KR20100016609A - 연신된 중합체 강화 요소를 포함하는 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, 복수의 연신된 중합체 강화 요소들을 맨드릴 상에 배치하는 단계, 상기 요소들의 적어도 일부를 국부적으로 서로 부착시키는 단계, 및 상기 맨드릴로부터 제품을 제거하는 단계를 포함하는, 곡면 제품의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 상기 곡면 제품을 몰드 내에 배치하는 단계, 및 상기 제품을 고온 및 고압에서 압축하는 단계를 포함하는, 상기 곡면 제품으로부터의 곡면 물품, 바람직하게는 방호구(armour) 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 곡면 방호구 물품은 우수한 방탄 특성을 가지며, 실질적으로 주름이 없다.

Description

연신된 중합체 강화 요소를 포함하는 곡면 제품의 제조 방법 및 이에 의해 수득된 제품{METHOD OF PRODUCING A CURVED PRODUCT COMPRISING DRAWN POLYMER REINFORCING ELEMENTS AND PRODUCT OBTAINED THEREBY}
본 발명은, 연신된 중합체 강화 요소를 포함하는 곡면 제품의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 곡면 방호구(armour) 제품의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 수득된 헬멧, 바람직하게는 전투 헬멧 및 레이돔(radome)에 관한 것이다.
곡면 물품, 특히 곡면 방호구 물품은 일반적으로, 중합체 매트릭스 내에 함입된 고강도 섬유의 복합체로 제조된다. 이러한 방호구 물품은 우수한 고속 발사체 방탄성과 적은 질량을 겸비한다. 상기 방호구 물품에 필요한 고품질을 보장하기 위해, 특히 방탄 성능을 위한 섬유-고분자 방호구 프리프레그(prepreg)가 개발되었다. 특히 적합한 방호구 프리프레그의 예는, 디에스엠(DSM)으로부터의 다이니마(Dyneema, 등록상표) HB25를 포함한다. 방호구 물품을 형성하기 위해서, 상기 프리프레그를 적층하고, 고온 및 고압에서 압축한다.
국제 특허 공개 제 WO 2005/065910 호에서는, 중합체 섬유의 플라이(ply)의 적층체(stack)를 고온에서 3차원 형태로 변형시킴으로써, 중합체 섬유의 적층된 플라이의 상대적으로 편평한 패키지로부터 곡면 물품을 제조하는 것이 제안되었다. 국제 특허 공개 제 WO 2005/065910 호에서는, 수지가 연신되기에 충분히 높은 온도에서 수지 상에 인장 응력을 부여함으로써, 편평한 스택을 3차원 형태의 물품으로 변형시킬 경우의 플라이의 주름 문제를 해결하는 것이 제안되었다.
공지된 방법은 적합한 곡면 물품을 제공하지만, 이의 성능, 특히 이의 방탄 성능은 추가로 개선될 수 있다.
본 발명의 목적은, 실질적으로 주름이 없는 곡면 제품의 제조 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 국제 특허 공개 제 WO 2005/065910 호에 기술된 곡면 물품과 적어도 유사한 방탄 특성을 갖는 곡면 방호구 물품의 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 본 발명의 청구항 제 1 항의 방법에 의해 달성된다. 본 발명에 따르면, 복수의 연신된 중합체 강화 요소(reinforcing element)들을 맨드릴 상에 배치하는 단계, 상기 요소들의 적어도 일부를 국부적으로 서로 부착시키는 단계, 및 상기 맨드릴로부터 제품을 제거하는 단계를 포함하는, 곡면 제품의 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 방법은, 상기 강화 요소들의 대부분이 중합체 매트릭스 내에 함입될 필요 없이, 상기 강화 요소들의 국부적인 부착에 의해, 실질적으로 안정한 형태의 곡면 제품을 제공한다. "상기 강화 요소들의 대부분"이란, 상기 강화 요소들의 총량의 80% 이상, 바람직하게는 상기 강화 요소들의 총량의 90% 이상, 더욱 바람직하게는 상기 강화 요소들의 총량의 95% 이상을 의미한다. 상기 곡면 제품은, 곡면 방호구 물품을 제조하기 위한 중간체 제품(모재(preform)로도 지칭됨)으로서의 이점을 얻기 위해 사용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 곡면 방호구 물품의 제조 방법은, 상기 곡면 모재를 몰드 내에 배치하는 단계, 및 상기 모재를 고온 및 고압에서 압축하는 단계를 포함한다. 이 방법에서, 상기 곡면 모재는 실질적으로, 압축 전에, 최종 물품에서 요구되는 곡면 형상을 갖는다. 이는 대개, 주름 발생을 방지하며, 곡면 물품의 (방탄) 특성에 이롭다.
본 발명의 방법은, 하나 이상의 방향에서 곡면인 제품 및 물품이, 감지가능한 주름 없이 강화 요소들로부터 직업 제조될 수 있게 한다. 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 0.20 이상인 제품이다. 본원의 문맥상 "고도의 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 1.00 이상인 제품이다. 복수의 연신된 중합체 강화 요소가, 최종 제품에 요구되는 형태의 맨드릴 상에 배치됨으로써, 상기 강화 요소가 모재로 제조되며, 이 모재는 압축 동안 많이 변형될 필요가 없다. 심지어, 낮은 내부 변형성을 갖는 모재를 제조하는 것이 가능할 수도 있다. 압축 전에, 요구되는 형태 내에 강화 요소를 배치함으로써, 상기 모재의 변형성은 더이상 제한 요소가 되지 않으며, 실제로 임의의 형태가 수득될 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수의 연신된 중합체 강화 요소가 맨드릴 상에 배치된다. 적합한 방법은, 바람직하게 회전하는 맨드릴 상에 강화 요소를 권취하는 것을 포함한다. 곡면 및 고도의 3D 곡면 물품, 예컨대 헬멧은 강화 요소들의 직접 배치, 특히 필라멘트 권취에 의해 수득될 수 있다. 필라멘트 권취 자체는 본질적으로 공지되어 있다. 예를 들어, 영국 특허 제 2158471 호는, 권취 기술을 사용하여, 통상적인 열경화성 수지로 함침된 섬유가 하나의 패턴을 따라 맨드릴 상에 배치된 방호구 물품의 제조 방법을 기술하고 있다. 영국 특허 제 2158471 호에 개시된 방법과 달리, 본 발명에 따른 방법은 중합체 매트릭스의 존재를 필요로 하지 않는다. 실질적으로 중합체 매트릭스 없이 강화 요소를 맨드릴 상에 배치함으로써 곡면 물품, 예컨대 방호구 물품, 특히 헬멧이 수득될 수 있다는 것은 보고된 적이 없다. 놀랍게도, 당분야에 공지되고 최적화된 방호구 프리프레그로부터 제조되는 대신(이는, 강화 요소를 함입시키기 위해 중합체 매트릭스를 사용함), 실질적으로 중합체 매트릭스 없이 강화 요소로부터 제조됨에도 불구하고, 본 발명에 따른 필라멘트-권취된 곡면 방호구 물품의 품질은 우수하다. 게다가, 필라멘트-권취된 물품은 일반적으로, 2개보다 많은 섬유 방향을 갖는 다양한 위치를 포함한다. 이는 일반적으로 방탄 특성에 불리하다. 그러나, 상기 모재 및 물품에 실질적으로 중합체 매트릭스가 없다는 사실 때문에, 이것은 본 발명의 곡면 방호구 물품에는 적용되지 않는다.
본 발명에 따른 방법의 다른 이점은, 상기 맨드릴의 표면을 가로질러 임의의 바람직한 방향으로 강화 요소가 배향됨으로써, 더 균질한 특성을 갖고 주름이 없는 물체가 수득될 수 있다는 것이다.
본 발명에 따른 방법은, 하나 이상의 방향이 곡면인 물품을 제조하는 데 특히 유용하다. 이의 예는 레이돔, 헬멧, 어깨용 방탄 패널 또는 예컨대 병사용 기타 보호 수단 및 자동차용 또는 전투 헬리콥터용 방호구 패널을 포함한다.
또한, 본 발명은 특히 본 발명의 방법에 의해 수득된 레이돔에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 특히 항공기에 탑재되는 유형의 레이더 안테나를 밀봉하고 보호하기 위한, 본 발명의 물품을 포함하는 레이돔에 관한 것이다. 본원에서 "레이돔"이란, 전자기 방사선 장비, 예컨대 항공기, 지상 또는 선박에 기초한 레이더 장비를 보호하기 위해 사용되는 임의의 구조체로서 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.
강화 요소들의 서로에 대한 국부적인 부착은 다양한 방식으로 달성될 수 있다. "국부적인 부착"이란, 상기 강화 요소들의 20% 이하가 임의의 방향으로, 즉, 곡면 모재의 표면을 가로지르거나 이의 두께 전체에 걸쳐 서로 부착됨을 의미한다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시양태는, 상기 연신된 중합체 강화 요소들을 국부적으로 이들의 융점 또는 연화점보다 높은 온도로 처리하고, 이들을 함께 융합시킴으로써, 상기 강화 요소들의 적어도 일부를 국부적으로 서로 부착시키는 단계를 포함한다. 상기 연신된 중합체 강화 요소들을 국부적으로 이들의 융점보다 높은 온도로 처리하고, 이들을 함께 융합시키는 것은, 예를 들어, 국부적인 가열 수단(예컨대, IR 공급원), 가열된 절단 부재 등에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 방법의 다른 실시양태에서, 상기 요소들의 적어도 일부를 국부적으로 서로 부착시키는 단계는, 상기 연신된 중합체 강화 요소에 국부적으로 결합제를 적용하고, 상기 결합제를 고화시키는 것을 포함한다. 상기 결합제는 접착 특성을 갖는 임의의 물질일 수 있고, 분무, 침지 등에 의해 적용될 수 있다.
본 발명의 방법의 또다른 실시양태에서, 상기 방법은 추가로, 상기 강화 요소에 비해 더 낮은 융점을 갖는 중합체 필름 층을 상기 곡면 제품에 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 중합체 필름 층은 상기 곡면 모재를 안정화시킨다. 상기 중합체 필름 층은 상기 모재 표면의 일부 위로 연장되거나, 다르게는, 내부, 외부 및 측면을 비롯한 상기 모재의 전체 표면 위로 연장될 수 있다.
본 발명의 방법의 또다른 바람직한 실시양태에서, 상기 방법은 또한, 진공이 적용된 중합체 필름 엔벨로프(envelope) 내에 상기 곡면 모재를 밀봉시키는 것을 포함한다. 바람직하게는, 상기 중합체 필름 엔벨로프의 내부에 진공을 적용하기 전에, 상기 엔벨로프가 상기 모재의 표면과 실질적으로 완전히 접촉한다. 이는, 진공 압력이 적용되는 경우, 상기 모재가 변형되거나 심지어 붕괴되는 것을 방지한다. 본 발명의 이러한 실시양태는, 상기 모재 제품의 이송 동안 품질을 유지하고, 이의 결합성(coherence)을 증가시킨다. 게다가, 고온 및 고압의 몰드 내에서 압축에 의해 곡면 물품을 제조하는 데 상기 곡면 모재 제품이 사용되는 경우, 상기 중합체 필름 엔벨로프는 제거될 필요가 없다. 대신, 이는 적어도 부분적으로 용융되어, 압축 성형된 방호구 물품의 내부 부분을 형성하거나, 폐기될 것이다.
상기 강화 요소는 연신된 중합체 필름 및/또는 섬유를 포함할 수 있다. 상기 연신된 중합체 필름은 바람직하게는 슬리팅(slitting)되어 테이프를 형성한다. 순환 벨트들의 조합 사이에 중합체 분말을 공급하고, 상기 중합체 분말을 이의 융점보다 낮은 온도에서 압축 성형하고, 생성된 압축 성형된 중합체를 롤링하여 필름을 형성함으로써, 필름을 제조할 수 있다. 필름을 형성하기 위한 다른 바람직한 방법은, 중합체를 압출기에 공급하고, 상기 중합체의 융점보다 높은 온도에서 필름을 압출하고, 압출된 중합체 필름을 연신하는 것을 포함한다. 필요한 경우, 예를 들어, 바람직하게는 초고분자량 폴리에틸렌을 사용하는 경우, 중합체를 압출기에 공급하기 전에, 상기 중합체를 적합한 액체 유기 화합물(예컨대, 겔을 형성하는 것)과 함께 혼합할 수 있다. 테이프를 제조하기 위한 상기 필름의 연신, 바람직하게는 일축 연신은 당분야에 공지된 수단에 의해 수행될 수 있다. 이러한 수단은, 적합한 연신 유닛 상의 압출 연신 및 인장 연신을 포함한다. 증가된 기계적 강도 및 강성도를 달성하기 위해, 다중 단계로 연신을 수행할 수 있다. 생성된 연신 테이프는 그 자체로, 상기 곡면 모재 제품을 필라멘트 권취하기 위해 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.
다양한 형태의 섬유가 본 발명에 따른 방법에 사용될 수 있다. "섬유"는, 횡방향 치수에 비해 길이가 훨씬 큰 물체를 포함하며, 모노필라멘트, 멀티필라멘트 얀, 스트립, 리본 또는 테이프 등을 포함한다. 적합한 섬유는 멀티필라벤트 얀을 포함하며, 필라멘트의 두께 및 수는 중요하지 않다. 적합한 얀은, 예를 들어, 100 내지 4000 dtex의 타이터(titer)를 갖는다. 얀이 제조되는 필라멘트 두께는, 예를 들어, 1 내지 20 dpf로 달라질 수 있다. 또한, 짧은 필라멘트 또는 단섬유(staple fiber)로부터 방사된 얀을 사용할 수도 있다. 그러나, 바람직하게는 멀티필라멘트 얀이 사용된다.
적합한 중합체 강화 요소, 예컨대 섬유 및 테이프는 융점보다 낮은 온도에서, 즉, 고상에서, 부여되는 응력의 영향 하에 특정 정도의 쇄 슬립성을 나타내는 거대분자인 중합체 물질로부터 제조된다. 이의 예는, 다양한 폴리올레핀, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 임의로 다른 단량체들과 이들의 공중합체, 폴리비닐 알코올, 및 폴리아마이드 및 폴리에스터, 특히 하나 이상의 지방족 단량체 단위를 함유하는 폴리아마이드 및 폴리에스터를 포함한다. 폴리에틸렌 섬유 또는 테이프는 바람직하게는 선형 폴리에틸렌, 즉, 100개의 탄소 원자 당 10개 이상의 탄소 원자를 함유하는 측쇄를 1개 미만으로 갖는 폴리에틸렌이고, 더욱 바람직하게는 300개의 탄소 원자 당 측쇄를 1개 미만으로 갖는 폴리에틸렌이다.
상기 강화 요소는 바람직하게는, 1.6 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 1.8 GPa 이상, 가장 바람직하게는 2 GPa 이상의 인장 강도를 갖고, 50 GPa 이상의 인장 모듈러스를 갖는다. 더욱 바람직하게는, 상기 인장 강도가 2.5 GPa 이상, 심지어 3 GPa이고, 상기 모듈러스가 70 GPa 이상, 심지어 90 GPa이다. 상기 강화 요소의 인장 특성은 ASTM D885M에 명기된 바와 같은 방법에 의해 결정된다. 상기와 같이 높은 모듈러스 및 인장 강도를 갖는 강화 요소를 사용하는 것은, 우수한 휨 강성(flexural stiffness), 방탄성 및 외력에 대한 높은 저항성을 갖는 물체, 예컨대 헬멧의 제조를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 방법에 사용하기 특히 바람직한 섬유는, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)로부터 제조된 섬유를 포함한다. "UHMWPE"란, 바람직하게는 4 dl/g 이상, 바람직하게는 8 dl/g 이상의 고유 점도(IV)(135℃의 데칼린 중의 용액에서 측정할 경우)를 갖는 선형 폴리에틸렌으로 이해된다. 상기 섬유의 제조 방법 및 특성은 다양한 문헌, 예컨대 영국 특허 제 204214 A 호 및 국제 특허 공개 제 WO 01/73171 A1 호에 기술되어 있으며, 이러한 섬유는 예를 들어 디에스엠의 다이니마(등록상표)의 상표명으로 시판된다.
또한, 상기 강화 요소는, 상기 이미 언급된 강화 요소들 외에, 상이한 섬유들 및/또는 테이프들의 조합을 포함할 수 있다. 상이한 섬유들 및/또는 테이프들을 조합함으로써, 예측된 발사체의 위협에 대한 상기 물품의 방탄 성능이 더 잘 조정될 수 있다. 본 발명에 따른 제품에 적용하기 적합한 다른 섬유 및/또는 테이프는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유뿐만 아니라, 다른 연신된 열가소성 중합체 섬유, 예컨대 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸) 섬유(PBO, 자일론(등록상표) 및 폴리(2,6-다이이미다조-(4,5b-4',5'e)피리디닐렌-1,4(2,5-다이하이드록시)페닐렌) 섬유(M5(등록상표) 섬유로서 더 잘 공지됨)을 포함한다.
본 발명의 방법에 따라, 복수의 강화 요소, 예컨대 섬유 또는 테이프를 맨드릴 상에 배치함으로써 곡면 제품이 제조된다. 상기 방법은 바람직하게는, 장력 하에 강화 요소의 보빈을 권출하는 것을 포함한다. 하나의 바람직한 실시양태에서, 상기 곡면 제품은, 필라멘트 권취 공정 동안 공급 수단을 사용하여 복수의 강화 요소들, 예컨대 섬유 다발들을 맨드릴 상에 동시에 배치함으로써 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, 취급성과 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 있다. 하나의 바람직한 실시양태에 따라, 상기 공급 수단은 상기 맨드릴 표면과 상기 공급 수단 사이의 강화 수단의 장력을 제어할 수 있다. 상기 강화 요소의 장력을 제어하는 것은 상기 제품 또는 물품의 기계적 특성, 특히 강성도 및 강도에 바람직하다.
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, 권취 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 제품은 바람직하게는, 상기 국부적인 축적이 상기 제품 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.
하나의 바람직한 실시양태에서, 상기 곡면 제품은, 극성 표면들을 갖는 맨드릴 상에 강화 요소를 필라멘트 권취함으로써 제조되며, 이때 상기 맨드릴은 중심 축 주위를 회전하고, 상기 극성 표면들은 상기 중심 축이 도입되거나 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 곡면 제품이 제조된다. 권취 동안 상기 축이 존재하기 때문에, 권취 공정 후 상기 축이 제거되면, 상기 곡면 제품의 정점에 일반적으로 개구가 존재할 것이다. 권취 및/또는 프레싱 후에 존재하는 이러한 개구는, 예를 들어, 상기 개구에 피팅 플러그(fitting plug)를 삽입함으로써 폐쇄될 수 있다. 이러한 공정은, 상기 극성 표면들 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 및/또는 클램핑을 감소시키고, 상기 플러그를 더 잘 고정시킨다.
임의의 중합체 매트릭스를 건조하고/하거나 경화시킬 필요 없이, 상기 곡면 제품은 상기 맨드릴로부터 용이하게 제거되며, 따라서, 에지 트리밍에 의해, 예를 들어, 전술된 가열된 절단 장비를 이용함으로써 용이하게 마감처리될 수 있다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 방법에 의해 수득된 곡면 모재를 몰드 내에 배치하는 단계, 및 상기 모재를 고온 및 고압에서 압축하는 단계를 포함하는, 곡면 물품의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 곡면 모재가 실질적으로 상기 곡면 물품의 형상을 갖기 때문에, 상기 모재를 고온 및 고압에서 압축하는 단계는, 제조되는 물품, 바람직하게는 제조되는 방호구 물품에 임의의 주름 또는 다른 뒤틀림을 별로 유발하지 않는다. 이는, 상기 방호구 물품의 방탄 특성을 개선한다. 본 발명의 곡면 제품이 중합체 매트릭스의 존재를 필요로 하지 않기 때문에, 중합체 매트릭스를 소량 갖거나 전혀 갖지 않는 방호구 물품이 수득될 수 있으며, 이는, 상기 방호구 물품의 방탄 특성에 유리하다.
본 발명에 따르면, 필라멘트-권취된 곡면 모재는 강화 요소, 특히 단지 섬유만 함유한다. 본 발명에 따른 곡면 방호구 물품의 제조 방법에서, 상기 강화 요소는 고온, 고압 및 시간의 조합에 의해 표면이 연화되고 융합된다(이는 소결(sintering)로도 공지됨). 상기 강화 요소는 상기 필라멘트-권취된 곡면 모재 내에 목적하는 수 및 목적하는 방향으로 이미 배치되었기 때문에, 이를 몰드 내에서 고온 및 고압으로 단지 약간만 변형시킴으로써, 목적하는 특성 및 형태의 제품이 제공된다. 그 자체로 공지된 적절한 기술을 사용하여, 예컨대 가열된 다이(die) 및 몰드의 도움으로 이러한 변형이 수행될 수 있다. 압축 성형 전에, 중간체 제품을 예를 들어 오븐 내에서 일정 온도, 바람직하게는 상기 강화 요소의 융점보다 낮은 온도로 처리할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 온도가 상기 몰드의 온도와 대략적으로 같다. 또한 바람직하게는, 전술된 바와 같이, 진공을 적용하기 위한 엔벨로프가 사용된다.
압축 성형에 의해 필라멘트-권취된 모재로부터 곡면 물품을 제조하는 방법에서, 당업자는 일반적으로 상기 제품을 적절히 강화하기 위한 고온, 고압뿐만 아니라 시간의 적절한 조합을 선택할 수 있을 것이다. 초고분자량 폴리에틸렌으로 제조된 섬유를 함유하는 모재에 적합한 성형은 일반적으로 약 1 내지 60분, 바람직하게는 5 내지 45분이 걸릴 것이다. 곡면 물품, 예컨대 방호구 물품 또는 레이돔의 제조 시 상기 모재에 적용되는 고압은 광범위하게 다양할 수 있지만, 바람직하게는 약 7 MPa 초과, 더욱 바람직하게는 약 10 MPa 초과, 더더욱 바람직하게는 약 15 MPa 초과이며, 더 높은 압력이 더 우수한 결과를 제공한다. 적용된 고압으로 인해, 상기 강화 요소는 실질적으로 계속 장력을 받으며, 따라서, 분자 이완의 결과로서, 우수한 기계적 특성이 소실되거나 상당히 감소되는 것이 방지된다. 상기 고온은 바람직하게는 80℃ 내지 상기 강화 요소의 융점 또는 연화점보다 40℃ 낮고, 더욱 바람직하게는 80℃ 내지 상기 강화 요소의 융점 또는 연화점보다 20℃ 낮으며, 가장 실제적인 적용 범위는 80℃ 내지 145℃이다. 고온 및 고압에서 성형된 후, 상기 강화 요소의 임의의 바람직하지 않은 이완 과정을 피하기 위해, 상기 곡면 물품은 바람직하게는 약 80℃ 미만의 온도에 도달할 때까지 냉각된다.
필라멘트 권취 동안, 맨드릴 상에 배치된 강화 요소의 수는 달라질 수 있으며, 이는 일반적으로 목적하는 두께에 도달되도록 하는 값이다. 본 발명에 따른 방법에서, 원리상, 상기 강화 요소에 대한 많은 다양한 권취 패턴이 가능하다. 본 발명에 따른 방법은, 실질적으로 주름 없이 광범위한 벽 두께를 갖는 모재 및 최종 물품을 제조할 수 있게 하며, 이는 방탄 성능에 유리하다. 상기 권취 공정은 바람직하게는, 제조된 물품이 실질적으로 이의 전체 표면에 걸쳐 일정한 두께를 갖도록 수행된다. 방탄 성능의 관점에서, 본 발명에 따른 물품의 벽 두께는 바람직하게는 3 mm 초과, 더욱 바람직하게는 5 mm 초과, 더더욱 바람직하게는 9 mm 초과, 가장 바람직하게는 12 mm 초과이다.
본 발명에 따른 바람직한 실시양태에서, 필라멘트 권취 공정에 의해 제품을 제조하는 데 사용되는 맨드릴은, 다른 기술로 제조되는 제품의 경우와 유사하다. 더욱 특히, 얇은 외피(shell)를 갖는 통상적인 헬멧이 필라멘트 권취를 위한 몰드로서 사용된다. 이런 방식에서는, 단지 상기 헬멧의 외부만이 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.
이제, 본 발명은 하기 실시예 및 비교실시예에 의해 추가로 설명되지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 I
SK76 1760 dtex 유형의 방탄성 다이니마(Dyneema, 등록상표) UHMWPE 섬유를, 20 mm의 직경을 갖는 축으로 고정된 원추형 맨드릴 상에 권취하였다. 권취 동안 상기 섬유를 장력 하에 유지하였다. 섬유들을 부분적으로 서로 접착시키기 위해, 섬유의 총 중량에 대해 0.1 중량%의 접착성 결합제를 상기 UHMWPE의 마지막 권선(winding)에 분무하였다. 뜨거운 나이프를 이용하여, 상기 권취된 제품을 2개의 반쪽으로 분할하고, 이어서, 맨드릴로부터 제거하여, 각각 무게가 1140 g인 전투 헬멧의 형태의 2개의 유사한 모재를 수득하였다. 축을 제거한 후, 약 20 mm의 직경을 갖는 개구가 정점에 존재하였다. 이어서, 단단히 피팅된 폴리에틸렌 필름 엔벨로프 내에 2개의 모재를 밀봉하고, 상기 엔벨로프에 진공을 적용하였다. 이어서, 엔벨로프를 갖는 모재를, 압축 성형 프레스의 2개의 반쪽 몰드들 사이에 배치하고, 상기 2개의 반쪽 몰드들 사이의 폐쇄된 위치에 7 mm의 자유 공간을 남겼다. 상기 반쪽 몰드들을 140℃의 고온으로 가열하였다. 약 60분의 기간 동안 165 bar의 고압을 상기 모재에 적용하였다. 압력 하에 80℃로 냉각한 후, 압축 성형된 헬멧을 상기 반쪽 몰드들로부터 제거하고 에지 마감처리하였다. 상기 헬멧의 최종 중량은 0.98 kg이었고, 압축 성형 동안 두개골 개구의 직경은 10 mm로 감소하였다. 피팅 플러그를 삽입함으로써 상기 개구를 폐쇄하였다.
비교실시예 A
140℃의 온도 및 165 bar의 압력에서 약 60분 동안, 2개의 반쪽 몰드들 사이 에서 38 플라이 다이니마(등록상표) HB25의 편평한 스택을 압축 성형하였다. 압축 성형 동안, 상기 편평한 스택은 3차원 형상의 헬멧으로 변형되었다. 압력 하에 80℃로 냉각한 후, 상기 헬멧을 상기 몰드로부터 제거하고, 마감처리하였다.
결과
본 발명에 따라 제조된 헬멧의 특성을 하기 표 1에 요약한다.
제조된 헬멧의 특성
실시예 I 비교실시예 A
중량[kg] 0.98 0.83
성형 방법 필라멘트-권취된 중간체 제품의 압축 편평한 스택의 압축 성형
1.1 g(17 그레인) 파편 모의탄(Fragment Simulating Projectiles; FSP)으로 상기 헬멧들을 쐈다. 수득된 방탄 시험 결과(V50) 및 흡수된 에너지(E흡수)를 하기 표 2에 제시한다. 또한, 소위 "이어-투-이어(ear-to-ear)" 압축 하중으로 상기 헬멧에 하중을 가하였다. 이 시험에서는, 착용자의 귀 영역에서 상기 헬멧의 측벽에 압축력을 적용하고, 상기 측벽의 총 내측 변위(inner displacement)를 측정하였다. 이 시험의 결과를 하기 표 3에 요약한다.
방탄 결과
E흡수[J/kg/m2]
실시예 I 41
비교실시예 A 31
"이어-투-이어" 압축 시험 결과
적용된 하중[N] 변위[mm]
실시예 I 1500 17
비교실시예 A 500 40 초과
헬멧이 흡수할 수 있는 에너지의 양에 기초하면, 통상적으로 프레스된 헬멧에 비해 본 발명에 따른 필라멘트-권취된 헬멧이 더 나은 성능을 나타냈다. 통상적인 헬멧의 흡수된 에너지에 대한 통상적인 값은 약 30 J/kg/m2였다. 본 발명에 따른 헬멧의 흡수된 에너지는 40 J/kg/m2 초과였으며, 이는 30% 이상 성능이 향상된 것이다.
"이어-투-이어" 압축 시험 결과에 대해서는, 통상적으로 프레스된 헬멧에 비해 본 발명에 따른 필라멘트-권취된 헬멧이 상당히 더 우수한 성능을 나타냈다. 본 발명의 헬멧의 측정된 "이어-투-이어" 변위는 단지 17 mm였으며, 통상적인 헬멧은 더 낮은 하중에서 더 많은 변위를 나타냈다.
성능 향상에 더하여, 바람직하게 중합체 매트릭스가 없는 필라멘트 권취 공정은 다른 이점, 예컨대 최종 물품 중 주름의 부재, 더 싼 출발 물질, 비싼 크로스-플라이(cross-ply) 프리프레그의 사용 방지, 상이한 물질들을 배합할 수 있는 자유, 소량의 폐기물 및 광범위한(far-reaching) 자동화에 대한 기회를 제공한다.

Claims (14)

  1. 복수의 연신된 중합체 강화 요소(reinforcing element)들을 맨드릴 상에 배치하는 단계,
    상기 요소들의 적어도 일부를 국부적으로 서로 부착시키는 단계, 및
    상기 맨드릴로부터 제품을 제거하는 단계
    를 포함하는, 곡면 제품의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 요소들의 적어도 일부를 국부적으로 서로 부착시키는 단계가, 상기 연신된 중합체 강화 요소들을 이들의 융점보다 높은 온도로 처리하고, 이들을 함께 융합시키는 것을 포함하는, 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 요소들의 적어도 일부를 국부적으로 서로 부착시키는 단계가, 상기 연신된 중합체 강화 요소들에 국부적으로 결합제를 적용하고, 상기 결합제를 고화시키는 것을 포함하는, 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법이, 상기 강화 요소보다 더 낮은 융점을 갖는 중합체 필름 층을 상 기 곡면 제품에 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 곡면 제품이, 상기 제품의 외부 및/또는 내부 표면과 접촉하고 진공이 적용된 중합체 필름 엔벨로프(envelope) 내에 밀봉되는, 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연신된 중합체 강화 요소가, 1.6 GPa 이상의 강도를 갖는 섬유 및/또는 필름 및/또는 테이프를 포함하는, 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연신된 중합체 강화 요소가, 초고분자량 폴리에틸렌의 섬유 및/또는 필름 및/또는 테이프를 포함하는, 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 강화 요소들이 공급 수단에 의해 상기 맨드릴 상에 동시에 배치되는, 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 공급 수단이, 상기 맨드릴 표면과 상기 공급 수단 사이의 강화 요소의 장력을 제어하는, 제조 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강화 요소의 일부가, 적어도 부분적으로 비-지오데틱(non-geodetic)인 패턴으로 배치되는, 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 수득된 곡면 제품을 몰드 내에 배치하는 단계, 및
    이러한 모재(preform)를 고온 및 고압에서 압축하는 단계
    를 포함하는, 곡면 물품의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 고온이, 상기 강화 요소의 융점 내지 상기 융점보다 40℃ 낮은 온도 사이에서 선택되는, 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 고온이, 상기 강화 요소의 융점 내지 상기 융점보다 20℃ 낮은 온도 사이에서 선택되는, 제조 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 수득가능한 곡면 물품, 바람직하게는 전투 헬멧 또는 레이돔(radome).
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