KR101035480B1 - 표면 변형된 이성분 중합체 섬유 - Google Patents

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다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 증가된 표면 조도를 갖는 이성분 섬유를 제공한다. 섬유는 제1 중합체 및 복합재를 포함하며, 여기서 복합재는 섬유 표면의 적어도 일부를 형성하는 층을 형성한다. 복합재는 제2 중합체 및 충전제에 의해 형성되며, 여기서 충전제의 평균 입자 크기는 복합재에 의해 형성된 층의 두께보다 크다. 섬유는 원형, 난형, 삼엽, 삼각형, 견골형, 편평 또는 중공 형상 및 대칭 또는 비대칭 시쓰/코어 또는 병렬식 배위를 가질 수 있다. 섬유가 시쓰/코어 배위를 갖는 경우, 복합재는 시쓰를 형성할 수 있으며, 충전제의 평균 입자 크기는 시쓰의 두께보다 크다.
이성분 중합체 섬유, 표면 조도, 시쓰/코어 배위

Description

표면 변형된 이성분 중합체 섬유 {SURFACE MODIFIED BI-COMPONENT POLYMERIC FIBER}
본 발명은 일반적으로 섬유 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 증가된 표면 조도 및 개선된 촉감을 갖는 합성 섬유에 관한 것이다.
많은 형태의 섬유 및 직물이 열가소성 물질로부터 제조되고 있다. 섬유 및 직물의 특성은 적어도 부분적으로, 이들을 구성하는 중합체(들) 및 이들의 제조 방법의 함수이다. 대표적인 이들 다양한 중합체, 섬유 및 직물 유형, 및 섬유 및 직물의 제조 방법은 미국 특허 4,076,698호, 4,644,045호, 4,830,907호, 4,909,975호, 4,578,414호, 4,842,922호, 4,990,204호, 5,112,686호, 5,322,728호, 4,425,393호, 5,068,141호 및 6,190,768호에 기재되어 있으며, 이들 각각은 전문이 본원에 참고문헌으로 도입된다.
광물질 첨가제는 이롭게는 열가소성 물질로부터 제조된 섬유의 특성에 영향을 미치는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 4,254,182호에서 섬유는 10 내지 200 밀리마이크론 범위의 크기의 실리카를 혼입함으로써 제조된다. 그 후, 실리카는 섬유로부터 추출되어, 섬유에서의 표면 불규칙부 또는 오목부를 형성한 다. 결과로서, 유효 섬유 표면적 및 마찰 계수가 증가될 수 있으며, 이는 매끄러움, 왁스성 느낌, 광택성 외관 및 섬유의 색심도의 지각을 감소시킬 수 있다.
광물질은 또한 중합체내에 캡슐화하여, 복합재를 형성하고, 원하는 물리적 특성 이점을 달성하였다. 미국 특허 6,797,377호에는 이산화티타늄, 왁스 및 하나 이상의 광물질 충전제, 예컨대 카올린 또는 탄산칼슘을 함유하는 열가소성 중합체 (특히 폴리프로필렌)로부터 제조된 섬유가 기재되어 있다. 충전제는 충전제가 중합체 물질 내로 캡슐화되는 정도의 양으로 첨가된다. 또한, 상기 특허로부터 오일 및 광물질의 혼합물이 함께 폴리프로필렌에 첨가되는 경우, 웹의 연성은 개선되나, 웹의 인장 강도는 일반적으로 감소된다는 점이 주목된다.
미국 특허 5,413,655호 및 5,344,862호에는 부직 적용을 위한 단일성분 섬유 중 캡슐화된 첨가제로서의 실리카의 용도가 기재되어 있다. 첨가제 시스템은 두가지 성분, 즉 폴리실록산 폴리에테르 및 소수성 퓸드 실리카를 포함한다. 실리카는 열가소성 폴리올레핀의 3 내지 1500 ppm의 양으로 첨가되고, 폴리에테르는 열가소성 폴리올레핀의 0.1 내지 3 중량％의 양으로 첨가된다. 청구된 이점은 스펀본드 부직 직물의 인장 강도의 상당한 증가이다.
따라서, 합성 섬유의 천 같은 지각 (천연 섬유 느낌)의 개선에 대한 필요성이 존재한다.
<발명의 요약>
한 측면에서, 본 발명은 증가된 표면 조도를 갖는 이성분 섬유에 관한 것이다. 이성분 섬유는 제1 중합체 및 복합재를 포함할 수 있다. 복합재는 섬유 표면 의 적어도 일부를 형성하는 층을 형성할 수 있다. 복합재는 제2 중합체 및 충전제를 포함할 수 있다. 충전제의 평균 입자 크기는 복합재에 의해 형성된 층의 두께보다 클 수 있다.
본 발명은 또한 제1 중합체 및 충전제를 블렌딩하여 복합재를 형성하는 단계; 및 열 결합 조건하에 제2 중합체 및 복합재를 공압출하여 이성분 섬유를 형성하는 단계를 포함하는, 이성분 섬유의 형성 방법을 제공한다. 제2 중합체는 중합체 코어를 형성할 수 있으며, 복합재는 섬유의 표면의 적어도 일부를 형성하는 층을 형성할 수 있다. 충전제의 평균 입자 크기는 복합재 층의 두께보다 클 수 있다.
본 발명은 또한 (a) 제1 중합체, 및 (b) 섬유 표면의 적어도 일부를 형성하는 층을 형성하는 제2 중합체를 열 결합 조건하에 공압출하는 것을 포함하는, 이성분 섬유의 제조 방법의 개선을 제공한다. 상기 개선은 충전제를 제2 중합체와 블렌딩하여 복합재를 형성하는 것을 포함하며, 여기서 충전제의 평균 입자 크기는 복합재에 의해 형성된 층의 두께보다 크다.
본 발명의 다른 측면 및 이점은 하기 상세한 설명 및 첨부된 청구의 범위로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 코어/시쓰(core/sheath) 이성분 섬유의 실시양태의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 병렬식(side by side) 이성분 섬유의 실시양태의 개략도이 다.
도 3은 본 발명의 이성분 섬유의 제조 실시양태에 유용한 모델의 개발에 사용되는 단순화된 입자 분포 포맷을 예시한다.
도 4 내지 6은 본 발명의 이성분 섬유의 실시양태의 SEM 사진이다.
압출되고 연신된 전형적인 합성 섬유는 결점이 거의 없는 매우 매끄러운 표면을 가지며, 그러므로 매끄러운, 유성 느낌을 생성한다. 한 측면에서, 본 발명의 실시양태는 합성 섬유의 촉감 지각의 개선시키기 위한 섬유 표면 조도(surface roughness)의 변형에 관한 것이다. 본 발명은 합성 섬유에 표면 조도를 부여하는 방법을 제공하며, 여기서 이성분 섬유의 시쓰로부터 확장된 표면 조도는 섬유의 매끄러운, 유성 느낌을 감소시키는, 개선된 촉감 지각을 가져온다. 한 실시양태에서, 시쓰 두께보다 더 큰 평균 입자 크기를 갖는 광물질 충전제, 예컨대 탄산칼슘 (CaCO3)을 중합체 시쓰에 첨가하는 것은 더 거친 표면을 제공하고 촉감 지각을 개선시키는 "돌출(stick-out)" 효과를 제공할 수 있다.
일반적인 정의
본원에서 사용되는 "섬유"는 길이 대 직경 비율이 약 10 초과인 물질을 의미한다. 섬유는 전형적으로 그의 직경에 따라 분류된다. 필라멘트 섬유는 일반적으로 약 15 데니어 초과, 통상적으로 약 30 데니어 초과의 개별 섬유 직경을 갖는 것으로 정의된다. 미세 데니어 섬유는 일반적으로 약 15 데니어 미만의 직경을 갖는 섬유를 지칭한다. 마이크로데니어 섬유는 일반적으로 약 100 ㎛ 미만의 직경을 갖는 섬유로 정의된다.
"필라멘트 섬유" 또는 "모노필라멘트 섬유"는 명확한 길이의 물질의 불연속적인 가닥 (즉, 예정된 길이의 분절로 절단되거나 분할된 가닥)인 "스테이플 섬유"와는 대조적으로, 불명확한 (즉, 예정되지 않은) 길이의 물질의 연속적인 가닥을 의미한다.
"폴리올레핀 중합체"는 하나 이상의 올레핀으로부터 유도된 열가소성 중합체를 의미한다. 폴리올레핀 중합체는 하나 이상의 치환체, 예를 들어 카르보닐, 술파이드 등과 같은 관능기를 함유할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, "올레핀"은 하나 이상의 이중 결합을 갖는 지방족, 지환족 및 방향족 화합물을 포함한다. 대표적인 올레핀에는 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-헥센, 1-옥텐, 4-메틸-1-펜텐, 부타디엔, 시클로헥센, 디시클로펜타디엔, 스티렌, 톨루엔, 알파-메틸스티렌 등이 포함된다.
"온도-안정성" 및 유사한 용어는 본 발명의 폴리올레핀 중합체를 포함하는 섬유 또는 다른 구조물 또는 제품이 약 9O℃ (약 200℉), 예를 들어 구조물 또는 제품으로부터 제조된 직물의 제조, 가공 (예를 들어, 염색) 및/또는 세척 중에 경험되는 것과 같은 온도에 노출 후 반복된 연장 및 복원 도중에 그의 탄성을 실질적으로 유지할 것이라는 것을 의미한다.
"탄성"은 섬유가 100％ 스트레인 (길이의 두배)으로 첫번째 잡아당김 및 네번째 잡아당김 후 그의 연신된 길이의 약 50％ 이상을 복구할 것임을 의미한다. 탄성은 또한 섬유의 "영구 변형(permament set)"에 의해 기재될 수 있다. 영구 변형은 탄성의 반대이다. 섬유를 특정 점으로 연신하고, 이어서 이완시키면 연신 전의 본래 위치로 돌아가고, 그 후, 다시 연신된다. 섬유가 소정의 하중을 당기기 시작하는 점이 영구 변형 ％로서 지칭된다. "탄성 물질"은 또한 당업계에서 "탄성체" 및 "탄성체의"로서 지칭된다. 탄성 물질 (종종 탄성 제품이라 지칭됨)은 폴리올레핀 중합체 그자체를 포함할 뿐만 아니라 섬유, 필름, 스트립, 테이프, 리본, 시트, 코팅, 성형 등의 형태의 폴리올레핀 중합체를 포함하며 이에 제한되지 않는다. 바람직한 탄성 물질은 섬유이다. 탄성 물질은 경화 또는 비경화, 방사 또는 비방사, 및/또는 가교 또는 비가교될 수 있다.
"비탄성 물질"은 상기 정의된 바와 같은 탄성이 아닌 물질, 예컨대 섬유를 의미한다.
"실질적으로 가교된" 및 유사한 용어는 크실렌 추출가능한 물질 70 중량％ 이하 (즉, 30 중량％ 이상의 겔 함량), 바람직하게는 40 중량％ 이하 (즉, 60 중량％ 이상의 겔 함량)를 갖는 제품의 형태 또는 형상화된 폴리올레핀 중합체를 의미한다. 크실렌 추출가능한 물질(및 겔 함량)은 ASTM D-2765에 따라 결정된다.
"경화된" 및 "실질적으로 경화된"은 형상화된 또는 제품 형태의 폴리올레핀 중합체가 실질적인 가교를 유도하는 처리로 가공되거나 처리에 노출되었음을 의미한다. 본 발명의 섬유는 당업자에게 공지된 다양한 방법에 의해 경화되거나 또는 가교될 수 있다.
"경화가능한" 및 "가교가능한"은 형상화된 또는 제품 형태의 폴리올레핀 중합체가 경화 또는 가교되지 않고, 실질적인 가교를 유도하는 처리로 가공되거나 처리에 노출되지 않았음을 의미한다 (형상화된 또는 제품 형태의 폴리올레핀 중합체가 이러한 처리로 가공되거나 또는 노출시 실질적인 가교를 수행할 관능성 또는 첨가제(들)를 포함함에도 불구하고). 본 발명의 실행에서, 경화, 조사 또는 가교는 UV-방사선에 의해 달성될 수 있다.
"호모필(Homofil) 섬유"는 단일 중합체 영역 또는 도메인을 갖고 임의의 다른 별개의 중합체 영역 (이성분 섬유와 같음)을 갖지 않는 섬유를 의미한다.
"이성분 섬유"는 2개 이상의 별개의 중합체 영역 또는 도메인을 갖는 섬유를 의미한다. 이성분 섬유는 또한 컨쥬게이트된 또는 다성분 섬유로서 공지되어 있다. 2종 이상의 성분이 동일한 중합체를 포함할 수 있으나, 중합체는 통상적으로 서로 상이하다. 중합체는 이성분 섬유의 단면을 가로질러 실질적으로 별개의 구역에 배열되며, 통상적으로 이성분 섬유의 길이를 따라 연속적으로 연장된다. 이성분 섬유의 배위는 예를 들어, 시쓰/코어 배열 (한 중합체가 다른 중합체에 의해 둘러싸임), 병렬식 배열, 파이(pie) 배열 또는 "해도" 배열일 수 있다. 이성분 섬유는 추가로 미국 특허 6,225,243호, 6,140,442호, 5,382,400호, 5,336,552호 및 5,108,820호에 기재되어 있다. 이들 특허는 그 전문이 참고문헌으로 도입된다.
"멜트블로운 섬유"는 통상적으로 원형인 다수의 미세 다이 모세관을 통해 용융된 열가소성 중합체 조성물을 용융된 실 또는 필라멘트로서, 감소된 직경으로 실 또는 필라멘트를 가늘게 하는 기능을 하는 수렴 고속 기체 스트림 (예를 들어, 공기)으로 압출함으로써 형성된 섬유이다. 필라멘트 또는 실은 고속 기체 스트림에 의해 운반되며, 수집 표면 상에 침착되어 일반적으로 10 ㎛보다 작은 평균 직경을 갖는 무작위로 분산된 섬유의 웹을 형성한다.
"멜트스펀 섬유"는 하나 이상의 중합체를 용융시킨 후, 용융물 중 섬유를 다이의 직경 (또는 다른 단면 형상) 미만의 직경 (또는 다른 단면 형상)으로 연신함으로써 형성된 섬유이다.
"스펀본드 섬유"는 용융된 열가소성 중합체 조성물을 방사구의 통상적으로 원형인 다수의 미세 다이 모세관을 통해 필라멘트로서 압출함으로써 형성된 섬유이다. 압출된 필라멘트의 직경은 급속하게 감소된 후, 필라멘트는 수집 표면 상에 침착되어, 일반적으로 약 7 내지 약 30 ㎛의 평균 직경을 갖는 무작위로 분산된 섬유의 웹을 형성한다.
"부직"은 편직물의 경우와 같이 확인가능한 방식이 아닌 무작위로 끼워넣어진 개별 섬유 또는 실의 구조를 갖는 웹 또는 직물을 의미한다. 본 발명의 탄성 섬유는 비탄성 물질과 조합된 탄성 부직 직물의 복합재 구조 뿐만 아니라 부직 구조를 제조하는데 사용될 수 있다.
"얀(yarn)"은 직물 또는 편직물 및 다른 제품의 제조에 사용될 수 있는 꼬인 또는 이와달리 얽힌 연속적인 길이의 필라멘트를 의미한다. 얀은 커버되거나 또는 비-커버될 수 있다. 커버된 얀은 다른 섬유 또는 물질, 전형적으로 천연 섬유, 예컨대 면 또는 양모의 외부 커버 내에 적어도 부분적으로 랩핑된(wrapped) 얀이다. 본원에서 사용되는, "섬유" 또는 "섬유성"은 상기 물질의 길이 대 직경 비율이 약 10 초과인 미립자 물질을 의미한다. 반대로, "비-섬유" 또는 "비-섬유성"은 길이 대 직경 비율이 약 10 이하인 미립자 물질를 의미한다.
섬유 및 기타 제품 제조
본 발명자들은 이롭게는 개선된 촉감을 갖는 이성분 섬유가 섬유 표면 조도를 변형시킴으로써 제조될 수 있다는 것을 발견하였다. 이성분 섬유는 2종 이상의 성분, 즉, 2개 이상의 별개의 중합체 체계를 갖는 성분들을 포함할 수 있다. 제1 성분, 즉 "성분 A"는 승온에서 열 결합 동안 섬유 형태를 일반적으로 유지하는 작용을 한다. 제2 성분, 즉 "성분 B"는 접착제의 기능을 제공한다. 성분 A는 성분 B보다 더 높은 융점을 가질 수 있다. 예를 들어, 한 실시양태에서, 성분 A는 성분 B가 용융될 온도보다 약 2O℃ 이상, 바람직하게는 40℃ 이상 높은 용융 온도를 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 성분 A 및 성분 B는 유사한 융점을 가질 수 있다. 또다른 실시양태에서, 성분 B는 성분 A보다 더 높은 융점을 가질 수 있다.
간단히, 이성분 섬유의 구조는 본원에서 코어/시쓰 구조로서 언급될 것이다. 그러나, 섬유의 구조는 상기 기재된 바와 같이 성분 B가 섬유의 표면의 적어도 일부를 형성하는 층을 형성하는, 수많은 다성분 배위, 예컨대 코어/시쓰, 병렬식, 파이 또는 "해도" 배열 중 임의의 하나를 가질 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 코어 (성분 A)는 열가소성 중합체, 예컨대 폴리올레핀을 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 코어는 탄성 중합체, 예를 들어 균일하게 분지된 폴리올레핀, 이중블록, 삼중블록 또는 다중블록 탄성 공중합체, 예컨대 올레핀 공중합체, 예컨대 스티렌-이소프렌-스티렌, 스티렌-부타디엔-스티렌, 스티렌-에틸렌/ 부틸렌-스티렌 또는 스티렌-에틸렌/프로필렌-스티렌; 폴리우레탄; 폴리아미드; 및 폴리에스테르를 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 코어는 본원에 참고문헌으로 도입된 WO2005/090427호에 개시된 올레핀 블록 공중합체를 포함할 수 있다.
시쓰 (접착제 또는 성분 B)는 또한 탄성, 예컨대 균일하게 분지 폴리올레핀, 바람직하게는 균일하게 분지 에틸렌 또는 프로필렌일 수 있다. 이들 물질은 익히 공지되어 있다. 예를 들어, 본원에 참고문헌으로 도입된 미국 특허 6,140,442호는 균일하게 분지된, 실질적으로 선형 폴리올레핀, 특히 에틸렌 중합체에 대한 우수한 설명을 제공한다.
광물질 충전제는 복합재를 형성하고 원하는 특성을 향상시키기 위해 시쓰에 첨가될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 광물질 충전제의 평균 입자 크기는 시쓰 두께보다 크며, 이는 "돌출" 효과를 제공한다. "돌출" 효과는 도 1에 나타낸 바와 같이 코어/시쓰 이성분 섬유에 대해 예시될 수 있으며, 여기서 중합체 코어 (10)은 중합체 매트릭스 (12) 및 광물질 충전제 (14)를 포함하는 복합재 시쓰에 의해 둘러싸여 있다. 도 2는 병렬식 이성분 섬유에 대한 "돌출" 효과를 예시한다. 다른 형태의 이성분 섬유는 복합재 성분 B가 "돌출" 효과를 제공하도록 섬유의 표면의 적어도 일부를 형성하여, 섬유 상의 표면 조도를 생성하는 유사한 특징을 가질 것이다.
특정 실시양태에서, 광물질 충전제는 시쓰의 약 1 내지 약 25 중량％를 차지할 수 있다. 다른 실시양태에서, 광물질 충전제는 시쓰의 약 2 내지 약 20 중량％; 약 3 내지 약 15 중량％; 또는 약 5 내지 약 10 중량％를 차지할 수 있다. 시쓰는 또한 가소제, 상용화제, 및 당업계에서 통상적인 기타 첨가제를 비롯한 다른 첨가제를 시쓰의 약 0 내지 약 5 중량％ 범위로 포함할 수 있다.
섬유의 마찰 계수 특징을 향상시키거나 또는 "돌출" 효과를 생성시키는데 본 발명에서 유용한 충전제에는 비처리된 및 처리된 실리카, 알루미나, 이산화규소, 활석, 탄산칼슘 및 점토가 포함되나 이에 제한되지 않는다. 특정 실시양태에서, 바람직한 광물질 충전제는 탄산칼슘 (CaCO3)이다. 다른 실시양태에서, 광물질 충전제는 상용화된 광물질일 수 있으며, 여기서 광물질은 중합체 매트릭스에서의 광물질의 분산성 및 상용성을 향상시키기 위해 화합물로 코팅된다. 예를 들어, 광물질은 탄산칼슘일 수 있으며, 여기서 탄산칼슘은 중합체 매트릭스에서의 탄산칼슘의 분산성 및 상용성을 향상시키기 위해 스테아르산으로 코팅된다.
시쓰 복합재에서 사용되는 광물질 충전제의 평균 입자 크기는 원하는 시쓰 두께를 기초로 선택될 수 있으며, 전형적으로 약 0.1 내지 약 20 ㎛ 범위일 수 있다. 예를 들어, 1 ㎛의 시쓰 두께를 갖는 섬유에 대해, 약 1 ㎛ 초과의 평균 입자 크기를 갖는 광물질 충전제는 원하는 "돌출" 효과를 생성시킬 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 광물질 충전제의 평균 입자 크기 대 시쓰 두께의 비율은 약 1.0 이상일 수 있다. 다른 실시양태에서, 상기 비율은 약 1 초과 약 2 미만일 수 있으며; 다른 실시양태에서, 상기 비율은 약 1.2 초과 약 1.8 미만일 수 있다.
광물질 충전제는 몇몇 입자는 평균 입자 크기보다 작고 다른 입자는 평균 입자 크기보다 큰 입자 크기 분포를 가질 수 있다. 입자 크기 분포는 실현된 "돌출" 효과에 영향을 미칠 수 있으며; 예를 들어, 시쓰 두께보다 작은 많은 입자가 도 1 및 2의 입자 (16)과 같이 시쓰 내에 캡슐화될 수 있다. 시쓰 두께 초과의 크기를 갖는 입자는 입자가 복합재 매트릭스에 유지되지 않는 접착 문제점을 일으킬 수 있다. 또한, 더 큰 입자 크기 분포는 시쓰로부터 돌출된 입자 간의 간격을 더 크게 할 수 있다 (하기 추가로 기재됨). 본 발명의 몇몇 실시양태에서, 바람직한 입자 크기 분포는 약 5 미만일 수 있다. 다른 실시양태에서, 바람직한 입자 크기 분포는 약 3 미만일 수 있으며; 다른 실시양태에서, 약 2.5 미만, 약 2.0 미만 또는 약 1.5 미만일 수 있다.
섬유 직경은 다양한 방식으로 측정되고 보고될 수 있다. 일반적으로, 섬유 직경은 필라멘트 당 데니어로 측정된다. 데니어는 섬유의 길이 9000 미터 당 섬유 g으로서 정의된 텍스타일 용어이다. 모노필라멘트는 일반적으로 필라멘트 당 데니어 15 초과, 통상적으로 30 초과를 갖는 압출된 가닥을 지칭한다. 미세 데니어 섬유는 일반적으로 약 15 이하의 데니어를 갖는 섬유를 지칭한다. 마이크로데니어 (또는 마이크로섬유)는 일반적으로 약 100 마이크로미터 이하의 직경을 갖는 섬유를 지칭한다. 본 발명의 섬유에서, 직경은 섬유의 탄성에 거의 영향 없이 광범위하게 다양할 수 있다. 그러나, 섬유 데니어는 완성된 제품의 성능에 적합하도록 조절될 수 있으며, 이와 같이 바람직하게는 멜트블로운 섬유에 대해 약 0.5 내지 약 30 데니어/필라멘트; 스펀본드 섬유에 대해 약 1 내지 약 30 데니어/필라멘트; 및 연속적인 권사 필라멘트에 대해 약 1 내지 약 20,000 데니어/필라멘트일 것이다. 시쓰 두께 및 광물질 충전제 평균 입자 크기는 원하는 필라멘트 직경 또는 데니어를 기초로 선택될 수 있다.
본 발명의 이성분 섬유는 섬유의 80 내지 99 중량％를 차지하는 코어를 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 코어는 섬유의 85 내지 95 중량％일 수 있다. 본 발명의 이성분 섬유는 섬유의 약 1 내지 약 20 중량％를 차지하는 시쓰를 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 시쓰는 섬유의 약 5 내지 약 15 중량％를 차지한다.
섬유의 형상은 제한되지 않는다. 예를 들어, 전형적인 섬유는 원형 단면 형상을 갖지만, 종종 섬유는 다른 형상, 예컨대 삼엽 형상, 또는 편평 (즉, "리본"형) 형상을 갖는다. 본원에 개시된 이성분 섬유는 섬유의 형상에 의해 제한되지 않는다.
본 발명의 이성분 섬유는 다른 섬유, 예컨대 PET, 나일론, 면, KEVLARA® (이.아이. 듀폰 드 네무어 캄파니(E.I. Du Pont de Nemours Co.)로부터 시판됨) 등과 함께 사용되어 탄성 직물을 제조할 수 있다. 추가 이점으로서, 특정 이성분 섬유의 내열성 (및 내수성)은 폴리에스테르-PET 섬유가 통상적인 PET 염색 조건에서 염색되도록 할 수 있다. 다른 통상적으로 사용되는 탄성 섬유, 특히 스판덱스 (예를 들어, LYCRA®, 이.아이. 듀폰 드 네무어 캄파니로부터 시판되는 스판덱스)는 전형적으로 특성의 하락을 방지하기 위해 덜 엄한 PET 염색 조건에서 사용된다.
본 발명의 이성분 섬유로부터 제조된 직물은 직조포, 부직포 및 편직포를 포함한다. 부직포는 3,485,706 및 4,939,016에서, 스테이플 섬유의 카딩 및 열적 결합; 한 연속적인 작동으로 연속적인 섬유의 스펀본딩; 또는 직물로의 섬유의 멜트블로잉 및 후속적으로 얻어진 웹의 캘린더링 또는 열적 결합에 의해 제조할 수 있다. 이들 다양한 부직포 제조 기술은 당업자에게 익히 공지되어 있으며, 본 발명의 범위는 임의의 특정 방법에 제한되지 않는다. 이러한 섬유로부터 제조된 다른 구조는 또한 예를 들어, 본 발명의 섬유의 다른 섬유 (예를 들어, PET, 면 등)와의 블렌드를 비롯하여 본 발명의 범위 내에 포함된다.
본 발명의 이성분 섬유 및 직물을 사용하여 제조될 수 있는 직물 제품은 탄성 부분을 갖는 탄성 복합재 제품 (예를 들어, 기저귀)을 포함한다. 예를 들어, 탄성 부분은 전형적으로 기저귀가 흘러내리는 것을 방지하는 기저귀 허리 밴드 부분 및 누출을 방지하는 다리 밴드 부분으로 제작된다 (전문이 본원에 참고문헌으로 도입된 미국 특허 4,381,781호에 나타낸 바와 같음). 종종, 탄성 부분은 편안함 및 신뢰도의 양호한 조합을 위한 더 나은 형태 장착 및/또는 체결 시스템을 촉진한다. 본 발명의 섬유 및 직물은 또한 탄성을 통기성과 조합시키는 구조를 형성할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 탄성 섬유, 직물 및/또는 필름은 전문이 본원에 참고문헌으로 도입된 미국 특허 6,176,952호에 개시된 구조로 도입될 수 있다.
본 발명의 탄성 섬유 및 직물은 또한 전문이 본원에 참고문헌으로 도입된 미국 특허 2,957,512호 ('512 특허)에 기재된 바와 같이 다양한 구조로 사용될 수 있다. 예를 들어, '512 특허에 기재된 구조의 층 (50)(즉, 탄성 성분)은 본 발명의 탄성 섬유 및 직물로 대체될 수 있으며, 특히 편평, 주름진, 크레이핑된, 권축가공된 등의 경우, 비탄성 물질이 탄성 구조로 제조된다. 본 발명의 탄성 섬유 및/또는 직물의 비탄성 섬유, 직물 또는 다른 구조로의 부착은 용융 결합에 의해 또는 접착제로 수행될 수 있다. 개더링된 또는 셔팅된(shirted) 탄성 구조는 부착 전에 비-탄성 성분 ('512 특허에 기재된 바와 같음)을 주름잡거나, 또는 부착 전에 탄성 성분을 예비연신하거나, 또는 부착 후에 탄성 성분을 가열 수축함으로써 본 발명의 탄성 섬유 및/또는 직물 및 비탄성 성분으로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 섬유는 또한 신규 구조를 제조하기 위한 스펀레이스된 (또는 유체역학적으로 얽힌) 방법에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 전문이 본원에 참고문헌으로 도입된 미국 특허 4,801,482호에는 본원에 기재된 신규 탄성 섬유 및/또는 직물로 제조될 수 있는 탄성 시트 (12)가 개시되어 있다. 본원에 기재된 바와 같은 연속적인 탄성 필라멘트는 또한 고탄성이 바람직한 직물 적용에 사용될 수 있다.
전문이 본원에 참고문헌으로 도입된 미국 특허 5,037,416호 ('416 특허)에는 탄성 리본을 사용함으로써 형태 장착 탑 시트의 이점이 기재되어 있다 ('416 특허의 부재 (19) 참조). 본 발명의 탄성 섬유는 '416 특허의 부재 (19)의 기능을 제공할 수 있거나, 또는 직물 형태로 사용되어 원하는 탄성을 제공할 수 있다.
탄성 패널은 또한 본원에 개시된 본 발명의 탄성 섬유 및 직물로부터 제조될 수 있으며, 예를 들어 전문이 본원에 참고문헌으로 도입된 미국 특허 4,940,464호 ('464 특허)의 부재 (18), (20), (14) 및/또는 (26)로서 사용될 수 있다. 본원에 기재된 본 발명의 탄성 섬유 및 직물은 또한 복합재 측면 패널의 탄성 성분으로서 사용될 수 있다 (예를 들어, '464 특허의 층 (86)).
본 발명의 탄성 물질은 또한 이미 "통기성"이거나, 또는 천공, 슬릿팅(slitting), 미세천공, 섬유 또는 발포체 등과의 혼합, 및 이들의 조합을 비롯한 당업계에 익히 공지된 임의의 방법에 의해 "통기성"이 부여될 수 있다. 이러한 방법의 예로는 전문이 본원에 참고문헌으로 도입된 미국 특허 3,156,242호 (Crowe, Jr.), 미국 특허 3,881,489호 (Hartwell), 미국 특허 3,989,867호 (Sisson) 및 미국 특허 5,085,654호 (Buell)를 들 수 있다.
탄산칼슘 충전된 시쓰의 표면 조도 모델
상기 기재된 바와 같이, 본 발명의 이성분 섬유는 "돌출" 효과를 생성하는 충전제 및 중합체 물질을 포함하는 시쓰를 포함할 수 있다. 입자 크기 대 시쓰 두께의 비율 및 시쓰에서의 입자 간격 거리의 측면에서 섬유 표면 조도를 기재하는 단순한 모델이 본 발명을 보다 잘 이해하도록 하기 위해 아래 제공된다.
PP 부직 직물의 촉감 지각은 카와바타(Kawabata) 측정 시스템에서와 같은 현미경 수준에서의 직물의 표면 조도와 관련될 수 있다. 표면 조도는 몇몇 이상적인 또는 소정의 형태로부터의 표면 형상의 이탈로서 정의될 수 있다. 그러므로, 명목상 편평 표면에서, 조도는 투영 명목상의 영역의 진성 총괄 영역의 비율에 의해, 또는 몇몇 소정의 선에 따른 프로파일의 기울기로서, 또는 표면 상의 고점과 저점 사이의 거리로서 정의될 수 있다. 두개의 용어는 본원에서 섬유 표면의 조도, 평균 입자 크기 대 시쓰 두께의 비율, 및 시쓰에서의 입자 간격을 기재하는데 사용된다. 하기 나타내는 바와 같이, 조도는 직접적으로 섬유 및 충전제의 물리적 특성과 관련되어 있다. 마이크로 복합재 시쓰의 두께에 대한 단순한 수학적 모델을 달성하기 위해, 시쓰는 2상 충전된 복합재 시스템으로 가정되며, 반면 코어는 균일한 중합체 수지, 예컨대 균일한 폴리프로필렌 (hPP)으로 가정된다.
2상 복합재 중 성분의 중량 및 부피 함량 간의 상관관계
2상 복합재 시스템에 대해, 하기 식 (1)이 중량％를 부피％로 전환시키기 위해 사용될 수 있거나, 또는 하기 식 (2)가 부피％를 중량％로 전환시키기 위해 사용될 수 있다는 것이 보여질 수 있다:
αav = 1/(1+(1/αaw-1)ρa/ρb) (1)
αaw = 1/(1+(1/αav-1)ρb/ρa) (2)
상기 식들에서, αav는 성분 'a'의 부피％이고, αaw는 성분 'a'의 중량％이고, ρa는 성분 'a'의 밀도이고, ρb는 성분 'b'의 밀도이다.
예를 들어, 탄산칼슘 충전된 hPP 복합재에 대해, PP의 밀도는 0.90으로 가정되고, 탄산칼슘의 밀도는 2.7이고, 사용되는 CaCO3의 부피％는 2％이다. 식 (2)로부터 탄산칼슘 충전된 hPP 복합재의 충전 수준은 5.77 중량％와 등가이다.
이성분 섬유에 대한 2상 복합재 시쓰의 두께의 예측
두께의 예측에 사용되는 가정은 (1) 이성분 섬유의 단면이 2개의 동심 원으로 이루어지고, (2) 이성분 섬유의 복합재 시쓰 및 균일한 코어 구획이 하나에서 다른 하나로의 침입없이 2개의 별개 상으로서 형성한다는 것을 포함한다.
이성분 섬유 중 시쓰 함량이 중량％로 주어지는 경우, 복합재 시쓰의 두께를 예측하기 위한 필수 식은 아래와 같다:
ρs = Afρ충전제 + (l - Af) ρm
k = 0.5 {(ρcws / ρswc + 1)0.5-1}
h = 11.894 k [ dpf/(ρc + 4ρs k (1 + k))]0.5
Dc = h / k
Df = Dc + 2h
상기 식들에서, ρ충전제는 충전제의 밀도 (g/㎤)이고; ρm은 중합체 매트릭스의 밀도 (g/㎤)이고; Af는 마이크로복합재 중 충전제의 부피％이고; wf는 마이크로복합재 중 충전제의 중량％이고; ρc는 이성분 섬유의 코어 구획 중 중합체의 밀도 (g/㎤)이고; ρs는 이성분 섬유의 시쓰 구획 중 중합체의 밀도 (g/㎤)이고; wc는 코어 구획의 중량％이고; ws는 시쓰 구획의 중량％이고 (주의: wc + ws = 1); Vc는 코어 구획의 부피％이고; Vs는 시쓰 구획의 부피％이고 (주의: Vc + Vs = 1); dpf는 필라멘트 당 데니어이거나, 또는 9000 미터 필라멘트의 g이고; k는 시쓰 대 코어에 관한 파라미터이고; h는 시쓰의 두께 (㎛)이고; Dc는 코어 구획의 직경 (㎛)이고; Df는 이성분 섬유의 직경 (㎛)이다.
공지된 충전제 함량 (중량％ (wf))를 기초로 한 탄산칼슘 충전된 이성분 hPP 섬유의 시쓰 두께의 추정치의 예는 하기 표 1에 나타낸다. 코어는 hPP 중합체 (밀도 = ρc = 0.90 g/㎤)인 반면, 시쓰는 탄산칼슘 (밀도 = 2.70 g/㎤) 충전된 hPP 마이크로복합재이고, 코어 밀도 ρc보다 큰 시쓰 밀도 ρs를 가져온다.
Figure 112008046323583-pct00001
이성분 섬유 중 시쓰 함량이 부피％로서 공지된 경우, 복합재 시쓰의 두께를 계산하는 식은 상기 주어진 바와 같이 부피％ 및 중량％ 간의 관계를 기초로 변형된다.
시쓰 중 충전제 함량은 중량％ 또는 부피％로서 표시될 수 있으므로, 시쓰 두께를 추정하기 위한 식은 이에 따라 전개될 수 있다. 입자의 "돌출" 부분의 부피로서 대략의 시쓰 두께만이 중합체 매트릭스에 침몰된 것과 같이 식에 포함된다는 것을 주의해야 한다. 이에 따라, 실제 시쓰 두께는 예측된 두께보다 작아야 한다. 그러나, 시쓰 중 충전제의 부피％가 전형적으로 낮기 때문에 (15％ 이하), 포함된 오차는 작거나 대부분의 경우 무시될 수 있다.
표 1로부터, 이성분 섬유 중 일정한 시쓰 함량 (중량％)에 대해, 이성분 섬유의 직경이 클수록 (또는 dpf가 클수록), 마이크로-복합재 시쓰의 두께가 커질 것이라는 것이 보여질 수 있다. 또한, 이성분 섬유의 일정한 직경 (또는 dpf)에 대해, 시쓰 함량의 중량％가 클수록 시쓰가 두꺼워질 것이다. 최종적으로, 시쓰 두께에 대한 시쓰 중 충전제 함량의 효과는 상대적으로 작다. 충전 수준이 증가함에 따라, 시쓰의 두께가 조금 증가한다. 부피％의 관점에서 볼 때, 시쓰의 두께에 관한 유사한 관찰이 행해질 수 있다.
충전제 입자 "돌출" 효과에 의해 나타나는 섬유 표면 조도는 충전제 입자 크기 대 시쓰 두께의 비율로 부분적으로 기재될 수 있다. 상기 비율이 1 미만이면, 입자는 중합체 시쓰 매트릭스에 침몰될 것이며, 표면 요철을 만드는데 덜 효과적이다. 이에 반해, 상기 비율이 2 초과이면, 광물질 입자의 부피의 1/2 초과가 시쓰로부터 돌출할 수 있으며, 공기에 노출되어, 시쓰가 매립된 입자를 유지하는 힘을 잃어버릴 수 있다. 그러나, 이 근사치가 존재한다면, 비율은 상당히 높게 할 수 있는 기계적 및 접착 효과가 고려되지 않았다는 점에 주의해야 한다. 한 실시양태에서, 충전제 입자 크기 대 시쓰 두께의 비율은 약 1 내지 약 2의 범위일 수 있다. 다른 실시양태에서, 비율은 약 1.2 내지 약 1.8의 범위일 수 있다. 또다른 실시양태에서, 비율은 약 2 초과일 수 있다.
이성분 섬유의 2상 복합재 시쓰 중 입자 간격의 추정
상기 논의로부터, "돌출" 효과를 확실하게 하기 위한 적절한 입자 크기의 선택의 중요성은 명확하게 입증되었다. 마이크로 규모로 인지된 촉감 지각에 영향을 주는 다른 인자는 시쓰 중 입자 간격이며, 이는 입자 크기, 충전제의 부피％, 및 입자의 공간적 배열과 관련될 수 있다. 왕(Wang) 등은 구형 충전 입자 간의 평균 거리를 나타내는 하기 모델을 제안하였다 (문헌 [Meng-Jiao Wang, Siegfried Wolff, and Ewe-Hong Tan, "Filler-Elastomer Interactions. Part VIII. The Role of the Distance Between Filler Aggregates in the Dynamic Properties of Filled Vulcanizates", Rubber Chemistry and Technology, Vol 66, 178-195 (1993)]). 입자 배열의 가장 느슨한 형태의 경우, 입자 중심 대 중심 거리는 아래와 같이 제공된다:
L = 0.805 φ-1/3 d
상기 식에서, φ는 충전제의 부피％이고, d는 입자의 특징적 길이이다.
입자의 가장 가까운 배열, 즉, 면심 입방 배열에 대해, 입자 중심 대 중심 거리는 아래와 같이 주어진다:
L = 0.906 φ-1/3 d
무작위 패킹 배열에 대해, 0.86 φ-1/3 d의 평균 값이 사용될 수 있다.
두께 방향 (또는 z-방향)에서의 입자 크기 편차는 입자 크기가 시쓰의 두께의 크기와 동일한 정도라는 가정에 의해 효과적으로 제거될 수 있으며, 평면 또는 2차원 입자 크기 분포로 단순화하는 모델을 얻을 수 있다. 네가지 가능한 경우가 고려된다: 입방 및 구형 형상 중 입자, 및 정사각형 및 정삼각형 배열 중 입자 분포.
입자 간격을 추정하는데 네가지 가정을 만들었다. 첫째, 시쓰의 두께는 CaCO3 충전제의 평균 입자 크기와 동일한 정도이다, 즉 평균 입자 크기가 1 ㎛이면 시쓰의 두께도 1 ㎛이다. 그러므로, 시쓰 중 충전제의 분포는 2차원으로 고려될 수 있다. 둘째, 충전제 입자는 시쓰의 중합체 매트릭스에 균일하게 분포되어 있다. 셋째, 모든 입자는 정사각형 또는 정삼각형으로서 형성된 시쓰에 고르게 분포되어 있다. 넷째, 입자 크기는 매우 좁게 분포되어 있어서, 평균 입자 크기만이 간격 거리의 모델링에 사용된다.
그 후, 입자 간격은 간격 중 입자의 포맷을 기초로 추정될 수 있다. 입자는 정사각형 포맷 또는 정삼각형 포맷일 수 있으며, 이는 각각 도 3의 좌측 및 우측에 예시되어 있다. 또한, 결과는 입자가 구형 또는 입방인 것으로 추정되는 가에 따라 달라진다 (입자의 특징적 길이에 영향을 줌). 입자 간격을 계산하기 위한 얻어진 식은 하기 표 2에 주어지며, 여기서 L은 입자 간격이고, d는 입자 크기 (특징적 길이: 입방 입자에 대한 측면 길이, 또는 구형 입자에 대한 직경)이고, αav는 입자 부피％ 대 중합체 매트릭스 부피％의 비율이다.
충전제 입자 간격 추정
입방으로서의 입자 구로서의 입자
정사각형 포맷 L = (1/αav)1/2 d L = (0.524/αav)1/2 d
정삼각형 포맷 L = (1.155/αav)1/2 d L = (0.605/αav)1/2 d
상기 각 식에서, 입자 간격은 입자 크기와 정비례한다. 그러므로, 일정한 부피측정 충전 수준에서, 입자 간격 거리는 상기 각 식에 대해 입자의 특징적 치수에 의해 결정된다. 입자 간격 대 입자 특징적 치수의 비율 (L/d)은 3 내지 15 중량％의 충전제를 갖는 시스템에 대한 하기 표 3에 나열되어 있다. 중합체 매트릭스 중 입자의 최대 충전 수준은 또한 압출기의 혼합능에 따라 달라질 것이라는 점에 주목해야 한다.
3 내지 15 중량％의 충전제에 대한 L/d 비율
입방에서의 입자 구에서의 입자
중량％ 부피％ 정사각형 정삼각형 정사각형 정삼각형 평균
3 1.0 9.90 10.64 7.16 7.70 8.85
5 1.7 7.62 8.19 5.51 5.92 6.81
8 2.8 5.96 6.40 4.31 4.63 5.33
10 3.6 5.29 5.69 3.83 4.12 4.73
15 5.6 4.24 4.56 3.07 3.30 3.79
표 3에 나타낸 데이타로부터 여러 관찰을 수행할 수 있다. 첫째, 충전 함량이 증가함에 따라 입자 농도 수준이 증가하므로, 입자간 거리가 더 짧아진다. 둘째, 로딩 수준, 입자 배열, 및 입자 특징적 치수를 일정하게 유지하는 경우, 구형 입자간 거리는 입방 입자간 거리보다 작다 (정의에 의해, 입방 입자의 부피는 동일한 특징적 길이 d를 갖는 구형 입자의 부피보다 큼). 반대로, 동일한 로딩 수준하에 입방 입자보다 더 많은 수의 구형 입자가 존재하므로, 입자 간격 거리는 더 짧아진다.
상기 단순화된 모델에 대해, 충전제의 입자는 작은 입방 또는 구로서 모델링된다. 시쓰에서의 입자의 분포는 정사각형 또는 정삼각형의 배열에서 처럼 다루어진다. 실제로, 입자는 대부분 무작위로 패킹되어 있고, 입자의 형상은 다소 불규칙이다. 이 편차를 처리하는 한 방법은 패킹 배열에 대한 평균 값을 사용하는 것이다. 입자 직경은 또한 집합체 직경에 의해 대체된다 (왕 등의 문헌에 기재된 바와 같음). 간단히, 평균 입자 간격 거리는 표 3에 나타낸 입자 간격 거리의 4개의 값을 평균냄으로써 모델에 채택되었다 (별법으로, L/d ≒ (0.8/αav)1/2).
1 내지 10 ㎛ 규모의 섬유 표면 조도가 개선된 촉감 지각을 생성한다는 것이 발견되었다. 원하는 섬유 조도를 생성하기 위해, 입자 간격 대 입자 크기의 요구되는 비율 (L/d)은 입자 크기를 기초로 다양할 수 있다. 특정 실시양태에서, L/d 비율은 1 내지 10의 범위일 수 있다. 예를 들어, 입자 크기가 1 ㎛ 미만이면, 비율은 원하는 조도를 생성하기 위해 3 내지 6으로 선택될 수 있다. 입자 크기가 1 ㎛ 이상인 경우, 비율은 2 내지 4로 선택될 수 있다. 그러므로, 충전제 로딩 수준이 5 중량％ 미만인 경우, 입자 간격이 섬유의 감촉 특성을 개선하기에 효과적이도록 매우 클 수 있다는 것이 표 3으로부터 보여진다.
실제 입자 크기는 전형적으로 모든 충전 입자에 대해 동일하지 않으며, 이는 충전제가 일반적으로 평균 입자 크기 및 입자 크기 분포를 좁은 범위부터 넓은 범위까지 갖는 것이 이용가능하기 때문이다. 입자 크기를 시쓰 두께와 관련시키는 상기 계산은 평균 (또는 산술평균(mean)) 입자 크기를 사용함으로써 결정될 수 있으며, 이는 입자 크기 분포가 실제 간격 및 섬유 표면 조도에 영향을 줄 것이라는 것을 나타낸다. 좁은 입자 크기 분포 (약 2.0 미만)를 갖는 광물질 충전제에 대해, 입자 간격에 대한 분포의 효과는 무시될 수 있다. 넓은 입자 크기 분포 (약 3.0 초과)를 갖는 충전제에 대해, 넓은 입자 크기 분포는 입자 간의 더 긴 거리를 유발할 것이다. 예를 들어, 좁은 입자 크기 분포를 갖는 섬유의 표면 조도는 넓은 입자 크기 분포를 갖는 섬유의 표면 조도와는 상이할 것이며, 이는 넓은 크기 분포가 도입된 섬유가 평균 입자 크기보다 더 작은 입자를 더 많이 갖기 때문이다. 그러므로, 더 작은 이들 입자는 시쓰에 가능하다면 침몰될 수 있으며, 잠재적으로 감소된 "돌출" 효과를 가져온다. 넓은 크기 분포는 또한 평균 입자 크기보다 더 큰 입자를 좁은 분포보다는 더 많이 갖는다. 그러나, 평균 입자 크기보다 더 큰 입자를 더 많이 갖는 것의 효과는 입자에 대한 증가된 입자 간격에 의해 무시될 수 있는데, 이는 사실 "돌출" 효과를 생성하고 잠재적 접착 문제점의 가능성을 증가시킨다.
상기 모델이 평균 입자 크기 대 시쓰 두께의 비율, 및 시쓰 중 입자 간격 거리를 추정하는데 사용될 수 있으나, 많은 근사치가 식을 유도하는데 사용되기 때문에, 상기 모델은 정량적보다는 정성적으로 사용되어야 한다. 그러나, 섬유 표면 형태를 변화시키기 위한 광물질 충전제를 사용하는 일반적인 원리는 모델에 의해 나타나며, 모델은 초기 디자인 지침을 제공할 수 있다.
탄산칼슘 충전된 중합체 마이크로-복합재인 시쓰를 갖는 이성분 섬유를 제조 함으로써 방사 시험을 수행하였다. 코어는 다우 케미칼 캄파니(Dow Chemical Company)로부터 시판되는 단일중합체 폴리프로필렌 5D49 (38 MFR; 0.90 g/㎤ 밀도)이었다. 시쓰는 표 4에 나타낸 바와 같이 다양한 등급의 탄산칼슘으로 배합된 5D49이었다. 이들 섬유를 대조군 (비교용) 샘플로서 5D49 호모필 섬유 (2 또는 4 dpf, 경우에 따라)와 비교하였다.
탄산칼슘의 선택. 0.4 내지 1.2 ㎛ 범위의 평균 입자 크기를 갖는 세가지 시판되는 등급의 탄산칼슘을 "돌출" 효과의 연구를 위해 선택하였다: TUFFGARD® (평균 입자 크기 0.4 ㎛ 및 약 2 ㎛에서의 탑 컷트를 갖는 침전된 탄산칼슘, 스페셜티 미네랄즈 인크.(Specialty Minerals Inc., Adams, MA)로부터 시판됨); SUPER-PFLEX® 200 (평균 입자 크기 0.7 ㎛ 및 약 4 ㎛에서의 탑 컷트를 갖는 침전된 탄산칼슘, 표면은 중합체로의 분산을 촉진하기 위해 2％ 스테아르산으로 코팅됨, 또한 스페셜티 미네랄즈 인크.로부터 시판됨); 및 FILMLINK® 400 (평균 입자 크기 1.2 ㎛ 및 약 8 ㎛에서의 탑 컷트를 갖는 분쇄 탄산칼슘, 표면은 0.8 내지 1.2％ 스테아르산으로 코팅됨, 또한 이머리즈(Imerys, Roswell, GA)로부터 시판됨).
배합. hPP에 탄산칼슘을 분산시키기 위해 배합은 두 단계로 수행하였다. 첫째, 탄산칼슘을 hPP (5D49)와 40/60 중량 비율로 배합하여, 밴버리® 혼합기(Banbury® mixer)를 사용하여 농축물을 제조하였다. 둘째, 탄산칼슘-hPP 농축물을, 온화한 토크 및 온화한 용융 온도 셋팅 (약 210℃)에서 HAAKE® 1" 이축 스크류 압출기를 사용하여 하기 표 4의 배합비에 따라 원하는 조성물로 희석시켰다.
섬유 방사. 2개의 1" 단일 스크류 압출기, 2개의 제니스 기어 펌프(Zenith gear pump), 144-홀 방사구, 섬유 켄칭 캐비넷, 및 권사 스테이션으로 구성된 섬유 방사 라인으로 섬유 샘플을 제조하였다. 방사구의 모세관 구멍은 4:1의 길이 대 직경 비율을 갖는 직경 0.65 mm이었다. 용융 온도는 240℃에서 설정하였다. 처리량은 분 당 구멍 당 0.4 g이었다. 방사 속도는 4 dpf (필라멘트 당 데니어) 섬유를 제조하기 위해 1000 m/분에서, 2 dpf 섬유를 제조하기 위해 2000 m/분에서 각각 설정하였다. 후속 특성 시험을 위해 섬유를 스풀에서 수집하였다. 섬유 방사는 매우 매끄러웠으며, 임의의 샘플을 제조시 섬유 끊김이 검출되지 않았다.
CaCO3 표면 변형된 이성분 섬유 샘플
샘플 CaCO3 시쓰 중 충전제 중량％ 총 섬유의 시쓰 부피％ 섬유 데니어 dpf 입자 직경
d (㎛)		 시쓰 두께
h (㎛)		 d/h 비율 섬유 직경
D (㎛)		 추정된 입자 간격
L (㎛)
1 TUFFGARD® 5 10 4 0.4 0.64 0.63 25 3.0
2 TUFFGARD® 5 10 2 0.4 0.45 0.89 17.7 3.0
3 TUFFGARD® 10 10 4 0.4 0.58 0.69 24.9 2.1
4 TUFFGARD® 10 10 2 0.4 0.45 0.89 17.7 2.1
5 SUPER-PFLEX® 5 10 4 0.7 0.64 1.09 25 5.3
6 SUPER-PFLEX® 5 10 2 0.7 0.45 1.56 17.7 5.3
7 SUPER-PFLEX® 10 10 4 0.7 0.58 1.21 24.9 3.7
8 SUPER-PFLEX® 10 10 2 0.7 0.45 1.56 17.7 3.7
9 FILMLINK® 10 15 4 1.2 0.97 1.24 24.9 6.3
10 FILMLINK® 10 15 2 1.2 0.69 1.74 17.6 6.3
섬유 표면 형태에 대한 SEM 분석. 섬유의 작은 영역을 절단하고, 표면 및 단면 이미지를 얻기 위해 알루미늄 주사 전자 현미경검법 (SEM) 샘플 마운트 상에 놓았다. 샘플을 20초 동안 금 팔라듐으로 2회 코팅하였다. 5kV 가속 전압을 사용하여 히타치(Hitachi) S4100 주사 전자 현미경 상에서 섬유 표면의 이차 전자 이미지를 수집하였다.
세가지 대표적인 표면 변형된 이성분 섬유 (샘플 4, 8 및 10)의 표면의 SEM 이미지를 각각 도 4 내지 6에 나타내었다. 세가지 섬유 모두는 2dpf (직경 17.7 ㎛)이고 시쓰 10 부피％를 함유하였다.
도 4와 관련하여, 섬유 샘플 4의 SEM 이미지는 다른 두가지 섬유 샘플의 SEM 이미지와 비교시 (도 5 및 6) 이 샘플에서의 탄산칼슘 입자가 더 작으며 보다 농축되었음을 나타낸다. 이번 관찰은 모델로부터의 예측에 따른 것이다 - 탄산칼슘 TUFFGARD®의 등급이 더 작은 입자 크기 (0.4 ㎛)를 갖고, 입자 크기 대 시쓰 두께의 비율이 1 미만이고, 모델이 더 적은 "돌출" 효과 및 더 가까운 입자 간격 거리를 예측하기 때문이다. 또한, 5％ (샘플 2, SEM 이미지 나타내지 않음) 및 10％ 샘플 간의 사진상 차이점은 인식가능하지 않았으며, 섬유 표면의 이미지는 매우 유사한 것으로 보였다.
도 5와 관련하여, 샘플 8의 이미지는 이 섬유가 가장 총괄적인 표면 조도를 갖는다는 것을 나타낸다. 섬유는 탄산칼슘 "범프"을 가질뿐 아니라, 탄산칼슘 입자 주변에 형성된 크레이터 또는 침강을 갖는다 (도 4에 명백하진 않음). 샘플 8에 함유된 탄산칼슘 (SUPER-PFLEX® 100)은 0.7 ㎛의 입자 크기를 갖는다. 그러므로, 크기 대 시쓰 두께의 비율이 1 초과이고, 샘플 4에 대한 "돌출" 효과의 개선이 모델로부터 예상된다.
도 6과 관련하여, 샘플 10의 입자 크기는 가장 크고 섬유 상에 가장 작게 농축된 것으로 보인다. 침강 또는 크레이터의 몇몇 증거가 있었으나, 샘플 8보다 덜 심각하였다. 이 섬유 중의 탄산칼슘, FILMLINK® 400은 가장 큰 입자 크기 (1.2 ㎛)를 가지며, 입자 크기 대 시쓰 두께의 비율이 1 초과이다. SEM 이미지는 모델을 검증하는 것으로 보이며, 이는 "돌출" 효과가 세가지 섬유 샘플 중 가장 강력한 것으로 보이며, 간격 거리 또한 가장 큰 것으로 보이기 때문이다.
섬유 표면 상의 크레이터 또는 침강의 형성은 완전히 이해되지 않는다. 한 가정은 방사 과정 도중 발생하는 원심력 또는 다른 원인으로 인해 몇몇 큰 탄산칼슘 입자가 탈락시 크레이터 또는 침강이 형성될 수 있다. 섬유 방사 도중 몇몇 탄산칼슘 입자의 손실은 표면 조도의 형성을 방해하지 않는데, 이는 폐기된 입자에 의해 남겨진 크레이터가 표면 조도를 제공하기 때문이다. 그러나, 방사 과정 도중 입자의 폐기는 더스팅의 문제점을 일으킬 수 있다. 스펀본드 라인에 대해, 더스팅은 문제가 안 되는데, 이는 섬유가 웹을 가격하여 예비형성 부직을 형성하는 포밍 웹 아래에 흡입 팬이 있기 때문이다. 다른 적용에서, 편직 라인 주위의 개선된 환기 조건이 필요될 수 있으나; 섬유 중 탄산칼슘의 충전 함량이 낮기 때문에 (섬유의 약 1 중량％), 일어날 수 있는 임의의 더스팅은 심각하지 않을 것이며, 쉽게 극복될 수 있다.
편직 양말
hPP 대조군을 비롯한 2 dpf 섬유 샘플을 로슨-헴필 양말 편직기(Lawson-Hemphill sock knitter) 상에서 편직하였다. 인치 당 웨일(wale) 및 코스(course) (wpi 및 cpi)는 편직 밀도의 측정치이다. 웨일은 직물의 기계 방향으로, 코스는 가로 방향으로 간다. 직물 밀도는 웨일 및 코스의 곱으로 정의된다. 6개의 샘플의 wpi 및 cpi는 각각 26 및 32로서 측정되었다. 각 샘플의 밀도는 832이었다.
촉감 결과. 2 dpf 섬유로 제조된 편직 양말의 촉감 지각은 하기 표 5에 제공된다. 입자 대 시쓰 두께의 비율이 미만 1인 샘플 2 및 4는 촉감을 유의하게 개선시키지 않았다. 모델에 의해 예측되고 도 4의 샘플 4의 SEM 이미지에서 관찰된 바와 같이 유의한 "돌출" 효과는 없었다. 샘플 8 및 10은 표면 변형 없이 hPP (5D49) 단일섬유로 제조된 대조군 샘플과 비교하여 개선된 촉감 지각을 갖지 않았다.
선택 섬유 샘플에 대한 촉감 등급
샘플 입자 직경
d (㎛)		 시쓰 두께
h (㎛)		 d/h
비율		 입자 간격
L (㎛)		 편직 양말의 촉감
대조군 -- -- -- -- 매끄러움, 습윤
2 0.4 0.45 0.89 3.0 대조군과 차이 없음
4 0.4 0.45 0.89 2.1 약간 매끄러움
6 0.7 0.45 1.56 5.3 약간 매끄러움
8 0.7 0.45 1.56 3.7 부드럽고 건조 (시험된 것 중 최고)
10 1.2 0.69 1.74 6.3 덜 매끄럽고 건조, 대조군 샘플보다 양호함
상기 상세한 설명 및 실시예에 의해 나타낸 바와 같이, 마이크로-복합재 표면 성분을 갖는 이성분 섬유는 합성 섬유의 촉감 지각을 개선시킬 수 있다. 마이크로-복합재 중합체 매트릭스의 두께보다 더 큰 입자 크기를 갖는 광물질 충전제를 도입함으로써 "돌출" 효과가 얻어질 수 있으며, 이는 표면 조도 및 개선된 느낌을 가져온다. 특정 실시양태에서, 개선된 느낌을 갖는 이성분 섬유는 최종 제품, 예컨대 카페트, 합성모, 여성 위생 제품, 기저귀, 운동가용 운동복, 의복, 실내 장식품, 붕대 및 멸균가능한 의료용 의복 및 기기 랩에 유용하다.
본 발명이 제한된 수의 실시양태에 대해 기재되었으나, 상기 개시의 이점을 갖는 당업자는 본원에 개시된 바와 같이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다른 실시양태가 고안될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구의 범위에 의해서만 제한되어야 한다.
모든 우선권 문헌은 도입이 허용되는 모든 관할에서 본원에서 참고문헌으로 전체 도입된다. 또한, 시험 절차를 비롯한 본원에서 인용된 모든 문헌은 도입이 허용되는 모든 관할에서 본원에서 참고문헌으로 전체 도입된다.

Claims (32)

  1. 폴리올레핀을 포함하는 제1 중합체; 및
    제2 중합체 및 충전제를 포함하는 복합재를 포함하며,
    시쓰(sheath)가 복합재를 포함하고, 코어(core)가 제1 중합체를 포함하며, 제1 중합체와 복합재를 공압출시켜 형성된 시쓰/코어 배위를 갖는 이성분 섬유이며,
    여기서 복합재는 이성분 섬유 표면의 적어도 일부를 형성하는 층을 형성하고, 압출 후 충전제의 평균 입자 크기는 제2 중합체에 의해 형성된 층의 두께보다 큰 것인, 증가된 표면 조도를 갖는 이성분 섬유.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 폴리올레핀이 균일하게 분지된 폴리올레핀인 이성분 섬유.
  7. 제1항에 있어서, 폴리올레핀이 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-헥센, 1-옥텐, 4-메틸-1-펜텐, 부타디엔, 시클로헥센, 디시클로펜타디엔, 스티렌, 톨루엔, 알파-메틸스티렌, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 단량체로부터 유도된 것인 이성분 섬유.
  8. 제1항에 있어서, 제2 중합체가 탄성 중합체를 포함하는 것인 이성분 섬유.
  9. 제8항에 있어서, 탄성 중합체가 균일하게 분지된 폴리올레핀, 이중블록, 삼중블록 또는 다중블록 탄성 공중합체, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리에스테르, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 이성분 섬유.
  10. 제9항에 있어서, 폴리올레핀이 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-헥센, 1-옥텐, 4-메틸-1-펜텐, 부타디엔, 시클로헥센, 디시클로펜타디엔, 스티렌, 톨루엔, 알파-메틸스티렌, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 단량체로부터 유도된 것인 이성분 섬유.
  11. 제1항에 있어서, 충전제가 실리카, 알루미나, 탄산칼슘, 이산화규소, 점토, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 이성분 섬유.
  12. 제1항에 있어서, 충전제가 탄산칼슘을 포함하는 것인 이성분 섬유.
  13. 제11항에 있어서, 충전제가 상용화제로 코팅된 것인 이성분 섬유.
  14. 제13항에 있어서, 상용화제가 스테아르산인 이성분 섬유.
  15. 제1항에 있어서, 복합재가 섬유의 1 내지 20 중량％를 차지하는 이성분 섬유.
  16. 제15항에 있어서, 복합재가 섬유의 5 내지 15 중량％를 차지하는 이성분 섬유.
  17. 제1항에 있어서, 충전제가 복합재의 1 내지 25 중량％를 차지하는 이성분 섬유.
  18. 제1항에 있어서, 충전제가 복합재의 3 내지 15 중량％를 차지하는 이성분 섬유.
  19. 제1항에 있어서, 충전제의 평균 입자 크기가 0.1 내지 20 ㎛ 범위인 이성분 섬유.
  20. 제1항에 있어서, 충전제의 평균 입자 크기 대 복합재 층 두께의 비율이 1 초과 2 미만인 이성분 섬유.
  21. 제20항에 있어서, 충전제의 평균 입자 크기 대 복합재 층 두께의 비율이 1.2 내지 1.8인 이성분 섬유.
  22. 제1항에 있어서, 충전제의 입자 크기 분포가 3.0 미만인 이성분 섬유.
  23. 제22항에 있어서, 충전제의 입자 크기 분포가 2.0 미만인 이성분 섬유.
  24. 제1항에 있어서, 충전제 입자 중심 대 중심 거리 (L) 대 충전제의 평균 입자 크기 (d)의 비율이
    a) 평균 입자 크기가 1 ㎛ 미만인 경우 3 내지 6이거나, 또는
    b) 충전제의 평균 입자 크기가 1 ㎛ 이상인 경우 2 내지 4이며,
    여기서, 중심 대 중심 거리 (L)은 (0.8/αav)1/2d (여기서, αav는 중합체 매트릭스 부피％에 대한 입자 부피％의 비율임)와 동등하게 계산된 것인, 이성분 섬유.
  25. 제1항에 있어서, 탄성인 이성분 섬유.
  26. 제1항에 있어서, 가교된 것인 이성분 섬유.
  27. 제1항의 섬유를 포함하는 제품.
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  31. 삭제
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