KR20130100312A - 내탄도 용도를 위한 저밀도 및 고강도 섬유 유리 - Google Patents

내탄도 용도를 위한 저밀도 및 고강도 섬유 유리 Download PDF

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KR20130100312A
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제임스 칼 피터스
후안 카밀로 세라노
홍 리
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피피지 인더스트리즈 오하이오 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은, 유리 조성물로부터 형성된 유리 섬유를 포함한 직물, 복합체, 프리프레그, 라미네이트 및 다른 제품에 관한 것이다. 몇몇 실시양태에서, 유리 섬유는, 고에너지 충격 용도, 예컨대 내탄도 또는 내폭 용도에 사용하기 적합할 수 있는 복합체 내에 포함된다. 유리 조성물의 몇몇 실시양태로부터 형성된 유리 섬유는, 예를 들어 바람직한 전기적 성질(예컨대 낮은 Dk) 또는 바람직한 기계적 성질(예컨대 비 강도)를 비롯한 특정한 바람직한 성질을 가질 수 있다.

Description

내탄도 용도를 위한 저밀도 및 고강도 섬유 유리{LOW DENSITY AND HIGH STRENGTH FIBER GLASS FOR BALLISTIC APPLICATIONS}
본 발명은 고 에너지 충격 용도, 예컨대 내탄도 또는 내폭 용도에서 사용하기 적합한 유리 섬유를 포함하는 복합체에 관한 것이다.
연방 정부가 후원하는 연구 또는 개발에 관련한 성명서
본 발명은 군사 연구소가 수여한 W911NF-09-9-0003 계약 하에 정부의 지원으로 만들어졌다. 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 갖는다.
관련된 출원에 대한 교차-참고
본 출원은, 2010년 9월 14일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 61/382,794 호에 대해 우선권을 주장하며, 이의 모든 개시 내용이 본원에 참조로서 인용된다. 본 출원은 2006년 12월 14일에 출원된 미국 특허 출원 제 11/610,761 호(현재, 2010년 11월 9일에 발행된 미국 특허 제 7,829,490 호)의 계속 출원인, 2010년 11월 5일에 출원된 미국 특허 출원 제 12/940,764 호의 일부 계속 출원인, 2011년 9월 9일에 출원된 미국 특허 출원 제 13/229,012 호에 대해 우선권을 주장하고 이의 일부 계속 출원이며, 이들 특허 각각의 내용을 전체 본원에 참조로 인용한다.
다양한 원인, 예컨대 발사체 및 폭발 압축 파동으로부터의 고 에너지 충격에 견딜 수 있는 물질이 민간 및 군대의 구조적인 강화 용도, 및 장갑차량 용도를 포함하는 광범위한 용도에서 사용된다. 다양한 폭발 장치에 의한 잠재적인 손상으로부터 차량을 보호하는데 예를 들어 세라믹 판 및 강화된 복합체 물질이 사용되었다. 하지만, 내탄도 용도에 사용하기에 바람직한 성질을 나타낼 물질의 예측은 매우 어렵다.
유리 섬유는 수년간 다양한 중합체성 수지를 강화하기 위해 사용되었다. 강화 용도로 사용하기 위해 흔히 사용되는 유리 조성물은 "E-유리" 및 "D-유리" 조성물 집단을 포함한다. 다른 흔히 사용되는 유리 조성물은 상품명 "S-2 유리"로 AGY(싸우스 캐롤라이나 에이컨 소재)로부터 상업적으로 입수가능하다. 하지만 고 에너지 충격 용도, 예컨대 내탄도 또는 내폭 용도용 유리 섬유로 중합체성 수지를 강화하는 것은 다른 바람직한 기계적 성질도 갖는 복합체를 필연적으로 낳는 것은 아니다.
일반적으로, 유리 섬유는 부싱(bushing) 내에 위치한 작은 오리피스(orifice) 압출 성형된 용융 유리의 작은 스트림으로부터 제조될 수 있다. 부싱에서 나온 용융 유리의 섬유는 섬유의 냉각 및 고화 시간 동안, 바람직한 직경이 얻어질 때까지 섬유를 당겨 바람직한 직경으로 감쇠된다. 이 냉각된 섬유 및 필라멘트는 후에 바람직한 성질을 줄 수 있는 사이징(sizing)으로 코팅될 수 있다. 본원에 사용된 용어 "사이징"은 형성 후에 즉시 섬유 유리 필라멘트에 적용되는 코팅 조성물을 의미하며, 용어는 "사이즈", "사이징 조성물", "1차 사이징", "바인더 조성물" 및 "바인더" 용어로 교환되어 사용될 수 있다. 이들의 형성 및 처리 후에, 사이징처리된 유리 섬유는 복수의 개별 섬유를 포함하는 묶음 또는 스트랜드로 묶일 수 있다. 유사하게, 묶음 및 스트랜드는 복수의 묶음 또는 스트랜드를 포함하는 로빙(roving)으로 더 묶일 수 있다. 연속 스트랜드 또는 로빙은 패키지를 형성하기 위해 스풀(spool)에 감길 수 있다. 필요에 따라, 후에 스트랜드 또는 로빙의 길이가 스풀로부터 풀릴 수 있다.
본 발명의 다양한 실시양태는 일반적으로 저밀도 및 고강도 유리 섬유, 및 내탄도 또는 내폭 용도로 사용하기에 적합한 저밀도 및 고강도 유리 섬유를 포함하는 섬유 유리 스트랜드, 얀, 직물, 복합체 및 장갑 패널에 관한 것이다.
한 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 중합체성 수지 및 중합체성 수지 내에 배치된 복수의 유리 섬유를 포함하며, 이때 복수의 유리 섬유 중의 하나 이상은 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 68 중량%;
B2O3 7 내지 12 중량%;
Al203 9 내지 15 중량%;
MgO 8 내지 15 중량%;
CaO 0 내지 4 중량%;
Li20 0 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 1 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 1 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%,
이때 (Li2O + Na2O + K2O) 함량은 2 중량% 미만이며, MgO 함량은 중량%를 기초로 CaO 함량의 두 배 이상이며, 상기 복합체는 내탄도 또는 내폭 용도에 사용하기 적합하다.
다른 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 중합체성 수지 및 중합체성 수지 내에 배치된 복수의 유리 섬유를 포함하며, 복수의 유리 섬유 중 하나 이상은 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 53.5 내지 77 중량%;
B2O3 4.5 내지 14.5 중량%;
Al203 4.5 내지 18.5 중량%;
MgO 4 내지 12.5 중량%;
CaO 0 내지 10.5 중량%;
Li20 0 내지 4 중량%;
Na20 0 내지 2 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 2 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%,
이때 상기 복합체는 내탄도 또는 내폭 용도에 사용하기 적합하다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 장갑(armor)의 V50 탄도 실험을 위한 미국 국방부 표준 실험 방법(MIL-STD-662F, 1997년 12월)에 의해 측정시, 약 2lb/ft2의 면 밀도 및 약 5 내지 6mm의 두께에서 약 900fps 이상의 0.30 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 장갑의 V50 탄도성 실험을 위한 미국 국방부 표준 실험 방법(MIL-STD-662F, 1997년 12월)에 의해 측정시, 약 4.8 내지 4.9lb/ft2의 면 밀도 및 약 13 내지 13.5mm의 두께에서 약 1200fps 이상의 0.50 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용될 수 있는 중합체성 수지는 에폭시 수지를 포함한다. 몇몇 실실양태에서, 중합체성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 열가소성 폴리우레탄, 페놀수지, 폴리에스터, 비닐 에스터 및 열경화성 폴리우레탄 수지 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 복합체 내의 복수의 유리섬유는 직물을 형성하도록 배열된다. 본 발명의 복합체의 몇몇 실시양태에서 사용된 복수의 유리섬유는 직물을 형성하도록 직조된다. 몇몇 실시양태에서, 이런 직물은 평직 직물, 능직 직물, 크로우풋(crowfoot) 직물, 수자직(satin weave) 직물, 스타치 본디드(stitch bonded) 직물 또는 3D 직물을 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시양태는 본 발명의 복합체를 포함한 장갑 패널에 관한 것이다.
이들 또는 다른 실시양태는 하기의 상세한 설명에서 더 상세히 논의된다.
본원에서, 달리 표시되지 않는 한, 본원에 사용되는 구성성분의 양, 반응 조건 등을 표현하는 모든 수치는 모든 경우에 용어 "약"으로 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 표시되지 않는 한, 하기 본원에 기재되는 수치 매개변수는 본 발명에 의해 수득하고자 하는 목적하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다. 적어도, 또한 특허청구범위의 영역에 대한 등가물의 원리의 적용을 한정하고자 하지 않으면서, 각 수치 매개변수는 적어도 보고된 유의한 숫자의 수치에 비추어 또한 통상적인 반올림 기법을 적용함으로써 유추되어야 한다.
본 발명의 넓은 영역을 기재하는 수치 범위 및 매개변수가 근사치임에도 불구하고, 구체적인 실시예에 기재되는 수치 값은 가능한한 정밀하게 보고된다. 그러나, 임의의 수치 값은 이들의 개별적인 시험 측정치에서 발견되는 표준 편차로부터 불가피하게 야기되는 특정 오차를 내재적으로 함유한다.
또한, 본원에 사용되는 단수형은 명시적이고도 명백하게 하나의 대상으로 한정되지 않는 한 복수 개의 대상을 포함함에 주목한다.
이전의 낮은 Dk 유리 제안보다 상업적으로 실용적인 섬유 형성을 위해 더 전도성인 온도-점도 관계를 제공하면서, 표준 E-유리 대비 개선된 전기적 성능(예컨대 낮은 유전상수(Dk) 및/또는 낮은 손실계수(Df))을 제공하는 섬유화가능한 유리 조성물이 개발되었다. 이런 유리 조성물은, 그들 전체로 본원에 참조로서 인용된, 미국 특허 제 7,829,490 호 및 2011년 9월 9일에 출원된 미국 특허 출원 제 13/229,012 호에 기재되어 있다. 미국 특허 제 7,829,490 호 및 미국 특허 출원 제 13/229,012 호에 기재된 유리 조성물의 추가의 선택적 양태는, 조성물의 적어도 몇몇은 상대적으로 낮은 원료 배취 비용으로 상업적으로 제조될 수 있다는 것이다.
본 발명의 몇몇 실시양태는 유리 섬유를 포함하는 복합체에 관한 것이다. 몇몇 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 고 에너지 충격 용도(이로 제한되는 것은 아님)를 비롯한 높은 기계적 응력 용도에 사용하기 적절하다. 예를 들어 몇몇 실시예에서 본 발명의 복합체는 중합체성 수지 및 중합체성 수지 내에 배치된 복수의 유리 섬유를 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 유리 섬유는 고 에너지 충격 용도, 예컨대 내탄도 또는 내폭 용도용으로 특히 바람직한 성질을 나타낼 수 있다. E-유리를 포함하는 유리 섬유와 비교할 때, 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 유리 섬유는 고 파단 변형(strain to failure), 고강도 및/또는 낮은 섬유 밀도를 나타낼 수 있으며, 이러한 조합은 주어진 섬유 부피 분율 또는 주어진 복합체 성능에 있어서 더 낮은 면 밀도를 가진 유리 섬유-강화된 복합체를 낳을 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 장갑 용도에서 사용하기 적절할 수 있다. 예를 들어, 복합체의 몇몇 실시양태는 장갑 패널의 제품에서 사용될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 장갑의 V50 탄도 실험을 위한 미국 국방부 표준 실험 방법인 MIL-STD-662F(1997년 12월, 이하 "MIL-STD-662F")(이를 본원에 참조로서 인용한다)에 의해 측정시, 약 2lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 5 내지 6mm의 패널 두께에서 약 900 fps(초당 피트) 이상의 0.30 cal FSP("조각 시뮬레이팅 발사체") V50 값을 나타낼 수 있다. 본 명세서에서, 용어 "복합체"는 일반적으로 중합체성 수지 및 중합체성 수지 내에 배치된 복수의 유리 섬유를 포함하는 물질을 의미하며, 용어 "패널"은 시트-유사 물리적 크기 및 형태를 갖는 복합체를 의미한다. 다른 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 4.8 내지 4.9lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 13 내지 13.5mm의 패널 두께에서 약 1200 fps 이상의 0.50 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. V50 값이 패널 면 밀도 및 패널 두께에 의존할 수 있기 때문에, 본 발명의 복합체는 패널이 어떻게 구성되는지에 따라 다른 V50 값을 가질 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시양태의 한가지 이점은 E-유리 섬유를 사용하여 제조된 유사한 구성의 복합체보다 더 큰 V50 값을 갖는 복합체의 제공이다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 중합체성 수지 및 중합체성 수지 내에 배치된 복수의 유리 섬유를 포함하며, 이때 복수의 유리 섬유 중 하나 이상은 하기 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 68 중량%;
B2O3 7 내지 12 중량%;
Al203 9 내지 15 중량%;
MgO 8 내지 15 중량%;
CaO 0 내지 4 중량%;
Li20 0 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 1 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 1 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%,
이때 상기 복합체는 내탄도 또는 내폭 용도에 사용하기 적합하다. 몇몇 실시양태에서, (Li2O + Na2O + K2O) 함량이 2 중량% 미만이며, MgO 함량이 중량%를 기초로 CaO 함량의 두 배 이상이다. 다른 실시양태에서 Li2O 함량은 Na2O 함량 또는 K2O 함량보다 더 클 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 중합체성 수지 및 중합체성 수지 내에 배치된 복수의 유리 섬유를 포함하며, 이때 복수의 유리 섬유 중 하나 이상은 하기 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 53.5 내지 77 중량%;
B2O3 4.5 내지 14.5 중량%;
Al203 4.5 내지 18.5 중량%;
MgO 4 내지 12.5 중량%;
CaO 0 내지 10.5 중량%;
Li20 0 내지 4 중량%;
Na20 0 내지 2 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 2 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%,
이때 상기 복합체는 내탄도 또는 내폭 용도에 사용하기 적합하다. 몇몇 실시양태에서, (Li2O + Na2O + K2O) 함량이 2 중량% 미만이며, MgO 함량이 중량%를 기초로 CaO 함량의 두 배 이상이다. 다른 실시양태에서 Li2O 함량은 Na2O 함량 또는 K2O 함량보다 더 클 수 있다.
많은 다른 유리 조성물이 본 발명의 본원에 개시되어 있으며, 본 발명의 다른 실시양태는 이런 조성물로부터 형성된 복수의 유리 섬유를 포함하는 복합체에 관한 것이다.
본 발명의 몇몇 실시양태는 패널, 예컨대 본 발명의 복합체를 포함하는 장갑 패널에 관한 것이다. 몇몇 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 2lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 5 내지 6mm의 패널 두께에서 약 900 fps 이상의 0.30 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. 다른 실시양태에서 본 발명의 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 2lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 5 내지 6mm의 패널 두께에서 약 1000 fps 이상의 0.30 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 2lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 5 내지 6mm의 패널 두께에서 약 1100 fps 이상의 0.30 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서, 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 2lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 5 내지 6mm의 패널 두께에서 약 900 fps 내지 약 1140 fps의 0.30 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 4.8 내지 4.9lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 13 내지 13.5mm의 패널 두께에서 약 1200fps 이상의 0.50 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. 본 발명의 다른 실시양태에서, 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 4.8 내지 4.9lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 13 내지 13.5mm의 패널 두께에서 약 1300fps 이상의 0.50 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 4.8 내지 4.9lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 13 내지 13.5mm의 패널 두께에서 약 1400fps 이상의 0.50 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서, 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 4.8 내지 4.9lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 13 내지 13.5mm의 패널 두께에서 약 1200fps 내지 약 1440fps의 0.50 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다.
본 발명의 복합체는 바람직한 성질 및 용도에 따라 다양한 중합체성 수지를 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서, 복합체는 중합체성 수지 및 중합체성 수지 내에 배치된 복수의 유리 섬유를 포함하며, 이때 복수의 유리 섬유 중 하나 이상은 본원에 설명한 유리 조성물을 포함하며, 상기 복합체는 패널, 예컨대 내탄도 또는 내폭을 위한 장갑 패널로 형성될 수 있으며, 중합체성 수지는 에폭시 수지를 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 중합체성 수지 및 중합체성 수지 내에 배치된 복수의 유리 섬유를 포함하며, 이때 복수의 유리 섬유 중 하나 이상은 본원에 설명한 유리 조성물을 포함한 유리 섬유를 포함하며, 상기 복합체는 패널, 예컨대 내탄도 또는 내폭을 위한 장갑 패널로 형성될 수 있으며, 중합체성 수지는 폴리다이사이클로펜타다이엔 수지를 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서, 중합체성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아마이드(나일론 포함), 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 열가소성 폴리우레탄, 페놀수지, 폴리에스터, 비닐 에스터, 열경화성 폴리우레탄, 시아네이트 에스터 또는 비스-말레이미드 수지를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서, 복합체는 중합체성 수지 및 중합체성 수지 내에 배치된 복수의 유리 섬유를 포함하며, 이때 복수의 유리 섬유 중 하나 이상은 본원에 설명한 유리 조성물을 포함하며, 상기 복합체는 패널, 예컨대 내탄도 또는 내폭을 위한 장갑 패널로 형성될 수 있으며, 복수의 유리 섬유 중 하나 이상은 사이징 조성물로 적어도 부분적으로 코팅된다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서, 사이징 조성물은 중합체성 수지와 상용성일 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서, 복합체는 중합체성 수지 및 중합체성 수지 내에 배치된 복수의 유리 섬유를 포함하며, 이때 복수의 유리 섬유 중 하나 이상은 본원에 설명한 유리 조성물을 포함하며, 상기 복합체는 패널, 예컨대 내탄도 또는 내폭을 위한 장갑 패널로 형성될 수 있으며, 복수의 유리 섬유는 직물을 형성하도록 배열된다. 직물을 형성하도록 배열된 복수의 유리섬유를 포함한 본 발명의 몇몇 실시양태에서, 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 2lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 5 내지 6mm의 패널 두께에서 약 1000 fps 이상의 0.30 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. 직물을 형성하도록 배열된 복수의 유리섬유를 포함한 본 발명의 다른 실시양태에서, 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 2lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 5 내지 6mm의 패널 두께에서 약 1100 fps 이상의 0.30 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. 직물을 형성하도록 배열된 복수의 유리섬유를 포함한 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 2lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 5 내지 6mm의 패널 두께에서 약 900 fps 내지 약 1140 fps의 0.30 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. 직물을 형성하도록 배열된 복수의 유리섬유를 포함한 본 발명의 몇몇 실시양태에서, 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 4.8 내지 4.9lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 13 내지 13.5mm의 패널 두께에서 약 1200 fps 이상의 0.50 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. 직물을 형성하도록 배열된 복수의 유리섬유를 포함한 본 발명의 다른 실시양태에서, 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 4.8 내지 4.9lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 13 내지 13.5mm의 패널 두께에서 약 1300 fps 이상의 0.50 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. 직물을 형성하도록 배열된 복수의 유리섬유를 포함한 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 4.8 내지 4.9lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 13 내지 13.5mm의 패널 두께에서 약 1400 fps 이상의 0.50 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다. 직물을 형성하도록 배열된 복수의 유리섬유를 포함한 본 발명의 몇몇 실시양태에서, 복합체는 패널로 형성될 수 있으며, 이때 패널은 MIL-STD-662F에 의해 측정시, 약 4.8 내지 4.9lb/ft2의 패널 면 밀도 및 약 13 내지 13.5mm의 패널 두께에서 약 1200fps 내지 약 1440fps의 0.50 cal FSP V50 값을 나타낼 수 있다.
직물을 형성하도록 배열된 복수의 유리섬유를 포함한 본 발명의 몇몇 실시양태에서, 복수의 유리 섬유는 직물을 형성하도록 직조된다. 본 발명의 다른 실시양태에서, 유리 섬유 직물은 평직 직물, 능직 직물, 크로우풋 직물, 수자직 직물, 스타치 본디드 직물(또한 비-크림프(non-crimp) 직물로 알려짐) 또는 3D 직물을 포함한다.
직물을 형성하도록 배열된 복수의 유리섬유를 포함한 본 발명의 몇몇 실시양태에서, 중합체성 수지는 에폭시 수지를 포함한다. 직물을 형성하도록 배열된 복수의 유리섬유를 포함한 본 발명의 몇몇 실시양태에서 중합체성 수지는 폴리다이사이클로펜타다이엔 수지를 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서, 중합체성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아마이드(나일론을 포함), 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 열가소성 폴리우레탄, 페놀수지, 폴리에스터, 비닐 에스터, 열경화성 폴리우레탄, 시아네이트 에스터 또는 비스-말레이미드 수지를 포함한다.
본 발명에서 유용한 유리 섬유는 당해 분야에서 보통의 숙련자에게 알려진 임의의 적절한 방법, 예컨대 본원의 상기에 설명된 방법에 의해 만들어질 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다. 본 발명에서 유용한 유리 섬유 직물은 당해 분야에서 보통의 숙련자에게 알려진 임의의 적절한 방법, 예컨대 웨프트 얀(또한 "필 얀"을 의미함)을 복수의 워프 얀 내로 교차위빙(interweaving)하는 방법(하지만 이로 제한되지는 않음)으로 일반적으로 만들어질 수 있다. 이런 교차위빙은 워프 얀을 직조기에 보통 평행한 평면 배열로 위치시킨 후에, 소정의 반복적인 패턴으로 웨프트 얀을 워프 얀의 위 및 아래로 통과시켜 웨프트 얀을 워프 얀에 위빙함으로써 달성할 수 있다. 사용되는 패턴은 바람직한 직물 스타일에 따른다.
워프 얀은 일반적으로 당해 분야에서 숙련자에게 알려진 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 워프 얀은 부싱(bushing) 또는 스피너(spinner)로부터의 복수의 용융 유리 스트림을 감쇠시켜 형성된다. 그 후에, 사이징 조성물을 개개의 유리 섬유에 적용하고 섬유를 합하여 스트랜드(strand)를 형성한다. 단일 엔드 스트랜드는 그 뒤에 여러 엔드들을 함께 묶어 약간의 트위스트를 제공함으로써 조립된 로빙으로 가공될 수 있다. 가끔, 묶음 일체성은 물 또는 스팀 처리에 의해 증가된다. 묶인 다중-엔드 스트랜드는 후에 3" 판지 스풀상에 권취될 수 있다. 이때, 스풀은, 미리 결정된 스타일로 직조하기 위해 전통적인 레이피어 직조기 내에서 스트랜드 엔드를 타잉(tying)함으로써 워프 또는 웨프트 공급을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 복합체는 당해 분야에서 보통의 숙련자에게 알려진 임의의 적절한 방법, 예컨대 진공 보조 수지 주입 몰딩, 압출 혼련, 압축 몰딩, 수지 전달 몰딩, 반응 주입 몰딩 및 풀트루젼(pultrusion)에 의해 제조될 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 복합체는 당해 분야에서 보통의 숙련자에게 알려진 바와 같은 몰딩 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명의 몇몇 복합체는, 이하에서 추가로 설명하는 바와 같이, 진공 보조 수지 주입 기술을 사용하여 만들어질 수 있다. 본 발명의 유리 섬유 직물의 스택을 바람직한 크기로 절단하여 실리콘 이형제-처리된 유리 테이블 상에 위치시킨다. 이어서, 스택을 필 플라이(peel ply)로 덮고, 유량 증가 매체를 장착하고, 나일론 배깅(bagging) 필름을 사용하여 진공 포장한다. 다음에, 소위 "레이 업(lay up)"을 약 27 인치 Hg의 진공 압력으로 처리할 수 있다. 별도로, 섬유 유리 직물로 강화될 중합체성 수지를 그 특정 수지에 관한 당해 분야에서 숙련자에게 알려진 기술을 사용하여 제조할 수 있다. 몇몇 중합체성 수지의 경우, 예를 들어, 적절한 수지(예컨대 아민-경화성 에폭시 수지)는 수지 제조업자에게 추천되거나 당해 분야에서 보통의 숙련자에게 알려진 비율로, 적절한 경화 물질(예컨대 아민-경화성 에폭시 수지를 위한 아민)과 혼합될 수 있다. 합쳐진 수지는 이어서 진공 챔버에서 30분간 탈기된 후 실질적으로 완전히 직물 스택의 함침이 달성될 때까지 직물 프리폼(preform)을 통해 주입될 수 있다. 이 시점에서, 테이블은 가열된 블랭킷(blanket)(약 45 내지 50℃의 온도)으로 24시간 동안 덮일 수 있다. 생성된 경질 복합체는 이어서 탈형(de-mold)되어 약 350℃에서 4 시간 동안 프로그램 조작 가능한 대류식 오븐(convection oven)에서 후-경화될 수 있다. 하지만, 당해 분야에서 보통의 숙련자에게 알려진 것과 같이, 다양한 변수, 예컨대 탈기 시간, 가열 시간 및 후-경화 조건은 사용되는 특정 수지 시스템에 따라 다양할 수 있으며, 당해 분야의 보통의 숙련자는 특정 수지 시스템을 기초로 하여 이런 변수를 어떻게 선택할지 이해할 것이다.
중합체성 수지가 폴리다이사이클로펜타다이엔을 포함하는 본 발명의 복합체의 몇몇 실시양태에서, 이런 복합체는 하기에 설명하는 진공 보조 수지 주입 기술을 사용하여 만들어질 수 있다. 본 발명의 유리 섬유 직물의 스택을 원하는 크기로 잘라, 실리콘 이형제 처리된 유리 테이블에 위치시킬 수 있다. 이 스택을 이어서 필 플라이(peel ply)로 덮고, 유량 증가 매체를 장착하고, 나일론 배깅(bagging) 필름을 사용하여 진공 포장한다. 다음에, 소위 "레이 업(lay up)"을 약 27 인치 Hg의 진공 압력으로 처리할 수 있다. 별도로, 섬유 유리 직물로 강화될 폴리다이사이클로펜타다이엔 수지를 당해 분야에서 숙련자에게 알려진 기술을 사용하여 제조할 수 있다. 폴리다이사이클로펜타다이엔 수지의 경우, 예를 들어, 이 수지는 적정한 양의 촉매 및 몇몇 경우 개시제와, pDCPD 공급자가 권장하거나 당해 분야에서 보통의 숙련자에게 알려진 비율로 혼합된다. DCPD 수지는 후에 진공 챔버에서 30분간 진공으로 탈기될 수 있으며, 실질적으로 완전히 직물 스택의 함침이 달성될 때까지 직물 프리폼(preform)을 통해 주입될 수 있다. 이 시점에서, 기구는 약 120℃ 온도로 4시간 이하 동안으로 설정된다. 제조된 경질 복합체는 이어서 탈형(de-mold)될 수 있다. 하지만, 당해 분야에서 보통의 숙련자에게 알려진 바와 같이, 다양한 매개 변수, 예컨대 가스 제거 시간, 가열 시간 및 후 경화 조건은 사용되는 특정한 수지 시스템에 따라 다양할 수 있으며, 당해 분야의 보통의 숙련자는 특정 수지 시스템을 기초로 하여 이런 매개 변수를 어떻게 선택할지 이해할 것이다.
상기에 기재하였듯이, 본 발명의 복합체는 복수의 유리 섬유를 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용하기 적절한 유리 섬유는 바람직한 용도에 따라 당해 분야에서 보통의 숙련자에게 알려진 임의의 적절한 직경을 가질 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유는 약 5 내지 약 12㎛의 직경을 갖는다. 본 발명의 다른 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유는 약 6㎛의 직경을 갖는다. 예를 들어, 유리 섬유를 고 에너지 충격 용도, 예컨대 내탄도 또는 내폭 용도로 사용하기 위한 복합체에 사용하는 몇몇 실시양태에서, 유리 섬유는 약 6㎛의 직경을 가지며, 다른 유리 섬유 직경 또한 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용하기 적절한 유리 섬유 및 유리 섬유 스트랜드는 다양한 유리 조성물을 포함할 수 있다. 이런 유리 섬유 및 섬유 유리 스트랜드의 몇몇 실시양태는 상기에 기재되어 있고, 다른 것들은 이하에서 설명된다. 상기에서 언급하였듯이, 본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 한 예는 하기 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 68 중량%;
B2O3 7 내지 12 중량%;
Al203 9 내지 15 중량%;
MgO 8 내지 15 중량%;
CaO 0 내지 4 중량%;
Li20 0 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 1 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 1 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 68 중량%;
B2O3 7 내지 12 중량%;
Al203 9 내지 15 중량%;
MgO 8 내지 15 중량%;
CaO 0 내지 4 중량%;
Li20 >0 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 1 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 1 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%,
이때 Li2O 함량은 Na2O 함량 또는 K2O 함량보다 많다. 다른 실시양태에서, CaO 함량은 0 내지 3 중량%이다. 또 다른 실시양태에서, CaO 함량은 0 내지 2 중량%이다. 몇몇 실시양태에서, CaO 함량은 0 내지 1 중량%이다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서, MgO 함량은 8 내지 13 중량%이다. 다른 실시양태에서 MgO 함량은 9 내지 12 중량%이다. 몇몇 실시양태에서, TiO2 함량은 0 내지 1 중량%이다. 몇몇 실시양태에서, B2O3 함량은 10 중량% 이상이다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서, Al2O3 함량은 9 내지 14 중량%이다. 다른 실시양태에서, Al2O3 함량은 10 내지 13 중량%이다. 몇몇 실시양태에서, (Li2O + Na2O + K2O) 함량은 2 중량% 미만이다. 몇몇 실시양태에서, 조성물은 0 내지 1 중량%의 BaO 및 0 내지 2 중량%의 ZnO를 포함한다. 다른 실시양태에서, 조성물은 본질적으로 BaO 및 ZnO를 포함하지 않는다. 몇몇 실시양태에서, 다른 구성성분이 만약 존재한다면, 총 0 내지 2 중량%의 양으로 존재한다. 다른 실시양태에서, 다른 구성성분이 만약 존재한다면, 총 0 내지 1 중량%의 양으로 존재한다. 몇몇 실시양태에서, Li2O 함량은 0.4 내지 2.0 중량%이다. 0.4 내지 2.0 중량%의 Li2O 함량을 포함하는 다른 실시양태에서, Li2O 함량은 (Na2O + K2O) 함량보다 많다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 68 중량%;
B2O3 7 내지 13 중량%;
Al203 9 내지 15 중량%;
MgO 8 내지 15 중량%;
CaO 0 내지 4 중량%;
Li20 0 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 1 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 1 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%.
몇몇 실시양태에서, 유리 조성물은 상대적으로 낮은 함량의 CaO(예를 들어 약 0 내지 4 중량%)를 특징으로 한다. 다른 실시양태에서, CaO 함량은 약 0 내지 3 중량%일 수 있다. 몇몇 실시양태에서, MgO 함량은 CaO 함량의 두 배이다(중량% 기준). 본 발명의 몇몇 실시양태는 약 6.0 중량% 초과의 MgO 함량을 가질 수 있으며, 다른 실시양태에서 MgO 함량은 약 7.0 중량% 초과일 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 몇몇 유리 조성물은 1.0 중량% 미만의 BaO의 존재를 특징으로 할 수 있다. 단지 BaO의 미량 불순물이 존재하는 실시양태에서, BaO 함량은 0.05 중량% 이하임을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 68 중량%;
B2O3 7 내지 12 중량%;
Al203 9 내지 15 중량%;
MgO 8 내지 15 중량%;
CaO 0 내지 4 중량%;
Li20 >0 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 1 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 1 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%,
이때 Li2O 함량은 Na2O 함량 또는 K2O 함량보다 많으며, 상기 구성성분들은 1MHz 진동수에서 6.7 미만의 유전상수(Dk)를 갖는 유리를 제공하도록 선택된다. 다른 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1MHz 진동수에서 6 미만의 유전상수(Dk)를 갖는 유리를 제공하도록 선택된다. 또 다른 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1MHz 진동수에서 5.8 미만의 유전상수(Dk)를 갖는 유리를 제공하도록 선택된다. 몇몇 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1MHz 진동수에서 5.6 미만의 유전상수(Dk)를 갖는 유리를 제공하도록 선택된다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 조성물의 구성성분은 바람직한 형성 온도(점도가 100 포아즈일 때의 온도로 정의됨) 및/또는 바람직한 액상 온도를 기초로 선택될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 본 발명에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 68 중량%;
B2O3 7 내지 12 중량%;
Al203 9 내지 15 중량%;
MgO 8 내지 15 중량%;
CaO 0 내지 4 중량%;
Li20 >0 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 1 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 1 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%,
이때 Li2O 함량은 Na2O 함량 또는 K2O 함량보다 많으며, 상기 구성성분들은 1000 포아즈 점도에서 1370℃ 이하의 형성온도(TF)를 제공하도록 선택된다. 다른 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1000 포아즈 점도에서 1320℃ 이하의 형성온도(TF)를 제공하도록 선택된다. 또 다른 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1000 포아즈 점도에서 1300℃ 이하의 형성온도(TF)를 제공하도록 선택된다. 몇몇 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1000 포아즈 점도에서 1290℃ 이하의 형성온도(TF)를 제공하도록 선택된다. 몇몇 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1000 포아즈 점도에서 1370℃ 이하의 형성온도(TF) 및 이 형성온도보다 55℃이상 낮은 액상온도(TL)를 제공하도록 선택된다. 다른 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1000 포아즈 점도에서 1320℃ 이하의 형성온도(TF) 및 이 형성온도보다 55℃이상 낮은 액상온도(TL)를 제공하도록 선택된다. 또 다른 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1000 포아즈 점도에서 1300℃ 이하의 형성온도(TF) 및 이 형성온도보다 55℃이상 낮은 액상온도(TL)를 제공하도록 선택된다. 몇몇 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1000 포아즈 점도에서 1290℃ 이하의 형성온도(TF) 및 이 형성온도보다 55℃이상 낮은 액상온도(TL)를 제공하도록 선택된다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
B2O3 12 중량% 미만;
Al203 9 내지 15 중량%;
MgO 8 내지 15 중량%;
CaO 0 내지 4 중량%;
SiO2 60 내지 68 중량%;
Li20 >0 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 1 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 1 중량%; 및
Ti02 0 내지 2 중량%,
이때 유리는 6.7 미만의 유전상수(Dk) 및 1000 포아즈 점도에서 1370℃ 이하의 형성온도(TF)를 나타내며, Li2O 함량은 Na2O 함량 또는 K2O 함량보다 많다. 몇몇 실시양태에서, CaO 함량은 0 내지 1 중량%이다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 68 중량%;
B2O3 7 내지 12 중량%;
Al203 9 내지 15 중량%;
MgO 8 내지 15 중량%;
CaO 0 내지 3 중량%;
Li20 0.4 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 1 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 1 중량%; 및
Ti02 0 내지 2 중량%,
이때 유리는 5.9 미만의 유전상수(Dk) 및 1000 포아즈 점도에서 1300℃ 이하의 형성온도(TF)를 나타내며, Li2O 함량은 Na2O 함량 또는 K2O 함량보다 많다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분으로 본질적으로 이루어진 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 68 중량%;
B2O3 7 내지 11 중량%;
Al203 9 내지 13 중량%;
MgO 8 내지 13 중량%;
CaO 0 내지 3 중량%;
Li20 0.4 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 1 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
(Li2O + Na2O + K2O) 0 내지 2 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 1 중량%; 및
Ti02 0 내지 2 중량%,
이때 Li2O 함량은 Na2O 함량 또는 K2O 함량보다 많다. 몇몇 실시양태에서, CaO 함량은 0 내지 1 중량%이다. 0 내지 1 중량%의 CaO 함량을 포함하는 몇몇 실시양태에서, B2O3 함량은 10 중량% 이하이다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 68 중량%;
B2O3 7 내지 10 중량%;
Al203 9 내지 15 중량%;
MgO 8 내지 15 중량%;
CaO 0 내지 4 중량%;
Li20 >0 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 1 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 1 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%,
이때 Li2O 함량은 Na2O 함량 또는 K2O 함량보다 많다. 몇몇 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1MHz 진동수에서 6.7 미만의 유전상수(Dk)를 갖는 유리를 제공하도록 선택된다. 다른 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1MHz 진동수에서 6 미만의 유전상수(Dk)를 갖는 유리를 제공하도록 선택된다. 또 다른 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1MHz 진동수에서 5.8 미만의 유전상수(Dk)를 갖는 유리를 제공하도록 선택된다. 몇몇 실시양태에서, 상기 구성성분들은 1MHz 진동수에서 5.6 미만의 유전상수(Dk)를 갖는 유리를 제공하도록 선택된다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 53.5 내지 77 중량%;
B2O3 4.5 내지 14.5 중량%;
Al203 4.5 내지 18.5 중량%;
MgO 4 내지 12.5 중량%;
CaO 0 내지 10.5 중량%;
Li20 0 내지 4 중량%;
Na20 0 내지 2 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 2 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 77 중량%;
B2O3 4.5 내지 14.5 중량%;
Al203 4.5 내지 18.5 중량%;
MgO 8 내지 12.5 중량%;
CaO 0 내지 4 중량%;
Li20 0 내지 3 중량%;
Na20 0 내지 2 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 2 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 중량% 이상;
B2O3 5 내지 11 중량%;
Al203 5 내지 18 중량%;
MgO 5 내지 12 중량%;
CaO 0 내지 10 중량%;
Li20 0 내지 3 중량%;
Na20 0 내지 2 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 2 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 68 중량%;
B2O3 5 내지 10 중량%;
Al203 10 내지 18 중량%;
MgO 8 내지 12 중량%;
CaO 0 내지 4 중량%;
Li20 0 내지 3 중량%;
Na20 0 내지 2 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 2 중량%;
Ti02 0 내지 2 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 62 내지 68 중량%;
B2O3 7 내지 9 중량%;
Al203 11 내지 18 중량%;
MgO 8 내지 11 중량%;
CaO 1 내지 2 중량%;
Li20 1 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 0.5 중량%;
K20 0 내지 0.5 중량%;
Fe203 0 내지 0.5 중량%;
F2 0.5 내지 1 중량%;
Ti02 0 내지 1 중량%; 및
다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 62 내지 68 중량%;
B2O3 9 중량% 미만;
Al203 10 내지 18 중량%;
MgO 8 내지 12 중량%; 및
CaO 0 내지 4 중량%,
이때 유리는 6.7 미만의 유전상수(Dk) 및 1000 포아즈 점도에서 1370℃ 이하의 형성온도(TF)를 나타낸다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
B2O3 14 중량% 미만;
Al203 9 내지 15 중량%;
MgO 8 내지 15 중량%;
CaO 0 내지 4 중량%; 및
SiO2 60 내지 68 중량%,
이때 유리는 6.7 미만의 유전상수(Dk) 및 1000 포아즈 점도에서 1370℃ 이하의 형성온도(TF)를 나타낸다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
B2O3 9 중량% 미만;
Al203 11 내지 18 중량%;
MgO 8 내지 11 중량%;
CaO 1 내지 2 중량%; 및
SiO2 62 내지 68 중량%,
이때 유리는 6.7 미만의 유전상수(Dk) 및 1000 포아즈 점도에서 1370℃ 이하의 형성온도(TF)를 나타낸다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 68 중량%;
B2O3 7 내지 13 중량%;
Al203 9 내지 15 중량%;
MgO 8 내지 15 중량%;
CaO 0 내지 3 중량%;
Li20 0.4 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 1 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 1 중량%; 및
Ti02 0 내지 2 중량%,
이때 유리는 5.9 미만의 유전상수(Dk) 및 1000 포아즈 점도에서 1300℃ 이하의 형성온도(TF)를 나타낸다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용하기 적절한 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 다른 예는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함한다:
SiO2 60 내지 68 중량%;
B2O3 7 내지 11 중량%;
Al203 9 내지 13 중량%;
MgO 8 내지 13 중량%;
CaO 0 내지 3 중량%;
Li20 0.4 내지 2 중량%;
Na20 0 내지 1 중량%;
K20 0 내지 1 중량%;
(Li2O + Na2O + K2O) 0 내지 2 중량%;
Fe203 0 내지 1 중량%;
F2 0 내지 1 중량%; 및
Ti02 0 내지 2 중량%.
상기에 설명된 본 발명의 특징에 추가로 또는 대신에, 본원에 설명된 유리 조성물의 몇몇 실시양태는 표준 전자용 E-유리보다 낮은 손실계수(Df)를 갖는 유리를 제공는데 위해 활용될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, Df는 1 GHz에서 0.0150 이하일 수 있으며, 다른 실시양태에서는 1 GHz에서 0.0100 이하일 수 있다.
유리 조성물의 몇몇 실시양태에서, Df는 1 GHz에서 0.007 이하이고, 다른 실시양태에서는 1 GHz에서 0.003 이하이며, 또 다른 실시양태에서는 1 GHz에서 0.002 이하이다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명의 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드에 사용될 수 있는 유리 조성물은 상대적으로 낮은 CaO 함량(예를 들어 약 0 내지 4 중량% 정도)을 특징으로 한다. 다른 실시양태에서, CaO 함량은 약 0 내지 3 중량% 정도일 수 있다. 다른 실시양태에서, CaO 함량은 약 0 내지 2 중량% 정도일 수 있다. 일반적으로, CaO 함량의 최소화는 전기적 성질을 개선시키고, 몇몇 실시양태에서 CaO 함량은 임의적인 구성성분으로 고려될 수 있을 정도로 낮은 수준까지 감소된다. 몇몇 다른 실시양태에서, CaO 함량은 약 0 내지 2 중량% 정도일 수 있다.
한편, 이런 종류의 유리에서 MgO 함량은 상대적으로 높으며, 몇몇 실시양태에서, MgO 함량은 CaO 함량의 두 배이다(중량% 기준). 몇몇 실시양태는 약 5.0 중량% 초과의 MgO 함량을 가질 수 있으며, 다른 실시양태에서, MgO 함량은 약 8.0 중량% 초과일 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 조성물은 MgO 함량이, 예를 들어 약 8 내지 13 중량% 정도임을 특징으로 한다. 다른 실시양태에서, MgO 함량은 약 9 내지 12 중량% 정도일 수 있다. 몇몇 다른 실시양태에서, MgO 함량은 약 8 내지 12 중량% 정도일 수 있다. 몇몇 또 다른 실시양태에서, MgO 함량은 약 8 내지 10 중량% 정도일 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명의 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드에 사용될 수 있는 조성물은 (MgO + CaO) 함량이, 예를 들어 16 중량% 미만임을 특징으로 한다. 다른 실시양태에서, (MgO + CaO) 함량은 13 중량% 미만이다. 다른 몇몇 실시양태에서, (MgO + CaO) 함량은 7 내지 16 중량%이다. 또 다른 몇몇 실시양태에서, (MgO + CaO) 함량은 10 내지 13 중량%이다.
다른 몇몇 실시양태에서, 상기 조성물은 (MgO + CaO)/(Li2O + Na2O + K2O) 함량의 비율이 약 9.0임을 특징으로 할 수 있다. 특정 실시양태에서, Li2O/(MgO + CaO) 함량의 비율은 약 0 내지 2.0일 수 있다. 또 다른 몇몇 실시양태에서, Li2O/(MgO + CaO) 함량의 비율은 약 1 내지 2.0일 수 있다. 특정 실시양태에서, Li2O/(MgO + CaO) 함량의 비율은 약 1.0일 수 있다.
몇몇 다른 실시양태에서, (SiO2 + B2O3) 함량은 약 70 내지 76 중량%일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, (SiO2 + B2O3) 함량은 약 70 중량%일 수 있다. 다른 실시양태에서, (SiO2 + B2O3) 함량은 약 73 중량%일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, B2O3의 중량%에 대한 Al2O3의 중량% 비율은 약 1 내지 3이다. 몇몇 다른 실시양태에서, B2O3의 중량%에 대한 Al2O3의 중량% 비율은 약 1.5 내지 2.5이다. 특정 실시양태에서, SiO2 함량은 약 65 내지 68 중량%이다.
상기에 기재하였듯이, 종래 기술의 몇몇 저 Dk 조성물은 상당한 양의 BaO의 포함을 필요로 하는 단점을 가지며, 본 발명의 몇몇 실시양태에서는 사용 유리 조성물의 몇몇 실시양태에서 BaO가 필요하지 않는 것에 주목할 수 있다. 비록 본 발명의 이로운 전기적 및 제조 성질은 BaO의 존재를 배제하지 않지만, BaO의 의도적인 혼입의 부재는 본 발명의 몇몇 실시양태의 부가적인 이점으로 고려될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 실시양태는 0.1 중량% 미만의 BaO의 존재를 특징으로 할 수 있다. 단지 미량의 불순물이 존재하는 이들 실시양태에서, BaO 함량은 0.05 중량% 이하임을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용될 수 있는 조성물은 저 Dk를 얻기 위해 고 B2O3에 의존하는 종래 기술의 접근법보다 적은 양으로 B2O3을 포함한다. 이 결과 상당한 비용이 절감된다. 몇몇 실시양태에서, B2O3 함량은 13 중량% 이하 또는 12 중량% 이하가 필요하다. 본 발명의 몇몇 실시양태는 또한 전자용 E-유리의 ASTM 정의(즉, 10 중량% 이하의 B2O3)에 포함된다.
몇몇 실시양태에서, 상기 조성물은 B2O3 함량이, 예를 들어 약 5 내지 11 중량%임을 특징으로 한다. 몇몇 실시양태에서, B2O3 함량은 6 내지 11 중량%일 수 있다. 몇몇 실시양태에서, B2O3 함량은 6 내지 9 중량%일 수 있다. 몇몇 실시양태에서, B2O3 함량은 5 내지 10 중량%일 수 있다. 몇몇 다른 실시양태에서, B2O3 함량은 9 중량% 이하일 수 있다. 또 몇몇 다른 실시양태에서, B2O3 함량은 8 중량% 이하일 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명의 몇몇 실시양태에 사용될 수 있는 조성물은 Al2O3 함량이 예를 들어 약 5 내지 18 중량%임을 특징으로 한다. 몇몇 실시양태에서, Al2O3 함량은 9 내지 18 중량%일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, Al2O3 함량은 약 10 내지 18 중량%이다. 몇몇 다른 실시양태에서, Al2O3 함량은 약 10 내지 16 중량%이다. 또 몇몇 다른 실시양태에서, Al2O3 함량은 약 10 내지 14 중량%이다. 특정 실시양태에서, Al2O3 함량은 약 11 내지 14 중량%이다.
몇몇 실시양태에서, Li2O는 임의적 구성성분이다. 몇몇 실시양태에서, 상기 조성물은 Li2O 함량이 예를 들어 약 0.4 내지 2.0 중량%임을 특징으로 한다. 몇몇 실시양태에서, Li2O 함량은 (Na2O + K2O) 함량보다 많다. 몇몇 실시양태에서, (Li2O + Na2O + K2O) 함량은 2 중량% 이하이다. 몇몇 실시양태에서, (Li2O + Na2O + K2O) 함량은 약 1 내지 2 중량%이다.
특정 실시양태에서 본 발명의 조성물은 TiO2 함량이 예를 들어 약 0 내지 1 중량%임을 특징으로 한다.
상기에서 설명한 조성물의 몇몇 실시양태에서, 상기 구성성분들은 표준 E-유리보다 낮은 유전상수를 갖는 유리를 제공하도록 조절된다. 비교를 위한 표준 전자용 E-유리를 참고로 할 때, 이는 1 MHz 진동수에서 약 6.7 미만일 수 있다. 다른 실시양태에서, 유전상수(Dk)는 1 MHz 진동수에서 약 6 미만일 수 있다. 다른 실시양태에서, 유전상수(Dk)는 1 MHz 진동수에서 약 5.8 미만일 수 있다. 다른 실시양태에서는 유전상수(Dk)가 1 MHz 진동수에서 약 5.6 미만 또는 더 낮게 나타난다. 다른 실시양태에서, 유전상수(Dk)는 1 MHz 진동수에서 약 5.4 미만일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 유전상수(Dk)는 1 MHz 진동수에서 약 5.2 미만일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 유전상수(Dk)는 1 MHz 진동수에서 약 5.0 미만일 수 있다.
상기에서 설명한 조성물은 또한 유리 섬유의 실제 상업적 제조에서 도움이 되는 바람직한 온도-점도 관계를 지닐 수 있다. 일반적으로, 종래 기술에서의 D-유리 타입의 조성물과 비교할 때 섬유 제조에 더 낮은 온도가 필요하다. 바람직한 성질은 수많은 방식으로 나타낼 수 있으며, 본원에서 단독으로 또는 조합되어 설명한 조성물의 몇몇 실시양태에 의해 이룰 수 있다. 예를 들어, 상기에서 설명한 범위 내의 특정 유리 조성물은 1000 포아즈 점도에서 1370℃ 이하의 형성 온도(TF)가 나타나도록 제조될 수 있다. 몇몇 실시양태의 TF는 1320℃ 이하, 또는 1300℃ 이하, 또는 1290℃ 이하, 또는 1260℃ 이하, 또는 1250℃ 이하이다. 이들 조성물은 또한 형성 온도와 액상 온도(TL) 사이의 차이가 양(positive)인 유리들을 포함할 수 있으며, 몇몇 실시양태에서는, 형성 온도가 액상 온도보다 55℃ 이상 더 크며, 이는 이들 유리 조성물로부터 섬유를 상업적으로 제조하는데 유리하다.
일반적으로 유리 섬유 또는 섬유 유리 스트랜드의 형성에 사용되는 유리 조성물의 알칼리 옥사이드 함량의 최소화는 Dk의 저하를 도울 수 있다. Dk의 감소의 최적화에 바람직한 실시양태에서, 총 알칼리 옥사이드 함량은 유리 조성물의 2 중량% 이하일 수 있다. 이와 관련하여, 몇몇 실시양태에서는, Li2O에 비해 Na2O 및 K2O를 최소화하는 것이 더 효과적이라는 것이 발견되었다. 알칼리 옥사이드의 존재는 일반적으로 낮은 형성 온도를 야기한다. 그러므로, 상대적으로 낮은 형성 온도를 제공 하는 것이 우선인 본 발명의 실시양태에서, Li2O는 많은 양, 예컨대 0.4 중량% 이상이 포함된다. 이 목적을 위해서, 몇몇 실시양태에서 Li2O 함량은 Na2O 또는 K2O 함량보다 많고, 다른 실시양태에서 Li2O 함량은 Na2O과 K2O를 합한 함량보다 많으며, 몇몇 실시양태에서 두 배 이상 많다.
실시양태의 몇몇에서 한가지 이로운 측면은, 섬유 유리 산업에서 통상적인 구성성분에 대한 의존성 및 원재료 공급원이 비싼 구성성분의 상당량의 배제이다. 이런 측면을 위해서, 유리 조성의 정의에서 명시적으로 설명한 것 이외의 성분이, 필수적인 것은 아니지만, 5 중량% 이하의 총량으로 포함될 수 있다. 이들 임의적인 구성성분은 용융 보조제, 파이닝(fining) 보조제, 착색제, 미량 불순물 및 유리제조 분야에서 숙련자에게 알려진 다른 첨가제를 포함한다. 일부 종래 기술의 저 Dk 유리에 비해, 본 발명의 조성물에는 BaO가 요구되지 않지만 적은 양의 BaO(예컨대 1 중량% 이하)의 혼입을 배제하지는 않는다. 또한, 본 발명에는 많은 양의 ZnO가 요구되지는 않지만, 몇몇 실시양태에서, 적은 양(예컨대 약 2.0 중량% 이하)은 포함될 수 있다. 임의적인 구성성분이 최소화된 본 발명의 실시양태에서, 총 임의적인 구성성분은 2 중량% 이하, 또는 1 중량% 이하이다. 달리, 본 발명의 몇몇 실시양태는 지정된 구성성분들로 본질적으로 이루어진다고 말할 수 있다.
배취 성분들의 선택 및 그들의 비용은 그들의 순도의 요구 조건에 상당히 의존적이다. 통상적인 상업적 성분, 예컨대 E-유리 제조를 위한 성분은 다양한 화학적 형태의 Na20, K20, Fe203 또는 Fe0, SrO, F2, Ti02, S03 등의 불순물을 포함한다. 이들 불순물로부터의 양이온의 대부분은, 유리에서 Si02 및/또는 B203와 비가교(nonbridging) 산소를 형성함으로써 유리의 Dk를 증가시킬 것이다.
또한 설페이트(SO3으로 표현됨)는 정련제로서 존재할 수 있다. 또한 원료로부터 또는 용융 공정 중의 오염으로부터 적은 양의 불순물, 예컨대 SrO, BaO, Cl2, P205, Cr203, 또는 NiO(이들 특정 화학적 형태로 제한되는 것은 아니다)이 존재할 수 있다. 다른 정련제 및/또는 공정 보조제, 예컨대 As203, MnO, Mn02, Sb203 또는 Sn02(이들 특정 화학적 형태로 제한되는 것은 아니다) 또한 존재할 수 있다. 이들 불순물 및 정련제는 존재한다면, 통상적으로 총 유리 조성물의 0.5 중량% 미만의 양으로 각각 존재한다. 임의적으로, 원자 번호 21(Sc) 39(Y), 및 57(La)부터 71(Lu)까지를 포함한 원소 주기율표의 희토류의 원소가 본 발명의 조성물에 첨가될 수 있다. 이들은 가공 보조제로서 작용하거나 유리의 전기적, 물리적(열적 및 광학적), 기계적 및 화학적 성질을 개선할 수 있다. 희토류 첨가제는 원래의 화학적 형태 또는 산화 상태로 포함될 수 있다. 특히 원재료 비용의 최소화의 목적을 갖는 본 발명의 실시양태에서 희토류 원소의 첨가는 임의적으로 고려되는데, 이는 그들이 낮은 농도에서조차도 배취 비용을 증가하기 때문이다. 어느 경우에서든, 비용은 통상적으로 희토류 성분(산화물로서 측정)에 좌우되며, 희토류 성분은 포함된다면 총 유리 조성물의 약 0.1 내지 1.0 중량% 이하의 양으로 존재한다.
유리 섬유, 섬유 유리 스트랜드 및 이런 섬유 또는 스트랜드를 혼입한 다른 제품은, 특히 E-유리 섬유, E-유리로부터 형성된 섬유 유리 스트랜트 및 관련 제품과 비교하여, 몇몇 실시양태에서 바람직한 기계적 성질을 나타낼 수 있다. 이런 기계적 성질들은 복합체(또는 복합체가 함유된 패널)의 몇몇 실시양태에서 이로울 것이다. 예를 들어, 유리 섬유의 몇몇 실시양태는 특히 E-유리 섬유와 비교할 때, 상대적으로 높은 비(specific)강도 또는 상대적으로 높은 비(specific)모듈러스를 가질 수 있다. 비 강도는 N/m3 단위의 비중량으로 나눈 N/m2 단위의 인장 강도를 의미한다. 비 모듈러스는 N/m3 단위의 비중량으로 나눈 N/m2 단위의 영 모듈러스를 의미한다. 상대적으로 높은 비 강도 및/또는 상대적으로 높은 비 모듈러스를 갖는 유리 섬유는, 복합체의 총 중량을 감소시키면서 기계적 성질 또는 제품 성능의 증가를 바람직한 내탄도 또는 내폭 용도에서 바람직할 수 있다.
당해 분야에 알려졌듯이, 형성된 후에 유리 섬유는 통상적으로 사이징 조성물로 적어도 부분적으로 코팅된다. 일반적으로, 본 발명의 복합체의 형성에 사용되는 유리 섬유는 사이징 조성물로 적어도 부분적으로 코팅될 것이다. 당해 분야에서 숙련자는 많은 요인, 예컨대 사이징 조성물의 성능 특성, 제조된 직물의 바람직한 유연성, 비용 및 다른 요인에 기초하여 많은 상업적으로 입수가능한 유리 섬유용 사이징 조성물 중 하나를 선택할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용할 수 있는 상업적으로 입수가능한 사이징 조성물의 비제한적인 예는, 보통 단일-엔드 로빙에 사용되는 사이징 조성물, 예컨대 하이본(Hybon) 2026, 하이본 2002, 하이본 1383, 하이본 2006, 하이본 2022, 하이본 2032, 하이본 2016 및 투프로브(TufRov) 4588뿐 아니라, 보통 얀에 사용되는 사이징 조성물, 예컨대 1383, 611, 900, 610 및 690(이들 각각은 피피지 인더스트리 인코포레이티드(PPG Industries, Inc.)로부터 상업적으로 입수가능한 제품인 사이징 조성물을 나타냄)을 포함한다. 폴리다이사이클로펜타다이엔 수지 강화용 유리섬유에 적절한 사이징 조성물은 하이본 2026 또는 미국 특허 제 6,890,050 호에서 설명된 사이징 조성물을 포함할 수 있으며, 이 특허를 본원에 참조로 인용한다.
상기에 기재하였듯이, 몇몇 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 직물 형성을 위해 배열된 복수의 유리 섬유를 포함할 수 있다. 탄도 용도용으로 당해 분야에서 보통의 숙련자에게 알려진 임의의 적절한 직물 디자인이 사용될 수 있다. 적절한 직물은 표준 직물 기구(예컨대 레이피어, 프로젝타일(projectile) 또는 에어 제트 직조기)를 사용하여 생산된 직물을 포함할 수 있다. 이런 직물의 비제한적 예는 평직 직물, 능직 직물, 크로우풋 직물, 수자직 직물을 포함한다. 스타치-본디드 또는 비-크림프(crimp) 직물 또한 본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용될 수 있다. 이런 직물은, 예를 들어 단일방향성, 이축성 또는 삼축성 비-크림프 직물을 포함할 수 있다. 또한, 3D 직조된 직물 또한 본 발명의 몇몇 실시양태에서 사용될 수 있다. 이런 직물은, 도비(dobby) 또는 자카드(jacquard) 헤드를 사용하거나, 쉐딩(shedding) 하면서 다-층 워프 엔드를 사용하여 제조될 수 있다.
상기에 기재하였듯이, 본 발명의 복합체는 워프 및 웨프트 얀을 포함할 수 있다. 당해 분야에서 보통의 숙련자에게 알려진 임의의 적절한 탄도 용도용 워프 및 웨프트 얀이 사용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시양태에서 워프 얀은 G75 얀, DE75 얀 및/또는 DE150 얀으로부터의 여러 엔드들을 묶음으로써 제조된 250 수율 조립된 로빙을 포함할 수 있다.
상기에 기재하였듯이, 몇몇 실시양태에서, 본 발명의 복합체는 중합체성 수지를 포함할 수 있다. 다양한 중합체성 수지가 사용될 수 있다. 고 에너지 충격 용도, 예컨대 내탄도 또는 내폭 용도로 유용하다고 알려진 중합체성 수지가 몇몇 실시양태에서 특히 유용할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 중합체성 수지는 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 열경화성 수지 시스템은 에폭시 수지 시스템, 페놀계 수지, 폴리에스터, 비닐 에스터, 열경화성 폴리우레탄, 폴리다이사이클로펜타다이엔(pDCPD) 수지, 시아네이트 에스터 및 비스-말레이미드를 포함할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 몇몇 실시양태에서, 중합체성 수지는 폴리다이사이클로펜타다이엔 수지를 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서 중합체성 수지는 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 열가소성 중합체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아마이드(나일론 포함), 폴리부틸렌 데레프탈레이트, 폴리카보네이트, 열가소성 폴리우레탄(TPU)를 포함할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 상업적으로 입수가능한 중합체성 수지의 비제한적 예는 RIMR 135 에폭시와 에피쿠어(Epikure) 1366 경화제(오하이오주 콜럼버스 소재의 헥시온 스페셜티 케미칼(Hexion Specialty Chemica1s)로부터 입수가능함) 및 어플라이드 폴러라믹(Applied Poleramic) MMFCS2 에폭시(캘리포니아주 베니시아 소재의 어플라이드 폴러라믹 인코포레이티드(App1ied Poleramic, Inc.)로부터 입수가능함)을 포함한다. 촉매 및/또는 수지의 경화에 유용한 다른 물질과 함께 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 다이사이클로펜타다이엔 수지는 캘리포니아주 패서디나에 위치한 마테리아 인코포레이티드(Materia, Inc.)으로부터 상업적으로 입수가능하다.
실시예
본 발명의 몇몇 예시적 실시양태를 하기의 특정 비제한적인 실시예에서 설명한다.
실시예 1
본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 유리 섬유의 물리적 성질은 제어된 공정 조건하에서 측정하였고, 표 1에 기재하였다. 표준 E-유리의 물리적 성질이 참조로 포함된다. 표 1의 "비(specific) 모듈러스"는 296±20˚K(23±2℃)의 온도 및 50±5%의 상대 습도에서 측정한, N/m3 단위의 비 중량으로 나눈 N/m2 단위의 영 모듈러스를 의미한다. 표 1의 "비 인장 강도"는 296±2˚K(23±2℃)의 온도에서 측정한, N/m3 단위의 비 중량으로 나눈 N/m2 단위의 최대 인장 강도이다. 단일 섬유 인장 강도는, 당해 분야에서 보통의 숙련자가 이해하는 바와 같이, ASTM D3379-75(1989)el "고-모듈러스 단일-필라멘트 물질에 대한 인장 강도 및 영 모듈러스를 위한 표준 시험 방법"을 기초로 한 방법을 사용하여 시험했다. 상기 시험은 동일자로 4시간 안에 수행된 65 내지 72개의 개개의 섬유의 측정/파단을 포함하였다. X-레이 형광 분광법에 의해 측정할 때, 표 1에서 샘플 1의 유리 섬유는 하기의 성분을 포함하는 유리 조성물을 포함하였다:
SiO2 63.80 중량%;
B2O3 8.90 중량%;
Al203 12.35 중량%;
MgO 10.27 중량%;
CaO 1.52 중량%;
Na20 0.27 중량%;
K20 0.13 중량%;
Fe203 0.17 중량%;
F2 0.35 중량%;
Ti02 0.14 중량%;
Li20 0.02 중량%;
SO3 0.00 중량%;
ZrO 0.06 중량%; 및
Cr2O3 0.01 중량%.
[표 1] E-유리의 성질과 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 유리 조성물의 성질의 비교
Figure pct00001

실시예 2
본 발명의 몇몇 복합체의 강도를 평가하기 위해, 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 8 oz/yd2 단일방향성 직물을, 래피어 직조기상에서 제조하고, 기계적 성질을 특징짓기 위해 고 모듈러스 에폭시 수지(헥시온 RIMR 135)를 주입하였다. 직물은 스타치-오일-사이징 조성물로 사이즈 처리된 E-225 얀을 포함하였으며, 이 얀은 표 1의 샘플 1의 유리 조성물을 포함하는 유리 섬유를 포함하였다. 대조용으로, E-유리 공급물을 사용하여 동일 단일방향성 직물 및 복합체를 또한 제조하였다. 진공 보조 수지 주입 기술을 사용하여 단일방향성 직물을 포함하는 복합체를 제조하였다. 복합체를 만들기 위해, 필라멘트-권취된 단일방향성 섬유 프리폼(preform)을 바람직한 크기로 잘라, 실리콘 이형제 처리된 유리 테이블상에 위치시켰다. 스택을, 이어서 필 플라이(peel ply)로 덮어, 유량 증가 매체를 장착하고, 나일론 배깅(bagging) 필름을 사용하여 진공 포장하였다. 다음에, 소위 "프리폼"에 약 27 인치 Hg의 진공 압력을 인가하였다. 별도로, 아민-경화가능한 에폭시 수지를 수지 제조업자가 추천한 비율로 아민 경화제와 혼합하였다. 배합된 수지를 진공 챔버에서 30분간 탈기하고, 실질적으로 직물 스택의 함침이 완결될 때까지 프리폼(preform)에 주입하였다. 이 시점에서, 테이블을 가열된 블랭킷(blanket)(약 45 내지 50℃의 온도)으로 24시간 동안 덮었다. 제조된 경질 복합체를 이어서 탈형하고, 약 176℉에서 5시간 동안 프로그램 조작 가능한 대류식 오븐(convection oven)에서 후-경화하였다.
본 발명의 복합체 및 대조용 E-유리 복합체의 몇몇 측정된 기계적 성질을 하기 표 2에 나타낸다. 적절하게, 각각의 기계적 성질에 대해 관련 있는 표준 ISO 방법 또한 표에 실었다. 이들 표준 방법의 각각을 본원에 참조로 인용한다. 표 2는, 동일한 섬유 중량 분획에서 상업적 E-유리 섬유 복합체에 비해 증가된 본 발명의 복합체의 인장 성능을 보여준다.
[표 2] E-유리 복합체의 성질과 본 발명의 복합체의 성질의 비교
Figure pct00002

실시예 3
다양한 면 밀도로 패널을 제조하고 시험함으로써 다양한 복합체의 탄도 성능을 평가하였다. 기준으로서, 기준 패널은 AGY(사우쓰 캐롤라이나 소재의 아이켄(Aiken))으로부터의 표준 S-2 유리®(24 oz/yd2)로 직조된 로빙 및 PPG 인더스트리 인코포레이티드으로부터의 하이본 2006(25 oz/yd2) E-유리로 직조된 로빙으로 제조하였다. 기준 패널을 위한 대조용의 중합체성 수지 매트릭스 물질은 캘리포니아주 베니시아 소재의 어플라이드 폴러라믹(App1ied Poleramic, Inc.)으로부터의 MMFCS2 에폭시였다. 기준 패널은 다양한 면 밀도에서 0.30 cal FSP에 대해서 보호하였다. 6-포인트 탄도 한계치(V50)를 MIL-STD-662F에 따라 계산하였다. 또한, 손실 분석은 탄도 충격에 의해 야기된 손상의 정도를 결정하기 위해 두 개의 대표적인 기준 패널에서 행하였다. 이 분석을 위해, 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 고강도의 광 하에서 패널에서 관찰된 6개의 가장 큰 손상 패턴을 측정하고, 평균 손상 구역을 계산하였다.
S-2 유리® 및 E-유리를 포함하는 기준 패널과 비교하기 위해서, 본 발명의 예시적 복합체는 하기와 같이 제조하였다. 마블 용융 섬유 제조 기술을 사용하여 본 발명에서 유용한 유리 섬유의 로빙을 형성하였다. 고정된 수의 작은 G150 형성 케익(cake)을 제조하고, 이어서 트위스트하고, 250 수율 섬유 유리 로빙으로 조립하였다. 로빙은, 1383 사이징 조성물로 처리되고 약 9㎛의 공칭(nominal) 직경을 갖는 유리 섬유를 포함하였다. 이어서, 로빙을 레이피어 직조기에서 25 oz/yd2 평직 직물(5.0ppi × 5.3ppi, 이때 ppi = 픽(pick)/인치)로 직조하였다. 0.30 cal FSP 및 0.50 cal FSP에 대한 탄도 보호를 위해 2 lb/ft2 및 5 lb/ft2 에서 어플라이드 폴러라믹(캘리포니아주 베니시아 소재)으로부터의 벤치마크 에폭시 수지 MMFCS2 에폭시를 사용한 수지 주입을 통해 본 발명의 복합체를 포함하는 패널을 제조하였다. 패널의 물리적 성능 및 탄도 성능을 하기 표 3에 제공한다. 표 4는 E-유리 및 S-2 유리®를 포함하는 복합체를 포함하는 패널과 본 발명의 복합체를 포함한 패널의 탄도 성능의 비교를 제공한다. 표 3 및 표 4는 비슷한 면 밀도에서 본 발명의 복합체를 포함하는 패널이 E-유리를 포함하는 패널에 비해 탄도 성능의 상당한 증가를 뜻밖에 보여줌을 나타내며, 비싼 S-2 유리®를 포함하는 패널이 이를 능가하지 않았다. 또한, 본 발명의 복합체를 포함하는 패널에서 관찰된 손상은, 비록 E-유리를 포함한 패널에서 손상이 덜 나타나기는 했지만, S-2 유리®를 포함하는 패널에 대해 계산된 손상 정도와 동등하다.
[표 3] 본 발명의 복합체를 포함하는 패널의 물리적 특성 및 탄도 성능
Figure pct00003
[표 4] 본 발명의 복합체 (1 내지 8)을 포함하는 패널의 S-2 유리® 및 E-유리를 포함하는 패널 (9 내지 19)과의 탄도 성능의 비교
Figure pct00004

실시예 4
다른 복합체의 탄도 성능은 국가사법기구(NIJ) 표준 0.108.01에 비추어 평가하였다. 기준으로서, 기준 패널은 피피지 인더스트리 인코포레이티드로부터의 하이본 2006(24 oz/yd2) E-유리 직조된 로빙으로 제조하였다. 기준 패널을 위한 대조용의 중합체성 수지 매트릭스 물질은 어플라이드 폴러라믹(캘리포니아 베니시아 소재)으로부터의 MMFCS2 에폭시였다.
E-유리를 포함하는 기준 패널과 비교하기 위해서, 본 발명의 예시적 복합체를 하기와 같이 제조하였다. 다이렉트 용융 섬유 제조 퍼니스(furnace)를 사용하여 본 발명에서 유용한 유리 섬유의 로빙을 형성하였다. 고정된 수의 작은 DE150 형성 케익을 생성하여 이어서 트위스트하여, 250 수율 섬유 유리 로빙으로 조립하였다. 로빙은, 1383 사이징 조성물로 처리되고 약 6.5㎛의 공칭 직경을 갖는 유리 섬유를 포함하였다. 이어서, 로빙을 레이피어 직조기로 25 oz/yd2 평직 직물(5.0ppi × 5.3ppi, 이때 ppi = 픽(pick)/인치)로 직조하였다. 어플라이드 폴러라믹(캘리포니아주 베니시아 소재)으로부터의 벤치마크 에폭시 수지 MMFCS2 에폭시를 사용한 수지 주입을 통해 본 발명의 복합체를 포함하는 패널을 제조하였다.
복합체는 .44 mag 240 SWCGC 발사체에 대해서 시험하였다. NIJ 표준 0108.01 시험의 결과를 하기 표 5에 요약하였다.
[표 5] 본 발명의 복합체를 포함하는 패널의 물리적 특성 및 탄도 성능
Figure pct00005
표 5는, 본 발명의 복합체를 포함하는 패널이 E-유리로부터 형성된 패널보다, 동일한 면 밀도에서는 더 높은 V50를 나타내고, 낮은 면 밀도에서는 동일한 V50를 나타냄을 보여준다.
실시예 5
본 실시예에서는 1500℃ 내지 1550℃(2732℉ 내지 2822℉)의 온도에서 10% Rh/Pt 도가니에서 4시간 동안 파우더 형태의 시약 등급 화학물질의 혼합물을 용융시켜 유리를 제조하였다. 각각의 배취는 약 1200그램이었다. 네 시간의 용융 기간 후에, 용융 유리를 급냉(quenching)을 위해 강판 위에 부었다. B2O3의 휘발성 손실(1200 그램 배취 크기에 대한 실험실 배취 용융 조건에서 통상적으로 총 대상 B2O3 농도의 약 5%)을 보정하기 위해, 배취 계산에서 붕소 유지 인자를 95%로 설정하였다. 다른 휘발성 종, 예컨대 플루오라이드 및 알칼리 옥사이드는 유리 중의 낮은 농도 때문에, 배취에서 이들의 배출 손실을 위해 조정되지 않았다. 실시예에서 조성물은 배취(as-batched) 조성물을 나타낸다. B2O3의 적절한 조정과 함께 유리의 제조에 시약 화학물질이 사용되었기 때문에, 배취 조성물은 측정된 조성물에 가까운 것으로 간주된다.
온도의 함수로서의 용융 점도 및 액상 온도는 각각 ASTM 테스트 방법 C965 "연화점 위에서의 유리의 점도 측정을 위한 표준 실행" 및 C829 "구배 로(furnace) 방법에 의한 유리의 액상 온도의 측정을 위한 표준 실행"을 사용하여 측정하였다.
열처리된(annealed) 유리로부터 제조된, 40mm 직경 및 1 내지 1.5mm의 두께를 갖는 각각의 유리 샘플의 연마된 디스크를 전기적 성질 및 기계적 성질 측정에 사용하였다. 각각의 유리의 유전상수(Dk) 및 손실계수(Df)는 1MHz 내지 1GHz에서 ASTM 시험 방법 D150 "고체 전기적 절열 물질의 A-C 손실 특성 및 유전율(유전상수)를 위한 표준 시험 방법"으로부터 결정되었다. 상기 방법에 따르면, 모든 샘플은 50% 습도 하의 25℃에서 40시간 동안 예비처리되었다. 열처리된 모든 샘플에 대하여 선택적인 시험으로서 ASTM 테스트 방법 "부침(sink-float) 비교기에 의한 유리의 밀도를 위한 표준 시험 방법"을 사용하여 유리 밀도를 측정하였다.
선택된 조성물에 대해, 마이크로압입(microindentation) 방법을 사용하여 영 모듈러스(압입자 부하중(unloading) 사이클에서 압입 하중 - 압입 깊이의 곡선의 초기 경사로부터) 및 마이크로경도(최대 압입 하중 및 최대 압입 깊이로부터)를 결정하였다. 이 시험을 위해, Dk 및 Df에 대해 시험했던 동일 디스크 샘플을 사용하였다. 5회의 압입 측정을 수행하여 평균 영 모듈러스 및 마이크로경도 데이터를 얻었다. 마이크로압입 장치는 제품명 BK7을 가진 상업적 표준 기준 블록을 사용하여 보정되었다. 기준 유리는, 5회의 측정을 기초로 할 때, 0.26 GPa의 표준 편차의 영 모듈러스 90.1 GPa 및 0.02 GPa의 표준 편차의 마이크로경도 4.1 GPa를 갖는다.
실시예에서 모든 조성 값은 중량%로 표현한다. 하기의 표에서, "E"는 영 모듈러스를 의미하고, "H" 는 마이크로경도를 의미하며, "σf"는 필라멘트 강도를 의미하며, "Std"는 표준 편차를 의미한다.
표 6의 조성물
샘플 1 내지 8은 중량%로 하기 유리 조성물(표 6)를 제공한다: SiO2 62.5 내지 67.5%, B2O3 8.4 내지 9.4%, Al203 10.3 내지 16.0%, MgO 6.5 내지 11.1%, CaO 1.5 내지 5.2%, Li20 1.0%, Na20 0.0%, K20 0.8%, Fe203 0.2 내지 0.8%, F2 0.0%, Ti02 0.0% 및 설페이트(SO3으로 표현됨) 0.0%.
상기 유리들은 1MHz에서 5.44 내지 5.67의 Dk 및 0.0006 내지 0.0031의 Df, 1GHz 진동수에서 5.47 내지 6.67의 Dk 및 0.0048 내지 0.0077의 Df를 갖는 것으로 나타났다. 시리즈 Ⅲ에서 조성물의 전기적 성질은 1MHz에서 7.29의 Dk 및 0.003의 Df 및 1GHz 진동수에서 7.14의 Dk 및 0.0168의 Df인 표준 E-유리보다 상당히 낮은(즉, 개선된) Dk 및 Df를 나타낸다.
섬유 형성 성질 면에서, 표 6의 조성물은 1300 내지 1372℃의 형성 온도(TF) 및 89 내지 222℃의 형성 윈도우(TF-TL)를 갖는다. 통상적으로 1170 내지 1215℃ 범위에서 TF를 갖는 표준 E-유리와 비교할 수 있다. 섬유 형성시의 유리 실투를 막기 위해서는, 55℃보다 큰 형성 윈도우(TF-TL)가 요구된다. 표 6의 모든 조성물은 만족스러운 형성 윈도우를 나타낸다. 표 6의 조성물은 E-유리보다 더 높은 형성 온도를 갖지만, D-유리(통상적으로 1410℃)보다는 상당히 낮은 형성 온도를 갖는다.
[표 6] 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 유리 조성물
Figure pct00006

[표 7] 조성물
샘플 9 내지 15는 하기 유리 조성물을 제공한다: SiO2 60.8 내지 68.0%, B2O3 8.6 내지 11.0%, Al203 8.7 내지 12.2%, MgO 9.5 내지 12.5%, CaO 1.0 내지 3.0%, Li20 0.5 내지 1.5%, Na20 0.5%, K20 0.8%, Fe203 0.4%, F2 0.3%, Ti02 0.2% 및 설페이트(SO3으로 표현됨) 0.0%.
상기 유리들은 1MHz에서 5.55 내지 5.95의 Dk 및 0.0002 내지 0.0013의 Df 및 1GHz 진동수에서 5.54 내지 5.94의 Dk 및 0.0040 내지 0.0058의 Df를 갖는 것으로 나타났다. 표 7에서 조성물의 전기적 성질은 1MHz에서 7.29의 Dk 및 0.003의 Df 및 1GHz 진동수에서 7.14의 Dk 및 0.0168의 Df인 표준 E-유리보다 상당히 낮은(개선된) Dk 및 Df를 나타내었다.
기계적 성질 면에서, 표 7의 조성물은 86.5 내지 91.5 GPa의 영 모듈러스 및 4.0 내지 4.2 GPa의 마이크로경도를 가지며, 둘 다, 85.9 GPa의 영 모듈러스 및 3.8 GPa의 마이크로경도를 갖는 표준 E 유리와 동등하거나 그보다 높다. 표 7에서 조성물의 영 모듈러스는 문헌 데이터를 기초로 약 55 GPa인 D-유리보다 상당히 높다.
섬유 형성 성질 면에서, 표 7의 조성물은 1170 내지 1215℃ 범위에서 TF를 갖는 표준 E-유리와 비교하여 1224 내지 1365℃의 형성 온도(TF) 및 6 내지 105℃의 형성 윈도우(TF-TL)를 갖는다. 전부는 아니지만, 표 7의 몇몇 조성물은, 상업적 섬유 형성 작업에서 바람직하게 몇몇 상황에서 유리 실투를 피하기 위해 고려되는 55℃보다 큰 형성 윈도우(TF-TL)를 갖는다. 비록 표 7의 조성물이 E-유리보다 더 높은 형성 온도를 갖지만, D-유리(1410℃)보다는 낮은 형성 온도를 갖는다.
[표 7] 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 몇가지 유리 조성물
Figure pct00007
[표 8] 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 몇가지 유리 조성물
Figure pct00008
Figure pct00009
[표 9] 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 몇가지 유리 조성물
Figure pct00010
샘플 29 내지 62는 중량%로 하기 유리 조성물(표 10)을 제공한다: SiO2 53.74 내지 76.97%, B2O3 4.47 내지 14.28%, Al203 4.63 내지 15.44%, MgO 4.20 내지 12.16%, CaO 1.04 내지 10.15%, Li20 0.0 내지 3.2%, Na20 0.0 내지 1.61%, K20 0.01 내지 0.05%, Fe203 0.06 내지 0.35%, F2 0.49 내지 1.48%, Ti02 0.05 내지 0.65% 및 설페이트(SO3으로 표현됨) 0.0 내지 0.16%.
샘플 29 내지 62 유리 조성물(표 10)에서 (MgO + CaO) 함량은 7.81 내지 16.00%이고, Cao/MgO의 비율은 0.09 내지 1.74%이며, (SiO2 + B2O3) 함량은 67.68 내지 81.44%이며, Al203/B2O3의 비율은 0.90 내지 1.71%이며, (Li20 + Na20 + K20) 함량은 0.03 내지 3.38%이며, Li20/(Li20 + Na20 + K20)는 0.00 내지 0.95%이다(중량% 기준).
기계적 성질 면에서, 표 10의 조성물은 2.331 내지 2.416g/㎤의 섬유 밀도 및 3050 내지 3578 MPa의 평균 섬유 인장 강도(또는 섬유 강도)를 갖는다.
섬유 인장 강도를 측정하기 위해, 상기 유리 조성물로부터, 10Rh/90Pt 단일 팁(tip) 섬유 인발 유닛을 이용하여 섬유 샘플을 제조하였다. 주어진 조성물의 약 85 그램의 파유리를 부싱 용융 유닛에 넣고 2시간 동안 100 포아즈 용융 점도와 유사하거나 그와 동일하도록 온도 조절하였다. 용융물은 이어서 1000 포아즈 용융 점도와 유사하거나 이와 동일하도록 온도를 낮추고, 섬유 연신(drawing) 이전에 한 시간 동안 안정화시켰다. 섬유 직경은, 섬유 연신 와인더의 속도를 조절하여 약 10㎛ 직경의 섬유가 제조되도록 조절하였다. 모든 섬유 샘플을 이물질과 어떠한 접촉 없이 공기 중에서 포획하였다. 섬유 연신은 40 내지 45% RH로 조절된 습도의 실온에서 완료하였다.
섬유 인장 강도는, 카와바타(Kawabata) 유형 C 로드 셀을 가진 카와바타 KES-G1(일본의 카토 테크캄파니 리미티드(Kato Tech Co.Ltd.)) 인장 강도 분석 장치를 사용하여 측정하였다. 수지 접착제를 사용하여 섬유 샘플을 종이 뼈대 스트립에 올려놓았다. 섬유가 파단될 때까지 섬유에 인장력을 인가하고, 이로부터 섬유 직경 및 파단 응력에 기초하여 섬유 강도를 측정하였다. 이 테스트는 40 내지 45% RH 사이로 조절된 습도의 실온에서 행하였다. 평균값 및 표준 편차는 각각 조성물에 대한 65 내지 72개 섬유의 샘플 크기에 기초하여 계산되었다.
상기 유리들은 1GHz에서 4.83 내지 5.67의 Dk 및 0.003 내지 0.007의 Df를 갖는 것으로 나타났다. 표 10에서 조성물의 전기적 성질은 1GHz 진동수에서 7.14의 Dk 및 0.0168의 Df인 표준 E-유리보다 상당히 낮은(즉, 개선된) Dk 및 Df를 나타내었다.
섬유 형성 성질 면에서, 표 10의 조성물은 1247 내지 1439℃의 형성 온도(TF) 및 53 내지 243℃의 형성 윈도우(TF-TL)를 갖는다. 표 10의 조성물은 1058 내지 1279℃의 액상 온도(TL)을 갖는다. 이는 통상적으로 1170 내지 1215℃의 TF를 갖는 표준 E-유리와 비교될 수 있다. 섬유 형성시의 유리 실투를 피하기 위해서는, 55℃보다 큰 형성 윈도우(TF-TL)가 바람직하다. 표 10의 조성물은 모두 만족스러운 형성 윈도우를 나타낸다.
[표 10] 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 유리 조성물
Figure pct00011
Figure pct00012
Figure pct00013
Figure pct00014
Figure pct00015
Figure pct00016
Figure pct00017
샘플 63 내지 73는 중량%로 하기 유리 조성물(표 11)을 제공한다: SiO2 62.35 내지 68.35%, B2O3 6.72 내지 8.67%, Al203 10.53 내지 18.04%, MgO 8.14 내지 11.44%, CaO 1.67 내지 2.12%, Li20 1.07 내지 1.38%, Na20 0.02%, K20 0.03 내지 0.04%, Fe203 0.23 내지 0.33%, F2 0.49 내지 0.60%, Ti02 0.26 내지 0.61% 및 설페이트(SO3으로 표현됨) 0.0%.
샘플 63 내지 73의 유리 조성물(표 11)에서, (MgO + CaO) 함량은 9.81 내지 13.34%이고, CaO/MgO의 비율은 0.16 내지 0.20%이며, (SiO2 + B2O3) 함량은 69.59 내지 76.02%이며, Al203/B2O3의 비율은 1.37 내지 2.69%이며, (Li20 + Na20 + K20) 함량은 1.09 내지 1.40%이며, Li20/(Li20 + Na20 + K20)는 0.98%이다(중량% 기준).
기계적 성질 면에서, 표 11의 조성물은 2.371 내지 2.407g/㎤의 섬유 밀도 및 3730 내지 4076 MPa의 평균 섬유 인장 강도(또는 섬유 강도)를 갖는다. 표 11의 조성물로부터 제조된 섬유에 대한 섬유 인장 강도는 표 10의 조성물과 관련한 섬유 인장 강도의 측정과 동일한 방법으로 측정한다.
상기 조성물로부터 형성된 섬유는 73.84 내지 81.80 GPa 범위의 영 모듈러스(E) 값을 갖는 것으로 나타났다. 섬유에 대한 영 모듈러스(E) 값은 음파 모듈러스(sonic modulus) 방법을 사용하여 측정되었다. 나열된 조성을 갖는 유리 용융물로부터 연신된 섬유에 대한 탄성 모듈러스 값은 매사추세츠주의 월섬 소재의 파나메트릭스 인코포레이티드(Panametrics, Inc.)으로부터의 파나썸(Panatherm) 5010 장비 상에서 초음파 음향 펄스(ultrasonic acoustic pulse) 기술을 사용하여 결정되었다. 확장 파의 반사 시간은 20 마이크로-초 지속 200 kHz 펄스를 사용하여 얻었다. 샘플 길이를 측정하고 각각의 확장 파 속도(VE)를 계산하였다. 섬유 밀도(ρ)는 마이크로메리틱스 아큐픽(Micromeritics AccuPyc) 1330 피크노미터를 사용하여 측정하였다. 일반적으로, 각각의 조성물에 대해 20회의 측정이 수행되며, E=VE 2*ρ의 식에 따라 평균 영 모듈러스(E)가 계산되었다. 알려진 섬유 강도 및 영 모듈러스 값을 기초로 하여 훅의 법칙(Hooke's Law)을 사용하여 섬유 파단 변형을 계산하였다.
상기 유리들은 1GHz에서 5.20 내지 5.54의 Dk 및 0.0010 내지 0.0020의 Df를 갖는 것으로 나타났다. 표 11에서 조성물의 전기적 성질은 1GHz 진동수에서 7.14의 Dk 및 0.0168의 Df인 표준 E-유리보다 상당히 낮은(즉, 개선된) Dk 및 Df를 나타내었다.
섬유 형성 성질 면에서, 표 11의 조성물은 1303 내지 1388℃의 형성 온도(TF) 및 51 내지 144℃의 형성 윈도우(TF-TL)를 갖는다.
[표 11] 본 발명의 몇몇 실시양태에서 유용한 몇가지 유리 조성물
Figure pct00018
Figure pct00019
본 발명의 다양한(반드시 모두인 것은 아님) 실시양태에 의해 나타날 수 있는 바람직한 특성은, 상대적으로 낮은 밀도를 갖는 유리 섬유의 제공; 상대적으로 고강도를 갖는 유리 섬유의 제공; 상대적으로 높은 파단 변형을 갖는 유리 섬유의 제공; 주어진 섬유 부피분율 또는 주어진 복합체 성능에 대해 상대적으로 낮은 몇 밀도를 갖는 복합체의 제공; 탄도 용도에 유용한 유리 섬유 및 복합체의 제공; 및 유사한 탄도 용도의 유리섬유 및 복합체에 비해 상대적으로 낮은 비용을 갖는 유리 섬유 및 복합체의 제공을 포함할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 다양한 목적을 달성시키는 본 발명의 다양한 실시양태가 설명되었다. 이들 실시양태는 본 발명의 원리를 단지 예시하고 있을 뿐임을 인식하여야 한다. 본 발명의 취지 및 범주를 벗어나지 않는 이들의 수많은 변형 및 개조는 당해 분야의 숙련자에게 용이하게 자명할 것이다.

Claims (20)

  1. 중합체성 수지; 및
    중합체성 수지 내에 배치된 복수의 유리 섬유
    를 포함하고, 내탄도 또는 내폭(ballistics or blast resistance) 용도에 사용하기 위한 복합체로서, 이때 상기 복수의 유리 섬유 중 하나 이상이
    SiO2 60 내지 68 중량%;
    B2O3 7 내지 12 중량%;
    Al203 9 내지 15 중량%;
    MgO 8 내지 15 중량%;
    CaO 0 내지 4 중량%;
    Li20 0 내지 2 중량%;
    Na20 0 내지 1 중량%;
    K20 0 내지 1 중량%;
    Fe203 0 내지 1 중량%;
    F2 0 내지 1 중량%;
    Ti02 0 내지 2 중량%; 및
    다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%
    를 포함하는 유리 조성물을 포함하며, (Li2O + Na2O + K2O) 함량이 2 중량% 미만이며, MgO 함량이 중량%를 기초로 CaO 함량의 두 배 이상인, 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    복합체가, 장갑(armor)의 V50 탄도 실험을 위한 미국 국방부 표준 실험 방법(MIL-STD-662F, 1997년 12월)에 의해 측정시, 약 2lb/ft2의 면 밀도 및 약 5 내지 6mm의 두께에서 약 900fps 이상의 0.30 cal FSP V50 값을 나타내는, 복합체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    복합체가, 장갑의 V50 탄도성 실험을 위한 미국 국방부 표준 실험 방법(MIL-STD-662F, 1997년 12월)에 의해 측정시, 약 4.8 내지 4.9lb/ft2의 면 밀도 및 약 13 내지 13.5mm의 두께에서 약 1200fps 이상의 0.50 cal FSP V50 값을 나타내는, 복합체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    중합체성 수지가 에폭시 수지를 포함하는, 복합체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    중합체성 수지가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 열가소성 폴리우레탄, 페놀수지, 폴리에스터, 비닐 에스터 및 열경화성 폴리우레탄 수지 중 하나 이상을 포함하는, 복합체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    복수의 유리 섬유 중 하나 이상이 적어도 부분적으로 사이징(sizing) 조성물로 코팅된, 복합체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    복수의 유리 섬유가 직물을 형성하도록 배열된, 복합체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    복수의 유리 섬유가 직물을 형성하도록 직조된, 복합체.
  9. 제 7 항에 있어서,
    직물이 평직 직물, 능직 직물, 크로우풋(crowfoot) 직물, 수자직(satin weave) 직물, 스타치 본디드(stitch bonded) 직물 또는 3D 직물을 포함하는, 복합체.
  10. 제 7 항의 복합체를 포함하는 장갑 판.
  11. 중합체성 수지; 및
    중합체성 수지 내에 배치된 복수의 유리 섬유
    를 포함하고, 내탄도 또는 내폭 용도에 사용하기 위한 복합체로서, 이때 상기 복수의 유리 섬유 중 하나 이상이
    SiO2 53.5 내지 77 중량%;
    B2O3 4.5 내지 14.5 중량%;
    Al203 4.5 내지 18.5 중량%;
    MgO 4 내지 12.5 중량%;
    CaO 0 내지 10.5 중량%;
    Li20 0 내지 4 중량%;
    Na20 0 내지 2 중량%;
    K20 0 내지 1 중량%;
    Fe203 0 내지 1 중량%;
    F2 0 내지 2 중량%;
    Ti02 0 내지 2 중량%; 및
    다른 구성성분 총 0 내지 5 중량%
    를 포함하는 유리 조성물을 포함하는 복합체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    복합체가, 장갑의 V50 탄도성 실험을 위한 미국 국방부 표준 실험 방법(MIL-STD-662F, 1997년 12월)에 의해 측정시, 약 2lb/ft2의 면 밀도 및 약 5 내지 6mm의 두께에서 약 900fps 이상의 0.30 cal FSP V50 값을 나타내는, 복합체.
  13. 제 11 항에 있어서,
    복합체가, 장갑의 V50 탄도성 실험을 위한 미국 국방부 표준 실험 방법(MIL-STD-662F, 1997년 12월)에 의해 측정시, 약 4.8 내지 4.9lb/ft2의 면 밀도 및 약 13 내지 13.5mm의 두께에서 약 1200fps 이상의 0.50 cal FSP V50 값을 나타내는, 복합체.
  14. 제 11 항에 있어서,
    중합체성 수지가 에폭시 수지를 포함하는, 복합체.
  15. 제 11 항에 있어서,
    중합체성 수지가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 열가소성 폴리우레탄, 페놀수지, 폴리에스터, 비닐 에스터 및 열경화성 폴리우레탄 수지 중 하나 이상을 포함하는, 복합체.
  16. 제 11 항에 있어서,
    복수의 유리 섬유 중 하나 이상이 적어도 부분적으로 사이징(sizing) 조성물로 코팅된, 복합체.
  17. 제 11 항에 있어서,
    복수의 유리 섬유가 직물을 형성하도록 배열된, 복합체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    복수의 유리 섬유가 직물을 형성하도록 직조된, 복합체.
  19. 제 17 항에 있어서,
    직물이 평직 직물, 능직 직물, 크로우풋 직물, 수자직 직물, 스타치 본디드 직물 또는 3D 직물을 포함하는, 복합체.
  20. 제 17 항의 복합체를 포함하는 장갑 판.
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