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KR101289485B1 - 내탄도성 제품 - Google Patents

내탄도성 제품 Download PDF

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KR101289485B1
KR101289485B1 KR1020087002091A KR20087002091A KR101289485B1 KR 101289485 B1 KR101289485 B1 KR 101289485B1 KR 1020087002091 A KR1020087002091 A KR 1020087002091A KR 20087002091 A KR20087002091 A KR 20087002091A KR 101289485 B1 KR101289485 B1 KR 101289485B1
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KR
South Korea
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preformed sheet
preformed
film
sheet
Prior art date
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KR1020087002091A
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English (en)
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KR20080028453A (ko
Inventor
마티누스 요하네스 니콜라스 야콥스
반 마르틴 안토니우스 이에스
Original Assignee
디에스엠 아이피 어셋츠 비.브이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 디에스엠 아이피 어셋츠 비.브이. filed Critical 디에스엠 아이피 어셋츠 비.브이.
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Abstract

본 발명은 각각의 단층이 약 1.2GPa 이상의 인장 강도 및 40GPa 이상의 인장 모듈러스를 갖는 섬유로 된 섬유 망상구조 및 결합제를 함유하는 둘 이상의 단층, 및 외면중 한 면 이상위의 분리 필름을 포함하는 예비성형 시이트에 관한 것으로, 이 때 상기 분리 필름은 1 내지 5g/㎡의 면적 밀도를 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 예비성형 시이트를 사용하면, 일정 중량에서 실질적으로 보다 높은 내탄도성 보호 수준을 제공하는 조합체 및 제품이 수득될 수 있다. 본 발명은 또한 상기 시이트 둘 이상으로 된 조합체, 및 상기 조합체를 포함하는 가요적 내탄도성 제품에 관한 것이다.

Description

내탄도성 제품{BALLISTIC-RESISTANT ARTICLE}
본 발명은 예비성형 시이트(preformed sheet), 둘 이상의 상기 시이트로 된 조합체(assembly), 및 상기 조합체를 포함하는 가요적 내탄도성 제품(flexible ballistic-resistant article)에 관한 것이다. 예비성형 시이트는 각각의 단층이 약 1.2GPa 이상의 인장 강도 및 40GPa 이상의 인장 모듈러스를 갖는 섬유로 된 섬유 망상구조(fibrous network) 및 바람직하게는 결합제를 갖는 둘 이상의 단층, 및 외면중 한 면 이상위의 분리 필름(separating film)을 포함한다.
바람직한 양태에서, 본 발명은 예비성형 시이트, 둘 이상의 상기 시이트로 된 조합체, 및 상기 조합체를 포함하는 가요적 내탄도성 제품에 관한 것으로, 이 때 상기 양태에서 예비성형 시이트는 각각의 단층이 약 1.2GPa 이상의 인장 강도 및 40GPa 이상의 인장 모듈러스를 갖는 일방향 배향된(unidirectionally oriented) 섬유 및 결합제를 함유하고 각각의 단층에서의 섬유 방향이 인접 단층에서의 섬유 방향에 대하여 회전되어 있는 둘 이상의 단층, 및 외면중 한 면 이상위의 분리 필름을 포함한다.
예비성형 시이트는 EP 0907504 A1호에서 알려져 있다. 상기 참고문헌은 4개의 단층을 엇갈리게 적층시켜서 적층물(stack)을 수득하고, 선형 저밀도 폴리에틸렌으로부터 제조된 분리 필름을 적용시킨 후, 가압하에 승온에서 상기 적층물을 통합시킴으로써 제조되는 복합 층(또는 예비성형 시이트)에 대하여 기술하고 있다. 1680dtex의 역가를 갖는 아라미드 얀(yarn) 섬유를 소면기(comb)상의 보빈기(bobbin frame)로부터 가이드하고 이들을 결합제 또는 매트릭스 물질인 폴리스티렌-폴리이소프렌-폴리스티렌 블록공중합체의 수성 분산액으로 습윤시킴으로써 일방향 배향된 섬유를 함유하는 단층이 제조되었다. 가요적 내탄도성 성형 제품은 여러 개의 상기 복합층이 연결되어 있지 않은 적층물로부터 제조되었으며, 상기 적층물은 모서리에서의 스티치(stitch)에 의해 안정하게 된다.
선행 기술로부터 알려진 예비성형 시이트의 결점은 내탄도성 보호 수준의 척도인 상기 시이트를 포함하는 내탄도성 제품의 에너지 흡수도 및 상기 내탄도성 제품의 중량의 비가 바람직하지 않다는 점이다. 상기 비는 일반적으로 면적 질량(일반적으로 면적 밀도(AD)라고 함)당 흡수되는 에너지인 비 에너지 흡수도(SEA: specific energy absorption)로 표기된다. 이는 일정한 목적하는 보호 수준을 이루기 위해서는 비교적 무거운 내탄도성 제품이 필요함을 의미한다. 반면에, 내탄도성 제품이 적은 중량을 갖는 경우, 상기 제품은 탄도 요격에 대해 비교적 낮은 보호 수준을 제공한다. 많은 용도에 있어, 일정한 최소 보호 수준과 관련된 내탄도성 제품의 가능한 최저 중량은 매우 중요하다. 이는 예컨대, 방탄조끼와 같은 의복 및 신체 방탄복과 같은 인체 보호 분야에서 뿐만 아니라 예컨대 차량 용도에서도 그러하다.
따라서, 일정한 제품 중량에서 보다 높은 보호 수준을 제공하는 내탄도성 제품을 제조할 수 있게 하는 예비성형 시이트, 또는 택일적으로는 제품의 일정한 보호 수준에서 보다 적은 중량을 갖는 내탄도성 제품을 제조할 수 있게 하는 예비성형 시이트가 업계에서 꾸준히 요구되어 왔다.
본 발명에 따르면, 분리 필름이 1 내지 5g/㎡의 면적 밀도를 갖고, 분리 필름이 바람직하게는 프리 스탠딩(free standing) 필름인 예비성형 시이트가 제공된다. 본 출원에서 프리 스탠딩 필름이란 예컨대 지지층과 같은 지지 수단을 사용하지 않고도 취급될 수 있는 필름을 의미한다.
본 발명에 따른 예비성형 시이트에 의해, 본 발명에 따른 일정 중량의 시이트 조합체, 또는 상기 시이트 조합체를 포함하는 내탄도성 제품에서 실질적으로 보다 높은 보호 수준이 달성될 수 있다. 그 밖의 이점은 본 발명에 따른 예비성형 시이트는 예컨대 생산 과정에서의 품질 관리중에 육안으로 보다 잘 확인될 수 있다는 점이다. 이는 예컨대 EP 0907504 A1호에서 사용된 분리 시이트와 비교할 때 본 발명에서 사용되는 분리 시이트의 투명성이 보다 높기 때문이다.
내탄도성 제품이란 본 발명에 따른 둘 이상의 예비성형 시이트의 조합체를 포함하는 성형 부품으로서, 예컨대 보호용 의복 또는 차량 보호장구로서 사용될 수 있으며, 탄환 및 탄도 파편에 의한 것과 같은 탄도 충격으로부터 보호하는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 조합체는 바람직하게는 실절적으로 서로에 연결되어 있지 않은 예비성형 시이트의 적층물을 함유한다; 즉, 상기 시이트는 인접 표면의 상당 부분에서 서로에 부착되거나 접착되어 있지 않다. 더욱 바람직하게, 본 발명에 따른 조합체는 서로 연결되어 있지 않은 예비성형 시이트의 적층물을 함유한다. 그러나, 상기 적층물은 추가적인 가공에서 요구되는 결합력이 없기 때문에 서로 연결되지 않은 예비성형 시이트의 적층물을 취급하기는 어렵다. 일정 수준의 결합력을 얻기 위해서, 내탄도성 제품은 예컨대 스티치에 의할 수 있다. 시이트가 서로에 대해 어느 정도 이동할 수 있도록 하기 위해 상기 스티치는 가능한 한 적게, 예컨대, 모서리 또는 가장자리 둘레에서만 이루어진다. 또 다른 가능한 방법은 가요성 커버(cover) 또는 싸개(envelop)에 예비성형 시이트의 적층물을 넣는 것이다. 따라서, 조합체 또는 내탄도성 제품내의 예비성형 시이트는 서로에 대해 이동할 수 있으면서 조합체 또는 제품 그 자체는 결합력을 갖고 우수한 가요성을 나타낸다.
본 출원에서 섬유 망상구조는 다양한 배치형태의 망상구조로 배열된 섬유를 포함한다. 예컨대, 섬유는 연사(twisted yarn) 또는 무연사 섬유속으로부터 다양한 상이한 배열로 만들어질 수 있다. 적합한 예는 편물 또는 직물(플레인(plain), 누직(twill), 바스킷(basket), 주자(satin) 또는 기타 직), 또는 펠트 또는 일방향 배향된 섬유 층과 같은 부직 구조물을 포함한다. 내탄도성 성능의 관점에서, 고-강도 섬유가 주로 한 방향으로 배향된 망상구조 배치형태가 바람직하다. 그의 예는 일방향 배향된 섬유 층 뿐만 아니라, EP 1144740 B1호에 기재된 구성과 같이 고-강도 섬유가 예컨대 날실 섬유로서 직물의 많은 부분을 형성하고 씨실 섬유가 적은 부분을 형성하며 고-강도 섬유일 필요가 없는 직조 구조물, 또는 단직 직물(uniweave fabric)로 지칭되는 기타 직물을 포함한다. 가장 바람직하게, 섬유 망상구조는 약 1.2GPa 이상의 인장 강도 및 40GPa 이상의 인장 모듈러스를 갖는 일방향 배향된 섬유를 포함한다. 이는 최고의 내탄도성 성능을 갖는 예비성형 시이트를 제공한다.
예비성형 시이트는 각각의 단층에서의 섬유 방향이 인접 단층에서의 섬유 방향에 대해 회전되어 있고 둘 이상의 단층이 서로에 대해 연결되어 있거나 부착되어 있는, 바람직하게는 일방향 배향된 섬유로 된 둘 이상의 단층을 포함한다. 회전 각은 인접 단층의 섬유에 의해 둘러싸이는 최소 각을 의미하는 것이며, 0°내지 90°이다. 바람직하게, 상기 각은 45°내지 90°이다. 가장 바람직하게, 상기 각은 80°내지 90°이다. 인접 단층에서의 섬유가 서로에 대해 상기 각으로 있는 내탄도성 제품은 보다 우수한 내탄도성 특징을 갖는다.
단층이란 용어는 섬유 망상구조를 함유하는 층을 말한다.
특수한 양태에서, 단층이란 용어는 일방향 배향된 섬유 및 일방향 배향된 섬유를 기본적으로 고정시키는 결합제로 된 층을 말한다.
섬유란 용어는 모노필라멘트 뿐만 아니라, 특히 멀티필라멘트 얀 또는 평면 테이프(flat tape)도 포함한다. 일방향 배향된 섬유란 용어는 한 평면에서 본질적으로 평행하게 배향된 섬유를 말한다. 평면 테이프의 너비는 바람직하게는 2mm 내지 100mm, 더욱 바람직하게는 5mm 내지 60mm, 가장 바람직하게는 10mm 내지 40mm이다. 평면 테이프의 두께는 바람직하게는 10㎛ 내지 200㎛, 더욱 바람직하게는 25㎛ 내지 100㎛이다. 평면 테이프는 한 물질의 단일 부재로 구성될 수 있으나, 일방향 배향된 섬유와 결합제를 포함할 수도 있다.
본 발명의 예비성형 시이트에 있는 섬유는 약 1.2GPa 이상의 인장 강도 및 40GPa 이상의 인장 모듈러스를 갖는다. 상기 섬유는 무기 또는 유기 섬유일 수 있다. 적합한 무기 섬유는 예컨대 유리 섬유, 탄소 섬유 및 세라믹 섬유이다. 상기 높은 인장 강도를 갖는 적합한 유기 섬유는 예컨대, 방향족 폴리아마이드 섬유(또는 종종 아라미드 섬유라고도 지칭됨), 특히 폴리(p-페닐렌 테레프탈아마이드), 액정 중합체 및 사다리형(ladder-like) 중합체 섬유, 예컨대 폴리벤즈이미다졸 또는 폴리벤족사졸, 특히 폴리(1,4-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)(PBO), 또는 폴리(2,6-다이이미다조[4,5-b-4',5'-e]피리딘일렌-1,4-(2,5-다이하이드록시)페닐렌)(PIPD: M5라고도 지칭됨), 및 예컨대, 겔 방사 과정(gel spinning process)에 의해 수득되는 것과 같이 고도로 배향된 폴리올레핀, 폴리비닐 알코올 및 폴리아크릴로니트릴의 섬유이다. 상기 섬유는 바람직하게는 약 2GPa 이상, 2.5 이상, 또는 심지어는 3GPa 이상의 인장 강도를 갖는다. 고도로 배향된 폴리올레핀, 아라미드, PBO 및 PIPD 섬유, 또는 이들 둘 이상의 조합물이 바람직하게 사용된다. 상기 섬유의 이점은 이들이 매우 높은 인장 강도를 가져서 경량의 내탄도성 제품에서 사용하기에 특히 매우 적합하다는 점이다.
적합한 폴리올레핀은 특히 에틸렌과 프로필렌의 단독중합체 및 공중합체이고, 이는 또한 소량의 하나 이상의 다른 중합체, 특히 다른 알켄-1-중합체를 함유할 수도 있다.
선형 폴리에틸렌(PE)이 폴리올레핀으로 선택되는 경우에 좋은 결과가 얻어진다. 선형 폴리에틸렌은 본원에서 탄소원자 100개당 1개 미만의 측쇄, 바람직하게는 탄소원자 300개당 1개 미만의 측쇄를 갖는 폴리에틸렌을 의미하며; 측쇄 또는 분지는 일반적으로 탄소원자 10개 이상을 함유하는 것으로 이해한다. 선형 폴리에틸렌은 프로펜, 부텐, 펜텐, 4-메틸펜텐, 옥텐과 같이, 함께 공중합될 수 있는 하나 이상의 다른 알켄 5몰% 이하를 추가로 함유할 수 있다. 바람직하게, 선형 폴리에틸렌은 4dl/g 이상, 더욱 바람직하게는 8dl/g 이상의 고유 점도(IV, 135℃에서 데칼린중 용액에 대하여 결정됨)를 갖는 고 분자 질량이다. 상기 폴리에틸렌은 또한 초-고분자 질량 폴리에틸렌(UHPE)라고도 불리운다. 고유점도는 Mn 및 Mw와 같은 실제 분자 질량 변수보다 더 쉽게 결정될 수 있는 분자 질량(분자량이라고도 함)의 척도이다. IV와 Mw간에 여러 실험적 관계가 있으나, 상기 관계는 분자 질량 분포에 매우 의존한다. 식 Mw = 5.37 x 104[IV]1.37(EP 0504954 A1호 참고)에 근거하여, 4 또는 8dl/g의 IV는 약 360 또는 930kg/mol의 Mw에 각각 상응할 것이다.
예컨대, GB 2042414A호 또는 WO 01/73173호에 기재된 것과 같은 겔 방사 과정에 의해 제조된 폴리에틸렌 필라멘트로 이루어진 고 성능 폴리에틸렌(HPPE) 섬유가 바람직하게 사용된다. 겔 방사 과정은 본질적으로, 높은 고유 점도를 갖는 선형 폴리에틸렌 용액을 제조하는 단계, 용해 온도보다 높은 온도에서 상기 용액을 필라멘트로 방사하는 단계, 상기 필라멘트를 겔화 온도 미만으로 냉각시켜서 겔화가 발생하도록 하는 단계, 및 상기 용매의 제거 전, 제거하는 동안, 또는 제거 후에 상기 필라멘트를 연신시키는 단계로 이루어진다.
결합제란 용어는 섬유를 결합시키거나 고정하고 섬유를 전체적으로 또는 부분적으로 둘러쌀 수 있어서 예비성형 시이트를 취급하여 제조하는 동안에 단층 구조물이 유지되도록 하는 물질을 말한다. 결합제 물질은 다양한 형태 및 방식으로 적용될 수 있는데, 예컨대 필름, 횡방향 결합 스트립(strip) 또는 횡방향 섬유(일방향 섬유에 대해 횡방향)로서, 매트릭스 물질, 예컨대 중합체 용융물, 액체중 중합체 물질의 용액 또는 분산액으로 상기 섬유를 함침시키고/거나 매입시킴으로써 적용될 수 있다. 바람직하게, 매트릭스 물질은 단층의 전체 표면상에 균등하게 분포되는 반면, 결합 스트립 또는 결합 섬유는 국소적으로 적용될 수 있다. 적합한 결합제가 예컨대, EP 0191306 B1호, EP 1170925 A1호, EP 0683374 B1호 및 EP 1144740 A1호에 기재되어 있다.
바람직한 양태에서, 결합제는 중합체성 매트릭스 물질이며, 열경화성 물질, 열가소성 물질 또는 이들 둘의 혼합물일 수 있다. 매트릭스 물질의 파단 신율은 바람직하게는 섬유의 신율보다 크다. 결합제는 바람직하게는 3 내지 500%의 신율을 갖는다. 적합한 열경화성 및 열가소성 매트릭스 물질은 예컨대 WO 91/12136 A1호(15 내지 21쪽)에 열거되어 있다. 열경화성 중합체 군으로부터, 비닐 에스테르, 불포화 폴리에스테르, 에폭시 또는 페놀 수지가 매트릭스 물질로 바람직하게 선택된다. 열가소성 중합체 군으로부터, 폴리우레테인, 폴리비닐, 폴리아크릴, 폴리올레핀 또는 열가소성 엘라스토머 블록 공중합체, 예컨대 폴리이소프로펜-폴리에틸렌-부틸렌-폴리스티렌 또는 폴리스티렌-폴리이소프렌-폴리스티렌 블록 공중합체가 매트릭스 물질로서 선택될 수 있다. 바람직하게, 결합제는 바람직하게는 실질적으로 단층에서의 상기 섬유의 개별 필라멘트를 피복하고 약 40MPa 미만의 인장 모듈러스(25℃에서 ASTM D638에 따라 결정됨)를 갖는 열가소성 엘라스토머로 본질적으로 이루어진다. 상기 결합제로 인해 단층 및 예비성형 시이트의 조합체가 높은 가요성을 갖게 된다. 단층 및 예비성형 시이트에 있는 결합제가 스티렌-이소프렌-스티렌 블록 공중합체인 경우에 매우 우수한 결과가 얻어진다는 것이 밝혀졌다.
본 발명의 특수한 양태에서, 본 발명에 따른 예비성형 시이트내의 결합제는 중합체성 매트릭스 물질 이외에 결합제의 총 부피를 기준으로 계산된 5 내지 80부피%의 양의 충전재를 함유한다. 더욱 바람직하게, 충전재의 양은 10 내지 80부피%, 가장 바람직하게는 20 내지 80부피%이다. 결과적으로, 내탄도성 특징에 그다지 역효과를 주지 않으면서 내탄도성 제품의 가요성이 증가한다는 것이 밝혀졌다.
상기 충전재는 섬유간 결합에 기여하지 않으며, 오히려 섬유간 매트릭스의 체적을 희석시켜서, 그 결과 내탄도성 제품이 보다 가요성으로 되고 보다 높은 에너지 흡수도를 갖게 된다. 충전재는 바람직하게는 적은 중량 또는 밀도를 갖는 미세 분산된 물질을 포함한다. 충전재는 기체일 수 있으나, 충전재로서 기체를 사용하면 매트릭스 물질을 가공하는데 있어서 실제적인 문제점을 발생시킬 수 있다. 또한, 충전재는 특히 유화제, 안정화제, 결합제 등과 같은 분산액을 제조하는데 통상적인 물질 또는 미세 분산된 분말을 포함할 수도 있다.
매트릭스 물질의 총 양이 일정할 때, 결합제가 80부피% 미만의 충전재 양을 함유하는 경우에 상기 결합제의 양이 섬유간 충분한 결합을 이루기에 충분하다는 것이 밝혀졌다. 매트릭스가 5부피% 보다 많은 충전재의 양을 함유하는 경우, 내탄도성 제품의 가요성이 증가한다는 것이 또한 밝혀졌다.
바람직하게, 단층에서의 결합제의 양은 최대 30질량%, 더욱 바람직하게는 최대 25, 20 또는 심지어는 최대 15질량%이다. 이는 최고의 내탄도성 성능으로 이어진다.
본 발명의 예비성형 시이트는 외면중 한 면 이상에 1 내지 5g/㎡의 면적 밀도를 갖는 분리 필름을 포함한다. 상기 필름은 예컨대 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아마이드, 폴리카본에이트 또는 폴리스티렌 필름일 수 있다. 상기 필름은 공극 또는 세공을 실질적으로 갖지 않는 조밀한 필름이다. 바람직하게, 본 발명의 예비성형 시이트는 그의 외면 양면에 상기 분리 필름을 포함한다. 상기 분리 필름은 바람직하게는 폴리올레핀, 더욱 바람직하게는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 특히 열가소성 폴리에스테르 또는 폴리카본에이트로부터 제조된다. 바람직한 양태에서, 분리 필름은 본질적으로는 높은 몰 질량 폴리에틸렌, 더욱 바람직하게는 4dl/g 이상의 IV의 초-고 몰 질량 폴리에틸렌(UHPE)으로부터 제조된다. 상기 필름은 GB 2164897호에 개시된 것과 같은 과정에 따라 제조될 수 있다. 상기 필름은 일반적으로 비교적 높은 강도 및 모듈러스, 및 높은 내마모성을 나타낸다.
층간 접착을 개선시켜서 예비성형 시이트의 일관성(consistency) 및 안정성을 향상시키기 위하여, 예비성형 시이트는 분리 필름과 다른 층 사이에 접착제 또는 접착층을 추가로 포함할 수 있다. 다양한 유형의 시판되는 접착제 또는 접착층이 이용될 수 있다. 이들에 대한 선택은 요구되는 예비성형 시이트의 일관성 및 안정성에 따라 결정되며, 일상적인 실험에 의해 당업계의 숙련자에 의해 선택될 수 있다. 적층 동안에 보다 높은 압력 또는 온도가 적용되는 경우, 시이트의 보다 높은 일관성 및 안정성이 수득될 수 있다.
본 발명의 특수한 양태에서, 예비성형 시이트는 HPPE 섬유를 포함하는 단층, 및 폴리에틸렌 분리 필름을 함유한다. 상기 구조의 이점은 훨씬 높은 내탄도성 성능이 획득된다는 것이다.
바람직하게, 분리 필름은 2축-연신된 필름, 더욱 바람직하게는 4배 이상 2축-연신된 필름, 가장 바람직하게는 10 내지 100배 2축-연신된 필름이다. 본원에서 10 내지 100배 2축-연신된 필름은 필름 표면이 10 내지 100배로 증가되도록 수직 두 방향으로 연신된 필름인 것으로 이해된다. 2축-연신된 필름의 이점은 일정한 중량에서 훨씬 높은 보호 수준이 수득될 수 있다는 점이다. 일반적으로 기계방향 및 횡방향이라고 지칭되는 상기 수직 두 방향으로의 연신 비는 동일할 수 있으나, 다른 비가 선택될 수도 있다. 바람직하게, 기계방향 대 횡방향으로의 연신 비는 1:1 내지 1:3, 더욱 바람직하게는 1:1 내지 1:2, 더욱 바람직하게는 1:1 내지 1:1.5로 다양하다. 바람직하게, 상기 필름은 20배 이상, 30배 이상, 또는 심지어는 40배 이상 2축 연신된다. 더욱 바람직하게, 폴리에틸렌, 특히 UHPE, 폴리프로필렌, 열가소성 폴리에스테르 또는 폴리카본에이트로부터 제조된 2축-연신된 필름이 상기 시이트에 적용된다. 가장 바람직하게, 2축-연신된 필름은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리카본에이트로부터 제조된다. 이들 필름은 예컨대, 트레오판(Treofan)과 같은 여러 공급처로부터 시판되고 있다. 상기 필름은 비교적 높은 인장 강도 및 모듈러스를 갖고, 이는 충격시에 예비성형 시이트의 변형을 줄이는데 기여할 수 있다. 인장 특성은 바람직하게는 필름 너비 단위로 표기되며(예컨대, N/m), 단면적 단위(예컨대, N/㎡)로 표기하지 않는다. 따라서, 바람직하게, 분리 필름은 150N/m 이상, 200 이상, 또는 심지어는 250N/m 이상의 필름 너비당 인장강도(본원에서는 강도 계수라고도 지칭됨)를 갖는다. 높은 파단 신율(예컨대, 20% 보다 큼)을 갖는 필름의 경우, 항복 강도는 바람직하게는 파단 강도보다 기준으로 받아들여진다. 필름의 너비당 인장 모듈러스는 바람직하게는 3000N/m 이상, 4000 이상, 또는 심지어는 5000N/m 이상이다.
분리 필름이 2 내지 4g/㎡의 면적 밀도를 갖는 예비성형 시이트를 사용하는 경우에 최상의 결과가 수득되었다.
바람직하게, 본 발명에 따르는 예비성형 시이트는 일방향 배향된 섬유를 함유하는 둘 이상의 단층을 포함한다. 일반적으로, 예비성형 시이트는 2개의 수직 배향된 단층의 2겹, 4겹 또는 다른 여러 겹을 포함한다. 바람직하게, 예비성형 시이트는 1 내지 5g/㎡의 면적 밀도를 갖는 2축-연신된 필름과 결합된 일방향 배향된 섬유로 된 2개의 단층을 포함한다. 외면 양면위의 2축-연신된 필름과 결합된 일방향 배향된 섬유로 된 2 또는 4개 단층을 갖는 예비성형 시이트가 최상의 내탄도성 보호를 제공하는 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 특수한 양태에서, 예비성형 시이트는 분리 필름으로서 일방향 연신된 필름, 바람직하게는 4 이상의 연신 비를 갖는 필름, 더욱 바람직하게는 10 내지 50의 연신 비를 갖는 필름을 함유한다. 상기 일방향 연신된 필름은 바람직하게는 필름의 연신 방향이 인접한 일방향 섬유 층에 있는 섬유 방향과 수직이도록 배치된다. 이러한 경우에, 상기 시이트는 홀수 개의 단층을 함유할 수 있다. 특수한 양태에서, 중앙층이 인접한 단층 둘다와 대략 동일한 면적 밀도 이하를 가질 수 있는 일방향 배향된 섬유의 3개 단층이, 인접한 일방향 섬유 층에 있는 섬유 방향과 수직인 연신 방향으로 일방향 연신된 필름에 의해 외면 양면에서 덮힌다. 상기 구조의 이점은 예컨대, 단층의 적층물상에 일방향 연신된 필름을 캘린더링(calendering)시키는 시이트의 연속 제조 과정에서 분리 필름 둘다가 시이트 롤로부터 동일 방향으로 적용될 수 있다는 것이다.
본 발명은 또한 본 발명에 따르는 둘 이상의 예비성형 시이트의 조합체에 관한 것이다. 바람직하게, 상기 시이트는 서로에 실질적으로 연결되어 있지 않다. 예비성형 시이트의 수가 증가할수록 내탄도성 보호 수준이 향상되지만, 조합체의 중량이 증가하고 가요성이 감소한다. 최대의 가요성을 수득하기 위하여, 조합체내의 인접 시이트가 서로에 연결되지 않는다. 그러나, 일정 수준의 결합력을 갖기 위하여, 예비성형 시이트의 조합체가 예컨대 스티치될 수 있다. 탄도 위협 및 목적하는 보호 수준에 따라, 당업계의 숙련자는 일정 실험에 의해 최적의 시이트 갯수를 알아낼 수 있다.
본 발명에 따르는 내탄도성 조합체 또는 상기 조합체를 포함하는 제품의 추가적인 이점은, 내탄도성 제품의 중량 및 보호 수준 이외에 가요성이 중요한 역할을 하는 용도에서 발견된다.
예비성형 시이트의 중량이 특정한 최대 값을 갖는 경우에 내탄도성 조합체의 적절한 가요성, 보호 수준 및 중량이 달성된다는 것이 밝혀졌다. 바람직하게, 영구적 가요성 용도에서 내탄도성 제품에 있는 예비성형 시이트의 중량 또는 면적 밀도는 최대 500g/㎡이고, 각 단층의 섬유 함량은 10 내지 150g/㎡이다. 더욱 바람직하게, 예비성형 시이트의 중량은 최대 300g/㎡이고, 각 단층의 섬유 함량은 10 내지 100g/㎡이다.
내탄도성 조합체는 원래 임의의 공지된 적합한 방법, 예컨대 WO 95/00318호, US 4623574호 또는 US 5175040호에 기재된 방법에 따라 제작될 수 있다. 단층은 예컨대 바람직하게는 연속 멀티필라멘트 얀의 형태로 있으며 소면기상의 보빈기로부터 가이드되어 그 결과, 한 평면에서 평행하게 배향된 섬유에 의해 제조된다. 많은 단층이 또 다른 단층의 상부위에 회전 각, 바람직하게는 약 90°각으로 놓이고, 분리 필름은 양쪽 표면중 한면 이상(적층된 단층의 상부 및/또는 하부)에 놓이며, 예비성형 시이트가 상기 과정에서 형성된다. 바람직하게, 예비성형 시이트는 공지된 기술을 이용하여 통합된다; 이는 예컨대 주형에서 적층물을 압축시킴으로써 불연속적으로 실시되거나 또는 적층 및/또는 캘린더링 단계에 의해 연속적으로 실시될 수 있다. 상기 통합동안에, 온도, 압력 및 시간과 같은 조건이 선택되어서, 바람직하게는 분리 필름을 용융시키지 않으면서 모든 층이 적어도 부분적으로 서로에 접착된다. 온도, 압력 및/또는 시간을 변화시킴으로써 보다 강한 접착이 이루어질 수 있으며, 보다 상세한 조건은 당업계 숙련자의 일상 실험에 의해 결정될 수 있다.
매트릭스 물질이 결합제로서 적용되는 경우, 매트릭스 물질이 섬유 사이에 흘러서 단층의 아래 및/또는 위에 있는 섬유, 및 선택적으로는 분리 필름에 접착되어질 수 있다. 매트릭스 물질의 용액 또는 분산액이 사용되는 경우, 단층을 다층 시이트로 형성시키는 과정은 또한 일반적으로 분리 필름 층을 배치시키고 통합시키는 단계 이전에 용매 또는 분산제를 증발시키는 단계를 포함한다. 이어서, 예비성형 시이트가 적층되어서 조합체를 생산하고, 이는 이어서 내탄도성 제품을 제조하는데 적용될 수 있고, 선택적으로는, 예컨대 국소 스티치에 의하거나 적층물을 가요성 덮개로 둘러쌈으로써 조합체를 안정화시킨다.
적은 결합제 함량, 특히 적은 매트릭스 물질 함량을 얻기 위해서는, 매트릭스 물질 및 선택적인 충전재의 분산액으로 200 내지 5000dtex의 얀 번수(역가)를 갖는 얀을 습윤시킴으로써 단층이 제조되는 방법을 사용하는 것이 유리하다고 밝혀졌다. 200dtex 미만의 얀 번수를 갖는 얀은 분산액으로부터 매트릭스 물질을 비교적 거의 흡수하지 않는다. 바람직하게, 상기 번수는 500dtex보다 크며, 더욱 바람직하게는 800dtex보다 크고, 더 더욱 바람직하게는 1000dtex보다 크며, 가장 바람직하게는 1200dtex보다 크다. 얀 번수는 바람직하게는 5000dtex보다 작고, 더욱 바람직하게는 2500dtex보다 작은데, 이들 얀이 단층 평면에서 보다 쉽게 펼쳐질 수 있기 때문이다.
바람직하게, 매트릭스 물질의 수성 분산액이 사용된다. 수성 분산액은 낮은 점도를 갖는데, 이는 매트릭스 물질이 섬유상에서 매우 균일하게 분포되고 우수한 균질한 섬유-섬유 결합이 결과적으로 수득되는 이점을 갖는다. 추가적인 이점은 분산제 물이 비독성이고, 따라서 외기(open-air)에서 증발될 수 있다는 점이다. 그 밖에, 바람직하게, 목적으로 하는 적은 매트릭스 비율에서 균일한 분포를 수득하기 위해서 분산액은 분산액의 총 질량을 기준으로 고체 성분, 즉 엘라스토머(elastomer) 매트릭스 물질 및 선택적인 충전재 30 내지 60질량%를 함유한다.
전술된 방법에 따라 수득될 수 있는 본 발명에 따르는 내탄도성 조합체는 특히 비교적 낮은 면적 밀도에서 V50 및 SEA 수치로 표기될 때 매우 우수한 내탄도 특성을 나타낸다. 바람직하게, 본 발명에 따르는 조합체, 또는 상기 조합체를 포함하는 가요적 내탄도성 제품은 FMJ 파라블럼(Parabellum) 9x19mm(8그램) 유형의 탄환에 의해 충돌될 때 300J·㎡/kg 이상의 비 에너지 흡수도(SEA)를 갖는다. 탄환 또는 탄도 파편의 충격에 대한 에너지 흡수도(EA)는 속도 V50의 탄환 또는 탄도 파편의 운동 에너지로부터 계산된다. V50는 탄환 또는 탄도 파편이 내탄도성 구조물을 관통할 확률이 50%일 때의 속도이다.
본 발명은 더욱 구체적으로는 약 1.2GPa 이상의 인장 강도를 갖는 HPPE 멀티필라멘트 얀으로 본질적으로 이루어진 둘 이상의 단층 및 1 내지 5g/㎡의 면적 밀도를 갖는 하나 이상의 폴리에틸렌 분리 필름을 함유하는 복수 개의 시이트의 조합체를 포함하는 가요적 내탄도성 제품에 관한 것으로, 이 때 상기 조합체는 Stanag 2920에 근거한 시험 절차에 따라 9x19mm FMJ 파라블럼 탄환에 대해 측정될 때 2.4kg/㎡ 이상의 면적 밀도(AD) 및 280J·㎡/kg 이상의 비 에너지 흡수도(SEA)를 갖는다. 바람직하게, 상기 제품은 300, 325, 350 이상, 또는 심지어는 375J·㎡/kg 이상의 SEA를 갖는다.
바람직한 양태는 각각의 단층이 1.2GPa 이상의 인장 강도를 갖는 일방향 배향된 고-성능 섬유를 포함하고 각각의 단층에서의 섬유 방향이 인접 단층에서의 섬유 방향에 대해 회전되어 있는 둘 이상의 단층, 및 예비성형 시이트의 외면중 한 면에 바람직하게는 1 내지 5g/㎡의 면적 밀도를 갖는 하나 이상의 분리 필름을 함유하는 복수 개의 예비성형 시이트를 함유하는 조합체를 포함하는 가요적 내탄도성 제품에 관한 것으로, 이 때 상기 조합체는 Stanag 2920에 근거한 시험 절차에 따라 9x19mm FMJ 파라블럼 탄환에 대해 측정될 때 2.4kg/㎡ 이상의 면적 밀도 및 300J·㎡/kg 이상의 비 에너지 흡수도를 갖는다. 바람직하게, 일방향 배향된 고-성능 섬유는 고 성능 폴리에틸렌 섬유이다.
본 발명은 하기의 실시예에 의해 추가로 설명되지만, 이에 제한되지는 않는다.
본 출원에서 언급된 시험 방법은 하기와 같다:
● IV: 고유 점도는 용해 시간을 16시간으로 하고 산화방지제로서 2g/ℓ 용액의 양으로 DBPC를 사용하여 데칼린중 135℃에서 PTC-179 방법(헤르큘레스 인 크.(Hercules Inc.), Rev. Apr. 29, 1982)에 따라, 다른 농도에서 측정된 점도를 제로(0) 농도까지 외삽시킴으로써 결정하였다;
● 측쇄: UHPE 샘플중 측쇄의 갯수는 NMR 측정에 근거한 교정 곡선을 사용하여 1375㎝-1에서의 흡수도를 정량함으로써 2mm 두께의 압축 성형된 필름상에서 FTIR에 의해 결정하였다(예컨대, EP 0269151호);
● 인장 특성(25℃에서 측정): 500mm의 섬유 공칭 게이지 길이, 50%/분의 크로스헤드 속도를 사용하여 ASTM D885M에 명시된 바와 같이 멀티필라멘트 얀에 대하여 인장 강도(또는 강도), 인장 모듈러스(또는 모듈러스) 및 파단 신율(또는 eab)을 정의하고 결정하였다. 측정된 응력-변형 곡선에 근거하여, 0.3 내지 1% 변형의 구배로서 상기 모듈러스를 결정하였다. 모듈러스 및 강도를 계산하기 위하여, 측정된 인장력을 섬유 10m의 무게를 재어 결정된 역가로 나누었다; GPa 수치는 0.97g/㎤ 밀도를 가정하여 계산하였다. 얇은 필름의 인장 특성은 ISO 1184(H)에 따라 측정하였다.
● 내탄도 성능: 9mmx19mm FMJ 파라블럼 탄환(다이나밋 노벨(Dynamit Nobel) 제품)을 사용하여 Stanag 2920에 따른 시험 절차에 의해 복합 패널의 V50 및 SEA를 결정하였다. 35℃에서 예비 조건화된 로마 플라스틸린(Roma Plastilin) 지지 물질로 채워진 지지물위의 가요성 벨트(strap)를 사용하여 층상 조합체를 고정하였다.
하기 실시예 및 비교실시예에서 사용된 HPPE 섬유의 제조방법
HPPE 멀티필라멘트 얀은 탄소원자 1000개당 0.3개 미만의 측쇄 기를 갖고 38/62 내지 42/58의 시스/트랜스 이성체의 비를 함유한 데칼린중 19.8dl/g의 IV를 갖는 UHPE 단독중합체의 8질량% 용액을 압출시켜서 제조하였고, 180℃의 온도 설정에서 기어-펌프(gear-pump)를 갖춘 130mm 이축 압출기에 의해 방사구(hole) 1개당 2.2g/분 속도로 방사판을 통해 압출시켰다. 유체 필라멘트를 수조에서 냉각시키고, 방사된(as-spun) 필라멘트에 연신 비 16이 적용되는 속도로 감았다. 이어서, 필라멘트를 약 110 내지 약 150℃의 온도 구배로 2 단계에 걸쳐 고체 상태로 추가 연신시키고, 그 결과 약 25의 전체 고체 상태 연신 비를 적용하였다. 이와 같이 수득된 얀은 930dtex의 역가, 4.1GPa의 인장 강도 및 150GPa의 모듈러스를 가졌다.
비교실시예 A
소면기상의 보빈기로부터 여러 얀을 가이드하고, 매트릭스 물질인 25중량% 크라톤(Kraton: 등록상표) D1107(폴리스티렌-폴리이소프렌-폴리스티렌 블록 공중합체 열가소성 엘라스토머)의 수성 분산액으로 상기 필라멘트를 습윤시킴으로써 전술한 HPPE 섬유로부터 단층을 제조하였다. 상기 얀은 한 평면에서 평행하게 배향되어 있고, 건조후 단층의 면적 밀도는 약 20g/㎡이었고, 매트릭스 함량은 약 18질량%이었다. 4개의 단층을 엇갈리게 적층시키고, 분리 층으로서 각 면위에 7.6마이크론 두께(약 7g/㎡의 면적 밀도에 상응)를 갖는 스타밀렉스(Stamylex: 등록상표) 선형 저-밀도 폴리에틸렌 필름을 적용시키고, 단층 및 분리 필름을 약 0.5MPa의 압력 및 약 110 내지 115℃의 온도에서 통합시킴으로써 예비성형 시이트를 제조하였다. 폴리에틸렌 필름은 약 10MPa의 항복 강도 또는 약 70N/m의 강도 계수를 가졌다.
다수의 예비성형 시이트가 매여있지 않고 연결되어 있지 않으며 모서리에서 스티치되어 있는 조합체로부터 편평한 내탄도성 제품을 제조하였다. 9x19mm FMJ 파라블럼(8g) 탄환 유형을 사용하여 3가지 상이한 조합체에 대해 내탄도 성능을 시험하였다; V50 및 SEA 결과가 하기 표 1에 제시되어 있다.
실시예 1
이번에는 3.50마이크론 폴리프로필렌 필름 트레오판 PHD 3.5(트레오판 독일 게엠베하 제품)을 분리 필름으로 적용하는 것을 제외하고는 비교실시예 A를 반복하였다. 상기 2축 연신된 필름은 약 190MPa의 인장 강도, 90% 파단 신율, 약 650N/m의 강도 계수 및 10500N/m의 모듈러스 계수를 가졌다. 안정화된 조합체의 가요성은 보다 높은 것으로 판단되었다; 적층물은 비교실시예 A의 적층물보다 더 쉽게 구부러질 수 있었다. 놀랍게도, 관찰된 V50 값은 비교실시예 A에 비해 현저하게 높았다. 예비시이트의 중량이 더 적기 때문에, 비교실시예 A에서와 동일한 중량을 얻기 위하여 2개의 추가적인 예비성형 시이트(총 26개)를 사용할 수 있어서, 즉 예비성형 시이트 갯수가 8% 증가하였다. 그러나, 내탄도 성능 SEA는 260에서 312J·㎡/kg으로 증가하여서, 즉 20% 증가하였다.
비교실시예 B 및 실시예 2
단층이 약 40g/㎡의 AD를 갖는 것과 매트릭스 함량이 약 18질량%인 것을 제외하고는 비교실시예 A 및 실시예 1을 각각 반복하였다. 4개의 단층 대신에 2개를 엇갈리게 적층시킴으로써 예비성형 시이트를 제조하였다. 표 1에 제공된 바와 같 은 시험 결과는 개선된 내탄도 성능, 즉 예비성형 시이트 갯수의 8% 증가시에 SEA 12% 증가를 확인시켜 준다.
Figure 112008006388030-pct00001

Claims (14)

  1. 둘 이상의 단층, 및 예비성형 시이트(preformed sheet) 외면중 한 면 또는 양면 위의 분리 필름(separating film)을 포함하는 예비성형 시이트로서,
    각각의 단층이 1.2GPa 이상의 인장 강도 및 40GPa 이상의 인장 모듈러스를 갖는 섬유로 된 섬유 망상구조(fibrous network) 및 결합제를 함유하고,
    분리 필름이 1 내지 5g/㎡의 면적 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 예비성형 시이트.
  2. 둘 이상의 단층, 및 예비성형 시이트 외면중 한 면 또는 양면 위의 분리 필름을 포함하는 예비성형 시이트로서,
    각각의 단층이 1.2GPa 이상의 인장 강도 및 40GPa 이상의 인장 모듈러스를 갖는 일방향 배향된 섬유 및 결합제를 함유하며, 각각의 단층에서의 섬유 방향이 인접 단층에서의 섬유 방향에 대해 회전되어 있고,
    분리 필름이 1 내지 5g/㎡의 면적 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 예비성형 시이트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    시이트 외면의 양면위에 분리 필름을 갖는 예비성형 시이트.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 섬유가 고-성능 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 예비성형 시이트.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 결합제가 열가소성 엘리스토머로 본질적으로 이루어지고 40MPa 미만의 인장 모듈러스를 갖는 예비성형 시이트.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분리 필름이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르 또는 폴리카본에이트로부터 제조되는 예비성형 시이트.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분리 필름이 2축 연신된 필름인 예비성형 시이트.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분리 필름이 2 내지 4g/㎡의 면적 밀도를 갖는 예비성형 시이트.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분리 필름이 150N/m 이상의 강도 계수(strength factor)를 갖는 예비성형 시이트.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    둘 이상의 일방향 배향된 섬유의 단층을 포함하는 예비성형 시이트.
  11. 서로 연결되어 있지 않은, 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 둘 이상의 예비성형 시이트의 조합체(assembly).
  12. 제 11 항에 따른 하나 이상의 조합체를 포함하는 가요적 내탄도성 제품(flexible ballistic-resistant article).
  13. 복수 개의 예비성형 시이트를 함유하는 조합체를 포함하는 가요적 내탄도성 제품으로서,
    상기 복수 개의 예비성형 시이트는 둘 이상의 단층, 및 예비성형 시이트 외면중 한 면 위의 하나 이상의 분리 필름을 포함하며,
    상기 각각의 단층이 1.2GPa 이상의 인장 강도를 갖는 일방향 배향된 섬유를 포함하고, 각각의 단층에서의 섬유 방향이 인접 단층에서의 섬유 방향에 대해 회전되어 있으며,
    상기 조합체가 Stanag 2920에 근거한 시험 절차에 따라 9x19mm FMJ 파라블럼(Parabellum) 탄환에 대해 측정될 때 2.4kg/㎡ 이상의 면적 밀도 및 300J·㎡/kg 이상의 비 에너지 흡수도(specific energy absorption)를 갖는 것인, 가요적 내탄도성 제품.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 일방향 배향된 섬유가 고-성능 폴리에틸렌 섬유인, 가요적 내탄도성 제품.
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