KR20070069525A - 승용차용 래디얼 타이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카카스부에 가교 처리된 PVA 섬유를 사용한 승용차용 래디얼 타이어에 관한 것으로, 본 발명에 의한 승용차용 래디얼 안전 타이어는 종래의 레이온 코드를 카카스부 보강재로 이용한 승용차용 래디얼 타이어에 비하여 경량화가 가능하며 공기압이 부족한 상태에서의 주행 내구성이 개선된 것이다.

래디얼 타이어, 카카스부, 가교처리, 고강도 PVA 코드, 주행내구성.

Description

승용차용 래디얼 타이어{Radial tire of passenger car}

본 발명은 고강도 PVA 코드를 카카스 보강재로 이용한 승용차용 래디얼 타이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 승용차용 안전 타이어의 카카스부에 PVA 코드를 적용함으로써, 종래 승용차용 안전 타이어보다 경량화가 가능하며 주행 내구성이 개선되도록 할 것이다.

종래의 승용차용 래디얼 안전 타이어는 레이온, 스틸코드 등의 코드로 고무를 보강한 카카스 플라이로 이루어져 있다. 또한 타이어가 림에서 벗어나는 것을 막고 안정성을 유지하기 위한 비드와이어가 타이어와 림의 접촉부분에 보강되어 있으며, 이 비드와이어는 카카스 플라이를 고정시키는 역할도 하게 된다.

또한, 공기압이 상실되어 타이어의 사이드월 부위가 주저 앉아 주행성능을 유지하지 못하는 것을 막기 위하여 사이드월이 두껍게 제작되어 있으며, 일반적인 승용차용 타이어 대비 1~2장의 카카스 플라이가 추가로 보강되어 사이드월을 지지하는 구조로 되어 있다.

사이드월 고무가 두껍게 보강되어 있기 때문에 발생하는 문제점은, 타이어의무게가 증가된다는 점과, 타이어 무게 증가에 따른 회전 저항과 발열의 증가가 있 으며, 타이어 성능 이외의 문제로는 사이드월 고무 두께 증가에 따라 승차감의 저하가 발생한다는 문제점이 있다.

타이어의 무게가 증가되는 경우 발열이 증가되어 내열성이 우수한 타이어 코드가 필요하게 되는데, 이러한 특성을 만족하는 소재는 기존의 레이온과 스틸 코드 등이 있다. 레이온의 경우, 내열성은 만족할만 하나, 강도가 낮기 때문에, 사용량이 증가되어 전체적인 가격 상승과 함께 타이어 무게의 증가가 수반되는 문제점이 있으며, 스틸코드를 사용하는 경우에는 코드의 경도가 높기 때문에 승차감이 저하되는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 아라미드 코드를 사용하는 경우도 있으나, 아라미드 코드를 사용하게 되는 경우에는 타이어 코드의 신장성이 부족하게 되어, 전체적인 피로 수명의 감소를 가져오게 되는 것이 일반적이다.

즉, 타이어의 공기압이 부족하지 않은 상태에서의 타이어 성능을 만족하기 위해서는 고강도, 내열성이 우수한 코드가 필요하며, 타이어의 공기압이 부족한 상태에서의 주행 내구성을 유지하기 위해서는 고강도, 내피로성, 내열성이 우수한 타이어 코드 소재가 필수적이라 할 수 있다.

또한 타이어 성능 측면에서 보면, 공기압이 있는 상태에서의 승차감, 연비 문제를 해결하여야 하며, 공기압이 부족한 상태에서는 발열과 내피로성 문제를 해결하는 것이 가장 중요한 측면이라 할 수 있다.

이에 본 발명은 상기에 제시된 문제점을 해결하기 위한 것으로, 승용차용 안전 타이어의 카카스부에 PVA 코드를 적용함으로써, 종래 승용차용 안전 타이어보다 경량화가 가능하며 주행 내구성이 개선된 승용차용 래디얼 타이어를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 공정들을 거쳐 제조한 승용차용 래디얼 안전 타이어를 제공한다. 본 발명에서 제공하는 승용차용 래디얼 안전 타이어를 제조하기 위한 전단계로, 폴리비닐알콜 딥코드를 제조하며, 이를 제조하기 위한 전단계로서, 폴리비닐알콜 멀티필라멘트의 제조를 다음과 같은 공정을 이용하여 각각 제조한다.

이하에서 본 발명의 폴리비닐알콜 딥코드의 제조에 사용되는 폴리비닐알콜 섬유의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

폴리비닐알콜은 중합도는 1,500∼7,000 정도의 것이 사용되며, 바람직하게는 중합도 1,700∼3,000의 고중합도 폴리비닐알콜이 효과적이다. 중합도가 1,500 미만에서는 섬유형성이 어렵고 7,000 초과하면 점도가 너무 높아서 방사 공정성이 떨어진다.

산업용 소재 분야에서 대부분 사용되는 고강도용 폴리비닐알콜 섬유는 내열수성이 필요하기 때문에 검화도 97.0mol% 이상의 폴리비닐알콜이 사용된다. 폴리비닐알콜을 용해하기 위한 유기용매로서는 에틸렌글리콜, 글리세린 및 디메틸설폭사이드(DMSO)가 사용가능하지만 폴리비닐알콜에 대한 용해력이 가장 우수한 DMSO가 적절하다. 이러한 DMSO는 수분함량이 수십 ppm 이하로 정제하여 사용하는 것이 바람직하다.

DMSO에 혼합되는 메틸알콜은 5∼40볼륨% 정도가 사용되며 바람직하게는 10∼20볼륨%가 효과적이다. 용매중 메틸알콜의 함량이 5볼륨% 미만인 경우 폴리비닐알콜 방사 도우프(Dope)가 응고되어 겔방사가 불가능하며 40볼륨% 초과이면 방사 도우프가 응결은 되지만 전체적인 겔이 백탁을 형성하여 균일한 겔을 형성하지는 못한다. 폴리비닐알콜 도우프는 점도가 50∼4,000Poise 범위가 되도록 농도를 조절하는 것이 바람직하지만 우수한 물성을 얻기 위해서는 500∼3,000Poise가 효과적이다. 점도가 500 미만에서는 섬유형성이 어렵고 3,000을 초과하면 섬유방사성이 떨어진다.

응고조는 -30∼30℃ 온도에서 방사가 가능하지만 균일한 겔 형성을 위해서는 -10∼10℃ 가 효과적이다. 응고조 온도가 -30℃ 보다 낮으면 용매 중 메틸알콜 함량이 30%이 혼합함유 되어야 하므로 폴리비닐알콜 용해력이 저하되어 균일한 폴리비닐알콜 방사 도우프 제조가 불가능하게 된다. 응고조 온도가 30℃ 보다 높으면 겔 형성이 불가능하여 방사성이 떨어진다.

폴리비닐알콜 섬유의 제조방법은 건식법, 습식법 및 두 방법을 혼합한 건습식법이 있지만 고배율 연신공정이 필요한 고강도 폴리비닐알콜 섬유제조법에서는 건습식법이 효과적이다. 폴리비닐알콜 필라멘트의 제조를 위하여 건습식법에서 에어갭(Air-gap)은 10∼300mm가 가능하지만 고배율의 열연신을 위하여 20∼100mm의 좁은 에어갭이 바람직하다. 에어갭이 20mm 미만에서는 작업성이 떨어진다. 반면에 100mm 초과하면 겔화도에 비하여 결정화도가 더 크기 때문에 고배율 열연신이 불가능하고, 노즐 단면에서 섬유간 융착이 발생하므로 생산성이 저하된다.

고강도 폴리비닐알콜 섬유의 제조방법에서의 연신공정은 고강도 및 내열수성 향상을 위하여 매우 중요하다. 연신공정의 가열방식은 열풍가열식과 롤러가열식이 있지만 롤러가열식에서는 필라멘트가 롤러면과 접촉하여 섬유 표면이 손상되기 쉽기 때문에 고강도 폴리비닐알콜 섬유제조에는 열풍가열식이 더 효과적이다. 140∼250℃의 온도에서 가열이 가능하지만 바람직하게는 160∼230℃가 적당하다. 가열온도가 140℃ 미만에서는 분자사슬이 충분히 거동하지 않기 때문에 고배율 열연신이 불가능하며 250℃ 초과이면 폴리비닐알콜이 분해되기 쉽기 때문에 물성 저하를 가져온다.

다음으로 산업용 소재들 중 타이어코드로 사용되는 폴리비닐알콜 섬유는 높은 강력과 내피로성이 요구되며 이를 위하여 폴리비닐알콜 연신사를 연사하여 생코드를 제조한다. 일반적인 합성섬유 연사공정에서 연수가 증가하면 강력은 저하되지만 내피로성은 향상되는 경향을 지닌다. 따라서 사용 목적에 따라서 적정 연수를 선정하는 작업은 매우 중요하다. 예를 들어 타이어 카카스 보강층 부분에 사용되는 타이어코드는 1000d/2p~2000d/2p를 300∼500TPM(꼬임수/M)으로 하연 및 상연의 연수를 부여하여 사용된다.(※ p=ply)

연사된 폴리비닐알콜 생코드에 내열수성 및 내피로성을 향상시키기 위해서 가교제를 부여하여 반응시킨다. 고배율로 연신된 폴리비닐알콜 섬유의 비결정 영역에만 가교제가 침투하기 위하여 방향족 알데히드를 사용한다.

본 발명에서 사용한 바람직한 방향족 알데히드 화합물은 테레프탈 디카르복살데히드(TDA)이다. 가교화합물은 섬유에 대하여 0.1∼5wt%의 농도가 사용되지만 0.5∼2.0wt% 범위가 선호된다. 가교화합물이 0.1wt% 미만인 경우 내피로성은 향상되지만 내열수성이 130℃ 이하로서 충분하지 않고 5.0wt% 초과이면 강력 저하가 커서 고강력 타이어코드로서의 사용은 어렵게 된다.

가교화합물을 폴리비닐알콜의 OH기와 반응시키기 위해서는 가교화합물 수용액에 산촉매가 필요하다. 산촉매로서 황산 또는 초산 등의 산이 사용 가능하지만 반응속도 조절 및 안정성을 고려하여 초산이 선호된다. 산촉매 농도는 가교화합물 수용액에 대하여 5 내지 30wt%인 것이 바람직한데 이는 5wt% 미만이면 가교화 반응속도가 너무 느리게 진행되고, 30wt% 초과하여 사용하면 반응 후에 수세공정에서 제거가 어렵다.

본 발명에서는 생코드를 방향족 알데히드 화합물와 산 촉매를 포함하는 가교 수용액에 알콜을 첨가하여 가교반응시킨다. 가교액에 알콜을 첨가함으로서 가교 반응 후 강력저하를 상당 수준으로 방지할 수 있다.

본 발명에서 가교 수용액에 첨가되는 바람직한 알콜류로서는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 등이 있으며 이중 메탄올이 더욱 바람직하다. 첨가되는 알콜은 가교 수용액에 대하여 1 내지 30 wt% 범위가 선호된다. 1wt% 미만인 경우 가교화 반응시 강력 저하가 커서 고강력 타이어코드로서의 사용이 어렵게 되고, 30wt% 초과하면 비용면에서 불리하고 또한 가교화 반응이 너무 느리게 진행된다.

본 발명에서는 폴리비닐알콜 연신사를 2본 또는 3본으로 합사하여 보빈에 권취된 생코드를 제조한 후, 상기 보빈에 권취된 생코드를 가교액에 침지시켜 가교화 반응을 진행시키는 것이 바람직하다. 이는 섬유 내부에 가교액이 존재하면 섬유의 유연성이 저하되어 연사공정에서 강력이용률이 급격히 저하된다.

결정성이 높은 폴리비닐알콜 섬유의 비결정 영역에 가교화합물을 침투시키기 위하여 반응액의 온도를 50℃ 이상으로 하여 가교화합물의 활성도를 높이는 방법이 사용되었으며, 반응 용기를 가압하여 사용하였다. 또한 가교반응 시간은 가교화합물 및 조건에 따라서 상이하지만 30분 이상이 효과적이지만 너무 과도한 시간 동안 가교반응을 시켰을 경우 강력 저하가 크게 된다.

가교 처리된 폴리비닐알콜 생코드는 세정 및 건조하여 고무와의 접착성을 향상시키기 위해서 RFL(Resorcinol- Formaline-Latex)액을 부착(이하, 딥핑이라 칭한다)하여 건조 및 열처리를 실시한다. 딥핑 공정을 보다 상세히 설명하면, 딥핑은 섬유의 표면에 RFL이라 불리는 수지층을 부착시켜 줌으로써 달성되는데 원래 고무와의 접착성이 떨어지는 타이어 코드용 섬유의 단점을 개선하기 위하여 실시된다.

본 발명에서 폴리비닐알콜 생코드와 고무의 접착을 위한 접착액은 예로서 아래와 같은 방법을 이용하여 조제되어 사용되어질 수 있다. 아래에 기재된 예가 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

29.4wt% 레소시놀 45.6 중량부

순수 255.5 중량부

37% 포르말린 20 중량부

10wt%수산화나트륨 3.8 중량부

상기액을 조제 후, 25도에서 5시간 교반시키며 반응한 후, 다음의 성분을 추 가한다.

40wt% VP-라텍스 300 중량부

순수 129 중량부

28% 암모니아수 23.8 중량부

상기 성분 첨가 후 25도에서 20시간 숙성하여 고형분 농도가 19.05%가 되도록 한다.

FL 부착시 RFL액이 내부까지 깊게 침투하는 것을 피하기 위해서 RFL액 부착시 0.5 내지 3%의 스트레치를 부여하며 RFL액 부착율(이하, DPU라 한다)은 3.0 내지 9.0wt%로 한다. 0.5% 미만 스트레치에서는 DPU가 9wt%보다 많게 과량으로 되어 단섬유 내부까지 깊게 침투하여 내피로성을 저하시킨다. 또한 3% 초과하면 생코드에 과도한 장력이 걸려 생코드에 손상을 초래한다. 열처리는 170 내지 230℃ 에서 실시되어야 하며, 특히 비결정 부분의 폴리비닐알콜 분자 움직임이 가장 좋은 200 내지 220℃ 에서 실시하는 것이 더욱 좋다. 이때 섬유에 부여되는 장력을 최소화하여 분자움직임을 최대한 허용함으로써 열처리 효과를 극대화시킴으로써 고강력 폴리비닐알콜 딥코드 제조가 가능해진다. 생코드를 딥핑액에 침지한 다음 이루어지는 열처리 공정에서 스트레치율을 0 내지 -5%로 하는 것이 중요하다. 열처리에서 스트레치가 0% 초과이면 딥코드 신도가 낮기 때문에 내피로도가 60% 이하가 되어서 높은 내피로성을 요구하는 타이어코드에 사용할 경우 코드 절단 또는 이탈현상이 발생된다. 반면에 -5% 보다 적으면 과도한 분자 움직임에 의해서 섬유 축과 수직인 방향으로 재결정이 발생되어 강력 저하가 발생된다. 앞선 가교처리 단계에서 세척 이 안된 가교제가 섬유 내부에 잔존할 경우 불순물로 작용되므로 200℃ 이상에서 열처리함으로써 잔존 가교제를 반응 또는 휘발시키므로서 가교효율성을 더욱 향상시킬 수 있다.

전술한 방법에 따라 제조된 폴리 비닐알콜 딥코드는 접착력이 10kg 이상, 바람직하게는 H-test 기준으로 12 내지 20 kg, 총 데니어가 1000 내지 6000데이어로서, 절단하중이 10.0 내지 65.0kg의 범위인 바, 승용차용 안전 타이어의 카카스 코드로서 유용하게 사용될 수 있다.

상기 제조된 딥코드를 카카스 보강층으로 이용하여 본 발명에서는 승용차용 래디얼 안전 타이어를 제조하였다.

[실시예 및 비교예]

[실시예 1]

폴리비닐알콜은 검화도 및 중합도가 각각 99.9mol%, 2,000인 파우더형태를 사용하였으며 메틸알콜과 DMSO는 수분함량이 100ppm 이하의 정제된 용매를 사용하였다. 용매 중 메틸알콜의 함량이 5볼륨%되도록 DMSO와 메틸알콜을 혼합하여 혼합용매를 제조하였으며 폴리비닐알콜방사 도우프에 대하여 22wt%가 되도록 폴리비닐알콜을 용해하였다. 그런 후 겔방사를 이용한 건습식 방사법에 의해서 폴리비닐알콜 섬유를 제조하였다. 이때 노즐 홀수 및 홀 직경은 각각 500개 및 0.5mm 이며 L/D가 5인 원형 노즐을 사용하였다. 에어갭(Air-gap)은 50mm이며 응고욕 내 용매는 메탄올을 사용하였다.

이때 응고욕은 용매/메탄올 혼합비율 20/80, 온도 0℃의 조건을 유지하였다. 추출 조를 통과한 후 폴리비닐알콜 섬유에는 용매인 DMSO가 없어야 한다. 만약 필라멘트 내에 용매가 잔류하면 고온의 열연신 공정에서 변색하여 최종 필라멘트의 물성 저하의 주요 원인이 된다. 열연신은 2단계 열풍가열식을 사용하였으며 열풍가열온도는 1단계 200℃, 2단계 220℃ 로서 총연신배율은 13.5배가 되도록 하였다. 결과적으로 강도 13.5g/d, 신도 8.0%인 고강도 폴리비닐알콜 섬유가 제조된다. 이와 같은 연신사를 하연과 상연 각각 360/360tpm이 되도록 꼬임을 주어서 코드사(1260d/2p)를 제조한다. 제조된 생코드 강력은 24kgf 이었다. 보빈에 권취돤 생코드를 생코드를 방향족 알데히드 화합물와 산 촉매를 포함하는 가교 수용액에 알콜을 첨가하여 가교반응시킨다 가교처리는 방향족 알데하이드 화합물 2wt%와 초산 10wt%을 물에 용해한 가교 수용액을 제조 후, 상기 가교 수용액에 추가로 메탄올을 10wt% 첨가시킨 후, 보빈에 권취된 상태의 생코드를 70 에서 1시간 동안 침지시켜 반응 후 물로 세척한다. 이어서 통상의 방법으로 딥핑 처리 하여서 딥코드를 제조하였다.

상기 제조된 폴리비닐알콜 딥코드를 카카스 보강층에 설치하여 승용차용 타이어를 제작하였다. 이때 카카스 보강층에 사용된 딥코드의 사양은 다음의 표1에 나타낸 바와 같이 하였다. 타이어 코드지의 양면에 접착용 고무를 0.4mm 두께로 입히는 압연 공정을 거친 후, 타이어 코드에 수직방향으로 코드지를 절단하여 타이어 성형에 이용하였다.타이어 코드의 배열 각도는 타이어의 원주 방향 중간 면에 대하여 90도 각도로 배향하였다. 타이어의 사이즈는 235/45R17 97Y의 규격을 가지는 타이어였으며, 보강 코드지의 EPI는26 EPI , carcass ply는 3층으로 하여 타이어를 제조하였다. 가류 시간은 170℃ 20분으로 하였다.

(※ EPI ; Each Per Inch)

[비교예 1]

비교를 위하여 상기 실시예 1와 동일한 타이어를 가교처리를 하지 않은 PVA 섬유 코드를 이용하여 제조하였다. 타이어 규격, 타이어 코드 규격 및 접착처리 등은 실시예 1과 동일하게 하였으며, 가교처리 공정이 생략된 것만 달리하여 타이어 제조를 하였다. 사용된 코드의 물성은 표 1에 보인다.

[비교예 2]

타이어 제작을 위한 전단계로 레이몬(Rayon) 코드 1650denier/2ply 를 제조하였다. 코드의 꼬임은 470tpm/470tpm 이었으며, 통상의 1욕 RFL처리를이용하여 접착 처리하였다. EPI는 30으로 하여 코드지가 제조되었으며, 이렇게 제조된 딥코드를 이용하여 실시예 1과 동일한 사양의 승용차용 안전 타이어를 제조하였다. 가류 온도는 170℃ 20분 이었다.

상기 실시예와 비교예에 따른 타이어의 내구성 차이를 다음 표 2에 보인다. 타이어 저속 내구 시험은 FMVSS109 규정에 따라 실시하였으며, 고속 내구 시험은 ECER30 high speed endurance 규정에 맞추어 실시되었다. 공기압 상실시 주행 시간은 타이어의 공기압을 0인 상태로 놓고 운전자만 차량에 올라 탄 상태에서 시속 80km 로 주행 시험을 실시하여 타이어의 파괴로 인한 주행 불능 상태가 될 때까지의 주행 거리를 측정하였다. 차량의 공차 중량은 1550Kg 이었다.

[비교예3]

비교를 위하여 실시예 1과 동일한 가교처리를 실시한 PVA 섬유를 이용하여 타이어 를 제조하였다. 모든 사양이 실시예 1과 동일하였으나, 꼬임수를 250tpm으로 하여 상연/하연을 부여한 후 가교처리를 실시하였다. 자세한 물성은 표 1에 보인다.

[비교예4]

비교를 위하여 실시예 1과 동일한 타이어 코드를 이용하여 승용차용 안전 타이어를 제조하였다. 실시예 1에서 3장의 타이어 코드지를 카카스부에 사용한 것과 달리, 1장의 타이어 코드지만 사용하여 타이어를 제조하였다. 상세한 사양은 표 1에 보인 바와 같다.

표 1 코드 물성 / 타이어 사양 비교

(※PVA ; 폴리비닐알콜)

표 2 타이어 성능 비교

이상과 같이 살펴본 바, 본 발명에 따르면 승용차용 래디얼 타이어의 카카스부에 가교처리된 고강도 PVA 코드를 사용함으로써 종래의 레이온 코드를 카카스부 보강재로 이용한 승용차용 래디얼 안전 타이어에 비하여 경량화가 가능하며 공기압이 부족한 상태에서의 주행 내구성이 개선된 것을 알 수 있다.

Claims (3)

1. 래디얼 타이어의 카카스부가 폴리비닐알콜(PVA) 섬유코드로 보강된 것에 있어서, 상기 PVA 섬유코드는 가교제로 가교처리 된 것임을 특징으로 하는 승용차용 래디얼 타이어.
2. 제 1항에서, PVA 섬유코드는 총 섬도가 2000~6000 데니어이고 꼬임수(상, 하연)가 300~500tpm이며, 그 딥코드지는 밀도가 20~30EPI이고 카카스부에 2장 이상 사용함을 특징으로 하는 승용차용 래디얼 타이어.
3. 제 1항에서, 가교제는 방향족 알데히드 화합물(예테레프탈디카르복살데히드)에 무기산과 알콜을 첨가시킨 것임을 특징으로 하는 승용차용 래디얼 타이어.