KR20230175141A - 방탄재, 이를 포함하는 물품 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 세라믹층; 상기 세라믹층의 하면에 위치하는 제1 내부 탄소 섬유층; 상기 제1 내부 탄소 섬유층의 하면에 위치하는 제1 폴리아라미드(Polyaramid) 직물층; 및 상기 제1 폴리아라미드 직물층의 하면에 위치하는 제1 외부 탄소 섬유층; 을 포함하고, 상기 세라믹층의 상면에 상기 세라믹층을 기준으로 높이 방향으로 순차 적층된 제2 내부 탄소 섬유층; 제2 폴리아라미드 직물층 및 제2 외부 탄소 섬유층을 더 포함하는 방탄재, 이를 포함하는 물품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 방탄 헬멧, 방탄복 등에 사용될 수 있는 방탄재, 이를 포함하는 물품 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 서로 다른 소재의 2 이상의 층을 서로 적층한 다층 구조를 가져도 층간 분리가 발생되지 않으며, 굴곡진 형상 등 다양한 형상으로 가공이 용이한 방탄재, 이를 포함하는 물품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
방탄재는 탄환이나 포탄의 파편 등으로부터 보호하기 위해 개발된 소재로서, 목적 그대로, 전쟁이나 테러 등의 특수 상황에서 사용되거나, 그 외, 사고 등의 발생 시에도 강력한 충격이나 마찰 등의 외력에 의한 부상을 방지하기 위한 목적 등과 같이 탄도성 충격이나 이에 버금 가능 강력한 충격에 대해 사람, 동물 또는 물건 등 대상을 보호하는 것을 돕기 위한 용도로서 사용된다.
일반적으로 방탄재는 움직이거나, 이동하는 대상에 착용, 장착하여 사용되는 용도가 많고, 특히, 방탄복이나 방탄 헬멧 등은 인간이 직접 착용하고 사용하여야 하는 점에서, 주요한 목적인 탄환이나 파편 등을 방어하는 외에, 경량성을 확보하는 것 또한 중요하다.
방탄재는 탄화물질, 세라믹과 같은 재료를 폴리에틸렌, 아라미드와 같은 섬유와 함께 사용하여, 여러 층으로 구성하거나, 강화 복하 소재로 구성되는 등 성능 강화를 위하여 다양한 방식과 재료가 시도되고 있다.
다만, 서로 다른 이종 재료 간에는 서로 상용성이 크지 않고, 이에 따라 재료 간에 상호 분리되거나, 시간 경과에 따라서 쉽게 제품의 파괴, 손상이 유발될 수 있는 문제가 있다.
한편, 방탄재를 이용한 헬멧이나 차량의 차체, 특수 형상으로 가공한 피스 등으로 제작하는 경우에는, 굴곡지거나 각진 형상으로 가공될 필요가 있으므로, 굴곡지거나 각진 형태로의 성형이 용이한 한편, 굴곡지거나 각진 부분은 쉽게 열화될 수 있으므로, 이를 방지하는 것이 필요하다.
대한민국 등록특허 제1964527호는 다층 구조 방탄재 및 그 제조방법으로서, 방탄직물을 절단하여 준비하는 단계, 방탄직물을 다층 구조로 적층하는 단계, 및 방탄직물의 다층 구조를 도트 타입 웰딩, 접착 또는 체결에 의해 서로 구속하는 단계를 포함하며, 도트 타입의 구속은 다층 구조의 방탄직물들이 수 밀리미터 이상 간격으로 서로 분리되고 이격된 점 형태의 복수의 도트 체결부들에 의해 층간 결합되는 형태를 포함하여 방탄 성능 시험 시 후면 변형을 감소시키기고, 유연성을 유지할 수 있고, 원사의 손상을 방지할 수 있는 기술을 개시하고 있다.
한편, 대한민국 등록특허 제1894815호는 EPI가 다른 복수의 일방향 아라미드 시트를 이용한 경량화된 방탄재에 관한 것으로서, EPI가 높은 일방향 아라미드 시트(UD)를 EPI가 낮은 일방향 아라미드 시트(UD)보다 전면에 위치하도록 적층하여 방탄성능을 향상시키고 경량화된 방탄재에 관한 기술을 개시하고 있다.
대한민국 등록특허 제1875393호는 방탄재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 폴리에틸렌 플레이트 및 상기 폴리에틸렌 상부에 하이브리드된 아라미드직물을 포함하고, 상기 아라미드 직물은 클로로술폰화폴리에틸렌으로 코팅된 것인, 전면부재; 상기 전면 부재의 폴리에틸렌 플레이트 배면에 부착된 다축직물층; 상기 다축직물층의 배면에 배치되는 것으로, 폴리에틸렌 일축섬유, 및 폴리에틸렌 일축섬유 하부에 하이브리드된 폴리프로필렌으로 코팅된 아라미드 직물을 포함하는 배면부재; 및 상기 배면부재의 배면에 부착된 공기주머니;를 포함하는, 충격파의 배면 전달성이 감소되고, 경량성은 향상된, 방탄재 및 이의 제조방법에 관한 기술을 개시하고 있다.
다만, 상기 기술은 층간 분리가 발생되지 않으며 변형, 손상이 방지되어 우수한 품질이 장기간 유지되고, 굴곡진 형상 등 다양한 형상으로 가공이 용이한 방탄재에 대해서는 개시하고 있지 않다.
따라서, 상기와 같은 방탄재에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 방탄 헬멧, 방탄복, 차체 등에 적용이 가능한 방탄재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 특히, 굴곡지고, 각진 형상 등과 같은 형태의 자유도가 큰 물품의 형상을 제작하는 것이 용이한 방탄재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 온도와 습도 변화에도 층간 분리가 발생되거나, 굴곡진 영역이나 각진 영역에서 표면에 금이 가거나 파손이 발생되지 않으며, 내구성과 내후성이 우수한 방탄재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 방탄재는 세라믹층; 상기 세라믹층의 하면에 위치하는 제1 내부 탄소 섬유층; 상기 제1 내부 탄소 섬유층의 하면에 위치하는 제1 폴리아라미드(Polyaramid) 직물층; 및 상기 제1 폴리아라미드 직물층의 하면에 위치하는 제1 외부 탄소 섬유층; 을 포함하고, 상기 세라믹층의 상면에 상기 세라믹층을 기준으로 높이 방향으로 순차 적층된 제2 내부 탄소 섬유층; 제2 폴리아라미드 직물층 및 제2 외부 탄소 섬유층을 더 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 방탄재는 각 층 사이에 에폭시 수지를 도포하여 접착한 것이고, 상기 세라믹층이 상기 제1 내부 탄소 섬유층 및 상기 제2 내부 탄소 섬유층과 접하고 있는 면에는 평균 길이 0.1 내지 0.2 mm인 탄소 섬유가 분산되어 있고, 상기 제1 내부 탄소 섬유층이 상기 제1 폴리아라미드 직물층과 접하는 면 및 상기 제2 내부 탄소 섬유층이 상기 제2 폴리아라미드 직물층과 접하는 면에는 평균 길이 0.4 내지 0.5 mm인 탄소 섬유가 분산되어 있는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 폴리아라미드 직물층 및 상기 제2 폴리아라미드 직물층은 표면에 세라믹 분말이 혼합된 파라핀 왁스를 단위 면적당 0.1 내지 0.2 kg/m2로 도포한 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 세라믹층은 세라믹 분말 100 중량부, 알긴산나트륨 1 내지 5 중량부, 펙틴 1 내지 5 중량부 및 에틸헥실아세테이트(Ethylhexyl acetate) 1 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 세라믹층; 상기 세라믹층의 하면에 위치하는 제1 내부 탄소 섬유층; 상기 제1 내부 탄소 섬유층의 하면에 위치하는 제1 폴리아라미드(Polyaramid) 직물층; 및 상기 제1 폴리아라미드 직물층의 하면에 위치하는 제1 외부 탄소 섬유층; 을 포함하고, 상기 세라믹층의 상면에 상기 세라믹층을 기준으로 높이 방향으로 순차 적층된 제2 내부 탄소 섬유층; 제2 폴리아라미드 직물층 및 제2 외부 탄소 섬유층을 더 포함하며, 상기 세라믹층은 알루미나 분말(Al2O3), 탄화규소 분말(SiC), 질화규소(Si3N4) 분말, 탄화붕소(B4C) 분말, 텅스텐카바이드(WC) 분말 및 텅스텐 보라이드(WB) 분말로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 방탄재를 제공한다.
본 발명은 또한, 세라믹 분말 100 중량부, 소듐알지네이트 1 내지 5 중량부, 펙틴 1 내지 5 중량부 및 에틸헥실아세테이트 1 내지 5 중량부를 포함하는 방탄재용 세라믹 조성물을 제공한다.
본 발명의 세라믹 조성물에 있어서, 상기 세라믹 분말은 알루미나 분말(Al2O3), 탄화규소 분말(SiC), 질화규소(Si3N4) 분말, 탄화붕소(B4C) 분말, 텅스텐카바이드(WC) 분말 및 텅스텐 보라이드(WB) 분말로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 방탄재로 제조된 물품으로서, 상기 물품은 방탄모, 방탄복, 차량용 부품, 오토바이용 부품 및 건축자재로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 물품을 제공한다.
본 발명에 따른 방탄재의 제조방법으로서, (a) 방탄재용 세라믹 조성물을 제조하는 단계, (b) 상기 방탄재용 세라믹 조성물을 평면 형태로 가공하고 이의 하부에 제1 내부 탄소 섬유층, 상기 제1 내부 탄소 섬유층의 하부에 제1 폴리아라미드 직물층 및 상기 제1 폴리아라미드 직물층의 하부에 제1 외부 탄소 섬유층을 적층하는 단계, (c) 상기 (b) 단계를 거친 상기 평면 형태의 세라믹 조성물의 상부에 제2 내부 탄소 섬유층과 상기 제2 내부 탄소 섬유층의 상부에 제2 폴리아라미드 직물층 및 상기 제2 폴리아라미드 직물층의 상부에 제2 외부 탄소 섬유층을 적층하는 단계, (d) 상기 (c) 단계에서 제조된 적층체를 성형하는 단계, (e) 상기 (d) 단계에서 제조된 성형체를 5 내지 10℃의 온도로 유지하며 10 내지 30 분간 휴지시키는 단계, (f) 상기 (e) 단계를 거친 성형체의 외부 표면에 초음파를 10 내지 20분간 가하고, 진공 챔버에 넣어 20 내지 30분간 유지하는 단계 및 (g) 상기 (f) 단계를 거친 성형체의 내부 표면과 외부 표면에 적외선을 3 내지 5시간 동안 조사하는 단계를 포함하는 방탄재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방탄재의 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서, 상기 제1 폴리아라미드 직물층의 하부에 폴리술폰캡슐을 분사한 후, 제1 외부 탄소 섬유층을 적층하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 방탄재의 제조방법에 있어서, 상기 폴리술폰캡슐은 1 내지 2 ㎛(마이크로미터)의 두께를 갖는 구형의 폴리에틸렌 캡슐 내에 폴리술폰이 내장되어 있고, 상기 폴리술폰캡슐은 60 내 120 초 동안 마이크로웨이브를 조사하면 구형의 폴리에틸렌 캡슐이 파괴되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 방탄재의 제조방법에 있어서, 상기 (g) 단계는 적외선과 마이크로웨이브를 함께 조사하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 방탄재의 제조방법에 있어서, 상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계에서 제조된 적층체를 성형 몰드에 넣어 가압한 상태에서 20 내지 30 초 동안 마이크로웨이브를 조사한 후, 100 내지 150분 동안 100 내지 150℃의 온도로 유지하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 방탄재는 굴곡이 큰 형태나 구형에 가까운 형태 등과 같이 곡률이 큰 형태나 굴곡진 형태 등 다양한 형태로 성형하기 용이한 효과를 갖는다.
본 발명에 따른 방탄재는 이종 소재 간의 부착력이 우수하여 장기간 우수한 품질이 유지되는 효과를 갖는다.
본 발명에 따른 방탄재는 다양한 온도와 습도 변화에도 변형되거나 파괴되지 않는 특성을 갖는다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
본 발명에 사용된 "바람직한" 또는 "바람직하게는"은 특정 조건에서 특정 장점을 갖는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 그러나, 다른 실시예 또한 동일 조건 또는 다른 조건에서 바람직할 수 있다. 또한, 하나 이상의 바람직한 실시예는 다른 실시예가 유용하지 않다는 것을 의미하는 것은 아니며, 본 발명의 범위 내에 있는 다른 실시예를 배제하는 것도 아니다.
본 명세서에 사용된 "포함한다"는 용어는 본 발명에 유용한 재료, 조성물, 장치, 및 방법들을 나열할 때 사용되며 그 나열된 예에 제한되는 것은 아니다.
특히, 본 발명에서 "포함한다"는 용어는 구성요소를 그대로 포함하는 상태, 구성요소를 전구물질로 하여 가공된 상태, 가공된 후에 구성요소를 만족하는 상태 등과 같이 다양한 상태를 지칭하는 것이며, 그 나열된 예에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 방탄재는 서로 다른 2 이상의 층을 적층하여 접착제로 합지시킨 다층 구조의 방탄재로서, 세라믹층; 상기 세라믹층의 하면에 위치하는 제1 내부 탄소 섬유층; 상기 제1 내부 탄소 섬유층의 하면에 위치하는 제1 폴리아라미드(Polyaramid) 직물층; 및 상기 제1 폴리아라미드 직물층의 하면에 위치하는 제1 외부 탄소 섬유층; 을 포함하고, 상기 세라믹층의 상면에 상기 세라믹층을 기준으로 높이 방향으로 순차 적층된 제2 내부 탄소 섬유층; 제2 폴리아라미드 직물층 및 제2 외부 탄소 섬유층을 더 포함한다.
가장 중심부에 위치하는 세라믹층을 중심으로, 세라믹층의 양면으로 대칭된 층구조를 갖도록 구성된다.
구체적으로, 세라믹층의 하면과 상면에는 각각 제1 내부 탄소 섬유층과 제2 내부 탄소 섬유층이 위치하고, 이의 하면과 상면에 각각 제1 폴리아라미드 직물층과 제2 폴리아라미드 직물층이 위치하고, 이의 하면과 상면에 각각 제1 외부 탄소 섬유층과 제2 외부 탄소 섬유층이 위치하는 적층 구조를 가지며, 각 층의 사이에는 접착제로 접착되어 있다.
상기 세라믹층은 본 발명에 따른 방탄재의 중심부에 위치하여, 방탄재의 형상을 목적하는 형상으로 성형이 가능하도록 구성된다. 세라믹층은 이의 상부와 하부에 탄소 섬유층과 폴리아라미드 직물층이 부착된 상태에서 양면에 가해진 전자기파에 의하여 경화된다. 경화 전에는 그 모양의 성형이 가능한, 된 반죽과 같은 형태의 조성물로 제조되어 탄소 섬유층과 폴리아라미드 직물층을 적층한 상태로 목적하는 형태로 성형한 후에 경화 가공을 통하여 최종 방탄재로 완성된다.
상기 세라믹층은 세라믹 분말 100 중량부, 알긴산나트륨 1 내지 5 중량부, 펙틴 1 내지 5 중량부 및 에틸헥실아세테이트(Ethylhexyl acetate) 1 내지 5 중량부를 포함하는 방탄재용 세라믹 조성물로 제조된다.
상기 세라믹 분말은 알루미나 분말(Al2O3), 탄화규소 분말(SiC), 질화규소 분말(Si3N4), 탄화붕소 분말(B4C), 텅스텐카바이드 분말(WC) 및 텅스텐 보라이드 분말(WB)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는, 알루미나 분말과 탄화붕소 분말을 1: 2~4 중량비율로 포함하는 것일 수 있고, 가장 바람직하게는, 알루미나 분말과 탄화붕소 분말을 1: 3 중량비율로 포함하는 것일 수 있다.
상기 세라믹 분말의 혼합물로 구성함으로써, 강성이 커서 쉽게 손상되거나 파괴되지 않으며, 특히, 성형 후 경화 가공하였을 때 세라믹층이 완전 경화되지 않고, 내부에서 일부 유동성을 갖는 반죽 형태로 유지되면서, 충격을 흡수할 수 있는 장점을 갖게 된다.
알긴산나트륨은 알긴산의 염으로서, 알긴산은 미역, 다시마 등의 갈조식물의 세포벽에 함유되어 있는 산이다. 상기 방탄재용 세라믹 조성물에 있어서, 반죽의 점도를 부여하고, 세라믹 분말 간의 결합력을 향상시키는 역할을 한다.
펙틴은 셀룰로스-헤미셀룰로스 네트워크를 둘러싸는 수화된 겔로 갈락토스의 산화물인 갈락튜론산이 주성분인 다당류이다. 네트워크의 집적과 붕괴를 막는 친수성 충전재로 작용하며 세포벽의 고분자에 대한 다공성을 결정하는 역할을 담당한다. 알긴산나트륨과 마찬가지로, 방탄재용 세라믹 조성물을 된 반죽 형태로 형성하는 역할을 한다.
따라서, 상기 알긴산나트륨과 펙틴을 상기 함량보다 과량으로 첨가하는 경우에는, 방탄재의 성형, 경화 후에 세라믹층에 크랙이 형성되기 쉽고, 이는 방탄재 자체의 방탄, 방검 성능을 저하시키는 문제를 발생시킬 수 있다.
상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는, 세라믹 분말 간의 결합력이 저하됨에 따라, 오히려 세라믹층의 견고함이 떨어지고, 이로 인하여, 방탄, 방검 성능의 저하를 유발할 수 있다.
한편, 상기 에틸헥실아세테이트는 대표적인 극성 용매로서, 휘발성이 낮고, 다양한 레진, 왁스, 오일 등의 용제로 사용되는 화합물이다. 본 발명에서는, 세라믹 분말, 알긴산나트륨 및 펙틴과 함께 혼합하여 반죽의 유동성을 갖도록 하는 역할을 한다. 특히, 극성을 가지기 때문에, 세라믹 성분과 알긴산나트륨 및 펙틴을 고르게 혼합, 분산시키는 기능을 한다.
세라믹 분말 100 중량부를 기준으로, 1 내지 5 중량부로 첨가될 수 있고, 바람직하게는 3 내지 5 중량부로 첨가될 수 있다.
상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 세라믹 조성물의 유동성이 증가하고, 반죽 상태로 제작하기 어려워져, 다른 탄소 섬유층, 폴리아라미드 직물층과 적층하여 방탄재로 제작하기 어려운 문제가 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는, 세라믹 분말과 충분히 혼합되지 않아, 세라믹층의 결합력이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 제1 내부 탄소 섬유층과 제2 내부 탄소 섬유층은 세라믹층의 하면과 상면에 각각 위치하여, 세라믹층을 중심으로 대칭된 형태로 적층된다.
상기 제1 내부 탄소 섬유층과 상기 제2 내부 탄소 섬유층은 서로 동일한 섬유의 구성과 섬유의 배열방향 내지는 직조 방법 등을 갖는 동일한 조건의 탄소 섬유층을 사용할 수도 있고, 서로 다른 조건의 탄소 섬유층을 적층할 수도 있다.
예를 들면, 연속한 복수개의 탄소 섬유가 일방향으로 나열되어, 바인더, 폴리머 등에 의하여 하나의 시트로 접합된 것일 수 있고, 서로 다른 복수개의 탄소 섬유가 수직으로 직교하여, 평직, 수자직 등의 직조 방법으로 직조되어 직물과 같은 형태의 탄소 섬유층을 구성할 수 있다.
바람직하게는, 서로 다른 복수개의 연속한 탄소 섬유를 씨실과 날실로 하여 평직으로 직조하여 얻어진 직물 형태의 탄소 섬유층으로 구성할 수 있다.
상기 탄소 섬유층을 구성하는 탄소 섬유는 굵기의 제한없이 필요에 따라 적절히 선택하여 사용될 수 있으나, 바람직하게는, 12k인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 굵기인 것을 사용하는 경우에 가장 큰 내구성을 발휘할 수 있는 점에서 유리한 장점이 있다.
한편, 상기 세라믹층과 상기 제1 내부 탄소 섬유층, 상기 제2 내부 탄소 섬유층이 접하는 면에는 접착을 위하여 에폭시 수지를 도포하는데, 이 때, 이종 소재 간의 부착력을 향상시키기 위해 평균 길이 0.1 내지 0.2 mm인 탄소 섬유를 더 추가하여 구성할 수 있다.
상기 에폭시 수지를 도포하기 전에 단섬유 형태의 탄소 섬유를 균일하게 분산시킨 후, 탄소 섬유가 분산된 에폭시 수지를 도포하여 사용할 수 있다.
에폭시 수지 내에 단섬유 형태의 탄소섬유를 분산시킴으로써, 세라믹층과 내부 탄소 섬유층 간의 결합력과 친화력을 보다 향상시킬 수 있다.
특히, 후술할 바와 같이 방탄재의 제조 과정 중에서, 성형체의 외부 표면에 초음파를 가하고, 진공 챔버에 넣는 과정을 거침으로써, 세라믹층에 단섬유 형태의 탄소 섬유가 세라믹층의 표면에서 일정한 방향으로 균일하게 분산될 수 있게 되어 내부 탄소 섬유층과의 친화력이 향상될 수 있게 된다.
상기 단섬유 형태의 탄소 섬유는 단위 면적당 15,000 내지 20,000개/m2 수준으로 첨가될 수 있다.
상기 개수보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 단섬유 형태의 탄소 섬유에 의해서 결합면이 과하게 덮게 되고 이로 인해서 세라믹층과 내부 탄소 섬유층 상호 간의 결합력은 떨어지게 되는 문제가 있다.
상기 개수보다 소량으로 첨가되는 경우에는, 첨가에 따른 층간 친화력, 부착력의 개선 효과가 미미한 문제가 있다.
상기 제1 내부 탄소 섬유층과 상기 제2 내부 탄소 섬유층의 외면, 즉, 상기 세라믹층과 접하는 면의 반대면에 적층되는 제1 폴리아라미드 직물층과 상기 제2 내부 탄소 섬유층과 상기 제2 내부 탄소 섬유층의 외면에 적층되는 제2 폴리아라미드 직물층은, 폴리아라미드 섬유를 직조하여 제조된 시트 형태의 직물층이다.
상기 제1 폴리아라미드 직물층과 상기 제2 폴리아라미드 직물층은 섬유의 굵기, 직조 방법 등에 관해서는 특별히 제한없이, 방탄재에 적용 가능한 범위에서 다양한 변형이 가능하다.
상기 제1 폴리아라미드 직물층과 상기 제2 폴리아라미드 직물층은 각 층의 표면에 세라믹 분말이 혼합된 파라핀 왁스를 단위 면적당 0.1 내지 0.2 kg/m2로 도포한 것일 수 있다.
이 때의 세라믹 분말은, 바람직하게는, 방탄재용 세라믹 조성물과 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
세라믹 분말이 혼합된 파라핀 왁스를 도포함으로써, 직물 내에 세라믹 분말이 침투되도록 구성하여, 곡선 형태나 꺾인 형태로 성형하는 경우에도, 성형된 모양 그대로 견고하게 유지될 수 있는 장점을 갖는다.
상기 단위면적당 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 파라핀 왁스의 함량이 과다하여 내부 탄소 섬유층과 외부 탄소 섬유층과의 결합력이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 상기 단위면적당 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는, 휘어진 형태나 꺾인 부분에서 강성이 저하되거나, 원하는 모양대로 유지되지 않고 쉽게 변형될 수 있는 장점이 있다.
상기 제1 폴리아라미드 직물층과 상기 제1 내부 탄소 섬유층은 에폭시 수지에 의하여 접착되고, 상기 제2 폴리아라미드 직물층과 상기 제2 내부 탄소 섬유층 또한 에폭시 수지에 의하여 접착된다. 폴리아라미드 직물층과 내부 탄소 섬유층 사이의 에폭시 수지에는 평균 길이 0.4 내지 0.5 mm인 탄소 섬유가 분산되며, 단위 면적당 5000 내지 10,000개/m2의 수준으로 첨가될 수 있다.
이는 서로 다른 이종 재질의 층간 결합력을 향상시키기 위한 것이며, 나아가, 두 층간의 마찰력을 향상시켜, 서로 미끌어져 분리되는 것을 방지하기 위함이다.
상기 개수보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 층간 결합력이 오히려 저하되는 문제가 있고, 상기 개수보다 소량으로 첨가되는 경우에는, 층간 결합력 개선 효과가 미미한 문제가 있다.
상기 제1 폴리아라미드 직물층의 외면, 즉, 상기 제1 내부 탄소 섬유층과 접하는 면의 반대면에 적층되는 제1 외부 탄소 섬유층과 상기 제2 폴리아라미드 직물층의 외면에 적층되는 제2 외부 탄소 섬유층은 상술한 내부 탄소 섬유층과 동일한 조건의 탄소 섬유층을 사용하는 것도 가능하고, 서로 상이한 조건의 탄소 섬유층을 사용하는 것 또한 가능하다.
바람직하게는, 동일한 조건의 탄소 섬유층을 사용함으로써, 순차로 적층된 상태에서 폴리아라미드 직물층의 상부와 하부에서 직물의 교차점이 상호 어긋나도록 구성되는 것이 바람직하다. 이로써, 층간의 이격이 발생되거나, 불필요한 미세 공간이 형성되지 않게 되어, 내구성이 보다 향상되는 장점이 있다.
본 발명에 따른 방탄재는 곡선형, 꺾인 형상 등과 같은 다양한 형상으로 제작이 가능한 특성을 가짐에 따라, 목적에 따라 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
예를 들어, 방탄모, 방탄복, 차량용 부품, 오토바이용 부품 및 건축자재로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명은 또한, 상술한 방탄재의 제조방법으로서, (a) 방탄재용 세라믹 조성물을 제조하는 단계;
(b) 상기 방탄재용 세라믹 조성물을 평면 형태로 가공하고 이의 하부에 제1 내부 탄소 섬유층, 상기 제1 내부 탄소 섬유층의 하부에 제1 폴리아라미드 직물층 및 상기 제1 폴리아라미드 직물층의 하부에 제1 외부 탄소 섬유층을 적층하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계를 거친 상기 평면 형태의 세라믹 조성물의 상부에 제2 내부 탄소 섬유층과 상기 제2 내부 탄소 섬유층의 상부에 제2 폴리아라미드 직물층 및 상기 제2 폴리아라미드 직물층의 상부에 제2 외부 탄소 섬유층을 적층하는 단계;
(d) 상기 (c) 단계에서 제조된 적층체를 성형하는 단계;
(e) 상기 (d) 단계에서 제조된 성형체를 5 내지 10℃의 온도로 유지하며 10 내지 30 분간 휴지시키는 단계;
(f) 상기 (e) 단계를 거친 성형체의 외부 표면에 초음파를 10 내지 20분간 가하고, 진공 챔버에 넣어 20 내지 30분간 유지하는 단계; 및
(g) 상기 (f) 단계를 거친 성형체의 내부 표면과 외부 표면에 적외선을 3 내지 5시간 동안 조사하는 단계;
를 포함하는 방탄재의 제조방법을 제공한다.
상기 (a) 단계는, 방탄재용 세라믹 조성물을 제조하는 단계로서, 상술한 방탄재용 세라믹 조성물에 관한 설명을 참고할 수 있다.
세라믹 분말, 알긴산나트륨, 펙틴 및 에틸헥실아세테이트를 혼합하여 반죽상태의 방탄재용 세라믹 조성물을 제조한다.
상기 (b) 단계는 상기 방탄재용 세라믹 조성물을 평면 형태로 평평하게 성형한 후, 이의 하부에 제1 내부 탄소 섬유층, 이의 하부에 제1 폴리아라미드 직물층, 이의 하부에 제1 외부 탄소 섬유층을 적층하는 단계이다.
각 층의 사이에는 에폭시 수지를 도포하여 각 층간 접착이 가능하도록 구성하고, 상술한 바와 같이, 각 층에 적합한 탄소 섬유를 분산시킨 에폭시 수지를 사용하여 각 층간의 결합력을 향상시킨다.
필요에 따라서는, 상기 제1 폴리아라미드 직물의 하부에 폴리술폰캡슐을 분사한 후, 제1 외부 탄소 섬유층을 적층하도록 구성될 수 있다.
상기 폴리술폰캡슐은 1 내지 2 ㎛(마이크로미터)의 두께를 갖는 구형의 폴리에틸렌 캡슐 내에 폴리술폰이 내장되어 있고, 상기 폴리술폰캡슐은 60 내지 100초 동안 마이크로웨이브를 조사하면 구형의 폴리에틸렌 캡슐이 파괴되는 것일 수 있다.
마이크로웨이브 조사에 의하여 폴리에틸렌 캡슐이 파괴되면 내부의 폴리술폰이 토출되고, 이는 폴리아라미드 직물층과 외부 탄소 섬유층의 직물 사이로 침투하여, 보다 견고하게 부착되도록 구성된다.
상기 폴리에틸렌 캡슐의 두께가 상기 두께보다 두꺼운 경우에는, 마이크로웨이브의 조사에 의해 쉽게 파괴되지 않는 문제가 있고, 상기 두께보다 얇은 경우에는, 성형 후에 최종 경화 단계 전에 먼저 캡슐이 파괴될 수 있고, 해당 캡슐 두께를 제조하는 것 자체가 어려운 문제가 있다.
상기 (c) 단계는 상기 세라믹층을 중심으로 하부에 적층된 층과 대칭되도록 제2 내부 탄소 섬유층, 제2 폴리아라미드 직물층 및 제2 외부 탄소 섬유층을 순차로 적층하는 단계이다.
마찬가지로, 각 층의 사이에는 에폭시 수지를 도포하고, 각 층에 적합한 길이와 개수를 만족하는 단섬유 형태의 탄소 섬유를 분산시킨 에폭시 수지를 도포한다.
상기 (d) 단계는 상기 단계에서 제조된 적층체를 성형하는 단계로서, 프레스 금형에 넣어 눌러 성형하거나, 몰드에 두고 압력을 가하는 형태로 성형한다.
본 발명에서는 특히, 곡선 형태, 꺾인 형태와 같은 다층의 적층 구조로 구현하기 어려웠던 형상을 성형하기 용이한 장점을 갖는다.
상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계에서 제조된 적층체를 성형 몰드에 넣어 가압한 상태에서 20 내지 30 초 동안 마이크로웨이브를 조사한 후, 100 내지 150분 동안 100 내지 150℃의 온도로 유지하는 것일 수 있다.
마이크로웨이브의 조사 시간이 길어지는 경우,
상기 (e) 단계는 각 층 사이의 에폭시 수지가 각 섬유층, 직물층에 충분히 결합되도록 하며, 세라믹층과 탄소 섬유층, 폴리아라미드 직물층 등이 충분히 상호 작용하여 결합력을 향상시키는 단계이다. 휴지시키는 단계를 통하여, 에폭시 수지에 사이에 존재하는 불필요한 기포 등이 제거된다.
상기 (f) 단계는 성형체의 외부 표면에 초음파를 가하는 단계로서, 이 단계를 통해, 각 층 사이에 위치한 탄소 섬유가 일정한 방향으로 배열된다. 초음파에 의한 진동에 의해서, 균일한 길이를 가진 단섬유 형태의 탄소 섬유가 일정한 방향으로 일부 정렬된다. 그 직후, 바로 진공챔버에 넣음으로써, 정렬된 탄소 섬유가 각 층에 보다 견고히 붙게 되고, 미세 기포가 제거되어 부피가 감소되고, 내구성이 향상된다.
상기 (g) 단계는 성형체의 내부 표면과 외부 표면에 적외선을 조사함으로써, 방탄재의 형상을 영구히 굳히는 단계이다. 이 과정을 통하여, 불안정한 방탄재의 형태를 완전히 고정하게 된다. 이 단계에서 마이크로웨이브를 조사할 수 있고, 이를 통하여, 상술한 폴리술폰캡슐이 파괴되어, 내부의 폴리술폰이 토출된다. 이 과정을 통해서 방탄재의 최종 형태로 경화된다.
이하에서는, 본 발명을 실시예에 기초하여 상세히 설명한다.
<실시예 1>
알루미나 분말과 탄화붕소 분말을 1: 3 중량비율로 혼합한 세라믹 분말 100 중량부, 소듐알지네이트 3 중량부, 펙틴 2 중량부 및 에틸헥실아세테이트 5 중량부를 혼합하여 반죽 상태의 방탄재용 세라믹 조성물을 제조하였다.
12k 탄소 섬유를 평직으로 제조하고 평균 길이 0.1 내지 0.2 mm인 단섬유 형태의 탄소 섬유를 분산시킨 에폭시 수지를 세라믹층의 양면에 도포한 후, 탄소 섬유 직물을 양면에 접합한다(단위 면적당 약 15,000~16,000개/m2).
알루미나 분말과 탄화붕소 분말을 1: 3 중량비율로 혼합한 세라믹 분말 100 중량부와 파라핀 왁스 50 중량부를 혼합하여 코팅액을 제조하고, 이를 준비된 폴리아라미드 직물의 양면에 도포하여 12시간 동안 건조한다.
평균 길이 0.4 내지 0.5 mm인 단섬유 형태의 탄소 섬유를 분산시킨 에폭시 수지를 세라믹층에 부착된 탄소 섬유 직물의 외면에 도포하고, 코팅된 폴리아라미드 직물을 부착한다.
제조된 적층체를 방탄 조끼 형상의 몰드에 넣어 가압한 상태에서 20 내지 30 초 동안 마이크로웨이브를 조사한 후, 100 내지 150분 동안 100 내지 150℃의 온도로 유지하여 형태를 성형한 후, 5℃의 온도로 유지하며 30 분간 휴지시킨다. 성형체의 외부 표면에 25 Hz의 초음파를 10분 동안 조사하고, 진공챔버에 넣어 30 분간 유지한다. 마지막으로 내부 표면과 외부 표면에 적외선을 3시간 동안 조사하여 최종 경화시킨다.
<실시예 2>
상기 실시예 1에서, 2 ㎛(마이크로미터) 두께의 폴리에틸렌 캡슐의 내부에 폴리술폰이 내장된 캡슐을 폴리아라미드 직물층이 외부 탄소 섬유층과 접하는 면에 에폭시 수지를 도포한 다음 그 위에 분사한 것과, 적외선 조사 후에 마이크로웨이브를 2분 동안 조사하고, 120℃의 온도로 120분 동안 유지하는 과정을 추가로 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
<비교예 1>
시중에서 판매 중인 방탄 조끼의 외부 원단을 제거하고 내장재를 준비하였다.
[실험방법]
1. 방탄재 내구성 평가
실시예와 비교예의 시편 중 평평한 부위에 대해, 1 m의 높이에서 20kg 무게추를 떨어트려 시편의 파손여부를 확인하였다.
2. 특수 형상 부위의 내구성 평가
상기 1. 과 동일한 방법으로 수행하되, 굴곡진 형상의 볼록한 부분의 중심에 동일한 방법으로 수행하였다.
3. 층간 박리 평가
시편을 일측 단부에 대해 반복적으로 상기 1. 의 무게추를 15회 떨어트린 후, 측면에서 층간 박리 여부를 육안으로 확인하여 평가하였다.
| 실시예1 | 실시예 2 | 비교예 1 | |
| 내구성 평가1 | 5 | 5 | 4 |
| 특수 형상 부위 내구성 평가2 | 4 | 5 | 3 |
| 층간 박리 평가 | 4 | 5 | 3 |
*파손 정도에 따라 0점(일부 분리됨)~5점(일부 실금 발생)을 부여
상기 표 1을 참고하면, 실시예 1과 2의 경우 비교예와 대비하여, 내구성이 우수하며, 특히, 굴곡진 형상 부위에서의 내구성 또한 우수함을 확인할 수 있다.
특히, 실시예의 시편은 층간 박리 평가에서도 우수한 평가를 받았는 바, 기존의 방탄재와 대비하여 내구성과 층간 부착력이 우수한 장점을 가짐을 확인할 수 있다.
Claims (13)
- 세라믹층; 상기 세라믹층의 하면에 위치하는 제1 내부 탄소 섬유층; 상기 제1 내부 탄소 섬유층의 하면에 위치하는 제1 폴리아라미드(Polyaramid) 직물층; 및 상기 제1 폴리아라미드 직물층의 하면에 위치하는 제1 외부 탄소 섬유층; 을 포함하고,
상기 세라믹층의 상면에 상기 세라믹층을 기준으로 높이 방향으로 순차 적층된 제2 내부 탄소 섬유층; 제2 폴리아라미드 직물층 및 제2 외부 탄소 섬유층을 더 포함하는 방탄재. - 제1항에 있어서,
상기 방탄재는 각 층 사이에 에폭시 수지를 도포하여 접착한 것이고,
상기 세라믹층이 상기 제1 내부 탄소 섬유층 및 상기 제2 내부 탄소 섬유층과 접하고 있는 면에는 평균 길이 0.1 내지 0.2 mm인 탄소 섬유가 분산되어 있고,
상기 제1 내부 탄소 섬유층이 상기 제1 폴리아라미드 직물층과 접하는 면 및 상기 제2 내부 탄소 섬유층이 상기 제2 폴리아라미드 직물층과 접하는 면에는 평균 길이 0.4 내지 0.5 mm인 탄소 섬유가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는, 방탄재.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 폴리아라미드 직물층 및 상기 제2 폴리아라미드 직물층은 표면에 세라믹 분말이 혼합된 파라핀 왁스를 단위 면적당 0.1 내지 0.2 kg/m2로 도포한 것인, 방탄재.
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹층은 세라믹 분말 100 중량부, 알긴산나트륨 1 내지 5 중량부, 펙틴 1 내지 5 중량부 및 에틸헥실아세테이트(Ethylhexyl acetate) 1 내지 5 중량부를 포함하는 방탄재.
- 세라믹층; 상기 세라믹층의 하면에 위치하는 제1 내부 탄소 섬유층; 상기 제1 내부 탄소 섬유층의 하면에 위치하는 제1 폴리아라미드(Polyaramid) 직물층; 및 상기 제1 폴리아라미드 직물층의 하면에 위치하는 제1 외부 탄소 섬유층; 을 포함하고,
상기 세라믹층의 상면에 상기 세라믹층을 기준으로 높이 방향으로 순차 적층된 제2 내부 탄소 섬유층; 제2 폴리아라미드 직물층 및 제2 외부 탄소 섬유층을 더 포함하며,
상기 세라믹층은 알루미나 분말(Al2O3), 탄화규소 분말(SiC), 질화규소(Si3N4) 분말, 탄화붕소(B4C) 분말, 텅스텐카바이드(WC) 분말 및 텅스텐 보라이드(WB) 분말로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 방탄재.
- 세라믹 분말 100 중량부, 소듐알지네이트 1 내지 5 중량부, 펙틴 1 내지 5 중량부 및 에틸헥실아세테이트 1 내지 5 중량부를 포함하는 방탄재용 세라믹 조성물.
- 제6항에 있어서,
상기 세라믹 분말은 알루미나 분말(Al2O3), 탄화규소 분말(SiC), 질화규소 분말(Si3N4), 탄화붕소 분말(B4C), 텅스텐카바이드 분말(WC) 및 텅스텐 보라이드 분말(WB)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 방탄재용 세라믹 조성물.
- 제1항에 따른 방탄재로 제조된 물품으로서,
상기 물품은 방탄모, 방탄복, 차량용 부품, 오토바이용 부품 및 건축자재로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 물품.
- (a) 방탄재용 세라믹 조성물을 제조하는 단계;
(b) 상기 방탄재용 세라믹 조성물을 평면 형태로 가공하고 이의 하부에 제1 내부 탄소 섬유층, 상기 제1 내부 탄소 섬유층의 하부에 제1 폴리아라미드 직물층 및 상기 제1 폴리아라미드 직물층의 하부에 제1 외부 탄소 섬유층을 적층하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계를 거친 상기 평면 형태의 세라믹 조성물의 상부에 제2 내부 탄소 섬유층과 상기 제2 내부 탄소 섬유층의 상부에 제2 폴리아라미드 직물층 및 상기 제2 폴리아라미드 직물층의 상부에 제2 외부 탄소 섬유층을 적층하는 단계;
(d) 상기 (c) 단계에서 제조된 적층체를 성형하는 단계;
(e) 상기 (d) 단계에서 제조된 성형체를 5 내지 10℃의 온도로 유지하며 10 내지 30 분간 휴지시키는 단계;
(f) 상기 (e) 단계를 거친 성형체의 외부 표면에 초음파를 10 내지 20분간 가하고, 진공 챔버에 넣어 20 내지 30분간 유지하는 단계; 및
(g) 상기 (f) 단계를 거친 성형체의 내부 표면과 외부 표면에 적외선을 3 내지 5시간 동안 조사하는 단계;
를 포함하는 방탄재의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (b) 단계에서, 상기 제1 폴리아라미드 직물층의 하부에 폴리술폰캡슐을 분사한 후, 제1 외부 탄소 섬유층을 적층하는 것인, 방탄재의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 폴리술폰캡슐은 1 내지 2 ㎛(마이크로미터)의 두께를 갖는 구형의 폴리에틸렌 캡슐 내에 폴리술폰이 내장되어 있고,
상기 폴리술폰캡슐은 60 내 120 초 동안 마이크로웨이브를 조사하면 구형의 폴리에틸렌 캡슐이 파괴되는 것인, 방탄재의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (g) 단계는 적외선과 마이크로웨이브를 함께 조사하는 것인, 방탄재의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계에서 제조된 적층체를 성형 몰드에 넣어 가압한 상태에서 20 내지 30 초 동안 마이크로웨이브를 조사한 후, 100 내지 150분 동안 100 내지 150℃의 온도로 유지하는 것인, 방탄재의 제조방법.
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