파라아라미드는 높은 강도, 높은 탄성 계수, 피로 저항성, 낮은 크립 등 우수한 기계적 특성으로 인해 고성능 타이어에 사용됩니다.
1895년 미쉐린 최초의 공기 타이어가 공식 생산된 이후, 자동차 산업의 급속한 발전과 함께 타이어 산업은 끊임없이 기술을 발전시키고 신제품을 출시해 왔습니다. 이제 전 세계적으로 성숙하고 완전한 타이어 생산 체인이 형성되었습니다. 타이어의 경우, 골격 재료는 타이어 강도, 하중 지지력, 그리고 타이어 치수 안정성을 보장하는 핵심 소재입니다. 레이디얼 타이어의 인기가 높아짐에 따라 고성능 레이디얼 타이어와 친환경 타이어가 점차 개발되고 있으며, 이는 골격 재료의 성능에 대한 요구 사항을 더욱 높이고 있습니다. 파라-아라미드는 우수한 소재 특성으로 인해 고성능 타이어에 점차 사용되고 있습니다.
타이어 골격 재료의 분류 및 성능
골격 재료는 고무 제품의 주요 응력 지지층으로, 고무 제품의 성능, 사용 수명 및 사용 가치에 결정적인 역할을 합니다. 이상적인 골격 재료는 고강도, 고탄성률, 피로 저항성, 낮은 크리프와 같은 기계적 특성과 저밀도, 고온 및 저온 저항성, 내식성, 난연성과 같은 물리적 및 화학적 특성을 모두 가져야 합니다. 타이어 섬유 골격 재료는 네 가지 주요 범주로 나뉘며, 각각 장단점을 가지고 있습니다.
(1) 레이온 코드는 우수한 고온 탄성률 유지율과 낮은 수축률을 가지며, 치수 안정성이 나일론 및 폴리에스터 코드보다 훨씬 우수합니다. 레이온 코드는 레이디얼 타이어 카커스에 사용되어 타이어의 우수한 핸들링 성능을 구현할 수 있지만, 습윤 강도가 낮고 생산 공정 오염이 심각합니다.
(2) 폴리에스터 코드는 높은 탄성률, 높은 강도, 낮은 신율, 낮은 열 수축률, 우수한 치수 안정성, 그리고 건조 및 습윤 강도가 거의 동일한 장점을 가지고 있습니다. 레이온 코드보다 피로 저항성과 내충격성이 우수하지만, 고온에서 온도 상승으로 인해 아미노 분해가 발생합니다.
(3) 나일론 코드의 장점은 고강도, 낮은 상대 밀도, 낮은 히스테리시스 손실, 낮은 수분 흡수율, 높은 습윤 강도, 우수한 탄성, 레이온 코드보다 10배 높은 굴곡 저항성, 다른 섬유 코드보다 우수한 피로 저항성입니다. 주요 단점은 큰 열 수축률, 열 안정성 및 치수 안정성이 낮다는 것입니다.
(4) 아라미드 코드는 고온 저항성, 고강도, 고탄성률, 작은 변형률 등의 특징으로 최근 몇 년 동안 점차 사용이 확대되고 있습니다. 연구에 따르면 아라미드 코드는 타이어의 무게와 구름 저항을 줄일 뿐만 아니라 타이어의 펑크 저항성과 절단 저항성을 향상시키는 데에도 도움이 되는 것으로 나타났습니다.
일반적으로 사용되는 타이어 골격 재료의 성능 비교는 표 1에 나와 있습니다.
| 품목 |
파라 아라미드 |
강철 와이어 |
레이온 |
나일론 66 |
폴리에스터 |
| 밀도/（Mg∙m^-3） |
1.44 |
7.85 |
1.53 |
1.14 |
1.38 |
| 분해 온도(질소)/°C |
>500 |
1600 |
200 |
255 |
260 |
| 인장강도/MPa |
2830 |
2550 |
780 |
960 |
1150 |
| 비강도/(mN∙tex^-1) |
1970 |
330 |
510 |
840 |
830 |
| 초기 탄성 계수/GPa |
80 |
160 |
18 |
6 |
14 |
| 비탄성률/(N∙tex^-1) |
55 |
20 |
12 |
5 |
10 |
| 열팽창계수 ×10⁶/K^-1 |
-2.2 |
3.7 |
- |
- |
- |
| 파단신율/% |
3.6 |
1.9 |
13.0 |
20.0 |
13.5 |
| 200°C×48h 후 강도 유지율/% |
90 |
100 |
20 |
45 |
55 |
| 공기 건조 열 수축률(160 °C ×4분)/% |
<0.1 |
0 |
1.0 |
3.8 |
5.0 |
파라아라미드의 비강도와 비탄성률은 강철 와이어의 약 6배와 3배, 나일론 66의 2배와 10배에 달합니다. 파라아라미드 소재는 -200~200°C의 온도 범위에서도 정상적인 성능을 유지합니다. 동일한 인장 강도를 유지함으로써 고무 제품의 무게를 크게 줄일 수 있으며, 극한 기후 조건에서도 사용 가능합니다. 파라아라미드는 뛰어난 저크리프성, 내피로성, 저열수축성, 내화학성 등을 갖추고 있어 고무 제품의 치수 안정성을 크게 향상시키고 수명을 연장할 수 있습니다. 따라서 파라아라미드는 매우 이상적인 타이어 골격 소재입니다.
타이어 골격 소재에 파라아라미드의 적용
타이어 구조에 아라미드가 처음 적용된 것은 레이디얼 타이어 벨트층이었습니다. 그 특수한 특성 덕분에 현재 다양한 타이어 부품에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 기술적 관점에서 아라미드는 타이어의 모든 부분에 대한 골격 재료로 사용될 수 있으며, 수지와 결합하여 강철 와이어를 대체하여 타이어 비드를 만들어 타이어 무게를 크게 줄일 수도 있습니다. 현재 아라미드는 노출된 가장자리 벨트층, 접힌 벨트층, 원주 벨트층, 레이디얼 타이어 카커스, 비드 커버, 와이어 링, 레이싱 바이어스 타이어 카커스, 바이어스 타이어 버퍼층 등에 적용된 사례가 있습니다.
승용차 타이어 벨트층에 2×0.30HT 강철 코드 대신 1680dtex/2 아라미드 코드를 적용하면 타이어 무게를 6.4~7.5%, 구름 저항을 12.5% 줄일 수 있습니다. 카카스와 벨트층에 1680dtex/2 아라미드 코드를 적용하면 타이어 무게를 15% 줄일 수 있으며, 타이어의 다른 특성도 표준 요건을 충족하고 차량의 승차감을 향상시킬 수 있습니다.
동일한 질량 대비 강도와 탄성률이 폴리에스터, 폴리아미드, 스틸 와이어 등의 소재보다 훨씬 뛰어나며, 안전성과 내구성이 매우 뛰어납니다. 접이식 레이싱 타이어에 스틸 코드 대신 아라미드 코드를 사용하는 가장 큰 장점은 타이어 무게를 줄이고 접을 수 있다는 것입니다. 아라미드의 경량 특성은 고성능 레이싱 타이어에 매우 적합합니다. 차량 무게를 줄이는 동시에 더 빠른 제동력과 향상된 코너링 성능을 얻을 수 있습니다.
전강재 레이디얼 타이어의 충진재에 아라미드 단섬유를 적용했습니다. 아라미드 단섬유 자체의 특수 구조와 특성은 고무 제품에 고탄성률, 고경도, 고강도, 치수 안정성, 내마모성과 같은 우수한 특성을 부여할 수 있습니다. 시험 결과, 아라미드 단섬유는 고무 컴파운드의 무니 점도를 감소시키고, t90을 단축시키며, 온도 상승을 감소시키고, 손실 계수를 감소시키며, 페인 효과를 감소시키고, 완성된 타이어의 내구성을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 이는 아라미드 소재가 타이어 성능 향상에 매우 효과적임을 시사합니다.
| 품목 |
1100데시텍스/2 |
1680dtex/2 |
| 파단강도/N |
≥330 |
≥450 |
| 불균일한 파단 강도 비율/% |
≤3.5 |
≤3.5 |
| 정격 하중에서의 신장률 66.6 N/% |
1.8±0.6 |
2.0±0.6 |
| 파단신율/% |
4.5±1.5 |
6.0±1.5 |
| 파단 시 신장 불균일성/% |
≤5.0 |
≤5.0 |
| 건열수축률/% |
≤0.5 |
≤0.5 |
| H 추출력/（N•cm^-1) |
≥100 |
≥130 |
아라미드 코드는 고무 골격 소재로서 많은 장점을 가지고 있지만, 압축 및 굽힘 피로 저항성 저하, 접합의 어려움, 높은 생산 비용 등의 문제점으로 인해 아라미드 코드의 폭넓은 적용에 제약이 있습니다. 따라서 아라미드/고강도 나일론 복합 코드 직물이 개발되었습니다. 아라미드와 나일론을 일정 비율로 방사, 연사, 침지 및 열처리하여 얻은 복합 코드 직물은 나일론과 아라미드의 단점을 해소하고 두 섬유의 장점을 결합하여 상호 보완적인 물성을 구현하고 고성능 타이어의 엄격한 요구 조건을 충족할 수 있습니다. 앞으로 복합 코드 직물은 타이어 분야에서 점점 더 널리 사용될 것입니다.
