KR100631749B1 - 고분자용 방사팩 장치, 이를 이용한 산업용 고강력사의제조방법, 및 이로부터 제조되는 산업용 고강력사 - Google Patents

고분자용 방사팩 장치, 이를 이용한 산업용 고강력사의제조방법, 및 이로부터 제조되는 산업용 고강력사 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자용 방사팩 장치, 이를 이용한 산업용 고강력사의 제조방법, 및 이로부터 제조되는 산업용 고강력사에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분산판에 적어도 1개 이상의 종으로 관통되는 고분자 유통공이 형성되고, 상기 분산판의 저면과 분배판 사이의 간격이 4 내지 44 mm인 고분자용 방사팩 장치, 이를 이용한 산업용 고강력사의 제조방법, 및 이로부터 제조되는 산업용 고강력사에 관한 것이다.
본 발명의 고분자용 방사팩 장치는 고분자 용융물이 방사팩 내에 체류하는 시간을 최소화하며 악성체류에 의한 고분자 분해 및 용융물의 겔화현상을 방지하고, 고분자의 투입량 대비 원사 생산량으로 정의되는 FD율이 우수한 장점이 있다.
방사팩, 체류시간, FD율, 원사, 원단, 나일론66

Description

고분자용 방사팩 장치, 이를 이용한 산업용 고강력사의 제조방법, 및 이로부터 제조되는 산업용 고강력사{SPINNING PACK FOR POLYMER, METHOD FOR PREPARING HIGH STRENGTH YARN FOR INDUSTRIAL USE, AND HIGH STRENGTH YARN PREPARED THERFROM}
도 1은 일반적인 방사팩의 일 예를 나타낸 단면도.
도 2는 일반적인 분산판의 일 예를 나타낸 저면도.
도 3은 일반적인 분산판의 일 예를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 방사팩의 일 예를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 분산판의 일 예를 나타낸 저면도.
도 6은 본 발명의 분산판의 일 예를 나타낸 단면도.
도 7a는 본 발명의 에어백용 원사의 제조공정에 사용되는 각진 창살 도어의 일 예를 나타낸 입면도.
도 7b는 도 7a의 각진 창살 도어의 일 예를 나타낸 단면도.
도 8a는 본 발명의 에어백용 원사의 제조공정에 사용되는 반원형 창살 도어의 일 예를 나타낸 입면도.
도 8b는 도 8a의 반원형 창살 도어의 일 예를 나타낸 단면도.
도 9는 다공판형 도어의 일 예를 나타낸 입면도.
[산업상 이용분야]
본 발명은 고분자용 방사팩 장치, 이를 이용한 산업용 고강력사의 제조방법, 및 이로부터 제조되는 산업용 고강력사에 관한 것으로서, 고분자 용융물의 체류시간을 조절하여 악성체류에 의한 고분자 분해 및 방사팩 내에서의 겔화 현상을 억제한 고분자용 방사팩 장치, 이를 이용한 산업용 고강력사의 제조방법, 및 이로부터 제조되는 산업용 고강력사에 관한 것이다.
[종래기술]
에어백(air bag)은, 주행중인 차량이 약 40km/h 이상의 속도에서 정면의 충돌시, 차량에 가해지는 충돌충격을 충격감지센서에서 감지한 후, 화약을 폭발시켜 에어백 쿠션 내부로 가스를 공급하여 팽창시킴으로써, 운전자 및 승객을 보호하는 장치를 말한다.
에어백용 원단으로서 요구되는 항목은 충돌시에 원활하게 전개되기 위한 저통기성, 에어백 자체의 손상 및 파열을 막기 위한 고강력, 및 승객에게 가해지는 충격을 줄이기 위한 유연성 등이 있다.
자동차에 사용되는 에어백 쿠션은 에어백용 원단을 이용하여 일정한 형태로 제조된 후, 그 부피를 최소화하기 위하여 접힌 상태로 자동차의 핸들 등에 장착된다. 따라서, 에어백의 경량화, 및 소형화가 요구되며, 우수한 물성을 유지하면서 적은 부피를 가지는 에어백의 개발이 필요하다. 이러한 경량화 및 소형화에 있어서 고려되어야 할 주요 인자는 접힘성과 수납성이다.
종래에는 나일론6, 폴리에티렌테레프탈레이트(PET) 등이 에어백용 원사의 재료로 사용된 바 있다. 그러나, 나일론6은 융점이 220℃정도로 낮고, 열용량이 높은 반면에, PET는 융점이 265℃정도로 높고, 열용량이 낮아 고온에서의 물성이 좋지 못한 문제가 있었다.
따라서, 융점과 열용량이 모두 높아 고온에서의 안정성이 뛰어나고, 우수한 기계적 강도를 가지는 폴리헥사메틸렌아디프아미드(나일론66)이 에어백용 원사의 재료로 가장 널리 사용되고 있다.
그러나, 일반적인 폴리헥사메틸렌아디프아미드는 용융상태에서의 결정화속도가 빠르고, 방사 공정에서 결정화로 인한 겔화 현상이 일어나기 쉽다. 방사 공정에서 겔화현상이 일어나는 경우에는 반응 부산물로 인한 개싱(gassing) 현상이 발생하게 되고, 이러한 개싱 현상은 원사의 모우 발생을 증가시키고, 원사의 물성 불균일과 생산성 저하를 유발하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 방사팩 내에서의 고분자 용융물의 체류시간을 줄임으로써, 겔화 발생을 억제하고, 최종 물성이 우수한 에어백용 원사를 제공하는 고분자용 방사팩 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방사팩을 이용하여 산업용 고강력사를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 방사팩을 이용하여 제조되는 산업용 고강력사를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고분자 도입공(42)을 구비하는 블록(41)의 하부에 바디(43)를 결합하고, 바디(43) 내부에는 고분자 도입공(42)과 연통되는 상태로 분산면(44')을 갖는 분산판(44), 렌즈링(45), 스페이서(46), 분배판(48), 및 구금(49)이 순차적으로 적층 설치되며, 상기 분산판(44)에 적어도 1개 이상의 종으로 관통되는 고분자 유통공(40)이 형성되고, 상기 분산판(44)의 저면(44")과 분배판(48) 사이의 간격이 4 내지 44 mm인 고분자용 방사팩 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 고분자 칩을 용융시켜 고분자 용융물을 제조하는 단계, 상기 고분자 용융물을 상기 고분자용 방사팩 장치 내로 투입하여 분산시키는 단계, 상기 고분자 용융물을 방사구금으로부터 500 내지 800 m/min의 방사속도로 방사하여 필라멘트를 제조하는 단계, 상기 방사된 필라멘트를 후드히터 및 급냉공기 챔버에 통과시키는 단계, 및 상기 필라멘트를 연신 및 열처리하는 단계를 포함하는 산업용 고강력사의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 방법으로 제조되며, 하기 계산식 1로 표시되는 필라멘트의 단면변동율(CV%)이 7.0 % 이하이고, 모우의 수가 5개/100만m 이하인 산업용 고강력사를 제공한다.
[계산식 1]
CV% = [(필라멘트 단면적의 분산값)/(전체필라멘트 단면적 평균)]×100
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
용융상태의 고분자를 방사시켜 원사를 제조하는 일반적인 방사팩은 도 1과 같은 구성을 가진다. 도 1을 참조하여 방사팩의 역할을 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 방사팩은 고분자 도입공(2)을 구비하는 블록(1)의 하부에 바디(3)를 결합하고, 바디(3) 내부에는 고분자 도입공(2)과 연통되는 상태로 분산판(diffuser)(4), 렌즈링(5), 스페이서(6), 필터(7), 분배판(distributer)(8), 및 구금(9) 등이 순차적으로 적층, 설치되며, 분산판(4)의 외면부와 렌즈링(5) 사이에는 소정간격의 고분자 흐름통로(10)가 구비된다.
이 때, 일반적인 방사팩의 분산판(4)은 도 2, 및 도 3에서와 같이 중앙정점을 중심으로 소정각도로 하향 경사지는 분산면(4')이 구비되고, 렌즈링과 대향되는 외연부는 단순한 원형을 이루는 원추형상을 이루고 있다.
그러나, 이러한 분산판(4)에 고분자 용융물이 도달하여 분산면(4')를 타고 흐를 때, 전 부위에 고른 압력이 부여되지 못하고, 고분자 용융물의 흐름성에 차이를 발생시켜 체류시간의 불균형 현상이 일어나게 된다. 이러한 체류시간의 불균형은 고분자의 분산성과 혼합효율의 저하를 초래하며, 방사되는 섬유의 열화 및 분해도 차이로 인해 전체적인 물성을 저하시키는 결과를 가져온다.
또한, 고분자 용융물이 분산판(4)의 외주연부의 고분자 흐름 통로(10)를 통해서만 전달되므로, 분배판(8)에 전달되는 고분자 용융물이 파형을 이루며 분산되 어 고분자 용융물의 분산 및 균압에 많은 문제점이 있으며, 방사팩 내에서의 체류시간이 길어 고분자의 분해 혹은 결정화에 의한 겔화가 발생할 염려가 많다.
또한, 방사팩 장치 내에서 필터(7)의 역할을 하는 금속분말층은 고분자의 분자의 크기에 따라 통과속도가 달라지므로 (겔투과크로마토 그래피의 원리) 시간이 경과됨에 따라 방사되는 원사의 물성이 달라질 염려가 있다.
그러나, 도 4와 같은 구성을 가지는 본 발명의 방사팩 장치는 고분자 도입공(42)을 구비하는 블록(41)의 하부에 바디(43)를 결합하고, 바디(43) 내부에는 고분자 도입공(42)와 연통되는 상태로 분산면(44')을 갖는 분산판(44), 렌즈링(45), 스페이서(46), 분배판(48), 및 구금(49)이 순차적으로 적층 설치되며, 도 5, 및 도 6에서 보는 것과 같이, 상기 분산판(44)에 적어도 1개 이상의 종으로 관통되는 고분자 유통공(40)이 형성된다.
상기 분산판(44)의 저면(44")과 분배판(48) 사이의 간격을 4 내지 44 mm로 유지함으로써, 분산판(44)의 외연부측의 고분자 흐름통로(50)를 통과하는 고분자 용융물의 체류시간과 분산판(44)의 고분자 유통공(40)을 통과하는 고분자 용융물의 체류시간을 동일하게 유지하면서, 전체적인 체류시간을 줄일 수 있다. 또한, 상기 분산판(44)의 저면(44")의 형태는 특별히 한정되지 않으나, 전체적으로 평면이거나, 또는 완만한 경사를 가질 수도 있다.
상기 분산판은 중심에 고분자 유통공이 형성되고, 연속하여 이웃하는 유통공 사이의 방사상 간격(PCD:pitch of Center Diameter)이 5 내지 40 mm이며, 분산판의 횡단면적을 기준으로 1 내지 35%의 면적비에 해당되는 유통공이 형성되어 있는 것 이 바람직하다. 이웃하는 유통공 사이의 방사상 간격이 5 mm 미만인 경우에는 제작이 곤란하며, 40 mm를 초과하는 경우에는 고분자의 분산성이 떨어진다. 또한 전체 분산판의 원면적에 대한 총 유통공의 면적이 1% 미만인 경우에는 분산성 저하 및 고분자 방사팩의 압력상승을 유발하여 조업성이 떨어지고, 35%를 초과하는 경우에는 고분자의 방사팩내 체류시간 단축효과를 충분히 얻을 수 없다.
고분자 도입공(42)으로 도입된 고분자 용융물이 본 발명의 분산판(44)의 원추상으로된 분산면(44')의 경사각에 의해 자연스럽게 흘러내리면서 일차적으로 분산판을 종으로 관통하는 고분자 유통공(40)으로 일부가 유입되고, 나머지 일부는 외연부측의 고분자 흐름통로(50)로 유입되면서 순차적으로 분배판(48)과 구금(49)을 통해 외부로 토출되어 섬유를 형성한다.
본 발명의 방사팩 장치에서는 분산판(44)에서의 고분자 용융물의 흐름시 고분자 흐름통로(50)가 분산면(44')의 중앙 정점에서 가장 먼거리에 위치하는 대신에 분산면(44')의 경사각도에 의해 분산면(44')의 끝단에서 분산판(44)의 저면(44")까지의 길이가 가장 짧다.
반면에, 고분자 유통공(40)은 상기 고분자 흐름통로(50)에 비하여 분산판(44)의 중앙에서 가까운 대신에 고분자 유통공(40)을 통과하여 분산판의 저면(44")에 이르는 거리가 길다.
따라서, 고분자 흐름통로(50)를 통하여 분배판(48)에 도달하는 고분자 용융물의 체류시간과 고분자 유통공(40)을 통하여 분배판(48)에 도달하는 고분자 용융물의 체류시간이 균일해 질 수 있으며, 전체적인 체류시간이 감소될 수 있다.
또한, 본 발명의 방사팩 장치는 금속분말층으로 이루어진 필터를 포함하지 않으므로, 방사 시간의 경과에 따른 원사의 물성의 변동을 예방할 수 있다.
본 발명의 분산판(44)은 또한, 필요에 따라 외주연 둘레에 형성된 적어도 1개 이상의 요입홈을 구비할 수 있으며, 상기 요입홈은 등간격으로 배열되는 것이 바람직하다. 상기 요입홈은 고분자 용융물의 유출을 더욱 용이하게 한다.
상기 방사팩은 폴리에스테르계 고분자, 또는 폴리아미드계 고분자에 모두 사용가능하며, 바람직하게는 나일론6, 나일론12, 나일론46, 나일론66, 나일론610, 및 나일론612로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 폴리아미드계 고분자에 사용할 수 있다.
본 발명의 에어백용 원사의 제조방법은 고분자 칩을 용융시켜 고분자 용융물을 제조하는 단계, 상기 고분자 용융물을 상기 고분자용 방사팩 장치 내로 투입하여 분산시키는 단계, 상기 고분자 용융물을 방사구금으로부터 500 내지 800 m/min의 방사속도로 방사하여 필라멘트를 제조하는 단계, 상기 방사된 필라멘트를 후드히터 및 급냉공기 챔버에 통과시키는 단계, 및 상기 필라멘트를 연신 및 열처리하는 단계를 포함한다.
상기 에어백용 원사의 제조공정에 사용되는 고분자 칩은 상용화된 폴리에스테르계 고분자 칩, 또는 폴리아미드계 고분자 칩인 것이 바람직하며, 폴리아미드계 고분자 칩인 것이 더 바람직하고, 나일론66 칩인 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 고분자 칩은 고상중합 공정을 거친 것이 더 바람직하다. 고상중합 조건은 고분자의 종류에 따라 다르나, 고분자의 결정화 온도보다 높고, 융점보 다 낮은 온도에서 실시하는 것이 바람직하다.
상기 나일론 66 칩은 내열성 향상을 위하여 전체 함량에 대하여 10 내지 80 ppm의 구리화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 구리화합물의 함량이 10 ppm 미만인 경우에는 에어백용 원사의 내열특성이 떨어져 열처리 후 원사의 기계적 물성이 저하될 수 있으며, 80 ppm을 초과하는 경우에는 원사의 색상이 변하게 되고, 겔화 현상이 증가하여 생산성 및 원사의 균일성이 저하된다. 상기 구리화합물은 할라이드계 화합물인 구리 할라이드(copper halide)인 것이 바람직하다.
상기 나일론 66 칩은 또한, 필요에 따라서 인(phosphor) 화합물을 더 포함할 수 있다. 상기 인 화합물의 함량은 0 내지 500 ppm인 것이 바람직하고, 1 내지 500 ppm인 것이 더 바람직하다. 인 화합물의 함량이 500ppm을 초과하는 경우에는 방사시의 결정화속도 증가로 인해 겔화 현상이 발생하고, 생산성 및 원사의 균일성이 저하된다.
상기 고분자 칩의 용융온도는 통상적으로 고분자의 융점보다 20 내지 50 ℃ 정도 높은 온도인 것이 바람직하며, 나일론 66를 사용하는 경우에는 270 내지 300 ℃인 것이 바람직하다.
상기 온도에서 용융된 고분자 용융물은 방사팩 장치 내부로 공급되며, 이 때, 방사팩 내에서의 체류시간은 100초 이하인 것이 바람직하다. 상기 체류시간이 100초를 초과하는 경우에는 고분자 용융물의 겔화 현상이 발생하여 조업성이 저하되고, 제조되는 원사의 모우 수가 증가하게 된다. 상기 체류시간은 적을수록 좋으나, 방사 공정의 현실성을 고려할 때, 적어도 20 초 이상은 유지되어야 한다.
상기 방사팩을 거친 고분자 용융물은 방사구금을 통하여 필라멘트 형태로 방사되며, 이 때의 방사속도 500 내지 800 m/min인 것이 바람직하다. 방사속도가 500 m/min 미만인 경우에는 방사장력의 지나친 하락으로 인해 조업성이 떨어지며, 800 m/min를 초과하는 경우에는 과도한 방사장력으로 인해 연신성이 떨어진다.
상기 방사구금으로부터 토출된 필라멘트를 후드히터에 통과시킨다.
상기 후드히터는 길이 150 내지 300 mm인 것이 바람직하고, 온도는 250 내지 320 ℃인 것이 바람직하다. 후드히터의 길이가 150mm 미만이거나, 후드히터의 온도가 250℃미만인 경우에는 필라멘트의 연신성이 떨어져 조업성이 저하되며, 후드히터의 길이가 300mm를 초과하거나, 후드히터의 온도가 320℃를 초과하는 경우에는 고화점 하락으로 인한 사란발생으로 조업이 곤란할 수 있다.
상기 후드히터를 통과한 필라멘트는 급냉공기가 공급되는 급냉공기챔버(quenching air chamber)를 통과한다. 상기 급냉공기는 온도 10 내지 25 ℃인 것이 바람직하고, 풍속 0.4 내지 1.4 m/sec로 공급되는 것이 바람직하다. 상기 급냉공기의 온도가 25℃를 초과하거나, 풍속이 0.4 m/sec 미만인 경우에는 냉각 불균일에 의한 원사 물성의 저하가 발생되며, 급냉공기의 온도가 10℃ 미만이거나, 풍속이 1.4 m/sec를 초과하는 경우에는 과도한 냉각으로 필라멘트의 연신성이 떨어져 원사의 품위가 저하될 수 있다.
상기 급냉공기 챔버에는 급냉공기의 송풍구에 근접하여 냉각되는 필라멘트와 최원거리에서 냉각되는 필라멘트 간의 냉각효과 균일화를 위하여 급냉공기 진행방향의 맞은편에 공기를 반사시키는 도어가 설치되어 있는 것이 더 바람직하다.
상기 도어는 각진 창살 도어, 원통형 창살 도어, 반원형 창살도어, 또는 다공판형 도어인 것이 바람직하나, 상기 형태로만 한정되는 것은 아니다.
도 7a, 및 7b는 본 발명의 산업용 고강력사의 제조공정에 사용되는 각진 창살 도어의 일 예를 나타낸 입면도 및 단면도이며, 도 8a, 및 8b는 본 발명의 산업용 고강력사의 제조공정에 사용되는 반원형 창살 도어의 일 예를 나타낸 입면도 및 단면도이다. 또한, 도 9는 다공판형 도어의 일 예를 나타낸 입면도이다.
상기 급냉공기챔버에서 냉각된 필라멘트는 다수의 고데트 롤러에 의해 연신된다. 이 때, 연신배율은 4.0 내지 5.5 배인 것이 바람직하고, 열처리 온도는 220 내지 245 ℃, 이완율은 2.0 내지 7.0 %인 것이 바람직하다. 연신 배율이 4.0 배 미만인 경우에는 산업용 고강력사로서 요구되는 고강도의 물성을 발현하기 어려우며, 5.5 배를 초과하는 경우에는 연신성 저하에 의한 절사 발생으로 원사품위 및 조업성이 떨어질 수 있다.
또한, 상기 열처리온도가 220 ℃미만인 경우에는 원사의 열안정성이 떨어지며, 245℃를 초과하는 경우에는 연신용 고데트 롤러 상에 타르(Tar)가 발생되는 등 조업성 및 원사품위가 저하된다.
또한, 이완율이 2.0% 미만인 경우에는 원사의 열안정성이 떨어지며, 7.0%를 초과하는 경우에는 고데트 롤러 상에서 사란이 발생하여 조업성이 떨어진다.
상기 연신된 필라멘트를 권취하여 산업용 고강력사로 제조된다.
상기 방법으로 제조되는 고강력사는 강도가 균일하고, 모우의 발생빈도가 낮으며, 투입량 대비 생산량으로 정의되는 FD율(조업성의 평가기준)이 90 내지 100 % 인 특징을 가진다. 상기 FD율은 하기 계산식 2로 표시된다.
[계산식 2]
FD율(%) = (Mp/Mc)× 100
상기 식에서, Mp는 Full Package상태의 원사 무게(kg), Mc는 원사 생산에 투입된 Chip무게(kg)를 의미한다.
또한, 본 발명의 산업용 고강력사는 단면내에 분포하는 필라멘트의 면적의 균일성을 나타내는 단면변동율이 7.0% 이하이며, 모우의 수가 5개/100만m 이하인 특징을 가진다.
상기 산업용 고강력사는 폴리에스테르계 고분자, 또는 폴리아미드계 고분자를 포함하는 것이 바람직하고, 나일론6, 나일론12, 나일론46, 나일론66, 나일론610, 및 나일론612로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 폴리아미드계 고분자를 포함하는 것이 더 바람직하며, 나일론 66을 포함하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 산업용 고강력사는 에어백용 원사로 사용되기에 바람직하다.
상기 고강력사가 나일론 66을 포함하는 경우에는, 내열성 향상을 위하여 전체 함량에 대하여 10 내지 80 ppm의 구리화합물을 포함한다. 구리화합물의 함량이 10 ppm 미만인 경우에는 산업용 고강력사의 내열특성이 떨어져 열처리 후 원사의 기계적 물성이 저하될 수 있으며, 80 ppm을 초과하는 경우에는 원사의 색상이 변하게 되고, 겔화 현상이 증가하여 생산성 및 원사의 균일성이 저하된다. 상기 구리화합물은 할라이드계 화합물인 구리 할라이드(copper halide)인 것이 바람직하다.
상기 나이론 66 산업용 고강력사는 또한, 필요에 따라서 인(phosphor) 화합물을 더 포함할 수 있다. 상기 인 화합물의 함량은 0 내지 500 ppm인 것이 바람직하고, 1 내지 500 ppm인 것이 더 바람직하다. 인 화합물의 함량이 500 ppm을 초과하는 경우에는 방사시의 결정화속도 증가로 인해 겔화 현상이 발생하고, 생산성 및 원사의 균일성이 저하된다.
상기 나이론 66 산업용 고강력사는 인장강도 8.8 내지 10.0 g/d, 절단신도 17 내지 27 %, 건수 2.0 내지 8.0%(@180℃×2분, Load 0.05g/d), 단사섬도(dpf) 3.0 내지 6.2De', 수축응력 0.10 내지 0.26cN/dtex (@180℃×2분, Load 0.086cN/dtex, Testrite), 열수축 응력 0.12 내지 0.30g/d (@180℃, Load 0.095g/d), 0.15 내지 0.35g/d (@180℃, Load 0.190g/d), 결정화도(Xc) 40 내지 50%, 복굴절율(ㅿn) 0.035 내지 0.055를 가진다.
본 발명의 에어백용 원단은 상기 산업용 고강력사를 포함하며, 바람직하게는 상기 나일론66 고강력사를 포함한다. 상기 원단의 제직형태는 특정 형태에 국한되지 않으나, 평직인 것이 바람직하다.
상기 에어백용 원단이 나일론66 고강력사를 포함하는 경우에는 코팅되지 않은 상태에서 인장강도 4.7 내지 6.1 kgf/in/Thread(@Room, 120℃×15일 ; Grab법), 인열강도 0.3 내지 1.5 kgf/thread(@Room, 120℃×15일 ; Tongue법), 공기투과도 3cfm이하(@Room), 경사 및 위사의 열수축응력이 각각 0.06 내지 0.20 g/d (@180℃, 초기 Load 0.095g/d), 열처리(120℃×15일) 후의 인장강도 및 인열강도의 유지율 85% 이상을 가진다. 단, 상기 인장강도 및 인열강도의 물성 범위는 Room Temperature조건 (@20℃×RH 65%, 1일 방치) 및 Heat Aging조건(@ Oven, 120℃×15일방치후, Room조건에서 1일 방치)의 물성범위를 기재하였다.
상기 인장강도 및 인열강도 유지율은 하기 계산식 3으로 표시된다.
[계산식 3]
강도 유지율(%) = (Ff/F0) × 100
상기 식에서, Ff는 120℃×15일의 조건으로 열처리 후의 인장강도 (또는 인열강도)이고, F0는 열처리 전의 인장강도 (또는 인열강도)이다.
상기 에어백용 원단은 상기 에어백용 원사를 위사 및 경사로 이용하여 비밍(beaming), 제직, 정련, 및 텐터공정을 거쳐 제조될 수 있다. 상기 원단은 통상적인 제직기를 사용하여 제조할 수 있으며, 어느 특정 직기를 사용하는 것에 한정되지 않는다. 다만, 바람직하게는 레피어(Rapier), 워터제트룸(Water Jet Loom) 또는 에어제트룸(Air Jet Loom) 등의 직기를 사용하여 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 에어백용 원단은 공기투과도를 낮추기 위하여 원단의 일면 또는 양면에 실리콘 러버 코팅층을 포함할 수 있으며, 상기 코팅된 나일론66 에어백용 원단은 인장강도 4.7 내지 6.2 kgf/in/Thread(@Room, 120℃×15일 ; Grab법), 인열강도 0.47 내지 1.50 kgf/Thread(@Room, 120℃×15일 ; Tongue법), 공기투과도 0.3 ccs이하(@Room), Heat Aging(120℃×15일) 후의 인장강도 및 인열강도 유지율 85%이상을 가진다.
상기 코팅에 사용되는 실리콘 러버는 통상적인 코팅방법에 의해 코팅될 수 있으며, 바람직하게는 나이프오버에어(knife-over-air)법에 의해 코팅될 수 있다. 이 때, 상기 실리콘 러버의 코팅양은 특별히 제한되지 않으나, 우수한 접힘성과 낮은 공기투과도를 갖기 위해서는 15 내지 90 g/m2 인 것이 바람직하다.
상기와 같은 방법으로 제조된 에어백용 원단은 재단 및 박음질 과정을 거쳐서 일정한 형태의 에어백 쿠션으로 제조될 수 있다. 상기 에어백 쿠션은 특별한 형태에 국한되지 아니하며, 일반적인 형태로 제조될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
나이론66 칩을 건조기 내에서 180 ℃로 7시간 동안 고상중합하여 상대점도 3.2인 나이론66 칩을 제조하였다. 상기 나이론66 칩은 내열성 향상을 위해 Cu함량 50 ppm인 것을 사용하였다.
방사성 개선을 위해, 상기 고상중합된 나이론66 칩을 조습과정을 거쳐 수분율 700ppm으로 조정하고, 도 4와 같은 구성을 가지는 방사팩을 이용하여 290 ℃에서 550 m/min의 방사속도로 용융방사하였다. 이 때, 고분자 용융물의 방사팩 내에서의 체류시간은 85초가 되도록 하였다.
상기 방사된 필라멘트는 250mm의 길이와 300℃의 온도를 가지는 후드히터 존을 통과한 후, 도 7과 같은 창살형 도어가 설치된 급냉공기챔버를 통과하였다. 상기 급냉공기는 20℃의 공기를 0.8 m/sec의 풍속으로 공급하였다.
상기 급냉공기챔버에서 냉각된 5개의 고데트롤러에 의해 연신배율 5.0배, 열처리 온도 230℃, 이완율 4.0%로 연신되었으며, 연신된 필라멘트를 권취하여 420d/68f의 원사를 제조하였다.
비교예 1
도 1과 같은 구성을 가지는 방사팩을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에어백용 원사를 제조하였다. 단, 방사팩 내에서의 체류시간은 180 초가 되도록 하였다.
[원사의 물성 측정]
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 원사에 대하여 인스트롱 회사의 인장시험기로 10회 측정(시료길이 : 250㎜, 인장속도 : 300㎜/분) 하여 인장강도 및 절단신도의 평균값을 구하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 원사에 대하여 Testrite(Lenzing社)를 이용하여 180℃×2분×20g의 조건으로 건수를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 원사에 대하여 Testrite(Lenzing社)를 이용하여 180℃×2분×40g의 조건으로 수축응력을 측정하였다. 가네보 열응력 측정기를 사용하여 시료는 루프(Loop)형태로 매듭을 매어 준비하고 초기 Load를 각각 0.095g/d 및 0.190g/d로 가한 상태에서 승온속도 1.67℃/초로 하여 하기 계산 식 4에 따라 180℃에서의 열수축응력을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
[계산식 4]
열수축응력(g/d) = 열응력 측정치(g)/ (측정원사 섬도 × 2 )
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 원사에 대하여 광학현미경을 이용하여 원사 개개 필라멘트의 단면적을 각각 측정하여 개개 원사의 단면적 평균 및 분산값을 산출한 후, 하기 계산식 1에 의해 단면변동율을 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
[계산식 1]
CV% = [(필라멘트 단면적의 분산값)/(전체필라멘트 단면적 평균)]×100
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 원사에 대해서 밀도구배관을 이용하여 원사의 밀도(ρ)값을 바탕으로 이론적인 Nylon66의 완전결정 영역의 밀도값(ρc)과 완전 비결정영역의 밀도값(ρa)을 이용하여 하기 계산식 5에 따라 구한다.
[계산식 5]
Figure 112005043424411-pat00001
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 원사에 대해서 간섭현미경(독일 칼 자이스 회사제품, 모델명 : JENAPOLUINTERPHAKO)으로 측정하고, 하기 계산식 6에 따라 복굴절율을 구하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
[계산식 6]
Figure 112005043424411-pat00002
상기 식에서, R은 보상지연 값(Compensator retardation) 이고, S는 석영플레이트의 지연값(Retardation of quartz shim) 이고, D는 파이버 직경(Fiber Diameter) 이다. 또한 R과 S의 단위는 nm이고 D의 단위는 ㎛ 이다.
상기 실시예 1 및 비교예 1의 원사 제조공정에서 투입된 고분자 칩의 중량에 대한 원사의 생산량을 비교하여 하기 계산식 2로 표시되는 FD율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
[계산식 2]
FD율(%) = (Mp/Mc)× 100
상기 식에서, Mp는 Full Package상태의 원사 무게(kg), Mc는 원사 생산에 투입된 Chip무게(kg)를 의미한다.
상기 실시예 1, 및 비교예 1의 원사에 대하여 정경공정에서 정경기에 설치되어있는 모우검지기(HACOBA社)를 이용하기 일정 수준의 조건(감도 Set = Major 6, Minor 4)에서 체크된 모우수를 100만m로 환산하여 모우수를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
[표 1]
실시예 1 비교예 1
인장강도(g/d) 9.54 8.75
절단신도(%) 23.7 21.7
건수(%) 6.3 6.1
수축응력(cN/dtex) 0.20 0.19
열수축응력(@0.095 g/d) 0.21 0.20
열수축응력(@0.190 g/d) 0.24 0.23
단면변동율(%) 5.4 8.3
결정화도(%) 42.3 42.0
복굴절율 0.047 0.046
FD율(%) 95.6 82.1
모우수(개/100만m) 1.1 5.7
상기 표 1에서 보는 것과 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 산업용 고강력사는 비교예 1에 따라 제조된 고강력사보다 단면변동율이 작고, 기계적 강도가 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1의 고강력사의 FD율이 비교예 1의 고강력사의 FD율보다 현저히 높으므로, 본 발명의 방사팩을 이용한 공정의 조업성이 우수한 것을 알 수 있다.
실시예 2
실시예 1에 따라 제조된 고강력사를 이용하여 래피어직기(Donier사)로 에어백용 원단을 제직하였다. 이때 요구되는 공기투과도를 달성하기 위하여 위사와 경사본수를 동일하게 하여 평직으로 제직하였으며, 제직밀도는 49본/인치로 하였다.
제직된 원단에 대해 90℃×2분간 정련한 후, 연속하여 190℃에서 2분간 Heat-Set(Tentering)공정을 거쳐 비코팅원단을 제조하였다.
비교예 2
비교예 1에 따라 제조된 고강력사를 이용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 에어백용 원단을 제조하였다.
[코팅 전 원단의 물성 측정]
상기 실시예 2 및 비교예 2에 따라 제조된 원단에 대하여, Room조건(RH65%×25℃)에서 1일간 방치한 후, ASTM D5034-Grab법을 적용하여 인장강도를 측정하였다. 또한, 120℃×15일 간 Oven에서 원단을 방치한 후, Room조건에서 1일 방치후, ASTM D5034-Grab법을 적용하여 Heat aging후의 인장강도를 측정하였다. 상기 방치 조건을 적용한 원단에 대해 ASTM D2261-Tongue법을 적용하여 인열강도를 측정하였다.
단, 인장강도 및 인열강도는 다음과 같이 정의하였다.
- 인장강도(kgf/in/thread) = "인장강도(kgf/in)"/ 제직밀도 본수
- 인열강도(kgf/thread) = "인열강도(kgf)"/ 제직밀도 본수
또한, 하기 계산식 3에 따라 인장강도 및 인열강도 유지율을 계산하였다.
[계산식 3]
강도 유지율(%) = (Ff/F0) × 100
상기 식에서, Ff는 120℃×15일의 조건으로 열처리 후의 인장강도 (또는 인열강도)이고, F0는 열처리 전의 인장강도 (또는 인열강도)이다.
상기 측정 결과를 하기 표 2에 정리하였다.
상기 실시예 2 및 비교예 2에 따라 제조된 원단에 대하여 ASTM D737법을 적용하여 상온(Room Temperature) 조건에서 압력(ΔP)을 125Pa로 하여 공기투과도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다.
상기 실시예 2 및 비교예 2에 따라 제조된 원단에서 경사 및 위사를 각각 분 해하여 180℃, 초기 하중 0.095g/d의 조건으로 열수축응력을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다.
[표 2]
실시예 2 비교예 2
인장강도(kgf/in/thread) Room 5.71 5.10
Aging 5.67 4.69
유지율(%) 99.3 92.0
인열강도(kgf/thread) Room 1.10 0.43
Aging 1.05 0.29
유지율(%) 95.4 67.4
공기투과도(cfm) 1.0 1.0
열수축응력(g/d) 경사 0.10 0.14
위사 0.16 0.18
상기 표 2에서 보는 것과 같이, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 에어백용 원단은 인장강도 및 인열강도가 우수하고, 공기투과도 및 열수축응력이 낮은 것을 알 수 있다.
실시예 3
실시예 2에 따라 제조된 원단에 나이프오버에어(knife-over-air)법으로 각각 실리콘 러버를 30g/m2로 코팅하였다.
비교예 3
비교예 2에 따라 제조된 원단에 나이프오버에어(knife-over-air)법으로 각각 실리콘 러버를 30g/m2로 코팅하였다.
[코팅 후 원단의 물성 측정]
상기 실시예 3, 및 비교예 3에 따라 제조된 원단에 대하여, 상기 실시예 2 및 비교예 2의 원단과 동일한 조건으로 인장강도 유지율, 인열강도 유지율, 및 공 기투과도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 정리하였다.
[표 3]
실시예 3 비교예 3
인장강도(kgf/in/thread) Room 5.91 5.31
Aging 5.82 5.04
유지율(%) 98.5 94.9
인열강도(kgf/thread) Room 1.22 0.53
Aging 1.28 0.55
유지율(%) 104.9 103.8
공기투과도(cfm) 0.00 0.00
상기 표 3에서 보는 것과 같이, 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 에어백용 원단은 인장강도 및 인열강도가 우수하며, 특히, Heat aging후, 인장강도 및 인열강도가 높고, 물성유지율도 높기 때문에 안전성이 우수한 에어백 원단을 제공할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 고분자용 방사팩은 체류시간이 100초 이하가 되도록 고안되어 고분자 용융물의 팩 내 체류로 인한 겔화 현상을 방지하고, 고분자의 투입량 대비 원사 생산량으로 정의되는 FD율이 우수하며, 적용된 에어백 원단에 대해 인장강도 및 인열강도가 우수하고, 그 유지율 또한 뛰어나 안전성이 우수한 에어백 원단을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (7)

  1. 고분자 도입공(42)을 구비하는 블록(41)의 하부에 바디(43)를 결합하고, 바디(43) 내부에는 고분자 도입공(42)과 연통되는 상태로 분산면(44')을 갖는 분산판(44), 렌즈링(45), 스페이서(46), 분배판(48), 및 구금(49)이 순차적으로 적층 설치되며, 상기 분산판(44)에 적어도 1개 이상의 종으로 관통되는 고분자 유통공(40)이 형성되고, 상기 분산판(44)의 저면(44")과 분배판(48) 사이의 간격이 4 내지 44 mm인 고분자용 방사팩 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분산판은 연속하여 이웃하는 유통공 사이의 방사상 간격(PCD:pitch of Center Diameter)이 5 내지 40 mm이며, 분산판의 횡단면적을 기준으로 1 내지 35%의 면적비에 해당되는 유통공이 형성되어 있는 것인 고분자용 방사팩 장치.
  3. 고분자 칩을 용융시켜 고분자 용융물을 제조하는 단계;
    상기 고분자 용융물을 제1항에 따른 고분자용 방사팩 장치 내로 투입하여 분산시키는 단계;
    상기 고분자 용융물을 방사구금으로부터 500 내지 800 m/min의 방사속도로 방사하여 필라멘트를 제조하는 단계;
    상기 방사된 필라멘트를 후드히터 및 급냉공기 챔버에 통과시키는 단계; 및
    상기 필라멘트를 연신 및 열처리하는 단계
    를 포함하는 산업용 고강력사의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 급냉공기챔버는 급냉공기의 진행방향의 맞은편에 급냉 공기의 일부를 반사시키도록 고안된 각진 창살 도어, 원통형 창살 도어, 반원형 창살도어, 또는 다공판형 도어가 장착된 것인 산업용 고강력사의 제조방법.
  5. 제3항 또는 제4항의 방법으로 제조되며, 하기 계산식 1로 표시되는 필라멘트의 단면변동율(CV%)이 7.0 % 이하이고, 모우의 수가 5개/100만m 이하인 산업용 고강력사:
    [계산식 1]
    CV% = [(필라멘트 단면적의 분산값)/(전체필라멘트 단면적 평균)]×100
  6. 제5항에 있어서, 상기 산업용 고강력사는 구리화합물을 10 내지 80 ppm 포함하는 폴리헥사메틸렌아디프아미드 원사인 산업용 고강력사.
  7. 제5항에 있어서, 상기 산업용 고강력사는 에어백용 원사인 산업용 고강력사.
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