KR20110055514A

KR20110055514A - 복수 개의 다층 재료 시트를 포함하는 내탄도성 제품

Info

Publication number: KR20110055514A
Application number: KR1020117001001A
Authority: KR
Inventors: 엘부르크 요한 반
Original assignee: 디에스엠 아이피 어셋츠 비.브이.
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2011-05-25
Also published as: IL209795A; US20110154980A1; EA019246B1; BRPI0914890A2; IL209795A0; WO2010003769A1; ZA201008849B; EA201100039A1; JP2011524510A; EP2288864A1; EP2288864B1; CN102066869A; AU2009268280A1; DK2288864T3

Abstract

본 발명은 하나 이상의 다층 시트를 포함하는 내탄도성 제품으로서, 상기 시트가 섬유를 포함하는 단층들의 통합된 스택을 포함하며, 상기 제품의 총 두께가 적어도 100 mm임을 특징으로 하는, 내탄도성 제품에 관한 것이다. 본 발명은 또한 고속탄 및 EFP에 대해 보호하기 위한 상기 내탄도성 제품의 용도에 관한 것이다.

Description

복수 개의 다층 재료 시트를 포함하는 내탄도성 제품{BALLISTIC RESISTANT ARTICLE COMPRISING A PLURALITY OF MULTILAYERED METERIAL SHEETS}

본 발명은 내탄도성 제품, 특히 전형적으로 1000 m/s 이상 또는 심지어 1500 m/s 이상의 속도로 충돌하는 고속 탄환 및 초고속 탄환에 대한 보호력을 제공하는 내탄도성 제품에 관한 것이다.

오늘날의 전쟁에서 위협은 계속 변하고 있다. 많은 출처로부터 올 수 있는 이와 같은 위협은 그 특성이 점점 더 비-통상적으로 되어가며 종종 분쟁 지역에서의 군용 지상 운송수단(vehicle)을 목표로 한다. 비-통상적인 위협으로는 소위 급조폭발장치(IED) 및 폭발성형탄(EFP)이 포함된다. 이러한 위협은 특히 이들의 제조 용이성 때문에 널리 행해지고 있다. 예를 들어, IED는 운송수단이 위로 지나갈 때 접촉되는 두 개의 금속판 형태의 수류탄과 뇌관의 단순 조립체이다. EFP는 폭발물로 채워진 원통형 스틸 또는 플라스틱 케이스를 포함하며, 이때 케이스의 한 단부에 안으로 향하는 곡률을 갖는 곡면형 금속 디스크 형태의 뚜껑이 제공된다. EFP가 폭발할 때, 이러한 폭발은 금속 디스크를 추진시키고 이를 예를 들어 스틸 장갑(armor)을 쉽게 관통할 수 있는 슬러그(slug)로 변형시킨다. 이렇게 변형된 디스크는 최근에 문헌[Newsweek (August 20-27, 2007), Kijk.nl, November 2007]에 보고된 바와 같이 2000 m/s 이상의 속도에 쉽게 도달할 수 있다.

비-통상적인 위협을 막기에 적합한 장갑을 설계하기 위한 당해 분야에서의 온갖 노력에도 불구하고, 허용가능한 중량으로 이러한 위협을 견딜 수 있는 효과적인 방탄 장갑은 아직 개발되지 않았다.

예를 들어 운송수단에서 종래의 내탄도성 제품 예컨대 금속판들로 이루어진 장갑은 더 이상 IED 및 EFP와 같은 주요 위협에 대한 적절한 보호력을 제공하지 못하고 있다. 그 이유는 수반되는 충돌 에너지가 너무 커서 쉽게 약 4 MJ 이상 정도가 될 수 있기 때문이다. 금속으로 된 방탄 장갑판을 이와 같은 비-통상적인 위협을 막도록 설계할 수도 있겠지만, 이러한 장갑판은 너무 무거워서 사용할 수 없고/없거나 부피가 너무 커서 실용적이지 못하다.

예를 들어 EFP에 대해 효과적인 내탄도성 제품을 설계함에 있어서 추가로 어려운 점은 EFP가 상기 제품에 충돌할 때 발생하는 엄청난 열이며, 이러한 열은 1500℃ 초과의 온도에 쉽게 도달한다. 이렇게 발생된 열은 종종 내탄도성 제품을 약화시키는 화재로 이어지고, 특히 다중 충돌 상황, 즉 상기 제품이 EFP에 의해 수차례 충격을 받는 상황에서는 그의 정지능(stopping capability)을 감소시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 공지된 방탄 장갑판에 비해 개선된 내탄도 특성을 갖는 내탄도성 제품을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 상기 내탄도성 제품으로 무장된 운송수단, 예컨대 비행기 또는 선박을 제공하는 것이다.

특히, 본 발명의 목적은 IED 및 EFP와 같은 고 속력 위협, 즉 1000 m/s 이상의 속도로 움직이는 위협에 대해 효과적인 보호력을 제공하는 내탄도성 제품을 제공하는 것이다. 이때, 상기 제품은 바람직하게는 상기 위협으로부터 다중 충돌, 즉 2회 이상의 충돌을 견딜 수 있다.

또한, 본 발명의 목적은 1500 m/s 이상의 속도로 움직이는 위협에 대해 효과적인 보호력을 제공하는 내탄도성 제품을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 1500 m/s 이상의 속도로 움직이는 200 g 이상의 중량을 갖는 위협에 대해 효과적인 보호력을 제공하는 내탄도성 제품을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 1500 m/s 이상의 속도로 움직이는 500 g 이상의 중량을 갖는 위협에 대해 효과적인 보호력을 제공하는 내탄도성 제품을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은, 하나 이상의 다층 시트(sheet)를 포함하는 내탄도성 제품으로서, 상기 시트가 섬유를 포함하는 단층들의 통합된 스택(consolidated stack)을 포함하며, 상기 제품의 총 두께가 적어도 100 mm임을 특징으로 하는, 내탄도성 제품을 제공한다.

특히, 본 발명은, 복수 개의 중첩된 또는 적층된 다층 재료 시트를 포함하는 내탄도성 제품으로서, 상기 시트가 연신된 고분자량 폴리올레핀, 바람직하게는 초고분자량 폴리올레핀의 일방향성 단층들의 통합된 스택을 포함하며, 상기 스택 내 연이은 두 단층들의 연신 방향은 상이하되, 상기 제품의 총 두께는 적어도 100 mm인, 내탄도성 제품을 제공한다.

섬유의 단층들, 특히 연신된 고분자량 및 초고분자량 폴리올레핀을 기반으로 한 제품이, 금속판-계 최신 장갑을 관통시키는 것으로 알려진 IED 또는 EFP와 같은 위협에 대해 보호할 수 있음은, 내탄도성 재료 분야에서 매우 예기치 못했던 것이고 놀랄만하고 전혀 생각지도 못했던 것이다.

예를 들어 연신된 (초)고분자량 폴리올레핀의 단층들은 본질적으로 내화성 재료는 아닌 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 내탄도성 제품이 공지의 금속판-계 장갑의 그 어떤 것보다 우수한 성능을 보인 것은 놀라운 일이다. 더욱 놀랍게도 상기 폴리올레핀-계 본 발명에 따른 제품이 예를 들어 본질적으로 내화성 재료이고 상기 올레핀보다 높은 내화성을 갖는 것으로 알려진 연신된 폴리(p-페닐렌 테레프탈아마이드)-계 본 발명에 따른 내탄도성 제품보다 더 우수한 성능이 관찰되었다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 내탄도성 제품("본 발명의 제품"으로도 지칭함)은 150 mm 이상, 더욱 바람직하게는 200 mm 이상, 더욱더 바람직하게는 250 mm 이상, 가장 바람직하게는 300 mm 이상의 총 두께를 갖는다. 이는 보호 수준을 추가로 개선한다. 또한, 상기 제품의 두께를 예를 들어 200 mm 초과로 증가시킴으로써, 상기 제품이 스폴(spall)을 효과적으로 감소시키거나 또는 잡아내는 것으로 관찰되었다. "스폴을 잡아내다"란 IED 또는 EFP로부터의 파편들이 내탄도성 제품을 탄도 충돌에 직면하는 쪽의 반대쪽인 그의 배면 쪽에서 떠나는 것을 방지하는 것을 의미한다.

본원에서 "단층"이란 섬유들을 포함하는 평면 층으로 이해된다. 바람직하게는, 상기 단층은 섬유들의 망상구조를 포함한다. 상기 망상구조는 바람직하게는 섬유들의 직조 망상구조, 더욱 바람직하게는 섬유들의 부직 망상구조이다. 상기 직조 망상구조는 당해 분야에 공지된 임의의 구조, 예를 들어 평직 망상구조 또는 바스켓 직조 망상구조일 수 있다. 상기 부직 망상구조는 바람직하게는 펠트(felt), 더욱 바람직하게는 일방향성 망상구조, 즉 공통의 섬유 방향에 따라 서로 평행하게 일방향으로 정렬된 복수 개의 섬유들로 이루어진 망상구조이다.

본 발명의 제품은 하나 이상의 다층 시트를 포함하고, 상기 시트는 단층들의 통합된 스택을 포함한다. 바람직하게는, 상기 단층은 섬유들의 일방향성 망상구조를 함유하며, 이와 같은 단층들은 본원에서 간단히 일방향성 단층들이라 하고 간단히 일방향성 단층으로서 지칭되며 단층 내 공통 섬유 방향은 인접 단층의 공통 섬유 방향에 대해 소정의 각도로 배향된다.

바람직한 실시양태에서, 본 발명의 제품은 복수 개의 중첩된 또는 적층된 다층 시트를 포함한다. 본원에서 "중첩된" 또는 "적층된" 시트란 서로의 면전에 위치하여 그들의 표면이 적어도 부분적으로 겹쳐지도록 된 것을 의미한다. 바람직하게는, 상기 시트는 실질적으로 그들의 전체 표면적에 걸쳐 겹쳐져 있다. 바람직하게는, 상기 시트들은 서로 근접하여, 즉 본 발명의 제품 두께의 2% 미만의 거리에 위치하며, 더욱 바람직하게는 상기 시트들은 접촉하여 위치한다. 바람직하게는 상기 복수 개의 시트들 중 단일 시트의 두께는 상기 제품 총 두께의 3 내지 20%이고, 더욱 바람직하게는 4 내지 15%이며, 가장 바람직하게는 5 내지 10%이다. 복수 개의 이와 같은 시트를 포함하는 본 발명의 제품은 IED 또는 EFP와 같은 위협을 정지시키는 데 매우 효과적이다.

본 발명의 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 제품은 복수 개의 중첩된 또는 적층된 시트를 포함하며, 이때 상기 복수 개의 시트의 총 두께, 즉 상기 시트들의 두께의 합은 100 mm 이상, 더욱 바람직하게는 200 mm 이상, 가장 바람직하게는 300 mm 이상이다. 바람직하게는, 개별 시트의 두께는 상기 복수 개의 시트의 총 두께의 3 내지 20%, 더욱 바람직하게는 4 내지 15%, 가장 바람직하게는 5 내지 10%이다. 전체 제품의 두께보다 오히려 상기 위협을 정지시키는 데 기여하는 시트들의 두께가 상기 언급된 바람직한 범위 내에 있는 실시양태의 경우, 추가로 개선된 내탄도성이 IED 및 EFP에 대해 얻어짐이 관찰되었다.

단층들의 통합은 (적어도 일부 또는 소정 비율의) 단층들이 서로 비교적 단단히 부착되어 하나의 단위를 형성하는 것을 의미한다. 한 바람직한 실시양태에서, 단층들의 스택이 통합되어 상기 단층들이 단일의 한 몸체로 합쳐짐으로써 적어도 그들의 표면 부분에 걸쳐 하나의 단층이 또 다른 단층에 대해 움직이지 못하도록 된다. 통합된 스택은 예를 들어 단층들을 함께 예컨대 스티칭(stiching) 또는 스테이플링(stapling)에 의해 연결하거나 또는 상기 스택을 고온 고압 하에 압착시킴으로써 수득될 수 있다. 바람직하게는 단층들의 스택은 고온에서 압착함으로써 통합되며, 이와 같은 스택은 고 속력 위협에 대해 증가된 보호력을 제공하고 감소된 탈라미네이션(delamination)을 나타낸다.

단층들의 통합된 스택의 개수는 넓은 범위 내에서 변할 수 있고 바람직하게는 원하는 성능, 중량 및 비용을 고려하여 최종 생성물에 바람직한 면적 밀도를 제공하도록 선택된다.

본 발명의 제품에서의 단층의 두께는 넓은 범위 내에서 변할 수 있다. 바람직하게는 적어도 한 단층의 두께는 200 ㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 150 ㎛ 미만, 더욱더 바람직하게는 100 ㎛ 미만, 가장 바람직하게는 50 ㎛ 미만이다. 단층의 두께는 예를 들어 마이크로미터기에 의하거나, 또는 단층을 수지 내에 내포하고 그의 두께를 광학 또는 전자 현미경으로 측정함으로써 당해 분야에 공지된 기법에 따라 측정될 수 있다.

바람직한 실시양태에서, 본 발명의 제품에서 단층에 함유된 섬유들은 바람직하게는 유리 섬유 및/또는 탄소 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된다. 더욱 바람직한 실시양태에서, 상기 섬유들은 중합체성 재료, 가장 바람직하게는 연신된 중합체성 재료로부터 제조된다. 놀랍게도, 연신된 중합체성 재료의 섬유들을 포함하는 본 발명의 제품은 증가된 효율, 즉 EFP 및 IED를 정지시키는 경우 동일한 면적 밀도에서 더 높은 정지력을 나타내는 것으로 관찰되었다.

중합체성 재료의 섬유들을 예를 들어 압출, 압착 몰딩, 블로우 몰딩, 스피닝 또는 당해 분야에 공지된 임의의 다른 기법에 의해 제조하는 방법은 공지되어 있다. 연신된 중합체성 재료의 섬유들을 제조하기 위해, 상기 섬유는 적어도 한 방향으로의 연신 공정에 적용된다. 상기 섬유가 테이프 또는 필름 형태인 경우, 상기 중합체성 재료는 바람직하게는 단일 방향으로 연신, 즉 일방향으로 연신되고, 더욱 바람직하게는 상기 재료는 두 방향으로 연신, 즉 2방향으로 연신된다. 연신된 중합체성 재료의 섬유들의 단층을 포함하는 본 발명의 제품은 EFP 및 IED에 대해 개선된 저항성을 나타낸다. 바람직하게는 상기 중합체성 재료, 특히 일방향으로 연신된 중합체성 재료의 연신비는 1 이상, 더욱 바람직하게는 1.5 이상, 더욱더 바람직하게는 2 이상, 가장 바람직하게는 3 이상이다.

바람직하게는, 상기 섬유들, 특히 중합체성 재료로부터 제조된 섬유들은 상기 단층들 내에서의 부피 분율이 50 내지 98%, 더욱 바람직하게는 70 내지 95%, 가장 바람직하게는 75 내지 90%이다. 상기 단층들의 강도는 상기 단층들 내 섬유들의 부피 분율에 의존하는 것으로 관찰되었다.

본원에서 "섬유"란 그의 길이 치수가 그의 두께보다 훨씬 큰 기다란 몸체로 이해된다. 또한, "섬유"란 용어는 모노필라멘트, 멀티필라멘트, 스테이플, 테이프, 스트립, 리본 등을 포함하고 규칙 또는 불규칙 단면을 갖는다. 바람직한 실시양태에서, 상기 섬유는 실질적으로 둥근 단면, 예컨대 타원형, 원형, C-형 등을 갖는다. 또 하나의 바람직한 실시양태에서, 상기 섬유는 테이프이다.

상기 섬유들의 강도는 상기 섬유들을 제조하는 재료 및 이들의 (단축) 연신비에 의존한다. 중합체성 재료로부터 제조된 섬유들은 바람직하게는 0.75 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 0.9 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 1.2 GPa 이상, 더욱더 바람직하게는 1.5 GPa 이상, 더욱더 바람직하게는 1.8 GPa 이상, 더욱더 바람직하게는 2.1 GPa 이상, 가장 바람직하게는 3 GPa 이상을 갖는다. 상기 섬유들의 강도는 당해 분야에 임의의 공지된 방법, 예컨대 ASTM D2256 - 02(2008)에 따라 결정될 수 있다. 바람직하게는 중합체성 재료의 상기 섬유들은 상기 ASTM D2256에 의해 측정 시 50 GPa 이상의 인장 모듈러스 및 8 J/g 이상의 파단 에너지를 갖는다.

상기 섬유가 테이프인 경우, 테이프의 강도는 바람직하게는 0.75 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 0.9 GPa 이상, 더욱더 바람직하게는 1.2 GPa 이상, 더욱더 바람직하게는 1.5 GPa 이상, 더욱더 바람직하게는 1.8 GPa 이상, 더욱더 바람직하게는 2.1 GPa 이상, 가장 바람직하게는 3 GPa 이상이다. 테이프의 강도는 당해 분야에 임의의 공지된 방법에 따라, 예를 들어 배럴 클램프(barrel clamp)에 클램핑된 25 cm 길이의 테이프를 ASTM D2256 - 02(2008)에 따라 인스트론 인장 테스터기에서 예컨대 25 cm/분의 속도로 견인함으로써 결정될 수 있다. 바람직하게는, 상기 단층을 제조하는 데 사용되는 테이프는 2 mm 이상, 더욱 바람직하게는 5 mm 이상, 더욱더 바람직하게는 30 mm 이상을 갖는다. 상기 테이프는 바람직하게는 5 내지 200 g/㎡, 더욱 바람직하게는 10 내지 120 g/㎡, 더욱더 바람직하게는 15 내지 80 g/㎡, 가장 바람직하게는 20 내지 60 g/㎡의 면적 밀도를 갖는다.

바람직하게는, 본 발명의 제품 내의 단층은 섬유 및 중합체성 매트릭스 조성물 둘 다를 포함하고, 상기 조성물은 저 모듈러스 열가소성 재료 및/또는 고 모듈러스 열경화성 재료를 포함한다. 적합한 열가소성 매트릭스 조성물은 바람직하게는 3 GPa 이하, 더욱 바람직하게는 1 GPa 이하, 가장 바람직하게는 500 MPa 이하의 인장 모듈러스를 갖는 엘라스토머를 포함하고, 이의 예는 예를 들어 WO 2007/115057 페이지 14 및 15에 개시되어 있으며, 이 문헌의 개시내용을 본원에 참고로 인용한다. 적합한 열경화성 매트릭스 조성물은 바람직하게는 300 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 1.5 GPa 이상, 가장 바람직하게는 3 GPa 이상의 인장 모듈러스를 갖는 재료, 예컨대 문헌["Kraton Thermoplastic Rubber" SC:68:82]에 기재된 바와 같은 열경화성 비닐 에스터; 상기 열경화성 비닐 에스터들 중 적어도 하나와 다이알릴 프탈레이트의 조합물; 및 공액 다이엔의 하나 이상의 블록 공중합체를 갖는 비닐 에스터 중합체와 비닐 방향족 단량체의 조합물을 포함한다. 상기 인용된 인장 모듈러스는 37℃에서 ASTM D638에 따라 측정될 수 있다. 바람직하게는 상기 매트릭스 조성물은 예를 들어 WO 2007/067405에 기재된 바와 같은 난연제를 포함한다.

본 발명에 적합한 중합체성 재료는 폴리올레핀 예컨대 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌; 폴리벤족사졸; 폴리벤조티아졸; 폴리비닐 알코올; 폴리아크릴로나이트릴; 액정 코폴리에스터; 강성 막대 중합체; 폴리아마이드; 및 아라미드로 구성된 군으로부터 선택되는 것들이다.

바람직한 실시양태에서, 본 발명의 제품은 230 mm 이상, 더욱 바람직하게는 270 mm 이상, 더욱 바람직하게는 300 mm 이상, 가장 바람직하게는 400 mm 이상의 두께를 가지고, 상기 섬유는 유리 섬유, 바람직하게는 E-형 또는 S2-형 유리 섬유로 알려진 유리 섬유이다.

또 하나의 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 제품은 220 mm 이상, 더욱 바람직하게는 300 mm 이상, 가장 바람직하게는 400 mm 이상의 두께를 가지고, 상기 섬유는 아라미드 섬유이다. 상기 아라미드는 바람직하게는 본원에 참고로 인용된 US 3,671,542에 기재된 바와 같은 방향족 폴리아마이드로부터 형성된다. 더욱 바람직하게는, 상기 아라미드는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아마이드)이다. 바람직한 아라미드 섬유는 1.2 GPa 이상의 강도, 30 GPa 이상의 초기 인장 모듈러스 및 8 J/g 이상의 파단 에너지를 갖는다. 특히 바람직한 아라미드 섬유는 1.5 GPa 이상의 강도 및 20 J/g 이상의 파단 에너지를 갖는 것들이다. 상기 아라미드는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아마이드)이다. 가장 바람직한 아라미드 섬유는 2 GPa 이상의 강도, 35 GPa 이상의 초기 인장 모듈러스 및 30 J/g 이상의 파단 에너지를 가질 것이다. 아라미드 섬유의 예는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아마이드)의 공중합체를 포함한다. 또한 본 발명의 실시에 유용한 것은 폴리(m-페닐렌 아이소프탈아마이드) 섬유이다.

또 하나의 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 제품은 250 mm 이상, 더욱 바람직하게는 270 mm 이상, 더욱더 바람직하게는 300 mm 이상, 가장 바람직하게는 400 mm 이상의 두께를 가지고, 상기 섬유는 강성 막대 섬유이다. 강성 막대 섬유는 예를 들어 US 5,674,969; 5,939,553; 5,945,537; 및 6,040,478에 개시되어 있으며, 이들 문헌의 개시내용을 본원에 참고로 인용한다. 강성 막대 섬유는 마젤란 시스템즈 인터내셔널(Magellan Systems International)로부터 M5(등록 상표) 섬유로서 시판되고 있다.

또 하나의 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 제품은 250 mm 이상, 더욱 바람직하게는 270 mm 이상, 더욱더 바람직하게는 300 mm 이상, 가장 바람직하게는 400 mm 이상의 두께를 가지고, 상기 섬유는 폴리비닐 알코올(PV-OH) 섬유이다. PV-OH 섬유 또는 테이프는 바람직하게는 예를 들어 US 4,440,711(이는 본원과 상충되지 않는 정도로 본원에 참고로 인용됨)에 기재된 바와 같은 고 인장 모듈러스를 갖는다. 상기 섬유 또는 테이프를 제조하는 데 사용되는 PV-OH는 약 200,000 이상의 중량 평균 분자량을 가져야 한다. 특히 유용한 PV-OH 섬유는 약 25 GPa 이상의 모듈러스, 바람직하게는 약 0.5 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 약 1 GPa 이상, 가장 바람직하게는 약 1.5 GPa 이상의 강도, 및 약 8 J/g 이상의 파단 에너지를 가져야 한다. 이와 같은 특성을 갖는 PV-OH 섬유는 예를 들어 US 4,599,267에 개시된 방법에 의해 제조될 수 있다.

또 하나의 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 제품은 250 mm 이상, 더욱 바람직하게는 270 mm 이상, 더욱더 바람직하게는 300 mm 이상, 가장 바람직하게는 400 mm 이상의 두께를 가지고, 상기 섬유는 폴리아크릴로나이트릴(PAN) 섬유이다. 바람직하게는 상기 섬유를 제조하는 데 사용되는 PAN은 약 400,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는다. 특히 유용한 PAN 섬유는 약 1 GPa 이상의 강도, 및 약 8 J/g 이상의 파단 에너지를 갖는다. 이와 같은 PAN 섬유는 US 4,535,027에 개시되어 있다.

또 하나의 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 제품은 250 mm 이상, 더욱 바람직하게는 270 mm 이상, 더욱더 바람직하게는 300 mm 이상, 가장 바람직하게는 400 mm 이상의 두께를 가지고, 상기 섬유는 액정 코폴리에스터 섬유이다. 액정 코폴리에스터 섬유는 예를 들어 US 3,975,487, 4,118,372 및 4,161,470에 개시되어 있다.

또 하나의 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 제품은 250 mm 이상, 더욱 바람직하게는 270 mm 이상, 더욱더 바람직하게는 300 mm 이상, 가장 바람직하게는 400 mm 이상의 두께를 가지고, 상기 섬유는 폴리벤자졸 섬유이다. 폴리벤자졸 섬유는 예를 들어 US 5,286,833, 5,296,185, 5,356,584, 5,534,205 및 6,040,050에 개시되어 있다.

또 하나의 바람직한 실시양태에서, 상기 섬유는 폴리올레핀 섬유이다. 바람직한 폴리올레핀 섬유는 폴리프로필렌, 더욱 바람직하게는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 즉 4 dl/g 이상의 고유 점도(VI)를 갖는 폴리에틸렌으로부터 제조되는 것들이다. 공지된 UHMWPE 섬유로는 다이니마(Dyneema(등록 상표)) 하에 디에스엠 다이니마(DSM Dyneema)에 의해 시판되는 것들이 포함된다.

상기 섬유를 제조하는 데 사용되는 폴리프로필렌은 약 200,000 이상, 더욱 바람직하게는 약 300,000 이상, 더욱더 바람직하게는 약 500,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는다. 이와 같은 폴리프로필렌은 US 4,413,110의 기법에 의해 바람직하게 잘 배향된 필라멘트로 형성될 수 있다. 폴리프로필렌 섬유는 바람직하게는 약 0.5 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 약 1.5 GPa 이상의 강도를 갖는다. 이 섬유의 초기 인장 모듈러스는 바람직하게는 약 10 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 약 15 GPa 이상이다. 폴리프로필렌의 융점은 일반적으로 배향 공정에 의해 몇도 상승하여, 비제한적 DSC에 의해 측정 시, 상기 폴리프로필렌 섬유가 바람직하게는 150 내지 170℃의 온도 범위에서 하나 이상의 융점을 갖는다. 상기 기재된 변수들에 특히 바람직한 범위는 유리하게는 개선된 성능을 최종 제품에 제공할 수 있다. 약 200,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 섬유를 상기 기재된 변수들(모듈러스 및 강도)에 대한 바람직한 범위와 결합하여 사용하면 유리하게는 개선된 성능을 최종 제품에 제공할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 제품은 폴리프로필렌 섬유를 함유하고, 200 mm 이상, 더욱 바람직하게는 300 mm 이상, 가장 바람직하게는 400 mm 이상의 두께를 갖는다.

바람직하게는, 고분자량 폴리에틸렌 섬유가 폴리올레핀 섬유로 사용된다. 더욱 바람직하게는, UHMWPE 섬유가 사용되는데, 이의 필라멘트는 겔 방사 공정에 의해 제조된다. 적합한 겔 방사 공정은 예를 들어 GB-A-2042414, GB-A-2051667, EP 0205960 A 및 WO 01/73173 A1, 및 문헌["Advanced Fiber Spinning Technology", Ed. T. Nakajima, Woodhead, Woodhead Publ. Ltd (1994), ISBN 185573 182 7]에 기재되어 있다. 간단히, 상기 겔 방사 공정은 높은 고유 점도의 폴리올레핀의 용액을 제조하는 단계, 상기 용액을 용해 온도 초과의 온도에서 필라멘트로 방사하는 단계, 상기 필라멘트를 겔화 온도 미만으로 냉각시킴으로써 상기 필라멘트를 적어도 부분적으로 겔화시키는 단계, 및 용매를 적어도 부분적으로 제거하기 전, 그 동안 및/또는 그 후에 상기 필라멘트를 연신하는 단계를 포함한다.

폴리에틸렌 섬유, 특히 UHMWPE 섬유의 강도는 바람직하게는 약 0.9 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 약 1.2 GPa 이상, 더욱더 바람직하게는 약 1.5 GPa 이상, 더욱더 바람직하게는 약 1.8 GPa 이상, 더욱더 바람직하게는 약 2.1 GPa 이상, 가장 바람직하게는 약 3 GPa 이상이다. UHMWPE 섬유의 인장 강도는 또한 멀티필라멘트 얀(yarn) 상에서 적용된 ASTM D885M에 따라 결정될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제품의 더욱 바람직한 실시양태를 상술한다.

바람직한 실시양태에서, 본 발명의 제품은 5 mm 이상, 더욱 바람직하게는 10 mm 이상, 더욱더 바람직하게는 20 mm 이상의 두께를 가진 복수 개의 중첩된 또는 적층된 시트를 포함한다. 바람직하게는, 상기 시트들의 두께는 50 mm 이하, 더욱 바람직하게는 30 mm 이하이다. 이와 같은 제품은 개선된 내탄도 특성을 갖는 것으로 관찰되었다. 바람직하게는, 본 발명의 제품에서의 시트들은 대략 동일한 두께를 갖는다.

본 발명의 제품의 또 하나의 바람직한 실시양태에서, 일방향성 단층들은 적절한 표면상에서 복수 개의 연신된 (초)고분자량 폴리올레핀 섬유들을 평행 정렬되게 위치시키고, 상기 섬유들을 적절한 매트릭스 물질에 내포시킴으로써 제조된다.

본 발명의 제품의 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 내탄도성 제품에 사용되는 단층들은 적절한 매트릭스 물질을 통해 평행 정렬로 근접하게 위치된 복수 개의 섬유들을 동시에 인발하고, 상기 섬유들을 적절한 표면상에 위치시킴으로써 제조된다. 상기 섬유들의 습윤화를 촉진하기 위해, 상기 매트릭스 물질 점도를 가열, 또는 용매 첨가에 의해 낮출 수 있다. 후자의 경우, 용매의 증발은 추가 가공에 사용될 수 있는 단층을 남긴다. 적합한 매트릭스 물질 또는 결합제는 상기 단층들 내에서 폴리올레핀 섬유들을 함께 결합하거나 고정시킨다. 결합제는 상기 폴리올레핀 섬유들을 전체적으로 또는 부분적으로 피복시킴으로써, 상기 단층들의 구조가 상기 내탄도성 제품의 취급 및 제조 동안 유지될 수 있도록 한다. 결합제는 다양한 형태 또는 방식으로 적용될 수 있으며, 예컨대 폴리올레핀 섬유들을 적어도 부분적으로 피복할 수 있게 용융되는 필름으로서, 횡방향 결합 스트립으로서 또는 횡방향 섬유로서, 또는 용융물, 용액, 또는 액체 중의 중합체성 물질의 분산물 형태의 중합체 매트릭스에 침지 및/또는 내포시킴으로써 적용될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 결합제는 중합체성 매트릭스 물질이고, 열경화성 물질 또는 열가소성 물질, 또는 이들 둘의 혼합물일 수 있다. 이 매트릭스 물질의 파단 신율은 바람직하게는 폴리에틸렌 섬유의 신율보다 크다. 상기 매트릭스 물질이 열경화성 중합체인 경우, 바람직하게는 비닐 에스터, 불포화 폴리에스터, 에폭시 또는 페놀 수지가 선택된다. 상기 매트릭스 물질이 열가소성 중합체인 경우, 바람직하게는 폴리우레탄, 폴리비닐, 폴리아크릴, 폴리올레핀 또는 열가소성 엘라스토머성 블록 공중합체 예컨대 폴리아이소프렌-폴리에틸렌-부틸렌-폴리스타이렌 또는 폴리스타이렌-폴리아이소프렌-폴리스타이렌 블록 공중합체가 선택된다. 임의적으로, 결합제 또는 매트릭스 물질은 난연성 첨가제, 난연성 중합체 및 상승작용제(synergist)를 포함할 수도 있다. 이는 추가로 고속탄의 충돌 시의 발화로 인한 내탄도성 장갑 제품의 약화를 감소시킨다. 바람직하게는, 단층 내 결합제의 양은 30 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 또는 더욱더 바람직하게는 15 중량% 이하이다.

바람직한 실시양태에서, 본 발명의 내탄도성 제품은 연신된 초고분자량 폴리올레핀의 일방향성 단층들의 통합된 스택을 포함하며, 이때 상기 스택 내 연이은 두 단층들의 연신 방향은 상이하고, 적어도 한 단층의 강도는 1.2 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 2.5 GPa 이상, 가장 바람직하게는 3.0 GPa 이상이다. 단층의 강도는 예를 들어 본원에서 앞서 제공된 테이프 강도를 결정하는 방법과 동일한 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 이러한 특징들의 조합은 특히 IED 및 EFP와 같은 고속탄에 대해 공지된 내탄도성 제품보다 개선된 내탄도 성능을 낳는다는 점을 확인하였다.

일방향성 단층들은 또한 배향된 테이프 또는 필름으로부터 수득될 수도 있다. 본원에서 "일방향성 테이프 및 단층"이란 중합체 쇄의 바람직한 배향이 하나의 방향으로, 즉 연신 방향으로 나타나는 테이프 및 단층을 의미한다. 이와 같은 테이프 및 단층은 연신, 바람직하게는 일축 연신에 의해 제조될 수 있으며 이방성 기계적 특성을 보이게 될 것이다.

배향된 테이프 또는 필름은 바람직하게는 고분자량 폴리에틸렌, 더욱 바람직하게는 UHMWPE를 포함한다. 이러한 폴리에틸렌은 선형 또는 분지형일 수 있지만, 바람직하게는 선형 폴리에틸렌을 사용한다. 본원에서 선형 폴리에틸렌은 100개의 탄소 원자당 1개 미만의 측쇄, 바람직하게는 300개의 탄소 원자당 1개 미만의 측쇄를 갖는 폴리에틸렌으로서, 여기서 측쇄 또는 분지는 일반적으로 10개 이상의 탄소 원자를 함유하는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 측쇄는 EP 0269151에 언급된 바와 같이 적합하게는 2 mm 두께의 압축 성형 필름상에서 FTIR에 의해 측정될 수 있다. 선형 폴리에틸렌은 공중합가능한 하나 이상의 다른 알켄, 예컨대 프로펜, 부텐, 펜텐, 4-메틸펜텐, 옥텐을 5 몰%까지 추가로 함유할 수 있다. 바람직하게는, 선형 폴리에틸렌은 4 dl/g 이상, 더욱 바람직하게는 8 dl/g 이상, 가장 바람직하게는 10 dl/g 이상의 고유 점도(IV, 135℃에서 데칼린 중의 용액 상에서 측정됨)를 갖는 고 몰 질량의 것이다. 이와 같은 폴리에틸렌은 또한 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)으로 불린다. 이러한 유형의 폴리에틸렌 테이프 또는 필름은 특히 양호한 내탄도성을 제공한다.

폴리올레핀-계 필름 또는 테이프의 바람직한 제조 방법은, 엔드리스(endless) 벨트들의 조합 사이에 폴리올레핀 분말을 공급하고, 상기 폴리올레핀 분말의 융점 미만의 온도에서 상기 분말을 압착-몰딩하고, 생성된 압착-몰딩된 폴리올레핀을 롤링하고, 이어서 연신함을 포함한다. 이러한 방법은 예를 들어 EP 0 733 460 A2에 기재되어 있으며, 이를 본원에 참고로 인용한다. 필요한 경우, 폴리올레핀 분말을 공급하고 압착-몰딩하기 전에, 폴리올레핀 분말을, 폴리올레핀의 융점보다 높은 비등점을 갖는 적당한 액체 유기 화합물과 혼합할 수도 있다.

폴리올레핀-계 테이프 또는 필름의 또 다른 바람직한 제조 방법은, 폴리올레핀을 압출기에 공급하고, 테이프 또는 필름의 융점 초과의 온도에서 테이프 또는 필름을 압출하고, 상기 압출된 폴리올레핀 테이프 또는 필름을 연신함을 포함한다. 필요한 경우, 폴리올레핀을 압출기에 공급하기 전에, 폴리올레핀을 적당한 액체 유기 화합물과 혼합하여, 예를 들어 바람직하게는 초고분자량 폴리에틸렌을 사용하는 경우와 같이, 겔을 형성할 수 있다. 바람직하게는, 상기 폴리에틸렌 필름은 이미 상술된 바와 같이 겔 공정에 의해 제조된다.

필름, 특히 폴리올레핀-계 필름의 연신, 바람직하게는 일축 연신은 당해 분야에 공지된 수단에 의해 수행될 수 있다. 이와 같은 수단은 적합한 연신용 유닛 상에서의 압출 연신 및 인장 연신을 포함한다. 증가된 기계적 강도 및 강성을 얻기 위해, 연신은 다단계로 수행될 수 있다. 바람직한 UHMWPE 필름의 경우, 연신은 전형적으로 다수의 연신 단계에서 일축 방식으로 수행된다. 제 1 연신 단계는, 예를 들어 3의 연신 인자로 연신함을 포함할 수 있다. 다중 연신은 전형적으로 120℃ 이하의 연신 온도의 경우 9의 연신 인자, 140℃ 이하의 연신 온도의 경우 25의 연신 인자 및 150℃이하 및 초과의 연신 온도의 경우 50의 연신 인자를 형성할 수 있다. 온도 증가에 따른 다중 연신에 의해, 약 50 이상의 연신 인자에 도달될 수 있다. 이로 인해 고강도 필름을 형성하거나, 또는 테이프 연신의 경우 고강도 테이프를 형성하는데, 이에 의해 UHMWPE 필름 또는 테이프의 경우에는 2 GPa 초과, 또는 심지어는 2.5 GPa 초과의 강도가 수득될 수 있다.

바람직한 실시양태에서, 생성된 연신 테이프를 그대로 사용하여 일방향으로 정렬된 테이프들의 단층을 제조한다. 또한, 필름 또는 테이프를 사용하여 단층을 제조하는 경우, 상기 필름 또는 테이프를 연신 방향에 따라 절단하거나 분할하여 원하는 폭을 달성할 수 있다. 이렇게 제조된 일방향성 테이프의 폭은 단지 상기 테이프 제조시 사용된 필름의 폭에 의해서만 제한된다. 테이프의 폭은 바람직하게는 2 mm 초과, 더욱 바람직하게는 5 mm 초과, 가장 바람직하게는 30, 50, 75 또는 100 mm 초과이다. 테이프 또는 단층의 면적 밀도는 넓은 범위에 걸쳐 변할 수 있으며, 예를 들어 3 내지 200 g/㎡이다. 바람직한 면적 밀도는 150 g/㎡ 미만, 더욱 바람직하게는 100 g/㎡ 미만, 가장 바람직하게는 50 g/㎡ 미만이다.

본 발명의 제품의 바람직한 실시양태에서, 하나 이상의 단층의 두께가 200 ㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 150 ㎛ 미만, 더욱더 바람직하게는 100 ㎛ 미만, 가장 바람직하게는 50 ㎛ 미만인 폴리올레핀-계 단층이 사용된다. 본 발명에 따르면, 모든 폴리올레핀-계 단층이 상기 바람직한 범위의 두께 및 강도를 가질 필요는 없지만, 모든 단층이 상기 범위의 두께 및 강도를 갖는 내탄도성 제품이 특히 바람직하다. 바람직하게는, 상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌, 더욱 바람직하게는 UHMWPE이다.

일부 실시양태에서, 본 발명의 내탄도성 제품 내 폴리올레핀-계 단층은, 복수의 일방향성 테이프를 결합 및 안정화시켜 단층 구조가 일방향성 시트의 취급 및 제조 동안 유지될 수 있도록 국부적으로 적용되는 결합제를 포함할 수 있다. 적합한 결합제는 예를 들어 EP 0191306 B1, EP 1170925 A1, EP 0683374 B1 및 EP 1144740 A1에 개시되어 있다. 바람직하게는, 상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌, 더욱 바람직하게는 UHMWPE이다.

또 다른 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 내탄도성 제품에 사용되는 다층 재료 시트는, 직조 구조를 형성하도록 정렬된 복수의 연신된 폴리올레핀-계 섬유 및/또는 폴리올레핀-계 테이프로 구성된 하나 이상의 층, 바람직하게는 모든 층을 포함한다. 이와 같은 층은 섬유 및/또는 테이프의 위빙(weaving), 브레이딩(braiding) 등과 같은 방직 기술을 적용하여 제조될 수 있다.

다층 재료 시트는 단층들의 통합된 스택을 포함한다. 상기 스택 내 연이은 두 단층들의 연신 방향은 각 α 만큼 상이하다. 상기 각 α는 바람직하게는 45 내지 135°이고, 더욱 바람직하게는 65 내지 115°이며, 가장 바람직하게는 80 내지 100°이다. 본 발명에 따른 내탄도성 제품에 사용되는 다층 재료 시트는 바람직하게는 2개 이상의 일방향성 단층, 더욱 바람직하게는 4개 이상의 일방향성 단층, 더욱더 바람직하게는 6개 이상의 일방향성 단층을 포함한다. 본 발명의 다층 재료 시트 내 일방향성 단층들의 수를 증가시킴으로써 이들 재료 시트로부터 형성되는 제품 예컨대 내탄도성 플레이트의 제조가 단순화된다.

본 발명에 따른 내탄도성 제품의 시트는 10개 이상의 일방향성 단층, 더욱 바람직하게는 20개 이상의 일방향성 단층, 더욱더 바람직하게는 40개 이상의 일방향성 단층, 더욱 바람직하게는 80개 이상의 일방향성 단층, 가장 바람직하게는 160개 이상의 일방향성 단층을 포함한다. 본 발명에 따른 내탄도성 제품의 시트가 섬유 또는 테이프의 직조 층을 포함하는 경우, 상기 시트는 바람직하게는 10개 이상의 층, 더욱 바람직하게는 20개 이상의 층, 더욱더 바람직하게는 40개 이상의 층, 더욱 바람직하게는 80개 이상의 층, 가장 바람직하게는 160개 이상의 층을 포함한다.

본 발명에 따른 내탄도성 제품은 위와 같이 사용될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 내탄도성 제품은 세라믹, 금속, 유리(섬유) 및 그래파이트 또는 탄소 섬유, 또는 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 무기 재료의 시트를 하나 이상 추가로 포함한다. 특히 금속이 바람직하다. 이 경우, 금속 시트에서의 금속은 바람직하게는 350℃ 이상, 더욱 바람직하게는 500℃ 이상, 가장 바람직하게는 600℃ 이상의 융점을 갖는다. 적합한 금속으로는 알루미늄, 마그네슘, 티탄, 구리, 니켈, 크롬, 베릴륨, 철 및 구리 및 이들의 합금 예컨대 스틸 및 스테인리스 스틸 및 알루미늄과 마그네슘의 합금(소위 알루미늄 5000 시리즈) 및 알루미늄과 아연 및 마그네슘 또는 아연, 마그네슘 및 구리의 합금(소위 알루미늄 7000 시리즈)이 포함된다. 이는 최상의 내구성을 갖는 최경량의 내탄도성 제품을 생성한다. 본원에서 "내구성"이란 열, 수분, 빛 및 UV 방사선에 대한 노출 조건하에서의 제품의 수명을 의미한다. 또 다른 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 내탄도성 제품은 중합체성 재료의 시트를 추가로 포함한다. 이와 같은 추가적인 중합체성 재료 시트는 바람직하게는 폴리올레핀 및 이의 공중합체 예컨대 폴리에틸렌과 폴리프로필렌; 폴리에스터 예컨대 포릴부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에틸렌 나프탈레이트; 폴리아마이드 예컨대 폴리아마이드 6 및 폴리아마이드 66; 스타이렌으로부터 유도된 중합체 및 블렌드; 및 폴리카보네이트로 구성된 군으로부터 선택된다. 상기 추가적인 중합체성 재료 시트는 적합하게는 주조 또는 압출 기술을 통해 수득될 수 있다. 상기 추가적인 재료 시트는 단층들의 스택 내 어느 곳에나 위치할 수 있지만, 바람직한 내탄도성 제품은 상기 추가적인 재료 시트가 단층들의 스택 외측에, 가장 바람직하게는 적어도 그의 충격 면(strike face)에 위치함을 특징으로 한다. 상기 추가적인 재료 시트의 양은 내탄도성 제품의 총 중량의 5 내지 50 중량%이므로 상기 추가적인 재료 시트를 포함한다. 상기 추가적인 재료 시트의 두께는 바람직하게는 0.5 내지 20 mm이다. 추가 시트는 내탄도 성능을 추가로 개선하기 위해 사용될 수 있지만, 필수적인 것은 아니다. 상기 추가 시트는 또한 상기 내탄도성 제품을 기재, 예컨대 군용 지상 운송수단, 또는 장갑 휠 및 트랙 운송수단 상에 고정하는 데 사용될 수도 있다.

바람직한 실시양태에서, 본 발명의 제품은 충격 면 및 배면(back face)을 가지며, 상기 충격 면은 하나 이상의 제 1 시트를 포함하고, 상기 제 1 시트는 제 1 단층들의 통합된 스택을 포함하고, 상기 제 1 단층들은 폴리에틸렌 테이프, 더욱 바람직하게는 UHMWPE 테이프를 포함하고, 상기 테이프는 바람직하게는 0.5 mm 이상의 폭을 가지고, 2.5 이상의 폭 대 두께 비를 갖는다. 이 실시양태의 제품은 또한 배면을 포함하며, 이때 상기 배면은 제 2 시트를 포함하고, 상기 제 2 시트는 제 2 단층들의 통합된 스택을 포함하고, 상기 제 2 단층들은 폴리에틸렌 섬유, 더욱 바람직하게는 UHMWPE 섬유들의 망상구조를 포함한다. 가장 바람직하게는, 상기 제 2 단층은 일방향으로 정렬된 UHMWPE 섬유를 포함한다. 바람직하게는, 상기 섬유는 둥근 단면을 갖는다. 바람직하게는, 상기 충격 면은 제품 두께의 80% 이하, 더욱 바람직하게는 60% 이하, 가장 바람직하게는 30% 이하의 두께를 갖는다. 이 실시양태에 따른 제품은 증가된 내탄도성을 갖는 것 외에도 감소된 비용으로 쉽게 제조될 수 있음이 관찰되었다.

바람직한 실시양태에서, 본 발명의 제품은 충격 면 및 배면을 가지며, 이때 상기 충격 면은 폴리올레핀, 더욱 바람직하게는 폴리에틸렌, 가장 바람직하게는 UHMWPE의 일체형 시트를 포함한다. 본원에서 "일체형 시트"란 중합체성 분말을 압출 또는 압착 몰딩함으로써 수득되는 시트로 이해된다. 이 실시양태의 제품은 또한 배면을 포함하며, 이때 상기 배면은 제 2 시트를 포함하고, 상기 제 2 시트는 제 2 단층들의 통합된 스택을 포함하고, 상기 제 2 단층들은 폴리에틸렌 섬유, 더욱 바람직하게는 UHMWPE 섬유의 망상구조를 포함한다. 가장 바람직하게는, 상기 제 2 단층은 일방향으로 정렬된 UHMWPE 섬유를 포함한다. 바람직하게는, 상기 섬유는 둥근 단면을 갖는다. 바람직하게는, 상기 충격 면은 제품 두께의 80% 이하, 더욱 바람직하게는 60% 이하, 가장 바람직하게는 30% 이하의 두께를 갖는다. 이 실시양태에 따른 제품은 증가된 내탄도성을 갖는 것 외에도 감소된 비용으로 쉽게 제조될 수 있음이 관찰되었다.

본 발명은 또한 하기 단계를 포함하는 내탄도성 제품의 제조 방법에 관한 것이다:

(a) 섬유를 포함하는 단층들의 스택을 통합시켜 다층 시트를 형성하는 단계; 및

(b) 상기 단계 (a)의 시트를 사용하여, 100 mm 이상, 바람직하게는 150 mm 이상, 더욱 바람직하게는 200 mm 이상, 더욱더 바람직하게는 250 mm 이상, 가장 바람직하게는 300 mm 이상의 총 두께를 갖는 내탄도성 제품을 제조하는 단계.

본 발명에 따른 방법(본 발명의 방법으로도 지칭됨)의 바람직한 실시양태에서, 단계 (a)는 복수의 다층 시트를 적층함을 포함하며, 이때 상기 시트는 섬유 단층, 바람직하게는 일방향성 단층, 더욱 바람직하게는 일방향성 단층의 통합된 스택을 포함하고, 상기 스택 내 연이은 두 단층의 연신 방향은 상이하고; 단계 (b)는 상기 적층된 시트를 고온 및 고압 하에 통합시켜 100 mm 이상의 상기 제품의 총 두께가 얻어지도록 함을 포함한다.

본 발명은 또한 UHMWPE 섬유, 더욱 바람직하게는 UHMWPE 테이프를 포함하는 일방향성 단층들의 통합된 스택을 포함하는 하나 이상의 다층 시트를 포함하는 내탄도성 제품으로서, 상기 단층 내 섬유 또는 테이프는 바람직하게는 인접 단층의 공통 방향과 소정의 각도로 존재하는 공통 방향을 따라 정렬되고, 상기 제품은 200 kg/㎡, 더욱 바람직하게는 210 kg/㎡ 이상, 가장 바람직하게는 220 kg/㎡ 이상의 면적 밀도를 갖는, 내탄도성 제품에 관한 것이다.

본 발명은 또한 유리, 폴리벤족사졸; 폴리벤조티아졸; 폴리비닐 알코올; 폴리아크릴로나이트릴; 액정 코폴리에스터; 강성 막대 중합체; 폴리아마이드; 및 아라미드로 구성된 군으로부터 선택된 재료로부터 제조된 섬유를 포함하는 단층들의 통합된 스택을 포함하는 하나 이상의 다층 시트를 포함하는 내탄도성 제품으로서, 300 kg/㎡, 더욱 바람직하게는 310 kg/㎡ 이상, 가장 바람직하게는 320 kg/㎡ 이상의 면적 밀도를 갖는, 내탄도성 제품에 관한 것이다.

(a) 연신된 초고분자량 폴리올레핀의 일방향성 단층들의 통합된 스택을 포함하는 복수의 다층 재료 시트를 적층하는 단계로서, 상기 스택 내 연이은 두 단층들의 연신 방향은 상이한, 단계; 및

(b) 상기 적층된 시트를 고온 및 고압 하에 통합시켜 100 mm 이상의 상기 제품의 총 두께를 수득하는 단계.

다르게는, 제조 속도를 위해, 이와 같은 총 두께는 복수 개의 시트를 패널로 어셈블리하고 통합시킨 후, 복수 개의 패널을 최종 제품으로 통합시킴으로써 수득될 수 있다. 이와 같은 어셈블리는 당해 분야에 공지된 바와 같이 함께 볼팅(bolting)하는 것을 비롯한 표준 조임 기법에 의해 실시될 수 있다.

통합은 유압 프레스 내에서 적절히 수행될 수 있다. 통합 중의 온도는 일반적으로 상기 프레스의 온도를 통해 제어된다. 최소 온도는 일반적으로 바람직한 통합 속도가 얻어지도록 선택된다. 이와 관련하여, 적합한 온도 하한치는 80℃이고, 바람직하게는 100℃ 이상, 더욱 바람직하게는 120℃ 이상, 가장 바람직하게는 140℃ 이상이다. (연신된) 중합체성 단층, 즉 (연신된) 중합체성 섬유를 포함하는 단층의 경우, 최대 온도는 상기 섬유가 그의 기계적 특성을 상실하게 되는 온도, 예를 들어 연신된 폴리올레핀을 함유하는 단층의 경우, 상기 단층이 예컨대 폴리올레핀의 용융으로 인해 그의 높은 기계적 특성을 상실하게 되는 온도 미만으로 선택된다. 바람직하게는, 상기 온도는, 상기 (연신된) 중합체 단층의 용융 온도보다 10℃ 이상, 더욱 바람직하게는 15℃ 이상, 더욱더 바람직하게는 20℃ 이상 낮다. 연신된 폴리올레핀 단층의 경우, 상기 온도는 상기 연신된 폴리올레핀 단층의 용융 온도보다 바람직하게는 10℃ 이상, 더욱 바람직하게는 15℃ 이상, 더욱더 바람직하게는 20℃ 이상 낮다. (연신된) 중합체성 단층, 특히 상기 연신된 폴리올레핀 단층이 확실한 용융 온도를 나타내지 못하는 경우, 상기 단층이 그의 기계적 특성을 상실하기 시작하는 온도를 용융 온도 대신에 읽어야 한다. 바람직한 초고분자량 폴리에틸렌의 경우, 149℃ 미만, 바람직하게는 145℃ 미만의 온도가 일반적으로 선택될 것이다. 전형적인 압착 온도는 90 내지 145℃, 바람직하게는 115 내지 130℃ 범위이다. 통합 시의 압력은 바람직하게는 7 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 15 MPa 이상, 더욱더 바람직하게는 20 MPa 이상, 가장 바람직하게는 35 MPa 이상이다. 이에 의해, 강성 내탄도성 제품이 수득된다. 최적의 통합 시간은 온도, 압력 및 부품 두께와 같은 조건에 따라 일반적으로 5 내지 180분, 바람직하게는 20 내지 120분이고, 이는 통상의 실험을 통해 증명될 수 있다.

바람직하게는, 높은 탄도 저항성을 얻기 위해, 고온에서의 압착 몰딩 후 냉각을 또한 압력 하에 수행한다. 압력은 바람직하게는 적어도 상기 온도가 이완(relaxation)을 방지할 만큼 충분히 낮을 때까지 유지된다. 상기 온도는 당해 분야 숙련자에 의해 설정될 수 있고, 일반적으로 80℃ 미만이다.

본 발명에 따른 내탄도성 제품의 바람직한 실시양태에서, 상기 제품은 복수 개의 중첩된 다층 재료 시트들의 통합된 스택을 2개 이상 포함하며, 이때 상기 스택은 고정 수단에 의해 함께 고정된다. 적합한 고정 수단은 예를 들어 재료 시트들의 스택 둘레를 묶는 금속 또는 중합체의 리본, 또는 다른 표준 조임 수단을 포함한다. 한 실시양태에서 임의의 두 스택 사이에는 에어 갭(air gap)을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

바람직한 내탄도성 제품의 총 두께, 또는 다르게는 중량은 예를 들어 충분한 양의 다층 재료 시트들을 적층함으로써 수득된다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 내탄도성 제품은 100 내지 400 kg/㎡, 더욱 바람직하게는 100 내지 300 kg/㎡, 더욱더 바람직하게는 100 내지 260 kg/㎡, 가장 바람직하게는 100 내지 220 kg/㎡ 범위의 총 면적 밀도를 갖는다. 이러한 범위의 면적 밀도에서 특히 우수한 내탄도성이 수득됨이 확인되었다.

본 발명의 내탄도성 제품은, 특히 고속탄 및 초고속탄에 대해 저 중량에서 개선된 수준의 보호력을 제공하기 때문에, 종래 공지된 내탄도성 제품에 비해 특히 유리하다. 특히 바람직하게는 본 발명에 따른 내탄도성 제품을 1000 m/s 이상, 더욱 바람직하게는 1500 m/s 이상, 더욱더 바람직하게는 2000 m/s 이상, 가장 바람직하게는 3000 m/s 이상의 속도로 충돌하는 고속탄에 대한 용도이다.

본 발명에 따른 내탄도성 제품의 또 다른 특히 바람직한 용도는 폭발성형탄(EFP) 및/또는 급조폭발장치(IED)에 대한 보호력을 제공하는 것이다.

특허청구범위 제 1 항에 정의된 바와 같은 특정 척도로 인해, 본 발명에 따른 내탄도성 제품은 1000 m/s 이상, 더욱 바람직하게는 1500 m/s 이상, 더욱더 바람직하게는 2000 m/s 이상, 가장 바람직하게는 3000 m/s 이상의 속도로 충돌하는 고속탄, IED 및/또는 EFP를 잡아내는 데 특히 유용하다. "잡아내다"란 내탄도성 제품의 충격 면으로 들어오는 임의의 탄환이 상기 내탄도성 제품에 남아있는 것, 즉 상기 충격 면 반대쪽 면에서 내탄도성 제품을 떠나지 못하는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

전형적인 적용례에서, 본 발명에 따른 내탄도성 제품은 탱크 또는 지프와 같은 운송수단의 벽 외측에 부착되고, 바람직하게는 금속판 예컨대 스틸 플레이트에 의해 피복된다. 상기 외측에 부착함은 내부 체적을 보존하므로, 탱크 또는 지프 사용자의 거동 자유에 크게 영향을 미치지 않는다. 더욱이, 이러한 실시양태는 더 우수한 탄도 보호력을 제공한다. 특성은 내탄도성 뿐만 아니라 예를 들어 열 안정성, 보존 수명, 변형 저항성, 다른 재료 시트와의 결합 능력, 가공성 등을 포함한다. 따라서, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 내탄도성 제품을 포함하는 비행기, 탱크, 선박 또는 지프와 같은 운송수단에 관한 것이다.

이하에서는 본 발명을 하기 비-제한적인 실시예 및 비교 실험예에 의해 상술한다.

실시예 및 비교 실험예

고속 파편 위협에 대해 본 발명에 따른 내탄도성 제품의 효과를 조사하기 위해 시험을 실시하였다. 시험은 EFP의 영향을 모사할 수 있는 것으로 입증된 고속 건(High Velocity Gun)을 사용하여 실시하였다.

실시예 1

25 kg/㎡의 면적 밀도를 갖는 패널을 90분 동안 125℃의 온도 및 15 MPa의 압력에서 다이니마 HB26으로부터 압축시켰다. 패널을 주형으로부터 배출하기 전 60℃로 냉각하였다. 총 9개의 패널을 묶음 테이프를 통해 함께 어셈블리하여 225 mm의 두께를 갖는 내탄도성 제품을 형성하였다. 다이니마 HB26은 3.5 GPa의 강도를 갖는 폴리에틸렌 섬유들로 교차 플라잉된(cross plied) 일방향성 시트들로 구성되며, 이는 디에스엠 다이니마로부터 상업적으로 입수가능하다.

실시예 2

25 mm 시트 16개를 실시예 1에서와 같이 함께 어셈블리하여 314 kg/㎡의 면적 밀도 및 400 mm의 두께를 갖는 제품을 형성하였다. 상기 시트는 폴리프로필렌 P400 섬유들로 제조된 단층들을 함유하며, 이는 테그리스(Tegris(등록 상표)) 명칭 하에 밀리켄(Milliken)에 의해 시판된다.

실시예 3

25 mm 시트 6개를 실시예 1에서와 같이 함께 어셈블리하여 305 kg/㎡의 면적 밀도 및 150 mm의 두께를 갖는 제품을 형성하였다. 상기 시트는 S2 유리 섬유들로 제조된 단층들을 함유하고 에이쥐와이(AGY)에 의해 시판된다.

실시예 4

직조 폴리(p-페닐렌 테레프탈아마이드) 섬유 및 페놀계 수지를 포함하는 시트들을, 80분 동안 160℃ 및 7.5 MPa에서 가압하고, 이어서 압력 하에 65℃로 냉각함으로써 수득하였다. 25 kg/㎡의 면적 밀도를 갖는 시트들을 실시예 1에서와 같은 방식으로 함께 어셈블리하여 총 면적 밀도 290 kg/㎡ 및 두께 225 mm를 수득하였다.

실시예 5

다이니마 HB26 단층 대신에 일방향으로 정렬된 테이프를 포함하는 단층을사용한 것을 제외하고는, 실시예 1을 반복하였다. 테이프는 US 2006/0210749에 기재된 방법(실시예 2 내지 4)에 따라 UHMWPE(타이코나(Tycona)로부터의 GUR X168)로부터 제조되었다.

비교 실험예 A

롤링된 경화된 스틸의 패널을 실시예 1에서와 같은 방식으로 함께 어셈블리하여 525 kg/㎡의 총 면적 밀도를 수득하였고 고속 건을 사용하여 시험하였다.

비교 실험예 B

직조 폴리(p-페닐렌 테레프탈아마이드) 섬유 및 페놀계 수지를 포함하는 패널들을, 80분 동안 160℃ 및 7.5 MPa에서 가압하고, 이어서 압력 하에 65℃로 냉각함으로써 수득하였다. 25 kg/㎡의 면적 밀도를 갖는 패널들을 실시예 1에서와 같은 방식으로 함께 어셈블리하여 총 면적 밀도 275 kg/㎡ 및 두께 215 mm를 수득하였다.

내탄도성 시험

내탄도성 시험은, 고속 건을 사용하여 약 1750 m/s의 속도로 500 g의 반구형 탄두의 구리탄을 상기 기재된 제품에 발사하여 제품의 탄환 정지 효과를 측정함으로써 수행하였다. 성능에 "우수"라고 표시된 것은 상기 제품이 상기 위협을 정지시킬 수 있었음을 의미한다.

실시예/ 비교 실험예	구성	면적 밀도 (kg/㎡)	성능
1	다이니마 HB26 패널	225	우수
2	폴리프로필렌 섬유	314	우수
3	유리 섬유	305	우수
4	아라미드 섬유	302	우수
5	폴리에틸렌 테이프	216	우수
A	장갑 스틸 패널	525	불량
B	아라미드 섬유를 가진 패널	275	불량

탄환 충돌은 시험 기재의 약화를 일으키는 화재로 이어졌다.

상기 표에서의 시험 결과는 실시예 1의 제품뿐만 아니라 나머지 실시예들의 제품들도 탄환을 정지시킴으로써 "우수"한 성능을 나타내었다.

실시예 1의 제품보다 두 배가 넘는 중량을 갖는 비교 실험예 A의 장갑 스틸 구성은 탄환에 의해 관통됨으로써, 결과적으로 "불량"한 성능을 나타내었다.

실시예 1의 제품보다 무거운 비교 실험예 B의 아라미드 구성은 탄환에 의해 관통됨으로써, 결과적으로 "불량"한 성능을 나타내었다. 그러나, 아라미드 섬유를 함유하고 302 kg/㎡의 면적 밀도를 갖는 실시예 4의 제품은 통상적인 스틸 장갑의 제품보다 더 낮은 중량에서 EFP 위협을 성공적으로 정지시켰다.

상기 제시된 결과는 200 mm 이상의 총 두께를 갖는 다이니마의 내탄도성 제품이 장갑 스틸을 포함하는 종래의 내탄도성 제품 및 방향족 폴리아마이드로부터의 제품보다 더 낮은 중량에서 고속탄에 대한 보호력을 제공할 수 있음을 증명하고 있다.

본질적으로 난연성 재료가 아닌 다이니마의 제품의 월등한 내탄도 성능은 본질적으로 난연성인 아라미드 제품 및 훨씬 더 무거운 스틸 장갑에 비해 매우 놀라웠다.

Claims

하나 이상의 다층 시트(sheet)를 포함하는 내탄도성 제품으로서,
상기 시트가 섬유를 포함하는 단층들의 통합된 스택(consolidated stack)을 포함하며, 상기 제품의 총 두께가 적어도 100 mm임을 특징으로 하는, 내탄도성 제품.
제 1 항에 있어서,
상기 섬유가, 폴리올레핀 예컨대 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌; 폴리벤족사졸; 폴리벤조티아졸; 폴리비닐 알코올; 폴리아크릴로나이트릴; 액정 코폴리에스터; 강성 막대(rigid rod) 중합체; 폴리아마이드; 및 아라미드로 구성된 군으로부터 선택된 중합체성 재료로부터 제조된, 내탄도성 제품.
제 1 항에 있어서,
복수 개의 중첩된 다층 재료 시트를 포함하며, 상기 시트가 연신된 고분자량 폴리올레핀의 일방향성 단층들의 통합된 스택을 포함하고, 상기 스택 내 연이은 두 단층들의 연신 방향이 상이하되, 상기 제품의 총 두께가 적어도 100 mm인, 내탄도성 제품.
제 3 항에 있어서,
상기 제품 내 일방향성 단층들의 통합된 스택이 10개 이상의 일방향성 단층, 더욱 바람직하게는 20개 이상의 일방향성 단층, 더욱더 바람직하게는 40개 이상의 일방향성 단층을 포함하는, 내탄도성 제품.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제품이, 복수 개의 중첩된 다층 재료 시트의 스택을 둘 이상 포함하며, 상기 스택이 고정 수단에 의해 함께 고정된, 내탄도성 제품.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
온도 및 압력 하에 통합된 복수 개의 중첩된 다층 재료 시트를 포함하는, 내탄도성 제품.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
100 내지 400 kg/㎡, 더욱 바람직하게는 100 내지 300 kg/㎡, 더욱더 바람직하게는 100 내지 260 kg/㎡, 가장 바람직하게는 100 내지 220 kg/㎡ 범위의 총 면적 밀도를 갖는, 내탄도성 제품.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
세라믹, 스틸, 알루미늄, 마그네슘, 티탄, 니켈, 크롬 및 철 또는 이들의 합금, 유리 및 그래파이트, 또는 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 재료의 시트를 하나 이상 추가로 포함하는, 내탄도성 제품.
제 8 항에 있어서,
상기 재료의 시트가 상기 단층들의 스택의 외측에 적어도 상기 스택의 충격 면(strike face)에 위치되는, 내탄도성 제품.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 섬유가 초고분자량 폴리에틸렌으로부터 제조된, 내탄도성 제품.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 단층이, 동일 방향으로 정렬된 연신된 폴리올레핀의 복수 개의 일방향성 테이프들을 포함하는, 내탄도성 제품.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 단층이, 매트릭스에 평행 정렬로 내포된(embedded) 복수 개의 연신된 폴리올레핀 섬유를 포함하는, 내탄도성 제품.
연신된 폴리올레핀 섬유 및/또는 폴리올레핀 테이프의 직조 패브릭을 각각 포함하는 하나 이상의 층을 포함하는 내탄도성 제품.
1000 m/s 이상, 더욱 바람직하게는 1500 m/s 이상, 더욱더 바람직하게는 2000 m/s 이상, 가장 바람직하게는 3000 m/s 이상의 속도로 충돌하는 고속탄에 대해 보호하기 위한 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 내탄도성 제품의 용도.
폭발성형탄(EFP)에 대해 보호하기 위한 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 내탄도성 제품의 용도.
1000 m/s 이상, 더욱 바람직하게는 1500 m/s 이상, 더욱더 바람직하게는 2000 m/s 이상, 가장 바람직하게는 3000 m/s 이상의 속도로 충돌하는 고속탄, 급조폭발장치(IED) 및/또는 EFP를 잡아내기 위한 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 내탄도성 제품의 용도.