KR101718150B1 - 폴리에스테르 원사의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어백용 원단에 사용 가능한 폴리에스테르 원사에 관한 것으로, 특히, 고유점도가 0.85 dl/g 이상인 폴리에스테르 중합체를 270 내지 305 ℃에서 용융 방사하여 폴리에스테르 미연신사를 제조하는 단계, 및 상기 폴리에스테르 미연신사를 고뎃-롤러 온도 70 내지 130 ℃ 및 열풍 오븐 온도 170 내지 270 ℃의 조건 하에서 횡연신 방식으로 연신하고 열처리하는 단계를 포함하는 폴리에스테르 원사의 제조방법, 이로부터 제조되는 에어백용 원사, 및 이를 포함하는 에어백용 원단에 관한 것이다.
본 발명에 따라 제조된 폴리에스테르 원사는 저모듈러스, 고강력, 고수축의 특징을 갖을 뿐만 아니라, 충분한 열처리 공정을 거쳐 제조된 원사의 내열성이 우수한 특징을 갖게 된다. 결국, 이러한 폴리에스테르 원사를 사용하여 에어백 원단을 제조할 경우, 에어백 전개시 내부 압력 및 열에 의한 원단의 미어짐, 찢겨짐, 탄화를 방지하고 공기 투과성도 개선됨으로써, 자동차 충돌시 충격 등으로부터 탑승자를 안전하게 보호할 수 있다.

Description

폴리에스테르 원사의 제조 방법 {PROCESS FOR PRODUCING POLYESTER FIBER}

본 발명은 에어백용 원단에 사용 가능한 폴리에스테르 원사의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 내열성, 수납성, 유연성 및 형태 안정성 등을 갖는 폴리에스테르 원사의 제조 방법과 이로부터 얻어지는 에어백용 원사 및 원단에 관한 것이다.

일반적으로 에어백(air bag)은, 주행중인 차량이 약 40 km/h 이상의 속도에서 정면 충돌시, 차량에 가해지는 충돌충격을 충격감지센서에서 감지한 후, 화약을 폭발시켜 에어백 내부로 가스를 공급하여 팽창시킴으로써, 운전자 및 승객을 보호하는 장치를 말하는 것이며, 일반적인 에어백 시스템의 구조는 도 1에 도시한 것과 같다.

도 1에 도시되는 바와 같이, 일반적인 에어백 시스템은 뇌관(122)의 점화에 의해 가스를 발생시키는 인플레이터(inflator; 121), 그 발생된 가스에 의해 운전석의 운전자 쪽으로 팽창 전개되는 에어백(124)으로 이루어져 조향 휠(101)에 장착되는 에어백 모듈(100)과, 충돌시 충격 신호를 발생하는 충격센서(130), 및 그 충격 신호에 따라 인플레이터(121)의 뇌관(122)을 점화시키는 전자제어모듈(Electronic Control Module; 110)을 포함하여 구성되어 있다. 이와 같이 구성된 에어백 시스템은 차량이 정면 충돌하게 되면, 충격 센서(130)에서 충격을 감지하여 전자 제어모듈(110)에 신호를 전달한다. 이 때, 이를 인식한 전자 제어모듈(110)은 뇌관(122)을 점화시켜, 인플레이터(121) 내부의 가스발생제를 연소시킨다. 이렇게 연소되는 가스발생제는 급속한 가스 발생을 통해 에어백(124)을 팽창시킨다. 이렇게 팽창되어 전개된 에어백(124)은 운전자의 전면 상체와 접촉하면서 충돌에 의한 충격하중을 부분적으로 흡수하고, 관성에 의해 운전자의 머리와 가슴이 전방으로 나아가면서 팽창된 에어백(124)과 충돌될 경우, 에어백(124)의 가스는 에어백(124)에 형성된 배출공으로 급속히 배출되며 운전자의 전면부에 완충 작용하게 된다. 따라서, 전면 충돌시 운전자에게 전달되는 충격력을 효과적으로 완충시킴으로써 2차 상해를 경감할 수 있게 된다.

상기와 같이, 자동차에 사용되는 에어백은 일정한 형태로 제조된 후, 그 부피를 최소화하기 위하여 접힌 상태로 자동차의 핸들이나 자동차 측면 유리창 또는 측면 구조물 등에 장착되어 접힌 상태를 유지하였다가 인플레이터(121) 작동시 에어백이 팽창되어 전개될 수 있도록 한다.

따라서, 자동차 장착시 에어백의 폴딩성 및 패키지성을 효과적으로 유지하며, 에어백 자체의 손상 및 파열을 막고 우수한 에어백 쿠션 전개 성능을 발휘하고, 승객에게 가해지는 충격을 최소화하기 위해서는, 에어백 원단의 우수한 기계적 물성과 함께 폴딩성 및 승객에게 가해지는 충격을 줄이기 위한 유연성이 매우 중요하다. 그렇지만, 승객의 안전을 위하여 우수한 공기 차단 효과 및 유연성을 동시에 유지하며, 에어백이 받는 충격에 충분히 견디고 자동차 내에 효과적으로 장착되어 사용할 수 있는 에어백용 원단은 제안되어 있지 않은 상황이다.

종래에는 나일론 66 등의 폴리아미드 섬유가 에어백용 원사의 재료로 사용된 바 있다. 그러나, 나일론 66은 내충격성이 우수하지만 폴리에스테르 섬유에 비해 내습열성, 내광성, 형태안정성의 측면에서 뒤떨어지고 원료 비용도 높은 단점이 있다.

한편, 일본특허공개공보 평04-214437호에는 이러한 결점이 경감되는 폴리에스테르 섬유의 사용이 제안되어 있다. 그러나, 이같이 기존의 폴리에스테르 원사를 사용하여 에어백을 제조하는 경우에는 높은 모듈러스로 인해 자동차내에 장착시 좁은 공간에 수납하기 어렵고 고온 고습의 가혹 조건 하에서 충분한 기계적 물성 및 전개 성능을 유지하는 데 한계가 있어 왔다.

따라서, 에어백용 원단으로 사용하기에 적합하게 우수한 형태안정성 및 공기 차단 효과를 유지하며, 승객에게 가해지는 충격을 줄이기 위한 유연성, 수납성, 및 고온 고습의 가혹 조건 하에서 우수한 기계적 물성을 유지하는 섬유 원사 개발에 대한 연구가 필요하다.

본 발명은 에어백용 원사로서의 최적화된 유연성 및 기계적 물성을 나타냄에 따라, 보다 향상된 폴딩성 및 전개 성능을 나타내면서도 전개시 승객의 충격을 최소화할 수 있는 에어백 쿠션의 제공을 가능하게 하는 폴리에스테르 원사의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 또한, 상기 방법에 따라 제조되는 폴리에스테르 원사를 제공하고자 한다.

본 발명은 또한, 상기 폴리에스테르 원사를 사용하여 제조되는 에어백용 원단을 제공하고자 한다.

본 발명은 고유점도가 0.85 dl/g 이상인 폴리에스테르 중합체를 270 내지 305 ℃에서 용융 방사하여 폴리에스테르 미연신사를 제조하는 단계, 및 상기 폴리에스테르 미연신사를 고뎃-롤러 온도 70 내지 130 ℃ 및 열풍 오븐 온도 170 내지 270 ℃의 조건 하에서 횡연신 방식으로 연신하고 열처리하는 단계를 포함하는 폴리에스테르 원사의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 방법으로 제조되는 폴리에스테르 원사를 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 폴리에스테르 원사를 사용하여 제조되는 에어백용 원단을 제공하고자 한다.

이하, 발명의 구체적인 구현예에 따른 폴리에스테르 원사의 제조 방법 및 이로부터 제조되는 에어백용 원사와 원단에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 하나의 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 발명의 권리범위 내에서 구현예에 대한 다양한 변형이 가능함은 당업자에게 자명하다.

추가적으로, 본 명세서 전체에서 특별한 언급이 없는 한 "포함" 또는 "함유"라 함은 어떤 구성 요소(또는 구성 성분)를 별다른 제한 없이 포함함을 지칭하며, 다른 구성 요소(또는 구성 성분)의 부가를 제외하는 것으로 해석될 수 없다.

폴리에스테르 에어백용 원단은 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, "PET"라 함)을 포함하는 중합체를 용융 방사하여 미연신사를 제조하고, 이를 연신하여 연신사(즉, 원사)를 얻은 후에, 이러한 공정을 통해 얻은 폴리에스테르 원사를 제직 가공하여 제조될 수 있다. 따라서, 상기 폴리에스테르 원사의 특성이 폴리에스테르 에어백용 원단의 물성에 직/간접적으로 반영된다.

특히, 종래의 나일론 66 등 폴리아미드 섬유 대신에 폴리에스테르를 에어백용 원사로 적용하기 위해서는, 기존에 폴리에스테르 원사의 높은 모듈러스와 강연도 등에 따른 폴딩성 저하 및 낮은 용융 열용량으로부터 기인한 고온 고습의 가혹 조건 하에서 물성 저하, 이에 따른 전개 성능 저하를 극복할 수 있어야 한다.

폴리에스테르는 분자구조상 나일론 등에 비해 강연성(stiffness)이 높은 구조를 가지게 되어 높은 모듈러스(high modulus)의 특성을 갖게 된다. 이로 인해, 에어백용 원단으로 사용하여 자동차에 장착할 경우 수납성(packing)이 현저히 떨어지게 된다. 또한, 폴리에스테르 분자쇄내의 카르복실 말단기(Carboxyl End Group, 이하, "CEG"라 함)은 고온 고습 조건에서 에스테르기(ester bond)를 공격하여 분자쇄 절단을 가져와 에이징후 물성을 저하시키는 원인이 된다.

이에 따라, 본 발명은 폴리에스테르 원사의 제조 공정에서 용융 방사 공정 및 연신 공정을 최적화함으로써, 제조되는 폴리에스테르 원사가 강연도를 현저히 낮추면서도 터프니스(toughness), 인열강도(Tear Strength), 활탈저항력(Edge Comb Resistance) 등이 우수하고 우수한 내열성 및 공기 차단 성능 등을 유지할 수 있어 에어백용 원단에 효과적으로 적용할 수 있다.

특히, 본 발명자들의 실험 결과, 종래의 직접방사연신(Direct Spinning Drawing) 방식이 아닌 횡연신(Warper Drawing)방식으로 미연신사를 별도의 연신장치에서 연신 및 열처리하여 제조되는 폴리에스테르 원사를 에어백용 원단에 적용함에 따라, 보다 향상된 내열성, 폴딩성, 형태안정성, 및 공기 차단 효과를 나타내어 에어백 제조시 자동차 장착 등에서 보다 우수한 수납성(packing) 및 고온 고습의 가혹 조건 하에서도 우수한 기계적 물성, 공기 유출 방지, 기밀성 등을 유지할 수 있음이 밝혀졌다.

이에 발명의 일 구현예에 따르면, 폴리에스테르 원사의 제조 방법이 제공된다. 이러한 폴리에스테르 원사의 제조 방법은 고유점도가 0.85 dl/g 이상인 폴리에스테르 중합체를 270 내지 305 ℃에서 용융 방사하여 폴리에스테르 미연신사를 제조하는 단계, 및 상기 폴리에스테르 미연신사를 고뎃-롤러 온도 70 내지 130 ℃ 및 열풍 오븐 온도 170 내지 270 ℃의 조건 하에서 횡연신 방식으로 연신하고 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.

이하, 이러한 폴리에스테르 원사의 제조 방법을 각 단계별로 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 제조 방법은 먼저, 에어백용 원단에 효과적으로 사용할 수 있는 고강력 저모듈러스 고수축 폴리에스테르 원사를 제조하기 위하여, 고점도의 폴리에스테르 중합체를 제조하여 사용할 수 있다. 특히, 상기 폴리에스테르 중합체는 디카르복실산과 글리콜을 에스테르 반응시켜 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 폴리에스테르 중합체는 높은 고유점도와 함께 낮은 카르복실 말단기(CEG) 함량을 가짐으로써, 폴리에스테르 원사로 가공시 고온 고습의 가혹 조건 하에서 에이징 후에도 우수한 기계적 물성 및 공기 유출 방지, 기밀성 등을 유지할 수 있어 에어백용 원단에 효과적으로 적용할 수 있다.

특히, 본 발명의 제조 방법에서 상기 폴리에스테르 중합체는 디카르복실산과 글리콜을 에스테르 반응시키는 단계, 상기 에스테르 반응으로 생성된 올리고머를 중축합 반응시키는 단계, 및 상기 중축합 반응으로 생성된 폴리머를 고상 중합시키는 단계를 포함하는 공정으로 제조할 수 있다.

이 때, 상기 디카르복실산은 탄소수 6 내지 24의 방향족 디카르복실산, 탄소수 6 내지 24의 지환족 디카르복실산, 탄소수 2~24의 지방족 디카르복실산, 및 그의 에스테르 형성 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 될 수 있다. 좀더 구체적으로는, 상기 탄소수 6~24의 방향족 디카르복실산로는 테레프탈산(p-phthalic acid), 이소프탈산(m-phthalic acid), 프탈산(o-phthalic acid), 디페닐에테르디카르복실산, 바이페닐디카르복실산, 1,4-나프탈렌 디카르복실산, 1,5-나프탈렌 디카르복실산 및 그의 에스테르 형성 유도체들로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 또한, 상기 탄소수 6 내지 24의 지환족 디카르복실산으로는 1,4-사이클로헥산 디카르복실산 및 그의 에스테르 형성 유도체들로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 상기 탄소수 2~24의 지방족 디카르복실산으로는 옥살산(oxalic acid), 말론산(malonic acid), 숙신산(succinic acid), 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 피멜산(pimelic acid), 수베르산(suberic acid), 아젤라산(azelaic acid), 세박산(sebacic acid) 및 그의 에스테르 형성 유도체들로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.

이 중에서, 경제성 및 완제품의 물성 등을 고려해서 테레프탈산을 사용하는 것이 바람직하고, 특히, 상기 디카르복실산으로 1종 이상의 화합물을 사용할 경우 테레프탈산을 70 몰% 이상 포함하는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 디카르복실산 성분과 에스테르 반응을 수행하는 글리콜은 탄소수 2~16의 지방족 디올, 탄소수 6~24의 지환족 디올, 탄소수 6~24의 방향족 디올, 및 그의 에틸렌 옥사이드 또는 프로필렌 옥사이드 부가물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 좀더 구체적으로는, 본 발명의 폴리에스테르를 제조하는 데 사용 가능한 글리콜은 에틸렌 글리콜, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 1,7-헵탄디올, 1,8-옥탄디올, 1,9-노난디올, 1,10-데칸디올, 1,12-도데칸디올, 디에틸렌 글리콜, 트리메틸렌글리콜, 테트라메틸렌 글리콜, 헥사메틸렌 글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 테트라메틸 에틸렌 글리콜, 펜타에틸렌 글리콜, 헥사에틸렌 글리콜, 옥타에틸렌 글리콜, 디프로필렌글리콜, 트리프로필렌글리콜 등의 탄소수 2~16의 알칸디올 등과, 시클로헥산디올, 시클로헥산디메탄올, 시클로헥산디에탄올, 시클로헥산디프로판올, 시클로헥산디부탄올, 시클로헥산디펜탄올, 시클로부탄디메탄올, 시클로펜탄디메탄올 등의 탄소수 6~24의 지환족 디올, 및 비스페놀 A, 비스페놀 S 등의 탄소수 6~24의 방향족 디올과, 이러한 디올 성분의 에틸렌 옥사이드 혹은 프로필렌 옥사이드 부가물 등을 들 수 있다.

이러한 폴리에스테르 중합체의 제조 공정은, 디카르복실산과 이가 알코올인 글리콜 성분을 반응시켜 에스테르화하는 TPA(Terephthalic Acid) 공법에 적용하는 것이 될 수 있다. 일반적인 폴리에스테르 TPA 공법은 상기 디카르복실산과 글리콜을 반응시켜 에스테르화하는 에스테르 반응에서 촉매를 사용하지 않고 자기 산촉매 반응을 하는 직접반응이다. 예컨대, 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 테트라프탈산과 에틸렌글리콜과의 에스테르화 반응(esterfication)으로 직접적으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 제조하는 방법을 들 수 있다.

[반응식 1]

이러한 TPA 반응에서는 디카르복실산의 불용성과 낮은 반응성 때문에 고온을 유지해야 한다. 이렇게 만들어진 올리고머를 고진공 하에서 촉매를 첨가하며 고온으로 중축합 반응시켜 일정 점도의 폴리머를 얻을 수 있다. 이렇게 만들어진 폴리머를 기어 펌프를 이용하던지 고압의 불활성 기체(N₂)를 이용하여 노즐을 통과시켜 배출한다. 이렇게 배출된 폴리머는 냉각수로 고화시켜 알맞은 크기로 절단한다.

상기와 같이 종래의 TPA 공법에 따른 폴리에스테르 제조시, 고온으로 진행하는 에스테르 반응과 중축합 반응에 의한 열분해 발생으로 카르복실 말단기를 생성시키고 원료로 카르복실 말단기를 가지고 있는 디카르복실산을 사용함으로써, 제조된 폴리에스테르 최종 폴리머에는 다량의 카르복실 말단기가 포함되게 된다. 또한, 이같이 다량의 카르복실 말단기가 포함된 폴리에스테르 원사를 에어백용 원단에 적용하는 경우에는 전술한 바와 같이, 고온 고습 하에서 산으로 존재하는 말단 카르복실기 때문에 기존 분자쇄 절단이 유발되어 원단의 물성 저하가 야기된다. 이러한 측면에서, 본 발명은 상기 디카르복실산과 디올 성분의 중축합 및 고상 중합 반응을 마일드한 조건으로 최적화하여 저온 중합을 수행하며, 이러한 카르복실 말단기 함량을 최소화할 뿐만 아니라 추가 고상 중합을 통해 말단 카르복실기와 하이드록실기를 결합시켜 CEG의 함량을 줄이는 동시에 폴리머의 분자량을 증가시킬 수 있다.

한편, 본 발명에서 상기 디카르복실과 글리콜의 에스테르화 반응 및 중축합 반응을 TPA 공법으로 알려진 통상적인 방법에 따라 수행할 수 있으며, 특별히 별도의 공정 조건에 한정되는 것은 아니다.

다만, 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 a) 단계에서 디카르복실산과 글리콜의 몰비는 1:1 내지 1:1.5, 바람직하게는 1:1.1 내지 1:1.45, 더욱 바람직하게는 1:1.2 내지 1:1.4가 될 수 있으며, 폴리머의 물성 및 생산성 향상 측면에서 반응물의 몰비를 상기와 같이 유지하는 것이 바람직하다.

상기 에스테르 반응은 230 내지 300 ℃, 바람직하게는 250 내지 280 ℃에서 수행할 수 있으며, 반응 시간은 2 시간 내지 7 시간, 바람직하게는 3 내지 5 시간으로 수행할 수 있다. 이때, 반응 시간 및 반응 온도는 폴리머의 물성 및 생산성 향상 측면에서 조절하여 수행할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 중축합 반응은 280 내지 310 ℃, 바람직하게는 285 내지 295 ℃에서 수행할 수 있으며, 압력 2 Torr 이하 바람직하게는 1 Torr 이하 에서 수행할 수 있다. 이때, 반응 시간은 2 내지 5 시간, 바람직하게는3 내지 4 시간으로 수행할 수 있으며, 반응시간 및 반응 온도는 폴리머의 물성 및 생산성 향상 측면에서 조절하여 수행할 수 있다.

특히, 상기 중축합 반응은 저온 중합을 통해 용융 폴리머의 CEG를 낮은 수준으로 조절할 수 있으며, 이때 상기 폴리머의 점도는 바람직하게는 중축합 반응후 생성된 폴리머의 고유 점도가 0.4 dl/g 이상 또는 0.4 내지 0.9 dl/g가 될 수 있도록, 좀더 바람직하게는 0.5 내지 0.9 dl/g가 될 수 있도록 조절하는 것이 폴리머의 말단에 카르복실기를 최소화하는 측면에서 바람직하다.

상기 중축합 반응 후 생성된 폴리머는 다음의 고상 중합 단계에서 내/외부 반응차를 최소화하고 반응속도를 상승시킬 수 있도록 칩(chip)의 크기를 최소화하여, 즉, 칩(chip)의 비표면적을 크게 하여 사용할 수 있다. 또한, 바람직하게는 상기 중축합 반응 후 생성된 폴리머는 비표면적을 크게 하기 위하여 칩의 크기를 1.0 g/100ea 내지 3.0 g/100ea가 되도록, 좀더 바람직하게는1.5 g/100ea 내지 2.5 g/100ea가 되도록 절단하여 고상 중합을 수행할 수 있다.

상기 고상 중합 반응은 온도 220 내지 260 ℃, 바람직하게는 230 내지 250 ℃에서 수행할 수 있으며, 압력 2 Torr 이하, 바람직하게는 1 Torr 이하에서 수행할 수 있다. 이때, 반응 시간은 10 내지 40 시간, 바람직하게는 30 시간 이내에서 할 수 있으며, 반응 시간 및 반응 온도는 최종 점도 및 방사성 향상 측면에서 조절하여 수행할 수 있다.

본 발명에서는 용융 중합의 중축합 반응을 좀더 마일드한 조건의 저온 중합을 수행함과 동시에 고상 중합을 추가 반응으로 진행함으로써, 생성된 카르복실 말단기(CEG)를 하이드록실기와 결합시켜 CEG 함량을 감소시키고 폴리머의 분자량을 증가시킬 수 있다.

이같이 고상중합을 추가로 수행한 폴리에스테르 중합체는 고유 점도가 0.7 dl/g 이상 또는 0.7 내지 2.0 dl/g, 바람직하게는 0.85 dl/g 이상 또는 0.85 내지 2.0 dl/g, 더욱 바람직하게는 0.90 dl/g 이상 또는 0.90 dl/g 내지 2.0 dl/g가 될 수 있도록 하는 것이 원사의 물성 및 방사성 향상 측면에서 바람직하다. 상기 칩의 고유점도는 0.7 dl/g 이상이 되어야 바람직한 고강력 및 고절신의 특성을 갖는 원사를 제조할 수 있으며 2.0 dl/g 이하로 되어야 칩의 용융온도 상승에 따른 분자쇄 절단과 방사팩에서의 압력 증가를 막을 수 있다.

다만, 전술한 바와 같이, 고강력 저모듈러스의 폴리에스테르 원사를 제조하기 위해서는, 미연신사 제조 공정에서 고점도 폴리에스테르 중합체, 예를 들어, 고유점도 0.85 dl/g 이상의 폴리에스테르 중합체를 사용하여, 용융 방사 및 연신 공정을 통해 이러한 고점도 범위를 최대한 유지하여 저연신으로 고강력을 발휘할 수 있어 모듈러스를 효과적으로 낮추는 것이 바람직하다. 또한, 상기 폴리에스테르 중합체의 용융 온도 상승에 따른 분자쇄 절단과 방사팩에서의 토출량에 의한 압력 증가를 막기 위해서는 고유점도가 2.0 dl/g 이하인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 폴리에스테르 원사로 제조하여 에어백용 원단으로 적용시 고온 고습 조건 하에서도 우수한 물성을 유지할 수 있도록 하기 위해서는, 상기 폴리에스테르 중합체의 분자내 CEG 함량은 30 meq/kg 이하가 바람직하다. 여기서, 상기 폴리에스테르 중합체의 CEG 함량은 용융 방사 및 연신 공정을 진행한 후에도 최대한 낮은 범위로 유지되어, 최종 제조된 폴리에스테르 원사가 고강력 및 우수한 형태안정성, 기계적 물성, 가혹 조건하에서 우수한 물성 발현 특성을 확보할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 측면에서, 상기 폴리에스테르 중합체의 CEG 함량이 30 meq/kg를 초과하게 되면 용융 방사 및 연신 공정을 통해 최종 제조된 폴리에스테르 원사의 분자내 CEG 함량이 과량으로, 예컨대 30 meq/kg 내지 50 meq/kg를 초과하는 정도로 증가하며, 높은 습도 조건 하에서 CEG에 의해 에스테르 결합이 절단되어 원사 자체 및 이로부터 제조된 원단의 물성 저하가 야기될 수 있다.

상기 폴리에스테르 중합체는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 주성분으로 포함하는 것이 바람직하며, 에어백용 원사로서 한 기계적 물성을 확보하기 위해서는 바람직하게는 70 몰% 이상, 더욱 바람직하게는 90 몰% 이상을 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 폴리에스테르 원사 제조 방법은 상기 높은 고유점도 및 낮은 CEG 함량의 폴리에스테르 중합체를 용융 방사하여 폴리에스테르 미연신사를 제조한다.

특히, 본 발명에서 상기 폴리에스테르 미연신사는 도 2에 나타낸 바와 같은 종래의 직접방사연신 방식으로 용융 방사 단계와 후속 연신 단계를 연속적으로 수행하는 것이 아니라, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이 후속 연신 장치(도 4)와 별개의 장치에서 용융 방사 공정을 수행하여 미연신사를 제조하는 것(도 3)을 특징으로 한다.

이때, 낮은 초기 모듈러스 및 높은 신율 범위를 충족하는 폴리에스테르 미연신사를 얻기 위해서는, 상기 용융 방사 공정은 폴리에스테르 중합체의 열분해를 최소화할 수 있도록 낮은 온도 범위에서 수행하는 것이 바람직하다. 특히, 고점도의 폴리에스테르 중합체의 고유점도 및 CEG 함량 등에 대하여 공정에 따른 물성 저하를 최소화할 수 있도록, 즉, 폴리에스테르 중합체의 고점도 및 낮은 CEG 함량을 유지할 수 있도록 저온방사, 예를 들어, 270 내지 305 ℃, 바람직하게는 270 내지 300 ℃, 좀더 바람직하게는 270 내지 295 ℃ 온도에서 수행할 수 있다. 여기서, 방사온도란 사출기(Extruder) 온도를 지칭하는 것이며, 상기 용융 방사 공정을 305 ℃를 초과하여 수행할 경우에는 폴리에스테르 중합체의 열분해가 다량으로 발생하여 고유점도의 저하로 분자량 감소 및 CEG 함량 증가가 커질 수 있으며, 원사의 표면 손상으로 전반적인 물성 저하를 초래할 수 있어 바람직하지 않다. 이에 반해, 상기 용융 방사 공정을 270 ℃ 미만에서 진행할 경우에는 폴리에스테르 중합체의 용융이 어려울 수 있으며, N/Z 표면 냉각으로 방사성이 떨어질 수도 있어, 상기 온도 범위 내에서 용융 방사 공정을 수행하는 것이 바람직하다.

실험 결과, 이러한 낮은 온도 범위에서 폴리에스테르 중합체의 용융 방사 공정을 진행함에 따라, 폴리에스테르 중합체의 분해 반응을 최소화하여 높은 고유점도를 유지하여 높은 분자량을 확보함으로써, 후속하는 연신 공정에서 높은 연신 비율을 적용하지 않고도 고강력의 원사를 얻을 수 있으며, 이같이 저연신 공정을 수행할 수 있음에 따라 모듈러스를 효과적으로 낮출 수 있어 상술한 물성을 충족하는 폴리에스테르 원사가 얻어질 수 있음이 밝혀졌다.

또한, 상기 용융 방사 공정은 폴리에스테르 중합체 분해 반응을 최소화하는 측면에서, 보다 낮은 방사 장력 하에서 진행될 수 있도록, 즉 방사 장력을 최소화할 수 있도록, 예를 들어, 상기 폴리에스테르 중합체를 용융 방사하는 속도를 300 내지 1,000 m/min의 저속으로 조절할 수 있고, 바람직하게는 400 내지 800 m/min으로 조절할 수 있다. 이때, 방사속도는 미연신사 제조 단계의 권취(winder) 속도를 기준으로 상술한 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

한편, 이러한 용융 방사 공정을 거치고 얻어진 미연신사는 0.8 dl/g 이상 또는 0.8 dl/g 내지 1.2 dl/g, 바람직하게는 0.85 dl/g 이상 또는 0.85 dl/g 내지 1.15 dl/g, 더욱 바람직하게는 0.90 dl/g 이상 또는 0.90 dl/g 내지 1.10 dl/g의 고유점도를 나타낼 수 있다. 또한, 이렇게 저온방사를 통해 얻어진 미연신사의 분자내 CEG 함량이 50 meq/kg 이하, 바람직하게는 40 meq/kg 이하, 좀더 바람직하게는 30 meq/kg 이하일 수 있다. 이러한 미연사의 분자내 CEG 함량은 후속 연신 공정을 수행한 연신사, 즉, 폴리에스테르 원사에서도 동일한 수준으로 유지될 수 있다.

특히, 이러한 고점도 및 낮은 CEG 함량의 폴리에스테르 중합체는 상술한 바와 같은 저온 조건 하에서 용융 방사를 수행하여 폴리에스테르 중합체의 열분해 등을 최대한 억제함으로써, 폴리에스테르 중합체와 폴리에스테르 원사와의 고유점도 및 CEG 함량 차이를 최소화할 수 있다. 예를 들어, 폴리에스테르 중합체와 폴리에스테르 원사와의 고유점도 차이는 0.5 dl/g 이하 또는 0 내지 0.5 dl/g, 바람직하게는 0.4 dl/g 이하 또는 0.1 내지 0.4 dl/g가 되도록 용융 방사 및 이후 공정을 수행할 수 있다. 또한, 폴리에스테르 중합체와 폴리에스테르 원사와의 분자내 CEG 함량 차이는 20 meq/kg 이하 또는 0 내지 20 meq/kg, 바람직하게는 15 meq/kg 이하 또는 3 내지 15 meq/kg가 되도록 공정을 수행할 수 있다.

본 발명은 이같이 폴리에스테르 중합체의 고유점도 저하 및 CEG 함량 증가를 최대한 억제함으로써, 폴리에스테르 원사의 우수한 기계적 물성을 유지하면서 동시에 우수한 신율을 확보할 수 있으며, 에어백용 원단에 적합한 고강력의 저모듈러스 원사를 제조할 수 있다.

그리고, 상기 폴리에스테르 중합체, 예를 들어 PET 칩은 모노 필라멘트의 섬도가 0.5 내지 20 데니어, 바람직하게는 1 내지 15 데니어로 될 수 있도록 고안된 구금을 통하여 방사되는 것이 바람직하다. 즉, 방사 중 사절의 발생 및 냉각시 서로간의 간섭에 의하여 사절이 발생할 가능성을 낮추기 위해서는 모노 필라멘트의 데니어가 1.5 데니어 이상은 되어야 하며, 냉각 효율을 높이기 위해서는 모노 필라멘트의 섬도가 15 데니어 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 폴리에스테르 중합체를 용융 방사한 후에는 지연 냉각 구간 (Delayed Quenching Zone)을 통과시키면서 퀀칭-에어(Quenching-Air)로 냉각시켜 미연신사를 제조할 수 있다. 상기 지연 냉각 구간은 히팅 후드(Heating Hood) 또는 애닐링 히터(Annealing Heater) 및 단열판이 구비된 것이 바람직하다.　상기 히팅 후드(또는 애닐링 히터)의 온도, 히팅 후드의 길이 및 단열판의 길이는 방사장력 및 연신성을 고려하여 결정할 수 있으며, 바람직하게는 히팅 후드 온도 200~380 ℃, 히팅 후드 길이 100~300 mm, 단열판 길이 60~200 mm인 것을 사용할 수 있다.　 또한, 상기 퀀칭-에어의 온도 및 속도는 퀀칭 효율 및 냉각 균일성을 고려하여 결정할 수 있으며, 바람직하게는 온도 15 내지 60 ℃, 속도 0.2 내지 1.5 m/sec인 퀀칭 에어를 사용할 수 있다. 이로써, 발명의 일 구현예에 따른 제반 물성을 나타내는 폴리에스테르 미연신사를 보다 쉽게 제조할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 제조 방법은 이러한 방사 단계를 통해 폴리에스테르 미연신사를 제조한 후, 상기 미연신사를 고뎃-롤러 온도 70 내지 130 ℃ 및 열풍 오븐 온도 170 내지 270 ℃의 조건 하에서 횡연신(Warper Drawing) 방식으로 연신하고 열처리하여 연신사를 제조한다.

종래에는 일반적으로 직접방사연신(Direct Spinning Drawing) 방식에 의해 방사와 동시에 연신하여 원사를 제조하였으나, 본 발명에 따른 제조방법은 상술한 바와 같은 용융 방사 단계를 통해 제조한 미연신사를 별도의 연신 장치에서 횡연신 방식으로 연신 및 열처리하는 것을 특징으로 한다.

통상의 직접방사연신 방식은 터치(touch) 방식에 의한 직접 열처리를 수행하기 때문에 융점 온도(T_m)가 낮은 폴리머에 있어서는 적용 온도가 제한적일 뿐만 아니라, 섬유에 손상을 주어 섬유품위 및 섬유강력 저하를 유발하는 등 생산성이 저하되는 단점이 있다.

또한, 직접방사연신 방식은 공정조건에 있어서 횡연신 방식에 비해 상대적으로 고속으로 이루어지기 때문에 연신 배율의 조절이 제한적이고, 이완율 역시 제한적인 단점이 있다. 반면에 횡연신 방식은 저속으로 고배율 연신이 가능하며, 이완율을 최적 범위로 조절할 수 있어, 오븐의 열풍에 의한 열처리 방식을 채택함에 따라 원사에 대한 손상이 적어 섬유강력 및 섬유품위가 우수한 효과가 있다. 더불어, 특히 고온 장시간의 열처리가 공정 중에 가능하기 때문에 열적인 측면에서 높은 열용량(△H_m)을 갖는 고수축 물성을 가질 수 있는 장점도 있다.

보다 구체적으로 살펴보면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 직접방사연신 방식의 경우, 방사된 미연신사를 연속적으로 고온의 고뎃-롤러(godet-roller, 이하 G/R이라 함)에 접촉시켜 연신 및 열처리하므로 연신 및 열처리시 사의 손상을 가져 올 수 있어 품위의 저하를 유발 시킨다. 또한 열고정 공정도 아주 짧은 시간 동안 진행되기 때문에 충분한 열고정 효과를 가져 올 수 없는 단점이 있다. 반면에, 본 발명은 상기 용융 방사 단계에서 제조한 미연신사를 별도의 연신 장치에서 횡연신 방식으로 연신 및 열처리한다.

본 발명에서 미연신사를 연신 및 열처리하는 '횡연신(Warper Drawing) 방식'이라 함은, 도 3에 나타낸 바와 같이 일차적으로 방사공정을 통해 미연신사를 제조한 후에, 도 4에 나타낸 바와 같이 상기 용융 방사 장치와 별도의 연신 장치에서 연신 공정을 수행하는 것을 지칭한다. 특히, 상기 '횡연신(Warper Drawing) 방식'은 도 4에 나타낸 바와 같이 고뎃-롤러와 함께 열풍 오븐을 사용하는 축차 이단 연신법의 일종이라 할 수 있다. 본 발명에 따른 폴리에스테르 원사의 제조 공정은 상기 '횡연신(Warper Drawing) 방식'을 적용하며, 용융 방사 공정과 연신 공정을 개별적으로 수행하며, 불연속적으로 원사를 제조하는 2 스텝(2-step) 공정이라 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 폴리에스테르 원사의 제조 방법은 이러한 '횡연신(Warper Drawing) 방식'을 최적의 공정 조건으로 적용함으로써, 충분한 연신과 열처리가 가능한 것을 특징으로 한다.

먼저, 상기 횡연신 공정은 첨부한 도면을 참고로 하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 그의 실시 형태를 간략히 설명할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 구현예에 따라, 상기 미연신사를 횡연신(warper drawing) 방식으로 연신 및 열처리하여 폴리에스테르 원사를 제조하는 공정의 개략도이다.

특히, 상기 연신 공정은 상술한 바와 같은 용융 방사 공정을 통해 제조된 미연신사를 먼저 권취한 후에, 별도의 연신 장치, 즉, 횡연신기(warper drawer) 등을 이용하여 수행할 수 있다. 이 때, 상기 연신 장치는 적어도 3개 이상의 고뎃-롤러(Godet-Roller)군 및 적어도 2개 이상의 열풍 오븐을 포함하는 것이 바람직하며, 각각의 고뎃-롤러군은 적어도 3개 이상의 고뎃-롤러를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 연신 공정에서 상기 고뎃-롤러 온도는 70 내지 130 ℃, 바람직하게는 72 내지 128 ℃, 좀더 바람직하게는 75 내지 125 ℃인 조건으로 수행할 수 있다. 상기 고뎃-롤러 온도는 도 4에서 제1 고뎃롤러군 (1^st G/R 및 2^nd G/R), 제2 고뎃롤러군(3^rd G/R), 제3 고뎃롤러군(4^th G/R)의 온도를 지칭하는 것이다. 상기 고뎃-롤러 온도는 원사의 효과적인 연신 공정 수행을 위하여 폴리에스테르의 유리전이온도(T_g)인 70 ℃ 이상으로 유지하고, 결정화 온도(T_c)인 130 ℃ 이하로 유지할 수 있다.

특히, 상기 연신 공정에서 열풍 오븐 온도는 170 내지 270 ℃, 바람직하게는 175 내지 270 ℃, 좀더 바람직하게는 180 내지 260 ℃의 조건으로 수행할 수 있다. 상기 열풍 오븐 온도는 도 4에서 제1 내지 제4 열풍오븐(#1~#4 OVEN)의 온도를 지칭하는 것으로, 우수한 열고정 효과 발현을 달성하는 측면에서 170 ℃ 이상이 될 수 있고, 열에 의한 사손상을 줄이기 위해 270 ℃ 이하가 될 수 있다. 한편, 상기 연신 공정의 열풍오븐 중에서 가장 마지막에 배치된 열풍오븐, 즉, 도 4에서 제4 열풍오븐(#4 OVEN)의 온도를 상술한 바와 같은 범위로 유지함으로써, 우수한 내열 특성과 함께 고신율, 고강력 원사를 효과적으로 제조할 수 있으며 상기 조건의 열처리시 이완율을 최소화하여 고수축의 특성도 부여할 수 있다. 여기서, 상기 열풍오븐의 온도가 170 ℃ 미만일 경우에는 열적 효과가 충분하지 못하여 열용량이 떨어져 충분한 내열성을 확보할 수 없으며, 270 ℃를 초과할 경우에는 열분해에 의한 원사강도 저하 및 롤러상 타르 발생이 증가하여 작업성이 저하될 수 있다.

또한, 상기 연신 공정은 1.0 내지 6.0, 바람직하게는 1.0 내지 5.8의 연신비 조건 하에서 연신 공정을 수행할 수 있다. 상기 폴리에스테르 미연신사는 용융 방사 공정을 최적화하여 높은 고유점도와 낮은 초기 모듈러스를 유지하며 분자내 CEG 함량 또한 최소화한 상태이다. 따라서, 6.0을 넘는 높은 연신비 조건 하에서 상기 연신 공정을 진행하면, 과연신 수준이 되어 상기 연신사에 절사 또는 모우 등이 발생할 수 있고 높은 섬유의 배향도에 의해 저신율 고모듈러스의 원사가 제조될 수 있다. 특히, 이렇게 높은 연신비 조건 하에서 원사의 신율이 저하되고 모듈러스가 증가하게 되는 경우, 에어백용 원단으로 적용시 폴딩성, 수납성이 좋지 않을 수 있다. 반면에, 비교적 낮은 연신비 하에서 연신 공정을 진행하면, 섬유 배향도가 낮아 이로부터 제조된 폴리에스테르 원사의 강도가 일부 낮아질 수 있다. 다만, 물성 측면에서 1.0 이상의 연신비 하에서 연신 공정을 수행하면, 예를 들어, 에어백용 원단 등에 적용되기에 적합한 고강력 저모듈러스의 폴리에스테르 원사의 제조가 가능하므로, 상기 연신 공정은 1.0 내지 6.0의 연신비 조건 하에서 진행하는 것이 바람직하다.

상기 연신 공정은 상기 미연신사를 오일 픽업량 0.2% 내지 2.0%의 조건 하에서 고뎃 롤러를 통과시킨 후에 수행할 수 있다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 횡연신 공정을 통해 미연신사를 연신 및 열처리하며, 와인더에 권취하기까지 다단 고뎃 롤러를 거치며 이완, 권취하는 공정을 포함할 수 있다.

상기 이완 과정에서 이완률은 5% 이하 또는 0% 내지 5%, 바람직하게는 4.8% 이하, 좀더 바람직하게는 4.5% 이하가 될 수 있다. 본 발명은 상술한 바와 같이 횡연신 방식으로 연신 공정을 수행하며 고뎃 롤러 온도 및 열풍오븐 온도를 최적화함과 동시에, 상기 이완율을 최소화함으로써 우수한 내열 특성 및 기계적 물성과 수납성을 갖는 고강력 저모듈러스의 고수축 폴리에스테르 원사를 제조할 수 있다. 여기서, 상기 이완율이 증가하는 경우에 원사의 수축율이 현저히 떨어질 수 있어 가능한 범위에서 최소화하는 것이 바람직하다. 다만, 고온에서 원사의 수축으로 고뎃-롤러에 심한 부하가 발생하거나 공정 트러블이 발생하여 실제로 원사의 제조 및 생산이 어려울 수도 있으므로, 이러한 점을 감안하여 상기 이완율을 0% 이상으로 수행할 수 있다.

이때, 권취속도는 200 내지 400 m/min, 바람직하게는 200 내지 370 m/min으로 수행할 수 있다. 여기서, 상기 연신 공정의 권취속도가 200 m/min 미만일 경우에는 고온에 장기 체류에 따른 과도한 열처리로 열분해에 의한 원사강도 저하 및 롤러상 타르 발생이 증가하여 작업성이 저하될 수 있다. 또한, 권취속도가 400 m/min를 초과하는 경우에는 횡연신 방식에 따른 열적 효과가 충분하지 못하여 원사의 열용량이 떨어지며 충분한 내열성 확보가 어려울 수 있다.

한편, 발명의 다른 구현예에 따라, 상술한 바와 같은 방법을 통해 제조되는 폴리에스테르 원사가 제공된다. 이러한 폴리에스테르 원사는 상술한 바와 같이 폴리에스테르 중합체, 예를 들어 PET 칩을 용융 방사하여 미연신사를 제조하고, 상기 미연신사를 횡연신 방식으로 연신 및 열처리하는 방법으로 제조될 수 있고, 상기한 바와 같이, 이들 각 단계의 구체적 조건이나 진행 방법이 폴리에스테르 원사의 물성에 직/간접적으로 반영되어 소정의 특성을 갖는 폴리에스테르 원사가 제조될 수 있다.

특히, 이러한 공정 최적화를 통해 제조된 폴리에스테르 원사는 저모듈러스, 고강력일 뿐만 아니라 고수축의 특징을 갖게 된다. 결국, 이러한 폴리에스테르 원사를 사용하여 에어백 원단을 제조할 경우, 에어백 전개시 내부 압력에 의한 원단의 미어짐, 찢겨짐을 방지하고 공기투과성을 현저히 개선할 수 있으며, 이와 동시에 승객에게 가해지는 충격을 최소화할 수 있음이 밝혀졌다.

본 발명에 따라 제조되는 폴리에스테르 원사는 초기 모듈러스가 40 내지 100 g/d이며, 상온에서 1.0 g/d의 응력에 처해졌을 때 0.5% 이상 신장하고, 4.0 g/d의 응력에 처해졌을 때는 4.3% 이상 신장하고, 7.0 g/d의 응력에 처해졌을 때는 7.5% 이상 신장하는 에어백용 폴리에스테르 원사를 확보할 수 있음이 밝혀졌다. 또한, 본 발명에서 이러한 용융 방사 및 연신 공정의 최적화를 통해, 높은 습도 조건 하에서 산으로 존재하여 폴리에스테르 원사의 기본 분자쇄 절단을 유발시키는 카르복실 말단기(CEG, Carboxyl End Group)를 최소화할 수 있음이 밝혀졌다. 따라서, 이러한 폴리에스테르 원사는 낮은 초기 모듈러스 및 높은 신율 범위를 동시에 나타내어 우수한 기계적 물성 및 수납성, 형태안정성, 내충격성, 공기 차단 효과를 갖는 에어백용 원단에 바람직하게 적용될 수 있다.

일반적으로 폴리에스테르는 분자 구조상 나일론 등에 비해 강연성(stiffness)이 높은 구조를 갖는 것으로, 이로 인해 높은 모듈러스의 특성을 나타내며 에어백용 원단으로 사용시 폴딩성 및 패킹성(packing)이 현저히 떨어져, 자동차의 좁은 공간에 수납이 어렵게 된다. 그런데, 조절된 용융 방사 및 연신 공정을 통해 얻어진 상기 폴리에스테르 원사는 고강력 저모듈러스의 특성을 나타내며 이전에 알려진 폴리에스테르 산업용 원사보다 낮은 초기 모듈러스, 즉, 40 내지 100 g/d, 바람직하게는 50 내지 100 g/d, 좀더 바람직하게는 55 내지 95 g/d의 초기 모듈러스를 나타낸다.

이 때, 상기 폴리에스테르 원사의 모듈러스는 인장시험시 얻어지는 응력-변형도 선도의 탄성 구간 기울기로부터 얻어지는 탄성계수의 물성값으로, 물체를 양쪽에서 잡아 늘일 때, 물체의 늘어나는 정도와 변형되는 정도를 나타내는 탄성률에 해당하는 값이다. 또한, 원사의 초기 모듈러스는 응력-변형도에서 "0" 점 이후에 대략 탄성 구간이 시작되는 지점에서의 탄성계수 물성값이다. 상기 원사 초기의 모듈러스가 높으면 탄성은 좋으나 원단의 강연도(stiffness)가 나빠질 수 있으며, 초기 모듈러스가 너무 낮을 경우 원단의 강연도는 좋으나 탄성회복력이 낮아져서 원단의 강인성이 나빠질 수 있다. 그런데, 본 발명의 폴리에스테르 원사는 초기 모듈러스가 종래의 폴리에스테르 산업용 원사보다 훨씬 낮은 범위에서 최적화된 것이다. 이같이, 기존에 비해 낮은 범위의 초기 모듈러스를 갖는 폴리에스테르 원사로부터 제조된 에어백용 원단은 기존의 폴리에스테르 원단의 높은 강연도(stiffness) 문제 등을 해결하고, 우수한 폴딩성, 유연성, 및 수납성을 나타낼 수 있다.

상기 폴리에스테르 원사는 또한, 낮은 초기 모듈러스와 함께 연신이 최소화된 특징을 갖는다. 이로 인해, 상기 폴리에스테르 원사는 상온에서 1.0 g/d의 응력에 처해졌을 때 0.5% 이상 또는 0.5% 내지 1.5%, 바람직하게는 0.7% 내지 1.2% 신장하고, 4.0 g/d의 응력에 처해졌을 때는 4.3% 이상 또는 4.3% 내지 20%, 바람직하게는 4.3% 내지 15% 신장하고, 7.0 g/d의 응력에 처해졌을 때는 7.5% 이상 또는 7.5% 내지 25%, 바람직하게는 7.5% 내지 20% 신장하는 것이 될 수 있다. 이러한 특성으로 인해, 상기 폴리에스테르 원사로부터 제조된 에어백용 원단이 기존의 폴리에스테르 원단의 높은 강연도(stiffness) 문제 등을 해결하고, 우수한 폴딩성, 유연성, 및 수납성을 나타낼 수 있다.

이러한 폴리에스테르 원사는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 주성분으로 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 PET는 그 제조단계에서 여러 가지 첨가제가 첨가될 수 있는 것으로서, 에어백용 원단에 적합한 물성을 나타내기 위해서는 적어도 70 몰% 이상, 더욱 바람직하게는 90 몰% 이상을 포함하는 원사일 수 있다. 이하에서 PET라는 용어는 특별한 설명 없이 PET 고분자가 70 몰% 이상인 경우를 의미한다.

이와 동시에, 상기 폴리에스테르 원사는 이전에 알려진 폴리에스테르 원사에 비해 보다 향상된 고유점도, 즉, 0.8 dl/g 이상 또는 0.8 dl/g 내지 1.2 dl/g, 바람직하게는 0.85 dl/g 내지 1.15 dl/g, 더욱 바람직하게는 0.90 dl/g 내지 1.10 dl/g의 고유점도를 나타낼 수 있다. 고유점도는 상기 폴리에스테르 원사를 에어백 용도로 적용시 코팅 공정 등에서 열적 변형이 일어나지 않도록 하기 위하여 상기 범위로 확보되는 것이 바람직하다.

상기 원사의 고유점도는 0.8 dl/g 이상이 되어야 저연신으로 고강력을 발휘하여 에어백 원사의 요구 강력을 만족시킬 수 있어 바람직하고, 그렇지 못할 경우 고연신으로 물성 발현 할 수 밖에 없게 될 수 있다. 이같이 고연신을 적용할 경우 섬유의 배향도가 상승하여 높은 모듈러스의 물성을 얻게 될 수 있다. 따라서, 상기 원사의 고유점도를 0.8 dl/g 이상으로 유지하여 저연신을 적용하여 저 모둘러스 발현이 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 원사 점도가 1.2 dl/g를 초과하여 연신시 연신 장력이 상승하여 공정상 문제를 발생시킬 수 있으므로, 1.2 dl/g 이하가 좀더 바람직하다. 특히, 본 발명의 폴리에스테르 원사는 이같이 높은 정도의 고유점도를 유지함으로써, 저연신으로 낮은 강연도를 제공함과 동시에 에어백용 원단에 충분한 기계적 물성 및 내충격성, 터프니스(toughness) 등을 제공할 수 있는 고강력 특성이 더욱 부여될 수 있다.

따라서, 이러한 낮은 초기 모듈러스 및 높은 신율, 바람직하게는 높은 고유점도를 나타내는 폴리에스테르 원사를 이용하여 우수한 기계적 물성 및 수납성, 형태안정성, 내충격성, 공기 차단 효과를 동시에 나타내는 에어백용 원단을 제조하는 것이 가능해진다. 그러므로, 상기 폴리에스테르 원사를 이용하면, 보다 낮은 강연도 및 폴딩성, 유연성, 수납성을 나타내면서도, 우수한 내충격성, 형태안정성, 기계적 물성, 기밀성을 나타내는 에어백용 원단이 얻어질 수 있다. 이러한 에어백용 폴리에스테르 원단은 우수한 기계적 물성, 형태 안정성, 공기 차단 효과를 나타내면서도 자동차의 좁은 공간에 장착시 우수한 폴딩성, 수납성을 제공함과 동시에 우수한 유연성으로 승객에게 가해지는 충격을 최소화하여 탑승자를 안전하게 보호할 수 있으므로, 에어백용 원단 등으로 바람직하게 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 폴리에스테르 원사는 상술한 바와 같은 용융 방사 및 연신 조건 하에서 제조되어, 이전에 알려진 폴리에스테르 원사에 비해 크게 낮아진 카르복실 말단기(CEG) 함량을 나타낼 수 있다. 즉, 상기 폴리에스테르 원사는 50 meq/kg 이하, 바람직하게는 40 meq/kg 이하, 더욱 바람직하게는 30 meq/kg 이하의 CEG 함량을 나타낼 수 있다. 폴리에스테르 분자쇄 내의 카르복실 말단기(CEG)는 고온 고습 조건에서 에스테르기(ester bond)를 공격하여 분자쇄 절단을 초래하고 이로 인해 에이징(aging)후 물성을 떨어뜨리게 된다. 특히, 상기 CEG 함량이 50 meq/kg를 초과하게 되면 에어백 용도로 적용시 높은 습도 조건 하에서 CEG에 의해 에스테르 결합이 절단되어 물성 저하가 야기되므로, 상기 CEG 함량은 50 meq/kg 이하가 되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 발명의 일 구현예에 따른 폴리에스테르 원사는 인장강도가 7.5 g/d 이상 또는 7.5 g/d 내지 11.0 g/d, 바람직하게는 8.0 g/d 이상 또는 8.0 g/d 내지 10.0 g/d이고, 절단신도가 13% 이상 또는 13% 내지 35 %, 바람직하게는 14% 이상 또는 14% 내지 25%를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 원사는 건열수축율이 3.0% 내지 10% 바람직하게는 3 % 내지 9 %가 될 수 있다. 이미 상술한 바와 같이, 고유점도 및 초기 모듈러스, 신율 범위를 최적 범위로 확보함으로써, 본 발명의 폴리에스테르 원사는 우수한 정도로 강도 및 물성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 에어백용 원단으로 제조시 우수한 성능을 발휘할 수 있다. 특히, 이상과 같이 폴리에스테르 원사의 건열수축율을 최적 범위로 유지함으로써, 고수축을 통한 원단의 형태안정성 및 공기투과도, 활탈저항력 등을 동시에 효과적으로 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 폴리에스테르 원사는 일반적인 코팅 직물의 라미네이트 코팅 온도에 해당하는 150 ℃ 에서의 수축응력이 0.005 내지 0.075 g/d인 것이 바람직하고, 일반적인 코팅 직물의 졸 코팅 온도에 해당하는 200 ℃에서의 수축응력이 0.005 내지 0.075 g/d인 것이 바람직하다. 즉, 상기 150 ℃와 200 ℃에서의 수축응력이 각각 0.005 g/d 이상은 되어야 코팅 공정중 열에 의한 원단의 처짐 현상을 막을 수 있고, 0.075 g/d 이하가 되어야 코팅공정을 지나 상온에서 냉각될 때 이완응력을 완화시킬 수 있다. 상기 수축응력은 0.10 g/d의 고정 하중 하에서 측정한 값을 기준으로 한다.

이상과 같이 코팅 등의 열처리 공정에서 변형을 방지하기 위해서는, 상기 폴리에스테르 원사는 또한, 결정화도가 40% 내지 60%이며, 바람직하게는 41% 내지 60 %, 더욱 바람직하게는 42% 내지 60%가 될 수 있다. 상기 원사의 결정화도는 에어백용 원단에 적용시 열적 형태 안정성 유지 등을 위하여 40% 이상이 되는 것이 바람직하고, 상기 결정화도가 60%를 초과하는 경우에 비결정 영역이 감소함으로써 충격 흡수 성능이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있어 60% 이하가 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 폴리에스테르 원사는 단사섬도가 0.5 내지 20 데니어, 바람직하게는 2.0 내지 10.5 데니어인 것이 될 수 있다. 상기 폴리에스테르 원사가 에어백용 원단에 효과적으로 사용되기 위해서는 수납성 측면에서 저섬도 고강력으로 유지해야 하므로, 적용 가능한 원사의 총섬도는 200 내지 1,000 데니어, 바람직하게는 220 내지 840 데니어, 좀더 바람직하게는 250 내지 600 데니어가 될 수 있다. 또한, 상기 원사의 필라멘트수는 많을수록 소프트한 촉감을 줄 수 있으나, 너무 많은 경우에는 방사성이 좋지 않을 수 있으므로, 필라멘트수는 50 내지 240 바람직하게는 55 내지 220, 좀더 바람직하게는 60 내지 200이 될 수 있다.

또한, 상기 폴리에스테르 원사는 횡연신 방식으로 고뎃-롤러 및 열풍오븐을 최적화하여 고온에서 장시간의 열처리 공정을 거치면서도 우수한 내열 특성을 나타낼 수 있다. 특히, 본 발명의 폴리에스테르 원사는 열용량(△H_m)이 48 j/g 이상, 바람직하게는 49 j/g 이상, 좀더 바람직하게는 50 j/g 이상이 될 수 있다. 또한, 상기 폴리에스테르 원사는 용융온도(T_m)가 259 ℃ 이상, 바람직하게는 259.5 ℃ 이상, 좀더 바람직하게는 260 ℃ 이상이 될 수 있다. 상기 폴리에스테르 원사는 상술한 바와 같은 우수한 내열 특성을 나타냄으로써, 에어백용 원단으로 적용시에 고온 고압의 인플레이터 가스로부터 쿠션의 파손이나 손상 및 원단이 녹아내리는 현상 등을 방지할 수 있다.

한편, 발명의 또 다른 구현예에 따라, 상술한 폴리에스테르 원사를 포함하는 에어백용 폴리에스테르 원단이 제공된다.

본 발명에서 '에어백(airbag)용 원단'이라 함은 자동차용 에어백의 제조에 사용되는 직물 또는 부직포 등을 말하는 것으로, 상기와 같이 공정을 통해 제조된 폴리에스테르 원사를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명은 기존의 고강도-저신도 및 높은 모듈러스를 갖는 폴리에스테르 섬유가 아닌 고강도-고신도 저모듈러스의 고수축 특성을 갖는 폴리에스테르 섬유를 사용함으로써, 에어백 팽창시의 에너지 흡수 능력이 우수할 뿐만 아니라, 우수한 형태안정성과 공기 차단성 및 우수한 폴딩성, 유연성, 수납성을 갖는 에어백용 폴리에스테르 원단을 제공할 수 있다. 또한, 상기 에어백용 원단은 상온 물성이 우수할 뿐만 아니라, 고온 및 고습의 가혹 조건 하에서 에이징(aging) 후에도 우수한 기계적 물성 및 기밀성 등을 유지할 수 있다.

좀더 구체적으로, 본 발명의 에어백용 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 5034 방법으로 상온에서 측정한 인장강도가 220 kgf/inch 또는 220 내지 350 kgf/inch이 될 수 있으며, 바람직하게는 230 kgf/inch 또는 230 내지 300 kgf/inch 정도의 범위가 될 수 있다. 상기 인장강도의 경우 기존 에어백 요구 물성 측면에서 220 kgf/inch 이상이 되는 것이 바람직하고, 현실적으로 물성 발현 측면에서 350 kgf/inch 이하가 되는 것이 바람직하다.

상기 에어백용 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 5034 방법으로 상온에서 측정한 절단 신도가 20% 이상 또는 20% 내지 60%이 될 수 있으며, 바람직하게는 30% 이상 또는 30% 내지 50% 정도의 범위가 될 수 있다. 상기 절단 신도의 경우 기존 에어백 요구 물성 측면에서 20% 이상이 되는 것이 바람직하고, 현실적으로 물성 발현 측면에서 60% 이하가 되는 것이 바람직하다.

또한, 에어백용 코팅원단은 고온-고압의 가스에 의해 급속하게 팽창되므로 우수한 인열강도 수준이 요구되는데, 상기 에어백용 코팅 원단의 파열 강도를 나타내는 인열강도를 미국재료시험협회규격 ASTM D 2261 방법으로 상온에서 측정하였을 때 20 kgf 이상 또는 20 내지 60 kgf, 바람직하게는 21 kgf 이상, 좀더 바람직하게는 23 kgf 이상가 될 수 있다. 여기서, 코팅 원단의 인열강도가 상기 하한값, 즉 상온에서 20 kgf 미만인 경우에는 에어백의 전개시 에어백의 파열이 발생함으로써 에어백 기능에 커다란 위험을 초래할 수도 있다.

본 발명에 따른 에어백용 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 6479 방법으로 상온(25 ℃)에서 측정한 활탈저항력이 350 N 이상 또는 350 내지 1,000 N, 바람직하게는 360 N 이상, 좀더 바람직하게는 380 N 이상이 될 수 있다. 또한, 상기 폴리에스테르 원단은 90 ℃에서 측정한 활탈저항력이 300 N 이상 또는 300 내지 970 N, 바람직하게는 310 N 이상, 좀더 바람직하게는 320 N 이상이 될 수 있다. 이 때, 상기 폴리에스테르 원단의 활탈저항력은 상온(25 ℃) 및 90 ℃에서 측정시, 각각 350 N 미만 및 300 N 미만인 경우에는 에어백 전개시 에어백 쿠션 봉제부위의 원단 강도가 급격히 나빠짐으로써 실제 에어백 전개시 원단에서 핀홀(pin hole) 발생과 봉목 밀림 현상으로 인한 원단 찢어짐 현상이 발생되어 바람직하지 못할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 에어백용 원단은 ASTM D 1776 방법으로 측정한 경사방향 및 위사방향의 원단수축율이 각각 4.0% 이하, 바람직하게는 2.0% 이하가 될 수 있다. 여기서, 원단의 형태안정성 측면에서는 경사방향 및 위사방향의 원단수축율이 1.0%를 초과하지 않는 것이 가장 바람직하다.

상기 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 737 방법으로 상온에서 측정한 공기투과도가 10.0 cfm 이하 또는 0 내지 10.0 cfm이 될 수 있다. 특히, 에어백용 원단의 공기투과도는 원단에 고무성분 코팅층이 포함시킴으로써 현저히 낮출 수 있으며, 거의 0 cfm에 근사한 값의 공기투과도를 확보할 수도 있다. 다만, 이러한 고무성분 코팅을 수행하지 않는 경우에, 본 발명의 비코팅 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 737 방법으로 상온에서 측정한 공기투과도가 10.0 cfm 이하 또는 0 내지 10.0 cfm, 바람직하게는 3.5 cfm 이하 또는 0.1 내지 3.5 cfm, 더욱 바람직하게는 1.5 cfm 이하 또는 0.5 내지 1.5 cfm가 될 수 있다. 이때, 공기투과도가 10.0 cfm, 좀더 바람직하게는 3.5 cfm를 초과하는 경우에는 에어백용 원단의 기밀성을 유지하는 측면에서는 바람직하지 않을 수 있다.

또한, 본 발명의 에어백용 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 4032 방법으로 상온에서 측정한 강연도가 1.2 kgf 이하 또는 0.2 내지 1.2 kgf, 바람직하게는 1.0 kgf 이하 또는 0.2 내지 1.0 kgf가 될 수 있다. 특히, 530 데니어 이상인 경우 1.2 kgf 이하가 될 수 있으며, 460 데니어 미만인 경우 0.8 kgf 이하의 범위를 갖을 수 있다.

본 발명의 원단은 에어백용으로 사용하기 위해서는 상기 강연도 범위를 유지하는 것이 바람직하고, 강연도가 0.2 kgf 미만으로 너무 낮은 경우에는 에어백 팽창 전개시 충분한 보호 지지 기능을 하지 못할 수 있으며, 차량 장착시에도 형태 유지 성능이 떨어져 수납성이 저하될 수 있다. 또한, 너무 딱딱한 상태가 되어 접기 어렵게 됨으로써 수납성이 저하되는 것을 방지하고, 원단의 변색 현상을 방지하기 위해서는, 상기 강연도는 1.2 kgf 이하가 바람직하고, 특히 460 데니어 미만인 경우에는 0.8 kgf 이하가 바람직하며, 530 데니어 이상인 경우에도 1.2 kgf 이하가 되는 것이 좋다.

한편, 발명의 또 다른 구현예에 따라, 상술한 폴리에스테르 원사를 사용하여 에어백용 원단의 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 에어백용 원단 제조 방법은 상기 폴리에스테르 원사를 사용하여 에어백용 생지를 제직하는 단계, 상기 제직된 에어백용 생지를 정련하여 하는 단계, 및 상기 정련된 직물을 텐터링하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 상기 폴리에스테르 원사는 통상적인 제직 방법과, 정련 및 텐터링 공정을 거쳐서 최종적인 에어백용 원단으로 제조될 수 있다. 이때, 원단의 제직형태는 특정 형태에 국한되지 않으며 평직 타입과 OPW(One Piece Woven) 타입의 제직형태 모두가 바람직하다.

특히, 본 발명의 에어백용 원단은 상기 폴리에스테르 원사를 위사 및 경사로 이용하여 비밍(beaming), 제직, 정련, 및 텐터링 공정을 거쳐 제조될 수 있다. 상기 원단은 통상적인 제직기를 사용하여 제조할 수 있으며, 어느 특정 직기를 사용하는 것에 한정되지 않는다. 다만, 평직형태의 원단은 레피어 직기(Rapier Loom)나 에어제트 직기(Air Jet Loom) 또는 워터제트 직기(Water Jet Loom) 등을 사용하여 제조할 수 있으며, OPW 형태의 원단은 자카드 직기(Jacquard Loom)를 사용하여 제조할 수 있다.

이렇게 제조된 에어백용 원단은 재단과 봉제공정을 거치면서 일정한 형태를 갖는 에어백 쿠션 형태로 제조된다. 상기 에어백은 특별한 형태에 국한되지 아니하며 일반적인 형태로 제조될 수 있다.

한편, 발명의 또 다른 구현예에 따라, 상기 에어백을 포함하는 에어백 시스템이 제공된다.

상기 에어백 시스템은 관련 업자들에게 잘 알려진 통상의 장치를 구비할 수 있다. 상기 에어백은 크게 프론탈 에어백(Frontal Airbag)과 사이드 커튼 에어백(Side Curtain Airbag)으로 구분될 수 있다. 상기 프론탈용 에어백에는 운전석용, 조수석용, 측면보호용, 무릎보호용, 발목보호용, 보행자 보호용 에어백 등이 있으며, 사이드 커튼 타입 에어백은 자동차 측면충돌이나 전복사고시 승객을 보호하게 된다. 따라서, 본 발명의 에어백은 프론탈용 에어백과 사이드 커튼 에어백을 모두 포함한다.

본 발명에 있어서 상기 기재된 내용 이외의 사항은 필요에 따라 가감이 가능한 것이므로, 본 발명에서는 특별히 한정하지 아니한다.

본 발명에 따르면, 종래의 직접방사연신(Direct Spinning Drawing) 방식이 아닌 횡연신(Warper Drawing)방식을 최적화하여 미연신사를 연신 및 열처리함으로써, 우수한 기계적 물성과 함께 유연성 및 폴딩성 등이 우수한 에어백용 원단에 적합한 폴리에스테르 원사를 제조하는 방법이 제공된다.

이렇게 제조되는 폴리에스테르 원사는 고강력, 저모듈러스 및 고수축율의 특성을 동시에 나타냄으로써, 에어백용 원단에 사용시 우수한 형태안정성, 기계적 물성, 공기 차단 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 이와 동시에 우수한 폴딩성 및 유연성을 확보할 수 있어 자동차 장착시 수납성을 현저히 개선하고 동시에 승객에게 가해지는 충격을 최소화하여 탑승자를 안전하게 보호할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 제조되는 폴리에스테르 원사 및 이를 이용한 폴리에스테르 원단은 차량용 에어백 제조 등에 매우 바람직하게 사용될 수 있다.

도 1은 일반적인 에어백 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 직접방사연신(Direct Spinning Drawing) 방식으로 폴리에스테르 원사를 제조하는 공정의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 연신 장치와 별도의 장치에서 용융 방사를 통해 미연신사를 제조하는 공정의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따라 용융 방사 장치와 별도의 장치에서 횡연신(warper-drawing) 방식으로 연신 공정을 수행하여 에어백용 폴리에스테르 원사를 제조하는 공정의 개략도이다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

하기 표 1에 나타낸 바와 같은 공정 조건으로, 소정의 고유점도(IV, intrinsic viscosity)를 갖는 폴리에스테르 중합체(PET chip)를 용융 방사하고 연신하는 단계를 거쳐 에어백용 폴리에스테르 원사를 제조하였다.

먼저, 고유점도 1.30의 폴리에스테르 중합체를 298 ℃의 방사온도(Spinning Block 설정치 기준)에서 용융하여 방사 구금을 통해 용융 폴리에스테르를 토출시키고, 상기 토출된 용융 폴리에스테르를 길이 380 mm 및 온도 400 ℃의 히팅 후드(Heating Hood) 또는 애닐링 히터(Annelaing Heater) 및 길이 100 mm의 단열판으로 구성된 지연 냉각 구간(Delayed Quenching Zone)을 거쳐 유속 1.0 m/sec, 온도 20 ℃의 퀀칭-에어(Quenching-Air)로 지연 급냉(delayed quenching)시켜 미연신사를 제조하였다. 이렇게 제조된 미연신사는 오일 픽업량(oil pick-up)을 1.0으로 하고 방사속도를 600 m/min으로 권취하였다.

상기 미연신사를 도 4에 나타낸 바와 같은 공정으로 횡연신기(Draw-Warpaer)를 사용하여 총연신비 4.5, 제1 고뎃롤러군 (1^st G/R 및 2^nd G/R) 온도 85 ℃, 제2 고뎃롤러군(3^rd G/R) 온도 110 ℃, 제3 고뎃롤러군(4^th G/R) 온도 120 ℃, 열풍오븐(#1 oven ~ #4 oven) 온도 170~240 ℃, 이완율 2.0 %, 및 권취속도 250 m/min의 조건으로 폴리에스테르 원사를 제조하였다.

여기서, PET 중합체의 고유점도, 용융 방사 및 연신, 열처리 등의 공정 조건은 하기 표 1에 나타낸 바와 같으며, 나머지 조건은 폴리에스테르 원사 제조를 위한 통상적인 조건에 따랐다.

실시예 2~5

하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 이완율과 열풍오븐 온도를 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시예 2~5의 폴리에스테르 원사를 제조하였다.

구 분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
PET 칩의 IV(dl/g)	1.3	1.3	1.3	1.3	1.3
PET 칩의 CEG (meq/kg)	17	17	17	17	17
방사 온도(℃)	298	298	298	298	298
방사 속도(m/min)	600	600	600	600	600
히팅 후드 온도(℃)	380	380	380	380	380
히팅 후드 길이(mm)	400	400	400	400	400
단열판 길이(mm)	100	100	100	100	100
퀀칭-에어 온도(℃)	20	20	20	20	20
퀀칭-에어 속도(m/sec)	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
연신 공정 방식	횡연신	횡연신	횡연신	횡연신	횡연신
제1 고뎃롤러군 G/R 온도(℃)	85	85	85	85	85
제2 고뎃롤러군 G/R 온도(℃)	110	110	110	110	110
제3 고뎃롤러군 G/R 온도(℃)	120	120	120	120	120
#1 OVEN 온도(℃)	170	180	190	200	210
#2 OVEN 온도(℃)	200	205	210	215	220
#3 OVEN 온도(℃)	220	225	230	235	240
#4 OVEN 온도(℃)	240	245	250	255	260
이완률(%)	5	4	3	2	1
연신사 권취속도(m/min)	250	250	250	250	250

상기 실시예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 원사에 대하여 다음의 방법으로 물성을 측정하였으며, 측정된 물성은 하기 표 2에 정리하였다.

1) 결정화도

폴리에스테르 원사의 밀도 ρ는 n-헵탄과 사염화탄소를 이용한 밀도구배관법에 따라 25 ℃에서 측정하였으며, 결정화도는 하기 계산식 1에 따라 계산하였다.

[계산식 1]

상기 식에서, ρ는 원사의 밀도, ρ_c는 결정의 밀도(PET의 경우는 1.457 g/cm³), 및 ρ_a는 비결정의 밀도(PET의 경우는 1.336 g/cm³)이다.

2) 고유점도

사염화탄소를 이용하여 시료에서 유제를 추출하고, 160±2 ℃에서 OCP (Ortho Chloro Phenol)로 녹인 후, 25℃의 조건에서 자동점도 측정기(Skyvis-4000)를 이용하여 점도관에서의 시료 점도를 측정하여 하기 계산식 2에 따라 폴리에스테르 원사의 고유점성도(intrinsic viscosity, IV)를 구하였다.

[계산식 2]

고유점성도(IV) = {(0.0242 × Rel)+0.2634} × F

상기 식에서,

이고,

이다.

3) CEG 함량

폴리에스테르 원사의 카르복실 말단기(CEG, Carboxyl End Group)는 ASTM D 664 및 D 4094의 규정에 따라, 시료 0.2 g을 50 mL의 삼각 플라스크에 넣은 후, 벤질알콜 20 mL를 가하고 핫 플레이트(hot plate)를 이용하여 180 ℃까지 올려 5 분간 유지시켜 시료를 완전히 용해시킨 다음, 160 ℃로 냉각시켜 135 ℃가 도달할 때 페놀프탈렌 5~6 방울을 가하고, 0.02 N KOH로 적정하여 무색에서 분홍색으로 변하는 적정점에서 하기 계산식 3 에 의해 CEG 함량(COOH million equiv./시료 kg)을 계산하였다.

[계산식 3]

CEG = (A-B)×20×1/W

상기 식에서, A는 시료의 적정에 소비된 KOH의 양(mL)이고, B는 공시료의 적정에 소비된 KOH의 양(mL)이며, W는 시료의 무게(g)이다.

4) 초기 모듈러스

미국재료시험협회규격 ASTM D 885의 방법에 따라, 인장시험시 얻어지는 응력-변형도 그래프의 탄성 구간 기울기로부터 탄성계수를 산측하여 초기 모듈러스를 측정하였다.

5) 인장강도 및 절단신도

폴리에스테르 원사의 인장강도 및 절단신도를 만능재료 시험기(Instron)을 사용하여 측정하였으며, 시료장은 250 mm이고, 인장속도는 300 mm/min으로 하였으며, 초기 로드는 0.05 g/d로 설정하였다.

6) 건열수축율

영국 테스트라이트(Testrite)사의 Testrite MK-V 장비를 사용하여 180 ℃의 온도 및 초장력(30g)에서 건열수축율을 2 분 동안 측정하였다.

7) 단사 섬도

단사 섬도는 얼레를 이용하여 원사를 9,000 m만큼 취하고 그의 무게를 재어 원사의 총섬도(Denier)를 구한 후 필라멘트 수로 나누는 방법(즉, Denier Per Filament)으로 측정하였다.

8) 신율

상기 인장강도 및 절단 신도 측정 방법과 동일한 방법으로 측정하고, S-S 커브(Curve)에서 각 하중(Load)에 해당하는 신도값을 확인하였다.

9) 열용량 및 용융온도

폴리에스테르 원사에 대하여 시차주사열량계(DSC, Perkin-Elmer 7 series thermal analysis system)를 이용하여 20 ℃/min의 스캔 속도로 원사의 열용량(△H_m, j/g) 및 용융온도(T_m, ℃) 를 측정하였다.

구 분		실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
결정화도(%)		48.2	49.5	50.8	51.2	52.1
원사의 고유점도(dl/g)		1.02	1.02	1.02	1.02	1.02
원사의 CEG(meq/kg)		24	24	24	24	24
초기모듈러스(g/d)		85	86	88	89	89
인장강도(g/d)		9.0	9.2	9.2	9.3	9.35
절단신도(%)		22.5	22.1	21.4	21.2	21.0
건열수축율(%)		4.5	5.2	5.7	6.5	7.8
단사섬도(de)		7.7	7.7	8.3	4.2	4.7
총섬도(de)		460	460	500	500	460
필라멘트수		60	60	60	120	120
신율 (%)	1.0g/d 응력시	0.95	0.90	0.88	0.86	0.85
	4.0g/d 응력시	9.9	9.7	9.6	9.5	9.3
	7.0g/d 응력시	15.8	15.6	15.4	15.3	15.1
열용량(△Hm, j/g)		50.2	51.1	51.8	52.0	52.3
용융온도(Tm, ℃)		261.3	261.5	262.2	262.7	263.2

비교예 1~5

하기 표 3에 나타낸 바와 같이, 연신 공정 등을 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 비교예 1~5의 폴리에스테르 원사를 제조하였다.

특히, 비교예 1~3은 이완율과 열풍오븐 온도를 달리하여 횡연신 방식으로 실시예 1과 동일한 방법을 적용하였고, 비교예 4~5는 도 2에 나타낸 바와 같은 직접방사연신(Direct Spinning Drawing) 방식으로 연신 공정 및 열처리 단계를 수행하여 폴리에스테르 원사를 제조하였다.

구 분	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4	비교예5
PET 칩의 IV(dl/g)	1.3	1.3	1.3	1.3	1.3
PET 칩의 CEG (meq/kg)	17	17	17	17	17
방사 온도(℃)	298	298	298	298	298
방사 속도(m/min)	600	600	600	600	600
히팅 후드 온도(℃)	380	380	380	380	380
히팅 후드 길이(mm)	400	400	400	400	400
단열판 길이(mm)	100	100	100	100	100
퀀칭-에어 온도(℃)	20	20	20	20	20
퀀칭-에어 속도(m/sec)	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
연신 공정 방식	횡연신	횡연신	횡연신	직접방사연신	직접방사연신
제1 고뎃롤러군 G/R 온도(℃)	110	115	120	-	-
제2 고뎃롤러군 G/R 온도(℃)	110	115	120	-	-
제3 고뎃롤러군 G/R 온도(℃)	110	115	120	-	-
1차 연신 온도	-	-	-	110	120
2차 연신 온도	-	-	-	240	245
#1 OVEN 온도(℃)	150	155	160	-	-
#2 OVEN 온도(℃)	160	162	165	-	-
#3 OVEN 온도(℃)	160	162	165	-	-
#4 OVEN 온도(℃)	278	280	282	-	-
이완률(%)	10	8	6	7	8
연신사 권취속도(m/min)	250	250	250	3,000	3,000

상기 비교예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 원사의 물성을 하기 표 4에 정리하였다.

구 분		비교예1	비교예2	비교예3	비교예4	비교예5
결정화도(%)		43.5	43.6	43.8	44.3	44.5
원사의 고유점도(dl/g)		1.02	1.02	1.02	1.02	1.02
원사의 CEG(meq/kg)		24	24	24	24	24
초기모듈러스(g/d)		89	88	85	92	91
인장강도(g/d)		8.6	8.5	7.9	8.8	8.5
절단신도(%)		18.2	17.5	16.2	18.5	18.7
건열수축율(%)		2.8	2.5	2.4	2.5	2.8
단사섬도(de)		1.25	6.0	6.0	3.0	3.3
총섬도(de)		200	240	600	700	800
필라멘트수		160	40	50	230	240
신율 (%)	1.0g/d 응력시	0.4	0.43	0.99	1.5	2.0
	4.0g/d 응력시	3.7	3.9	10.8	14.5	16.5
	7.0g/d 응력시	7.1	7.1	17.8	19.1	20.3
열용량(△Hm, j/g)		45.2	44.8	45.3	44.2	44.8
용융온도(Tm, ℃)		257.5	258.2	258.3	256.4	256.3

제조예 1~5

실시예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 원사를 사용하여 래피어직기를 통해 제직밀도(경사×위사) 41×41~49×49으로 에어백용 원단 생지를 제직하고, 정련 및 텐터링 공정을 거쳐 에어백용 원단을 제조하였다. 또한, 상기 원단에 폴리비닐클로라이드(PVC) 수지를 나이프 코팅(knife over ro1l coating) 방법으로 코팅량 20 g/m² 범위에서 코팅하여 PVC 코팅된 원단을 제조하였다.

이때, 나머지 원단 제조 공정 조건은 에어백용 폴리에스테르 원단 제조를 위한 통상적인 조건에 따랐다.

한편, 이렇게 제조된 각각의 에어백용 폴리에스테르 원단에 대하여 다음의 방법으로 물성을 측정하였으며, 측정된 물성은 하기 표 5에 정리하였다.

(a) 인장강도 및 절단신도

에어백 원단에서 시편을 재단하여 미국재료시험협회규격 ASTM D 5034에 따른 인장강도 측정장치의 하부 클램프에 고정시키고, 상부 클램프를 위로 이동시키면서 에어백 원단 시편이 파단될 때의 강도 및 신도를 측정하였다.

(b) 인열강도

미국재료시험협회규격 ASTM D 2261에 따라 에어백용 원단의 인열강도를 측정하였다.

(c) 경사 및 위사 방향 원단수축율

미국재료시험협회규격 ASTM D 1776에 따라 경/위사 방향의 원단수축율을 측정하였다. 먼저, OPW용 에어백 원단에서 시편을 재단한 후, 경사 및 위사 방향으로 수축 전 길이인 20 cm씩을 표시하고 149 ℃에서 1 시간 동안 챔버에서 열처리한 시편의 수축한 길이를 측정하여 경사방향 및 위사방향의 원단수축율 {(수축전 길이 - 수축후 길이)/ 수축전 길이 x 100%} 측정하였다.

(d) 강연도

미국재료시험협회규격 ASTM D 4032에 따른 강연도 측정장치를 이용하여 써큘라벤드법(Circular Bend)법으로 원단의 강연도를 측정하였다. 또한, 강연도 측정법으로 켄티레버법을 적용할 수 있으며, 원단에 굽힘을 주기 위하여 일정각도의 경사를 준 시험대인 켄티레버 측정기기를 이용하여 원단 굽힘 길이 측정을 통해 강연도를 측정할 수 있다.

(e) 후도

미국재료시험협회규격 ASTM D 1777에 따라 에어백용 원단의 후도를 측정하였다.

(f) 공기투과도

미국재료시험협회규격 ASTM D 737에 따라 에어백용 원단을 20 ℃, 65 %RH 하에서 1일 이상 방치한 후, 125 Pa의 압력의 공기가 38 cm²의 원형단면을 통과하는 양을 측정하였다.

(g) 활탈저항력

코팅 처리 전의 비코팅된 원단을 사용하여 미국재료시험협회규격 ASTM D 6479에 따른 방법으로 상온(25 ℃에서 원단의 활탈저항력(Edge Comb Resistance)을 측정하였다.

구 분		제조예1	제조예2	제조예3	제조예4	제조예5
인장강도(kgf/inch)		245	242	244	243	242
절단신도(%)		40	41	43	46	48
인열강도(kgf)		21	20	22	23	24
원단수축율 (%)	경사	1.2	1.1	1.3	1.4	1.1
	위사	1.1	1.0	1.0	1.2	0.9
강연도(kgf)		0.42	0.42	0.39	0.36	0.37
공기 투과도(cfm)		0.43	0.40	0.38	0.35	0.3
활탈저항력(N)		496	516	522	543	581

비교제조예 1~5

비교예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 원사를 사용한 것을 제외하고는 제조예 1~5와 동일한 방법에 따라 에어백용 폴리에스테르 원단을 제조하고 물성을 측정하여 하기 표 6에 정리하였다.

구 분		비교제조예1	비교제조예2	비교제조예3	비교제조예4	비교제조예5
인장강도(kgf/inch)		225	227	225	225	223
절단신도(%)		31	29	30	29	26
인열강도(kgf)		15	14	16	15	17
원단수축율 (%)	경사	0.3	0.4	0.5	0.6	0.6
	위사	0.3	0.4	0.4	0.4	0.5
강연도(kgf)		1.4	1.8	1.0	1.4	1.8
공기 투과도(cfm)		1.52	1.41	1.32	1.51	1.41
활탈저항력(N)		352	324	305	357	328

상기 표 5에서 보는 것과 같이, 횡연신 공정 조건을 최적화한 실시예 1~5의 폴리에스테르 원사를 사용한 제조예 1~5의 에어백용 원단은 현저히 향상된 강연도 및 높은 활탈저항력(Edge comb)를 구현할 수 있는 것으로 확인되었다. 특히, 특히, 제조예 1~5의 에어백용 원단의 경우 인장강도는 242~245 kgf/inch으로 우수한 기계적 물성 및 전개 성능을 발휘할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 제조예 1~5의 에어백용 원단은 강연도 및 활탈저항력에서도 각각 0.36~0.42 kgf 및 496~581 N으로 향상된 결과를 얻을 수 있어, 우수한 수납성, 형태안정성, 및 공기 차단 효과를 동시에 확보할 수 있음을 알 수 있다.

반면에, 상기 표 6에서 보는 것과 같이 비교예 1~5의 폴리에스테르 원사를 사용한 비교제조예 1~5의 폴리에스테르 원단은 기계적 물성 및 기밀성 등이 현저히 떨어지며 에어백용 원단 물성 특성을 충족하지 못함이 확인되었다. 특히, 비교제조예 1~5의 폴리에스테르 원단은 강연도가 1.0~1.8 N으로 너무 높아 쿠션의 폴딩성 및 수납성이 좋지 않을 수 있고, 원단의 인장강도 및 활탈저항력 또한 각각 223~227 kgf/inch 및 224~305 N으로 현저히 떨어짐을 알 수 있다. 이같이 활탈저항력과 인장강도가 현저히 낮은 경우에는 에어백 원단 물성 특성을 충족시키지 못해 에어백 전개시 에어백이 파열할 수 있는 문제가 발생할 수 있다.

실험예 1

상기 제조예 1~5 및 비교제조예 1~5에서 코팅 공정을 수행하지 않은 비코팅 원단을 사용하여 에어백 쿠션을 제조하고, 각각 하기 표 7에 나타낸 바와 같이 DAB(driver airbag) 쿠션 어셈블리와 PAB(passenger airbag) 쿠션 어셈블리로 차량용 에어백을 제작하였다. 이렇게 완성된 차량용 에어백에 대하여, 3 가지 열처리 조건(상온: 25 ℃ x 4 hr 오븐 방치, Hot: 85 ℃ x 4 hr 오븐 방치, Cold: -30 ℃ x 4 hr 오븐 방치) 하에서 전개 테스트(static test)를 실시하였다.

상기 정적 전개 성능 테스트(static test)를 실시한 결과, 원단 찢어짐, 핀홀(pin hole) 발생, 및 원단 탄화 현상이 발생하지 않는 경우에 "Pass"로 평가하고, 원단 찢어짐, 봉제부 핀홀(pin hole) 발생, 또는 원단 탄화 현상 중 어느 한 가지라도 발생한 경우에는 "Fail"로 평가하였다. 여기서 전개 테스트 결과가 "Pass"인 경우는 에어백용 쿠션으로 사용이 가능하나, "Fail"인 경우는 에어백용 쿠션으로 사용이 불가능함을 의미한다.

상기 실시제조예 1~5 및 비교제조예 1~5의 폴리에스테르 비코팅 원단을 사용하여 제조된 에어백 쿠션에 대한 정적 전개 성능 테스트(static test) 결과는 하기 표 7에 나타내었다.

구분	쿠션 사양	화약식 인플레이터 압력(kPa)	상온 전개 테스트 (static)	Hot 전개 테스트 (static)	Cold 전개 테스트 (static)
제조예1	DAB	240	Pass	Pass	Pass
제조예2	DAB	240	Pass	Pass	Pass
제조예3	DAB	240	Pass	Pass	Pass
제조예4	PAB	350	Pass	Pass	Pass
제조예5	PAB	350	Pass	Pass	Pass
비교제조예1	DAB	240	Fail	Fail	Fail
비교제조예2	DAB	240	Fail	Fail	Fail
비교제조예3	DAB	240	Fail	Fail	Fail
비교제조예4	PAB	350	Fail	Fail	Fail
비교제조예5	PAB	350	Fail	Fail	Fail

실험예 2

상기 제조예 1~5 및 비교제조예 1~5에서 코팅 공정을 수행하지 않은 비코팅 원단을 사용하여 제조된 에어백 쿠션으로 각각 하기 표 8에 나타낸 바와 같이 차량용 에어백을 제작하여 동적 전개 성능 테스트(drop test)를 실시하였다.

상기 동적 전개 성능 테스트(drop test)는 하기 표 8에 나타낸 바와 같이 쿠션 어셈블리 사양 및 인플레이터 압력을 달리한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 전면용 에어백을 제작하여 실시하였으며, 그의 평가 결과는 하기 표 8에 나타낸 바와 같다.

구분	쿠션 사양	화약식 인플레이터 압력(kPa)	상온 전개 테스트 (drop)
제조예1	DAB	230	Pass
제조예2	DAB	230	Pass
제조예3	DAB	230	Pass
제조예4	PAB	330	Pass
제조예5	PAB	330	Pass
비교제조예1	DAB	230	Fail
비교제조예2	DAB	230	Fail
비교제조예3	DAB	230	Fail
비교제조예4	PAB	330	Fail
비교제조예5	PAB	330	Fail

상기 표 7와 표 8에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따라 횡연신 공정 조건을 최적화한 제조예 1~5의 폴리에스테르 원단을 포함하는 차량용 에어백에 대하여 각각 3가지 열처리 온도 조건 하에서 오븐에 방치한 후 전개 테스트(static test, drop test)를 진행한 결과, 원단 찢어짐, 봉제부 핀홀(pin hole) 발생, 및 원단 탄화 현상 등이 발생하지 않아 모두 차량용 에어백으로서 우수한 성능을 갖는 것임을 알 수 있다.

반면에, 비교제조예 1~5의 폴리에스테르 원단을 포함하는 차량용 에어백에 대한 전개 테스트(static test, drop test)결과에서는, 에어백 전개시 원단 찢어짐, 원단 마찰에 의한 원단 판단현상, 봉제부 핀홀(pin hole) 발생으로 인한 원단 판단현상, 원단 탄화 현상 등으로 인해 각 쿠션 모두가 "Fail"로 평가되어 실제 에어백으로서 사용이 불가능한 것임을 알 수 있다. 특히, 비교제조예 1, 2, 3의 원단을 포함하는 DAB(driver airbag) 쿠션 어셈블리에 대한 전개 테스트에서는 쿠션의 외곽 봉제부와 테더부에서 원단 찢어짐 현상과 탄화 현상이 발생하였으며, 비교제조예 4, 5의 경우에서는 인플레이터 입구부에서 원단 찢어짐과 함께 원단 마찰에 의한 쿠션 프론트 판넬(front panel)부 원단 찢어짐 및 탄화 현상이 발생하였다.

또한, 이러한 비교제조예 1~5의 원단을 포함하는 차량용 에어백에 대한 전개 테스트(static test, drop test)에서, 원단 찢어짐 발생은 기본적으로 폴리에스테르 원사 및 원단의 기계적 물성 뿐만 아니라 내열성 즉, 열용량(△H_m) 및 용융온도(T_m)이 낮아 고온의 전개 Test시 열에 의한 변형으로 에어백 성능을 발휘하지 못했기 때문에 발생되는데, 원단봉제부 핀홀(pin hole) 발생, 내마찰성 부족, 원단 탄화 현상 등으로부터 기인하여 함께 발생되었음을 확인할 수 있었다. 따라서, 비교제조예 1~5의 에어백용 원단은 실제 차량용 에어백 쿠션으로 적용시 에어백 파열 등으로 에어백 기능에 커다란 위험을 초래할 수 있다. 아울러, 상온 및 고온, 저온의 짧은 열처리 시간 조건 하에서도 에어백 쿠션으로서의 성능을 만족하지 못하는 원단이 장기간 동안 수납된 상태에서 자동차 충돌 사고가 발생될 경우 승객의 안전은 전혀 보장하지 못하는 결과가 초래될 수 있다.

Claims (23)

1. 고유점도가 0.85 dl/g 이상인 폴리에스테르 중합체를 270 내지 305 ℃에서 용융 방사하여 폴리에스테르 미연신사를 제조하는 단계;
   상기 폴리에스테르 미연신사를 권취한 후에, 3개 이상의 고뎃-롤러(Godet-Roller)군 및 제1 내지 제4의 열풍 오븐을 포함하며 각각의 고뎃-롤러군은 적어도 3개의 고뎃-롤러를 포함하는 별도의 연신 장치를 사용하여, 상기 고뎃-롤러의 온도는 70 내지 130 ℃이며, 상기 열풍 오븐 중 제1 열풍 오븐의 온도가 170 내지 210 ℃이고, 제2 열풍 오븐의 온도가 200 내지 220 ℃이고, 제3 열풍 오븐의 온도가 220 내지 240 ℃이고, 제4 열풍 오븐의 온도가 240 내지 260 ℃인 조건 하에서 상기 폴리에스테르 미연신사를 횡연신 방식으로 연신하고 열처리하는 단계; 및
   상기 폴리에스테르 미연신사를 연신한 후에 이완률 1% 내지 5%로 이완 공정을 수행하는 단계;
   를 포함하는 폴리에스테르 원사의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 방사 공정은 300 m/min 내지 1,000 m/min의 방사 속도 하에서 수행하는 것인 폴리에스테르 원사의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 미연신사를 오일 픽업량 0.2% 내지 2.0%의 조건 하에서 고뎃 롤러를 통과시켜 연신 공정을 수행하는 것인 폴리에스테르 원사의 제조방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 연신 공정은 총연신비가 1.0 내지 6.0이 되도록 수행하는 것인 폴리에스테르 원사의 제조방법.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서
   상기 미연신사를 연신한 후에 권취속도 200 내지 400 m/min의 권취 공정을 추가로 포함하는 폴리에스테르 원사의 제조방법.
10. 제1항에 따른 방법으로 제조되고,
    결정화도가 48.2% 내지 60%이며, 인장강도가 9.0 g/d 이상이며, 절단신도가 22.5% 이상이며, 건열수축율이 4.5% 내지 7.8%이고,
    상온에서 측정된 1.0 g/d 응력에서 신율이 0.85% 이상이며, 4.0 g/d 응력에서 신율이 9.3% 이상이고, 7.0 g/d의 응력에서 신율이 15.1% 이상인 폴리에스테르 원사.
11. 제10항에 있어서,
    고유점도가 0.8 dl/g 이상인 폴리에스테르 원사.
12. 제10항에 있어서,
    카르복실 말단기 함량이 50 meq/kg 이하인 폴리에스테르 원사.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 제10항에 있어서,
    초기 모듈러스가 40 내지 100 g/d인 폴리에스테르 원사.
18. 제10항에 있어서,
    열용량(△H_m)이 48 j/g 이상인 폴리에스테르 원사.
19. 제10항에 있어서,
    용융온도(T_m)가 259 ℃ 이상인 폴리에스테르 원사.
20. 제10항에 따른 원사를 포함하고, 미국재료시험협회규격 ASTM D 4032 방법으로 측정한 강연도가 0.42 kgf 이하이며, 미국재료시험협회규격 ASTM D 6479 방법으로 상온에서 측정한 활탈저항력이 496N 이상인 폴리에스테르 원단.
21. 제20항에 있어서,
    상기 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 2261 방법으로 측정한 인열강도가 20 kgf 이상인 폴리에스테르 원단.
22. 삭제
23. 삭제

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