KR20140132339A - 내탄도성 물품, 내탄도성 물품을 위한 반제품 및 내탄도성 물품을 위한 셸의 제조 방법 - Google Patents

내탄도성 물품, 내탄도성 물품을 위한 반제품 및 내탄도성 물품을 위한 셸의 제조 방법 Download PDF

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게라르두스 얀세
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데이진 아라미드 비.브이.
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Abstract

본 발명은 지향성 대탄도성(anti-ballistic) 재료층들(6)로 구성되는 스택(5)을 순차적으로 구비하는 이중 곡면 셸(2)을 포함하는, 헬멧과 같은, 내탄도성 물품(1)에 관한 것으로서, 상기 층들(6)은 하나 이상의 플라이들을 포함하며 복수의 절삭부들(7)을 가지며, 상기 절삭부들의 단부들은 중앙 다각형체(8) 및 상기 다각형체(8)로부터 연장하는 로브들(10)을 한정한다. 상기 스택(5)은 적어도 10회 순환적으로 엇갈리는 층들(6)을 포함하며, 대부분의 연속 층들(6)에 대해, 상기 플라이들에서의 재료의 배향 또는 상기 플라이들 중 적어도 하나에서의 재료의 배향은 연속 층(6)의 플라이들에서의 재료의 배향 또는 연속 층(6)의 플라이들 중 적어도 하나에서의 재료의 배향에 대해 90° ± 30°의 각도(α1) 초과로 순환적으로 엇갈린다.

Description

내탄도성 물품, 내탄도성 물품을 위한 반제품 및 내탄도성 물품을 위한 셸의 제조 방법{BALLISTIC RESISTANT ARTICLE, SEMI-FINISHED PRODUCT FOR AND METHOD OF MAKING A SHELL FOR A BALLISTIC RESISTANT ARTICLE}
본 발명은 헬멧과 같은 내탄도성 물품에 관한 것이며, 상기 내탄도성 물품은 지향성 대탄도성(anti-ballistic) 재료층들로 구성된 스택을 순차적으로 구비하는 이중 곡면 셸(double curved shell)을 포함하고, 상기 층들은 각각 하나 이상의 플라이를 포함하며 복수의 절삭부들을 가지며, 상기 절삭부들의 단부들은 중앙 다각형체 및 상기 다각형체로부터 연장하는 로브들을 한정하고, 상기 스택은 일반적으로 상기 다각형체의 중앙을 통해 연장하는 축에 대해 회전되는 순환적으로 엇갈린 층들을 포함한다. 본 발명은 또한 내탄도성 물품을 위한 반제품 및 내탄도성 물품을 위한 셸을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다 .
종래로부터, 헬멧과 같은 내탄도성 이중 곡면 물품들은 패턴 몰딩 기술 또는 인발/열 성형 기술을 사용하여 제조된다. 양쪽 공정들은 중합체 매트릭스에 매설된 대탄도성 섬유들로 구성되는 스택 층들의 셸을 야기한다(~15-25 %w/w). 이어서, 상기 스택은 압축 몰딩 및 중합체 매트릭스, 예를 들면 열경화성 수지, 예컨데, 페놀 수지, 또는 열가소성 퓨즈에 의해 통합된 실체로 강화된다. 매트릭스 융합에 의해, 고 매트릭스 함유량 및 저 섬유 및 플라이 치수, 폴딩과 같은 불규칙성, 오버랩 및 갭들은 안정되며, 상기 갭들은 충분한 드래이프성(drapability)을 용이하게 하기 위해 패턴 절삭부들에 의해 도입된다. US 2011/0159233에 공개된 인발 성형은 패턴 몰딩과 비교할 때 불규칙한 형성을 감소시키나, 오직 실제로 융해 온도 미만의 온도 웰(temperature well)에서 인발될 수 있는 보강 요소들과 함께만 실현 가능하다. 양쪽 기술들은 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유들을 사용하여 성공적으로 응용될 수 있다.
예를 들어 UHMWPE를 사용하는, 최근 진보된 높은 강도와 높은 모듈성 테이프들의 발전은 단지향성 플라이들(또한 "UDs"로서 언급됨), 크로스 플라이들(또한 "X-plies"로서 언급됨), 및 특히 층들의 스택을 강화하도록 요구되는 저 매트릭스 (접착제) 함유량(<8 %w/w)으로부터 발생하는 특출한 대탄도성 성능의 테이프 직물을 야기한다. 그러나, 특히 UD, 크로스 플라이 및 섬유 레벨 상에서, UHMWPE 테이프들의 기하학적으로 유발된 강직성은 일단 이중 곡면 물체들에 또는 그 둘레에 드레이프(drape)되면 플라이들 및 테이프들의 제어 불가능한 주름을 수반한다. 몰딩 동안, 일반적으로 섬유보다 큰 치수를 갖는 보강 요소들은 큰 길이 규모 상에서 제약된다. 결론적으로, 또한 인발 성형에서 발생할 수 있는 불규칙성은 몰딩 하에서 지속되고, 결국 낮은, 제어 불가능한 불균일성 대탄도성 성능을 유발시킨다. 또한, 대부분의 테이프들의 분자 구성은 융해 온도 미만의 온도 웰에서 인발 형성을 방해한다.
EP 585 793은 적어도 2개의 프리프레그 층(prepreg layer)을 각각 포함하는 복수의 프리프레그 패킷들을 포함하는 예를 들면 헬멧과 같은 내관통성 물품에 관한 것이며, 여기서 상기 층들은 중합체 매트릭스의 섬유성 네트워크로 구성되고, 상기 프리프레그 층들은 인접 층들의 인접면들을 접착시키기에 충분한 온도와 압력으로 프리프레그 패킷들 내로 예비 압축되었다.
WO 03/074962는 수지 함침 섬유의 시트로부터 복수의 대체로 장방형인 바람직하게는 정방형인 블랭크들을 절삭하는 단계와, 크라운부(5)와 로브부(3)를 형성하기 위해 각각의 블랭크에 곡면 절삭부들(WO 03/074962의 도면들에서 도면부호 1로 표시됨)을 제조하는 단계와, 상기 시트들의 스택을 헬멧 예비 성형품 내에 배열하여, 어떠한 블랭크의 로브 부분들이 동일한 블랭크의 인접한 로브 부분들과 중첩되게 하는 단계, 및 상기 예비 성형품으로부터 헬멧을 성형하는 단계를 포함하는 헬멧 제조 방법에 관한 것이다.
US 3,582,990는, 헬멧 형상으로 절삭되고 봉제된 상대적으로 경량인 직물로 된 엔벨로프가 각각 헬멧의 형상으로 절삭 및 공제되고 또한 조립체를 형성하기 위해 라인 밖에 이음매들을 갖는 주변 둘레에 함께 시침질되는 제직 탄도성 직물의 복수의 적층체 조리체를 수용하는, 보호 헬멧을 위한 탄도성 커버에 관한 것이다.
WO 2009/047795는 복수의 헬멧 예비 성형품들을 포함하는 무볼트 헬멧에 관한 것이다. 상기 복수의 예비 성형품들 중 적어도 하나의 외부 예비 성형품은 복수의 슬롯들을 포함한다.
US 2011/0023202는 프리프레그 시트 스톡으로부터 복수의 플라이 형상들을 절삭하는 단계, 및 2 내지 8의 절삭 플라이들로 구성된 서브조립체를 형성하기 위해 프리프레그 플라이 형상들을 시침질하는 단계를 포함하는 복합 적층체 제조 방법에 관한 것이다. 상기 조립체는 적어도 2개의 상이한 플라이 형상들을 추가로 포함한다.
GB 2 196 833은, 몸체를 형성하는 플라이들 각각이 탄도성 천으로부터 절삭되는 6각형 블랭크로 제조되고 또한 중앙 영역을 형성하기 위해 그의 정점들로부터 중앙을 향해 연장하는 슬릿들 및 상기 중앙 영역으로부터 연장하는 세그먼트들과 함께 제공되는, 탄도성 헬멧 제조 방법에 관한 것이다.
US 5,112,667는 내충격성 복합 셸을 포함하는 내충격성 헬멧에 관한 것이다. 상기 복합 셸은 복수의 프리프레그 패킷들을 포함한다. 각각의 프리프레그 패킷은 적어도 약 2 및 적합하게는 5 내지 20 프리프레그 층들을 포함한다. 2 내지 50 및 적합하게는 5 내지 20의 프리프레그 패킷들이 존재한다. 각각의 프리프레그 층은 중합체 매트릭스에 매설된 복수의 단지향성 공면 섬유들을 포함한다. 상기 프리프레그 패킷들에서 인접한 층들의 섬유들은 서로 45° 내지 90°도, 적합하게는 약 90°의 각도를 갖는다. 상기 프리프레그 패킷들은 초기에는 편평하며, 상기 프리프레그 패킷이 셸의 형상으로 형성되도록 하기 위한 패턴들로 절삭된다. 상기 패턴은 상기 셸의 형상으로의 형성하에 상기 프리프레그 패킷들이 실제로 어떠한 주름들도 갖지 않도록 절삭된다. 상기 프리프레그 패킷들은 상기 셸 내에 형성되는 절삭부 또는 에지들을 갖는다. 상기 에지들은 상기 패킷이 3차원 셸의 형상으로 형성될 때 이음매를 형성하기 위해 실제 함께 합친다. 상기 셸 내에 형성된 인접한 패킷들은 인접한 패턴들의 이음매들에 대한 중복을 회피하기 위해 상기 패턴 상의 상이한 위치들에 형성된 날줄 절삭부(meridial cut)들을 갖는다.
본 발명의 목적은 개선된 내탄도성 물품을 제공하는 것이다.
이를 위해, 상기 스택은 적어도 10회 순환적으로 엇갈리는 층들(6)을 포함하며, 즉 적어도 10개의 층들이 대응하는 수의 엇갈린 (상이한) 회전 위치들에 위치하며, 대부분의 연속 층들에 대해, 일반적으로 상기 층들(에 위치한 플라이들)에 위치한, 상기 플라이들에 또는 상기 플라이들 중 적어도 하나에 위치한 섬유들 또는 테이프들의 배향에 대응하는 상기 재료의 배향은 연속 층의 플라이들에서의 또는 상기 연속 층의 플라이들 중 적어도 하나에서의 재료의 배향에 대해 90° ± 30°의 각도(α1) 초과로 순환적으로 엇갈리며, 즉 상기 배향들은 60° 내지 120°, 적합하게는 90° ± 20°, 적합하게는 90° ± 10° 범위로 상호 각도에 있게 된다.
일 실시예에 있어서, 상기 층들 사이의 각도(α2)는 20° 미만, 적합하게는 10° 미만이며, 또한 적합하게도 다음의 식:
((P x 360°) / (N x M)) ± 30%, 적합하게는 ± 20%, 적합하게는 ± 10%와 같으며,
여기서 P는 정수, N은 층의 수 그리고 M은 각각의 층들에서의 절삭부의 수이다.
연속 층들에서의 재료의 배향과 셸 주변 위의 절삭부들의 평균 분배 사이의 90° ± 30° 각도의 조합은 스택을 3차원 셸로 전환시킬 때, 2차원 스택의 탄도성 특성을 크게, 특히 SEA50으로 연장 지속시킬 수 있다. 즉 상기 셸의 대탄도성 특성들은 동일한 조건 하에서 동일한 스택으로부터 형성된 플레이트의 특성에 근접하거나 또는 플레이트의 특성을 훨씬 초과할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 연속 층들의 적어도 70%, 적합하게는 적어도 80%, 더욱 적합하게는 적어도 90%, 적합하게는 95%가 상기 각도(α2) 초과로 서로에 대해 순환적으로 엇갈리며, 또한 적합하게도 스트라이크-페이스(strike-face)의 측면에 집중된다.
일 실시예에 있어서, 상기 각도(α2)는, 대부분의 층들 사이에서, 적합하게는 적어도 10개의 연속 층들 사이에서 예를 들면 2° 또는 4°와 같이 동일하다.
일 실시예에서, 상기 스트라이크-페이스로부터 계수되는 스택은 상기 각도(α2) 초과로 서로에 대해 순환적으로 엇갈리는 15개의 연속 층들, 예를 들면 층들의 서브스택들 사이의 접착력을 강화하기 위해 20°보다 큰 각도로 엇갈리는 5개의 층들, 상기 각도(α2) 초과로 서로에 대해 순환적으로 엇갈리는 추가의 15개의 연속 층들, 및 20°보다 큰 각도로 엇갈리는 추가의 5개의 층들을 포함하며, 상기 스트라이크-페이스로부터 계수되는 스택의 15-5-15-5 구성을 야기한다. 다른 실시예들은 35(연속; < 20°) 및 5(> 20°), 30-10, 20-10-20, 10-5-10-5-10 등의 서브스택들을 포함한다.
일 실시예에 있어서, P는 1, 2, 3 또는 4와 같다. 즉, 각도(α2)에 대한 상기 방정식에서 분자는 적합하게도 각각 360°, 720°, 1080°, 또는 1440°와 같다. 예를 들면, 360°와 같은 작은 분자들은 연속 층들에서의 배향들 사이에 작은 회전 각을 부여하며, 따라서 적합하다.
다른 실시예에 있어서, 상기 스택은 적어도 20 층들, 적합하게는 적어도 30 층들, 적합하게는 적어도 40 층들을 포함한다. 추가의 실시예에 있어서, 상기 층들은 10 내지 300 마이크로미터 범위, 적합하게는 20 내지 220 마이크로미터 범위의 두께를 갖는다.
P를 감소시키거나 그리고/또는 층들(N)의 수를 증가시킴으로써, 그와 같은 증가는 개별 층들의 두께를 감소시킴으로서 용이하게 됨, 연속 층들 또는 패턴들 사이의 상기 각도(α2)는 훨씬 작게 선택될 수 있으며, 또한 연속 층들의 배향들 사이의 0°-90° 전이들로부터의 편차들은 매우 작게 유지될 수 있다. 즉, 그로부터 형성된 주어진 층들의 수, 스택 및 이중 곡면 셸은 0 ° - 90 ° -0 ° - 90 ° (순환) 구성에 더욱 접근되며, 이는 본 발명의 체계 내에서 최상의 것으로 고려된다.
다른 실시예에 있어서, 로브가 중첩되는 영역들에, 절삭부 및 그에 따른 인접한 층에서의 로브의 소부분, 예를들면 접착제 또는 중합체와 같은 특히 중합체 필름 또는 인레이(inlay)와 같은 매트릭스가 적합하게도 상기 절삭부를 통해 상기 인접한 로브들 사이에 인가된다.
적합하게도, 상기 매트릭스는 상기 스택의 강화 온도 미만의 연화 온도를 갖는 열가소성 중합체이거나 또는 그와 같은 열가소성 중합체를 함유한다. 상기 중합체의 적합한 예로서는 적합하게는 필름 또는 인레이 형상인 LLDPE, LDPE 및 HDPE와 같은 폴리오레핀들을 포함하며, 이들은 예를 들어 1 내지 200 ㎛ 범위, 적합하게는 4 내지 100 ㎛ 범위, 적합하게는 20 내지 60 ㎛ 범위의 두께를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 상기 필름 또는 인레이는 적어도 10개의 절삭부들을 통해 인접한 층들에 있는 중첩 로브들의 적어도 10개의 영역 초과로 연장된다. 일 실시예들에 있어서, 상기 필름(들) 또는 인레이(들)는 상기 스택에 있는 최하층의 로브를 승강시킴으로써 상기 스택 상에 위치되며, 따라서 로브들의 '팬(fan)'을 승강시키고 또한 비승강된 로브들의 '계단부들(stairs)'을 노출시키며, 상기 필름 또는 인레이를 상기 비승강된 로브들 상에 위치시키고 승강된 로브들을 하강시킨다. 일 실시예에 있어서, 상기 스트립의 길이는 그들의 회전 순서에 따라 상기 로브들의 대체로 수평의(즉, 림과 평행한) 통로에 의해 규정된다. 상기 스트립의 폭은 절개부들과 평행한 4개의 로브들의 경우 상기 림과 수직으로 연장한다. 다시 말해서, 상기 길이는 순환적으로 엇갈리는 스택을 통한 특정 절개부의 통로에 의해 규정된다. 상기 폭은 상기 절개부들의 길이에 의해 규정된다. 상기 형상은 장방형일 수 있으나, 평균 재료 분배의 경우는 미절곡된 원뿔형 섹션일 수 있다. 상기 상부 및 하부 곡률은 단부들의 궤적 및 스택을 통한 절개부들의 개시에 의해 규정된다.
예를 들어 중합체 필름 또는 인레이와 같은 매트릭스는 상기 층들 사이의 접착력을 증가시키고 공동들을 감소 또는 방지시킨다. 즉, 그것은 특히 헬멧의 몰딩 동안의 처리 온도가 상기 중합체 필름 또는 인레이의 연화점 초과일 때 상기 헬멧의 개량된 완전성을 제공한다. 상기 중합체의 연화 온도는 적어도 80℃로 되는 것이 적합하다.
다른 실시예에 있어서, 일반적으로 상기 절삭부 또는 환경들에 의해 규정되는, 상기 층들의 패턴에 대한 재료의 배향은 가장 적합하게는 모든 층들에서 대체로 동일하다. 결론적으로, 연속 층들에 있어서 인접 로브들은 상기 배향들과 동일한 각도(α) 초과로 서로에 대해 순환적으로 엇갈리며, 상기 셸의 설계를 단순화 한다.
다른 실시예에 있어서, 상기 층들의 패턴에 대한 재료의 배향은 가장 적합하게도 모든 층들에서 변화한다. 예를 들어, 상기 층들이 시트로부터 절삭될 때, 상기 절삭 패턴은 상기 층들의 섬유 또는 테이프 배향에 대해 적절한 각도 초과로 연속 회전되며, 이어서 상기 층들은 엇갈림 없이 한정된 엇갈림으로 적층된다. 즉, 상기 재료의 배향의 엇갈림 및 상기 층들의 엇갈림은 효과적으로 분리된다.
일 실시예에서, 예를 들어, 만약 상기 층들의 패턴들 및/또는 상기 절삭부들의 위치가 대부분 또는 모든 층들 사이에서 변할 경우, 상기 중앙 다각형체들은 상기 층들의 순환적 엇갈림을 위한 기준으로서 작용한다.
또한, 섬유 또는 테이프 배향 및 층에서의 위치에 기초하여, 대칭적인 패턴들은 UD-기반 층들에 대한 각도(α + (Q x 180°)) 및 직물들에 대한 각도(α + (Q x 90°)) 초과로 회전될 수 있다는 사실을 알 수 있을 것이며, 여기서 Q는 동일한 스택들을 성취하기 위한 상수이다. 이와는 달리, UD-기반 X-플라이들 및 직물들에 있어서의 테이프 배향은 각각 (Q x 180°) 및 (Q x 90°) 초과로 회전한 후 동일해진다.
다른 실시예에 있어서, 상기 로브들에서의 불규칙성들을 감소시키기 위해 상기 로브들에서의 또는 상기 로브들을 따르는 절삭부들은 2차 절곡 라인들을 규정하며, 상기 2차 절곡 라인들은 연속 층들에서의 테이프 또는 섬유 배향 편차들을 최소화하기 위해 적합하게도 상기 각각의 로브와 상기 중앙 다각형체가 연결되는 중앙 다각형체의 에지와 평행하게 또는 수직으로 위치된다. 상기 다각형체의 에지들(측부들)은 예를 들면 상기 스택이 오목한 주형에 위치될 때 플라이 적층을 지시하는 1차 절곡 라인들을 형성한다.
상기 다각형체는 일반적으로 볼록한 다각형체가 적합하며, 즉 모든 내부 각도는 180° 이하이고, 상기 2 꼭지점들 사이의 모든 라인 세그먼트는 상기 다각형체 내부에 또는 상기 다각형체의 경계 상에 잔류한다.
일 실시예에 있어서, 상기 다각형체는 상기 개별 층들에서 4개의 절삭부들(M = 4)로 규정되고, 장방형인, 예를 들면 정방형을 갖는다. 또 다른 실시예에 있어서, 가장 적합하게도 상기 모든 층들은 4개의 로브들을 포함하며, 이웃하는 로브들에서 상기 재료의 배향은 상기 층들의 2차원 (편평) 상태를 고려하여 서로에 대해 적합하게는 약 90°의 각도로 회전된다. 따라서, 로브가 절삭부를 층들에 위 또는 아래로 직접 중첩시키는 영역들에 있어서 그와 같은 층이 갖는 배향의 변형은 비교적 작으며, 즉 이들 위치들에서의 스택은 0 ° - 90 ° -0 ° - 90 ° (순환) 구성에 더욱 접근한다. 또한, 특히 상대적으로 뻣뻣한 층들이 상기 스택에 사용될 때, 오목한 주형에서의 스택의 4개의 절삭부들의 위치결정(드레이핑)은 여전히 간편하며 상기 절삭부들의 전체 수는 작은 상태로 남게 된다.
다른 실시예에 있어서, 예를 들면, 낫 형태의 개구부들 또는 컷아웃부(cutout)들을 갖는, 상기 절삭부들의 단부들에 또는 상기 단부들 근방에 다각형체가 제공된다. 일부 구성들에 있어서, 상기 스택이 이중 곡면 물체들에 또는 그 둘레에 드레이프될 때, 주름들이 상기 다각형체 내로 유도된다는 사실이 발견되었다. 상기 개구부들 또는 컷아웃부들은 그와 같은 주름들을 방지하거나 또는 감소시킨다. 상기 개구부들 또는 컷아웃부들은 주름 발생을 방지하기 위해 충분한 재료를 제거하도록 크기 설정되며, 또한 스택이 이중 곡면 물체에 또는 그 둘레에 드레이프된 후 상기 다각형체에 개구부들이 존재하는 것을 회피하는 것이 적합하다.
대부분의 헬멧들의 타원형 형상으로 인해, 특정 회전 위치 상에 완전한 커버력을 제공하는 패턴은 회전 후 이중 곡면을 깔끔하게 커버하는데 실패할 수 있다. 이는 일반적으로 주름들 또는 갭들과 같은 불규칙성을 초래한다. 그와 같은 불규칙성을 방지하기 위해, 본 발명의 실시예에 있어서, 대부분의, 적합하게는 모든 층들의 패턴들은 상기 표면 상의 회전 위치에 대해 수정된다. 그와 같은 수정은 인접한 로브들이 형상에 있어서 완전히 다른, 그러나 회전 하에 이웃하는 로브의 형상이 상기 회전 방향으로 정렬되는 구성을 초래한다.
유사하게, 추가의 층들로부터 야기되는 헬멧 단면 반경들에 있어서의 증가는 만약 치수들이 대응적으로 적용되지 않을 때 상기 셸의 불완전한 커버력을 초래한다. 따라서, 다른 실시예에 있어서, 대부분의, 적합하게는 모든 층들의 패턴들의 치수들은 상기 스택의 위치에 적응되며, 대응하는 반경들, 예를 들면 헬멧의 경우 상기 패턴들의 치수 상기 스트라이크-페이스를 향해 증가한다.
적합한 실시예에 있어서, 상기 층들은 플라이, 크로스 플라이 또는 단지향성 중합체 시트들, 또는 단지향성 중합체 신장 몸체들의 직물을 포함한다.
본 발명의 문맥 내에서, "신장 몸체"라는 용어는 제 2의 가장 작은 치수인 폭과 가장 작은 치수인 두께보다 큰 가장 큰 치수의 길이를 갖는 물체를 의미한다. 또한 특히, 일반적으로 상기 길이와 폭의 비는 적어도 10이다. 최대 비는 본 발명에 대해 중요하지 않으며, 처리 매개변수들에 기초하게 될 것이다. 일반 값으로서, 길이와 폭에 대한 최대 비는 1 000 000으로 언급될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 사용된 신장 몸체들은 모노필라멘트들, 멀티필라멘트 얀들,스레드들, 테이프들, 스트립들, 스테이플 섬유 얀들 및 규칙적인 또는 불규칙적인 단면을 갖는 기타 세장형 물체들을 포함한다.
본 발명의 체계 내에서, "층"이라는 용어는 UD 또는 단층으로 알려진 단일 플라이들과 상기 플라이들이 강화되는지의 여부와는 관계없이 상기 스택의 동일 회전 위치를 채용하는 복수의 인접 플라이들 모두를 포함한다. "대부분"이라는 용어는 적어도 50%, 적합하게는 적어도 60%, 적합하게는 적어도 70%, 적합하게는 적어도 80%, 적합하게는 적어도 90%, 적합하게는 95%로서 규정된다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라이들은 5-500 마이크로미터, 적합하게는 10-300 마이크로미터, 더욱 적합하게는 20-220 마이크로미터 범위의 두께를 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라이들에 있어서의 테이프들은 5 내지 100 마이크로미터 범위, 적합하게는 10 내지 75 마이크로미터 범위의 두께와 1 내지 200 밀리미터 범위, 적합하게는 2 내지 150 밀리미터 범위의 폭을 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라이들은 병렬로 배열된 섬유들의 보강 테이프들을 포함한다. 상기 테이프들은 예를 들면 매트릭스 재료를 사용하거나 또는 접착 스레드을 사용하는 것과 같은 다른 수단을 통해, 또는 예를 들면 열과 압력을 사용하여 중첩 위치에서의 인접 테이프들의 강화를 통해 함께 접착될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 플라이는 병렬로 배열된 테이프들의 제 1 테이프레이어, 및 상기 테이프의 제 1 테이프레이어의 상부 상에 배열된 테이프들의 제 2 테이프 레이어를 포함하며, 상기 제 2 테이프레이어의 테이프들은 상기 제 1 테이프레이어에 있는 테이프들과 평행하게 배열되나 거기에서 오프셋된다. 이와 같은 구성은 종종 "브릭(brick)" 플라이로서 언급된다. 원할 경우, 추가의 테이프레이어들이 첨가될 수 있으며, 상기 추가의 테이프레이어에서의 테이프들은 상기 제 1 테이프레이어에서의 테이프들과 평행하게 배열되나, 그들이 배열되는 테이프레이어와 오프셋된다.
다양한 테이프 층들은 상기 층들 사이에, 예를 들면, 용액형, 분산형, 용융형 또는 고형의, 매트릭스 재료를 제공함으로써 강화될 수 있다. 상기 브릭에서의 개별 층들은 또한 다른 수단을 통해, 예를 들면, 상기 층들을 함께 접착시키기 위해 본딩 스레드를 사용하여 또는 열 및/또는 압력을 사용하여 강화될 수 있다
다른 실시예에 있어서, 상기 제 1 플라이에 있는 테이프들은 평행하게 배열되고, 상기 제 2 플라이들에 있는 테이프들은 상기 제 1 플라이에 있는 테이프들과 수직으로 배열되어, 소위 크로스 플라이(X-플라이)를 초래한다. 크로스 플라이들은 또한 상술된 바와 같이 브릭레이어된 테이브레이어들로 제조될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 테이프들 또는 섬유들은 경사와 위사 테이프들 또는 섬유들이 서로 90° 각도를 갖는 직물로 제직된다. 그와 같은 직물들에 있어서, 만약 존재할 경우, 상기 매트릭스는 방적 전 또는 후에 고형, 용액, 분산 또는 용융 상태로 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 물품에서 층들의 스택은 적합하게는 0 내지 8 wt%의 매트릭스 재료, 적합하게는 0,5 내지 4 wt%를 함유한다. 본 발명의 내탄도성 물품에 있어서의 스택의 저 매트릭스 함유량은 고 내탄도성 저 중량 재료의 제공을 허용한다.
보강 요소들, 즉 테이프들 또는 섬유들은 높은 인장 강도, 높은 인장 계수 및 높은 에너지 흡수를 가지며, 파단에 대한 고 에너지에 반영된다. 상기 보강 요소들은 적합하게는 적어도 1.0 GPa의 인장 강도, 적어도 40 GPa의 인장 계수, 및 적어도 15 J/g의 파열에 대한 인장 에너지를 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 보강 요소들의 인장 강도는 적어도 1.2 GPa, 특히 적어도 1.5 GPa, 특히 적어도 1.8 GPa, 특히 적어도 2.0 GPa이다. 특히 적합한 실시예에 있어서, 상기 인장 강도는 적어도 2.5 GPa, 특히 적어도 3.0 GPa, 특히 적어도 4 GPa이다.
다른 실시예에 있어서, 상기 보강 요소들은 적어도 50 GPa의 인장 계수를 갖는다. 특히, 상기 보강 요소들은 적어도 80 GPa, 특히 적어도 100 GPa의 인장 계수를 가질 수 있다. 적합한 실시예에 있어서, 상기 보강 요소들은 적어도 120 GPa, 특히 적어도 140 GPa, 또는 적어도 150 GPa의 인장 계수를 갖는다.
인장 강도 및 계수는 ASTM D882-00에 따라 결정된다.
다른 실시예에 있어서, 상기 보강 요소들은 적어도 20 J/g, 특히 적어도 25 J/g의 파열에 대한 인장 에너지를 갖는다. 적합한 실시예에 있어서, 상기 보강 요소들은 적어도 30 J/g, 특히 적어도 35 J/g, 특히 적어도 40 J/g, 특히 바람직하게는 적어도 50 J/g의 파열에 대한 인장 에너지를 갖는다. 상기 파열에 대한 인장 에너지는 50%/min의 변형률을 사용하여 ASTM D882-00에 따라 결정된다. 그것은 응력 변형률 선도 하에서 단위 질량당 에너지를 적분함으로써 산출된다.
높은 인장 강도를 갖는 적합한 무기 세장형 몸체들로는 예를 들면 유리 섬유, 탄소 섬유, 및 세라믹 섬유들이 있다.
높은 인장 강도를 갖는 적합한 유기 테이프들 또는 섬유들로는 예를 들면 아라미드, 용융 공정 가능한 액정질 중합체, 및 폴리오레핀, 폴리비닐알콜, 및 폴리아크릴로니트릴과 고배향성 중합체들로 제조되는 테이프 또는 섬유들이 있다. 본 발명에 있어서는, 폴리오레핀 테이프들 또는 아라미드 테이프들의 사용이 적합하다.
본 발명에 사용되는 테이프들은 고분자 선형 폴리에틸렌의 고 인발 테이프들인 것이 적합하다. 여기서 고분자란 적어도 400.000 g/mol의 평균 분자량을 의미한다. 여기서 선형 폴리에틸렌이란 100 C 원자당 1 측쇄 미만, 적합하게는 300 C 원자당 1 측쇄 미만을 갖는 폴리에틸렌을 의미한다. 상기 폴리에틸렌은 또한 프로필렌, 부텐, 펜텐, 4-메틸펜텐, 옥텐과 같은 함께 공중합체화 가능한 5 mol% 이하의 하나 이상의 다른 알켄을 함유할 수 있다. 특히, 초고분자 폴리에틸렌(UHMWPE), 즉, 적어도 500.000 g/mol의 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌으로 제조된 테이프들을 사용하는 것이 적합하다. 적어도 1 x 106 g/mol의 평균 분자량을 갖는 테이프들의 사용이 특히 적합할 수 있다. 본 발명에 사용되기에 적합한 UHMWPE 테이프들의 최대 분자량은 중요하지 않다. 1 x 108 g/mol의 최대값이 일반적인 값으로서 언급될 수 있다. 분자량 분배 및 분자량 평균들(Mw, Mn, Mz)은 160 ℃ 온도에서 용매로서 1, 2, 4-트리클로로벤젠(TCB)을 사용하는 ASTM D 6474-99에 따라 결정된다. 고온 샘플 준비 장치(PL- SP260)를 포함하는 적절한 크로마토그라프 장치(폴리머 레버러토리즈사의 PL-GPC220)가 사용될 수 있다. 이와 같은 시스템은 5 x 103 내지 8 x 106 g/mole의 분자량 범위에서 16 폴리스티렌 기준(Mw/Mn <1.1)을 사용하여 측정된다.
본 발명의 적합한 실시예에 있어서, 폴리에틸렌 테이프들은 XRD 회절 패턴에 의해 명백한 바와 같이 고분자 및 고분자 배향을 결합하여 사용된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 폴리에틸렌 보강 요소들은 적어도 3의 200/110 단상 배향 매개변수(φ)를 갖는 테이프들이다. 상기 200/110 단상 배향 매개변수(φ)는, 반사 기하학적 구조에서 결정되는 바와 같은 테이프 샘플의 X-선 회절(XRD) 패턴에 있어서, 200 및 110 피크 영역 사이의 비로서 규정된다. 광각 X-선 산란(WAXS)은 문제의 결정 구조 상에 정보를 제공하는 기술이다. 상기 기술은 특히 광각에서 산란되는 브래그 피크(Bragg Peak)의 분석에 관련된다. 브래그 피크는 장기적인 구조적 관례로부터 발생한다. WAXS 측정은 회절 패턴, 즉 회절 각도(2θ)(이는 회절 빔과 주요 빔 사이의 각도이다)의 함수로서의 강도를 생성한다. 상기 200/110 단상 배향 매개변수는 상기 테이프 표면에 대해 200 및 110 결정면들의 배향 정도에 대한 정보를 제공한다. 높은 200/110 단상 배향을 갖는 테이프 샘플에 대하여, 상기 200 결정면들은 상기 테이프 표면들과 평행하게 크게 배향된다. 높은 단상 배향은 일반적으로 높은 인장 강도 및 파열에 대한 높은 인장 에너지에 의해 수행된다는 사실이 발견되었다. 임의 배향된 결정을 갖는 시료에 대한 200 및 110 피크 영역 사이의 비는 약 0.4이다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에서 우선적으로 사용된 테이프들에 있어서, 지수 200을 갖는 결정 영역은 우선적으로 필름 표면과 평행하게 배향되어, 높은 값의 200/110 피크 영역 비를 초래하고, 따라서 높은 값의 단상 배향 매개변수가 야기된다. 본 발명에 따른 탄도성 재료의 일 실시예에서 사용되는 초 고 분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 테이프들은 적어도 3의 200/110 단상 배향 매개변수를 갖는다. 이와 같은 값은 적어도 4, 특히 적어도 5, 또는 적어도 7로 되는 것이 적합할 수 있다. 적어도 10 또는 심지어 적어도 15와 같은 높은 값들이 특히 적합할 수 있다. 이들 매개변수에 대한 이론적 최대 값은 만약 피크 영역(110)이 제로(0)인 경우 무한대이다. 200/110 단상 배향 매개변수에 대한 높은 값들은 종종 강도 및 파열에 대한 에너지를 위한 높은 값들에 의해 수행될 수 있다. 이와 같은 매개변수 기준의 결정 방법에 대하여는 WO2009/109632에 공개되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 UHMWPE 테이프들, 특히 최대한 6의 Mw/MN 비를 갖는 UHMWPE 테이프들은 적어도 74%, 특히 적어도 80%의 DSC 결정도를 갖는다. 상기 DSC 결정도는, 예를 들면 퍼킨 엘머(Perkin Elmer) DSC7 상에서, 시차주사 열량측정법(DSC)을 사용하여 다음과 같이 결정될 수 있다. 따라서, 공지된 중량(2 mg)의 샘플은 분당 10℃로 30℃에서 180℃까지 가열되고, 5분 동안 180℃에서 보유된 후, 분당 10℃로 냉각된다. 상기 DSC 스캔의 결과들은 온도(x-축)에 대한 열류량(mW 또는 mJ/s; y-축)의 그래프로서 표시될 수 있다. 상기 결정도는 상기 스캔의 가열부로부터의 데이터를 사용하여 측정된다. 결정체 용융 전이를 위한 융합(ΔΗ)의 엔탈피(J/g)는 주요 용융 전이(흡열(endotherm)) 개시 바로 아래에서 결정되는 온도로부터 완료될 융합이 관측되는 지점 바로 위의 온도로 상기 그래프 하에서의 영역을 결정함으로써 산출된다. 다음에, 산출된 ΔΗ는 약 140 ℃의 용융 온도에서 100% 결정체 PE에 대해 결정된 융합의 이론적 엔탈피(293 J/g의 ΔΗc)와 비교된다. DSC 결정도 지수는 퍼센트 100(ΔΗ/ΔΗc)으로서 표시된다. 일 실시예에 있어서, 본 발명에 사용된 테이프들은 적어도 85%, 특히 적어도 90%의 DSC 결정도를 갖는다.
일반적으로, 상기 폴리에틸렌 보강 요소들은 0.05 wt.% 미만, 특히 0.025 wt.% 미만, 특히 0.01 wt.% 미만의 중합체 용매 함유량을 갖는다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 사용된 폴리에틸렌 테이프들은 높은 선형 밀도와 조합된 높은 강도를 가질 수 있다. 본 용례에 있어서, 상기 선형 밀도는 dtex로 표시된다. 이는 필름 10.000 미터의 중량(g)이다. 일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 필름은, 상술된 바와 같이, 적어도 2.0 GPa, 특히 적어도 2.5 GPa, 특히 적어도 3.0 GPa, 특히 적어도 3.5 GPa, 심지어는 특히 적어도 4의 강도와 조합하여. 적어도 3000 dtex, 특히 적어도 5000 dtex, 특히 적어도 10000 dtex, 심지어는 특히 적어도 15000 dtex, 또는 적어도 20000 dtex의 선형 밀도를 갖는다,
본 설명서의 내용 이내에서, 아라미드라는 단어는 방향족 그룹들로 구성된 선형 고분자와 관련되며, 여기서 상기 방향족 그룹들의 적어도 60%는 아미드, 이미드, 이미다졸, 옥살졸 또는 티아졸 결합들에 의해 연결되고, 상기 아미드, 이미드, 이미다졸, 옥살졸 또는 티아졸 결합들의 적어도 85%는 아미드 결합들의 수를 초과하지 않는 이미드, 이미다졸, 옥살졸 또는 티아졸 결합들의 수를 갖는 2개의 방향족 링들에 직접 연결된다.
적합한 실시예에 있어서, 상기 방향족 그룹들의 적어도 80%, 적합하게는 적어도 90%, 더욱 적합하게는 적어도 95%는 아미드 결합들에 의해 연결된다.
일 실시예에 있어서, 상기 아미드 결합들의 적어도 40%, 적합하게는 적어도 60%, 더욱 적합하게는 적어도 80%, 더더욱 적합하게는 적어도 90%가 상기 방향족 링의 파라 위치(para-position)에 존재한다. 적합하게도, 상기 아라미드는 파라 아라미드, 즉 반드시 모든 아미드 결합들이 상기 방향족 링의 파라 위치에 부착되는 아라미드이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 아라미드는 반드시 다음의 100 몰%로 구성되는 방향족 폴리아미드이다:
A. 화학식 (1)의 유닛들의, 상기 폴리아미드의 전체 유닛들에 기초한 5 몰% 이상 35 몰% 미만
Figure pct00001
화학식 (1)
여기서, Ar1은 사슬 연장 본드들이 동축 또는 평행하고 또한 페닐렌, 비페닐렌, 나프틸렌 또는 피리딜렌이고, 이들 각각은 저 알킬, 저 알콕시, 할로겐, 니트로 또는 사이아노기인 치환기를 가질 수 있는, 2가 방향족 링이며, X는 0, S 및 NH로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소이고, 또한 위의 벤족사졸, 벤조티아졸 또는 벤지미다졸 링의 벤젠 링에 부착된 상기 NH 그룹은 탄소 원자에 대한 메타 또는 파라이고, X는 상기 벤젠 링에 접착된다;
B. 화학식 (2)의 유닛들의, 폴리아미드의 전체 유닛들에 기초한 0 내지 45 몰%
- NH - Ar2 - NH - 화학식 (2)
여기서, Ar2는 정의면에서 Ar1과 같으며, Ar1과 동일하거나 상이하며, 또한 화학식 (3)의 화합물이다:
Figure pct00002
화학식 (3)
C. 화학식 (4)의 구조적 유닛의, 상기 화학식 (1) 및 화학식 (2)의 유닛들의 전체 몰들에 기초한 등몰량(equimolar amount)
- CO - Ar3 - CO - 화학식 (4)
여기서, Ar3는
Figure pct00003

상기 링 구조체는 선택적으로 할로겐, 저 알킬, 저 알콕시, 니트로 및 사이아노로 구성된 그룹으로부터 선택된 치환기를 함유하며; 그리고
D. 아래 화학식 (5)의 구조적 유닛의, 상기 폴리아미드의 전체 유닛들에 기초한, 0 내지 90 몰%
- NH - Ar4 - CO - 화학식 (5)
여기서, Ar4는 정의면에서 Ar1과 같으며, Ar1과 동일하거나 상이하다.
적합한 아라미드로는 PPTA로서 알려진 폴리 (p-페닐렌 테레프탈아미드)를 들 수 있다. 상기 PPTA는 p-페닐렌디아민 및 테레프탈로닐 클로라이드의 몰-포-몰(mole-for-mole) 중합 반응으로부터 초래된 동종 중합체이다. 다른 적합한 아라미드는 각각 p-페닐렌디아민 및 테레프탈로닐 클로라이드를 대체하는 다른 디아민들 또는 이염기산 클로라이드의 융합으로부터 초래된 공중합체이다.
본 발명의 아라미드 테이프들은 나중에 중합체 매트릭스에 매설되거나 또는 적합하게도 예를 들어 US 2011/0227247 Al에 공개된 바와 같은 용액으로부터 직접 제조되는 아라미드 얀들을 확산시킴으로써 제조될 수 있다.
상기 매트릭스 재료는, 존재시, 전체적으로 또는 부분적으로 중합체 재료로 구성되거나 또는 중합체 재료를 포함하며, 일반적으로 중합체들을 위해 채용되는 필러들을 선택적으로 함유할 수 있다. 상기 중합체는 열경화성 수지나 또는 서모 플라스틱 또는 그 양자들의 혼합물로 될 수 있다. 적합하게도 연성 플라스틱이 사용되며, 특히 상기 매트릭스 재료는 200 및 1400 MPa 사이, 특히 400 및 1200 MPa 사이, 더욱 특히 600 및 1000 MPa 사이의 인장 계수(25℃에서)를 갖는 것이 적합하다. 비중합체성 유기 매트릭스 재료의 사용도 또한 구상 중에 있다. 상기 매트릭스 재료의 목적은 요구되는 장소에 상기 테이프들 및/또는 상기 플라이들을 함께 접착시키기 위한 것이다. 이와 같은 결과를 성취하는 어떠한 매트릭스 재료도 매트릭스 재료로서 적합하다.
적합하게도 상기 매트릭스 재료의 파열시 연신율은 보강 테이프들의 파열시 연신율보다 크다. 상기 매트릭스의 파열시 연신율은 적합하게는 3 내지 1200% 범위에 있게 된다. 이들 값들은 최종 내탄도성 물품에서 매트릭스 재료에 제공된다. 적합한 열경화성 수지들 및 서모 플라스틱들의 예들은 EP 833 742 및 WO-A-91/12136에 기재되어 있다. 비닐에스테르, 불포화성 폴리에스테르, 에폭사이드 또는 페놀 수지들이 현재 열경화성 수지 중합체 그룹으로부터의 매트릭스 재료로서 적합하다. 이들 열경화성 수지들은 일반적으로 상기 층들의 스택이 내탄도성 성형 물품의 압축 동안 경화되기 전의 상태로 부분적으로 설정된 층으로 있게 된다(소위 B 단계). 보강 요소들에 적합한 상기 서모 플라스틱 중합체들에 대하여는 예를 들면 EP 833 742 및 WO-A-91/12136에 기재되어 있다. 특히, 상기 서모 플라스틱 중합체들은 폴리우레탄, 폴리비닐, 폴리아크릴레이트, 폴리오레핀 및 SIS(스티렌-이소프렌-스티렌), SBS(스티렌-부타디엔-스티렌), SEBS(스티렌-에틸렌-부틸렌-폴리스티렌)와 같은 블록 공중합체 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 폴리오레핀들 및 블록 공중합체들이 적합한 매트릭스 재료로서 선택된다.
본 발명은 또한 상술된 바와 같은 층들의 비강화된 스택을 포함하는 셸을 제조하기 위한 반제품에 관한 것이다. 일 실시예에서, 상기 층들의 스택은 함께 보유되고, 또한 중앙 다각형체들을 통해, 예를 들면 용접 또는 일련의 용접들, 접착제, 또는 하나 이상의 리벳, 또는 적합하게도 3각형 또는 3각 형상으로 배열된 스티치 패턴(stitched pattern)과 같은 체결 수단에 의해 회전적으로 고정된다. 따라서, 스택이 주형 내에 위치될 때 상기 층들의 오정렬은 감소 또는 회피된다. 또한, 상기 스택은 제 1 위치에 적절히 정렬된 층들로 제조될 수 있으며, 이어서 제 2 위치로 운반되어, 초기 정렬이 지속되는 동안 제 2 위치에서 성형된다.
본 발명은 또한 헬멧 셸과 같은 이중 곡면 내탄도성 물체 제조 방법에 관한 것으로서, 오목한 주형에 상술된 바와 같은 대탄도성 재료 층들로 구성된 스택을 위치시키는 단계, 및 압력 또는 상승된 온도 및 압력을 인가함으로써 상기 스택을 강화시키는 단계를 포함한다.
상기 압력은 적합하게는 적어도 0.5 MPa이며, 일반적으로 50 MPa를 초과하지 않는다. 필요시, 상기 매트릭스가 상기 테이프들, 플라이들 및/또는 층들이 서로에 대해 접착되도록 도와야 할 경우, 압축 동안의 온도는 상기 매트릭스 재료가 그의 연화점 또는 용융점 이상으로 운반되도록 선택된다. 상승된 온도에서의 압축은 성형된 물품이 유기 매트릭스 재료의 연화점 또는 용융점 이상의 그리고 상기 테이프들의 연화점 또는 용윰점 이하의 압축 온도에서 특정 압축 시간 동안 주어진 압력에 종속되는 것을 의미하도록 형성된다. 요구되는 압력 시간 및 압축 온도는 상기 테이프 및 매트릭스 재료의 성질 및 성형된 물품의 두께에 기초하며, 당업자들이라면 용이하게 결정할 수 있다.
이제, 본 발명은 도면들에 도시된 적합한 실시예들을 참고로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전투용 헬멧의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 헬멧을 제조하기 위한 반제품의 하부도.
도 3는 도 2에 도시된 반제품에 함유된 9개의 X-플라이들의 평면도.
도 4 및 도 5는 재료의 배향이 로브로부터 로브까지 변하는 층들의 예들을 나타내는 도면.
도 6은 도 5에 도시된 바와 같은 층 제조 방법을 나타내는 도면.
도 1은 본 발명에 따른 전투용 헬멧(1)을 나타내며, 상기 헬멧은 자체 공지된 외부 코팅부들(3)이 제공되는 셸(2), 패드 현수 시스템(도면에 감추어짐), 선택적인 헬멧 커버(도시되지 않음) 및 턱끈(4)을 포함한다.
본 예에 있어서, 상기 셸(2)은 도 2에 도시된 반가공 제품으로 제조되며, 지향성 대탄도성 재료, 예를 들면, 0-90° 크로스 플라이들에서 강화된 Endumax®의 40 층들(6)로 구성된 스택(5)을 포함한다. 즉, 각각의 층은 평행한 테이프들로 구성되는 2개의 플라이들을 포함하며 상기 층에서의 플라이들은 서로 90°의 각도로 형성된다. 상기 스택은 (40 x 2 =) 80 플라이들을 포함한다.
상기 층들(6)의 각각은, 도 3에서 잘 도시하고 있는 바와 같이, 4개의 절삭부들(7)과 4개의 로브들(10)을 포함하며, 상기 절삭부들의 단부들은 중앙 다각형체 또는 크라운, 본 예에서 4개의 1차 절곡 라인들(9)이 제공되는 정방형부(8)를 한정하고, 상기 4개의 로브들(10)은 상기 다각형체(8)로부터 연장한다. 상기 테이프들의 배향들은 모든 층들에서 동일하며 상기 절곡 라인들과 평행하게 연장한다. 즉, 상기 플라이들 중 하나에서의 테이프들은 제 1 쌍의 평행한 절곡 라인들과 평행하게 연장하며, 다른 플라이에서의 테이프들은 제 2 쌍의 절곡 라인들과 평행하게 상기 제 1 쌍과 수직으로 연장한다.
연속 층들에서 배향 편차들을 감소 또는 최소화시키기 위해, 상기 층들 및 그에 따른 상기 층들 내 테이프들은 다음의 각도(α2)로 서로에 대해 순환적으로 엇갈린다
((1 x 360°) / 40 x 4) = 2, 25°.
도 3은 상기 스택의 9개의 개별 층들을 도시하며, (중앙 다각형체에 "1"이 부여된) 상부 층과 상기 스택 내 깊이 위치한 8개의 연속 층들로 구성되고, 본 예에서는 상부에서 보았을 때 각각 시계 반대 방향으로 9°, 20°, 32°, 43°, 54°, 65°, 77°, 88° 초과로 회전된다.
상기 헬멧의 하루 림에는 대략 눈(프리), 귀 및 착용 예정자의 (커버된) 목이 따른다. 이는 상기 층들의 패턴에 반영된다. 즉, 상기 상부 층 내의 전방 로브는 근방 로브보다 짧아지고, 측면 로브들에는 적절한 컷아웃부들(11)이 제공된다. 이와 같은 특징부들은 상기 스택 내에 정렬되도록 α2와 반대 방향으로 회전한다.
불규칙성을 훨씬 더 감소시키기 위해, 패턴 치수들은 상기 스택 내 위치와 궁극적으로 구체인 셸 상의 회전 위치를 위해 수정된다. 도 2로부터, 상기 패턴들의 크기는 상기 헬멧의 연속 증가되는 두께(반경)를 수정하기 위해 상기 하부 층으로부터 상부 층으로 점진적으로 증가된다는 사실이 명백하다. 상술된 림 수정을 무시함으로써, 상기 타원형 수정은 단일 패턴에서 인접 로브들의 로브 치수를 변형시키는데 반영된다(도 3). 단일 층에서 인접 로브들 사이의 치수 차이는 패턴 1과 40에서 가장 크고, 인접 로브들의 치수가 거의 동일한 패턴 20에서 가장 작다.
도 1 내지 도 3에 도시된 예에 있어서, 패턴들은 전체적으로 단일 크로스 플라이로부터 절삭된다. (편평한) 2차원에서, 상기 상부 및 하부 플라이들에서의 테이프 배향은 전체 층에 걸쳐 일정하다. 3차원(셸)에서, 0-90° 크로스 플라이들에서의 테이프 배향은 상기 상부 플라이에서의 테이프 배향과 평행하게 절곡되는 로브들에서 반전된다. 즉, 상기 전방 및 후방 로브들에서 테이프 배향이 0-90°일때, 상기 측부 로브들의 테이프 배향은 90-0°이다. 이는 결과적으로 상기 층들을 각도(α2) 초과로 회전시킴으로써 상기 스택에서의 테이프 배향이 점진적으로 반전된다는 사실을 의미한다. 비록 상기 스택을 통해 균등하게 분배되었다 할지라도, 연속 층들에서 상이한 로브들의 중첩 구역들은 테이프 배향의 비 이상적 연속성을 갖는다: 상기 중첩 구역들은 0-90°로부터 60-150°로의 전이, 즉 층들 사이의 90-60°의 전이를 나타낸다. 본 발명에 따른 그와 같은 구성에 있어서, 상기 구역들은 본질적으로 작으며, 따라서 이들 구역들의 효과도 작다. 그러나, 본 발명에 따른 물품의 탄도성 성능을 최적화하기 위하여, 상기 로브들에서의 배향은 적절하게 해제된다. 도 4는 쌍을 갖는 로브들의 배향이 2개의 동일한 2차원 패턴들에 의해 분리되는 것을 나타내며, 일단 크로스 적층되면(0-90°), 상기 중첩 구역에서의 전이는 0-90°로부터 30-120°인, 90-30°로 전이되며, 즉 층들 사이의 전이는 0-60°가 되어, 0-30° 초과의 현저한 개선을 나타낸다. 도 5는 (도 4에 도시된 바와 같이) 그와 같은 분리가 헬멧의 크라운(중앙 다각형체의 스택)에서 층들의 합계가 2배로 되는 것을 방지하고, 균등한 재료 분배 및 그에 따른 주형에서의 압력 분해를 제공하는 실시예를 나타낸다. 낮은 매트릭스 함유량 및 용이하고 기하학적으로 잘 제어되는 테이프의 연속 슬릿 능력으로 인해, 상기 크로스 플라이의 상부 또는 하부 층은 도 6에 도시된 바와 같이 상기 중앙 다각형체를 위해 선택적으로 제거될 수 있다. 상기 매트릭스를 연화시키기 위해 온화한 온도에 의해 분리된 패턴들을 크로스 적층 및 접착시킨 후에, 도 5에 도시된 바와 같이 전체 구상 표면들 상에서 균등한 재료 분배가 얻어진다.
본 발명에 따른 예는 개념 A로 표시하였으며, 이는 다른 개념들인 B, C 및 D와 비교된다.
개념 B에 따른 헬멧 셸은 고강도 폴리에틸렌 단분자층들, 예를 들면 Endumax®의 크로스 플라이로부터 절삭되고 또한 22.5°의 일정 각도 이상으로 회전되는 동일 로제트(rosette)들의 스택을 포함한다.
본 발명의 예가, 연속 회전 후에 상기 표면 상 및 상기 스택 내에서의 위치 수정된, 정방형 및 6각형에 기초하는 반면, 상기 개념 C의 구상 표면은 삼각형 및 8면체로 형성되며, 상기 구상 표면 상의 위치 결정을 위해 수정되지 않는다. 결론적으로, 상기 플라이는 주름 발생과 같은 불규칙성 및 도입 없이 (360°의 배수로) 완전히 회전될 수 없다. 따라서, 절개부들은 90°의 최대 각도 내에서 회전함으로써 분배된다.
개념 D에 따른 헬멧 셸은 연속 크로스 플라이들에서의 테이프 배향이 모든 층들을 통해 동일한 Endumax® 크로스 플라이들의 예비 강화된 스택 "열성형"에 의해 형성된다.
모든 헬멧 셸들은 동일한 상황 하에 압축되며 표준화협정(Stanag) 2920 테스트에 따라 탄도학상으로 평가된다. 상기 탄도성 성능은 비에너지 흡수(SEA50)에 의해 표시되며, 다음에 의해 규정된다:
0.5 x Mprojectile x V50 2) / AW
여기서, Mprojectile는 발사체의 질량(kg)이고, V50은 결정된 속도(m/s)이며, 각각의 발사체들의 천공 가능성은 50%이다. 상기 면적 중량(AW)은 kg/m2로 표시된다. 명백하게도, 본 발명에 따른 개념 A는 균일한 성능 및 상대적으로 높은 SEA50을 제공한다.
도 7 및 도 8 개념 A : 절개부들의 균등한 분배에 의한 균일한 성능 및 연속 층들의 재료 배향에 있어서 작은 회전각들. 2.25 ° 초과의 연속 회전, SEA50 값 = 38 J/kg/m2.
도 9 및 도 10 개념 B : 절개부들의 분배에 의한 균일한 성능 및 연속 층들의 재료 배향에 있어서 큰 회전각들. 22.5° 초과의 연속 회전, SEA50 값 = 31 J/kg/m2.
도 11 및 도 12 개념 C : 측부들 (9~14)에서의 절개부의 집적에 의한 불균일성 성능 및 전방 및 후방 (2-8)에서의 연속 층들의 재료 배향에 있어서 작은 회전각들. 90° 초과의 시스템, SEA50 값 = 37 J/kg/m2.
도 13 및 도 14 개념 D : 절개부의 부재 및 연속 층들에서의 0 내지 90° 테이프 배향의 최대 보존에도 불구하고, 제어할 수 없는 주름 발생이 부적절하게 낮은 성능을 야기한다. SEA50 값 = 32 J/kg/m2.
당연히, 본 발명은 상술된 실시예에 제한되지 아니하며, 청구항들의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 방식으로 변경될 수 있다.

Claims (16)

  1. 지향성 대탄도성(anti-ballistic) 재료층들(6)로 구성되는 스택(5)을 순차적으로 구비하는 이중 곡면 셸(2)을 포함하는, 헬멧과 같은, 내탄도성 물품(1)으로서, 상기 층들(6)은 하나 이상의 플라이들을 포함하며 복수의 절삭부들(7)을 가지며, 상기 절삭부들의 단부들은 중앙 다각형체(polygon;8) 및 상기 다각형체(8)로부터 연장하는 로브(lobe;10)들을 한정하는, 상기 내탄도성 물품에 있어서,
    상기 스택(5)은 적어도 10회 순환적으로 엇갈리는 층들(6)을 포함하며,
    대부분의 연속 층들(6)에 대해, 상기 플라이들에서의 재료의 배향 또는 상기 플라이들 중 적어도 하나에서의 재료의 배향은 연속 층(6)의 플라이들에서의 재료의 배향 또는 연속 층(6)의 플라이들 중 적어도 하나에서의 재료의 배향에 대해 90° ± 30°의 각도(α1) 초과로, 적합하게는 90° ± 20°, 적합하게는 90° ± 10°로 순환적으로 엇갈리는, 내탄도성 물품(1).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 층들(6) 사이의 각도(α2)는 20° 미만, 적합하게는 10° 미만이며, 또한 적합하게도 다음의 식:
    ((P x 360°) / (N x M)) ± 20%과 같으며,
    여기서 P는 정수, N은 층의 수 그리고 M은 절삭부의 수인, 내탄도성 물품(1).
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 P는 1, 2, 3 또는 4인, 내탄도성 물품(1).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스택(5)은 적어도 20 층(6), 적합하게는 적어도 30 층, 적합하게는 적어도 40 층을 포함하는, 내탄도성 물품(1).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층들(6)은 10 내지 300 마이크로미터, 적합하게는 20 내지 220 마이크로미터 범위의 두께를 갖는. 내탄도성 물품(1).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층들(6)의 패턴과 관련된 상기 재료의 배향은 대부분의 적합한 모든 층에서 실질적으로 동일한, 내탄도성 물품(1).
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층들(6)의 패턴과 관련된 상기 재료의 배향은 대부분의 적합한 모든 층들에서 변하는, 내탄도성 물품(1).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다각형체(8)는 상기 층들(6)의 4개의 절삭부들(M = 4)(7)로 규정되고, 적합하게는 장방형인, 내탄도성 물품(1).
  9. 제 8 항에 있어서, 대부분 적합하게도 상기 모든 층들(6)은 4개의 로브들(10)을 포함하며, 이웃하는 로브들(10)에서 상기 재료의 배향은 서로에 대해 적합하게는 약 90°의 각도로 회전되는, 내탄도성 물품(1).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품은 타원형이고, 대부분 적합하게도 상기 모든 층들(6)의 형상은 상기 타원형 셸 표면 위에서 각 층의 위치 및 스택(5)에서의 층의 위치에 맞게 조절되는, 내탄도성 물품(1).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층들(6)은 플라이, 크로스 플라이 또는 단지향성 중합체 테이프들 또는 시트들, 적합하게는 아라미드 및/또는 신장된 확대 사슬 초고분자량 폴리에틸렌 테이프들 또는 시트들로 구성된 직물을 포함하는, 내탄도성 물품(1).
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용어 "대부분(most)"은 적어도 50%, 적합하게는 적어도 60%, 적합하게는 적어도 70%, 적합하게는 적어도 80%, 적합하게는 적어도 90%, 적합하게는 95%로서 규정되는, 내탄도성 물품(1).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 로브(10)가 절삭부(7)와 중첩되는 영역들에서, 그리고 그에 따른 인접한 층(6)에서 로브(10)의 소 부분(small portion), 적합하게는 상기 영역들의 적어도 10에서, 매트릭스가 적합하게는 상기 절삭부(7)를 통해 상기 인접 로브들(10) 사이에 제공되는, 내탄도성 물품(1).
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 셸(2)을 제조하기 위한 반제품으로서,
    상기 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 규정된 바와 같은 층들(6)로 구성되는 스택(5)을 포함하는, 반제품.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 층들로 구성된 스택(5)은 함께 보유되며 또한 중앙 다각형체들(8)을 통해 연장하는 하나 이상의 체결 수단에 의해 회전적으로 고정되는, 반제품.
  16. 헬멧 셸(2)과 같은 이중 곡면 내탄도성 물체 제조 방법으로서,
    오목한 주형에 제 1 항 내지 제 15 한 중 어느 한 항에 규정된 바와 같은 층들(6)로 구성된 스택(5)을 위치시키는 단계 및 상승된 온도 및 압력을 인가함으로써 상기 스택(5)을 강화시키는 단계를 포함하는, 이중 곡면 내탄도성 물체 제조 방법.
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