KR20220027872A - 서로 평행한 섬유들을 가지고 그리고 연결 층에 의해 분리되는, 단향성 층들의 적어도 2개의 쌍들을 포함하는 방탄 적층체 - Google Patents

서로 평행한 섬유들을 가지고 그리고 연결 층에 의해 분리되는, 단향성 층들의 적어도 2개의 쌍들을 포함하는 방탄 적층체 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 높은 유연성과 높은 발사체-정지 및 외상-감소 성능을 조합하는 방탄 보호(ballistic protection) 구조용 구조에 관한 것이다. 연결 층에 의해 분리되고, 서로 평행한 섬유들을 갖는, 적어도 2개 쌍들의 단방향 층들을 포함하는 방탄 적층체가 제조된다. 바람직한 실시예에서, 방탄 구조는 복수의 단방향 방탄 실 보조적층체들을 포함한다. 각각의 보조적층체는 적어도 2개의 단방향 방탄 층들을 포함하며; 단방향 방탄 층들의 섬유들은 실질적으로 평행한, 즉 동일한 방향으로 배향되며; 평행한 섬유들을 갖는 2개의 방탄 층들은 서로 직접 접촉하지 않지만, 예를 들어 또한 접착성인 필름으로 구성되는 층에 의해 분리(및 함께 유지)된다. 그 후, 보조적층체들은 각각의 보조적층체의 단방향 섬유들이 인접한 보조적층체의 단방향 섬유에 실질적으로 수직하도록 함께 커플링된다.

Description

서로 평행한 섬유들을 가지고 그리고 연결 층에 의해 분리되는, 단향성 층들의 적어도 2개의 쌍들을 포함하는 방탄 적층체
본 발명은, 높은 가요성과 높은 탄환-정지 및 외상-감소 성능을 조합하는 방탄 보호(ballistic protection) 구조용 구조에 관한 것이다.
본 발명의 범위는 조립체들의 형태로의 섬유들 또는 테이프들(이하에서, 섬유들로서 지칭됨)로 구성되는 방탄 구조물들의 범위이다.
최초의 방탄 보호 장치들은, 씨실이 날실과 교차하는 전통적인 구조(날씰-씨실 유형)로 직물들을 중첩시킴으로써 제조되었으며, 여기서 씨실 스레드는 날씰 스레드를 교차하며; 비록 일부 작은 수정예들이 시간이 지남에 따라 적용되었지만, 이러한 유형의 직물은 항상, 스레드들 자체 사이에서 교차하는 일부 위브들(weaves), 즉, 상이한 유형들로 또한 교차하는 (보통 서로 수직한) 2개의 세트들의 섬유들을 갖는다.
이러한 공지된 텍스타일(textile) 구조들은 일부 단점들을 갖는다:
- 입사 발사체의 에너지 흡수를 담당하는 음파의 반사 노드들(nodes)은 섬유들 사이의 교차점들에서 생성되며; 이러한 반사는, 섬유들이 입사파 및 반사된 파 둘 모두의 힘들에 의해 스트레스되는 것을 유발시켜, 그 결과 구조를 약화시킨다;
- 씨실을 위해 사용된 실들은, 섬유들이 실의 방향과 평행하지 않는 것을 유발시키는 실 상의 비틀림 트위스트(torsional twist)를 시행하는 프로세스(예컨대, "디파일러(defiler)")에 의해 직물로 직조되며; 이 오정렬은 실의 방탄 저항을 감소시킨다.
순 개선이 단방향 직물들의 제조를 통해 달성되었으며; 이 직물은, 상이한 종류들의 매트릭스들로 부분적으로 또는 전체적으로 함침되는, 서로 정렬되고 그리고 평행한 실의 층들로 구성된다.
UD(unidirectional) 직물들의 최종 구조는, 각각의 층이 이전 층에 대해 일반적으로 약 90°의 각도로 중첩되는 섬유들의 수개의 단방향 섬유 층들의 중첩을 포함한다. 이 경우에, 구조의 응집은, 동일한 층에 속하는 실들 사이에 교차들이 존재하지 않기 때문에, 매트릭스들/수지들의 사용을 통해 보장된다.
이러한 후자의 구조는 실들 사이에 교차들을 가지지 않는 확실한 이점을 가져, 음파가 반사 없이 흡수되는 것을 가능하게 한다.
마찬가지로, 구조들이 실들 사이에 물리적 교차들을 가지지 않기 때문에 구조들이 매트릭스의 사용을 통해 층들 사이의 응집에 의존해야 하므로, 이러한 구조들은 변형가능하다는 단점을 갖는다.
이러한 변형성 때문에, 직물의 외부 표면들은 사용 동안 허용가능한 내마모성을 또한 보장하는 부가 요소들(예컨대, 필름)에 의해 보호되어야 한다.
추가의 방탄 개선은, 방탄 실들이 서로에 대한 소정의 각도의 중첩 층들에서 단방향으로 배열되고 그리고 그 후, 편직 프로세스에 의해 재봉되는 다축 직물들에 의해 달성되었으며; 보다 높은 성능 버전들에서, 서로 수직으로 배열되는 스레드의 인접한 층들은 부가의 접착 층(필름 유형)의 존재에 의해 안정화된다. 0° 층과 90° 층 사이의 필름의 존재시에, 이 특징은 외상의 상당한 감소를 유발시켰다는 것이 유의되어야 한다.
위에서 언급된 바와 같이, 구조물들의 방탄 성능은 2개의 주요 매개변수들을 통해 평가되며: 제1은 소위 V50이며, 즉, 발사체들의 50%가 직물에 의해 정지되는 속도; 제2는, 발사체가 정지된 후에 방탄 구조가 겪는 변형(BFD(back face deformation))과 연관된 외상의 깊이에 관한 것이다. 후자의 값은 일반적으로 표준(예컨대, NiJ04)을 참조하여 방탄 충격 검사 동안 방탄 패키지가 배치되는 플라스틱신(plasticine)의 블록에서 제조되는 압입부의 깊이를 측정함으로써 규정된다.
이러한 외상을 억제하기 위해, UD 및 다축 구조들로 포함하는, 서로 수직으로 배열되는 섬유들의 층들 사이에 접착 필름의 도입은, V50의 상당한 손실 없이 외상을 강력히 감소시키는 것이 밝혀졌다.
방탄 구조에 관계없이, 발사체를 멈추는 역할을 하는 부품은 주로 섬유인 것이 공지되어 있으며; 현재 가장 널리 사용되는 섬유들은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 유리, 탄소, 코폴리머 버전들에서 포함하는 아라미드 유형 섬유들, PVA 섬유들, 삼(hemp)과 같은 천연 섬유들에 기초하는 섬유들이다.
최근 수년간, 매우 높은 탄성 모듈러스 및 인장 강도 값들에 의해 특징화되는 섬유들은 시장에 배치되었으며; 예를 들어, 40cN/dtex 초과의 인장 강도 및 135GPa 초과의 모듈러스를 가지는 UHMWPE(ultra high molecular weight polyethylene)에 기초되는 섬유들이며; 전형적으로, 이 섬유들은 최고의 아라미드 기반 섬유들보다 약 30% 더 내성이 있다.
그러나, 수지들, 특히 필름 유형들은 기계적 특성들에 대해 동일한 개량을 겪지 않았다.
따라서, 고성능 섬유들 및 보다 높은 성능을 가지지 않는 매트릭스들과의 구성의 동일한 섬유/매트릭스 텍스타일 형태들을 사용하도록 시도하는 것은 요망되는 이익들로 이어지지 않는다.
특히, 텍스타일 구조는, 아래에서 도시되는 (미국 텍사스주 샌안토니오의 제18회 International Symposium of Ballistics(1999년 11월 15-19일)의 회보에서 "Dimensional Parameters for optimization of textile-based body armor systems”의 Cunniff, P.M.) 쿤니프(Cunniff)에 의해 개량된 공식을 통해 에너지를 흡수할 수 있으며, 이는, 흡수 에너지는 단위 질량당 섬유에 의해 저장될 수 있는 최대 탄성 에너지 및 섬유를 대표하는 음파 속도에 대해 정비례하는 것을 나타낸다.
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실제로, 탄성 에너지를 흡수하는 섬유의 능력(이는 인장 강도 및 파단시의 연신율에 따름)을 이용함으로써 최대 에너지를 흡수하기 위해 시도하는 것 그리고 마찬가지로 가능한 한 빨리 (섬유에서의 음향파의 속도에 링크되어) 발사체 충돌 영역으로부터 멀리 에너지를 전달하기 위해 시도하는 것이 필수적이며; 오늘날 텍스타일 구조들에서, 단방향 섬유들의 각각의 층이 이전 층에 대해 90°만큼 회전되는 것이 정확하게 이러한 이유를 위한 것이며; 이러한 방식으로, 에너지는 가능한 한 신속하게 발사체의 충격 지점으로부터 멀리 이동된다.
구조의 방탄 응답을 증가시키기 위해, 따라서, 높은 인장 강도, 높은 연신율, 낮은 밀도, 및 높은 탄성 모듈러스를 갖는 섬유를 가지는 것이 필수적이다.
위의 라인들에서 언급된 바와 같이, UD 및 다축 직물들은 구조의 안정성 및 방탄 상황 동안 섬유들을 제자리에 유지시키기 위한 가장 큰 가능한 능력을 보장하는 수지들의 적용을 요구한다.
쿤니프의 공식은, 섬유들 및 수지들로 구성되는 층의 경우에 여전히 유효하지만, 동일한 질량에 대해 직물의 일부가 수지로 대체되며, 이는 사실상 섬유의 인장 강도, 그의 탄성 모듈러스 및 그 결과, 에너지-흡수 음파의 속도를 감소시키는 사실을 고려해야 한다.
이는 실험적으로 확인되었다.
섬유들이 함께 작용하는 위치에 섬유들을 유지시킴으로써 수지들이 박리 표면적을 증가시키는 것이 주지되어 있으며; 섬유 및 수지의 특성들 사이의 차이가 너무 크면, 2개의 재료들은, 전체적으로 고르지 않은 방식으로 작용하여, 따라서 구조의 방탄 정지 능력을 감소시킨다. 이 경우에, 수지는 실 섬유들이 적절하게 작용하는 것을 방지한다.
당업자는 이 문제를 개선하기 위해, 수지의 양을 감소시키는 경향이 있을 수 있지만, 이는 2개의 문제들을 생성한다:
- 구조가 충분히 응집성이 있지 않도록 많이 수지의 양이 감소되어야 한다.
- 현재 제조되는 필름들은 100cm 초과의 깊이들에서 6g/m2 미만일 수 있는 반면, 직물의 깊이는 전형적으로 160cm이다.
위의 내용 이외에도, 날씰 및 다축 씨실 UD 유형 직물들에서, 단일 단방향 층이 가벼울수록 V50 값이 보다 높으며, 그리고 서로에 대해 회전되는 인접한 2개의 층들에서의 섬유들의 상대적 움직임이 제한된다면, 외상이 보다 낮다는 것이 밝혀졌다.
본 발명의 주요 목적은 공지 분야에서 단점들을 감소시키는 방탄 보호 요소를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 결과는, 방탄 보호를 위한 방탄 적층체의 생성을 통해 성취되었으며, 상기 적층체는 적어도 제1 단방향 텍스타일 보조적층체 및 적어도 제2 단방향 텍스타일(textile) 보조적층체를 포함하며, 각각의 제1 및 제2 텍스타일 보조적층체는 실질적으로 방향(α)으로 배열되는 제1 복수의 방탄 섬유들(ballistic fibers)을 갖는 제1 텍스타일 층 및 실질적으로 상기 방향(α)으로 배열되는 제2 복수의 탄소 섬유들을 포함하는 제2 텍스타일 층을 포함하며, 각각의 보조적층체의 제1 및 제2 텍스타일 층들은 연결 층에 의해 분리되고, 제1 및 제2 텍스타일 적층체는 서로 접촉하고, 그리고 제1 적층체의 제1 방향 및 제2 적층체의 섬유 방향은 서로에 대해 90° +/- 10°의 각도를 형성하는 방식으로 배열된다. 단방향 텍스타일 층들은 바람직하게는, 다음의 재료들: 아크릴, 폴리에틸렌, 폴리부텐, 폴리우레탄, 또는 블록 코폴리머 기반 수지들 중 하나 이상을 포함하는 수지 매트릭스에 의해 사전-함침된다. 각각의 보조적층체의 제1 및 제2 텍스타일 층들을 분리하는 보호 층은, (바람직하게는 접착) 필름 또는 다른 구조, 예컨대, 메쉬(mesh), 펠트(felt) 또는 직조된/직조되지 않은 직물의 형태의 다음의 재료들: 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 또는 폴리프로필렌 중 하나 이상을 포함한다.
바람직한 실시예에 따르면, 방탄 섬유들은, 또한 서로 혼합되는 아라미드 재료, UHMWPE로 공지된 초고분자량 폴리에틸렌 재료, 코폴리아라미드 폴리벤족사졸릭 또는 폴리벤조티아졸릭 재료, 액정, 유리, 탄소 등으로 제조된다. 바람직하게는, 방탄 적층체는 0.02mm 내지 3mm의 직경을 가지는 복수의 관통 홀들을 포함하고, 관통 홀들은 제1 및 제2 보조적층체를 통과하고 그리고 cm2당 0.5 내지 10의 밀도를 갖는다.
바람직하게는, 제1 및 제2 텍스타일 보조적층체는 가압에 의해 함께 결합된다. 존재할 때, 관통 홀들은 바람직하게는 가압 단계 후에 제조된다. 바람직한 실시예에서, 제1 및 제2 텍스타일 보조적층체들은 스티칭함으로써 함께 결합된다. 관통 홀들의 적어도 일부는 스티칭 단계 동안 제조될 수 있다. 스티칭은 바람직하게는, 스티칭을 위해 사용되는 스레드보다 적어도 20% 더 큰 직경의 바늘들을 사용하여 수행된다. 대안적으로, 홀들은 롤러(또는 실린더)가 적층체 상에서 롤링하는 동안 홀들을 생성하기 위해 복수의 펀치들을 갖는 롤러 또는 실린더가 설비되는 시스템에 의해 드릴될(drilled) 수 있다.
각각의 텍스타일 요소의 중량은 바람직하게는 10g/m2 내지 500g/m2이다.
본 발명의 제2 양태에서, 전술한 바와 같은 방탄 보호 적층체를 제조하기 위한 프로세스가 제공된다. 제조 프로세스는,
- 접착 필름이 텍스타일 층들 사이에 배치되고 그리고 텍스타일 층들을 함께 유지하는 방식으로 적어도 제1 단방향 텍스타일 층, 접착 필름, 및 적어도 제2 단방향 텍스타일 층을 서로 접촉하게 배치하는 단계 ─ 제1 및 제2 텍스타일 층들은 실질적으로 동일한 방향으로(+/- 10º) 배열되는 복수의 방탄 섬유들을 포함함 ─ ;
- 압력에 의해 적어도 제1 텍스타일 층, 접착 필름, 및 적어도 제2 텍스타일 층을 함께 결합하여, 텍스타일 보조적층체를 초래하는 단계;
- 제1 텍스타일 보조적층체의 섬유들의 방향 및 제2 텍스타일 보조적층체의 섬유들의 방향이 서로에 대해 90° +/- 10°의 상대적인 각도로 있도록 제1 텍스타일 보조적층체 및 제2 텍스타일 보조적층체를 서로 접촉하게 배치하는 단계; 및
- 1바 내지 200바의 압력에서 적어도 제1 및 적어도 제2 텍스타일 보조적층체들을 함께 결합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전술된 방탄 적층체의 적어도 하나의 층을 포함하는 방탄 보호부가 제공된다.
본 발명의 추가의 양태에 따르면, 하이브리드 방탄 패키지가 제공되며, 이 하이브리드 방탄 패키지는 30cN/dtex 초과의 강도(tenacity), 120Gpa 초과의 모듈러스 및 2% 초과의 연신율을 갖는 UHMW 폴리에틸렌 섬유들에 기초하여, 전술된 바와 같이, 적어도 하나의 방탄 적층체, 및 26cN/dtex 초과의 섬유 강도, 100Gpa 초과의 모듈러스, 및 2% 초과의 연신율을 갖는 아라미드 코폴리머 기반 직물의 적어도 하나의 층을 포함해서, - 55gr fsp에 대해 흡수되는 비에너지는 35j/kg/m2 초과이며; - 4.6kg/m2 미만의 패키지 중량에 대한 NIJ0.101.06 표준에 따른 .44 매그넘 스피어(Magnum Speer) HP 탄환을 사용하여 획득되는 V50과 동일한 NIJ0.101.06 표준에 따라 기록된 최대 외상 사이의 비율은 11(m/s)/mm 이상이다. 바람직한 실시예에 따르면, 관통 홀들이 존재할 때, 관통 홀들은 0.02mm 내지 3mm의 직경을 가질 것이다. 바람직하게는, cm2당 관통 홀들의 수는 0.5 내지 10이다.
본 발명에 따른 구조로, 높은 가요성, 내구성 및 시간에 걸친 안정성과 함께, 시장에서의 기존 제품들보다 우수한 방탄 성능이 획득된다.
본 발명의 이들 및 추가의 이점들, 목적들 및 특징들은 예시적인 특징의 실시예들에 관한 아래의 설명 그리고 첨부 도면으로부터 당업자에 의해 보다 양호하게 이해될 것이지만, 제한적인 의미로 이해되지 않아야 할 것이다.
- 도 1은, 홀들이 드릴되기 전에, 본 발명의 가능한 실시예에 따른 방탄 보호를 위한 구조물의 사시도를 도시한다.
- 도 2는 도 1의 구조의 측면도를 도시한다.
- 도 3은 관통 홀들에 의해 유발되는 단방향 섬유들의 직선 방향으로의 변곡(inflection)(또는 불연속부)을 도식적으로 예시한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 복수의 단방향 방탄 실 보조적층체들을 포함하는 구조가 제공된다. 각각의 보조적층체는 실질적으로 평행한, 즉 동일한 방향으로 배향되는 섬유들을 가지는 적어도 2개의 단방향 방탄 층들을 포함하고; 평행한 섬유들을 갖는 2개의 방탄 층들은 서로 직접 접촉하지 않지만, 예를 들어 접착성일 수 있는 필름으로 구성되는 층에 의해 분리(및 함께 유지)된다.
그 후, 보조적층체들은 각각의 보조적층체의 단방향 섬유들이 인접한 보조적층체의 단방향 섬유에 실질적으로 수직하도록 함께 결합된다.
도 1에서 도시되는 바와 같이, 구조는 다음과 같이 구성된 층들의 중첩부를 포함한다:
- 바람직하게는 매트릭스(예컨대, 낮은 모듈러스(modulus) 및 높은 연신율을 갖는 매트릭스)로 함침된, 방향(α)(예컨대, 0°)의 단방향 섬유들의 층(101);
- 필름, 메쉬 등과 같은 접착성 폴리머 구조의 층(105);
- (예를 들어, 낮은 모듈러스 및 높은 연신율을 가지는) 매트릭스로 함침된 (공지된 분야에서의 해결책들에서와 같이, α 방향에 대해 수직인, 평행하고 그리고 β 방향이 아닌 (본 예에서 90°)) 방향(α)으로의 단방향 섬유 층(101);
- 방향(α)에 수직인 방향(β)으로의 단방향 섬유 층(103);
- 필름, 메쉬 등과 같은 접착성 폴리머 구조의 층(105);
- 매트릭스로 함침된 β 방향의(그리고 β 방향에 수직인 α 방향이 아닌) 단방향 섬유 층(103).
도 1의 구조에서, 3개의 상부 층들(101, 105, 및 101)은 동일한 방향(α)으로 모두 배향되는 섬유들(층들(101)의)을 갖는 제1 보조적층체를 구성하며; 3개의 하부 층들(103, 105 및 103)은, (층들(103)의) 방탄 섬유들이 α에 수직인 β 방향으로 모두 배향되는 제2 보조적층체를 구성한다.
이 구조의 하나의 특징은, 단방향 방탄 섬유 층이 평행 섬유들(제2 층(101)을 갖는 제1 층(101); 제2 층(103)을 갖는 제1 층(103))을 갖는 서브-세트들의 층들(우리의 예에서, 쌍들, 하지만 2개 초과일 수 있음)을 형성하도록 단방향 방탄 섬유 층들이 배열되며 그리고 평행한 쌍들은 접착성 요소들(예컨대, 접착 필름들)(105)에 의해 분리된다. 반대로, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 서로 수직인 섬유들을 갖는 인접한 층들(바람직하게는 매트릭스로 함침되는, 제1 층(103) 및 제2 층(101))의 쌍들은 중간에 보호 필름 없이, 서로 직접 접촉한다. 직접 접촉의 이러한 특성은 구조물의 방탄 성능(ballistic performance)을 증가시킨다.
이 설명의 단순성을 위해, 출원인은 정확한 측정들 및 규정들(예컨대, 0° 및 90° 또는 평행 및 수직)을 언급하지만, 본 발명의 목적들을 위해, 이러한 측정들 및 규정들이 어느 정도 근사로 취해져야 해서, 0°는 0° +/- 10°을 의미하며; 90°는 90° +/- 10°를 의미하고, 평행은 "실질적으로 평행"을 의미하며, 그리고 수직은 "실질적으로 수직"을 의미한다.
도 2는, 도 1과 동일한 구조를 측면도로 도시하며, 여기서 층들(101+105+101+103+105+103)의 순서가 보일 수 있고, 그리고 다시 한번, 접착 필름이 서로 평행한 (또는 오히려 실질적으로 평행한) 섬유들로 층들을 분리하지만, 서로 수직인 (실질적으로 수직인) 섬유들로 이들을 분리하지 않는 것을 도시한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방탄 층들은 위에서 표시된 방향들로 단방향으로 배열되는 방탄 실들로 이루어진다. 작은 플레이트들 또는 모노필라멘트들은 일반적으로 다수의 필라멘트들로 구성되는 실들에 대한 대안예로서 사용될 수 있다. 이러한 실들(플레이트들, 모노필라멘트들)의 실 카운트들은 유리하게는, 20d/tex 내지 6500d/tex이며, 이들의 강도(tenacity)는 d/tex당 10cN초과이며, 모듈러스는 40GPa 초과이며, 그리고 인장 연신율은 1% 내지 10%이며; 예를 들어, (Twaron®, Kevlar®, Heracron®, Alkex®의 상표명들을 갖는) Teijin®, DuPont®, Kolon®, Hyousung®에 의해 제조되는 아라미드 실들이 이러한 분류에 속한다.
아라미드 실들 이외에, 초고분자량 P.E. 실들, 예를 들어, Spectra® 및 Dyneema® 각각을 갖는 Honeywell®, DSM®에 의해 제조되는 실들이 상표명들 Tensylon® 또는 Endumax®로 공지되는 플레이트들의 형태로 또한 사용될 수 있다. 최근에는 코폴리아라미드 실들은 Kamenksvolokno®에 의해 제조되는 Ruslan®, Rusar®, Autx®, Artec의 명칭들로 도입되었다. 이러한 실들은 정적 강도의 적어도 2배의 동적 인장 강도에 의해 특징화되며, 따라서 높은 방탄 성능을 허용한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방탄 구조를 구성하는 방탄 실들의 층들은 이들의 혼합물들을 포함하는, 열가소성 수지 및 열경화성 수지로 사전-함침되며; 이러한 수지들의 기계적 성질은 엘라스토머, 플라스토머, 점탄성 등일 수 있다. 이들 중, 상업 용어 Kraton®으로 또한 공지된, 아크릴 폴리에틸렌, 폴리부텐, 블록 코폴리머들 기반 폴리우레탄 수지들(스티렌-부타디엔-스티렌 유형)은 특히 유용하다. 적용되는 양들은 3% 내지 30%이다. 수지를 적용하는 목적은, 단방향으로 증착되고 그리고 중첩되는 실들의 다양한 층들 사이의 접착을 용이하게 하는 것이다. 또한, 수지들은 실들의 다양한 피브릴들(fibrils)을 접촉하게 하여, 방탄 목적들을 위해 유용한 연속성을 생성한다. 전술된 바와 같이, 부가의 요소들(105)은, 사용 동안 층들의 상호 문지름(rubbing)으로부터 초래되는 기계적인 작용으로부터 구조를 안정화시키고 그리고 실 피브릴들을 보호하기 위해 각각의 쌍의 단방향 “평행” 방탄 층들(예컨대, 도 1 및 도 2에서의 101 및 101) 사이에 적용된다. 요소들(105)은 또한 불연속 필름들, 펠트들, 메쉬 및 부직포 직물들일 수 있다.
이들 층들(105)(예컨대, 필름)의 조성은 층들 사이의 접착을 허용해야 한다. 따라서, 이들의 혼합물들을 포함하는, 열가소성 및 열경화성 폴리머들에 기반되는 요소들이 사용된다. 이들 수지들의 기계적 성질은 엘라스토머릭(elastomeric), 플라스토머릭(plastomeric), 점탄성(viscoelastic) 등일 수 있다. 또한 코폴리머들의 형태의, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리프로필렌, 및 폴리에스테르 필름들은 예를 들어 특히 유용하다. 유리하게는 이러한 부가 요소들의 중량들은 가능한 한 낮아야 하며, 이상적으로는 약 3g/m2이다. 따라서 획득된 구조는 압력과 온도의 작용을 겪는다. 압력들은 유리하게는 2바 내지 200바, 그리고 보다 유리하게는 20바 내지 40바이다. 가압 온도들은 20° 내지 200°C이고 그리고 더 유리하게는 30°와 110°C 사이이다. 압력/온도 조합은 당업자에게 공지된 프로세스들을 사용하여 적용되고 그리고 연속적일 뿐만 아니라 불연속적일 수 있다. 이렇게 획득된 적층체는 적층체의 전체 구조에 걸쳐 불연속성들을 생성하는 것을 포함하는 추가 프로세스 단계를 겪는다.
방탄 검사들은, 동일한 질량의 방탄 보호를 위해, 단일 보호 층의 중량이 낮을수록, 보다 양호한 성능이 획득되는 것을 나타냈다.
따라서, 이상적인 방탄 구조는 다음과 같은 특성들을 가져야 한다:
1. 고인장 특성들을 갖는 섬유(고강도, 높은 연신율, 높은 모듈러스)
2. 제한된 중량의 단일 층,
3. 개별 단방향 섬유들을 함침시키는 적절한 수지
4. 적어도 20Mpa의 강도 및 500%초과의 파단시의 연신율을 가지는 인접 층들의 섬유들 사이에서 상대적인 움직임을 제한하기 위해 서로 평행한 섬유들을 갖는 인접 층들 사이에 배치되는 저중량 필름,
예를 들어, 약 22g/m2의 4개의 단방향 층들(이 층들 사이에 3g/m2의 필름이 배치됨)을 포함하는, 총 중량 100g/m2의 방탄 직물.
위에서 언급한 바와 같이, 사용 동안 서로 평행한 섬유들을 갖는 인접한 층들의 섬유들 사이의 움직임을 차단하는 가장 좋은 방법은 접착 필름을 사용하는 것이다.
단일 층이 거의 요망되는 만큼 가볍게 만들 수 있지만, 필름은 가벼움에 대한 제한들을 가지며, 이 제한을 넘어, 제조 문제들로 인해 진행하는 것이 가능하지 않다.
전술된 본 발명은, 예를 들어 필름에 의해 서로 연결된 임의의 낮은 중량의 단방향 섬유 층들을 제조하는데 사용될 수 있으며; 이러한 "취약한" 상호작용 효과가 긍정적인 것으로 상상될 수 있는 것과는 대조적으로; 서로에 대해 회전하지 않는 단방향 층들을 연결하는 필름은 서로에 대해 회전되는 층들 사이에 필름이 배치되는 상황에 비해 취약한 상호작용을 제공한다.
회전하지 않는 단방향 섬유 층들의 필름 안정화는 또한, 층들 사이에 존재하는 필름(또는 다른 분리 요소) 자체에 의해 강도가 보장되기 때문에 최종 구조의 외부 표면들 상의 필름의 추가의 적용을 회피하는 것을 또한 가능하게 한다.
공지된 분야의 기술들에 따른 구성의 통상적인 규칙들과 이론적으로 상반되는, 전술된 구조는 대신에 높은 V50 및 낮은 외상을 조합한 성능을 제공한다.
단방향 적층된 구조에 보다 큰 가요성을 부여하기 위해, 전체 구조를 통과하는 관통 홀들이 제조된다면, 도 3에서 도시되는 바와 같이, 방탄 실들의 직선 코스에서의 언듈레이션 및 이에 따라 변곡들(inflections)(또는 불연속부들)이 생성된다. 충격 에너지에 의해 유도되는 외상의 파워 및 크기 둘 모두를 정지시키는 측면에서 방탄 특성들을 손상시키지 않으면서, 구조의 가요성 특성들은 통기성 특성과 같이, 이러한 굴곡들의 존재를 통해 크게 개선된다는 것이 놀랍게도 확립되었다. 이러한 관통 홀들의 수 및 이들의 직경은 (가요성 및 통기성을 증가시키거나 감소시키기 위해) 각각의 개별 구조의 요구들에 대해 구성될 수 있다. 유리하게는, 홀들은 바람직하게는 실질적으로 원형 형상을 가지며(그러나 또한 다른 형상, 예를 들어 타원, 형상들일 수 있음); 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이들 홀들의 직경은 0.02mm 내지 3mm, 바람직하게는 0.5mm 내지 2mm이다. 이러한 관통 홀들의 수(즉, 이들의 밀도)는 바람직하게는 cm2당 0.1 내지 10, 보다 바람직하게는 cm2당 0.5 내지 10이다.
바람직한 실시예에서, 적층체의 다양한 층들은 함께 스티치되며(stitched) 그리고 이는 관통 홀들을 생성하는 정확하게 스티칭 작업이다.
스티칭 스레드의 직경이 이러한 유형의 스티칭을 제공하는 바늘 또는 래치에 의해 생성되는 관통 홀들의 직경보다 20% 내지 90%만큼 더 작은 것이 바람직하다. 이 스티칭 스레드는 제조될 적층체의 구조 및 무게에 따라 선택된다. 스티칭 스레드 수는 유리하게는 20d/tex 내지 300d/tex이다. 폴리에스테르, 폴리아미드들, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 유기 폴리머들 기반의 스레드들 또는 현무암, 탄소, 유리와 같은 무기 스레드들이 사용된다. 스티칭의 성질은 적층체의 성능에 대해 결정적이지 않다. 일부 경우들에서, 스티칭 스레드의 직경이 생성되는 홀/채널의 직경보다 훨씬 더 작고 그리고 특히 특정한 유형들의 스티칭을 가질 때, 스레드는 잠기지 않고 그리고 이에 따라 용이하게 "제거가능하며", 따라서 그의 역할을 하는 것을 중단시킨다. 이 경우에서, 2-성분 모노필라멘트가 스티칭 자체를 위해 사용되며, 여기서, 외부 부품은 내부 부품보다 더 용이하게 용융될 수 있으며, 내부 부품의 용융점은, 내부 부품이 그의 온도에서의 가압 단계 동안 온전한 상태를 유지하도록 훨씬 더 높다. 바람직한 형태의 실시예에서, 바늘들(예컨대, 크로셰(crochet))은 적층체의 모든 층들을 통해 수직으로 통과하는 비방탄 스레드들에 의해 이송되며, 따라서 편직된(knitted) 또는 체인 매듭부(chain knot)로 적절하게 매듭된 후 적층체의 다양한 층들 사이의 응집력을 증가시킨다.
결합 스티치의 길이는 유리하게는 1mm 내지 20mm이며, 그리고 길이방향으로의 다양한 스티칭 스레드들 사이의 거리는 유리하게는 1mm 내지 20mm이다.
퀼팅 기계(quilting machines) 또는 다중 헤드 재봉 기계들과 같이, 가능하게는 적절하게 수정될 수 있는, 당업자에게 공지된 디바이스들 및 기계들은 시임들(seams)을 만드는데 사용될 수 있다.
언급된 바와 같이, 구조의 스티칭은 선택적이고 그리고 전술된 관통 홀들의 존재에 반드시 링크되지 않는다. 스티칭 작동이 존재하지 않는 경우, 대안적인 방법들에 의해 획득될 수 있는 관통 홀들의 존재는, 그럼에도 불구하고 증가된 가요성 및 통기성의 위에서 언급된 이점들을 제공한다. (즉, 스티칭 단계 없이) 섬유들의 직선 방향으로 관통 홀들 및 상대적인 불연속부들을 제조하기 위한 대안적인 방법들 중 하나는, 펀치들이 적층체의 전체 두께를 통해 관통하도록 적층체를 천공하기 위해 요구되는 압력을 가하도록 적절하게 로딩되는 회전 실린더 상에 배치되는 일련의 펀치들의 작용을 적층체가 겪게 하는 것으로 구성된다.
본 발명의 선택적인 실시예에서, 2개의 기술들, 즉 스티칭 및 펀칭(또는 관통 홀들을 제조하기 위한 다른 기술)이 공존하는 것이 또한 가능하며: 이 경우에, 일부 홀들은 홀들 내에 스티칭 스레드를 가질 수 있는 반면, 다른 홀들은 그렇지 않을 것이다.
본 발명의 내용들에 대한 보다 양호한 설명을 위해, 도 3은 바늘, 펀치 또는 래치에 의한 관통 후에 단방향으로 배치되는 실에 생성되는 언듈레이션을 도시한다. 이러한 불연속성부들의 생성은 방탄 섬유들에 대한 임의의 손상을 유발시키지 않아야 한다. 따라서, 이러한 불연속부들을 생성하는 펀치들, 크로셰들 또는 바늘들은 날카로운 에지들 또는 날카로운 부품들을 가지지 않아야 하지만, 적절하게 라운딩되어야 한다.
적층체의 구조는 적어도 2개의 보조적층체들을 포함하며, 각각은 한 쌍의 프리프레그 실들(prepreg yarns)의 층들을 포함하고, 개별 층들은 서로 평행하고 그리고 보호 필름에 의해 서로 분리되는 섬유들을 가지며; 적어도 2개의 보조적층체들은 중첩되며, 각각의 보조적층체의 단방향 실들의 방향은 인접한 보조적층체에 대해 90° +/- 10°의 각도로 배향된다.
바람직한 실시예에서, 단일 적층체의 층들의 수는 4(각각의 보조적층체에 대해 2)이지만, 예를 들어, 또한 2의 임의의 배수, 예를 들어 8만큼 더 클 수 있다.
본 발명에 따른 적층체로부터 제조되는 방탄 보호부는 바람직하게는, 최소 1 내지 최대 50의 범위를 가지는, 전술된 다양한 수의 적층체 구조들을 포함할 수 있다.
본 발명의 청구 대상인 구조는, 구조의 가요성을 극적으로 증가시키는 부가의 처리를 적용함으로써 추가적으로 개선될 수 있으며; 이러한 개선예는 층들을 함께 스티칭하는 선택적 단계 동안 생성되는 피스의 전체 길이에 따른 두께에서의 주문된 감소에 의해 유발된다.
두께에서의 이러한 감소들은 피스와 동일한 방향으로 또는 피스의 길이 방향에 대해 45° 또는 이들의 조합일 수 있다.
결합 요소들 e)이 삽입되는 홀들에 의해 차단되어 두께에서의 감소들이 불연속적일 때, 최상의 성능이 획득되며; 이 홀들은 또한 방탄 섬유의 직진성으로부터 편향하는 귀중한 효과를 가지며, 섬유 자체의 파단시의 연신율에 대한 유리한 효과를 가지고, 그리고 방탄 특성들을 증가시킨다(연신율에 대한 쿤니프(Cunniff)의 공식).
채널들은 0.1mm 내지 1mm의 폭 및 1mm 내지 30mm의 길이를 갖는다.
두께에서의 감소는 스티칭 스레드가 채널을 떠나는 직물에서 압입을 만드는 추가 가압을 통해 조립체를 통과시킴으로써 획득된다. 가압은 스레드 e)가 스레드되는 홀들과 교대로 두께의 감소를 생성한다. 채널/스레드형 홀들의 실질적인 교대.
단방향 폴리에틸렌-기반 섬유 층들의 경우에, 발생할 이를 위해, 결합 요소가 방탄 섬유보다 더 높은 연화 온도를 가져야 하는 것 그리고 방탄 섬유가 자체가 소성 변형되는 것을 허용할 수 있어야 하는 것이 필수적이다.
또한 결합 요소와 두께에서의 감소 사이에 접착이 존재하지 않아야 하는 것(그렇지 않으면 방탄 섬유들이 잠겨짐) 그리고 동일한 방향으로 지향되는 단방향 섬유들의 인접한 2개의 층들 사이에 위치결정되는 필름과 결합 요소 사이에 접착이 존재해야 하는 것이 또한 바람직하다. 이는, 결합 요소가 구조와 응집하고 그리고 베스트(vest) 형상들로의 후속하는 절단 동안 미끄러지지 않을 수 있는 것을 보장한다.

Claims (12)

  1. 방탄 보호(ballistic protection)을 위한 방탄 적층체로서,
    상기 적층체는 적어도 제1 단방향 텍스타일 보조적층체 및 적어도 제2 단방향 텍스타일(textile) 보조적층체를 포함하며, 상기 각각의 제1 및 제2 텍스타일 보조적층체는 방향(α)으로 배열되는 제1 복수의 방탄 섬유들(ballistic fibers)을 가지는 제1 텍스타일 층 및 실질적으로 상기 방향(α)을 따라 배열되는 제2 복수의 탄소 섬유들을 포함하는 제2 텍스타일 층을 포함하며, 상기 각각의 보조적층체의 상기 제1 및 제2 텍스타일 층들은 연결 층에 의해 분리되고, 상기 제1 및 제2 보조적층체는 서로 직접 접촉하고, 그리고 상기 제1 보조적층체의 섬유들의 방향 및 제2 보조적층체의 섬유들의 방향이 90° +/- 10°의 상대적인 각도를 형성하도록 배열되는,
    방탄 보호를 위한 방탄 적층체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 텍스타일 층들은, 다음 재료들: 아크릴, 폴리에틸렌, 폴리부텐, 블록 코폴리머들 기반 폴리우레탄 수지들 중 하나 이상을 포함하는 수지의 매트릭스(matrix)에 의해 사전함침되는,
    방탄 보호를 위한 방탄 적층체.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 연결 층은 필름 또는 다른 구조, 예컨대 네트들(nets), 펠트들(felts), 직조된/직조되지 않은 직물의 형태의 다음의 재료들: 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중 하나 이상을 포함하는,
    방탄 보호를 위한 방탄 적층체.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방탄 섬유는 다음의 재료들: 아라미드, 폴리아미드, 고분자량 폴리에틸렌 UHMWPE, 코폴리아라미드, 폴리벤족사졸, 폴리벤조티아졸, 액정들, 유리, 탄소 중 하나 이상을 포함하는,
    방탄 보호를 위한 방탄 적층체.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    0.02 mm 내지 3 mm의 직경을 가지는 복수의 관통 홀들을 포함하고, 상기 관통 홀들은 상기 제1 및 제2 보조적층체를 통과하고 그리고 cm2당 0.5 내지 10의 밀도를 가지는,
    방탄 보호를 위한 방탄 적층체.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 보조적층체는 가압 작용에 의해 서로 결합되는,
    방탄 보호를 위한 방탄 적층체.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 관통 홀들은 가압 작용 후에 제조되는,
    방탄 보호를 위한 방탄 적층체.
  8. 제5 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 보조적층체는 재봉에 의해 함께 결합되고 그리고 상기 관통 홀들의 적어도 일부는 상기 재봉 동안 제조되는,
    방탄 보호를 위한 방탄 적층체.
  9. 제8 항에 있어서,
    시임(seam)은 재봉을 위해 사용되는 상기 실의 직경보다 적어도 20% 더 큰 직경을 가지는 바늘들에 의해 제조되는,
    방탄 보호를 위한 방탄 적층체.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 방탄 적층체를 포함하는,
    방탄 보호부.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 따른, 방탄 적층체의 제조의 프로세스로서, 상기 프로세스는,
    - 상기 연결 요소가 상기 텍스타일 층들 사이에 끼워넣어지고 그리고 상기 텍스타일 층들을 함께 결합된 상태로 유지시키도록 적어도 제1 단방향 텍스타일 층, 연결 요소, 및 적어도 제2 단방향 텍스타일 층을 서로 접촉하게 배열하는 단계 ─ 상기 제1 및 제2 텍스타일 층은 실질적으로 동일한 방향으로(+/- 10°) 배치되는 복수의 방탄 섬유들을 포함함 ─ ;
    - 압력에 의해 적어도 상기 제1 텍스타일 층, 상기 연결 요소, 및 적어도 상기 제2 텍스타일 층을 서로 결합시켜, 텍스타일 보조적층체를 획득하는 단계;
    - 제1 텍스타일 보조적층체의 섬유들의 방향 및 제2 텍스타일 보조적층체의 섬유들의 방향이 90° +/- 10°의 상대적인 각도를 가지도록 상기 제1 텍스타일 보조적층체 및 상기 제2 텍스타일 보조적층체를 서로 접촉하게 배열하는 단계; 및
    - 1바 내지 200바의 압력에 의해 적어도 상기 제1 보조적층체 및 적어도 상기 제2 보조적층체를 함께 결합하는 단계를 포함하는,
    방탄 적층체의 제조의 프로세스.
  12. 하이브리드 방탄 패키지(hybrid ballistic package)로서,
    30cN/dtex 초과의 인성(toughness)(강도), 120Gpa 초과의 모듈러스(modulus) 및 2% 초과의 연신율을 갖는 폴리에틸렌 UHMW 섬유들을 기초하는 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 방탄 적층체; 및 26cN/dtex 초과의 섬유 인성(강도), 100Gpa 초과의 모듈러스, 및 2% 초과의 연신율을 가지는 아라미드 코폴리머 기반 직물들 중 적어도 하나의 층을 포함해서;
    - 55grs fsp로 흡수되는 비에너지는 35j/kg/m2보다 더 높으며,
    - 4.6kg/m2 미만의 패키지 중량의 NIJ0.101.06 표준에 따른 .44 매그넘 스피어(Magnum Speer) HP 탄환을 갖는 V50과 NIJ0.101.06 표준에 따라 기록된 최대 외상 사이의 비율은 11(m/s)/mm 이상인,
    하이브리드 방탄 패키지.
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