비금속재료학회: 국내 및 국제 기준에 따른 고성능 섬유/수지계 소재의 내절단성 비교 분석

국내 및 국제 표준에 따른 고성능 섬유/수지계 소재의 내절단성 비교

추상적인: 본 논문은 중국의 *GA 68-2024 경찰 방검조끼* 기준과 미국의 *NIJ 0115.00-2000 개인 방탄복 방검 기준*에 따른 시험 결과를 비교하여 다양한 고성능 섬유/수지 기반 소재의 방검 성능 차이를 조사한다. 또한, 이러한 국내외 기준에서 강조하는 평가 지표의 특성과 특정 소재 성능 요구 사항을 분석한다. 방검 성능은 특정 보호 수준을 충족하는 데 필요한 소재의 층 수와 면적 밀도를 계산하여 평가하였다. 연구 결과, 고성능 섬유/수지 기반 소재의 경우, 수지 함량이 유사할 때 섬유 강도가 높을수록 방검 성능이 향상되고, 섬유 강도가 유사할 때 수지 함량이 높을수록 방검 성능이 향상되는 것으로 나타났다. GA 68 기준의 A등급 요구 사항을 충족하려면 B등급에 필요한 소재의 두 배 이상이 필요하며, GA 68 기준의 D2 칼날은 D3 칼날보다 더 강력하다. NIJ 0115.00 기준에서는 S1 칼날이 상대적으로 덜 강력하다. P1 블레이드는 섬유 강도에 대한 요구 조건이 높고, 스파이크 블레이드는 수지 함량에 대한 요구 조건이 높습니다. 고온 조건은 수지 기반 내관통 소재에 가장 큰 영향을 미치므로, GA 68 표준에 따라 시료를 시험할 때 고온 내관통성은 핵심적인 평가 요소입니다.

키워드: 내자극성; 고성능 섬유; 내자극성 표준; 내자극성 소재; 면적 밀도

방탄복용 내자극 소재의 발전은 경질 소재, 반경질 소재, 연질 소재의 세 단계를 거쳐 진행되어 왔다. 현재 국내외에서 일반적으로 사용되는 연질 내자극 소재는 고성능 섬유/수지 복합재이다. 이러한 소재로 만든 방탄조끼는 착용감이 우수하고 2차 부상 위험이 감소하여 경질 및 반경질 소재로 만든 방탄조끼를 대체하고 있다[1-7].

아라미드 섬유 (파라아라미드 및 헤테로고리 아라미드를 포함), 폴리(p-페닐렌 벤조비스옥사졸) (PBO) 섬유 초고분자량 폴리에틸렌 (UHMW-PE) 섬유 , 그리고 탄소 섬유 현재 고성능 섬유로는 주로 UHMW-PE 섬유가 사용됩니다. UHMW-PE 섬유는 표면 극성이 낮은 반면, 이를 함침시키는 데 사용되는 보강 수지는 표면 극성이 높습니다. 이러한 불일치로 인해 계면 결합이 약해져 UHMW-PE 섬유는 수지 기반 내관통 소재 제조에 적합하지 않습니다[8-10]. 탄소 섬유는 높은 인장 강도와 탄성률을 제공하지만, 낮은 파괴 인성으로 인해 에너지 흡수 능력이 제한적이며 보호 용도로 단독으로 사용되는 경우는 드뭅니다. 따라서 아라미드 및 PBO와 같은 방향족 섬유가 수지 기반 내관통 소재에 주로 사용되는 고성능 섬유입니다[11-14].

보호구의 방검 성능을 평가하기 위해 미국, 영국, 독일 등 여러 국가에서 방검복 관련 기준을 제정했습니다. 그중 가장 영향력 있는 기준은 미국 법무부 산하 국가사법연구소(NIJ)에서 발표한 "개인 방검복 방검 기준"(NIJ 표준 0115.00-2000)으로, 전 세계적으로 널리 채택되고 있습니다. 우리나라 또한 공안부에서 제정한 "GA 68-2024 경찰 방검복 기준"을 준수하고 있습니다.

본 논문은 고성능 섬유/수지 복합재료의 내관통 성능을 중국 및 미국 표준에 따라 체계적으로 비교 및 ​​평가합니다. 나아가 시험 방법, 평가 지표, 재료 성능 요구사항 등 국내외 표준의 특징과 중점 사항을 분석합니다.

1. 실험 부분

1.1 주요 원료
표준 강도 파라아라미드 섬유 직물: TH5108(섬유 인장 강도: 21.5 cN/dtex), 자체 제작;
고강도 파라아라미드 섬유 직물: TH61081 (섬유 인장 강도: 23.5 cN/dtex), 자체 제작;
헤테로고리 아라미드 섬유 직물: F-3P200 (섬유 인장 강도: 28 cN/dtex), 자체 제작;
PBO 섬유 직물: JQZW SP200-1100 (섬유 인장 강도: 28 cN/dtex), 자체 제작;
에폭시 수지 및 변성 지방족 아민: 자체 제작.

1.2 주요 계측기 및 장비
GA68 내관통력 시험기: MPFCT-2000, 상하이 성허 섬유 기술 유한회사;
NIJ 내관통력 시험기: AQJL-300, 상하이 선허 섬유 기술 유한회사;
GA68 테스트 블레이드: D1, D2, D3, 상하이 성허 섬유 기술 유한 회사;
NIJ 테스트 블레이드: P1, S1, Spike, 상하이 성허 섬유 기술 유한 회사.

1.3 시료 준비
다양한 고성능 섬유와 에폭시 수지의 호환성 차이로 인해 초기 섬유 면적 밀도가 동일하더라도 수지 코팅 및 경화 후 제조된 내관통성 재료의 면적 밀도에 약간의 차이가 발생합니다[15-18]. 시험 결과의 과학적 타당성과 엄격성을 확보하기 위해 표준 강도 파라아라미드, 고강도 파라아라미드, 헤테로사이클릭 아라미드 및 PBO의 네 가지 유형의 고성능 섬유 직물을 선택했으며, 모두 면적 밀도는 200 g/m²였습니다.

내관통 소재는 수동 수지 코팅 공정을 이용하여 제조하였다. 앞서 언급한 네 가지 종류의 고성능 섬유 직물에서 350mm × 300mm 크기의 시편을 여러 개 절단하였다. 스크레이퍼를 이용하여 직물의 양면에 에폭시 수지를 도포한 후, 120°C의 온도와 0.3MPa의 성형 압력으로 4시간 동안 오토클레이브에서 후경화시켰다. 이로써 6가지 종류의 고성능 섬유/수지 매트릭스 내관통 복합재료를 제조하였다. 이 중 시편 1번부터 3번까지는 동일한 섬유 종류(표준 강도 파라아라미드 섬유 직물)를 사용하되 수지 함량을 점진적으로 증가시켰고, 시편 3번부터 6번까지는 서로 다른 섬유 종류를 사용하되 수지 함량은 유사하게 하였다. 내관통 소재 시편의 기본 제원은 표 1에 제시되어 있다. 시험용 내관통층을 준비하기 위해, 재료들을 검은색 방수 직물로 감싸 밀봉하였다. 이 덮개는 빛, 습기 및 오염 물질로부터 재료를 효과적으로 보호하여 시험의 정확도를 확보하였다. 후속 시험에서 시료에 대해 보고된 면적 밀도 값은 방수 원단을 제외한 내찔림성 소재 자체에 대한 값입니다.


1.4 시험 및 특성 분석
내관통성 코팅 샘플은 GA 68 및 NIJ 0115.00 표준에 따라 테스트되었으며, 두 표준의 비교는 표 2에 제시되어 있습니다. GA 68 표준은 A등급과 B등급의 두 단계로 구성되며, 두 등급 모두 테스트 중 관통이 허용되지 않고 24J의 관통 에너지를 요구합니다. A등급은 일반적인 환경을 대상으로 하며 한 가지 유형의 블레이드만 사용합니다. B등급은 매우 날카로운 블레이드를 접할 가능성이 최소화된 항공 환경을 위해 특별히 설계되었으며, 따라서 B등급의 D2 및 D3 블레이드에 대한 날카로움 사양은 완화되었습니다.


메모: E1과 E2는 NIJ 0115.00에서 칼에 찔려도 손상되지 않는 시험의 두 가지 에너지 레벨을 나타냅니다.

NIJ 0115.00은 세 가지 보호 등급으로 나뉩니다. 각 등급은 세 가지 유형의 날(P1 날, S1 날, 스파이크)을 사용한 시험을 통과해야 합니다. 또한, 각 등급은 두 가지 에너지 단계로 구성되어 있으며, 최대 허용 관통 깊이는 저에너지 시험의 경우 7mm, 고에너지 시험의 경우 20mm입니다.

GA 68 및 NIJ 0115.00 시험 장비의 구조와 작동 원리는 동일합니다. 그림 1은 내관통 시험 장비의 개략도를, 그림 2는 시험용 블레이드를 보여줍니다. 내관통층은 시험 플랫폼의 지지 재료 위에 놓입니다. 시험 어셈블리에 장착된 시험용 블레이드는 자유 낙하하여 내관통층을 관통합니다. 속도 측정 영역에서 블레이드의 자유 낙하 속도를 측정하여 시험 에너지를 계산합니다. 계산된 에너지가 표준 요구 사항을 충족하면 시험이 유효한 것으로 간주됩니다.

2. 결과 및 논의

2.1 다양한 기준에 따른 여러 재료의 내관통 성능 비교
표 1에 나열된 6가지 재료에 대해 상온 조건에서 내관통 시험을 수행했습니다. 각 구성에 대해 5세트의 샘플을 시험했으며, 결과는 이 5세트의 평균값을 나타냅니다. 동일한 보호 수준에서, 더 적은 층을 필요로 하는 재료, 즉 전체 면적 밀도가 낮은 재료는 우수한 내관통 성능을 보입니다. 반대로, 더 많은 층을 필요로 하는 재료, 즉 전체 면적 밀도가 높은 재료는 성능이 떨어집니다. 표 3은 다양한 기준에 따른 여러 재료의 내관통 성능을 비교합니다. GA 68 A급 및 B급의 경우, 시험 에너지는 24J였습니다. NIJ 0115.00 레벨 I, II, III의 경우, 해당 기준에서 요구하는 E1 및 E2 에너지 레벨에서 시험을 수행했으며, 보고된 결과는 두 에너지 레벨을 동시에 만족시키는 데 필요한 최대 면적 밀도입니다.
표 3에 나타난 바와 같이: (1) 동일한 내관통성 기준에서, 유사한 수지 함량을 가진 3#, 4#, 5#, 6# 재료 중 6# PBO 재료의 면적 밀도가 가장 낮고 3# 파라아라미드 재료의 면적 밀도가 가장 높으므로 6# PBO 재료가 가장 우수한 내관통성을 나타낸다. 이는 동일한 수지 함량을 가진 수지계 내관통성 재료의 경우 섬유 강도가 높을수록 내관통성이 우수함을 나타낸다. (2) 동일한 기준 수준과 동일한 종류의 섬유 직물을 사용했을 때, 1#, 2#, 3# 재료의 면적 밀도는 점진적으로 증가한다. 이는 동일한 섬유를 사용하는 수지계 재료의 경우 수지 함량이 높을수록 내관통성이 우수함을 나타낸다. (3) GA 68 A급 및 B급 시험 모두 24J의 에너지로 찌르는 것을 포함하지만, B급 칼날의 날카로움이 다르며, B급 칼날이 덜 강력하다. A급 칼날로부터 보호하는 데 필요한 면적 밀도는 B급 칼날에 필요한 면적 밀도의 두 배 이상이므로 GA 68 표준의 B급 칼날은 A급 칼날의 절반에도 미치지 못하는 위력을 가지고 있음을 보여줍니다. NIJ 0115.00 표준의 경우, 세 단계에 걸쳐 찌르는 에너지가 증가하므로 보호를 제공하는 데 필요한 재료의 층 수와 면적 밀도도 점진적으로 증가합니다. (4) GA 68 A급 및 NIJ 0115.00 레벨 I에 대한 보호에 필요한 면적 밀도는 유사합니다. GA 68 A급 테스트는 관통이 허용되지 않는 24J의 에너지를 사용하는 반면, NIJ 0115.00 표준은 저에너지 레벨(7mm 관통 허용)에서 24J, 고에너지 레벨(20mm 관통 허용)에서 33J를 사용하므로 이 두 보호 수준은 수지 기반 내관통 재료에 대해 유사한 요구 사항을 부과합니다.

2.2 다양한 시험용 날에 대한 여러 재질의 내관통성 비교
GA 68 Class B 표준의 두 가지 유형과 NIJ 0115.00 표준의 세 가지 유형을 사용하여 동일한 에너지 수준에서 다양한 칼날이 가하는 위협의 심각성을 조사했습니다. 재료가 내자극성 기준을 충족하는지 평가할 때, 일반적으로 표준에 명시된 가장 강력한 칼날이 결정적인 요소가 됩니다. 샘플이 가장 강력한 칼날을 견딜 수 있다면 해당 보호 수준에 대한 기준을 충족한다고 추론할 수 있습니다. 서로 다른 칼날은 재료에 각기 다른 요구 사항을 부과하므로, 다양한 칼날에 대한 성능 변화를 분석하면 재료의 특정 특성을 파악할 수 있습니다. 다양한 내자극성 재료를 GA 68 Class B 칼날 두 가지와 NIJ 0115.00 칼날 세 가지에 대해 테스트했습니다. 표 4는 재료가 해당 GA 68 Class B 및 NIJ 0115.00 Level I 표준을 충족하는 데 필요한 재료 층 수와 면적 밀도를 나타냅니다.


표 4에 나타난 바와 같이: (1) 고성능 섬유 강화 수지 매트릭스 내관통성 재료에 사용되는 두 가지 GA 68 Class B 블레이드에 관하여, D3 블레이드에 대한 방어에는 D2 블레이드에 대한 방어보다 더 많은 재료가 필요하며, 이는 D3 블레이드가 더 큰 위협을 가한다는 것을 나타냅니다. 따라서 예비 내관통성 시험에서 특정 면적 밀도를 가진 재료가 D2 블레이드를 견딜 수 있다면, 일반적으로 해당 면적 밀도의 재료는 GA 68 Class B 시험을 통과할 수 있다고 추론할 수 있습니다. (2) NIJ 0115.00의 세 가지 레벨 전체에서 고에너지 시험(관통 깊이 20mm 허용)에 필요한 면적 밀도는 저에너지 시험(관통 깊이 7mm 허용)에 필요한 면적 밀도보다 일관되게 높습니다. 따라서 예비 시험에서 특정 면적 밀도를 가진 재료가 주어진 NIJ 0115.00 레벨에 대한 고에너지 시험을 견딜 수 있다면, 해당 재료가 해당 레벨의 기준을 충족하는 것으로 판단하여 동일 레벨에서의 추가 저에너지 시험을 생략할 수 있다. (3) NIJ 0115.00에 명시된 세 가지 칼날 유형 중 S1 칼날은 보호를 위해 고성능 섬유 강화 수지 매트릭스 내관통 재료의 가장 낮은 면적 밀도를 요구하는데, 이는 S1 칼날이 가장 위협적이지 않다는 것을 나타낸다. NIJ 0115.00의 P1 칼날은 국내 공안 기준의 D1 칼날과 유사하며, 상대적으로 길고 넓은 칼날을 가지고 있고, 관통 시 재료에 더 강한 전단력을 가하며, 섬유의 기계적 특성에 더 높은 요구 조건을 부과한다. 결과적으로 섬유 강도가 높은 재료가 P1 칼날에 대해 우수한 보호 기능을 제공한다. 수지 함량이 유사한 샘플 #3, #4, #5, #6 중에서 샘플 #6이 가장 우수한 기계적 특성을 나타내므로 P1 블레이드에 대한 방어에 필요한 면적 밀도가 더 낮습니다. NIJ 0115.00의 "스파이크" 블레이드는 날카롭고 가늘며, 고속 하향 충격 시 섬유 구속을 쉽게 통과하여 섬유 다발의 전단을 최소화하고 블레이드의 운동 에너지를 효과적으로 분산시키지 못하여 계속해서 아래쪽으로 관통하게 합니다. 따라서 이러한 유형의 블레이드에 대한 방어에서는 재료의 수지 함량과 수지 경도가 매우 중요한 요소가 됩니다. 동일한 섬유 유형을 사용하지만 수지 함량이 다른 샘플 #1, #2, #3 중에서 샘플 #3은 다른 블레이드 유형에 비해 스파이크 블레이드에 대한 방어에서 더욱 뚜렷한 이점을 보여줍니다. 또한 표 4는 섬유 강도는 다르지만 수지 함량은 유사한 샘플 #3, #4, #5 및 #6의 경우 뾰족한 칼날에 대한 보호 효과에 유의미한 차이가 없음을 보여주며, 이는 뾰족한 칼날이 내관통 재료의 수지 함량에 더 높은 요구 조건을 제시한다는 것을 더욱 확증합니다.

2.3 다양한 환경 조건에서 여러 재료의 내관통성 비교
우리나라의 방검 표준인 GA 68은 방검 조끼의 환경 적응성에 대한 상세한 규격을 제시하며, 고온, 저온, 침수 등 세 가지 조건을 다룹니다. 고온 시험은 방검 시험 전 시료를 (55 ± 2)°C에서 4시간 동안 유지하는 것이고, 저온 시험은 (-20 ± 2)°C에서 4시간 동안 유지하는 것이며, 침수 시험은 방검층 시료를 물에 30분간 담근 후 꺼내어 방검 시험을 실시하는 것입니다. 표 5는 다양한 환경 조건에서 시험할 때 여러 방검 재료에 필요한 층 수와 면적 밀도를 나타냅니다.
표 5에 나타난 바와 같이, 고성능 섬유/수지 매트릭스 방검 소재는 고온 조건에서 더 높은 면적 밀도를 필요로 합니다. 반면, 수중 및 상온 조건에서는 필요한 층 수와 면적 밀도가 거의 동일하게 유지됩니다. 더욱이, 저온 조건에서는 가장 적은 층 수와 가장 낮은 면적 밀도가 필요합니다. 이는 고온에서 수지 경도가 감소하기 때문이며, 경도는 이러한 소재의 방검 성능에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 경도가 감소하면 방검층이 칼날 끝을 무디게 하는 능력이 약해져 방검 성능이 저하됩니다. 반대로, 저온 환경에서는 수지 경도가 증가하여 소재의 방검 성능이 향상됩니다. 수중 시험 결과에 따르면, 방검 조끼를 제조할 때 방검 소재를 감싸는 방수 원단이 품질 기준을 충족한다면, 물에 담갔을 때 소재의 내관통성은 영향을 받지 않습니다. 내천공성 소재에 대한 예비 시험에서는 고온 조건에서의 성능 평가를 우선적으로 고려해야 합니다.

3. 결론

(1) 고성능 섬유/수지 매트릭스 내천공성 재료의 경우 수지 함량이 동일하거나 유사할 때 섬유 강도가 높을수록 내천공성이 우수하고, 반대로 섬유 강도가 일정할 때 수지 함량이 높을수록 내천공성이 우수하다.

(2) GA 68의 A급 관통 저항 기준을 충족하는 데 필요한 고성능 수지 매트릭스 재료의 면적 밀도는 B급에 필요한 면적 밀도의 두 배 이상입니다. 미국 NIJ 0115.00 표준의 세 가지 보호 수준을 충족하는 데 필요한 재료와 면적 밀도 사이에는 점진적 관계가 있으며, 주어진 수준에서 더 높은 에너지의 위협은 동일한 수준에서 더 낮은 에너지의 위협보다 방어하기가 더 어렵습니다. GA 68 A급의 관통 저항은 NIJ 0115.00 레벨 I의 관통 저항과 유사합니다.

(3) 고성능 섬유/수지 매트릭스 내천공성 재료에 관하여 GA 68에 명시된 D2 블레이드는 D3 블레이드보다 약합니다. NIJ 0115.00 블레이드 중에서 S1 블레이드가 가장 약하고, P1 블레이드는 재료의 섬유 강도에 대한 요구가 높으며, 스파이크 블레이드는 재료의 수지 함량에 대한 요구가 높습니다.

(4) 고온 환경은 고성능 수지 매트릭스 내천공성 재료에 가장 큰 영향을 미치므로 예비 테스트는 고온 조건에서의 내천공성 성능에 중점을 두어야 합니다.