KR20220163183A - 폴리에스테르 타이어 코드 - Google Patents

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KR20220163183A
KR20220163183A KR1020210071768A KR20210071768A KR20220163183A KR 20220163183 A KR20220163183 A KR 20220163183A KR 1020210071768 A KR1020210071768 A KR 1020210071768A KR 20210071768 A KR20210071768 A KR 20210071768A KR 20220163183 A KR20220163183 A KR 20220163183A
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유승민
박성호
임기섭
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코오롱인더스트리 주식회사
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Abstract

본 명세서에는, 1 내지 5 데니어의 섬도를 갖는 200 내지 2,000 개의 폴리에스테르 모노필라멘트를 포함한 폴리에스테르 멀티필라멘트와 이에 함침된 접착층을 포함하고, 10.0 g/d의 이상의 평균 인장 강도 및 0.30 이하의 인장 강도의 표준 편차를 갖는, 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드가 개시된다.

Description

폴리에스테르 타이어 코드{TIRE DIPPED CORD HAVING HIGH TENACITY}
본 발명은 폴리에스테르 타이어 코드에 관한 것이다.
타이어 코드, 에어백 등의 제조에 이용되는 산업용 원사, 예를 들어 폴리에스테르 원사의 기계적 물성, 예를 들어, 인장강도, 신율 등을 향상시키려는 연구가 지속적으로 수행되고 있다.
산업용 원사의 일종인 폴리에스테르 원사는, 일반적으로 폴리에스테르 칩을 용융하고, 용융된 폴리에스테르를 구금을 이용하여 토출하여 필라멘트를 형성하며, 구금으로부터 토출된 반고화 상태의 필라멘트를 냉각하고, 냉각된 필라멘트들을 집속, 연신 및 권취하여 제조될 수 있다.
이러한 폴리에스테르 원사의 기계적 물성을 향상시키기 위해, 연신비 및 배향도를 극대화시킬 필요가 있다. 그런데, 연신비를 증가시키기 위해서는 저속 방사가 요구되는 반면, 저속 방사는 섬유의 배향도를 저하시킬 수 있다. 이와 같이, 연신비와 배향도는 일종의 트레이드-오프(trade-off) 관계에 있기 때문에, 연신비와 배향도를 함께 향상시키는 것은 용이하지 않았다.
트레이드-오프 관계에 있는 배향도와 연신비로 인해, 고속 방사 조건에서 일정 수준 이상으로 배향도가 설정되면 연신비가 일정 수준 이상으로 설정되지 못할 수 있다. 따라서, 고강도 원사를 제조하기 위해서는 고속 방사 조건 하에서도 연신비를 일정 수준 이상으로 조절할 수 있어야 한다.
한편, 도6에 나타난 바와 같이, 용융된 폴리에스테르가 구금으로부터 토출되면서 형성된 반고화 상태의 복수의 필라멘트가 가열 또는 냉각되면서 분자 배열 상태가 불규칙적으로 변형될 수 있다.
또한, 도6에 개략적으로 도시된 바와 같이, 연신 전의 복수의 필라멘트의 분자 배열이 불규칙하면 연신성이 낮아질 수 있으며, 소정 연신비 하에서 강도 발현 정도가 감소할 수밖에 없으며, 연신성 향상을 위해 구금으로부터 토출되면서 형성된 복수의 필라멘트의 분자 배열을 안정시켜야 한다.
그러나, 기존에 알려진 방법에 따르면, 일정 수준 이상의 강도를 확보를 하고자 하는 경우, 필라멘트에 포함되는 분자 배열이 불규칙하거나 불안정하게 되었고, 이에 따라 원사에 포함되는 필라멘트들이 갖는 물성이 불규칙하게 되었고, 이에 따라 최종 제품에서 발현되는 폴리에스테르 원사의 기계적 물성의 개선에 한계가 있었다.
본 명세서에서는, 원사에 포함되는 필라멘트들이 갖는 물성이 균일하여 인장강도, 신율 등의 기계적 물성의 평균값 및 형태 안정성이 크게 향상되고 연신비와 배향도를 함께 높인 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드가 제공될 수 있다.
본 명세서에서는, 1 내지 5 데니어의 섬도를 갖는 200 내지 2,000 개의 폴리에스테르 모노필라멘트를 포함한 폴리에스테르 멀티필라멘트와 이에 함침된 접착층을 포함하고, 10.0 g/d의 이상의 평균 인장 강도 및 0.30 이하의 인장 강도의 표준 편차를 갖는, 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드가 제공될 수 있다.
상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드의 총 선밀도(nominal linear density)가 1000 De 내지 9,000 De일 수 있다.
본 명세서에서, 선밀도(nominal linear density)는 단위 길이당 중량이며, Dtex는 10,000미터 길이를 갖는 원사의 그램 중량을 의미한다.
상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드의 잔류 플라이사 트위스트가 250 tpm 내지 650 tpm이며, 잔류 꼬임의 반대방향으로의 코드 트위스트가 250 tpm 내지 650 tpm일 수 있다.
상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드는 10.0 g/d의 이상의 평균 인장 강도, 14.0% 이상의 평균 신율, 및 7% 이하의 건열 수축율을 가질 수 있다.
상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드의 표준 편차가 0.30 이하, 또는 0.25 이하, 또는 0.22 이하일 수 있다. 이때, 상기폴리에스테르 타이어 코드의 인장 강도의 표준 편차의 최소값은 0.05, 또는 0.1일 수 있다.
상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드가 0.50 이하, 또는 0.45 이하, 또는 0.382 이하일 수 있다. 이때, 상기 강력 타이어 딥코드의 신율의 표준 편차의 최소값은 0.05, 또는 0.1일 수 있다.
상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드는 10.0 g/d 내지 11.5 g/d 의 평균 인장 강도, 14.0% 내지 17%의 평균 신율, 및 2.0 내지 7%의 수축율을 가질 수 있다.
한편, 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 10.7 내지 13.0 g/d 또는 11.0 내지 12.5 g/d 의 평균 인장 강도를 가질 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 12.0% 내지 18%의 평균 신율, 또는 12.2 내지 16.5%의 평균 신율을 가질 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 130 g/d 내지 150 g/d의 영률(young's modulus) 을 가질 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 50% 내지 55%의 평균 결정화도을 가질 수 있다.
상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드는 3.0% 내지 6.0%의 크리이프율 및 4.0% 내지 8.0%의 플랫스팟지수를 가질 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 8.5% 이하의 단면변동률을 가질 수 있다. 단, 단면변동률은 다음의 식에 의하여 계산된다.
단면변동률 = {(필라멘트의 최대 단면적 - 필라멘트의 최소 단면적)/필라멘트들의 단면적의 평균}*100
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 0.95 dl/g 내지 1.19 dl/g의 고유 점도를 가질 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 1.05 dl/g 이상, 또는 1.20 dl/g 이상, 또는 1.5 dl/g 이상의 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지로부터 제조될 수 있다.
상기 1.2 dl/g 이상의 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지의 고유 점도 대비 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트의 고유 점도의 비율은 0.65 이상 일 수 있다.
상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지의 고유 점도가 1.20 dl/g 이상 1.50 dl/g 미만이면, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지의 고유 점도 대비 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트의 고유 점도의 비율이 0.75 내지 0.90 일수 있다.
상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지의 고유 점도가 1.50 dl/g 내지 1.90 dl/g이면, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지의 고유 점도 대비 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트의 고유 점도의 비율이 0.65 내지 0.80 일수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 상기 1.05 dl/g 이상, 또는1.20 dl/g 이상, 또는 1.5 dl/g 이상의 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지가 용융되어 노즐부를 통하여 필라멘트로 토출되는 단계; 및 상기 토출되는 필라멘트를 상기 노즐부의 주위에 위치하는 가열 유닛을 통하여 가열하는 단계;를 포함한 제조 방법을 통하여 제조될 수 있다.
상기 가열 유닛은 상기 노즐부의 내주면의 반경 내측에 위치하는 내측 열선; 및 상기 노즐부의 외주면의 반경 외측에 위치하는 외측 열선;을 포함하며, 상기 토출되는 필라멘트를 상기 노즐부의 주위에 위치하는 가열 유닛을 통하여 가열하는 단계에서 상기 내측 열선 및 외측 열선 각각의 온도가 400℃ 내지 500℃로 유지될 수 있다.
상기 가열 유닛은 상기 노즐부의 내주면의 반경 내측에 위치하는 내측 열선; 및 상기 노즐부의 외주면의 반경 외측에 위치하는 외측 열선;을 포함하며,상기 내측 열선과 외측 열선 사이에 노즐부 및 복수의 토출 홀이 배치되고, 상기 복수의 토출 홀은 상기 내측 열선 및 외측 열선 사이에 적어도 두 개의 열로 배치될 수 있다.
상기 토출되는 필라멘트를 상기 노즐부의 주위에 위치하는 가열 유닛을 통하여 가열하는 단계 전후에서, 상기 필라멘트의 중량평균분자량 변화율이 1% 이내이고, 상기 필라멘트의 고유 점도의 변화율이 5% 이내일 수 있다.
상기 폴리에스테르 원사는 세 개 이상의 고뎃 롤러를 포함하여 멀티필라멘트를 적어도 이단 이상으로 연신하는 단계를 포함하는 제조 방법을 통하여 제조될 수 있다. 이때, 적어도 세 개 이상의 고뎃 롤러는 멀티필라멘트의 이동 방향을 기준으로 순차적으로 배치된 제1, 2, 3고뎃 롤러를 포함하며, 제1고뎃 롤러의 회전 속도는 2000 내지 4000 m/min이고 제3고뎃 롤러의 회전 속도는 5000 내지 7000 m/min 일 수 있다.
다단 연신 속도 비율은 제1고뎃 롤러의 회전 속도와 제2고뎃 롤러의 회전 속도의 차와, 제2고뎃 롤러의 회전 속도와 제3고뎃 롤러의 회전 속도의 차의 비로 정의될 수 있으며, 이때 상기 다단 연신 속도 비율은 30:70 내지 60:40일 수 있다.
상기 접착층은 레솔시놀-포름알데히드-라텍스(RFL) 접착제를 포함할 수 있다.
상기 접착층은 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트 100 중량부 대비 0.5 내지 10중량부, 또는 1 내지 8중량부, 또는 1.5 내지 6 중량부의 함량으로 포함될 수 있다.
본 발명에 따르면, 원사에 포함되는 필라멘트들이 갖는 물성이 균일하여 인장강도, 신율 등의 기계적 물성의 평균값이 크게 향상되고 연신비와 배향도를 함께 높인 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 원사의 제조 장치로 제조된 폴리에스테르 멀티필라멘트의 연신 직전 및 연신 직후의 분자 구조에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 구현예에 따른 원사의 제조 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 구현예에 따른 원사의 제조 장치에 사용되는 방사팩의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 3의 'Ⅳ' 부분을 확대한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 구현예에 따른 토출 홀과 열선의 배열을 도시한 개략적인 평면도이다.
도 6은 종래 멀티필라멘트의 연신 직전 및 연신 직후의 분자 구조에 대한 개략도이다.
도 7은 비교예에 따른 방사형 토출 홀과 열선의 배열을 도시한 개략적인 평면도이다.
위에서 참조된 도면들은 반드시 축적에 맞추어 도시된 것은 아니고, 본 개시의 기본 원리를 예시하는 다양한 선호되는 특징들의 다소 간략한 표현을 제시하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 특정 치수, 방향, 위치, 및 형상을 포함하는 본 개시의 특정 설계 특징들이 특정 의도된 응용과 사용 환경에 의해 일부 결정될 것이다.
발명의 일 구현예에 따르면, 1 내지 5 데니어의 섬도를 갖는 200 내지 2,000 개의 폴리에스테르 모노필라멘트를 포함한 폴리에스테르 멀티필라멘트와 이에 함침된 접착층을 포함하고, 10.0 g/d의 이상의 평균 인장 강도 및 0.30 이하의 인장 강도의 표준 편차를 갖는, 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드가 제공될 수 있다.
본 발명자들은 폴리에스테르 원사에 포함되는 고분자의 배열이나 원사 내부 구조가 보다 규칙적이고 안정화될 수 있는 방법을 고안하였으며, 이러한 폴리에스테르 원사에 포함되는 필라멘트들이 갖는 물성이 균일하여 인장강도, 신율 등의 기계적 물성의 평균값이 크게 향상되고 연신비와 배향도를 함께 높인 고강력 타이어 코드가 제공될 수 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다.
이전에 알려진 타이어 코드용 폴리에스테르 원사의 경우 인장 강도의 최대치를 높일 수는 있었으나, 이런 경우 다른 물성이나 형태 안정성이 크게 저하되는 한계가 있었는데 반하여, 상기 구현예의 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드는 균일한 물성을 갖는 고강력 폴리에스테르 원사를 포함하여 낮은 수준의 건열 수축율을 유지하면서도 평균 인장 강도 및 평균 신율이 이전에 알려진 타이어 코드들이 갖는 범위에 비하여 전체적으로 높은 수준의 수치를 갖는다.
또한, 고분자 토출시 열에너지를 부여하면 연신성이 증가하여 섬유의 강도가 높아질 것으로 예상되기도 하였으나, 실제 타이어 코드용 폴리에스테르 원사의 제조 과정에서 과한 열이 공급되는 경우 열분해가 발생하여 기계적 물성이나 탄성 관련 물성이 저하되거나, 제조되는 폴리에스테르 원사 간의 물성이 차이가 커져서 이로부터 제조되는 타이어 코드나 타이어의 품질이나 신뢰도가 저하되는 문제가 있었다.
이에 반하여, 후술하는 바와 같이, 본 발명자들은 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지칩을 용융하여 도출되는 필라멘트에 보다 균일한 열을 전달하는 방법을 고안하였고, 이에 따라 제조되는 제조되는 폴리에스테르 멀티필라멘트의 고유 점도가 상대적으로 높은 수준으로 유지되면서도 열분해 정도가 크지 않게 되어, 최종 제조되는 폴리에스테르 멀티필라멘트 및 타이어 코드가 기존에 알려진 수준에 비하여 보다 우수하고 균일한 물성을 갖는다는 점을 실험을 통하여 확인하였다.
상기 폴리에스테르 타이어 코드는 1 내지 5 데니어의 섬도, 또는 2 내지 4 데니어의 섬도를 갖는 폴리에스테르 모노필라멘트 200 내지 2,000 개, 또는 400 내지 1,200 개 포함한 멀티필라멘트를 포함할 수 있다.
한편, 상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드의 총 선밀도(nominal linear density)가 1000 De 내지 9,000 De일 수 있다.
상기 타이어 코드의 총 선밀도 범위 내에서 제조할 경우, 적정 팩압력 내에서 구금에서의 용융 고분자의 토출 안정성 확보 및 기존 원사 수준의 연신비에서 타이어 코드용 고강력 원사의 제조가 가능하게 된다. 상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드의 총 선밀도가 너무 낮으면, 토출압력 부족으로 원사 형태 제조가 어려울 수 있다.
상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드의 총 선밀도가 너무 높으면, 토출량 증가로 인한 방사팩 압력이 크게 높아질 수 있고, 이러한 방법으로 제조된 원사의 경우, 사질 안정성이 저하되거나 필라멘트가 물성 불균일 등으로 인해 원사의 강도 발현이 어려울 수 있다.
상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드의 잔류 플라이사 트위스트가 250 tpm 내지 650 tpm이며, 잔류 꼬임의 반대방향으로의 코드 트위스트가 250 tpm 내지 650 tpm일 수 있다.
상기 잔류 플라이사 트위스트 및 잔류 꼬임의 반대방향으로의 코드 트위스트의 범위 한정은 연계수(Twist factor) 계산 방법을 통해 섬도에 따라 달라지는 적정 꼬임수의 범위를 나타내었다.
[일반식 1- 연계수 계산식]
Figure pat00001
TF : Twist factor)
t : 미터 당 꼬임수 (TPM)
LD : 총 선밀도 (tex)
이때, 상기 상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드에 대한 연계수(Twist factor)는 100 내지 200, 또는 120 내지 180, 또는 150 내지 160일 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 구현예의 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드는 이에 포함되는 필라멘트들이 갖는 물성이 균일하여 인장강도, 신율 등의 기계적 물성의 평균값이 크게 향상되고 연신비와 배향도를 함께 높일 수 있는데, 상기 구현예의 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드는 인장 강도 및/또는 신율이 매우 균일한 값을 가질 수 있다.
이와 같이, 상기 폴리에스테르 타이어 코드의 인장 강도 및 신율이 매우 균일하면, 예를 들어 상기 인장 강도 및 신율의 표준 편차가 매우 작으면, 원사들간의 물성 차이가 거의 없이 균일하게 발현되어, 기존 원사 수준의 연신비에서 사질 안정화 및 Fila.간 균일한 힘을 발현할 수 있는 효과를 나타내어 초기 Modulus 및 강도가 상승되는 효과를 나타낼 수 있다. 이에 따라 고속 방사 조건 하에서도 연신비를 일정 수준 이상 높이면서도 최종 제조되는 타이어 코드의 강력, 초기 모듈러스 및 결정화도를 크게 높일 있고, 아울러 기계적 물성 및 탄성 관련 물성이 전반적으로 균일하게 유지될 수 있다.
상기 구현예의 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드는 10.0 g/d의 이상, 또는 10.0 g/d 내지 11.5 g/d 의 평균 인장 강도를 가질 수 있다.
상기 폴리에스테르 타이어 코드의 인장 강도의 표준 편차가 0.30 이하, 또는 0.25 이하, 또는 0.22 이하일 수 있다. 이때, 상기폴리에스테르 타이어 코드의 인장 강도의 표준 편차의 최소값은 0.05, 또는 0.1일 수 있다.
또한, 상기 구현예의 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드는 14.0% 이상의 평균 신율, 또는 14.0% 내지 17%의 평균 신율을 가질 수 있다.
상기 폴리에스테르 타이어 코드의 신율의 표준편차가 0.50 이하, 또는 0.45 이하, 또는 0.382 이하일 수 있다. 이때, 상기 강력 타이어 딥코드의 신율의 표준 편차의 최소값은 0.05, 또는 0.1일 수 있다.
또한, 상기 구현예의 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드는 상술한 평균 인장 강도 및 평균 신율을 가지면서도 7% 이하, 또는 1% 내지 7%의 건열 수축율을 가질 수 있다.
한편, 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 10.7 내지 13.0 g/d 또는 11.0 내지 12.5 g/d 의 평균 인장 강도를 가질 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 12.0% 내지 18%의 평균 신율, 또는 12.2 내지 16.5%의 평균 신율을 가질 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 130 g/d 내지 150 g/d의 영률(young's modulus) 을 가질 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 50% 내지 55%의 평균 결정화도을 가질 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 8.5% 이하의 단면변동률을 가질 수 있다. 단, 단면변동률은 다음의 식에 의하여 계산된다.
단면변동률 = {(필라멘트의 최대 단면적 - 필라멘트의 최소 단면적)/필라멘트들의 단면적의 평균}*100
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 0.95 dl/g 내지 1.19 dl/g의 고유 점도를 가질 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 1.05 dl/g 이상, 또는1.20 dl/g 이상, 또는 1.5 dl/g 이상의 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지로부터 제조될 수 있다.
상기 1.2 dl/g 이상의 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지의 고유 점도 대비 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트의 고유 점도의 비율은 0.65 이상 일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명자들은 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지칩을 용융하여 도출되는 필라멘트에 보다 균일한 열을 전달하면서도 열분해 정도를 크게 줄이는 방법을 고안하였고, 이와 같이 제조되는 폴리에스테르 멀티필라멘트의 고유 점도가 상대적으로 높은 수준으로 유지되면서도 열분해 정도가 크지 않을 수 있다. 이에 따라 최종 제조되는 폴리에스테르 멀티필라멘트 및 타이어 코드가 상술한 바와 같이 기존에 알려진 수준에 비하여 보다 우수하고 균일한 물성을 가질 수 있다.
상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지의 고유 점도가 1.20 dl/g 이상 1.50 dl/g 미만이면, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지의 고유 점도 대비 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트의 고유 점도의 비율이 0.65 이상, 또는 0.75 내지 0.90 일수 있다.
상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지의 고유 점도가 1.50 dl/g 내지 1.90 dl/g이면, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지의 고유 점도 대비 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트의 고유 점도의 비율이 0.65 이상, 또는 0.65 내지 0.80 일수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 상기 1.05 dl/g 이상, 또는 1.20 dl/g 이상, 또는 1.5 dl/g 이상의 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지가 용융되어 노즐부를 통하여 필라멘트로 토출되는 단계; 및 상기 토출되는 필라멘트를 상기 노즐부의 주위에 위치하는 가열 유닛을 통하여 가열하는 단계;를 포함한 제조 방법을 통하여 제조될 수 있다.
상기 가열 유닛은 상기 노즐부의 내주면의 반경 내측에 위치하는 내측 열선; 및 상기 노즐부의 외주면의 반경 외측에 위치하는 외측 열선;을 포함하며, 상기 토출되는 필라멘트를 상기 노즐부의 주위에 위치하는 가열 유닛을 통하여 가열하는 단계에서 상기 내측 열선 및 외측 열선 각각의 온도가 400℃ 내지 500℃로 유지될 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트에 보다 균일한 열을 전달하기 위해서 소정의 구조를 갖는 가열 유닛을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 가열 유닛은 상기 노즐부의 내주면의 반경 내측에 위치하는 내측 열선; 및 상기 노즐부의 외주면의 반경 외측에 위치하는 외측 열선;을 포함하며,상기 내측 열선과 외측 열선 사이에 노즐부 및 복수의 토출 홀이 배치되고, 상기 복수의 토출 홀은 상기 내측 열선 및 외측 열선 사이에 적어도 두 개의 열로 배치될 수 있다.
상기 가열 유닛의 사용에 따라서 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트의 고유 점도가 상대적으로 높은 수준으로 유지되면서도 열분해 정도가 크지 않을 수 있고, 최종 제조되는 폴리에스테르 멀티필라멘트 및 타이어 코드가 상술한 바와 같이 기존에 알려진 수준에 비하여 보다 우수하고 균일한 물성을 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트 및 타이어 코드가 상술한 물성을 가지면서, 상기 토출되는 필라멘트를 상기 노즐부의 주위에 위치하는 가열 유닛을 통하여 가열하는 단계 전후에서, 상기 필라멘트의 중량평균분자량 변화율이 1% 이내이고, 상기 필라멘트의 고유 점도의 변화율이 5% 이내일 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 세 개 이상의 고뎃 롤러를 포함하여 멀티필라멘트를 적어도 이단 이상으로 연신하는 단계를 포함하는 제조 방법을 통하여 제조될 수 있다. 이때, 적어도 세 개 이상의 고뎃 롤러는 멀티필라멘트의 이동 방향을 기준으로 순차적으로 배치된 제1, 2, 3고뎃 롤러를 포함하며, 제1고뎃 롤러의 회전 속도는 2000 내지 4000 m/min이고 제3고뎃 롤러의 회전 속도는 5000 내지 7000 m/min 일 수 있다.
다단 연신 속도 비율은 제1고뎃 롤러의 회전 속도와 제2고뎃 롤러의 회전 속도의 차와, 제2고뎃 롤러의 회전 속도와 제3고뎃 롤러의 회전 속도의 차의 비로 정의될 수 있으며, 이때 상기 다단 연신 속도 비율은 30:70 내지 60:40일 수 있다.
한편, 상기 타이어 코드는 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트에 함침되는 접착층을 포함할 수 있다.
상기 접착층은 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트 100 중량부 대비 0.5 내지 10중량부, 또는 1 내지 8중량부, 또는 1.5 내지 6 중량부의 함량으로 포함될 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트에 통상적으로 알려진 접착제 용액을 함침하여 상기 접적층을 형성할 수 있는데, 상기 접착제 용액으로는 통상적인 타이어 코오드의 제조를 위해 사용되는 것, 예를 들어, 레소시놀 - 포름알데히드 - 라텍스 (Resorcinol Formaldehyde - Latex, RFL) 접착제 용액을 사용할 수 있다.
상기 접착제 용액을 함침한 이후에, 열처리 공정이 진행될 수 있다. 상기 열처리 공정은 220 내지 260 ℃의 온도 하에서 90 내지 360 초 동안 진행할 수 있고, 바람직하게는 230 내지 250 ℃의 온도 하에서 90 내지 240 초 동안, 보다 바람직하게는 240 내지 245℃의 온도 하에서 90 내지 120 초 동안 수행할 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트를 접착제 용액에 침지하고 이러한 조건 하에 열처리함으로써, 타이어 코오드의 형태 안정성이 더욱 향상될 수 있고, 타이어의 가류 시 물성 변화를 더욱 줄일 수 있게 된다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트를 제조하는 방법은 후술하는 다른 구현예의 원사의 제조 장치 관련 내용에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 폴리에스테르 멀티필라멘트를 제조하는 원사의 제조 장치가 제공될 수 있다.
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 이하 “고강력 폴리에스테르 원사”로 설명하기로 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 오직 특정 구현예 또는 실시예들을 설명하기 위한 목적이고, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들은, 문맥상 명시적으로 달리 표시되지 않는 한, 복수 형태들을 또한 포함하는 것으로 의도된다. "포함하다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 경우, 언급된 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 구성요소들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만, 다른 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 구성요소들, 컴포넌트들 및/또는 이들의 그룹들 중 하나 이상의 존재 또는 추가를 배제하지는 않음을 또한 이해될 것이다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"은, 연관되어 나열된 항목들 중 임의의 하나 또는 모든 조합들을 포함한다.
추가적으로, 아래의 방법들 또는 이들의 양상들 중 하나 이상은 적어도 하나 이상의 제어기에 의해 실행될 수 있음이 이해된다. "제어기"라는 용어는 메모리 및 프로세서를 포함하는 하드웨어 장치를 지칭할 수 있다. 메모리는 프로그램 명령들을 저장하도록 구성되고, 프로세서는 아래에서 더욱 자세히 설명되는 하나 이상의 프로세스들을 수행하기 위해 프로그램 명령들을 실행하도록 특별히 프로그래밍된다. 제어기는, 여기에서 기재된 바와 같이, 유닛들, 모듈들, 부품들, 장치들, 또는 이와 유사한 것의 작동을 제어할 수 있다. 또한, 아래의 방법들은, 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 하나 이상의 다른 컴포넌트들과 함께 제어기를 포함하는 장치에 의해 실행될 수 있음이 이해된다.
또한, 본 개시의 제어기는 프로세서에 의해 실행되는 실행 가능한 프로그램 명령들을 포함하는 비일시적인 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체로서 구현될 수 있다. 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체들의 예들은 롬(ROM), 램(RAM), 컴팩트 디스크(CD) 롬, 자기 테이프들, 플로피 디스크들, 플래시 드라이브들, 스마트 카드들 및 광학 데이터 저장 장치들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 컴퓨터 판독가능 기록 매체는 또한 컴퓨터 네트워크 전반에 걸쳐 분산되어 프로그램 명령들이, 예를 들어, 텔레매틱스 서버(telematics server) 또는 제어기 영역 네트워크(Controller Area Network; CAN)와 같은 분산 방식으로 저장 및 실행될 수 있다.
상기 원사의 제조 장치는 용융된 수지를 토출하기 위한 복수의 토출 홀이 형성된 노즐부를 포함하는 구금; 상기 노즐부의 주위에 위치하여 복수의 토출 홀을 통하여 토출되는 복수의 필라멘트를 가열하는 가열 유닛; 상기 가열 유닛에 의하여 가열된 복수의 필라멘트를 냉각하는 냉각부; 상기 냉각부에서 냉각된 복수의 필라멘트를 집속하여 멀티필라멘트를 형성하는 집속부; 그리고 상기 멀티필라멘트를 연신하는 연신부를 포함할 수 있다. 상기 복수의 토출 홀은 적어도 두 개 이상의 열로 원형으로 배치될 수 있다. 임의의 하나의 열 상에서 이웃하는 토출 홀들 사이의 거리와, 임의의 다른 하나의 열 상에서 이웃하는 토출 홀들 사이의 거리와, 임의의 하나의 열과, 상기 임의의 하나의 열에 이웃하는 임의의 다른 하나의 열 상에서 서로 근접하게 위치하는 토출 홀들 사이의 거리는 동일할 수 있다.
상기 가열 유닛은 열선을 포함할 수 있다. 상기 열선은 상기 노즐부의 내주면의 반경 내측에 위치하는 내측 열선; 그리고 상기 노즐부의 외주면의 반경 외측에 위치하는 외측 열선을 포함할 수 있다.
상기 가열 유닛은 각각 내측 열선과 외측 열선을 둘러싸는 한 쌍의 커버를 더 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 커버는 각각 서로 마주보는 일면에 개구가 형성될 수 있다.
상기 한 쌍의 커버는 서스나 세라믹으로 제작될 수 있다.
상기 열선과 토출 홀 사이의 거리는 3~10mm일 수 있다.
상기 열선과 노즐부의 하단 사이의 높이는 0~50mm일 수 있다.
상기 열선의 직경은 1~5mm일 수 있다.
상기 냉각부는 제1냉각 챔버와 제2냉각 챔버를 포함하며, 제1냉각 챔버 내에서 이동하는 제1냉매의 온도와 제2냉각 챔버 내에서 이동하는 제2냉매의 온도는 서로 다를 수 있다.
상기 제1냉각 챔버는 필라멘트의 이동 방향을 기준으로 상기 제2냉각 챔버의 상류에 위치하며, 제1냉매의 온도는 제2냉매의 온도보다 높을 수 있다.
제1냉매의 온도는 100~150℃이고, 제2냉매의 온도는 30~60℃일 수 있다.
상기 연신부는 적어도 세 개 이상의 고뎃 롤러를 포함하여 멀티필라멘트를 적어도 이단 이상으로 연신할 수 있다.
적어도 세 개 이상의 고뎃 롤러는 멀티필라멘트의 이동 방향을 기준으로 순차적으로 배치된 제1, 2, 3고뎃 롤러를 포함하며, 제1고뎃 롤러의 회전 속도는 2000~4000 m/min이고 제3고뎃 롤러의 회전 속도는 5000~7000 m/min일 수 있다.
다단 연신 속도 비율은 제1고뎃 롤러의 회전 속도와 제2고뎃 롤러의 회전 속도의 차와, 제2고뎃 롤러의 회전 속도와 제3고뎃 롤러의 회전 속도의 차의 비로 정의되고, 상기 다단 연신 속도 비율은 30:70 ~ 60:40일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 구현예에 따른 원사의 제조 장치를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 구현예에 따른 원사의 제조 장치의 개략도이고; 도 3은 본 발명의 구현예에 따른 원사의 제조 장치에 사용되는 방사팩의 개략적인 단면도이며; 도 4는 도 3의 'Ⅳ' 부분을 확대한 개략도이고; 도 5는 본 발명의 구현예에 따른 토출 홀과 열선의 배열을 도시한 개략적인 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구현예에 따른 원사의 제조 장치(1)는 압출기(10), 방사팩(20), 냉각부(30), 집속부(40), 연신부(50), 그리고 와인더(60)를 포함한다.
압출기(10)의 상면에는 호퍼(12)가 형성되어 폴리머 칩을 공급받을 수 있고, 압출기(10)의 내부에는 가열 장치와 이송 장치가 구비되어 호퍼(12)를 통해 공급된 폴리머 칩을 용융하고, 용융된 수지를 방사팩(20)으로 이송한다. 수지(polymer)로는, 이에 한정되지 않지만, 폴리에스테르 수지가 사용될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의 상, 폴리에스테르 수지를 사용하여 폴리에스테르 원사를 제조할 수 있는 원사의 제조장치(1)를 하나의 예로서 설명한다. 그러나, 본 발명의 구현예에 따른 원사의 제조장치(1)가 폴리에스테르 원사의 제조에만 사용되는 것은 아니며, 당업계에 알려진 다른 원사의 제조에도 사용될 수 있다.
방사팩(20)은 압출기(10)로부터 이송된 용융된 폴리에스테르 수지를 토출하여 복수의 필라멘트(2)를 형성한다. 도 3 내지 도 5를 참조로, 본 발명의 구현예에 따른 방사팩(20)을 보다 상세히 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 방사팩(20)은 방사 블록(110), 팩 바디(120), 구금(170), 그리고 가열 유닛(180)을 포함한다.
방사 블록(110)은 하면이 개구된 원통 형상으로 형성되며, 팩 바디(120)와 구금(170)을 보호한다. 방사 블록(110)의 내부에 팩 바디(120)가 결합되며, 방사 블록(110)의 일측에는 히터(160)가 배치될 수 있다. 히터(160)는 방사 블록(110) 또는 팩 바디(120)를 가열하여 팩 바디(120)의 온도를 설정된 온도로 유지한다. 하나의 예에서, 팩 바디(120)는 260℃ 내지 320℃로 유지될 수 있다. 팩 바디(120)의 온도가 260℃ 미만이면 폴리에스테르 수지의 온도가 용융점 이하로 떨어져 폴리에스테르 수지가 굳어지기 때문에 토출이 어려워진다. 반면, 팩 바디(120)의 온도가 320℃를 초과하면, 폴리에스테르 수지의 열분해로 인해 폴리에스테르 원사의 물성이 저하될 수 있다.
팩 바디(120)는 상면과 하면이 개구된 원통 형상으로 형성되며, 팩 바디(120)의 하단에는 경방향 내측으로 돌출된 결합부(122)가 형성되어 구금(170)의 외주부의 적어도 일부를 지지할 수 있다. 이에 따라, 구금(170)이 팩 바디(120)에 고정적으로 장착될 수 있다.
구금(170)은 대체로 원판 형상으로 형성되며, 상기 결합부(122)에 의하여 팩 바디(120)의 하단부에 장착되고, 상기 방사 블록(110)의 상면과 마주함으로써 방사 블록(110)과 구금(170) 사이에는 수지 챔버(150)가 형성된다. 압출기(10)에서 용융되어 이송된 용융 수지는 상기 수지 챔버(150)에 임시적으로 저장되고, 구금(170)을 통하여 토출된다. 이러한 목적을 위하여, 구금(170)은 구금(170)의 하단에서 하방향으로 돌출된 노즐부(172)를 포함하며, 상기 노즐부(172)에는 복수의 토출 홀(174)이 형성되어 있다. 토출 홀(174)을 통한 용융된 폴리에스테르 수지의 토출에 의해 필라멘트(2)가 형성된다.
상기 노즐부(172)는 내주면(175)과 외주면(176)을 포함하는 환형으로 형성될 수 있다. 상기 노즐부(172)는 팩 바디(120)의 하단보다 하방향으로 더욱 돌출되어 가열 유닛(180)의 고온이 노즐부(172)를 통해 팩 바디(120)의 내부로 전달되는 것을 방지한다. 하나의 예에서, 상기 팩 바디(120)의 하단과 노즐부(172)의 하단 사이의 돌출 높이(h1)는 5~100mm일 수 있다.
가열 유닛(180)은 상기 노즐부(172)의 주위에 위치하여 복수의 토출 홀(174)을 통하여 토출되는 복수의 필라멘트(2)를 가열하도록 되어 있다. 가열 유닛(180)이 복수의 필라멘트(2)를 가열함에 따라, 복수의 필라멘트(2)의 분자 배열이 안정화될 수 있고, 이에 따라 원사의 강도가 높아질 수 있다. 상기 가열 유닛(180)은 복수의 토출 홀(174)을 통하여 토출되는 복수의 필라멘트(2)가 냉각부(30)로 이동할 때, 복수의 필라멘트(2)의 이동을 방해하지 않도록 배치된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 가열 유닛(180)은 열선(182)과 커버(188)를 포함한다.
상기 열선(182)은 노즐부(172)의 주위에 위치하여 복수의 토출 홀(174)을 통해 토출되는 복수의 필라멘트(2)에 열을 전달하도록 되어 있다. 하나의 예에서, 상기 열선(182)은 노즐부(172)의 내주면(175)의 반경 내측에 위치하는 내측 열선(182a)과, 노즐부(172)의 외주면(176)의 반경 외측에 위치하는 외측 열선(182b)을 포함할 수 있다. 내측 열선(182a)과 외측 열선(182b) 각각은 원형으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 내측 열선(182a)과 외측 열선(182b)은 서로 연결되지 않을 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 예를 들어, 토출 홀(174)에서 토출되는 필라멘트(2)의 가열에 직접적으로 관여하지 않는 부분에서 상기 내측 열선(182a)과 외측 열선(182b)은 적절한 방식으로 연결될 수 있다.
다시 도 4를 참고하면, 상기 열선(182a, 182b)은 한 쌍의 커버(188)에 의하여 둘러싸일 수 있다. 상기 한 쌍의 커버(188)는 그 내부에 내측 열선(182a)과 외측 열선(182b)을 구비하도록 환형의 노즐부(172)의 내주면(175)과 외주면(176)을 감싸는 두 개의 환형으로 형성될 수 있고, 한 쌍의 커버(188)는 서로 연결되거나 연결되지 않을 수 있다. 각 커버(188)는 상부 커버(184)와 하부 커버(186)를 포함하며, 상부 커버(184)와 하부 커버(186)는 볼트(190) 등과 같은 고정 수단으로 서로 결합된다. 상기 상부 커버(184)와 하부 커버(186)가 결합된 상태에서, 상기 한 쌍의 커버(188)는 각각 서로 마주보는 일면에 개구(192)가 형성된다. 상기 개구(192)는 열선(182a, 182b)에 대응하는 위치에 형성되어 열선(182a, 182b)에서 발생한 열은 상기 개구(192)를 통해 토출 홀(174)에서 토출되는 필라멘트(2)에 전달되어 필라멘트(2)를 가열한다. 상기 개구(192)를 제외하고 상기 커버(188)는 상기 열선(182a, 182b)을 둘러싸서 열선(182a, 182b)에서 발생된 열이 손실되는 것을 방지하고 필라멘트(2)에 집중적으로 전달되도록 한다. 또한, 상기 커버(188)는 열선(182a, 182b)에서 발생된 열이 방사팩(20)으로 전달되는 것을 방지한다. 상기 커버(188)는, 이에 한정되지 아니하지만, 서스(SUS; special use steel)나 세라믹 등으로 제작될 수 있다.
다른 하나의 예에서, 상기 가열 유닛(180)은 노즐부(172)의 반경 내측 또는 노즐부(172)의 반경 외측에 위치하는 열선(182)과, 상기 열선(182)을 둘러싸는 커버(188)를 포함할 수 있다. 이 예에서, 개구(192)는 상기 노즐부(172)를 향하는 커버(188)의 일면에 형성될 수 있다.
하나의 예에서, 열선(182)과 토출 홀(174) 사이의 거리(d1)는 3~10mm일 수 있다. 여기서, 열선(182)과 토출 홀(174) 사이의 거리는 열선(182)에서 토출 홀(174)을 연직 방향으로 연장한 가상의 선 사이의 거리로 정의될 수 있다. 열선(182)과 토출 홀(174) 사이의 거리가 3mm보다 작으면, 열선(182)에서 발생한 열이 노즐부(172)를 통해 방사팩(20)으로 전달될 수 있다. 이와는 달리, 열선(182)과 토출 홀(174) 사이의 거리가 10mm보다 크면, 열선(182)에서 발생한 열에 의한 필라멘트(2)의 가열 효과가 저하될 수 있다.
하나의 예에서, 열선(182)과 노즐부(172)의 하단 사이의 높이(h2)는 0~50mm일 수 있다. 여기서, 열선(182)과 노즐부(172)의 하단 사이의 높이(h2)는 열선(182)의 중심에서 수평으로 연장한 가상의 선과 노즐부(172)의 하단 사이의 높이로 정의될 수 있다. 열선(182)과 노즐부(172)의 하단 사이의 높이(h2)는 0mm이면, 열선(182)의 중심이 노즐부(172)의 하단에 위치하는 것을 의미한다. 열선(182)과 노즐부(172)의 하단 사이의 높이(h2)가 50mm를 초과하면, 필라멘트(2)가 토출 홀(174)로부터 토출될 때 바로 가열되지 못하고, 이로 인해 필라멘트(2)의 분자 배열이 고정되지 못하며 불안정해질 수 있다.
하나의 예에서, 상기 열선(182)의 직경(D)은 1~5mm일 수 있다. 상기 열선(182)의 직경이 1mm보다 작으면, 발열량이 작아 원하는 발열량을 맞추기 위해 많은 양의 열선(182)을 사용해야 한다. 상기 열선(182)의 직경이 5mm보다 크면, 열선(182)의 중심과 토출 홀(174) 사이의 거리가 커지게 되고, 열 손실이 발생할 수 있다.
하나의 예에서, 상기 열선(182)의 온도는 300~600℃로 설정될 수 있다. 상기 열선(182)의 온도는 팩 바디(120)의 온도보다 높게 설정될 수 있다.
다시 도 5를 참조로, 토출 홀(174)과 열선(182)의 배열을 보다 상세히 설명한다. 상기 토출 홀(174)과 열선(182)은 열선(182)에서 전달되는 열이 각 토출 홀(174)에서 토출되는 필라멘트(2)에 골고루 전달되어 필라멘트들(2) 사이에 온도 편차를 줄이도록 배치된다. 이에 따라, 토출되는 필라멘트들(2)의 온도에 따른 분자량 변화와, 그에 따른 물성 발현 정도가 균일하게 제어될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 열선(182)은 내측 열선(182a)과 외측 열선(182b)을 포함하고, 상기 내측 열선(182a)과 외측 열선(182b) 사이에 노즐부(172) 및 복수의 토출 홀(174)이 배치된다. 내측 열선(182a)과 외측 열선(182b)은 방사팩(20)의 중심축(C) 상의 한 점을 중심으로 한 원형으로 형성될 수 있다.
상기 복수의 토출 홀(174)은 내측 열선(182a)과 외측 열선(182b) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 상기 복수의 토출 홀(174)은 적어도 두 개의 열로 배치될 수 있다. 하나의 예에서, 이에 한정되지 않지만, 복수의 토출 홀(174)은 제1열의 토출 홀(174a)과 제2열의 토출 홀(174b)을 포함할 수 있다. 제1열의 토출 홀(174a)은 중심축(C) 상의 한 점을 중심으로 한 원형으로 배치될 수 있으며, 제2열의 토출 홀(174b)은 상기 한 점을 중심으로 한 원형으로 배치될 수 있다. 제1열의 토출 홀(174a)은 내측 열선(182a)에 근접하고 제2열의 토출 홀(174b)은 외측 열선(182b)에 근접한다.
하나의 예에서, 제1, 2열의 토출 홀(174a, 174b)은 원주 방향을 따라 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 중심축(C) 상의 한 점과 제1열의 토출 홀(174a) 중 하나의 중심을 연결한 선을 연장한 가상선(V1) 상에 어떠한 제2열의 토출 홀(174b)의 중심이 위치하지 않는다. 마찬가지로, 상기 중심축(C) 상의 한 점과 제2열의 토출 홀(174b) 중 하나의 중심을 연결한 선을 연장한 가상선(V2) 상에 어떠한 제1열의 토출 홀(174a)의 중심이 위치하지 않는다.
하나의 예에서, 이웃하는 제1열의 토출 홀(174a) 사이의 거리(L1)는 이웃하는 제1열의 토출 홀(174a)과 제2열의 토출 홀(174b) 사이의 거리(L2)와 동일하다. 또한, 이웃하는 제2열의 토출 홀(174b) 사이의 거리(L3)는 이웃하는 제1열의 토출 홀(174a)과 제2열의 토출 홀(174b) 사이의 거리(L2)와 동일하다. 즉, 이웃하는 제1열의 토출 홀(174a) 사이의 거리(L1)와, 이웃하는 제1열의 토출 홀(174a)과 제2열의 토출 홀(174b) 사이의 거리(L2)와, 이웃하는 제2열의 토출 홀(174b) 사이의 거리(L3)가 동일하다. 또한, 상기 가상선(V1) 상의 내측 열선(182a)과 제1열의 토출 홀(174a)의 중심 사이의 거리는 상기 가상선(V2) 상의 외측 열선(182b)과 제2열의 토출 홀(174b)의 중심 사이의 거리와 동일할 수 있다. 따라서, 열선(182a, 182b)에서 발생된 열은 제1열의 토출 홀(174a)에서 토출되는 필라멘트(2)와 제2열의 토출 홀(174b)에서 토출되는 필라멘트(2)에 골고루 전달되고, 이에 따라 토출되는 필라멘트들(2) 사이의 온도 편차가 줄어들 수 있다(테스트 결과, 필라멘트들(2) 사이의 온도 편차는 3~5℃로 유지된다). 따라서, 토출되는 필라멘트들(2)의 물성이 균일하게 제어될 수 있다.
다른 하나의 예에서, 복수의 토출 홀(174)이 세 개 이상의 열로 원형으로 배치되는 경우, 임의의 하나의 열 상에서 이웃하는 토출 홀들(174) 사이의 거리는 임의의 다른 하나의 열 상에서 이웃하는 토출 홀들(174) 사이의 거리와, 임의의 하나의 열과, 상기 임의의 하나의 열에 이웃하는 임의의 다른 하나의 열 상에서 서로 가장 근접하게 위치하는 토출 홀들(174) 사이의 거리는 모두 동일할 수 있다.
또 다른 하나의 예에서, 복수의 토출 홀들(174)은 이웃하는 임의의 두 개의 토출 홀들(174) 사이의 거리가 항시 동일하도록 배치될 수 있다.
다시 도 3을 참고하면, 방사팩(20)은 팩 바디(120) 내에 배치되어 용융된 폴리에스테르 수지를 구금(170)의 노즐부(172)로 이송하기 위한 분배판(130)과 소류판(140)을 더 포함할 수 있다.
다시 도 2를 참고하면, 냉각부(30)는 필라멘트(2)의 이동 방향을 기준으로 방사팩(20)의 하류에 위치하여 토출 홀(174)을 통해 토출된 복수의 필라멘트(2)를 냉각한다. 상기 복수의 필라멘트(2)는 가열 유닛(180)에 의하여 가열되어 높은 온도를 가지게 된다. 높은 온도의 필라멘트(2)가 갑자기 낮은 온도의 냉매를 만나 냉각되면 필라멘트(2)의 분자 배열이 불안정해질 수 있고, 필라멘트들(2) 사이의 온도 편차가 증가할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여, 냉각부(30)는 상기 필라멘트(2)를 다단으로 냉각할 수 있다.
하나의 예에서, 상기 냉각부(30)는 제1, 2냉각 챔버(31, 33)를 포함할 수 있다. 상기 제1, 2냉각 챔버(31, 33)는 냉각부(30)로 들어온 복수의 필라멘트(2)의 이동을 방해하지 않도록 물리적으로 구분되지 않을 수 있다. 즉, 제1냉각 챔버(31)에 들어온 필라멘트(2)는 냉각부(30) 내의 부품에 의하여 아무런 방해를 받지 않고 제2냉각 챔버(33)로 이동한다. 제1냉각 챔버(31)는 필라멘트(2)의 이동 방향을 기준으로 제2냉각 챔버(33)의 상류에 위치한다. 제1냉각 챔버(31)는 제1냉매 입구(32)와 제1냉매 출구(36)에 유체가 흘러갈 수 있도록 연통되어 있으며, 제2냉각 챔버(33)는 제2냉매 입구(34)와 제2냉매 출구(38)에 유체가 흘러갈 수 있도록 연통되어 있다. 제1냉매는 제1냉매 입구(32)를 통하여 제1냉각 챔버(31)에 유입되고 제1냉매 출구(36)를 통해 제1냉각 챔버(31)로부터 유출될 수 있고, 제2냉매는 제2냉매 입구(34)를 통하여 제2냉각 챔버(33)에 유입되고 제2냉매 출구(38)를 통해 제2냉각 챔버(33)로부터 유출될 수 있다. 여기서, 제1, 2냉매는 서로 다른 온도를 가진 공기일 수 있다. 하나의 예에서, 상기 제1냉매는 100~150℃의 공기이며, 제2냉매는 30~60℃의 공기일 수 있다.
또한, 필라멘트(2)의 이동 방향을 기준으로 제1, 2냉각 챔버(31, 33)의 길이는 서로 동일하거나 다를 수 있다. 하나의 예에서, 필라멘트(2)의 이동 방향을 기준으로 제1냉각 챔버(31)의 길이(d1)는 200~500mm일 수 있고, 필라멘트(2)의 이동 방향을 기준으로 제2냉각 챔버(33)의 길이(d2)는 200~500mm일 수 있다.
이와 같이, 높은 온도의 필라멘트(2)를 다단 냉각을 통해 점진적으로 냉각함으로써, 필라멘트(2)의 분자 배열을 안정시킬 수 있고 필라멘트들(2) 사이의 온도 편차를 줄일 수 있다.
본 명세서에서는 냉각부(30)가 2단으로 필라멘트(2)를 냉각하는 것을 예시하고 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 예를 들어, 냉각부(30)는 3단 이상으로 필라멘트(2)를 냉각할 수 있다. 또한, 본 명세서에서는 서로 다른 온도를 가진 제1, 2냉매가 각각 제1, 2냉매 입구(32, 34)를 통해 제1, 2냉각 챔버(31, 33)에 유입되고 제1, 2냉매 출구(36, 38)를 통해 제1, 2냉각 챔버(31, 33)에서 유출되는 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 아니한다. 예를 들어, 하나의 냉매가 제1, 2냉각 챔버(31, 33) 모두에 공급되지만, 제1, 2냉각 챔버(31, 33)에 가열 장치가 배치되어 제1, 2냉각 챔버(31, 33) 내의 냉매의 온도를 서로 다르게 유지할 수 있다.
집속부(40)는 필라멘트(2)의 이동 방향을 기준으로 냉각부(30)의 하류에 위치하며, 냉각부(30)에서 냉각 및 고화된 복수의 필라멘트(2)를 집속하여 멀티필라멘트(4)를 생성한다. 집속부(40)는 멀리필라멘트(4)를 생성함과 동시에 멀티필라멘트(4)에 유제를 부여할 수도 있다. 예를 들어, 멀티필라멘트(4)의 형성과 유제의 부여가 동시에 수행될 수 있다. 유제 부여는 MO(Metered Oiling) 또는 RO(Roller Oiling) 방식을 통해 수행될 수 있다.
연신부(50)는 멀티필라멘트(4)의 이동 방향을 기준으로 상기 집속부(40)에 하류에 위치하며, 집속부(40)에 의하여 집속되어 형성된 멀티필라멘트(4)를 연신한다. 본 발명의 구현예에서, 높은 연신비를 구현하기 위하여 연신부(50)는 다단으로 멀티필라멘트(4)를 연신할 수 있다. 이를 위하여, 상기 연신부(50)는 세 개 이상의 고뎃 롤러(52, 54, 56, 58)를 포함할 수 있다.
하나의 예에서, 상기 연신부(50)는 멀티필라멘트(4)의 이동 방향을 기준으로 순차적으로 배치된 제1, 2, 3, 4고뎃 롤러(52, 54, 56, 58)를 포함한다. 멀티필라멘트(4)는 제1, 2, 3, 4고뎃 롤러(52, 54, 56, 58)를 순차적으로 지나가며 다단으로 연신된다. 상기 제1고뎃 롤러(52)는 방사 속도 및 방사 드래프트율(draft ratio)을 결정하고, 상기 제1고뎃 롤러(52)의 속도와 제4고뎃 롤러(58)의 속도의 비율로 연신비(draw ratio)가 결정된다. 예를 들어, 멀티필라멘트(4)는 1.5 내지 3의 연신비로 연신될 수 있다.
하나의 예에서, 방사 속도는 2000 내지 4000 m/min일 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 방사 속도는 제1고뎃 롤러(52)의 속도에 의해 결정되므로, 제1고뎃 롤러(52)는 2000 내지 4000 m/min의 속도로 회전할 수 있다. 또한, 제4고뎃 롤러(58)는 5000 내지 7000 m/min의 속도로 회전할 수 있다.
하나의 예에서, 제1, 2, 3, 4고뎃 롤러(52, 54, 56, 58)는 멀티필라멘트(4)를 2단으로 연신할 수 있다. 여기서, 다단 연신 속도 비율은 제1고뎃 롤러(52)의 회전 속도와 제2고뎃 롤러(54)의 회전 속도의 차(이하, '제1속도 차'라고 칭함)와, 제2고뎃 롤러(54)의 회전 속도와 제4고뎃 롤러(58)의 회전 속도의 차(이하, '제2속도 차'로 칭함)의 비로 정의될 수 있다. 예를 들어, 제1고뎃 롤러(52)의 회전 속도가 2000 m/min이고 제2고뎃 롤러(54)의 회전 속도가 2900 m/min이며 제4고뎃 롤러(58)의 회전 속도가 5000 m/min이면, 다단 연신 속도 비율은 30:70이 된다.
하나의 예에서, 상기 다단 연신 속도 비율은 30:70 ~ 60:40으로 제어될 수 있다. 만일 다단 연신 속도 비율이 30:70보다 낮으면 연신성이 떨어지며, 다단 연신 속보 비율이 60:40보다 높으면 멀티필라멘트(4)가 끊어질 수 있다.
한편, 제3고뎃 롤러(56)는 멀티필라멘트(4)에 연신 외의 처리를 위해 제공될 수 있으며, 상기 제3고뎃 롤러(56)의 회전 속도는 제4고뎃 롤러(58)의 회전 속도와 동일할 수 있다. 예를 들어, 제3고뎃 롤러(56)에는 멀티필라멘트(4)의 열처리 또는 열고정을 위하여 가열 수단이 제공될 수 있다. 제3고뎃 롤러(56)는 다단 연신에 직접적으로 관여하지 않으므로 생략될 수 있다.
즉, 본 발명의 구현예에서는, 적어도 3개의 고뎃 롤러를 통하여 적어도 2단 이상으로 다단 연신을 수행할 수 있다. 3개의 고뎃 롤러가 사용되는 경우, 제1고뎃 롤러는 2000 내지 4000 m/min의 속도로 회전할 수 있고, 제3고뎃 롤러는 5000 내지 7000 m/min의 속도로 회전할 수 있으며, 다단 연신 속도 비율은 제1고뎃 롤러의 회전 속도와 제2고뎃 롤러의 회전 속도의 차와, 제2고뎃 롤러의 회전 속도와 제3고뎃 롤러의 회전 속도의 차의 비로 정의될 수 있다.
다른 하나의 예에서, 상기 연신부(50)는 멀티필라멘트(4)의 이동 방향을 기준으로 순차적으로 배치된 3 이상의 정수인 n개의 고뎃 롤러를 포함할 수 있다. 이 경우, 다단 연신 속도 비율은 제1고뎃 롤러의 회전 속도와 제2고뎃 롤러의 회전 속도의 차와, (n-1)번째 고뎃 롤러의 회전 속도와 n번째 고뎃 롤러의 회전 속도의 차의 비로 정의될 수 있다. 여기서, 다단 연신 속도 비율은 30:70 ~ 60:40으로 제어될 수 있다.
와인더(60)는 연신부(50)에서 연신된 멀티필라멘트(4)를 권취하여 폴리에스테르 원사(6)를 제작한다.
도 6은 본 발명의 구현예에 따른 원사의 제조 장치로 제조된 폴리에스테르 멀티필라멘트의 연신 직전 및 연신 직후의 분자 구조에 대한 개략도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구현예에 따른 원사의 제조 장치는 토출 홀들(174)과 열선(182)의 제어된 배열을 통하여 토출되는 필라멘트들(2) 사이의 온도 편차를 줄일 수 있다(테스트 결과, 필라멘트들(2) 사이의 온도 편차는 3~5℃로 유지된다).
이에 따라, 도 6의 좌측 도면에 도시된 바와 같이, 연신 직전 멀티필라멘트(4)의 분자들이 규칙적으로 배열되게 된다. 또한, 연신 직전 멀티필라멘트(4)의 분자들이 규칙적으로 배열되므로, 연신 직후 멀티필라멘트(4)의 분자들도 규칙적으로 배열된다. 이에 따라, 원사의 연신성이 향상되고 제작된 원사들이 높은 강도와 높은 영률을 가질 수 있다.
한편, 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 원사의 제조 장치(1)를 이용하여 제조된 원사(6)를 제공될 수 있다. 상기 원사(6)는 폴리에스테르 원사일 수 있다.
고강도의 폴리에스테르 원사를 제조하기 위해 멀티필라멘트(4)의 연신성이 향상되어야 한다. 멀티필라멘트(4)의 연신성 향상을 위해, 본 발명의 구현예에 따르면, 가열 유닛(180)을 노즐부(172)의 주위에 위치시켜 복수의 토출 홀(174)을 통하여 토출되는 복수의 필라멘트(2)를 가열하도록 되어 있다. 또한, 적어도 두 개의 열의 토출 홀(174a, 174b)을 원주 방향을 따라 지그재그 형태로 배치하고, 인접하는 토출 홀(174a, 174b) 사이의 거리를 동일하게 설정함으로써, 필라멘트들(2) 사이에 온도 편차를 줄일 수 있다. 이에 따라, 토출되는 필라멘트들(2)의 온도에 따른 분자량 변화와, 그에 따른 물성 발현 정도가 균일하게 제어될 수 있다.
또한, 본 발명의 구현예에 따르면, 높은 온도의 필라멘트(2)를 다단 냉각을 통해 점진적으로 냉각함으로써, 필라멘트(2)의 분자 배열을 안정시킬 수 있고 필라멘트들(2) 사이의 온도 편차를 줄일 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 구현예에 따르면, 높은 연신비를 구현하기 위하여 연신부(50)는 다단으로 멀티필라멘트(4)를 연신할 수 있다.
또한, 본 발명의 구현예에 따르면, 가열 유닛(180)에 의해서 복수의 필라멘트들(2)이 직접 가열되고, 가열 유닛(180)에서 제공되는 열이 방사팩(20)으로 전달되는 것을 차단됨으로써, 불필요한 열에 의해 폴리에스테르 수지가 분해되는 것이 방지된다. 그에 따라, 필라멘트(2) 및 이들로부터 만들어지는 원사(6)의 물성 저하가 방지된다.
이하, 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예 및 비교예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 이것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
[실시예 및 비교예]
<실시예1 내지 5>
(1) 폴리에스테르 원사[폴리에스테르 멀티필라멘트]의 제조
도 3에 도시된 방사팩(20)을 포함하는 도 2에 도시된 원사의 제조장치(1)를 이용하여 모노 필라멘트의 섬도가 4 데니어(d)이고, 총섬도가 1000 데니어(d)인 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 된 폴리에스테르 원사(6)를 제조하였다. 여기서, 토출 홀(174)과 열선(182)의 배열은 도 5와 같다.
구체적으로, 하기 표 1에 기재된 바와 같이, 1.2 내지 1.7 dl/g의 고유점도(I.V.)를 갖는 PET 칩을 용융하여 용융된 폴리에스테르 수지를 제조하고, 이를 구금(170)(L/D = 2.1/0.7, 토출 홀의 개수: 250)을 통해 방사하여 복수의 필라멘트(2)를 제조하였다.
이 때, 복수의 토출 홀(174)은 두 개의 열로 원형으로 배치되며, 노즐부(172)의 반경 내측에 원형의 내측 열선(182a)을 배치하고, 상기 노즐부(172)의 반경 외측에 원형의 외측 열선(182b)을 배치하여 상기 내측 열선(182a)과 외측 열선(182b)이 토출 홀(174)에서 토출되는 필라멘트(2)에 열을 가하도록 되어 있다.
이 때, 열선(182a, 182b)의 온도는 450℃로 유지하였다. 또한, 제1열의 토출 홀(174a)과 제2열의 토출 홀(174b)이 지그재그 형태로 배치되고, 이웃하는 제1열의 토출 홀(174a) 사이의 거리(L1)와, 이웃하는 제1열의 토출 홀(174a)과 제2열의 토출 홀(174b) 사이의 거리(L2)와, 이웃하는 제2열의 토출 홀(174b) 사이의 거리(L3)를 동일하게 설정함으로써, 열선(182a, 182b)에서 발생된 열은 제1열의 토출 홀(174a)에서 토출되는 필라멘트(2)와 제2열의 토출 홀(174b)에서 토출되는 필라멘트(2)에 골고루 전달되어 토출되는 필라멘트들(2) 사이의 온도 편차를 3~5℃로 유지시켰다.
이후, 약 2000 내지 2400 m/min의 방사 속도로 용융된 폴리에스테르 수지를 방사하여 복수의 필라멘트(2)를 제조하고, 냉각부(30)에서 상기 복수의 필라멘트(2)를 2단으로 냉각하며, 냉각된 필라멘트(2)를 집속하여 미연신 상태의 멀티필라멘트(4)(미연신사)를 제조하였다.
이와 같이 제조된 미연신 멀티필라멘트(4)가 제1, 2, 3, 4고뎃 롤러(52, 54, 56, 58)를 순차적으로 통과하며 2단으로 연신되도록 하며(다단 연신 속도 비율은 30:70 내지 60:40로 제어함), 연신된 멀티필라멘트(4)를 권취하여 폴리에스테르 원사(6)(연신사)를 제조하였다.
실시예1 내지 실시예5에 따른 폴리에스테르 원사(6)를 제조할 때 적용된 구금 형태, 열선 유무, 열선 온도, 다단 냉각 유무, 제1, 2, 4고뎃 롤러(52, 54, 58)의 속도, 다단 연신 속도 비율은 표 1 및 표 2와 같다.
(2) 타이어 코드의 제조
상기 제조되는 폴리에스테르 원사를 이용하여 460 TPM의 꼬임수를 갖는 하연사(Z-방향) 2가닥을 준비한 후, 이 2가닥의 하연사들을 460 TPM의 꼬임수로 함께 상연(S-방향)하여 합연사를 제조하였다.
이와 같이 제조된 합연사를 레솔시놀-포름알데하이드-라텍스(RFL) 접착제 용액을 통과시킨 후 건조 및 열처리함으로써 타이어 코드를 완성하였다 (접착층의 대략 두께: 0.56mm, 폴리에스테르 원사 100중량부 대비 접착제의 함침량(건조 기준) 3 중량부)
<비교예 1 내지 5>
(1) 폴리에스테르 원사[폴리에스테르 멀티필라멘트]의 제조
비교를 위해, 도 7에 도시된 토출 홀(174a, 174b)과 열선(182)의 배열을 갖는 방사팩(20)을 포함하는 원사의 제조 장치(1)를 이용하여 폴리에스테르 원사(6)를 제조하였다.
도 7에 도시된 바와 같이, 토출 홀(174a, 174b)은 2 개의 열로 원형으로 배치하고, 제1열의 토출 홀(174a)의 반경 내측에 원형의 열선(182)을 배치하며, 제1열의 토출 홀(174a)과 제2열의 토출 홀(174b) 사이에 원형의 다른 열선(182)을 배치하고, 제2열의 토출 홀(174b)의 반경 외측에 원형의 또 다른 열선(182)을 배치하였다.
또한, 제1열의 토출 홀(174a)과 제2열의 토출 홀(174b)이 방사형으로 배치되어 중심축(C) 상의 한 점과 제1열의 토출 홀(174a) 중 하나의 중심을 연결한 선을 연장한 가상선(V) 상에 제2열의 토출 홀(174b) 중 하나의 중심이 위치할 수 있다(다만, 중심축(C) 상의 한 점과 제1열의 토출 홀(174a) 중 하나의 중심을 연결한 선을 연장한 가상선(V) 상에 항시 제2열의 토출 홀(174b) 중 하나의 중심이 위치하는 것은 아니다).
또한, 이웃하는 제1열의 토출 홀(174a) 사이의 거리(L1)와, 이웃하는 제1열의 토출 홀(174a)과 제2열의 토출 홀(174b) 사이의 거리(L2)와, 이웃하는 제2열의 토출 홀(174b) 사이의 거리(L3)가 항시 동일하지는 않다. 즉, L1, L2, L3가 모두 서로 다르거나, L1과 L2는 동일하고 L2는 L3와 다르거나, L1과 L2는 서로 다르고 L2와 L3는 동일할 수 있다.
비교예1 내지 5에 따른 폴리에스테르 원사(6)를 제조할 때 적용된 구금 형태, 열선 유무, 열선 온도, 다단 냉각 유무, 제1, 2, 3, 4고뎃 롤러(52, 54, 56, 58)의 속도, 다단 연신 속도 비율은 표 1 및 표 2와 같다. 단, 비교예4 및 비교예5의 경우 방사팩(20)에 가열 유닛(180)이 배치되지 않았고, 비교예3의 경우 다단 냉각이 수행되지 않았다.
(2) 타이어 코드의 제조
상기 제조되는 폴리에스테르 원사를 이용하여 460 TPM의 꼬임수를 갖는 하연사(Z-방향) 2가닥을 준비한 후, 이 2가닥의 하연사들을 460 TPM의 꼬임수로 함께 상연(S-방향)하여 합연사를 제조하였다.
이와 같이 제조된 합연사를 레솔시놀-포름알데하이드-라텍스(RFL) 접착제 용액을 통과시킨 후 건조 및 열처리함으로써 타이어 코드를 완성하였다 (접착층의 대략 두께: 0.56mm, 폴리에스테르 원사 100중량부 대비 접착제의 함침량(건조 기준) 3 중량부)
토출 홀 배열 칩 I.V.
(dl/g)		 열선 유무 열선 온도
(℃)		 다단 냉각 유무 원사
고유점도
(dl/g)		 타이어 코드의 총 선밀도
실시예1 지그재그 1.7 유 450 유 1.15 2320
실시예2 지그재그 1.7 유 450 유 1.15 2320
실시예3 지그재그 1.7 유 450 유 1.18 2320
실시예4 지그재그 1.7 유 450 유 1.18 2320
실시예5 지그재그 1.2 유 450 유 0.96 2320
비교예1 방사형 1.7 유 450 유 1.05 2320
비교예2 지그재그 1.7 유 450 유 - -
비교예3 방사형 1.2 유 450 무 0.94 2320
비교예4 방사형 1.2 무 - 유 0.97 2320
비교예5 방사형 1.7 무 - 유 1.20 2320
이때, 타이어 코드의 총 선밀도는 ASTM D885 방법에 따라 시료를 표준상대에서 24시간 방치 후, 0.05g/d의 하중을 걸고 일정 길이의 코드를 취한다. 다음 105±3℃ 오븐에 시료를 일정 질량으로 건조 후 Desiccator에서 실온으로 냉각 후 무게를 측정하였다.
Figure pat00002
Mo : 오븐 건조한 시료의 무게 (g)
K : 1+(공정수분율)/100
Lo : 시료의 길이 (m)
1) 원사의 고유 점도 측정
상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 폴리에스테르 원사의 고유점도(Intrinsic Viscosity, IV)는 아래의 방법으로 측정 및 계산하였다. 이때, 상기 원사는 온도 및 습도 내부 관리 기준으로 20±5℃, 65±5% 하에 24시간 방치 후, 초기 하중 0.05gf/de, 시료장 250mm, 인장속도 300mm/min 조건하에 측정하였다.
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 계산식으로 원사 고유점도를 구하였다.
(계산식 1)
고유점도(IV) = {(0.0242×Rel)+0.2634}×F
이때, Rel = {(용액초수×용액비중×점도계수)}/OCP 점도
F = 표준칩(Standard Chip)의 IV/표준 칩(Standard Chip)을 표준동작으로 측정한 3개의 평균 고유 점도(IV)
회전 속도 다단 연신 속도 비율
제1고뎃
롤러(m/min)		 제2고뎃
롤러(m/min)		 제4고뎃
롤러(m/min)		 제1속도 차
(%)		 제2속도 차
(%)
실시예1 2000 2900 5000 30 70
실시예2 2000 3800 5000 60 40
실시예3 4000 4900 7000 30 70
실시예4 4000 5800 7000 60 40
실시예5 3000 3900 6000 30 70
비교예1 4000 4900 7000 30 70
비교예2 4000 6100 7000 70 30
비교예3 4000 4900 7000 30 70
비교예4 4000 4900 7000 30 70
비교예5 2000 2900 5000 30 70
2) 원사의 중량평균분자량 측정
상기 얻어진 원사의 중량평균분자량은 1.0 (w/w)% in THF (고형분 기준 약 0.5 (w/w)%)의 농도가 되도록 테트라히드로푸란에 용해시켜 0.45㎛ Pore Size의 Syringe Filter를 이용하여 여과 후 GPC에 20㎕를 주입하고, GPC의 이동상은 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)을 사용하고, 1.0mL/분의 유속으로 유입하였으며, 컬럼은 Agilent PLgel 5㎛ Guard (7.5 x 50 mm) 1개와 Agilent PLgel 5㎛ Mixed D (7.5 x 300 mm) 2개를 직렬로 연결하고, 검출기로는 Agilent 1260 Infinity Ⅱ system, RI Detector를 이용하여 40 ℃에서 측정하였다.
이를, 테트라히드로푸란에 0.1 (w/w)% 농도로 아래와 같이 다양한 분자량을 갖는 폴리스티렌을 용해시킨 폴리스티렌 표준품 시료(STD A, B, C, D)를 0.45㎛ Pore Size의 Syringe Filter로 여과 후 GPC에 주입하여 형성된 검정 곡선을 이용하여 상기 얻어진 원사의 중량평균분자량(Mw)의 값을 구하였다.
STD A (Mp) : 791,000 / 27,810 / 945
STD B (Mp) : 282,000 / 10,700 / 580
STD C (Mp) : 126,000 / 4,430 / 370
STD D (Mp) : 51,200 / 1,920 / 162
토출 홀 배열 칩 I.V.
(dl/g)		 열선 유무 열선 온도
(℃)		 다단 냉각 유무 원사
중량평균분자량 (g/mol)		 원사
고유점도
(dl/g)
참고예1 1.2 무 87970 0.98
비교예3 방사형(도7) 1.2 유 450 무 86246 0.94
실시예5 지그재그 1.2 유 450 유 87135 0.96
참고예2 1.7 무 93410 1.20
비교예1 방사형
(도7)		 1.7 유 450 유 92150 1.05
실시예1 지그재그 1.7 유 450 유 92890 1.15
상기 표3에서 나타난 바와 같이, 실시예 5 및 실시예1에서 제조되는 폴리에스테르 멀티필라멘트의 고유 점도는 제조 원료인 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지칩의 고유 점도 대비 65% 또는 80% 이상일 수 있으며, 또한 실시예 5 및 실시예1에서 제조되는 폴리에스테르 멀티필라멘트는 각각 참고예 1 및 참고예 2와 대비하여(가열 유닛을 통하여 가열하는 단계 전후를 대비) 상기 필라멘트의 중량평균분자량 변화율이 1% 이내이고, 상기 필라멘트의 고유 점도의 변화율이 5% 이내라는 점이 확인되었다.
이러한 결과를 동일한 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지칩을 사용한 비교예 3 및 비교예 1과 각각 비교하여 보면, 폴리에스테르 멀티필라멘트 제조 과정에서 균일하게 열이 전달되면서도 열분해 정도는 그리 크지 않아서 보다 우수하고 균일한 물성 발현이 가능하다는 점을 확인할 수 있다.
[실험예]
실험예1: 폴리에스테르 원사의 영율 측정
ASTM D885 방법에 따라, 인스트론사(Instron Engineering Corp, Canton, Mass)의 만능인장시험기를 이용하여 상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 폴리에스테르 원사의 평균 영율을 측정하였다.
이때, 상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 폴리에스테르 원사 9개 에 대하여 각각 인장 강도, 신율 및 영율을 측정하고, 이러한 측정을 20회 반복하여, 폴리에스테르 원사가 갖는 영율의 평균값을 구하였다.
실험예2: 폴리에스테르 원사의 결정화도 측정
섬유의 결정화도 측정은 밀도구배관법으로 측정하였다. 밀도가 낮은 경액과 밀도가 높은 중액을 이용하여 밀도구배액을 만들어 밀도를 아는 표준 float를 사용하여, 섬유시료의 밀도를 측정하여 다음과 같은식으로 결정화도를 측정하였다.
결정화도(Xc)(%) = [(섬유시료 밀도 - 섬유 비중 밀도)/(섬유 결정밀도 - 섬유 비정밀도)] x 100
* PET 결정밀도 : 1.457(g/cm3) , PET 비정밀도 : 1.336(g/cm3)
상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 폴리에스테르 원사의 결정화도를 측정하였다. 이때, 상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 폴리에스테르 원사 10개 에 대하여 각각 결정화도를 측정하고 이러한 측정을 20회 반복하여, 폴리에스테르 원사가 갖는 결정화도의 평균값을 구하였다.
실험예 3: 폴리에스테르 원사의 사질 평가 측정
상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 폴리에스테르 원사에 대하여, Stroboscope (섬광 계측 분석기로 회전 계측를 rpm 조절을 통해 표면 상태 확인)를 사용하여 Winder 권취시 표면 육안 측정으로 모우 정도를 구분하여 표현하였다. 평가 기준은 Stroboscope의 정지 모션에서 표면 모우가 없을시 매우 좋음, 모우가 1~2개 정도 발생시 좋음, 모우가 4~5개 정도 보이면 보통으로 표시하였다.
사질 평가 결과는 다음과 같이 분류하였다.
◎: 매우 좋음, ○: 좋음, △: 보통, ×: 원사 제조 불가(사절)
실험예4: 폴리에스테르 원사의 단면 변동율 측정
상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 폴리에스테르 원사의 단면 변돌율을 하기 일반식 1에 따라서 계산하였다.
[일반식1]
단면변동률 = {(필라멘트의 최대 단면적 - 필라멘트의 최소 단면적)/필라멘트들의 단면적의 평균}*100
실험예 5: 타이어 코드의 인장강도 및 신율 측정
ASTM D885 방법에 따라, 인스트론사(Instron Engineering Corp, Canton, Mass)의 만능인장시험기를 이용하여 상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 타이어 코드의 인장 강도 및 신율(2.25 g/d의 하중 적용)을 측정하였다. 이때, 상기 타이어 코드는 온도 및 습도 내부 관리 기준으로 20±5℃, 65±5% 하에 24시간 방치 후, 초기 하중 0.05gf/de, 시료장 250mm, 인장속도 300mm/min 조건하에 측정하였다.
이때, 상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 타이어 코드 10개 에 대하여 각각 인장 강도 및 신율을 측정하고 이러한 측정을 20회 반복하여, 타이어 코드가 갖는 인장 강도 및 신율의 평균값과 표준 편차를 구하였다.
실험예6: 타이어 코드의 건열 수축율(%) 측정
건열수축률 측정장비(제조사: TESTRITE, 모델명: MK-V)를 이용하여 177 ℃ 오븐에서 0.01 g/d의 하중으로 2 분 경과 후 건열수축률을 측정하였다.
실험예7: 타이어 코드의 크리이프율(%) 측정
타이어 코드의 크리이프율을 측정하기 위해, 아래와 같이 샘플을 제조하여 측정하였다.
상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 타이어 코드 각각에 대해, 후공정 조건을 고려하여 220 ℃에서 2분 동안 1g/d의 하중을 가해 각각 1차 열처리한 샘플을 제조하였다.
1차로 열처리된 샘플을 단기간에 크리이프 변형을 크게 주기 위해, 오븐내 온도를 160 ℃로 설정하고, 24시간 동안 길이 변화를 측정한 후, 하기 계산식에 의해 크리이프 변형율을 산출하였다. 이때 하중은 하중-신장 곡선을 근거로 하였으며, 본 실험에서는 각 타이어 코드 1000 De/250F에 대하여 신율 3%와 5%에 해당하는 하중을 부여하였다.
[계산식]
크리이프 변형율(%) = (최종 변형된 길이(mm)/ 최초 Grib내 Setting된 시료길이(mm))×100
실험예8: 타이어 코드의 플랫스팟지수(%) 측정
하기 계산식에 따라서 상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 타이어 코드의 플랫스팟지수(%)를 구하였다.
[계산식]
플랫스팟 지수(%) = (L1 - L2)/L0 X 100
상기 계산식 1에서,
L0는 타이어 코오드의 초기 길이이고,
L1은 120℃의 온도에서 코오드의 절단강도의 13%에 해당하는 하중을 5분 동안 가하고, 상기 하중을 유지한 상태에서 24℃로 식힌 후 측정한 타이어 코오드의 길이이고,
L2는 120℃의 온도에서 코오드의 절단강도의 13%에 해당하는 하중을 5분 동안 가하고, 0.01g/d의 하중 만을 남겨둔 채 24℃로 식힌 후 측정한 타이어 코오드의 길이이다.
실험예8: 타이어 코드에서 잔류 플라이사 트위스트 및 잔류 꼬임의 반대방향으로의 코드 트위스트 측정
시료를 표준상태에서 24hrs방치 후, 검연기에 시료 길이 250mm, 초기 하중 0.05±0.01g/d 조건 하에서 잔류 플라이사 트위스트는 S방향으로 해연하여 측정 후, 가닥 중 하나를 제외한 나머지를 제거하여 남은 원사 한 가닥(1 ply)을 통해 잔류 꼬임의 반대 방향으로의 코드 트위스트를 Z방향으로 해연하여 측정하였다.
Figure pat00003
T : 잔류 플라이사 트위스트 또는 잔류 꼬임의 반대반향으로의 코드 트위스트 (TPM)
R : 검연기에 측정된 회전 수
L : 시료 길이 (m)
폴리에스테르 원사 물성
영률(g/d) 결정화도(%) 사질 단면 변동률(%)
실시예1 131.0 50.3 ◎ 5.1
실시예2 131.5 50.4 ◎ 4.9
실시예3 142.5 51.6 ○ 8.4
실시예4 143.1 51.7 ○ 8.2
실시예5 135.6 50.5 ○ 7.8
비교예1 140.1 51.2 △ 10.8
비교예2 - - × -
비교예3 128.7 50.6 △ 12.1
비교예4 129.1 50.6 △ 8.6
비교예5 130.0 49.7 ◎ 10.5
타이어 코드의 물성
평균인장강도 (g/d)
/ 표준편차		 평균신율(%) / 표준편차 건열 수축율(%) 크리이프율(%) 플랫스팟지수(%) 잔류 플라이사 트위스트
/
잔류 꼬임의 반대방향으로의 코드 트위스트
실시예1 10.0 0.17 16.5 0.36 6.2 5.2 7.1 460tpm /460tpm
실시예2 10.2 0.21 16.0 0.33 6.1 5.3 7.2 460tpm /460tpm
실시예3 10.6 0.17 14.7 0.36 2.5 3.6 4.6 460tpm /460tpm
실시예4 10.8 0.20 14.3 0.34 2.4 3.8 4.6 460tpm /460tpm
실시예5 10.1 0.18 15.8 0.29 3.6 4.1 5.8 460tpm /460tpm
비교예1 9.9 0.34 14.4 0.44 2.5 3.7 4.7 460tpm /460tpm
비교예2 - -
비교예3 9.5 0.32 13.5 0.69 2.5 3.6 4.6 460tpm /460tpm
비교예4 8.8 0.22 13.4 0.64 2.5 3.7 4.7 460tpm /460tpm
비교예5 9.1 0.16 14.4 0.30 6.2 5.4 7.1 460tpm /460tpm
상기 표 4, 5에서 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 5에서 제공되는 타이어 코드는 10.0 g/d의 이상의 평균 인장 강도, 14.0% 이상의 평균 신율, 및 7% 이하의 건열 수축율 를 가지며, 특히 상기 실시예들의 타이어 코드들이 갖는 인장 강도 및 신율의 표준 편차가 각각 0.30 이하 및 0.50 이하이라는 점이 확인되었다.
이처럼 타이어 코드가 전체적으로 높은 수준의 인장 강도 및 평균 신율을 가지면서 7% 이하의 건열 수축율을 나타냄에 따라서, 필라멘트 간의 균일한 단면 변동률로 인해 고배향성 그리고 고연신이 발현된 원사 품질을 구현할 수 있다. 이에 따라, 균일한 물성 및 품질을 가지면서 고형태안정성 및 고강도 발현 가능하며, 필라멘트 간의 물성 등의 편차가 낮아져서 고강도 성질을 가진 타이어 코드의 제공이 가능하게 한다.
이에 반하여, 비교예 1 내지 5에서 제공되는 타이어 코드는 실시예들에 비하여 낮은 평균 인장 강도, 평균 신율, 및 수축율을 나타내는데, 특히 타이어 코드의 인장 강도 및 신율의 표준 편차가 매우 높아서 제조되는 원사들간의 물성 차이가 균일하지 않다는 점을 알 수 있다. 이에 따라, 비교예들의 원사를 사용하여 제조되는 타이어 코드는 초기 modulus가 낮으며 필라멘트 간의 불균성으로 인하여 연신성이 저하되고, 이에 따라 원사의 강도 가 충분히 높아지지 않는다.
그리고, 비교예2의 경우, 원사가 끊어짐에 따라 최종 제품인 원사의 생산이 실질적으로 불가능하였는데, 이는 제조 공정에서의 다단 연신 속도 비율이 높음에 기인한 것으로 보인다. 비교예5는 인장 강도가 낮고 단면변동률이 커서 안정된 품질을 얻기 어려웠다.
한편, 이러한 실시예들의 타이어 코드에 포함되는 폴리에스테르 원사는 10.7 내지 13.0 g/d의 평균 인장 강도, 12.0% 내지 18%의 평균 신율, 및 130 g/d 내지 150 g/d의 영률(young's modulus)을 가지면서, 50% 내지 55%의 평균 결정화도를 갖는다.
이러한 결과는 상기 표3에서 상술한 바와 같이, 실시예들에서는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지칩을 용융하여 도출되는 필라멘트에 보다 균일한 열을 전달하면서도 열분해 정도를 크게 줄임에 따라서, 제조되는 폴리에스테르 멀티필라멘트의 고유 점도가 상대적으로 높은 수준으로 유지되면서도 열분해 정도가 크지 않게 되어, 최종 제조되는 폴리에스테르 멀티필라멘트 및 타이어 코드가 상술한 바와 같이 기존에 알려진 수준에 비하여 보다 우수하고 균일한 물성을 가질 수 있게 된 것으로 보인다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 구현예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (14)

1 내지 5 데니어의 섬도를 갖는 200 내지 2,000 개의 폴리에스테르 모노필라멘트를 포함한 폴리에스테르 멀티필라멘트와 이에 함침된 접착층을 포함하고,
10.0 g/d의 이상의 평균 인장 강도 및 0.30 이하의 인장 강도의 표준 편차를 갖는,
2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
제1항에 있어서,
14.0% 이상의 평균 신율 및 0.50 이하의 신율의 표준편차를 갖는, 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
제1항에 있어서,
7% 이하의 건열 수축율을 갖는, 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
제1항에 있어서,
상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드의 총 선밀도(nominal linear density)가 1000 De 내지 9000 De인,
2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
제1항에 있어서,
상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드의 잔류 플라이사 트위스트가 250 tpm 내지 650 tpm이며,
잔류 꼬임의 반대방향으로의 코드 트위스트가 250 tpm 내지 650 tpm인, 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
제1항에 있어서,
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 50% 내지 55%의 평균 결정화도를 갖는,
2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
제1항에 있어서,
상기 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드는 3.0% 내지 6.0%의 크리이프율 및 4.0% 내지 8.0%의 플랫스팟지수를 갖는,
2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
제1항에 있어서,
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 1.2 dl/g 이상의 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지로부터 제조되는, 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
제8항에 있어서,
상기 1.2 dl/g 이상의 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지의 고유 점도 대비 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트의 고유 점도의 비율은 0.65 이상인, 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
제8항에 있어서,
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는,
상기 1.2 dl/g 이상의 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지가 용융되어 노즐부를 통하여 필라멘트로 토출되는 단계; 및
상기 토출되는 필라멘트를 상기 노즐부의 주위에 위치하는 가열 유닛을 통하여 가열하는 단계;를 포함한 제조 방법을 통하여 제조되며,
상기 가열 유닛은 상기 노즐부의 내주면의 반경 내측에 위치하는 내측 열선; 및 상기 노즐부의 외주면의 반경 외측에 위치하는 외측 열선;을 포함하며,
상기 토출되는 필라멘트를 상기 노즐부의 주위에 위치하는 가열 유닛을 통하여 가열하는 단계에서 상기 내측 열선 및 외측 열선 각각의 온도가 400℃ 내지 500℃로 유지되는,
2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
제10항에 있어서,
상기 가열 유닛은 상기 노즐부의 내주면의 반경 내측에 위치하는 내측 열선; 및 상기 노즐부의 외주면의 반경 외측에 위치하는 외측 열선;을 포함하며,
상기 내측 열선과 외측 열선 사이에 노즐부 및 복수의 토출 홀이 배치되고,
상기 복수의 토출 홀은 상기 내측 열선 및 외측 열선 사이에 적어도 두 개의 열로 배치되는,
2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 토출되는 필라멘트를 상기 노즐부의 주위에 위치하는 가열 유닛을 통하여 가열하는 단계 전후에서
상기 필라멘트의 중량평균분자량 변화율이 1% 이내이고,
상기 필라멘트의 고유 점도의 변화율이 5% 이내인,
2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
제1항에 있어서,
상기 폴리에스테르 멀티필라멘트는 세 개 이상의 고뎃 롤러를 포함하여 멀티필라멘트를 적어도 이단 이상으로 연신하는 단계를 포함하는 제조 방법을 통하여 제조되며,
적어도 세 개 이상의 고뎃 롤러는 멀티필라멘트의 이동 방향을 기준으로 순차적으로 배치된 제1, 2, 3고뎃 롤러를 포함하며,
제1고뎃 롤러의 회전 속도는 2000 내지 4000 m/min이고 제3고뎃 롤러의 회전 속도는 5000 내지 7000 m/min인, 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
제1항에 있어서,
상기 접착층은 상기 폴리에스테르 멀티필라멘트 100 중량부 대비 0.5 내지 10중량부의 함량으로 포함되는, 2 내지 3플라이의 폴리에스테르 타이어 코드.
KR1020210071768A 2021-06-02 2021-06-02 폴리에스테르 타이어 코드 KR20220163183A (ko)

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