KR20080072895A - 고성능 폴리에틸렌 섬유를 함유하는 로프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 70:30 내지 98:2의 질량비로 고성능 폴리에틸렌 섬유와 폴리테트라플루오로에틸렌 섬유의 혼합물을 포함하는 복수의 스트랜드를 함유하는 로프에 관한 것이다. 상기 로프는 주기적인 벤드-오버-시브 적용에서 현저히 개선된 사용 수명 성능을 나타낸다. 또한, 본 발명은 벤드-오버-시브 적용에서 하중 지지 부제로서의 상기 로프의 용도에 관한 것이다.

Description

고성능 폴리에틸렌 섬유를 함유하는 로프{ROPE CONTAINING HIGH-PERFORMANCE POLYETHYLENE FIBRES}
본 발명은 고성능 폴리에틸렌 섬유를 포함하며 벤드-오버-시브(bend-over-sheave) 적용에 특히 적합한 로프에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 벤드-오버-시브 적용에서 하중 지지 부재로서의 상기 로프의 용도에 관한 것이다.
이러한 로프는 미국 특허 제 5901632 호에 공지되어 있다. 상기 특허문헌에는 직경이 큰 브레이디드(braided) 로프가 기술되어 있으며, 이 로프는 바람직하게는 고강도 중합체 섬유를 함유하는 로프 방적사(rope yarns)로 브레이딩된 복수의 스트랜드(strands)를 포함한다. 개시된 가장 바람직한 실시양태에서, 상기 로프는 12-스트랜드의 투-오버/투-언더 원형 브레이드(two-over/two-under circular braid)이며, 이때 각각의 스트랜드는 그 자체가 고성능 폴리에틸렌(HPPE) 섬유(12×12 구조)로 제조된 12-스트랜드 브레이드이다.
본원의 내용에서, 벤드-오버-시브 적용을 위한 로프는 리프팅(lifting) 및 계선(mooring) 적용, 예컨대 해상, 해양학, 해양 석유 및 가스, 지진, 상업적 어 업, 그리고 다른 산업 시장에서 전형적으로 사용되는 하중 지지 로프인 것으로 간주된다. 이와 같이 벤드-오버-시브 적용으로 불리는 용도에서, 로프는 종종 드럼(drums), 계주(bitts), 풀리(pulleys), 시브(sheaves) 등의 위에서 끌어 당겨지므로, 마찰 및 굽힘을 받는다. 이와 같은 빈번한 굽힘 또는 굴곡에 노출되면, 로프는 외부 및 내부 마모, 마찰열 등으로부터 발생된 로프 및 섬유 손상으로 인해 약해질 수 있으며, 이러한 피로 결함(fatigue failure)은 종종 굽힘 피로(bending fatigue) 또는 굴곡 피로(flex fatigue)로 불린다.
벤드-오버-시브 적용에서 로프의 굴곡 피로를 감소시키기 위해, 직경이 로프 직경의 8배 이상인 시브(또는 다른 표면)를 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다. 외부 마모로 인한 로프의 강도 손실을 줄이기 위해, 로프 또는 로프의 스트랜드에 덮개(jacket), 예컨대 직조 슬리브(sleeve) 또는 브레이디드 슬리브를 구비시키는 것이 공지되어 있다. 그러나, 이 덮개는 로프 직경 및 강성을 증가시키고 중량 및 비용을 부가시키지만, 로프의 하중 지지 능력에는 기여하지 않으며, 하중 지지 부재의 직접적인 시각적 검사도 불가능하다. 로프의 섬유들 사이의 내부 마모로 인한 강도 손실을 줄이기 위해, 특정한 중합체 섬유 혼합물을 로프 스트랜드에 적용하는 것이 미국 특허 제 6945153 B2 호에 제안되어 있다.
미국 특허 제 6945153 B2 호는 미국 특허 제 5901632 호와 유사한 구조의 브레이디드 로프를 개시하며, 이때 스트랜드는 HPPE 섬유와 유방성(lyotropic) 또는 열방성(thermotropic) 중합체 섬유의 혼합물을 40:60 내지 60:40의 비로 함유한다. 방향족 폴리아미드(아라미드) 또는 폴리비스옥사졸(PBO) 등의 유방성 또는 열방성 액정 섬유는 크리프 파단(creep rupture)에 대한 우수한 저항성을 제공하는 것으로 기재되어 있지만, 자가-마모에 매우 민감한 반면; HPPE 섬유는 최소한의 섬유간 마모를 나타내지만, 크리프 결함이 생기기 쉽다.
그러나, 공지된 로프의 결함은 빈번한 굽힘 또는 굴곡에 노출되면 사용 수명이 한정된다. 따라서, 장기간 동안 주기적인 벤드-오버-시브 적용에서 개선된 성능을 나타내는 로프를 산업에서 필요로 하고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시험 장치를 나타내고,
도 2는 본 발명에 따른 시험 표본을 나타내며,
도 3은 본 발명에 따른 시험 표본(28)을 나타낸다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 바와 같은 개선된 성능을 나타내는 로프를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 이러한 목적은 전체 로프에 대해 70:30 내지 98:2의 질량비로 HPPE 섬유와 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 섬유의 혼합물을 포함하는 복수의 스트랜드를 함유하는 로프에 의해 달성된다.
놀랍게도, 최적 특성을 가진 로프가 얻어진다. 로프는 개선된 굴곡 피로를 나타내며 또한 고 강성 및 고 강도를 갖는다.
본 발명에 따른 로프가 주기적인 벤드-오버-시브 적용에서 현저히 개선된 사용 수명 성능을 갖는다는 것은 놀라운 사실인데, 이는 PTFE 자체가 다른 특성 중에서 그의 윤활 특성에 대해 공지되어 있지만, 예컨대 미국 특허 제 6945153 호에는 HPPE 방적사가 로프에서 가장 우수한 마모 성능을 나타내는 것으로 이미 명확히 기재되어 있기 때문이다.
본 발명에 따른 로프의 다른 이점은 사용되는 동안 예컨대, 스트랜드간 및/또는 섬유간 마찰로 인한 열 발생이 적으므로 HPPE 섬유가 크리프 신장을 나타낼 위험이 낮아진다는 점이다. 따라서, 많은 양의 HPPE 섬유를 포함하는 로프는, 적절하게 디자인되고 사용되는 한, 예컨대 (최대 디자인 용량에 대한) 과다하중(overloading) 상황을 방지함으로써 장기간 사용 시 안전하게 사용될 수 있다. 로프는 고 강도 효율을 가지며, 이는 로프의 강도가 그의 구성 섬유의 강도에 비해 상대적으로 높다는 것을 의미한다. 또한, 로프는 견인 및 저장 윈치(winches)에 대한 양호한 성능을 나타내며, 가능한 손상에 대해 용이하게 검사될 수 있다.
따라서, 본 발명은, 벤드-오버-시브 적용, 예컨대 호이스트(hoisting) 적용에서 하중 지지 부재로서의, 본 명세서에서 더욱 상세하게 기술된 구조 및 조성을 갖는 로프의 용도에 관한 것이다.
본 발명에 따른 로프는 레이드(laid) 로프, 브레이디드 로프, (커버와) 평행한 로프 및 와이어 로프-유사 구조의 로프를 비롯한 다양한 구조를 가질 수 있다. 또한, 로프 내의 스트랜드의 개수는 광범위하게 변경될 수 있지만, 양호한 성능 및 제조의 용이성을 겸비하기 위해 일반적으로 3개 이상, 바람직하게는 16개 이상이다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 로프는 사용되는 동안 일체성을 유지하는 강한 토크-균형잡인 로프를 제공하기 위해 브레이디드 구조를 갖는다. 공지된 다양한 브레이디드 타입이 있고, 이들 각각은 로프를 형성하는 방법에 의해 일반적으로 구별된다. 적절한 구조로는 슈태치 브레이드(soutache braids), 튜브형 브레이드(tubular braids) 및 평면형 브레이드(flat braids)가 있다. 튜브형 또는 원형 브레이드는 로프에 적용되는 가장 통상적인 브레이드이며, 일반적으로 가능한 상이한 패턴으로 서로 엮인 2 셋트의 스트랜드로 이루어진다. 튜브형 브레이드 내의 스트랜드의 개수는 광범위하게 달라질 수 있다. 특히, 스트랜드의 개수가 많고/많거나 스트랜드가 비교적 얇으면, 튜브형 브레이드는 중공형 코어를 가질 수 있고, 상기 브레이드는 타원 형상으로 붕괴될 수 있다. 이것이 바람직하지 않은 경우, 브레이드는 다양한 중합체 섬유, 바람직하게는 HPPE 섬유로 제조된 로프일 수 있는 코어 부재를 포함할 수 있으며, 이러한 브레이드는 사용되는 동안 그의 형상을 더욱 잘 유지할 것이다.
본 발명에 따른 브레이디드 로프 내의 스트랜드의 개수는 3개 이상이다. 스트랜드의 개수가 증가할수록, 로프의 강도 효율이 낮아지는 경향이 있다. 따라서, 스트랜드의 개수는 브레이딩 타입에 따라 바람직하게는 16개 이상이다. 8 또는 12-스트랜드 브레이디드 구조를 갖는 로프가 특히 적합하다. 이러한 로프는 강성(tenacity)과 굴곡 피로에 대한 저항성의 유리한 조합을 제공하며, 비교적 단순한 기계에서 경제적으로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 로프는 꼬임 계수(twist factor)[레이드 구조에서의 미터(meter) 당 회전 수) 또는 브레이딩 주기(즉, 브레이디드 로프의 폭에 대한 피치 길이)가 특별히 중요하지 않은 구조를 가질 수 있다. 적절한 브레이딩 주기는 4 내지 20의 범위에 있다. 보다 높은 브레이딩 주기는 보다 높은 강도 효율을 갖는 보다 느슨한 로프를 초래할 수 있지만, 덜 강하고 꼬아 잇기가 더욱 어렵다. 너무 낮은 브레이딩 주기는 강성을 훨씬 더 감소시킬 것이다. 따라서, 바람직하게는 브레이딩 주기는 약 5 내지 15, 보다 바람직하게는 6 내지 10이다.
본 발명에 따른 로프는 광범위한 한계 사이에서 달라지는 직경을 가질 수 있다. 바람직하게는, 로프는 2 mm 이상, 보다 바람직하게는 5 mm 이상, 훨씬 더 바람직하게는 10 mm 이상의 직경을 갖는다. 직경이 보다 작은, 예컨대, 직경이 2 내지 20 m인 로프는 전형적으로 자동차 도어 윈도우 리프팅 기구와 같은 기계 장치에서 코드로서 사용된다. 가장 바람직하게는, 로프는 20 mm 이상의 큰 직경을 갖는다. 타원형의 단면을 갖는 로프의 경우, 둥근 로프의 크기를 동등한 직경, 즉 둥글지 않은 로프와 동일한 길이 당 질량을 갖는 둥근 로프의 직경으로 한정하는 것이 보다 정확하다. 로프의 직경은 로프의 최외측 원주에서 측정된다. 이것은 스트랜드에 의해 형성된 불규칙적인 로프 경계 때문이다. 바람직하게는, 로프가 커질수록 본 발명의 이점이 더 의미가 있으므로, 본 발명에 따른 로프는 30 mm 이상, 보다 바람직하게는 40, 50, 60 또는 심지어 70 mm 이상의 동등한 직경을 갖는 내구성이 강한 로프이다. 공지된 가장 큰 로프는 약 300 mm 이하의 직경을 가지며, 심해 설치에 사용되는 로프는 전형적으로 약 130 mm 이하의 직경을 갖는다.
본 발명에 따른 로프는 대략 원형 또는 둥근 단면을 가질 수 있지만, 타원형 단면도 가질 수 있으며, 이것은 팽팽해진 로프의 단면이 (주 스트랜드의 개수에 따라서) 평면형, 타원형 또는 심지어 직사각형을 나타냄을 의미한다. 이러한 타원형 단면은 바람직하게는 1.2 내지 4.0의 편평비(aspect ratio), 즉 보다 작은 직경에 대한 보다 큰 직경의 비(또는 높이에 대한 폭의 비)를 갖는다. 편평비를 결정하는 방법은 당업자에 공지되어 있으며, 일례는 로프를 팽팽하게 유지하는 동안 또는 로프 주위에 접착 테이프를 단단히 둥글게 말은 후에, 로프의 외측 치수를 측정하는 단계를 포함한다. 상기 편평비의 이점은 주기적으로 굴곡이 일어나는 동안 로프 내의 필라멘트들 사이에서 응력 차가 적게 발생하고 마모 및 마찰 열이 적게 발생하므로, 굽힘 피로 수명이 증가된다는 점이다. 단면은 약 1.3 내지 3.0, 보다 바람직하게는 약 1.4 내지 2.0의 편평비를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 로프에 있어서, 주 스트랜드(primary strands)로도 불리는 스트랜드의 구조는 특별히 중요하지 않다. 당업자라면 균형 잡혀있고 토크가 없는 로프를 얻기 위해 레이드 또는 브레이디드 스트랜드 등의 적절한 구조, 및 꼬임 계수 또는 편조 주기를 선택할 수 있다.
본 발명의 특정 실시양태에 있어서, 각각의 주 스트랜드는 그 자체가 브레이디드 로프이다. 바람직하게는, 스트랜드는 중합체 섬유를 포함하는 짝수의 부 스트랜드(secondary strands)(로프 방적사로도 부름)로 제조된 원형 브레이드이다. 부 스트랜드의 개수는 한정되지 않으며, 예컨대 6 내지 32일 수 있고, 이와 같은 브레이드를 제조하기 위해 이용가능한 기계를 참작하면 8, 12 또는 16이 바람직하다. 당업자라면 그의 지식에 근거하여 또는 몇 가지 연산 또는 실험을 이용하여 로프의 원하는 최종 구조 및 크기와 관련하여 로프의 구조 타입 및 스트랜드의 타이터(titer)를 선택할 수 있다.
중합체 섬유를 포함하는 부 스트랜드 또는 로프 방적사는 원하는 로프에 따라 다양한 구조를 가질 수 있다. 적절한 구조로는 꼬인 섬유가 있지만, 원형 브레이드와 같은 브레이디드 로프 또는 코드도 사용될 수 있다. 적절한 구조는 예컨대, 미국 특허 제 5901632 호에 언급되어 있다.
본 발명의 내용에서, 섬유는 폭 및 두께보다 훨씬 더 큰 길이 치수를 갖는 무한정한 길이의 신장된 본체를 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 용어 “섬유”는 모노필라멘트(monofilament), 멀티필라멘트 방적사(multifilament yan), 리본(ribbon), 스트립(strip) 또는 테이프(tape) 등을 포함하며, 규칙적 또는 불규칙적인 단면을 가질 수 있다. 또한, 용어 “섬유”는 상기한 것 중의 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함한다.
모노필라멘트 또는 테이프-유사 섬유의 형태를 갖는 섬유는 변경되는 타이터를 가질 수 있지만, 일반적으로 10 내지 수천 dtex의 범위, 바람직하게는 100 내지 2500 dtex, 보다 바람직하게는 200 내지 2000 dtex의 범위 내의 타이터를 가질 수 있다. 멀티필라멘트 방적사는 전형적으로 0.2 내지 25 dtex 범위, 바람직하게는 약 0.5 내지 20 dtex 범위 내에 있는 타이터를 갖는 복수의 필라멘트를 함유한다. 멀티필라멘트 방적의 타이터는 예컨대, 50 내지 수천 dtex로 광범위하게 달라질 수 있지만, 약 200 내지 4000 dtex, 보다 바람직하게는 300 내지 3000 dtex이다.
본 발명에 따른 로프는 HPPE 섬유를 포함하는 복수의 스트랜드를 함유한다. 본원에서, HPPE 섬유는 초고분자 질량 폴리에틸렌[초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)으로도 부름]으로 제조된 섬유인 것으로 이해되며, 2.0 N/tex 이상, 바람직하게는 2.5 N/tex 이상 또는 3.0 N/tex 이상의 강성을 갖는다. 섬유의 인장 강도(또는 단순하게 강도) 또는 강성은 ASTM D885-85 또는 D2256-97에 근거하여 공지된 방법에 의해 결정된다. 로프 내의 HPPE 섬유의 강도의 상한에 대한 근거는 없지만, 이용가능한 섬유는 전형적으로 약 5 내지 6 N/tex 이상의 강도를 갖는다. 또한, HPPE 섬유는 75 N/tex 이상, 바람직하게는 100 N/tex 이상 또는 125 N/tex 이상의 높은 인장율을 갖는다. 또한, HPPE 섬유는 고 인장율 폴리에틸렌 섬유로도 불린다.
바람직한 실시양태에 있어서, 본 발명에 따른 로프 내의 HPPE 섬유는 하나 이상의 멀티필라멘트 방적사이다.
HPPE 섬유, 필라멘트 및 멀티필라멘트 방적사는 용매를 부분적으로 또는 완전히 제거하기 전에, 제거하는 동안 및/또는 제거한 후에 적절한 용매 중의 UHMWPE 용액을 겔 섬유로 방적하고 섬유를 뽑아냄으로써, 즉 소위 겔 방적 공정(gel-spinning process)을 통해 제조할 수 있다. UHMWPE 용액의 겔 방적은 당업자에 잘 공지되어 있으며, 다수의 공개문헌, 즉 유럽 특허 제 EP 0205960 A 호 및 제 EP 0213208 A1 호, 미국 특허 제 US 4413110 호, 영국 특허 제 GB 2042414 A 호, 유럽 특허 제 EP 0200547 B1 호 및 EP 0472114 B1 호, 국제 특허 출원 공개 제 WO 01/73173 A1 호 및 문헌(Advanced Fiber Spinning Technology, Ed. T. Nakajima, Woodhead Publ. Ltd (1994), ISBN 1-855-73182-7) 및 이들에서 인용된 참고문헌에 기재되어 있다.
UHMWPE는 5 dl/g 이상, 바람직하게는 약 8 내지 40 dl/g의 고유 점도(intrinsic viscosity)[135℃ 데카린(decalin) 중의 용액에 대해 측정된 IV]를 갖는 폴리에틸렌인 것으로 이해된다. 고유 점도는 Mn 및 Mw 등의 실제 몰질량 변수보다 쉽게 결정될 수 있는 몰질량(분자량으로도 부름)에 대한 척도이다. IV와 Mw 간의 몇 가지 실험적인 관계가 있지만, 이러한 관계는 몰질량 분포에 따라 다르다. 수학식 Mw = 5.37 x 104 [IV]1.37 (유럽 특허 제 EP 0504954 A1 호 참조)에 기초할 때, 8 dl/g의 IV는 약 930 kg/mol의 Mw와 동등할 것이다. 바람직하게는, UHMWPE는 100게 탄소원자 당 1개 미만의 분지(branch), 바람직하게는 300개 탄소원자 당 1개 미만의 분지를 갖는 선형 폴리에틸렌이며, 분지 또는 측쇄(side chain) 또는 쇄 분지(chain brnace)는 통상 10개 이상의 탄소원자를 함유한다. 선형 폴리에틸렌은 프로필렌, 부텐, 펜텐, 4-메틸펜텐 또는 옥텐 등의 알켄과 같은 5 mol% 이하의 하나 이상의 공단량체(comonomers)를 더 함유할 수 있다.
바람직한 실시양태에 있어서, UHMWPE는 소량, 바람직하게는 1000개 탄소원자 당 0.2개 이상 또는 0.3개 이상의 매달려 있는 측기(side groups)와 같은 비교적 작은 기(group), 바람직하게는 C1-C4 알킬 기를 함유한다. 이와 같은 섬유는 고 강도와 내크리프성을 유리하게 겸비하고 있다. 그러나, 너무 큰 측기 또는 너무 많은 양의 측기는 섬유를 제조하는 공정에 부정적인 영향을 미친다. 이러한 이유로, UHMWPE는 메틸 또는 에틸 측기, 보다 바람직하게는 메틸 측기를 함유하는 것이 바람직하다. 측기의 양은 바람직하게는 1000개 탄소원자 당 20개 이하, 보다 바람직하게는 10개 이하, 5개 이하 또는 3개 이하이다.
본 발명에 따른 로프 내의 HPPE 섬유는 항산화제, 열 안정화제, 착색제, 유동 촉진제 등의 통상적인 첨가제를 소량, 일반적으로 5 질량% 미만, 바람직하게는 3 질량% 미만으로 더 함유할 수 있다. UHMWPE는 단일 중합체 등급일 수 있지만, 예컨대 IV 또는 몰질량 분포, 및/또는 공단량체 또는 측기의 종류 및 개수에서 상이한 2개 이상의 상이한 폴리에틸렌 등급의 혼합물일 수도 있다.
본 발명에 따른 로프는 HPPE와 PTFE 섬유의 혼합물을 포함하는 복수의 스트랜드를 함유한다. 본원에서, PTFE 섬유는 폴리테트라플루오로폴리에틸렌 중합체로 제조된 섬유인 것으로 이해된다. PTFE 섬유는 HPPE 섬유보다 상당히 낮은 강성을 가지며, 로프의 정적 강성에 효과적으로 기여하지 못한다. 그럼에도 불구하고, 취급하는 동안, HPPE 섬유와 혼합되는 동안 및/또는 로프를 제조하는 동안 섬유의 파단을 방지하기 위해, PTFE 섬유는 0.3 N/tex 이상, 바람직하게는 0.4 N/tex 이상 또는 0.5 N/tex 이상의 강성을 가지는 것이 바람직하다. PTFE 섬유의 강성의 상한에 대한 근거는 없지만, 이용가능한 섬유는 전형적으로 약 1 N/tex 이상의 강성을 갖는다. PTFE 섬유는 HPPE 섬유보다 높은 파단 시 연신율을 가진다.
PTFE 섬유의 특성 및 이러한 섬유를 제조하는 방법은 다수의 공개문헌, 즉 유럽 특허 제 EP 0648869 A1 호, 미국 특허 제 US 3655853 호, 제 US 3953566 호, 제 US 5061561 호, 제 US 6117547 호, 및 제 US 5686033 호에 개시되어 있다.
PTFE 중합체는 주요 단량체로서 테트라플루오로에틸렌으로 제조된 중합체인 것으로 이해된다. 바람직하게는, 상기 중합체는 4 몰% 미만, 보다 바람직하게는 2 또는 1 몰% 미만의 다른 단량체 예컨대, 에틸렌, 클로로트리플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌, 퍼플루오로프로필 비닐에테르를 함유한다. PTFE는 일반적으로 높은 용융점과 높은 결정성을 갖는, 몰질량이 매우 높은 중합체이므로, 상기 물질을 용융하는 것은 사실상 불가능하다. 또한, 용매 중에서의 상기 물질의 용융성은 매우 한정되어 있다. 따라서, PTFE 섬유는 전형적으로 PTFE의 용융점 미만의 온도에서 다른 구성물과 PTFE의 혼합물을 전구체 섬유, 예컨대 모노필라멘트, 테이프 또는 시트로 압출시킨 후, 승온에서 상기 생성물을 소결-유사 공정 단계 및/또는 후-스트레칭(post-stretching) 공정으로 처리함으로써 제조한다. 따라서, PTFE 섬유는 전형적으로 하나 이상의 모노필라멘트-유사 또는 테이프-유사 구조, 예컨대 방적사-유사 생성물로 꼬여진 몇몇 테이프-유사 구조의 형태를 갖는다. PTFE 섬유는 일반적으로 전구체 섬유를 제조하기 위해 적용된 공정 및 적용된 후-스트레칭 조건에 따라서 일정한 다공성을 갖는다. PTFE 섬유의 겉보기 밀도는 광범위하게 변경될 수 있고, 적절한 생성물은 약 1.2 내지 2.5 g/cm3의 범위에 있는 밀도를 갖는다.
본 발명에 따른 로프에 있어서, HPPE 섬유와 PTFE 섬유는 바람직하게는 로프의 스트랜드를 형성하는 로프 방적사를 형성하도록 조합된다. 본 발명에 따른 로프의 모든 주 스트랜드 및 부 스트랜드는 PTFE에 대한 HPPE의 대략 동일한 질량비로 HPPE와 PTFE를 함유하지만, 상기 비율은 상기 스트랜드에 대해 상이할 수도 있다(로프에 대한 총 평균 질량비는 표시된 범위 내에 있음). 한 실시양태에 있어서, PTFE 섬유는 구체적으로 다른 스트랜드와 직접 접촉하는 스트랜드의 로프 방적사 내에 존재하며, 이때 스트랜드 내에 숨겨진 로프 방적사는 본질적으로 HPPE로 이루어진다. 또한, 본 발명에 따른 로프는 HPPE 섬유와 PTFE 섬유를 포함하는 복수의 스트랜드와, HPPE 섬유, PTFE 섬유가 아닌 추가 섬유, 또는 HPPE 섬유와 추가 섬유의 혼합물로 이루어진 하나 이상의 추가 스트랜드를 함유할 수도 있다. 이러한 스트랜드는 로프의 코어인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 로프는 70:30 내지 98:2의 질량비로 HPPE 섬유와 PTFE 섬유의 혼합물을 포함하는 복수의 스트랜드를 함유한다. PTFE 섬유의 함량이 높아질수록, 윤활 작용이 스트랜드에 더 부가되며 로프가 빈번한 굴곡에 노출된 경우 사용 수명이 증가될 것이다. 바람직하게는, PTFE 섬유에 대한 HPPE 섬유의 질량비는 97:3 이하, 보다 바람직하게는 96:4, 95:5, 94:6, 93:7 또는 심지어 92:8 이하이다. 그러나, PTFE 섬유가 로프의 강도에 기여하지 않거나 거의 기여하지 않기 때문에, 그 양은 너무 높아지지 않아야 한다. 따라서, HPPE 섬유와 PTFE 섬유의 질량비는 74:26, 78:22, 80:20 또는 심지어 82:18 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 로프의 주 스트랜드는, 상기 섬유 혼합물 이외에 다른 섬유, 코팅물 등의 다른 성분을 더 함유할 수 있다. 바람직하게는, 스트랜드는 25 질량% 이하, 보다 바람직하게는 20 또는 15 질량% 이하의 다른 성분을 함유한다.
본 발명에 따른 로프는 주 스트랜드가 로프에 하중 지지 특성을 제공하는 주요 구성요소임을 의미한다. 로프는 당업자에게 공지된 바와 같이 성능을 더욱 상승시키거나 부가적인 특성을 제공하는 보조 성분들을 더 포함할 수 있다. 그 예로는, 예컨대 전도성 또는 광투과성을 갖는 몇 가지 보조 로프 스트랜드 또는 섬유가 있고, 상기 특성에서의 변화는 발생된 과하중 상황에 대한 표시제로서 기능할 수 있다. 또한, 로프는 임의의 통상적인 코팅(coating) 또는 사이징(sizing)을 더 포함할 수 있으며, 이러한 코팅은 로프를 보호하거나 내마모성을 더욱 강화하는 윤활제로서 작용할 수 있다. 일반적으로, 이러한 목적에 적합한 코팅 물질은 예컨대, 열가소성 중합체 또는 역청질 화합물의 수성 분산액으로서 도포된다. 바람직하게는, 로프는 약 25 미만, 또는 20 또는 15 질량% 미만의 다른 성분을 함유한다.
HPPE 멀티필라멘트 방적사로 제조된 약 5 mm의 직경을 갖는 브레이디드 로프를, 주기당 6회의 굴곡 변형을 일으키는 3개의 롤러를 이용하여 역 굴곡 시험(reversed bending test)으로 평가하였다. 물이 로프 상에 분무되는 상태에서 주위 조건 하에서 상기 시험을 수행하였다. 로프는 결함이 발생하기 전에 약 400 주기의 주기적인 굴곡에 대한 저항성을 나타내었다. 2가지 코팅물, 즉 역청질 화합물 기재의 코팅물 및 규소 화합물 기재의 코팅물을 구비한 다른 2개의 동일한 로프를 사용하여 상기 시험을 반복하였을 때 각각 약 1000 및 1300 주기에서 결함이 발생되었다. 유사한 구조의 로프가 제조되는데, 이때 스트랜드는 예컨대, 치실로서의 사용에 전형적인 치수를 갖는 약 14 질량%의 테이프-유사 PTFE 섬유와 약 86 질량%의 HPPE 방적사의 혼합물로 이루어진다. 어떠한 코팅도 하지 않은 경우, 5000 주기 후 로프에 결함이 생긴다. 규소 코팅물(총 로프 질량을 기준으로 약 11 질량%의 규소 화합물)로 코팅된 동일한 HPPE/PTFE 로프는 15000 주기 후에도 결함을 나타내지 않는다.
또한, 본 발명은 70:30 내지 98:2의 질량비로 고성능 폴리에틸렌 섬유와 폴리테트라플루오로에틸렌 섬유의 혼합물을 포함하는 복수의 스트랜드를 함유하는 로프에 관한 것으로서, 상기 로프는 (총 로프 질량을 기준으로) 약 2 내지 20 질량%의 규소 화합물을 더 함유한다. 이러한 로프는 유익한 강도 특성 및 내마모성과 함께 굽힘 피로 수명을 놀라울 정도로 크게 개선시켰다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 로프는 약 3 내지 18, 4 내지 16 또는 심지어 약 5 내지 15 질량%의 규소 화합물을 함유한다.
본원에서 사용된 용어 “규소 화합물”은 규소원자가 산소원자를 통해 결합된 화합물이며, 각각의 규소원자는 하나 또는 수개의 유기 기, 통상적으로 메틸 또는 페닐을 보유한다. 또한, 규소는 폴리오가노실록산으로도 공지되어 있으며, 선형 규소, 환형 규소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 폴리오가노실록산과 같은 규소 화합물은, 예컨대 공지된 방법에 따라 오가노디클로로실란을 물과 반응시킴으로써 제조될 수 있다.
본 발명의 특정 실시양태에 있어서, 로프의 강도 특성을 더욱 증대시키기 위해, 바람직하게는 100 내지 1200℃의 온도에서 로프를 후-스트레칭하거나 로프로 조립하기 전에 적어도 로프의 주 스트랜드를 후-스트레칭한다. 이와 같은 로프 후-스트레칭 단계는 유럽 특허 제 EP 0398843 B1 호 또는 미국 특허 제 US 5901632 호에 개시되어 있다.
또한, 본 발명은 로프의 제조를 위한, 다른 중합체 섬유와 조합된 PTFE 섬유의 용도에 관한 것이다. PTFE 섬유는 PTFE의 우수한 물성으로 인해 다수의 요구 분야에서 사용된다. 이는 뛰어난 고온 및 저온 성능, 내화학성, 및 자외선 노출로 인한 손상에 대한 저항성을 갖는다. PTFE 섬유의 예시적인 적용으로는 치실, 베어링 및 각종 막, 및 위빙(weaving), 브레이딩(braiding), 니팅(knitting) 및 니들 펀칭(needle-punching)을 포함하는 광범위한 방직 공정으로부터 형성된 방수성 및 통기성을 갖는 직물로서의 사용이 있다. PTFE는 봉제사(sewing thread)로도 사용되지만, 로프에서의 사용은 공개되지 않았다. PTFE 섬유는 로프, 특히 사용되는 동안 빈번하게 굽어지는 큰 직경의 로프의 사용 수명을 놀라울 정도로 증가시킨다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 용도는 벤드-오버-시브 적용을 위한 로프를 제조함에 있어서 2.0 N/tex 이상의 강성을 갖는 고성능 섬유와 함께 PTFE 섬유를 사용하는 것에 관한 것으로서, 이때 PTFE 섬유에 대한 다른 섬유의 질량비는 70:30 내지 98:2이다. 보다 바람직하게는, 고성능 섬유는 HPPE 섬유이다.
본 발명에 따른 로프는 중합체 섬유로부터 로프를 조립하고, 선택적으로 로프 코팅물을 도포하는 공지된 기술로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 로프를 제조하기에 바람직한 방법은, a) 70:30 내지 98:2의 질량비로 HPPE 섬유와 PTFE 섬유를 조합하여 로프 방적사를 형성하는 단계; b) 선택적으로, 2개 이상의 상기 로프 방적사를 조합하여 스트랜드를 형성하는 단계; c) 상기 로프 방적사 또는 상기 스트랜드를 브레이딩하여 로프를 형성하는 단계; 및 d) 선택적으로 로프 코팅물을 도포하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시양태는 섬유, 로프 방적사, 스트랜드 및 코팅의 구조 및/또는 조성에 대해 상술한 것과 유사하다.
본 발명에 따른 방법은, 예컨대 브레이딩 동안에 스트랜드를 함유하는 담체가 비어있는 경우, 하나의 주 스트랜드의 단부를 인접한 주 스트랜드의 단부에 접합시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이로써, 생성된 로프가 파단 강도를 낮추는 약한 지점을 포함하지 않으므로 로프의 길이는 임의의 소정 길이로 신장될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 브레이딩 단계 전에 주 스트랜드를 후-스트레칭하는 단계, 또는 별법으로 로프를 후-스트레칭하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 스트레칭 단계는 스트랜드의 (가장 낮은 융점을 갖는) 필라멘트의 융점 미만의 승온, 바람직하게는 100 내지 1200℃의 온도에서 수행하는 것(=열-스트레칭)이 바람직하다. 이러한 후-스트레칭 단계는 유럽 특허 제 EP 398843 B1 호 또는 미국 특허 제 US 5901632 호에 개시되어 있다.
놀랍게도, HPPE 섬유를 함유하는 본 발명에 따른 로프는 공지된 로프보다 우수한 굴곡 피로를 나타낸다. 따라서, 본 발명은 HPPE 섬유, 및 로프의 굴곡 피로를 개선하기 위한 하나 이상의 수단을 포함하는 로프로서, 굴곡 피로가 굴곡 피로를 개선하기 위한 수단을 포함하지 않는 로프에 비해 5배 이상 개선된 것을 특징으로 하는 로프에 관한 것이다. 바람직하게는, 굴곡 피로는 7배 이상, 보다 바람직하게는 10배 이상, 더욱 바람직하게는 13배 이상 개선된다. 바람직한 실시양태에서, 예를 들어 사용되는 HPPE 섬유의 종류 및 양, 로프의 직경 등은 HPPE 섬유와 PTFE 섬유를 함유하는 로프에 대해 상술한 바와 동일하게 선택된다.
로프의 굴곡 피로를 시험하는 방법.
로프의 굴곡 피로를 시험하는 방법은 미국 특허 제 6,945,153 B2 호에 개시되어 있다. 상기 특허문헌에 개시된 바와 같은 시험 장치 및 시험 표본은 각각 본 명세서의 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1은 시험 시브(22)와 인장 시브(24)를 갖는 시험 장치(20)를 도시한다. 힘(26)이 시브(24)에 인가되면 표본과 시브 사이의 경계에서 시험 표본의 장력 및 표면 장력이 발생된다. 제 1 시험 표본(28)과 제 2 시험 표본(30)을 시브 상에 배치하고 그들의 자유 단부를 커플러(32)에 연결한다. 시험 표본(28)은 도 3에 도시되어 있다. 표본(28)은 로프부(34)와, 이 로프부의 각 단부에 있는 삭안(eye splices)(36)으로 이루어진다. 로프부는 이중 굴곡 대역(38)과 이 대역(38)의 한 측부에 배치된 2개의 단일 굴곡 대역(40)을 포함한다.
시브는 커플러가 시브에 도달할 때까지 한 방향으로 한 주기 만큼 회전한 다음, 커플러가 다시 시브에 도달할 때까지 다른 방향으로 회전한다. 이로써, 이중 굴곡 영역(38)은 시브를 2회 통과한다. 이것을 6.5 초의 주기 간격에 상응하는, 시간당 554 주기의 빈도로 연속적으로 반복하였다. 시브의 직경은 시험된 로프의 직경의 20배이다.
시브는 도 3에 도시한 바와 같이, 로프와 동일한 직경의 중심부(52)를 갖는 홈부(groove)를 포함한다. 플랜지(plange) 각도(α)는 30°이며, 홈부는 도 3에 나타낸 바와 같이 중심부의 양측부로부터 직선부(54)로 연장된다. 홈부의 총 깊이 는 시험된 포르의 직경의 0.75배이다. 힘(26)은 시험된 로프의 최대 파단 하중(Maximum Break Load: MBL)의 2x22 %이다. 주기의 스트로크(stroke)는 시브의 직경의 2.22배이다.
굴곡 피로는 파단에 의한 결함 전에 로프가 견디는 주기 수로 표시된다.
비교 실험 A.
20 mm의 시브를 피팅시키고 전체적으로 HPPE 섬유로 이루어진 표준 로프를 제조하였다. 네덜란드 소재의 DSM에 의해 공급된 Dyneema(등록상표) SK 75, 2640 dtex를 HPPE 섬유로서 사용하였다.
로프 방적사의 구조는 10 x 2640 dtex, S/Z에서 미터 당 12회전이었다. 상기 방적사로부터 스트랜드를 제조하였다. 스트랜드 구조는 7 로프 방적사, Z/S에서 미터 당 20회전이었다. 상기 스트랜드로부터 로프를 제조하였다. 로프 구조는 미터 당 6.1회전(164 mm 피치)을 갖는 12 스트랜드 브레이디드 로프였다.
로프의 파단 하중은 40.3 톤이었다.
로프의 굴곡 피로는 상술한 바와 같은 시험 방법에 따라 시험하였다.
시브 직경은 400 mm이었다. 주기 간격은 6.5초이었다. 시브(24)에 인가된 힘은 2 x 9.15 톤이었다.
4145 주기 후 로프에 결함이 생겼다.
비교 실험 B.
비교 실험 A의 표준 로프를 벤드-오버-시브 적용에 대해 최적화된 코팅물로 함침시켰다.
비교 실험 A의 로프와 동일한 조건 하에서 굴곡 피로를 시험하였다. 18608 주기 후 로프에 결함이 생겼다.
실시예 1.
본 발명에 따른 20 mm의 시브를 피팅시킨 로프를 제조하였다. 로프는 비교 실험 A에서 사용된 HPPE 섬유와 (하기에서 D로 표시함) 미국 소재의 Gore에 의해 공급된 e-PTFE 500 dtex의 혼합물을 포함하는 복수의 스트랜드를 포함하였다.
로프 방적사의 구조는 S/Z에서 미터 당 12회전을 갖는 (9x2640 dtex D + 9x500 dtex G)이었다.
스트랜드 구조는 7 로프 방적사, Z/S에서 미터 당 20회전이었고, 로프 구조는 미터 당 6.1회전(164 mm 피치)이었다.
비교 실험 A의 로프와 동일한 조건 하에서 굴곡 피로를 시험하였다. 23132 주기 후 로프에 결함이 생겼다.
실시예 2.
실시예 1의 로프를 비교 실험 B의 로프에서 사용된 것과 동일한 코팅물로 함침시켰다.
비교 실험 A의 로프와 동일한 조건 하에서 굴곡 피로를 시험하였다. 123591 주기 후 로프에 결함이 생겼다.

Claims (11)

  1. 전체 로프에 대해 70:30 내지 98:2의 질량비로 고성능 폴리에틸렌(HPPE) 섬유와 폴리테트라플루오로에틸렌 섬유의 혼합물을 포함하는 복수의 스트랜드를 함유하는 로프.
  2. 제1항에 있어서,
    브레이디드(braided) 구조를 갖는 로프.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    8 또는 12개의 스트랜드를 함유하는 로프.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    직경이 30 mm 이상인 로프.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    고성능 폴리에틸렌 섬유가 2.5 N/tex 이상의 강성(tenacity)을 갖는 로프.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    폴리테트라플루오로에틸렌 섬유가 0.3 N/tex 이상의 강성을 갖는 로프.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    질량비가 80:20 내지 95:5인 로프.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    약 2 내지 20 질량%의 규소 화합물을 추가로 함유하는 로프.
  9. 로프의 제조를 위한, 다른 중합체 섬유와 조합된 폴리테트라플루오로에틸렌 섬유의 용도.
  10. HPPE 섬유, 및 로프의 굴곡 피로(flex fatigue)를 개선하기 위한 하나 이상의 수단을 포함하는 로프로서, 굴곡 피로가 굴곡 피로를 개선하기 위한 수단을 포함하지 않는 로프에 비해 5배 이상 개선된 것을 특징으로 하는 로프.
  11. 벤드-오버-시브(bend-over-sheave) 적용에서 하중 지지 부재로서의 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 로프의 용도.
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