KR100601302B1 - 폴리에스테르 섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리에스테르 섬유를 고속방사로 제조할때, 방사선상에서의 결정화가 급격하게 증가하는 현상(방사결정화)을 효과적으로 지연시키므로서 폴리에스테르 부분배향사를 고속방사(4,000m 이상/분)로 제조함을 특징으로 한다. 본 발명은 이를 위해 폴리에스테르 중합시 유리전이온도가 100℃ 이상인 결정배향 억제제를 0.5~5.0중량% 첨가하여 이들을 균일하게 혼합함과 동시에 트윈스크류 압출기에 설치된 디게싱존으로 저비점 기체상 물질을 배출시킨 다음, 연속적으로 4,000m/분 이상의 속도로 방사, 권취 한다. 또한 본 발명은 중합중 저비점 기체상 물질의 배출이 가능하도록 디게싱존이 있는 트윈스크류 압출기에서 폴리에스테르 중합체와 상기 결정배향 억제제를 용융, 혼합하므로서 별도의 건조공정을 거치지 않은 결정배향 억제제 칩을 그대로 사용 할 수 있어 공정이 간소화 되고, 미반응 단량체 함량이 낮아져 품질이 향상됨을 특징으로 한다. 본 발명은 폴리에스테르 부분배향사를 고속으로 제조하여 생산성이 개선되며, 공정이 간소화 되며, 최종원사의 품질도 향상시킬 수 있다.

폴리에스테르, 결정화, 방사, 고속방사, 부분배향사, 결정배향 억제제, 정지형 혼련기, 생산성, 트윈스크류, 디게싱존, 저비점, 기체상 물질

Description

폴리에스테르 섬유의 제조방법 {A process of preparing for the polyester yarn}

본 발명은 폴리에스테르 섬유를 고속방사할때 방사선 상에서의 결정화가 급격하게 증가하는 현상을 효과적으로 지연시킬 수 있는 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

폴리에스테르 중합체를 4,000m/분 이상의 고속으로 방사할때 방사장력의 급격한 증가로 인한 "방사결정화(Spinning Crystallinity)" 현상이 발생되며, 이로 인하여 절사, 모우 등의 공정불안성 요인들이 심하게 발생되어 작업성이 현격히 저하된다. 그 결과 폴리에스테르 섬유의 방사시에는 방사속도의 한계가 있어서, 현재 양산되고 있는 폴리에스테르 부분배향사는 통상 3,500~4,000m/분의 방사속도로 제조되고 있다.

4,000m/분의 방사속도를 임계점으로하여 그 이하의 방사속도에서 분자배향도의 증가는 결정화도의 상승없이 증가하지만, 방사속도가 4,000m/분을 초과하는 경우에는 분자배향도와 결정화도의 증가가 동시에 일어나므로 방사속도 증가에 따라 방사장력 증가와 이에 따른 배향결정화의 수반으로 결정화도가 급격하게 증가하게 된다. 방사속도 증가에 따른 밀도와 복굴절율도 증가 경향을 보인다[A. Ziabicki and H. Kawai Edited, 'High Speed Fiber Spinning', John Wiley & Sons, New York, 1985].

지금까지 폴리에스테르 섬유생산 공정에서 방사속도의 증가에 따른 방사선 상에서의 결정화의 급격한 증가를 지연시켜, 기존의 한계 방사속도를 극복하고, 폴리에스테르 부분배향사를 4,000m/분 이상의 고속으로 방사하는 방법에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 현재까지의 알려진 방법들은 첫 번째, 원료 고분자의 개질(공중합, 분자쇄 가교화 등)을 통한 방법과 두 번째, 고분자 물질을 혼합하는 방법으로 대별될 수 있다.

첫번째 방법으로 유럽특허 0 263 020호 및 미국특허 4,518,744호에서는 분자쇄에 곁가지를 가지는 화합물인 펜타에릴트라이트, 트리메틸로프로판, 멜리틱에시드, 트리멜리틱에시드를 에스테르 교환반응 전이나 중합반응에 첨가하는 방법을 제시하고 있고, 미국특허 4,966,740호에서는 테트라에틸실리케이트를 에스테르 교환반응 전이나 중합반응에 첨가하는 방법을 제시하고 있고, 미국특허 4,092,299에서는 4관능성 물질을 이용한 분자쇄 가교화 방법을 제시하고 있다.

그러나 상기 첫번째 방법들은 중합조건을 특수하게 선정해야 하고, 연신 가연 공정에서의 작업성이 저하된다. 특히 가연공정에서의 절사율이 높아 가연이 어려운 문제가 발생된다.

두번째 방법으로 미국특허 4,609,710호에서는 분자배향 조절제로 폴리스타이 렌, 폴리아미드, 폴리메틸메타아크릴레이트 등을 폴리에스테르 중합반응 중 또는 중합반응 후에 혼합하는 방법을 제시하고 있다. 또한 기존의 폴리에스테르 중합시 소량의 액정 고분자 물질, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌글리콜 등을 첨가하여 방사배향을 저하시키는 방법도 알려져 있다.['Orientation Supression in Fibers Spun from Polymer Melt Blends' (H. Brody, J of Appl. Polym. Sci., 31, 2753 1986)]

이 경우 방사공정에서의 고분자 용융액의 흐름성이 급격히 변하게 되며, 이것은 방사특성 특히 방사속도에 큰 영향을 미쳐 방사 배향(Spun Orientation)을 저하시키게 된다. 그러나 상기 방법은 첨가 고분자를 균일하게 혼합시키는 문제로 인하여 안정한 방사작업이 어려울 뿐 아니라, 혼합된 고분자가 연신, 가연 공정에서 섬유표면으로 이동하여 작업성을 저해하고, 모우의 발생 및 미세한 염색 얼룩의 발생으로 인해 최종 가연사 품질을 저하시키는 원인이 되고 있다.

한편, 종래 방법들은 분자배향 억제제를 중합반응에 투입하기 전에 함유수분을 제거하는 별도의 건조공정을 거쳐야 하는 번거러움이 있었고, 중합중 발생하는 모노머 또는 올리고머들을 중합관 밖으로 배출하지 못하여 원사품질이 저하되는 문제도 있었다.

본 발명은 중합시 결정배향 억제제를 혼합하여 폴리에스테르 섬유를 4,000m/분 이상의 권취속도로 방사시 방사선 상에서 결정화가 급격하게 증가하는 현상을 효과적으로 지연시킬 수 있는 폴리에스테르 섬유의 제조방법을 제공하고자 한다.

아울러 본 발명은 별도로 결정배향 억제제를 건조하는 공정을 생략 할 수 있어서 공정이 간소화 되며, 중합시 발생하는 모노머 또는 올리고머들을 효율적으로 배출 할 수 있어서 원사품질을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하고자 한다. 또한 본 발명은 결정배향 억제제가 섬유표면으로 이동하여 원사품질이 저하되는 것을 방지할 수 있는 폴리에스테르 섬유의 제조방법을 제공하고자 한다.

이와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 본 발명의 폴리에스테르 섬유의 제조방법은, 폴리에스테르 중합체를 용융방사하여 폴리에스테르 섬유를 제조할 때, 디게싱존이 있는 트윈스크류 압출기 내로 용융상태의 폴리에스테르 중합체와 유리전이온도가 100℃ 이상인 미건조 상태의 결정배향 억제제 칩(chip) 0.5~5.0중량%를 공급하여 이들을 균일하게 용융, 혼합함과 동시에 디게싱존으로 저비점 기체상 물질을 배출시킨 다음, 연속적으로 4,000m/분 이상의 속도로 방사, 권취함을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명은 폴리에스테르 중합체를 용융방사할때 디게싱존이 있는 트윈스크류 압출기 내로 용융상태의 폴리에스테르 중합체와 유리전이온도가 100℃ 이상인 미건조 상태의 결정배향 억제제 칩(열가소성 수지) 0.5~5.0중량%를 공급하여, 이들을 균일하게 용융, 혼합한다. 이와 동시에 디게싱존으로 수증기를 포함하는 저비점 기체상 물질을 배출 시킨다.

그 결과 결정배향 억제제 칩을 압출기 내로 투입하기 전에 건조하는 공정을 생략 할 수 있고, 중합중 발생되는 모노머 및 올리고머들을 효율적으로 배출시킬 수 있다. 저비점 기체상 물질은 수증기, 모노머 및 올리고머 등을 의미한다. 결정배향 억제제로는 폴리메틸메타아크릴레이트계 수지, 폴리스티렌계 수지 또는 메틸메타아크릴레이트-스티렌계 공중합 수지를 사용한다.

상기 결정배향 억제제의 유리전이온도(Tg)는 100℃ 이상으로 한다. 그 이유는 방사선 상에서 유리전이온도(Tg)가 80℃인 폴리에스테르 중합체와 상기 결정배향 억제제의 고화거동 차이를 유지하여, 폴리에스테르 중합체의 결정 배향 거동을 억제하기 위해서 이다.

만약 상기 결정배향 억제제의 유리전이온도(Tg)가 100℃ 미만인 경우에는 폴리에스테르 중합체와 결정배향 억제제 간의 고화거동 차이가 미미하여, 방사선 상에서의 폴리에스테르 중합체의 결정 배향 거동을 효과적으로 억제하기 어렵다. 그로 인해 권취속도를 4,000m/분 이상으로 할 수 없게 된다.

상기 결정배향 억제제 내에 포함된 아로마틱 링과 폴리에스테르 분자내에 포함되어 있는 아로마틱 링간의 작용 인력으로 인하여 방사, 연신 공정 중에 일어나는 배향결정화를 보다 효과적으로 저해할 수 있다. 아로마틱 링은 구성 탄소원자 간에 이중 결합으로 이루어져 있으며, 이로 인하여 인접한 아로마틱 링과는 작용 인력이 존재하는 것은 주지의 사실이다.

또한 아로마틱부는 분자쇄 내부의 강직한 부분이며, 이에 반하여 알리파틱부는 유연한 부분을 의미한다. 그러므로 적정한 아로마틱부의 존재는 결정배향 억제제인 고분자쇄의 기계적 물성을 유지할 수 있는 것이므로, 폴리에스테르 내부에 분포되어 있는 결정배향 억제제 피브릴에 의한 강도의 저하 등과 같은 기계적 물성의 손실을 최소화 하는 역할을 한다.

이와 같은 관점에서 본 발명의 결정배향 억제제를 사용하면 일반적 방법으로 제조된 폴리에스테르 부분배향사와 유사한 수준의 물성, 특히 강도를 유지할 수 있다.

상기 결정배향 억제제의 첨가량은 전체 폴리머(폴리에스테르 중합체+결정배향 억제제)의 중량대비 0.5~5.0중량%로 한다. 첨가량이 0.5중량% 미만인 경우에는 방사결정화 억제효과가 미미하고 첨가량이 5.0중량%를 초과하는 경우에는 연신, 가연 공정성이 나빠진다.

본 발명은 먼저 폴리에스테르 칩을 익스트루더에 공급, 용융시킨 다음, 용융된 폴리에스테르를 2단계의 2축 스크류 익스트루더(압출기)로 공급함과 동시에 여기에 미건조 상태의 결정배향 억제제 칩(Chip)을 공급하여 이들을 용융, 혼합한다. 이와 동시에 익스트루더에 설치된 디게싱존으로 저비점 기체상 물질을 익스트루더 밖으로 배출 시킨다. 더욱 바람직 하기로는 상기 2단계 2축 스크류 익스트루더에서 혼합된 용융물을 계속해서 정지형 혼련기로 혼련하는 것이다.

정지형 혼련기는 용융액 내부의 결정배향 억제제 분포를 보다 균일하게 하는 작용을 한다. 본 발명의 경우에는 보다 균일한 혼련이 필요하므로 20단 이상의 정지형 혼련기를 통과 시키는 것이 바람직 하다. 즉 100만(2²⁰)배 이상 혼련하 는 것이 결정배향 억제제의 균일한 분포가 가능하며, 최종 제품인 가연사 상태에서의 염반 발생을 방지하는데 바람직 하다.

그렇지 아니하고, 20단 미만의 정지형 혼련기를 채택할 경우에는 가연사 상태에서의 미세 염반의 발생으로 인한 품위의 저하가 발생될 수 있고, 연신, 가연 공정에서의 작업성의 저하가 발생하여, 안정한 작업도 곤란하게 될 우려가 있다.

다음으로는 상기와 같이 용융, 혼합된 혼합물을 연속적으로 4,000m/분 이상의 속도로 방사, 권취한다. 권취속도는 적어도 분당 4,000m 이상인 경우 생산성이 40% 정도 향상된다. 분당 4,000m 미만의 권취속도는 생산성 향상이 미미하기 때문에 설비 투자 회수 등의 경제적인 측면에서 실익이 있다고 할 수 없다.

또한 분당 4,000m 이상의 속도로 권취한 부분배향사의 절단신도는 120% 이상이다. 절단신도가 120% 이상인 경우 크림프빈도(Crimp Frequency)가 높으며, 크림프 품질이 양호한 가연사를 얻을 수 있으며, 우수한 가연 작업성의 확보가 가능하다.

그렇지 않은 경우에는 연신 동시 가연공정에서 분당 800미터 이상의 고속작업이 어렵고, 또한 통상의 분당 3,000~3,500미터로 방사된 미연신사를 연신 동시 가연한 경우와 동일한 물성의 가연사를 얻기 어렵고, 크림프 라이브리니스 (Crimp Liveliness)가 저하된 가연사를 얻게되며, 작업의 안정성을 확보하기 어려운 실정이다.

본 발명에 있어서 방사시 방사구금에서의 전단속도를 초당 7,000~15,000으로 유지하는 것이 바람직 하다. 방사시 방사구금에서의 전단속도는 방사된 부분배 향사 내부에 분포하는 결정배향 억제제의 섬유 반경 방향으로의 분포를 결정하는 지배적인 인자라 할 수 있다.

전단속도가 낮은 경우에는 결정배향 억제제의 섬유 축 방향으로의 배향 정도가 저하되어 폴리에스테르 섬유의 배향결정화 억제 효과가 감소되는 문제가 발생할 수 있으며, 반면에 전단속도가 지나치게 높은 경우에는 결정배향 억제제의 분포가 섬유의 표면부에 집중되게 되는 문제가 발생되어 강도 저하의 문제가 발생될 수 있다.

따라서 초당 7,000 이상의 15,000 이하의 범위로 방사구금에서의 전단속도를 유지하면, 폴리에스테르 섬유의 배향결정화 억제 효과가 충분히 발휘됨은 물론이고, 결정배향 억제제의 섬유 반경 방향으로의 분포가 적절히 유지되어 부분배향사와 가연사의 강도가 적절하게 유지될 수 있다.

이와 같이 제조된 본 발명의 폴리에스테르 섬유는 주성분인 통상의 폴리에스테르 95~99.5중량%와 결정배향 억제제인 폴리메틸메타아크릴레이트계 수지, 폴리스티렌계 수지 또는 메틸메타아크릴레이트-스티렌계 공중합 수지가 0.5~5.0중량%로 구성되며, 절단신도가 120% 이상 이다.

본 발명은 익스트루더 내에서 용융/혼합시 디게싱존으로 수증기 등의 저비점 기체상 물질을 밖으로 배출 할 수 있기 때문에 익스트루더 내로 투입하는 결정배향 억제제를 별도로 건조할 필요가 없다. 그 결과 공정이 간소화 된다. 아울러 익스트루더 내에서 용융/혼합시 발생하는 모노머 및 올리고머를 효율적으로 제거 할 수 있어서 원사품질이 향상된다.

이하 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

고유점도 0.64인 폴리에틸렌테레프탈레이트를 155℃에서 4.5시간 건조하였다. 이 칩을 용융압출기로 용융한 후, 디게싱존이 있는 직경 35밀리의 이축스크류 압출기(온도 300℃)로 공급한다. 이와 동시에 상기 이축스크류 압출기 내로 유리전이온도가 105℃인 미건조 상태의 메틸메타아크릴레이트/스티렌계 공중합물 0.9중량%를 공급하여 이들을 혼합 하였다. 혼합과 동시에 디게이싱존을 통해 저비점 기체상 물질을 압출기 밖으로 배출 하였다. 또한 연속적으로 20단의 정지형 혼련기를 통과하여 미세 혼련하였다.

또한, 이렇게 혼합된 고분자 용융액을 36개의 토출공이 천공된 방사구금을 통하여 방사한 후, 22℃의 냉각풍을 초당 0.5m의 속도로 송출하여 냉각, 고화한 후 인취롤러를 거친 후 권취하여 폴리에스테르 부분배향사를 제조하였다. 이때 방사구금에서의 전단속는 1초당 9,000으로 권취속도는 4,200m/분으로 하였다.

상기와 같이 제조한 부분배향사를 무라다 33H(일본 무라다사제) 연신동시 가연기를 이용하여 가연사를 제조하였다. 가연속도는 분당 850m로 하였으며, 연신배율은 1.671배, 제1가열판의 온도는 200℃로 하였고, 닙벨트간의 각도는 105도로 하였고, 속도비는 1.5로 하였다.

최종 가연사는 환편기를 이용하여 환편한 다음, 분산염료를 이용하여 130℃에서 60분간 염색한 다음, 염반 등의 염색품질을 조사하였다. 방사 및 가연의 공정성과 부분배향사 및 가연사의 물성을 평가한 결과는 표 2와 같다.

실시예 2 ~ 실시예 6 및 비교실시예 1 ~ 비교실시예 2

결정배향 억제제의 수지 종류, 유리전이온도 및 혼합 중량%와 권취속도를 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정과 조건으로 폴리에스테르 부분배향사, 가연사 및 환편지를 제조 하였다. 방사 및 가연의 공정성과 부분배향사 및 가연사의 물성을 평가한 결과는 표 2와 같다.

폴리에스테르 부분배향사 제조조건

구분	결정배향 억제제 특성			권취속도 (m/분)
	수지 종류	유리전이온도 (℃)	첨가량 (중량%)
실시예 1	메틸메타아크릴레이트- 스티렌계 공중합물	105	0.9	4,200
실시예 2	메틸메타아크릴레이트- 스티렌계 공중합물	105	2.5	4,500
실시예 3	폴리메틸메타아크릴레이트	106	1.5	4,800
실시예 4	폴리메틸메타아크릴레이트	106	3.5	4,300
실시예 5	폴리스티렌	107	2.9	4,300
실시예 6	폴리스티렌	107	4.0	4,100
비교실시예 1	-	-	-	4,500
비교실시예 2	폴리메틸메타아크릴레이트	106	0.1	4,200

작업성 및 원사 물성 평가 결과

구 분	방사 작업성	부분배향사 신도(%)	가연 작업성	프림프품질	염반
				크림프리지디티 (Crimp Rigidity, %)
실시예 1	양호	125	양호	41	없음
실시예 2	양호	132	양호	38	없음
실시예 3	양호	138	양호	39	없음
실시예 4	양호	143	양호	42	없음
실시예 5	양호	147	양호	44	없음
실시예 6	양호	123	양호	43	없음
비교실시예 1	불량	83	불량	28	있음
비교실시예 2	다소불량	110	불량	29	있음

본 발명은 고속방사시 방사선 상에서의 결정화가 급격하게 증가하는 "방사결정화"를 효과적으로 지연시켜 4,000m/분 이상의 권취속도로 폴리에스테르 부분배향사를 제조 할 수 있다. 그 결과 생산성이 향상된다. 아울러 본 발명은 폴리에스테르 중합체와 결정배향억제제인 결정배향 억제제가 균일 혼합되어 연신 및 가연 공정성이 우수하다. 또한 본 발명은 결정배향 억제제가 원사표면으로 이동하여 원사품질을 저하 시키는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다. 한편, 본 발명은 디게싱존이 있는 이축스크류 압출기를 사용하여 용융혼합시 저비점 기체상 물질을 압출기 밖으로 배출하므로 별도로 결정배향 억제제를 건조하는 공정을 생략할 수 있고, 원사품질도 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 폴리에스테르 중합체를 용융방사하여 폴리에스테르 섬유를 제조함에 있어서, 디게싱존이 있는 트윈스크류 압출기 내로 용융상태의 폴리에스테르 중합체와 미건조 상태의 결정배향 억제제 칩(chip) 0.5~5.0중량%를 공급하여 이들을 균일하게 용융, 혼합함과 동시에 디게싱존으로 저비점 기체상 물질을 배출시킨 다음, 연속적으로 4,000m/분 이상의 속도로 방사, 권취함을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
2. 1항에 있어서 기체상 물질이 수증기, 모노머 또는 올리고머인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
3. 1항에 있어서, 결정배향 억제제가 폴리메틸메타아크릴레이트계 수지, 폴리스티렌계 수지 또는 메틸메타아크릴레이트-스티렌계 공중합 수지인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
4. 1항에 있어서, 용융상태의 결정배향 억제제와 폴리에스테르를 정지형 혼련기로 혼합함을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
5. 1항에 있어서, 결정배향 억제제의 유리전이온도가 100℃ 이상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.