KR102036685B1 - Manufacturing method of protective SFT using low density silica, protective SFT - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방탄복 및 방검복 등과 같은 방호복에 사용되는 전단농화액에 관한 것으로서, 하소 공정을 제외하여 저밀도의 중공형 실리카 비드를 합성하는 단계와, 상기 중공형 실리카 비드의 표면을 개질하는 단계와, 상기 표면 개질된 중공형 실리카 비드와 유기 고분자 입자를 혼합한 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물을 용매에 분산하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저밀도 실리카를 이용한 방호용 전단농화액 제조방법 및 이에 의한 방호용 전단농화액 그리고 이를 이용한 방호재를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은 저밀도의 중공형 실리카 비드와 유기 고분자 입자를 혼합한 하이브리드 혼합물을 이용한 전단농화액을 제조하여 방호복에 적용함으로써, 방탄 및 방검 성능이 뛰어나며, 착용감이 우수하고 경량화를 구현한 방호복용 방호제를 제공하는 이점이 있다.The present invention relates to a shear thickening solution used in protective clothing, such as a body armor and a sword suit, comprising the steps of synthesizing low-density hollow silica beads except for the calcination process, and modifying the surface of the hollow silica beads; Method for producing a shear thickening liquid for protection using low density silica, characterized in that it comprises the step of preparing a mixture of the surface-modified hollow silica beads and organic polymer particles and dispersing the mixture in a solvent Shear thickening solution for protection and protective material using the same are the technical points. Accordingly, the present invention is to prepare a shear concentrate using a hybrid mixture of low-density hollow silica beads and organic polymer particles to apply to protective clothing, excellent ballistic and anti-sword performance, excellent wearing comfort, lightweight protective clothing There is an advantage to providing a protective agent.
Description
본 발명은 방탄복 및 방검복 등과 같은 방호복에 사용되는 전단농화액에 관한 것으로서, 저밀도의 중공형 실리카 비드와 유기 고분자 입자를 혼합한 하이브리드 혼합물을 이용한 전단농화액을 제조함으로써 착용감이 우수하고 경량화를 구현한 저밀도 실리카를 이용한 방호용 전단농화액 제조방법 및 이에 의한 방호용 전단농화액 그리고 이를 이용한 방호재에 관한 것이다.The present invention relates to a shear thickening solution used in protective clothing such as body armor and a sword suit, by producing a shear thickening solution using a hybrid mixture of low-density hollow silica beads and organic polymer particles to achieve excellent fit and light weight The present invention relates to a method for producing a protective shear thickening liquid using low density silica, a protective shear thickening liquid according to the same, and a protective material using the same.
방탄 및 방검복은 군수용뿐만 아니라 최근에는 개인 엽총 사용 가능으로 경찰 및 개인 보호용으로도 그 사용이 증가하고 있다.Bulletproof and sword suits are used not only for the military but also for the recent use of personal shotguns, which are increasingly used for police and personal protection.
종래의 방탄 및 방검복은 방탄 및 방검 효과에 치중하여 세라믹 패널 등을 사용한 하드 방호복을 사용하여 왔으나, 유연성 및 무거운 중량으로 인한 불편함이 있었다.Conventional bulletproof and anti-sword suits have been using hard protective clothing using a ceramic panel and the like focused on the anti-ballistic and anti-sword effect, but there was inconvenience due to flexibility and heavy weight.
최근에는 고강도 섬유를 이용한 페브릭으로 제조된 소프트 방호복이 주로 사용되고 있으나, 방호 효과 향상을 위해 여러 겹으로 적층함으로 인해 중량이 증가하고 유연성이 떨어져서 착용자의 활동성과 쾌적성에 영향을 주어 생존성과 기동성에 문제가 되고 있다.Recently, soft protective clothing made of fabric made of high-strength fibers is mainly used.However, in order to improve the protection effect, the soft protective clothing is increased in weight due to the multiple layers, and the flexibility is reduced, which affects the wearer's activity and comfort. It is becoming.
이러한 소프트 방호복에 주로 사용되고 있는 것은 아라미드 섬유와 초고분자량의 폴리에틸렌 섬유이나, 그 강도의 한계로 인해 근접거리 및 초고속 충돌에 대한 완충능력이 떨어지며 가격이 비싼 단점이 있다. 또한 오늘날 섬유의 물성 증가에는 한계에 도달하여 이들 섬유만으로는 증가하는 방호력을 방어하기는 어려운 실정이다.The soft protective clothing is mainly used aramid fibers and ultra-high molecular weight polyethylene fibers, but due to the limitation of the strength of the short-range and ultra-fast collisions, the buffer capacity is low, and there is a high price disadvantage. In addition, the physical properties of today's fibers have reached a limit, and these fibers alone are difficult to defend against the increasing protection.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법의 하나로 전단농화액(Shear thickening fluid, STF)를 사용한 액체방탄재를 응용한 기술이 있다.As a method for solving this problem, there is a technique using a liquid bulletproof material using a shear thickening fluid (STF).
전단농화액(Shear thickening fluid, STF)란 작은 입자가 액체 상에 높은 농도로 분산되어 있을 때 임계 전단속도 이상에서 점도가 급격히 증가하는 유체로 액체에서 고체로의 상전이 현상을 이용하게 되면 상시에는 플렉시블 했다가 외부에서 가해지는 충격에 자동적으로 반응하여 완충효과를 가지는 스마트 물질로 알려져 있다.Shear thickening fluid (STF) is a fluid whose viscosity increases rapidly above the critical shear rate when small particles are dispersed in a high concentration in the liquid. It is known as a smart material that has a buffering effect by automatically responding to an external impact.
즉 전단농화액의 특성을 이용하여 액체방탄재에 충격을 가하면 순간적으로 액상의 전단농화액가 고상으로 변하여 탄이 침투되는 것을 억제하는 원리로서, 이 기술을 직물 형태에 적용하면 방탄 성능의 증진과 더불어서 착용성에도 영향을 주지 않아 유연성을 확보하고 또한 기존의 아라미드 섬유로 제작된 방탄복보다 경량화된 방탄복을 제공할 수 있다.In other words, when the impact on the liquid ballistic material is impacted by using the properties of the shear thickening liquid, the shear thickening liquid in the liquid phase instantly becomes solid, and the coal is infiltrated. It does not affect the wearability to secure flexibility and can provide a light weight body armor than conventional body armor made of aramid fibers.
이러한 전단농화액를 최초로 응용한 방탄복에 대한 기술은 200nm 사이즈의 실리카 입자를 이용한 STF와 케블라 직물을 이용한 것으로서, 케블라 직물 개수와 두께를 50% 이상 줄이면서도 방탄효과가 동일하고 훨씬 더 유연한 방탄복이 제시된 바 있다.The body armor for the first time to apply the shear thickening technique is based on STF and Kevlar fabrics using 200 nm silica particles, which have the same anti-ballistic effect while reducing the number and thickness of Kevlar fabric by more than 50%. have.
이 외에도 최근까지 전단농화액를 이용한 다양한 연구가 시도되고 있으며, 전단농화액를 갖는 방탄재 및 그 제조방법(출원번호 10-2010-0056722호), 전단농화액를 갖는 방검 및 방침 패널 및 그 제조방법(출원번호 10-2010-0064544호) 등이 있다.In addition, until recently, various studies using shear thickening solutions have been attempted, and a bulletproof material having a shear thickening liquid and a method of manufacturing the same (Application No. 10-2010-0056722), a sword and a policy panel having a shear thickening liquid and a manufacturing method thereof (application) No. 10-2010-0064544).
그러나 종래의 기술들은 STF 소재 및 기존 소재와의 하이브리드를 위한 최적화 기술이 부족하며, 일상 충격에서는 완충효과가 존재하나 큰 충격에서는 작용하지 않는 문제와 전단농화액를 구성하는 입자가 대부분 무기 입자로 높은 함량에 의한 전단농화액가 무거워 경량화에 용이하지 않은 문제점이 있다.However, the conventional techniques lack the optimization technology for hybrid with the STF material and the existing material, the buffer effect in the daily impact, but does not work in a large impact and the particles constituting the shear thickening liquid is mostly inorganic particles high content There is a problem in that the shear thickening liquid is heavy and not easy to light weight.
즉, 실리카 등의 무기입자의 높은 밀도로 인해 방호복의 경량화 실현이 불가능하여 상업화되지 못하고 있는 실정이다.In other words, due to the high density of inorganic particles such as silica, it is impossible to commercialize the protective clothing because it is impossible to reduce the weight of the protective clothing.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저밀도의 중공형 실리카 비드와 유기 고분자 입자를 혼합한 하이브리드 혼합물을 이용한 전단농화액을 제조함으로써 착용감이 우수하고 경량화를 구현한 저밀도 실리카를 이용한 방호용 전단농화액 제조방법의 제공을 그 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, by producing a shear thickening solution using a hybrid mixture of low-density hollow silica beads and organic polymer particles, shearing thickening for protection using low-density silica excellent in wearing comfort and lightweight It is an object of the present invention to provide a method for preparing a liquid.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 하소 공정을 제외하여 저밀도의 중공형 실리카 비드를 합성하는 단계와, 상기 중공형 실리카 비드의 표면을 개질하는 단계와, 상기 표면 개질된 중공형 실리카 비드와 유기 고분자 입자를 혼합한 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물을 용매에 분산하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저밀도 실리카를 이용한 방호용 전단농화액 제조방법 및 이에 의한 방호용 전단농화액 그리고 이를 이용한 방호재를 기술적 요지로 한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of synthesizing low-density hollow silica beads, excluding the calcination process, modifying the surface of the hollow silica beads, the surface-modified hollow silica beads and organic A method for preparing a protective shear concentrate for protection using low density silica, and a protective shear concentrate for protection by using the same, comprising preparing a mixture of polymer particles and dispersing the mixture in a solvent. We make good news a technical gist.
또한, 상기 중공형 실리카 비드는, 밀도가 1.7~1.8g/cc인 것이 바람직하다.Moreover, it is preferable that the said hollow silica bead has a density of 1.7-1.8 g / cc.
또한, 상기 중공형 실리카 비드의 표면을 개질하는 단계는, 고분자 물질로 상기 중공형 실리카 비드의 표면을 코팅하는 것으로서, 그 두께가 2~30nm인 것이 바람직하다.In addition, the step of modifying the surface of the hollow silica beads, coating the surface of the hollow silica beads with a polymer material, the thickness is preferably 2 ~ 30nm.
또한, 상기 중공형 실리카 비드와 유기 고분자 입자를 혼합한 혼합물을 제조하는 단계는, 상기 중공형 실리카 비드 100중량부에 대해 상기 유기 고분자 입자 10~30중량부로 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the step of preparing a mixture of the hollow silica beads and the organic polymer particles, it is preferable that the
또한, 상기 혼합물을 용매에 분산하는 단계는, 상기 용매 100중량부에 대해 상기 혼합물 40~60중량부로 형성되며, 점도는 1000cps 이상인 것이 바람직하다.In addition, the step of dispersing the mixture in a solvent, the mixture is formed of 40 to 60 parts by weight of the mixture with respect to 100 parts by weight of the solvent, the viscosity is preferably at least 1000cps.
본 발명은 저밀도의 중공형 실리카 비드와 유기 고분자 입자를 혼합한 하이브리드 혼합물을 이용한 전단농화액을 제조하여 방호복에 적용함으로써, 방탄 및 방검 성능이 뛰어나며, 착용감이 우수하고 경량화를 구현한 방호복용 방호제를 제공하는 효과가 있다.The present invention is prepared by applying a shear thickening solution using a hybrid mixture of low-density hollow silica beads and organic polymer particles, and applied to protective clothing, excellent anti-ballistic and anti-skid performance, excellent wearing comfort and lightweight protective clothing Has the effect of providing.
도 1 - 본 발명에 따른 방호용 전단농화액 제조방법에 대한 블럭도.
도 2 - 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 저밀도 중공형 실리카 비드의 사진을 나타낸 도.
도 3, 도 4 - 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 방호재의 사진을 나타낸 도.1-a block diagram for a method for preparing a shear thickener for protection according to the present invention.
Figure 2-Figure showing a photograph of a low density hollow silica beads made in accordance with one embodiment of the present invention.
Figure 3, Figure 4-Figure showing a photograph of the protective material produced according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 방탄복 및 방검복 등과 같은 방호복에 사용되는 전단농화액에 관한 것으로서, 저밀도의 중공형 실리카 비드와 유기 고분자 입자를 혼합한 하이브리드 혼합물을 이용한 전단농화액을 제조함으로써 착용감이 우수하고 경량화를 구현한 방호복용 방호재를 제공하는 것이다.The present invention relates to a shear thickening solution used in protective clothing such as body armor and a sword suit, by producing a shear thickening solution using a hybrid mixture of low-density hollow silica beads and organic polymer particles to achieve excellent fit and light weight It is to provide a protective clothing for a protective clothing.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 살펴보고자 한다. 도 1은 본 발명에 따른 방호용 전단농화액 제조방법에 대한 블럭도이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a block diagram of a method for preparing a shear thickener for protection according to the present invention.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 저밀도 실리카를 이용한 방호용 전단농화액 제조방법은 하소 공정을 제외하여 저밀도의 중공형 실리카 비드를 합성하는 단계와, 상기 중공형 실리카 비드의 표면을 개질하는 단계와, 상기 표면 개질된 중공형 실리카 비드와 유기 고분자 입자를 혼합한 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물을 용매에 분산하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.As shown, a method for preparing a shear thickener for protection using low density silica according to the present invention comprises the steps of synthesizing a low density hollow silica beads except for the calcination process, and modifying the surface of the hollow silica beads; Preparing a mixture of the surface modified hollow silica beads and organic polymer particles, and dispersing the mixture in a solvent.
본 발명에 따른 저밀도 실리카를 이용한 방호용 전단농화액은 하소 공정을 제외하여 저밀도의 중공형 실리카 비드를 합성한다. Protective shear concentrate using low density silica according to the present invention synthesizes low-density hollow silica beads except for the calcination process.
종래의 실리카 비드는 마이크로 에멀젼법, 테트라에틸오르쏘실리케이트(TEOS)을 이용한 졸-겔법, 분무건조법(spray drying) 또는 분무열분해법(spray pyrolysis) 등의 방법으로 제조된다.Conventional silica beads are prepared by a microemulsion method, a sol-gel method using tetraethyl orthosilicate (TEOS), spray drying or spray pyrolysis.
즉, 상기의 공정으로부터 합성된 실리카 비드는 수세, 건조, 하소 및 밀링의 순으로 제조되어 중공형 실리카 비드를 제공하게 되는데, 이 중 하소 공정은 반응 후 잔류된 휘발가능 성분을 가열 분해의 방식으로 제거하는 공정인데, 이 때 가열 감량이 이루어지므로 이 공정을 제거하게 되면 본 발명에 따른 저밀도의 중공형 실리카 비드를 얻을 수 있게 된다.That is, the silica beads synthesized from the above process are prepared in the order of washing, drying, calcining and milling to provide hollow silica beads, among which the calcining process heat-decomposes the remaining volatile components after the reaction. In this case, the heating loss is achieved, and thus, when the process is removed, low-density hollow silica beads according to the present invention can be obtained.
하소 공정을 제외한 합성된 중공형 실리카 비드를 확보하여 밀링 공정을 거친 후 밀도를 측정한 결과 1.7~1.8g/cc로 자연상 실리카가 대략 2.65g/cc나 합성된 실리카 비드의 경우에도 2.2138g/cc로 기존의 실리카 또는 실리카 비드 대비 매우 낮은 밀도를 가짐을 확인할 수 있었다.As a result of measuring the density after the milling process by securing the synthesized hollow silica beads except for the calcination process, the natural silica was approximately 2.65 g / cc or 2.2138 g / cc even in the case of synthesized silica beads. cc was confirmed to have a very low density compared to the conventional silica or silica beads.
상기 중공형 실리카 비드의 입자 크기는 20~500nm가 바람직하며, 이보다 작으면 임게전단속도가 너무 증가하게 되고, 이보다 크게 되면 전단농화의 개시점이 지연되게 된다.The particle size of the hollow silica beads is preferably 20 ~ 500nm, if smaller than this, the shear shear rate is increased too much, if larger than this, the starting point of shear thickening is delayed.
이렇게 제조된 상기 중공형 실리카 비드는 표면 개질 작업을 진행하게 된다. 이는 후술할 용매 또는 유기 용매 상에서의 분산성을 개선시키기 위한 것으로, 고분자 물질로 상기 중공형 실리카 비드의 표면을 코팅하는 방식으로 표면 개질을 수행한다.The hollow silica beads thus prepared are subjected to surface modification. This is to improve the dispersibility on a solvent or an organic solvent to be described later, the surface modification is performed by coating the surface of the hollow silica beads with a polymer material.
상기 중공형 실리카 비드의 표면 개질을 위해 사용되는 고분자 물질은 상기 중공형 실리카 비드 표면에 코팅되며 그 두께가 2~30nm인 것이 바람직하며, 이는 최적의 전단농화 효과를 발현하기 위한 범위로, 용매에 균일한 분산을 구현하기 위한 것이다.The polymeric material used for surface modification of the hollow silica beads is coated on the surface of the hollow silica beads and preferably has a thickness of 2 to 30 nm, which is a range for expressing an optimum shear thickening effect, in a solvent. To achieve uniform dispersion.
상기 고분자 물질의 상기 중공형 실리카 비드 표면의 코팅에 의한 표면개질은 실란 커플링제 처리를 통해 구현할 수 있다. 예컨대 상기 실란 커플링제로 에폭시기 함유 실란 커플링제, 아크릴기 함유 실란 커플링제, 이소시아네이트기 함유 실란 커플링제 등을 사용할 수 있다.Surface modification by coating the surface of the hollow silica bead of the polymer material may be realized through a silane coupling agent treatment. For example, an epoxy group containing silane coupling agent, an acryl group containing silane coupling agent, an isocyanate group containing silane coupling agent, etc. can be used as said silane coupling agent.
이렇게 표면 개질된 중공형 실리카 비드에 유기 고분자 입자를 혼합하여 혼합물을 제조한다. 상기 유기 고분자 입자는 크기와 크기 분포가 제어된 현탁 중합을 이용하여 합성할 수 있다.The surface-modified hollow silica beads are mixed with organic polymer particles to prepare a mixture. The organic polymer particles may be synthesized by using suspension polymerization in which size and size distribution are controlled.
전단농화액은 상기 중공형 실리카 비드 및 유기 고분자 입자의 크기, 입자 크기 분포, 입자의 형태 및 입자 간 상호인력에 의해 전단농화 특성이 결정되게 되며, 방탄 및 방검 특성 부여, 외부 충격 에너지의 효울적 방출, 활동성과 경량성 등을 고려하여 상기 중공형 실리카 비드 및 유기 고분자 입자의 크기 등의 변수를 조절하여 사용한다.Shear thickening solution determines the shear thickening properties by the size of the hollow silica beads and organic polymer particles, particle size distribution, particle shape, and mutual attraction between particles, and provides antiballistic and anti-glare properties, and effective external impact energy. In consideration of the release, activity and light weight, such parameters as the size of the hollow silica beads and organic polymer particles are used.
상기 유기 고분자 입자는, PS, PMMA, PVC, PCL(polycaprolactone), PC 등이 사용되게 되며, 상기 중공형 실리카 비드 100중량부에 대해 상기 유기 고분자 입자 10~30중량부로 사용되게 되며, 기존 실리카 비드 대신 밀도가 낮은 저밀도 중공형 실리카 비드를 사용하게 되며, 이보다 더 밀도가 낮은 유기 고분자 입자를 혼합하여 사용함으로서, 방탄 및 방검 성능뿐만 아니라 보다 경량화를 도모하도록 한 것이다.PS, PMMA, PVC, PCL (polycaprolactone), PC, etc. are used as the organic polymer particles, 10 to 30 parts by weight of the organic polymer particles with respect to 100 parts by weight of the hollow silica beads, the existing silica beads Instead, low-density hollow silica beads with low density are used, and organic polymer particles of lower density are mixed and used to achieve lighter weight as well as ballistic and anti-glare performance.
그리고, 상기 혼합물을 용매에 분산하여 적정 농도로 조절하여 전단농화액을 완성한다.Then, the mixture is dispersed in a solvent and adjusted to an appropriate concentration to complete the shear concentrate.
상기 용매 100중량부에 대해 상기 혼합물을 40~60중량부로 사용하며, 점도는 1000cps 이상이 되도록 하여, 전단농화 현상이 원활히 발생하도록 한다.The mixture is used in an amount of 40 to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the solvent, and the viscosity is 1000 cps or more, so that the shear thickening phenomenon occurs smoothly.
즉, 상기 혼합물의 함량이 떨어지면 전단농화 현상의 발생이 미약하여 충격흡수력이 떨어지게 되고, 이를 초과하게 되면 필요 이상의 입자의 사용으로 무게가 증가하게 된다.In other words, if the content of the mixture falls, the shear thickening phenomenon is weak and the shock absorbing power is lowered. If this exceeds, the weight is increased by using more particles than necessary.
상기 용매는 에틸렌글리콜 또는 폴리에틸렌글리콜 중 어느 하나와 에탄올, 에틸아세테이트, 톨루엔, 에테르, 아세톤, 메틸에틸케톤 중 어느 하나를 혼합하여 사용하며, 점도 조절을 위해 에틸렌글리콜 또는 폴리에틸렌글리콜 대비 에탄올의 함량을 조절하여 사용할 수 있다.The solvent is used by mixing any one of ethylene glycol or polyethylene glycol and ethanol, ethyl acetate, toluene, ether, acetone, methyl ethyl ketone, and adjust the content of ethanol relative to ethylene glycol or polyethylene glycol for viscosity control Can be used.
이렇게 제조된 전단농화액은 케블러 원단과 융합하여 방호재로 사용될 수 있으며, 케블러 원단 상에 코팅 또는 함침의 방법으로 제공되게 된다.The shear thickening solution thus prepared may be used as a protective material by fusing with Kevlar fabric, and provided by the method of coating or impregnation on Kevlar fabric.
상기 케블러 원단은 방탄 및 방검 성능에 따라 4~8 layer로 적층하여 사용하며, 상기 케블러 원단 상이 상기 전단농화액이 10~20㎛ 정도의 두께로 코팅되도록 한다.The Kevlar fabric is laminated in 4 to 8 layers according to the anti-ballistic and anti-glare performance, and the shear thickening solution is coated with a thickness of about 10 to 20 μm on the Kevlar fabric.
이보다 얇으면 충격시 케블러 원단의 변형 억제 효과가 적게 되고, 이를 초과하게 되면 직물의 뻣뻣하게 되어 작은 충격에도 직물이 파괴되거나 착용감의 저하를 초래하게 된다.Thinner than this reduces the deformation suppression effect of the Kevlar fabric during impact, and if exceeded, the fabric becomes stiff and the fabric is destroyed even with a small impact or a deterioration of fit.
이하에서는 본 발명에 따른 제조공정 확보를 위한 실험예 및 일실시예에 대해 설명하고자 한다.Hereinafter will be described the experimental example and one embodiment for securing the manufacturing process according to the present invention.
먼저 기초연구로 전단농화액 간이 제조공정을 수행하였으며, 하소 공정이 제외되어 에탄올이 과량 함유된 실리카 비드를 볼밀 24시간 후 6시간 진공건조조건 대비 상온 믹싱 150분 고온 가열건조조건을 선택함으로써 미시적인 분산능은 떨어질 가능성은 있지만 실험실에서 외관 및 함침 성능을 비교할 수 있는 전단농화액 간이 제조방법을 획득하였다.First, as a basic study, a simple shear thickening process was carried out.Because the calcination process was excluded, the silica beads containing excess ethanol were ball milled for 24 hours and 6 hours at room temperature mixing for 150 hours. Although the dispersibility may be reduced, a simple method of preparing a shear thickener that can compare appearance and impregnation performance in a laboratory was obtained.
이러한 제조방법을 통해 에탄올 고온 건조후 잔류 전단농화액 기준으로 실리카 66.7wt% 이상에서 얻을 수 있었으며, 70wt% 이상에서는 믹싱이 어려운 현상을 발견하였다.Through this preparation method, silica was obtained at 66.7 wt% or more based on residual shear concentrate after ethanol was dried at a high temperature, and mixing was found to be difficult at 70 wt% or more.
34wt% 이상에서 간이 테스트 결과 전단농화 현상이 발견될 것으로 예상되었으나, 믹싱 건조상태에서는 이를 충족하였지만 상온에서 자연방치시 전단농화액 매질로 사용된 폴리에틸렌글리콜과 층분리 현상이 관찰되었다. 이는 폴리에틸렌글리콜과 본 발명에 따른 중공형 실리카 비드 간의 밀도 차이가 큼에 따라 중공형 실리카 비드가 폴리에틸렌글리콜 내의 부유에 따른 것으로 판단된다.Shear thickening was expected to be found as a result of a simple test at 34wt% or more, but it was satisfied in the mixing dry state, but the polyethylene glycol used as the shear thickening medium and the layer separation phenomenon were observed when left at room temperature. It is determined that the hollow silica beads are suspended in polyethylene glycol due to the large difference in density between the polyethylene glycol and the hollow silica beads according to the present invention.
한편 마이크로 에멀젼법으로 본 발명에 따른 저밀도 중공형 실리카 비드를 합성하였으며, 하소 공정을 제외한 수세, 건조 및 밀링의 순으로 제조되어 중공형 실리카 비드를 제공하게 된다.Meanwhile, the low density hollow silica beads according to the present invention were synthesized by the microemulsion method, and were prepared in the order of washing, drying and milling except for the calcination process to provide hollow silica beads.
본 발명에 따른 중공형 실리카 비드는 하소 공정을 제외한 것으로서, 이에 의해 저밀도의 중공형 실리카 비드를 얻을 수 있게 되었으며, 하소 공정을 제외한 합성된 중공형 실리카 비드를 확보하여 밀링 공정을 거친 후 밀도를 측정한 결과 1.7~1.8g/cc로 자연상 실리카가 대략 2.65g/cc나 합성된 실리카 비드의 경우에도 2.2138g/cc로 기존의 실리카 또는 실리카 비드 대비 매우 낮은 밀도를 가짐을 확인할 수 있었다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 중공형 실리카 비드의 사진을 나타낸 것이다. 도 2(a)는 하소 공정을 거친것이며, 도 2(b)는 하소 공정을 제외한 것이다.Hollow silica beads according to the present invention except for the calcination process, thereby obtaining a hollow silica beads of low density, by securing the synthesized hollow silica beads excluding the calcination process and measuring the density after the milling process As a result, it was confirmed that the natural silica was approximately 2.65 g / cc, but the synthesized silica beads were 1.7138 g / cc, which was much lower than the conventional silica or silica beads at 2.2138 g / cc. Figure 2 shows a picture of a hollow silica bead prepared according to an embodiment of the present invention. Figure 2 (a) has undergone a calcination process, Figure 2 (b) excludes the calcination process.
이러한 비교는 다음 표 1에서 나타내었다.This comparison is shown in Table 1 below.
(이론적 계산치)Solution density
(Theoretical calculation)
natural
(calcination)Synthetic Beads
(calcination)
(하소공정제외)Synthetic Beads
(Excluding calcination process)
STF : PEG200(d 1.124g/cc), 실리카 부피분율 53% 기준STF: PEG200 (d 1.124g / cc), based on 53% silica volume fraction
STF 200cc/㎡, 8 layer 적용 기준,STF 200cc / ㎡, 8 layer application standard,
방탄복 6.8kg, 0.45㎡ 기준Body armor 6.8kg, 0.45㎡
상기 표 1에서 나타난 바와 같이, STF 200cc/㎡, 케블러 원단 8 layer 적용하여 0.45㎡ 방탄복에 적용한다면 기존 합성 실리카 비드로 제조시 대비 대략 4.86%의 감량효과를 기대할 수 있었다.As shown in Table 1, if the STF 200cc / ㎡, Kevlar fabric 8 layer applied to 0.45㎡ kevlar body can be expected to reduce the weight of about 4.86% compared to the conventional synthetic silica beads.
상기의 실험 조건을 통해 케블러 원단에 전단농화액을 융합하는 공정을 실시하였다.Through the experimental conditions described above was carried out the process of fusing the shear thickener to Kevlar fabric.
케블러 원단은 두께 350㎛ 1000d 제품을 시중에서 구매 사용하였으며, 우레탄 접착코팅제를 사용하여 배면 코팅을 대략 40㎛로 1차 작업을 하였다. 그 후 종이 이형지를 1급지로 사용하여 본 발명에 따른 전단농화액을 50㎛ 도포함을 기준으로 콤마코터를 이용하여 작업하였으며, 케블러 원단과는 건조 챔버를 통과한 후 합지하도록 공정을 설계하였다.Kevlar fabrics were commercially available with a thickness of 350㎛ 1000d, and the back coating was first applied to approximately 40㎛ using a urethane adhesive coating agent. Then, using a paper release paper as a primary paper, the shear thickening liquid according to the present invention was operated using a comma coater based on the 50 μm coating, and the process was designed to be laminated with Kevlar fabric after passing through a drying chamber.
전단농화액의 일부 원단 침투를 고려하여 실리카의 농도를 부피분율로 50.8%로 낮추었으며, 콤마 특성 상 코팅제의 점도가 1000cps가 넘어야하기 때문에 에탄올을 폴리에틸렌글리콜 대비 20%를 추가(중공형 실리카 비드 : 폴리에텔렌글리콘 : 에탄올 = 2.06 : 1 : 0.2)하여 점도를 조절하였으며, 건조챔버 내에서 충분히 건조하였다.The concentration of silica was reduced to 50.8% by volume in consideration of the penetration of some of the shear thickening solution.In addition, 20% of ethanol was added to polyethylene glycol because the viscosity of the coating agent had to exceed 1000 cps due to the comma characteristics (hollow silica beads: Polyetherylene glycol: ethanol = 2.06: 1: 0.2) to adjust the viscosity, it was dried sufficiently in a drying chamber.
작업 진행 결과 전단농화액이 케블러 원단 표면에 13㎛ 정도 도포되었으며, 이는 케블러 원단내로 STF가 일부 침투 분산에 의한 것으로 판단된다.As a result of the operation, the shear thickening solution was applied to the surface of the Kevlar fabric by about 13 μm, which is thought to be due to some penetration of STF into the Kevler fabric.
SEM 확인 결과 표면에의 STF 실리카 층이 충분히 형성된 것(도 3)이 확인되었으며, 재직원단 내에도 일정 부분 침투 분산된 것으로 확인되었다. 배면을 SEM으로 확인한 결과 우레탄 코팅층이 일부 도포가 되지 않은 부분이 확인(도 4)되었으나, 실리카가 확인이 되지 않을 것으로 보아 STF가 배면으로는 확산되지 않은 것으로 판단된다.As a result of SEM confirmation, it was confirmed that the STF silica layer on the surface was sufficiently formed (FIG. 3), and it was confirmed that the penetrates and dispersed partly in the fabric. As a result of confirming the back side by SEM, the part where the urethane coating layer was not partially applied was confirmed (FIG. 4), but since the silica was not confirmed, the STF was not diffused to the back side.
양면 이형지로 수직방향으로 밀폐된 구조로 케블러 원단 상 함침 및 일부 전단농화액 층을 가지는 구조체를 양산실험 결과 얻었으나, 상기의 조건에서 전단농화액 층이 고상화된 것을 발견할 수 있었다.Mass production experiments were conducted on the Kevlar fabric impregnation and a part of the shear thickening layer in a vertically sealed structure with double-sided release paper, but the shear thickening layer was found to be solidified under the above conditions.
이는 폴리에틸렌글리콜의 재직 원단층으로의 모세관 형태로 확산에 의한 농도 저하에 의한 측면과 건조 챔버 내에서 증기압 차이로 인한 폴리에틸렌글리콜의 증발에 의한 가능성 등에 의한 것으로 판단된다.This is judged to be due to the possibility of evaporation of polyethylene glycol due to the difference in vapor pressure in the drying chamber and the side due to the concentration decrease due to diffusion in the form of capillary into the base fabric layer of polyethylene glycol.
현재까지의 실험결과로는 구조적으로는 콤마코터에 의한 STF 적층 및 함침은 가능할 것으로 판단되나, STF의 고상화를 막기 위해서는 원단 내 폴리에틸렌글리콜의 충분한 모세관 확산을 고려한 중공형 실리카 비드의 부피분율을 낮추어 전단농화액의 액상을 유지하면서 전단농화 현상을 보일 수 있는 최적의 조성비를 찾을 수 있다.The experimental results to date are structurally possible to stack and impregnate STF by comma coater.However, to prevent STF solidification, the volume fraction of hollow silica beads in consideration of sufficient capillary diffusion of polyethylene glycol in the fabric is reduced. It is possible to find the optimal composition ratio that can show the shear thickening phenomenon while maintaining the liquid phase of the shear thickening liquid.
건조 조건에 따른 폴리에틸렌글리콜의 증기압의 차이에 의한 증발을 최대한 억제할 수 있는 조건을 확립하는 것이 필요하다고 판단되며, 전단농화액의 적층 후 폴리에틸렌글리콜의 농도변화를 최소화할 수 있는 적층구조를 설계할 수 있다.It is deemed necessary to establish conditions that can minimize evaporation due to the difference in vapor pressure of polyethylene glycol according to drying conditions, and design a laminated structure to minimize the concentration change of polyethylene glycol after lamination of shear concentrate. Can be.
Claims (16)
상기 중공형 실리카 비드의 표면을 개질하는 단계;
상기 표면 개질된 중공형 실리카 비드 100중량부에 대해, 상기 실리카 비드 보다 밀도가 낮은 유기 고분자 입자 10~30중량부를 혼합한 혼합물을 제조하는 단계; 및
상기 혼합물 40~60중량부를 용매 100중량부에 대해 분산하여 점도는 1000cps 이상으로 조절하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저밀도 실리카를 이용한 방호용 전단농화액 제조방법.Synthesizing low density hollow silica beads having a density of 1.7 ~ 1.8g / cc excluding the calcination process;
Modifying the surface of the hollow silica beads;
Preparing a mixture of 10-30 parts by weight of the organic polymer particles having a lower density than the silica beads, based on 100 parts by weight of the surface-modified hollow silica beads; And
Dispersing 40 to 60 parts by weight of the mixture with respect to 100 parts by weight of the solvent to adjust the viscosity to 1000cps or more; Protective shear concentrate production method using a low density silica, characterized in that comprises a.
고분자 물질로 상기 중공형 실리카 비드의 표면을 코팅하는 것을 특징으로 하는 저밀도 실리카를 이용한 방호용 전단농화액 제조방법.The method of claim 1, wherein modifying the surface of the hollow silica beads,
Method for producing a shear thickening liquid for protection using low density silica, characterized in that the coating of the surface of the hollow silica beads with a polymer material.
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