KR100331904B1 - 고강도미세스펀본드섬유및직물 - Google Patents

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로버트 엠. 1세 부톤
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Abstract

통상의 섬유 및 부직포에 필적할 만한 강도를 갖고 미소 직경을 갖는 부직포 및 섬유가 제공된다. 이는 용융 온도가 약 220 내지 240℃(430 내지 460°F)이고, 크실렌 가용성이 약 4.5% 내지 6.5%이며, 용융 유속이 약 35 내지 41이고 이소택티서티가 약 94% 이상인 하나 이상의 중합체를 용융시키고, 이 중합체를 미세 구멍을 통해 압출시키고 중합체를 연신시켜 1.4 데니어 이하의 섬유를 제조한 다음 섬유화된 중합체를 접속 표면상에 부착시켜 디스버스드 섬유 웹을 형성하는 단계를 포함하는 부직포를 제조하는 방법에 의해 달성된다.

Description

고 강도 미세 스펀본드 섬유 및 직물{High Strength Fine Spunbond Fiber and Fabric}
발명의 배경
본 발명은 일반적으로 열가소성 수지의 미세 스펀본드 섬유로부터 형성되는 부직포 또는 웹 및 그를 제조하는 방법에 관한 것이다.
수년동안 열가소성 수지는 압출시켜 섬유 및 웹을 형성하는 데 사용하였다. 이러한 용도를 위해 사용되는 가장 일반적인 열가소성 수지는 폴리올레핀, 특히 폴리프로필렌이다. 각각의 재료는 상기 섬유로부터 제조되는 최종 제품에서의 목적하는 특성에 대해 특별한 이점 및 단점을 갖는다.
부직포는 기저귀, 생리대, 실금용 제품, 타올, 의료용 가먼트 및 기타 다수 제품 등의 각종 광범위한 용도로 사용할 수 있다. 상기 용도로 사용되는 부직포는 일반적으로 스펀본드/멜트블로운/스펀본드 (SMS) 라미네이트와 같은 라미네이트 형태로 존재한다. SMS 라미네이트에서, 외부층은 통상 강도 측면에서 존재하는 스펀본드 폴리프로필렌이며, 내부층은 통상 차단층으로서의 멜트블로운 폴리프로필렌이다.
부직포를 제조하기 위해 사용되는 섬유의 바람직한 특성 중 하나는 이 섬유가 가능한 한 미세하여야 한다는 것이다. 보다 미세한 섬유는, 예를 들면, 기저귀와 같은 유아 보호 제품과 같이 부드러운 성질 및 균질성이 중요하게 취급되는 다수 용도에 있어 바람직하다. 또한, 미세 섬유는 소정량의 중합체에 대한 보다 우수한 면적 피복율을 제공하고 직물의 기초 중량을 보다 낮게 할 수 있다는 점에서 바람직하다. 기초 중량은 면적 피복율의 척도가 되며, 단위는 직물의 yd2당 온스(oz)(osy)로 표시된다. 기초 중량을 낮게하면, 이 직물로부터 제조된 제품은 보다 가볍고 얇고. 대응 단가를 가정하면, 통상의 섬유로부터 제조된 제품보다 저렴하다.
미세 섬유가 바람직하기는 하지만, 직경이 보다 큰 섬유에 비해 일반적으로 약하다는 결점을 갖고 있다. 섬유화 및 직물 형성에서의 가공 문제 또는 생성된 직물의 강도 결여 때문에, 섬유로부터 제조될 수 있는 직물의 기초 중량상에서의 하한치를 효과적으로 설정한다. 당해 산업에서는 극세 형태이나 가능한 한 통상의 스펀본드 재료의 강도와 같이 큰 강도를 갖는 섬유에 대한 지속적인 연구를 행하여 왔다.
본 발명의 목적은 통상적으로 형성되는 섬유보다 미세하나 필적할 만한 강도 특성을 갖는 섬유를 제공하는 것이다.
발명의 요약
통상의 섬유 및 부직포에 필적할 만한 강도를 갖고 미소 직경을 갖는 부직 섬유 및 부직포가 제공된다. 이는 용융 온도가 약 220 내지 240℃ (430 내지 460"F)이고, 크실렌 가용분이 약 4.5 내지 6.5%이며, 용융 흐름 지수가 약 35 내지 41dg/m이고 이소택티서티(isotacticity)가 약 94% 이상인 하나 이상의 중합체를 용융시키고, 이 중합체를 미세 구멍을 통해 압출시키고 중합체를 연신시켜 1.4 데니어 이하의 섬유를 제조한 다음 섬유화된 중합체를 집속 표면 상에 부착시켜 분산된 섬유 웹을 형성하는 단계를 포함하는 부직포를 제조하는 방법에 의해 달성된다.
본 발명의 부직포는 예를 들면, 기저귀, 생리대, 성인 실금용 제품, 부상 처치용품, 붕대, 멸균 랩, 외과용 드레이프(drape) 및 와이퍼 등의 제품에서 사용할 수 있다.
정의
본 명세서에서 사용된 "부직포 또는 웹"이란 그 사이에 끼워져 있으나 편성 및 제직 공정에서와 같은 규칙적인 방식으로 존재하지 않는 개개 섬유 또는 실의 구조를 갖는 웹을 의미한다. 부직포 또는 웹은, 예를 들면, 멜트블로잉 공정, 스펀본딩 공정 및 본디드 카디드 웹 공정 등의 다수 공정으로부터 형성되어 왔다.
본 명세서에서 사용된 "멜트블로운 섬유"란 고속 기체류(이를 테면 공기)중으로 용융 열가소성 재료를 통상 원형인 다수의 미세 다이 모관을 통해 용융 실 또는 필라멘트로서 압출시켜 용융 열가소성 재료의 필라멘트를 가늘게 하여 미세 섬유 직경일 수 있는 직경으로 감소시켜 형성된 섬유를 의미한다. 그 다음, 멜트블로운 섬유를 고속 기체류에 의해 운반시키고 집속 표면상에 부착시켜 랜덤하게 분산된 멜트블로운 섬유 웹을 형성한다. 그러한 공정은 예를 들면 미합중국 제 3,849,241호(Butin)에 기재되어 있다.
본 명세서에서 사용된 "스펀본드 섬유"란 용융 열가소성 재료를 보통 방사구의 원형 모관인 다수의 미세 구멍으로부터 필라멘트로서 압출시킴으로써 압출 필라멘트의 직경을 급속히 가늘게 하여 형성되는 소직경의 섬유를 의미하며, 예를 들면 미합중국 제 4,340,563호(Appel 등) 및 미합중국 제 3,692,618호(Dorschner 등)에 기재되어 있다.
본 명세서에서 사용된 "중합체"에는 일반적으로 단독중합체, 공중합체(예: 블럭 공중합체, 그라프트 공중합체, 랜덤 공중합체 및 교호 공중합제), 삼원공중합체 등과 이의 혼합물 또는 개질물이 포함되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 별도의 언급이 없는 한, 용어 "중합체"란 중합체 물질의 모든 가능한 기하학적 배열을 포함하는 것으로 이해하여야 한다. 이 배열에는 이소택틱(isotactic), 신디오택틱(syndiotactic), 및 랜덤 대칭을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1도는 2종의 폴리프로필렌 [각각 5E65 및 유니폴(Unipol)TM1208라는 상품명으로 쉘 케미칼 캄파니(Shell Chemical company)에서 시판]의 분자량 분포의 그래프이다.
제2도는 캐리어로서 3급 메틸실란을 사용하고 당 업계에 공지된 방식으로 브루커(Brucker) AC-250 NMR 분광기상에서 수행된 유니폴TM1208 폴리프로필렌의 탄소 13 핵 자기 공명(NMR)의 그래프이다.
상세한 기술
스펀본딩 방법에서 사용된 폴리올레핀의 중요한 특성은 당 업계의 숙련가에게는 공지되어 있다. 용융 흐름 지수(MFR), 분자량 분포(MWD) 및 결정도는 가장 중요한 특성 중 일부이며 이러한 특성들 각각은 일반적으로 존재하는 폴리프로필렌 분자 크기를 측정하는 것이다.
MFR은 중합체 점도의 지표가 되며, 높은 수치는 저점도를 의미한다. MFR은 측정 시간 동안 소정의 하중 또는 전단 속도하에 치수가 알려진 모관으로부터 유동하는 물질의 중량으로 나타내며, 예를 들면 ASTM 시험 1238, 조건 E에 따라 230℃에서 g/10분 단위로 측정된다. 분자량 분포는 소정의 시료 중 우세한 분자 크기의 지표를 제공한다. 고분자량 분자에 대한 지표가 없으면, 시료 중에 존재하는 장쇄폴리프로필렌 분자가 없음을 나타내는 것이다.
크실렌 가용분은 중합체 중에 존재하는 저분자량 이소택틱 종 및 중간 분자량 어택틱 종의 양을 측정하는 것이다. 분자량 분포의 크실렌 가용분은 결정화되지 않으며, 공기역학적으로 감쇠되는 섬유 형성 공정에서의 섬유의 연신 공정을 보조하는 것으로 여겨진다.
중합체의 결정도에 대한 다른 측정법은 총 중합체에 대한 이소택틱 중합체의 백분율이다. 이는 이소택틱서티 또는 이소택틱 지수로서 불리우며 중합체에 대한 핵 자기 공명으로부터 계산될 수 있다. 본 발명의 실시에서 사용된 중합체의 이소택틱서티가 약 94% 이상이어야 한다는 사실이 판명되었다.
본 발명의 실시에서 사용될 수 있는 폴리올레핀 중 하나는 쉘 케미칼 캄파니에서 유니폴TM이라는 상품명으로 시판하고 있는 신규 폴리프로필렌이다. 제1도에는 유니폴TM1208 폴리프로필렌이, 예를 들면, 고속 섬유 공정에서 사용된 통상의 5E65폴리프로필렌보다 더 넓은 분자량 분포를 갖는다는 사실을 나타내고 있다. 또한 중합체는 통상의 폴리프로필렌 보다 높은 크실렌 가용분 (XS)을 갖는다. 유니폴TM1208 폴리프로필렌은 하기 물리적 특성을 갖는다. 용융 흐름 지수(MFR): 약 38 dg/m 및 크실렌 가용분: 약 6%,
유니폴tm1208 폴리프로필렌에 대한 NMR 곡선 중 어택틱 및 이소택틱 피크하에서의 적분 면적은 제2도에 제공되어 있으며 이소택틱 부분이 21.4 ppm에서 3.662이며 어택틱 부분이 20.8 ppm에서 99라는 사실을 나타낸다. 이는 하기와 같이 계산되는 약 97%의 이소택틱서티 또는 이소택틱 지수를 얻는다: 3662/(3662+99).
본 발명의 직물을 제조하는 섬유는 당 업계에 익히 공지된 스펀본딩 공정에 의해 제조되며, 예를 들면, 본원에서 참고 문헌으로서 인용되어 있는 미합중국 특허 4,340,563호(Appel 등) 및 미합중국 특허 3,692,618호(Dorschner 등)에 기재되어 있다.
스펀본드 공정은 일반적으로 방사구로 용융된 중합체를 공급하여 중합체가 방사구 하나 이상의 열 형태로 배열된 미세 구멍을 통과하자 마자 섬유화되어 필라멘트 커튼을 형성하게 되는 압출기를 사용하고 있다. 필라멘트는 통상 저압에서 공기를 사용하여 퀘엔칭시키고 통상 공기압으로 연신시키고 다공성 이동 매트, 벨트 또는 성형 와이어상에 부착시켜 부직포를 형성한다. 스펀본드 공정에 유용한 중합체는 일반적으로 가공 용융 온도가 약 208 내지 약 320℃(약 406 내지 약 608°F)이다.
스펀본드 공정에서 형성된 섬유는 일반적으로 공정 조건 및 그러한 섬유로부터 제조될 직물의 목적하는 최종 용도에 따라 그 직경이 약 15 내지 약 50μ이다.
예를 들면, 중합체 분자량의 증가 또는 공정 온도의 감소에 의해 섬유 직경이 커지게 된다. 유체 퀘엔칭 온도 및 연신 유압의 변화 또한 섬유 직경에 영향을 미친다. 상기에서 언급한 바와 같이, 보다 미세한 섬유가 일반적으로 보다 바람직하며 본 발명의 목적이 된다.
본 발명의 직물은 단층 실시 태양 또는 이에 한정되는 것은 아니나 접착제, 니들 펀칭, 초음파 본딩, 열 캘린더링 및 기타 당 업계에 공지된 방법을 포함하는 각종의 상이한 기술에 의해 형성될 수 있는 본 발명의 직물을 포함시킨 다층 라미네이트로서 사용될 수 있다. 상기 다층 라미네이트는 미합중국 특허 제4,041,203호(Brock 등) 및 미합중국 특허 제5,169,706호(Collier 등)에 기재한 바와 같이 스펀본드/멜트블로운/스펀본드 (SMS) 라미네이트와 같이 층 중 일부가 스펀본딩되고 일부는 멜트블로잉된 실시 태양일 수 있다. 그러한 라미네이트로는 스펀본드 직물층을 먼저 이동 콘베이어 벨트 또는 성형 와이어상에 부착시킨 다음, 멜트블로운 직물층 및 마지막으로 다른 스펀본드 층을 연속적으로 부착시키고 상술한 방법으로 라미네이트를 접착시킴으로써 제조될 수 있다. 별법으로, 3개의 직물층은 개별적으로 롤중에 집속되게 하여 제조되어 별도의 접착 단계에서 결합시킨다. 본 발명의 직물은 또한 막, 유리 섬유, 스테이플 섬유, 종이, 및 기타 통상 사용되는 재료와 적층시킬 수 있다. 본 발명의 직물이 유용성을 갖는 분야는 생리대 제품, 성인 실금용 제품, 부상 처치용품, 붕대, 멸균 랩, 외과용 드레이프 및 와이퍼이다. 와이퍼는 산업적 용도로 사용될 있거나 또는 카운터톱(countertop) 또는 옥실 와이프와 같은 가정용으로서 사용할 수 있다.
과거에 제조된 미세 섬유는 통상의 직경을 갖는 폴리프로필렌에 필적할 만한 강도를 갖지 않는다. 특정의 이론에 국한되기를 바라는 바는 아니지만, 본 발명자는 이에 대한 이유가 섬유가 연신될 때 발생하는 경쟁적 반응이 존재하기 때문인 것으로 간주하고 있다. 중합체가 다이 모관을 빠져 나오면, 중합체는 중합체가 노출되게 되는 감압에 응하여 팽윤된다. 이러한 현상을 다이 팽윤이라 언급한다.
중합체는 동시에 연신력을 받게 되는데, 이는 응력 유도 결정화를 유발시키는 것으로 여겨진다. 이 시점에서 섬유 크기를 감소시키기 위해 연신력을 증가시키면 섬유가 파괴될 수 있거나 또는 응력 유도 결정화의 증가로 인해 크기가 휠씬 큰 섬유를 형성할 수도 있다. 중합체가 다이를 빠져나오자 마자 중합체의 팽윤을 감소시키면 전반적인 섬유직경이 감소하고 다이 팽윤을 감소시키기 위해 폴리프로필렌 중 매우 장쇄인 분자가 제거되어야 하는 것으로 간주된다. 본 발명에서 사용하기 위한 필요조건을 만족시키는 중합체는 존재하는 장쇄가 보다 적어야 한다.
하기 실시예 및 비교예는 본 발명의 요구 조건을 만족시키는 중합체 및 그렇지 않은 중합제의 섬유 특성을 나타내고 있다.
실시예
섬유를 약 230 내지 240℃ (약 450 내지 460°F)의 온도에서 유니폴TM1208 폴리프로필렌으로부터 방사시켰다. 방사구 구멍 크기는 0.6 mm이며 0.6 내지 0.7g/구멍/분(ghm)으로 토출하였다. 섬유를 공기압으로 연신시키고 공기압 연신력을 섬유 파괴가 발생할 때 까지 단계적으로 증가시켰다. 결과를 표1에 나타내었다.
표 1
비교예
비교용 폴리프로필렌으로서 엑손 케미칼 캄파니(Exxon Chemical Company)에서 제조한 3445 및 쉘 케미칼(Shell Chemical)에서 제조한 5E65를 사용하여 상기 실시예와 동일한 방식으로 섬유를 방사시켰다. 엑손 3445 폴리프로필렌의 용융 흐름지수는 35 dg/m이며, 크실렌 가용분은 약 3.5%이며 이소택틱서티는 92%이며 약 230 내지 240℃(약 450 내지 460°F)의 용융 온도에서 가공시켰다. 쉘 5E65 폴리프로필렌의 용융 흐름 지수는 36dg/m이며, 크실렌 가용분은 약 3.5%이며 이소택틱서티는 92%이며 230 내지 240℃(약 450 내지 460°F)의 용융 온도에서 가공시켰다.결과를 표2에 나타내었다.
표 2
섬유 직경의 단위는 미크론이며 그 결과를 제곱하고 0.00629를 곱하여 그 단위를 데니어로 환산할 수 있으며, 따라서 15 미크론은 약 1.42 (152× 0.00629 = 1.415)의 데니어에 해당한다. 파괴 하중의 단위는 그람이며 인스트론 인장 시험기를 사용하여 단일 섬유를 인장시켜 측정하였다. 강성도는 파괴 하중을 데니어로 나누어 측정하였다.
결과는 놀랍게도 본 발명에서 유용한 중합체로부터 방사시킨 섬유는 보다 큰 직경을 갖는 통상의 폴리프로필렌 섬유(바람직한 파괴 강도는 4 이상)와 필적할 만한 물리적 특성을 갖는 미세 섬유를 제조할 수 있다는 사실을 나타내고 있다. 직경이 거의 11 미크론으로 작은 섬유는 스펀본드 공정을 사용하여 성공적으로 제조할 수 있었으며 상업 용도로 적합한 강도를 나타냈다.

Claims (11)

  1. 용융 온도가 220 내지 240℃ (430 내지 460°F)이고, 크실렌 가용분이 4.5% 내지 6.5%이며, 용융 흐름 지수가 35 내지 41dg/m이고 이소택틱서티(isotacticity)가 94% 이상인 하나 이상의 중합체를 용융시키고,
    이 중합제를 미세 구멍을 통해 압출시키고,
    상기 중합체를 연신시켜 1.4 데니어 이하의 섬유를 제조하고,
    섬유화된 중합체를 접속 표면 상에 부착시켜 분산된 섬유 웹을 형성하는 단계를 포함하는 부직포의 제조 방법.
  2. 기저귀, 생리대, 성인 실금용 제품, 부상 처치용품, 붕대, 멸균 랩, 외과용 드레이프(drape) 및 와이퍼로 이루어진 군 중에서 선택된 제품 중에 존재하는, 제1 항에 따른 방법에 의해 제조된 부직포.
  3. 멜트블로운(meltblown) 재료 층을 제1항의 중합체 상에 부착시키는 단계를 추가로 포함하는 제1항에 따른 방법에 의해 제조된 부직포.
  4. 제3항에서 정의한 멜트블로운 재료 상에 스펀본드 재료 층을 부착시키는 단계를 추가로 포함하는 제3항에 따른 방법에 의해 제조된 부직포.
  5. 제1항의 중합제가 제2도의 NMR 곡선을 갖는 것인 제1항에 따른 방법에 의해 제조된 부직포.
  6. 용융 온도가 220 내지 240℃ (430 내지 460°F)이고, 크실렌 가용분이 4.5% 내지 6.5%이며, 용융 흐름 지수가 35 내지 41dg/m이고 이소택틱서티가 94% 이상인 중합체로부터 제조된 1.4 데니어 미만의 미세 섬유를 포함하는 부직포.
  7. 제6항에 있어서, 기저귀, 생리대, 성인 실금용 제품, 부상 처치용품, 붕대, 멸균 랩, 외과용 드레이프 및 와이퍼로 이루어진 군 중에서 선택된 제품 중에 존재하는 부직포.
  8. 제6항에 있어서, 상기 섬유가 1.814 kg (4 1b) 이상의 파괴 하중을 갖는 것인 부직포.
  9. 제6항에 있어서, 스펀본드 공정에 의해 제조된 부직포.
  10. 제6항에 있어서, 상기 중합체가 제2도의 NMR 곡선을 갖는 것인 부직포.
  11. 제6항에 있어서, 막, 유리 섬유, 스테이플 섬유 및 종이로 이루어진 군 중에서 선택된 재료에 적층시킨 부직포.
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