WO2014200276A2 - 방탄소재 - Google Patents

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WO2014200276A2
WO2014200276A2 PCT/KR2014/005152 KR2014005152W WO2014200276A2 WO 2014200276 A2 WO2014200276 A2 WO 2014200276A2 KR 2014005152 W KR2014005152 W KR 2014005152W WO 2014200276 A2 WO2014200276 A2 WO 2014200276A2
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김정하
이창배
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Definitions

  • the present invention relates to a bulletproof material, and more particularly, to a bulletproof material having a relatively light weight and softness, having excellent fit, and having high bulletproof performance and back deformation properties.
  • Bulletproof products are products for protecting the human body from bullets and shells and are required to have a good fit with excellent bulletproof performance.
  • the improvement of the wearing comfort of a bulletproof product causes the fall of a bulletproof performance.
  • US Patent Publication No. US2011 / 0219943 proposes a composite fabric including both a woven fabric of high strength fibers and a unidirectional fabric of high strength fibers in order to improve ballistic performance.
  • the publication teaches that it is preferable that the fabric of the composite fabric is not coated with a matrix resin, and that when it is coated, it is desirable to be coated with a matrix resin having the same or similar chemical structure as that of the unidirectional fabric.
  • Paragraph (0054) that bulletproof products comprising both woven and unidirectional fabrics not only have better ballistic performance than bulletproof products containing only unidirectional fabrics, but can further reduce rearward deformation due to bullet collisions. It is described (see the publication paragraph [0054]).
  • the present invention relates to a bulletproof material capable of preventing problems caused by the above limitations and disadvantages of the related art.
  • One aspect of the present invention is to provide a bulletproof material having a relatively light weight and softness and excellent fit while at the same time having high bulletproof performance and back deformation properties.
  • a bulletproof material having a front surface and the opposite rear surface to which the bullet will collide, comprising: a plurality of first fibrous layers located on the front side; And a second fibrous layer, wherein the first fibrous layers each have a network of high-strength fibers having a tenacity of at least 11 g / denier and a tensile modulus of at least 200 g / denier. And a second fiber layer comprises a network of carbon fibers.
  • the bulletproof material of the present invention is relatively lightweight, not only the rear deformation due to bullet collision is significantly reduced, but also the wearing comfort of the body armor manufactured therefrom is excellent due to its relatively soft characteristics.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a bulletproof material according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the bulletproof material according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the bulletproof material according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the bulletproof material according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the term 'high strength fiber' refers to a fiber having a tenacity of at least 11 g / denier and a tensile modulus of at least 200 g / denier.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a bulletproof material according to a first embodiment of the present invention.
  • the bulletproof material 100 has a front surface FS to which a bullet will collide, and a rear surface BS opposite thereto.
  • the bulletproof material 100 includes a plurality of first fibrous layers 110 positioned on the front surface FS side and a second fibrous layer 120 adjacent to the first fibrous layers 110.
  • the bulletproof material 100 may include an appropriate number of first and second fiber layers 110 and 120 in order to have a surface density satisfying the weight reduction requirement of the body armor, for example, a surface density of 3 to 6.8 kg / m 2 . Include. According to the first embodiment of the present invention, the bulletproof material 100 includes 10 to 32 plies of the first fibrous layers 110 and one second fibrous layer 120.
  • the first fibrous layers 110 located on the front side FS side comprise a network of high strength fibers having a strength of at least 11 g / denier and a tensile modulus of at least 200 g / denier.
  • the high strength fibers may be ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fibers or aramid fibers.
  • the network of high strength fibers is an aramid woven fabric comprising aramid fibers as warp and weft yarns.
  • Each of the fabrics has a surface density of 150 to 500 g / m 2 . If the surface density is less than 150 g / m 2 , there may be gaps in the fabric, which may cause a decrease in ballistic performance. On the other hand, weaving such that the surface density exceeds 500 g / m 2 causes a decrease in production efficiency.
  • the aramid fabric of the first fibrous layers 110 may be coated with a water repellent comprising a fluorocarbon, a crosslinking agent and a hardness-enhancing resin.
  • the fluorocarbon serves to impart water repellency to the first fibrous layers 110.
  • fluorocarbons hydroxylated perfluoroalkylethyl acrylate copolymers can be used.
  • the water repellent may further comprise a crosslinking agent, for example an isocyanate compound such as toluene diisocyanate or methylene diphenyl diisocyanate, in addition to the fluorocarbons.
  • a crosslinking agent for example an isocyanate compound such as toluene diisocyanate or methylene diphenyl diisocyanate, in addition to the fluorocarbons.
  • the water repellent may further include a hardness-enhancing resin such as polyvinylacetate.
  • the water repellent may further include an antifoaming agent (eg, dipropylene glycol) and an emulsion stabilizer (eg, malic acid) for removing bubbles.
  • an antifoaming agent eg, dipropylene glycol
  • an emulsion stabilizer eg, malic acid
  • the water repellent is 0.5 to 10% by weight of fluorocarbon, 0.5 to 10% by weight of hardness-reinforced resin, 0.5 to 5% by weight of crosslinking agent, 0.1 to 2% by weight of antifoaming agent, 0.1 to 2% by weight of emulsion Stabilizers, and 73 to 98.3 weight percent water.
  • the content of the fluorocarbon is less than 0.5% by weight it is difficult to expect the desired water repellency, if the content is more than 10% by weight may increase the flexibility of the bulletproof material (100) rather than increase the water repellency.
  • the content of the hardness-reinforced resin is less than 0.5% by weight, almost no improvement in back deformation properties of the bulletproof material 100 is observed, and when the content is more than 10% by weight, the flexibility of the bulletproof material 100 is lowered and manufactured therefrom. The fit of the body armor is greatly reduced.
  • the content of the crosslinking agent is less than 0.5% by weight, it is difficult to maintain the water repellency as desired, and when the content is more than 5% by weight, there is a problem in that the manufacturing cost is increased without any further effect.
  • the water repellent As a method for applying the water repellent on a network of high strength fibers, methods such as padding, coating, dipping, spraying, brushing, or film-coating may be used. After the water repellent is applied on the network, the heat treatment process may be performed at 120 to 200 °C for 15 to 150 seconds.
  • the network of high strength fibers of the first fibrous layers 110 may comprise a plurality of ultra high molecular weight polyethylene fibers and / or aramid fibers arranged in one direction, the network of high strength fibers comprising a polyurethane resin. It may be coated with a composition. Within each of the first fibrous layers 111, 112, 113 the high strength fibers are unidirectionally oriented in a substantially equilibrium. The high strength fibers of the first fiber layers 111, 112, and 113 may be coated with a composition including a polyurethane resin to maintain the arrangement of the high strength fibers. The composition may be sprayed onto the high strength fibers through a spray method, or applied to the high strength fibers in the form of a film.
  • the adjacent first fibrous layers 111 and 112 may be cross-plied such that the high strength fibers of the adjacent first fibrous layers 111 and 112 have an angle of about 90 °.
  • the cross-bonded first fibrous layers 111, 112 form one unidirectional fabric.
  • the unidirectional fabric may be composed of four fibrous layers each comprising ultra high density polyethylene fibers or aramid fibers arranged in one direction.
  • the four fiber layers can be cross-bonded such that the rotational angle of their high strength fibers is 0 ° / 90 ° / 0 ° / 90 °.
  • the second fibrous layer 120 located on the back side BS of the bulletproof material 100 includes a network of carbon fibers.
  • the network of carbon fibers may be a fabric comprising carbon spun yarns as warp and weft yarns.
  • the second fiber layer 120 has a surface density of 110 to 480 g / m 2 . If the surface density is less than 110 g / m 2 , gaps may exist in the second fiber layer 120, which may cause a decrease in ballistic performance. On the other hand, when the second fiber layer 120 is manufactured such that the surface density exceeds 480 g / m 2 , the weight reduction of the anti-ballistic material 100 may be inhibited or the ballistic resistance may be reduced (the first density in order to adjust the surface density of the anti-carbon material to an appropriate level). Reducing the number of fibrous layers).
  • the front surface (FS) of the bulletproof material 100 When the bulletproof material 100 is subjected to a physical impact by a bullet at the front surface (FS), the front surface (FS) of the bulletproof material 100 is locally deformed, the deformation of the front surface (FS) of the bulletproof material 100 Back deformation may occur that extends to the back side BS and exceeds the allowable safe separation distance. If the rear deformation of the bulletproof material 100 is serious it can cause fatal damage to the wearer.
  • the carbon fiber network of the second fiber layer 120 located on the back side (BS) of the bulletproof material 100 since the carbon fiber network of the second fiber layer 120 located on the back side (BS) of the bulletproof material 100 has a shock absorbing force close to zero, when it is impacted by a bullet collision, the impact is broken while surrounding the impact. It can be dispersed, and as a result can improve the back deformation characteristics of the bulletproof material (100).
  • the carbon fiber network has a relatively soft property compared to a stiff material such as a polypropylene film, which has been conventionally proposed for improving the back deformation property of the bulletproof material 100, it is more comfortable to wear than the polypropylene film. It can be provided in body armor.
  • the network of carbon fibers may be coated with a composition comprising a phenolic resin and a polyvinylbutyral resin.
  • the composition may include 20 to 70% by weight of phenol resin, 20 to 70% by weight of polyvinyl butyral resin, and 1 to 10% by weight of plasticizer.
  • the plasticizer may be dioctyl phthalate (DOP), dioctyl adipate (DOA), tricresyl phosphate (TCP), or diisononyl phthalate (DINP).
  • DOP dioctyl phthalate
  • DOA dioctyl adipate
  • TCP tricresyl phosphate
  • DINP diisononyl phthalate
  • the phenol resin of the composition further improves the hardness of the second fiber layer 120, and the polyvinyl butyral resin improves the adhesion between the first fiber layer 113 and the second fiber layer 120.
  • Examples of the method of coating the network of carbon fibers with the composition include a method of immersing the network in a solution containing the composition and a method of laminating the composition to a network of carbon fibers in a film form.
  • the network of carbon fibers is dipped in a composition diluted with a solvent (eg methanol) for 10 to 60 minutes.
  • a solvent eg methanol
  • the dipping process can be repeated several times so that the entire network of carbon fibers can be uniformly impregnated with the composition.
  • the diluting solvent is removed by the dipping process.
  • the step of squeezing the network of carbon fibers impregnated with the composition may be further performed prior to the drying process.
  • the squeegeeing process may be performed continuously using a pressure roller, or may be performed discontinuously using a pressure plate.
  • the carbon fiber network has a surface density of 100 to 400 g / m 2 , and the surface density and thickness to make the weight ratio of the composition to the network of the carbon fiber to 10 to 20%
  • the polymer film is formed to have.
  • the polymer film is then laminated onto one side of the network of carbon fibers. That is, the step of placing the polymer film on one side of the network of the carbon fiber, drying the network of the carbon fiber on which the polymer film is placed at 20 to 60 °C for 1 to 7 minutes, and the 100 to 130 °C
  • the steps of applying pressure to the network of carbon fibers and the polymer film are performed sequentially.
  • the drying process may be continuously performed using a chamber or the like.
  • the network of carbon fibers on which the polymer film is placed may be allowed to pass through the chamber (s) maintained at 20 to 60 ° C. at a rate of 4 to 20 m / min. If the drying temperature is less than 20 °C can not be dried smoothly, on the other hand if the drying temperature exceeds 60 °C by curing the composition of the polymer film may be reduced adhesion to the first fiber layer 113.
  • the pressing process may be performed continuously using a heated pressure roller, or may be performed discontinuously using a pressure plate.
  • one composite sheet is formed by passing a network of carbon fibers coated with the composition, that is, the second fiber layer 120 together with one first fiber layer 113, through a high temperature and high pressure press. This composite sheet is then bonded to the remaining first fibrous layers 111 and 112 with each other by, for example, a diamond stitching method.
  • the coating process and the composite sheet forming process may be performed simultaneously. That is, the polymer film is inserted between the network of carbon fibers and the first fiber layer 113 and passed through a chamber maintained at about 50 ° C., and then pressurized using a roller heated to about 160 ° C. 113) and the composite sheet of the second fiber layer 120 may be formed.
  • the anti-ballistic material 200 may include a plurality of first fiber layers 210 and adjacent to the first fiber layers 210 positioned on the front surface FS.
  • the second fibrous layer 220 and a third fibrous layer 230 positioned on the back side BS. That is, the second fiber layer 220 is located between the first fiber layers 210 and the third fiber layer 230.
  • the first and third fibrous layers 210, 230 comprise aramid fabric as a network of high strength fibers.
  • the aramid fabric may be coated with a water repellent comprising a fluorocarbon, a crosslinking agent, and a hardness-reinforced resin, wherein the crosslinker is an isocyanate-based compound and the hardness-reinforced resin is polyvinylacetate.
  • the second fiber layer 220 includes a network of carbon fibers.
  • the network of carbon fibers may be a fabric comprising carbon spun yarn as warp and weft yarns, and may be coated with a composition comprising a phenol resin and a polyvinyl butyral resin.
  • the bulletproof material 200 has an appropriate number of first to third fiber layers 210, 220, and 230 in order to have a surface density satisfying the weight reduction requirement of the body armor, for example, a surface density of 3 to 6.8 kg / m 2 . Included in combination.
  • the composite sheet After forming the composite sheet by passing the network of the carbon fiber coated with the composition, that is, the second fiber layer 220 together with the third fiber layer 230 at a high temperature and high pressure, the composite sheet was formed into the first fiber layer. And 210 in the lamination order shown in FIG. 2 by, for example, a diamond stitching method.
  • the coating process and the composite sheet forming process may be performed simultaneously. That is, the polymer film of the composition is inserted between the network of carbon fibers and the third fiber layer 230 and passed through a chamber maintained at about 50 ° C. and then pressurized using a roller heated to about 160 ° C. A composite sheet of the fibrous layer 220 and the third fibrous layer 230 may be formed.
  • the anti-ballistic material 300 includes a plurality of first fibrous layers 310 positioned on the front side FS and adjacent to the first fibrous layers 310.
  • the second fibrous layer 320 includes a third fibrous layer 330 positioned on the back side BS and a fourth fibrous layer 340 between the second and third fibrous layers 320 and 330.
  • the first and fourth fibrous layers 310, 340 comprise aramid fabric as a network of high strength fibers.
  • the aramid fabric may be coated with a water repellent comprising a fluorocarbon, a crosslinking agent, and a hardness-reinforced resin, wherein the crosslinker is an isocyanate-based compound and the hardness-reinforced resin is polyvinylacetate.
  • the second and third fiber layers 320 and 330 include a network of carbon fibers.
  • the network of carbon fibers may be a fabric comprising carbon spun yarn as warp and weft yarns, and may be coated with a composition comprising a phenol resin and a polyvinyl butyral resin.
  • the bulletproof material 300 may include the first to fourth fiber layers 310, 320, 330, and 340 to have a surface density satisfying the weight reduction requirement of the body armor, for example, a surface density of 3 to 6.8 kg / m 2 . Include in the appropriate number of combinations.
  • the first to fourth fibrous layers 310, 320, 330, 340 are bonded to each other by a method such as diamond stitching or the like.
  • the stacking / combining method of the first to fourth fibrous layers 310, 320, 330, 340 is similar to the first and second embodiments described above. That is, after forming a composite sheet of one first fibrous layer 313 and a second fibrous layer 320 and a composite sheet of the third fibrous layer 330 and the fourth fibrous layer 340, respectively, the composite sheets are formed on the remaining first sheet.
  • the fibrous layers 311 and 312 may be laminated in the manner shown in FIG. 3 and then bonded to each other through a diamond stitching method.
  • composition coating process for the carbon fiber networks constituting the second and second fiber layers 320 and 330 may be performed simultaneously with the process of forming each of the composite sheets.
  • the anti-ballistic material 400 includes a plurality of first fiber layers 410 positioned on the front side FS and a second fiber layer positioned on the rear side BS. 420, third and fourth fibrous layers 431 and 432 positioned between the first fibrous layers 410 and the second fibrous layer 420.
  • the first fibrous layers 410 comprise aramid fabric as a network of high strength fibers.
  • the aramid fabric may be coated with a water repellent comprising a fluorocarbon, a crosslinking agent, and a hardness-reinforced resin, wherein the crosslinker is an isocyanate-based compound and the hardness-reinforced resin is polyvinylacetate.
  • the second fiber layer 420 on the back side BS of the bulletproof material 400 includes a network of carbon fibers.
  • the network of carbon fibers may be a fabric comprising carbon spun yarn as warp and weft yarns, and may be coated with a composition comprising a phenol resin and a polyvinyl butyral resin.
  • Each of the third and fourth fibrous layers 431 and 432 includes a plurality of high strength fibers arranged in one direction, for example, ultra high molecular weight polyethylene fibers or aramid fibers.
  • the high strength fibers of the third and fourth fiber layers 431 and 432 may be coated with a composition including a polyurethane resin to maintain the arrangement of the high strength fibers.
  • the composition may be sprayed onto the high strength fibers through a spray method, or applied to the high strength fibers in the form of a film.
  • the third and fourth fibrous layers 431 and 432 adjacent to each other are cross-bonded to form an angle of about 90 ° to form one unidirectional fabric 430.
  • one composite sheet is formed by passing a network of carbon fibers coated with the composition, that is, the second fiber layer 420 together with the unidirectional fabric 430, through a high temperature and high pressure press.
  • the composite sheet is laminated with the first fibrous layers 410 as shown in FIG. 4 and then bonded to each other by, for example, a diamond stitching method.
  • the coating process and the composite sheet forming process may be performed simultaneously. That is, by inserting a polymer film containing the composition between the network of carbon fibers and the unidirectional fabric 430 and passing them through a chamber maintained at about 50 ° C., and then pressurizing using a roller heated to about 160 ° C. A composite sheet of the unidirectional fabric 430 and the second fiber layer 420 may be formed.
  • one or more unidirectional fabrics may be included between the composite sheet and the first fibrous layers 410.
  • one first fiber layer that is, aramid fabric
  • the second fiber layer 420 and the composite sheet of the aramid fabric are first manufactured using the methods described above, followed by diamond stitching together with the first fiber layers 410 and the unidirectional fabric (s) 430. It can be combined with each other through the method.
  • the bulletproof material 400 includes a plurality of first fiber layers 410 located at the front side FS side, a second fiber layer 420 positioned at the rear side BS side, and the first fiber layers 410. ) And third and fourth fibrous layers 431 and 432 positioned between the second fibrous layer 420.
  • the bulletproof material (100, 200, 300, 400) of the present invention includes a fiber layer including a network of carbon fibers near the rear side (BS) side or the rear side (BS) by the impact caused by bullet collision It can be dispersed around, and as a result, it is possible to improve the back deformation characteristics of the bulletproof material (100, 200, 300, 400).
  • the carbon fiber network is relatively soft compared to stiff materials such as polypropylene film, which has been conventionally proposed to improve back deformation properties, it is possible to provide a better body comfort to the body armor than polypropylene film.
  • Aramid fiber having a fineness of 840 denier was prepared in a plain weave aramid fabric by performing, using a warp and weft.
  • the warp density and the weft density of the aramid fabric were 105 bones / cm, respectively.
  • the fabric was treated with a refiner comprising Na 2 CO 3 at about 60 ° C., washed with water and dried.
  • the scouring fabric was then immersed in a water repellent.
  • the water repellent is 3% by weight hydroxylated perfluoroalkylethyl acrylate copolymer, 3% by weight polyvinylacetate, 3% by weight toluene diisocyanate, 0.3% by weight dipropylene glycol, 0.3% by weight malic acid And 90.4 weight percent water.
  • the aramid fabric was completed by heat-treating the fabric impregnated with a water repellent at about 160 ° C. for 60 seconds.
  • the aramid fabric had a surface density of 200 g / m 2.
  • a carbon spun yarn fabric was prepared by plain weave using a carbon spun yarn with a fineness of 400 denier as warp and weft yarns.
  • the warp and weft densities of the carbon spun yarn fabrics were 173 bones / cm, respectively.
  • aramid made from the carbon spun yarn fabric and Preparation Example 1 was prepared with a polymer film comprising 48 wt% phenol resin, 48 wt% polyvinyl butyral resin, and 4 wt% dioctyl phthalate (DOP).
  • the composite sheet including the carbon spun yarn fabric was completed by passing through a chamber maintained at about 50 ° C. while sandwiched between the fabrics and then using a roller heated to about 160 ° C.
  • the composite sheet including the carbon spun yarn fabric had a surface density of 380 g / m 2.
  • a carbon spun yarn fabric having a surface density of 160 g / m 2 was prepared in the same manner as exemplified in Preparation Example 2 above.
  • the first and second fibrous layers were prepared by aligning the bundles of ultra high molecular weight polyethylene fibers (DSM, Dyneema ® ) with a fineness of 1500 denier substantially in one direction on a common plane and then coating the adhesive in a spray manner. It was. Subsequently, the ultrahigh molecular weight polyethylene unidirectional fabric was completed by cross-bonding the first and second fibrous layers at an angle of about 90 °.
  • the ultra high molecular weight polyethylene unidirectional fabric had a surface density of 140 g / m 2.
  • a polypropylene film having a surface density of 100 g / m 2 was adhered on one surface of the bulletproof material obtained by Comparative Example 1 above.
  • V 50 The average velocity (V 50 ) (m ⁇ s), which indirectly represents the degree of bulletproof performance of fragments of bulletproof materials, is determined using MIL-STD-662F using fragment simulated projectiles (FSP) as defined in MIL-P-46593A. It was measured by the test method specified in. The rear deformation is applied to 44 MAG. It was measured using a bullet.
  • FSP fragment simulated projectiles
  • the stiffness which means the stiffness of the individual antiballistic material.
  • a measurement method called 'Circular bend test' was performed based on ASTM D4032-94.

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Abstract

상대적으로 경량이고 부드러워 우수한 착용감을 갖는 동시에 높은 방탄 성능 및 후면 변형 특성을 갖는 방탄소재가 개시된다. 본 발명의 방탄소재는 그 후면 측 또는 후면 부근에 탄소섬유의 네트워크를 포함하는 섬유층을 포함한다.

Description

방탄소재
본 발명은 방탄소재에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 상대적으로 경량이고 부드러워 우수한 착용감을 갖는 동시에 높은 방탄 성능 및 후면 변형 특성을 갖는 방탄소재에 관한 것이다.
방탄제품은 탄환이나 포탄으로부터 인체를 보호하기 위한 제품으로서, 우수한 방탄 성능과 함께 좋은 착용감이 요구된다. 그러나, 방탄 성능의 향상을 위해서는 방탄 제품의 착용감이 어느 정도 희생되는 것이 일반적이었다. 반대로, 방탄 제품의 착용감 향상은 방탄 성능의 저하를 야기하는 것이 일반적이었다.
방탄 제품의 경량화 및 방탄 성능의 향상을 위하여 일방향성 원단(unidirectional fabrics)을 이용하는 것이 공지되어 있다.
한편, 미국 공개특허공보 제US2011/0219943호는 방탄성능을 향상시키기 위하여 고강도 섬유의 직물과 고강도 섬유의 일방향성 원단을 모두 포함하는 복합 원단을 제안하고 있다. 상기 공보는, 복합 원단의 직물이 매트릭스 수지로 코팅되지 않는 것이 바람직하고, 만약 코팅될 때에는 일방향성 원단의 매트릭스 수지와 동일 또는 유사한 화학 구조를 갖는 매트릭스 수지로 코팅되는 것이 바람직하다고 교시하고 있고(공보 단락 [0054] 참조), 직물과 일방향성 원단을 모두 포함하는 방탄 제품이 일방향성 원단들만을 포함하는 방탄 제품에 비해 더욱 우수한 방탄 성능을 가질 뿐만 아니라 탄환 충돌로 인한 후면 변형을 더욱 감소시킬 수 있다고 설명하고 있다(공보 단락 [0054] 참조).
비록, 상기 공보에 의해 제안된 복합 원단이 우수한 방탄 특성을 나타내기는 하지만, 후면 변형 특성(anti-trauma) 측면에서 여전히 개선되어야 할 여지가 남아 있다.
이러한 이유로, 방탄소재의 후면 변형 특성 향상을 위하여 폴리프로필렌 필름을 소재의 후면에 접착시키는 방법이 제안된 바 있다. 그러나, 폴리프로필렌 필름 특유의 뻣뻣한(rigid) 특성으로 말미암아 폴리프로필렌 필름이 접착된 방탄소재로 제조되는 방탄복의 착용감이 좋지 못하다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 방탄소재에 관한 것이다.
본 발명의 일 관점은, 상대적으로 경량이고 부드러워 우수한 착용감을 갖는 동시에 높은 방탄 성능 및 후면 변형 특성을 갖는 방탄소재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술된 것이고, 부분적으로는 그러한 기술로부터 자명할 것이다. 또는, 본 발명의 실시를 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 목적들 및 다른 이점들은 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특정된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.
위와 같은 이점들을 달성하기 위하여, 그리고 본 발명의 목적에 따라, 탄환이 충돌하게 될 전면 및 그 반대 편의 후면을 갖는 방탄소재로서, 상기 전면 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(fibrous layers); 및 제2 섬유층을 포함하되, 상기 제1 섬유층들은 각각은 11 g/denier 이상의 강도(tenacity) 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율(tensile modulus)을 갖는 고강도 섬유의 네트워크(network of high-strength fibers)를 포함하고, 상기 제2 섬유층은 탄소 섬유의 네트워크(network of carbon fibers)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄소재가 제공된다.
위와 같은 일반적 서술 및 이하의 상세한 설명 모두는 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 특허청구범위의 발명에 대한 더욱 자세한 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 방탄소재는 상대적으로 경량임에도 불구하고, 탄환 충돌로 인한 후면 변형이 현저히 감소될 뿐만 아니라, 상대적으로 부드러운 특성으로 인해 그것으로 제조되는 방탄복의 착용감이 우수하다.
본 발명의 다른 효과들은 그와 관련된 기술적 구성과 함께 이하에서 자세히 기술될 것이다.
첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 방탄소재의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 방탄소재의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 방탄소재의 단면도이며,
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 방탄소재의 단면도이다.
이하에서는 본 발명의 방탄소재의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
아래에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 예들에 불과한 것으로서 본 발명의 권리범위를 제한하지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 '고강도 섬유'는 11 g/denier 이상의 강도(tenacity) 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율(tensile modulus)를 갖는 섬유를 의미한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 방탄소재의 단면도이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 방탄소재(100)는 탄환이 충돌하게 될 전면(FS) 및 그 반대 편의 후면(BS)을 갖는다. 방탄소재(100)는 전면(FS) 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(110) 및 상기 제1 섬유층들(110)에 인접한 제2 섬유층(120)을 포함한다.
방탄소재(100)는, 방탄복의 경량화 요구를 만족시키는 면밀도, 예를 들어 3 내지 6.8 kg/m2의 면밀도를 갖기 위하여, 적절한 매수의 제1 섬유층들(110) 및 제2 섬유층(120)을 포함한다. 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 방탄소재(100)는 10 내지 32 매(plies)의 제1 섬유층들(110) 및 1매의 제2 섬유층(120)을 포함한다.
전면(FS) 측에 위치한 제1 섬유층들(110)은 11 g/denier 이상의 강도 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율을 갖는 고강도 섬유의 네트워크를 포함한다. 상기 고강도 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유 또는 아라미드(aramid) 섬유일 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 의하면, 상기 고강도 섬유의 네트워크는 아라미드 섬유를 경사 및 위사로 포함하는 아라미드 직물(aramid woven fabric)이다. 상기 직물들 각각은 150 내지 500 g/m2의 면밀도를 갖는다. 상기 면밀도가 150g/m2 미만이면, 직물에 틈들이 존재할 수 있어 방탄 성능의 저하를 야기할 수 있다. 반면, 상기 면밀도가 500g/m2 를 초과하도록 제직하는 것은 생산 효율의 저하를 야기한다.
한편, 아라미드 섬유는 수분에 취약하기 때문에 시간의 경과에 따라 그 방탄성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 제1 섬유층들(110)의 아라미드 직물은 플루오로카본, 가교제 및 경도-강화 수지(hardness-enhancing resin)를 포함하는 발수제로 코팅되어 있을 수 있다.
플루오로카본은 제1 섬유층들(110)에 발수성을 부여하는 역할을 한다. 플루오로카본으로서 하이드록실레이티드 퍼플루오로알킬에틸 아크릴레이트 코폴리머(hydroxylated perfluoroalkylethyl acrylate copolymer)가 사용될 수 있다.
한편, 가혹한 환경 하에서 또는 장기간 사용 후에는 플루오로카본과 같은 발수제 성분이 고강도 섬유의 네트워크로부터 제거되고, 그로 인해 수분으로 인한 고강도 섬유의 물성 취하 및 방탄 성능의 급격한 저하가 초래될 수 있다. 따라서, 고강도 섬유와 플루오로카본 사이의 결합을 강화시키기 위하여, 상기 발수제는 플루오로카본 외에 가교제, 예를 들어 톨루엔 디이소시아네이트 또는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트와 같은 이소시아네이트계 화합물을 더 포함할 수 있다.
또한, 방탄소재(100)의 후면 변형을 억제하기 위하여, 상기 발수제는 폴리비닐아세테이트와 같은 경도-강화 수지(hardness-enhancing resin)를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 상기 발수제는 기포 제거를 위한 소포제(예를 들어, 디프로필렌글리콜) 및 에멀젼 안정제(예를 들어, 사과산)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 발수제는 0.5 내지 10 중량%의 플루오로카본, 0.5 내지 10 중량%의 경도-강화 수지, 0.5 내지 5 중량%의 가교제, 0.1 내지 2 중량%의 소포제, 0.1 내지 2 중량%의 에멀젼 안정제, 및 73 내지 98.3 중량%의 물을 포함할 수 있다.
플루오로카본의 함량이 0.5중량% 미만일 경우 원하는 발수성을 기대하기 어렵고, 그 함량이 10중량%를 초과할 경우 발수성 증가는 크지 않으면서 방탄소재(100)의 유연성이 오히려 떨어질 수 있다.
경도-강화 수지의 함량이 0.5중량% 미만일 경우 방탄소재(100)의 후면 변형 특성 향상이 거의 나타나지 않고, 그 함량이 10중량%를 초과할 경우 방탄소재(100)의 유연성이 떨어져 그것으로 제조된 방탄복의 착용감이 크게 저하된다.
가교제의 함량이 0.5중량% 미만일 경우에는 원하는 만큼의 발수성 유지가 어렵고, 그 함량이 5중량%를 초과할 경우에는 더 이상의 효과가 나타나지 않고 제조비만 상승하는 문제점이 있다.
상기 발수제를 고강도 섬유의 네트워크 상에 가하기 위한 방법으로서, 패딩, 코팅, 침지, 분무, 브러싱, 또는 필름-코팅 등의 방법이 이용될 수 있다. 발수제가 상기 네트워크 상에 가해진 후에는, 120 내지 200℃에서 15 내지 150초 동안 열처리 공정이 수행될 수 있다.
선택적으로, 상기 제1 섬유층들(110)의 고강도 섬유의 네트워크는 일방향으로 배열된 다수의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들 및/또는 아라미드 섬유들을 포함할 수 있고, 상기 고강도 섬유의 네트워크는 폴리우레탄 수지를 포함하는 조성물로 코팅될 수 있다. 각각의 제1 섬유층(111, 112, 113) 내에서 고강도 섬유들은 실질적으로 평형하게 일방향으로 배열(unidirectionally oriented)되어 있다. 폴리우레탄 수지를 포함하는 조성물로 상기 제1 섬유층들(111, 112, 113)의 고강도 섬유들이 코팅됨으로써 고강도 섬유들의 배열이 유지될 수 있다. 상기 조성물은 스프레이 방식을 통해 상기 고강도 섬유들에 분사되거나, 필름의 형태로 상기 고강도 섬유들에 가해질 수 있다. 서로 인접한 제1 섬유층들(111, 112)의 고강도 섬유들이 약 90°의 각도를 이루도록, 상기 인접한 제1 섬유층들(111, 112)이 교차접합될(cross-plied) 수 있다. 교차접합된 제1 섬유층들(111, 112)은 하나의 일방향성 원단(unidirectional fabric)을 형성한다.
선택적으로, 상기 일방향성 원단은 일방향으로 배열된 초고밀도 폴리에틸렌 섬유 또는 아라미드 섬유를 각각 포함하는 4개의 섬유층들로 구성될 수 있다. 이 경우, 4개의 상기 섬유층들은 그들의 고강도 섬유들의 회전 각도가 0°/90°/0°/90°되도록 교차접합될 수 있다.
방탄소재(100)의 후면(BS) 측에 위치한 제2 섬유층(120)은 탄소 섬유의 네트워크를 포함한다. 상기 탄소 섬유의 네트워크는 탄소 방적사(carbon spun yarn)를 경사 및 위사로서 포함하는 직물일 수 있다.
상기 제2 섬유층(120)은 110 내지 480 g/m2의 면밀도를 갖는다. 면밀도가 110g/m2 미만이면 제2 섬유층(120)에 틈들이 존재할 수 있어 방탄 성능의 저하를 야기할 수 있다. 반면, 상기 면밀도가 480g/m2 를 초과하도록 제2 섬유층(120)이 제조될 경우, 방탄소재(100)의 경량화를 저해하거나 방탄성능의 저하(방탄소재의 면밀도를 적정 수준으로 맞추기 위해 제1 섬유층의 개수를 감소시킬 경우)를 초래할 수 있다.
방탄소재(100)가 그 전면(FS)에서 탄환에 의한 물리적 충격을 받을 경우 방탄소재(100)의 전면(FS)이 국부적으로 변형되고, 상기 전면(FS)의 변형이 방탄소재(100)의 후면(BS)으로까지 확산되어 허용 안전 이격 거리를 초과하는 후면 변형이 발생할 수 있다. 방탄소재(100)의 후면 변형이 심각할 경우 착용자에게 치명적 손상을 입힐 수 있다.
본 발명에 의하면, 방탄소재(100)의 후면(BS) 측에 위치한 제2 섬유층(120)의 탄소섬유 네트워크는 충격 흡수력이 거의 제로에 가깝기 때문에 탄환 충돌로 인한 충격을 받을 경우 부서지면서 충격을 주위로 분산시키고, 그 결과 방탄소재(100)의 후면 변형 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 탄소섬유의 네트워크는 방탄소재(100)의 후면 변형 특성 향상을 위하여 종래에 제안되었던 폴리프로필렌 필름 등의 뻣뻣한 소재에 비해 상대적으로 부드러운 특성을 가지기 때문에, 폴리프로필렌 필름에 비해 더욱 우수한 착용감을 방탄복에 제공할 수 있다.
선택적으로, 상기 탄소섬유의 네트워크는 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅될 수 있다. 구체적으로, 상기 조성물은 20 내지 70 중량%의 페놀 수지, 20 내지 70 중량%의 폴리비닐부티랄 수지, 및 1 내지 10 중량%의 가소제를 포함할 수 있다. 상기 가소제는 디옥틸프탈레이트(dioctyl phthalate: DOP), 디옥틸아디페이트(dioctyl adipate: DOA), 트리크레실포스페이트(tricresyl phosphate: TCP), 또는 디이소노닐프탈레이트(diisononyl phthalate: DINP)일 수 있다. 상기 조성물의 페놀 수지는 제2 섬유층(120)의 경도를 한층 향상시키며, 상기 폴리비닐부티랄 수지는 제1 섬유층(113)과 제2 섬유층(120) 사이의 접착력을 향상시킨다.
상기 탄소섬유의 네트워크를 상기 조성물로 코팅하는 방법의 예로는 상기 네트워크를 상기 조성물이 포함된 용액에 침지하는 방법과 상기 조성물을 필름 형태로 상기 탄소섬유의 네트워크에 라미네이팅하는 방법이 있다.
먼저, 침지 방법에 대하여 설명하면, 탄소섬유의 네트워크를 용매(예를 들어, 메탄올)로 희석된 조성물에 10 내지 60분 동안 디핑한다. 탄소섬유의 네트워크 전체가 상기 조성물로 균일하게 함침될 수 있도록, 상기 디핑 공정이 수차례 반복될 수 있다. 이어서, 건조 공정을 통해, 상기 디핑 공정에 의해 상기 희석 용매를 제거한다. 선택적으로, 상기 건조 공정 전에, 상기 조성물로 함침된 탄소섬유의 네트워크를 스퀴징하는 단계를 더 수행할 수 있다. 상기 스퀴징 공정은, 가압 롤러를 이용하여 연속적으로 수행되거나, 가압 판을 이용하여 비연속적으로 수행될 수 있다.
라미네이팅 방법에 대하여 설명하면, 상기 조성물을 이용하여 폴리머 필름을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소섬유의 네트워크는 100 내지 400 g/m2의 면밀도를 갖고, 상기 탄소섬유의 네트워크에 대한 상기 조성물의 중량비가 10 내지 20%가 되도록 하기 위한 면밀도 및 두께를 갖도록 상기 폴리머 필름이 형성된다. 이어서, 탄소섬유의 네트워크의 일 면 상에 상기 폴리머 필름을 라미네이팅한다. 즉, 상기 탄소섬유의 네트워크의 일 면 상에 상기 폴리머 필름을 얹는 단계, 상기 폴리머 필름이 얹혀진 탄소섬유의 네트워크를 20 내지 60℃에서 1 내지 7분 동안 건조시키는 단계, 및 100 내지 130℃에서 상기 탄소섬유의 네트워크 및 고분자 필름에 압력을 가하는 단계를 순차적으로 수행한다. 상기 건조 공정은 챔버 등을 이용하여 연속적으로 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 폴리머 필름이 얹혀진 탄소섬유의 네트워크가 20 내지 60℃로 유지되는 챔버(들)를 4 내지 20 m/분의 속도로 통과하도록 할 수 있다. 건조온도가 20℃ 미만인 경우 건조가 원활하게 이루어질 수 없고, 반면 상기 건조온도가 60℃를 초과할 경우 상기 폴리머 필름의 조성물이 경화됨으로써 제1 섬유층(113)과의 접착력이 떨어질 수 있다. 상기 가압 공정은, 가열된 가압 롤러를 이용하여 연속적으로 수행되거나, 가압 판을 이용하여 비연속적으로 수행될 수 있다.
우선, 상기 조성물이 코팅된 탄소 섬유의 네트워크, 즉 제2 섬유층(120)을 하나의 제1 섬유층(113)과 함께 고온 및 고압의 프레스를 통과시킴으로써 하나의 복합 시트를 형성한다. 이어서, 이 복합 시트를 나머지 제1 섬유층들(111, 112)과 예를 들어 다이아몬드 스팅칭 방법에 의해 서로 결합시킨다.
선택적으로, 상기 코팅 공정 및 상기 복합 시트 형성 공정이 동시에 수행될 수도 있다. 즉, 상기 폴리머 필름을 상기 탄소 섬유의 네트워크와 제1 섬유층(113) 사이에 삽입하고 이들을 약 50℃로 유지되는 챔버를 통과시킨 후 약 160℃로 가열된 롤러를 이용하여 가압함으로써 제1 섬유층(113)과 제2 섬유층(120)의 복합 시트를 형성할 수 있다.
이하에서는, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 방탄소재를 설명한다.
도 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 의한 방탄소재(200)는 전면(FS) 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(210), 상기 제1 섬유층들(210)에 인접한 제2 섬유층(220), 및 후면(BS) 측에 위치한 제3 섬유층(230)을 포함한다. 즉, 상기 제2 섬유층(220)은 상기 제1 섬유층들(210)과 제3 섬유층(230) 사이에 위치한다.
본 발명의 제2 실시예에 의하면, 상기 제1 및 제3 섬유층들(210, 230)은 고강도 섬유의 네트워크로서 아라미드 직물을 포함한다. 상기 아라미드 직물은 플루오로카본, 가교제, 및 경도-강화 수지를 포함하는 발수제로 코팅되어 있을 수 있는데, 상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고, 상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트이다.
한편, 상기 제2 섬유층(220)은 탄소섬유의 네트워크를 포함한다. 상기 탄소섬유의 네트워크는 탄소 방적사를 경사 및 위사로서 포함하는 직물일 수 있으며, 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있을 수 있다.
상기 방탄소재(200)는, 방탄복의 경량화 요구를 만족시키는 면밀도, 예를 들어 3 내지 6.8 kg/m2의 면밀도를 갖기 위하여, 제1 내지 제3 섬유층들(210, 220, 230)을 적절한 매수의 조합으로 포함한다.
상기 조성물이 코팅된 탄소 섬유의 네트워크, 즉 제2 섬유층(220)을 제3 섬유층(230)과 함께 고온 및 고압의 프레스를 통과시킴으로써 하나의 복합 시트를 형성한 후, 이 복합 시트를 제1 섬유층들(210)과 예를 들어 다이아몬드 스팅칭 방법에 의해 도 2에 도시된 적층 순서로 결합시킬 수 있다.
선택적으로, 상기 코팅 공정 및 상기 복합 시트 형성 공정이 동시에 수행될 수도 있다. 즉, 상기 조성물의 폴리머 필름을 상기 탄소 섬유의 네트워크와 제3 섬유층(230) 사이에 삽입하고 이들을 약 50℃로 유지되는 챔버를 통과시킨 후 약 160℃로 가열된 롤러를 이용하여 가압함으로써 제2 섬유층(220)과 제3 섬유층(230)의 복합 시트를 형성할 수 있다.
이하에서는, 도 3을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 방탄소재를 설명한다.
도 3에 예시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 의한 방탄소재(300)는 전면(FS) 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(310), 상기 제1 섬유층들(310)에 인접한 제2 섬유층(320), 후면(BS) 측에 위치한 제3 섬유층(330), 및 상기 제2 및 제3 섬유층들(320, 330) 사이의 제4 섬유층(340)을 포함한다.
본 발명의 제3 실시예에 의하면, 상기 제1 및 제4 섬유층들(310, 340)은 고강도 섬유의 네트워크로서 아라미드 직물을 포함한다. 상기 아라미드 직물은 플루오로카본, 가교제, 및 경도-강화 수지를 포함하는 발수제로 코팅되어 있을 수 있는데, 상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고, 상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트이다.
한편, 상기 제2 및 제3 섬유층들(320, 330)은 탄소섬유의 네트워크를 포함한다. 상기 탄소섬유의 네트워크는 탄소 방적사를 경사 및 위사로서 포함하는 직물일 수 있으며, 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있을 수 있다.
상기 방탄소재(300)는, 방탄복의 경량화 요구를 만족시키는 면밀도, 예를 들어 3 내지 6.8 kg/m2의 면밀도를 갖기 위하여, 제1 내지 제4 섬유층들(310, 320, 330, 340)을 적절한 매수의 조합으로 포함한다. 제1 내지 제4 섬유층들(310, 320, 330, 340)은 다이아몬드 스티칭 등과 같은 방법에 의해 서로 결합된다.
제1 내지 제4 섬유층들(310, 320, 330, 340)의 적층/결합 방법은 위에서 설명한 제1 및 제2 실시예들과 유사하다. 즉, 하나의 제1 섬유층(313)과 제2 섬유층(320)의 복합 시트 및 제3 섬유층(330)과 제4 섬유층(340)의 복합 시트를 각각 형성한 후, 이 복합 시트들을 나머지 제1 섬유층들(311, 312)과 함께 도 3에 도시된 방식으로 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킬 수 있다.
또한, 상기 제2 및 제2 섬유층(320, 330)을 각각 구성하는 상기 탄소섬유 네트워크들에 대한 상기 조성물 코팅 공정이 상기 복합 시트들 각각의 형성 공정과 동시에 수행될 수도 있다.
이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 방탄소재를 설명한다.
도 4에 예시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 의한 방탄소재(400)는 전면(FS) 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(410), 후면(BS) 측에 위치한 제2 섬유층(420), 상기 제1 섬유층들(410) 및 상기 제2 섬유층(420) 사이에 위치한 제3 및 제4 섬유층들(431, 432)을 포함한다.
본 발명의 제4 실시예에 의하면, 상기 제1 섬유층들(410)은 고강도 섬유의 네트워크로서 아라미드 직물을 포함한다. 상기 아라미드 직물은 플루오로카본, 가교제, 및 경도-강화 수지를 포함하는 발수제로 코팅되어 있을 수 있는데, 상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고, 상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트이다.
방탄소재(400) 후면(BS) 측의 상기 제2 섬유층(420)은 탄소섬유의 네트워크를 포함한다. 상기 탄소섬유의 네트워크는 탄소 방적사를 경사 및 위사로서 포함하는 직물일 수 있으며, 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있을 수 있다.
상기 제3 및 제4 섬유층들(431, 432) 각각은 일방향으로 배열된 다수의 고강도 섬유들, 예를 들어 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들 또는 아라미드 섬유들을 포함한다. 상기 제3 및 제4 섬유층들(431, 432)의 고강도 섬유들은 폴리우레탄 수지를 포함하는 조성물로 코팅됨으로써 고강도 섬유들의 배열이 유지될 수 있다. 상기 조성물은 스프레이 방식을 통해 상기 고강도 섬유들에 분사되거나, 필름의 형태로 상기 고강도 섬유들에 가해질 수 있다. 서로 인접한 제3 및 제4 섬유층들(431, 432)은 약 90°의 각도를 이루도록 교차접합됨으로써 하나의 일방향성 원단(430)을 형성한다.
우선, 상기 조성물이 코팅된 탄소 섬유의 네트워크, 즉 제2 섬유층(420)을 상기 일방향성 원단(430)과 함께 고온 및 고압의 프레스를 통과시킴으로써 하나의 복합 시트를 형성한다. 이 복합 시트를 제1 섬유층들(410)과 도 4에 도시된 바와 같이 적층한 후 예를 들어 다이아몬드 스팅칭 방법에 의해 서로 결합시킨다.
선택적으로, 상기 코팅 공정 및 상기 복합 시트 형성 공정이 동시에 수행될 수도 있다. 즉, 상기 조성물을 포함하는 폴리머 필름을 상기 탄소 섬유의 네트워크와 일방향성 원단(430) 사이에 삽입하고 이들을 약 50℃로 유지되는 챔버를 통과시킨 후 약 160℃로 가열된 롤러를 이용하여 가압함으로써 일방향성 원단(430)과 제2 섬유층(420)의 복합 시트를 형성할 수 있다.
선택적으로, 상기 복합 시트와 상기 제1 섬유층들(410) 사이에 1개 이상의 일방향성 원단들이 포함될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 상기 일방향성 원단(430)과 제2 섬유층(420) 사이에 하나의 제1 섬유층, 즉 아라미드 직물이 더 포함될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 섬유층(420)과 상기 아라미드 직물의 복합 시트가 상술한 방법들을 이용하여 먼저 제조된 후 상기 제1 섬유층들(410) 및 일방향성 원단(들)(430)과 함께 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합될 수 있다.
제4 실시예에 의한 방탄소재(400)는 전면(FS) 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(410), 후면(BS) 측에 위치한 제2 섬유층(420), 상기 제1 섬유층들(410) 및 상기 제2 섬유층(420) 사이에 위치한 제3 및 제4 섬유층들(431, 432)을 포함한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 방탄소재(100, 200, 300, 400)는 후면(BS) 측 또는 후면(BS) 부근에 탄소섬유의 네트워크를 포함하는 섬유층을 포함함으로써 탄환 충돌로 인한 충격을 주위로 분산시킬 수 있고, 그 결과 방탄소재(100, 200, 300, 400)의 후면 변형 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유의 네트워크는 후면 변형 특성 향상을 위하여 종래에 제안되었던 폴리프로필렌 필름 등의 뻣뻣한 소재에 비해 상대적으로 부드럽기 때문에, 폴리프로필렌 필름에 비해 더욱 우수한 착용감을 방탄복에 제공할 수 있다.
이하, 실시예들과 비교예들을 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이므로 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안 된다.
<아라미드 직물의 제조>
제조예 1
840 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유(코오롱 인더스트리 주식회사, 헤라크론® HF 100)를 경사 및 위사로 이용하여 평직을 수행함으로써 아라미드 직물을 제조하였다. 상기 아라미드 직물의 경사밀도 및 위사밀도는 각각 105 본/cm이었다. 상기 직물을 약 60℃에서 Na2CO3를 포함하는 정련제로 처리하고, 수세 및 건조시켰다.
이어서, 정련 처리된 상기 직물을 발수제에 침지시켰다. 상기 발수제는 3중량%의 하이드록실레이티드 퍼플루오로알킬에틸 아크릴레이트 코폴리머, 3중량%의 폴리비닐아세테이트, 3중량%의 톨루엔 디이소시아네이트, 0.3중량%의 디프로필렌 글리콜, 0.3중량%의 사과산, 및 90.4중량%의 물을 포함하였다. 발수제가 함침된 직물을 약160℃에서 60초 동안 열처리함으로써 아라미드 직물을 완성하였다. 상기 아라미드 직물은 200 g/㎡의 면밀도를 가졌다.
<탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트의 제조>
제조예 2
400 denier의 섬도를 갖는 탄소 방적사를 경사 및 위사로 이용하여 평직을 수행함으로써 탄소 방적사 직물을 제조하였다. 상기 탄소 방적사 직물의 경사밀도 및 위사밀도는 각각 173 본/cm이었다.
이어서, 48중량%의 페놀 수지, 48중량%의 폴리비닐부티랄 수지, 및 4중량%의 디옥틸프탈레이트(dioctyl phthalate: DOP)를 포함하는 폴리머 필름을 상기 탄소 방적사 직물과 제조예 1에서 만든 아라미드 직물 사이에 넣은 상태에서 약 50℃로 유지되는 챔버를 통과시킨 후 약 160℃로 가열된 롤러를 이용하여 가압함으로써 탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트를 완성하였다. 상기 탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트는 380 g/㎡의 면밀도를 가졌다.
제조예 3
전술한 제조예 2에 예시된 것과 동일한 방법으로 160 g/㎡의 면밀도를 갖는 탄소 방적사 직물을 제조하였다.
<초고분자량 폴리에틸렌 일방향성 원단의 제조>
제조예 4
1500 denier의 섬도를 갖는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유[디에스엠(DSM)사, Dyneema®]의 다발을 공통 평면 상에서 실질적으로 일방향으로 정렬한 후 접착제를 스프레이 방식으로 코팅함으로써 제1 및 제2 섬유층들을 각각 제조하였다. 이어서, 상기 제1 및 제2 섬유층들을 약 90°의 각도로 교차접합함으로써 초고분자량 폴리에틸렌 일방향성 원단을 완성하였다. 상기 초고분자량 폴리에틸렌 일방향성 원단은 140 g/㎡의 면밀도를 가졌다.
<실시예들>
실시예 1
제조예 1을 통해 제조된 아라미드 직물들 30매 및 제조예 2를 통해 제조된 탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트 1매를 도 1에 도시된 바와 같이 순차적으로 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 6.38 kg/㎡이었다.
실시예 2
제조예 1을 통해 제조된 아라미드 직물들 28매, 제조예 2를 통해 제조된 탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트 2매를 도 3에 도시된 바와 같이 순차적으로 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 6.36 kg/㎡이었다.
실시예 3
제조예 1을 통해 제조된 아라미드 직물들 26매, 제조예 2를 통해 제조된 탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트 3매를 순차적으로 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 6.34 kg/㎡이었다.
실시예 4
제조예 1을 통해 제조된 아라미드 직물들 23매, 제조예 4를 통해 제조된 초고분자량 폴리에틸렌 일방향성 원단 10매, 및 제조예 2를 통해 제조된 탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트 1매를 순차적으로 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 6.38 kg/㎡이었다.
실시예 5
제조예 1을 통해 제조된 아라미드 직물들 31매 및 제조예 3을 통해 제조된 탄소 방적사 직물 1매를 순차적으로 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 6.36 kg/㎡이었다.
<비교예>
비교예 1
제조예 1을 통해 제조된 아라미드 직물들 32매만을 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 6.4 kg/㎡이었다.
비교예 2
제조예 4를 통해 제조된 초고분자량 에틸렌 일방향성 원단들 36매만을 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 5.04 kg/㎡이었다.
비교예 3
위 비교예 1에 의해 얻어진 방탄소재의 일 면 상에 100 g/㎡의 면밀도를 갖는 폴리프로필렌 필름을 접착시켰다.
상기 실시예들 및 비교예들에 의해 제조된 방탄소재들 각각의 방탄성능 및 후면변형 특성, 그리고 상기 제조예들을 통해 각각 제조된 방탄재들의 착용감을 다음의 방법들로 각각 측정하였고 그 결과를 아래의 표 1 및 표 2에 나타내었다.
방탄성능(V 50 ) 및 후면 변형 측정
방탄소재의 파편에 대한 방탄 성능 정도를 간접적으로 나타내는 평균 속도(V50)(㎧)는, MIL-P-46593A에서 규정된 모의 파편탄(fragment simulated projectiles: FSP)을 이용하여 MIL-STD-662F에서 규정된 테스트 방법에 의해 측정되었다. 후면 변형은 NIJ0101.06 버전 Level ⅢA에 적용되고 있는 44 MAG. 탄환을 이용하여 측정하였다.
착용감(softness) 측정
착용감의 척도로서 개별 방탄재의 뻣뻣한 정도(stiffness)를 의미하는 강연도를 측정하였다. 'Circular bend test'라는 측정 방법이 ASTM D4032-94에 기초하여 수행되었다.
표 1
평균속도 (V50)(m/s) 후면변형 (mm)
실시예1 665 35
실시예2 652 38
실시예3 647 42
실시예4 643 39
실시예5 653 41
비교예1 660 40
비교예2 602 39
비교예3 654 39
표 2
강연도 (N)
제조예1 15
제조예2 63
제조예3 13
제조예4 120

Claims (14)

  1. 탄환이 충돌하게 될 전면 및 그 반대 편의 후면을 갖는 방탄소재에 있어서,
    상기 전면 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(fibrous layers); 및
    제2 섬유층을 포함하되,
    상기 제1 섬유층들은 각각은 11 g/denier 이상의 강도(tenacity) 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율(tensile modulus)을 갖는 고강도 섬유의 네트워크(network of high-strength fibers)를 포함하고,
    상기 제2 섬유층은 탄소 섬유의 네트워크(network of carbon fibers)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고강도 섬유의 네트워크는 아라미드 섬유를 경사 및 위사로 포함하는 직물(aramid woven fabric)인 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고강도 섬유의 네트워크는 플루오로카본, 가교제 및 경도-강화 수지(hardness-enhancing resin)를 포함하는 발수제로 코팅되어 있되,
    상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고,
    상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트인 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고강도 섬유의 네트워크는 일방향으로 배열된 다수의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고강도 섬유의 네트워크는 폴리우레탄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 네트워크는 탄소 방적사(carbon spun yarn)를 경사 및 위사로서 포함하는 직물인 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 네트워크는 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 섬유층은 상기 후면에 배치된 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 후면에 위치한 제3 섬유층을 더 포함하되,
    상기 제3 섬유층은 아라미드 직물을 포함하며,
    상기 제2 섬유층은 상기 제1 섬유층들과 상기 제3 섬유층의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고강도 섬유의 네트워크는 아라미드 직물이고,
    상기 제1 및 제3 섬유층들의 상기 아라미드 직물들은 플루오로카본, 가교제 및 경도-강화 수지를 포함하는 발수제로 코팅되어 있되, 상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고, 상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트이며,
    상기 제2 섬유층의 상기 탄소섬유의 네트워크는 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 후면에 위치한 제3 섬유층; 및
    상기 제2 및 제3 섬유층들 사이의 제4 섬유층을 더 포함하되,
    상기 제3 섬유층은 탄소섬유의 네트워크를 포함하며,
    상기 제4 섬유층은 아라미드 직물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 고강도 섬유의 네트워크는 아라미드 직물이고,
    상기 제1 및 제4 섬유층들의 상기 아라미드 직물들은 플루오로카본, 가교제 및 경도-강화 수지를 포함하는 발수제로 코팅되어 있되, 상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고, 상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트이며,
    상기 제2 및 제3 섬유층들의 상기 탄소섬유의 네트워크들은 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유층들 및 상기 제2 섬유층 사이에 위치하며 제3 및 제4 섬유층들을 더 포함하고,
    상기 제1 섬유층들의 상기 고강도 섬유의 네트워크는 아라미드 직물이고,
    상기 제3 및 제4 섬유층들은, 일방향으로 배열된 다수의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들을 포함하며, 서로 교차접합된 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 아라미드 직물은 플루오로카본, 가교제 및 경도-강화 수지를 포함하는 발수제로 코팅되어 있되, 상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고, 상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트이고,
    상기 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들은 폴리우레탄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있으며,
    상기 탄소섬유의 네트워크는 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
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