KR20120078630A - 폴리에스테르 원사 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어백용 원단에 사용 가능한 폴리에스테르 원사에 관한 것으로, 특히, TiO₂, SiO₂, 및 BaSO₄로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기 필러의 함량이 200 ppm 이하이고, 절단신도가 15% 이상이며 건열수축율이 3% 이상이고, 절단신도 및 건열수축율의 합이 20% 이상인 폴리에스테르 원사, 및 그의 제조방법, 이로부터 제조된 에어백용 원단에 관한 것이다.
본 발명의 폴리에스테르 원사는 강연도를 현저히 낮추며 우수한 기계적 물성으로 고강력, 고신율, 및 고수축의 물성 특성을 확보함에 따라, 에어백용 원단으로 사용시 강연도를 현저히 낮추면서도 터프니스(toughness), 인열강도(Tear Strength), 활탈저항력(Edge Comb Resistance) 등이 우수하고 공기 차단 성능 및 우수한 수납성, 형태안정성, 및 공기 차단 효과를 제공함과 동시에 승객에게 가해지는 충격을 최소화하여 탑승자를 안전하게 보호할 수 있다.

Description

폴리에스테르 원사 및 그의 제조방법 {POLYESTER FIBER AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 에어백용 원단에 사용 가능한 폴리에스테르 원사에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 기계적 물성, 형태안정성, 수납성 등을 갖는 고강력, 고신율, 및 고수축의 폴리에스테르 원사 및 그의 제조방법, 이를 이용한 인열강도(Tear Strength), 활탈저항력(Edge Comb Resistance), 및 터프니스(Toughness)가 우수한 에어백용 원단에 관한 것이다.

일반적으로 에어백(air bag)은, 주행중인 차량이 약 40 km/h 이상의 속도에서 정면의 충돌시, 차량에 가해지는 충돌충격을 충격감지센서에서 감지한 후, 화약을 폭발시켜 에어백 내부로 가스를 공급하여 팽창시킴으로써, 운전자 및 승객을 보호하는 장치를 말하는 것이며, 일반적인 에어백 시스템의 구조는 도 1에 도시한 것과 같다.

도 1에 도시되는 바와 같이, 일반적인 에어백 시스템은 뇌관(122)의 점화에 의해 가스를 발생시키는 인플레이터(inflater; 121), 그 발생된 가스에 의해 운전석의 운전자 쪽으로 팽창 전개되는 에어백(124)으로 이루어져 조향 휠(101)에 장착되는 에어백 모듈(100)과, 충돌시 충격 신호를 발생하는 충격센서(130), 및 그 충격 신호에 따라 인플레이터(121)의 뇌관(122)을 점화시키는 전자 제어모듈(Electronic Control Module; 110)를 포함하여 구성되어 있다. 이와 같이 구성된 에어백 시스템은 차량이 정면 충돌하게 되면, 충격 센서(130)에서 충격을 감지하여 전자 제어모듈(110)에 신호를 전달한다. 이 때, 이를 인식한 전자 제어모듈(110)은 뇌관(122)을 점화시켜, 인플레이터(121) 내부의 가스발생제를 연소시킨다. 이렇게 연소되는 가스발생제는 급속한 가스 발생을 통해 에어백(124)을 팽창시킨다. 이렇게 팽창되어 전개된 에어백(124)은 운전자의 전면 상체와 접촉하면서 충돌에 의한 충격하중을 부분적으로 흡수하고, 관성에 의해 운전자의 머리와 가슴이 전방으로 나아가면서 팽창된 에어백(124)과 충돌될 경우, 에어백(124)의 가스는 에어백(124)에 형성된 배출공으로 급속히 배출되며 운전자의 전면부에 완충 작용하게 된다. 따라서, 전면 충돌시 운전자에게 전달되는 충격력을 효과적으로 완충시켜 줌으로서, 2차 상해를 경감할 수 있게 된다.

상기와 같이, 자동차에 사용되는 에어백은 일정한 형태로 제조된 후, 그 부피를 최소화하기 위하여 접힌 상태로 자동차의 핸들이나 자동차 측면 유리창 또는 측면 구조물 등에 장착되어 접힌 상태를 유지하였다가 인플레이터(121) 작동시 에어백이 팽창되어 전개될 수 있도록 한다.

따라서, 자동차 장착시 에어백의 폴딩성 및 패키지성을 효과적으로 유지하며, 에어백 자체의 손상 및 파열을 막고 우수한 에어백 쿠션 전개 성능을 발휘하고, 승객에게 가해지는 충격을 최소화하기 위해서는, 에어백 원단의 우수한 기계적 물성과 함께 폴딩성 및 승객에게 가해지는 충격을 줄이기 위한 유연성이 매우 중요하다. 그렇지만, 승객의 안전을 위하여 우수한 공기 차단효과 및 유연성을 동시에 유지하며, 에어백이 받는 충격에 충분히 견디고 자동차내에 효과적으로 장착되어 사용할 수 에어백용 원단은 제안되어 있지 않은 상황이다.

종래에는 나일론 66 등의 폴리아미드 섬유가 에어백용 원사의 재료로 사용된 바 있다. 그러나, 나일론 66은 내충격성이 우수하지만 폴리에스테르 섬유에 비해 내습열성, 내광성, 형태안정성의 측면에서 뒤떨어지고 원료 비용도 높은 단점이 있다.

한편, 일본특허공개공보 평04-214437호에는 이러한 결점이 경감되는 폴리에스테르 섬유의 사용이 제안되어 있다. 그러나, 이같이 기존의 폴리에스테르 원사를 사용하여 에어백을 제조하는 경우에 강신도가 충분치 않아 에어백 전개시 순간적으로 강한 압력에 원단이 찢어지거나 탑승자가 상처를 입을 수 있다. 또한, 이렇게 기존의 폴리에스테르 원사를 사용하는 경우, 강력 저하 및 터프니스 저하로 인하여 에어백용 원단으로 제조시 고온 고습의 가혹 조건 하에서 충분한 기계적 물성, 기밀성, 및 전개 성능을 유지하는 데 한계가 있어 왔다.

따라서, 에어백용 원단으로 사용하기에 적합하게 우수한 형태안정성 및 공기 차단 효과를 유지하며, 승객에게 가해지는 충격을 줄이기 위한 유연성, 수납성, 및 고온 고습의 가혹 조건 하에서 우수한 기계적 물성을 유지하는 섬유 원사 개발에 대한 연구가 필요하다.

본 발명은 에어백용 원단에 사용 가능하도록 우수한 형태안정성 및 유연성, 수납성을 확보하며, 고온 고습의 가혹 조건 하에서 충분한 성능을 유지하는 에어백용 폴리에스테르 원사를 제공하고자 한다.

본 발명은 또한, 상기 폴리에스테르 원사를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 또한, 상기 폴리에스테르 원사를 사용하여 제조되는 에어백용 원단을 제공하고자 한다.

본 발명은 TiO₂, SiO₂, 및 BaSO₄로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기 필러의 함량이 200 ppm 이하이며, 절단신도가 15% 이상이며 건열수축율이 3% 이상이고, 절단신도 및 건열수축율의 합이 20% 이상인 폴리에스테르 원사를 제공한다.

본 발명은 또한, TiO₂, SiO₂, 및 BaSO₄로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기 필러의 함량이 200 ppm 이하인 폴리에스테르 중합체를 270 내지 300 ℃에서 용융 방사하여 폴리에스테르 미연신사를 제조하는 단계, 및 상기 폴리에스테르 미연신사를 연신하는 단계를 포함하는 상기 폴리에스테르 원사의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 폴리에스테르 원사를 사용하여 제조되는 에어백용 원단을 제공하고자 한다.

이하, 발명의 구체적인 구현예에 따른 폴리에스테르 원사, 그의 제조 방법, 및 이로부터 제조되는 에어백용 원단에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 하나의 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 발명의 권리범위 내에서 구현예에 대한 다양한 변형이 가능함은 당업자에게 자명하다.

추가적으로, 본 명세서 전체에서 특별한 언급이 없는 한 "포함" 또는 "함유"라 함은 어떤 구성 요소(또는 구성 성분)를 별다른 제한 없이 포함함을 지칭하며, 다른 구성 요소(또는 구성 성분)의 부가를 제외하는 것으로 해석될 수 없다.

폴리에스테르 에어백용 원단은 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, "PET"라 함)을 포함하는 중합체를 용융 방사하여 미연신사를 제조하고, 이를 연신하여 연신사(즉, 원사)를 얻은 후에, 이러한 공정을 통해 얻은 폴리에스테르 원사를 제직 가공하여 제조될 수 있다. 따라서, 상기 폴리에스테르 원사의 특성이 폴리에스테르 에어백용 원단의 물성에 직/간접적으로 반영된다.

특히, 종래의 나일론 66 등 폴리아미드 섬유 대신에 폴리에스테르를 에어백용 원사로 적용하기 위해서는, 기존에 폴리에스테르 원사의 높은 모듈러스와 강연도 등에 따른 폴딩성 저하 및 낮은 용융 열용량으로부터 기인한 고온 고습의 가혹 조건 하에서 물성 저하, 이에 따른 전개 성능 저하를 극복할 수 있어야 한다.

폴리에스테르는 분자구조상 나일론 등에 비해 강연성(stiffness)이 높은 구조를 가지게 되어 높은 모듈러스(high modulus)의 특성을 갖게 된다. 이로 인해, 에어백용 원단으로 사용하여 자동차에 장착할 경우 수납성(packing)이 현저히 떨어지게 된다. 또한, 폴리에스테르 분자쇄내의 카르복실 말단기(Carboxyl End Group, 이하, "CEG"라 함)은 고온 고습 조건에서 에스테르기(ester bond)를 공격하여 분자쇄 절단을 가져와 에이징후 물성을 저하시키는 원인이 된다.

이에 따라, 본 발명은 폴리에스테르 원사에서 TiO₂ 등의 무기 필러 함량 범위를 최소화하고 고점도의 칩을 사용하여 고분자량의 분자를 갖는 원사를 확보하고 미연신사로 물성 발현을 위해 배향시키는 연신 공정에서 최소한의 연신으로 신율 및 수축율 등의 물성 범위를 최적화함으로써, 강연도를 현저히 낮추면서도 터프니스(toughness), 인열강도(Tear Strength), 활탈저항력(Edge Comb Resistance) 등이 우수하고 공기 차단 성능 등을 유지할 수 있어 에어백용 원단에 효과적으로 적용할 수 있다.

특히, 본 발명자들의 실험 결과, 소정의 특성을 갖는 폴리에스테르 원사로부터 에어백용 원단을 제조함에 따라, 보다 향상된 폴딩성, 형태안정성, 및 공기 차단 효과를 나타내어 에어백용 원단으로 사용시 자동차 장착 등에서 보다 우수한 수납성(packing) 및 고온 고습의 가혹 조건 하에서도 우수한 기계적 물성, 공기 유출 방지, 기밀성 등을 유지할 수 있음이 밝혀졌다.

이에 발명의 일 구현예에 따라, 본 발명은 소정의 특성을 갖는 폴리에스테르 원사가 제공된다. 이러한 폴리에스테르 원사는 TiO₂, SiO₂, 및 BaSO₄로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기 필러 함량이 200 ppm 이하이며, 절단신도가 15% 이상이며 건열수축율이 3% 이상이고, 상기 절단신도 및 건열수축율의 합이 20% 이상인 것이 될 수 있다.

이러한 폴리에스테르 원사는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 주성분으로 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 PET는 그 제조단계에서 여러 가지 첨가제가 첨가될 수 있는 것으로서, 에어백용 원단에 적합한 물성을 나타내기 위해서는 적어도 70 몰% 이상, 더욱 바람직하게는 90 몰% 이상을 포함하는 원사일 수 있다. 이하에서 PET라는 용어는 특별한 설명 없이 PET 고분자가 70 몰% 이상인 경우를 의미한다.

상기 발명의 일 구현예에 따른 폴리에스테르 원사는 TiO₂, SiO₂, BaSO₄ 등의 무기 필러 함량을 최소화하는 특성, 즉, 200 ppm 이하 또는 0 내지 200 ppm, 바람직하게는 150 ppm 이하 또는 0 내지 150 ppm, 좀더 바람직하게는 100 ppm 이하 또는 0 내지 100 ppm, 더욱 바람직하게는 50 ppm 이하 또는 0 내지 50 ppm으로 최소화하는 특성을 갖는다.

일반적으로 폴리에스테르 원사는 제조 공정상에서 제사성 및 방사성을 개선하고 원사의 다양한 물성 발현을 위하여, 무광택제, 안료, 염료, 열안정제, 소포제, 정착제, 난연제, 산화방지제, 자외선흡수제, 적외선흡수제, 결정 핵제, 형광증백제 등의 각종 첨가제를 포함한다. 그러나, 기존과 같이 폴리에스테르 원사에 TiO₂, SiO₂, BaSO₄ 등이 소정의 범위를 초과하여 사용되는 경우, 에어백용 원단으로 적용시 신도 발현 등이 충분치 않고 수축율이 현저히 저하되어 원단이 찢어지는 등의 문제가 발생함을 알게 되었다.

특히, 폴리에스테르 원사에 상기 무기 필러가 일정 수준 이상 포함되는 경우, 상기 무기 필러가 결정 핵제로서 역할이 과도하여 결정화도가 커지며 비결정 영역에서 분자쇄의 수축 거동을 둔하게 하고 수축율을 저하시켜 늘어나는 거동을 둔하게 한다. 즉, 이같이 소정의 범위를 초과하여 TiO₂ 등의 무기 필러를 포함하는 경우, 수축율 및 신율을 떨어뜨리는 요인이 된다. 이같이 무기 필러가 소정의 범위를 초과하여 포함되는 폴리에스테르 원사에 대한 물성 측정시, 예컨대, 원사를 당겼을 때 응력이 TiO₂ 등의 무기 필러 입자에 집중되어 원사가 충분히 늘어나기 전에 절단됨으로써, 저신율 및/또는 저수축율의 특성을 나타내게 된다.

이에 따라, 본 발명의 폴리에스테르 원사는 TiO₂ 등의 무기 필러 함량을 200 ppm 이하로 최소화하거나 또는 바람직하게는 무기 필러를 포함하지 않음으로써, 고신율과 고수축을 동시에 만족시키며 고강력의 우수한 기계적 물성 및 전개 성능을 갖는 에어백용 원단을 제조할 수 있다.

또한, 고분자의 칩을 사용하여 낮은 온도 범위에서 폴리에스테르 중합체의 용융 방사 공정을 진행함에 따라, 폴리에스테르 중합체의 분해 반응을 최소화하여 높은 고유점도를 유지하여 높은 분자량을 확보함으로써, 후속하는 연신 공정에서 높은 연신 비율을 적용하지 않고도 고강력의 원사를 얻을 수 있으며, 그렇지 못할 경우 고연신으로 물성 발현할 수 밖에 없게 될 수 있다. 이 같이 고연신을 적용할 경우 섬유의 배향도가 상승하여 낮은 신율의 물성을 얻게 될 수 있다. 이같이 저연신 공정과 고분자량의 칩을 사용한 저온 방사로 고강력, 고신율, 고수축의 물성을 발현하여 상술한 우수한 물성의 폴리에스테르 원사가 얻어질 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 폴리에스테르 원사는 특히, 후술되는 바와 같이 제조 공정에서 적정량의 무기 입자와 고분자량의 칩, 적정 연신 공정 등을 최적화하여 수행함으로써 고강력, 고신율, 고수축의 물성을 발현시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 폴리에스테르 원사의 절신과 수축율의 합은 가공된 원단의 신율로 대변되므로 원사의 일정 신율과 수축율 확보는 에어백 원단의 신율을 일정값 이상 유지해야 한다는 의미이므로 즉, 원단의 터프니스가 높다는 표현이 될 수 있다. 이렇게 원단의 터프니스가 올라가면 충격흡수에 유리하게 된다. 또한, 무기입자, 특히, TiO₂ 등은 에어백 전개시 고온 환경에서 원단 내부로 열을 전달 하므로 원단 손상이 쉽게 발생될 수 있어 고온 인플레이터 사용시 에어백이 찢어지는 현상을 초래할 수 있다. 이와 함께, TiO₂ 등은 제사시 표면으로 빠져나와 연신 공정시 롤러 및 가이드 마찰을 줄여 사 손상을 최소화할 수 있어 고연신 공정이 가능하나 적게 사용시 제사에서 연신비를 올릴 수 없으므로 연신비를 올리지 않고 물성을 발현하기 위해 고점도 칩을 사용할 수 밖에 없으므로, 후술되는 바와 같은 공정 최적화를 통해 TiO₂ 등의 함량에 따라 연신비, 칩 점도가 한정될 수 있다.

본 발명의 폴리에스테르 원사는 상술한 바와 같이, TiO₂, SiO₂, BaSO₄ 등의 무기 필러 함량을 최소화하고 최적화된 용융방사 및 연신공정으로 제조되어, 배향 결정화 현상으로 인해 이전에 알려진 PET 원사보다 낮은 결정화도를 나타낼 수 있다. 본 발명의 폴리에스테르 원사는 40% 내지 52%, 바람직하게는 41% 내지 51%, 더욱 바람직하게는 42% 내지 50%의 결정화도를 나타낼 수 있다. 이같이 최적화된 결정화도에 따라 상기 폴리에스테르 원사로부터 제조된 에어백용 원단이 높은 기계적 물성과 함께 고신율, 고수축 특성을 함께 나타낼 수 있다. 특히, 상기 원사의 결정화도가 너무 낮은 경우, 예를 들어, 40% 미만으로 너무 낮은 경우에는 에어백용 원단에 적용시 충분한 수축응력 및 터프니스 등의 기계적 물성 유지 등이 어렵게 될 수 있다. 반면에 상기 원사의 결정화도가 너무 높은 경우에는, 예를 들어, 52%를 초과하여 과도하게 높아지는 경우에는 강직성이 과도하게 증가하여 가공성과 유연성이 떨어지며, 강직성의 지나친 증가로 인해 이로부터 얻어진 에어백용 원단에서 폴딩성, 유연성, 수납성 등이 크게 저하되어 실제 사용이나 상용화 등이 어렵게 될 수 있다.

또한, 본 발명의 폴리에스테르 원사는 후술하는 용융 방사 및 연신 조건 하에서 제조되어, 절단신도 및 건열수축율이 소정의 범위로 최적화된 특징을 갖는다. 즉, 상기 폴리에스테르 원사는 절단신도가 15% 이상 또는 15 % 내지 32%, 바람직하게는 15.5% 이상 또는 15.5% 내지 30%이고, 건열수축율이 4.0% 이상 또는 4.0% 내지 13%, 바람직하게는 4.2% 이상 또는 4.2% 내지 12.5%가 될 수 있다. 또한, 상기 원사의 절단신도 및 건열수축율의 합은 20% 이상 또는 20% 내지 45%, 바람직하게는 20.5% 이상 또는 20.5% 내지 42.5%가 될 수 있다. 이러한 저연신 특성으로 인해, 상기 폴리에스테르 원사로부터 제조된 에어백용 원단이 기존의 PET 원단의 높은 강연도(stiffness) 문제 등을 해결하고, 우수한 폴딩성, 유연성, 및 수납성을 나타낼 수 있다.

본 발명에서는 에어백 작동시 순간적으로 발생하는 충격에너지를 효과적으로 흡수하기 위해서는 원사의 절단신도 및 건열수축율을 동시에 최적 범위로 조절함으로써 최종 직물의 기계적 물성 및 폴딩성 등을 함께 높일 수 있다. 에어백 내부의 화약 폭발로 발생하는 배출 가스의 순간적인 충격 에너지를 초기에 직물이 안전하게 흡수하고, 이와 동시에 효과적인 전개가 이뤄질 수 있도록 우수한 강인성 및 인열강도와 함께 우수한 폴딩성을 갖기 위해서는 고강력 고신율의 높은 건열수축율이 필요하다. 일반적으로 에어백용으로 고강력 물성 발현을 위하여 원사의 강신도 물성을 최적화하는데, 그렇게 되면 신율이 증가함에 따라 수축율이 떨어지기 때문에 에어백용 원단으로 제작시 찢김 강성이 떨어지고, 에어백 전개시 에어백이 찢어지는 현상이 발생하게 된다. 이에 따라, 본 발명에서 원사의 절단신도 및 건열수축율은 상술한 바와 같은 범위를 동시에 충족하는 것이 필요하다.

특히, 상기 원사의 절단신도, 즉, 신율의 경우 그의 값이 15% 이상으로 유지함으로써, 높은 강인성(toughness)과 함께 유연성을 확보할 수 있다. 이로써, 에어백용 원단에 적용시 고온-고압의 가스 에너지를 충분히 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 자동차 장착시 우수한 수납성 및 전개성을 부여할 수 있도록 우수한 폴딩성을 확보할 수 있다. 이러한 원사의 절단신도와 함께, 본 발명에서는 원사의 건열수축율을 4.0%이상으로 유지하여, 실제 제사 공정상의 높은 이완율 혹은 고뎃 롤러의 높은 온도로 인해 원사 떨림에 의한 사절을 예방하고 제사성을 향상시킬 수 있으며 원단으로 제직시 원단의 폭축이 원활하여 원단의 찢김 강성 및 내 미어짐성을 개선할 수 있다. 이와 동시에, 상기 원사의 절단신도 및 건열수축율은 그의 합이 20% 이상으로 될 수 있으며, 이는 에어백 원단을 가공할 경우 가공원단의 신율은 원사의 신율과 수축율의 합으로 대변할 수 있기 때문이다. 또한 이는 에어백용 원단으로 적용시 원단의 강인성(Toughness) 및 수납성 측면에서 바람직하고, 경우에 따라, 에어백용 원사 의 방사성 및 제사성 측면과 원단의 제조성 측면에서 19.0% 이하로 될 수도 있다. 이러한 특성으로 인해, 상기 폴리에스테르 원사로부터 제조된 에어백용 원단이 기존의 폴리에스테르 원단에 비해 우수한 강신도 및 터프니스(toughness), 인열강도(Tear Strength), 활탈저항력(Edge Comb Resistance) 등이 우수하고 공기 차단 성능 등을 확보할 수 있다.

따라서, 이러한 최적화된 무기 필러 함량 및 신율, 건열수축율과 함께, 바람직하게는 높은 고유점도를 나타내는 폴리에스테르 원사를 이용하여 우수한 기계적 물성 및 수납성, 형태안정성, 내충격성, 공기 차단 효과를 동시에 나타내는 에어백용 원단을 제조하는 것이 가능해진다. 그러므로, 상기 폴리에스테르 원사를 이용하면, 보다 낮은 강연도 및 폴딩성, 유연성, 수납성을 나타내면서도, 우수한 내충격성, 형태안정성, 기계적 물성, 기밀성을 나타내는 에어백용 원단이 얻어질 수 있다. 이러한 에어백용 폴리에스테르 원단은 우수한 기계적 물성, 형태 안정성, 공기 차단 효과를 나타내면서도 자동차의 좁은 공간에 장착시 우수한 폴딩성, 수납성을 제공함과 동시에 우수한 유연성으로 승객에게 가해지는 충격을 최소화하여 탑승자를 안전하게 보호할 수 있으므로, 에어백용 원단 등으로 바람직하게 적용될 수 있다.

한편, 상기 원사는 터프니스값이 30×10^-1 g/d 이상 또는 30×10^-1 g/d 내지 46×10^-1 g/d, 바람직하게는 31×10^-1 g/d 이상 또는 31×10^-1 g/d 내지 44×10^-1 g/d를 나타낼 수 있다. 이미 상술한 바와 같이, TiO₂ 등의 무기 필러 함량 및 절단신도, 건열수축율 등을 최적 범위로 확보함으로써, 본 발명의 폴리에스테르 원사는 강신도 및 강연도 등의 물성을 우수한 정도로 확보할 수 있을 뿐만 아니라 에어백용 원단으로 제조시 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

또한, 본 발명의 폴리에스테르 원사는 일반적인 코팅 직물의 라미네이트 코팅 온도에 해당하는 150 ℃에서의 수축응력이 0.005 내지 0.075 g/d인 것이 바람직하고, 일반적인 코팅 직물의 졸 코팅 온도에 해당하는 200 ℃에서의 수축응력이 0.005 내지 0.075 g/d인 것이 바람직하다. 즉, 상기 150 ℃와 200 ℃에서의 수축응력이 각각 0.005 g/d 이상은 되어야 코팅 공정중 열에 의한 원단의 처짐 현상을 막을 수 있고, 0.075 g/d 이하가 되어야 코팅공정을 지나 상온에서 냉각될 때 이완 응력을 완화시킬 수 있다. 상기 수축응력은 0.10 g/d의 고정 하중 하에서 측정한 값을 기준으로 한다.

상기 폴리에스테르 원사는 단사섬도가 0.5 내지 20 데니어, 바람직하게는 2.0 내지 10.5 데니어인 것이 될 수 있다. 상기 폴리에스테르 원사가 에어백용 원단에 효과적으로 사용되기 위해서는 수납성 측면에서 저섬도 고강력으로 유지해야 하므로, 적용 가능한 원사의 총섬도는 200 내지 1,000 데니어, 바람직하게는 220 내지 840 데니어, 좀더 바람직하게는 250 내지 600 데니어가 될 수 있다. 또한, 상기 원사의 필라멘트수는 많을수록 소프트한 촉감을 줄 수 있으나, 너무 많은 경우에는 방사성이 좋지 않을 수 있으므로, 필라멘트수는 50 내지 240 바람직하게는 55 내지 220, 좀더 바람직하게는 60 내지 200이 될 수 있다

한편, 발명의 다른 구현예에 따라, 상술한 바와 같은 폴리에스테르 원사의 제조 방법이 제공된다. 상기 폴리에스테르 원사는 폴리에스테르 중합체, 예를 들어 PET 칩을 용융 방사하여 미연신사를 제조하고, 상기 미연신사를 연신하는 방법으로 제조될 수 있고, 상기한 바와 같이, 이들 각 단계의 구체적 조건이나 진행 방법이 폴리에스테르 원사의 물성에 직/간접적으로 반영되어 상술한 물성을 가진 폴리에스테르 원사가 제조될 수 있다.

본 발명의 폴리에스테르 원사의 제조방법은 TiO₂, SiO₂, 및 BaSO₄로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기 필러의 함량이 200 ppm 이하인 폴리에스테르 중합체를 270 내지 300 ℃에서 용융 방사하여 폴리에스테르 미연신사를 제조하는 단계, 및 상기 폴리에스테르 미연신사를 연신하는 단계를 포함한다.

특히, 상술한 바와 같이 에어백 등의 산업용사로서 폴리에스테르 원사에서 고강력, 고신율, 고수축의 물성을 발현하기 위해서는 적정량의 무기 입자와 고분자량의 칩, 적정 연신 공정이 잘 조합되어야 할 필요가 있다. 이에 따라, 본 발명에서는 후술되는 바와 같은 공정 최적화를 통해 TiO₂, SiO₂, 및 BaSO₄로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기 필러의 함량이 200 ppm 이하이며, 절단신도가 15% 이상이며 건열수축율이 3% 이상이고, 상기 절단신도 및 건열수축율의 합이 20% 이상인 폴리에스테르 원사를 확보할 수 있음이 밝혀졌다. 여기서, 무기 필러와 사용된 칩의 점도, 원사의 물성 발현을 위해 미연신사를 배향시키는 연신 공정에서의 연신비가 잘 조합되도록 공정을 최적화할 수도 있다.

또한, 본 발명에서 이러한 용융 방사 및 연신 공정의 최적화를 통해, 높은 습도 조건 하에서 산으로 존재하여 폴리에스테르 원사의 기본 분자쇄 절단을 유발시키는 카르복실 말단기(CEG, Carboxyl End Group)를 최소화할 수 있음이 밝혀졌다. 따라서, 이러한 폴리에스테르 원사는 상기 무기 필러의 함량을 최소화하고 신율 및 건열수축율을 동시에 최적화된 범위로 나타내어 우수한 기계적 물성 및 수납성, 형태안정성, 내충격성, 공기 차단 효과를 갖는 에어백용 원단에 바람직하게 적용될 수 있다.

이러한 공정 최적화는 상기 폴리에스테르 중합체에서 무기 필러의 함량, 폴리에스테르 중합체의 고유점도, 및 연신 공정에서 연신비에 기초한 하기 계산식 1의 함수값(S3, 여기서, S3는 a₁ ＋ a₂ ＋ a₃를 나타냄)이 50 이상이고 190 이하가 되도록 조절하여 수행될 수 있다.

[계산식 1]

50 ≤ a₁ ＋ a₂ ＋ a₃ ≤ 190

식 중,

a₁은 상기 폴리에스테르 중합체에서 무기 필러 함량(ppm)의 절대치이고,

a₂은 상기 폴리에스테르 중합체의 고유 점도(dl/g)의 절대치에 10을 곱한 값이며, 즉, '칩의 고유 점도 × 10'으로 나타낼 수 있으며,

a₃은 상기 연신 공정에서 연신비에 10을 곱한 값이며, 즉, '연신비 × 10'으로 나타낼 수 있다.

이 때, 상기 a₁, a₂, 및 a₃의 3가지 요인을 조합한 S3은, 즉, 'TiO₂, SiO₂, 및 BaSO₄로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기 필러의 함량'을 나타내는 a₁, '칩의 고유점도'의 10배 수치를 나타내는 a₂, 및 '미연신사로부터 연신사로의 연신비'의 10배 수치를 나타내는 a₃의 합인 S3가 50 미만으로 작을 경우 칩의 점도가 낮고 연신비가 낮아 강력, 절신 발현이 어려울 수 있다. 또한, 상기 S3가 190을 초과하여 클 경우 무입자 함량이 많아 앞에서 결정 핵제로서 역할이 과도하여 결정화도가 커지며 비결정 영역에서 분자쇄의 수축 거동을 둔하게 하고 수축율을 저하시키고 무기 필러에 응력이 집중되어 원사가 충분히 늘어나기 전에 절단됨으로써, 고신율 및/또는 고수축율의 우수한 특성을 발현하기 어려울 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 계산식 1에 나타낸 바와 같이 a₁, a₂, a₃의 합, 즉, S3의 범위를 최적 범위로 유지할 수 있도록 공정을 최적화하여 폴리에스테르 제조 공정을 수행함으로써, 고신율과 고수축을 동시에 만족시키며 강연도를 현저히 낮추면서도 터프니스(toughness), 인열강도(Tear Strength), 활탈저항력(Edge Comb Resistance) 등이 우수하고 공기 차단 성능 등을 갖는 에어백용 원단을 제조할 수 있다.

이러한 폴리에스테르 원사의 제조방법을 각 단계별로 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 첨부한 도면을 참고로 하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 용융 방사 및 연신 공정의 실시 형태를 간략히 설명할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따라, 상기 용융 방사 및 연신 단계를 포함하는 폴리에스테르 원사 제조공정을 모식적으로 나타낸 공정도이다. 도 2에서 보는 바와 같이 본 발명의 에어백용 폴리에스테르 원사의 제조 방식은 전술한 바와 같은 방식으로 제조된 폴리에스테르 중합체를 용융시켜, 구금을 통해 방사된 용융 고분자를 급냉 공기(quenching-air)로 냉각시키고, 유제 롤(220, 또는 오일-젯)을 이용하여 미연신사에 유제를 부여하고, 전-집속기(pre-interlacer, 230)를 사용하여 일정한 공기압력으로 미연신사에 부여된 유제를 원사의 표면에 균일하게 분산시킬 수 있다. 이후, 다단의 연신장치(241~246)를 통하여 연신과정을 거친 후, 최종적으로 세컨드 집속기(2^nd Interlacer, 250)에서 일정한 압력으로 원사를 인터밍글(intermingle)시켜 권취기(260)에서 권취하여 원사를 생산할 수 있다.

또한, 본 발명의 제조 방법은 에어백용 원단에 효과적으로 사용할 수 있는 고강력 고신율의 고수축 폴리에스테르 원사를 제조하기 위하여, 고점도의 폴리에스테르 중합체를 제조하여 사용할 수 있다.

본 발명에서 상기 폴리에스테르 중합체는 TiO₂, SiO₂, BaSO₄ 등의 무기 필러 함량을 최소화하는 특성, 즉, 200 ppm 이하 또는 0 내지 200 ppm, 바람직하게는 150 ppm 이하 또는 0 내지 150 ppm, 좀더 바람직하게는 100 ppm 이하 또는 0 내지 100 ppm, 더욱 바람직하게는 50 ppm 이하 또는 0 내지 50 ppm으로 최소화하는 특성을 갖는다.

이때, 건열 수축율 및 신율 범위를 소정의 최적화된 범위로 충족하는 폴리에스테르 미연신사를 얻기 위해서는, 상기 용융 방사 공정은 폴리에스테르 중합체의 열분해를 최소화할 수 있도록 낮은 온도 범위에서 수행하는 것이 바람직하다. 특히, 고점도의 폴리에스테르 중합체의 고유점도 및 CEG 함량 등에 대하여 공정에 따른 물성 저하를 최소화할 수 있도록, 즉, 폴리에스테르 중합체의 고점도 및 낮은 CEG 함량을 유지할 수 있도록 저온방사, 예를 들어, 270 내지 300 ℃, 바람직하게는 275 내지 300 ℃, 좀더 바람직하게는 280 내지 300 ℃ 온도에서 수행할 수 있다. 여기서, 방사온도란 사출기(Extruder) 온도를 지칭하는 것이며, 상기 용융 방사 공정을 300 ℃를 초과하여 수행할 경우에는 폴리에스테르 중합체의 열분해가 다량으로 발생하여 고유점도의 저하로 분자량 감소 및 CEG 함량 증가가 커질 수 있으며, 원사의 표면 손상으로 전반적인 물성 저하를 초래할 수 있어 바람직하지 않다. 이에 반해, 상기 용융 방사 공정을 270 ℃ 미만에서 진행할 경우에는 폴리에스테르 중합체의 용융이 어려울 수 있으며, N/Z표면 냉각으로 방사성이 떨어질 수도 있어, 상기 온도 범위 내에서 용융 방사 공정을 수행하는 것이 바람직하다.

실험 결과, 이러한 낮은 온도 범위에서 폴리에스테르 중합체의 용융 방사 공정을 진행함에 따라, 폴리에스테르 중합체의 분해 반응을 최소화하여 높은 고유점도를 유지하여 높은 분자량을 확보함으로써, 후속하는 연신 공정에서 높은 연신 비율을 적용하지 않고도 고강력의 원사를 얻을 수 있으며, 이같이 저연신 공정을 수행할 수 있음에 따라 모듈러스를 효과적으로 낮출 수 있어 상술한 물성을 충족하는 폴리에스테르 원사가 얻어질 수 있음이 밝혀졌다.

또한, 상기 용융 방사 공정은 폴리에스테르 중합체 분해 반응을 최소화하는 측면에서, 보다 낮은 방사 장력 하에서 진행될 수 있도록, 즉 방사 장력을 최소화할 수 있도록, 예를 들어, 상기 폴리에스테르 중합체를 용융 방사하는 속도를 300 내지 1,000 m/min의 저속으로 조절할 수 있고, 바람직하게는 350 내지 700 m/min으로 조절할 수 있다. 이같이 선택적으로 낮은 방사 장력 및 낮은 방사 속도 하에 폴리에스테르 중합체의 용융 방사 공정을 진행함에 따라, 폴리에스테르 중합체의 분해 반응을 더욱 최소화할 수 있다.

한편, 이러한 용융 방사 공정을 거치고 얻어진 미연신사는 0.8 dl/g 이상 또는 0.8 dl/g 내지 1.2 dl/g, 바람직하게는 0.85 dl/g 이상 또는 0.85 dl/g 내지 1.20 dl/g, 더욱 바람직하게는 0.90 dl/g 이상 또는 0.90 dl/g 내지 1.20 dl/g의 고유점도를 나타낼 수 있다.

특히, 상술한 바와 같이 고강력 고신율의 고수축 폴리에스테르 원사를 제조하기 위해서는, 미연신사 제조 공정에서 고점도 폴리에스테르 중합체, 예를 들어, 고유점도 0.85 dl/g 이상의 폴리에스테르 중합체를 사용하여, 용융 방사 및 연신 공정을 통해 이러한 고점도 범위를 최대한 유지하여 저연신으로 고강력을 발휘할 수 있어 신율과 건열 수축률을 효과적으로 올릴 수 있다. 또한, 상기 폴리에스테르 중합체의 용융 온도 상승에 따른 분자쇄 절단과 방사팩에서의 토출량에 의한 압력 증가를 막기 위해서는 고유점도가 2.0 dl/g 이하인 것이 더욱 바람직하다.

이러한 고점도의 폴리에스테르 중합체는 상술한 바와 같은 저온 조건 하에서 용융 방사를 수행하여 폴리에스테르 중합체의 열분해 등을 최대한 억제함으로써, 폴리에스테르 중합체와 폴리에스테르 원사와의 고유점도 차이를 최소화할 수 있다. 예를 들어, 폴리에스테르 중합체와 폴리에스테르 원사와의 고유점도 차이는 0.5 dl/g 이하 또는 0 내지 0.5 dl/g, 바람직하게는 0.4 dl/g 이하 또는 0.1 내지 0.4 dl/g가 되도록 용융 방사 및 이후 공정을 수행할 수 있다. 상기 폴리에스테르 중합체는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 주성분으로 포함하는 것이 바람직하며, 에어백용 원사로서 한 기계적 물성을 확보하기 위해서는 바람직하게는 70 몰% 이상, 더욱 바람직하게는 90 몰% 이상을 포함할 수 있다.

본 발명은 이같이 폴리에스테르 중합체의 무기 필러 함량을 최소화와 함께 고유점도 저하를 최대한 억제함으로써, 폴리에스테르 원사의 우수한 기계적 물성을 유지하면서 동시에 우수한 신율을 확보할 수 있으며, 에어백용 원단에 적합한 고강력의 고신율, 고수축 원사를 제조할 수 있다.

그리고, 상기 폴리에스테르 중합체, 예를 들어 PET 칩은 모노 필라멘트의 섬도가 0.5 내지 20 데니어, 바람직하게는 1 내지 15 데니어로 될 수 있도록 고안된 구금을 통하여 방사되는 것이 바람직하다. 즉, 방사 중 사절의 발생 및 냉각시 서로간의 간섭에 의하여 사절이 발생할 가능성을 낮추기 위해서는 모노 필라멘트의 데니어가 1.5 데니어 이상은 되어야 하며, 냉각 효율을 높이기 위해서는 모노 필라멘트의 섬도가 15 데니어 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 폴리에스테르 중합체를 용융 방사한 후에는 냉각 공정을 부가하여 상기 폴리에스테르 미연신사를 제조할 수 있다. 이러한 냉각 공정은 15 내지 60 ℃의 냉각풍을 가하는 방법으로 진행함이 바람직하고, 각각의 냉각풍 온도 조건에 있어서 냉각 풍량을 0.4 내지 1.5 m/s로 조절하는 것이 바람직하다. 이로써, 발명의 일 구현예에 따른 제반 물성을 나타내는 폴리에스테르 미연신사를 보다 쉽게 제조할 수 있다.

한편, 이러한 방사 단계를 통해 폴리에스테르 미연신사를 제조한 후에는, 이러한 미연신사를 연신하여 연신사를 제조한다. 이때, 상기 연신 공정은 5.0 내지 6.0, 바람직하게는 5.0 내지 5.8의 총연신비 조건 하에서 수행할 수 있다. 상기 폴리에스테르 미연신사는 용융 방사 공정을 최적화하여 높은 고유점도와 낮은 초기 모듈러스를 유지하며 분자내 CEG 함량 또한 최소화한 상태이다. 따라서, 6.0을 초과하여 높은 연신비 조건 하에서 상기 연신 공정을 진행하면, 과연신 수준이 되어 상기 연신사에 절사 또는 모우 등이 발생할 수 있고 높은 섬유의 배향도에 의해 저신율 고모듈러스의 원사가 제조될 수 있다. 특히, 이렇게 높은 연신비 조건 하에서 원사의 신율이 저하되고 모듈러스가 증가하게 되는 경우, 에어백용 원단으로 적용시 폴딩성, 수납성이 좋지 않을 수 있다. 반면에, 비교적 낮은 연신비 하에서 연신 공정을 진행하면, 섬유 배향도가 낮아 이로부터 제조된 폴리에스테르 원사의 강도가 일부 낮아질 수 있다. 다만, 물성 측면에서 5.0 이상의 연신비 하에서 연신 공정을 수행하면, 예를 들어, 에어백용 원단 등에 적용되기에 적합한 고강력 저모듈러스의 폴리에스테르 원사의 제조가 가능하므로, 상기 연신 공정은 5.0 내지 6.0의 연신비 조건 하에서 진행하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 직접 방사 연신 공정으로 고강도 및 고신율의 성질을 동시에 만족시키면서 고수축의 폴리에스테르 원사를 제조하기 위하여 고점도의 폴리에스테르 중합 칩을 사용하여 용융 방사한 다음, 와인더에 권취하기까지 다단 고뎃 롤러를 거치며 연신, 열고정, 이완, 권취하는 공정을 포함할 수 있다.

상기 연신 공정은 상기 미연신사를 오일 픽업량 0.2% 내지 2.0%의 조건 하에서 고뎃 롤러를 통과시킨 후에 수행할 수 있다.

상기 이완 과정에서 이완률은 1% 내지 7%가 바람직하며, 1.1% 내지 6.8%가 좀더 바람직하다. 상기 이완률이 1.0% 미만일 경우에는 원사에 장력이 높게 가해져 원사가 사절이 유발되며 7.0%를 초과할 경우에는 고수축율 발현이 어려워 에어백용 원단 제조시 우수한 공기차단 효과를 얻을 수 없게 될 수도 있다.

또한, 상기 연신 공정에서는 상기 미연신사를 대략 190 내지 245 ℃의 온도 조건 하에서 열처리하는 열고정 공정을 추가로 수행할 수 있으며, 바람직하게는 상기 연신 공정의 적절한 진행을 위해 195 내지 245 ℃의 온도로 열처리할 수 있다. 여기서, 온도가 190 ℃ 미만일 경우에는 열적 효과가 충분하지 못하여 이완효율이 떨어져 수축률 달성이 어려우며, 245 ℃를 초과할 경우에는 이완 효율이 커져 저수축의 수축율을 보이므로 고수축에 의한 기밀성이 우수한 에어백 원단 제조가 어렵다

이때, 권취속도는 2,000 내지 4,000 m/min, 바람직하게는 2,500 내지 3,700 m/min으로 수행할 수 있다.

이에 발명의 또 다른 구현예에 따라, 상술한 폴리에스테르 원사를 포함하는 에어백용 폴리에스테르 원단이 제공된다.

본 발명에서 에어백(airbag)용 원단이라 함은 자동차용 에어백의 제조에 사용되는 직물 또는 부직포 등을 말하는 것으로, 상기와 같이 공정을 통해 제조된 폴리에스테르 원사를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명은 기존에 고강도 저신도의 폴리에스테르 섬유가 아닌 고강도 고신도의 고수축 폴리에스테르 섬유를 사용함으로써, 에어백 팽창시의 에너지 흡수 능력이 우수할 뿐만 아니라, 우수한 형태안정성과 공기 차단성 및 우수한 폴딩성, 터프니스(toughness), 인열강도(Tear Strength), 활탈저항력(Edge Comb Resistance) 등이 우수하고 공기 차단 성능 등을 유지할 수 있어 에어백용 원단에 효과적으로 적용할 수 있다.

또한, 상기 에어백용 원단은 상온 물성이 우수할 뿐만 아니라, 고온 및 고습의 가혹 조건 하에서 에이징(aging) 후에도 우수한 기계적 물성 및 기밀성 등을 유지할 수 있다.

좀더 구체적으로, 본 발명의 에어백용 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 5034 방법으로 상온에서 측정한 인장강도가 220 kgf/inch 또는 220 내지 350 kgf/inch이 될 수 있으며, 바람직하게는 230 kgf/inch 또는 230 내지 300 kgf/inch 정도의 범위가 될 수 있다. 상기 인장강도의 경우 기존 에어백 요구 물성 측면에서 220 kgf/inch 이상이 되는 것이 바람직하고, 현실적으로 물성 발현 측면에서 350 kgf/inch 이하가 되는 것이 바람직하다.

상기 에어백용 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 5034 방법으로 상온에서 측정한 절단 신도가 20% 이상 또는 20% 내지 60%이 될 수 있으며, 바람직하게는 28% 이상 또는 28% 내지 50% 정도의 범위가 될 수 있다. 상기 절단 신도의 경우 기존 에어백 요구 물성 측면에서 20% 이상이 되는 것이 바람직하고, 현실적으로 물성 발현 측면에서 60% 이하가 되는 것이 바람직하다.

또한, 에어백용 코팅원단은 고온-고압의 가스에 의해 급속하게 팽창되므로 우수한 인열강도 수준이 요구되는데, 상기 에어백용 코팅 원단의 파열 강도를 나타내는 인열강도를 미국재료시험협회규격 ASTM D 2261 방법으로 상온에서 측정하였을 때 22 kgf 이상 또는 22 내지 60 kgf, 바람직하게는 25 kgf 이상 또는 25 내지 55 kgf가 될 수 있다. 여기서, 코팅 원단의 인열강도가 상기 하한값, 즉 상온에서 22 kgf 미만인 경우에는 에어백의 전개시 에어백의 파열이 발생함으로써 에어백 기능에 커다란 위험을 초래할 수도 있다.

본 발명에 따른 에어백용 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 6479 방법으로 상온(25 ℃)에서 측정한 활탈저항력이 350 N 이상 또는 350 내지 1,000 N, 바람직하게는 380 N 이상 또는 380 내지 970 N이 될 수 있다. 또한, 상기 폴리에스테르 원단은 90 ℃에서 측정한 활탈저항력이 300 N 이상 또는 300 내지 970 N, 바람직하게는 320 N 이상 또는 320 내지 950 N이 될 수 있다. 이 때, 상기 폴리에스테르 원단의 활탈저항력은 상온(25 ℃) 및 90 ℃에서 측정시, 각각 350 N 미만 및 300 N 미만인 경우에는 에어백 전개시 에어백 쿠션 봉제부위의 원단 강도가 급격히 나빠짐으로써 실제 에어백 전개시 원단에서 핀홀(pin hole) 발생과 봉목 밀림 현상으로 인한 원단 찢어짐 현상이 발생되어 바람직하지 못할 수 있다.

상기 에어백용 원단은 ASTM D 1776 방법으로 측정한 경사방향 및 위사방향의 원단수축율이 각각 4.0% 이하, 바람직하게는 2.0% 이하가 될 수 있다. 여기서, 원단의 형태안정성 측면에서는 경사방향 및 위사방향의 원단수축율이 1.0%를 초과하지 않는 것이 가장 바람직하다.

상기 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 737 방법으로 상온에서 측정한 공기투과도가 10.0 cfm 이하, 또는 0 내지 10.0 cfm, 또는 0.5 내지 10.0 cfm이 될 수 있다. 특히, 에어백용 원단의 공기투과도는 원단에 고무성분 코팅층이 포함시킴으로써 현저히 낮출 수 있으며, 거의 0 cfm에 근사한 값의 공기투과도를 확보할 수도 있다. 본 발명의 코팅 원단의 공기투과도는 1,4 cfm 이하 또는 0 내지 1.4 cfm이 될 수 있다. 다만, 이러한 고무성분 코팅을 수행하지 않는 경우에, 본 발명의 비코팅 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 737 방법으로 상온에서 측정한 공기투과도가 10.0 cfm 이하 또는 0 내지 10.0 cfm, 바람직하게는 3.5 cfm 이하 또는 0 내지 3.5 cfm가 될 수 있다. 이때, 이러한 본 발명의 비코팅 원단에서 공기투과도가 10.0 cfm, 좀더 바람직하게는 3.5 cfm를 초과하는 경우, 또는 코팅 원단에서 공기투과도가 1.4 cfm를 초과하는 경우에는 에어백용 원단의 기밀성을 유지하는 측면에서는 바람직하지 않을 수 있다.

또한, 본 발명의 에어백용 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 4032 방법으로 상온에서 측정한 강연도가 0.2 kgf 이상 또는 0.2 내지 1.2 kgf, 바람직하게는 0.5 kgf 이상 또는 0.5 내지 1.0 kgf가 될 수 있다. 특히, 530 데니어 이상인 경우 1.2 kgf 이하가 될 수 있으며, 460 데니어 미만인 경우 0.8 kgf 이하의 범위를 갖을 수 있다.

본 발명의 원단은 에어백용으로 사용하기 위해서는 상기 강연도 범위를 유지하는 것이 바람직하고, 강연도가 0.2 kgf 미만으로 너무 낮은 경우에는 에어백 팽창 전개시 충분한 보호 지지 기능을 하지 못할 수 있으며, 차량 장착시에도 형태 유지 성능이 떨어져 수납성이 저하될 수 있다. 또한, 너무 딱딱한 상태가 되어 접기 어렵게 됨으로써 수납성이 저하되는 것을 방지하고, 원단의 변색 현상을 방지하기 위해서는, 상기 강연도는 1.2 kgf 이하가 바람직하고, 특히 460 데니어 미만인 경우에는 0.8 kgf 이하가 바람직하며, 530 데니어 이상인 경우에도 1.2 kgf 이하가 되는 것이 좋다.

또한, 본 발명의 또 다른 구현예에 따라, 폴리에스테르 원사를 사용한 에어백용 원단의 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 에어백용 원단 제조방법은 상기 폴리에스테르 원사를 사용하여 에어백용 생지를 제직하는 단계, 상기 제직된 에어백용 생지를 정련하여 하는 단계, 및 상기 정련된 직물을 텐터링하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 상기 폴리에스테르 원사는 통상적인 제직 방법과, 정련 및 텐터링 공정을 거쳐서 최종적인 에어백용 원단으로 제조될 수 있다. 이때, 원단의 제직형태는 특정 형태에 국한되지 않으며 평직 타입과 OPW(One Piece Woven) 타입의 제직형태 모두가 바람직하다.

특히, 본 발명의 에어백용 원단은 상기 폴리에스테르 원사를 위사 및 경사로 이용하여 비밍(beaming), 제직, 정련, 및 텐터링 공정을 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 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 에어백용 원단은 표면에 코팅 또는 라미네이트된 실리콘 수지, 폴리비닐클로라이드 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리우레탄 수지 등의 1종 이상으로 이루어진 코팅층을 더욱 포함하는 것이 바람직하며, 코팅 수지의 종류는 상기 언급된 물질에만 한정되지는 않는다. 상기 수지 코팅층은 나이프 코트법, 닥터블레이드법, 또는 분무코팅법으로 적용할 수 있지만, 이 또한 상기 언급된 방법에만 한정되지는 않는다.

상기 수지코팅층의 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 평직 원단의 경우는 상기 코팅량이 20 g/m² 내지 50 g/m² 수준이 바람직하다.

이렇게 코팅된 에어백용 원단은 재단과 봉제공정을 거치면서 일정한 형태를 갖는 에어백 쿠션 형태로 제조된다. 상기 에어백은 특별한 형태에 국한되지 아니하며 일반적인 형태로 제조될 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따라, 상기의 에어백을 포함하는 에어백 시스템을 제공된다. 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 발명에 있어서 상기 기재된 내용 이외의 사항은 필요에 따라 가감이 가능한 것이므로, 본 발명에서는 특별히 한정하지 아니한다.

본 발명에 따르면, TiO₂ 등의 무기 필러 함량이 최소화하고 절단신도 및 건열수축율이 최적화되어, 우수한 기계적 물성과 함께 유연성 및 폴딩성이 우수한 에어백용 원단을 제조할 수 있는 에어백용 폴리에스테르 원사가 제공된다.

이러한 에어백용 폴리에스테르 원사는 고강력, 고신율 및 고수축율의 특성을 동시에 나타냄으로써, 에어백용 원단에 사용시 우수한 형태안정성, 기계적 물성, 공기 차단 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 이와 동시에 강연도를 현저히 낮추면서도 터프니스(Toughness), 인열강도(Tear Strength), 활탈저항력(Edge Comb Resistance) 등이 우수하고 우수한 폴딩성 및 유연성을 확보할 수 있어 자동차 장착시 수납성을 현저히 개선하고 동시에 승객에게 가해지는 충격을 최소화하여 탑승자를 안전하게 보호할 수 있다.

따라서, 본 발명의 폴리에스테르 원사 및 이를 이용한 폴리에스테르 원단은 차량용 에어백 제조 등에 매우 바람직하게 사용될 수 있다.

도 1은 일반적인 에어백 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 폴리에스테르 원사 제조공정을 모식적으로 나타낸 공정도이다.

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 1~5

하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 소정의 고유점도, 무기 필러 함량을 갖는 PET 중합체를 용융 방사하고 연신하는 단계를 거쳐 에어백용 폴리에스테르 원사를 제조하였다.

상기 PET 중합체는 283~295 ℃의 온도에서 용융하여 방사 구금을 통해 용융 폴리에스테르를 토출시키고, 상기 토출된 용융 폴리에스테르를 후드-히터 및 단열판으로 구성된 지연 냉각 구간에 통과시켜 지연 급냉(delayed quenching)하였다.

상기 지연급냉된 폴리에스테르 섬유에 롤 형태의 유제 부여 장치를 이용하여 유제를 부여하였다. 이 때, 상기 유제의 양은 원사 100 중량부에 대하여 0.8 중량부이며, 사용된 유제는 에틸렌옥사이드/프로필렌옥사이드 부가 디올에스테르(30 중량부), 에틸렌옥사이드 부가 디올에스테르(15 중량부), 글리세릴 트리에스테르(10 중량부), 트리메틸프로판 트리에스테르(10 중량부), 및 소량의 대전방지제를 혼합한 방사 유제를 사용하였다.

상기 유제가 부여된 원사를 전-집속기에 통과시키고, 고뎃 롤러를 이용하여 연신하였다.

상기 연신 후에, 세컨드 집속기(2^nd Interlacer)를 이용하여, 상기 연신된 폴리에스테르 원사에 인터밍글을 부여한 후, 권취기로 권취하여 폴리에스테르 원사를 제조하였다.

이때, PET 중합체의 고유점도와 분자내 CEG 함량, 용융 방사 공정시의 방사 속도 및 방사 장력, 방사 온도 조건, 연신비, 열처리 온도, 및 이완율은 하기 표 1에 나타난 바와 같으며, 나머지 조건은 폴리에스테르 원사 제조를 위한 통상적인 조건에 따랐다.

상기 실시예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 원사에 대하여 다음의 방법으로 물성을 측정하였다.

1) 결정화도

폴리에스테르 원사의 밀도 ρ는 n-헵탄과 사염화탄소를 이용한 밀도구배관법에 따라 25 ℃에서 측정하였으며, 결정화도는 하기 계산식 2에 따라 계산하였다.

[계산식 2]

상기 식에서, ρ는 원사의 밀도, ρ_c는 결정의 밀도(PET의 경우는 1.457 g/cm³), 및 ρ_a는 비결정의 밀도(PET의 경우는 1.336 g/cm³)이다.

2) 고유점도

사염화탄소를 이용하여 시료에서 유제를 추출하고, 160±2 ℃에서 OCP (Ortho Chloro Phenol)로 녹인 후, 25 ℃의 조건에서 자동점도 측정기(Skyvis-4000)를 이용하여 점도관에서의 시료 점도를 측정하여 하기 계산식 3에 따라 폴리에스테르 원사의 고유점성도(intrinsic viscosity, IV)를 구하였다.

[계산식 3]

고유점성도(IV) ＝ {(0.0242 × Rel) ＋ 0.2634} ×F

상기 식에서,

이고,

이다.

3) 인장강도 및 절단신도

폴리에스테르 원사의 인장강도 및 절단신도를 만능재료 시험기(Instron)을 사용하여 측정하였으며, 시료장은 250 mm이고, 인장속도는 300 mm/min으로 하였으며, 초기 로드는 0.05 g/d로 설정하였다.

4) 건열수축율

영국 테스트라이트(Testrite)사의 Testrite MK-V 장비를 사용하여 180 ℃의 온도 및 초장력(30 g)에서 건열수축율을 2 분 동안 측정하였다.

5) 단사 섬도

단사 섬도는 얼레를 이용하여 원사를 9,000 m만큼 취하고 그의 무게를 재어 원사의 총섬도(Denier)를 구한 후 필라멘트 수로 나누는 방법으로 측정하였다.

실시예 1~5에 따른 폴리에스테르 원사의 제조 공정 조건 및 물성 측정 결과는 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.

구 분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
칩의무기필러함량(ppm)	50	30	0	0	0
칩의고유점도(dl/g)	1.34	1.25	1.36	1.40	1.45
방사온도(℃)	295	290	296	297	298
총연신비	5.6	5.56	5.5	5.52	5.44
이완율(%)	3.4	4.0	4.2	4.3	4.0
열처리온도(℃)	235	236	240	242	245
S3*	119.4	98.1	68.6	69.2	68.9
결정화도(%)	44.3	44.1	43.6	43.4	43.2
원사의 고유점도(dl/g)	1.04	1.02	1.06	1.08	1.10
원사의 인장강도(g/d)	9.0	9.2	9.2	9.2	9.4
원사의 절단신도(%)	18.0	19.2	19.5	20.5	21
원사의 건열수축율(%)	4.2	4.5	5.2	5.6	6.0
절단신도/건열수축율의 합(%)	22.2	23.7	24.7	26.1	27.0
원사의 단사섬도(de)	7.7	7.7	8.3	4.2	4.7
원사의 총섬도(de)	460	460	500	500	460
원사의 필라멘트수	60	60	60	120	120
*S3 = 무기 필러 함량 ＋ (칩의 고유 점도ⅹ10) ＋ (연신비ⅹ10)

비교예 1~5

하기 표 3에 기재된 조건을 제외하고는 실시예 1~5과 동일한 방법에 따라 비교예 1~5의 폴리에스테르 원사를 제조하고, 원사의 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

구 분	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4	비교예5
칩의무기필러 함량(ppm)	350	300	250	200	180
칩의고유점도(dl/g)	1.05	1.03	1.07	1.07	1.09
방사온도(℃)	302	304	306	307	310
총연신비	6.1	6.02	6.05	6.07	6.01
이완율(%)	7.5	8.0	7.7	7.9	8.0
열처리온도(℃)	180	185	185	188	187
S3*	421.5	370.5	321.2	271.4	251.0
결정화도(%)	54.3	53.1	53.6	52.4	52.2
원사의 고유점도(dl/g)	0.893	0.891	0.890	0.887	0.875
원사의 인장강도(g/d)	8.0	8.2	8.0	8.1	8.1
원사의 절단신도(%)	13.6	13.8	13.8	13.3	13.2
원사의 건열수축율(%)	2.3	2.5	3.2	3.3	3.5
절단신도/건열수축율의 합(%)	15.9	16.3	17.0	16.6	16.7
원사의 단사섬도(de)	1.25	6.0	6.0	3.0	3.3
원사의 총섬도(de)	200	240	600	700	800
원사의 필라멘트수	160	40	50	230	240
*S3 = 무기 필러 함량 ＋ (칩의 고유 점도ⅹ10) ＋ (연신비ⅹ10)

제조예 1~5

실시예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 원사를 사용하여 래피어직기를 통해 에어백용 원단 생지를 제직밀도(경사×위사) 53×53으로 제직하고, 정련 및 텐터링 공정을 거쳐 에어백용 폴리에스테르 원단을 제조하였다. 또한, 상기 원단에 폴리비닐클로라이드(PVC) 수지를 25 g/m²의 코팅량으로 나이프 코팅(knife over ro1l coating)방법에 따라 코팅하여 PVC 코팅된 원단을 제조하였다.

이렇게 실시예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 원사를 사용하여 제조된 각각의 에어백용 폴리에스테르 원단에 대하여 다음의 방법으로 물성을 측정하였다.

(a) 인장강도 및 절단신도

에어백 원단에서 시편을 재단하여 미국재료시험협회규격 ASTM D 5034에 따른 인장강도 측정장치의 하부 클램프에 고정시키고, 상부 클램프를 위로 이동시키면서 에어백 원단 시편이 파단될 때의 강도 및 신도를 측정하였다.

(b) 인열강도

미국재료시험협회규격 ASTM D 2261에 따라 에어백용 원단의 인열강도를 측정하였다.

(c) 경사 및 위사 방향 원단수축율

미국재료시험협회규격 ASTM D 1776에 따라 경/위사 방향의 원단수축율을 측정하였다. 먼저, 에어백 원단에서 시편을 재단한 후, 경사 및 위사 방향으로 수축 전 길이인 20cm씩을 표시하고 149℃에서 1시간 동안 챔버에서 열처리한 시편의 수축한 길이를 측정하여 경사방향 및 위사방향의 원단수축율 {(수축전 길이 - 수축후 길이)/수축전 길이 × 100%} 측정하였다.

(d) 강연도

미국재료시험협회규격 ASTM D 4032에 따른 강연도 측정장치를 이용하여 써큘라벤드법(Circular Bend)법으로 원단의 강연도를 측정하였다. 또한, 강연도 측정법으로 켄티레버법을 적용할 수 있으며, 원단에 굽힘을 주기 위하여 일정각도의 경사를 준 시험대인 켄티레버 측정기기를 이용하여 원단 굽힘 길이 측정을 통해 강연도를 측정할 수 있다.

(e) 후도

미국재료시험협회규격 ASTM D 1777 에 따라 에어백용 원단의 후도를 측정하였다.

(f) 공기투과도

미국재료시험협회규격 ASTM D 737에 따라 에어백용 원단을 20 ℃, 65 %RH 하에서 1일 이상 방치한 후, 125 Pa의 압력의 공기가 38 cm²의 원형단면을 통과하는 양을 측정하였다.

(g) 활탈저항력

코팅 처리 전의 비코팅된 원단을 사용하여 미국재료시험협회규격 ASTM D 6479에 따른 방법으로 상온(25 ℃)에서 원단의 활탈저항력(Edge Comb Resistance)을 측정하였다.

제조예 1~5에 따른 제조된 에어백용 폴리에스테르 원단의 물성 측정 결과는 하기 표 3에 나타낸 바와 같다.

구 분	제조예1	제조예2	제조예3	제조예4	제조예5
원단의 인장강도(kgf/inch)	243	245	247	254	255
원단의 절단신도(%)	40	42	38	43	45
원단의 인열강도(kgf)	20	21	22	23	25
원단의 강연도(kgf)	0.55	0.45	0.47	0.43	0.43
원단의 공기 투과도(cfm)	0.8	0.8	0.7	0.6	0.5
원단의 활탈저항력(N)	601	615	617	625	635

비교제조예 1~5

비교예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 원사를 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1~5와 동일한 방법에 따라 에어백용 폴리에스테르 원단을 제조하고 물성을 측정하여 하기 표 4에 정리하였다.

구 분	비교 제조예1	비교 제조예2	비교 제조예3	비교 제조예4	비교 제조예5
원단의 인장강도(kgf/inch)	232	234	232	239	235
원단의 절단신도(%)	30	34	32	33	34
원단의 인열강도(kgf)	16	16	17	16	18
원단의 강연도(kgf)	1.4	1.3	1.1	1.2	1.1
원단의 공기 투과도(cfm)	2.0	1.8	1.9	1.8	2.0
원단의 활탈저항력(N)	289	295	303	312	315

상기 표 3에서 보는 것과 같이, TiO₂ 등의 무기 필러 함량이 최소화되고 절단신도 및 건열수축율이 최적화된 실시예 1~5의 폴리에스테르 원사를 사용한 제조예 1~5의 에어백용 원단은 강연도를 현저히 낮추면서도 터프니스(toughness), 인열강도(Tear Strength), 활탈저항력(Edge Comb Resistance) 등이 우수하고 공기 차단 성능 등을 구현할 수 있는 것으로 확인되었다. 특히, 제조예 1~5의 에어백용 원단의 경우, 인열강도는 16~18 kgf에서 20~25 kgf로 개선되었으며 활탈저항력(Edge Comb Resistance)의 경우 470~490 N에서 600~635 N로 현저히 향상된 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

반면에, 상기 표 4에서 보는 것과 같이, 비교예 1~5의 폴리에스테르 원사를 사용한 비교제조예 1~5의 에어백용 원단은 이러한 특성을 충족하지 못함이 확인되었다. 특히, S3 인자의 값이 421.5로 가장 높은 비교예 1의 원사를 사용한 비교제조예 1에 따른 에어백용 원단의 경우에는 인열강도가 16 kgf에 불과하고, 활탈저항력(Edge Comb Resistance)이 289 N으로 가장 낮은 값을 보임을 알 수 있다. 따라서, 이러한 원단으로 에어백을 만들어 장착할 경우 에어백 전개시 에어백이 찢어지거나 봉제 부분이 미어져 차량 충돌시 에어백의 성능이 발현되지 않아 탑승객을 안전하게 보호하지 못하는 위험한 사태가 초래될 수 있다.

Claims (19)

1. TiO₂, SiO₂, 및 BaSO₄로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기 필러의 함량이 200 ppm 이하이며, 절단신도가 15% 이상이며 건열수축율이 3% 이상이고, 절단신도 및 건열수축율의 합이 20% 이상인 폴리에스테르 원사.
2. 제1항에 있어서,
   고유점도가 0.8 dl/g 이상인 폴리에스테르 원사.
3. 제1항에 있어서,
   결정화도가 42% 내지 52%인 폴리에스테르 원사.
4. 제1항에 있어서,
   인장강도가 9.0 g/d 이상이고, 터프니스값이 30×10^-1 g/d 이상인 폴리에스테르 원사.
5. 제1항에 있어서,
   상기 원사는 단사섬도가 0.5 내지 20 데니어인 폴리에스테르 원사.
6. 제1항에 있어서,
   상기 원사는 총섬도가 200 내지 1,000 데니어인 폴리에스테르 원사.
7. 제1항에 있어서,
   상기 원사의 필라멘트수가 50 내지 240인 폴리에스테르 원사.
8. TiO₂, SiO₂, 및 BaSO₄로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기 필러의 함량이 200 ppm 이하인 폴리에스테르 중합체를 270 내지 300 ℃에서 용융 방사하여 폴리에스테르 미연신사를 제조하는 단계, 및
   상기 폴리에스테르 미연신사를 연신하는 단계
   를 포함하는, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 폴리에스테르 원사의 제조방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 폴리에스테르 중합체는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 70 몰% 이상 포함하는 것인 폴리에스테르 원사.
10. 제8항에 있어서,
    상기 폴리에스테르 중합체의 고유점도는 0.85 dl/g 이상인 폴리에스테르 원사의 제조방법.
11. 제8항에 있어서,
    상신 연신 공정을 5.0 내지 6.0의 연신비로 수행하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
12. 제8항에 있어서,
    상기 폴리에스테르 중합체에서 무기 필러의 함량, 폴리에스테르 중합체의 고유점도, 및 연신 공정에서 연신비에 기초한 하기 계산식 1의 함수값이 50 이상이고 190 이하인 폴리에스테르 섬유의 제조방법:
    [계산식 1]
    50 ≤ a₁ ＋ a₂ ＋ a₃ ≤ 190
    식 중,
    a₁은 상기 폴리에스테르 중합체에서 무기 필러 함량(ppm)의 절대치이고,
    a₂은 상기 폴리에스테르 중합체 고유 점도(dl/g)의 절대치에 10을 곱한 값이며,
    a₃은 상기 연신 공정에서 연신비에 10을 곱한 값임.
13. 제8항에 있어서,
    상기 폴리에스테르 중합체와 원사의 고유점도 차이가 0.5 dl/g 이하인 폴리에스테르 원사의 제조방법.
14. 제8항에 있어서,
    상기 방사 공정을 300 m/min 내지 1,000 m/min의 방사 속도 하에서 수행하는 폴리에스테르 원사의 제조방법.
15. 제8항에 있어서,
    상기 미연신사를 오일 픽업량 0.2% 내지 2.0%의 조건 하에서 고뎃 롤러를 통과시킨 후에 연신 공정을 수행하는 폴리에스테르 원사의 제조방법.
16. 제8항에 있어서
    상기 미연신사를 연신한 후에 이완률 1% 내지 7%의 이완 공정을 추가로 포함하는 폴리에스테르 원사의 제조방법.
17. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 폴리에스테르 원사를 포함하는 에어백용 폴리에스테르 원단.
18. 제17항에 있어서,
    상기 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 2261 방법으로 측정한 인열강도가 20 kgf 이상인 에어백용 폴리에스테르 원단.
19. 제17항에 있어서,
    상기 원단은 미국재료시험협회규격 ASTM D 6479 방법으로 상온(25 ℃)에서 측정한 활탈저항력이 350 N 이상인 에어백용 폴리에스테르 원단.
    

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