KR100826547B1 - 섬유 형성 공정 - Google Patents

Abstract

새로운 섬유 형성 방법 및 관련 장치에서는, 섬유 형성 재료가 압출된 필라멘트가 가공 챔버를 통과하며, 이 챔버는 2개의 평행한 벽으로 형성되고, 이들 벽 중 적어도 하나는 순간적으로 타방의 벽에 대하여 원근 방향으로 이동할 수 있다. 바람직하게는 2개의 벽 모두가 순간적으로 서로에 대하여 원근 방향으로 이동할 수 있다. 적어도 하나의 벽에 이동 수단이 연결되어 순간적인 이동을 가능하게 한다. 한 가지 실시 형태에서, 이동 수단은 하나의 벽을 타방의 벽을 향해 탄성적으로 편향시키는 편향 수단을 포함한다. 하나의 벽이 타방의 벽에 대한 원근 방향 이동은, 벽이 가공 챔버 내의 압력 상승에 응답하여 타방의 벽으로부터 멀어지는 방향으로 이동하지만, 가공 챔버 내부의 압력이 원래의 값으로 돌아오면 편향 수단에 의해 신속히 원위치로 복귀할 수 있을 정도로 충분히 쉽고 빠르게 이루어진다. 다른 실시 형태에서는, 이동 수단이 벽을 빠른 속도로 진동시키는 진동 수단을 포함한다. 또한, 본 발명은 새로운 부직 웹을 제공하며, 이 부직 웹은, 배향된 폴리머 체인을 포함하지만 섬유의 주요부와 형태 차이가 있는 고립된 섬유 세그먼트에 의해 무작위로 중단되어 있는 섬유를 포함하는 수집된 섬유체를 포함한다.

Description

섬유 형성 공정 {FIBER-FORMING PROCESS}

본 발명은 섬유 형성 방법 및 장치에 관한 것이다.

많은 섬유 형성 공정에서, 다이로부터 압출된 필라멘트 재료는 가공 챔버를 통과하게 되며, 이 가공 챔버에서는 필라멘트 재료에, 예컨대 연신 가공, 배향 조정 및/또는 직경을 감소시키는 가공이 행하여진다. 그러한 가공 챔버 또는 감쇠(attenuation) 챔버는 스펀본드(spun-bond) 공정에서 흔히 사용된다(미국 특허 제3,502,763호, 제3,692,618호, 제4,064,605호, 제4,217,387호, 제4,812,112호, 제4,820,459호, 제5,270,107호, 제5,292,239호, 제5,571,537호, 제5,648,041호, 그리고 제5,688,468호 참조). 그러나, 상기 가공 챔버는 멜트블로잉(meltblowing) 공정(미국 특허 제4,622,259호 및 제4,988,560호 참조), 필라멘트 및 필라멘트 얀의 멜트스피닝(meltspinning) 공정(미국 특허 제4,202,855호 참조), 그리고 플렉시필라멘트형 필름-피브릴(plexifilimentary film-fibril) 재료의 플래쉬스피닝(flashspinning) 공정과 같은 다른 공정에도 사용될 수 있다.

가공 챔버를 사용하면 섬유 형성 공정 전체가 제약을 받는다. 이 제약은, 예컨대 섬유가 가공 챔버를 막는 일 없이 효과적으로 가공 챔버를 통과하도록 보장하기 위해 생기는 것이다. 그러한 제약에는, 섬유가 가공 챔버를 통과하는 속력에 부과되는 제한, 섬유가 가공 챔버를 통과해 나가고, 섬유가 끊어졌을 때 다시 통과해 나갈 수 있도록 하기 위해 가공 챔버의 형상에 부과되는 제한, 그리고 압출된 섬유가 가공 챔버로 들어갈 때 용융 또는 액화되는 정도에 대한 제한이 있다.

가공 챔버를 개선하여 섬유 형성 공정에 부과되는 제약을 줄이기 위한 여러 가지 노력을 기울여 왔다. 한 가지 제안으로서, 가공 챔버의 유입구를 넓은 스로트(throat) 방식으로 구성하고, 폴리머 흐름이 시작된 후에 제위치로 이동하고 막힘이 일어나면 제위치로부터 벗어날 수 있는 가동 벽으로 가공 챔버를 형성하는 것이 있다(미국 특허 제4,405,297호, 제4,340,563호 및 제4,627,811호 참조). 이의 대안으로서, 미국 특허 제6,136,245호에서는 가공 챔버가 압출 다이로부터 원하는 작동 간격보다 더 떨어진 상태에서 섬유 형성 공정을 천천히 시작한 후, 공정을 점차적으로 가속시키고, 가공 챔버가 작동 위치에 올 때까지 가공 챔버를 다이에 더 접근시키는 것을 제안하고 있다.

감쇠 챔버의 폭에 걸쳐 섬유의 속도를 일정하게 하기 위한 다른 노력으로는, 챔버의 폭에 걸쳐 압력을 일정하게 하기 위해 챔버의 벽을 가요성 재료로 제작하고, 압력 센서의 그리드를 사용하여 벽의 형상에 국소적 변화가 일어나게 하는 것이 있다(미국 특허 제5,599,488호 참조). 미국 특허 제4,300,876호에는 압출된 필라멘트를 비말 동반하는 코안다(Coanda) 기류가 생기도록 하나의 벽만이 굴곡되어 있는 블로어 구조가 기재되어 있다.

전술한 모든 접근법들은 가공 챔버를 사용하기 때문에 여전히 섬유 형성 공정에 큰 제약을 부과한다.

본 발명에 따른 새로운 섬유 형성 방법은, 가공 챔버의 사용으로 부과되는 많은 제약들을 피할 뿐만 아니라, 섬유 형성 가능성 및 섬유 웹 형성 가능성을 크게 확대시킨다. 이 새로운 섬유 형성 방법에서는, 섬유 형성 재료가 압출된 필라멘트가 2개의 평행한 벽으로 형성된 가공 챔버를 통과하게 되며, 그 벽 중 적어도 하나는 순간적으로 타방의 벽에 대하여 원근 방향으로 이동할 수 있고, 바람직하게는 2개의 벽이 모두 순간적으로 서로에 대하여 원근 방향으로 이동할 수 있다. 여기서 "순간적으로 이동할 수 있다" 함은, 섬유 형성 공정이 사실상 중단되지 않을 정도로, 예컨대 공정을 중지한 뒤에 다시 시작할 필요 없이 그러한 이동이 충분히 빠르게 일어난다는 것을 의미한다. 예를 들면, 부직 웹이 수집되는 경우, 수집기를 정지시키지 않고 웹의 수집이 계속될 수 있으며, 거의 균일한 웹이 수집된다.

상기 벽(들)은 다양한 이동 수단에 의해 이동할 수 있게 된다. 한 가지 실시 형태에서는, 상기 적어도 하나의 가동 벽이 타방의 벽을 향해 탄성적으로 편향되며, 가공 챔버 내의 유체 압력과 편향력 사이에 동적 평형을 이루도록 편향력이 선택된다. 따라서, 가공 챔버 내의 압력 상승에 응답하여 하나의 벽이 타방의 벽으로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있으나, 가공 챔버 내의 압력이 원래의 값으로 돌아오면 편향력에 의해 평형 위치로 신속하게 복귀한다. 만약 압출된 필라멘트 재료가 벽에 달라붙거나 축적되어 가공 챔버 내의 압력을 상승시키면, 적어도 하나의 벽이 타방의 벽으로부터 멀어지는 방향으로 신속하게 이동하여 축적된 압출물을 이탈시키며, 그러면 바로 압력이 원래의 값으로 돌아와 가동 벽이 원위치로 복귀한다. 비록 벽의 이동 중에 공정의 작동 파라미터에 작은 변화가 일부 생길 수 있지만, 공정은 정지되지 않고 계속 섬유가 형성되고 수집된다.

본 발명의 다른 실시 형태에서는, 챔버 공간을 형성하는 원위치와, 타방의 벽으로부터 떨어져 있는 제2 위치 사이에서 벽을 빠르게 진동시키는 진동기가 이동 수단으로 사용된다. 진동이 빠르게 일어나 사실상 섬유 형성 공정이 중단되지 않으며, 벽이 벌어짐에 따라, 가공 챔버에 축적되어 가공 챔버를 막을 수 있는 임의의 압출물이 규칙적으로 떨어져 나온다.

일반적으로, 본 발명의 신규의 섬유 형성 방법은 a) 섬유 형성 재료의 필라멘트를 압출하는 단계와, b) 상기 필라멘트를 2개의 평행한 벽에 의해 형성된 가공 챔버로 통과시키는 단계로서, 상기 벽 중 적어도 하나는 필라멘트가 통과하는 동안 순간적인 이동을 가능하게 하는 이동 수단의 작용을 받아 순간적으로 타방의 벽에 대하여 원근 방향으로 이동할 수 있는 것인 단계와, c) 가공된 필라멘트를 수집하는 단계를 포함한다.

전술한 바와 같은 순간적으로 이동할 수 있는 벽을 구비한 가공 챔버는 섬유 형성 공정에 큰 변화를 가능하게 한다. 이전에는 가공 챔버가 막힐 위험 때문에 사용할 수 없었던 공정과 파라미터를 채택할 수 있게 된다. 섬유 속도, 폴리머 유량, 그리고 가공 챔버로 들어갈 때 폴리머가 용융 또는 액화되는 정도를 변화시켜, 개선되게 할 뿐만 아니라 사실상 새로운 공정을 만들 수 있다. 본 발명은 직접 웹 형성 공정, 다시 말하면 추후의 다른 공정에서 웹으로 조립되는 섬유를 따로 형성하는 일 없이 섬유 형성 재료가 부직 웹 형태로 직접 전환되는 공정을 개선하는 데 에 특히 유용하다.

또한, 본 발명은 새로운 장치를 마련하고 제조하는 것에 관한 것으로, 이 장치는, 간략히 요약하면 a) 다이의 오리피스를 통해 섬유 형성 재료의 필라멘트를 압출하는 압출 헤드와, b) 압출된 필라멘트를 수용하여 통과시키도록 정렬된 챔버로서, 이 챔버는 2개의 평행한 벽에 의해 형성되며, 이들 벽 중 적어도 하나는 타방의 벽에 대하여 순간적으로 원근 방향으로 이동할 수 있는 것인 챔버와, c) 적어도 하나의 벽을 이동시키기 위한 이동 수단으로서, 예를 들면 그 벽을 타방의 벽을 향해 탄성적으로 편향시키거나, 그 벽이 타방의 벽에 대하여 원근 방향으로 이동하도록 진동시키는 이동 수단을 포함한다. 하나의 벽이 타방의 벽에 대하여 원근 방향으로 이동하는 것은 전술한 빠른 이동 또는 순간적인 이동이 가능할 정도로 충분히 쉽게 이루어진다. 예를 들면, 챔버 내의 압력 상승에 응답하여 하나의 벽이 타방의 벽으로부터 후퇴하지만, 챔버 내의 압력이 원래의 값으로 돌아오면 편향 수단에 의해 원위치로 신속하게 복귀한다. 또는, 진동 수단이 벽을 가까운 간격과 먼 간격 사이로 빠르게 진동시킨다.

본 발명은 새로운 제품도 제공한다. 더 상세히 후술하겠지만, 본 발명의 섬유 형성 공정으로부터 수집된 섬유체는, 예컨대 섬유가 끊어지거나 엉켜서 길이 방향을 따라 중단되어 있는 섬유를 포함할 수 있다. 그러한 중단이 생기는 섬유 세그먼트는, 예컨대 융점, 냉결정화 온도, 유리 전이 온도, 결정화도 지수(섬유 중 결정 상태인 부분의 비율을 나타냄) 또는 결정 형태의 차이로 나타나는 형태적 특징에서의 중요한 특성과 관련하여 섬유의 주요부와 다를 수 있다. 이러한 차이는 시차 주사 열량법이나 X선 산란법에 의해 검출될 수 있다. 전술한 바와 같은 수집된 섬유체는 본 발명의 새롭고 유리한 섬유 형성 공정의 결과이며, 새로운 웹 자체도 유리한 특성을 갖추고 있다. 그러한 본 발명에 따른 유용한 제품 한 가지는 웹 형태의 응집된 섬유체를 포함하며, 이 섬유체는 섬유형 세그먼트에 의해 길이 방향을 따라 무작위로 중단된 섬유를 포함하고, 직경이 300 ㎛ 미만이지만 섬유의 주요부보다는 직경이 크다.

도 1은 부직 섬유 웹을 형성하기 위한 본 발명의 장치의 전체적인 개략도이다.

도 2는 본 발명에 사용되는 가공 챔버의 확대된 측면도로서, 챔버용 장착 수단은 도시를 생략하였다.

도 3은 도 2에 도시된 가공 챔버의 부분적인 개략 평면도로서, 장착 수단과 그 밖의 관련 장치가 함께 도시되어 있다.

도 4는 실시예 5에서 조제된 웹의 주사 전자 현미경 사진이다.

도 5 내지 도 7 및 도 7a는 본 발명의 여러 실시예에 따른 웹에 대해 시차 주사 열량법을 통하여 얻은 선도이다.

도 1은 본 발명을 구체화하는 한 가지 예시적인 장치를 보여주고 있다. 섬유 형성 재료가 압출 헤드(10)로 도입되고 있는데, 이 장치의 경우에는 섬유 형성 재료를 호퍼(11)로 도입하고, 압출기(12)에서 용융시킨 후, 용융된 재료를 펌프(13)를 통해 압출 헤드(10) 내로 펌핑한다. 비록 펠릿 또는 기타 입자 형태의 고체 폴리머 재료를 가장 흔하게 사용하고 펌핑 가능한 액체 상태로 용융시키지만, 폴리머 용액과 같은 그 밖의 섬유 형성 액체도 사용할 수 있다.

압출 헤드(10)는 일반적으로 일정한 패턴, 예를 들면 직선열로 배열된 다중 오리피스를 비롯한 종래의 출사 돌기 또는 스핀 팩(spin pack)일 수 있다. 섬유 형성 액체의 필라멘트(15)는 압출 헤드로부터 압출되어 가공 챔버 또는 감쇠기(16)로 운반된다. 감쇠기(16)에 도달하기 전에 압출된 필라멘트(15)가 이동하는 거리(17)는 당면 상황에 따라 변할 수 있다. 압출된 필라멘트(15)의 온도를 낮추기 위해, 공기 또는 기타 가스의 냉각류(18)가 종래의 방법 및 장치에 의해 압출된 필라멘트로 공급되는 것이 전형적이다. 또는, 섬유의 연신을 촉진하기 위해 공기 또는 기타 가스의 흐름을 가열할 수도 있다. 하나 이상의 공기(또는 기타 유체)의 흐름이 존재할 수 있다. 예를 들면, 제1 공기류(18a)가 필라멘트 흐름에 횡축방향으로 통과하여, 압출 중에 방출된 불필요한 가스 물질이나 연무를 제거할 수 있고, 제2 냉각용 공기류(18b)가 필요한 온도 하강 기능을 주로 맡을 수 있다. 사용되는 공정 또는 필요한 최종 제품의 형태에 따라, 냉각용 공기는 압출된 필라멘트(15)가 감쇠기(16)에 도달하기 전에 응고시킬 수 있는 정도로 충분할 수 있다. 다른 경우에는 압출된 필라멘트가 감쇠기로 들어갈 때 여전히 연화 상태 또는 용융 상태에 있다. 대안으로서, 냉각류를 사용하지 않는 경우, 압출 헤드(10)와 감쇠기(16) 사이의 주위 공기 또는 그 밖의 유체가, 압출된 필라멘트가 감쇠기에 도달하기 전에 임의의 변화를 가져오기 위한 매체 역할을 할 수 있다.

필라멘트(15)는 감쇠기(16)를 통과한 후 빠져나오며, 이에 대해서는 더 상세히 후술한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 탈출한 필라멘트는 수집기(19)로 이동하는 것이 보통이며, 이 수집기에서 필라멘트는 섬유체(20)로서 수집되고, 이 섬유체는 응집된 것일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 처리 가능한 웹 형태이다. 본 발명은, 스펀본드 공정이나 멜트블로운 공정에서와 같이 1 단계의 사실상 직접적인 조작으로 섬유 형성 폴리머 재료가 웹으로 전환되는 직접 웹 형성 공정으로서 특히 유용하다. 또는, 감쇠기를 빠져나오는 섬유가 모노필라멘트, 토우(tow) 또는 얀의 형태를 취할 수 있고, 저장 스풀에 감기거나 추가 가공될 수 있다.

수집기(19)는 대체로 다공성이며, 이 수집기 아래에 가스 흡입 장치(14)가 위치하여 섬유가 수집기에 잘 쌓이도록 할 수 있다. 감쇠기 출구와 수집기 사이의 거리(21)는 상이한 효과를 얻기 위해 변경할 수 있다. 수집된 섬유체(20)는 캘린더, 엠보싱 스테이션, 라미네이터, 커터 등과 같은 그 밖의 장치까지 운반되거나, 구동 롤(22)을 통과하여 저장 롤(23)에 감길 수 있다. 압출된 필라멘트 또는 섬유에 는, 본 발명의 가공 챔버를 통과하고 나서 수집되기 전에 도 1에는 도시하지 않은 다수의 추가 처리 단계, 예컨대 추가 연신, 분무 등을 실시할 수 있다.

도 2는 한 가지 대표적인 가공 장치, 즉 감쇠기(16)의 확대 측면도이다. 이 감쇠기는 2개의 움직일 수 있는 반체 또는 측부(16a 및 16b)를 포함하며, 이들 측부 사이는 서로 분리되어 그들 사이에 가공 챔버(24)를 형성하고 있다. 즉, 측부(16a 및 16b)의 서로 마주보는 면들이 챔버 벽을 형성한다. 도 3은 대표적인 감쇠기(16)와 그 장착 및 지지 구조의 일부를 다른 비율로 도시한 다소 개략적인 평면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 가공 챔버 또는 감쇠 챔버(24)는 대체로 가늘고 긴 슬롯이며, 이 챔버의 횡방향(필라멘트가 감쇠기를 통과하는 경로의 횡축방향)으로의 길이(25)는 가공되는 필라멘트의 수에 따라 변할 수 있다.

비록 2개의 반체 또는 측부로서 존재하지만, 감쇠기는 단일 장치로서 작동하며, 조합된 형태에 대해서는 후술한다. (도 2 및 도 3에 도시된 구조는 예시에 불과하며, 여러 다양한 구조를 채택할 수 있다.) 대표적인 감쇠기(16)는 경사진 유입 벽(27)을 포함하며, 이 유입 벽은 감쇠 챔버(24)의 유입 공간 또는 스로트(24a)를 형성한다. 압출된 필라멘트(15)를 운반하는 기류가 매끄럽게 유입되도록 유입 벽(27)의 유입 엣지 또는 표면(27a)이 굴곡되어 있는 것이 바람직하다. 유입 벽(27)은 본체부(28)에 부착되어 있으며, 본체부(28)와 유입 벽(27) 사이에 간격(30)을 형성하도록 오목한 구역(29)이 유입 벽(27)에 마련될 수 있다. 공기가 도관(31)을 통해 간격(30) 내로 도입되어 에어 나이프(화살표 32로 표시됨)를 형성할 수 있는데, 이 에어 나이프는 감쇠기를 통과하는 필라멘트의 속도를 상승시키고, 필라멘트를 냉각시키는 효과도 있다. 감쇠기 본체(28)는 공기가 에어 나이프(32)로부터 통로(24) 내로 매끄럽게 이동하도록 도면 부호 28a로 표시된 지점에서 굴곡되어 있는 것이 바람직하다. 감쇠기 본체의 표면(28b)의 각도(α)는, 감쇠기를 통과하는 필라멘트 흐름과 에어 나이프가 충돌하는 소정 각도를 정하도록 선택될 수 있다. 에어 나이프를 챔버 입구 부근에 배치하는 대신 챔버의 더 안쪽에 배치할 수도 있다.

감쇠 챔버(24)는 감쇠기를 통과하는 종방향의 길이[감쇠 챔버를 통과하는 길이 방향 축선(26)에 따른 치수를 축방향 길이라 부름]에 걸쳐 간격 폭[도 2에서 감쇠기의 2개 측부 사이의 수평 방향 거리(33)를 간격 폭이라 부름]이 일정할 수 있다. 또는, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 간격 폭이 감쇠 챔버의 길이를 따라 변할 수 있다. 감쇠 챔버는 감쇠기 안에서 내부를 향한 방향으로 좁아지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이 에어 나이프 위치에서 간격 폭(33)이 가장 좁고, 감쇠 챔버의 길이를 따라 출구(34)를 향해, 예컨대 각도(β)로 폭이 넓어진다. 이와 같이 감쇠 챔버(24) 안에서 내부를 향해 좁아진 후 넓어지는 구성은 벤추리 효과를 일으켜 챔버 내로 도입되는 공기의 체적을 증가시키고, 챔버를 통과하는 필라멘트의 속도를 상승시킨다. 다른 실시 형태에서는 감쇠 챔버가 직선형 벽 또는 편평한 벽에 의해 형성되며, 이들 벽 사이의 간격은 벽의 길이에 걸쳐 일정할 수도 있고, 감쇠 챔버의 축방향 길이에 걸쳐 벽이 약간 확산(바람직)되거나 수렴될 수 있다. 이들 경우 모두에서, 감쇠 챔버를 형성하는 벽들은 평행한 것으로 간주되는데, 왜냐하면 완벽한 평행 상태로부터 벗어나는 정도가 비교적 적기 때문이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 통로(24)의 길이 방향 길이의 대부분을 형성하는 벽은, 본체부(28)와 분리되어 본체부에 부착되는 판(36) 형상일 수 있다.

감쇠 챔버(24)의 길이를 변화시키면 다양한 효과를 얻을 수 있다. 본 명세서에서 슈트 길이(35)라고 종종 부르는, 에어 나이프(32)와 출구(34) 사이 부분을 변화시키는 것이 특히 유용하다. 챔버 벽과 축선(26) 사이의 각도를 출구(34) 부근에서 더 넓히면 수집기에서의 섬유의 분포를 변화시킬 수 있다. 또는, 편향면, 코안다 굴곡면 및 불균일한 벽 길이와 같은 구조를 출구에 사용하여, 원하는 대로 섬유를 확산시키거나 그 밖의 분포 상태를 얻을 수 있다. 일반적으로, 간격 폭, 슈트 길이, 감쇠 챔버의 형상 등은 가공되는 재료와 원하는 효과를 얻기 위한 가공 모드를 고려하여 선택된다. 예를 들면, 조제되는 섬유의 결정화도를 증가시키기 위해서는 슈트 길이를 길게 하는 것이 유용할 수 있다. 압출된 필라멘트를 원하는 섬유 형태로 가공하기 위해서 조건들을 선택하고 여러 가지로 변형할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 대표적인 감쇠기(16)의 2개의 측부(16a 및 16b)는, 로드(39) 상에서 활주하는 리니어 베어링(38)에 부착된 마운팅 블록(37)을 통해 각각 지지된다. 리니어 베어링(38)은, 로드(39)를 중심으로 반경 방향으로 배치된 볼 베어링의 축방향으로 연장되는 열과 같은 수단을 통해 로드 상에서 적은 마찰을 일으키며 이동하기 때문에, 2개의 측부(16a 및 16b)가 쉽게 서로에 대하여 원근 방향으로 이동할 수 있다. 마운팅 블록(37)은 감쇠기 본체(28) 및 하우징(40)에 부착되어 있고, 이 하우징을 통해 공기가 공급 파이프(41)으로부터 도관(31) 및 에어 나이프(32)로 분배된다.

본 실시 형태에서, 에어 실린더(43a 및 43b)가 커넥팅 로드(44)를 통해 감쇠기의 측부(16a 및 16b)에 각각 연결되어, 이들 측부를 서로를 향해 압박하는 클램핑력을 인가한다. 이 클램핑력은 감쇠 챔버(24) 내에 존재하는 압력이 균형을 이루도록 그 밖의 작동 파라미터를 고려하여 선택된다. 다시 말하면, 바람직한 작동 상태에서는, 감쇠기 내부의 가스 압력으로 인해 감쇠 챔버 내부에 작용하여 감쇠기의 측부들이 떨어지도록 압박하는 힘과 클램핑력이 균형 또는 평형을 이룬다. 감쇠기의 부품들이 평형 또는 정상 상태 위치에 도달하여 그 위치를 유지하는 동안, 그리고 감쇠 챔버 또는 통로(24)가 평형 또는 정상 상태의 간격 폭에 도달하여 그 간격 폭을 유지하는 동안, 필라멘트 재료가 압출되고 감쇠기를 통과하며 완성된 섬유로서 수집될 수 있다.

도 1 내지 도 3에 도시된 대표적인 장치의 작동 중에, 감쇠기의 측부 또는 챔버 벽의 이동은 시스템에 교란이 있을 때에만 일어나는 것이 일반적이다. 그러한 교란은 처리되는 필라멘트가 끊어지거나 다른 필라멘트 또는 섬유와 엉킬 때 발생할 수 있다. 그러한 끊김 또는 엉킴이 발생하면, 이에 따라서 감쇠 챔버(24) 내의 압력이 종종 상승하게 되는데, 예컨대 이는 엉킨 필라멘트 또는 압출 헤드로부터의 필라멘트의 전방 단부가 확대되어 챔버(24)를 국소적으로 차단하기 때문이다. 압력 상승은 감쇠기 측부 또는 챔버 벽(16a 및 16b)이 서로 멀어지도록 힘을 가하기에 충분한 크기이다. 이러한 챔버 벽의 이동이 일어나면, 유입되는 필라멘트 또는 엉킨 필라멘트가 감쇠기를 통과할 수 있으며, 그렇게 되면 감쇠 챔버(24) 내의 압력이 교란 전의 정상 상태 값으로 돌아오고, 에어 실린더(43)가 발휘하는 클램핑 압력으로 감쇠기 측부가 정상 상태 위치로 복귀된다. 감쇠 챔버의 압력을 상승시키는 그 밖의 교란 상태에는 "액적", 즉 압출되는 필라멘트가 중단될 때 압출 헤드의 출구로부터 떨어지는 섬유 형성 재료의 구형으로 응집된 액체가 있고, 또한 압출된 필라멘트 재료가 축적되어 감쇠 챔버의 벽 또는 이전에 침적된 섬유 형성 재료와 맞닿아 달라붙는 현상이 있다.

실제로, 감쇠기 측부(16a 및 16b) 중 하나 이상이 "부동(浮動)" 상태에 있다. 즉, 어떠한 구조로도 제자리에 고정되지 않는 대신, 도 1에서 화살표 50으로 표시된 방향으로 자유롭고 쉽게 측방향 이동하도록 장착된다. 한 가지 바람직한 실시 형태에서, 마찰과 중력을 제외하고 감쇠기 측부에 작용하는 유일한 힘은, 에어 실린더가 인가하는 편향력과 감쇠기 챔버(24) 내부에 생기는 내부 압력이다. 에어 실린더 외에도 스프링, 탄성 재료의 변형, 캠과 같은 다른 클램핑 수단을 사용할 수 있지만, 에어 실린더는 제어와 변형을 원하는 대로 할 수 있게 해 준다. 본 발명의 또 다른 유용한 장치에서는, 감쇠기 측부 중 하나 또는 양자가, 예를 들면 서보 기구식, 진동식 또는 초음파 구동 장치에 의해 진동 패턴으로 구동된다. 진동 속도는, 예를 들면 적어도 5,000 사이클/분의 속도로부터 60,000 사이클/초의 속도를 포함하는 넓은 범위 내에서 변할 수 있다. 또 다른 변형례에서는, 이동 수단이, 벤추리 공기 흐름에 의해 가공 챔버 내에 생기는 (예를 들면 주위 공기 압력에 대해) 부(負)의 값인 공기 압력 형태를 취한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 실시 형태에서, 감쇠 챔버(24)의 간격 폭(33)은 챔버 내부 압력 또는 챔버를 통과하는 유체의 유량 및 유체 온도와 상호 연관되어 있다. 클램핑력은 감쇠 챔부의 내부 압력과 상응하며 감쇠 챔버의 간격 폭에 따라 변한다. 유체의 유량이 주어졌을 때, 간격 폭이 더 작을수록 감쇠 챔버의 내부 압력이 더 높고, 클램핑력이 더 커야 한다. 클램핑력이 작으면 간격 폭이 더 넓을 수 있다. 기계적 정지부, 예컨대 접촉 구조가 감쇠기 측부(16a 및 16b) 중 하나 또는 양자에 위치하여, 간격 폭을 확실히 최소 또는 최대로 유지하는 데 사용될 수 있다.

한 가지 유용한 구성에서, 에어 실린더(43a)는 예컨대 실린더(43b)에 사용되는 것보다 직경이 더 큰 피스톤의 실린더(43a)를 사용함으로써 실린더(43b)보다 더 큰 클램핑력을 인가한다. 이러한 힘 차이는 작동 중에 교란이 일어났을 때 감쇠기의 측부(16b)가 가장 쉽게 움직이는 측부가 되게 만든다. 상기 힘 차이는 로드(39) 상에서 베어링(38)이 이동하는 것에 저항하는 마찰력과 대략 동일하여 이를 상쇄한다. 액츄에이터 측부(16a)가 감쇠기 측부(16b)를 향해 이동하는 것을 제한하기 위해, 더 큰 에어 실린더(43a)에 제한 수단을 부착할 수 있다. 도 3에 예시된 바와 같은 한 가지 예시적인 제한 수단은 에어 실린더(43a)로서 이중 로드 에어 실린더를 사용한다. 이 이중 로드 에어 실린더에서, 제2 로드(46)는 나사가 형성되어 있고, 장착판(47)을 통해 연장되며, 에어 실린더의 위치를 조정하기 위해 조정될 수 있는 너트(48)가 끼워져 있다. 예컨대 너트(48)를 돌려서 제한 수단을 조정하면 감쇠 챔버(24)가 압출 헤드(10)와 정렬되는 위치로 오게 된다.

전술한 바와 같이, 섬유 형성 작동의 교란 중에 감쇠기의 측부(16a 및 16b)가 순간적으로 분리되고 다시 폐쇄되기 때문에, 섬유 형성 작공의 작동 파라미터가 확장된다. 예컨대, 필라멘트가 끊어지게 만들어 작동을 정지하고 다시 필라멘트가 진행하게 만들어야 했기 때문에 이전에는 공정의 작동을 불가능하게 했던 일부 조건들을 본 발명의 방법과 장치에서는 채택할 수 있게 된다. 필라멘트가 끊어졌을 때, 유입되는 필라멘트의 단부가 자동적으로 다시 진행할 수 있게 되기 때문이다. 예를 들면, 필라멘트가 자주 끊어지게 만드는 고속 조건을 채용할 수 있다. 마찬가지로, 에어 나이프가 더욱 집속되어 감쇠기를 통과하는 필라멘트에 더 큰 힘이 부여되어 속도가 상승하는 좁은 간격 폭 조건도 채용할 수 있다. 또는, 더욱 용융된 상태로 필라멘트를 감쇠 챔버로 도입하여 섬유 특성을 더욱 제어할 수 있는데, 왜냐하면 감쇠 챔버가 막힐 위험이 줄어들기 때문이다. 무엇보다도, 필라멘트가 감쇠 챔버로 들어갈 때 필라멘트의 온도를 제어하기 위해, 감쇠기를 압출 헤드에 더 접근시키거나 그로부터 더 멀어지게 할 수 있다.

비록 감쇠기(16)의 챔버 벽이 단일 구조로 도시되어 있지만, 전술한 부동 이동을 위해 개별 부품이 조립되는 형태를 취할 수도 있다. 하나의 벽을 포함하는 개별 부품들은 밀봉 수단을 통해 서로 맞물려 가공 챔버(24)의 내부 압력을 유지한다. 다른 구조에서는, 고무나 플라스틱과 같은 재료의 가요성 시트가 가공 챔버(24)의 벽을 형성하여, (예를 들면, 필라멘트 한 가닥 또는 필라멘트 다발이 끊어져서 막힘에 따라) 압력이 국소적으로 상승하는 경우에 챔버가 국소적으로 변형될 수 있다. 일련의 편향 수단 또는 편향 수단의 그리드가 가요성 벽과 맞물릴 수 있다. 또한, 국소적인 변형에 대응하고, 벽의 변형된 부분을 변형되지 않은 위치로 다시 편향시키기에 충분한 편향 수단이 사용된다. 대안으로서, 일련의 진동 수단 또는 진동 수단의 그리드가 가요성 벽과 맞물려 벽의 국소적인 부위를 진동시킬 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바람직한 실시 형태에서, 챔버의 횡방향 길이의 단부에는 측벽이 없다는 것을 이해할 것이다. 그 결과, 챔버를 통과하는 섬유가 챔버의 출구에 접근할 때, 챔버 외부에서 바깥쪽으로 확장될 수 있다. 그러한 확장은 수집기에 수집된 섬유체를 펼치기 위해 필요할 수 있다. 다른 실시 형태에서는, 비록 챔버의 한쪽 횡방향 단부에 있는 단일 측벽이 챔버 측부(16a 및 16b) 모두에 부착되지 않지만, 가공 챔버가 측벽을 포함하는데, 왜냐하면 챔버의 양 측부에 부착되면 전술한 바와 같이 측부가 분리되는 것이 방지되기 때문이다. 대신, 한쪽 챔버 측부에 측벽이 부착되어, 그 측부가 통로 내의 압력에 응답하여 이동하면 상기 측벽이 그 측부와 함께 이동할 수 있다. 다른 실시 형태에서는 측벽이 분할되어, 한 부분은 한쪽 챔버 측부에 부착되고 나머지 부분은 타방의 챔버 측부에 부착되며, 가공된 섬유의 흐름을 가공 챔버 내로 한정시킬 필요가 있을 때에는 이들 측벽 부분이 중첩되는 것이 바람직하다.

본 발명의 방법 및 장치로 섬유를 제조하기 위해서는 매우 다양한 섬유 형성 재료를 사용할 수 있다. 유리나 세라믹 재료와 같은 무기 재료, 또는 유기 폴리머 재료를 사용할 수 있다. 비록 본 발명이 용융 형태의 섬유 형성 재료에 특히 유용하지만, 용액이나 현택액과 같은 다른 섬유 형성 액체도 사용할 수 있다. 폴리에틸렌, 폴리프로펠렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 나일론 및 우레탄과 같이 섬유 형성에 흔히 사용되는 폴리머를 포함하여 임의의 섬유 형성을 위한 유기 폴리머 재료를 사용할 수 있다. 사이클릭 올레핀(용융 점도가 높아 종래의 직접 압출법에서 사용 범위가 제한됨), 블록 코폴리머, 스티렌계 폴리머, 그리고 접착제(감압 접착제류 및 고온 용융 접착제류를 포함)와 같은 비정질 폴리머를 비롯하여, 스펀본드법이나 멜트블로운법으로는 섬유로 형성하기가 더 어려운 일부 폴리머 또는 재료도 사용할 수 있다. 이러한 구체적인 폴리머 목록은 예시일 뿐이며, 그 밖에도 매우 다양한 폴리머 또는 섬유 형성 재료를 사용할 수 있다. 흥미롭게도, 용융 폴리머를 사용하는 본 발명의 섬유 형성 공정은 전통적인 직접 압출법보다 낮은 온도에서도 종종 행할 수 있으며, 이는 많은 잇점을 가져온다.

안료나 염료와 같은 첨가제를 배합한 재료를 비롯한 재료의 배합물로부터 섬유를 형성할 수도 있다. 코어-시스(core-sheath) 또는 병렬(side-by-side) 이성분 섬유와 같은 이성분 섬유를 조제할 수 있다(여기서 "이성분"이라 함은 성분이 3종 이상인 섬유를 포함함). 또한, 섬유의 혼합물을 포함하는 웹을 조제하기 위해 압출 헤드의 상이한 오리피스를 통해 상이한 섬유 형성 재료가 압출될 수 있다. 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 배합된 웹을 조제하기 위해 섬유가 수집되기 전에 또는 섬유가 수집될 때, 본 발명에 따라 조제되는 섬유 흐름 내로 다른 재료가 도입된다. 예를 들면, 미국 특허 제4,118,531호에 개시된 방법 대로 다른 스태이플 섬유가 배합되거나, 미국 특허 제3,971,373호에 개시된 방법 대로 입자 재료가 도입되어 웹 내에 포획되거나, 미국 특허 제4,813,948호에 개시된 마이크로웹이 웹 내로 배합될 수 있다. 대안으로서, 본 발명에 의해 조제된 섬유를 다른 섬유의 흐름 내로 도입하여 섬유 배합물을 조제할 수 있다.

본 발명의 섬유 형성 공정을 제어함으로써 다양한 효과와 다양한 형태의 웹을 얻을 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 공정을 제어하여 (예를 들면, 가공 챔버를 압출 헤드에 대하여 원근 방향으로 이동시킴으로써, 또는 냉각 유체의 체적 또는 온도를 증감시킴으로써) 가공 챔버로 들어가는 필라멘트의 응고 상태를 제어할 수 있다. 어떤 경우에는, 섬유 형성 재료가 압출된 필라멘트의 적어도 대부분이 가공 챔버로 들어가기 전에 응고된다. 그러한 응고는 가공 챔버 내에서 필라멘트와 충돌하는 공기의 작용의 속성 및 필라멘트 내에서의 효과를 변화시키고, 수집되는 웹의 속성을 변화시킨다. 본 발명의 다른 공정에서는, 필라멘트의 적어도 대부분이 가공 챔버로 들어간 후에 응고되도록 공정이 제어되며, 이 때 그 필라멘트는 가공 챔버 내에서 응고되거나 가공 챔버에서 나온 뒤 응고될 수 있다. 때로는 필라멘트 또는 섬유의 적어도 대부분이 수집된 뒤에 응고되도록 공정이 제어되어, 섬유가 충분히 용융되므로, 수집되었을 때 여러 섬유 교차점에 달라붙을 수 있다.

공정을 변화시킴으로써 광범위한 웹 특성을 얻을 수 있다. 예를 들면, 섬유 형성 재료가 감쇠기에 도달하기 전에 거의 응고되었을 때에는, 웹이 더욱 로프티(lofty)해져서 섬유간 결합이 거의 또는 전혀 나타나지 않게 된다. 이에 반하여, 섬유 형성 재료가 감쇠기에 들어갈 때에도 여전히 용융 상태에 있으면, 수집될 때에도 섬유가 연화 상태에 있어 섬유간 결합이 발생한다.

본 발명은, 압출된 필라멘트 재료의 1차 감쇠라는 본 발명의 가공 챔버의 전형적인 역할과 동일한 역할을 하는 가공 챔버를 사용하는 종래의 직접 웹 형성 공정에서는 불가능한 것으로 알려져 있는 매우 빠른 속도로 필라멘트가 가공될 수 있다는 잇점이 있다. 예를 들면, 그러한 가공 챔버를 사용하는 공정으로는 폴리프로필렌을 8,000 m/분의 겉보기 필라멘트 속력으로 가공할 수 없다고 알려져 있지만, 본 발명에서는 그러한 겉보기 필라멘트 속력이 가능하다(겉보기 필라멘트 속력이란 용어를 쓴 이유는 속력이, 예컨대 폴리머 유량, 폴리머 밀도 및 평균 섬유 직경으로부터 계산되기 때문임). 더 빠른 겉보기 필라멘트 속력, 예컨대 10,000 m/분 또는 심지어 14,000 또는 18,000 m/분을 얻었으며, 다양한 범위의 폴리머를 사용하여 이러한 속력을 얻을 수 있다. 또한, 압출 헤드의 각 오리피스마다 대량의 폴리머를 가공할 수 있으며, 압출된 필라멘트를 고속으로 이동시킴과 동시에 그러한 대량의 폴리머를 가공할 수 있다. 이 조합은 생산성 지수를 향상시키는데, 여기서 생산성 지수라 함은 폴리머 처리 속도(예를 들면, 각 오리피스마다 분당 그램으로 나타낸 양)과 압출된 필라멘트의 겉보기 속도(예를 들면, m/분)를 곱한 값이다. 본 발명의 공정은 평균 직경이 20 ㎛ 이하인 필라멘트를 생산하면서도 9,000 이상의 생산성 지수를 쉽게 얻을 수 있다.

섬유 형성 공정에 부속된 공정으로서 종래에 사용되었던 다양한 공정을, 감쇠기로 들어가거나 그로부터 빠져나올 때의 필라멘트와 관련하여 사용할 수 있으며, 그러한 공정으로는 필라멘트에 마무리 재료나 그 밖의 재료를 분사하는 것, 필라멘트에 정전하를 인가하는 것, 물 연무를 도포하는 것 등이 있다. 또한, 결합제, 접착제, 마무리 재료, 그리고 기타 웹 또는 필름을 비롯한 다양한 재료를 수집된 웹에 첨가할 수 있다.

비록 반드시 그럴 필요는 없는 것이 보통이지만, 종래의 멜트블로잉법에서 사용되는 방식에 따라 필라멘트에 압출 헤드로부터 일차 가스류를 송풍할 수도 있다. 그러한 일차 가스류는 필라멘트에 초기 감쇠 및 연신 작용을 한다.

본 발명에 따라 조제된 섬유는 직경이 다양할 수 있다. 미소 섬유 크기(직경이 약 10 ㎛ 이하)를 얻을 수 있어 여러 잇점이 있다. 그러나, 직경이 더 큰 섬유도 얻을 수 있어서 일부 용도에 유용하다. 섬유의 직경은 20 ㎛ 이하인 것이 보통이다. 횡단면이 원형인 섬유가 조제되는 것이 거의 일반적이지만, 다른 횡단면 형상도 사용할 수 있다. 감쇠기에 들어가기 전에 용융 상태로부터 응고되는 정도와 같은 선택된 작동 파라미터에 따라, 수집된 섬유가 다소 연속적이거나 거의 불연속적일 수 있다. 섬유 내에서의 폴리머 체인의 배향은, 감쇠기로 들어가는 필라멘트가 응고되는 정도, 에어 나이프에 의해 감쇠기로 도입되는 공기류의 속도 및 온도, 그리고 감쇠기 통로의 축방향 길이, 간격 폭 및 형상(왜냐하면, 예컨대 형상이 벤추리 효과에 영향을 주기 때문)과 같은 작동 파라미터의 선택에 따라 영향 받을 수 있다.

독특한 섬유 및 섬유 특성, 그리고 독특한 섬유 웹을 본 발명에 의해 얻게 된다. 예를 들면, 일부 수집된 웹에서는 중단된 섬유, 즉 끊어진 섬유, 또는 자체나 다른 섬유와 엉킨 섬유, 아니면 가공 챔버의 벽과 맞물림으로써 변형된 섬유가 발견된다. 중단 위치에 있는 섬유 세그먼트, 즉 섬유가 끊어진 지점에 있는 섬유 세그먼트와 엉킴이나 변형이 생긴 섬유 세그먼트를 본 명세서에서는 중단 섬유 세그먼트라고 부르며, 흔히 "섬유 단부"라고 약칭한다. 이러한 중단 섬유 세그먼트는 아무런 영향을 받지 않은 긴 섬유의 단말 또는 단부를 형성하며, 비록 엉킴이나 변형이 일어나는 경우라도 섬유가 실제로 끊어지거나 절단되는 일은 별로 없다. 섬유 단부는 (벨트블로잉법이나 기타 종래의 방법에서 종종 얻을 수 있는 구형과는 달리) 섬유 형태를 갖지만, 직경이 섬유의 중간부를 초과하여 확대되는 일이 종종 있다. 보통은 섬유 단부의 직경이 300 ㎛ 미만이다. 종종 섬유 단부, 특히 끊어진 단부는 꼬인 형상 또는 나선 형상으로 되어 있어, 자신과 엉키거나 다른 섬유와 엉키게 된다. 그리고, 예를 들면 섬유 단부의 재료가 인접한 섬유의 재료와 자발적으로 합체됨으로써 섬유 단부가 다른 섬유와 나란히 결합될 수 있다.

도 4는 실시예 5에서 조제된 폴리프로필렌 섬유 웹의 150 배율 주사 전자 현미경 사진이다. 도시된 바와 같이, 웹은 섬유 단부(52)를 포함하며, 이 섬유 단부 는 비록 섬유 형태이지만 중간부(53)보다 직경이 크다. 중단 섬유 세그먼트 또는 섬유 단부는 소량 발생하는 것이 일반적이다. 섬유의 대부분은 영향을 받지 않는다(본 명세서에서는 섬유 중에서 영향을 받지 않은 주요부를 "중간부"라 약칭함). 또한, 중단은 고립되어 있고 무작위적이다. 즉, 일정하게 반복되거나 미리 정해진 방식으로 생기지 않는다.

전술한 섬유 단부는, 개별 섬유 형성에서 끊어짐과 중단이 생기더라도 계속되는 본 발명의 섬유 형성 공정의 독특한 특징 때문에 생긴다. 그러한 섬유 단부는 본 발명의 수집된 웹 모두에서 생기지는 않을 수 있지만, 적어도 일부의 유용한 작동 공정 파라미터에서는 발생한다(예를 들면, 압출된 필라멘트가 가공 챔버로 들어가기 전에 섬유 형성 재료가 고도로 응고되었을 경우에는 발생하지 않을 수 있다). 개별 섬유에 중단이 생길 수 있다. 예를 들면, 가공 챔버에서 연신되는 중에 끊어질 수 있고, 아니면 가공 챔버의 벽으로부터 편향된 결과, 또는 가공 챔버 내부의 난류로 인하여, 여전히 용융된 상태에서 자신이나 다른 섬유와 엉킬 수 있다. 그러나, 이러한 중단에도 불구하고 본 발명의 섬유 형성 공정은 계속된다. 그 결과, 수집된 웹에 현저히 많은 수의 섬유 단부 또는 중단 섬유 세그먼트(즉, 섬유에 불연속부가 있는 부분)가 포함된다. 섬유가 보통 연신력을 받는 가공 챔버 내부나 가공 챔버를 지나서 중단이 일어나는 것이 보통이기 때문에, 섬유에 장력이 인가되어 끊어지거나 엉키거나 변형된다. 그러한 끊어짐이나 엉킴은 일반적으로 장력이 중단되거나 더 이상 작용하지 않게 하여, 섬유 단부가 수축되어 직경이 증가한다. 또한, 끊어진 단부는 가공 챔버에서 유체 흐름 속을 자유롭게 이동하며, 이는 적어도 일부의 경우에 단부가 나선으로 감겨서 다른 섬유와 엉키게 만든다.

도 4에 도시된 부분(52 및 53)과 같은 섬유 단부 및 중간부를 비교 분석하게 되면, 단부와 중간부 사이에 상이한 형태가 나타나는 것이 보통이다. 섬유 단부 내의 폴리머 체인은 보통 배향되어 있지만, 중간부에서와 같은 정도로 배향되어 있지는 않다. 이러한 배향 정도의 차이는 결정화도의 비율과 결정의 종류 또는 그 밖의 형태적 구조에 차이를 가져올 수 있다. 그리고, 이러한 차이는 상이한 특성으로 반영된다.

도 5 및 도 6은 실시예 27 및 29에서 각각 조제된 PET 웹의 대표적인 섬유 및 섬유 단부에 대해 시차 주사 열량법(DSC)에 의해 얻은 선도를 도시한 것이다. 실선은 섬유의 중간부를 나타내고 점선은 섬유 단부를 나타낸다. 실선에는 2개의 용융 피크가 나타나 있는데, 도 5에서는 점 55 및 56이 이에 해당하고, 도 6에서는 점 55' 및 56'이 이에 해당한다. 고온 피크(55 및 55')는 체인 연장형 또는 변형 유도식 결정 부분의 융점을 나타내고, 나머지 피크(56 및 56')는 비체인 연장형의, 또는 질서도(order)가 낮은 결정 부분의 융점을 나타낸다(여기서 "피크"라 함은 가열 곡선 중 단일 공정으로부터 기인한다고 할 수 있는 부분을 의미하며, 그러한 체인 연장형 부분과 같은 섬유의 특정 분자 부분의 용융을 예로 들 수 있다. 종종 피크들은 서로 충분히 인접해 있어서, 한 피크가 다른 피크를 정의하는 곡선의 어깨부처럼 보일 수 있지만 여전히 분리된 피크로 간주되는데, 왜냐하면 이들 피크는 구별된 몰분율의 융점을 나타내기 때문이다). 일반적으로, 체인 연장형 결정 부분이 존재한다는 것은 섬유가 인장 강도, 내구성 및 치수 안정성과 같은 우수한 특성을 갖추었다는 것을 의미한다.

실선과 점선을 비교한 결과, 테스트 샘플에서 점선으로 나타낸 섬유 단부는 섬유의 중간부보다 융점이 낮다는 것을 알 수 있으며, 그러한 융점의 차이는 중간부와 단부가 결정 구조 및 배향이 다르기 때문이다. 또한, 테스트 샘플에서 섬유 단부는 냉결정화 피크(도 5 및 도 6에서 점 57 및 57'이 각각 해당함. 가열되었을 때 비정질 또는 반결정 재료가 결정화되는 것을 냉결정화라고 부름)가 더 높으며, 이는 섬유 단부가 중간부보다 비정질 또는 반결정 재료를 더 많이 함유하고, 질서도가 높은 결정질 재료를 더 적게 함유한다는 것을 의미한다. 중간부는 피크 58 및 58'에서 냉결정화를 나타내지만, 섬유 단부보다 더 넓고 상이한 온도 범위에 걸쳐 나타난다.

섬유 단부와 중간부 사이의 유리 전이 온도(T_g)의 차이도 열분석 중에 나타난다. 이 차이는 도 7 및 도 7a에 더 명확히 드러나 있는데, 이들 도면은 또 다른 샘플, 즉 실시예 16에 대해 중간부(실선)와 단부(점선)를 나타낸 선도이며, 도 7a는 선도 중 T_g가 발생한 부분의 확대도이다. 중간부, 즉 점 59에 대한 T_g는 9.74℃ㅇ인 반면, 단부, 즉 점 60에 대한 T_g는 -4.56℃이다.

일반적으로, 본 발명에 따라 조제된 섬유의 중간부 및 단부를 적절히 교정된 시차 주사 열량법(DSC)으로 평가하면, 섬유의 단부와 중간부는 이들 내부에서 작용하는 메커니즘의 차이로 인하여 적어도 시험 기구의 분해능(0.1 ℃) 단위에서 공통 열전이 중 하나 이상이 서로 다르다. 예를 들면, 실험적 관찰이 가능할 때, 열전이는 다음과 같이 다를 수 있다. 1) 중간부의 유리 전이 온도(T_g)가 단부보다 약간 높을 수 있고, 이 차이는 섬유 중간부의 결정 함량 또는 배향이 증가하면 감소할 수 있다. 2) 관찰 시에, 냉결정화 개시 온도(T_c)와 냉결정화 중에 측정되는 피크 구역은 섬유 단부보다 중간부가 더 낮다. 마지막으로, 3) 섬유 중간부의 용융 피크 온도(T_m)는 단부에 대해 관찰된 T_m 이상으로 상승하거나, 다중 흡열 최소값(즉, 예컨대 결정 구조의 질서도가 다른 상이한 분자 부분에 대해 상이한 융점을 나타내는 다중 용융 피크)를 보이며 복잡한 속성을 나타낸다. 이 때, 섬유의 중간부의 하나의 분자 부분은 섬유 단부의 분자 부분보다 더 높은 온도에서 용융된다. 섬유의 단부와 중간부는 유리 전이 온도, 냉결정화 온도 및 융점과 같은 하나 이상의 파라미터에서 적어도 0.5 또는 1℃ 차이가 나는 것은 매우 흔하다.

섬유 단부가 확대된 섬유를 포함하는 웹은, 섬유 단부가 웹의 결합을 강화하기에 적합한 연화가 용이한 재료를 포함할 수 있고, 나선 형상이 웹의 응집성을 향상시킬 수 있다는 잇점이 있다.

실시예

도 1에 도시된 장치를 사용하여, 표 1에 요약된 바와 같이 여러 상이한 폴리머로부터 섬유를 조제하였다. 후술하는 바와 같이 장치의 구체적인 부품과 작동 조건을 변화시켰으며, 이에 대해서도 표 1에 요약되어 있다. 표 1에는 조제된 섬유의 특징도 기재되어 있다.

폴리프로필렌으로부터 실시예 1-22 및 42-43을 조제하였다. 실시예 1-13은 용융 흐름 지수(MFI)가 400인 폴리프로필렌(Exxon 3505G)으로 조제하였으며, 실시예 14는 MFI가 30인 폴리프로필렌(Fina 3868)으로, 실시예 15-22는 MFI가 70인 폴리프로필렌(Fina 3860)으로, 실시예 42-43는 MFI가 400인 폴리프로필렌(Fina 3960)으로 조제하였다. 폴리프로필렌의 밀도는 0.91 g/cc였다.

실시예 23-32 및 44-46은 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 조제하였고, 실시예 23-26, 29-32 및 44는 고유 점성(IV)이 0.61인 PET(3M 651000)로, 실시예 27은 IV가 0.36인 PET로, 실시예 28은 IV가 0.9인 PET(Dupont Polymers사가 Crystar 0400으로 공급하는 고강도 스피닝 섬유로서 유용한 고분자량 PET)로, 그리고 실시예 45 및 46은 PETG(루이지아나주 배튼 루지에 소재하는 Paxon Polymer사 제조 AA45-004)로 조제하였다. PET의 밀도는 1.35였고 PETG의 밀도는 대략 1.30이었다.

실시예 33 및 41은 MFI가 130이고 밀도가 1.15인 나일론 6 폴리머(BASF사의 Ultramid PA6B-3)로 조제하였다. 실시예 34는 MFI가 15.5이고 밀도가 1.04인 폴리스티렌(Nova Chemicals사의 Crystal PS 3510)으로 조제하였다. 실시예 35는 MFI가 37이고 밀도가 1.2인 폴리우레탄(Morton PS-440-200)으로 조제하였다. 실시예 36은 MFI가 30이고 밀도가 0.95인 폴리에틸렌(Dow 6806)으로 조제하였다. 실시예 37은 13%의 스티렌과, MFI가 8이고 밀도가 0.9인 에틸렌 부틸렌 코폴리머(Shell Kraton G1657)를 87% 포함하는 블록 코폴리머로 조제하였다.

실시예 38은 이성분 코어-시스 섬유이며, 그 코어(89 중량%)는 실시예 34에서 사용된 폴리스티렌이고, 시스(11 중량%)는 실시예 37에서 사용된 코폴리머였다. 실시예 39는 폴리에틸렌(MFI가 30인 Exxon Chemicals사의 Exxact 4023) 36 중량%와 감압 접착제 64 중량%로 조제된 병렬 이성분 섬유였다. 상기 접착제는 92 중량%의 이소옥틸라크릴레이트, 4 중량%의 스티렌, 그리고 4 중량%의 아크릴산으로 이루어진 삼중합체를 포함하였고, 고유 점성이 0.63이었으며, Bonnot 접착제 압출기를 통해 공급하였다.

실시예 40에서는 각 섬유가 단성분이었지만, 상이한 2종의 폴리머 조성, 즉 실시예 36에 사용된 폴리에틸렌과 실시예 1-13에 사용된 폴리프로필렌으로 이루어진 섬유를 사용하였다. 압출 헤드에는 오리피스가 4열로 배치되었으며, 각 열에는 오리피스가 42개 위치하였다. 압출 헤드에 대한 공급은, 2종의 폴리머 하나씩을 같은 열에 있는 인접한 오리피스로 A-B-A...패턴을 이루면서 공급하도록 이루어졌다.

실시예 47에서는 실시예 39의 이성분 중 하나의 성분으로 사용된 감압 접착제만을 사용하여 섬유 웹을 조제하였고, Bonnot 접착제 압출기를 사용하였다.

실시예 42 및 43에서는, 감쇠기의 가동 측부 또는 벽을 편향시키기 위해 사용되었던 에어 실린더를 코일 스프링으로 대체하였다. 실시예 42에서는 작동 중에 스프링이 각 측부 상에서 9.4 mm 편향되었다. 스프링의 스프링 상수는 4.38 N/mm였으며, 따라서 각 스프링에 의해 인가되는 클램핑력은 41.1 N이였다. 실시예 43에서는, 스프링이 각 측부 상에서 2.95 mm 편향되었으며, 스프링 상수가 4.9 N/mm였고, 클램핑력은 14.4 N이었다.

실시예 44에서는 압출 헤드가 멜트블로잉 다이였으며, 0.38 mm 직경의 오리피스가 중심간 간격 1.02 mm로 배열되었다. 오리피스의 열은 길이가 101.6 mm였다. 온도 370 ℃의 1차 멜트블로잉 공기를 각 오리피스 열의 측부 상에서 폭 203 mm의 에어 나이프를 통해서, 조합된 2개의 이들 에어 나이프에 대해 0.45 m³/분(CMM)의 속도로 도입하였다.

실시예 47에서는, 약 200 사이클/초로 진동하는 공압 회전식 볼 진동기를 가동 감쇠기 측부 또는 벽에 각각 연결하였다. 에어 실린더는 압출 헤드 아래의 제자리에서 감쇠 챔버와 정렬된 상태로 유지되었고, 압력이 상승하여 측부들이 떨어진 경우에 감쇠기 측부를 원위치로 복귀시킬 수 있었다. 이 실시예의 작동 중에, 진동기가 작동하고 있을 때에는 작동하지 않는 때보다 감압 접착제가 감쇠기 벽에 더 적게 달라붙었다. 실시예 7 및 37에서는 클램핑력이 제로였지만, 교란이 발생한 후에는 벤추리 공기 흐름에 의해 가공 챔버에 형성된 대기압 미만의 공기 압력이 가동 측부 벽을 원위치로 복귀시켰다.

각 실시예에서, 섬유로 형성된 폴리머를 표 1에 제시된 온도[압출기(12) 중 펌프(13)로의 출구 부근에서 측정된 온도]로 가열하였으며, 이 온도에서 폴리머가 용융되었고, 용융된 폴리머를 표에 제시된 속도로 압출 오리피스로 공급하였다. 압출 헤드에는 전체적으로 오리피스의 열이 4개이지만, 한 열에서 있는 오리피스의 개수, 오리피스의 직경, 그리고 오리피스의 길이 대 직경의 비는 표에 제시된 대로 변화시켰다. 실시예 1-2, 5-7, 14-24, 27, 29-32, 34 그리고 36-40에서는 각 열에 오리피스가 42개 있어서 총 168개의 오리피스가 배열되었다. 실시예 44를 제외한 나머지 실시예에서는 각 열에 오리피스가 21개 있어서 총 84개의 오리피스가 배열되었다.

감쇠기 파라미터도 표에 기재된 바와 같이 변화시켰는데, 이 감쇠기 파라미터에는, 에어 나이프 간격(도 2에서 치수 30); 감쇠기 본체 각도(도 2에서 α); 감쇠기를 통과하는 공기의 온도; 냉각 공기 속도; 에어 실린더에 의해 감쇠기에 인가되는 클램핑 압력 및 힘; 감쇠기를 통과하는 공기의 전체 체적[실제 m³/분(ACMM) 단위로 주어지며, 제시된 체적의 대략 절반이 각 에어 나이프(32)를 통과하였음]; 감쇠기의 상단 및 하단에서의 간격(도 2에서 치수 33 및 34가 각각 이에 해당함); 감쇠기 슈트의 길이(도 2에서 치수 35); 다이의 출구 엣지로부터 감쇠기까지의 거리(도 2에서 치수 17); 그리고 감쇠기 출구로부터 수집기까지의 거리(도 2에서 치수 21)가 포함된다. 에어 나이프는 횡방향[도 3에서 슬롯의 길이(25) 방향] 길이가 약 120 mm였고, 에어 나이프를 위한 오목부가 형성되어 있는 감쇠기 본체(28)는 횡방향 길이가 약 152 mm였다. 감쇠기 본체에 부착된 벽(36)의 횡방향 길이는 다양하다. 실시예 1-5, 8-28, 33-35, 그리고 37-47에서는 벽의 횡방향 길이가 254mm였고, 실시예 6, 26, 29-32, 그리고 36에서는 약 406 mm, 그리고 실시예 7에서는 약 152 mm였다.

산 안토니오에 소재한 텍사스 대학교 보건 과학 센터에서 개발한 윈도우용 이미지 분석 프로그램 UTHSCSA IMAGE 버전 1.28(1995-97 등록상표)을 사용하여, 주사 전자 현미경 사진으로부터 획득한 디지털 이미지로부터 측정한 평균 섬유 직경을 비롯한, 수집된 섬유의 특성을 제시하고 있다. 섬유의 크기에 따라 500 내지 1000 배율로 이미지를 사용하였다.

수집된 섬유의 겉보기 필라멘트 속력은 다음 식으로부터 계산된다.

여기서, M은 오리피스당 폴리머 유량(g/m³ 단위),

ρ는 폴리머 밀도,

d_f는 측정된 평균 섬유 직경(m 단위)이다.

단일의 섬유를 확대 하에 분리해 내어 종이 프레임에 장착함으로써 섬유의 강도 및 파단 연신율을 측정하였다. ASTM D3822-90에 요약되어 있는 방법에 따라 섬유의 파단 강도를 측정하였다. 8개의 상이한 섬유를 사용하여 평균 파단 강도 및 평균 파단 연신율을 결정하였다. 섬유 직경 및 폴리머 밀도로부터 계산된 섬유의 평균 파단 강도 및 평균 데니어로부터 강도를 계산하였다.

섬유 단부, 즉 끊어짐 또는 엉킴 형태로 중단이 발생한 섬유 세그먼트를 포함하는 부분과, 섬유 중간부, 즉 섬유 중 영향을 받지 않은 주요부를 포함하는 부분이 포함되도록 조제된 웹으로부터 샘플을 절단하였다. 그리고, 그 샘플에 시차 주사 열량법으로 분석을 실시하였다. 구체적으로는, 델라웨어주 뉴캐슬에 소재하는 TA Instruments사가 공급하는 Model 2920 장치를 이용하는 Modulated DSC^TM을 사용하여 4℃/분의 가열 속도 및 ±0.636℃의 교란 진폭으로 60초 동안 실시하였다. 섬유 단부와 중간부 모두에 대해 융점을 측정하였으며, 섬유의 중간부와 단부에 대한 DSC 선도에 나타난 최대 융점 피크를 표 1에 기재하였다.

비록 일부 경우에는 융점과 관련하여 중간부와 단부 사이에 차이점이 검출되지 않았지만, 유리 전이 온도와 같은 다른 차이는 이들 실시예에서 종종 관찰되었다.

섬유의 중간부와 단부의 샘플에 X선 산란 분석도 실시하였다. Bruker 미세산란계(위스콘신주 매디슨에 소재하는 Bruker AXS사 공급), 구리 K_α 방사, 그리고 산란된 방사의 HI-STAR 2D 위치 감지 디텍터 기록을 사용하여 데이터를 수집하였다. 상기 산란계에는 300 ㎛ 콜리메이터와 흑연 입사 빔 모노크로메이터를 장착하였다. X선 발생 장치는 50 kV 및 100 mA의 설정으로 작동하는 회전형 애노드면으로 이루어졌으며 구리 타겟을 사용하였다. 디텍터를 0도(2θ)로 중심에 위치시켜 전송 형상(transmission geometry)을 이용하여 60분간 데이터를 수집하였다. Bruker GADDS 데이터 분석 소프트웨어를 사용하여 디텍터의 민감도 및 공간적 불균일성에 대해 샘플을 교정하였다. 교정된 데이터를 방위각에 대해 평균내고, 산란각(2θ) 및 강도치의 x-y 쌍으로 환원시킨 후, 데이터 분석 소프트웨어 ORIGIN^TM(매사추세츠주 노스햄프턴에 소재하는 Microcal Software사 공급)를 사용하여 프로파일 피팅을 실시함으로써 결정화도를 평가하였다.

가우스 피크 형상 모델을 채택하여 개별적인 결정 피크 및 비정질 피크 기여를 설명하였다. 일부 데이터 세트의 경우에는 단일의 비정질 피크가 전체의 비정질 산란 강도를 적절하게 나타내지 못했다. 이러한 경우에는, 추가의 넓은 최대치들을 이용하여 관찰된 비정질 산란 강도를 완전히 나타낼 수 있게 했다. 6 내지 36도(2θ)의 산란각 범위에서 전체 산란된 피크 구역(결정질 + 비정질)에 대한 결정 피크 구역의 비로서 결정화도 지수를 계산하였다. 단위값은 100% 결정화도를 의미하고 제로값은 완전 비정질 재료임을 의미한다. 계산된 값들을 표 1에 기재하였다.

폴리프로필렌으로 제조된 웹의 5 가지의 실시예, 즉 실시예 1, 3, 13, 20 및 22에 대한 X선 분석 결과 중간부와 단부 사이에 차이가 나타났는데, 단부는 5.5Å에서 측정된 베타 결정 형태를 포함하였다.

다이 오리피스의 횡단면적을 (평균 섬유 직경으로부터 계산되는) 완성된 섬유의 횡단면적으로 나누어 연신 면적비를 결정하였다. 생산성 지수도 계산하였다.

Claims (31)

1. a) 섬유 형성 재료의 필라멘트를 압출하는 단계와,

   b) 상기 필라멘트를 가공 챔버로 통과시키는 단계로서, 상기 가공 챔버는 2개의 평행한 벽에 의해 형성되고, 이들 벽 중 적어도 하나는 순간적으로 타방의 벽에 대하여 원근 방향으로 이동할 수 있고 필라멘트가 통과하는 동안에 순간적인 이동을 제공하도록 이동 수단의 작용을 받으며, 상기 필라멘트가 상기 가공 챔버를 통과하는 공정은 상기 벽의 순간적인 이동 중 중단되지 않고 계속되어 균일한 웹이 상기 벽의 이동 중에 수집될 수 있는 것인 단계와,

   c) 상기 가공된 필라멘트를 수집하는 단계

   를 포함하는 섬유 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 이동 수단은 이동 가능한 적어도 하나의 상기 벽을 타방의 벽을 향해 탄성적으로 편향시키는 편향 수단을 포함하고, 이 편향 수단이 제공하는 편향력은 상기 가공 챔버 내의 압력과 그 편향력 사이에 동적 평형 상태를 형성하여, 상기 벽이 상기 가공 챔버 내의 압력 상승에 응답하여 타방의 벽으로부터 멀어지는 방향으로 이동하지만, 상기 가공 챔버 내의 압력이 원래의 값으로 돌아오면 상기 편향력에 의해 신속히 평형 위치로 복귀하는 것을 특징으로 하는 섬유 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 이동 수단은 상기 가공 챔버의 벽에 축적될 수 있는 압출물이 떨어져 나가도록, 이동 가능한 적어도 하나의 상기 벽을 빠른 속도로 진 동시키는 진동 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 적어도 8,000 m/분의 겉보기 필라멘트 속력으로 섬유가 수집되는 것인 섬유 제조 방법.
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