KR100601303B1 - 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 압력용융기에 폴리에스테르 중합체 95.0~99.5중량%와 유리전이온도가 100℃ 이상인 결정배향 억제제 0.5~5.0중량%를 각각 별도의 공급장치를 통해 공급한 후 이들을 용융, 혼합하여 용융혼합물을 제조한 다음, 상기 용융혼합물을 부스터 펌퍼를 이용하여 방사장치로 균일 정량 공급하여 연속적으로 4,000m/분 이상의 속도로 방사, 권취함을 특징으로 한다. 본 발명은 폴리에스테르 부분배향사를 고속으로 제조하여 생산성이 개선되며, 방사 및 연신 가연 등의 공정성이 향상되며, 최종원사의 품질도 향상시킬 수 있다. 아울러 본 발명은 장치가 간단하고, 용융효과도 우수하다.

폴리에스테르, 압력용융기, 부스터 펌퍼, 결정화, 방사, 고속방사, 부분배향사, 결정배향 억제제, 전단속도, 공정성, 생산성, 품질

Description

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

도 1은 본 발명에서 사용하는 압력용융기의 단면 개략도 이다.

※도면중 주요부분에 대한 부호 설명

1 : 압력용융기 몸체 2 : 교반기

3 : 부스터 펌퍼(Booster Pump) 4 : 토출관

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 저 하된다. 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 교환 반응 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 폴리스타이렌, 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.

본 발명은 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 간단한 장치로 폴리에스테르 중합체와 결정배향 억제제를 효율적으로 용융, 혼합 할 수 있으며, 결정배향 억제제가 섬유표면으로 이동하여 원사품질이 저하되는 것을 방지할 수 있는 폴리에스테르 부분배향사를 4,000m/분 이상의 권취속도로 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

이와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 폴리에스테르 섬유의 제조방법은, 폴리에스테르 중합체를 용융방사하여 폴리에스테르 섬유를 제조함에 있어서, 압력용융기에 폴리에스테르 중합체 95.0~99.5중량%와 결정배향 억제제 0.5~5.0중량%를 각각 별도의 공급장치를 통해 공급한 후 이들을 용융, 혼합하여 용융혼합물을 제조한 다음, 상기 용융혼합물을 부스터 펌퍼를 이용하여 방사장치로 균일 정량 공급하여 연속적으로 4,000m/분 이상의 속도로 방사, 권취함을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명은 폴리에스테르 중합체 95.0~99.5중량%와 열가소성 수지의 결정배향 억제제 0.5~5.0중량%를 각각 별도의 공급장치를 통해 도 1과 같은 압력용융기로 공급한 후, 이들을 용융/혼합하여 용융 혼합물을 제조한다. 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 있 다.

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 발명에서 사용하는 압력용융기(1)는 도 1과 같은 형상을 갖고 있으며 압력용융기(1) 내부에는 교반기(2)가 설치되어 있고, 용융 혼합물이 토출되는 하단부에는 부스터 펌퍼(3)가 설치되어 있다.

압력용융기(1)에서 10분 동안 폴리에스테르 중합체와 결정배향 억제제를 용융, 혼합한다. 이때 압력용융기(1)의 온도는 300℃정도 수준으로 하는 것이 좋다. 압력용융기의 교반기 속도(교반기 날개 끝부분)는 초당 5~50cm인 것이 바람직 하다. 전단력이 너무 약하거나 용융/혼합 시간이 너무 짧으면 폴리에스테르 중합체와 결정배향 억제제가 균일하게 용융/혼합 되지 않아 고속방사가 곤란하게 되고 원사품질도 저하된다. 한편 전단력이 너무 강하거나 용융/혼합 시간이 너무 길어지면 폴리머 물성이 변화될 가능성이 높아진다.

다음으로 상기 용융 혼합물을 부스터 펌퍼(3)를 이용하여 방사장치로 균일 정량 공급하여 4,000m/분 이상의 속도로 방사, 권취한다. 상기 용융 혼합물은 부스터 펌퍼(3)에 의하여 토출관(4)을 통해 방사장치로 정량 공급된다.

이와 같이 분당 4,000m 이상의 속도로 권취한 부분배향사의 절단신도는 120% 이상이다. 절단신도가 120% 이상인 경우 크림프빈도(Crimp Frequency)가 높으 며, 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 부분배향사 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 폴리에스 테르 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.

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

실시예 1

온도가 300℃인 도 1의 압력용융기(1)에 고유점도가 0.64인 폴리에틸렌테레프탈레이트 99.1중량%와 유리전이온도가 105℃인 메틸메타아크릴레이트/스티렌계 공중합물 0.9중량%를 각각 별도의 공급장치로 공급한 후, 이들을 3분동안 용융, 혼합하여 용융 혼합물을 제조한다.

계속해서 상기 용융 혼합물을 부스터 펌퍼(3)로 토출관(4)을 통해 방사장치로 균일 정량 공급하여 36개의 토출공이 천공된 방사구금을 통해 방사한 후, 22℃의 냉각중을 초당 0.5mm의 속도로 송출하여 냉각, 고화한 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 105도 로 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	압력용융기 처리시간 (분)	결정배향 억제제 특성			권취 속도 (m/분)
		수지 종류	유리전이 온도(℃)	첨가량 (중량%)
실시예 1	3	메틸메타아크릴레이트- 스티렌계 공중합물	105	0.9	4,200
실시예 2	4	메틸메타아크릴레이트- 스티렌계 공중합물	105	2.5	4,500
실시예 3	5	폴리메틸메타아크릴레이트	106	1.5	4,800
실시예 4	3	폴리메틸메타아크릴레이트	106	3.5	4,300
실시예 5	4	폴리스티렌	107	2.9	4,300
실시예 6	5	폴리스티렌	107	4.0	4,100
비교실시예 1	15	-	-	-	4,500
비교실시예 2	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 억제제를 간단한 장치로 균일 혼합 할 수 있어서 장치가 간단하며 연신 및 가연 공정성이 우수하다. 또한 본 발명은 결정배향 억제제가 원사표면으로 이동하여 원사품질을 저하 시키는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

Claims (3)

1. 폴리에스테르 중합체를 용융방사하여 폴리에스테르 섬유를 제조함에 있어서, 압력용융기에 폴리에스테르 중합체 95.0~99.5중량%와 결정배향 억제제 0.5~5.0 중량%를 각각 별도의 공급장치를 통해 공급한 후 이들을 용융, 혼합하여 용융혼합물을 제조한 다음, 상기 용융혼합물을 부스터 펌퍼를 이용하여 방사장치로 균일 정량 공급하여 연속적으로 4,000m/분 이상의 속도로 방사, 권취함을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
2. 1항에 있어서, 결정배향 억제제가 폴리메틸메타아크릴레이트계 수지, 폴리스티렌계 수지 또는 메틸메타아크릴레이트-스티렌계 공중합 수지인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
3. 1항에 있어서, 결정배향 억제제의 유리전이온도가 100℃ 이상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.

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