KR100398294B1 - 셀룰로즈형성물의제조방법및셀룰로즈필라멘트사 - Google Patents

Abstract

3급 아민 N-옥사이드 및, 경우에 따라, 물 중의 셀룰로즈 용액을 온화한 상태에서 형성시키고, 형성된 용액을 응고욕 속으로 도입시키기 전에 공기로 냉각시킴을 포함하여, 셀룰로즈 형성물을 제조하는 방법이 기술되어 있다. 냉각은 수 함량이 건조 공기 수증기 1kg당 0.1 내지 7g이고 상대 습도가 85% 미만으로 컨디셔닝된 공기를 사용하여 수행한다.

Description

셀룰로즈 형성물의 제조방법 및 셀룰로즈 필라멘트 사

본 발명은, 3급 아민 N-옥사이드 속에서 또는, 경우에 따라, 3급 아민 N-옥사이드와 물 속에서 셀룰로즈 용액을 온난한 상태로 형성시키고, 형성된 용액을 응고욕 속으로 도입시키기 전에 이를 공기로 냉각시켜 셀룰로즈 형성물을 제조하는 방법 및 셀룰로즈 필라멘트 사에 관한 것이다.

상기 방법과 관련하여, 국제공개공보 제WO 93/19230호에서는 용액의 형성 직후에 냉각을 수행하는 것으로 기술하고 있다. 이러한 방법의 목적은 셀룰로즈 필라멘트의 제조를 위해 구멍 밀도가 높은 방사구금이 사용될 수 있도록 초기 압출형성물의 점착성을 감소시키고자 하는 것이다. 형성된 용액을 기체 스트림에 노출시켜 냉각을 수행하는 것이 바람직하다.

형성된 온난한 용액은 성형기, 예를 들면, 방사구금으로부터 배출되어[이때의 전형적인 온도는 약 90℃ 이상이다], 이른바 에어 갭(air gap) 속으로 도달되면서 이미 냉각된다. 에어 갭은, 셀룰로즈가 침전되는 응고욕과 성형기 사이의 영역을 의미한다. 에어 갭에서의 온도는 방사구금에서의 온도보다는 낮지만, 방사구금으로부터의 방열 및 성형물의 엔탈피 유동으로 인한 공기의 가온에 의해 실온보다는 상당히 높다. 응고욕으로서 통상적으로 사용되는 물의 연속적인 증발로 인해 에어 갭 속에는 습윤 상태의 온난한 조건이 지배한다. 형성된 용액을 형성 직후에 냉각시키는 국제공개공보 제WO 93/19230호에서 제안된 방법은 보다 신속하게 냉각시켜 형성된 용액의 점착성이 보다 신속하게 감소되도록 한다.

본 발명은 상기 방법을 개선시킴을 목적으로 하며, 특히 함께 생성되는 형성물, 바람직하게는 필라멘트 또는 필라멘트 사의 특성을 개선시키고자 하는 것이다.

이러한 목적은 3급 아민 N-옥사이드 속에서 또는, 경우에 따라, 3급 아민 N-옥사이드와 물 속에서 셀룰로즈 용액을 온난한 상태로 형성시키고, 형성된 용액을 응고욕 속으로 도입시키기 전에 이를 공기로 냉각시켜 셀룰로즈 형성물을 제조하는 방법으로서, 수분 함량이 건조 공기 1kg당 수증기 0.1 내지 7g이고 상대 습도가 85% 미만인 컨디셔닝 공기를 사용하여 냉각시킴을 특징으로 하는 방법에 의해 실현된다.

컨디셔닝 공기의 수분 함량은 건조 공기 1kg당 수증기의 양이 바람직하게는 0.7 내지 4g, 보다 바람직하게는 0.7 내지 2g이다. 형성된 용액으로 공기를 취입시키거나 형성된 용액으로부터 공기를 회수함으로써 공기를 스트리밍(streaming)하여 냉각시킨다. 공기 회수는 컨터셔닝 공기를 공급한 다음 새로 방사된 섬유 또는 필라멘트의 번들(bundle)을 통해 공기를 회수하는 방식으로 수행할 수 있다. 공기의 취입과 취입의 동시 수행이 특히 유리하다.

형성된 용액은 응고욕으로 도입되는 지점까지의 전경로에 걸쳐 또는 이러한 경로 중의 일부에 대해서만 컨디셔닝 공기에 노출될 수 있으며, 따라서 초입부에서, 즉 성형기와 바로 인접한 에어 갭 영역에서 공기 노출을 수행하는 것이 유리하다. 컨디셔닝 공기는 형성된 용액의 이동 방향에 대하여 0 내지 120˚, 바람직하게는 90˚ 인 방향으로 유동하여야 하며, 이때 0˚ 의 각은 형성된 용액의 이동 방향과 반대 방향으로의 유동과 일치하는 각이다.

본 발명의 방법으로, 투석, 산소처리 또는 여과와 같은 용도를 위한 섬유, 특히 필라멘트, 필름, 중공 필라멘트, 멤브레인을 유리한 형태로 제조할 수 있다. 용액을 목적으로 셀룰로즈 형성물로 형성시키는 것은 섬유를 제조하기 위한 공지된 방사구금, 슬릿 노즐 또는 중공 필라멘트 노즐을 사용하여 수행할 수 있다. 형성한 다음, 즉 형성된 용액을 응고욕으로 도입하기 전에 이를 연신할 수 있다.

3급 아민 N-옥사이드 속에서 또는, 경우에 따라, 3급 아민 N-옥사이드와 물 속에서 셀룰로즈 용액으로부터 제조된 셀룰로즈 필라멘트 사는 필라멘트의 횡단면적의 변동 계수가 12% 미만, 바람직하게는 10% 미만임을 특징으로 한다.

보다 짧은 시간내에 새로 압출된 형성물의 점착성을 감소시키기 위해서는 전술한 바와 같이 에어 갭 내에서 이들 새로 압출된 형성물을 냉각시키는 것이 바람직하다. 완전히 냉각시키기 위해서는 기체 스트림 본래의 온도가 형성된 용액의 온도보다 낮아야 한다. 국제공개공보 제WO 93/19230호에 따르면 온도가 -6 내지 24℃인 기체 스트림이 사용된다.

그러나, 온도만이 아니라 공기의 수분 함량 및 이의 상대 습도가 셀룰로즈 형성물의 특성에 상당한 영향을 주는 것으로 밝혀졌다. 건조 공기 1kg당 수증기의 양(g)을 나타내는 공기의 수분 함량은 또한 흔히 혼합비를 의미하기도 한다. 하기에서는 이를 g/kg의 단위로 간단히 언급된다. 특히 필라멘트의 제조 동안 에어 갭 중에서 가능한한 일정하게 유지되는 기후 조건을 형성하는 것, 즉 주위 기후 속에서의 정상 변화 효과를 제거하는 것이 중요한 것으로 밝혀졌다. 따라서, 공기의 습도 변화가 방지되고 공기의 수분 함량을 낮추는 것이 특히 중요하다. 공기 컨디셔닝 시스템을 사용하는 경우에도 실내에서의 계절적인 변화 및 어느 정도까지의 일상적인 변화가 충분하게 억제될 수 없다. 또한, 취입 방향 및 취입 강도가 조금만 불안정한 경우에도 필라멘트의 강도, 신도 및 섬도 항상성(titer constancy)에 악영향을 줄 수 있다.

수분 함량 또는 혼합비의 영향은 필라멘트의 생성 동안, 특히 필라멘트 횡단면의 불규칙성으로 나타난다. 20℃로 컨디셔닝되고 구분 함량이 14g/kg이며 상대습도가 94%인 공기로 냉각시키는 경우, 필라멘트 횡단 면적의 변동 계수는 50개의 개별 필라멘트를 갖는 사 중의 30%이다. 수분 함량이 1.2g/kg이고 상대 습도가 8.5% 미만으로 되는 경우 변동 계수는 동일한 온도에서 5.8%로 감소된다. 예를 들면, 40℃로 컨디셔닝되지만 수분 함량이 3.4g/kg이고 상대 습도가 7.4%인 온난한 공기가 사용되는 경우의 변동 계수는 습도가 더 높은 보다 차가운 공기가 사용되는 경우보다 2.7배 작은 11.3%이다. 그러므로, 본 발명에 따르면 무수 공기를 사용하여 에어 갭의 컨디셔닝을 수행하는 것이 중요하다. 냉각 공기의 온도는 공정에서 부수적인 역할을 수행한다.

본 발명은 후술되는 추가의 실시예를 참조로 하여 보다 구체적으로 설명되며 기술된다.

상기한 예 및 다음에 설명되는 실시예는, 중합도가 680인 비스코크래프트 이엘브이 화학 목재 펄프[Viscokraft ELV chemical wood pulp; 제조원:International Paper Company] 14중량%, N-메틸모르폴린-N-옥사이드(NMMO) 76중량%, 3급 아민 N-옥사이드 10중량% 및 안정화제로서 갈산 프로필 에스테르 0.14중량%로 이루어진 용액을 직경이 각각 130㎛인 구멍을 50개 보유하는 방사구금판을 통해 필라멘트 사로 방사시킴으로써 성취된다. 방사구금(T=110℃)에 형성된 필라멘트를 치수가 18cm인 에어 갭 속에서 냉각시킨다. 에어 갭 속에 필라멘트 번들에 대해 수직인 방향으로 공기를 0.8m/초의 속도로 취입시킨다. 번들의 한면으로부터 공기를 취입시키고 너비가 10cm인 매우 좁은 메쉬의 체를 통해 균일한 공기 분포를 수득한다. 노즐 출구로부터 10cm 거리에서 취입을 수행한다.

에어 갭 속에서 필라멘트를 16배 연신시키고, 응고를 위한 수욕 및 NMMO를 제거하기 위한 후속 세척욕을 통과시킨 후 건조시킨다. 연신 속도는 420m/분으로 계측한다.

각각의 필라멘트 번들을 번들 축에 대해 수직 방향으로 1m의 간격으로 2회 절단한다. 필라멘트의 횡단면을 광학 현미경(570:1의 배율)과 비디오 카메라를 통해 컴퓨터 화상 분석 시스템(Quantimet 970)으로 송신하고 이를 평가한다. 필리멘트 각각의 면적을 측정한다. 하나의 번들당 두 부위의 화상을 평가하여 검사한 번들 각각의 필라멘트 횡단면적의 평균값과 이의 표준편차로부터 필라멘트 횡단면적의 변동 계수를 평균에 대한 표준편차의 비로서 백분율로 환산한다.

컨디셔닝 공기의 생성은, 실온, 즉 21℃에서 수분 함량이 9.2g/kg이고 상대습도가 60%인, 먼저 필터로 거른 공기를 사용하여 수행한다. 혼합물의 비율을 증가시키기 위해 공기를 80℃에서 수증기로 포화된 공기(상대 습도=100%)와 혼합한다.

수분 함량이 x인 컨디셔닝된 공기의 질량 유량[m(x)]을 수득하기 위해, 수분 함량이 x_u인 주위 공기의 질량 유량(m_u)을 수분 함량이 x_h인 수증기 포화 공기의 질량 유량(m_h)과 수학식 m(x)=m_u+m_h에 따라 혼합한다. 혼합물의 비 m_u:m_h는 수학식 m_u/m_h=(x_h-x)(1+x_u)/(x-x_u)(1+x_h)를 사용하여 계산한다.

이어서, 이와 같이 생성된 공기 스트림을 열교환기를 사용하여 목적하는 온도로 냉각시킨다. 상대 습도 및 수분 함량은 건습구 습도계[습도계 센서 AN 846 또는 습도/온도 센서 AFH 9694-2가 장착된 ALMEMO 2290-2]를 사용하여 측정한다.

수분 함량을 감소시킬 목적으로 상대 습도가 100%로 될 때까지 주위 온도를 냉각시킨다. 이어서 추가로 냉각시키고 응축된 물을 분리시킨다. 이러한 공정으로 공기를 대략 4g/kg의 수분 함량으로 냉각시킬 수 있다. 이어서 공기를 목적하는 온도로 재가열시킨다. 상대 습도 및 수분 함량은 건습구 습도계로 측정한다.

수분 함량이 4g/kg 미만인 컨디셔닝 공기를 수득하기 위해 공기 탈습기[Munters 모델 120 KS]를 사용하여 응축 공정을 통해 예비 건조시킨 공기를 추가로 건조시킨다. 또한 열교환기를 사용하여 건조 공기를 재가열시킨다. 4g/kg 미만의 수분 함량으로 건조된 공기의 상대 습도 및 수분 함량은 거울 냉각 이슬점 측정기[MICHELL Instruments S4000 RS]로 측정한다. 하기 표는 온도(T/℃), 수분 함량(x/(g/kg)) 및 상대 습도(rH/%)에 의해 특성화된 검사된 공기의 조건 및 필라멘트 횡단면적의 변동 계수(V/%)를 기술하고 있다.

[표 1]

본 발명에 따르는 실시예

표 1은 컨디셔닝 공기가 실시예 2, 3, 9, 10 및 11(여기서, 변동 계수는 단지 5 내지 6%의 범위이며, 각각의 경우, 수분 함량은 2g/kg 미만이다)에서와 같이 수분 함량이 낮은 경우 최소의 변동 계수가 발생함을 명백하게 나타내고 있다. 상기의 실시예들에서 상대 습도는 30%미만이다. 본 발명의 조건에 부합되는 경우 승온에서(실시예 15)의 변동 계수 조차 본 발명의 범위를 벗어나는 상당히 낮은 온도에서보다 낮다.

[표 2]

비교 실시예

표 2는 필라멘트의 횡단면적의 변동 계수가 14%를 초과하고 심지어는 30%를 초과하기도 하여 본 발명의 범위를 벗어남을 예시하고 있다. 이러한 높은 변동률은 평탄한 직물 구조물에 악영향을 주고 특히 평탄한 구조물의 고르지 못한 염색을 유도하므로 필라멘트 사의 제조에 있어서 바람직하지 않다. 또한 개별적인 필라멘트의 강도를 상이하게 함으로써 사에 대한 처리 문제를 야기할 수 있다. 실시예 16 및 22는 본 발명에 대한 두가지 요건, 즉 건조 공기 1kg당 수증기 7g 미만을 함유하는 수분 함량 및 85% 미만의 상대 습도가 보장되어야 함을 나타내고 있다. 실시예 16에서의 수분 함량은 청구된 범위 내에 존재하지만 이로부터 생성된 공기는 보다 높은 상대 습도와 16.1%의 변동 계수를 나타내고 있다. 실시예 22는 상대 습도가 60%이고 수분 함량이 9.2g/kg인 21℃의 온도에서서 주위 공기의 조건을 나타내고 있다. 본 실시예에서는 상대 습도는 청구된 범위내에 존재하지만, 수분 함량은 그러하지 아니하며, 이로부터 23.4%의 변동 계수가 초래된다. 또한 상기 실시예는직물의 특성을 개선시키기 위하여, 주위 공기로 냉각시키는 것이 충분하지 아니하고 에어 갭 내에서 일반적으로 지배하는 온도보다 차가운 실내 공기로 간단히 취입시키는 것도 불충분함을 나타내고 있다.

Claims (14)

1. 3급 아민 N-옥사이드 속에서 또는 3급 아민 N-옥사이드와 물 속에서 셀룰로즈 용액을 온난한 상태로 형성시키는 단계와 형성된 용액을 응고욕 속으로 도입시키기 전에 이를 공기로 냉각시키는 단계를 포함하는 셀룰로즈 형성물의 제조방법으로서,

   냉각 단계가, 수분 함량이 건조 공기 1kg당 수증기 0.1 내지 7g이고 상대 습도가 85% 미만인 컨디셔닝 공기를 사용하여 수행됨을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 수분 함량이 건조 공기 1kg당 수증기 0.7 내지 4g임을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각 단계가, 형성된 용액에 공기를 취입시키거나 형성된 용액으로부터 공기를 회수하거나 공기 취입과 공기 회수를 둘 다 수행하여 공기를 스트리밍(streaming)함으로써 수행됨을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 형성된 용액이 응고욕으로 도입되기까지의 전체경로에 걸쳐 컨디셔닝 공기로 처리됨을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 형성된 용액이 응고욕으로 도입되기까지의 경로중의 일부분에 대해서만 컨디셔닝 공기로 처리됨을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 형성된 용액이 경로 중의 초입부에서만 컨디셔닝 공기로 처리됨을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 컨디셔닝 공기가 형성된 용액의 이동 방향에 대하여 0 내지 120˚ 인 방향[이때 0˚ 의 각은 형성된 용액의 이동 방향과 반대 방향으로의 유동과 일치하는 각이다]으로 스트리밍됨을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 형성된 용액이 응고욕으로 도입되기 전에 회수됨을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 섬유, 필름, 중공 필라멘트 및 멤브레인이 용액으로부터 생성됨을 특징으로 하는 방법.
10. 필라멘트의 횡단면적의 변동 계수가 12% 미만임을 특징으로 하는, 3급 아민 N-옥사이드 속에서 또는 3급 아민 N-옥사이드와 물 속에서 셀룰로즈 용액으로부터 생성된 셀룰로즈 필라멘트 사.
11. 제2항에 있어서, 수분 함량이 건조 공기 1kg당 수증기 0.7 내지 2g임을 특징으로 하는 방법.
12. 제7항에 있어서, 컨디셔닝 공기가 형성된 용액의 이동 방향에 대하여 90 ˚인 방향으로 스트리밍됨을 특징으로 하는 방법.
13. 제9항에 있어서, 용액으로부터 생성되는 섬유가 필라멘트인 방법.
14. 제10항에 있어서, 필라멘트 횡단면적의 변동 계수가 10% 미만임을 특징으로 하는 샐룰로즈 필라멘트 사.