KR20130141430A - 저압 플라스마를 이용한 고무의 표면 처리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고무 재료를 포함하는 물체의 표면을 처리하는 방법에 관한 것으로서, 특히 차량의 타이어를 만드는 과정에서 사용되는 블래더(bladder)를 포함하는 고무 재료의 표면을 처리하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 물체의 표면을 플라스마가 형성되기 쉬운 정도의 낮은 기압의 기체에 놓는 단계 및 가스에서 플라스마를 형성시키는 단계를 포함한다. 고무 재료 표면이 쉽게 떨어지는 성질을 얻기 위하여, 테트라플루오르메탄 또는 헥사플루오르에탄과 같은 플루오르 가스가 사용된다. 바람직하게 상기 처리는 고무 재료의 표면층이 물체의 기대수명에 상응하는 기대수명을 갖도록 개질된 특성을 가질 때까지 수행된다.

Description

저압 플라스마를 이용한 고무의 표면 처리{SURFACE TREATMENT OF RUBBER USING LOW PRESSURE PLASMA}
본 발명은 저압의 플라스마를 이용한 물질의 표면 처리에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 특정한 표면 특성을 얻기 위하여 표면을 개질하는 고무의 표면 처리에 관한 것이다.
모든 종류의 차량 타이어 제조에서, 가류되지 않은(unvulcanized) 고무 조성물 층을 포함하는 타이어 블랭크(tyre blank) 또는 “그린타이어(green tyre)”는 외부 윤곽, 즉 타이어의 프로파일, 타이어 측면의 기하학적 구조 및 타이어의 트레드(tread) 패턴을 제공하는 금속 몰드에 놓인다. 가류되지 않은 타이어 블랭크를 금속 몰드 안으로 밀어 넣기 위하여 블래더(bladder)를 그린 타이어 안에 놓고 뜨거운 증기로 압력을 가한다. 증기압에 의하여 블래더는 그린타이어를 몰드의 빈 공간으로 밀어 넣고, 그린타이어에 열을 가하면, 가류가 일어난다. 블래더는 일반적으로 고무로 구성된다. 타이어 크기 및 종류에 따라 이 공정은 약 20~30분이 소요된다.
가류 공정 중에 그린타이어가 블래더에 부착되지 않도록 하기 위해서 그린타이어와 접촉하는 블래더 표면에 이형제(release agent)가 적용된다. 블래더에 이형제를 사용하지 않거나, 충분히 사용하지 않는다면, 가류된 타이어로부터 블래더를 분리하는 것이 어렵거나 불가능할 수도 있다. 하나의 블래더는 약 400 ~ 600 개의 타이어를 생산하는데 사용될 수 있으며, 힘과 수명에 따라 교체되고 버려진다.
주로 실리콘이나 탈크(talc)를 기본으로 구성된 이형제가 사용된다. 실제로 블래더 위에 있는 몇몇 이형제 일부는 결과물 타이어의 안쪽(이너 라이너)으로 옮겨지기 때문에 몇 번의, 가령 4 ~ 6 번의 가류 이후에 다시 적용되어야 할 것이다.
타이어 안쪽에 남겨진 이형제는, 특히 예를 들어 어떤 물질 또는 일부가 이너 라이너에 늦게 적용될 경우, 문제를 일으킬 수 있다.
이러한 물질의 예로는 수리 및 타이어 펑크를 막기 위한 실링재가 있으며, 이것은 이너 라이너에 이형제가 없을 때만 작용한다.
다른 예로는 측정 기구, 예를 들어 타이어의 온도를 측정하는 기구가 있다.
따라서 이너 라이너의 표면은 고가의 에너지를 많이 소모하는 공정 및 오염 물질 제거제를 사용하여 세척된다. 그러나 세척조차 특정 이형제에만 효과가 있으며, 만족스럽지 못한 문제가 있다.
또 다른 예로 몇몇 자동차 제조자들이 타이어의 소음을 줄이기 위해 이너 라이너에 방음 발포체(acoustic foam) 스트립을 부착하는 것이다. 이것은 현재 발포체를 부착할 부분을 기계적으로 거칠게 했을 때만 가능하며, 이너 라이너에 상처를 입힐 수도 있다.
본 출원인은 타이어 및/또는 타이어가 고정된 바퀴의 균형을 맞추는 목적으로 타이어의 이너 라이너에 적용할 수 있는 방법 및 물질로 예를 들어, 젤리 또는 요변성 물질(thixotropic substance) 등을 개발하였다. 이러한 물질을 제한하기 위하여, 이너 라이너에 리브(ribs)를 적용하고, 리브를 적용하기 전에 이너 라이너를 세척하고 다른 이형제를 제거하는 것이 필요하다.
아래와 같이 다양한 방법으로 시험이 이루어졌다.
- 용제를 이용하여 세척하는 것
- 고압의 클리너로 세척하는 것
- 프라이머(primer)의 적용
- 이너 라이너를 기계적으로 거칠게 하는 것
열가소성 수지 물질과 탄성중합체에 대한 플라스마 처리는 잘 알려진 것이다. 그러나 표면을 개질하는 목적은 페인트 및 다른 표면 처리 물질과 같은 다른 물질이 이후에 더 잘 부착되도록 하기 위한 것이다. 전형적인 예는 자동차 산업에 있으며, 예를 들어 범퍼와 같은 몸체 부분을 저압의 플라스마로 처리하여 몸체부에 페인트 부착성을 높이는 것이다. 이러한 범퍼는 전형적으로 PP (polylropylene) 또는 EPDM (Ethylene Prophlene Diene Monomer)으로 만들고, 이러한 재료에는 다른 재료가 잘 부착되지 않을 것이므로, 이러한 재료의 범퍼는 보통 튼튼하게 페인트칠을 할 수 없다. 저압의 플라스마 처리를 통하여 범퍼 표면이 개질됨으로써 페인트가 잘 부착되는 것이다. 이러한 개질은 보통 산소 플라스마에서 수행된다.
미국등록특허 제6,488,992호에는 오링(O-ring)을 포함하는 탄성중합체 밀봉재가 탄성중합체 표면에 플라스마 폴리머화 기술로 적용되는 화학적으로 저항력이 있는 얇은 필름을 가질 수 있다는 점이 개시되어 있으며, 탄성중합체의 물리적인 특성을 변화시키지 않으면서 내마모성 및 환경저항성을 향상시킬 수 있다. 이 필름은 무선 주파수/마이크로파 이중 전력원 리액터에서 플라스마 증착을 적용한 실란 폴리머일 수 있다.
미국등록특허 제5,198,033호에는 배관, 전선, 망과 같은 스트립 스톡(strip-stock)을 처리하는 플라스마 처리 장치를 제공하며, 스트립 스톡을 장치의 플라스마 처리 구간을 통과시킴으로써 처리하는 것이다. 이 문헌에는 물질의 장력이 미리 결정된 범위 내에서 유지된다면, 이 장치가 표면 처리의 일관성을 향상시킬 수 있다는 점이 개시되어 있다.
미국공개특허 제2009/289396호에는 폴리머 물질을 재활용하는 방법이 개시되어 있으며, 폴리머 물질은 특히 바로 앞 단계의 제품 또는 물건으로부터 얻은 입자 형태의 고체 폴리머 물질을 얻는 것을 포함하는 타이어 등에서 얻을 수 있는 가황 고무(cured rubber)이다. 이 폴리머 입자는 화학적으로 활성화된 표면을 제공하기 위해 입자 표면을 화학적으로 개질하는 유체 처리 수단에 노출되는 한편, 폴리머의 특성은 입자 안에 유지시킨다. 활성화된 폴리머 입자 표면은 유동성이 있는 바인더 또는 매트릭스 물질과 결합된다. 다음으로, 바인더 또는 매트릭스는 표면 활성화된 폴리머 입자와 밀접하게 접촉된 상태로 가류, 건조, 또는 세팅되며, 상기 가류, 건조 또는 세팅된 바인더 또는 매트릭스 물질에 결합된 표면을 가진 재활용된 폴리머 입자를 포함하는 물질의 몸체를 형성한다. 이러한 방법으로, 입자 물질의 큰 부분이 예를 들어 탄성중합체 성능과 같은 좋은 성능을 나타내는 새로운 제품으로 재활용될 수 있다.
미국등록특허 제4,214,014호에는 렌즈 위 불순물의 침전을 줄이기 위해, 성형 및 연마 공정을 마친 렌즈를 산소 분위기의 가스 방전(gas discharge) 상태에 놓는 단계를 포함하는 하드 렌즈 또는 탈수된 친수성 콘텍트 렌즈의 표면 처리에 대해 개시하고 있다.
국제공개특허 WO 00/01528 A1은 플라스마 표면 개질을 이용하여 특정 표면을 화학적으로 개질하는 방법에 대해 개시하고 있다. 적어도 두 개의 구성요소를 갖는 신발류를 제조하는 방법은 플라스마 표면 개질 방법을 이용하여 한 구성요소의 표면을 화학적으로 개질하는 단계를 포함한다. 개질된 구성요소의 표면은 다른 구성요소 표면에 접착된다. 이 기술에 의해 구성요소 표면에 더해지는 작용기 (functionalities)는 염소, 산소 및 아민 작용기를 포함한다. 염소와 산소를 함유하는 작용기, 염소와 아민 작용기 또는 아민과 산소 작용기를 포함하는 플라스마 표면 개질을 이용하여 물질의 표면을 화학적으로 개질시킴으로써 물질의 접착력이 더 향상된다.
본 발명은 저압의 플라스마를 이용하여 블래더 표면 및 고무 재료를 포함하는 다른 물체의 표면을 개질하는 방법을 제공한다. 저압의 플라스마를 제조하기 위하여 바람직하게 플루오르 가스가 사용되며, 예를 들어 테트라플루오르메탄 및 헥사플루오르에탄을 약 0.3 mbar의 낮은 압력으로 사용한다.
본 발명의 방법은 고무 표면이 다른 물질과 접촉 시 쉽게 떨어지는 성질(repellent property)을 제공한다. 특히 차량의 타이어 제조에 사용되는 고무 블래더가 쉽게 떨어지는 성질을 갖도록 본 발명의 방법을 사용하여 처리함으로써, 그린타이어의 이너 라이너 고무 혼합물과 접촉하였을 때 부착력이 거의 없어서 가류된 타이어로부터 블래더를 분리하기 용이한 특성을 가질 수 있다.
플라스마 가스로서 플루오르 가스를 사용하기 때문에 고무 재료의 표면은 활성화되지 않고, 따라서 다른 물질이 부착되지 않는다. 플라스마 가스에 의한 표면 개질은 보통 나노미터 범위의 두께를 갖는 매우 얇은 표면층에서만 가능하다. 그러나 적어도 차량의 타이어 제조에 사용되는 블래더 표면을 처리하는데 이러한 두께가 충분하다는 것이 실험에서 나타난다. 일반적인 생산 파라미터에서 가류 시험이 수행되었고, 500번의 시험 가류 이후에도 동일하게 쉽게 떨어지는 효과를 나타내었으며, 이는 블래더의 수명과 일치하는 것이다.
본 발명의 방법으로 처리된 블래더를 이용함으로써 타이어 제조자는 타이어를 약 5 개 제조할 때마다 블래더를 이형제로 코팅하는 반복적인 수작업을 할 필요가 없을 것이다. 따라서 본 발명은 노동력 및 노동 시간을 절감하고, 이형제의 사용을 피할 수 있어, 환경뿐만 아니라 작업장 및 기계에 오염물질이 발생하지 않는다. 때로 불만족스러울 수 있는 이너 라이너로부터 이형제를 제거하는 복잡한 공정 역시 피할 수 있다.
도 1은 본 발명의 방법을 수행하는데 사용되는 시스템을 도식으로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에서 사용된 용어 “포함” 또는 “포함하는” 등은 언급된 구성요소, 수치, 단계를 포함하는 것 또는 구성요소, 수치, 단계의 그룹을 암시하는 것이며, 어떠한 다른 구성요소, 수치, 단계 또는 다른 구성요소, 수치, 단계의 그룹을 제외한다는 것이 아니다.
도 1은 하나 이상의 처리할 물체를 수용하기에 충분한 부피를 가지는 밀폐된 챔버(11)가 있는 시스템(10)을 나타낸다. 챔버(11)에 배출 펌프(12)가 연결되어 있으며, 챔버(11)에서 배출하는 것을 조절할 수 있다. 예를 들어, 금속 콘테이너 형태의 가스 공급부(13)가 제공되며, 제어 가능한 가스 주입 밸브(14)를 통하여 챔버(11)에 플라스마 형성이 쉬운 가스를 공급하기 위한 것이다. 고주파 전기 신호를 생성하고 챔버(11) 안에 있는 전극(16)에 고주파 전기 신호를 공급하기 의해 고주파 발생기(15)를 제어할 수 있으며, 챔버 안에 있는 가스로 플라스마를 형성하게 된다. 챔버(11) 안에서 플라스마를 형성하고 유지하기에 적합한 저압의 가스는 배출 펌프(12) 및/또는 가스 주입 밸브(14)의 적절한 작동에 의해서 설정되고 유지된다. 공기 주입 밸브(17)는 챔버(11) 안으로 대기의 공기를 주입하기 위해 제공된다.
본 발명의 방법을 수행하는데 사용될 수 있는 시스템(10)의 예로서는 TETRA-150-LF-PC (Diener electronic GmbH + Co. KG, Ngolderstrasse 61, D-72224 Ebhausen, Germany)가 있다. 더 작은 부분으로는 TETRA 30 시스템을 사용할 수도 있다. 물론 특별히 디자인된 저압 플라스마 발생 장치 또는 다른 공급자의 장치를 사용할 수도 있다.
본 발명의 방법을 수행하는데 사용될 수 있는 또 다른 시스템(10)의 예는 TF 5000 PC 시스템이다.
도 1은 또한 본 발명의 시스템에서 처리되는 물체(20)를 나타낸다. 도면에 나타난 물체(20)는 차량의 타이어를 만드는 공정에 사용되는 블래더이다. 상기 블래더는 블래더를 사용하여 제조되는 타이어의 이너 라이너와의 부착되지 않도록 하기 위해 쉽게 떨어지는 성질(repellent property)을 가지도록 처리된 표면을 갖는 고무 재료로 구성되어 있다. 다른 고무 물체도 역시 쉽게 떨어지는 성질을 갖도록 처리할 수 있다.
물체(20)를 챔버(11) 안에 위치시켰을 때, 챔버로부터 공기가 배출되도록 배출 펌프(12)를 제어한다. 챔버 안에 적당히 낮은 기압이 형성되었을 때, 가스 주입 밸브(14)를 열어서 가스 공급 컨테이너(13)로부터 챔버(11) 안으로 가스가 들어가도록 제어한다. 처리되는 물체(20)가 고무 재료로 구성되는 블래더인 본 실시예에서 가스는 테트라플루오르메탄, 헥사플루오르에탄 또는 이들의 혼합물과 같은 플루오르 가스를 포함하며, 압력은 0.3 mbar 정도로 낮은 것이 좋다.
본 발명에서 다른 가스로는 테트라플루오르메탄, 헥사플루오르에탄, 삼불화질소(NF3) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 압력은 낮아야 하며, 약 0.3 mbar 내지 0.5 mbar일 수 있다.
다음으로 고주파 발생기(15)를 제어하여 챔버(11) 안에 있는 전극(16)에 공급되는 고주파 전기 신호를 생성하며, 챔버 안에 전자기장이 형성될 것이다. 고주파 전기 신호의 주파수는 플루오르 가스가 챔버 안에서 플라스마를 형성하도록 하는데 적합하며, kHz, MHz 또는 GHz 범위 내일 수 있다.
처리 시간은 원하는 결과에 따라 다르고, 전자기장의 힘에 따라 달라진다. 플루오르 가스는 불체의 표면을 나노미터 두께 범위에서 개질시킨다. 상기 물체가 블래더인 경우, 개질된 표면층이 기대 되는 작업 조건 하에서 블래더의 기대 수명을 유지할 수 있는 두께를 가지는 것이 바람직하다. 상용화된 블래더와 일치하는 샘플에 대하여 시험을 수행한 결과, 차량의 타이어에 대한 수 백 번의 가류를 견딜 수 있는 발수성(repellent property)을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었으며, 예컨대, 이는 상용화된 블래더의 수명과 일치하는 것이다. 이것은 블래더의 기대 수명 기간 중에 반복적으로 추가 처리를 할 필요가 없으며, 단 한 번의 처리만 필요하다는 것을 의미한다. 상기 언급한 상용화된 시스템에서 수행한 시험에 의하면 처리 시간은 1시간 이내면 충분할 것이다.
다른 시험에 의하면 45분의 처리 시간도 충분할 것이다.
플라스마 처리를 거친 블래더는 팽창되어 있기 때문에, 타이어 제조 공정에서 저압의 플라스마로 처리된 부분은 스트레칭에 의하여 늘어나서 지나치게 얇아질 것이다. 이 부분의 개선을 위하여 스트레칭된 상태(stretched position)에서 블래더에 플리스마 처리를 할 수 있으며, 이는 블래더를 챔버(11) 안에 팽창된 상태로 놓고 팽창된 블래더에 플라스마 처리 과정을 수행하는 것을 의미한다. 스트레칭은 기계적인 수단에 의하여 이루어질 수 있다. 이 경우, 기계적 스트레칭 장치가 사용되며, 이 장치는 타이어 제조 공정 중에 스트레칭 되는 것과 동일 또는 유사한 방법으로 블래더를 스트레칭 한다. 스트레칭은 또한 블래더 안의 공기압 또는 가스압에 의하여 이루어질 수 있다. 이 경우, 블래더의 입구를 폐쇄 장치로 막아야 한다. 폐쇄 장치에 공기를 주입하여, 블래더를 타이어 제조 공정 중에 스트레칭 되는 것과 동일 또는 유사한 방법으로 스트레칭하기 위하여 공기 또는 가스 압력을 블래더에 적용할 수 있다.
블래더를 스트레칭하는 다른 가능한 방법으로는 블래더 안에 고무 호스를 주입하는 것이 있으며, 공기 또는 가스 압으로 호스를 부풀리고 팽창된 호스로 블래더를 타이어 제조 공정 중에 스트레칭 되는 것과 동일 또는 유사한 방법으로 스트레칭하는 것이다.
저압 처리 이전에 블래더 또는 호스 안에 주입되는 공기압의 양을 생각할 때, 진공의 챔버 안에 발생하는 저압으로 인해 추가 팽창이 일어나는 점을 고려하여야 한다.

Claims (13)

  1. 물체의 표면을 플라스마가 형성되기 쉬운 정도의 낮은 압력의 기체에 놓는 단계; 및
    가스에서 플라스마를 형성시키는 단계를 포함하는 고무 재료를 포함한 물체의 표면 처리 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기체는 플루오르 가스인 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 플루오르 가스는 테트라플루오르메탄 및/또는 헥사플루오르메탄을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물체는 차량의 타이어를 만드는 과정에서 사용되는 블래더(bladder)인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 처리는 처리에 의해서 고무 재료의 표면층이 물체의 기대수명에 상응하는 기대수명을 갖도록 개질된 특성을 가질 때까지 수행되는 것인 방법.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 표면 처리는 처리에 의해서 고무 재료의 표면층이 물체의 기대수명에 상응하는 기대수명을 갖도록 개질된 특성을 가질 때까지 수행되며, 상기 블래더는 플라스마 처리 동안 스트레칭된 상태(stretched position)인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스트레칭(stretching)은 기계적 수단에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스트레칭(stretching)은 블래더 안의 공기 또는 가스압에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 방법을 사용하여 얻어진 표면을 갖는 고무 재료를 포함하는 물체.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 물체는 차량의 타이어를 만드는 과정에 사용되는 블래더인 것을 특징으로 하는 물체.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 물체는 제 5항 또는 제 6항의 방법을 사용하여 만들어진 블래더인 것을 특징으로 하는 물체.
  12. 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스트레칭은 타이어 제조 공정에서 블래더에 나타는 것과 동일 또는 유사한 방법으로 블래더를 스트레칭하기 위해서 기계적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 물체.
  13. 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스트레칭은 타이어 제조 공정에서 블래더에 나타는 것과 동일 또는 유사한 방법으로 블래더를 스트레칭하기 위해서 압축 공기 또는 압축 가스를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 물체.

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