KR101352326B1 - 액체에 대한 흡수 저항성의 유연한 탄도 복합체, 이의 제조및 이로부터 물품을 제조하는 방법 - Google Patents

액체에 대한 흡수 저항성의 유연한 탄도 복합체, 이의 제조및 이로부터 물품을 제조하는 방법 Download PDF

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브라이언 디. 아비드슨
데이비드 에이. 스틴카머
로리 엘. 와그너
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Abstract

수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지는 유연한 탄도 저항성 복합체 재료에 대한 것으로, 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층들(non-woven fibrous layers)을 포함한다. 상기 섬유층은 고강도 섬유(아라미드 섬유, 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유(extended chain polyethylene fibers) 및/또는 경직 막대 섬유(rigid rod fibers))의 네트워크로 형성된다. 상기 섬유는 열가소성 폴리우레탄 수지의 매트릭스에 함침되어 있다. 바람직하게, 적어도 두 개의 섬유층은 서로에 대해 교차-플라이 배열로 배향되어 있다. 방탄조끼와 같은 유연한 방호복은 적어도 부분적으로 유연한 복합체 재료로부터 형성되어 제공된다.
탄도저항성 복합체, 부직 섬유층, 고강도 섬유, 방호복, 매트릭스

Description

액체에 대한 흡수 저항성의 유연한 탄도 복합체, 이의 제조 및 이로부터 물품을 제조하는 방법{FLEXIBLE BALLISTIC COMPOSITES RESISTANT TO LIQUID PICK-UP, METHOD FOR MANUFACTURE AND ARTICLES MADE THEREFROM}
본 발명은 수분 및 다른 액체를 흡수에 대한 향상된 저항성이 있는 유연한 탄도 복합체, 상기 복합체를 제조하기 위한 방법 및 그로부터 제조되는 방탄복과 같은 물품과 관련되어 있다.
조끼에 사용되는 탄도 저항성 제조물 등은 본 기술분야에서 알려져 있다. 이러한 많은 제조물은 확장된 사슬 폴리에틸렌 섬유(extended chain polyethylene fibers) 및 아라미드 섬유와 같은 고강도 섬유를 기초로 하고 있다. 방탄 조끼와 같은 방탄복은 경직된 복합체 및/또는 유연한 복합체로부터 형성될 수 있다.
경직된 방탄복(rigid body armor)은 좋은 탄도 저항성을 제공하지만, 이것은 물론 매우 딱딱하고 상대적으로 다루기 어렵다. 일반적으로 상기와 같은 결과로 경직된 방탄복 옷(즉, 조끼)은 유연한 방탄복 옷보다 평소 입기에 불편하다. 경직된 방탄복은 "단단한(hard)" 방호복에 속하는 것으로 하고, 예를 들어, 군사용 운송 수단에 사용되는 헬멧 또는 패널과 같은 상기 방호복은 본 기술분야의 보통의 의미 에 따라 정해지는데(예를 들어, U.S 특허 5,690,526를 참조), 상기 방호복은 충분한 기계적 강도를 가져서 현저한 양의 외력(stress)을 받게 되었을 때 구조적 견고성을 유지하여 붕괴하지 않고 버티고 서있을 수 있는 것이다. 그러한 견고하거나 단단한 방호복과는 반대로, 이전에 언급했던 단단한 방호복과 관련되어 있는 속성을 가지지 않은 유연한 "부드러운(soft)" 방호복이 있다. 비록 고강도 섬유를 기본으로 한 유연한 방탄복은 뛰어난 서비스 경력을 가지고 있지만, 상기 방호복은 존재하는 섬유의 타입에 따라 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 저항성은 기대치에 못 미쳤다. 즉 이러한 방호복은 물(또는 다른 액체)과 접하거나 함침된 뒤에 바람직한 것 이상으로 수분(또는 다른 액체)을 흡수하는 경향이 있기 때문이다.
미국특허 5,690,526 및 PCT 간행물 WO0029468에서 경직 방탄복과 이들의 성분을 폴리우레탄 수지에 결합시키는 것에 대한 기재는 있었지만, 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성에 관한 개시는 없었다.
바람직한 탄도 및 다른 성질을 유지하면서 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 갖는 유연한 탄도 복합체 재료를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 발명은 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 갖는 것과 같은 재료를 기초로 하는 방탄조끼와 같은 방호복을 제공하는 것이 바람직하다. 그러한 방호복은 입기에 편하고 제조하는데 비싸지 않으므로 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 발명은 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지고, 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층들(non-woven fibrous layers)을 포함하고, 상기 섬유층은 아라미드 섬유, 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유(extended chain polyethylene fibers), 경직 막대 섬유(rigid rod fibers) 및 이들의 혼합물(blends)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하고, 상기 섬유는 열가소성 폴리우레탄 수지를 포함하는 매트릭스에 존재하는 유연한 탄도 저항성 복합체 재료를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 발명은 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지고, 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층들을 포함하고, 상기 섬유층은 아라미드 섬유, 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유, 경직 막대 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하고, 상기 섬유는 열가소성 폴리우레탄 수지를 포함하는 매트릭스 내에 존재하고 있고, 적어도 두 개의 인접한 섬유층은 서로에 대하여 교차-플라이(cross-ply) 배열로 정렬되어 존재하는 유연한 탄도 저항성 복합체 재료를 제공한다.
덧붙여 본 발명에 따르면, 상기 발명은 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지고, 적어도 하나의 유연한 복합체 재료를 포함하고, 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층들을 포함하고, 상기 섬유층은 아라미드 섬유, 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유, 경직 막대 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하고, 상기 섬유는 열가소성 폴리우레탄 수지를 포함하는 매트릭스에 존재하는 유연한 탄도 저항 방호복을 제공한다.
더불어 본 발명에 따르면, 상기 발명은 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지고, 상기 발명은 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지고, 적어도 하나의 유연한 복합체 재료를 포함하고, 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층들을 포함하고, 상기 섬유층은 아라미드 섬유, 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유, 경직 막대 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하고, 상기 섬유는 열가소성 폴리우레탄 수지를 포함하는 매트릭스에 존재하고 있고, 적어도 두 개의 인접한 섬유층은 서로에 대하여 교차-플라이(cross-ply) 배열로 정렬되어 존재하는 유연한 탄도 저항 방호복을 제공한다.
더군다나, 본 발명은 수분 및 다른 액에의 흡수하는 것에 대한 향상된 저항성을 가지고 유연한 탄도 저항 복합체의 제조를 위한 방법을 더 제공하는데, 상기 방법은 아라미드 섬유, 확장된 사슬 폴리에틸렌 섬유, 경직 막대 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하는 제 1 부직 섬유층을 제공하고; 상기 제 1 섬유층을 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하고; 아라미드 섬유, 확장된 사슬 폴리에틸렌 섬유, 경직 막대 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하는 제 2 부직 섬유층을 제공하고; 상기 제 2 섬유층을 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하고; 및 상기 제 1 및 제 2 섬유층을 고화시켜 복합체 재료를 형성하는 것을 포함한다.
또한, 본 발명은 유연한 탄도 저항성 복합체 재료의 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 저항성을 향상시키는 방법을 제공하는데, 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층들을 포함하고, 상기 섬유층은 고강도 섬유의 네트워크를 포함하고, 상기 방법은 상기 고강도 섬유 네트워크를 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하여 상기 수지가 상기 섬유를 위한 매트릭스를 형성하는 것을 포함하며, 여기서 상기 섬유는 아라미드 섬유, 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유, 경직 막대 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
더군다나, 본 발명은 유연한 탄도 저항성 방호복 물품의 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 저항성을 향상시키는 방법을 제공하는데, 상기 방호복 물품은 적어도 하나의 복합체 재료를 포함하고, 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층을 포함하고, 상기 섬유층은 고강도 섬유의 네트워크를 포함하고, 상기 방법은 고강도 섬유의 상기 네트워크를 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하여 상기 수지가 상기 섬유를 위한 매트릭스를 형성하고, 상기 유연한 방호복 물품은 적어도 부분적으로는 상기 적어도 하나의 복합체 재료로 형성하는 것을 포함하며, 여기서 상기 섬유는 아라미드 섬유, 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유, 경직 막대 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
상기 유연한 복합체 재료는 각 섬유층의 한쪽 또는 양쪽 면에 유연한 필름을 포함할 수 있고, 상기 복합체 재료의 인접한 층은 인접한 층에서의 상기 섬유의 방향이 서로에 대하여 약 90°, 또는 다른 소정의 원하는 배향으로 교차시키는(rotate) 것과 같이 배열될 수 있다.
본 발명은 바람직한 상기 복합체의 탄도 저항성 성질을 유지하면서 유연하고 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 갖는 복합체 재료를 제공한다. 이와 마찬가지로 본 발명은 방탄복과 같은 유연한 방호복을 제공하고, 상기 방호복은 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지고 한편으로는 바람직한 상기 복합체의 탄도 저항성 성질 및 편안함을 유지한다. 상기 복합체 재료와 이로 제조된 방호복은 비용효율적인 방법으로 기존의 장비로 제조될 수 있다.
본 발명은 부드럽고 유연한 복합체를 포함하고, 상기 복합체는 탄도 저항물이고, 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가진다. 상기 다른 액체는 가솔린 및 다른 석유 제품, 기름 및 윤활유를 포함하나, 이에 제한하지 않는다. 이러한 복합체는 방탄복, 모포(blankets) 등과 같은 유연한 탄도 저항 방호복 물품에 특히 유용하다.
위에서 언급한 바와 같이 상기 본 발명의 유연한 방호복은 경직되거나 딱딱한 방호복과 대조적이다. 상기 본 발명의 유연한 물질 및 방호복은 현저히 많은 양의 외력(stress)을 받게 되었을 때 그들의 형상을 유지하지 못하며, 붕괴하지 않고 버티고 서있을 수 없다.
상기 복합체는 고강도 섬유를 포함하는데, 상기 섬유는 열가소성 폴리우레탄 수지 매트릭스 내에 있다. 상기 복합체는 고강력 섬유의 적어도 두 개의 층으로 형성된다. 본 발명의 목적을 위해 섬유는 폭과 두께의 치수보다 훨씬 더 큰 길이 치수 신장체(elongate body)이다. 따라서, 상기 용어 섬유는 단일필라멘트, 다중필라멘트, 리본, 스트립, 스테플 및 규칙적 또는 불규칙적인 횡단면을 가지는 잘게 썬(chopped) 절단 또는 불연속적인 섬유 등의 기타 형태를 포함한다. 상기 용어 "섬유"는 앞서 말한 어느 하나 또는 이들의 조합의 복수를 포함한다. 원사는 많은 섬유 또는 필라멘트를 포함하는 연속적인 꼬임이다.
본 발명에서 유용한 섬유의 횡단면은 폭넓게 다양화할 수 있다. 상기 섬유는 횡단면에서 원형, 평평한 또는 타원형일 수 있다. 상기 섬유는 필라멘트의 선형 또는 세로축으로부터 투사된 하나 또는 그 이상의 규칙적이거나 불규칙한 돌출부(lobe)를 가지고 있는 불규칙적이거나 규칙적인 이형단면(multi-lobal)일 수 있다. 상기 섬유는 실질적으로 원형, 평평하거나 또는 타원형 횡단면인 것이 특히 바람직하고, 상기 섬유가 실질적으로 원형의 횡단면인 경우에 가장 바람직하다.
여기서 사용되는 상기 용어 "고강도섬유"는 강도이 약 7g/d과 같거나 그 이상인 섬유를 의미한다. 이러한 섬유는 바람직하게 초기인장계수(initial tensile moduli)가 최소 150g/d이고, ASTM D2256로 측정한 결과 최소 약 8J/g의 파괴에너지(energe-to-break)를 가진다.
바람직한 섬유는 강도가 약 10g/d와 같거나 그 이상이고, 인장계수는 200g/d과 같거나 그 이상이고, 파괴에너지가 약 20J/g과 같거나 그 이상을 가지는 것이다. 특히 바람직한 섬유는 강도가 16g/d과 같거나 그 이상이고, 인장계수는 400g/d과 같거나 그 이상이고, 파괴에너지는 약 27J/g과 같거나 그 이상을 가진다. 특히 이러한 바람직한 구현예들 중에서, 가장 바람직한 구현예는 그 구현예에서의 섬유의 강도가 22g/d과 같거나 그 이상이고, 상기 인장계수는 500g/d과 같거나 그 이상이고, 파괴에너지는 약 27J/g과 같거나 그 이상인 것이다. 여기서 사용된 용어 "초기인장계수", "인장계수" 및 "계수"는 탄성계수를 의미하는데, 원사에 대해서는 ASTM 2256로, 매트릭스 물질에 대해서는 ASTM D638로 측정되었다.
본 발명의 복합체에서 사용된 섬유의 네트워크는 고강도 섬유로부터 형성된 부직포(non-woven fabric)의 형태이다. 상기 섬유의 특히 바람직한 배열은 네트워크 내에 존재한다. 여기서 상기 섬유는 단일방향으로 정렬되어 일반 섬유의 방향에 따라서 실질적으로 서로 평행하게 되어 있다. 바람직하게 부직포에서 최소 약 50중량%의 섬유는 고강도섬유이고, 더 바람직하게는 상기 부직포에서 최소 약 75중량%의 섬유는 고강도섬유이다.
본 발명의 상기 원사 및 패브릭(fabric)은 하나 또는 그 이상의 각기 다른 고강도섬유를 포함한다. 상기 원사는 본질적으로 평행배열될 수 있으며, 또는 상기 원사는 꼬여질 수 있으며, 중첩되거나 얽혀질 수 있다.
본 발명의 원사 및 패브릭에서 유용한 고강도 섬유는 고배향된(highly oriented) 고분자량 고강성(high modulus)의 폴리에틸렌 섬유(확장된 사슬 폴리에틸렌), 아라미드 섬유 및 경직 막대 고분자이다. 또한, 두 가지 또는 그 이상의 각기 다른 섬유의 혼합물(blends)도 사용될 수 있다. 아라미드 섬유가 가장 바람직하다.
상기 섬유는 적절한 데니어(denier)일 수 있는데, 예를 들어 약 50~3000 데니어, 더 바람직하게는 약 200~3000 데니어, 더욱 바람직하게는 약 650~1500 데니어 및 가장 바람직하게는 약 800~1300 데니어 일 수 있다.
U.S 특허번호 4,457,985에서 일반적으로 이러한 고분자량 폴리에틸렌 섬유를 논하였고, 상기 특허의 개시 사항은 여기에서와 모순되지 않는 범위에서 참조예로 병합된다. 폴리에틸렌의 경우에 있어서, 적당한 섬유는 중량평균분자량의 범위가 최소 약 150,000인 것들이고, 바람직하게는 최소 약 1,000,000이고, 더 바람직하게는 약 2,000,000 ~ 5,000,000에 속하는 것들이다. 이러한 고분자량 폴리에틸렌 섬유는 용액에서 방사(spinning)(U.S. Pat. No. 4,137,394 and U.S. Pat. No. 4,356,138 참조), 또는 용액으로부터 겔 구조가 형성되도록 하는 필라멘트 방사(U.S. Pat. No. 4,413,1 10, German Off. No. 3,004, 699 and GB Patent No. 2051667 참조)될 수 있으며, 상기 폴리에틸렌 섬유는 압연 및 연신 공정(U.S. Pat. No. 5,702,657 참조)에 의하여 제조될 수 있다. 여기서 사용된 용어 폴리에틸렌은 측쇄상 또는 주쇄상 탄소 원자 100개당 5개의 개질 단위를 초과하지 않는 공단량체를 소량으로 포함하고, 주로 선형 폴리에틸렌 물질을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 알켄-1-폴리머, 특히 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리부틸렌, 1차 단량체와 같은 모노 올레핀을 함유하는 공중합체, 산화된 폴리올레핀, 개질된 폴리올레핀 중합체 및 폴리옥시메틸렌과 같은 고분자 첨가제 또는 항산화제, 윤활제, 자외선차단제, 착색제 등과 같은 일반적으로 이에 병합되는 저분자량 첨가제를 약 50중량% 이상이 되지 않게 첨가되어 혼합된 것을 포함한다.
여기서 유용한 고강도 폴리에틸렌 섬유는 미국 뉴저지의 모리스타운에 있는 허니웰 인터네셔널 인코포레이션에서 제조한 상표명 SPECTRA®로 판매되고 있는 것이다.
제조기술에 따라, 연신율 및 온도, 그리고 다른 조건, 다양한 특성이 이들 섬유에 부가될 수 있다. 상기 섬유의 강도는 최소 약 7g/d, 바람직하게는 최소 약 15g/d, 더 바람직하게 최소 약 20g/d, 더욱 바람직하게 최소 약 25g/d이고, 가장 바람직하게는 최소 약 30g/d이다. 이와 유사하게, 인스트론 장력 테스트 기계(Instron tensile testing machine)로 측정된 상기 섬유의 초기인장계수(initial tensile modulus)는 바람직하게는 최소 약 300g/d, 더 바람직하게는 최소 약 500g/d, 더욱 바람직하게는 최소 약 1,000g/d이고, 가장 바람직하게는 최소 약 1,200g/d이다. 이러한 초기인장계수와 장력의 최고값은 오로지 일반적으로 용액 성장 또는 겔 스핀 공정을 사용함으로써 얻어질 수 있다. 많은 필라멘트는 필라멘트를 형성하고 있는 고분자의 용융점보다 더 높은 용융점을 가진다. 약 150,000의 분자량을 가지는 폴리에틸렌보다 더 높은 용융점을 가진다. 그러므로, 예를 들어, 약 1,000,000 및 약 2,000,000의 분자량을 가지는 고분자량 폴리에틸렌은 138℃의 벌크 안에서 용융점을 가진다. 이들 물질로 제조된 고배향 폴리에틸렌 필라멘트는 약 7℃~13℃보다 높은 용융점을 가진다. 그러므로, 용융점을 약간 높게 하면 결정화가 완벽하게 되고 벌크 폴리머와 비교하였을 때 필라멘트사의 결정화 배향이 더 높아진다.
아라미드 섬유의 경우에 있어서, 방향족 폴리아미드로부터 형성된 적절한 섬유는 미국특허번호 제 3,671,542호에 기술되어 있는데, 이 특허의 개시 사항은 여기에서와 모순되지 않는 범위에서 참조예로 병합된다. 바람직한 아라미드 섬유는 최소 약 20g/d의 강도을 가지고, 약 400g/d 초기인장계수를 가지며, 8J/g의 파괴에너지를 가지는데, 특히 바람직한 아라미드 섬유는 최소 약 20g/d의 강도와 최소 약 20J/g의 파괴에너지를 가질 수 있다. 가장 바람직한 아라미드 섬유는 최소 약 23g/d의 강도를 가지고, 최소 약 500g/d 초기인장계수를 가지며, 최소 약 30J/g의 파괴에너지를 가질 수 있다. 예를 들어, 적합하게 높은 인장계수와 강도의 값을 가지는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) 필라멘트가 탄도 저항 복합체를 형성함에 있어서 특히 유용하다. 예를 들어, 1000 데니어를 가지는 Teijin이 제조한 Twaron® T2000이 있다. 다른 예로는 듀퐁(du Pont)에서 상용화시킨 초기인장계수와 강도의 값이 각각 500g/d 및 22g/d를 가지는 Kevlar®29와 1000g/d 및 22g/d를 가지는 Kevlar®49가 있다. 코-폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드 3,4' 옥시디페닐렌 테레프탈아미드)(co-poly(p-phenylene terephthalamide 3,4' oxydiphenylene terephthalamide))와 같은 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)의 공중합체도 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 있어서 듀퐁에 의하여 상용화되어 제조되고 상표명이 Nomex®인 폴리(m-페닐렌 이소테레프탈아미드)섬유도 유용하다.
경직 막대 섬유는 예를 들어 미국특허번호 제5,674,969호, 제5,939,553호, 제5,945,537호 및 제6,040,478호에 개시되었는데, 상기 특허의 개시 사항은 여기에서와 모순되지 않는 범위에서 참조예로 병합된다. 그러한 섬유는 마젤란 시스템 인터내셔널(Magellan System International)로부터 M5®섬유로 명명되어져 상용화되었다.
고강도 섬유는 단일방향으로 배향된 섬유의 플라이(ply)와 같은 부직포 또는 랜덤방향으로 배향된 펠트(felt)된 섬유 및 적합한 수지 매트릭스에 침지된 섬유의 형태로 존재한다. 단일방향으로 배향된 섬유로부터 형성된 패브릭은 대체적으로 한 방향으로 연장된 제 1 섬유층을 가지고, 상기 제 1 섬유층으로부터 90°방향으로 연장된 제 2 섬유층을 가진다. 각각의 플라이는 단일방향으로 배향된 섬유이면, 상기 연속적인 플라이는 바람직하게는 예를 들어, 0°/90° 또는 0°/45°/90°/45°/0°의 각도 또는 다른 각도로 서로에 대하여 하여 교차된다.
섬유의 기하학에 의해 본 발명의 복합체의 기하학적 배열을 특징짓는 것이 편리하다. 하나의 이러한 적절한 배열은 섬유가 통상의 섬유 방향("단일방향으로 배열된 섬유 네트워크"라 한다.)을 따라 서로 평행하게 배열되어 있는 섬유층이다. 이러한 단일방향으로 배열된 섬유의 연속적인 층은 이전의 층에 대응시켜 교차시킬 수 있다. 바람직하게는 상기 복합체의 섬유층은 교차되어 플라이된(cross-piled) 즉, 각각의 네트워크 층에서 단일방향 섬유의 섬유 방향이 인접한 층에서 단일방향 섬유의 섬유방향에 교차되어 있다. 예를 들어, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 층으로 된 5층의 물품은 제 1 층에 대하여 +45°,-45°,90°및 0°로 교차된다. 바람직한 예로 0°/90°로 적층된 이중층을 포함할 수 있다. 그러한 교차된 단일방향의 배열은 예를 들어, 미국특허번호 제4,457,985호와; 제4,748,064호와; 제4,916,000호와; 제4,403,012호와; 제4,623,574호와; 및 제4,737,402호에 기술되었다.
일반적으로, 본 발명의 상기 섬유층은 바람직하게는 우선 섬유 네트워크를 구축하고, 그런 마음 상기 네트워크를 매트릭스 조성물로 코팅하여 형성된다. 여기서 사용된 용어 "코팅"은 섬유 네트워크를 기술하기 위하여 넓은 의미로 사용되는데, 여기서 개개의 섬유는 상기 섬유를 둘러싸고 있는 매트릭스 조성물의 연속층 또는 섬유의 표면에 있는 매트릭스 조성물의 불연속층 중에서 하나를 가진다. 상기 형성된 경우, 섬유가 매트릭스 조성물에 완전히 파묻혀진 것으로 말할 수 있다. 상기 용어 코팅 및 함침(impregnating)은 여기서 상호교체되어 사용될 수 있다. 상기 섬유 네트워크는 다양한 방법을 통하여 구축될 수 있다. 단일방향으로 배열된 섬유 네트워크의 바람직한 케이스에 있어서, 고강도 필라멘트사의 원사 묶음은 크릴(creel)로부터 공급되고 매트릭스 물질로 코팅하기 이전에 가이드 및 조준 소면기(collimating comb)로 하나 또는 그 이상의 스프레드 바(spreader bar)를 통해 이동한다. 상기 조준 소면기는 필라멘트를 동일평면상 및 실질적으로 단일방향 형태로 배열한다.
본 발명의 방법은 우선 섬유 네트워크, 바람직하게는 위에서 서술한 단일방향 네트워크 층을 형성하고, 용액에 적용, 상기 매트릭스 조성물의 용액, 분산 또는 에멀젼을 상기 섬유 네트워크 층 위에 적용하고, 그런 다음 상기 매트릭스로 코팅된 섬유 네트워크 층을 건조하는 것을 포함한다. 상기 용액, 분산 또는 에멀젼은 바람직하게는 필라멘트사의 위에 분사될 수 있는 폴리우레탄 수지의 수용액이다. 선택적으로 상기 필라펜트 구조는 수용성 용액, 분산 또는 에멀젼에 담그거나 롤코터 등의 수단을 사용하여 코팅할 수 있다. 코팅 후에, 상기 코팅된 섬유층은 그 다음 상기 코팅된 섬유 네트워크 층(유니테이프(unitape))은 매트릭스 조성물 내의 수분을 증발시키기 위해 충분한 열을 가하여 오븐을 통과할 수 있다. 상기 코팅된 섬유네트워크는 그런 다음 종이 또는 필름 기재일 수 있는 캐리어 웹(carrier web) 위에 놓을 수 있으며, 또는 상기 섬유는 매트릭스 수지로 코팅하기 전에 우선 상기 캐리어 웹에 놓을 수 있다. 상기 기판과 고화된 유니테이프는 그런 다음 공지된 방법으로 연속적인 롤에 넣고 감을 수 있다.
상기 고화된 유니테이프는 별개의 시트로 잘라서 최종 용도의 복합체로 형성하게 위한 적층(stack)될 수 있다. 이전에 언급하였듯이, 가장 바람직한 복합체는 각 층의 상기 섬유 네트워크는 단일방향으로 배열되고 배향되어 연속적인 층에서 상기 섬유 방향이 0°/90°로 배향된 것이다.
각각 인접한 층에 있는 상기 섬유는 같거나 다를 수 있으나, 복합체의 두 개의 인접한 층에 있는 상기 섬유는 동일한 것이 바람직하다.
상기 섬유층의 섬유를 위한 수지 매트릭스는 열가소성 폴리우레탄 수지이다. 상기 폴리우레탄 수지는 호모폴리머 또는 코폴리머일 수 있으며, 그리고, 이들 수지의 하나 또는 하나 이상의 상기 수지를 혼합한 것을 여기에 사용할 수도 있다. 이러한 수지는 본 기술분야에서 공지되어 있으며, 상용화되어 있다. 바람직하게는 이러한 수지는 사용을 쉽게 하기 위해 수계로 제공된다. 상기 수지는 대체적으로 수용성 용액, 분산 또는 에멀젼으로 사용 가능하며, 상기 고형성분은 약 20~80 중량% 범위이고, 더 바람직하게는 약 40~60중량%의 범위, 나머지 중량은 물이다. 충진제 및 이와 유사한 통상적인 첨가제를 수지 조성물에 포함시킬 수 있다.
복합체 층에서의 섬유에 대한 수지 매트릭스 물질의 비율은 최종 용도에 따라 널리 다양화할 수 있다. 고형분 기준으로 상기 폴리우레탄 수지는 바람직하게는, 각 복합체 층의 약 1~40중량%, 더 바람직하게는 약 10~30중량%, 가장 바람직하게는 약 15~28중량%로 형성된다.
본 발명의 상기 복합체 재료는 예를 들어, 약 75~260℉(24~127℃) 범위의 온도, 약 1~250psi(6.9~1725kPa)의 압력 및, 약 1시간~30분 동안의 시간과 같은 열과 압력하에서 고화되어 각각의 얇은 막(laminae)으로 형성될 수 있다.
복합체 재료에서 층의 수는 특정 최종 용도에 의한다. 가장 바람직하게는 각 복합체은 서로에 대해 90°로 배향되고, 단일 구조로 고화된 두 개의 섬유층으로 형성된다. 선택적인 구현예에 있어서, 상기 복합체는 이러한 상기 단일 구조의 2개의 세트로 형성될 수 있는데, 도합 4개의 섬유층으로 사용될 수 있다; 이러한 경우에는 두 개의 플라이(two-ply) 두 개를 고화된 구조는 상호간에 고화된다.
이로부터 형성된 물품에서 사용되는 복합체의 층 수는 물품의 궁극적인 용도에 따라 변화한다. 바람직하게는, 본 발명의 복합체는 방탄조끼와 같은 방탄복의 외부와 접하는 층(outer facing layer)에 형성되지만, 택일적으로 상기 복합체는 내부 층(inner layer)을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 군사용 응용품을 위한 방탄조끼는 바람직하게는 1.0 평방피트 면적밀도당 1.0 파운드(4.9㎏／㎡)를 달성하기 위해 하나의 전형적인 구조로서 22층일 수 있다. 본 발명의 복합체로부터 이러한 모든 요구가 형성되는 것은 아니다. 예를 들어, 조끼는 이중 층 구조로서 11층으로 형성될 수 있는데, 상기 층은 90°의 배향으로 서로 고화되고, 상기 11층은 서로 결합되는 것을 요하지 않는다. 이러한 구현예에 있어서, 11개의 부가적인 층이 조끼 재료의 바닥층을 형성하는데 사용될 수 있는데; 이러한 층은 직물, 편물 또는 부직물일 수 있으며, 또한, 바람직하게는 고강도 섬유로 형성되며, 더 바람직하게는 상기 부직 층에서와 동일한 그룹의 섬유로 형성된다.
또 다른 구현예에 있어서, 법집행 최종 용도(law enforcement end use)의 방탄조끼는 미 법무성 산하의 국제사법연구소(National Institute of Justice ; NIJ) 위협 레벨(Threat Level)에 근거한 많은 층을 가질 수 있다. 예를 들어 NIJ 위협 레벨 ⅢA 조끼에 있어서 도합 22층으로 될 수 있다. 위와 같이, 모든 층이 본 발명의 복합체 재료로부터 형성될 필요는 없다. 이러한 구현예에서, 11층 맨 위에 본 발명의 복합체 재료로 형성될 수 있다. 그리고, 11층 바닥은 직물, 편물 또는 부직물이 형성될 수 있다. 그리고, 바람직하게는 고강도 섬유로 형성될 수 있으며, 더 바람직하게는 부직포 층에서와 동일한 그룹의 섬유로부터 형성될 수 있다. 낮은 NIJ 위협 레벨을 위하여, 본 발명은 다양한 물질의 보다 적은 층을 사용할 수 있다.
상기 발명에서 하나의 구현예에 있어서, 방탄조끼는 다층의 아라미드 섬유로 형성된 부직 복합체(non-woven composite)로부터 형성되고, 아라미드 직물로부터 형성된 복합체 재료의 다수의 층과 조합하여, 상기 아라미드 직물은 열가소성 폴리우레탄 수지 이외의 매트릭스 물질로 코팅된 것이다.
위에 기재된 바와 같이 각 층의 고강도 섬유는 매트릭스 조성물로 코팅된 다음 상기 매트릭스/섬유 결합이 고화된다. "고화"는 상기 매트릭스 물질 및 상기 섬유층이 일원화 단일층으로 결합한다는 것을 의미한다. 고화는 건조, 냉각, 가열, 압력 또는 이들의 조합에 의하여 발생될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 플라스틱 필름이 복합체 내에 포함되어, 신체 형상으로 형성을 쉽게 하고, 피복을 쉽게 하기 위하여 다른 복합체 층이 서로 미끄러지도록 할 수 있다. 이러한 플라스틱 필름은 대체로 각 복합체의 한쪽 또는 양면에 부착될 수 있다. 폴리올레핀으로 만들어진 필름과 같은 적절한 플라스틱 필름을 사용할 수 있다. 그러한 필름의 예로는 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 필름, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 필름, 폴리에스테르 필름, 나일론 필름, 폴리카보네이트 필름 등이 있다. 이러한 필름은 소정의 두께를 가질 수 있다. 대체적인 두께는 약 0.1~1.2 mils(2.5~30㎛)이고, 더 바람직하게는 약 0.2~1 mils(5~25㎛)이고, 가장 바람직하게는 약 0.3~0.5mils(7.5~12.5㎛)인 범위이다. 가장 바람직하게는 LLDPE 필름이다.
다양한 구조가 충격 및 탄도 저항성 물품에 사용되는 섬유강화 복합체에 대해 알려져 있다. 이러한 복합체는 총알, 창 및 파편 등의 투사체로부터의 고속충격에 의한 관통에 대한 저항의 정도가 다양하게 나타난다. 예를 들어, 미국 특허6,268,301 Bl, 6,248,676 Bl, 6,219,842 Bl ; 5,677,029, 5,587,230; 5,552,208; 5,471,906; 5,330,820; 5,196,252; 5,190,802; 5,187,023; 5,185,195; 5,175,040; 5,167,876; 5,165,989; 5,124,195; 5,112,667; 5,061,545; 5,006,390; 4,953,234; 4,916,000; 4,883,700; 4,820,568; 4,748,064; 4,737,402; 4,737,401; 4,681,792; 4,650,710; 4,623,574; 4,613,535; 4,584,347; 4,563,392; 4,543,286; 4,501,856; 4,457,985; 및 4,403,012; PCT 공개번호 WO 91/12136; 및 "경량 복합체 단단한 방호복 비의복시스템 T-963 3300dtex 듀퐁 케블라 29 섬유"의 제목으로 한 E.I. 듀퐁 드 네무르 인터내션널 S.A(De Nemours International S.A)의 1984년도 발표 모두는 고분자량 폴리에틸렌 및 아미드로부터 제조된 고강도 섬유를 포함하는 탄도 저항성 복합체에 대해 기술한다.
본 발명에 있어서 구현예의 한 가지로, 방탄 조끼 또는 다른 방호복 또는 다른 물품은 복수층의 복합체 재료로 기존 방법에 의하여 형성된다. 이러한 층들은 바람직하게는 적층되는 것이 아니라, 상호에 대해 각각의 플라이가 미끄러지는 것을 피하기 위해 함께 스티치 될 수 있다. 예를 들어, 상기 층들은 각 모퉁이에서 택스티치(tack stich) 될 수 있다. 택일적으로, 상기 층들은 전체로서 주머니 또는 다른 것으로 포장될 수 있다.
위에서 언급하였듯이, 상기 본 발명의 복합체 재료는 수분을 흡수에 대한 향상된 저항성을 가진다. 또한, 상기 가솔린, 석유, 기름 및 윤활유와 같은 다른 액체에 대한 흡수에 대해서도 향상된 저항성을 가진다.
상기 본 발명의 유연한 탄도 방호복은 바람직하게는 16 그레인 탄에 의한 충격이 가해졌을 때, 24시간 동안 70℉±5℉(21℃±2.8℃)의 바닷물에 함침 후 최소 약 1920 fps(585.6 mps)의 V50을 가지는 것으로 특징지어진다. 상기 본 발명의 유연한 탄도 방호복은 수도물에 20시간 동안 70℉±5℉(21℃±2.8℃)의 수돗물에 함침 후 17 그레인 모의파편탄에 의한 충격이 가해졌을 때, 바람직하게 상기 방호복의 V50 성능의 최소 약 85%, 더 바람직하게 최소 약 90%를 유지하는 것으로 특징지어지고; 이러한 조건하에서, 상기 유연한 방호복은 건조 중량보다 50% 미만, 더 바람직하게 40% 미만의 중량 증가를 보인다.
나아가, 본 발명의 상기 유연한 탄도 방호복은 바람직하게는, 수도물에 4시간 동안 70℉±5℉(21℃±2.8℃)의 가솔린에 함침 후, 16 그레인 탄에 의한 충격이 가해졌을 때, 바람직하게는 상기 방호복의 V50 성능의 최소 약 85%, 더 바람직하게 최소 약 90%을 유지하는 것으로 특징지어진다.
이어지는 비제한적인 실시예는 본 발명의 더욱 완전한 이해를 제공하고자 나타내는 것이다. 앞으로 본 발명의 원리를 설명하기 위해 기재된 특정 기술, 조건, 재료, 비율 및 기재된 데이터는 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 다른 언급이 없는 한 모든 퍼센트는 중량에 의한 것이다.
도 1은 본 발명이 포함하고 있는 단일한 복합체 재료의 무게 증가량 대 침수시간의 그래프이다.
도 2는 본 발명이 포함하고 있는 복합체 재료의 11층의 무게 증가량 대 침수시간의 그래프이다.
< 실시예 1>
4-플라이(four-ply) 부직 복합체를 아라미드 섬유(테이진의 트와론® T2000, 1000 데니어(denier) 및 강성력 26g/d을 가짐)의 층으로부터 형성하였다. 아라미드 섬유의 유니테이프(unitapes)를 크리일(creel)로부터 그리고 코밍 스테이션(combing station)을 통해 섬유가 통과함으로써 제조되어, 단일방향 네트워크를 형성한다. 상기 섬유 네트워크는 그 다음에 캐리어 웹상에 위치하고, 상기 매트릭 스 수지는 그 위에 코팅된다. 상기 매트릭스 수지는 열가소성 폴리우레탄 수지의 분산물이다(물에 폴리우레탄 수지의 공중합체 혼합물(40~60% 수지)인 것으로써 그제조사에 의해 기재된 것이며, 23℃에서 1.05g/cc의 상대 밀도 및 23℃에서 40cps의 점도를 가짐). 복합체 재료를 형성하기 위한 제조에 있어서, 상기 코팅된 섬유 네트워크는 그런 다음 조성물 내의 수분을 증발시키기 위해서 오븐을 거치게 되고,캐리어 웹이 그로부터 벗겨지면서 롤러에 감기게 된다. 상기 결과물 구조는 16중량%의 폴리우레탄 수지를 함유하였다. 단일방향섬유 프리프레그(prepreg)의 두 개의 연속적인 롤을 이러한 방법으로 제조하였다. 그러한 두 개의 유니테이프는 90°로 교차되어 플라이되고, 열 및 압력하에서 고화되어 두 개의 이상적인 아라미드 섬유막으로 라미네이트(laminate)를 형성하였다. 두 개의 이러한 고화된 2-플라이 구조는 그 다음 다시 한번 90°로 교차되고 플라이되어 열과 압력하에서 고화되게 된다. 그 결과의 구조는 4-플라이의 아라미드 복합체였다. 18×18 in.(45.7×45.7㎝)의 크기로 된 이러한 물질의 시료를 다음 테스트에 사용하였다. 이어지는 모든 실시예에서 특별히 테스트 시료에 대하여 나타나 있지 않다면 실시예 1의 시료와 같은 사이즈이다.
4-플라이의 복합체 구조의 방수성을 다음과 같이 측정하였다. 상기 복합체를 실온(70℉, 21℃)에서 지시된 시간 동안 수돗물의 컨테이너에 담군 후, 상기 복합체 15분 동안 널어서 말리기(drip dry) 위해 수직으로 걸어두었다. 상기 젖은 복합체의 중량을 상기 복합체의 무게와 비교하여 중량 증가를 측정하였다. 상기 결과는 표 1에 나타내었다(Ex. 1로 표지된 곡선).
약 4시간 후에 무게의 증가가 약 52%의 증가량을 보였으며, 24시간 동안 테스트가 계속된 다음에는 안정상태가 되었다.
< 실시예 2>
각각의 2-플라이 아라미드 복합체가 한쪽 표면에 우선 0.35mil(8.89㎛) LLDPE(선형저밀도폴리에틸렌) 필름이 형성되는 것만 제외하고, 실시예 1을 반복하였다. 이러한 두 복합체는 아라미드 층이 서로 마주보게 하여 프레스기(press)에서 고화시켰다. 상기 결과는 각각의 외부면에 폴리에틸렌 필름이 있는 4-플라이의 아라미드 구조이다.
상기 이러한 4-플라이 복합체의 방수성을 실시예 1과 같이 테스트하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다(Ex. 2로 표지된 곡선).
이러한 구조에서 무게 증가량이 매우 작음을 나타내는데, 24시간 후에 약 10%가 존재한다. 덧붙여 약 12시간 후에는 무게의 증가량이 안정상태가 되었다.
< 실시예 3>
실시예 1은 단지 2-플라이의 아라미드 섬유 유니테이프를 사용하여 반복하였 다. 상기 2-플라이 복합체의 방수성을 실시예 1에서 테스트하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다(Ex. 3으로 표지된 곡선).
이러한 구조에서 무게 증가량이 매우 작음을 나타내는데, 24시간 후에 약 20%의 무게증가량을 나타냈다.
< 실시예 4 (비교)>
상기 수지 매트릭스가 탄성중합체(elastomer-크라톤®D1107 이소프렌-스티렌-이소프렌 블록 공중합체 크라톤에서 상용화한 폴리머 LLC)인 것을 제외하고 실시예 1을 반복하였다. 복합체에서 수지의 양은 16중량%이다. 각각 2-플라이 아라미드 라미네이트는 LLDPE의 0.35mil(8.9㎛) 필름과 함께 고화된다. 4-플라이이의 라미네이트는 두 개의 2-플라이(아라미드에서 아라미드까지)의 라미네이트와 외부면에 폴리에틸렌 필름과 함께 고화시킴으로써 형성하였다. 상기 이러한 구조의 방수성은 실시예 1에서와 같이 테스트되었으며, 상기 결과는 표 1에 나타내었다(Ex. 4으로 표지된 곡선).
이러한 복합체 물질은 약 2시간 후에 80%의 무게 증가율을 보였고, 상기 중량증가는 24시간 동안 테스트를 통틀어서 거의 비슷한 증가량으로 남아있다. 실시예 1과 비교하면 상기 무게증가는 다소 더 있다.
< 실시예 5(비교)>
실시예 4에서와 동일하게 수지 매트릭스를 제외하고 실시예 3을 반복한다. 덧붙여서, LLDPE 필름은 아라미드 구조 층의 2-플라이의 양쪽면에 부착시킨다. 이러한 2-플라이 구조의 방수성을 실시예 1에서 테스트하였으며, 그 결과는 도 1에 나타내었다(Ex. 5로 표지된 곡선).
이러한 복합체 물질은 약 1시간 지난 후에 60%의 무게증가량의 증가를 보였으며, 상기 무게증가량은 24시간 테스트 동안 거의 같음을 알 수 있었다. 실시예 3과 비교하여 볼 때, 상기 무게 증가량은 다소 더 있었다.
< 실시예 6>
본 실시예에 있어서, 상기 실시예 1의 상기 4-플라이 복합체의 11 층이 함께 형성되고(각각의 모퉁이에 택스티치(tack stitch)된) 상기 11 층 패키지가 같은 기간 동안 널어서 마르도록 하여 실시예 1에서와 같이 무게증가량에 대해 테스트하였다. 상기 결과는 도 2에 나타내었다(Ex. 6으로 표지된 곡선).
상기 결과는 24시간이 지난 뒤에 무게증가량이 약 62%이고, 첫 번째 시간 후에도 거의 비슷하게 남아있었다.
< 실시예 7>
실시예 2의 4-플라이 복합체의 11 층을 제외하고 실시예 6을 반복하였다. 상 기 구조를 실시예 6에서와 같이 무게증가량을 테스트하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다(Ex. 7으로 표지된 곡선).
상기 결과는 이러한 구조에의 무게증가량은 24-시간 테스트의 끝에서 오로지 약 19%이었다.
< 실시예 8>
실시예 3의 2-플라이 복합체의 11 층을 제외하고 실시예 6을 반복하였다. 상기 구조는 실시예 6에서와 같이 무게증가량을 테스트하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다(Ex. 8으로 표지된 곡선).
상기 결과는 이러한 구조에의 무게증가량은 테스트 시작에서 끝까지 약 40%이었다.
< 실시예 9(비교)>
실시예 3의 2-플라이 복합체의 11 층을 제외하고 실시예 6을 반복하였다. 상기 구조는 실시예 6에서와 같이 무게증가량을 테스트하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다(Ex. 9로 표지된 곡선).
실시예 6에서의 약 62%의 무게 증가량과 비교하였을 때, 상기 복합체 재료는 24시간 후에 약 72%의 무게 증가량을 가지는 것을 나타냈다. 물론 실시예 6의 무게 증가 곡선은 실질적으로 평평하고, 상기 그래프는 비교 실시예 9에서 증가하고 있다.
< 실시예 10(비교)>
비교 실시예 5의 2-플라이 복합체의 11층을 제외한 실시예 6을 반복한다. 상기 구조는 실시예 6에서와 같이 무게증가량을 테스트하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다(Ex. 10으로 표지된 곡선).
이러한 복합체 물질은 24시간 후에 무게증가량이 약 72%인 것으로 나타났고, 실시예 8의 2-플라이 복합체의 무게증가량이 단지 약 40%인 것과 비교된다. 물론 실시예 8의 무게증가량 그래프는 실질적으로 평평하고, 비교 실시예 10에서 증가하고 있다.
< 실시예 11 및 12>
실시예 1의 4-플라이 복합체의 다중 층(shoot pack; 슈트팩)의 탄도적 특징은 70℉(21℃)에서 수돗물을 빨아들이는 20시간 전과 후에 의하여 측정된다. 상기 파편은 MIL-P-46593A(ORD), 칼리버(caliber)=22, 17 그레인(grain) 모의파편탄(FSP : Fragment Simulating Projectile)에 의해 특정되었다. 상기 테스트 방법은 MIL-STD-662F의 가이드라인을 따랐다. 몇몇의 17 그레인 FSP는 각각의 치수가 18× 18 인치(45.7×45.7㎝)이고 상기 층이 함께 지탱하도록 모퉁이가 스티치 된 실시예 1의 23층의 4-플라이 라미네이트의 슈트팩에 발사한다. 상기 슈트팩은 맨 위에서 집어지고, 상기 슈트팩의 하부는 1.5인치(3.8㎝) 폭의 스틸앵글(steel angles)로 모퉁이를 집게로 집어 고정된다.
V50 계산은 파편이 멈춘 슈트팩 및 관통된 슈트팩의 6쌍의 평균을 기초로 하여 결정된다. V50 속도는 50%의 관통 가능성을 갖는 발사체의 속도이다. 상기 허용된 최대 전개 속도(maximum velocity spread)는 125fps(38.1mps)이다.
상기 결과는 아래 표 1에 나타내었다. 상기 본 발명의 복합체를 함유하고 있는 슈트팩은 함침 20시간 후에도 이의 테스트에 따르면 상기 슈트팩의 탄도능 특성를 85%를 유지하였음을 보여준다.
실시예 상태 무게, psf(㎏/㎡) 무게증가량(%) 17그레인 FSP V50, fps(mps) 유지능(%)
11 컨트롤 1.04
(5.10)		 컨트롤 1864
(568.5)		 컨트롤
12 젖음 1.46
(7.15)		 40 1590
(485.0)		 85
< 실시예 13및 14>
실시예 3의 2-플라이 복합체의 48층의 탄도특성은 실시예 11과 12에서와 같은 방법으로 수돗물 함침의 24시간 전과 후로 하여 측정되었다.
상기 결과를 아래 표 2에 나타내었다. 상기 본 발명의 복합체를 함유하고 있는 슈트팩은 함침 24시간 후에도 이의 테스트에 따르면 탄도성능특성의 92%를 유지하고 있음을 보여준다.
실시예 상태 무게, psf(㎏/㎡) 무게증가량(%) 17그레인 FSP V50, fps(mps) 유지능(%)
13 컨트롤 1.04
(5.10)		 컨트롤 1887
(575.5)		 컨트롤
14 젖음 1.46
(7.16)		 40 1727
(526.7)		 92
< 실시예 15 및 16>
실시예 1의 4-플라이 복합체의 24 층의 탄도 특징을 실온(70℉,21℃)의 가솔린에 함침 4시간 전과 후에 의해 측정하였다. 탄도 테스트는 그레인 16을 제외하고 실시예 11 및 12에 의하여 실시하였으며, 직원기둥(right circular cylinder;RCC) 테스트 시료 파편은 미군에 의하여 사용되는 것으로 수행하였다.
상기 결과를 아래의 표 3에 나타내었다. 표 3을 참고하면, 상기 본 발명의 복합체는 오로지 가솔린에 함침 4시간 후에 13%의 무게가 증가하고, 액체에서 최소한의 흡수를 나타내었다. 물론 상기 본 발명의 복합체를 함유하고 있는 슈트팩은 함침의 4시간 후에도 이의 테스트에 따르면 탄도성능특성의 89%를 유지하고 있음을 보여준다.
실시예 상태 무게, psf(㎏/㎡) 무게증가량(%) 17그레인 FSP V50, fps(mps) 유지능(%)
15 컨트롤 0.98
(4.80)		 컨트롤 2103
(641.4)		 컨트롤
16 젖음 1.11
(5.44)		 13 1878
(572.8)		 89
따라서, 본 발명은 유연한 탄도 복합체을 제공하는 것으로 볼 수 있으며, 상기 복합체는 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지고 있다. 본 발명의 복합체에 의하여 제조된 조끼와 같은 방호복은 유연하고, 이와 마찬가지로 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지고 있다. 상기 방호복은 방호복에서의 바람직한 탄도 저항능을 여전히 유지한다.
그러므로, 본 발명은 유연한 탄도 저항성 복합체 재료로 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 저항성을 향상시키는 수단을 제공하며, 여기서 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층들을 포함한다. 상기 섬유층은 고강도 섬유의 네트워크를 포함한다. 상기 고강도 섬유의 네트워크는 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅되며, 상기 수지가 상기 섬유를 위한 매트릭스를 형성하는 것을 포함한다. 상기 섬유층은 아라미드 섬유, 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유, 경직 막대 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 복합체 재료에 의해 형성된 방탄복과 같은 유연한 탄도 저항성 복합체 재료로 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 저항성을 향상시키는 방법을 제공한다. 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층들을 포함하는데, 상기 섬유층은 고강도 섬유의 네트워크를 포함한다. 상기 고강도 섬유의 네트워크는 열가소성 폴리우레탄 수지로 코팅하여 상기 수지가 상기 섬유를 위한 매트릭스를 형성하는 것을 포함한다. 상기 유연한 방탄복은 적어도 부분적으로 상기 복합체 재료로부터 형성되고 상기 섬유는 아라미드 섬유, 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유, 경직 막대 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
이리하여 본 발명에 대하여 좀 더 상세하게 기술한 것은 그러한 발명을 자세하게 이해하기 위한 것이며, 상기 발명은 당업자에 의해 변경 및 변형이 가능할 것이어서 그것을 엄격하게 고수하기 위한 것은 아니므로, 상기 발명의 범위는 기재된 청구범위에 의하여 정하여야 할 것이다.

Claims (53)

  1. 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지는 유연한 탄도 저항성 복합체 재료에 있어서, 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층들(non-woven fibrous layers)을 포함하고, 상기 섬유층은 아라미드 섬유; 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유(extended chain polyethylene fibers); 경직 막대 섬유(rigid rod fibers); 및 상기 아라미드 섬유, 상기 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유 및 상기 경직 막대 섬유의 혼합물(blends)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되며, 7g/d 이상의 강도를 갖는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하고, 상기 섬유는 열가소성 폴리우레탄 수지들의 공중합체 혼합물을 포함하는 매트릭스에 존재하는 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열가소성 폴리우레탄 수지들의 공중합체 혼합물은 상기 복합체 재료의 총 무게의 1~40 중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 열가소성 폴리우레탄 수지들의 공중합체 혼합물은 상기 복합체 재료의 총 무게의 10~30 중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  4. 제 1 항에 있어서, 인접한 섬유층들은 서로에 대해서 교차-플라이된(cross-plied) 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  5. 제 1 항에 있어서, 인접한 섬유층들은 서로에 대해서 90°로 교차-플라이된 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  6. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 섬유층 내의 상기 섬유는 아라미드 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  7. 제 6 항에 있어서, 모든 상기 섬유층 내의 상기 섬유는 아라미드 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  8. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 섬유층 내의 상기 섬유는 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  9. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 섬유층 내의 상기 섬유는 경직 막대 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  10. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 섬유층과 접하는 적어도 하나의 플라스틱 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 플라스틱 필름은 선형저밀도 폴리에틸렌 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  12. 제 1 항에 있어서, 서로에 대해 교차-플라이된 2개의 부직 섬유층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 부직 섬유층들은 서로 90°로 교차-플라이된 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  14. 제 1 항에 있어서, 서로에 대해 교차-플라이된 4개의 부직 섬유층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 부직 섬유층들은 서로 90°로 교차-플라이된 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 부직 섬유층내의 상기 섬유는 각 층에서 단일방향(unidirectionally)으로 배열된 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유는 200~3000 데니어를 가지는 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유는 650~1500 데니어를 가지는 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  19. 제 1 항의 복합체 재료로 형성된 물품.
  20. 적어도 부분적으로는 제 1 항의 복합체 재료로부터 형성된 유연한 방호복 물품.
  21. 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지는 유연한 탄도 저항성 복합체 재료에 있어서, 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층들을 포함하고, 상기 섬유층은 아라미드 섬유; 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유; 경직 막대 섬유; 및 상기 아라미드 섬유, 상기 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유 및 상기 경직 막대 섬유의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되며, 7g/d 이상의 강도를 갖는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하고, 상기 섬유는 열가소성 폴리우레탄 수지들의 공중합체 혼합물 포함하는 매트릭스 내에 존재하고 있고, 적어도 두 개의 인접한 섬유층은 서로에 대하여 교차-플라이(cross-ply) 배열로 배향된 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  22. 제 21 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 섬유층 내의 상기 섬유는 아라미드 섬유를 포함하고, 상기 섬유층들은 서로 90°로 교차-플라이된 것을 특징으로 하는 복합체 재료.
  23. 적어도 부분적으로는 제 22 항의 복합체 재료로부터 형성된 유연한 방호복 물품.
  24. 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지는 유연한 탄도 저항 방호복에 있어서, 적어도 하나의 유연한 복합체 재료를 포함하고, 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층들을 포함하고, 상기 섬유층은 아라미드 섬유; 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유; 경직 막대 섬유; 및 상기 아라미드 섬유, 상기 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유 및 상기 경직 막대 섬유의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되며, 7g/d 이상의 강도를 갖는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하고, 상기 섬유는 열가소성 폴리우레탄 수지들의 공중합체 혼합물을 포함하는 매트릭스에 존재하는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 유연한 탄도 저항 방호복은 방탄복인 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  26. 제 24 항에 있어서, 상기 유연한 탄도 저항 방호복은 24시간 동안 70℉±5℉(21℃±2.8℃)의 바닷물에 함침 후 16 그레인 탄(16 grain projectile)에 의한 충격이 가해졌을 때, 최소 1920 fps(585.6 mps)의 V50을 가지는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 유연한 탄도 저항 방호복은 20시간 동안 70℉±5℉(21℃±2.8℃)의 수돗물에 함침 후에 17 그레인 모의파편탄(17 grain fragment simulated projectile)으로 충격을 가했을 때, 상기 유연한 탄도 저항 방호복의 V50 성능이 최소 85%를 유지하는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 유연한 탄도 저항 방호복은 건조 중량보다 20시간 동안 70℉±5℉(21℃±2.8℃)의 수돗물에 함침한 후의 중량이 50% 미만의 중량 증가를 보이는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  29. 제 24 항에 있어서, 상기 유연한 탄도 저항 방호복은 20시간 동안 70℉±5℉(21℃±2.8℃)의 수돗물에 함침 후에 17 그레인 모의파편탄으로 충격을 가했을 때, 상기 유연한 탄도 저항 방호복의 V50 성능이 최소 90%를 유지하는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 유연한 탄도 저항 방호복은 건조 중량보다 20시간 동안 70℉±5℉(21℃±2.8℃)의 수돗물에 함침한 후의 중량이 40% 미만의 중량 증가를 보이는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  31. 제 24 항에 있어서, 상기 유연한 탄도 저항 방호복은 4시간 동안 70℉±5℉(21℃±2.8℃)의 가솔린에 함침 후에 16 그레인 탄으로 충격을 가했을 때, 상기 유연한 탄도 저항 방호복의 V50 성능이 최소 85%를 유지하는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  32. 제 24 항에 있어서, 상기 유연한 탄도 저항 방호복은 4시간 동안 70℉±5℉(21℃±2.8℃)의 가솔린에 함침 후에 16 그레인 탄으로 충격을 가했을 때, 상기 유연한 탄도 저항 방호복의 V50 성능이 최소 90%를 유지하는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  33. 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지는 유연한 탄도 저항성 방호복에 대한 것으로, 적어도 하나의 유연한 복합체 재료를 포함하고, 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층들을 포함하고, 상기 섬유층은 아라미드 섬유; 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유; 경직 막대 섬유; 및 상기 아라미드 섬유, 상기 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유 및 상기 경직 막대 섬유의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되며, 7g/d 이상의 강도를 갖는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하고, 상기 섬유는 열가소성 폴리우레탄 수지들의 공중합체 혼합물을 포함하는 매트릭스 내에 있고, 적어도 두 개의 인접한 섬유층은 교차-플라이 배열로 배향된 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 섬유층의 상기 섬유는 각 층에서 단일방향으로 배열되고, 여기서 인접한 섬유층들은 서로 90°로 교차-플라이된 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  35. 제 33 항에 있어서, 상기 유연한 복합체 재료는 서로 90°로 교차-플라이된 두 개의 부직 섬유층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  36. 제 33 항에 있어서, 상기 유연한 복합체 재료는 서로 90°로 교차-플라이된 상기 섬유층은 네 개의 부직 섬유층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  37. 제 33 항에 있어서, 상기 부직 섬유층의 상기 섬유는 각 층에서 단일방향으로 배열된 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  38. 제 33 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 섬유층과 접하는 적어도 하나의 플라스틱 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 섬유층 중 적어도 하나는 아라미드 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  40. 제 33 항에 있어서, 상기 유연한 탄도 저항 방호복은 방탄복을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  41. 제 40 항에 있어서, 상기 방탄복은 조끼를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  42. 제 41 항에 있어서, 상기 조끼는 상기 유연한 복합체 재료의 다수의 층으로부터 형성되고, 상기 유연한 복합체 재료의 상기 섬유는 아라미드 섬유를 포함하고, 상기 방탄복은 아라미드 직물로 형성된 제 2 복합체 재료의 다수 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  43. 제 42 항에 있어서, 상기 제 2 복합체 재료는 폴리에틸렌으로 코팅된 것을 특징으로 하는 유연한 탄도 저항 방호복.
  44. 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 향상된 저항성을 가지는 유연한 탄도 저항성 복합체 재료를 제조하기 위한 방법에 대한 것으로, 아라미드 섬유; 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유; 경직 막대 섬유; 및 상기 아라미드 섬유, 상기 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유 및 상기 경직 막대 섬유의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되며, 7g/d 이상의 강도를 갖는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하는 제 1 부직 섬유층을 제공하고; 상기 제 1 섬유층을 열가소성 폴리우레탄 수지들의 제 1 공중합체 혼합물로 코팅하고; 아라미드 섬유; 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유; 경직 막대 섬유; 및 상기 아라미드 섬유, 상기 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유 및 상기 경직 막대 섬유의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되며, 7g/d 이상의 강도를 갖는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하는 제 2 부직 섬유층을 제공하고; 상기 제 2 섬유층을 열가소성 폴리우레탄 수지들의 제 2 공중합체 혼합물로 코팅하고; 및 상기 제 1 및 제 2 층을 고화시켜(consolidating) 복합체 재료로 형성하는 것을 포함하는 방법.
  45. 제 44 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 섬유층의 상기 섬유는 각 층에서 단일방향으로 배열되고, 상기 고화단계 전에 여기서 인접한 섬유층들이 서로 90°로 교차-플라이된 것을 특징으로 하는 방법.
  46. 제 44 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 섬유층의 상기 섬유는 아라미드 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  47. 유연한 탄도 저항성 복합체 재료의 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 저항성을 향상시키는 방법에 대한 것으로, 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층들을 포함하고, 상기 섬유층은 7g/d 이상의 강도를 갖는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하고, 상기 방법은 고강도 섬유의 상기 네트워크를 열가소성 폴리우레탄 수지들의 공중합체 혼합물로 코팅하여 상기 수지가 상기 섬유를 위한 매트릭스를 형성하는 것을 포함하며, 여기서 상기 섬유는 아라미드 섬유; 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유; 경직 막대 섬유; 및 상기 아라미드 섬유, 상기 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유 및 상기 경직 막대 섬유의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  48. 제 47 항에 있어서, 상기 섬유는 아라미드 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제 48 항에 있어서, 상기 섬유층의 상기 섬유는 각 층에서 단일방향으로 배열되고, 여기서 인접한 섬유층들은 서로 90°로 교차-플라이된 것을 특징으로 하는 방법.
  50. 유연한 탄도 저항성 방호복 물품의 수분 및 다른 액체의 흡수에 대한 저항성을 향상시키는 방법에 대한 것으로, 상기 방호복 물품은 적어도 하나의 복합체 재료를 포함하고, 상기 복합체 재료는 다수의 부직 섬유층을 포함하고, 상기 섬유층은 7g/d 이상의 강도를 갖는 고강도 섬유의 네트워크를 포함하고, 상기 방법은 고강도 섬유의 상기 네트워크를 열가소성 폴리우레탄 수지들의 공중합체 혼합물로 코팅하여 상기 수지가 상기 섬유를 위한 매트릭스를 형성하는 것을 포함하며, 상기 유연한 방호복 물품은 적어도 부분적으로는 상기 적어도 하나의 복합체 재료로 형성되고, 여기서 상기 섬유는 아라미드 섬유; 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유; 경직 막대 섬유; 및 상기 아라미드 섬유, 상기 연장된 사슬 폴리에틸렌 섬유 및 상기 경직 막대 섬유의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  51. 제 50 항에 있어서, 상기 방호복 물품은 방탄복의 형태임을 특징으로 하는 방법.
  52. 제 50 항에 있어서, 상기 섬유는 아라미드 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. 제 52 항에 있어서, 상기 섬유층의 상기 섬유는 각 층에서 단일방향으로 배열되고, 여기서 인접한 섬유층들은 서로 90°로 교차-플라이된 것을 특징으로 하는 방법.
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