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KR102187421B1 - 내탄도성 물품 및 상기 물품의 제조방법 - Google Patents

내탄도성 물품 및 상기 물품의 제조방법 Download PDF

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KR102187421B1
KR102187421B1 KR1020157026828A KR20157026828A KR102187421B1 KR 102187421 B1 KR102187421 B1 KR 102187421B1 KR 1020157026828 A KR1020157026828 A KR 1020157026828A KR 20157026828 A KR20157026828 A KR 20157026828A KR 102187421 B1 KR102187421 B1 KR 102187421B1
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fibers
layer
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하스 마르크-얀 데
노럴 알럭스 판
보멀 핀선트 판
넥타리오스 파울로폴로스
앨리샤 윌리엄스
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데이진 아라미드 비.브이.
바데이 인코포레이티드
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Abstract

본발명은 내탄도성 물품 및 상기 내탄도성 물품의 제조방법을 제공한다. 상기 내탄도성 물품은 적어도 하나의 압밀 복합재를 포함하고, 상기 적어도 하나의 압밀 복합재는 적어도 두 개의 층을 포함하고, 각 층은 섬유들의 망상구조를 포함하며, 상기 섬유는 ASTM D 7269-07에 따라 적어도 800mN/tex(1,100MPa)의 강도를 갖고, 각 층의 섬유는 매트릭스 물질로 함침되고, 각각의 압밀 복합재는 전면과 후면을 갖는다. 상기 내탄도성 물품에서, 각각의 압밀 복합재의 적어도 상기 전면을 부분 용융되고 고화된 분말 입자들로 분말 피복시켜 분말 피복된 표면을 형성하고, 상기 부분 용융되고 고화된 분말 입자들은 상기 분말 피복된 표면 상에 해도형 피복 패턴을 형성한다.

Description

내탄도성 물품 및 상기 물품의 제조방법{BALLISTIC RESISTANT ARTICLE AND PROCESS TO MANUFACTURE SAID ARTICLE}
본 발명은 내탄도성 물품(ballistic resistant article) 및 상기 내탄도성 물품의 제조방법에 관한 것이다.
복합재(composite)를 포함하는 내탄도성 물품은 공지되어 있다. 복합재는 섬유 물질의 층을 포함한다. 상기 섬유 물질의 층은 중합체성 매트릭스 물질로도 공지된 중합체성 결합제(binder) 물질로 피복된다. 또한, 상기한 복합재의 표면들 중 하나 또는 둘 다를 중합체 필름과 라미네이팅시켜, 내탄도성 물품의 표면들 중 하나 또는 둘 다에 상기 중합체 필름을 나타내는 내탄도성 물품을 생성하는 것이 공지되어 있다. 이러한 내탄도성 물품은, 명시된 조건하에서 측정되고 탄약의 50%가 상기 내탄도성 물품을 관통하지 않는, 사용된 탄약의 속도(m/s)를 의미하는 v50-값에 의해 정량화된 탄도 공격에 대한 높은 내관통성을 나타낸다.
그러나, 동일한 면 밀도(areal density)에서 총알 탄약 및 파편 탄약 둘 다에 대해 상기 단락에 기재된 바와 같은 내탄도성 물품보다 더 높은 v50-값을 나타내는 내탄도성 물품이 끊임없이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 근원적인 과제는, 동일한 면 밀도에서 총알 탄약 및 파편 탄약 둘 다에 대해 두번째 단락에 기재된 바와 같은 내탄도성 물품보다 더 높은 v50-값을 나타내는 내탄도성 물품을 제공하는 것이다.
상기 과제는, 적어도 하나의 압밀 복합재(consolidated composite)를 포함하는 내탄도성 물품으로서,
적어도 하나의 압밀 복합재가 적어도 두 개의 층을 포함하고,
각 층이 섬유들의 망상구조를 포함하며,
상기 섬유가 ASTM D 7269-07에 따라 적어도 800mN/tex(1,100MPa)의 강도를 갖고,
각 층의 상기 섬유가 매트릭스 물질로 함침되고,
상기 각각의 압밀 복합재가 전면(front surface)과 후면(rear surface)을 가지며,
상기 각각의 압밀 복합재의 적어도 상기 전면을, 부분 용융되고 고화된 분말 입자들로 분말 피복시켜 분말 피복된 표면을 형성함을 특징으로 하는, 내탄도성 물품에 의해 해결된다.
놀랍게도, 본 발명에 따르는 내탄도성 물품은, 동일한 면 밀도에서, 총알 탄약 및 파편 탄약 둘 다에 대해, 비교용 내탄도성 물품보다 더 높은 v50-값을 나타내며, 상기 비교용 내탄도성 물품은 이의 표면들 중의 하나 또는 둘 다에 중합체 필름을 나타내지만 - 본 발명의 내탄도성 물품에서와 같은 - 부분 용융되고 고화된 분말 입자들로 분말 피복된 표면은 나타내지 않는다는 점에서만 본 발명의 내탄도성 물품과 상이하다.
보다 더 놀랍게도, 실시예에 나타낸 바람직한 양태에서 본 발명에 따르는 내탄도성 물품은 상기 단락에 기재된 비교용 내탄도성 물품보다도 약간 더 낮은 면 밀도에서 조차도 비교용 내탄도성 물품보다 총알 탄약 및 파편 탄약 둘 다에 대해 더 높은 v50-값을 나타낸다.
또한, 놀랍게도, 실시예에 나타낸 바람직한 양태에서 본 발명에 따르는 내탄도성 물품은, 부분 용융되고 고화된 분말 입자로 이루어진 분말 피복된 표면 대신에 중합체 필름을 내탄도성 물품의 표면에 나타내는 비교용 내탄도성 물품과 비교하여, 마모에 대해 상당히 증가된 안정성을 나타낸다: 본 발명의 내탄도성 물품의 분말-피복된 표면은 변화가 거의 없으며 섬유 다발화(bundling)를 나타내지 않아 외부 UD-층 아래에 정렬된 UD-층이 보이지 않는 반면, 비교용 내탄도성 물품의 필름-피복된 표면의 필름은 외부 UD-층으로부터 닳아져 없어져서, 상기 외부 UD-층의 섬유가 다발화되기 시작한다. 섬유 다발화가 집약되어, 비교용 내탄도성 물품의 외부 UD-층 아래에 정렬된 UD-층이 보이게 된다.
본 발명에 따른 내탄도성 물품의 바람직한 양태에서, 상기 부분 용융되고 고화된 분말 입자들은 상기 분말 피복된 표면 상에 해도형(island in the sea) 피복 패턴을 형성한다.
본 발명의 범위 내에서, 어구 "압밀 복합재는 적어도 두 개의 층을 포함한다"는 상기 복합재를 형성하는데 적어도 두 개의 층이 필요하고 상기 적어도 두 개의 층이 서로 스택킹(stacking)되어 서로에 대해 압밀, 즉 결합(bond)됨을 의미한다.
본 발명에 따르는 내탄도성 물품은, 상기 내탄도성 물품이 단 2개의 층을 포함하는 단지 하나의 압밀 복합재를 포함하는 양태에서도 상기한 놀라운 효과를 나타낸다.
본 발명을 인지하고 본 발명에 따르는 내탄도성 물품에 목적하는 수준의 탄도 방호를 제공할 숙련가들은 적당한 갯수의 압밀 복합재를 선택할 것이다. 흔히 목적되는 수준의 탄도 방호를 위해, 상기 압밀 복합재의 갯수는 2 내지 100개의 범위이다. 따라서, 본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 바람직한 양태에서, 물품은 2 내지 100개의 압밀 복합재, 보다 바람직하게는 2 내지 50개의 압밀 복합재, 특히 바람직하게는 10 내지 45개의 압밀 복합재를 포함한다.
또한, 본 발명을 인지하고 본 발명에 따르는 내탄도성 물품에 목적하는 수준의 탄도 방호를 제공할 숙련가들은 상기 적어도 하나의 압밀 복합재에 대한 적당한 갯수의 층을 선택할 것이다. 흔히 목적되는 수준의 탄도 방호를 위해, 상기 층의 갯수는 2 내지 10개의 범위이다. 따라서, 본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 바람직한 양태에서, 각각의 압밀 복합재는 2 내지 10개의 층, 보다 바람직하게는 2 내지 6개의 층, 특히 바람직하게는 2 내지 4개의 층으로 이루어진다.
본 발명의 범위 내에서, 어구 "각 층은 섬유들의 망상구조를 포함한다"는 각 층이 상기 텍스타일 직물(textile fabric)을 특징지우는 특정한 방식으로 서로에 대해 정렬된 섬유들을 포함하는 텍스타일 직물을 포함함을 의미한다. 바람직하게는, 섬유들은 서로에 대해
- 직조 방식으로 배열되거나
- 펠트에서와 같이 부직 방식으로 배열되거나, 보다 바람직하게는 섬유들이 서로에 대해 단방향으로 정렬되는 형태(configuration)로 배열된다.
따라서, 본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 바람직한 양태에서, 각 층에 의해 포함된 섬유들의 망상구조는 직포 또는 부직포이고, 부직포는 바람직하게는 단방향으로 정렬된 섬유 층이다.
본 발명의 범위 내에서, 용어 "섬유"는, 길이 치수가 폭의 횡방향 및 두께 치수보다 훨씬 큰 연신된 바디(elongate body)를 의미한다. 따라서, "섬유"는 모노필라멘트 섬유, 멀티필라멘트 섬유, 리본, 스트립, 스테이플 섬유 및 상기한 것들 중의 하나 이상으로부터 제조된 얀(yarn), 예를 들면, 멀티필라멘트 얀 또는 스테이플 섬유 얀을 포함한다. 특히 바람직한 "섬유"는 멀티필라멘트 얀을 의미한다. 본 발명에서 사용하고자 하는 "섬유"의 단면은 광범위하게 다양할 수 있다. 이들은 단면이 원형이거나, 편평하거나(flat), 장방형(oblong)일 수 있다. 이들은 또한, 예를 들면, 필라멘트의 세로 축으로부터 돌출된 하나 이상의 규칙적 또는 불규칙적 로브(lobe)를 갖는 불규칙적이거나 규칙적인 형상일 수 있다. 바람직하게는 "섬유"는 실질적으로 원형인 단면을 나타낸다.
섬유들의 망상구조에 의해 포함된 섬유는 ASTM D 7269-07에 따라 적어도 800mN/tex(1,100MPa)의 강도를 가지며, 바람직하게는 아라미드 섬유이다.
본 발명의 범위 내에서, 용어 "아라미드 섬유"는 방향족 폴리아미드를 섬유-형성 중합체로 하여 생성된 섬유를 의미한다. 상기 섬유 형성 중합체에서, 아미드(-CO-NH-) 결합의 적어도 85%는 두 개의 방향족 환에 직접 결합된다. 특히 바람직한 방향족 폴리아미드는 p-아라미드이다. p-아라미드 중에서 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)가 가장 바람직한 것이다. 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)는 p-페닐렌 디아민과 테레프탈산 디클로라이드의 mol:mol 중합으로부터 생성된다. 예를 들면, 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)로부터 제조된 멀티필라멘트 얀으로 이루어진 섬유는 Teijin Aramid(NL)로부터 Twaron®이라는 상품명하에 입수될 수 있다.
섬유들의 망상구조에 의해 포함된 각 층의 섬유는 매트릭스 물질로 함침된다. 본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 바람직한 양태에서, 매트릭스 물질은 유기 중합체를 포함하고, 상기 중합체는 스티렌 이소프렌 스티렌 블록공중합체, 스티렌 부타디엔 랜덤 공중합체, 자가-가교결합성 아크릴 중합체 및/또는 가교결합 가능한 아크릴 중합체 또는 폴리클로로프렌 중합체이다. 본 발명의 범위 내에서, 용어 "자가-가교결합성 아크릴 중합체"는, 승온에서 가교결합될 상기 아크릴 중합체 쇄 내에 있는 자가-반응 부위들을 갖는 폴리아크릴레이트를 의미한다. 이에 의해, 인접한 중합체 쇄들의 상기 자가-반응 그룹들이 서로 반응하여 상기 인접한 중합체 쇄들을 화학적으로 결합시켜 가교결합된 중합체를 형성한다. 상기 가교결합 반응을 가속화시키기 위해, 산 촉매 또는 잠재성 산 촉매를 가할 수 있다.
본 발명의 범위 내에서, 용어 "가교결합 가능한 아크릴 중합체"는, 자가-반응 그룹을 나타내지 않고, 이에 따라, 임의로 목적하는 가교결합 반응을 달성하기 위해 질소성 열경화성 수지와 같은 외부 가교결합제의 첨가를 필요로 하는 아크릴 중합체, 바람직하게는 아크릴 단독중합체를 의미한다.
본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 바람직한 양태에서, 매트릭스 물질은 점착제를 포함한다. 본 발명의 범위 내에서, 용어 "점착제"는, 바람직하게는 본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 매트릭스 물질에 존재하고 상기 매트릭스 물질에 균일하게 분포하여 점착성을 갖는 매트릭스 물질을 제공하는 화학적 화합물을 의미한다. 그리고, 본 발명의 범위 내에서, 용어 "상기 매트릭스 물질에 균일하게 분포하여"는 매트릭스 물질의 모든 체적소(volume element) 중의 점착제의 농도가 동일함을 의미한다.
본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 바람직한 양태에서, 점착제는
- 나무 그루터기(목재 수지), 수액(검 로진) 또는 제지 공정의 부산물(톨유 로진)으로부터 유도되는 로진 수지(여기서, 상기 로진 수지는
- 로진 산과 알콜 간의 반응에 의해 얻은 로진 에스테르,
- 로진 산 원료의 수소화에 의해 얻은 수소화된 로진 에스테르 또는
- 로진 산의 이량체로부터 얻은 이량체화된 로진 수지일 수 있다) 또는
- 목재 공급원 또는 감귤류로부터의 테르펜 공급원료로부터 유도된 테르펜 수지, 또는
- NP-10, NP-25 및 FN-175와 같은 몇몇 명칭하에 미국 Neville Chemical Company로부터 시판되는 탄화수소 수지
로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 바람직한 양태에서, 점착제는, 매트릭스 물질의 중량에 대해, 1wt% 내지 20wt%, 보다 바람직하게는 1.5wt% 내지 10wt%, 가장 바람직하게는 2wt% 내지 6wt% 범위의 중량%로 매트릭스 물질에 존재한다. 상기 점착제의 중량%가 1wt% 미만인 경우 및 섬유들의 망상구조가 단방향으로 정렬된 섬유 층인 경우, 복합재의 제조 동안 단방향으로 정렬된 섬유들의 단일 층의 취급이 더욱 복잡해질 수 있다. 점착제의 상기 중량%가 20wt% 초과인 경우, 복합재 및, 따라서, 본 발명의 내탄도성 물품이 너무 강직성(stiff)으로 될 수 있다.
본 발명의 내탄도성 물품의 특히 바람직한 양태에서, 점착제는 아비에트산이거나, 또는 예를 들면, 약 58wt% 로진 에스테르, 약 39wt% 물 및 4wt% 미만의 계면활성제를 함유하는 수계 분산액인 미국 Arizona Chemical로부터의 Aquatac® 6025에 함유된 로진 에스테르이다.
섬유들의 망상구조에 의해 포함된 각 층의 섬유는 매트릭스 물질 함량의 매트릭스 물질로 함침된다. 매트릭스 물질은, 상기 적어도 두 개의 층을 서로 결합시켜 압밀시키고 이에 의해 압밀 복합재를 생성하기에 충분한 중량%로, 상기 함침된 섬유에 존재한다. 따라서, 매트릭스 물질의 적용량이 상기 적어도 두 개의 층을 서로 충분히 결합시킬 수 있는 한, 섬유들의 망상구조의 섬유들간의 각각의 그리고 모든 공간이 매트릭스 물질로 충전될 필요는 없다. 예를 들면, 매트릭스 물질은 섬유들의 망상구조의 섬유들 상의 특정 지점(spot)들에 그리고 상기 섬유들 사이에 분포될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 각 층 중의 그리고 각각의 압밀 복합재 중의 매트릭스 물질 함량은, 바람직하게는 습기 없는, 즉, 0.5wt%보다 훨씬 낮은 수분 함량으로 되도록 건조된 섬유들의 중량에 대해 5wt% 내지 30wt%의 범위이고, 특히 바람직하게는 습기 없는, 즉, 0.5wt%보다 훨씬 낮은 수분 함량으로 되도록 건조된 얀의 중량에 대해 10wt% 내지 25wt%의 범위이고, 각각의 압밀 복합재의 면 밀도는 바람직하게는 50g/㎡ 내지 500g/㎡, 특히 바람직하게는 75g/㎡ 내지 300g/㎡의 범위이다.
본 발명의 범위 내에서, 어구 "본 발명에 따르는 내탄도성 물품에 의해 포함된 각각의 압밀 복합재의 적어도 상기 전면은 부분 용융되고 고화된 분말 입자들로 분말 피복되어 분말 피복된 표면을 형성하고, 바람직하게는, 상기 부분 용융되고 고화된 분말 입자들은 상기 분말 피복된 표면 상에 해도형 피복 패턴을 형성한다"는, 상기 분말 피복된 표면이, 위에서 보았을 때, 바람직하게는, 섬(island)에 의해 커버되지 않는 분말 피복된 표면의 부분인 바다(sea) 중의 부분 용융되고 고화된 분말 입자의 섬으로 이루어진 피복 패턴을 나타냄을 의미한다. 섬들 중의 극히 일부가 서로 접촉할 수 있지만, 바람직하게는 섬의 적어도 20%, 가장 바람직하게는 100%는 서로 접촉하지 않는다. 그래서, 해도형 피복 패턴은 전체 필름-피복된 표면을 연속해서 커버하는 필름과는 즉시 구별될 수 있다.
섬의 형태는 사용되는 분말 입자들의 형태 및 상기 입자들이 부분 용융된 후 고화되어 분말 피복된 표면 상에 해도형 피복 패턴을 형성하는 조건에 따라 좌우된다. 본 발명의 범위 내에서, 용어 "부분 용융되고 고화된 분말 입자들"은, 상기 입자들이, 피복된 층의 표면에 충분히 부착될 정도로만 용융되어 있음을 의미한다. 본 발명에서 상기 표면은 매트릭스 물질 함침된 섬유들로 이루어지기 때문에, 이것은 부분 용융된 입자들이 부분 용융된 상태로, 매트릭스 물질 함침된 섬유들 주위를 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 유동하고, 따라서, 고화 후, 매트릭스 물질 함침된 섬유들에 부착됨을 의미한다. 또한, "고화된 분말 입자"는 부분 용융된 입자가 실온으로 냉각되면 고체이고, 본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 사용 동안 복합재의 인접 분말 피복된 층들이 서로에 대해 이동한다면 이들의 형상이 상당히 변형되지 않도록 하기에 충분할 정도로 경질임을 의미한다. 측면에서 보면, 고화된 분말 입자들은, 부분 용융 과정 전의 입자의 직경보다 다소 더 작은 높이를 갖고, 분말 피복된 표면에 대해 0°를 훨씬 넘는 접촉각, 바람직하게는 10° 내지 90° 범위의 접촉각을 나타내는 형상을 나타낸다.
본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 바람직한 양태에서, 분말 입자는 열가소성 중합체로 이루어지며, 상기 열가소성 중합체는 바람직하게는 수 평균 분자량 Mn> 14000g/mol 및 유리 전이 온도 Tg> 85℃를 갖고, 상기 열가소성 중합체는 바람직하게는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 및 폴리비닐 클로라이드(PVC)로 이루어진 그룹 중의 하나로부터 선택되는 구성원이다. 바람직하게는, HDPE, LDPE 및 LLDPE는 중량 평균 분자량 Mw> 65,000g/Mol 및 수 평균 분자량 Mn> 14,000을 나타낸다. 본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 특히 바람직한 양태에서, LDPE 및 LLDPE는 중량 평균 분자량 Mw> 80,000g/Mol 및 수 평균 분자량 Mn> 16,000을 나타낸다.
본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 추가의 바람직한 양태에서, 분말 입자는 열가소성 중합체로 이루어지며, 상기 열가소성 중합체 바람직하게는 수 평균 분자량 Mn> 14000g/mol 및 유리 전이 온도 Tg> 85℃를 갖고, 상기 열가소성 중합체는 바람직하게는 직쇄 또는 측쇄 폴리프로필렌, 에틸렌과 프로필렌의 랜덤 공중합체, 폴리에틸렌 블록과 폴리프로필렌 블록의 블록공중합체, 에틸렌과 올레핀, 예를 들면, 옥텐 또는 부텐의 랜덤 공중합체, 폴리에틸렌 블록과 올레핀, 예를 들면, 옥텐 또는 부텐의 블록공중합체, 에틸렌과 비닐아세테이트의 랜덤 공중합체, 폴리에틸렌 블록과 폴리비닐아세테이트 블록의 블록공중합체, 에틸렌과 알킬아크릴레이트의 랜덤 공중합체, 폴리에틸렌 블록과 폴리알킬아크릴레이트 블록의 블록공중합체, 에틸렌과 아크릴산의 랜덤 공중합체, 및 폴리에틸렌 블록과 폴리아크릴산 블록의 블록공중합체로 이루어진 그룹 중의 하나로부터 선택되는 구성원이다.
이미 언급한 바와 같이, 해도형 피복 패턴의 섬들 중의 극히 일부만이 접촉하거나, 가장 바람직하게는 상기 섬들 중의 어느 것도 서로 접촉하지 않는다. 따라서, 부분 용융되고 고화된 분말 입자들의 비교적 낮은 면 밀도가 사용된다. 본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 바람직한 양태에서, 분말 피복된 표면 상의 부분 용융되고 고화된 분말 입자들의 면 밀도는 0.1g/㎡ 내지 50g/㎡, 보다 바람직하게는 1g/㎡ 내지 50g/㎡, 보다 더 바람직하게는 1g/㎡ 내지 10g/㎡, 특히 바람직하게는 2g/㎡ 내지 5g/㎡의 범위이다.
본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 바람직한 양태에서, 해도형 피복 패턴의 섬들은 서로 접촉하지 않으며, 위에서 보면, 구형 및/또는 타원형 형상을 나타낸다. 이러한 피복 패턴이 도 1에 개략적으로 도시되어 있으며, 도 1에서, 바다(3), 즉, 본 발명에 따르는 내탄도성 물품에 의해 포함된 복합재의 분말 피복된 표면의 비피복부 상의 구형 섬(1)과 타원형 섬(2)을 나타내는 해도형 피복 패턴이 도시되어 있다.
본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 추가의 바람직한 양태에서, 구형 섬이 산술 평균 직경 ds를 갖고, 상기 타원형 섬이 타원체의 장축과 단축의 길이를 산술 평균냄으로써 얻은 산술 평균 직경 de를 가져서, 상기 섬이
- 위에서 볼 때, 평균 직경 di = (ds+de)/2를 나타내고, di가 바람직하게는 10 내지 10,000㎛, 특히 바람직하게는 100 내지 1,000㎛의 범위이고,
- 측면에서 볼 때, 산술 평균 높이 h를 나타내고, h가 바람직하게는 0.5 내지 1,000㎛, 특히 바람직하게는 5 내지 50㎛의 범위이다.
본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 추가의 바람직한 양태에서, 섬은 피복도(cover factor) fc = {(Acovered / (Acovered + Auncovered))}·100[%]에 의해 정의된 분말 피복된 표면의 분획을 커버하고, 상기 피복도에서, Auncovered는 분말 피복된 표면의 커버되지 않은 면적을 나타내고, Acovered는 분말 피복된 표면의 커버된 면적을 나타내며, fc는 바람직하게는 1% 내지 95%, 특히 15% 내지 65%의 범위이다.
또한, 본 발명은, 본 발명에 따르는 내탄도성 물품의 제조방법을 제공한다. 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
a) 적어도 두 개의 층을 포함하는 적어도 하나의 압밀 복합재를 제조하는 단계로서, 각각의 층이 섬유들의 망상구조를 포함하고, 상기 섬유는 ASTM D 7269-07에 따라 적어도 800mN/tex(1,100MPa)의 강도를 가지며, 각 층의 상기 섬유가 매트릭스 물질로 함침되고, 상기 매트릭스 물질은 임의로 점착제를 포함하는, 상기 압밀 복합재를 제조하는 단계,
b) 단계 a)로부터 생성된 압밀 복합재의 적어도 하나의 표면을 분말 입자들로 분말 피복시키는 단계로서,
(1) 상기 분말 입자들을 상기 표면에 분배시키고,
(2) 단계 b(1)로부터 생성된 분배된 입자들을 상기 표면 상에서 부분 용융시키고,
(3) 단계 b(2)로부터 생성된 부분 용융된 입자들을 상기 표면 상에서 고화시킴으로써, 상기 분말 입자들로 분말 피복시키는 단계 및
삭제
c) 단계 b)에서 얻은 둘 이상의 분말 피복된 압밀 복합재를 스택킹시키고, 상기 압밀 복합재들을 모서리에서 스티칭(stitching)함에 의해 이들을 서로 고정시키는 단계.
상기 방법에서, 용어 "압밀 복합재", "섬유들의 망상구조", "매트릭스 물질", "점착제", "섬유", 및 "분말 입자"는 유사하게, 본 발명에 따르는 내탄도성 물품에 대해 앞에서 설명한 바와 동일한 의미를 갖는다.
본 발명에 따르는 방법의 단계 a)에서, 섬유들의 선택된 망상구조가 제공되고, 상기 망상구조가 선택된 매트릭스 물질로 특별히 피복되며, 상기 매트릭스 물질은 바람직하게는 유기 중합체 및 - 임의로 - 점착제를 포함한다. 이것은, 제공된, 특히 매트릭스 물질 및 임의로 점착제로 피복된 섬유들의 망상구조를 포함하는 제1 단일 층을 생성한다. 단계 a)의 바람직한 양태에서, 섬유는 아라미드 섬유이다. 단계 a)의 추가의 바람직한 양태에서, 섬유들의 망상구조는 단방향으로 정렬된 섬유 층이다. 단계 a)의 특히 바람직한 양태에서, 제1 단일 층은 단방향으로 정렬된 아라미드 섬유를 매트릭스 물질 및 임의로 점착제로 피복시킴으로써 얻어진다.
상기한 바와 동일한 방식으로, 적어도 하나의 추가의 층을 제조하며, 즉, 예를 들면, 제2 층을 제조한다.
상기 적어도 하나의 추가의 층을 제1 층 상에 스택킹시킨다. 상기 제1 층 및 상기 적어도 하나의 추가의 층이 단방향으로 정렬된 섬유 층들인 경우, 상기 적어도 하나의 추가의 단방향 섬유 층들은 제1 단방향으로 정렬된 섬유 층 상에 크로스-플라잉 각(cross-plying angle)으로, 바람직하게는 90°로 크로스-플라잉되어, 매트릭스 물질이 제공된 단방향으로 정렬된 섬유들의 적어도 두 개의 층을 함유하는 크로스-플라이(cross-ply)를 생성하며, 상기 매트릭스 물질은 중합체 및 - 임의로 - 점착제를 포함한다.
상기 복합재, 예를 들면, 상기 크로스-플라이는 압밀 과정의 도움으로 압밀되어 압밀 복합재를 생성한다. 바람직하게는 압밀 과정은, 압밀 압력 pc, 압밀 온도 Tc, 및 압밀 시간 tc를 적용함을 포함하며, 여기서, pc는 0.05bar 내지 10bar의 범위이고, Tc는 70 내지 200℃의 범위이고, tc는 1초 내지 300초의 범위이다. 본 발명에 따르는 방법의 특히 바람직한 양태에서, 단계 a)의 압밀 과정은 0.05bar 내지 5bar 범위의 pc, 80 내지 130℃ 범위의 Tc, 5초 내지 30초 범위의 tc로 수행된다.
본 발명에 따르는 방법의 바람직한 양태에서, 단계 b(1)에서 건조 분말 입자들을 분배 수단의 도움으로 상기 표면에 분배시킨다. 바람직하게는 분배 수단은 분말 피복 장치이다.
본 발명에 따르는 방법의 단계 b(2)에서, 분배된 입자들을 부분 용융시킨다. 이것은 상기 입자들이, 연화된 입자들이 매트릭스 물질 함침된 섬유 상으로 그리고 섬유 주위로 유동하도록 하기에 충분할 정도로 연화됨을 의미한다. 그러나, 상기 연화 정도는 상기 입자들이 매트릭스 물질 함침된 섬유 상에서 완전히 용융될 수 있도록 하기에는 너무 낮다. 오히려, 부분 용융된 분말 입자들은, 측면에서 보면, 부분 용융 과정 전의 입자의 직경보다 다소 작은 높이를 갖는 형상을 나타내고, 부분 용융된 분말 입자들은, 분말 피복된 표면에 대해 0°보다 훨씬 큰 접촉각, 바람직하게는 약 10°내지 약 90°범위의 접촉각을 나타낸다.
본 발명에 따르는 방법의 단계 b(3)에서, 단계 b(2)로부터 생성된 부분 용융된 입자들을 상기 표면 상에서 고화시키고, 이에 의해, 매트릭스 물질 함침된 섬유들에 대해 고정시킨다.
바람직하게는, 작업 (1), (2) 및 (3)은 분말 피복된 표면 상에 해도형 피복 패턴이 얻어지고, 바람직하게는 섬들 중의 어느 것도 서로 접촉하지 않도록 보장하는 방식으로 수행되어야 한다. 일단 분말 피복 물질이 선택되면, 당업계의 숙련가는 요구되는 분말 피복 방식의 파라미터 세트를 인지하거나, 적어도, 일반적인 실험으로 상기 파라미터 세트의 손실 정보를 알아낼 수 있다.
본 발명에 따르는 내탄도성 물품이 하나 이상의 압밀 복합재를 포함하는 경우, 즉, 본 발명에 따르는 방법에서 단계 c)가 실시되는 경우, 상기 복합재가 탄약의 변형하에서 서로에 대해 단지 약간만 이동할 수 있도록, 압밀 복합재들을 모서리에서 스티칭함에 의해 이들을 서로 고정시키는 것이 필요한 것으로 밝혀졌다.
또한, 본 발명의 내탄도성 물품은 또 다른 방법으로 제조될 수 있으며, 이것 또한 본 발명의 일부이며, 여기서, 상기 추가의 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
a) 적어도 제1 층을 제공하는 단계로서, 상기 제1 층이 섬유들의 망상구조를 포함하고, 상기 섬유는 ASTM D 7269-07에 따라 적어도 800mN/tex(1,100MPa)의 강도를 가지며, 상기 섬유는 매트릭스 물질로 함침되고, 상기 매트릭스 물질은 바람직하게는 유기 중합체 및 임의로 점착제를 포함하는, 상기 제1 층을 제공하는 단계,
b) 단계 a)에서 제공된 제1 층의 한면을 분말 입자들로 분말 피복시키는 단계로서,
i) 상기 분말 입자들을 제1 층에 분배시키고,
ii) 상기 분배된 분말 입자들을 상기 제1 층 상에서 부분 용융시켜, 제1 층 상의 부분 용융된 분말 입자들을 생성하고(이들 입자들은 바람직하게는 서로 접촉하지 않는다),
iii) 필요에 따라, 상기 제1 층의 표면을 형성하는 섬유들의 망상구조의 매트릭스 물질 함침된 섬유들에 대한 부분 용융된 입자들의 접착을 증가시키고,
iv) 상기 부분 용융된 입자들을 고화시켜, 바람직하게는 표면들 중 하나에 해도형 피복 패턴(여기서, 상기 섬들은 부분 용융되고 고화된 입자들로 이루어지고, 바람직하게는 상기 섬들은 서로 접촉하지 않는다)을 나타내는 제1 층을 얻음으로써, 상기 분말 입자들로 분말 피복시키는 단계,
c) 적어도 제2 층(여기서, 상기 제2 층은 섬유들의 망상구조를 포함하고, 상기 섬유는 ASTM D 7269-07에 따라 적어도 800mN/tex(1,100MPa)의 강도를 가지며, 상기 섬유는 바람직하게는 유기 중합체 및 임의로 점착제를 포함하는 매트릭스 물질로 함침된다)을 제공하고, 상기 제2 층을 단계 b)에 기재된 바와 동일한 방식으로 분말 피복시켜, 바람직하게는 표면들 중 하나에 해도형 피복 패턴을 나타내는 제2 층(여기서, 상기 섬들은 부분 용융되고 고화된 입자들로 이루어지고, 바람직하게는 상기 섬들은 서로 접촉하지 않는다)을 얻는 단계,
d) 단계 b)에서 얻은 상기 제1 층과 단계 c)에서 얻은 제2 층을, 이들의 분말 피복되지 않은 표면들을 통해 결합시켜, 바람직하게는 외부 표면들 둘 다에 해도형 피복 패턴(여기서, 상기 섬들은 부분 용융되고 고화된 입자들로 이루어지고, 상기 섬들은 바람직하게는 서로 접촉하지 않는다)을 나타내는 압밀 복합재를 얻는 단계,
e) 다수의 압밀 복합재를 단계 a) 내지 d)에 기재된 바와 같이 제조하는 단계,
f) 단계 e)에서 얻은 다수의 분말 피복된 압밀 복합재를 스택킹시키고, 상기 압밀 복합재들을, 바람직하게는 모서리에서 스티칭함에 의해 서로 고정시키는 단계.
본 발명은 하기 (비교) 실시예들에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
비교 실시예 1
a) 단일 단방향성 섬유 층(1L-UD)의 제조
폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) 멀티필라멘트 얀(Twaron type 2000; 1100 dtex f1000; 제조원: Teijin Aramid, NL)을 크릴(creel)로부터 풀어서 리드(reed)를 통해 통과시켜 서로에 대해 실질적으로 평행하게 정렬시켰다. 실질적으로 평행하게 정렬된 얀들을 키스 롤(kiss roll)을 사용하여 매트릭스 물질로서 PrinlinTM B7137 HV(유리 전이 온도 Tg = -40 내지 -50℃, 제조원: Henkel, Germany)로, 즉, 아비에트산을 점착제로서 함유하는 스티렌 이소프렌 스티렌 블록-공중합체의 수성 분산액으로 피복시켰다. PrinlinTM B7137 HV 피복된 얀들을 실리콘 피복된 이형지 위에 레이 업(lay up)하여 120℃의 온도로 설정된 핫-플레이트 상에서 건조시켜 단일 단방향성 섬유 층(1L-UD)을 얻었다. 1L-UD 중의 수지 농도는 1L-UD의 총 중량을 기준으로 하여, 즉, 습기 없는 얀의 중량, 즉, 수분 함량이 0.5wt%보다 훨씬 낮도록 건조된 1L-UD의 중량에 대해 17.2±1wt%이었다. 실용적 측면에서, 이것은 0wt%의 수분 함량으로 되도록 건조시킴을 의미한다. 1L-UD 중의 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) 멀티필라멘트 얀의 면 밀도는 45±5g/㎡이었다. 1L-UD의 평형 수분 함량을 포함한 1L-UD의 총 면 밀도는 수지 부하 및 평형 수분 함량에 따라 55±5g/㎡이었으며, 여기서, 상기 ±5g/㎡ 변화는 피복 작업 중의 불가피한 변화 + 1L-UD가 저장되는 습도에 있어서의 변화로부터 야기된다. 1L-UD에서, PrinlinTM B7137 HV매트릭스 물질은 상기 멀티필라멘트 얀의 필라멘트들 상의 특정 지점들에 그리고 상기 필라멘트들 사이에 분배된다.
b) 두 개의 1L-UD로부터의 라미네이팅된 크로스-플라이(2L-UD)의 제조
a)로부터 생성된 두 개의 1L-UD를 90°의 크로스-플라잉 각으로 크로스-플라잉시켰다. 상기 두 개의 크로스-플라잉된 UD를 가열대에 이어 가압대 및 냉각대를 갖는 미니 플랫 벨트(mini flat belt) 라미네이터 RPS-L 600K(제조원: Maschinenfabrik Herbert Meyer GmbH, Germany)를 통해 2m/min의 속도로 안내함으로써 크로스-플라잉된 1L-UD를 라미네이팅시켰다. 상기 가열대에서, 상기 크로스-플라잉된 1L-UD들을 120℃에서 10초간 가열하였다. 상기 가압대에서, 상기 가열된 크로스-플라잉된 1L-UD들을 가압 롤러들 사이에서 35N/㎠로 가압시키고, 마지막으로 상기 냉각대에서 8초 동안 실온으로 냉각시켜, 상기 두 개의 1L-UD로부터, 라미네이팅된 크로스-플라이를 생성하였으며, 즉, 2L-UD를 생성하였다. 이러한 방식으로, 두 개의 2L-UD 크로스-플라이를 제조하였다.
c) 두 개의 2L-UD로부터의 라미네이팅된 크로스-플라이(4L-UD)의 제조
b)로부터 생성된 두 개의 2L-UD를 90°의 크로스-플라잉 각으로 크로스-플라잉시켜 0°/90°/0°/90°크로스-플라잉 각 순서를 갖는 스택(stack)을 얻었다. 상기 스택을 가열대에 이어 가압대 및 냉각대를 갖는 미니 플랫 벨트 라미네이터 RPS-L 600K(제조원: Maschinenfabrik Herbert Meyer GmbH, Germany)를 통해 2m/min의 속도로 안내함으로써 상기 스택을 라미네이팅시켰다. 상기 가열대에서, 두 개의 크로스-플라잉된 2L-UD를 120℃에서 10초간 가열하고, 가압대에서 가압 롤러들 사이에서 35N/㎠로 가압시키고, 마지막으로 상기 냉각대에서 8초 동안 실온으로 냉각시켜, 상기 두 개의 2L-UD로부터 라미네이팅된 크로스-플라이를 생성하였으며, 즉, 4L-UD를 생성하였다.
d) 필름-피복된 4L-UD의 제조
c)로부터 생성된 4L-UD 크로스-플라이를, 120℃의 Tm을 갖는 10㎛ 두께의 하나의 LDPE 필름(상품명 LDPE Flachfolie; 제조원: EBK Kunststoffe GmbH, DE)으로 전면과 후면 각각에 동시에 라미네이팅시켰다. 이러한 목적을 위해, 상기 4L-UD 크로스-플라이를 상기 두 개의 LDPE 필름과 함께 가열대에 이어 가압대 및 냉각대를 갖는 미니 플랫 벨트 라미네이터 RPS-L 600K(제조원: Maschinenfabrik Herbert Meyer GmbH, Germany)를 통해 2m/min의 속도로 안내함으로써 상기 4L-UD 크로스-플라이를 라미네이팅시켰다. 상기 가열대에서, 상기 4L-UD 크로스-플라이와 상기 두 개의 LDPE 필름을 120℃에서 10초간 가열하고, 상기 가압대에서 가압 롤러들 사이에서 35N/㎠로 가압시키고, 마지막으로 상기 냉각대에서 8초 동안 실온으로 냉각시켜, 전면과 후면이 각각 하나의 LDPE 필름으로 피복된 4L-UD 크로스-플라이를 생성하였다. 상기 필름-피복된 4L-UD 크로스-플라이는 17.2wt%의 매트릭스 물질 함량 및 243g/㎡의 면 밀도를 나타내었다.
e) 탄도 시험 패널의 제조 및 탄도 평가
d)로부터 얻은 15개의 필름-피복된 4L-UD 크로스-플라이를 항상 0°배향된 플라이가 90°배향된 플라이에 인접하도록 하는 방식으로 스택킹시켰다. 그후, 상기 스택킹된 15개의 필름-피복된 4L-UD 크로스-플라이를 이들을 모서리에서 스티칭함에 의해 고정시켰다. 상기 방식으로, 3개의 시험 패널을 제조하였다. 각각의 시험 패널은 약 3.6kg/㎡의 면 밀도를 가졌다.
상기 3개의 시험 패널을 총알(탄약 타입: .357 Magnum, 연질 코어, 제조원; Remington Arms Company, Inc.: 0°경사)에 의해 얻은 이들의 v50-값에 대해 MIL STD 662F에 따라 평가하였다. v50-값은 이의 표준 편차와 함께 상기 3개의 시험 패널로부터 얻은 산술 평균으로서 표 1에 나타내어져 있다.
상기한 바와 동일한 방식으로 3개 시험 패널을 제조하되, 각 시험 패널은 19개의 필름-피복된 4L-UD 크로스-플라이를 포함하는 것만 달리 하였다. 각각의 시험 패널은 약 4.6kg/㎡의 면 밀도를 가졌다. 상기 3개의 시험 패널을 총알(탄약 타입: 9mm DM41, 연질 코어, 제조원; RUAG Ammotec, Switzerland; 0°경사)에 의해 얻은 이들의 v50-값에 대해 MIL STD 662F에 따라 평가하였다. v50-값은 이의 표준 편차와 함께 상기 3개의 시험 패널로부터 얻은 산술 평균으로서 표 1에 나타내어져 있다.
f) 마모 시험
d)로부터 얻은 필름 피복된 4L-UD 크로스-플라이를 Model CSI-59 마모 시험기(제조원; Custom Scientific Instruments)를 사용하여 ASTM D3886 - 99(2006년에 재승인됨)에 따라 내마모성(inflated diaphragm apparatus)에 대해 시험하였다. 연마재 표면은 FCTWA1006160.01144 직포였다. 5lbs 하중으로 압력을 4psi로 설정하였다. 2000 사이클 후, 필름은 외부 UD-층으로부터 닳아져 없어졌으며, 상기 외부 UD-층의 섬유가 다발화되기 시작하였다. 섬유 다발화가 너무 집약되어 상부 2L-UD의 하부층이 눈에 보이게 되었다.
실시예 1
I) 제1 및 제2 분말 피복된 2L-UD의 제조
비교 실시예 1의 a) 및 b)에 기재된 바와 같이 하여 2L-UD 크로스-플라이를 제조하였다. 상기 2L-UD 크로스-플라이는, 비교 실시예의 a)에 설명된 바와 같이 습기 없는 얀의 중량을 기준으로 하여, 17.5wt%의 매트릭스 물질 함량을 가졌다.
상기 2L-UD 크로스-플라이 분말 입자들의 표면들 중 하나에 "PST scatter" 분말 피복기(제조원: Maschinenfabrik Herbert Meyer GmbH, Germany)를 사용하여 네덜란드에 소재하는 Plascoat Europe으로부터 입수한 2 내지 4g/㎡ Plascoat PECMA 160 분말을 분배하였다. Plascoat PECMA 160 분말은, Tm= 107℃, ASTM D-748에 따라 측정한 취성 온도 -40℃, ISO 306에 따라 측정한 비캣 연화점 80℃, ASTM D1238에 따라 측정한 용융 유동 지수 18 내지 25g/10분 및 입자들 100%가 < 250㎛의 입자 크기를 나타내고 입자들 중 적어도 80%가 < 160㎛의 입자 크기를 나타내는 입자 크기 분포를 갖는 고성능 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 피복 분말이다.
상기 분말 입자들의 분배 직후, 그 위에 분말 입자들이 분배된 2L-UD 크로스-플라이를 가열대에 이어 가압대 및 냉각대를 갖는 플랫 벨트 라미네이터 KFK-EL(제조원: Maschinenfabrik Herbert Meyer GmbH, Germany)을 통해 20m/min의 속도로 안내하였다. 상기 가열대에서, 분말 입자 함유 2L-UD 크로스-플라이를 120℃에서 5초 동안 가열하고, 이에 의해, LDPE 입자들이 분말 피복된 표면 상에서 부분 용융되어, 서로 접촉하지 않는 부분 용융된 LDPE-입자들을 나타내는 2L-UD 크로스-플라이를 생성하였다. 이 단계에서, 부분 용융된 LDPE-입자들은 2L-UD의 표면과 접촉하지만, 이들의 2L-UD의 표면에 대한 접착성은 매우 낮다. 따라서, 상기 가압대에서, 부분 용융된 LDPE-입자들을 함유하는 가열된 2L-UD 크로스-플라이를 가압 롤러들 사이에서 10N/㎡의 접착 증가압 pad로 가압시킨 후 상기 냉각대에서 4초 동안 실온으로 냉각시켜, 부분 용융되고 이후에 고화되는 LDPE 입자들(여기서, 상기 입자들은 분말 피복된 표면 상에 해도형 피복 패턴을 나타낸다)을 표면들 중 하나에 포함하는 제1 2L-UD 크로스-플라이(이것은 이후에 "제1 분말 피복된 2L-UD"로 약칭됨)를 생성하였다. 이것은, 위에서 보았을 때, LDPE-피복된 영역들이, 피복되지 않은, 즉, 커버되지 않은 2L-UD-표면인 바다 위에 분포된 섬들처럼 보인다는 것을 의미한다. 상기 섬들은 서로 접촉하지 않는다. 위에서 보면, 단일 섬은 구형 또는 타원형을 나타내고, 단일 섬은 분말 피복 전의 Plascoat PECMA 160 분말의 직경보다 작은 값을 갖는 높이를 나타낸다.
상기한 바와 동일한 방식으로 제2 2L-UD 크로스-플라이를 분말 피복시키고 라미네이팅시켜, 제1 분말 피복된 2L-UD에 대해 상기한 바와 같이 분말 피복된 표면 상에 해도형 피복 패턴을 나타내는, 부분 용융되고 이후에 고화되는 LDPE 입자들을 표면들 중 하나에 포함하는 "제2 분말 피복된 2L-UD"를 생성하였다.
II) 분말 피복된 4L-UD 크로스-플라이의 제조
최종적으로, 제1 분말 피복된 2L-UD에 제2 분말 피복된 2L-UD를 스택킹시켜, 제1 2L-UD와 제2 2L-UD가 분말 피복되지 않은 표면 상에서 서로 접촉하여 분말 피복된 전면과 분말 피복된 후면을 나타내는 스택을 생성하였다. 제1 분말 피복된 2L-UD와 제2 분말 피복된 2L-UD를 라미네이팅시키기 위해, 가열대에 이어 가압대 및 냉각대를 갖는 미니 플랫 벨트 라미네이터 RPS-L 600K(제조원: Maschinenfabrik Herbert Meyer GmbH, Germany)를 통해 2m/min의 속도로 상기 스택을 안내하였다. 상기 가열대에서, 상기 스택을 120℃에서 10초간 가열하고, 상기 가압대에서 35N/㎠로 가압시키고, 마지막으로 상기 냉각대에서 4초 동안 실온으로 냉각시켜, 부분 용융되고 이후에 고화되는 LDPE 입자들(여기서, 상기 입자들은 해도형 피복 패턴을 형성한다)을 전면과 후면에 포함하는 4L-UD 크로스-플라이(이것은 이후에 "분말 피복된 4L-UD"로 약칭됨)를 생성하였다. 이것은, 위에서 보았을 때, 전면 및 후면 상의 LDPE-피복된 영역들이 각각, 피복되지 않은, 즉, 커버되지 않은 4L-UD 전면 또는 후면인 바다 위에 분포된 섬들처럼 보인다는 것을 의미한다. 상기 섬들은 서로 접촉하지 않으며, 위에서 보면, 단일 섬은 구형 또는 타원형을 나타낸다. 구형 섬은 산술 평균 직경 ds를 갖고, 타원형 섬은 타원체의 장축과 단축의 길이를 산술 평균냄으로써 얻은 산술 평균 직경 de를 가져서, 상기 섬은
- 위에서 볼 때, 평균 직경 di = (ds+de)/2를 나타내고, di는 100 내지 1,000㎛의 범위이고,
- 측면에서 볼 때, 산술 평균 높이 h를 나타내고, h는 5 내지 50㎛의 범위이다.
분말 피복을 위해 적용된 2 내지 4g/㎡ LDPE-분말로 인해, 2L-UD 표면의 15 내지 65%는 LDPE-섬으로 피복되었다. 그래서, 2L-UD 표면의 피복도 fc는 15 내지 65% 범위이었다.
분말-피복된 4L-UD 크로스-플라이는 비교 실시예의 a)에 설명된 바와 같이 습기 없는 얀의 중량에 대해 17.5wt%의 매트릭스 물질 함량 및 231g/㎡의 면 밀도를 나타내었다.
III) 탄도 시험 패널의 제조 및 탄도 평가
II)로부터 얻은 15개의 분말-피복된 4L-UD 크로스-플라이를 항상 0° 배향된 플라이가 90°배향된 플라이에 인접하도록 하는 방식으로 스택킹시켰다. 그후, 상기 스택킹된 15개의 분말-피복된 4L-UD 크로스-플라이를 이들을 모서리에서 스티칭함에 의해 고정시켰다. 상기 방식으로, 3개의 시험 패널을 제조하였다. 각각의 시험 패널은 약 3.5kg/㎡의 면 밀도를 가졌다.
상기 3개의 시험 패널을 총알(탄약 타입: .357 Magnum, 연질 코어, 제조원; Remington Arms Company, Inc.: 0°경사)에 의해 얻은 이들의 v50-값에 대해 MIL STD 662F에 따라 평가하였다. v50-값은 이의 표준 편차와 함께 상기 3개의 시험 패널로부터 얻은 산술 평균으로서 표 1에 나타내어져 있다.
상기한 바와 동일한 방식으로 3개 시험 패널을 제조하되, 각 시험 패널은 19개의 분말-피복된 4L-UD 크로스-플라이를 포함하는 것만 달리 하였다. 각각의 시험 패널은 약 4.4kg/㎡의 면 밀도를 가졌다. 상기 3개의 시험 패널을 총알(탄약 타입: 9mm DM41, 연질 코어, 제조원; RUAG Ammotec, Switzerland; 0°경사)에 의해 얻은 이들의 v50-값에 대해 MIL STD 662F에 따라 평가하였다. v50-값은 이의 표준 편차와 함께 상기 3개의 시험 패널로부터 얻은 산술 평균으로서 표 1에 나타내어져 있다.
라미네이팅 조건 및 구성
패널의
면 밀도
[kg/㎡]		 .357 magnum
총알로
시험한 v50
[m/s]		 패널의
면 밀도
[kg/㎡]		 9mm DM41
총알로
시험한 v50
[m/s]
비교 실시예 1 3.6 449±12 4.6 482±15
실시예 1 3.5 456±12 4.4 502±11
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 패널은, .357 Magnum 총알로 시험하는 경우, 비교 실시예 1의 패널의 v50 = 449m/s보다 1.6% 더 높은 v50 = 456 m/s, 즉, 총알에 대한 방탄 성능을 나타내지만, 실시예 1의 패널은 2.8% 더 낮은 면 밀도를 갖는다.
또한, 표 1은 실시예 1의 패널이, 9mm DM41 총알로 시험하는 경우, 비교 실시예 1의 패널의 v50 = 482m/s보다 4.1% 더 높은 v50 = 502m/s, 즉, 총알에 대한 방탄 성능을 나타내지만, 실시예 1의 패널은 4.3% 더 낮은 면 밀도를 갖는다는 것을 보여준다.
비교 실시예 2
비교 실시예 1의 단계 a) 내지 d)에 기재된 바와 동일한 방식으로, 15개의 필름-피복된 4L-UD 크로스-플라이를 제조하였다. 상기 15개의 필름-피복된 4L-UD 크로스-플라이를 항상 0°배향된 플라이가 90°배향된 플라이에 인접하도록 하는 방식으로 스택킹시켰다. 그후, 상기 스택킹된 15개의 필름-피복된 4L-UD 크로스-플라이를 이들을 모서리에서 스티칭함에 의해 고정시켰다. 상기 방식으로, 2개의 시험 패널을 제조하였다. 각각의 시험 패널은 약 3.6kg/㎡의 면 밀도를 가졌다.
상기 2개의 시험 패널을 파편 모의 탄(fragment simulating projectiles)(탄약 타입: 1.1g FSP; 0°경사)에 의해 얻은 v50-값에 대해 STANAG 2920에 따라 평가하였다. v50-값은 이의 표준 편차와 함께 상기 2개의 시험 패널로부터 얻은 산술 평균으로서 표 2에 나타내어져 있다.
비교 실시예 3　
비교 실시예 2에서와 동일한 방식으로 두 개의 시험 패널을 제조하되, 각 시험 패널은 22개의 필름-피복된 4L-UD 크로스-플라이를 포함하는 것만 달리 하였다. 각각의 시험 패널은 약 5.3kg/㎡의 면 밀도를 가졌다. 상기 2개의 시험 패널을 파편 모의 탄(탄약 타입: 1.1g FSP; 0°경사)에 의해 얻은 이들의 v50-값에 대해 STANAG 2920에 따라 평가하였다. v50-값은 이의 표준 편차와 함께 상기 2개의 시험 패널로부터 얻은 산술 평균으로서 표 2에 나타내어져 있다.
실시예 2
실시예 1의 단계 I) 및 II)에 기재된 바와 동일한 방식으로 15개의 분말 피복된 4L-UD 크로스-플라이를 제조하였다. 상기 15개의 분말 피복된 4L-UD 크로스-플라이를 항상 0°배향된 플라이가 90°배향된 플라이에 인접하도록 하는 방식으로 스택킹시켰다. 그후, 상기 스택킹된 15개의 분말-피복된 4L-UD 크로스-플라이를 이들을 모서리에서 스티칭함에 의해 고정시켰다. 상기 방식으로, 2개의 시험 패널을 제조하였다. 각각의 시험 패널은 약 3.3kg/㎡의 면 밀도를 가졌다. 상기 2개의 시험 패널을 파편 모의 탄(탄약 타입: 1.1g FSP; 0°경사)에 의해 얻은 이들의 v50-값에 대해 STANAG 2920에 따라 평가하였다. v50-값은 이의 표준 편차와 함께 상기 2개의 시험 패널로부터 얻은 산술 평균으로서 표 2에 나타내어져 있다.
실시예 3　
실시예 2에 기재된 바와 동일한 방식으로 두 개의 시험 패널을 제조하되, 각 시험 패널은 22개의 분말-피복된 4L-UD 크로스-플라이를 포함하는 것만 달리 하였다. 각각의 시험 패널은 약 4.9kg/㎡의 면 밀도를 가졌다. 상기 2개의 시험 패널을 파편 모의 탄(탄약 타입: 1.1g FSP; 0°경사)에 의해 얻은 이들의 v50-값에 대해 STANAG 2920에 따라 평가하였다. v50-값은 이의 표준 편차와 함께 상기 2개의 시험 패널로부터 얻은 산술 평균으로서 표 2에 나타내어져 있다.
패널의 면 밀도
[kg/㎡]		 1.1g FSP 파편으로
시험한 v50
[m/s]
비교 실시예 2 3.6 467±16
비교 실시예 3 5.3 550±17
실시예 2 3.3 473±17
실시예 3 4.9 563±11
알 수 있는 바와 같이, 15개의 층을 갖는 실시예 2의 패널은, 1.1 g FSP 탄약으로 시험하는 경우, 비교 실시예 2의 패널의 v50 = 467m/s보다 1.3% 더 높은 v50 = 473m/s, 즉, 파편에 대한 방탄 성능을 나타내지만, 비교 실시예 2의 패널이 8.3% 더 낮은 면 밀도를 갖는다.
22개의 층을 갖는 실시예 3의 패널은, 1.1 g FSP 탄약으로 시험하는 경우, 비교 실시예 3의 패널의 v50 = 550m/s보다 2.4% 더 높은 v50 = 563m/s, 즉, 파편에 대한 방탄 성능을 나타내지만, 실시예 3의 패널은 7.5% 더 낮은 면 밀도를 갖는다.
실시예 4
I) 분말 피복된 2L-UD의 제조
비교 실시예 1의 a) 및 b)에 기재된 바와 같이 하여 2L-UD 크로스-플라이를 제조하였다. 상기 2L-UD 크로스-플라이는 비교 실시예의 a)에 설명된 바와 같이 습기 없는 얀의 중량에 대해 17.5wt%의 매트릭스 물질 함량을 가졌다.
상기 2L-UD 크로스-플라이의 표면들 중 하나에 Powerline 100 분말 피복기 유닛(제조원; Reliant Machinery)을 사용하여 분말 입자들을 분배하였다. PolyOne(Georgia, US)로부터 입수된 V1807 PVC 분말 20 내지 30g/㎡ 중량이 분말 피복기의 (부가)-제한[(add on)-limitations]에 의해 달성되었다. V1807 PVC 분말은 Tm = 160°및 대략 200 마이크론의 입자 크기를 갖는 저분자량 폴리비닐 클로라이드(PVC) 단독중합체 피복 분말(분자량 = 50K, 즉, 50,000)이다. V1807 PVC 분말의 데이터 시트는 ASTM D-1895에 따라 측정한 분말의 입자 크기에 대한 전형적인 값인 143 마이크론을 나타낸다.
V1807 PVC 분말 입자들의 분배 직후 그 위에 상기 분배된 분말 입자들을 갖는 2L-UD 크로스-플라이를 215℃의 표면 온도를 제공하는 피복기의 IR 섹션을 통해 10m/min의 속도로 안내하였다. 상기 PVC 입자들은 분말 피복된 표면 상에서 부분 용융되어, 부분 용융된 PVC-입자들이 서로 거의 접촉하지 않는 2L-UD 크로스-플라이를 생성하였다. 그후, 상기 물질을 실온으로 냉각시켰다. 당해 실시예로부터 얻은 PVC 분말 피복된 2L-UD 크로스-플라이를 Model CSI-59 마모 시험기(제조원; Custom Scientific Instruments)를 사용하여 ASTM D3886 - 99(2006년에 재승인됨)에 따라 내마모성(inflated diaphragm apparatus)에 대해 시험하였다. 연마재 표면은 FCTWA1006160.01144 직포였다. 5lbs 하중으로 압력을 4psi로 설정하였다. 2000 사이클 후, 외부 UD-층의 표면은 거의 변화를 보이지 않았다. 섬유 다발화는 관찰되지 않았으며, 상부 2L-UD의 하부층은 눈에 보이지 않게 유지되었다.

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 압밀 복합재(consolidated composite)를 포함하는 내탄도성 물품(ballistic resistant article)으로서,
    상기 적어도 하나의 압밀 복합재가 적어도 두 개의 층을 포함하고,
    각 층이 섬유들의 망상구조를 포함하며,
    상기 섬유가 ASTM D 7269-07에 따라 적어도 800mN/tex(1,100MPa)의 강도를 갖고,
    각 층의 상기 섬유가 매트릭스 물질로 함침되고,
    상기 각각의 압밀 복합재가 전면(front surface)과 후면(rear surface)을 가지며,
    상기 각각의 압밀 복합재의 적어도 상기 전면을, 부분 용융되고 고화된 분말 입자들로 분말 피복시켜 분말 피복된 표면을 형성함을 특징으로 하는, 적어도 하나의 압밀 복합재를 포함하는 내탄도성 물품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부분 용융되고 고화된 분말 입자가 상기 분말 피복된 표면 상에 해도형(island in the sea) 피복 패턴을 형성하는, 내탄도성 물품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내탄도성 물품이 2 내지 100개의 압밀 복합재를 포함하는, 내탄도성 물품.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각각의 압밀 복합재가 2 내지 10개의 층으로 이루어진, 내탄도성 물품.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각 층에 의해 포함된 섬유들의 망상구조가 직포 또는 부직포인, 내탄도성 물품.
  6. 제5항에 있어서, 상기 부직포가 단방향으로 정렬된 섬유 층인, 내탄도성 물품.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 섬유가 아라미드 섬유인, 내탄도성 물품.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 매트릭스 물질이 유기 중합체를 포함하고, 상기 중합체가 스티렌 이소프렌 스티렌 블록공중합체, 스티렌 부타디엔 랜덤 공중합체, 자가-가교결합성 아크릴 중합체, 가교결합 가능한 아크릴 중합체, 자가-가교결합성 아크릴 중합체와 가교결합 가능한 아크릴 중합체의 조합물, 또는 폴리클로로프렌 중합체인, 내탄도성 물품.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각 층 및 상기 각 압밀 복합재 중의 매트릭스 물질 함량이, 습기 없는 섬유의 중량에 대해, 5wt% 내지 30wt%의 범위이고, 상기 각 압밀 복합재의 면 밀도(areal density)가 50g/㎡ 내지 500g/㎡의 범위인, 내탄도성 물품.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분말 입자가 열가소성 중합체로 이루어지고, 상기 열가소성 중합체가 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 및 폴리비닐 클로라이드(PVC)로 이루어진 그룹 중 하나로부터 선택되는 구성원인, 내탄도성 물품.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 분말 피복된 표면 상의 부분 용융되고 고화된 분말 입자들의 면 밀도가 0.1g/㎡ 내지 50g/㎡의 범위인, 내탄도성 물품.
  12. 제2항에 있어서, 상기 해도형 피복 패턴에서 섬(island)들이 서로 접촉하지 않으며, 위에서 보면, 구형을 나타내거나, 타원형을 나타내거나, 또는 구형 및 타원형을 나타내는, 내탄도성 물품.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 구형 섬이 산술 평균 직경 ds를 갖고, 상기 타원형 섬이 타원체의 장축과 단축의 길이를 산술 평균냄으로써 얻은 산술 평균 직경 de를 가져서, 상기 섬이
    - 위에서 볼 때, 평균 직경 di = (ds+de)/2를 나타내고, di가 10 내지 10,000㎛의 범위이고,
    - 측면에서 볼 때, 산술 평균 높이 h를 나타내고, h가 0.5 내지 1,000㎛의 범위인, 내탄도성 물품.
  14. 제2항, 제12항 및 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬이 피복도(cover factor) fc = {(Acovered / (Auncovered + Acovered))}·100[%]에 의해 정의된 분말 피복된 표면의 분획을 커버하고, 상기 피복도에서, Auncovered는 분말 피복된 표면의 커버되지 않은 면적을 나타내고, Acovered는 분말 피복된 표면의 커버된 면적을 나타내며, fc는 1% 내지 95%의 범위인, 내탄도성 물품.
  15. 제1항 또는 제2항에 기재된 내탄도성 물품의 제조방법으로서,
    a) 적어도 두 개의 층을 포함하는 적어도 하나의 압밀 복합재를 제조하는 단계로서, 각각의 층이 섬유들의 망상구조를 포함하고, 상기 섬유가 ASTM D 7269-07에 따라 적어도 800mN/tex(1,100MPa)의 강도를 가지며, 각 층의 상기 섬유가 매트릭스 물질로 함침되는, 상기 압밀 복합재를 제조하는 단계,
    b) 단계 a)로부터 생성된 압밀 복합재의 적어도 하나의 표면을 분말 입자들로 분말 피복시키는 단계로서,
    (1) 상기 분말 입자들을 상기 표면에 분배시키고,
    (2) 단계 b(1)로부터 생성된 분배된 입자들을 상기 표면 상에서 부분 용융시키고,
    (3) 단계 b(2)로부터 생성된 부분 용융된 입자들을 상기 표면 상에서 고화시킴으로써, 상기 분말 입자들로 분말 피복시키는 단계 및
    단계 a) 및 b)에서 둘 이상의 복합재가 제조되는 경우,
    c) 단계 b)에서 얻은 상기 둘 이상의 분말 피복된 압밀 복합재를 스택킹(stacking)시키고, 상기 압밀 복합재들을 이들을 스티칭(stitching)함에 의해 서로 고정시키는 단계를 포함하는, 제1항 또는 제2항에 기재된 내탄도성 물품의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 단계 (1), (2) 및 (3)이 해도형 피복 패턴이 상기 분말 피복된 표면 상에 얻어지는 것을 보장하는 방식으로 수행되는, 내탄도성 물품의 제조방법.
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