KR100798967B1 - 열가소성 엘라스토머의 보강용에 적합한 스틸코드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 스트랜드(18, 20)를 포함하는 열가소성 엘라스토머를 강화시킨 스틸코드(16)에 관한 것이다. 각각의 스트랜드는 둘 또는 그 이상의 스틸 필라멘트(22, 24, 26, 28)를 포함한다. 상기 스틸 필라멘트 중 적어도 일부는 아연 코팅(40)되어 있으며, 아연 코팅층(40)은 2 마이크로미터보다 얇은 두께를 가지며 아연 코팅층과 스틸 사이에 아연-스틸 합금층(42)이 존재함을 특징으로 한다.

열가소성 엘라스토머를 강화시킨 스틸코드, 아연-스틸 합금층, 아연 코팅, 폴리우레탄

Description

열가소성 엘라스토머의 보강용에 적합한 스틸코드{A STEEL CORD ADAPTED FOR THE REINFORCEMENT OF THERMOPLASTIC ELASTOMERS}

본 발명은 열가소성 엘라스토머를 강화시킨 스틸코드 및 복합물에 관한 것이다. 복합물은 매트릭스로서 폴리우레탄과 같은 열가소성 엘라스토머 및 강화재로서 스틸코드를 포함한다. 스틸코드는 하나 이상의 스트랜드를 포함하는 다중-스트랜드 스틸코드이다.

스틸코드는 타이어 및 컨베이어 벨트와 같은 고무 제품을 강화시키는데 이용할 수 있는 것으로 널리 알려져 있다. 스틸코드는 또한 폴리우레탄과 같은 열가소성 엘라스토머를 강화시키는데 이용할 수 있는 것으로 알려져 있다. 스틸코드와 고무 제품간의 부착 메카니즘은 스틸코드와 열가소성 엘라스토머간의 부착 메카니즘과는 실질적으로 상이하다. 스틸코드와 고무간의 부착은 주로 가황시키는 동안에 스틸코드위에 존재하는 통상적으로 이용가능한 구리 합금 코팅층과 고무 사이에 형성된 결합을 기초로 한 화학적 부착이다. 비록 화학적 부착이 스틸코드와 열가소성 엘라스토머 사이에서 배제되는 것은 아니지만, 상기 부착 메카니즘은 실질적으로 상기 스틸코드와 상기 모체(matrix) 사이의 물리적 고착에 기초한 것이다. 이러한 기본적 차이로 인해, 고무 보강용 스틸코드가 열가소성 엘라스토머 보강용 스틸코드보다 더욱 개선된 것으로 알려져 왔다. 고무의 보강과 관련하여서는, 컴팩트 코드와 같은 단일-스트랜드 코드쪽으로의 전개, 즉, 하나의 스틸코드에 들어가는 필라멘트 수가 더욱 적어지고(심지어는 필라멘트는 하나만 들어가고), 필라멘트의 직경은 더욱 두꺼워지는 쪽으로의 전개가 있었다. 열가소성 엘라스토머의 보강과 관련하여서는, 하나 이상의 스트랜드를 포함하는 다중-스트랜드 스틸코드는 상기 기준을 유지해왔는데, 그 이유는 위와 같은 다중-스트랜드 스틸코드의 외면이 거칠어지면 거칠어 질수록 단일-스트랜드 스틸코드보다 상기 모체내에서 물리적 고착력이 더 강해지기 때문이다.

고무 제품의 보강에 적합한 스틸코드와 열가소성 엘라스토머의 보강에 적합한 스틸코드간의 부착 메카니즘이 달라짐에 따른 다른 하나의 결과는 스틸 필라멘트에 도포된 코팅층의 형태이다. 고무, 특히 타이어 보강용 스틸코드가 황동과 같은 통상적인 구리 합금 코팅층을 갖는 반면에, 열가소성 엘라스토머의 보강용 스틸코드는 통상적으로 아연 또는 아연 합금 코팅층을 갖는다. 그러나, 상기 아연 코팅층은 다음과 같은 결점이 있다. 첫 번째 결점은, 내식성의 적절한 정도는 내피로성의 허용가능한 정도와 함께 하기가 어렵다는 점이다. 예를 들어, 아연 코팅층의 두께를 증가시키면 내식성이 증가되는 장점을 갖지만 내피로성은 감소되는 단점이 생기게 되며 이것의 역 또한 성립된다. 두 번째 결점은 냉간인발(cold drawing) 및 꼬아서 스트랜드와 코드로 만드는 것과 같이 아연 코팅된 필라멘트를 가공 처리하는 동안에 아연 코팅이 다량의 아연 분진 및 아연 입자를 형성한다는 점이다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 상기한 선행기술의 결점들을 극복하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 허용가능한 내피로성과 허용가능한 내식성을 모두 갖는 코팅층을 갖는 스틸코드를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 열가소성 엘라스토머의 보강용에 적합한 스틸코드가 제공된다. 이 스틸코드는 하나 이상의 스트랜드를 포함하는 다중-스트랜드 스틸코드이다. 각각의 스트랜드는 둘 또는 그 이상의 스틸 필라멘트를 포함한다. 이들 스틸 필라멘트 중 적어도 몇몇에는 아연 코팅층이 구비되어 있다. 이 아연 코팅층은 2 마이크로미터 보다 얇은, 바람직하게는 1 마이크로미터 보다 얇은 두께(예를 들어, 0.5 ㎛)를 갖는다. 아연-스틸 합금층은 아연 코팅층과 스틸 사이에 존재한다.

전형적인 아연 코팅층, 즉 상대적으로 얇은 아연 코팅층(통상적인 아연 코팅층은 3 내지 5 마이크로미터보다 두꺼운 두께를 갖는다)과 이와 함께 존재하는 아연-스틸 합금으로 이루어진 전이층(transition alloy layer zinc-steel)은 하기와 같은 이점을 갖는다. 얇은 코팅층은 상기 스틸코드의 인발 및 가연(加撚)작업 도중에 아연 분진을 적게 생성하는 이점을 가지고 있다. 스틸코드의 표면에서 생성되는 아연 분진 및 아연 입자의 감소로 열가소성 엘라스토머내에서 물리적 고착이 더 잘 이루어졌다. 스틸과 아연층 사이에 존재하는 아연-스틸 합금으로 이루어진 전이층의 존재에 의해 스틸 필라멘트의 내식성이 향상되고 아연 코팅층과 스틸사이의 부착력이 증대된다. 이러한 합금층이 존재함으로 인해 아연 분진이 현저하게 감소되었고 결과적으로, 열가소성 엘라스토머내에서 아연 코팅층을 구비한 스틸코드가 더욱 잘 고착되었다.

코드 중심에 있어서, 둘 또는 그 이상의 필라멘트를 갖는 중심 스트랜드 형태로된 코드 중심, 및 상기 모체인 열가소성 엘라스토머와 동일한 형태와 특질로 이루어진 가소성 물질의 형태로 된 코드 중심 중에서 하나를 선택하는 것이 가능하다.

발명자들에 의해 시험이 이루어진 다양한 구성들 중에서, 하기의 파라미터를 갖는 7×7 구성은 물리적 고착, 내피로성, 마멸손상(fretting) 거동 및 내식성에서 우수한 결과를 제공하였다 :

d₁ + 6 × d₂ + 6 × (d₂ + 6 × d₃)

여기에서,

d₁ > 1.05 × d₂

d₂ > 1.05 × d₃.

본 발명은 또한 상기에 기재한 바와 같이 스틸코드에 의해 보강된 복합물에 관한 것이다. 이러한 복합물의 예로는 벨트가 있으며, 예를 들어 모체로서 폴리우레탄을 사용한 홈이 있는 벨트가 있다.

도면을 참조하면서 본 발명을 이하 좀 더 상세하게 설명한다 :

- 도 1 은 본 발명에 따른 복합 벨트의 개략도를 나타낸 것이다 ;

- 도 2, 도 3 및 도 4 는 모두 본 발명에 따른 복합물의 보강용 스틸코드의 단면을 나타낸 것이다 ;

- 도 5 는 아연 코팅층을 갖는 스틸 필라멘트의 단면을 나타낸 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 복합 벨트(10)의 개략도를 나타낸 것이다. 벨트(10)에는 홈(12)이 있으며 이 홈은 제조 과정 중에 형성된 것이다. 상기 홈은 이(teeth)가 벨트(10)를 안내하는 곳에 위치하고 있다.

대안으로서 홈이나, 이가 벨트의 세로방향으로 존재하게 함으로써 V 형 홈이 파진 벨트(도면에는 나타나 있지 않음)를 구성할 수도 있다.

벨트(10)는 폴리우레탄으로 이루어진 모체 물질(14)을 갖는다. 그밖의 다른 적절한 열가소성 엘라스토머로는 열가소성 폴리올레핀 동종중합체 또는 공중합체, 올레핀 고무, 스티렌/복합 디엔/스티렌 및/또는 그것의 전체 또는 일부가 수소첨가된 유도체의 블록-공중합체, 임의로 열가소성 폴리올레핀 동종중합체 또는 공중합체와의 복합, 또는 상기한 것의 배합이 있다. 이러한 열가소성 엘라스토머는 제 WO-A-99/55793 호에 상세히 기재되어 있다(향상된 엘라스토머 시스템 및 엔.브이. 베카에르트 에스.에이.). 벨트(10)는 여러 개의 스틸코드(16)로 더 보강되었고 이 스틸코드는 서로가 인접하여 평행하게 놓여있다

열가소성 엘라스토머의 보강에 적합한 스틸코드는 다음의 특성들을 각각 또는 조합하여 갖는다 :

- 0.05 ㎜ 내지 0.80 ㎜, 바람직하게는 0.06 ㎜ 내지 0.40 ㎜ 범위의 직경을 갖는 스틸 필라멘트 ;

- 상기 스틸 필라멘트는 다음에 따른 스틸 조성을 갖는다. : 0.60 % 내지 1. 05 % 범위의 탄소 함량, 0.10 % 내지 1.10 % 범위의 망간 함량, 0.10 % 내지 0.90 % 범위의 실리콘 함량, 0.15 % 까지, 바람직하게는 0.10 % 까지로 제한되는 황 및 인 함량 ;
- 크롬(0.20 % - 0.40 % 까지), 구리(0.20 % 까지) 및 바나듐(0.30 % 까지)과 같은 부가적인 미량 - 합금 성분이 첨가될 수 있다 ;

- 엄밀히 말하여 기계적 고착이 주요 부착 메카니즘이므로 필수적인 것은 아니지만, 스틸코드는 이미 언급된 제 WO-A-99/55793 호에 기재되었거나 제 WO-A-99/20682 호(엔.브이. 베카에르트 에스.에이.)에 제시된 바와 같은 부가적인 화학적 부착 시스템을 수반할 수 있다.

상기 언급한 조성을 갖는 스틸 선재로부터 본 발명에 따른 복합 산물을 제조하였다. 상기 스틸 선재를 냉간인발하여 바람직한 필라멘트 직경을 수득하였다. 좀 더 인발해 낼 수 있도록 패턴팅(patenting)과 같은 적절한 열처리를 함으로써 연이은 냉간인발 단계들이 번갈아가며 일어날 수 있다. 최종 직경을 수득하면, 인발되어 나온 필라멘트를 꼬아서 스트랜드를 형성하였으며 다수의 스트랜드를 꼬아서 스틸코드를 형성하였다. 더블 - 트위스터[번칭 장치(bunching apparatus)] 또는 관 회전기계(tubular rotary machines)[케이블 장치(cabling apparatus)]와 같은 통상적인 장치로 꼬임작업을 할 수 있다. 그런 다음 다수의 꼬여진 스틸코드를 인발해내고 공급 스풀로부터 곧게 펴서 서로 인접하도록 평행하게 놓은 뒤 삽입구를 관통하여 공급해서 열가소성 엘라스토머가 첨가되는 압출성형 장치로 들어가게 하였다.

평행한 일직선 형태의 스틸코드 보강재를 갖는 본 발명의 다른 복합 산물은 시트-라이닝(Sheet-lining), 스냅식 프로필(Snap-on profile), 내절단성의 가요성 및 보호성 스트립(cut-resistant flexible and protective Strip) 및 핸드레일 등을 포함한다.

도 2 는 스틸코드(16)의 단면도이며 이 스틸코드는 복합물(10)의 바람직한 보강재이다. 스틸코드(16)는 1 개의 중심 스트랜드(18) 및 6 개의 외부 스트랜드(20)로 구성되어 있다. 중심 스트랜드(18)는 중심으로서 하나의 필라멘트(22)와 이 필라멘트(22)를 중심으로 꼬여져 있는 6 개의 필라멘트(24)로 구성되어 있다. 필라멘트(22)의 직경 d₁은 필라멘트(24)의 직경 d₂보다 적어도 5 % 더 크다. 각 외부 스트랜드(20)는 중심으로서 하나의 필라멘트(26)와 이 필라멘트(26)를 중심으로 꼬여져 있는 6 개의 필라멘트(28)로 구성되어 있다. 필라멘트(26)는 필라멘트(24)와 동일한 직경 d₂를 가질 수 있다. 필라멘트(26)의 직경 d₂는 필라멘트(28)의 직경 d₃보다 적어도 5 % 더 크다. 바람직한 구성의 예는 다음과 같다 (모든 직경을 ㎜ 로 나타내었다) :

( 0.21 + 6 × 0.19 ) + 6 × ( 0.19 + 6 × 0.175 ) (a)

상기 스틸코드 필라멘트는 평균 약 0.5 ㎛ 내지 1.0 ㎛ 의 평균두께로 얇게 아연 코팅되어 있다. 하기의 표는 이러한 코드의 기계적 특성을 요약하여 나타낸 것이다.

다음 시험 조건하에서의 벨트 내구성을 시험하였다 :

- 풀리(pulley) 직경 r = 40 ㎜

- 축방향 하중 = 150 ㎏

- 진동수 = 1 분당 100 사이클.

상기 코드(a)를 다음의 코드와 비교하였다 :

( 0.20 + 6 × 0.175 ) + 6 × ( 0.175 + 6 × 0.175 ) (b)

코드(b)에서는 2,150,000 사이클 이후에 마찰에 의한 부식이 나타나는 반면에 코드(a)에서는 2,150,000 사이클 이후에도 마찰에 의한 부식이 나타나지 않았다.

상기 스틸코드는 다음의 공식 7×7 에 해당하는 구성을 갖는다.

외부 스트랜드에서 요구되는 개방 상태 및 변형 정도를 조건으로 하는 그밖의 다른 적절한 스틸코드의 구성은 다음과 같다 :

- 19 + 8 × 7

- 7 × 19

- 1 × 7 + 7 × 7

- 19 + 9 × 7

- 1 × 3 + 5 × 7.

도 3 은 본 발명에 따른 복합물 보강용의 대안적인 스틸코드 (16)를 나타낸 것이다. 도 1 의 스틸코드(a)와의 주요한 차이는 중심 스트랜드의 중심이 예를 들어, 보강하려는 모체 물질과 동일한 종류의 폴리우레탄과 같은 가소성 물질(30)이라는 것이다. 이 가소성 물질(30)은 필라멘트(24)가 완전히 밀폐된 구조를 형성하는 것을 방지하는데 필수적이다. 이들 스틸 필라멘트도 모두 평균 약 0.5 ㎛ 내지 1.0 ㎛ 의 두께로 얇게 아연 코팅되어 있다.

도 4 는 본 발명에 따른 복합물 보강용의 또다른 대안적인 스틸코드(16)를 나타낸 것이다. 이 스틸코드(16)의 중심은 스트랜드

(20)가 밀폐된 구조를 이루고 서로 접촉하는 것을 방지하기에 충분한 두께의 가소성 물질(32)로 완전히 형성되어 있다. 따라서 이 가소성 물질(32)로 인해 개방 구조가 형성되며 인접한 스트랜드(20) 간에 마멸손상이 생기는 것을 막아준다. 스트랜드에서, 각 스트랜드(20)의 중심은 다른 가소성 물질(34)로 형성되어 있다. 7 개의 외부 필라멘트(28)가 다른 가소성 물질(34)을 둘러싸고 있다. 또한, 이 스틸코드 필라멘트도 평균 0.5 ㎛ 내지 1.0 ㎛ 의 두께로 얇게 아연 코팅되어 있다.

도 5 는 본 발명에 따른 아연 코팅된 스틸 필라멘트(36)의 단면도를 나타낸 것이다. 스틸 필라멘트(36)는 스틸 중심 및 2 마이크로미터보다 얇은 아연 코팅층(40)을 갖고 있다. 스틸 중심[(38), 약 100 % 스틸]과 아연 코팅층[(40), 약 100 % 아연] 사이에 아연-스틸 합금으로 이루어진 전이층(42)이 존재한다. 이러한 전이층은, 아연의 전해석출법(electrolytic deposition method)과는 대조적으로, 용융 도금공정에 의해 스틸 와이어를 아연 코팅시키면 수득할 수 있다. 용융 도금공정에서 스틸 와이어를 이동시켜 용융시킨 아연 욕조를 통과하게 하되 이 아연욕조에 아연코팅되게 놓아두었다. 스틸 와이어를 욕조에 수직으로 둔다면, 상대적으로 두껍고 거친 아연-스틸 합금층과 함께 두꺼운 아연층이 존재하게 된다. 두꺼운 아연층 및 스틸-아연 합금층은 단점을 갖는다. 두꺼운 아연층은 연이은 인발 및 꼬임 단계 동안에 다량의 아연 분진 및 아연 입자를 발생시킨다. 스틸-아연 합금층은 내식성을 증가시키지만 피로저항은 감소시키며 잘 부서지기 쉽다. 스틸 와이어를 수평선에 대하여 각도를 작게 한 상태로 욕조에 놓고 예를 들어, 세라믹 천으로 상기 스틸 와이어를 물리적으로 닦아내면, 수직으로 둔 스틸 와이어와 다른 3 가지 차이점이 나타날 것이다 :

( a ) 아연 코팅층의 두께 감소 ;

( b ) 아연-스틸 전이층의 두께 감소 ;

( c ) 아연 - 스틸 전이층의 거칠기 감소 .

이러한 모든 3 가지 차이점으로 인해 두 상반되는 요구조건인 충분한 내식성과 충분한 내피로성의 사이에 조정이 이루어지게 된다. 아연 코팅층의 감소된 두께(a) 및 아연-스틸 전이층의 감소된 두께(b)가 피로저항을 증가시켰다. 아연-스틸 전이층(b)의 존재로 아연-스틸 전이층이 존재하지 않는 경우에 비해 상당히 높은, 허용가능한 내식성이 야기되었다. 아연 코팅층의 감소된 두께(a) 및 아연-스틸 전이층의 거칠기 감소(c)에 의해 연이은 냉간인발 단계 동안에 아연 분진 및 아연 입자가 덜 발생하게 되었다. 부서지기 쉬운 전이층의 감소된 두께(b) 및 전이층의 감소된 거칠기(c)로 인해 냉간인발 단계 및 꼬임 단계 동안에 아연 코팅층의 감소된 두께(a)와 상기 냉간인발은 더이상 파열로 이어지지 않았다.

하기의 표 2 는 아연으로 용융 코팅하고 아연 욕조에 수직으로 놓아 둔 스틸 필라멘트로 구성된 기준 스틸코드 ① 과 아연으로 용융 코팅하고 수평면에 대해 작은 각도로 기울여 놓은 본 발명의 스틸코드 ② 사이의 내피로성의 차이를 나타낸 것이다.

Claims (10)

1. 하나 이상의 스트랜드를 포함하되, 각각의 스트랜드가 둘 또는 그 이상의 스틸 필라멘트를 포함하고, 이들 스틸 필라멘트 중 적어도 일부가 아연코팅되어 있는 열가소성 엘라스토머의 보강용에 적합한 스틸코드에 있어서, 아연 코팅층은 2 마이크로미터보다 더 얇은 두께를 가지며 아연 코팅층과 스틸 사이에 아연-스틸 합금층이 존재함을 특징으로 하는 열가소성 엘라스토머의 보강용에 적합한 스틸코드.
2. 제 1 항에 있어서, 아연 코팅층은 1 마이크로미터보다 얇은 두께를 가짐을 특징으로 하는 스틸코드.
3. 상기 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 스틸코드는 코드 중심 및 셋 또는 그 이상의 외부 스트랜드(20)를 포함하며 이 외부 스트랜드는 상기 코드 중심 주위로 꼬여져 있으며 이 코드 중심과 접촉되어 있음을 특징으로 하는 스틸코드.
4. 제 3 항에 있어서, 코드 중심이 가소성 물질임을 특징으로 하는 스틸코드.
5. 제 3 항에 있어서, 코드 중심은 둘 또는 그 이상의 필라멘트를 가지는 중심 스트랜드임을 특징으로 하는 스틸코드.
6. 제 5 항에 있어서, 스틸코드는 다음의 공식

   d₁ + 6 × d₂ + 6 × (d₂ + 6 × d₃) 와 함께

   d₁ > 1.05 × d₂ 및

   d₂ > 1.05 × d₃

   에 따라 중심 스트랜드 및 6 개의 외부 스트랜드를 가지는 스틸코드이되, 'd₁' 은 중심 스트랜드의 중심 필라멘트를 나타내되 이 중심 필라멘트가 직경 d₁ 을 가지고, 'd₂' 는 중심 스트랜드의 중심 필라멘트를 중심으로 꼬여져 있는 외부 필라멘트와 외부 스트랜드의 중심 필라멘트를 나타내되 중심 스트랜드의 중심 필라멘트를 중심으로 꼬여져 있는 외부 필라멘트와 외부 스트랜드의 중심 필라멘트가 모두 직경 d₂ 를 가지며, 'd₃' 는 외부 스트랜드의 중심 필라멘트를 중심으로 꼬여져 있는 외부 필라멘트를 나타내되 이 외부 필라멘트가 직경 d₃ 를 가짐을 특징으로 하는 스틸코드.
7. 모체 물질로서 열가소성 엘라스토머 및 보강재로서 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 스틸코드를 포함하는, 벨트로 사용하기 위한 복합물.
8. 삭제
9. 제 7 항에 있어서, 벨트는 홈이 파인 벨트임을 특징으로 하는 복합물.
10. 제 7 항에 있어서, 열가소성 엘라스토머가 폴리우레탄임을 특징으로 하는 복합물.

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