KR960007472B1 - 내탄도성 유리섬유 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

내탄도성 유리섬유 복합체 및 이의 제조방법
상당히 다양한 군사장비용 구조재 및 구조 패널(panel)로서 사용하기 위한 고강도 섬유를 함유하는 내탄도품은 공지되어 있다. 따라서, 성공적인 섬유중에서도 훨씬 성공적인 섬유는 폴리아미드, 특히 폴리(페닐 렌디아민 테레프탈아미드)이다. 직물 형태인 이러한 섬유는 통상 열경화성 수지로 이루어진 복합품으로 봉입하거나 함입시키는 방법에서 사용한다.
복합체를 다양한 내탄도 적용분야에 광범위하게 적용시키기 위해서는, 복합체의 중요특성도 마찬가지로 광범위하게 균형잡는 것이 중요하다. 이러한 용도의 범위는 구조적 외장재로부터 스펄 억제 라이너(spall suppression linet)까지 이다. 특성으로는 물론, 보다 나은 탄도능이 포함된다. 즉, 복합체는 탄도성 외장재 시스템으로서 만족스럽게 작용한다. 기타의 요구되는 특성은, 재료가 경질이고 자체 지지형이며 기계가 공성이고, 내구력이 있는 두꺼운 부품으로 제조될 수 있으며 내화성이고 내연성이며 무독성이고 비전도성이며 열적으로 절연성이라는 점이다. 하나의 중요 특성은 복합체를 용이하게 절단 및 정도할 수 있으며 타바이드 팁(tip) 또는 다이아몬드 팁을 사용하여 천공할 수도 있다는 점이다. 이처럼 요구되는 특성이 균형잡힌 복합체는 용이하게 제조되지 않거나 널리 이용할 수 없다.
통상적으로 사용하는 적층물, 또는 복합체는 폴리아르아미드, 및 폴리비닐 부티랄, 페놀 포름알데히드, 트리메틸올페놀과 무수 프탈산과의 경화된 반응생성물인 적층화 수지를 이용한다. 이러한 적층물은 외장재용 및 스펄 라이너용으로 유용하지만, 이의 결점중에서 더욱 주목할만한 하나의 결점은, 이러한 적층물을 용이하게 기게가공할 수 없으며 쉽게 손상(스크래칭 등)될 수 있다는 점이다. 이러한 적층물은 소정의 중량/ft2에 대해 통상 상당히 두껍고 부피가 크며, 더우기 좌굴(buckling)되기 쉽고 변형되기 쉽다. 이러한 특성으로 인하여, 군사적용에 있어서 매우 귀중한 공간이 소비된다.
따라서, 상당히 다양한 구조적 외장재용 및 스펄 라이너용으로 유용하도록 하기 위한 특성이 균형잡히고 폴리아르아미드 이외의 물질로 제조하는 복합체에 대한 요구가 당해 분야에 있었음을 알게 될 것이다. 또한, 더욱 용이하게 기계가공할 수 있으며 내수성 및 내후성이 양호한 내탄도성 복합체에 대한 요구도 있다. 또한, 중량을 기준으로 하여 탄도능이 증진된 복합체에 대한 요구가 있으며, 주어진 면적밀도에서 탄도능[V50보호탄도성 한도치(PBL)]이 증진되 물질에 대한 요구가 있음도 명백할 것이다. 이렇게 요구되는 다수의 특성을 갖는 이러한 유형의 물질은 확실히 본 발명에 따라 제조되며, 단위면적당 주어진 중량에 대한 부피가 커지지 않으며, 내좌굴성 및 내변형성은 양호하다.
이와 같이, 본 발명에 따라, 내화성이고 내연성이며 무독성이고 비전도성이며 자체 지지형이고 경질이며 구조적 외장재에 사용하고 내탄도성 라이너로서 사용할 수 있을 정도로 기계가공성이며 두껍고 강한 내탄도성 물질을 제조한다. 이들 복합체의 중요 특징은 이들 복합체가 양질의 균일한 복합체이며 두꺼운 부품조차, 포획된 부산물인 수분의 존재에 의해서는 손상되지 않는다는 점이다.
이러한 복합체는 우선, 용이하게 취급할 수 있는 프리프레그(prepreg)를 제조하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 당해 프리프레그는 인터레이스된(interlaced) 고강도 알루미노 규산마그네시아 유리섬유의균형잡힌 대칭형 직물을, 부분 축합되어 추가로 축합시킬 수 있는 저분자량 페놀 포름알데히드 레졸 반응생성물 용액으로 피복시키거나 함침시키고, 당해 용액으로부터 용매를 증발시켜 제조한다. 이어서, 피복되거나 함침된 직물을 이의 겔화점과 거의 같은 온도로 가열하여, 레졸 분자량을 증가시킴으로써 용이하게 취급할 수 있는 프리프레그를 제조한다. 이어서, 프리프레그층을 우선 접촉압력하에 수지의 겔화점과 거의 같은 온도로 가열하고, 당해 온도에서 부산물인 수분이 점진적으로 제거되는 접촉 압력하에 유지시킴으로써 프리프레그층을 성형한다. 이어서, 당해 층을 승온으로 가열하고 당해 온도에서 유지시켜 수지를 완전히 중축합시키고 경화시킨다. 이러한 프리프레그로 이루어진 다수의 층이 성형될 것이고, 따라서 면적밀도가 약 12.2kg/m2(2.5lb/ft2)보다 큰 복합체가 제조된다. 전형적으로는, 본 발명에 따라 제조된 적층 복합체 패널은, 약 22.0 내지 약 25.4kg/m2(4.5 내지 5.21lb/ft2)의 면적 밀도 및 약 12.7mm(1/2in)의 두께로 성형되었을 때, V50값(보호탄도성 한도치, PBL)이 발사체 유형의 2.6g 강철의 7.62mm 분획을 사용할 때 약 827.5 내지 873m/sec(2,715 내지 2,865ft/sec) 또는 그 이상이다. 이들 값은 미합중국 특히 제4,664,967호에 보고된 값보다 상당히 높다.
발명의 수행하기 위한 최고의 실시 양태
본 발명을 실시함에 있어서, 종래의 장치 및 기술은 프리프레그의 제조 및 프리프레그의 최종 복합품으로의 압축성형 둘다를 위하여 이용할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 프리프레그를 제조하는 경우, 인터레이스된 고강도 알루미노 규산마그네시아 유리섬유로 이루어진 직물을 페놀 포름알데히드 수지 용액으로 침지시키고 닙롤을 통과시켜, 용매를 증발시키고 추가의 조절된 축합 열처리를 수행하여 취급가능한 프리프레그를 제조할 수 있다. 프리프레그 재료로 이루어진 다수의 층을 압축성형함은 상업적으로 구입가능한 어떠한 압축성형장치를 이용해서라도 수행할 수 있다.
압축성형된 프리프레그층의 갯수는 통상 면적밀도가 약 12.2kg/m2(2.5lb/ft2) 이상인 최종 복합품을 제조하기에 충분할 것이다. 기타의적용(예 : 선박 기판 적용)을 위해서는 통상, 밀도가 약36.6kg/m2(7.5lb/ft2) 이상, 전형적으로는 약 35.6 내지 약 41.5kg/m2(7.5 내지 8.5lb/ft2)인 복합체를 제조하는 것이 바람직할 것이다. 만족스러운 차량 스펄 라이너는 약 19kg/m2(3.9lb/ft2) 이상 , 전형적으로는 약 19 내지 약 25.4kg/m2(3.9 내지 5.21lb/ft2)의 면적밀도를 제공하기에 충분한 갯수의 층을 이용함으로써 제공된다. 통상, 약 13 내지 약 26개의 층은 우수한 생성물을 제공한다. 전형적으로는, 최종 생성물 중의 유리 함량이 약 78 내지 약 84중량%인 우수한 복합체가 수득된다. 통상, 본 발명의 내탄도성 패널은 두께가 약 6.4mm(1/4in) 이상일 것이고 76.2mm(3in) 이상만큼 두꺼울 수 있다. 본 발명의 최종 내탄도성 복합체의 굴곡강도는 전형적으로, 약 172,369KPa(25,000psi) 이상일 것이고 굴곡 탄성율은 통상 약 27.6×106KPa(4,000,000psi) 이상일 것이다.
지적한 바와 같이, 인터레이스된 고강도 알루미노 규산마그네시아 유리섬유로 이루어진 균형잡힌 대칭형 직물을 이용한다. 인터레이스된 섬유로 이루어진 균형잡힌 대칭형 직물이란 간격이 대량 수평과 수직 방향으로 동일한 동일 중량의 유리섬유로 이루어진 집적체를 함유하는 직물을 의미한다. 바람직한 직물은 2축 대칭인 직물이다. 따라서, 예를 들면, (±45) 나선형 필라멘트 권취 유리 매트를 스티칭된 유리선유 집적체와 동시에 이용할 수 있지만, 제직된 유리 로우빙을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 제직된 로우빙은 평직 또는 능직(예 : 1:3)일 수 있거나, 대칭형 구조가 균형잡히도록 하는 수자직 또는 이를 변형한 것일 수 있다. 이용된 직물의 단위면적당 중량은 바람직하게는, 우수한 결과를 제공하는 약 569g/m2(24oz/yd)인 직물로 약 18 내지 약 48 이상일 것이다. 유리 직물의 인터레이스된 섬유는 통상 항복강도가 약 311m/kg(750 yd/lb) 미만일 것이다. 항복강도가 약 104m/kg(250yd/lb) 이상인 섬유를 이용하는 것이 바람직하다. 직물 또는 로우빙을 형성하며 직경이 G 또는 K인 모노필라멘트 섬유는 고도로 바람직한 결과를 제공한다. 이들 모노필라멘트 섬유는 직경이 약 15μ 이하, 통상저긍로는 약 8 내지 약 15μ이다.
본 명세서에서 사용된 알루미노 규산마그네시아 유리섬유는 고강도 섬유이며 전형적으로는 인장강도가 약 3.5×106KPa(500,000psi) 이상이다. 이들 섬유는 대충, 실리카가 중량의 약 2/3이고, 전형적으로는 약 65중량%이며, 1/3은 마그네시아이고 알루미나는 마그네시아보다 많이 존재한다. 우수한 결과를 위해서는, 알루미나는 전형적으로, 약 25중량%을 것이고 마그네시아는 약 10중량%일 것이다.
최상의 결과는 섬유가 충격 박리가능한 매수성 호제 피복물로 피복된 경우에 수득된다. 바람직한 호제 피복물은 에폭시계 필름 형성제와 에폭시 실란 커플링제를 기타의 통상적인 물질과 함께 함유하는 호제이다. 호제의내수성은 섬유 복합체를 약 2시간 동안 침지시킨 다음, 건조시키는 비등수 시험으로 시험할 수 있다. 원래 굴곡강도의 약 80% 이상에서 유지되는 섬유는 내수성이 충분하다(보다 상세히는 ASTM-D 570 및 ASTM D 790 참조). 충격 박리가능한 호제란 공정도중에 유리섬유 다발을 액체 매트릭스 수지 속에 넣는 경우에는 유리섬유를 잘 분산시키지만, 복합 매트릭스 속에 넣는 경우에는 가호된 섬유가, 수지 매트릭스와 계면 전단강도을 나타내거나 점착되어 필라멘트와 다발을 박리시키며 이동시킴으로써 압축 전단 실패의 균형을 이룸을 의미한다. 후자의 특징은 ASTM-D 695(복합체 두께를 통과하는 압축시험)에 의해 평가할 수 있다. 41, 369KPa(6,000psi) 미만의 짧은 빔시험에 의한 계면전단강도는 약 13,790KPa(2,000psi)에서 수득되는 양호한 결과로 바람직하다. 압축시험값은 약 620, 528KPa(90,000psi) 이상, 바람직하게는 약 689,476KPa(100,000psi) 이상이 바람직하며, 약 689,476 내자 827,371KPa(100,000 내지 120,000psi)은 양호한 결과를 제공하는 값이다.
페놀 포름알데히드 수지는 레졸 페놀계이며 신규하지 않은 공지된 것이다. 이들 수지 유형은 과거에, 통상의 기술[예 : 핸드 레이-업(gand lay up), 열성형, 진공사출성형, 필라멘트 권취, 인출성형 또는 프리프레그 기술]로 페놀계 수지-섬유 복합체를 제조하는데 사용해 왔다. 만족스러운 결과는 포름알데히드 대 페놀의 반응물 몰비가 약 1:1 내지 약 3:1, 바람직하게는 약 1:1 내지 약 2:1이며, 이때 약 1.1:1 내지 약 1.5 또는 1.6:1에서 최상의 결과를 수득하는 수지를 이용함으로써 수득할 것이다. 상기 몰비가 3:1이상인 경우에, 내탄도능 또는 저지능(stopping power)은 만족스러울 수 있지만 탄도성 충격에 대한 손상면적은 증가된다. 손상면적은 복합물 변형과 국소적인 탈층화 또는 분리를 둘다 포함한다.
이들 수지는 저분자량 물질이며, 우수한 결과는 중량평균 분자량이 약 200 내지 약 800인 수지를 사용하여 수득해 왔다. 수지는 시판 중이며 용매용액으로 공급된다. 최상의 결과는 용액이 유리 포름알데히드와 동시에 유리 페놀을 함유하는, 부분축합되어 추가로 축합 가능한 저분자량 페놀 포름알데히드 레졸의 용매용액을 이용하여 수득해 왔다. 용액은 또한 유리수를 함유할 도 있다. 이용된 전형적인 용매는 에틸 알콜, 이소프로필 알콜 및 메틸에틸 케톤 또는 이들의 혼합물이다. 최상의 결과는 약 500 내지 700중량%의 고체, 약 2 또는 3중량% 내지 약 16 또는 17중량%의 유리 페놀 및 약 0.1 내지 약 2중량%의 유리포름알데히드를 함유하는 용매용액을 이용하여 수득해 왔다. 우수한 결과는 약 60 내지 66중량5의 고체, 약 1중량%의 유리 포름알데히드 및 약 5 내지 약 16 중량%의 유리 페놀을 사용하여 수득한다. 최상의 결과를 제공하는 용액은 24% 또는 15%의 에틸 알콜 또는 이소프로필 알콜을 함유하며, 이때 후자가 바람직하고 유리수는 약 10% 미만이다. 프리프레그를 제조하기 위하여 전형적으로 이용된 용액의 점도는 약 100 내지 약 400cP이다.
일단, 인터레이스된 유리섬유로 된 직물을 레졸 페놀 용액을 사용하여 함침시키거나 피복하고 용액을 증발시키면, 재료가 수지의 겔화점과 거의 같은 온도로 가열되고 당해 온도에서, 수지의 분자량을 증가시키고 실온으로 냉각시킬 경우에 용이하게 취급할 수 있는 프리프레그를 제조하기에 충분한 시간 동안 유지될 것이다. 물론, 당해 분야의 숙련가는 취급가능성을, 적절한 드리이프성, 적절한 주름 및 양호한 기계가공성을 포함하는 상당히 다양한 중요 특성의 의미로 이해할 것이다. 본 명세서에서 사용하는 바와같은 겔화점이란 레졸 페놀계 수지의 점도가 다소 급격하고 약간 극적으로 상승되는 단계를 의미하고 통상은 점도가 시간 및/또는 온도에 따라 상승하는 속도를 의미한다. 겔화점은 통상, 약 135 내지 약 142℃(275 내지 290°F)이다. 가열단계 이후에, 레졸 페놀은 분자량이 증가하지만 통상은 여전히 약 1,500 미만이어서, 상당량의 올리고머가 존재함을 나타낸다. 가열단계가 충분한 시간 동안 수행되지 않는 경우, 취급가능한 프리프레그가 제조되지 않을 것이다. 전형적으로는, 당해 프리프레그가 너무 주름잡혔고 이동시키기가 상당히 어려울 것이다. 과도한 가열단계로 인하여, 당해 단계에서 너무 많은 중축함이 발생하며, 따라서, 성형도중의 응고를 어렵게 할 것이다. 위의 단계 이전에 수지를 가열함으로써, 부분 축합되어 추가로 축합가능한 레졸은 반응열이 약 100 내지 약 250J/g이다. 충분한 가열단계는 통상, 반응열이 저하된 수지(예 : 반응열이 약 10 내지 약 90J/g인 추가로 축합가능한 수지를 제공하기에 충분한 수지)를 생성시킬 것이다. 이와는 달리, 일단 용매가 증발되면, 고체량이 증가되고 약 64 내지 약 72%로 유지되는 충분한 시간 동안 레졸 수지 물질을 가열할 수 있다.
경우에 따라, 또한 당해 분야의 숙련가에게는 명백한 바와 같은 각종 보조제, 촉매 또는 기타의 물질을 용매용액에 첨가하여 최종 생성물의 특징에 유리하게 영향을 주거나, 이들을 제조할 수 있는 속도를 증진시킬 수 있다. 따라서, 예를 들면, 경우에 따라 루이스산과 같은 산을 첨가하여 경화속도를 증진시킬 수 있다. 붕산 및 p-톨루엔 설폰산이 특히 바람직하다. 카본 블랙을 각종 목적을 위하여 첨가할 수 있다. 페놀계의 통상적인 유동특성을 돕는 것 외에, 착색을 위해서 카본 블랙을 소량(예 : 1 내지 2중량%) 사용하는 것이 바람직하다. 1 내지 5중량%의 카본 블랙은 또한, UV 보호를 제공할 것이며, 보다 높은 비율(약 15중량% 이하)은 전기 전도성, 및 내탄도성 복합체의 제거열을 상승시킨다. 가장 바람직하게는 카본 블랙은, 이용하는 경우, 약 2 내지 7중량%의 양으로 이용될 것이고, 입자크기는 약 30 내지 70mμ일 것이다.
프리프레그 물질을 실온으로 냉각시킨 후, 프리프레그를 보관할 수 있거나, 경우에 따라 즉시 사용하여 최종 생성물을 제조할 수 있다. 최종 생성물은 다수의 프리프레그를 압축 금형속에 적층시킨 다음, 통제된 압력하에 통제적으로 가열하여, 포된 수증기가 부재하는 최종 생성물을 제조함으로써 수득한다. 상당히 놀랍게는, 본 교시에 따라 두꺼운 레졸 복합체[예 : 두께가 약 6.35mm(1/4in)이상인 복합체]를 용이하게 제조할 수 있으며, 상당히 놀랍게는, 더욱 두꺼운[예 : 12.7 내지 76.2mm(1/2 내지 3in) 이상] 복합체조차 제조할 수 있다. 당해 단계는, 상당히 놀랍게도, 포획된 수분으로 인한 유의한 문제없이도 수행할 수 있다. 한편, 선행 분야의 압축성형기술을 수행하는 경우, 이와 같은 두꺼운 제품을 제조할 수는 없을 것이다. 선행분야의 기술은 통상, 물질을 가열하고 약 166 내지 177℃(330 내지 350℉)에서 범핑(bumping)시키는 단계를 수반한다. 이러한 선행분야의 기술로 금형을 밀봉시키고 가압하고 약 166℃(330℉)로 가열한 다음, 금형을 개방하여 범핑시킨 후, 당해 주기를 임의로 반복한 다음, 최종 성형품을 수득한다. 선행분야에서의 이들 범핑주기는 두꺼운 복합체를 제조하는 동안 습윤성 부산물을 적절하게 제거하기에는 부적합하다.
본 발명에 따라, 압축 금형의 접촉압력하에 존재하는 동안의 겔화점, 및 응고시켜 휘발성 축합생성물을 제거하기 위한 온도 및 압력에서 유지되는 겔화점과 거의 같은 옵도로 프리프레그를 가열한다. 접촉압력은 본질적으로는, 실질적으로 확실한 가압없이도 본래 성형장치에 의해 적용되는 압력을 의미한다. 접촉압력은 비교적 큰 압축 성형기를 사용할 경우 약 207KPa(30psi) 이하일 수 있다[보다 작은 성형 장치를 사용하면 접촉압력은 약 13.8 내지 20.6KPA(2 내지 3lb/in2)일 것이다]. 이러한 접촉압력하에서 가열한 후의 성형압력은 증가되며 온도는 경화온도[예 :149 내지 177℃(340 내지 350℉)]로 증가된다. 이어서, 재료를 페놀-포름알데히드 반응생성물을 완전히 중축합시키고 가교결합된 구조물로 경화시키기에 충분한 시간 동안 유지시켜 전술한 특성을 갖는 내탄도성 페놀(직선형 및 곡선형을 포함)을 제조한다. 적당한 가열주기로 적층된 프리프레그층을 135℃(275℉) 이하의 접촉압력하에 가열하고 당해 온도에서 약 7분 동안 유지시킨 후, 압력을 상승시키고 온도를 171 내지 177℃(340 내지 350℉)로 증가시킬 수 있다. 이어서, 재료를 당해 온도에서 통상 약 793KPa(115psi)이상, 전형적으로는 약 793 내지 2,068KPa(115 내지 300psi)의 압력하에 약 30분동안, 유지시킨다. 당해 단계 후, 재료를 압력하에 약 65.6℃(150℉)로 냉각시킨 후, 압력을 제거하고 최종 생성물을 실온으로 냉각시킨다. 통상적으로 전술한 바와 같이, 최종 생성물의 면적밀도는 약 12.2kg/m2(2.5lb/ft2) 이상, 보다 바람직하게는 약 19.5kg/m2(4lb/ft2) 이상일 것이다. 당해 면적밀도는 물론, 최종 생성물을 압축성형시키는 중에 이용하는 층의 갯수를 변화시킴으로써 수득된다.
당해 분야의 숙련가는 위의 내용에 의해 본 발명을 수행하고 이용할 수 있지만, 더욱 구체적인 실시예는 다음과 같다.
본 발명은 유리섬유 복합체에 관한 것이고, 특히 내탄도성(ballistic resistant property) 유리섬유 복합체에 관한 것이다. 그외에도, 본 발명은 특히 라이너(liber) 또는 구조적 외장재로서 이용할 수 있는 두껍고 자체 지지가능한 내탄도성 섬유 복합체의 제조에 관한 것이다.
오웬즈-코닝 파이버글래스 코포레이션(Qwens-Corning Fiberglas Corporation)이 S-2 Glass, 250 AA463 5×5.12PW(필라멘트 직격이 G인 가호된 알루미노 규산마그네시아 유리섬유로 제직된 평직 로우빙)라는 상품명으로 시판하고 통상, S-2 Glass 생산 로우빙 항복강도가 104m/kg(250yd/lb)이고 1.9경사/cm(5경사/in) 및 2.0위사/cm(5.12위사/in)의 평직으로 구성되어 제직된 중량이 569h/m2(240oz/yd2)인 제직된 로우빙을 이용한다. 레졸 페놀계 용액은 보든 케미칼 캄파니(Borden Chemical Co.)가 SC 1008이라는 품명으로 시판하는 용액이다. 이는 고체를 약 60 내지 약 66중량%, 이소프로필 알콜을 용매로서 약 25중량% 함유하는 용액이다. 유리 포름알데히드는 약 1중량%이고 유리 페놀은 약 10 내지 16중량%이다. 이것은 pH가 약 8.0이고 점도는 약 180 내지 300cP이다. SC-1008 수지를 적용하고 닙 간격이 22 내지 26mil로 고정된 압축 롤러를 이용하여 제직된 로우빙으로 이동시킨다[이와는 달리, 닥터 블레이드(doctor blade)기술을 이용할 수 있다]. 용매를 증발시키고, 함침시킨 제직된 로우빙을 약 121 내지 135℃(250 내지 275℉)로 약 10 내지 12분 동안 가열한다. 페놀 포름알데히드의 반응열은 68% 고체에서 1g당 약 40J이다. 냉각시킨 후, 프리프레그를 종래의 박층물질을 사용하여 압축성형시킨다. 압축성형 장치는 또한, 방출물질로 처리하여 점성을 최소화시킬 수도 있다. 26개의 프리프레그층을 예열시킨 금형 속에 넣고, 이때 층은 약 12.7mm(1.5in)의 두께를 제공하기에 충분하다.
압축금형을 밀봉시키지만, 어떠한 확실한 압력도 금형에 가하지 않고 단지 성형장치의 접촉압력만 압력으로 적용한다. 이는 약 34.5KPa(5ln/in2)이다. 금형을 약 135℃(275℉)의 온도에 유지시키며 프리프레그층을 당해 온도에서 약 7분 동안 유지시킨다. 열전쌍을 이용하여 열이동을 측정하고 필수적으로, 프리프레그의 전체 질량이 135℃(275℉)에 도달하는지 7분 간격으로 확인한다. 당해 체류시간 후, 성형물을 가압[793 내지 2,068KPa(115 내지 300psi)]하고 171 내지 177℃(340 내지 350℉)로 가열한다. 당해 온도까지 도달하는데 약 15분이 걸리며, 프리프레그 물질을 당해 온도에서 약 30분 동안 유지시킨다. 이어서, 약 10분 간격으로 성형된 프리프레그를 압력하에 약 65.6℃(150℉)로 냉각시킨 다음, 압력을 제거하고 성형된 프리프레그를 실온으로 냉각시킨다. 제조된 재료는 태웠을 경우 내화성이고 내연성이며 거의 무독성이다. 적층물은 경질이고 자체 지지형이며, 다이아몬드 팁 및 카바이드 수 냉각 장치를 사용하여 용이하게 기계가공하며 포획된 수분이 거의 없다. 적층물의 두께는 약 12.7mm(1/2in)이고 면적밀도는 약 22 내지 약 25.4kg/m2(4.5 내지 5.2ln/ft2)이며 V50값은 발사체 유형의 2.6g(44그레인) 강철의 7.62mm(0.30구경) 분획을 사용할 때 약 827.5 내지 약 873m/sec(2,715 내지 2,l856ft/sec)이다. 이들은, 특히 스펄 라이너용으로 우수한 값이다.
한편, 대조시험에서 압축금형을 약 166 내지 177℃(330 내지 350℉)로 간단히 가열한 다음, 금형을 개방시켜 수증기를 방출시킨 다음, 밀봉시키고 계속 경화시킴으로써 범핑시키는 선행분야의 기술을 이용하는 경우, 양질의 생성물을 제조하는데 문제가 나타난다. 즉, 면적밀도가 큰 두꺼운 재료는 부산물 수분을 약 6.35mm(1.4in) 이상의 두께에서 제거할 수 없기 때문에 제조할 수 없다. 이러한 선행분야의 기술을 이용하여 이러한 복합체는 탄도능 수준이 허용가능하지 않다.
물론, 본 발명을 기술하는데 있어서, 본 발명의 범주 및 취지에 벗어나지 않는 한 특허법에 따른 변형이 가능하다는 사실은 명백하다.
산업적 적용 가능성
본 발명은 고감도 알루미노 규산마그네시아 유리 직물 및 페놀 포름알데히드 축합생성물로 이루어진 섬유 유리 복합체를 매트릭스 수지로서 기술하고 있다. 복합체는 탄도적 침투에 의한 내침투성이 높으며 외장재용으로 사용하거나 군사차량을 스펄 라이너로서 사용할 수 있다.

Claims (20)

  1. 박리가능한 내수성 호제 피복물이 피복되어 있고 항복강도가 311m;kg(750yd/lb) 미만인 인터레이스된(interlaced) 고강도 알루미노 규산마그네시아 유리섬유로 이루어진 균형잡힌 대칭형 직물을 부분축합되어 추가로 축합가느한 페놀 포름알데히드 레졸 반응 생성물 용액(이 용액은 유리 페놀과 유리 포름알데히드를 함유하며, 포름알데히드와 페놀을 1:1 내지 3:1 의 몰비로 반응시킴으로써 형성된다)으로 피복시키는 단계, 당해 용액으로부터 용매를 증발시키고, 레졸 피복된 직물을 페놀 포름알데히드 레졸 반응생성물의 겔화점 이하로 가열함으로써 레졸을 추가로 축합시켜 이의 분자량을 증가시키고, 반응생성물을 냉각시키고 취급가능한 프리프레그를 제조하는 단계, 다수의 프리프레그를 압축 금형속에 적층시키는 단계, 금형속의 프리프레그를 접촉압력하에 페놀 포름알데히드의 대략적인 겔화점 이하의 온도로 가열하고, 당해 온도에서 유지시켜 휘발성 축합 부산물을 방출시키는 단계 및 프리프레그를 접촉압력 이상의 압력하에, 페놀 포름알데히드 반응생성물을 거의 완전히 중축합시키고 경화시켜 면적밀도가 12.2kg/m2(2.5lb/ft2) 이상인 내탄도성(ballistic resistant) 유리섬유 복합체를 제조하기에 충분한 시간 동안 승온에서 추가로 가열하고, 프리프레그를 당해 온도에서 유지시키는 단계를 포함하여, 경질이고, 자체 지지형이며 기계가공성이고 두꺼우며 내화성이고 내연성인 내탄도성 유리섬유 복합체를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 직물이 평직 또는 능직으로 제직된 로우빙(roving)인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 섬유의 인장강도가 3.5×106KPa(500,000psi) 이상인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 내탄도성 유리섬유 복합체가 유리를 78 내지 84중량% 함유하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 섬유의 계면전단강도가 페놀 포름알데히드 레졸에 대하여 41,369KPa(6,000psi) 미만인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 내탄도성 유리섬유 복합체의 면적밀도가 19.5kg/m2(4lb/ft2) 이상인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 직물의 단위면적당 중량이 427 내지 1,139g/m2(18 내지 48oz/yd2) 이상인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 섬유의 필라멘트 직경이 8 내지 15μ이고 항복강도가 104m/kg(250yd/lb)인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 페놀 포름알데히드 레졸 수지가 포름알데히드와 페놀을 1.1:1 내지 1.6:1의 몰비로 반응시킴으로써 제조되는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 용액 중의 페놀 포름알데히드 레졸의 중량 평균 분자량이 200 내지 800인 방법.
  11. 제10항에 있어서, 피복된 직물이, 페놀 포름알데히드의 분자량이 1,500 이하까지 증가되기에 충분한 시간 동안 겔화전 이하로 가열되는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 접촉압력이 207KPa(30psi) 이하인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 겔화점이 135내지 143℃(275 내지 290℉) 방법.
  14. 제1항에 있어서, 용액 중의 페놀 포름알데히드 레졸의 분자량이 200 내지 800이고, 겔화점이 135 내지 143℃(275 내지 290℉)이며, 피복된 직물이, 레졸 분자량이 1,500 이하까지 증가되기에 충분한 시간 동안 가열되고, 가열 후의 레졸의 반응열이 10 내지 90J/g인 방법.
  15. 제14항에 있어서, 접촉압력이 20.7 내지 138KPa(3 내지 20psi)이고, 적층된 프리프레그가 접촉압력하에 135℃(275℉)에서 7분 이상 동안 유지되는 방법.
  16. 내좌굴성(resistant to buckling)이고 내변형성이며 내화성이고 내연성이며 기계가공성이고 자체 지지형이며 면적밀도가 12.2kg/m2(2.5lb/ft2)이상이고, 인터레이스된 균형잡힌 고강도 알루미노 규산마그네시아 유리섬유 직물층을 경화된 페놀 포름알데히드 레졸 수지 매트릭스 속에 다수 함유하며 포획된 수증기가 거의 없는 내탄도성 유리섬유 복합체.
  17. 제16항에 있어서, 굴곡강도가 172,369KPa(250,000psi) 이상이고 굴곡탄성율이 27.6×106KPa(4,000,000psi)이상인 복합체.
  18. 제17항에 있어서, 면적밀도가 22 내지 25.4kg/m2(4.5 내지 5.2lb/ft2)인 경우, V50값이 827.5 내지 873m/sec(2,715 내지 2.865ft/sec)인 복합체.
  19. 인터레이스된 고강도 알루미노 규산마그네시아 섬유로 이루어진 균형잡힌 대칭형 직물을 포름알데히드와 페놀을 1?1 내지 2?1의 몰비로 반응시킴으로써 형성되는 페놀 포름알데히드 레졸 반응생성물 용액으로 피복시키고, 피복된 직물을 135℃(275℉) 이하로 가열하고, 당해 온도에서 페놀 포름알데히드 반응생성물이 추가로 중합되도록 유지시킴을 포함하는 방법으로 제조한 다수의 프리프레그를 압축 금형속에 적층시키는 단계, 금형 속에 적층된 프리프레그를 접촉압력하에 135℃(275℉)로 가열하고 당해 온도에서 7분 이상 동안 유지시키는 단계, 성형압력을 793KPa(115psi) 이상으로 상승시키고, 프리프레그를 171℃(340℉) 이상의 온도로 가열하고, 프리프레그층을 당해 온도 및 압력하에서 페놀 포름알데히드 반응생성물을 거의 완전히 중축합시키고 내탄도성 유리섬유 복합체를 제조하기에 충분한 시간 동안 유지시키는 단계를 포함하여, 면적밀도가 12.2kg/m2(2.5lb/ft2) 이상이며 내화성이고 내연성이며 경질이고 자체 지지형이며 기계가공성인 내탄도성 유리섬유 복합체를 제조하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 용액이 카본 블랙을 함유하는 방법.
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