KR20100016606A - 필라멘트-권취된 곡면 제품의 제조 방법 및 이에 의해 수득된 제품 - Google Patents

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로엘로프 마리센
덴 아케르 루카스 판
소티리스 코우시오스
헨 호에프나겔스
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디에스엠 아이피 어셋츠 비.브이.
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Abstract

본 발명은 곡면 제품, 특히 방호구(armor) 제품에 관한 것이다. 상기 방호구 제품은, 섬유 및/또는 테이프 형태의 복수의 강화 요소를 중합체 매트릭스로 함침시키고 맨드릴 상에 권취하는, 필라멘트 권취 방법에 의해 제조된다. 상기 중합체 매트릭스는 운반 유체 중의 중합체 용액 및/또는 분산액을 포함하며, 상기 운반 유체는 상기 권취 동안 및/또는 후에 적어도 부분적으로 증발된다. 상기 방호구 제품은 제품의 총 중량 대비 다량의 강화 요소를 포함한다.

Description

필라멘트-권취된 곡면 제품의 제조 방법 및 이에 의해 수득된 제품{METHOD OF PRODUCING A FILAMENT WOUND CURVED PRODUCT AND PRODUCT OBTAINED THEREBY}
본 발명은 고강도 섬유 또는 강화 요소 및 중합체 매트릭스의 복합체를 포함하는 곡면 제품, 바람직하게는 곡면 방호구(armor) 제품에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 곡면 제품의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 헬멧, 특히 전투 헬멧뿐만 아니라, 레이돔(radome)과 같은 기타 곡면 제품에 관한 것이다.
고성능 독립형(stand-alone) 방호구 제품은 주로, 고강도 섬유 및 중합체 매트리스의 복합체로 제조된다. 이러한 복합체를 사용하는 이유는, 제조된 방호구가 우수한 고속 발사체 방탄성과 적은 질량을 겸비하기 때문이다. 극한 처리에 대한 저항성을 가져야 하는 방호구만이 다른 물질들을 포함할 것이다. 금속 및/또는 세라믹 충돌면이 제공되는 경우에는, 상기 복합체 물질 층이 존재한다. 상기 복합체에 요구되는 고품질은, 섬유-중합체 방호구 프리프레그(prepreg)의 산업적 대량 생산을 제공한다. 이러한 프리프레그는 적층되고 프레스될 수 있으며, 이에 따라, 처리되어 방호구 플레이트를 생산할 수 있다. 방호구 프리프레그는 전형적으로, 고강도 섬유로부터 제조되며, 일반적으로, 두 방향의 섬유만을 함유한다. 상기 방향들은 일반적으로, 서로에 대해 대략 수직이다. 바람직하게는, 중합체 매트릭스 함량이 낮거나(예를 들면, 25 중량% 미만), 건식 직물이 사용되는 경우에는 심지어 중합체 매트릭스가 존재하지 않는다. 따라서, 방호구 프리프레그는 방탄성에 대해 고도로 최적화된다. 특히 적합한 방호구 프리프레그의 예는, 디에스엠(DSM)으로부터의 다이니마(Dyneema, 등록상표) UD를 포함한다. 최적화된 특성의 견지에서, 이러한 방호구 프리프레그의 적용은 전형적으로 보호용 전투 장비의 제조를 위한 제일의 선택이다.
그러나, 곡면 제품, 특히 고도의 3D 곡면 제품의 제조는 문제가 있다. 이러한 제품에서는 전형적으로 주름이 발생한다. 주름은, 국부적인 관통 저항성을 감소시키기 때문에, 방탄 성능에 바람직하지 않다. 주름은 또한, 충격 동안 부분적으로 "펼쳐질(unfold) 수 있기 때문에, 충격 시 외상의 발생을 증가시킨다. 이러한 단점을 방지하기 위한 여러 해결책, 예를 들면, 프리프레그 시트를 절단(cut)하거나, 헬멧을 제조하는 직사각형 프리프레그 시트의 에지에 대한 섬유의 배향을 선택하는 것이 공개되었다. 이러한 공지된 해결책들은 일부 경우 주름의 부작용을 감소시키는 데 성공적이지만, 주름의 완전한 제거를 달성하지는 못하였으며, 달성한다 하더라도, 단지 극히 드문 경우이다. 그 주된 이유는, 주름 발생의 감소가 일반적으로, 그 자체의 단점을 갖는 기술적 수단의 조합을 필요로 하기 때문이다. 이러한 단점의 하나의 예는 절단이다. 절단 섬유는 일반적으로, 더 낮은 방탄성을 제공한다.
미국 특허 제 2,448,114 호는, 40 내지 50 중량%의 수지로 함침된 천연 섬유에 기초한 방호구 제품, 예컨대 전투 헬멧에 사용하기 위한, 얇은 벽을 갖는 곡면 라이너의 제조 방법을 기술하고 있다. 상기 라이너는 방탄 특성을 나타내지 않는다.
영국 특허 제 2158471 호는, 통상적인 열경화성 수지로 함침된 수지가 공지된 패턴에 따라 권취 기술에 의해 맨드릴 상에 배치된, 방호구 제품의 제조 방법을 기술하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 개선된 곡면 제품, 특히 방호구 제품뿐만 아니라, 상기 제품의 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 본 발명에 따르면, 1.6 GPa 이상의 강도를 갖는 복수의 강화 요소(reinforcing element)를, 운반 유체 중의 중합체 용액 및/또는 분산액을 포함하는 중합체 매트릭스로 함침시키고, 이를 맨드릴(mandrel) 상에 권취하되, 권취 동안 및/또는 후에 상기 운반 유체를 적어도 부분적으로 증발시켜 제조된(이때, 상기 강화 요소의 양은 제품의 총 중량의 60% 이상임) 곡면 제품, 바람직하게는 방호구 제품에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 직접 섬유 배치, 특히 필라멘트 권취에 의한 고도의 3D 곡면 제품, 예컨대 전투 헬멧을 제조하는 새로운 방법이 제공된다. 본원의 문맥상 "곡면 제품"이 의미하는 바는, 편평한 표면 상에 배치되었을 때, 상기 편평한 표면 상의 상기 제품의 투영면 내의 가장 큰 선형 치수에 대한 상기 표면으로부터의 최대 높이의 비가 0.2 이상인 제품이다. 본원의 문맥상 "고도의 곡면 제품"이 의미하는 바는, 편평한 표면 상에 배치되었을 때, 상기 편평한 표면 상의 제품의 투영면 내의 가장 큰 선형 치수에 대한 상기 표면으로부터의 최대 높이의 비가 1.0 이상인 제품이다.
본 발명에 따른 방법에 의하면, 적은 매스(mass)에 대한 뛰어난 보호력 및 우수한 횡방향 변형(외상) 저항성을 겸비한 곡면 방호구 제품을 제조할 수 있다. 게다가, 상기 곡면 방호구 제품은 실질적으로 주름 없이 제조될 수 있다. 필라멘트 권취 자체는 주지된 복합체 제조 공정이다. 그러나, 이를 곡면 제품, 예컨대 헬멜 및 레이돔, 특히 본 발명에 따른 전투 헬멧의 제조에 시도한 적은 없었다. 놀랍게도, 본 발명에 따른, 필라멘트-권취된 곡면 방호구 제품이, 당분야에 공지된 최적화된 방호구 프리프레그로부터 제조되는 대신, 섬유로부터 직접 제조되었음에도 불구하고, 본 발명에 따른 제품의 품질은 우수하다. 게다가, 필라멘트-권취된 제품은 일반적으로, 2개보다 많은 섬유 방향을 갖는 다양한 부위를 포함한다. 이는 일반적으로, 방탄 성능에 불리하다. 이는, 본 발명의 곡면 방호구 제품에는 적용되지 않는데, 그 이유는, 청구항 제 2 항에서 주장된, 강화 요소과 중합체 매트릭스의 조합 때문이다.
본 발명의 방법에 의해, 광범위한 벽 두께를 갖는 곡면 제품이 용이하게 수득될 수 있으며, 방호구 제품에 관한 한, 필라멘트-권취된 제품의 벽은 방탄 성능을 갖기에 충분히 두껍다. 본 발명의 추가적인 이점은, 벽 두께가 실제로 제한되지 않는다는 것이다. 권취 공정은 바람직하게는, 제조된 제품이, 이의 전체 표면에 걸쳐 실질적으로 일정한 두께를 갖도록 수행된다. 방탄 성능의 관점에서, 본 발명에 따른 제품의 벽 두께는, 바람직하게는 3 mm 초과, 더욱 바람직하게는 5 mm 초과, 더더욱 바람직하게는 9 mm 초과, 가장 바람직하게는 12 mm 초과이다.
본 발명의 곡면 방호구 제품, 특히 전투 헬멧의 제조 방법의 하나의 실시양태는, 일정한 장력 하에 하나 이상의 섬유 보빈(bobbin)을 권출하는 것을 포함한다. 본 발명의 제 1 실시양태에서, 상기 섬유 또는 강화 요소는 바람직하게는, 실질적인 권취 전에, 액체 매트릭스를 통해 공급되고, 후속적으로, 대략적으로 곡면 제품(예컨대, 헬멧)의 내부 형태를 갖는 회전 맨드릴 상의 위치설정 아이(eye)를 통해 공급된다. 본 발명에 따라, 상기 액체 매트릭스는 중합체 용액 및/또는 중합체 분산액이다. 중합체 매트릭스 용액 및/또는 분산액을 사용하는 이점은, 이후 액체 운반체가 증발될 수 있고, 이에 따라, 최종 제품 중의 목적하는 낮은 매트릭스 함량이 생성될 수 있다는 것이다. 바람직한 제 2 방법은, 건식 권취하고, 후속적으로, 중합체 용액 및/또는 분산액으로 섬유 구조체를 함침시키고, 후속적으로, 상기 용액 및/또는 분산액의 운반 유체를 증발시키는 것을 포함한다.
상기 곡면 제품은, 상기 용액 및/또는 분산액의 건조에 의한 압밀(consolidation) 후 상기 맨드릴로부터 제거될 수 있고, 바람직하게는, 에지 트리밍(trimming))에 의해 마감처리될 수 있고, 이어서, 일반적으로 모재(preform)로 지칭된다. 그러나, 바람직하게는, 추가적인 압축을 위해, 상기 곡면 제품이 고온 및 고압에서 후속적인 프레싱 공정으로 처리되고, 이러한 후속적인 프레싱 단계에서, 상기 제품은 사용자 정의 치수에 따라 추가로 성형된다.
필라멘트-권취된 모재로부터 압축 성형에 의해 곡면 제품을 제조하는 공정에 있어서, 당업자는 일반적으로, 제품을 적당히 압밀하기 위한 고온, 고압뿐만 아니라 시간의 적절한 조합을 선택할 수 있을 것이다. 초고분자량 폴리에틸렌으로 제조된 섬유를 함유하는 모재를 위한 바람직한 성형은 일반적으로, 약 1 내지 60분, 바람직하게는 약 5 내지 45분이 걸릴 것이다. 곡면 제품, 예컨대 방호구 제품 또는 레이돔의 제조를 수행하기 위해 상기 모재에 적용되는 고압은 광범위하게 변할 수 있지만, 바람직하게는 약 7 MPa 초과, 더욱 바람직하게는 약 10 MPa 초과, 더더욱 바람직하게는 약 15 MPa 초과이며, 압력이 높을수록 더 좋은 결과가 나온다. 상기 고온은 바람직하게는, 80℃ 내지 상기 강화 요소의 융점 또는 연화점의 10℃ 미만의 범위에서 선택될 수 있으며, 가장 실제적인 적용 범위는 80℃ 내지 145℃이다. 상기 곡면 제품은, 고온 및 고압에서 성형된 후, 바람직하게는, 상기 제품이 약 80℃보다 낮은 온도에 도달할 때까지, 압력 하에 냉각된다.
중합체 매트릭스 용액보다 중합체 매트릭스 분산액을 사용할 경우의 이점은, 운반 유체가 실질적으로 증발된 후, 상기 중합체 매트릭스가 물에 대해 더 우수한 내성을 갖는다는 것이다. 중합체 매트릭스 용액 및/또는 분산액의 총량에 대한 운반 유체의 양은, 넓은 범위 내에서 선택될 수 있으며, 운반 유체의 양은 바람직하게는, 중합체 매트릭스 용액 및/또는 분산액의 총 중량의 20 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 30 중량% 이상, 가장 바람직하게는 40 중량% 이상인 것으로 판명되었다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시양태에서, 필라멘트 권취 공정에 의해 상기 제품을 제조하는 데 사용되는 맨드릴은 상기 제품과 유사하지만, 다른 기술로 제조된다. 더욱 특히, 얇은 외피(shell)를 갖는 통상적인 헬멧 또는 곡면 부품이 필라멘트 권취용 몰드로서 사용된다. 이런 방식에서는, 상기 헬멧 또는 곡면 부품의 외측 부분만 필라멘트-권취된 물질로 구성된다. 이의 이점은, 통상적인 기술을 사용해서, 두꺼운 헬멧 또는 곡면 부품보다 얇은 헬멧 또는 곡선 부품이 더 용이하게 제조된다는 것이지만, 필라멘트 권취의 이점은 더 많이 존재한다. 게다가, 단지 추가의 권취를 적용하는 것만으로, 더 심한 위협에 대해 헬멧 또는 곡면 부품을 적합화하는 것이 용이하다.
필라멘트 권취 패턴은 바람직하게는, "대략적인 지오데틱(geodetic) 패턴"으로 한정되지만, 본 발명에서 이는 필수적인 것은 아니다. 상기 제품의 곡면 상의 2개의 점 사이의 최단 거리를 회전할 경우, 섬유 궤도는 지오데틱이다. 권취 패턴의 설계는, "대략적인 지오데틱 패턴"을 만족하는 패턴의 선택과 관련하여 특정 위치에서의 섬유의 국부적인 축적을 방지하는 것에 대해 특별한 주의를 필요로 한다. 최적의 곡면 제품, 예를 들면, 헬멧은 바람직하게는, 이러한 국부적인 축적이 헬멧 표면에 걸쳐 충분히 "약화"되거나 퍼지도록 하는 방식으로 권취된다. 그 자체로 공지된 현대의 소프트웨어는, 필라멘트 권취 숙련자가, 국부적인 섬유 축적이 충분히 "약화"된 권취 패턴을 설계할 수 있도록 한다. 또한, 적절한 권취 패턴을 수득하기 위해, 시행착오 방법이 사용될 수도 있다.
강화 요소는 연신된 중합체 필름 및/또는 섬유를 포함할 수 있다. 이러한 연신된 중합체 필름은 바람직하게는 슬리팅되어(slitted) 테이프를 형성한다. 순환 벨트들의 조합 사이에 중합체 분말을 공급하고, 상기 중합체 분말을 이의 융점 미만의 온도에서 압축 성형하고, 생성 압축 성형된 중합체를 롤링하여 필름을 형성함으로써, 필름 또는 테이프를 제조할 수 있다. 필름 형성을 위한 다른 바람직한 공정은, 중합체를 압출기에 공급하고, 상기 중합체의 융점 초과의 온도에서 필름을 압출하고, 압출된 중합체 필름을 연신하는 것을 포함한다. 필요한 경우, 상기 중합체를 압출기에 공급하기 전에, 상기 중합체는 적절한 액체 유기 화합물(예컨대, 겔을 형성하는 것)과 혼합될 수 있으며, 이는, 예를 들면, 초고분자량 폴리에틸렌을 사용하는 경우에 바람직하다. 테이프를 제조하기 위한 필름의 연신, 바람직하게는 1축 연신은, 당분야에 공지된 수단에 의해 수행될 수 있다. 이러한 수단은, 적절한 연신 유닛 상의 압출 연신 및 인장 연신을 포함한다. 증가된 기계적 강도 및 강성도를 달성하기 위해, 많은 단계로 연신을 수행할 수 있다. 생성된 연신 테이프는, 방호구 제품을 비롯한 곡면 제품을 권취하는 필라멘트로서 사용되거나, 목적한 너비로 절단되거나, 연신 방향을 따라 분리될 수 있다. 적절한 단방향 테이프의 너비는 일반적으로, 테이프를 제조하는 필름의 너비에 의존한다. 본 발명에 따른 제품 및 방법에서, 테이프의 너비는 바람직하게는 3 mm 이상, 더욱 바람직하게는 5 mm 이상이다. 또한, 권취 공정 동안 주름을 방지하기 위해, 상기 테이프의 너비는 바람직하게는 30 mm 미만, 더욱 바람직하게는 15 mm 미만, 가장 바람직하게는 10 mm 미만이다. 상기 테이프의 면적 밀도는 넓은 범위에 걸쳐 변할 수 있으며, 예를 들어, 5 내지 200 g/m2이다. 바람직한 면적 밀도는 10 내지 120 g/m2이고, 더욱 바람직하게는 15 내지 80 g/m2이고, 가장 바람직하게는 20 내지 60 g/m2이다. 특히 바람직한 제품은, 1.6 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 1.8 GPa 이상의 강도를 갖는 폴리에틸렌 섬유 및/또는 아라미드 섬유를 포함한다. 폴리에틸렌 섬유는 바람직하게는 겔 방사에 의해 제조되지만, 소위, 풀린(disentangled) 중합체 분말로부터 고체 상태로 제조된 섬유도 적합할 수 있다. 강도가 1.6 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 1.8 GPa 이상인 경우에는, 심지어 유리 섬유 또는 탄소 섬유도 적합하다. 본 발명에 따른 제품에 적합하게 적용되는 다른 섬유는, 연신된 열가소성 중합체 섬유이며, 이는 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸) 섬유(PBO, 자일론(Zylon, 등록상표)), 폴리(2,6-다이이미다조-(4,5b-4',5'e)피리디닐렌-1,4(2,5-다이하이드록시)페닐렌) 섬유(M5 섬유로서 더 잘 공지됨), 초고분자량 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 섬유 및/또는 상기 섬유들의 조합을 포함한다.
본 발명에 따른 바람직한 제품은, 제품의 총 중량의 60% 이상의 양의 강화 요소를 포함한다. 강화 요소의 양이 제품의 총 중량의 75% 이상인 제품이 더더욱 바람직하고, 강화 요소의 양이 제품의 총 중량의 85% 이상인 제품이 가장 바람직하다. 방호구 제품 중의 강화 요소의 이러한 높은 중량(또는 부피) 분율은, 방탄 특성에 매우 유리하다. 이렇게 높은 강화 요소 분율(또는 낮은 중합체 매트릭스 분율)은 일반적으로, 임의의 방법, 특히 필라멘트 권취에 의해 제조된 복합체 제품에서는 달성되지 않는다. 이러한 "중합체 매트릭스 희박" 제품은 일반적으로, 상기 제품의 수지 부족 영역을 초래한다. 이러한 영역은 불필요하다. 필라멘트가 복합체 제품을 권취할 경우, 약 60 중량% 이상의 중합체 매트릭스 분율은 드문 일이 아니다. 블리딩(bleeding) 및/또는 필 플라이(peel ply) 물질을 적용함으로써, 일부 매트릭스 물질이 제거될 수 있지만, 이는 번거로운 일이다. 게다가, 40 중량% 미만의 중합체 매트릭스 분율은 이러한 공정으로 달성가능하지 않다. 이러한 문제는, 본 발명에 따라 중합체 매트릭스 용액 및/또는 분산액을 사용함으로써 해결되었다. 본 공정은, 섬유 및/또는 필름의 실질적으로 완전한 함침을 제공하지만, 건조 후, 단지 20 중량%의 매트릭스만 전형적으로 존재한다.
하나의 특히 바람직한 실시양태에서, 폴리에틸렌 섬유로부터의 필라멘트-권취된 헬멧은 심지어 매트릭스 없이, 단지 고압 및 고압 하에 섬유들을 함께 소결함으로써 제조될 수 있다. 필라멘트 권취로부터 제조되지 않은 헬멧에 대한 프레싱 절차는 본질적으로, 국제 특허 공개 제 WO 2005/065910 호에 기술되어 있다.
본 발명은 또한, 레이돔으로서의 본 발명의 제품의 용도에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 레이더 안테나, 특히 항공기에 탑재된 유형을 둘러싸고 보호하기 위한 레이돔에 관한 것이며, 상기 레이돔은 본 발명의 제품을 포함한다. 본원에서 "레이돔"이란, 전자기 방사선 장비, 예를 들면, 레이더 장비(예컨대, 항공기, 지상 또는 선박에 기초한 것)를 보호하기 위해 사용되는 임의의 구조물로 이해된다. 상기 레이돔이 항공기에 기초한 것인 경우, 상기 레이돔은 항공기의 기수(nose), 항공기의 날개 또는 동체의 일부, 또는 항공기의 기미(tail)로서 성형되고 배치될 수 있다. 본 발명의 레이돔의 이점은, 개선된 전기장 분포를 가지면서, 개선된 강성도 분포를 갖는 것이다.
본 발명의 레이돔의 다른 중요한 이점은, 특히 초고분자량 폴리에틸렌의 겔-방사된 섬유가 사용되는 경우, 유사한 구조를 갖는 공지된 레이돔보다 더 경량이면서 개선된 구조 및 전자기적 기능을 갖는 것이다. 놀랍게도, 본 발명의 레이돔은 공지된 레이돔에 비해 좁은 주파수대로 조정되지 않는다는 것이 밝혀졌다. 그러나, 본 발명의 레이돔의 추가의 중요한 이점은, 예를 들어, 전투기의 경우, 발사체뿐만 아니라, 조류 충돌, 우박 등에 대한 증가된 저항성을 갖는 것이다.
본 발명에 따른 제품 및 방법에 사용하기 적합한 중합체 매트릭스는, 표준 복합체에 사용되는 것과 같은 중합체를 포함한다. "중합체 매트릭스"란 용어는, 상기 강화 요소과 함께 결합하거나 이를 유지하는 물질을 지칭한다. 상기 매트릭스는, 이의 전체 또는 일부로 상기 강화 요소를 둘러쌀 수 있다. 본 발명에 따른 매트릭스 물질은, 운반 유체 중의 중합체 용액 및/또는 분산액을 포함한다. 상기 중합체는 열가소성 물질 또는 열경화성 물질과 열가소성 물질의 혼합물일 수 있다. 적합한 열경화성 및 열가소성 중합체는, 예를 들어, 국제 특허 공개 제 WO 91/12136 A1 호(15 내지 21 페이지)에 열거되어 있다. 중합체 매트릭스가 열가소성 중합체를 포함하는 경우, 바람직하게는 폴리비닐, 폴리아크릴, 폴리올레핀, 또는 열가소성 탄성중합체 블록 공중합체, 예컨대 폴리아이소프로펜-폴리에틸렌-부틸렌-폴리스타이렌 또는 폴리스타이렌-폴리아이소프렌-폴리스타이렌 블록 공중합체가 선택된다. 더욱 바람직하게는, 상기 중합체 매트릭스가 열가소성 중합체를 포함한다. 가장 바람직하게는, 상기 중합체 매트릭스가 열가소성 중합체이다.
본 발명에 따른 제품의 바람직한 실시양태에서, 상기 중합체 매트릭스의 적어도 일부의 모듈러스는 100 MPa 미만이다. 따라서, 상기 제품의 이러한 바람직한 실시양태에서, 강화 요소의 적어도 일부는, 모듈러스가 100 MPa 미만인 중합체 매트릭스로 함침된다. 상기 중합체 매트릭스의 적어도 일부의 모듈러스가 500 MPa 초과인 제품이 더더욱 바람직하다. 이러한 바람직한 실시양태에서, 상기 강화 요소의 적어도 일부는, 모듈러스가 500 MPa 초과인 중합체 매트릭스로 함침된다. 천공으로부터 보호하기 위해서는, 낮은 모듈러스를 갖는 매트릭스 물질이 더 유리하다. 100 MPa 미만의 모듈러스를 갖는 고무 매트릭스가 적용될 수 있다. 다른 한편으로는, 더 강성인 매트릭스가 헬멧의 더 우수한 횡방향 강도 및 강성도를 제공한다. 또한, 강성 수지를 갖는 헬멧의 부분, 및 낮은 모듈러스의 중합체를 갖는 부분을 제조하는 것이 가능하고 바람직하다. 이러한 다른 가능성은, 당업자의 단순한 실험에 의해 수득될 수 있다.
바람직한 실시양태에서, 상기 곡면 제품은, 2개의 극성 표면을 갖고 중심 축 주변을 회전하는 맨드릴 상에 강화 요소를 필라멘트 권취함으로써 수득되며, 상기 극성 표면들은, 상기 중심 축이 도입되고 배출되는 맨드릴의 일부이다. 상기 강화 요소는, 이러한 맨드릴 상에, 실질적으로, 상기 맨드릴의 표면 및 극성 표면 위쪽에 배치된다. 이러한 방식으로, 실질적으로 폐쇄된 제품이 수득되며, 이는 후속적으로, 두개의 반쪽으로 분할되며, 이에 따라, 한번에 2개의 유사한 제품이 제조된다. 권취 동안 상기 축이 존재하기 때문에, 권취 공정 후 상기 축이 제거되면, 곡면 제품의 정점이 일반적으로 개구를 가질 것이다. 권취 및/또는 프레싱 후에 존재하는 이러한 개구는, 예를 들어, 상기 개구에 피팅 플러그(fitting plug)를 삽입함으로써 폐쇄될 수 있다. 이러한 공정은, 2개의 극성 표면 상에 비-지오데틱 패턴을 채택함으로써 추가로 향상될 수 있다. 축이 존재하기 때문에, 상기 강화 요소는 장력 하에 (최종 제품 중에서) 비-지오데틱 패턴으로 상기 축 주변에 권취될 수 있다. 상기 축이 제거되면, 장력 하의 상기 비-지오데틱 강화 요소는, 비-지오데틱 패턴에서 지오데틱 패턴에 가까운 패턴으로 위치를 바꾸며, 이에 따라, 상기 개구 또는 클램핑을 감소시키고, 상기 플러그를 더 잘 고정시킨다.
또다른 바람직한 실시양태에서는, 필라멘트 권취 공정 동안, 공급 수단을 사용하여 상기 맨드릴 상에 복수의 강화 요소, 예컨대 섬유 다발을 동시에 배치함으로써, 상기 곡면 제품이 제조된다. 적합한 공급 수단은, 보빈을 구비한 크릴(creel) 및 결과적으로, 예를 들어, 상기 강화 요소를 상기 맨드릴의 표면 위로 가이드하기 위한 분배 관 형태의 가이드 수단을 포함한다. 이러한 수단은, 장비를 단순하게 유지하면서, 감소된 생산 시간을 갖는 필라멘트 권취를 가능하게 한다. 이는, 많은 시리즈의 제품을 생산할 경우에 특히 유리하다. 복수의 강화 요소는 바람직하게는, 10 내지 60개의 강화 요소, 더욱 바람직하게는 24 내지 48개의 강화 요소로 구성된다. 이에 따라, 처리 능력과 생산 시간 사이의 절충안이 수득된다.
필라멘트 권취 공정 동안, 상기 공급 수단은 바람직하게는, 맨드릴에 따라 움직인다. 또다른 바람직한 실시양태에서, 상기 공급 수단은, 상기 맨드릴 표면과 상기 공급 수단 사이의 거리에 걸친 강화 요소의 길이를 조정한다. 이러한 수단은, 상기 섬유 상에 더 일정한 장력을 유발하며, 이에 따라, 더 나은 품질을 갖는 제품을 제공한다. 공급 수단과 맨드릴 사이의 강화 요소의 자유 길이를 조정하는 것은, 예를 들어, 상기 섬유 보빈 상에 작용하는 전기 모터를 구비한 섬유 분배 관 형태의 공급 수단을 제공함으로써 수행될 수 기다.
이제, 본 발명은 하기 실시예 및 비교실시예에 의해 추가로 설명되지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 I 및 비교실시예 A
SK76 1760 dTex 유형의 방탄성 다이니마(Dyneema, 등록상표) UHMWPE 섬유를, 전투 헬멧 형태의 맨드릴 상에 권취하였다. 권취 동안 상기 섬유의 평균 장력은 약 14 N이었다. 크래톤(Kraton, 등록상표) 열가소성 중합체의 수성 분산액(중량 기준으로, 1:1 혼합 비)으로 상기 섬유를 함침시켰다. 권취 후, 제조된 헬멧을 약 80℃의 오븐에서 24시간 동안 건조시켜, 중합체 메트릭스로부터 물을 증발시켰다. 건조 후, 상기 매트릭스 물질의 밀도는 1040 kg/m3이었다. 이어서, 건조된 헬멧 모재를, 진공 하에, 오토클레이브 내에서, 약 100℃의 온도로 2.5시간 동안 추가로 압밀하였다. 압축 압력은 약 20 bar였다. 오토클레이브 성형 후, 이에 따라 수득된 원통형 제품을 2개의 반쪽으로 절단하고, 또한, 이렇게 하여 상기 맨드릴을 제거하였다. 2개의 반쪽 제품은 이어서, 2개의 금속 몰드들 사이에서 125℃의 온도 및 약 165 bar의 최대 압력에서, 45분 동안 프레싱됨으로써 후처리되었다.
본 발명에 따라 제조된 헬멧의 특징을 하기 표 1에 요약한다.
제조된 헬멧의 특성
실시예 I
두께[mm] 5.5
표면적[cm2] 1295
중량[kg] 0.98
성형 압력 있슴
STANAG 2920 표준에 따라 시험을 수행하였다. 125℃의 온도 및 약 165 bar의 최대 압력에서 45분 동안, 38 플라이 다이니마(등록상표) HB25부터 통상적으로 제조된 헬멧에 대한 전형적인 V50 값은, 7.8 mm의 두께를 갖는 헬멧에 대해서는 622 m/초였고, 9.2 mm의 두께를 갖는 헬멧(46 플라이 다이니마(등록상표) HB25)에 대해서는 730 m/초였다.
수득된 결과를 하기 표 2에 요약한다.
방탄 결과
면적 밀도[kg/m2] V50[m/s] E흡수[J/kg/m2]
실시예 I 5.5 564 31.8
비교실시예 A 8.7 622 24.4
V50이 두께에 선형적으로 의존한다고 가정할 경우, 통상적으로 제조된 5.5 mm의 헬멧은 438 m/s의 V50을 달성하는 반면, 본 발명에 따라 필라멘트-권취된 헬멧(실시예 I)은, 126 m/s나 더 높은 564 m/s의 V50을 수득하였다.
38 플라이 HB25로 제조된 공지된 헬멧(비교실시예 A)은 622 m/s의 V50 및 7.8 kg/m2의 면적 밀도를 갖는다. 따라서, 이 헬멧에 흡수된 에너지(E흡수)는, (0.5×mF SP×V2 50)/AD = 24.4 J/kg/m2이다. 필라멘트-권취된 헬멧의 흡수 에너지가 더 높으며, 따라서, 필라멘트-권취된 헬멧이 더 우수한 성능을 갖는다.
헬멧이 흡수할 수 있는 에너지의 양에 기초하여, 본 발명에 따른 필라멘트-권취된 헬멧은 통상적으로 프레싱된 헬멧에 비해 더 우수한 성능을 갖는다. 통상적인 헬멧의 전형적인 흡수 에너지 값은 24.4 J/kg/m2이다. 본 발명에 따른 헬멧의 흡수 에너지는 32.4 J/kg/m2 초과이고, 이는, 30% 이상의 성능 증가이다. 성능 증가에 더하여, 필라멘트 권취 기술은 다른 이점, 예컨대 최종 제품 내의 주름의 부재, 더 싼 출발 물질(얀+수지 대 크로스-플라이(cross-ply) 모재), 상이한 물질들을 배합할 수 있는 자유, 적은 양의 폐기물 및 광범위한(far-reaching) 자동화에 대한 기회를 제공한다.

Claims (12)

  1. 곡면 제품, 바람직하게는, 방호구(armor) 제품을 제조하기 위한 필라멘트 권취 방법으로서,
    1.6 GPa 이상의 강도를 갖는 복수의 강화 요소(reinforcing element)를, 운반 유체 중의 중합체 용액 및/또는 분산액을 포함하는 중합체 매트릭스로 함침시키고, 이를 맨드릴(mandrel) 상에 권취하되, 권취 동안 및/또는 후에 상기 운반 유체를 적어도 부분적으로 증발시키고, 상기 강화 요소의 양이 제품의 총 중량의 60% 이상인, 방법.
  2. 제 1 항에 따른 방법을 사용하여 수득가능한 곡면 제품.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 강화 요소의 양이 제품의 총 중량의 75% 이상인, 제품.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 강화 요소가 섬유 및/또는 연신된 중합체 필름 및/또는 테이프를 포함하는, 제품.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체 매트릭스의 적어도 일부의 모듈러스가 100 MPa 미만인, 제품.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체 매트릭스의 적어도 일부의 모듈러스가 500 MPa 초과인, 제품.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    벽 두께가 9 mm 초과인, 제품.
  8. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강화 요소가 폴리에틸렌 섬유 또는 테이프인, 제품.
  9. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강화 요소가 아라미드 섬유, 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸) 섬유, 폴리(2,6-다이이미다조-(4,5b-4'5'e)피리디닐렌-1,4(2,5-다이하이드록시)페닐렌) 섬유, 탄소 섬유 또는 유리 섬유인, 제품.
  10. 제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    필라멘트 권취 후, 고압 및 고온에서 압축 성형함으로써 후-처리된, 제품.
  11. 제 10 항에 있어서,
    헬멧, 전투 헬멧 및 레이돔(radome)으로부터 선택된, 제품.
  12. 제 2 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 부분적으로 비-지오데틱(non-geodetic)인 강화 요소의 패턴을 갖는, 제품.
KR1020097023916A 2007-04-18 2008-04-17 필라멘트-권취된 곡면 제품의 제조 방법 및 이에 의해 수득된 제품 KR20100016606A (ko)

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