KR100481335B1 - 용융 방사된 플루오로중합체 섬유 및 그의 제조 방법 - Google Patents

용융 방사된 플루오로중합체 섬유 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 테트라-플루오로 에틸렌 및 퍼플루오로비닐 단량체로부터 형성된 공중합체의 용융 방사된 섬유 및 그들의 형성 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에서 고강도 및 낮은 수축률을 나타내는 섬유는 500x 이상의 SSF(방사 신장 인자)에서 용융물로부터 연신된다.

Description

용융 방사된 플루오로중합체 섬유 및 그의 제조 방법{Melt Spun Fluoropolymeric Fibers and Process for Producing Them}
본 발명은 테트라플루오로에틸렌 및 퍼플루오로비닐 단량체로부터 형성되는 공중합체의 용융 방사된 섬유에 관한 것이다. 본 발명의 방법에서 고강도 및 낮은 수축률을 나타내는 섬유는 500x 이상의 방사 신장 인자(spin stretch factor)에서 용융물로부터 연신된다.
하티그(Hartig) 등(미국 특허 제3,770,771호)은 테트라플루오로에틸렌(TFE)와 1 내지 7 중량%의 퍼플루오로프로필 비닐 에테르(PPVE)와의 공중합체로부터 제조된 섬유를 개시하였다. 메틸, 에틸, 부틸, 및 아밀 비닐 에테르 공단량체가 또한 개시되어 있다. 섬유를 거의 또는 전혀 드로우-다운(draw-down) 없이 용융 방사시키고, 이어서 융점 미만에서 연신 단계를 수행한다. 이렇게 가공된 섬유는 직경이 약 500 ㎛이고, 열 수축률은 250℃에서 15%를 나타낸다.
비타(Vita) 등(미국 특허 제5,460,882호)은 ASTM D3307에 따라 용융 유동 지수가 6 내지 18 g/10분인, 탄소 원자수가 3 내지 8인 퍼플루오로올레핀 2 내지 20 몰% 또는 퍼플루오로비닐알킬 에테르 1 내지 5 몰%와 TFE와의 공중합체로부터 2단계 공정으로 제조된 섬유를 포함하는 멀티필라멜트사를 개시하였다. 제1 단계에서, 50 내지 250, 바람직하게는 50 내지 150 범위의 방사 신장 인자(12 내지 18 m/분으로 방사되는 75의 방사 신장 인자가 예시되어 있음)에서 섬유를 용융 방사한다. 제2 단계에서, 방사된 섬유를 200℃에서 후연신하여 최종 생성물을 제조한다. 방사된 섬유의 비강도(tenacity)는 50 내지 80 MPa이다. 제2 단계에서, 방사된 섬유를 융점 미만의 온도에서 연신시켜 인장 강도가 140 내지 220 MPa인 섬유를 제조한다. 직경 10 내지 150 ㎛(1.7 내지 380 x 10-7 kg/m)의 섬유 직경이 개시되어 있다. 융점 보다 40 내지 60℃ 낮은 온도에서 방사된 섬유의 수축률은 5 내지 10%이었다. 제2 단계 연신 공정의 생성물은 200℃에서의 수축률이 10% 미만이라고 언급되어 있다.
우메자와(Umezawa)(일본 특허 (소)63-245259호)의 방법에서, 제1 단계는 플루오르화 수지가 혼합물의 부피의 50% 미만을 차지하고 탄화수소 연속상 내에 불연속상이 분산되어 있는, 용융 가공성 플루오르화 수지와 용융 가공성 탄화수소 수지와의 혼합물을 형성하는 것을 포함한다. 제2 단계에서, 섬유를 드로우-다운 없이 혼합물로부터 용융 방사하고, 제3 단계에서 그렇게 형성된 섬유를 플루오르화 수지의 용융 온도 미만에서 연신시킨다. 제4 단계에서, 탄화수소 부분을 용해시켜, 매우 작은 선밀도의 플루오로중합체 섬유를 초래한다. 선밀도가 2.2 x 10-9 kg/m이고, 비강도가 약 400 MPa인 TFE/HFP 섬유가 예시되어 있다. 비강도가 190 MPa인 TFE/퍼플루오로알콕시에틸렌의 약 3.5 x 10-8 kg/m 섬유가 예시 없이 개시되어 있다.
니쉬야마(Nishiyama) 등(일본 특허 (소)63-219616호)은 방사구 소공의 단면 형상을 갖는, 테프론(Teflon 등록상표) PFA 340-J(Mitsui-DuPont 제품)로부터의 섬유의 방사 및 연신 방법을 개시하였다. 비강도가 190 MPa이고 극한 신장률이 17%인 110 x 10-7 kg/m(약 80 ㎛) 섬유는 10 m/분으로 드로우-다운 없이 용융 방사된 후 5x로 후연신되어 제조된다.
보닉크(Bonigk)(독일 특허 제P41-31-746 A1호)는 TFE 부분이 60 몰%를 초과하지 않는 에틸렌/테트라플루오로에틸렌/퍼플루오로프로필 비닐 에테르(E/TFE/PPVE) 공중합체로부터 제조된 섬유를 개시하였다. 800 m/분을 초과하는 방사 속도가 개시되어 있으나, 방사 신장 인자는 약 100:1로 제한된다. 섬유는 용융 지수가 50 g/10분 이상(DIN 표준 53 735)인 열가소성 공중합체를 사용하는 것을 특징으로 한다.
크론펠드(Kronfel'd) 등(Khimicheskie Volokna, No. 1, pp 13-14, 1982)은 제트 신장(jet stretch) 3500%(36의 방사 신장 인자(SSF)에 해당됨)에서 TFE/퍼플루오로알킬비닐 에테르 공중합체를 용융 방사하고 2.2x 비율로 고온 신장하여 제조되는 직경이 30 내지 60 ㎛인 섬유를 개시하였다. 이렇게 제조된 섬유는 비강도가 14.6 cN/tex(약 315 MPa에 해당됨)이었고, 끓는 물에서의 수축률은 12 내지 15%이었고, 복굴절은 0.050이었다.
크론펠드 등(Khimicheskie Volokna, No. 2, pp 28-30, 1986)은 비닐 에테르가 3 내지 5 몰% 포함된 TFE/퍼플루오로알킬비닐 에테르 공중합체 고함량의 직경 18 ㎛ 섬유를 개시하였다. MFR 7.8 내지 18의 중합체를 400℃ 방사 온도에서 850x의 최대 수득가능한 방사 연신비로 최대 인장 강도가 180 MPa인 섬유를 수득하였다고 개시되어 있다.
방사 신장 인자를 850x 이하, 일반적으로는 500x 미만으로 제한하는, 상기 기술의 교시에 따라서, 낮은 선밀도 섬유(특히 11 x 10-7 kg/m 미만의 섬유)는 좁은 압출 다이를 통해 압출함으로써만 낮은 처리량으로 제조될 수 있으며, 여기에는 큰 경제적 손실이 따른다. 압출 속도가 높을 수록 비용이 적게 드는 상업적인 생산 속도가 가능하지만, 이 경우 용융 파괴 및 섬유 파단이 유발된다. 또한, 약 190 MPa 보다 큰 인장 강도를 달성하기 위해선 비용이 추가로 들고 방사된 섬유에 제2단계로서 연신 단계가 필요하여 공정이 복잡해진다.
따라서, 당업자가 공지된 기술을 실시하는데 여러 문제점이 있다. 첫번째 문제점은 약 100 x 10-7 kg/m 미만, 특히 약 40 x 10-7 kg/m 미만의 선밀도의 섬유를 상업적인 실용 속도로 제조해야 한다는 점이다. 두번째 문제점은 약 190 MPa 보다 큰 인장 강도를 가진 섬유를 제조해야 한다는 점이다. 세번째 문제점은 공지된 기술의 저속 방사 및 다단계 공정에 비추어 보다 비용이 적게 드는 방법을 제공해야 한다는 점이다. 공지된 기술에 의해 제조되는 섬유는 또한 250℃에서 15% 이상의 바람직하지 못한 높은 수축률을 나타내어, 그의 유용성이 제한된다. 선행 기술의 많은 단점은 방사 신장 인자가 500 이상인 본 발명의 방법에 의해 극복된다. 본 발명의 방법을 사용하면, 넓은 범위의 용융 유속의, TFE의 퍼플루오르화 열가소성 공중합체를 포함하는 고강도, 낮은 수축률의 낮은 선밀도 섬유를 단일 단계 작업으로 매우 높은 방사 속도에서 제조할 수 있으므로, 생산성이 증가되고 생산 비용이 감소된다.
<발명의 요약>
본 발명은 용융 유속(MFR)이 약 1 내지 약 30 g/10분인 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 퍼플루오르화 열가소성 공중합체를 포함하고, 190MPa 이상의 인장강도 및 공중합체의 융점 보다 40 내지 60℃ 낮은 범위의 온도에서 선수축률이 15% 미만인 플루오로중합체 섬유를 제공한다. 상기 공중합체는 탄소 원자수가 3 이상인 퍼플루오로-올레핀, 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 공단량체와 TFE와의 공중합체이다.
본 발명은 또한 플루오로중합체 섬유의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 탄소 원자수가 3 이상인 퍼플루오로-올레핀, 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 공단량체와 TFE와의, MFR이 약 1 내지 약 30 g/10분인 퍼플루오르화 열가소성 공중합체를 용융시키고 개구를 통해 압출하여 1개 이상의 스트랜드를 형성시키고, 그렇게 압출된 스트랜드 또는 스트랜드들을 그의 압출 선속도 보다 1000 배 이상으로 스트랜드 또는 스트랜드들의 진행 선속도를 가속시키면서 급냉 대역을 통과하게 하여, 압출물이 압출 개구와 상기 가속 부여 수단 사이의 운송 동안 고화시키는 것을 포함한다.
본 발명은 또한 탄소 원자수가 3 이상인 퍼플루오로-올레핀, 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 공단량체와 TFE와의, MFR이 약 1 내지 약 6 g/10분인 퍼플루오르화 열가소성 공중합체를 용융시키고 개구를 통해 압출하여 1개 이상의 스트랜드를 형성시키고, 그렇게 압출된 스트랜드 또는 스트랜드들을 그의 압출 선속도 보다 500 배 이상으로 스트랜드 또는 스트랜드들의 진행 선속도를 가속시키면서 급냉 대역을 통과하게 하여, 압출물이 압출 개구와 상기 가속 부여 수단 사이의 운송 동안 고화시키는 것을 포함하는, 플루오로중합체 섬유의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 탄소 원자수가 3 이상인 퍼플루오로-올레핀, 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 공단량체와 TFE와의 용융 유속이 약 1 내지 약 30 g/10분인 퍼플루오르화 열가소성 공중합체를 용융시키고 개구를 통해 압출시켜 1개 이상의 스트랜드를 형성시키고, 그렇게 압출된 스트랜드 또는 스트랜드들을 급냉 대역을 통과하게 하고, 그의 압출 선속도 보다 1000 배 이상으로 스트랜드 또는 스트랜드들의 진행 선속도를 가속시켜, 압출물이 압출 개구와 상기 가속 부여 수단 사이의 운송 동안 고화시키는 것을 포함하는 방법에 의해 제조되는, 인장 강도가 190 MPa 이상이고 공중합체의 융점 보다 40 내지 60℃ 낮은 범위의 온도에서 선수축률이 15% 미만인 플루오로중합체 섬유를 제공한다.
본 발명은 또한 탄소 원자수가 3 이상인 퍼플루오로-올레핀, 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 공단량체와 테트라플루오로에틸렌과의 용융 유속이 약 1 내지 6 g/10분인 퍼플루오르화 열가소성 공중합체를 용융시키고 개구를 통해 압출시켜 1개 이상의 스트랜드를 형성시키고, 그렇게 압출된 스트랜드 또는 스트랜드들을 그의 압출 선속도 보다 500 배 이상으로 스트랜드 또는 스트랜드들의 진행 선속도를 가속시키면서 급냉 대역을 통과하게 하여, 압출물이 압출 개구와 상기 가속 부여 수단 사이의 운송 동안 고화시키는 것을 포함하는 방법에 의해 제조되는, 인장 강도가 190 MPa 이상이고 공중합체의 융점 보다 40 내지 60℃ 낮은 범위의 온도에서 선수축률이 15% 미만인 플루오로중합체 섬유를 제공한다.
도 1은 본 발명의 방법의 바람직한 실시양태에서 사용하기 적합한 장치를 나타낸 것이다.
도 2는 후술하는 본 발명의 특정 실시양태를 구현하는 데 사용되는 장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 단일 필라멘트 섬유 및 비교 실시예 2 및 3에서 제조된 단일 필라멘트 섬유에 대한 비강도 대 융점을 도표로 나타낸 것이다.
본 발명은 높은 인장 강도 및 낮은 수축률을 가진 신규 플루오로중합체 섬유를 제공한다. 본 발명의 생성물은 모노필라멘트 또는 멀티필라멘트사의 형태일 수 있다.
본 발명에 사용하기 적합한 플루오로중합체는 용융 가공가능한 TFE의 퍼플루오르화 공중합체로서, 그들 대부분은 당업계에 공지되어 있고, 그들 몇몇은 널리 보급된 산업용이다. TFE와의 공단량체는 퍼플루오로비닐 알킬 화합물과 같은 탄소 원자수가 3 이상인 퍼플루오로-올레핀, 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르, 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 약 1 내지 약 20 몰%의 퍼플루오로비닐 알킬 공당량체와 TFE와의 공중합체가 바람직하고, 약 3 내지 약 10 몰%의 퍼플루오로비닐 알킬 공단량체와 TFE와의 공중합체가 더욱 바람직하다. 헥사플루오로프로필렌이 바람직한 퍼플루오로비닐 알킬 공당량체이고 헥사플로오로프로필렌이 약 3 내지 약 10 몰%일 때 가장 바람직하다. 약 0.5 내지 약 10 몰%의 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르와 TFE와의 공중합체가 바람직하고, 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르가 약 0.5 내지 약 3 몰%일 때 더욱 바람직하다. PPVE 또는 퍼플루오로에틸 비닐 에테르(PEVE)가 본 발명의 실시에 바람직한 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르이고, PPVE 또는 PEVE가 약 0.5 내지 약 3 몰%일 때 가장 바람직하다. 본 발명의 목적을 위한 "공중합체"란 용어는 단일 중합체 내에 2종 이상의 공단량체를 포함하는 중합체를 포함하는 의미이다. 따라서, 본 발명의 실시에 적합한 것으로 언급된 상기 공단량체의 혼합물 또한 본 발명의 실시에 적합하다. 퍼플루오로프로필비닐 에테르 및 퍼플루오로에틸비닐 에테르란 용어는 각각 "PPVE" 및 "PEVE"로서 표현될 것이다.
본 발명의 실시에 적합한 중합체는 ASTM D2116, D3307에 따라 372℃에서 측정하였을 때 용융 유속(MFR)가 약 1 내지 약 30 g/10분, 바람직하게는 약 1 내지 약 6 g/10분이다.
본 발명의 섬유는 고강도 및 낮은 수축률을 함께 나타낸다는 점에서 특이하다. 본 발명의 섬유는 ASTM D3822에 따라 측정하였을 때 실온 인장 강도가 190 MPa 이상이고 ASTM D5104에 따라 공중합체의 융점 보다 40℃ 내지 60℃ 낮은 온도에서 측정하였을 때 15% 미만의 수축률을 특징으로 한다.
본 발명의 섬유는 시차주사열량계(DSC)로 측정하였을 때 융점이 310℃를 초과하는 것을 또한 특징으로 할 수 있다. 이는 비교 실시예 2 및 3의 섬유와 비교되는 본 명세서에 교시된 방법에 따라 방사된 일련의 섬유의 인장 강도와 함께 도 3에 나타내져 있다. 보다 높은 온도의 융점은 인장 강도와 관련이 있어 보인다. 190 MPa를 초과하는 도 3의 데이타 포인트는 또한 융점이 310℃를 초과하며 본 발명의 섬유라는 점을 유념해야 한다. 본 발명의 섬유는 310℃를 초과하는 융점 이외에, 또한 약 0.037 보다 큰 복굴절을 특징으로 한다.
한 실시양태에서, 본 발명의 섬유는 190 MPa 이상의 실온 인장 강도, 약 1 x 10-7 내지 약 250 x 10-7 kg/m, 바람직하게는 약 1 x 10-7 내지 약 12 x 10-7 kg/m의 선밀도, 및 ASTM D5104에 따라 중합체의 융점 보다 40℃ 내지 60℃ 낮은 온도에서 측정하였을 때 10% 미만의 수축률을 특징으로 한다.
본 발명의 방법에서, 본 발명의 실시에 적합한 용융된 공중합체를 개구를 통해 압출하여 연속 스트랜드 또는 스트랜드들을 형성시키고 이들을 급냉 대역을 통해 방사된 섬유를 축적하는 수단으로 향하게 하며, 압출된 스트랜드는 개구와 축적 수단 사이에서 연신되도록 한다. 본 발명의 목적을 위하여, 섬유 축적 선속도 대 압출 선속도의 비를 방사 신장 인자(SSF)라 칭한다. 본 발명의 방법에서, SSF는 500 이상, 바람직하게는 1000 이상이다. 본 명세서에서 사용되고 당업계의 일반 숙련자에 의해 이해될 바와 같이, 섬유 축적 선속도, 진행 선속도, 방사 속도, 권취 속도, 및 테이크 업 속도(take up speed)는 동의어이다.
용융물로부터 섬유의 제조를 위한 당업계에 공지된 모든 수단은 본 발명의 방법에 적용하기에 적합하다. 본 발명의 방법의 한 바람직한 실시양태에서는, 스크류 압출기가 사용되어, 본 발명의 실시에 적합한 중합체를 용융물 형태로 단일 또는 다중 개구 스트랜드 다이로 공급하여 각각 모노필라멘트 또는 멀티필라멘트사 생성물을 형성한다. 도 1에서 일축 압출기 (1)는 본 발명의 실시에 적합한 퍼플루오르화 수지를 스트랜드가 수직 하향으로 압출되는 구조의, 단일 개구 스트랜드 다이 (2)로 공급한다. 압출물 스트랜드 (3)는 급냉 대역 (9)을 통해 유도 휠 (4)로 향하고, 이어서 고속 제어기 (8)에 의해 제어되는 고속 모터 구동 장치에 의해 하나 이상이 구동되는 한쌍의 테이크-오프 롤 (5 및 6)로 향하고 테이크-오프 롤로부터 고속 장력 제어 권취기 (7)로 향한다. 휠 (4) 및 롤 (5 및 6)은 낮은 마찰 베어링 상에 탑재된다. 압출기 통 및 스크류, 및 다이는 바람직하게는 니켈이 고함량인 내부식성 강철 합금으로 제조된다. 스크류형 및 피스톤형을 포함하는, 많은 적합한 압출기가 당업계에 공지되어 있고 시판된다.
본 발명의 방법에서, 본 발명의 실시에 적합한 공중합체를 중합체의 분해를 피하기 위해 특히 주의하면서 당업계에 공지된 임의의 수단으로 용융시키고 압출기 개구에 공급한다. 본 발명의 실시에서 가열 실린더에 중합체를 공급하고, 여기서 중합체를 먼저 용융시키고 이어서 스크류 구동 램을 사용하여 압출 다이에 램 공급하는 것이 만족스럽다는 것을 드디어 발견하였다.
본 발명의 방법에 적합한 압출 속도는 용융 파괴 개시의 상한 임계 전단 속도 및 연신 레조넌스(draw resonance) 개시의 하한 임계 전단 속도에 의해 한정되는 작업 영역(operating window)의 크기에 따라 좌우된다. 용융 파괴 개시의 상한 임계 전단 속도는 온도, 중합체 용융 유속, 및 다이 치수에 의해 차례로 측정된다. "용융 파괴(melt fracture)"는 섬유의 불규칙한 표면을 생성하는 유동 불안정성이다. "연신 레조넌스(draw resonance)"는 연신된 섬유의 길이 방향으로의 단면 변화량이다. 연신 레조넌스는 상기 언급된 매개변수 이외에, 급냉 대역의 온도에 의해 영향을 받는다. 본 발명의 실시에 바람직한 중합체가 사용될 경우, 임의의 소정의 중합체에 대한 만족스러운 결과가 상대적으로 좁은 전단 속도의 범위에서 수득되었고, 사용하는 특정 중합체에 의해 좌우되었다는 것을 발견하였다. 용융 파괴 개시의 임계 전단 속도는 용융 점도와 반비례하여 변하기 때문에, 작업 영역은 MFR이 감소하면 점진적으로 좁아진다. 작업 영역은 온도를 증가시킴으로써 확장될 수 있으나, 중합체 분해를 피하기 위하여 주의해야 한다.
압출 개구는 임의의 특정 유형일 필요는 없다. 개구의 형상은 임의의 목적하는 단면일 수 있으며, 원형 단면이 바람직하다. 생성되는 섬유의 단면은 중합체가 압출되는 개구의 단면 형상과 거의 유사하다는 것을 본 발명의 실시에서 드디어 발견하였다. 본 발명의 방법에 사용하기 적합한 것으로 발견된 원형 단면 개구의 직경은 약 0.5 내지 약 4.0 mm 범위이나, 본 발명의 실시가 이 범위에 제한되는 것은 아니다. 다이 개구의 길이 대 직경의 비는 바람직하게는 약 1:1 내지 약 8:1의 범위이다. 단일 필라멘트 및 멀티필라멘트 모두 그 분야에 널리 공지된 종래 디자인의 스트랜드 다이 및 방사구가 본 발명의 실시에 적합하다.
본 발명의 방법에서, 1개 이상의 스트랜드 형태의 압출물은 급냉 대역을 통과해 방사된 섬유를 축적하기 위한 수단으로 향한다. 압출물은 개구와 방사된 섬유의 축적 수단 또는 진행 선속도의 가속 부여 수단 사이를 통과시 고화된다. 이러한 수단은 당업계의 일반 숙련자들에게 공지되어 있다. 급냉 대역은 사용되는 특정 공정 구조의 필요 조건에 따라, 실온이거나, 또는 그에 대해 가열 또는 냉각될 수 있다. 급냉 대역이 대기 온도 이하일 때 가장 낮은 수축률이 성취된다.
MFR이 약 20 미만인 중합체로부터 제조된, 선밀도가 약 1 x 10-7 내지 약 5 x 10-7 kg/m 범위인 섬유는 압출 개구의 바로 하류에 인접하여 있으며 중합체의 융점 내지 그의 융점 보다 100℃ 낮은 범위의 온도로 유지되는 가열 튜브에 압출물을 통과시킴으로써 수득된다는 것을 본 발명의 실시에서 드디어 발견하였다. 일반적으로, 소정의 공중합체 및 소정의 압출 조건에서, 급냉 대역의 온도가 보다 높을 수록 그리고 급냉 대역에서의 체류 시간이 길수록 보다 높은 SSF가 성취할 수 있어, 점진적으로 보다 낮은 선밀도의 섬유를 달성하게 한다. 멀티스트랜드 섬유사의 방사는 단일 섬유 또는 모노필라멘트를 제조하는 데 필요한 온도 보다 낮은 온도로 급냉 대역을 유지시키는 것이 필요할 수 있다.
가열은 가열 튜브, 뜨거운 기체의 충돌, 또는 방사 가열을 이용하여 성취될 수 있다. 냉각은 냉각 튜브, 냉각 또는 실온 공기의 충돌, 또는 방사(放射) 냉각을 이용하여 성취될 수 있다.
본 발명의 실시에서, 가열 급냉 대역을 사용함으로써 성취될 수 있는 보다 높은 SSF, 및 그로 인한 낮은 선밀도 섬유와 그렇게 제조된 섬유의 수축률 사이에 균형이 존재한다. 따라서, 예를 들어, 본 발명의 한 바람직한 실시양태에서, 약 1 내지 5 x 10-7 kg/m의 섬유는 압출물을 가열 급냉 대역을 통과하게 함으로써 MFR이 약 20 미만인 중합체로부터 유리하게 방사된다. 이들 섬유의 250℃에서의 수축률은 전형적으로 5 내지 15% 범위이다. 대기로 방사된, 선밀도가 5 x 10-7 kg/m를 초과하는 섬유는 열 수축률이 6% 이하이다.
연신된 섬유의 축적 또는 진행 선속도 가속을 위한 모든 수단이 본 발명의 실시에 적합하다. 이러한 수단으로는 회전 드럼, 피들러, 또는 바람직하게는 트래버스가 있는 권취 수단이 있으며, 이들 모두 당업계에 공지되어 있다. 다른 수단으로는 스테이플 섬유 토우 또는 피브리드를 제조할 목적으로 방사 연신된 연속 섬유를 세단 또는 절단하는 방법이 있다. 또다른 수단으로는 방사 연신된 섬유의 직물 구조물 또는 복합 구조물로의 직결(direct on-line) 병합 수단이 있다. 하기에 기술된 실시양태에 적합한 것으로 발견된 한 수단은 리소나사(Leesona Co., 미국 노쓰캐롤라이나주 벌링턴 소재)로부터 시판되는 부류의 고속 텍스타일형 권취 수단이다.
실용적인 이유로, 목적하는 섬유 특성과 부합하는 가능한 가장 빠른 테이크-업 속도가 바람직하다. 최대 성취가능한 테이크-업 속도는 임의의 소정의 방사 배치에서 중합체의 용융 유속 및 작동 온도에 따라 좌우된다. 본 발명의 실시에 있어서, 30 m/분의 테이크-업 속도가 만족스럽다는 것을 드디어 발견하였다. 그러나, 200 m/분을 초과하고 625 m/분 만큼 높은 진행 선속도가 성취되었다. 방사 속도에 대한 상한치가 측정되지 않았다. 200 m/분 이상의 스트랜드 진행 선속도가 바람직하다.
섬유 방사 업계에 공지되어 있는 섬유의 전달을 조력하기 위한 다른 수단은 성능이 보증되는 경우 사용될 수 있다. 이들 수단으로는 유도 활차, 연마된 테이크-오프 롤, 에어 바(air bar), 분리기 등의 사용을 들 수 있다.
방사 신장(용융된 섬유의 연신)은 임의의 종래 수단에 의해 달성된다. 본 발명의 한 실시양태에서, 방사된 섬유는 그의 압출 선속도 보다 500 배, 바람직하게는 1000 배 큰 진행 선속도로 섬유를 전달하도록 작동되는 연마된 금속 테이크-오프 롤 세트로 전달된다. 본 발명의 또다른 실시양태에서, 방사된 섬유는 고정된 거리만큼 떨어져 있고 그의 압출 선속도 보다 500 배, 바람직하게는 1000 배 큰 진행 선속도로 회전하는 2개의 롤에 의해 형성되는 간극으로 향한다. 또다른 실시양태에서, 섬유는 그의 압출 선속도 보다 500 배, 바람직하게는 1000 배 큰 선속도로 작동되는 고속 권취 장치로 직접 전달된다.
최대 성취가능한 SSF는 중합체 용융 점도의 함수이며, 이 점도는 온도 및 중합체 MFR의 함수이다. 1000 보다 큰 SSF의 획득은 낮은 온도 및(또는) 낮은 MFR 재료를 사용할 경우 방사 동안 섬유 파단에 의해 문제가 될 수 있다. 그러나, 이러한 조건하에서 1000 미만의 SSF는 고강도 및 낮은 수축률을 수득하는데 충분하다는 것을 드디어 발견하였다.
본 발명의 방법의 특히 놀라운 측면으로, 섬유의 융점은 하기 수학식 1에 의해 정의되는 방사 인자, Fs에 따라 좌우된다는 것을 드디어 발견하였다.
Fs = 전단 속도 x (SSF)2
상기 식에서,
전단 속도는 압출 개구에서 용융된 중합체에 가해지는 실제 전단 속도이고, SSF는 사용되는 실제 SSF이다.
약 1 내지 약 6 g/10분의 MFR의 섬유를 방사시 특히 문제가 될 수 있는데, 이는 열분해 개시(가장 바람직한 중합체의 경우 약 400℃) 미만의 온도에서 1000 보다 큰 SSF를 수득하기 어려울 수 있기 때문이다. 그러나, 놀랍게도, 낮은 선밀도, 고강도, 및 낮은 수축률의 목적하는 특성이 약 500 내지 약 1000의 바람직한 범위의 SSF를 사용함으로써 약 1 내지 약 6 g/10분의 MFR의 중합체에 대해 성취될 수 있다는 것을 본 발명의 실시에서 드디어 발견하였다.
방사된 섬유의 선밀도 및 MFR의 조합에 대한 특별한 하한이 본 발명의 실시에서 측정되지는 않았지만, 약 1 내지 약 6의 MFR의 중합체에 있어서, 본 발명의 방법에 의해 이용가능한 가장 낮은 선밀도, d는 대략 하기 수학식 2에 의해 제한된다고 생각된다.
d = [12-(2 x MFR)] x 10-7
본 발명의 방법과 관련된 높은 SSF 및 높은 방사 속도는 오염, 중합체 용융 특성의 변동, 및 온도 또는 방사 속도의 변동에 의해 특히 달성되지 못할 수 있다. 이들 인자와 생성되는 섬유의 낮은 선밀도가 조합되는 경우 파단의 가능성이 높아진다. 장시간 동안 안정된 방사를 성취하기 위하여, 균일한 수지를 사용하고, 분해를 막기 위한 내부식성 설비내의 고온에서의 체류 시간를 낮게 유지하고, 방사 전에 수지를 여과하고, 스크류 속도, 온도 및 방사 속도에 대한 고정밀 제어기를 사용하는 것이 바람직하다. 가공 전에 중합체를 건조시키는 것이 방사 수행력을 향상시킬 수 있다는 것을 본 발명의 수행에서 또한 드디어 발견하였다.
상승된 온도에서 플루오르화 재료를 다룰 때 중합체와 접촉하는 금속 부분에 내부식성 고니켈 합금을 사용하는 것이 널리 권해진다는 것에 유의해야 한다.
하기에 기술된 특정 실시양태에서 사용되는 섬유 방사 장치를 도 2에 나타내었다. 가열 통 (2), 피스톤 (3) 및 다이 (5)를 포함하는 모세관 유량계 (1)를 용융된 중합체를 압출하기 위해 사용하였다. 원통형 가열 강철 통은 길이가 약 10 cm이고 직경이 약 7.5 cm이었다. 스텔라이트(Stellite, Cabot Corp.(미국 인디아나주 코코모 소재) 제품)로 제조된 두께 약 0.6 cm의 원통형 내부식성 통 삽입물은 구멍 내경이 0.976 cm이었다. 통은 6.4 cm 층의 세라믹 절연물 (7)로 둘러 싸여져 있었다.
I.H. Co.(미국 뉴욕주 뉴욕 소재)에 의해 제조된, 길이 10 cm 및 직경 약 7.5 cm의 800-W 원통형 가열기 밴드 (6)는 ECS 엔지니어링사(ECS Engineering, Inc., 미국 인디아나주 에반스빌 소재)에 의해 제조된 ECS 모델 6414 온도 제어기에 의해 제어되었고, 설정값의 1℃ 내로 통 온도를 유지시켰다. 경질 강철(Armco 17-4 RH)로 제조된 피스톤은 그의 첨단에서의 직경이 0.970 cm이었고 인스트루-메트사(Instru-met, Inc., 미국 뉴저지주 유니온 소재)에 의해 제조된 모델 TT-C 인스트론 검사기의 스크류 구동 크로스헤드 (4)에 탑재되었다.
원형 단면의 모세관 다이는 하스텔로이(Cabot Corp.(미국 인디아나주 코코모 소재) 제품)로 제조되었다. 모세관 직경은 0.5 내지 4.0 mm이었고, 길이/직경 비는 1 내지 8이었다.
작업시, 섬유는 다이 아래 30 cm 떨어져 위치한 3.0 cm 직경의 나일론 유도 휠 (8)로 수직으로 아래를 향하여 압출되었고, 그 지점에서 섬유는 고화되었다. 유도 휠 (8)을 방사 장력을 측정하는 데 사용되는 힘 변환기(Scaime 모델 GM2, Burco(미국 오하이오주 센터빌 소재) 판매)에 탑재하였다. 섬유를 유도 휠 (8) 둘레로 180°둘러 제2 유도 휠 (9)(직경 4.8 cm)로 향하게 하였고 이로부터 한쌍의 테이크-업 롤 (10 및 11)로 향하게 하였다. 섬유는 테이크-업 롤 둘레에 한번 감긴 후, 권취 롤 (12)에 감기었다. 롤 (10, 11 및 12)은 직경이 5 cm이었고, 이들은 알루미늄으로 제조되었으며 보다 잘 잡히도록 마스킹 테이프로 덮히었다. 롤 11은 자유롭게 회전(볼-베어링 상에서)하는 반면 롤 10 및 12는 최대 속도가 3600 rpm인 모터 (13)에 의해 직렬로 구동되었다. 따라서 최대 테이크-업 속도는 약 600 m/분이었다. 모터 속도는 가변 변환기 (14)로 제어되었다. 섬유를 저속(약 10 m/분)으로 장치에 통과시켰고 이어서 속도를 점차적으로 목적하는 테이크-업 속도로 증가시켰다.
실시예 7의 섬유는 가열 튜브 (15)(알루미늄, 직경 5 cm, 길이 10 cm)를 다이 아래에 일직선으로 추가하여 제조되었다. ECS 온도 제어기 (17)에 의해 제어되는 튜브의 외면에 부착된 밴드 가열기 (16)를 사용하여 튜브 온도를 305℃에 유지시켰다.
하기 특정 실시양태에서 사용된 모든 수지는 테프론(Teflon 등록상표)이란 상품명으로 듀폰 캄파니(DuPont Company, 미국 델라웨어주 윌밍톤 소재)에서 시판되는 것이었다.
<실시예 1 내지 6>
표 1에 나열되어 있는 테프론(등록상표) PFA 수지(융점 약 307℃)의 단일 필라멘트를 지시되어 있는 조건하에 대기로 방사하였다. 그렇게 방사되어 생성된 섬유의 특성을 하기 표 2에 나타내었다.
방사 조건
실시예 중합체 등급 MFR[g/10분] 온도[℃] 다이 직경[mm] 다이 길이[mm] 전단 속도[/s] 연신 속도[m/분] SSF
1 PFA 440 13 390 1.21 4.70 18 300 1830
2 PFA 440 13 390 1.21 4.70 37 550 1650
3 PFA 440 13 390 0.76 3.18 73 460 1100
4 PFA 345 5.2 390 3.18 12.70 2.0 140 2900
5 PFA 345 5.2 390 3.18 12.70 2.0 170 3500
6 PFA 450 2 410 3.18 12.70 3.0 60 850
* 상기 일부 숫자는 어림수임
방사 연신된 섬유의 특성
실시예 선밀도[kg/m x 107] 비강도[MPa] 초기 탄성계수[MPa] 최대 신장률[%] 수축률
% [온도 ℃]
1 9.8 210 2000 42 5 @ 250℃
2 11 220 2500 27 5 @ 250℃
3 6.0 240 2400 29 6 @ 250℃
4 36 230 2700 19 4 @ 250℃
5 29 280 3400 17 5 @ 250℃
6 127 200 1200 37 4 @ 250℃
<실시예 7>
테프론(등록상표) PFA 440(MFR 13 g/10분)을 직경이 0.61 mm이고 길이가 0.66 mm인 원형 개구를 통해 390℃에서 방사하였다. 305℃로 가열된 튜브(직경 5 cm, 길이 10 cm)를 다이 바로 아래에 두어 섬유가 그의 중심을 지나가도록 하였다. 피스톤의 속도는 0.51 mm/분이었고 테이크-업 속도는 410 m/분이었고, 결과적으로 SSF는 2900이었다. 선밀도는 1.7 x 10-7 kg/m이었고, 비강도는 280 MPa이었으며, 초기 탄성계수는 2100 MPa이었고, 최대 신장률은 23%이었다. 수축률은 250℃에서 7%이었다.
<실시예 8 및 9>
하기 표 3에 기술되어 있는 테프론(등록상표) FEP 100(융점 약 258℃)을 지시되어 있는 조건하에 방사하였다. 그렇게 생성된 방사 연신된 섬유의 특성을 하기 표 4에 나타내었다. 수축률을 측정한 온도는 PFA 섬유를 시험하기 위해 사용된 250℃ 온도 보다 낮은 200℃이었다는 점을 유념해야 한다.
방사 조건
실시예 중합체 등급 MFR[g/10분] 온도[℃] 다이 직경[mm] 다이 길이[mm] 전단 속도[/s] 연신 속도[m/분] SSF
8 FEP 100 6.9 380 1.59 6.35 8 120 1270
9 FEP 100 6.9 380 1.59 6.35 16 180 950
방사 연신된 섬유의 특성
실시예 선밀도[kg/m x 107] 비강도[MPa] 초기 탄성계수[MPa] 최대 신장률[%] 수축률
% [온도, ℃]
8 26 190 1400 23 11 @ 200℃
9 31 190 1400 27 9 @ 200℃
도 3은 본 발명의 단일 필라멘트 섬유 및 하기의 비교 실시예 2 및 3에서 제조된 단일 필라멘트 섬유의 융점 대 비강도를 도식적으로 나타낸 것이다. 하기 표 5에 도 3에 사용된 데이타 포인트 및 방사 조건을 나열하였다.
<비교 실시예>
PFA 섬유를 비타(Vita) 등의 미국 특허 제5,460,882호의 방법에 따라 제조하였으나, 비타(Vita) 3000 필라멘트는 단일 다이로부터 방사되어 방사(放射) 냉각에 의해 냉각된 반면, 이들 비교 실시예에서는 단일 필라멘트를 대기로 방사하였다.
<비교 실시예 1>
미국 특허 제5,460,882호의 실시예 1에서 비타가 인용한 방법에 따라 연신된 섬유를 제조하려 시도하였다. 듀폰에서 시판된, MFR이 16.3 g/10분인 테프론(등록상표) PFA 340을 직경이 0.495 mm이고 길이가 0.521 mm인 원형 개구를 통해 400℃에서 섬유로 방사하였다. 전단 속도는 64 s-1이었고 테이크-업 속도는 18 m/분이었으며, 결과적으로 SSF는 75이었다. 이들 조건에서 연신된 섬유의 직경에서 심각한 연신 레조넌스 또는 불안정성이 관찰되었다.
<비교 실시예 2>
이 실시예에 교시되어 있는 바와 같이 비타의 조건을 변형하면 비타의 방식으로 방사 연신된 섬유를 제조하는 데 만족스럽다는 것을 발견하였다. 비교 실시예 1의 수지를 직경이 0.495 mm이고 길이가 0.521 mm인 원형 개구를 통해 128 s-1의 전단 속도(1.27 mm/분의 피스톤 속도) 및 35 m/분의 테이크-업 속도로 400℃에서 섬유로 방사하여, 목적하는 75의 SSF를 수득하였다. 방사된 섬유의 비강도는 비타에 의해 보고된 55 MPa에 비해, 76 MPa(도 3 참조, 비교 실시예 2-방사 후)로 측정되었다. 초기 탄성계수는 320 MPa이었고, 최대 신장률은 303%이었다. 250℃에서 수축률은 1.6%이었다.
방사된 섬유를 오븐(모델 VE3.5-600, United Calibration Corp.(미국 캘리포니아주 헌팅톤 비치 소재) 제품)이 장착된 인스트론 1125 검사기(Instron Corp.(미국 매사추세츠주 캔톤 소재) 제품) 상에서 200℃에서 추가로 2.2X 연신시켰다. 초기 길이 10 cm를 10 cm/분의 속도로 22 cm까지 신장시켰다. 오븐이 50℃로 냉각되는 동안 연신된 시료를 붙잡고 있다가, 놓았다. 비강도는 비타에 의해 보고된 180 MPa에 비해, 155 MPa(도 3 참조, 비교 실시예 2-연신 후)로 측정되었다. 초기 탄성계수는 730 MPa이었고, 최대 신장률은 79%이었다. 수축률은 250℃에서 27%이었다.
<비교 실시예 3>
크론펠드(Kronfel'd) 등(Khim. Volokna, 2, pp. 28-30, 1986)의 교시에 따라 섬유를 제조하였으며, 이 때 SSF(소위, "제트 신장")는 약 800이었고, 표 5의 "크론펠드(Kronfel'd)" 항목에 표시되어 있다.

Claims (27)

  1. 탄소 원자수가 3 이상인 퍼플루오로-올레핀, 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 공단량체와 테트라플루오로에틸렌과의, 용융 유속이 약 1 내지 약 30 g/10분인 퍼플루오르화 열가소성 공중합체를 포함하고, ASTM D3822에 따라 측정한 인장 강도는 190 MPa 이상이고 공중합체의 융점 보다 40 내지 60℃ 낮은 범위의 온도에서 ASTM D5104에 따라 측정한 선수축률은 15% 미만인 플루오로중합체 섬유.
  2. 제1항에 있어서, 퍼플루오로-올레핀 공단량체가 약 3 내지 약 10 몰% 범위의 농도로 공중합체에 있는 퍼플루오로비닐 알킬 화합물인 플루오로중합체 섬유.
  3. 제2항에 있어서, 공단량체가 헥사플루오로프로필렌인 플루오로중합체 섬유.
  4. 제1항에 있어서, 공단량체가 약 0.5 내지 약 3 몰% 범위의 농도로 공중합체에 있는 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르인 플루오로중합체 섬유.
  5. 제4항에 있어서, 공단량체가 퍼플루오로프로필비닐 에테르 또는 퍼플루오로에틸비닐 에테르인 플루오로중합체 섬유.
  6. 제5항에 있어서, 선밀도가 약 1 x 10-7 내지 약 250 x 10-7 kg/m 범위이고 선수축률이 10% 미만인 플루오로중합체 섬유.
  7. 제6항에 있어서, 선밀도가 약 1 x 10-7 내지 약 12 x 10-7 kg/m 범위인 플루오로중합체 섬유.
  8. 제1항에 있어서, 용융 유속이 약 1 내지 약 6 g/10분인 플루오로중합체 섬유.
  9. 제1항에 있어서, 융점이 310℃를 초과하는 플루오로중합체 섬유.
  10. 제1항에 있어서, 복굴절이 약 0.037을 초과하는 플루오로중합체 섬유.
  11. 제1항에 있어서, 멀티필라멘트사의 필라멘트 형태인 플루오로중합체 섬유.
  12. 탄소 원자수가 3 이상인 퍼플루오로-올레핀, 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 공단량체와 테트라플루오로에틸렌과의, 용융 유속이 약 1 내지 약 30 g/10분인 퍼플루오르화 열가소성 공중합체를 용융시키고 개구를 통해 압출시켜 1개 이상의 스트랜드를 형성시키고, 그렇게 압출된 스트랜드 또는 스트랜드들을 급냉 대역을 통과하게 하고, 그의 압출 선속도 보다 1000 배 이상으로 스트랜드 또는 스트랜드들의 진행 선속도를 가속시켜, 개구와 상기 가속 부여 수단 사이의 운송 동안 압출물을 고화시키는 것을 포함하는 플루오로중합체 섬유의 제조 방법.
  13. 탄소 원자수가 3 이상인 퍼플루오로-올레핀, 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 공단량체와 테트라플루오로에틸렌과의, 용융 유속이 약 1 내지 약 6 g/10분인 퍼플루오르화 열가소성 공중합체를 용융시키고 개구를 통해 압출시켜 1개 이상의 스트랜드를 형성시키고, 그렇게 압출된 스트랜드 또는 스트랜드들을 그의 압출 선속도 보다 500 배 이상으로 스트랜드 또는 스트랜드들의 진행 선속도를 가속시키면서 급냉 대역을 통과하게 하여, 개구와 상기 가속 부여 수단 사이의 운송 동안 압출물을 고화시키는 것을 포함하는 플루오로중합체 섬유의 제조 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 퍼플루오로-올레핀 공단량체가 약 3 내지 약 10 몰% 범위의 농도로 공중합체에 있는 퍼플루오로비닐 알킬 화합물인 방법.
  15. 제14항에 있어서, 공단량체가 헥사플루오로프로필렌인 방법.
  16. 제12항 또는 제13항에 있어서, 공단량체가 약 0.5 내지 약 3 몰% 범위의 농도로 공중합체에 있는 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 공단량체가 퍼플루오로프로필비닐 에테르 또는 퍼플루오로에틸비닐 에테르인 방법.
  18. 제12항 또는 제13항에 있어서, 스트랜드의 진행 선속도가 200 m/분 이상인 방법.
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