KR102072744B1 - 고무 조성물 및 이 고무 조성물을 이용한 고무 제품 - Google Patents

Abstract

전동 벨트 또는 호스에 유용한 조성물은 환경 친화적인 셀룰로오스 보강 섬유를 이용한다. 엘라스토머 또는 고무 조성물은, 베이스 엘라스토머, 폴리비닐피롤리돈, 셀룰로오스 섬유, 및 경화제를 포함한다. 상기 베이스 엘라스토머는 에틸렌 엘라스토머, 니트릴 엘라스토머, 및 폴리클로로프렌 엘라스토머로부터 선택되는 하나 이상의 엘라스토머일 수 있다. 상기 엘라스토머는 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머일 수 있다. 폴리비닐피롤리돈은 엘라스토머의 100 중량부 당 5 내지 50 중량부의 양으로 존재할 수 있다. 셀룰로오스 섬유는 양마, 황마, 삼, 아마, 모시, 사이잘, 목재, 레이온, 아세테이트, 트리아세테이트 및 면으로부터 선택된 하나 이상의 재료일 수 있다. 셀룰로오스 섬유는 인피 섬유(bast fiber)일 수 있다. 셀룰로오스 섬유는, 엘라스토머의 100 중량부 당 1 내지 50 중량부의 양으로 존재한다.

Description

고무 조성물 및 이 고무 조성물을 이용한 고무 제품

본 발명은 대체로 벨트 및 호스와 같은 고무 제품에 유용한 고무 조성물에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 셀룰로오스 섬유로 보강된, 엘라스토머 내의 폴리비닐피롤리돈의 혼합물인 조성물에 관한 것이다.

전동 벨트는 V 벨트, 다중 V 리브 벨트, 및 동기 벨트 또는 치형 벨트를 포함한다. 고성능 인조 단섬유 보강물, 예컨대 아라미드 섬유는, 전술한 벨트에서 사용되는 고무 제형에 흔히 사용된다. 이러한 섬유는, 고가이며 재생 불가능한 원료로부터 형성되는 경향이 있지만 성능 요건을 충족하기 위해 필요한 것으로 간주되고 있다.

본 발명은, 환경 친화적인 셀룰로오스 보강 섬유를 이용하는, 전동 벨트 또는 호스에 유용한 엘라스토머 조성물을 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

상기 엘라스토머 조성물 또는 고무 조성물은 엘라스토머, 폴리비닐피롤리돈, 셀룰로오스 섬유 및 경화제를 포함한다.

상기 엘라스토머는 에틸렌 엘라스토머, 니트릴 엘라스토머, 및 폴리클로로프렌 엘라스토머로부터 선택되는 하나 이상의 엘라스토머일 수 있다. 상기 엘라스토머는 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머일 수 있다.

폴리비닐피롤리돈은 엘라스토머의 100 중량부 당(“PHR”) 5 내지 50 중량부의 양으로 존재할 수 있다.

셀룰로오스 섬유는 양마, 황마, 삼, 아마, 모시, 사이잘, 목재, 레이온, 아세테이트, 트리아세테이트 및 면으로부터 선택된 하나 이상의 재료일 수 있다. 셀룰로오스 섬유는 천연 섬유 또는 인조 섬유일 수 있다. 셀룰로오스 섬유는 인피 섬유(bast fiber)일 수 있다. 셀룰로오스 섬유는, 엘라스토머의 100 중량부 당 1 내지 50 중량부의 양으로 존재한다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 고무 조성물의 반응 생성물을 이용하는 전동 벨트에 관한 것이다. 상기 고무 조성물은 가황 처리될 수도 있고 경화 처리될 수도 있다.

본 발명은 예컨대 비교적 높은 가치의 고무 조성물을 제공하는 것에 기여할 수 있으며, 이에 따라 재생 가능한 천연 원료로 형성되는 비교적 저렴한 섬유로 비교적 높은 복합 탄성율(compound modulus)을 달성한다.

폴리클로로프렌 엘라스토머에 기초한 본 발명의 실시예는 경화 시에 '마칭 모듈레서(marching modulus)' 대신 '플래투 모듈러스(plateau modulus)'를 나타낼 수 있다.

이상은, 본 발명에 대한 후속하는 상세한 설명을 더욱 양호하게 이해할 수 있도록 하기 위해 본 발명의 특징 및 기술적 장점을 어느 정도 광범위하게 개괄한 것이다. 본 발명의 청구범위의 주제 대상을 형성하는 본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 이하에서 설명된다. 당업자는, 개시된 개념 및 구체적인 실시예가 본 발명의 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계 또는 변형을 위한 기초로서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 당업자는, 이러한 등가적 구성이 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것을 인식해야 한다. 첨부 도면과 함께 이하의 설명으로부터, 조직화 및 작업 방법 양자 모두와 관련하여 본 발명의 특징이라고 간주되는 신규의 특징을, 추가적인 대상 및 장점과 함께, 더욱 양호하게 이해하게 될 것이다. 그러나, 각각의 도면은 단지 예시 및 설명의 목적으로 제시된 것이며, 본 발명의 한계를 한정하려는 의도가 아니라는 것을 명확하게 이해해야 한다.

본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은, 도면 내에서 동일한 도면부호가 동일한 부분을 지시하는 것으로서, 본 발명의 실시예를 예시하고 있으며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동 V 벨트의 부분적인 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동 V 리브 벨트의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 치형 전동 벨트의 부분적인 분해 사시도이다.

본 발명은 전동 벨트 또는 호스와 같은 동적 제품(dynamic product)에 유용한 고무 조성물에 관한 것이다. 상기 고무 조성물은 폴리비닐피롤리돈(PVP)과 혼합되는 베이스 엘라스토머(base elastomer)를 가지며, 셀룰로오스 섬유 성분을 갖는다.

용어 “고무”는, 큰 변형으로부터 신속하게 그리고 강력하게 회복될 수 있으며 (공유 가교결합의 존재로 인해) 비등하는 용제에서 실질적으로 용해 불가능한 재료(즉, 엘라스토머)를 가리킨다. 다른 유용한 정의는, 인용함으로써 본원에 포함되는 ASTM D-1566에서 확인할 수 있다. “엘라스토머”는, 가교결합될 때 고무를 형성할 수 있는 엘라스토머 폴리머를 가리킨다.

고무 “조성물” 또는 고무 “제형” 혹은 엘라스토머 “조성물” 또는 엘라스토머 “제형”은 고무 재료를 제조하는 데 사용되는 원재료의 조합을 가리킨다. 고무 “화합물”은, 혼합 후 경화 처리 또는 가황 처리 이전의 고무 조성물에 있는 재료의 혼합물을 가리킨다. 고무 조성물은 엘라스토머 이외에 다수의 추가적인 구성성분, 예컨대 경화제, 충전재, 증량제, 연화제, 열화 방지제, 착색제, 프로세스 보조제, 촉진제, 지연제, 조력제, 화염 지연제 등을 포함할 수 있다. “베이스 엘라스토머(base elastomer)”는 고무 조성물에서 사용되는 엘라스토머 폴리머를 지칭하며, 엘라스토머들의 혼합물일 수 있다.

본 발명에 따른 고무는 임의의 적절한 베이스 엘라스토머에 기초할 수 있지만, 예시적인 엘라스토머는 천연 고무, 폴리클로로프렌(CR), 폴리이소프렌, 스티렌-부타디엔 고무, 에틸렌 엘라스토머, 니트릴 엘라스토머, 폴리우레탄 엘라스토머 등이다. 에틸렌 엘라스토머는 에틸렌-비닐아세테이트 엘라스토머, 에틸렌 아크릴 엘라스토머, 및 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머를 포함한다. 니트릴 엘라스토머는 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR), 수소첨가된 니트릴(HNBR), 카르복실기를 함유한 NBR 및 HNBR 등을 포함한다. 본 발명은, 예시적인 고무 조성물이 비극성 엘라스토머, 예컨대 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머, 예를 들어 에틸렌 프로필렌 디엔 엘라스토머(EPDM), 에틸렌 프로필렌 엘라스토머(EPM), 에텔렌 옥텐 엘라스토머(EOM), 에틸렌 부텐 엘라스토머(EBM) 등에 기초한 경우에 특히 유리하다. 상기 고무 조성물은 또한 2 이상의 엘라스토머의 혼합물에 기초할 수 있다.

본 발명에 따른 고무는, 모든 다른 구성성분들이 혼합된 폴리머 매트릭스(polymeric matrix)로서 베이스 엘라스토머 및 폴리비닐피롤리돈의 혼합물에 기초한다. 폴리비닐피롤리돈(PVP)은, 약하고 독특한 향을 가진 하얀색의 흡습성 분말이다. 대부분의 폴리머와는 대조적으로, 폴리비닐피롤리돈은 물 및 다수의 유기 용제, 예컨대 알코올, 아민, 산, 염소 처리된 탄화수소, 아미드, 및 락탐에 용이하게 용해 가능하다. 다른 한편으로, 상기 폴리머는 일반적인 에스테르, 에테르, 탄화수소, 및 케톤에는 용해 불가능하다. 뛰어난 박막 형성, 다양한 재료에 대한 초기 접착 및 점착, 높은 복합제 형성 능력, 양호한 안정화 성능 및 용해 성능, pH 변화에 대한 둔감성, 방사선으로 유발되는 용이한 가교결합성뿐만 아니라 양호한 생체 적합성과 조합되는 전술한 흡습 특성에 의해, PVP는, 특히 용액, 에멀젼, 코팅, 및 박막에서 흔히 사용되는 특제 폴리머가 되었다.

PVP는 적절한 이니시에이터(initiator) 및 종료 방법을 이용하여 물 또는 알코올 내에서의 N-비닐피롤리돈의 유리기 중합(free-radical polymerization)에 의해 합성된다. 적절한 중합 조건을 선택함으로써, 수천 달톤(dalton)의 낮은 값으로부터 대략 2백2십만 달톤까지 확장되는 넓은 범위의 분자량을 얻을 수 있다. 선택된 코모노머(comonomer)는 중합 중에 PVP 폴리머 내에 통합되어 PVP 폴리머의 특성을 변경시킬 수 있다. 이러한 코모노머는 비닐아세테이트(VA) 및 N-비닐카프로락탐(VCAP)을 포함한다. 예를 들면, Luvitec® VA64는 약 40%의 VA 코모노머를 포함하며, PVP 호모폴리머(PVP homopolymer)보다 낮은 흡습성을 나타낸다. 표 1은 상표 Kollidon® 및 상표 Luvitec® 하에서 BASF로부터 시판되는 일부 상업적인 PVP 호모폴리머 및 코폴리머(copolymer) 등급의 중량 평균 분쟈량(달톤 단위) 및 수 평균 분자량(달톤 단위)을 나타낸 것이다.

본 발명은, 가요성 전동 벨트 또는 호스에 유용한 고무 조성물에서, 셀룰로오스, 예컨대 목재, 양마, 황마, 삼, 아마, 및 모시에 기초한 주 성분과 함께 천연적으로 존재하는 식물 유래 섬유 혹은 인조 섬유인 셀룰로오스 섬유를 이용하는 것에 관한 것이다. 식물의 껍질 부분으로부터의 인피 섬유가 주요 관심 대상이지만, 일부 잎섬유 및 종자섬유도 또한 유용할 수 있다. 다른 인피 섬유는 활나무 섬유, 유리너(urena), 또는 파슬리(cadillo) 및 로젤(roselle)을 포함한다. 잎섬유는 마닐라삼, 칸탈라, 용설란, 열대 아메리카산 용설란(istle), 프로뮴(phromium), 산세베리아, 및 사이잘을 포함한다. 유용한 종자섬유는 면 및 케이폭(kapok)을 포함한다. 목재 섬유는, 경질 및 연질의 수종으로부터 유래하는 것들을 포함한다. 인조 셀룰로오스 섬유는 레이온(재생된 셀룰로오스), 비스코스, 아세테이트(셀룰로오스 아세테이트), 트리아세테이트(셀룰로오스 트리아세테이트) 등을 포함한다.

양마(Hibiscus cannabinus L.)는 아프리카가 원산지인 한해살이 초본 식물이다. 이는 미국에는 새로운 작물이다. 양마는 남쪽의 온화한 영역, 예컨대 미시시피, 텍사스, 캘리포니아, 루이지애나, 뉴 멕시코 및 조지아에서 주로 경작된다. 양마의 성장 기간은 90 일 내지 150 일이며, 높이 면에서 2.4 m 내지 6 m까지 성장할 수 있다. 양마의 하나의 곧은 줄기는 외측의 섬유상 껍질 및 내측의 목심으로 이루어지는데, 이로부터 각각 2개의 구분되는 유형의 섬유, 즉 인피 섬유 및 코어 섬유(core fiber)가 얻어진다. 인피 섬유는 해당 줄기의 약 26 중량% 내지 35 중량%를 구성하며, 35 중량% 초과의 인피 부분을 얻을 수 있는 유전 형질이 개발되고 있다. 수확된 양마 줄기는 보통 우선 목심으로부터 껍질을 분리시키기 위해 껍질을 벗겨내어, 양마 인피 섬유의 열편(ribbon)을 생성한다. 이러한 열편은 섬유 다발 또는 단일 섬유로 물에 담가 부드럽게 할 수 있다. 일단 섬유가 공기 중에서 건조되면(대략 10%의 수분 함량을 가짐), 양마 작물을 거둬들이는 것이 바람직하다. 건조는 상기 작물을 벌판에 세워둠으로써 달성될 수 있다.

일반적으로, 양마 인피 섬유는, 평균 길이가 2.6 mm이고 직경이 21 마이크로미터인 중공 관이며, 평균 길이/직경의 종횡비는 124이고 무른 목재와 매우 유사하다. 평균 0.5 mm의 길이를 갖는 코어 섬유는 단단한 목재의 섬유 길이에 근사하게 매칭(matching)된다.

KBFB(kenaf bast fiber bundle)의 주요 구성성분은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 및 리그닌(lignin)이다. 각각의 구성성분의 양은 경작 환경, 지리적인 원인, 연령, (뿌리부터 선단부까지의) 식물에서의 위치, 물에 담가 부드럽게 하는 기법 및 분리 기법에 따라 현저하게 달라질 수 있다. http://www.hempology.org/CURRENT%20HISTORY/1996%20HEMP%20COMPOSITES.html에서 이용 가능한 Lloyd E. H. 및 D. Seber의 "Bast fiber applications for composites,"(1996)는, 셀룰로오스가 60.8 중량%, 헤미셀룰로오스가 20.3 중량%, 리그닌이 11.0 중량%, 추출물이 3.2 중량%, 그리고 재(ash)가 4.7 중량%인 것으로 보고하였다. Mohanty 등의 "Biofibres, biodegradable polymers and biocomposites: an overview,” Macromolecular materials and engineering, 276-277(1): 1-24 (2000)는 보다 적은 셀룰로오스 양(31 내지 39 중량%) 및 보다 높은 리그닌 양(15 내지 19 중량%)을 보고하였다. Rowell 등의 "Characterization and factors effecting fiber properties," In: Frollini E, Leao AL, Mattoso LHC, editors. "Natural polymers and agrofibers based composites: preparation, properties and applications," San Carlos, Brazil: L.H.C., Embrapa. 115-134쪽 (2000)에는 44 내지 57 중량%의 셀룰로오스 및 15 내지 19 중량%의 리그닌이 보고된 바 있다. 다른 문헌에는 양마 섬유, 황마 섬유, 삼 섬유, 및 아마 섬유에 대해 약 71 내지 76 %의 셀룰로오스 함량이 기재되어 있으며, 이들 문헌에서 리그닌의 함량(8 % 미만) 및 헤미셀룰로오스의 함량(13 내지 19 %)은 더 낮다.

양마는, 환경 및 경제성 면에서의 장점, 풍부한 양, 낮은 밀도, 처리 중의 비-연마성, 기계적으로 우수한 특정 특징, 생분해성, 및 저렴한 가격을 갖는 셀룰로오스 공급원이다. 역사적으로, 양마 섬유는 밧줄로서 처음 사용되었다. 산업계에서는 이제 제지 및 부직 방직물에서 양마의 사용을 연구하고 있다. 양마 제품의 잠재적인 용례는, 종이 펄프, 밧줄, 목초 부식 매트, 동물의 잠자리, 오일 흡수제, 분심 매체(potting media), 동물용 엽적(animal litter), 절연 보드, 플라스틱용 충전재, 및 방직물을 포함한다.

표 2는 일반적인 일부 합성 섬유와 양마 및 다른 셀룰로오스 섬유의 기계적 특징을 비교한 것이다. 양마, 아마, 삼, 및 황마는 인피 섬유인 반면, 사이잘은 잎섬유이며 면은 종자모 섬유이다. 인장 강도 및 연신율의 관점에서, 셀룰로오스 섬유는 나일론 및 폴리에스터에 비해 상당히 양호하다. 양마 섬유의 두드러진 특징은 양마의 영률이며, 이는 E-글래스 섬유 및 아라미드 섬유의 영률에 가깝다. 이러한 셀룰로오스 섬유의 인장 강도는 벨트 인장 코드 용례를 위해서는 충분히 높지 않지만, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 셀룰로오스 섬유는, 벨트 형상 안정화 또는 벨트 형상 강화 또는 코드 지지부를 제공하기 위해 고무 벨트 화합물을 보강하는 충전재로서 사용하기에 적합하다.

본 발명을 실시하기 위한, 양마 섬유를 비롯한, 바람직한 인피 섬유는, 껍질로부터의 긴 인피 섬유이며, 짧은 코어 섬유로부터 분리되고, 벨트 조성물에서 사용하기에 유용한 길이로 썰리게 된다. 적절한 섬유 길이는 0.5 내지 5 mm, 또는 1 내지 4 mm, 또는 1 내지 3 mm, 또는 2 내지 3 mm의 범위에 속할 수 있다. 바람직한 부하는 원하는 보강 정도에 따라 좌우되지만, 유리하게는 베이스 엘라스토머의 100 중량부 당(PHR) 0.5 내지 50 중량부 또는 1 내지 30 PHR의 범위일 수 있다. 적합한 섬유는 예컨대 Procotex Corporation SA, Kenactiv Innovations, Inc., 또는 International Fiber Corporation으로부터 획득될 수 있다.

아마 섬유(Linum usitatissimum L.)는, 온화하고 습한 기후에서 성장된 한해살이 식물의 이름으로부터 유래한다. 아마 인피 섬유의 수확 및 처리는 양마와 유사하다. 끓이고 표백한 아마는 95 % 초과의 셀룰로오스를 포함할 수도 있다. 적합한 섬유는 예컨대 Procotex Corporation SA로부터 획득될 수 있다.

삼 섬유는 중국에서 기원하는 식물 Cannabis sativa로부터 입수 가능하지만, 현재에는 아시아 및 유럽에서도 역시 재배되고 있다.

황마는 2가지 식물, 즉 피나무과 1년초인 참피 나무(Corchorus capsularis) 및 코르코루스 올리토리우스로부터 얻는다. 황마는 주로 인도, 방글라데시, 버마, 네팔, 및 브라질에서 재배된다. 양마 및 황마는 리그노셀룰로오스를 포함하는데, 리그노셀룰로오스는 양마 및 황마의 강도에 기여한다. 로젤은 H. Sabdarifa로부터 유래하며, 이는 양마와 밀접한 관계가 있다.

모시 인피 섬유는 Boehmeira nivea의 껍질로부터 얻는다. 높은 고무질 함량 때문에, 모시는 양마와 같이 물에 담가 부드럽게 할 수 없다. 대신, 모시 인피 섬유는 알칼리 용액에서 끓이고 후속하여 세척, 표백, 중화, 및 건조시킴으로써 분리된다. 따라서, 고무질이 제거된 모시는 95 % 초과의 셀룰로오스를 포함할 수 있다. 이러한 화학적 처리는 또한 다른 유형의 섬유를 준비하는 데에도 사용될 수 있으며, 효소 처리를 포함할 수 있다.

사이잘은 아가베 시살라나로부터 얻어지며, 잎섬유 중에서는 상업적으로 가장 중요하다.

다수의 다른 식물 섬유가 복합재에서 사용 가능한지에 관해 연구되고 있다. 이들 섬유가 셀룰로오스를 포함하고 있고 적절한 물리적 특성 및 치수적 특성을 갖는 한, 이들 섬유는 또한 고무 조성물에서 유용할 수 있다. 이러한 다른 섬유에는, 바나나 식물 섬유, 파인애플, 야자, 대나무 등이 있다.

목재 섬유(또한 셀룰로오스 섬유, 또는 목재 펄프, 또는 단지 “펄프”라고도 알려져 있음)는 임의의 수의 수종, 즉 단단한 목재 또는 무른 목재로부터 얻어질 수 있다. 고무 조성물을 보강하기에 적절한 섬유를 얻기 위해, 상기 섬유는 알려진 펄프 생성 프로세스들 중 임의의 프로세스에 의해 분리될 수 있다. 재생 펄프가 사용될 수도 있다.

셀룰로오스 섬유는 단지 섬유 보강재로서만 엘라스토머-PVP 혼합 조성물에 사용될 수도 있고, 또는 다른 유형의 섬유가 추가로 포함될 수도 있다. 예를 들면, 일부 추가 섬유, 예컨대 아라미드, 폴리아미드, 폴리에스테르, 탄소 유리 섬유 등이 조성물 내에서 셀룰로오스 섬유와 혼합될 수 있다.

혼합은, 내부 배치 믹서(internal batch mixer), 오픈 롤 밀(open roll mill), 화합물 생성용 압출기 등을 비롯한 임의의 통상적인 혼합 장비 또는 임의의 알려진 혼합 장비를 이용하여 수행될 수 있다. 마찬가지로, 상기 조성물은 임의의 통상적인 방법 또는 장비 혹은 임의의 알려진 방법 또는 장비를 이용하여 성형, 형성, 경화 처리 또는 가황 처리될 수 있다.

본 발명에 따른 고무 화합물은 전동 벨트, 예컨대 V 벨트, 치형 벨트, 또는 동기 벨트 및 다중 V 리브 벨트뿐만 아니라 호스에서 혹은 다른 적절한 고무 제품에서 사용될 수 있다.

도 1은 가변 속도 구동을 위해 균형잡힌 V 벨트의 형태인 본 발명의 전동 벨트 실시예를 도시한 것이다. V 벨트(100)는 일반적으로 이등변 사다리꼴 단면을 가지며, 이때 이면측, 상위면측, 외측, 상부측에 인장 층 또는 오버코드 층(130)을 갖고, 저부측, 하위측, 또는 내부측에 압축 층 또는 언더코드 층(110)을 가지며, 이들 사이에 접착제 층(120)이 있고 나선형으로 감긴 인장 코드(140)가 내부에 매립된다. 측방향 면은, V 형상을 형성하는 풀리 접촉면이다. 접합 층(120), 오버코드 층(130), 및 언더코드 층(110)을 비롯한, 벨트 본체의 층들은 일반적으로 가황 처리된 고무 조성물이며, 이들 층은 서로 상이한 제형일 수도 있고 동일한 제형일 수도 있다. V 벨트는 이면측, 내측, 또는 양자 모두에 톱니 또는 노치를 포함할 수 있다. 또한 표면 상에 또는 벨트 내에 천이 사용될 수도 있다. 상기 코드는, 폴리아미드, 폴리에스테르, 아라미드, 탄소, 폴리벤조비스옥사졸, 붕소 또는 유리로 된 섬유 혹은 얀(yarn) 또는 이들의 혼성체로 이루어진 임의의 알려진 고탄성계수 내피로성 연사 다발 혹은 케이블 다발일 수 있으며, 접착제 등으로 처리될 수 있다. 엘라스토머, PVP, 및 셀룰로오스 섬유를 포함하는, 본 발명에 따른 고무 조성물의 실시예는, 주어진 벨트 구성 내에서 사용되는 엘라스토머 층들 중 임의의 하나 이상의 엘라스토머 층에 사용될 수 있다. 하나 이상의 층은, 길이방향 가요성을 유지하면서 벨트 본체의 횡방향 강도를 증가시키기 위해 횡 방향으로 배향되는, 분산된 단섬유를 포함할 수 있다.

도 2는 V 리브 벨트의 형태인, 본 발명의 전동 벨트 실시예의 단면을 도시한 것이다. V 리브 벨트(200)는 이면측에 인장 층 또는 오버코드 층(230)을 갖고, 저부측에 압축 층 또는 언더코드 층(210)을 가지며, 이들 사이에 접착제 층(220)이 있고 나선형으로 감긴 인장 코드(240)가 내부에 매립된다. V 형상의 리브는 풀리 접촉면이다. 접합 층(220), 오버코드 층(230), 및 언더코드 층(210)을 비롯한, 벨트 본체의 층들은 일반적으로 가황 처리된 고무 조성물이며, 이들 층은 서로 상이한 제형일 수도 있고 동일한 제형일 수도 있다. 또한 표면 상에 또는 벨트 내에 천이 사용될 수도 있다. 코드는 앞서 V 벨트에 대해 설명한 바와 동일할 수 있다. 엘라스토머, PVP, 및 셀룰로오스 섬유를 포함하는, 본 발명에 따른 고무 조성물의 실시예는, 주어진 벨트 구성 내에서 사용되는 엘라스토머 층들 중 임의의 하나 이상의 엘라스토머 층에 사용될 수 있다. 하나 이상의 층은, 길이방향 가요성을 유지하면서 벨트 본체의 횡방향 강도를 증가시키기 위해 횡 방향으로 배향되는, 분산된 단섬유를 포함할 수 있다.

도 3은 동기 벨트 또는 치형 벨트의 형태인, 본 발명의 전동 벨트 실시예를 도시한 것이다. 치형 벨트(300)는 이면측에 인장 층 또는 오버코드 층(330)을 갖고, 치형부에 치형 고무(310)를 가지며, 상기 치형부를 덮는 치형부 천(320)을 갖고, 나선형으로 감긴 인장 코드(340)가 벨트에 매립된다. 상기 치형부는 풀리 접촉면이다. 치형 고무(310) 및 오버코드 층(330)을 비롯한, 벨트 본체의 고무 층들은 일반적으로 가황 처리된 고무 조성물이며, 이들 층은 서로 상이한 제형일 수도 있고 동일한 제형일 수도 있다. 코드는 앞서 V 벨트에 대해 설명한 바와 동일할 수 있다. 엘라스토머, PVP, 및 셀룰로오스 섬유를 포함하는, 본 발명에 따른 고무 조성물의 실시예는, 주어진 벨트 구성 내에서 사용되는 엘라스토머 층들 중 임의의 하나 이상의 엘라스토머 층에 사용될 수 있다. 하나 이상의 층은, 또한 유리한 방식으로 배향될 수 있는, 분산된 단섬유를 포함할 수 있다.

마찬가지로, 호스 실시예(도시되어 있지 않음)는 하나 이상의 고무 층을 포함할 수 있는데, 하나 이상의 고무 층 중 임의의 층이 본 발명에 따른 고무 조성물에 기초할 수 있다. 호스는 또한 방직물 보강 층(들) 또는 접착제 층(들)을 포함할 수 있다.

예 :

고무 화합물 예의 제1 시리즈에 있어서, 양마 셀룰로오스 섬유 또는 아마 셀룰로오스 섬유를 이용하여 EPDM 조성물에 PVP를 첨가하는 것의 효과를 연구하였다. 표 3에 나열된 조성물들은 통상적인 고무 화합물 형성 장비를 이용하여 혼합되었으며, 즉 밀링(milling) 및 캘린더링(calendering)이 후속하는 내부 혼합기를 이용하여 혼합되었다. 비교예는 “Comp. Ex.”로 표시되어 있으며, 본 발명의 예는 “Ex.”로 표시되어 있다.

표준 고무 시험 방법을 이용하여 화합물의 물리적 특성을 시험하였다. 일반적인 인장 시험 방법을 이용하여, ASTM D-412(다이 C 및 6”/mm의 크로스헤드 속도를 이용)에 따라, “WG”(with-grain) 방향 및 “XG”(cross-grain) 방향으로 인장 강도, 극한 연신율 및 모듈러스(modulus)를 측정하였다. 본원에서의 “모듈러스”는 ASTM D-1566 및 ASTM D-412에서 정해지는 바와 같이 주어진 연신율(예컨대, 5 % 또는 10 %)에서의 인장 응력을 가리킨다. ASTM D-2240에 따라 타입-A 경도계를 이용하여 고무 경도를 시험하였다. ASTM D-624, 다이 C를 이용하여 WG 방향 및 XG 방향으로 인열 강도를 시험하였다. 시험기 내에서 조성물을 경화시킨 후 6.98%의 변형율, 1.667 Hz로 RPA2000 시험기 상에서 ASTM D-6204에 따라 화합물 탄성 계수(G')를 평가하였다.

측정 결과가 표 4에 제시되어 있다. 셀룰로오스 섬유를 갖춘 EPDM 화합물 내에 PVP를 추가하면 화합물 탄성 계수(G'), 인장 강도, 인장 모듈러스, 및 인열 강도가 증가된다는 것을 확인하였다. 예를 들면, Comp. Ex 2 와 Ex. 3 및 Ex. 4의 비교, 또는 대안으로 Ex. 5 및 Ex. 6와의 비교는, 양마 충전된 고무에 대해 PVP 레벨을 증가시키면 물리적 특성이 향상되는 것을 나타내고 있다. 마찬가지로, Comp. Ex 2 와 Ex. 3 및 Ex. 4의 비교, 또는 대안으로 Ex. 5 및 Ex. 6와의 비교는, 양마 충전된 고무에 대해 PVP 레벨을 증가시키면 물리적 특성이 향상되는 것을 나타내고 있다. 한정하려는 의도는 아니지만, 이러한 결과는 셀룰로오스 섬유와 비극성 EPDM 고무 매트릭스 사이의 친화성이 극성 PVP의 추가에 의해 개선되는 것을 나타내는 것으로 판단된다. 상기 결과는 또한, PVP 개질된 EPDM 엘라스토머와 함께 셀룰로오스 섬유가 Comp. Ex. 1에서의 최신 고성능 쵸핑 아라미드 섬유(chopped aramid fiber)의 적어도 일부를 대체할 수 있다는 것을 나타낸다. 따라서, Ex. 3 내지 Ex. 8은 Comp. Ex. 1에 필적할만한 또는 Comp. Ex. 1보다 양호한 물리적 특성을 나타낸다.

표 3에서의 2가지 비교 가능한 조성물, 즉 Comp. Ex. 1 및 Ex. 6은 각각 V 벨트, 즉 Comp. Belt A 및 Ex. Belt B에서 시험되었다. V 벨트는 도 1에 도시된 바와 같이 구성되었으며, 여기서 오버코드 및 언더코드 양자 모두는 각각 예시적인 화합물로 제조되었다. 벨트의 피치 길이는 45 인치이었으며, 전체 두께는 0.55 인치이었고, 상부 폭은 1.25 인치이었으며, V자 끼인 각은 24 도이었다. 다양한 접합 층 조성이 사용되었지만, 양 벨트 구성에서는 동일한 접합 층 구성이 사용되었다. 양 벨트 구성에 있어서 동일한 코드가 사용되었다. 고부하의 구동 중 상황에 있어서 CVT 벨트를 시험하도록 설계된 내구성 시험에서 벨트를 시험하였다. 이에 따라, 시험기는 26 도의 시브(sheave)를 갖춘 2-풀리형 리그이었으며, 여기서 구동 시브는 5 인치의 피치 직경을 갖고, 2000 rpm으로 운전되며, 피동 시브는 7.6 인치의 피치 직경을 갖고 1257 rpm으로 운전되었으며, 토크 부하는 1003 lb.in(20 HP)이었다. 내구성 시험 결과가 표 5에 제시되어 있다. 3개의 제어군 벨트, 즉 Comp. Belt A를 시험하였으며, 각각 216 시간, 506 시간, 및 332 시간의 수명을 나타내었다. 본 발명에 따른 3개의 벨트, 즉 Ex. Belt B를 시험하였으며, 각각 348 시간, 378 시간, 및 358 시간의 수명을 나타내었고, 제어군에 대해 필적할만한 평균을 나타내었다. 따라서, 이러한 2가지 고무 조성물의 필적할만한 물리적 특성은 적어도 전술한 시험에 있어서 필적할만한 벨트 수명을 나타내었다.

일부 V 벨트를 구성하기 위해 동일한 2개의 조성물이 또한 사용되었으며, 여기서 표준 BX 섹션 V 벨트 치수는 V 각도가 34도, 상부 폭이 21/32”, 전체 두께가 13/32”이고, Comp. Belt C 및 Ex. Belt D로 명명되었다. 이후 이들 벨트는 V 벨트 내구성 시험, V 벨트 이면측 가요성 시험, 및 V 벨트 오정렬 시험에 대해 시험되었다. 내구성 시험은 1 : 1 의 구동을 포함하는데, 여기서 피치 직경은 4.5”이고 34 도의 시브는 10 HP 부하를 이용하여 1770 rpm에서 운전된다. 이면측 가요성 시험은, 유사하지만, 제로(0) 부하, 3600 rpm, 50-lb의 총 인장에서 운전되었으며, 이때 스팬(span)에서 평평한 이면 아이들러(backside idler)의 OD는 5”이었다. 오정렬 시험은 내구성 시험에서와 동일한 설정을 사용하지만, 피동 시브는 1 도만큼 오정렬되게 이동된다. 또한, 도 5에 제시된, 이러한 3가지 시험의 결과는, 본 발명에 따른 벨트와 제어군 사이의 필적할만한 성능을 나타낸다. 더욱이, 이러한 벨트 시험 결과는, 고성능 V 벨트에서 흔히 볼 수 있는 모든 쵸핑된 아라미드 섬유 또는 일부 쵸핑된 아라미드 섬유에 대해 천연 셀룰로오스 섬유가 적절한 대체재가 될 수 있다는 것을 보이고 있다.

고무 화합물 예의 제2 시리즈에 있어서, 양마 셀룰로오스 섬유, 황마 셀룰로오스 섬유, 또는 아마 셀룰로오스 섬유를 이용하여 CR 조성물에 PVP를 첨가하는 것의 효과를 연구하였다. 표 6에 나열된 조성물은 제1 시리즈에서와 같이 혼합되었다. CR 측정 결과가 표 7에 제시되어 있다. 셀룰로오스 섬유를 갖춘 CR 조성물에 PVP를 추가하면 복합 탄성 계수(G'), 인장 강도, 인장 모듈러스, 및 인열 강도가 증가된다는 것을 확인하였다. 대부분의 경우, 상기 결과는 EPDM 화합물에 대한 물성 면에서 동일한 수준의 개선을 나타내지 않았다. 이는 EPDM과 CR 사이의 극성의 차이에 기초한 것으로 설명 가능하다고 판단된다. 구체적으로, EPDM은 CR보다 덜 극성이며, 셀룰로오스 섬유를 분산시키는 것과 관련하여 PVP와 같은 극성 플로머의 추가로부터 훨씬 더 큰 이익을 취하는 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고, 셀룰로오스 섬유를 갖춘 CR과 혼합되는 PVP의 사용으로부터 몇 가지 주목할만한 장점을 얻었다.

주목해야 할 첫번째 장점은, CR의 일반적인 마칭 모듈러스(marching modulus)가 사라지고, 표 7의 MDR 경화 결과에서의 양호한 경화 플래투(cure plateau)로 대체된다는 것이다. 이는 훨씬 짧은 t90 결과(완전한 경화에 대한 90% 경화까지의 시간)에 의해 제시된다. 제어군 화합물(Comp. Ex. 9, Comp. Ex. 13, 및 Comp. Ex. 16)의 연구에 있어서, t90은, 모듈러스의 점진적이고 지속적인 증가로 인해 30 분의 시험의 종료 부근에서 나타난다. 그러나, 표 7의 예는 플래투를 나타내며, 이에 따라 t90이 훨씬 짧다. 이러한 효과는 용례에 따라 유리할 수 있다. 원하는 경화 정도에 따라서, 경화 시스템은 PVP/CR 혼합 고무의 경화 상태를 CR 제어군 고무에 매칭시키도록 하는 조정을 필요로 할 수 있다.

주목할만한 두번째 결과는, PVP를 포함하지 않는 Comp. Ex. 15에 비교할 때, Ex. 16 및 Ex. 17에서와 같이 PVP가 추가되는 경우, 아마의 예에 대해 연신율의 현저한 개선이 나타나는 것이다. 이는 또한 동일한 아마 충전 화합물에 대한 모듈러스 및 인열 강도(“C-Tear”)의 개선과 관련이 있는 것으로 보인다.

따라서, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고무 조성물은 벨트, 호스, 및 다른 동적 고무 물품에서 유용할 수 있다. 이들 화합물은 “생(green)”보강 섬유, 즉 천연의 재생 가능한 원료 및 생분해성 재료로부터 유래하는 섬유를 이용한다.

본 발명 및 그 장점이 상세하게 설명되어 있지만, 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변경, 대체, 및 변형이 본원에 대해 행해질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 본 출원의 범위는 본원 명세서에 설명된 프로세스, 기계, 제조, 대상의 조성, 수단, 방법, 및 단계에 관한 구체적인 실시예로 한정되도록 의도되지 않는다. 당업자는, 본 발명의 개시내용으로부터, 본원에 설명된 대응하는 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 또는 실질적으로 동일한 결과를 달성하도록 하는, 현재 존재하거나 혹은 향후 개발될 프로세스, 기계, 제조, 대상의 조성, 수단, 방법, 또는 단계가 본 발명에 따라 이용될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 이에 따라, 첨부된 청구범위는 이러한 프로세스, 기계, 제조, 대상의 조성, 수단, 방법, 또는 단계를 그 범위에 포함하도록 의도된다. 본원에 개시된 본 발명은, 본원에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소 없이도 적절하게 실시될 수 있다.

Claims (17)

1. 베이스 엘라스토머(base elastomer), 폴리비닐피롤리돈, 셀룰로오스 섬유, 및 경화제를 포함하는 고무 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 베이스 엘라스토머는 에틸렌 엘라스토머, 니트릴 엘라스토머, 및 폴리클로로프렌 엘라스토머로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 엘라스토머인 것인 고무 조성물.
3. 제1항에 있어서, 상기 베이스 엘라스토머는 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머인 것인 고무 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 베이스 엘라스토머는 폴리클로로프렌 엘라스토머인 것인 고무 조성물.
5. 제1항에 있어서, 상기 셀룰로오스 섬유는 양마, 황마, 삼, 아마, 모시, 사이잘, 목재, 및 면으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 천연 섬유인 것인 고무 조성물.
6. 제1항에 있어서, 상기 셀룰로오스 섬유는 양마, 황마, 삼, 및 아마로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 섬유인 것인 고무 조성물.
7. 제1항에 있어서, 상기 셀룰로오스 섬유는 양마, 황마, 삼, 아마, 및 모시로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 인피 섬유인 것인 고무 조성물.
8. 제1항에 있어서, 상기 셀룰로오스 섬유는 양마, 황마, 및 아마로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 인피 섬유인 것인 고무 조성물.
9. 제1항에 있어서, 상기 셀룰로오스 섬유는 인조 재료인 것인 고무 조성물.
10. 제1항에 있어서, 상기 폴리비닐피롤리돈은 베이스 엘라스토머의 100 질량부 당 5 내지 50 질량부의 양으로 존재하는 것인 고무 조성물.
11. 제1항에 있어서, 상기 셀룰로오스 섬유는, 베이스 엘라스토머의 100 중량부 당 1 내지 50 중량부의 양으로 존재하는 것인 고무 조성물.
12. 제1항의 고무 조성물의 경화 반응 생성물을 포함하는 전동 벨트.
13. 제1항에 있어서, 추가로 가황 처리 또는 경화 처리된 상태의 것인 고무 조성물.
14. 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머; 폴리비닐피롤리돈; 아마, 황마, 및 양마로 이루어진 군으로부터 선택되는 셀룰로오스 인피 섬유; 경화제를 포함하는 고무 조성물.
15. 제14항에 있어서, 상기 폴리비닐피롤리돈은, 엘라스토머의 100 중량부 당 5 내지 50 중량부의 양으로 존재하는 것인 고무 조성물.
16. 제15항에 있어서, 상기 셀룰로오스 섬유는, 엘라스토머의 100 중량부 당 1 내지 50 중량부의 양으로 존재하는 것인 고무 조성물.
17. 제16항의 고무 조성물의 경화 반응 생성물을 포함하는 전동 벨트.

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