KR20110009445A - 아라미드 성형체 - Google Patents

Abstract

아라미드 원단을 보호재로 이용함으로써 내충격성 및 인장 강도를 향상시킬 수 있고, 폴리염화비닐 필름을 외피재로 이용함으로써 성형성을 향상시킬 수 있는 아라미드 성형체가 개시된다. 본 발명의 아라미드 성형체는, 폴리염화비닐 코팅층; 상기 폴리염화비닐 코팅층 하면에 부착된 접착층; 및 상기 접착층 하면에 부착된 아라미드 원단을 포함한다.

아라미드, 폴리염화비닐, 접착층

Description

아라미드 성형체{Aramid molded body}

본 발명은 아라미드 성형체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 스포츠용 및 안전용 보호장비에 사용할 수 있는 아라미드 성형체에 관한 것이다.

일반적으로, 스포츠 활동을 하다 보면 사람들은 늘 부상의 위험에 노출된다. 특히, 스키, 스노우보드, 롤러블레이드 등 격렬한 스포츠를 즐기는 사람들은 타박상, 찰과상, 골절상 등의 부상의 위험에 노출되는 경우가 많아진다.

최근에는, 생명의 위험을 무릅쓰고 모험을 즐기는 익스트림 스포츠가 크게 유행하고 있다. 이러한 익스트림 스포츠의 예로는 인라인 스케이트, 암벽 등반, 산악자전거, 웨이크 보드 등을 열거할 수 있다.

이러한 익스트림 스포츠를 즐기다 보면, 크고 작은 부상을 입게 되는 경우가 많아지는데, 예를 들면 인라인 스케이팅은 아스팔트와 같은 딱딱한 지면에서 빠르게 운동하기 때문에 넘어질 경우, 낙상 등으로 인해 관절 부위나 머리에 타박상 및 골절상을 입을 수 있다. 이와 같은 안전사고를 방지하기 위해 헬멧, 무릎 보호대 및 팔꿈치 보호대 등과 같은 보호장비를 착용하게 된다.

이러한 보호장비는 나일론 또는 폴리에스테르 수지와 같은 일반 고분자 수지 를 사용하여 제조하게 된다. 그러나, 이러한 일반 고분자 수지를 적용한 제품은 내충격성이 떨어져 외부 충격으로부터 신체를 충분히 보호하지 못하고 심할 경우 제품이 파손되어 큰 부상을 입는 실정이었다. 또한, 장기간 사용할 경우 강도가 저하되어 안전성능이 떨어지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 아라미드 성형체에 관한 것이다.

본 발명의 이점은 아라미드 원단을 보호재로 이용함으로써 내충격성 및 인장 강도를 향상시키고, 폴리염화비닐 필름을 외피재로 이용함으로써 성형성을 향상시키고 미려한 외관을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술된 것이고, 부분적으로는 그러한 기술로부터 자명할 것이다. 또는, 본 발명의 실시를 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 목적들 및 다른 이점들은 첨부된 도면은 물론이고 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특정된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.

위와 같은 이점들을 달성하기 위하여, 그리고 본 발명의 목적에 따라, 폴리염화비닐 코팅층; 상기 폴리염화비닐 코팅층 하면에 부착된 접착층; 및 상기 접착층 하면에 부착된 아라미드 원단을 포함하는 것을 특징으로 하는 아라미드 성형체가 제공된다.

위와 같은 일반적 서술 및 이하의 상세한 설명 모두는 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 특허청구범위의 발명에 대한 더욱 자세한 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따르면, 아라미드 원단을 보호재로 사용함으로써 내충격성 및 인장 강도를 향상시킬 수 있고, 폴리염화비닐 필름을 외피재로 사용함으로써 성형성을 향상시킬 수 있고 미려한 외관을 얻을 수 있다.

따라서, 종래의 보호장비와는 달리 본 발명의 아라미드 성형체를 보호장비로 사용함으로써 위험으로부터 인체를 충분히 보호할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 아라미드 성형체 및 그 제조방법의 구체적 실시예들을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아라미드 성형체의 개략적인 단면도이다.

도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 아라미드 성형체는 아라미드 원단(30) 및 상기 아라미드 원단(30)의 일면에 부착된 폴리염화비닐(polyvinylchloride) 코팅층(10)을 포함하고 있다. 또한, 상기 아라미드 원단(30)과 상기 폴리염화비닐 코팅층(10)이 사이에 접착층(20)이 형성되어 있다.

상기 아라미드 원단(30)은 아라미드 성형체의 지지체 역할을 하고, 용도에 따라 구조 및 재료를 적절히 변경할 수 있다. 예를 들면, 높은 내압축성을 필요로 한 제품의 경우, 아라미드 섬유에 고 탄성률의 탄소 섬유를 적절하게 혼합하여 사용하고, 상기 탄소 섬유의 함량을 높임으로써 내압축성이 향상된다. 한편, 높은 내충격성이 필요한 제품의 경우, 탄소 섬유의 함량을 줄이거나 탄소 섬유를 배제한 아라미드 섬유만을 사용하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상기 아라미드 섬유 및 탄소 섬유가 혼합된 원단을 사용할 경우, 상기 탄소 섬유의 함량은 상기 혼합된 원단의 함량 대비 90중량% 이하인 것이 바람직하다. 만일, 탄소 섬유의 함량이 90중량%를 초과하는 경우, 내충격성이 너무 떨어짐으로써 외부 충격으로부터 신체를 충분히 보호할 수 없기 때문이다.

상기 아라미드 섬유는, 고강도, 고탄성, 저수축 등의 우수한 특성을 가지고 있다. 특히, 5㎜ 정도 굵기의 가느다란 실로 2톤의 자동차를 들어올릴 정도의 막강한 강도를 가지고 있고 500℃ 이상에서 검게 탄화될 정도의 우수한 내열성을 가지고 있다.

이러한, 아라미드 섬유는 다음과 같은 공정에 의해 제조된다. 즉, 방향족 디아민과 방향족 디에시드 할라이드를 N-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 중합용매 중에서 중합시킴으로써 전 방향족 폴리아미드 중합체를 제조하는 공정, 이 중합체를 농황산 용매에 용해시켜 방사 도프를 제조하는 공정, 상기 방사 도프를 방사 구금을 통해 방사한 후 방사물을 응고시켜 필라멘트를 제조하는 공정, 및 상기 필라멘트를 수세, 건조 및 열처리하는 공정을 수행하여 완성된다.

상술한 바와 같이 제조된 아라미드 섬유는 20 ~ 28g/d의 인장 강도 및 400~1200g/d의 탄성률을 가지게 된다. 이러한 물성을 갖는 아라미드 섬유를 헬멧, 무릎 보호대 및 팔꿈치 보호대 등과 같은 보호장비를 만드는데 사용할 경우, 상기 보호장비는 충격강도 및 인장 강도가 우수하여 스포츠 활동 중 부상으로부터 신체를 안전하게 보호할 수 있게 된다.

상기 아라미드 원단은, 상술한 방법으로 제조된 아라미드 섬유를 이용하여 제조한다. 특히 상기 아라미드 원단은, 상기 아라미드 섬유가 경사 및 위사에 적용되어 직조된 아라미드 직물일 수 있다.

상기 아라미드 직물은 평직(plain), 능직(twill) 또는 주자직(satin) 조직일 수 있다. 이러한 조직은 경사 및 위사가 일정하게 굴곡을 이루면서 형성되어 있기 때문에 외력을 받을 경우, 외력을 균일하게 직물 전체로 분산시킴에 따라 우수한 내충격성 및 인장 강도를 제공한다.

한편, 상기 아라미드 원단은 상술한 바와 같이 탄소 섬유와 아라미드 섬유를 혼합시켜 제조한 혼합 아라미드 원단일 수 있다. 상기 혼합 아라미드 원단은 상기 위사 및 경사에 아라미드 섬유 및 탄소 섬유를 적절하게 혼합시켜 제조할 수 있다. 예를 들어, 경사에 아라미드 원사를 적용하고 위사에 탄소 섬유를 적용한 혼합 아라미드 직물일 수 있고, 경사에 탄소 섬유를 적용하고 위사에 아라미드 섬유를 적용한 혼합 아라미드 직물일 수 있다. 또한, 경사에 아라미드 원사를 적용하고 위사에 탄소 섬유와 아라미드 섬유를 교대로 적용한 아라미드 직물일 수도 있지만, 반드시 이들에 한정되는 것은 아니다.

상기 아라미드 직물은 경사방향 및 위사방향의 직물밀도가 각각 10~20본/인 것이 바람직하다. 만일, 상기 경사방향 및 위사방향의 직물밀도가 10본/인치 미만일 경우 충분한 충격강도 및 인장 강도를 얻을 수 없고, 반면 상기 경사방향 및 위사방향의 직물밀도가 20본/인치를 초과할 경우 과도한 밀도로 인해 제직성이 저하되고 굽힘 등이 용이하지 않아 성형성이 떨어질 수 있다.

또한, 상기 아라미드 직물은 130~400g/㎡의 면밀도를 갖는 것이 바람직하다. 만일, 면밀도가 상기 범위보다 낮은 경우에는 직물에 공간이 생성됨으로써 충격강도가 떨어질 수 있고, 면밀도가 상기 범위보다 높은 경우에는 직물의 제조가 용이하지 않음으로써 생산 효율이 크게 저하될 수 있다.

상기 아라미드 원단(30)은 상기 아라미드 직물이 여러 겹으로 적층된 아라미드 적층재를 포함할 수 있다. 상기 아라미드 적층재를 극한 스포츠용 보호장비의 제조에 사용할 경우, 상기 보호장비는 강한 외부 충격으로부터 신체를 더욱 충분히 보호할 수 있기 때문이다.

상기 아라미드 원단(30)은 고분자 수지가 함침된 아라미드 원단일 수 있다. 상기 고분자 수지는 아라미드 원단(30)을 보호하는 기지(matrix) 역할을 한다. 특히, 고분자 수지가 함침된 아라미드 직물들을 적층시켜 아라미드 적층재를 제조할 경우 상기 아라미드 직물들을 서로 접착되도록 도와주고 폴리염화비닐 코팅층(10)과의 접착력을 향상시킨다. 이러한 고분자 수지는 열가소성 또는 열경화성 수지일 수 있다.

상기 폴리염화비닐 코팅층(10)은 상기 아라미드 성형체 대비 10~80중량%의 함량으로 이루어질 수 있다. 상기 폴리염화비닐 코팅층(10)은 아라미드 성형체의 외피를 형성하여 외관을 미려하게 하고 성형성을 향상시킨다. 하지만, 폴리염화비닐 코팅층(10)의 함량이 80중량%를 초과할 경우 상기 아라미드 성형체는 충분한 내충격성 및 인장 강도를 제공하지 못할 수 있다. 반면, 폴리염화비닐 코팅층(10)의 함량이 10중량% 미만일 경우 상기 아라미드 성형체의 제조 공정 시 성형성이 떨어질 수 있다.

상기 아라미드 성형체를 제조하는 방법을 설명한다.

상기 아라미드 성형체의 제조방법은, 아라미드 원단을 제조하는 단계 및 접착부재를 사용하여 상기 아라미드 원단과 폴리염화비닐 필름을 접착시켜 아라미드 성형체를 제조하는 단계를 포함하고 있다.

상기 접착부재는 다양한 종류의 것을 사용할 수 있다. 특히, 폴리에스테르계 접착필름을 사용하는 것이 바람직한데, 상기 폴리에스테르계 접착필름은 가공성이 우수하고 금속 및 피접착부재에 대해 접착력이 강하며 우수한 내열성 및 경도를 갖고 있기 때문이다.

상기 아라미드 성형체는 경사 방향 및 위사방향의 인장 강도가 각각 3,000 ~ 7,000N/5㎝의 범위에 있게 됨으로써 우수한 인장 강도를 가질 뿐만 아니라, 또한 충격 강도가 10~30J/㎝의 범위에 있게 됨으로써 우수한 충격강도를 갖게 된다.

이하, 아라미드 성형체의 제조방법에 대해 구체적으로 설명한다.

상기 아라미드 성형체를 제조하는 단계는, 상부 몰드 및 하부 몰드 사이에 상기 아라미드 원단, 접착부재 및 폴리염화비닐 필름을 정렬한 후 가압 성형하는 단계를 포함한다.

예를 들면, 상기 아라미드 성형체의 형상에 대응하도록 상부 몰드 및 하부 몰드를 준비하고, 하기 하부 몰드 내에 아라미드 원단과 접착부재 및 폴리염화비닐 수지 필름을 차례로 정렬시킨다. 상기 몰드의 형상에 따라 상기 정렬 순서는 반대로 수행될 수 있다. 상기 아라미드 원단은 단층일 수 있으나, 필요에 따라서는 여러 겹으로 적층된 아라미드 적층재일 수 있다. 이어서, 상부 몰드와 하부 몰드를 밀착시킨 후 가압 성형한다.

다른 예를 들면, 상기 아라미드 원단 및 폴리염화비닐 필름을 미리 상기 몰드를 이용하여 각각 성형시킨 후, 이들 사이에 접착부재를 부여한 후 가압 성형할 수 있다. 그 외 다양한 방법에 의해 가압 성형할 수 있으며 반드시 위의 예들에 한정되는 것이 아니다.

상기 가압 성형 공정은 고온 상태에서 수행될 수 있다. 특히, 접착부재가 폴리에스테르계 필름일 경우, 80℃ ~ 150℃의 온도 하에서 가압 성형하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 온도가 80℃ 미만일 경우 폴리에스테르계 필름이 완전히 용융되지 않아 접착력이 떨어질 수 있고, 반면 상기 온도가 150℃를 초과할 경우 폴리염화비닐 코팅층(10)이 급격히 열분해 되어 접착성이 떨어질 뿐만 아니라 성형체가 딱딱해져 충격 강도가 저하될 수 있다.

한편, 상기 가압 성형 공정은 고주파 가열 방식을 이용하여 수행할 수 있다. 상기 고주파 가열 방식은, 유도코일에 고주파 전류를 공급하여 형성된 전자기장 내에 전도체를 배치하고 상기 전도체가 유도전류에 의해 생성된 열을 이용하는 것으 로서, 접합물의 접합면 사이에 접착부재를 개재하여 유도가열에 의해 상기 접착부재를 용융시켜 상기 접합물들을 서로 접착시킨다.

이러한, 고주파 가열 방법은 장기 예열이 불필요해 대기전력을 절감시키고 저소음, 저진동 및 고효율을 발현할 수 있는 특징을 가지고 있다.

이하, 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이므로 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안 된다.

실시예 1

방향족 디아민인 파라-페닐렌디아민과 방향족 디에시드클로라이드인 테레프탈로일 디클로라이드를 N-메틸-2-피롤리돈 중합용매 내에서 중합시켜 폴리 파라페닐렌테레프탈아미드 중합체를 제조하였고, 그 후 상기 중합체를 농황산 용매에 용해시켜 방사도프를 제조하고, 방사도프를 방사구금을 통해 방사한 후 응고시키고 수세 및 건조하여 21g/d의 인장 강도, 650g/d의 탄성률 및 1,500 데니어를 갖는 전방향족 아라미드 섬유를 제조하였다.

그 후, 상기 아라미드 섬유를 경사 및 위사에 적용하여 평직으로 직조하여, 경사방향 및 위사방향의 밀도가 각각 13본/인치이고 선밀도가 180g/㎡인 아라미드 직물을 제조하였다.

한편, 헬멧 형상을 갖는 몰드를 이용하여 폴리염화비닐 필름을 상기 몰드에서 가압 성형하여 헬멧 형상의 폴리염화비닐 필름을 제조하였다.

상기 헬멧 형상의 폴리염화비닐 필름을 헬멧 형상을 갖는 하부 몰드에 안착 시킨 후 접착부재인 폴리비닐에스테르 필름과 상기 아라미드 직물을 차례로 적층시켰다. 이후 130℃의 온도 및 90㎏f/㎠의 압력 상태에서 20초 동안 가압 성형하여 아라미드 성형체인 아라미드 헬멧을 제조하였다. 이때, 상기 아라미드 헬멧 중 폴리염화비닐 코팅층(10)의 함량은 아라미드 헬멧의 함량 대비 40중량%로 이루어졌다.

비교예 1

통상적으로 시판 중인 7g/d의 인장 강도 및 1,500 데니어의 섬도를 갖는 나일론 6 필라멘트를 경사 및 위사에 이용하여 나일론 6 직물을 제조하였다. 전술한 실시예 1에서, 아라미드 직물 대신 상기 나일론 6 직물을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 나일론 6 헬멧을 제조하였다.

비교예 2

통상적으로 시판 중인 8g/d의 인장 강도 및 1,500 데니어의 섬도를 갖는 폴리에스테르 필라멘트를 사용하여 폴리에스테르 직물을 제조하였다. 전술한 실시예 1에서, 아라미드 직물 대신 상기 폴리에스테르 직물을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 폴리에스테르 헬멧을 제조하였다.

실시예 2 내지 4

전술한 실시예 1에서, 상기 폴리염화비닐 필름의 두께를 조절하여 상기 폴리염화비닐 코팅층(10)의 함량이 아라미드 헬멧의 함량 대비 각각 20중량%, 60중량%, 및 70중량%가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 아라미드 헬멧을 제조하였다.

실시예 5 내지 9

전술한 실시예 1에서, 상기 아라미드 필라멘트와 통상적으로 시판중인 11g/d의 인장 강도, 2000g/d의 탄성률 및 1000 데니어의 섬도를 갖는 탄소 섬유를 적용시켜 상기 탄소 섬유의 함량이 직물의 함량 대비 각각 90중량%, 70중량%, 50중량%, 30중량% 및 10중량%인 혼합 아라미드 직물을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 아라미드 헬멧을 제조하였다.

실시예들 및 비교예들에 의해 제조된 성형체인 헬멧들의 인장 강도 및 충격 강도는 다음의 방법으로 측정하고 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.

인장 강도 측정

ASTM D 638 시험방법에 따라 경사방향 및 위사방향의 인장 강도(N/㎝)를 각각 측정한 후 이를 평균하여 구하였다.

충격 강도 측정

ASTM D 256 시험방법에 따라 23℃에서 충격 강도(J/㎝)를 측정하였다.

구분	원단소재	탄소섬유함량(중량%)	PVC함량 (중량%)	인장강도 (N/5㎝)	충격강도 (J/㎝)
실시예 1	아라미드	-	40	5640	23
비교예 1	나일론 6	-	40	2360	7
비교예 2	PET	-	40	2430	6
실시예 2	아라미드	-	20	6885	28
실시예 3	아라미드	-	60	3942	17
실시예 4	아라미드	-	70	2819	13
실시예 5	혼합	90	40	3319	15
실시예 6	혼합	70	40	3731	16
실시예 7	혼합	50	40	4251	18
실시예 8	혼합	30	40	4857	20
실시예 9	혼합	10	40	5285	21

위 표 1의 실시예 1 및 비교예 1 내지 2로부터, 아라미드 섬유를 사용하지 않고 통상의 나일론 6 섬유 내지 폴리에스테르 섬유를 사용하여 헬멧을 제조할 경우 상기 헬멧은 외부 충격으로부터 인체를 충분히 정도의 인장 강도 및 충격 강도를 제공하지 못함을 알 수 있다.

또한, 표 1의 실시예 2 내지 4로부터, 폴리염화비닐 코팅층의 함량이 높아질 경우 상기 헬멧의 인장 강도 및 충격 강도가 점차 낮아짐을 알 수 있다.

한편, 표 1의 실시예 5 내지 9로부터, 혼합 아라미드 직물 중 탄성률이 높고 인장 강도가 낮은 탄소 섬유의 함량이 증가할 경우 상기 헬멧의 인장 강도 및 충격 강도가 점차 낮아짐을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아라미드 성형체의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.

<도면의 주요부분의 부호에 대한 설명>

10:폴리염화비닐 코팅층 20:접착층

30:아라미드 원단

Claims (11)

1. 폴리염화비닐 코팅층;

   상기 폴리염화비닐 코팅층 하면에 부착된 접착층; 및

   상기 접착층 하면에 부착된 아라미드 원단을 포함하는 것을 특징으로 하는 아라미드 성형체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 폴리염화비닐 코팅층의 함량은 상기 아라미드 성형체의 함량 대비 10~80중량%인 것을 특징으로 하는 아라미드 성형체.
3. 제1항에 있어서,

   상기 아라미드 원단은 탄소 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 아라미드 성형체.
4. 제3항에 있어서,

   상기 탄소 섬유의 함량은 아라미드 원단의 함량 대비 90중량% 이하인 것을 특징으로 하는 아라미드 성형체.
5. 제1항에 있어서,

   상기 아라미드 원단은 아라미드 직물을 포함하고, 상기 아라미드 직물은 평직(plain), 능직(twill) 또는 주자직(satin) 조직인 것을 특징으로 하는 아라미드 성형체.
6. 제5항에 있어서,

   상기 아라미드 직물은, 경사방향의 직물밀도 및 위사방향의 직물밀도가 각각 10~20본/인치인 것을 특징으로 하는 아라미드 성형체.
7. 제5항에 있어서,

   상기 아라미드 직물은 130~400g/㎡의 면밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 아라미드 성형체.
8. 제1항에 있어서,

   상기 아라미드 원단은 고분자 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 아라미드 성형체.
9. 제1항에 있어서,

   상기 접착층은 폴리에스테르계 접착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 아라미드 성형체.
10. 제1항에 있어서,

    상기 아라미드 성형체는 2500~7000 N/㎝의 인장 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 아라미드 성형체.
11. 제1항에 있어서,

    상기 아라미드 성형체는 10~30 J/㎝의 충격강도를 갖는 것을 특징으로 하는 아라미드 성형체.

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