KR20140072885A - 강화된 물리적 특성과 접착 특성을 갖는 표면 처리 얀 및 패브릭과 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

섬유의 물리적 강도 특성을 감소시키지 않고 고강도 섬유를 개질하는 방법이 제공된다. 보다 구체적으로, 섬유의 물리적 강도 특성을 감소시키지 않고 플라즈마 처리 또는 코로나 처리로 섬유를 개질하는 방법이 제공된다.

Description

강화된 물리적 특성과 접착 특성을 갖는 표면 처리 얀 및 패브릭과 그 제조 방법{A SURFACE TREATED YARN AND FABRIC WITH ENHANCED PHYSICAL AND ADHESION PROPERTIES AND THE PROCESS OF MAKING}
[관련 출원의 상호 참조]
본 출원은 2011년 9월 6일에 출원된 공동 계류 중인 미국 가출원 제61/531,302호의 우선권을 주장하며, 그 개시 내용 전체가 본 명세서에서 참조로 통합된다. 본 출원은 또한 2011년 12월 2일에 출원된 공동 계류 중인 미국 가출원 제61/566,320호의 우선권을 주장하며, 그 개시 내용 전체가 본 명세서에서 참조로 통합된다.
[발명의 분야]
본 발명은 섬유의 물리적 강도 특성을 감소시키지 않고 고강도 섬유를 개질하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 섬유의 물리적 강도 특성을 감소시키지 않고 플라즈마 처리 또는 코로나 처리로 섬유를 개질하는 방법에 관한 것이다.
고분자량 폴리에틸렌 섬유 및 필라멘트를 포함하여, 고강도 섬유 및 필라멘트의 제조를 위한 많은 다른 기술들이 알려져 있다. 또한, 고강도 합성 섬유를 포함하는 복합체로 제조된 방탄 물품이 잘 알려져 있다. 방탄 조끼, 헬멧, 자동차 패널 및 군사 장비의 구조 부재와 같은 물품은 일반적으로 SPECTRA® 폴리에틸렌 섬유 또는 KEVLAR® 아라미드 섬유와 같은 고강도 섬유를 포함하는 패브릭으로 제조된다.
다수의 출원에서, 고강도 섬유는 직물 또는 편직물에서 사용될 수 있다. 다른 출원에서, 섬유는 폴리머 매트릭스 재료에 캡슐화되거나 매립되고(embedded) 부직포(non-woven fabrics)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 모두 참조로 통합되는 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 사슬 초고분자량 폴리에틸렌("UHMW PE") 섬유와 같은 고강도 섬유로 형성된 방탄 복합체를 기재하고 있다. 고강도 섬유의 각 유형은 그 자체의 고유한 특징과 특성을 가지고 있고, 고강도 섬유로 제조된 방탄 복합체는 다양한 발사체 관통 저항성(projectile penetration resistance) 및 백페이스 시그니처(backface signature; "BFS")의 정도를 나타낸다. 백페이스 시그니처는 또한 당해 기술 분야에서 백페이스 변형(backface deformation ) 또는 트라우마 시그니처(trauma signature)로 알려져 있으며, 발사체 충격으로 인해 발생하는 신체 방호물의 편향 깊이(depth of deflection)의 척도이다.
섬유의 정의된 일 특성은 섬유가 수지 코팅 등을 포함하는 표면 코팅과 결합하거나 접착하는 능력이다. 폴리머 바인더 재료의 강한 접착은 방탄 패브릭의 제조에 중요하다. 섬유 표면 상에 폴리머 바인더 재료의 약한 접착은 섬유-섬유 결합 강도 및 섬유-바인더 결합 강도를 감소시키고, 이에 의해 결합된 섬유가 서로 풀어지게 하고/하거나 바인더가 섬유 표면으로부터 박리되게 할 수 있다. 이는 이러한 복합체의 요격 성능(anti-ballistic performance)으로도 알려져 있는, 방탄 특성을 감소시켜서, 치명적인 제품 오류가 발생할 수 있다. 예를 들어, 공동 계류 중인 출원 제61/531,233호; 제61/531,255호; 제61/531,268호; 제61/531,302호; 및 제61/531,323호에 기재된 바와 같이, 발사체 충격에 의해 서로 박리되고/되거나 섬유 표면 코팅으로부터 박리되는 방탄 복합체의 구성 섬유의 경향과 백페이스 시그니처 사이에 직접적인 상관 관계가 있다.
섬유 표면과 섬유 표면 코팅 사이의 결합을 개선하여, 섬유-섬유 풀림 및/또는 섬유-코팅 박리 효과가 감소되고, 이에 의해 섬유 상의 마찰을 증가시키고 섬유와 발사체의 결합을 증가시킨다. 이러한 결합 강도의 개선에 의해, 복합체의 구조적 특성을 개선하여, 복합체의 백페이스 변형을 감소시키는 방법으로 발사체 충격의 에너지를 소멸(dissipate)시킬 수 있다.
당해 기술 분야에 알려진 바와 같이, 표면 코팅과 결합하거나 접착하는 섬유의 능력은 섬유를 코로나 처리 또는 플라즈마 처리함으로써 개선될 수 있다. 코로나 처리는 섬유가 코로나 방전 스테이션을 통과하고, 이에 의해 섬유 웹이 일련의 고전압 방전을 통과하는 공정이며, 이는 피팅(pitting), 러핑(roughing) 및 섬유의 표면을 부분적으로 산화시켜서 극성 관능기의 도입을 포함하는 다양한 방법으로 섬유 웹의 표면 상에 작용하는 경향이 있다. 플라즈마 처리는 코로나 처리와 유사하지만, 주로 플라즈마 처리는 가스의 제어된 반응성 분위기에서 수행되고, 반면에 코로나 처리에서 반응성 분위기는 공기라는 점에서 코로나 처리와 다르다. 이러한 처리는 예를 들어, 섬유 표면의 제거, 섬유 표면의 피팅 또는 러핑, 섬유 표면으로부터 오염물의 제거, 섬유 표면의 산화, 섬유 표면의 편극화, 섬유 표면에서 폴리머 분자의 사슬 절단 및 분자량 감소에 의해/의하거나 자유 라디칼 결합을 통해 섬유 표면 근처에서 폴리머 사슬의 가교에 의해, 섬유를 개질한다. 이러한 개질의 결과로서, 후속적으로 적용되는 재료가 섬유 표면에 흡착, 접착 또는 결합하는 능력이 강화되고, 이에 의해 섬유 표면 코팅의 박리 경향성을 감소시키고, 발사체 충격시 복합체의 백페이스 변형을 감소시킨다.
그러나, 플라즈마 처리 및 코로나 처리의 가혹한 조건이 섬유의 강도를 파괴하는 것으로 현재 인식되어 있다. 데이터는 섬유 강도 전처리가 섬유 강도 후처리보다 훨씬 더 크다는 것을 나타낸다. 이것은, 섬유의 내관통성이 복합체를 형성하는 섬유의 물리적 강도에 직접적으로 비례하여서 물리적 강도의 감소는 V50 속도의 감소와 상관되고 BSF의 바람직한 개선으로 내관통성은 희생된다는 점에서 바람직하지 않다. 따라서, 우수한 V50 탄도 성능 특성을 희생하지 않고, 백페이스 시그니처가 감소된 방탄 복합체를 제조하는 방법에 대한 당해 기술 분야에서의 지속적인 필요성이 존재한다. 본 발명은 이러한 필요성에 대한 해결책을 제공한다.
본 발명은 플라즈마 처리에 의해 개질되거나 코로나 처리에 의해 개질된 개질 고강도 섬유를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 개질 고강도 섬유는 주위 실온에서 적어도 약 33g/denier의 강도를 가지며, 상기 방법은
a) 주위 실온에서 적어도 약 33g/denier의 강도를 갖는 고강도 섬유를 제공하는 단계로서, 상기 섬유는 섬유 표면을 갖고, 상기 섬유 표면은 섬유 표면 마감재(fiber surface finish)에 의해 적어도 부분적으로 덮이거나, 상기 섬유는 실질적으로 섬유 표면 마감재가 없는, 고강도 섬유의 제공 단계;
b) 상기 섬유 표면이 섬유 표면 마감재에 의해 적어도 부분적으로 덮이는 경우, 상기 섬유 표면으로부터 상기 섬유 표면 마감재의 적어도 일부를 제거하는 단계; 및
c) 고강도 섬유를 개질하는데 효과적인 조건 하의 비진공 압력으로 유지된 챔버 내에서, 상기 고강도 섬유를 플라즈마 처리 또는 코로나 처리하는 단계;
이에 의해, 플라즈마 처리에 의해 개질되거나 코로나 처리에 의해 개질된 개질 고강도 섬유를 제조하는 단계로서, 상기 개질 고강도 섬유가 주위 실온에서 적어도 약 33g/denier의 강도를 갖는, 개질 고강도 섬유의 제조단계를 포함한다.
본 발명은 또한 플라즈마 처리에 의해 개질되거나 코로나 처리에 의해 개질된 개질 폴리머 섬유를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은
a) 폴리머 섬유를 제공하는 단계로서, 상기 섬유는 섬유 표면을 갖고, 상기 섬유 표면은 섬유 표면 마감재(fiber surface finish)에 의해 적어도 부분적으로 덮이거나, 상기 섬유는 실질적으로 섬유 표면 마감재가 없는, 폴리머 섬유의 제공 단계;
b) 상기 섬유 표면이 섬유 표면 마감재에 의해 적어도 부분적으로 덮이는 경우, 상기 섬유 표면으로부터 상기 섬유 표면 마감재의 적어도 일부를 제거하는 단계; 및
c) 폴리머 섬유를 개질하는데 효과적인 조건 하의 비진공 압력으로 유지된 챔버 내에서, 상기 폴리머 섬유를 플라즈마 처리 또는 코로나 처리하는 단계;
이에 의해, 플라즈마 처리에 의해 개질되거나 코로나 처리에 의해 개질된 개질 섬유를 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 플라즈마 처리에 의해 개질되거나 코로나 처리에 의해 개질된 개질 폴리머 섬유를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은
a) 섬유 표면의 적어도 일부가 노출되어 섬유 표면 마감재(fiber surface finish)에 의해 덮이지 않도록, 섬유 표면 마감재가 적어도 부분적으로 없는 표면을 갖는 고분자 섬유를 제공하는 단계; 및
c) 폴리머 섬유를 개질하는데 효과적인 조건 하의 비진공 압력으로 유지된 챔버 내에서, 상기 폴리머 섬유를 플라즈마 처리 또는 코로나 처리하는 단계;
이에 의해, 플라즈마 처리에 의해 개질되거나 코로나 처리에 의해 개질된 개질 섬유를 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 목적을 위해, 우수한 탄도 관통 저항성(ballistic penetration resistance)을 갖는 물품이 탄알과 같은 변형성 발사체에 대해 그리고 파편과 같은 조작의 관통에 대해 우수한 특성을 나타내는 것을 기재한다.
본 발명의 목적을 위해, "섬유(fiber)"는 폭 및 두께의 횡단 치수보다 훨씬 더 큰 길이 치수를 갖는 신장체(elongate body)이다. 본 발명에 사용하기 위한 섬유의 단면은 광범위하게 변할 수 있고, 원형, 평면 또는 타원형의 단면일 수 있다. 따라서, 용어 "섬유"는 규칙적이거나 불규칙적인 단면을 갖는 필라멘트, 리본, 스트립 등을 포함하지만, 섬유가 실질적으로 원형 단면을 갖는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "얀(yarn)"은 다수의 섬유로 이루어진 단일 가닥으로 정의된다. 단일 섬유는 단지 하나의 필라멘트 또는 다수의 필라멘트로부터 형성될 수 있다. 단지 하나의 필라멘트로부터 형성된 섬유를 본 명세서에서 "단일 필라멘트(single-filament)" 섬유 또는 "모노필라멘트(monofilament)" 섬유라고 칭하고, 복수의 필라멘트로 형성된 섬유를 본 명세서에서 "멀티필라멘트(multifilament)" 섬유라 칭한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "섬유층(fiber layer)"은 단방향으로 배향된 섬유들의 단일 겹(ply), 단방향으로 배향된 섬유들의 복수의 비-컨솔리데이션된(non-consolidated) 겹, 단방향으로 배향된 섬유들의 복수의 컨솔리데이션된(consolidated) 겹, 직물, 복수의 컨솔리데이션된 직물, 또는 펠트, 매트 및 무작위로 배향된 섬유들을 포함하는 것들과 같은 다른 구조를 포함하는 복수의 섬유로부터 형성된 어느 다른 패브릭 구조를 포함할 수 있다. "층(layer)"은 일반적으로 평면 배열을 나타낸다. 각 섬유층은 외부 상부면 및 외부 하부면 모두를 갖는다. 단방향으로 배향된 섬유의 "단일-겹(single-ply)"은 단방향으로, 실질적으로 평형 배열로 배열된 논-오버래핑 섬유들의 배열을 포함한다. 이러한 타입의 섬유 배열은 또한 "유니테이프(unitape)", "단방향 테이프(unidirectional tape)", "UD" 또는 "UDT"라고도 당해 기술분야에 알려져 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "배열(array)"은 직물을 제외한 섬유 또는 얀의 정연된 배열을 나타내며, 그리고 "평행 배열(parallel array)"은 섬유 또는 얀의 정연된 평형 배열을 나타낸다. "배향된 섬유(oriented fibers)"에 사용된 용어 "배향된(oriented)"은 섬유의 스트레칭과 반대되는 섬유의 배열을 칭한다. 용어 "패브릭(fabric)"은 겹들을 몰딩 또는 컨솔리데이션 하거나 하지 않은 하나 이상의 섬유 겹을 포함할 수 있는 구조를 나타낸다. 예를 들어, 직물 또는 펠트는 단일 섬유 겹을 포함할 수 있다. 단방향 섬유로부터 형성된 부직포는 전형적으로 서로 겹겹이 쌓이고 컨솔리데이션된 복수의 섬유 겹들을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 경우, "단층(single-layer)" 구조는 합쳐진, 즉, 저압 라미네이션 또는 고압 몰딩에 의해 폴리머 바인더 재료와 함께 단일의 일원화 구조로 컨솔리데이션된 하나 이상의 개별 겹 및 개별 층으로 구성된 어느 일체식 섬유 구조를 칭한다. "컨솔리데이팅(consolidating)"이란 각 섬유 겹과 함께 폴리머 바인더 재료가 단일의 일원화 층으로 결합된 것을 의미한다. 컨솔리데이션은 건조, 냉각, 가열, 압력 또는 이의 조합을 통해 일어날 수 있다. 섬유 또는 패브릭 층이 함께 접착될 수 있기 때문에, 가열 및/또는 압력이 필요 없을 수 있으며, 이는 습식 라미네이션 공정의 경우에 해당된다. 용어 "복합체(composite)"는 섬유와 적어도 하나의 폴리머 바인더 재료의 조합을 칭한다. 본 명세서에 사용된 "컴플렉스 복합체(complex composite)"는 복수의 섬유층의 컨솔리데이션된 조합을 칭한다. 본 명세서에 사용된, "부직(non-woven)"포는 위빙(weaving)에 의해 형성되지 않은 모든 패브릭 구조물을 포함한다. 예를 들어, 부직포는 스택킹된/오버랩된 그리고 단층의 일체식 성분으로 컨솔리데이션된 폴리머 바인더 재료로 적어도 부분적으로 코팅된 복수의 유니테이프, 뿐만 아니라 바람직하게 폴리머 바인더 재료로 코팅된 비-평행의 무작위 배향된 섬유를 포함하는 펠트 또는 매트를 포함할 수 있다.
모든 섬유에 일반적으로 섬유 표면 마감재가 적용되어서, 섬유의 가공성을 용이하게 한다. 섬유 표면의 직접적인 플라즈마 또는 코로나 처리를 허용하기 위해, 기존의 섬유 표면 마감재가 섬유 표면으로부터 적어도 부분적으로 제거될 필요가 있으며, 바람직하게는 섬유 복합체를 형성하는 일부 또는 모든 구성 섬유의 일부 또는 모든 섬유 표면으로부터 실질적으로 완전하게 제거되는 것이 필요하다. 섬유 표면 마감재의 이러한 제거는 또한 섬유-섬유 마찰을 보강하는 역할을 하고, 수지 또는 폴리머 바인더 재료가 섬유 표면에 직접 결합될 수 있게 하며, 이에 의해 섬유-코팅 결합 강도를 증가시킨다. 섬유 표면 마감재의 적어도 부분적인 제거는, 모든 섬유 드로잉(drawing)/스트레칭 단계들이 완료되면 시작하는 것이 바람직할 것이다. 섬유를 세척하는 단계 또는 섬유를 세척하지 않고 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 인자들이 제거되는 마감재의 양에 영향을 미칠 것이다. 본 발명의 목적상, 섬유 마감재의 최소한의 제거를 달성하기 위한 최소한의 처리는 일반적으로 섬유 표면적의 적어도 10% 노출일 것이다. 바람직하게, 섬유 표면 마감재는 섬유가 섬유 표면 마감재를 주로 함유하지 않도록 제거된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 섬유 표면 마감재를 "주로 함유하지 않는(predominantly free)" 섬유는 이들의 제거된 마감재를 적어도 50중량%, 보다 바람직하게 이들의 제거된 마감재를 적어도 약 75중량% 갖는 섬유이다. 보다 바람직하게, 섬유들은 섬유 표면 마감재를 실질적으로 함유하지 않는다. 섬유 마감재를 "실질적으로 함유하지 않는(substantially free)" 섬유란 이들의 제거된 마감재를 적어도 약 90중량%, 가장 바람직하게 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 바람직하게, 어느 잔류 마감재가 섬유의 중량과 마감재의 중량에 기초하여 약 0.5중량% 이하, 바람직하게 섬유의 중량과 마감재의 중량에 기초하여 약 0.4중량% 이하, 보다 바람직하게 약 0.3중량% 이하, 보다 바람직하게 약 0.2중량% 이하, 가장 바람직하게 약 0.1중량% 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 주로 함유하지 않는 섬유는 여전히 섬유 마감재의 매우 얇은 코팅에 의해 덮인 이의 표면적의 일부를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 잔존 섬유 마감재는 전형적으로 연속 코팅보다는 마감재의 잔류 패치(patch)로서 존재할 것이다. 이에 따라, 섬유 표면 마감재를 주로 함유하지 않는 표면을 갖는 섬유는, 바람직하게 적어도 부분적으로 노출되고 섬유 마감재로 덮이지 않은 이의 표면을 가지며, 여기서 바람직하게 섬유 표면적의 50% 미만이 섬유 표면 마감재에 의해 덮인다. 섬유 마감재를 주로 함유하지 않는 섬유 표면을 포함하는 본 발명의 섬유 복합체는 그 다음, 폴리머 바인더 재료로 코팅된다. 섬유 마감재의 제거로 섬유 표면적의 50% 미만이 섬유 표면 마감재로 덮이게 되는 경우에, 폴리머 바인더 재료는 이에 따라 섬유 표면적의 50%를 초과하여 직접 접촉할 것이다.
가장 바람직하게, 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 바람직하게 적어도 약 97.5%의 제거, 그리고 가장 바람직하게 섬유 표면 마감재의 적어도 약 99.0% 제거이며, 이에 따라 섬유 표면은 적어도 약 95% 노출되고, 보다 바람직하게 적어도 약 97.5% 노출되고, 가장 바람직하게 적어도 약 99.0% 노출된다. 이상적으로, 섬유 표면 마감재의 100%가 제거되며, 이에 따라 섬유 표면적의 100%가 노출된다. 섬유 표면 마감재의 제거 후, 또한, 섬유들은 노출된 섬유 표면상에 폴리머 바인더 재료, 수지 또는 다른 흡착질(adsorbate)의 적용 전에 어느 제거된 마감재 입자를 깨끗이 하는 것이 바람직하다. 섬유 마감재의 최소한의 제거를 달성하기 위한 섬유의 가공은 일반적으로 섬유 표면적의 적어도 약 10%를 노출하는 것이므로, 섬유 마감재의 적어도 일부를 제거하기 위해 유사하게 세척되거나 처리되지 않은 대등한 복합체는 섬유 표면적의 10% 미만이 노출되거나, 0% 표면 노출이거나 실질적으로 섬유 표면 노출이 없다.
증가된 섬유-코팅 결합 강도는 또한 섬유들을 함께 적절히 결합시키는데 필요한 바인더의 양을 감소시킨다. 이러한 바인더 양의 감소는 보다 많은 수의 섬유들이 패브릭에 포함되도록 하며, 이는 잠재적으로 향상된 강도를 갖는 보다 가벼운 방탄 재료를 생성하도록 한다. 또한, 이는 결과적으로 최종 패브릭 복합체의 방검성(stab resistance)을 더욱 향상시킨다.
섬유 표면 마감재를 제거하는 어떠한 통상적으로 알려진 방법이 본 발명의 맥락(context) 내에서 유용하며, 이는 기계적 및 화학적 기술 수단 모두를 포함한다. 필수적인 방법은 일반적으로 마감재의 조성에 따라 달라진다. 예를 들어, 본 발명의 바람직한 구현으로, 섬유들은 물만으로 세척될 수 있는 마감재로 코팅된다. 전형적으로, 섬유 마감재는 하나 이상의 윤활제, 하나 이상의 비이온 에멀젼화제(계면활성제), 하나 이상의 정전기 방지제, 하나 이상의 습윤 및 응집제(cohesive agent), 및 하나 이상의 항균 화합물의 조합을 포함한다. 본 발명에 바람직한 마감재 배합물은 물만으로 세척될 수 있다. 기계적 수단은 또한 화학적 제거 효능을 향상시키기 위해 화학 제제와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 탈이온수를 이용한 마감재 제거 효능은 물 적용 공정의 힘, 방향 속도 등을 조작함으로써 보강될 수 있다.
가장 바람직하게, 섬유들은 바람직하게 탈이온수를 이용하여, 섬유 웹으로서 물로 세척 및/또는 린스되며, 선택적으로 세척 후 어느 다른 화학물질을 사용하지 않고 섬유를 건조시킨다. 마감재가 수용성이 아닌 다른 양태에서, 마감재는 예를 들어, 연마 클리너, 화학 클리너 또는 효소 클리너로 제거되거나 세척될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 참조로 편입된 미국 특허 제5,573,850호 및 제5,601,775호에는 비이온 계면활성제(HOSTAPUR® CX, Clariant Corporation of Charlotte, N.C.로부터 상업적으로 입수 가능), 트리소듐 포스페이트 및 소듐 하이드록시드를 함유하는 배스(bath)를 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 염소화 용매를 포함한다. 섬유의 세척은 또한 어느 다른 표면 오염물을 제거하며, 이는 섬유와 수지 또는 다른 코팅 재료 사이의 보다 친밀한 접촉을 가능케 한다.
물을 이용하여 섬유를 세척하는데 사용되는 바람직한 수단은 섬유로부터 섬유 표면 마감재를 실질적으로 제거하는 능력이 있는 한 한정되지 않는다. 바람직한 방법으로, 마감재의 제거는 가압수 노즐을 통해 섬유 웹을 통과시켜 섬유로부터 마감재를 세척(또는 린스) 및/또는 물리적으로 제거하는 것을 포함하는 공정에 의해 수행된다. 섬유는 선택적으로 상기 가압수 노즐을 통해 섬유를 통과시키기 전에 워터 배스에서 프리-소크될(pre-soaked) 수 있으며, 그리고/또는 가압수 노즐을 통해 섬유를 통과시킨 후 적셔질 수 있으며, 그리고 또한 선택적으로 추가 가압수 노즐을 통해 섬유를 통과시킴으로써 상기 어느 선택적인 적시는 단계 후에 린스될 수 있다. 세척된/적셔진/린스된 섬유는 또한 바람직하게 세척/적심/린싱이 완료된 후에 건조된다. 섬유를 세척하는데 사용되는 장치 및 수단은 패브릭 보다는 즉, 부직 섬유층 또는 겹으로 직조되거나 형성되기 전에, 각각의 멀티필라멘트 섬유/멀티필라멘트 얀을 세척할 수 있는 것이면 한정되지 않는다.
패브릭 형성 전에 섬유 표면 마감재의 제거는 특히 복수의 단방향 배열된 섬유들을 포함하는 복수의 섬유 겹들을 컨솔리데이션함으로써 형성되는 부직포의 생성을 위해 의도된다. 부직 단방향 배열된 섬유 겹을 형성하는 전형적인 공정으로, 섬유 번들은 크릴(creel)로부터 제공되며, 가이드 및 하나 이상의 스프레더 바를 통해 콜리메이팅 콤(collimating comb)으로 유도된 다음, 섬유를 폴리머 바인더 재료로 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 30개 내지 약 2000개의 개별 필라멘트를 가지며, 각 섬유는 전형적으로 이에 한정하는 것은 아니나 약 120개 내지 약 240개의 개별 필라멘트를 포함한다. 스프레더 바 및 콜리메이팅 콤은 번들 섬유를 분산시키고 펼쳐서, 공면 형태로 나란히 이들을 재편성한다. 이상적인 섬유 스프레딩은 개별 섬유들 또는 심지어 개별 필라멘트들이 단일 섬유면에서 서로 옆에 위치하도록 하여, 실질적으로 단방향의 평행한 섬유 배열을 형성하며 최소량의 섬유가 서로 겹친다. 이러한 스프레딩 단계 전 또는 도중에 섬유 표면 마감재를 제거하는 것은 섬유/필라멘트와 상호작용하는 세정제(예, 물)의 물리적 상호작용에 기인하여 섬유가 이러한 평행 배열로 스프레딩되는 것을 증진 및 촉진할 수 있다. 섬유 스프레딩 및 콜리메이팅 후에, 이러한 평행 배열의 섬유는 일반적으로 섬유 두께에 따라 인치당 약 3-16 섬유 엔드(cm당 1.2 내지 6.3 엔드)를 함유할 것이다. 따라서, 섬유 표면 마감재의 제거는 섬유 스프레딩을 증진시키고, 섬유 표면에 후속적으로 적용되는 재료/흡착질의 결합 강도를 향상시키는 이중 이점을 달성한다.
섬유 표면 마감재가 원하는 정도까지 제거된 후, 섬유에 플라즈마 처리 또는 코로나 처리를 수행한다. 플라즈마 처리와 코로나 처리는 모두 섬유 표면에서 섬유를 개질시키고, 이에 의해 섬유 표면 상에 후속적으로 적용되는 흡착질(예, 폴리머/수지)의 흡착/결합을 더 강화시킬 것이다. 섬유 마감재의 제거는 이러한 추가 공정들이 섬유의 표면에 직접 작용하고, 섬유 표면 마감재 또는 표면 오염물에는 작용하지 않도록 한다. 플라즈마 처리 및 코로나 처리는, 섬유 표면에 대한 코팅의 정착을 향상시키기 위해 벌크 섬유와 섬유 표면 코팅 사이의 상호작용을 최적화하는데 각각 바람직하다. 이러한 개질된 상호작용은 BFS의 향상으로 쉽게 보여질 수 있다.
코로나 처리는 섬유가 코로나 방전 스테이션을 통과하고, 이에 의해 섬유 웹이 일련의 고전압 방전을 통과하는 공정이며, 이는 피팅(pitting), 러핑(roughing) 및 섬유의 표면을 부분적으로 산화시켜서 극성 관능기의 도입을 포함하는 다양한 방법으로 섬유 웹의 표면 상에 작용하는 경향이 있다. 코로나 처리는 전형적으로 섬유 표면을 산화시키고 그리고/또는 극성을 섬유 표면에 부가한다. 또한, 코로나 처리는 작은 핏트(pits) 또는 홀을 섬유의 표면으로 태움으로써 작용한다. 섬유가 산화가능한 경우에, 산화도는 전력, 전압 및 코로나 처리 빈도와 같은 인자들에 따라 달라진다. 코로나 방전 필드내에서의 체류 시간이 또한 인자이며, 이는 코로나 처리기 설계에 의해 또는 공정의 라인 속도에 의해 조절될 수 있다. 적절한 코로나 처리 유닛은 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 양태에서, 섬유들은 약 2 Watts/ft2/min 내지 약 100 Watts/ft2/min, 보다 바람직하게 약 5 Watts/ft2/min 내지 약 50 Watts/ft2/min, 가장 바람직하게 약 20 Watts/ft2/min 내지 약 50 Watts/ft2/min으로 코로나 처리된다. 또한, 약 1 Watts/ft2/min 내지 약 5 Watts/ft2/min의 보다 낮은 에너지의 코로나 처리는 유용하지만 덜 효과적일 수 있다. 섬유 표면에 전하를 적용하는 것에 추가적으로, 코로나 처리는 섬유의 표면을 피팅(pitting)함으로써 표면을 거칠게 할 수 있다.
플라즈마 처리시, 섬유들은 전형적으로 섬유 웹으로서 산소, 아르곤, 헬륨, 암모니아와 같은 불활성 또는 비-불활성 가스, 또는 상기 가스들의 조합을 포함하는 다른 적절한 불활성 또는 비-불활성 가스로 채워진 챔버에서 이온화 분위기를 통해 통과하여, 섬유들을 중성 분자, 이온, 자유 라디칼 및 자외선과 접촉시킨다. 섬유 표면에서, 하전된 입자(이온)과 표면의 충돌은 운동 에너지의 이동 및 전자의 교환 등을 모두 일으킨다. 또한, 표면과 자유 라디칼 사이의 충돌은 유사한 화학 재배열을 일으킨다. 또한, 보다 낮은 상태로 릴렉싱(relaxing)되는 여기된 원자 및 분자에 의해 방출된 자외선에 의해 섬유 표면에 충격을 가하여 섬유 기질에 화학적 변화를 일으킨다. 이러한 상호작용의 결과로서, 플라즈마 처리는 섬유의 화학 구조 및 섬유 표면의 토포그래피 모두를 개질시킬 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 개질시키고, 이에 의해 후속적인 코팅의 경도(hardness), 용융점 및 질량 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.
가스의 선택은 표면의 화학 구조가 다른 플라즈마 가스를 이용하여 다르게 개질되기 때문에 원하는 표면 처리를 위해 중요하다. 이는 당해 기술분야의 통상의 기술자에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 아민 작용기가 암모니아 플라즈마를 이용하여 섬유 표면에 도입될 수 있으며, 한편 카르복시기 및 히드록시기는 산소 플라즈마를 이용하여 도입될 수 있는 것이 알려져 있다. 따라서, 반응 분위기는 아르곤, 헬륨, 산소, 질소, 암모니아 및/또는 패브릭의 플라즈마 처리에 적절한 것으로 알려진 다른 가스 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 반응 분위기는 이러한 가스들 중 하나 이상을 원자, 이온, 분자 또는 자유 라디칼 형태로 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 바람직한 연속 공정에서, 섬유 배열은 바람직하게는 아르곤 원자, 산소 분자, 아르곤 이온, 산소 이온, 산소 자유 라디칼 뿐만 아니라 다른 미량 종들을 포함하는 조절된 반응 분위기를 통해 통과한다. 바람직한 양태로, 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 양태로, 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 가스 분위기, 즉, 약 79% 질소, 약 20% 산소 및 소량의 기타 가스를 포함하는 실내 공기이며, 이는 또한 코로나 처리에 일부 정도로 유용하다.
플라즈마 처리는 조절된 반응 가스 분위기에서 수행되나, 코로나 처리는 반응 분위기가 공기인 점에서, 주로 플라즈마 처리는 코로나 처리와 다르다. 플라즈마 처리기에서 분위기는 쉽게 조절 및 유지되어, 표면 극성이 코로나 처리에 비해 더 조절가능하고 유연한 방식으로 달성되도록 한다. 전기 방전은 가스를 전자, 이온, 자유 라디칼 및 준안정 산물로 해리하는 무선 주파수(RF) 에너지에 의해 이루어진다. 플라즈마에서 생성된 전자와 자유 라디칼은 섬유 표면과 충돌하여, 공유 결합을 파괴하고 섬유 표면상에 자유 라디칼을 생성한다. 배치 공정으로, 미리 정해진 반응 시간 또는 온도 후에, 공정 가스 및 RF 에너지는 꺼지고, 남은 가스들 및 다른 부산물들은 제거된다. 본 발명에서 바람직한 연속 공정으로, 섬유 배열은 선택된 반응 가스들의 원자, 분자, 이온 및/또는 자유 라디칼 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 퀀칭(quenching)되지 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 입수가능한 플라즈마 처리기와 같은 어느 유용한 상업적으로 입수가능한 플라즈마 처리기를 이용하여 수행될 수 있다. 플라즈마 처리는 진공 하에 유지된 챔버에서 또는 대기 조건으로 유지되는 챔버에서 수행될 수 있다. 대기 시스템이 사용되는 경우, 완전히 폐쇄된 챔버가 필수적인 것은 아니다. 비-진공 환경에서, 즉 완전한 또는 부분적인 진공으로 유지되지 않는 챔버에서 섬유를 플라즈마 처리 또는 코로나 처리하는 것은, 섬유 열화(degradation)의 잠재성을 증가시킬 수 있다. 이것은 반응 종의 농도가 처리 압력에 비례하기 때문이다. 섬유 열화에 대한 이러한 증가된 잠재성은 처리 챔버에서의 체류 시간을 감소시킴으로써 상쇄될 수 있다. 섬유 표면 마감재를 통해 섬유를 처리할 필요성과 함께, 진공 하에서 섬유를 처리하는 것은 처리의 긴 체류 시간을 필요로 하게 된다. 이는 바람직하지 않게 대략 15% 내지 20%의 섬유 강도와 같은 섬유 강도 특성의 일반적인 손실을 일으킨다. 처리의 에너지 플럭스를 감소시킴으로써 처리의 공격성(aggressiveness)이 감소될 수 있지만, 이것은 섬유 상에 흡착질의 결합을 강화시키는 처리의 효율성을 희생시켜서, BSF의 향상을 제한한다. 그러나, 섬유 마감재를 적어도 부분적으로 제거한 후 섬유 처리를 수행한 경우, 섬유 강도 손실은 5% 미만, 일반적으로 2% 미만 또는 1% 미만이거나, 종종 손실이 전혀 없고, 이는 섬유 표면의 직접 처리로 인해 폴리머 섬유의 가교 밀도가 증가되기 때문이라는 것을 예기치 않게 알아내었다. 섬유 마감재를 적어도 부분적으로 제거한 후 섬유 처리를 수행한 경우, 처리는 훨씬 더 효과적이고, 코팅 결합 증진 및 BSF의 희생없이 에너지 플럭스의 다양한 레벨에서 덜 공격적이고, 비-진공 환경에서 수행될 수 있다. 본 발명의 가장 바람직한 양태에서, 고강도 섬유는 약 대기압 또는 대기압 이상으로 유지된 챔버에서 플라즈마 처리 또는 코로나 처리를 수행한다. 또 다른 이점으로서, 대기압 하에서의 플라즈마 처리는 한 번에 하나 이상의 섬유를 처리할 수 있으며, 한편 진공 하에서의 처리는 한 번에 하나의 섬유의 처리로 제한된다.
바람직한 플라즈마 처리 공정은 약 실온(70℉-72℉)의 챔버 온도로 약 대기압, 즉, 1atm(760 mm Hg(760 torr))에서 수행된다. 플라즈마 챔버의 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 바람직하게 RF 전력하에서, 약 0.5kW 내지 약 3.5kW에서, 보다 바람직하게 약 1.0kW 내지 약 3.05kW에서 수행되며, 그리고 가장 바람직하게 플라즈마 처리는 2.0kW로 설정된 대기 플라즈마 처리기를 사용하여 수행된다. 이러한 전력은 플라즈마 처리 구역의 폭(또는 전극의 길이)에 걸쳐 분포하며, 또한 이러한 전력은 섬유 웹이 플라즈마 처리기의 반응 분위기를 통해 통과하는 라인 속도에 역비례하는 속도로 기질 또는 섬유 웹의 길이에 걸쳐 분포한다. 단위 시간당 단위 면적당 이러한 에너지(와트/평방 피트/분 또는 W/ft2/min) 또는 에너지 플럭스는 처리 수준을 비교하는데 유용한 수단이다. 에너지 플럭스에 대한 유효값은 바람직하게 약 0.5 내지 약 200 W/ft2/min, 보다 바람직하게 약 1 내지 약 100 W/ft2/min, 보다 바람직하게 약 1 내지 약 80 W/ft2/min, 보다 바람직하게 약 2 내지 약 40 W/ft2/min, 그리고 가장 바람직하게 약 2 내지 약 20 W/ft2/min이다. 총 가스 유속은 약 16 리터/분이나, 이는 엄격히 제한되는 것은 아니다.
총 가스 유속이 플라즈마 처리 구역의 폭에 걸쳐 분산됨에 따라, 플라즈마 처리기의 플라즈마 처리 구역의 길이/폭으로 증가하는 추가적인 가스 흐름이 필요할 수 있다. 예를 들어, 2x의 처리 구역 폭을 갖는 플라즈마 처리기는 1x의 처리 구역 폭을 갖는 플라즈마 처리기에 비해 2배 많은 가스 흐름이 필요할 수 있다. 섬유의 플라즈마 처리 시간(또는 체류 시간)은 또한 사용되는 플라즈마 처리기의 치수와 관련되고, 엄격히 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 바람직한 대기 시스템에서, 섬유는 약 1/2초 내지 약 3초의 체류 시간으로, 대략 2 초의 평균 체류 시간으로, 플라즈마 처리기에 노출된다. 보다 더 적절한 측정은 시간에 따른 단위 면적 당 섬유에 적용된 RF 전력의 관점에서 플라즈마 처리의 양이다.
또한, 본 발명의 복합체 및 패브릭은 처리된 일부 섬유 및 처리되지 않은 일부 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 복합체는 코로나 처리된 일부 섬유 및 플라즈마 처리된 일부 섬유로부터 제조될 수 있다. 이러한 각각의 예시적인 공정은 섬유의 표면에 그 작용을 통해 사용되어서, 섬유 화학에 따라 벌크 섬유와 후속적인 코팅 재료 사이의 상호작용을 개질, 향상 또는 감소시킬 수 있다. 본 발명의 다양한 처리 단계는, 백페이스 시그니처 또는 다른 특성에 대한 바람직한 범위 내에 복합체를 배치하기 위해, 섬유를 조작하는 레시피로서 이용될 수 있다. BSF 테스트에서 특정 복합체가 원하는 것보다 불량한 BSF를 가지고 있다고 결정되는 경우, 상기 특성이 원하는 범위 내에 포함되도록 추가의 섬유 세척 및/또는 추가의 표면 처리가 수행되어야 하는 것을 나타낸다.
플라즈마 처리 및 코로나 처리는 섬유 표면 마감재의 적어도 부분적 제거 후에, 하지만 어느 바인더/매트릭스 수지 또는 다른 표면 흡착질/코팅의 적용 전에 수행될 것이다. 배열된 섬유 웹을 폴리머 바인더 재료 또는 수지로 코팅하기 직전에 노출된 섬유 표면을 처리하는 것이 가장 바람직하며, 그 이유는 이것이 섬유 제조 공정에 최소한의 중단을 일으키며, 가장 짧은 기간 동안 개질 및 비보호된 상태로 섬유를 두기 때문이다. 섬유 스풀(감긴 섬유 패키지)로부터 섬유를 풀고, 그 섬유를 섬유 웹으로 정렬한 직후에, 섬유 표면 마감재를 제거하고 노출된 섬유 표면을 처리하고, 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 개질의 수명 또는 부식 속도에 대해 고려되어야 한다. 그러나, 이는 주로 전체 제조 공정에 최소한의 중단을 일으키는데 이상적인 것이며, 복합체의 BFS 성능의 향상을 달성하는데 필수적인 것은 아니다
본 명세서에서 기술된 방법에 따라 제조된 섬유 복합체는 우수한 백페이스 시그니처(BFS) 특성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 백페이스 시그니처는 발사체 충격으로 인하여 백킹 재료 또는 사용자의 신체로 연성 또는 강성 방호물의 편향 깊이(depth of deflection)의 척도이다. 보다 구체적으로, 당해 분야에서 "백페이스 변형(backface deformation)", "트라우마 시그니처(trauma signature)" 또는 "블런트 포스 트라우마(blunt force trauma)"로도 알려져 있는 백페이스 시그니처(BSF)는, 방호물이 발사체가 관통하는 것을 중지할 때 발사체가 방호물에 얼마나 많은 충격을 주었는지에 대한 척도이며, 방호물 아래의 신체가 경험하는 잠재적인 블런트 트라우마를 나타낸다. 백페이스 변형의 감소는, 섬유-섬유 결합을 보강하고/하거나 섬유-코팅 박리 경향을 감소하기 위해, 섬유 복합체의 구성 섬유를 개질하기 때문이다. 발사체 충격시 섬유-섬유 풀림 및/또는 섬유-코팅 박리의 감소는, 섬유를 패브릭으로 가공하기 전에 섬유로부터 기존의 섬유 표면 마감재를 적어도 부분적으로 제거한 후, 섬유를 플라즈마 처리 또는 코로나 처리함으로써 최적화되며, 여기서 패브릭을 형성하는 것은 섬유를 상호 연결하는 것을 포함하며, 이에 의해 직물 층(woven fabric layer), 부직포 층(non-woven fabric layer) 또는 부직 섬유 겹(a non-woven fiber ply)을 형성한다. 부직포 층 또는 부직 섬유 겹의 형성 전에 또는 직물의 위빙(weaving) 전에 섬유 표면 마감재의 제거는 본 발명 이전에는 알려져 있지 않았으며, 이는 상술한 바와 같이 섬유 표면 마감재가 일반적으로 필수적인 공정 보조제로 알려져 있기 때문이다. 부직포의 제조에서, 일반적으로 정전기 축적을 감소시키고, 섬유의 엉킴을 방지하고, 섬유에 윤활유를 적용하여 룸 성분(loom component)에 걸쳐 슬라이딩될 수 있게 하기 위해, 그리고 섬유 드로잉 단계를 포함하는 공정 도중에 섬유 응집력을 향상시키기 위해, 섬유 표면 마감재가 필요하다. 섬유로부터 기존의 섬유 표면 마감재의 적어도 일부를 제거한 후 섬유를 플라즈마 처리 또는 코로나 처리함으로써, 노출된 섬유 표면이 직접 처리되게 할 수 있고, 이에 의해 섬유 마감재에서 처리를 수행하기보다 섬유 표면을 개질할 수 있게 된다. 섬유-섬유 풀림 및/또는 섬유-코팅 박리의 감소는 고속 발사체에 대해 상응하게 우수한 백페이스 시그니처 성능을 갖는 복합체를 얻을 수 있다.
백페이스 시그니처의 개선은, 구성 섬유가 방탄 능력이 다른 섬유보다 본래 우수하나 구조적인 특성에서 필수적이지는 않은 폴리에틸렌 섬유인 경우, 특히 분명하다. 이로부터 형성되는 폴리에틸렌계 패브릭의 제조 전에, 상술한 바와 같이 폴리에틸렌 섬유의 표면을 처리하는 것은 아라미드 섬유를 포함하는 어느 다른 섬유 타입에 비해 상대적으로 우수한 구조적 특성, 탄도 관통 저항성 및 백페이스 시그니처 저항 특성의 조합을 달성한다.
이와 관련하여, 본 발명의 섬유 복합체는 실온에서 측정되는 경우 약 427 m/s 내지 약 445 m/s(1430 feet/second(fps)±30fps)의 속도로 발사되는, 124-그레인, 9mm FMJ RN 발사체와의 충돌시, 2.0 psf의 면 밀도를 갖는 복합체에 대해 측정시 약 6 mm 미만의 바람직한 백페이스 시그니처를 갖는다. 이는 본 발명의 모든 섬유 복합체 또는 물품이 2.0 psf의 면 밀도를 갖는다는 것을 의미하는 것이 아니며, 또한 본 발명의 모든 섬유 복합체 또는 물품이 상기 속도에서 이러한 FMJ RN 발사체에 대해 6 mm의 BFS를 갖는다는 것을 의미하는 것도 아니다. 이는 단지 본 발명에 방법에 따라 제조된 복합체가 2.0 psf 패널로 제조된 경우에, 2.0 psf 패널이 대략 실온(대략 70℉-72℉)에서 측정될 때 상기 속도에서 이러한 FMJ RN 발사체에 대해 약 6 mm 미만의 BFS를 갖는다는 것을 나타낸다.
또한, 용어 BFS, 백페이스 변형, 트라우마 시그니처 및 블런트 포스 트라우마는 발사체 충격에 기인한 복합체의 편향 깊이의 측정값이 아니라, 발사체 충격에 기인한 백킹 재료에서 또는 사용자 신체로의 편향 깊이의 측정값인 것으로 이해되어야 한다. 이는 강성 방호물, 특히 헬멧 방호물의 시험과 관련된다. 헬멧 BFS는 전형적으로 금속 헤드 폼에 원형 헬멧을 배치하여 시험되며, 여기서 헬멧은 헤드 폼으로부터 1/2인치(1.27cm)로 헬멧을 분리하는 서스펜션 시스템에 의해 헤드 폼상에 고정된다. 헤드 폼의 섹션은 클레이로 채워지며, 이러한 클레이 영역에서 편향 깊이는 측정시 1/2 인치 공간 깊이를 포함하지 않은 BFS로 측정된다. 이는 실험실 BFS 시험을 현장에서 군인이 경험하는 실제 BFS와 연관시키기 위한 목적으로 수행되며, 전형적인 헬멧은 헬멧 내부 패딩 또는 서스펜션 시스템(padding or a suspension system)/리텐션 하니스(retention harness)에 기인하여 헤드로부터 전형적인 1/2인치 오프셋을 포함한다. 한편, 연성 방호물의 BFS는 통상적으로 공간을 두지 않고 클레이 표면상에 직접 방호물을 배치하여 시험되며, 이는 실제 현장에서 사용되는 위치와 일치한다. 따라서, BFS 깊이 측정은 사용되는 시험 방법과 관련되며, BFS 깊이 측정을 비교할 경우에, 사용된 시험 방법이 시험 샘플을 백킹 재료 상에 직접 배치하는지 또는 백킹 재료로부터 공간을 두는 것이 필요한지 확인할 필요가 있다. 이와 관련하여, 본 발명에서 모든 백페이스 시그니처 데이터는, 2.0 psf 샘플과 클레이 백킹 재료 사이에 1/2 인치의 공간을 두는, 동시 계류 중인 특허 출원 제61/531,233호에 기술된 장치를 사용하여 측정되었다. 본 발명의 바람직한 양태에서, 본 발명의 섬유 복합체는, 대략 실온에서 측정되는 경우 NIJ 표준 0101.04의 발사체 발사 조건하에서, 약 427m/s 내지 약 445m/s의 속도로 발사되는, 124-그레인, 9mm FMJ 발사체와의 충돌시, 약 5 mm 미만의 보다 바람직한 백페이스 시그니처를 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 총탄)와의 충돌시, 보다 바람직하게 약 4mm미만, 보다 바람직하게 약 3mm미만, 보다 바람직하게 약 2mm미만, 그리고 가장 바람직하게 1mm미만의 백페이스 시그니처를 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 인접한 섬유층을 포함하며, 각 섬유층은 폴리머 재료로 적어도 부분적으로 덮인 표면을 갖는 섬유들을 포함하며, 여기서 상기 섬유들은 상기 폴리머 재료가 주로 섬유 표면과 직접 접촉되도록 섬유 표면 마감재를 주로 함유하지 않는다. 이러한 BFS 값을 달성하는 상기 섬유 복합체는 또한, 16-그레인 직원기둥(Right Circular Cylinder; RCC) 발사체에 대해 바람직하게 적어도 약 3200 feet/sec(fps)(975.36m/s), 보다 바람직하게 적어도 약 3300 fps(1005.84 m/s), 보다 바람직하게 적어도 약 3400 fps(1036.32 m/s), 보다 바람직하게 적어도 약 3500 fps(1066.8 m/s), 그리고 가장 바람직하게 적어도 약 3600 fps(1097.28 m/s)의 V50을 나타낸다. 상기 모든 V50값은 약 2.0 lbs/ft2(psf)(9.76 kg/㎡(ksm))의 복합체 면 밀도를 갖는 방호물 패널에 대한 것이다. BFS와 같이, 이는 본 발명의 모든 섬유 복합체 또는 물품이 특정 면 밀도를 갖는다는 것이 아니며, 또한 본 발명의 모든 섬유 복합체 또는 물품이 16-그레인 RCC 발사체에 대해 적어도 약 3300 feet/sec의 V50을 갖는다는 것을 의미하는 것도 아니다. 이는 단지 본 발명에 방법에 따라 제조된 복합체가 2.0 psf 패널로 제조된 경우에, 2.0 psf 패널이 16-그레인 RCC 발사체에 대해 적어도 약 3200 feet/sec의 V50을 갖는다는 것을 나타낸다.
본 발명의 바람직한 양태에서, 본 발명의 섬유 복합체는 대략 실온에서 측정되는 경우 16-그레인 RCC 발사체에 대해 적어도 약 3200 fps 또는 적어도 약 3300 fps의 V50 및 약 427m/s 내지 약 445m/s의 속도로 발사되는 124-그레인, 9mm FMJ RN 발사체에 대해 약 5 mm 이하의 BFS를 가지고, 보다 바람직하게 16-그레인 RCC 발사체에 대해 적어도 약 3200 fps 또는 적어도 약 3300 fps의 V50 및 약 427m/s 내지 약 445m/s의 속도로 발사되는 124-그레인, 9mm FMJ RN 발사체에 대해 약 4 mm 이하의 BFS를 가지고, 보다 바람직하게 16-그레인 RCC 발사체에 대해 적어도 약 3200 fps 또는 적어도 약 3300 fps의 V50 및 약 427m/s 내지 약 445m/s의 속도로 발사되는 124-그레인, 9mm FMJ RN 발사체에 대해 약 3 mm 이하, 약 2 mm 이하, 또는 약 1mm 이하의 BFS를 가진다. 본 발명의 보다 바람직한 양태에서, 본 발명의 섬유 복합체는 대략 실온에서 측정되는 경우 16-그레인 RCC 발사체에 대해 적어도 약 3400 fps 또는 적어도 약 3500 fps의 V50 및 약 427m/s 내지 약 445m/s의 속도로 발사되는 124-그레인, 9mm FMJ RN 발사체에 대해 약 5 mm 이하의 BFS를 가지고, 보다 바람직하게 16-그레인 RCC 발사체에 대해 적어도 약 3400 fps 또는 적어도 약 3500 fps의 V50 및 약 427m/s 내지 약 445m/s의 속도로 발사되는 124-그레인, 9mm FMJ RN 발사체에 대해 약 4 mm 이하의 BFS를 가지고, 가장 바람직하게 16-그레인 RCC 발사체에 대해 적어도 약 3300 fps의 V50 및 약 427m/s 내지 약 445m/s의 속도로 발사되는 124-그레인, 9mm FMJ RN 발사체에 대해 약 3 mm 이하, 약 2 mm 이하, 또는 약 1mm 이하의 BFS를 가진다. 본 발명의 가장 바람직한 양태에서, 본 발명의 섬유 복합체는 대략 실온에서 측정되는 경우 16-그레인 RCC 발사체에 대해 적어도 약 3600 fps의 V50 및 약 427m/s 내지 약 445m/s의 속도로 발사되는 124-그레인, 9mm FMJ RN 발사체에 대해 약 5 mm 이하의 BFS를 가지고, 보다 바람직하게 16-그레인 RCC 발사체에 대해 적어도 약 3600 fps의 V50 및 약 427m/s 내지 약 445m/s의 속도로 발사되는 124-그레인, 9mm FMJ RN 발사체에 대해 약 4 mm 이하의 BFS를 가지고, 가장 바람직하게 16-그레인 RCC 발사체에 대해 적어도 약 3600 fps의 V50 및 약 427m/s 내지 약 445m/s의 속도로 발사되는 124-그레인, 9mm FMJ RN 발사체에 대해 약 3 mm 이하, 약 2 mm 이하, 또는 약 1mm 이하의 BFS를 가진다. 상술한 바와 같이, 이러한 BFS 데이터는, 실온에서 측정되는 경우 2.0 psf 샘플과 클레이 백킹 재료 사이에 1/2 인치의 공간을 두는, 동시 계류 중인 특허 출원 제61/531,233호에 기술된 장치를 사용하여 측정되었다.
본 발명의 섬유층 및 복합체를 형성하는 고강도, 고 인장 모듈러스의 폴리머 섬유는, 플라즈마/코로나 처리 이후의 섬유 강도가 플라즈마/코로나 처리 이전의 원래 섬유 강도의 약 95% 내지 100%(즉, 처리로 인한 섬유 강도 손실이 5% 미만), 보다 바람직하게 원래 섬유 강도의 약 98% 내지 100%(즉, 처리로 인한 섬유 강도 손실이 2% 미만), 보다 바람직하게 원래 섬유 강도의 약 99% 내지 100%(즉, 처리로 인한 섬유 강도 손실이 1% 미만), 보다 바람직하게 플라즈마/코로나 처리 이후의 섬유 강도가 플라즈마/코로나 처리 이전의 원래 섬유 강도와 동일(즉, 처리로 인한 섬유 강도 손실 없음), 그리고 가장 바람직하게 플라즈마/코로나 처리 이후의 섬유 강도가 플라즈마/코로나 처리 이전의 원래 섬유 강도보다 큰(즉, 처리로 인한 섬유 강도 증가), 어느 섬유 강도를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명에서 형성된 섬유층 및 복합체는, 바람직하게 적어도 약 20 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 전의 강도 및 약 20 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 후의 강도를 갖는, 고강도, 고 인장 모듈러스의 폴리머 섬유로부터 형성된 방탄 복합체이다. 보다 바람직하게, 섬유는 적어도 약 25 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 전의 강도 및 약 25 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 후의 강도를 갖는다. 보다 바람직하게, 섬유는 적어도 약 30 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 전의 강도 및 약 30 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 후의 강도를 갖는다. 보다 바람직하게, 섬유는 적어도 약 33 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 전의 강도 및 약 33 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 후의 강도를 갖는다. 보다 바람직하게, 섬유는 적어도 약 35 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 전의 강도 및 약 35 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 후의 강도를 갖는다. 보다 바람직하게, 섬유는 적어도 약 37 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 전의 강도 및 약 37 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 후의 강도를 갖는다. 보다 바람직하게, 섬유는 적어도 약 39 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 전의 강도 및 약 39 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 후의 강도를 갖는다. 보다 바람직하게, 섬유는 적어도 약 45 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 전의 강도 및 약 45 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 후의 강도를 갖는다. 보다 바람직하게, 섬유는 적어도 약 50 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 전의 강도 및 약 50 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 후의 강도를 갖는다. 보다 바람직하게, 섬유는 적어도 약 55 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 전의 강도 및 약 55 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 후의 강도를 갖는다. 보다 바람직하게, 섬유는 적어도 약 60 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 전의 강도 및 약 60 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 후의 강도를 갖는다. 가장 바람직하게, 섬유는 적어도 약 65 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 전의 강도 및 약 65 g/denier의 플라즈마/코로나 처리 후의 강도를 갖는다. 본 명세서에 나타낸 모든 강도 측정값은 주위 실온에서 측정한 것이다. 본 명세서에 사용된 용어 "데니어(denier)"는 섬유 또는 얀의 9000 미터당 그램의 질량과 동등한 선형 밀도의 단위를 칭한다. 본 명세서에 사용된 용어 "강도(tenacity)"는 비응력 시편의 단위 선형 밀도(데니어)당 힘(그램)으로 표현되는 인장 응력을 칭하며, ASTM D2256으로 측정된다. 섬유의 "초기 모듈러스(initial modulus)"는 변형(deformation)에 대한 저항성을 나타내는 물질의 특성이다. 용어 "인장 모듈러스(tensil modulus)"는 본래의 섬유 길이의 일부(in/in)로서 표현되는 스트레인 변화에 대한 데니어당 그램-힘(g/d)으로 표현되는 강도의 변화비를 칭한다. 섬유의 인장 모듈러스는 또는 섬유 강도처럼 플라즈마 처리 및 코로나 처리에 의해 영향을 받는다. 그러나, 섬유 표면 마감재를 제거한 후에 대기압 하에서 섬유를 플라즈마 처리 또는 코로나 처리하는 것은 실제로, 섬유 표면의 직접적인 처리로 인해 가교 밀도를 증가시켜서 모듈러스를 증가시키는 것으로 확인되었다.
상기 섬유를 형성하는 폴리머는 바람직하게 방탄 복합체/패브릭의 제조에 적절한 고강도, 고 인장 모듈러스 섬유이다. 방탄 복합체 및 물품의 형성에 특히 적절한 고강도, 고 인장 모듈러스 섬유 재료는, 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 사슬 폴리올레핀 섬유가 바람직하다. 또한, 아라미드 섬유, 특히 파라-아라미드 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 나프탈렌 섬유, 확장된 사슬 폴리비닐 알코올 섬유, 확장된 사슬 폴리아크릴로니트릴 섬유, 폴리벤조옥사졸(PBO) 및 폴리벤조티아졸(PBT)과 같은 폴리벤즈아졸 섬유, 액정 코폴리에스테르 섬유 및 M5® 섬유들과 같은 다른 경질 막대 섬유가 적절하다. 각각의 이러한 섬유 타입은 통상적으로 당해 기술분야에 알려져 있다. 또한, 폴리머 섬유를 제조하기 위해 코폴리머, 블록 폴리머 및 이들 물질의 블렌드가 적절하다.
방탄 패브릭에 가장 바람직한 섬유 타입은 폴리에틸렌, 특히 확장된 사슬 폴리에틸렌 섬유, 아라미드 섬유, 폴리벤즈아졸 섬유, 액정 코폴리에스테르 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 특히 고배향 확장된 사슬 폴리프로필렌 섬유, 폴리비닐 알코올 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유 및 다른 경질 막대 섬유, 특히 M5® 섬유들을 포함한다. 특히 가장 바람직한 섬유는 아라미드 섬유이다.
폴리에틸렌의 경우에, 바람직한 섬유는 적어도 500,000, 바람직하게 적어도 1백만 및 보다 바람직하게 2백만 내지 5백만의 분자량을 갖는 확장된 사슬 폴리에틸렌이다. 이러한 확장된 사슬 폴리에틸렌(ECPE) 섬유는 미국 특허 제4,137,394호 또는 제4,356,138호에 기재된 바와 같은 용액 스피닝 공정으로 성장될 수 있으며, 이들 문헌은 본 명세서에 참고문헌으로 편입되며, 또는 미국 특허 제4,551,296호 및 제5,006,390호에 기재된 바와 같이 용액으로부터 스피닝되어 겔 구조를 형성할 수 있으며, 이들 문헌은 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다. 본 발명에 사용하기에 특히 바람직한 섬유 타입은 허니웰 인터네셔널 인코포레이션에서 제조한 상표명 SPECTRA®로 판매되고 있는 폴리에틸렌 섬유이다. SPECTRA® 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® 섬유(Milliken & Company of Spartanburg, South Carolina으로부터 상업적으로 입수가능)와 같은 폴리프로필렌(섬유 또는 테이프)이다.
또한, 특히 아라미드(방향족 폴리아미드) 또는 파라-아라미드 섬유가 바람직하다. 이는 상업적으로 입수가능하며, 예를 들어, 미국 특허 제3,671,542호에 기재되어 있다. 예를 들어, 유용한 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) 필라멘트는 상표명 KEVLAR®로 판매되며 DuPont으로부터 상업적으로 제조된다. 또한 본 발명의 실시에 유용한 것은 상표명 NOMEX®로 판매되며 DuPont으로부터 상업적으로 제조되는 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드) 섬유 및 상표명 TWARON®로 판매되며 Teijin으로부터 상업적으로 제조되는 섬유들; 상표명 HERACRON®로 판매되며 Kolon Industries, Inc.(Korea)에서 상업적으로 제조되는 아라미드 섬유들; Kamensk Volokno JSC(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 입수가능하며, 예를 들어, 미국 특허 제5,286,833호, 제5,296,185호, 제5,356,584호, 제5,534,205호 및 제6,040,050호에 기재되어 있으며, 이들 문헌은 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다. 본 발명의 실시에 적절한 액정 코폴리에스테르 섬유는 상업적으로 입수가능하며, 예를 들어, 미국 특허 제3,975,487호; 제4,118,372호 및 제4,161,470호에 기재되어 있으며, 이들 문헌은 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다. 적절한 폴리프로필렌 섬유는 미국 특허 제4,413,110호에 기재된 바와 같은 고배향 확장된 사슬 폴리프로필렌(ECPP) 섬유를 포함하며, 상기 문헌은 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다. 적절한 폴리비닐 알코올(PV-OH) 섬유는, 예를 들어, 미국 특허 제4,440,711호 및 제4,599,267호에 기재되어 있으며, 이들 문헌은 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다. 적절한 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유는 예를 들어, 미국 특허 제4,535,027호에 기재되어 있으며, 이는 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다. 각각의 이러한 섬유 타입들은 상업적으로 알려져 있으며, 상업적으로 널리 입수가능하다.
M5® 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 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다. 또한, 모두 상업적으로 입수가능한 상기 모든 재료들의 조합이 적절하다. 예를 들어, 섬유층은 아라미드 섬유, UHMWPE 섬유(예, SPECTRA® 섬유), 탄소 섬유 등, 뿐만 아니라 섬유 유리 및 기타 저성능(lower-performing) 재료들 중 하나 이상의 조합으로부터 형성될 수 있다. 그러나, BFS 및 V50 값은 섬유 타입에 의해 달라질 수 있다.
상기 섬유는 상기 정의된 바와 같은 강도를 갖는 섬유를 달성하는데 유용한 어느 적합한 데니어일 수 있다. 선택은 방탄 효능 및 비용을 고려하여 좌우된다. 좋은 섬유일수록 제조 및 위빙하기에 더 비싸지만, 단위 중량당 더 우수한 방탄 효능을 낼 수 있다. 적어도 약 37 g/denier의 강도를 갖는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유는, 예를 들어 2011년 6월 30일에 출원된 동시 계류 중인 출원 제13/173,919호의 방법을 이용하여 얻을 수 있다.
고강도 섬유의 제조를 위한 다른 공지된 방법은, 예를 들어 미국 특허 제4,413,110호, 제4,440,711호, 제4,535,027호, 제4,457,985호, 제4,623,547호, 제4,650,710호 및 제4,748,064호에 개시되어 있으며, 이들은 본 명세서와 일치되는 정도로 본 명세서에서 참조문헌으로 통합된다. 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 통상적으로 알려져 있으며, 상기 섬유들은 상업적으로 입수가능하다.
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. 이를 위해, "흡착질(adsorbate)"은, 폴리머 바인더 재료 및 수지를 포함하는, 임의의 고체, 액체 또는 가스일 수 있고, 흡착(adsorption)은 섬유 표면에 재료의 결합의 어느 형태를 포함한다. "흡착질"의 정의는 폴리머 바인더 재료, 수지 또는 폴리머 매트릭스 재료로서 유용한 모든 폴리머를 명시적으로 포함하지만, 바인더 특성을 갖는 바인더 재료가 아닌 스핀 마감재 재료와 같은 섬유 표면 마감재 재료를 포함하여, 바인딩 특성을 갖지 않는 재료는 명시적으로 배제한다. 대조적으로, 섬유 표면 마감재 재료는 특히 본 발명에 따른 섬유 표면으로부터 제거된다. 용어 "흡착질"은 또한 실리콘 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 탄탈륨 옥사이드, 하프늄 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 티타늄 알루미네이트, 티타늄 실리케이트, 하프늄 알루미네이트, 하프늄 실리케이트, 지르코늄 알루미네이트, 지르코늄 실리케이트, 보론 니트라이드 또는 이들의 조합과 같은 무기 재료를 명시적으로 포함하며, 이들은 공통적으로 소유된 미국 특허 출원 공개공보 제2008/0119098호에 개시되어 있으며, 그 개시내용은 본 명세서에서 참조문헌으로 통합된다.
용어 "흡착(adsorption)"(또는 "흡착성(adsorbability)" 또는 "흡착하는(adsorb)")은 섬유 표면상의 어떠한 재료(고체, 액체, 가스 또는 플라즈마)의 물리적 흡착 및 화학적 흡착 모두를 포함하는 것으로 광범위하게 의도되며, 여기서 "물리적 흡착(physisorption)"은 섬유 표면상에 재료의 물리적 결합으로 정의되며, "화학적 흡착(chemisorption)"은 섬유 표면상에 재료의 화학적 결합으로 정의되며, 여기서 화학 반응은 노출된 섬유(즉, 흡착재) 표면에서 일어난다. 본 명세서에 사용된 용어 "흡착(adsorption)"은 물리적 또는 화학적으로 기질 표면에 재료를 부착, 접착 또는 결합하는 어느 가능한 수단들을 포함하며, 이에 한정하는 것은 아니나 폴리머 매트릭스에서 섬유의 섬유 습윤/부착을 증가시키는 수단들을 포함한다. 이는 명확히 어느 모노머, 올리고머, 폴리머 또는 수지를 포함하는 섬유 표면상에 어느 고체, 액체 또는 가스 재료의 부착 또는 코팅을 포함하며, 섬유 표면상에 어느 유기 재료 또는 무기 재료의 적용을 포함한다.
본 명세서에서 가장 바람직하게, 본 발명의 직물 또는 부직물을 형성하는 섬유들은 폴리머 바인더 재료로 코팅되거나 함침된다. 수지와 같은 폴리머 바인더 재료 흡착질은 섬유층의 개별 섬유들을 부분적으로 또는 실질적으로 코팅하며, 바람직하게는 각 섬유층의 각 개별 섬유들을 실질적으로 코팅한다. 또한, 상기 폴리머 바인더 재료는 당해 기술분야에서 통상 "폴리머 매트릭스(polymeric matrix)" 재료로 알려져 있으며, 이러한 용어는 본 명세서에서 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 바인딩하는 재료를 나타낸다. 이러한 "폴리머 매트릭스" 또는 "폴리머 바인더" 재료는 또한 내마모성 및 유해한 환경 조건에 대한 저항성과 같은 다른 원하는 특성들을 갖는 패브릭을 제공할 수 있어, 이에 따라, 직물과 같이 이의 바인딩 특성이 중요하지 않은 경우에도 이러한 바인더 재료로 섬유를 코팅하는 것이 바람직할 수 있다.
적절한 폴리머 바인더 재료는 저 모듈러스, 탄성 재료 및 고 모듈러스, 강성 재료 모두를 포함한다. 본 명세서에 전반적으로 사용된 용어, 인장 모듈러스는 섬유에 대해 ASTM 2256에 의해, 그리고 폴리머 바인더 재료에 대해서는 ASTM D638에 의해 측정되는 탄성 모듈러스를 의미한다. 낮거나 높은 모듈러스 바인더는 다양한 폴리머 재료 및 비-폴리머 재료를 포함할 수 있다. 바람직한 폴리머 바인더는 저 모듈러스 탄성 재료를 포함한다. 본 발명의 목적상, 저 모듈러스 탄성 재료는 ASTM D638 시험법에 따라 약 6,000psi(41.4MPa)이하에서 측정되는 인장 모듈러스를 갖는다. 저 모듈러스 폴리머는 바람직하게 약 4,000psi(27.6MPa)이하, 보다 바람직하게 약 2400psi(16.5MPs)이하, 보다 바람직하게 1200psi(8.23MPa)이하, 그리고 가장 바람직하게 약 500psi(3.45MPa)이하의 엘라스토머의 인장 모듈러스를 갖는다. 상기 엘라스토머의 유리전이온도(Tg)는 바람직하게 0℃미만, 보다 바람직하게 약 -40℃미만, 그리고 가장 바람직하게 약 -50℃미만이다. 또한, 상기 엘라스토머는 적어도 약 50%, 보다 바람직하게 적어도 약 100%, 그리고 가장 바람직하게 적어도 약 300%의 바람직한 파단 신율(elongation to break)을 갖는다.
저 모듈러스를 갖는 광범위하게 다양한 재료 및 배합물이 상기 중합 바인더로서 이용될 수 있다. 대표적인 예는 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 천연 고무, 에틸렌-프로필렌 코폴리머, 에틸렌-프로필렌-디엔 3량체, 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 경화가능한 다른 저 모듈러스 폴리머 및 코폴리머를 포함한다. 또한, 다른 탄성 재료의 블렌드, 또는 탄성 재료과 하나 이상의 열가소성의 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 엘라스토머를 생성할 수 있다. 상기 폴리머는 타입 A-B-A의 단순한 트리-블록, 타입 (AB)n(n=2-10)의 다중-블록 코폴리머 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®으로 판매되며 Henkel Technologies(Duseeldorf, Germany)로부터 상업적으로 구입가능한 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 코폴리머의 수지 분산물이 유용한다. 특히 바람직한 저 모듈러스 폴리머의 바인더 재료는 상표명 KRATON®으로 판매되며, Kraton Polymers에 의해 상업적으로 제조되고 있는 스티렌 블록 코폴리머를 포함한다. 특히 바람직한 폴리머 바인더 재료는 상표명 KRATON®으로 판매되는 폴리스티렌-폴리이소프렌-폴리스티렌-블록 코폴리머를 포함한다.
저 모듈러스 폴리머 매트릭스 바인더 재료가 방탄 조끼와 같은 가요성 방호물의 형성에 가장 유용하나, 헬멧과 같은 경성 방호물 물품을 형성하는데 유용한 강성 재료가 본 발명에 특히 바람직하다. 바람직한 고 모듈러스, 강성 재료는 일반적으로 6,000psi보다 큰 초기 인장 모듈러스를 갖는다. 본 발명에 유용한 바람직한 고 모듈러스, 강성 폴리머 바인더 재료는 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 강성 폴리머 바인더 재료는 열경화성 폴리머, 바람직하게는 메틸에틸케톤과 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 강성 폴리머 바인더 재료는 미국 특허 제6,642,159호에 기재된 것들이며, 이는 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다. 상기 폴리머 바인더는 저 모듈러스 재료이든지 고 모듈러스 재료이든지 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 강성 재료 모두의 범위내에 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 바람직하게 보조 용매를 함유하지 않은 분산물이다. 이러한 것들로는 수성 음이온성 폴리에스테르계 폴리우레탄 분산물; 수성 지방족 폴리에스테르계 폴리우레탄 분산물; 및 수성 음이온성, 지방족 폴리에스테르계 폴리우레탄 분산물을 포함하며, 이들 모두 바람직하게 보조 용매를 함유하지 않은 분산물이다. 또한, 이러한 것들로는 수성 음이온성 폴리에테르 폴리우레탄 분산물; 수성 지방족 폴리에테르계 폴리우레탄 분산물; 및 수성 음이온성, 지방족 폴리에테르계 폴리우레탄 분산물을 포함하며, 이들 모두 바람직하게 보조 용매를 함유하지 않은 분산물이다. 마찬가지로, 수성 양이온 및 수성 비이온 분산물의 이에 상응하는 모든 변형물들(폴리에스테르계; 지방족 폴리에스테르계; 폴리에테르계; 지방족 폴리에테르계 등)이 바람직하다. 100% 신장률에서 약 700psi이상의 모듈러스를 갖는 지방족 폴리우레탄 분산물이 가장 바람직하며, 700psi 내지 약 3000psi의 범위를 갖는 것이 특히 바람직하다. 100% 신장률에서 약 1000psi이상, 그리고 보다 바람직하게 약 1100이상의 모듈러스를 갖는 지방족 폴리우레탄 분산물이 보다 바람직하다. 1000psi이상, 바람직하게 1100psi이상의 모듈러스를 갖는 지방족 폴리에테르계 폴리우레탄 분산물이 가장 바람직하다.
본 발명의 복합체로부터 형성된 물품의 강도, 충격 및 탄도 특성은 섬유를 코팅하는 폴리머 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 폴리머 바인더 재료를 함유하지 않은 동일한 섬유 구조물과 비교하여 모두 더 우수한 탄도 특성을 갖는 것이 개시되어 있다. 그러나, 저 인장 모듈러스 폴리머 바인더 재료의 폴리머는 또한 보다 낮은 강도의 복합체를 생성한다. 또한, 특정 적용시, 특히 복합체가 요격(anti-ballistic) 및 구조적 모드 모두에서 기능을 해야하는 경우에, 보다 우수한 방탄성 및 강도의 조합이 요구된다. 따라서, 사용될 폴리머 바인더 폴리머의 가장 적절한 타입은 본 발명의 복합체로부터 형성될 물품의 타입에 따라 달라질 것이다. 두 가지 모든 특성이 타협되는 것을 달성하기 위해, 적절한 폴리머 바인더는 저 모듈러스 및 고 모듈러스 재료 모두를 혼합하여 단일 폴리머 바인더로 형성될 수 있다.
폴리머 바인더 재료는 섬유 웹으로서 배열된 복수의 섬유들(예, 평행 배열 또는 펠트)에 동시에 또는 연속적으로 적용되어 코팅된 웹을 형성하고, 직물(woven fabric)에 적용되어 코팅된 직물을 형성하거나, 또는 다른 배열로서 섬유층들을 상기 바인더로 함침될 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어 "~로 함침되는(impregnated)"은 "~에 매립된(embedded in)" 및 "~로 코팅된(coated with)"과 동의어이거나, 그렇지 않으면 바인더 재료가 단순히 섬유층의 표면에 존재하는 것이 아니라 섬유내로 확산되는 코팅으로 적용되는 것을 의미한다. 또한, 폴리머 재료는 섬유 웹의 일부가 아닌 적어도 하나의 섬유 배열상에 적용된 다음, 섬유를 직물로 위빙하거나 본 명세서에 상술한 방법들에 따라 부직포가 배합될 수 있다. 직물 및 부직포 섬유 겹, 층 및 패브릭을 형성하는 기술은 당해 기술분야에 잘 알려져 있다.
필수적이진 않지만, 직물 섬유층을 형성하는 섬유들은 적어도 부분적으로 폴리머 바인더로 코팅된 다음, 부직 섬유층으로 수행된 것과 유사한 컨솔리데이션 단계를 수행한다. 이러한 컨솔리데이션 단계는 다중 직물 섬유층을 서로 합치거나, 또는 바인더를 상기 직물의 섬유와 더 합치기 위해 수행될 수 있다. 예를 들어, 복수의 직물 섬유층은 반드시 컨솔리데이션될 필요는 없고, 통상적인 접착제를 이용하거나 스티칭에 의한 것과 같이 다른 수단에 의해 부착될 수 있다.
일반적으로, 폴리머 바인더 코팅은 복수의 부직 섬유 겹을 효율적으로 합치는 것이, 즉, 컨솔리데이션하는 것이 필요하다. 폴리머 바인더 재료는 개별 섬유들의 전체 표면적상에 또는 상기 섬유들의 일부 표면적상에 적용될 수 있다. 가장 바람직하게, 폴리머 바인더 재료의 코팅은 각 개별 섬유의 실질적으로 모든 표면적상에 적용되어 본 발명의 섬유층을 형성한다. 섬유층이 복수의 얀을 포함하는 경우에, 얀의 단일 가닥을 형성하는 각 섬유는 바람직하게 폴리머 바인더 재료로 코팅된다.
어느 적절한 적용 방법이 폴리머 바인더 재료를 적용하는데 이용될 수 있으며, 용어 "코팅된(coated)"이란 필라멘트/섬유상에 적용되는 방법을 한정하려는 의도는 아니다. 폴리머 바인더 재료는 당해 기술분야의 통상의 기술자에 의해 쉽게 정해질 수 있는 어느 적절한 방법을 이용하여 섬유 표면상에 직접 적용되고, 그 다음 바인더는 전형적으로 본 명세서에서 상술한 바와 같이 섬유층내로 확산된다. 가장 바람직하게, 적어도 부분적으로 각 개별 섬유를 폴리머 재료로 코팅하며, 바람직하게는 각각의 개별 섬유들을 실질적으로 코팅하거나 캡슐화하고, 그리고 필라멘트/섬유 표면적의 모두 또는 실질적으로 모두를 폴리머 바인더 재료로 덮는 방법이 사용된다.
섬유 표면 마감재의 적어도 부분적 제거 후에, 바람직하게는 섬유 표면에 후속적으로 적용되는 흡착질의 흡착성을 증진시키는 표면 처리 후에, 섬유들을 폴리머 바인더로 코팅되는 것이 필수적이나, 섬유들은 섬유들이 하나 이상의 겹/층들로 배열되기 전 또는 후에, 또는 섬유들이 직물로 짜지기 전 또는 후에, 폴리머 바인더로 코팅될 수 있다. 직물은 평직, 크로우풋 위브(crowfoot weave), 바스켓 위브(basket weave), 주자직(satin weave), 능직(twill weave) 등과 같은 어느 직물 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 직물 재료의 개별 섬유들은 폴리머 바인더 재료로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있다. 전형적으로, 패브릭의 위빙은 폴리머 바인더로 섬유를 코팅하기 전에 수행되며, 여기서 직물은 이에 따라 바인더로 함침된다. 그러나, 본 발명은 폴리머 바인더가 섬유에 적용되는 단계를 제한하거나, 폴리머 바인더를 적용하는데 사용되는 수단을 제한하려는 것은 아니다.
부직포의 제조 방법은 당해 기술분야에 잘 알려져 있다. 본 발명에서 바람직한 양태에서, 복수의 섬유들이 적어도 하나의 배열로 배열되고, 전형적으로 실질적으로 평행의 단방향 배열로 정렬된 복수의 섬유들을 포함하는 섬유 웹으로 배열된다. 상술한 바와 같이, 부직 단방향 배열 섬유 겹을 형성하는 전형적인 방법에서, 섬유 번들이 크릴로부터 제공되고, 가이드 및 하나 이상의 스프레더 바를 통해 콜리메이팅 콤(collimating comb)으로 유도된 다음, 섬유를 폴리머 바인더 재료로 코팅한다. 전형적인 섬유 번들은 약 30개 내지 약 2000개의 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 배열로 스프레딩되는 것을 증진 및 촉진할 수 있다.
섬유를 바인더 재료로 코팅한 후에, 코팅된 섬유들은 단층, 일체식 부재로 컨솔리데이션된 복수의 오버래핑 부직 섬유 겹을 포함하는 부직 섬유층으로 형성된다. 본 발명의 바람직한 부직 패브릭 구조로, 복수의 스태킹된, 오버래핑 유니테이프가 형성되며, 여기서 각 단일 겹(유니테이프)의 평행 섬유들은 각 단일 겹의 세로길이 섬유 방향에 대해 서로 인접한 단일 겹의 평행 섬유들에 직교로 배치된다. 오버래핑 부직 섬유 겹의 스택은 가열 및 압력하에, 또는 개별 섬유 겹들의 코팅을 부착시켜 단일층의 일체식 부재를 형성함으로써 컨솔리데이션되며, 이는 또한 당해 기술분야에서 단일층, 컨솔리데이티드 망으로도 칭하여지며, 여기서 "컨솔리데이티드 망(consolidated network)"은 섬유 겹과 폴리머 매트릭스/바인더의 컨솔리데이션(합쳐진) 조합을 나타낸다. 본 발명의 물품은 또한 인접하는 직물과 부직포의 하이브리드 컨솔리데이션 조합을 포함하며, 뿐만 아니라 단방향 섬유 겹과 부직 펠트 패브릭으로부터 형성된 부직포의 조합을 포함할 수 있다.
가장 전형적으로, 부직 섬유층 또는 패브릭은 약 1 내지 6 인접하는 섬유 겹을 포함하나, 다양한 적용에 원하는 바에 따라 약 10 내지 20 겹 정도로 많이 포함할 수 있다. 겹의 수가 많을수록, 더 우수한 방탄성으로 변환되지만, 또한 중량이 더 커진다. 따라서, 섬유층 복합체 및/또는 패브릭 복합체 또는 본 발명의 물품을 형성하는 섬유 겹의 수는 패브릭 또는 물품의 최종 용도에 따라 달라진다. 예를 들어, 군사용 방탄조끼는 바람직하게는 1.0 평방피트 면적밀도당 1.0 파운드(4.9㎏／㎡)를 달성하는 물품 복합체를 형성하기 위해, 총 약 100겹(또는 층) 내지 50 개별 겹(또는 층)이 필요할 수 있으며, 여기서 겹/층은 위빙되거나, 니팅되거나, 펠팅되거나 또는 본 명세서에 기재된 고강도 섬유로부터 형성된 (평행 배향된 섬유 또는 다른 배열을 갖는) 부직포일 수 있다. 다른 양태로, 법집행 용도(law enforcement use)의 방탄조끼는 미 법무성 산하의 국제사법연구소(National Institute of Justice ; NIJ) 위협 레벨(threat Level)에 근거한 다수의 겹/층을 가질 수 있다. 예를 들어, NIJ 위협 레벨 ⅢA 조끼에 있어서, 총 40겹으로 될 수 있다. 보다 낮은 NIJ 위협 레벨에 대해, 보다 적은 겹/층이 이용될 수 있다. 본 발명은 다른 알려진 방탄 구조물에 비해 패브릭 중량을 증가시키지 않고 보다 많은 수의 섬유 겹의 편입이 원하는 수준의 탄도 보호를 달성할 수 있도록 한다.
통상적으로 당해 기술분야에 알려진 바와 같이, 우수한 방탄성은, 하나의 겹의 섬유 배열 방향이 다른 겹의 섬유 배열 방향에 대한 각으로 회전하도록, 개별 섬유 겹이 교차-플라이되는 경우에 달성된다. 보다 바람직하게, 섬유 겹은 0°및 90°각도로 세로길이로 교차-플라이되나, 인접한 겹은 다른 겹의 세로길이 섬유 방향에 대해 사실상 약 0°내지 90°사이의 어느 각도로 배열될 수 있다. 예를 들어, 5겹 부직 구조물은 0°/45°/90°/45°/0° 또는 다른 각도로 배향된 겹들을 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 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다
섬유 겹들을 컨솔리데이션하여 섬유층 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 패브릭층이 함께 부착될 수 있으므로 불필요할 수 있다. 전형적으로, 컨솔리데이션은 겹들을 일원화 패브릭으로 합치기에 충분한 열 및 압력의 조건하에서 개별 섬유 겹들을 다른 개별 섬유 겹들상에 배치시킴으로써 수행된다. 컨솔리데이션은 약 50-175℃, 바람직하게 약 105-175℃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, 폴리머 바인더 코팅은 완전히 용융되지 않고 끈적거리거나 흐르게 될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 폴리머 바인더 재료(만일 용융가능한 것인 경우에)가 용융되는 경우에, 상대적으로 작은 압력이 복합체 형성에 필요하며, 한편으로 바인더 재료가 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 일반적으로, 복수의 직각 섬유 웹은 바인더 폴리머와 함께 "부착(glued)"되고, 플랫-베드 라미네이터를 통해 러닝되어 결합의 균일성 및 강도가 향상된다. 또한, 컨솔리데이션 및 폴리머 적용/결합 단계는 2개의 별도의 단계 또는 단일 컨솔리데이션/라미네이션 단계를 포함할 수 있다.
변형적으로, 컨솔리데이션은 적절한 몰딩 장치에서 열 및 압력하에 몰딩함으로써 달성될 수 있다. 일반적으로, 몰딩은 약 50psi(344.7kPa) 내지 약 5,000psi(34,470kPa), 보다 바람직하게 약 100psi(689.5kPa) 내지 약 3,000psi(20,680kPa), 가장 바람직하게 약 150psi(1,034kPa) 내지 약 1,500psi(10,340kPa)의 압력에서 수행된다. 몰딩은 변형적으로 약 5,000psi(34,470kPa) 내지 약 15,000psi(103,410kPa), 보다 바람직하게 약 750psi(5,171kPa) 내지 약 5,000psi, 그리고 보다 바람직하게 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 바람직하게 약 200℉ 내지 약 300℉의 온도에서 그리고 가장 바람직하게 약 200℉ 내지 약 280℉의 온도범위이다. 본 발명의 섬유층 및 패브릭 복합체가 전형적으로 몰딩되는 압력은 결과적으로 형성되는 몰딩 산물의 강성도 및 가요성에 직접적인 영향을 미친다. 보다 높은 압력에서의 몰딩은 일반적으로 특정 한계까지 보다 단단한 재료를 생성한다. 몰딩 압력에 부가적으로, 섬유 겹 및 폴리머 바인더 코팅 타입의 양, 두께 및 조성이 또한 복합체로부터 형성되는 물품의 강성도에 직접적으로 영향을 준다.
본 명세서에 기재된 각각의 몰딩 및 컨솔리데이션 기술은 유사하나, 각 공정은 다르다. 특히, 몰딩은 배치 공정이며, 컨솔리데이션은 일반적으로 연속 공정이다. 또한, 몰딩은 전형적으로, 평판을 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, 강성 플레이트와 같은 하드 방호물의 제조를 위해 유지된다. 어떠한 공정에서, 적절한 온도, 압력 및 시간은 일반적으로 폴리머 바인더 코팅 재료의 타입, 폴리머 바인더 함량, 사용되는 공정 및 섬유 타입에 따라 달라진다.
충분한 방탄 특성을 갖는 패브릭 물품을 제조하기 위해, 바인더/매트릭스 코팅의 총 중량은 섬유와 코팅의 중량의 약 2-50중량%, 보다 바람직하게 약 5-30중량%, 보다 바람직하게 약 7-20%, 그리고 가장 바람직하게 약 11-16중량%이며, 여기서 16중량%가 부직포에 대해 가장 바람직하다. 보다 낮은 바인더/매트릭스 함량이 직물에 적절하며, 여기서 섬유와 코팅의 중량의 0 초과 내지 10중량% 미만의 폴리머 바인더 함량이 전형적으로 가장 바람직하다. 이는 한정하려는 것은 아니다. 예를 들어, 페놀릭/PVB 함침된 직조된 아라미드 패브릭은 종종 약 20-30%의 보다 높은 수지 함량으로 제조되나, 약 12% 함량이 전형적으로 바람직하다.
섬유층들의 위빙 또는 컨솔리데이션 후에, 선택적인 열가소성 폴리머층이 통상적인 방법을 통해 섬유 복합체의 외부 표면 중 하나 또는 모두에 부착될 수 있다. 열가소성 폴리머층의 적절한 폴리머는 비제한적으로 열가소성 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 폴리아미드층이 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 입수가능한 SPUNFAB® 폴리아미드 웹(Keuchel Associates, Inc.에 의해 등록된 상표명), 뿐만 아니라 Protechnic S.A. of Cernay(France)로부터 입수가능한 THERMOPLASTTM 및 HELIOPLASTTM 웹, 네트 및 필름이 유용하다. 열가소성 폴리머층은 열 라미네이션과 같이 잘 알려진 기술을 사용하여 복합체 표면에 결합될 수 있다. 전형적으로, 라미네이팅은 개별층들을 일원화 필름으로 합치는데 충분한 열 및 압력의 조건하에 서로 위에 개별층들을 배치함으로써 수행된다. 개별층들은 서로 위에 배치되며, 그 다음 그 결합물을 당해 기술분야에 잘 알려진 기술에 의해 한 쌍의 가열 라미네이팅 롤러의 닙을 통해 통과시킨다. 라미네이션 가열은 약 95-175℃, 바람직하게 약 105-175℃ 범위의 온도에서, 약 5psig(0.034MPa) 내지 약 100psig(0.69MPa) 범위의 압력에서, 약 5초 내지 약 36시간, 바람직하게 약 30초 내지 약 24시간 동안 수행될 수 있다.
개별 패브릭/복합체/섬유층들의 두께는 개별 섬유들의 두께 및 패브릭에 편입된 섬유층들의 수와 상응할 것이다. 바람직한 직물은 층당 약 25㎛ 내지 약 600㎛, 보다 바람직하게 약 50㎛ 내지 약 385㎛, 그리고 가장 바람직하게 층당 약 75㎛ 내지 약 255㎛의 바람직한 두께를 가질 것이다. 바람직한 부직포, 즉, 부직, 단층, 컨솔리데이션된 망은 약 12㎛ 내지 약 600㎛, 보다 바람직하게 약 50㎛ 내지 약 385㎛, 그리고 가장 바람직하게 약 75㎛ 내지 약 255㎛의 바람직한 두께를 가질 것이며, 여기서 단층, 컨솔리데이션된 망은 전형적으로 2개의 컨솔리데이션된 겹(즉, 2개의 유니테이프)을 포함한다. 어느 열가소성 폴리머층은 바람직하게 매우 얇으며, 약 1㎛ 내지 약 250㎛, 보다 바람직하게 약 5㎛ 내지 약 25㎛, 그리고 가장 바람직하게 약 5㎛ 내지 약 9㎛의 바람직한 층 두께를 갖는다. SPUNFAB® 부직 웰과 같은 불연속 웹은 바람직하게 제곱 미터당 6g(gsm)의 평량(basis weight)으로 적용된다. 이러한 두께가 바람직하나, 다른 두께가 특정 요구를 충족하는데 생성될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위내에 여전히 포함된다.
본 발명의 패브릭/복합체는 컨솔리데이션/몰딩 전에 약 20 grams/m2(0.004 lb/ft2(psf)) 내지 약 1000 gsm(0.2 psf)의 바람직한 면 밀도를 가질 것이다. 컨솔리데이션/몰딩 전에 본 발명의 패브릭/복합체에 대한 보다 바람직한 면 밀도는 약 30 gsm(0.006 psf) 내지 약 500 gsm(0.1 psf) 범위일 것이다. 컨솔리데이션/몰딩 전에 본 발명의 패브릭/복합체에 대한 가장 바람직한 면 밀도는 약 50 gsm(0.01 psf) 내지 약 250 gsm(0.05 psf) 범위일 것이다. 서로 간에 위에 스태킹되고 컨솔리데이션된 다중 섬유층을 포함하는 본 발명의 물품은 약 1000 gsm(~0.2 psf) 내지 약 40,000 gsm(8.2 psf), 보다 바람직하게 약 2000 gsm(~0.41 psf) 내지 약 30,000 gsm(6.1 psf), 보다 바람직하게 약 3000 gsm(~0.61 psf) 내지 약 20,000 gsm(4.1 psf), 및 가장 바람직하게 약 3750 gsm(0.77 psf) 내지 약 15,000 gsm(3.1 psf)의 바람직한 복합체 면 밀도를 가질 것이다. 헬멧으로 성형된 복합체 물품에 대한 전형적인 범위는 약 7,500 gsm(1.54 psf) 내지 약 12,500 gsm(2.56 psf)이다.
본 발명의 패브릭은 잘 알려진 기술을 이용하여, 가요성, 연성 방호물 물품, 뿐만 아니라 강성의, 경질 방호물 물품을 포함하는 다양한 여러 가지 방탄성 물품을 형성하기 위해 다양한 적용에 사용될 수 있다. 예를 들어, 방탄성 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 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다. 상기 복합체는, 특히 경질 방호물 및 경질 방호물 물품을 제조하는 공정에서 형성되는 성형 또는 비성형 소조립 중간체를 형성하는데 유용하다. "경질(hard)" 방호물은, 현저한 양의 응력을 받았을 경우에, 구조적 강도를 유지하도록 충분한 기계적 강도를 가지며, 붕괴되지 않고 프리스탠딩할 수 있는, 헬멧, 군사 차량용 패널 또는 보호막과 같은 물품을 의미한다. 이러한 경질 물품은 바람직하게, 이에 한정하는 것은 아니나 고 인장 모듈러스 바인더 재료를 사용하여 형성된다.
구조물은 복수의 개별 시트로 잘려지고, 스태킹되어 물품으로 형성되거나, 또는 물품을 형성하는데 후속적으로 사용되는 전구체로 형성될 수 있다. 이러한 기술은 당해 기술분야에 잘 알려져 있다. 본 발명의 가장 바람직한 양태에서, 각각 컨솔리데이션된 복수의 섬유 겹을 포함하는 복수의 섬유층이 제공되며, 여기서, 열가소성 폴리머가, 복수의 섬유 겹을 컨솔리데이션하는 컨솔리데이션 단계 전, 도중 또는 후에, 각 섬유층의 적어도 하나의 외부 표면에 결합되며, 복수의 섬유층은 복수의 섬유층을 방호물 물품 또는 방호물 물품의 소조립체로 컨솔리데이션하는 또 다른 컨솔리데이션 단계에 의해 후속적으로 합쳐진다.
탄도 관통 저항성 및 백페이스 시그니처 모두를 포함하는 본 발명의 섬유 복합체의 방탄 특성은 당해 기술분야에 잘 알려진 기술에 따라 측정될 수 있다.
하기 실시예가 본 발명을 설명하는데 제공된다.
실시예 1-10
실시예 1-10에서는, 섬유 마감재가 제거되도록 세척하지 않고 그리고 플라즈마 처리하지 않고 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 물리적 특성을 측정하였다. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 동일한 스풀(spool)에서 실시예 1-30의 모두에 대해 섬유 샘플을 선택하였다. 10개의 제어 섬유 샘플에 대해, 섬유 데니어, 최대 스트레인에서의 섬유 로드(pounds force, lbf), 최대 로드에서의 퍼센트 스트레인, 섬유 강도(g/denier) 및 섬유의 초기 인장 모듈러스(g/denier)를 측정하였다. 결과를 표 1에 요약하며, 여기서 섬유는 제어 섬유 1-10으로 나타낸다.
실시예 샘플 ID 섬유
데니어		 최대에서의 로드
(lbf)		 최대에서의 스트레인
(%)		 섬유
강도
(g/denier)		 섬유의 초기 모듈러스
(g/denier)
1 제어 1 1290 117.10 3.698 41.2 1288
2 제어 2 1290 113.30 3.567 39.8 1285
3 제어 3 1290 111.60 3.600 39.3 1265
4 제어 4 1290 116.70 3.667 41.0 1270
5 제어 5 1290 102.60 3.167 36.1 1280
6 제어 6 1290 114.10 3.533 40.1 1295
7 제어 7 1290 106.80 3.433 37.5 1247
8 제어 8 1290 111.80 3.433 39.3 1298
9 제어 9 1290 107.10 3.233 37.7 1286
10 제어 10 1290 100.30 3.167 35.3 1245
평균 1290 106.4 3.28 37.4 1276
실시예 11-20
실시예 11-20에서는, 섬유 마감재가 실질적으로 제거되도록 세척하였지만 플라즈마 처리하지 않은 후에 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 물리적 특성을 측정하였다. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 동일한 스풀(spool)에서 실시예 1-30의 모두에 대해 섬유 샘플을 선택하였다.
마감재를 제거하기 위해, 약 18초의 대략적인 체류 시간으로, 탈이온수를 함유하는 프리-소크 워터 배스(pre-soak water bath)를 통해 섬유를 직접 통과시켰다. 프리-소크 워터 배스를 나온 후에, 30개의 워터 노즐의 뱅크에 의해 섬유를 린스하였다. 각 워터 노즐의 수압은 노즐 당 대략 0.5 gallons/minute의 물 유속으로 대략 42 psi이었다. 노즐을 나온 물은 비교적 평평한 스트림으로 형성되었고, 섬유 상에서 물의 접촉 각도는 인접 노즐로부터 방출된 스트림의 입사각에 대해 0°또는 30°이었다. 수온은 28.9℃로 측정되었다. 워터 노즐의 뱅크를 통한 라인 속도는 대략 12 ft/min이었다. 적셔진 배스 내의 물 및 노즐에 전달된 물은 먼저 별도의 탈이온화 시스템을 통과시켜서 탈이온화되었다. 그 후, 세척된 섬유를 건조하고 분석하였다.
10개의 세척된 섬유 샘플에 대해, 섬유 데니어, 최대 스트레인에서의 섬유 로드, 최대 로드에서의 퍼센트 스트레인, 섬유 강도 및 섬유 초기 인장 모듈러스를 측정하였다. 결과를 표 2에 요약하며, 여기서 섬유는 세척된 섬유 1-10으로 나타낸다.
실시예 샘플 ID 섬유
데니어		 최대에서의 로드
(lbf)		 최대에서의 스트레인
(%)		 섬유
강도
(g/denier)		 섬유 인장 모듈러스
(g/denier)
11 세척 1 1290 110.70 3.366 38.9 1303
12 세척 2 1290 109.90 3.366 38.6 1317
13 세척 3 1290 101.20 2.934 35.6 1303
14 세척 4 1290 101.10 3.033 35.6 1299
15 세척 5 1290 100.50 3.000 35.3 1301
16 세척 6 1290 99.69 2.934 35.1 1286
17 세척 7 1290 99.46 2.967 35.0 1301
18 세척 8 1290 92.46 2.800 32.5 1275
19 세척 9 1290 98.12 2.967 34.5 1280
20 세척 10 1290 110.40 3.300 38.8 1289
평균 1290 100.3 3.02 35.3 1281
실시예 21-30
실시예 21-30에서는, 섬유 마감재가 실질적으로 제거되도록 세척한 다음, 이어서 플라즈마 처리도 한 후에 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 물리적 특성을 측정하였다. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 동일한 스풀(spool)에서 실시예 1-30의 모두에 대해 섬유 샘플을 선택하였다.
실시예 11-20에 대해 기술된 공정에 따라 섬유 마감재를 실질적으로 제거하였다. 플라즈마 처리기 내에서 대략 2.5초의 섬유의 체류 시간을 가지며, 1.5kW의 전력으로 설정된 플라즈마 처리기로, 대략 12 ft/min의 라인 속도에서 대기 플라즈마 처리기(모델: 29 인치 폭의 전극을 갖는, Enercon Industries사의 Enercon Plasma3 Station Model APT12DF-150/2)를 통해, 세척된 섬유를 연속적으로 통과시켜서 플라즈마 처리를 수행하였다. 90%의 아르곤 가스 및 10%의 산소의 분위기에서의 표준 대기압(760 torr) 하에서 처리를 수행하였다.
10개의 세척된 섬유 샘플에 대해, 섬유 데니어, 최대 스트레인에서의 섬유 로드, 최대 로드에서의 퍼센트 스트레인, 섬유 강도 및 섬유 초기 인장 모듈러스를 측정하였다. 결과를 표 3에 요약하며, 여기서 섬유는 W&P 섬유(세척되고 플라즈마 처리된 섬유) 1-10으로 나타낸다.
실시예 샘플 ID 섬유
데니어		 최대에서의 로드
(lbf)		 최대에서의 스트레인
(%)		 섬유
강도
(g/denier)		 섬유 초기 모듈러스
(g/denier)
21 W&P 1 1290 112.10 3.366 39.4 1293
22 W&P 2 1290 104.00 3.200 36.6 1268
23 W&P 3 1290 110.40 3.233 38.8 1291
24 W&P 4 1290 110.60 3.333 38.9 1325
25 W&P 5 1290 106.20 3.100 37.3 1309
26 W&P 6 1290 108.30 3.167 38.1 1297
27 W&P 7 1290 111.70 3.366 39.3 1306
28 W&P 8 1290 100.90 2.934 35.5 1293
29 W&P 9 1290 107.70 3.133 37.9 1311
30 W&P 10 1290 113.50 3.300 39.9 1328
평균 1290 107.4 3.12 37.8 1311
결론:
전체적으로, 실시예 1-30는 섬유 마감재를 실질적으로 제거하도록 섬유를 세척한 이후 플라즈마 처리된 섬유는 처리 전 후에 대략적으로 동일한 물리적 특성을 가지고 있음을 나타낸다. 특히, 결합된 처리는 대략적으로 섬유 강도에 손실을 초래하지 않으며, 많은 경우에 초기 인장 모듈러스를 증가시켰다.
섬유 특성의 평균에 기초할 때, 실시예는, 플라즈마 처리 전에 섬유를 세척하는 경우, 대략 1%의 강도 이득 및 대략 2.7%의 초기 인장 모듈러스 증가를 나타낸다. 강도 및 초기 인장 모듈러스의 증가는, 예를 들어 섬유 표면 마감재를 통해서 보다는 섬유 표면 상에 직접적으로 플라즈마 처리에 의한 섬유 표면에서의 폴리머 사슬의 가교로부터 발생할 수 있다.
비교예 1-6
비교예 1-6에서는, 플라즈마 처리 전에 섬유 마감재를 제거하기 위한 세척을 하지 않고, 플라즈마 처리한 후에 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 물리적 특성을 측정하였다. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 동일한 스풀에서 비교예 1-6의 모두에 대해 섬유 샘플을 선택하였다.
3개의 제어 섬유 샘플 및 3개의 플라즈마 처리된 샘플에 대해, 섬유 데니어, 최대 스트레인에서의 섬유 로드, 최대 로드에서의 퍼센트 스트레인, 섬유 강도 및 섬유의 초기 인장 모듈러스를 측정하였다. 플라즈마 처리기 내에서 대략 1.4분의 섬유의 체류 시간을 가지며, 250W의 전력으로 설정된 플라즈마 처리기로, 대략 10 m/min의 라인 속도에서 저압 플라즈마 처리기(Plasmatreat US LP of Elgin, IL로부터 상업적으로 입수가능한 Plasma Science Model PS 1010; 챔버를 나오기 전에 단일 섬유가 플라즈마 분위기를 여러번 통과할 수 있도록 개질됨)를 통해, 세척된 섬유를 연속적으로 통과시켜서 플라즈마 처리를 수행하였다. 90%의 아르곤 가스 및 10%의 산소의 분위기에서의 400 milliTorr의 압력에서 처리를 수행하였다. 결과를 표 4 및 표 5에 요약한다.
예 샘플 ID 플라즈마 처리 라인 속도 플라즈마
가스		 플라즈마 전력
비교예 1 제어 A 없음 N/A N/A N/A
비교예 2 제어 B 없음 N/A N/A N/A
비교예 3 제어 C 없음 N/A N/A N/A
비교예 4 플라즈마 A 있음 10 m/min 90% 아르곤;
10% 산소		 250 W
비교예 5 플라즈마 B 있음
 10 m/min 90% 아르곤;
10% 산소		 250 W
비교예 6 플라즈마 C 있음 10 m/min 90% 아르곤;
10% 산소		 250 W
예 샘플 ID 섬유
데니어		 최대에서의 로드
(lbf)		 최대에서의 스트레인 (%) 섬유
강도
(g/denier)		 섬유의 초기 모듈러스
(g/denier)
비교예
1		 제어 A 1268 108.60 3.227 38.9 1269
비교예
2		 제어 B 1253 108.50 3.250 39.3 1281
비교예
3		 제어 C 1250 106.30 3.133 38.6 1284
평균 1257 107.8 3.20 38.9 1278
비교예
4		 플라즈마 A 1274 90.44 2.563 32.2 1313
비교예
5		 플라즈마B 1262 89.41 2.567 32.1 1316
비교예
6		 플라즈마 C 1274 88.78 2.470 31.6 1303
평균 1270 89.5 2.53 32.0 1311
결론:
전체적으로, 비교예 1-6은 섬유 마감재를 실질적으로 제거하도록 섬유를 먼저 세척하지 않고 플라즈마 처리된 섬유는 플라즈마 처리로 인한 섬유 강도의 상당한 손실, 섬유 평균을 기초로 대략 17%의 강도 손실이 있음을 나타낸다. 이는 특히 대기압에서 실시예 1-30(즉, 1.5 kW)에서의 플라즈마 처리에 대하여, 저압의 비교예 1-6(즉, 250W)에서 실질적으로 보다 덜 공격적인 플라즈마 처리 레벨에 대하여 개시하고 있다.
실시예 31
대략 45g/d의 섬유 강도를 갖는 단방향으로 배향되고, 실질적으로 평행한 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 4겹을 결합하여, 4겹의 부직 복합체를 제조하였다.
겹을 형성하기 전에, 섬유 마감재를 실질적으로 제거하기 위해 섬유를 세척하고, 이어서 플라즈마 처리하고 건조하였다. 섬유 마감재를 제거하기 위해, 복수의 멀티필라멘트 섬유를 복수의 섬유 스풀(멀티 필라멘트 섬유 당 하나의 스풀)로부터 풀고, 그 다음 섬유를 균일하게 이격된 섬유 웹으로 조직화하기 위해 고정된 콜리메이팅 콤(comb)을 통과시켰다. 그 후, 약 18초의 대략적인 체류 시간으로, 탈이온수를 함유하는 프리-소크 워터 배스를 통해 섬유 웹을 직접 통과시켰다. 프리-소크 워터 배스를 나온 후에, 30개의 워터 노즐의 뱅크에 의해 섬유를 린스하였다. 각 워터 노즐의 수압은 노즐 당 대략 0.5 gallons/minute의 물 유속으로 대략 42 psi이었다. 노즐을 나온 물은 비교적 평평한 스트림으로 형성되었고, 섬유 상에서 물의 접촉 각도는 인접 노즐로부터 방출된 스트림의 입사각에 대해 0°또는 30°이었다. 수온은 28.9℃로 측정되었다. 프리-소크 워터 배스를 통한 라인 속도 및 워터 노즐의 뱅크를 통한 라인 속도는 약 4 m/min 내지 약 20 m/min의 범위였다. 프리-소크된 배스 내의 물 및 노즐에 전달된 물은 먼저 별도의 탈이온화 시스템을 통과시켜서 탈이온화되었다. 그 다음, 세척된 섬유를 건조하고 추가 공정을 위해 이송하였다.
1.5kW의 전력으로 설정된 플라즈마 처리기로, 대략 12 ft/min의 속도에서 대기 플라즈마 처리기(모델: 29 인치 폭의 전극을 갖는, Enercon Industries사의 Enercon Plasma3 Station Model APT12DF-150/2)를 통해, 세척된 섬유의 29 인치 폭의 웹을 연속적으로 통과시켜서 플라즈마 처리를 수행하였다. 섬유에 인가된, 와트 밀도로 측정된, 2000W/(29 인치 x 12-FPM) 또는 67 Watts/ft2/min의 전력이 섬유의 면적에 걸쳐 분배되었다. 플라즈마 처리기 내에서 섬유의 체류 시간은 대략 2.5초였다. 표준 대기압 하에서 처리를 수행하였다. 플라즈마 처리 후의 섬유 강도는 대략 45g/d이었다.
그후, 1100 psi의 모듈러스를 갖는 지방족, 음이온 폴리우레탄 분산액으로 섬유를 코팅하였다. 각각의 겹은, 그 겹에 대해 대략 16중량%의 수지 함량을 가졌다. 4개의 겹은 각 겹의 세로의 섬유 방향에 대해 0°/90°/0°/90°로 배향되었다. 4겹 복합체는 대략 35 gsm의 섬유 면적 밀도(겹당) 및 대략 42 gsm의 각 겹의 총 면적 밀도를 가졌고, 최종 제품의 FAD 및 TAD는 각각 140 gsm 및 167 gsm이 되었다.
실시예 32
실시예 31의 복합체를 통합된 2.0 psf 샘플로 제조하고, 실온에서 백페이스 시그니처 및 V50에 대해 시험하였다. 주위 실온에서 16-Grain RCC 발사체에 대한 평균 V50 값은 3621 feet/second이었다. 동일한 16-그레인 RCC 발사체에 대한 주위 실온에서의 평균 BFS는, 복합체의 후면과 클레이 백킹 재료(clay backing material)의 사이에 1/2 인치의 공기 갭으로 측정되었을 때, 3 mm이었다.
백페이스 시그니처 측정
백페이스 시그니처는, 공동 계류 중인 특허 출원 제61/531,233호에 기술된 장치를 사용하여 측정하였다. 복합체 물품과 클레이 블록 사이에 커스텀 머신드 스페이서 요소(custom machined spacer element)를 삽입하여, 복합체를 클레이 블록으로부터 1/2 인치(12.7 mm)의 간격을 두었다. 커스텀 머신드 스페이서 요소는 보더(border)를 갖는 요소 및 상기 보더에 의해 한정된 내부 캐비티(interior cavity)를 포함하였고, 클레이는 캐비티를 통해 노출되고, 스페이서는 클레이의 전면(front surface)과 직접 접촉하여 배치되었다. 스페이서의 내부 캐비티에 대응하는 목표 위치에서 복합체 물품에 발사체를 발사하였다. 발사체는 스페이서의 내부 캐비티에 대응하는 위치에서 복합체 물품에 충격을 가하고, 각 발사체 충격은 클레이에서 측정가능한 디프레션(depression)을 일으켰다. 3mm의 BFS 측정은 스페이서 요소의 깊이를 고려하지 않고 이 방법에 따라 클레이에서 디프레션의 깊이를 의미하며, 즉 BSF 측정은 복합체와 클레이 사이의 실제 거리를 포함하지 않는다.
V 50 측정
V50 데이터는, 특히 16-그레인 RCC 발사체에 대한 국방부의 시험 방법 표준 MIL-STD-662F의 조건에 따라, 관습적으로 알려진 표준 기술 하에서 수행하여 얻어졌다.
실시예 33-38
다른 바인더 수지로 추가적인 2.0 psf 샘플을 제조하기 위해, 실시예 31 및 32을 반복하였다. 실온에서 백페이스 시그니처 및 V50에 대해 복합체를 시험하였고, 그 결과는 표 6에 요약되어 있다. 실시예 36-38의 경우, 실시예 31의 플라즈마 처리 대신에 코로나 처리를 수행하였다. 2kW의 전력으로 설정된 코로나 처리기로, 대략 15 ft/min의 속도에서 30 인치 폭의 전극을 갖는 코로나 처리기를 통해 세척된 섬유의 웹을 연속적으로 통과시킴으로써, 코로나 처리를 수행하였다. 코로나 필드 내에서 섬유의 체류 시간은 대략 2초였다. 표준 대기압 하에서 처리를 수행하였다.
실시예 처리 수지 수지
모듈러스
@ 100%
신장율 (psi)		 평균 V50 평균 BFS
32 세척 & 플라즈마 지방족 폴리에테르계
폴리우레탄		 1100 3621 3.0
33 세척 & 플라즈마 수성 폴리우레탄 분산액 725 3533 6.75
34 세척 & 플라즈마 수성 폴리우레탄 분산액 2900 3487 2.25
35 세척 & 플라즈마 지방족 폴리에테르계
폴리우레탄		 1100 3459 3.5
36 세척 & 코로나 수성 폴리우레탄 분산액 2900 3287 3.75
37 세척 & 코로나 수성 폴리우레탄 분산액 725 3349 5.25
38 세척 & 코로나 지방족 폴리에테르계
폴리우레탄		 1100 3223 2.625
실시예 39
실시예 31의 복수의 복합체를 복수의 21"x 21" 사각형으로 절단한다. 복수의 사각형을 하나 이상의 탄도 쉘(ballistic shells)로 제조하고, 탄도 쉘을 강화된 전투 헬맷으로 제조한다. 각 탄도 쉘의 중량은 대략 2.8 lbs(~2.24 psf)이다. 헬멧의 외부에 폴리머계 외부 표면 코팅 또는 두꺼운 막이 있고, 헬멧의 내부에 직조된 폴리에틸렌계 직물(예를 들어, 1200 denier를 결합한 패브릭 스타일 903, S900 SPECTRA® 폴리에틸렌 섬유; 21 x 21 ends/inch (ends/2.54 cm)의 픽(pick) 수를 갖는 평직; 7 oz/yd2(217 g/m2 (gsm))의 면적 무게)이 있다. 헬멧은 임의적으로 패드 및 현탁액으로 마무리된다.
실시예 40
단방향으로 배향되고, 실질적으로 평행한 45 g/d 섬유의 4겹을 결합하여 4겹 부직 복합체를 제조하였다. 섬유를 세척해서 섬유 마감재를 실질적으로 제거하고, 이어서 플라즈마 처리하고 건조하였다. 플라즈마 처리 이후 섬유 강도는 45 g/d이었다. 그 후, 1100 psi의 모듈러스를 갖는 지방족, 음이온 폴리우레탄 분산액으로 섬유를 코팅하였다. 각각의 겹은 겹에 대해 대략 16중량%의 수지 함량을 가졌다. 4개의 겹은 각 겹의 세로의 섬유 방향에 대해 0°/90°/0°/90°로 배향되었다. 4겹 복합체는 대략 53 gsm의 섬유 면적 밀도(겹당) 및 대략 64 gsm의 각 겹의 총 면적 밀도를 가졌다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 구체적으로 나타내고 설명하였지만, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 다양한 변경 및 변형이 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 쉽게 이해할 것이다. 특허청구범위는 개시된 실시예, 상기 논의된 이들의 대체물 및 이에 대한 모든 등가물을 포함하는 것으로 해석되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 플라즈마 처리에 의해 개질되거나 코로나 처리에 의해 개질된 개질 고강도 섬유를 제조하는 방법으로서, 상기 개질 고강도 섬유는 주위 실온에서 적어도 약 33g/denier의 강도를 가지며, 상기 방법은
    a) 주위 실온에서 적어도 약 33g/denier의 강도를 갖는 고강도 섬유를 제공하는 단계로서, 상기 섬유는 섬유 표면을 갖고, 상기 섬유 표면은 섬유 표면 마감재(fiber surface finish)에 의해 적어도 부분적으로 덮이거나, 상기 섬유는 실질적으로 섬유 표면 마감재가 없는, 고강도 섬유의 제공 단계;
    b) 상기 섬유 표면이 섬유 표면 마감재에 의해 적어도 부분적으로 덮이는 경우, 상기 섬유 표면으로부터 상기 섬유 표면 마감재의 적어도 일부를 제거하는 단계; 및
    c) 고강도 섬유를 개질하는데 효과적인 조건 하의 비진공 압력으로 유지된 챔버 내에서, 상기 고강도 섬유를 플라즈마 처리 또는 코로나 처리하는 단계;
    이에 의해, 플라즈마 처리에 의해 개질되거나 코로나 처리에 의해 개질된 개질 고강도 섬유를 제조하는 단계로서, 상기 개질 고강도 섬유가 주위 실온에서 적어도 약 33g/denier의 강도를 갖는, 개질 고강도 섬유의 제조단계를 포함하는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    단계 c)의 처리는 대기압으로 유지된 챔버에서 수행되는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 표면 마감재는, 상기 섬유를 물로 세척함으로써, 상기 섬유의 표면으로부터 적어도 부분적으로 제거되는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    단계 c)의 처리는 플라즈마 처리이고,
    복수의 섬유들이 약 100 W/ft2/min 이하의 플라즈마 에너지 플럭스로 플라즈마 처리되는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    단계 c)의 처리는 플라즈마 처리이고,
    복수의 섬유들이 약 20 W/ft2/min 이하의 플라즈마 에너지 플럭스로 플라즈마 처리되는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 표면 마감재는 상기 섬유의 표면으로부터 부분적으로만 제거되는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 표면 마감재는 상기 섬유의 표면으로부터 실질적으로 또는 완전히 제거되는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    단계 c)의 처리는 대기압으로 유지된 챔버에서 수행되는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    단계 c)의 처리는 플라즈마 처리이고,
    복수의 섬유들이 약 100 W/ft2/min 이하의 플라즈마 에너지 플럭스로 플라즈마 처리되는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    단계 c)의 처리는 플라즈마 처리이고,
    복수의 섬유들이 약 20 W/ft2/min 이하의 플라즈마 에너지 플럭스로 플라즈마 처리되는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 표면 마감재는 상기 섬유의 표면으로부터 실질적으로 또는 완전히 제거되고,
    단계 c)의 처리는 대기압으로 유지된 챔버에서 수행되고,
    단계 c)의 처리는 플라즈마 처리이고,
    복수의 섬유들이 약 100 W/ft2/min 이하의 플라즈마 에너지 플럭스로 플라즈마 처리되는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 표면 마감재는 상기 섬유의 표면으로부터 실질적으로 또는 완전히 제거되고,
    단계 c)의 처리는 대기압으로 유지된 챔버에서 수행되고,
    단계 c)의 처리는 플라즈마 처리이고,
    복수의 섬유들이 약 20 W/ft2/min 이하의 플라즈마 에너지 플럭스로 플라즈마 처리되는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    단계 a)는 주위 실온에서 적어도 약 37g/denier의 강도를 갖는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMW PE) 섬유를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 섬유 표면은 섬유 표면 마감재에 의해 적어도 부분적으로 덮이고,
    개질 고강도 UHMW PE 섬유는 주위 실온에서 적어도 약 37g/denier의 강도를 갖는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    단계 a)는 주위 실온에서 적어도 약 37g/denier의 강도를 갖는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMW PE) 섬유를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 섬유 표면은 섬유 표면 마감재에 의해 적어도 부분적으로 덮이고,
    개질 고강도 UHMW PE 섬유는 주위 실온에서 적어도 약 37g/denier의 강도를 갖는,
    개질 고강도 섬유의 제조 방법.
  15. 실질적으로 평행 배열로 정렬된, 제11항의 개질 고강도 섬유로부터 형성된 섬유 겹.
  16. 복수의 제11항의 개질 고강도 섬유로부터 형성된 패브릭.
  17. 복수의 제11항의 개질 고강도 섬유 및
    상기 개질 고강도 섬유의 적어도 일부에 적어도 부분적으로 코팅된 폴리머 바인더 재료를 포함하는, 섬유 복합체.
  18. 제17항의 섬유 복합체로부터 형성된 물품.
  19. 플라즈마 처리에 의해 개질되거나 코로나 처리에 의해 개질된 개질 폴리머 섬유를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은
    a) 폴리머 섬유를 제공하는 단계로서, 상기 섬유는 섬유 표면을 갖고, 상기 섬유 표면은 섬유 표면 마감재(fiber surface finish)에 의해 적어도 부분적으로 덮이거나, 상기 섬유는 실질적으로 섬유 표면 마감재가 없는, 폴리머 섬유의 제공 단계;
    b) 상기 섬유 표면이 섬유 표면 마감재에 의해 적어도 부분적으로 덮이는 경우, 상기 섬유 표면으로부터 상기 섬유 표면 마감재의 적어도 일부를 제거하는 단계; 및
    c) 폴리머 섬유를 개질하는데 효과적인 조건 하의 비진공 압력으로 유지된 챔버 내에서, 상기 폴리머 섬유를 플라즈마 처리 또는 코로나 처리하는 단계;
    이에 의해, 플라즈마 처리에 의해 개질되거나 코로나 처리에 의해 개질된 개질 섬유를 제조하는 단계를 포함하는,
    개질 폴리머 섬유의 제조 방법.
  20. 플라즈마 처리에 의해 개질되거나 코로나 처리에 의해 개질된 개질 폴리머 섬유를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은
    a) 섬유 표면의 적어도 일부가 노출되어 섬유 표면 마감재(fiber surface finish)에 의해 덮이지 않도록, 섬유 표면 마감재가 적어도 부분적으로 없는 표면을 갖는 고분자 섬유를 제공하는 단계; 및
    c) 폴리머 섬유를 개질하는데 효과적인 조건 하의 비진공 압력으로 유지된 챔버 내에서, 상기 폴리머 섬유를 플라즈마 처리 또는 코로나 처리하는 단계;
    이에 의해, 플라즈마 처리에 의해 개질되거나 코로나 처리에 의해 개질된 개질 섬유를 제조하는 단계를 포함하는,
    개질 폴리머 섬유의 제조 방법.
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