KR20090072249A - 에어백용 원단 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에어백용 원단에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리페닐렌설파이드계 섬유를 포함하는 에어백용 원단에 관한 것이다.
본 발명의 에어백용 원단은 내열성 및 자체 난연성, 기계적 물성 등이 우수한 폴리페닐렌설파이드계 섬유를 포함하여, 우수한 성능의 에어백용 원단을 제조할 수 있다.
에어백, 원단, 폴리페닐렌설파이드계 섬유, 내열성, 난연성

Description

에어백용 원단{FABRIC FOR AIRBAG}
본 발명은 에어백용 원단에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리페닐렌설파이드계 섬유를 포함하는 에어백용 원단 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 에어백(air bag)은, 주행중인 차량이 약 40km/h 이상의 속도에서 정면의 충돌시, 차량에 가해지는 충돌충격을 충격감지센서에서 감지한 후, 화약을 폭발시켜 에어백 쿠션 내부로 가스를 공급하여 팽창시킴으로써, 운전자 및 승객을 보호하는 장치를 말한다.
에어백용 원단으로서 요구되는 항목은 충돌시에 원활하게 전개되기 위한 저통기성, 에어백 자체의 손상 및 파열을 막기 위한 고강력, 고내열성 및 승객에게 가해지는 충격을 줄이기 위한 유연성 등이 있다.
특히, 에어백의 팽창시에는 에어백 쿠션 내부로 뜨거운 가스가 공급되기 때문에 에어백용 원단의 내열성은 에어백의 성능에 중요한 역할을 한다.
종래에는 나일론 6 등의 폴리아마이드, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등이 에어백용 원사의 재료로 사용된 바 있다. 그러나, 나일론 6은 융점이 220 ℃ 정도로 낮고, 열용량이 높은 반면에, PET는 융점이 265 ℃ 정도로 높고, 열용량이 낮아 고온에서의 물성이 좋지 못한 문제가 있었다.
기존에는 이러한 원사에 내열성을 높이기 위하여 금속 할로겐 화합물 등과 같은 내열제를 과량 첨가하는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 상기 금속 할로겐 화합물의 첨가로 인한 내열성의 향상은 한계가 있으며, 상기 금속 할로겐 화합물 등의 내열제를 과량으로 사용할 경우, 원단의 물성 및 가공성에 문제를 유발할 수 있어 에어백용 원단으로 적합하지 못하다.
따라서, 에어백용 원단으로 사용하기에 적합하게 융점과 열용량이 모두 높아 고온에서의 안정성이 뛰어나고, 우수한 기계적 강도를 갖는 원단 재료 개발에 대한 연구가 필요하다.
본 발명은 내열성과 난연성 및 기계적 물성이 우수한 에어백용 원단을 제공하고자 한다.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 선형 폴리페닐렌설파이드계 섬유를 포함하는 에어백용 원단을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112007094527019-PAT00001
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서, 에어백용 원단이라 함은 자동차용 에어백의 제조에 사용되는 직물 또는 부직포 등을 말하는 것으로, 일반적인 에어백용 원단으로는 래피어 직기로 제직된 나일론 66 평직물 또는 나일론 부직포를 사용하고 있으나, 본 발명에서는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 선형 폴리페닐렌설파이드계 섬유를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 폴리페닐렌설파이드(PPS, Polyphenylene Sulfide)는 상기 화학식 1에 나타낸 바와 같이 방향족 고리와 황원소로 연결된 반복단위를 갖는 선형의 고분자 물질로서, 융점(Tm) 277~285 ℃, 결정화온도(Tc) 125~135 ℃, 용융결정화온 도(Tmc) 220~250 ℃의 물성을 갖는 것이다. 상기 폴리페닐렌설파이드의 초기 열분해 온도는 질소 및 공기중에서 500 ℃ 이상이며, 공기중에서 700 ℃에 이르러서야 완전히 분해되는 고내열성을 갖고, 장기내열성을 나타내는 연속사용온도는 220~240 ℃이고, 열변형 온도(HDT)는 260 ℃ 이상으로 매우 우수한 내열성을 갖는다.
또한, 상기 폴리페닐렌설파이드의 난연성은 별도 난연제를 첨가하지 않아도 UL94 V-0 규격의 우수한 난연 특성을 갖는 것이며, 한계산소지수(LOI)도 44-53으로서 용융하여 성형 가능한 수지 중에서는 불소 수지에 버금가는 높은 수치를 갖는 것이다.
본 발명에서는 폴리페닐렌설파이드 원사가 주성분으로 사용될 수 있으나, 나일론66 원사와의 조합하여 사용할 수도 있다. 이러한 경우에 경사 방향의 원사는 폴리페닐렌설파이드 원사를 사용하고 위사 방향의 원사로는 나일론66 원사를 사용하거나, 혹은 경사 방향의 원사는 나일론66 원사를 사용하고 위사 방향의 원사로는 폴리페닐렌설파이드 원사를 사용하는 것이 적절하다. 이 때, 폴리페닐렌설파이드 원사만을 경사 또는 위사 방향의 원사로 사용하며 전체 원단에서 차지하는 그 비율이 100%가 되는 것이 가장 바람직하다.
본 발명에서 상기 폴리페닐렌설파이드계 섬유로는 섬도가 210 내지 840 데니어, 바람직하게는 210 내지 630 데니어이며, 필라멘트 수가 60 내지 500, 바람직하게는 60 내지 150이며, 인장강도가 4.5 내지 12.5 g/d, 바람직하게는 7.0 내지 10 g/d, 가장 바람직하게는 8.2 내지 9.5 g/d이며, 열수축율이 3% 이하인 것을 사용할 수 있으며, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 폴리페닐렌설파이드계 섬유는 에어백용 원사에 사용 가능한 것으로 알려진 구리 화합물이나 인화합물 등을 추가로 포함할 수도 있다.
본 발명에서 원단의 제직형태는 특정 형태에 국한되지 않으며 평직 타입과 OPW(One Piece Woven) 타입의 제직형태 모두가 바람직하다.
본 발명의 폴리페닐렌설파이드계 에어백용 원단은 상기 폴리페닐렌설파이드 원사를 위사 및 경사로 이용하여 비밍(beaming), 제직, 정련, 및 텐터공정을 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 제조 할 수 있다.
또한, 본 발명의 폴리페닐렌설파이드계 에어백용 원단은 공기투과도를 낮추기 위하여 원단의 일면 또는 양면에 고무성분의 코팅층을 포함할 수 있다. 상기 고무성분으로는 분말(powder)형 실리콘, 액상(liquid)형 실리콘, 폴리우레탄, 클로로프로렌 고무로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 고무성분의 단위면적당 코팅량은 20 내지 200 g/m2, 바람직하게는 20 내지 100 g/m2가 되도록 사용할 수 있다. 특히, OPW(One Piece Woven) 타입의 사이드 커튼 에어백용 원단의 경우에 있어서는 상기 코팅량이 30 g/m2 내지 95 g/m2가 바람직하고, 에어백용 평직원단의 경우는 상기 코팅량이 20 g/m2 내지 50 g/m2 수준이 바람직하다.
본 발명의 에어백용 원단은 미국재료시험협회규격(ASTM D 5034-GRAB법)으로 측정한 인장강도가 170 내지 350 kgf/inch, 바람직하게는 182 내지 320 kgf/inch 정도의 범위를 갖는다. 상기 인장강도의 경우 상온 인장강도는 182 kgf/inch 이상이 되어야 하며, 에이징(aging: cycle, heat, humidity) 후의 인장강도는 159 kgf/inch 이상이 되어야 한다.
또한, 에어백용 원단은 고온-고압의 가스에 의해 급속하게 팽창됨으로 우수한 인열강도 수준이 요구되는데, 상기 에어백용 원단의 파열 강도를 나타내는 인열강도를 미국재료시험협회규격(ASTM D 2261-TONGUE) 방법으로 측정하였을 때, 15 내지 60 kgf/inch, 바람직하게는 23 내지 45 kgf/inch의 값이 될 수 있다. 여기서 15 kgf/inch 미만인 경우에는 에어백의 전개시 에어백의 파열이 발생함으로써 에어백 기능에 커다란 위험을 초래할 수도 있다.
본 발명의 에어백용 원단은 미국재료시험협회규격(ASTM D 737법)을 이용하여 125Pa의 기압차에서 측정한 공기투과도가 0.5 내지 10.0 cfm인 것이 바람직하나 공기투과도가 5 cfm 이상이 될 경우에는 에어백용 원단의 기밀성을 유지하는 측면에서는 바람직하지 않다.
또한, 본 발명의 에어백용 원단은 FMVSS 302법에 의한 자소율이 80 내지 100%, 자기소화성(Self Extingusih)이 0 내지 80 mm/min 수준이 바람직하다. 이때, 원단내 경사방향과 위사방향 그리고 ±45°방향으로 채취한 시편의 연소 길이는 80 mm 이하이고 평균연소시간은 60초 이하가 되어야 한다.
본 발명에 따른 에어백용 원단의 내열성은 자기소화성 또는 자소율에 따라 평가된다. 에어백용 원단으로부터 원단내 경사방향과 위사방향 그리고 ±45°방향으로 채취한 100개의 원단 시료에 대하여 FMVSS 302법에 의해 38 mm 높이의 천연가스 불꽃 혹은 이와 동등한 발열량을 가진 열원을 가지고 노출시간을 15초로 하였을 경우, 연소길이 80 mm 이하이고, 연소시간이 60초 이내인 것을 자기소화성(SE)이라 하며, 100개의 시료 중에서 상기 자기소화성의 기준을 만족하는 시료의 수를 %로 계산한 것을 자소율이라 한다. 자소율은 하기 계산식 1로 표시된다.
[계산식 1]
자소율(%)=(자기소화성을 만족하는 시료의 수)/(시험대상 시료의 수)×100.
본 발명은 또한 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 선형 폴리페닐렌설파이드계 섬유를 이용하여 에어백용 생지를 제직하는 단계, 상기 제직된 에어백용 생지를 정련하여 하는 단계, 및 상기 정련된 직물을 텐터링하는 단계를 포함하는 에어백용 원단의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 폴리페닐렌설파이드(PPS)계 에어백은 통상적인 제직 방법과, 정련 및 열고정 공정 그리고 실리콘 고무의 코팅공정을 거쳐서 최종적인 에어백용 원단으로 제조된다. 이렇게 코팅된 에어백용 원단은 재단과 봉제공정을 거치면서 일정한 형태를 갖는 에어백 쿠션 형대로 제조된다. 상기 에어백은 특별한 형태에 국한되지 아니하며 일반적인 형태로 제조될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기의 에어백을 포함하는 에어백 시스템을 제공하며 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 발명의 에어백용 원단은 폴리페닐렌설파이드계 섬유를 이용하여 에어백용 원단을 제직하며 코팅 재료인 고무성분과 폴리우레탄의 코팅량 등의 가공처리를 최소화하면서 현저히 향상된 성능의 내열성 및 난연성을 확보하고, 인장강도나 인열강도 등의 우수한 기계적 물성을 얻을 수 있다.
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
섬도가 420 데니어이고 필라멘트 수가 68인 선형 폴리페닐렌설파이드(PPS) 원사를 사용하여, 래피어직기를 통해 에어백용 원단 생지를 제조하였다. 이때 요구 되는 공기투과도를 달성하기 위하여 위사와 경사 본수를 동일하게 하여 평직으로 제직하였으며, 제직밀도는 49본/인치로 하였다.
수산화나트륨 1.5 g/L, 계면활성제 1.08 g/L, 침투제 1.08 g/L, 및 분산제 1.25 g/L이 되도록 물과 혼합하여 2개의 약품조에 나누어 투입하고, 각 약품조의 온도를 75 ℃로 유지시켰다. 또한, 상기 각 약품조 옆에 80 ℃ 및 85 ℃의 온도를 가지는 수세조 2개씩을 각각 연속 배치하였다.
상기 직기로 제직된 에어백용 생지를 상기 준비된 약품조에 1차 통과시킨 후, 2개의 수세조에 연속적으로 통과시키고, 다시 약품조와 2개의 수세조에 2차 통과시켰다.
상기 수세조를 통과한 에어백용 생지를 맹글에 통과시켜 탈수한 후, 110 ℃의 열풍으로 건조하여 잔류수분을 완전히 건조시켜 에어백용 원단을 제조하였다.
실시예 2
섬도 315 데니어, 필라멘트 수가 105인 선형 폴리페닐렌설파이드(PPS) 원사를 사용하여 제직밀도는 55본/인치로 제직한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 에어백용 원단을 제조하였다.
실시예 3
섬도가 630데니어이고 필라멘트 수가 105인 선형 폴리페닐렌설파이드(PPS) 원사를 사용하여 제직밀도는 41본/인치로 제직한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 에어백용 원단을 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 에어백용 원단을 제조하고, 상기 원단을 나이프 코팅(knife over ro1l coating)방법으로 2액형의 액상 실리콘 고무를 이용하여 실리콘 고무의 코팅량이 20g/m2가 되도록 코팅하였다.
비교예 1
420데니어의 나일론66 원사를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 에어백용 원단을 제조하였다.
비교예 2
315 데니어의 나일론66 원사를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 에어백용 원단을 제조하였다.
비교예 3
630 데니어의 나일론66 원사를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 에어백용 원단을 제조하였다.
비교예 4
상기 비교예 1과 동일한 방법으로 에어백용 원단을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 에어백용 원단을 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 에어백용 원단에 대하여 하기와 같이 물성 평가를 실시하였다.
(a) 인장강도: 미국재료시험협회규격(ASTM) D 5034
에어백용 원단에서 시편을 재단하여 미국재료시험협회규격(ASTM) D 5034에 따른 인장강도 측정장치의 하부 클램프에 고정시키고, 상부 클램프를 위로 이동시키면서 에어백 쿠션 시편이 파단될 때의 강도를 측정하였다.
(b) 인열강도: 미국재료시험협회규격(ASTM) D 2261
에어백용 원단에서 시편을 재단한 후, 위사 또는 경사방향으로 7 cm를 절개하고, 인열강도 측정장치의 글램프에 상기 절개부의 좌우 원단을 물려 장착하였다. 상기 원단이 장착된 상태에서 각각의 클램프를 위, 아래로 교차 이동시키면서 원단을 파열시켜 강도를 측정하였다.
(c) 공기투과도: 미국재료시험협회규격(ASTM) D 1338
에어백용 원단을 20℃, 65 %RH 하에서 1일 이상 방치한 후, 125 Pa의 압력의 공기가 38 cm2의 원형단면을 통과하는 양을 측정하였다.
(d) 내열성 및 난연성(자소율): FMVSS 302의 평가법
에어백용 원단으로부터 각각 100mm×355mm의 크기를 가지는 100 개의 시료를 랜덤하게 채취하여, FMVSS 302법에 의해 38mm 높이의 천연가스 불꽃 혹은 이와 동등한 발열량을 가진 열원을 가지고 노출시간을 15초로 하여 내열성 평가를 실시였다.
상기 준비된 시료를 상기 열원에 노출시키고, 15초 후에 열원을 제거하였을 때, 타들어간 시료의 길이가 80 mm 이하이고, 60 초 이내에서 꺼지는 것을 자기소 화성(SE)이라 하며, 100개의 시료 중에서 상기 자기소화성의 기준을 만족하는 시료의 수를 %로 계산하여 자소율을 측정하였으며, 자소율은 상기 계산식 1에 따라 산측하였다.
상기 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1 내지 4의 에어백용 원단에 대한 상기 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구 분 인장강도 (kgf/inch) 인열강도 (kgf) 공기투과도 (cfm) 자소율 (%) 자소성
실시예 1 265 43 2.2 100 SE
실시예 2 240 39 3.0 100 SE
실시예 3 315 52 1.7 100 SE
실시예 4 268 47 0.5 100 SE
비교예 1 256 40 2.1 83 -
비교예 2 235 36 2.9 88 -
비교예 3 310 48 1.8 85 -
비교예 4 257 43 0.5 93 -
상기 표 1에서 보는 것과 같이, 선형 폴리페닐렌설파이드계 섬유를 이용한 실시예 1 내지 4의 에어백용 원단은 비교예 1, 2의 나일론 66 원사를 이용한 원단에 비해 인장강도 및 인열강도 등에서 우수한 성능을 갖는 것을 알 수 있다.
특히, 폴리페닐렌설파이드계 섬유를 이용한 실시예 1 내지 4의 에어백용 원단의 경우, 모든 샘플(100)에서 자소성(SE: self extinguish, 자기소화성)을 나타내며, 자소율이 현저히 향상되어 우수한 내열성 및 난연성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 선형 폴리페닐렌설파이드계 섬유를 이용하여 에어백용 원단을 제 조함으로써, 인장강도나 인열강도 등의 기계적 물성을 향상시키고 내열성 및 난연성이 현저히 향상된 우수한 성능의 에어백 시스템을 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 선형 폴리페닐렌설파이드계 섬유를 포함하는 에어백용 원단.
    [화학식 1]
    Figure 112007094527019-PAT00002
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리페닐렌설파이드계 섬유는 섬도가 210 내지 840 데니어이며, 필라멘트 수가 60 내지 500이며, 인장강도가 4.5 내지 12.5 g/d이며, 열수축율이 3% 이하인 에어백용 원단.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원단은 분말(powder)형 실리콘, 액상(liquid)형 실리콘, 폴리우레탄, 클로로프로렌 고무로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고무성분으로 코팅되어 있는 에어백용 원단.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고무성분의 단위면적당 코팅량이 20 내지 200 g/m2인 에어백용 원단.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 원단은 미국재료시험협회규격(ASTM D 5034-GRAB) 방법으로 측정한 인장강도가 170 내지 350 kgf/inch 인 에어백용 원단.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 원단은 미국재료시험협회규격(ASTM D 2261-TONGUE) 방법으로 측정한 인열강도가 15 내지 60 kgf인 에어백용 원단.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 원단은 미국재료시험협회규격(ASTM D 737) 방법으로 측정한 공기투과도가 0.5 내지 10.0 cfm인 에어백용 원단.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 원단은 내열성 평가법 FMVSS 302에 의해 측정한 자소율이 80 내지 100 %이고, 연소 길이가 80 mm 이하, 평균연소시간이 60 초 이하인 에어백용 원단.
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