[논문]수용성 PU 강화 아라미드 직물의 방검 특성

유주환; 안다미로; 김호동

doi:10.12772/tse.2013.50.252

수용성 PU 강화 아라미드 직물의 방검 특성
Stab Resistance of Aramid Fabric Reinforced with Waterborne Polyurethane Resin

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.50 no.4, 2013년, pp.252 - 257

유주환 (한국생산기술연구원) , 안다미로 (단국대학교 파이버시스템공학과) , 김호동 (단국대학교 파이버시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The stab resistance of aramid fabrics reinforced with waterborne polyurethane (PU) resin is investigated by quasi-static and drop-tower stab tests. The effect of PU resin treatment and tumbling on the stab resistance is also evaluated by flexural stiffness and pull-out tests. To achieve maximum stab resistance, it is essential to control the movement of fiber bundles in the fabric structure. It is also found that the tumbling process is a useful way to improve the flexibility of treated fabrics.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

PU 수지 강화 아라미드 방검 패드는 기존의 epoxy나 LDPE 수지로 처리된 방검 패드에 비해 연성 재질인 PU를 처리함으로써 관통저항성을 보완하면서도 직물의 유연성을 가능한 한 유지하는데 그 목적이 있다. 따라서 PU 처리된 방검 패드 뿐만 아니라 더욱 더 유연성을 증가시키기 위해 tumbling effect를 준 후 실시한 pull out 시험 결과를 Figure 7(c)에 나타내었다.
하지만 이러한 기존의 연구들은 방검소재의 구성이나 형태에 따른 관통저항성의 향상에 관한 상업적인 연구에만 치중되어 있으며, impactor(송곳이나 칼)에 의한 관통저항성이나 수지의 처리에 따른 관통저항성의 차이에 대한 기초적인 고찰을 한 연구는 많이 알려져 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 수용성 PU(waterborne polyurethane) 처리를 하여 강화시킨 아라미드 방검직물의 절단 및 관통에 따른 파괴 거동을 분석함으로써 아라미드 직물의 관통저항성을 해석해 보고자 하였다.
본 연구에서는 PU 수지로 강화한 아라미드 직물에서 나타나는 관통저항성의 향상에 대한 실험적인 자료를 알아보고자 하였으며, PU 수지를 처리하여 강화시킨 직물의 유연성과 관통저항성의 증진효과와의 관계를 조사하였다. Pull out test를 통해 수지 처리를 통한 직물 내 섬유다발의 구속력을 평가할 수 있었으며, 구속력의 증가는 관통저항성과 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있었다.

제안 방법

방검 패드의 제작: 수용성 PU 수지강화 방검 패드는 아라미드 직물을 수지에 함침한 후 실험용 mini tenter로 제작한 것을 사용하였으며, 제작온도는 PU 수지의 경화온도인 140 °C로 설정하였고, 2분간 curing하였다. PU 수지는 물과 혼합하여 PU 수지의 농도를 10%, 20%, 40%로 제조한 후 처리하였다. 방검 패드의 제작조건과 sample code는 Table 3에 나타내었다.
직물은 Figure 4와 같이 가로 5 cm, 세로 12 cm로 자른 후 세로 방향의 올이 4 cm가 남도록 실을 풀어 제작하고 UTM(universal testing machine) grip으로 실을 잡아 측정하였다. crosshead speed는 10 mm/min으로 하고 경,위사 방향으로 각각 5회 측정하여 평균값을 계산하였다.
이때 적층한 패드를 관통한 impactor가 target backing(Figure 3)의 neoprene sponge와 witness paper를 손상시킨 정도에 따라 관통 깊이를 측정할 수 있다. impactor는 정적 관통저항성 시험에서 사용한 것과 같은 칼과 침을 이용하였고, 관통 깊이 측정은 10회를 반복 실험하여 평균값을 계산하였다.
유연성 시험(Flexometer test): KS K 0539에 규정된 유연성 시험법을 이용하여 유연성을 측정하였다. 가로 25 mm,세로 250 mm의 시료를 유연성 시험기를 이용하여 측정한 직물의 구부러진 길이와 직물의 단위면적당 무게를 식 (1)에 대입하여 굴곡성을 나타내었다.
선행 연구에 따르면, 수지 강화 아라미드 방검 패드의 관통저항성은 경, 위사의 섬유다발 움직임을 제한할 수 있는 수지를 처리한 경우 직물내 섬유다발의 유동성이 효과적으로 제어되기 때문에 관통저항성이 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 경, 위사가 직물 조직내에서 분리될 때의 저항력을 측정하기 위해 Figure 4와 같은 시편을 제작하여 pull out test를 하였다.
방검 패드의 제작: 수용성 PU 수지강화 방검 패드는 아라미드 직물을 수지에 함침한 후 실험용 mini tenter로 제작한 것을 사용하였으며, 제작온도는 PU 수지의 경화온도인 140 °C로 설정하였고, 2분간 curing하였다.
실제 방검직물의 사용 환경과 유사한 두께인 10.5 mm(11 layers)로 적층한 방검 패드의 관통저항성을 평가하기 위해 NIJ standard 0115.00에 명시된 동적 관통저항성 시험기를 사용하였다. 동적 관통저항성 시험은 약 1.
이러한 유연성의 증가가 관통저항성에 미치는 영향을 정량화하기 위해 유연성 시험기를 이용하여 직물의 유연성을 평가하였다. Table 4에 나타낸 바와 같이 tumbling effect를 부여하면 flexural stiffness(G)로 평가할 수 있는 방검 패드의 유연성이 362.
정적 관통저항성 시험: 제조된 방검 패드의 관통저항성은 UTM(universal testing machine)을 사용하여 compression jig에 impactor를 고정한 후 compression limit test를 실시하는 변형된 압축시험 방법을 이용하여 평가하였다(Figure 1). UTM은 TINIUS OLSEN사 H100K-S를 사용하였으며, impactor는 NIJ standard 0115.

대상 데이터

실험재료: 본 실험에서 방검 패드를 제조하기 위해 사용한 직물은 aramid 직물(Heracron, (주)코오롱)이며 직물 강화용 수지로는 PU(Hyrex BK 6030, 보광화학) 수지를 사용하였다. 사용한 base fabric의 특성은 Table 1에서 기술하였으며 강화용 수지의 특성은 Table 2와 같다.

이론/모형

Pull out test: 경, 위사의 유동성과 관통저항성의 상관관계를 분석하기 위해 pull out test를 하였다. 이 시험법은 경사 또는 위사가 직조된 직물 내에서 분리되는데 필요한 힘을 측정하는 시험법으로 수지의 처리로 인해 경, 위사의 교차점이 고정되어 유동성을 제한하는 경우 pull out 강도가 높게 나타나므로 수지의 접착력을 쉽게 확인할 수 있다.
동적 관통저항성 시험기(drop tower test): 적층한 방검 패드의 관통저항성을 평가하기 위해 NIJ standard 0115.00에 명시된 동적 관통저항성 시험기를 사용하였다[7]. 동적 관통저항성 시험은 약 1.
유연성 시험(Flexometer test): KS K 0539에 규정된 유연성 시험법을 이용하여 유연성을 측정하였다. 가로 25 mm,세로 250 mm의 시료를 유연성 시험기를 이용하여 측정한 직물의 구부러진 길이와 직물의 단위면적당 무게를 식 (1)에 대입하여 굴곡성을 나타내었다.

성능/효과

따라서 PU 처리된 방검 패드 뿐만 아니라 더욱 더 유연성을 증가시키기 위해 tumbling effect를 준 후 실시한 pull out 시험 결과를 Figure 7(c)에 나타내었다. Tumbling 처리전의 결과인 Figure 7(b)와 거의 유사한 pull out 강도나 거동을 보이는 것으로 볼 때, tumbling으로 유연성이 개선된 후에도 전반적인 관통저항성에는 큰 차이가 없는 정적 관통저항성 시험 결과와도 잘 일치하는 결과를 얻었다.
본 연구에서는 PU 수지로 강화한 아라미드 직물에서 나타나는 관통저항성의 향상에 대한 실험적인 자료를 알아보고자 하였으며, PU 수지를 처리하여 강화시킨 직물의 유연성과 관통저항성의 증진효과와의 관계를 조사하였다. Pull out test를 통해 수지 처리를 통한 직물 내 섬유다발의 구속력을 평가할 수 있었으며, 구속력의 증가는 관통저항성과 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있었다.
아라미드 직물의 관통저항성은 직물의 pull out 강도와도 밀접한 관계가 있음을 알아 내었으며, KPU6 방검 패드는 미처리 직물보다 최대 40%(30 N→42 N) 이상 관통저항력이 증가하였다.
즉, 유연성의 개선을 위한 직물의 tumbling 후에도 전체적인 관통저항성이나 성능의 저하는 나타나지 않는 것으로 판단할 수 있다. 이러한 결과로 미루어 볼 때 일단 PU 수지 강화에 의해 각 섬유 다발의 유동성이 제한되고 나면, 전체적인 직물의 유연성이 증가하더라도 관통저항성은 감소하지 않는다는 것을 보여준다.
KPU6 방검 패드는 미처리 직물보다 최대 40%(30 N→42 N) 이상 증가하였다. 즉, 수지를 처리한 직물은 섬유다발의 구속력을 증가시켜 직물 내에서 경사나 위사가 분리되는데 필요한 미끄러짐 강도가 높게 측정되는 것으로 확인할 수 있으며, 관통저항성과 pull out 강도를 비교하여 섬유다발의 유동성 및 구속력에 따른 관통저항성의 상관관계를 비교할 수 있었다.
최대 관통저항력을 보이는 KPU12와 같은 경우 미처리 직물보다 170%(15 N→42 N) 이상 관통저항력이 증가하였으며, NIJ standard 0115.00에 따른 동적 관통저항성 시험 결과에서도 우수한 관통저항성을 나타내었다.

후속연구

따라서 Table 5에 정리한 것과 같이 PU 수지를 소량으로 처리하고 직물 내부로의 침투성을 좋게 하며 tumbling으로 유연성을 개선하면 활동성을 우수한 방검 패드의 제작이 가능할 것으로 판단된다. 또한 직물 고유의 유연성을 나타내면서도 기대 이상의 관통저항성을 보이는 것으로 볼 때, 다른 강화 직물과의 혼용을 통해 만족할 만한 수준의 방검 패드를 제작할 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 결과를 바탕으로 소량의 PU 수지 처리하고 tumbling 등으로 유연성을 개선하면 관통저항성의 큰 희생 없이 유연하면서 활동성을 보장하는 패드의 제작이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방검복에 고성능 섬유를 사용하는 이유는 무엇인가?	이에 따라 여러 산업분야에서 신체 보호를 위한 장비 및 보호복의 사용이 급격히 증가하고 있으며, 이 중에서도 절단, 찢김 등 기계나 날카로운 도구에 의한 상해를 막기 위하여 고강도 섬유나 금속섬유, 또는 복합재료를 사용한 절단 보호복의 사용량도 많아지는 추세이다. 이러한 절단 보호복을 방검복이라 부르며, 방검복에 대해서는 섬유자체의 강도가 제품의 성능을 좌우하기 때문에 아라미드 섬유나 초고분자량 PE(polyethylene)와 같은 고성능 섬유를 사용하는 경우가 대부분이다. 또한 섬유 자체를 사용하는 것 뿐만 아니라 섬유다발의 유동성을 제한하기 위해 PE나 PP(polypropylene)등의 열가소성수지를 사용하거나 epoxy나 phenol 수지와 같은 열경화성수지 등으로 섬유를 보강하여 방검성능을 극대화하기 위한 여러 가지 연구들이 진행되고 있다[1-6].
	절단 보호복의 사용량이 높아지는 이유는 무엇인가?	현대 산업의 고성능화, 첨단화가 진행되면서 그와 함께 늘어난 현대사회의 위험요소들은 상해 발생 시 그 피해 정도가 심각하고 치료와 회복이 어려워지고 있다. 이에 따라 여러 산업분야에서 신체 보호를 위한 장비 및 보호복의 사용이 급격히 증가하고 있으며, 이 중에서도 절단, 찢김 등 기계나 날카로운 도구에 의한 상해를 막기 위하여 고강도 섬유나 금속섬유, 또는 복합재료를 사용한 절단 보호복의 사용량도 많아지는 추세이다. 이러한 절단 보호복을 방검복이라 부르며, 방검복에 대해서는 섬유자체의 강도가 제품의 성능을 좌우하기 때문에 아라미드 섬유나 초고분자량 PE(polyethylene)와 같은 고성능 섬유를 사용하는 경우가 대부분이다.
	기존의 섬유를 보강하여 방검성능을 극대화하기 위한 여러 가지 연구들은 어떠한 문제점을 가지는가?	하지만 이러한 기존의 연구들은 방검소재의 구성이나 형태에 따른 관통저항성의 향상에 관한 상업적인 연구에만 치중되어 있으며, impactor(송곳이나 칼)에 의한 관통저항성이나 수지의 처리에 따른 관통저항성의 차이에 대한 기초적인 고찰을 한 연구는 많이 알려져 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 수용성 PU(waterborne polyurethane) 처리를 하여 강화시킨 아라미드 방검직물의 절단 및 관통에 따른 파괴 거동을 분석함으로써 아라미드 직물의 관통저항성을 해석해 보고자 하였다.

참고문헌 (9)

X. Flambard and J. Polo, "Stab Resistance of Multi-Layers Knitted Structures (Comparison between Para-Aramid and PBO Fibers)", J Adv Mater, 2004, 36, 30-35.

상세보기
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M. J. Decker, C. J. Halbach, C. H. Nam, N. J. Wagner, and E. D. Wetzel, "Stab Resistance of Shear Thickening Fluid (STF)-treated Fabrics", Compos Sci Technol, 2007, 67, 565-578.

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National Institute of Justice, "Selection and Application Guide to Personal Body Armor", NIJ Guide 100-01, 2001, 11-15.
H. Kim and I. Nam, "Stab Resisting Behavior of Polymeric Resin Reinforced p-Aramid Fabrics", J Appl Polym Sci, 2012, 123, 2733-2742.

상세보기
H. Kim, I. Nam, and J. Yoo, "Stab Resistance of LDPE Reinforced Aramid Fabric", Text Sci Eng, 2008, 45(4), 254-261.

저자의 다른 논문 :

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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