KR100396354B1 - 전동 벨트 - Google Patents

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KR100396354B1
KR100396354B1 KR10-2001-7006346A KR20017006346A KR100396354B1 KR 100396354 B1 KR100396354 B1 KR 100396354B1 KR 20017006346 A KR20017006346 A KR 20017006346A KR 100396354 B1 KR100396354 B1 KR 100396354B1
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휘트필드케빈제이에프
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더 게이츠 코포레이션
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Abstract

내고온성과, 양호한 벨트 내구성 및 저온 내균열성이 양호한 평형을 이루는 전동 벨트(10)가 개시되어 있다. 전동 벨트의 벨트 본체부는 적어도 부분적으로 수소로 처리된 니트릴기 함유 공중합체 고무의 100중량부와, 길이 대 직경의 비율이 10:1보다 큰 섬유 강화재를 고무의 백중량당 약 0.5 내지 약 50 부를 포함하는 엘라스토머 재료로 제조된다. 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무는 (1) 불포화 니트릴 모노머 유닛을 약 5 내지 약 40%, (2) 불소가 없는 불포화 카복실산 에스테르 모노머 유닛과 불소를 함유하는 비닐 모노머 유닛으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 제2 모노머, 또는 고무의 유리 천이 온도를 강하시키는 특성이 있는 소정의 모노머의 유닛을 약 1 내지 약 80%, (3) 공액 디엔 모노머 유닛을 최대 약 20%, (4) 나머지는 수소 처리 공액 모노머 유닛을 포함하는 것이 바람직하며, (1)과 (2)의 모노머 유닛의 합은 약 30 내지 90 중량%이고, (3)과 (4)의 모노머 유닛의 합은 약 10 내지 70 중량%인 것이 바람직하다. 예상밖으로, 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무에 섬유 강화재를 사용하면, 벨트의 내고온성이 향상된 채로 유지하면서, 현저하게 향상된 저온 내균열성을 제공할 수 있다.

Description

전동 벨트{POWER TRANSMISSION BELT}
이붙이 풀리(또는 스프로킷, 또는 로프 풀리)에 사용되는 전동 벨트는 종래 기술에 널리 공지되어 있다. 가장 널리 이용되는 이붙이 벨트는 소위 동기 벨트 또는 확실 전동형 벨트이다. 두 회전 샤프트 사이에 동기화를 제공하는 데에 이붙이 벨트를 이용하는 것은 널리 공지되어 있으며, 이 이붙이 벨트는 이면부와, 이 이면부의 대향측에 간격을 두고 배치되어 인접한 두 개 사이에 랜드가 형성되어 있는 복수의 치형부와, 상기 이면부와 복수의 치형부에 맞닿게 그 사이에 개재되는 인장층과, 바람직하게는 각 치형부와 치형부 사이의 랜드용 커버를 구비하며, 이면부와 복수의 치형부는 엘라스토머 재료로 구성된다. 차량에 사용되는 것으로 예시된 특정 용례에는 높은 수준의 내구성과 넓은 서비스 온도 범위를 비롯한 많은 요구가 전동 벨트에 존재하였다.
작동 시에, 이붙이 전동 벨트는 동력을 전달하기 위해 상보적인 형상의 풀리 치형부와 맞물릴 때 각 치형부의 바닥에서 최대 응력을 받는다. 이 응력이 실질적으로 엘라스토머 재료에 의하여 지지되므로, 엘라스토머 재료는 이붙이 벨트가 큰 부하를 견딜 수 있도록 큰 모듈러스를 갖는 것이 바람직하다. 경화 고무의 모듈러스를 증가시키기 위하여 벨트 엘라스토머에 예컨대 카본 블랙(carbon black)과 같은 충전제의 양을 증가시키는 것이 공지되어 있다. 그러나, 충전제의 함량 증가는 고온 및 저온 모두에서 벨트 성능에 악영향을 끼치는 것으로 알려져 있다. 동기 벨트에서의 불량한 저온 성능과 불량한 고온 시효 저항성은 이면부에서 균열의 형성으로 나타난다.
치형부의 전단 강도를 증가시키도록 벨트의 엘라스토머 성분의 매트릭스에 섬유 강화 수단을 채용하는 것도 또한 제안되어 있다. 벨트의 인장 강도에 미치는 섬유 강화 수단의 영향과 관련하여 상기 기술의 실제 용례에 대해 많은 비판이 존재하였다. 동기 벨트는 통상적으로 세 가지 방법, 즉 미국 특허 제2,507,852호에서 케이스(Case)가 설명한 치형부 압출 방법과, 미국 특허 제3,250,653호에서 가이스트(Geist)가 설명한 치형부 예비 성형법 또는 미국 특허 제 3,078,206호에서 스쿠라(Scura)가 설명한 관통 유동법(flow-through method) 중 하나에 의하여 제조되었다. 벨트의 엘라스토머에 섬유를 충전하는 것과 관련하여, 실제로, 스쿠라의 관통 유동법에 의하여 제조되는 이붙이 벨트는, 섬유 충전 엘라스토머 재료가 인장 부재를 통하여 흐를 수 있도록 하기 위해서는, 인장 부재가 섬유가 충전되지 않은 엘라스토머 벨트에서보다는 멀리 떨어지게 간격을 두고 있어야 하기 때문에, 인장 강도가 떨어지는 것으로 알려져 있다.
전술한 바와 같이, 일반적으로 차량의 동기 벨트로 예시된 전동 벨트는 보다 저온 및 고온에서 작동할 것이 요구된다. 예컨대, 차량의 오버헤드 캠샤프트를 구동하는 데에 동기 벨트가 사용될 수 있다. 그러한 용례에 있어서 벨트의 작동 온도가 140℃에 이르는 것은 유별난 것이 아니다. 이면부 및 복수의 치형부에 사용된 엘라스토머 재료는 그러한 가혹한 환경에서는 고온 시효에 취약하게 되고, 이는 심각한 균열 및 조기 파손을 유발할 수 있다.
내고온성을 향상시키기 위하여 특정 형태의 섬유를 벨트의 엘라스토머 재료에 충전하는 것이 제안되었다. 그러나, 경화되지 않은 엘라스토머에 섬유를 부가하는 것은 경화되지 않은 재료의 점도와 경화 상태의 재료의 모듈러스, 즉 경도 또는 강성 모두를 증가시키는 효과를 갖는다. 추운 기후에서, 주위 온도는 -40℃ 또는 그 이하에 이를 수 있다. 그러나, 엘라스토머 재료의 경도와 모듈러스가 커짐에 따라, 저온 가요성 및 내균열성이 불량해진다.
미시마(Mishima) 등에게 허여된 미국 특허 제5,250,010호와, 나카지마(Nakajima) 등에게 허여된 미국 특허 제5,254,050호는 각각 -30℃ 내지 130℃ 및 -30℃ 내지 120℃ 사이에서의 내열성과 내저온성을 각각 측정하기 위하여 V 리브 벨트에 수행한 실험 결과를 개시하고 있지만, 약 -40℃ 내지 약 140℃에 이르는 서비스 범위를 넘어서도 우수한 내구성을 갖는 전동 벨트는 개시하고 있지 않다. 내고온성 및 양호한 부하 지지 성능은 단지 두종류의 모노머만을 포함한 종래의 수소 처리 니트릴-부타디엔 고무(HNBR) 공중합체로 구성된 엘라스토머 부분이 있는 동기 벨트에서 달성될 수 있다. 그러나, 이러한 HNBR 공중합체로 구성된 동기 벨트는 -30℃ 또는 -35℃ 이하에서 양호한 저온 가요성 또는 내균열성을 나타내지 않는 것으로 공지되어 있다.
특히 고무 엘라스토머로 형성된 동기식의 마찰 전동 벨트의 영역에는 내고온성과, 양호한 벨트 내구성 및 저온 내균열성이 양호한 균형을 이루는 전동 벨트가 필요하다.
본 발명은 일반적으로 우수한 고온 내구성과 현저하게 향상된 저온 내균열성을 갖는 무단 전동 벨트에 관한 것이다. 보다 구체적으로 말하면, 본 발명은 섬유로 강화된 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무로 제조되는 무단 전동 벨트 및 그 제조 공정에 관한 것으로, 이 벨트는 내고온성, 우수한 벨트 내구성 및 저온 내균열성이 양호하게 균형을 이룬다. 추가로, 본 발명은 섬유로 강화된 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무로 제조되는 동기 벨트 및 마찰 전동 벨트에 관한 것으로, 이 벨트는 양호한 벨트 내구성과, 약 -40℃ 내지 약 140℃ 사이의 서비스 범위를 갖고 있다.
본 명세서의 일부로서 첨부된 도면에서는 동일 번호가 동일 부품을 지시하는 데, 이 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하며 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 동기 벨트를 부분적으로 단면도로 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 V 리브 벨트를 부분적으로 단면도로 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 동기 벨트의 종방향 단면도.
도 4는 동기 벨트의 냉각 균열 시험을 위한 풀리 배열을 도시하는 개략적 다이어그램.
도 5는 동기 벨트의 내열 시험을 위한 풀리 배열을 도시하는 개략적 다이어그램.
본 발명은 로프 풀리 또는 풀리와 맞물리게 되고, 벨트 본체부와, 이 본체부와 일체로 되는 풀리 또는 로프 풀리 접촉부와, 상기 본체부에 배치된 인장 부재를 구비하는 전동 벨트를 제공한다. 상기 본체부와 풀리 접촉부중 적어도 하나는 100 중량부의, 적어도 부분적으로 수소로 처리된 니트릴기 함유 공중합체 고무와 상기 니트릴기 함유 공중합체 고무의 100중량당 약 0.5 내지 약 50 부의 섬유 강화재를 포함하는 엘라스토머 재료를 구비한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 부분적으로 수소로 처리된 니트릴기 함유 공중합체 고무는 (1) 불포화 니트릴 모노머 유닛 약 5 내지 약 40 퍼센트, (2) 상기 고무의 유리 천이 온도를 강하시키는 특징을 갖는 하나 이상의 제2 모노머의 유닛 약 1 내지 80 퍼센트, (3) 공액 디엔 모노머 유닛을 최대 약 20 퍼센트, (4) 나머지는 수소 처리 공액 디엔 모노머 유닛을 포함한다. 바람직한 실시예에 따르면, (1)과 (2)의 모노머 유닛의 함량의 합은 약 30 내지 90 중량%이고, 상기 (3)과 (4)의 모노머 유닛의 함량의 합은 약 10 내지 약 70 중량%이다. 본 발명은 또한 이러한 벨트를 성형하는 공정을 제공한다.
적어도 부분적으로 수소로 처리된 니트릴기 함유 공중합체 고무 내에 섬유 강화재를 사용하면 종래의 벨트와 비교하여 벨트의 내고온성을 유지 또는 향상시키면서도 예상외로 저온에서 내균열성을 크게 향상시키는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 본 발명은 전동 벨트에 양호한 벨트 내구성 뿐만 아니라 약 -40℃ 내지 약 140℃의 서비스 범위를 제공한다.
도 1에는, 본 발명의 실시예에 따른 동기 벨트(10)가 예시되어 있다. 벨트(10)는 벨트 본체부 또는 이면부(12)와, 이붙이 풀리 또는 로프 풀리와 맞물리게 되는 제2 부분을 포함하고, 여기에서 제2 부분은 다수의 치형부(16)와 인접한 두 개의 치형부 간에 형성된 치형부간 랜드(18)를 구비한다. 적어도 하나의 이면부(12)와 다수의 치형부(16)는 섬유(40)로 강화된 엘라스토머 재료로 제조된다(개략적으로 도시됨). 치형부의 형상은 도 1에 도시된 것으로 제한되지 않으므로, 도 3에 도시된 것을 비롯하여 동기 벨트에는 어떤 적합한 치형부 형상도 이용될 수 있다.
이면부(12)와 다수의 치형부(16)와 맞닿게 그 사이에 개재된 인장층(20)은 벨트(10)에 지지력 및 강도를 제공한다. 도 1에서, 인장층은 연속 나선형으로 배치된 하나 이상의 변형 방지 코드(22)의 형태이며, 이 코드는 엘라스토머 재료내에 매설되어 벨트(10)의 길이를 따라 종방향으로 정렬된다. 그러나, 어떤 적절한 타입의 인장층 또는 종래의 인장층(20)이라도 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 더욱이, 면, 레이온, 나일론, 폴리에스테르, 아라미드, 유리, 탄소 및 철 등의 어떤 바람직한 재료라도 변형 방지 코드(22)로서 사용될 수 있다. 도 1의 바람직한 실시예에서, 인장층(20)은 연속 나선형으로 권취된 한 쌍의 코드로 형성된 다수의 유리 섬유 변형 방지 코드 단부의 형태이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 강화 섬유(40)가 이면부(12)와 치형부(16)로 구성된 벨트의 본체 전체에 걸쳐서 분포되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 이면부(12)의 강화 섬유(40)는 이면부에서 균열이 전파하는 것을 방지하는데 일조하는 것으로 판단되는바, 즉 이면에서 시작하는 저온 또는 고온 시효 균열은 균열이 강화 섬유(40)와 조우할 때까지 성장한다. 따라서, 강화 섬유가 균열의 성장을 억제함으로써 고온과 저온 양쪽에서 벨트의 성능을 향상시키는 것으로 여겨진다. 더욱이, 치형부(16)의 강화 섬유(40)가 치형부의 전단 강도를 증가시키므로 섬유 강화부 없이 제조된 유사 벨트보다 하중 지탱 능력이 높아진다.
벨트(10)의 다수의 치형부(16)와 치형부간 랜드(18)를 따라 맞춰지는 커버(24)가 사용되어 강화 직물 커버를 형성할 수 있다. 이 커버는 원하는 소정 각도의 날실과 씨실로 이루어지는 종래의 직물과 같이 어떤 원하는 구성이거나, 또는 서로 떨어진 픽크 코드에 의해 함께 유지되는 날실로 이루어지거나, 또는 편조 또는 편성 구성, 신장포(stretch fabric), 부직포 등으로 이루어질 수도 있다. 한 겹 이상의 직물이 사용될 수도 있다. 면, 폴리에스테르, 폴리아미드, 아라미드, 나일론, 기타 여러 가지의 천연 섬유 및 합성 섬유와 그 혼합물 등과 같은 재료를 이용하는 종래의 직물이 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 커버(24)는 6,6 나일론재 신장포로 이루어진다.
동기 벨트(10)는 확실 전동형 이붙이 벨트를 제조하는 데에 적절한 방법에 의해 제조된다. 이들 방법에는 미국특허 제2,507,852호에서 케이스(Case)가 설명한 치형부 압출법, 미국특허 제3,250,653호에서 가이스트(Geist) 등이 설명한 치형부 예비성형법 또는 미국특허 제3,078,206호에서 스쿠라(Scura)가 설명한 관통 유동법이 있다. 이들 세 개의 미국특허 제2,507,852호, 제3,250,653호 및 제3,078,206호는 본 발명의 확실 전동형 이붙이 전동 벨트의 적절한 제조 방법을 설명하기 위한 목적으로 본 명세서에 포함된다.
엘라스토머 재료에 섬유를 부가하면 재료의 점도가 증가된다. 웨트젤 (Wetzel)에게 허여된 미국특허 제4,235,119호는 섬유로 강화된 동기 벨트에서 스쿠라의 관통 유동법에 의해 제조되는 양호한 이붙이 형상을 만들기 위하여, 연속 나선형으로 권취된 변형 방지 코드가 부직포 강화 벨트의 간격보다 더 멀리 인장층내에서 간격을 두어야 하는 것으로 보고하고 있다. 예를 들어, 8mm와 10mm 사이의 치형부 피치를 갖고 약 1.15mm의 직경의 적어도 하나의 변형 방지 유리 섬유 코드가 연속 나선형으로 배치된 동기 벨트는 벨트 폭의 인치당 18 내지 20 가닥(7 내지 8 가닥/cm)의 표준 코드 간격을 이용하고 있다. 섬유로 강화된 엘라스토머 재료 등의 고점성 화합물로 벨트를 제조할 때, 권취 코드의 수를 인치당 약 2 가닥(0.8 가닥/cm) 정도 감소시키도록 나선형으로 권취된 변형 방지 코드를 서로 더 떨어지게 간격을 둘 필요가 있다. 그러나, 변형 방지 권취 코드를 서로 더 멀리 떨어지게 간격을 두면 일반적으로 벨트의 인장 강도가 감소하게 된다. 반대로, 본 발명을 실시하면, 스쿠라의 관통 유동법을 사용할 때 나선형으로 권취된 변형 방지 코드를 더 떨어지게 간격을 두지 않아도 된다는 놀랄만한 사실을 알아내었다. 섬유로 강화된 엘라스토머 재료에 표준 코드 간격을 사용하는 것이 의외이기는 하지만, 본 발명의 바람직한 실시예는 표준 코드 간격을 사용한다. 이러한 표준 코드 간격으로 인해 동기 벨트의 인장 강도가 감소하지 않게 된다. 바람직한 실시예에서, 8mm 내지 10mm, 보다 바람직하게는 9.5mm의 치형부 피치와 약 1.15mm의 직경을 갖는 연속 나선형으로 배치된 한쌍의 변형 방지 유리 섬유 코드를 갖는 동기 벨트가 벨트 폭의 인치당 18 내지 20 가닥(7 내지 8 가닥/cm)의 표준 코드 간격을 이용한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 V 리브 벨트(32)가 도시되어 있다. V 리브 벨트(32)는 벨트의 풀리 접촉면 또는 로프 풀리 접촉면을 형성하는 압축층(14)과 벨트 본체부를 형성하는 인장층(12)을 구비한다. 적어도 하나의 인장층(12)과 압축층(14)은, 도 1의 동기 벨트(10), 이면부(12) 및 다수의 치형부(16)와 관련하여 설명한 바와 같은 섬유로 강화된 엘라스토머 재료로 형성된다. 인접한 리브(36) 사이에 형성된 홈(38)이 있는 다수의 V자형 리브(36)는 맞물리는 풀리(도시않됨)를 수용하는 압축층(14)에 형성된다. 적어도 하나의 인장 코드(22)가 엘라스토머 재료내에 매설되어 인장층(12)과 압축층(14) 사이에서 연속 나선형 형태로 V 리브 벨트의 길이 방향으로 연장한다. 인장 코드(22)는 전술한 도 1의 변형 방지 코드에 사용되는 것과 유사한 재료로 형성된다.
도 1과 도 2에 도시된 이들 형태에 추가하여, 본 명세서에 사용된 용어 "전동 벨트"는 평벨트, 양면 V 리브 벨트(여기서, 도 2와 관련하여 전술한 V자형 리브가 벨트의 제1 면과 제2 면 양쪽을 따라 연장함), 양면 동기 벨트 또는 이붙이 벨트(여기서, 도 1과 관련하여 전술한 번갈아 배치되는 치형부와 치형부간 랜드가 벨트의 제1 면과 제2 면 양쪽을 형성함) 및 전술한 것의 혼합형, 예를 들어 이붙이형 V 리브 벨트(여기서, 도 2와 관련하여 전술한 V자형 리브가 벨트의 제1 면을 따라 연장하고, 도 1과 관련하여 전술한 번갈아 배치되는 치형부와 치형부간 랜드가 벨트의 제2 면을 따라 연장함)를 비롯한 종래의 또는 어떤 적절한 전동 벨트 형상도 포함하는 것으로 의도된다.
도 1 및 2의 예에서 설명한 바와 같이, 바람직한 실시예에서 벨트는 이하에 설명하는 엘라스토머 재료를 벨트 본체부에 합체시킨다. 엘라스토머 재료는 적어도 부분적으로 수소로 처리된 니트릴기 함유 공중합체 고무 100 중량부와 섬유 강화부(40)의 상기 니트릴기 함유 공중합체 고무 100 중량당 약 0.5 내지 약 50 부를 포함한다. 본 명세서의 문맥에서, 용어 "공중합체"는 비슷하지 않은 두 개이상의 모노머의 중합에 의해 생성된 엘라스토머를 가리키는데 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적어도 부분적으로 수소로 처리된 니트릴 공중합체 고무는, 예를 들어 3개의 미국특허, 즉 미국특허 제4,956,417호, 미국특허 제5,013,796호 및 미국특허 제5,013,797호에 개시되어 있다.
바람직한 실시예에서, 적어도 부분적으로 수소로 처리된 니트릴기 함유 공중합체 고무는 고도로 포화되어 있으며, (1) 불포화 니트릴 모노머 유닛을 약 5 내지 약 40 퍼센트, (2) 고무의 유리 천이 온도를 강하시키는 특징을 지니고 있는 적어도 하나의 제2 모노너의 유닛을 약 1 내지 약 80 퍼센트, (3) 공액 디엔 모노머 유닛을 최대 약 20퍼센트 및 (4) 나머지는 수소 처리 공액 디엔 모노머 유닛을 포함한다. 바람직한 실시예에서, (1)과 (2)의 모노머 유닛의 함량의 합은 약 30 내지 90 중량 퍼센트이고, (3)과 (4)의 모노머 유닛의 합은 약 10 내지 70 중량 퍼센트이다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 (2)의 적어도 하나의 제2 모노머의 유닛은 불소가 없는 불포화 카복실산 에스테르 모노머 유닛과 불소를 함유하는 비닐 모노머 유닛으로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
불소가 없는 불포화 카복실산 에스테르 모노머를 제2 모노머로서 사용하는 다른 바람직한 실시예에서, 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무는 (1) 불포화 니트릴 모노머 유닛을 약 10 내지 약 35 퍼센트, (2) 불소가 없는 불포화 카복실산 에스테르 모노머 유닛을 약 15 내지 약 60 퍼센트, (3) 공액 디엔 모노머 유닛을 최대 약 15 퍼센트, 그리고 (4) 나머지는 수소 처리 공액 디엔 모노머 유닛을 포함하고, (1)과 (2)의 모노머 유닛의 함량의 합은 약 40 내지 90 중량 퍼센트이고, 약 55 내지 90 중량 퍼센트인 것이 바람직하며, (3)과 (4)의 모노머 유닛의 함량의 합은 약 10 내지 약 60 중량 퍼센트이고, 약 10 내지 약 45 중량 퍼센트인 것이 가장 바람직하다.
불소를 함유하는 비닐 모노머를 제2 모노머로서 사용하는 다른 바람직한 실시예에서, 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무는 (1) 불포화 니트릴 모노머 유닛을 약 10 내지 약 35 퍼센트, (2) 불소를 함유하는 비닐 모노머 유닛을 약 5 내지 약 60 퍼센트, (3) 공액 디엔 모노머 유닛을 최대 약 15 퍼센트, 그리고 (4) 나머지는 수소 처리 공액 디엔 모노머 유닛을 포함하고, (1)과 (2)의 모노머 유닛의 함량의 합은 약 40 내지 90 중량 퍼센트이고 (3)과 (4)의 모노머 유닛의 함량의 합은 약 10 내지 약 60 중량 퍼센트이다.
본 발명에 유용한 불포화 니트릴 모노머는 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴 및 α-클로로아크릴로니트릴을 포함하지만 이것으로 제한되지는 않는다.
불소가 없는 불포화 카복실산 에스테르 모노머와 불소를 함유하는 비닐 모노머로 이루어지는 군에서 선택되는 제2 모노머는 다음과 같은 것들을 포함하지만 이들로 제한되지는 않는다.
(a)불소가 없는 불포화 카복실산 에스테르 모노머:
(ⅰ)메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 프로필 아크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트 및 2-에틸헥실 아크릴레이트 등의 알킬기에 1 내지 18 탄소 원자를 갖는 알킬 아크릴레이트와 메타크릴레이트
(ⅱ)메톡시메틸 아크릴레이트, 메톡시에틸 아크릴레이트, 에톡시에틸 아크릴레이트 및 부톡시에틸 아크릴레이트 등의 알콕시알킬기에 2 내지 12 탄소 원자를 갖는 알콕시알킬 아크릴레이트
(ⅲ)α- 및 β-시아노에틸 아크릴레이트, α-, β- 및 γ-시아노프로필 아크릴레이트와 시아노부틸 아크릴레이트 등의 시아노알킬기에 2 내지 12 탄소 원자를 갖는 시아노알킬 아크릴레이트
(ⅳ)2-하이드록시에틸 아크릴레이트와 하이드록시프로필 아크릴레이트 등의 하이드록시알킬기에 1 내지 18 탄소 원자를 갖는 하이드록시알킬 아크릴레이트
(ⅴ)메틸아미노에틸 아크릴레이트, t-부틸아미노에틸 아크릴레이트, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트, 디메틸아미노프로필 아크릴레이트 및 디에틸아미노에틸 메타크릴레이트 등의 아미노알킬기에 1 내지 12 탄소 원자를 갖는, 에틸렌으로 불포화된 카복실산의 아미노알킬 에스테르
(ⅵ)모노에틸 말레이트, 디메틸 말레이트, 디메틸 푸마레이트, 디에틸 푸마레이트, 디메틸 이타코네이트, 디에틸 이타코네이트 및 디-n-부틸 이타코네이트 등의 알킬기에 1 내지 8 탄소 원자를 갖는, 불포화 카복실산의 모노- 및 디-알킬 에스테르
(b)불소 함유 비닐 모노머:
(ⅰ)트리플루오로에틸 아크릴레이트, 테트라플루오로프로필 아크릴레이트, 펜타플루오로프로필 아크릴레이트, 옥타플루오로펜틸 아크릴레이트, 트리플루오로에틸 메타크릴레이트 및 테트라플루오로프로필 메타크릴레이트 등의 플루오로알킬기에 3 내지 21개의 불소 원자를 갖는 플루오로알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트
(ⅱ)플루오로벤질 아크릴레이트, 디플루오로벤질 아크릴레이트 및 플루오로벤질 메타크릴레이트 등의 불소 치환 벤질 아크릴레이트 및 메타크릴레이트
(ⅲ)플루오로에틸 비닐 에테르, 플루오로프로필 비닐 에테르 및 트리플루오로메틸 비닐 에테르 등의 플루오로알킬기에 1 내지 8 탄소 원자를 갖는 플루오로알킬 비닐 에테르
(ⅳ)O- 및 P-트리플루오로메틸스티렌, 비닐 펜타플루오로벤조에이트, 디플루오로에틸렌 및 테트라플루오로에틸렌.
본 발명에 유용한 공액 디엔 모노머는 1,3-부타디엔, 2,3-디메틸부타디엔, 이소프렌 및 1,3-펜타디엔을 포함하지만 이것으로 제한되지는 않는다.
본 발명의 실시에 바람직한 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무의 예는 상표명 테어반(THERBAN), 분류 번호 XN535C 로 베이어(Bayer)에서 판매되고 있고, 또 상표명 제트폴(ZETPOL), 분류 번호 4110, 4120, 3110 및 3120 로 니폰 지온(Nippon Zeon)에서 판매한다.
본 발명의 엘라스토머 재료를 형성하기 위해, 에틸렌-알파-올레핀 공중합체와 3량체, 니트릴 부타디엔 공중합체, 에피클로로하이드린 고무, 에틸렌-비닐-아세테이트 공중합체, 트랜스폴리옥테나머, 폴리아크릴 고무, 폴리부타디엔, 이소부텐-이소프렌 공중합체, 할로겐화 이소부텐-이소프렌 공중합체, 에틸렌-아크릴 엘라스토머, 폴리이소프렌 고무(천연 또는 합성), 실리콘 고무, 폴리클로로프렌, 폴리우레탄 엘라스토머 및 그 혼합물을 포함하지만 이들로 제한되지는 않는 제2 엘라스토머 재료의 혼합물중 전체 엘라스토머 함량에 기초하여 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무가 바람직하게는 50중량% 이하로, 보다 바람직하게는 최대 약 25중량%로, 가장 바람직하게는 최대 약 10중량%로 선택적으로 혼합되어, 약 -40℃ 내지 약 140℃ 또는 그 이상의 서비스 범위에서 내열성, 양호한 벨트 내구성 및 저온 내균열성이 양호한 균형을 이루는 전동 벨트를 제공할 수 있다.
벨트 엘라스토머의 강화재로서 사용하기에 적합한 섬유(40)의 형태는 메타-아라미드, 파라-아라미드, 폴리에스테르, 폴리아미드, 면, 레이온 및 유리 뿐만 아니라 이들 중 2 이상의 조합물을 포함하지만 파라-아라미드가 바람직하다. 종래 기술로 널리 공지된 바와 같이, 섬유는 표면적을 증가시키도록 소정의 섬유 타입의 경우에 피브릴화되거나 펄핑되며, 또는 절단 섬유 또는 스테이플 섬유의 형태로 된다. 본 명세서를 위해, 용어 "피브릴화" 및 "펄핑"은 동일한 공지 특성을 나타내도록 서로 교환가능하게 사용되고, 용어 "절단" 또는 "스테이플"도 다른 공지 특성을 나타내도록 서로 교환가능하게 사용된다. 섬유(40)는 약 0.1 내지 약 10mm의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 섬유는 엘라스토머에 대한 부착력을 향상시키기 위해 섬유 타입에 부분적으로 기초하여 원하는 데로 선택적으로 처리될 수도 있다. 섬유 처리의 예로는 소정의 레조르시놀 포말데히드 라텍스(RFL)가 적합하다.
섬유가 스테이플 종류 또는 절단 종류인 바람직한 실시예에서, 섬유(40)는 폴리아미드, 레이온 또는 유리로 형성될 수 있으며, 바람직하기로는 10 이상의 "L/D"(직경에 대한 섬유 길이의 비) 또는 종횡비를 갖는다. 추가로, 섬유는 약 0.1 내지 5mm의 길이를 갖는 것이 바람직하다.
섬유가 펄핑되거나 피브릴화된 종류의 다른 바람직한 실시예에서, 섬유는 파라-아라미드로 형성되는 것이 바람직하고, 약 1m2/g 내지 약 15m2/g의 특정 표면적, 보다 바람직하기로는 약 3m2/g 내지 12m2/g의 표면적, 가장 바람직하기로는 약 6m2/g 내지 약 8m2/g의 표면적을 가지며, 및/또는 약 0.1mm 내지 약 5.0mm, 보다 바람직하기로는 약 0.3mm 내지 약 3.5mm, 가장 바람직하기로는 약 0.5mm 내지 약 2.0mm의 평균 섬유 길이를 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시예에 사용되는 피브릴화된 파라-아라미드 섬유(40)의 양은 니트릴 고무의 백중량당 약 0.5 내지 약 20 부가 유리하며, 니트릴 고무의 백중량당 약 0.9 내지 약 10.0 부가 바람직하고, 니트릴 고무의 백중량당 약 1.0 내지 약 5.0 부가 보다 바람직하며, 니트릴 고무의 백중량당 약 2.0 내지 약 4.0 부가 가장 바람직하다. 관련 분야의 숙련자라면 높은 섬유 충전 농축물에서 경화된 엘라스토머의 경도 초과를 방지하도록 엘라스토머가 첨가 재료, 예를 들어 가소제를 포함하도록 변경되는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있을 것이다.
먼저 약 50중량%, 또는 다른 적절한 소정량의 최종 섬유 함량을 갖는 섬유 충전 마스터 배치를 형성하도록 적절한 제1 엘라스토머 조성물에 피브릴화된 섬유를 혼합하고, 그 후 벨트 엘라스토머 조성에서 섬유가 적절하게 분포될 수 있도록 벨트 엘라스토머 조성물에 섬유 충전 마스터 배치를 첨가한 다음, 적절한 및/또는 종래의 소정 기술을 사용하여 섬유가 충전된 엘라스토머 조성물로 벨트를 성형하는 등의 어떤 적절한 및/또는 종래의 기술을 사용하여 섬유가 엘라스토머 조성물에 첨가될 수 있다.
이붙이 벨트의 종방향(또는 주행 방향)에서 바람직한 섬유의 배향을 용이하게 하는 한 방법은, 스쿠라의 미국특허 제3,078,206호에 공표되어 있는 바와 같이 노치가 형성된 몰드내에 인장 부재를 배열하는 단계와, 몰드내의 인장 부재 주위에 그와 인접하게 섬유가 충전된 치형부를 성형하는 고무를 배열하는 단계와, 인장 부재를 통해 그리고 몰드의 노치로 엘라스토머 조성물을 밀어 넣기에 충분한 열 및 압력을 인가하여 벨트 치형부를 성형하는 단계와, 그 후 벨트를 몰드에서 제거하는 단계를 포함한다. 여기서 직물 치형부 재킷이 사용되며, 그러한 재킷은 먼저 노치를 포함하는 몰드의 표면과 인장 부재 사이에 개재된 후 전술한 단계를 따르게 된다.
섬유(40)는 전동 벨트에서 엘라스토머 재료 전반에 걸쳐 임의로 산포된다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 이붙이 벨트의 경우, 도 3의 실시예에 도시된 바와 같이 전동 벨트의 엘라스토머 재료의 전반에 걸쳐서 배향되는 것이 가능하고, 또한 바람직하다. 도 3의 바람직한 실시예에 도시된 바와 같이, 이면부(12)의 섬유(40)는 변형 방지 코드(22)와 거의 평행하게 벨트의 종방향, 즉 주행 방향으로 배향된다. 이러한 특징은 전술되었으며 이하에서 더 상세히 설명되는 스쿠라의 관통 유동법에 따라 벨트를 성형함으로써 쉽게 달성될 수 있다.
또한, 치형부(16)의 섬유(40)가 치형부의 횡단면을 가로질러 종방향으로 배향되는 것이 바람직하다. 하지만, 치형부(16)의 섬유(40)가 모두 변형 방지 코드(22)와 평행한 것은 아니며, 치형부의 섬유(40)는 이미 벨트 관통 유동법에 따라 형성될 때 치형부 형성 중에 엘라스토머 재료의 흐름 방향을 따라가게 종방향으로 배열된다. 이것에 의해 치형부(16)의 형태와 일치하는 거의 종방향의 사인 곡선 패턴으로 섬유(40)가 벨트 치형부(16)에서 배향될 수 있다. 더욱이, 도 3에 도시된 바와 같이, 스쿠라의 관통 유동법에 따라 형성될 때, 벨트의 이면부(12)에 있는 적어도 섬유의 일부가 소정의 치형부(16)의 반대 영역에서 다소 곡선 형상을 형성하도록 미소하게 침지된다. 이것은 치형부 형성 중에 엘라스토머의 유동 방향을 따라가는 섬유의 결과로 나타나며, 벨트의 성능에 불리한 영향을 주지는 않는다.
섬유의 방향이 거의 이붙이 벨트의 주행 방향이 되도록 이러한 바람직한 형상으로 배향될 때, 벨트의 이면부(12)에 배치된 섬유(40)가 벨트 이면의 균열, 특히 과도한 고온 또는 저온에서의 작동에 의해 야기된 균열, 그렇지 않으면 벨트의 주행 방향에 대해 수직인 방향으로 거의 전파되는 균열을 억제한다는 것을 알았다. 그러나, 섬유(40)가 배향될 필요가 없거나 또는 도시된 것과 상이한 방향으로 배향될 수도 있음을 이해해야 한다.
본 발명을 도 1 내지 3에 도시된 실시예를 참조하여 예시하였지만 본 발명은 예시된 특정 실시예 또는 형태에 제한되기 보다는 이하에서 한정되는 청구범위의 범위내에서 소정의 동적인 용례 구조에 적용될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명에 유용한 니트릴기 함유 공중합체 고무 조성물은 황, 유기 과산화물, 또는 다른 유리기 촉진 재료로도 경화될 수 있다. 또한, 엘라스토머 재료는 황, 유기 과산화물 또는 다른 유리기 촉진 재료의 조합을 이용하는 혼합 경화 시스템에서도 경화될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무는 황으로 경화된다. 경화에 적합한 황 도너는 테트라-메틸-티우람 디-황화물, 테트라-에틸-티우람 디-황화물, 디-펜타메틸렌 티우람 디-황화물, 디-펜타메틸렌 티우람 테트라-황화물, 디-펜타메틸렌 티우람 헥사-황화물, 디-티오-디-몰포린, 디-티오-디-카프로락탐 및 2-(4-몰포리닐 디-티오)-벤조티아졸을 포함하지만 이것으로 제한되지는 않는다. 니트릴 고무가 유기 과산화물로 경화되고 본 발명에 따라 섬유로 강화되면, 유사하게 황으로 경화된 고무보다 전동 벨트의 내고온성이 매우 높게 되고 160℃ 내지 165℃ 또는 그 이상의 최고 작동 온도에 도달하는 것이 가능하다.
다른 종래의 엘라스토머 첨가제, 프로세스 오일 및 익스텐더유, 산화방지제, 왁스, 안료, 가소제, 연화제 등이 본 발명을 벗어남이 없이 통상의 고무 처리 실시에 따라 첨가될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 엘라스토머 재료는 또한 카본 블랙, 바람직하기로는 엘라스토머 백중량당 약 20 부 이하의 양의 가소제, 산화방지제, 경화 촉진제 및 경화 지연제를 함유한다.
비교예
비교예 1 내지 12
동기 벨트는 미국특허 제3,078,206호에서 스쿠라가 설명한 관통 유동법에 의해 제조되고 실질적으로 도 1에 도시된 예시에 따라 형성된다. 동기 벨트는 상이한 2개의 카본 블랙 수준(비교 시료 1과 3 및 시료 2와 4)으로 섬유 강화제와 함께 또는 섬유 강화제 없이 (2개의 폴리머만을 함유하는)종래의 HNBR 공중합체로 제조된다. 벨트의 다른 군은 전술한 바와 같이 고무의 유리 천이 온도를 강하시키는 특성을 갖는 제3 모노머를 적어도 포함하는 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무로 마련되며, 이 고무는 상이한 3개의 카본 블랙 강화제 수준(비교 시료 5, 7 및 9와 시료 6, 8 및 10)으로 섬유 강화제와 함께 또는 섬유 강화제 없이 황으로 경화된다. 결과적으로, 벨트의 제3 군은 동일한 추가 모노머를 함유하는 전술한 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무로 마련되며, 이 고무는 단일 카본 블랙 강화제 수준(비교 시료 11 및 시료 12)에서 섬유 강화제와 함께 또는 섬유 강화제 없이 과산화물로 경화된다.
본 발명의 실시예를 예시하기 위해 도시된 짝수 번호의 시료들에 사용된 섬유 강화제는 이전에 아크조 케미칼로 알려진 회사(현재는, 트와론 프로덕츠)에서 트와론(TWARON)이라는 상표명으로 판매되며, 폴리파라페닐렌 테레프탈아미드라는 화학적 표기를 갖는 파라-아라미드로 피브릴화된 섬유 또는 펄프의 100중량부 고무당 3.0중량부이었다.
각 벨트는 대략 19mm의 폭, 97개의 치형부 및 약 9.5mm(3/8in)의 치형부 피치로 특징된다. 각각의 경우에 인장층은 약 1.15mm의 직경과 인치당 2.0 비틀림(0.45 내지 0.79 비틀림/cm)을 갖고 벨트 폭 인치당 약 18 내지 20 가닥(7 내지 8 가닥/cm)으로 간격을 둔 한쌍의 유리 섬유 코드로 이루어진다.
표 1은 벨트 시료 및 비교 시료 1 내지 12에 이용되는 고무 포뮬레이션을 설정한다. 포뮬레이션은 내부 용적이 1.7리터인 밴부리 혼합기에서 혼합된다. 혼합은 대략 40 rpm 에서 수행된다. 배치는 3개의 패스 혼합물로서 처리된다. 제1 패스에서 가황제, 촉진제 및 지연제를 제외한 모든 성분은 밴부리에 첨가되어 4분 동안 또는 140℃의 최대 온도까지 혼합된다. 제2 패스에서 배치는 대략 2분 이상동안 또는 온도가 140℃에 도달할 때까지 재혼합된다. 제3 패스에서, 나머지 성분은 배치 온도가 100℃에 도달할 때까지 첨가되어 혼합된다. 각각의 패스 후에 배치는 2개의 롤 밀상에서 냉각된다. 그 다음에 표 1을 근거로 한 포뮬레이션을 위한 관통 유동법에 의해 동기 벨트가 제조된다.
포뮬레이션 1비교예 E 2 3비교예 E 4 5비교예 E 6 7비교예 E 8 9비교예 E 10 11비교예 E 12
데어반 C34461 100.0 100.0 100.0 100.0 - - - - - - - -
데어반 XN535C2 - - - - 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
P-아라미드 피브릴화 섬유3 - 3.0 - 3.0 - 3.0 - 3.0 - 3.0 - 3.0
N550 카본 블랙 - - - - 70.0 70.0 55.0 55.0 30.0 30.0 - -
N772 카본 블랙 60.0 60.0 55.0 55.0 - - - - - - 50.0 50.0
가소제 10.0 10.0 10.0 10.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 10.0 10.0
1베이어에 의한 데어반 C3446(수소로 처리된 니트릴-부타디엔 고무(HNBR) 공중합체)
2베이어에 의한 데어반 XN535C(니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무)
3베이어에 의해 EPDM 마스터배치에서 RHENOGRAN P91/50 50% p-아라미드 (피브릴화된)섬유를 매개로 하여 첨가됨
표 1에 열거한 재료에 추가하여, 각 포뮬레이션은 산화아연, 스테아린산, 및 퇴화방지제, 경화제와 경화 촉진제 및 경화 지연제의 조합물을 포함하였으며, 그 각각의 양은 그러한 용례를 위해 엘라스토머 조성물에 종래에 사용되던 분량이었다. 비교 시료 1 내지 9와 시료 2 내지 10은 황으로 경화되며 비교 시료 11과 시료 12는 과산화물로 경화되었다.
표 1에 열거된 동기 벨트에 대해 다양한 시험이 수행되었다. 이들 시험은 냉각 균열 시험, 및 내열 시험을 포함하였다. 이들 시험의 결과는 표 2에서 알 수 있다.
냉각 균열 시험은 도4에 예시되어 있다. 냉각 균열 시험에서, 동기 벨트는 19개의 홈을 갖는 구동 풀리(50), 각각 19개의 홈과 20개의 홈을 갖는 피동 풀리와, 2개의 이면 아이들러(56; 50mm 직경) 및 텐셔너(58)상을 주행하였다. 현수 중량에 의해 200 N의 인장력이 텐셔너(58)로 인가되었다. 구동 풀리(50)를 1분 동안 720 rpm으로 회전시킨 다음 59 분동안 정지상태로 두었다. 이것을 (특정 시험에 따라) 10시간 또는 50시간 동안 반복하였으며, 그후 이면부에서 균열을 점검하였다. 동기 벨트의 이면부에서 균열이 보이지 않으면, 시험 온도를 10시간 시험에서 5℃만큼 또는 50시간 시험에서 2℃만큼 감소시키고 새로운 벨트 표본에 대해 시험을 반복하였다. 동기 벨트의 이면부에서 균열이 보이면, 시험 온도를 10시간 시험에서 5℃만큼 또는 50시간 시험에서 2℃만큼 증가시키고 새로운 벨트 표본에 대해 시험을 반복하였다. 동기 벨트의 이면부에서 하나 이상의 균열을 일으키는 최저 온도를 기록하였는데, 이것은 그 온도에서 형성된 균열의 타입 및/또는 수를 질적으로 설명하는 것이다. 이하의 표에서 "L"과 "R"로 지시되는 시험 장비의 2 부품에서 저온 시험을 수행하였다. 저온 시험을 위해, 특정 온도에서 특정 벨트의 첫 번째 균열 조짐시 장비의 양 부품에서 시험을 종결하고 온도를 기록하였다.
10 시간 저온 시험이 자동차의 동기 벨트가 매우 추운 기후에서 작동하는 것으로 예상하는 조건에 대략 가까우며, 이에 따라 시험된 벨트의 작동 범위내의 값을 반영하는 것이라 여겨지고, 50시간 저온 시험은 매우 혹독한 가속 시험인 것으로 생각된다.
내열(즉, 고온 시효) 시험이 도 5에 도시된다. 내열 시험 구성에서, 19개의 홈을 갖는 구동 풀리(60)가 대략 8000 rpm으로 회전하였다. 또한 내열 시험 구성은 38개의 홈을 갖는 피동 풀리(62)와 텐셔너(64)를 포함하였다. 텐셔너(64)는 50mm의 직경을 가지며, 220 N의 인장력이 현수 중량에 의해 인가되었다. 동기 벨트가 주행하는 도 5의 시험 구성은 대기 온도가 140℃로 조절된 고온 박스에서 실행되었다. 수시간의 파괴 시간이 동기 벨트의 이면부의 가시적인 균열 또는 치형부 전단시에 기록되었다.
포뮬레이션 1비교예 E 2 3비교예 E 4 5비교예 E 6 7비교예 E 8 9비교예 E 10 11비교예 E 12
100% 화합물 모듈러스(kg/cm2)4 4.3 10.8 3.8 9.5 5.8 8.4 4.2 8.5 1.7 4.8 2.3 5.7
10시간 냉각 균열 시험(파괴시 ℃) ≥-35 ≥-40 ＜-40 ＜-40
50시간 냉각 균열 시험5파괴시 ℃(L) -26 -26 -26 -26 -34 ≤-34 ＞-36 ＞-36 -36 -36 -34 -
50시간 냉각 균열 시험5파괴시 ℃(R) -26 ＜-26 -26 ≤-26 ＜-34 ＜-34 ＞-36 -36 ≤-36 ＜-36 - -38
140℃에서 내열시험수명(시간) 479 597 558 813 208 254 303 595 402 792 399 446
4인장시 측정된 화합물 모듈러스
5(L)은 장비의 제1 부품에서 결과를 나타내고 (R)은 장비의 제2 부품에서 결과를 나타낸다.
냉각 시험에서, ＜는 균열이 없음을 의미하고, ≤는 하나 또는 2개의 균열을 의미하며, ≥는 많은 균열을 의미하고, ＞는 다수의 큰 균열을 의미하며, 그렇지 않으면 단지 몇 개의 작은 균열이 관측되었다.
예상한 바와 같이, 표 2는 각 시료의 140℃에서의 내열성과, 강성 또는 모듈러스가 p-아라미드 섬유 강화재를 소정의 엘라스토머 조성물에 부가함으로써 현저하게 향상되는 것을 나타낸다. 이러한 경향은 시료 2 및 4와 비교 시료 1 및 3의 수소로 처리된 니트릴-부타디엔 고무(HNBR) 공중합체(단지 두개의 모노머만 함유)와, 표 2의 비교 시료 5,7,9,11과 시료 6,8,10,12의 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무 모두에서 알 수 있다. 1과2, 3과4, 5와6, 7과8, 9와10, 11과12의 각 쌍에 있어서는, 섬유를 함유하는 짝수의 시료 벨트에 있어서 보다 큰 모듈러스와 내고온성이 나타난다.
또한, 표 2는 섬유의 첨가로 인하여 내저온성이 증가된다는 의외의 결과를 보이고 있다. 이러한 경향은 공중합체가 단지 두개의 모노머만을 포함하는 HNBR 공중합체계 벨트와, 공중합체가 고무의 유리 천이 온도를 강하시키는 특성이 있는 추가의 모노머를 포함하고 있는 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무계 벨트 모두에서 알 수 있다. 섬유 강화재 없이 HNBR 공중합체로 형성된 벨트, 즉 비교 시료 1 및 3은 50시간의 저온 균열 시험시 26℃에서 균열되는 반면, 폴리머 100 중량부당 3중량부의 p-아라미드 섬유 강화재가 있는 HNBR 공중합체로 형성된 벨트 시료, 즉 시료 2 및 4는 50시간의 저온 균열 시험시 26℃에서 균열이 전혀 없거나, 각각 하나 또는 두개의 균열이 존재하였다(장비의 제2 부품). 그에 따라, HNBR 공중합체에 섬유 강화재가 부가된 벨트 시료는 -26℃의 저온에서 양호한 성능을 발휘하였다.
또한, 고무의 유리 천이 온도를 강하시키는 특성이 있는 하나 이상의 모노머를 포함하는 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무 시료는 섬유 강화재의 첨가에 의하여 저온에서 의외의 향상된 결과를 나타내었다. 표 2에 도시된 10시간의 저온 균열 시험의 결과에서, 섬유가 없는 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무로 형성된 벨트, 즉 비교 시료 5는 10시간의 저온 균열 시험시 -40℃에서 많은 균열이 나타나는 반면에, 섬유 강화재가 있는 동일한 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체로 형성된 고무는 -40℃에서 균열이 발견되지 않는 것을 알 수 있다. 비교 시료 5와 시료 6에 대한 50시간의 저온 균열 시험에서도 유사한 결과가 나타났다. 장비의 제1 부품에서 시험된 그러한 벨트에 있어서, 섬유를 함유하는 시료에는 단지 하나 또는 두개의 작은 균열이 발견된 반면, 섬유를 함유하지 않은 시료에는 많은 균열이 발견되었다.
50시간의 저온 균열 시험(장비의 제2 부품)에서, 낮은 카본 블랙의 충전시, 즉 비교 시료 9와 시료 10에 있어서도 유사한 결과가 발견되었다. 비교 시료 9, 즉 섬유가 없는 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무(유리 섬유 온도를 강하시키는 모노머를 포함)로 형성된 벨트는 50시간의 저온 균열 시험시 -36℃에서 하나 또는 두개의 균열이 발견되었으며, 시료 10, 즉 중합체 100 중량부당 3 중량부의 피브릴화된 p-아라미드 섬유 강화재를 추가한 것을 제외하고는 비교 시료 9의 조성과 동일한 벨트는 -36℃에서 어떠한 균열도 나타나지 않았다.
섬유가 충전되어 있는 경우와 섬유가 충전되어 있지 않은 경우에 단일의 장비 부품에서 소정의 카본 블랙 수준으로 소정 형태의 엘라스토머에 대한 저온 균열 시험 데이타를 비교함으로써, 섬유를 충전하면 섬유가 충전되어 있지 않은 예에 비하여 벨트 엘라스토머의 저온 내균열성이 향상 또는 유지되는 것을 알 수 있었다. 그에 따라, 예컨대 50시간 저온 균열 시험 하에 있는 비교 시료 5와 시료 6에 있어서, 장비의 제1 부품("L") 즉 시료 5는 저온 내균열성이 향상되는 것으로 나타났다. 그렇게 한정된 각 쌍의 시료와 비교 시료에서 저온 성능의 향상 또는 유지가 예시되어 있다.
데이터를 검토하면, 장비의 제2 부품("R")에서 수집된 데이터가 섬유가 충전된 예와 섬유가 충전되지 않은 예 사이에 많은 차이가 있음을 알 수 있다. 이러한 차이에 대한 이유는 현재에는 알려져 있지 않지만, 그럼에도 불구하고 본 발명은 종래 기술의 구성에 비하여 저온 성능에 있어서 현저한 향상을 제공한다.
또한, 바람직한 니트릴기 함유 공중합체에 관한 본 발명의 추가의 바람직한 특징은 비교 시료 3, 비교 시료 7 및 시료 8의 고온 시험 결과의 비교로 예시되어 있다. 각각의 시료는 동일한 양(즉, 55phr)의 카본 블랙 충전제를 포함한다. 그러나, 비교 시료 7과 시료 8은 본 발명의 실시에 바람직한 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무로 구성되는 엘라스토머 부분을 포함하며, 이는 고무의 유리 천이 온도를 강하시키는 특징이 있는 모노머를 포함하는 반면에, 비교 시료 3은 바람직한 고무의 저온 특성보다 열등한 저온 특성을 갖는 보다 일반적인 수소로 처리된 니트릴-부타디엔 고무로 형성된다(예컨대, 50시간의 저온 균열 시험 결과가 기재된 표 2를 참고하라). 명백하기로는, 섬유가 충전되지 않은 예에 있어서는, 수소 처리 니트릴-부타디엔 고무(비교 시료 3)로 형성된 시료의 내열 특성이 향상된 저온 성능을 나타내는 니트릴 고무(비교 시료 7)로 형성된 시료의 내열 특성을 초과하였다. 그러나, 시료 8에 대한 각각의 저온 및 고온 시험 결과는 저온 및 고온 성능의 최적의 균형을 반영하고 있다. 본 발명에 따른 벨트의 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 엘라스토머 부분, 특히 그것의 이면 영역에 섬유를 혼합함으로써, 내구성, 내고온성 및 내저온성이 양호하게 균형을 이루며, 약 -40℃ 내지 적어도 약 140℃의 작동 범위를 갖는 벨트를 얻을 수 있다.
본 발명의 전동 벨트의 고온 및 저온 특성 모두에 있어서의 개선은 100 중량부의, 적어도 부분적으로 수소로 처리된 니트릴 고무와, 상기 니트릴 공중합체 고무 100중량당 0.5 내지 50 부의 섬유 강화재를 포함하는 엘라스토머 재료의 벨트 본체부의 구성에 기여할 수 있다. 바람직하기로는, 니트릴 고무는 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무이며, 이는 (1) 불포화 니트릴 모노머 유닛을 약 5 내지 약 40%, (2) 고무의 유리 천이 온도를 강하시키는 특성이 있고 불소가 없는 불포화 카르복실산 에스테르 모노머 유닛과 불소를 함유하는 비닐 모노머 유닛으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것이 바람직한 하나 이상의 제2 모노머 유닛을 약 1 내지 약 80%, (3) 공액 디엔 모노머 유닛을 최대 약 20%, (4) 나머지는 수소 처리 공액 디엔 모노머 유닛을 포함하며, (1)과 (2)의 모노머 유닛의 합은 약 30 내지 90 중량%이고, (3)과 (4)의 모노머 유닛의 합은 약 10 내지 70 중량%이다. 예상밖으로, 니트릴기를 함유하는 고도로 포화된 공중합체 고무에 섬유 강화재를 사용하면, 벨트의 내고온성은 향상된 채로 유지하면서 크게 향상된 저온 내균열성을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 섬유 강화재는 벨트가 약 -40℃ 내지 적어도 약 140℃의 작동 온도 범위를 갖도록 선택된다. 즉, 벨트는 10시간의 저온 균열 시험에서 본원 명세서에서 한정된 바와 같이 -30℃ 이하, 보다 바람직하게는 -35℃ 이하, 가장 바람직하게는 -40℃ 이하의 파괴 온도를 갖는 것이 바람직하다. 벨트는 50시간의 저온 균열 시험에서 본원 명세서에서 한정된 바와 같이 -30℃ 이하, 보다 바람직하게는 -32℃ 이하, 가장 바람직하게는 -35℃ 이하의 파괴 온도를 갖는 것이 바람직하다. 벨트는 140℃의 내열 시험에서 본원 명세서에서 한정된 바와 같이 250시간 이상, 보다 바람직하게는 400시간 이상, 가장 바람직하게는 500시간 이상의 파괴 시간을 갖는 것이 바람직하다.
예시를 목적으로 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 이러한 상세한 설명은 단지 예시적인 목적으로 사용된 것이며, 청구범위에 의하여 한정될 수 있는 균등물을 제외하고는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의하여 변경될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 명세서에 개시된 발명은 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 요소 없이도 적절하게 수행될 수 있다.

Claims (17)

  1. 약 -30℃ 미만의 온도에서 작동하기에 적합하고 풀리와 맞물리게 되는 전동 벨트(10)에 있어서, 벨트 본체부(12)와, 이 본체부와 일체인 풀리 접촉부(16, 18)와, 상기 본체부에 배치된 인장 수단(20)을 구비하고, 하나 이상의 상기 본체부와 풀리 접촉부는 적어도 부분적으로 수소로 처리된 니트릴기 함유 공중합체 고무를 100중량부 포함하는 엘라스토머 조성물을 포함하며,
    상기 공중합체 고무는
    (a) 불포화 니트릴 모노머 유닛을 약 5 내지 약 40 퍼센트,
    (b) 상기 고무의 유리 천이 온도를 강하시키는 특징을 갖는 하나 이상의 모노머의 유닛을 약 1 내지 80 퍼센트,
    (c) 공액 디엔 모노머 유닛을 최대 약 20 퍼센트,
    (d)나머지는 수소 처리 공액 디엔 모노머 유닛
    을 포함하고, 상기 엘라스토머 조성물은, 또한 절단 섬유나 피브릴화된 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 섬유 강화재를 상기 고무의 100중량당 약 0.5 내지 약 50 부 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 벨트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (a)와 (b)의 모노머 유닛의 함량의 합은 약 30 내지 90 중량%이고 (c)와 (d)의 모노머 유닛의 함량의 합은 약 10 내지 약 70 중량%인 것인 전동 벨트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고무의 유리 천이 온도를 강하시키는 특성을 갖는 하나 이상의 모노머는 불소가 없는 불포화 카복실산 에스테르 모노머 유닛과 불소를 함유하는 비닐 모노머 유닛으로 이루어지는 군으로부터 선택된 것인 전동 벨트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 절단되어 그 종횡비가 적어도 10이며 길이가 약 0.1 내지 약 5 mm인 것인 전동 벨트.
  5. 제4항에 있어서, 상기 섬유는 피브릴화되어 약 3m2/g 내지 약 15m2/g의 평균 표면적과 약 0.3 mm 내지 약 3.5 mm의 평균 섬유 길이 중 적어도 하나를 갖는 것인 전동 벨트.
  6. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 파라-아라미드, 메타-아라미드, 폴리에스테르, 폴리아미드, 면, 레이온, 유리 및 이들 중 2 이상의 조합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 형성되는 것인 전동 벨트.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고무는 데어반(THERBAN) XN535C, 제트폴(ZETPOL) 4110, 제트폴(ZETPOL) 4120, 제트폴(ZETPOL) 3110 및 제트폴(ZETPOL) 3120 의 분류 번호로 판매되는 것으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인 전동 벨트.
  8. 제1항에 있어서, 상기 고무는 황, 유기 과산화물, 다른 유리기 생성 경화제 및 이들 중 2 이상의 조합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 작용제를 이용하여 경화되는 것인 전동 벨트.
  9. 제6항에 있어서, 상기 전동 벨트는 이붙이 벨트의 형태이고, 상기 엘라스토머 조성물은 고무 100 중량당 약 0.5 내지 약 20 부의 파라-아라미드로 피브릴화된 섬유를 포함하며, 적어도 상기 섬유의 일부는 상기 벨트 본체부내에 배치되어 벨트의 종방향으로 배향되고, 상기 이붙이 벨트는 약 -35℃ 미만 온도에서 저온 내균열성을 보이는 것인 전동 벨트.
  10. 제9항에 있어서, 상기 엘라스토머 조성물은 약 3m2/g 내지 약 12m2/g의 평균 표면적과 약 0.5 mm 내지 약 2.0 mm의 평균 섬유 길이 중 적어도 하나를 갖는 파라-아라미드로 피브릴화된 섬유를 상기 엘라스토머의 100 중량당 약 1.0 내지 약 5.0 부 포함하는 것인 전동 벨트.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엘라스토머 조성물은 고무의 100 중량당 약 2 내지 약 20 부의 양의 가소제를 더 포함하는 것인 전동 벨트.
  12. 하나 이상의 구동 풀리와 하나 이상의 피동 풀리에 의해 작동되는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 전동 벨트를 포함하는 것인 벨트 구동 시스템.
  13. 약 140℃에 대한 내고온성과 약 -40℃에 대한 저온 내균열성을 갖는 이붙이 전동 벨트를 성형하는 전동 벨트 성형 방법으로서, 상기 이붙이 전동 벨트는 풀리와 맞물리게 되며, 이면부와, 이 이면부와 일체로 되는 이붙이 풀리 접촉부와, 상기 이면부와 이붙이 풀리 접촉부 사이에 배치되는 인장 부재를 구비하고, 상기 이면부와 이붙이 풀리 접촉부 중 하나 이상은 엘라스토머 조성물로 형성되며, 상기 전동 벨트 성형 방법은
    (a)치형부를 형성하는 엘라스토머 조성물을 형성하는 단계와,
    (b)상기 인장 부재를 노치가 형성된 치형부 성형 몰드 내에 배치하는 단계와,
    (c)상기 몰드 내의 인장 부재 주위에서 이 인장 부재와 인접하게 치형부를 형성하는 엘라스토머 조성물을 배치하는 단계와,
    (d)상기 엘라스토머 조성물을 상기 인장 부재를 통해 상기 몰드의 노치 내로 밀어 넣기에 충분한 열과 압력을 인가하는 단계와,
    (e)성형된 벨트를 상기 몰드에서 제거하는 단계
    를 포함하고, 상기 전동 벨트 성형 방법은, 또한 적어도 부분적으로 수소로 처리된 니트릴기 함유 공중합체 100 중량부로 상기 엘라스토머 조성물을 형성하는 단계와, 상기 엘라스토머 조성물을 형성하면서 엘라스토머의 100 중량당 약 0.5 내지 약 50 부의 양의 섬유 강화재를 상기 엘라스토머 조성물에 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 벨트 성형 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 조성물 중 전체 엘라스토머 함량에 기초하여 최대 25 중량%의 제2 엘라스토머 재료를 상기 적어도 부분적으로 수소로 처리된 니트릴기 함유 공중합체 고무와 혼합하여 상기 엘라스토머 조성물을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 엘라스토머 재료는 에틸렌-알파-올레핀 공중합체와 3량체, 니트릴 부타디엔 공중합체, 에피클로로하이드린 고무, 에틸렌-비닐-아세테이트 공중합체, 트랜스폴리옥테나머, 폴리아크릴 고무, 폴리부타디엔, 이소부텐-이소프렌 공중합체, 할로겐화 이소부텐-이소프렌 공중합체, 에틸렌-아크릴 엘라스토머, 폴리이소프렌 고무, 실리콘 고무, 폴리클로로프렌, 폴리우레탄 엘라스토머 및 이들 중 2 이상의 조합물로 이루어지는 군에서 선택되는 것인 전동 벨트 성형 방법.
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