KR100624151B1 - 자발적 3차원 나선형 구조를 갖는 사이드 바이 사이드형복합 필라멘트 및 그의 제조방법 - Google Patents

자발적 3차원 나선형 구조를 갖는 사이드 바이 사이드형복합 필라멘트 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자발적 3차원 나선형 구조를 갖는 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트에 관한 것으로서, 상기 2개의 성분들 간의 복굴절율 차이(△n)가 0.03~0.08 이고, JIS L 1090 의 5.10항 방법(초하중=표시섬도×1/20g, 정하중=표시섬도×2g)으로 측정한 비등수 수축율(Sr)이 4~9% 이고, 크림프 회복율 (CR)이 30~70%인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트는 방사직접연신 방식으로 상기 복합 필라멘트를 제조할 때 방사구금(3)과 제1고뎃로울러(8) 사이에 설치된 방사열처리구간(6)에서 방사되는 원사를 열처리하여 방사드라프트 비를 100~800 으로 조절하고, 제1고뎃로울러의 속도를 4,500~6,000m/분으로 조절하여 제조한다. 본 발명의 원사는 신축성이 우수하여 천연섬유와 같은 촉감을 발현하여 의류용 원사 등에 유용하다.
나선형 구조, 복합섬유, 신축성, 촉감, 복합 필라멘트, 방사드라프트

Description

자발적 3차원 나선형 구조를 갖는 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트 및 그의 제조방법 {A side by side type conjugated filament with self spiral structure, and a process of preparing the same}
도 1은 방사직접연신 방식으로 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 제조하는 본 발명 제조방법의 공정 개략도
도 2는 방사직접연신 방식으로 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 제조하는 종래 방법의 공정 개략도
도 3은 본 발명 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트의 열처리전 상태를 나타내는 전자현미경 사진
도 4는 본 발명 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트의 열수처리(100℃) 후 상태를 나타내는 전자현미경 사진
※ 도면중 주요부분에 대한 부호 설명
1,2 : 익스트루더 3 : 방사구금 4 : 보온부 5 : 냉각부
6 : 방사열처리구간 7 : 오일링 장치 8 : 제1고뎃로울러
9 : 제2고뎃로울러 10 : 와인더
본 발명은 자발적인 3차원 나선형 구조를 갖는 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 잠재권축성이 우수하여 열수처리시 자발적으로 나선형 구조가 되어 천연섬유와 같은 촉감과 신축성 등을 발현하는 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
합성섬유는 천연섬유에 비해 짧은 역사를 가지고 있음에서 거듭되는 기술개발로 일부 특성에 있어서는 천연섬유에 못지 않은 수준에 도달 하였다. 그러나, 신축성은 합성섬유가 쉽게 발현할 수 없는 특성으로서 양모와 같은 천연섬유의 고유 특성으로 간주되고 있다.
합성섬유에 신축성을 부여하는 종래 기술로서는 (ⅰ) 신장특성의 차이가 큰 2종의 합성섬유(원사)를 합사-가연-열고정하여 이수축 복합 가연사를 제조하는 방법과, (ⅱ) 직편물 제조시 길이방향으로 신축성이 우수한 폴리우레탄 섬유와 기타 합성섬유를 혼용하는 방법과, (ⅲ) 2종의 폴리머를 복합방사하여 복합섬유를 제조하는 방법들이 알려져 있다.
상기 방법들 중에서 이수축 복합가연사를 제조하는 방법은 신장특성의 차이가 큰 2종의 원사를 합사-가연-열고정하여 잠재적인 수축율 차이를 부여하는 방법이다. 즉, 가연영역에서의 변형율과 해연후 잔류 변형율의 차이를 최대한 이용하는 것으로 심사와 초사중 초사가 상대적으로 더 크게 변형되어 심사와 혼섬교락 된다.
상기 이수축 복합 가연사는 후처리 공정에서 열처리시 심사와 초사 간의 신 장특성의 차이로 양호한 신축성을 발현하게 된다. 그러나, 상기방법은 권축의 발현상태가 불균일하고, 심사와 초사의 결합력이 공기교락 등에 의존하기 때문에 비교적 약해 후공정 중에 가해지는 물리력에 의해 한 성분 원사가 이탈, 제거되거나 권축특성이 감소되는 단점이 있었다.
또한 상기의 이수축 복합 가연사 제조방법은 2종 이상의 원사들을 조합하기 때문에 세섬도화가 어렵고, 이미 생산된 2종 이상의 원사를 다시 해사, 합사해야 하기 때문에 공정이 복잡해지고 제조원가가 상승하게 되는 문제가 있었다.
한편, 직편물 제조시 폴리우레탄 섬유와 기타 합성섬유를 혼용하는 방법은 폴리우레탄 섬유의 물리, 화학적 특성과 상이하여 가공이 어려운 단점이 있다. 예를들면 폴리에스테르 섬유는 분산염료를 사용하여 염색하는 반면에 폴리우레탄 섬유는 분산염료로 염색시 세탁견뢰도가 크게 저하되기 때문에 산성염료나 함금속염료로 염색해야 한다.
따라서, 직편물 제조시 폴리에스테르 섬유와 폴리우레탄 섬유를 혼용하는 경우에는 염색시 클로로벤젠계 또는 메틸나프탈렌계 염색용 캐리어(Carrier)를 반드시 사용해야 하며, 최종 제품은 염소계 표백제에 취약하고 가성소오다에 의해 쉽게 가수분해되는 등의 많은 문제점이 있었다.
복합방사에 의한 잠재권축사의 제조방법으로는 (ⅰ) 서로 점도가 다른 두 종류의 폴리머를 이용하는 방법과 (ⅱ) 물에 의한 팽윤의 정도가 서로 다른 두 종류의 폴리머를 이용하여 권축을 발현하는 방법이 있다.
이중 팽윤의 정도의 차이에 의한 잠재권축사는 물에 의한 팽윤의 정도가 서 로 다른 동일계의 폴리머를 사이드 바이 사이드(Side by side) 형태의 단면을 가지도록 방사하여 두 종류의 폴리머를 계면에서 접착시켜 원사를 제조한 후, 이를 물에 의해 팽윤시켜 팽윤 정도의 차이에 의해 권축을 발현하게 하는 방법이다.
상기 방법은 물에 의한 팽윤 정도의 차이를 유발하는 수지를 따로 중합하여야 적용이 가능하며 특히, 팽윤차를 나타내기 위해서는 적어도 한 폴리머가 다른 폴리머보다 이온(Ion)화기를 더 많이 함유하여야 한다.
다음으로, 서로 다른 점도를 가지는 동일계 폴리머를 이용하여 복합방사형 잠재권축사를 제조하는 방법은 점도가 상이한 두 종류의 폴리머를 사이드 바이 사이드(Side by side) 형태로 방사하여 점도가 다른 두 폴리머를 길이 방향의 계면에서 서로 접착시켜 원사를 제조한 후, 이를 이완상태에서 열처리함으로써 2종의 폴리머의 점도차에 의한 수축응력의 차이에 의해 스프링 형태의 권축을 발현시키는 방식이다.
이러한 복합방사에 의한 잠재권축사는 동일계의 폴리머를 사용함에 따라 염색 및 후가공이 용이하며 특유의 부드러운 촉감을 나타내 최근 많이 사용하고 있는 방법이다.
그 결과, 상기와 같이 점도가 상이한 두 종류의 폴리머를 복합방사하는 방법은 종래 여러 방법들의 문제점들을 해결할 수 있고, 작업공정성의 단축, 원가의 절감과 더불어 우수한 신축성, 부드러운 촉감을 발현하는 장점을 가져 직물 뿐만아니라 편물에도 폭넓게 적용이 가능하다.
점도가 상이한 2종류의 폴리머를 사이드 바이 사이드 형태로 복합방사하여 잠재권축사를 제조함에 있어서, 구금하부와 제1고뎃로울러 사이에서의 방사사속(방사드라프트)은 잠재권축성을 결정짓는 중요한 인자이다.
기존의 방사직접연신 방식의 경우 권취사속은 4,000~5,000m/분으로 고속이나 구금하부와 제1고뎃로울러 간의 방사사속은 1,000~2,000m/분으로 낮아 잠재권축성을 원하는 수준으로 향상시킬 수 없었다.
따라서, 지금까지는 점도가 상이한 두종류의 폴리머를 사이드 바이 사이드형으로 복합방사하여 잠재권축성 복합섬유를 제조할때에는 방사직접연신 방식보다 방사드라프트가 상대적으로 큰 포이(POY) 방식으로 제조해 오고 있다. 여기서, 포이(POY) 방식이란 부분배향결정화된 원사를 생산하는 방식으로서 방사드레프트(Draft)가 약 80~120 이다.
그러나, 상기와 같이 포이(POY) 방식으로 잠재권축성 원사를 제조하는 경우에는 2단계의 추가 연신공정이 필요하여 공정이 복잡해지고 제조원가도 상승하는 문제가 발생 하였다.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래 문제점들을 해소하기 위하여 방사직접연신 방식으로 잠재권축성이 우수한 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 제조하기 위한 것이다.
본 발명은 잠재권축성이 우수하여 열수처리시 자발적으로 3차원 나선형 구조를 나타내는 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 제공하고자 한다. 아울러, 본 발명은 제조공정을 간소화하고 제조원가를 절감할 수 있도록 상기 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 방사직접연신 방식으로 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
이와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제조방법은 방사직접연신 방식으로 동일 온도에서 서로 상이한 점도를 가지는 2종의 열가소성 폴리머들을 사이드 바이 사이드(Side by side) 형태로 복합방사하여 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 제조할 때, 방사구금(3)과 제1고뎃로울러(8) 사이에 설치된 방사열처리구간 (6)에서 방사되는 원사를 열처리하여 방사드레프트 비를 100~800 으로 조절하고, 제1고뎃로울러의 속도를 4,000~6,000m/분으로 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 동일 온도에서 서로 상이한 점도를 가지는 2종의 열가소성 폴리머들이 사이드 바이 사이드(Side by side) 형태로 복합되어 2개의 성분들로 이루어진 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트에 관한 것으로서, 상기 2개의 성분들 간의 복굴절율 차이(△n)가 0.03~0.08 이고, JIS L 1090 의 5.10항 방법(초하중=표시섬도×1/20g, 정하중=표시섬도×2g)으로 측정한 비등수 수축율(Sr)이 4~9% 이고, 크림프 회복율 (CR)이 30~70%인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면 등을 통하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명에서는 동일온도에서 서로 상이한 점도를 가지는 2종의 열가소성 폴리머들을 사이드 바이 사이드(Side by side) 형태로 복합방사한 후, 연속공정으로 방사된 복합 필라멘트를 연신 및 열처리하여 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 제조한다.
구체적으로, 본 발명은 도 1과 같이 방사, 연신 및 열처리를 1개의 연속된 공정에서 실시하는 방사직접연신 방식으로 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 제조한다.
도 1은 본 발명 공정 개략도 이다.
복합 방사시에는 상기 열가소성 폴리머들 간의 복굴절율 차이(△n)를 0.03~0.08로 설정해 주는 것이 바람직 하다. 0.03 미만이면 원사의 크림프 회복율이 낮아 신축성이 저하될 수 있고, 0.08을 초과하면 방사조업성이 저하될 우려가 있다.
또한, 구금하부에서의 온도 불균일을 방지하고 응력을 완화해 주기 위해서 복합방사시에 구금하부를 보온부(4)로 보온하여 주는 것이 바람직 하다.
상기 보온부(4)는 폴리머의 고화점을 하향 조정하여 구금하부에서의 필라멘트 유동을 안정화시키고 구금하부의 온도 상승으로 자연적인 분자배향을 유도하고, 낮은 방사장력을 유지하여 방사사속을 높힐 수 있는 여력을 확보할 목적으로 설치한다.
다음으로, 본 발명은 상기와 같이 복합방사되는 필라멘트를 냉각부(5)로 냉각한 후 방사구금(3)과 제1고뎃로울러(8) 사이에 설치된 방사열처리구간(6)에서 열처리하여 방사드레프트비를 100~800으로 조절하고, 제1고뎃로울러의 속도는 4,000~ 6,000m/분으로 조절함을 특징으로 한다. 상기 방사열처리구간(6)에서의 열처리 온도는 30~150℃인 것이 바람직 하다.
방사속도가 높은 경우에는 열처리온도를 상기 범위 내에서 낮게 설정하고, 방사속도가 낮을 경우에는 열처리온도를 상기 범위 내에서 높게 설정하는 것이 좋다. 구체적으로 방사속도가 높으면 방사장력에 의해 섬유내부 결정의 크기가 커지면서 결정화도가 증가하고, 비결정영역의 배향도는 감소하여 열적안정성이 개선된다. 따라서, 방사속도가 높으면 열처리온도가 낮아도 된다.
그러나, 열처리온도가 150℃를 초과하게 되면 결정화도 증가로 인해 방사장력이 상승하게 되어 조업성이 나빠질 우려가 있다.
마지막으로, 본 발명의 제2고뎃로울러(9)와 와인더(10)는 제1고뎃로울러(8)와 비슷한 사속으로 조절하여 사도를 안정화시켜 사란 문제없이 권취한다.
이와 같이, 본 발명은 방사직접연신 방식으로 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 제조함에 있어서, 종래 방식에 비해 방사드라프트를 크게 설정하고, 방사드라프트 증가에 따른 방사조업성 저하를 방지하기 위해 열가소성 폴리머 간의 복굴절율 차이(△n)를 적절히 조절하므로서 잠재권축성이 우수한 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 제조한다.
이상에서 설명한 제조방법으로 제조된 본 발명의 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트는 동일온도에서 서로 상이한 점도를 가지는 2종의 열가소성 폴리머들이 사이드 바이 사이드(Side by side) 형태로 복합되어 2개의 성분들로 이루어진 구조를 갖고, 상기 2개의 성분들 간의 복굴절율 차이(△n)가 0.03~0.08 이고, JIS L 1090 의 5.10항 방법(초하중=표시섬도×1/20g, 정하중=표시섬도×2g)으로 측정한 비등수 수축율(Sr)이 4~9% 이고, 크림프 회복율 (CR)이 30~70% 이다.
상기 비등수 수축율은 가공사 조건으로 측정된 값 이다.
본 발명의 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트는 도 4와 같이 열수처리후 강력한 3차원 스프링 구조를 지니게 된다.
본 발명에 있어서, 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트의 각종 물성은 아래와 같은 방법으로 평가 하였다.
·비등수 수축율(Sr) 및 크림프 회복율(CR)
먼저, 데니어 크릴에서 권회수 10회로 하여 타래를 만든다(권취시 장력은 표시섬도×1/10g). 제작한 실타래에 초하중(표시섬도×1/20g)과 정하중(표시섬도 ×2g)을 달고 길이 L0 를 측정한다. 이 타래를 100℃의 수중에서 15분간 열처리한 후 끄집어내어 흡습지로 물을 제거한 후 실내에서 12시간 방치한 후 초하중과 정하중을 달고 길이를 측정한다(L1). 이것을 물(20℃±2℃) 속에서 2분 방치후 시료의 길이를 측정한다(L2). 정하중을 제거하고 3분간 방치 후 시료의 길이를 측정한다 (L3). 이와 같이 측정된 값들을 아래식에 대입하여 비등수 수축율(Sr)과 크림프 회복율(CR)을 계산한다.
Figure 112003038360681-pat00001
Figure 112003038360681-pat00002
·복굴절율 차이(△n)
우선 준비공정으로 필라멘트 한 가닥을 선택하여 가능한한 장력없이 뽑아낸 모노필라멘트를 슬라이드 글라스 위에 놓고 초하중(데니어×1/30) 수준의 장력으로 모노필라멘트를 곧게한 후 0.5의 복굴절액 약간을 떨어 뜨린 후 커버글라스를 덮는다. 상기의 시료를 폴라라이져(Polarizer) 및 어넬라이져(Analyzer)에 삽입하여 슬리트(Silt) 이용한 프랜지(Fringe)를 제거 후 시료를 현미경에 넣는다. 통상적인 원사와는 달리 잠재권축사는 진한 부분의 고점도 부분과 연한색의 저점도 부분으로 구성되어져 있는 바, 측정의 용이성을 위하여 진한 부분을 왼쪽으로 놓은 후 이미지가 가장 어두운 부근에서 상(Stage)을 고정하고 45˚로 상을 돌린다. 통상의 X선 회절분석법으로서 측정하여 파장은 546.1로, 스텐다드를 ST 4 (0.04)로 실시한다. 잠재권축사는 두 성분으로 구성되어 있어 고점도 부분과 저점도 부분의 배향도 차에 의해 신축성이 결정되어 지므로 이 두 부분을 각각 측정하여 배향도 차를 구해야 한다. 먼저 고점도 부분을 측정하는데 진한 곤색이 고수축 부분의 중앙에 오도록 맞추어서 측정하며, 저점도 부분은 진한 곤색이 저점도 부분의 중앙에 맞춘 다음 곤색띠가 나오는데 그 전 단계를 측정하면 보통 진한 곤색이 저점도 부분의 중앙에 오도록 측정 가능 하다. 이와 같이 고점도, 저점도의 간섭광 파장을 각각 측정한 후 시료인 모노필라멘트의 직경을 측정하여 복굴절율차를 측정한다. 이때 각각의 복굴절율 측정은 독일 칼 자이스사의 JENAPOL-U INTERPHAKO를 사용하였으며 복굴절율 측정 공식은 다음과 같다.
Figure 112003038360681-pat00003
여기서, R은 보상지연 값(Compensator retardation) 이고, S는 석영플레이트 의 지연값(Retardation of quartz shim) 이고, D는 파이버 직경(Fibdr Diameter) 이다. 또한 R과 S의 단위는 nm 이고, D의 단위는 ㎛ 이다.
·조업성
잠재권축성 원사를 5kg 드럼으로 600 드럼을 방사하였을 때의 수율 이다.
이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴 본다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
고유점도가 0.50인 폴리에틸렌테레프탈레이트와 고유점도가 0.65인 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사이드 바이 사이드 형태로 293℃의 온도에서 5,300m/분의 속도로 복합방사한 후, 이를 도 1과 같이 방사구금과 제1고뎃로울러 사이에 설치된 방사열처리구간(6)에서 130℃ 온도로 열처리하고, 계속해서 제1고뎃로울러 및 제2고뎃로울러를 통과시킨 후 와인더에 권취하여 50데니어 12필라멘트의 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 제조 하였다. 이때, 제1고뎃로울러의 속도를 5,300m/분으로하여 방사드라프트를 125로 조절하였으며, 방사구금의 홀수는 12개, 직경은 0.25mm로 하였다. 상기와 같이 제조된 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트의 물성을 평가한 결과는 표 2와 같다.
실시예 2 내지 실시예 5 및 비교실시예 1 내지 비교실시예 3
제1고뎃로울러 속도, 방사드래프트 및 열처리온도를 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정 및 조건으로 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 제조 하였다. 상기와 같이 제조된 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트 의 물성을 평가한 결과는 표 2와 같다.
<표 1> 제조조건
구 분 열처리온도(℃) 제1고뎃로울러 사속(m/분) 방사드라프트
실시예 1 130 5,300 125
실시예 2 130 5,300 125
실시예 3 60 5,800 125
실시예 4 60 5,800 250
실시예 5 70 5,150 720
비교실시예 1 160 4,150 88.3
비교실시예 2 off 6,100 125
비교실시예 3 130 5,300 980
<표 2> 물성평가 결과
구 분 조업성(%) 비등수 수축율(%) 크림프 회복율(%) 폴리머간 복굴절율 차(△n)
실시예 1 98.7 5.2 43 0.050
실시예 2 96.0 6.2 47 0.055
실시예 3 93.3 4.3 52 0.047
실시예 4 96.0 3.2 55 0.070
실시예 5 90.1 4.8 46 0.033
비교실시예 1 76.0 16.5 25 0.047
비교실시예 2 10.7 2.7 41 0.050
비교실시예 3 16.0 3.5 13 0.025

본 발명의 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트는 잠재권축성이 매우 우수하여 천연섬유와 같은 촉감을 발현한다. 아울러, 본 발명은 상기 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 방사직접연신 방식으로 제조할 수 있어서, 제조공정이 간소화 되고 제조원가도 절감할 수 있다.

Claims (3)

  1. 동일 온도에서 서로 상이한 점도를 가지는 2종의 열가소성 폴리머들이 사이드 바이 사이드(Side by side) 형태로 복합되어 2개의 성분들로 이루어진 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트에 있어서, 상기 2개의 성분들 간의 복굴절율 차이(△n)가 0.03~0.08 이고, JIS L 1090 의 5.10항 방법(초하중=표시섬도×1/20g, 정하중=표시섬도×2g)으로 측정한 비등수 수축율(Sr)이 4~9% 이고, 크림프 회복율 (CR)이 30~70%인 것을 특징으로 하는 자발적 3차원 나선형 구조를 갖는 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트.
  2. 방사직접연신 방식으로 동일 온도에서 서로 상이한 점도를 가지는 2종의 열가소성 폴리머들을 사이드 바이 사이드(Side by side) 형태로 복합방사하여 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트를 제조함에 있어서, 방사구금(3)과 제1고뎃로울러(8) 사이에 설치된 방사열처리구간(6)에서 방사되는 원사를 열처리하여 방사드라프트 비를 100~800 으로 조절하고, 제1고뎃로울러의 속도를 4,000~6,000m/분으로 조절하는 것을 특징으로 하는 자발적 3차원 나선형 구조를 갖는 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트의 제조방법.
  3. 2항에 있어서, 방사열처리구간(6)의 온도가 30~150℃ 인 것을 특징으로 하는 자발적 3차원 나선형 구조를 갖는 사이드 바이 사이드형 복합 필라멘트의 제조방법.
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JPH09157955A (ja) * 1995-12-05 1997-06-17 Nippon Ester Co Ltd 潜在捲縮性ポリエステル複合繊維

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