KR100289250B1 - 원심식 방사 공정에 의한 섬유의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원심식 방사공정에 의해 수지를 방사시킴으로써 섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 방사공정온도에서 점도가 50 내지 200Pa.s인 수지 용액을 회전식 플레이트(1)에 공급하는 단계와, 회전식 플레이트(1) 안쪽에서 섬유가 방사됨에 따라 수지 용액이 회전식 플레이트(1)의 노즐을 완전히 채우게 되기에 충분한 압력하에 있도록 하는 단계로 이루어지는, 원심식 방사공정에 의한 섬유의 제조방법이다.
상기 방법은 아미노 수지를 기초로 한 섬유를 제조하는데에 특히 적합하다. 본 발명의 장치에 있어서, 수지 공급용 라인은 구동샤프트내에 위치하는 것이 바람직하다.
Description
제1도는 본 발명에 따라 원심식 방사(centrifugal spinning) 공정으로 섬유를 제조하는 장치를 도시한 개략도이다.
본 발명은 원심식 방사 공정에 의해 섬유를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
특히 아미노 수지로부터 섬유를 제조하는 데에는 다양한 방법들이 공지되어 있다.
GB-A-1 141 201호에는 1쌍의 벨트 표면 사이에 도입되는 수지 재료로부터 출발하여 섬유를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그 다음에 벨트 표면이 이탈되어 섬유가 형성되게 된다.
DE-A-2 364 091호에는, 멜라민-알데히드 초기축합물 용액을 가열된 대기로 방사시켜 용매를 증발시키고 초기축합물을 경화시키는, 방염성이며 열에 의해 용융되지 않는 멜라민 수지 섬유의 제조방법이 개시되어 있다.
DE-A-2 810 535호에는, 섬유가 한랭 다습한 공기로 병류식으로 형성되는, 원심식 방사 공정에 의해 열경화성 포름알데히드 수지로부터 섬유를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법을 위해서는, 한랭 다습한 공기 스트림의 일부 또는 전부가 수지와 촉매의 혼합물과 함께 회전 드럼(whirler drum)에 유입되는 방식으로 상기 공기 스트림을 회전 드럼의 방향으로 아래쪽으로 편류시켜, 상기 혼합물이 회전 드럼 또는 플레이트에 존재하는 한, 공기 스트림이 혼합물의 건조 및 반응을 저지시키도록 한다. 회전 드럼으로부터 빠져나오는 섬유는 나아가 한랭 다습한 공기 스트림에 실려 점차 가늘어지게 된다. 이후, 가늘어진 섬유를 50-100℃까지 가열하고, 회전 드럼의 아래에서 흘러나오는 고온 건조 공기 스트림에 의해 수집한다.
이러한 공정에는 많은 문제점이 있다. 어떤 경우에는, 방사용 용액의 점도가 매우 낮다. 이는 웨브(web)나 직물 제조용으로 사용할 수 없는 매우 부스러지기 쉽고 짧은 섬유를 생성시킨다. 반면, 고점도 용액을 사용하여 고온에서 방사 공정을 수행하는 경우에는, 섬유 형성 단계에 섬유간 융합작용이 심하고 제트(jet)의 붕괴 위험이 현저해지는 것으로 밝혀졌다.
한랭다습한 공기를 사용하는 DE-A-2 810 535호의 방법에서는, 건조시키기 전에 다습한 대기내에서 체류하는 시간이 길기 때문에, 마찬가지로 섬유간의 융합 작용이 심하게 일어나게 된다. 섬유 다발들은 분리가 불가능하고, 웨브와 방적사로 가공하기가 매우 어려운, 부스러지기 쉬우며 무른 두꺼운 섬유가 된다.
기존 공정에서, 섬유는 부분적으로 충전된 노즐로부터 형성된다. 즉, 섬유가 형성되는 수지 스트림이 섬유가 방사되는 동안 노즐 단면 전체에 충전되는 것은 아니다.
본 발명의 목적은 원심식 방사 공정에 의해, 멜라민형 알데히드 수지를 기재로 하여 강도 수준이 높은 탄성의 균질한 저연소성 섬유를 얻고 앞에서 설명한 문제점을 배제할 수 있는 섬유를 제조하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명자들은, 점도가 50 내지 200Pa.s인 수지 용액을 방사 온도에서 회전 플레이트에 공급하는 단계 및 섬유가 방사되는 동안 수지 용액이 회전 플레이트의 노즐을 완전히 충전시키기에 충분한 압력하에서 회전 플레이트의 내측에 존재하도록 하는 단계를 포함하는 원심식 방사 공정에 의해,수지를 방사처리하여 섬유를 제조하는 본 발명의 방법에 따라 상기의 목적이 달성될 수 있음을 밝혀냈다.
본 발명은 또한 수지 공급 라인(3), 회전 플레이트(1) 및 회전 플레이트용 구동 샤프트(2)를 포함하며, 수지 공급 라인(3)이 구동 샤프트(2)내에 설치되어 있는, 원심식 방사 공정에 의해 섬유를 제조하는 장치를 제공한다.
이하에서는 도면에 도시된 공정을 수행하는 바람직한 장치를 기준으로 하여 본 발명이 상세하게 설명된다. 본 발명의 장치에서, 도면 부호(1)은 회전 플레이트이고, 도면 부호(2)는 회전 플레이트용 구동 샤프트이고, 도면부호(3)은 수지 용액 공급 라인이고, 도면 부호(4)와 (5)는 구동 샤프트 둘레에 원심식으로 설치된 건조 공기 공급을 위한 샤프트이고, 도면 부호(6)는 오버플로우 홀(overf1ow hole)이고, 도면 부호(7)과 (8)은 회전 플레이트에 부착된 날개들이고, 도면 부호(9)는 노즐이다.
본 발명의 방법에서, 섬유는 단면이 수지로 가득채워진 노즐로부터 방사된다. 노즐내에서의 압력 손실을 극복할 수 있도록, 회전 플레이트(1)내 노즐(9)의 상류에는 압력 P가 요구된다. 단면이 수지로 가득 채워진 노즐로 부터의 섬유의 방사는, 수지에 대해 압력 p, 즉 10 내지 80바아, 바람직하게는 20 내지 70바아, 특히 바람직하게는 30 내지 55바아로 수행되는 것이 바람직하다. 회전 플레이트(1)내 노즐(9)의 상부 압력 p는 하기 방정식(I)에 따라 계산할 수 있다:
상기 식에서, ρ는 수지 용액의 밀도이고, v는 원주 속도이고, Di와 De는 각각 회전 플레이트(1)의 내경(Di) 및 외경(De)이다.
회전 플레이트(1) 내측의 압력 p는 일반적으로 원심력에 의한 것이다. 충전 수준과 노즐을 통과하는 질량 흐름 사이에는, 회전 플레이트의 기하학적 형태, 분 당 회전수 및 수지의 물성, 특히 밀도와 점도의 함수로서 평형관계가 성립된다.
압력 p는 공정 동안에 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법은, 직경이 0.1 내지 1mm, 바람직하게는 0.4 내지 0.6mm이고, 속도가 10,000 내지 25,000rpm, 바람직하게는 16,000 내지 20,000rpm이며, 회전 플레이트 내측의 수지 용액(방사 용액)의 점도가 50 내지 200, 바람직하게는 80 내지 150Pa.s인 노즐을 사용하여 수행하는 것이 일반적이다. 특정 점도는 방사온도에서 평판 원추형(plate-cone) 점도 측정장치를 사용하여 측정한다.
바람직하게는, 본 발명의 방법은 회전 플레이트의 주변에 존재하는 건조 공기를 사용하여 수행되는데, 건조 공기는 공정이 수행됨에 따라 적당한 공급 수단을 거쳐 회전하는 회전 플레이트(1)로 지속적으로 유도된다.
상기 공정을 위해서는, 하나 이상의 건조 공기 스트림이 회전 플레이트(1)의 위로부터 구동 샤프트(2)를 따라 회전 플레이트(1)의 방향으로, 그리고 회전 플레이트로부터 떨어져 외부로 전달된다.
본 발명에 따라 사용되는 건조 공기는 일반적으로 온도가 10 내지 50℃, 바람직하게는 25 내지 35℃이고, 습도가 공기 1kg당 수분 4g 이하, 바람직하게는 공기 1kg 당 수분 0 내지 3g인 것이 바람직하다.
구동 샤프트로부터 상이한 거리로 설치된 라인을 통해 2개 이상의 건조 공기 스트림이 전달되며, 상기 구동 샤프트에 인접한 공기 스트림의 속도는 멀리 떨어진 공기 스트림의 속도보다 큰 것이 바람직하다. 공기 공급은, 회전 플레이트(1)의 방향으로 동심원 상에 배열되어 있는 샤프트(4)와 (5)를 거쳐 수행되는 것이 특히 바람직하다. 내측 샤프트(4)는 자체의 하부 단부에 원형 테이퍼(taper)부를 구비하는 것이 바람직하다.
이러한 방식의 건조 공기 공급은 형성되는 섬유의 급속 건조를 보장하고, 섬유의 플라이트에 영향을 미쳐 섬유가 융합하거나 유착되지 않게 한다.
섬유의 플라이트는 회전 플레이트(1)에 날개부(7, 8)가 부착되는 경우에 더욱 유리하게 이루어진다. 이러한 현상은 특히 섬유의 융합이나 유착 현상을 방지한다는 점에서 유리하다.
회전 플레이트에 부착된 날개부(7, 8)의 면적은 0.5 내지 1.5cm2가 바람직하다.
본 발명의 방법에서, 건조에 사용되는 공기는 재순환되는 것이 유용하고, 이러한 경우, 적당한 재생 건조 장치에 의해 통상의 방식으로 목적하는 습도 수준으로 고정된다.
공기 스트림은 제조된 섬유 kg당 10 내지 30kg, 바람직하게는 15 내지 25kg의 건조 공기를 사용하는 방식으로 맞추는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법은 수지 공급 라인, 회전 플레이트 및 회전 플레이트용 구동 샤프트를 포함하는, 원심식 방사 공정에 의해 섬유를 제조하는 장치를 사용하여 수행하게 된다.
본 발명에 따른 방법의 구체예에서, 수지 용액은 구동 샤프트를 따라 설치된 파이프 라인을 통해 회전 플레이트에 공급된다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 수지는 구동 샤프트(2)내의 관(공급 라인(3))을 거쳐 공급된다.
바람직하게는, 회전 플레이트(1)는 방사시킬 섬유 방출용 개구부(노즐(9)), 공급 라인(3) 및 오버플로우 홀(6)을 제외하고, 완전히 밀폐된다.
본 발명에 따른 장치의 특히 바람직한 구체예에서, 공기 공급을 위한 하나 이상의 샤프트(4 또는 5)는 회전 플레이트의 위, 구동 샤프트(2) 주변에 동심원 상에 배치된다.
특히 바람직한 구체예에서, 회전 플레이트에는 바람직하게는 각각 0.5 내지 1.5cm2의 면적의 날개(7, 8)가 장착된다.
본 발명의 방법에 사용되는 수지는 일반적으로 수용액 형태로 존재한다.
본 발명에 따르면, 원심식 방사 공정에 의해 섬유로 가공될 수 있는 모든 열경화성 또는 열가소성 수지를 사용하는 것이 가능하다. 바람직한 수지로는 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리비닐 알코올 및 아미노 수지가 있다.특히 바람직한 것은 아미노 수지이다.
본 발명에 따른 아미노 수지로는, 예를 들어 요소, 멜라민, 벤조구안아민, 아세토구안아민, 디시안디아미드, 구아니딘 또는 티오우레아 수지와 알데히드류, 특히 포름알데히드의 축합물이 있다.
바람직한 아미노 수지는 요소 수지와 트리아진 수지이다. 트리아진 수지의 트리아진 성분은 예를 들어 벤조구안아민, 아세토구안아민 및 멜라민으로부터 선택된다.
바람직한 것은 멜라민 수지를 사용하는 것이다. 특히 바람직한 멜라민 수지는 예컨대 EP-A-93 965호, EP-A-221 330호 및 EP-A-408 947호에 개시된 바와 같이 멜라민 또는 멜라민 유도체와 포름알데히드의 축합물이다.
본 발명의 방법은 멜라민-포름알데히드 초기축합 용액을 사용하여 수행되는 것이 특히 바람직하다. 이들 용액은 예를 들어 EP-A-355 700호에 개시되어 있다.
본 발명의 방법은 0.1 내지 70몰%의 멜라민이 식 (CH2-CH2-O)n-CH2-CH2-OH(n=1-5)의 1개 내지 3개의 히드록시 옥사알킬기로 치환된 멜라민으로 치환되는, 멜라민과 포름알데히드의 축합물로 수행되는 것이 바람직하다. 이러한 축합물은 EP-A-408 947호에 개시되어 있다.
또한, 멜라민-포름알데히드 수지는 페놀기를 함유할 수 있다. 이러한 수지 및 축합에 의한 제법은 DE-A-4,123 050호에 개시되어 있다.
제조된 아미노 수지 섬유는 방사 공정전에 수지에 첨가할 수 있는 충전제를 함유할 수 있다.
상기 충전제로는 일반적으로 예컨대 유리섬유, 금속분말, 금속염이나 예를 들어 카올린, 탈크, 중정석, 석영 등과 같은 규산염 등의, 바람직하게는 입자 크기가 10㎛인 섬유 또는 분말형의 무기 강화제 또는 충전제, 및 안료와 염료 및 방염제가 있다.
본 발명의 방법 및 장치는 많은 장점을 갖는다.
예를 들어, 예컨대 폴리에틸렌 옥사이드 또는 폴리비닐 알코올과 같은 흔히 필요한 섬유 형성 보조제가 전혀 필요하지 않다. 이들 보조제는 섬유의 가연성에 역효과를 미치는 결점을 가진다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 섬유는 길이 분포가 양호하고, 섬유 직경의 분포가 좁으며(바람직하게는, 평균 직경 15㎛), 강도가 높고 융합 현상이 최소화되고 블리스터(blister)가 존재하지 않게 되는 장점도 가진다.
본 발명의 방법으로 제조된 섬유는 예컨대 EP-B-80 655호에 개시된 섬유를 제조하는 데에 사용될 수 있다. 그러나, 마찬가지로 웨브나 직물을 제조하는 것이 가능하다는 장점도 가지고 있는 것이다.
[실시예]
도면에 따른 동일한 장치를 사용하여, 1791.7g(14.22몰)의 멜라민, 626.1g의 80중량% 농도의 HOM 수용액(10몰%의 S-히드록시-3-옥사펜틸아미노-1,3,5-트리아진, 50몰%의 R′-(5-히드록시-3-옥사펜틸아미노)-1,3,5-트리아진 및 40몰%의 트리스(5-히드록시-3-옥사펜틸아미노)-1,3,5-트리아진으로부터의 이성질체 혼합물)(1.52밀리몰), 44.6g(0.47몰)의 페놀, 557.9g의 파라포름알데히드, 7.0g의 2-디에틸아미노-에탄올, 및 1093.9g의 40중량% 농도의 포름알데히드 수용액으로 제조된 EP-A-523 405호의 실시예 3(b)와 유사하게, 균질수용액으로부터 출발한 멜라민-포름알데히드 수지를 기재로 하여 24℃에서 점도가 700Pa.s인 탄성 섬유를 제조하였다. 방사 장치로 유입시키기 직전에, 수용액을 기준으로 하여 2중량%인 35중량% 농도의 포름산을 산성 촉매중에서 균질하게 혼합하였다. 이렇게 함으로써 점도가 약 30% 저하되었다. 방사용 용액의 밀도 ρ는 1.36g/cm2이었다. 회전 플레이트(1)는 외경 De가 120mm이고 내경 Di가 100mm이었다. 상기 플레이트의 원주면 전체에 걸쳐, 직경 0.5mm의 노즐이 균일한 배열로 45개 설치되어 있다. 회전 플레이트의 속도는 분당 회전수가 약 18,500이었다. 수지의 총 처리량은 시간당 17kg이었다. 따라서, 섬유를 68바아의 압력에서 방사시켰다. 방사 공정의 온도는 28℃이었다. 동심원식 샤프트(4)는 120kg/h의 건조 공기를 공급하고, 나머지 동심원식 샤프트(5)는 80kg/h의 건조 공기를 공급하였다. 상기 건조 공기의 온도는 25 내지 30℃이고, 잔류 수분 함량은 공기 1kg당 수분 0 내지 1g이었다.
섬유를 무한 벨트 상에서 모아 연속식 오븐에서 180 내지 220℃의 온도로 경화시켰다. 즉석 제조된 섬유는 평탄한 표면을 가지며 직물의 감촉을 가졌다. 이것의 점착력(tenacity)은 3.5cN/dtex였으며, DIN53 816의 설명에 따라 측정한 결과, 신장율이 15%이었다.
Claims (11)
- 원심식 방사 공정에 의해 수지를 방사시킴으로써 섬유를 제조하는 방법으로서, 방사 공정 온도에서 점도가 50 내지 200Pa.s인 수지 용액을 회전 플레이트(1)에 공급하는 단계 및 섬유가 방사되는 동안 회전 플레이트(1) 내측에서 수지 용액을 가압하여 회전 플레이트(1)의 노즐을 완전히 충전시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 방사시키려는 수지를 구동 샤프트(2)에 의해 회전 플레이트(1)에 공급함을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 하기 방정식(I)에 의해 계산할 수 있는 10 내지 80바아의 노즐 상류 압력 p하에서 섬유를 방사시킴을 특징으로 하는 방법:상기 식에서, ρ는 수지 용액의 농도이고, v는 원주 속도이고, Di는 회전 플레이트(7)의 내경이며, De는 외경이다.
- 제1항에 있어서, 회전 플레이트 위에서 하나 이상의 건조 공기 스트림이 구동 샤프트(2)를 따라 회전 플레이트(1)의 방향으로 외측으로 전달됨을 특징으로 하는 방법.
- 제4항에 있어서, 구동 샤프트로부터 상이한 거리에 배치된 라인을 따라 둘 이상의 건조 공기 스트림이 통과하고, 구동 샤프트에 인접한 공기 스트림의 속도가 더 멀리있는 공기 스트림의 속도보다 큼을 특징으로 하는 방법.
- 수지 공급 라인(3), 회전 플레이트(1) 및 회전 플레이트(1)의 구동 샤프트(2)를 포함하는, 원심식 방사 공정에 의해 섬유를 제조하는 장치로서, 수지 공급 라인(3)이 구동 샤프트(2)내에 설치됨을 특징으로 하는 장치.
- 제6항에 있어서, 회전 플레이트(1)의 상부 개구부가 구동 샤프트(2)에 밀폐식으로 연결되고, 섬유가 방사되는 배출용 개구부(9)와 오버플로우 홀(6)을 제외하고 회전 플레이트 전체가 밀폐됨을 특징으로 하는 장치.
- 제6항 또는 제7항에 있어서, 건조 공기 공급을 위한 하나이상의 샤프트(4)가 회전 플레이트 위 구동 샤프트 주변에 동심원 상에 배치됨을 특징으로 하는 장치.
- 수지 공급 라인, 회전 플레이트, 회전 플레이트용 구동 샤프트를 포함하는, 원심식 방사 공정에 의해 섬유를 제조하는 장치로서, 수지공급 라인이 구동 샤프트를 따라 연장됨을 특징으로 하는 장치.
- 제6항에 있어서, 회전 플레이트의 외측 엣지부에 날개부(7, 8)가 설치됨을 특징으로 하는 장치.
- 제9항에 있어서, 회전 플레이트의 외측 엣지부에 날개부(7, 8)가 설치됨을 특징으로 하는 장치.
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