KR20190021751A - 열가소성 방탄재의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 열가소성 방탄재 - Google Patents

열가소성 방탄재의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 열가소성 방탄재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열가소성 고분자를 이용하는 열가소성 방탄재의 제조방법 및 그것을 이용하여 제조된 열가소성 방탄재에 관한 것으로, 본 발명의 열가소성 방탄재의 제조방법은, 섬유 재료를 준비하는 단계; 상기 섬유 재료를 권취 하고 몰딩하여 프리프레그를 형성하는 단계; 복수 개의 상기 프리프레그를 일정한 패턴을 가지도록 적층하고 프레스 성형하여 적층시트를 형성하는 단계; 및 상기 적층시트를 냉각하는 단계;를 포함한다.

Description

열가소성 방탄재의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 열가소성 방탄재 {MANUFACURING METHOD OF THERMOPLASTIC BULLETPROOF MATERIAL AND THERMOPLASTIC BULLETPROOF MATERIAL USING THE SAME}
본 발명은 열가소성 고분자를 이용하는 열가소성 방탄재의 제조방법 및 그것을 이용하여 제조된 열가소성 방탄재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열가소성 고분자를 프리프레그 형태로 형성하여 제조하는 고내충격 특성을 보유하는 열가소성 방탄재의 제조방법 및 그것을 이용하여 제조된 열가소성 방탄재에 관한 것이다.
최근 보다 가볍고 강한 구조재가 항공, 우주 분야를 비롯해 자동차 등에도 요구됨에 따라 기존의 금속 재료인 철, 알루미늄 등을 대체할 수 있는 재료의 개발이 요구되고 있다. 특히, 그 중에서도 섬유 강화 복합재료는 관련 산업의 다양화 및 전문화에 따라 고강력, 고내열성, 고탄성 등을 가지는 특수한 기능 소재로서 그 응용범위가 확대되고 있다. 일반적으로 섬유 강화 복합재료의 물성은 보강 섬유의 함량, 배향도, 섬유와 매트릭스 수지 간의 계면특성 등에 영향을 받을 수 있다. 특히, 균일한 구조 물성을 갖는 나노 장섬유를 보강재로 사용할 시, 보강 섬유의 배향성은 부하 응력의 방향과 동일하여 높은 강화 효과를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 이 경우 계면의 면적이 증가하므로 현저한 성능의 향상 및 신규한 특성의 발현을 기대할 수 있다.
최근 들어, 섬유강화 열가소성 복합재료는 열가소성 수지가 갖는 강인성, 내충격성, 친환경성 및 고속 공정성과 재활용성 등의 다양한 장점으로 인해 금속 대체 경량화 소재로 주목 받고 있다. 그러나 수지의 점도가 높아 큰 전단응력이 수지가 보강섬유를 투과하는데 많은 시간이 걸리기 때문에 열가소성 복합재료 제조공정상 함침 방법에 어려움이 있었다. 특히, 일 방향 섬유강화 열가소성 복합재료를 제조하는 경우에는 긴 섬유를 끊어지지 않은 상태로 가공하여야 하므로 공정상의 많은 어려움이 따르며 특수한 기술과 장비가 요구되기도 하였다.
이에 본 발명자들은 성형공정이 용이하고 고내충격 특성을 갖는 섬유강화 열가소성 복합재료를 제조하기 위한 연구 끝에 본 발명을 개발하게 되었다.
본 발명의 목적은 상술한 필요에 부응하기 위하여, 섬유 재료를 이용하여 프리프레그를 형성하고, 형성된 프리프레그를 적층하는 기술을 이용하여 복잡하지 않은 공정으로 고내충격 특성을 갖는 열가소성 방탄재의 제조방법 및 그로부터 제조된 열가소성 방탄재를 제공하기 위함이다.
본 발명의 열가소성 방탄재의 제조방법은, 섬유 재료를 준비하는 단계; 상기 섬유 재료를 권취 하고 몰딩하여 프리프레그를 형성하는 단계; 복수 개의 상기 프리프레그를 일정한 패턴을 가지도록 적층하고 프레스 성형하여 적층시트를 형성하는 단계; 및 상기 적층시트를 냉각하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유 재료는 폴리에스테르계 고분자, 폴리아미드계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에스테르계 고분자는 폴리아릴레이트이고, 상기 폴리아미드계 고분자는 나일론인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에스테르계 고분자 및 상기 폴리아미드계 고분자는 중량비가 4 : 6 내지 6 : 4 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프리프레그를 형성하는 단계는 190 ℃ 내지 210 ℃ 의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프리프레그를 형성하는 단계는 100 psi 내지 1000 psi 의 압력 하에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프리프레그를 형성하는 단계는 1 분 내지 10 분의 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프레스 성형하는 단계는 하부 금형, 중간 금형 및 상부 금형을 포함하는 몰드를 이용하여 성형하는 것이고, 상기 중간 금형의 관통부에 상기 적층시트가 안착되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프리프레그는, 인접한 하부 프리프레그의 섬유배열각도 기준 0 ° 내지 90 ° 의 섬유배열각도를 가지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각하는 단계는, 1 시간 내지 5 시간 상온에서 자연 냉각시키거나, 5분 내지 20분 동안 10 ℃ 내지 25 ℃ 온도에서 급속 냉각 시키는 것일 수 있다.
본 발명의 열가소성 방탄재는, 정한 패턴을 가지도록 적층된 복수 개의 프리프레그를 포함하고, 상기 프리프레그는 폴리에스테르계 고분자 및 폴리아미드계 고분자를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에스테르계 고분자 및 상기 폴리아미드계 고분자는 중량비가 4 : 6 내지 6 : 4 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에스테르계 고분자는 폴리아릴레이트이고, 상기 폴리아미드계 고분자는 나일론인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프리프레그는, 인접한 하부 프리프레그의 섬유배열각도 기준 0 ° 내지 90 ° 의 섬유배열각도를 가지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방탄재의 선밀도는 1.05 1/mm 이상이고, 상기 방탄재의 기공률은 10.0 % 이하이고, 상기 방탄재의 내충격 특성은 11 J 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 섬유재료를 이용하여 단순하면서도 간편한 공정으로 프리프레그를 제조하고 그로부터 고내충격 특성을 가지는 방탄재를 제조할 수 있는 성형 공정 기술이 제공되는 효과가 있고, 그를 이용하면 효과적으로 높은 선밀도, 낮은 기공률을 가지면서 높은 내충격 특성을 가지는 방탄재를 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 열가소성 방탄재의 제조방법의 각 공정의 단계를 간략하게 도시한 순서도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 열가소성 방탄재의 제조방법에 이용할 수 있는 프리프레그 성형 몰드의 개략적인 구조를 나타내는 모식도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 열가소성 방탄재의 제조방법에 이용할 수 있는 방탄재 성형 몰드의 하부 금형, 중간 금형, 상부 금형의 개략적인 구조를 나타내는 모식도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 프리프레그를 섬유배열각도 0 ° 로 적층하는 개략적인 구조를 나타낸 모식도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 프리프레그를 섬유배열각도 90 ° 로 적층하는 개략적인 구조를 나타낸 모식도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 측면에서는 고내충격 특성을 가지는 열가소성 방탄재의 제조방법을 제공한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 열가소성 방탄재의 제조방법의 각 공정의 단계를 간략하게 도시한 순서도이다.
아래에서는 상기 도 1의 각 단계를 참조하여, 본 발명의 열가소성 방탄재의 제조방법의 각 단계에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 열가소성 방탄재의 제조방법은, 섬유 재료를 준비하는 단계(S10); 상기 섬유 재료를 권취하고 몰딩하여 프리프레그를 형성하는 단계(S20); 복수 개의 상기 프리프레그를 일정한 패턴을 가지도록 적층하고 프레스 성형하여 적층시트를 형성하는 단계(S30); 및 상기 적층시트를 냉각하는 단계(S40);를 포함한다.
섬유 재료는 본 발명에서 권취 및 몰딩되어 방탄재의 소재로서 적절한 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 일 예로서 폴리아릴레이트 및 나일론의 복합 섬유인 것일 수 있다.
본 발명의 일 예로서 섬유 재료를 권취하는 과정에서, 권취기를 사용하여 섬유 재료를 알루미늄 판에 권취할 수 있다. 이 때, 권취기의 회전 속도는 80 rpm 내지 130 rpm 으로 형성할 수 있다.
본 발명의 일 예로서, 권취된 섬유 재료를 몰딩하여 프리프레그를 형성할 수 있다. 이 때, 핫 프레스 성형기를 이용할 수 있다. 일 예로서, 상기 핫 프레스 성형기는 150 ℃ 내지 250 ℃ 온도 및 10 psi 내지 30 psi 압력 조건에서 10초 정도의 시간 동안 성형할 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 열가소성 방탄재의 제조방법에 이용할 수 있는 프리프레그 성형 몰드의 개략적인 구조를 나타내는 모식도이다.
본 발명의 일 예로서, 상기 섬유 재료를 권취하고 몰딩하여 프리프레그를 형성하는 단계에서, 도 2에 도시된 것과 같은 프리프레그 성형 몰드(100)를 이용할 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같은 프리프레그 성형 몰드를 이용할 경우 효과적으로 섬유 재료를 권취하고 몰딩하여 프리프레그를 형성하는 것이 가능해 질 수 있다.
본 발명의 열가소성 방탄재의 제조방법에 따르면, 프리프레그를 형성한 다음, 복수 개의 상기 프리프레그를 일정한 패턴을 가지도록 적층하고 프레스 성형하여 적층시트를 형성하는 단계가 수행된다. 이 때, 복수 개의 프리프레그는 인접한 프리프레그와의 관계에서 일정한 섬유배열각도를 가지도록 하여 적층시트를 형성할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 열가소성 방탄재의 제조방법에 이용할 수 있는 방탄재 성형 몰드의 하부 금형, 중간 금형, 상부 금형의 개략적인 구조를 나타내는 모식도이다.
본 발명의 일 예로서, 복수 개의 프리프레그를 적층하고 프레스 성형하여 적층시트를 형성하는 단계에서, 도 3에 도시된 것과 같은 방탄재 성형 몰드를 이용할 수 있다. 도 3에 도시된 것과 같은 방탄재 성형 몰드를 이용할 경우 복수 개의 프리프레그를 이용하여 효과적으로 적층시트를 형성할 수 있다.
그 다음으로 형성된 적층 시트를 냉각하는 단계가 수행되어, 본 발명에서 의도하는 열가소성 방탄재가 확보될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유 재료는 폴리에스테르계 고분자, 폴리아미드계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에스테르계 고분자는 폴리아릴레이트이고, 상기 폴리아미드계 고분자는 나일론인 것일 수 있다.
폴리아릴레이트는 폴리에스테르계 고분자의 일종으로서, 에스테르기에 의해 각각의 단위체가 연결된 고분자이고, PAR라고 불리우기도 한다. 내열성 수지로는 최고 수준의 투명성을 가지고 있으며 우수한 견질성을 가지고 변형에 대한 복구력이 강하며 열저항력이 높은 열가소성 소재이다.
나일론은 선형 폴리아미드계 고분자의 일종으로서, 내충격성이 우수한 특징을 가지고 있으며, 인장 강도, 항복점, 경도 등의 기계적 성질과 관련하여 결정화도에 크게 영향을 받는데, 이러한 결정화도는 성형 방법, 성형 조건, 열처리 온도 등에 따라서 크게 변화할 수 있는 소재이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에스테르계 고분자 및 상기 폴리아미드계 고분자는 중량비가 4 : 6 내지 6 : 4 인 것일 수 있다.
상기 중량비가 4 : 6 내지 6 : 4 의 수치 범위를 벗어나게 될 경우, 폴리에스테르계 고분자 및 폴리아미드계 고분자의 적절한 배합 비율을 벗어나게 되어, 열가소성 방탄재로 제조되더라도 본 발명에서 의도하는 높은 수준의 고내충격 특성이 구현되지 않는 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프리프레그를 형성하는 단계는 190 ℃ 내지 210 ℃ 의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프리프레그를 형성하는 단계는 100 psi 내지 1000 psi 의 압력 하에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프리프레그를 형성하는 단계는 1 분 내지 10 분의 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.
본 발명에서 상기 프리프레그를 형성하는 단계의 온도, 압력 및 시간에 관한 조건은 정밀하게 제어된 조건 하에서 수많은 실험 끝에 도출된 공정 조건으로서, 상기 섬유 재료는 온도, 압력 및 시간 조건을 벗어나는 조건으로 성형될 경우, 본 발명에서 의도하는 고내충격 특성이 구현되지 않는 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프레스 성형하는 단계는 하부 금형(230), 중간 금형(220) 및 상부 금형(210)을 포함하는 몰드를 이용하여 성형하는 것이고, 상기 중간 금형의 관통부에 상기 적층시트가 안착되는 것일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 예로서, 복수 개의 프리프레그를 프레스 성형하여 적층시트를 형성하는 단계에서, 도 3에 도시된 방탄재 성형 몰드를 이용할 수 있다. 본 발명의 복수 개의 프리프레그를 프레스 성형하여 적층시트를 형성하는 단계에서 이용가능한 성형 몰드의 일 예로서 도 3에 도시된 방탄재 성형 몰드는, 하부 금형, 중간 금형 및 상부 금형을 포함하며, 하부 및 상부 금형은 두께를 가지는 평평한 판으로 구성되어 있고, 중간 금형은 중앙에 사각 관통부를 포함하도록 구성되어 있다. 상기 사각 관통부에는 복수 개의 프리프레그를 배치하여 적층 시트로 형성할 수 있게 된다. 도 3에 도시된 것과 같은 방탄재 성형 몰드를 이용할 경우 복수 개의 프리프레그를 이용하여 효과적으로 적층시트를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프리프레그는, 인접한 하부 프리프레그의 섬유배열각도 기준 0 ° 내지 90 ° 의 섬유배열각도를 가지는 것일 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 프리프레그를 섬유배열각도 0 ° 로 적층하는 개략적인 구조를 나타낸 모식도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 프리프레그를 섬유배열각도 90 ° 로 적층하는 개략적인 구조를 나타낸 모식도이다.
도 4와 도 5를 참조하면, 인접한 하부 프리프레그와 일정한 섬유배열각도를 유지하면서 적층하는 개념을 이해할 수 있다. 이와 같이 일정한 섬유배열각도를 가지도록 복수 개의 프리프레그를 적층하여 방탄재를 형성할 경우, 높은 고내충격 특성을 가지는 소재의 구현이 가능하고, 결과적으로 우수한 방탄재의 확보가 가능해질 수 있다.
본 발명에서는, 복수 개의 프리프레그를 적층할 때 인접한 프리프레그와의 섬유배열각도가 0 ° 내지 90 ° 사이를 가지도록 다양하게 조합될 수 있다. 본 발명의 일 측면에서는 각각의 프리프레그 간의 최적의 섬유배열 각도를 확보하여 높은 고내충격 특성을 갖는 열가소성 방탄재를 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각하는 단계는, 1 시간 내지 5 시간 상온에서 자연 냉각시키거나, 5분 내지 20분 동안 10 ℃ 내지 25 ℃ 온도에서 급속 냉각 시키는 것일 수 있다.
본 발명의 열가소성 방탄재의 제조방법에서, 냉각하는 단계는 적절한 시간과 온도에서 수행하는 것이 대단히 중요할 수 있다. 상기 냉각하는 단계의 시간 및 온도 조건에서 벗어나서 냉각 공정을 수행할 경우, 최종 확보되는 열가소성 방탄재의 내부 또는 외부에 결함이 발생할 수 있으며, 선밀도가 떨어지거나 기공률이 증가하는 등 결과적으로 고내충격 특성이 확보되지 않는 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에서는 고내충격 특성을 가지는 열가소성 방탄재를 제공한다.
본 발명의 열가소성 방탄재는, 일정한 패턴을 가지도록 적층된 복수 개의 프리프레그를 포함하고, 상기 프리프레그는 폴리에스테르계 고분자 및 폴리아미드계 고분자를 포함하는 것이다.
본 발명의 열가소성 방탄재는 높은 고내충격 특성을 확보하기 위하여, 우수한 내충격 특성 및 내구성을 가지는 섬유 재료를 이용하여 프리프레그를 형성하고, 복수 개의 프리프레그를 적층하고 프레스 성형하여 확보된 것이다. 본 발명의 열가소성 방탄재는 높은 밀도 및 낮은 기공률을 갖는 재료로서, 고내충격 특성이 안정적으로 확보됨으로써 궁극적으로는 경량화된 방탄재로서 무거운 금속 소재를 대체할 수 있다.
본 발명에서 방탄재의 섬유 재료로서는 폴리에스테르계 고분자 및 폴리아미드계 고분자의 합성 섬유를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에스테르계 고분자 및 상기 폴리아미드계 고분자는 중량비가 4 : 6 내지 6 : 4 인 것일 수 있다.
상기 중량비가 4 : 6 내지 6 : 4 의 수치 범위를 벗어나게 될 경우, 폴리에스테르계 고분자 및 폴리아미드계 고분자의 적절한 배합 비율을 벗어나게 되어, 열가소성 방탄재로 제조되더라도 본 발명에서 의도하는 높은 수준의 고내충격 특성이 구현되지 않는 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에스테르계 고분자는 폴리아릴레이트이고, 상기 폴리아미드계 고분자는 나일론인 것일 수 있다.
폴리아릴레이트 및 나일론에 대한 설명은 상술한 바와 같으며, 상기 두 섬유는 고내충격 특성을 확보하기 위한 중요한 소재로서, 성형 단계에서의 온도, 압력 및 시간 등의 조건에 따라 기계적 물성이 예민하게 변화하여 최종 생산되는 방탄재의 내충격 특성이 다르게 구현될 수 있는 섬유 소재이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프리프레그는, 인접한 하부 프리프레그의 섬유배열각도 기준 0 ° 내지 90 ° 의 섬유배열각도를 가지는 것일 수 있다.
도 4와 도 5를 참조하면, 인접한 하부 프리프레그와 일정한 섬유배열각도를 유지하면서 적층하는 개념을 이해할 수 있다. 이와 같이 일정한 섬유배열각도를 가지도록 복수 개의 프리프레그를 적층하여 방탄재를 형성할 경우, 높은 고내충격 특성을 가지는 소재의 구현이 가능하고, 결과적으로 우수한 방탄재의 확보가 가능해질 수 있다.
본 발명의 열가소성 방탄재의 섬유배열각도는 도 4 및 도 5와 같이 0 ° 또는 90 °로 형성될 수 있으나, 일 예로서, 인접한 프리프레그와 30 °, 45 °, 60 ° 등의 각도를 형성하여 적층시트를 형성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방탄재의 선밀도는 1.05 1/mm 이상이고, 상기 방탄재의 기공률은 10.0 % 이하이고, 상기 방탄재의 내충격특성은 11 J 이상인 것일 수 있다.
본 발명에서 제공하는 열가소성 방탄재에 따르면, 높은 선밀도를 가지면서 낮은 내부 기공률을 갖는 복합 섬유 재료가 확보됨으로써 높은 내충격특성을 구현할 수 있는 특징이 있다.
본 발명에서 제공하는 열가소성 방탄재는, 적절한 공정 조건을 유지함으로써바람직하게는 7.0 l/min 이상의 선밀도 및 0.7 % 이하의 기공률을 확보하여 결과적으로 30 J 이상의 높은 내충격 특성을 갖는 방탄 소재를 구현할 수도 있다.
실시예
< 프리프레그 성형 몰드 및 열가소성 방탄재 성형 몰드의 제작>
도 2에 도시된 것과 같은 형태로 프리프레그 성형 몰드를 가로 300 mm, 세로 350 mm, 두께 1 mm로 제조 하였다. 몰드의 옆면은 벤딩 가공 처리를 하여 매끄럽게 제조하였다.
도 3에 도시된 것과 같은 형태로 열가소성 방탄재 성형 몰드로서, 하부 금형을 가로 330 mm, 세로 350 mm, 두께 5 mm로 제작하였다. 그리고 중간 금형을 바깥쪽 틀을 가로 310 mm, 세로 310 mm의 길이가 되도록 하고, 내측 관통부는 가로 300 mm, 세로 300 mm, 두께 5 mm가 되도록 제조하였다. 상부 금형은 하부 금형과 동일한 크기로 제작하였다.
<열가소성 방탄재의 제조>
본 발명의 실시예로서, 열 가소성 방탄재를 제조하기 위한 섬유 재료로서 폴리아릴레이트 및 나일론을 5 : 5 중량비로 혼합하여 복합 섬유 재료를 준비하였다. 이 후, 제작한 프리프레그 성형 몰드를 이용하여 100 rpm의 속도로 복합 섬유 재료를 권취하였고 최종 무게 20 g의 복합 섬유 재료를 핫프레스 성형기를 사용하여 200 ℃, 10 초동안, 20 psi 압력의 성형 조건으로 프리프레그를 제조하였다. 이렇게 제조한 프리프레그를 각 10장씩 도 4 및 도 5에 나타난 형태와 같이 [0o/0o/0o/0o/0o] 또는 [0o/90o/0o/90o/0o]의 섬유배열각도를 가지도록 적층하였고, 제작한 열가소성 방탄재 성형 몰드를 이용하여 190 ℃ 내지 210 ℃의 온도 조건, 1 분 내지 10분의 시간 조건, 100 psi 내지 1000 psi의 압력 조건 하에서 공정 조건을 다양하게 변경하면서 성형하여 비교 가능한 복수 개의 실시예를 제작하였다.
이 후, 각 실시예들에 대해 최종적으로 실온 상태에서 자연 냉각을 2시간 동안 수행하거나, 15 ℃ 온도에서 급속 냉각을 10분 처리하고, 각 실시예들의 선밀도, 기공률 및 내충격 특성을 평가하였다.
기공률 측정과정에서 엑스선 컴퓨터 단층 촬영기 (Micro-CT, M-CT)를 이용하였으며, Bruker AXS사의 SkyScan 1272를 사용하여 기공률을 측정하였다.
내충격특성 측정은 ASTM D 7136에 의거하여 측정하였으며, 시험편 크기는 가로 125 mm, 세로 125 mm, 두께 1.2 mm로 제작하였다. 실시예로 제작한 각각의 시험편을 관통될 때까지 규정된 조건하에서 측정하였다.
아래의 표 1은 상술한 내용에 따라 제조 공정 조건을 다르게 하여 제조한 본 발명의 열가소성 방탄재 실시예 샘플들(실시예 1 내지 실시예 12)이다. 각각의 실시예에 대하여 밀도, 기공률 및 내충격 특성을 평가한 결과도 표 1에 나타내었다.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
온도
(℃) 		190 195 200 205 210 200 200 200 200 200 200 200
시간
(min) 		3 3 3 3 3 3 3 3 3 1 5 10
압력
(psi) 		300 300 300 300 300 100 300 500 1000 300 300 300
적층
구조 		[0o/
90o/
0o/
90o/
0o]s		 [0o/
90o/
0o/
90o/
0o]s		 [0o/
90o/
0o/
90o/
0o]s		 [0o/
90o/
0o/
90o/
0o]s		 [0o/
90o/
0o/
90o/
0o]s		 [0o/
90o/
0o/
90o/
0o]s		 [0o/
0o/
0o/
0o/
0o]s		 [0o/
90o/
0o/
90o/
0o]s		 [0o/
90o/
0o/
90o/
0o]s		 [0o/
90o/
0o/
90o/
0o]s		 [0o/
90o/
0o/
90o/
0o]s		 [0o/
90o/
0o/
90o/
0o]s
냉각
공정 		자연
냉각		 자연
냉각		 자연
냉각		 자연
냉각		 자연
냉각		 자연
냉각		 급속
냉각		 자연
냉각		 자연
냉각		 자연
냉각		 자연
냉각		 자연
냉각
선밀도
(1/mm) 		4.54 5.45 7.54 3.52 2.31 3.66 2.61 1.95 1.05 2.55 3.15 1.56
기공률
(%) 		2.19 2.05 0.59 3.55 4.56 3.75 4.01 8.45 9.98 3.87 3.33 7.65
내충격특성
(J) 		25 26 31 23 17.3 23.5 19 15 11 17.5 21 13
상기 표 1의 각각의 실시예 들에서 확인할 수 있듯이, 공정 조건에 따라 밀도, 기공률 및 내충격특성 값이 각각 달라졌으며, 기공률과 밀도는 대략적으로 반비례함을 확인하였다. 실시예 3의 경우 성형공정조건에서 선밀도, 기공률 및 내충격특성 값이 가장 우수하였고 밀도가 증가하고 기공률이 감소할수록 내충격특성의 값이 증가하였다.
즉, 본 발명에 따라 제조된 성형 몰드를 이용하고, 적절한 공정조건을 확보하여 밀도, 기공률, 내충격특성이 우수한 열가소성 방탄재를 확보할 수 있음을 확인하였다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 섬유 재료를 준비하는 단계;
    상기 섬유 재료를 권취하고 몰딩하여 프리프레그를 형성하는 단계;
    복수 개의 상기 프리프레그를 일정한 패턴을 가지도록 적층하고 프레스 성형하여 적층시트를 형성하는 단계; 및
    상기 적층시트를 냉각하는 단계;를 포함하는,
    열가소성 방탄재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 재료는 폴리에스테르계 고분자, 폴리아미드계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 둘 이상을 포함하는,
    열가소성 방탄재의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 폴리에스테르계 고분자는 폴리아릴레이트이고, 상기 폴리아미드계 고분자는 나일론인 것인,
    열가소성 방탄재의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 폴리에스테르계 고분자 및 상기 폴리아미드계 고분자는 중량비가 4 : 6 내지 6 : 4 인 것인,
    열가소성 방탄재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프리프레그를 형성하는 단계는 190 ℃ 내지 210 ℃ 의 온도에서 수행되는 것인,
    열가소성 방탄재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프리프레그를 형성하는 단계는 100 psi 내지 1000 psi 의 압력 하에서 수행되는 것인,
    열가소성 방탄재의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프리프레그를 형성하는 단계는 1 분 내지 10 분의 시간 동안 수행되는 것인,
    열가소성 방탄재의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프레스 성형하는 단계는 하부 금형, 중간 금형 및 상부 금형을 포함하는 몰드를 이용하여 성형하는 것이고,
    상기 중간 금형의 관통부에 상기 적층시트가 안착되는 것인,
    열가소성 방탄재의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프리프레그는, 인접한 하부 프리프레그의 섬유배열각도 기준 0 ° 내지 90 ° 의 섬유배열각도를 가지는 것인,
    열가소성 방탄재의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계는, 1 시간 내지 5 시간 상온에서 자연 냉각시키거나, 5분 내지 20분 동안 10 ℃ 내지 25 ℃ 온도에서 급속 냉각 시키는 것인,
    열가소성 방탄재의 제조방법.
  11. 일정한 패턴을 가지도록 적층된 복수 개의 프리프레그를 포함하고,
    상기 프리프레그는 폴리에스테르계 고분자 및 폴리아미드계 고분자를 포함하는 것인,
    열가소성 방탄재.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 폴리에스테르계 고분자 및 상기 폴리아미드계 고분자는 중량비가 4 : 6 내지 6 : 4 인 것인,
    열가소성 방탄재.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 폴리에스테르계 고분자는 폴리아릴레이트이고, 상기 폴리아미드계 고분자는 나일론인 것인,
    열가소성 방탄재.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 프리프레그는, 인접한 하부 프리프레그의 섬유배열각도 기준 0 ° 내지 90 °의 섬유배열각도를 가지는 것인,
    열가소성 방탄재.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 방탄재의 선밀도는 1.05 1/mm 이상이고,
    상기 방탄재의 기공률은 10.0 % 이하이고,
    상기 방탄재의 내충격특성은 11 J 이상인 것인,
    열가소성 방탄재.
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