KR20140059845A - 내구성의 연성 신체 방호물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내구성이 개선된 내탄도성 복합체에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은, 하위 바인더 시스템의 특성을 이용하면서 복합체 내마모성을 증진시키는 보호 열가소성 오버레이를 포함하는 내탄도성 복합체에 관한 것이다.

Description

내구성의 연성 신체 방호물{DURABLE SOFT BODY ARMOR}
이 출원은, 그 개시내용이 전반적으로 본원에 참고로 인용되고 있는, 2011년 3월 25일자로 출원된 공계류 중인 미국 출원 13/072,523의 일부계속 출원이다. 또한, 이 출원은, 그 개시내용이 전반적으로 본원에 참고로 인용되고 있는, 2011년 9월 6일자로 출원된 공계류 중인 미국 가출원 61/531,334의 이점을 청구하고 있다.
본 발명은 내구성이 개선된 내탄도성(ballistic resistance) 복합체에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은, 하위(underlying) 바인더 시스템의 특성을 이용하면서 복합체 내마모성을 증진시키는 보호 열가소성 오버레이(overlay)를 포함하는 내탄도성 복합체에 관한 것이다.
관련 기술의 설명
발사체(projectile)에 대항하여 우수한 특성들을 갖는 고강도 섬유를 함유하는 내탄도성 물품들은 잘 알려져 있다. 방탄 조끼, 헬멧, 차량 패널(vehicle panel) 및 군사 장비의 구조 요소(member)들과 같은 물품들은 고강도 섬유를 포함하는 패브릭으로부터 전형적으로 제조된다. 통상적으로 사용되는 고강도 섬유는 폴리에틸렌 섬유, 아라미드 섬유, 예컨대 폴리(페닐렌디아민 테레프탈아미드), 그라파이트 섬유, 나일론 섬유, 유리 섬유 등을 포함한다. 조끼 또는 조끼의 부품과 같은 많은 용도에 있어서, 직조(woven) 또는 편직(knitted) 패브릭에 섬유들이 사용될 수 있다. 다른 용도들에서, 섬유들은 중합 바인더(polymeric binder) 물질 내에 캡슐화(encapsulate) 또는 매립(embed)되어서, 직조 또는 부직의 견고한(rigid) 또는 연성(soft), 가요성(flexible) 다층 패브릭을 형성할 수 있다.
연성 가요성 신체 방호물의 특징들은, 방호물이 직조 패브릭 또는 부직 패브릭으로부터 제작되는 지에 따라 변하는 것으로 공지되어 있다. 중합 바인더 물질로 함침된 섬유들의 부직 단방향 복합체들은 방호 산업에서 가장 높은 성능 물질들 중 하나이며, 이들은 연성 개인 신체 방호물의 제조에 특히 효과적이다. 이들의 탄도 성능은 일반적으로 직조 패브릭으로부터 제작된 연성의 개인 신체 방호물에 대해 우수하다. 그러나, 방호 산업에서 일부는 직조 패브릭이 더욱 우수한 내구성, 특히 부직 패브릭으로부터 형성된 복합체들보다 더욱 우수한 표면 마모 내성을 갖는 것으로 믿어진다. 부직 패브릭의 내마모성을 개선시키는 공지된 방법들 중 하나는 얇은 연속 폴리머 필름, 예컨대 폴리에틸렌 필름을 패브릭의 외부 표면들에 라미네이팅시키는 것이다. 그러나, 이러한 필름 라미네이팅된 산물은 비라미네이팅된 산물보다 높은 속도에서 물을 흡수하는 경향을 갖는 것으로 관찰되었다. 다르게는, 내마모성을 개선시키기 위하여 퓨저블(fusible) 왁스, 예컨대 폴리에틸렌 왁스로 패브릭 표면들을 코팅하는 것이 알려져 있다. 왁스는 효과적이지만 바람직하지 않게도 패브릭의 강직성을 증가시키는 것으로 밝혀져 있다. 또한, 이러한 보호 외부 표면 코팅은, 연속 폴리머 필름 또는 왁스에 따라, 보호 외부 표면 코팅 아래의 환경적 내성 바인더 시스템 또는 임의의 하위 내약품성(chemical resistant) 코팅을 간섭하는 경향을 갖는다. 따라서, 패브릭 강직성을 증가시키지 않으면서 연성 신체 방호물의 내구성을 개선시키고 또한 이용되는 다른 유리한 패브릭 특성들, 예컨대 내약품성 또는 환경적 내성의 바인더 시스템을 허용하는 신규 기술에 대한 당해 기술분야에서의 요구가 존재한다. 본 발명은 당해 기술분야에서의 이러한 요구에 대한 해결책을 제공한다.
본 발명은, 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면에 결합되며, 패브릭의 외부 표면들을 오직 부분적으로 덮고 있는 적어도 하나의 열가소성 오버레이를 포함하는 내탄도성 물품을 제공한다. 이는 패브릭의 내약품성 및/또는 환경적 내성을 간섭하지 않으면서 패브릭의 내마모성 및 내구성을 현저하게 개선시키는 것으로 밝혀졌다.
본 발명은, a) 각각이 복수의 섬유들 및 상기 섬유들의 표면과 주변에 중합 물질을 포함하는 적어도 하나의 섬유 층을 포함하며, 외부 최상부 표면 및 외부 최하부 표면을 갖는 섬유 복합체; 및 b) 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면에 결합되며, 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면을 오직 부분적으로 덮고 있는 적어도 하나의 열가소성 오버레이를 포함하는 내탄도성 물품 제공한다.
또한, 본 발명은, a) 각각이 복수의 섬유들 및 상기 섬유들의 표면과 주변에 중합 물질을 포함하는 적어도 하나의 섬유 층을 포함하며, 외부 최상부 표면 및 외부 최하부 표면을 갖는 섬유 복합체를 제공하는 단계; b) 적어도 하나의 열가소성 오버레이를 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면에 적용하여서, 상기 적어도 하나의 열가소성 오버레이가 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면을 오직 부분적으로 덮는 단계; 및 c) 상기 적어도 하나의 열가소성 오버레이를 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면에 결합시키는 단계를 포함하는 내탄도성 물품의 제조방법 제공한다.
추가로, 본 발명은, a) 각각이 복수의 섬유들을 포함하는 적어도 하나의 섬유 층을 포함하며, 외부 최상부 표면 및 외부 최하부 표면을 갖는 섬유 복합체; 및 b) 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면에 결합되며, 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면을 오직 부분적으로 덮고 있는 적어도 하나의 열가소성 오버레이를 포함하는 내탄도성 물품 제공한다.
본 발명은, 섬유 복합체의 외부 표면들을 개질시키는 방법, 및 내구성이 개선된 최종 내탄도성 물품에 관한 것이다. 상기 섬유 복합체는 직조 또는 부직일 수 있고, 복합체의 구성요소 섬유들의 표면을 코팅하는 중합 바인더 물질로 함침되거나 되지 않을 수 있다. 본 발명은 특히 각각이 복수의 섬유들 및 상기 섬유들의 표면과 주변에 중합 물질을 포함하는 적어도 하나의 섬유 층을 포함하는 부직 패브릭의 내구성을 개선시키는 데 유용하다. 본원에 사용되는 바와 같이, "섬유 층"은 단일 플라이의 단방향 배향된 섬유들, 복수의 비-컨솔리데이션(non-consolidated)된 플라이들의 단방향 배향된 섬유들, 복수의 컨솔리데이션된 플라이들의 단방향 배향된 섬유들, 직조 패브릭, 복수의 컨솔리데이션된 직조 패브릭, 또는 복수의 섬유들로부터 형성되는 임의의 다른 패브릭 구조, 예컨대 펠트(felt), 매트(mat) 및 다른 구조, 예컨대 무작위적으로 배향된 섬유들을 포함하는 것들을 포함할 수 있다. "층"은 대체로 평평한 배열을 묘사한다. 각 섬유 층은 외부 최상부 표면 및 외부 최하부 표면 둘다를 가질 것이다. 단방향 배향된 섬유들의 "단일 플라이"는 단방향의 실질적으로 평행한 어레이로 정렬된 비중첩성 섬유들의 배열을 포함한다. 이 타입의 섬유 배열은 또한 "유니테이프(unitape)(단방향성 테이프(unidirectional tape))"로서 당해 분야에 공지되어 있다. 본원에 사용되는 바와 같이, "어레이(array)"는 섬유들 또는 얀(yarn)들의 측면으로 정돈된(orderly) 배열을 묘사하며, "평행 어레이"는 섬유들 또는 얀들의 정돈된 평행 어레이를 묘사한다. "배향된 섬유들"과 관련되어 사용되는 용어 "배향된(oriented)"은 섬유의 스트레칭(stretching)에 반대되는 섬유의 정렬을 지칭한다.
본 발명의 목적상, "섬유(fiber)"는 너비 및 두께의 횡방향 치수보다 상당히 더 큰 길이 치수로 신장형 몸체(elongate body)이다. 이 발명에 사용되는 섬유들의 단면은 광범위하게 변할 수 있으며, 단면이 원형, 평면이거나 직사각형(oblong)일 수 있다. 따라서, 용어, "섬유"는 규칙적이거나 비규칙적인 단면을 갖는 필라멘트, 리본, 스트립 등을 포함하나, 상기 섬유는 실질적으로 원형 단면을 갖는 것이 바람직하다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "얀(yarn)"은 다중 섬유들로 구성된 단일 가닥(strand)으로서 정의된다. 단일 섬유는 단지 하나의 필라멘트로부터 또는 다중 필라멘트들로부터 형성될 수 있다. 본원에서 단지 하나의 필라멘트로부터 형성된 섬유를 "단일-필라멘트(single-filament)" 섬유 또는 "모노필라멘트(monofilament)" 섬유라 칭하고, 복수의 필라멘트들로부터 형성된 섬유를 "다중필라멘트(multifilament)" 섬유라 칭한다.
용어 "패브릭"은 플라이들의 몰딩(mold) 또는 컨솔리데이션하거나 또는 그러지 않은 하나 이상의 섬유 플라이들을 포함할 수 있는 구조를 묘사한다. 예를 들면, 직조 패브릭 또는 펠트는 단일 섬유 플라이를 포함할 수 있다. 단방향 섬유들로부터 형성된 부직 패브릭은 전형적으로 서로에 대해 스택킹되고 컨솔리데이션되는 복수의 섬유 플라이들을 포함한다. 본원에 사용되는 경우, "단층(single-layer)" 구조는 합쳐진, 즉, 저압 라미네이션 또는 고압 몰딩에 의해 중합 바인더 물질과 함께 단일의 일원화 구조로 컨솔리데이션된 하나 이상의 개별 플라이 및 개별 층으로 구성된 임의의 일체식(monolithic) 섬유 구조를 칭한다. "컨솔리데이팅(consolidating)"이란 각 섬유 플라이와 함께 중합 바인더 물질이 단일의 일원화 층으로 결합된 것을 의미한다. 컨솔리데이션은 건조, 냉각, 가열, 압력 또는 이의 조합을 통해 일어날 수 있다. 섬유 또는 패브릭 층이 함께 부착될 수 있기 때문에, 가열 및/또는 압력이 필요 없을 수 있으며, 이는 습식 라미네이션 공정의 경우가 해당된다. 용어 "복합체(composite)"는 섬유와 적어도 하나의 중합 바인더 물질의 조합을 칭한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "컴플렉스 복합체(complex composite)"는 복수의 섬유 층들의 컨솔리데이션된 조합을 칭한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "부직(non-woven)" 패브릭은 위빙(weaving)에 의해 형성되지 않은 모든 패브릭 구조물을 포함한다. 예를 들어, 부직 패브릭은 스택킹된/중첩된 그리고 단층의 일체식 성분으로 컨솔리데이션된 중합 바인더 물질로 적어도 부분적으로 코팅된 복수의 유니테이프, 뿐만 아니라 중합 바인더 조성물로 (바람직하게는) 코팅된 비-평행의 무작위 배향된 섬유들을 포함하는 펠트 또는 매트를 포함할 수 있다. 본원에 사용되는 바와 같이, "열가소성 오버레이(theremoplastic overlay)"는, 패브릭 또는 섬유 층의 표면에 부착될 수 있으며 상기 표면에 오직 부분적으로 덮고 있는 임의의 열가소성 물질을 칭한다. 이러한 것에는 전체 패브릭/섬유 층 표면을 덮고 환경적 요소들, 예컨대 물 및 유기 용매들과 투과 불가능한 연속 비다공성 필름이 특별히 배제된다. 그러나, 연속 필름으로 코팅되는 단지 하나의 외부 패브릭/섬유 층 표면에 대한 본 발명의 범위 내에 속하지만, 다른 패브릭/섬유 층 표면은 본원에 기재된 바와 같은 오버레이에 의해 부분적으로 덮여지거나, 또는 커버링을 갖지 않는 하나의 외부 표면에 대해서는 다른 외부 표면은 오버레이에 의해 부분적으로 덮여져 있다. 하위 중합 바인더 물질의 일부(존재한다면)가 적어도 하나의 열가소성 오버레이를 통해 노출되도록 외부 패브릭/섬유 층 표면들에 대해서는 본원에 기재된 바와 같은 오버레이에 의해 부분적으로 덮여지는 것이 가장 바람직하다. 복수의 섬유 층들을 포함하는 섬유 복합체에 대해서는 인접하는 층들 일부 또는 모두 사이에 존재하는 연속 중합 필름을 갖는 것이 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다.
연속 비다공성 필름이 명시적으로 아니지만, 열가소성 오버레이는 적용되는 표면이 오직 부분적으로 덮여지는 한 예외없이 임의의 구조를 가질 수 있다. 이는 예컨대 불연속 열가소성 웹, 정돈된 불연속 열가소성 네트(net), 부직 불연속 패브릭, 부직 불연속 스크림(scrim), 불연속 용융된 분말, 다공성 필름 또는 복수의 열가소성 폴리머 스트립(strip)일 수 있다. 복수의 열가소성 폴리머 스트립이 적용되는 경우, 각 스트립은 하나의 오버레이이다. 이들 물질은, 비제한적으로 칼렌더 닙(calender nip) 또는 플랫-베드 라미네이터(flat-bed laminator)를 통한 열 라미네이션, 또는 수지 바인더가 섬유에 적용되는 코팅 공정의 일부인 웨트(wet) 라미네이션을 포함하는 다양한 방법에 의해 패브릭/섬유 층에 결합될 수 있다. 다르게는, 예컨대, 플랫-베드 라미네이터에 의해, 표면에 대한 상기 분말의 후속적인 결합, 용융 및/또는 퓨징(fusing)으로, 외부 표면에 열가소성 수지 또는 바인더의 불연속 퓨저블 분말의 코팅이 적용될 수 있다. 이들 바람직한 방법은 잠재적인 기술의 단지 비-제한적인 예이며, 언급한 목적을 달성하는 데 유용한 모든 방법의 포괄적인 리스트(list)인 것으로 의도되는 것은 아니다. 섬유 플라이/섬유 층 컨솔리데이션 및 폴리머 적용/결합 단계들은 2개의 개별 단계들 또는 단독 컨솔리데이션/라미네이션 단계를 포함할 수 있다.
오버레이는 필요에 따라 패브릭/섬유 층의 외부 표면 모두 또는 이들 중 하나에 적용될 수 있다. 어레이에 정렬되어 있는 복수의 섬유들에 적용될 수 있지만, 코팅시 패브릭인 것으로 간주되거나 또는 간주되지 않을 수 있다. 복수의 오버레이는 또한 합쳐진 오브레이들이 오직 부분적으로 적용되는 상기 외부 최하부 표면 및/또는 외부 최상부 표면을 덮는 한 서로의 최상부에 적용될 수 있다. 패브릭/섬유 층에 대한 열가소성 오버레이의 결합은 일반적으로 공정의 임의의 단계에서 일어날 수 있다. 예를 들면, 내탄도성 물품의 제작에 가장 통상적인, 중합 바인더 물질로 컨솔리데이션된 복수의 섬유 층 또는 섬유 플라이를 포함하는 내탄도성 물품이 형성되는 경우, 열가소성 오버레이는, i) 복수의 섬유 층/플라이 및 중을 복합체 내에 컨솔리데이션하는 컨솔리데이션 단계 전, ii) 복수의 섬유 층/플라이 및 중을 복합체 내에 컨솔리데이션하는 컨솔리데이션 단계 도중, 또는 iii) 복수의 섬유 층/플라이 및 중을 복합체 내에 컨솔리데이션하는 컨솔리데이션 단계 후, 물품의 외부 섬유 층/플라이에 결합될 수 있다.
본 발명에서 형성된 섬유 층 및 복합체는 바람직하게는 고 강도, 고 인장 모듈러스 중합 섬유로부터 제조된 내탄도성 복합체이다. 가장 바람직하게는, 상기 섬유는 내탄도성 물질 및 물품의 형성에 유용한 고 강도, 고 인장 모듈러스 섬유를 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "고 강도, 고 인장 모듈러스 섬유"는 각각 모두 ASTM D2256에 의한 측정시, 적어도 약 7g/데니어 이상의 바람직한 강인성, 적어도 약 150g/데니어 이상의 바람직한 인장 강도 및 적어도 약 8J/g 이상의 파괴 에너지(energy-to-break)를 갖는 것이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "데니어(denier)"는 섬유 또는 얀의 9000미터당 그램의 질량과 동등한 선형 밀도의 단위를 칭한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "강인성(tenacity)"은 비응력 시편의 단위 선형 밀도(데니어)당 힘(그램)으로 표현되는 인장 응력을 칭한다. 섬유의 "초기 모듈러스(initial modulus)"는 변형에 대한 내성을 나타내는 물질의 특성이다. 용어 "인장 모듈러스"는 본래의 섬유 강도(in/in)의 일부로서 표현되는 스트레인 변화에 대한 데니어당 그램-힘(g/d)으로 표현되는 강인성의 변화비를 칭한다.
상기 섬유를 형성하는 폴리머는 바람직하게는 내탄도성 복합체/패브릭의 제조에 적절한 고-강도, 고 인장 모듈러스 섬유이다. 내탄도성 복합체 및 물품의 형성에 특히 적절한 고-강도, 고 인장 모듈러스 섬유 물질은, 고밀도 및 저밀도 폴리에틸렌을 포함하는 폴리올레핀 섬유를 포함한다. 특히, 고배향, 고분자량 폴리에틸렌 섬유, 특히 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 및 폴리프로필렌 섬유, 특히 초고분자량 폴리프로필렌 섬유와 같은 확장된 쇄 폴리올레핀 섬유가 바람직하다. 또한, 아라미드 섬유, 특히 파라-아라미드 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 나프탈렌 섬유, 확장된 쇄 폴리비닐 알코올 섬유, 확장된 쇄 폴리아크릴로니트릴 섬유, 폴리벤조옥사졸(PBO) 및 폴리벤조티아졸(PBT)과 같은 폴리벤즈아졸 섬유, 액정 코폴리에스테르 섬유 및 M5(등록상표) 섬유들과 같은 다른 경질 막대 섬유가 적절하다. 각각의 이러한 섬유 타입은 통상적으로 당해 기술분야에 알려져 있다. 또한, 중합 섬유를 제조하기 위해 코폴리머, 블록 폴리머 및 이들 물질의 블렌드가 적절하다.
내탄도성 패브릭에 가장 바람직한 섬유 타입은 폴리에틸렌, 특히 확장된 쇄 폴리에틸렌 섬유, 아라미드 섬유, 폴리벤즈아졸 섬유, 액정 코폴리에스테르 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 특히 고배향 확장된 쇄 폴리프로필렌 섬유, 폴리비닐 알코올 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유 및 다른 경질 막대 섬유, 특히 M5(등록상표) 섬유들을 포함한다. 특히 가장 바람직한 섬유는 아라미드 섬유이다.
폴리에틸렌의 경우에, 바람직한 섬유는 적어도 500,000, 바람직하게는 적어도 1백만 및 보다 바람직하게는 2백만 내지 5백만의 분자량을 갖는 확장된 쇄 폴리에틸렌이다. 이러한 확장된 쇄 폴리에틸렌(ECPE) 섬유는 미국 특허 제4,137,394호 또는 제4,356,138호에 기재된 바와 같은 용액 스피닝 공정으로 성장될 수 있으며, 이들 문헌은 본원에 참고로 인용되며, 또는 미국 특허 제4,551,296호 및 제5,006,390호에 기재된 바와 같이 용액으로부터 스피닝되어 겔 구조를 형성할 수 있으며, 이들 문헌은 본원에 참고로 인용된다. 본 발명에 사용하기에 특히 바람직한 섬유 타입은 허니웰 인터네셔널 인코포레이션에서 제조한 상표명 SPECTRA(등록상표)로 판매되고 있는 폴리에틸렌 섬유이다. SPECTRA(등록상표) 섬유는 당해 기술분야에 잘 알려져 있으며, 예를 들어, 미국 특허 제4,623,547호 및 제4,748,064호에 기재되어 있다. 폴리에틸렌에 부가적으로, 다른 유용한 폴리올레핀 섬유 타입은 TEGRIS(등록상표) 섬유(Milliken & Company of Spartanburg, South Carolina)와 같은 폴리프로필렌(섬유 또는 테이프)이다.
또한, 특히 아라미드(방향족 폴리아미드) 또는 파라-아라미드 섬유가 바람직하다. 이는 예를 들어, 미국 특허 제3,671,542호에 기재된 바와 같이 상업적으로 입수 가능하다. 예를 들어, 유용한 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) 필라멘트는 상표명 KEVLAR(등록상표)로 판매되며 DuPont으로부터 상업적으로 제조된다. 또한 본 발명의 실시에 유용한 것은 상표명 NOMEX(등록상표)로 판매되며 DuPont으로부터 상업적으로 제조되는 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드) 섬유 및 상표명 TWARON(등록상표)로 판매되며 Teijin으로부터 상업적으로 제조되는 섬유들; 상표명 HERACRON(등록상표)로 판매되며 Kolon Industries, Inc.(Korea)에서 상업적으로 제조되는 아라미드 섬유들; Kamensk Volokno(Russia)에 의해 상업적으로 제조되는 p-아라미드 섬유 SVMTM 및 RUSARTM, 및 JSC Chim Volokno(Russia)에 의해 상업적으로 제조되는 ARMOSTM p-아라미드 섬유이다.
본 발명의 실시에 적절한 폴리벤즈아졸 섬유는 상업적으로 입수 가능하며, 예를 들어, 미국 특허 제5,286,833호, 제5,296,185호, 제5,356,584호, 제5,534,205호 및 제6,040,050호에 기재되어 있으며, 이들 문헌은 본원에 참고로 인용된다. 본 발명의 실시에 적절한 액정 코폴리에스테르 섬유는 상업적으로 입수 가능하며, 예를 들어, 미국 특허 제3,975,487호; 제4,118,372호 및 제4,161,470호에 기재되어 있으며, 이들 문헌은 본원에 참고로 인용된다. 적절한 폴리프로필렌 섬유는 미국 특허 제4,413,110호에 기재된 바와 같은 고배향 확장된 쇄 폴리프로필렌(ECPP) 섬유를 포함하며, 상기 문헌은 본원에 참고로 인용된다. 적절한 폴리비닐 알코올(PV-OH) 섬유는, 예를 들어, 미국 특허 제4,440,711호 및 제4,599,267호에 기재되어 있으며, 이들 문헌은 본원에 참고로 인용된다. 적절한 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유는 예를 들어, 미국 특허 제4,535,027호에 기재되어 있으며, 이는 본원에 참고로 인용된다. 각각의 이러한 섬유 타입들은 상업적으로 알려져 있으며, 상업적으로 널리 입수 가능하다.
M5(등록상표) 섬유는 피리도비스이미다졸-2,6-디일(2,5-디히드록시-p-페닐렌)로부터 형성되며, Magellan Systems International of Richmond(Virginia)에 의해 제조되며, 예를 들어, 미국 특허 제5,674,969호, 제5,939,553호, 제5,945,537호, 및 제6,040,478호에 기재되어 있으며, 이들 문헌은 본원에 참고로 인용된다. 또한, 모두 상업적으로 입수 가능한 상기 모든 물질들의 조합이 적절하다. 예를 들어, 섬유 층은 아라미드 섬유, UHMWPE 섬유(예, SPECTRA(등록상표) 섬유), 탄소 섬유 등, 뿐만 아니라 섬유 유리 및 기타 저성능(lower-performing) 물질들 중 하나 이상의 조합으로부터 형성될 수 있다.
상기 섬유들은 예를 들어, 50 내지 약 3000데니어, 보다 바람직하게는 약 200 내지 3000데니어, 보다 바람직하게는 약 650 내지 약 2000데니어, 가장 바람직하게는 약 800 내지 약 1500데니어와 같이 임의의 적절한 데니어를 가질 수 있다. 선택은 탄도 효능 및 비용을 고려하여 좌우된다. 좋은 섬유일수록 제조 및 위빙하기에 더 비싸지만, 단위 중량당 더 우수한 탄도 효능을 낼 수 있다.
상술한 바와 같이, 고 강도, 고 인장 모듈러스 섬유는 각각 ASTM D2256에 의해 측정시, 약 7g/데니어 이상의 바람직한 강인성, 약 150g/데니어 이상의 바람직한 인장 모듈러스 및 약 8J/g 이상의 바람직한 파괴 에너지를 갖는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 섬유의 강인성은 약 15g/데니어 이상, 바람직하게는 약 20g/데니어 이상, 보다 바람직하게는 약 25g/데니어 이상, 보다 바람직하게는 약 30g/데니어 이상, 보다 바람직하게는 약 37g/데니어 이상, 보다 바람직하게는 약 40g/데니어 이상, 보다 바람직하게는 약 45g/데니어 이상, 보다 바람직하게는 약 50g/데니어 이상, 보다 바람직하게는 약 55g/데니어 이상, 가장 바람직하게는 약 60g/데니어 이상이 되어야 한다. 또한, 바람직한 섬유는 약 300g/데니어 이상, 보다 바람직하게는 약 400g/데니어 이상, 보다 바람직하게는 약 500g/데니어 이상, 보다 바람직하게는 약 1,000g/데니어 이상, 가장 바람직하게는 약 1,500g/데니어 이상의 바람직한 인장 모듈러스를 갖는다. 또한, 바람직한 섬유는 약 15J/g 이상, 보다 바람직하게는 약 25J/g 이상, 보다 바람직하게는 약 30J/g 이상, 가장 바람직하게는 약 40J/g 이상의 바람직한 파괴 에너지를 갖는다. 이러한 복합 고 강도 특성들은 잘 알려진 공정에 의해 획득가능하다. 미국 특허 제4,413,110호, 제4,440,711호, 제4,535,027호, 제4,457,985호, 제4,623,547호, 제4,650,710호 및 제4,748,064호에는 바람직한 고 강도, 확장된 쇄 폴리에틸렌 섬유의 형성에 대해 일반적으로 기술되어 있다. 용액 성장 또는 겔 섬유 공정을 포함하는 이러한 방법들은 당해 기술분야에 잘 알려져 있다. 파라-아라미드 섬유를 포함하는 다른 바람직한 각각의 섬유 타입들을 형성하는 방법이 또한 당해 기술분야에 알려져 있으며, 상기 섬유들은 상업적으로 입수 가능하다.
섬유 층들을 함침하는 중합 바인더 물질은 섬유 층의 개별 섬유들을 부분적으로 또는 실질적으로 코팅한다. 또한, 상기 중합 바인더 물질은 당해 기술분야에서 통상 "중합 매트릭스(polymeric matrix)" 물질로 알려져 있으며, 이러한 용어는 본원에서 호환적으로 사용된다. 이러한 용어는 당해 기술분야에 통상적으로 알려져 있으며, 이의 고유 접착 특성에 의해 또는 잘 알려진 가열 및/또는 압력 조건에 적용된 후에 함께 섬유들을 결합하는 물질을 나타낸다. 이러한 "중합 매트릭스" 또는 "중합 바인더" 물질은 또한 내마모성 및 유해한 환경 조건에 대한 내성과 같은 다른 원하는 특성들을 갖는 패브릭을 제공할 수 있어, 이에 따라, 직조 패브릭과 같이 이의 결합 특성이 중요하지 않은 경우에도 이러한 바인더 물질로 섬유를 코팅하는 것이 바람직할 수 있다. 일반적으로, 저압 라미네이션 또는 고압 몰딩 또는 라미네이션에 의해 다중 직조 패브릭들을 합치고자 한다면, 일부 형태의 중합 바인더 물질로 직조 패브릭을 함침 또는 코팅할 필요가 있다. 다중 직조 패브릭을 합치기 위해서는, 직조 패브릭을 포함하는 섬유들은 중합 바인더로 적어도 부분적으로 코팅한 후, 부직 섬유 층들로 수행된 것과 유사한 컨솔리데이션 단계를 수행하는 것이 바람직하다.
적합한 중합 바인더 물질은 저 모듈러스, 탄성 물질 및 고 모듈러스, 경성 물질 모두를 포함한다. 본원에 전반적으로 사용된 용어, 인장 모듈러스는 섬유에 대해 ASTM 2256에 의해, 그리고 중합 바인더 물질에 대해서는 ASTM D638에 의해 측정되는 탄성 모듈러스를 의미한다. 낮거나 높은 모듈러스 바인더는 다양한 중합 및 비중합 물질을 포함할 수 있다. 바람직한 중합 바인더는 저 모듈러스 탄성 물질을 포함한다. 본 발명의 목적상, 저 모듈러스 탄성 물질은 ASTM D638 시험법에 따라 약 6,000psi(41.4MPa) 이하에서 측정되는 인장 모듈러스를 갖는다. 저 모듈러스 폴리머는 바람직하게는 약 4,000psi(27.6MPa) 이하, 보다 바람직하게는 약 2400psi(16.5MPs) 이하, 보다 바람직하게는 1200psi(8.23MPa) 이하, 가장 바람직하게는 약 500psi(3.45MPa) 이하의 엘라스토머의 인장 모듈러스를 갖는다. 상기 엘라스토머의 유리전이온도(Tg)는 바람직하게는 0℃ 미만, 보다 바람직하게는 약 -40℃ 미만, 가장 바람직하게는 약 -50℃ 미만이다. 또한, 상기 엘라스토머는 적어도 약 50%, 보다 바람직하게는 적어도 약 100%, 가장 바람직하게는 적어도 약 300%의 바람직한 파단 신율(elongation to break)을 갖는다.
저 모듈러스를 갖는 광범위하게 다양한 물질 및 배합물이 상기 중합 바인더로서 이용될 수 있다. 대표적인 예는 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 천연 고무, 에틸렌-프로필렌 코폴리머, 에틸렌-프로필렌-디엔 3원공중합체, 폴리설피드 폴리머, 폴리우레탄 엘라스토머, 클로로설포네이티드 폴리에틸렌, 폴리클로로프렌, 가소화된 폴리비닐클로라이드, 부타디엔 아크릴로니트릴 엘라스토머, 폴리(이소부틸렌-코-이소프렌), 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리에테르, 플루오로엘라스토머, 실리콘 엘라스토머, 에틸렌의 코폴리머, 폴리아미드(일부 섬유 타입으로 유용한), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리카보네이트 및 이의 조합, 뿐만 아니라 상기 섬유의 용융점 이하에서 경화 가능한 다른 저 모듈러스 폴리머 및 코폴리머를 포함한다. 또한, 다른 엘라스토머 물질의 블렌드, 또는 엘라스토머 물질과 하나 이상의 열가소성 플라스틱의 블렌드가 바람직하다.
컨주게이티드 디엔과 비닐 방향족 모노머의 블록 코폴리머가 특히 유용하다. 부타디엔 및 이소프렌이 바람직한 컨주게이티드 디엔 엘라스토머이다. 스티렌, 비닐 톨루엔 및 t-부틸 스티렌이 바람직한 컨주게이티드 방향족 모노머이다. 폴리이소프렌을 포함하는 블록 코폴리머는 수소화되어 포화 탄화수소 엘라스토머 세그먼트를 갖는 열가소성 플라스틱 엘라스토머를 생성할 수 있다. 상기 폴리머는 타입 A-B-A의 단순한 트리-블록, 타입 (AB)n(n=2-10)의 다중-블록 또는 타입 R-(BA)x(x=3-150)의 방사상 형태 코폴리머일 수 있으며; 여기서 A는 폴리비닐 방향족 모노머의 블록이며, B는 컨주게이티드 디엔 엘라스토머의 블록이다. 다수의 이러한 폴리머들은 Kraton Polymers(Houston, TX)에 의해 상업적으로 제조되며, 회보 "Kraton Thermoplastic Rubber", SC-68-81에 기재되어 있다. 또한, 상표명 PRINLIN(등록상표)으로 판매되며 Henkel Technologies(Duseeldorf, Germany)로부터 상업적으로 입수 가능한 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 코폴리머의 수지 분산물이 유용한다. 특히 바람직한 저 모듈러스 중합 바인더 폴리머는 상표명 KRATON(등록상표)으로 판매되며, Kraton Polymers에 의해 제조되는 스티렌 블록 코폴리머를 포함한다. 특히 바람직한 중합 바인더 물질은 상표명 KRATON(등록상표)으로 판매되는 폴리스티렌-폴리이소프렌-폴리스티렌-블록 코폴리머를 포함한다.
또한, 물, 특히 바닷물에 의한 용해에 대해 내성이고/이거나, 하나 이상의 유기 용매, 예컨대 디젤 또는 비-디젤 가솔린, 총포 윤활제(gun lube), 석유 및 석유로부터 유래된 유기 용매에 의한 용해에 대해 내성인 중합 바인더 물질이 특히 바람직하다. 이들 바인더 물질은 섬유들 및 섬유 층들의 병합에 도움을 주고, 뿐만 아니라 환경 오염으로 인한 우수한 내분해성을 갖는 복합체 물질을 제공한다. 극성 및 가수분해적으로 안정한 폴리머는 물 내성 및 유기 용매 내성을 나타내며, 효과적인 내탄도성 물품에 필요한 원하는 내탄도성 특성을 유지한다. 극성 폴리머는 일반적으로 비극성 유기 용매에 의한 용해에 대해 내성이고, 가수분해적으로 안정한 폴리머는 물에 의한 가수분에 대해 안정적, 즉 물에 노출되는 경우 화학적 분해에 대해 내성이다. 따라서, 이러한 중합 바인더 물질을 혼입하여 형성된 내탄도성 물품들은 이러한 액체에 대한 연장된 노출 후에 그들의 내탄도성 특성을 보유한다.
적합한 용해 내성 중합 매트릭스 물질은 바람직하게는 극성 개질된 합성 고무, 극성 개질된 디엔 고무 및 극성 개질된 스티렌 블록 코폴리머, 예컨대 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 및 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS), 극성 비닐계 폴리머, 극성 아크릴 폴리머, 폴리비닐 클로라이드 호모폴리머, 폴리비닐 클로라이드 코폴리머, 폴리비닐 클로라이드 터폴리머, 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드 극성 에틸렌 비닐 아세테이트 코폴리머, 극성 에틸렌 아크릴산 코폴리머, 실리콘, 열가소성 폴리우레탄, 니트릴 고무, 폴리클로로프렌, 예컨대 네오프렌(Neoprene)(DuPont에 의해 제조됨), 폴리카보네이트, 폴리케톤, 폴리아미드, 셀룰로식(cellulosic), 폴리이미드, 폴리에스테르, 에폭시, 알키드, 페놀릭, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에테르 설폰 및 이들의 조합을 포함한다. 또한, 본원에서 특정화되지 않은 다른 극성의 가수분해적으로 안정한 중합체도 적합하다. 비극성 합성 고무 및 스티렌 블록 코폴리머, 예컨대 SIS 및 SBS는 일반적으로 극성 기, 예컨대 카복실 기의 그라프팅에 의해 또는 산 또는 알코올 작용기, 또는 임의의 다른 극성 기를 첨가함으로써 개질되어서 충분하게 발유성(oil repellent)이 되어야 한다. 예를 들면, 비극성 폴리머는 카복실산 기들, 예컨대 아크릴산 또는 말레산, 또는 다른 극성 기, 예컨대 아미노, 니트로 또는 설포네이트 기를 함유하는 모노머로 공중합될 수 있다. 이러한 기술들은 당해 기술분야에 잘 공지되어 있다.
C-C 폴리머 주쇄를 갖는 극성 폴리머가 특히 바람직하다. 본원에서 지적된 바와 같이, 극성 폴리머는 일반적으로 비극성 유기 용매에 의한 용해에 대해 내성이다. C-C 주쇄를 갖는 폴리머들, 예컨대 비닐계 폴리머, 예컨대 아크릴, 에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리비닐리덴 클로라이드 등은 가수분해적으로 안정한 분자 구조를 갖는다. 극성 열가소성 폴리우레탄, 특히 가수분해 안정성을 증진시키도록 배합된 것들이 특히 바람직하다. C-C 연결기(linkage)와 달리, 우레탄 연결기 및 에스테르 연결기는 일반적으로 가수분해에 취약하다. 따라서, 이러한 연결기들을 갖는 폴리머들은 일반적으로 발수성 및 가수분해 안정성을 증진시키기 위하여 배합 또는 개질된다. 예를 들면, 폴리우레탄은 폴리에테르 폴리올 또는 지방족 폴리올 구성성분, 또는 가수분해 안정성을 증진시키는 것으로 알려져 있는 다른 구성성분들과의 공중합화를 통해 가수분해 안정성을 증진시키도록 배합될 수 있다. 주요 폴리우레탄 생성 반응은 촉매의 존재 하에서 지방족 또는 방향족 디이소시아네이트 및 폴리올, 전형적으로 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에스테르 폴리올 사이에 존재한다. 이소시아네이트 공-반응물(co-reactant)의 선택은 가수분해 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 공반응물들 둘다 또는 이들 중 하나에 대한 벌키 펜던트 기들은 침입으로부터 우레탄 연결기를 보호할 수 있다. 폴리우레탄은, 사용된 모노머의 타입을 변화시킴으로써, 및 다른 물질들을 예컨대 발수제, pH 완충제, 가교결합제 및 킬레이트화제 등과 함께 첨가하여서 그들의 특성들을 개질시키거나 또는 그들의 가수분해 안정성을 증진시킴으로써 다양한 밀도와 경도로 제조될 수 있다.
열가소성 폴리우레탄은 호모폴리머, 코폴리머, 또는 폴리우레탄 호모폴리머와 폴리우레탄 코폴리머의 혼합물일 수 있다. 이러한 폴리머는 상업적으로 입수 간으하다. 이러한 폴리우레탄은 일반적으로 수용액, 분산물 또는 에멀션으로서 입수 가능하며, 여기서 고체 구성성분은 약 20 내지 80중량%, 더욱 바람직하게는 약 40 내지 약 60중량%일 수 있으며, 나머지 중량은 물이다. 사용의 용이성 때문에 수계(aqueous system)가 바람직하다. 더욱 특히는, 약 2,000psi(13.79MPa) 내지 약 8,000psi(55.16MPa) 범위의 인장 모듈러스를 갖는 연성 및 경질 물질 모두의 범위 내에 있는 폴리우레탄이 가장 특히 바람직하다. 바람직한 폴리우레탄은 수성 폴리우레탄 분산물로서 적용되며, 보조용매가 없는 것이 가장 바람직하나 필수적인 것은 아니다. 이러한 것들로는 수성 음이온성 폴리우레탄 분산물, 수성 양이온성 폴리우레탄 분산물 및 수성 비이온성 폴리우레탄 분산물을 포함한다. 수성 음이온성 폴리우레탄 분산물, 수성 지방족 폴리우레탄 분산물이 특히 바람직하며, 수성 음이온성 지방족 폴리우레탄 분산물이 가장 바람직하며, 이들 모두 바람직하게는 보조 용매를 부재하는 분산물이다. 이러한 것들로는 수성 음이온성 폴리에스테르계 폴리우레탄 분산물; 수성 지방족 폴리에스테르계 폴리우레탄 분산물; 및 수성 음이온성, 지방족 폴리에스테르계 폴리우레탄 분산물을 포함하며, 이들 모두 바람직하게는 보조 용매 부재 분산물이다. 또한, 이러한 것들로는 수성 음이온성 폴리에테르 폴리우레탄 분산물; 수성 지방족 폴리에테르계 폴리우레탄 분산물; 및 수성 음이온성, 지방족 폴리에테르계 폴리우레탄 분산물을 포함하며, 이들 모두 바람직하게는 보조 용매 부재 분산물이다. 마찬가지로, 수성 양이온 및 수성 비이온 분산물의 이에 상응하는 모든 변형물들(폴리에스테르계; 지방족 폴리에스테르계; 폴리에테르계; 지방족 폴리에테르계 등)이 바람직하다. 100% 신장률에서 약 700psi 이상의 모듈러스를 갖는 지방족 폴리우레탄 분산물이 가장 바람직하며, 700psi 내지 약 3000psi의 범위를 갖는 것이 특히 바람직하다. 100% 신장률에서 약 1000psi 이상, 그리고 보다 바람직하게는 약 1100psi 이상의 모듈러스를 갖는 지방족 폴리우레탄 분산물이 보다 바람직하다. 1000psi 이상, 바람직하게는 1100psi 이상의 모듈러스를 갖는 지방족 폴리에테르계 폴리우레탄 분산물이 가장 바람직하다.
또한, 불소 함유 중합 바인더 물질뿐만 아니라 불소를 함유하지 않는 폴리머와 불소 함유 폴리머의 블렌드가 본 발명에 유용하다. 본 명세서에 사용된, "불소 함유" 폴리머는 플루오로폴리머 및 플루오로카본-함유 물질(즉, 플루오로카본 수지)을 포함한다. "플루오로카본 수지"는 일반적으로 플루오로카본기를 포함하는 폴리머를 가리킨다. 본 발명에서 유용한 플루오로폴리머 및 플루오로카본 수지 물질은 플루오로폴리머 호모폴리머, 플루오로폴리머 코폴리머 또는 이의 블렌드를 포함하며, 이들은 당해 기술분야에 잘 알려져 있으며, 예를 들어, 미국 특허 제4,510,301호, 제4,544,721호 및 제5,139,878호에 기재되어 있다. 유용한 플루오로폴리머의 예로는 클로로트리플루오로에틸렌, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 코폴리머, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 코폴리머, 불소화 에틸렌-프로필렌 코폴리머, 퍼플루오로알콕시에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 및 이들의 코폴리머 및 혼합물이 포함되나 이에 제한되지 않는다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 코폴리머는 2개 이상의 모노머 구성성분을 갖는 폴리머를 포함한다. 바람직한 플루오로폴리머는 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 호모폴리머와 코폴리머를 포함한다. ACLONTM 상표명 하에서 판매되며 Honeywell Internation Inc.(Morristown, New Jersey)로부터 상업적으로 입수 가능한 PCTFE(폴리클로로트리플루오로에틸렌 호모폴리머) 물질이 특히 바람직하다. 가장 바람직한 플루오로폴리머 또는 플루오로카본 수지로는, 폴리아크릴산(즉, 플루오로카본-개질 폴리아크릴산) 또는 폴리아크릴레이트(즉, 플루오로카본-개질 폴리아크릴레이트) 및 폴리우레탄(즉, 플루오로카본-개질 폴리우레탄)과 같은 통상적인 폴리에테르(즉, 플루오로카본-개질 폴리에테르), 폴리에스테르(즉, 플루오로카본-개질 폴리에스테르), 폴리아니온스(즉, 플루오로카본-개질 폴리아니온스) 상에 플루오로카본 측쇄를 그라프팅하여 형성되는 플루오로카본-개질 폴리머, 특히 플루오로-올리고머 및 플루오로폴리머가 포함된다. 이러한 플루오로카본 측쇄 또는 퍼플루오로 화합물은 일반적으로 텔로머화(telomerisation) 공정에 의해 생성되며, 일반적으로 C8 플루오로카본으로 칭하여진다. 예를 들어, 플루오로폴리머 또는 플루오로카본 수지는 불포화 플루오로-화합물의 텔로머화로부터 유도되어, 플루오로텔로머를 형성하며, 여기서 상기 플루오로텔로머는 계속해서 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리아니온, 폴리아크릴산, 폴리아크릴레이트 또는 폴리우레탄과 반응하여 변성되고, 그 다음, 상기 플루오로텔로머는 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리아니온, 폴리아크릴산, 폴리아크릴레이트 또는 폴리우레탄상에 그라프팅된다. 이러한 플루오로카본 함유 폴리머의 좋은 대표적인 예는 Clariant International, Ltd.(Switzerland)로부터 상업적으로 입수 가능한 NUVA(등록상표) 플루오로폴리머 제품들이다. 퍼플루오로 산계 및 퍼플루오로 알코올계 측쇄를 갖는 다른 플루오로카본 수지들, 플루오로-올리고머 및 플루오로폴리머가 또한 가장 바람직하다. C6, C4 또는 C2와 같이 보다 짧은 길이의 플루오로카본 측쇄를 갖는 플루오로폴리머 및 플루오로카본 수지가 또한 적절하며, 이러한 예로는 PolyFoxTM 플루오로케미컬을 들 수 있으며, 이는 Omnova Solutions, Inc.(Fairlawn, Ohio)로부터 상업적으로 입수 가능하다. 특히 바람직한 중합 바인더 물질은 플루오로폴리머 또는 플루오로카본-함유 수지와 적어도 하나의 비-플루오로카본-함유 중합 물질, 예컨대 폴리우레탄 또는 스티렌 코폴리머의 혼합물이다.
또한, 이들의 환경 내성을 위해서는 니트릴 고무, 바람직하게는 비경화된(비가교결합된) 니트릴 고무를 포함하는 중합 바인더 물질이 바람직하다. 경화된 또는 가교결합된 니트릴 고무는 비경화된 니트릴 고무보다 높은 모듈러스를 가지며, 따라서 일부 연성 신체 방호 용도에서의 고려사항이 존재하는 비경화된 물질보다 더 강직하다. 니트릴 고무 폴리머는, 둘다가 탁월한 내구성의 지표인 우수한 박리 강도와 가요성을 패브릭에 부여하면서, 물, 예컨대 염수, 및 유기 용매, 예컨대 가솔린에 대한 원하는 내성을 달성하기 때문에 특히 바람직하다. 니트릴 고무 폴리머는 아크릴로니트릴과 부타디엔의 불포화 코폴리머의 패밀리이며, 상이한 특성들을 갖는 다수의 상이한 타입들이 입수 가능하다. 예를 들면, 유기 용매, 예컨대 오일 및 가솔린에 대한 내성은 부타디엔 함량에 대하여 니트릴 고무의 아크릴로니트릴 함량을 규제함으로써 제어되고, 다른 특성들, 예컨대 극한의 온도에 대한 내성과 균형될 수 있다. 그의 극성으로 인하여, 더 높은 아크릴로니트릴 함량을 갖는 니트릴 고무는 더 낮은 아크릴로니트릴 함량을 갖는 니트릴 고무보다 우수한 오일 및 가솔린에 대한 내성을 가지며, 또는 인장 강도를 증가시킨다. 비록 높은 아크릴로니트릴 함량 폴리머만큼 우수하지 않고 탁월한 가요성과 탄성을 나타내지 않지만, 더 낮은 아크릴로니트릴 함량을 갖는 니트릴 고무는 오일 및 가솔린에 대한 우수한 내성을 나타내는 반면, 높은 아크릴로니트릴 함량 폴리머는 더 높은 강직성 및 더 낮은 가요성을 나타낸다. 연성 방호 용도를 위하여, 니트릴 고무는 바람직하게는 약 15중량% 내지 약 30중량%, 더욱 바람직하게는 약 20중량% 내지 약 30중량%의 아크릴로니트릴 함량을 갖는다. 경성 방호 용도를 위하여, 니트릴 고무는 바람직하게는 약 31중량% 내지 약 50중량%, 더욱 바람직하게는 약 40중량% 내지 약 50중량%의 아크릴로니트릴 함량을 갖는다. 높은 아크릴로니트릴 함량을 갖는 니트릴 고무 바인더는 일반적으로 낮은 아크릴로니트릴 물질보다 높은 인장 모듈러스를 가지며, 따라서 경질 방호 용도에 특히 적합하다. 따라서, 가교결합된 니트릴 고무는 비가교결합된 고무보다 높은 인장 모듈러스를 갖는다.
바람직한 니트릴 고무 폴리머는 아크릴로니트릴 모노머, 부타디엔 모노머 및 다른 모노머 구성성분, 예컨대 N-메틸올 아크릴아미드 또는 카복실산, 예컨대 메타크릴산을 포함하는 니트릴 고무 터폴리머를 포함한다. 바람직하게는, 니트릴 고무는 카복실화된 니트릴 고무(XNBR) 터폴리머를 포함한다. 이러한 터폴리머는 당해 기술분야에 잘 공지되어 있으며, 예컨대 Research Triangle Park, NC의 Dow Reichhold Specialty Latex, LLC로부터 상표명 TYLAC(등록상표) 68073로 상업적으로 입수 가능하다. 유용한 카복실화된 니트릴 고무 터폴리머는 또한 예컨대 그 개시내용이 본원에 참고로 인용되고 있는 미국 특허 제6,127,469호, 제6,548,604호 및 제7,030,193호에 기재되어 있다. 다른 바람직한 터폴리머는 아크릴로니트릴 모노머, 부타디엔 모노머 및 n-메틸올 아크릴아미드(NMA)를 포함한다. 이 타입의 터폴리머의 일례는 Akron, Ohio의 Emerald Performance Materials로부터 상업적으로 입수 가능한 HYCAR(등록상표) 1572X64이다. 이 타입의 다른 유용한 터폴리머는 예컨대 그 개시내용이 본원에 참고로 인용되고 있는 미국 특허 제5,783,625호 및 캐나다 특허 CA1190343호에 기재되어 있다. 선택적으로는, 본 발명의 니트릴 고무는 내구성 및 환경 내성을 개선시키기 위하여 수소화될 수 있다. 특히, 수소화된 니트릴 고무(HNBR)는 탁월한 기계적, 열적-산화적 및 화학적 내성 특성들 및 탁월한 작동 온도 범위를 갖는다. 수소화된 니트릴 고무는 당해 기술분야에 잘 공지되어 있다.
열가소성 오버레이가 섬유 복합체의 외부 최상부 표면 및/또는 외부 최하부 표면을 오직 부분적으로 덮고 있음에 따라, 하위 복합체 및 그의 중합 물질의 일부는 오버레이를 통해 또는 다중 오버레이들 사이에 노출될 것이다. 앞서 진술된 바와 같이, 오버레이를 통한 이 노출은 특별히 선택된 바인더 물질의 장점을 이용할 수 있게 한다.
저 모듈러스 중합 매트릭스 바인더 물질이 내탄도성 조끼와 같은 가요성 방호물의 형성에 가장 유용하나, 헬멧과 같은 경성 방호 물품을 형성하는 데 유용한 고 모듈러스, 경질 물질이 본 발명에 특히 바람직하다. 바람직한 고 모듈러스, 경질 물질은 일반적으로 6,000psi보다 큰 초기 인장 모듈러스를 갖는다. 본 발명에 유용한 바람직한 고 모듈러스, 경질 중합 바인더 물질은 폴리우레탄(에테르계 및 에스테르계 모두), 에폭시, 폴리아크릴레이트, 페놀릭/폴리비닐 부티랄(PVB) 폴리머, 비닐 에스테르 폴리머, 스티렌-부타디엔 블록 코폴리머, 뿐만 아니라 비닐 에스테르 및 디알릴 프탈레이트 또는 페놀 포름알데히드 및 폴리비닐 부티랄과 같은 폴리머들의 혼합물을 포함한다. 본 발명에 사용하기에 특히 바람직한 경질 중합 바인더 물질은 열경화성 폴리머, 바람직하게는 메틸 에틸 케톤과 같은 탄소-탄소 포화 용매에 가용성이며, 경화시 ASTM D638에 의해 측정할 경우에 적어도 약 1x106 psi(6895MPa)의 고 인장 모듈러스를 갖는 열경화성 폴리머이다. 특히 바람직한 경질 중합 바인더 물질은 미국 특허 제6,642,159호에 기재된 것들이며, 이는 본원에 참고로 인용된다. 상기 중합 바인더는 저 모듈러스 물질이든지 고 모듈러스 물질이든지 관계없이, 또한 카본 블랙이나 실리카와 같은 필러를 포함할 수 있으며, 오일로 확장되거나, 또는 황, 과산화물, 금속 산화물 또는 당해 기술분야에 잘 알려진 방사선 경화 시스템에 의해 가황화될 수 있다. 약 2,000psi(13.79MPa) 내지 약 8,000psi(55.16MPa) 범위의 모듈러스에서 연성 및 경질 물질 모두의 범위 내에 있는 폴리우레탄 중합 매트릭스 바인더가 가장 특히 바람직하다.
본 발명의 복합체로부터 형성된 물품의 강도, 충격 및 탄도 특성은 섬유를 코팅하는 중합 바인더 폴리머의 인장 모듈러스에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 미국 특허 제4,623,574호에는 약 6,000psi(41,300kPa) 미만의 인장 모듈러스를 갖는 탄성 매트릭스로 구성된 섬유 강화 복합체가, 보다 높은 모듈러스 폴리머로 구성된 복합체에 비해 그리고 중합 바인더 물질을 부재하는 동일한 섬유 구조물과 비교하여 모두 더 우수한 탄도 특성을 갖는 것이 개시되어 있다. 그러나, 저 인장 모듈러스 중합 바인더 물질 폴리머는 또한 보다 낮은 강도의 복합체를 생성한다. 또한, 특정 적용시, 특히 복합체가 대-탄도 및 구조적 모드 모두에서 기능을 해야하는 경우에, 보다 우수한 내탄도성 및 강도의 조합이 요구된다. 따라서, 사용될 중합 바인더 폴리머의 가장 적절한 타입은 본 발명의 복합체로부터 형성될 물품의 타입에 따라 달라질 것이다. 두 가지 모든 특성이 절충되는 것을 달성하기 위해, 적절한 중합 바인더는 저 모듈러스 및 고 모듈러스 물질 모두를 혼합하여 단일 중합 바인더로 형성될 수 있다.
중합 바인더 물질은 섬유 웹으로서 배열된 복수의 섬유들(예, 평행 어레이 또는 펠트)에 동시에 또는 연속적으로 적용되어 코팅된 웹을 형성하고, 직조 패브릭에 적용되어 코팅된 직조 패브릭을 형성하거나, 또는 다른 배열로서 섬유 층들을 상기 바인더로 함침될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "~로 함침되는(impregnated)"은 "~에 매립된(embedded in)" 및 "~로 코팅된(coated with)"과 동의어이거나, 그렇지 않으면 바인더 물질이 단순히 섬유 층의 표면에 존재하는 것이 아니라 섬유 내로 확산되는 코팅으로 적용되는 것을 의미한다. 또한, 중합체 물질은 섬유 웹의 일부가 아닌 적어도 하나의 섬유 배열상에 적용된 다음, 섬유를 직조 패브릭로 위빙하거나 본원에 상술한 방법들에 따라 부직 패브릭이 배합될 수 있다. 직조 패브릭 및 부직 패브릭 섬유 플라이, 층 및 패브릭을 형성하는 기술은 당해 기술분야에 잘 알려져 있다.
필수적이진 않지만, 직조 섬유 층을 형성하는 섬유들은 적어도 부분적으로 중합 바인더로 코팅된 다음, 부직 섬유 층으로 수행된 것과 유사한 컨솔리데이션 단계를 수행한다. 이러한 컨솔리데이션 단계는 다중 직조 섬유 층을 서로 합치거나, 또는 바인더를 상기 직조 패브릭의 섬유와 더 합치기 위해 수행될 수 있다. 예를 들어, 복수의 직조 섬유 층은 컨솔리데이션될 반드시 필요는 없고, 통상적인 접착제를 이용하거나 스티칭에 의한 것과 같이 다른 수단에 의해 부착될 수 있다.
일반적으로, 중합 바인더 코팅은 복수의 부직 섬유 플라이를 효율적으로 합치는 것이, 즉, 컨솔리데이션하는 것이 필요하다. 중합 바인더 물질은 개별 섬유들의 전체 표면적에 또는 상기 섬유들의 일부 표면적에 적용될 수 있다. 가장 바람직하게는, 중합 바인더 물질의 코팅이 각 개별 섬유의 실질적으로 모든 표면적에 적용되어 본 발명의 섬유 층을 형성한다. 섬유 층이 복수의 얀을 포함하는 경우에, 얀의 단일 가닥을 형성하는 각 섬유는 바람직하게는 중합 바인더 물질로 코팅된다.
임의의 적절한 적용 방법이 중합 바인더 물질을 적용하는 데 이용될 수 있으며, 용어 "코팅된(coated)"이란 필라멘트/섬유 상에 적용되는 방법을 한정하려는 의도는 아니다. 중합 바인더 물질은 당해 기술분야의 숙련자에 의해 쉽게 정해질 수 있는 임의의 적절한 방법을 이용하여 섬유 표면 상에 직접 적용되고, 그 다음 바인더는 전형적으로 본원에서 상술한 바와 같이 섬유 층 내로 확산된다. 예를 들어, 중합 바인더 물질은 섬유 표면상에 중합체 물질의 용액을 분사, 압축 또는 롤 코팅한 다음에 건조하여 용액, 에멀젼 또는 분산물 형태로 적용될 수 있으며, 여기서 상기 용액의 일부는 원하는 폴리머 또는 폴리머들을 포함하며, 상기 용액의 일부는 상기 폴리머 또는 폴리머들을 용해하거나 분산시킬 수 있는 용매를 포함한다. 대안적으로, 중합 바인더 물질은 슬롯-다이를 통해, 또는 당해 기술분야에 잘 알려진 다이렉트 그라비어(gravure), 메이어 로드(Meyer rod) 및 에어 나이프(air knife) 시스템과 같은 다른 기술들을 통하여 통상적으로 알려진 기술을 이용하여 섬유들에 압출될 수 있다. 또 다른 방법은 아무것도 타지 않은 바인더 물질의 폴리머를 서스펜션에 담긴 액체, 끈적한 고체 또는 입자로서 또는 유동층으로서 섬유상에 적용하는 것이다. 대안적으로, 코팅은 적용 온도에서 섬유의 특성에 해로운 영향을 주지 않는 적절한 용매에 담긴 용액, 에멀젼 또는 분산물로 적용될 수 있다. 예를 들어, 섬유는 중합 바인더 물질의 용액을 통해 이송되어 실질적으로 섬유를 코팅한 다음, 건조될 수 있다.
또 다른 코팅 기술로서, 섬유들은 적절한 용매에 용해되거나 분산된 중합 바인더 물질을 함유하는 용액의 조 내에 적용된 다음, 용매의 증발 또는 휘발을 통해 건조될 수 있다. 이 방법은 바람직하게는 적어도 부분적으로 각 개별 섬유를 중합체 물질로 코팅하며, 바람직하게는 각각의 개별 섬유들을 실질적으로 코팅하거나 캡슐화하고, 그리고 필라멘트/섬유 표면적의 모두 또는 실질적으로 모두를 중합 바인더 물질로 덮는다. 원하는 양의 중합체 물질을 섬유상에 놓이게 하기 위해 담금 절차가 필요에 따라 수회 반복될 수 있다.
원하는 코팅을 얻기 위한 조건하에서 적절한 코팅 폴리머의 용액을 통해 겔 섬유를 통과시키는 것과 같이, 적절한 경우에 겔 섬유 전구체의 코팅제를 포함하는 코팅제를 섬유에 적용하는 다른 기술이 사용될 수 있다. 대안적으로, 섬유들은 적절한 중합 분말의 유동 베드로 압출될 수 있다.
섬유들이 하나 이상의 플라이/층들로 배열되기 전 또는 후에, 또는 섬유들이 직조 패브릭으로 위빙되기 전 또는 후에, 섬유들은 중합 바인더로 코팅될 수 있다. 직조 패브릭은 평직(plain weave), 크로우풋 위브(crowfoot weave), 바스켓 위브(basket weave), 주자직(satin weave), 능직(twill weave) 등과 같은 임의의 패브릭 위브를 이용하여 당해 기술분야에 잘 알려진 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 평직이 가장 일반적이며, 여기서 섬유는 직교 0°/90° 배향으로 함께 위빙된다. 위빙 전 또는 후에, 각 직조 패브릭 물질의 개별 섬유들은 중합 바인더 물질로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있다. 전형적으로, 패브릭의 위빙은 중합 바인더로 섬유를 코팅하기 전에 수행되며, 여기서 직조 패브릭은 이에 따라 바인더로 함침된다. 그러나, 본 발명은 중합 바인더가 섬유에 적용되는 단계를 제한하거나, 중합 바인더를 적용하는 데 사용되는 수단을 제한하려는 것은 아니다.
부직 패브릭의 제조 방법은 당해 기술분야에 잘 알려져 있다. 본 발명에서 바람직한 실시양태에서, 복수의 섬유들이 적어도 하나의 배열로 배열되고, 전형적으로 실질적으로 평행의 단방향 어레이로 정렬된 복수의 섬유들을 포함하는 섬유 웹으로 배열된다. 상술한 바와 같이, 부직 단방향 정렬 섬유 플라이를 형성하는 전형적인 방법에서, 섬유 번들이 크릴로부터 제공되고, 가이드 및 하나 이상의 스프레더 바를 통해 콜리메이팅 콤(collimating comb)으로 유도된 다음, 섬유를 중합 바인더 물질로 코팅한다. 전형적인 섬유 번들은 약 30 내지 약 2000 개별 섬유를 갖는다. 스프레더 바 및 콜리메이팅 콤은 번들 섬유를 분산 및 펼쳐, 공면 형태로 나란히 이들을 재편성한다. 이상적인 섬유 스프레딩은 개별 필라멘트들 또는 개별 섬유들이 단일 섬유면에서 서로 옆에 위치하도록 하여, 섬유들이 서로 겹치지 않고 실질적으로 단방향의 평행한 섬유 배열을 형성한다. 이 시점에서, 스프레딩 단계 전에 또는 도중에, 상기 섬유의 정련(scouring)은 상기 섬유의 이러한 평행한 어레이로의 스프레딩을 향상시키고 가속화할 것이다. 섬유 정련은 섬유(또는 패브릭)가, 제직 도중에 또는 후에, 섬유에 적용될 수 있는 어떠한 바람직하지 않은 잔류 섬유 마감재(finish)(또는 위빙 보조(weaving aid))를 제거하는, 화학 용액을 통해 통과되는 공정이다. 섬유 정련은 또한 상기 섬유 상에 후속적으로 적용되는 중합 바인더 물질(또는 후속적으로 적용되는 보호 필름)의 결합 강도를 향상시킬 수 있으며, 따라서, 더 적은 바인더를 필요로 할 수 있다. 바인더 양의 감소에 의해, 더 많은 수의 섬유가 패브릭에 포함되어, 강도가 향상된 더 가벼운 탄도 재료가 생성될 수 있다. 이는 또한, 섬유와의 증가된 발사체 인게이지먼트(projectile engagement), 결과물인 패브릭 복합재의 개선된 방검성(stab resistance) 및 반복되는 충격에 대한 복합재의 증가된 저항성을 초래한다. 섬유 스프레딩(spreading) 및 콜리메이팅(collimating) 후에, 이러한 평행한 어레이의 섬유는 전형적으로, 필라멘트/섬유 두께에 따라, 1인치당 약 3 내지 12 섬유 가닥(ends)(1cm당 1.2 내지 4.7 가닥)을 함유한다.
섬유를 바인더 물질로 코팅한 후에, 코팅된 섬유들은 단층, 일체식 요소로 컨솔리데이션된 복수의 중첩 부직 섬유 플라이를 포함하는 부직 섬유 층으로 형성된다. 본 발명의 바람직한 부직 패브릭 구조로, 복수의 스택킹된, 중첩 유니테이프가 형성되며, 여기서 각 단일 플라이(유니테이프)의 평행 섬유들은 각 단일 플라이의 종방향 섬유 방향에 대해 서로 인접한 단일 플라이의 평행 섬유들에 직교로 배치된다. 중첩 부직 섬유 플라이의 스택은 가열 및 압력하에, 또는 개별 섬유 플라이들의 코팅을 부착시켜 단일층의 일체식 요소를 형성함으로써 컨솔리데이션되며, 이는 또한 당해 기술분야에서 단일층, 컨솔리데이티드 망상조직으로도 칭하여지며, 여기서 "컨솔리데이티드 망상조직(consolidated network)"은 섬유 플라이와 중합 매트릭스/바인더의 컨솔리데이션(합쳐진) 조합을 나타낸다. 본 발명의 물품은 또한 직조 패브릭과 부직 패브릭의 하이브리드 컨솔리데이션 조합을 포함하며, 뿐만 아니라 단방향 섬유 플라이와 부직 펠트 패브릭으로부터 형성된 부직 패브릭의 조합을 포함할 수 있다.
가장 전형적으로, 부직 섬유 층 또는 패브릭은 1 내지 약 6 플라이를 포함하나, 다양한 적용에 원하는 바에 따라 약 10 내지 약 20 플라이 정도로 많이 포함할 수 있다. 플라이의 수가 많을수록, 더 우수한 내탄도성을 옮기지만, 또한 중량이 더 커진다. 따라서, 섬유 층 복합체 및/또는 패브릭 복합체 또는 본 발명의 물품을 형성하는 섬유 플라이의 수는 패브릭 또는 물품의 최종 용도에 따라 달라진다. 예를 들어, 군사용 신체 방호 조끼는 바람직하게는 평방피트 면적밀도당 1.0 파운드(4.9㎏／㎡)를 달성하는 물품 복합체를 형성하기 위해, 총 약 100 플라이(또는 층) 내지 50 개별 플라이(또는 층)이 필요할 수 있으며, 여기서 플라이/층은 위빙되거나, 니팅되거나, 펠팅되거나 또는 본원에 기재된 고강도 섬유로부터 형성된 (평행 배향된 섬유 또는 다른 배열을 갖는) 부직 패브릭일 수 있다. 다른 실시양태에서, 법집행 용도(law enforcement use)의 신체 방호 조끼는 미 법무성 산하의 국제사법연구소(National Institute of Justice ; NIJ) 위협 레벨(Threat Level)에 근거한 다수의 플라이/층을 가질 수 있다. 예를 들어 NIJ 위협 레벨 ⅢA 조끼에 있어서 총 40 플라이로 될 수 있다. 보다 낮은 NIJ 위협 레벨에 대해, 보다 적은 플라이/층이 이용될 수 있다. 본 발명은 다른 알려진 내탄도성 구조물에 비해 패브릭 중량을 증가시키지 않고 보다 많은 수의 섬유 플라이의 편입이 원하는 수준의 탄도 보호를 달성할 수 있도록 한다.
통상적으로 당해 기술분야에 알려진 바와 같이, 우수한 내탄도성은, 하나의 플라이의 섬유 배열 방향이 다른 플라이의 섬유 배열 방향에 대한 각으로 회전하도록, 개별 섬유 플라이가 교차-플라이되는 경우에 달성된다. 보다 바람직하게는, 섬유 플라이는 0°및 90°각도로 종방향로 교차-플라이되나, 인접한 플라이는 다른 플라이의 종방향 섬유 방향에 대해 사실상 약 0°내지 90°사이의 임의의 각도로 배열될 수 있다. 예를 들어, 5 플라이 부직 구조물은 0°/45°/90°/45°/0° 또는 다른 각도로 배향된 플라이들을 가질 수 있다. 그러한 회전된 단방향의 배열은 예를 들어, 미국 특허 제4,457,985호; 제4,748,064호; 제4,916,000호; 제4,403,012호; 제4,623,574호; 및 제4,737,402호에 기술되어 있으며, 이들 문헌은 본원에 참고로 인용된다.
섬유 플라이들을 컨솔리데이션하여 섬유 층 및 복합체를 형성하는 방법은, 미국 특허 제6,642,159호에 기재된 방법에 의한 것과 같이 잘 알려져 있다. 컨솔리데이션은 건조, 냉각, 가열, 압력 또는 이의 조합을 통해 일어날 수 있다. 가열 및/또는 압력은, 습윤 라미네이션 공정의 경우에서와 같이 섬유 또는 패브릭 층이 함께 부착될 수 있으므로 불필요할 수 있다. 전형적으로, 컨솔리데이션은 플라이들을 일원화 패브릭으로 합치기에 충분한 열 및 압력의 조건하에서 개별 섬유 플라이들을 다른 개별 섬유 플라이들상에 배치시킴으로써 수행된다. 컨솔리데이션은 약 50 내지 약 175℃, 바람직하게는 약 105 내지 약 175℃의 범위의 온도에서, 그리고 약 5psig(0.034MPa) 내지 약 2500psig(17MPa)의 압력 범위에서 약 0.01초 내지 약 24시간 동안, 바람직하게는 약 0.02초 내지 약 2시간 동안 수행될 수 있다. 가열시, 중합 바인더 코팅은 완전히 용융되지 않고 끈적거리거나 흐르게 될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 중합 바인더 물질(만일 용융가능한 것인 경우에)이 용융되는 경우에, 상대적으로 작은 압력이 복합체 형성에 필요하며, 한편으로 바인더 물질이 스티킹 포인트(sticking point)로만 가열될 경우에, 보다 높은 압력이 전형적으로 필요하다. 통상적으로 당해 기술분야에 알려져 있는 바와 같이, 컨솔리데이션은 카렌더 세트, 플랫-베드 라미네이터(flat-bed laminator), 프레스 또는 오토클래이브에서 수행될 수 있다. 가장 바람직하게는, 복수의 직각 섬유 웹은 바인더 폴리머와 함께 "부착(glue)"되고, 플랫-베드 라미네이터를 통해 러닝되어 결합의 균일성 및 강도가 증진된다. 또한, 컨솔리데이션 및 폴리머 적용/결합 단계는 2개의 별도의 단계 또는 단일 컨솔리데이션/라미네이션 단계를 포함할 수 있다.
대안적으로, 컨솔리데이션은 적절한 몰딩 장치에서 열 및 압력하에 몰딩함으로써 달성될 수 있다. 일반적으로, 몰딩은 약 50psi(344.7kPa) 내지 약 5,000psi(34,470kPa), 보다 바람직하게는 약 100psi(689.5kPa) 내지 약 3,000psi(20,680kPa), 가장 바람직하게는 약 150psi(1,034kPa) 내지 약 1,500psi(10,340kPa)의 압력에서 수행된다. 몰딩은 대안적으로 약 5,000psi(34,470kPa) 내지 약 15,000psi(103,410kPa), 보다 바람직하게는 약 750psi(5,171kPa) 내지 약 5,000psi, 그리고 보다 바람직하게는 약 1,000psi 내지 약 5,000psi의 보다 높은 압력에서 수행될 수 있다. 몰딩 단계는 약 4초 내지 약 45분 걸릴 수 있다. 바람직한 몰딩 온도는 약 200℉(~93℃) 내지 약 350℉(~177℃), 보다 바람직하게는 약 200℉ 내지 약 300℉의 온도에서 가장 바람직하게는 약 200℉ 내지 약 280℉의 온도범위이다. 본 발명의 섬유 층 및 패브릭 복합체가 몰딩되는 압력은 전형적으로 결과적으로 형성되는 몰딩 산물의 경성도 및 가요성에 직접적인 영향을 미친다. 보다 높은 압력에서의 몰딩은 일반적으로 특정 한계까지 보다 단단한 물질을 생성한다. 몰딩 압력에 부가적으로, 섬유 플라이 및 중합 바인더 코팅 타입의 양, 두께 및 조성이 또한 복합체로부터 형성되는 물품의 경성도에 직접적으로 영향을 준다.
본원에 기재된 각각의 몰딩 및 컨솔리데이션 기술은 유사하나, 각 공정은 다르다. 특히, 몰딩은 배치(batch) 공정이며, 컨솔리데이션은 일반적으로 연속 공정이다. 또한, 몰딩은 전형적으로, 평평한 패널을 형성하는 경우에 성형 몰드 또는 매치-다이 몰드와 같은 몰드의 사용을 포함하며, 반드시 평면 제품을 형성할 필요는 없다. 보통, 컨솔리데이션은 플랫-베드 라미네이터, 카렌더 닙 세트에서 수행되거나 습윤 라미네이션으로 수행되어 연성(가요성) 신체 방호 패브릭을 생성한다. 몰딩은 전형적으로 예를 들어, 경질 플래이트와 같은 경성 방호물의 제조를 위해 유지된다. 어떠한 공정에서, 적절한 온도, 압력 및 시간은 일반적으로 중합 바인더 코팅 물질의 타입, 중합 바인더 함량, 사용되는 공정 및 섬유 타입에 따라 달라진다.
충분한 내탄도 특성을 갖는 패브릭 물품을 제조하기 위해, 바인더/매트릭스 코팅의 총 중량은 섬유와 코팅의 중량의 약 2 내지 약 50중량%, 보다 바람직하게는 약 5 내지 약 30중량%, 보다 바람직하게는 약 7 내지 약 20%, 가장 바람직하게는 약 11 내지 약 16중량%이며, 여기서 16중량%가 부직 패브릭에 대해 가장 바람직하다. 보다 낮은 바인더/매트릭스 함량이 직조 패브릭에 적절하며, 여기서 섬유와 코팅의 중량의 0 초과 내지 10중량% 미만의 중합 바인더 함량이 전형적으로 가장 바람직하다. 이는 한정하려는 것은 아니다. 예를 들어, 페놀릭/PVB 함침된 직조 아라미드 패브릭은 종종 약 20 내지 약 30%의 보다 높은 수지 함량으로 제조되나, 약 12% 함량이 전형적으로 바람직하다.
앞서 진술된 바와 같이, 열가소성 오버레이는 예컨대 불연속 열가소성 웹, 정돈된 불연속 열가소성 네트, 부직 불연속 패브릭, 부직 불연속 스크림, 불연속 용융된 분말, 다공성 필름 또는 복수의 열가소성 폴리머 스트립일 수 있다. 열가소성 오버레이, 열가소성 폴리머의 적절한 폴리머는 비제한적으로 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스테르(특히 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 PET 코폴리머), 폴리우레탄, 비닐 폴리머, 에틸렌 비닐 알코올 코폴리머, 에틸렌 옥탄 코폴리머, 아크릴로니트릴 코폴리머, 아크릴 폴리머, 비닐 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 플루오로폴리머 등, 뿐만 아니라 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 및 에틸렌 아크릴산을 포함하는 이의 코폴리머 및 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 또한, 천연 및 합성 고무 폴리머가 유용하다. 이들 중, 폴리올레핀 및 폴리아미드 층이 바람직하다. 바람직한 폴리올레핀은 폴리에틸렌이다. 유용한 폴리에틸렌의 비제한적인 예는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 중밀도 폴리에틸렌(MDPE), 선형 중밀도 폴리에틸렌(LMDPE), 선형 극저밀도 폴리에틸렌(VLDPE), 선형 초저밀도 폴리에틸렌(ULDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 및 이의 코폴리머 및 혼합물이다. 이들 중에서, MDPE가 가장 바람직한 폴리에틸렌이다.
가장 바람직하게는, 열가소성 오버레이는 Cuyahoga Falls, Ohio의 Spunfab, Ltd.로부터 입수 가능한 SPUNFAB(등록상표)(Keuchel Associates, Inc.에 의해 등록된 상표명)와 같은 열-활성화된 부직 접착제이다. 또한, Cernay, France의 Protechnic S.A.로부터 입수 가능한 THERMOPLASTTM 및 HELIOPLASTTM 웹, 네트 및 필름이 적합하고, 가장 바람직하게는 폴리아미드 웹, 특히 SPUNFAB(등록상표) 폴리아미드 웹이다. SPUNFAB(등록상표) 폴리아미드 웹은 약 75℃ 내지 약 200℃의 전형적인 용융점을 가지나, 이에 제한되지 않는다.
열가소성 오버레이는 바람직하게는 열 라미네이션과 같이 잘 알려진 기술을 사용하여 섬유 층에 결합될 수 있다. 전형적으로, 라미네이팅은 개별 층들을 일원화 필름으로 합치는 데 충분한 열 및 압력의 조건하에 서로 위에 개별 층들을 배치함으로써 수행된다. 개별 층들은 서로 위에 배치되며, 그 다음 그 결합물을 당해 기술분야에 잘 알려진 기술에 의해 한 쌍의 가열 라미네이팅 롤러의 닙을 통해 통과시킨다. 라미네이션 가열은 약 95 내지 약 175℃, 바람직하게는 약 105 내지 약 175℃ 범위의 온도에서, 약 5psig(0.034MPa) 내지 약 100psig(0.69MPa) 범위의 압력에서, 약 5초 내지 약 36시간, 바람직하게는 약 30초 내지 약 24시간 동안 수행될 수 있다.
섬유 복합체 표면 상의 열가소성 오버레이는 바람직하게는 매우 얇으며, 약 1㎛ 내지 약 250㎛, 보다 바람직하게는 약 5㎛ 내지 약 25㎛, 가장 바람직하게는 약 5㎛ 내지 약 9㎛의 바람직한 층 두께를 갖는다. 그러나, 이들 두께는 불연속 웹을 묘사하는 데 필수적인 것이 아님을 이해해야 한다. 예를 들면, SPUNFAB(등록상표) 웹은 물질이 존재하는 경우 수 mils 두께이지만, 대부분의 웹은 단지 에어적이다(air). 이들 물질은 그들의 평량(basis weight)에 의해 더욱 잘 묘사되며, 예컨대 제곱 미터당 6g(gsm)의 평량을 갖는 SPUNFAB(등록상표) 웹이 특히 바람직하다. 개별 섬유 층들의 두께는 개별 섬유들의 두께에 상응할 것이다. 이러한 두께가 바람직하나, 다른 두께가 특정 요구를 충족하는 데 생성될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 여전히 포함하는 것으로 이해된다. 열가소성 오버레이는, 섬유 복합체의 중량 + 오버레이의 중량에 기초하여, 바람직하게는 전체 복합체의 약 1 내지 약 25중량%, 더욱 바람직하게는 전체 복합체의 약 1 내지 약 17중량%, 가장 바람직하게는 전체 복합체의 약 1 내지 약 12중량% 포함한다. 폴리머 필름 층들의 중량%는 일반적으로 포함되는 오버레이와 섬유 층들의 수에 의존하여 변할 것이다. 예를 들면, 6gsm SPUNFAB(등록상표) 층은 500gsm 최종 산물의 1중량% 초과로 이루어진다.
섬유 복합체의 두께는 개별 섬유들의 두께 및 패브릭에 편입된 섬유 층들의 수와 상응할 것이다. 바람직한 직조 패브릭은 층당 약 25㎛ 내지 약 600㎛, 보다 바람직하게는 약 50㎛ 내지 약 385㎛, 가장 바람직하게는 층당 약 75㎛ 내지 약 255㎛의 바람직한 두께를 가질 것이다. 바람직한 부직 패브릭, 즉, 부직, 단층, 컨솔리데이션된 망상조직은 약 12㎛ 내지 약 600㎛, 보다 바람직하게는 약 50㎛ 내지 약 385㎛, 가장 바람직하게는 약 75㎛ 내지 약 255㎛의 바람직한 두께를 가질 것이며, 여기서 단층, 컨솔리데이션된 망상조직은 전형적으로 2개의 컨솔리데이션된 플라이(즉, 2개의 유니테이프)를 포함한다. 이러한 두께가 바람직하나, 다른 두께가 특정 요구를 충족하는 데 생성될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 여전히 포함하는 것으로 이해된다.
본 발명의 섬유 복합체는 약 20grams/m2(0.004lb/ft2(psf)) 내지 약 1000 gsm(0.2psf)의 바람직한 면적당 밀도를 가질 것이다. 본 발명의 패브릭/복합체에 대한 보다 바람직한 면적당 밀도는 약 30gsm(0.006psf) 내지 약 500gsm(0.1psf) 범위일 것이다. 본 발명의 패브릭/복합체에 대한 가장 바람직한 면적당 밀도는 약 50gsm(0.01psf) 내지 약 250gsm(0.05psf) 범위일 것이다. 서로 간에 위에 스택킹되고 컨솔리데이션된 다중 섬유 층을 포함하는 본 발명의 물품은 약 1000gsm(0.2psf) 내지 약 40,000gsm(8.0psf), 보다 바람직하게는 약 2000gsm(0.40psf) 내지 약 30,000gsm(6.0psf), 보다 바람직하게는 약 3000gsm(0.60psf) 내지 약 20,000gsm(4.0psf), 및 가장 바람직하게는 약 3750gsm(0.75psf) 내지 약 15,000gsm(3.0psf)의 바람직한 복합체 면적당 밀도를 가질 것이다. 헬멧으로 성형된 복합체 물품에 대한 전형적인 범위는 약 7,500gsm(1.50psf) 내지 약 12,500gsm(2.50psf)이다.
본 발명의 패브릭은 잘 알려진 기술을 이용하여, 가요성, 연성 방호 물품, 뿐만 아니라 경질의, 경성 방호 물품을 포함하는 다양한 여러 가지 내탄도성 물품을 형성하기 위해 다양한 적용에 사용될 수 있다. 예를 들어, 내탄도성 물품을 형성하는 적절한 기술은 예를 들어, 미국 특허 제4,623,574호, 제4,650,710호, 제4,748,064호, 제5,552,208호, 제5,587,230호, 제6,642,159호, 제6,841,492호 및 제6,846,758호에 기재되어 있으며, 이들 문헌은 모두 본원에 참고로 인용된다.
하기 실시예가 본 발명을 설명하는 데 제공된다.
실시예 1
Cuyahog Falls, Ohio의 Keuchel Associates, Inc.로부터 상업적으로 입수 가능한 SPUNFAB(등록상표) 열-활성화된 접착제 웹의 부직 웹을, 극성의 가수분해적으로 안정한 폴리우레탄 중합 바인더 물질로 코팅된 섬유를 포함하는 컨솔리데이션된 폴리에틸렌 섬유계 부직 패브릭의 단일 외부 표면에 부착시킨다. 접착제 웹을 플랫-베드 라미네이터(flat-bed laminator)를 통해 225℉(107.2℃) 및 50PSI(344.7kPa)에서 패브릭에 부착시킨다.
실시예 2
SPUNFAB(등록상표)를 부직 복합체의 외부 표면 둘다에 부착시키는 것을 제외하고는, 실시예 1을 반복한다.
실시예 3
SPUNFAB(등록상표) 열-활성화된 접착제 웹의 부직 웹을, 불소-함유 중합 바인더 물질로 코팅된 섬유를 포함하는 컨솔리데이션된 폴리에틸렌 섬유계 부직 패브릭의 단일 외부 표면에 부착시킨다. 접착제 웹을 플랫-베드 라미네이터를 통해 225℉(107.2℃) 및 50PSI(344.7kPa)에서 패브릭에 부착시킨다.
실시예 4
SPUNFAB(등록상표)를 부직 복합체의 외부 표면 둘다에 부착시키는 것을 제외하고는, 실시예 3을 반복한다.
본 발명이 특별히 바람직한 실시양태들과 관련하여 제시되고, 설명되었으나, 당해 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 취지와 범위를 벗어나지 않으면서, 다양한 변형과 수정이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 특허청구범위는 개시된 실시양태들, 앞서 논의된 이들의 대안들 및 이들의 모든 균등물을 포괄하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. a) 각각이 복수의 섬유들 및 상기 섬유들의 표면과 주변에 중합 물질을 포함하는 적어도 하나의 섬유 층을 포함하며, 외부 최상부 표면 및 외부 최하부 표면을 갖는 섬유 복합체; 및
    b) 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면에 결합되며, 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면을 오직 부분적으로 덮고 있는 적어도 하나의 열가소성 오버레이(overlay)
    를 포함하는 내탄도성 물품.
  2. 제1항에 있어서,
    열가소성 오버레이가 상기 외부 최상부 표면 및 상기 외부 최하부 표면 둘다에 결합되어 있는 내탄도성 물품.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중합 물질의 일부가 상기 적어도 하나의 열가소성 오버레이를 통해 노출되어 있는 내탄도성 물품.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오버레이가 불연속 열가소성 웹, 정돈된 불연속 열가소성 네트(net), 부직 불연속 패브릭, 부직 불연속 스크림(scrim), 불연속 용융된 분말, 다공성 필름 또는 복수의 열가소성 폴리머 스트립(strip)을 포함하는 내탄도성 물품.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오버레이가 불연속 열가소성 스크림을 포함하는 내탄도성 물품.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 복합체가 하나 이상의 부직 섬유 층들을 포함하는 내탄도성 물품.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 복합체가 하나 이상의 직조 섬유 층들을 포함하는 내탄도성 물품.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 복합체가 복수의 섬유 층들을 포함하며, 연속 중합 필름이 각 섬유 층 사이에 존재하는 내탄도성 물품.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 중합 물질이, 물에 의한 용해에 대해 내성이고 하나 이상의 유기 용매들에 의한 용해에 대해 내성인, 가수분해적으로 안정한 극성 폴리머를 포함하는 내탄도성 물품.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 중합 물질이 불소-함유 물질을 포함하는 내탄도성 물품.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 중합 물질이 상기 섬유 복합체의 약 7중량% 내지 약 20중량% 포함하는 내탄도성 물품.
  12. a) 각각이 복수의 섬유들 및 상기 섬유들의 표면과 주변에 중합 물질을 포함하는 적어도 하나의 섬유 층을 포함하며, 외부 최상부 표면 및 외부 최하부 표면을 갖는 섬유 복합체를 제공하는 단계;
    b) 적어도 하나의 열가소성 오버레이를 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면에 적용하여서, 상기 적어도 하나의 열가소성 오버레이가 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면을 오직 부분적으로 덮는 단계; 및
    c) 상기 적어도 하나의 열가소성 오버레이를 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면에 결합시키는 단계
    를 포함하는 내탄도성 물품의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    적어도 하나의 열가소성 오버레이를 상기 외부 최상부 표면 및 상기 외부 최하부 표면 둘다에 결합시키는 내탄도성 물품의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열가소성 오버레이를 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면에 열 결합시키는 내탄도성 물품의 제조방법.
  15. a) 각각이 복수의 섬유들을 포함하는 적어도 하나의 섬유 층을 포함하며, 외부 최상부 표면 및 외부 최하부 표면을 갖는 섬유 복합체; 및
    b) 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면에 결합되며, 상기 외부 최상부 표면 및/또는 상기 외부 최하부 표면을 오직 부분적으로 덮고 있는 적어도 하나의 열가소성 오버레이
    를 포함하는 내탄도성 물품.
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