타이어 만드는 섬유소재, 강도 높여 빠르게 생산한다

한국생산기술연구원

개발한 고강도 PET 섬유. 생기연 제공

국내 연구진이 자동차 타이어의 내구성이나 안전성을 높이기 위한 보강재 '타이어 코드'의 핵심 소재 폴리에스터(PET)의 인장 강도를 15% 늘린 PET 섬유소재를 제조하는 데 성공했다. 순간 고온으로 가열할 수 있는 히팅장치를 개발한 것이다. 

한국생산기술연구원은 함완규 섬유연구부문 수석연구원 연구팀이 방사 속도를 올려도 안정적인 섬유 생산이 가능하고 더욱 우수한 기계적 물성을 갖는 새로운 개념의 '고강도 PET 섬유 제조기술'을 개발했다고 28일 밝혔다.  

폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate)는 폴리에스터 또는 PET으로 불리는 고분자 소재로 1950년대 초반 섬유 소재로 상용화됐다. 최근 자동차, 항공운송 등 경량·고성능 섬유 소재로 사용이 확대되고 있다. 한국이 글로벌 시장에서 점유율 50% 이상을 차지하는 자동차용 타이어 코드의 핵심 소재다.   
   
PET 섬유 제조의 핵심은 용융방사 공정이다. PET 수지를 280도 이상 고온에서 녹인 후 방사노즐을 통해 압출돼 나온 용융상태의 고분자를 당기고 냉각시켜 원하는 섬유 굵기와 물성을 갖도록 만드는 과정이다. 이때 방사 속도가 PET 섬유 생산량을 좌우하는데, 방사 속도를 올릴 경우 섬유가 끊어지거나 물성이 떨어지는 문제가 발생했다. 

연구팀은 용융상태의 PET 고분자 사슬의 얽힘 구조를 제어하는 기술에 주목했다. 용융상태에서 실 뭉치처럼 얽혀있는 고분자 사슬 간 밀도와 간격을 적절하게 제어하면 방사공정에서의 용융 점도가 떨어져 방사장력이 낮아지고 방사장력이 낮아지면 연신비를 높일 수 있을 것으로 예측했다. 방사장력은 노즐에서 토출된 섬유가 고체화되는 동안 걸리는 섬유 내부 응력을 뜻한다. 연신비는 연신공정에서 섬유를 늘리거나 당길 수 있는 비율이다.
   
연구팀은 고분자 사슬 간 얽힘 구조를 제어할 수 있도록 방사 노즐을 재설계하고 순간적으로 방사온도 대비 100도 이상 섬유를 가열할 수 있는 소형 히팅장치를 개발했다. PET 섬유는 280~300도 이상 온도가 올라가면 화학물질이 분해되는 '열분해'가 일어난다. 400도까지 가열해도 열분해 없이 안정적으로 방사 가능한 것이 기술의 핵심이다. 

연구팀이 개발된 기술을 적용한 결과 산업용 고분자량 PET 수지 최대 방사속도가 분당 약 3km에서 3.6km로 증가하고 인장 강도는 15% 개선되는 것으로 나타났다. 함완규 수석연구원은 “순간 국부 가열로 용융구조를 제어하기 때문에 전력 사용량을 10% 이상 줄일 수 있고 PET 섬유에 첨가제를 쓰지 않아 섬유 폐기물을 100% 재활용할 수 있는 것도 장점”이라며 “간단한 설비 개조 만으로 생산성과 물성을 동시에 향상시킬 수 있어 현재 국내 기업들과 실용화를 협의 중”이라고 밝혔다.

함완규 섬유연구부문 수석연구원 연구팀. 생기연 제공

 

[윤영혜 기자 yyh@donga.com]