KR20160053312A - Cnt 또는 그라핀을 포함하는 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 방탄부재 - Google Patents
Cnt 또는 그라핀을 포함하는 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 방탄부재 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은
탄소나노튜브(CNT) 또는 그라핀 입자를 용매에 분산시켜 함침용액을 준비하는 단계, 방탄섬유를 상기 함침 용액에 함침하고 건조시켜 방탄섬유 복합체를 준비하는 단계,
상기 방탄섬유 복합체를 층상으로 가공하여 방탄섬유 복합체층을 준비하는 단계. 및 상기 방탄섬유 복합체층의 적어도 일 면에 적어도 한 장의 열가소성 수지 필름을 열 압착하여, 상기 방탄섬유 복합체층의 적어도 일 면에 상기 열가소성 수지가 침투되도록 하는 단계를 포함하는 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법을 제공한다.
Description
본 기술은 방탄소재 분야의 기술로서, 가벼우면서도 방호성능이 우수하고, 다양한 탄환에 의한 변형이 적으며 온도 민감성이 개선된 방탄부재의 제조에 관한 기술이다.
방탄복 소재로는 1950년대에 나일론 섬유로부터 시작하여, 오늘날 주요 핵심 소재로 사용하고 있는 1970년대에 개발되어 방탄소재 분야의 급 진전의 전환점을 가져온 아라미드(Aramid)계의 섬유와 그리고 1980년대에 개발된 초고분자량의 폴리에틸렌(ultra high molecular weight polyethylene: UHMWPE)계의 섬유가 주류를 이루고 있다.
이들 고강도의 섬유는 다양한 형태로 제조되어 방호성능 요구에 따라서 사용되고 있으나, 가장 널리 사용되고 있는 소재는 직물형과 섬유 얀(Yarn)을 0ㅀ 방향으로 배열하여 여기에 고분자 수지를 코팅한 다음 이를 절단하여 0ㅀ와 90ㅀ 방향으로 적층 후에 성형 한 일방향 테이프(Unidirectional Tape: UD)가 주류를 이루고 있다.
일반적으로 직물은 경사와 위사로 구성되며, 여기에 사용하는 섬유는 용도에 따라서 데니어(Denier: 9000m당 1g)가 다른 것을 사용하여 제직을 한다. 직물의 제직 형태에는 여러 가지가 있으나 얀-얀 사이의 마찰력이 높아 충격에너지 흡수가 우수한 평직(plain weave)형태가 가장 많이 적용되고 있다. 직물의 경우에는 파편탄(FSP: Fragment Simulating Projectile)이 충돌하면 직물을 구성하고 있는 얀이 인발(Pull-out)되면서 탄의 에너지를 흡수 및 분산하여 정지하게 되는데, 인발 강도는 얀-얀 간의 마찰력에 의하여 조절되며, 탄자의 에너지가 마찰력이나 얀의 인장강도를 넘어서면, 탄자는 얀을 파단시키고 관통하게 된다. 한편 볼탄은 일반적으로 탄자의 코아는 납 재질로 되어 있고, 외피는 구리로 덮여있어, 방탄재와의 충돌시에 탄자의 모양이 버섯모양(mushroom)으로 변하면서 변형 면적이 2~3배 커지게 되어, 후면에 거대한 트라우마를 가져온다.
따라서 파편탄은 피탄재와 충돌시에 변형이 크게 일어나지 않고 관통을 진행하기 때문에 파편탄을 저지하기 위해서는 관통 억제가 우수한 소재가 요구되고, 반면에 볼탄은 탄자의 특성상 관통 보다는 탄자의 변형으로 후면에 큰 충격 에너지를 전달하여 후면변형(Back Face Signature: BFS)을 감소시킬 수 있는 방탄 소재가 요구된다.
기본적으로 방탄재는 외부에서 충격이 가해지면 운동에너지를 신속하게 인접한 섬유나 다음 층에 전달하여 충격을 분산시켜 주어야 방탄성능을 높일 수 있다. 섬유간의 마찰력을 높여 충격에너지를 분산시키기 위하여 팽창성 건조분말(dilatants)을 섬유에 코팅하거나, 직물에 바르거나 하여 섬유 간의 마찰력을 증가시키어 운동에너지를 분산시키는 기술을 개시하였으나, 이 기술은 벌키(bulky)하고, 무겁고 그리고 비교적 유연성이 제한적인 등의 문제점이 있다.
최근에는 나노입자를 함유한 전단농화유체(STF: Shear Thickening Fluid)를 아라미드(kevlar) 직물에 함침하여 파편탄 형상의 모의탄으로 저속(250m/s 이하)에서 방탄시험을 수행하였을 때에 기존의 직물에 비하여 방탄 저항성을 크게 향상시킨 결과를 제시하였다. 이 기술은 직물형 방탄재의 장점인 파편탄 방어, 방탄복의 경우에 착용성과 관련된 유연성 그리고 경제성을 그대로 유지하면서 직물 방탄재의 단점인 볼탄 방호력을 높이기 위하여 경사-위사간의 얀의 마찰력을 증가시키어 충격시에 직물 층의 변형을 억제하여 후면변형을 줄여주기 위한 것이다. 그러나 이 기술은 수년간의 사용기간 동안 STF 용액이 휘발되지 않도록 유지하여야 하는 문제를 안고 있다.
한편 UD 소재는 섬유가 일직선으로 배향되어 있어 섬유의 강도를 거의 그대로 유지하고 있고, 충격파가 신속하게 절달되어 에너지를 분산시킬 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 경제성 측면에서는 고가로서 단점을 갖고 있다.
오늘날 방탄재의 기본소재로 가장 많이 사용하고 있는 것은 아라미드섬유와 초고분자량폴리에텔렌(UHMPE)섬유이다. 아라미드섬유는 직물형이 주류를 이루고 있고, UHMPE 섬유는 직물형보다는 UD 형 소재로서 많이 사용되고 있다. UHMPE섬유를 사용하여 제조한 일방향테이프 소재가 개인방탄복용을 비롯하여 방탄판 소재로서 각광을 받고 있다. 이는 이 소재가 기존에 경쟁하고 있는 아라미드섬유에 비하여 밀도가 낮아서 방탄재의 경량화를 이룩할 수 있기 때문이다. 그러나 이 소재는 용융점이 낮아서 80℃이상의 환경에서는 방호력이 30% 감소하기 때문에 장시간 사용할 수 없으며, 그리고 충격을 받을시에 변형량이 큰 단점을 갖고 있으며, 경제성측면에서는 UD 소재는 직물에 비하여 고가이다.
한편 직물 방탄재로 더 많이 사용하고 있는 아라미드섬유는 UHMPE에 비하여 밀도가 높아 경량화에 단점이 있으나, 용융점이 400℃에 달하여 온도 환경에 따른 방호력 감소는 없다. 경제성 측면에서는 직물은 저렴한 장점을 갖고 있다. 그래서 아라미드 직물의 경제성과 함께 방호력을 증진하는 기술이 다양하게 개발되고 있다.
본 발명의 목적은 전술한 바와 같은 종래 소재의 단점 및 경제성 등의 문제점의 해결을 위하여 고려된 발명으로서, 파편탄과 볼탄 모두에 대해 방탄 성능이 우수하고, 또한 무게가 가볍고 경제성도 갖춘 방탄부재를 제조하기 위한 기본 단위로서, 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 전술한 방법에 의하여 제조되고, 다양한 적층형태로서 활용될 수 있는 방탄섬유 복합체 프리프레그를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 방탄섬유 복함체 프리프레그가 적층되어 형성된 방탄부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법은, 탄소나노튜브(CNT) 또는 그라핀 입자를 용매에 분산시켜 함침용액을 준비하는 단계; 방탄섬유를 상기 함침 용액에 함침하고 건조시켜 방탄섬유 복합체를 준비하는 단계; 상기 방탄섬유 복합체를 층상으로 가공하여 방탄섬유 복합체층을 준비하는 단계; 및 상기 방탄섬유 복합체층의 적어도 일 면에 적어도 한 장의 열가소성 수지 필름을 열 압착하여, 상기 방탄섬유 복합체층의 적어도 일 면에 상기 열가소성 수지가 침투되도록 하는 단계를 포함한다.
상기 방탄섬유는 얀(yarn) 형태의 단위 섬유, 또는 직물일 수 있다. 상기 방탄섬유로는 아라미드 섬유, 초고분자량폴리에틸렌(UHMPE) 섬유, 나일론 섬유, 유리섬유 등이 사용될 수 있다.
상기 함침용액의 준비단계는 상기 CNT 또는 그라핀 입자와 상기 방탄섬유의 결합을 촉진하는 고분자 수지를, 상기 함침용액에 더 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 열가소성 수지 필름은 폴리프로필렌 수지, 폴리우레탄 수지 또는 폴리에틸렌 수지로 이루어진 필름일 수 있다.
한편, 상기 방탄섬유 복합체의 준비 단계 이후에, 상기 방탄섬유 복합체를 상기 CNT 또는 그라핀 입자와 상기 방탄섬유의 결합을 촉진하는 고분자 수지 용액에 함침시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방탄섬유 복합체 프리프레그는 방탄섬유로 이루어진 직물 내에, CNT 또는 그라핀이 고분자 결합제에 의하여 분산 및 부착되어 있고, 상기 CNT 또는 그라핀의 직물 내 함량이 0.1 내지 10 중량%인 방탄섬유 복합체층, 및 상기 방탄섬유 복합체층의 적어도 일면에 형성되고, 적어도 한 장의 열 가소성 수지 필름이 열압착되어 형성된 열압착 수지 필름층을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방탄부재는 전술한 방탄섬유 복합체 프리프레그가 상기 열압착 수지 필름층을 접합층으로 하여 반복되어 적층된 프리프레그 적층체를 포함한다.
상기 방탄부재는 서로 다른 방탄섬유를 포함하는 이종의 프리프레그의 적층 부위를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법에 따르면, 종래의 방탄직물의 방탄성능을 극대화 시킴과 더불어 온도에 대한 민감성 개선 및 저중량의 단위 소재 복합체를 제조할 수 있다.
상기 단위 소재 복합체로서의 프리프레그는 다양한 적층형태, 성형 방법 등에 의하여, 각종 산업분야의 방탄 제품에 응용될 수 있다.
상기 프리프레그는 CNT, 그라핀 등의 탄소 재료가 균일하게 분산되어 있어, 탄소재료의 기능성이 극대화 될 수 있다.
또한, 방탄판 등 상기 프리프레그를 이용하여 재조된 방탄부재는 파편탄 및 볼탄 모두에 대한 방탄성능이 우수하고, 관통저항력과 변형 저항성이 매우 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법을 포함한 방탄부재의 제조방법을 개념적으로 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄섬유 복합체 프리프레그의 층상구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄부재의 적층구조를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 아라미드 섬유에 CNT 섬유가 분산되어 있는 모습을 보여주는 전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄섬유 복합체 프리프레그의 층상구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄부재의 적층구조를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 아라미드 섬유에 CNT 섬유가 분산되어 있는 모습을 보여주는 전자현미경 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 방탄섬유 복합체 프리프레그 및 방탄부재의 제조방법을 자세하게 설명하도록 한다. 아울러, 이에 의하여 제조된 방탄섬유 복합체 프리프레그 및 이를 포함한 방탄부재에 대하여 자세하게 설명하도록 한다. 그러나 하기 설명들은 본 발명에 대한 예시적인 기재일 뿐, 하기 설명에 의하여 본 발명의 기술사상이 국한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상은 후술할 청구범위에 의하여 정해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄소재의 제조방법을 개념적으로 도시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 우선 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법(S100)은 우선 방탄섬유를 함침시키기 위한 함침용액을 준비단계(S110)로부터 시작한다. 상기 함침용액은 CNT 또는 그라핀 입자를 알콜계 용매 등에 혼합 및 분산시켜 용액화하여 준비될 수 있다. 상기 분산은 초음파 발생기 등이 구비된 용기 내에서 분산될 수 있다.
상기 CNT로서는 단일벽나노튜브(SWCNT), 다중벽나노튜브(MWCNT) 등이 사용될 수 있다. 상기 함침용액에는 CNT와 그라핀 각각 포함될 수도 있고, CNT 및 그라핀이 동시에 포함될 수도 있다. 상기 CNT 또는 그라핀은 알콜올계 용매 내에 0.01 내지 3 중량%의 농도 포함될 수 있다.
상기 함침용액이 준비되면, 초음파 발생기에 상기 함침용액을 준비하고, 얀 형태의 단위섬유인 방탄섬유를, 예를 들면 연속적으로 함침시키면서 상기 CNT 또는 그라핀 등이 섬유에 부착될 수 있도록 한다(S120). 본 실시예에서는 얀 형태의 단위섬유의 예를 들었으나, 이와 달리 이미 직조된 직조물을 방탄섬유로 사용할 수 있고, 이미 직조된 직물 방탄섬유의 경우, 함침 외에도 함침액을 롤러 및 기타 도구를 사용하여 직물에 충분이 발라주는 방법으로도 CNT 또는 그라핀을 섬유에 도입할 수 있다.
상기 방탄섬유로는 아라미드 섬유, 초고분자량폴리에틸렌(UHMPE) 섬유, 나일론 섬유, 유리섬유 등이 사용될 수 있다. 상기 방탄섬유들은 단독으로 사용될 수도 있으나 서로 다른 2종 이상의 방탄섬유를 사용할 수도 있다. 서로 다른 2종의 방탄섬유를 사용할 경우, 최종적으로 서로 다른 2종 이상의 섬유사들을 이용한 직조를 통하여 보다 다양한 요구 물성을 갖는 방탄소재의 제조가 가능하다.
구체적으로 상기 얀 형태의 방탄섬유(방탄섬유사)들은 보빈(Bobin)에 감겨져 있다 풀리면서, 초음파 발생기가 구비된 함침액 용기 내로 가이드 롤러 등을 통하여 이동하면서 함침이 이루어진다. 이 때, 섬유에는 장력이 가해지는 것이 바람직하며 발생되는 초음파에 의하여 용액 내의 CNT나 그라핀은 침전하지 않고 균일하게 분산된다.
상기 함침용액은 경우에 따라서, CNT나 그라핀 입자와 방탄섬유의 결합을 촉진하기 위한 고분자 수지를 포함할 수 있다. 상기 고분자 수지로서는, 페놀계 수지, 에폭시계 수지 및 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, PVA 수지페놀계 고분자 등을 사용할 수 있으나, 상기 고분자들 중 함침용액 내에 응집이나 뭉침 현상을 일으킬 수 있는 고분자의 경우, 함침용액 단계에서 포함되지 않는 것이 바람직하다.
전술한 뭉침이나, 응집을 유발하는 고분자의 경우, 방탄섬유 함침 단계(S120) 이후에 별도의 고분자 용액 내에서의 함침 단계를 더 거치는 것이 바람직하다. 즉, 1차적으로 CNT 또는 그라핀 용액에 함침된 방탄섬유는 2차적으로 고분자 용액에 함침됨으로써, CNT 또는 그라핀이 섬유 조직에 견고하게 결합될 수 있다. 전술한 바와 마찬가지로, 상기 고분자 용액으로서는 페놀계 수지, 에폭시계 수지 및 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, PVA 수지페놀계 고분자 등을 사용할 수 있고, 상기 고분자들은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 본 실시예에서와 같이, 고분자 수지의 별도 함침과정을 거치는 것은 뭉침현상을 방지하는 데 유리하다. 즉, 일부 고분자의 경우 최초 함침액에 동시에 포함될 경우, 뭉침 현상 등이 발생될 수 있어 1차적인 함침액 단계에서 혼합되지 않으므로, 별도의 함침과정을 거쳐 CNT 또는 그라핀 입자의 섬유 조직 내 결합을 도모하여야 한다.
이와 같이 CNT 또는 그라핀 용액에서의 함침 및 고분자 용액에서의 함침 과정을 거친 방탄섬유는 건조과정을 거치게 됨으로써, 방탄섬유 복합체가 준비될 수 있다.
방탄섬유 복합체가 섬유사 형태인 경우, 직조 및 가공을 통하여 층상으로 가공되며(S130), 공정 시작단계에서부터 직물 형태로 공정을 거친 경우 층상으로 가공된다. 상기 가공은 잘단 등을 통하여 판상으로 가공되는 것을 의미한다. 다만, 이미 요구하는 형상으로서 전 단계 공정을 거친 경우, 별도의 층상 가공 단계(S130) 거치지 않아도 된다.
상기 층상으로 가공되어 방탄섬유 복합체층이 형성되면, 상기 방탄섬유 복합체층의 일 면 또는 양 면에는 열가소성 수지필름이 결합된 후 열 압착되는 단계(S140)를 거치게 된다. 본 실시예에서는 열 압착의 방법을 예시하였으나, 이와 다른 방식일지라도, 열가소성 수지의 핫멜트를 유도하고 압력을 가하는 방법이라면 본 발명에 채용될 수 있다.
상기 열가소성 수지필름으로서는 폴리프로필렌 수지, 폴리우레탄 수지 또는 폴리에틸렌 수지 등이 포함된 필름을 사용할 수 있으며, 상기 수지필름으로서는 상기 수지 중 2종 이상이 블랜딩된 수지필름이 사용될 수도 있다.
상기 수지필름은 열압착 등의 방법으로, 상기 방탄섬유 복합체의 일면에 층으로서 형성되지만, 일부의 열가소성 수지는 상기 방탄섬유 복합체의 내부로 침투되어 상기 방탄섬유 복합체의 내부에 분산되어 있는 CNT나 그라핀 성분을 견고하게 결합시키는 역할을 수행한다.
상기 열가소성 수지 필름이 열압착되면, 비로소 방탄섬유 복합체 프리프레그가 완성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄섬유 복합체 프리프레그의 층상구조를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 방탄섬유 복합체 프리프레그(100)는 CNT 또는 그라핀이 분산되어 섬유에 균일하게 결합되어 있는 방탄섬유 복합체층(110) 및 상기 방탄섬유 복합체층(110)의 적어도 일 면에 형성된 열가소성 수지 필름이 열압착되어 형성된 열압착 수지필름층(115)을 포함한다.
상기 열가소성 수지 필름은 한 장이 사용될 수도 있으나, 복수 장이 사용됨으로써, 요구되는 방탄섬유 복합체 프리프레그(100)의 물성을 만족할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 열가소성 수지를 필름 형태로 사용함으로써, 방탄섬유 복합체층(110)에 균일한 수지 침투가 가능할 수 있고, 나아가 사용되는 열가소성 수지를 정량화 함으로써, 열가소성 수지의 함량을 용이하게 조절할 수 있다.
방탄섬유 복합체 프리프레그(100)는 그 자체로서 제품화하여 유통될 수 있다. 한편, 도 1을 다시 참조하면, 제품제조 단계에서, 상기 방탄섬유 복합체 프리프레그는 적층단계(S150)를 거쳐, 적층체를 이루므로써 방탄판 등, 구체적인 방탄부재로서 활용될 수 있다.
상기 방타섬유 복합체 프리프레그(100)는 전술한 바와 같이 선결적으로 준비되어, 방탄부재의 제조과정에 투입될 수도 있으나 이와 다르게, 상기 방탄섬유 복합층(110)이 열압착 수지필름층(115)과 함께 분리되어 방탄부재의 제조단계, 즉, 적층 단계에서 결합될 수도 있다. 즉, 방탄부재의 제조단계에서 통합적으로, 각 층이 가압 결합될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄부재의 적층구조를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에서 3개의 프리프레그(220, 240, 260)가 적층되어 가압됨으로써(a) 판상의 방탄부재(200)가 제조될 수 있다.
상기 프리프레그들은 압력에 의하여 완전한 단일체에 유사한 방탄 성형물로서 가공될 수 있다. 본 실시예에서는 판상의 방탄부재(20)만을 설명하였나, 가공 방법이나 가압 방식 등 다양한 가공 설계를 통하여 다양한 형태의 방탄부재가 제조될 수 있다.
또한, 상기 프리프레그들(220, 240, 260)은 동일한 방탄섬유를 포함할 수도 있으나, 경우에 따라서는 각 프리프레그들(220, 240, 260)이 서로 다른 방탄섬유를 포함할 수 있고, 나아가 각 프리프레그들(220, 240, 260)은 서로 다른 수지 성분을 갖는 열압착 수지필름층을 포함할 수도 있다.
도 2를 다시 참조하면, 상기 방탄섬유 복합체층(110) 내의 CNT 또는 그라핀의 함량은 0.1 내지 10 중량%인 것이 바람직하다. 상기 CNT 또는 그라핀의 함량은 함침용액의 농도를 조절하거나 함침시간 등을 조절함으로써 조절될 수 있다.
이하 본 발명의 제조방법을 구체적인 실시예를 들어 보다 자세하게 설명하도록 한다.
[실시예]
실시예 1
본 실시예에서 사용된 아라미드 섬유는 코오롱인더스트리사의 헤라크론(heracron) 600데니어(denier) 아라미드로서 고강도의 세사를 사용하였다. 직물은 평직 구조로 경사ㅧ위사의 수는 인치 당 27ㅧ27 이상을 사용하였으며, 면밀도는 약 190g/m2이상이었다. 실시예에서 사용된 탄소나노튜브는 다중벽나노튜브를 사용하였으며, CNT는 이소프로판 알콜에 분산하였고 여기에 폐놀계 수지를 0.01wt% 첨가하였다. CNT 함유량은 0.05wt%로 하였다. CNT의 분산은 초음파로 처리하였다. 상기 직물을 전술한 바와 같이 준비된 용액 하에서 함침하였다. 함침 후, CNT가 섬유 표면에 분산된 모습을 사진에서 볼 수 있다. 도 3은 아라미드 섬유에 CNT 섬유가 분산되어 있는 모습을 보여주는 전자현미경 사진이다. 제조된 CNT-아라미드 직물을 적층하고, 폴리우레탄 필름을 접합수단으로하여 각각의 직물 사이에 배치한 후 열압착하여, CNT-아라미드 적층재를 제조하였다. 열압착 조건은 온도는 135℃이었으며, 성형시간은 20분, 성형압력은 40kg/cm2로 하였다.
실험 1 : 인발강도
실시예 1에서 제조된 적층재를 100mm(L) x 50mm(W)로 절단 한 후에 고정치구를 사용하여 얀을 인발강도를 측정하였다. 얀을 직물에서 뽑아 낼때에 얀-얀 사이의 마찰력이 존재하면 인발강도는 증가한다. 이는 결국 얀이 충격을 받게되면 얀의 마찰로 인하여 변형을 억제하므로써 궁극적으로는 후면변형을 줄일 수 있음을 의미한다. 따라서 얀의 인발시험을 인장시험기에서 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 아래 표 1에서 보듯이 CNT 로 처리한 직물의 경우에는 CNT 가 없는 순수 직물에 비하여 인발강도값이 4~5배나 높게나와서 CNT가 마찰력에 기여하고 있음을 확인하였다.
실험 2 : 굴곡탄성율
실시예 1에서 제조된 적층재를 사용하여 3점 굴곡시험을 수행하여 굴곡강도와 굴곡탄성률을 측정하였다. 표 2에서 보듯이 CNT- 아라미드직물은 CNT가 없는 경우에 비하여 굴곡강도는 약 26%, 탄성률은 약 14% 높음을 보여주었다. 따라서 CNT-아라미드 직물 소재는 외부로부터의 하중을 받으면 변형에 대한 저항력이 큼을 알 수 있다.
| 소재 | 굴곡강도(MPa) | 굴곡탄성률(MPa) |
| 순수 아라미드섬유 | 24.0 (±0.97) | 3454 (±145) |
| CNT 함유 아라미드섬유 | 30.2 (±0.66) | 3953 (±172) |
이와같이 얀의 인발시험과 직물의 굴곡시험을 통하여 본 발명에서 개발한 아라미드에 CNT 첨가와 이를 고정하기 위한 페놀계 수지 적용, 그리고 적층시에 매트릭스로서 열가소성수지인 폴리우레탄 필름을 소재 개발이 방탄성능이 간접적으로 우수할 것임을 입증하고 있다.
실험 3: 방탄성능 실험
상기 실시예에서 제조된 방탄복합재 대하여 방탄성능시험을 수행하였다. 방탄판재 제작을 위하여 600 데니어로 된 아라미드 직물을 400 x 400mm 로 절단한 후에 준비한 CNT 용액에 함침하였다. 이를 적층하면서 층과 층 사이에 폴리우레탄 필름을 넣어서 유압프레스에서 실시예 1과 같은 조건에서 성형을 하였다.
2번 째 방탄시편은 UHMPE섬유로 구성된 UD 소재와 혼합하는 하이브리드 적층재를 설계하였다. 전면에는 UHMPE UD 소재층을 그리고 후면에는 CNT-아라미드 직물 층으로 구성하였다. 이들 하이브리드 소재를 적층 후에 위와같은 조건에서 성형을 하여 방탄판을 제조하였다.
방탄성능시험은 파편탄과 권총탄 2종류를 사용하였다. 파편탄은 Cal.22 FSP(1.1g, 17grain)를 사용하였으며, Mil-STD-662F(V50 Ballistic Test for Armor) 및 NATO STD-2920규격에 의하여 탄자의 관통과 비관통 확율이 50%를 나타내는 방호한계인 V50값을 측정하였다. 다음은 NIJ STD-0101.06 규격의 level IIIA에서 9mm 르 탄으로 시험을 하여, 탄의 충격에 의한 후면변형 깊이(Back face signature:BFS)를 측정하였다. 이를 측정하기 위하여 유점토(Roma Plastina No.1)를 사용하였다. 규격에 따라서 6발 사격을 하였으며, 시험이 끝난 후에는 유점토의 변형된 깊이를 측정하였다. NIJ 규격은 최대허용 깊이를 44mm로 제한하고 있다.
방탄성능 결과
표 3은 방탄시험 결과를 나타낸다. 표 3에서 보듯이 Cal.22 파편탄에 대한 방호력은 CNT-아라미드직물과 UD를 혼성한 하이브리드가 가장 우수하였다. 순수한 CNT-아라미드 직물의 경우에는 순수 UD로 된 방탄판에 비하여 V50값이 약 8% 낮다. 이는 CNT-아라미드 직물의 경우에는 UDd 에 비하여 다소 Brittle한 특성을 나타내어 파편탄에 의한 관통이 용이하게 발생함을 의미한다. 즉 Brittel 한 성질은 CNT의 첨가로 나타난 결과이다.
한편 9mm FMJ 탄에 의한 후면변형에 있어서는 CNT-아라미드 직물이 가장 우수하다. 이는 앞에서 보았듯이 CNT로 인하여 충격시에 얀-얀의 마찰이 크게 일어나서 직물의 변형을 억제하기 때문이며, 이 결과는 본 발병이 우수하다는 것을 의미한다. 이 결과를 UD와 비교시에 약 2배 이상 우수함을 볼 수 있다. 하이브리드의 경우에는 앞서의 2 소재의 중간 값을 취하고 있다. 따라서 방호하고자 하는 시스템이 볼탄을 위주로 한다면 CNT-아라미드 직물로만으로 설계가 가능하며, 파편탄과 볼탄을 동시에 만족해야 하는 시스템의 경우에는 CNT-아라미드와 UD를 혼성한 하이브리드 설계를 적용할 수 있다. 특히 본 발명의 특징은 오늘날 가장 가벼운 방탄소재로 알려져 있는 HMPE UD 형 소재가 동일 면밀도에서 볼탄의 경우에는 본 발명의 소재가 아주 우수함을 알 수 있고, 파편탄의 경우에는 CNT-아라미드 소재와 HMPE UD 소재를 혼성시에 순수 HMPE UD 소재의 성능을 능가한다는 것이다. 이는 방호력 측면에서 만이 아니고 경제성 측면에서도 CNT-아라미드 직물을 사용하면 적어도 20~30%의 비용을 절감할 수 있는 이점을 갖고 있다.
Claims (9)
- 탄소나노튜브(CNT) 또는 그라핀 입자를 용매에 분산시켜 함침용액을 준비하는 단계;
방탄섬유를 상기 함침 용액에 함침하고 건조시켜 방탄섬유 복합체를 준비하는 단계;
상기 방탄섬유 복합체를 층상으로 가공하여 방탄섬유 복합체층을 준비하는 단계; 및
상기 방탄섬유 복합체층의 적어도 일 면에 적어도 한 장의 열가소성 수지 필름을 열 압착하여, 상기 방탄섬유 복합체층의 적어도 일 면에 상기 열가소성 수지가 침투되도록 하는 단계를 포함하는 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 방탄섬유는 얀(yarn) 형태의 단위 섬유, 또는 직물인 것을 특징으로 하는 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 방탄섬유는 아라미드 섬유, 초고분자량폴리에틸렌(UHMPE) 섬유, 나일론 섬유 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 함침용액의 준비단계는 상기 CNT 또는 그라핀 입자와 상기 방탄섬유의 결합을 촉진하는 고분자 수지를, 상기 함침용액에 더 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 열가소성 수지 필름은 폴리프로필렌 수지, 폴리우레탄 수지 또는 폴리에틸렌 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 방탄섬유 복합체의 준비 단계 이후에, 상기 방탄섬유 복합체를 상기 CNT 또는 그라핀 입자와 상기 방탄섬유의 결합을 촉진하는 고분자 수지 용액에 함침시키는 단계를 더 포함하는 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법. - 방탄섬유로 이루어진 직물 내에, CNT 또는 그라핀이 고분자 결합제에 의하여 분산 및 부착되어 있고, 상기 CNT 또는 그라핀의 직물 내 함량이 0.1 내지 10 중량%인 방탄섬유 복합체층; 및
상기 방탄섬유 복합체층의 적어도 일면에 형성되고, 적어도 한 장의 열 가소성 수지 필름이 열압착되어 형성된 열압착 수지 필름층을 포함하는 방탄섬유 복합체 프리프레그.
- 제6항의 방탄섬유 복합체 프리프레그가 상기 열압착 수지 필름층을 접합층으로 하여 반복되어 적층된 프리프레그 적층체를 포함하는 방탄부재.
- 제8항에 있어서,
상기 방탄부재는 서로다른 방탄섬유를 포함하는 이종의 프리프레그의 적층 부위를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄부재.
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