KR20190026541A - 캡 플라이로서 신규한 이중-탄성 탄소 섬유 코드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 이중-탄성 인장 성질들을 갖는 매우 높은 모듈러스 탄소 섬유들로 제조된 신규한 타이어 코드 보강재에 관한 것이다. 이 신규한 이중-탄성 타이어 코드는 고속 내구성을 개선시키고, 공기압 레이디얼 타이어들에서 캡 플라이로서 사용될 때 플랫스포팅(flatspotting)을 제거한다.
Description
본 발명은, 이중-탄성 인장 성질들을 갖는 매우 높은 모듈러스 탄소 섬유들로 제조된 신규한 타이어 코드 보강재에 관한 것이다. 이러한 신규한 이중-탄성 타이어 코드는 고속 내구성을 개선시키고, 공기압 레이디얼 타이어들에서 캡 플라이로서 사용될 때 플랫스포팅(flatspotting)을 제거한다.
고속 조건들 하에서, 타이어의 외부 직경은 스틸 코드 벨트 패키지 및 트레드에 의해 발생된 원심력들로 인해 증가한다. 이러한 직경 증가 또는 타이어 성장은 균열 개시들, 균열 전파들 및 최종적으로 벨트 엣지 분리들로 이어지는 벨트 엣지 코드들의 팬토그래픽 움직임(pantographic movement)들을 증가시킨다.
벨트 패키지 상에 나선형으로 권취된 캡 플라이 층은, 크로스 플라이 스틸 코드 층들로 제조된 무거운 벨트 패키지에 압축력(구속력)들을 적용함으로써 고속 조건들 하에서 과도한 타이어 성장을 방지한다.
현재, 가장 널리 사용되는 캡 플라이 재료들은, 타이어의 적도면에 0 내지 5도에서 벨트 패키지 상에 나선형으로 권취되는, 다중-플라이 나일론 6.6 층들 또는 단일 층 하이브리드 코드들이다.
나일론 코드들은 굽힘 및 축방향 압축 하에서 탁월한 피로 내성, 그리고 타이어의 제작시 쉽게 가공할 수 있는 이중-탄성 인장 특성을 갖고 있다. 또한, 고속 조건들 하에서 서비스 온도가 증가함에 따른 수축력 발생은, 벨트 엣지 분리 내성 및 고속 내구성을 개선시킨다. 그러나, 나일론의 유리전이온도가 낮으면, 고속 주행 후에 주차하는 동안 타이어에서 플랫스폿(flatspot) 문제들이 초래된다. 다중 플라이 나일론 캡 플라이 어셈블리의 다른 잠재적 단점은, 히스테리시스(열 축적)에 의한 타이어의 롤링 내성(rolling resistance)을 증가시키게 하는 이의 높은 고무 함량이다.
이중-탄성 인장 거동을 갖는 높은 및 낮은 모듈러스 얀들을 포함하는 하이브리드 코드들은 또한 고속 타이어들의 캡 플라이로서 사용되는 것이 잘 알려져 있다. 하이브리드 코드의 낮은 모듈러스 구성요소는 이의 높은 확장성(extensibility)으로 인해 조밀한 코드 형성없이 용이한 벨트 패키지 리프팅을 가능하게 하고, 높은 모듈러스 구성요소는 서비스 조건들에서 효과적이게 된다. 하이브리드 코드들을 캡 플라이로서 사용함으로써, 캡 플라이 층의 총 두께 및 고무 함량이 감소될 수 있으며, 하이브리드 코드의 높은 모듈러스 구성요소는 구속력을 향상시키고, 고속 내구성을 개선시킨다. 그러나, 나일론의 존재로 인해 일부 플랫스폿이 초래된다.
한편, 높은 트위스트를 갖는 매우 높은 모듈러스 얀들로 제조된 코드들은, 플랫스폿을 제거하고 고속 성능을 개선시키기 위해 타이어 보강재로서 사용되었지만, 높은 수준의 코드 트위스트는 급격한 모듈러스 및 파쇄 강도 손실들을 초래한다.
미국 특허 제 4,893,665 호는, 각각이 아라미드 필라멘트들만으로 구성된 적어도 2 개의 얀, 그리고 적어도 부분적으로 배향된 구조를 갖는 폴리아미드, 및 적어도 부분적으로 배향된 구조를 갖는 폴리에스테르로 이루어진 군으로부터 선택된 필라멘트들만으로 이루어진 단일 코어 얀을 포함하는 하이브리드 코드를 기재하고 있다.
미국 특허 제 5,558,144 호는, 적도 평면에 대하여 0 ° 내지 3 °의 각도로 타이어의 원주방향으로 벨트 패키지 상에 나선형으로 그리고 연속적으로 권취된 높은 모듈러스 아라미드 및 낮은 모듈러스 나일론을 갖는 하이브리드 코드를 기재하고 있다.
미국 특허 제 6,799,618 호는, 나일론 및 아라미드를 포함하는 재료로 제조된 코드들로 보강되는 벨트 어셈블리에 방사방향 외측으로 중첩되는 텍스타일 캡 플라이 구조를 기재하고 있다. 코드들의 초기 신도에서, 1 차 하중 지지 얀들은 나일론 얀들이며, 상당한 신장 후, 1 차 하중 지지 얀들은 아라미드 얀들이다.
미국 특허 제 2013/0025758 호는, 제 1 트위스트에 대한 상이한 트위스트 카운트 및 제 2 트위스트에 대한 상이한 트위스트 카운트를 갖는 단일 플라이 나일론 얀 및 2 개의 플라이 아라미드 얀으로 구성된 하이브리드 코드를 캡 플라이로서 사용하며, 이로 인해 향상된 고속 내구성 및 조향 안정성을 갖는, 승용차용 고성능 공기압 레이디얼 타이어를 기재하고 있다.
발명의 요약
본 발명은, 이중-탄성 인장 성질들을 갖는 탄소 섬유 얀으로 제조된 2 개 이상의 플라이 코드 보강재를 제공한다. 즉, 낮은 초기 모듈러스 및 초기 신장 후 높은 모듈러스. 과도한 모듈러스 및 파쇄 강도 손실을 방지하기 위해, 높은 수준의 코드 트위스트화가 회피되었다.
탄소 섬유 코드의 선형 인장 거동을 이중-탄성 특성으로 변환하는 생성 원리는 코드 플라이를 개방하고, 그 안에 RFL 접착제를 삽입하는 것에 기반한다. 그의 개방된 플라이들 사이에 RFL을 갖는 탄소 섬유 코드는 장력 하에서 이중-탄성 인장 거동을 나타낸다.
정의:
코드: 2 개 이상의 플라이화된 얀들을 함께 트위스트화시킴으로써 형성된 제품
코드 플라이: 코드 안의 플라이화된 단일 얀들
Dtex: 10.000 미터 길이를 갖는 얀의 그램 중량
플랫스포팅(Flatspotting): 풋프린트(footprint)에서 수축에 힘이 가해진, 낮은 Tg 및 높은 열 수축을 갖는 타이어에서의 코드들. 이 위치에서 냉각되는 경우, 코드는 사용 중에 그의 Tg에 다시 도달할 때까지 플랫스폿(flatspot)을 유지한다.
그레이지 코드(Greige cord): 침지 및 열-세팅 전의 트위스트화된 코드
열-세팅(Heat-setting): 습기 또는 열에 의해 얀들, 코드들 또는 패브릭들에 대한 치수 안정성 및 내열성을 부여하는 과정.
열-세팅된 코드: 고온에 노출된 코드(예컨대, 장력 하에서 120 ℃ 내지 260 ℃)
선형 밀도: 단위 길이 당 중량(g/dtex 또는 g/d(데니어))
스페이싱(spacing)(s): 다중-플라이 트위스트화된 코드 내에서의 플라이-플라이(ply-to-ply) 상호 거리
2 % 신장시 TASE: 2 % 신장시 응력(cN/dtex)
Tg: 중합체의 유리전이온도
총 공칭 코드 dtex: 공칭 얀 선형 밀도들의 합계(1670x2 코드의 경우 3340 dtex)
트위스트: 얀 또는 코드의 미터 당 그의 축에 대한 선회의 수(t/m 또는 tpm)
매우 높은 모듈러스 얀: 100GPa 초과의 인장 모듈러스
도 1 및 도 2는 각각 통상적인(종래 기술의) 2 및 3-플라이 탄소 섬유 코드의 단면도이다.
도 3은, A가 아라미드 또는 탄소 섬유 플라이(얀)이고, B가 나일론 플라이(얀)인, 통상적인(종래 기술의) 2-플라이 하이브리드 코드의 단면도이다.
도 4는, A가 아라미드 플라이(얀)이고, B가 나일론 플라이(얀)인, 통상적인(종래 기술의) 3-플라이 하이브리드 코드의 단면도이다.
도 5 및 도 6은 각각 통상적인(종래 기술의) 2 및 3-플라이 나일론 코드들의 단면도이다.
도 7은, 2 및 3-플라이 탄소 섬유 코드들에 대해 코드 단면들을 개방하고 후속적으로 코드 플라이들 사이에 침지 관통하는 것을 묘사하며, 여기서
A는 폐쇄된 플라이 형태의 2 및 3-플라이 탄소 섬유 코드들의 단면도이고,
B는 개방된 플라이 형태의 2 및 3-플라이 탄소 섬유 코드들의 단면도이고,
C는 발명에 따른 침지 함침된 형태의 2 및 3-플라이 탄소 섬유 코드들의 단면도이고,
D는 플라이들 사이의 개방부를 채우고 코드 표면을 덮는 접착 딥(RFL)이다.
도 8a는 통상적인 2-플라이 탄소 섬유 코드의 측면도 및 단면도이다.
도 8b는 발명에 따른 개방된 형태의 2-플라이 탄소 섬유 코드의 측면도 및 단면도이다(침지 단계 이전).
도 9a는 통상적인 3-플라이 탄소 섬유 코드의 측면도 및 단면도이다.
도 9b는 발명에 따른 개방된 형태의 3-플라이 탄소 섬유 코드의 측면도 및 단면도이다(침지 단계 이전).
도 10a, 도 10b, 도 10c 및 도 10d는 폐쇄된 및 개방된 형태들의 코드 플라이들의 단면도들이다. D는 코드 직경이고, s는 코드 플라이들 사이의 스페이싱(개방부)이다.
도 11은 탄소 섬유 코드들의 하중-신도 곡선이며, 여기서
1은, 선형 인장 특성을 갖는, Z/S, 200/200 tpm의 트위스트(종래 기술)을 갖는 2000 dtex/2 침지된 탄소 섬유 코드이고,
2는, 발명에 따른 이중-탄성 인장 특성을 갖는, 침지된 Z/S, 200/200 tpm(Z 방향으로 역방향으로 트위스트화된 40 tpm)을 갖는 2000 dtex/2 탄소 섬유 코드이고,
3은 축방향으로 압축된 Z/S 200/200 tpm 트위트화를 갖는 2000 dtex/2 탄소 섬유 코드이며, 코드 플라이들은 발명에 따른 이중-탄성 인장 특성을 갖는 침지 공정 동안 개방된다.
도 3은, A가 아라미드 또는 탄소 섬유 플라이(얀)이고, B가 나일론 플라이(얀)인, 통상적인(종래 기술의) 2-플라이 하이브리드 코드의 단면도이다.
도 4는, A가 아라미드 플라이(얀)이고, B가 나일론 플라이(얀)인, 통상적인(종래 기술의) 3-플라이 하이브리드 코드의 단면도이다.
도 5 및 도 6은 각각 통상적인(종래 기술의) 2 및 3-플라이 나일론 코드들의 단면도이다.
도 7은, 2 및 3-플라이 탄소 섬유 코드들에 대해 코드 단면들을 개방하고 후속적으로 코드 플라이들 사이에 침지 관통하는 것을 묘사하며, 여기서
A는 폐쇄된 플라이 형태의 2 및 3-플라이 탄소 섬유 코드들의 단면도이고,
B는 개방된 플라이 형태의 2 및 3-플라이 탄소 섬유 코드들의 단면도이고,
C는 발명에 따른 침지 함침된 형태의 2 및 3-플라이 탄소 섬유 코드들의 단면도이고,
D는 플라이들 사이의 개방부를 채우고 코드 표면을 덮는 접착 딥(RFL)이다.
도 8a는 통상적인 2-플라이 탄소 섬유 코드의 측면도 및 단면도이다.
도 8b는 발명에 따른 개방된 형태의 2-플라이 탄소 섬유 코드의 측면도 및 단면도이다(침지 단계 이전).
도 9a는 통상적인 3-플라이 탄소 섬유 코드의 측면도 및 단면도이다.
도 9b는 발명에 따른 개방된 형태의 3-플라이 탄소 섬유 코드의 측면도 및 단면도이다(침지 단계 이전).
도 10a, 도 10b, 도 10c 및 도 10d는 폐쇄된 및 개방된 형태들의 코드 플라이들의 단면도들이다. D는 코드 직경이고, s는 코드 플라이들 사이의 스페이싱(개방부)이다.
도 11은 탄소 섬유 코드들의 하중-신도 곡선이며, 여기서
1은, 선형 인장 특성을 갖는, Z/S, 200/200 tpm의 트위스트(종래 기술)을 갖는 2000 dtex/2 침지된 탄소 섬유 코드이고,
2는, 발명에 따른 이중-탄성 인장 특성을 갖는, 침지된 Z/S, 200/200 tpm(Z 방향으로 역방향으로 트위스트화된 40 tpm)을 갖는 2000 dtex/2 탄소 섬유 코드이고,
3은 축방향으로 압축된 Z/S 200/200 tpm 트위트화를 갖는 2000 dtex/2 탄소 섬유 코드이며, 코드 플라이들은 발명에 따른 이중-탄성 인장 특성을 갖는 침지 공정 동안 개방된다.
발명의 상세한 설명
매우 높은 모듈러스 및 높은 강도를 지닌 탄소 섬유는, 매우 차원적으로 안정적인 재료이다. 그의 고도 결정성 미세구조로 인해, 이것은 고온에 노출되었을 때 유의적인 열 수축을 나타내지 않는다. 2 또는 3-플라이 코드와 같은 트위스트화된 형태에서, 이것은 타이어 및 V-벨트들과 같은 기계적인 고무 제품에서 보강재로서 사용될 수 있다(도 1 및 2). V-벨트 적용들에서, 섬유-섬유 마찰들을 방지하고 굽힘 피로 내성을 개선시키기 위하여, 섬유들은 접착제 엘라스토머들로 전체적으로 함침된다(완전 관통).
코드 트위스트화는, 탄소 섬유의 굽힘 및 압축 피로 내성을 개선시키지만, 동시에 모듈러스 및 강도를 감소시킨다.
공기압 레이디얼 타이어들에서의 0도(zero degree) 캡 플라이 적용들에서, 고속 조건들 하에서 벨트 엣지 분리들을 방지하도록 구속력을 위해 높은 모듈러스가 필요하지만, 벨트 스킴 컴파운드(belt skim compound)를 통한 코드 절단을 피하기 위해, 타이어 제작 및 경화 공정들에서 벨트 패키지의 리프팅 도중에 가공성을 위해서는 낮은 힘으로 초기 확장성(초기 낮은 모듈러스)이 또한 필요하다.
아라미드/나일론 하이브리드 코드는 이 문제점을 해결하지만, 나일론의 존재는 플랫스폿 문제 및 비대칭 코드 구조를 생성시킨다(도 3 및 도 4).
2 또는 3-플라이 나일론 6 또는 6.6 코드들(도 5 및 도 6)은 레이디얼 승용차 및 경량 트럭 타이어에서의 캡 플라이로서 잘 알려진 보강재이지만, 플랫스폿 및 낮은 수준의 모듈러스가 그들의 주요 단점들이다.
본 발명에 따르면, 나일론과 같이 낮은 모듈러스 구성요소 플라이가 없고 아라미드보다 높은 인장 모듈러스를 갖는 2 개 이상의 플라이 탄소 섬유 코드들이 이중-탄성 인장 성질들로 제조될 수 있다(도 7). 이러한 신규한 이중-탄성 탄소 섬유 코드들은 고속 내구성을 개선시키기 위해 레이디얼 타이어들에서 0도 캡 플라이로서 사용될 수 있으며, 플랫스포팅을 나타내지 않는다.
발명에 따르면, 이중-탄성 탄소 섬유 코드의 기본 제조 원리는, 코드 플라이들을 개방하고, 플라이들 사이에 접착제를 삽입하는 것이다. 이들의 플라이들 사이의 RFL과 같은 높은 백분율의 접착제를 함유하는 탄소 섬유 코드는, 낮은 힘들로 확장될 수 있으며, 이 확장 동안 탄소 섬유 코드 플라이들은 접착 재료(RFL)에 압축력을 가하고 이것을 스퀴징한다(squeeze). 이 압착 공정 동안, 코드는 낮은 힘들로 신장된다. 탄소 섬유 코드 플라이들이 서로 접근한 후, 탄소 섬유 코드는 신장에 대해 내성을 갖고, 이것은 다시 매우 높은 모듈러스 코드가 된다(도 11).
이중-탄성 인장 특성들을 얻기 위해서, 탄소 섬유 코드 플라이들은 여러 방법들로 개방될 수 있다:
a - 2 개 이상의 플라이 그레이지(greige) 탄소 섬유 코드들은 120 ℃ 내지 260 ℃의 온도에서 열-세팅되고, 냉각 후, 그들은 코드 트위스트의 반대 방향으로 부분적으로 역-트위스트화된다(back-twist). 이 역-트위스트화 공정 도중, 코드 플라이들이 개방된다(도 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 10c 및 10d). 이의 개방된 플라이들을 갖는 탄소 섬유 코드들은 다시 침지되고 열-세팅되며, 이 공정 도중, 코드 플라이들 사이의 보이드(void)들은 침지 용액으로 채워지고, 코드 플라이들의 외부 표면도 또한 침지 용액으로 덮여진다.
b - 2 개 이상의 플라이 그레이지(greige) 탄소 섬유 코드들은 120 ℃ 내지 260 ℃의 온도에서 침지되고 열-세팅되고, 냉각 후, 그들은 코드 트위스트의 반대 방향으로 부분적으로 역-트위스트화된다(back-twist). 이 역-트위스트화 공정 도중, 코드 플라이들이 개방된다. 이의 개방된 플라이들을 갖는 탄소 섬유 코드들은 다시 침지되고 열-세팅되며, 이 공정 도중, 코드 플라이들 사이의 보이드(void)들은 침지 용액으로 채워지고, 코드 플라이들의 외부 표면도 또한 추가의 침지 용액으로 덮여진다.
c - 2 개 이상의 플라이 탄소 섬유 코드들은 침지 공정 도중에 축방향 압축이 가해지고, 압축 하에서 개방된 플라이들을 갖는 코드는 개방 코드 플라이들 사이에서 침지 용액을 흡수한다. 침지 공정 후, 플라이들 사이에서 침투된 침지 용액을 갖는 탄소 섬유 코드들은 120 내지 260 ℃에서 건조되고 열-세팅된다.
탄소 섬유 코드의 인장 이중-탄성 특성은 도 10b 및 도 10d에서의 플라이 개방 정도, 침지 유형, 플라이 사이의 침지 함량, 및 고온에서의 침지의 경화 정도(침지 경도)에 따라 변할 수 있다.
발명에 따르면, 2 개 이상의 플라이 탄소 섬유 코드는 ASTM D885-16에 따라 결정된 2 % 신도에서 2.0 cN/dtex TASE 값 미만을 갖고, 접착제 침지로 채워진 코드 플라이들 사이의 스페이싱(s)은 0.15xD보다 높고 0.8xD보다 작다.
2.0 cN/dtex보다 높은 2 % TASE는 타이어의 공정 리프트 도중에 캡 플라이로서 적용될 때 조밀한 코드들을 가져온다.
바람직하게는, s는 0.2xD보다 크고 0.5xD보다 작다.
발명에 따르면, 침지된 코드의 침지 픽 업(dip pick up)(DPU)은 20 중량% 초과 50 중량% 미만, 바람직하게는 25 중량% 초과 35 중량% 미만이다.
10 % 미만의 DPU는 코드 플라이들 사이의 개방부를 완전하게 채울 수 없으며, 50 % 초과의 DPU는 너무 두꺼운 코드 직경을 초래한다.
발명에 따르면, 코드의 트위스트 인자는, 하기 식에 기초하여 결정되는, 12,000 초과 20,000 미만이다.
트위스트 인자 = 코드 트위스트(tpm) x 총 공칭 코드 dtex의 제곱근 (1)
트위스트 인자 12,000 미만의 코드들은 굽힘 하에서 불충분한 피로 내성을 갖고, 트위스트 인자 20,000 초과의 코드들은 유의적인 모듈러스 감소를 갖는다.
발명에 따르면, 총 공칭 코드 선형 밀도는 200 dtex 초과 5000 dtex 미만이다.
200 dtex 미만의 코드들은 충분하게 효과적이지 않으며, 5,000 dtex 초과의 코드들은 너무 두껍다.
Claims (8)
- 적어도 2 개의 플라이를 가지며,
2.0 % 신장시 2.0 cN/dtex TASE 미만을 갖는 코드 플라이 사이에 스페이싱(s)을 갖는, 침지되고 열-세팅된 탄소 섬유 코드로서,
코드 플라이 사이의 스페이싱(s)은 코드 직경(D)의 15 %보다 길고 80 %보다 짧은, 침지되고 열-세팅된 탄소 섬유 코드.
- 제1항에 있어서,
상기 코드의 코드 플라이 사이의 스페이싱(s)은 바람직하게는 코드 직경(D)의 20 %보다 길고 50 %보다 짧은, 침지되고 열-세팅된 탄소 섬유 코드.
- 제1항에 있어서,
상기 코드의 접착 딥 픽업(DPU)(dip pick up)은 20 중량% 초과 50 중량% 미만인, 침지되고 열-세팅된 탄소 섬유 코드.
- 제1항에 있어서,
상기 코드의 접착 딥 픽업은 25 중량% 초과 35 중량% 미만인, 침지되고 열-세팅된 탄소 섬유 코드.
- 제1항에 있어서,
식(1)에 따라 계산되는 바람직하게는 12,000 내지 20,000의 트위스트 인자를 갖는, 침지되고 열-세팅된 탄소 섬유 코드.
- 제1항에 있어서,
200 dtex 내지 5,000 dtex로 총 공칭 선형 밀도를 갖는, 침지되고 열-세팅된 탄소 섬유 코드.
- 제1항에 있어서,
공기압 레이디얼 타이어에서 벨트 패키지 상의 원주방향으로 권취된 캡 플라이로서 사용되는, 침지되고 열-세팅된 탄소 섬유 코드.
- 제1항에 있어서,
보강 기계적 고무 제품으로서 사용되는, 침지되고 열-세팅된 탄소 섬유 코드.
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