KR20170091665A - 탄도 성능을 밸런싱하기 위한 방호구 내 재료 구배 - Google Patents

탄도 성능을 밸런싱하기 위한 방호구 내 재료 구배 Download PDF

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KR20170091665A
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더넬 파워스
브라이언 워링
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Abstract

신체 방호구의 제조에 유용한 하이브리드, 다중-패널 탄도 저항 물품에 관한 것이다. 상기 물품은 구배되어 배열된 적어도 3개의 다른 직물 부분을 포함하며, 여기서 가장 외측인 물품의 타격면 부분은 물품의 가장 큰 인성을 갖는 섬유로 형성된다.

Description

탄도 성능을 밸런싱하기 위한 방호구 내 재료 구배 {MATERIALS GRADIENT WITHIN ARMOR FOR BALANCING THE BALLISTIC PERFORMANCE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2014년 12월 5일 출원되어 계류중인 미국 가출원 번호 62/088,015의 우선권을 주장하며, 이에 개시된 전체 내용은 여기에 참조로 포함된다.
이 기술은 개선된 배면(backface) 변형 저항과 우수한 탄도 관통 저항을 갖는 탄도 저항 복합체 물품에 관한 것이다. 특히, 이 기술은 신체 방호구 제작에 특히 유용한 하이브리드, 다중 패널(multi-panel) 탄도 저항 물품과 관련된다.
방탄 조끼, 헬멧, 차량 패널 및 군용 장비의 구성 부재와 같은 내탄도성 물품은 일반적으로, 고강도 섬유를 포함하는 복합 방호구로 제조된다. 복합 방호구의 제조에 통상적으로 사용되는 고강도 섬유는 폴리에틸렌 섬유, 폴리(페닐렌디아민 테레프탈아미드)(poly(phenylenediamine terephthalamide))와 같은 아라미드 섬유, 흑연 섬유, 나일론 섬유, 유리 섬유등을 포함한다. 일부 적용(application)에 있어서, 상기 섬유는 직물(woven) 또는 편물(knitted fabrics)로 형성된다. 다른 적용에 있어서, 상기 섬유는 폴리머(polymer) 바인더(binder) 재료로 코팅되고, 부직포(non-woven fabrics)로 형성된다.
헬멧 및 조끼와 같은 경질 또는 연질의 신체 방호구 물품 형성에 유용한, 다양한 탄도 저항 구조물이 알려져 있다. 예를 들어, 여기서 모두 참조로 인용된 미국 특허 제 4,403,012 호, 제 4,457,985 호, 제 4,613,535 호, 제 4,623,574 호, 제 4,650,710 호, 제 4,737,402 호, 제 4,748,064 호, 제 5,552,208 호, 제 5,587,230 호, 제 6,642,159 호, 제 6,841,492 호 및 제 6,846,758 호는 사슬 연장된(extended chain) 초고분자량 폴리에틸렌(UHMW PE)과 같은 재료로부터 제조된 고강도 섬유를 포함하는 탄도 저항 복합체를 개시한다. 이러한 복합체는 탄환, 포탄, 유산탄(shrapnel) 등과 같은 고속의 발사체(projectile)에 대하여 다양한 정도의 탄도 저항성을 나타낸다.
복합체 방호구의 방탄 성능의 두가지 주요한 척도는 탄도 관통 저항 및 둔기 외상(“외상”) 저항이다. 탄도 관통 저항의 통상적인 특성화는 V50 속도이며, 이는 발사체가 50%의 시간은 방호구를 완전히 관통하고, 50%의 시간은 방호구에 의해 완전히 정지될 것으로 예상되는 실험적으로 유래되고, 통계적으로 계산된 충격 속도(impact velocity)이다. 동일한 면 밀도(즉, 표면적으로 나눈 복합체 방호구의 중량)의 복합체에 있어서, V50이 높을수록 복합체의 관통 저항이 증가한다. 이와 관련하여, 섬유상(fibrous) 복합체 방호구의 V50 탄도 성능은 복합체의 구성 섬유의 강도와 직결되는 것으로 알려져 있다.
고속 발사체가 방호구를 관통하였는지 여부와 관계없이, 발사체가 방호구에 닿았을 때 그 충격은 또한, 충격 부위에서 신체 방호구를 편향시켜, 잠재적으로는 상당한 비 관통(non-penetrating)의, 둔기 외상 부상을 유발한다. 탄환 충격에 따른 신체 방호구의 편향 깊이의 척도로 배면 흔적(backface signature) ("BFS")이 알려져 있으며 또한, 당 업계에서 배면 변형 또는 외상 흔적(trauma signature)으로 알려져 있다. 잠재적으로 둔기 외상 부상은 탄환이 방호구를 완전히 관통하여, 신체로 침투한 것과 같이 개인에게 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 이는 특히 헬멧 방호구의 맥락(context)에 있어서 특히 중요하며, 여기서, 정지된 탄환에 의해 야기된 일시적인 돌기가 헬멧 아래 두개골의 면을 여전히 가로지를 수 있고, 소모성(debilitating) 또는 치명적인 뇌 손상을 야기할 수 있다. 따라서, 이 기술분야에서는 우수한 V50 탄도 성능뿐만 아니라, 낮은 배면 흔적 모두를 갖는 내탄도성 복합체가 요구된다.
여기에 개시된 내용은 이러한 요구에 대한 해결책을 제공한다. 특히 우수한 탄도 관통 저항 성능 및 배면 흔적 성능을 갖는 신체 방호구가 재료의 다수의 상이한 부분을 조합함으로써 낮은 비용에 의해 얻어질 수 있음을 예상치않게 발견되었다. 상기 부분은 구배되어 배열되며, 여기서 최외측(outermost)인 물품의 타격면 부분은 물품의 가장 높은 인성을 갖는 섬유로 형성되고, 물품의 반대 면상의 가장 외측 부분은 물품의 가장 낮은 인성을 갖는 섬유로 형성되거나, 섬유가 전혀 없다. 이와 관련하여, 복합체 물품의 각 부분은 상이한 기능을 수행한다. 첫번째, 섬유상 플라이(ply)의 최외측의 타격면은 구리 케이싱(쟈켓)에 의해 덮인 리드 코어(lead core) 부분을 포함하는 9mm 풀 메탈 쟈켓(FMJ) 탄환과 같은 탄환의 금속 케이싱(casing)을 깨뜨려 여는 역할을 수행한다. 케이싱을 깨뜨려 열면, 리드 코어가 노출된다. 섬유상 플라이의 두번째 부분은 임의의 케이싱 재료뿐만 아니라 탄환 코어 재료의 잔여 부분을 변형시키고, 또한 변형된 부분 및 임의의 발사체 파편의 속도를 감소시킬 것이다. 세번째 부분에서는 탄환의 잔여 운동 에너지를 넓은 영역으로 분산시키고 따라서, 방호구 사용자에 전달되는 외상 에너지를 감소시킬 것이다. 재료의 상이한 부분들은 함께 우수한 탄도 관통 저항 및 외상 저항을 제공한다.
하나 또는 하나 이상의 제1 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제1 섬유상 플라이 각각은 27 g/데니어보다 큰 인성(tenacity)을 갖는 섬유를 포함하는 제1 섬유상 재료;
상기 제1 섬유상 재료에 부착되는 제2 섬유상 재료이며, 상기 제2 섬유상 재료는 하나 또는 하나 이상의 제2 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제2 섬유상 플라이 각각은 상기 제1 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 작은 인성을 갖는 섬유를 포함하는 제2 섬유상 재료; 및
상기 제2 섬유상 재료에 부착되는 제3 섬유상 재료이며, 상기 제3 섬유상 재료는 하나 또는 하나 이상의 제3 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제3 섬유상 플라이 각각은 상기 제2 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 작은 인성을 갖는 섬유를 포함하는 제3 섬유상 재료;를 포함하며,
상기 제1 섬유상 재료, 제2 섬유상 재료 및 제3 섬유상 재료는 함께 결합되어 고화된(consolidated) 단일의(unitary) 복합체 물품을 형성하는 것인 탄도 저항 복합체가 제공된다.
또한, 하나 또는 하나 이상의 제1 섬유상 플라이를 포함하며, 상기 제1 섬유상 플라이 각각은 섬유를 포함하는 제1 섬유상 재료;,
상기 제1 섬유상 재료에 부착되는 제2 섬유상 재료이며, 상기 제2 섬유상 재료는 하나 또는 하나 이상의 제2 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제2 섬유상 플라이 각각은 상기 제1 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 작은 인성을 갖는 섬유를 포함하는 제2 섬유상 재료;,
상기 제2 섬유상 재료에 부착되는 비 섬유상 시트(sheet) 재료;를 포함하며, 상기 제1 섬유상 재료, 제2 섬유상 재료 및 제3 섬유상 재료는 함께 결합되어 고화된 단일의 복합체 물품을 형성하는 것인 탄도 저항 복합체가 제공된다.
하나 또는 하나 이상의 제1 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제1 섬유상 플라이 각각은 섬유를 포함하며, 여기서 상기 섬유 각각은 27 g/데니어보다 큰 인성을 갖는 제1 섬유상 재료;
상기 제1 섬유상 재료에 부착되는 제2 섬유상 재료이며, 상기 제2 섬유상 재료는 하나 또는 하나 이상의 제2 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제2 섬유상 플라이 각각은 섬유를 포함하며, 여기서 상기 섬유 각각은 상기 제1 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 적어도 50% 미만의 인성을 갖는 제2 섬유상 재료;
상기 제2 섬유상 재료에 부착되는 제3 섬유상 재료이며, 상기 제3 섬유상 재료는 하나 또는 하나 이상의 제3 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제3 섬유상 플라이 각각은 섬유를 포함하며, 여기서 상기 섬유 각각은 상기 제2 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 적어도 50% 미만의 인성을 갖는 제3 섬유상 재료; 를 포함하며,
상기 제1 섬유상 재료, 제2 섬유상 재료 및 제3 섬유상 재료는 함께 결합되어 고화된 단일의 복합체 물품을 형성하는 것인 탄도 저항 복합체가 제공된다.
여기서 제공되는 복합체는 3 또는 그 이상의 상이한 부분을 포함하고, 상기 부분의 적어도 2개는 다수의(plurality) 섬유상 플라이를 포함한다. 섬유상 플라이 각각은 다수의 섬유 및 선택적으로 섬유상에 폴리머 바인더 재료를 포함한다. 제1 및 제2 표면을 갖는 제1 섬유상 재료는 복합체의 타격면 부분, 즉, 발사체 위협(threat)이 처음으로 타격하는 최외측 부분 에 위치된다. 발사체는 처음으로 상기 제1 섬유상 재료의 표면에 접촉할 것이다. 제1 및 제2 표면을 갖는 제2 섬유상 물질이 상기 제1 섬유상 물질의 제2 표면에 부착된다. 제1 및 제2 표면을 갖는 제2 부분은 상기 제2 섬유상 재료의 제2 표면에 부착된다. 상기 제3 부분은 섬유를 포함하는 섬유상 재료이거나 또는 비섬유상 시트(sheet)와 같은 비 섬유상 재료일 수 있다.
상기 제1 섬유상 재료 및 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유 대부분 또는 모두는 고강도 섬유이며, 상기 제1 섬유상 재료는 더 강한 섬유, 즉, 상기 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유보다 높은 인성(tenacity)을 갖는 섬유를 포함한다. 여기에서 사용된 "고강도 섬유"는 각각 ASTM D2256에 의해 측정되었을때, 최소 인성이 적어도 7 g/데니어, 바람직한 인장 탄성율(tensile modulus)이 적어도 약 150 g/데니어고, 바람직하게는 적어도 약 8 J/g의 파단 에너지(energy-to-break)를 갖는 섬유이다. 그러나 각각 상기 제1 섬유상 재료 및 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유들은 실질적으로 7 g/데니어보다 크며, 상기 제1 섬유상 재료를 형성하는 섬유 대부분 또는 전부는 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유들보다 실질적으로 크다. "대부분 또는 전부"는 상기 제1 섬유상 재료를 형성하는 섬유의 50% 이상이 상기 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유의 적어도 50%의 인성보다 큰 인성을 갖는 것을 의미한다. 보다 바람직한 실시 태양에서, 상기 제1 섬유상 재료를 형성하는 섬유의 적어도 75%가 상기 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유의 적어도 75%의 인성보다 큰 인성을 갖는다. 더욱 바람직한 실시 태양에서, 상기 제1 섬유상 재료를 형성하는 섬유의 적어도 95%가 상기 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유의 적어도 95%의 인성보다 큰 인성을 갖는다. 가장 바람직하게는 상기 제1 섬유상 재료의 모든 섬유는 상기 제2 섬유상 재료의 모든 섬유보다 큰 인성을 갖는 섬유이다. 이와 관련하여, 각각 상기 제1 섬유상 재료 및 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유는 임의의 섬유상 플라이 또는 부분과 함께 스티치(stitch) 또는 재봉(sew)하기 위해 사용되는 섬유 또는 원사(thread)를 제외한다. 따라서, 상기 제1 섬유상 재료 자체는 상기 제2 섬유상 재료 자체보다 현저하게 큰 탄도 관통 저항을 갖는다.
상기 제3 부분이 섬유를 포함하는 경우, 여기서는 제3 섬유상 재료로 지칭된다. 바람직한 실시 태양에 따르면, 상기 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유의 50% 이상이 상기 제3 섬유상 재료를 형성하는 섬유의 적어도 50%보다 큰 인성을 갖는다. 보다 바람직한 실시 태양에 따르면, 상기 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유의 적어도 75%가 상기 제3 섬유상 재료를 형성하는 섬유의 적어도 75%보다 큰 인성을 갖는다. 더욱 바람직한 실시 태양에 따르면, 상기 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유의 적어도 95%가 상기 제3 섬유상 재료를 형성하는 섬유의 적어도 95%보다 큰 인성을 갖는다. 가장 바람직하게는 상기 제2 섬유상 재료의 모든 섬유는 상기 제3 섬유상 재료의 모든 섬유보다 큰 인성을 갖는 섬유이다. 이에 따라, 상기 제1 섬유상 재료 및 제2 섬유상 재료는 상기 제3 섬유상 재료보다 개별적으로 현저하게 큰 탄도 관통 저항을 가지며, 상기에서 언급한 바와 같이, 상기 제1 섬유상 재료, 제2 섬유상 재료 및 제3 섬유상 재료를 형성하는 섬유는 임의의 섬유상 플라이 또는 부분과 함께 스티치(stitch) 또는 재봉(sew)하기 위해 사용되는 섬유 또는 원사를 제외한다.
이러한 목적에 따라, 상기 제2 섬유상 물질의 섬유 각각은 바람직하게는 상기 제1 섬유상 물질의 섬유의 인성보다 적어도 25% 작은 인성을 가지며, 상기 선택적인 제3 섬유상 재료의 섬유 각각은 바람직하게는 상기 제2 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 적어도 25% 작은 인성을 가진다. 이러한 목적에 따라 추가로, 상기 제1 섬유상 물질의 섬유상 플라이를 형성하는 섬유 각각은(즉, 제1 섬유상 플라이) 바람직하게는 27 g/데니어 보다 큰 인성을 가지며, 보다 바람직하게는 약 28 g/데니어 내지 약 60 g/데니어, 더욱 바람직하게는, 약 33 g/데니어 내지 약 60 g/데니어, 더욱 바람직하게는 40 g/데니어 또는 그 이상, 보다 더욱 바람직하게는 43 g/데니어 또는 그 이상 또는 적어도 43.5 g/데니어, 보다 더욱 바람직하게는, 약 45 g/데니어 내지 약 60 g/데니어, 보다 더욱 바람직하게는, 적어도 45 g/데니어, 적어도 약 48 g/데니어, 적어도 약 50 g/데니어, 적어도 약 55 g/데니어 또는 적어도 약 60 g/데니어이다. 상기 제2 섬유상 재료의 섬유상 플라이를 형성하는 각각의 섬유(즉, 제2 섬유상 플라이)은 바람직하게는 약 20 g/데니어 내지 약 45 g/데니어의 인성을 가지며, 더욱 바람직하게는 약 20 g/데니어 내지 약 40 g/데니어, 더욱 바람직하게는 약 20 g/데니어 내지 약 35 g/데니어, 그리고 가장 바람직하게는 약 20 g/데니어 내지 약 30 g/데니어이다. 그러나 상기 제2 섬유상 플라이의 섬유는 상기 제1 섬유상 플라이를 형성하는 섬유의 강성에 따라 더 높을 수 있다.
상기 제3 부분이 제3 섬유상 재료인 실시 태양에 있어서, 상기 제3 섬유상 재료의 섬유상 플라이를 형성하는 섬유 각각(즉, 제3 섬유상 플라이)은 바람직하게는 약 3 g/데니어 내지 약 34 g/데니어(예를 들어, 33.75 g/d(45 g/d의 25%)), 보다 바람직하게는 약 5 g/데니어 내지 약 30 g/데니어, 더욱 바람직하게는 약 5 g/데니어 내지 약 25 g/데니어, 더욱 바람직하게는 약 5 g/데니어 내지 약 20 g/데니어, 더욱 바람직하게는 약 5 g/데니어 내지 약 15 g/데니어, 그리고 더욱 바람직하게는 약 5 g/데니어 내지 약 10 g/데니어다. 그러나, 상기 제3 섬유상 플라이의 섬유는 더 낮거나 높을 수 있다. 예를 들어, 일 실시태양에서 상기 제3 섬유상 재료는 7 g/데니어 미만, 6 g/데니어 미만 또는 5 g/데니어 미만의 인성을 갖는 섬유를 포함한다.
보다 바람직한 실시 태양에서, 상기 제2 섬유상 재료의 섬유 각각은 바람직하게는 상기 제1 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 적어도 35% 작은 인성을 가지며, 선택적인 상기 제3 섬유상 재료의 섬유 각각은 바람직하게는 상기 제2 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 적어도 35% 작은 인성을 가진다. 더욱 바람직하게는, 상기 제2 섬유상 재료의 섬유 각각은 바람직하게는 상기 제1 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 적어도 50% 작은 인성을 가지며, 선택적인 상기 제3 섬유상 재료의 섬유 각각은 바람직하게는 상기 제2 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 적어도 50% 작은 인성을 가진다. 이들 실시 태양에서, 각각의 섬유상 물질의 부분을 형성하는 섬유 유형은 다른 섬유상 재료 부분을 형성하는 섬유 유형과 같거나 또는 다를 수 있다. 또한, 상기 제2 섬유상 물질의 섬유가 상기 제1 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 단 10% 미만, 또는 약 10% 내지 약 25% 미만, 또는 약 25% 내지 약 50% 미만이고, 상기 제3 섬유상 재료의 섬유가 상기 제2 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 단 10% 미만, 또는 약 10% 내지 약 25% 미만, 또는 약 25% 내지 약 50% 미만일 수 있다는 것도 본 발명의 범위에 포함되나, 적어도 25%의 차이가 가장 바람직하다.
또한, 특정 섬유상 재료 부분의 섬유 "각각"은 인접한 "각각"의 섬유상 재료 부분의 섬유 "각각"과 상이한 인성을 갖는 것이 바람직하나, 하나 또는 그 이상의 섬유상 재료 부분은 하나 또는 그 이상의 다른 부분과 동일한 강도를 갖는 소량의 섬유(예를 들어 10% 미만)를 포함할 수 있으며, 제1의 타격면 부분에서 시작하는 각각의 연속 섬유상 재료의 부분 내의 대부분의 섬유 (즉 > 50%, > 60%, > 70%, > 80%, > 90%; > 95%; > 98%; 또는 > 99%)는 이전의 섬유상 재료 부분보다 적어도 10% 큰 인성을 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 25% 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제2 섬유상 재료 부분은 선택적으로 상기 제 1 섬유상 재료 부분의 섬유의 인성과 동일하거나 큰 인성을 갖는 섬유이거나, 또는 제3 섬유상 재료 부분의 섬유의 인성과 같거나 더 작은 인성을 갖는 소량의 섬유/필라멘트를 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 부분의 섬유/필라멘트의 총 개수의 10% 미만을 포함할 수 있다. 그러나 이는 바람직하지 않다. 상기 명시된 인성 범위에서의 임의의 중첩(overlap)은 여전히 상기 섬유 재료 부분의 다른 섬유 인성 요건이 충족되어야 한다. 즉, 만약 상기 제1 섬유상 재료 부분의 섬유가(즉, 섬유의 > 50%, > 60%, > 70%, > 80%, > 90%; > 95%; > 98%; or > 99%, or 100%) 28 g/데니어의 인성을 갖는 경우, 상기 제1 섬유 재료 부분의 섬유는(즉, 섬유의 > 50%, > 60%, > 70%, > 80%, > 90%; > 95%; > 98%; or > 99%, or 100%) 28g/데니어보다 적어도 25% 미만의 인성, 즉, 21 g/데니어 또는 그 미만을 가져야 한다. 가장 바람직하게는, 각각의 개별적인(단일의) 섬유 플라이 및 개별적인(단일의) 섬유상 층을 형성하는 모든 섬유는 폴리머 유형, 화학적 조성 및 인성이 서로 일치하며, 가장 바람직하게는 단일 섬유상 재료 부분을 형성하는 모든 섬유는 폴리머 유형, 화학적 조성 및 인성이 서로 일치한다. 따라서, 섬유상 재료 부분은 각각의 개별적인 부분을 형성하는 구성 섬유의 차이, 특히 다른 부분의 섬유의 인성에 의하여 다른 섬유상 재료 부분과 가장 명확하게 구별된다.
상기 제1 섬유상 재료, 제2 섬유상 재료 및 선택적 제3 섬유상 재료 각각의 섬유상 플라이를 형성하는 섬유는 각 재료에 요구되는 인장 특성에 따라 달라질 수 있다. 특히 적합한 고인성 섬유는 폴리올레핀 섬유, 고분자량 폴리에틸렌 섬유, 특히 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 포함할 수 있다. 또한, 적합한 아라미드 섬유는 특히, 파라-아라미드 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 섬유, 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate) 섬유, 사슬 연장된(extended chain) 폴리비닐 알코올 섬유, 사슬 연장된 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 섬유, 폴리벤조옥사졸(PBO) 섬유, 폴리벤조티아졸(PBT) 섬유, 액정 코폴리에스터(liquid crystal copolyester) 섬유, M5® 섬유와 같은 경질 막대(rigid rod) 섬유 및 전기 등급(electric grade) 유리섬유(E-glass; 양호한 전지적 특성을 갖는 저 알칼리 붕규산(borosilicate) 유리), 구조 등급(structural grade) 유리섬유(S-glass; 고 강도 마그네시아-알루미나-실리카) 및 저항 등급(resistance grade) 유리섬유(R-glass; 산화마그네슘 또는 산화칼슘을 포함하지 않는 고강도 알루미노 실리케이트 유리)를 포함하는 유리 섬유를 포함할 수 있다.
상기 제1 섬유상 재료 및 제2 섬유상 재료로 가장 바람직한 섬유 유형은 폴리에틸렌 섬유(특히, 사슬 연장된 폴리에틸렌 섬유), 아라미드 섬유, PBO 섬유, 액정 코폴리에스터 섬유, 폴리프로필렌 섬유(특히. 고도로 배향되어(oriented) 사슬 연장된 폴리프로필렌 섬유), 폴리비닐 알코올 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 유리섬유 및 M5® 경질 막대 섬유와 같은 경질 막대 섬유이다. 특히 가장 바람직한 것은 폴리에틸렌 섬유 및 아라미드 섬유이다. 상기 제1 섬유상 재료 및 제2 섬유상 재료 각각을 형성하는 섬유는 동일한 유형의 섬유이거나 또는 상이한 유형의 섬유일 수 있다. 상기 제1 섬유상 재료 및 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유가 동일한 섬유 유형(예를 들어, 폴리에틸렌 섬유로 구성되거나, 폴리에틸렌 섬유를 포함하거나, 또는 폴리에틸렌 섬유를 필수적으로 포함 또는 아라미드 섬유로 구성되거나, 아라미드 섬유를 포함하거나, 또는 아라미드 섬유를 필수적으로 포함)인 경우, 상기 제2 섬유상 재료의 섬유 유형은 여전히 상기 제1 섬유상 재료의 섬유보다 작은 인성을 가지며, 바람직하게는, 상기 제1 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 적어도 25% 미만, 더욱 바람직하게는 적어도 35% 미만, 가장 바람직하게는 적어도 50% 미만이다.
폴리에틸렌의 경우, 바람직한 섬유는 적어도 30,0000 분자량을 갖는 사슬 연장된 폴리에틸렌이고, 바람직하게는 적어도 1,000,000이고 보다 바람직하게는 2,000,000 및 5,000,000 사이의 분자량을 갖는 사슬 연장된 폴리에틸렌이다. 이러한 사슬 연장된 폴리에틸렌(ECPE) 섬유는 여기에 참조로 인용된 미국 특허 4,137,394 또는 4,356,13에 개시된 용액 방사 공정(solution spinning processes)에 의해 성장시킬 수 있고 또한, 미국 특허 4,413,110; 4,536,536; 4,551,296; 4,663,101; 5,006,390; 5,032,338; 5,578,374; 5,736,244; 5,741,451; 5,958,582; 5,972,498; 6,448,359; 6,746,975; 6,969,553; 7,078,099; 7,344,668 및 미국 특허 출원 공개공보 2007/0231572에 개시된 바와 같이 용액으로부터 겔구조가 형성될 수 있으며, 이들 모두는 참조로 여기에 인용된다. 특히 바람직한 섬유 유형은 Honeywell International Inc.의 상표명 SPECTRA® 하에서 시판되는 임의의 폴리에틸렌 섬유이다. SPECTRA® 섬유는 당 업계에 잘 알려져 있다. 또한, 다른 유용한 폴리에틸렌 섬유 유형은 네덜란드 Heerlen 소재의 Royal DSM N.V. Corporation로부터 상업적으로 입수가능한 DY EEMA® UHMW PE 얀(yarns)을 포함한다.
특히 바람직한 UHMW PE 섬유의 형성방법은 적어도 39 g/denie의 인성을 갖는 UHMW PE 섬유를 생산할 수 있는 공정이고, 가장 바람직하게는 상기 섬유가 다중-필라멘트(multi-filament) 섬유인 경우이다. 가장 바람직한 공정은 공동 소유(commonly-owned)의 미국 특허 7,846,363; 8,361,366; 8,444,898; 8,747,715; 뿐만 아니라, 미국 공개 번호 2011-0269359에 개시된 내용을 포함하며, 이들에 개시된 내용은 본원과 일치하는 범위에서 참조로 여기에 인용된다. 이러한 공정은 초고분자량 폴리에틸렌 및 용매의 용액이 형성되고, 이어서 상기 용액을 다중-오리피스 방적돌기(orifice spinneret)를 통해 압출하여 용액 필라멘트를 형성하고, 용액 필라멘트를 겔 필라멘트로 냉각하고, 용매를 추출하여, 건조된 필라멘트를 형성하는 점에서 "겔 방사" 또는 "용액 방사"로 지칭된다. 이들 건조 필라멘트는 당 업계에서 섬유 또는 얀으로 지칭되는 번들(bundle)로 그룹화된다. 이후 상기 섬유/얀은 최대 인발력(drawing capacity)까지 인발되어 인성이 증가한다.
바람직한 아라미드(방향족 폴리아미드)섬유는 예를 들어, 미국 특허 3,671,542에 기재되어 있으며, 잘 알려져 있고, 상업적으로 입수 가능하다. 예를 들어, 유용한 아라미드 필라멘트는 DuPont의 상표명 KEVLAR®로 상업적으로 생산된다. 또한 Wilmington, DE의 DuPont의 상표명 NOMEX®로 상업적으로 생산되는 폴리(m-페닐렌 이소프탈아마이드)(poly(m-phenylene isophthalamide)) 섬유 및 독일의 Teijin Aramid Gmbh의 상표명 TWARON®로 상업적으로 생산되는 섬유가 유용하다; 한국의 Kolon Industries, Inc.의 상표명 HERACRON®로 상업적으로 생산되는 아라미드 섬유; 러시아의 Kamensk Volokno JSC에서 상업적으로 생산된 SVM™ and RUSAR™ p-아라미드 섬유 및 러시아의 SC Chim Volokno에서 상업적으로 생산된 ARMOS™ p-아라미드 섬유가 유용하다.
적합한 PBO 섬유는 상업적으로 입수 가능하고, 예를 들어, 각각 여기에 참조로 인용된 미국 특허 5,286,833, 5,296,185, 5,356,584, 5,534,205 및 6,040,050에 개시되어 있다. 적합한 액정 코폴리에스터 섬유는 상업적으로 입수 가능하고, 예를 들어, 각각 여기에 참조로 인용된 미국 특허 3,975,487; 4,118,372 및 4,161,470에 개시되어 있고, 일본 도쿄 소재 Kuraray Co. Ltd.로부터 상업적으로 입수 가능한 VECTRAN®를 포함한다. 적합한 폴리프로필렌 섬유는 여기에 참조로 인용된 미국 특허 4,413,110에 개시된 고도로 배향된 사슬 연장 폴리프로필렌(ECPP) 섬유를 포함한다. 적합한 폴리비닐 알코올(PV-OH) 섬유는 예를 들어, 여기에 참조로 인용된 미국 특허 4,440,711 및 4,599,267에 개시되어 있다. 적합한 폴리아크리릴로니트릴(PAN) 섬유는 예를 들어, 여기에 참조로 인용된 미국 특허 4,535,027에 개시되어 있다. 이들 섬유 각각은 통상적으로 알려져 있고, 널리 상업적으로 입수 가능하다. M5® 섬유는 피리도비스이미다졸-2, 디일(2,5-디히드록시-p-페닐렌)(pyridobisimidazole-2,6-diyl(2,5-dihydroxy-p-phenylene)으로부터 형성되며, Virginia의 Magellan Systems International of Richmond에 의해 최근 제조되었으며, 예를 들어, 각각 여기에 참조로 인용된 미국 특허 5,674,969, 5,939,553, 5,945,537, 및 6,040,478에 개시되어 있다. 용어 "경질 막대"섬유는 이러한 피리도비스이미다졸계 섬유 유형에 한정되는 것은 아니고, 많은 PBO 및 다양한 아라미드 섬유가 종종 경질 막대 섬유로 지칭된다. 상업적으로 입수 가능한 유리섬유는 South Carolina의 AGY of Aiken로부터 상업적으로 입수 가능한 S2-Glass® S-glass 섬유, 벨기에의 3B Fibreglass of Battice로부터 상업적으로 입수 가능한 HiPerTex™ E-Glass 섬유 및 프랑스의 Saint-Gobain of Courbevoie로부터 상업적으로 입수 가능한 VETROTEX® R-glass 섬유를 포함한다.
제3 섬유상 재료를 형성하는 섬유는 고성능 섬유로 형성되거나 형성되지 않을 수 있으나, 전술한 바와 같이, 상기 제3 섬유상 재료의 섬유는 상기 제1 섬유상 재료 및 제2 섬유상 재료 각각의 인성보다 작은 인성을 가지며, 바람직하게는 상기 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유보다 적어도 25% 미만의 인성을 갖는 섬유를 포함한다. 상기 제3 섬유상 재료를 형성하기에 적합한 섬유는 배타적이지 않은 방식으로(non-exclusively) 나일론 섬유, 폴리에스터 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리올레핀 섬유 또는 이들의 조합을 포함하며, 바람직하게는 약 5 g/데니어 내지 약 20 g/데니어, 더욱 바람직하게는 약 5 g/데니어 내지 약 15 g/데니어, 그리고 보다 더욱 바람직하게는 약 5 g/데니어 내지 약 10 g/데니어의 인성을 갖는다. 더 높거나, 더 낮은 인성 섬유 또한 유용하며, 이는 이들의 인성이 상기 제2 섬유상 플라이의 섬유보다 낮을 것을 전제로 한다. 이와 관련하여, 5 g/데니어 미만의 인성을 갖는 나일론 섬유, 폴리에스터 섬유, 폴리프로필렌 섬유 또는 폴리올레핀 섬유 또는 이들의 조합 또한 여기에 유용하다. 이들 섬유 유형 중 나일론 섬유가 가장 바람직하며, 특히 420 데니어 또는 840 데니어 섬유 및 이들로부터 형성된 직물이 널리 상업적으로 입수 가능하다. 제3 섬유상 재료 부분으로 특히 바람직하게는 상업적으로 입수 가능한 26 x 26 평직(plain weave) 구조 및 200 g/m2의 면 밀도(areal density)를 갖는 840 데니어 나일론 섬유로 형성된 직물을 포함한다. 또한, Invista North America S.A R.L. of Wilmington, DE.로부터 상업적으로 입수 가능한 CORDURA® 브랜드 나일론 직물이 적합하다. 특히 적합한 나일론 섬유는 나일론 6 섬유, 나일론 6,6 섬유 및 나일론 4,6 섬유이다.
대안으로(alternatively), 상기 제3 부분은 폴리머 시트, 금속 시트 또는 발포체(foam)와 같은 에너지 완화(mitigating) 재료와 같은 비 섬유상 재료일 수 있다. 바람직한 폴리머 시트는 그 물리적 특성에 대해 등방성(isotropic)인 하나 또는 그 이상의 폴리머층을 포함한다. 적합한 등방성 폴리머 층은 아크릴, 나일론(예를 들어 나일론 6; 나일론 6,6; 또는 나일론 4,6), 폴리올레핀, 에폭시, 실리콘, 폴리에스터, 폴리카보네이트 또는 폴리비닐 클로라이드와 같은 폴리머로부터 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 등방성 폴리머 층을 제조하는 방법은 통상적으로 알려져 있다. 적합한 금속 시트는 배타적이지 않은 방식으로 고강도 강(HHS), 알루미늄 합금, 티타늄 또는 이들의 조합을 포함한다. 적합한 오픈 셀(open-cell) 발포체는 배타적이지 않은 방식으로, 폴리우레탄 발포체, 폴리에틸렌 발포체, 폴리비닐 클로라이드(PVC) 발포체 및 다른 열가소성 수지(resin) 발포체를 포함한다. 폴리우레탄 발포체가 가장 일반적이다. 오픈 셀 발포체는 상업적으로 입수 가능하며, 예를 들어, 여기에 참조로 인용된 미국 특허 6,174,741, 6,093,752, 5,824,710, 5,1 14,773 및 4,957,798에 개시되어 있다. 또한, 발포체는 Arthur H. Landrock, Noves Publication (1995)의 Handbook of Plastic Foams의 내용에도 개시되어 있다. 발포체 원료 제조업체는 Midland, MI의 The Dow Chemical Company와 Pittsburgh, PA의 Bayer Corporation를 포함한다. 발포체 변환업체(converters) (액상에서 가요성(flexible) 발포체로)는 American Excelsior Corp. of Texas, Foamtech Corporation of Massachusetts, Wisconsin Foam Products of Wisconsin, UFP Technologies of Massachusetts, Sealed Air Corporation of New Jersey 및 McMaster-Carr of Robbinsville, NJ. Rigid를 포함하고, 또한, 독립 기포 발포체(closed-cell foams)는 비닐 니트릴(예를 들어, 폴리비닐클로라이드(PVC) 니트릴) 발포체, 폴리에틸렌 발포체 또는 에틸렌 비닐 아세테이트 발포체등이 사용될 수 있다. 적합한 상업적으로 입수 가능한 독립 기포 발포체의 예로서, McMaster-Carr of Robbinsville, NJ로부터 상업적으로 입수 가능한 네오프렌(neoprene)/EPDM/SBr(네오프렌/에틸렌 프로필렌 디엔 모노머/스틸렌-부타디엔 고무) 독립 기포 발포체; UFP Technologies of Raritan, NJ로부터 상업적으로 입수 가능한 United Foam XRD 15 PCF 폴리에틸렌(Qycell Corporation of Ontario, CA에서 제조)이 있다. 비교예 7-9에서 사용된 "접착성 배면 오픈 셀 발포체(Adhesive Backed Open Cell Foam)"는 0.25 inch 방수, 접착 배킹(adhesive backing)을 갖는 우수한 완충(super-cushioning) 오픈 셀 폴리우레탄 발포체이며, McMaster-Carr로부터 상업적으로 입수 가능하다.
본 발명의 목적을 위해, "섬유"는 길이 치수가 폭 및 두께의 횡방향 치수
(transverse dimensions)보다 훨씬 큰 세장형(elongate) 몸체이다. 본 발명에서 사용되는 섬유의 단면은 광범위하며, 이들은 단면에서 원형, 편평(flat)하거나, 또는 직사각형일 수 있다. 또한, 이들은 필라멘트의 선형(linear) 또는 종축(longitudinal axis)으로부터 돌출된 하나 또는 그 이상의 규칙적 또는 불규칙적인 로브(lobes)를 갖는 불규칙적 또는 규칙적인 다중-로발(multi-lobal) 단면일 수 있다. 따라서, 상기 용어"섬유"는 규칙적 또는 불규칙적인 단면을 갖는 필라멘트, 리본, 스트립(strip)을 포함한다. 상기 섬유는 실질적으로 원형의 단면을 갖는 것이 바람직하다. 여기서 사용된 용어 "얀"은 다중 섬유로 구성된 단일 스트랜드(strand)로 정의된다. 단일 섬유는 오직 하나의 필라멘트 또는 다중 필라멘트로 형성될 수 있다. 여기서는 오직 하나의 섬유로 형성된 섬유는 "단일 필라멘트" 또는 "모노필라멘트"섬유로 지칭되며, 다수의 필라멘트로 형성된 섬유는 "멀티필라멘트"섬유로 지칭된다. 용어 "데니어(denier)"는 섬유/얀 9000미터 당 단위 그램의 질량과 동일한 선 밀도 단위이다. 이와 관련하여, 상기 섬유는 임의의 적합한 데니어일 수 있다. 예를 들어, 섬유는 약 50 내지 약 5000 데니어를 가질 수 있고, 더욱 바람직하게는 약 200 내지 약 5000 데니어, 보다 더욱 바람직하게는 약 650 내지 약 3000 데니어, 그리고 가장 바람직하게는 약 800 내지 약 1500 데니어일 수 있다. 선택은 탄도 효과 및 비용에 대한 고려를 통해 이루어진다. 더 미세한 섬유는 제조 및 제작에 더 많은 비용이 드나, 단위 중량 당 탄도 효과가 더 우수해질 수 있다.
섬유의 "인성"은 응력이 가해지지 않은 시편의 단위 선 밀도(데니어) 당 힘(그램)으로 표현되는 인장 강도를 나타낸다. 여기서 사용된 용어 "섬유상 플라이"는 단방향(unidirectionally)으로 배향된 섬유의 단일 배열, 단일 직물(woven fabric), 단일 편직물(knitted fabric) 또는 단일 펠트화 직물(felted fabric)을 지칭한다. 섬유상 플라이 각각은 외측 상부 표면 및 외측 하부 표면을 모두 가지며, 다수의 "섬유상 플라이"은 섬유상 구조의 하나 이상의 플라이를 나타낸다. 단방향으로 배향된 섬유의 단일 섬유상 플라이는 단방향으로 정렬된, 실질적으로 평행한 배열의 섬유 배열을 포함한다. 이러한 유형의 섬유 배열은 당 업계에서 "유니테이프(unitape)", "단방향성 테이프(unidirectionally)", "UD" 또는 "UDT"로 알려져 있다. 여기서 사용된 "배열"은 섬유 또는 얀의 정연한(orderly) 정렬을 나타내고, 직조 및 편직된 직물은 제외하며, "평행 배열(parallel array)"은 섬유 또는 얀이 정연하고, 나란하며(side-by-side), 동일 평면상에서 평행하게 정렬된 것을 나타낸다. "배향된 섬유"의 문맥에서 사용된 "배향된"의 용어는 섬유의 연신보다는 섬유의 정렬된 방향을 지칭한다. "직물"이라는 용어는 상기 플라이의 고화(consolidation)/성형(molding)을 가하였거나 또는 가하지 않은 하나 또는 그 이상의 섬유 플라이를 포함하는 구조물을 나타낸다. 단방향 섬유로터 형성된 부직포는 전형적으로, 실질적으로 동연의(coextensive) 방식으로 상호 면 대 면(surface-to-surface)으로 겹쳐지고, 고화된 다수의 부직 섬유 플라이를 포함한다. 여기서 사용되는 "단일 층"구조는 하나 또는 그 이상의 개별적인 플라이로 구성된 임의의 모놀리식(monolithic) 섬유상 구조를 지칭하며, 이러한 점에서 다중 플라이는 통합 또는 성형 기술에 의해 합쳐진 플라이를 의미한다. 용어 "복합체"는 섬유의 조합을 지칭하나, 바람직하게는 선택적으로 폴리머 바인더 재료를 포함한다.
본 발명에서 각각의 복합체를 형성하는 섬유는 바람직하게는, 필수적이지는 않으나, 적어도 부분적으로 폴리머 바인더 재료로 코팅된다. 상기 폴리머 바인더 재료는 당 업계에서 일반적으로 폴리머 "매트릭스"라고도 지칭된다. 이들 용어는 당 업계에서 통상적으로 알려져 있고, 고유의(inherent) 접착 특성 또는 잘 알려진 열 및/또는 압력 조건을 거친 후의 방식으로 섬유를 함께 결합시키는 재료를 나타낸다. 여기서 사용된 "폴리머"바인더 또는 매트릭스 재료는 수지 및 고무를 포함한다. 존재하는 경우, 상기 폴리머 바인더/매트릭스 재료는 개개의 섬유를 부분적으로 또는 실질적으로 코팅하고, 바람직하게는 개개의 필라멘트/섬유 각각을 실질적으로 코팅하여, 섬유 플라이 또는 섬유층을 형성한다.
적합한 폴리머 바인더 재료는 낮은 인장 탄성율, 높은 인장 탄성율의 경질 재료 모두를 포함한다. 여기 전반에 걸쳐 사용된 인장 탄성율 용어는 폴리머 바인더 재료에 대해 ASTM D638로 측정되는 탄성 계수를 의미한다. 낮거나 또는 높은 계수의 바인더는 다양한 폴리머 및 비 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 낮은 계수의 탄성 재료는 ASTM D638 시험 절차에 따라 측정된, 약 6,000psi (41.4 MPa) 또는 그 미만의 인장 탄성율을 갖는다. 낮은 계수의 폴리머는 바람직하게는 약 4,000 psi (27.6 MPa) 또는 그 미만, 보다 바람직하게는 약 2400 psi (16.5 MPa) 또는 그 미만, 보다 더욱 바람직하게는 약 1200 psi (8.23 MPa) 또는 그 미만, 그리고 가장 바람직하게는 약 500 psi (3.45 MPa) 또는 그 미만의 인장 탄성율을 갖는다. 상기 낮은 계수 탄성 재료의 유리 전이 온도(Tg)는 바람직하게는 약 0℃ 미만, 보다 바람직하게는 약 -40℃ 미만이고 가장 바람직하게는 약 -50℃ 미만이다. 또한, 낮은 계수 탄성 재료는 적어도 약 50%의 파단 연신율(elongation to break)을 가지며, 보다 바람직하게는 적어도 약 100% 미만이고, 가장 바람직하게는 적어도 약 300% 미만이다. 낮은 계수 재료 또는 높은 계수 재료에 관계없이 상기 폴리머 바인더는 또한, 카본블랙, 실리카와 같은 충진재(fillers)를 포함할 수 있으며, 오일로 연장될 수 있고, 또는 황, 과산화물(peroxide), 금속 산화물 또는 당 업계에서 잘 알려진 방사선 경화(radiation cure) 시스템에 의해 가황 처리(vulcanized)될 수 있다.
다양한 재료 및 제형(formulations)이 낮은 계수 폴리머 바인더로 이용될 수 있다. 대표적인 예로서, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 천연고무, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-프로필렌-디엔 삼원공중합체(terpolymers), 폴리설파이드 폴리머, 폴리우레탄 엘라스토머, 클로로술폰화 폴리에틸렌(chlorosulfonated polyethylene), 폴리에틸렌, 연질 폴리염화비닐(plasticized polyvinylchloride), 부타디엔 아크릴로니트릴 엘라스토머, 폴리(이소부틸렌-co-이소프렌), 폴리아크릴레이트, 폴리에스터, 폴리에테르, 플루오로엘라스토머, 실리콘 엘라스토머, 에틸렌, 폴리아미드의 공중합체(일부 섬유 유형에 유용함), 아크릴로니트릴 부타디엔 스틸렌, 폴리카보네이트 및 이들의 조합 뿐만 아니라, 섬유의 융점 이하에서 경화 가능한 다른 낮은 계수 폴리머 및 공중합체를 포함한다. 또한, 다른 탄성 재료의 블렌드(blends) 또는 탄성 재료와 하나 또는 그 이상의 열가소성 (thermoplastics) 재료의 블렌드가 유용하다.
특히 유용한 것은 공액 디엔(conjugated dienes) 및 비닐 방향족 단량체의 블록 공중합체이다. 부타디엔 및 이스프렌은 바람직한 공액 디엔 엘라스토머이다. 스틸렌, 비닐 톨루엔 및 t-부틸 스틸렌은 바람직한 공액 방향족 단량체이다. 폴리이소프렌을 혼입시킨 블록 공중합체는 수소화되어 포화 탄화수소 엘라스토머 세그멘트(segments)를 갖는 열가소성 엘라스토머를 생성할 수 있다. 상기 폴리머는 단순한 A-B-A 유형의 트리 블록 공중합체, (AB)n (n=2-10) 유형의 다중 블록 공중합체 또는 R-(BA)X (x=3-150) 유형의 방사상(radial configuration) 공중합체일 수 있다; 여기서 A는 폴리비닐 방향족 모노머로부터의 블록이고, B는 공액 디엔 엘라스토머로부터의 블록이다. 이러한 폴리머의 대부분은 Kraton Polymers of Houston, TX에서 상업적으로 생산되며, "Kraton Thermoplastic Rubber", SC-68-81에 개시되어 있다. 또한, 상표면 PRINLIN®로 시판되고, 독일 Dusseldorf 소재의 Henkel Technologies로부터 상업적으로 입수가능한 스틸렌-이소프렌-스틸렌(SIS)의 수지 분산물도 유용하다. 탄도 저항 복합체에 통상적으로 사용되는 낮은 계수 폴리머 바인더 폴리머는 Kraton Polymers에 의해 상업적으로 생산되는 상표명 KRATON®로 시판중인 폴리스틸렌-폴리이소프렌-폴리스틸렌 블록 공중합체를 포함한다.
낮은 계수 폴리머 바인더 재료는 가요성 방호구의 형성에 바람직한 반면, 높은 계수 폴리머 바인더 재료는 경질의 방호구 물품의 형성에 바람직하다. 높은 계수, 경질 재료는 일반적으로 6,000 psi보다 큰 초기 인장 탄성율을 가진다. 유용한 높은 계수의, 경질 폴리머 바인더 재료는 폴리우레탄(에테르 및 에스터계 모두), 에폭시, 폴리아크릴레이트, 페놀릭/폴리비닐 부티랄(PVB) 폴리머, 비닐 에스터 폴리머, 스틸렌-부타디엔 블록 공중합체뿐만 아니라, 비닐 에스터 및 디알릴프탈레이트(diallyl phthalate) 또는 페놀 포름알데히드(phenol formaldehyde) 및 폴리비닐 부티랄과 같은 폴리머의 혼합물을 포함한다. 특히 바람직한 경질의 폴리머 바인더 재료는 메틸 에틸 케톤과 같이 탄소-탄소 용매에 용해성이고, 경화시 ASTM D638으로 측정하였을 때 적어도 약 1x106 psi (6895 MPa)의 높은 인장 탄성율을 갖는 열경화성(thermosetting) 폴리머이다. 특히 바람직한 경질의 폴리머 바인더 재료는 미국 특허 6,642,159에 개시된 것들이며, 그 개시 내용은 참조로 여기에 포함된다.
특히 가장 바람직한 극성(polar) 수지 또는 극성 폴리머는 특히, 연질 및 경질 재료의 범위가 약 2,000 psi (13.79 MPa) 내지 8,000 psi (55.16 MPa)범위의 인장 탄성율 내인 폴리우레탄이다. 바람직한 폴리우레탄은 가장 바람직하게는 필수는 아니지만, 공용매(cosolvent)가 없는 수성 폴리우레탄 분산액으로 적용된다. 이러한 것은 수성 음이온성(anionic) 폴리우레탄 분산액, 수성 양이온성(cationic) 폴리우레탄 분산액 및 수성 비이온성(nonionic) 폴리우레탄 분산액을 포함한다. 특히 바람직한 것은, 수성 음이온성 폴리우레탄 분산액; 수성 지방족 폴리우레탄 분산액 및 가장 바람직한 것은 수성 음이온성, 지방족 폴리우레탄 분산액이며 이들 모두는 바람직하게는 공용매가 없는 분산액이다. 이러한 것들은 수성 음이온성 폴리에스터계 폴리우레탄 분산액; 수성 지방족 폴리에스터계 폴리우레탄 분산액; 및 수성 음이온성 지방족 폴리에스터계 폴리우레탄 분산액을 포함하며, 이들 모두는 바람직하게는 공용매가 없는 분산액이다. 이러한 것들은 또한, 수성 음이온성 폴리에테르 폴리우레탄 분산액; 수성 지방족 폴리에테르계 폴리우레탄 분산액; 및 수성 음이온성 지방족 폴리에테르계 폴리우레탄 분산액을 포함하며, 이들 모두는 바람직하게는 공용매가 없는 분산액이다.
마찬가지로 바람직한 것은 수성 양이온성 및 수성 비이온성 분산액의 모든 상응하는 변형(폴리에스터계; 지방족 폴리에스터계; 폴리에테르계; 지방족 폴리에테르계 등)이다. 가장 바람직한 것은 약 700psi 또는 그 이상의 100% 연신율에서 계수를 갖는 지방족 폴리우레탄 분산액이며, 특히 바람직한 범위는 약 700 psi 내지 1000 psi이다. 더욱 바람직한 것은 약 1000psi 또는 그 이상의 100% 연신율에서 계수를 갖는 지방족 폴리우레탄 분산액이며, 보다 더욱 바람직하게는 약 1000psi 또는 그 이상이다. 가장 바람직한 것은 1000psi 또는 그 이상의 계수를 갖는 지방족, 폴리에테르계 음이온성 폴리우레탄 분산액이며, 더욱 바람직하게는 1100psi 또는 그 이상이다.
복합체가 바인더를 포함하는 경우, 상기 복합체를 포함하는 바인더의 총 중량은 바람직하게는 섬유 및 바인더 중량의 합으로부터 중량%로 약 2% 내지 약 50%, 보다 바람직하게는 약 5% 내지 약 30%, 보다 더욱 바람직하게는 약 7% 내지 약 20%이고 가장 바람직하게는 약 11% 내지 약 16%이다. 보다 낮은 바인더 함량은 직조직물 및 편직물에 적합하며, 여기서 폴리머 바인더의 함량은 전형적으로 섬유 및 바인더 중량의 합을 기준으로 0 초과 10% 미만인 것이 바람직하나, 이에 엄격하게 제한하려는 의도는 아니다. 예를 들어 페놀릭/PVB 함침(impregnated) 직조 아라미드 직물은 전형적으로 약 12%의 함량이 바람직하나, 때로는 약 20% 내지 약 30%의 더 높은 수지 함량으로 제조된다. 전형적으로, 직물의 직조 또는 편직은 선택적 폴리머 바인더로 섬유를 코팅하기 전에 수행되며, 그 후 상기 직물은 바인더와 함침된다.
섬유에 폴리머 바인더 재료를 적용하여 섬유 플라이/층을 바인더와 함침시키는 방법은 잘 알려져 있으며, 당업자는 용이하게 결정할 수 있다. 여기서 용어 "함침된"은 "매립된", "코팅된" 또는 바인더 재료가 단순히 상기 플라이/층의 표면에 있는 것이 아니라 상기 섬유 플라이/층에 확산되어 폴리머 코팅에 적용되는 것과 동의어로 간주된다. 임의의 적절한 적용 방법이 폴리머 바인더 재료의 적용에 이용될 수 있으며, 특히"코팅된"과 같은 용어의 사용이 필라멘트/섬유상에 적용되는 방법을 제한하려는 의도는 아니다. 유용한 방법으로는 예를 들어, 폴리머 또는 섬유상에 폴리머 용액을 분무(spraying), 압출 또는 롤 코팅하는 것뿐만 아니라, 용융 폴리머 또는 폴리머 용액을 통하여 상기 섬유를 이송(transporting)하는 것을 포함한다. 가장 바람직한 것은 실질적으로 각각의 섬유를 개별적으로 코팅 또는 캡슐화(encapsulate)하고, 섬유의 표면적 전부 또는 실질적으로 전부를 폴리머 바인더 재료로 피복(cover)하는 것이다.
전술한 바와 같이, 상기 제1, 제2 및 제3 섬유상 재료를 포함하는 섬유상 재료 각각은 단방향성 배향된 섬유로 형성된 직조 직물, 부직포, 랜덤하게 배향된 섬유로 형성된 부직포 펠트화(felted) 직물 또는 편물을 포함할 수 있다. 직조된 직물은 당업계에서 잘 알려져 있는 임의의 직물 직조, 예를 들어 평직조(plain weave), 크로우풋 직조(crowfoot weave), 바스켓 직조(basket weave), 새틴 직조(satin weave), 트윌 직조(twill weave), 3차원 직조(three dimensional woven) 직물 및 이들의 다양한 임의의 변형 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 평직조는 섬유가 직각 0°/90° 방향으로 함께 직조된 것으로, 가장 일반적이며 바람직하다. 보다 바람직한 것은 평직 직물이 동일한 경사(warp) 및 위사(weft) 수를 갖는 것이다. 일 실시 태양에서, 직조 직물의 단일층은 바람직하게는 경사 및 충진 방향 모두에서 인치 당 약 15 내지 약 55의 섬유/얀 단부(cm 당 약 5.9 내지 21.6 단부)를 가지며, 보다 바람직하게는 인치 당 약 15 내지 약 55의 단부를 갖는다(cm 당 약 6.7 내지 17.7 단부). 상기 직조 직물을 형성하는 섬유/얀은 바람직하게는 약 375 내지 약 1300의 데니어를 갖는다. 그 결과 직조된 직물의 무게는 바람직하게는 평방야드 당 약 5 내지 19온스(ounces) 이고(약 169.5 내지 약 644.1 g/m2), 보다 바람직하게는 평방야드 당 약 5 내지 11온스(약 169.5 내지 약 373.0 g/m2)이다. 이러한 직조된 직물의 예는 JPS Composite Materials of Anderson, SC로부터 입수 가능한 SPECTRA® 직물 유형 902, 903, 904, 952, 955 및 960로 지정된 것 또는 Honeywell International Inc.에서 SPECTRA®로 제조된 다른 상업적 직조물이다. 다른 예시적인 직조 직물은 SPECTRA® 직물 스타일 912와 같은 바스켓 직조로 형성된 직물을 포함한다. 아라미드계 직조된 직물의 예는 DuPont으로부터 입수 가능한 KEVLAR® 직물 스타일 704, 705, 706, 708, 710, 713, 720, 745 및 755와 Kolon Industries, Inc.로부터 상업적으로 입수 가능한 TWARON® 직물 스타일 5704, 5716 및 5931이다. 편직물 구조는 트리코(tricot), 라셀(raschel), 넷(net) 및 배향된 구조의 4가지 주요 유형이 있는 교락 루프(intermeshing loops)로 구성된 구조이다. 루프 구조의 특성으로 인하여, 상기 처음의 3 카테고리의 편물은 섬유의 강도의 장점을 완전히 활용하지 못하는 점에서 적합하지 못하다. 그러나 배향된 편물 구조는 미세한 데니어의 편직 스티치에 의해 부여된 직선 인레이드 얀(straight inlaid yarns)을 사용한다. 상기 섬유는 편직 직물에서 발견되는 얀에 얽히는(interlacing) 효과로 인한 크림프 효과(crimp effect) 없이 매우 직선이다. 이러한 얀에 놓여진 것들은 설계 조건에 따라 단축, 2축 또는 다중 축 방향으로 배향될 수 있다. 내 하중(load bearing) 얀을 놓일 때 사용되는 특정 편물 장비는 얀이 꿰뚫고 지나가지 않는 것이 바람직하다. 펠트는 카딩(carding) 또는 유체 배열(fluid laying), 멜트 블로우잉(melt blowing) 및 스핀 배열(spin laying)과 같은 당 업계에서 알려진 몇 가지 기술로 형성될 수 있다. 펠트는 랜덤으로 배향된 섬유 조직, 바람직하게는 불연속적인 섬유, 바람직하게는 약 0.25인치(0.64cm) 내지 약 10인치(25.4cm) 범위의 길이를 갖는 단섬유(staple fiber)이다.　
본 발명의 부직 단방향성 섬유상 플라이는 당업계에서 통상적인 방법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 부직 단방향성 섬유상 플라이를 형성하는 바람직한 방법에 있어서, 다수의 섬유가 어레이(array)로 배열되고, 전형적으로는 실질적으로 평행한 단방향성 어레이로 정렬된 다수의 섬유를 포함하는 섬유 웹으로 배열된다. 전형적인 공정에서 섬유 번들은 크릴(creel)로부터 공급되고, 가이드(guides) 및 하나 또는 그 이상의 스프레더 바(spreader bars)를 통하여 시준 콤(collimating comb)으로 유도된다. 이후 전형적으로 섬유를 폴리머 바인더 재료로 코팅한다. 전형적인 섬유 번들은 약 30 내지 약 2000개의 개별 섬유를 포함할 것이다. 상기 스프레더 바 및 시준 콤은 상기 번들된 섬유를 분산 및 확산하여, 동일 평면상에 나란하게 재구성한다. 이상적인 섬유 확산은 개별 필라멘트 또는 개별 섬유가 단일 섬유 평면내에서 서로 인접하게 위치시켜, 실질적으로 단방향성이고, 섬유가 서로 중첩되지 않고 평행하게 배열되게 한다. 직조된 직물과 유사하게, 직조된 직물의 단일 플라이는 바람직하게는 인치 당 약 15 내지 약 55 섬유/얀 단부(cm 당 약 5.9 내지 약 21.6 단부)를 가지며, 보다 바람직하게는 약 17 내지 약 45 단부(cm 당 약 6.7 내지 약 17.7단부)이다. 다음으로, 상기 섬유가 매트릭스/바인더로 코팅되는 경우 상기 코팅은 통상적인 방법에 따라 적용되고, 이어서 전형적으로 건조되어 코팅된 섬유가 원하는 길이 및 폭의 단일 플라이로 형성된다. 코팅되지 않은 섬유는 접착 필름과 함께 결합되거나 열과 함께 섬유를 결합하거나, 또는 알려진 임의의 방법을 통해 단일 플라이를 형성할 수 있다.
단방향성 부직, 펠트화된 부직, 직조 직물 또는 편직물 어느 것이든 다수의 섬유상 플라이는 당 업계에서 통상적인 방법에 따라 함께 병합되어 탄도 저항 복합체의 개개의 부분을 형성할 수 있다. 이와 관련하여, 선택된 직물/섬유상 플라이 유형의 다수의 단일 플라이는 동일 공간 상에서 서로 적층되고, 합쳐지며, 즉, 함께 통합된다. 상기 부분(예를 들어, 상기 제1 섬유상 재료 또는 제2 섬유상 재료, 또는 재3 섬유상 재료등)이 펠트화된 부직, 직조 또는 편직된 섬유상 플라이를 포함하는 경우, 각 섬유상 재료의 부분은 바람직하게는 약 2 내지 약 100 섬유상 플라이, 보다 바람직하게는 약 2 내지 약 85 섬유상 플라이를 포함하고, 가장 바람직하게는 약 2 내지 약 65 섬유상 플라이를 포함한다. 상기 부분이 다수의 단방향성 부직 섬유상 플라이를 포함하는 경우, 이러한 다수의 플라이는 먼저 2-플라이 또는 4-플라이 단방향 부직포 "층"으로 형성되는 것이 전형적이며, 또한 당 업계에서는 "프리프레그(pre-preg)"라 지칭하며, 이러한 다수의 "층" 또는 "프리프레그"를 함께 조합하여 상기 부분을 형성한다. 각각의 "층" 또는 "프리프레그"는 전형적으로 2 내지 6 섬유상 플라이를 포함하고, 전형적으로 0°/90°에서 교차-접합(cross-plied)되지만, 다양한 응용에 사용할 수 있는 약 10 내지 20의 섬유상 플라이를 포함할 수 있으며, 또한 교대로 0°/90°방향으로 교차 접합된 층을 포함할 수 있다. 상기 부분(예를 들어, 상기 제1 섬유상 재료 또는 제2 섬유상 재료 또는 제3 섬유상 재료등)이 이러한 부직 단방향성 섬유"층"을 포함하는 경우 상기 부분은 바람직하게는 약 2 내지 약 100 섬유 층을 포함하고, 보다 바람직하게는 약 2 내지 약 85 섬유층 및 가장 바람직하게는 약 2 내지 약 65의 섬유 층을 포함한다. 상기 제1 섬유상 재료, 제2 섬유상 재료, 선택적 제3 섬유상 재료 및 임의의 추가적인 섬유상 재료 각각의 섬유상 플라이의 총 개수는 상이할 수 있고 또는 동일할 수 있으며, 상기 층은 임의의 적합한 두께를 갖는다. 상기 부분에 총 플라이 개수가 많을수록 탄도 저항이 증가하나. 중량 또한 증가하는 것으로 해석된다.
특히, 단방향성 부직 섬유상 플라이를 포함하는 섬유상 재료와 관련하여, 우수한 탄도 저항은 개별적인 섬유상 플라이가 서로 겹쳐지도록 스택(stack)될 때 달성되는 것은 당 업계에서 일반적으로 알려져 있으며, 이에 따라 각 섬유상 플라이의 단방형성 배향된 섬유는 각각 인접한 플라이의 종방향(longitudinal) 섬유 방향에 평행하지 않은 종방향 섬유 방향으로 배향된다. 가장 바람직하게는 상기 섬유상 플라이는 0°및 90°의 각도에서 직각 방향으로 교차접합되고, 여기서 짝수층에서의 상기 섬유의 각도는 바람직하게는 실질적으로 동일하며, 홀수층에서의 각도는 바람직하게는 실질적으로 동일하나, 인접한 플라이는 다른 플라이의 종방향 섬유 방향에 대하여 약 0°내지 90°사이의 사실상 임의의 각도로 정렬될 수 있다. 예를 들어 5개의 플라이 부직 구조는 0°/45°/90°/45°/0°또는 다른 각도로 배향된 플라이를 포함할 수 있다. 이러한 회전된 단방향성 배열은 예를 들어, 미국 특허 457,985; 4,748,064; 4,916,000; 4,403,012; 4,623,574; 및 4,737,402에 개시되어 있으며, 이들 모두는 본원과 양립가능한 범위내에서 여기에 참조로 인용된다. 전형적으로, 상기 인접한 플라이내의 섬유는 상호, 45°내지 90°, 바람직하게는 60°내지 90°, 보다 바람직하게는 80°내지 90°그리고 가장 바람직하게는 약 90°로 배향될 것이다.
상기 제1 섬유상 재료, 제2 섬유상 재료, 선택적 제3 섬유상 재료 및 임의의 추가적인 섬유상 재료 각각은 동일한 섬유 유형 또는 상이한 섬유 유형으로부터 형성될 수 있으며, 같은 매트릭스/바인더 유형 또는 상이한 매트릭스/바인더 유형을 포함할 수 있다. 일 실시 태양에서, 상기 제1 섬유상 재료를 형성하는 섬유 및 폴리머 바인더 모두는 상기 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유 및 폴리머 바인더와 화학적으로 동일하다. 예를 들어, 각 섬유상 재료는 폴리우레탄 바인더로 코팅된 초고분자량 폴리에틸렌 섬유를 포함할 수 있다. 또 다른 실시 태양에서, 상기 제1 섬유상 재료를 형성하는 섬유 및 폴리머 바인더 모두는 상기 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유 및 폴리머 바인더와 화학적으로 상이하다. 예를 들어 상기 제1 섬유상 재료는 폴리우레탄 바인더로 코팅된 초고분자량 폴리에틸렌 섬유를 포함할 수 있고, 상기 제2 복합체는 폴리스틸렌-폴리이소프렌-폴리스틸렌 블록 공중합체 바인더로 코팅된 아라미드 섬유를 포함할 수 있다.
바람직한 3개의 섬유상 부분 물품의 실시태양(1st 섬유상 재료/2nd 섬유상 재료/3rd 섬유상 재료)에서, 폴리머 바인더로 코팅된 섬유를 포함하는 상기 제1 섬유상 재료, 제2 섬유상 재료의 상기 제1 섬유상 재료를 형성하는 섬유 및 바인더 모두는 더 낮은 인성을 갖는 상기 제2 섬유상 재료를 형성하는 섬유 및 바인더와 화학적으로 통일하다. 그러나 상기 제3 섬유상 재료는 바람직하게는 상기 제1 및 제2 섬유상 재료 각각의 섬유와 화학적으로 다른 섬유를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 섬유는 상기 제1 섬유상 재료 및 제2 섬유상 재료 모두의 섬유보다 낮은 인성을 갖는다. 상기 실시 태양에서, 상기 제3 섬유상 재료는 또한 다른 섬유상 재료 부분과 화학적으로 동일하거나 또는 화학적으로 상이한 폴리머 바인더를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 섬유상 재료는 폴리우레탄계 바인더로 코팅된 아라미드 섬유계 섬유상 플라이를 포함할 수 있고, 상기 제2 섬유상 재료는 폴리우레탄계 바인더로 코팅된 아라미드 섬유계 섬유상 플라이를 포함할 수 있으며, 그리고 상기 제3 섬유상 재료는 폴리우레탄계 바인더로 코팅된 나일론 섬유를 포함할 수 있다. 또 다른 예로, 상기 제1 섬유상 재료는 폴리우레탄계 바인더로 코팅된 폴리에틸렌 섬유계 섬유상 플라이를 포함할 수 있고, 상기 제2 섬유상 재료는 폴리우레탄계 바인더로 코팅된 폴리에틸렌 섬유계 섬유상 플라이를 포함할 수 있으며, 그리고 상기 제3 섬유상 재료는 폴리우레탄계 바인더로 코팅된 나일론 섬유를 포함할 수 있다.
상기 섬유상 재료의 부분은 개별적으로 상호간 동일하거나 상이한 직물 구조(예를 들어, 직조, 편직, 단방향성 부직 또는 펠트화 부직)일 수 있다. 가장 바람직하게는 탄도 저항 물품은 하이브리드 구조를 형성하는 상이한 유형의 직물의 조합에 의해 형성된다. 하나의 바람직한 실시 태양에서, 3 부분 복합체는 상기 제1 섬유상 재료의 섬유상 플라이가 모두 직조 플라이이고, 상기 제2 섬유상 재료의 섬유상 플라이가 모두 단방향성 부직 플라이이며, 그리고 상기 제3 섬유상 재료의 섬유상 플라이 모두는 직조 플라이로 형성된다. 다른 바람직한 실시 태양에서, 상기 제1 섬유상 재료의 섬유상 플라이가 모두 직조 플라이이고, 상기 제2 섬유상 재료의 섬유상 플라이가 모두 단방향성 부직 플라이이며, 그리고 상기 제3 섬유상 재료의 섬유상 플라이 모두는 펠트화된 부직 플라이로 형성된다. 또 다른 바람직한 실시 태양에서, 상기 제1 섬유상 재료의 섬유상 플라이가 모두 단방향성 부직 플라이고, 상기 제2 섬유상 재료의 섬유상 플라이가 모두 직조 플라이이며, 그리고 상기 제3 섬유상 재료의 섬유상 플라이 모두는 단방향성 부직 플라이로 형성된다.
또 다른 실시 태양에서 일부 섬유상 재료 부분은 다른 섬유상 재료의 부분보다 많은 양의 폴리머 바인더를 포함할 수 있고, 또는 일부 섬유상 재료 부분은 폴리머 바인더를 포함할 수 있는 반면, 다른 섬유상 재료 부분은 폴리머 바인더를 포함하지 않을 수 있다(즉, 매트릭스가 없다). 3 섬유상 재료 부분에 대한 하나의 바람직한 실시 태양에서, 상기 제2 섬유상 재료 부분은 상기 제1 섬유상 재료 부분보다 큰 폴리머 바인더 함량을 갖는다. 이 실시 태양은 상기 제2 섬유상 재료 부분의 강성을 증가시켜 외상을 감소할 후 있다. 이 실시 태양에서 상기 제3 섬유상 재료는 폴리머 바인더를 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있다.
섬유상 플라이의 유형 및 개수는 탄도 저항 복합체 물품의 면 밀도에 영향을 미치며, 여기에서 제공되는 탄도 저항 물품의 섬유상 플라이의 총 개수는 물품의 궁극적인 최종 용도에 따라 달라질 것이다. 예를 들어, 군용 신체 방호구 조끼에서 1.0 lb/ft2 (psf) (4.88 kg/m2 (ksm))의 면 밀도를 달성하는 물품을 형성하기 위해, 총 22개의 개별적인 2-플라이(예를 들어, 0°/90°)층이 요구될 수 있다. 군용 탄도 저항 신체 방호구의 최소 수준은 당 업계에서 잘 알려진 바와 같이, 미국 법무성 사법 연구소(National Institute of Justice (NIJ))의 탄환방어기준(THREAT LEVEL)에 따라 분류된다.
본 발명의 각 섬유상 재료 부분은 적어도 100 g/m2의 면 밀도를 가지며, 바람직하게는 적어도 200 g/m2, 그리고 보다 바람직하게는 적어도 적어도 976 g/m2의 면 밀도를 갖는다. 바람직한 실시 태양에서, 상기 제1 섬유상 재료, 제2 섬유상 재료, 제3 섬유상 재료 또는 비섬유상 제3 부분 및 임의의 추가적인 섬유상 재료의 합은 약 0.5 psf (2.44 ksm) 내지 약 8.0 ps (39.04 ksm)의 총 조합된 면 밀도를 갖는 탄도 저항 재료를 생성하며, 보다 바람직하게는 약 0.5 psf (2.44 ksm) 내지 약 5.0 psf (24.4 ksm), 보다 더욱 바람직하게는, 약 0.5 psf (2.44 ksm) 내지 약 3.5 psf (17.08 ksm), 보다 더욱 바람직하게는, 약 0.75 psf (3.66 ksm) 내지 약 3.0 psf (14.64 ksm), 보다 더욱 바람직하게는, 약 0.75 psf (3.66 ksm) 내지 약 1.5 psf (7.32 ksm), 그리고 가장 바람직하게는 약 0.9 psf (4.392 ksm) 내지 약 1.5 psf (7.32 ksm)이다.
전술한 바와 같이, 사용시 상기 제1 섬유상 재료 부분은 바람직하게는 상기 탄도 저항 재료의 전면"타격면"부분, 즉, 발사체가 처음으로 타격하는 부분에 위치된다. 최대 배면 특성 저항 성능을 위해, 상기 제1 섬유상 재료가 타격면 부분에 위치될 때, 이 제1 부분은 전체 복합체 물품의 총 조합 면 밀도의 50%보다 큰 면 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 일 실시 태양에서, 상기 제1 섬유상 재료 부분의 면 밀도는 모든 조합된 부분의 총 조합 면 밀도의 60%보다 크다. 다른 실시 태양에서 상기 제1 섬유상 재료 부분의 면 밀도는 모든 조합된 부분의 총 조합 면 밀도의 70%보다 크다. 가장 바람직한 실시 태양에서, 상기 제1 섬유상 재료 부분은 상기 복합체 물품 부분 모두의 조합의 총 조합 면 밀도의 약 60% 내지 약 70%를 포함하고, 상기 제2 섬유상 재료는 상기 복합체 물품 부분 모두의 총 조합 면 밀도의 약 20% 내지 약 30%를 포함하며, 그리고 상기 제3 부분(섬유상이거나 아닐 수 있는)은 상기 복합체 물품 부분 모두의 총 조합 면 밀도의 약 5% 내지 약 10%를 포함한다. 다른 실시 태양에서 상기 제1 복합체의 면 밀도는 상기 제2 복합체의 면 밀도와 동일할 수 있다. 바람직한 3원 복합체(lst/2nd/3rd)물품에 있어서, 조합된 상기 제1 및 제3 복합체는 총 조합 면 밀도의 약 60% 내지 약 75%를 포함하고, 상기 제2 복합체는 총 조합 면 밀도의 약 25% 내지 약 40%를 포함한다. 특히 바람직한 3개의 섬유상 복합체(lst/2nd/3rd) 배열 형태(configuration)는 조합된 상기 제1 및 제3 복합체는 총 조합 면 밀도의 약 75%를 포함하고, 상기 제2 복합체는 총 조합 면 밀도의 약 25%를 포함한다. 또 다른 특히 바람직한 3개의 섬유상 복합체(lst/2nd/3rd) 배열 형태(configuration)는 조합된 상기 제1 및 제3 복합체는 총 조합 면 밀도의 약 63%를 포함하고, 상기 제2 복합체는 총 조합 면 밀도의 약 37%를 포함한다. 이러한 비대칭적(asymmetrical), 불균형한 배열 구조는 우수한 탄도 침투 저항과 최대 배면 흔적 저항 성능을 나타내기 때문에 특히 바람직하다.
각 섬유상 재료의 두께는 개별 섬유의 두께 및 상기 복합체에 통합된 섬유 플라이/층의 수에 상응하게 될 것이다. 예를 들어, 직조 직물, 편직물 또는 펠트화된 부직포는 바람직하게는 플라이/층 당 약 25μm 내지 약 600μm의 두께를 가지며, 보다 바람직하게는 약 50μm 내지 약 385μm, 그리고 가장 바람직하게는 플라이/층 당 약 75μm 내지 약 255μm이다. 바람직한 2-플라이 단방향성 부직포 복합체는 바람직하게는 약 12μm 내지 약 600μm의 두께를 가지게 될 것이며, 보다 바람직하게는 약 50μm 내지 약 385μm, 그리고 가장 바람직하게는 약 75μm 내지 약 255μm이다. 바람직한 등방성 폴리머 시트 또는 금속 시트는 바람직하게는 약 12μm 내지 약 600μm의 두께를 가지게 될 것이며, 보다 바람직하게는 약 75μm 내지 약 385μm, 그리고 가장 바람직하게는 약 125μm 내지 약 255μm이다.
여기에서 제공되는 물품을 형성할 때, 상이한 부분 모두를 포함하는 모든 플라이는 서로 중첩되어 스택(stack)을 형성하고, 이어서 다수의 층을 동시에 고화시킬 수 있으며, 또는 각 부분이 먼저 개별적으로 통합되고, 이어서 고화된 부분이 병합될 수 있다. 섬유상 층 및 부분을 단일층 복합체 구조로 병합하는 것은 고화 또는 성형 기술과 같이 당 업계에서 통상적인 기술을 사용하여 달성될 수 있다. 이와 관련하여, 압력이 없거나 낮은 압력을 사용하는 병합은 종종 "고화"로 지칭되는 반면, 높은 압력에서의 병합은 종종 "성형"이라고 지칭되나, 이러한 용어는 또한 빈번하게 상호 교환적으로 사용된다.
바람직한 실시 태양에서, 중첩된 부직포 플라이(단방향성 또는 펠트화된), 직조 직물 플라이, 편직물 플라이 또는 이들의 조합의 각 스택은 열 및 압력하에서 병합되거나, 개별 섬유상 플라이의 코팅을 서로 접착시켜 단일층, 모놀리식 성분을 형성한다. 미국 특허 6,642,159에 개시된 바와 같이 섬유상 플라이/층을 고화하는 방법은 잘 알려져 있다. 고화는 건조, 냉각, 가열, 가압 및 이들의 조합을 통하여 이루어질 수 있다. 열 및/또는 압력은 필요하지 않을 수 있으며, 이는 상기 섬유 또는 섬유상 플라이가 습식 적층 공정의 경우와 같이 접착제를 통해 서로 접착될 수 있기 때문이다. 고화는 약 50 내지 약 175, 바람직하게는 약 105 내지 약 175의 온도 범위에서 수행될 수 있고, 약 5 psig (0.034 MPa) 내지 약 2500 psig (17 MPa) 압력에서 수행될 수 있으며, 약 0.01초 내지 약 24시간, 바람직하게는 약 0.02초 내지 약 2시간 동안 수행될 수 있다. 가열하는 경우, 존재하는 폴리머 바인더 코팅이 완전히 용융되지 않고 점착되거나 완전히 녹지 않고 흐를 수 있다. 그러나 일반적으로, 상기 폴리머 바인더 재료가 용융되는 경우, 복합체를 형성하기 위해 비교적 작은 압력이 요구되는 반면, 상기 바인더 재료는 단지 점착점으로 가열되는 경우보다 많은 압력이 전형적으로 요구된다. 당 업계에서 통상적으로 알려진 바와 같이, 고화는 캘린더 세트(calender set), 플랫 베드 라미네이터(flat-bed laminator), 프레스(press) 또는 오토클레이브(autoclave)에서 수행될 수 있다. 고화는 또한 진공 하에 놓여 있는 주형에서 재료를 진공 성형함으로써 수행될 수 있다. 진공 성형 기술은 당 업계에 잘 알려져 있다. 가장 흔하게 다수의 직각 섬유 웹은 바인더 폴리머에 의해 함께 "접착되고", 플랫 베드 라미네이터를 통과하여 접착의 균일성과 강도를 개선한다.
대안으로, 상기 섬유상 플라이의 병합은 적합한 성형 장치에서 성형 온도 및 압력을 가함으로써 달성될 수 있다. 일반적으로, 성형은 약 50 psi(344.7 kPa) 내지 약 5,000 psi(34,470 kPa), 보다 바람직하게는 약 100 psi(689.5 kPa) 내지 약 3,000 psi(20,680 kPa), 가장 바람직하게는 약 150 psi(1,034 kPa) 내지 약 1,500 psi(10,340 kPa)의 압력에서 수행된다. 성형은 대안으로 약 5,000 psi(34,470 kPa) 내지 약 15,000 psi(103,410 kPa), 보다 바람직하게는 약 750 psi(5,171 kPa) 내지 약 5,000 psi, 및 더욱 바람직하게는 약 1,000 psi 내지 약 5,000 psi의 더 높은 압력에서 수행될 수 있다. 성형 단계는 약 4 초 내지 약 45 분 걸릴 수 있다. 바람직한 성형 온도 범위는 약 200(~93℃) 내지 약 350(~177℃), 보다 바람직하게는 약 200 내지 약 300이고 가장 바람직하게는 약 200 내지 약 280 범위이다. 섬유상 플라이를 성형하는 압력은 얻어진 성형품의 강성 또는 가요성에 직접 영향을 미친다. 특히, 이들을 성형하는 압력이 높을수록, 강성이 더 높아지며, 반대도 동일하다(vice-versa). 성형 압력 외에, 섬유상 플라이의 양, 두께 및 조성 및 폴리머 바인더 코팅 형태도 복합체의 강성에 직접 작용한다.
여기에서 기재한 성형과 고화 기술은 각각 유사하지만, 각 공정은 상이하다. 특히, 성형은 배치(batch) 공정이며, 고화는 일반적으로 연속 공정이다. 추가로, 성형은 전형적으로 평면 패널을 형성할 때 주형, 예컨대 성형 주형 또는 매치 다이(match-die) 주형의 사용을 포함하며, 반드시 평면 제품을 얻을 필요는 없다. 통상적으로 고화는 플랫 베드 라미네이터, 캘린더 닙 세트에서 또는 습식 적층으로서 수행되어 연질(가요성) 신체 방호구 직물을 제조한다. 성형은 전형적으로 단단한 방호구, 예를 들어 강성 플레이트의 제조를 위해 확보되어 있다. 어느 하나의 공정에서, 적합한 온도, 압력 및 시간은 일반적으로 폴리머 바인더 코팅 재료의 형태, 폴리머 바인더 함량, 사용된 공정 및 섬유 유형에 따른다.
다수의 직조 직물, 편직물 또는 펠트화된 부직 플라이를 병합할 때 대체적인 고화 방법 또한 적용 가능하다. 예를 들어, 다수의 직조된 직물은 3D 직조 방법을 사용하여 서로 연결될 수 있으며, 이는 경사 및 위사를 직물의 스택으로 수평 및 수직으로 직조함으로써 얻을 수 있다. 다수의 직조된 직물 또는 부직포 직물이 z 방향으로 직물을 함께 스티칭/니들 펀칭과 같은 기계적 부착에 의해 서로 부착될 수 있다. 유사한 기술이 다수의 편직물을 병합하기 위해 사용될 수 있다. 펠트화된 섬유상 플라이는 니들 펀칭, 스티치 접합, 수류 결합(hydro-entanglement), 공기 교략(air entanglement), 스핀 접합, 스핀 레이싱(spin lacing)등에 의해서와 같이 기계적으로, 접착제와 같이 화학적으로, 또는 섬유-포인트 본드(fiber point bond) 또는 보다 낮은 융점을 갖는 블렌드된 섬유로 열적으로 고화된다. 바람직한 고화 방법은 니들 펀칭 단독 또는 이에 연속된 다른 방법의 하나이다. 바람직한 펠트는 니들 펀칭된 펠트이다.
상기 섬유상 플라이 또는 섬유상 플라이의 부분이 중간체(intermediate)를 사용하여 서로 부착되는 경우, 적합한 접착제는 비배타적인 방식으로 탄성중합체 재료, 예를 들어, 폴리에틸렌, 가교된 폴리에틸렌, 클로로술폰화 폴리에틸렌, 에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌, 프로필렌 공중합체, 폴리부타디엔, 폴리이소플렌, 천연 고무, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-프로필렌-디엔 3원 공중합체, 폴리술파이드 폴리머, 폴리우레탄 엘라스토머, 폴리클로로프렌, 　당 업계에서 잘 알려진 가소제(예를 들어, 디옥틸 프탈레이트)를 사용하여 가소화된 폴리비닐클로라이드, 부타디엔 아크릴로니트릴 엘라스토머, 폴리(이소부틸렌-co-이소프렌), 폴리아크릴레이트, 폴리에스터, 불포화 폴리에스터, 폴리에테르, 플로오로엘라스토머, 실리콘 엘라스토머, 에틸렌 공중합체, 열가소성플라스틱 엘라스토머, 페놀 수지, 폴리부티랄, 에폭시 폴리머, 스틸렌-이소프렌-스틸렌 또는 스틸렌-부타디엔-스틸렌 유형과 같은 스틸렌 블록 공중합체(styrenic block copolymers), 및 당 업계에서 일반적으로 알려진 다른 적합한 접착제 조성물을 포함한다. 특히 바람직한 접착제는 메타아크릴레이트 접착제, 시아노아크릴레이트 접착제, 자외선 경화 접착제, 우레탄 접착제, 에폭시 접착제 및 상기 재료의 블렌드를 포함한다. 이들 중 폴리우레탄 열가소성 플라스틱 접착제, 특히 하나 또는 그 이상의 다른 열가소성 폴리머를 갖는 하나 또는 그 이상의 폴리우레탄 열가소성 플라스틱 블렌드가 바람직하다. 가장 바람직하게는 상기 접착제는 폴리에테르 지방족 폴리우레탄을 포함한다. 이러한 접착제는 예를 들어, 핫 멜트(hot melt), 필름, 페이스트(paste) 또는 2-성분 액상 접착제로서 적용될 수 있다.
각 개별 부분의 플라이를 결합하는데 사용되는 방법에 관계없이, 복합체 물품의 모든 부분은 고압 성형 또는 중간체 폴리머 층 또는 접착제를 이용한 고화 또는 상이한 부분을 함께 결합시키는 것을 돕기위해 접착제로 종래의 폴리머 바인더 코팅을 적용하여 함께 결합되며, 통합되고 단일의 복합체 물품을 형성한다. 상기 상이한 부분을 함께 접합하는 유일한 수단으로 특히 스티칭을 제외한다. 성형 또는 접착제 고화에 의해 상기 부분들을 함께 결합시키는 것은 상이한 부분들 사이의 층간 강도를 증가시킬 것이며, 이는 더 높은 강성 및 감소된 외상, 즉, 향상된 배면 특성 성능으로 해석된다.
또한, 본 발명의 탄도 저항 복합체는 선택적으로 그 외면 중 하나 또는 모두에 부착된 하나 또는 그 이상의 열가소성 폴리머 층을 포함할 수 있다. 상기 열가소성 폴리머 층에 적합한 폴리머는 비배타적인 방식으로, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스터 (특히 폴리에틸렌 테레프탈레이드(PET) 및 PET 공중합체), 폴리우레탄, 비닐 폴리머, 에틸렌 비닐 알코올 공중합체, 에틸렌 옥탄 공중합체, 아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴 폴리머, 비닐 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리스틸렌, 플루오로폴리머 및 이와 같은 유형뿐만 아니라, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 및 에틸렌 아크린 산을 포함하는 공중합체 및 이들의 혼합물을 포함한다. 바람직한 폴리올레핀은 폴리에틸렌이다. 유용한 폴리에틸렌의 비제한적인 예는, 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌 (LLDPE), 보통(medium) 밀도 폴리에틸렌 (MDPE), 선형 보통 밀도 폴리에틸렌 (LMDPE), 선형 초저밀도 폴리에틸렌 (VLDPE), 선형 극 초저밀도 very-low (ULDPE), 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE) 및 이들의 공중합체와 혼합물을 포함한다. 또한, Spunfab, Ltd, of Cuyahoga Falls, Ohio로부터 상업적으로 입수 가능한 SPUNFAB® 폴리아미드 웹(Keuchel Associates, Inc.의 등록상표)뿐만 아니라, Pro technic S.A. of Cernay, France로부터 상업적으로 입수 가능한 THERMOPLAST™ 및 HELIOPLAST™ 웹, 네트 및 필름이 유용하다.
임의의 열가소성 폴리머 층은 바람직한 두께로 약 1 μm 내지 약 250 μm, 보다 바람직하게는 약 5 μm 내지 약 25 μm, 그리고 가장 바람직하게는 약 5 μm 내지 약 9 μm의 매우 얇은 두께를 갖는 것이 바람직하다. SPUNFAB® 부직포 웹과 같은 불연속적인 웹은 제곱미터 당 6그램의 평균 중량(gsm)으로 적용되는 것이 바람직하다. 이러한 두께가 바람직하나, 특정 용도를 만족시키면서, 여전히 본 발명의 범위에 속하는 다른 두께로 형성될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이러한 열가소성 폴리머층은 열 적층(thermal lamination)과 같이 잘 알려진 기술을 사용하여, 복합체의 표면에 결합될 수 있다. 전형적으로, 적층은 충분한 열 및 압력 조건하에서 층들이 단일 구조로 결합되도록, 개별 층들을 위치시키는 것에 의해 수행된다. 적층은 약 95℃ 내지 약 175℃, 바람직하게는 약 105℃ 내지 약 175℃의 온도 범위에서 수행될 수 있고, 약 5 psig (0.034 MPa) 내지 약 100 psig (0.69 MPa)의 압력 범위에서, 약 5초 내지 36시간, 바람직하게는 약 30초에서 약 24시간 동안 수행될 수 있다. 이러한 열가소성 폴리머층은 대안으로, 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 고온 접착 또는 고온 용융 섬유로 복합체 표면에 결합될 수 있다. 사용시 다중 부분 탄도 저항 복합체 물품은 상기 재료가 위치하는 커버가 제공될 수 있다. 연질 신체 방호구 커버는 예를 들어, 나일론, 면 및/또는 다른 섬유로 제조된 직조 직물을 포함한다. 하나의 특히 바람직한 커버 재료는 95 g/m2 의 중량을 갖는 70 데니어 나일론 섬유로 형성되고, 전형적으로 적어도 하나의 표면이 폴리우레탄 수지로 코팅된 립 스톱(rip stop) 직조 직물이 바람직하다. 이러한 섬유는 당 업계에 잘 알려져 있고, 전형적으로 연동(interlocking) 패턴으로, 베이스(base) 재료 전체에 나일론 원사(threads)를 직조하는 것으로 제조된다. 이 섬유는 티어링(tearing) 및 리핑(ripping)에 좋은 저항을 갖는다. 대안으로, 상기 커버는 용접되거나, 열 밀봉될 수 있는 재료로 형성될 수 있으며, 이는 습기 또는 용매 차단성(solvent barrier)과 같은 차단 특성이 요구되는 분야에 적합하다. 고화된, 단일의 다중 부분 복합체 물품은 선택적으로, 커버에 결합될 수도 있고 결합되지 않을 수도 있다. 3 부분 복합체 물품이 커버에 위치하는 예시적인 일 실시태양은 느슨하게 또는 상기 물품이 커버에 결합되고, 제 3 섬유상 재료 부분은 나일론 섬유로 형성되어, 나일론 섬유 부분은 마찬가지로 나일론 섬유로 제조된 커버에 포함되는 것이다.
본 발명에서 제공되는 탄도 저항 복합체는 우수한 탄도 관통 저항을 갖는 물품을 형성하는데 사용될 수 있다. 우수한 탄도 관통 저항을 갖는 물품은 탄환과 같은 변형 가능한 발사체 및 유산탄과 같은 파편의 관통을 방어하는 탁월한 특성을 나타낸다. 또한, 상기 탄도 저항 복합체는 낮은 배면 변형이 요구되는 신체 방호구용(즉, 가요성 연질 방호구 물품을 포함하여 최적의 둔부 외상 저항)에 적합할 뿐만 아니라, 경질의 단단한 방호구 및 차량의 방어와 건물 외벽과 같은 구조체 성분에도 적합하다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 설명한다.
실시예 1-4
아래와 표시된 재료로부터 4가지 유형의 사격팩(shoot packs)을 제조하였으며, 탄도 관통 저항 및 배면 흔적 성능을 검사하였다.
재료
1. GOLD FLEX®
Morristown, NJ의 Honeywell International Inc.로부터 상업적으로 입수 가능한 GOLD FLEX®은 350 mN/tex의 파괴 인성(breaking tenacity)을 갖는 아라미드 섬유로 제조된 고 유연성 4-플라이 단방향 부직포이다. 각 플라이의 섬유는 서로 평행하며, 인접한 플라이의 섬유에 대하여 직각(orthogonally)으로 배향된다(일반적으로 0°/90°/0°/90° 구조). 상기 섬유는 폴리이소프렌-폴리스틸렌 블록 공중합체계 바인더 수지로 코팅된다. 상기 4개의 아라미드 플라이는 2개의 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 필름 사이에 적층되고, 각각 9 μm의 두께 및 8 g/m의 면 밀도를 가지며, 상기 LLDPE 층이 직물의 외부 양쪽 표면상에 위치한다.
2. GOLD SHIELD® GA-2010
Honeywell International Inc.로부터 상업적으로 입수 가능한 GOLD SHIELD® GA-2010은 2025 mN/tex의 파괴 인성을 갖는 아라미드 섬유로 제조된 고 유연성 2-플라이 단방향 부직포이다. 각 플라이의 섬유는 서로 평행하며, 인접한 플라이의 섬유에 대하여 직각으로 배향된다(일반적으로 0°/90° 구조). 상기 섬유는 폴리이소프렌-폴리스틸렌 블록 공중합체계 바인더 수지로 코팅된다. 상기 2개의 아라미드 플라이는 2개의 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 필름 사이에 적층되고, 각각 9 μm의 두께 및 8 g/m의 면 밀도를 가지며, 상기 LLDPE 층이 직물의 외부 양쪽 표면상에 위치한다.
3. 나일론 직물
800 mN/tex 미만의 인성 및 840 데니어를 갖는 나일론 섬유로 형성된 26x26 평직 직조된 직물. 상기 직물의 면 밀도는 200 g/m이다.
탄도 시험 방법
아래에 표시된 사격 팩 각각은 9mm 풀 메탈 자켓 레밍턴 탄환(Full Metal Jacket Remington bullet)에 대한 탄도 성능을 시험하였다. 각 사격 팩은 610 mm x 610 mm x 140 mm ±2 mm의 스틸 테스트 프레임(steel test frame)에 장착하고, 신축성 있는 2" 와이드 밴드(wide bands)로 고정시켰다. 상기 스틸 프레임을 NIJ 0101.04 및 NIJ 0101.06에서 권장하는대로 Roma Plastilina #1 점토(clay)로 채우고 압축하였다. 상기 스틸 프레임은 견고하게 장착된 범용 수신 장치(universal receiver)로부터 발사되는 탄환의 노선(line)에 90° 배향으로 장착되었다. 시험 전, 상기 스틸 프레임 내의 점토는 NIJ 0101.04 및 NIJ 0101.06 표준을 충족하도록 보정되었다.
조끼 및 사격 팩 구성에 대한 미국 법무성 사법 연구소의 NIJ 0101.04 및 NIJ 0101.06를 준수하기 위해, 각 재료 구성은 두 개의 성능 시험 시리즈(series), 하나는 탄도 침투 저항, 다른 하나는 배면 특성 성능을 성공적으로 완료하여야 한다.
배면 특성 시험
경질 방호구의 BFS를 측정하기 위한 표준 방법은 방호구 샘플이 변형 가능한 Roma Plastilina #1 점토의 표면과 접촉하는 NIJ 표준 0101.04, Type IIIA로 설명될 수 있다. 이 NIJ 방법은 사용자의 신체에 직접 또는 매우 근접하게 놓여진 방호구의 현장에서 발생되는 탄도 이벤트에서 예상되는 실제 BFS의 합리적인 근사값 또는 예측값을 얻기 위해 통상적으로 사용된다 이 시험에서, 통과하기 위한 점토내 비 관통성 발사체 충격의 깊이는 44 mm 또는 그 미만이어야 한다.
V 50 발사체 관통 저항 시험
V50 데이터는 통상적으로 알려진 표준화된 기술, 특히 미국 국방부 시험 방법 표준 MIL- STD-662F의 조건에 따라 얻었다. 상기 V50 탄도 한계 시험은 탄환이 가요성 사격 팩을 50% 확률로 관통할 수 있는 속도를 실험적으로 확인하는 통계 시험이다. 시험은 적어도 4개의 탄환은 상기 사격 팩을 완전히 관통하고, 4개의 탄환은 상기 사격 팩을 부분적으로 관통하도록 각 사격 팩으로 발사된 적어도 평균 8개의 탄환을 기준으로 ±15 m/초 이내의 V50 값을 얻도록 수행되었다.
실시예 1 ( 비교예 )
3개의 동일한 40 cm x 40 cm 정사각형 탄도 사격 팩은 상기에서 특정한 4-플라이 GOLD FLEX® 섬유의 18개의 중첩된 층의 스택을 형성하여 제작되었다. 제작하는 동안 모든 층은 교차되는 플라이의 배향이 직각을 유지하도록 배열((0°, 90°, 0°, 90°), (0°, 90°, 0°, 90°)등)되었으며, 여기서, 사격 팩의 모든 홀수 플라이의 섬유는 서로 평행하고, 모든 짝수 플라이의 섬유는 서로 평행하다. 총 18개의 층을 모두 쌓은 후 상기 층은 상기 스택의 4개의 코너 각각에 스티치하고, 탄도 시험을 위해 립 스톱 나일론 커버를 배치하였다. 시험 결과를 표 1에 요약하였다.
재료 1
(층들의 #)		 재료 2
(층들의 #)		 재료 3
(층들의 #)		 면 밀도(kg/m2) V50(m/sec) 배면 특성(mm)
18 0 0 4.20 492 39
18 0 0 4.20 486 38
18 0 0 4.20 484 38
평균 487 38
실시예 2
3개의 동일한 40 cm x 40 cm 정사각형 탄도 사격 팩은 상기에서 특정한 4-플라이 GOLD FLEX® 섬유의 5개의 중첩된 층의 스택을 형성하고, 상기에서 특정한 2-플라이 GOLD SHIELD® GA-2010 섬유의 22개의 층으로 제작되었다. 제작하는 동안 모든 층은 교차되는 플라이의 배향이 직각을 유지하도록 배열((0°, 90°, 0°, 90°), (0°, 90°, 0°, 90°)등)되었으며, 여기서, 사격 팩의 모든 홀수 플라이의 섬유는 서로 평행하고, 모든 짝수 플라이의 섬유는 서로 평행하다. 총 27개의 층을 모두 쌓은 후 상기 층은 상기 스택의 4개의 코너 각각에 스티치하고, 탄도 시험을 위해 립 스톱 나일론 커버를 배치하였다. 시험 결과를 표 2에 요약하였다.
재료 1
(층들의 #)		 재료 2
(층들의 #)		 재료 3
(층들의 #)		 면 밀도(kg/m2) V50(m/sec) 배면 특성(mm)
5 22 0 4.34 469 33
5 22 0 4.34 466 32
5 22 0 4.34 468 39
평균 468 35
실시예 3
3개의 동일한 40 cm x 40 cm 정사각형 탄도 사격 팩은 상기에서 특정한 4-플라이 GOLD FLEX® 섬유의 5개의 중첩된 층의 스택을 형성하고, 상기에서 특정한 2-플라이 GOLD SHIELD® GA-2010 섬유의 9개의 층 및 상기에서 특정한 나일론 직조 직물 12층으로 제작되었다. 제작하는 동안 GOLD FLEX® 및 GOLD SHIELD® GA-2010 각각의 모든 층은 교차되는 플라이의 배향이 직각을 유지하도록 배열((0°, 90°, 0°, 90°), (0°, 90°, 0°, 90°)등)되었으며, 여기서, 사격 팩의 모든 홀수 플라이의 섬유는 서로 평행하고, 모든 짝수 플라이의 섬유는 서로 평행하다. 나일론 직물 층의 경우, 위사 섬유 및 경사 섬유의 종방향 섬유 방향은 각각, GOLD FLEX® 및 GOLD SHIELD® GA-2010 플라이의 섬유의 0°/90°방향에 평행하게 유지시켰다. 총 26개의 층을 모두 쌓은 후 상기 층은 상기 스택의 4개의 코너 각각에 스티치하고, 탄도 시험을 위해 립 스톱 나일론 커버를 배치하였다. 시험 결과를 표 3에 요약하였다.
재료 1
(층들의 #)		 재료 2
(층들의 #)		 재료 3
(층들의 #)		 면 밀도(kg/m2) V50(m/sec) 배면 특성(mm)
5 9 12 4.83 455 33
5 9 12 4.83 453 34
5 9 12 4.83 458 33
평균 455 33
실시예 4
3개의 동일한 40 cm x 40 cm 정사각형 탄도 사격 팩은 상기에서 특정한 4-플라이 GOLD FLEX® 섬유의 5개의 중첩된 층의 스택을 형성하고, 상기에서 특정한 2-플라이 GOLD SHIELD® GA-2010 섬유의 9개의 층 및 상기에서 특정한 나일론 직조 직물 14층으로 제작되었다. 제작하는 동안 GOLD FLEX® 및 GOLD SHIELD® GA-2010 각각의 모든 층은 교차되는 플라이의 배향이 직각을 유지하도록 배열((0°, 90°, 0°, 90°), (0°, 90°, 0°, 90°)등)되었으며, 여기서, 사격 팩의 모든 홀수 플라이의 섬유는 서로 평행하고, 모든 짝수 플라이의 섬유는 서로 평행하다. 나일론 직물 층의 경우, 위사 섬유 및 경사 섬유의 종방향 섬유 방향은 각각, GOLD FLEX® 및 GOLD SHIELD® GA-2010 플라이의 섬유의 0°/90°방향에 평행하게 유지시켰다. 총 28개의 층을 모두 쌓은 후 상기 층은 상기 스택의 4개의 코너 각각에 스티치하고, 탄도 시험을 위해 립 스톱 나일론 커버를 배치하였다. 시험 결과를 표 3에 요약하였다.
재료 1
(층들의 #)		 재료 2
(층들의 #)		 재료 3
(층들의 #)		 면 밀도(kg/m2) V50(m/sec) 배면 특성(mm)
5 9 14 7.42 469 33
5 9 14 7.42 466 32
5 9 14 7.42 468 39
평균 468 35
결론
실시예 2, 3 및 4는 가장 인성이 높은 섬유상 재료가 발사체가 처음으로 충돌하는 타격면에 배치되고, 이어서 2번째로 인성이 낮은 섬유상 재료 및 더욱 인성이 낮은 제3 재료가 배치되도록 제조된 하이브리드 재료로 제조되어 실시예 1의 단일 재료로 형성된 복합체보다 낮은 가격으로 우수한 탄도 관통 저항 및 배면 특성 성능을 얻을 수 있었다. 상기 제1 재료는 변형되고, 해체되며, 상기 발사체 탄환의 속도를 감속하고, 상기 변형되고 해체된 발사체는 섬유상 제료의 제1 부분 또는 제2 부분에서 정지되어야 한다.
상기 제3 재료 부분은 재료의 처음 2 부분을 지지하고, 넓은 영역에서 배면 변형을 유발하는 에너지를 분배한다. 이러한 3 세트의 재료는 발사체 또는 발사체 파편을 변형시키거나 감속시킬 필요가 없으므로, 더 낮은 파괴 인성을 갖는 재료 또는 에너지 완화(mitigating) 재료와 같은 비 섬유상 재료로 형성될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시 태양을 참조하여, 구체적으로 나타내고, 설명되었으나, 당 업계에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경 및 수정을 가할 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 하나 또는 하나 이상의 제1 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제1 섬유상 플라이 각각은 27 g/데니어보다 큰 인성(tenacity)을 갖는 섬유를 포함하는 제1 섬유상 재료;
    상기 제1 섬유상 재료에 부착되는 제2 섬유상 재료이며, 상기 제2 섬유상 재료는 하나 또는 하나 이상의 제2 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제2 섬유상 플라이 각각은 상기 제1 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 작은 인성을 갖는 섬유를 포함하는 제2 섬유상 재료; 및
    상기 제2 섬유상 재료에 부착되는 제3 섬유상 재료이며, 상기 제3 섬유상 재료는 하나 또는 하나 이상의 제3 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제3 섬유상 플라이 각각은 상기 제2 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 작은 인성을 갖는 섬유를 포함하는 제3 섬유상 재료;를 포함하며,
    상기 제1 섬유상 재료, 제2 섬유상 재료 및 제3 섬유상 재료는 함께 결합되어 고화된(consolidated) 단일의(unitary) 복합체 물품을 형성하는 것인 탄도 저항 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 재료의 섬유 각각은 40 g/데니어 또는 그 이상의 인성을 갖는 탄도 저항 복합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 섬유상 재료의 섬유 각각은 상기 제1 섬유상 재료의 섬유 각각의 인성보다 적어도 25% 미만의 인성을 갖는 탄도 저항 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 섬유상 재료의 섬유 각각은 21 g/데니어 또는 그 미만의 인성을 갖는 탄도 저항 복합체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 섬유상 재료의 섬유 각각은 상기 제2 섬유상 재료의 섬유 각각의 인성보다 적어도 25% 미만의 인성을 갖는 탄도 저항 복합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 재료는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유를 포함하고, 상기 제2 섬유상 재료는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 또는 아라미드 섬유 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 제3 섬유상 재료는 나일론 섬유를 포함하는 탄도 저항 복합체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 재료는 직조 아라미드 직물(woven aramid fabric)을 포함하고, 상기 제2 섬유상 재료는 아라미드 부직포(non-woven aramid fabric)를 포함하고, 상기 제3 섬유상 재료는 나일론 섬유를 포함하는 탄도 저항 복합체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제3 섬유상 재료에 부착된 비섬유상 등방성(isotropic) 폴리머층을 추가로 포함하고, 상기 제1 섬유상 재료, 제2 섬유상 재료, 제3 섬유상 재료 및 비 섬유상 등방성 폴리머 층은 함께 결합되어 고화된 단일의 복합체 물품을 형성하는 것인 탄도 저항 복합체.
  9. .
  10. 하나 또는 하나 이상의 제1 섬유상 플라이를 포함하며, 상기 제1 섬유상 플라이 각각은 섬유를 포함하는 제1 섬유상 재료;
    상기 제1 섬유상 재료에 부착되는 제2 섬유상 재료이며, 상기 제2 섬유상 재료는 하나 또는 하나 이상의 제2 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제2 섬유상 플라이 각각은 상기 제1 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 작은 인성을 갖는 섬유를 포함하는 제2 섬유상 재료;
    상기 제2 섬유상 재료에 부착되는 비 섬유상 시트(sheet) 재료;를 포함하며,
    상기 제1 섬유상 재료, 제2 섬유상 재료 및 제3 섬유상 재료는 함께 결합되어 고화된 단일의 복합체 물품을 형성하는 것인 탄도 저항 복합체.
  11. 하나 또는 하나 이상의 제1 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제1 섬유상 플라이 각각은 섬유를 포함하며, 여기서 상기 섬유 각각은 27 g/데니어보다 큰 인성을 갖는 제1 섬유상 재료;
    상기 제1 섬유상 재료에 부착되는 제2 섬유상 재료이며, 상기 제2 섬유상 재료는 하나 또는 하나 이상의 제2 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제2 섬유상 플라이 각각은 섬유를 포함하며, 여기서 상기 섬유 각각은 상기 제1 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 적어도 50% 미만의 인성을 갖는 제2 섬유상 재료;
    상기 제2 섬유상 재료에 부착되는 제3 섬유상 재료이며, 상기 제3 섬유상 재료는 하나 또는 하나 이상의 제3 섬유상 플라이를 포함하고, 상기 제3 섬유상 플라이 각각은 섬유를 포함하며, 여기서 상기 섬유 각각은 상기 제2 섬유상 재료의 섬유의 인성보다 적어도 50% 미만의 인성을 갖는 제3 섬유상 재료; 를 포함하며,
    상기 제1 섬유상 재료, 제2 섬유상 재료 및 제3 섬유상 재료는 함께 결합되어 고화된 단일의 복합체 물품을 형성하는 것인 탄도 저항 복합체.
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