KR20120108390A - 전단농화유체를 포함하는 복합섬유와 이를 이용한 충격완화용 시이트 및 방탄소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전단농화유체(Shear Thickening Fluid: 이하 "STF"라 함)를 포함하는 복합섬유와 이를 이용한 충격완화용 시이트 및 보호재에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 STF를 섬유 내부에 시스-코어(sheath-core) 형태로 포함하는 복합 섬유를 이용하여 방탄성, 방검성 및 충격 흡수성, 통기성이 우수한 전단농화유체를 포함하는 복합섬유와 이를 이용한 충격완화용 시이트(sheet) 및 보호재에 대한 것이다.

Description

전단농화유체를 포함하는 복합섬유와 이를 이용한 충격완화용 시이트 및 방탄소재{Complex fiber comprising Shear Thickening Fluid, Sheet, Protecting Product using the same}

본 발명은 전단농화유체(Shear Thickening Fluid: 이하 "STF"라 함)를 포함하는 복합섬유와 이를 이용한 충격완화용 시이트 및 방탄소재에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 STF를 섬유 내부에 시스-코어(sheath-core) 형태로 포함하는 복합 섬유를 이용하여 방탄성, 방검성 및 충격 흡수성, 통기성이 우수한 전단농화유체를 포함하는 복합섬유와 이를 이용한 충격완화용 시이트(sheet) 및 방탄소재에 대한 것이다.

방탄소재를 이용한 제품 중 하나인 방탄복은 총탄으로부터 사람을 보호하는 옷으로서 우선 무게가 가벼워야하고, 우수한 사격 및 열 충격 저항 능력을 가져야 하며, 구조적 변형이 작아야 한다. 따라서 이러한 방탄복 등에 포함되는 섬유는 고강력, 고탄성 고내열, 저비중의 섬유가 사용되고 있다. 또한, 방탄복의 경우, 또 하나 중요하게 요청되는 성질은 통풍성이다. 특히 방탄복을 다른 옷 속에 입게 되는 경우에는 외부로 땀 배출이 되지 않아 체온이 올라가고, 따라서 장시간 착용이 불가능하게 되는 문제가 있다.

이러한 방탄복 등에 이용되는 방탄소재에는 종래, 고강도 폴리에틸렌 시이트가 널리 사용되어 왔으나, 제조원가가 비싸고 제조가 어려운 문제가 있었으며, 또 다른 종류로는 세라믹 판과 아라미드 직물을 여러 매로 적층시킨 아라미드 직물 적층체를 서로 적층 시킨 구조의 방탄판이 널리 사용되어 왔다.

한편, 종래의 방탄복으로는 상기 아라미드 직물을 여러 매 적층시킨 아라미드 직물 적층체가 널리 사용되어 왔다.

본 발명에 있어서, 아라미드 직물이란 경사 및 위사로 전방향족 폴리아미드(일명"아라미드"라고 함) 멀티필라멘트를 사용하여 제직 된 직물을 의미한다.

그러나, 종래의 방탄판 또는 방탄복을 구성하는 아라미드 직물은 경사 및 위사 모두가 꼬임이 가해진, 다시 말해 연사(撚絲)된 전방향족 폴리아미드 멀티필라멘트들로 이루어져 있기 때문에 상기 직물에 총알로 인한 충격이 가해지면 경사 및 위사의 꼬임부분이 약점(Weak point)으로 작용하여 방탄성능이 크게 저하되는 문제가 있었고, 방탄성이 부족하여 원하는 방탄효과를 얻기 위해서는 여러 매의 아라미드 직물을 적층 해야 하므로 무게가 무거워지는 문제가 있었다.

또 다른 방탄재료로는 전단농화유체(STF)가 함침된 아라미드 직물이 여러매 겹쳐있는 아라미드 직물 적층체가 일부 사용되고 있으나, 사용 중 아라미드 직물에 함침된 전단농화유체의 용매가 증발하여 상기 전단농화유체가 고화되는 현상으로 사용수명이 단축되는 문제가 있었으며, 나아가 외부 온도가 상승하는 경우, 상기 전단농화유체의 점도가 저하되어 유동적으로 변화되고, 이에 따라 방탄재료 표면에서 상기 STF가 흘러내려 방탄성을 크게 떨어뜨릴 뿐만 아니라 방탄재료 표면을 끈적하게 하여 이를 이용하는데 문제가 있으며, 또한 보관상으로도 문제가 되어 STF를 함침한 복합 섬유 및 이를 이용한 보호재 등을 널리 상용하는데 큰 문제가 있었다.

한편, 아라이드 직물의 표면을 STF로 코팅하고 여러매를 적층한 상기 종래 방탄 소재의 경우, 이를 이용한 방탄복의 경우, 통기가 전혀 되지 않아 장시간 착용에 문제가 있었는바, 이를 해결하기 위한 연구가 요청되고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 상기 STF를 복합 섬유의 내부 안쪽에 포함하는 경우, 우수한 방탄성을 유지함과 동시에 STF를 섬유 표면에 코팅함으로써 야기되었던 상기와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이에, 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 전단농화유체(Shear Thickening Fluid; STF) 및 폴리머 수지를 포함하는 복합 섬유로서, 상기 전단농화유체를 폴리머 수지 내부에 시스-코어(sheath-core) 구조로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 섬유를 제공한다.

또한, 상기 시스-코어(sheath-core) 구조에서 전단농화유체로 이루어진 코어 부분의 단면이 원형인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시스-코어(sheath-core) 구조에서 전단농화유체로 이루어진 코어 부분의 단면이 방사형인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전단농화유체로 이루어진 코어 부분이 복합 섬유 내부에 다수 존재하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 폴리머 수지는 용융점이 60℃ ~ 285℃인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 폴리머 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리락틱에시드, 아크릴, 폴리옥시메틸렌, 폴리카프로락톤, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리우레탄 수지로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상의 폴리머 수지인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전단농화유체(Shear Thickening Fluid)는 입자직경이 10 ~ 1,000㎚의 무기 입자가 비휘발성이고 무독성인 용매 및 분산제에 10중량% 이상의 농도로 충진되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 무기입자는 실리카(구형 또는 퓨움(fumed)형) 입자, 이산화티탄 입자 및 나노 카본튜브 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용매는 에틸렌글리콜 및 폴리에틸렌글리콜 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 한다.

상기 분산제는 에탄올 및 메탄올 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은 상기 복합 섬유를 이용한 충격완화용 시이트(Sheet)를 제공한다.

상기 시이트(Sheet)는 멜트블로운(melt-blown) 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시이트(Sheet)는 평직 및 바스켓직 중에서 선택된 어느 하나의 조직인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시이트(Sheet)는 직물, 편물 또는 부직포 형태 중에서 선택된 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은 또한, 상기 충격완화용 시이트(Sheet)를 포함하는 것을 특징으로 하는 보호재를 제공한다.

본 발명에 따라 전단농화유체(STF)를 복합 섬유 내부에 시스-코어(sheath-core) 형태로 포함시키는 경우, 이를 이용한 충격완화용 섬유 및 방탄소재의 방탄성 등의 충격완화도를 우수하게 유지하는 동시에, 종래 STF가 표면에 함침되어 있는 보호재의 문제점, 즉, 외부 조건에 따라 STF가 경화되거나 점도 저하로 흘러내림으로써 방탄성 및 보관성, 통기성 등이 크게 저하되는 현상을 개선하는 효과가 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따라 STF가 섬유 내부에 포함된 다양한 형태의 실시예에 따른 복합 섬유의 단면도를 나타낸다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 복합 섬유는, 전단농화유체(Shear Thickening Fluid; STF) 및 폴리머 수지를 포함하는 복합 섬유로서, 상기 전단농화유체를 폴리머 수지 내부에 시스-코어(sheath-core)형태로 포함되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 복합 섬유를 포함하는 충격완화용 시이트(sheet) 및 방탄소재를 제공한다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 발명에 따른 복합섬유는 도 1과 같이, 전단농화유체(Shear Thickening Fluid; STF)(1)의 외부에 폴리머 수지(2)가 피복되어 있는 시스-코어(sheath-core) 구조의 복합섬유일 수 있다.

상기 복합 섬유에 포함되는 구성물 중 폴리머 수지(2)는 녹는점이 60℃~ 285℃ 범위에 속하는 폴리머일 수 있다.

복합 섬유의 외부층을 이루는 폴리머 수지의 녹는점이 상기 범위를 벗어나, 60℃ 이하인 경우에는 사막지역이나 열대지방에서의 상용성 및 보관상 문제가 있고, 반대로 용융점이 285℃ 이상인 경우에는 섬유를 제조하기 위한 온도가 너무 높아지게 되어 전단농화유체를 변형시킬 우려가 있기 때문에 폴리머 수지는 상기 온도 범위에 속하는 용융점을 갖는 물질임이 바람직하며, 보다 구체적으로 상기 폴리머 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리락틱에시드, 아크릴, 폴리옥시메틸렌, 폴리카프로락톤, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리우레탄 중에서 선택된 어느 하나 일 수 있다.

한편, 상기 전단농화유체(STF)(1)는 10 ~ 1,000㎚의 무기입자가 비휘발성이고 무독성인 용매 및 분산제에 10중량% 이상의 농도로 충진되어 있는 유체임이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10 중량% ~ 90 중량%의 농도로 충진된 것일 수 있다.

상기 무기입자로는 예를 들어, 구형 또는 흄드(fumed)형 실리카 입자, 이산화티탄 입자 또는 나노 카본튜브 등이 이용될 수 있다.

또한, 상기 용매로는 예를 들어 폴리에틸렌글리콜 또는 에틸렌 글리콜 등을 사용할 수 있으며, 분산제로는 일례로는 에탄올 또는 메탄올 등이 이용될 수 있다.

상기 전단농화유체(STF)는 복합 섬유에 포함되어 총알 등으로 외부에서 급격한 충격이 가해질 경우 액상에서 고체상으로 상변화가 일어나 딱딱해지면서 외부 충격이 내부로 침투하는 것을 방지하는 역할을 수행한다.

본 발명에 따른 복합 섬유의 경우, 상기 폴리머 수지(2)로 피복된 STF(1)에 총알 등으로 인한 외부의 급격한 충격이 가해질 경우, 폴리머 수지층이 찢어지면서 STF가 외부로 노출되어 섬유 가닥들에 점착되며 고체상으로 변하는 것에 의해 섬유이탈을 방지함으로써 외부 충격이 내부로 침투하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 복합 섬유는 섬유 내부에 STF에 삽입된 형태라면 특별히 그 형태나 함량 등을 제한하지 않을 것이나, 다만 상기와 같은 STF의 역할이 원활하게 수행되어 상기 복합 섬유 및 이를 이용하는 충격완화용 시트 등의 방탄성이 우수하게 유지되도록 하기 위해서는 STF를 피복하는 폴리머 수지층이 너무 두껍지 않도록 한다.

보다 구체적으로는 상기 복합 섬유의 단면의 면적을 기준으로 STF가 차지하는 면적의 비율이 약 10% 이상이 되도록 함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 60 ~ 90%가 되도록 복합 섬유를 제조할 수 있다.

상기 복합 섬유에서 STF가 차지하는 비율이 10% 이하라면 방탄 성능 향상 효과가 미비할 수 있고 90% 이상을 넘는 경우에는 폴리머 수지의 피복효과가 제대로 발현되기 어려울 수 있기 때문이다.

한편, STF가 폴리머 수지에 의하여 피복되어 있는 시스-코어 형태의 구조를 갖는 복합 섬유라면 STF가 그 내부에 포함되는 형태에 대해서는 특별히 제한하지 아니할 것이며, 도 1 내지 도 3에서는 본 발명에 따른 복합 섬유의 바람직한 일 예에 따른 단면을 기재하였다.

본 발명에 따른 복합 섬유를 도 1 내지 도 3에 개시된 예시적 구조를 비롯한 다양한 단면의 형태를 갖는 복합 섬유로 제조될 수 있으며, STF 층 및 폴리머 층의 두께 또는 사이즈 등은 상기와 같은 표면적 비율을 갖는 범위 내에서 제조방법에 따라 다양한 사이즈로 제조될 수 있다.

한편, 본 발명에 따라 전단농화유체를 포함하는 복합 섬유의 제조방법은 특별히 제한하지 아니하며, 시스-코어 형태의 오리피스를 사용하는 것을 제외하고는 통상의 복합 섬유의 제조방법을 이용할 수 있다.

다만, 보다 바람직하게는, 멜트-블로운(melt-blown) 방사 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 또한, 복합섬유의 단면상에서 코아성분(STF)과 시스성분(폴리머)의 비율은 생산하고자 하는 시이트의 용도나 기능 내지 물성에 따라 가변 가능하나, 보다 구체적으로는, 전술한 바와 같이, 상기 복합 섬유의 단면의 면적을 기준으로 STF가 차지하는 면적의 비율이 약 10% 이상이 되도록 함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 60 ~ 90%가 되도록 복합 섬유를 제조할 수 있다.

한편 본 발명은 상기와 같은 복합섬유를 포함하는 충격완화용 시이트(sheet)를 제공한다.

상기 시이트는 상기 복합 섬유를 포함하는 것이라면, 그 조직의 형태에 대해 특별히 제한하지 아니한다.

본 발명의 일 실시예에서는 직물, 편물 또는 부직포의 형태 등으로 이루어진 시이트 중 어느 하나 일 수 있으며, 바람직하게는 부직포의 형태를 갖는 시이트 일 수 있다.

본 발명에 따른 복합 섬유를 이용한 시이트라면 방탄성능 등의 효과가 개선되어, 상기한 바와 같이, 시이트의 형태를 특별히 제한하지 아니할 것이나, 직물 또는 편물 형태인 경우, 이를 구성하는 경사 및 위사가 이루는 꼬임 부분에 총알로 인한 충격이 가해지면 상기 꼬임 부분은 가해진 충격을 상기 시이트의 전체 면적으로 효과적으로 분산시키는 것을 방해하는 약점(Weak point)으로 작용할 수도 있고, 이로 인해 방탄성능 등이 저하될 수도 있으므로, 본 발명에 따른 복합 섬유를 이용하는 부직포, 나아가 멜트-블로운(melt-blown) 방법을 이용하여 제조된 부직포가 보다 유리할 수 있기 때문이다.

한편, 본 발명의 시이트의 제조방법 또한 특별히 제한할 필요는 없고 공지의 상기 다양한 종류의 시이트를 제조하는 방법을 이용하여 제작될 수 있으며, 멜트-블로운(melt-blown) 등의 방법을 이용하여 제조된 부직포 일 수도 있다.

본 발명은 또한 상기 복합 섬유 또는 충격완화용 시이트를 포함하는 방탄소재를 제공한다.

본 발명에 따른 충격완화용 시이트 및 이를 포함하는 방탄소재는 종래, STF를 외부에 함침한 경우와는 달리 섬유의 내측에 삽입한 형태로서, 방탄성을 우수하게 유지하면서도 외부 조건에 따라 STF가 경화되거나 녹아 흐름으로써 방탄성이 크게 저하되는 것을 방지하고, 외부 표면에 끈적해지는 문제점을 개선할 수 있으며, 보관성을 높이고, STF를 포함하는 양을 효과적으로 조절할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예 및 비교예에 대해 설명한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

실시예

도 1의 형상의 제1방사구 및 제2방사구를 갖는 오리피스를 사용하여, 폴리에틸렌글리콜(EG) 내에 입자직경이 100nm인 실리카 입자가 65중량%로 충진되어 있는 전단농화유체(STF)를 제조하여 제1 방사구에 넣고, 폴리프로필렌 수지를 제2 방사구에 넣어 용융중합체로 연신, 극세화한후, 냉각하면서 도 1과 같은 단면을 갖는 코어(복합 섬유 단면적 대비 70%)-시스 구조의 복합 섬유로 이루어진 멜트블로운 부직포를 제조하였다.

비교예

폴리프로필렌 수지만을 이용하여 멜트블로운 부직포를 제조하였으며, 이를 상기 실시예의 조건과 동일한 조건의 STF에 침지하여, STF가 함침된 폴리프로필렌으로 이루어진 멜트블로운 부직포를 제조하였다.

상기 실시예와 비교예에 따른 부직포를 이용하여 보호재를 제조하였으며, 이에 대한 중량, 방탄성능 및 방검성능, 표면의 끈적임 정도, 통기성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

방탄성능은 NIJ standard 0101.06(IIIA level), 방검성능은 NIJ standard 0115.00 규격에 의거하여 실시하였으며 통기성은 Gurley densometer로0.1 inch² orifice를 사용하여 300cc air 조건에서 측정하였다.

	총 중량 (g)	방탄성능	방검성능	표면 끈적임	통기성Time(sec/300cc)
실시예	731.92	우수	우수	X	8.44
비교예	773.61	보통	보통	O	측정불가

성능판단기준:

- 우수: 총알이 방탄소재를 완전히 통과하지 않았을 뿐만 아니라 후면변형이 30mm이하로 나타남.

- 보통: 총알이 방탄소재를 완전히 통과하지 않았을 뿐만 아니라 후면변형이 30~40mm로 나타남.

10 코어부분 전단농화유체(Shear Thickening fluid; STF),
20 시스시스 폴리머 수지
1A, 1B 방사노즐,
2 냉각설비,
3 토출된 복합 섬유,
4 컬렉터,
9 와인더

Claims (15)

1. 전단농화유체(Shear Thickening Fluid; STF)를 코어(core)로 포함하고 폴리머 수지를 시스(sheath)로 포함하는 시스-코어(sheath-core) 구조의 복합 섬유.
2. 제1항에 있어서, 상기 시스-코어(sheath-core) 구조에서 전단농화유체로 이루어진 코어 부분의 단면이 원형인 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
3. 제1항에 있어서, 상기 시스-코어(sheath-core) 구조에서 전단농화유체로 이루어진 코어 부분의 단면이 방사형인 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
4. 제2항에 있어서, 상기 전단농화유체로 이루어진 코어 부분이 복합 섬유 내부에 다수 존재하는 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
5. 제1항에 있어서, 상기 폴리머 수지는 용융점이 60℃ ~ 285℃인 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
6. 제5항에 있어서, 상기 폴리머 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리락틱에시드, 아크릴, 폴리옥시메틸렌, 폴리카프로락톤, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리우레탄 수지로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상의 폴리머 수지인 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
7. 제1항에 있어서, 상기 전단농화유체(Shear Thickening Fluid)는 입자직경이 10~1,000㎚의 무기 입자가 비휘발성이고 무독성인 용매 및 분산제에 10중량% 이상의 농도로 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
8. 제7항에 있어서, 상기 무기입자는 구형 또는 흄드(fumed)형 실리카 입자, 이산화티탄 입자 및 나노 카본튜브 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
9. 제7항에 있어서, 상기 용매는 에틸렌글리콜 및 폴리에틸렌글리콜 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
10. 제7항에 있어서, 상기 분산제는 에탄올 및 메탄올 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 복합 섬유를 이용한 충격완화용 시이트(Sheet).
12. 제11항에 있어서, 상기 시이트(Sheet)는 멜트블로운(melt-blown) 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 충격완화용 시이트(Sheet).
13. 제11항에 있어서, 상기 시이트(Sheet)는 평직 및 바스켓직 중에서 선택된 어느 하나의 조직인 것을 특징으로 하는 충격완화용 시이트(Sheet).
14. 제11항에 있어서, 상기 시이트(Sheet)는 직물, 편물 또는 부직포 형태 중에서 선택된 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 충격완화용 시이트(Sheet).
15. 제11항에 따른 충격완화용 시이트(Sheet)를 포함하는 것을 특징으로 하는 보호재.

Images