KR20130120480A

KR20130120480A - 가스 팽창기와 함께 폴리에스테르 에어백을 포함하는 자동차 측면 커튼 에어백 모듈

Info

Publication number: KR20130120480A
Application number: KR1020137011530A
Authority: KR
Inventors: 토마스 에드워드 슈미트; 토드 씨 바네스
Original assignee: 인비스타 테크놀러지스 에스.에이.알.엘.
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2013-11-04
Also published as: RU2013119980A; US20130295301A1; EP2625072A4; CA2813047A1; WO2012047785A2; CN103228492B; JP2013538754A; RU2577929C2; WO2012047785A3; BR112013008027A2; MX2013003759A; MX350917B; EP2625072B1; CN103228492A; ZA201302431B; EP2625072A2

Abstract

폴리에스테르 에어백 및 가스 팽창기를 포함하고, 상기 가스 팽창기가 상기 폴리에스테르 에어백의 임계 가스 온도를 초과하지 않는 가스 온도를 제공하는 에어백 모듈이 개시되어 있다. 이러한 설계에 의해, 측면 커튼 에어백 모듈 및 다른 에어백 배치 응용예에서 가스 팽창기 온도가 임계 가스 온도를 초과하지 않는 폴리에스테르 에어백이 나일론 에어백을 대체할 수 있게 된다. 파국적 고장을 일으키지 않는 에어백 모듈을 생성시키기 위해서 특정 폴리에스테르 직물과 가스 팽창기의 매칭(matching)을 용이하게 하는 방법이 또한 개시되어 있다.

Description

가스 팽창기와 함께 폴리에스테르 에어백을 포함하는 자동차 측면 커튼 에어백 모듈{AUTOMOBILE SIDE CURTAIN AIRBAG MODULES COMPRISING POLYESTER AIRBAG WITH GAS INFLATORS}

본 발명은, 일반적으로 자동차 탑승자 안전 산업에 관한 것이며, 구체적으로는 폴리에스테르 직물 에어백 및 에어백 가스 팽창기 장치를 포함하는 자동차 에어백 모듈에 관한 것이다. 폴리에스테르 직물의 임계 가스 온도(critical gas temperature)에 기초하여 에어백 모듈을 설계하는 방법이 또한 개시된다.

에어백은 자동차 충돌시에 신속하게 팽창되도록 설계된 가요성 봉투(envelope)로 이루어지는 보충적인 구속 장치이다. 에어백은, 가속도계, 충격 센서, 옆문 압력 센서, 휠 스피드(wheel speed) 센서, 자이로스코프(gyroscope), 브레이크 압력 센서 및 좌석 탑승 센서(seat occupancy sensor)를 비롯한 자동차 내 다수의 관련된 센서를 모니터함으로써 작용한다. 필수 "문턱값(threshold)"에 도달하거나 이를 초과한 경우에, 에어백 제어 유닛은 직물 백을 신속하게 팽창시키도록 가스 발생기 추진제를 점화시킬 것이다. 자동차 탑승자가 충돌하여 백을 압착함에 따라, 가스는 작은 배기 구멍을 통하여 제어된 방식으로 빠져나간다. 에어백 부피 및 에어백 내 배기구의 크기는, 탑승자의 감속이 시간 및 공간에 걸쳐 확산되도록 각각의 자동차 유형에 맞춰진다.

에어백은 전형적으로, 에어백 팽창기 내부의 고체 추진제를 점화시키는 불꽃(pyrotechnic) 장치의 사용을 통하여 팽창된다. 연소되는 추진제는, 전면 에어백에 대해서는 대략 20 내지 30 밀리초 내에 그리고 측면 커튼 에어백에 대해서는 대략 40 내지 50 밀리초 내에 에어백을 신속하게 팽창시키는 불활성 가스를 발생시킨다. 측면 커튼 에어백이 전면 에어백보다 느리게 팽창하기 때문에, 더욱 낮은 연소 온도의 추진제가 종종 사용된다. 고온 가스를 사용함으로써 에어백은 더욱 낮은 온도를 사용하는 경우에서보다 더욱 작은 질량의 가스를 사용하여 요구되는 압력을 달성시킬 수 있다. 그러나, 고온 가스는, 이것이 배치(deployment) 및 탑승의 상호작용 동안 피부와 접촉되는 경우에 열 화상의 위험을 제기할 수 있다.

에어백은 전형적으로 나일론, 및 때때로는 고압 및 고온을 견디도록 설계되는 폴리에스테르 직물로 제조된다. 또한, 에어백은 대개는 일편(one piece)으로 되어 있는 것이 아니라, 응용예에 의존하는 구체적인 형태로 꿰매어진 봉합선을 갖는 다편으로 되어 있다. 다른 방법은, 두 개의 직물 층을 제조하고 직조되는 패턴이 에어백의 패턴 내에서 두 개의 직물 층을 결합시키는 봉합선을 형성하는 직조기 상에서 에어백을 형성시키는 것이다. 이 기술은 "일편 직조된(one piece woven)" 또는 OPW 에어백으로 지칭된다. 따라서, 조각들을 함께 결합시키는 봉합선은 또한 파열되지 않고 고압 및 고온을 견딜 수 있어야 한다. 봉합선이 열 및 압력 하에서 파열되는 경우에, 에어백의 파국적 고장(catastrophic failure)이 일어나 탑승자에게 심각한 손상을 입힐 것이다.

미국 특허 번호 5,236,775호 및 5,637,114호에는 에어백에 대한 폴리에스테르 직물 디자인이 개시되어 있다. 미국 특허 번호 5,540,965호에는, 수축 안정화(shrinkage-setting) 처리에 의해 9 내지 18%의 바람직한 파단 인장 신장율을 갖는 직조된 폴리에스테르 에어백이 개시되어 있다. 일본 출원 번호 7-186858호에는, 79.4 cN/tex의 인성(tenacity) 및 15%의 파단 신장율을 갖는 폴리에스테르 필라멘트 얀으로부터 직조된 경량의 폴리에스테르 에어백 직물이 개시되어 있다. 유럽 특허 번호 0 442 373호에는, 더욱 작은 데니어의 얀을 사용한 폴리에스테르 에어백 직물이 개시되어 있다. 상기 얀의 인성은 66 cN/tex였고, 파단 신장율은 19%였고, 200℃에서 고온 공기 수축율은 4.7%였다. 미국 특허 번호 5,637,114호에는 폴리에스테르 비코팅 에어백 직물이 개시되어 있다. 470 dtex, 100 필라멘트 얀은 립-스톱(rip-stop) 구성으로 직조되었다. 상기 얀은 66.8 cN/tex의 인성, 21.5%의 파단 신장율, 및 7.4%의 200℃에서의 고온 공기 수축율을 지녔다. 미국 특허 번호 5,902,672호에는 변형된 허커백 또는 크레페 직(huckaback or crepe weave)을 사용한 폴리에스테르 미코팅 에어백 직물이 개시되어 있다. 미국 특허 7,375,042호에는, 폴리에스테르 및 나일론 얀 및 에어백 직물의 특성을 비교하는 하나의 방법으로 "순간 열 변형(instantaneous thermal creep)(ITC)"의 개념이 소개되어 있다. 일본 출원 7-90747호에는, 미코팅 에어백 직물의 열 경화 및 캘린더링 후에 직조된 나일론 및 폴리에스테르 둘 모두의 직물이 제조업자에 대해 개시되어 있다.

폴리에스테르 직물의 물질 특성은 온도에 따라 가변되므로, 상기 직물은 온도가 증가함에 따라("고온 변형") 하중하의 더욱 큰 신장("직물 변형")을 나타낼 것이다. 폴리에스테르 직물은 나일론 직물과는 많이 상이한 변형 특성을 지닐 수 있다. 특히 봉합선 주변의 고온 변형은, 이것이 고온 에어백 모듈 가스가 누출되는 바람직한 통로를 형성시키기 때문에, 폴리에스테르 에어백에서 주요한 고장 모드이다. 누출되는 고온 가스는 출구 지점 근방의 폴리에스테르 섬유를 용융시키고, 파국적 백 고장을 일으킨다. 이러한 현상은 나일론 에어백을 사용한 경우보다 폴리에스테르 에어백을 사용하는 경우에 더욱 크게 나타나는데, 이에 의해 에어백 모듈에 대한 폴리에스테르의 사용이 제한된다. 그러나, 폴리에스테르 직물은 나일론 직물보다 덜 고가이다. 따라서, 나일론 에어백의 변형 및 내열성에 근접할 수 있는 폴리에스테르 에어백이 필요하다.

불운하게도, 당해 기술 분야에서는 직물 조성의 중요한 조합, 섬유 및 직물의 내열성 및 변형 특성, 및 폴리에스테르 직물을 포함하는 모듈의 성능을 최적화하는데 필요한 최대의 허용가능한 가스 팽창기 온도에 대해서는 침묵하고 있다. 따라서, 파국적 고장을 일으키지 않을 에어백 모듈을 생성시키는 특정 폴리에스테르 직물과 가스 팽창기의 매칭(matching)을 용이하게 하는 방법을 발견하는 것이 요구되고 있다. 또한, 이러한 방법으로부터 현재의 나일론 에어백과 경쟁할 수 있는 폴리에스테르 에어백을 개발하는 것이 매우 요구될 것이다.

측면 커튼 모듈은 전면 및 측면 충격 모듈과 비교하여 더욱 낮은 압력 및 온도에서 작동하기 때문에, (나일론과 비교하여) 높은 순간 열 변형("ITC") 특성을 갖는 폴리에스테르 얀으로 된 에어백을 포함하는 모듈의 성능은 측면 커튼 모듈에 대해서는 허용될 수 있지만, 전면 및 측면 충격 모듈에 대해서는 허용되지 않을 수 있다. 본원에 개시된 발명은, 폴리에스테르 얀 및 직물을 포함하는 측면 커튼 에어백 모듈에 대한 성능 요건, 및 그러한 특성에서의 운전자 및 탑승자 에어백과의 차이를 인식하는 방법을 제공한다. 심지어 모듈이 사전가열되고 고온에서 배치되는("고온에서 처리되는(hot-conditioned)") 경우에도, 이 차이에 의해 폴리에스테르 직물을 포함하는 특정 모듈은 만족스럽게 작동될 수 있게 된다. 폴리에스테르 섬유의 용융 가능성(potential)이 기술적으로 허용가능한 나일론 직물 에어백에 대해 전형적인 용융 가능성을 초과하기 전의 팽창 가스의 최대 온도인, 소위 "임계 가스 온도"로 불리우는 새로운 모듈 설계 인자를 정의하도록 폴리에스테르 얀 및 직물의 고온 변형 및 열 특성을 측정하였고 예상치않게 발견하였다.

한 측면에서, 임계 가스 온도를 갖는 컷 앤드 소운(cut and sewn)형 폴리에스테르 에어백, 및 상기 폴리에스테르 에어백의 임계 가스 온도를 초과하지 않는 약 230K 내지 750K의 가스 온도를 제공하는 가스 팽창기를 포함하는 에어백 모듈을 포함하는 물품이 개시된다. 상기 폴리에스테르 에어백은 0.5% 초과 내지 약 3%의 100℃ 순간 열 변형 값을 갖는 얀을 또한 포함할 수 있다. 상기 폴리에스테르 에어백 직물은 코팅될 수 있다. 코팅된 폴리에스테르 에어백은 또한 일편 직조된 구성으로 되어 있을 수 있다.

또 다른 측면에서, (a) 임계 가스 온도를 갖는 폴리에스테르 에어백을 선택하는 단계; (b) 상기 폴리에스테르 에어백의 임계 가스 온도를 측정하는 단계; (c) 폴리에스테르 에어백의 임계 가스 온도를 초과하지 않는 가스 온도를 제공하는 가스 팽창기를 제공하는 단계; 및 (d) 상기 폴리에스테르 에어백과 상기 가스 팽창기를 조합하여 에어백 모듈을 제공하는 단계를 포함하는, 에어백 모듈의 설계 방법이 개시된다.

도 1에는 자동차 측면 커튼 에어백이 도시되어 있다.
도 2에는 폴리에스테르 직물의 봉합선이 파괴된 예가 도시되어 있다. 직물 변형에 의해 바늘 구멍이 확장되고 이에 의해 고온의 가스가 봉합선을 통해 급속하게 진입하여 연소될 수 있다.
도 3에는 ITC를 측정하는데 사용된 온도에 대한 치수 변화의 그래프가 도시되어 있다.
도 4에는 직물 변형 구멍 크기에 대한 열 기계적 분석 얀 변형이 도시되어 있다.
도 5에는 직물 변형 시험을 위한 배치도(layout)가 도시되어 있다.
도 6에는 고온의 봉합선 빗모양화(combing) 시험에 의해 형성된 핀 홀에 대한 사진이 도시되어 있다.

임계 가스 온도를 갖는 폴리에스테르 에어백, 및 상기 폴리에스테르 에어백의 임계 가스 온도를 초과하지 않는 약 230K 내지 750K의 가스 온도를 제공하는 가스 팽창기를 포함하는 에어백 모듈을 포함하는 물품이 개시된다. 상기 폴리에스테르 에어백은 0.5% 초과 내지 약 3%의 100℃ 순간 열 변형(ITC) 값을 갖는 폴리에스테르 얀을 추가로 포함할 수 있다.

임계 가스 온도를 갖는 폴리에스테르 에어백을 선택하는 단계; 상기 에어백의 임계 가스 온도를 측정하는 단계; 상기 임계 가스 온도를 초과하지 않는 가스 온도를 제공하는 가스 팽창기를 제공하는 단계; 및 상기 폴리에스테르 에어백과 상기 가스 팽창기를 조합하여 모듈을 제공하는 단계를 포함하는, 에어백 모듈의 설계 방법이 또한 개시된다. 상기 임계 가스 온도는, 하나 이상의 폴리에스테르 직물 상에서 얀의 ITC를 포함하는 얀 및 직물 변형 특성을 시험함으로써 측정될 수 있다. 또한, 상기 임계 가스 온도는 모의실험된 에어백 직물 로딩 후에 직물의 공기 투과율을 시험함으로써 측정될 수 있다.

허용가능한 에어백 성능은, 에어백 직물에 사용된 폴리에스테르 얀의 순간 열 변형(ITC)에서 나타난다. 에어백 가스 누출 양은, 얀의 ITC 및 폴리에스테르 직물 내 얀이, 개구를 통한 팽창 가스의 증가된 흐름 및 더욱 적은 저항을 야기하는 얀 사이에서의 개구를 신장 및 형성시키는 경향과 관련되어 있다. 융점으로 상승된 폴리에스테르 얀의 양이 1100K 이하의 온도를 갖는 고온 가스 팽창기를 포함하는 모듈에서 성공적으로 사용된 나일론 얀의 양을 초과하기 전에 팽창 가스의 최대의 허용가능한 온도인 소위 "임계 가스 온도"로 불리우는 새로운 모듈 설계 인자를 정의하도록 폴리에스테르 얀 및 직물의 고온 변형 및 열 특성을 측정하였고 예상치않게 발견하였다.

임계 가스 온도는 얀 ITC, 폴리에스테르의 열 용량, 폴리에스테르의 융해 열, 및 직물 중량의 함수이다. 구체적으로, 얀 ITC가 낮을수록, 열 용량 및 융해 열은 커지고, 직물 중량은 커지며, 임계 가스 온도도 높아진다. 놀랍게도, 각각의 구성 폴리에스테르 얀에 대한 하중이, (1) 폴리에스테르 얀이 유사한 나일론 얀보다 많이 변형되지 않고 (2) 폴리에스테르 에어백이, 대체되는 나일론 직물 중에 용융된 것보다 더 많은 섬유를 용융시키기에 충분한 고온 가스를 통과하지 않도록 한다면, 폴리에스테르 에어백이 나일론 에어백을 대체할 수 있음이 발견되었다. 폴리에스테르의 열 특성을 나일론 6,6과 비교한 표가 하기되어 있다.

나일론 6,6 직물 에어백이 일반적으로 폴리에스테르 직물 에어백보다 우수하기 때문에, 중합체 열 용량, 융해 열, 및 열 전도도가 에어백 직물 설계에서 중요한 역할을 수행해야 함이 측정되었다. 이러한 변수 이외에도, 에어백 설계에서는 또한 배치되는 백에 가해진 인장 응력, 요구된 팽창 지속시간, 팽창 온도, 및 허용가능한 누출이 고려되어야 한다. 높은(0.5% 초과) ITC 얀을 사용하여 폴리에스테르 에어백의 성능을 개선시키기 위해서는, 봉합선 개구, 섬유 용융 및 누출이 만족스럽도록 직물 중량을 증가시키고/시키거나 설계 배치 응력(design deployment stress)을 감소시킬 수 있다. 또한, 팽창 온도는 감소될 수 있는데, 이에 의해 용융된 중합체의 양이 감소될 것이다. 상이한 얀, 직물 및 에어백 특성의 상세사항 및 관련성, 및 이들이 임계 가스 온도를 측정하는데 어떻게 사용되는 지에 대해서는 이하에서 상세하게 논의될 것이다.

에어백 모듈을 설계하는 경우에, 피크 내부 가스 압력 및 배치시 모듈의 온도는 알려져 있다. 배치 동안 봉합선 개구의 양은 배치 온도, 선택된 얀의 ITC, 및 직물의 직조 밀도 및 중량의 함수이다. 불꽃 팽창기를 사용하는 탑승자 또는 운전자 측면 에어백 (전면) 모듈에 대해서, 얀은 100℃에서 10 cN/Tex 하중하에서 시험된 얀에 대한 약 0.5%의 ITC를 초과하지 않아야 한다. 폴리에스테르 얀에서 이러한 ITC 수준은, 전면 및 측면 에어백에 성공적으로 사용되는 나일론 6,6 얀의 ITC와 대등한 것이다. 그러나, 더욱 큰 ITC는 측면 커튼 에어백에 대해서는 허용가능하다.

도 1에는 개시된 발명의 한 측면의, 측면 커튼 에어백(1)이 도시되어 있다. 측면 커튼 또는 롤-오버(roll-over) 에어백은 전면 또는 측면 충격 백과 비교하여 상이한 성능 요건을 갖는다. 측면 커튼 에어백은 더욱 느린 충전 속도를 갖는데, 이에 의해 덜 강력한 팽창기가 사용될 수 있다. 이러한 이유로, 폴리에스테르 측면 커튼 에어백, 직물 및 얀에 대한 물리적인 요건은 다른 유형의 에어백에 대한 것보다 덜 요구될 수 있다. 따라서, 측면 커튼 에어백을 제조하는데 사용된 폴리에스테르 얀의 ITC는 0.5% 초과, 약 1% 및 3%를 포함할 수 있다.

측면 커튼 에어백에 사용된 팽창 온도는 전형적으로, 이 응용예에서 감소된 팽창 압력 및 충전 속도의 적합성 때문에 전면 에어백에서의 온도보다 낮다. 전형적으로, 가스 팽창기 온도는 약 230K 내지 약 750K, 약 350K 내지 약 1000K, 약 350K 내지 약 750K, 약 350K 내지 약 700K, 및 약 350K 내지 650K을 비롯한 약 230K 내지 약 1000K 범위일 것이다. 더욱 낮은 가스 팽창기 온도 때문에, 측면 커튼 모듈에 대한 폴리에스테르 에어백은 0.6% 초과 내지 약 3.0%, 0.7% 초과 내지 약 3.0%, 및 0.5% 초과 내지 약 2.5%를 비롯한 0.5% 초과 내지 약 3%의 ITC를 갖는 폴리에스테르 얀으로 구성될 수 있다.

폴리에스테르 얀, 직물 및 에어백의 고온 신장 특성은, (1) 에어백 배치 동안의 피크 내부 가스 압력; (2) 배치 동안의 피크 내부 가스 온도; (3) 배치시 모듈의 온도; (4) 얀 데니어, 직조 밀도, 및 직물 중량; 및 (5) 얀의 ITC에 의해 측정된 상기 조건하에서의 섬유의 고온 변형을 비롯한 다수의 변수의 함수이다.

에어백 직물에 사용된 얀의 내열성은 모듈 설계에서의 또 다른 인자이다. 고 인성 폴리에스테르 및 나일론 6,6 중합체는 대략 동일한 융점을 갖는 반면, 폴리에스테르의 열 전도도가 더 낮아서, 결과적으로 에어백을 배치시키도록 모듈에 사용된 가열된 가스에 의해 형성된 열점(hot spot)을 덜 소산시킬 수 있다. 또한, 폴리에스테르는 더욱 작은 열 용량 및 융해 열을 갖는 데, 이 점은 폴리에스테르 얀이 나일론 얀보다 더욱 신속하게 가열되고 더욱 신속하게 용융되게 한다.

도 2는 폴리에스테르 에어백의 봉합선 파괴(seam failure)의 한 예를 도시한다. 나일론 6,6 에어백 직물과 비교하여, 폴리에스테르 에어백 직물과 관련된 이슈는 모듈 배치 동안에, 작은 개구(전형적으로는 꿰매지거나 직조된 데에 따른)가 더욱 용이하게 확장될 수 있고 이에 의해 더욱 많은 가스 누출이 일어날 수 있다는 것이다. 매우 고온의 가스 팽창기가 사용되는 상황에서, 가스는 이러한 작은 개구로부터 배출되어, 그 영역 내 폴리에스테르 얀을 더욱 용이하게 용융시켜서, 구멍을 더욱 확장시키고 완전한 백 고장을 초래한다.

도 3은 ITC와 온도 사이의 관련성을 보여주는데, 이에 의해 온도가 증가함에 따라 ITC도 증가한다. 놀랍게도, 폴리에스테르 에어백에서 "봉합선 빗모양화(seam combing)"는 얀의 고온 변형(즉, ITC) 특성에 의해 야기되고 얀 인성(toughness), 직물, 코팅 또는 에어백 구성의 함수가 아님이 확인되었다.

도 4 및 5에는 폴리에스테르 직물의 직물 변형 시험 및 분석이 각각 도시되어 있다. 폴리에스테르 얀의 ITC는, ASTM D5822에서 확인된 설비 중에 장착되어 하중하에서 가열되는 경우에, 폴리에스테르 에어백의 직물 또는 봉합선 내 개구의 크기와 상관된다. 에어백 내에서 더욱 크게 개방된 직물 또는 봉합선은 상기 백 밖으로의 공기 흐름에 대해 더욱 작은 내성을 제공하고, 이는 최소 저항 지점을 통해 배출될 수 있는 가스의 부피를 증가시킨다. 폴리에스테르의 더욱 낮은 열 저항 때문에, 폴리에스테르 섬유 및 직물이 용융되어 더욱 큰 구멍을 형성시키기 전에, 배출되는 가스로부터 폴리에스테르 섬유 및 직물로의 열 전달 양에 제한이 있다. 이것은 백의 가스 보유 능력을 손상시킨다. 따라서, 더욱 큰 구멍으로 빠져나오는 열 에너지는 동일한 용도로 의도된 유사하게 구성된 나일론 에어백 중에서 용융된 것보다 더 많은 섬유 질량을 용융시키지 않아야 한다. 이 열 에너지는 임계 가스 온도와 직접적으로 상관된다.

개시된 폴리에스테르 에어백의 임계 가스 온도는 약 230K 내지 약 750K, 약 350K 내지 약 1000K, 약 350K 내지 약 750K, 약 350K 내지 약 700K, 및 약 350K 내지 650K를 비롯한 약 230K 내지 약 1000K의 범위일 수 있다. 폴리에스테르 에어백의 임계 가스 온도는 가스 팽창기 온도와 동일하거나 그보다 높아야 한다. 가스 팽창기 온도를 폴리에스테르 에어백의 임계 가스 온도와 상관시키면, 상기 에어백에서는 파국적 고장이 일어나지 않게 될 것이다.

개시된 에어백 모듈에 사용된 폴리에스테르 직물에서는, 많은 응력이 가해지는 영역에서 가스 누출을 감소시키기 위해 다양한 기술이 사용될 수 있다. 상기 기술에는 특수한 봉합선 설계 및 직물 마감처리제(finish)가 포함된다. 예를 들어, 더욱 많은 스티치(stitch)가 꿰매어지거나 직조된 봉합선의 곡선화된 영역과 같은 중요 지점에 추가될 수 있다. 또한, 엘라스토머 개스킷 물질로 된 비드가 상기 중요 지점에 적용될 수 있다. 전문이 본원에 참고로 포함된 미국 특허 출원 번호 2006/0040577호에는, 봉합선 빗 모양화를 감소시키기 위해 사용될 수 있는 다양한 직물 마감처리제가 개시되어 있다. 에어백 모듈에 사용된 비코팅 폴리에스테르 직물의 중량은 170 g/㎡ 내지 약 240 g/㎡을 비롯한 약 150 g/㎡ 내지 약 270 g/㎡의 범위일 수 있다. 직물 중량이 클수록, 폴리에스테르 직물의 임계 가스 온도는 더 높아진다.

개시된 에어백 모듈의 직물에 사용된 폴리에스테르 필라멘트 얀은, 약 65 cN/tex 이상의 인성, 예를 들어 약 65 cN/tex 내지 약 90 cN/tex의 인성; 약 75 cN/tex 이상의 인성, 예를 들어 약 75 cN/tex 내지 약 90 cN/tex의 인성; 또는 약 85 cN/tex 이상의 인성, 예를 들어 약 85 cN/tex 내지 약 90 cN/tex의 인성을 지닐 수 있다. 더욱 작은 인성의 얀은 직조된 에어백 직물에 요구된 큰 강도를 얻기 위해서 더욱 큰 데니어를 필요로 하므로, 이에 의해 접기 어려운 더욱 두꺼운 직물이 얻어진다. 본 발명의 직물에 사용된 폴리에스테르 필라멘트 얀의 신장율은 약 12% 이상일 수 있는데, 예를 들어 약 12% 내지 약 28%, 또는 약 12% 내지 약 20%일 수 있다. 상기 얀의 인장 지수(tensile index)는 약 240 이상일 수 있는데, 예를 들어 약 240 내지 약 400, 또는 약 240 내지 약 350일 수 있다.

본 발명의 직물에 사용된 폴리에스테르 필라멘트 얀을 제작하는데 사용된 폴리에스테르 수지의 고유 점도(IV)는 약 0.8 dl/g 이상일 수 있다. 0.8 dl/g 미만의 IV를 갖는 폴리에스테르 얀은, 충분한 인성을 갖는 얀을 제공하지 않는다.

얀의 선밀도는, 어떠한 유형의 에어백이 요구되는 지에 의존하여, 약 200 dtex 내지 약 650 dtex을 비롯한 약 250 dtex 내지 약 700 dtex일 수 있다. 측면 커튼 에어백에 대한 더욱 작은 dtex의 얀과 비교하여 더욱 큰 dtex의 얀이 더욱 큰 탑승자 에어백을 위한 직물로 직조된다. 상기 직물에 대한 얀 내 필라멘트는 둥글지 않고 더욱 평평한 유형의 필라멘트일 수 있다. 전형적으로, 필라멘트의 평탄도는 어스펙트 비로 측정된다. 어스펙트 비는 필라멘트의 폭에 대한 길이의 비이다(둥근 단면은 1.0의 어스펙트 비를 갖는다). 적합한 어스펙트 비는 약 1 내지 약 6의 범위 내이다. 더욱 평탄한 유형의 필라멘트는 상기 직물이 공기에 대해 덜 투과성이게 한다.

개별 필라멘트의 dtex는 전형적으로 약 2 내지 약 7의 범위 내이다. dtex/필라멘트가 약 2 미만이면, 제조되는 필라멘트 다발의 제어가 더욱 어려워지게 된다. dtex/필라멘트가 약 7을 초과하면, 에어백 직물은 강성이 되어 접혀지기 어려워지는 경향이 있다.

폴리에스테르 다중필라멘트 얀을 형성시키기 위한 폴리에스테르 수지는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리부틸렌 나프탈레이트, 폴리에틸렌-1,2-비스(페녹시)에탄-4,4'-디카르복실레이트, 폴리(1,4)-시클로헥실렌-디메틸렌 테레프탈레이트, 및 상기 언급된 중합체의 하나 이상의 반복 단위 유형을 포함하는 공중합체, 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트/이소프탈레이트 코폴리에스테르, 폴리부틸렌 테레프탈레이트/나프탈레이트 코폴리에스테르, 폴리부틸렌 테레프탈레이트/데칸디카르복실레이트 코폴리에스테르, 및 상기 언급된 중합체와 공중합체의 둘 이상의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.

폴리에스테르 수지는 당업자에게 공지된 표준 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 하나의 방법은 약 0.6의 IV를 갖는 무정형 폴리에스테르를 제공한 다음, 요구된 수지 IV로 고체 상태 중합을 실시하는 용융 중합 방법을 포함한다. 일반적으로 폴리에스테르 동종중합체의 중량을 기준으로 2 중량% 이하를 포함하는 소량의 다른 성분이 또한 존재할 수 있다. 상기 성분은 TiO₂와 같은 첨가제, 또는 예를 들어 (1) 상기 얀 및 이로부터 제조된 직물의 마찰계수를 감소시키거나; (2) 직조를 위한 얀 다발 보전성(integrity)을 증가시키거나; (3) 상기 얀 및 그로부터 제조된 직물의, 고무와 같은 다른 물질로의 접합력을 증가시키거나; (4) 상기 얀이 더욱 UV 안정하고 덜 취성이게 만들 수 있는 얀 마감처리제를 포함할 수 있다.

본 발명의 폴리에스테르 필라멘트 얀을 제조하기 위한 제조 방법에는 연속 방사-연신(spin-draw) 방법이 포함될 수 있다. 예를 들어, 연속 방사-연신 방법에서는, 방적돌기로부터의 용융된 필라멘트가 공기로 켄칭되고, 윤활처리되고, 공급 롤 주위로 감겨진다. 400 내지 1000 미터/분의 범위 내 공급 롤 속도가 사용될 수 있다. 그 후, 이러한 낮게 배향되고 무정형의 방사된 얀은 이완되기 전에 강도를 최대화하기 위해 2개의 연신 구역을 통해 4배 이상으로 연신된다. 공급 및 연신 롤이 가열되고, 이완 롤은 임의적으로 가열될 수 있다. 제2 연신 롤과 이완 롤 사이의 이완 구역에서 얀의 온도, 및 이 구역에서 이완되는 양은 최종 폴리에스테르 필라멘트 얀의 ITC에 큰 영향을 미침이 확인되었다. 폴리에스테르 필라멘트 얀을 제조하기 위한 정확한 방법에 대한 상세사항은, 중합체 수지 IV, 특정 방사 조건, 공급 롤 속도, 연신 비 등에 의존할 것이다.

실시예

하기 실시예에서는, 에어백 직물에 사용된 나일론 6,6 얀의 특성을, 에어백 직물을 제조하는데 사용된 상이한 폴리에스테르 얀의 특성과 비교하였다. 하기 각각의 나일론 6,6 얀 및 폴리에스테르 얀은, 상업적인 제품 식별자(identifier)를 나타내는 숫자가 뒤따르는 T를 포함한다. 나일론 얀의 각각은 켄자스 위키타에 소재한 인비스타 에스.에이.알.엘(INVISTA S.a.r.l)로부터 상업적으로 입수가능하고, 폴리에스테르 얀의 각각은 버지니아 리치몬드에 소재한 퍼포먼스 파이버스, 인코포레이티드(Performance Fibers, Inc.)로부터 상업적으로 입수가능하다.

시험 방법

얀 특성: 인성은 cN/tex로 표시되고, 신장율은 254 cm의 게이지 길이 및 120%/min(ASTM D885)의 변형율(strain rate)을 사용하여 측정하였다. 선밀도(dtex)는 시험 방법 D1907의 옵션 1을 사용하여 측정하였다.

직물 특성: 직물 중량은 제곱미터 당 그램으로 표시되고; 직물 구성은 센티미터 당 실(thread)수(ASTM D3776); 직물 인장 강도(ASTM D5035); 직물 인열 강도(ASTM D2261)로 표시된다.

얀의 ITC: 시험 온도를 열 기계적 분석기(TA 인스트루먼츠, 모델 2940)를 사용하여 20℃/분으로 주위 온도에서 200℃로 상승시키면서, 0.5 g/d의 일정한 하중에서 얀의 신장율을 측정한다. 온도를 100℃로 상승시키고 이 100℃에서 30초 동안 유지시키고, 고온 모듈 성능과의 상관성을 위한 기준점으로 100℃를 사용하여 얀의 신장율을 측정한다. 얀 특성을 더욱 차별화하기 위해 온도를 20℃/분으로 200℃로 추가로 상승시킨다.

직물 변형 과정: 소정 길이의 50 mm 폭 직물을 ASTM D 6479 봉합선 빗 모양화 장치(Seam Combing Fixture)를 사용하여 하중 시험기 상에 장착하고, 100℃에서 평형이 이루어지도록 가열한다. 4.5 cN/tex의 하중을 30초 동안 상기 직물에 가하고, 가열된 챔버로부터 직물을 제거하였다(도 5). 시험 전 및 시험 후에, 개구의 현미경사진을 취하고 핀홀 개구의 면적을 측정하였다(도 6). 이 시험은, 완성된 모듈을 특정 온도로 가열한 다음 배치하는, 고온 모듈 배치의 초기 조건을 모의실험하는 것이다.

정적(static) 공기 투과율: 직물 변형 과정 전과 후의 직물의 공기 투과율을 125 Pa의 압력 강하에서 ASTM D737 과정에 따라서 ㎤/㎠/sec로 측정한다. 개구 면적으로 나눈 두 개의 체적 공기 흐름 사이에서의 차가, 개구를 통한 계산된 가스 흐름이다.

임계 가스 온도 계산: 일련의 계산에 의해, 열 유속(heat flux)과 나일론 및 폴리에스테르 에어백 직물 내 핀홀을 통한 고온 가스 흐름과 관련된 온도 상승을 비교할 수 있다. 이 계산은, 핀 홀이 고온 배치 응력 모의실험(직물 변형 과정) 동안에 형성된 후에 직물의 가스 투과율(정적 공기 투과율)에서의 변화, 및 대략 1100 K의 최대 팽창 가스 온도에서 방출되는 가스로부터 전달된 열에 기초하고 있다. 팽창기 내에서 확인된 질소 가스가 계산을 위한 모델 가스로 사용된다. 가스 흐름, 가스 특정 밀도 및 가스 열 용량을 사용하여, 열 유속을 계산하고 이것이 핀 홀 영역 내 섬유로 전달되는 것으로 추정한다. 열 유속으로부터, 융점으로 상승되는 핀 홀 근방의 섬유 양을 계산한다. 더욱 높은 가스 투과율, 더욱 낮은 비열(specific heat) 및 융해 열 때문에, 나일론 섬유보다 더 많은 폴리에스테르 섬유가 그 융점으로 상승될 것이다.

임계 가스 온도: 융점이 되는 폴리에스테르 섬유의 양이 나일론 섬유에 대해서와 동일한, 배치된 폴리에스테르 에어백 모듈에 대한 최대 팽창기 가스 온도.

실시예 1: 고 강도 나일론 6,6 및 폴리에스테르 테레프탈레이트 얀을 비교를 위해 얻었다. 얀의 인장 강도 및 파단 신장율을 측정하였고, 인장 인자(Tensile Factor)를 계산하였다. 그 결과가 하기 표 1에 기재되어 있다:

얀에 대한 설명: 나일론 얀 1 및 2는 전면 및 측면 커튼 에어백에 상업적으로 사용되는 것이다. 얀 3은, 고온의 운전자 모듈 배치 동안에 주요한 변형 문제 및 파괴가 일어난 폴리에스테르 얀이다. 얀 4는 코팅되거나 적층된 직물에 대한 얀 상품이다.

실시예 2: 실시예 1로부터의 얀을 포함하는 직물을, 각각 중량이 대략 220 g/㎡인 평직 직물로 직조하고, 하기 표 2에 기재된 기본 직물 특성에 대해 시험하였다.

실시예 3: 실시예 1로부터의 얀을 순간 열 변형에 대해 시험한다. ITC는 하기 표 3에 기재되어 있다:

예상치않게, 표 1 및 3의 비교로부터, 가장 인성이 높은 폴리에스테르 얀(인장 인자에 의해 측정된)가 더 높은 ITC 특성을 가짐이 나타난다. 이는 에어백 배치의 응력을 흡수하고 폴리에스테르 얀을 더욱 나일론과 같이 만들기 위해 폴리에스테르 얀의 인성을 최대화시키는 산업 표준으로부터 벗어나는 것이다.

실시예 4 내지 6은 각각의 직물에 대한 임계 가스 온도("CGT")를 측정하는데 사용된 다양한 계산법을 보여준다. 각각의 직물 및 얀 유형에 대해 표 3 내지 5에서 그리고 단락 0020에서 나열된 변수 외에도, 하기 변수들이 계산에 사용되었다:

ㆍ 주위 온도 = 373 ^oK

ㆍ 임계 가스 온도 = 1100 ^oK

ㆍ 출구 가스 온도 = 375 ^oK

ㆍ 임계 온도에서 가스 밀도 = 0.000310 g/㎤

ㆍ 델타 Q, 임계 가스 온도로부터 출구 가스 온도로 이동하는, 질소 가스에 의해 방출된 열의 양, 800.4 J/g.

델타 Q의 계산 방법은 하기와 같다: 열역학 이론으로부터,

을 알 수 있다. 그러나, 질소의 비 열 용량 c_p는 일정하지 않고 이것은 온도의 함수이어서, 상기 방정식은 적분으로 풀어야 한다. 상기 비 열 용량 c_p는 하기 4차수 다항 방정식을 사용하여 온도의 함수로 표시될 수 있다:

이 방정식의 근사치는, 상이한 온도에서 T₁ 내지 T₀의 좁은 간격에서 델타 Q에 대해 풀고 누적 결과치를 취함으로써 얻어질 수 있다. 이 실시예에서, CTG = 1100 ^oK이면 델타 Q = 1190.1 J/g이고, 출구 온도가 375 ^oK이면 델타 Q = 389.7 J/g이다. 따라서, 질소가 1100 ^oK에서 375 ^oK로 냉각되면 방출된 열은 (1190.1 - 389.7) 또는 800.4 J/g이다.

실시예 4: 표 3에 기재된 직물의 변형 모의실험 후 공기 투과율에서의 변화를 정적 공기 투과율 시험을 사용하여 측정하였다. 그 결과가 하기 표 4에 기재되어 있다. 계산된 가스 흐름은, 가스 투과율에서의 변화에 1100 K에서의 질소의 가스 밀도(0.000310 g/㎤)를 곱하여 측정한다. 가스의 질량 유속( mass flux )은, 계산된 가스 흐름에 직물 변형 시험 후 핀 홀의 크기(표 3, 마지막 열)를 곱하여 측정한다. 예를 들어, 계산

불꽃 팽창기에 대하여, 화학 반응에 의해 질소 및 다른 팽창 가스가 배출되고 가스 온도는 용이하게 1100K에 도달할 수 있다. 이상적인 가스 법칙(PV = nRT) 및 열 용량 표를 사용하여, 가스 몰 수 및 전체 열 유속을 계산할 수 있다.

실시예 5에서는 열 유속, 열 에너지, 및 1100K에서 융점이 되는 섬유의 양을 계산한다. 그 결과가 하기 표 5에 기재되어 있다. 열 유속은, 가스의 질량 유속(표 4)에, 1100K의 임계 가스 온도에서 375K의 출구 가스 온도로 이동하는 질소에 대한 델타 Q를 곱하여 계산한다. 여기서, 질소의 델타 Q는 800.4 J/g이다. 열 에너지는, 열 유속에 5초(측면 커튼에 대한 전형적인 팽창 및 공기 보유 시간)를 곱하여 측정한다. 예를 들어, 나일론 6,6 T749에 대한 열 유속의 계산치는 0.00204 × 800.4 × 1000 = 1.63일 것이고; 열 에너지에 대한 계산치는 1.63 × 5 = 8.2일 것이다.

융점이 되는 섬유의 양은, 열 에너지를 물질의 비 열(단락 0020)로 나눈 다음, 이 수를 물질의 용융 온도와 주위 온도(373K) 사이에서의 차로 나누어서 측정한다. 예를 들어, 나일론 6,6 T749에 대한 계산치는 (8.1/1.63/(531 - 373) = 0.0308)일 것이다.

실시예 6에서는 가스의 질량 유속, 열 유속, 열 에너지, 및 0.0308 g의 직물을 용융시키는데 필요한 임계 가스 온도를 계산한다. 그 결과가 하기 표 6에 기재되어 있다. 온도가 1100K인 것으로 추정하고 섬유 양이 알려져 있지 않은 상기 계산과는 다르게, 여기서는 온도는 알려져 있지 않고 섬유의 양은 0.0308에서 고정되어 있다. 여러 변수가 온도의 함수이기 때문에, 임계 가스 온도("CGT")를 측정하는 가장 효율적인 방법은, 0.0308 g의 양에 도달될 때까지 점차적으로 작아지는 CGT 값을 연속적인 단계에서 치환하고 각각의 단계에서 상기 방정식을 푸는 반복 과정인 것으로 확인된다. 심플렉스 알고리즘과 같은 표준 알고리즘, 또는 마이크로소프트 엑셀 솔버(Microsoft Excel Solver)와 같은 반복 솔루션 패키지가 이 계산을 보조하기 위해 사용될 수 있다.

이상에서 나타난 바와 같이, 열 유속 및 열 에너지는 각 유형의 직물 에어백에 대해 비교적 일정한데, 이것은 가스의 질량은 직물 중에서 가변되는 반면에 섬유의 양이 고정되기 때문인 것으로 예측된다. 또한, 가스 질량과 임계 가스 온도 사이에서는 역 관계가 나타났다.

본 발명을, 개시된 폴리에스테르 에어백 모듈 및 에어백 모듈의 설계 방법에 대한 다양한 측면을 참고하여 이상에서 설명하였다. 상술된 상세한 설명을 숙지하고 이해한 후에 다른 것들에 대해서도 명백한 변형 및 변경이 이루어질 것이다. 그러한 모든 변형 및 변경이 하기 청구범위의 범주 내에 있는 한, 본 발명은 그러한 모든 변형 및 변경을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

에어백 모듈을 포함하는 물품으로서,
상기 에어백 모듈은 임계 가스 온도(critical gas temperature)를 갖는 폴리에스테르 에어백 및 가스 팽창기(gas inflator)를 포함하고,
상기 가스 팽창기는 상기 폴리에스테르 에어백의 임계 가스 온도를 초과하지 않는 약 230K 내지 약 750K의 가스 온도를 제공하는, 물품.
제1항에 있어서, 상기 임계 가스 온도가 약 350K 내지 약 750K인, 물품.
제1항에 있어서, 상기 임계 가스 온도가 약 350K 내지 약 700K인, 물품.
제1항에 있어서, 상기 임계 가스 온도가 약 350K 내지 약 650K인, 물품.
제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르 에어백이 0.5% 초과 내지 약 3%의 100℃ 순간 열 변형(Instantaneous Thermal Creep: ITC) 값을 갖는 폴리에스테르 얀을 포함하는, 물품.
제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르 에어백이 0.6% 초과 내지 약 3.0%의 100℃ 순간 열 변형(ITC) 값을 갖는 폴리에스테르 얀을 포함하는, 물품.
제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르 에어백이 0.7% 초과 내지 약 3.0%의 100℃ 순간 열 변형(ITC) 값을 갖는 폴리에스테르 얀을 포함하는, 물품.
제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르 에어백이 0.5% 초과 내지 약 2.5%의 100℃ 순간 열 변형(ITC) 값을 갖는 폴리에스테르 얀을 포함하는, 물품.
제1항에 있어서, 상기 에어백 모듈이 측면 커튼(side curtain) 에어백 모듈인, 물품.
제1항에 있어서, 상기 에어백 모듈이 전면 또는 측면 충격 모듈인, 물품.
제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르 에어백이 약 150 g/㎡ 내지 약 270 g/㎡의 비코팅 직물 중량을 갖는 폴리에스테르 직물을 포함하는, 물품.
제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르 에어백이 약 170 g/㎡ 내지 약 240 g/㎡의 비코팅 직물 중량을 갖는 폴리에스테르 직물을 포함하는, 물품.
제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르 에어백이 약 200 내지 약 650 dtex의 선밀도 및 약 2 내지 약 7 dtex의 필라멘트 당 선밀도를 갖는 다중필라멘트 폴리에스테르 얀을 포함하는, 물품.
제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르 에어백이 코팅된 직물을 포함하는, 물품.
제1항에 있어서, 상기 코팅된 직물이 경화된 엘라스토머 코팅을 포함하는, 물품.
제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르 에어백이 일편 직조된(one piece woven) 에어백을 포함하는, 물품.
에어백 모듈을 포함하는 물품으로서,
상기 에어백 모듈은 폴리에스테르 에어백 및 가스 팽창기를 포함하고;
상기 폴리에스테르 에어백이 0.5% 초과의 100℃ 순간 열 변형(ITC) 값을 갖는 폴리에스테르 얀을 포함하는, 물품.
제16항에 있어서, 상기 폴리에스테르 에어백이 0.6% 초과 내지 약 5.0%의 100℃ 순간 열 변형(ITC) 값을 갖는 폴리에스테르 얀을 포함하는, 물품.
제16항에 있어서, 상기 폴리에스테르 에어백이 0.7% 초과 내지 약 3.0%의 100℃ 순간 열 변형(ITC) 값을 갖는 폴리에스테르 얀을 포함하는, 물품.
에어백 모듈의 설계 방법으로서,
(a) 임계 가스 온도를 갖는 폴리에스테르 에어백을 선택하는 단계;
(b) 상기 폴리에스테르 에어백의 임계 가스 온도를 측정하는 단계;
(c) 폴리에스테르 에어백의 임계 가스 온도를 초과하지 않는 가스 온도를 제공하는 가스 팽창기를 제공하는 단계; 및
(d) 상기 폴리에스테르 에어백과 상기 가스 팽창기를 조합하여 상기 에어백 모듈을 제공하는 단계
를 포함하는 방법.
제19항에 있어서, 임계 가스 온도를 측정하는 단계는, 하나 이상의 폴리에스테르 직물의 얀 및 직물 변형 특성을 시험하는 것을 포함하는, 방법.
제20항에 있어서, 임계 가스 온도를 측정하는 단계는, 모의실험된 배치(deployment) 조건하에 에어백 직물을 로딩한 후 직물의 공기 투과율을 시험하는 것을 추가로 포함하는, 방법.