KR20230058461A - 나노섬유 복합 단방향 패브릭, 이의 제조 방법 및 응용 - Google Patents

나노섬유 복합 단방향 패브릭, 이의 제조 방법 및 응용 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노섬유 복합 단방향 패브릭 및 이의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 나노섬유 복합 단방향 패브릭은 적어도 2개의 단방향 시트층 및 인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유를 포함하며, 상기 단방향 시트층은 단방향으로 배치된 고성능 섬유 및 접착제를 포함하고, 상기 접착제는 나노섬유를 포함한다. 본 발명에서 제공하는 나노섬유 복합 단방향 패브릭은 신규한 복합 구조로서, 섬유 필라멘트, 수지 매트릭스 및 나노섬유의 종합적인 특성을 통합하였다. 본 발명의 나노섬유 복합 단방향 패브릭은 우수한 방탄 성능을 가져, 신규한 방탄 재료에 적용된다.

Description

나노섬유 복합 단방향 패브릭, 이의 제조 방법 및 응용
본 발명은 방탄 및 방호 기술 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노섬유 복합 단방향 패브릭, 이의 제조 방법과 응용에 관한 것이다.
복합 재료는 현재 고성능 섬유 산업의 주요 발전 방향으로, 섬유가 강화된 수지 기반 복합 재료는 현재 발전의 주류이며, UD 패브릭(uni-directional fabric, 단방향 직물 또는 단방향 패브릭으로도 불림)은 방탄 및 방호 분야에서 구조화 및 기능화된 신규한 복합 재료이다. 통상적으로 복합 재료는 두 가지 또는 두 가지 이상의 재료로 가공 성형되며, 복합 후 원래 성분의 성능을 유지할 뿐만 아니라, 새로운 재료의 특수한 기능도 획득한다.
UD 패브릭은 연속 섬유 보강의 적층 복합 재료를 사용하며, 통상적으로 평행하게 배열된 고성능 섬유와 수지 매트릭스로 구성된 프리프레그를 적층하여 단방향 시트층을 형성한 후, 단방향 시트층의 라미네이션 설계를 통해, 상이한 섬유 방향에 따라 적층하며, 마지막으로 열압착 성형의 방식을 통해 복합 패브릭 또는 복합판(즉 다방향 시트층)을 제작한다. 단방향 시트층의 경우, 섬유는 동일한 방향으로 배향되며, 이방성이다. 다방향 시트층의 경우, 통상적으로 대칭 라미네이션 설계를 채택하는데, 즉 층판 중심면의 양측 각각의 층 섬유 배향이 대칭되므로, 등방성 판으로 불리기도 한다.
초고분자량 폴리에틸렌 UD 패브릭은 방탄 성능이 우수하지만, 큰 분자 사슬이 미끄러지기 쉬우므로, 탄알에 맞았으나 관통되지 않은 경우, 초고분자량 폴리에틸렌 UD 패브릭은 심하게 크리프되어, 제품이 함몰되며 인체 골격 또는 근육에 손상을 줄 수 있고; 아라미드 UD 패브릭은 강성 세그먼트의 존재로 인해, 탄알 충격이 재료를 크리프시키는 것을 방지하는 측면에서 우수하다. 방탄 성능을 보장할 수 있고, 탄알 타격으로 함몰되는 것을 줄일 수 있는 신규한 UD 패브릭을 개발하는 것은 본 산업 발전의 핵심이다.
따라서, 본 기술 분야에서는 방탄 성능이 우수하고 탄알 타격으로 함몰되는 것을 방지하는 UD 패브릭이 필요하다.
본 발명은 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제공하며, 이는 신규한 복합 구조로서, 섬유 필라멘트, 열가소성 수지 및 나노섬유의 종합적인 특성을 통합하였다. 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭은 방탄 성능이 우수하고 탄알 타격으로 인해 함몰되는 것을 방지하는 성능을 구비하며, 신규한 방탄 시트재, 특히 연질 방탄복 및 경질 방탄 삽입판에 적용된다.
구체적으로, 본 발명은 나노섬유 복합 단방향 패브릭을 제공하며, 상기 나노섬유 복합 단방향 패브릭은 적어도 2개의 단방향 시트층 및 인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유를 포함하고, 상기 단방향 시트층은 단방향으로 배치된 고성능 섬유 및 접착제를 포함하며, 상기 접착제는 나노섬유를 포함한다.
하나 이상의 구현예에서, 인접한 2개의 단방향 시트층의 고성능 섬유 배치 방향 사이의 협각은 90±10°이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 고성능 섬유의 질량은 상기 고성능 섬유 복합 단방향 패브릭 총 질량의 70% 내지 90%를 차지한다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 접착제의 질량은 상기 나노섬유 복합 단방향 패브릭 총 질량의 14.32% 내지 14.76%를 차지한다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유의 질량은 상기 나노섬유 복합 단방향 패브릭 총 질량의 0.24% 내지 0.68%를 차지한다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 나노섬유 복합 단방향 패브릭에 2개의 단방향 시트층이 포함될 경우의 표면밀도는 70g/m2 내지 350g/m2이며, 바람직하게는 100g/m2 내지 300g/m2이고, 보다 바람직하게는 120g/m2 내지 250g/m2이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 접착제에서, 나노섬유가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 5% 내지 50%이고, 바람직하게는 5% 내지 30%이고, 보다 바람직하게는 14% 내지 30%이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 고성능 섬유의 인장 강도는 20g/d 이상이고, 초기 모듈러스는 40GPa 이상이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 고성능 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 아라미드 섬유, 폴리이미드 섬유 및 폴리벤즈 옥사졸(Polyparaphenylene benzobisoxazole) 섬유 중 하나 이상으로부터 선택된다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 고성능 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 및/또는 아라미드 섬유이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 고성능 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 및/또는 파라-아라미드 섬유이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 고성능 섬유의 인장 강도는 1.8GPa 이상이고, 초기 모듈러스는 85GPa 내지 170GPa이고, 파단 신장율은 3.5% 이상이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 나노섬유는 아라미드 나노섬유이고, 바람직하게는 파라-아라미드 나노섬유이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 나노섬유의 섬유 길이는 50nm 내지 100nm이고, 비표면적은 50m2/g 내지 500m2/g이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 접착제는 수지 매트릭스를 포함하고, 상기 수지 매트릭스는 폴리우레탄, 스티렌 블록 공중합체 및 폴리아크릴레이트 중 하나 이상으로부터 선택된다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 수지 매트릭스는 폴리우레탄이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 수지 매트릭스는 스티렌 블록 공중합체이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 수지 매트릭스는 스티렌-이소프렌-스티렌 블록 공중합체이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 수지 매트릭스의 인장 강도는 15MPa 내지 40MPa이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 접착제에서, 수지 매트릭스가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 30% 내지 80%이고, 바람직하게는 40% 내지 80%이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 접착제에서, 수지 매트릭스와 나노섬유의 질량비는 1:(0.1 내지 1)이고, 바람직하게는 1:(0.1 내지 0.6)이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 접착제는 첨가제를 더 포함하고, 바람직하게는, 첨가제가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 25%를 초과하지 않는다.
본 발명은 나노섬유 복합 단방향 패브릭의 제조 방법을 더 제공하며, 상기 방법은:
(1) 단방향으로 배열된 고성능 섬유 및 접착제를 포함하는 단방향 시트층을 제조하며, 접착제는 나노섬유를 포함하는 단계 ;
(2) 단방향 시트층 상에 나노섬유의 수분산액을 분무하고, 건조시킨 다음, 단방향 시트층을 적층시키는 단계; 및
(3) 적층된 단방향 시트층에 대해 열압착 복합을 수행하여, 나노섬유 복합 단방향 패브릭을 획득하는 단계를 포함한다.
본 발명은 본 발명의 어느 하나의 구현예에 따른 나노섬유 복합 단방향 패브릭의 제조 방법을 더 제공하며, 상기 방법은:
(1) 단방향으로 배열된 고성능 섬유 및 접착제를 포함하는 단방향 시트층을 제조하며, 접착제는 나노섬유를 포함하는 단계 ;
(2) 단방향 시트층 상에 나노섬유의 수분산액을 분무하고, 건조시킨 다음, 단방향 시트층을 적층시키는 단계; 및
(3) 적층된 단방향 시트층에 대해 열압착 복합을 수행하여, 나노섬유 복합 단방향 패브릭을 획득하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 구현예에서, 단계 (1)에서, 접착제의 수분산체를 단방향으로 배치된 고성능 섬유 상에 부착하고, 건조시켜, 단방향 시트층을 획득한다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 접착제 수분산체에서, 물과 나노섬유 이외의 고체 성분의 질량비는 7:3 내지 4:6이고, 바람직하게는 7:3 내지 5:5이다.
하나 이상의 구현예에서, 단방향으로 배치된 고성능 섬유 상에 부착된 접착제 수분산체의 두께는 0.01mm 내지 0.1mm이고, 바람직하게는 0.01mm 내지 0.05mm이다.
하나 이상의 구현예에서, 단계 (2)에서, 인접한 2개의 단방향 시트층 사이의 나노섬유의 수분산액의 분무량은 1g/m2 내지 10g/m2이다.
하나 이상의 구현예에서, 단계 (2)에서, 적층할 때, 인접한 2개의 단방향 시트층의 고성능 섬유 배치 방향 사이의 협각은 90±10°이다.
하나 이상의 구현예에서, 단계 (3)에서, 열압착 온도는 70℃ 내지 120℃이고, 열압착 압력은 0.1MPa 내지 2MPa이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 방법은 하기와 같은 특징들 중 하나 이상을 구비한다:
단계 (1)에서, 접착제의 수분산체를 단방향으로 배치된 고성능 섬유 상에 부착하고, 건조시켜, 단방향 시트층을 획득하며, 여기에서, 상기 고성능 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유이고, 상기 나노섬유는 파라-아라미드 섬유이고, 상기 접착제 수분산체에서, 나노섬유가 접착제 수분산체에서 차지하는 질량 분율은 2% 내지 20%이고, 바람직하게는 2% 내지 15%이고, 보다 바람직하게는 10% 내지 13%이고, 단방향으로 배치된 고성능 섬유 상에 부착된 접착제 수분산체의 두께는 0.01mm 내지 0.05mm임;
단계 (2)에서, 인접한 2개의 단방향 시트층 사이에서 나노섬유의 수분산액의 분무량은 1g/m2 내지 5g/m2이고, 상기 나노섬유의 수분산액에서, 나노섬유가 나노섬유의 수분산액에서 차지하는 질량 분율은 2% 내지 20%이고, 바람직하게는 2% 내지 15%이고, 보다 바람직하게는 10% 내지 13%이고, 적층할 때, 인접한 2개의 단방향 시트층의 고성능 섬유 배치 방향 사이의 협각이 90±10°임; 및
단계 (3)에서, 열압착 온도는 70℃ 내지 120℃이고, 열압착 압력은 0.1MPa 내지 2MPa임.
본 발명은 본원의 어느 하나의 구현예에 따른 방법으로 제조하여 획득한 나노섬유 복합 단방향 패브릭을 더 제공한다.
본 발명은 접착제 수분산체를 더 제공하며, 상기 접착제 수분산체는 수지 매트릭스, 나노섬유, 물 및 선택적 첨가제를 포함한다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 접착제 수분산체에서, 물과 나노섬유 이외의 고체 성분의 질량비는 7:3 내지 4:6이고, 바람직하게는 7:3 내지 5:5이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 수지 매트릭스는 폴리우레탄, 스티렌 블록 공중합체 및 폴리아크릴레이트 중 하나 이상으로부터 선택되고, 바람직하게는 폴리우레탄 또는 바람직하게는 스티렌 블록 공중합체이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 수지 매트릭스는 스티렌-이소프렌-스티렌 블록 공중합체이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 수지 매트릭스의 인장 강도는 15MPa 내지 40MPa이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 접착제 수분산체에서, 수지 매트릭스가 접착제 수분산체 고체 성분에서 차지하는 질량 분율은 30% 내지 80%이고, 바람직하게는 40% 내지 80%이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 나노섬유는 아라미드 나노섬유이고, 바람직하게는 파라-아라미드 나노섬유이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 나노섬유의 섬유 길이는 50nm 내지 100nm이고, 비표면적은 50m2/g 내지 500m2/g이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 접착제 수분산체에서, 나노섬유가 접착제 수분산체 고체 성분에서 차지하는 질량 분율은 5% 내지 50%이고, 바람직하게는 5% 내지 30%이고, 보다 바람직하게는 14% 내지 30%이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 접착제 수분산체에서, 수지 매트릭스와 나노섬유의 질량비는 1:(0.1 내지 1)이고, 바람직하게는 1:(0.1 내지 0.6)이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 접착제 수분산체에서, 첨가제가 접착제 수분산체 고체 성분에서 차지하는 질량 분율은 25%를 초과하지 않는다.
본 발명은 단방향 패브릭 제조 또는 단방향 패브릭의 방탄 성능 향상에서 본 발명의 어느 하나의 구현예에 따른 접착제 수분산체의 용도를 더 제공한다.
본 발명은 단방향 패브릭 제조 또는 단방향 패브릭의 방탄 성능 향상 방법을 더 제공하며, 상기 방법은 본 발명의 어느 하나의 구현예에 따른 접착제 수분산체를 사용하여 단방향 패브릭을 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명은 단방향 패브릭 제조 또는 단방향 패브릭의 방탄 성능 향상에서 나노섬유의 수분산액의 용도를 더 제공한다.
본 발명은 단방향 패브릭 제조 또는 단방향 패브릭의 방탄 성능 향상 방법을 더 제공하며, 상기 방법은 본 발명의 어느 하나의 구현예에 따른 나노섬유의 수분산액을 사용하여 단방향 패브릭을 제조하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 나노섬유는 아라미드 나노섬유이고, 바람직하게는 파라-아라미드 나노섬유이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 나노섬유의 섬유 길이는 50nm 내지 100nm이고, 비표면적은 50m2/g 내지 500m2/g이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 나노섬유의 수분산액에서, 나노섬유가 나노섬유의 수분산액에서 차지하는 질량 분율은 2% 내지 20%이고, 바람직하게는 2% 내지 15%이고, 보다 바람직하게는 10% 내지 13%이다.
본 발명은 본 발명의 어느 하나의 구현예에 따른 나노섬유 복합 단방향 패브릭으로 제조하여 획득한 방탄 제품을 더 제공하며; 바람직하게는, 상기 방탄 제품은 방탄복, 방탄 삽입판 및 방탄 헬멧을 포함한다.
본 발명은 방탄 제품을 더 제공하며, 상기 방탄 제품은 본 발명의 어느 하나의 구현예에 따른 나노섬유 복합 단방향 패브릭을 포함하고; 바람직하게는, 상기 방탄 제품은 방탄복, 방탄 삽입판 및 방탄 헬멧을 포함한다.
본 발명은 단방향 시트층을 더 제공하며, 상기 단방향 시트층은 단방향으로 배치된 고성능 섬유 및 접착제를 포함하고, 상기 접착제는 나노섬유를 포함하고, 상기 단방향 시트층의 표면에는 나노섬유가 구비된다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 단방향 시트층의 고성능 섬유, 접착제 또는 나노섬유는 본원의 어느 하나의 구현예에 따른다.
본 발명은 단방향 시트층의 제조 방법을 더 제공하며, 상기 방법은:
(1) 단방향으로 배열된 고성능 섬유 및 접착제를 포함하는 단방향 시트층을 제조하며, 접착제는 나노섬유를 포함하는 단계; 및
(2) 단방향 시트층 상에 나노섬유의 수분산액을 분무하고, 건조시키는 단계를 포함하고;
하나 이상의 구현예에서, 단방향 시트층 제조 방법의 단계 (1)은 본원의 나노섬유 복합 단방향 패브릭을 제조하는 어느 하나의 구현예에서의 단계 (1)을 따른다.
하나 이상의 구현예에서, 단방향 시트층 제조 방법의 단계 (2)는 본원의 나노섬유 복합 단방향 패브릭을 제조하는 어느 하나의 구현예에서의 단계 (2)를 따른다.
본 발명은 본 발명의 어느 하나의 구현예에 따른 방법으로 제조하여 획득한 단방향 시트층을 더 제공하며; 바람직하게는, 상기 단방향 시트층은 본원의 어느 하나의 구현예에 따른 단방향 시트층이다.
도 1은 본 발명의 나노섬유 복합 2층 단방향 시트층의 UD 패브릭을 포함하는 구조도이고, 2층 단방향 시트층은 0°/90° 배치 구조를 형성하며, 여기에서, 1은 고성능 섬유이고, 2는 접착제에서의 나노섬유이고, 3은 단방향 시트층 사이의 나노섬유이다.
도 2는 본 발명의 나노섬유 복합 4층 단방향 시트층의 UD 패브릭을 포함하는 구조도이고, 4층 단방향 시트층은 0°/90°/0°/90° 배치 구조를 형성하며, 여기에서, 1은 고성능 섬유이고, 2는 접착제에서의 나노섬유이고, 3은 단방향 시트층 사이의 나노섬유이다.
도 3은 본 발명의 나노섬유 복합 2층 단방향 시트층의 UD 패브릭을 포함하는 층간 구조도이고, 단방향 시트층 사이는 접착제의 접착 작용 이외에, 분산된 나노섬유의 연결 작용이 더 존재하며, 여기에서, 1은 단방향 시트층이고, 3은 단방향 시트층 사이의 나노섬유이다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 특징 및 효과를 이해할 수 있도록, 이하에서는 명세서 및 특허청구범위에 언급된 단어 및 용어를 일반적으로 설명하고 정의한다. 달리 명시되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술 및 과학 용어는, 모두 본 발명에 대해 당업자가 이해하는 통상적인 의미를 가지며, 충돌이 있는 경우, 본 명세서의 정의를 기준으로 해야 한다.
본원에 설명되고 개시된 이론 또는 메커니즘은, 참이든 거짓이든, 모두 본 발명의 범위를 어떠한 방식으로든 제한해서는 안 되며, 즉, 본 발명의 내용은 임의의 특정한 이론 또는 메커니즘에 의해 제한되지 않고 실시될 수 있다.
본원에서, 수치, 수량, 함량 및 농도와 같이 수치 범위 또는 백분율 범위의 형태로 한정되는 모든 특징은 간결성 및 편의성을 위한 것일 뿐이다. 따라서, 수치 범위 또는 백분율 범위의 설명은 모든 가능한 하위 범위 및 범위 내의 개별 수치(정수와 분수 포함)를 포괄하고 구체적으로 개시하는 것으로 간주되어야 한다.
본원에서, 특별한 언급이 없는 한, 비율은 질량비를 의미하고, 백분율 함량은 질량 백분율 함량을 의미한다.
본원에서, 특별한 언급이 없는 한, "포함하다", "포괄하다", "함유하다" 또는 이와 유사한 용어는 "......로 구성되는" 및 "주로 ......로 구성되는"의 의미를 포함한다.
본원에서, 간결한 설명을 위해, 각각의 구현예 또는 실시예에서 각각의 기술적 특징의 모든 가능한 조합이 설명되지는 않는다. 따라서, 이러한 기술적 특징의 조합에 모순이 없는 한, 각각의 구현예 또는 실시예에서의 각각의 기술적 특징은 임의로 조합될 수 있으며, 모든 가능한 조합은 모두 본 명세서에 기재된 범위 내에 있는 것으로 간주되어야 한다.
본 발명은 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제공하며, 상기 나노섬유 복합 UD 패브릭은 적어도 2개의 단방향 시트층 및 인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유를 포함하고, 상기 단방향 시트층은 단방향으로 배치된 고성능 섬유 및 접착제를 포함하며, 상기 접착제는 나노섬유를 포함한다.
본 발명에서, 고성능 섬유는 인장 강도가 20g/d 이상이고, 초기 모듈러스가 40GPa 이상의 섬유를 의미한다. 본원에서, 특별한 설명이 없는 한, 섬유의 인장 강도, 초기 모듈러스 및 파단 신장율은 ASTM D885 표준에 따라 측정된 인장 강도, 초기 모듈러스 및 파단 신장율이다. 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭의 단방향 시트층에서의 고성능 섬유는 고성능 섬유 필라멘트를 의미함을 이해할 수 있다. 본 발명에 적용되는 고성능 섬유는 당업계에서 UD 패브릭 제조에 일반적으로 사용하는 고성능 섬유이며, 예를 들어 아라미드 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 폴리이미드 섬유 및 폴리벤즈 옥사졸 섬유를 포함하고, 바람직하게는 아라미드 섬유과 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 중 하나 또는 둘로부터 선택된다. 본 발명에서, 아라미드 섬유는 분자 사슬 상에서 적어도 85%의 아미드기(-CONH-)가 직접 2개의 벤젠 고리와 연결된 폴리아미드로 제조된 섬유를 의미한다. 아라미드 섬유는 하나 이상의 방향족 디아민과 하나 이상의 방향족 이산을 포함하는 단량체를 중합시켜 수득한 폴리아미드의 섬유일 수 있으며, 바람직하게는 하나 이상의 방향족 디아민과 하나 이상의 방향족 이산의 중합에 의해 수득된 폴리아미드의 섬유이고, 예를 들어 폴리-p-페닐렌 테레프탈아미드(poly(p-phenylene terephthamide)) 섬유(즉 파라-아라미드 섬유), 폴리-m-페닐렌 이소프탈아미드(poly(m-phenylene isophthalamide)) 섬유(즉 메타-아라미드 섬유), 헤테로사이클릭 아라미드 섬유 및 공중합 아라미드 섬유가 포함되나 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유는 점도 평균 분자량이 150만 이상인 기본적으로 분지쇄가 없는 선형 폴리에틸렌으로 제조된 섬유를 의미한다.
본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에서, 인접한 2개의 단방향 시트층의 고성능 섬유 배치 방향 사이는 바람직하게는 일정한 협각을 갖는다. 협각은 예를 들어 30° 내지 150°일 수 있는데, 즉 인접한 2개의 단방향 시트층은 0°/(30° 내지 150°)의 배치 구조를 형성할 수 있다. 바람직한 구현예에서, 인접한 2개의 단방향 시트층의 고성능 섬유의 배치 방향 사이의 협각은 90±10°이며, 예를 들어 90±5°, 90°이다.
본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭은 1보다 큰 홀수개 또는 짝수개 단방향 시트층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 2개, 4개, 6개, 8개의 단방향 시트층이다. 일부 구현예에서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭은 2개 또는 4개의 단방향 시트층을 포함한다. 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에 다층 단방향 시트층이 포함될 경우, 각각의 단방향 시트층은 같거나 다를 수 있는데, 예를 들어 각각의 단방향 시트층에 포함된 고성능 섬유가 같거나 다를 수 있다.
본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭은 신규한 복합 구조로서, 섬유 필라멘트, 수지 매트릭스 및 나노섬유의 종합적인 특성을 통합하였다. 단방향 시트층에서 고성능 섬유는 주로 섬유 인장 형태 변화를 통해 외부 작용력을 흡수한다. 단방향 시트층에서 고도로 분산된 나노섬유와 수지 매트릭스는 단층 원사 사이의 접착에 사용되며, 원사 사이의 파지력을 제공한다. 단방향 시트층 사이의 나노섬유는 층간 연결점으로 사용되며, 단방향 시트층 사이의 물리적 가교점을 제공한다. 나노섬유와 수지 매트릭스는 함께 나노섬유 복합 UD 패브릭의 강도와 인성이 증가한 구조를 구성한다.
본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에서, 고성능 섬유의 질량은 UD 패브릭 총 질량의 70% 내지 90%를 차지하며, 바람직하게는 80% 내지 90%이고, 예를 들어 83% 내지 87%, 84% 내지 86%, 85%이다. 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에서, 접착제 및 인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유의 총 질량은 UD 패브릭 총 질량의 10% 내지 30%를 차지하며, 바람직하게는 10% 내지 20%이고, 예를 들어 13% 내지 17%, 14% 내지 16%, 15%이다. 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에서, 접착제의 질량은 UD 패브릭 총 질량의 10% 내지 29.9%를 차지하며, 바람직하게는 10% 내지 19.9%이고, 예를 들어 13%, 14%, 14.32%, 14.41%, 14.49%, 14.53%, 14.62%, 14.64%, 14.76%, 14.8%, 15%이다. 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에서, 인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유의 질량은 UD 패브릭 총 질량의 0.1% 내지 5%를 차지하며, 바람직하게는 0.1% 내지 2%이고, 예를 들어 0.2%, 0.24%, 0.36%, 0.38%, 0.47%, 0.51%, 0.59%, 0.68%, 0.7%, 1%이다. 본 발명에서, 질량 또는 함량을 계산할 때, "인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유"는 UD 패브릭에 포함된 접착제에서의 나노섬유 이외의 나노섬유를 의미한다. 일부 구현예에서, "인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유"의 질량은 아라미드 나노섬유의 수분산액 분무 방식을 통해 단방향 시트층 상에 인가된 나노섬유의 질량을 의미한다.
본 발명의 단방향 시트층에서, 고성능 섬유의 함량, 접착제와 단방향 시트층 표면에 위치한 나노섬유의 총 함량, 접착제의 함량 및 단방향 시트층 표면에 위치한 나노섬유의 함량은 전술한 나노섬유 복합 UD 패브릭에서 고성능 섬유의 함량, 접착제와 인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유의 총 함량, 접착제의 함량 및 인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유의 함량과 각각 같다. 본 발명에서, 질량 또는 함량을 계산할 때, "단방향 시트층 표면에 위치한 나노섬유"는 단방향 시트층에 포함된 접착제에서의 나노섬유 이외의 나노섬유를 의미한다. 일부 구현예에서, "단방향 시트층 표면에 위치한 나노섬유"의 질량은 아라미드 나노섬유의 수분산액 분무 방식을 통해 단방향 시트층 상에 인가된 나노섬유의 질량을 의미한다.
본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에 2개의 단방향 시트층이 포함될 경우의 표면밀도는 70g/m2 내지 350g/m2이며, 바람직하게는 100g/m2 내지 300g/m2이고, 보다 바람직하게는 120g/m2 내지 250g/m2이다.
본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에서, 고성능 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 아라미드 섬유, 폴리이미드 섬유 및 폴리벤즈 옥사졸 섬유 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있다. 아라미드 섬유는 바람직하게는 파라-아라미드 섬유 및 헤테로사이클릭 아라미드 섬유 중 하나 이상으로부터 선택된다. 본 발명에 적용되는 고성능 섬유는 바람직하게는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 및 아라미드 섬유 중 하나 또는 둘로부터 선택되며, 보다 바람직하게는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 및 파라-아라미드 섬유 중 하나 또는 둘로부터 선택된다. 본 발명에서는, 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 또는 아라미드 섬유를 사용하면 UD 패브릭의 방탄 성능이 더욱 우수해짐을 발견하였다.
본 발명이 적용된 고성능 섬유의 인장 강도는 바람직하게는 1.8GPa 이상이며, 예를 들어 2.5GPa 내지 5GPa이고, ≥23g/d, ≥25g/d, ≥26g/d이고, 초기 모듈러스는 바람직하게는 85GPa 내지 170GPa이고, 파단 신장율은 바람직하게는 3.5% 이상이다. 따라서, 바람직한 구현예에서, 본 발명은 인장 강도가 1.8GPa 이상이고, 초기 모듈러스가 85GPa 내지 170GPa이고, 파단 신장율이 3.5% 이상인 고성능 섬유를 사용한다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에서, 고성능 섬유는 인장 강도가 2.5GPa 내지 5GPa이고, 초기 모듈러스가 85GPa 내지 170GPa이고, 파단 신장율이 3.5% 이상인 초고분자량 폴리에틸렌 섬유이거나, 인장 강도가 ≥23g/d, 바람직하게는 ≥25g/d, 보다 바람직하게는 ≥26g/d이고, 초기 모듈러스가 85GPa 내지 170GPa이고, 파단 신장율이 3.5% 이상인 아라미드 섬유이고, 바람직하게는 파라-아라미드 섬유이다.
본 발명에 적용되는 나노섬유는 바람직하게는 아라미드 나노섬유이다. 아라미드 나노섬유는 파라-아라미드 나노섬유 및 헤테로사이클릭 아라미드 나노섬유 중 하나 또는 둘로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 나노섬유는 파라-아라미드 나노섬유이다. 본 발명에서는, 아라미드 나노섬유가 강성 세그먼트를 구비하며, 분자 사슬 구간은 종방향으로 쉽게 미끄러지지 않아, 단방향 시트층 연결 작용을 효과적으로 나타낼 수 있기 때문에, 아라미드 나노섬유를 함유한 나노섬유 복합 UD 패브릭은 더욱 바람직한 방탄 성능을 가지는데, 특히 BFS 값이 더욱 낮다는 것을 발견하였다.
본 발명에 적용되는 나노섬유의 섬유 길이는 바람직하게는 50nm 내지 100nm이며, 비표면적은 바람직하게는 50m2/g 내지 500m2/g이고, 예를 들어 200m2/g 내지 250m2/g이다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에서, 나노섬유는 섬유 길이가 50nm 내지 100nm이고 비표면적이 50m2/g 내지 500m2/g인 아라미드 나노섬유이며, 바람직하게는 파라-아라미드 나노섬유이다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는, 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에서 접착제는 UD 패브릭 제조 시 사용되는 접착제 수분산체의 고체 성분임을 이해할 수 있다. UD 패브릭 제조 시, 섬유 필라멘트 상에 접착되는 접착제 수분산체의 용제가 제거되고, 접착제 수분산체의 고체 성분이 UD 패브릭에 남는다. UD 패브릭의 접착제는 통상적으로 수지 매트릭스를 포함한다. 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭의 접착제에서, 수지 매트릭스가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 통상적으로 30% 내지 80%이다.
본 발명에 적용되는 수지 매트릭스는 통상적으로 열가소성 수지이다. 열가소성 수지는 바람직하게는 폴리우레탄, 스티렌 블록 공중합체 및 폴리아크릴레이트 중 하나 이상으로부터 선택되며, 보다 바람직하게는 폴리우레탄 또는 스티렌 블록 공중합체이다. 폴리우레탄 수지는 우수한 저온 유연성, 우수한 역학적 성능 및 내충격 성능을 가지며, 폴리우레탄을 수지 매트릭스로 사용한 접착제는 점탄성과 접착 강도가 우수하다. 본 발명에 적용되는 스티렌 블록 공중합체는 스티렌과 기타 올레핀계 단량체(예를 들어 지방족 올레핀계 단량체)를 공중합하여 수득한 중합체이며, 바람직하게는 스티렌과 부타디엔, 이소프렌, 에틸렌, 부틸렌 및 프로필렌으로부터 선택된 하나 이상의 올레핀계 단량체의 공중합에 의해 수득된 중합체이고, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(SBS), 스티렌-이소프렌-스티렌 블록 공중합체(SIS), 스티렌-에틸렌/부틸렌-스티렌 블록 공중합체(SEBS) 및 스티렌-에틸렌/프로필렌-스티렌 블록 공중합체(SEPS)를 포함하나 이에 한정되지 않는다. 일부 구현예에서, 수지 매트릭스는 SIS이다. 바람직하게는, SIS에서, 폴리스티렌 세그먼트의 질량 분율은 15±5%이고, 폴리이소프렌 세그먼트의 질량 분율은 85±5%이다. 스티렌 블록 공중합체를 수지 매트릭스로 하는 접착제는 방호 성능을 충족시키는 동시에 나노섬유 복합 UD 패브릭에 우수한 유연성을 부여할 수 있다. 본 발명에 적용되는 수지 매트릭스의 인장 강도는 바람직하게는 15MPa 내지 40MPa이며, 예를 들어 15MPa 내지 25MPa, 20MPa 내지 30MPa이다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에서, 수지 매트릭스는 인장 강도가 15MPa 내지 40MPa, 바람직하게는 20MPa 내지 30MPa인 폴리우레탄이다. 다른 바람직한 구현예에서, 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에서, 수지 매트릭스는 인장 강도가 15MPa 내지 40MPa, 바람직하게는 15MPa 내지 25MPa인 스티렌 블록 공중합체(예를 들어 SIS)이다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭의 접착제에서, 수지 매트릭스가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 40% 내지 80%이며, 예를 들어, 50% 내지 70%, 55% 내지 65%, 55% 내지 60%이다.
본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭의 특징 중 하나는 접착제에 나노섬유가 더 포함된다는 것이다. 접착제에 적용되는 나노섬유는 전술한 바와 같다. 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭의 접착제에서, 나노섬유가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 통상적으로 5% 내지 50%이며, 바람직하게는 5% 내지 30%이고, 예를 들어 9% 내지 30%, 14% 내지 30%, 14% 내지 25%, 24% 내지 26%, 9.1%, 14.9%, 19.2%, 20%, 24.5%, 28.6%이다. 바람직한 구현예에서, 접착제에서, 수지 매트릭스와 나노섬유의 질량비는 1:(0.1 내지 1)이며, 바람직하게는 1:(0.1 내지 0.6)이고, 보다 바람직하게는 1:(0.2 내지 0.45)이고, 예를 들어 1:(0.3 내지 0.45), 1:(0.4 내지 0.45)이다.
일부 구현예에서, 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭의 접착제는 첨가제를 더 포함한다. 본 발명에서, 접착제에서의 접착제는 당업계에서 접착제 수분산체에 일반적으로 사용되는 첨가제이며, 예를 들어 수지 매트릭스가 폴리우레탄인 구현예에서, 첨가제는 폴리우레탄 유액에 일반적으로 사용되는 첨가제이다. 접착제에서의 첨가제는 유화제, 점착부여제, pH 조절제, 소포제 및 항산화제로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 함유될 경우, 접착제에서 유화제, 점착부여제, pH 조절제, 소포제 및 항산화제 각각의 용량은 당업계에서 일반적인 것일 수 있다. 접착제에 첨가제가 포함된 경우, 첨가제가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 통상적으로 30%를 초과하지 않으며, 바람직하게는 25%를 초과하지 않고, 예를 들어 15% 내지 25%이다. 접착제에 첨가제가 포함된 경우, 접착제에서, 수지 매트릭스와 첨가제의 질량비는 통상적으로 2:1 내지 5:1이며, 바람직하게는 2:1 내지 4:1이고, 예를 들어 2.5:1 내지 3.5:1, 3:1이다.
본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에서, 인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유는 접착제에서의 나노섬유와 같거나 다를 수 있다. 일부 구현예에서, 인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유와 접착제에서의 나노섬유는 동일한 나노섬유이다. 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭에서, 인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유는 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제조할 때 단방향 시트층 상에 분무하는 나노섬유의 수분산액으로부터 유래한다. 본 발명에서, 인접한 2층 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유의 표면밀도는 0.05g/m2 내지 2.5g/m2이며, 바람직하게는 0.1g/m2 내지 1g/m2이고, 보다 바람직하게는 0.3g/m2 내지 0.5g/m2이고, 예를 들어 0.15g/m2, 0.26g/m2, 0.36g/m2, 0.4g/m2, 0.46g/m2, 0.5g/m2, 0.55g/m2이다.
본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭은 하기와 같은 단계를 통해 제조될 수 있다:
(1) 단방향으로 배열된 고성능 섬유 및 접착제를 포함하는 단방향 시트층을 제조하며, 접착제는 나노섬유를 포함한다;
(2) 단방향 시트층 상에 나노섬유의 수분산액을 균일하게 분무하고, 건조시킨 다음, 단방향 시트층을 적층시킨다; 및
(3) 적층된 단방향 시트층에 대해 열압착 복합을 수행하여, 나노섬유 복합 UD 패브릭을 획득한다.
단계 (1)에서, 당업계에 공지된 방법을 채택해 단방향 시트층을 제조할 수 있으며, 예를 들어 접착제의 수분산체를 균일하게 고성능 섬유 상에 부착하고, 건조시켜, 단방향 시트층을 획득한다. 본 발명의 특징은 접착제에 나노섬유가 포함된다는 것으로, 즉 단방향 시트층을 제조할 때 사용되는 접착제의 수분산체는 나노섬유를 포함하는 접착제의 수분산체이다.
일부 구현예에서, 단계 (1)은 접착제의 수분산체를 균일하게 단방향으로 배치된 고성능 섬유 상에 부착하고, 접착제의 수분산체에 부착된 고성능 섬유를 건조시켜, 단방향 시트층을 획득하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 고성능 섬유를 접착제의 수분산체에 침지시키는 방식을 통해 접착제의 수분산체를 단방향으로 배치된 고성능 섬유 상에 부착한다. 접착제의 수분산체는 전술한 접착제의 각각의 성분을 물에 분산시켜 형성하며, 즉 접착제 수분산체는 수지 매트릭스, 나노섬유 및 물을 포함하며, 선택적으로 또는 바람직하게는 첨가제를 더 포함한다. 접착제 수분산체에서 각각의 고체 성분의 용량 배합비는 전술한 접착제에서 각각의 성분의 용량 배합비와 같다. 접착제 수분산체의 고체 함량은 통상적으로 30% 내지 60%이며, 바람직하게는 40% 내지 50%이고, 예를 들어 42.3%, 43.9%, 45.5%, 46.9%, 49.5%이다. 본 발명에 적용되는 물은 바람직하게는 탈이온수이다. 접착제 수분산체에서, 물과 나노섬유 이외이 고체 성분의 질량비는 통상적으로 7:3 내지 4:6이며, 바람직하게는 7:3 내지 5:5이고, 보다 바람직하게는 6.5:3.5 내지 5.5:4.5이고, 예를 들어 6:4이다. 접착제 수분산체에서, 나노섬유가 접착제 수분산체에서 차지하는 질량 분율은 통상적으로 2% 내지 20%이며, 바람직하게는 3% 내지 15%이고, 예를 들어 3.8%, 6.5%, 9.1%, 11.5%, 13.8%이고, 보다 바람직하게는 5% 내지 15%이고, 예를 들어 9% 내지 13%, 10% 내지 13%, 9% 내지 12%, 11% 내지 12%이다. 일부 구현예에서, 나노섬유를 함유하지 않은 접착제의 수분산체에 나노섬유를 분산시킴으로써, 나노섬유를 포함하는 접착제의 수분산체를 획득한다. 나노섬유를 함유하지 않은 접착제의 수분산체는 자체 제작하거나 시중에서 구매할 수 있는데, 예를 들어 접착제에서의 수지 매트릭스가 폴리우레탄인 경우, 나노섬유를 함유하지 않은 접착제의 수분산체는 시판되는 폴리우레탄 유액일 수 있으며, 예를 들어 Henkel사에서 생산하는 모델 번호 WB8139의 폴리우레탄 유액일 수 있고; 접착제에서의 수지 매트릭스가 스티렌 블록 공중합체인 경우, 나노섬유를 함유하지 않은 접착제의 수분산체는 시판되는 스티렌 블록 공중합체 유액일 수 있으며, 예를 들어 Henkel사에서 생산하는 모델 번호 B7137의 SIS 유액일 수 있다. 고성능 섬유 상에 부착된 접착제의 수분산체는 고성능 섬유 표면에 한 층의 접착막을 형성한다. 본 발명에서, 접착막의 두께는 바람직하게는 0.01mm 내지 0.1mm이며, 보다 바람직하게는 0.01mm 내지 0.05mm이고, 예를 들어 0.02mm 내지 0.04mm, 0.025mm 내지 0.035mm, 0.03mm이다. 본 발명에서, 재료 침지량(접착막 두께)을 제어하는 방법은 당업계에 공지된 다양한 재료 침지량 제어 방법일 수 있다. 침지 방식을 채택하여 부착할 경우, 접착제의 수분산체의 온도는 통상적으로 실온 내지 90℃로 제어한다. 접착제의 수분산체에 부착된 고성능 섬유를 건조할 때, 건조하는 온도와 시간은 고성능 섬유 상에 부착된 접착제 수분산체 중의 수분을 증발 건조시켜야 한다.
본 발명의 접착제의 수분산체에서, 나노섬유는 수분산체에 고도로 분산된다. 나노섬유의 질량은 통상적으로 접착제의 수분산체 총 질량의 2% 내지 20%를 차지하며, 바람직하게는 2% 내지 15%, 3% 내지 15%이고, 예를 들어 3.8%, 6.5%, 9.1%, 11.5%, 13.8%이고, 보다 바람직하게는 5% 내지 15%이고, 예를 들어 9% 내지 13%, 10% 내지 13%, 9% 내지 12%, 11% 내지 12%이다. 본 발명에서는, 나노섬유를 함유한 접착제의 수분산체에서의 나노섬유 함량이 2% 내지 20%로 제어되면, 방탄 성능이 개선된 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제조할 수 있으며, 특히 나노섬유 함량이 5% 내지 15%로 더 제어되면, BFS 값이 유의하게 낮아진 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제조할 수 있음을 발견하였다. 바람직한 구현예에서, 단계 (1)은 고성능 섬유를 롤러 상에 펴고, 나노섬유가 함유된 접착제의 수분산체가 담긴 접착제 탱크를 통해 프리프레그 처리를 수행하고, 건조시켜, 단방향 시트층를 획득하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 단일 스프레더 롤러를 사용하여 고성능 섬유를 롤러 상에 편다. 프리프레그 처리 방법은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 공지된 것으로, 통상적으로 롤러 바닥부가 접착제 탱크에 침지되고, 롤러 회전에 의해 고성능 섬유의 접착제 침지 과정이 완료된 후, 접착제 스크래핑 처리가 수행된다.
단계 (2)에서, 나노섬유의 수분산액은 나노섬유가 물에 분산되어 형성된다. 본 발명의 나노섬유의 수분산액에서, 나노섬유는 물에 고도로 분산된다. 나노섬유의 질량은 통상적으로 나노섬유의 수분산액 총 질량의 2% 내지 20%를 차지하며, 바람직하게는 2% 내지 15%, 3% 내지 15%이고, 예를 들어 3.8%, 6.5%, 9.1%, 11.5%, 13.8%이고, 보다 바람직하게는 5% 내지 15%이고, 예를 들어 9% 내지 13%, 10% 내지 13%, 9% 내지 12%, 11% 내지 12%이다. 본 발명에서는, 나노섬유의 수분산액에서의 나노섬유 함량이 2% 내지 20%로 제어되면, 방탄 성능이 개선된 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제조할 수 있으며, 특히 나노섬유 함량이 5% 내지 15%로 더 제어되면, BFS 값이 유의하게 낮아진 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제조할 수 있음을 발견하였다. 본 발명에서는, 나노섬유를 함유한 접착제의 수분산체가 일정한 점도를 갖기 때문에, 분무 방법으로 단방향 시트층 상에 인가할 수 없으며, 또한, 나노섬유를 접착제의 수분산체에 분산시켜 단방향 시트층 사이의 점결제로 사용할 경우, UD 제품의 표면밀도를 증가시킬뿐만 아니라, UD 제품의 경도도 높아져, UD 제품이 "가볍고 부드러운" 기능을 나타낼 수 없게 됨을 발견하였기 때문에, 본 발명은 나노섬유의 수분산액을 단방향 시트층 상에 분무하여, 나노섬유가 단방향 시트층 사이에서 연결점을 형성하도록 만든다. 본 발명에서, 단방향 시트층 사이에서 나노섬유의 수분산액의 분무량은 1g/m2 내지 10g/m2이며, 바람직하게는 1g/m2 내지 5g/m2이고, 예를 들어 4g/m2이다. 본 발명에서, 통상적으로 적층할 단방향 시트층의 일 표면 상에 나노섬유의 수분산액을 분무한 다음, 다른 단방향 시트층의 나노섬유의 수분산액을 분무하지 않은 표면을 해당 나노섬유의 수분산액이 분무된 표면 상에 접합시킨다는 것이 이해될 수 있다. 나노섬유의 수분산액이 분무된 단방향 시트층을 건조시킬 때, 건조하는 온도와 시간은 단방향 시트층 상에 부착하는 나노섬유 수분산액의 수분을 증발시켜야 한다. 단계 (2)에서, 적층할 때, 인접한 2개의 단방향 시트층의 고성능 섬유의 배치 방향 사이는 바람직하게는 일정한 협각을 이루며, 협각은 예를 들어 30° 내지 150°일 수 있고, 바람직하게는 90±10°이다. 적층 시, 각각의 인접한 2개의 단방향 시트층 사이의 협각은 같거나 다를 수 있다. 일부 구현예에서, 각각의 인접한 2개의 단방향 시트층 사이의 협각은 동일하며, 예를 들어 모두 60±10° 또는 90±10°이다.
단계 (3)에서, 열압착 복합의 온도는 바람직하게는 70℃ 내지 120℃이고, 열압착 압력은 바람직하게는 0.1MPa 내지 2MPa이다.
바람직한 구현예에서, 본 발명의 나노섬유 복합 아라미드 UD 패브릭의 제조 방법은:
(1) 고성능 섬유를 롤러 상에 펴고, 나노섬유가 함유된 접착제의 수분산체가 담긴 접착제 탱크를 통해 프리프레그 처리를 수행하며, 접착막의 두께는 바람직하게는 0.01mm 내지 0.1mm이고, 보다 바람직하게는 0.01mm 내지 0.05mm이고, 이를 건조시켜, 단방향 시트층를 획득하는 단계;
(2) 단방향 시트층 상에 나노섬유의 수분산액을 분무하고, 단방향 시트층 사이에서 나노섬유의 수분산액의 분무량은 바람직하게는 1g/m2 내지 10g/m2이고, 이를 건조시킨 다음, 단방향 시트층을 적층시키며, 적층할 때, 바람직하게는 인접한 2개의 단방향 시트층의 고성능 섬유의 배치 방향 사이는 바람직하게는 일정한 협각을 이루고, 협각은 바람직하게는 90±10°인 단계; 및
(3) 적층된 단방향 시트층에 대해 열압착 복합을 수행하여, 나노섬유 복합 UD 패브릭을 획득하며, 열압착 복합의 온도는 바람직하게는 70℃ 내지 120℃이고, 열압착 압력은 바람직하게는 0.1MPa 내지 2MPa인 단계를 포함한다.
본 발명에서는, 나노섬유를 함유한 접착제의 수분산체를 사용하여 방탄 성능이 우수한 UD 패브릭을 제조하여 획득함을 발견하였다. 따라서, 본 발명은 접착제 수분산체를 포함하며, 여기에는 수지 매트릭스, 나노섬유 및 물이 포함되고, 선택적으로 또는 바람직하게는 첨가제가 더 포함된다. 첨가제는 유화제, 점착부여제, 소포제, 항산화제 및 pH 조절제로부터 선택된 하나 이상이 포함된다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 접착제 수분산체에는 수지 매트릭스, 나노섬유 및 물이 포함되며, 선택적으로 또는 바람직하게는 유화제, 점착부여제, 소포제, 항산화제 및 pH 조절제로부터 선택되는 하나 이상이 더 포함된다. 본 발명의 접착제 수분산체에서, 물과 나노섬유 이외의 고체 성분의 질량비는 통상적으로 7:3 내지 4:6이며, 바람직하게는 7:3 내지 5:5이고, 보다 바람직하게는 6.5:3.5 내지 5.5:4.5이고, 예를 들어 6:4이다. 본 발명의 접착제 수분산체의 각각의 고체 성분의 용량 배합비는 전술한 접착제에서 각각의 성분의 용량 배합비와 같다. 본 발명의 접착제 수분산체의 고체 함량은 통상적으로 30% 내지 60%이며, 바람직하게는 40% 내지 50%이고, 예를 들어 42.3%, 43.9%, 45.5%, 46.9%, 49.5%이다. 본 발명의 접착제 수분산체에서, 나노섬유가 접착제 수분산체에서 차지하는 질량 분율은 통상적으로 2% 내지 20%이며, 바람직하게는 2% 내지 15%, 3% 내지 15%이고, 예를 들어 3.8%, 6.5%, 9.1%, 11.5%, 13.8%이고, 보다 바람직하게는 5% 내지 15%이고, 예를 들어 9% 내지 13%, 10% 내지 13%, 9% 내지 12%, 11% 내지 12%이다. 본 발명은 UD 패브릭 제조 또는 UD 패브릭의 방탄 성능 향상에서 본 발명에 따른 접착제 수분산체의 용도를 더 제공한다. 본 발명에서, 방탄 성능 향상은 방탄 표준 NIJ0101.06 하의 V50 값 상승 및/또는 BFS 값 하강을 의미한다.
본 발명에서는, 나노섬유의 수분산액을 사용하여 방탄 성능이 우수한 UD 패브릭을 제조하여 획득함을 발견하였다. 나노섬유의 질량은 통상적으로 나노섬유의 수분산액 총 질량의 2% 내지 20%를 차지하며, 바람직하게는 3% 내지 15%이고, 예를 들어 3.8%, 6.5%, 9.1%, 11.5%, 13.8%이고, 보다 바람직하게는 5% 내지 15%이고, 예를 들어 9% 내지 13%, 10% 내지 13%, 9% 내지 12%, 11% 내지 12%이다. 본 발명은 단방향 패브릭 제조 또는 단방향 패브릭의 방탄 성능 향상에서 본원에 따른 나노섬유의 수분산액의 용도를 더 포함한다.
본 발명은 방탄 시트재에 적용되는 나노섬유 복합 UD 패브릭의 용도에 관한 것이다. 방탄 시트재는 예를 들어 복수의 단방향 시트층을 포함하는 UD 패브릭일 수 있으며, 단층의 UD 패브릭을 적층하여 획득하거나, 다층의 UD 패브릭을 더 적층하여 획득할 수 있다. 본 발명의 방탄 시트재는 방탄복, 방탄 삽입판 및 방탄 헬멧에 사용될 수 있다. 본 발명은 본 발명에 따른 아라미드 UD 패브릭으로 제조하여 획득한 방탄 제품을 더 포함한다. 방탄 제품은 방탄복, 방탄 삽입판 및 방탄 헬멧을 포함한다. 방탄 삽입판은 개인 방탄 삽입판 및 차량용 방탄 삽입판을 포함한다. 당업계에 공지된 방법을 채택하여 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭이 방탄 제품으로 제작될 수 있으며, 예를 들어 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭이 전단 적층 및 복합 성형하여 방탄 제품으로 제작될 수 있다.
본 발명의 기술적 방안은 하기의 장점을 갖는다:
본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭의 제조 방법은 안전하고 친환경적이며, 수계 시스템을 사용하므로 인체와 환경에 무해하고, 나노섬유는 비표면적이 높아, 수계 시스템에 안정적으로 분산될 수 있고, 열압착 공정을 거쳐, 접착제에서의 나노섬유가 고성능 섬유와 접착제 2상 계면에 고르게 분포될 수 있으며, 원사 사이의 파지력을 제공할 수 있고, 단방향 시트층 사이에 분무된 나노섬유가 층간 연결점으로 사용되며 단방향 시트층 사이의 물리적 가교점을 제공한다. 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭은 방탄 성능이 우수한 동시에, 비용과 생산 난이도가 비교적 낮으며, 경제성이 비교적 우수하다. 본 발명의 나노섬유 복합 UD 패브릭은 방탄 제품에 사용되어, 파편 충격 방지 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있으므로, 안전성이 더욱 높고, 제품 중량을 크게 증가시키지 않으면서, 제품이 비교적 부드럽고, 더욱 편안하다.
본 발명은 하기 실시예를 통해 전면적으로 설명하나, 이러한 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하고자 함이 아니다. 본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명에 개시된 구현예를 기반으로 수행한 임의 생략, 치환 또는 수정은 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.
하기 실시예에서는 본 발명이 속하는 기술분야의 일반적인 기기 장비를 사용하였다. 하기 실시예에 구체적인 조건이 명시되지 않은 실험 방법은, 통상적으로 일반 조건을 따르거나, 제조사에서 권장하는 조건을 따른다. 하기 실시예에 사용된 다양한 재료, 시약은, 달리 설명되지 않는 한, 모두 일반적으로 시판되는 제품을 사용하며, 이의 규격은 당업계에서 일반적으로 사용되는 규격이다. 본 발명의 명세서 및 하기 실시예에서, 특별히 설명되지 않는 한, "%"는 모두 중량백분율을 나타내며, "부"는 모두 중량부를 나타내고, 비율은 모두 중량비를 의미한다.
실시예에는 하기 재료가 사용되었다:
초고분자량 폴리에틸렌 섬유: Shandong ICD High Performance Fibres사에서 구매하였으며, 인장 강도는 3.5GPa이고, 초기 모듈러스는 120GPa이고, 파단 신장율은 3.5%이다.
고강도 아라미드 섬유: 파라-아라미드 섬유이며, 출처는 Sinochem High Performance Fiber Materials사이고, 모델 번호는 ZHAODA HT840D-01이고, 인장 강도는 26g/d, 초기 모듈러스는 100GPa, 파단 신장율은 3.5%이다.
아라미드 나노섬유: 파라-아라미드 나노섬유이며, Sinochem High Performance Fiber Materials사의 ZHAODA HT840D-01 파라-아라미드 섬유를 원료로 사용하여, 화학적 분해 방법으로 제조하여 획득하였으며, 섬유 길이는 50nm 내지 100nm이고, 비표면적은 200m2/g 내지 250m2/g이다.
초고분자량 폴리에틸렌 나노섬유 폴리에틸렌 나노섬유: 전술한 Shandong ICD High Performance Fibres사의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유를 원료로 사용하여, 화학적 분해 방법으로 제조하여 획득하였으며, 섬유 길이는 50nm 내지 100nm이고, 비표면적은 200m2/g 내지 250m2/g이다.
폴리우레탄 유액: Henkel사에서 구매하였으며, 모델 번호는 WB8139이고, 물 유액 상태이고, 점도는 400cps이고, 총 고체 함량은 40wt%이고(폴리우레탄 수지 함량은 30wt%이고, 첨가제 함량은 10wt%임), 건조 후 콜로이드의 인장 강도는 20MPa 내지 30MPa이다.
스티렌-이소프렌-스티렌 블록 공중합체(SIS) 유액: Henkel사에서 구매하였으며, 모델 번호는 B7137이고, 물 유액 상태이고, 점도는 280cps이고, 고체 함량은 42wt%이며, 건조 후 콜로이드의 인장 강도는 15MPa 내지 25MPa이고, SIS의 세그먼트 구조에서 15wt%는 폴리스티렌 세그먼트이고, 85%는 폴리이소프렌 세그먼트이다.
실시예 1: 단일 스프레더 롤러를 사용하여 프리프레그 및 열압착 복합 공정으로 아라미드 나노섬유 복합 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 UD 패브릭 제조
4중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 폴리우레탄 유액에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 폴리우레탄 유액을 형성하였다. 4중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 탈이온수에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 수분산액을 형성하였다. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 가이드사를 단일 스프레더 롤러를 통해 롤러 상에 가지런하게 편 다음, 아라미드 나노섬유가 함유된 폴리우레탄 유액이 담긴 접착제 탱크를 통해 프리프레그 처리를 수행하며, 접착막 두께는 0.03mm로 제어하였다. 이후 건조시켜, 0° 단방향 배치층을 획득하였다. 0° 단방향 배치층 상에 아라미드 나노섬유의 수분산액을 분무하며, 분무량은 4g/m2로 제어하고, 이후 건조시켰다. 절단, 회전을 통해 90° 단방향 배치층을 획득하였다. 이어서 90℃의 온도, 0.5MPa의 압력 하에서 0°/90° 열압착 복합을 수행하며, 이를 통해 실시예 1의 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제조하였다. 실시예 1의 UD 패브릭은 0°/90°로 배치된 2층 구조를 가지며, 이의 구조는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 인접한 2개의 단방향 시트층의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 배치 방향 사이의 협각이 90°이고, 단방향 시트층 사이에는 접착제의 접착 작용 이외에, 분산된 나노섬유의 연결 작용이 더 존재하였다. UD 패브릭에 사용된 고성능 섬유의 총 길이와 고성능 섬유의 선밀도를 기반으로 고성능 섬유의 질량을 계산한 다음, UD 패브릭의 총 질량을 측정하여, UD 패브릭에서 고성능 섬유의 질량 분율을 계산하여 획득할 수 있었다. 실시예 1의 UD 패브릭에서, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 85%였다.
나노섬유가 접착제에서 차지하는 질량 분율 = 나노섬유 질량 ÷ (유액의 질량 × 유액 고체 함량 + 나노섬유 질량)이므로, 실시예 1의 접착제에서, 나노섬유가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 9.1%이다.
나노섬유가 접착제 수분산체에서 차지하는 질량 분율 = 나노섬유 질량 ÷ (유액 질량 + 나노섬유 질량)이므로, 실시예 1의 접착제 수분산체에서, 나노섬유가 접착제 수분산체에서 차지하는 질량 분율은 3.8%이다.
나노섬유가 나노섬유의 수분산액에서 차지하는 질량 분율 = 나노섬유 질량 ÷ (물 질량 + 나노섬유 질량)이므로, 실시예 1의 나노섬유의 수분산액에서, 나노섬유가 나노섬유의 수분산액에서 차지하는 질량 분율은 3.8%이다.
UD 패브릭 상에 분무한 나노섬유의 양 = 나노섬유가 나노섬유의 수분산액에서 차지하는 질량 분율 × 단방향 시트층 상의 나노섬유의 수분산액의 분무량 × UD 패브릭에 함유된 단방향 시트층 수이므로, 실시예 1의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유의 양은 0.31g/m2이다. 표 2에 따른 UD 패브릭의 표면밀도에서 알 수 있듯이, 실시예 1의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 0.24%이며, 접착제가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 14.76%였다.
실시예 2: 단일 스프레더 롤러를 사용하여 프리프레그 및 열압착 복합 공정으로 아라미드 나노섬유 복합 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 UD 패브릭 제조
7중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 폴리우레탄 유액에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 폴리우레탄 유액을 형성하였다. 7중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 탈이온수에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 수분산액을 형성하였다. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 가이드사를 단일 스프레더 롤러를 통해 롤러 상에 가지런하게 편 다음, 아라미드 나노섬유가 함유된 폴리우레탄 유액이 담긴 접착제 탱크를 통해 프리프레그 처리를 수행하며, 접착막 두께는 0.03mm로 제어하였다. 이후 건조시켜, 0° 단방향 배치층을 획득하였다. 0° 단방향 배치층 상에 아라미드 나노섬유의 수분산액을 분무하며, 분무량은 4g/m2로 제어하고, 이후 건조시켰다. 절단, 회전을 통해 90° 단방향 배치층을 획득하였다. 이어서 90℃의 온도, 0.5MPa의 압력 하에서 0°/90° 열압착 복합을 수행하며, 이를 통해 실시예 2의 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제조하였다. 실시예 2의 UD 패브릭은 0°/90°로 배치된 2층 구조를 가지며, 이의 구조는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 인접한 2개의 단방향 시트층의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 배치 방향 사이의 협각이 90°이고, 단방향 시트층 사이에는 접착제의 접착 작용 이외에, 분산된 나노섬유의 연결 작용이 더 존재하였다. 실시예 2의 UD 패브릭에서, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 85%였다. 실시예 2의 접착제에서, 나노섬유가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 14.9%였다. 실시예 2의 접착제 수분산체에서, 나노섬유가 접착제 수분산체에서 차지하는 질량 분율은 6.5%였다. 실시예 2의 나노섬유의 수분산액에서, 나노섬유가 나노섬유의 수분산액에서 차지하는 질량 분율은 6.5%였다. 실시예 2의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유의 양은 0.52g/m2였다. 표 2에 따른 UD 패브릭의 표면밀도에서 알 수 있듯이, 실시예 2의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 0.38%이며, 접착제가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 14.62%였다.
실시예 3: 단일 스프레더 롤러를 사용하여 프리프레그 및 열압착 복합 공정으로 아라미드 나노섬유 복합 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 UD 패브릭 제조
10중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 폴리우레탄 유액에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 폴리우레탄 유액을 형성하였다. 10중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 탈이온수에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 수분산액을 형성하였다. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 가이드사를 단일 스프레더 롤러를 통해 롤러 상에 가지런하게 편 다음, 아라미드 나노섬유가 함유된 폴리우레탄 유액이 담긴 접착제 탱크를 통해 프리프레그 처리를 수행하며, 접착막 두께는 0.03mm로 제어하였다. 이후 건조시켜, 0° 단방향 배치층을 획득하였다. 0° 단방향 배치층 상에 아라미드 나노섬유의 수분산액을 분무하며, 분무량은 4g/m2로 제어하고, 이후 건조시켰다. 절단, 회전을 통해 90° 단방향 배치층을 획득하였다. 이어서 90℃의 온도, 0.5MPa의 압력 하에서 0°/90° 열압착 복합을 수행하며, 이를 통해 실시예 3의 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제조하였다. 실시예 3의 UD 패브릭은 0°/90°로 배치된 2층 구조를 가지며, 이의 구조는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 인접한 2개의 단방향 시트층의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 배치 방향 사이의 협각이 90°이고, 단방향 시트층 사이에는 접착제의 접착 작용 이외에, 분산된 나노섬유의 연결 작용이 더 존재하였다. 실시예 3의 UD 패브릭에서, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 85%였다. 실시예 3의 접착제에서, 나노섬유가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 20%였다. 실시예 3의 접착제 수분산체에서, 나노섬유가 접착제 수분산체에서 차지하는 질량 분율은 9.1%였다. 실시예 3의 나노섬유의 수분산액에서, 나노섬유가 나노섬유의 수분산액에서 차지하는 질량 분율은 9.1%였다. 실시예 3의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유의 양은 0.73g/m2였다. 표 2에 따른 UD 패브릭의 표면밀도에서 알 수 있듯이, 실시예 3의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 0.51%이며, 접착제가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 14.49%였다.
실시예 4: 단일 스프레더 롤러를 사용하여 프리프레그 및 열압착 복합 공정으로 아라미드 나노섬유 복합 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 UD 패브릭 제조
13중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 폴리우레탄 유액에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 폴리우레탄 유액을 형성하였다. 13중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 탈이온수에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 수분산액을 형성하였다. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 가이드사를 단일 스프레더 롤러를 통해 롤러 상에 가지런하게 편 다음, 아라미드 나노섬유가 함유된 폴리우레탄 유액이 담긴 접착제 탱크를 통해 프리프레그 처리를 수행하며, 접착막 두께는 0.03mm로 제어하였다. 이 후 건조시켜, 0° 단방향 배치층을 획득하였다. 0° 단방향 배치층 상에 아라미드 나노섬유의 수분산액을 분무하며, 분무량은 4g/m2로 제어하고, 이후 건조시켰다. 절단, 회전을 통해 90° 단방향 배치층을 획득하였다. 이어서 90℃의 온도, 0.5MPa의 압력 하에서 0°/90° 열압착 복합을 수행하며, 이를 통해 실시예 4의 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제조하였다. 실시예 4의 UD 패브릭은 0°/90°로 배치된 2층 구조를 가지며, 이의 구조는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 인접한 2개의 단방향 시트층의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 배치 방향 사이의 협각이 90°이고, 단방향 시트층 사이에는 접착제의 접착 작용 이외에, 분산된 나노섬유의 연결 작용이 더 존재하였다. 실시예 4의 UD 패브릭에서, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 85%였다. 실시예 4의 접착제에서, 나노섬유가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 24.5%였다. 실시예 4의 접착제 수분산체에서, 나노섬유가 접착제 수분산체에서 차지하는 질량 분율은 11.5%였다. 실시예 4의 나노섬유의 수분산액에서, 나노섬유가 나노섬유의 수분산액에서 차지하는 질량 분율은 11.5%였다. 실시예 4의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유의 양은 0.92g/m2였다. 표 2에 따른 UD 패브릭의 표면밀도에서 알 수 있듯이, 실시예 4의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 0.59%이며, 접착제가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 14.41%였다.
실시예 5: 단일 스프레더 롤러를 사용하여 프리프레그 및 열압착 복합 공정으로 아라미드 나노섬유 복합 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 UD 패브릭 제조
16중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 폴리우레탄 유액에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 폴리우레탄 유액을 형성하였다. 16중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 탈이온수에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 수분산액을 형성하였다. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 가이드사를 단일 스프레더 롤러를 통해 롤러 상에 가지런하게 편 다음, 아라미드 나노섬유가 함유된 폴리우레탄 유액이 담긴 접착제 탱크를 통해 프리프레그 처리를 수행하며, 접착막 두께는 0.03mm로 제어하였다. 이후 건조시켜, 0° 단방향 배치층을 획득하였다. 0° 단방향 배치층 상에 아라미드 나노섬유의 수분산액을 분무하며, 분무량은 4g/m2로 제어하고, 이후 건조시켰다. 절단, 회전을 통해 90° 단방향 배치층을 획득하였다. 이어서 90℃의 온도, 0.5MPa의 압력 하에서 0°/90° 열압착 복합을 수행하며, 이를 통해 실시예 5의 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제조하였다. 실시예 5의 UD 패브릭은 0°/90°로 배치된 2층 구조를 가지며, 이의 구조는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 인접한 2개의 단방향 시트층의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 배치 방향 사이의 협각이 90°이고, 단방향 시트층 사이에는 접착제의 접착 작용 이외에, 분산된 나노섬유의 연결 작용이 더 존재하였다. 실시예 5의 UD 패브릭에서, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 85%였다. 실시예 5의 접착제에서, 나노섬유가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 28.6%였다. 실시예 5의 접착제 수분산체에서, 나노섬유가 접착제 수분산체에서 차지하는 질량 분율은 13.8%였다. 실시예 5의 나노섬유의 수분산액에서, 나노섬유가 나노섬유의 수분산액에서 차지하는 질량 분율은 13.8%였다. 실시예 5의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유의 양은 1.10g/m2였다. 표 2에 따른 UD 패브릭의 표면밀도에서 알 수 있듯이, 실시예 5의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 0.68%이며, 접착제가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 14.32%였다.
시험예 1
실시예 1 내지 5에서 2층 구조를 가진 UD 패브릭은 ASTMD5035 표준에 따라 샘플 스트라이프를 전단하고, 만능 재료 시험기(Instron사, 모델 번호는 Instron 5967)를 사용하여 인장 시험을 수행하고, UD 패브릭의 경사 방향과 위사 방향으로 10회씩 샘플을 채취하였으며, 샘플 스트라이프 폭은 40mm이고, 샘플 스트라이프 길이는 180mm이고, 표준 상태에서 인장시켰으며, 기기 테스트 속도는 250mm/min이고, 실시예 1 내지 5의 UD 패브릭 샘플 스트라이프의 경사 방향과 위사 방향의 강도 테스트 결과는 표 1과 같다.
Figure pct00001
샘플 스트라이프 인장 시험 결과에 따르면, 실시예 1 내지 5의 나노섬유 복합 UD 패브릭 사이 경사 방향 강도와 위사 방향 강도는 차이가 크지 않은데, 이는 UD 패브릭 샘플 스트라이프에 대한 인장 과정에서, 주로 작용하는 것이 고성능 섬유의 인장 응력 및 접착제의 접착 작용이기 때문에, 각각의 실시예에서 주로 작용하는 것이 모두 동일한 구조 단위이므로, 거시적으로 샘플의 경사 방향 강도는 9.3KN/4cm 내지 10.2KN/4cm이고, 위사 방향 강도는 7.9KN/4cm 내지 8.5KN/4cm인 것으로 나타난다.
시험예 2
실시예 1 내지 5에서 2층 구조를 갖는 UD 패브릭의 표면밀도를 테스트하였으며, 결과는 표 2와 같다. 실시예 1 내지 5에서 UD 패브릭에 대해 방탄 헬멧 압착 및 표적 사격 테스트를 수행하였다. 실시예 1 내지 5에서 2층 구조를 갖는 48장의 UD 패브릭에 대해 단면 코팅 접착제 스크래핑 처리를 수행하여, 프리프레그 후 열압착하여 방탄 헬멧으로 제작하였고, 1.1g FSP 모의탄으로 방탄 표준 NIJ0101.06에 따라 테스트를 수행하여, 방탄 헬멧의 상이한 부위에 6회 사격을 실시하였으며, 테스트 결과는 표 2와 같고, 테스트 지표에서 V50은 관통 확률이 50%인 총알 속도이며, V50 값의 정도는 방탄 성능의 우열을 의미하고, BFS(Back Face Signature)는 미관통 총알에 의해 방탄 제품 상에 생성된 구조적 함몰이며, BFS 값이 작을수록 방탄 성능이 우수함을 나타낸다.
Figure pct00002
테스트 결과에 따르면, 실시예 1 내지 5에서 제작된 방탄 헬멧의 V50은 모두 680m/s보다 컸으며, BFS는 모두 25mm보다 작았다. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유는 비교적 높은 인장 강도와 탄성 모듈러스를 가지며, 제작된 UD 패브릭은 방탄 효과가 비교적 우수하였다. 아라미드 나노섬유 복합 과정을 통해 방탄 제품의 BFS 함몰 정도를 효과적으로 개선할 수 있었다.
본 발명에서는, 나노섬유의 분산 정도가 방탄 헬멧의 BFS에 중요한 영향을 미침을 발견하였다. 실시예 4의 샘플은 실시예 5보다 더 낮은 BFS 값과 더 높은 V50 값을 가졌다. 실시예 4의 UD 패브릭의 거시적 형태에 대한 관찰에서, 실시예 4의 UD 패브릭 경위사가 모두 균일하고 가지런하였으며, UD 패브릭 에지 부분에 적층과 돌기가 없음을 발견하였는데, 이는 열압착 복합 과정에서 나노섬유에 부분적인 뭉침이 발생하지 않았고 분산 정도가 우수하였음을 설명한다. 본 발명에서, 접착제의 수분산체와 나노섬유의 수분산액에서 나노섬유의 질량 분율을 13% 이하로 제어하면 우수한 분산성을 얻는 데에 도움이 되고, 제품의 방탄 성능을 개선하는 데 유리하며, 특히 나노섬유를 함유한 접착제의 수분산체와 나노섬유의 수분산액에서 나노섬유의 질량 분율을 10% 내지 13%로 제어하면, 방탄 제품의 방탄 성능을 최대한 개선할 수 있음을 발견하였다.
실시예 6: 단일 스프레더 롤러를 사용하여 프리프레그 및 열압착 복합 공정으로 아라미드 나노섬유 복합 고강도 아라미드 섬유 UD 패브릭 제조
10중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 폴리우레탄 유액에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 폴리우레탄 유액을 형성하였다. 10중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 탈이온수에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 수분산액을 형성하였다. 고강도 아라미드 섬유 가이드사를 단일 스프레더 롤러를 통해 롤러 상에 가지런하게 편 다음, 아라미드 나노섬유가 함유된 폴리우레탄 유액이 담긴 접착제 탱크를 통해 프리프레그 처리를 수행하며, 접착막 두께는 0.03mm로 제어하였다. 이후 건조시켜, 0° 단방향 배치층을 획득하였다. 0° 단방향 배치층 상에 아라미드 나노섬유의 수분산액을 분무하며, 분무량은 4g/m2로 제어하고, 이후 건조시켰다. 절단, 회전을 통해 90° 단방향 배치층을 획득하였다. 이어서 90℃의 온도, 0.5MPa의 압력 하에서 0°/90° 열압착 복합을 수행하며, 이를 통해 실시예 6의 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제조하였다. 실시예 6의 UD 패브릭은 0°/90°로 배치된 2층 구조를 가지며, 이의 구조는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 인접한 2개의 단방향 시트층의 아라미드 섬유의 배치 방향 사이의 협각이 90°이고, 단방향 시트층 사이에는 접착제의 접착 작용 이외에, 분산된 나노섬유의 연결 작용이 더 존재하였다.
실시예 6의 나노섬유 복합 UD 패브릭의 표면밀도는 200g/m2이다. 실시예 6의 UD 패브릭에서, 아라미드 섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 85%였다. 실시예 6의 접착제에서, 나노섬유가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 20%였다. 실시예 6의 접착제 수분산체에서, 나노섬유가 접착제 수분산체에서 차지하는 질량 분율은 9.1%였다. 실시예 6의 나노섬유의 수분산액에서, 나노섬유가 나노섬유의 수분산액에서 차지하는 질량 분율은 9.1%였다. 실시예 6의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유의 양은 0.73g/m2였다. UD 패브릭의 표면밀도에서 알 수 있듯이, 실시예 6의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 0.36%이며, 접착제가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 14.64%였다.
시험예 3
시험예 2와 동일한 방법과 공정을 채택하여 실시예 6의 나노섬유 복합 UD 패브릭을 방탄 헬멧으로 제작하였으며, 시험예 2와 동일한 표적 사격 테스트 표준을 채택하여, 실시예 6의 나노섬유 복합 UD 패브릭으로 제작한 방탄 헬멧의 V50은 685m/s로, BFS는 10mm로 측정되었다. 나노섬유 복합 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 UD 패브릭(실시예 3)에 비해, 실시예 6의 나노섬유 복합 고강도 아라미드 섬유 UD 패브릭의 방탄 성능은 V50 값이 비교적 낮고, BFS 값이 비교적 작았으며, 이는 상이한 유형의 고성능 섬유층 자체의 방탄 성능 차이로 인한 것이다.
비교예 1: 단일 스프레더 롤러를 사용하여 프리프레그 및 열압착 복합 공정으로 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 UD 패브릭 제조
초고분자량 폴리에틸렌 섬유 가이드사를 단일 스프레더 롤러를 통해 롤러 상에 가지런하게 편 다음, 폴리우레탄 유액이 담긴 접착제 탱크를 통해 프리프레그 처리를 수행하며, 접착막 두께는 0.03mm로 제어하였다. 이후 건조시켜, 0° 단방향 배치층을 획득하였다. 절단, 회전을 통해 90° 단방향 배치층을 획득하였다. 이어서 90℃의 온도, 0.5MPa의 압력 하에서 0°/90° 열압착 복합을 수행하며, 이를 통해 비교예 1의 UD 패브릭을 제조하였다. 비교예 1의 UD 패브릭은 0°/90°으로 배치된 2층 구조를 갖는다.
비교예 2: 단일 스프레더 롤러를 사용하여 프리프레그 및 열압착 복합 공정으로 초고분자량 폴리에틸렌 나노섬유 복합 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 UD 패브릭 제조
10중량부의 초고분자량 폴리에틸렌 나노섬유를 100중량부의 폴리우레탄 유액에 분산시켜, 초고분자량 폴리에틸렌 나노섬유를 함유한 폴리우레탄 유액을 형성하였다. 10중량부의 초고분자량 폴리에틸렌 나노섬유를 100중량부의 탈이온수에 분산시켜, 초고분자량 폴리에틸렌 나노섬유를 함유한 수분산액을 형성하였다. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 가이드사를 단일 스프레더 롤러를 통해 롤러 상에 가지런하게 편 다음, 초고분자량 폴리에틸렌 나노섬유가 함유된 폴리우레탄 유액이 담긴 접착제 탱크를 통해 프리프레그 처리를 수행하며, 접착막 두께는 0.03mm로 제어하였다. 이후 건조시켜, 0° 단방향 배치층을 획득하였다. 0° 단방향 배치층 상에 고분자량 폴리에틸렌 나노섬유의 수분산액을 분무하며, 분무량은 4g/m2로 제어하고, 이후 건조시켰다. 절단, 회전을 통해 90° 단방향 배치층을 획득하였다. 이어서 90℃의 온도, 0.5MPa의 압력 하에서 0°/90° 열압착 복합을 수행하며, 이를 통해 비교예 2의 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제조하였다. 비교예 2의 UD 패브릭은 0°/90°로 배치된 2층 구조를 갖는다.
시험예 4
비교예 1의 2층 구조를 갖는 UD 패브릭과 비교예 2의 2층 구조를 갖는 나노섬유 복합 UD 패브릭의 표면밀도를 테스트하였으며, 그 결과는 표 3과 같다. 시험예 2와 동일한 헬멧 압착 방법을 채택하여 비교예 1의 UD 패브릭과 비교예 2의 나노섬유 복합 UD 패브릭을 방탄 헬멧으로 제작하고, 시험예 2와 동일한 표적 사격 테스트 표준을 채택해 표적 사격 테스트를 수행하였으며, 그 결과는 표 3과 같다.
Figure pct00003
테스트 결과에 따르면, 아라미드 나노섬유를 첨가하지 않은 UD 패브릭(비교예 1)으로 제작한 방탄 헬멧은 BFS 값이 너무 커 인체에 해를 입을 수 있다. 10wt%의 초고분자량 폴리에틸렌 나노섬유를 함유하는 폴리우레탄 유액과 수분산액으로 제작된 UD 패브릭(비교예 2)으로 제작된 방탄 헬멧은, 그 방탄 성능이 아라미드 나노섬유를 사용한 UD 패브릭보다 낮고, 아라미드 나노섬유를 첨가하지 않은 UD 패브릭보다 크게 개선되지 않았다. 이는 초고분자량 폴리에틸렌 나노섬유가 아라미드 나노섬유의 강성 세그먼트를 구비하지 않고, 분자 사슬 사이가 종방향으로 미끄러지기 쉽기 때문에, 계면 변성 및 단방향 시트층 연결의 작용을 효과적으로 나타낼 수 있으므로, 방탄 헬멧의 강성 수요를 충족시킬 수 없다.
실시예 7: 단일 스프레더 롤러를 사용하여 프리프레그 및 열압착 복합 공정으로 아라미드 나노섬유 복합 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 UD 패브릭 제조
10중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 SIS 유액에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 SIS 유액을 형성하였다. 10중량부의 아라미드 나노섬유를 100중량부의 탈이온수에 분산시켜, 아라미드 나노섬유를 함유한 수분산액을 형성하였다. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 가이드사를 단일 스프레더 롤러를 통해 롤러 상에 가지런하게 편 다음, 아라미드 나노섬유가 함유된 SIS 유액이 담긴 접착제 탱크를 통해 프리프레그 처리를 수행하며, 접착막 두께는 0.03mm로 제어하였다. 이후 건조시켜, 0° 단방향 배치층을 획득하였다. 0° 단방향 배치층 상에 아라미드 나노섬유의 수분산액을 분무하며, 분무량은 4g/m2로 제어하고, 이후 건조시켰다. 절단, 회전을 통해 90° 단방향 배치층을 획득하였다. 이어서 90℃의 온도, 0.5MPa의 압력 하에서 0°/90° 열압착 복합을 수행하며, 이를 통해 실시예 7의 나노섬유 복합 UD 패브릭을 제조하였다. 실시예 7의 UD 패브릭은 0°/90°로 배치된 2층 구조를 가지며, 이의 구조는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 인접한 2개의 단방향 시트층의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 배치 방향 사이의 협각이 90°이고, 단방향 시트층 사이에는 접착제의 접착 작용 이외에, 분산된 나노섬유의 연결 작용이 더 존재하였다.
실시예 7의 나노섬유 복합 UD 패브릭의 표면밀도는 155g/m2이다. 실시예 7의 UD 패브릭에서, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 85%였다. 실시예 7의 접착제에서, 나노섬유가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 19.2%였다. 실시예 7의 접착제 수분산체에서, 나노섬유가 접착제 수분산체에서 차지하는 질량 분율은 9.1%였다. 실시예 7의 나노섬유의 수분산액에서, 나노섬유가 나노섬유의 수분산액에서 차지하는 질량 분율은 9.1%였다. 실시예 7의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유의 양은 0.73g/m2였다. UD 패브릭의 표면밀도에서 알 수 있듯이, 실시예 7의 UD 패브릭에서, UD 패브릭 상에 분무된 나노섬유가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 0.47%이며, 접착제가 UD 패브릭에서 차지하는 질량 분율은 14.53%였다.
시험예 5
실시예 7에서 2층 구조를 갖는 UD 패브릭의 표면밀도를 테스트하였으며, 결과는 표 4와 같다. 실시예 7에서 UD 패브릭에 대해 방탄 헬멧 압착 및 표적 사격 테스트를 수행하였다. 실시예 7에서 2층 구조를 갖는 48장의 UD 패브릭에 대해 단면 코팅 접착제 스크래핑 처리를 수행하여, 프리프레그 후 열압착하여 방탄 헬멧으로 제작하였고, 1.1g FSP 모의탄으로 방탄 표준 NIJ0101.06에 따라 테스트를 수행하여, 방탄 헬멧의 상이한 부위에 6회 사격을 실시하였으며, 테스트 결과는 표 4와 같다.
Figure pct00004
비교예 3
초고분자량 폴리에틸렌 섬유 가이드사를 단일 스프레더 롤러를 통해 롤러 상에 가지런하게 편 다음, SIS 유액이 담긴 접착제 탱크를 통해 프리프레그 처리를 수행하며, 접착막 두께는 0.03mm로 제어하였다. 이후 건조시켜, 0° 단방향 배치층을 획득하였다. 절단, 회전을 통해 90° 단방향 배치층을 획득하였다. 이어서 90℃의 온도, 0.5MPa의 압력 하에서 0°/90° 열압착 복합을 수행하며, 이를 통해 비교예 3의 UD 패브릭을 제조하였다. 비교예 3의 UD 패브릭은 0°/90°으로 배치된 2층 구조를 갖는다.
시험예 6
비교예 3에서 2층 구조를 갖는 UD 패브릭의 표면밀도를 테스트하였으며, 결과는 표 5와 같다. 시험예 5와 동일한 헬멧 압착 방법을 채택하여 비교예 3의 UD 패브릭을 방탄 헬멧으로 제작하고 시험예 5와 동일한 표적 사격 테스트 표준을 채택하여 표적 사격 테스트를 수행하였으며, 결과는 표 5와 같다.
Figure pct00005
테스트 결과에 따르면, 수지의 선택은 본 발명의 나노섬유 복합 단방향 패브릭의 방호 성능에 미치는 영향이 비교적 크며, 폴리우레탄 유액에 비해, SIS 유액은 그 분자 세그먼트에 15wt%만이 강성 폴리스티렌 세그먼트이고, 85wt%가 연성 폴리이소프렌 세그먼트이기 때문에, 상응하는 UD 패브릭은 방탄복과 같은 연질 방호에 더욱 적합한 반면, 폴리우레탄 가교 정도가 더욱 높아, 상응하는 UD 패브릭은 방탄 헬멧, 방탄판과 같은 경질 방호에 더욱 적합하였다. 동일한 표면밀도 상황에서, 본 발명의 폴리우레탄을 접착제의 수지 매트릭스로 사용하여 제조한 UD 패브릭의 방탄 성능은 SIS를 접착제의 수지 매트릭스로 사용하여 제조한 UD 패브릭보다 우수하였다. 그러나, 연성 재료로서, 본 발명의 SIS를 접착제의 수지 매트릭스로 사용하여 제조한 UD 패브릭의 방탄 성능은 종래의 연성 방호 재료보다 유의하게 향상되었으며, 연질 방호 측면에서 우수한 활용 전망을 나타냈다. 상이한 수지 시스템 하에서, 복합 파라-아라미드 나노섬유의 방탄 헬멧은 그 방탄 성능이 모두 향상되었다.
비록, 상술한 구체적인 구현예에서 바람직한 방안을 결합하여 본 발명을 상세하게 해석하고 설명하였으나, 본 발명을 기반으로 한 개선 또는 수정은 모두 본 발명의 동등한 범주 내에 속한다. 따라서 본 발명은 개시된 구현예으로 한정되지 않아야 하며, 상술한 청구범위는 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. 나노섬유 복합 단방향 패브릭으로서,
    상기 나노섬유 복합 단방향 패브릭은 적어도 2개의 단방향 시트층 및 인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유를 포함하고, 상기 단방향 시트층은 단방향으로 배치된 고성능 섬유 및 접착제를 포함하고, 상기 접착제는 나노섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노섬유 복합 단방향 패브릭.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유 복합 단방향 패브릭은 하기와 같은 특징들 중 하나 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는, 나노섬유 복합 단방향 패브릭:
    인접한 2개의 단방향 시트층의 고성능 섬유 배치 방향 사이의 협각은 90±10°임;
    상기 고성능 섬유의 질량은 상기 나노섬유 복합 단방향 패브릭 총 질량의 70% 내지 90%를 차지함;
    상기 접착제의 질량은 상기 나노섬유 복합 단방향 패브릭 총 질량의 14.32% 내지 14.76%를 차지함;
    상기 인접한 단방향 시트층 사이에 위치한 나노섬유의 질량은 상기 나노섬유 복합 단방향 패브릭 총 질량의 0.24% 내지 0.68%를 차지함;
    상기 나노섬유 복합 단방향 패브릭에 2개의 단방향 시트층이 포함될 경우의 표면밀도는 70g/m2 내지 350g/m2이며, 바람직하게는 100g/m2 내지 300g/m2이고, 보다 바람직하게는 120g/m2 내지 250g/m2임;
    상기 접착제에서, 나노섬유가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 5% 내지 50%이며, 바람직하게는 5% 내지 30%이고, 보다 바람직하게는 14% 내지 30%임; 및
    상기 고성능 섬유의 인장 강도는 20g/d 이상이고, 초기 모듈러스는 40GPa임.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고성능 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 아라미드 섬유, 폴리이미드 섬유 및 폴리벤즈 옥사졸 섬유 중 하나 이상으로부터 선택되고, 바람직하게는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 및/또는 아라미드 섬유이고, 보다 바람직하게는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 및/또는 파라-아라미드 섬유이고; 및/또는, 상기 고성능 섬유의 인장 강도는 1.8GPa 이상이고, 초기 모듈러스는 85GPa 내지 170GPa이고, 파단 신장율은 3.5% 이상인 것을 특징으로 하는, 나노섬유 복합 단방향 패브릭.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유는 아라미드 나노섬유이고, 바람직하게는 파라-아라미드 나노섬유이고; 및/또는, 상기 나노섬유의 섬유 길이는 50nm 내지 100nm이고, 비표면적은 50m2/g 내지 500m2/g인 것을 특징으로 하는, 나노섬유 복합 단방향 패브릭.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접착제는 수지 매트릭스를 포함하고, 상기 수지 매트릭스는 폴리우레탄, 스티렌 블록 공중합체 및 폴리아크릴레이트 중 하나 이상으로부터 선택되고, 바람직하게는 폴리우레탄 또는 스티렌 블록 공중합체이고; 바람직하게는, 상기 수지 매트릭스는 스티렌-이소프렌-스티렌 블록 공중합체이고; 및/또는
    상기 수지 매트릭스의 인장 강도는 15MPa 내지 40MPa인 것을 특징으로 하는, 나노섬유 복합 단방향 패브릭.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 나노섬유 복합 단방향 패브릭은 하기 특징들 중 하나 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는, 나노섬유 복합 단방향 패브릭:
    상기 접착제에서, 수지 매트릭스가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 30% 내지 80%, 바람직하게는 40% 내지 80%임;
    상기 접착제에서, 수지 매트릭스와 나노섬유의 질량비는 1:(0.1 내지 1), 바람직하게는 1:(0.1 내지 0.6)임; 및
    상기 접착제는 첨가제를 더 포함하고, 바람직하게는, 첨가제가 접착제에서 차지하는 질량 분율은 25%를 초과하지 않음.
  7. 나노섬유 복합 단방향 패브릭의 제조 방법으로서,
    상기 방법은:
    (1) 단방향으로 배열된 고성능 섬유 및 접착제를 포함하는 단방향 시트층을 제조하는 단계 ― 여기에서, 접착제는 나노섬유를 포함함 ― ;
    (2) 단방향 시트층 상에 나노섬유의 수분산액을 분무하고, 건조시킨 다음, 단방향 시트층을 적층시키는 단계; 및
    (3) 적층된 단방향 시트층에 대해 열압착 복합을 수행하여, 나노섬유 복합 단방향 패브릭을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방법은 하기 특징들 중 하나 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는, 방법:
    단계 (1)에서, 접착제의 수분산체를 단방향으로 배치된 고성능 섬유 상에 부착하고, 건조시켜, 단방향 시트층을 획득하며; 바람직하게는, 상기 접착제 수분산체에서, 물과 나노섬유 이외의 고체 성분의 질량비는 7:3 내지 4:6이고, 바람직하게는 7:3 내지 5:5이고, 바람직하게는, 단방향으로 배치된 고성능 섬유 상에 부착된 접착제 수분산체의 두께는 0.01mm 내지 0.1mm임;
    단계 (2)에서, 인접한 2개의 단방향 시트층 사이에서 나노섬유의 수분산액의 분무량은 1g/m2 내지 10g/m2임임;
    단계 (2)에서, 적층할 때, 인접한 2개의 단방향 시트층의 고성능 섬유 배치 방향 사이의 협각은 90±10°임; 및
    단계 (3)에서, 열압착 온도는 70℃ 내지 120℃이고, 열압착 압력은 0.1MPa 내지 2MPa임.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 방법은 하기 특징들 중 하나 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는, 방법:
    단계 (1)에서, 접착제의 수분산체를 단방향으로 배치된 고성능 섬유 상에 부착하고, 건조시켜, 단방향 시트층을 획득하며, 여기에서, 상기 고성능 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유이고, 상기 나노섬유는 파라-아라미드 섬유이고, 상기 접착제 수분산체에서, 나노섬유가 접착제 수분산체에서 차지하는 질량 분율은 2% 내지 20%이고, 바람직하게는 2% 내지 15%이고, 보다 바람직하게는 10% 내지 13%이고, 단방향으로 배치된 고성능 섬유 상에 부착된 접착제 수분산체의 두께는 0.01mm 내지 0.05mm임;
    단계 (2)에서, 인접한 2개의 단방향 시트층 사이에서 나노섬유의 수분산액의 분무량은 1g/m2 내지 5g/m2이고, 상기 나노섬유의 수분산액에서, 나노섬유가 나노섬유의 수분산액에서 차지하는 질량 분율은 2% 내지 20%이고, 바람직하게는 2% 내지 15%이고, 보다 바람직하게는 10% 내지 13%이고, 적층할 때, 인접한 2개의 단방향 시트층의 고성능 섬유 배치 방향 사이의 협각은 90±10°임; 및
    단계 (3)에서, 열압착 온도가 70℃ 내지 120℃이고, 열압착 압력이 0.1MPa 내지 2MPa임.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조한 나노섬유 복합 단방향 패브릭으로서,
    바람직하게는, 상기 나노섬유 복합 단방향 패브릭이 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 나노섬유 복합 단방향 패브릭인, 나노섬유 복합 단방향 패브릭.
  11. 접착제 수분산체로서,
    상기 접착제 수분산체는 수지 매트릭스, 나노섬유, 물 및 선택적 첨가제를 포함하고,
    바람직하게는, 상기 접착제 수분산체는 하기 특징들 중 하나 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는, 접착제 수분산체:
    상기 접착제 수분산체에서, 물과 나노섬유 이외의 고체 성분의 질량비가 7:3 내지 4:6, 바람직하게는 7:3 내지 5:5임;
    상기 수지 매트릭스는 폴리우레탄, 스티렌 블록 공중합체 및 폴리아크릴레이트 중 하나 이상으로부터 선택되고, 바람직하게는 폴리우레탄 또는 스티렌 블록 공중합체이고; 바람직하게는, 상기 수지 매트릭스는 스티렌-이소프렌-스티렌 블록 공중합체임;
    상기 수지 매트릭스의 인장 강도는 15MPa 내지 40MPa임;
    상기 접착제 수분산체에서, 수지 매트릭스가 접착제 수분산체 고체 성분에서 차지하는 질량 분율은 30% 내지 80%, 바람직하게는 40% 내지 80%임;
    상기 나노섬유는 아라미드 나노섬유이고, 바람직하게는 파라-아라미드 나노섬유임;
    상기 나노섬유의 섬유 길이는 50nm 내지 100nm이고, 비표면적은 50m2/g 내지 500m2/g임; 및
    상기 접착제 수분산체에서, 나노섬유가 접착제 수분산체 고체 성분에서 차지하는 질량 분율은 5% 내지 50%이며, 바람직하게는 5% 내지 30%이고, 보다 바람직하게는 14% 내지 30%임;
    상기 접착제 수분산체에서, 수지 매트릭스와 나노섬유의 질량비는 1:(0.1 내지 1), 바람직하게는 1:(0.1 내지 0.6)임; 및
    상기 접착제 수분산체에서, 첨가제가 접착제 수분산체 고체 성분에서 차지하는 질량 분율은 25%를 초과하지 않음.
  12. 단방향 패브릭 제조 또는 단방향 패브릭의 방탄 성능 향상에서 제11항에 따른 접착제 수분산체의 용도.
  13. 단방향 패브릭 제조 또는 단방향 패브릭의 방탄 성능 향상에서 나노섬유의 수분산액의 용도로서,
    바람직하게는, 상기 수분산액의 수분산액은 하기 특징들 중 하나 이상을 구비하는, 용도:
    상기 나노섬유는 아라미드 나노섬유이고, 바람직하게는 파라-아라미드 나노섬유임;
    상기 나노섬유의 섬유 길이는 50nm 내지 100nm이고, 비표면적이 50m2/g 내지 500m2/g임; 및
    상기 나노섬유의 수분산액에서, 나노섬유가 나노섬유의 수분산액에서 차지하는 질량 분율은 2% 내지 20%이고, 바람직하게는 2% 내지 15%이고, 보다 바람직하게는 10% 내지 13%임.
  14. 방탄 제품으로서,
    상기 방탄 제품은 제1항 내지 제6항 및 제10항 중 어느 한 항에 따른 나노섬유 복합 단방향 패브릭을 포함하고; 바람직하게는, 상기 방탄 제품은 방탄복, 방탄 삽입판 및 방탄 헬멧을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방탄 제품.
  15. 단방향 시트층으로서,
    상기 단방향 시트층은 단방향으로 배치된 고성능 섬유 및 접착제를 포함하고, 상기 접착제는 나노섬유를 포함하고, 상기 단방향 시트층의 표면에는 나노섬유가 구비되고;
    바람직하게는, 상기 고성능 섬유, 상기 접착제 또는 상기 나노섬유는 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따르는 것을 특징으로 하는, 단방향 시트층.
  16. 단방향 시트층의 제조 방법으로서,
    상기 방법은:
    (1) 단방향으로 배열된 고성능 섬유 및 접착제를 포함하는 단방향 시트층을 제조하는 단계, ― 접착제는 나노섬유를 포함함 ― ; 및
    (2) 단방향 시트층 상에 나노섬유의 수분산액을 분무하고, 건조시키는 단계를 포함하고;
    바람직하게는, 상기 단계 (1)은 제8항 또는 제9항 중 단계 (1)에 따르고;
    바람직하게는, 상기 단계 (2)는 제8항 또는 제9항 중 단계 (2)에 따르는 것을 특징으로 하는, 방법.
  17. 제16항에 따른 방법으로 제조된 단방향 시트층으로서,
    바람직하게는, 상기 단방향 시트층은 제15항에 따른 단방향 시트층인, 단방향 시트층.
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