KR20080093149A - 향상된 탄도 제품의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

고에너지 라이플 실탄 등에 대해 향상된 저항성을 가진 탄도 저항성 복합체 물질을 제조하는 방법이다. 상기 방법은 고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 적어도 하나의 섬유층을 제공하는 것을 포함한다. 상기 섬유층은 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅된다. 상기 코팅된 섬유층은 적어도 약 1,500(10.3MPa)의 압력에서 성형된다. 바람직하게는, 각 섬유층이 열가소성 폴리우레탄 수지 매트릭스 내의 단일방향으로 배향된 아라미드 섬유로 형성된 다수의 섬유층이 사용된다. 인접 섬유층은 바람직하게 서로에 대해 90°로 배향된다.
탄도 저항성 복합체, 고강도 아라미드 섬유, 열가소성 폴리우레탄 수지, 고압

Description

향상된 탄도 제품의 제조방법{METHOD OF MAKING IMPROVED BALLISTIC PRODUCTS}
본 발명은 탄도 제품에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 아라미드 섬유 재료로 형성된 탄도 제품에 관한 것이다.
조끼 등에 관한 탄도 저항성 제품은 본 기술분야에 알려져 있다. 많은 이러한 제품들은 아라미드 섬유와 같은 고강도 섬유를 기본으로 하고 있다. 이러한 제품은 우수한 특성을 지녀 상업적 성공을 달성하였지만, 방탄복 제품과 같은 방호복 제품의 특성을 향상시키기 위한 필요는 계속되고 있다.
특히, 고에너지 라이플 실탄(rifle bullet) 등에 대한 향상된 저항성을 지닌 탄도 저항성 제품을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명에 따르면,
고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 적어도 하나의 섬유층을 제공하는 단계; 상기 섬유층을 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계; 및 상기 섬유층을 적어도 약 1,500psi(10.3MPa)의 압력에서 성형하는 단계;
를 포함하는 고에너지 라이플 실탄 등에 대해 향상된 저항성을 가지는 탄도 저항성 복합체 물질을 제조하는 방법이 제공된다.
또한, 본 발명은
고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 제 1 섬유층을 제공하는 단계; 상기 제 1 섬유층에 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계; 고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 제 2 섬유층을 제공하는 단계; 상기 제 2 섬유층에 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계; 및 상기 제 1 및 제 2 섬유층을 적어도 약 1,500psi(10.3MPa)의 압력에서 성형하는 단계;
를 포함하는 고에너지 라이플 실탄 등에 대해 향상된 저항성을 가지는 탄도 저항성 복합체 재료를 제조하는 방법이 제공된다.
나아가, 본 발명은
고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 제 1 부직 섬유층을 제공하는 단계; 상기 제 1 부직 섬유층에 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계; 고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 제 2 부직 섬유층을 제공하는 단계; 상기 제 2 부직 섬유층에 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계; 제 1 및 제 2 부직 섬유층 배열하여, 상기 제 1 및 제 2 부직 섬유층이 서로에 대해 배향되는 단계; 및 상기 제 1 및 제 2 섬유층을 적어도 약 1,500psi(10.3MPa)의 압력에서 성형하는 단계;
를 포함하는 고에너지 라이플 실탄 등에 대해 향상된 저항성을 가지는 탄도 저항성 복합체 재료를 제조하는 방법이 제공된다.
아울러, 본 발명은
고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 제 1 섬유층을 제공하는 단계; 상기 제 1 섬유층에 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계; 고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 제 2 섬유층을 제공하는 단계; 상기 제 2 부직물 섬유층에 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계; 성형된 물품을 형성하기 위해 상기 제 1 및 제 2 섬유층을 적어도 약 1,500psi(10.3MPa)의 압력에서 성형하는 단계; 및 상기 성형된 물품으로부터 적어도 부분적으로 방탄복을 형성하는 단계;
를 포함하는 고에너지 라이플 실탄 등에 대해 탄도 저항성 방탄복의 저항성을 향상시키는 방법이 제공된다.
열가소성 폴리우레탄 수지가 아라미드 섬유 구조 복합체를 형성하기 위해 사용되고, 상기 복합체가 고압력하에서 형성되는 경우, 상기 복합체가 고에너지 라이플 실탄 등에 대해 향상된 탄도 저항성을 가지는 것을 놀랍게도 발견하였다. 이것은 알려진 다른 코팅 수지를 사용한 아라미드에서 유사 결과가 보여지지 않았기 때문에 특히 예상하지 못했다.
본 발명은 향상된 탄도 저항성, 특히, 고에너지 라이플 실탄에 대해 향상된 탄도 저항성을 가지는 아라미드 섬유로부터 형성된 복합체에 관한 것이다. 이러한 복합체는 특히 유연 및/또는 단단한 탄도 저항성 방호복 물품에 유용하다. 예들로는 방탄복, 헬멧, 블랭킷 등을 포함한다.
고에너지 라이플 실탄은 일반적으로 약 1500 내지 약 3500 주울 또는 그 이상의 에너지 수준의 실탄이다. 이러한 실탄의 예로는 M80 총탄(또한, NATO 총탄, Dragnov LPS으로도 알려짐)등이다.
본 발명의 목적으로, 섬유는 폭과 두께의 치수보다 훨씬 더 큰 길이 치수 신장체(elongate body)이다. 따라서, 상기 용어 섬유는 단일필라멘트, 다중필라멘트, 리본, 스트립, 스테플 및 규칙적 또는 불규칙적인 횡단면을 가지는 잘게 썬(chopped) 절단 또는 불연속적인 섬유 등의 기타 형태를 포함한다. 용어 "섬유"는 앞서 말한 어느 하나 또는 이들의 조합의 복수를 포함한다. 야안은 많은 섬유 또는 필라멘트를 포함하는 연속적인 꼬임이다.
여기서 사용된 바와 같은, 용어 "고강도섬유"는 강도가 약 7g/d 이상인 섬유를 의미한다. 이러한 섬유는 바람직하게 ASTM D2256로 측정한 바에 따라 적어도 약 150g/d의 초기인장계수(initial tensile moduli) 및 적어도 약 8J/g의 파괴에너지(energe-to-break)를 가진다. 바람직한 섬유는 약 10g/d 이상의 강도, 200g/d 이상의 인장계수, 및 약 20J/g 이상의 파괴에너지를 가지는 것이다. 특히 바람직한 섬유는 16g/d 이상의 강도, 400g/d 이상의 인장계수, 및 약 27J/g 이상의 파괴에너지를 가진다. 특히 이러한 바람직한 구현예들 중에서, 가장 바람직한 구현예는 그 구현예에서 섬유의 강도가 22g/d 이상, 인장계수가 500g/d 이상, 및 파괴에너지가 약 27J/g 이상인 것이다. 여기서 사용된 바와 같은 용어 "초기인장계수(initial tensile modulus)", "인장계수(tensile modulus)" 및 "계수(modulus)"는 야안에 대해서는 ASTM 2256로, 매트릭스 물질에 대해서는 ASTM D638로 측정된 바에 따른 탄성계수를 의미한다.
아라미드 섬유는 본 기술분야에서 알려져 있다. 본 발명에 유용한 적절한 아라미드 섬유는 미국특허번호 제3,671,542호에 기술된 것들과 같은 방향족 폴리아미드류로부터 형성되며, 상기 개시는 이로써 모순되지 않는 범위에서 본 명세서에 명백하게 참고 문헌으로 편입된다. 바람직한 아라미드 섬유는 적어도 약 20g/d의 강도, 적어도 약 200g/d 초기인장계수, 및 적어도 약 8J/g의 파괴에너지를 가질 수 있으며, 특히, 바람직한 아라미드 섬유는 적어도 약 20g/d의 강도, 적어도 약 400g/d 초기인장계수, 및 적어도 약 20J/g의 파괴에너지를 가질 수 있다.
가장 바람직한 아라미드 섬유는 적어도 약 23g/d의 강도, 적어도 약 500g/d 계수, 및 적어도 약 30J/g의 파괴에너지를 가질 수 있다. 예를 들어, 적절하게 높은 계수와 강도의 값을 가지는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) 필라멘트가 탄도 저항 복합체를 형성하기에 특히 유용하다. 예를 들어, 1000 데니어를 가지는 Teijin의 Twaron® T2000이 있다. 다른 예로는 듀퐁(du Pont)에서 둘 다 상용화한 초기인장계수와 강도의 값이 각각 500g/d 및 22g/d를 가지는 Kevlar®29와 1000g/d 및 22g/d를 가지는 Kevlar®49가 있다. 코-폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드 3,4' 옥시디페닐렌 테레프탈아미드)(co-poly(p-phenylene terephthalamide 3,4' oxydiphenylene terephthalamide))와 같은 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)의 공중합체도 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 있어서 듀퐁에 의해 상업적으로 제조된 상표명 Nomex®인 폴리(m-페닐렌 이소테레프탈아미드)섬유도 유용하다.
상기 섬유는 예를 들어, 약 50~3000 데니어, 더 바람직하게는, 약 200~3000 데니어, 더욱 바람직하게는, 약 650~1500 데니어 그리고, 가장 바람직하게는 약 800~1300 데니어와 같은 어떠한 적절한 데니어(denier)일 수 있다.
상기 아라미드 섬유는 섬유 네트워크의 적어도 하나의 층으로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 섬유 네트워크는 부직물이나, 직조되거나 짜여진 직물류와 같은 다른 타입의 직물이 사용될 수 있다. 직물의 경우, 날실 및 씨실 방향 또는 기타 방향에서 다른 섬유를 가진 야안으로 직조될 수 있다.
바람직하게 탄도 저항성 복합체를 제조하기 위해 사용된 섬유 네트워크의 적어도 두 개의 층이 있다.
특히 바람직한 섬유의 배열은 네트워크 내이며, 여기서 상기 섬유는 단일방향으로 정렬되어서, 일반적인 섬유 방향에 따라 실질적으로 서로 평행하게 된다. 선택적으로, 섬유가 랜덤 배향으로 펠트화된 부직물이 사용될 수 있다.
바람직하게, 부직물에서 적어도 약 50중량%의 섬유는 고강도 아라미드 섬유이고, 보다 바람직하게는, 부직물에서 적어도 약 75중량%의 섬유는 고강도 아라미드 섬유이고, 가장 바람직하게는 부직물에서 모든 섬유가 고강도 아라미드 섬유이다. 야안은 실질적으로 평행한 배열일 수 있으며, 또는 야안은 꼬여지거나, 겹쳐지거나 또는 얽혀질 수 있다.
단일방향으로 배향된 섬유로부터 형성된 직물은 전형적으로 일 방향으로 확장된 1층의 섬유 및 상기 제 1 층의 섬유로부터 또다른 방향으로 확장된 이층의 섬유를 가진다. 각각의 플라이들은 단일방향으로 배향된 섬유인데, 상기 연속적인 플라이들은 바람직하게 0°/90°, 0°/90°/0°/90° 또는 0°/45°/90°/45°/0°의 각도 또는 다른 각도로 서로에 대하여 교대된다.
섬유의 기하학에 의해 본 발명의 복합체의 기하학적 배열을 특징짓는 것이 편리하다. 하나의 이러한 적절한 배열은 섬유가 통상의 섬유 방향("단일방향으로 배열된 섬유 네트워크"라 한다.)을 따라 서로 평행하게 배열되어 있는 섬유층이다. 이러한 단일방향으로 배열된 섬유의 연속적인 층은 이전 층에 대하여 교대시킬 수 있다. 바람직하게는 복합체의 섬유층은 교차-플라이된(cross-plied) 즉, 각각의 네트워크 층에서 단일방향 섬유의 섬유 방향이 인접한 층에서 단일방향 섬유의 섬유방향에 대하여 교대되어 있다. 예를 들어, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 층으로 된 5층의 물품은 제 1 층에 대하여 +45°,-45°,90°및 0°로 교대된다. 바람직한 예로 0°/90°로 적층된 이중층을 포함할 수 있다. 이러한 교대된 단일방향의 배열은 예를 들어, 미국특허 4,623,574, 4,737,402, 4,748,064 및 4,916,000에 기술된다.
일반적으로, 본 발명의 섬유층은 바람직하게는 우선 섬유 네트워크를 구축하고, 그런 다음 상기 네트워크를 매트릭스 조성물로 코팅하여 형성된다. 여기서 사용된 바와 같은, 용어 "코팅"은 섬유 네트워크를 기술하기 위하여 넓은 의미로 사용되는데, 여기서 개개의 섬유는 상기 섬유를 둘러싸고 있는 매트릭스 조성물의 연속층 또는 섬유의 표면에 있는 매트릭스 조성물의 불연속층을 가진다. 전자의 경우, 섬유가 매트릭스 조성물에 완전히 파묻혀진 것으로 말할 수 있다. 상기 용어 코팅 및 함침(impregnating)은 여기서 호환적으로 사용될 수 있다. 상기 섬유 네트워크는 다양한 방법을 통하여 구축될 수 있다. 단일방향으로 배열된 섬유 네트워크의 바람직한 경우에 있어서, 고강도 필라멘트사의 야안 묶음은 크릴(creel)로부터 공급되고, 매트릭스 물질로 코팅하기 이전에 가이드 및 하나 또는 그 이상의 스프레드 바(spreader bar)를 통해 조준 소면기(collimating comb)로 이르게 된다. 상기 조준 소면기는 필라멘트를 동일평면상 및 실질적으로 단일방향 형태로 배열한다.
본 발명의 방법은 우선 섬유 네트워크 층, 바람직하게는 상술한 바와 같은 단일방향 네트워크를 형성하고, 상기 매트릭스 조성물의 용액, 분산물 또는 에멀젼을 상기 섬유 네트워크 층 위에 적용하고, 그런 다음 상기 매트릭스로 코팅된 섬유 네트워크 층을 건조하는 것을 포함한다. 상기 용액, 분산물 또는 에멀젼은 바람직하게는 필라멘트상에 분사될 수 있는 폴리우레탄 수지의 수용액이다. 선택적으로 상기 필라멘트 구조는 수용성 용액, 분산물 또는 에멀젼에 담그거나 롤코터 등의 수단을 사용하여 코팅할 수 있다.
코팅 후에, 코팅된 섬유층은 그 다음 상기 코팅된 섬유 네트워크 층(유니테이프(unitape))은 매트릭스 조성물 내의 수분을 증발시키기 위해 충분한 열이 가하여지는 오븐에 통과될 수 있다. 상기 코팅된 섬유 네트워크는 그런 다음 종이 또는 필름 기재일 수 있는 캐리어 웹(carrier web) 위에 놓여질 수 있으며, 또는 상기 섬유는 매트릭스 수지로 코팅하기 전에 우선 상기 캐리어 웹에 놓여질 수 있다. 기재 및 유니테이프는 그 후 연속적인 롤에서 공지된 수단으로 권취될 수 있다.
유니테이프는 별개의 시트로 절단될 수 있고, 최종 용도 복합체로의 형성을 위한 적층(stack)으로 모아 둘 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 가장 바람직한 복합체는 각 층의 섬유 네트워크가 단일방향으로 배열 및 배향되어 연속적인 층으로 섬유 방향이 0°/90°배향인 것이다.
가장 바람직한 구현예로, 두 개의 섬유 네트워크 층은 0°/90°형태로 교차-플라이되고, 그 후 고화되어 서브-어셈블리 전구체(sub-assembly precusor)가 형성된다. 상기 두 개의 섬유 네트워크 층은 바람직하게는, 하나의 네트워크를 0°/90°배향에서 다른 네트워크의 폭을 연속적으로 가로질러 놓여질 수 있는 길이로 절단함으로써, 연속적으로 교차-플라이될 수 있다. 섬유층의 연속적인 교차-플라이를 위한 장비는 예를 들어, 미국특허 5,173,138 및 5,766,725에 기술된 바와 같은 것으로 알려진다. 그 결과 생성된 연속적인 2-플라이 서브-어셈블리는 그 후 각각의 플라이 사이에 분리 재료층으로 롤에서 권취될 수 있다. 복합체의 개개의 막(laminae)은 열의 적용 그리고, 열 적용 없이 또는 상대적으로 낮은 압력하에서 접촉에 의해 서로 접착될 수 있다.
전술한 바와 같이, 각 층의 고강도 섬유는 매트릭스 조성물로 코팅된 후, 상기 매트릭스 조성물/섬유 결합이 고화된다. "고화"는 상기 매트릭스 물질 및 상기 섬유층이 일원화 단일층으로 결합한다는 것을 의미한다. 고화는 건조, 냉각, 가열, 상대적으로 낮은 압력 또는 이들의 조합에 의하여 발생될 수 있다.
택일적인 구현예로, 연속적인 층이 0°/90°/0°/90°배향으로 배열된 4-플라이 서브-어셈블리가 형성된다.
최종 용도 복합체를 형성하기 위해 준비할 경우, 롤을 풀고, 분리 재료를 벗긴다. 멀티-플라이 서브-어셈블리는 하기에 기술된 바와 같이 그 후 분리 시트로 얇게 썰어지고, 다중 플라이에서 적체되고, 그 후, 최종 형상 및 경화 매트릭스 수지를 형성하기 위해 성형된다.
섬유층에서 섬유를 위한 수지 매트릭스는 열가소성 폴리우레탄 수지이다. 상기 폴리우레탄 수지는 호모폴리머 또는 코폴리머일 수 있고, 이들의 하나 이상의 수지 혼합물이 또한 여기에 사용될 수 있다. 이러한 수지는 본 기술분야에 알려져 있으며, 상업적으로 입수가능하다. 바람직하게, 이러한 수지는 사용의 편리를 위해 수계(aqueous system)로 제공된다. 이러한 수지는 전형적으로 고형 성분이 약 20 내지 약 80중량%, 보다 바람직하게는, 약 40 내지 60중량% 범위이고, 잔여 중량이 물인 수용액, 분산물 또는 에멀젼으로서 이용가능하다. 이러한 수지 조성물은 일반적으로 지정된 동시계류중인 미국특허출원번호 11/213,253에 개시된다. 필러 등과 같은 통상적인 첨가물이 상기 수지 조성물에 포함될 수 있다.
복합체 층내에서 섬유에 대한 상기 수지 매트릭스 재료의 비율은 최종 용도에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 고형물 기준으로 상기 폴리우레탄 수지는 바람직하게 각각의 복합체 층의 약 1 내지 약 40중량%, 보다 바람직하게는, 약 10 내지 약 30중량%, 그리고, 가장 바람직하게는, 약 15 내지 약 28중량%로 형성된다.
바람직하게는, 동일한 열가소성 폴리우레탄 수지가 적어도 두 개의 섬유층, 보다 더 바람직하게는, 모든 섬유층에 사용된다.
본 발명의 방법은 고압하에서 고화시킴으로써 개개의 막으로부터 형성될 수 있는 본 발명의 이러한 복합체 물질을 형성하는 것을 포함한다. 본 발명에 사용되는 압력은 적어도 약 1500psi(10.3MPa), 보다 바람직하게는, 적어도 약 2000psi(13.8MPa), 보다 더 바람직하게는, 적어도 약 2500psi(17.2MPa) 그리고, 가장 바람직하게는, 적어도 약 3000psi(20.7MPa)이다. 본 발명에서 사용되는 압력은 바람직하게 약 1500psi(10.3MPa) 내지 약 4000psi(27.6MPa)의 범위이다. 본 발명의 방법에 유용한 전형적인 온도는 예를 들어, 약 75 내지 320℉(24 내지 160℃) 범위의 온도, 보다 바람직하게는, 약 150 내지 305℉(66 내지 152℃) 범위의 온도, 그리고, 가장 바람직하게는, 약 220 내지 270℉(104 내지 132℃) 범위의 온도이다.
복합체 구조물은 바람직한 구조를 형성하기 위해 어떠한 적절한 성형 장치로 성형될 수 있다. 이러한 장치의 예로는 고압 성형을 제공하는 수력 프레스를 포함한다. 일 구현예로, 개개의 섬유층은 성형 프레스에 놓여지고, 상기 층은 상기 온도 및 고압하에서 약 0.5 내지 약 30분, 보다 바람직하게는, 약 10 내지 약 20분과 같은 적절한 시간 동안 성형된다.
복합체 재료에서 층의 수는 특히 최종 용도에 따라 달라진다. 가장 바람직하게는, 각각의 복합체는 서로에 대해 90°로 배향되고, 단일한 구조로 고화된 두 개의 섬유층으로부터 형성된다. 상기한 바와 같이, 선택적으로 상기 복합체는 두 세트의 이러한 단일한 구조로부터 형성될 수 있어서, 총 네 개의 섬유층이 사용된다; 이 경우에서, 두 개의 2-플라이 고화 구조는 4-플라이 서브-어셈블리로 서로 고화된다.
이로부터 형성된 물품에 사용되는 복합체의 층수는 상기 물품의 최종 용도에 따라 달라진다. 예를 들어, 원하는 제품을 성형하기 위해 사용되는 2-플라이 서브-어셈블리의 적어도 약 40층, 바람직하게는, 적어도 약 150층, 그리고, 바람직하게는, 약 40 내지 약 400층 범위일 수 있다. 성형된 물품은 어떠한 원하는 형상을 가질 수 있다. 조끼 등에 사용을 위해, 바람직하게 상기 층은 상대적으로 편평한 형태로 성형된다. 이와 유사하게, 탄도 패널을 위해, 상기 층은 바람직하게 실질적으로 편평한 형태로 성형된다. 헬멧 등과 같은 다른 물품을 위해, 상기 층은 최종 제품의 원하는 형상으로 성형된다. 성형된 물품은 성형조건에 따라, 원하는 만큼의 단단하거나 유연한 방호복으로 사용될 수 있다.
상기 성형된 물품은 특히 바람직한 탄도 및 다른 특성을 제공하기 위해 다른 단단한, 유연한 및/또는 성형된 물품과 결합될 수 있다. 이러한 물품은 여기서 사용된 바와 같은 매트릭스 수지와 동일하거나 다른 것을 사용하여 아라미드 및/또는 다른 고강도 섬유, 또는 기타 재료로부터 형성될 수 있다.
바디 형상으로 형성하는 것이 용이하고 착용을 용이하게 하기 위해 다른 복합체 층이 서로 슬라이딩될 수 있도록 하나 이상의 플라스틱 필름이 복합체에 포함될 수 있다. 이러한 플라스틱 필름은 전형적으로 각각의 복합체의 표면 중 하나 또는 모두에 부착될 수 있다. 폴리올레핀으로 제조된 필름과 같은 어느 적절한 플라스틱 필름이 사용될 수 있다. 이러한 필름의 예로는 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 필름, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 필름, 폴리에스테르 필름, 나일론 필름, 폴리카보네이트 필름 등이다. 이러한 필름은 어떠한 적합한 두께일 수 있다. 전형적인 두께는 약 0.1 내지 약 1.2 mils(2.5 내지 30㎛), 보다 바람직하게는 약 0.2 내지 약 1mil(5 내지 25㎛), 그리고, 가장 바람직하게는 약 0.3 내지 약 0.5mils(7.5 내지 12.5㎛)의 범위이다. LLDPE 필름류가 가장 바람직하다. 필름은 각 서브-어셈블리의 일부로서 형성될 수 있으며, 또는, 성형물에 놓인 경우 필름은 서브 어셈블리들 사이에 도입될 수 있다. 필름은 서브-어셈블리 및/또는 최종성형제품의 한쪽 또는 양쪽 면상에 있을 수 있다.
충격 및 탄도 저항성 물품에 사용되는 섬유-강화 복합체에 대해 다양한 구조가 알려져 있다. 이러한 복합체는 실탄, 유산탄 및 파편 등과 같은 발사체로부터 고속 충격에 의한 관통에 대한 저항성의 정도를 변경하는 것을 나타낸다. 이러한 구조의 예로는 예를 들어, 미국특허 6,268,301, 6,248,676, 6,219,842; 5,677,029; 5,471,906; 5,196,252; 5,187,023; 5,185,195; 5,175,040; 및 5,167,876에 개시되어 있다.
본 발명의 일 구현예로, 조끼 또는 다른 방탄복 또는 기타 물품은 복합체 물질의 다수 층으로부터 통상적인 수단으로 형성된다. 이러한 층은 바람직하게 함께 라미네이트 되지 않지만, 서로에 대한 개개의 플라이들이 미끄러지는 것을 피하기 위해 스티치될 수 있다. 예를 들어, 상기 층들은 각 모서리에서 택(tack) 스티치 될 수 있다. 선택적으로 상기 층들은 주머니 또는 기타 도포물로 전체적으로 감싸질 수 있다.
하기 비제한적인 실시예는 본 발명의 보다 완전한 이해를 제공하고자 나타내는 것이다. 앞으로 본 발명의 원리를 설명하기 위해 기재된 특정 기술, 조건, 재료, 비율 및 기재된 데이터는 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 다른 언급이 없는 한 모든 퍼센트는 중량에 의한 것이다.
실시예 1
2-플라이(two-ply) 부직 복합체를 1000 데니어(denier) 및 26g/d 강도를 지니는 아라미드 섬유(테이진의 Twaron® T2000)의 층으로 형성하였다. 유니테이프(unitapes)는 크릴(creel)로부터 아라미드 섬유를 통과시키고, 코밍 스테이 션(combing station)을 통해 단일방향 네트워크를 형성하여 제조되었다. 그 다음 상기 섬유 네트워크를 캐리어 웹상에 위치시키고, 상기 섬유를 매트릭스 수지로 코팅한다. 상기 수지는 열가소성 폴리우레탄 수지의 분산물, 즉, 23℃에서 1.05g/cc의 상대 밀도 및 23℃에서 40cps의 점도를 가지는 것으로서 제조사에 의해 기재된 물에 폴리우레탄 수지의 코폴리머 혼합물(40~60% 수지)인 것이다.
복합체 재료를 형성하기 위한 제조로, 상기 코팅된 섬유 네트워크는 그 후, 조성물 내의 수분을 증발시키기 위해서 오븐을 거치게 되고, 캐리어 웹이 그로부터 벗겨지면서 롤러에 권취된다. 그 결과 얻어진 구조물은 16중량%의 폴리우레탄 수지를 함유하였다. 단일방향섬유 프리프레그(prepreg)의 두 개의 연속적인 롤을 이러한 방법으로 제조하였다. 이러한 두 개의 유니테이프는 90°로 교차되어 플라이되고, 고화되어 두 개의 이상적인 아라미드 섬유막으로 라미네이트(laminate)를 형성하였다. 12×12 in.(30.5×30.5㎝)의 크기의 이러한 물질의 패널은 다층 복합체 구조를 형성하는데에 사용되었다.
2-플라이 구조의 총 270층을 수력 프레스의 맞춰진 다이 몰드에 놓고, 20분 동안 240℉(115.6℃)에서 1500psi(10.3MPa)의 성형 압력으로 성형하였다. 형성된 라미네이트는 실질적으로 편평한 형태를 가졌다. 성형 후, 상기 라미네이트를 실온으로 냉각하였다.
다층 4-플라이 복합체의 탄도 특성을 측정하였다. 실탄은 NATO 실탄(또한 M80 실탄으로도 알려짐)이고, 상기 실탄의 크기는 7.62×51mm였다. 이 발사체는 고에너지 라이플 실탄이다. 탄도저항성은 NIJ 스탠다드 NIJ 0101.04에 따라 측정하였다. 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
V50 계산은 실탄이 멈춘 슈트팩 및 관통된 슈트팩의 6~10쌍의 평균을 기초로 하여 결정된다. V50 속도는 50%관통 가능성을 갖는 발사체의 속도이다.
비교 실시예 2
성형 압력이 500psi(3.4MPa)인 것을 제외하고, 실시예 1을 반복하였다. 시료는 같은 타입의 실탄을 사용하여 다시 이들의 탄도 저항성에 대해 테스트하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 3
총 315층의 복합체를 패널로 형성하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1을 반복하였다. 시료들은 같은 타입의 실탄을 사용하여 다시 이들의 탄도 저항성에 대해 테스트하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교 실시예 4
성형 압력이 500psi(3.4MPa)인 것을 제외하고, 실시예 3을 반복하였다. 시료 는 같은 타입의 실탄을 사용하여 다시 이들의 탄도 저항성에 대해 테스트하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 5
총 360층의 복합체를 패널로 형성하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1을 반복하였다. 시료들은 같은 타입의 실탄을 사용하여 다시 이들의 탄도 저항성에 대해 테스트하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교 실시예 6
성형 압력이 500psi인 것을 제외하고, 실시예 5를 반복하였다. 시료는 같은 타입의 실탄을 사용하여 다시 이들의 탄도 저항성에 대해 테스트하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 성형 압력, psi(MPa) 층수 면적 밀도, psf(㎏／㎡) V50,fps(mps)
1 2500(10.3) 270 6.00(29.34) 2740(835.7)
2* 500(3.4) 270 6.00(29.34) 2560(780.8)
3 2500(10.3) 315 7.00(34.23) 3012(918.7)
4* 500(3.4) 315 7.00(34.23) 2828(862.5)
5 2500(10.3) 360 8.00(39.12) 3218(981.5)
6* 500(3.4) 360 8.00(39.12) 3060(933.3)
* = 비교 실시예
상기 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 매트릭스 수지가 폴리우레탄 코폴리머이고, 실시예 1에 따라 복합체가 고압(2500psi(17.2MPa))에서 성형되는 경우, 탄도 저항성은 실질적으로 비교 실시예 1에 따라 같은 매트릭스 수지를 사용하였으나, 저압에서 성형한 것보다 더 좋다. 실시예에서 나타낸 바와 같이 층의 수를 270 내지 315 내지 360으로 증가시킨 경우, 상기 결과는 일관되었다. 또한, 본 발명에 따라 형성된 소수층의 복합체는 저압하에서 성형된 보다 많은 수의 층을 가진 복합체와 유사한 탄도 성능을 얻기 위해 사용될 수 있음을 알 수 있다. 결과적으로, 고압하에서 성형되는 복합체의 중량은 탄도 특성이 손실되지 않고 감소될 수 있다.
비교 실시예 7~9
실시예 7로, 매트릭스 수지가 Kraton® D1107 스티렌-이소프렌-스티렌 블럭 코폴리머 열가소성 엘라스토머인 것과 복합체층의 수지 함량이 20중량%인 것을 제외하고 실시예 1를 반복하였다. 총 250층의 2-플라이 예비-에셈블리를 200psi(1.4MPa)의 성형 압력에서 30분 동안 250℉(121.1℃)에서 성형한 테스트 패널로 형성하여 사용하였다. 시료들은 MIL-STD-662-F하에서 같은 타입의 실탄을 사용하여 이들의 탄도 저항성에 대해 테스트되었다. 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 8로, 성형 압력이 2000psi(13.8MPa)인 것을 제외하고, 실시예 7을 반복하였다. 시료는 같은 타입의 실탄을 사용하여 이들의 탄도 성능에 대해 테스트되었고, 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 9로, 성형 압력이 4000psi(27.6MPa)인 것을 제외하고, 실시예 7을 반복하였다. 시료는 같은 타입의 실탄을 사용하여 이들의 탄도 성능에 대해 테스트되었고, 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 성형 압력 psi(MPa) 층수 면적 밀도, psf(㎏／㎡) V50,fps(mps)
7* 200(1.4) 250 7.00(34.23) 3217(981.2)
8* 2000(13.8) 250 7.00(34.23) 3383(1031.8)
9* 4000(27.6) 250 7.00(34.23) 3225(983.6)
* = 비교 실시예
표 2로부터, 스티렌-이소프렌-스티렌 매트릭스 열가소성 엘라스토머 수지를 갖는 복합체를 사용하여 성형 압력이 증가 됨에 따라, 탄도 특성은 실질적으로 향상되지 않았음을 알 수 있다. 따라서, 고압하에서 형성되고 폴리우레탄 매트릭스를 사용한 복합체에서 나타나는 탄도 특성의 실질적인 향상은 열가소성 엘라스토머 매트릭스 수지가 사용된 복합체에서 발견되지 않는다.
비교 실시예 10 및 11
실시예 10으로, 매트릭스 수지가 에폭시 비닐에스테르 수지(Derkane 411)인 것을 제외하고, 실시예 7를 반복하였다. 또한, 복합체 층의 수지 함량은 20중량%였다. 총 250층의 2-플라이 예비-에셈블리를 200psi(1.4MPa)의 성형 압력에서 30분 동안 200℉(93.3℃)에서 성형한 테스트 패널로 형성하여 사용하였다. 시료들은 같은 타입의 실탄을 사용하여 이들의 탄도 저항성에 대해 테스트되었고, 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
실시예 11로, 성형 압력이 889psi(6.1MPa)인 것을 제외하고, 실시예 10을 반복하였다. 시료는 같은 타입의 실탄을 사용하여 이들의 탄도 성능에 대해 테스트되었고, 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
실시예 성형압력, psi(MPa) 층수 면적 밀도, psf(㎏／㎡) V50,fps(mps)
10* 200(1.4) 250 7.00(34.23) 2362(720.4)
11* 889(6.1) 250 7.00(34.23) 2404(732.6)
* = 비교 실시예
그리고, 비교 실시예 10 및 11의 표 3은 성형 압력이 또 다른 통상적인 매트릭스 수지(에폭시 비닐에스테르)를 사용한 복합체에서 증가되는 경우, 탄도 특성에서 실질적인 향상이 얻어지지 않는다는 것을 나타낸다.
비교 실시예 12 및 13
실시예 12로 총 층수가 36인 것을 제외하고 실시예 10을 반복하였다. 시료는 풀 메탈 자켓인 9mm 권총 실탄을 사용하여 이들의 탄도 성능에 대해 테스트되었다.
실시예 13으로, 성형 압력이 889psi(6.1MPa)를 제외하고, 실시예 12를 반복하였다. 시료는 풀 메탈 자켓인 9mm 권총 실탄을 사용하여 이들의 탄도 성능에 대해 테스트되었고, 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
실시예 성형압력, psi(MPa) 층수 면적 밀도, psf(㎏／㎡) V50,fps(mps)
12* 200(1.4) 36 1.00(4.89) 1522(464.2)
13* 889(6.1) 36 1.00(4.89) 1502(458.1)
* = 비교 실시예
비교 실시예 12 및 13은 마찬가지로 층수가 감소된 또 다른 통상적인 매트릭스 수지(에폭시 비닐에스테르)를 사용한 복합체에서 성형 압력이 증가된 경우, 탄도 특성에서 실질적인 향상이 얻어질 수 없다는 것을 나타낸다. 탄도 향상은 보다 고압에서 권총실탄으로 나타나지 않았다.
실시예 14
본 발명의 아라미드 탄도 물질은 이들의 구조적 특성을 측정하기 위해 테스트되었다. 같은 사이즈의 패널은 성형 압력이 1500psi(10.3MPa)인 것을 제외하고, 동일한 조건하에서 실시예 1에서와 같이 형성되었다. 총 45층이 성형되었고, 시료는 치수가 1 인치(2.54㎝) × 6 인치(15.24㎝)으로 패널로부터 절단되었다. 구조적 특성을 ASTM D790에 따라 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
비교 실시예 15
성형 압력이 150psi(1.0MPa)인 것을 제외하고, 실시예 14를 반복하였다. 구조 특성을 ASTM D790에 따라 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
실시예 성형압력, psi(MPa) 휨강도, 1000psi(MPa) 휨 계수, 1000psi(MPa) 휘도, 인치(㎝)
14 1500(10.3) 2.16(14.9) 155.3(1070) 2.61(6.63)
15* 150(1.0) 1.60(11.0) 100.3(691) 2.47(6.27)
* = 비교 실시예
표 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 고압하에서 성형된 본 발명의 폴리우레탄 매트릭스 수지를 사용한 아라미드 섬유 복합체는 저압하에서 성형된 유사한 복합체보다 더 강하다. 그러므로, 본 발명은 향상된 탄도 특성뿐만 아니라 향상된 기계적 특성을 지닌 아라미드 섬유 복합체를 제공한다.
그러므로, 본 발명은 저압하에서 성형된 구조에 비하여 고압하에서 성형된 경우, 고에너지 라이플 실탄에 대한 탄도 저항성과 같은 향상된 탄도 특성을 가지는 아라미드 복합체 탄도 구조의 제조 방법을 제공한다는 것을 알 수 있다. 아울러, 동일한 향상은 다른 매트릭스 수지를 사용할 경우 나타나지 않는다.
이에 본 발명에 대하여 좀 더 상세하게 기술한 것은 그러한 발명을 자세하게 이해하기 위한 것이며, 당업자에 의해 변경 및 변형이 가능할 것이어서 그것을 엄격하게 고수하기 위한 것은 아니므로, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에 모두 포함된다.

Claims (35)

  1. 고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 적어도 하나의 섬유층을 제공하는 단계;
    열가소성 폴리우레탄 수지로 상기 섬유층을 코팅하는 단계; 및
    상기 섬유층을 적어도 약 1,500psi(10.3MPa)의 압력에서 성형하는 단계;
    를 포함하는 고에너지 라이플 실탄 등에 대해 향상된 저항성을 가지는 탄도 저항성 복합체물질의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 적어도 두 개의 섬유층이 제공되고, 각각의 상기 섬유층은 고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하며, 상기 방법은 각각의 상기 섬유층을 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계 및 상기 섬유층을 적어도 약 1,500psi(10.3MPa)의 압력으로 성형하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 섬유층은 적어도 약 2000psi(13.8MPa)의 압력에서 성형되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 섬유층은 적어도 약 3000psi(20.7MPa)의 압력에서 성형되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 섬유층은 약 75 내지 약 260℉(24 내지 127℃)의 온도에서 성형되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 열가소성 폴리우레탄 수지는 복합체의 총 중량의 약 1 내지 40중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 열가소성 폴리우레탄 수지는 복합체의 총 중량의 약 10 내지 30중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 2 항에 있어서, 인접 섬유층은 서로에 대해 교차-플라이된 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 각각의 상기 섬유층은 각 층에서 상기 섬유가 단일방향으로 배열되는 부직물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 인접 섬유층은 부직 섬유층의 상기 섬유가 각 층에서 단일방향으로 배열된 것임을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 섬유층이 서로에 대해 90°교차-플라이된 것을 특 징으로 하는 방법.
  12. 제 2 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 섬유층에 접촉하는 적어도 하나의 플라스틱 필름을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 제 1 섬유층을 제공하는 단계;
    상기 제 1 섬유층을 제 1 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계;
    고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 제 2 섬유층을 제공하는 단계;
    상기 제 2 섬유층을 제 2 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계; 및
    상기 제 1 및 제 2 섬유층을 적어도 약 1,500psi(10.3MPa)의 압력에서 성형하는 단계;
    를 포함하는 고에너지 라이플 실탄 등에 대해 향상된 저항성을 가진 탄도 저항성 복합체 물질을 제조하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 각각의 상기 섬유층은 부직물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 각각의 상기 제 1 및 제 2 섬유층에서 상기 섬유는 각층에 단일방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 섬유층이 서로에 대해 90°교차-플라이된 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 섬유층은 적어도 약 2000psi(13.8MPa)의 압력에서 성형되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 섬유층은 적어도 약 3000psi(20.7MPa)의 압력에서 성형되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 섬유층은 약 75 내지 약 260℉(24 내지 127℃)의 온도에서 성형되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 열가소성 폴리우레탄 수지는 상기 각층의 총 중량의 약 1 내지 약 40중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 제 1 및 상기 제 2 열가소성 폴리우레탄 수지는 동일한 폴리우레탄 수지인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 폴리우레탄 수지는 폴리우레탄 수지의 코폴리머 혼 합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 섬유층의 상기 섬유는 강도가 적어도 약 20g/d인 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 섬유층의 상기 섬유는 약 200 내지 약 3000 데니어를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 23 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 섬유층에 접촉하는 적어도 하나의 플라스틱 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 13 항의 방법으로 형성된 물품.
  27. 고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 제 1 부직 섬유층을 제공하는 단계;
    상기 제 1 부직 섬유층을 제 1 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계;
    고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 제 2 부직 섬유층을 제공하는 단계;
    상기 제 2 부직 섬유층을 제 2 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 부직 섬유 층이 서로에 대해 배향되도록 상기 제 1 및 제 2 부직 섬유층을 배열하는 단계; 및
    제 1 및 제 2 섬유 층을 적어도 약 1,500psi(10.3MPa)의 압력에서 성형하는 단계;
    를 포함하는 고에너지 라이플 실탄 등에 대해 향상된 저항성을 가진 탄도 저항성 복합체 물질을 제조하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 섬유층은 적어도 약 2000psi(13.8MPa)의 압력에서 성형되고, 각각의 상기 제 1 및 제 2 섬유층 내의 상기 섬유는 각 층에서 단일방향으로 배열되고, 상기 섬유층은 서로에 대해 90°로 교차-플라이되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 열가소성 폴리우레탄 수지는 상기 각 층의 총 중량의 약 10 내지 약 30 중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 29 항의 방법으로 형성된 물품.
  31. 고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 적어도 하나의 제 1 섬유층을 제공하는 단계;
    상기 제 1 섬유층을 제 1 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계;
    고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 적어도 하나의 제 2 섬유층을 제공하는 단계;
    상기 제 2 섬유층을 제 2 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 섬유 층을 적어도 약 1,500psi(10.3MPa)의 압력에서 성형하여 성형물품을 형성하는 단계; 및
    상기 성형된 물품으로부터 적어도 부분적으로 방탄복을 형성하는 단계;
    를 포함하는 탄도 저항성 방탄복의 고에너지 라이플 실탄 등에 대한 저항성을 향상시키는 방법.
  32. 제 31 항에 있어서, 각 섬유층이 고강도 아라미드 섬유의 네트워크를 포함하는 적어도 약 40쌍의 섬유층을 포함하고; 각각의 상기 섬유를 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하는 단계; 및 상기 섬유층을 적어도 약 1,500psi(10.3MPa)의 압력에서 성형하여 상기 성형된 물품을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 섬유층은 부직물을 포함하고, 상기 섬유층의 섬유는 각 층에서 단일방향으로 배열되고, 여기서 상기 섬유층은 서로에 대해 90°로 교차-플라이된 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 33 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 섬유층에 접촉하는 적어도 하나의 플라스틱 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 34 항의 방법으로 형성된 탄도 저항성 방호 물품.
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