KR100278470B1 - 셀룰로오스 필라멘트사의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 N-메틸몰포린-N-옥사이드 용매를 사용하여 셀룰로오스 필라멘트사를 제조하기 위한 방법 및 그 제조장치에 관한 것으로, 셀룰로오스 용액을 방사노즐을 통해 압출시키고, 이 압출 필라멘트를 공기층에서 냉각 고화, 응고욕조에서 응고시킨 다음, 수세욕에서 수세하여 셀룰로오스 필라멘트사를 제조하는 방법 또는 장치에 있어서, 수직 아래 방향으로 공기층을 통과하는 압출 필라멘트의 둘레에서 수평방향에 대해 일정 주입각도를 갖는 상방향으로 압출 필라멘트에 냉각공기를 주입하여 냉각 고화시키고, 하단에 필라멘트사가 토출될 수 있는 일정 크기의 캡 홀이 구비된 원추형 응고욕조를 사용하여 응고욕조를 통과하는 필라멘트를 상기 캡 홀을 통하여 아래 방향으로 토출시키는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에서는, 간단한 장치에 의해 우수한 방사성으로 물성이 우수한 셀룰로오스 필라멘트사를 제조할 수 있게 해 준다.

Description

셀룰로오스 필라멘트사의 제조방법 및 제조장치

본 발명은 N-메틸몰포린-N-옥사이드 용매를 사용하여 셀룰로오스 필라멘트사를 제조하기 위한 방법 및 그 제조장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 압출된 필라멘트를 냉각 공기로 냉각 고화시키는 부분 및 냉각 고화된 피라멘트를 응고욕조에 의해 응고시키는 부분을 개선함으로써, 간단한 장치를 사용하면서도 방사성이 우수할 뿐만 아니라, 인장성질 등의 제 물성이 우수한 필라멘트사를 제조할 수 있는 셀룰로오스 필라멘트사의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.

N-메틸몰포린-N-옥사이드(이하 "NMMO"라고 함) 용매를 사용한 셀룰로오스 성형물 제조공정은 천연 펄프 사용, 무독성 용매 사용, 용매의 전량 회수와 재사용에 따른 무공해 공정, 및 성형물의 높은 기계적 성질 등으로 인해 새로운 셀룰로오스 소재 공정으로 이용되고 있다. 이미 NMMO 공정에 의해 제조된 셀룰로오스 섬유는 새로운 소재로 인정받아 "리오셀"로 명명되기에 이르렀다.

일반적으로, NMMO 용매 공정에 의하여 셀룰로오스 섬유를 제조하는 종래의 방법은, 주로 수천 내지 수만개의 홀로 이루어진 방사구금으로부터 다량의 필라멘트를 응고욕 속으로 압출시킨 후 응고수세공정을 거치게 되는데, 이때 평행상태의 필라멘트 다발(토우사)은 건조공정을 거친 후 일정길이를 갖는 섬유로 절단하거나, 또는 수세공정후 젖은 상태에서 절단하여 건조공정을 거쳐, 최종적으로 일정길이를 갖는 섬유(스테이플사)를 제조하는 공정으로 이루어져 있다.

미국 특허 제 5,589,125호는 압출된 용액을 응고욕에 입수시키기 전에 기류속에 노출시켜 냉각시키는 방법에 관한 것으로, 기류를 압출 필라멘트 내부와 외부 양쪽에서 압출 필라멘트에 대하여 수직으로 공급해 주는 방법이다. 그런데, 이 방법은 기류를 압출 필라멘트에 대하여 수직으로 공급하기 때문에 인접 필라멘트간의 충돌로 인하여 방사성이 불안정한 문제점이 있다.

미국 특허 제 5,639,484호는, 사각 노즐을 이용하는 NMMO 용매 공정에 의하여 셀룰로오스 필라멘트 토우사를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 압출 필라멘트를 냉각시키기 위해 송풍노즐과 그 맞은 편에 흡입노즐을 설치하고, 이를 통과한 필라멘트사를 응고시키기 위해 방사욕조로 구성된 방사셀을 설치하는 기술에 대해 기술하고 있다. 이 방법에서는 압출 필라멘트에 대하여 횡방향으로 냉각 공기를 송풍하고, 냉각된 필라멘트를 응고욕을 함유하고 있는 방사셀로 입수시켜 용매 추출 및 응고를 시킨 후, 방사욕조를 통과시킴으로써 셀룰로오스 토우사를 제조한다. 그런데, 이 방법은 그 방사셀의 구성이 복잡할 뿐만 아니라 필라멘트 수가 수십인 셀룰로오스 필라멘트사를 제조하기에는 공정상 부적합하며, 또 한쪽에서 압출 필라멘트에 대하여 횡방향으로 송풍할 경우 인접 필라멘트간의 접촉으로 인하여 방사중 사절 현상이 일어날 수 있는 문제점이 있다.

미국 특허 제 5,698,151호는 압출 셀룰로오스 필라멘트를 층상 기체 기류에 노출시켜 냉각시킨 후, 응고욕에 입수시켜 섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 압출 필라멘트에 층상의 냉각 기류를 수직방향으로 가하는 것을 특징으로 한다. 이 냉각 기류는 방사팩 중심을 관통하는 파이프형 입구에서 나와 배플 플레이트를 거쳐 방사상으로 압출 필라멘트에 가해진다. 배플 플레이트는 기류의 하방 수직방향을 압출 필라멘트에 대한 수직방향으로 변화시켜 주기 위해 사용되는 장치이다. 그런데, 이 방법에서는, 방사팩 중심을 관통하여 냉각기류를 보내기 때문에 방사팩 구성이 복잡하며, 또한 압출된 필라멘트에 대해 수직인 횡단면 방향으로 한쪽에서 송풍하기 때문에 공기층 길이가 길면 압출된 필라멘트가 흔들리면서 인접 필라멘트와 접촉을 일으켜 안정된 방사를 할 수 없는 문제가 있다.

그리고 미국 특허 제 4,261,943호는 인접 필라멘트간의 접촉을 방지하기 위하여 공기층에서 비용매를 접촉시키는 방법을 제시하고 있는데, 이 방법은 비용매를 주입시키기 위한 장치가 복잡하고 장치 구성상 압출 필라멘트를 다루기가 어려운 문제가 있다.

상기한 바와 같이, 종래의 방법들은 NMMO 용매계 셀룰로오스 필라멘트사를 제조하기에 부적합한 공정이거나 장치가 복잡한 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소시킨 합리적인 셀룰로오스 필라멘트 제조방법을 안출하기 위한 것으로, 간단한 장치를 사용하면서도 방사성이 우수하고, 인장성질 등의 제 물성이 우수한 필라멘트사를 제조해 주는 셀룰로오스 필라멘트사의 제조방법 및 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 셀룰로오스 필라멘트사의 제조장치를 도시한 개략도,

도 2는 도 1의 A-A 선 단면도,

도 3은 도 1의 응고욕조를 분리 도시한 상세도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 압출기 11 : NMMO 용매 투입구

12 : 펄프분말 투입구 13 : 기어펌프

20 : 방사팩 21 : 방사노즐

30 : 냉각공기 주입장치 31 : 공기 공급링

32 : 공기 주입홀 33 : 냉각공기

40 : 응고욕조 41 : 욕조본체

42 : 캡 43 : 응고욕

44 : 응고욕 공급관 45 : 중간 바닥부

46 : 응고욕 이송관 47 : 캡홀

50 : 수세욕조 51 : 고뎃 롤

60 : 필라멘트 L : 공기층의 길이

α : 공기의 주입각도 D : 공기공급링의 전체 직경

d : 공기 공급링의 관 직경 H : 응고욕조의 높이

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 셀룰로오스 필라멘트사의 제조방법은, N-메틸몰포린-N-옥사이드(NMMO) 용매를 사용한 셀룰로오스 용액을 방사노즐을 통해 필라멘트로 압출시키고, 이 압출 필라멘트를 공기층으로 통과시켜 냉각 고화시키며, 냉각 고화된 필라멘트를 응고욕조에 통과시켜 응고시킨 다음, 수세욕조에서 수세하여 셀룰로오스 필라멘트사를 제조하는 방법에 있어서,

수직 아래 방향으로 상기 공기층을 통과중인 상기 압출 필라멘트의 둘레에서 수평방향에 대해 일정 주입각도를 갖는 상방향으로 압출 필라멘트에 냉각공기를 주입하여 냉각 고화시키고,

상기 응고욕조로서 하단에 필라멘트사가 토출될 수 있는 일정 크기의 캡 홀이 구비된 원추형 응고욕조를 사용하여 응고욕조를 통과하는 필라멘트를 상기 캡 홀을 통하여 아래 방향으로 토출시키는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기와 같은 제조방법을 실시하기 위한 본 발명에 따른 셀룰로오스 필라멘트사의 제조장치는, 셀룰로오스 펄프 분말을 N-메틸몰포린-N-옥사이드(NMMO) 용매에 용해시켜 그 셀룰로오스 용액을 압출시켜 주는 압출기, 이 압출기의 하단에 설치되어 있으면서 셀룰로오스 용액을 방사노즐을 통하여 필라멘트로 방사시키는 방사팩, 방사팩의 아래쪽에 일정거리의 공기층을 사이에 두고 설치되면서 필라멘트를 응고시켜 주는 응고욕조, 및 응고욕조를 통과한 필라멘트를 수세하여 주는 수세욕조를 포함하여 이루어지는 셀룰로오스 필라멘트사의 제조장치에 있어서,

중공 링 형태의 공기 공급링을 포함하고, 이 공기 공급링의 둘레에 수평방향에 대해 일정 각도를 갖는 상방향의 링 중심 쪽으로 링 내부의 공기를 배출시킬 수 있는 다수의 공기 주입홀이 일정 간격으로 배치되어 이루어진 냉각공기 주입장치가, 상기 방사팩과 응고욕조 사이의 공기층 중에 설치되고,

상기 응고욕조가, 응고욕조를 통과하는 필라멘트사를 아래로 토출시킬 수 있도록 일정 크기의 홀을 구비한 캡이 욕조 하단에 결합되어 이루어진 원추형 응고욕조로 된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 제조방법과 제조장치에서는, 냉각공기 주입장치를 단순하고 간단하게 설치하여 압출 필라멘트를 냉각 고화시켜 줄 수 있음은 물론, 압출 필라멘트에 대해 수직 방향으로 냉각 공기를 가하는 종래의 방법과는 달리, 일정각도로 경사진 상방향으로 냉각공기를 압출 필라멘트에 가하기 때문에, 압출 필라멘트의 냉각 면적을 크게 할 수 있고, 또 인접 필라멘트간의 접촉을 일으키지 않아 공기층의 거리가 긴 경우에도 안정된 방사를 할 수 있게 된다. 그리고 냉각공기의 접촉량 증가로 압출 필라멘트를 빠르게 고화시킴으로써 방사 드래프트비를 크게 높일 수 있게 된다. 또한, 압출 필라멘트를 원추형 응고욕조의 하단 캡 홀을 통하여 아래로 통과시키기 때문에, 다음 단계의 수세욕조로 필라멘트를 안내하여 주는 고뎃 롤에 걸리는 필라멘트사의 장력을 최소화하여 인장성질이 우수한 섬유를 제조할 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 셀룰로오스 필라멘트사의 제조방법은, 셀룰로오스 용액의 압출 단계, 압출 필라멘트의 냉각 고화 단계, 필라멘트의 응고 단계, 및 필라멘트의 수세 단계로 이루어지고, 이와 같은 본 발명의 제조방법을 실시하기 위한 본 발명의 제조장치는 도 1에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 셀룰로오스 필라멘트사의 제조장치는 크게 압출기(10), 방사팩(20), 냉각공기 주입장치(30), 응고욕조(40) 및 수세욕조(50)로 구성되어 있다.

여기에서, 압출기(10)은 NMMO용매 투입구(11)와 펄프분말 투입구(12), 기어 펌프(13)를 구비하고 있는데, 각 투입구(11, 12)로부터 NMMO 용매와 셀룰로오스 펄프 분말을 공급받아 셀룰로오스 용액을 만들고, 이 용액을 기어펌프(13)를 통하여 방사팩(20)으로 이송시켜 준다.

방사팩(20)은 압출기(10)의 하단에 설치되어 있고, 셀룰로오스 용액을 필라멘트(60)로 방사시켜 주는 방사노즐(21)을 구비하고 있는데, 이 방사노즐(21)에는 필라멘트가 통과하게 되는 다수의 홀(미도시)이 형성되어 있다. 이 홀은 직경이 0.08 - 0.3 mm이고, 그 개수가 20 - 100 개, 더욱 바람직하기로는 25 - 45 개인 것이 바람직하다. 그리고 방사팩은 85 - 130 ℃의 바람직한 온도로 유지될 수 있도록 되어 있다. 이와 같은 방사팩(20)에 의해 셀룰로오스 용액이 필라멘트상으로 아래쪽으로 압출되어 나오게 된다.

압출 필라멘트(60)는 소정 길이(L)의 공기층을 수직 방향 아래로 통과하게 되는데, 이때 본 발명에 따른 냉각공기 주입장치(30)에 의해 압출 필라멘트(60)가 냉각 고화되게 된다. 냉각공기 주입장치(30)는 중공 링 형태로 된 공기 공급링(31)을 포함하고 있는데, 이 공기 공급링(31)의 대략 안쪽의 둘레에는 링 내부의 공기를 외부로 배출시켜 주는 다수의 공기 주입홀(32)이 일정 간격으로 배치되어 있다. 이 공기 주입홀(32)은, 도 1의 A-A 선 단면도인 도 2에 도시된 바와 같이, 수평방향(필라멘트의 통과방향과는 수직인 방향)에 대해 소정의 각도(α)를 갖는 상방향으로 링 중심쪽을 향해 내부의 냉각공기(33)를 배출시켜 줄 수 있도록 형성되어 있고, 그 직경은 바람직하기로는 1 - 3 mm이다. 상기 각도(α)가 필라멘트(60)에 대한 공기 주입 각도를 이루는 것으로, 바람직하기로는 20 - 75도, 더욱 바람직하기로는 30 - 60 도이다. 이와 같은 본 발명에 따른 냉각공기 주입장치(30)에 의해, 냉각공기(33)가 공기 공급링(31)의 안쪽을 수직 하방으로 통과하는 필라멘트(60)에 대해 소정 각도(α)의 상방향으로 가해지게 된다.

그리고 상기 공기 공급링(31)의 전체 직경(D)는 3 - 20 cm이고,링 단면의 관직경(d)는 0.5 - 3 cm인 것이 바람직하며, 공기 공급링(31)의 설치 위치는 방사노즐(21) 하단으로부터 1 - 50 cm 아래로, 응고욕조(40)의 상단으로부터 2 - 10 cm 위로 이격시켜 주는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 공기층의 바람직한 길이(L)는 3.5 - 63 cm가 된다.

한편, 상기한 냉각공기 주입장치(30)는 도시하지는 않았지만 공기 온도 조절수단, 공기의 공급 및 공급속도 조절수단 등과 같은 통상적인 장치를 더 포함할 수 있는데, 이러한 장치들과 상기한 공기 공급링(31)을 결합하여 냉각공기 주입장치(30)를 구성하는 것은 당업자에게 자명한 사항이므로 이에 대한 설명은 생략한다. 다만, 원하는 냉각 효과를 얻기 위해 냉각공기(33)를 바람직하기로는 30℃ 이하, 더욱 바람직하기로는 5 - 25 ℃로 조절하고, 냉각공기의 속도는 홀 출구에서 5 - 15 m/sec, 바람직하기로는 8 - 12 m/sec로, 압출 필라멘트 근처에서 2 - 8 m/sec, 바람직하기로는 4 - 6 m/sec로 조절할 수 있도록 되어야 한다. 그리고 냉각공기로는 수분이 함유된 공기 또는 무수의 질소가 사용될 수 있다.

상기와 같은 냉각공기 주입장치(30)의 공기 공급링(31)을 통과하여 냉각 고화된 필라멘트(60)는 응고욕조(40)를 통과하면서 응고되게 된다.

이 응고욕조(40)는, 도 3에 상세히 도시되어 있는 바와 같이, 원통형의 욕조 본체(41)와 그 하단에 결합된 캡(42)으로 이루어지고, 상하 원주간의 높이(H)가 짧은 원추형으로 되어 있다. 욕조본체(41)는 응고욕(43)을 공급하기 위한 공급관(44), 욕조로부터 넘쳐 나오는 응고욕을 모으기 위해 원주형 홈 형태로 된 중간 바닥부(45), 모아진 응고욕을 저장탱크 또는 회수탑(미도시)으로 회수 및 이송하기 위한 이송관(46)을 구비하고 있다.

상기 캡(42)은 욕조본체(41)를 통과하는 필라멘트(60)를 아래로 토출시켜 줄 수 있는 일정 크기의 홀(47)을 구비하고 있다. 이 홀(47)은 응고사의 토출속도가 최종 권취속도보다 작게 되도록 설계되어 있는데, 그 직경이 너무 작으면 응고사의 토출이 용이하지 않고, 캡홀(47)의 직경이 너무 크면 응고사와 함께 토출되는 응고액의 토출속도가 커서 원하는 권취속도로 조절할 수 없게 된다. 일반적으로 이 홀(47)의 직경은 1 - 3 mm가 바람직하다.

그리고 응고욕조(40)의 상하 원주간 전체 높이(H)는 3 - 30 cm인 것이 바람직한데, 길이가 이보다 길면 권취에 따른 장력이 응고욕 내에서 크게 걸리기 때문에 바람직하지 않고, 이보다 짧으면 장치 구성이 어렵다.

이와 같은 응고욕조(40)에서는, 응고욕(43)이 응고액 공급관(44)으로부터 욕조본체(41)의 측벽에 형성된 수많은 개구(미도시)을 통하여 욕조 내부로 공급되고, 이때 공급량은 응고욕조를 약간 넘치는 양으로 조절해 주는 것이 바람직한데, 공급된 응고욕(43)은 캡 홀(47)을 통해 빠져 나가고, 일부는 넘쳐서 중간 바닥부(45)에 모아져 이송관(46)을 통하여 저장탱크 또는 회수탑(미도시)으로 이송되게 된다. 그리고 응고욕을 통과하면서 응고된 응고사는 캡 홀(47)을 통해 토출되어 다음 단계로 이동하게 되는데, 토출되는 응고사는 일부 응고욕을 함유한 상태로 되어 있다. 한편, 여기에서 응고욕으로는 농도가 0 - 30%인 NMMO 수용액을 사용하는 것이 바람직하다. 응고욕 농도가 너무 높으면 필라멘트의 응고가 제대로 이루어지지 않고 팽윤된 상태로 유지되기 때문이다.

상기의 응고욕조(4)로부터 토출되어 나오는 응고사는 응고욕조의 아래에 배치된 고뎃 롤(51)에 의해 방향이 전환되면서 수세욕조(50)로 입수하게 된다. 이때 고뎃 롤(51)에서 응고사의 진행방향이 전환됨으로써, 고뎃 롤에 걸리는 필라멘트사의 장력이 최소화되어 인장성질이 우수한 섬유를 제조할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 셀룰로오스 필라멘트사의 제조장치는 본 발명의 제조방법을 실시하기 위한 바람직한 제조장치가 되는데, 이 제조장치의 설명으로부터 본 발명의 제조방법이 충분히 이해될 수 있고, 또 상기에서 제조장치를 설명하면서 본 발명의 제조방법과 관련된 여러 가지 공정 조건(예컨데, 방사팩(20)의 온도, 냉각공기(33)의 온도 및 속도 등)도 함께 언급되었으므로, 본 발명의 제조방법에 대한 상세한 설명은 생략한다. 상세한 설명을 생략하는 또 다른 이유로는 후술하는 실시예에 의해서도 본 발명의 제조방법이 명확히 이해될 수 있기 때문이다.

따라서, 이하에서는 본 발명의 제조방법을 예시하는 바람직한 실시예를 비교예와 함게 설명한다. 아래의 실시예와 비교예에서 행한 섬유의 물성에 대한 측정 및 평가 방법은 다음과 같다.

<섬유의 인장성질〉

섬유의 인장 특성은 인스트롱(Textechno사 Fafegraph M test)을 이용하여 측정하였다. 이때, 인장속도는 20 mm/min, 측정시료의 길이는 20 mm로 하였고, 사용한 셀의 용량은 100cN이며, 측정시료는 20개이다.

<섬유의 복굴절〉

섬유의 복굴절(Δn)은 니콘사의 편광현미경(OPTIPHOT-POL, Japan)으로 측정하였다. 이때, 시료의 단면은 원형이라고 가정하였다. 측정값은 20개의 시료로부터 평균하여 측정하였다. 주차수(order) n을 quartz wedge 보정기로 구한 다음, senamont 보정기를 이용하여 시료가 가장 어두워질 때까지 검광자(analyzer)를 회전시켜 회전각(θ)을 구한다. 이 각도로부터 다음의 수학식 1을 이용하여 지연값(Γ)을 얻는다.

Γ = (θ/180 + n) × λ

상기 식에서, Γ는 지연값, θ는 검광자의 회전각도, n은 차수, λ는 사용한 단색광의 파장(546nm)이다.

이어서, 필라멘트의 직경을 측정한 다음, 다음 수학식 2를 사용하여 복굴절을 구하였다.

Δn = Γ/d

상기 식에서, Δn은 복굴절, d는 시료의 직경(nm)이다.

<실시예 1-6 및 비교예 1-4〉

본 실시예에서 셀룰로오스 필라멘트사를 제조하기 위해 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 제조장치를 사용하였는데, 사용한 제조장치의 구체적인 사양은 다음과 같았다.

즉, 방사노즐(21)의 홀 직경이 0.15 mm, 그 홀 수가 36홀이며, 공기층의 길이(L)은 15 cm이다. 공기 공급링(31)의 설치 위치는 방사노즐(21) 하단으로부터 7cm 떨어진 위치이고, 공기 주입홀(32)은 냉각공기(33)를 아래의 표 1과 같이 30도, 45도, 60도, 75도의 주입각도(α)로 각각 주입할 수 있도록 형성된 것이다. 응고욕조(40)의 상하 원주간의 높이(H)는 15 cm이고, 캡 홀(47)의 직경은 1.5 mm이다. 그리고 고뎃 롤(51)은 응고욕조(40)의 하단으로부터 80 cm 떨어진 곳에 설치되었다.

한편, 비교예에서는 압출 필라멘트(60)에 대한 냉각공기(33)의 주입각도(α)가 미치는 영향을 알아 보기 위하여, 아래의 표 1과 같이 주입각도가 0도, 하방으로 30도(즉 -30도)로 되도록 하거나, 또는 압출 필라멘트에 냉각공기가 주입되지 않도록 하였다.

본 실시예 및 비교예에서 사용한 재료중 셀룰로오스 펄프 분말로는 중량평균 중합도(DPw)가 660인 ITT 사의 Cellunier-F를 1mm 이하로 분쇄된 분말상태로 사용하였고, 용매로는 물 함량이 12 중량% 함유된 88%의 NMMO를 사용하였다.

이들 재료를 압출기(10)에 투입하여 압출기 내에서 직접 용해되어 농도가 12 중량% 정도의 셀룰로오스 용액이 되도록 하였다. 이때 산화방지제인 프로필 갈레이트를 전체 양에 대하여 0.01 중량% 투입하여 주었다.

이렇게 제조된 셀룰로오스 용액은 본 발명의 제조장치에서 기어펌프(13)를 통하여 방사팩(20)으로 이송되고 방사노즐(21)을 통하여 필라멘트(60)로 압출된다. 이때 방사용액의 압출 온도는 115℃로 하였고, 방사중 주위온도는 18℃이었으며, 방사견인비(권취속도에 대한 압출속도의 비, DR)는 18로 하였다.

압출된 필라멘트(60)는 공기층 중의 공기 공급링(31)을 통과하여 냉각 고화되게 되는데, 이때 냉각공기(33)의 온도는 5 - 25℃ 범위(구체적인 온도는 아래의 표 1과 같음)에서 선택하였고, 냉각공기의 속도는 공기 주입홀(32) 출구에서 11 m/sec로, 압출 필라멘트 근처에서 5 m/sec로 하였다. 냉각 고화된 필라멘트는 원추형 응고욕조(40)를 통과하여 응고되는데, 이때 응고욕(43)으로는 농도 10%의 NMMO 수용액을 사용하였다.

응고욕조(40)를 통과한 응고사는 응고욕조 아래쪽에 설치된 고뎃 롤(51)에서 방향전환되면서 수세욕조(50)로 입수된다. 이렇게 수세된 수세사를 140℃에서 건조하여 셀룰로오스 필라멘트사를 제조하였다.

이와 같이 제조한 필라멘트사에 대해 상기한 바와 같은 방법으로 여러 가지 물성을 측정하였는 바, 그 결과는 다음의 표 1과 같았다.

	주입공기온도(℃)	공기주입각도(。)	복굴절(Δn)	인장강도(g/d)	초기탄성계수(g/d)	신도(%)	방사안정성	비고
실시예 1	18	30	0.0402	5.6	147	13.5	양호
실시예 2	18	45	0.0405	5.7	150	14	양호
실시예 3	18	60	0.0403	5.6	148	13.7	양호
실시예 4	18	75	0.0400	5.3	145	13.8	양호
실시예 5	5	45	0.0407	5.8	153	13.3	양호
실시예 6	12	45	0.0406	5.7	149	13.5	양호
비교예 1	18	0	0.0398	4.8	142	11.1	불안(사간 접촉)
비교예 2	18	-30	0.0388	4.6	140	10.2	방사중사절
비교예 3	30	45	0.0378	4.1	132	9.8	DR〉10에서사절
비교예 4	주입공기 없음	0.0379	4.0	135	9.6	방사중사절	공급링 제거

상기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에서와 같이, 공기 공급링(31)으로부터 냉각공기(33)를 압출 필라멘트(60)에 대하여 상방향으로 30도 내지 75도 방향으로 주입하여 주었을 때, 방사중 압출 필라멘트간의 접촉이 없이 안정된 방사가 이루어졌으며, 또한, 압출 필라멘트에 가하는 냉각공기의 온도는 5 내지 25℃로 하였을 때, 방사성을 높일 수 있다는 사실을 알 수 있다.

<실시예 7-9〉

실시예 7 내지 9는 응고욕조(40)의 상하 원주간의 높이(H)에 따른 섬유의 물성을 살펴 보기 위한 것으로, 응고욕조의 상하 높이(H)를 다음의 표 2와 같이 30 - 60 cm 범위에서 선택한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2에서와 동일한 조건으로 하였다. 그 결과는 다음의 표 2와 같았다.

	응고욕조의높이(H)	복굴절(Δn)	인장강도(g/d)	초기탄성계수(g/d)	신도(%)
실시예 7	30	0.0403	5.2	145	12
실시예 8	45	0.0398	4.9	145	11
실시예 9	60	0.0397	4.6	143	9

상기 표 2의 결과 및 실시예 2의 결과를 서로 비교해 보면, 응고욕조(40)의 상하 원주간의 높이(H)가 짧은 경우 제조된 섬유의 물성이 양호함을 알 수 있는데, 이는 본 발명의 응고욕조의 상하 높이(H)의 바람직한 상한치가 30 cm 정도임을 보여 주는 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 제조방법과 제조장치에 따르면, 압출 필라멘트(60)를 냉각 고화시켜 주기 위하여 냉각공기 주입장치(30)를 공기 공급링(31)에 의해 간단하고 용이하게 설치해 줄 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서는 압출 필라멘트에 대해 수직 방향으로 냉각 공기를 가하는 종래의 방법과는 달리, 일정 각도(α)로 경사진 상방향으로 냉각공기(33)를 압출 필라멘트(60)에 가해 주기 때문에, 압출 필라멘트(60)의 냉각 면적을 크게 해 줄 수 있을 뿐만 아니라, 인접 필라멘트간에 접촉을 일으키지 않으며, 이에 따라 공기층의 길이가 긴 경우에도 안정된 방사를 할 수 있게 된다.

그리고 본 발명에서는, 압출 필라멘트(60)를 원추형 응고욕조(40)의 하단 캡 홀(47)을 통하여 아래로 통과시키기 때문에, 다음 단계의 수세욕조(50)로 필라멘트를 안내해 주는 고뎃 롤(51)에 걸리는 필라멘트사의 장력을 최소화하여 인장성질이 우수한 섬유를 제조할 수 있게 된다. 또 냉각공기의 접촉량 증가로 압출 필라멘트를 빠르게 고화시킴으로써 방사 드래프트비를 크게 높일 수 있게 되는 기술적 효과도 있다.

Claims (14)

1. N-메틸몰포린-N-옥사이드(NMMO) 용매를 사용한 셀룰로오스 용액을 방사노즐을 통해 필라멘트로 압출시키고, 이 압출 필라멘트를 공기층으로 통과시켜 냉각 고화시키며, 냉각 고화된 필라멘트를 응고욕조에 통과시켜 응고시킨 다음, 수세욕에서 수세하여 셀룰로오스 필라멘트사를 제조하는 방법에 있어서,

   수직 아래 방향으로 상기 공기층을 통과중인 상기 압출 필라멘트의 둘레에서 수평방향에 대해 일정 주입각도를 갖는 상방향으로 압출 필라멘트에 냉각공기를 주입하여 냉각 고화시키고,

   상기 응고욕조로서 하단에 필라멘트사가 토출될 수 있는 일정 크기의 캡 홀이 구비된 원추형 응고욕조를 사용하여 응고욕조를 통과하는 필라멘트를 상기 캡 홀을 통하여 아래 방향으로 토출시키는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 필라멘트사의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기의 압출 필라멘트에 대한 상기 냉각공기의 주입 각도(α)를 20 - 75도로 해 주는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기의 압출 필라멘트가 통과하는 상기 공기층의 길이(L)를 3.5 - 63 cm로 해 주는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기의 압출 필라멘트에 대한 상기 냉각공기의 주입위치를 방사노즐 하단으로부터 1 - 50 cm 아래로, 응고욕조의 상단으로부터 2 - 10 cm 위로 해 주는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 냉각공기의 온도를 5 - 25 ℃로 조절해 주고, 냉각공기의 속도는 홀 출구에서 5 - 15 m/sec, 압출 필라멘트 근처에서 2 - 8 m/sec로 조절해 주는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 필라멘트가 통과되는 상기 응고욕조의 상하 높이(H)를 3 - 30 cm로 해 주는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 응고욕조의 캡 홀을 통과하는 필라멘트의 토출속도를 최종 권취속도보다 낮게 해 주는 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 응고욕조의 아래에서 고뎃 롤에 의해 필라멘트의 방향을 수평으로 전환시켜 수세욕으로 입수시켜 주는 방법.
9. 셀룰로오스 펄프 분말을 N-메틸몰포린-N-옥사이드(NMMO) 용매에 용해시켜 그 셀룰로오스 용액을 압출시켜 주는 압출기, 이 압출기의 하단에 설치되어 있으면서 셀룰로오스 용액을 방사노즐을 통하여 필라멘트로 방사시키는 방사팩, 방사팩의 아래쪽에 일정거리의 공기층을 사이에 두고 설치되면서 필라멘트를 응고시켜 주는 응고욕조, 및 응고욕조를 통과한 필라멘트를 수세하여 주는 수세욕조를 포함하여 이루어지는 셀룰로오스 필라멘트사의 제조장치에 있어서,

   중공 링 형태의 공기 공급링을 포함하고, 이 공기 공급링의 둘레에 수평방향에 대해 일정 각도를 갖는 상방향의 링 중심 쪽으로 링 내부의 공기를 배출시킬 수 있는 다수의 공기 주입홀이 일정 간격으로 배치되어 이루어진 냉각공기 주입장치가, 상기 방사팩과 응고욕조 사이의 공기층 중에 설치되고,

   상기 응고욕조가, 응고욕조를 통과하는 필라멘트사를 아래로 토출시킬 수 있도록 일정 크기의 홀을 구비한 캡이 욕조 하단에 결합되어 이루어진 원추형 응고욕조로 된 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 필라멘트사의 제조장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 공기 주입홀이 수평방향에 대해 20 내지 75도의 각도(α)로 내부의 냉각공기를 배출시킬 수 있도록 형성되고, 그 주입홀의 직경이 1 -3 mm로 된 장치.
11. 제9항에 있어서, 상기 공기 공급링이 방사노즐 하단으로부터 2 - 50 cm 아래로, 응고욕조의 상단으로부터는 2 - 10 cm 위로 설치된 장치.
12. 제9항에 있어서, 상기 공기 공급링의 전체 직경이 3 - 20 cm이고, 링단면의 관직경(d)가 0.5 - 3 cm인 장치.
13. 제9항에 있어서, 상기 응고욕조의 상하 높이(H)가 3 - 30 cm인 장치.
14. 제9항에 있어서, 상기 응고욕조의 아래에서 필라멘트를 수평 방향으로 전환시켜 수세욕으로 입수시켜 주기 위한 고뎃 롤(51)이 설치된 장치.