KR20100085028A - 폴리에틸렌 섬유를 함유하는 헬멧 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단방향 초고분자량 폴리에틸렌(UHMwPE) 섬유들의 단층들을 함유하는 쉘을 가지는 방탄 헬멧에 관한 것으로, 상기 쉘은 헬멧의 테에서 보강 프로파일과 연결된다.

Description

폴리에틸렌 섬유를 함유하는 헬멧{A HELMET CONTAINING POLYETHYLENE FIBERS}

본 발명은 단방향 초고분자량 폴리에틸렌(UHMwPE)섬유들의 단층들을 함유하는 쉘(shell)을 가지는 방탄용(anti-ballistic) 헬멧에 관한 것이다.

방탄용 헬멧(이하 달리 명시된 바 없으면 간단히 "헬멧"이라 칭함)은 미국 특허 제 4,613,535 호에 개시되어 있다. 미국 특허 제 4,613,535 호에서 성형 부품은 단방향 UHMwPE 섬유 및 결합제의 단층들을 함유하는 것으로 개시되어 있다. 성형 부품의 예는 헬멧과 같은 탄도성 물품을 포함한다. 상기 성형 부품에는 그의 주표면상에 하나 이상의 추가적인 경질 층이 제공되어, 증가된 강성을 가진 성형 부품을 생산한다.

헬멧의 개발에 있어 주요한 문제 중 하나는 중량 감소를 얻는 것이다. 공지된 강(steel) 헬멧에 비추어 볼 때, 복합 헬멧의 도입은 중량 감소에 있어 중요한 단계이다. 설계 및 사용되는 물질의 개선이 추가적인 중량 감소를 가져온다. 그러나 헬멧의 내탄도성, 유효 수명 및 손상 허용성의 희생이 없는 추가적인 중량 감소에 대한 요구가 존재한다. 예를 들면, 공수부대에 있어, 부대원들은 그들의 헬멧에 부착된 결과적으로 중량을 증가시키는 장비, 예를 들면 통신 장비, 야시경 등을 더욱더 많이 갖춤과 동시에 허용 한계 미만의 총 헤드-로드(head-load)를 유지하는 것이 매우 중요하다.

대부분의 예에서, 해결책을 찾는 방법은 상이한 유형의 층들이 조합된 복잡한 복합 구조를 제공하는 것이다. 하나의 예는 상기 언급된 미국 특허 제 4,613,535 호이다. 또 하나의 예는 국제 공보 제 961478 호에 개시되어 있고, 또한 삼페(SAMPE) 2005 회의에 참석한 미육군 연구 실험실, 무기 및 물질 연구 부서, 애버딘 성능 시험장(US Army Research Laboratory Weapons & Materials Research Directorate Aberdeen Proving Ground)의 S.M.왈쉬(Walsh), B.R.스콧(Scott), D.M.스파그누올로(Spagnuolo) 및 J.P.올베르트(Wolbert)의 문헌[미래의 군대 헤드기어에 대한 물질 기술을 가능케 하는 혼성화된 열가소성 아라미드]에는 가장 유망한 구조가 베이스 층(base layer)으로서의 아라미드 복합 층과 탄소 섬유 및 에폭시를 함유하는 스킨 경질 층을 함유하는 쉘이라 언급되어 있다.

본 발명의 목적은, 낮은 총 중량을 가지나 탄도 충격에 대해 충분한 보호를 제공하면서 추가로 우수한 내구성을 가지는 헬멧을 제공하는 것이다.

이 목적은 단방향 UHMwPE 섬유들 및 바람직하게는 결합제의 단층들을 함유하는 쉘을 가지는 헬멧에 의해 예기치 않게 달성되고, 이때 상기 헬멧 쉘은 이의 테(rim)에서 보강 프로파일과 연결되어 있다. 상기 결합제의 기능은 섬유들은 함께 보유시키는 것이다. 그러나, 결합제의 도포 대신, 상기 섬유들은 또한 충분히 높은 온도에서 충분히 높은 압력으로 압착함으로써 연결될 수도 있다.

상기 쉘의 테에 보강 프로파일을 도포함으로써 테로부터 멀리 떨어진 헬멧의 부분에서의 충격에 대한 충분한 내탄도성이 예기치 않게 얻어지고, 따라서 낮은 중량 및 우수한 내구성을 가지는 헬멧을 생산하는 것이 가능하다. 쉘 표면에 걸쳐 추가적인 경질 층을 가진 헬멧이 본 발명의 범위로부터 배제되는 것은 아니지만, 복합 헬멧에 종종 도포되는 이 경질 층이 없는 헬멧을 생산하는 것이 가능하다.

보강 테를 갖춘 내부 경질 층 및 바람직하게는 고밀도 폼으로 제조된 외부 층을 가진 안전 헬멧은 오스트레일리아 특허 출원 공개 제 2005/202254 A1 호에 개시되어 있다. 그러나, 상기 문헌에 개시된 안전 헬멧은 건설 또는 스포츠 헬멧으로만 적합하고 분명하게 방탄 헬멧으로는 적합하지는 않다. 상기 헬멧 구조에 의해 제공되는 보호 기작은 탄환에 대해 사용하기에는 명백하게 적합하지 않으므로 탄환의 에너지를 소멸시키는 다른 기작이 요구된다. 내부 경질 층에 보강 테가 제공되긴 하지만, 상기 출원은 보강 테의 존재가 직접적으로나 간접적으로 방탄 특성과 관련되는 이점에 대해서는 아무런 언급이 없다.

본 발명은 도면에서 추가로 설명되고, 도면에 예시된 실시양태로 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 헬멧의 측면도를 보여준다.
도 2는 본 발명에 따른 헬멧의 단면도를 보여준다.
도 3은 상기 헬멧의 배면도를 보여준다.

도 1은 단방향 섬유들 및 바람직하게는 결합제의 단층들을 함유하는 쉘(2)을 함유하는 헬멧(1)을 보여준다. 테에서 상기 쉘은 보강 프로파일(3)에 연결되어 있다. 상기 프로파일은, 프로파일 방향의 섬유 및 프로파일 방향에 45° 및 -45° 각도의 섬유를 지닌 바람직한 섬유 배향을 가진다.

도 2는 쉘(2) 및 U자형 보강 프로파일(3)을 함유하는 본 발명에 따른 헬멧(1)의 단면을 보여준다. 상기 쉘은 U자형 프로파일의 다리(leg) 사이에 맞추어져 있고 프로파일의 표면 (3.1), (3.2), (3.3)에서 프로파일과 연결되어 있다.

도 3은 쉘(2) 및 보강 프로파일(3)을 가지는 본 발명에 따른 헬멧(1)을 보여준다.

바람직하게는, 본 발명의 헬멧의 쉘은 단방향 UHMwPE 섬유들 및 결합제의 단층들을 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 "단방향 UHMwPE 섬유들 및 바람직하게는 결합제의 단층"이라는 용어는, 단방향으로 배향된 UHMwPE 섬유들 및 바람직하게는 기본적으로 상기 섬유들을 함께 보유시키는 결합제의 섬유상 망상구조의 층을 지칭한다. 상기 용어 "단방향으로 배향된 섬유들"은 본질적으로 평행하게 배향된 한 평면내 섬유들을 지칭한다.

상기 용어 "섬유"는 모노필라멘트 뿐 아니라 특히 멀티필라멘트 얀(yarn) 또는 테이프를 포함한다. 상기 테이프의 폭은 바람직하게는 2 내지 100mm, 더욱 바람직하게는 5 내지 60mm, 가장 바람직하게는 10 내지 40mm이다. 상기 테이프의 두께는 10 내지 200㎛, 더욱 바람직하게는 25 내지 100㎛이다.

본 발명의 헬멧의 단층 내의 UHMwPE 섬유는 바람직하게는 약 1.2 GPa 이상의 인장 강도 및 40 GPa 이상의 인장 모듈러스(modulus)를 가진다. 상기 섬유는 바람직하게는 2 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 2.5 GPa 이상 또는 가장 바람직하게는 3 GPa 이상의 인장 강도를 가진다. 상기 고강도 섬유의 이점은, 이들이 경량 내탄도성 물품에 사용하기에 매우 적합하다는 것이다.

선형 UHMwPE를 사용하면 우수한 결과가 얻어진다. 본원에서 선형 UHMwPE는 탄소 원자 100개 당 1개 미만, 바람직하게는 탄소 원자 300개 당 1개 미만의 측쇄를 가진 폴리에틸렌을 의미하는 것으로 이해되어지고, 측쇄 또는 분지는 일반적으로 10개 이상의 탄소 원자를 함유한다. 상기 선형 폴리에틸렌은 그와 공중합 가능한 하나 이상의 다른 알켄, 예컨대 프로펜, 부텐, 펜텐, 4-메틸펜텐, 옥텐을 5 몰% 이하로 더 함유할 수 있다. 상기 선형 폴리에틸렌은, 바람직하게는 4 dl/g 이상, 더욱 바람직하게는 8 dl/g 이상의 고유 점도(IV, 하기 나타낸 시험 방법에 따라 135℃에서 데칼린 중의 용액에 대해 결정됨)를 가진 높은 몰 질량의 것이다. 고유 점도는 M_n 및 M_w와 같은 실제적인 몰 질량 파라미터보다 용이하게 결정될 수 있는 분자량의 척도이다. IV 및 M_w 사이에 여러 가지 실험적 관계가 있지만, 상기 관계는 분자량 분포에 매우 의존적이다. 식 M_w = 5.37 x 10⁴[IV]^1.37(유럽 특허 제 0504954 A1 호 참조)에 근거할 때, 4 또는 8 dl/g의 IV는 각각 약 360 또는 930 kg/mol의 M_w와 동등하다.

예를 들면, 영국 특허 제 2042414 A 호 또는 국제 공보 제 2001/73173 호에 개시된 겔 방적 공정에 의해 제조된 UHMwPE 섬유가 바람직하게 사용된다. 이는 매우 우수한 내탄도성/중량 성능을 가져온다. 겔 방적 공정은, 높은 몰 질량을 가지는 선형 폴리에틸렌 용액을 제조하는 단계, 용해 온도보다 높은 온도에서 용액을 필라멘트로 방적하는 단계, 필라멘트를 겔화가 일어나는 겔화 온도 미만으로 냉각시키는 단계, 및 용매의 제거 전, 제거 동안 또는 제거 후에 필라멘트를 연신하는 단계로 본질적으로 구성된다.

본 발명의 바람직한 실시양태에서, 상기 헬멧의 쉘은 단방향으로 배향된 UHMwPE 섬유들의 단층들을 포함하고, 상기 단층들이 2 이상의 시트로 그룹지어진다. 한 시트는 바람직하게는 2 이상의 단층을 함유한다. 시트 내의 상기 단층들은 서로에 대하여 0° 내지 90° 범위의 각도로 위치할 수 있다. 상기 시트들은 또한 서로에 대하여 임의의 각도로 위치될 수 있다.

또한 상기 용어 "결합제"는, 단방향으로 배향된 섬유들 및 결합제의 단층들을 포함하는 시트 내에서 단방향 섬유들을 함께 결합 또는 보유시키는 물질을 지칭하고, 상기 결합제는 상기 섬유들을 전체적으로 또는 부분적으로 감싸서, 예비 성형 시트를 취급 및 제조하는 동안 단층의 구조를 유지시킨다. 상기 결합제는 다양한 형태 및 방식으로 도포될 수 있다; 예를 들면 필름(이의 용융에 의해 UHMwPE 섬유를 적어도 부분적으로 덮음)으로서, 횡방향 접합(bonding) 스트립 또는 횡방향 접합 섬유(단방향 섬유에 대하여 횡방향)로서, 또는 매트릭스 물질, 예를 들면 중합체 용융물, 액체 내의 중합체 물질의 용액 또는 분산액으로 섬유를 함침 및/또는 식재(embedding)시킴으로써 도포될 수 있다. 바람직하게는, 매트릭스 물질은 상기 단층의 전체 표면상에 균일하게 분배되는 반면, 상기 접합 스트립 또는 접합 섬유는 국지적으로 도포될 수 있다. 적합한 결합제는, 예를 들면 유럽 특허 제 0191306 B1 호, 유럽 특허 제 1170925 A1 호, 유럽 특허 제 0683374 B1 호 및 유럽 특허 제 1144740 A1 호에 개시되어 있다.

바람직한 실시양태에서, 상기 결합제는 중합체성 매트릭스 물질이고, 열가소성 물질 또는 열경화성 물질, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 매트릭스 물질의 파단신율은 바람직하게는 상기 섬유의 신율보다 더 크다. 상기 결합제는 바람직하게는 2 내지 600%, 더욱 바람직하게는 4 내지 500%의 신율을 가진다. 적합한 열경화성 및 열가소성 매트릭스 물질은, 예를 들면 국제 공보 제 91/12136 A1 호(p 15-21)에 나열되어 있다. 매트릭스 물질이 열경화성 중합체인 경우, 바람직하게는 비닐 에스터, 불포화 폴리에스터, 에폭시 또는 페놀 수지가 매트릭스 물질로서 선택된다. 매트릭스 물질이 열가소성 중합체인 경우, 바람직하게는 폴리우레탄, 폴리비닐, 폴리아크릴계, 폴리올레핀 또는 열가소성 탄성 블록 공중합체, 예컨대 폴리이소프로펜-폴리에틸렌-부틸렌-폴리스티렌 또는 폴리스티렌-폴리이소프렌-폴리스티렌 블록 공중합체가 매트릭스 물질로서 선택된다. 바람직하게는 상기 결합제는 열가소성 중합체로 구성되고, 이 결합제는 바람직하게는 단층 내 상기 섬유 각각의 필라멘트를 완전히 덮고, 75 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 150 MPa 이상, 더더욱 바람직하게는 250 MPa 이상, 가장 바람직하게는 400 MPa 이상의 인장 모듈러스(25℃에서 ASTM D638에 따라 결정됨)를 가진다. 바람직하게는 상기 바인더는 1000 MPa 이하의 인장 모듈러스를 가진다. 상기 결합제는, 단층을 포함하는 시트에 높은 유연성을 제공하도록 선택되어야 하며, 상기 시트로부터 압축된 쉘은 충분히 높은 강성을 갖는다.

상기 단층 내의 결합제의 양은 바람직하게는 30 질량% 이하, 더욱 바람직하게는 25 질량% 이하, 20 질량% 이하, 또는 더더욱 바람직하게는 15 질량% 이하이다. 이는 가장 우수한 내탄도성 성능을 가져온다.

인접한 단층들 내 섬유들의 배향 방향이 5 내지 90°, 바람직하게는 45 내지 90°, 가장 바람직하게는 75 내지 90°의 각도인 경우, 우수한 결과가 얻어진다.

상기 단층들 내 UHMwPE 섬유들의 배향 방향이 헬멧 테를 향하여 임의의 각도로 위치하는 경우 본 발명의 헬멧에 대해 매우 우수한 결과가 얻어진다. 바람직하게는 상기 쉘 내의 단층들 내 섬유들의 배향 방향은 상기 헬멧의 테에 대하여 +30 내지 +60° 및 -30 내지 -60°의 각도이다. 상기 각도는 더욱 바람직하게는 각각 +40 내지 +50° 및 -40 내지 -50°, 가장 바람직하게는 각각 +45° 또는 약 +45°, 및 -45° 또는 약 -45°이다.

상기 쉘은 여전히 경질 상부 층, 예를 들면 금속 또는 세라믹 충돌면, 또는 경질 복합재 상부 층, 예컨대 열경화성 수지로 함침된 유리 섬유 직물을 함유할 수 있다. 그러나, 바람직하게는 상기 층이 존재하지 않고, 따라서 중량, 내탄도 보호성 및 내구성에 대하여 가장 최적의 헬멧을 얻는다. 상기 용어 "내구성"은 아래에서 설명될 것이다.

상기 보강 프로파일은 높은 강성 및 강도를 가진 모든 종류의 경량 물질로부터 제조될 수 있다. 좋은 예는 강, 티타늄, 알루미늄, 마그네슘 및 이들의 합금과 같은 금속을 포함한다. 바람직하게는 상기 보강 프로파일은 보강 섬유 및 제2결합제를 함유하는 복합재로부터 제조된다. 상기 복합재는 모든 종류의 보강 섬유, 예를 들면 유기 섬유, 예컨대 아라미드 섬유를 함유할 수 있다. 더욱 바람직한 복합재는 무기 섬유, 예컨대 세라믹 섬유, 유리 섬유, 현무암 또는 탄화 규소 섬유를 함유한다. 일반적으로, 상기 섬유는 15% 이상의 규소를 함유한다. 가장 바람직하게는 상기 복합재는 탄소 섬유를 함유한다. 복합재가 선택되는 경우, 상기 보강 섬유의 배향의 개수는 2 이상이다. 3 이상의 섬유 배향수가 더욱 바람직하다. 적합한 배향은 도 1에서 참조 부호(3)에 나타낸 바와 같이 상기 보강 프로파일의 방향에 대해 0°, 90°, +45° 및 -45°이다. 가장 바람직하게는, 상기 섬유들은 프로파일 방향에 대해 0°, +45° 및 -45°로 배향된다. 상기 복합재 내의 섬유는 상기 언급된 섬유 방향에 따라서 제직되거나 또는 단방향으로 정렬될 수 있다.

바람직하게는 상기 보강 프로파일의 복합재 내의 제2결합제는 섬유에 대한 적합한 접착력 및 바람직하게는 1400 MPa 이상의 모듈러스를 보여주어야 한다. 제2결합제의 양은 바람직하게는 20 내지 70 부피%, 더욱 바람직하게는 35 내지 55 부피%이다.

상기 보강 프로파일은 상기 쉘의 압축 항복 응력(compressive yield stress)의 바람직하게는 2배 이상, 더욱 바람직하게는 4배 이상, 가장 바람직하게는 6배 이상의 압축 항복 응력을 가진다. 상기 압축 항복 응력은 ASTM D6641(2001년에 발행됨)에 의해 측정된다. 연신된 보강 요소, 예컨대 섬유를 포함하는 보강 테의 경우, 상기 압축 항복 응력은 테를 따라 위치하는 상기 보강 요소의 방향으로 측정되어야 한다. 요구되는 압축 항복 응력을 가지는 보강 테에 의해 본 발명의 헬멧에 개선된 내탄도성 특성이 제공되며, 특히 테로부터 먼 위치에서의 내탄도성 특성이 개선됨이 관찰되었다. 또 하나의 이점은 상기 헬멧이 더욱더 개선된 내구성을 갖는다는 것이다.

상기 보강 프로파일은 모든 종류의 형태, 예컨대 L자형 또는 U자형의 단면을 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 보강 프로파일은 U자형이다. 또한 상기 쉘이 U자형 프로파일에 맞춰지는 경우, 상기 U자형 프로파일은 쉘에 쉽게 연결되고 고정될 수 있다.

상기 보강 프로파일은 상기 쉘의 테에서 헬멧의 쉘에 연결된다. 본원에서 연결된다는 것은, 상기 보강 프로파일이 헬멧의 쉘 상에 고정되어 쉘 상에 작용하는 힘이 보강 프로파일에 의해 효과적으로 전달되고 약화될 수 있고 그 역도 일어날 수 있는 것으로 이해된다.

상기 보강 프로파일은 당해 분야에 공지된 임의의 방법에 따라 상기 헬멧의 쉘에 연결될 수 있다. 적합한 예는, 적합한 접착제에 의한 접착, 열에 의하거나 단순히 쉘 상에서 우수한 고정이 달성될 때까지 U자형 프로파일의 측면으로 접근시키는 것에 의한 고정을 포함한다.

상기 헬멧의 쉘의 측면과 중첩되는 보강 테의 부분이 상기 쉘의 두께(상기 헬멧의 쉘의 하부(bottom)에서 측정됨)의 바람직하게는 0.5배 이상, 더욱 바람직하게는 1배 이상, 가장 바람직하게는 2배 이상의 길이를 가지는 경우에 우수한 연결이 달성된다. 상기 헬멧은 특히 테로부터 먼 위치에서 더더욱 개선된 내구성 뿐 아니라 개선된 내탄도성 특성을 보여준다.

바람직하게는, 상기 헬멧의 쉘의 측면과 중첩되는 보강 테의 부분이 상기 헬멧 하부의 두께의 불필요한 증가를 야기시키지 않을 만큼 충분히 작은 두께를 가진다. 상기 헬멧 하부에서의 두께 증가는 바람직하게는 30% 미만, 더욱 바람직하게는 20% 미만, 가장 바람직하게는 10% 미만이다. 상기 헬멧은 경량이면서 우수한 내탄도성 특성을 보여준다. 또한 상기 헬멧은 증가된 범용성을 가진다.

숙련자는 헬멧의 부분 및 헬멧 그 자체의 제조에 있어 적합한 제조 방법을 선택하는 법을 알고 있다. 상기 헬멧의 쉘은, 단방향으로 정렬된 UHMwPE 섬유들 및 바람직하게는 결합제의 교차 적층된(cross plied) 단층들을 함유하는 시트들의 스택을 형성하는 단계, 상기 스택을 몰드 내에 위치시키는 단계 및 상기 몰드를 닫아 상기 층들의 스택을 헬멧 형태의 쉘로 성형 및 통합시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 상기 방법은 국제 공보 제 2007/107359 호에 개시되어 있다.

상기 보강 프로파일은 기계가공된 또는 성형된 경량 금속 부품일 수 있다. 그러나 상기 보강 프로파일은 바람직하게는 상기 헬멧의 테를 따라 적층된 탄소 섬유 복합재이다.

본 발명에 따른 헬멧의 쉘 및 보강 프로파일의 중량의 합은 바람직하게는 1.2kg 이하, 더욱 바람직하게는 1.1kg 이하, 더더욱 바람직하게는 1.0kg 이하이다.

실시예

본 발명은 실시예 및 비교 실험예에서 추가로 설명된다.

비교 실험예 및 실시예에서 제조된 헬멧에 두가지 유형의 시험을 하였다. 첫 번째 시험은 17 그레인 파편모의탄(17 grain fragment simulating projectiles)(FSP)을 이용한 발사 시험이다. 두 번째 시험은 소위 내구성 시험이다.

발사 시험

발사 시험은 총 앞에 있는 적합한 고정 장치에 헬멧을 고정시킴으로써 수행하였다. 상기 고정 장치는, 헬멧이 회전한 후 다시 단단하게 고정될 수 있는 방식으로 제조하였다. 이러한 방식에서, 상기 헬멧은 각각의 발사 후에 회전되고 다시 고정되어 약 8번의 발사가 각각의 헬멧에 행하여졌다. 상기 발사체는 17 그레인 파편모의탄(FSP)이다.

제 1 발사를 50%의 천공 가능성이 존재할 것으로 기대되는 예상속도(소위 V₅₀ 값)에서 수행하였다. 짧은 충격전 거리(distance before impact)에서 모든 발사체의 속도를 측정하였다. 측정은 광학 장치로 수행하였다. 천공이 발생한 경우, 다음 FSP를 이전 발사체의 속도보다 10% 낮은 것으로 예상되는 속도로 발사하였다. 상기 속도 역시 짧은 충격전 거리에서 측정하였다. 발사체가 천공 없이 멈춘 경우는, 다음 발사체를 이전 발사체의 속도보다 10% 큰 예상속도로 발사하였다. 충격 위치들 사이의 거리는 외상부(trauma area)(충격 환부)의 중첩을 방지하기에 충분히 클 수 있도록 하였다. 일반적으로 각 헬멧에 대하여 약 8번의 발사가 이러한 방식으로 가능하다. 상기 실험적 V₅₀ 값은, 멈춤이 발생하는 가장 높은 속도 3개 및 천공이 발생하는 가장 낮은 속도 3개의 평균속도로부터 얻었다. 두 번의 멈춤 또는 두 번의 천공만이 얻어지는 경우, V₅₀은 두 번의 가장 높은 멈춤 및 두 번의 가장 낮은 천공으로부터 얻는다. 고유 운동 에너지 U는 V₅₀에서의 FSP의 운동에너지(0.5mV₅₀ ²)로서 얻는다. 17 그레인 FSP의 질량 m은 0.0011kg이다. 헬멧의 성능은 V₅₀에서의 고유 운동 에너지 U 및 헬멧 질량 M과 관련이 있다. 따라서 성능 파라미터 P는 P=U/M으로 유도된다.

내구성 시험

상기 헬멧에, 그의 테에서 착용자의 귀 위치에서 대향되는 2 위치상에 압축력을 가한다. 압축력이 작용하는 위치는 상기 보강 테 바로 위가 되도록 선택하여 보강 테가 또한 압축되는 것을 방지하였다. 압축력의 함수로서 상기 헬멧의 형태 변화를 측정한다.

1500N의 힘(인간 체중의 약 2배)에서 상기 헬멧 쉘 내에 야기되는 변위(displacement)는 대표적인 품질 파라미터로 고려되고 이하 '변위'로 지칭한다.

압축력을 언로딩(unloading)하고 5분 동안의 회복 후에, 상기 헬멧 형태의 변화를 다시 측정한다. 이 값은 '변형(deformation)'으로 지칭한다.

상기 헬멧 쉘의 탈층(delamination) 또는 가소성(plasticity)이 발생하는 힘이 상기 1500N보다 훨씬 높아야 함을 주지하여야 한다.

1500N에서의 변형이 충분히 작은 경우, 상기 로딩을 24번 반복하고 변위의 발달(evolution)을 기록한다: 이를 '손상 허용성' 또는 간단하게는 '내구성'으로 지칭한다.

다른 시험 방법

■ 측쇄: UHPE 샘플중 측쇄의 갯수는 NMR 측정에 근거한 교정 곡선을 사용하여 1375㎝^-1에서의 흡수도를 정량화함으로써 2mm 두께의 압축 성형된 필름상에서 FTIR에 의해 결정하였다(예컨대, 유럽특허 제 0269151 호 참조);

■ IV: 고유 점도는, 용해 시간을 16시간으로 하고 산화방지제로서 2g/ℓ 용액의 양으로 DBPC를 사용하여 데칼린중 135℃에서 PTC-179 방법(헤르큘레스 인코포레이티드(Hercules Inc.), Rev. Apr. 29, 1982)에 따라, 다른 농도들에서 측정된 점도를 제로(0) 농도까지 외삽시킴으로써 결정하였다;

■인장 강도(또는 강도): 500mm의 섬유 공칭 게이지 길이, 50%/min의 크로스헤드 속도 및 인스트론 2714 클램프(섬유 그립 D5618C 유형)를 사용하여 ASTM D885M에 명시된 바와 같이 멀티필라멘트 얀에 대하여 인장 강도(또는 강도)를 정의하고 결정하였다. 강도를 계산하기 위하여, 측정된 인장력을 섬유 10m의 무게를 재어 결정된 타이터(titre)로 나누었다; 0.97g/㎤의 UHMwPE 밀도를 가정하여 GPa 단위의 값을 계산하였다.

비교 실험 A

3.5 GPa의 인장 강도를 가지는 단방향으로 정렬된 UHMwPE 섬유 80 중량% 및 열가소성 결합제로 된 두 개의 단층을 포함하는 교차 적층된 시트의 50개 층의 스택으로부터 헬멧을 제조하였다. 상기 교차 적층된 시트 내 두 개의 단층의 섬유 배향은 수직에 가깝다. 헬멧 형태의 개방형 몰드 내에 상기 스택을 넣고 130℃의 온도에서 몰드를 닫고 1시간동안 8 MPa의 압력(발사된 헬멧 표면으로 나눈 가압력)에서 통합함으로써 헬멧을 제조한 후, 상기 헬멧을 냉각시키고 이형시키고 원하는 크기로 트리밍시켰다. 평균 헬멧 질량 M은 0.876kg이었다. 상기 헬멧을 시험하였고 그 시험결과를 표 1에 나타내었다.

비교 실험 B

비교 실험 A와 동일한 방법을 사용하되 50개 층 대신에 42개 층의 스택으로부터 헬멧을 제조하였다. 성형동안의 상기 압력은 비교 실험 A의 방법과 유사하였다. 이형 및 트리밍 후, 평균 질량은 0.737kg이었다. 후속적으로, 이형 및 트리밍 후, 상기 헬멧에 탄소 섬유 직물로 적층 공정을 수행하였다. 표준 상업 에폭시 수지를 사용하여, 0.12kg/m²의 면적 밀도(aerial density)를 가지는 능직 탄소 섬유 직물 4개 층을 상기 헬멧의 외부에 적층시켰다. 상기 수지는 상온에서 경화될 수 있었다. 그러나, 주변 공기 중에서 이틀동안 경화한 후 40℃의 오븐에서 후경화를 수행하였다. 후경화는 상기 헬멧의 모든 위치에서의 에폭시의 최적 경화를 보장하기 위해 수행하였다. 따라서 탄소 에폭시 복합재의 경질 외피를 가진 헬멧을 제조하였다. 상기 헬멧의 두께는 비교 실험 1의 헬멧의 두께와 비슷하였다. 그러나, 경질 외피를 추가한 후의 상기 헬멧의 평균 질량은 0.946kg이었다. 상기 헬멧을 시험하였고 그 시험결과를 표 1에 나타내었다.

본 발명에 따른 실시예

비교 실험 A에 개시된 것과 동일한 방법으로 헬멧을 제조하였다. 그러나, 이형 및 트리밍 후, 비교 실험 B에 개시된 것과 동일한 방법으로 탄소 섬유 에폭시 복합재 층을 헬멧의 테 주위로 적층하고 경화시켰다. 상기 탄소 섬유 에폭시[에폭시의 양은 40 부피%] 복합재 층은 80mm의 폭을 가지는 테이프 직물 및 도 1의 참조부호 (3)에서 나타낸 바와 같은 3개의 섬유 배향으로 구성된다. 테이프 직물의 면적 밀도는 600g/m²이었다. 하나의 섬유 배향은 테이프의 길이 방향이다. 다른 두 섬유 배향은 테이프의 방향에 대하여 +45° 및 -45°이었다. 도면에 설명된 바와 같이 헬멧의 테를 따라 하나의 테이프만을 적층시켰으며, 이 테이프는 시작과 끝에서 서로 3cm 중첩되었다. 테를 가지는 상기 헬멧의 질량은 0.940kg이었다. 상기 헬멧을 시험하였고 그 시험결과를 표 1에 나타내었다.

상기 결과는 전적으로 UHMwPE 단층으로 제조된 헬멧이 FSP의 충격에 대하여 우수한 헬멧 성능 파라미터 P를 보여주는 것을 나타낸다. 그러나, 내구성은 낮다. 낮은 횡방향 압축 로드만이 지속될 수 있고, 최종 변형은 크다. 경질 외피층의 추가는 쉘 변형을 개선시키지만 쉘의 내구성은 여전히 최적에는 못미친다. 변위는 크고 단지 부분적인 회복이 발생한다. 또한 파라미터 P로 표현되는 내탄도성 성능은 상당히 감소한다.

그러나, 본 발명에 따른 헬멧은 제한된 변위 및 0에 가까운 변형과 뛰어난 내구성을 보여준다. 또한 놀랍게도, V₅₀의 증가로 인해 공지의 헬멧에 비해 개선된 내탄도성 특성을 가짐을 보여준다.

Claims (13)

1. 단방향 초고분자량 폴리에틸렌(UHMwPE) 섬유들의 단층들을 함유하는 쉘(shell)을 가지며, 상기 쉘이 헬멧의 테에서 보강 프로파일과 연결되는 것을 특징으로 하는 방탄(anti-ballistic) 헬멧.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 쉘이 결합제를 더 포함하는, 헬멧.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 보강 프로파일이 U자형인, 헬멧.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로파일이 금속으로 제조된, 헬멧.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보강 프로파일이 섬유 및 제2결합제를 함유하는 복합재로 구성된, 헬멧.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 보강 프로파일이 세라믹 섬유, 유리 섬유, 현무암 또는 탄화 규소 섬유를 함유하는, 헬멧.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 보강 프로파일이 탄소 섬유를 함유하는, 헬멧.
8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보강 프로파일이 2 이상의 섬유 배향을 가지는, 헬멧.
9. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 U자형 고리가 3 이상의 섬유 배향을 가지는, 헬멧.
10. 제 9 항에 있어서, 하나의 섬유 배향이 프로파일 방향이고 다른 두 섬유 배향이 프로파일 방향에 대해 +45° 및 -45°인, 헬멧.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 쉘 및 상기 보강 프로파일의 중량의 합이 1.2kg 이하인, 헬멧.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보강 프로파일이 ASTM D6641으로 측정시 상기 쉘의 압축 항복 응력(compressive yield stress)의 2배 이상의 압축 항복 응력을 가지는, 헬멧.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 헬멧의 쉘의 측면과 중첩되는 보강 테의 부분이 바람직하게는 상기 쉘 두께의 0.5배 이상의 길이를 가지는, 헬멧.

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