KR20090110830A

KR20090110830A - 엘라스토머 보강용 단일 꼬임 스틸 코드

Info

Publication number: KR20090110830A
Application number: KR1020097013420A
Authority: KR
Inventors: 헨드릭 로멜; 베르트 반데르베켄
Original assignee: 엔.브이. 베카에르트 에스.에이.
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2009-10-22
Also published as: BRPI0722065A2; CN101573489B; JP2010514947A; WO2008080715A1; EP2097581B1; CN101573489A; JP5378231B2; KR101433985B1; EA015040B1; US20100068495A1; EP2097581A1; EA200900902A1

Abstract

제조가 단순하고 비용 효율적이면서 타이밍 벨트 등과 같은 엘라스토머 벨트의 보강에 대한 몇몇 특정 문제점들을 해결한 스틸 코드 (200)를 기술한다. 코드 (200)는 중심 필라멘트 (202)를 포함하고, 그 둘레에 제1층 필라멘트 및 제2층 필라멘트 (204, 210, 212)가 꼬여있고, 모든 필라멘트들은 동일한 꼬임 길이 및 방향으로 꼬여있는 단일 꼬임 코드이다. 꼬임 길이, 중심 필라멘트 직경, 및 제1층 필라멘트 직경 - 후자는 전자 이상임 - 을 적절하게 선택함으로써 제2층 필라멘트 (210')가 간헐적으로 도입되는 집합틈을 형성할 수 있다. 이 집합틈은 중심 필라멘트 (202)가 다른 필라멘트 (204, 210, 212)와 동일한 꼬임 길이 및 방향으로 변형되는, 목적하는 효과를 얻기 위해 중심 필라멘트 직경의 40 내지 70％이어야 한다. 변형된 중심 필라멘트 (202)는 중심 필라멘트 이동 효과를 억제한다. 또한, 코드 (200)의 특별한 거친 외관은 엘라스토머에서의 양호한 기계적인 고정원을 제공한다. 또한, 코드 (200)에 가해진 하중은 모든 필라멘트에 걸쳐 보다 잘 분포된다. 상기 코드의 용도는 타이밍 벨트로 한정되지 않고, 타이어, 호스, 호이스팅 벨트, 드라이브 벨트, 및 보강 스트립에서의 유익한 용도가 기대된다.

스틸 코드, 벨트, 타이어, 엘라스토머, 필라멘트

Description

엘라스토머 보강용 단일 꼬임 스틸 코드 {SINGLE LAY STEEL CORD FOR ELASTOMER REINFORCEMENT}

본 발명은 보강재가 엘라스토머에 내장되어 반복적인 당김-당김(pull-pull) 사이클을 겪는 보강 분야에 특히 적합한 효과적인 스틸 코드의 간단한 제조에 관한 것이다.

오늘날, 동기전동 벨트 - 당업계에서는 '톱니형 벨트', '전동용 벨트', 또는 '타이밍 벨트'라고도 알려짐 - 는 특히 정밀하고 강력한 운동 전달에 적합한 기계에서 뿐만 아니라, 차고 문 개폐기 또는 슬라이딩 도어와 같은 일상적인 기구에서도 발견된다. 이는 작동시 소음이 없기 때문에 통상의 케이블 또는 체인 시스템 보다 선호된다. 이들 시스템에서 벨트는 힘과 속도면에서 비교적 적절하게 부하되는 반면, 전체 시스템의 가격 및 내구성과 같은 또다른 문제가 중요하게 부각된다.

적어도 스틸 코드로 보강된 동기전동 벨트용으로 과거에는 전형적으로 연선(stranded) 코드가 사용되었지만, 이들 코드는 비용면에서 결정적인 결점을 가진다 ('비용 문제'). 실제로, 스틸 필라멘트를 먼저 조합하여 스트랜드를 만든 후 이를 조합하여 연선 코드를 만든다. 이는 적어도 이중 작업을 필요로 한다. 그러한 연선 코드는 전형적으로 3×3, 7×3, 3+5×7,...과 같은 유형으로, 후자의 식은 예를 들어, 중심 스트랜드가 3개의 필라멘트로 이루어지고, 이것은 5개의 스트랜드에 의해 둘러싸여 함께 꼬이고, 상기 5개의 스트랜드 각각은 그 둘레에 6개의 바깥 와이어가 꼬여있는 단일의 중심 와이어로 이루어진 것임을 나타낸다. 이러한 구성 유형은 30년대 말에 방사상 타이어의 보강용으로 사용된 매우 초기의 스틸 코드에서 전형적인 것이며, 그러한 목적을 위해 20세기의 60년대까지 여전히 사용되어 왔다. 이것은 벨트 및 특히 동기전동 벨트의 보강재로서의 두 번째 제품 수명이 발견되었다. 특히 폴리우레탄 벨트가 이러한 스틸 코드에 의해 주로 보강된다. 이는 엘라스토머 매트릭스의 기계적인 고정원으로 바람직하다. 실제로, 예를 들어 3×3 스틸 코드는 벨트가 압출되는 동안 폴리우레탄이 새어나오는 매우 거친 바깥 원주 표면을 갖는다. 냉각 이후에 고화된 폴리우레탄은 상기 코드를 벨트에 고정시킨다. 게다가, 코드의 스트랜드 내의 필라멘트의 꼬임 및 스트랜드들의 꼬임으로 인해, 각각의 필라멘트 및 모든 필라멘트가 폴리우레탄과 접촉하게 된다. 그 결과 벨트의 톱니(teeth)에 가해진 힘은 폴리우레탄을 통해 코드 내의 모든 필라멘트로 전달된다. 따라서, 모든 필라멘트들이 거의 동량의 힘을 흡수한다.

그러나, 연선 코드는 몇가지 결점이 있다. 고가의 제조 비용 외에도, 초기 신도가 다소 높은 경향이 있다. 실제로, 스트랜드는 코드 내에서 나선형 스프링으로 작용하여 초기의 하부힘을 취하고 ('치수상 문제'를 유발함), 이는 동기전동 벨트의 톱니에서 톱니의 길이를 제어하기 어렵게 한다. 이에 대한 해결책이 WO 2005/043003에 기재되어 있지만, 이 해결책은 비용 문제를 해소하지 못한다. 타이어 보강용 스틸 코드의 경우, 비용 압박은 비용 감소에 있어서의 첫번째 단계로서 층상 구조체의 도입 및 추가의 단계로서 조밀한 코드 구조체의 도입에 이르게 하였고, 동일한 해결책이 마찬가지로 동기전동 벨트에 대해 시도되어 왔다 (예를 들어, US 4158946를 참고하기 바람). 설명하자면, 층상 구조체는 중심으로부터 시작되는 구조체로 - 중심은 필라멘트, 또는 예를 들어 3×1 또는 4×1의 스트랜드 단일 스트랜드일 수 있음 - 그 둘레에는 중심의 꼬임 길이 또는 방향과는 상이한 꼬임 길이 또는 방향으로 필라멘트 층이 꼬인다. 전형적인 예가 3+9로, 이는 3×1의 중심 스트랜드가 9개의 필라멘트에 의해 다른 꼬임 길이 또는 꼬임 방향으로 둘러싸인 것을 나타낸다. 1+6+12 또는 3+9+15와 같은 구조체가 되도록 적층 공정을 반복할 수 있고, 3+9+15는 타이어 보강용 스틸 코드에 대해 여전히 매우 인기가 높다. 그러한 층상 코드를 제조하는 데에는 여전히 하나를 초과하는 단계가 필요하지만, 필라멘트를 사용하는 것이 스트랜드에 의해 가능한 정도보다 기계의 구동시간을 훨씬 길게 한다 (이것은 일반적으로 좀 더 두꺼워서, 보다 짧은 길이를 기계 스풀에 둘 수 있음).

비용의 궁극적인 절약은 코드의 모든 필라멘트에 동일한 꼬임 길이 및 방향을 부여함으로써 이들 모두를 하나의 단일 공정에서 함께 스피닝함으로써 달성할 수 있다. 그러한 코드를 '단일 꼬임(single lay)' 코드라 부른다. 이와 같은 방식으로, 동일한 꼬임으로 모두 함께 꼬인 각각 19개 또는 27개의 동일한 스틸 필라멘트로 이루어진 19 조밀 코드 또는 27 조밀 코드와 같은 구조체가 완성된다 (그러한 스틸 코드의 최초의 개시물은 아마도 JP-A-51-058555일 것임). 필라멘트들은 그 자체가 '조밀한' 육방 배열로 배열되어 구조체를 형성한다. 이들 '조밀한 구조 체'는 필라멘트 사이에 존재하는 선 접촉면 (필라멘트가 서로 교차된 층상 구조체에 존재하는 점 접촉면과 대조됨) 및 그에 따라 개선된 피로 수명으로 인해 필라멘트 강도의 최적 활용과 같은, 바람직한 제조 비용을 넘어선 다수의 이점을 갖지만, 이것도 역시 '중심 이동 문제'를 갖고 있다. 중심 이동 문제는 - 엘라스토머에 내장된 - 코드가 주기적으로 구부러질 때 발생한다. 중앙의 필라멘트가 주위 스틸 필라멘트 층으로만 유지됨에 따라 - 필라멘트 사이의 마찰은 비교적 낮음 - 스틸 코드 밖으로 이동되는 경향을 보인다.

예를 들어 US 4724663에서 제시하는, 코드 내 필라멘트의 상대적인 위치 변화를 도입하는 것과 같은, '중심 이동'을 해결하기 위한 다수의 해결책들이 또한 제안되었다. 제시된 또다른 해결책은 US 4828001에서 제안하고 있는 바와 같이 필라멘트를 서로 섞음으로써 코드에 무작위를 도입하는 것이다. 또다른 해결책은 보다 얇은 필라멘트 바깥층에 의해 둘러싸이는 중심에 보다 두꺼운 필라멘트를 도입하는 것으로, 한가지 일반적인 예가 3|9 (여기서, 스트로크 '|'는 안쪽 중심 필라멘트와 바깥층 필라멘트를 분리하는 것으로, 예를 들어 EP 0194011를 참고하기 바람)이다. 두꺼운 중심 필라멘트는 바깥층을 개방하여, 고무가 중심에 이르러 중심 필라멘트의 접착제 코팅과 고무 사이에 발생하는 접착력으로 인해 중심 필라멘트가 고정될 수 있도록 한다. 이들 해결책 - 및 특히 후자의 해결책 - 은 타이어 보강재 분야에서 매우 성공적인 것으로 밝혀졌지만, 이를 동기전동 벨트에 사용하는 경우, 특히 엘라스토머가 폴리우레탄과 같은 열가소성 물질인 경우 무익한 것으로 나타났다.

이는 다음과 같은 다수의 원인에 의한 것이다:

A. 벨트의 보강재는 최대 인장력이 구동 풀리(pulley) 쪽 - '정방향' - 으로 움직이는 벨트 부분에 가해지고 그보다 낮은 힘이 구동 풀리 반대쪽 (역방향)으로 움직이는 벨트 부분에 가해지는 반복적인 당김-당김 사이클을 겪는다. 벨트가 역방향에서 늘어진 경우, 코드는 시스템의 기능에 매우 나쁜 압축상태에 이를 수도 있다. 반복되는 당김-당김 사이클은 층상의 또는 조밀한 코드의 중심에 '연동' 작용을 유도하여 중심이 벨트에서 천천히, 그러나 확실하게 빠져나오게 한다. 따라서, '중심 이동' 문제는 타이어 보강재에서 보다는 벨트 보강재에서 더 부각된다.

B. 오직 바깥 필라멘트만이 엘라스토머와 접촉할 수 있다. 따라서, 풀리에 의해 톱니 위에 가해진 힘은 단지 바깥 필라멘트 상에만 보강재로 전달된다. 중심의 스틸 필라멘트와 바깥층 사이에는 마찰이 전혀 없거나 거의 없기 때문에, 바깥 필라멘트만 완전히 부하되고 - 심지어 과도하게 부하되고 - 중심 필라멘트는 충분히 이용되지 못한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 층상의 또는 조밀한 코드 구조를 도입하는 것에 의해 얻어지는 비용상의 이점을 일부 무시하고 보강재의 치수를 넓히는 경향이 있다. (상기에서 언급한) EP 0194011에서 제시하는 해결책은 폴리우레탄 벨트의 제조에 수반되는 압력이, 예를 들어 고무가 가황되는 동안 보다 낮아 PU가 중심을 관통할 수 없고 부족한 화학적 접착력으로 인해 중심이 바깥 필라멘트에 '부착되지' 못하기 때문에, 본 문제에는 도움이 되지 않는다.

C. 층상 구조체의 바깥 표면은 매우 매끄럽다 (많은 미세 필라멘트가 서 로 밀접하게 배열되어, 엘라스토머 내의 스틸 코드의 기계적 고정원으로서의 가능성이 감소된다). 비록 조밀한 코드가 꼬임 피치가 나사와 유사한 정다각형 바깥 형상을 갖지만, 나사와 유사한 이와 같은 표면은 적당한 기계적 고정을 가능하게 하기에는 충분치 않다. 또한, US 4828001에서 제시하고 있는 바와 같은 필라멘트 '섞기'도 필라멘트의 위치전환이 긴 꼬임 길이에 걸쳐서나 일어나 국소적으로 고정원을 제공하지 못하기 때문에, 이를 개선시키지는 못할 것이다.

원인 'A'는 고정되지 않은 중심 필라멘트가 풀리의 축에 감겨 벨트 전송 시스템에서 완전히 엉클어지는 문제점을 야기할 수 있다. 이 문제점은 중심이 단일 필라멘트인 경우 (예컨대 1+3N 유형의 구조체) 주위층에 의해 유지되는 직선형의 중심 필라멘트가 압축에 저항하기 때문에 더욱 악화된다.

톱니형 벨트의 길이가 (벨트를 죄지는 않으면서) 마지막 톱니의 3 내지 10개를 보유하는 - (차고) 문 개폐기에서와 같이 - 맞물림 클램프에 의해 말단에서 유지되는 경우, 원인 B는 클램프에서의 예기치 못한 벨트 파단을 야기하여 중심 필라멘트는 파단시키지 않으면서 바깥 필라멘트는 파단시킬 수 있다 ('연속 파단 문제'라고 함). 또는 - 더욱 나쁘게는 - 원인 C로 인해 매끄러운 표면 상에서의 '기계적 고정'이 부족하여, 통일체로서의 스틸 코드가 엘라스토머 중에서 분열된다.

요약하자면, 동기전동 벨트 보강재로 스틸 코드의 사용을 증대시키기 위해서는 실제로 다음과 같은 극복해야 할 몇몇 문제점들이 존재한다:

1. 비용 문제

2. 치수 문제

3. 중심 이동 문제

4. 연속 파단 문제

5. 기계적 고정 문제

발명의 개요

따라서 본 발명의 목적은, 한 부류의 코드 중에서, 적어도 상기의 5가지 문제점 중 일부를 개별적으로 해결하는 코드를 찾는 데 있다. 바람직하게는, 적어도 중심 이동, 연속 파단, 및 고정 문제를 해결하는 코드를 찾아야 한다. 본 발명의 또다른 목적은 단일 코드로 모든 문제점들을 해소하는 것이다.

결론적으로, 본 발명자들은 종래기술과 관련된 문제점들을 해소할 수 있는 코드를 발견하였다. 게다가, 이 코드의 기반이 되는 개념은 그 특징이 특허청구범위 제1항에 규정되어 있는 바와 같은 전 부류의 구조체로 유익하게 확장될 수 있다. 유익한 실시양태들을 제1항을 인용하는 청구항들에 기재한다.

애초부터 오직 단일 꼬임 코드만이 단지 하나의 조합 단계만이 존재하는 유일한 코드이므로 비용 문제를 해소시킬 수 있을 것이라 여겼다. 단일 꼬임 코드는 또한 높은 모듈러스와 낮은 초기 신도를 갖는 코드이다. 그러나, 타이어 보강을 위해 종래 기술이 제공하는 - 상기에서 다루었던 - 해결책들은 이를 폴리우레탄 벨트에 적용할 경우 중심 이동 문제가 더욱 부각되고, 제조시에 낮은 압력이 이용되고, 폴리우레탄과의 화학적 접착이 부족하기 때문에 유용하지 않다.

출발점으로서 중심 필라멘트 직경이 'd₀'인 중심 필라멘트를 갖는 단일의 꼬 임 코드를 선택하였다. 이 중심의 둘레에 제1층 필라멘트를 배치시킨다. 이들 제1층 필라멘트의 직경은 서로 동일하거나 상이할 수 있지만, 임의의 경우에 그들 각각은 중심 필라멘트 직경보다 크거나 그와 동일하다. 이 제1층 둘레에 제2층 필라멘트를 배치시킨다. 역시, 이들 제2층 필라멘트의 직경은 서로 상이할 수 있지만, 이들 각각은 중심 필라멘트 직경보다 크거나 그와 동일하다. 필라멘트들은 하나의 단일 작업으로 하나의 꼬임 길이 및 방향으로 서로 꼬인다. 공정 중에, 제1층 및 제2층 필라멘트의 스틸 필라멘트는 가소적으로 변형되고, 이들이 코드에서 풀릴 경우 이들은 여전히 함께 꼬였던 꼬임 길이 및 방향을 나타낸다.

그러한 유형의 코드는 공지되어 있고, 5개의 동일한 제1층 필라멘트에 의해 둘러싸인 단일 중심을 갖는 특수한 케이스가 EP 1474566에 기재되어 있다. 이러한 유형의 코드에서, 제1층 필라멘트 사이의 틈은 통상 작지만 너무 작지는 않게 유지되어, 꼬임시에 필라멘트가 서로 접촉하지 않고 중심 필라멘트가 고정되도록 한다. 이는 중심 필라멘트 직경을, 규칙적으로 배열된 제1층 필라멘트들을 접선을 따라 접촉시키는데 요구되는 것보다 다소 크게 선택하는 것에 의해 통상적으로 일어난다. 그러한 배열은 비교적 안정하여 제조 및 사용 동안 필라멘트는 위치전환될 수 없다.

당업계에서 허용되는 것으로 여겨지는 것보다 중심이 훨씬 큰 배열을 추가로 연구함으로써, 본 발명자들은 몇몇 놀라운 효과들을 발견하였다. 특정한 값의 꼬임 길이, 중심 필라멘트 직경, 및 제1층 필라멘트 직경은 제1층 필라멘트를 모두 함께 집합시켰을 때 제1층 내에 하나의 채워지지 않은 부분을 만든다. 채워지지 않은 부분은 제2층 필라멘트가 구속될 수 있는 특정한 폭을 갖는 틈을 형성한다. '집합틈'의 정의는 d₀에 비해 매우 긴 (d₀의 50배) 꼬임 길이를 갖는 코드 구조체의 단면을 나타낸 도 1을 고려하면 가장 잘 이해된다. 집합틈 'δ'는 δ보다 큰 크기의 원형 필라멘트는 통과할 수 없는 반면, δ보다 직경이 작은 필라멘트는 통과할 수 있는 '게이트'를 말한다 (중심 필라멘트의 가능한 장애물은 차감함). 제1층 필라멘트가 제1 직경 d₁을 갖는 동일한 필라멘트로 이루어진 경우, 일부 고등학교 기하학에는 틈 'δ'이 1차 근사법으로 다음과 같다고 교시되어 있다:

상기 식 중에서,

이고,

'n'은 서로간의 간섭없이 층에 접합되는 제1층 필라멘트의 수이고, 'L'은 모든 필라멘트에 부여된 단일 꼬임 길이이다. 이 근사법은 꼬임 길이가 증가할수록 더욱 정확해지고, 이는 만족할만한 정확도의 통상적인 꼬임 길이 및 직경에 대한 것이다. 제1층이 직경이 서로 상이한 (그러나 각각 d₀ 이상인) 필라멘트로 구성되는 경우, 상기 식은 더 복잡해지지만 아래에서 설명하는 본 발명의 개념은 여전히 적용가능하다. 따라서, 상기 식은 본 발명에 대한 한계로 볼 것이 아니라, 기초를 이루는 개념을 설명하기 위한 수단으로 보아야 한다.

제1층 필라멘트의 직경을 적절하게 선택한 경우, 제2층 필라멘트가 이 집합틈에 끼여들 수 있다. 폭이 제1 필라멘트 직경 'd₁'의 40 내지 60％인 틈은 붙들린 제2층 필라멘트가 개입되기에 충분하다. 그러한 배열은 낀 필라멘트가 제1층에 포함되려고 할 것이기 때문에 본래 불안정하다. 그 결과, 제1층 중의 다른 필라멘트가 이동되어 제1층 필라멘트와 제2층 필라멘트가 교환될 것이다. 이 과정은 거의 모든 꼬임 길이에서 반복된다. 따라서 필라멘트의 개입은 간헐적이고, 제2층의 상이한 필라멘트가 제1층에 들어가 있을 수 있다. 따라서, 이 집합틈은 주어진 고정적인 것으로 보아야 할 것이 아니라, 코드 길이를 따라 연속적으로 각을 이루어 시프트된 인접 제1층 필라멘트의 가변쌍 사이에 형성된 부분으로 보아야 한다. 이러한 모든 재배열은 코드를 형성하는 동안에 일어나기 때문에, 그러한 배열은 중심 필라멘트가 더이상 직선형이 아닌, 다른 필라멘트와 동일한 꼬임 길이 및 방향을 가진 변형을 나타내도록 하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 변형은 코드의 축을 따라 반경이 가변되는 실질적인 나선형이다. 나선형으로 변형된 중심 필라멘트는 중심 이동을 막는데 도움이 되고 종래 기술의 코드 유형에서는 발견되지 않는다. 틈에 대한 또다른 바람직한 범위는 d₀의 47％ 내지 70％, 또는 d₀의 40％ 내지 64％, 또는 d₀의 47％ 내지 64％이다. 보다 작은 틈은 물론 보다 큰 틈도 배열을 안정하게 하고, 안정한 배열은 직선형이 되도록, 즉 중심 필라멘트가 변형되지 않도록 한다.

필라멘트 그 자체는 0.02 내지 0.30 mm, 보다 바람직하게는 0.04 내지 0.175 mm의 직경을 갖는 실질적으로 원형인 스틸 필라멘트이다. 보통 탄소 스틸(plain carbon steel)이 바람직하게 사용된다. 그러한 스틸은 일반적으로 최소 0.40 중량％ C 또는 적어도 0.70 중량％ C의 탄소 함량을 포함하지만, 가장 바람직한 것은 적어도 0.80 중량％ C, 최대 1.1 중량％ C이고, 망간 함량 범위는 0.10 내지 0.90 중량％ Mn, 황 및 인 함량은 각각 0.03 중량％ 미만으로 유지되는 것이 바람직하며; 크롬 (최대 0.2 내지 0.4 중량％), 붕소, 코발트, 니켈, 바나듐 - 모두 망라하는 열거가 아님 - 과 같은 부가적인 미세 합금 원소가 또한 추가될 수 있다. 그러한 탄소 스틸 필라멘트는 현재 2000 MPa, 바람직하게는 2700 MPa를 초과하는 강도로 제조될 수 있고, 3000 MPa를 초과하는 강도가 최근에 나오고 있으며, 강도가 4000 MPa를 초과하는 것이 제조되고 있다. 또한 바람직한 것은 스테인레스 스틸이다. 스테인레스 스틸은 최소 12 중량％의 Cr 및 상당량의 니켈을 함유한다. 보다 바람직한 것은 오스테나이트계 스테인레스 스틸로, 이는 그 자체가 더욱 냉간 가공(cold forming)되게 한다. 가장 바람직한 조성물은 당업계에 AISI (미국 철강 협회) 302, AISI 301, AISI 304 및 AISI 316로 공지되어 있는 것, 또는 EN 1.4462로 공지되어 있는 듀플렉스 스테인레스 스틸이다.

이와 다르게, 집합틈을 채우는 필라멘트는 상기 제1층 및 제2층 사이의 대충 중간 지점의 위치를 차지할 것이다. 제1층 내의 필라멘트가 모두 동일한 것으로 단순화시킨 경우에 대해 중심 필라멘트와 제2층 필라멘트 사이의 거리에 대한 추정치를 아래의 표 1에 나타낸다.

이와 같이 '와해된' 제2 필라멘트 층으로 인해, 코드의 바깥면에 홈이 생긴다. 그러한 홈은 코드가 엘라스토머 내에 고정되는 것을 돕기 때문에 특히 유익하 다. 또한, 이 홈은 스틸 코드의 길이에 걸쳐 각 위치(angular position)를 변화시키기 때문에 코드의 바깥면이 특히 거칠고 불규칙해져, 코드를 폴리우레탄에 고정시키는데 도움이 된다. 이와 같은 관찰 사항을 추가로 다듬어, 본 발명자들은 최대로 가능한 '포화' 수준으로부터 필라멘트의 수를 줄여 '불포화된' 층을 양산하였다. 본 출원의 목적상 포화된 제2층은 제1층을 이루는 필라멘트 수의 2배수를 포함하는 층으로 이해되어야 한다. 이러한 '불포화된 층'에 의해, 추가의 깊은 홈이 엘라스토머에 유입가능하게 하고 더 나은 고정을 제공한다. 또한, 집합틈의 존재는 제2층 필라멘트가 그의 층 내에서 배회하게 하여, 코드의 세로방향의 불규칙성에 추가로 기여한다. 이는 모두, 코드를 엘라스토머에 내장시켰을때 보다 많은 필라멘트가 엘라스토머와 접촉되게 하므로 더 나은 힘의 분포를 낳는다. 제2층 내 필라멘트의 수는 궁극적으로는 1개로까지 줄일 수 있다. 또다른 유익한 필라멘트의 수는 제1층 내의 필라멘트 수이거나, 제1층 필라멘트 수의 2배수이다. 제2층의 필라멘트는 그것이 틈에 들어갈 수 있고 배열을 안정하게 할 수 있는 것과는 별개로, 그 직경은 적어도 중심 필라멘트 직경이어야 한다. 바람직한 배열은 제2층이 중심 필라멘트 직경 및 제1 필라멘트 직경을 갖는 필라멘트를 포함하는 경우, 또는 제2층이 제1 필라멘트 직경을 갖는 필라멘트 만을 포함하는 경우이다.

가장 바람직한 배열은 중심 필라멘트가 3개, 4개, 또는 5개의 제1층 필라멘트로 둘러싸인 경우이다. 0.40×d₀ 및 0.70×d₀ 사이의 집합틈을 갖기 위한 필요조건을 d₁/d₀ 비로 고쳐본다.

틈 δ	...에 대한 d₀의 40％의 틈		d₀의 70％
n	d₁/d₀	Δ/d₀	d₁/d₀	Δ/d₀
4	2.045	0.245	1.705	0.163
5	1.217	0.378	1.024	0.068

이는 무한한 꼬임 길이에 대한 것이다. 꼬임 길이의 도입은 제1층 필라멘트 사이의 틈을 감소시킬 것이다.

엘라스토머에서의 필라멘트의 더 나은 활용을 위해 필라멘트를 유기 또는 무기 - 예컨대 금속 - 코팅으로 코팅한다. 그러한 코팅은 스틸 코드가 부식되는 것을 더욱 예방하거나, 또는 기계적 고정의 상부에서 엘라스토머와 화학적으로 접착할 수 있게 하는데 유용할 수 있다. 당업계에 공지되어 있는 적합한 코팅은 다음과 같다:

- 내부식성 코팅은, 예를 들어 아연 또는 아연 알루미늄 합금이다. 가장 바람직한 것은 EP 1280958에 기재되어 있는 낮은 아연 함량의 용융 코팅(hot dip coating)이다. 그러한 아연 코팅은 두께가 2 ㎛ 미만, 바람직하게는 1 ㎛ 미만, 예를 들어 0.5 ㎛이다. 합금층 아연-스틸은 아연 코팅과 스틸 사이에 존재한다.

- 엘라스토머로서 고무가 사용되는 경우, 금속 접착 코팅은 황동 코팅이다. 소위 구리-아연-니켈 (예를 들어, 64 중량％/35.5 중량％/0.5 중량％) 및 구리-아연-코발트 (예를 들어, 64 중량％/35.7 중량％/0.3 중량％)와 같은 '3원 황동', 또는 아연-니켈 또는 아연-코발트와 같은 구리가 없는 접착 시스템.

- 유기 접착 코팅은 주로 WO-A-99/20682 (NV 베카에르트(Bekaert) SA)에 기재되어 있는 유기관능성 실란, 유기관능성 티탄산염, 또는 유기관능성 지르콘산염 을 기재로 하는 코팅이다.

본 발명의 제2 양태에 따라 코드의 제조 방법을 청구한다. 상기 방법은 당업계에 공지되어 있는 단일 꼬임 코드의 제조에 사용되는 표준 방법이지만, 특정한 본 발명의 특징으로 개조된 것이다. 제각각의 직경의 스틸 필라멘트가 있는 다양한 길이의 여러 스풀이 제공된다. 필라멘트 직경은 상기에서 기재한 바에 따라 선택한다. 회전 조합 기계를 이용하여 상기 필라멘트들을 동일한 꼬임 방향 및 길이로 함께 꼰다. 그러한 조합 기계는 알맞게 규정된 회전축을 확실히 가지는 연합기(cabling machine) 또는 집합기(bunching machine)이다. 제1층 필라멘트는 제1 연합 지점에서 중심 필라멘트 둘레에 적층되어 중간 스트랜드를 형성한다. 제2 연합 지점에서는 제2층 필라멘트가 이 중간 스트랜드에 더해진다. 종래 기술과는 다르게 중심 필라멘트는 일정 각도로 제1 연합 지점으로 들어가서, 제1 연합 지점으로 들어간 중심 필라멘트에 의해 형성된 평면과 회전축이 조합 기계에 대하여 고정된 상태를 유지하게 된다. 회전축과 중심 필라멘트 사이의 각도는 바람직하게는 1°내지 10°이고, 보다 바람직하게는 2°내지 5°이다. 이와 같은 선을 벗어난 배열은 중심 필라멘트가 약간 중앙을 벗어나게 하여 제1층 필라멘트의 한쪽 측면 배열이 스스로 집합틈을 만들도록 한다.

또한, 제1층 필라멘트의 불균일한 분포는 제1층 필라멘트를 한쪽 측면으로 공급하는 것에 의해 개선될 수 있다. 한쪽 측면으로 라는 것은, 예를 들어 제1 연합 지점에 5개의 필라멘트가 공급되는 경우 필라멘트를 72°의 각 하에 균일하게 각을 이루어 공급하는 것이 아니라, 예를 들어 60°의 각 하에 공급하는 것을 의미 한다 (뚜렷하게 하나의 120°의 큰 틈이 생김).

필라멘트는 기계에 도입될 때 특정 장력에 의해 팽팽하게 유지되어야 한다. 중심 필라멘트의 장력이 제1층 필라멘트의 장력보다 낮게 유지되면, 중심 필라멘트는 제1층 필라멘트와 간헐적으로 위치를 교환하게 된다.

본 발명의 세 번째 양태에 따라, 본 발명의 스틸 코드에 의해 보강된 엘라스토머 제품을 청구한다. 본 발명의 스틸 코드는 차고 문 개폐기에 사용하기 위한 벨트의 보강재로서 주로 개발되었지만, 이는 당업예에서 동기전동 벨트라고도 불리는 모든 종류의 타이밍 벨트에도 동일하게 사용가능하다. 또한, 엘레베이터에 사용하기 위한 호이스팅 벨트를 본 발명의 스틸 코드로 보강시켜 현존하는 보강재 유형에 대해 양호한 비용 효과적인 대안으로 제공할 수 있다. 또한, 예를 들어 식품 가공 산업에서의 컨베이어 벨트를 보강하기 위한 코드의 용도를 파악하였다. 또한, 고압 호스의 보강재로도 사용할 수 있다. 타이어에서의 코드의 용도는 아직 시험해보지 못했지만, 현존하는 층상 코드 또는 조밀한 코드의 대안으로 동일하게 고려될 수 있다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 기재할 것이다.

도 1은 코드의 독특한 구조적 특징을 규정한 기하학적 배열을 보여준다.

도 2a, 2b 및 2c는 본 발명의 제1 실시양태의 코드의 상이한 단면도를 보여준다.

도 3a 및 3b는 본 발명의 제2 실시양태의 코드의 상이한 단면도를 보여준다.

도 4a는 본 발명의 제3 실시양태의 코드의 단면도를 보여주고, 도 4b는 코드의 꼬임 길이의 1/2에 걸친 개별 필라멘트의 자취를 보여준다.

저렴한 대안을 제공하기 위한 최초의 제안은 EP 1474566에 기재되어 있는 바와 같은 1|3×N 유형, 예컨대 d₀+(5×d₁|5×d₂|5×d₃)의 구조체를 사용하는 것으로, 여기서 중심 필라멘트 직경 d₀는 직경이 d₁인 제1층의 5개의 필라멘트가 중앙에 있도록 충분히 작다. 직경이 d₂ 및 d₃인 필라멘트는 제1층을 둘러싸는 제2층을 형성한다. 괄호 안의 필라멘트들은 한 번의 작업에 의해 하나의 꼬임으로 함께 조합된다. 스트로크 '|'는 '규칙적으로 배열된' 경우에 중앙에 대해서 상이한 원주상에서 발견할 수 있는 필라멘트들을 구분한다. '규칙적으로' 배열되었다는 것은 제1층 필라멘트의 중앙이 정 N-각형 상에 존재하는 것을 의미하며, 여기서 N은 해당 층 내의 필라멘트의 수이다. 제2층 필라멘트는 두 개의 제1층 필라멘트에 인접하여 이들 필라멘트에 의해 형성된 틈새 사이에, 그들이 공급되는 원주 배열을 따라 있는다 (예를 들어, 'd₂' 및 'd₃' 교대로). 그러한 규칙적인 배열은 EP 1474566에 기재되어 있는 바와 같이 중앙의 필라멘트를 약간만 증대시키더라도 중심 이동이 일어나기 쉽다.

중심 필라멘트의 직경을 경계를 넘어 제1층 필라멘트의 직경에 비해 더 증가시키는 것에 의해, 당업자는 통상 합리적이면서 무언가 흥미로운 일이 일어날 것이라 생각할 것이다. 제1층 필라멘트 사이의 틈이 매우 커짐에 따라 제2층의 필라멘트 중 하나가 제1층의 2개의 필라멘트 사이에 끼게 되고, 그로 인해 형성된 틈이 더 커지고 제1층의 다른 필라멘트들을 함께 밀어낼 것이다. 이렇게 개입된 제2층 필라멘트는 그러나, 제공되는 공간이 충분하지 않기 때문에 제1층 내로 완벽하게 들어갈 수는 없을 것이다. 따라서, 이 필라멘트는 제1층과 제2층 사이에 임시로 위치한다. 그 결과, 코드가 형성되는 동안에 제1층 필라멘트와 제2층 필라멘트의 상대적인 위치가 계속 변화되는 불안정한 배열이 형성된다. 매우 놀랍게도, 이것은 중심 필라멘트가 영향을 받지 않도록 내버려두지 않았고, 코드를 풀었을때 중심 필라멘트가 - 비록 가변성의 반경을 갖기는 하나 - 다른 필라멘트들과 동일한 꼬임 길이 및 방향을 가지는 실질적으로 나선형인 변형을 나타냄을 발견하였으며, 이는 '안정한 배열'이 이루어졌을 때에는 발견되지 않는 특징이다. 또다른 두드러진 특징은 코드가 특히 거친 외관을 갖고, EP 1474566의 제대로 된 다각형 단면 및 규칙적인 스크루 버전과는 어느 것도 공통점이 없다는 것이다.

제1 실시양태에서는 - 도 2에 도시되어 있는 - 다음과 같은 기하학적 배열의 코드 (200)를 제조하였다:

0.12+(5×0.13;5×0.13;5×0.12) 8 mm S

즉, 0.12 mm의 중심 필라멘트 (202)는 제1층 내에 있고, 이는 0.13 mm의 5개의 필라멘트 (204)에 의해 둘러싸이고, 이는 다시 10개의 0.13 mm의 필라멘트 (212) 및 0.12 mm의 필라멘트 (210)에 의해 교대로 둘러싸임. 또한 중심에 대한 원주상에서 어떤 필라멘트도 더 이상 확인할 수 없음이 밝혀진 것으로 표기되었다. 도 2a 및 2b는 코드를 따라 서로 다른 위치에서 얻은 상기 코드의 단면도이다.

d₁/d₀ 비는 1.08이다. 중심 필라멘트 및 제1층 필라멘트는 5개의 필라멘트가 8 mm의 꼬임으로 중심을 둘러쌀 경우 집합틈이 0.13 mm의 55.8％로 형성되도록 선택한다. 이 틈은 제2층 필라멘트 중 하나가 끼기에는 충분히 크지만, 제1층 내에 6개의 필라멘트를 수용하기에는 충분히 크지 않다. 제2층 필라멘트 - 예컨대 필라멘트 (210') - 가 제1층에 들어가더라도 충분한 공간은 존재하지 않고, 필라멘트 (204')는 제1층 바깥으로 돌출된다. 제2층 필라멘트 중 하나가 제1층에 적어도 부분적으로 들어감에 따라 제2층은 - 단면도에서 드러난 바와 같이 - 불포화되고 코드는 일반적으로 외관이 거칠어진다. 이를 풀었을때, 중심 필라멘트는 S 방향으로 8 mm의 동일한 꼬임 길이를 갖지만 반경이 가변성인, 실질적으로 나선형의 변형을 나타내었다.

몇몇 추가의 상세한 사항으로, 코드는 아연으로 코팅된 필라멘트로 제조되었고, 그 직경은 0.603 mm로 최대 및 최소 직경 사이의 가장 큰 차이가 0.007 mm이며 (직경이 12 mm인 원형 앤빌(anvil)을 가진 표준 마이크로미터로 측정함), 미터 당 질량은 1.58 g/m이고, 파단 강도는 0.012％의 매우 낮은 구조적 신도로 529 N인 것으로 확인되었다.

본 발명의 코드의 이점은 폴리우레탄에서 인장 시험을 행할 때 특히 두드러졌다: 약 12 cm의 코드 샘플의 각 말단을 샘플을 보유하는 몰드에 - 고온의 PU 캐스팅하여 - 길이 5 cm, 너비 2 cm, 높이 1 cm인 블록에 내장시킴. 이를 냉각시킨 후, 두 개의 PU 블록을 반대방향으로 당겨 파괴 거동을 관찰한다. 참고용으로 1+6+12×0.120 mm 유형의 코드를 사용하였다 (층상 구조). 참고용 코드는 정상 인장 시험 (내장하지 않음)에서 파단력이 620 N이다. 다음과 같은 것이 관찰되었다 (두 번의 내장 시험을 행함):

스틸 코드	표준 시험	내장 시험	파단되지 않은 필라멘트
1+6+12×0.120 참고용	620 N	511 ┃ 514 N	7 즉, 중심
0.12+(5×0.13;5×0.13;5×0.12)	529 N	534 ┃ 541 N	3 ┃ 1

참고용 코드는 인장력이 코드의 바깥쪽 외피를 통해서만 코드에 전달되고 - 중심이 PU와 접촉하지 않기 때문 - 중심은 거의 부하되지 않은 상태로 유지되기 때문에 분명히 덜 효과적인 강도 거동을 나타낸다. 본 발명의 코드는 비록 정규 시험에서의 파단 하중(breaking load)이 훨씬 낮기는 하지만 분명히 더 나은 강도의 활용을 보여준다. 이는 더 나은 고정원인 제2층 내의 중심 필라멘트 및 제1층, 그리고 PU와의 더 나은 접촉면을 제공하는 불포화된 제2층으로 인한 것이다. 표준 시험과 내장 시험 사이의 파단 하중의 증가는 샘플을 제조하는 동안 적용된 열로 인해 증가된 경화가 그 원인일 수 있음을 인식하기 바란다. 따라서, 본 발명의 코드는 연속 파단 문제를 해소한다.

제2 실시양태에서는, 다른 기하학적 배열에 대해서 상기의 결과를 확인하였다:

0.17+(5×0.185;5×0.185;5×0.17) 12 mm S

제1층의 집합틈은 0.185 mm의 55.0％인 것으로 계산할 수 있다. d₁/d₀ 비는 1.09이다. 도 3a, 3b, 및 3c는 코드를 따라 수 ㎛씩 떨어진 서로 다른 단면도 (300)를 보여준다. 중심 필라멘트 (302)를 식별할 수 있다. 제2층 필라멘트는 본래 중심의 둘레를 순회할 때 교차 방식, 즉 310┌>312┌>310┌>312┌>310┌>312┌>310┌>312┌>310┌>312으로 제2 연합 지점에 공급되지만, 바깥층 필라멘트가 '가리워진' 바깥층의 다른 필라멘트를 건너뛸 수 있어서 이 순서는 예를 들어 도 2a의 310┌>310┌>312┌>312┌>310┌>310┌>312┌>310┌>312┌>312와 같은 서열로 완전히 바뀔 수 있다.

이 코드는 다음과 같은 특성을 갖는다: 선 질량 3.179 g/m, 파단 하중 1107 N, 유효 인장 강도 2737 MPa, 모듈러스가 180000 MPa인 7×3 또는 3×3 유형의 스트랜드 코드에 비해 큰 194760 MPa의 모듈러스. 큰 모듈러스는 보강 적용시에 단지 작은 신도만이 허용될때 특히 유익하다.

마지막으로, 제2층이 매우 불포화된 실시양태를 다음과 같은 기하학적 배열로 제조하였다:

0.175+(5×0.20;3×0.20) 12 mm S

이 배열의 집합틈은 0.20의 45.0％이다. d₁/d₀ 비는 1.14이다. 도 4a는 중심 필라멘트 (402), 제1층 필라멘트 (404), 및 제2층 필라멘트 (412)를 분명하게 식별할 수 있는 코드의 단면도 (400)를 도시한다. 그러한 단면도는 코드를 경질 중합체 캐스팅에 고정시키고, 샘플을 절단하고, 그것을 연마하여 만든다. 층층으로 조금씩 연마함에 따라, 단면도의 서열을 분간할 수 있고 필라멘트 중앙의 자취 - 도면에서 'x'로 표시함 - 를 재현할 수 있다. 캐스팅 내에 두 개의 평행한 와이어 (420)를 도입하여 참고 프레임 (422)을 구축할 수 있고, 이와 대비하여 필라멘트 중앙의 위치를 측정할 수 있다. 도 4b에서는 0.0, 1.34, 2.68, 4.09, 5.45, 6.98 mm, 즉 꼬임 길이의 약 1/2에 걸친 6개의 단면도에 기초하여, 서로 다른 필라멘트를 따라 구축한 궤도를 보여준다. 중심 필라멘트 (402)의 자취는 다이아몬드 '◆'로 나타내고, 이 표식을 이은 선은 시각적 안내를 위한 것일 뿐이다. 분명히, 중심 필라멘트는 직선이 아니고 나선형의 변형을 나타낸다. 이러한 단면도에 기초하여, 또한 도 4a에서 화살표 (423)로 나타낸 바와 같이 '무게 중심'을 규정할 수 있다. 이 '무게 중심'은 도 4b에서 음영 영역 (424)으로 나타낸 바와 같이 프레임 (422)과 관련하여 많이 움직이지 않는다.

Claims

중심 필라멘트 직경을 갖는 중심 필라멘트, 상기 중심 필라멘트 직경 이상의 직경을 가지고 상기 중심 필라멘트의 둘레에 배치된 제1층 필라멘트, 및 상기 중심 필라멘트 직경 이상의 직경을 가지고 상기 제1층의 둘레에 배치된 제2층 필라멘트를 포함하고, 상기 필라멘트들은 모두 함께 동일한 꼬임(lay) 길이 및 방향으로 꼬여 있으며,

상기 꼬임 길이, 상기 중심 필라멘트 직경, 및 상기 제1층 필라멘트 직경은 제1층 필라멘트 사이에 상기 중심 필라멘트 직경의 최소 40％ 최대 70％인 집합틈이 형성되도록 하여, 집합틈에 제2층 필라멘트가 간헐적으로 들어가 있어 상기 중심 필라멘트가 상기의 꼬임 길이 및 방향으로 실질적으로 나선형으로 변형되어 있는 것을 특징으로 하는 엘라스토머 제품 보강용 스틸 코드.
제1항에 있어서, 제1층이 상기 중심 필라멘트 직경보다 더 큰 제1 필라멘트 직경을 갖는 필라멘트를 포함하는 것인 스틸 코드.
제2항에 있어서, 제1층이 제1 필라멘트 직경을 갖는 필라멘트에 이웃한 중심 필라멘트 직경을 갖는 필라멘트를 포함하는 것인 스틸 코드.
제3항에 있어서, 제1층이 제1 필라멘트 직경을 갖는 필라멘트에 이웃한 중심 필라멘트 직경을 갖는 필라멘트로 이루어진 것인 스틸 코드.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1층 내의 필라멘트의 수가 3개, 4개, 또는 5개인 스틸 코드.
제5항에 있어서, 제1층 내의 필라멘트의 수가 5개이고, 제1층 직경과 중심 필라멘트 직경 사이의 비가 102％ 내지 120％인 스틸 코드.
제6항에 있어서, 제2층 내의 필라멘트의 수가 1개 내지 10개인 스틸 코드.
제7항에 있어서, 제2층 필라멘트가 중심 필라멘트 직경 또는 제1 필라멘트 직경을 갖는 것인 스틸 코드.
제7항에 있어서, 제2층 필라멘트가 모두 제1 필라멘트 직경을 갖는 것인 스틸 코드.
제5항에 있어서, 제1층 내의 필라멘트의 수가 4개이고, 제1 필라멘트 직경과 중심 필라멘트 직경 사이의 비가 170％ 내지 205％인 스틸 코드.
제10항에 있어서, 제2층 내의 필라멘트의 수가 2개 내지 8개인 스틸 코드.
제11항에 있어서, 제2층 필라멘트가 중심 필라멘트 직경 또는 제1 필라멘트 직경을 갖는 것인 스틸 코드.
제11항에 있어서, 제2층 필라멘트가 모두 제1 필라멘트 직경을 갖는 것인 스틸 코드.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 필라멘트가 황동 코팅된 것인 스틸 코드.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 필라멘트가 아연 코팅된 것인 스틸 코드.
제15항에 있어서, 아연 코팅이 2 ㎛보다 얇고, 용융 도금 공정(hot dip galvanising process)을 통해 도포되는 것인 스틸 코드.
제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 필라멘트가 유기관능성 실란, 유기관능성 티탄산염, 또는 유기관능성 지르콘산염의 군으로부터의 적어도 하나를 포함하는 접착 프라이머로 코팅된 것인 스틸 코드.
- 중심 필라멘트의 스풀을 제공하는 단계;

- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따라 선택된 제1층 및 제2층 내의 직경을 갖는 제1층 필라멘트 및 제2층 필라멘트의 스풀을 제공하는 단계;

- 상기 필라멘트들을 함께 일정 꼬임 길이 및 방향으로 꼬기 위해 회전축을 갖는 조합 기계를 제공하는 단계;

- 상기 스풀로부터 상기 필라멘트들을 상기 조합 기계로 공급하여, 상기 중심 필라멘트가 제1 연합 지점에서 상기 제1층 필라멘트의 중앙으로 들어가 중간 스트랜드를 형성하고, 나머지 필라멘트들은 추가의 연합 지점에서 상기 중간 스트랜드의 둘레에 배치되는 단계

를 포함하고,

상기 중심 필라멘트는 상기 조합 기계의 회전축과의 고정각으로 제1 연합 지점으로 들어가는 것을 특징으로 하는 스틸 코드의 제조 방법.
제18항에 있어서, 제1층 필라멘트가 중심 필라멘트의 한쪽 측면으로 각을 이루며 공급되어, 제2층 필라멘트가 간헐적으로 들어가 있는 집합틈이 제1층 필라멘트에서 형성되는 것인 방법.
제18항 또는 제19항에 있어서, 필라멘트가 페이-오프(pay-off) 장력으로 조합 기계에 공급되고, 중심 필라멘트의 페이-오프 장력이 제1층 및 제2층의 임의의 페이-오프 장력보다 약하여 필라멘트 위치의 간헐적인 전환이 유발되는 것인 방법.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 스틸 코드를 포함하는, 타이어, 호스, 호이스팅 벨트, 컨베이어 벨트, 드라이브 벨트, 및 보강 스트립으로 이루어진 군으로부터 선택된 보강된 엘라스토머 제품.
제21항에 있어서, 엘라스토머가 폴리우레탄인 보강된 엘라스토머 제품.
제21항에 있어서, 엘라스토머가 고무인 보강된 엘라스토머 제품.