[논문]전단농화유체가 함침된 아라미드 직물의 물리적 특성에 관한 연구

권남희; 윤이나; 정원영; 임대영; 유의상; 김주혜

doi:10.12772/tse.2012.49.2.092

전단농화유체가 함침된 아라미드 직물의 물리적 특성에 관한 연구
A Study on the Physical Properties of Aramid Fabrics Impregnated with Shear Thickening Fluid

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.49 no.2, 2012년, pp.92 - 97

권남희 (한국생산기술연구원 바이오나노섬유융합연구그룹) , 윤이나 (한국생산기술연구원 바이오나노섬유융합연구그룹) , 정원영 (한국생산기술연구원 바이오나노섬유융합연구그룹) , 임대영 (한국생산기술연구원 바이오나노섬유융합연구그룹) , 유의상 (한국생산기술연구원 바이오나노섬유융합연구그룹) , 김주혜 (한국생산기술연구원 바이오나노섬유융합연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

Fabric construction affects the friction between yarns, which is a very important parameter on energy absorption and propagation. This study reports the physical properties dependent on the weaving density and STF (shear thickening fluid) impregnated aramid fabrics. To improve the frictional force between yarns, STF was applied on Kevlar woven fabrics. STF/Kevlar composite was composed of Kevlar woven fabrics impregnated with fumed silica dispersed in poly-ethylene glycol. The results demonstrated that the yarn pull-out force of neat Kevlar fabrics increased linearly as the fabric count increased. In the case regarding STF impregnated Kevlar fabrics, the pull-out force increased exponentially as the fabric count increased. Considering the ballistic performance of the fabric is related to the pull-out force of yarns in the fabric, the STF/Kevlar composite with high density woven fabrics can be a decent material for bullet-proof equipment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 아라미드 직물을 밀도별로 제작하고, 그에 따라 전단농화유체가 함침된 직물을 제작하여 방탄충격흡수의 주요 메커니즘인 사의 pull-out 실험을 수행하였다. 경량성, 유연성과 우수한 충격흡수 특성을 가지는 방탄소재의 개발을 위하여 아라미드 직물의 밀도변화에 따른 물리적 특성에 대하여 고찰하였다. 또한 전단농화유체의 개발 및 전단농화현상의 효과를 연구하고, 이를 아라미드 직물에 적용하여 물리적 특성에 미치는 영향에 대해서 고찰하였다.
또한 아라미드 직물은 제직의 형태, 직물의 층수, 면밀도 등의 조건에 따라 탄환에 의한 충격 에너지의 흡수에 영향을 미친다. 따라서 아라미드 직물의 경사와 위사의 밀도변화가 물리적 특성 및 구성사간의 마찰력에 어떤 영향을 미치는지 알아보고자 하였다.
경량성, 유연성과 우수한 충격흡수 특성을 가지는 방탄소재의 개발을 위하여 아라미드 직물의 밀도변화에 따른 물리적 특성에 대하여 고찰하였다. 또한 전단농화유체의 개발 및 전단농화현상의 효과를 연구하고, 이를 아라미드 직물에 적용하여 물리적 특성에 미치는 영향에 대해서 고찰하였다.
본 연구에서는 방탄소재로 사용되고 있는 고강도 직물인 Kevlar의 충격흡수 특성의 향상 및 경량화를 위하여 직물 밀도에 변화를 주어 제조하였으며, 전단농화유체를 직물에 함침하였다. 이러한 직물밀도 변화 및 전단농화유체 함침 으로 인한 물리적 특성 및 충격흡수 특성을 확인하기 위한 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 방탄소재로 사용되고 있는 고강도 직물인 Kevlar의 충격흡수 특성의 향상 및 경량화를 위하여 직물 밀도에 변화를 주어 제조하였으며, 전단농화유체를 직물에 함침하였다. 이러한 직물밀도 변화 및 전단농화유체 함침 으로 인한 물리적 특성 및 충격흡수 특성을 확인하기 위한 실험을 수행하였다.

제안 방법

직물밀도가 증가함에 따라 구성사의 pull-out 특성에 미치는 영향과 전단농화현상 및 나노실리카 입자로 인한 마찰력의 증가가 pull-out 특성에 미치는 영향 등을 알아보기 위해 단일층의 직물에서 경사 및 위사의 pull-out force를 측정하였다. pull-out 시험은 Instron 3343을 이용하였으며, 1000 mm/min의 속도에서 pull-out 될 때의 최고하중을 측정하였다. 경사와 위사방향으로 각 3회씩 측정하였으며, 시료의 준비 및 측정방법은 Figure 2에 나타내었다.
본 연구에서는 아라미드 직물을 밀도별로 제작하고, 그에 따라 전단농화유체가 함침된 직물을 제작하여 방탄충격흡수의 주요 메커니즘인 사의 pull-out 실험을 수행하였다. 경량성, 유연성과 우수한 충격흡수 특성을 가지는 방탄소재의 개발을 위하여 아라미드 직물의 밀도변화에 따른 물리적 특성에 대하여 고찰하였다.
전단농화유체의 유변물성을 측정하기 위하여 TA Instrument의 Rheometer AR2000을 이용하여 shear rate에 따른 shear stress 및 viscosity의 변화를 측정하였다. 측정은 직경 40 mm, angle 2 ^o인 cone & plate type의 장비를 이용하였으며, 25 ^oC 실온에서 전단속도 1~1000 s^-1에서 측정되었다.
전단농화유체의 전단농화거동 관찰 및 흄드실리카의 함량에 따른 viscosity와 critical shear rate의 변화를 비교하기 위하여 흄드실리카의 함량을 5, 7, 9, 13, 18 wt%로 제조하여 유변물성을 측정하였다. Figure 6과 같이 임계전단속도에 도달하면 급격하게 점도가 증가하는 전단농화현상을 보였으며, 실리카의 함량이 높을수록 임계전단속도는 낮아지며 초기전단점도와 최대전단점도가 증가하는 것으로 나타났다.
직물밀도가 증가함에 따라 구성사의 pull-out 특성에 미치는 영향과 전단농화현상 및 나노실리카 입자로 인한 마찰력의 증가가 pull-out 특성에 미치는 영향 등을 알아보기 위해 단일층의 직물에서 경사 및 위사의 pull-out force를 측정하였다. pull-out 시험은 Instron 3343을 이용하였으며, 1000 mm/min의 속도에서 pull-out 될 때의 최고하중을 측정하였다.
직물의 밀도변화가 공기투과도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Frazier법(TEXTEST FX3300, Switzerland)에 따라 공기투과도를 측정하였다. 측정 시 압력은 125 Pa로 실시하였으며, 각 시험편마다 단위시간, 단위면적당 공기의 통과량을 측정하였다.
측정은 직경 40 mm, angle 2 o인 cone & plate type의 장비를 이용하였으며, 25 oC 실온에서 전단속도 1~1000 s-1에서 측정되었다.

대상 데이터

흄드 실리카가 충진된 전단농화유체를 제조하기 위하여 휘발성이 낮고 열안정성이 높은 폴리에틸렌글리콜(PEG200, Samchun Pure Chemical)이 사용되었다. 또한 흄드실리카 입자의 분산성 향상 및 직물에 대한 전단농화유체의 침투성 향상을 위하여 휘발성이 뛰어난 메탄올(methanol)을 희석제로 사용하였다.
전단농화유체 함침 시편 제작: 전단농화유체를 제조하기 위하여 흄드실리카(Aerosil 200, Evonik Degussa, Germany) 를 사용하였다. 이 흄드실리카는 평균 입자크기는 12 nm이며, 비표면적은 200±25 m²/g인 친수성 실리카이다.
직 물: 본 연구에서는 인장강도, 강인성, 내열성이 뛰어나며 고강력, 고탄성률을 갖고 있는 미국 Dupont사의 Kevlar X300 섬유를 사용하였다. 직물의 밀도변화에 따른 물리적 특성을 비교하기 위하여 경사와 위사의 밀도를 달리한 6종의 평직물을 제직하였으며, 실험에 사용한 섬유 및 직물의 물성은 Table 1에 나타내었다.
직 물: 본 연구에서는 인장강도, 강인성, 내열성이 뛰어나며 고강력, 고탄성률을 갖고 있는 미국 Dupont사의 Kevlar X300 섬유를 사용하였다. 직물의 밀도변화에 따른 물리적 특성을 비교하기 위하여 경사와 위사의 밀도를 달리한 6종의 평직물을 제직하였으며, 실험에 사용한 섬유 및 직물의 물성은 Table 1에 나타내었다.
이 흄드실리카는 평균 입자크기는 12 nm이며, 비표면적은 200±25 m²/g인 친수성 실리카이다. 흄드 실리카가 충진된 전단농화유체를 제조하기 위하여 휘발성이 낮고 열안정성이 높은 폴리에틸렌글리콜(PEG200, Samchun Pure Chemical)이 사용되었다. 또한 흄드실리카 입자의 분산성 향상 및 직물에 대한 전단농화유체의 침투성 향상을 위하여 휘발성이 뛰어난 메탄올(methanol)을 희석제로 사용하였다.

이론/모형

직물의 밀도변화가 공기투과도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Frazier법(TEXTEST FX3300, Switzerland)에 따라 공기투과도를 측정하였다. 측정 시 압력은 125 Pa로 실시하였으며, 각 시험편마다 단위시간, 단위면적당 공기의 통과량을 측정하였다.

성능/효과

STF/Kevlar 직물에서 중량 증가율은 24% (L1→H3)인 반면 pull-out force의 증가율은 214%(L1→H3)였다. 따라서 직물의 밀도가 증가할수록 전단농화유체로 인한 중량증가의 폭은 크지 않으면서 pull-out force 증가율은 매우 높아지는 것으로 견주어 보아 고밀도 직물에 전단농화유체 적용시 전단농화현상 및 나노 실리카 입자로 인한 구성사간 마찰력 상승이 가장 효과적이며, 경량화도 가능할 것으로 보인다.
방탄 충격흡수의 주요 메커니즘인 구성사간의 마찰력과 관련된 pull-out force를 확인한 결과, 직물 밀도가 증가함에 따라 pull-out force가 증가하였다. 또한 전단농화유체의 함침으로 인해 pull-out force가 급격히 증가하였으며 특히 고밀도군에서, 그리고 위사방향의 증가폭이 매우 큰 것으로 확인되었다. 따라서 치밀한 직물 조직 및 실리카 입자, 전단농화현상으로 인한 점도의 급격한 증가가 사간의 마찰력을 증가시킨 결과로 판단된다.
Table 3은 각 시료별로 실시한 pull-out 시험 결과로 최고하중치의 평균을 시료별, 경위사별, 전단농화유체 처리 별로 나타낸 것이다. 모든 시료에 전단농화현상으로 인한 급격한 pull-out 에너지의 증가현상이 나타났다. 이는 실리카 나노입자가 구성사간에서 마찰력을 상승시키고 전단농화현상으로 점도가 증가하여 실리카 입자가 클러스터를 형성하며 사의 미끄러짐을 방지함에 따른 것으로 보인다.
방탄 충격흡수의 주요 메커니즘인 구성사간의 마찰력과 관련된 pull-out force를 확인한 결과, 직물 밀도가 증가함에 따라 pull-out force가 증가하였다. 또한 전단농화유체의 함침으로 인해 pull-out force가 급격히 증가하였으며 특히 고밀도군에서, 그리고 위사방향의 증가폭이 매우 큰 것으로 확인되었다.
측정결과 고밀도군의 pull-out force가 저밀도군보다 높으며, 직물의 경사와 위사 방향별 pull-out force를 비교해보면 경사의 경우가 상대적으로 높은 것으로 확인되었다. 저밀도군에서는 경사와 위사간의 pull-out force가 거의 유사한 결과를 보이는 반면, 고밀도군에서는 경사의 pull-out force가 매우 큰 폭으로 증가하여 위사방향에 비해 약 1.7~2배의 증가폭을 나타내었다.
각 직물별 전단농화유체 함침에 따른 중량 증가율을 Table 4에 나타내었다. 직물의 밀도가 증가함에 따라 중량증가율이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. Figure 9는 직물밀도의 증가 및 전단농화유체 함침에 따른 직물 중량증가율과 pull-out force의 증가율을 분석한 그래프이다.
Figure 5는 6종의 Kevlar X300 직물의 pull-out force를 측정한 결과이다. 측정결과 고밀도군의 pull-out force가 저밀도군보다 높으며, 직물의 경사와 위사 방향별 pull-out force를 비교해보면 경사의 경우가 상대적으로 높은 것으로 확인되었다. 저밀도군에서는 경사와 위사간의 pull-out force가 거의 유사한 결과를 보이는 반면, 고밀도군에서는 경사의 pull-out force가 매우 큰 폭으로 증가하여 위사방향에 비해 약 1.
이는 실리카 나노입자가 구성사간에서 마찰력을 상승시키고 전단농화현상으로 점도가 증가하여 실리카 입자가 클러스터를 형성하며 사의 미끄러짐을 방지함에 따른 것으로 보인다. 특히 저밀도군에서 L1의 위사방향 증가폭은 58%인 반면 L3의 증가폭은 179%이며, 고밀도군에서 H1의 위사방향 증가폭은 61%인 반면 H3의 증가폭은 237%로 위사밀도가 증가함에 따라 위사방향에서의 pull-out force 증가폭이 매우 큰 것으로 나타났다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 위사의 밀도 증가에 따라 위사들 간의 측면 마찰력이 증가함으로써 나타난 현상으로 보인다.

후속연구

본 연구를 통하여 고밀도 직물에 전단농화유체 적용시 구성사간의 마찰력 향상으로 인한 Kevlar 직물의 충격흡수 특성의 향상과 함께 경량화가 가능할 것으로 확인되었으며, 방탄소재에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
경사방향의 상승요인은 위사밀도가 높아지면서 단위면적내 교차점이 증가하고 크림프도 많아지기 때문인 것으로 생각되며, 위사방향은 위사밀도 증가에 따라 위사들 간의 측면 마찰력이 높아짐으로써 pull-out에 저해 요소로 작용한 것으로 보인다. 이러한 양상은 전단농화유체를 함침한 직물에서 더욱 증폭되어 나타나 향후 액체방탄재로서의 적용가능성을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방탄소재로 사용되는 것은?	방탄복은 군작전의 핵심인 병사를 치명적인 부상으로부터 막아주는 방어적 수단의 첫번째 개인용 보호장비로서 우수한 방탄성능을 가져야함은 물론이며 착용시 활동에 방해가 되지 않도록 가볍고 부피가 작으며, 유연성을 갖추어야 한다. 방탄소재로는 고강도 섬유인 아라미드 소재와 초고분자량 폴리에틸렌 소재가 널리 사용되고 있으며 이 소재들은 인장강도와 내열성이 뛰어나며, 고강력, 고탄성률을 가지고 있어 방탄복이나 개인 방호용 제품에 적용되고 있다. 초고분자량 폴리에틸렌은 비중이 낮아 가볍고, 고강도와 신도의 균형이 양호하여 내충격성이 우수한 반면 사용온도가 낮아 내열성이 취약하고 고온에 장기 노출 시 성능이 저하되는 단점이 있다.
	방탄복이란?	방탄복은 군작전의 핵심인 병사를 치명적인 부상으로부터 막아주는 방어적 수단의 첫번째 개인용 보호장비로서 우수한 방탄성능을 가져야함은 물론이며 착용시 활동에 방해가 되지 않도록 가볍고 부피가 작으며, 유연성을 갖추어야 한다. 방탄소재로는 고강도 섬유인 아라미드 소재와 초고분자량 폴리에틸렌 소재가 널리 사용되고 있으며 이 소재들은 인장강도와 내열성이 뛰어나며, 고강력, 고탄성률을 가지고 있어 방탄복이나 개인 방호용 제품에 적용되고 있다.
	방탄소재로 사용되는 초고분자량 폴리에틸렌 소재의 특징은?	방탄소재로는 고강도 섬유인 아라미드 소재와 초고분자량 폴리에틸렌 소재가 널리 사용되고 있으며 이 소재들은 인장강도와 내열성이 뛰어나며, 고강력, 고탄성률을 가지고 있어 방탄복이나 개인 방호용 제품에 적용되고 있다. 초고분자량 폴리에틸렌은 비중이 낮아 가볍고, 고강도와 신도의 균형이 양호하여 내충격성이 우수한 반면 사용온도가 낮아 내열성이 취약하고 고온에 장기 노출 시 성능이 저하되는 단점이 있다. 따라서 최근에는 아라미드계 슈퍼섬유가 개발되어 내열성이 우수한 방탄재로서 대체가 진행되고 있다.

참고문헌 (9)

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상세보기
J. E. Kirwood, E. M. Kirwood, Y. S. Lee, R. G. Egres Jr, and N. J. Wagner, "Yarn Pull-out as a Mechanism for Dissipating Ballistic Impact Energy in Kevlar KM-2 Fabric, Part II: Predicting Ballistic Performance", Text Res J, 2004, 74, 939-948.

상세보기
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상세보기
M. A. Martinez, C. Navarro, R. Cortes, and J. Rodriguez, "Friction and Wear Behavior of Kevlar Fabrics", J Mater Sci, 1993, 28, 1305-1311.

상세보기
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상세보기
M. J. Decker, R. G. Erges, E. D. Wetzel, and N. J. Wagner, "Low Velocity Ballistic Properties of Shear Thickening Fluid(STF)-fabric Composites", 22nd International Symp. on Ballitics, 2005, 777-784.
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S. Bazhenov, "Dissipation of Energy by Bulletproof Aramid Fabric", J Mater Sci, 1997, 32, 4167-4173.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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