KR100186749B1 - 내열성 폴리우레탄 벨트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내열성 및 내한성이 있는 이음매 없는 벨트(10)에 관한 것이다.

벨트 (10)은 엘라스토머로부터 제조된 벨트 주체 부분(12)과 주체 부분(12)에 위치한 인장 부재(20)를 포함한다. 활차바퀴 접촉 부분 (14)는 주체 부분(12)과 일체를 이루어 형성된다. 엘라스토머 물질은 내열성 및 내한성을 갖는다. 엘라스토머 물질은 아민 또는 히드록시 말단 풀리올, 히드록시 또는 아민 말단 연쇄 연장제, 및 상기 연장제와 주형내에서 혼합되었을 때 신속하게 반응하여 벨트의 열 숙성시에 유연성 및 탄성을 보유하는 폴리이소시아네이트-함유 조성물의 반응 생성물로부터 제조된다.

Description

[발명의 명칭]

내열성 폴리우레탄 벨트

[기술분야]

본 발명은 전반적으로 이음매 없는 폴리우레탄 벨트에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 개량된 엘라스토머 조성물 및 구성물로부터 형성된 개선된 벨트에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 작동시 동적 하중하에 우수한 내열성을 가지는, 동력 전달 벨트, V-벨트, 미세한 골이 파인(micro-ribbed) 벨트등의 형태를 취하는 개선된 이음매 없는 벨트에 관한 것이다.

[배경기술]

폴리우레탄 엘라스토머로부터 제조된, 동력 전달 벨트, V-벨트, 마이크로-V벨트 또는 미세한 골이 파인 벨트등과같은 이음매 없는 벨트는 통상적인 고무벨팅에 다수의 중요한 장점을 제공하는 것으로 공지되어 왔다. 이러한 장점들중에 엘라스토머 벨트의 굴곡 피로에 대한 감수성이 보다 적다는 장점으로 말미암아 이러한 벨트는 보다 적은 활차바퀴 주위로 동륜시킬 수 있으며, 향상된 하중 수명을 나타낸다. 종래의 고무 톱니형 벨트를 제조하는 데 다수의 단계가 필요한 것에 비해, 이러한 벨트는 단일 조작으로 진공 스핀 주조, 사출 성형 또는 회분식 주조할 수 있다. 그러나 다수의 주조 가능한 타이밍 벨트, 구체적으로 우레탄으로 제조된 벨트는 재료의 마찰 계수에 차이가 있는 것에 어느 정도 기인하여 이에 필적하는 고무 벨트보다 소음이 큰 경우가 많다. 우레탄 벨트는 보다 큰 모듈러스를 가지며 일반적으로 사슬 톱니 바퀴 또는 활차바퀴를 드나들때 공격적이며 계면에서 상당한 열이 발생한다. 이러한 열 발생은 벨트의 효율을 저하시키며, 보다 높은 작동 온도를 사용할 경우 모듈러스를 변화시켜 톱니의 인열 강도를 저하시키거나 엘라스토머 몸체와 그 내부에 매립된 인장 코드간의 결합을 침해함으로써 벨트의 수명을 저하시킬 수 있다.

동력전달 벨트, V-벨트 및 미세한 골이파인 벨트의 예는 미합중국 특허 제 3,138,96 2호, 제 3,200,180호 제 4,330,287호 및 제 4,322,576호에 개시되어 있다. 이러한 벨트의 제조예는 상기 미합중구 특허 제 3,200,180호 및 제 3,772,928호와 제 4,066,732호에 개시되어 있다. 전술한 특허 참조 번호는 벨트 유형의 예 및 이들의 제조 기술적 수준만을 개시하고 있다.

이러한 벨트의 소음 및 열 발생 문제에 대한 한가지 해결책으로, 사슬 톱니바퀴의 톱니 또는 플랜지와 접촉하게 되는 벨트의 표면 근처로 부터 가능한 한 다량의 엘라스토머를 유리시키거나 제거함으로써 벨트 표면과 맞물리는 시이드(sheath)의 마찰계수를 감소시켰다. 이러한 해결책은 미합중국 특허 제 3,772,929호에 게재되었다. 소음과 열 변성 문제를 처리하는 또 다른 방안은 미합중국 특허 제 3,964,328호에 개시되어 있다. 상기 특허에서는 주조 작업시 엘라스토머 불투과성 물질의 층을 사용하여 내마모성 직물의 한 면에 부착시켰다.

전술한 참조 문헌에서는 주로 스핀 주조 및 사출 성형된 폴리우레탄을 주성분으로 하는 엘라스토머를 다루고 있다. 이러한 폴리우레탄을 주성분으로하는 엘라스토머는 통상적으로 폴리올과 같은 비교적 높은 당량 중량의 활성 수소-함유 물질과 연쇄 연장제와 같은 비교적 낮은 당량 중량의 활성 수소-함유 물질을 폴리이소시아네이트와 함께 반응시켜서 제조한다. 엘라스토머를 제조함에 있어서, 통상적으로 반응성 성분 및 임의의 촉매 또는 기타 임의의 첨가제를 혼합하여 반응시킨 후에 적당한 형태의 주형에 옮겨서 제제를 경화시킨다. 통상적으로 사출 성형에 있어서, 혼합한 물질을 반응시키고 가열한 후 저온의 주형에 사출하여 제품을 고화 및 응고 시킨다. 벨트 보강용의 임의의 인장성 성분은 주형에 미리 넣는다. 엘라스토머를 주형내에서 주조된 형태를 유지할 수 있을때까지 경화시킨 후에 엘라스토머를 주형에서 꺼내고 중합화가 완결될 때까지 후-경화처리하는 방법이 실용된다. 이러한 방법에 있어서, 주형을 보다 많이 사용하여 생산률을 향상시킬 수 있다.

주어진 시간내에 가능한 한 많은 주조품, 즉 벨트를 생산하는 것이 바람직하므로, 주형내에서의 체재시간을 가능한한 단축시키는 것이 중요하다. 따라서 , 엘라스토머 제제를 비교적 신속하게 주형내에서 경화시키고 이 상태에서 주형에서 꺼낸후 후-경화처리하는 것이 바람직하다. 그러나 회분식 공정에 있어서는, 제제의 회분된 성분을 혼합하고 혼합물을 주형에 옮기는데 어느정도 시간이 소요되므로, 제제를 너무 빨리 경화시키지 않을 필요가 있다. 엘라스토머 시이드를 일단 주형에서 꺼내고 후-경화처리한 후에는, 이를 벨트로 절단한다.

또한 회분식 공정과 표준 열경화성 사출 성형이외에, 반응 사출 성형(RIM)은 신속한 혼합, 반응 및 다량의 신속한 경화 우레탄 재료의 주조를 위한 기술이다. RIM 폴리우레탄 재료는 그들의 가벼운 중량이 에너지 보존에 기여하므로 다양한 자동차의 외장용으로 쓰이지만, 통상적으로 RIM 폴리우레탄 재로는 벨트 제조와 같은 동적 용도에 쓰이지 않는다. 일반적으로 RIM 재료는 활성 수소-함유 물질과 폴리이소시아네이트를 신속하게 혼합하고, 혼합물을 주형에 사출함과 동시에 반응을 수행함으로써 제조된다. 상기 활성 수도-함유 물질에는 고분자량의 다가 폴리에테르 및/또는 저분자량의 활성 수소-함유 물질, 예를들면 연쇄 연장제가 포함된다. 또한 자동화 외장용 RIM 재료는 통상적으로 매우 빠르게 반응시키고 1-2분 이내에 주형에서 꺼낸다. 반응 시키고 주형에서 꺼낸후, 재료를 약 250℉ 또는 그 이상의 주위 온도에 4-24시간 동안 방치하여 부가로 경화 처리할 수도 있다. 그러나, 극도로 짧은 반응 시간으로 말미암아 형태학적 구조를 제어하지 못할 수 있다.

전형적인 RIM 엘리스토머 및 그들의 제조방법은 미합중국 특허 제 4,806,615호, 제 4,742,090호,제 4,404,353호, 제 4,732,919호, 제 4,530,941호 및 제 4,607,090호에 개시되어 있다. 허용된 RIM 실행의 전형적인 방법은 반응에 앞서 이소시아네이트를 제외한 모든 성분을 하나의 용기(B-측)에 넣고 이소시아네이트를 다른 용기(A-측)에 넣은 후, 주형내에서 A측 및 B측 성분을 함께 혼합하는 것이다. 미합중국 특허 제 4,297,444호는 이러한 통상적인 방법의 변형예를 개시하고 있다. 이러한 변형예에서는, 고분자량 폴리에테르의 일부와 이소시아네이트의 일부간의 반응을 수행하고, 이어서 연쇄 연장제와 남아있는 폴리에테르를 RIM 방법으로 전구중합체와 함께 혼합하여 각 성분들을 반응시킴으로써 RIM 폴리우레탄 엘라스토머를 제조한다.

전술한 바와 같이 RIM 엘라스토머는 자동차 계기판 및 기타 부분품, 예를들면 바퀴 덮개, 핸들, 계기판, 및 기타 다양한 구조적 유연성 부품으로 용이하게 쓰인다. RIM 기술의 중요한 장점은 혼합, 반응, 및 사출 성형을 모두 동시에 수행하여 주형내에서의 체재 시간을 감소시킨다는 점이다. 따라서 RIM 엘리스토머는 다양한 소비재 및 산업 분야에 광범위하게 이용된다.

그러나 전술한 바와 같이, 이음매 없는 벨트의 사용이 불가피한 특정의 제품 용도에 있어서, 정적 및/또는 비-가하된 경우와 달리 벨트에 외부의, 동적하중(dynamic loading)을 부하할 필요가 있다. 또한 자동차 타이밍 및 동력 전달 벨트, V-벨트, 미세한 골이 파인 벨트등과 같은 특정의 용도에 있어서, 이러한 벨트종류는 동적 하중 조건하에 극도의 고온 및 저온하에 놓이게 된다. 이러한 상황에서, 폴리우레탄 엘라스토머 벨트는 장기간 사용할 수 없다. 왜냐하면 이들은 고온 및 저온에서의 동적 하중하에 구부러지고 및/또는 균열되기 쉽기 때문이다. 따라서 벨트의 형태가 동력 전달 벨트, V-벨트, 미세한 골이 파인 벨트이든지 그렇지 않든지, 우수한 내하중성을 가질 뿐만 아니라 고온 및 저온하에 동적 하중을 견뎌내는데 필요한 특성을 가진 폴리우레탄 엘라스토머 벨트가 요구된다.

[발명을 수행하기 위한 최선의 방식]

도1를 참조하면, 전형적인 정구동력 전달 벨트(10)이 도시되어 있다. 벨트(10)은 엘라스토머 주체 부분(14)를 포함하고 있다. 이와같은 특별한 활차바퀴 접촉 부분(14)는 톱니바퀴(tooth) (16)과 지면 부분(land) (18)이 서로 번갈아 있는 형태이다. 인장층(20)이 벨트(10)에 대한 지지체 및 강도를 제공하기 위해서 주체 부분(12)안에 위치해있다. 도시된 형태에 있어서, 인장층 (20)은 주체부분(12)의 길이를 따라 장방향으로 일렬정렬된 다수의 코드(22)의 형태이다. 그러나, 당해 기술분야에 공지된 임의의 유형의 인장층(20)을 이용할 수 있음을 알아야한다. 또한, 코튼, 레이온, 나일론, 폴리에스테르, 아라미드, 스틸 및 심지어는 저운반 용량을 위해 배향된 불연속 파이버같은 소정의 재료를 인장부재로서 사용할 수 있다. 도1의 바람직한 구체예에 있어서, 인장층(20)은 상표명 Kevlar로 시판되는 아라미드 섬유로 만든 코드(22)의 형태이다. 다른 바람직한 코드로는 도1에서와 같은 동력 전달 벨트용 유리섬유 및 탄소 필라멘트, 및 도2에서와 같은 V-벨트용 폴리에스테르를 들 수 있다.

강화 직물(24)를 이용할 수 있으며 이는 벨트(10)의 번갈아 있는 톱니(16)과 번갈아 있는 지면 부분(18)을 따라 밀접하게 고정되어 표면 커버를 형성한다. 상기 직물은 임의의 소정의 각도에서 낱실 및 씨실로 이루어진 통상적인 직포와 같은 임의의 소정의 외형을 가질 수 있거나 또는 니트 또는 브레이드 모양의 간격을 둔 피켓 코드(picket cord)에 의해 일제히 유지되는 날실로 이루어질 수 있다. 한겹 이상의 직물을 이용할 수 있다. 필요에 따라, 직물(24)를 바이어스로 절단할 수 있으므로 스트랜드가 벨트의 운동방향과 각을 이룰 수 있다. 코튼, 폴리에스테르, 폴리아미드, 대마, 황마, 유리섬유 및 기타 다양한 천연 및 합성 섬유와 같은 재료를 이용하는 통상적인 직물을 이용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 구체예에 있어서, 직물층(24)는 날실 또는 씨실중 최소한 하나가 나일론으로 제조되는 팽창가능한 내마모성 직물로 구성된다. 바람직한 형태에 있어서, 직물층(24)는 나일론 66 스트레치 직물로 만들어진다.

도2와 관련하여, 당해 기술 수준 또는 표준의 V-벨트 (26)이 도시되어 있다. V-벨트(26)은 도1의 것과 유사한 엘라스토머 물질의 주체부분(12) 및 도1의 것과 유사한,코드(22) 형태의 인장 강화 부재(20)을 포함한다. V-벨트(26)의 엘라스토머 주체(12) 및 코드(22)는 도1에 대하여 전술한 바와 동일한 재료로 제작할 수 있다.

또한 V-벨트(26)은 도1의 동력 전달 벨트에서와 마찬가지로 활차바퀴 접촉 부분(14)를 포함하고 있다. 그러나 이러한 구체예에 있어서, 활차바퀴 접촉 부분(14)는 노치(notch) 함몰 표면 또는 골 (28)과 톱니모양의 돌출부(30)이 서로 번갈아 갖는 형태이다. 바람직하게 이와같이 번갈아 있는 노치 함몰 표면(28)과 톱니 돌출부(30)은 도시한 바와같이 사인 곡선 경로를 따르는 것이 바람직한데, 활차바퀴 접촉 부분(14)가 도르래 및 활차바퀴의 둘레를 통과할 때 급힘 응력을 분포 및 최소화 시키는데 기여한다.

도3과 관련하여, 마이크로-V 또는 미세한 골이 파인 벨트 (32)가 예시되어 있다. 마이크로-V 벨트 (32)는 도1 및 도2의 벨트에서와 마찬가지로 엘라스토머 주체 부분(12)를 포함하고 있고 또한 바람직하게는 전술한 바와같은 코드(22) 형태의 인상 강화 부재(20)을 포함한다. 활차바퀴 접촉 부분(14)는 다수의 장방향으로 일렬정렬된 리브(rib) (34)의 형태이며, 상기 리브는 벨트(32)의 구동 표면을 한정하는 서로 마주보고 있는 면을 가진 다수의 골 영역(38)에 의해 서로 번갈아 위치하는 다수의 상승된 영역 또는 정점(36)을 포함한다. 도1 내지 도3의 각각의 경우에 있어서, 활차바퀴 접촉 부분(14)는 주체 부분(12)와 입체를 이루고 있고 하기에 더욱 상세히 기술되는 동일한 엘라스토머 물질로부터 제조된다. 본 발명을 도1 내지 도 3에 도시된 구체예들과 관련하여, 구체적으로 도1에 도시된 정구동력 전달벨트와 관련하여 설명하였지만 본 발명은 전술한 특별한 구체예 또는 형태에 제한되는 것이 아니라 첨부된 특허청구의 범위내의 임의의 이음매 없는 벨트 구조에 대하여 적용될 수 있는 것임을 알아야 한다.

벨트 기능성의 몇가지 중요한 인자로는 벨트의 열 숙성에 관려된 내열성 및 내한성, 굴곡 숙성 및 온도에 관련된 탄성 또는 신장성 및 열 숙성에 대한 취성이 있다. 폴리우레탄 벨트의 고온 치수 안정성에는 두가지의 중요한 측면들이 있다. 도1의 측면은 고온하에서의 벨트의 늘어짐 또는 굽힘성이고, 도2의 측면은 동적 하중 조건에서 사용할 때 고온 또는 저온에 대한 노출의 결과로서 발생하는 치수의 영구 수축 또는 팽창이다. 종래 기술의 벨트에 있어서, 동적 하중하에서 상승된 또는 저하된 온도 극한치에 대한 이러한 인자들을 예측하는 것은 불확실하다. 그러나, 본 발명은 285℉ 이상의 온도까지 상승 될때 동적 하중 작동하에서 이러한 늘어짐 및 굽힘을 방지하고 모듈러스를 유지한다. 또한,본 발명의 벨트는 약 -75℉와 같은 낮은 온도를 포함하는 저온의 상황하에서도 아주 성능이 우수하다.

본 발명에 유용한 폴리올, 폴리이소시아네이트 및 연쇄 연장재들은 앞서 언급한 미합중국 특허 출원 제 07/633,520호에 아주 상세히 기술되어 있으며, 상기 특허 문헌의 내용들은 본문중에 참고 인용하였다. 따라서, 더 상세한 사항들은 본원에 다시 반복할 필요는 없다. 그러나, 본 발명에 유용한 폴리올로는 폴리에테르 폴리올, 폴리에스테르 폴리올 등이 있다 . 바람직한 폴리올로는 프로필렌 옥사이드, 에틸렌 옥사이드 또는 폴리테트라메틸렌 옥사이드와 같은 알킬렌 옥사이드가 있다. 더욱 바람직한 폴리올은 약

5500-6000의 평균 분자량을 갖는 폴리프로필렌 옥사이드이다.

본 발명의 바람직한 엘라스토머 벨트에서 중요한 인자는 매우 낮은 불포화도(즉, 단일 반응성 부위를 갖는 분자의 수)를 갖는 폴리올을 사용하는 것을 포함한다. 불포화도가 높을수록, 폴리올에서 단일 작용성 화학종의 숫자가 많아진다. 따라서, 불포화도가 낮을수록, 폴리올에서 분자당 반응성 부위의 작용성 또는 숫자가 높아진다. 이미 개발된 RIM 엘라스토머로 제작한 동력 전달 벨트가 고온에서 의외로 균열을 일으킨다는 것이본 발명의 벨트의 개발과정중에 발견되었다. 또한, 불포화도를 감소시킴으로써 조기 균열 문제가 완화된다는 것을 차후에 발견하였다. 0.03-0.04 meq/g의 불포화도를 갖는벨트의 테스트 결과 275℉에서는 1157시간 및 1259시간의 벨트 지속기간을 나타냈고 실온에서는 2335시간의 벨트 지속시간을 나타냈다. 그러나, 0.07meq/g 이상의 불포화도를 갖는 벨트는 275℉에서는 겨우 478시간의 벨트 지속 시간을 나타냈고 실온에서는 921 시간의 벨트 지속시간을 나타냈다. 따라서, 바람직한 폴리올 불포화도는 샘플 1g 당 최소한 0.06밀리당량 정도로 낮고 바람직하게는 0.03meq/g이하이다.

폴리이소시아네이트-함유 조성물은 폴리이소시아네이트만으로 구성될 수도 있고, 또한 포리이소시아네이트와 폴리올 일부 또는 전부와의 전구중합체 혼합물일 수도 있다. 그러나, 본 발명에서 소정의 폴리이소시아네이트 전구중합체(즉, 약 15중량 % 또는 그 이하의 NCO 함유)를 사용하는 것은 매우 중요한 것으로 밝혀졌다. 종래에 비동적 하중하에 사용하는 경우의 RIM 엘라스토머로는 일반적으로 염기성 이소시아네이트 엘라스토머(약 32 중량% 이상의 NCO 함유) 또는 준전구중합체 (약 16-25중량 %의 NCO함유)를 사용하였다. 그러나, 동적하중하에서 그러한 엘라스토머를 사용하는것은 전술한 바와같이 만족스럽지 못하였다.

본 발명의 엘라스토머 물질을 제조하는 과정에서 전구주합체를 형성시키는데에는 다양한 종류의 폴리이소시네이트를 사용할 수 있다. 바람직한 폴리이소시아네이트는 분자당 2개 이상의 -NCO기를 함유하는 방향족 폴리이소시아네이트이다. 위에서 참고인용한 특허출원에 설명되어 있는 바와같이 다양한 종류의 방향족 폴리이소시아네이트를 사용할 수도 있지만, 폴리이소시아네이트는 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI) 가 바람직하다. 바람직한 전구중합체는 폴리이소시아네이트와 폴리올의 반응생성물로서 폴리이소시아네이트가 적어도 약간 과량 존재하는 것이다. 본 발명에서 사용하기 위해서 어떤 방향족 폴리이소시아네이트를 선택하더라도, 선택된 연쇄연장제와 혼합하는 경우 반응시간을 단축시킬 수 있다. 이와같은 방법으로, 포트수명이 적어도 약 5분인 주조시스템과는 달리 반응시간이 약 5초인 RIM 방법에 상기 두 물질의 혼합물을 사용할 수 있다.

선택된 특정 폴리이소시아네이트와 상관없이, 전구중합체는, 약 3-25 중량%의 -NCO, 특히 약 7-12 중량 %의 -NCO로 이루어진 이소시아네이트 조성물을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 폴리올에 대한 폴리이소시아네이트의 화학양론적 혼합비는 NCO/OH의 반응성 비율로 표시할때 약 0.90-1.20이 바람직하며 약 1.01-1.03이 더욱 바람직하다.

본 발명에 유용한 연쇄연장재는 전구중합체와의 급속한 반응이 가능하도록 선택된다. 연쇄연장제는 지방족 히드록시화합물을 포함할 수도 있고, 또한 지방족 또는 방향족의 아민말단 화합물일수도 있다. 본 발명의 한 내열성 벨트의 구체예에 있어서, 연쇄연장재는 히드록시 또는 아민 말단 화합물일 수 있다. 본 발명의 다른 바람직하나 구체예에 있어서, 특히 본 발명의 벨트가 이하에 상세히 설명하는 반응 사출성형(RIM)방법에 의해 생산된 것인 경우, 연쇄연장제로는 방향족아민이 바람직하다. 구체적으로, 방향족 아민 연쇄 연장재는 MOCA 또는 MBOCA로 더 잘 알려져있는 4,4'-메틸렌비스(오르토클로로아닐린)이다.

벨트가 반응 사출형성에 의해 제조되는 본 발명의 바람직한 구체예에 있어서, 연쇄 연장제는 연쇄연장제와 폴리올의 합량에 대하여 약 20-100 중량 % 분량으로 존재하는 방향족아민 MOCA가 바람직하다. 이 조성물은 MOCA가 연쇄연장재와 폴리올의 합량에 대하여 약 35-40중량 %로 존재하도록 선택되는 것이 더욱 바람직하다. 또 다른 RIM 반응 제품의 구체예에 있어서, 이소시아네이트 반응 폴리올은 B측성분이 폴리올에 대하여 100%의 연쇄연장제, 바람직하게는 MOCA로 구성되로록 RIM 방법의 A측 성분을 형성한다. 이러한 방법으로, 경질 분절 형성 속도 및 이후의 상분리 속도를 잘 조절할 수 있는데, 그이유는 이러한 경우의 이소시아네이트는 후술하는 바와같이 RIM 사출중의 두 경쟁반응에 관하지 않기 때문이다.

본 발명의 더욱 바람직한 형태는 폴리올이 에틸렌옥사이드가 캡핑된 분자량 5500-6000의 폴리프로필렌옥사이드이고, 연쇄연장제는 MOCA와 폴리올의 합량에 대하여 약 35-40중량%로 존재하는 MOCA이고, 전구중합체는 반응된 폴리올과 MDI를 포함하여 8-9%의 NCO를 형성하는 엘라스토머 조성물을 가진 엘라스토머벨트이다.

본 발명에 의한 벨트의 엘라스토머 조성물의 일부로서 다른 부가의 화합물들을 사용할 수도 있다. 이러한 화합물에는 성분들의 반응시간을 단축시키는 촉매가 포함된다. 촉매는 당해 기술분야에 공지된 바람직한 화합물로부터 선택할 수 있으며 유기-금속 화합물, 3차아민, 및 알칼리금속 알콕사이드로부터 선택되는 것이 바람직하다. 그러나, 폴리우레아우레탄은 촉매사용 여부에 관계업시 제조할 수 있다. 가장 전형적으로 아민 말단기를 함유하지 않는 폴리올은 전술한 바와같이 촉매를 사용함으로써 제조된다. 촉매로서 유용한 유기-금속 화합물로는 주석, 수은, 철, 아연, 비스무스, 안티몬, 코발트, 망간, 바나듐, 구리등의 지방족 비누화물이 적합하나 반드시 이들에만 한정되는 것은 아니다. 그 예로는 C_2-20카르복실산인 유기 리간드를 포함하는 것으로서 디라우르산 디부틸주석, 디라우르산 디메틸주석, 프로피온산 페닐수은, 나프탈렌산 구리등을 들수 있다. 본 발명의 조성물에 대하여 특히 바람직한 촉매는 네오데칸산 비스무스이다. 금속성 촉매는 또한 열 속성 및 굴곡시간이 경과함에 따라 본 발명에 의한 벨트의 유연성 및 탄성을 유지하는데 도움을 주는 것으로 생각된다. 이와같이, 본 발명의 벨트는 열숙성에 의해 종래기술의 고무벨트와 같이 경질화되는 것이 아니라 그 연성이 유지되는 경향이 있으며, 금속성 촉매는 이러한 특성에 기여하는 것으로 생각된다.

본 발명은 또한 본 발명에 따라 구성된 벨트의 가공시 또는 작동시에 도움이 되도록 또 다른 각종 첨가제들을 사용할 수 있다. 예를들면, 본 발명의 엘라스토머 벨트가 동력전달 벨트 형태인 경우에는 향산화제가 특히 유용하다. 적합한 항산화제에는 2,6-디-t-부틸페놀 및 치환된 알칸산의 부자유 페놀의 폴리알킬렌 글리콜 에스테르가 포함된다. 그 예에는 에틸렌 글리콜의 3-메틸-5-t-부틸-4-히드록시벤조산에스테르 및 트리메틸렌글리콜의 비스{3-(3-메틸-5-t-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트}가 포함된다. 후자의 예는 상품명 Irganox245로서 시바-가이기로부터 구입할 수 있는 바람직한 제품이다.

벨트 엘라스토머 조성물에 부가할 수 있는 또 다른 첨가제로는 바람직하게는 실리콘 윤활제 형태의 슬립 작용제, 특히 폴리실록산이 있다. 폴리실록산은 후술하는 바와같이 하중한 중량퍼센트 및 점성도에 따라 약 1,000-3,000범위의 분자량을 갖는 것이 바람직하지만, 2000의 분자량과 20 센티스톡의 점성도를 갖는 것이 바람직하다. 폴리실록산은 본 발명에 있어서 활차바퀴를 통해 벨트가 이동함에 따라 발생하는 소음을 감소시키는데 유용하다. 폴리실록산의 잇점은 우레탄의 경질 분절과 간섭작용을 하기 보다는 연질 분절에 있는 무공체적을 우선적으로 차지함으로 인해 벨트 엘라스토머의 우레탄 분자구조에 영향을 미치지 않는 점인 것으로 밝혀졌다. 결과적으로, 폴리실록산은 엘라스토머 조성물을 통해 엘라스토머 표면으로 용이하게 이동하는 특이한 능력을 가진 것으로 보이며, 이동의 자유도는 폴리실록산 물질의 분자량 및 점성도에 직접 좌우된다. 활차바퀴 접촉부분(14)와 활차바퀴의 계면인 벨트의 표면에서, 폴리실록산은 활차바퀴를 통해 벨트가 이동함으로써 발생되는 소음을 감소시키는 데 도움이 된다. 폴리실록산의 분자량이 너무 낮으면, 폴리실록산의 분자들은 벨트 외부로 너무 확산되는 경향이 있다. 이러한 경향은 벨트의 수명기간중 벨트의 소음방지능을 조기에 제거시킨다. 반면, 분자량이 너무 높으면, 폴리실록산 분자가 너무커서 엘라스토머를 통해 그 표면으로 용이하게 이동하지 못한다. 일단 표면에 있는 초기의 폴리실록산층이 고갈되면, 벨트 표면으로의 확산이 서서히 이루어짐으로 인해 나머지 벨트 전반에 걸쳐 폴리실록산의 소음감소능이 저하된다.

본 발명에 있어서 슬립 작용제의 작동 변수를 측정하기 위해, 일련의 테스트를 수행하였다. 첫번째 테스트에서, 1중량 % 수준의 시판되는 폴리디메틸실록산(PDMS)첨가제를 사용하여 벨트세트를 제조하였다. 상기 PDMS 첨가제는 이 첫번째 테스트에서 광범위한 분자량을 나타냈다. 분자량이 상이한 PDMS를 사용한 것 이외에는 본 발명의 방법과 동일한 방법으로 폴리우레탄 벨트들을 제조하고, 이 상이한 벨트들을 1987년형 Celebrity Serpentine 추진기와 Mercedes 190 D 엔진상에서 소음도를 테스트했다. 첫번째 태스트결과를 하기 표I에 수록했다.

[표 I]

표 I의 데이타로부터 알 수 있는 바와같이, 적절한 분자량을 갖는 폴리실록산 첨가제를 선택하는 것이 매우 중요하다는 것이 입증되었다. 즉 저분자량의 첨가제가 테스트기간, 즉 Mercerdes 엔진상에서 750시간 및 Chevy 엔진상에서 4,000시간 이상 소음이없는 벨트 제공하였다. 그러나 분자량이 증가되면, 벨트들은 비교적 짧은 시간내에 소음을 발생시켰다. 이것은 고분자량의 폴리실록산이 서서히 그 연질 분절을 통해 분리되어 윤활제로서 효과적인 기능을 수행할 수 없게 되기 때문에 벨트는 그 표면상에 존재하는 윤활제가 모두 소모되면 짧은 시간이 경과된 후 소음을 발생시키게 되는 것으로 생각되다. 그러나 1중량%정도의 분자량 2,000정도의 PDMS는 벨트 표면에서 윤활제로 연속 작용하여 벨트의 소음을 감소시키는 정확한 비율로 실록산을 토해 상기 벨트표면을 윤활시킬 수 있는 적당한 분자량을 갖는다.

표 I을 통해 알 수 있는 바와같이 13050정도의 저 분자량을 갖는 것들은 몇시간 이상 벨트 소음을 방지하지 못했다. 분자량 2000정도의 PDMS와 같이 우수하게 작용하는 바람직한 PDMS분자량의 범위를 정확히 정의하기 위해, 시판중인 실록산들중에서 분자량 1200 내지 13650을 갖는 것들을 선택하여 벨트내에 혼입하고 표I에 대한 테스트를 실시했다. 이와 같은 일련의 슬립작용제에 대한 실험결과를 하기 표Ⅱ에 나타내었다.

[표Ⅱ]

표Ⅱ에는 다양한 분자량을 갖는 액상 PDMS의 상응하는 점성도를 나타내었다. 벨트 10에는 분지형 실록산을 투입하여, 동일한 점성도, 즉 50센티스톡의 점성도를 갖는 비분지형 실록산과 비교하였다. 상기 표Ⅱ의 마지막란에 수록한 본 테스트 결과들은 폴리우레탄 벨트들을 약 750rpm의 회전 속도에서 연속 작동 시켰을 때 Mercedes 엔진상에서 발생하는 소음을 테스트한 것이다.

전술한 바와같이 실록산을 함유하지 않은 대조용 벨트는 Mercedes엔진상에서 약 3시간 이내에 상당한 소음을 발생시켰다. 1중량%의 분자량 2000 PDMS를 사용한 벨트(벨트2)는 벨트소음없이 750시간 정도 작동하였다. 표Ⅱ에 나타낸 바와같이, 분자량 2000 이상인 PDMS를 함유한 모든 벨트들은 1중량%를 하중했을때 24시간이내에 소음을 발생시켰다. 저 분자량의 PDMS가 1중량%농도로 배합된 벨트(벨트1)는 약 144시간동안 소음 없이 조용히 작동하였으나 그후 찍찍거리는 소음을 내기 시작했다. 이 저분자량의 첨가제는 연질 분절을 통해 너무 급속히 분리되므로 1중량 % 하중량에서는 상기 시간내에 급속히 소모되는 것으로 생각된다. 분자형 PDMS를 사용하여 제조한 벨트 10은 슬립 작용제 첨가제가 그의 분자량에 의해서 보다는 그의 점성도에 의해 주로 기능을 수해한다는 것을 나타내준다. 상기 50 센티스톡의 점성도와 1650의 분자량을 갖는 벨트 10은 50센티스톡의 점성도를 갖는 직쇄 PDMS(벨트 3)와 동일한 정도로 24시간이하의 시간동안 소음을 감소시켰다. 1650의 분자량을 가진 직쇄 PDMS는 24시간 이상 소음을 감소시키는 분자량 1250 내지 2000사이를 가진 PDMS에 해당하므로 효과적으로 소음을 감소시킬 것이다. 따라서 점성도는 주요한 작용 변수로 여겨진다.

하기 표Ⅲ은 분자량 2000을 갖는 첨가제와 동일한 몰당량을 제공하도록 각종 PDMS첨가제들을 1중량%로 하중했을 때의 소음 결과를 나타낸것이다.

[표Ⅲ]

표Ⅲ을 통해서 알수 있는 바와같이, 2000이상의 분자량을 갖는 PDMS를 사용한 벨트의 경우, 1중량%의 하중시 표Ⅲ에 나타낸 상응하는 벨트에 비해훨씬 오랫동안 소음을 나타내지 않았다. 그 이유는 당량으로 하중하기 위해서는 분자량이 증가함에 따라 배합물내에 함유되는 실록산의 양이 점차 증가되기 때문인 것으로 생각된다. 그러나, 표Ⅲ에 예시한 1중량%하중의 경우와 같이, 이들 고분자량의 PDMS 물질들은 사실상 벨트 표면에 보충되어 소음을 감소시킬 정도로 연질 분절을 통해 쉽게 이동하지 못하므로, 벨트 2의 경우 처럼 상당한 시간동안 소음을 감소시키지 못한다.

상당한 소음감소를 제공하는 분자량 2000을 갖는 PDMS첨가제를 사용하여 또다른 테스트를 실시했다. 이 테스트는 1중량%의 하중량에서 2000 분자량의 PDMS 첨가제를 사용하여 제조한 수공주조 플라크와 상기 첨가제를 사용하지 않은 플라크의 인장 특성 및 인열 특성을 시험한 것이다. 본 테스트에서 표준편차를 고려해 볼때, 상기 첨가제는 폴리우레탄 물질의 인장특성 및 인열특성에 유해한 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다. 또한 상응하는 폴리우레탄 물질에 대해 테이버 마모테스트를 실시한결과, 1중량%의 PDMS 분자량 2000첨가제를 부가함으로써 폴리우레탄 물질의 내마모성이 상당히 개선되었다. 최종적으로, 1중량 %의 분자량 2000PDMS 첨가제를 함유한 폴리우레탄 물질에 대해 Rheometrics Dynamic Spectrometer를 사용해 테스트를 실시한 결과, PDMS첨가제는 폴리우레탄 물질의 점탄성에는 거의 영향을 주지 않는 것으로 밝혀졌다.

본 발명의 엘라스토머 벨트을 제조하는데 있어서, 주조, 사출성형, 및 반응 사출 성형을 비롯한 공지된 성형방법들을 이용할 수도 있다. 바람직한 형태로는 RIM이 이용되며, 본 발명의 엘라스토머 벨트는 후술되는 바와같은 RIM 반응 생성물이다. 바람직한 RIM의 구체예에 있어서, 2개의 유체 주입 스트림이 형성된다. A-측 성분스트림은 폴리이소시아네이트-함유 전구 중합체를 포함하는 반면, B-측 성분은 연쇄 연장제, 과량의 폴리올, 임의로 촉매, 항산화제, 슬립작용제, 착색제 등과 같이 다양한 첨가제를 포함한다. A-측은 상술한 바와같이 선택된 폴리이소시아네이트만을 포함하거나, 과량의 -NCO를 갖고 있지 않는 엘라스토머 조성물에 이용되는 100% 이하의 폴리올을 지닌, 예비 반응된 폴리이소시아네이트 전구 중합체를 포함할 수 있다. 전술한 바와같이 B-측 전구 중합체 내에 폴리올 100%가 혼합되지 않은 경우 과량의 폴리올을 포함한다. 이미 제시한 바와같이, A-측 이소시아네이트-함유 전구 중합체는 적절한 온도에서 예비 반응되어 A측-유기체 스트림 성분을 형성한다.

도4에 관하여, 전형적인 주형 (40)이 본 발명의 벨트를 제조하는 반응 사출 방법을 설명할 목적으로 예시되어 있다. 주형(40)은 내부 맨드렐(42)과 외측 셸(44)로 구성되어 있으며, 이들 사이에는 공간부(46)이 존재하고 있다. 노치 (48)는 내부 맨드렐 (42)내에 형성되어 있고, 오목부(50)는 외측 셸(44)내에 형성되어 있다. 케블라(Kevlar)코드(22)형태의 탄성층(20)이 상기 내부 맨드렐 (42)의 외측 주위를 둘러 싸고 있다. 상기 코드(22)들이 일정한 위치에 고정되면, 외측 셸(44)은 내측 맨드렐(42)에 대해 위치가 고정되고 따라서 벨트 제조를 위한 준비가 완료된다.

A측 성분 스트림과 B측 성분 스트림을 전술한 바와같이 제조하고, RIM 혼합헤드(도시하지않음)를 통해 주형(40)내의 상기 내부 맨드렐(42)과 외측쉘(44)사이에 공간부(46)내로 사출한다. 혼합헤드는 A측 성분과 B-측 성분들을 함께 혼합하도록 고안되었으며, 상기 성분들을 주형(40)내로 동시에 사출시켜 전형적인 RIM방법의 사출 과정동안 A측 성분과 B-측 성분을 반응시키도록 고안되어 있다. A와B의 혼합 조성물은 주형(40)내로 사출되어 소정의 형태의 벨트를 성형하며, 이 경우 벨트는 도1에 제시한 바와같은 동력 전달 벨트이다. 도4에서 알 수 있는 바와같이, 사출된 엘라스토머는 오목부(50)를 충전하여 주체부분(12)를 형성하고, 노치(48)는 톱니(16)를 형성하며, 코드(22)들 사이에서 공극부 (interstices)를 형성한다. 사출된 혼합 조성물은 주형으로 부터 꺼낼때 주형 (40)내에서 겔화되어 고화되며, 주형으로부터 분리하여 후-경화처리 한다.

A측 및 B측 모두 가공처리 온도는 40-120℃, 바람직하게는 65-75℃이다. 주형내에서 이 물질의 겔화 시간은 그의 구성 성분에 따라 달라진다. 겔화시간은 일반적으로 0-15분 사이이다. 특히 촉매를 사용하지 않는 경우, 약1½-2분내에 경질 겔이 형성되며, 또는 활성화된 아민이 사용되는 경우, 약 15초 이내에 경질 겔이 형성된다. 촉매를 사용하면, 초기에 연질 겔이 얻어지며, 그후 약 1½-2½분내에 유리화된다. 주형에서 꺼내는 시간(demoldtime)은 약 200-450℉에서 0-24시간 후경화 처리 할때 일반적으로 1-60분 범위이다. 물론 이 시간 범위는 선택된 폴리이소시아네이트, 연쇄 연장제와 폴리올 배합조성에 좌우된다. A측 성분 반응물과 B측 반응물들은 일반적으로 1초당 약 100-800 그램 비율로 주형에서 사출된다는 것을 알아두어야 한다.

형성된 본 발명의 벨트의 엘라스토머성 부분은 전술한 바와같은 반응된 구성요소에 의해 생성된 경질 분절과 연질 분절의 복합체이다. 본 발명의 중요한 양상은 경질 분절 길이가 상당히 균일하다는 사실과 경질 분절이 상호 밀접하게 충전되어 있다는 사실이다. 따라서, 본 발명의 엘라스토머 조성물은 매우 우수한 굴곡 피로 특성을 지니며 종래 기술의 물질 보다 균열에 대한 내성이 더욱 강한 경향이 있다. 또한, 폴리올 말단상의 에틸렌 옥사이드기는 경질 분절 및 연질 분절의 상 분리를 도모한다. 결과적으로, 본 발명의 엘라스토머 벨트는 조성물의 특성에 따라 열경화되거나 경향이 있는 종래 기술의 고무 조성물에서와 같이 경질화되지 않고 사용중 열 숙성시에도 유연성과 탄성을 보유한다. 이러한 특징은 또한 상기 논의함 바와같이 금속성 촉매를 사용함으로 인해 다소 향상되기도 한다.

본 발명의 중요한 장점은 고온과 저온 모두 적용시킬 수 있으므로 본 발명의 엘라스토머 벨트에 내열성과 내한성을 제공한다는 것이다. 본 발명은 하중이 고온의 환경에서 적용되는 경우에 종래 기술 조성물의 균열 또는 용융을 야기시키는 동적 용도에 특히 유용한다. 이러한 조건하에 있는, 본 발명에 매우 유용한 환경의 예로는 자동차 엔진용 동력 전달 동시 타이밍 벨트가 포함된다. 본 발명은 또한 장시간의 열 숙성 및 굴곡 수명과 함께 우수한 하중 운반 능력을 갖는다.

본 발명은 또한 우수한 내한성을 가지고 있다. 이는 프로필렌 옥사이드폴리올의 낮은 유리 전이 온도 뿐 아니라 벨트 엘라스토머의 향상된 상 분리로인한 것으로 생각된다.

당해 분야 기술을 이용하여, 본 발명의 벨트의 여러가지 성능 특징과 특성을 종래 기술로 생성된 벨트와 비교하는 다양한 테스트를 수행한다. 일반적으로, 본 발명의 벨트는 열 숙성에 따라 높은 모듈러스를 초래하는 가교 밀도가 증가되는 고무 벨트에 비해 경질화되지 않고 오히려 열 숙성에 따라 연질화되는 경향이 있다.

탄성, 장력 손실, 크리이프, 압축 셋트, 온도 저항성, 굴곡 피로, 히스테리시스(hysteresis), 내유성, 내수성, 및 열 숙성을 비롯한 여러가지 특성을 검토하고 비교하였다. 후술되는 테스트를 결과를 이해하고자 다음과 같이 벨트용어를 정의하고자 한다. X 벨트는 사실상 본 발명의 바람직한 구체예이며 인장 부재로서 케블라 코드를 가진 동력 전달 벨트를 포함한다. 이는 A성분과 B성분을 반응 사출성형하여 이소시아네이트 MDI로부터 80%의 NCO 함량 및 60/40 중량%의 MOCA 연쇄 연장제에 대한 폴리프로필렌 폴리올의 비율을 가진 엘라스토머 조성물을 제공함으로써 제조된다. Y벨트도 또한 동력 전달 벨트 형태의 본 발명의 한 구체예이며 8중량 %의 NCO함량을 생성하도록 MDI가 부가로 혼합된 폴리프로필렌옥사이드로 구성된 전구중합체를 가진 A-측 성분 및 연쇄 연장제인 1,4-부틸렌 글리콜로 구성된 B 성분을 RIM 사출 성형시켜 형성된 엘라스토머를 갖는 케블라 코드 구조물을 포함한다.

테스트 대상인 전술한 바와같은 X 및 Y벨트에 대하여 기술의 동력전달 벨트는 I로 명시된 벨트를 포함한다. 이는 아디프렌(Adiprene)이 주성분인 엘라스토머 조성물이며, 이때 아디프렌은 디이소시아네이트 및 폴리알킬렌 에테르 글리콜의 반응 생성물인 폴리우레탄 엘라스토머에 대한 E.I.Du Pont Nemours Company의 상표명이다. 다른 이용된 종래기술의 벨트에는 엘라스토머로서 폴리클로로프렌 고무인 네오프렌이 포함된다. 이러한 벨트를 Ⅱ 벨트로 명시했다. 당해 분야의 그 밖의 벨트는 Ⅲ으로 명시하였는데, 이는 고무 벨트 및 호스 업계에 통용되고 있는 수소첨가된 니트릴 고무 엘리스토머 물질이다.

[발명의 상세한 설명]

따라서, 본 발명의 목적은 개량된 엘라스토머 벨트를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 동적 하중의 용도하에서 내열성 및 내한성을 갖는 폴리우레탄 벨트를 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 목적은 구체적으로 275℉ 이상의 고온에서 뿐만 아니라 약 -75℉의 저온에서 유용한 향상된 성능특성과함께 긴 수명을 갖는 RIM-성형된 이음매 없는 벨트를 제공하는데 있다.

전술한 목적 및 다른 목적들을 달성하기 위하여 그리고 본 명세서에 구체화된 광범위하게 개시되어 있는 바와같은 본 발명의 목적에 따라, 내열성 및 내한성의 이음매 없는 벨트를 개시하였다. 벨트는 엘라스토머 물질로 제조된 벨트 주체 부분을 포함하고 있다. 상기 주체 부분안에는 인장 구조물이 배치되어 있고 활차바퀴 접촉 부분이 주체 부분과 일체를 이루고 있다. 엘라스토머 물질은 내열성 및 내한성을 갖고 있고 또한 이것은 아민 또는 히드록시 말단 폴리올, 히드록시 또는 아민 말단 연쇄 연장제 및 주형내에서 연쇄 연장제와 혼합될때 연쇄 연장제와 신속한 반응을 하여 벨트의 열숙성(heat age)시에 그것의 연성 및 유연성을 보유하는 폴리이소시아네이트-함유 조성물의 반응 생성물로부터 제조된다. 본 발명의 바람직한 형태에 있어서, 엘라스토머 물질의 벨트 주체 부분 및 활차바퀴 접촉 부분은 이들의 반응 사출 성형에 의해 형성된다.

[도면의 간단한 설명]

본 명세서에 포함되어 그 일부를 형성하는 첨부된 도면들은 본 발명의 바람직한 구체예를 예시하고, 또한 발명의 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하기 위해 제시된 것이다:

제1도는 본 발명에 따라 제작된 정구동력(positive drive power)전달 벨트의 부분 단면 투시도이다.

제2도는 본 발명에 따라 제작된 V-벨트의 부분 단면 투시도이다.

제3도는 본 발명에 따라 제작된 마이크로-V 또는 미세한 골이파인 벨트의 부분 단면 투시도이다.

제4도는 제1도에 도시한 벨트를 제조하기 위해 설계된 주형의 부분 단면 투시도이다.

제5도는 인장 강도와 시간 사이의 상관 관계를 예시함으로써 본 발며의 몇가지 벨트 구체예 및 종래 기술의 벨트 주조물의 굴곡 피로(flex fatgue)특성을 나타내는 그래프이다.

제6도는 270℉에서 본 발명의 두가지 벨트 구체예들과 종래기술 벨트 구조물의 파손 시간을 예시한 그래프이다.

제7도는 몇가지 종래기술 벨트들과 본 발명의 두 가지 구체예들에 대한 테스트 기간에 걸친 불활동 하중의 결과를 예시하는 그래프이다.

[실시예 Ⅰ]

압축 세트 테스트는 X 벨트의 엘라스토머 물질로 실시했으며 Ⅲ 벨트의 엘라스토머와 비교했다. 이 테스트 데이타는 하기 표 Ⅳ에 요약하였으며 10%와 25% 압축도에 있어서의 압축 테스트 결과를 나타내었다. 표를 통하여, 압축세트의 온도 의존성은 Ⅲ벨트의 압축 세트와 온도와의 사이에서 상당히 비례적인 관계가 있음을 알 수 있다. 한편, X벨트 폴리우레탄은 저온에서 Ⅲ벨트보다도 더 높거나 낮은 압축세트 값을 갖지만 고온에서는 완전한 압축세트가 된다. 이러한 정보만을 근거로하여, X벨트 조성물이 고온 조건하에 벨트에 사용하기에 특히 우수한 조성물이라고 결정할 수 없을 것이다. 그러나 전술한 바와같이 동적 하중하의 고온 조건에서 상기 벨트가 매우 우수한 성능을 지니는 것으로 결과가 나타났으며 이하 제공되는 추가 테스트 결과에 의해 명백히 알 수 있을 것이다.

[표 Ⅳ]

[실시예 Ⅱ]

본 테스트 프로그램에서는, 본 발명의 X 벨트를 Ⅱ 네오프렌 벨트, 연질 및 경질의 두가지 Ⅲ 벨트, 및 상표명 Hypalon(E. I. Du Pont de Nemours Company 제공)으로 시판되고 있는 클로로설폰화 폴리에틸렌 합성 고무인 Ⅳ 벨트를 비롯한 몇개의 대조 벨트와비교 테스트했다. 본 실시예 Ⅱ의 이러한 모든 테스트에 있어서, 벨트는 97개 톱니 벨트(1인치 나비)로 제작 되었으며 150lbs 사중(dead weight)이 부하되는 시중 도르래 상에서 테스트했다. 그후 상기벨트를 약 257℉로 가열하고 고무이면의 전체적인 균열 및 구조적 균열 뿐만 아니라 최초의 작은 균열의 양상을 관찰했다. 본 테스트에 있어서,네오프렌 Ⅱ 벨트는 균열이 나타나는 면에 있어서 우선 실패했으며, 상기 온도에서 100시간 정도만이 지속되었다. Ⅲ벨트는 네오프렌 Ⅱ대조용 벨트 보다 2.2 내지 4배 더 오래 지속되었다. Hypalon 엘라스토머를 사용한 Ⅳ벨트는 평균적으로 Ⅱ 대조용 벨트보다 약 3배 더 지속됨으로써 약 3배의 내열성을 제공했다. 최종적으로, X 벨트는 본 실시예 Ⅱ에 기술된 기타 엘라스토머 구조물보다도 현저하게 우수한 내열성을 가졌다. 이 X벨트는 Ⅱ 대조용 벨트보다 약 6.6배 또는 평균 690시간 동안 테스트에 견뎌냈다. 이러한 각 테스트의 또 다른 관찰에 의하면 모든 고무 벨트의 취성(britleness)은 X벨트를 제외하고, 열 숙성 시간에 따라 증가했으며, 상기 X벨트는 그것의 유연성 또는 탄성을 유지하였고, 더욱이 시간경과에 따라 다소 연질화되었다. 이러한 특징은 위에서 더 상세히 기술하였는데, 실제로 본 테스트 중에 관찰되었다.

[실시예 Ⅲ]

일련의 특성 테스트를 X,Ⅱ,Ⅲ 및 Ⅳ 벨트에 대하여 실시했다. 하중 용량 또는 수용 시험에 있어서, X엘라스토머 화합물은 임의의 다른 엘라스토머 테스트 물질보다 3배의 정적 모듈러스를 지니며 동적 모듈러스는 4배였다. Ⅱ화합물은 명백하게 연질이 가장 큰 물질인 반면, X벨트는 가장 높은 하중 운반 능력을 지님이 분명하다. 전술한 실시예Ⅰ에서와 같이, 테스트한 모든 벨트 화합물은 높은 압축 세트를 나타내며, X벨트 화합물은 257℉ 이상의 완전한 세트를 가졌다. Ⅲ 화합물의 모듈러스 특성은 최저의 감온성을 나타내는 반면 X화합물 또한 매우 우수한 것으로 나타났다.

또한 X우레탄조성물은 테스트한 모든 조성물중에서 히스테리시스 저항이 가장 큰 반면, Ⅱ벨트는 최저의 저항을 가졌다. 그러나, 275-300℉의 고온하에서 X 벨트의 히스테리시스는 고무벨트보다 낮다. 최종적으로 X벨트의 인장강도는 실온에서는 고무벨트와 거의 동일하나 열 숙성 결과 상당히 향상되었다.

X벨트 우레탄 조성물은 매우 우수한 내유성 및 탁월한 내수성을 지니고 있다. Ⅲ벨트는 최상의 내유성을 지닌 반면 Ⅳ 벨트는 최저의 내유(油)성을 가졌다. 또한, Ⅲ 벨트 조성물은 매우 양호한 내수성을 지닌 반면에 Ⅳ벨트 물질은 매우 빈약한 내수성을 가졌다.

또한 저온특성을 테스트 했다. 이러한 경우, 냉각 크랭크 테스트를 통해 X벨트 조성물이 탁월한 저온특성을 지님을 알 수 있었고, 구체적으로 -60℉ 이하의 내한성을 가졌다. 고무 벨트를 약 -30내지 -35℉하에서 내한성에 대해 테스트했다. 또한, 열 숙성시킨후의 모든 화합물의 저온특성은 우수하였으나, X벨트가 그중 최상이었다.

또한, 굴곡피로를 테스트 했다. 이 테스트 결과X 벨트 우레탄 조성물의 높은 화합물 모듈러스는 비교적 저조한 굴곡 피로를 제공하는 반면, Ⅱ및 Ⅲ벨트물질은 적당한 굴곡 피로 저항을 나타냈다. Ⅳ벨트는 본 테스트 프로그램에서 최상의 굴곡 피로 저항을 나타냈다.

벨트물질을 테스트한 결과 X벨트가 Ⅲ벨트에 비해 직물 상승부 접착도가 낮은 반면 지면 접착도는 Ⅲ벨트와거의 비슷함을 알 수 있었다. 그러나, 코드접착도는 기름 및 물과의 접촉을 통해 감소되었음에도 불구하고, 고무 Ⅲ벨트에 비해 X벨트가 훨씬 높았다. 또한, X벨트의 톱니 전단성은 고무 Ⅲ벨트의 거리 절반이었다.

최종적으로 본 실시예의 열 숙성 테스트를 통해 네오프렌 Ⅱ벨트는 250℉에서 그 수명이 극히 제한됨을 알 수 있다. 구체적으로, 최대수명은 파손되는 지점까지인 14일이었다. 상기 결과의 상반되는 면으로서, X벨트 조성물은 275℉에서 탁월한 특성 보유능력을 보였으며, 본 실시예 Ⅲ에서 테스트한 그 밖의 조성물중에서 가장 우수했다.

[실시예 Ⅳ]

본 테스트 프로그램에서는, 인장부재가 각기 다른 다수의 벨트조성물을 본 발명에 따라 제조하여 각각을 서로 비교하고 또 고무벨트와 비교 테스트했다. 본 테스트를 수행함으로써 소정 기간동안의 인장강도, 또는 인장 부재 굴곡피로를 측정하였다. 본 실시예에서, 표Ⅴ 및 도5를 참고하면, A는 Kevlar코드 인장부재가 포함된 X벨트이고, B는 1425 플라이(ply)코드가 포함된 Y 벨트이고, C는 경량의 Kevlar코드를 사용한 X벨트의 변형체로서 연쇄연장제에 대한 폴리올의 비율이 80/20이며, D는 섬유 유리코드가 포함된 Ⅲ벨트이다. 본 인장 강도 테스트는 257℉에서 수행하였으며, 각각의 테스트 벨트는 지정된 기간(표Ⅴ참고)동안 작동시킨 후 세로 방향으로 잡아당김으로써 특정시간 지점에서 벨트의 인장강도를 측정하였다. 표 Ⅴ 및 도5를 통해 알 수 있듯이, 종래 기술의 고무 Ⅲ벨트의 인장강도는 고온하에서 일정기간 동안 급속히 연속적으로 감소한다. Y벨트의 인장강도는 급속히 감소하나, Ⅲ벨트에 비해 상당히 늦게 감소한다. X벨트와 80/20 변형 X벨트, 각각 A 및 C는 초기에 인장강도가 감소한 후 500시간 이상의 테스트기간에 걸쳐 거의 일정한 인장강도를 유지하였다. 따라서, 고온하에서 동적 하중 조건하에서 작동시킨 결과, 선택된 인장 부재를 포함한 본 발명의 벨트 구조물은 소정 기간에 걸쳐 비교적 일정한 인장강도를 유지함을 알 수 있다.

[표 Ⅴ]

[실시예 Ⅴ]

본 테스트에서, 다양한 다른온도에서 벨트의 파손도를 테스트했다. 테스트한 벨트는 X벨트, Y벨트, 및 I벨트였다. 이들 세종류의 벨트에 대해 모두 마력가하테스트를 수행했는데, 이때 각 벨트는 뒷면에 2인치의 도르래가 부착되어 있고, 19개의 톱니로 이루어진 2개의 사슬 톱니바퀴상에 놓았다. 테스트한 벨트는 나비가3/4인치였으며 모든 온도 범위하에서 3200rpm으로 작동시켰다. 테스트하는 동안에는 94인치 lbs의 토오크 또는 장력을 가하였고, 테스트중에 약 5마력이 발생하여 자동차 엔진에 있어서 상부의 캠샤프트 구동에 필요한 마력을 충족시킬 수 있다.

이들 세개의 벨트는 실온, 240℉ 및 275℉에서 파손 테스트를 했다. 실온테스트에서, 6000시간의 작동시간후에 어떤 벨트도 파손되지 않았다. 이러한 결과는 240℉의 중간온도 테스트에서도 마찬가지였다. 그러나, 고온 또는 275℉에서, X벨트는 5700시간에 걸쳐 연속하여 작동된 반면, I벨트 및 Y벨트는 모두 파손되었다. 더욱 구체적으로 275℉에서 , I 벨트는 Y 벨트와 비교시 파손되기까지의 시간이 약 2배이다. 그러나, X벨트는 Y벨트에 비해 6배 정도의 기간동안 작동될 수 있고 Ⅰ벨트의 3배정도로 작동될 수 있으며, 제조시 및 본건 출원시에도 작동될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 제조한 벨트는 실온 내지 고온환경 범위내의 광범위한 온도에 걸쳐 장시간의 수명특성을 지닌다.

[실시예 Ⅵ]

도6은 나비를 2종류로 다르게 한 X벨트를 Ⅲ고무벨트와 비교한 또다른 테스트를 설명한 것으로서, 상기 Ⅲ 고무벨트도 역시 나비를 2종류로 다르게 하였다. 이들 4개의 벨트는 파손될때까지 270℉에서 작동시켰다. X벨트는 고무Ⅲ벨트보다 내구성이 우수했다. 실제로, 5/8의 X벨트는 나비가 1인 고무벨트보다 그 수명이 10% 길다. 명백하게, 본 발명의 X벨트는 비교대상인 고무벨트에 비해 고온환경중에서 상당히 긴 수명을 지닌다.

[실시예 Ⅶ]

본 실시예에서 몇가지 벨트의 불활동 하중능력을 테스트하고 시간에 따라 비교했다. 본 테스트 결과는 도7에 예시하였고, X벨트 및 Y벨트의 80/20 연질 변형체를 테스트하여 2대의 다른 Ⅱ벨트(ⅡA 및 ⅡB), Ⅲ벨트 및 Ⅳ 벨트와 비교하였다. 각각의경우, 테스트한 벨트와 비교하였다. 각각의 경우, 테스트한 벨트는 97개 톱니의 벨트형태로서, 나비는 3/4인치이고 톱니와 유사한 측면을 가진다. 각 벨트는 장치장력이 266.9N인 도르래상에서 약 1라디안으로 진동시켰다. 도7의 결과를 통해 X 및 X1벨트는 동일한 테스트 기간에 걸쳐 ⅡA , ⅡB, Ⅲ 및 Ⅳ벨트에 비해 불활동 하중능력이 상당히 크다는 것을 알 수 있다.

[산업상의 이용가능성]

전술한 바와같이, 본 발명은 우수한 엘라스토머 벨트 구조물을 제공한다. 발명의 엘라스토머 벨트는 반응 사출 성형법을 사용하여 제조함으로써 성형시간 및 경화속도를 보다 신속하게 하고, 이로써 제조용량을 상당히 증가시키는 것이 바람직하다. 그러나 주조 및 사출 성형 기술과 스핀 주조방법도 이용할 수 있다. 또한 본 발명의 엘라스토어 벨트는 특히 우수한 특성을 지니고 있어서 연속적인 동적 하중조건 하에서도 그 형태 및 강도를 보유할 수 있고 고온 및 저온 조건 하에서 변성 및 신장을 억제할 수 있다. 또한 상기 벨트 조성물의 특성으로 인해, 본 발명의 벨트는 주형내에서 코드와 직물이 제거되지 않은체 고압 및 물질 가속하에서 반응 사출 성형된으로써 RIM 방법은 제조상의 높은 경제성을 제공하고 이와 동시에 전술한 소정의 특성을 제공할 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 벨트 구조물은 통상적으로 고온하에서 작동하는 자동차에 이용되는 자동차 엔진용 타이밍 및 동력의 도시 전달 벨트뿐만 아니라 V-벨트, 마이크로-V 벨트 공업용 평 벨트 및 기타 벨트용도를 비롯한 광범위한 벨트용도로 사용할 수 있다. 이상에서는 본 발명의 구체예를 다양한 변형예 및 대체예를 통해 상세히 설명하였다. 그러나 전술한 본 발명의 구체예는 예시적인 것이며 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해 정의됨을 알아두어야 한다.

Claims (7)

1. 엘라스토머 폴리우레탄 주체 부분(12), 상기 주체 부분에 위치한 인장수단(20), 및 상기 주체 부분(12)와 일체를 이루는 활차바퀴 접촉부분(14)를 주요 구성 부재로 하며, 135℃(275℉)에서 협력 작동하는 활차바퀴에 사용할 수 있는 이음매 없는 동력 전달 벨트(10)에 있어서, 상기 폴리우레탄 주체 부분(12)가 (i) 불포화도가 폴리올 1g당 0.06밀리당량 이하인 아민 또는 히드록시 말단의 폴리올, 및 (ii) 히드록시 또는 아민 말단 연쇄 연장제와 폴리이소시아네이트와의 반응에 의해 제조되며, 상기 반응은 상기 폴리이소시아네이트와 상기 폴리올을 반응시켜 이소시아네이트 함량이 3-15중량%인 전구중합체를 제조한 후에, 상기 전구중합체를 추가량의 상기 폴리올 및 상기 연쇄 연장제와 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 벨트(10).
2. 제 1항에 있어서,

   상기 엘라스토머 주체 부분이 작동시 상기 벨트의 마찰 계수를 조절하기 위한 폴리시록산 첨가제를 부가로 포함하며, 상기 폴리실록산은 벨트(10)의 작동중에 벨트 소음을 억제하기 위해 벨트를 통한 활차바퀴 접촉 부분(14)로의 이동 속도를 제공하는데 유효한 점성도를 갖는 벨트.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 폴리올의 불포화도가 폴리올 1g당 약 0.03 밀리당량 이하인 벨트.
4. 제 1항에 있어서,

   V-벨트, 정구동력 전달 벨트 및 미세한 골이 파인 벨트로부터 선택되는 벨트.
5. 엘라스토머 폴리우레탄 주체 부분(12), 상기 주체 부분(12)에 위치한 코드 형태의 인장 수단(20), 및 상기 주체 부분(12)와 일체를 이루는 활차바퀴 접촉 부분(14)를 구비하며, 135℃(275℉)에서 협력작동하는 활차바퀴에 사용할 수 있는 이음매 없는 동력 전달 벨트(10)을 제조하는 방법으로서, 폴리이소시아네이트-함유 전구중합체와 활성 수소-함유 물질을, 표면상에 인장 수단(20) 코드(들)이 배치된 주형 맨드렐(42)와 반경 방향으로 이격된 외측 주형 쉘(14)에 의해 한정되어 이들 사이의 공간이 주형의 공동을 형성하는 주형(40)내로 주입하는 단계, 상기 전구중합체와 활성 수소-함유 물질을 반응시켜 엘라스토머 폴리우레탄 주체 부분 및 상기 주체 부분에 위치한 인장 수단 코드(들)을 구비한 벨트재를 형성시키는 단계, 및 상기 벨트재를 주형으로부터 제거하는 단계를 포함하는 방법에 있어서,

   상기 전구중합체가 폴리올 1g 당 0.06 밀리당량 이하의 불포화도를 가진 아민 또는 히드록시 말단의 폴리올과 폴리이소시아네이트와의 반응생성물이고, 상기 전구중합체의 이소시아네이트 함량은 3 내지 15 중량%이며: 상기 활성 수소-함유 물질은 추가량의 상기 폴리올과 혼합된 히드록시 또는 아민 말단의 연쇄 연장제이고: 상기 전구 중합체와 연쇄 연장제는 사출 성형 또는 반응 사출 성형에 의해 상기 주형의 공동내로 사출하므로써 상기 주형의 공동 및 상기 인장 코드(들) 사이의 공극부를 충전시키는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 24항에 있어서,

   상기 폴리올이 폴리프로필렌 옥사이드 폴리올인 방법.
7. 제24항에 있어서,

   상기 폴리우레탄 주체 부분이 상기 전구중합체를 포함하는 A-측 성분과 상기 폴리올 및 상기 연쇄 연장재를 포함하는 B-측 성분에 형성된 경질 분절 및 연질 분절을 가지는 방법.