30 ㎝ × 30 ㎝ 섬유 겹을 잘라내고 0°/90° 교차-플라이되는 형태를 유지하며 적층한다. 이후 200 톤 수압 프레스에 장착된 120 ℃ 예열된 몰드 내에서 각 적층체를 몰드한다. 20분 동안 몰딩 압력없이 몰드 내에서 각 물질의 적층체를 예열한다. 20분 후에, 풀 고정 압력을 적용한다. 15분의 몰딩 후, 냉각 사이클을 시작한다. 냉각 사이클 동안, 몰딩 압력은 해제되지 않는다. 이런 공정은 적층체를 컨솔리데이트된 패널로 전환시킨다. 일단 패널이 50 ℃에 도달하면, 몰드를 열고 시험을 위해 패널을 방출한다. 몰딩 후 48시간(48 hours after molding), 패널의 뒤에 어떠한 점토없이 프레임 상에 각 패널을 장착한다. ±15 m/s 내의 V50을 달성하도록 각 패널에 여러 17 그레인 FSP (Fragment Simulating Projectiles)를 발사한다. 상기 데이터는 하이브리드 섬유 겹으로 형성된 패널은 다른 비-하이브리드 패널보다 나은 내탄도관통성을 가짐을 보여줄 것으로 예상된다.
바람직한 구현 예로 본 발명을 구체적으로 나타내고 서술하였으나, 본 발명의 본질 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 청구범위는 개시된 구현 예, 앞서 논의된 이의 변형 및 모든 균등물을 커버하는 것으로 해석되도록 의도된다.

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 하이브리드 겹을 포함하는 내탄도성 물질로서, 상기 하이브리드 겹은 다수의 섬유 또는 다수의 테이프, 또는 섬유 및 테이프 모두의 조합을 포함하며, 상기 다수의 섬유는 적어도 2가지의 물리적으로 다른 섬유 타입을 포함하고 상기 다수의 테이프는 적어도 2가지의 물리적으로 다른 테이프 타입을 포함하며, 물리적으로 다른 섬유 또는 테이프 타입은 적어도 하나의 비유사 물리적 특성을 가지며, 상기 테이프는 3:1 초과의 평균 횡단면 종횡비를 가지고, 상기 물질이 다수의 섬유를 포함하는 경우 50중량% 초과의 섬유가 적어도 25g/데니어의 인성을 가지며, 상기 적어도 2가지의 물리적으로 다른 섬유 또는 테이프 타입은 동일한 폴리머로부터 형성되는, 내탄도성 물질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 50중량% 초과의 섬유는 적어도 30g/데니어의 인성을 갖는, 내탄도성 물질.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 겹은 적어도 25g/데니어의 인성을 갖는 다수의 고 인성(high tenacity) 섬유 및 10g/데니어 미만의 인성을 갖는 다수의 저 인성(low tenacity) 섬유를 포함하는, 내탄도성 물질.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 겹은 제1 필라멘트당 데니어를 갖는 다수의 섬유 및 제2 필라멘트당 데니어를 갖는 다수의 섬유를 포함하고, 상기 제1 필라멘트당 데니어는 제2 필라멘트당 데니어보다 큰 것인, 내탄도성 물질.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 겹은 다수의 물리적으로 비유사 폴리에틸렌 섬유를 포함하는, 내탄도성 물질.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 겹은 다수의 물리적으로 비유사 아라미드 섬유를 포함하는, 내탄도성 물질.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 겹은 비틀리거나 엉키지 않은, 물리적으로 다른 섬유 타입을 포함하는, 내탄도성 물질.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 물질은 부직 일방형성 복합체를 포함하고, 상기 복합체는 다수의 일방향으로 배향된, 평행한 섬유 또는 다수의 일방향으로 배향된, 평행한 테이프를 포함하며, 각각의 하이브리드 겹 내 인접된 평행한 섬유 또는 인접된 평행한 테이프는 다른 섬유 타입 또는 다른 테이프 타입인, 내탄도성 물질.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 하이브리드 겹은 다수의 물리적으로 다른 폴리에틸렌 테이프를 포함하는, 내탄도성 물질.
  12. 제1항에 있어서,
    함께 컨솔리데이팅된(consolidated) 다수의 하이브리드 겹을 포함하는 것인, 내탄도성 물질.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 겹은 다수의 섬유 및 다수의 테이프 모두를 포함하는, 내탄도성 물질.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 하이브리드 겹은 다수의 폴리에틸렌 섬유 및 다수의 폴리에틸렌 테이프를 포함하는, 내탄도성 물질.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 하이브리드 겹은 다수의 아라미드 섬유 및 다수의 폴리에틸렌 테이프를 포함하는, 내탄도성 물질.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 하이브리드 겹은 다수의 테이프를 포함하고, 상기 테이프는 2.5mm 내지 50mm의 폭을 갖는, 내탄도성 물질.

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