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KR100249395B1 - 시이트 성형 화합물 탄도저항성 유리섬유 복합재 및 탄도저항성 유리섬유 복합재의 제조방법 - Google Patents

시이트 성형 화합물 탄도저항성 유리섬유 복합재 및 탄도저항성 유리섬유 복합재의 제조방법 Download PDF

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KR100249395B1
KR100249395B1 KR1019930702462A KR930702462A KR100249395B1 KR 100249395 B1 KR100249395 B1 KR 100249395B1 KR 1019930702462 A KR1019930702462 A KR 1019930702462A KR 930702462 A KR930702462 A KR 930702462A KR 100249395 B1 KR100249395 B1 KR 100249395B1
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glass fiber
ballistic
sec
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하트만데이비드란델
주트랄프버나드
래미디모시와이엔
Original Assignee
휴스톤 로버트 엘
오웬스 코닝
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Abstract

본 발명은 탁월한 무기특성을 가진 섬유유리 합성물을 제공하는 것이다. 탄도 저항성 합성물질은 고강도 마그네시아 알루미노실리케이스 유리섬유와 매트릭스 수지인 페놀포름알데히드 응축생성물을 사용한다. 합성물은 용매가 거의 없거나 전혀없는 시이트 성형 화합물로부터 제조된다.

Description

시이트 성형 화합물, 탄도저항성 유리섬유 복합재 및 탄도저항성 유리섬유 복합재의 제조방법
본 발명은 탄도저항성(ballistic resistant properties)을 갖는 유리섬유 복합제품에 관한 것이다. 특히, 구조 외장재로 사용할 수 있는, 두껍고 자체 지지성이 있는 저항성 복합재에 관한 것이다.
광범위한 군사장비용 구조물 요소와 패널에 사용되는 고강도 섬유를 함유하는 탄도저항성 제품은 공지되어 있다. 최근에, 본 발명자들 중 한 사람은 구조 외장재와 탄도저항 라이너로 사용할 수 있기 위해 내화성, 내연성, 무독성, 부도성, 자체 지지성과 강성 및 가공성과 두께 및 강도가 큰 탄도저항 재료를 개발하였다.
먼저, 쉽게 취급할 수 있는 수지 침투가공재(prepreg)를 형성한다. 이 가공재는, 부분적으로 응축되어 있고 또한 더 응축될 수 있는 저분자량의 페놀 포름알데히드 레졸반응 생성물의 용액으로 고강도 마그네시아 알루미노실리케이트 유리섬유를 피복하고 이어서 상기 용액으로 부터 용제를 증발시킴으로써 형성된다. 피복된 섬유를 가열하여 레졸 분자량을 증가시키면 취급성이 좋은 수지 침투가공재가 얻어진다. 다음에, 부산물로서 생긴 물이 점차적으로 빠져나갈 때까지 생기 수지 침투가공재 플라이를 가압 및 가열하여 성형한다. 그후, 수지 침투가공재 플라이들을 가열하여 승온시키고 그 온도에서 유지하여 수지를 완전히 중축합 및 경화시킨다. 이러한 수지 침투가공재의 다수의 플라이들은 성형되어 탄도 복합재가 된다.
최근의 이런 개선점은 다량의 용제, 즉 25% 알콜, 10% 물, 또한 포름알데히드를 함유하는 용액을 이용하여 얻은 것이다(미국특허 제4,842,923, 1989호 참조).
본 발명품은 페놀수지 및 고강도 유리로 된 무용제 SMC 생성물이다. 본 발명품에는, 종래의 제품과는 달리 알콜과 대부분의 물이 없다. 그 결과, 수지 침투가공재를 형성할 때 이 제품에 열을 가할 필요가 없다. 또한, 탄도재료를 만들기 위해 종래의 저렴한 시이트 성형장치와 공정을 사용할 수 있다. 그래도 본 발명의 간단한 SMC 제품은 높은 보호탄도한계치(V50)(727m/sec (2,400fr/sec)을 초과한다)를 갖는다. 근본적으로 알콜은 없고 극소량의 물과 여분의 소량 포름알데히드만 함유함으로써 우수한 결과를 얻을 수 있다.
실제로, 본 발명에서 종래의 시이트 성형 화합물(SMC)을 제조하기 위한 장치와 기술을 사용한다. 예컨데, 시이트 또는 납작한 모양의 SMC는 성형물질 또는 화합물을 사이에 두고 있는 한 쌍의 가요성 외측 플라스틱 필름을 포함한다. 원하는 성형 장입물을 공급하기 위해 SMC를 주어진 성형 캐비티에 맞게 대략적인 크기나 모양으로 절단할 수 있고, 외측 시이트를 제거한 후 상기 화합물을 다층으로 사용할 수 있다. 이와 같은 방법으로, 복잡한 성형품을 만드는데 필요한 매우 높은 압력을 사용하지 않고도 성형 화합물을 다이 또는 성형 캐비티안에 분산시킬 수 있다. 수지와 섬유로 된 두꺼운 혼합체 대신에 여러 층의 성형 화합물을 사용함으로써, 복합재의 균일성이 캐비티 전역에 걸쳐 더욱 높아지게 된다. 복합재는 또한 취급이 용이하며 자동기계 취급법에도 적응될 수 있다.
SMC는 SMC 표면을 형성하는 두 외측 플라스틱 필름에 사용되는 공통의 단일 수지함유 물질을 이용한다. 이 수지함유 물질은 몰드 이형제 및 증점제(thickening agent)와 함께 액체수지, 촉매 및 미리 혼합된 솔리드나 충진물을 포함한다. 결합 및 혼합된 재료는 공통의 공급지점으로 보내어지며 그 곳에서 두 흐름으로 분리된다. 한 흐름은 제1외측 플라스틱 필름의 상부 표면으로 가게 되고, 또 다른 흐름은 선택적으로 제2외측 플라스틱 필림의 상부 표면으로 가게 되며, 이때 상기 재료는 양 시이트상에 균일하게 분산된다. 보강섬유는 제1시이트상에 있는 수지함유 재료 위에 균일하게 분산된다. 이어서 제2시이트가 제1시이트에 평행하게 향하게 되고, 제2시이트상의 수지함유 재료는 제1시이트상의 보강섬유와 접촉하게 된다.
최종적으로 생긴 복합재는 양 필름상에서 동일한 수지함유 층을 갖게 되며, 두 개의 외측 플라스틱 시이트 사이의 공간 전체에 걸쳐 균일한 성형 화합물을 얻기 위해서는, 단지 섬유들의 중간층을 섬유들의 두 수지함유 재료층과 혼합하기만 하면 된다. 어리한 혼합은 복합재를 여러 쌍의 롤러 사이에 통과시키면 이루어진다. 상기 롤러에 의하여 재료들을 주무려지고 섬유들은 두 수지함유 층에 대하여 완전히 퍼지게 된다. 내부의 재료로 부터 공기를 배출시키기 위해 상부 필름, 또는 필요하다면 양 필름에 구멍을 뚫을 수 있으며, 공기를 빼내기 위해 더 주무리고 압착을 가하게 된다.
열을 가하여 왯아웃(wet-out)을 계속하고 SMC를 화학적으로 두껍게 만들며, 다음에 SMC는 사용준비가 될 때가지 릴에 감아 쉽게 보관할 수 있다. 수지함유 재료의 조성을 조절함으로써, 수일간 내지 여러 달 동안 또는 그 이상 동안 경화됨이 없이 어디에서나 SMC를 저장할 수 있으며, 따라서 성형처리시 요구되는 부드럽고 가요성의 무점성 조건을 갖추게 된다. 1975년의 미국특허 제3,861,982호에는 SMC를 제조하기 위한 장치와 방법이 소개되어 있다.
상기 특허에서 이용되는 마그네시아 알루미노실리케이트 유리섬유는 고강도 섬유이며 약 3.5 x 106KPa(500,000psi) 이상의 인장강도를 갖는다. 이 섬유는 대략 2/3 중량비의 실리카, 특히 약 65 중량%의 실리카를 함유하며 그외에도 1/3은 마그네시아이고, 이 마그네시아 보다 많은 양의 알루미나가 함유되어 있다. 양호한 결과를 얻기 위해, 보통 알루미나는 25 중량%이고 마그네시아는 10 중량% 정도이다. 섬유가 내수성이 있으며 충격을 흡수할 수 있는 반수(size) 피복물을 갖고 있으면, 가장 우수한 결과를 얻을 수 있따. 바람직한 반수 피복물은, 종래의 다른 성분과 함께 에폭시기 필름 형성제와 에폭시 실란 결합제를 함유한 반수(size)이다. 바람직한 유리는 고른 직조 조방사 구조로 된 것이다, 814 g/㎡(24 oz/yd2)의 직조 조방사 중량이 보통 사용된다. 여러 응용의 경우, 271∼162 8g/㎡(8∼48 oz/yd2)의 직조중량이 요구되고 있으며, 특수 직조, 크로스 플라이, 2축, 3축 또는 준축 구조가 사용되고 있다. 직조 조방사나 또는 조합된 직물 혹은 매트의 보강형태는 최종 부분에서 탄도성능을 유지하고 또한, 압축과 진공백 성형조건하에서 적당한 경화, 섬유 방향성, 복잡한 형상에 대한 섬유 적합성을 보장한다. 다른 적합한 형태로는 특수 매트 및 직조물, 크로스 플라이, 2축, 3축 또한 준축 조합물이 있다.
페놀 포름알데히드 수지는 레졸 페놀형이다. 종래에는 페놀에 대한 포름알데히드의 몰반응비가 1 : 1 내지 3 : 1인 수지를 사용하면 만족스런 결과가 얻어졌고, 또한 1.1 : 1 내지 1.6 : 1이면 가장 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 포름알데히드 대 페놀의 비율이 1.1 : 1 내지 1.5 : 1보다 작을 때는 본 SMC에서 가장 바람직한 것으로 밝혀졌다.
성형되는 SMC 플라이의 개수는 12.2 ㎏/㎡(2.5 lb/ft2)이상의 면적밀도를 갖는 최종 복합제품을 제조하기에 일반적으로 충분하다. 다른 응용분야에서예컨데 갑판 등의 경우, 36.6 ㎏/㎡(7.5 lb/ft2) 이상, 전형적으로 약 36.6㎏/㎡(7.5 lb/ft2) 내지 41.5㎏/㎡(8.5 lb/ft2)의 밀도를 갖는 복합재를 만드는 것이 요구된다. 만족스런 차량 스폴라이너는, 충분한 수의 플라이를 사용하여 약 19 ㎏/㎡(3.9 lb/ft2) 이상과 25.4㎏/㎡(5.2 lb/ft2) 정도의 면적밀도를 갖도록 하면 만들어 진다. 13 내지 26개의 플라이면 우수한 제품이 만들어진다. 보통 최종제품에 함유된 유리함량이 78 내지 84 중량%이면, 우수한 복합재가 얻어진다. 일반적으로 본 발명의 탄도저항서 패널의 두께는 약 6.4 ㎜(1/4인치)이상이고, 두꺼운 경우는 76.2 ㎜(3인치 이상)까지 된다.
다수의 SMC 플라이가 성형되어, 12.2 ㎏/㎡(2.5 lb/ft2)보다 큰 면적밀도를 갖는 복합재가 된다. 전형적으로 면적밀도가 22.0㎏/㎡(4.5lb/ft2) 내지 25.4 ㎏/㎡(5.2 lb/ft2)인 12.8 ㎜(1/2인치)정도의 두께로 본 발명에 따라 형성된 적층 복합 패널의 V50값(보호탄도한계치)은 727 m/sec(2,400 ft/sec)을 초과하여 최대 868 m/sec(2,865 ft/sec)까지 된다 (44 입자강 0.30 캘리버 단편 모의 투사기로 시험했을 때).
상술한 내용은 본 기술분야에 익숙한 자라면 실행 또는 이용할 수 있으며, 더 구체적인 실시예는 다음과 같다.
평형 평면 직조구조형 S-2 Glass463AA250 조방사로 만든 841 g/㎡(24 oz/yd2) 직조 조방사의 보강 공급률로 SMC를 제조한다. 보덴 SL359 레졸 페놀수지를 균일한 20mil 개구부에서 성형된 닥터 블레이드 또는 칼날 피복기를 사용하여 하부 플라스틱 처리 필름 위에서 균일하게 측정한다. 직조 조방사는 하부 피복 필름 위에 균일하게 분산되고, 피복되지 않은 상부 필름은 상부 표면에 연속 부착될 장소로 이동한다. SMC는 그후 압축력이 가해져 수지를 직조 조방사로 만드는 2중 체인링크 벨트 압착부에 운반하고, 한편 S자 형으로 이동하여 유리의 칩지작업을 개선한다.
압착후 SMC은 조사구역을 통과하여 빛을 적층필름에 투과하고, 군일한 주입이 이루어지도록 하고 적절한 칼날 배열에 의해 이것이 가능하며, 한편 적합한 칼날 피복기와 고정부 배열에 의해 주입과정을 가능케한다. 미리 인장된 SMC는 표준SMC 터릿으로 감는다. 로울 구성은, 실온에서나 또는 32℃(90℉)까지의 온도에서 수지가 직조 조방사속으로 침투될 수 있도록, 보강물과 수지피복 필름간의 접촉이 잘 이루어지도록 되어 있다.
다음에 SMC는 성형작업에 쓰일 때까지 저장된다. SMC를 편평형, 곡선형으로 성형할 수 있으며, 또는 1989년에 발행된 종래기술의 특허에서 개시된 바와 같은 공정조건을 따르는 수압식 압축 성형프레스에서 복잡한 가공작업에 따라 성형 할 수 있다.
저등급 SMC는 또한 진공배깅(vacuum bagging)라고 하는 다른 공정으로도 성형할 수 있다. 일반적으로 종래의 페놀 수지침투 가공제는 저압 진공 성형법으로 성형하기에는 너무 빨리 경화된다.
수작업 또는 기계를 써서(편평한 모양 이외의) 다른 복잡한 형상으로도 만들 수 있으며, 또한 최첨단 진공성형 기술을 이용하여 경화시킬 수 있다. 내열성 및 내습성 막의 선택 또는 이런 재료의 성형을 위한 탄성 중합체 성형백의 사용에 유의를 해야 한다. 동고형하 또는 공지의 진공법으로 경화시킬 수 있다.
성형시간과 온도는 완전한 경화 및 응축물 분리가 종래기술의 특허 제4.842,923호에서 개시된 경화와 실행과 유사하도록 부분 두께와 질량에 조절할 수 있다.
본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 여러변형이 가능하다
이상으로, 고강도 마그네시아 알루미노 실리케이트 유리섬유와 또한 매트릭스 수지로서 페놀 포름알데이트 응축물로 된 SMC 섬유유리 복합재에 대해 설명하였다. 이 복합재는 탄도성 침투물에 의한 침투작용에 대한 높은 저항성을 갖고 있으며 장갑(armor)용으로 또는 군용 차량, 선박, 비행기등의 스폴 라이너로써 사용할수 있다. 복합재의 구조성이 크고 터릿 또는 차량 구조 자체와 같은 차량 부품으로도 사용된다.

Claims (9)

  1. 고강도 마그네시아 알루미노실리케이트 유리섬유와, 포름알데히드와 페놀을 1:1 이상 1.5:1 이하의 몰비율로 반응시켜 만들어진 부분 응축된 또한 더 응축될 수 있는 페놀 포름알데히드 레졸반응 생성물을 포함하며, 상기 시이트 성형 화합물은 원하는 두께의 유리섬유 복합재로 되고, 이 복합재의 두께가 12.8㎜(1/2인치)이면 면적밀도는 22.0㎏/㎡(4.5 lb/ft2) 내지 25.4㎏/㎡(5.2lb/ft2)이 되며, 또한 보호탄도한계치인 V50값은, 44 입자강 0.30 캘리버 단편 모의 투사기로 시험할 때 727m/sec(2,400ft/sec)를 초과하는 것을 특징으로 하는 시이트 성형 화합물.
  2. 제1항에 있어서, 알코올이 들어있지 않으며 3 중량퍼센트 까지의 물을 함유하는 것을 특징으로 하는 시이트 성형 화합물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유리섬유는, 복합재에서 탄도성을 유지하고 또한 압축 및 진공백 성형조건하에서, 경화, 섬유방향성 또한 복잡한 형상에 대한 섬유 적합성을 갖게 되는 직물 또는 매트인 것을 특징으로 하는 시이트 성형 화합물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유리섬유는 직조 조방사 직물인 것을 특징으로 하는 시이트 성형 화합물.
  5. 경화 페놀 포름알데히드 레졸수지 매트릭스에 있는 다수의 고강도 마그네시아 알루미노실리케이트 유리섬유의 층으로 구성되고, 포집된 수증기가 없으며, 적당한 두께를 갖고 그 두께가 12.8㎜(1/2인치) 이면 면적밀도는 22.0㎏/㎡(4.5 lb/ft2) 내지 25.4㎏/㎡(5.2 lb/ft2)이고, 보호탄도한계치인 V50값은, 44 입자강 0.30 캘리버 단편 모의 투사기로 시험할 때 727m/sec(2400ft/sec)을 초과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄도저항성 유리섬유 복합재.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유리섬유는 복합재에서 탄도성을 유지하고, 또한 압축 및 진공백 성형조건하에서 고형화, 섬유방향성 또한 복잡한 형상에 대한 섬유 적합성을 갖게 되는 직물 또는 매트인 것을 특징으로 하는 탄도저항성 유리섬유 복합재.
  7. 제5항에 있어서, 상기 유리섬유는 직조 조방사 직물인 것을 특징으로 하는 탄도저항성 유리섬유 복합재.
  8. 고강도 마그네시아 알루미노실리케이트 유리섬유 및, 포름알데히드와 페놀을 1 : 1 이상 또한 1.5 : 1 이하의 몰비율로 반응시켜 부분 응축된 또한 더 응축될 수 있는 페놀 포름알데히드 레졸반응 생성물을 포함하는 시이트 성형 화합물을 제조하는 단계와, 다수의 상기 시이트를 압축 몰드내에 적층하는 단계와, 상기 시이트를 온도와 압력을 높여 그 온도 및 압력에서 시이트를 충분히 긴 시간동안 유지시켜 페놀 포름알데히드 반응 생성물을 완전히 중축합 및 경화시켜 원하는 두께로 탄도저항성 복합재를 형성하는 단계로서, 이 복합재가 12.8㎜(1/2인치)의 두께를 가지면 그의 면적밀도는 22.0㎏/㎡(4.5 lb/ft2) 내지 25.4㎏/㎡(5.2 lb/ft2)이고, 보호탄도한계치인 V50값은, 44 입자강 0.30 캘리버 단편모의 투사기로 시험할 때 727m/sec(2400ft/sec)을 초과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄도저항성 유리섬유 복합재의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 유리섬유는 직조 조방사 직물인 것을 특징으로 하는 탄도저항성 유리섬유 복합재의 제조방법.
KR1019930702462A 1991-12-26 1992-12-10 시이트 성형 화합물 탄도저항성 유리섬유 복합재 및 탄도저항성 유리섬유 복합재의 제조방법 KR100249395B1 (ko)

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US813,616 1991-12-26
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