KR20140061497A - 높은 랩 전단 강도, 낮은 백페이스 시그너쳐 ｕｄ 복합체 및 제조방법 - Google Patents

높은 랩 전단 강도, 낮은 백페이스 시그너쳐 ｕｄ 복합체 및 제조방법 Download PDF

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브라이언 워링
헨리 제라드 아디프
브래들리 그런든
데이비드 에이. 허스트
존 암스트롱 영
랄프 클라인
브라이언 듀앤 아비드슨
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Abstract

개선된 내탄도성 성질들을 갖는 내탄도성 섬유 복합체의 제조가 제시된다. 더욱 구체적으로는, 내탄도성 섬유 복합체는, 낮은 복합체 백페이스 시그너쳐와 상관된 구성요소 섬유 플라이들 또는 섬유 층들 사이의 높은 라미나간 랩 전단 강도를 갖는다. 헬멧 방호물을 포함하는 경질 방호 물품들의 제조를 위해, 높은 랩 전단 강도, 낮은 백페이스 시그너쳐 복합체가 유용하다.

Description

높은 랩 전단 강도, 낮은 백페이스 시그너쳐 ＵＤ 복합체 및 제조방법{HIGH LAP SHEAR STRENGTH, LOW BACK FACE SIGNATURE UD COMPOSITE AND THE PROCESS OF MAKING}
이 출원은, 그 개시내용이 전반적으로 본원에 참고로 인용되고 있는, 2011년 9월 6일자로 출원된 공계류 중인 미국 가출원 61/531,268의 이점을 청구하고 있다.
본 발명은 내탄도성(ballistic resistance) 성질이 개선된 내탄도성 섬유 복합체의 제조에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은, 낮은 복합체 백페이스 시그너쳐(backface signature)와 상관되어 있는, 구성요소 섬유 층들 사이의 높은 랩 전단 강도(lap shear strength)를 갖는 내탄도성 섬유 복합체에 관한 것이다. 높은 랩 전단 강도 복합체는, 현재의 미국 법무성 사법 연구소(National Institute of Justice)(NIJ) 백페이스 시그너쳐 요건들을 충족하는, 헬멧을 포함하는 경성 방호 물품들의 제조에 특히 유용하다.
관련 기술의 설명
고강도 합성 섬유들을 포함하는 복합체로부터 제작된 내탄도성 물품들은 잘 공지되어 있다. 방탄 조끼, 헬멧, 차량 패널(vehicle panel) 및 군사 장비의 구조 부재들과 같은 물품들은 일반적으로 고강도 섬유, 예컨대 SPECTRA(등록상표) 폴리에틸렌 섬유들 또는 Kevlar(등록상표) 아라미드 섬유들을 포함하는 패브릭(fabric)들로부터 만들어진다. 조끼 또는 조끼의 부품과 같은 많은 용도에 있어서, 직조(woven) 패브릭 또는 편직(knitted) 패브릭에 섬유들이 사용될 수 있다. 다른 용도들에서, 섬유들은 폴리머 매트릭스(matrix) 물질 내에 캡슐화(encapsulate) 또는 매립(embed)될 수 있거나, 또는 견고한(rigid) 또는 가요성(flexible) 패브릭으로 형성될 수 있다.
예를 들면, 모두가 본원에 참고로 인용되고 있는, 미국 특허 제4,403,012호, 제4,457,985호, 제4,613,535호, 제4,623,574호, 제4,650,710호, 제4,737,402호, 제4,748,064호, 제5,552,208호, 제5,587,230호, 제6,642,159호, 제6,841,492호, 제6,846,758호에는, 연장된 쇄 초고분자량 폴리에틸렌(ultra-high molecular weight polyethylene)("UHMW PE")과 같은 물질들로부터 만들어진 고강도 섬유들을 포함하는 내탄도성 복합체들이 기재되어 있다. 이러한 고강도 합성 섬유들로부터 제작된 내탄도성 복합체는, 탄환(bullet), 탄피(shell), 탄편(shrapnel) 등과 같은 발사체들로부터의 고속 충격(impact)에 의한 관통에 대해 다양한 저항성 정도뿐만 아니라, 상기 발사체 충격으로부터의 다양한 백페이스 시그너쳐 정도를 나타낸다.
각 타입의 고강도 섬유는 그 자체의 특유의 특성들과 성질들을 갖는 것으로 알려져 있다. 이와 관련하여, 섬유의 하나의 한정된 특성은 수지 코팅과 같은 표면 코팅으로 결합 또는 접착시키는 섬유의 능력이다. 예를 들면, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들은 상대적으로 불활성이지만, 아라미드 섬유들은 극성 작용기들이 함유된 고에너지 표면을 갖는다. 따라서, 수지들은 일반적으로 불활성 UHMW PE 섬유들과 비교하여 더 강한 친화성 아라미드 섬유들을 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 일반적으로 합성 섬유들은 정지상 빌드업(static build-up)되기 쉬우며, 따라서 전형적으로 유용한 복합체로 추가 가공하는 것을 촉진시키기 위해서 섬유 표면 마감재(finish)의 적용이 요구된다. 섬유 마감재들은 정지상 빌드업을 감소시키는 데 사용되며, 뒤틀리지 않고(untwisted) 엉키지 않은(unentangled) 섬유들의 경우에는 섬유 응집성(cohesiveness)을 유지시키는 데 도움을 주도록 사용된다. 마감재들은 또한 섬유의 표면을 윤활시키며, 섬유를 장비로부터 보호하고 장비를 섬유로부터 보호한다. 기술에서는 다양한 산업에서 사용하기 위한 여러 타입의 섬유 표면 마감재들을 교시하고 있다. 예를 들면, 스펀(spun) 섬유들을 위한 스핀 마감재(spin finish) 조성물을 교시하고 있는, 미국 특허 제5,275,625호, 제5,443,896호, 제5,478,648호, 제5,520,705호, 제5,674,615호, 제6,365,065호, 제6,426,142호, 제6,712,988호, 제6,770,231호, 제6,908,579호 및 제7,021,349호를 참조한다.
그러나, 전형적인 섬유 표면 마감재들은 일반적으로 바람직하지 않다. 주목할만한 하나의 이유는, 아라미드 섬유 표면들을 포함하는 섬유 표면들 상의 중합 바인더 물질들의 계면 접착 또는 결합에 대해 섬유 표면 마감재가 간섭할 수 있기 때문이다. 중합 바인더 물질들의 강한 접착은 내탄도성 패브릭, 특히 부직 복합체, 예컨대 미국 뉴져지주 모리스타운(Morristown, NJ) 소재의 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드(Honeywell International Inc.)에 의해 제조되는 부직 SPECTRA SHIELD(등록상표) 복합체의 제조에 있어 중요하다. 섬유 표면들 상의 중합 바인더 물질들의 불충분한 접착은 섬유-섬유 결합 강도 및 섬유-바인더 결합 강도를 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 일체화된 섬유들이 서로 해제되고/되거나 바인더가 섬유 표면들로부터 디라미네이션될 수 있다. 또한, 보호성 폴리머 조성물들을 직조 패브릭 상에 적용하려는 시도의 경우에 유사한 접착 문제점이 인식된다. 이는 이러한 복합체들의 내탄도성(탄도-저항(anti-ballistic) 성능)에 유해하게 영향을 미치며, 재앙적 제조 실패를 초래할 수 있다.
복합체 방호물의 탄도-저항 성능은 여러 방식으로 특성화될 수 있다. 통상적인 특성화들 중 하나는 V50 속도이며, 이는 발사체가 당시의(of the time) 방호물 50%를 완전하게 관통하는 것이 예측되고 당시의 방호물 50%까지 완전하게 정지되는 실험적으로 유도되고 통계적으로 계산된 충격 속도(impact velocity)이다. 동일한 면적당 밀도(areal density)(즉, 표면적에 의해 나뉜 복합체 패널의 중량)의 복합체에 있어서, V50가 더욱 높아지면, 복합체의 내관통성이 더욱 우수해진다. 그러나, 심지어 탄도-저항 방호물이 발사체의 관통을 방해하기에 충분한 경우에도, 방호물에 대한 발사체의 충격은 유의적인 비관통의 무딘 외상(blunt trauma)("트라우마(trauma)") 상해들을 또한 초래할 수 있다. 따라서, 탄도-저항 성능의 또다른 중요한 척도는 방호물 백페이스 시그너쳐이다. 당해 분야에서 백페이스 변형 또는 트라우마 시그너쳐로서도 또한 공지되어 있는 백페이스 시그너쳐("BFS")는, 탄환 충격으로 인한 신체 방호물의 굴절(deflection) 깊이의 척도이다. 탄환이 복합체 방호물에 의해 정지되는 경우, 탄환이 방호물을 관통하고 신체 내에 진입하는 것과 같이, 잠재적으로 최종 무딘 외상 상해들은 개체(개인)를 사망에 이르게 할 수 있다. 이는 특히 헬멧 방호물과 관련된 결과이며, 여기서 정지된 탄환에 의해 초래된 일시적 돌출은 여전히 착용자의 두개골의 평면을 가로지를 수 있으며 심신약화(debilitating) 또는 치사적(fatal) 뇌 손상을 초래할 수 있다.
복합체의 V50 탄도 성능은 복합체의 구성요소 섬유들의 강도와 직접적으로 관련되어 있는 것으로 알려져 있다. 섬유 강도 성질들, 예컨대 강인성(tenacity) 및/또는 인장 모듈러스에서의 증가는 V50 속도에서의 증가와 상관되어 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 섬유 강도 성질들이 증가된 백페이스 시그너쳐 감소의 상응하는 개선은 유사하게 인지되고 있지 않다. 따라서, 낮은 백페이스 시그너쳐 뿐만 아니라 우수한 V50 탄도 성능 둘다를 갖는 내탄도성 복합체를 제조하는 방법이 기술에서 요구되고 있다.
예기치않게도, 발사체 충격의 결과로서 서로 디라미네이션하고/하거나 섬유 표면 코팅으로부터 디라미네이션하게 되는, 내탄도성 복합체의 구성요소 섬유들의 강인성과 백페이스 시그너쳐 사이의 직접적인 상관관계가 존재한다는 것이 밝혀졌다. 섬유 표면과 섬유 표면 코팅 사이의 결합을 개선시킴으로써, 섬유-섬유 해제 및/또는 섬유-코팅 디라미네이션 효과는 감소하며, 이로 인해 섬유에 대한 마찰력이 증가되고 섬유들과의 발사체 인게이지먼트(engagement)가 증가된다. 따라서, 복합체 구조적 성질들은 개선되고, 발사체 충격의 에너지는 복합체 백페이스 변형을 감소시키는 방식으로 소멸된다.
본 발명은, 다중 섬유 층들을 다중 플라이 또는 다층 복합체로 합쳐지기(merge) 전에 뿐만 아니라, 부직 섬유 층들 또는 패브릭들로서 섬유들을 컨솔리데이션(consolidation)하기 전에, 또는 섬유들을 직조 패브릭들로 직조하기 전에, 그리고 선택된 폴리머들로 섬유를 코팅하기 전에, 섬유를 가공하여서 섬유 표면과 섬유 표면 코팅 사이의 결합을 개선시킴으로써 기술에서의 이 요구를 해결하는 것이다. 이렇게 처리된 섬유들로부터 형성된 섬유 복합체들은 다중 플라이/다층 섬유 복합체의 접합된 섬유 플라이들/층들 사이의 개선된 라미나간 랩 전단 강도를 갖는 것으로 밝혀졌다. 구체적으로, 섬유들은 섬유 표면 마감재의 적어도 일부를 제거하도록 가공되어서 섬유 표면의 적어도 일부를 노출시키며, 이로 인해 후속적으로 적용된 폴리머가 섬유 표면과 직접 결합하게 되어서, 폴리머는 마감재의 최상부에서 우세적으로 존재하기 보다는 오히려 섬유 표면과 우세적으로 직접 접촉하게 된다. 또한, 다양한 다른 섬유 처리들은, 후속적으로 적용된 물질이 섬유 표면에 대해 흡착, 접착 또는 결합하려는 능력을 추가로 증진시키도록 실시될 수 있다. 더 높은 랩 전단 강도는 단일 섬유 플라이 내의 증가된 섬유-섬유 결합, 및 단일 다중 플라이 패브릭 또는 다중 플라이 섬유 층 내의 증가된 플라이-플라이 결합을 반영하며, 개선된 복합체 백페이스 시그너쳐 뿐만 아니라 개선된 복합체 구조적 성질들과 상호 관련되어 있다.
본 발명은, 복수의 접합된 섬유 층들을 포함하는 섬유 복합체로서, 각 섬유 층은 폴리머 물질로 적어도 부분적으로 덮여져 있는 표면들을 갖는 섬유들을 포함하고, 상기 섬유들에는 섬유 표면 마감재(finish)가 우세적으로 부재하며, 상기 섬유 복합체는, 섬유 표면과 폴리머 물질 사이에 존재하는 섬유 표면 마감재로 우세적으로 덮여져 있는 섬유 표면들을 갖는 대등한 섬유 복합체의 접합된 섬유 층들 사이의 라미나간 랩 전단 강도(interlaminar lap shear strength)보다 큰, 접합된 섬유 층들 사이의 라미나간 랩 전단 강도를 갖는 섬유 복합체를 제공한다.
또한, 본 발명은, 약 1430 피트/초(fps) ± 30fps의 속도에서 9 mm 124-그레인(grain) 풀 메탈 재킷 라운드 노우즈(Full Metal Jacket Round Nose)(FMJ RN) 발사체로 실온(대략 70℉-72℉)에서 충격하는 경우, 2.0 lb/ft2(psf)의 면적당 밀도(areal density) 복합체에 대해 약 8 mm 미만의 백페이스 시그너쳐를 갖는 섬유 복합체를 제공한다.
추가로, 본 발명은, 적어도 2개의 접합된 섬유 층들을 포함하는 섬유 복합체를 형성하는 방법으로서, 각 섬유 층은 폴리머 물질로 적어도 부분적으로 덮여져 있는 표면들을 갖는 섬유들을 포함하고, 상기 섬유들에는 섬유 표면 마감재가 우세적으로 부재하여서, 상기 폴리머 물질이 우세적으로 섬유 표면들과 직접 접촉하고 있고, 상기 섬유 복합체는 대략 실온에서 적어도 약 170 파운드힘(lbf)의 접합된 섬유 층들 사이의 라미나간 랩 전단 강도를 가지며, 상기 방법은, 섬유 표면 마감재가 우세적으로 부재하는 표면들을 갖는 복수의 폴리머 섬유들을 제공하는 단계; 선택적으로는, 상기 섬유 표면들에 대한 후속적으로 적용된 폴리머 물질의 표면 흡착성, 결합 또는 접착을 증진시키기 위하여 상기 섬유 표면들을 처리하는 단계; 상기 섬유들의 적어도 일부에 폴리머 물질을 적용하는 단계로서, 이로 인해 상기 폴리머 물질이 섬유 표면들 위 또는 그에 흡착, 결합 또는 접착되는 단계; 상기 폴리머 물질을 섬유에 적용하기 전에 또는 후에 섬유로부터 복수의 섬유 층들을 생성시키는 단계; 및 상기 복수의 섬유 층들을 컨솔리데이션시켜서 섬유 복합체를 생성시키는 단계를 포함하는 섬유 복합체의 형성 방법을 추가로 제공한다.
또한, 본 발명은, 복수의 접합된 섬유 층들을 포함하는 섬유 복합체로서, 각 섬유 층은 폴리머 물질로 적어도 부분적으로 덮여져 있는 표면들을 갖는 섬유들을 포함하고, 상기 섬유들에는 섬유 표면 마감재가 적어도 부분적으로 부재하여서, 상기 폴리머 물질이 적어도 부분적으로 섬유 표면들과 직접 접촉하고 있고, 상기 섬유 복합체는, 적어도 부분적으로 섬유 표면들과 직접 접촉하고 있지 않은 폴리머 물질을 포함하는 대등한 섬유 복합체의 접합된 섬유 층들 사이의 라미나간 랩 전단 강도보다 큰, 접합된 섬유 층들 사이의 라미나간 랩 전단 강도를 갖는 섬유 복합체를 추가로 제공한다.
백페이스 시그너쳐는 발사체 충격으로 인해 백킹(backing) 물질 내 또는 사용자 신체 내로의 연성 또는 경성 방호물의 굴절 깊이의 척도이다. 더욱 구체적으로는, "백페이스 변형(backface deformation)", "트라우마 시그너쳐(trauma signature)" 또는 "둔기 외상(blunt force trauma)"으로서도 당해 분야에 공지되어 있는 BFS는, 일단 방호물이 발사체를 관통으로부터 정지시키는 경우에 방호물 아래에 남겨지는 발사체의 충격의 척도이며, 이는 방호물 아래의 신체에 의해 겪게 되는 잠재적 무딘 외상을 나타낸다. 연질 방호물의 BFS를 측정하기 위한 표준 방법은 NIJ Standard 0101.04, Type IIIA에 의해 개략적으로 설명되며, 이는 개방된 전면의 박스형 고정물(open face, box-like fixture) 내에 고정된 변형 가능한 클레이(clay) 백킹 물질 내로, 비관통성 발사체 충격으로부터 초래되는 복합체의 물리적 변형을 이송하는 방법을 규정하고 있다. NIJ Standard에 대하여, 시험될 방호물은 클레이 백킹의 전방 표면에 직접 고정되고, 표준화된 발사체 발상 조건들로부터 초래되는 클레이의 임의의 변형은 식별 및 측정된다. BFS를 측정하는 데 다른 방법들이 사용될 수 있다. NIJ Standard는 현 시점에서 국방용으로 의도된 연질 방호 복합체를 평가하는 데 통상적으로 사용된다.
용어 "백페이스 시그너쳐", "백페이스 변형", "트라우마 시그너쳐" 및 "둔기 외상"은 당해 분야에서 동일한 의미를 가지며 본원에서 상호교환 가능하게 사용되고 있다. 본 발명의 목적을 위하여, 우수한 내탄도관통성(ballistic penetration resisitance)을 갖는 물품들은, 탄환과 같은 변형 가능한 발사체들에 대항하고, 탄피와 같은 단편들의 관통에 대항하는 탁월한 성질들을 나타내는 것을 묘사한다. 본원에 사용되는 바와 같이, "섬유 층"은 단일 플라이의 단방향 배향된 섬유들, 복수의 비-컨솔리데이션된 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"은 단방향의 실질적으로 평행한 어레이로 정렬된 비중첩성 섬유들의 배열을 포함한다. 이 타입의 섬유 배열은 또한 "유니테이프(unitape)", "단방향성 테이프(unidirectional tape)", "UD" 또는 "UDT"로서 당해 분야에 공지되어 있다. 본원에 사용되는 바와 같이, "어레이(array)"는 섬유들 또는 얀(yarn)들의 정돈된(orderly) 배열을 묘사하며, 이는 직조 패브릭을 배제시키며, "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. 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.
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 "전단(shear)"은 전단 스트레인(shear strain)을 칭하며, 이는 물질의 평행한 내부 표면들이 서로에 대하여 측방향으로 이동하는 경우에 생성되는 물질 표면에 대한 측방향 스트레인이다. 당해 기술분야에 통상적을 공지되어 있는 바와 같이, "랩 전단(lap shear)"은 측방향 (전단) 스트레인에 가해지는 경우 물질들을 결합시키기 위한 접착제의 강도를 칭한다. 랩 전단을 시험하기 위한 다양한 ASTM 방법들이 공지되어 있으며, 이들 각각은 시편의 단일 중첩 접합, 즉 단일 "랩" 접합에서 시험을 특정화한다. 예를 들면, ASTM D1002는 금속-금속 랩 접합에 대한 랩 전단 시험을 특정화하고; ASTM D3163은 플라스틱-플라스틱 랩 접합에 대한 랩 전단 시험을 특정화하고, ASTM D5868은 자체에 대항하는 또는 금속에 대항하는 섬유-보강된 플라스틱에 대한 랩 전단 시험을 특정화한다. 예를 들면, ASTM D3163에 따라, 2개의 접착제로 결합된 견고한 플라스틱 시편들은 중첩되어서 0.5"(12.7 mm) 또는 1"(25.4") 너비 랩 접합을 형성하고, 접착제와 함께 결합되고, 상기 접착제는 경화된다. 시험 시편들은 범용 시험 기계, 예컨대 인스트론 코포레이션(Instron Corporation of Norwood, MA)으로부터 입수 가능한 INSTRON(등록상표) 장력 시험기의 그립들 내에 위치시키고, 접합의 실패까지 특정 온도에서 특정 적재 비율에서 당겼다. ASTM D5868은 여러 적재 비율을 갖는 섬유 보강된 플라스틱에 대한 유사한 시험 조건들을 특정화한다.
본원에 사용되는 바와 같이, "라미나간 랩 전단 강도"는 당해 기술분야에서 임의의 통상의 기술에 의해 접합되는 2개의 접합된 섬유 층들/플라이들 사이의 랩 전단 강도를 칭한다. 상기 정의에 따라, 접합된 섬유 층들은 접합된 유니테이프 및/또는 접합된 직조 패브릭을 포함할 수 있다.
접합된 유니테이프는 전형적으로 통상적인 교차-플라이된 0°/90° 배향으로 배열되어 (표준화된 V50 시험에 의해 측정시) 내탄도관통성을 최대화하나, 이러한 배향은 의무적인 것은 아니며 복합체의 백페이스 변형을 최소화하는 데 반드시 최적인 것은 아니다. 접합된 유니테이프는 이후 보다 상세히 기술되는 중합 바인더 물질을 이용하여 컨솔리데이션되고, 랩 전단 시험은 중첩 접합 내에서 어떠한 추가 접착제를 사용하지 않고서 상기 중합 바인더 물질을 사용하여 특정 랩 전단 시험 명세사항에 대하여 중첩 접합에서 층들을 연결시킴으로써 실시된다.
복수의 중첩 유니테이프를 포함하는 본 발명의 부직 섬유 복합체의 라미나간 랩 전단 강도를 시험하는 경우, 랩 전단 시험은 전형적으로 하나의 유니테이프가 0°에서 배향되고 다른 유니테이프가 90°에서 배향되는 교차-플라이 중첩 접합에서 실시된다. 랩 전단 시험의 목적으로 중첩 접합의 교차-플라이 배향은 또한 의무적인 것은 아니지만, 통상적인 사용에서 단방향 섬유들을 포함하는 부직 복합체 구조가 전형적으로 교차-플라이 0°/90° 구조에서 제작되기 때문에 바람직하다. 복수의 중첩 직조 패브릭을 포함하는 섬유 복합체의 라미나간 랩 전단 강도를 시험하는 경우, 하나의 직조 패브릭의 날실 및 씨실 섬유들은 접합된 직조 패브릭의 날실 및 씨실 섬유들로서 동일한 배향으로 위치하는 것이 바람직하지만 필수적인 것은 아니다. 부직 패브릭과 달리, 직조 패브릭은 단일 섬유 층을 형성하기 위하여 중합 바인더 물질이 구성요소 섬유들과 상호 연결될 필요는 없다. 그러나, 접착제 또는 중합 바인더 물질은 일반적으로 다중 직조 섬유 층들을 다층 섬유 복합체로 컨솔리데이션 또는 합칠 필요가 있다. 따라서, 직조 섬유 층들 사이의 라미나간 랩 전단 강도를 시험하는 경우, 랩 전단 시험 명세사항에 대하여 중첩 접합을 형성하도록 일부 형태의 접착제 또는 중합 바인더 물질을 첨가할 필요가 있다. 바람직한 실시양태에서, 직조 패브릭은 중첩 접합을 형성하기 전에 중합 바인더 물질로 미리 함침된다.
이후 예시되는 모든 발명예에서, 랩 전단 시험은 부직 섬유 층들 상에서 실시되며, 2개의 적층된 2-플라이 또는 4-플라이 부직 섬유 층들 사이의 1" 중첩 접합에서 라미나간 랩 전단 강도를 측정한다. 각 2-플라이 부직 섬유 층은 0°에서 배향된 1차 플라이 및 90°에서 배향된 2차 플라이를 포함한다. 각 4-플라이 부직 섬유 층은 2-플라이 구조와 동등한 0°/90°/0°/90° 구조를 포함하지만, 4개의 플라이를 갖는다. 중첩 접합은 약 270℉(132℃)의 온도에서 약 10분 동안 약 500 psi의 압력에서 2-플라이 또는 4-플라이 섬유 층들을 함께 적층시킴으로써 형성되었다. 각 예에서의 랩 전단 시험은 달리 특정화되지 않는 한 ASTM D5868의 조건에 따라 대략 70℉의 실온에서 수행하였다. 보다 높은 온도가 열가소성 폴리머를 유연하게 하여서 적용된 측방향 힘을 저지하려는 물질의 능력을 감소시키기 때문에, 시험 물질이 열가소성 폴리머를 혼입하는 경우에 랩 전단 시험의 온도는 중요한 인자이다. 또한, 시험 방법의 결과들이 중첩 접합 크기 및 섬유 배향과 같은 인자들에 민감할 수 있기 때문에, 모든 인자들은 오직 시험 변수로서 섬유 처치 또는 시험되는 타입의 복합체 시편을 사용하는 비교 시험 동안 일정하게 유지시키는 것이 바람직하고 이상적인 것이다.
본 발명의 섬유 복합체는 이들의 더 큰 라미나간 랩 전단 강도에 의해, 그리고 고속 비-관통 발사체에 대하여 이에 상응하는 우수한 백페이스 시그너쳐 성능에 의해 다른 섬유 복합체와 구별된다. 본 발명의 섬유 복합체의 라미나간 랩 전단 강도의 증진은, 최소한, 섬유를 패브릭으로 가공하기 전에 섬유로부터 사전 존재하는 섬유 표면 마감재를 적어도 부분적으로 제거함으로써 달성되며, 여기서 패브릭 형성에는 섬유들을 상호 연결하여서 이로 인해 직조 패브릭 층, 부직 패브릭 층 또는 부직 섬유 플라이를 형성하는 것이 포함된다. 부직 패브릭 층 또는 부직 섬유 플라이의 형성 전에, 또는 직조 패브릭의 위빙 전에 섬유 표면 마감재의 제거는, 이전 본원에 알려지지 않았는데, 이는 섬유 표면 마감재가 일반적으로 상술한 바와 같이 필수적인 가공 보조제로서 알려져 있기 때문이다. 예를 들어, 부직 패브릭의 제조시, 섬유 표면 마감재는 일반적으로 정전기 형성을 감소시키고, 섬유 엉킴을 억제하고, 섬유가 방직기(loom) 구성요소에 걸쳐 슬라이드 되도록 윤활시키고, 그리고 섬유 드로잉 단계를 포함하는 가공 중에 섬유 응집력을 증진시키는 데 필요하다.
섬유 표면 마감재는 전형적으로 통상적인 패브릭 가공 중에 필요하나, 이들은 일반적으로 최종 패브릭 특성에 기여하지 않는다. 반면, 섬유 표면을 덮음으로써, 마감재는 섬유 표면들이 서로 접촉되는 능력을 저해시키고, 그리고 섬유 상에 적용되는 액체 또는 고형 수지 또는 중합 바인더 물질과 같이 후속적으로 적용되는 흡착질(absorbate)을 직접적으로 흡착하는 섬유 표면의 능력을 저해하여, 흡착질을 섬유 표면상에 직접 위치시키기보다는 마감재의 최상부에 위치시킨다. 이는 문제를 일으킨다. 전자의 상황에서, 마감재는 섬유 표면에서 윤활제로서 작용하고, 이에 따라 접합된 섬유들 사이의 마찰을 감소시킨다. 후자의 상황에서, 마감재는 후속적으로 적용되는 물질이 섬유 표면에 직접적으로 그리고 강력하게 결합하는 것을 저해하여, 코팅제가 섬유들에 서로 결합하는 것을 저해하고, 탄도 충격 도중의 디라미네이션 위험을 저해한다. 섬유-섬유 마찰을 증진시키기 위해 그리고 수지 및 중합 바인더 물질이 섬유 표면에 직접 결합할 수 있도록 하여, 이에 따라 섬유-코팅 결합 강도를 증가시키기 위해, 기존의 섬유 마감재는 적어도 부분적으로 제거될 필요가 있으며, 바람직하게는 섬유 복합체를 형성하는 구성요소 섬유들의 일부 또는 모두의 섬유 표면의 모두 또는 일부로부터 실질적으로 완전히 제거될 필요가 있다.
섬유 표면 마감재의 적어도 부분적인 제거는, 모든 섬유 드로잉/스트레칭 단계들이 완료되면 시작하는 것이 바람직할 것이다. 섬유들을 세척하거나 그렇지 않으면 섬유 마감재를 제거하는 단계는, 그 하부에 있는 섬유 표면의 적어도 일부가 노출되도록 섬유 마감재를 충분히 제거하나, 다른 제거 조건은 다른 양의 마감재를 제거하는 것으로 예측되어야 한다. 예를 들어, 세정제(예, 물)의 조성, 세정 기술의 기계적 속성(예, 섬유와 접촉하는 물의 힘; 세정조의 교반 등)과 같은 인자들은 제거될 마감재의 양에 영향을 미칠 것이다. 본 발명의 목적상, 섬유 마감재의 최소한의 제거를 달성하기 위한 최소한의 처리는 일반적으로 섬유 표면적의 적어도 10%를 노출시킬 것이다. 바람직하게는, 섬유 표면 마감재는 섬유가 섬유 표면 마감재를 우세적으로 부재하도록 제거된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 섬유 표면 마감재를 "우세적으로 부재하는(predominantly free)" 섬유는, 이들의 제거된 마감재를 적어도 50중량%, 보다 바람직하게는 이들의 제거된 마감재를 적어도 약 75중량%, 보다 바람직하게는 이들의 제거된 마감재를 적어도 약 80중량% 갖는 섬유이다. 보다 바람직하게는 섬유들은 섬유 표면 마감재를 실질적으로 부재한다. 섬유 마감재를 "실질적으로 부재하는(substantially free)" 섬유란 이들의 제거된 마감재를 적어도 약 90중량%, 가장 바람직하게는 이들의 제거된 마감재를 적어도 약 95중량%를 갖는 섬유이며, 이에 따라 섬유 표면 마감재에 의해 이전에 덮인 섬유 표면적의 적어도 약 90% 또는 적어도 약 95%가 노출된다. 가장 바람직하게는, 임의의 잔류 마감재가 섬유의 중량과 마감재의 중량에 기초하여 약 0.5중량% 이하, 바람직하게는 섬유의 중량과 마감재의 중량에 기초하여 약 0.4중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.3중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.2중량% 이하, 가장 바람직하게는 약 0.2중량% 이하의 양으로 존재할 것이다.
섬유 마감재 조성물의 표면 장력에 따라, 마감재는 실질적인 양의 마감재가 제거되더라도 섬유 표면에 걸쳐 그 자체로 분포되는 경향을 나타낼 수 있다. 따라서, 섬유 표면 마감재를 우세적으로 부재하는 섬유는 여전히 섬유 마감재의 매우 얇은 코팅에 의해 덮인 이의 표면적의 일부를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 잔존 섬유 마감재는 전형적으로 연속 코팅 보다는 마감재의 잔류 팻치로서 존재할 것이다. 이에 따라, 섬유 표면 마감재를 우세적으로 부재하는 표면을 갖는 섬유는, 바람직하게는 적어도 부분적으로 노출되고 섬유 마감재로 덮이지 않은 이의 표면을 가지며, 여기서 바람직하게는 섬유 표면적의 50% 미만이 섬유 표면 마감재에 의해 덮인다. 섬유 마감재를 우세적으로 부재하는 섬유 표면을 포함하는 본 발명의 섬유 복합체는 그 다음, 중합 바인더 물질로 코팅된다. 섬유 마감재의 제거가 섬유 표면적의 50% 미만이 섬유 표면 마감재로 덮이게 되는 경우에, 중합 바인더 물질은 이에 따라 섬유 표면적의 50% 초과로 직접 접촉할 것이다.
이러한 마감재 제거의 결과로서, 본 발명의 섬유 복합체는, 예를 들어, 섬유 표면 마감재는 섬유 표면과 중합체 물질 사이에 섬유 표면적의 50% 초과 존재하는 것과 같이, 섬유 표면 마감재로 우세적으로 덮인 섬유를 갖는 이와 대등한 섬유 복합체의 접합된 섬유 플라이들 사이의 라미나간 랩 전단 강도보다 큰, 접합된 섬유 플라이들 사이의 라미나간 랩 전단 강도를 갖는다.
가장 바람직하게는, 섬유 표면 마감재는 섬유로부터 실질적으로 완전히 제거되며, 섬유 표면은 실질적으로 완전히 노출된다. 이와 관련하여, 섬유 표면 마감재의 실질적으로 완전한 제거는 적어도 약 95%의 제거, 보다 바람직하게는 적어도 약 97.5%, 가장 바람직하게는 섬유 표면 마감재의 적어도 약 99.0% 제거이며, 그리고 이에 따라 섬유 표면은 적어도 약 95% 노출되고, 보다 바람직하게는 적어도 약 97.5% 노출되고, 가장 바람직하게는 적어도 약 99.0% 노출된다. 이상적으로는, 섬유 표면 마감재의 100%가 제거되며, 이에 따라 섬유 표면적의 100%가 노출된다. 섬유 표면 마감재의 제거 후, 또한, 섬유들은 노출된 섬유 표면상에 중합 바인더 물질, 수지 또는 다른 흡착질의 적용 전에 임의의 제거된 마감재 입자를 깨끗이 하는 것이 바람직하다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "대등한(comparable)" 섬유 복합체는, 본 발명의 복합체가 선택적으로 플라즈마 처리 또는 코로나 처리와 같은 부가적인 섬유 처리로 섬유 표면의 적어도 일부를 노출하도록 제거된 섬유 표면 마감재의 적어도 일부를 가지며, 그리고 중합체 물질은 이에 따라 마감재가 제거된 영역에서 섬유 표면에 직접 결합하는, 본 발명의 처리된 복합체와 동일하거나 실질적으로 유사한 복합체(이론적으로 또는 실제로)로 정의된다. 이와 관련하여, "실질적으로 유사한(substantially similar)"이란 상수 인자들을 설정하는 경우에 겪게 되는 임의의 최소한의 오차를 가리킨다. 즉, 대등한 섬유 복합체는 본 발명의 "처리된 복합체(treated composite)"와 비교되는 "컨트롤 복합체(control composite)"이다. 특히, 컨트롤 복합체 및 본 발명의 처리된 복합체 모두 동일한 섬유 타입(동일한 섬유 화학, 강인성, 모듈러스 등)으로부터 제조될 것이며, 동일한 섬유 층 구조(예, 직조 또는 부직)를 포함할 것이며, 섬유에 코팅된 동일한 타입의 중합체 물질(바인더 폴리머, 중합 바인더 물질 또는 중합 매트릭스라고도 함), 복합체 내에 동일한 양의 수지, 동일한 수의 섬유 플라이/층 등을 포함할 것이다. 컨트롤 복합체 및 처리된 복합체 모두 또한 동일한 컨솔리데이션/몰딩 조건에 따라 형성될 것이다. 본원에 기재된 섬유 표면 처리를 제외한 모든 인자들은 일정하게 유지되는 것으로 의도된다. 이것들은 모두 중요한 고려 사항인데, 이는 데이터가 예를 들어, BFS 및 랩 전단이 섬유 마감재의 존재 및 섬유의 표면 처리에 따라 일부 달라지는 것과 같이, BFS 및 랩 전단은 사용된 수지의 타입에 따라 일부 달라지는 것으로 나타났기 때문이다. 본원에 나타낸 데이터는, 처리된 복합체가 일정하게 유지되지 않은 요소들을 가진 다른 복합체에 비해서는 반드시 그렇지 않으나, 동일하거나 실질적으로 유사한 컨트롤 복합체에 비해 증진된 BFS 및 랩 전단을 나타낼 것이라는 이러한 전제를 뒷받침한다. 섬유 마감재의 최소한의 제거를 달성하기 위한 섬유의 가공은 일반적으로 섬유 표면적의 적어도 약 10%를 노출하는 것이므로, 섬유 마감재의 적어도 일부를 제거하기 위해 유사하게 세정되거나 처리되지 않은 대등한 복합체는 섬유 표면적의 10% 미만이 노출되거나, 0% 표면 노출이거나 실질적으로 섬유 표면 노출이 없다.
상술한 바와 같이, 섬유 표면 마감재의 제거는 섬유-섬유 마찰뿐만 아니라, 섬유와 후속적으로 적용되는 코팅 사이의 결합 강도를 증진시킨다. 섬유-섬유 마찰 증가 및 섬유-코팅 결합 강도 증가는 섬유와의 발사체 인게이지먼트를 증가시켜서, 이에 따라 상기 섬유로부터 형성되는 섬유 복합체의 라미나간 랩 전단 강도를 증진시킬 뿐만 아니라, 상기 섬유로부터 형성되는 섬유 복합체의 발사체 정지 능력을 증진시키며, 그리고 발사체 충격으로부터 형성되는 벡페이스 시그너쳐를 또한 감소시킨다. 증진된 섬유-코팅 결합 강도는 또한 섬유들을 함께 적절히 결합시키는 데 필요한 바인더의 양을 감소시킨다. 이러한 바인더 양의 감소는 보다 많은 수의 섬유들이 패브릭에 포함되도록 하며, 이는 잠재적으로 증진된 강도를 갖는 보다 가벼운 탄도 물질을 생성하도록 한다. 또한, 이는 결과적으로 형성된 패브릭 복합체의 방검성(stab resistance)을 더욱 증진시키며, 뿐만 아니라 반복된 충격들에 대항하는 복합체의 저항성을 증가시킨다.
섬유 표면 마감재를 제거하는 어떠한 통상적으로 알려진 방법이 본 발명에 유용하며, 이는 기계적 및 화학적 기술 수단 모두를 포함한다. 필수적인 방법은 일반적으로 마감재의 조성에 따라 달라진다. 예를 들어, 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 섬유들은 오직 물만으로 세정될 수 있는 마감재로 코팅된다. 전형적으로, 섬유 마감재는 하나 이상의 윤활제, 하나 이상의 비이온 에멀젼화제(emulsifier)(계면활성제), 하나 이상의 정전기 방지제, 하나 이상의 습윤제 및 응집제, 및 하나 이상의 항미생물 화합물의 조합을 포함한다. 본 발명에 바람직한 마감재 배합물은 오직 물만으로 세정될 수 있다. 기계적 수단은 또한 화학적 제거 효능을 증진시키기 위해 화학 제제와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 탈이온수를 이용한 마감재 제거 효능은 물 적용 공정의 힘, 방향 속도 등을 조작함으로써 증진될 수 있다.
가장 바람직하게는, 섬유들은 바람직하게는 탈이온수를 이용하여, 섬유 웹으로서 물로 세정 및/또는 린스되며, 선택적으로는 세정 후 임의의 다른 화학물질을 사용하지 않고서 섬유를 건조시킨다. 마감재가 수용성이 아닌 다른 실시양태에서, 마감재는 예를 들어, 연마 클리너, 화학 클리너 또는 효소 클리너로 제거되거나 세정될 수 있다. 예를 들어, 본원에 참고로 인용되고 있는 미국 특허 제5,573,850호 및 제5,601,775호에는 비이온 계면활성제(Hostapur(등록상표) CX, Clariant Corporation of Charlotte, N.C.), 트리소듐 포스페이트 및 소듐 하이드록시드를 함유하는 조를 통해 얀을 통과시킨 다음, 섬유를 린스하는 것이 개시되어 있다. 다른 유용한 화학 제제는 비제한적으로, 메탄올, 에탄올 및 2-프로판올과 같은 알코올; 시클로헥산 및 톨루엔과 같은 지방족 및 방향족 탄화수소; 디-클로로메탄 및 트리-클로로메탄과 같은 클로리네이티드 용매를 포함한다. 섬유 세정은 또한 임의의 다른 표면 오염물을 제거하며, 이는 섬유와 수지 또는 다른 코팅 물질 사이의 보다 친밀한 접촉을 가능케 한다.
물을 이용하여 섬유를 세척하는 데 사용되는 바람직한 수단은 섬유로부터 섬유 표면 마감재를 실질적으로 제거하는 능력이 있는 한 한정되지 않는다. 바람직한 방법에서, 마감재의 제거는 가압수 노즐을 통해 섬유 웹을 통과시켜 섬유로부터 마감재를 세정(또는 린스) 및/또는 물리적으로 제거하는 것을 포함하는 공정에 의해 달성된다. 섬유는 선택적으로 상기 가압수 노즐을 통해 섬유를 통과시키기 전에 수조에 미리 적셔질 수 있고/있거나(soak), 가압수 노즐을 통해 섬유를 통과시킨 후에 적셔질 수 있으며, 또한 선택적으로 추가 가압수 노즐을 통해 섬유를 통과시킴으로써 상기 임의의 선택적인 적시는 단계 후에 린스될 수 있다. 세정된/적셔진/린스된 섬유는 또한 바람직하게는 세정/적심/린싱이 완료된 후에 건조된다. 섬유를 세정하는 데 사용되는 장치 및 수단은, 패브릭 보다는 즉, 직조되거나 부직 섬유 층 또는 플라이로 형성되기 전에, 각각의 다중필라멘트 섬유/다중필라멘트 얀을 세정할 수 있는 것이면 한정되지 않는다.
패브릭 형성 전에 섬유 표면 마감재의 제거는 본원에서 특히 복수의 단방향 정렬된 섬유들을 포함하는 복수의 섬유 플라이를 컨솔리데이션함으로써 형성되는 부직 패브릭의 생성을 위해 의도된다. 부직 단방향 정렬된 섬유 플라이를 형성하는 전형적인 공정에서, 섬유 번들(bundle)은 크릴(creel)로부터 제공되며, 가이드 및 하나 이상의 스프레더 바(spreader bar)를 통해 콜리메이팅 콤(collimating comb)으로 유도된 다음, 섬유를 중합 바인더 물질로 코팅한다. 선택적으로, 섬유들은 스프레더 바와 부딪치기 전에 코팅되거나, 또는 이들은 하나는 코팅 섹션 전에 그리고 다른 하나는 코팅 섹션 후인 2 세트의 스프레더 바 사이에 코팅될 수 있다. 전형적인 섬유 번들(예, 얀)은 약 30 내지 약 2000 개별 필라멘트를 가지며, 각 섬유는 전형적으로 이에 한정하는 것은 아니나 약 120 내지 약 240 개별 필라멘트를 포함한다. 스프레더 바 및 콜리메이팅 콤은 번들 섬유를 분산 및 펼쳐, 공면 형태로 나란히 이들을 재편성한다. 이상적인 섬유 스프레딩은 개별 섬유들 또는 심지어 개별 필라멘트들이 단일 섬유면에서 서로 옆에 위치하도록 하여, 실질적으로 단방향의 평행한 섬유의 어레이를 형성하며 최소량의 섬유가 서로 겹친다. 이러한 스프레딩 단계 전 또는 중에 섬유 표면 마감재를 제거하는 것은 섬유/필라멘트와 상호작용하는 세정제(예, 물)의 물리적 상호작용에 기인하여 섬유가 이러한 평행 어레이로 스프레딩되는 것을 증진 및 촉진할 수 있다. 섬유 스프레딩 및 콜리메이팅 후에, 이러한 평행 어레이의 섬유는 섬유 두께에 따라 인치당 약 3-12 섬유 엔드(cm당 1.2 내지 4.7 엔드)를 함유할 것이다. 따라서, 섬유 표면 마감재의 제거는 섬유 스프레딩을 증진시키고, 섬유 표면에 후속적으로 적용되는 물질/흡착질의 결합 강도를 증진시키는 이중 효과를 달성한다.
섬유 표면 마감재 단독의 제거가 상술한 바와 같은 효과가 달성되나, 적어도 부분적인 마감재 제거 후에 섬유 표면상에서 결합 증진 처리를 수행함으로써 보다 나은 결과가 달성될 수 있다. 특히, 백페이스 시그너쳐 감소가 섬유-섬유 마찰 및 섬유-코팅 결합 강도의 증가와 직접 비례하는 것으로 발견되었다. 패브릭 형성 전에 섬유 표면을 결합 증진 처리로 처리하거나 개질하는 것은, 특히, 섬유 마감재를 적어도 부분적으로 제거하기 위해 결합 증진 처리가 섬유 세정과 조합되는 경우에 복합체 백페이스 시그너쳐 감소의 보다 우수한 증진을 달성하는 것으로 발견되었다. 이는 특히 중합 바인더 물질 또는 수지와 같은 흡착질이, 부직 패브릭 제조에 통상적으로 사용되는 중합 바인더 물질 또는 수지와 같은 섬유 표면에 적용되거나, 또는 직조 패브릭 위빙 및 적어도 부분적으로 섬유 표면 마감재를 제거한 후에 적용될 경우에 명백하다. 흡착질(예, 폴리머/수지)의 섬유 표면에 대한 결합이 강할수록, 백페이스 시그너쳐의 감소는 커진다. 따라서, 본 발명의 가장 바람직한 실시양태에서, 섬유 표면 마감재의 적어도 부분적 제거 후, 하지만 패브릭 형성 전에, 섬유 표면에 후속적으로 적용되는 흡착질(예, 폴리머/수지)의 흡착성/결합성을 증진시키는 조건하에서 섬유 표면의 처리를 수행하는 것이 특히 바람직하다. 섬유 마감재의 제거는 이러한 부가적인 공정들이 섬유의 표면에 직접 작용하고, 섬유 표면 마감재 또는 표면 오염물에는 작용하지 않도록 한다. 이는 표면 마감재가 섬유의 표면을 처리하기 위한 시도를 저해하여 배리어(barrier) 또는 오염물로서 작용하는 경향이 있기 때문에 가장 바람직하다. 따라서, 마감재의 제거는 또한 후속적인 섬유 표면 처리의 품질 및 균일성을 증진시킨다. 마감재 제거 및 이러한 추가 처리의 이득은 누적되며, 백페이스 시그너쳐 성능의 증진은 마감재 제거의 퍼센트 증가 및 보다 우수한 처리 효과와 함께 증가된다.
이를 위해, 유용한 처리 또는 개질은 섬유 표면상에 후속적으로 적용되는 흡착질의 흡착성을 증진시키는 어떠한 것을 포함하며, 여기서 흡착질은 중합 바인더 물질 및 수지를 포함하는 임의의 고체, 액체 또는 기체일 수 있으며, 그리고 여기서 흡착은 섬유 표면과 물질의 어떠한 형태의 결합을 포함한다. 표면을 거칠게 하거나, 표면에 극성을 부여하거나, 섬유 표면 또는 섬유 표면부를 산화시키거나, 섬유의 표면 에너지를 증가시키거나, 섬유의 접촉각을 감소시키거나, 섬유의 습윤성을 증가시키거나, 섬유 표면의 가교 밀도를 변형시키거나, 섬유 표면에 화학 작용기를 부가하거나, 표면을 제거하는 처리, 또는 섬유 표면에 대한 코팅의 정착을 증진시키기 위해 벌크 섬유와 섬유 표면 코팅 사이의 상호작용을 증진시키는 임의의 다른 수단들을 포함하는 다양한 수단에 의해 수행될 수 있다. 이러한 개질된 상호작용은 BFS의 증진에서 쉽게 보여질 수 있다.
적절한 섬유 표면 처리 또는 표면 개질은 섬유의 코로나 처리, 섬유의 플라즈마 처리, 섬유의 플라즈마 코팅, 불소원자를 이용한 섬유 표면의 직접 불소화, 화학 UV 그래프팅과 같은 화학 처리, 또는 크롬 에칭과 같은 표면 거칠기 처리와 같이 당해 기술분야에 알려진 공정들을 포함한다. 또한, 섬유 표면 마감재 제거 후이지만 패브릭 형성 전에, 노출 및 처리된 섬유 표면과 결합되는 임의의 물질 또는 그 임의의 물질상에 흡착질을 흡착시키는 능력을 증진시키는 라지 스케일 적용을 위해 아직 개발되지 않은 처리들이 적절하다. 각각의 이러한 예시적인 공정들은 섬유의 표면상에서 이들의 작용을 통해, 벌크 섬유와 후속적인 코팅 물질 사이의 상호작용을 변형시키거나, 증진시키거나 감소시키는 데 사용될 수 있으며, 이는 섬유 화학특성에 따라 달라진다. 이러한 공정들의 임의의 조합이 이용될 수 있으며, 이러한 하위-공정들이 다른 순서로 놓여질 수 있으나, 섬유 타입 또는 천연 섬유 표면 특성과 같은 다양한 인자들에 따라 다른 것에 비해 일부 순서가 바람직할 수 있다. 본 발명의 다양한 처리 단계는, 예를 들어, 바람직한 라미나간 랩 전단 강도 범위 내에 복합체를 놓기 위해서 섬유를 조작하는 레시피(recipe)로 이용될 수 있다. 만일, 랩 전단 시험에서, 특정 복합체가 원하는 것보다 낮은 라미나간 랩 전단 강도(예, 170 lbf 미만)을 갖는 것으로 측정된 경우에, 이는 원하는 범위 내에 들어가도록 라미나간 랩 전단 강도를 더욱 증가시키기 위해 추가 섬유 세정 및/또는 추가 표면 처리(예, 코로나 처리, 플라즈마 처리 등)가 수행되어야 한다.
가장 바람직한 처리는 섬유 표면의 코로나 처리 및 섬유 표면의 플라즈마 처리이다. 코로나 처리는 섬유가 코로나 방전 스테이션을 통해 통과하여, 이에 따라 섬유 웹이 일련의 고압 전기 방출을 통과하는 공정이며, 이는 피팅(pitting), 러핑(roughing) 및 부분적으로 섬유의 표면을 산화시킴으로써 극성 작용기를 도입하는 것을 포함하는 다양한 방식으로 섬유 웹의 표면에 작용하는 경향이 있다. 코로나 처리는 전형적으로 섬유 표면을 산화시키고 그리고/또는 극성을 섬유 표면에 부가한다. 또한, 코로나 처리는 작은 핏트(pit) 또는 홀을 섬유의 표면으로 태움으로써 작용한다. 섬유가 산화 가능한 경우에, 산화도는 전력, 전압 코로나 처리 빈도와 같은 인자들에 따라 달라진다. 코로나 방전 필드 내에서의 체류 시간이 또한 인자이며, 이는 코로나 처리기 디자인에 의해 또는 공정 라인 속도에 의해 조절될 수 있다. 적절한 코로나 처리 장치는 예를 들어, Enercon Industries Corp.(Menomonee Falls, Wis.), Sherman Treaters Ltd(Thame, Oxon., UK) 또는 Softal Corona & Plasma GmbH & Co(Hamburg, Germany)로부터 입수 가능하다.
바람직한 실시양태에서, 섬유들은 약 2 Watts/ft2/MIN 내지 약 100 Watts/ft2/MIN, 보다 바람직하게는 약 20 Watts/ft2/MIN 내지 약 50 Watts/ft2/MIN로 코로나 처리된다. 또한, 약 1 Watts/ft2/MIN 내지 약 5 Watts/ft2/MIN의 보다 낮은 에너지 코로나 처리가 유용하거나 덜 효과적일 수 있다. 섬유 표면에 전하를 적용하는 것에 부가적으로, 코로나 처리는 섬유의 표면을 피팅함으로써 표면을 거칠게 할 수 있다.
플라즈마 처리시, 섬유들은 전형적으로 섬유 웹으로서 산소, 아르곤, 헬륨, 암모니아와 같은 불활성 또는 비-불활성 기체, 또는 상기 기체들의 조합을 포함하는 다른 적절한 불활성 또는 비-불활성 기체로 채워진 챔버에서 이온화 분위기를 통해 통과하여, 섬유들을 전기 방전과 접촉시킨다. 섬유 표면에서, 하전된 입자(이온)와 표면의 충돌은 운동 에너지의 이동 및 전자의 교환 등 모두를 일으킨다. 또한, 표면과 자유 라디컬 사이의 충돌은 유사한 화학 재배열을 일으킨다. 보다 낮은 상태에서 풀어진 여기된 원자 및 분자에 의해 방출된 자외선에 의한 섬유 표면의 충격이 또한 섬유 기재에 화학적 변화를 일으킨다.
이러한 상호작용의 결과로서, 플라즈마 처리는 섬유의 화학 구조 및 섬유 표면의 토포그래피 모두를 변형시킬 수 있다. 예를 들어, 코로나 처리와 같이, 플라즈마 처리 역시 섬유 표면에 극성을 부가하고 그리고/또는 섬유 표면부를 산화시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 처리는 섬유의 표면 에너지를 증가시키고, 접촉각을 감소시키고, 섬유 표면의 가교 밀도를 변형시키고, 후속적인 코팅의 용융점 및 매스 앵커리지(mass anchorage)를 증가시키고, 그리고 섬유 표면에 화학 작용기를 부가하고, 잠재적으로 섬유 표면을 제거할 수 있다. 이러한 효과는 마찬가지로 섬유 화학에 따라 달라지며, 또한 이용된 플라즈마의 타입에 따라 달라진다.
기체의 선택은 표면의 화학 구조가 다른 플라즈마 기체를 이용하여 다르게 변형되기 때문에 원하는 표면 처리를 위해 중요하다. 이는 당해 기술분야의 숙련자에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 아민 작용기가 암모니아 플라즈마를 이용하여 섬유 표면에 도입될 수 있으며, 한편 카르복실기 및 히드록실기는 산소 플라즈마를 이용하여 도입될 수 있는 것이 알려져 있다. 따라서, 반응 분위기는 아르곤, 헬륨, 산소, 질소, 및/또는 패브릭의 플라즈마 처리에 적절한 것으로 알려진 다른 기체 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 반응 분위기는 이러한 기체들 중 하나 이상을 원자, 이온, 분자 또는 자유 라디컬 형태로 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 바람직한 연속 공정으로, 섬유 배열은 바람직하게는 아르곤 원자, 산소 분자, 아르곤 이온, 산소 이온, 산소 자유 라디컬 뿐만 아니라 다른 미량 종들을 포함하는 조절된 반응 분위기를 통해 통과한다. 바람직한 실시양태에서, 반응 분위기는 아르곤 및 산소 모두를 약 90% 내지 약 95% 아르곤 및 약 5% 내지 약 10% 산소의 농도로 포함하며, 아르곤/산소의 90/10 또는 95/5 농도가 바람직하다. 다른 바람직한 실시양태에서, 반응 분위기는 헬륨 및 산소 모두를 약 90% 내지 약 95% 헬륨 및 약 5% 내지 10% 산소의 농도로 포함하며, 헬륨/산소의 90/10 또는 95/5 농도가 바람직하다. 다른 유용한 반응 분위기는 제로 기체 분위기, 즉, 약 79% 질소, 약 20% 산소 및 소량의 기타 기체를 포함하는 실내 공기이며, 이는 또한 코로나 처리에 일부 정도로 유용하다.
플라즈마 처리는 진공 챔버에서 또는 대기 조건으로 유지되는 챔버에서 수행될 수 있다. 플라즈마 처리는, 플라즈마 처리가 조절된 반응 기체 분위기에서 수행되나, 코로나 처리는 반응 분위기가 공기인 점에서 우세적으로 코로나 처리와 다르다. 플라즈마 처리기에서 분위기는 쉽게 조절 및 유지되어, 표면 극성이 코로나 처리에 비해 더 조절가능하고 유연한 방식으로 달성되도록 한다. 전기 방전은 기체를 전자, 이온, 자유 라디컬 및 준안정 산물로 해리하는 무선 주파수(RF) 에너지에 의해 이루어진다. 플라즈마에서 생성된 전자와 자유 라디컬은 섬유 표면과 충돌하여, 공유 결합을 파괴하고 섬유 표면상에 자유 라디컬을 생성한다. 배치 공정으로, 미리 정해진 반응 시간 또는 온도 후에, 공정 기체 및 RF 에너지는 꺼지고, 남은 기체들 및 다른 부산물들은 제거된다. 본 발명에서 바람직한 연속 공정으로, 섬유 배열은 선택된 반응 기체들의 원자, 분자, 이온 및/또는 자유 라디컬 뿐만 아니라 다른 미량 종을 포함하는 조절된 반응 분위기를 통해 통과한다. 반응 분위기는 일정하게 발생되고 보충되고, 안정한 상태의 조성에 쉽게 도달하고, 코팅기가 정지할 때까지 꺼지거나 퀀칭되지 않는다.
플라즈마 처리는 Softal Corona & Plasma GmbH & Co(Hamburg, Germany); 4th State, Inc(Belmont California); Plasmatreat US LP(Elgin Illinois); Enercon Surface Treating Systems(Milwaukee, Wisconsin)으로부터 입수 가능한 플라즈마 처리기와 같은 임의의 유용한 상업적으로 입수 가능한 플라즈마 처리기를 이용하여 수행될 수 있다. 바람직한 플라즈마 처리 공정은 약 실온(70℉-72℉)의 챔버 온도로 약 대기압, 즉, 1 atm(760 mm Hg(760 torr))에서 수행된다. 플라즈마 챔버 내부 온도는 처리 공정에 기인하여 잠재적으로 변할 수 있으나, 온도는 일반적으로 처리 중에 독립적으로 냉각되거나 가열되지 않으며, 플라즈마 처리기를 통해 신속히 통과함에 따라 섬유의 처리에 영향을 주지 않는 것으로 여겨진다. 플라즈마 전극과 섬유 웹 사이의 온도는 전형적으로 약 100℃이다. 플라즈마 처리 공정은 바람직하게는 RF 전력하에서, 약 0.5 kW 내지 약 3.5 kW에서, 보다 바람직하게는 약 1.0 kW 내지 약 3.05 kW에서 수행되며, 가장 바람직하게는 플라즈마 처리는 2.0 kW로 설정된 대기 플라즈마 처리기를 사용하여 수행된다. 이러한 전력은 플라즈마 처리 구역의 너비(또는 전극의 길이)에 걸쳐 분포하며, 또한 이러한 전력은 섬유 웹이 플라즈마 처리기의 반응 분위기를 통해 통과하는 라인 속도에 역비례하는 속도로 기재 또는 섬유 웹의 길이에 걸쳐 분포한다. 단위 시간당 단위 면적당 이러한 에너지(와트/평방 피트/분 또는 W/SQFT/MIN) 또는 에너지 플럭스는 처리 수준을 비교하는 데 유용한 수단이다. 에너지 플럭스에 대한 유효값은 바람직하게는 약 0.5 내지 약 200 Watts/SQFT/MIN, 보다 바람직하게는 약 1 내지 약 100 Watts/SQFT/MIN, 보다 바람직하게는 약 1 내지 약 80 Watts/SQFT/MIN, 가장 바람직하게는 약 2 내지 약 40 Watts/SQFT/MIN이다. 총 기체 흐름 속도는 약 16 리터/분이나, 이는 엄격히 제한되는 것은 아니다. 섬유의 플라즈마 처리 시간(또는 체류 시간)은 약 2초이나, 이는 사용된 플라즈마 처리기의 치수와 관련되며, 엄격히 제한되는 것은 아니다. 보다 적절한 측정값은 시간 경과에 따른 단위 면적당 섬유에 적용되는 RF 전력에 대한 플라즈마 처리의 양이다.
플라즈마 코팅은 섬유 웹의 표면을 활성화시키고, 활성화된 섬유 웹을 비닐 모노머, 비닐 올리고머 또는 일부 다른 반응성 종을 함유하는 분위기를 통해 통과하는 것으로 형성된다. 플라즈마 코팅은 섬유의 표면에 매우 특이적인 화학 작용기를 부가할 수 있으며, 섬유의 표면에 다른 중합 특성을 부가할 수 있다. 직접적인 플루오르화 처리시, 섬유 표면은 원소 불소를 이용한 섬유의 직접적인 플루오르화에 의해 개질된다. 예를 들어, 섬유 표면은 섬유 표면을 25℃에서 10% F2/90% He의 혼합물과 접촉시켜 플루오르화되어 상기 표면상에 원소 불소를 증착시킬 수 있다. 섬유 표면상에 존재하는 원소 불소는 후속적으로 적용되는 코팅 물질과의 결합을 위한 작용기로 제공된다. 참조 예, 미국 특허 제3,988,491호 및 제4,020,223호. 이들 문헌들은 본원에 참고로 인용되며, 원소 불소, 원소 산소 및 캐리어 기체의 혼합물을 이용한 섬유의 직접적인 플루오르화가 개시되어 있다. 또한, UV 그라프팅이 당해 기술분야에 잘 알려진 공정이다. 탄도 섬유 표면의 UV 그라프팅의 선택적인 공정으로, 섬유(또는 패브릭)는 모노머, 감광제 및 용매로 된 용액에 적시어져 적어도 부분적으로 섬유/패브릭 표면을 모노머 및 감광제로 코팅한다. 그 다음, 코팅된 섬유는 당해 기술분야에 잘 알려져 있는 바와 같이 UV 조사로 방사능 처리된다. 모노머 타입, 감광제 타입 및 용매 타입의 특정 선택은 당해 기술분야의 숙련자에 의해 원하는 바에 따라 달라지며 그리고 쉽게 결정될 것이다. 예를 들어, 아크릴아미드기는 본원에 참고로 인용되고 있는 문헌 "Studies on surface modification of UHMWPE fibers via UV initiated grafting"(Jieliang Wang, et al. the Department of Applied Chemistry, School of Science, Northwestern Polytechnical University, Xi'an, Shaanxi 710072, PR China. Applied Surface Science, Volume 253, Issue 2, 15 November 2006, pages 668-673)에 기재된 바와 같이 아크릴아미드 그라프팅 모노머를 통해 UHMWPE 폴리머 쇄상에 그라프트될 수 있다.
또한, 본 발명의 섬유는 이러한 선택적인 처리 중 하나 이상으로 처리될 수 있다. 예를 들어, 섬유는 크롬 에칭에 의해 거칠어지고 플라즈마 처리되거나, 또는 코로나 처리되고 플라즈마 코팅되거나, 또는 플라즈마 처리되고 플라즈마 코팅될 수 있다. 또한, 본 발명의 복합체 및 패브릭은 처리된 일부 섬유 및 처리되지 않은 일부 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서 복합체는 코로나 처리된 일부 섬유 및 플라즈마 처리된 일부 섬유로부터, 또는 플루오르화된 일부 섬유 및 플루오르화되지 않은 일부 섬유로부터 제조될 수 있다.
이러한 각각의 처리는 섬유 표면 마감재의 적어도 부분적 제거 후에, 하지만 임의의 바인더/매트릭스 수지 또는 다른 표면 흡착질/코팅의 적용 전에 수행될 것이다. 배열된 섬유 웹을 중합 바인더 물질 또는 수지로 코팅하기 직전에 노출된 섬유 표면을 처리하는 것이 가장 바람직하며, 그 이유는 이는 섬유 제조공정에 최소한의 중단을 일으키며, 가장 짧은 기간 동안 변형 및 비보호된 상태로 섬유를 두기 때문이다. 섬유 스풀(spool)(감긴 섬유 패키지)로부터 섬유를 풀고, 그 섬유를 섬유 웹으로 정렬한 직후에, 섬유 표면 마감재를 제거하고 노출된 섬유 표면을 제거하고, 그 다음 그 섬유를 폴리머/수지 코팅으로 즉시 코팅하거나 함침하는 것이 이상적이다. 이는 또한 섬유를 가장 짧은 기간 동안 처리된 상태 및 비코팅된 상태로 두며, 섬유의 표면 변형의 수명 또는 부식 속도에 대해 고려되어야 한다. 그러나, 이는 우세적으로 전체 제조 공정에 최소한의 정지를 일으키고, 복합체의 라미나간 랩 전단 강도 또는 BFS 성능의 증진을 달성하는 데 필수적이지 않기 때문에 이상적이다.
섬유 마감재의 적어도 부분적인 제거 및 선택적인 표면 처리의 결과로서, 복수의 접합된 섬유 층을 포함하는 본 발명의 섬유 복합체는 적어도 약 170 파운드힘(lbf), 보다 바람직하게는 적어도 약 185 lbf, 보다 바람직하게는 약 200 lbf, 보다 바람직하게는 적어도 약 225 lbf, 보다 바람직하게는 적어도 약 250 lbf, 보다 바람직하게는 적어도 약 275 lbf, 가장 바람직하게는 적어도 약 300 lbf의 바람직한 라미나간 랩 전단 강도를 가지며, 이는 모두 약 70℉ 내지 72℉의 표준 주위 실온에서 측정된다. 본원에 참조되는 바와 같이, 파운드값의 단위로 측정되는 라미나간 랩 전단 강도는 접합된 섬유 층들 사이의 결합의 디라미네이션 전에 복합체에 적용될 수 있는 측방향 응력의 양을 참고한다. 전술된 바와 같이, 이들 랩 전단 값들은 표준 INSTRON(등록상표) 장력 시험기를 사용하는 ASTM D5868의 명세사항에 따라 1" 오버랩 접합을 갖는 시료 스트립을 사용하여 측정된다. 실제 사용시, 본 발명의 섬유 복합체는 더욱 강한 결합을 초래할 수 있는 1"보다 큰 섬유 층 오버랩으로 제조될 것이며, 따라서 본원에 나타낸 랩 전단 값은 최대값이 아니라 최소값으로 간주된다. 라미나간 랩 전단 강도는 또한 대략 실온(~72℉)에서 취해진 측정값만을 칭한다. 보다 따뜻한 조건은 섬유 복합체의 중합 바인더 요소를 유연하게 하고, 섬유와의 결합 강도를 감소시킬 수 있다. 임의의 비교적인 측정값들은 동일한 시험 온도에서 취해져야 한다.
구성요소 섬유 층들 사이의 상기 라미나간 랩 전단 값을 갖는 상술한 섬유 복합체들은, 열등한 라미나간 랩 전단 강도 값을 갖는 복합체, 즉, 본 발명의 복합체보다 낮은 항복/디라미네이션에서의 측방향 응력을 갖는 복합체에 비해 유의적으로 낮은 백페이스 시그너쳐를 나타내는 것으로 발견되었다. 이는 특히, 구성요소 섬유가, 내탄도성 능력이 다른 섬유보다 본래 우수하나 폴리머 코팅에 대해서는 낮은 자연 친화력을 갖는, 폴리에틸렌 섬유인 경우에 분명하였다. 폴리에틸렌계 복합체의 라미나간 랩 전단 강도를 증가시키기 위해, 이로부터 형성되는 폴리에틸렌계 패브릭의 제조 전에, 상술한 처리들의 임의의 조합을 이용한 폴리에틸렌 섬유의 표면 처리는 아라미드 섬유를 포함하는 임의의 다른 섬유 타입에 비해 상대적으로 우수한 구조적 특성, 내탄도관통성 및 백페이스 시그너쳐 저항 특성의 조합을 달성한다.
이와 관련하여, 본 발명의 섬유 복합체는 약 427m/s 내지 약 445m/s(1430feet/second(fps) ± 30fps)의 속도로 발사되는, 124-그레인, 9 mm FMJ RN 발사체와의 충돌시, 2.0psf의 면적당 밀도를 갖는 복합체에 대해 측정시 약 8 mm 미만의 바람직한 백페이스 시그너쳐를 갖는다. 이는 본 발명의 모든 섬유 복합체 또는 물품이 2.0psf의 면적당 밀도를 갖는다는 것을 의미하는 것이 아니며, 또한 본 발명의 모든 섬유 복합체 또는 물품이 상기 속도에서 이러한 FMJ RN 발사체에 대해 8 mm의 BFS를 갖는다는 것을 의미하는 것도 아니다. 이는 단지 본 발명에 방법에 따라 제조된 복합체가 2.0psf 패널로 제조된 경우에, 2.0psf 패널이 상기 속도에서 이러한 FMJ RN 발사체에 대해 약 8 mm 미만의 BFS를 갖는다는 것을 나타낸다. 또한, 용어 BFS, 백페이스 변형, 트라우마 시그너쳐 및 둔기에 의한 외상은 발사체 충격에 기인한 복합체의 디프레션(depression) 깊이의 측정값이 아니라, 발사체 충격에 기인한 백킹 물질에서 또는 사용자 신체 안으로의 디프레션의 깊이 측정값인 것으로 이해되어야 한다. 헬멧 BFS가 전형적으로 금속 헤드 폼에 원형 헬멧을 배치하여 시험됨에 따라, 이는 딱딱한 방호물, 특히 헬멧 방호물의 시험과 관련되며, 여기서 헬멧은 헤드 폼으로부터 1/2인치(1.27cm) 헬멧을 분리하는 서스펜션 시스템에 의해 헤드 폼상에 고정된다. 헤드 폼의 섹션은 클레이로 채워지며, 이러한 클레이 영역에서 디프레션의 깊이는 측정시 1/2 공간 깊이를 포함하지 않은 BFS로 측정된다. 이는 실험실 BFS 시험을 현장에서 군인에 의해 경험되는 실제 BFS와 연관시키기 위한 목적으로 수행되며, 전형적인 헬멧은 헬멧 내부 패딩 또는 서스펜션 시스템/리텐션 하니스(retention harness)에 기인하여 머리로부터 전형적인 1/2인치 오프셋을 포함한다. 한편, 연성 방호물의 BFS는 통상적으로 공간을 두지 않고 클레이 표면상에 직접 방호물을 배치하여 시험되며, 이는 실제 현장에서의 위치와 일치한다. 따라서, BFS 깊이 측정은 사용되는 시험 방법과 관련되며, BFS 깊이 측정을 비교할 경우에, 사용된 시험 방법이 시험 시료를 백킹 물질상에 직접 배치하는지 또는 백킹 물질로부터 공간을 두는 것이 필요한지 확인할 필요가 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 섬유 복합체의 BFS 시험은 모두 2.0psf 시료와 클레이 백킹 물질 사이에 1/2인치 공간을 두고 측정하였다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 섬유 복합체는, NIJ 스탠다드 0101.04의 발사체 발사 조건하에서, 약 427m/s 내지 약 445m/s의 속도로 발사되는, 124-그레인, 9mm FMJ RN 발사체와의 충돌시, 약 7mm 미만의 보다 바람직한 백페이스 시그너쳐를 가지며, 약 427m/s 내지 약 445m/s의 속도로 발사되는, 124-그레인, 9mm FMJ RN 발사체(베이스를 제외하고 약 90% 구리 및 10% 아연을 포함하는 탄환)와의 충돌시, 보다 바람직하게는 약 6mm 미만, 보다 바람직하게는 약 5mm 미만, 보다 바람직하게는 약 4mm 미만, 보다 바람직하게는 약 3mm 미만, 보다 바람직하게는 약 2mm 미만, 가장 바람직하게는 1mm 미만의 백페이스 시그너쳐를 갖는다. 약 427m/s 내지 약 445m/s의 속도로 발사되는, 124-그레인, 9mm FMJ RN 발사체에 대한 BFS 시험은 당해 기술분야에서 통상적인 것이다. 이러한 BFS 값을 달성하는 상기 섬유 복합체는, 각각 복수의 접합된 섬유 층을 포함하며, 각 섬유 층은 중합체 물질로 적어도 부분적으로 덮인 표면을 갖는 섬유들을 포함하며, 여기서 상기 섬유들은 상기 중합체 물질이 우세적으로 섬유 표면과 직접 접촉되도록 섬유 표면 마감재를 우세적으로 부재하며, 약 실온에서 섬유 플라이들 사이에서 적어도 약 170 파운드힘(lbf), 보다 바람직하게는 적어도 약 185 lbf, 보다 바람직하게는 약 200 lbf, 보다 바람직하게는 적어도 약 225 lbf, 보다 바람직하게는 적어도 약 250 lbf, 보다 바람직하게는 적어도 약 275 lbf, 가장 바람직하게는 적어도 약 300 lbf의 라미나간 랩 전단 강도를 갖는다. 이러한 BFS 값 및 라미나간 랩 전단 강도 모두를 달성하는 상기 섬유 복합체는 또한, 17-그레인 프레그먼트 시뮬레이팅 발사체(FSP)에 대해 바람직하게는 적어도 약 1750feet/sec(fps)(533.40m/s), 보다 바람직하게는 적어도 약 1800fps(548.64m/s), 보다 바람직하게는 적어도 약 1850fps(563.88m/s), 가장 바람직하게는 적어도 약 1900fps(579.12m/s)의 V50을 나타낸다. 상기 모든 V50값은 약 1.0lbs/ft2(psf)(4.88kg/㎡(ksm))의 복합체 면적당 밀도를 갖는 방호복 패널에 대한 것이다. 상기 모든 BFS 값은 약 2.0lbs/ft2(psf)(7.96kg/㎡(ksm))의 복합체 면적당 밀도를 갖는 방호복 패널에 대한 것이다. BFS와 같이, 이는 본 발명의 모든 섬유 복합체 또는 물품이 특정 면적당 밀도를 갖는다는 것이 아니며, 또한 본 발명의 모든 섬유 복합체 또는 물품이 17-그레인 FSP에 대해 적어도 약 1750feet/sec의 V50을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니다. 이는 단지 본 발명에 방법에 따라 제조된 복합체가 1.0psf 패널로 제조된 경우에, 1.0psf 패널이 17-그레인 FSP에 대해 적어도 약 1750feet/sec의 V50을 갖는다는 것을 나타낸다.
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 저항성을 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. 그러나, BFS 및 V50 값은 섬유 타입에 의해 달라질 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. 또한, 본 발명의 섬유 복합체는 바람직하게는 약 1.7g/㎤ 이하의 섬유 면적당 밀도를 갖는 섬유들을 포함한다.
섬유 표면으로부터 원하는 바와 같이 섬유 표면 마감재의 적어도 일부를 제거한 후에, 그리고 섬유 표면이 선택적으로, 섬유 표면에 후속적으로 적용되는 흡착질의 흡착성을 증진시키는 조건하에서 처리된 후에, 그 다음 흡착질은 선택적으로 섬유들의 적어도 일부의 적어도 일부 위에 적용된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "흡착(adsorption)"(또는 "흡착성(adsorbability)" 또는 "흡착하는(adsorb)")은 섬유 표면상의 어떠한 물질(고체, 액체, 기체 또는 플라즈마)의 물리적 흡착 및 화학적 흡착 모두를 포함하는 것으로 광범위하게 의미하며, 여기서 "물리적 흡착(physisorption)"은 섬유 표면상에 물질의 물리적 결합으로 정의되며, "화학적 흡착(chemisorption)"은 섬유 표면상에 물질의 화학적 결합으로 정의되며, 여기서 화학 반응은 노출된 섬유(즉, 흡착재) 표면에서 일어난다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "흡착(adsorption)"은 물리적 또는 화학적으로 기재 표면에 부착, 접착 또는 결합의 임의의 가능한 수단들을 포함하며, 이에 한정하는 것은 아니나 폴리머 매트릭스에서 섬유의 섬유 습윤/부착을 증가시키는 수단들을 포함한다. 이는 명확히 임의의 모노머, 올리고머, 폴리머 또는 수지를 포함하는 섬유 표면상에 임의의 고체, 액체 또는 기체 물질의 부착 또는 코팅을 포함하며, 섬유 표면상에 임의의 유기 물질 또는 무기 물질의 적용을 포함한다. 이와 관련하여, "흡착질(adsorbate)"의 정의는 이에 한정하는 것은 아니며, 명확히 중합 바인더 물질, 수지 또는 중합 매트릭스 물질로서 유용한 모든 폴리머들을 포함한다. 그러나, 본 발명의 목적상, 유용한 흡착질의 부류는 명확히, 결합 특성을 갖는 바인더 물질이 아닌, 스핀 마감 물질과 같은 섬유 표면 마감 물질을 포함하는 결합 특성을 갖지 않으며, 그리고 이와 반대로 본 발명에 따른 섬유 표면으로부터 특이적으로 제거되는 물질들을 제외한다.
본 발명의 목적상, 수지와 같은 중합 바인더 물질 흡착질의 적용은 원하는 라미나간 랩 전단 강도를 갖는 복합체를 달성하는 데 필요하다. 따라서, 본 발명의 직조 또는 부직 패브릭을 형성하는 섬유들은 중합 바인더 물질로 코팅되거나 함침된다. 상기 중합 바인더 물질은 섬유 층의 개별 섬유들을 부분적으로 또는 실질적으로 코팅하며, 바람직하게는 각 섬유 층의 각 개별 섬유들을 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 저항성과 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.
적절한 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 비중합체 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.
저 모듈러스 중합 매트릭스 바인더 물질이 내탄도성 조끼와 같은 가요성 방호물의 형성에 가장 유용하나, 헬멧과 같은 경성 방호 물품을 형성하는 데 유용한 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), 에너비시, 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 경화될 수 있다.
극성 수지 또는 극성 폴리머, 특히 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 부재하은 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.
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 파우더의 유동 베드로 압출될 수 있다.
섬유 표면 마감재의 적어도 부분적 제거 후에, 바람직하게는 섬유 표면에 후속적으로 적용되는 흡착질의 흡착성을 증진시키는 표면 처리 후에, 섬유들을 중합 바인더로 코팅되는 것이 필수적이나, 섬유들은 섬유들이 하나 이상의 플라이/층들로 배열되기 전 또는 후에, 또는 섬유들이 직조 패브릭으로 짜지기 전 또는 후에, 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, 이러한 스프레딩 단계 전 또는 중에, 섬유 표면 마감재를 제거하는 것은 섬유가 이러한 평행 어레이로 스프레딩되는 것을 증진 및 촉진할 수 있다.
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, 미국특허 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.
섬유 층들의 위빙 또는 컨솔리데이션 후에, 선택적인 열가소성 플라스틱 폴리머 층이 통상적인 방법을 통해 섬유 복합체의 외부 표면 중 하나 또는 모두에 부착될 수 있다. 열가소성 플라스틱 폴리머 층의 적절한 폴리머는 비제한적으로 열가소성 플라스틱 폴리머를 포함하며, 이는 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. 또한, Spunfab, Ltd, of Cuyahoga Falls(Ohio)로부터 입수 가능한 SPUNFAB(등록상표) 폴리아미드 웹(Keuchel Associates, Inc.에 의해 등록된 상표명), 뿐만 아니라 Protechnic S.A. of Cernay(France)로부터 입수 가능한 THERMOPLASTTM 및 HELIOPLASTTM 웹, 네트 및 필름이 유용하다. 열가소성 플라스틱 폴리머 층은 열 라미네이션과 같이 잘 알려진 기술을 사용하여 복합체 표면에 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.
개별 패브릭/복합체/섬유 층들의 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. 임의의 열가소성 플라스틱 폴리머 층은 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. SPUNFAB(등록상표) 부직 웹과 같은 불연속 웹은 바람직하게는 제곱 미터당 6g(gsm)의 평량(basis weight)으로 적용된다. 이러한 두께가 바람직하나, 다른 두께가 특정 요구를 충족하는 데 생성될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 여전히 포함된다.
본 발명의 패브릭/복합체는 컨솔리데이션/몰딩 전에 약 20grams/m2(0.004lb/ft2(psf)) 내지 약 1000 gsm(0.2psf)의 바람직한 면적당 밀도를 가질 것이다. 컨솔리데이션/몰딩 전에 본 발명의 패브릭/복합체에 대한 보다 바람직한 면적당 밀도는 약 30gsm(0.006psf) 내지 약 500gsm(0.1psf) 범위일 것이다. 컨솔리데이션/몰딩 전에 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(8.2psf), 보다 바람직하게는 약 2000gsm(~0.41psf) 내지 약 30,000gsm(6.1psf), 보다 바람직하게는 약 3000gsm(~0.61psf) 내지 약 20,000gsm(4.1psf), 및 가장 바람직하게는 약 3750gsm(0.77psf) 내지 약 15,000gsm(3.1psf)의 바람직한 복합체 면적당 밀도를 가질 것이다. 헬멧으로 성형된 복합체 물품에 대한 전형적인 범위는 약 7,500gsm(1.54psf) 내지 약 12,500gsm(2.52psf)이다. 또한, 복수의 접합된 섬유 층을 포함하는 본 발명의 섬유 복합체는 실온에서 ASTM D790 절차 A에 따른 시험시, 적어도 약 7.50ksi(~51.71MPa), 보다 바람직하게는 적어도 약 9.0ksi(~62.05MPa), 가장 바람직하게는 적어도 약 11.0ksi(~75.84MPa)의 바람직한 항복에서의 응력을 갖는다.
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. 상기 복합체는, 특히 경성 방호물 및 경성 방호 물품을 제조하는 공정에서 형성되는 성형 또는 비성형 소조립 중간체를 형성하는 데 유용하다. "경성(hard)" 방호물은, 현저한 양의 응력을 받았을 경우에, 구조적 강도를 유지하도록 충분한 기계적 강도를 가지며, 붕괴되지 않고 프리스탠딩할 수 있는, 헬멧, 군사 차량용 패널 또는 보호 쉴드와 같은 물품을 의미한다. 이러한 경성 물품은 바람직하게는, 이에 한정하는 것은 아니나 고 인장 모듈러스 바인더 물질을 사용하여 형성된다.
구조물은 복수의 개별 시트로 잘려지고, 스택킹되어 물품으로 형성되거나, 또는 물품을 형성하는 데 후속적으로 사용되는 전구체로 형성될 수 있다. 이러한 기술은 당해 기술분야에 잘 알려져 있다. 본 발명의 가장 바람직한 실시양태에서, 각각 컨솔리데이션된 복수의 섬유 플라이를 포함하는 복수의 섬유 층이 제공되며, 여기서, 열가소성 플라스틱 폴리머가, 복수의 섬유 플라이를 컨솔리데이션하는 컨솔리데이션 단계 전, 도중 또는 후에, 각 섬유 층의 적어도 하나의 외부 표면에 결합되며, 복수의 섬유 층은 복수의 섬유 층을 방호 물품 또는 방호 물품의 소조립체로 컨솔리데이션하는 또 다른 컨솔리데이션 단계에 의해 후속적으로 합쳐진다.
내탄도관통성 및 백페이스 시그너쳐 모두를 포함하는 본 발명의 섬유 복합체의 내탄도 특성은 당해 기술분야에 잘 알려진 기술에 따라 측정될 수 있다.
하기 실시예가 본 발명을 설명하는 데 제공된다.
실시예
다양한 복합체의 백페이스 시그너쳐 및 라미나간 랩 전단 강도에 대한 섬유 마감재 제거 및 선택적인 다른 섬유 표면 처리의 효과를 평가하고, 그 결과를 하기 표 21 및 22에 나타내었다. 섬유 공정 기술은 다음과 같이 수행되었다:
섬유 마감재 제거
복수의 다중-필라멘트 섬유를 복수의 섬유 스풀(다중-필라멘트 섬유당 하나의 스풀)로부터 풀고, 그 다음 고정된 콜리메이팅 콤(collimating comb)을 통해 통과시켜 섬유를 고르게 이격된 섬유 웹으로 조직화하였다. 그 다음, 섬유 웹을 탈이온수가 함유된 프리-소크 워터 배스(pre-soak water bath)를 통해 약 18초의 대략적인 체류시간으로 직접 통과시켰다. 프리-소크 워터 배스로부터 나온 후에, 그 섬유들을 30 워터 노즐의 뱅크에 의해 린스하였다. 각 워터 노즐의 수압은 약 42psi이었으며, 노즐당 분당 약 0.5갤론의 수 흐름 속도를 가졌다. 노즐을 빠져 나온 물은 상대적으로 평평한 스트림으로 형성되었으며, 섬유에 대한 수 접촉각은 인접한 노즐로부터 방출되는 스트림의 입사각에 대해 0° 또는 30°이었다. 수온은 28.9℃로 측정되었다. 프리-소크 워터 배스 및 워터 노즐의 뱅크를 통과하는 라인 속도는 약 4m/min 내지 약 20m/min 범위이었다. 상기 프리-소크 워터 배스 내의 물 및 노즐로 운반된 물은 별도의 탈이온 시스템을 통해 1차 통과하여 탈이온되었다. 세정된 섬유들은 그 다음 건조되고 추가 공정을 위해 이동되었다.
표 1에 특정 세정이 섬유로부터 제거되는 마감재의 양에 얼마나 다르게 영향을 미치는지 단독으로 제공된 대표적인 실시예를 요약하였다. 각 시료는 하나의 시료 스풀상에 함께 묶여진 4 엔드(ends)로 구성되었다. 각 시료는 시료당 총 60g의 섬유인 적어도 400ft에 대해 러닝되었다. 섬유상의 %잔류는 표에 명시된 조건에 따른 세정 후에 섬유상에 잔존하는 마감재의 양을 중량 측정한 측정값을 나타낸다. 중량 측정값은 세정되지 않은 컨크롤 섬유상에 존재하는 마감재의 양과의 비교에 기초한다.
시료 노즐 스타일 노즐 압력(psi) 라인 속도(Ft/ min) 노즐 출력(gpm) 섬유상에서의 % 잔류
I A1 42 15 0.20 2.3
II B1 30 15 0.29 2.4
III C1 30 15 0.41 3.1
IV C2 15 15 0.30 3.1
V A2 42 15 0.20 4.0
VI B2 30 15 0.29 4.1
VII A3 56 50 0.23 5.0
VIII C3 15 15 0.30 5.1
IX A4 56 30 0.23 5.5
X C4 30 15 0.41 5.9
XI C5 34 30 0.44 5.9
XII C6 34 60 0.44 6.2
코로나 처리
세정된 섬유들의 18-인치 너비의 웹을, 약 15ft/min의 속도로 30-인치 너비 전극을 가지고 2kW의 전력으로 설정된 코로나 처리기를 통해 연속적으로 통과시켰다. 이는 섬유들의 면적에 걸쳐, 와트 밀도로 측정하여 섬유에 적용된 2000W(2.5Ft x 15-FPM) 또는 53Watts/ft2/min의 출력 분포(power distribution)를 형성하였다. 코로나계 내에서 섬유들의 체류 시간은 약 2초이었다. 처리는 표준 대기압하에서 수행하였다.
플라즈마 처리
세정된 섬유들의 29-인치 너비의 웹을, 2kW의 전력으로 설정된 대기 플라즈마 처리기(모델: Enercon Plasma3 Station Model APT12DF-150/2, Enercon Industries Corp., 29-인치 너비 전극을 가짐)를 통해 약 12ft/min의 속도로 연속적으로 통과시켰다. 이는 섬유들의 면적에 걸쳐, 와트 밀도로 측정하여 섬유에 적용된 2000W(29in x 12-FPM) 또는 67Watts/ft2/min의 출력 분포를 형성하였다. 플라즈마 처리기내에서 섬유들의 체류 시간은 약 2초이었다. 처리는 표준 대기압하에서 수행하였다.
라미나간 랩 전단 강도의 측정
이후 예시되는 모든 발명예에서, 랩 전단 시험은 부직 섬유 층들 상에서 실시되며, 2개의 적층된 2-플라이 또는 4-플라이 부직 섬유 층들 사이의 1" 중첩 접합에서 라미나간 랩 전단 강도를 측정한다. 각 2-플라이 부직 섬유 층은 0°에서 배향된 1차 플라이 및 90°에서 배향된 2차 플라이를 포함한다. 각 4-플라이 부직 섬유 층은 2-플라이 구조와 동등한 0°/90°/0°/90° 구조를 포함하지만, 4개의 플라이를 갖는다. 시험된 복합체들의 섬유들은 다양한 중합 바인더(중합체 매트릭스) 물질 내에 매립되었다. 각 복합체는 동일한 폴리에틸렌 섬유 타입을 포함하였으며, 각각은 섬유 상에 상이한 음이온성, 지방족 폴리에스테르계 폴리우레탄 코팅을 포함하였다. 다양한 처리들은 섬유 처리가 유일한 변수들인 섬유 처리들의 효과를 제시하도록 비교된다. 중첩 접합은 약 270℉(132℃)의 온도에서 약 10분 동안 약 500 psi의 압력에서 2-플라이 또는 4-플라이 섬유 층들을 함께 적층시킴으로써 형성되었다. 각 예에서의 랩 전단 시험은 달리 특정화되지 않는 한 ASTM D5868의 조건에 따라 대략 70℉의 실온에서 수행하였다. 시험은 범용 Instron 5585 시험기를 이용하여 수행되었다.
V 50 측정
V50 데이터는 통상적으로 알려진 표준화된 기술하에, 특히 국방부 시험법 스탠다드 MIL-STD-662F의 조건에 따라 얻어졌다.
백페이스 시그너쳐 측정
연성 방호물의 BFS 측정을 위한 표준 방법은 NIJ 스탠다드 0101.04, 타입 IIIA에 의해 나타나 있으며, 여기서 방호 시료는 변형가능한 클레이 백킹 물질의 표면과 접촉되어 놓인다. 이 NIJ 방법은 통상적으로 사용자의 신체에 직접 배치되거나 또는 매우 근접하게 배치되는 방호물에 대해 현장에서 사용시 탄도 이벤트 중에 예상될 수 있는 실제 BFS의 타당한 근사치 또는 추정치를 얻는 데 사용된다. 그러나, 사용자의 신체나 머리에 직접 배치되거나 매우 근접하게 배치되지 않는 방호물에 대해서, 실제 BFS의 보다 우수한 근사치 또는 추정치는 변형가능한 클레이 백킹 물질의 표면으로부터 방호물을 이격시킴으로써 얻어진다. 따라서, 표 21에 나타낸 백페이스 시그너쳐 데이터는 NIJ 스탠다드 0101.04, 타입 IIIA의 방법에 의해 측정되지 않았다. 대신에, NIJ 스탠다드 0101.04, 타입 IIIA의 방법과 유사하지만, 복합체 물품과 클레이 블록 사이에 주문 제작된 스페이서 요소를 삽입하여, 평평한 클레이 블록상에 복합체 물품을 직접 놓기 보다는 복합체를 클레이 블록으로부터 1/2인치(12.7mm) 이격시킨 새로운 디자인의 방법을 이용하였다. 이러한 주문 제작된 스페이서 요소는 보더(border) 및 상기 보더에 의해 형성되는 내부 캐비티를 갖는 요소를 포함하며, 클레이가 캐비티를 통해 노출되고, 스페이서가 클레이의 전면과 직접 접촉하여 배치되었다. 발사체는 스페이서의 내부 캐비티에 상응하는 표적 위치에 있는 복합체 물품에서 발사되었다. 발사체는 스페이서의 내부 캐비티에 상응하는 위치에서 복합체 물품과 충돌하였으며, 각 발사체 충돌은 클레이에서 측정가능한 디프레션을 일으켰다. 표 21에 나타낸 모든 BFS 측정값들은 이러한 방법에 따른 클레이에서 디프레션의 깊이를 나타내는 것이며, 스페이서 부재의 깊이를 고려하지 않은 것이다. 즉, 표 21의 BFS 측정값들은 복합체와 클레이 사이의 실제 거리를 포함하지 않는다.
디라미네이션 측정
표 21의 디라미네이션은 백킹 물질의 디프레션의 깊이 보다는 실제 시험된 패널의 후방 변형의 깊이의 측정값을 나타낸다. 이는 측정된 클레이 디프레션이 아니기 때문에 "디라미네이션(delamination)"이라 칭한다. 디라미네이션의 측정값은 발사체 충돌 후에, 충돌 영역에 있는 패브릭이 부분적으로 리트랙션되기(retract) 때문에, BFS 측정값 + 1/2"(12.7mm) 에어 갭 깊이보다 작을 것이다. 디라미네이션 측정은 리트랙션(retraction) 후에 취해지나, 본원에 기술한 에어 갭 방법을 이용한 BFS 측정은 패브릭의 후방 변형의 전체 규모를 나타낸다. 리트랙션 후 변형은 전형적으로 패널의 단면을 자르고, 패널의 비손상된 후방 표면의 면으로부터 변형 영역의 가장 깊은 외부 부분까지의 깊이를 측정하여 검출된다. 각 시료에 대해, BFS는 2.0lb/ft2(psf)의 면적당 밀도 및 53g/㎡(gsm)의 섬유 면적당 밀도(평행 섬유, 즉, 하나의 유니테이프의 단일 플라이의 면적당 밀도)를 갖는 12" x 12" 제곱 시료에 대해 측정되었다. 각 실시예에 대해, BFS는 약 1430feet/second(fps)±30fps의 속도로 발사된 9mm, 124-그레인 FMJ RN 발사체에 대해 측정되었다.
실시예 산물 섬유 처리 BFS @
2.0psf		 디라미네이션 @ 2.0psf BFS + 1/2"gap - Delam
@ RT
(mm)		 BFS + 1/2"gap - Delam
@ 160℉
(mm)
RT
(mm)		 160℉(71.11℃)
(mm)		 RT (mm) 160℉(71.11℃)
(mm)
1 I 없음 9.4 13.1 17.3 14.7 4.8 11.1
2 I 플라즈마 단독
Ar/O2 90/10 (2 kW)		 6.5 9.8 13.1 12.3 6.1 10.2
3 I 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10 (3 kW)		 3.4 6.3 11.0 11.5 5.1 7.5
4 II 없음 8.3 11.3 16.3 17.0 4.7 7.0
5 II 세정 10.5 11.5 14.5 18.4 8.7 5.8
6 II 플라즈마 단독
Ar/O2 90/10 (2 kW)		 5.3 7.5 13.3 14.1 4.7 6.1
7 II 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10 (3 kW)		 1.9 4.7 12.3 11.9 2.3 5.5
8 II 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10
(1.5 kW)		 2.3 4.1 12.1 15.5 2.8 1.3
9 III 없음 12.4 14.9 15.6 14.9 9.5 12.7
10 III 세정 11.5 10.3 11.8 14.3 12.4 8.7
11 III 플라즈마 단독
Ar/O2 90/10 (2 kW)		 6.9 11.7 9.8 10.1 9.8 14.3
12 III 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10 (3 kW)		 5.1 6.1 12.8 12.1 5.1 6.7
13 IV 없음 5.3 14.3 12.5 14.8 5.5 12.2
14 IV 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10 (3 kW)		 6.3 9.6 14.3 13.8 4.7 8.6
15 V 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10 (3 kW)		 3.8 6.1 14.9 13.7 1.6 5.1
16 VI 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10 (3 kW)		 3.1 6.4 12.8 13.6 3.1 5.5
표 21는 세정되지 않고 미처리된 섬유로부터 형성된 패브릭을 다양한 처리에 적용된 섬유들로부터 형성된 패브릭과 비교하였을 경우의, 측정된 BFS 및 디라미네이션의 차이를 나타낸다. 각각의 산물 I-VI는 섬유상에 다양한 음이온성, 지방족 폴리에스테르계 폴리우레탄을 각각 포함하는 동일한 폴리에틸렌 섬유 타입을 포함하였다. BFS + 1/2"(12.7mm) 갭 - 디라미네이션을 나타내는 표 21에서 마지막 두 컬럼은, 패브릭 리트랙션의 양을 나타내며 실제 현장 사용시 경성 방호물의 BFS의 전체 예측 규모를 측정하는 에어 갭 스페이서 BFS 측정 방법의 보다 우수한 정확성을 나타낸다.
실시예 산물 섬유 처리 V50
17 그레인
@ 1.0psf
(fps)		 랩 전단
ASTM D5868
최대 적재
(lbf)		 스트레인
(%)		 파괴 에너지(energy-to-break)
1 I 없음 1848 87.7 1.0 1.5
2 I 플라즈마 단독
Ar/O2 90/10 (2 kW)		 1810 195.0 1.7 5.0
3 I 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10 (3 kW)		 1894 238.5 2.3 11.3
4 II 없음 1798 158.2 1.4 3.5
5 II 세정 1899 123.1 1.3 2.2
6 II 플라즈마 단독
Ar/O2 90/10 (2 kW)		 1771 237.5 2.0 8.1
7 II 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10 (3 kW)		 1752 326.0 3.0 17.7
8 II 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10 (1.5 kW)		 1767 363.4 3.3 23.5
9 III 없음 1902 53.0 0.9 0.8
10 III 세정 1889 107.1 0.8 1.6
11 III 플라즈마 단독
Ar/O2 90/10 (2 kW)		 1828 207.6 1.5 5.9
12 III 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10 (3 kW)		 1897 195.4 1.8 7.0
13 IV 없음 1813 165.0 1.3 4.4
14 IV 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10 (3 kW)		 1814 231.5 2.1 10.9
15 V 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10 (3 kW)		 1917 143.9 1.2 3.1
16 VI 세정 및 플라즈마
Ar/O2 90/10 (3 kW)		 1850 198.1 1.6 6.4
표 22는 섬유 처리에 의해 구별되는 내탄도관통성(V50) 및 랩 전단 특성의 차이를 나타낸다.
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. 복수의 접합된 섬유 층들을 포함하는 섬유 복합체로서,
    각 섬유 층은 폴리머 물질로 적어도 부분적으로 덮여져 있는 표면들을 갖는 섬유들을 포함하고,
    상기 섬유들에는 섬유 표면 마감재(finish)가 우세적으로 부재하며,
    상기 섬유 복합체는, 섬유 표면과 폴리머 물질 사이에 존재하는 섬유 표면 마감재로 우세적으로 덮여져 있는 섬유 표면들을 갖는 대등한 섬유 복합체의 접합된 섬유 층들 사이의 라미나간 랩 전단 강도(interlaminar lap shear strength)보다 큰, 접합된 섬유 층들 사이의 라미나간 랩 전단 강도를 갖는
    섬유 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합체가 대략 실온에서 적어도 약 170 파운드힘(pound force)(lbf)의 섬유 층들 사이의 라미나간 랩 전단 강도를 갖는 섬유 복합체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복합체가 컨솔리데이션된(consolidated) 복수의 교차-플라이(crossed plied) 단방향성 섬유 플라이들을 포함하며,
    상기 폴리머 물질이 적어도 하나의 열가소성 폴리머를 포함하는
    섬유 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 표면들에는 섬유 표면과 폴리머 물질 사이의 섬유 표면 마감재가 실질적으로 부재하여서, 상기 폴리머 물질이 실질적으로 상기 섬유 표면들과 직접 접촉하고 있는
    섬유 복합체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복합체가 약 3,750 g/m2(0.75psf) 내지 약 12,500 g/m2(2.50psf)의 복합체 면적당 밀도(composite areal density)를 갖는 섬유 복합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복합체가 약 427m/s 내지 약 445m/s(1430 피트/초(fps) ± 30fps)의 속도에서 발사된 124-그레인(grain), 9 mm FMJ RN 발사체(projectile)로 충격하는 경우 약 8 mm 미만의 백페이스 시그너쳐(backface signature)를 가지며,
    상기 백페이스 시그너쳐는 2.0psf의 면적당 밀도를 갖는 복합체에 대하여 측정되는
    섬유 복합체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복합체가 대략 실온에서 적어도 약 170 파운드힘(lbf)의 섬유 층들 사이의 라미나간 랩 전단 강도를 갖는 섬유 복합체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복합체가 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 섬유 복합체.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복합체가 컨솔리데이션된 복수의 교차-플라이 단방향성 섬유 플라이들을 포함하고,
    상기 폴리머 물질이 적어도 하나의 열가소성 폴리머를 포함하는
    섬유 복합체.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 섬유 표면들에는 섬유 표면과 폴리머 물질 사이의 섬유 표면 마감재가 실질적으로 부재하여서, 상기 폴리머 물질이 실질적으로 상기 섬유 표면들과 직접 접촉하고 있는
    섬유 복합체.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 복합체가 약 427m/s 내지 약 445m/s(1430 피트/초(fps) ± 30fps)의 속도에서 발사된 124-그레인, 9 mm FMJ RN 발사체로 충격하는 경우 약 8 mm 미만의 백페이스 시그너쳐를 가지며,
    상기 백페이스 시그너쳐는 2.0psf의 면적당 밀도를 갖는 복합체에 대하여 측정되는
    섬유 복합체.
  12. 적어도 2개의 접합된 섬유 층들을 포함하는 섬유 복합체를 형성하는 방법으로서,
    각 섬유 층은 폴리머 물질로 적어도 부분적으로 덮여져 있는 표면들을 갖는 섬유들을 포함하고,
    상기 섬유들에는 섬유 표면 마감재가 우세적으로 부재하여서, 상기 폴리머 물질이 우세적으로 섬유 표면들과 직접 접촉하고 있고,
    상기 섬유 복합체는 대략 실온에서 적어도 약 170 파운드힘(lbf)의 접합된 섬유 층들 사이의 라미나간 랩 전단 강도를 가지며,
    상기 방법은
    섬유 표면 마감재가 우세적으로 부재하는 표면들을 갖는 복수의 폴리머 섬유들을 제공하는 단계;
    선택적으로는, 상기 섬유 표면들에 대한 후속적으로 적용된 폴리머 물질의 표면 흡착성, 결합 또는 접착을 증진시키기 위하여 상기 섬유 표면들을 처리하는 단계;
    상기 섬유들의 적어도 일부에 폴리머 물질을 적용하는 단계로서, 이로 인해 상기 폴리머 물질이 섬유 표면들 위 또는 그에 흡착, 결합 또는 접착되는 단계;
    상기 폴리머 물질을 섬유에 적용하기 전에 또는 후에 섬유로부터 복수의 섬유 층들을 생성시키는 단계; 및
    상기 복수의 섬유 층들을 컨솔리데이션시켜서 섬유 복합체를 생성시키는 단계
    를 포함하는
    섬유 복합체의 형성 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 섬유 표면들에 대한 후속적으로 적용된 폴리머 물질의 표면 흡착성, 결합 또는 접착을 증진시키기 위하여 상기 섬유 표면들을 처리하는 상기 선택 단계를 실시하는, 섬유 복합체의 형성 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 섬유 처리가 플라즈마 처리 또는 코로나 처리를 포함하는, 섬유 복합체의 형성 방법.
  15. 복수의 접합된 섬유 층들을 포함하는 섬유 복합체로서,
    각 섬유 층은 폴리머 물질로 적어도 부분적으로 덮여져 있는 표면들을 갖는 섬유들을 포함하고,
    상기 섬유들에는 섬유 표면 마감재가 적어도 부분적으로 부재하여서, 상기 폴리머 물질이 적어도 부분적으로 섬유 표면들과 직접 접촉하고 있고,
    상기 섬유 복합체는, 적어도 부분적으로 섬유 표면들과 직접 접촉하고 있지 않은 폴리머 물질을 포함하는 대등한 섬유 복합체의 접합된 섬유 층들 사이의 라미나간 랩 전단 강도보다 큰, 접합된 섬유 층들 사이의 라미나간 랩 전단 강도를 갖는
    섬유 복합체.
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