KR102263039B1 - 중합체 강화용 섬유에 대한 접착제 처리 및 강화된 제품 - Google Patents

중합체 강화용 섬유에 대한 접착제 처리 및 강화된 제품 Download PDF

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Abstract

열경화성 중합체 매트릭스에의 결합을 위해 강화 섬유를 처리하기 위한 수성 접착제 조성물 및 이로부터 제조된 제품 예컨대 동력 전달 벨트. 접착제 조성물은 용매 또는 분산 매체로서의 물; 중합체 매트릭스와 공동-경화성인 고분자전해질; 섬유와 상용성이고, 고분자전해질과 공동-경화성인 프라이머 물질; 및 임의로 고분자 전해질 및 중합체 매트릭스와 상용성인 고무 경화제를 포함한다. 섬유-강화 복합재 중합체 시스템은 따라서 열경화성 중합체 매트릭스, 이에 포함된 강화 섬유, 및 섬유를 코팅하는 접착제 조성물을 포함할 수 있고, 상기 접착제 조성물은 중합체 매트릭스와 공동-경화성인 고분자전해질, 및 섬유와 상용성이고, 고분자전해질과 공동-경화성인 프라이머 물질을 포함한다. 접착제 조성물은 고분자전해질과 상용성인 경화제를 포함할 수 있다. 하나의 바람직한 구현예에서, 본 발명은 물, 에폭시 수지, 말레화 폴리부타디엔 유도체, 및 경화제를 포함하는 수성 접착제 조성물이다.

Description

중합체 강화용 섬유에 대한 접착제 처리 및 강화된 제품
본 발명은 일반적으로 중합성 또는 엘라스토머성 제품 예컨대 동력 전달 벨트 및 호스의 강화를 위한 섬유 또는 심선(tensile cord)에 대한 접착제 처리, 보다 특별하게는 프라이머 물질 예컨대 에폭시, 고분자전해질 물질 예컨대 말레화 폴리부타디엔 유도체, 및 경화제 예컨대 유기 과산화물 또는 황-기반 경화제를 포함하는, 섬유 예컨대 탄소 섬유에 대한 수성 접착제 처리에 관한 것이다.
강화된 고무 제품 기술분야에서의 가장 일반적인 섬유 결합 시스템은 레조르시놀-포름알데히드-라텍스("RFL") 접착제로 처리되는 프라이밍된 섬유에 기초한다. 그 내용이 본원에 참조로 포함되어 있는 미국특허번호 6,857,159 B2는 고무 벨트용 탄소 섬유 심선에 대한 RFL의 사용을 개시하는 일 예이다. RFL 접착제에 대한 수많은 변형예가 제시되어 있다.
다양한 보충적인 접착 촉진제가 RFL의 유용성을 향상시키기 위해 제시된 바 있다. 일 예는 EP 1,451,244 B1이며, 이는 개환된, 말레인화된 폴리부타디엔 및 페놀계 유도체로 이루어진 프라이머를 개시하고 있다. 또한, 상기 프라이머가 침지 단계(dipping stage)의 수를 감소시키기 위해 RFL에 대한 접착제로서 사용될 수 있다는 것이 제시되었다. 다른 접착 촉진제가 RFL에 첨가된 바 있다.
RFL의 변형예의 다른 예는 RF 수지 성분의 제거 및 접착을 촉진하거나 또는 다른 특성을 제공하기 위한 대체물의 치환이다. 미국특허번호 7,256,235 B2는 수소화된 스티렌-부타디엔 고무, 카복실화된 수소화 스티렌-부타디엔 고무, 수소화된 니트릴-부타디엔 고무, 카복실화된 수소화 니트릴-부타디엔 고무, 클로로설폰화된 폴리에틸렌 또는 이의 블렌드의 라텍스; 추가로 말레인화된 액상 폴리부타디엔의 하프-에스테르의 수용액; 및 임의로 수용액 중의 최대 약 15 중량%의 카본 블랙을 포함하는 접착제 조성물을 개시하고 있다. 이소시아네이트-전처리된 폴리에스테르 코드에 대한 예가 개시되어 있다.
미국특허번호 7,067,189 B2는 페놀성 하이드록실기 이외에 에폭시-반응성기, 및 가교결합 반응에서 고무와 중합성 스트랜드를 가교결합시키는 가교결합기를 갖는 중합성 스트랜드를 포함하는 접착 촉진제를 개시하고 있다. 스티렌-부타디엔-비닐피리딘 라텍스와 조합되는 접착 촉진제는 중합성 섬유에 대한 고무의 접착력을 증가시킨다. 접착 촉진제는 또한 고무에 첨가될 수 있다. 개시된 예들은 SBR 및 BR 고무 화합물에서의 에폭시-마감처리된 폴리에스테르 코드에 기초한다.
동력 전달 벨트 기술분야에서, 증가된 벨트 수명을 위해 우수한 코드-대-고무 접착을 달성하는 것이 요구되는 한편, 코드가 특히 유효 수명에 걸쳐 심한 벨트 굽힘이 일어나는 벨트 응용분야에서 성능을 유지하기 위해 양호한 굴곡 피로(flex-fatigue)를 나타내는 것이 동등하게 중요하다. 우수한 코드 접착력과 벨트 굴곡 피로의 올바른 균형화를 실현하는 것이 수많은 벨트 설계에서 근본적 극복과제이고, 이는 부분적으로 대부분의 종래의 접착제 시스템(예컨대 RFL)이 가황된 이후에 코드 다발(cord bundle) 내에서 그리고 코드-고무 본체 계면에서 상대적으로 강성이기 때문이다. 그 결과, 이러한 벨트가 굽힘 또는 뒤로 굽힘의 반복에 가해지는 경우, 접착제층은 보다 취성이게 되고, 박리되어 벨트 고장을 야기한다. 고장 유형은 코드 인장 불량(cord tensile failure), 접착제 박리, 에지-코드 당김(edge-cord pull) 등을 포함할 수 있다.
따라서, 우수한 코드 접착력 및 굴곡 피로 모두를 제공할 수 있는 접착제 시스템은 특히 고탄성, 고-강도, 인장 부재 예컨대 탄소-섬유 코드에 대해 바람직할 것이다.
요약
본 발명은 중합체 복합재에서의 섬유 강화를 위해 접착력 및 가요성을 제공하거나, 또는 동력 전달 벨트에서의 탄소 섬유 심선을 위해 접착력 및 가요성을 제공하는 복합재 조성물 및 시스템 및 방법에 관한 것이다.
열경화성 중합성 매트릭스 및 이로부터 제조된 제품 예컨대 동력 전달 벨트 및 호스에 대한 결합을 위한 강화 섬유를 처리하기 위한 수성 접착제 조성물. 상기 접착제 조성물을 하기를 포함한다: 용매 또는 분산 매체로서의 물; 중합체 매트릭스와 공동-경화성인 고분자전해질; 섬유와 상용성이고, 고분자전해질과 공동-경화성인 프라이머 물질; 및 임의로 고분자전해질 및 중합체 매트릭스와 상용성인 고무 경화제. 섬유-강화 복합 중합체 시스템은 이에 따라 열경화성 중합체 매트릭스, 그 안에 내재된 강화 섬유, 및 섬유를 코팅하는 접착제 조성물을 포함할 수 있고; 접착제 조성물은 중합체 매트릭스와 공동-경화성인 고분자전해질 및 섬유와 상용성이고, 고분자전해질과 공동-경화성인 프라이머 물질을 포함한다. 접착제 조성물은 고분자전해질과 상용성인 경화제를 포함할 수 있다. 하나의 바람직한 구현예에서, 본 발명은 물, 에폭시 수지(바람직하게는 에폭시 수성 분산액 또는 용액), 말레화 폴리부타디엔 유도체, 및 경화제를 포함하는 수성 접착제 조성물이다.
또한, 본 발명은 본 발명의 접착제 조성물로 처리된 탄소 섬유, 또는 다른 섬유 물질(들), 심선 또는 다른 섬유 형태에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 탄소 강화 제품 예컨대 벨트, 호스 등에 관한 것이고, 이는 본 발명의 처리된 심선 또는 섬유 형태의 강화재를 포함한다.
하기의 본 발명의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 상술한 것은 다소 넓게 본 발명의 특징 및 기술적 장점을 개략하고 있다. 본 발명의 청구항의 주제를 형성하는 본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 이하에서 기술될 것이다. 개시된 개념 및 특정 구현예는 본 발명의 동일한 목적을 실시하기 위한 다른 구조를 수정하거나 또는 설계하는 기초로서 용이하게 이용될 수 있음은 본 기술분야의 당업자에게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 이는 이러한 동등한 구성은 첨부된 청구항에 기재된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않음은 본 기술분야의 당업자에게 인식될 수 있을 것이다. 추가의 목적 및 장점과 함께 운행의 방법 및 이의 구조 모두에 대한 본 발명의 특징으로 여겨지는 신규한 특징은 수반되는 도면과 결합하여 고려되는 경우에 하기 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 각각의 도면은 단지 예시 및 설명의 목적을 위해 제공되며, 본 발명의 제한의 정의로서 의도되지 않는다.
유사한 부호는 유사한 부품을 나타내는, 본 명세서에 통합되고, 일부를 형성하는 첨부된 도면은 본 발명의 구현예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하기 위한 역할을 한다. 도면 중,
도 1은 본 발명의 구현예의 용도 및 화학물질의 개략적 도면이고;
도 2는 톱니형 벨트의 코드-부착력 시험 시편의 사시도이고;
도 3은 평면형 벨트 굴곡 시험의 개략적 구성이고;
도 4는 도 3의 시험에서 사용되는 평면형 벨트의 단면이고;
도 5는 자동차-유형 동기전동 벨트(automotive-type synchronous belt)의 동적 굴곡 시험(dynamic flex test)에 대한 개략적 구성이다.
본 발명은 열경화성 중합체 매트릭스에 결합시키기 위한 강화 섬유 처리용 수성 접착제 조성물에 관한 것이다. 접착제 조성물은 하기를 포함한다: 용매 또는 분산 매체로서의 물; 중합체 매트릭스와 공동-경화성인 고분자전해질; 섬유와 상용성이고, 고분자전해질과 공동-경화성인 프라이머 물질; 및 임의로 고분자전해질 및 중합체 매트릭스와 상용성인 고무 경화제. 섬유 강화 복합 중합체 시스템은 이에 따라 열경화성 중합체 매트릭스, 그 안에 내재된 강화 섬유, 및 섬유를 코팅하는 접착제 조성물을 포함할 수 있으며, 접착제 조성물은 중합체 매트릭스와 공동-경화성인 고분자전해질 및 섬유와 상용성이고, 고분자전해질과 공동-경화성인 프라이머 물질을 포함한다. 접착제 조성물은 고분자전해질과 상용성인 경화제를 포함할 수 있다. 하나의 바람직한 구현예에서, 본 발명은 물, 에폭시 수지(바람직하게는 에폭시 수성 분산액 또는 용액), 말레화 폴리부타디엔 유도체, 및 경화제를 포함하는 수성 접착제 조성물이다.
수성은 접착제 조성물이 수계 시스템을 통해 전달되는 것을 의미한다. 조성물은 수성 용액, 수성 분산액, 또는 수성 에멀젼 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 조성물은 침지, 분무, 롤 또는 나이프 코팅, 브러싱 등을 포함하는 임의의 적합한 처리 공정에 의해 섬유성 물질에 전달될 수 있다. 처리는 물을 제거하기 위한 환경 또는 가열된 조건 하에 건조시키는 것이 후속될 수 있다. 가열은 접착제의 조기 경화를 방지하거나 또는 일부 정도의 경화를 위해 제공하기 위해 조절될 수 있다. 처리 이후의 약간의 정도의 경화는 처리된 강화 섬유의 점착력 또는 끈적거림(stickiness)을 조절하기 위해 바람직할 수 있다.
고분자전해질은 다른 작용기 또는 기재와의 결합을 촉진할 수 있는 중합체 골격 또는 측기, 작용기, 예컨대 카복실, 하이드록실, 설포네이트, 말레이미드, 아미노기 등에 경화 부위를 제공하는 불포화를 포함할 수 있다. 고분자전해질 물질은 이들과 결합되거나 또는 이를 둘러싸는 "양전하로" 또는 "음전하로" 하전된 작용기를 가질 수 있다. 이러한 고분자전해질은 비제한적으로 이온성 단량체/올리고머/중합체, 중합체 전해질, 폴리(이온성) 액체, 이온성 엘라스토머, 이온성 계면활성제, 이온성 공가교제(ionic co-agent)를 포함할 수 있다. 접착제 조성물은 고분자전해질 분자 상의 펜던트 전해질기 또는 측기로서 복수개의 (즉, 1개 초과의) 작용기 또는 유형을 갖는 고분자전해질 물질을 포함할 수 있고, 복수개의 고분자전해질의 조합일 수 있다. 고분자전해질의 조합은 적합한 고분자전해질을 혼합하는 것에 의해 또는 습윤 또는 건조 형태로 하나를 다른 것으로의 후속 첨가하여 또는 침지, 분무, 또는 수적법(hand lay-up)에 의해 실시될 수 있다.
적합한 고분자전해질의 예는 하기를 포함한다: 말레화 폴리부타디엔 또는 스티렌-부타디엔 공중합체, 설포네이트 폴리스티렌 또는 폴리부타디엔 또는 스티렌-부타디엔 공중합체, 말레화 에틸렌-알파-올레핀-엘라스토머 등.
본원에서의 "말레화된"은 중합체가 말레산과 그라프팅되고(즉, "말레산-그라프팅됨)(또는 말레산 무수물과 그라프팅되고, 이후 이산으로 가수분해됨), 이후 염기 예컨대 NaOH, H4OH, KOH 등으로 중화되는 것을 의미한다. 본원에서 "카복실화된"은 중합체가 카복실산과 그라프팅되고, 이후 중화되는 것을 의미한다. 마찬가지로, 본원에서 "설폰화된"은 중합체가 설폰산과 그라프팅되고, 이후 적어도 부분적으로 중화되는 것을 의미한다. 따라서, 음이온성, 유기산기는 아연, 나트륨, 알루미늄, 칼슘, 구리, 철, 마그네슘, 칼륨, 리튬 등을 포함하는 알칼리, 알칼리토 또는 전이 금속 양이온으로 중화될 수 있다. 사용될 수 있는 다른 이온성기는 예를 들면 4차 암모늄기를 함유하는 양이오노머 및 티오글리콜레이트 또는 포스포네이트를 포함한다. "그라프팅된"은 작용기를 중합체에 부착하는 그라프팅 반응에 의해, 또는 작용성 단량체와의 공중합에 의해 달성될 수 있다. 바람직한 고분자전해질은 수용성이거나, 또는 최대 약 30 중량%까지의 수준에서 적어도 용이하게 수분산성이다. 중량에 의한 "말레이트"(MA) 함량은 1 내지 30%의 범위일 수 있고; 사슬당 MA기의 수는 사슬당 1-20개의 기이다. 사슬당 약 15 몰% 미만의 이온성 기를 갖는 고분자전해질은 대개 "이오노머"로 분류된다. 본원에서, 고분자전해질은 이오노머를 포함하는 것으로 이해된다. 바람직한 고분자전해질은 사슬당 1 내지 15 몰%, 또는 5 몰% 내지 15 몰%의 이온성 기를 가질 수 있다. 말레화 중합체의 분자량은 바람직하게는 3000 내지 6000 Mn일 수 있고, 이는 10-35 중량%, 바람직하게는 약 28 중량%의 함량으로 비닐기를 함유할 수 있다. 수성 접착제 제제에서의 말레화 중합체 물질의 고형분은 20-40 중량%일 수 있고, 접착제 제제는 4.0 내지 12.0, 바람직하게는 대략 약 8.0 내지 약 9.0의 pH; 및 실온에서 약 1000 cps 미만의 점도를 가질 수 있다. 말레화 중합체는 또한 계면활성제와 함께 또는 계면활성제 없이 블렌딩되어 분산액의 안전성을 향상시킬 수 있고, 이는 전형적으로 500 nm 미만의 크기인 고체 입자를 가질 수 있다. 이러한 경우에서, 수성 고분자전해질 제제는 이온성 라텍스(또는 이오노머 라텍스)인 것으로 고려될 수 있다.
접착제 조성물에 대한 예시적인 고분자전해질은 Ricobond® 7002 및 Ricobond® 7004이고, 이는 클레이 밸리(Cray Valley) 상표명 하에 시판된다. 이는 아마도 베이스 중합체 내에서 상대적으로 높은 수준의 1,2-폴리부타디엔 연결을 갖는 말레인화된(즉, 본원에 기재된 바와 같은 "멜레화된") 저분자량 폴리부타디엔 수지의 중화된 염인 것으로 여겨진다. 말레화 수준은 각각 사슬당 5 및 11개의 작용기인 것으로 보고되고 있다. 이는 각각 25℃에서 <200 cps 및 <500 cps인 점도를 가지며, 8.0-9.0의 pH, 28-31 중량%의 고형분으로의 수성 분산액이 된다.
또한, 말레화 폴리부타디엔은 말레산과 그라프팅되고, 이후 하나의 산기와의 에스테르화 및 각 펜던트 말레산기 상의 다른 산기와의 중화가 후속된 폴리부타디엔을 포함할 수 있다. 대안적으로, 폴리부타디엔은 말레산 무수물과 그라프팅되고, 이후 무수물기의 카복실산으로의 가수분해 및 하프-에스테르화 및 중화가 후속될 수 있다.
본 발명 하에 고려되는 다른 예시적인 고분자전해질은 마이클먼, Inc.로부터 입수가능한 말레화 폴리프로필렌 예컨대 Michem® 에멀젼 91735, 및 말레화 폴리부타디엔 (BdMA) 예컨대 Michem® 에멀젼 48625M1; 중합체 사슬과 함께 석신산 무수물기를 갖는 저분자량 1,4 시스-폴리부타디엔의 말레산 무수물 부가물 예컨대 둘 모두 에보닉사에서 시판되는 Polyvest® MA 75 (또는 Polyvest® EP MA 120), 또는 하이드록실-말단화된 폴리부타디엔 형태 예컨대 Polyvest® HT (또는 Polyvest® EP HT)를 포함한다. 다른 예는 다양한 이오노머, 예컨대 부틸 이오노머 물질 예컨대 LANXESS로부터의 X_ButylTM I4565P; 폴리(나트륨-p-스티렌설포네이트); 이온성 아크릴 중합체 에멀젼, 예컨대 DOW 사제의 RomaxTM 7000 물질을 포함한다. RomaxTM 고분자전해질은 산 작용화되고, 염기로 중화될 수 있고, 이는 음이온성 또는 양이온성 전하를 가질 수 있다. 또한, 고려되는 고분자전해질은 아연 디아크릴레이트를 포함하는 금속성 디아크릴레이트, 예를 들면, 클레이 밸리 사제의 DymalinkTM 633/634 제품; 산 작용기를 함유할 수 있고, 금속염 예컨대 아연, 나트륨 등으로 중화될 수 있는 이온성 에틸렌-메타크릴산 공중합체의 부류의 DupontTM Surlyn® 수지이다.
본 발명에 대해 고려되는 다른 고분자전해질은 중합성 이온성 액체 및 단량체를 포함한다. "중합성"은 물질이 하나 이상의 "불포화" 결합을 가지거나 또는 과산화물 또는 황-경화 시스템을 사용하여 그 자체 또는 다른 중합체에 가교결합가능한 것을 의미한다. 예를 들면, 카복실산의 금속염 예컨대 아연 디아크릴레이트, 아연 디메타크릴레이트 등이 예시적인 중합성 이온성 단량체이다.
일반적으로, 폴리(이온성) 화학물질은 작용기, 예컨대 카보닐, 하이드록실, 아미노, 아크릴기 등을 함유하는 것을 포함하는 음이온성 및 양이온성 고분자전해질을 포괄한다. 이러한 고분자전해질 물질의 수평균 분자량은 바람직하게는 100 내지 10000의 범위일 수 있다.
프라이머 물질은 섬유 표면에 대해 공지된 친화도를 가지고, 고분자전해질과 반응성의 화학물질 또는 화학물질의 혼합물이다. 예를 들면, 수용성인 에폭시 프라이머 물질이 일반적으로 섬유 표면의 사이징제(sizing) 또는 마감재로서 탄소, 유리 섬유 등과 함께 사용하기 위해 바람직하다. 이러한 에폭시 프라이머 물질은 주로 에폭시 유형 수지 예컨대 글리시딜아민 유형, 노볼락, 크레졸 노볼락, 비스페놀 A, F, 및 S, 브롬화된 비스페놀 A, 우레탄-작용화된 비스페놀 A 유형 수지 등에 기초하여 제제화되거나 또는 이로부터 제조될 수 있다. 다른 프라이머 물질은 수용성 또는 분산성 폴리우레탄, 폴리비닐 알코올, 폴리아미드(예를 들면, 나일론 분산액), 폴리에틸렌, 실란, 폴리프로필렌, 비닐 아크릴산 공중합체 등을 포함한다. 프라이머 물질은 추가로 섬유 표면과의 친화도를 촉진하거나 또는 수중에서의 분산을 보조하는 기로 작용화될 수 있다.
본 발명의 구현예에서, 프라이머 물질은 120℃ 미만의 유리 전이 온도를 갖는 음이온성 및 양이온성 계면활성제, 단량체 또는 중합체를 포함할 수 있고, < 60%의 고형분, < 5000 cps의 점도, 및 2-12의 pH를 가질 수 있다. 음이온성 기반 프라이머 물질은 그의 분자 구조 내에 설페이트, 설포네이트, 포스페이트, 카복실레이트 등의 기를 가질 수 있다. 양이온성의 것은 1차, 2차, 또는 3차 아민, 및 4차 암모늄기에 기초하는 것을 포함할 수 있다.
바람직한 프라이머 물질 예는 섬유 및 고무 유형에 좌우될 것이다. 일 예로서, 탄소 섬유와 함께 사용하기 위한 프라이머는 경화제를 사용하거나 또는 사용하지 않는 에폭시 또는 폴리우레탄일 수 있다. 에폭시 또는 이소시아네이트-작용성 프라이머는 폴리에스테르 또는 아라미드 섬유와 함께 사용될 수 있다. 실란 프라이머는 유리와 함께 사용될 수 있다. 마찬가지로 경화제 선택은 고무 유형에 좌우될 수 있다. 황 또는 황-가속화 경화제는 디엔 엘라스토머 또는 다른 불포화된 중합체에 대해 바람직할 수 있고, 한편 과산화물 경화제는 포화된 중합체 예컨대 EPM 또는 HNBR에 대해 바람직할 수 있다.
본 발명을 실시에 사용하는 것으로 고려되는 예시적인 프라이머/사이징 화학물질은 에폭시(수성 분산액) 예컨대 마이클먼, Inc.에 의해 시판되는 Hydrosize® EP834 및 Hydrosize® EP876; 에멀젼화제로서 암모니아화된 분산액과의 Michem® Prime 2960으로 시판되는 에틸렌 아크릴산 공중합체; 비이온성 폴리우레탄 사이징제 예컨대 유리, 폴리에스테르, 및 세절된 섬유를 포함하는 탄소 섬유를 사이징하기 위한 Hydrosize® Ul-01, Hydrosize® U2-01, Michem® 디스퍼션 우레탄 16; 또한 유리, 탄소, 및 다양한 섬유를 사이징하기 위한 상표명 Michem® 에멀젼 48625M1을 갖는 말레화 부타디엔(BdMA); 모두 마이클먼, Inc. 사제의 Hydrosize® PA845로서 시판되는 폴리아미드(나일론) 사이징제; 이온성 폴리우레탄 분산액, 예컨대 BASF에 의해 시판되는 Astacin® 케미컬, TFL에 의해 시판되는 Roda® 푸르 케미컬(pur chemical), Rudolf GmbH 사제의 Ruco®-푸르 케미컬 등을 포함한다.
본 발명의 양태는 고분자전해질 물질 및 경화제가 추가되는, 섬유 표면에 대한 마감재 또는 사이징제로서 사용되는 동일하거나 또는 유사한 사이징 유형 화학물질을 포함하도록 접착제 조성물을 제제화시키는 단계를 수반한다.
경화제는 열경화성 중합체 매트릭스에서 중합체 분자들 사이에서 가교결합의 형성을 이루거나 또는 촉진하는 반응성 물질을 의미한다. 접착제 조성물의 가교결합은 접착제 조성물의 중합 및 예를 들어 고무 또는 다른 엘라스토머 또는 중합체일 수 있는 열경화성 매트릭스에의 가교결합을 야기할 수 있는 라디칼, 라디칼 양이온/음이온을 포함할 수 있는 반응성 중간체의 생성을 유발할 수 있는 과산화물 경화, 황 경화, 열, 또는 광-조사 과정 및 시스템에 의해 실현될 수 있다. 경화제는 황, 황 촉진제, 과산화물, 산화아연, 비스말레이미드, 디아민, 이소시아네이트 등일 수 있다.
본 발명에 사용하기 위해 고려되는 예시적인 경화제는 과산화물 경화제, 예를 들면, 일반적으로 Arkema Group사의 상표명 Luperox® 101XL45 및 R.T. Vanderbilt 사의 Varox® DBPH 에멀젼 하에 시판되는 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산; 및 Arkema Group 사의 상표명 Vul-Cup® 하에 시판되는 α,α'-비스(tert-부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠, 및 Arkema Group 사의 상표명 Di-Cup® 하에 시판되는 디큐밀 과산화물을 포함한다.
본 발명에 유용한 황-경화성 경화제 또는 촉진제는 벤조티아졸 (예를 들면, 2-메르캅토벤조티아졸; 2,2'-디티오벤조티아졸; 2-모폴리노티오벤조티아졸), 벤조티아졸-설펜아미드(예를 들면, n-사이클로헥실벤조티아졸-2-셀펜아미드; n-tert-부틸벤조티아졸-2-설펜아미드), 튜람(예를 들면, 테트라메틸튜람 디설파이드), 디티오카바메이트(예를 들면 아연 디메틸디티오카바메이트) 등을 포함한다. 이러한 촉진제는 다른 하나와 또는 활성제 예컨대 산화아연과 결합하여 사용될 수 있다.
다른 성분이 특정 제한 없이 필요에 따라 포함될 수 있다. 다른 이러한 성분은 계면활성제, 안정화제, pH 개질제, 증점제, 분해방지제, 염료 및 안료, 충전재, 연화제, 가공 공가교제, 부향제 등을 포함한다. 문헌[R.F. Mausser, ed., "The Vanderbilt Latex Handbook," R.T. Vanderbilt Company, Inc. (3d ed., 1987)]에 기재된 바와 같은 종래의 라텍스 제제에서 유용한 성분이 사용될 수 있다.
본 조성물은 또한 충전재(예를 들면, 카본 블랙, 흑연, 그래핀, 그래핀 산화물, 실리카, 클레이, 탄소 나노튜브, 유기 및 무기 나노섬유 및 나노입자, 예컨대 셀룰로오스 나노섬유의 것, 아라미드 나노섬유, 금속계 나노입자, 반도체 및 양자점 나노물질 등), 공가교제(예를 들면, 유형 I 및 유형 II 공가교제) 등을 포함한다.
접착제 조성물의 일부로서의 프라이머 물질(예컨대 사이징제 또는 사이징제-상용성 물질)의 첨가는 섬유 표면에 대한 접착제 조성물의 더 나은 상호작용/습윤/결합을 가능하게 하고, 이로써 표면에 더 잘 접착되게 하는 것으로 여겨진다. 그레이지(미처리됨) 섬유의 탄소 섬유 대 본 발명의 접착제-처리된 것 대 종래의 라텍스-접착제 처리된 섬유의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지는 본 발명의 접착제 조성물을 갖는 섬유 표면 상의 매우 개선된 습윤성 및 접착제 피복을 나타내었다. 고분자전해질과의 사이징제/프라이머 물질 반응 및/또는 섬유 표면에 대한 접착제의 결합은 공유 결합의 형성, 수소 결합, 정전기, 반데르 발스, 또는 π-π 결합 상호작용의 형성을 수반할 수 있다. 프라이머 물질은 우선 고분자전해질과 반응하거나 또는 동시에 섬유 표면(섬유에 대한 사이징제를 사용하거나 또는 사용하지 않음)과 반응할 수 있다. 접착제 조성물의 프라이머 함량은 0.2-2 중량%의 섬유에 대해 최종 사이징제 함량이 달성되도록 선택될 수 있다. 특히, 섬유는 제조자에 의해 표면에 적용되는 사이징제를 가지거나 가지지 않을 수 있다.
접착제 조성물이 섬유 표면에 적용되는 경우에, 경화제는 이후 중합체/엘라스토머/고무 매트릭스에 대한 고분자전해질의 가교결합을 촉진하여 이에 의해 매트릭스 및 섬유 표면 모두에의 접착제 조성물의 적절한 결합을 보장한다. 이는 바람직하게는 처리된 섬유의 건조 과정에서 실시되지 않으며, 엘라스토머 매트릭스와 접촉시 가황 또는 가교결합 단계 과정에서 실시된다.
특히, 접착제 조성물은 종래의 비-이온성 라텍스(예를 들면, HNBR, VPSBR, CR 또는 네오펜, NBR, XNBR 등)과 블렌딩될 필요가 없거나, 또는 이를 완전하게 함유하지 않을 수 있거나 또는 이것이 레소르시놀, 페놀, 포름알데히드 또는 RF 또는 PF 수지를 포함할 필요가 없다. 연장되는 접착력 시험으로부터의 결과에 기초하여, 접착제 조성물의 구현예는 우수한 상용성 및 탄소 섬유의 접착력을 니트릴(NBR) 및 수소화된 니트릴 고무(HNBR), 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머(예컨대 EPDM, EPM, EOM 등), 폴리클로로프렌 고무(CR), 등을 포함하는 다양한 고무 물질에 부여하고, 이는 과산화물 또는 황-기반 경화제에 의해 가황될 수 있다. 접착제 조성물은 본 기술분야에 공지된 다른 유형의 접착제 조성물 이외에 보다 광범위하게 적용되는 것으로 고려될 수 있고, 이는 수많은 종래의 접착제 시스템이 부분적으로 특정 고무 유형에 상용성을 제공하기 위해 특정 라텍스 물질의 혼입을 필요로 하기 때문이다.
또한, 종래의 RFL 접착제는 코드 또는 섬유 유형, 사용되는 고무 유형, 및/또는 응용분야와 관련하여 보다 선별적인 것임을 주목한다. 예를 들면, 일부 RFL 접착제는 섬유의 분자 특징 또는 섬유 표면 사이징에서의 차이로 인해 다른 것에 적합하지 않으나, 하나의 섬유 유형에 적합할 수 있다. RFL 접착제의 화학물질이 본 기술분야에 잘 알려져 있지만, 양호한 접착제 결합을 달성하는 것은 전형적으로 RFL 접착제에 대한 다수의 개질(예를 들면, 라텍스 유형을 변화시키는 것), 또는 처리 공정 조건, 프라이머 처리의 신중한 선별, 또는 심지어 고무 배합물에 대한 개질을 요구할 수 있다. 이러한 극복과제는 RFL이 광범위한 코드에 대한 사용을 위해 덜 최적화되게 하고, 보다 요구가 많은 상업적으로 이용가능한 상품, 예컨대 우수한 접착력이 굴곡 피로 및 연장된 수명에 있어서 중요한 역할을 하는 벨트에 사용하기에 보다 복잡하게 만든다.
접착제 조성물은 고무 및 중합체 복합체에 사용되는 광범위한 강화 섬유에 대해 적용가능하다. 이러한 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 붕소 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유, 천연 섬유 예컨대 셀룰로오스 섬유, 및 합성 유기 섬유 예컨대 아라미드, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 아크릴, 모다크릴, 비닐론, 폴리아릴렌설파이드, 폴리에테르케톤 등을 포함한다. 탄소 섬유는 임의의 유형의 탄소화 셀룰로오스 섬유 또는 합성 섬유일 수 있다.
본 발명에서 유용한 또는 본 발명과 유용한 섬유는 모노필라멘트 또는 연속적 멀티필라멘트 또는 스테이플 섬유 스트랜드, 얀 또는 코드일 수 있다. 섬유는 세절된 또는 피브릴화된 섬유를 포함하는 분산성 단섬유일 수 있다. 섬유는 직물, 편성물, 또는 부직포를 포함하는 패브릭의 형태일 수 있다. 섬유는 상술한 유형의 섬유 또는 형태의 임의의 조합물 또는 혼성체로의 것일 수 있다. 특정 구현예에서, 섬유는 접착제 제제에서 함침(침지)에 의해 코팅된 꼬인 심선(twisted tensile cord)의 형태의 것이다. 이러한 처리된 코드는 동력 전달 벨트 또는 컨베이어 벨트의 고무 또는 폴리우레탄 본체에 내장시키기 위한 심섬으로서 사용될 수 있다. 이러한 동력 전달 벨트의 예는 톱니형 또는 동기전동 벨트, V-벨트, 및 평면형 벨트를 포함한다.
본 발명의 다양한 구현예에 따라, 접착제 조성물을 갖는 섬유 또는 코드는 반응성 극성 작용기(예를 들면, 카보닐, 및 하이드록실기)를 가질 수 있고, 이는 우레탄, 폴리우레탄에 결합될 수 있거나, 또는 이소시아네이트, 이소시아네이트 예비중합체, 폴리아미드 등과 반응함으로써 생성물을 형성할 수 있다. 본 발명의 접착제 조성물은 우수한 접착력을 위해 다양한 심선에 적용될 뿐만 아니라, 패브릭 또는 평면형 토우(flat tow)에 적용될 수 있고, 이는 이를 침지 또는 분무 방법에 의해 달성될 수 있는 습윤 필라멘트 권취 공정에 대해 매우 적합하게 만든다. 요약하면, 접착제 조성물로 처리된 섬유는 열가소성 및 열경화성 엘라스토머 제품 또는 상품 예컨대 동력 전달 벨트, 컨베이어 벨트, 호스, 필라멘트 권취 압력 용기, 타이어 등에 적절한 결합을 제공할 수 있다.
본 발명의 접착제 조성물의 화학물질 및 열경화성 매트릭스(예를 들면, 고무) 및 섬유 표면에 대한 접착에 과한 제안된 메커니즘은 하기 화학식에 도시되어 있다.
화학식 I는 탄소 및 다른 합성 섬유 상에의 사이징 마감을 위해 사용되는 비스페놀 A 유형 에폭시 화학물질의 일반 구조를 예시하고 있다. 이러한 에폭시 수지는 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르를 형성하기 위해 에피클로로히드린과 비스페놀 A를 반응시킴으로써 형성된다. 이러한 부류의 가장 간단한 수지는 비스페놀 A 디글리시딜 에테르(화학식 I에서 n=0임)를 형성하기 위해 2몰의 에피클로로히드린과 1몰의 비스페놀 A를 반응시켜 형성된다. 에피클로로히드린이 더 적게 사용되면, n이 더 커지고, 분자량이 더 높아지며, 분자내의 에폭시 작용성(중량 기준)이 더 작아지며, 이는 에폭시기가 바로 말단에 있기 때문이다. 에폭시 수지는 추가로 최대 70 중량%까지 물에서의 분산액에 의해 수성 형태로 제조될 수 있고, 상기 분산액은 필름 형성제, 및 예를 들면, 입자 응집에 대한 분산액의 안정성에 도움이 되는 관련 계면활성제를 포함할 수 있다.
Figure 112018056529853-pct00001
화학식 II는 말레화 폴리부타디엔과의 에폭시-유형 프라이머 화학물질의 가능한 반응을 예시한다. 에폭시 수지의 말단에서의 에폭시기는 도시되어 있지 않다. 또한, 나타낸 MA-PBD(말레화 폴리부타디엔 고분자전해질 또는 이오노머)의 중합성 형태는 일부 1,2-비닐 함량을 가진 1,4 폴리부타디엔에 기초한다. 이러한 화학식 II는 본 발명의 접착제 조성물에 수반되는 화학반응의 요지를 보여준다. 궁극적으로, 접착제 조성물은 중합체 매트릭스와 공동-경화성인 고분자전해질과 섬유와 상용성이고, 고분자전해질과 공동-경화성인 프라이머 물질, 및 임의로 고분자전해질 또는 엘라스토머 매트릭스와 상용성인 경화제의 반응 생성물이다. 수득된 복합재는 궁극적으로 고분자전해질, 프라이머 물질, 섬유 표면, 및 중합성 매트릭스 물질, 및 임의의 경화제의 반응 생성물이다.
Figure 112018056529853-pct00002
도 1은 에폭시-기반 연결(24)에 의해 섬유 표면(22)에 부착되며, 고무 매트릭스(26)에 대한 과산화물 또는 황-기반 경화제(25)를 통해 가교결합된 접착제 조성물(23)의 일 구현예를 포함하는 중합체 복합 시스템(20)을 예시하고 있다.
화학식 I-II 및 도 1은 이에 따라 본 발명의 일 구현예를 예시하고 있다. 접착제 조성물의 프라이머 물질의 일 예로서, 비스페놀 A 유형 에폭시의 일반 화학 구조가 화학식 I에 도시되어 있다. 특히, 에폭시 수지는 산업에서 사용되는 다수의 천연 및 합성 섬유에 대한 사이징 또는 마감을 위한 화학물질로서 본 기술분야에 잘 알려져 있다. 따라서, 접착제 제제에서의 사이징 화학물질(예를 들면, 에폭시)은 다수의 천연 및 합성 섬유와 매우 상용가능할 것이며, 에폭시 기는 섬유 표면에 접착제를 고정하도록 반응하는 것으로 고려된다. 또한, 프라이머 물질은 예를 들면 화학식 II에서 MA-PBD로서 나타난 고분자전해질 화학물질과 반응할 수 있다. 예를 들면, 에폭시 화학물질의 반응성 하이드록실기는 친핵성 첨가반응에 의해 MA-PBD 유도체의 카복실기와 반응할 수 있다. 이에 따라, 상술한 바와 같이, 또한, 에폭시 프라이머는 섬유 표면에의 습윤 및 고정화 모두를 보조할 수 있으며, 중합체 또는 고무 매트릭스에 결합될 수 있는 고분자전해질과 반응하는 것을 보조할 수 있는 것이 가능하다. 마지막으로, 도 1은 섬유의 표면에 접착제 조성물이 접착되고, 고분자전해질에서의 불포화 또는 반응성 수소를 통해 고무 매트릭스에 가교결합되는 방식의 도면을 방식의 도면에서 도시하고 있다.
임의의 종래의 오버코드 접착제가 특히 결합되기 어려울 수 있는 다른 물질 또는 중합체 매트릭스와의 상용성을 향상시키기 위해 본 발명의 접착제 조성물로 처리된 섬유에 도포될 수 있음을 알 수 있다.
실시예
습식 중량 기준으로 고분자전해질(30% 고형물)로서 86.7% Ricobond® 7002, 비스페놀 A 에폭시 수지(60% 고형물)로서 Michelman 사의 4.8% Hydrosize EP834, 과산화물 경화제(45% 고형물)로서, Harwick 사의 0.7% Luperox® 101XL45, 및 7.8% 추가의 증류수로 이루어지는 예시적인 수성 접착제 조성물을 혼합하였다. 이는 하기 결과에서 본 발명의 접착제로 지칭된다.
비교 접착제가 또한 혼합되었다. 비교 HNBR RFL 접착제를 종래의 RFL 기술을 사용하여 제조하였다. 비교 HNBR-라텍스 접착제는 상업적으로 이용가능한 라텍스, 경화제, 및 접착 촉진제를 사용하여 제조되었다. 마찬가지로, 비교 CR-라텍스 접착제를 제조하였다.
평가되는 접착제 제제 각각은 동일한 조건 하에 제조되었고, 각각은 약 30% 고형물을 포함하였다. 수성 제제의 각각의 앨리쿼트를 건조시키고, 고형 필름 형태로 시험하기 위해 30분 동안 170℃에서 경화시켰다. 본 발명의 접착제 및 비교 접착제를 사용하여 HNBR 및 EPDM 동력 전달 벨트에서 의도된 궁극적 용도를 갖는 탄소 섬유 심선을 처리하였다. 종래의 고무 제제 및 시험 방법을 사용하여 HNBR 및 EPDM 고무에 대한 접착력 및 인장 강도에 대해 상기 코드를 시험하였다.
코드 접착제는 벨트 제조 과정 및 벨트 온도가 120℃를 초과할 수 있는 응용분야에서 겪는 고온 조건에 견딜 수 있도록 양호한 내열성을 가져야 한다. 열중량 분석(TGA) 및 시차 주사 열량측정법(DSC) 특성화 방법을 이용하여 본 기술분야에 알려진 다른 접착제에 대해 본 발명의 접착제 조성물의 열안정성을 비교하였다.
표 1은 본 발명의 접착제 대 RFL 및 라텍스-기반 접착제 시스템의 경화된 필름의 유리 전이온도 및 열안정성 비교에 대한 데이터를 나타낸다.
[표 1]
Figure 112018056529853-pct00003
본 발명의 접착제 조성물은 경화된 물질의 중량 손실의 시작으로 나타나는 바와 같이, 종래의 RFL 및 라텍스-기반 접착제 시스템과 비교하여 더 나은 또는 비슷한 열안정성을 나타내는 것을 알 수 있다. 흥미롭게도, 본 발명의 접착제는 또한 본 발명의 접착제 조성물이 예를 들면, -120℃로부터 250℃ 초과의 넓은 범위의 온도에 걸쳐 이의 접착 성능 및/또는 안정성을 유지할 수 있음을 의미할 수 있는 최저 유리 전이 온도를 나타내었고, 이는 제로-이하 온도에서 사용하기 위해 설계된 동력 전달 벨트 또는 다른 강화 제품으로부터 제품이 전형적으로 매우 높은 온도를 겪는 것까지의 범위의 광범위한 응용분야에서 섬유 강화재에서 사용하기 위해 선택되는 우수한 접착제 조성물이 되게 할 수 있다. 또한, 열안정성에서의 개선, 또는 환경 저항성 등은 접착제 조성물의 조작, 본원에 기재된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않은 이의 구성요소 또는 물질 가공 조건에 의해 실현될 수 있다. 예로서, 제제에서의 구성요소 화학물질의 비는 혼합 과정에서 변화될 수 있고, 충전재 및 신규한 화학물질이 향상된 성능을 위해 첨가될 수 있고, 온도 조건은 물질 취급 및/또는 처리에 적합하도록 조정될 수 있다. 일반적으로 고온 조건(뿐만 아니라 매우 저온)을 겪게 되는 벨트 응용분야의 일 예는 연속 무단 변속(CVT) 벨트 응용분야의 것이다.
CVT 벨트는 레크리에이션용 ATV/UTV, 스쿠터, 스노우모빌 등을 포함하는 수많은 차량에서 사용될 수 있다. CVT 시스템은 예를 들면 미국특허번호 8,672,788 B2에 상세하게 논의되어 있다. 일반적으로, 2개의 풀리 하프(pulley half)가 축방향과 떨어져 또는 축방향과 함께 이동하여 벨트 방사상 위치에서의 변화를 일으키기 때문에, 벨트가 시브(sheave) 내에서 방사상 위치를 변화시킴에 따라 벨트는 강한 마찰력에 가해질 수 있다. 2개의 시브 하프(sheave half)가 축방향으로 함께 이동하여 벨트의 피치 라인(pitch line)을 증가시키기 때문에, 벨트는 강한 마찰력 및 높은 축방향 또는 횡방향 압축력에 가해진다. 높고 가변적인 토크 하중은 높은 장력 및 높은 웨지 힘(wedging force)을 야기하고, 이는 또한 벨트 상에 높은 횡방향 압축력을 야기한다. 일부 구동 응용분야는 클러치와 같은 벨트를 사용하고, 이는 벨트의 접촉 표면 상에 추가적인 마찰력을 일으킨다. 이러한 힘들은 CVT에서 가장 심하고, 이는 상기 응용분야의 동력학(예를 들면, 빈도, 급속 이동, 높은 가속 하중을 가짐)에 기인한다. CVT 벨트가 구동(driver)와 종동 풀리(driven pulley)를 횡단함에 따라, 이는 또한 지속적 굽힘 또는 굴곡에 가해진다. 고무 CVT 벨트는 일반적으로 소위 "건식 CVT" 응용분야에서 윤활유 없이 사용된다. 따라서, CVT 벨트는 양호한 종방향 가요성(longitudinal flexibility), 높은 종방향 모듈러스, 높은 내마모성, 높은 횡방향 강도를 가지도록 설계되어야 하고, 벨트는 넓은 온도 범위에 걸쳐 장기간에 걸쳐 운행되어야 한다. 물론, 스노우모빌 CVT 벨트는 일반적으로 매우 낮은 온도에서 시작되고, 그리하여 저온 가요성이 또한 요구된다.
접착제 조성물의 접착 특성의 초기 평가를 표준 ASTM D4776(즉, 고무에 대한 강화된 코드의 접착력에 대한 H-시험)을 사용하여 실시하였다. 코드에 대한 접착제의 도포를 본 기술분야에 알려진 종래의 코드 처리 과정에 의해 실시하였다.
용어 "코드"는 본 기술분야에 알려진 바와 같이 꼬일 수 있는 하나 이상의 얀의 조합을 표시하기 위해 본 개시내용에서 이용되며, 여기서 2개 이상의 얀이 이용되고, 또한 레이드(laid)되거나 또는 다발화(bundled)되거나 또는 함께 꼬일 수 있으며, 강화된 고무 제품, 예컨대 벨트에 사용하기 위해 결합제 또는 접착제로 처리될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 개념의 입증의 목적을 위해, 본 발명의 접착제 조성물을 탄소 섬유 토우를 접착제를 포함하는 침지-탱크에 침지시키고, 이후 침지된 토우를 오븐에서 건조시켜 과량의 물을 제거함으로써 토우에 도포하였다. 처리된 토우를 이후 그 자체 상에서 꼬거나, 또는 동일하거나 또는 상이한 섬유 유형의 다른 토우와 합연(plied)/다발화/케이블화할 수 있다. 보다 상세한 코드의 처리 공정의 설명은 미국특허번호 8,672,788 B2에 있으며, 이의 일부의 내용은 본원에 참조로 포함되어 있다. 전형적으로, 접착제에 토우를 침지시키는 것과 오븐에서 건조시키는 것은 약 0.5 내지 5분, 바람직하게는 1-3분 동안 일어난다. 건조 온도는 전형적으로 100-130℃의 범위이다. 본 발명의 일 구현예에서, 접착제의 딥 픽 업성(dip pick up)(%DPU)은 처리된 코드의 최종 건조 중량의 5% 내지 20%의 범위일 수 있다. 꼬임 공정은 본 기술분야에 공지된 방법, 기계, 또는 설비를 사용하여 실시된다. 꼬인 코드는 추가로 일반적으로 "오버코트" 또는 "오버코트 접착제"로 알려진 추가의 접착제 층으로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있고, 이는 주로 고무 매트릭스에 대한 향상된 접착력 또는 코드의 주변 보호를 위해 코드의 외면에 코팅되는 것으로 의도된다. 오버코트 %DPU는 일반적으로 이와 같이 처리된 코드의 최종 중량 기준으로 약 1% 내지 약 10% 건조 중량의 범위일 수 있다. 유용한 오버코트 접착제의 예는 본 기술분야에서 찾을 수 있고, Lord Corporation 사의 상표명 CHEMLOK 하에 시판되는 다양한 조성물, 및 Chemical Innovations Limited (CIL) 사의 상표명 CILBOND 하에 시판되는 다양한 조성물, 또는 다우 케미컬(The Dow Chemical Company) 사에 의해 시판되는 MEGUMTM, THIXONTM 및 ROBONDTM 접착제를 포함할 수 있다. 특정 오버코트는 고무 매트릭스 또는 벨트 본체와 상용가능하고, 다른 원하는 특성 예컨대 내열성, 또는 수분 또는 오존에 대한 저항성을 가지도록 선택될 수 있다. 접착제 조성물 및 해당하는 코드 처리 공정은 유리 섬유, 폴리에스테르, 아라미드, 현무암, PBO 등 또는 이의 혼성제를 포함하는 다른 섬유/코드에 동일하게 적용가능할 수 있는 것으로 이해된다.
탄소 섬유는 이의 우수한 인장, 높은 강도 및 높은 모듈러스 특성에 대해 알려져 있고, 그 결과 수많은 고성능/개발된 섬유 강화 복합재 물품 및 상품에서 선택되는 섬유 강화재로서 관심을 지속적으로 끌고 있다. 탄소 심선을 갖는 벨트 디자인에서의 최근 진전은 강화재로서 유리 또는 아라미드 또는 폴리에스테르 심선을 갖는 것보다 부하 용량에서의 상당한 개선, 더 낮은 벨트 수명, 더 높은 축 강도 및 벨트의 치수 안정성을 나타낸다. 예컨대 벨트 또는 타이어에서의 고무 강화재에 대한 탄소 섬유의 용도는 수년 전에 나타났지만, 넓은 상업적 응용분야에 대해 적합한 탄소 코드를 제조함에 있어서 겪게 되는 다른 극복 과제가 존재한다. 이의 하나의 양태는 탄소 섬유의 표면에 충분한 결합을 제공할 수 있는 적합한 접착제를 개발하는데 있어서의 곤란성이다. 이는 다른 상술한 섬유와 달리, 탄소 섬유는 접착제 물질에 대한 결합을 촉진할 수 있는 이의 분자 구조에서의 활성 작용기가 결여되기 때문일 수 있다. 제조자에 의해 섬유에 적용되는 사이징 화학물질이 접착제와의 결합을 향상시킬 수 있지만, 사이징은 주로 수송, 저장, 또는 스풀(spool) 또는 풀리 주변에의 권취 과정에서 섬유 손상을 예방하도록 취급에 있어서 도움이 된다. 용매 또는 수성 형태인지 여부와 무관하게 사전에 꼬인 탄소 얀으로의 종래의 접착제의 적절한 침투 및 결합을 달성하는 것은 심지어 더 어렵다. 또한, 탄소 섬유는 유난히 단모를 형성하거나 또는 코드 처리 과정에서 해어지는 경향이 있다.
본 발명의 구현예에 따라, 탄소 섬유 토우 크기는 100 내지 100,000 필라멘트의 범위일 수 있으나, 대부분의 시판되는 이용가능한 섬유는 1000 내지 48000 필라멘트 범위 내에 있다. 탄소 섬유 얀은 일반적으로 얀에서의 필라멘트의 수를 나타내기 위해 IK, 6K, 12K 등으로 축약될 수 있고, 여기서 "K"는 1000 필라멘트 및 수를 의미하고, 예를 들면, 12는 승수(multiplier)(즉, 12K = 12,000 필라멘트)를 가르킨다. 6K 및 12K 얀은 가능하게는 상업적으로 이용가능한 가장 경제적인 등급이다. 용어 "토우"는 일반적으로 제로-트위스트 미가공 얀(zero-twist greige yarn)을 나타내기 위해 사용된다. 조합된 토우는 제2의 수 예컨대 12K6로 나타내며, 이는 각각 조합된 12K의 6개의 얀을 의미한다.
심선에 대해 사용하기 위한 접착제의 다른 중요한 특징은 양호한 환경 저항성, 예컨대 습도, 수분, 오존, 자외선 등에 대한 저항성을 유지하는 것이다. 본 기술분야에서, 오존은 균열을 야기하거나 또는 물질의 가교결합 능력을 감소시키는 불포화를 공격하여 엘라스토머 물질을 분해시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 이에 따라, 엘라스토머 접착제가 가교결합하는 이의 능력을 잃는 경우에, 매트릭스(예를 들면, 고무)에 대한 접착력이 급격하게 감소될 것으로 추정될 수 있다.
따라서, 본 발명자는 12K 탄소 섬유 토우 상에의 도포, 그 다음 토우의 꼬임, 그리고 고무 매트릭스에서의 코드 접착력의 후속 평가 이후에 본 발명 및 비교 접착제 조성물의 환경 저항성을 평가하였다. 동력 전달 벨트에서의 심선의 접착력 등은 제품의 성능 및 내구성에서 필수적인 역할을 한다. 벨트 본체에 대한 코드의 충분한 접착력은 벨트의 사용 기한에 걸쳐 유지되어야 하고, 그렇지 않으면 벨트는 초기 불량을 겪을 수 있다. 이는 고무 본체에 대한 우수한 코드 접착력은 벨트로부터 심선까지 효율적인 하중 수송(load transfer)을 가능하게 할 수 있고, 이는 효율적 동력 전달에 기여한다.
비교 분석을 위해, 종래의 비-이온성 라텍스-기반 처리(예를 들면, 라텍스+경화제)된 대조군 코드 샘플을 또한 제조하였다. 심선이 수송, 저장, 또는 실험실 또는 벨트 플랜트에서의 사용 과정에서 겪을 수 있는 최대 가혹한 조건의 일부를 시뮬레이션하기 위해 24 및 48시간의 기간 동안 조절된 챔버에서 오존 및 습도 조건에 처리된 탄소 코드 샘플을 노출시켰다. 시험 조건은 하기를 포함하였다: 50mPa 분압(0.6 PPM)으로의 오존 농도, 및 104℉(40℃)의 온도; 및 95℉(35℃)에서의 80% 상대 습도. 이러한 조건에의 코드 샘플의 노출 이후, 코드를 바람직하게는 일정 장력 하에서 고무층들 사이에 배치시켰고, 가열된 수압 프레스 또는 오븐 챔버에서 가황시켰다. 경화 이후, 고무 슬래브내 코드를, 각 샘플이 '헤드'로서 고무 블록 그리고 '테일'로서 코드를 갖는 'T-형상'을 갖는 다수의 샘플로 절단하였다. 코드 접착력은 이후 고무 블록의 외부로 코드를 당기는데 필요한 힘을 측정하여 평가된다. 이러한 랩 시험은 표준 ASTM D4776 (고무에 대한 강화된 코드의 접착력에 대한 H-시험)에 따르고, 이는 범용 인장 시험 기계에서 실시될 수 있다. 측정된 힘은 고무에 대한 주어진 처리의 접착력 및/또는 코드의 접착도를 정량적으로 특성화하기 위해 사용된다. 고무로부터 당겨지는 경우에 코드의 고장 모드(failure mode)는 또한 접착력의 정량적 평가를 생성할 수 있다. 측정된 힘에 영향을 줄 수 있는 다른 요소, 예컨대 고무 배합물의 모듈러스, 코드의 직경/게이지, 시험 온도 등이 존재할 수 있고, 그리하여 이들을 가능한 일정하게 유지시켰다.
접착력의 초기 평가를 위해, EPDM 고무를 사용하였고, 모든 접착력 샘플을 단지 코드 상에의 접착제 처리만 차이가 있고 동일한 조건 하에 제조하였다. 처리된 코드의 직경은 처리로 변화되지 않았으나, 전형적으로 0.8 내지 1.2 mm의 범위일 수 있고, 그러나 바람직하게는 약 1.0 mm이다. 표 2는 습도 및 오존 조건에 노출된 이후의 탄소 코드 샘플의 접착력 값을 나타낸다. 코드의 초기 인장 강도에서 두드러진 차이는 없었지만, 본 발명의 접착제가 에이징 이후 더 양호하게 수행될 수 있음을 알 수 있다. 높은 습도 및 및 오존 수준은 본 발명의 접착제 조성물과 탄소 코드의 접착력에 임의의 유의미한 효과를 가지지 않았고, 본 발명의 접착력 값은 대조군 코드의 것보다 더 높았다.
표 2는 오존 및 습도 조건에 대한 처리된 탄소 코드의 노출 이후의 본 발명의 접착제와 라텍스+경화 접착제 사이의 코드 접착력의 비교를 나타낸다.
[표 2] 코드 접착력(N)
Figure 112018056529853-pct00004
1오존 및 습기에의 노출 이전의 코드의 초기 접착력. 접착력 시험을 실온에서 실시하였다.
앞서 언급한 바와 같이, 탄소 섬유 토우 크기는 48K 필라멘트 정도로 크게 될 수 있그나, 더 큰 직경의 코드는 주어진 토우 크기의 복수개의 토우/코드를 조합하여 구성될 수 있다. 예를 들면, 12K4 구조는 4개의 12K 토우/얀의 조합일 수 있고, 이는 4개의 토우/코드를 함께 합연/케이블화/꼬임을 실시하여 실시될 수 있다. 더 큰 게이지 단일 코드를 생성하기 위한 토우/코드의 이러한 "조합"은 예를 들면 각각의 토우가 우선 주어진 방향에서 꼬여지고, 이후 다른 주어진 방향에서 함께 합연되는 단계에서 실시된다. 본원에서 "방향"은 토우/코드가 S 또는 Z 방향으로 나선형으로 꼬여질 수 있음을 의미한다.
이러한 더 큰 게이지 탄소 코드는 전형적으로 고하중, 고내구성 타이밍 벨트 구동 응용분야에서 요구되며, 여기서 고무 매트릭스에 대한 우수한 코드 접착력은 벨트의 성능에 극히 중요하다. 따라서, 12K4 처리된 탄소 코드를 제조하여, 각각 표 3 및 4에 나타난 바와 같은 EPDM 및 HNBR 고무 배합물에 대한 실온 또는 고온에서의 접착력을 평가하였다.
표 3은 실온(23℃)에서 EPDM 및 HNBR 고무에 대한 12K4 탄소 코드 및 유리 코드로의 접착력 시험의 결과를 나타낸다. 두 코드 유형은 유사한 직경을 가졌다. 접착력 값은 뉴튼이다. 표 4는 고온(85℃)에서 EPDM 및 HNBR 고무에 대한 12K4 탄소 코드 및 유리 코드로 시험되는 접착력의 결과를 나타낸다.
[표 3]
Figure 112018056529853-pct00005
[표 4]
Figure 112018056529853-pct00006
본 발명은 실온에서, 심지어 고온에서 다른 접착제보다 상당하게 더 높은 접착력을 생성할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 접착력 결과는 현재의 벨트, 예컨대 CVT 벨트에서 처리된 코드의 추가의 평가를 가능하게 한다. 일반적으로, 벨트 제조 공정은 다양한 층의 텍스타일, 엘라스토머, 및 인장재를 실린더형 주형 상에서 또는 주형으로 이송하기 위한 맨드릴 상에서 위로 또는 반대로 빌드-업하는 단계를 포함할 수 있다. 단위 너비당 말단의 수 또는 예정된 코드 간격으로 심선이 맨드릴 주변에 나선형으로 권취될 수 있다. 주형은 그 안에 형성된 코그 프로파일(cog profile)을 가질 수 있고 및/또는 소위 "매트릭스"는 코그 프로파일을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 슬래브를 형성하기 위한 경화 또는 가황 이후, 개개의 벨트를 절단하고 및/또는 적절한 접촉 표면 V-앵글 또는 앵글들로 연마할 수 있고, 필요에 따라 반대로 될 수 있다. 표 5는 EPDM CVT 벨트 샘플로부터의 코드 접착력을 나타낸다. 이러한 시험을 위해, 2개의 코드를 벨트 외부로 당기는데 요구되는 힘을 범용 인장 시험 기계 상에서 측정한다. 시험을 위한 샘플 제조는 도 2에 예시되어 있고, 하기와 같이 기술될 수 있다: 벨트 일부(40)는 약 4" 길이(11-12개 톱니(41))이고; 단일 에지 면도날을 사용하여 (46에서) 하나의 단부로부터 4번째 톱니를 통해 절단할 수 있다. 절단된 톱니는 한 쌍의 플라이어로 고정될 수 있고, 이에 최근접된 벨트 단부도 또한 플라이어로 고정된다. 패브릭은 톱니와 멀어지도록 랜드 부분(land area)을 거쳐 당겨지고; 2개의 중심 코드(45)를 페인트 펜으로 마킹하였고; 이후 3개의 톱니를 계수하고, 랜드 부분(43)의 중심에 이루어진 표시는 도 2에 나타나 있다. 패브릭이 (46에서) 제거된 부분에서의 2개의 중심 코드를 제외한 모든 코드(44)를 통해 제1 절편을 만들고, 랜드 부분에서의 2개의 중심 코드를 통해 제2 절편(43)을 만들어 3개의 톱니를 제1 절편으로부터 제거하였다. 상기 시편을 시험 그립(test grip)에 배치하였고, 도 2에서의 화살표로 표시된 바와 같이 당긴다. 시험을 최고 하중/힘이 도달된 이후에 중지한다. 시험을 코깅된(cogged) 또는 노치된(notched) V-벨트를 포함하는 임의의 톱니형 벨트 상에서 유사한 방식으로 실시할 수 있다.
CVT 벨트 샘플에 대한 2개의 코드 인발 시험의 결과는 표 5에 나타나 있다. 본 발명의 접착제는 실온 및 고온 모두에서 2개의 비교 접착제와 비슷하게 수행된다.
[표 5]
Figure 112018056529853-pct00007
본 발명의 접착제 조성물을 또한 패브릭 및 다른 코드 유형, 예컨대 아라미드에 적용하였고, 여기서 다양한 고무 배합물에의 접착력에 대해 처리된 패브릭 및 코드 샘플을 시험하여 상용성을 평가하였다. 아라미드에 대한 코드 처리를 앞서 기재된 바와 같이 실시하였고, 이후 본 기술분야에 공지된 표준 코드 처리 방법/공정을 후속하였다. 본 발명의 처리를 다시 종래의 접착제에 대해 동등하게 수행하였다. 아라미드는 구체적으로 DuPont 사로부터의 Kevlar® 119이었다.
주어진 기간, 바람직하게는 2-5분 동안 접착제 제제에 패브릭의 1" x 4" 샘플을 침지시키고, 121℃ 오븐에서 샘플을 건조시켜 수분을 제거하고, 접착제의 DPU (중량 기준의 딥 픽업성)%를 측정하여 패브릭 처리를 실시하였다. 패브릭에 대한 다른 처리 방법, 예컨대 분무, 수동 적층 성형(lay-up), 및/또는 공기 건조 조건이 또한 적용가능하다. 오버코트 제제에 처리된 패브릭을 침지시키고, 오버코트 용매를 제거하기 위해 건조시키고, %DPU를 측정함으로써 오버코트/시멘트 물질을 처리된 패브릭에 적용할 수 있다. 중간 고무의 상단 부분에 배치된 마이어(Mylar) 필름을 가진 3개의 니트릴 고무층(즉, 고무-패브릭-고무-마이서 필름-패브릭-고무)들 사이에 교대적으로 2개의 패브릭을 개재시킴으로써 패브릭에 대한 접착력을 시험하기 위한 패드 샘플의 제조를 실시하였다. 접착 패드 어셈블리를 30분 동안 176℃에서 경화하였고, 50mm/min 속도 및 약 50kN 로드 셀에서 범용 인장 시험기 상에서 시험하였다. 아라미드 코드 및 탄소 패브릭 샘플에 대한 접착력 결과는 각각 표 6 및 7에 나타나 있다.
표 6은 아라미드 코드에 대한 본 발명의 접착제 대 RFL의 코드 접착력의 비교를 나타낸다. 심지어 오버코트 시멘트가 없는 본 발명의 접착제는 RFL+오버코트 시스템보다 상당하게 더 나은 접착력을 제공한다.
표 7은 탄소 섬유 패브릭에 대한 본 발명의 접착제 대 종래의 라텍스 접착제의 패브릭 접착력의 비교를 나타낸다. 본 발명의 접착제는 마찬가지로 본 시험 시리즈에서 최고 접착력 값을 제공한다.
다수의 시판되는 동력 전달 벨트 구조물에 현재 사용되고 있는, 표준 아라미드 코드 위에 본 발명의 접착제가 처리된 아라미드 코드로부터 관찰된 더 높은 접착력 값 및 '스톡 파열(stock tear)' 고장 모드는 본 발명의 접착제 조성물이 비제한적으로 극성 분자 구조를 가진 코드, 예컨대 폴리에스테르, 유리, 및 다른 하이브리드 코드를 포함하는 심선의 처리를 위한 RFL 접착제에 대한 적합한 대체물일 수 있음을 나타낸다.
패브릭 접착력 시험에 기초하여, 본 발명의 접착제 조성물은 우수한 접착력을 위해 다양한 심선에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 침지 또는 분무 방법에 의해 습식 필라멘트 권취 공정을 위한 접착제 처리로서 잠재적으로 이를 상당하게 적합하게 만드는 섬유 및/또는 평면형 탄소 섬유에 적용할 수 있다는 것은 자명한 것이다.
[표 6]
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[표 7]
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우수한 코드-대 고무 접착력을 달성하는 것이 향상된 벨트 수명에 필요로 되는 한편, 코드가 사용 기간에 걸쳐 심한 벨트 굽힘이 일어나는 벨트 응용분야에서 특히 성능을 유지하기 위해서는 양호한 굴곡 피로를 나타내야 하는 것을 동등하게 중요한 것이다. 우수한 코드 접착력과 벨트 굴곡-피로의 올바른 균형은 수많은 벨트 설계시 근본적 극복과제이었으며, 이는 부분적으로 대부분의 종래의 접착제 시스템이 코드 다발 내에서 그리고 가황 이후에 코드-고무 본체 계면에서 상당하게 강성이기 때문이다. 그 결과, 이러한 벨트가 굽힘 또는 뒤로 굽힘을 반복하는 경우에, 접착제층은 보다 취성이되고, 박리되어 벨트 고장을 야기한다. 고장 모드는 코드 인장 고장, 접착제 박리, 에지-코드 당김 등을 포함할 수 있다. 따라서, 우수한 코드 접착력 및 굴곡 피로 모두를 제공할 수 있는 접착제 시스템이 특히 높은 모듈러스, 고강도 인장 부재 예컨대 탄소 코드와 함께 사용하기 위해 필요로 된다.
벨트 고무 배합물, 톱니 및 톱니형 벨트의 각도 프로파일(angle profile)로부터의 영향을 최소화하기 위해, 처리된 탄소 코드(57)의 굴곡 피로 평가를 도 3 및 4에 도시된 평면형 벨트(52) 구조체에 대해 실시하였다. 평면형 벨트(52)를 EPDM 고무 배합물(53)로 구성하였고, 변형된 "중사(deadweigh)" 시험 방법을 사용하여 시험하였다. 시험 장치(50)의 구조는 도 3에 나타나 있다. 평면형 벨트(52)는 대략 1340 mm의 길이, 약 5.8 mm 두께 및 19 mm 너비의 것이다. 구동 풀리(54) 및 종동 풀리(55)의 직경은 약 100 mm로 동일하게 유지시켰고; 후방 아이들러(back idler)(56) 직경은 약 75 mm이었고, 벨트를 약 1800 N의 허브-하중(58)에서 장력 하에 고정시켰다.
벨트의 인장 강도 감소를 측정하고, 주어진 기간 동안 벨트를 운행한 이후 벨트 운행 온도를 모니터링함으로써 평면형 벨트의 성능 평가를 실시하였다. 구체적으로, 코드의 잔류 인장을 벨트 인장 및 벨트 너비 내의 코드의 수에 기초하여 계산하였다. 그 결과를 표 8에 나타난 바와 같이 코드당 인장(N/cord)으로서 또는 잔류 코드 인장 백분율로서 기록할 수 있다. 흥미롭게도, 본 발명의 접착제 조성물로 처리된 탄소 코드는 벨트 시험의 100시간 이후에 최고의 잔류 코드 인장 백분율을 나타내고, 이는 라텍스-기반 접착제로 처리된 탄소 샘플보다 10% 더 높다. 모든 벨트 샘플은 유사한 벨트 운행 온도를 나타내었다.
더 강성의 처리/코드/벨트 복합재는 일반적으로 벨트를 굽히는데 요구되는 추가의 힘으로 인해 더 높은 벨트 운행 온도를 생성하는 경향이 있고, 이에 따라 추가의 힘은 전형적으로 열 발생(온도 증가), 마찰, 또는 소음으로 변형되는 것이 주지되어 있다. 또한, 일반적으로 높은 벨트 운행 온도는 벨트의 수명에 유해한 것일 수 있는 것으로 이해된다.
표 8은 탄소 코드에 대한 본 발명의 접착제 처리 대 비-이온성 라텍스-기반 처리가 이루어진 탄소 코드 평면형 벨트의 굴곡 피로 및 벨트 운행 온도의 비교를 나타낸다. 본 발명의 코드 처리가 이루어진 벨트는 약간 더 낮은 온도에서 운행되고, 라텍스-기반 코드 처리가 이루어진 비슷한 벨트보다 더 적게 인장 열화된다.
[표 8]
Figure 112018056529853-pct00010
추가적인 내구성 벨트 시험을 본 발명의 접착제 조성물이 처리된 탄소 코드를 가진 톱니형 CVT 벨트에 대해 실시하였다. 또한, 종래의 라텍스-기반 접착제가 처리된 탄소 코드, 및 아라미드 코드를 가진 벨트를 대조군 벨트로 사용하였다. 아라미드-코팅된 벨트를 갖는 일부 시판되는 CVT 벨트를 비교를 위해 시험하였다.
실시되는 내구성 시험 중 하나는 연소 엔진 시험이며, 이는 시판되는 ATV/UTV 기계에서의 엔진/클러치 구동 시스템 및 다른 CVT 구동 플랫폼의 운행 조건을 시뮬레이션하는 변형된 벨트 내구성 시험이다. 시험 벨트를 상업적으로 이용가능한 ATV/UTV 차량 구동 시스템에서 적합한 크기로 구성하였다. 표 9에서의 "고장으로의 주기의 #"은 각각의 샘플 세트에 대한 적어도 5개의 벨트의 평균을 나타낸다. 50개의 벨트 사이클은 시험시 2.5시간과 동일하다. 시험 엔진 전력 설정은 약 7400 RPM의 속도에서 약 70HP, 및 약 37 lbf의 업소버 토크(absorber torque)이었다. 구동 및 종동 RPM은 로딩시 30초 및 공정시 30초의 주기로 각각 약 9200 및 9800이었다. 벨트의 성능은 고장 및 고장 모드로의 사이클의 수에 기초하여 평가되었다. 연소 엔진 시험은 상이한 벨트 물질 및 설계를 선별하기 위해, 그리고 현장 결과의 예측을 포함하는 벨트 성능 분석을 위해 유용한 것으로 여겨진다. 표 9는 탄소 코드 강화재를 갖는 3개의 EPDM 벨트의 내구성 성능을 나타낸다. 본 발명의 접착제 처리된 탄소 코드를 라텍스-기반 접착제로의 것과 비교한다.
비교되는 EPDM/탄소 CVT 벨트에 비해 상당한 내구성 개선을 본 발명의 접착제 조성물로부터 얻었다 - 78시간 대 11시간. 또한, 탄소 코드를 갖는 상업적으로 이용가능한 CR CVT 벨트에 대해 적절한 비교가 이루어진다. 비교 벨트 샘플과 달리, 본 발명의 접착제-탄소 코드 벨트 샘플은 고장 시점에서 부서지지 않았고, 그러나 벨트 배합물의 톱니에서 단지 균열이 일어났다. 최고값의 사이클에 수반되는 이러한 고장 모드는 종래의 라텍스-기반 접착제에 대한 본 발명의 접착제 조성물의 우수한 접착제 성능의 양호한 징표이다.
[표 9]
Figure 112018056529853-pct00011
다른 벨트 시험은 구동시 내구성 시험(Under-Drive Durability Test)이었고, 이는 CVT 차량에서의 2.5 속도비에서의 연속적인 구동시 조건을 시뮬레이션하기 위해 변형된 시험 조건을 가지고, 연소 엔지 시험보다 더 혹독하다. 이러한 시험은 특히 거친 운전 조건, 즉, 정지 또는 저속으로부터 급속한 가속 하에서의 기술분야의 시판되는 CVT 차량에 대한 처리된 코드 및 벨트의 잠재적 성능을 예상하기 위해 사용될 수 있다. 구동시 벨트 시험(under-drive belt testing)으로부터의 결과는 표 10에 나타나 있다. 마찬가지로, 고장까지의 시간의 #은 각 경우에 대해 적어도 5개의 벨트의 평균이다. 모든 벨트는 두께, 너비, 각도 프로파일 등을 포함하는 유사한 크기의 것이었다. 모든 벨트에 대한 고장 모드가 유사하였지만 ("부서짐"), 본 발명의 접착제 처리된 탄소 코드 벨트는 2개의 상업적으로 사용되는 CVT 벨트를 포함하는 비교 벨트의 임의의 것보다 더 높은 수의 고장으로의 시간을 나타내었다.
일부 다른 CVT 벨트 시험을 실시하였고, 이는 종래의 라텍스 처리에 대해 비슷한 성능을 나타내었음을 주지한다. 이는 축방향 강도, 슬립 시험 등을 포함하였고, 이러한 유형의 시험은 코드 접착제 처리에 의해 크게 영향을 받지 않을 것으로 예상되었기 때문에 상세하게 기술하지 않는다.
[표 10]
Figure 112018056529853-pct00012
본 발명의 접착제 처리된 탄소 코드의 인상적인 벨트 내구성 시험 결과에 기초하여, 성능 평가를 야외 시험 조건(Field Test condition)으로 연장하였다. 야외 시험은 본 발명의 벨트를 실제 ATV/UTV 차량, 예컨대 레이싱, 레크레이션 목적 등을 위해 사용되는 Polaris 및 Can Am Maverick 차량에 대해 시험하는 것을 수반하였다. 본원에서 "야외"는 모든 오프-로드 코스, 사막 지역, 레이싱 트랙, 코스 등을 포함할 수 있고, 여기서 ATV/UTV 차량이 사용될 수 있다. 표 10의 다수의 EPDM/탄소 벨트를 야외에서의 Polaris 차량에서 작동시켰고, 작동 2일 후, 벨트는 상당하게 온전하게 유지되었고, 이는 최소 벨트 마모, 균열 없음, 및 코드 보전성을 보여준다. 다른 한편, 탄소 코드에 대해 종래의 라텍스-기반 처리가 이루어진 비교 벨트는 잘 수행되지 않았고, 약한 코드 접착력에 기인할 수 있는 코드 라인에서의 조기 고장을 겪었다.
본 발명의 접착제 처리된 탄소 코드를 갖는 EPDM 벨트를 Can-Am Maverick 차량에서 야외 시험하였다. 운전자는 마력에서의 10% 증가를 보고하였고, 이러한 벨트로의 속도에서 5 MPH이 얻어진다. 또한, 벨트를 약 10℃ 더 저온에서 운행하였고, 스톡 벨트(stock belt)("스톡" 벨트는 OEM 벨트를 지칭할 수 있음)보다 클러치 상에 마모가 적었다. 이러한 성능은 매우 유리할 수 있고, 예를 들면, 레이서가 레이싱 중에 더 적은 벨트 고장을 일으키게 하며, 벨트 교체 비용을 최소화할 뿐만 아니라 클러치에 대한 유지 비용을 감소시킨다.
다른 제품 시험에서, 탄소 섬유 심선 상에 본 발명의 접착제를 갖는 다른 종래의 자동차 동기전동 벨트 구조를 유리섬유 또는 탄소 코드 상에 종래의 접착제를 갖는 벨트와 비교하였다. 동기전동 벨트는 벨트 본체로서 HNBR 고무 배합물로 제조된 것이었다. 도 2에 예시된 상술된 시험에 따른 코드 접착력을 포함하여 정적 벨트 시험이 실시되었다. 벨트를 또한 -25℃에서 콜드 크랭크 다이내믹 굴곡 시험(cold crank dynamic flex test)에 가하였고, 여기서 인자 강도를 유지한 벨트를 측정하고, 성능을 평가하기 위해 사용하였다. 벨트 열 축적 시험(belt heat build-up test)을 또한 이 벨트에 수행하였다. 냉각 굴곡 및 열 축적 시험에 대한 구조(60)는 도 5에 예시되어 있다. 동기전동 벨트(62)를 각 3개의 스팬 중 하나인 3개의 후방 아이들러를 갖는 3개의 톱니형 풀리 주변에서 실시하였다. 벨트 인장 시험에서 유지되는 콜드 크랭크에 대해, 벨트를 매우 낮은 온도(예를 들면 -25℃)에서의 10 사이클(1분 가동 및 59분 중지가 1 사이클임) 동안 약 720 RPM으로 작동시켰다. 열 축적 시험의 경우, 벨트를 주위 온도 및 약 200 N의 장착 장력에서 약 4시간 동안 구동 풀리에 대해 약 6200 RPM으로 하중 없이 작동시켰다.
동기전동 벨트의 정적 및 동적 굴곡 시험은 표 11에 나타나 있다. 시험 결과는 본 발명의 접착제 처리된 탄소 코드가 종래의 유리 코드에 대한 비슷한 코드 접착력 및 라텍스-기반 접착제로 처리된 비교 탄소 코드과 비슷한 코드 접착력을 가진다. 그러나, 본 발명의 코드 처리는 콜드 크랭크 잔류 인장 강도에 있어서 상당하게 다른 것보다 능가하였고, 이는 본 발명의 접착제 조성물의 낮은 유리 전이 온도에 기인하는 것으로 여겨진다.
[표 11]
Figure 112018056529853-pct00013
요약하자면, 엘라스토머 복합제에 대한 텍스타일 코드용의 본 발명의 접착제 조성물은 탄소 섬유 또는 코드(및 아라미드와 같은 다른 섬유)와 다양한 종류의 동력 전달 벨트를 포함하는 강화된 동적 고무 제품에서의 엘라스토머 매트릭스 사이에 양호한 상용성을 제공한다. 동일한 장점은 또한 다른 강화된 복합재, 예컨대 호스필라멘트 권치된 압력 용기/튜브 등에서 실현될 것이다. 본 발명의 접착제는 종래의 RFL 및 다른 라텍스-기반 시스템과 비교하여 다양한 고무 배합물, 예컨대 EPDM 및 HNBR에 대해 상당하게 개선된 접착력을 부여한다. 본 발명의 벨트는 동일한 크기의 종래의 또는 시판되는 벨트에 대해 상당하게 증가된 벨트 수명을 나타내고, 종래의 자동차 동기전동 벨트보다 콜드 크랭크 잔류 인장 강도를 10% 더 개선시켰음을 나타낸다.
또한, 본 발명의 접착제 조성물의 안정성에 대한 실험실 시험은, 제제 pH, 점도, 또는 고형물 백분율(즉, 겔- 및 그릿-무함유)에서의 최소 변화와 함께, 즉 RFL 접착제보다 더 긴 장기 저장 수명(> 6개월)을 나타내었다. 본 발명의 제형은 또한 RFL보다 더 짧은 혼합 시간, 대부분의 RFL에 대해 약 30분 대 24시간과 함께 더 소수의 원료를 요구한다. 본 발명의 접착제 조성물을 사용하는 코드 처리는, 즉, 프라이머 화학물질로 코드 물질을 전처리할 필요 없이 또는 오버코트 물질의 적용 없이 1단계로 실시될 수 있다. 이러한 특징은 잠재적으로 종래의 RFL 접착제의 사용에 비해 코드 처리 공정에서의 상당한 비용 절감을 제공할 수 있다.
본 발명 및 이의 장점이 상세하게 기재되어 있지만, 다양한 변화, 치환, 및 변경이 첨부된 청구항에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어남 없이 본원에서 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 출원의 범위는 상세한 설명에 기재된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법, 단계의 특정 구현예로 제한되지 않는 것으로 의도된다. 본 기술분야의 당업자가 본 발명의 개시내용으로부터 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 본원에 기재된 해당하는 구현예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 또는 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현존하거나 또는 이후에 개발되는 공정, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법, 또는 단계는 본 발명에 따라 이용될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구항은 이의 범위 내의 이러한 공정, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법, 또는 단계를 포함하는 것으로 의도된다. 본원에 개시된 본 발명은 본원에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 구성요소의 부재 하에 적절하게 실시될 수 있다.

Claims (18)

  1. 중합성 매트릭스, 상기 중합성 매트릭스를 강화하는 섬유로서, 수성 접착제 조성물로 처리되고 건조된 섬유를 포함하는 동력 전달 벨트용 복합재 조성물로서, 상기 수성 접착제 조성물은 용매 또는 분산 매체로서의 물; 중합성 매트릭스와 공동-경화가능한 고분자전해질; 섬유와 상용성이고 고분자전해질과 공동-경화가능한 프라이머 물질; 및 고분자전해질 및 중합체 매트릭스와 상용성인 경화제를 포함하며, 상기 프라이머 물질은 에폭시 수지 또는 수성 에폭시 분산물이고, 상기 경화제는 유기 과산화물 또는 황-기반 경화제이고, 상기 섬유는 탄소 섬유이며, 상기 고분자전해질은 말레화 폴리부타디엔 고분자전해질인 복합재 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고분자전해질이 유기산기의 염을 포함하는 펜던트 전해질기를 갖는 중합체 골격을 포함하는 복합재 조성물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 염은 나트륨, 칼륨, 암모늄, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 철, 구리, 또는 아연 염이고, 유기산기는 카복실산기 또는 설폰산기인 복합재 조성물.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서, 고분자전해질이 중합체 골격 또는 측기에 불포화를 포함하는 복합재 조성물.
  7. 제2항에 있어서, 중합체 골격이 디엔 단량체를 포함하는 복합재 조성물.
  8. 제2항에 있어서, 중합체 골격이 폴리부타디엔을 포함하는 복합재 조성물.
  9. 제2항에 있어서, 고분자전해질은 적어도 부분적으로 중화된 말레산-그라프팅된 폴리부타디엔을 포함하는 복합재 조성물.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 엘라스토머 매트릭스, 상기 엘라스토머 매트릭스를 강화하는 섬유로서, 수성 접착제 조성물로 처리되고, 이후 건조된 섬유를 포함하는 동력 전달 벨트용 엘라스토머성 조성물로서, 상기 수성 접착제 조성물은 용매 또는 분산 매체로서의 물; 엘라스토머 매트릭스와 공동-경화가능한 고분자전해질; 섬유와 상용성이고 고분자전해질과 공동-경화가능한 프라이머 물질; 및 고분자전해질 및 엘라스토머 매트릭스와 상용성인 경화제를 포함하며, 상기 프라이머 물질은 에폭시 수지 또는 수성 에폭시 분산물이고, 상기 경화제는 유기 과산화물 또는 황-기반 경화제이고, 상기 섬유는 탄소 섬유이며, 상기 고분자전해질은 말레화 폴리부타디엔 고분자전해질인 엘라스토머성 조성물.
  13. 엘라스토머성 본체, 상기 본체에 내재된 강화 섬유, 및 상기 섬유를 코팅하는 접착제 조성물을 포함하는 동력 전달 벨트로서, 상기 접착제 조성물은 중합체 매트릭스와 공동-경화가능한 고분자전해질과, 섬유와 상용성이고 고분자 전해질과 공동-경화가능한 프라이머 물질의 반응 생성물, 및 고분자전해질 또는 엘라스토머 매트릭스와 상용성인 경화제를 포함하며, 상기 프라이머 물질은 에폭시 수지 또는 수성 에폭시 분산물이고, 상기 경화제는 유기 과산화물 또는 황-기반 경화제이고, 상기 강화 섬유는 탄소 섬유이며, 상기 고분자전해질은 말레화 폴리부타디엔 고분자전해질인 동력 전달 벨트.
  14. 삭제
  15. 물, 에폭시 수지, 말레화 폴리부타디엔 고분자전해질, 및 경화제를 포함하며, 상기 경화제는 유기 과산화물 또는 황-기반 경화제인 탄소 섬유용 수성 접착제 조성물로서, 상기 수성 접착제 조성물은 동력 전달 벨트용인 수성 접착제 조성물.
  16. 제15항에 있어서, 에폭시 수지는 비스페놀 A 에폭시 수지인 수성 접착제 조성물.
  17. 제16항에 있어서, 경화제가 유기 과산화물 경화제인 수성 접착제 조성물.
  18. 제17항에 있어서, 고분자전해질이 1몰% 내지 15몰%의 중화된 말레이트기를 포함하는 수성 접착제 조성물.
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