KR100477482B1 - 전분 필라멘트를 포함하는 가요성 구조물 - Google Patents

Abstract

다수의 전분 필라멘트를 포함하는 가요성 구조물이 개시된다. 이러한 구조물은 적어도 일차 영역과 이차 영역을 포함하며, 일차 및 이차 영역 각각은 밀도, 기본 중량, 높이, 불투명도, 그레이프 빈도 그리고 이들의 어떤 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 공통적 강화 성질을 가진다. 이러한 일차 영역의 공통 강화 성질은 이차 영역의 공통 강화 성질과는 값에 있어서 상이하다.

Description

전분 필라멘트를 포함하는 가요성 구조물{Flexible Structure Comprising Starch Filaments}

본 발명은 전분 필라멘트를 포함하는 가요성 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차별적인 영역들을 가지는 가요성 구조물에 관한 것이다.

종이와 같은 셀룰로오스의 섬유 조직(cellulosic fibrous webs)은 관련 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 낮은 밀도의 섬유 직물은 오늘날 종이 타월, 화장 티슈, 냅킨, 물티슈 등과 같은 것에 일반적으로 사용되고 있다. 이러한 종이 제품에 대한 광범위한 수요는 이들 제품들과 이들을 제조하는 방법에 대한 진보를 필요로 하였다. 이러한 필요에 부응하기 위하여, 종이 제작 제조업자들은, 기계 설비 및 원재료의 가격과 제품을 소비자들에게 제공하는 가격 사이에 균형을 유지해야만 한다.

전통적인 종이 제조 작업에 있어서, 나무 셀룰로오스의 섬유는 수분 펄프 슬러리(slurry)를 형성하기 위하여 어느 정도의 섬유 수화 작용을 이루도록 재펄프화 되거나, 두들겨 펴지거나 또는 정련된다. 티슈, 타월 그리고 위생용품에 사용되는 종이 제품의 제조 과정은, 일반적으로 수분 슬러리의 준비단계, 그리고 종이 조직을 형성하기 위하여 섬유를 동시에 재배열시키는 동안 슬러리로부터 수분을 제거하는 단계를 포함한다. 수분 제거에 이어서, 조직은 건조 롤 또는 쉬트 폼(sheet form) 과정을 거쳐 최종적으로 상품 포장으로 변환된다. 다양한 형태의 기계 설비들이 상당한 자본금 출자를 요구하는 수분 제거과정 및 전환 작업을 위하여 사용되어야 한다.

전통적인 종이 제조 작업의 또 다른 특징은 특별한 최종 성질을 위하여 펄프에 첨가물을 혼합한다는 것이다. 이를 테면, 강화 수지, 탈계면활성제(debonding surfactants), 연화제, 색소, 속(lattices), 합성 미세 구체(synthetic micro-spheres), 방염제(fire-retardants), 염료, 향료 등과 같은 첨가물은 종이의 제조에 종종 사용된다. 종이 제조 과정의 직조 부분에서 이러한 첨가물을 효과적으로 유지하는 것은 제작 업자에게 어려운 문제인데, 왜냐하면 보유되지 않은 부분은, 단지 경제적 손실뿐만 아니라 만일 일부가 유출된다면 또한 심각한 공해 문제를 야기하기 때문이다. 첨가물들은 또한 해당 기술 분야에서 일반적으로 잘 알려진 코팅 또는 포화 과정을 통하여 수분 제거과정에 이어서 종이 직조에 부가될 수 있다. 이러한 과정은 보통 코팅 후에 종이를 재건조시키기 위하여 소모 가열 에너지를 요구한다. 게다가, 어떤 경우 코팅 시스템은, 자본 비용을 증가시키고 규제 받는 휘발성 물질의 회수를 요구하는 문제를 야기시킨다.

합성 섬유의 다양함 만큼이나 셀룰로오스가 아닌 다른 다양한 자연 섬유들이 종이 제조에 사용된다. 하지만 이런 모든 대체물들은 비싼 가격, 빈약한 접착 성질, 화학적인 불친화성, 그리고 제조 시스템에서의 취급 곤란등의 이유로 상업적으로 활용 가능한 셀룰로오스 대체물을 제공하지 못하고 있다. 전분 섬유는 종이 제조 과정의 다양한 측면에서 셀룰로오스의 대체물로 제시되고 있으나, 이러한 전분 섬유를 이용하기 위한 상업적 시도는 성공적이지 못하였다. 결과적으로 종이 생산물은 아직도 거의 대부분 나무에 근거한 셀룰로오스 성분으로부터 제조되고 있다.

따라서, 본 발명은 긴 전분 필라멘트를 포함하는 가요성 구조물과 이를 생산하기 위한 공정을 제공하고자 한다. 특히, 본 발명은 다수의 전분 필라멘트를 포함하는 가요성 구조물을 제공하는데, 이러한 구조는 향상된 강도, 흡수력, 부드러움을 위한 차별적인 강화 성질을 가지는 두 개 또는 그 이상의 영역을 포함한다.

본 발명은 또한 전분 필라멘트를 제조하는 방법을 제공한다. 특히 본 발명은 다수의 전분 필라멘트를 생산하는 전자 방사 과정을 제공한다.

가요성 구조물은 다수의 전분 필라멘트를 포함한다. 적어도 어느 정도의 전분 필라멘트는 0.001 dtex 에서 135 dtex 의 크기를, 특히 0.01 dtex에서 5dtex 까지의 크기를 가진다. 전분 필라멘트의 주축과 직각인 단면의 균등 직경에 대한 전분 필라멘트의 주축의 길이의 비율은 100/1 이상, 특히 500/1 이상, 보다 바람직하게는 1000/1 이상, 가장 바람직하게는 5000/1 이상이다.

이러한 구조물은 적어도 일차 영역과 이차 영역을 포함하며, 일차 및 이차 영역 각각은 밀도, 기본 중량, 높이, 불투명도, 크레이프 빈도와 이들의 어떤 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 공통 강화 성질을 가진다. 일차 영역의 적어도 하나의 공통 강화 성질은 이차 영역의 적어도 하나의 공통 강화 성질과는 값에서 차이가 난다.

한 실시예에 있어서, 일차 및 이차 영역 중 하나는 실질적으로 연속적인 네트워크를 포함하며, 일차 및 이차 영역 중 또 다른 하나는 실질적으로 이러한 연속적인 네트워크 전체로 분산되는 다수의 불연속 영역을 포함한다. 또 다른 실시예에 있어서, 일차 및 이차 영역 중 적어도 하나는 어느 정도 지속적인 네트워크를 포함한다.

가요성 구조물은 일차 영역의 강화 성질과 이차 영역의 강화 성질과 동일하지만 값은 상이한 적어도 하나의 강화 성질을 가지는 삼차 영역을 더 포함할 수 있다. 한 실시예에 있어서, 적어도 일차 및 이차, 삼차 영역 중 하나는 실질적으로 연속적인 네트워크를 포함 할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 일차 및 이차, 삼차 영역 중 적어도 하나는 불연속의 또는 단절된 영역을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 일차 및 이차, 삼차 영역 중 적어도 하나는 실질적으로 어느 정도 연속적인 영역을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 일차 및 이차, 삼차 영역중 적어도 하나는 실질적으로 연속적인 네트워크 전체로 분산되는 다수의 불연속 영역들을 포함한다.

가요성 구조물이 실질적으로 연속적인 네트워크 영역과 이러한 실질적인 연속적 네트워크 영역 전체로 분산되는 다수의 불연속 영역을 포함하는 실시예에 있어서, 실질적으로 연속적인 네트워크 영역은 다수의 불연속 영역의 상대적으로 낮은 밀도와 관련하여 상대적으로 높은 밀도를 가질 수 있다. 구조물이 수평의 기준 평면에 놓여지는 경우, 일차 영역은 일차 높이를 규정하고 이차 영역은 일차 높이 보다 (수평의 기준 평면과 관련하여) 더 큰 이차 높이를 규정하기 위하여 일차 영역으로부터 외부로 연장된다.

적어도 세 개의 영역을 포함하는 실시예에 있어서, 일차 영역은 일차 높이를 규정할 수 있고, 이차 영역은 이차 높이를 규정할 수 있으며, 삼차 영역은 구조물이 수평의 기준 평면에 놓여져 있을 때 삼차 높이를 규정할 수 있다. 일차 및 이차, 삼차 높이 중 적어도 하나는 적어도 다른 높이들 중 하나와 다를 수 있다. 예를 들어, 이차 높이는 일차 높이와 삼차 높이 사이에 들어갈 수 있다.

한 실시예에 있어서, 이차 영역은 다수의 전분 필로우(pillows)를 포함하며, 각각의 필로우는 일차 높이로부터 이차 높이까지 확장된 돔 부분을 포함 할 수 있으며, 돔 부분으로부터 이차 높이까지 횡으로 확장된 캔틸레버 부분(cantilever portion)을 포함할 수 있다. 전분 캔틸레버 부분의 밀도는 일차 영역의 밀도 및 돔 부분의 밀도와 동일하거나 다를 수 있으며, 또는 일차 영역의 밀도와 돔 부분의 밀도 사이에 올 수도 있다. 캔틸레버 부분들은 보통 일차 영역과 캔틸레버 부분 사이에 실질적으로 빈 공간을 형성하기 위하여 일차 평면으로부터 상승하여 형성된다.

가요성 구조물은, 용융 방사, 건조 방사, 습식 방사, 전자 방사, 또는 이들의 조합에 의하여 다수의 전분 필라멘트를 생산하고, 다수의 전분 필라멘트를 받아들이기 위하여 구성된 삼차원 필라멘트 수용측을 가지는 몰딩 부재를 제공하며, 다수의 전분 필라멘트들이 적어도 부분적으로 그들의 패턴을 따르게 하는 몰딩 부재의 필라멘트 수용측에 다수의 전분 필라멘트를 위치시키며, 몰딩 부재로부터 다수의 전분 필라멘트를 분리함으로서 만들어진다.

몰딩 부재의 필라멘트 수용측에 다수의 전분 필라멘트를 위치시키는 단계는 다수의 전분이 적어도 부분적으로 몰딩 부재의 삼차원 패턴을 따르게 하는 과정을 포함할 수 있다. 이것은 예를 들면, 다수의 전분 필라멘트에 차별적인 유압을 가함으로서 이루어질 수 있다.

한 실시예에 있어서, 몰딩 부재에 다수의 전분 필라멘트를 위치시키는 단계는 몰딩 부재의 필라멘트 수용측과 관련하여 예각으로 비스듬히 전분 필라멘트를 위치시키는 것을 포함하는데, 여기서 예각은 약 5도에서 약 85도 까지이다.

한 실시예에 있어서, 몰딩 부재는 강화 장치(reinforcing element)에 결합된 수지 구조물을 포함한다. 몰딩 부재는 유체 투과성, 유체 불투과성 또는 부분적으로 유체 투과성이다. 강화 장치는 필라멘트 수용측과 수지 구조물의 후면부 사이에 위치될 수 있다. 필라멘트 수용측은 실질적으로 연속적인 패턴, 실질적으로 어느 정도 연속적인 패턴, 불연속 패턴 또는 이들의 어떠한 조합을 포함할 수 있다. 수지 구조물은, 구조물의 패턴과 유사하면서도 반대되게, 연속적, 불연속적, 또는 어느 정도 연속적일 수 있는 다수의 구멍을 포함할 수 있다.

한 실시예에 있어서, 몰딩 부재는 일차 높이에 위치되는 강화 장치와, 이 강화 장치에 서로 마주보는 관계로 결합되며 이차 높이를 형성하기 위하여 강화 장치로부터 외부로 연장된 수지 구조물에 의하여 형성된다. 몰딩 부재는 다수의 서로 짜여진 방사, 펠트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

다수의 전분 필라멘트가 몰딩 부재의 필라멘트 수용측에 놓여질 때, 이들의 유동성으로 인해 그리고/또는 차별적인 유압의 적용 결과로서, 전분 필라멘트는 적어도 부분적으로 몰딩 부재의 삼차원적 패턴에 따르는 경향이 있으며, 그럼으로서 패턴화된 구조에 의해 지지되는 다수의 전분 필라멘트의 일차 영역과, 구멍으로 편향되고 강화 장치에 의해 지지되는 다수의 전분 필라멘트의 이차 영역을 형성한다.

한 실시예에 있어서, 몰딩 부재는 부유 부분(suspended portions)을 포함한다. 이러한 몰딩 부재의 수지 구조물은 강화 장치로부터 외부로 연장된 다수의 베이스와, 이차 높이에서 베이스로부터 측면으로 연장된 다수의 캔틸레버 부분을 포함하함으로, 강화 장치와 캔틸레버 부분 사이에 빈 공간을 형성하는데, 여기서 다수의 베이스와 다수의 캔틸레버 부분들은 조합으로 몰딩 부재의 삼차원 필라멘트 수용측을 형성한다. 이러한 몰딩 부재는, 한 층의 구조의 부분들이 다른 층의 구멍과 대응하는 서로 마주보는 관계로 함께 결합되는 적어도 두 개의 층에 의하여 형성될 수 있다. 부유 부분들을 포함하는 몰딩 부재는 또한 차별적인 불투명 영역을 포함하는 패턴을 가지는 마스크를 통하여 감광성 수지 층의 차별적인 큐어링에 의하여 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 가요성 구조물을 만드는 과정은, 예를 들면 다수의 전분 필라멘트에 기계적인 압력을 가함으로서 다수의 전분 필라멘트의 선택된 부분의 밀도를 높이는 단계를 더 포함할 수 있다.

공정은 다수의 전분 필라멘트를 축소하는 단계를 더 포함할 수 있다. 수축은 크래핑(creping), 미세 축소 또는 이들의 조합으로 이루어 질 수 있다.

전분 필라멘트를 만들기 위한 전자 방사 과정은 약 50 Pa·s로부터 약 20,000 Pa·s(파스칼·초) 까지 신장 점도를 가지는 전분 조성물을 제공하는 단계, 그리고 전분 조성물을 전자 방사하는 단계, 이어서 약 0.001 dtex 에서 약 135 dtex 까지의 크기를 가지는 전분 필라멘트를 생산하는 단계를 포함한다. 전분 조성물을 전자 방사하는 단계는 보통 다이(die)를 통하여 전분 조성물을 전자 방사하는 것으로 구성된다.

전분 조성물에서 전분은 약 1,000 에서 약 2,000,000 까지의 평균 중량의 분자량을 가지며, 전분 조성물은 적어도 0.05, 보다 정확히, 적어도 1.00의 모세관 숫자를 가진다. 한 실시예에 있어서, 전분 조성물은 무게의 약 20%에서 99%까지의 아밀로펙틴을 포함한다. 전분 조성물에서 전분은 약 1,000 에서 2,000,000 까지의 평균 중량의 분자량을 가질 수 있다. 전분 조성물은 적어도 500,000의 평균 중량의 분자량을 가지는 고분자량 중합체를 포함할 수 있다.

전분 조성물은 전분을 중량비로 10%에서 80% 까지를 포함할 수 있으며, 첨가제는 20%에서 90%까지를 포함할 수 있다. 이러한 전분 조성물은 약 20℃ 에서 약 180℃ 까지의 온도에서, 약 100 Pa·s에서 약 15,000 Pa·s까지의 신장된 점도를 가질 수 있다.

전분 조성물은, 전분 약 20%에서 약 70% 까지와, 첨가제 약 30%에서 약 80%까지를 포함할 수 있다. 이러한 전분 조성물은 약 20℃ 에서 약 100℃까지의 온도에서 약 200 Pa·s에서 약 10,000 Pa·s까지의 신장된 점도를 가질 수 있다.

약 200 Pa·s에서 약 10,000 Pa·s까지의 신장된 점도를 가지는 전분 조성물은 약 3에서 약 50의 모세관 숫자를 가질 수 있다. 보다 명확하게, 약 300 Pa·s에서 약 5,000 Pa·s 까지의 신장된 점도를 가지는 전분 조성물은 약 5에서 약 30의 모세관 숫자를 가질 수 있다.

한 실시예에 있어서, 전분 조성물은, 실질적으로 전분과 상용가능하며 적어도 500,000의 평균 분량을 가지는, 약 0.0005%에서 약 5 중량%의 고분자량 중합체를 포함한다.

전분 조성물은 가소제(plasticizers)와 희석제(diluents)로 구성된 그룹으로부터 선택된 첨가제를 포함할 수 있다. 이러한 전분 조성물은 단백질을 중량%로 약 5%에서 약 95%까지 더 포함할 수 있으며, 여기서 단백질은 옥수수 단백질, 콩 단백질, 밀 단백질 또는 이들의 조합을 포함한다.

전분 조성물을 만드는 과정은 전분 조성물을 공기 유출로 가늘게 만드는 단계를 더 포함할 수 있다.

한 실시예에 있어서, 전분 조성물을 포함하는 가요성 구조물을 형성하기 위한 공정은 약 100 Pa·s에서 약 10,000 Pa·s의 신장된 점도를 가지는 전분 조성물을 제공하는 단계와, 실질적으로 연속적인 패턴, 실질적으로 어느 정도 연속적인 패턴, 불연속 패턴 또는 이들의 조합을 포함하는 삼차원 필라멘트 수용측과 이것과 마주보는 후면측을 가지는 몰딩 부재를 제공하는 단계, 다수의 전분 필라멘트를 생산하도록 전분 조성물을 전자 방사하는 단계, 다수의 전분 필라멘트를 필라멘트 수용측의 삼차원 패턴을 따라 몰딩 부재의 필라멘트 수용측에 위치시키는 단계를 포함한다.

공정 과정 중, 몰딩 부재는 지속적으로 기계 방향으로 이동한다.

여기서 사용되는 용어는 다음과 같은 의미로 정의된다.

"전분 필라멘트를 포함하는 가요성 구조물" 또는 단순히 "가요성 구조물"이란, 소정의 미세한 기하학적, 물리적 그리고 심미적인 성질을 가지는 유사 쉬트 제품(sheet-like product)을 형성하기 위하여 기계적으로 서로 관련된 다수의 전분 필라멘트를 포함하는 배열(arrangement)이다.

"전분 필라멘트"란, 전분을 포함하며, 매우 긴 주축을 가지며, 이 주축과 직각을 이루는 두 개의 서로 직각인 섬유축에 비교되는 주축을 가지는 가늘고, 얇으며, 매우 탄력적인 물체이다. 주축과 직각을 이루는 섬유 단면의 균등 직경에 대한 주축 길이의 비율은 100/1 보다 더 크며, 보다 명확하게, 500/1보다 더 크며, 보다 명확하게는, 1000/1보다 더 크며, 가장 바람직하게는 5000/1 보다 더 크다. 전분 필라멘트는 다른 물질들, 예를 들면 수분, 가소제 그리고 다른 선택적 첨가제 등을 포함할 수 있다.

"균등 직경(equivalent diameter)"이란 단면의 모양과 관계없이, 개별적 전분 필라멘트의 표면 영역과 단면 영역을 한정하기 위하여 여기서 사용된다. 균등 직경은 방정식 S=1/4πD² 을 만족시키는 매개변수(parameter)로, 여기서 S는 (그 기하학적 형태와 관계없이) 전분 필라멘트의 단면 영역이며, π=3.014159, 그리고 D는 균등 직경이다. 예를 들어, 서로 마주보는 두 개의 측 "A"와 서로 마주보는 두 개의 측 "B"에 의해 형성되는 장방형 모양을 가지는 단면은 S=A×B 로 표현될 수 있다. 동시에, 이러한 단면 영역은 균등 직경 D를 가지는 원형의 영역으로 표현될 수 있다. 그래서, 균등 직경 D는 방정식 S=1/4πD² 으로 계산될 수 있으며, 여기서 S 는 장방형의 잘 알려진 영역이다. (물론 원의 균등 지름은 원의 실제 지름이다.) 균등 반지름은 균등 지름의 1/2 이다.

"물질(materials)" 또는 "조성물(compositions)"과 연관된 의사 열가소성 플라스틱(pseudo-thermoplastic)"은 상승된 온도의 영향에 의해 적절한 용매에서 용해되는 물질과 조성물로 표현되는, 그렇지 않으면 이들이 가요성 구조물을 형성하기 적합한 전분 필라멘트를 만들기 위하여 바람직한, 보다 명확하게, 가공되는 대로 형태 지어질 수 있는 유동적 상태가 될 수 있는 그런 온도에서 부드럽게 될 수 있는 물질과 조성물로 표현된다. 예를 들어 유사 열가소성 물질은 가열과 압력이 종합된 영향 아래서 형성될 수 있다. 유사 열가소성 물질들은 열가소성 물질들과는 다른데, 유사 열가소성 물질의 연화(softening)와 액화(liquefying)가 연화제 또는 용매의 존재에 의해 일어나는 것으로, 이들 없이는 어떤 온도나 압력에 의해 모양을 만들기 위해 필요한 부드러운 또는 유동적인 상태로 만드는 것은 불가능하다는 것이 바로 차이점으로, 유사 열가소성 물질은 이런 방식으로는 "용해"되지 않기 때문이다. 전분의 용융 온도와 유리 전이 온도(glass transition temperature)에 대한 수분 함유량의 영향은 젤레즈낙(Zeleznak)과 호세니(Hoseny)에 의해 "곡물의 화학적 성질" 64권 2호(1987년) 121-124쪽에 설명된 바와 같이, 상이한 주사 열량 측정법(scanning calorimetry)에 의해 측정될 수 있다. 유사 열가소성 용융물은 유동성 상태에 있는 유사 열가소성 물질이다.

미세 기하학(micro-geometry)과 그것의 순열(permutations)은 가요성 구조물의 상대적으로 작은(즉, 극히 미세한) 세부를 말하는 것으로 예를 들면, 구조물의 전체(즉 거시적인) 기하학과 대조되는 것으로, 구조의 전체 배열(configuration)과 관계없이 표면 조직 같은 세부를 말한다. "거시적인" 또는 "거시적으로"를 포함하는 용어들은, X-Y 평면처럼 이차원적인 배열에 위치되는 경우, 고찰되는 구조의 전체적인 기하학 또는 그 일부를 말한다. 예를 들어, 거시적인 수준에서, 가요성 구조물은 그것이 평평한 표면에 위치되는 경우, 상대적으로 얇고 평평한 쉬트(sheet)를 포함하다. 그러나 미시적 수준에서, 구조물은 일차 높이를 가지는 일차 평면을 형성하는 다수의 일차 영역들과, 이차 높이를 형성하기 위하여 구조 영역으로부터 외부로 연장되고 이를 통하여 분산되는 다수의 돔 또는 필로우(pillows)를 포함할 수 있다.

"강화 성질(intensive properties)"은 가요성 구조물의 평면내에서 값들의 집합에 의존하는 값을 가지지 않는 성질이다. 공통 강화 성질은 하나 이상의 영역에 의하여 소유되는 강화 성질이다. 본 발명에 따른 가요성 구조물의 이러한 강화 성질은, 밀도, 기본 중량, 높이, 불투명성 그리고 크레이프 빈도(만일 구조가 축소되어야 한다면)를 제한 없이 포함한다. 예를 들어, 만일 밀도가 상이한 두 개 영역의 공통 강화 성질이라면, 한 영역에서 밀도의 값은 다른 영역에서의 밀도 값과 다를 수 있다. (예를 들어, 일차 영역과 이차 영역과 같은) 영역들은 차이 나는 강화 성질에 의해 서로 구별될 수 있는 확인 가능 영역들이다.

"기본 중량"은 단일 영역이 전분 가요성 구조물의 평면에서 취해지는, 전분 가요성 구조물의 단일 영역(unit area)의 중량(그램으로 측정된)이다. 기본 중량이 측정된 단일 영역의 크기와 모양은, 다른 기본 중량을 가지는 영역들의 상대적이며 절대적인 크기와 모양에 따라 좌우된다.

"밀도(density)"는 (가요성 구조물의 평면에서 정상적으로 취해진) 한 영역의 두께에 대한 기본 중량의 비율이다. 외부 밀도는 그 내부에서 구현되는 적절한 단일 변환과 함께 측경(caliper)에 의해 구분되는 시료의 기본 중량이다. 여기서 사용되는 외부 밀도는 g/cm³ 의 단위를 가진다.

"측경(caliper)"은 아래 설명된 데로 측정된 시료의 눈에 보이는 두께이다. 측경은 영역들의 미세한 특징인, 다른 영역들의 높이와는 구별되어야 한다.

"유리 전이 온도(glass transition temperature)" Tg 는 점성이 있고 탄력성 있는 상태에서 딱딱하고 상대적으로 깨지기 쉬운 상태로 물질이 변화하는 온도이다.

"기계 방향(machine direction)"은 제조 설비를 통하여 만들어지는 가요성 구조물의 흐름과 평행한 방향이다. "교차 기계 방향(cross-machine direction)"은 만들어진 가요성 구조물의 일반적 평면과 평행하고 기계 방향과는 지각을 이루는 방향이다.

"X", "Y" 그리고 "Z"는 데카르트식 좌표의 전통적인 시스템을 나타내는데, 여기서 서로 직각을 이루는 좌표 "X" 와 "Y"는 표준 X-Y 평면을 규정하고 "Z"는 X-Y 평면에 대한 직각을 규정한다. "Z 방향"은 X-Y평면과 지각을 이루는 방향을 나타낸다. 유사하게, "Z 차원"이란 용어는 차원, 거리 또는 Z 방향과 평행하게 측정된 매개 변수를 의미한다. 한 가지 구성 요소, 예를 들어, 몰딩 부재가 곡선을 이루거나 또는 평면이 아닌 경우, X-Y 평면은 이 구성 요소의 구조를 따라간다.

"실질적으로 연속적인(substantially continuous)" 영역이란, 선의 길이가 처음부터 끝까지 그 영역 내에서 전체적으로 이어진 중단 없는 선에 의하여 한 지점은 다른 두 지점과 연결될 수 있는 영역이다. 이것은 바로, 실질적으로 연속적인 영역이 일차 평면과 평행한 모든 방향에서 실질적인 연속성을 가지며, 이 영역의 가장자리에서만 단지 종료된다는 것을 말한다. 연속성과 관련되는 "실질적"이란 용어는 절대적인 연속성이 바람직하기는 하지만, 절대적인 연속성으로부터 다소간의 이탈도, 이러한 이탈이 계획되고 의도된 가요성 구조물(또는 몰딩 부재)의 작업에 감지할 수 있을 만큼 영향을 미치지 않는 동안에는, 용인될 수 있다.

"실질적으로 어느 정도 연속적인(substantially semi-continuous)" 영역은 일차 평면과 평행한 전체의, 또는 적어도 하나의, 방향에서 연속성을 가지는 영역을 말하며, 여기서 선의 길이를 처음부터 끝까지 그 영역 안에서 전체적으로 연결된 중단 없는 선에 의하여 한 지점이 다른 두 지점에 연결될 수 없는 영역이다. 어느 정도 연속적인 구성은 일차 평면에 평행한 한 방향으로만 연속성을 가질 수 있다. 상기의 연속적인 영역과 유사하게, 전체 방향에서, 그러나 적어도 하나의 방향에서는, 절대적인 연속성이 바람직하기는 하지만, 이러한 연속성으로부터 약간의 일탈은, 이러한 일탈이 구조의(또는 편향 부재)의 작업에 감지할 수 있는 만큼 영향을 미치지 않는다면, 용인될 수 있다.

"불연속적(discontinuous)" 영역은 일차 평면과 평행한 모든 방향에서 불연속적인 서로 분리되는 불연속 영역들을 말한다.

"흡수성(absorbency)"이란 모세관, 삼투성, 용매 또는 화학적 작용을 포함하는 다양한 방법을 통하여 유동체가 되고 이러한 유동체를 유지하는 물질의 능력이다. 흡수성은 여기서 설명된 시험에 따라 측정될 수 있다.

"가요성(flexibility)"이란, 이전의 변형 형태로 되돌아가는 물질이나 구조물의 능력 여부와 관계없이, 부서지지 않고 주어진 부하 아래서 변형되는 물질이나 구조물의 능력이다.

"몰딩 부재"는 본 발명에 따라 가요성 구조물을 만드는 과정에서 놓여질 수 있는 전분 필라멘트를 위한 지지대로서 사용될 수 있는, 그리고 본 발명에 따른 가요성 구조물의 바람직한 미세 기하학을 만들기 위한(또는 주조하기 위한) 형성 단일체로 사용될 수 있는 구조적인 요소이다. 몰딩 부재는 생산되는 구조물에 삼차원의 패턴을 제공하는 능력을 가지는, 그리고 고정된 평면, 벨트, 짜여진 조직, 그리고 띠를 포함하는 어떤 구성 요소를 제한 없이 포함할 수 있다.

"강화 장치(reinforcing element)"는, 예를 들어 수지 물질을 포함하는 몰딩 부재의 완전성, 안정성, 그리고 내구성을 제공하거나 촉진하기 위해 우선적으로 사용되는 바람직한 장치이나 필수적인 요소는 아니다. 이러한 강화 장치는 유체 투과성, 유체 불투과성, 또는 부분적으로 유체 투과성일 수 있으며, 다수의 직조 방사, 펠트, 플라스틱, 다른 적절한 합성 물질들, 또는 이들의 어떤 조합을 포함할 수 있다.

"압박 표면(press-surface)"은 함몰/돌출의 삼차원 패턴을 가지는 몰딩 부재에 전분 필라멘트를 적어도 부분적으로 편향시키기 위하여 다수의 전분 필라멘트를 가지는 몰딩 부재의 필라멘트 수용측에 대하여 눌려질 수 있는 표면이다.

"데시텍스(decitex)" 또는 "디텍스(dtex)"는, 10,000 미터당 그램으로 표현되는 전분 필라멘트를 위한 단위이다.

"용융 방사(melt-spinning)"란, 열가소성 플라스틱, 또는 유사 열가소성 플라스틱을 감쇄시키는 힘(attenuation force)을 이용하여 섬유 물질로 전환시키는 과정이다. 용융 방사는 기계적인 연장, 용융 분출, 방적 결합, 그리고 전자 방사를 포함할 수 있다.

"기계적인 신장(mechanical elongation)"이란, 섬유를 만드는 용융을 위해 힘을 가하기 위하여 롤과 같은 운행되는 표면과 접촉하게 되는 섬유 실에 힘을 가하는 과정이다.

"용융 취입(melt-blowing)"은 섬유를 가늘게 하기 위하여 고속의 공기 또는 다른 적절한 힘을 사용하여 수지 또는 중합체로부터 직접적으로 섬유 직조 또는 섬유 물품을 생산하는 과정이다. 용융 취입 과정에서, 가늘게하는 힘은, 물질이 다이(die)또는 방적 돌기를 빠져나올 때 고속 공기의 형태로 가해진다.

"방적 결합(spun-bonding)"이란, 유출력과 중력 아래 일정 거리로 섬유를 떨어뜨리도록 하여, 고속의 공기를 통하여 또는 다른 적합한 원천을 통하여 힘을 적용하는 과정을 포함한다.

"전자 방사(electro-spinning)"란, 섬유를 가늘게 하는 힘으로 전위를 사용하는 과정이다.

보통 "용액 방사(solution spinning)"로 알려진 "건조 방사(dry-spinning)"는, 섬유 형성을 안정시키기 위하여 건조 용매의 이용을 포함한다. 물질은 적합한 용매에서 용해되고 기계적인 연장, 용융 분출, 방적 결합, 그리고/또는 전자 방사를 통해 감쇄된다. 이러한 섬유는 용매가 증발될 때 안정된다.

"습식 방사(wet-spinning)"는 적합한 용매에서 물질을 용해하여 기계적인 연장, 용융 분출, 방적 결합, 그리고/또는 전자 방사에 의해 작은 섬유를 형성하는 것을 포함한다. 섬유가 형성될 때, 원하는 물질을 응결시키기 적합한 용액으로 채워진 용액기를 일반적으로 포함하는, 이로서 안정적인 섬유를 생산하는 응고 시스템으로 들어간다.

"실질적으로 전분과 상용가능한" 고분자량 중합체(high polymer)란, 연화와/또는 용융 온도 이상의 온도로 가열되는 경우, 전분을 포함하는 실질적으로 동질의 혼합 조성물(즉, 맨 눈에 투명하게 또는 반투명하게 보이는 조성물)을 만들 수 있는 고분자량 중합체를 의미한다.

"융점(melting temperature)"은 전분 합성물이 본 발명에 따른 전분 필라멘트로 가공되기 위하여 충분히 융해하고 연화하는 온도 또는 그 이상의 온도 범위이다. 어떤 전분 조성물은 유사 열가소성 조성물로서, 순수한 "녹는" 작용을 할 수 없다.

"가공 온도(processing temperature)"는 본 발명에 따른 전분 필라멘트가, 예를 들면, 감쇄에 의하여 형성될 수 있는, 전분 조성물의 온도이다.

가요성 구조물

도 1 내지 도 3에서, 유사 열가소성 전분 필라멘트를 포함하는 가요성 구조물(100)은 적어도 일차 영역(110)과 이차 영역(120)을 포함한다. 일차 및 이차 영역 각각은, 예를 들면, 기본 중량이나 밀도 같은, 적어도 하나의 공통 강화 성질을 가진다. 일차 영역(110)의 공통 강화 성질은 이차 영역의 공통 강화 성질과 값에 있어서 상이하다. 예를 들면, 일차 영역(110)의 밀도는 이차 영역(120)의 밀도 보다 더 높을 수 있다.

본 발명에 따른 가요성 구조물(100)의 일차 및 이차 영역(110과 120)은 또한 각기 이들의 미세 기하학에 있어서 구별될 수 있다. 예를 들면, 도 1에서, 일차 영역(110)은, 구조물(100)이 평평한 표면에 놓여지는 경우, 일차 높이에서 일차 평면을 형성하는 실질적으로 연속적인 네트워크를 포함하며, 이차 영역(120)은 실질적으로 연속적인 네트워크 전체에 분산된 다수의 불연속적인 영역을 포함할 수 있다. 이러한 불연속적인 영역들은, 어떤 실시예에 있어서, 일차 평면과 관련하여 일차 높이보다 더 큰 이차 높이를 형성하기 위하여 네트워크 영역으로부터 외부로 확장된 불연속적 돌출부 또는 "필로우(pillows)"들을 포함한다. 필로우들은 또한 실질적으로 연속적인 패턴과 실질적으로 어느 정도 연속적인 패턴을 포함할 수 있다.

한 실시예에 있어서, 실질적으로 연속적인 네트워크 영역은 상대적으로 높은 밀도를 가질 수 있으며, 필로우들은 상대적으로 낮은 밀도를 가진다. 다른 실시예에 있어서, 실질적으로 연속적인 네트워크 영역은 상대적으로 낮은 기본 중량을 가질 수 있으며, 필로우들은 상대적으로 높은 기본 중량을 가진다. 여전히 또 다른 실시예에 있어서, 실질적으로 연속적인 네트워크 영역은 상대적으로 낮은 밀도를 가질 수 있으며, 필로우들은 상대적으로 높은 밀도를 가질 수 있다. 한 실시예에서, 실질적으로 연속적인 네트워크 영역은 상대적으로 높은 기본 중량을 가질 수 있으며, 필로우들은 상대적으로 낮은 기본 중량을 가진다.

또 다른 실시예에 있어서, 이차 영역(120)은 어느 정도 연속적인 네트워크를 포함할 수 있다. 도 2에서, 이차 영역(120)은 도 1에서 도시된 것과 유사한 불연속적인 영역들, X-Y 평면(즉, 평평한 표면에 놓여지는 구조물(100)의 일차 영역(110)에 의해 형성되는 평면)에서 보여지는 것처럼 적어도 한 방향으로 연장되는 어느 정도 연속적인 영역들(121)을 포함한다.

도 2에서 도시된 실시예에 있어서, 가요성 구조물(100)은, 일차 영역(110)의 강화 성질과 이차 영역(120)의 강화 성질과 값에서는 상이하나 이들과 공통적인 적어도 하나의 강화 성질을 가지는 삼차 영역(130)을 포함한다. 예를 들어, 일차 영역(110)은 일차 값을 가지는 공통의 강화 성질을 가질 수 있으며, 이차 영역(120)은 이차 값을 가지는 공통의 강화 성질을 가지며, 그리고 삼차 영역(130)은 삼차 값을 가지는 공통의 강화 성질을 가질 수 있으며, 여기서 일차 값은 이차 값과 다를 수 있고, 삼차 값은 이차 값 및 일차 값과 다를 수 있다.

상기한 바와 같이, 적어도 세 개의 다른 영역들(110, 120, 130)을 포함하는 구조물(100)이 수평의 기준 평면(이를 테면, X-Y 평면)에 놓여질 때, 일차 영역(110)은 일차 높이를 가지는 평면을 규정하며, 이차 영역(120)은 이차 높이를 규정하기 위하여 이로부터 확장된다. 한 실시예에 있어서, 삼차 영역(130)은 삼차 높이를 규정하며, 여기서 일차, 이차 및 삼차 높이 중 적어도 하나는 적어도 다른 두 높이들 중 하나와 다르다. 예를 들어, 삼차 높이는 일차 및 이차 높이 중간에 올 수 있다.

다음의 표는, 구별되는(즉, 높음, 중간, 낮음) 강화 성질을 가지는 적어도 세 개의 영역을 포함하는 구조물(100)의 실시예들의 가능한 조합을 제한 없이 보여준다. 이러한 모든 실시예들은 본 발명의 범위에 포함된다.

강화 성질
높음	중간	낮음
연속적인	불연속적인	불연속적인
연속적인	불연속적인	----
연속적인	----	불연속적인
어느정도 연속적인	어느정도 연속적인	어느정도 연속적인
어느정도 연속적인	어느정도 연속적인
어느정도 연속적인	어느정도 연속적인
어느정도 연속적인		어느정도 연속적인
어느정도 연속적인
어느정도 연속적인	----	어느정도 연속적인
불연속적인	연속적인	불연속적인
불연속적인	연속적인	----
불연속적인	어느정도 연속적인	어느정도 연속적인
불연속적인	어느정도 연속적인	불연속적인
불연속적인	불연속적인	연속적인
불연속적인	불연속적인	어느정도 연속적인
불연속적인	불연속적인	불연속적인
불연속적인	----	연속적인
----	연속적인	불연속적인
----	어느정도 연속적인	어느정도 연속적인
----	불연속적인	연속적인

도 3 은 본 발명에 따른 가요성 구조물(100)의 다른 실시예를 도시하는데, 이 실시예에 있어서, 이차 영역(120)은 다수의 전분 필로우를 포함하며, 여기서 적어도 어떤 필로우들은 전분 돔 부분(128)과 이 전분 돔 부분으로부터 연장된 전분 캔틸레버(cantilever) 부분(129)을 포함한다. 전분 캔틸레버 부분(129)은 X-Y 평면으로부터 상승 형성되며, 일차 영역(110)으로부터 연장된 전분 돔(128)과 전분 캔틸레버(129)사이에, 실질적으로 빈 공간 도는 포켓(115, pockets)을 형성하도록 일정 각도로 연장된다.

상당한 양의 유동체를 받아들이고 함유할 수 있는 이러한 실질적으로 빈 포켓(115)들의 존재 때문에 대부분의 경우, 도 3에서 도식적으로 도시된 가요성 구조물(100)은 주어진 기본 중량에 대해 매우 높은 흡수 성질을 보이는 것으로 판단된다. 포켓(115)은 그 안에 매우 적은 양의 전분 필라멘트를 가지거나 또는 가지지 않는 것을 특징으로 한다.

아래서 논의되는 바와 같은 가요성 구조물(100)을 만드는 과정 때문에, 그리고 전체로서의 가요성 구조물(100)과 전분 필라멘트의 높은 유동성 때문에, 포켓(115)에 존재하는 어느 정도의 개별적인 전분 필라멘트는, 이러한 전분 필라멘트들이 구조물(100)의 계획된 패턴과 의도된 특성들을 방해하지 않는 한, 용인될 수 있다. 이러한 맥락에서, "실질적으로" 빈 포켓이란 말은, 구조물(100)과 구조물(100)을 포함하는 개별 전분 필라멘트의 높은 유동적 성질 때문에, 전분 필라멘트의 적은 양, 또는 이들의 일부가 포켓(115)에서 발견될 수 있다는 것을 인정하려는 경향이 있다. 포켓(115)의 밀도는 0.005 g/cc(gram per cubic centimeter) 이하, 특히 0.004 g/cc 이하, 보다 바람직하게는 0.003 g/cc 이하이다.

또 다른 면에서, 캔틸레버 부분(129)을 포함하는 가요성 구조물(100)은, 캔틸레버 부분(129)을 가지지 않는 비교 가능한 구조물과 관련해서 보면, 강화된 전체 표면 영역으로 특징 된다. 개별적 캔틸레버 부분들(129)과 그들 각각의 미세한 표면 영역들의 숫자가 더 많아질수록, 결과적인 미세한 특정 표면 영역(즉, 평평한 표면에 놓여진 구조물의 전체 거시 영역의 단위당 결과적인 미세 표면 영역)은 더 커진다. 구조물의 흡수 표면 영역이 커질수록, 그것의 흡수 능력 역시 더 커지며, 다른 모든 매개 변수들은 균등하다는 것이 인정된다.

캔틸레버 부분(129)을 포함하는 구조물(100)의 실시예에서, 캔틸레버 부분들(129)은 구조물(100)의 삼차 영역들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 한 실시예에서, 전분 캔틸레버 부분(129)의 밀도는 일차 영역의 밀도와 돔 부분을 포함하는 이차 영역(120) 밀도 중간에 온다. 다른 실시예에 있어서, 돔 부분(128)의 밀도는 일차 영역(110)의 상대적으로 높은 밀도와 캔틸레버 부분(129)의 상대적으로 낮은 밀도 사이에 올 수 있다. 유사하게, 캔틸레버 부분(129)의 기본 중량은 일차 영역(110)과 돔 부분(128) 둘 중 어느 하나 또는 둘 다와 균등하거나, 그 중간이거나, 또는 더 클 수 있다.

가요성 구조물의 제조 공정

도 8과 도 9는 전분 필라멘트를 포함하는 가요성 구조물(100)를 만들기 위한 공정의 두 가지 실시예를 개략적으로 도시한다.

우선, 다수의 전분 필라멘트가 제공된다. 본 발명에 따른 가요성 구조물(100)을 위한 전분 필라멘트의 생산은 해당 기술 분야에서 잘 알려진 다양한 기술에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전분 필라멘트는 다양한 용융 방사 과정에 의하여 유사 열가소성 용융 전분 조성물로부터 생산될 수 있다. 전분 필라멘트의 크기는 약 0.001 dtex 에서 약 135 dtex 까지로, 보다 명확히, 약 0.01 dtex에서 약 0.5 dtex 까지로, 다양하다.

1979년 2월 13일에 등록된 헤르난데즈 등(Hernandez et al.)의 미국 특허 번호 4,139,699, 1989년 8월 1일 등록된 에단 등(Eden et al.)의 미국 특허 번호 4,853,168, 그리고 1981년 1월 6일 등록된 헤르난데즈 등(Hernandez et al.)의 미국 특허 번호 4,234,480을 포함하는 몇 가지 참고 문헌이 있다. 부엘러 등(Buehler et al.)의 미국 특허 번호 5,516,815 와 5,316,578 은 용융 방사를 이용하여 전분 필라멘트를 만들기 위한 전분 조성물에 관한 것이다. 용융 전분 조성물은 방적돌기(즉, 다이 변형 효과 때문에)의 다이 구멍(die orifices)의 직경과의 관계에서 약간 더 확대된 직경을 가지는 섬유를 생산하기 위하여 방적돌기를 통하여 압출 성형될 수 있다. 섬유들은 이어서 섬유 직경을 감소시키기 위하여 드로잉 유닛에 의해 기계적으로 또는 열기계적으로 아래로 당겨진다.

압출 성형된 중합체로부터 비직조(non-woven) 열가소성 직물 구조물를 생산하기 위한 몇 가지 장치들은 해당 기술 분야에서 잘 알려진 것으로 긴 유동성 전분 필라멘트를 만들기 위하여 적합하다. 예를 들어, 압출 성형 전분 조성물은 아래로 향한 전분 필라멘트의 수직 방향의 커튼을 형성하는 방적 돌기(spinneret)(도시 안됨)를 통하여 끌어낼 수 있다. 전분 필라멘트는 흡입 형태의 끌기와 약화 공기 슬롯과 관련하여 공기로 눌려질 수 있다. 1994년 3월 8일 등록된 젤딘 등(Zeldin et al.)의 미국 특허 번호 5,292,239 는 전분 필라멘트에 당기는 힘을 균일하고 일관되게 적용하기 위하여 공기 흐름 중의 난기류를 감소시키는 장치를 개시한다. 이러한 발명의 개시는, 전분 필라멘트를 만들 때, 공기 흐름 속에 난기류를 줄이기 위한 방법 및 설비의 제한된 목적을 위하여 여기서 참고로 포함되었다.

본 발명에 있어서, 전분 필라멘트는 전분, 수분, 가소제, 그리고 다른 선택적 첨가제의 조성물로부터 생산될 수 있다. 예를 들어, 적절한 전분 조성물은 압출 성형기안에서 유사 열가소성 용융물로 변환되고, 방적 돌기를 통하여 아래로 향한 전분 필라멘트의 수직 방향 커튼을 형성하는 연신 장치으로 전달될 수 있다. 방적돌기는 해당 기술 분야에서 잘 알려진 어셈블리를 포함할 수 있다. 방적돌기는 전분 필라멘트 생산에 적합한 단면 영역을 가지는 구멍이 있는 다수의 노즐 내경(nozzle bores)을 포함할 수 있다. 방적돌기는 전분 조성물의 유동성에 적합할 수 있으며 모든 노즐 내경은, 필요하다면, 동일한 유출 비율을 가진다. 또한 서로 다른 노즐들의 유출 비율은 다양할 수 있다.

연신 장치(도시 안됨)는, 압출 성형기 아래 위치될 수 있으며, 열린 상부 끝단과 이것과 마주보는 열린 하부 끝단, 그리고 아래 방향으로 향한 내부 노즐들에 압축 공기를 공급하는 공기 공급 분기관(manifold)을 포함할 수 있다. 압축 공기가 내부 노즐을 통하여 흐를 때, 공기는 아래 방향으로 흐르는 공기의 급속히 이동하는 흐름(stream)을 만들기 위하여 연신 장치의 열린 상부 끝단으로 당겨진다. 공기 흐름은, 전분 필라멘트가 연신 장치의 열린 하부 끝단으로 유출되기 전에 이들을 가늘게 하거나 변형하도록 끄는 힘을 만들어낸다.

가요성 구조물(100)에 적합한 전분 필라멘트는 전자 방사 과정에 의해 생산될 수 있음이 발견되었는데, 전자 방사 과정에서 전기 영역은 변화된 전분 분사를 만들기 위하여 전분 용액에 적용된다. 전자 방사 과정은 해당 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 1994년, 도쉬(Doshi), 제이쉬(Jayesh), 나트워랄(Natwarlal) 박사의 "전자 방사 과정과 전자 방적 섬유의 적용"이란 제목의 논문은 전자 방사 과정을 설명하고 이 과정에서 포함되는 힘에 대한 연구를 개시하였다. 이 논문은 또한 전자 방적 섬유의 몇 가지 상업적인 적용을 공개하였다. 이 논문은 전자 방사 과정의 원칙을 설명하는 목적으로 여기서 인용되었다.

포말스(Formhals)의 미국 특허 번호, 1,975,504(1934년 10월 2일), 2,123,992(1938년 7월 19일), 2,116,942(1938년 5월 10일), 2,109,333(1938년 2월 22일), 2,160,962(1939년 6월 6일), 2,187,306(1940년 1월 16일), 그리고 2,158,416(1939년 5월 16일) 은 전자 방사 과정과 이를 위한 설비를 설명한다. 전자 방사 과정을 설명한 다른 참고 문헌들은, 시몬스(Simons)의 미국 특허 번호 3,280,229(1966년 10월 18일), 마틴 등(Martin et al.)의 미국 특허 번호 4,044,404(1977년 8월 30일), 심 등(Simm et al.)의 미국 특허 번호 4,069,026(1978년 1월 17일), 심(Simm)의 미국 특허 번호 4,143,196(1979년 3월 6일), 파인 등(Fine et al.)의 미국 특허 번호 4,223,101(1980년 9월 16일), 기나드(Guignard)의 미국 특허 번호 4,230,650(1980년 10월 28일), 엔조 등(Enjo et al)의 미국 특허 번호 4,232,525(1980년 11월 11일), 기나드(Guignard)의 미국 특허 번호 4,287,139(1981년 9월 1일), 보나트(Bornat)의 미국 특허 번호 4,323,525(1982년 4월 6일), 하우(How)의 미국 특허 번호 4,552,707(1985년 11월 12일), 보나트(Bornat)의 미국 특허 번호 4,689,186(1987년 8월 25일), 미들톤 등(Middleton et al.)의 미국 특허 번호 4,904,272(1990년 2월 27일), 세터필드 등(Satterfield et al.)의 미국 특허 번호 4,968,238 (1990년 11월 6일), 배리(Barry)의 미국 특허 번호 5,024,789(1991년 1월 18일), 스칼디노 등(Scardino et al.)의 미국 특허 번호 6,106,913(2000년 8월 22일), 그리고 자쿱 등(Zarkoob et al.)의 미국 특허 번호 6,110,590(2000년 8월 29일) 등이 있다. 이러한 선행 특허들은 전자 방사 과정 및 이를 위한 설비의 일반 원칙들을 설명하기 위한 제한된 목적으로 인용되었다.

선행 참고 문헌들이 전자 방사 과정 및 이를 위한 설비의 다양함을 알려주고 있지만, 이들은 전분 조성물이 성공적으로 가공되고 본 발명의 가요성 구조물(100)를 형성하기 위해 적합한 얇고 실질적으로 연속적인 전분 필라멘트를 압출 성형해 낼 수 있음을 제시하지는 못하고 있다. 자연 발생 전분은 전자 방사 과정에 의하여 가공될 수 없는데, 왜냐하면 자연 전분은 일반적으로 낟알 구조를 가지고 있기 때문이다. 그러나 이제는, 변형되고 "구조가 깨진(destructurized)" 전분 조성물이 전자 방사 과정을 이용함으로서 성공적으로 가공될 수 있음이 발견되었다.

본 발명의 출원 날짜와 동일자에 본 출원인에 의해 출원되는 "용융 가공 가능한 전분 조성물"이라는 제목의 특허 출원은 본 발명의 가요성 구조물(100)에서 사용되는 전분 필라멘트의 생산에 적합한 전분 조성물을 개시한다. 이 전분 조성물은 중량 평균 분자량이 약 1,000에서 약 2,000,000 까지 측정되는 전분을 포함하며, 적어도 500,000 의 중량 평균 분자량을 가지는 전분과 실질적으로 양립할수 있는 고분자량 중합체를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 이러한 전분 조성물은 아밀로펙틴의 무게대비 약 20%에서 약 99% 까지를 가진다.

본 발명에 따르면, 전분 중합체는 물, 가소제, 그리고 다른 첨가제와 혼합될 수 있으며, 결과적인 혼합체는 가공될 수 있으며(예를 들면, 압출 성형될 수 있으며), 본 발명의 가요성 구조물에 적합한 전분 필라멘트를 생산하기 위하여 구성된다. 전분 필라멘트는 적은 양의 전분에서 100% 전분까지를 가질 수 있거나 또는 전분과 다른 적절한 물질, 예를 들면, 셀룰로오스, 합성 물질, 단백질 그리고 이들의 어떤 조합의 혼합물일 수 있다.

전분 중합체는 자연 발생 전분, 물리적으로 변형된 전분, 또는 화학적으로 변형된 전분 등을 포함할 수 있다. 적합한 자연 발생 전분은 옥수수 전분, 감자 전분, 고구마 전분, 밀 전분, 사고 야자(sago palm) 전분, 타피오카 전분, 쌀 전분, 콩 전분, 칡 전분, 고사리 전분, 연(lotus) 전분, 밀초 옥수수(waxy maize) 전분, 고 아밀로스 옥수수 전분, 그리고 상업용 아밀로오스분 등을 제한 없이 포함할 수 있다. 자연적 발생 전분, 특히 옥수수 전분, 감자 전분 그리고 밀 전분은 이들의 유용성 때문에 선택된 전분 중합체들이다.

물리적으로 변형된 전분은 그것의 크기 구조를 변형시킴으로 형성된다. 물리적으로 변형된 전분은 α-전분, 분류 전분, 습윤 및 가열 처리된 전분 그리고 기계적으로 처리된 전분 등을 포함할 수 있다.

화학적으로 변형된 전분은, 알킬렌 산화물, 그리고 다른 에테르, 에스테르, 우레탄, 카르밤산염, 또는 이소시안산염 형성 물질과 OH 그룹의 반응에 의하여 형성될 수 있다. 하드록시알킬, 아세틸기, 또는 카르밤산염 전분 또는 이들의 혼합물이 화학적으로 변형된 전분의 실시예들이다. 화학적으로 변형된 전분의 대체 정도는 0.05에서 3.0까지, 그리고 보다 명확히, 0.05에서 0.2 까지이다.

고유의 수분 함량은 중량 대비 약 5%에서 약 16% 까지일 수 있으며, 보다 명확하게는, 약 8%에서 약 12% 까지일 수 있다. 전분의 아밀로오스 함량은 약 0%에서 약 80%이며, 보다 명확하게는, 약 20%에서 약 30%이다.

가소제는 만들어진 전분 필라멘트의 유리 전이 온도를 낮추기 위하여 전분 중합체에 첨가될 수 있다. 또한, 가소제의 존재는 용융 압출 성형 과정을 용이하게 하는 용융 점성을 낮출 수 있다. 가소제는, 예를 들어 폴리올(polyol) 같은 적어도 하나의 히드록실 그룹을 가지는 유기 화합물이다. 솔비톨(sorbitol), 만니톨(mannitol), D-글루코오스, 폴리비닐 알콜, 에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 설탕, 과당, 글리세롤, 그리고 이들의 혼합물 등이 적합한 것으로 발견되었다. 이러한 가소제들은 중량 대비 약 0.1%에서 중량 대비 약 70%까지, 보다 명확하게는 중량 대비 약 0.2%에서 약 30%까지, 보다 더 명확하게는, 중량 대비 약 0.5%에서 약 10%까지의 함량으로 솔비톨, 설탕, 과당을 포함한다.

다른 첨가제 들은 보통 가공 보조물로서, 그리고 압출 성형된 전분 필라멘트의 탄성, 건조 장력 강도와 습윤 강도 같은 물리적인 특성들을 변화시키기 위하여 전분 중합체와 함께 포함될 수 있다. 첨가제들은 보통 (양이 수분과 같은 휘발성 물질을 제외함으로서 계산될 수 있음을 의미하는) 비-휘발성을 기초로 중량 대비 0.1%에서 70%까지의 함량으로 존재한다. 첨가제는 예를 들어 요소(urea), 요소 유도체, 가교제(cross-linking agents), 유화제, 계면 활성제, 단백질과 이것의 알칼리염, 생 분해성이 있는 합성 중합체, 밀납, 저용융 합성 열가소성 중합체, 점착성 수지, 증량제, 그리고 이들의 혼합물을 포함한다. 생 분해성이 있는 합성 중합체로는 폴리카프롤락톤, 폴리히드록시부티레이트, 폴리락티드(polylactides), 그리고 이들의 혼합물을 포함한다. 다른 첨가제들은 광학 발광제, 산화방지제, 화재 방지제, 염료, 안료, 그리고 충전재를 포함한다. 본 발명에 있어서, 중량 대비 약 0.5%에서 약 60%까지의 함량인 요소를 포함하는 첨가제는 전분 조성물에 유효하게 포함될 수 있다.

여기서 이용하기 적합한 증량제는 젤라틴, 옥수수 단백질, 해바라기 단백질, 콩 단백질, 목화씨 단백질 같은 식물성 단백질, 그리고 알기네이트, 카라게닌, 구아 검(guar gum), 한천(agar), 아라비아 고무와 관련 고무, 그리고 펙틴 등과 같은 물에 녹는 다당류와, 그리고 알킬셀룰로오스, 하이드록시알킬셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스 등과 같은 물에 녹는 셀룰로오스의 유도체들을 포함한다. 또한 폴리아크릴 산, 폴리아크릴 산 에스테르, 폴리비닐에세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈 등과 같은 물에 녹는 합성 중합체들이 사용될 수 있다.

윤활제 화합물은 본 발명의 과정 중 전분 물질의 유동적 특성을 향상시키기 위하여 더 부가될 수 있다. 윤활제 화합물은 동물성 또는 식물성 지방, 바람직하게는 이들의 경화 형태, 특히 실온에서 고체인 형태로 포함할 수 있다. 부가적인 윤활 물질은 모노글리세리드, 디글리세리드, 포스파티드(phosphatides), 특히 레시틴을 포함한다. 본 발명에서, 모노글리세리드, 글리세롤 모노스테아르산염을 포함하는 윤활 화합물이 바람직한 것으로 판단된다.

또한 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 티타늄의 산화물 같은 무기성의 충전물은 값싼 충전물 또는 가공 보조물로서 첨가될 수 있다. 또한 알칼리 금속 염, 알칼리 토금속 염, 인산염 등을 포함하는 무기성의 염이 가공 보조물로 사용될 수 있다.

다른 첨가제들은 생산품의 특별한 용도에 따라 달라지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 화장실용 티슈, 일회용 타월, 미용 티슈, 그리고 다른 유사 상품들과 같은 생산물에서, 습윤 강도는 바람직한 특성이다. 따라서, 해당 기술 분야에서 "습윤 강화" 수지로 잘 알려진 전분 중합체 가교제가 부가되는 것이 바람직하다.

제지 기술에서 사용되는 습윤 강도 강화 수지의 형태에 대한 일반적인 논문은, 펄프와 제지 산업 기술 협회의 TAPPI(Technical Association of the Pulp and Paper Industry)특수 연구서 시리즈 제 29권, 제지와 제지 보드의 습윤 강도(1965년, 뉴욕)에서 찾아볼 수 있다. 가장 유용한 습윤 강도 강화 수지는 일반적으로 양이온 특성을 가진다. 폴리아미드 에피크롤로히드린 수지는 특별한 용도를 가지는 양이온 폴리아미드 아민에피크롤로히드린 습윤 강도 강화 수지이다. 이러한 수지로 적합한 타입은 케임(Keim)의 1972년 10월 24일 등록된 미국 특허 번호 3,700,623 과 1973년 11월 13일 등록된 미국 특허 번호 3,772,076에서 개시되어 있다. 유용한 폴리아미드 에피크롤로히드린 수지의 상용 제품은 키멘(KymenetM)마크로 이러한 수지는 델라웨어(Delaware)주 윌밍톤(Wilmington)에 소재하는 의 헤라클레스 인코페레이트(Hercules Inc.)에서 시판하고 있다.

글리옥시레이트 폴리아크릴아미드는 또한 습윤 강도 강화 수지로 사용되기 위하여 발견되었다. 이러한 수지는 코시아 등(Coscia et al.)의 1971년 1월 19일 등록된 미국 특허 번호 3,556,932와 윌리암스 등(Williams et al.)의 1971년 1월 19일 등록된 미국 특허 번호 3,556,933에 설명되어 있다. 글리옥실레이트 폴리아크릴아미드 수지의 상용 제품은 ParezTM631 NC 마크로 이러한 수지를 판매한 회사는 코네티켓주 스텐포드의 씨텍 코페레이션(Cytec Co.)이다.

본 발명에서 사용될 수 있는 또 다른 수용성 양이온 수지는 요소 포름알데히드와 멜라닌 포름알데히드 수지이다. 이러한 다기능 수지의 보다 일반적인 기능적 그룹은 아미노 그룹과 질소에 부착된 메틸올 그룹같은 그룹을 함유하는 질소이다. 폴리에틸렌이민 타입 수지는 또한 본 발명에서 유용하다. 또한, (일본 칼리트에 의해 제조된) 칼다스 10과 (국립 전분 화학 회사에 의해 제조된) 코본드 1000 같은 일시적인 습윤 강도 강화 수지들도 본 발병에서 사용될 수 있다.

본 발명에서, 가교제는 중량 대비 약 0.1%에서 약 10% 까지, 보다 명확히, 중량 대비 약 0.1%에서 약 3% 까지 범위내의 양으로 사용되고, 바람직하게는 습윤 강도 강화 수지 KymeneTM 이다.

본 발명의 가요성 구조물(100)을 위해 적합한 전분 필라멘트를 생산하기 위하여, 전분 조성물은 어떠한 신장 점도와 어떠한 모세관의 숫자 같은 가공중의 어떠한 유동적 작용을 나타내야만 한다. 물론, 가공의 타입(이를 테면, 용융 분출, 전자 방사 등)은 전분 조성물의 필요한 유동적 특질을 요구할 수 있다.

신장 또는 연장 점도(ηe)는 전분 조성물의 용융 확장 가능성과 관련되며, 특히 전분 필라멘트 제조 같은 신장 과정에 있어서 중요하다. 신장 점도는 조성물의 변형 타입에 따라 세 가지 타입을 포함하는데, 단일축 또는 단순한 신장 점도, 양축 신장 점도 그리고 순수한 전단 점도가 그것이다. 단일축 신장 점도는 기계적인 연장, 용융 분출, 방적 결합, 그리고 전자 방사 같은 단일축 신장 과정에 있어서는 특히 중요하다. 다른 두 가지 신장 점도는 양축 신장을 위해, 또는 필름(film), 발포체(foams), 쉬트(sheets) 또는 부품(parts)을 만들기 위한 공정을 위해 중요하다.

폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스테르 같은 종래의 섬유 방적 열가소성 물질에 있어서, 이러한 종래의 열가소성 물질과 이들의 혼합물의 신장 점도와 전단 점도 사이에 강한 상관성이 존재한다. 이것은 물질의 방사성이, 비록 방사성이 용융 신장 점도에 의해 우선적으로 조정되는 특성일지라도, 용융 전단 점도에 의해 단순하게 결정될 수 있다는 것을 말한다. 이러한 상관성은 매우 강한 것이어서, 섬유 산업은 용융 방사가능 물질을 선택하고 공식화하는데 있어 용융 전단 점도에 의존한다. 용융 신장 점도는 산업적 스크리닝 도구로 드물게 사용된다.

따라서, 본 발명의 전분 조성물이 전단 점도와 신장 점도 사이에 이러한 상관성을 필연적으로 나타내지 않는다는 것은 놀라운 일이다. 여기서 전분 조성물은 비뉴톤식 흐름의 전형적인 용액 흐름 작용을 나타내며, 그럼으로서 변형 경화 작용을 나타낼 수 있으며, 이것은, 응력(strain) 또는 변형(deformation)이 증가할 때, 신장 점도가 증가한다는 것을 말한다.

예를 들어, 본 발명에 따라 선택되는 고분자량 중합체가 전분 조성물에 첨가될 때, 조성물의 전단 점도는 상대적으로 변화되지 않은 채 남아있거나 또는 오히려 다소간 감소한다. 종래의 기술에 기초한 이러한 전분 조성물은 감소된 용융 가공 가능성을 나타내도록 예상되며, 용융 신장 가공을 위해 적합한 것으로 기대되지 않는다. 그러나, 여기서 전분 조성물은, 소량의 고분자량 중합체를 첨가하는 경우, 신장 점도가 크게 증가하는 것으로 나타났음이 놀랍게도 발견되었다. 결과적으로, 여기서의 전분 조성물은 강화된 용융 신장성을 가지는 것으로 발견되었고, 용융 신장 가공에 적합한, 특히, 용용 분출, 방직 연결, 그리고 전자 방사를 포함하는 용융 신장 가공에 적합하다.

아래서 설명될 시험 방법에 따라 측정된, 약 30 Pa·s 보다 더 적은, 보다 명확하게, 약 0.1 Pa·s 에서 약 10 Pa·s 까지, 더욱 보다 명확하게, 약 1에서 약 8 Pa·s의 전단 점도를 가지는 전분 조성물은 여기서의 용융 감쇄 가공에 유용하다. 여기서의 몇 가지 전분 조성물은 낮은 용융 점도를 가질 수 있으며, 이들은 미터링 펌프와 방적 돌기와 함께 설비된 고정 믹서기와 같은, 비스코스 유동체를 위해 보통 사용되는 전통적인 중합체 가공 설비에서 섞여지고 운반되며, 아니면 가공된다. 이러한 전분 조성물의 전단 점도는 전분의 분자량과 분자량 분배에 의해, 고분자량 중합체의 분자량에 의해, 그리고 사용되는 가소제와/또는 용매의 양에 의하여 효과적으로 변형될 수 있다. 전분의 평균 분자량을 줄이는 것은 조성물의 전단 점도를 낮추기 위한 효과적인 방법이다.

본 발명의 한 실시예에 있어서, 용융 가공 가능한 전분 조성물은 일정 온도에서, 약 50 Pa·s에서 약 20,000 Pa·s까지의, 특히 약 100 Pa·s에서 15,000 Pa·s까지의, 바람직하게는 200 Pa·s에서 10,000 Pa·s까지의, 보다 바람직하게는 약 300 Pa·s에서 약 5,000 Pa·s까지의, 가장 바람직하게는 약 500 Pa·s에서 약 3,500 Pa·s까지의 범위에 있는 신장 점도를 가진다. 이러한 신장 점도는 아래의 분석 방법 부분에 설명되어 있는 방법에 따라서 계산된다.

많은 요인들이 전분 조성물의 유동적 작용(신장 점도를 포함하는)에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 요인들로는, 사용되는 중합 성분들의 타입과 양, 전분과 고분자량 중합체를 포함하는 성분의 분자량과 분자량 분배, 첨가제(이를 테면, 가소제, 희석액, 가공 보조제)의 타입과 양, 가공의 형태(용융 분출이나 전자 방사)와 온도, 압력, 변형 비율과 관련 습도, 그리고 비뉴턴 물질인 경우, 변형의 내력(즉, 시간 또는 변형 내력 의존관계)같은 가공의 조건들을 제한 없이 포함한다. 어떤 물질들은 변형 경화할 수 있는데, 즉 이들의 신장 점도는 변형이 증가할 때 증가한다. 이것은 얽혀진 중합체 네트워크의 확장 때문으로 판단된다. 만일 압력이 물질로부터 제거되면, 확장된 얽혀진 중합체 네트워크는 보다 낮은 변형을 위하여 이완되며, 온도, 중합체 분자량, 용매 또는 가소제 농도 그리고 다른 요인들의 함수인 이완 시간 상수에 따라 달라진다.

고분자량 중합체의 존재와 성질은 전분 조성물의 신장 점도에 큰 효과를 가질 수 있다. 본 발명에서 사용되는 전분 조성물의 용융 신장력을 강화하기 위하여 사용할 수 있는 고분자량 중합체는 보통 고분자량, 실질적으로 선형 중합체이다. 더욱이, 전분과 실질적으로 양립할 수 있는 고분자량 중합체는 전분 조성물의 용융 신장력을 강화하는데 있어서 가장 효과적이다.

용융 신장 가공을 위해 유용한 전분 조성물은 보통, 선택된 고분자량 중합체가 조성물에 첨가되는 경우, 적어도 10 의 계수에 의해 증가된 이들의 신장 점도를 가진다. 보통, 본 발명에 따른 전분 조성물은 약 10에서 약 500 까지의, 정확하게는 20에서 300까지의, 보다 정확하게는 30에서 100까지의 계수의 신장 점도에서 증가를 보인다. 고분자량 중합체의 레벨이 높아질수록 신장 점도의 증가는 더 커진다. 고분자량 중합체는, 6 의 헨키 변형(Hencky strain)에서 200 에서 2000까지의 값으로 신장 점도를 조정하기 위하여 첨가될 수 있다. 예를 들어, 0.001%에서 0.1%까지의 레벨에서 백만 또는 천오백만까지의 분자량을 가지는 폴리아크릴아미드가 전분 조성물을 구성하기 위하여 첨가될 수 있다.

사용되는 전분의 타입과 레벨은 또한 전분 조성물의 신장 점도에 영향력을 가진다. 일반적으로, 전분의 아밀로오스 성분이 감소함에 따라, 신장 점도는 증가한다. 또한 일반적으로 상기 범위 안에서 녹말 분자량이 증가함에 따라, 신장 점도는 증가한다. 결국, 일반적으로, 조성물에서의 녹말 레벨이 증가함에 따라, 신장 점도는 증가한다. (역으로, 보통 조성물의 첨가제의 레벨이 증가함에 따라, 신장 점도는 감소한다.)

전분 조성물의 온도는 전분 조성물의 신장 점도에 큰 영향을 미칠 수 있다. 본 발명의 목적을 위하여, 전분 조성물의 온도를 조절하는 모든 종래의 수단이, 만일 사용된 특별한 가공에 적합하다면, 사용될 수 있다. 예를 들어, 전분 필라멘트가 다이를 통해 압출 성형으로 생산되는 실시예에 있어서, 다이 온도는 압출 성형된 전분 조성물의 신장 점도에 커다란 영향력을 가질 수 있다. 보통, 전분 조성물의 온도가 상승함에 따라, 전분 조성물의 신장 점도는 감소한다. 전분 조성물의 온도는 약 20℃ 에서 약 180℃ , 정확하게는 약 20℃에서 약 90℃까지, 보다 더 정확하게는 약 50℃에서 약 80℃까지 측정될 수 있다. 전분 조성물에서 고체의 존재나 부재는 요구되는 온도에 영향을 미칠 수 있는 것으로 판단된다.

트라우톤 비율(Tr, Trouton ratio)은 신장 흐름 작용을 표현하기 위하여 사용될 수 있다. 트라우톤 비율은 신장 점도(η_e)와 전단 점도(η_s) 사이의 비율로서 규정된다.

Tr=η_e(ε˙ , t)/η_s,

여기서, 신장 점도(η_e) 는 변형 비율(ε˙ )과 시간(t)에 따라 달라진다. 뉴톤식 유동체에 있어서, 단일축 신장 트루톤 비율은 3의 상수 값을 가진다. 여기서의 전분 조성물 같은 비뉴톤식 유동체에 있어서, 신장 점도는 변형 비율(ε˙ )과 시간(t)에 따라 달라진다. 또한 용융 가공 가능한 본 발명에 따른 조성물은 보통 적어도 약 3의 트루톤 비율을 가진다. 보통, 트루톤 비율은, 6 의 헨키 변형에서 700s^-1의 신장 비율과 가공 온도에서 측정될 때, 약 10에서 약 5,000까지, 정확하게는 약 20에서 약 1,000 까지, 보다 더 정확하게는 약 30에서 약 500까지 측정된다.

또한 전분 조성물이 압출 성형에 의해 생산되는 실시예에 있어서, 전분 조성물의 모세관 숫자(Ca, capillary number)는, 그것이 압출 성형 다이를 통과할 때, 용융 가공 가능성에 중요하다. 모세관 숫자는 표면 장력에 대한 점성 유동력의 비율을 나타내는 숫자이다. 모세관 다이의 출구 근처에서, 만일 점성력이 표면 장력보다 훨씬 더 크지 않다면, 유동성 섬유는 작은 물방울로 변해버리는데, 이것은 보통 "분무 작용(atomization)"으로 불리는 것이다. 모세관 숫자는 다음의 방정식에 따라 계산된다.

Ca=(η_s· Q)/(π· r²· σ)

여기서 ηs 는 3000 s^-1의 전단 비율에서 측정된 Pa·s 단위의 전단 전도이고, Q는 m³/s 단위의 모세관 다이를 통하는 용량 측정의 유동체 흐름 비율이고, r은 미터 단위의 모세관 다이의 반지름이고, σ는 미터당 뉴톤 단위의 유동체 표면 장력이다.

모세관 숫자는 상기 설명된 바와 같이 전단 점도와 관련되기 때문에, 전단 점도에 영향을 주는 동일한 요인에 의해서 그리고 유사한 방식으로 영향을 받는다. 여기서 사용된 바와 같이, 모세관 숫자 또는 표면 장력과 관련된 "고유의(inherent)"란 용어는 외부 요인, 예를 들면, 전기 영역의 존재같은 것에 영향을 받지 않는 전분 조성물의 성질을 가리킨다. "효과적(effective)"이란 용어는 전기 영역 같은 외부 요인에 영향을 받는 전분 조성물의 성질을 나타낸다.

본 발명에 따른 실시예에 있어서, 용융 가공 가능한 전분 조성물은, 이들이 적어도 0.01의 다이를 통과할 때, 고유한 모세관의 숫자를 가지며, 적어도 1.0의 효과적인 모세관 숫자를 가진다. 정전기가 없는 경우, 이러한 모세관 숫자는 안정성을 위하여 1 보다 더 크며, 형성된 섬유의 강한 안정성을 위하여 바람직하게는 5보다 더 클 필요가 있다. 정전기가 있는 경우, 충전 반발 작용은 표면 장력의 효과를 방해하고, 전기 충전 없이 측정된 고유의 모세관 숫자는 1 보다 더 적을 수 있다. 전위가 섬유에 적용되는 경우, 효과적인 표면 장력은 감소되고, 효과적인 모세관 숫자는 다음 방정식에 근거하여 증가된다. 모세관 숫자가 다양한 형태로 표현될 수 있다고 해도, 물질의 고유한 모세관 숫자를 규정하기 위하여 사용될 수 있는 대표적인 방정식은 다음과 같다.

Ca inherent =η_s ·v/σ,

여기서, Ca inherent 는 고유의 모세관 숫자이며,

ηs 는 유동체의 전단 점도이고,

v 는 유동체의 리니어 점도이고,

σ 는 유동체의 표면 장력이다.

이것이 현재의 발명에 관련된다면, 대표적인 시료는 다음과 같은 조성물과 성질들을 가진다.

조성

내셔널 스타치 사의 퓨리티 검(Purity Gum) 59 40.00%

탈이온수 59.99%

씨텍사의 슈퍼플록(superfloc) N-300 LMW 0.01%

(고분자량 폴리아크릴아미드)

운행온도 120°F

3000S^-1에서 전단 점도 0.1 Pa·s

노즐 직경 .0254 cm

선형 속도 .236 m/sec

고유 표면 장력 72dynes/cm

유동체에 정전기 충전 없는 실험에서, 이 물질은 노즐 끝을 통하여 흐르고 작은 물방울을 만들어 중력으로 떨어뜨리게 될 것이다. 시스템의 전위가 증가됨으로서, 물방울들은 크기가 더 작아지고 접지 기계장치를 향하여 가속하기 시작한다. 전위(예시의 경우 25 킬로볼트)가 임계값에 도달한 경우, 물방울은 노즐의 끝에서 더 이상 형성되지 않으며, 작은 연속적 섬유가 노즐 끝으로부터 배출된다. 따라서, 적용된 전위는 이제 모세관 실패 모드를 제거하는 표면 장력을 능가하게 된다. 유효한 모세관 숫자는 이제 1 보다 더 크다. 상기 용액과 설피된 실험 장비를 갖춘 실험실에서 연속적인 섬유를 제조하였다. 이러한 섬유들은 섬유 매트의 형태로 진공 스크린에 수집되었다. 광학 현미경의 사용을 통한 분석에서 지속적이며 3에서 5미크론의 지름을 가지는 섬유를 볼 수 있었다.

몇 실시예에서는, 고유의 모세관 숫자는 적어도 1, 보다 정확하게는, 1부터 100까지, 더욱 바람직하게는, 약 3에서 50까지, 보다 바람직하게는 약 5에서 약 30까지일 수 있다.

여기서의 전분 조성물은 보통 "융점(melting temperature)"과 적어도 동등하거나 더 큰 온도에서 발생하는 유동적 상태에서 가공된다. 따라서 가공 온도 범위는 여기서 상세하게 설명된 시험 방법에 따라 측정된 전분 조성물의 "융점"에 의해 조절된다. 전분 조성물의 융점은 약 20℃에서 약 180℃ 까지, 특히 약 30℃에서 약 130℃ 까지, 보다 바람직하게는 50℃에서 90℃ 까지의 범위이다. 전분 조성물의 융점은 전분의 아밀로오스 함량(더 높은 아밀로오스 함유량이 더 높은 온도를 요구한다), 수분 함량, 가소제 함량, 그리고 가소제의 형태와 관련된다.

전분 조성물에 적합한 예시적 단일축 신장 과정은 용융 방사, 용융 취입, 그리고 방적 결합을 포함한다. 이러한 과정은 아키야마 등(Akiyama et al.)의 1977년 12월 27일 등록된 미국 특허 번호 4,064,605, 블랙키 등(Blackie et al.)의 1983년 11월 29일에 등록된 미국 특허 번호 4,418,026, 보우랜드 등(Bourland et al.)의 1989년 8월 8일 등록된 미국 특허 번호 4,855,179, 쿠쿠로 등(Cuculo et al.)의 1990년 3월 20일에 등록된 미국 특허 번호 4,909,976, 제직(Jezic) 의 1992년 9월 8일 등록된 미국 특허 번호 5,145,631, 불러등(Buehler et al.)의 1996년 5월 14일 등록된 미국 특허 번호 5,516,815, 림 등(Rhim et al.)의 1994년 8월 30일 등록된 미국 특허 번호 5,342,335에서 상세하게 설명되고 있다.

도 7, 도 8, 그리고 도 9에서 개략적으로 도시된 것은 본 발명의 가요성 구조물에 적합한 전분 성분을 생산하기 위한 장치(10)이다. 이 장치(10)는 예를 들면, 단일 스크류 또는 이중 스크류의 압출 성형기(extruder), 펌프(positive displacement pump) 또는 이들의 조합을 포함하는 것으로, 해당 기술에서 이미 알려진 것이다. 전분 조성물은 전분 물질의 전체 중량에 대해, 수화 작용의 수분과 첨가된 수분을 더한, 전체 수분 함량을, 약 5%에서 약 80% 까지, 보다 정확하게는 약 10%에서 약 60%의 범위로 가질 수 있다. 전분 물질은 유사 열가소성 용융물을 형성하기 위하여 충분히 높은 온도로 가열된다. 이러한 온도는 보통 형성된 물질의 유리 전이 온도와/또는 용융 온도 보다 더 높다. 본 발명의 유사 열가소성 용융물은 해당 기술 분야에서 잘 알려진 것처럼, 점도에 좌우되는 전단 비율을 가지는 종합 유동체이다. 점도는 증가하는 온도와 마찬가지로 증가하는 전단 비율에 따라 감소한다.

전분 물질은, 전분 물질을 유사 열가소성 용융물로 전환시키기 위하여 낮은 농도의 물이 있을 때 폐쇄 용량(closed volume)으로 가열될 수 있다. 폐쇄 용량은 압출 성형의 스크류에서 일어나는 것처럼 급송 물질의 밀봉 작업에 의해 생겨나는 폐쇄 용기 또는 용량일 수 있다. 폐쇄 용기 안에서 발생된 압력은, 압출 성형기의 스크류 배럴(screw-barrel)안의 물질의 압착으로 인해 발생되는 압력과 마찬가지로, 수분의 수증기 압력으로 인한 압력을 포함할 것이다.

전분의 평균 분자량의 감소라는 결과를 초래하는, 글리코시드 결합을 전분 대형 분자들로 분할함으로서 분자량을 감소시키는 체인 절단 촉매(chain scission catalyst)는 유사 열가소성 용융물의 점도를 줄이는데 사용될 수 있다. 적합한 촉매로는, 무기산 및 유기산이 포함된다. 적합한 무기산은, NaHSO₄ 또는 NaH₂PO₄ 등과 같은 다염기산의 부분염과 마찬가지로, 염산, 유황상, 질산, 인산, 그리고 붕산 등을 포함한다. 적합한 유기산으로는 포름산, 초산, 프로피온산, 부티르산, 젖산, 글리콜 산, 옥살산, 구연산, 타르타르산, 이타콘산, 숙신산, 그리고 다염기산의 부분염을 포함하는, 해당 기술에서 이미 알려진 다른 유기산들을 포함한다. 염산, 황산, 구연산 그리고 이들의 혼합물이 본 발명에서 유효하게 사용될 수 있다.

사용되는 비 변형 전분의 분자량 감소는 2에서 5000 까지의 계수, 보다 정확하게는 4에서 4000까지의 계수에 의해서 일 수 있다. 촉매의 농도는 무수 글루코오스 단위 몰당 촉매의 10^-6에서 10-² 몰까지의, 보다 정확하게는 전분의 무수 글루코오스의 몰당 촉매의 0.1×10^-3에서 5×10_-3몰 사이의 범위 내에 존재한다.

도 7에서, 전분 조성물은 본 발명의 가요성 구조물(100)을 만들기 위해 사용되는 전분 필라멘트의 전자 방사 생산을 위한 장치(10)로 공급된다. 이 장치(10)는 안에 전분 조성물(17)을 가지고 있다가 다이 헤드(13)의 제트(14)를 통하여 전분 필라멘트(17a)로 압출 성형되는(화살표 D), 전분 조성물(17)을 받아들이도록(화살표 A) 구조화되고 형태 지어진 하우징(11)으로 구성된다. 고리 모양의 동공(12)은 원하는 온도로 전분 조성물을 가열하는 가열용 유동체를 순화시키기(화살표 B 와 C) 위하여 제공될 수 있다. 전자 가열, 펄스 연소, 수분 증기 가열 등을 사용하는 방법처럼 해당 기술 분야에서 이미 알려져 있는 다른 가열 수단들도 전분 조성물을 가열하는데 사용될 수 있다.

전기 영역은 직접 전분 용액으로, 예를 들면, 전기적으로 충전된 프로브를 통하여 하우징(11)과/또는 압출 성형 다이(13)로 적용될 수 있다. 만일 필요하다면, 몰딩 부재(200)는 압출 성형된 전분 필라멘트의 전하와는 반대되는 전하로 전기적으로 충전될 수 있다. 또한, 몰딩 부재는 접지될 수 있다. 전기적인 차이는 5kV에서 60kV 까지, 보다 상세하게는 20kV에서 40kV 까지 일수 있다.

압출 성형된 다수의 전분 필라멘트들은 장치(10)로부터 일정 거리에서 기계방향(machine direction, MD)으로 운행하는 몰딩 부재(200)에 놓여질 수 있다. 이 거리는 전분 필라멘트가 연장되고, 건조되고, 동시에 제트 노즐(14)을 빠져나가는 전분 필라멘트와 몰딩 부재(200) 사이에 차별적인 전하를 유지하도록 해 줄 만큼 충분히 멀어야 한다. 이런 목적을 위하여, 건조 공기의 유출은 전분 필라멘트가 비스듬히 돌아갈 수 있도록 전분 필라멘트에 적용될 수 있다. 이것은 제트 노즐(14)과 몰딩 부재(200)사이에 차별적인 전하를 유지시킬 목적으로 이들 사이에 최소한의 거리를 유지하도록 해 주며, 동시에 섬유를 효과적으로 건조시킬 목적으로 노즐과 몰딩 부재(200) 사이에 섬유 일부의 길이를 최대화시키도록 해 준다. 이러한 배치에서, 몰딩 부재(200)는 섬유가 제트노즐(14)을 빠져나올 때(도 7의 화살표 D), 섬유의 방향과 관련하여 비스듬히 놓여질 수 있다.

선택적으로 감쇄 공기는 전분 필라멘트가 몰딩 부재(200)에 놓여지기 전에 전분 필라멘트를 가늘어지게 하거나, 또는 신장시키기 위해 신장력을 제공하도록 전기력과 함께 사용될 수 있다. 도 7a는 감쇄 공기에 대해, 제트 노즐(14)을 둘러싸고 있는 하나의 고리 모양 구멍(15)과, 제트 노즐(14) 주위에 균등한 120°간격으로 세 개의 다른 구멍(16)과 함께 제공되는 다이 헤드의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 물론 감쇄 공기의 다른 배치도, 해당 기술 분야에서 알려진 바와 같이, 본 발명에서 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 전분 필라멘트는 약 0.01 dtex에서 약 135 dtex 까지, 특히 약 0.02 dtex에서 약 30 dtex까지, 보다 바람직하게는 약 0.02 dtex에서 약 5dtex까지 측정되는 크기를 가질 수 있다. 전분 필라멘트는 원형, 타원형, 장방형, 삼각형, 육각형, 십자가모양, 별모양, 불규칙형태, 그리고 이들의 어떤 조합형을 포함하는, 하지만 이들에만 한정되지 않는 다양한 단면을 가질 수 있다. 당업자는 이러한 형태의 다양함이 전분 필라멘트를 생산하기 위하여 사용되는 다이 노즐의 다른 형태에 의하여 형성될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

도 10a 는 전분 필라멘트의 가능한 단면 영역을 제한 없이 도시한다. 전분 필라멘트의 단면 영역은 전분 필라멘트의 주축과 직각을 이루는 영역으로, 단면 평면 안에서 전분 필라멘트의 외부 표면에 의하여 형성되는 경계선(주변)에 의해 윤곽 지어진다. 전분 필라멘트의 표면 영역이(길이의 단위 또는 이것의 중량 당) 커질수록 전분 필라멘트를 포함하는 가요성 구조물(100)의 불투명도가 커지는 것으로 인정된다. 따라서, 전분 필라멘트의 균등한 지름이 커짐에 따라 전분 필라멘트의 표면 영역이 최대화되는 것은 본 발명의 결과적인 가요성 구조물(100)의 불투명도를 증가시키기 위해 유익할 수 있다. 전분 필라멘트의 균등한 지름을 커지게 하는 한가지 방법은 원형이 아닌, 다층 표면의 단면 형태를 가지는 전분 필라멘트를 만드는 것이다.

게다가, 전분 필라멘트는 섬유의 길이 전체 또는 일부를 통해 균일한 두께와/또는 단면 영역을 가질 필요는 없다. 예를 들어, 도 10은 길이를 따라 다른 단면 영역을 가지는 전분 필라멘트의 단편을 개략적으로 도시한다. 이러한 다른 단면 영역은 예를 들어 다이 내부 압력을 다양하게 함으로서, 또는 용융 분출 가공 또는 용융 분출 가공과 전자 방사 가공의 조합에서 감쇄 공기 또는 건조 공기의 성질들(속도, 방향 같은)중 하나를 변화시킴으로 형성된다.

어떤 전분 필라멘트들은 섬유의 길이 또는 그 일부를 따라 특정 간격으로 분사된 "노치(notches)"를 가질 수 있다. 섬유 길이에 따른 전분 필라멘트의 단면 영역의 이러한 다양함은 섬유의 유동성을 촉진하고, 만들어진 가요성 구조물(100)에서 서로 얽히는 섬유의 능력을 향상시키고, 결과적으로 만들어진 가요성 구조물(100)의 부드러움과 유동성에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 여겨진다. 노치 또는 전분 필라멘트에서의 다른 유효한 불규칙함은, 아래 설명된 바와 같이, 날카로운 가장자리 또는 돌출부를 가지는 표면과 전분 필라멘트를 접촉시킴으로서 형성될 수 있다.

가공의 다음 단계는 몰딩 부재(200)를 제공하는 것이다. 몰딩 부재(200)는 패턴화된 원통(도시 안됨), 또는 벨트나 밴드처럼, 다른 패턴을 형성하는 부재를 포함한다. 몰딩 부재(200)는 섬유 접촉면(201)과 이 섬유 접촉면(201)과 마주보는 배후면(202)으로 구성된다. 차별적인 유동체 압력(예를 들면, 벨트 아래 또는 드럼 내부에 존재할 수 있는 진공 압력)은 만들어지는 가요성 구조물내에 구별되는 영역들을 형성하기 위하여 전분 필라멘트를 몰딩 부재의 패턴에 따라 형성할 수 있다.

본 발명의 구조물(100)을 만드는 가공의 과정에서, 전분 필라멘트는 섬유 접촉면(201)에 놓여진다. 이차면(202)은 보통, 특별한 가공을 위해 필요한 지지 롤러, 가이드 롤러, 진공 장치 등의 설비와 접촉된다. 섬유 접촉면(201)은 돌출부와/또는 함몰부의 삼차원적 패턴을 포함한다. 보통(필연적은 아니더라도), 이러한 패턴은 멋대로는 아니지만 반복적이다. 섬유 접촉면(201)의 삼차원적 패턴은 실질적으로 연속적인 패턴(도 4), 실질적으로 어느 정도 연속적인 패턴(도 5), 다수의 불연속 돌출부(도 5)를 포함하는 패턴 또는 이들의 어떤 조합을 포함할 수 있다. 다수의 전분 필라멘트가 몰딩 부재(200)의 섬유 접촉면(201)에 놓여질 때, 다수의 유동성 전분 필라멘트는 적어도 부분적으로는 몰딩 부재(200)의 몰딩 패턴을 따른다.

몰딩 부재(200)는, 이것이 기준 X-Y 평면에 놓여질 때, 거시적으로 단일 평면인 벨트 또는 밴드를 포함하는데, 여기서 Z 방향은 X-Y 평면과 직각이다. 유사하게, 가요성 구조물(100)은, X-Y 평면과 평행한 평면에 놓이는 거시적으로 단일 평면으로 생각될 수 있다. X-Y평면과 직각인 Z 방향은 가요성 구조물(100)의 측경 또는 두께가 연장하는, 또는 몰딩 부재(200) 또는 가요성 구조물(100)의 구별되는 영역들의 높이가 연장하는 방향이다.

만일 필요하다면, 벨트를 포함하는 몰딩 부재(200)는 압박 벨트로 실행될 수 있다. 본 발명에 따라 사용하기 적합한 압박 벨트는 판(Phan)의 1996년 8월 27일 등록된 미국 특허 번호 5,549,790, 트로칸 등(Trokhan et al.)의 1996년 9월 17일 등록된 미국 특허 번호 5,556,509, 암플스키 등(Ampulski et al.)의 1996년 12월 3일 등록된 미국 특허 번호 5,580,423, 판(Phan)의 1997년 3월 11일 등록된 미국 특허 번호 5,609,725, 트로칸 등(Trokhan et al.)의 1997년 5월 13일 등록된 미국 특허 번호 5,629,052, 암플스키 등(Ampulski et al.)의 1997년 12월 2일 등록된 미국 특허 번호 5,693,187, 트로칸 등(Trokhan et al.)의 1998년 1월 20일 등록된 미국 특허 번호 5,709,775, 암플스키 등(Ampulski et al.)의 1998년 7월 7일 등록된 미국 특허 번호 5,776,307, 암플스키 등(Ampulski et al.)의 1998년 8월 18일 등록된 미국 특허 번호 5,795,440, 판(phan)의 1998년 9월 29일 등록된 미국 특허 번호 5,814,190, 트로칸 등(Trokhan et al.)의 1998년 10월 6일에 등록된 미국 특허 번호 5,817,377, 암플스키 등(Ampulski et al.)의 1998년 12월 8일 등록된 미국 특허 번호 5,846,379, 암플스키 등(Ampulski et al.)의 1999년 1월 5일 등록된 미국 특허 번호 5,855,739, 그리고 암플스키 등(Ampulski et al.)의 1999년 1월 19일 등록된 미국 특허 번호 5,861,082 등의 내용에 따라 만들어 질 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 몰딩 부재(200)는 카메론(Cameron)의 1996년 10월 29일 등록된 미국 특허 번호 5,569,358 의 개시 내용에 따라 압박 벨트로서 실행될 수 있다.

몰딩 부재(200)의 원칙적인 실시예는 강화 장치(250)에 결합되는 수지 조직(210)으로 구성된다. 수지 조직(210)은 특정의 미리 선택된 패턴을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 4는 실질적으로 다수의 구멍(220)을 가지는 실질적으로 연속적인 구조물(210)을 보여준다. 어떤 실시예에서는, 강화 장치(250)가 실질적으로 유동체 투과성일 수 있다. 유동체 투과성 강화 장치(250)는 짜여진 스크린, 또는 구멍난 구성요소, 펠트 또는 이들의 어떤 조합들을 포함할 수 있다. 몰딩 부재(200)에 구멍(220)과 함께 맞추어진 강화 장치(250)의 부분들은 전분 필라멘트가 몰딩 부재(200)를 통하여 지나가지 않도록 방지하며, 생성되는 가요성 구조물(100)에서 핀홀의 발생을 줄인다. 만일 강화 장치에 짜여진 직물을 사용하고 싶지 않다면, 다수의 홀을 가지는 비직조 성분, 스크린, 네트, 프레스 펠트 또는 플레이트 또는 필름이 구조물(210)을 위한 적절한 지지와 강도를 제공할 수 있다. 적합한 강화 장치(250)는 스텔제스 등(Stelljes et al.)의 1996년 3월 5일 등록된 미국 특허 번호 5,496,624, 트로칸 등(Trokhan et al.)의 1996년 3월 19일 등록된 미국 특허번호 5,500,277, 그리고 트로칸 등(Trokhan et al.)의 1996년 10월 22일에 등록된 미국 특허 번호 5,566,724 에 따라서 만들어 질 수 있다. 유동체 투과성 강화 장치(250)의 다양한 형태들은 미국 특허 번호 5,275,700 과 5,954,097에 설명되어 있다. 강화 장치(250)는 펠트를 포함할 수 있는데, 전통적인 종이 제조에 사용되는 "압력 펠트(press felt)"일 수 있다. 구조물(210)은 강화 장치(250)에 적용될 수 있는데, 이것은 1996년 8월 27일 등록된 미국특허 번호 5,549,790, 1996년 9월 17일 등록된 미국 특허 번호 5,556,509, 1996년 12월 3일 등록된 미국 특허 5,580,423, 1997년 3월 11일 등록된 미국 특허 5,609,725, 1997년 5월 13일 등록된 미국 특허 5,629,052, 1997년 6월 10일 등록된 미국 특허 5,637,194, 1997년 10월 등록된 미국 특허 5,674,663, 1997년 12월 2일 등록된 미국 특허 5,693,187, 1998년 1월 20일 등록된 미국 특허 5,709,775, 1998년 8월 18일 등록된 미국 특허 5,795,440, 1998년 12월 8일 5,846,379에 나타나 있다.

또한, 강화 장치(250)는 유동체 불투과성일 수 있다. 불투과성 강화 장치(250)는 본 발명의 몰딩 부재(200)의 구조물(210)을 만들기 위하여 사용되는 물질, 플라스틱 물질, 금속, 다른 적합한 자연물질 또는 합성물질, 또는 이들이 어떤 조합들과 동일하거나 다른 중합체 수지물질을 포함할 수 있다. 유동체 불투과성 강화 장치(250)는 몰딩 부재(200)를 전체로서 또한 불투과성이게 할것이다. 강화 장치(250)는 부분적으로 유동체 투과성이고 부분적으로 유동체 불투과성일 수도 있다. 이것은, 강화 장치(250)의 어떤 부분들은 유동체 투과성이지만, 반면 강화 장치(250)의 또 다른 부분들은 유동체 불투과성일 수 있음을 말한다. 몰딩 부재(200)는 전체로서 유동체 투과성일 수 있고, 유동체 불투과성일 수 있으며, 또는 부분적으로 유동체 투과성일 수 있다. 부분적으로 유동체 투과성의 몰딩 부재(200)에 있어서, 몰딩 부재(200)의 거시적 영역, 또는 영역들의 부분, 또는 부분들만이 유동체 투과성이다.

필요하다면, 쟈카드 직조(Jacquard weave)를 포함하는 강화 장치(250)가 사용될 수 있다. 쟈카드 직조를 가지는 예시적 벨트는 1995년 7월 4일 등록된 미국 특허 5,429,686, 1997년 9월 30일 등록된 미국 특허 5,672,248, 1998년 5월 5일 등록된 미국 특허 5,746,887, 2000년1월 25일 등록된 미국특허 6,017,417에서 찾아볼 수 있으며, 이러한 참고 자료들은 재카드 직조의 원칙적인 구성을 보여주기 위한 목적으로 인용되었다. 본 발명은 쟈카드 직조 패턴을 가지는 섬유 접촉면(201)을 포함하는 몰딩 부재(200)를 포함한다. 이러한 쟈카드 직조 패턴은 형성 부재(500), 몰딩 부재(200), 압박 표면 등으로 사용될 수 있다. 쟈카드 직조는, 양키(Yankee) 건조 드럼에 이전됨으로 보통 발생되는 것처럼, 구조물이 단편으로 눌리거나 압착되는 것을 원하지 않을 경우 특히 유용하다.

본 발명에 따르면, 몰딩 부재(200)의 하나, 몇 개 또는 모든 구멍(200)은 "가려져"있거나 또는 "닫혀" 있을 수 있으며, 이것은 1999년 10월 26일 등록된 미국 특허 5,972,813 에 설명되어있다. 상기 인용 특허에서 설명되어 있는 바와 같이, 폴리우레탄 발포체, 탄성고무, 실리콘은 구멍(220)을 유동체 불투과성으로 만드는데 사용될 수 있다.

도 6에서 도시된 몰딩 부재(200)의 실시예는 다수의 베이스 부분(211)으로부 (보통 횡으로)연장된 다수의 부유 부분(219)포함한다. 부유 부분(219)은, 도 3과 관련하여 앞서 설명된 바와 같이, 본 발명의 전분 필라멘트가 캔틸레버 부분(129)을 형성하도록 편향될 수 있는 빈공간(215)을 형성하기 위하여 강화 장치(250)로부터 높아진다. 부유 부분(219)을 포함하는 몰딩 부재(200)는 서로 마주보는(도6) 형태로 함께 연결된 적어도 두 개 층(211, 212)에 의해 형성되는 다층 구조를 포함할 수 있다. 각각의 층은 참고로 인용된 상기의 몇 가지 특허 중 하나와 유사한 구조를 가질 수 있다. 각각의 층(211, 212)은 바닥 표면과 상부 표면 사이에 뻗어있는 적어도 하나의 구멍(220, 도 4, 도 4a)을 가질 수 있다. 결합된 층들은, 한 층의 한 구멍이 다른 층의 조직 부분과 함께, (몰딩 부재(200)의 일반 평면과 직각의 방향으로) 겹쳐지는 식으로 놓여지며, 이러한 부분은 상기의 부유 부분(219)을 형성한다.

다수의 부유 부분들을 포함하는 몰딩 부재의 또 다른 실시예는, 투명 영역들과 불투명 영역들을 포함하는 마스크를 통하여, 감광성 수지 층의 차별적 경화 가공에 의해, 또는 다른 경화 가능 물질에 의해 만들어질 수 있다. 불투명 영역들은 차별적인 불투명성을 가지는 영역들을 포함하는데, 이를 테면, 상대적으로 높은 불투명성(검정 같은 불투명성)을 가지는 영역들과 상대적으로 낮은 부분적 불투명성(즉, 약간의 투명성)을 가지는 영역들을 포함한다.

필라멘트 수용측과 마주보는 이차측을 가지는 경화 가능한 층이, 코팅의 필라멘트 수용측에 인접한 마스크를 통하여 경화 방사에 노출되어있는 경우, 마스크의 불투명 영역들은 코팅의 전체 두께를 통해 코팅의 일차 영역의 경화를 막기 위하여 코팅의 일차 영역을 경화 방사로부터 보호한다. 마스크의 부분적 불투명 영역들은, (코팅의 필라멘트 수용측으로부터 그 이차측을 향해 시작하는) 경화 방사를 코팅의 두께보다 더 얇은 소정의 두께로 이차 영역을 경화하도록, 단지 부분적으로 코팅의 이차 영역을 감싸고 있다. 마스크의 투명 영역들은, 경화 방사를 코팅의 전체 두께를 통하여 삼차 영역을 경화하도록 하기 위해 감싸여 있지 않은 코팅의 삼차 영역을 남겨둔다.

결과적으로 경화되지 않은 물질은 부분적으로 형성된 몰딩 부재로부터 제거될 수 있다. 결과적으로 딱딱해진 조직은 코팅의 필라멘트 수용측으로부터 형성된 섬유 접촉측(201)과 코팅의 이차측으로부터 형성된 배후측(202)을 가진다. 생성된 조직은 배후측(202)을 포함하며 코팅의 삼차 영역으로부터 형성된 다수의 베이스(211)와, 필라멘트 수용측(201)을 포함하며 코팅의 이차 영역으로부터 형성된 다수의 부유 부분(219)을 가진다. 다수의 베이스는 상기한 바와 같이, 실질적으로 연속적인 패턴, 실질적으로 어느정도 연속적인 패턴, 불연속적인 패턴 또는 이들의 어떤 조합을 포함할 수 있다. 부유 부분(219)은 다수의 베이스로부터 (반드시는 아니라도 보통, 90°)비스듬히 뻗어있으며, 부유 부분과 배후면(202) 사이에 빈 공간을 형성하기 위하여 생성된 조직의 배후면(202)으로부터 떨어져있다. 보통, 강화 장치(250)를 포함하는 몰딩 부재(200)가 사용될 때, 빈 공간(215)은 도 6에서 도시된 바와 같이, 부유 부분(219)과 강화 장치(250) 사이에 형성된다.

다음 단계는, 도 7에서 도 9까지에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 몰딩 부재(200)의 섬유 접촉면(201)에 유사 열가소성 전분 필라멘트를 위치시키는 것과, 다수의 전분 필라멘트를 몰딩 부재(200)의 삼차원의 패턴대로 적어도 부분적으로 형성시키는 것을 포함한다. 도 7에서 도식적으로 보여진 실시예에서, 연신 장치를 빠져나오면, 전분 필라멘트(17b)는 몰딩 부재(200)의 삼차원 섬유 접촉면(201)에 놓여진다. 산업적으로 계속되는 공정에서, 몰딩 부재(200)는 도 7에서 도9까지 도시된 바와 같이, 기계 방향(MD)으로 지속적으로 운행하는 순환 벨트를 포함한다. 1997년 11월 18일 등록된 미국 특허 5,688,468은 축소된 직경의 섬유로 구성된 비직조 피륙을 생산하기 위한 공정 및 장치를 개시한다.

몇 가지 실시예에서, 다수의 섬유는 일차적으로 몰딩 부재(200)가 아니라 도 9에서 도시된 바와 같이, 형성 부재(500)에 놓여질 수 있다. 이러한 단계는 선택적인 것으로, 만들어진 구조물(10)의 폭 전체를 통해 다수 전분 필라멘트의 기본 중량의 균일성을 향상시키기 위하여 사용될 수 있다. 와이어를 포함하는 형성 부재(500)는 본 발명에 고찰된다. 도 9의 예시적인 실시예에서, 형성 부재(500)는 롤(500a, 500b)에 대하여 기계 방향으로 운행한다. 형성 부재는 유동체 투과성이며, 진공 장치(550)는 형성 부재 아래 위치하여, 형성 부재(500)의 수용 표면을 통해 전분 필라멘트의 다소 균등 분배를 촉진하도록 다수의 전분 필라멘트에 차등적인 유압을 가하는 것이다.

원한다면, 형성 부재(500)는 전분 필라멘트의, 특히 섬유 표면의 다양한 불규칙함을 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 형성 부재의 섬유 수용 표면은, 상대적으로 부드러운 전분 필라멘트를 박아내기 위해, 그리고 상기한 바와 같이 완성된 가요성 구조물(100)에 유효할 수 있는 전분 필라멘트의 노치(도 11에서 도식적으로 도시된), 또는 다른 불규칙성을 발생시키기 위해 구성된 다양한 형태의 가장자리(도시 안됨)를 포함할 수 있다.

도 9의 실시예에서, 다수의 섬유는, 전통적으로 알려진 수단에 의해, 이를 테면, 형성 부재(500)에 놓여진 다수의 전분 필라멘트를 분리하여 몰딩 부재(200)에 부착시키기 충분한 진공 압력을 적용하는 진공 슈(600)에 의해, 형성 부재(500)로부터 몰딩 부재(200)로 전달될 수 있다.

가요성 구조물(100)을 만드는 연속적인 공정에서, 몰딩 부재(200)는 형성 부재(500)보다 더 낮은 선형 속도를 가질 수 있다. 전달 지점에서 이렇게 차별적인 속도를 사용하는 것은 제지 기술에서 일반적으로 알려진 것으로, 소위 미세 수축(microcontraction)을 위해 사용될 수 있는데, 이것은 보통 낮은 밀도의 직조 피륙에 적용할 경우 효과적인 것이다. 미국 특허 4,440,597 은 미세 수축의 원칙적 메카니즘을 설명하기 위해 인용된 것으로, "습윤 미세 수축(wet-microcontration)"에 대하여 상세히 설명한다. 간단히 습윤 미세 수축이란 (다공성 부재 같은) 일차 부재로부터, 일차 부재 보다 더 천천히 움직이는 (개방 직조 구조물 같은) 이차 부재로, 낮은 섬유 밀도를 가지는 직물로 전이하는 것을 포함한다. 만일 전분 필라멘트가 형성될 수 있고, (형성 부재(500) 같은)상대적으로 천천히 움직이는 지지대로부터 (몰딩 부재(200) 같은)상대적으로 빨리 움직이는 지지대로의 이동 시간에 의해 다수의 전분 필라멘트가 충분히 유동적인 상태로 유지될 수 있다면, 다수의 전분 필라멘트를 효과적으로 수축하는 것이 가능해지며, 만들어진 가요성 구조물(100)을 단축하는 것이 가능한 것으로 여겨진다. 몰딩 부재(200)의 속도는 형성 부재(500)보다 약 1%에서 약 25%까지 빠를 수 있다.

도 9a는 본 발명에 따른 가공의 실시예를 도시하는데, 여기서 전분 필라멘트는 약 1°에서 약 89°까지, 보다 상세하게 약 5°에서 85°까지 일수 있는 각도 A로 비스듬히 몰딩 부재(200)에 놓여질 수 있다. 이러한 실시예는 특히 부유 부분(219)을 가지는 몰딩 부재(200)가 사용될 때 유효하다. 이렇게 몰딩 부재(200)에 전분 필라멘트(17a)가 "비스듬히" 놓이는 것은, 길고 유동적인 전분 필라멘트(17a)를 보다 얻기 쉽도록, 강화 장치(250)와 부유 부분(219)사이에 빈 공간을 만들어, 전분 필라멘트가 보다 용이하게 빈 공간(215)을 채우도록 촉진한다. 도 9a에서, 전분 필라멘트(17a)는 두 단계로 몰딩 부재(200)에 놓여짐으로서, 두 종류의 빈 공간(219)-상류 빈공간(215a)과 하류 빈공간(215b)-은 비스듬히 놓여진 섬유에서부터 몰딩 부재(200)까지 유효할 수 있다. 몰딩 부재(200)의 특정 기하학에 의존하는, 특히 부유 부분(219)의 기하학과/또는 방향성에 의존하는 하류 각도 A는 상류 각도 B와 같거나 또는 다를 수 있다.

다수의 전분 필라멘트가 섬유 접촉면(201)에 놓여지자 마자, 다수의 섬유는 적어도 부분적으로 삼차원의 패턴을 따라간다. 또한, 다양한 수단이 전분 필라멘트를 몰딩 부재(200)의 삼차원의 패턴대로 형성하기 위하여 사용된다. 그 한 가지 방법은 다수의 전분 필라멘트에 차별적인 유압을 적용하는 것을 포함한다. 이러한 방법은 특히 몰딩 부재(200)가 유동체 투과성일 때 유효할 수 있다. 예를 들어, 유동체 투과성의 몰딩 부재(200)의 배후면(202)에 놓여진 진공 장치(550)는 몰딩 부재(200)에, 그리고 그 위에 놓여진 다수의 전분 필라멘트에 진공 압력을 가하기 위하여 배치될 수 있다. (도 8) 진공 압력의 영향 아래서, 어떤 전분 필라멘트들은 구멍(220)과/또는 몰딩 부재(200)의 빈 공간(215)으로 편향될 수 있으며, 아니면 이것의 삼차원 패턴을 따라 형성될 수 있다.

가요성 구조물(100)의 세 가지 영역들은 일반적으로 균등한 기본 중량을 가질 수 있다. 전분 필라멘트의 일부가 구멍(220)으로 편향됨으로서, 한 영역은 일차로 눌린 영역(110)의 밀도와 관련하여 생성되는 필로우(120)의 밀도를 낮출 수 있다. 구멍(220)으로 편향되지 않은 영역(110)은 압착 닙(nib)안에 유동체 구조물을 압착함으로서 눌려질 수 있다. 눌려진다면, 눌려진 영역의 밀도는 필로우(120)의 밀도와 삼차 영역(130)의 밀도와 관련하여 증가된다. 구멍(220)으로 편향되지 않은 영역(110)의 밀도와 삼차 영역(130)의 밀도는 필로우(120) 보다 더 높다. 삼차 영역(130)은 눌려진 영역(110)과 필로우(120)의 밀도 중간에 오는 밀도를 유사하게 가질 것이다.

도 1a 에서, 본 발명에 따른 유동성 구조(100)는 세 개의 다른 밀도를 가지는 것으로 생각될 수 있다. 가장 높은 밀도 영역은 높은 밀도의 눌려진 영역(110)이다. 눌려진 영역(110)은 위치와 기하학적으로 몰딩 부재(200)의 조직(210)과 상응한다. 가요성 구조물(100)의 가장 낮은 밀도 영역은 필로우(120) 영역이 되는데, 몰딩 부재(200)의 구멍(220)과 위치 및 기하학적으로 상응한다. 몰딩 부재(200)의 향사(230)와 상응하는 삼차 영역(130)은 필로우(120)와 눌려진 영역(110)의 밀도의 중간에 오는 밀도를 가지게 된다. "향사(230, synclines)"는 몰딩 부재(200)의 필라멘트 수용측(201)에서 이것의 배후측(202)을 향해 연장된, Z-방향 벡터 성분를 가지는 조직(210)의 표면이다. 향사(230)는, 구멍(220)처럼 조직(210)을 완전히 관통하여 연장되지 못한다. 따라서, 향사(230)와 구멍(220)의 차이는, 구멍(220)이 조직(210)에 관통홀을 제시하는 반면, 향사(230)는 조직(210)에 가려진 홀, 금, 깊은 틈 또는 노치를 나타낸다는 것이다.

본 발명에 따른 구조(100)의 세 가지 영역들은 세 개의 다른 높이로 놓여진다. 영역의 높이는 기준 평면(즉, X-Y평면)으로 부터의 거리를 말한다. 편의상, 기준 평면은 수평적으로 시각화될 수 있으며, 여기서 기준 평면으로부터의 높이 거리는 수직적이다. 전분 필라멘트 구조(100)의 특정 영역의 높이는 선행 기술에서 알려진 합목적적인 비접촉 측정 장치를 사용하여 측정될 수 있다. 특별히 접합한 측정 기구로는, 50밀리미터의 범위 내에서 0.3×1.2 밀리미터의 빔 크기를 가지는 비접촉 레이저 대체 센서가 있다. 적합한 비접촉 레이저 대체 센서는 이덱 컴퍼니에 의해 MX1A/B 모델로 판매되고 있다. 또한, 선행 기술인 접촉 형태 게이지도 차별적인 높이를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 이런 형태의 게이지는 미국 특허 4,300,981에서 설명되어 있다. 본 발명에 띠른 구조물(100)은 기준 평면과 접촉한 눌린 영역(110)과 함께 기준 평면에 위치된다. 필로우(120)와 삼차 영역(130)은 기준 평면으로부터 수직으로 연장된다. 영역들(110, 120, 130)의 차등적인 높이는 또한 도 5a에서 도시된 바와 같이, 차별적인 깊이 또는 높이의 삼차원적 패턴을 가지는 몰딩 부재(200)를 이용함으로서 형성될 수 있다. 차별적인 깊이/높이를 가지는 이러한 삼차원적 패턴은 이들의 높이를 줄이기 위해 몰딩 부재(200)의 미리 선택된 부분을 마모시켜 만들어질 수 있다. 또한 경화 물질을 포함하는 몰딩 부재(200)는 삼차원 마스크를 이용함으로서 만들어질 수 있다. 함몰/돌출의 차별적인 깊이/높이를 포함하는 삼차원 마스크를 사용함으로서, 또한 차별적인 높이를 가지는 상응하는 조직(210)을 형성할 수 있다. 차별적인 높이의 표면을 만드는 다른 종래의 기술들도 상기의 목적을 위하여 사용될 수 있다.

진공 장치(550)(도 8과 도9) 또는 진공 픽업 슈(600, 도 9)에 의한 차별적인 유압의 갑작스런 적용의 가능한 음 효과를 향상시키는 것, 이것은 섬유나 섬유의 일부분을 몰딩 부재(200)를 관통하게 하여, 생성되는 가요성 구조물에 소위 핀홀을 형성하도록 할 수 있으며, 몰딩 부재의 배후면은 미세 표면 불규칙성을 만들기 위하여 "직조될(textured)" 수 있다. 이러한 표면 불규칙성은 몰딩 부재(200)의 몇몇 실시예에서 유효할 수 있는데, 왜냐하면 이들은 몰딩 부재(200)의 배후면(202)과 제지 제조 설비의 표면(예를 들면, 진공 장치의 표면) 사이에 진공 밀봉의 형성을 방해하여, 이들 사이에 "누출(leakage)"이 발생하고, 본 발명의 가요성 구조물(100)을 만드는 관통 공기 건조 공정에서 진공 압력 적용의 바람직하지 않은 결과들을 줄이기 때문이다. 이러한 누출을 일으키는 다른 방법들은 미국 특허 5,718,806, 5,741,402, 5,744,007, 5,776,311, 그리고 5,885,421에 개시되어있다.

이런 누출은 또한 소위 "차별적인 빛 전달 기술"을 이용하여 발생할 수 있는 것으로, 이것은 미국 특허 5,624,790, 5,554,467, 5,529,664, 5,514,523, 그리고 5,334,289에 개시되어 있다. 몰딩 부재는 불투명 부분을 가지는 강화 장치에 감광성 수지를 코팅함으로서, 그리고 투명 및 불투명 영역들을 가지는 마스크를 통해 , 또한 강화 장치를 통해 활동적인 파장의 빛에 코팅을 노출시킴으로서 만들어 질 수 있다. 배후 표면 불규칙성을 만드는 또 다른 방법은 직조된 형성 표면 또는 직조된 배리어 필름의 사용을 포함하는데, 이에 대해서는 미국 특허 5,364,504, 5,260,171, 그리고 5,098,522에 설명되어 있다. 몰딩 부재는, 강화 장치가 직조된 표면 위로 운행하는 동안 강화 장치에 감광성 수지를 분사함으로서, 그리고 투명 및 불투명 영역들을 가지는 마스크를 통하여 역동적인 파장의 빛에 코팅을 노출시킴으로서, 만들어 질 수 있다.

유동체 투과성 몰딩 부재(200)를 통해 다수의 섬유에 진공(즉, 대기압보다 더 낮은, 음) 압력을 가하는 진공 장치(550) 또는 다수의 섬유에 양 압력을 가하는 팬(도시 안됨) 같은 수단은 다수의 섬유를 몰딩 부재의 삼차원 패턴으로 용이하게 편향하도록 하기 위해 사용될 수 있다.

또한, 도 9는 본 발명에 따른 가공의 선택적 단계를 도식적으로 도시하는데, 여기서 다수의 전분 필라멘트는, 롤(800a 와 800b) 주위를 운행하는 순환 밴드를 포함하며 다수의 섬유와 접촉하는 유동성 시트 물질(800)과 중첩되어 놓여진다. 이것은 다수의 섬유가 일정한 시간 간격으로 몰딩 부재(200)와 유동성 시트 물질(800) 사이에 샌드위치된다는 것을 말한다. 유동성 시트 물질(800)은 몰딩 부재(200)의 시트 보다 더 낮은 공기 투과성을 가지며, 어떤 실시예에서는 공기 비투과성이다. 유동 시트(800)에 차별적인 유압 P를 가하는 것은, 몰딩 부재(200)의 삼차원 패턴을 향한 유동시트의 적어도 일부분 편형을 일으키며, 이로서 다수의 전분 필라멘트는 몰딩 부재(200)의 삼차원 패턴에 근접하게 형성되도록 강제된다. 미국 특허 5,893,965호는 유동 시트 물질을 이용하는 가공 및 설비의 원칙적 배치에 대하여 설명한다.

차별적인 유압에 부가하여, 기계적인 압력은 또한 본 발명에 따른 가요성 구조물(100)의 삼차원 미세 패턴의 형성을 위해 사용될 수 있다. 이러한 기계적 압력은 롤러의 표면이나 밴드의 표면 등을 구성하는 적합한 압박 표면에 의해 발생할 수 있다. 도 8은 압박 표면의 두 가지 실시예를 도시한다. 한 쌍의, 또는 여러 개의 압박 롤(900a, 900b, 900c, 900 d)이 몰딩 부재의 삼차원 패턴을 충분히 따르도록 전분 필라멘트를 몰딩 부재(200)위에 놓여지도록 하기 위해 사용될 수 있다. 압박 롤에 의해 시행되는 압력은 단계화될 수 있으며, 원하는 경우, 롤(900c, 900d)사이에서 발생된 압력은 다른 롤(900a, 900b)사이에서 발생된 것보다 더 클 수 있다. 또 롤(950a, 950b)둘레를 운행하는 순환 압박 밴드(950)는 이들 사이의 가요성 구조물(100)이 눌려지도록, 몰딩 부재(200)의 섬유측(201)의 일부에 압박될 수 있다.

압박 표면은 매끄럽거나 그 자체의 삼차원 패턴을 가질 수 있다. 후자의 예에서, 압박 표면은, 몰딩 부재(200)의 삼차원 패턴과 함께, 또는 독립적으로, 가요성 구조물(100)에서 돌출과/또는 함몰의 구별되는 미세 패턴을 형성하기 위하여 엠보싱 장치로 사용될 수 있다. 게다가, 이러한 압박 표면은 만들어진 가요성 구조물(100)에 연화제와 잉크 같은 다양한 첨가제을 넣기 위하여 사용될 수 있다. 잉크 롤(910)이나 스프레이 장치(샤워기, 920) 같은 전통적인 기술들은 만들어진 가요성 구조물(100)에 다양한 첨가제를 직간접적으로 첨가하는데 이용될 수 있다.

구조물(100)은 선행기술에서처럼 선택적으로 수축될 수 있다. 수축은 딱딱한 표면으로부터, 보다 상세하게는 도 9에서 도시된 실린더(290)로부터 구조물(100)을 그레핑함으로서(creping) 이루어질 수 있다. 크레핑(creping)은 잘 알려진 대로 닥터 블래이드(doctor blade, 292)에 의해 이루어진다. 크레핑은 미국 특허 4, 919,756 호에서 설명된 대로 이루어질 수 있다. 수축은, 상기한 바와 같이, 미세 축소를 통해 이루어진다.

수축된 유동체 구조물(100)은 보통 교차 기계 방향 보다는 기계 방향으로 더 큰 신장력을 가지며, 수축 공정에 의해 형성된 힌지 선 둘레로 구부릴 수 있으며, 이러한 힌지선은 일반적으로 교차 기계 방향, 즉, 가요성 구조물(100)의 폭을 따라서 연장된다. 크레핑되지 않은 또는 수축되지 않은 가요성 구조물(100)도 본 발명의 범위에 포함된다.

본 발명의 가요성 구조물(100)을 이용하여 다양한 제품을 만들 수 있다. 이러한 제품으로는, 공기, 오일, 물 필터, 진공 클리너 필터, 풍로 필터, 얼굴 마스크, 커피나 차 필터, 열차단 물질과 소리 음향 차단 물질, 일회용 귀저기와 여성용 생리대 같은 위생용품, 미세 섬유 또는 통기 섬유 같은 향상된 흡수성과 부드러움을 가지는 미생물로 분해될 수 있는 직조 섬유, 먼지를 모아 제거하기 위한 정전기로 충전된 직조 피륙, 포장지, 편지지, 신문용지, 종이보드 같은 강도 높은 종이를 위한 강화된 조직과 화장지, 종이타월, 냅킨, 미용 티슈 같은 티슈용 조직, 외과용 커튼, 붕대, 반창고, 안대, 자체 분해되는 봉합실 같은 의료용품, 그리고 치과용 솜과 칫솔모 같은 치과용품등이 있다. 가요성 구조물(100)은 또한 탈취제, 흰개미 퇴치제, 해충제 등을 포함하는 특별한 용도를 위하여 사용될 수 있다. 본 발명의 제품은 물과 오일을 흡수하므로, 엎질러진 물이나 오일을 닦거나, 농업이나 원예 분야의 적용으로 조절된 물을 함유하고 유출시키는 용도로 사용될 수 있다. 생성되는 가요성 구조물 또는 섬유 직물은, 또한 톱밥, 나무 펄프, 플라스틱, 콘크리트 같은 다른 물질과 함께 적용될 수 있으며, 이들은 벽, 지지빔, 압력 보드, 건조벽과 등받침, 천장 타일, 석고틀, 부목, 혀누름막대 같은 의료용품, 그리고 장식 목적의 벽난로 통나무 등을 만드는데 사용될 수 있다.

시험방법

A. 전단 점도

조성물의 전단 점도는 모세관 점도계(게오트페르트사 제품, 모델 레오그래프 2003)로 측정한다. 측정은 직경 D 1.0mm, 길이 L 30mm(즉 L/D=30)의 모세관 다이를 사용하여 측정한다. 다이는 배럴의 하단부에 부착되고 시험 온도는 25 내지 90℃로 고정한다. 미리 가열된 시료 조성물을 점도계의 배럴 부분에 넣어 배럴을 채운다(약 60g의 시료가 사용됨). 배럴 온도를 특정 시험 온도로 고정한다. 일반적으로, 공기가 표면에 기포를 생기가 할 수 있어 운전에 문제를 일으킬 수 있으므로 시험 운전 전 공기를 제거하기 위한 압축을 행할 수 있다. 일정 속도로 시료를 배럴로부터 다이의 구멍으로 밀어 넣기 위한 피스톤이 프로그램된다. 이 때, 시료의 압력이 낮아지게 된다. 조성물의 겉보기 점도는 압력 저하와 구멍을 통과하는 시료의 유속으로부터 얻을 수 있다. 그 다음, log(겉보기 점도)를 log(전단 점도)에 대해 플롯하고 그 플롯을 힘의 법칙 η=Kγn-1 에 에 적용한다. 여기서 K는 물질 상수이고 γ은 전단율이다. 전분 조성물의 전단 점도는 힘의 법칙 관계를 이용하여 전단율 3000s-1에 대해 외삽한 것이다.

B.신장 점도

신장 점도는 모세관 점도계(게오트페르트사 제품, 모델 레오그래프 2003)로 측정한다. 직경 D 15mm, 길이 L 7.5mm의 반-쌍곡선 다이를 사용하여 측정한다.

반-쌍곡선형 다이는 두개의 식으로 정의된다. Z=최초 직경으로부터의 축 거리, D(z)가 Dinitial로부터 거리 Z에서 다이의 직경인 경우:

다이는 배럴의 하단부에 부착되고 시험 온도를 고정한다. 시험 온도는 전분 조성물의 융점 이상의 온도이다. 미리 가열된 시료 조성물을 점도계의 배럴 부분에 넣어 배럴을 채운다. 일반적으로, 공기가 표면에 기포를 생기가 할 수 있어 운전에 문제를 일으킬 수 있으므로, 시험 운전 전 공기를 제거하기 위한 압축을 행할 수 있다. 일정 속도로 시료를 배럴로부터 다이의 구멍으로 밀어 넣기 위한 피스톤이 프로그램된다. 이 때, 시료의 압력이 낮아지게 된다. 조성물의 겉보기 점도는 압력 저하와 구멍을 통과하는 시료의 유속으로부터 얻을 수 있다.

신장 점도=(델타 P/신장율/Eh)·105

여기에서, 신장 점도는 Pa·s로 나타난다. 델타 P는 압력 강하이고 단위는 바아이다. Eh는 헨키 변형이다. 헨키 변형은 시간 또는 이력에 의존하는 변형이다. 비-뉴톤성 유체에서 유체 요소에 의해 이루어지는 변형은 그것의 운동학적 이력에 의존한다. 즉,

식에 의해 정해진 이 디자인에 대한 헨키 변형은 5.99이다.

Eh=In[(Dinitial/Dfinal)2]

겉보기 신장 점도는 힘의 법칙 관계를 이용하여 250-1의 신장율의 함수로 기록된다. 신장 점도는 또한 쌍곡선형 또는 반 쌍곡선형 다이를 이용해 측정할 수도 있다. 이 방법은 미국 특허 제 5,357,784 호에 게시되어 있다.

C. 분자량 및 분자량 분포

분자량(Mw) 및 분자량 분포(MWD)는 혼합 배드 칼럼을 사용하는 겔 투과 크로마토그래프로 측정하였다. 장치 부분들은 다음과 같다:

펌프 워터즈 모델 600E

시스템 조절기 워터즈 모델 600E

자동시료채취기 워터즈 모델 717 PLUS

칼럼 길이 600mm, 내경 7.5 mmPL 겔 20㎛ 혼합

A칼럼(겔 분자량 1000 내지 40000000)

검출기 워터즈 모델 410 차등 굴절기 GPC 소프트웨

어워터즈 밀레니엄 소프트웨어

칼럼을 245000, 350000, 805000,및 2285000의 분자량을 갖는 덱스트란 표준물질로 보정한다. 이들 덱스트란은 오하이오주 멘토에 소재하는 아메리칸 폴리머 스탠다드 코포래이션에서 구입 가능하다. 보정 표준은 표준 물질을 유동상으로 용해시켜 2mg/㎖의 용액으로 제조한다. 부드럽게 저어 주사기(5㎖, 논-젝트, VWR사 제품)를 이용해 주사 필터(5㎛ 나일론 막, 스파르탄-25, VWR사 제품)를 통해 여과한다. 40% 전분을 물에 혼합하고 가열하여 젤라틴화된 혼합물로 시료를 제조한다. 1.55g의 젤라틴화된 혼합물을 22g의 유동상에 부가하여 3mg/㎖의 용액으로 제조하고 5분간 교반한 후, 105℃의 오븐에 1시간동안 방치하고, 실온으로 냉각시킨다. 용약을 상기의 주사기를 이용해 주사 필터를 통해 여과한다.

여과된 표준 시료 및 대상 시료 용액을 자동시료채취기로 취한 다음, 100㎕사출 루프에서 이전 시료를 베출해 낸 다음, 당해 시료를 칼럼으로 사출한다, 칼럼 온도를 70℃로 고정한다. 시료를 칼럼으로부터 용리하여 차등 굴절 지수 검출기를 50℃로 고정하고 감도 범위를 64로 셋팅하여 유동상 배경으로 측정한다. 유동상은 0.1%w/v LiBr이 용해된 DMSO이다. 유속은 1.0㎖/분으로 하고 조작동안 유동상을 일정하도록 셋팅한다. 각 표준 또는 시료를 GPC를 통해 세번 조작하여 평균을 얻는다.

분자량 분포는 다음 식으로 계산된다.

MWD = 중량평균 분자량/수평균 분자량

D. 열적 성질

본 발명의 전분 조성물의 열적 성질은 156.6℃의 융점과 6.80cal/g의 열량을 가진 인듐 금속 표준으로 보정된 TA장치 DSC-2910로 측정한다. 표준 DSC 조작 방법은 제조회사의 조작 매뉴얼대로 한다. DSC 측정 동안 휘발(예를 들어 수증기)때문에, 시료로부터 휘발성 물질의 이탈을 막기위해 O-링 밀봉재를 갖춘 대용량 팬을 사용한다. 시료 및 불활성 참고예(일반적으로 빈 팬)을 동일속도로 가열한다. 시료의 상이 변할 때, DSC 장치로 시료 및 불활성 참고예의 열류를 측정한다. 장치는, 시험조건(가열/냉각 속도)를 조절하고 데이타를 수집, 계산 및 기록하는 컴퓨터와 연결되어 있다.

시료를 평량하여 팬에 넣고 0-링과 뚜껑으로 밀봉한다. 일반적인 시료 크기는 25-65밀리g이다. 밀봉된 팬을 장치에 놓고 컴퓨터로 하기의 열 측정을 프로그래밍한다.

1. 0℃에서 평형;

2. 0℃에서 2분간 유지;

3. 120℃까지 10℃/분으로 가열;

4. 120℃에서 2분간 유지;

5. 30℃까지 10℃/분으로 냉각;

6. 실온에서 24시간 평형, 이 기간동안 시료를 DSC 장치에서 제거하여 30℃에서 조절된 환경하에 둔다;

7. 시료를 DSC 장치 팬으로 되돌려서 0℃에서 평형;

8. 0℃에서 2분간 유지;

9. 120℃까지 10℃/분으로 가열;

10. 120℃에서 2분간 유지;

11. 30℃까지 10℃/분으로 냉각;

12. 사용된 시료 제거.

컴퓨터로 차등 열류(ΔH) 대 온도 또는 시간으로서 열 분석결과를 계산하고 기록한다. 일반적으로 차등 열류는 무게 당(즉, cal/㎎)으로 기록된다. 시료가 유리 전이와 같은 상 전이를 일으킬 때, ΔH 대 온도/시간 플롯이 유리전이 온도를 측정하는데 용이하게 사용된다.

E. 수용성

각 성분을 가열하면서 혼합하여 시료 조성물을 만들고 교반하여 균일한 혼합물을 형성한다. 용융 조성물을 테프론 위에 발라 얇은 필름으로 주조하고 실온으로 냉각한다. 100℃ 오븐에서 필름을 완전히 건조시키고 건조된 필름을 실온으로 냉각하여 작은 펠렛으로 분쇄한다.

시료의 고체 %를 측정하기 위해, 2 내지 4g의 시료를 금속 팬에 놓고 시료와 팬의 전체 중량을 기록한다. 평량된 팬과 시료를 100℃에서 2시간동안 둔 다음 ,즉시 중량을 측정한다. 고체 %는 하기와 같이 계산된다:

고체%=(시료와 팬의 건조된 중량-팬 중량)×100/(사료와 팬의 처음 중량-팬 중량)

시료 조성물의 용해도를 측정하기 위해, 10g의 시료를 250㎖ 비이커에 넣고 탈이온수를 부어 총 중량이 100g이 되게 한다. 시료를 교반 플래이트 상에서 5분간 물과 혼합하고, 원심분리 튜브에 2㎖ 이상의 시료를 붓는다. 10℃에서 20000rpm으로 1시간 원심분리한다. 상층액을 취해 굴절율을 측정한다. 용해도는 하기와 같이 계산된다:

용해가능한 고체%=(굴절율#)×1000/고체%

F. 측경

시험하기 전, 시료를 수분 함량이 5-16%가 될 때까지 상대 습도 48-50%, 온도 22-24℃ 조건하에 둔다. 수분함량은 TGA(열중량분석기)로 측정한다. 열중량분석을 위해, TA인스트루먼트 사의 고성눙 TGA2590 열중량분석기를 사용한다. 약 20㎎의 시료를 평량하여 TGA 팬에 놓는다. 시료를 장치에 끼워넣고 250℃까지 10℃/분으로 온도를 상승시킨다. 시료의 수분 함량은 중량 손실을 이용해 하기와 같이 계산된다;

수분%=(초기 중량-250℃ 중량)×100/초기 중량

시료를 측경을 측정하는데 사용되는 발보다 큰 크기로 절단한다. 사용되는 발은 3.14평방인치의 면적을 갖는다.

시료를 수평면에 놓고 수평면과 수평 부하면을 갖는 부하 발사이를 한정한다. 여기서, 부하발의 부하면은 3.14평방인치의 원형 표면적을 가지고 시료에 15g/㎠(0.21psi)의 한정 압력을 작용한다. 측경은 평면과 부하발의 부하면 사이의 생성 갭이다. 측정은 필라델피아에 소재하는 트윙-알버트사의 제품인 VIR 전기 두께 측정기 모델 II를 사용하여 측정하였다. 측경 측정은 5회 이상 반복시행되었다. 결과는 밀리미터로 기록하였다.

측경 시험에서 기록된 합계를 기록 회수로 나누어 그 결과를 밀리미터로 기록하였다.

본 발명의 실시예에 특별한 언급이 없더라도 당업자는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 다양한 변형을 가할 수 있다.

제 1도는 본 발명의 가요성 구조물의 실시예를 도시한 평면도이다.

제 1a도는 도 1의 1A 선과 1A 선을 따라 절단된 면을 도시한 단면도이다.

제 2도는 본 발명의 가요성 구조물의 또 다른 실시예를 도시한 평면도이다.

제 3도는 본 발명의 가요성 구조물의 또 다른 실시예를 도시한 단면도이다.

제 4도는 본 발명의 가요성 구조물을 형성하기 위하여 사용될 수 있는 몰딩 부재의 실시예를 도시한 평면도이다.

제 4a도는 도 4의 4A 선과 4A 선을 따라 절단된 면을 도시한 단면도이다.

제 5도는 본 발명의 가요성 구조물을 형성하기 위하여 사용될 수 있는 몰딩 부재의 또 다른 실시예를 도시한 평면도이다.

제 5a도는 도 5의 5A 선과 5A 선을 따라 절단된 단절면을 도시한 단면도이다.

제 6도는 본 발명의 가요성 구조물을 형성하기 위하여 사용될 수 있는 몰딩 부재의 또 다른 실시예를 도시한 단면도이다.

제 7도는 전분 필라멘트를 포함하는 가요성 구조물을 만드는 전자 방사 과정 및 장치의 실시예를 도시한 입면도이다.

제 7a도는 도 7의 7A 선과 7A 선을 따라 절단한 단면도이다.

제 8도는 본 발명에 따른 과정의 실시예를 도시한 입면도이다.

제 9도는 본 발명에 따른 과정의 또 다른 실시예를 도시한 입면도이다.

제 9a도는 본 발명에 따른 과정의 또 다른 실시예를 도시한 부분 입면도이다.

제 10도는 섬유의 중심(길이)축과 직각을 이루는 차별적인 단면 영역을 가지는 전분 필라멘트의 실시예의 단편을 도시한 구성도이다.

제 10a도는 전분 필라멘트의 단면 영역의 몇 가지 예시적인 실시예를 도시한 구성도이다.

제 11도는 필라멘트 길이의 적어도 한 부분을 따라 다수의 노치를 가지는 전분의 단편을 도시한 구성도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 전분 필라멘트 제조장치 11 : 하우징

12 : 동공 13 : 다이 헤드

14: 제트 노즐 17 : 전분 조성물

100: 가요성 구조물 200 : 가요성 구조물

210: 수지성 구조물 250 : 강화 장치

500 : 성형 부재 550 : 진공장치

Claims (34)

1. 다수의 전분 필라멘트를 포함하는 가요성 구조물에 있어서, 전분 필라멘트는 주축과 직각을 이루는 섬유 단면의 균등 직경에 대한 주축 길이의 비율이 500/1이상이며, 구조물은 일차 영역과 이차 영역을 포함하며, 일차 및 이차 영역 각각은 밀도, 기본 중량, 높이, 불투명도, 그레이프 빈도 그리고 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 공통적 강화 성질을 가지며, 여기서 일차 영역의 공통적 강화 성질은 이차 영역의 강화 성질과 값에서 다른 것을 특징으로 하는 구조물.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 일차 및 이차 영역들 중 하나는 실질적으로 연속적인 네트워크로 구성되며, 다른 하나는 실질적으로 연속적인 네트워크 전체로 분산되어 있는 다수의 불연속 영역들로 구성되는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
4. 제 1항에 있어서, 일차 및 이차 영역 중 적어도 하나는 어느 정도 연속적인 네트워크로 구성되는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
5. 제 1항에 있어서, 일차 영역의 강화 성질과 이차 영역의 강화 성질과 공통적이나 값에 있어서 차이가 나는 적어도 하나의 강화 성질을 가지는 삼차 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
6. 제 5항에 있어서, 일차, 이차 및 삼차 영역들 중 적어도 하나는 실질적으로 연속적인 네트워크로 구성되는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
7. 제 5항에 있어서, 일차, 이차 및 삼차 영역 중 적어도 하나는 불연속적인 영역으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
8. 제 5항에 있어서, 일차, 이차 및 삼차 영역들 중 적어도 하나는 실질적으로 어느 정도 연속적인 영역으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
9. 제 5항에 있어서, 일차, 이차 및 삼차 영역들 중 적어도 하나는 실질적으로 연속적인 네트워크 전체로 분산된 다수의 불연속 영역으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
10. 제 1 항에 있어서, 구조물은 적어도 하나의 실질적으로 연속적인 영역과 이러한 실질적으로 연속적인 영역 전체로 분산된 다수의 불연속 영역을 포함하며, 여기서 실질적으로 연속적인 네트워크 영역은 다수의 불연속 영역들의 상대적으로 낮은 밀도와 비해 상대적으로 높은 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 구조물.
11. 제 1항에 있어서, 구조물이 수평적 기준 평면에 놓여질 때, 일차 영역은 일차 높이를 규정하고 이차 영역은 이차 높이를 규정하기 위하여 일차 영역으로부터 외부로 연장되는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
12. 제 5항에 있어서, 구조물이 수평의 기준 평면에 놓일 때, 일차 영역은 일차 높이를 규정하고, 이차 영역은 이차 높이를 규정하고, 삼차 영역은 삼차 높이를 규정하며, 일차, 이차 및 삼차 높이 중 적어도 하나는 다른 높이들 중 적어도 하나의 높이와 다른 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
13. 제 12항에 있어서, 이차 높이는 일차 높이와 삼차 높이 사이에 오는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
14. 제 11항에 있어서, 이차 영역은 다수의 전분 필로우를 포함하며, 적어도 몇 필로우들은 일차 높이로부터 이차 높이로 확장된 돔부분과 이차 높이에서 돔부분으로 횡으로 확장된 캔틸레버를 포함하는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
15. 제 14항에 있어서, 전분 캔틸레버의 밀도는 일차 영역의 밀도와 돔부분의 밀도 사이에 오는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
16. 제 14항에 있어서, 캔틸레버 부분은 일차 영역과 캔틸레버 부분 사이에 실질적으로 빈 공간을 형성하기 위하여 일차 평면으로부터 상승되어 만들어지는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
17. 제 1항에 있어서, 다수의 전분 필라멘트들 중 적어도 일부는 0.001dtex에서 135dtex의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
18. 제 1항에 있어서, 다수의 전분 필라멘트들 중 적어도 일부는 0.01dtex에서 5dtex의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 가요성 구조물.
19. 삭제
20. (a) 다수의 전분 필라멘트를 제공하는 단계와,

    (b) 삼차원의 패턴을 가지는 필라멘트 수용측과 이와 마주보는 배후측을 가지는 몰딩 부재를 제공하는 단계,

    (c) 다수의 전분 필라멘트를 몰딩 부재의 필라멘트 수용측에 놓여지게 하여, 다수의 전분 필라멘트를 적어도 부분적으로는 삼차원의 패턴을 따르도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 항의 가요성 구조물의 제조 공정.
21. 제 20항에 있어서, 몰딩 부재를 제공하는 단계는 필라멘트 수용측의 삼차원 패턴이 실질적으로 연속적인 패턴, 실질적으로 어느정도 연속적인 패턴, 다수의 불연속적 돌출부를 포함하는 패턴 또는 이들의 어떤 조합을 포함하는 몰딩 부재 제공을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
22. 제 21항에 있어서, 몰딩 부재를 제공하는 단계는 강화 장치에 연결된 수지 구조물을 포함하는 몰딩 부재 제공을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
23. 제 21항에 있어서, 몰딩 부재를 제공하는 단계는 공기 투과성인 몰딩 부재 제공을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
24. 제 21항에 있어서, 몰딩 부재를 제공하는 단계는 부유 부분(suspended portions)을 가지는 몰딩 부재 제공을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
25. 제 24항에 있어서, 몰딩 부재를 제공하는 단계는 서로 마주보는 관계로 함께 결합된 적어도 두 개 층에 의해 형성된 몰딩 부재 제공을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
26. 제 20항에 있어서, 다수의 전분 필라멘트를 몰딩 부재의 필라멘트 수용측에 놓여지게 하여 다수의 전분 필라멘트를 적어도 부분적으로는 삼차원의 패턴을 따르게 하는 단계는 다수의 전분 필라멘트에 차별적인 유압의 적용을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
27. 제 20항에 있어서, 다수 전분 필라멘트의 선택된 부분에 밀도를 높이는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
28. 제 20항에 있어서, 다수 전분 필라멘트의 선택된 부분에 밀도를 높이는 단계는 다수 전분 필라멘트에 기계적인 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 공정.
29. 제 20항에 있어서, 몰딩 부재의 섬유 측에 다수 전분 필라멘트를 놓여지게 하는 단계는 약 5°에서 약 85°까지의 예각을 이루는 각도로 전분 필라멘트를 비스듬히 놓여지도록 하는 것을 포함하는 공정.
30. 제 20항에 있어서, 다수 전분 필라멘트를 제공하는 단계는 용융 방사, 건조 방사, 습윤 방사, 또는 이들의 어떤 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
31. 제 30항에 있어서, 전분 필라멘트의 주축과 직각을 이루는 단면의 균일 직경에 대한 적어도 약간의 전분 필라멘트의 주축의 길이 비율은 적어도 100/1임을 특징으로 하는 공정.
32. 제 20항에 있어서, 전분 필라멘트는 약 0.001dtex에서 약 135dtex까지의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 공정.
33. 제 20항에 있어서, 다수 전분 필라멘트의 수축 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
34. 제 33항에 있어서, 수축 단계는 크레핑, 축소 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.