KR20120083776A

KR20120083776A - 폴리에스테르 원사 및 이를 포함하는 폴리에스테르 원단

Info

Publication number: KR20120083776A
Application number: KR20110005110A
Authority: KR
Inventors: 김영조; 이상목; 이영수; 김기웅
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2012-07-26
Also published as: CN103354846A; US20130309479A1; CN103354846B; EP2666892A4; WO2012099392A3; EP2666892A2; WO2012099392A2

Abstract

본 발명은 에어백용 원단에 사용 가능한 폴리에스테르 원사에 관한 것으로, 특히, 2.0 ~ 3.0% 신율 구간에서 모듈러스가 60g/d 이하이고, 9.0 ~ 11.0%의 신율 구간에서 모듈러스가 45 ~ 70 g/d이며, 12.0 ~ 14% 신율 구간에서 모듈러스가 60g/d이상인 에어백용 폴리에스테르 원사 및 이를 포함하는 에어백용 원단에 관한 것이다. 상기 폴리에스테르 원사는 에어백용 원단에 사용시 우수한 수납성, 충돌시 우수한 탑승자 보호 성능, 및 공기 차단 효과를 제공함과 동시에 탑승자에게 가해지는 충격을 최소화하여 탑승자를 안전하게 보호할 수 있다.

Description

폴리에스테르 원사 및 이를 포함하는 폴리에스테르 원단 {POLYESTER FIBER AND POLYESTER FABRIC COMPRISING THE SAME}

본 발명은 에어백용 원단에 사용 가능한 폴리에스테르 원사에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 수납성, 유연성 및 형태 안정성 등을 갖는 폴리에스테르 원사 및 이를 포함하는 폴리에스테르 원단에 관한 것이다.

일반적으로 에어백(air bag)은, 주행중인 차량이 약 40 km/h 이상의 속도에서 정면 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(inflator; 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 전자제어모듈(Electronic Control Module; 110)을 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 완충시킴으로써 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, 에어백은 자동차 장착시 가능한 작은 부피로 폴딩성 및 패키지성을 효과적으로 유지하며, 외부의 충격 등에 의한 손상 및 파열이 억제되면서도, 우수한 에어백 쿠션의 전개 성능을 발휘하고, 에어백 쿠션의 전개시 승객에게 가해지는 충격을 최소화할 필요가 있다. 이를 위해, 에어백 원단의 우수한 기계적 물성뿐 아니라, 뛰어난 폴딩성의 확보나 승객에게 가해지는 충격을 줄이기 위한 유연성이 매우 중요하다.

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

한편, 일본 특개평 04-214437호에는 이러한 결점이 경감되는 폴리에스테르 섬유의 사용이 제안되어 있다. 그러나, 이같이 기존의 폴리에스테르 원사를 사용하여 에어백을 제조하는 경우에는, 폴리에스테르 특유의 높은 스티프니스 및 낮은 유연성으로 인해 자동차내에 작은 부피로 수납하기 어려워 폴딩성이 떨어질 뿐 아니라 에어백 쿠션의 전개시 승객에게 가해지는 충격이 상당히 나타날 여지가 있다. 또한, 수분 또는 열 등에 의한 분해가 적지 않게 나타나는 폴리에스테르의 특성상, 고온 고습의 가혹 조건 하에서 충분한 기계적 물성 및 전개 성능을 유지하는 데 한계가 있어 상업적으로 거의 적용되지 않았었다.

이에 본 발명자들은 이러한 폴리에스테르 섬유의 문제점을 어느 정도 해결하여 에어백용으로의 사용이 가능하게 개량된 원사 등을 개발한 바 있으며, 이러한 폴리에스테르 원사는 한국 공개 특허 공보 제 2010-0117022 호에 개시되어 있다. 이렇게 본 발명자들이 개발한 폴리에스테르 원사는 비교적 우수한 기계적 물성을 나타낼 뿐 아니라 이전에 알려진 것보다 향상된 유연성을 나타냄에 따라, 에어백용으로 사용되기에 적합한 폴딩성 및 전개 성능 등을 나타내는 것이었다. 그러나, 최근 들어 승객의 안전을 위한 에어백 쿠션의 성능 향상이 계속적으로 요구되고 있으며, 더구나, 고가의 나일론 66 섬유를 대체할 수 있는 에어백용 원사 및 원단의 개발이 당업계의 화두로 되고 있는 바, 보다 우수한 폴딩성 및 전개 성능 등을 갖는 에어백 쿠션 등의 개발이 절실히 요구되고 있다.

이에 본 발명은 에어백용 원사로서의 최적화된 유연성 및 기계적 물성을 나타냄에 따라, 보다 향상된 폴딩성 및 전개 성능을 나타낼 수 있으면서도 전개시 승객의 충격을 최소화할 수 있는 에어백 쿠션의 제공을 가능케 하는 폴리에스테르 원사를 제공하는 것이다.

본 발명은 또한, 상기 폴리에스테르 원사를 포함하는 에어백용 폴리에스테르 원단을 제공하는 것이다.

본 발명은 2.0 ~ 3.0% 신율 구간에서 모듈러스가 60g/d 이하이고, 9.0 ~ 11.0%의 신율 구간에서 모듈러스가 45 ~ 70 g/d이며, 12.0 ~ 14% 신율 구간에서 모듈러스가 60g/d이상인 에어백용 폴리에스테르 원사를 제공한다

본 발명은 또한, 상기 폴리에스테르 원사를 포함하는 에어백용 폴리에스테르 원단을 제공한다.

이하, 발명의 구체적인 구현예에 따른 에어백용 폴리에스테르 원사 및 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 구성성분)를 별다른 제한 없이 포함함을 지칭하며, 다른 구성 요소(또는 구성 성분)의 부가를 제외하는 것으로 해석될 수 없다.

에어백용 폴리에스테르 원단은 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, "PET"라 함)을 포함하는 중합체를 용융 방사하여 미연신사를 제조하고, 이를 연신하여 연신사(예를 들어, "원사"; 이하, 별다른 언급이 없는 한 "연신사"를 "원사"로 칭한다.)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, 이전에 사용되던 나일론 66 등 폴리아미드 섬유 대신에 폴리에스테르 섬유를 에어백용 원사로 적용하기 위해서는, 기존에 폴리에스테르 원사의 높은 강연도(스티프니스; stiffness)나 낮은 유연성에 따른 폴딩성 저하 및 에어백 쿠션의 전개시 승객에게 가해지는 높은 충격을 해결할 필요가 있었다. 또한, 폴리에스테르 섬유 특유의 낮은 용융 열용량에 기인하는 고온 또는 고습 등의 가혹 조건 하에서의 물성 저하나, 이에 따른 전개 성능 저하를 극복할 수 있어야 한다.

보다 구체적으로, 폴리에스테르는 분자 구조상 나일론 등에 비해 강연도가 높고 강직한 구조를 가지므로, 이를 포함하는 원사 및 원단은 에어백용으로 사용되었을 때 좁은 부피로의 폴딩성 및 수납성이 떨어지고 에어백 쿠션 전개시 승객에게 상당한 충격을 가할 우려가 있다.

[일반식 1]: PET의 분자 구조

또한, 상기 일반식 1의 PET 분자 구조에서 볼 수 있는 바와 같이, 폴리에스테르 분자 쇄 내에 카르복실 말단기(Carboxyl End Group; 이하, "CEG"라 함.)가 포함되는데, 이러한 CEG가 고온 또는 고습 등의 가혹 조건에서 에스테르기(ester bond)를 공격하여 분자 쇄 절단을 가져올 수 있으며, 이는 가혹 조건에서의 물성을 저하시키는 원인이 된다.

이러한 이유로 종래에는 나일론 6 또는 나일론 6,6 원사로 이루어진 원사 및 원단을 이용한 에어백 쿠션의 제조가 일반적이었다. 그러나, 나일론계 원사의 경우에도 에어백 쿠션이 만개시 모듈러스가 상당히 높아 차량 탑승자가 에어백으로 인해 충격을 받아 상처 등의 손상을 입는 경우가 있었다.

이러한 문제점들을 고려하여 본 발명자들이 연구를 거듭한 결과, 후술하는 제조 공정의 최적화 등을 통해, 우수한 유연성, 낮은 강연도 및 최적화된 모듈러스 범위를 나타내면서도, 에어백용으로 적합한 기계적 물성을 갖는 폴리에스테르 원사 및 원단을 제공할 수 있음을 밝혀내고 본 발명을 완성하게 되었다. 이러한 에어백용 원사 및 원단을 이용해 에어백 쿠션을 제공하는 경우, 우수한 폴딩성 및 수납성을 나타내면서도 승객에게 가해지는 충격을 크게 줄일 수 있으며, 가혹 조건 하에서의 물성 저하를 감소시키고 우수한 전개 성능을 나타낼 수 있다.

이러한 일 구현예의 폴리에스테르 원사는, 2.0 ~ 3.0% 신율 구간에서 모듈러스가 60g/d 이하이고, 9.0 ~ 11.0%의 신율 구간에서 모듈러스가 45 ~ 70 g/d이며, 12.0 ~ 14% 신율 구간에서 모듈러스가 60g/d이상인 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 폴리에스테르 원사는 2.0 ~ 3.0% 신율 구간에서 모듈러스가 10~40g/d, 더욱 바람직하게는 15~30g/d이고, 9.0 ~ 11.0%의 신율 구간에서 모듈러스가 45 ~ 70 g/d, 더욱 바람직하게는 50 ~ 70 g/d 이며, 12.0 ~ 14% 신율 구간에서 모듈러스가 60 ~ 100g/d, 더욱 바람직하게는 65 ~ 90 g/d인 것으로 될 수 있다.

이러한 폴리에스테르 원사에서, 상기 모듈러스 범위는 상온 근방, 예를 들어, 약 25℃에서 통상적인 인장 시험 조건 하에서 측정된 것일 수 있고, 상기 모듈러스라 함은 인장 시험시 얻어진 응력-변형 곡선에서 각 변형에 대응하는 곡선상의 점에서 얻어진 접선 기울기로 정의될 수 있다.

또, 상기 일 구현예의 폴리에스테르 원사에서, 상기 2 ~ 3%의 신율 구간과, 9.0 ~ 11.0%의 신율 구간 및 12.0 ~ 14%의 신율 구간은 각각 에어백 쿠션의 전개 전(예를 들어, 수납 및 보관시), 전개시 및 전개 후의 특성 구간을 반영하는 것으로서, 일 구현예의 폴리에스테르 원사는 이들 특성 구간에서의 모듈러스 범위가 최적화된 것으로 될 수 있다. 이들 각 특성 구간에서 상술한 모듈러스 범위를 갖는 폴리에스테르 원사는 이전에 알려진 바 없으며, 본 발명자들은 후술하는 폴리에스테르 원사의 제조 공정이나 그 원료 중합체의 고유 점도 등을 최적화함으로서, 이들 각 특성 구간에서의 모듈러스 범위를 갖는 폴리에스테르 원사를 제조할 수 있음을 확인하였다.

그리고, 상기 폴리에스테르 원사가 각 특성 구간에서의 최적화된 모듈러스 범위를 가짐에 따라, 이로부터 얻어진 에어백용 원단 및 쿠션은 우수한 유연성 및 낮은 강연도를 나타낼 수 있으며, 에어백 쿠션의 수납시에 우수한 폴딩성을 나타내면서도 우수한 전개 성능 및 전개시에 승객에게 가해지는 충격을 크게 줄일 수 있다. 또, 상기 원사로부터 얻어진 원단 및 쿠션은 에어백으로서의 우수한 기계적 물성 및 전개 성능을 나타낼 수 있어서, 에어백 전개 후 외부적 충격 등에 의해 파손 또는 파열되지 않고, 에어백으로서의 우수한 성능을 나타낼 수 있다.

이하, 이러한 일 구현예의 폴리에스테르 원사 및 그 제조 방법에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

상기 폴리에스테르 원사는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 주성분으로 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 PET는 그 제조단계에서 여러 가지 첨가제가 첨가될 수 있는 것으로서 다른 성분이 포함될 수 있기는 하지만, 에어백용 원사로서 적합한 물성을 나타내기 위해서는 적어도 70 몰% 이상, 더욱 바람직하게는 90 몰% 이상의 PET를 포함하는 원사일 수 있다. 이하에서 PET 또는 PET 원사라는 용어는 특별한 설명 없이 PET 고분자가 70 몰% 이상인 경우를 의미하는 것으로 사용된다.

상기 일 구현예의 폴리에스테르 원사는 2.0 ~ 3.0% 신율 구간에서 모듈러스가 60g/d 이하, 바람직하게는 10~40g/d, 더욱 바람직하게는 15~30g/d 인 특성을 나타내는 것이다. 이미 상술한 바와 같이, 통상적인 폴리에스테르는 분자 구조상 강연도 및 강직성이 높은 구조를 갖는 것으로서, 이로부터 얻어진 에어백용 원사 및 원단 등은 폴딩성 및 수납성이 떨어지는 것이 일반적이었다. 그러나, 상기 일 구현예의 폴리에스테르 원사는 상기 2.0 ~ 3.0% 신율 구간에서 적절한 모듈러스 범위를 나타냄에 따라, 우수한 유연성 및 낮은 강연도를 나타낼 수 있으며, 차량 수납시에 우수한 폴딩성 및 좁은 부피 내의 뛰어난 수납성을 나타낼 수 있다.

만일, 상기 신율 구간에서의 모듈러스가 지나치게 커지게 되면, 폴리에스테르 원사 및 원단의 강연도가 높아져 에어백 쿠션의 폴딩성이 떨어지고 수납에 어려움이 생길 수 있다.

이하에서 폴리에스테르 원사의 제조 방법에 대해 보다 구체적으로 설명하겠지만, 본 발명에서는 고점도의 폴리에스테르 중합체를 저온에서 용융 방사함으로서 높은 분자량(점도) 및 이에 따른 우수한 기계적 물성(고강력 등)을 나타내는 원사를 제조할 수 있게 된다. 이에 따라, 상기 원사의 고강력 등을 달성하기 위해 연신 공정에서의 높은 연신비를 적용할 필요가 없게 되며, 낮은 연신비 하에서 연신 공정을 진행하더라도 우수한 기계적 물성을 나타내는 폴리에스테르 원사를 얻을 수 있게 된다. 이러한 낮은 연신비 하에서 연신 공정을 진행함에 따라, 폴리에스테르 분자쇄의 배향도 상승을 억제할 수 있으므로, 상기 일 구현예의 폴리에스테르 원사가 2.0 ~ 3.0%의 낮은 신율 구간에서 보다 낮은 모듈러스 범위, 예를 들어, 60g/d 이하의 모듈러스를 나타낼 수 있게 된다.

또, 상기 일 구현예의 폴리에스테르 원사는 9.0 ~ 11.0% 신율 구간에서 모듈러스가 45~70g/d, 바람직하게는 50~70g/d 인 특성을 나타내는 것이다. 상기 9.0 ~ 11.0%의 신율 구간은 에어백 쿠션의 전개시 특성 구간을 나타낼 수 있는데, 이러한 신율 구간에서의 모듈러스 범위가 위 범위를 충족함에 따라, 승객에게 가해지는 충격을 줄일 수 있고 에어백 쿠션의 우수한 전개 성능을 달성할 수 있다. 만일, 위 모듈러스 범위가 지나치게 작아지면 에어백 전개시 압력에 의해 에어백이 파손되어 전개 성능 및 기계적 물성이 떨어질 수 있으며, 지나치게 커지면 쿠션의 전개시 에어백 원단의 강연도가 높아져 뻣뻣하게 되므로 승객의 얼굴 및 신체 일부에 손상을 입힐 수 있다.

이러한 9.0 ~ 11.0% 신율 구간에서의 모듈러스 범위는 후술하는 원사의 제조 방법에서 중합체의 점도, 용융 방사 조건 및 연신 공정 조건 등이 최적화되는 한편, 미연신사 제조 후 연신 공정에서의 열고정 온도 조건을 특정 범위, 예를 들어, 230 내지 250 ℃의 온도로 최적화함으로서 달성될 수 있다. 이러한 열고정 온도 등이 최적화됨에 따라, 폴리에스테르 중합체의 분자쇄 체인의 이완을 유발시켜 상대적으로 덜 긴장된 구조를 갖게 할 수 있다. 이에 따라, 위 폴리에스테르 원사의 중간 정도 신율 구간에 해당하는 9.0 ~ 11.0% 신율 구간에서의 모듈러스 범위가, 예를 들어, 45~70g/d로 될 수 있다.

그리고, 상기 일 구현예의 폴리에스테르 원사는 12.0 ~ 14.0% 신율 구간에서 모듈러스가 60g/d 이상, 바람직하게는 60~100g/d, 보다 바람직하게는 65~90g/d인 특성을 나타내는 것이다. 상기 12.0 ~ 14.0%의 신율 구간은 에어백 쿠션의 전개 후의 특성 구간을 의미할 수 있는데, 이러한 특성 구간에서의 모듈러스 범위와 위 범위로 최적화됨에 따라 에어백 전개 후 승객에게 가해지는 충격을 줄일 수 있고 에어백 쿠션의 우수한 전개 성능을 달성할 수 있다. 만일, 위 신율 구간에서의 모듈러스가 지나치게 작아지면 에어백 쿠션의 전개 후 추가적인 충격에 견디면서도 승객을 보호하는 형태를 유지하기가 어려울 수 있다. 이에 비해, 일 구현예의 원사는 적절한 모듈러스 범위를 유지하여 적절한 탄성력을 가지므로 완전히 전개된 후의 에어백 쿠션이 추가적인 충격에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에서는 고점도의 폴리에스테르 중합체를 사용하는 한편 이를 저온에서 용융 방사함으로서 폴리에스테르 미연신사 및 연신사(원사)를 제조하게 된다. 그 결과, 용융 방사 공정 후에도 고점도가 유지되어 긴 분자쇄 및 높은 분자량(점도)을 갖는 폴리에스테르 중합체가 원사 내에 다수 포함될 수 있다. 또, 이러한 긴 분자쇄를 갖는 중합체들이 서로 엉키어(Entanglement) 절단 신율 근방의 높은 신율 구간에서 응력 발현을 할 수 있으므로 원사가 보다 높은 모듈러스를 나타내게 할 수 있다. 이로 인해, 일 구현예의 폴리에스테르 원사가 상기 12.0 ~ 14.0% 신율 구간에서 60g/d 이상의 비교적 높은 모듈러스 범위를 나타낼 수 있고, 높은 신율 구간에서 적절한 탄성력 및 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있게 된다.

상술한 일 구현예의 폴리에스테르 원사는 이전에 알려진 폴리에스테르 원사에 비해 보다 높은 고유점도, 예를 들어, 0.8 dl/g 이상 또는 0.8 dl/g 내지 1.2 dl/g, 바람직하게는 0.85 dl/g 내지 1.15 dl/g, 더욱 바람직하게는 0.90 dl/g 내지 1.10 dl/g의 고유점도를 나타낼 수 있다. 고유점도는 상기 폴리에스테르 원사를 에어백용으로 원단의 코팅 공정 등에서 열적 변형이 일어나지 않도록 하기 위하여 상기 범위로 확보되는 것이 바람직하다.

상기 원사의 고유점도는 0.8 dl/g 이상이 되어야 낮은 연신비로도 고강력을 발휘하여 에어백용 원사의 요구 강력을 만족시킬 수 있어 바람직하고, 그렇지 못할 경우 고연신으로 물성 발현할 수 밖에 없게 될 수 있다. 이 같이 고연신을 적용할 경우 섬유의 배향도가 상승하여 낮은 신율 구간에서 높은 모듈러스 범위가 나타날 수밖에 없어, 상술한 일 구현예의 물성을 달성하기 어렵다. 또한, 원사 점도가 1.2 dl/g를 초과하면, 연신시 장력이 상승하여 공정상 문제를 발생시킬 수 있으므로, 1.2 dl/g 이하가 좀더 바람직하다. 일 구현예의 폴리에스테르 원사는 이같이 높은 정도의 고유점도를 유지함으로써, 저연신으로 낮은 강연도를 제공함과 동시에 에어백용으로 적용되기에 충분한 내충격성 및 터프니스(toughness) 등 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있다.

또한, 상기 일 구현예의 폴리에스테르 원사는 후술하는 용융 방사 및 연신 조건 하에서 제조되어, 이전에 알려진 폴리에스테르 원사에 비해 크게 낮아진 카르복실 말단기(CEG) 함량을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리에스테르 원사는 50 meq/kg 이하, 바람직하게는 40 meq/kg 이하, 더욱 바람직하게는 30 meq/kg 이하의 CEG 함량을 나타낼 수 있다. 폴리에스테르 분자쇄 내의 카르복실 말단기(CEG)는 고온 고습 조건에서 에스테르기(ester bond)를 공격하여 분자쇄 절단을 초래하고 이로 인해 에이징(aging)후 물성을 떨어뜨리게 된다. 특히, 상기 CEG 함량이 50meq/kg를 초과하게 되면 에어백 용도로 적용시 높은 습도 조건 하에서 CEG에 의해 에스테르 결합이 절단되어 물성 저하가 야기되므로, 상기 CEG 함량은 50 meq/kg 이하가 되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 일 구현예의 폴리에스테르 원사는 인장강도가 6.5 g/d 이상 또는 6.5 g/d 내지 11.0g/d, 바람직하게는 7.5 g/d 이상 또는 7.5 g/d 내지 10.0 g/d이고, 절단신도가 13% 이상 또는 13% 내지 35 %, 바람직하게는 15% 이상 또는 15% 내지 25%로 될 수 있다. 또한, 상기 원사는 건열 수축율이 3.0% 내지 12% 이하 바람직하게는 3.5% 내지 12.0% 이고, 터프니스값이 30×10^-1g/d 이상 또는 30×10^-1g/d 내지 46×10^-1g/d, 바람직하게는 31×10^-1g/d 이상 또는 31×10^-1g/d 내지 44×10^-1g/d로 될 수 있다. 이미 상술한 바와 같이, 특정한 고유점도 및 신율 구간에 따른 모듈러스 범위를 최적 범위로 확보함으로써, 일 구현예의 폴리에스테르 원사는 우수한 기계적 물성을 나타낼 뿐 아니라, 뛰어난 폴딩성, 수납성 및 전개 성능을 나타내며, 전개시 승객에게 부가되는 충격이 크게 줄어든 에어백 쿠션의 제공을 가능케 한다. 이러한 폴리에스테르 원사의 우수한 제반 물성은 상기 인장강도, 절단신도, 수축율 및 터프니스값 범위에 반영될 수 있다.

한편, 에어백 원단의 코팅 등을 위한 열처리 공정에서 변형을 방지하기 위해서, 상기 일 구현예의 폴리에스테르 원사는 결정화도가 40% 내지 55%, 바람직하게는 41% 내지 52%, 더욱 바람직하게는 41% 내지 50%로 될 수 있다. 상기 원사의 결정화도는 에어백용 원단에 적용시 열적 형태 안정성 유지 등을 위하여 40% 이상이 되는 것이 바람직하고, 상기 결정화도가 55%를 초과하는 경우에 비결정 영역이 감소하여 에어백 쿠션의 충격 흡수 성능이 떨어지는 문제점 등이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.

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

한편, 상술한 바와 같은 발명의 일 구현예의 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.

특히, 이러한 원사 제조를 위한 각 공정의 조건을 최적화함으로서, 상술한 각 특정 신율 구간에서의 모듈러스 범위를 충족하는 에어백용 폴리에스테르 원사가 제조될 수 있음이 밝혀졌다. 보다 구체적으로, 원료 중합체의 최적화(예를 들어, 고유 점도 등의 최적화), 적절한 방사 온도의 설정, 연신 공정에 있어서 연신 온도 및 연신비의 최적화된 설정이나, 기타 냉각 조건 및 열고정 온도의 변형 등을 통해 상술한 일 구현예의 원사가 제조될 수 있다.

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

상기 에어백용 폴리에스테르 원사의 제조방법은 고유점도가 0.85 dl/g 이상인 폴리에스테르 중합체를 270 내지 300 ℃에서 용융 방사하여 폴리에스테르 미연신사를 제조하는 단계, 및 상기 폴리에스테르 미연신사를 연신하는 단계를 포함할 수 있다.

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

도 2는 발명의 구현예에 따라, 상기 용융 방사 및 연신 단계를 포함하는 폴리에스테르 원사 제조공정을 모식적으로 나타낸 공정도이다. 도 2에서 보는 바와 같이 상기 에어백용 폴리에스테르 원사의 제조 과정에서는, 소정의 과정을 통해 얻어진 폴리에스테르 중합체를 용융시켜, 구금을 통해 방사된 용융 고분자를 급냉 공기(quenching-air)로 냉각시키고, 유제 롤(120)(또는 오일-젯)을 이용하여 미연신사에 유제를 부여하고, 전-집속기(pre-interlacer)(130)를 사용하여 일정한 공기압력으로 미연신사에 부여된 유제를 원사의 표면에 균일하게 분산시킬 수 있다. 이후, 다단의 연신장치(141~146)를 통하여 연신과정을 거친 후, 최종적으로 세컨드 집속기(2^nd Interlacer, 150)에서 일정한 압력으로 원사를 인터밍글(intermingle)시켜 권취기(160)에서 권취하여 원사를 생산할 수 있다.

한편, 이러한 제조 방법에서는 먼저, 고점도의 폴리에스테르 중합체를 제조하여 사용할 수 있다. 특히, 상기 폴리에스테르 중합체는 디카르복실산과 글리콜을 이용하여 폴리에스테르를 제조함에 있어서 중축합 반응 후에 글리콜을 추가로 투입하여 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 폴리에스테르 중합체는 높은 고유점도와 함께 낮은 카르복실 말단기(CEG) 함량을 가짐으로써, 폴리에스테르 원사로 가공시 고온 또는 고습의 가혹 조건 하에서 에이징 후에도 우수한 기계적 물성 및 공기 유출 방지, 기밀성 등을 유지할 수 있어 에어백용 원단에 효과적으로 적용할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 폴리에스테르 중합체는 a) 디카르복실산과 글리콜을 에스테르 반응시키는 단계, 및 b) 상기 에스테르 반응으로 생성된 올리고머를 중축합 반응시키는 단계를 포함하는 공정으로 제조할 수 있고, 상기 중축합 반응 후에 글리콜을 추가적으로 투입할 수 있다.

이 때, 상기 디카르복실산은 탄소수 6 내지 24의 방향족 디카르복실산, 탄소수 6 내지 24의 지환족 디카르복실산, 탄소수 2~8의 알칸 디카르복실산, 및 그의 에스테르 형성 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 될 수 있다. 좀더 구체적으로, 상기 디카르복실산 또는 그의 에스테르 형성 유도체로는 테레프탈산, 이소프탈산, 바이페닐디카르복실산, 1,4-나프탈렌 디카르복실산, 1,5-나프탈렌 디카르복실산 등의 탄소수 6~24의 방향족 디카르복실산 및 그의 에스테르 형성 유도체들, 1,4-사이클로헥산 디카르복실산 등의 탄소수 6~24의 지환족 디카르복실산과, 탄소수 2~6의 알칸 디카르복실산 등을 들 수 있다.

이 중에서, 경제성 및 완제품의 물성 등을 고려해서 테레프탈산을 사용하는 것이 바람직하고, 특히, 상기 디카르복실산으로 1종 이상의 화합물을 사용할 경우 테레프탈산을 70 몰% 이상 포함하는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 위 제조 방법에서 사용 가능한 글리콜로는 탄소수 2~8의 알칸 디올, 탄소수 6~24의 지환족 디올, 탄소수 6~24의 방향족 디올 및 그의 에틸렌옥사이드 또는 프로필렌 옥사이드 부가물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 글리콜로는 에틸렌 글리콜, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올 또는 1,6-헥산디올 등의 탄소수 2~8의 알칸디올과, 1,4-사이클로헥산디올 또는 1,4-사이클로헥산 디메탄올 등의 탄소수 6~24의 지환족 디올, 및 비스페놀 A 또는 비스페놀S 등의 탄소수 6~24의 방향족 디올과 방향족 디올의 에틸렌 옥사이드 혹은 프로필렌 옥사이드 부가물을 들 수 있다.

상술한 바와 같이, 디카르복실산과 글리콜을 반응시켜 에스테르화하는 공정을 포함하는 폴리에스테르 중합체의 제조 방법을 TPA(Terephthalic Acid) 공법으로 지칭할 수 있다. 일반적인 TPA 공법은 상기 디카르복실산과 글리콜을 에스테르 반응시키는 단계에서 촉매를 사용하지 않고 자기 산 촉매 반응을 하는 직접반응이다. 예컨대, 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 테레프탈산과 에틸렌글리콜과의 에스테르화 반응(esterfication)을 통해 직접적으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 제조하는 방법을 들 수 있다.

[반응식 1]

이러한 TPA 공법을 위한 반응에서는 디카르복실산의 불용성과 낮은 반응성 때문에 고온을 유지해야 한다. 이렇게 만들어진 올리고머를 고진공 하에서 촉매를 첨가해 고온으로 중축합 반응시켜 일정 점도의 중합체를 얻을 수 있다. 이렇게 만들어진 중합체를 기어 펌프를 이용하거나 고압의 불활성 기체(N2)를 이용하여 노즐을 통과시켜 배출한다. 이렇게 배출된 중합체를 냉각수로 고화시켜 알맞은 크기로 절단한다.

상기와 같이 일반적인 TPA 공법에 따른 폴리에스테르 중합체 제조시, 고온으로 진행하는 에스테르 반응과 중축합 반응에 의한 열분해 발생으로 카르복실 말단기가 생성되는 한편, 원료 자체로도 카르복실 말단기를 가지고 있는 디카르복실산을 사용하기 때문에, 최종 제조된 폴리에스테르 중합체에는 다량의 카르복실 말단기가 포함된다. 이같이 다량의 카르복실 말단기가 포함된 폴리에스테르 원사를 에어백용 원단에 적용하는 경우에는 전술한 바와 같이, 고온, 고습 하에서 산으로 존재하는 말단 카르복실기 때문에 기존 분자쇄 절단이 유발되어 원단의 물성 저하가 야기된다.

그런데, 본 발명에서는 폴리에스테르 중합체를 제조함에 있어서, 디카르복실산과 글리콜의 중축합 반응 후에 글리콜을 추가로 투입하고 감압 반응을 수행함으로써, 이러한 카르복실 말단기 함량을 최소화할 뿐만 아니라 이러한 반응을 통해 반응성이 좋은 하이드록시 말단기를 생성하고 추가로 중합체의 분자량을 증가시킬 수 있다.

다만, 상기 글리콜 추가 투입 단계를 제외하고, 상기 디카르복실과 글리콜의 에스테르화 반응 및 중축합 반응은 TPA 공법으로 알려진 통상적인 방법에 따라 수행할 수 있으며, 특별히 별도의 공정 조건이 한정되는 것은 아니다. 다만, 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 a) 단계에서 디카르복실산과 글리콜의 몰비는 1:1 내지 1:1.5, 바람직하게는 1:1.1 내지 1:1.45, 더욱 바람직하게는 1:1.2 내지 1:1.4로 될 수 있으며, 중합체의 물성 및 생산성 향상 측면에서 반응물의 몰비를 상기와 같이 유지하는 것이 바람직하다.

상기 a) 단계의 에스테르 반응은 230 내지 300 ℃, 바람직하게는 270 내지 295 ℃에서 수행할 수 있으며, 반응 시간은 2 시간 내지 7 시간, 바람직하게는 3 내지 5 시간으로 수행할 수 있다. 이때, 반응 시간 및 반응 온도는 중합체의 물성 및 생산성 향상 측면에서 조절하여 수행할 수 있다.

또한, 상기 b) 단계의 중축합 반응은 온도 280 내지 310 ℃, 바람직하게는 290 내지 307 ℃에서 수행할 수 있으며, 압력 0 내지 10 Torr, 바람직하게는 0 내지 5 Torr에서 수행할 수 있다. 이때, 반응 시간은 1 내지 5 시간, 바람직하게는 2 내지 4 시간으로 수행할 수 있으며, 반응시간 및 반응 온도는 중합체의 물성 및 생산성 향상 측면에서 조절하여 수행할 수 있다.

b) 단계의 감압 반응 후, 생성된 폴리에스테르 중합체를 고상 중합시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이때, 상기 고상중합 반응은 온도 220 내지 260 ℃, 바람직하게는 230 내지 250 ℃에서 수행할 수 있으며, 압력 0 내지 10 Torr, 바람직하게는 1.0 Torr 이하에서 수행할 수 있다. 이때, 반응 시간은 10 내지 40 시간, 바람직하게는 30 시간 이내에서 할 수 있으며, 반응 시간 및 반응 온도는 최종 점도 및 방사성 향상 측면에서 조절하여 수행할 수 있다.

이같이 고상중합을 추가로 수행한 폴리에스테르 중합체는 고유 점도가 0.7 dl/g 이상 또는 0.7 내지 2.0 dl/g, 바람직하게는 0.85 dl/g 이상 또는 0.85 내지 2.0 dl/g, 더욱 바람직하게는 0.90 dl/g 이상 또는 0.90 dl/g 내지 2.0 dl/g가 될 수 있도록 하는 것이 원사의 물성 및 방사성 향상 측면에서 바람직하다. 상기 칩의 고유점도는 0.7 dl/g 이상이 되어야 바람직한 고강력 및 고신율의 특성을 갖는 원사를 제조할 수 있으며 2.0 dl/g 이하로 되어야 칩의 용융온도 상승에 따른 분자쇄 절단과 방사팩에서의 압력 증가를 막을 수 있다.

그리고, 고강력 및 고신율의 폴리에스테르 원사를 제조하기 위해서는, 미연신사 제조 공정에서 고점도 폴리에스테르 중합체, 예를 들어, 고유점도 0.85 dl/g 이상의 폴리에스테르 중합체를 사용하는 한편, 용융방사 및 연신 공정을 통해 이러한 고점도 범위를 최대한 유지할 필요가 있다. 이러한 고점도 폴리에스테르 중합체를 융용방사하고 저연신을 통해 고강력을 발휘하면서도 고신율을 나타내는 원사를 제조할 수 있으며, 상술한 일 구현예의 모듈러스 범위를 갖는 폴리에스테르 원사를 얻을 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.

그리고, 폴리에스테르 원사로 제조된 원단을 에어백용으로 사용해 고온 및 고습 하에서도 우수한 물성을 나타낼 수 있게 하기 위해서는, 상기 폴리에스테르 중합체의 분자 내 CEG 함량은 30 meq/kg 이하가 바람직하다. 여기서, 상기 폴리에스테르 중합체의 CEG 함량은 용융 방사 및 연신 공정을 진행한 후에도 최대한 낮은 범위로 유지되어, 최종 제조된 폴리에스테르 원사가 고강력 및 우수한 형태안정성, 기계적 물성, 가혹 조건하에서 우수한 물성 발현 특성을 확보할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 측면에서, 상기 폴리에스테르 중합체의 CEG

함량이 30 meq/kg를 초과하게 되면 용융 방사 및 연신 공정을 통해 최종 제조된 폴리에스테르 원사의 분자 내 CEG 함량이 과량으로, 예컨대 30 meq/kg 내지 50 meq/kg를 초과하는 정도로 증가하며, 높은 습도 조건 하에서 CEG에 의해 에스테르 결합이 절단되어 원사 자체 및 이로부터 제조된 원단의 물성 저하가 야기될 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.

한편, 본 발명의 폴리에스테르 원사 제조 방법에서는 상술한 특성을 갖는 폴리에스테르 중합체를 얻은 후에 이를 용융 방사하여 폴리에스테르 미연신사를 제조한다.

이때, 상술한 일 구현예의 특성을 충족하는 폴리에스테르 미연신사를 얻기 위해서는, 상기 용융방사 공정을 폴리에스테르 중합체의 열분해를 최소화할 수 있도록 낮은 온도 범위에서 수행하는 것이 바람직하다. 특히, 폴리에스테르 중합체의 높은 고유점도 및 CEG 함량을 가능한 유지하고 원사 제조시의 물성 저하를 줄일 수 있도록, 저온방사, 예를 들어, 270 내지 300 ℃, 바람직하게는 280 내지 298 ℃, 좀더 바람직하게는 282 내지 298 ℃ 온도에서 저온방사를 진행할 수 있다. 여기서, 방사온도란 사출기(Extruder) 온도를 지칭하는 것이며, 상기 용융 방사 공정을 300℃가 넘는 온도로 수행할 경우에는 폴리에스테르 중합체의 열분해가 다량으로 발생하여 고유점도의 저하로 분자량 감소 및 CEG함량 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/Z 표면 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 공정으로도 고강력의 원사를 제조함에 따라 원사의 모듈러스 범위 또한 적절한 범위로 낮출 수 있다. 그 결과, 일 구현예의 모듈러스 범위 등 특성을 충족하는 폴리에스테르 원사가 제조될 수 있다.

또한, 상기 용융 방사 공정은 폴리에스테르 중합체 분해 반응을 최소화하는 측면에서, 방사 장력을 최소화할 수 있도록, 예를 들어, 상기 폴리에스테르 중합체를 용융 방사하는 속도를 300 내지 1000 m/min의 저속으로 조절할 수 있고, 바람직하게는 350 내지 700 m/min으로 조절할수 있다. 이같이 선택적으로 낮은 방사 장력 및 낮은 방사 속도 하에 폴리에스테르 중합체의 용융 방사 공정을 진행함에 따라, 폴리에스테르 중합체의 분해 반응을 더욱 줄일 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 1.15 dl/g, 더욱 바람직하게는 0.90 dl/g 이상 또는 0.90 dl/g 내지 1.10 dl/g의 고유점도를 나타낼 수 있다. 또한, 이렇게 저온방사를 통해 얻어진 미연신사의 분자 내 CEG 함량이 50 meq/kg 이하, 바람직하게는 40 meq/kg 이하, 좀더 바람직하게는 30 meq/kg 이하일 수 있다. 이러한 미연사의 고유점도와 분자 내 CEG 함량은 후속 연신 공정을 수행한 연신사, 즉, 폴리에스테르 원사에서도 동일한 수준으로 유지될 수 있다.

특히, 상술한 고점도 및 낮은 CEG 함량의 폴리에스테르 중합체를 사용해 저온에서 용융 방사를 수행하여 폴리에스테르 중합체의 열분해 등을 최대한 억제함으로써, 폴리에스테르 중합체와 폴리에스테르 원사와의 고유점도 및 CEG 함량 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 0.4dl/g로 될 수 있다. 또한, 폴리에스테르 중합체와 폴리에스테르 원사와의 분자 내 CEG 함량 차이는 20 meq/kg 이하 또는 0 내지 20 meq/kg, 바람직하게는 15 meq/kg 이하 또는 3 내지 15 meq/kg로 될 수 있다.

상술한 제조 방법에 따르면, 폴리에스테르 중합체의 고유점도 저하 및 CEG 함량 증가를 최대한 억제함으로써, 폴리에스테르 원사의 우수한 기계적 물성을 유지하면서 동시에 우수한 신율을 확보할 수 있으며, 에어백용 원단에 적합한 고강력 및 고신율 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 연신비 조건 하에서 연신 공정을 수행할 수 있다. 상기 폴리에스테르 미연신사는 용융 방사 공정을 최적화하여 높은 고유점도와 함께 저신율 구간에서 낮은 모듈러스 범위를 나타낼 수 있으며, 분자 내 CEG 함량 또한 최소화된 상태의 것이다. 따라서, 6.0을 넘는 높은 연신비 조건 하에서 상기 연신 공정을 진행하면, 과연신 수준이 되어 상기 연신사에 절사 또는 모우 등이 발생할 수 있고 높은 섬유의 배향도에 의해 모듈러스 범위가 일 구현예의 특성을 충족하지 못할 수 있다. 그 결과, 상기 연신사로부터 제조된 에어백용 원단의 유연성이 저하되어 폴딩성 또는 수납성이 저하되고 에어백 전개시 승객에게 충격이 가해질 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, 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 저수축의 성질을 동시에 만족시키면서 낮은 모듈러스의 폴리에스테르 원사를 제조하기 위하여 고점도의 폴리에스테르 중합 칩을 사용하여 용융 방사한 다음, 와인더에 권취하기까지 다단 고뎃 롤러를 거치며 연신, 열고정, 이완, 권취하는 공정을 포함 할 수 있다.

상기 연신 공정은 미연신사를 오일 픽업량 0.2% 내지 2.0%의 조건 하에서 고뎃 롤러를 통과시킨 후에 수행 할 수 있다. 상기 이완 과정에서 이완률은 1% 내지 8%가 바람직하며, 1% 미만일 경우에는 수축율의 발현이 어려우며 높은 연신비 조건 하에서와 마찬가지로 높은 섬유 배향도 형성에 따라 고신율 섬유 제조가 어려워질 수 있으며, 8%를 초과할 경우에는 고뎃 롤러상에서 사떨림이 심해져서 작업성을 확보할 수가 없다.

또한, 상기 연신 공정에서는 상기 미연신사를 대략 230 내지 250 ℃의 온도 하에서 열처리하는 열고정 공정을 추가로 수행할 수 있으며, 바람직하게는 상기 연신 공정의 적절한 진행을 위해 230 내지 250 ℃, 좀더 바람직하게는 230 내지 245 ℃의 온도로 열처리할 수 있다. 여기서, 온도가 230 ℃ 미만일 경우에는 열적 효과가 충분하지 못하여 이완효율이 떨어지고 고신율 달성이 어려우며, 발명의 일 구현예에 따른 물성을 충족하는 원사의 제조가 어렵게 될 수 있다. 반대로, 250℃를 초과할 경우에는 열분해에 의한 원사강도 저하 및 롤러상 타르 발생이 증가하여 작업성이 저하될 수 있다. 이때, 권취속도는 2,000 내지 4,000m/min, 바람직하게는 2,500 내지 3,700 m/min으로 수행할 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 기재된 내용 이외의 사항은 필요에 따라 가감이 가능한 것이므로, 본 발명에서는 특별히 한정하지 아니한다.

본 발명에 따르면, 특정한 신율 구간에 따른 적정 모듈러스 범위(예를 들어, 저신율 구간에서는 낮은 모듈러스 범위 및 고신율 구간에서는 비교적 높은 모듈러스 범위) 및 고강력, 고신율 등의 특성을 나타내는 폴리에스테르 원사 및 이의 제조 방법이 제공된다. 이러한 폴리에스테르 원사를 사용하여, 우수한 기계적 물성과 함께 유연성 및 폴딩성 및 충돌시 우수한 승객 보호 성능을 갖는 에어백용 원단을 제공할 수 있게 된다. 이러한 에어백용 원단은 우수한 형태안정성, 기계적 물성, 공기 차단 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 폴딩성 및 유연성을 확보할 수 있으며 에어백 전개시 승객에게 가해지는 충격을 최소하고 에어백으로부터 입을 수 있는 손상을 최소화하여 탑승자를 안전하게 보호할 수 있다.

따라서, 본 발명의 폴리에스테르 원사 및 이로부터 얻어진 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
도 3은 실시예 1, 비교예 1 및 6의 원사에 대해 측정한 각 신율별 모듈러스의 측정 결과를 도시한 그래프이다.

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 같은 공정 조건으로, 테레프탈산과 에틸렌 글리콜의 에스테르 반응을 수행하고, 생성된 올리고머를 중축합 반응을 진행한 후 추가로 소량의 에틸렌 글리콜을 가하여 중합체를 생성시켰다.

또한, 상기 중축합 반응을 통해 생성된 폴리에스테르 중합체(Raw chip)는 비표면적을 크게 하기 위해 2.0 g/100ea가 되는 크기로 절단하여, 220~245 ℃ 사이에서 고상중합을 수행하고 고유 점도(IV)가 0.9 ~ 2.0 dl/g인 폴리에스테르 고상중합 칩을 제조하였다.

상기 폴리에스테르 고상중합 칩, 즉, PET 중합체를 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 공정 조건으로 용융 방사하고 냉각하는 방법으로 폴리에스테르 미연신사를 제조한 후에, 상기 미연신사를 소정의 연신비로 연신하며 열처리를 수행하여 폴리에스테르 원사를 제조하였다. 이때, 글리콜/디카르복실산의 몰비, 에스테르 반응, 중축합 반응, 고상 중합 반응 조건, PET 중합체의 고유점도와 분자내 DEG/CEG 함량, 용융 방사 공정시의 방사 온도 조건, 연신비, 열처리 온도 등은 하기 표 1에 나타난 바와 같으며, 나머지 조건은 폴리에스테르 원사 제조를 위한 통상적인 조건에 따랐다.

구 분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
글리콜/디카르복실산 몰비	1.12	1.13	1.13	1.13	1.12
에스테르 반응온도(℃)	290	292	292	292	290
에스테르 반응시간(Hr)	3.9	4.0	4.0	3.9	4.0
중축합 반응온도(℃)	305	300	298	295	290
중축합 반응 시간(℃)	4.0	3.8	4.0	3.8	3.8
중축합 진공도(Torr)	1	1	1	1	1
Raw Chip IV(dl/g)	0.65	0.67	0.67	0.67	0.65
고상중합 반응온도(℃)	245	243	240	243	243
고상중합 반응 시간(Hr)	24	25	25	24	25
고상중합 진공도(Torr)	1.0	0.8	0.7	1.0	0.8
고상중합 후 IV(dl/g)	1.3	1.32	1.35	1.38	1.41
고상중합 후 칩의CEG (meq/kg)	18	17	19	18	19
방사온도(℃)	299	298	297	295	292
연신비	5.4	5.5	5.5	5.4	5.3
열처리온도(℃)	230	235	240	240	245

상기 실시예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 원사에 대하여 다음의 방법으로 물성을 측정하였으며, 측정된 물성은 하기 표 2에 정리하였다.

1) 결정화도

폴리에스테르 원사의 밀도 ρ는 n-헵탄과 사염화탄소를 이용한 밀도구배관법에 따라 25 ℃에서 측정하였으며, 결정화도는 하기 계산식 1에 따라 계산하였다.

[계산식 1]

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 2에 따라 폴리에스테르 원사의 고유점성도(intrinsic viscosity, IV)를 구하였다.

[계산식 2]

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

상기 식에서,

이고,

이다.

3) CEG 함량

폴리에스테르 원사의 카르복실 말단기(CEG, Carboxyl End Group)는 ASTM D 664 및 D 4094의 규정에 따라, 시료 0.2 g을 50 mL의 삼각 플라스크에 넣은 후, 벤질알콜 20 mL를 가하고 핫 플레이트(hot plate)를 이용하여 180 ℃까지 올려 5 분간 유지시켜 시료를 완전히 용해시킨 다음, 160 ℃로 냉각시켜 135 ℃가 도달할 때 페놀프탈렌 5~6 방울을 가하고, 0.02 N KOH로 적정하여 무색에서 분홍색으로 변하는 적정점에서 하기 계산식 3 에 의해 CEG 함량(COOH million equiv./시료 kg)을 계산하였다.

[계산식 3]

CEG = (A-B)×20×1/W

상기 식에서, A는 시료의 적정에 소비된 KOH의 양(mL)이고, B는 공시료의 적정에 소비된 KOH의 양(mL)이며, W는 시료의 무게(g)이다.

4) 모듈러스

미국재료시험협회규격 ASTM D 885의 방법에 따라, 약 25℃에서 인장시험을 진행하여 응력-변형도 곡선을 도출하고, 각 변형에 해당하는 곡선상의 점에서 접선 울기를 산출해 이를 모듈러스로 하였다.

5) 인장강도 및 절단신도

폴리에스테르 원사의 인장강도 및 절단신도를 만능재료 시험기(Instron)을 사용하여 측정하였다. 이 때, 시료장은 250 mm이고, 인장속도는 300 mm/min으로 하였으며, 초기 로드는 0.05 g/d로 설정하고, 러버 그립(rubber faced grip)을 사용하여 측정하였다.

6) 건열수축율

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

7) 터프니스값

하기 계산식 4에 의해 터프니스(Toughness, 10^-1 g/d) 값을 계산하였다.

[계산식 4]

8) 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.

9) 신율

상기 인장강도 및 절단 신도 측정 방법과 동일한 방법으로 측정하고, S-S 커브(Curve)에서 각 하중(Load)에 해당하는 신도값을 확인하였다.

구 분		실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
결정화도(%)		45.4	45.1	44.6	44.4	44.2
원사고유점도(dl/g)		1.01	1.02	1.05	1.07	1.10
원사CEG(meq/kg)		26	25	25	22	20
인장강도(g/d)		9.0	9.2	9.2	9.2	9.4
절단신도(%)		19	18	19	19	20
건열수축율(%)		5.4	5.2	5.0	4.8	5.0
단사섬도(de)		7.7	7.7	8.3	4.2	4.7
총섬도(de)		460	460	500	500	460
필라멘트수		60	60	60	120	120
모듈러스 (g/d)	2% ~ 3% 신율 구간	26.2~24.3	25.8~23.9	25.5~23.5	25.2~23.3	24.8~22.3
	9% ~ 11% 신율 구간	49.0~69.0	49.0~66.9	49.5~67.5	50.2~68.3	51.3~69.3
	12% ~ 14% 신율 구간	77.5~71.0	68.1~74.1	68.5~74.5	69.5~75.5	70.1~76.5

비교예 1~5

하기 표 3에 기재된 조건을 제외하고는 실시예 1~5과 동일한 방법에 따라 비교예 1~5의 폴리에스테르 원사를 제조하였다.

구 분	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4	비교예5
글리콜/디카르복실산 몰비	1.12	1.12	1.13	1.13	1.12
에스테르 반응온도(℃)	290	292	292	292	290
에스테르 반응시간(Hr)	4.2	4.1	4.0	4.1	4.0
중축합 반응온도(℃)	295	294	293	295	294
중축합 반응 시간(℃)	3.4	3.3	3.4	3.4	3.3
중축합 진공도(Torr)	1	1	1	1	1
Raw Chip IV(dl/g)	0.65	0.67	0.67	0.67	0.65
고상중합 반응온도(℃)	235	235	237	235	237
고상중합 반응 시간(Hr)	23	22	22	22	24
고상중합 진공도(Torr)	1.0	0.9	0.9	1.0	0.9
고상중합 후 IV(dl/g)	1.05	1.03	1.07	1.07	1.09
칩의CEG (meq/kg)	22	24	25	25	26
방사온도(℃)	302	304	306	307	310
연신비	6.03	6.02	6.05	6.07	6.1
열처리온도(℃)	220	225	215	218	227

상기 비교예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 원사의 물성을 하기 표 4에 정리하였으며 비교예 6으로 에어백 용으로 사용되는 Invista社 Nylon 원사 물성을 기재하였다. 또한, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 6의 원사에 대해 각 신율 구간별 모듈러스 측정 결과를 도 3에 도시하였다.

구 분		비교예1	비교예2	비교예3	비교예4	비교예5	비교예6
결정화도(%)		42.3	42. 5	42.4	42.5	42.3
원사고유점도(dl/g)		0.912	0.910	0.890	0.887	0.875
원사CEG(meq/kg)		51	52	53	53	55
인장강도(g/d)		8.0	8.2	8.0	8.1	8.1	9.4
절단신도(%)		13.6	13.8	13.8	13.3	13.2	22.4
건열수축율(%)		12.1	12.3	12.5	12.5	12.7	6.5
단사섬도(de)		1.25	6.0	6.0	3.0	3.3	3.09
총섬도(de)		200	240	600	700	800	420
필라멘트수		160	40	50	230	240	136
모듈러스 (g/d)	2% ~ 3% 신율 구간	77.2~84.3	75.8~84.9	76.5~85.5	78.8~87.3	79.8~88.3	20.3~19.2
	9% ~ 11% 신율 구간	32.5~21.0	22.6~32.9	23.5~33.5	24.3~34.3	25.3~35.3	71.0~80.3
	12% ~ 14%^* 신율 구간	0	21.0~0	21.5~0	22.5~0	23.2~0	71.0~47.5

상기 표 2, 4 및 도 3 등을 참고하면, 실시예 1 내지 5의 원사는 각 2.0 ~ 3.0% 신율 구간에서 모듈러스가 60g/d 이하이고, 9.0 ~ 11.0%의 신율 구간에서 모듈러스가 45 ~ 70 g/d이며, 12.0 ~ 14% 신율 구간에서 모듈러스가 60g/d 이상인 본 발명의 모듈러스 범위를 충족함이 확인되었다.

이에 비해, 비교예 1 내지 5의 원사는 열고정시의 열처리 온도 및 연신비 등이 최적화되지 못함에 따라, 위 각 신율 구간별 모듈러스 범위를 충족하지 못함이 확인되었다. 또한, 비교예 6의 나일론 원사 또한 이러한 모듈러스 범위를 충족하지 못함이 확인되었다.

위와 같은 물성 차이에 따라, 실시예 1 내지 5의 원사는 비교예 1 내지 5의 원사와 비교하여 인장강도 등 기계적 물성을 우수할 뿐 아니라, 신율이 높아 우수한 유연성 및 폴딩성 등을 나타냄이 확인되었다. 또한, 비교예 6의 나일론 원사와 비교하더라도 동등 이상의 물성을 나타냄이 확인되었다.

Claims

2.0 ~ 3.0% 신율 구간에서 모듈러스가 60g/d 이하이고,
9.0 ~ 11.0%의 신율 구간에서 모듈러스가 45 ~ 70 g/d이며,
12.0 ~ 14% 신율 구간에서 모듈러스가 60g/d이상인 에어백용 폴리에스테르 원사.
제 1 항에 있어서,
2.0 ~ 3.0% 신율 구간에서 모듈러스가 10 ~ 40g/d이고,
9.0 ~ 11.0%의 신율 구간에서 모듈러스가 50 ~ 70 g/d이며,
12.0 ~ 14% 신율 구간에서 모듈러스가 60 ~ 100g/d인 에어백용 폴리에스테르 원사.
제 1 항에 있어서,
고유점도가 0.8 dl/g 이상인 폴리에스테르 원사.
제 1 항에 있어서,
인장강도가 6.5 g/d 이상이고, 절단신도가 13% 이상인 폴리에스테르 원사.
제 1 항에 있어서,
건열수축율이 3 ~ 12%이고, 터프니스값이 30×10^-1 g/d 이상인 폴리에스테르 원사.
제 1 항에 있어서,
총 섬도가 200 내지 1,000 데니어인 폴리에스테르 원사.
제 1 항에 있어서,
필라멘트수가 50 내지 240인 폴리에스테르 원사.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 폴리에스테르 원사를 포함하는 에어백용 폴리에스테르 원단.