KR100476278B1

KR100476278B1 - 폴리에스테르계 바인더 섬유

Info

Publication number: KR100476278B1
Application number: KR10-2003-0012351A
Authority: KR
Inventors: 박성윤; 심춘식; 정종호; 이민성; 이경호
Original assignee: 주식회사 휴비스
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2005-03-10
Also published as: KR20040076991A

Abstract

본 발명은 폴리에스테르계 바인더 섬유에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 시스 성분으로서 공중합 폴리에스테르 및 코어 성분으로서 일반 폴리에스테르가 복합된 폴리에스테르계 바인더 섬유에 있어서, 상기 공중합 폴리에스테르가 디메틸테레프탈산 또는 테레프탈산, 및 디메틸아디핀산 또는 아디핀산으로 이루어진 산성분과 에틸렌글리콜, 1,4-사이클로헥산디메탄올 및 1,4-부탄디올로 이루어진 디올성분을 공중합시켜 된 폴리에스테르계 바인더 섬유에 관한 것이다. 본 발명에 따른 폴리에스테르계 바인더 섬유는 저융점 접착용 바인더 섬유로서, 바인더 성분의 결정성이 높아 융점 이하의 온도에서는 변형을 일으키지 않고, 고온에서도 접착 강력이 유지되는 장점이 있다.

Description

폴리에스테르계 바인더 섬유 {Polyester binder fiber}

본 발명은 폴리에스테르계 바인더 섬유에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 저융점 접착용 바인더 섬유로서 융점 이하의 온도에서는 변형을 일으키지 않고, 고온에서도 접착 강력이 유지되는 폴리에스테르계 바인더 섬유에 관한 것이다.

일반적으로 의류용 패딩 제품은 단섬유를 카딩하여 기계 방향과 반기계 방향으로 몇겹의 카딩 웹 제품을 적층한 후 접착물질(바인더)로서 섬유간에 인터파이버 접착성을 가지게 하는 방법이 널리 알려져 있다.

이와 같은 부직포의 제조방법은 크게 2가지로 분류할 수 있다. 우선, 접착성을 부여하기 위하여 단섬유를 카딩한 후 폴리비닐알코올 또는 아크릴 계통 등의 수지를 용제에 녹여 부직포 표면에 도포 접착하는 방법이 있고, 다른 방법으로는 매트릭스 섬유에 일정 비율의 융점이 낮은 동일계 또는 시스-코어(Sheath-Core)형으로 복합 방사하여 제조한 바인더 섬유를 카딩시 혼합한 후 열처리를 통해서 구성 섬유들을 접착시키는 방법이 있다.

그러나, 전자의 폴리비닐알코올 또는 아크릴 계통의 수지를 용제에 녹여 분사하는 방법은 웹의 내부까지 바인더가 깊이 침투하지 못할 뿐만 아니라, 용제 사용에 따른 환경 오염 및 매트릭스가 되는 폴리에스테르와의 낮은 상용성 등의 문제점으로 인하여 부직포의 표면만을 간단히 접착시키는 의류용 심지에만 사용이 국한되며, 접착성 또한 낮고 촉감이 거칠어 고강력을 요구하는 제품에는 사용하지 못하는 단점이 있다. 또한, 이 과정에서 사용되는 유기 용제는 휘발성이 강하고 인체에 유해한 물질이 대부분이며, 몰딩용 부직포로 사용될 때는 금형에 용제 및 수지가 묻어나는 단점이 지적되고 있다.

한편, 후자의 용제를 사용하지 않는 방법은 가열에 의해 접착이 순간적으로 완료되는 큰 이점을 가지고 있고, 섬유 접착 분야에 있어서도 접착 공정의 합리화, 인원 절감, 고속화에 기여하는 바가 크기 때문에, 현재 이러한 방법을 이용하여 제조된 다수의 제품이 개발, 상품화되고 있다. 그러나, 기존의 매트릭스가 되는 폴리에스테르와 융점이 낮은 동일계 또는 이종의 폴리머를 시스-코어형으로 복합 방사하여 섞은 후 열처리시 용융 접착시키는 방법은 섬유 상호간의 상용성은 좋지만 폴리에스테르의 높은 융점 때문에 이종의 성분을 폴리에스테르에 공중합하여 융점을 저하시켜야 한다.

예를 들어, 미국 특허 제3,989,788호에는 부직포 웹(web) 및 쉬트(sheet)를 견고하게 만들기 위해 공중합 폴리에스테르 바인더 섬유를 이용하는 방법이 개시되어 있다. 상기 특허에는 폴리에틸렌테레프탈산 중 소정의 테레프탈산 반복 단위를 이소프탈산 단위로 바꿈으로써 공중합 바인더로서의 특성을 부여하는 방법이 개시되어 있다.

한편, 디카르본산으로서 테레프탈산 이외에 이소프탈산, 프탈산 등의 방향족 디카르본산 또는 지방족 디카르본산으로서 아디핀산, 세바신산을 사용하고, 디올 성분으로서 에틸렌글리콜, 헥산디올 등을 적당한 비율로 사용하는 방법이 소개되어 있다.

예를 들어, 미국 특허 제4,129,675호에는 테레프탈산과 이소프탈산을 이용하여 공중합된 저융점 공중합 폴리에스테르가 소개되어 있으나, 상기 특허에 따른 공중합 폴리에스테르는 190℃ 이상의 고온에서 열 융착됨으로써 경제적으로 불리한 단점이 있다.

또한, 미국 특허 제4,065,439호에는 테레프탈산/이소프탈산/아디핀산(또는 세바신산) 및 에틸렌글리콜/네오펜틸글리콜을 사용하여 공중합된 저융점 공중합 폴리에스테르가 개시되어 있다. 그러나, 상기 특허에 따른 공중합 폴리에스테르는 융점이 45∼60℃로 너무 낮아 의류용 심지로는 사용하기 곤란할 뿐만 아니라, 강력 또한 약한 단점이 있다.

전술한 바와 같이, 종래기술에 따른 공중합 폴리에스테르의 원료 성분들은 공중합 후 폴리에스테르의 분자쇄 내에서 결점으로 작용하거나 선형이 아닌 분자쇄 구조로 작용하여 결정성 및 강도 저하를 유발하는 단점이 있다. 따라서, 바인더 섬유의 제조시 이러한 공중합 폴리에스테르를 사용하는 경우, 결정성이 저하되어 부직포로 제조한 후 연화점 이상의 온도에서는 바인더로서의 역할을 잃게 되므로, 연화점 이상의 온도에서는 부직포의 인열 특성이 현저하게 감소되어 자동차 내장용 제품 또는 몰딩용 부직포로는 용도가 적합하지 않다.

이에 본 발명에서는 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 다양한 연구를 거듭한 결과, 낮은 결정화도를 갖는 공중합 성분을 이용한 종래기술의 저융점의 바인더 섬유와 달리, 본 발명에서는 공중합 성분으로서 결정성이 강한 분자쇄를 사용함으로써 결정성이 높고 특정한 융점까지는 연화거동이 거의 나타나지 않아 융점 이하의 온도에서는 변형이 거의 없는 바인더 섬유를 얻을 수 있었다. 또한, 유리전이온도를 40℃ 이상이 되도록 하는 공중합 성분을 동시에 사용함으로써 바인더 섬유의 방사후 연신공정에 있어서 낮은 유리전이온도에 기인하는 섬유의 경시변화 속도를 지연시켜 연신공정 중 인접한 섬유간 밀착 발생 등에 따른 생산성 저하가 없으면서도 고온에서 강도의 저하가 거의 없는 바인더 섬유를 얻을 수 있었고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 융점 이하의 온도에서는 변형을 일으키지 않고, 고온에서도 접착 강력이 유지되는 폴리에스테르계 바인더 섬유를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폴리에스테르계 바인더 섬유는 시스 성분으로서 공중합 폴리에스테르 및 코어 성분으로서 일반 폴리에스테르가 복합된 폴리에스테르계 바인더 섬유에 있어서, 상기 공중합 폴리에스테르가 디메틸테레프탈산 또는 테레프탈산, 및 디메틸아디핀산 또는 아디핀산으로 이루어진 산성분과 에틸렌글리콜, 1,4-사이클로헥산디메탄올 및 1,4-부탄디올로 이루어진 디올성분을 공중합시켜 된 공중합체이고, 상기 공중합 폴리에스테르 중의 에스테르의 몰을 기준으로 상기 디메틸아디핀산 또는 아디핀산이 1∼10몰%, 상기 1,4-사이클로핵산디메탄올이 1∼20몰%, 및 상기 1,4-부탄디올이 30∼50몰% 함유된 것을 특징으로 한다.

본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서는 자동차 내장용 제품 또는 몰딩(molding)용 부직포 제조시 섬유를 열적으로 접착시키는 역할, 즉 바인더의 역할을 하는 저융점 접착용 바인더 섬유로서, 유리전이온도(Tg)가 40℃ 이상이고 고온(100℃∼130℃)에서도 접착 강력이 유지되는 공중합 폴리에스테르계 바인더 섬유가 제공된다.

종래기술에 따른 일반적인 시스-코어형 바인더 섬유는 강직쇄나 꺾임이 있는 분자쇄를 공중합함으로써 결정성을 떨어뜨리게 하여 융점을 강하시킨다. 이러한 경우, 결정성 저하 또는 소멸로 인해 섬유의 강도가 저하될 뿐만 아니라, 결정이 형성되지 않아 융점이 존재하지 않고 연화온도만이 남게 된다. 그러나, 연화온도는 융점과 같이 좁은 온도범위가 아닌 통상적으로 20∼40℃ 이상의 넓은 온도범위에 걸쳐서 존재하기 때문에 공중합물을 열접착시키려면 최소한 연화온도의 최종온도보다 10∼20℃ 높은 온도에서 가공을 해야하는 단점이 있다.

본 발명에서는 폴리에틸렌테레프탈산을 공중합시켜 사용한다는 점에서는 종래기술과 같지만, 종래기술과 달리 공중합 성분으로서 결정성이 강한 분자쇄를 사용하고, 이와 함께 유리전이온도를 40℃ 이상이 되도록 하는 공중합 성분을 동시에 사용함으로써 특정한 융점까지는 연화거동이 거의 나타나지 않아 융점 이하의 온도에서는 변형이 거의 없고, 고온에서 강도의 저하가 거의 없는 바인더 섬유를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 공중합 폴리에스테르계 바인더 섬유는 코어 성분으로서 일반 폴리에스테르와 시스 성분으로서 공중합 폴리에스테르가 복합된 바인더 섬유로서, 상기 공중합 폴리에스테르가 디메틸테레프탈산 또는 테레프탈산, 및 디메틸아디핀산 또는 아디핀산으로 이루어진 산성분과 에틸렌글리콜, 1,4-사이클로헥산디메탄올 및 1,4-부탄디올로 이루어진 디올성분을 공중합시켜 된 공중합체이다.

본 발명에서 사용되는 디메틸아디핀산 및 아디핀산은 유연성을 갖는 물질로서 공중합 폴리에스테르의 산성분 중 하나로 도입되어 분자쇄 전체의 유동 가능성을 증가시켜 1,4-부탄디올의 결정성을 방해하지 않고 공중합체의 융점이 저하되도록 하여 가공을 용이하게 할 뿐만 아니라, 폴리머 주쇄에 존재하는 유연 분자쇄로 인해 탄성을 향상시켜 부직포 바인딩시 인열특성을 개선시키는 역할을 한다.

이때, 상기 디메틸아디핀산 또는 아디핀산의 함량은 상기 공중합 폴리에스테르 중의 에스테르의 몰을 기준으로 1∼10몰%인 것이 좋고, 상기 함량이 1몰% 미만이면 목적하는 융점저하 및 분자쇄 유연성 증대 효과를 얻을 수 없고, 10몰%를 초과하면 공중합 폴리에스테르의 결정성이 저하될 뿐만 아니라 40℃ 이상의 유리전이온도를 얻을 수 없다.

한편, 상기 공중합 폴리에스테르의 나머지 90∼99몰%의 산성분은 디메틸테레프탈산 또는 테레프탈산으로 이루어진다.

본 발명에서 사용되는 1,4-사이클로핵산디메탄올은 지방족 고리화합물로서 공중합 폴리에스테르의 디올성분 중 하나로 도입되어 융점을 강하시키면서도 유리전이온도를 유지시키는 역할을 한다.

이때, 상기 1,4-사이클로핵산디메탄올의 함량은 상기 공중합 폴리에스테르 중의 에스테르의 몰을 기준으로 1∼20몰%인 것이 좋고, 상기 함량이 1몰% 미만이면 목적하는 융점저하 및 40℃ 이상의 유리전이온도를 얻을 수 없고, 20몰%를 초과하면 공중합 폴리에스테르의 결정성이 과도하게 저하되어 넓은 온도 범위에서의 연화 거동을 보인다.

본 발명에서 사용되는 1,4-부탄디올은 결정성이 강한 물질로서, 공중합 폴리에스테르의 디올성분 중 다른 하나로 도입되어 공중합시에도 결정성이 유지되어 공중합체의 융점보다 불과 5℃ 높은 온도에서도 열접착시킬 수 있으며, 융점 이하의 온도에서는 결정성이 강한 관계로 공중합체의 변형이 거의 없는 장점이 있다.

이때, 상기 1,4-부탄디올의 함량은 상기 공중합 폴리에스테르 중의 에스테르의 몰을 기준으로 30∼50몰%인 것이 좋고, 상기 함량이 30몰% 미만이면 융착온도가 높아 저융점 바인더로서의 역할을 하지 못하며, 50몰%를 초과하면 1,4-부탄디올이 디올 성분중 주성분이 되어 융착 온도가 다시 상승하게 된다.

한편, 상기 공중합 폴리에스테르의 나머지 디올성분은 에틸렌글리콜로 이루어진다.

상술한 산성분 및 디올성분이 공중합되어 이루어진 공중합 폴리에스테르를 시스-코어형 바인더 섬유의 시스 성분으로 사용하는 경우, 기존 바인더 섬유에 적용되는 온도와 유사한 범위의 저온에서 열접착시킬 수 있을 뿐만 아니라, 자동차 내장용 제품과 같이 고온의 분위기에서 내구성 및 형태 안정성을 필요로하는 경우에도 강력이 유지되며 몰딩용 부직포에서도 고온 분위기하에서 처짐 현상을 예방할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리에스테르계 바인더 섬유는 바인더 성분의 결정성이 높아 융점 이하의 온도에서는 변형이 거의 없고, 유리전이온도를 40℃ 이상이 되도록 하는 공중합 성분을 사용함으로써 바인더 섬유의 방사 후 연신공정에서 낮은 유리전이온도에 기인하는 섬유의 경시변화 속도를 지연시켜 공정 중 인접한 섬유간 밀착 발생 등에 따른 생산성 저하를 방지할 수 있고, 고온에서 부직포 강도 저하가 거의 없는 장점이 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

하기 실시예 및 비교예에 나타낸 평가 항목의 측정은 다음과 같이 실시하였다.

1. 공중합 몰% 측정

공중합 폴리에스테르의 첨가물 몰%는 공중합 폴리에스테르를 트리플로로아세트산에 용해하여 브루커(Bruker)사의 DRX-300 프로톤 핵 자기공명장치(¹H NMR)를 이용하여 측정하였다.

2. 융점/유리전이온도 및 연화거동 측정

열시차 주사 열량계(Perkin Elmer, DSC-7)를 이용하여 측정하였으며, 열 흡수 피크가 존재하지 않는 경우, 즉 융점이 존재하지 않는 경우 동적 열특성 측정기(Perkin Elmer, DMA-7; TMA 모드)를 이용하여 연화 거동을 측정하였다.

3. 극한 점도(IV) 측정

공중합 폴리에스테르를 페놀/테트라클로로에탄(중량비 50/50)에 녹여 0.5중량%의 용액을 만든 후, 우베로드 점도계로 35℃에서 측정하였다.

4. 상온 접착력 및 고온 접착력 측정

제조된 열융착 부직포를 밀도 2g/100㎠로 고정하고, ASTM D1424의 방법으로 상온접착력은 분위기 온도를 25℃에서, 고온접착력은 분위기 온도를 100℃(건열)에서 측정하였다.

실시예 1

에스테르 반응조에 디카르본산 성분으로 몰비 92/8의 디메틸테레프탈산/디메틸아디핀산과 디올 성분으로 몰비 68.8/1.2/30의 에틸렌글리콜/1,4-사이클로핵산디메탄올/1,4-부탄디올을 투입하고 150℃의 온도에서 통상적인 에스테르화 반응 촉매를 첨가한 후 4시간에 걸쳐 최종 반응 온도 200℃까지 에스테르 교환 반응을 진행시켜 올리고머를 제조하였다. 이때, 디올 성분은 디카르본산 성분 대비 1.6 몰배가 되도록 투입하였다. 여기에서 얻어진 올리고머에 통상적인 축중합 반응 촉매를 투입한 후 최종 감압도가 0.1mmHg가 되도록 서서히 감압하면서 260℃까지 승온시켜 축중합 반응을 수행하였다.

이렇게 제조된 공중합 폴리에스테르칩을 시스 성분으로 통상의 폴리에틸렌테레프탈산 칩을 코어 성분으로 하여 모노데니아가 4데니아인 시스-코어형 폴리에스테르 바인더 섬유를 제조하였다. 이러한 섬유를 섬유장 51㎜로 절단하고, 또한 기계적 권축을 함께 부여하였다. 그 후 로울러 카딩기에서 통상적인 폴리에틸렌테레프탈산과 50:50의 무게비로 혼면 카딩하고, 175℃의 온도에서 1분간 열접착시켰다.

이로부터 얻은 바인더 섬유의 물성을 상술한 바와 같이 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

실시예 2∼4 및 비교예 1∼3

다음 표 1에 기재된 바와 같이, 디메틸아디핀산, 1,4-사이클로핵산디메탄올, 1,4-부탄디올의 공중합 조성비를 달리하는 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 바인더 섬유를 얻은 후, 이의 물성을 측정한 결과를 하기 표 1에 각각 나타내었다.

비교예 4

에스테르 반응조에 테레프탈산 및 에틸렌글리콜을 투입한 후 258℃의 온도에서 통상적인 방법으로 반응시켜 반응율이 96% 진행된 올리고머를 제조하였다.

이로부터 얻은 올리고머에 폴리에틸렌테레프탈산의 몰을 기준으로 이소프탈산 30몰%를 에틸렌글리콜에 슬러리 형태로 하여 통상의 에스테르 교환 반응 촉매와 함께 투입하여 240℃의 온도에서 에스테르 교환 반응을 시켰다. 이렇게 해서 얻어진 에스테르화 올리고머에 통상의 축중합 반응촉매를 투입한 후, 최종 감압도가 0.1mmHg가 되도록 서서히 감압하면서 280℃까지 승온시켜 축중합 반응을 실시하였다.

이와 같이 제조된 폴리에스테르 바인더 섬유의 성능은 상술한 바와 같이 평가하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

비교예 5

이소프탈산의 사용량을 30몰% 대신 40몰%로 하여 공중합시킨 것을 제외하고는 상기 비교예 4와 동일하게 실시하여 얻은 바인더 섬유의 물성을 상술한 바와 같이 평가하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

		공중합 투입조성(몰%)				공중합 조성(몰%)				IV	융점	연화온도	유리전이온도	상온접착력	고온접착력
		DMA	BD	CHDM	IPA	DMA	BD	CHDM	IPA		(℃)	(℃)	(℃)	(kg)	(kg)
실시예	1	8	30	1.2	-	7.8	41.1	1.8	-	0.68	167	-	43.0	4.3	2.3
	2	5	30	4	-	4.9	42.0	5.8	-	0.65	162	-	48.0	4.1	2.2
	3	3	35	6	-	2.9	45.9	9.0	-	0.62	159	-	52.0	4.0	2.0
	4	6	30	6.5	-	5.7	39.0	10.1	-	0.63	156	-	47.0	4.1	2.0
비교예	1	12	35	-	-	11.9	45.1	-	-	0.69	162	-	37.0	4.4	2.1
	2	-	30	15	-	-	41.5	21.0	-	0.62	-	135	58.0	2.3	0.5
	3	-	45	-	-	-	60.5	-	-	0.73	194	-	46.0	-	-
	4	-	-	-	30	-	-	-	29.8	0.65	-	120	72.0	1.5	0.2
	5	-	-	-	40	-	-	-	39.7	0.64	-	115	71.0	2.4	0.1

주 1) DMA : 디메틸아디핀산{CH₃OOC(CH₂)₄COOCH₃}

BD : 1,4-부탄디올{HO(CH₂)₄OH}

CHDM : 1,4-사이클로핵산디메탄올{HOCH₂(C₆H₁₀)CH₂OH}

IPA : 이소프탈산{HOOC(C₆H₄)COO}

주 2) BD와 CHDM은 디카르본산 성분 대비 1.6 몰배가 되도록 투입함

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1∼4의 폴리에스테르계 바인더 섬유는 비교예 1∼5의 바인더 섬유에 비해서 적어도 동등한 정도의 융점 및 극한 점도를 가지며, 상온 접착력 및 고온 접착력이 모두 우수하고, 40℃ 이상의 유리전이온도를 가짐을 알 수 있었다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 결정성 및 열접착력이 뛰어난 분자쇄를 폴리에틸렌테레프탈산 주쇄에 도입함으로써 결정성이 높고 융점 이하의 온도에서는 변형이 거의 없는 바인더 섬유를 제공할 수 있다. 또한, 바인더 성분의 유리전이온도를 40℃ 이상이 되도록 하는 공중합 물질인 1,4-사이클로핵산디메탄올을 사용함으로써 바인더 섬유의 방사 후 연신 공정에 있어서 낮은 유리전이온도에 기인하는 섬유의 경시변화 속도를 지연시켜 공정중 인접한 섬유간 밀착 발생 등에 따른 생산성 저하가 없으면서도 고온에서 부직포 강도 저하가 거의 없는 바인더 섬유를 제공할 수 있다.

Claims

시스 성분으로서 공중합 폴리에스테르 및 코어 성분으로서 일반 폴리에스테르가 복합된 폴리에스테르계 바인더 섬유에 있어서,

상기 공중합 폴리에스테르가 디메틸테레프탈산 또는 테레프탈산, 및 디메틸아디핀산 또는 아디핀산으로 이루어진 산성분과 에틸렌글리콜, 1,4-사이클로헥산디메탄올 및 1,4-부탄디올로 이루어진 디올성분을 공중합시켜 된 공중합체이고, 상기 공중합 폴리에스테르 중의 에스테르의 몰을 기준으로 상기 디메틸아디핀산 또는 아디핀산이 1∼10몰%, 상기 1,4-사이클로핵산디메탄올이 1∼20몰%, 및 상기 1,4-부탄디올이 30∼50몰% 함유된 것을 특징으로 하는 공중합 폴리에스테르계 바인더 섬유.