(유의상).fm

Size: px

Start display at page:

Download "(유의상).fm"

태한 섭
5 years ago
Views:

1 한국섬유공학회지, Vol. 54, No. 6, ISSN (Print) ISSN (Online) 세섬도아라미드섬유를이용한니들펀칭부직포의제조및저속충격특성에관한연구 권남희 1 정원영 1 최영옥 2 유의상 1 1 한국생산기술연구원휴먼융합기술그룹, 2 한국생산기술연구원산업용섬유그룹 Manufacture of Nonwoven Fabrics and Investigation of Low-Velocity Impact Behavior Using Fine Denier Aramid Staple Fibers Nam Hee Kwon 1, Won Young Jeong 1, Yeong Og Choi 2, and Euisang Yoo 1 1 Human Convergence Technology Group, Korea Institute of Industrial Technology, Ansan 15588, Korea 2 Technical Textile R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology, Ansan 15588, Korea Corresponding Author: Euisang Yoo esyoo@kitech.re.kr Received September 28, 2017 Revised November 10, 2017 Accepted November 15, 2017 c 2017 The Korean Fiber Society Abstract: Needle-punched aramid nonwoven fabrics were manufactured with a focus on the fiber fineness, fiber length, and needle punching density to improve the absorption and distribution of impact energy, and their physical properties, structure, and low-velocity impact behavior were investigated. In addition, thermal-bonded aramid nonwoven fabrics were manufactured with different mixing ratios of the binder fibers (LM-PET), and their impact resistance properties were analyzed. The tensile strength of the aramid nonwoven fabrics were observed to increase with an increase in the needle punching density. In comparison with woven fabrics of the same weight, the nonwoven fabrics exhibited higher energy absorption capability. This can be attributed to the higher deformability of the nonwoven fabrics that arises from an easily disordered fiber network of the mechanically entangled structure when under impact. Most of the impact energy was dissipated by frictional sliding and deformation of the fibers without significant fiber fracture. Mixing the binder fibers improved the impact absorption due to physical entanglement caused by the needle punching and adhesion between the fibers and the web in the binder fibers. Keywords: aramid nonwoven, fine denier, needle-punched, thermal-bonded, low-velocity impact 1. 서론 최근방호소재는착용자의생존성과기동성을확보하기위해방탄장비의방탄성능뿐만아니라가볍고, 유연하고, 착용성이우수한방호재료가강조되고있다. 따라서방호소재의경량화와밀접한연관이있는면밀도저감에대한관심이대두되고, 고강도세섬도섬유의적용을통한고성능방탄재의핵심기술의개발이요구되고있다 [1]. 세섬도직물은두께가얇고원사굴곡 (crimp) 이작아에너지전파속도가빠르며강력손실이적다. 빠른에너지전파는원사들이충분한변형을한후발생되기때문에더많은충 돌에너지를흡수할수있으며, 세섬도직물은단위면적당구성섬유가많기때문에탄의충돌지점에서원사들간의마찰력이증가하고충돌에너지를더많이흡수할수있다. 방탄복은강철보다강력한섬유를적층하여충돌하는탄을변형시키고포획함으로써탄의운동량을넓은영역으로분산시키는원리를이용한다. 탄환은충돌시버섯 (mushroom) 형상으로변하여탄자의직경이충돌후에는 2 3배이상으로확장되며, 그결과방탄복후면으로큰충격을가하여신체내부에치명적인부상을입히기도한다. 탄환이직물에충격을가할때직물에의해진전하지못하고탄환이가지고있는운동에너지만이동하게된다. 이운동에너지 403

404 권남희 정원영 최영옥 유의상 Textile Science and Engineering, 2017, 54, 403-411 는섬유의변형과직물이서로미끄러질때발생하는섬유간의마찰에의해소멸하게된다. 수십층으로구성된방탄직물에서각층간의물리적상호작용은응력파장이직물면과그수직방향으로이동하며결국에는에너지소실을증가시킨다.

2 404 권남희 정원영 최영옥 유의상 Textile Science and Engineering, 2017, 54, 는섬유의변형과직물이서로미끄러질때발생하는섬유간의마찰에의해소멸하게된다. 수십층으로구성된방탄직물에서각층간의물리적상호작용은응력파장이직물면과그수직방향으로이동하며결국에는에너지소실을증가시킨다. 직조된직물은충격을받게되면수직및수평방향으로변형이발생하며, 이때탄속은직물에형성된변형을충격부위로전달하게된다. 총알속도가일정한한계를초과하게되면총알은직물을관통하게되며, 탄환이충격후방탄복을관통하지않는다하더라도강한충격은방탄복을통해인체에전달되기때문에이를방지하기위해충격에너지를효과적으로분산하고전달하는것이매우중요한요소이다. 충격흡수에대한앞선연구결과들에서높은모듈러스와낮은밀도의재료는충격지점에서큰변형을방지하고에너지를더넓은영역으로분산시키는것으로확인되었다 [2 7]. 방탄소재로가장많이사용되고있는아라미드와같은직물형방탄재는경사와위사방향의실이서로아래위로교차하는 2차원의구조로서, 충격지점에서발생한응력파장은경사와위사의교차지점에서일부는실을따라직물의가장자리까지이동하고, 일부는다시충격지점으로되돌아오게하는문제점을가지고있다 [8]. 부직포는기계적, 화학적및열적결합등과같은섬유결합방법에의해랜덤하게분포된섬유네트워크로구성된소재이다. 일반적으로평직구조의직물과비교하였을때, 부직포는강성이나강도는제한적이지만, 가볍고밀도가낮으며, 유연성과에너지흡수능력은우수한것으로알려져있다. 직조된직물은섬유의물성이나직조구조에의해기계적성질이결정되는반면, 부직포는랜덤하게얽혀있는섬유분포로인해더욱복잡한변형및파괴거동을가지고있다 [9]. 부직포는구조에따라확연히다른물성을나타내며, 부직포의구조는구성섬유의형태와배향및섬유사이의결합점에의해결정된다. 부직포의변형과파괴메커니즘은부직포를구성하고있는내부섬유의미끄러짐, 파열뿐만아니라섬유의재배향및엉켜있는섬유의풀림 등과같은여러가지요소의상호작용에의존한다. 따라서섬유의배향및결합밀도와같은구조적인요인에대한연구를통해최적화된물성을가지는부직포구조의설계가필요하다. 방탄효과가있는것으로알려져있는니들펀칭부직포는니들펀칭기에서웹의표면에대해수직방향또는양방향으로니들의상하운동효과에의해섬유웹을상호결합시키는것에기본을두고있다. 웹내부로침이침투할때침바브 (needle barb) 가섬유를파지하고웹의두께방향으로파지섬유를끌어내린다. 그결과수평방향으로배열되어있는섬유의일부가수직방향으로배열되어물리적으로결합됨으로써요구되는강도를부여하게된다 [9,10]. 본연구에서는수평방향뿐만아니라, 수직방향으로의응력파장분산을효과적으로하기위해니들펀칭부직포를제조하여저속충격거동에대한평가를실시하고, 다양한파라미터의영향에대하여고찰하였다. 2. 실험 2.1. 재료아라미드단섬유제조 : 본연구에서는니들펀칭방식을적용한아라미드부직포를제조하기위해세섬도 ( 모노필라멘트 1 de) 의파라계아라미드필라멘트를이용하여섬유장 51 mm, 60 mm로단섬유를제조하였다. 아라미드단섬유를이용한부직포제조공정중카딩작업시외력이나마찰에의해정전기, 물성저하, 공정불량발생을방지하기위해침지식세척수조를활용하여전처리후, 유제공급노즐을통해고농도친수성유제스프레이를처리하였다. 니들펀칭부직포는크림프가있는섬유로구성된경우접촉점개수의증가, 접촉점의변위, 크림프에의한미끄러짐장벽효과로인하여전반적으로물성향상효과를가져온다 [11]. 본연구에서는아라미드단섬유의크림프수를 inch 당 8 12개로제어하여단섬유를제조하였으며실험에적용된아라미드단섬유의제조공정은 Figure 1에나타내었다. Figure 1. Schematic representation of the aramid short fiber manufacturing process.

3 세섬도아라미드섬유를이용한니들펀칭부직포의제조및저속충격특성에관한연구 405 아라미드부직포의제조 : 제조된 1 de 아라미드단섬유 2종 (51 mm, 60 mm) 을이용하여 120 g/m 2 내외의중량을갖는 100% 아라미드부직포를제조하였다. 아라미드단섬유는카딩공정에의하여균일한 sheet 상의웹을형성하고, 제조된웹은중량및두께를제어하면서기계방향의수직방향으로적층된후니들펀칭공정으로결합하게된다. 니들펀칭밀도는단위면적당가해진니들펀칭의횟수를의미하며, 웹의이송속도또는니들의펀칭횟수를달리함으로써밀도를조절할수있다. 본연구에서사용된니들펀칭기는 m 2 당 10,000개의니들로구성되어있으며, 부직포제조시웹의이송속도를 2.0 m/min으로고정하고단위시간당펀칭횟수를 600, 800, 1000, 1200 strokes/min으로각기다르게하였다. 부직포의상세한제조조건은 Table 1에나타내었다. 또한니들펀칭으로물리적교락이형성된아라미드단섬유사이의결합력을더욱향상시키기위하여저융점바인더섬유 (LM-PET) 를혼섬한후열융착방법을적용하여부직포를제조하였다. 열융착방법은부직포제조에서웹의결합방법으로널리이용되는방법중하나로, 열에의해용융된저융점고분자가섬유간의결합력을부여하게된다. 본연구에서는 1 de, 51 mm 아라미드단섬유와 2 de, 51 mm 의 LM-PET를혼섬하여니들펀칭방식과열융착방식을병행한 3종의부직포를 Table 2와같이제조하였다. 적층된웹은 600 strokes/min의니들펀칭으로섬유간최소의기계적결합력을부여한후, 200 o C의온도에서열융착시키는방법으로제조되었다. 이때바인더섬유의함량에따른물성을확인하기위하여 LM-PET의함량을 10%, 30%, 50% Table 1. Specifications of needle-punched nonwoven fabrics Sample code Fiber content (%) Needle punching condition Pre-stroke (stroke/min) Main-stroke (stroke/min) S S800 1 de, 51 mm S1000 Aramid 100% S L L800 1 de, 60 mm L1000 Aramid 100% L Table 2. Specifications of thermal-bonded nonwoven fabrics Sample code Fiber content (%) Aramid LM-PET Needle punching condition Pre-stroke (stroke/min) Thermal bonding condition Temp. ( o C) A9L A7L A5L 로혼섬하여제조하였으며, 부직포의제조공정은 Figure 2 에도식적으로나타내었다 실험방법표면구조분석 : 니들펀칭에의한섬유의분포및교락을확인하고, 섬유분포형상이부직포의기계적성질및방호 Figure 2. Schematic representation of the manufacturing process for nonwoven fabrics.

인장강도 및 신도 측정: 아라미드 단섬유의 인장강도 및 신도는 Textechno사의 FAVIMAT 장비를 이용하여 ASTM D3822, ASTM D1577의 평가법에 따라 실시하였으며, gauge length 200 mm, test speed 100 mm/min의 조건하에 측정 하였다.

4 406 권남희 정원영 최영옥 유의상 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 주사전자미경(FESEM, SU8010, Hitach)을 이용하여 부직포 표면의 구조를 관찰하였다. 공기투과도 측정: 방호복 착용시 쾌적성은 중요한 요소 중의 하나이다. 본 연구에서는 제조된 부직포의 통기성을 평가하기 위해 Frazier법(TEXTEST FX3300, Switzerland)에 따라 공기투과도를 측정하였다. 측정시 압력은 125 Pa로 실 시하였으며, 각 시험편마다 단위시간 및 단위면적당 공기 의 통과량을 측정하였다. 인장강도 및 신도 측정: 아라미드 단섬유의 인장강도 및 신도는 Textechno사의 FAVIMAT 장비를 이용하여 ASTM D3822, ASTM D1577의 평가법에 따라 실시하였으며, gauge length 200 mm, test speed 100 mm/min의 조건하에 측정 하였다. 제조된 아라미드 부직포의 인장강도 및 신도는 UTM(Instron 3343)을 이용하여 KS K ISO 평가법 에 따라 실시하였으며, 각 시험편마다 기계방향(MD), 폭방 향(CD)에 대해 실험하였다. 길이 200 mm, 폭 50 mm 크기 로 준비된 시험편을 100 mm/min의 속도로 정속 신장시켜 측정하였으며, 이 때 부직포가 벌키하고 압력에 대한 저항 성이 낮아 발생할 수 있는 두께 측정의 오차를 최소화하기 위해 KES-FB3(Kawabata Evaluation System, Kato Tech, Japan)을 이용하여 초하중 0.5 gf/cm2 상태에서 두께를 측 정하여 적용하였다. 압축특성: 탄환 등과 같은 외부충격의 반복적인 압축하 중에 대한 특성은 KES-FB3을 이용하여 20 oc, 65%RH의 표 준상태에서 50 sec/mm 속도로 최고압력 50 gf/cm2까지 가 압 후 압력을 제거하고, 이로부터 압축 에너지(conpression Textile Science and Engineering, 2017, 54, work, WC), 압축회복률(resilience, RC)을 산출하여 평가하였다. 저속충격시험: 아라미드 부직포의 저속충격거동을 확인 하기 위하여 KITECH에서 자체 제작된 저속충격시험기를 이용하여 평가를 실시하였다(Figure 3). 실제 탄환과 유사 한 규격(직경 9 mm, 중량 16.6 g)의 발사체를 사용하여 3, 5, 7 bar의 압력 하에서 저속의 충격을 가한 후 부직포 후 면의 backing material에 남긴 BFS(Backface Signature)의 깊 이로 충격정도를 평가측정하였다. 3. 결과 및 고찰 3.1. 아라미드 단섬유의 물리적 특성 단섬유는 적용분야, 혼섬소재, 요구물성 등에 따라 다양 한 섬유장을 지닌 섬유가 사용되고 있다. 본 연구에서는 부 직포 제조에 적합한 섬유장을 갖도록 51 mm, 60 mm로 단 섬유를 제조하였으며, 제조된 아라미드 단섬유는 Figure 4 와 같이 7 8 µm 정도의 직경, inch당 10개 내외의 크림프 를 가진다. Table 3은 제조된 단섬유의 물성을 측정한 결과 로 단섬유 가공 전 후 신도의 변화는 크지 않았으나 강도 는 가공 전 최대 g/den에서 가공 후 최대 g/den 으로 저하되었다. 이는 아라미드 섬유에 크림프를 부여하 는 공정 중에 수분, 열, 압력 등이 가해지면서 나타나는 결 과라고 볼 수 있다 섬유장 및 펀칭밀도에 따른 아라미드 부직포의 물리적 특성 및 저속충격거동 니들펀칭 밀도에 따른 부직포의 특성을 확인하기 위해 펀칭밀도를 다르게 하여 8종의 부직포를 제조하였고 기본 물성은 Table 4에 나타내었다. 제조된 니들펀칭 부직포는 Table 3. Physical properties of aramid staple fibers Characteristics Figure 3. Low-velocity impact tester. Figure 4. Aramid staple fibers with crimps. Force (cn) Elongation (%) Tenacity (g/den) Linear density (den) Filament Aramid fiber Staple fiber (51 mm)

5 세섬도아라미드섬유를이용한니들펀칭부직포의제조및저속충격특성에관한연구 407 Table 4. Characteristics of needle-punched nonwoven fabrics Sample code Weight (g/m 2 ) Thickness (mm) Density (kg/m 3 ) Air permeability (cm 3 /cm 2 /sec) S ± ± ± ±4.5 S ± ± ± ±0.9 S ± ± ± ±5.7 S ± ± ± ±3.1 L ± ± ± ±3.3 L ± ± ± ±2.6 L ± ± ± ±3.9 L ± ± ± ±4.3 연속적이고반복적인니들의상하운동을통해섬유들이기계적으로얽혀섬유의네트워크를형성한다. 바늘은두께방향으로웹상부에서하부표면으로섬유다발들을이동시키며바늘이통과한부위로루프형태의섬유다발들을확인할수있다 (Figure 5). 최종적으로 120 g/m 2 중량으로부직포를제조하고자하였으나, 1 de의세섬도아라미드섬유는웹균제도제어에어려움이있어제조된부직포의중량은 10% 내외의편차범위를가지며, 섬유장이길어질수록편차범위는증가하였다. 각섬유장별로펀칭밀도가증가함에따라내부조직이치밀해져전반적으로단위면적당중량과밀도가증가하는경향을나타내었으며, 통기성은부직포밀도및중량의증가와반대로감소하는경향을나타내었다. 통기성은두께 ( 상관계수 r 2 =0.19) 보다는부직포의 Figure 5. Optical image of the surface of needle-punched nonwoven fabrics. 중량 ( 상관계수 r 2 =0.87) 에기인하는것으로확인되었으며, 중량과밀도가높아져공기의투과성을저해하는요인으로작용한것으로보인다 (Figure 6). Figure 7은펀칭밀도에따른부직포의인장강 신도측정결과를나타내었다. 일반적으로부직포의강도는기계방향이폭방향보다더큰것으로알려져있지만, 본연구에서제조된부직포는카딩공정에의한제조된웹이 cross로 lapping되어기계방향보다폭방향에서의강도가더크고신도는작은것으로확인되었다. 펀칭밀도가증가함에따라인장강도가대체적으로증가하는경향을보였으며, 섬유장이긴아라미드부직포의인장강도가더크며, 특히폭방향인장강도는매우급격한증가를나타내었다. 이는니들펀칭에의해구성하고있는섬유들이서로얽히며부직포의내부구조가조밀해짐에따른결과이며, Figure 8에서펀칭밀도가증가함에따라섬유간의결합력은증가하고부직포의내부구조가조밀해짐을확인할수있다. 섬유장 51 mm로제조된부직포의경우펀칭밀도가 1200 strokes/ min으로높아지면오히려강도가감소하는경향을보이는데, 이는과도한니들펀칭으로인해구성섬유의절단이발생하고, 신장시조밀하게얽혀있던섬유들이재배향하며섬유네트워크가풀어짐에따른결과로판단된다. 반면신도는펀칭밀도가증가함에따라감소하는데, 이는펀칭밀도가증가함에따라섬유의이동이제한됨에따른결과로판단된다. Figure 6. Correlation between the air permeability and the thickness and weight of needle-punched nonwoven fabrics.

408 권남희 정원영 최영옥 유의상 Textile Science and Engineering, 2017, 54,

Surface morphology of needle-punched nonwoven fabrics ( 100); (a)

6 408 권남희 정원영 최영옥 유의상 Textile Science and Engineering, 2017, 54, Figure 7. Tensile strength and elongation of needle-punched nonwoven fabrics. Figure 8. Surface morphology of needle-punched nonwoven fabrics ( 100); (a) 51 mm, 600 stroke, (b) 51 mm, 1200 stroke, (c) 60 mm, 600 stroke, and (d) 60 mm, 1200 stroke. Figure 9. Low-velocity impact behavior of needle-punched nonwoven fabrics.

세섬도아라미드섬유를이용한니들펀칭부직포의제조및저속충격특성에관한연구 409 Figure 9는섬유장및펀칭밀도별로제조된부직포와유사중량의평직물에대한저속충격시험결과를나타낸것이다. 부직포의섬유장이나펀칭밀도에관계없이저압 (3 bar) 의저속충격을가한경우유사한수준의 BFS를나타내었다.

7 세섬도아라미드섬유를이용한니들펀칭부직포의제조및저속충격특성에관한연구 409 Figure 9는섬유장및펀칭밀도별로제조된부직포와유사중량의평직물에대한저속충격시험결과를나타낸것이다. 부직포의섬유장이나펀칭밀도에관계없이저압 (3 bar) 의저속충격을가한경우유사한수준의 BFS를나타내었다. 니들펀칭밀도가가장높은섬유장 51 mm의부직포 (S1200) 와동일원사로제직된평직물을 7bar의압력하에저속으로충격을가한결과, 부직포의 BFS는 42.7 mm, 직물은 47 mm로부직포의 BFS가약 10% 낮은수치를보였다. 외부에서충격이가해지면경사와위사로이루어진평직구조에서는실들이교차됨에따라당김파동의일부가다시충격지점으로반사되는반면니들펀칭부직포는불규칙하게얽혀있는섬유들은서로미끄러지며마찰이발생하게된다. 이과정에서운동에너지가일부열에너지로전환되며충격에너지를흡수하게된다 [9]. 부직포는직물에비해섬유간결합력은낮은수준이지만, 두께가두껍고벌키한구조를가지며저속으로충격을가한경우에는충격에대한완충의역할을수행하는것으로판단된다. 섬유장 60 mm 세섬도아라미드부직포의경우는 51 mm 단섬유로제조된부직포의저속충격시험결과와비교하여유사하거나약간높은 BFS 결과를나타내었다. 이는섬유장이길어짐에따라기계방향과폭방향간의이방성이커지고카딩공정이원활하지않아다소불균일한부분이발생함에따른요인으로판단된다. Figure 10은유사한중량의평직물과부직포에저속충격을가한이후의후면변형을나타내었다. 평직물의경우충격지점에인접한경 위사가함께이동하며충격이전파되면서 BFS의너비가넓고깊게나타난반면, 상대적으로직 물에비해두꺼운부직포는 1차적으로완충작용을함과동시에, 운동방향으로진행하는잔여에너지로인해불규칙적으로결합되어있는섬유들이국소부위에서늘어나면서탄환의모양대로밀고들어간형태를확인할수있다. 부직포의평면방향에서발생하는파동은충격지점쪽으로섬유가방사형으로이동하게하여 Figure 10의 (d) 와같이원추형의영역을형성하게된다. 이는니들펀칭으로얽혀있는지점주변의섬유슬라이딩에의한에너지분산효과에따른것으로여겨진다. 또한직물에비해부직포가훨씬더큰변형을보이는데, 이는부직포가강성이낮고신도가높기때문인것으로판단된다 바인더섬유함량에따른아라미드부직포의물리적특성및저속충격거동아라미드단섬유에바인더섬유로 LM-PET를 10, 30, 50% 비율로혼섬하여 3종의부직포를제조하였고, 그기본물성을 Table 5에나타내었다. 2 de의바인더섬유를혼섬한경우, 카딩공정에서균제도제어가양호하여니들펀칭만실시한부직포보다비교적균일한중량의부직포제조가가능하였으며, 바인더섬유의혼섬비율이높아질수록부직 Table 5. Characteristics of thermal-bonded nonwoven fabrics Sample code Weight (g/m 2 ) Thickness (mm) Density (kg/m 3 ) Air permeability (cm 3 /cm 2 /sec) A9L ± ± ± ±0.5 A7L ± ± ± ±3.3 A5L ± ± ± ±3.7 Figure 10. Backface signature after low-velocity impact test; (a) backing material of 200 de woven fabric (mono 1 de), (b) backing material of S1200, (c) backface of 200 de woven fabric (mono 1 de), and (d) backface of S1200.

410 권남희 정원영 최영옥 유의상 Textile Science and Engineering, 2017, 54, 403-411 Figure 11. Surface morphology of thermal-bonded nonwoven fabrics with 50% LM-PET; (a) 100 and (b) 300.

LM-PET 섬 유를 혼섬하여 제조한 부직포는 니들펀칭 방식으로만 제조 한 부직포에 비해 전반적으로 공기 투과도가 높은데, 이는 니들펀칭 방식의 경우 니들의 움직임을 통해 짧은 섬유들 이 불규칙적으로 엉켜 공기의 통과를 저해하는 반면, 열융 착 방식을 병행한 경우에는 니들에 의한 교락이 상대적으 로 적어짐에 따른 결과인 것으로 보인다.

8 410 권남희 정원영 최영옥 유의상 Textile Science and Engineering, 2017, 54, Figure 11. Surface morphology of thermal-bonded nonwoven fabrics with 50% LM-PET; (a) 100 and (b) 300. 포가 벌키해져 중량 및 두께가 증가하는 경향을 보였다. 또 한 LM-PET 섬유의 함량이 많아질수록 공기투과성이 높아 지는데 이는 세섬도의 비율이 낮아질수록 섬유 간에 공기 투과 통로가 확보됨에 따른 것으로 생각된다. LM-PET 섬 유를 혼섬하여 제조한 부직포는 니들펀칭 방식으로만 제조 한 부직포에 비해 전반적으로 공기 투과도가 높은데, 이는 니들펀칭 방식의 경우 니들의 움직임을 통해 짧은 섬유들 이 불규칙적으로 엉켜 공기의 통과를 저해하는 반면, 열융 착 방식을 병행한 경우에는 니들에 의한 교락이 상대적으 로 적어짐에 따른 결과인 것으로 보인다. Figure 11의 100 배율 SEM이미지는 앞서 확인하였던 니들펀칭 부직포에서 볼 수 있었던 루프 형태의 엉킴이 많지 않으며, 300배율로 확대한 이미지에서는 바인더 섬유가 섬유들 사이에 용융되 어 만들어진 결합점이 관찰되었다. Figure 12는 바인더 섬유 함량에 따른 인장 강 신도 결과 를 나타내었다. LM-PET의 혼섬 비율에 따라 기계방향의 강도는 큰 차이를 나타내지 않았으나, 폭방향에서는 LMPET의 혼섬 비율이 높은 경우(50%) 가장 낮게 확인되었는 데, 이는 고강도 섬유인 아라미드 섬유의 함량이 낮아짐에 따른 결과인 것으로 판단된다. 또한 LM-PET의 혼섬 비율 이 증가함에 따라 기계방향과 폭방향의 강도 및 신도의 편 차가 줄어들었으며, LM-PET가 50% 혼섬된 부직포의 경우 신도는 방향에 상관없이 유사한 수준으로 나타났다. 이러 한 결과는 니들의 상하 운동에 의해 아라미드 섬유간의 물 리적 결합이 형성되고, 바인더 섬유로 인해 웹 간의 결합 력이 향상되면서 이방성이 낮아짐에 따른 것으로 판단된 다. 또한 동일한 섬유장(51 mm) 100% 세섬도 아라미드 니 들펀칭 부직포와 비교하였을 때, 강도는 전반적으로 증가 하고 신도는 감소하는 것으로 확인되었다. 이 결과는 바인 더 섬유로 인해 섬유와 섬유사이의 접착 뿐만 아니라 웹 층간의 접착에 의해 결합력이 향상됨에 따른 것으로 생각된다. 부직포가 적용된 방호소재는 착용시 반복적인 압축하중 및 외부 충격에 노출되는 경우가 많기 때문에 압축거동에 대한 특성 또한 중요하다. 압축에너지(WC)는 압축변형에 필요한 에너지를 나타내며, 압축 회복률(RC)은 압축에 대 한 회복정도를 나타내는 특성치이다. Table 6은 바인더 섬 유를 혼섬한 부직포의 압축특성을 평가한 결과로 100% 아 라미드 니들펀칭 부직포에 비해 RC가 전반적으로 높게 나 타났으며, LM-PET 혼섬비에 따른 유의한 증가를 확인할 수 있었다. 이는 동일한 압력으로 충격을 가했을 경우 그 에 대한 반발 저항성이 크다는 것을 의미하며, 이와 같이 압축에너지와 압축탄성이 좋을수록 충격 에너지의 흡수 및 전파의 효과가 상대적으로 높을 것으로 예상된다. LM-PET 섬유를 혼섬한 부직포의 중량 및 저속충격시험 Figure 12. Tensile strength and elongation of thermal-bonded nonwoven fabrics.

9 세섬도아라미드섬유를이용한니들펀칭부직포의제조및저속충격특성에관한연구 411 Table 6. Compressional properties of thermal-bonded nonwoven fabrics Sample code WC (gf cm/cm 2 ) RC (%) S ± ±1.07 A9L ± ±0.67 A7L ± ±0.47 A5L ± ±1.16 Table 7. Low-velocity impact behavior of thermal-bonded nonwoven fabrics Sample code 에대한후면변형깊이의변화를 Table 7에나타내었다. LM-PET 섬유의함량이증가함에따라후면변형은감소하였으며, 50% 의비율로 LM-PET 섬유를혼섬한부직포 (A5L5) 는동일원사로제직된평직물에비해중량이약 2.08% 감소했음에도불구하고후면변형은 10% 감소한결과를보였다. 또한니들펀칭만실시한 100% 아라미드부직포 (S1200) 를비교해보았을때, 후면변형은거의유사하나니들펀칭부직포는중량이훨씬감소하는결과를나타내어본연구에서실시한저속충격시에는 50% 의비율로 LM-PET 섬유를혼섬하였을때중량대비충격에대한저항성이가장우수한것으로확인되었다. 4. 결론 Weight (g/m 2 ) Decrease rate of weight (%) BFS (mm) Decrease rate of BFS (%) Woven fabric 127.4± ±2.4 0 S ± ± A9L ± ± A7L ± ± A5L ± ± *Pressure of low-velocity impact tester : 7 bar. 본연구에서는섬도 1 de, 섬유장 51 mm, 60 mm의아라미드단섬유를이용하여니들펀칭및열융착방법으로아라미드부직포를제조하고섬유장, 니들펀칭밀도및바인더섬유의혼섬비에따른물리적특성및충격흡수특성을평가한결과다음과같은결론을얻었다. 1. 니들펀칭밀도가증가함에따라아라미드부직포의인장강도가증가하였으며, 동일원사를이용하여유사한중량으로제직된평직물과비교하였을때, 후면변형은 10% 감소하였다. 이는부직포는직물에비해상대적으로벌키한구조로니들펀칭에의해구성섬유간의얽힘이발생하여결합력이증가하고, 충격시구성섬유의이동및미끄러짐에의해마찰이발생하고에너지전환과정에서충격이흡수된것으로보인다. 2. 아라미드부직포제조시바인더섬유를혼섬함에따라인장강도및충격흡수성능이증가하였으며, 혼섬비율이증가함에따라성능은더욱향상되었다. 특히바인더섬유를 50% 혼섬한부직포의경우중량대비충격흡수성능이가장우수한것으로확인되었다. 니들펀칭에의한물리적교락및바인더섬유에의한섬유및웹간의접착이증가함에따라충격흡수력이향상된결과로판단된다. 3. 본연구를통하여세섬도의아라미드단섬유를적용한다양한부직포의물성, 충격흡수특성및공기투과성등을평가함으로써다른고강도방호용소재와의하이브리드설계시중량을줄이면서착용자로하여금유연성및안전성을향상시킬수있는가능성을확인하였다. References 1. J. G. Lee, S. Kim, G. Kim, and M. Cho, Study on Bullet-proof Performance of Multi-layered Hybrid Armor Against 9 mm FMJ Projectile, Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 2012, 25, B. A. Cheeseman and T. A. Bogetti, Ballistic Impact into Fabric and Compliant Composite Laminates, Compos. Struct., 2003, 61, L. R. Xu and A. J. Rosakis, Impact Failure Characteristics in Sandwich Structures; Part I: Basic Failure Mode Selection, Int. J. Solids Struct., 2002, 39, V. Koissin, V. Skvortsov, S. Krahmalev, and A. Shilpsha, The Elastic Response of Sandwich Structures to Local Loading, Compos. Struct., 2004, 63, S. R. Swanson and J. Kim, Design of Sandwich Structures under Contact Loading, Compos. Struct., 2003, 59, L. R. Xu and A. J. Rosakis, Impact Failure Characteristics in Sandwich Structures; Part II: Effects of Impact Speed and Interfacial Strength, Int. J. Solids Struct., 2002, 39, M. Karahan, A. Kus, and R. Eren, An Investigation into Ballistic Performance and Energy Absorption Capabilities of Woven Aramid Fabrics, Int. J. Impact Eng., 2008, 35, M. Karahan, Comparison of Ballistic Performance and Energy Absorption Capabilities of Woven and Unidirectional Aramid Fabrics, Text. Res. J., 2008, 78, F. M. Hergueta, A. Ridruejo, F. Gálvez, C. González, and J. LLorca, Influence of Fiber Orientation on the Ballistic Performance of Needlepunched Nonwoven Fabrics, Mech. Mater., 2016, 94, C. J. Kuo, T. L. Su, C. H. Chin, and C. P. Tsai, Analysis and Construction of a Quality Prediction System for Needlepunched Non-woven Fabrics, Fiber. Polym., 2007, 8, J. H. Chung, S. G. Lee, and T. J. Kang, Effect of Fiber Crimp on the Mechanical Properties of Needle Punched Nonwoven Fabrics, J. Korean, Fiber Soc., 1999, 36,

14.531~539(08-037).fm

14.531~539(08-037).fm G Journal of the Korea Concrete Institute Vol. 20, No. 4, pp. 531~539, August, 2008 š x y w m š gj p { sƒ z 1) * 1) w w Evaluation of Flexural Strength for Normal and High Strength Concrete with Hooked