KR101100824B1

KR101100824B1 - 고강도 단섬유의 제조방법

Info

Publication number: KR101100824B1
Application number: KR1020100117990A
Authority: KR
Inventors: 송종복
Original assignee: 송종복; 주식회사 메이스터
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-01-02

Abstract

본 발명은 고강도 단섬유 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리에스터, 나일론, 폴리프로필렌 단섬유의 생산에 있어서 현재 적용중인 수계연신욕의 온도 한계를 극복할 수 있는 유계연신욕을 도입하여, 고연신율에 의한 필라멘트의 배향도를 높이고, 기존의 궁극적으로 수계 연신욕(Water-based)으로부터 발현되는 각종 함성섬유원사(폴리에스터, 나일론, 폴리프로필렌, 아크릴 등)의 물리적 화학적 특성을 유계연신욕(Oil-based) 처방으로 개선함으로써 기존의 수계연신욕(Water-based)의 온도에 대한 한계를 극복한 고강도의 단섬유를 생산하여 고강력, 고기능을 가진 경쟁력 있는 단섬유류의 생산이 가능하도록 하는 고강도 단섬유의 제조방법에 관한 것이 제공된다.

Description

고강도 단섬유의 제조방법{Method for producing high-strength staple fiber}

본 발명은 고강도 단섬유 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리에스터, 나일론, 폴리프로필렌 단섬유의 생산에 있어서 현재 적용중인 수계연신욕의 온도 한계를 극복할 수 있는 유계연신욕을 도입하여, 고연신율에 의한 필라멘트의 배향도를 높이고, 기존의 궁극적으로 수계 연신욕(Water-based)으로부터 발현되는 각종 합성섬유원사(폴리에스터, 나일론, 폴리프로필렌, 아크릴 등)의 물리적 화학적 특성을 유계연신욕(Oil-based) 처방으로 개선함으로써 기존의 수계연신욕(Water-based)의 온도에 대한 한계를 극복한 고강도의 단섬유를 생산하여 고강력, 고기능을 가진 경쟁력 있는 단섬유류의 생산이 가능하도록 하는 고강도 단섬유의 제조방법 및 고강도 단섬유에 관한 것이다.

필라멘트(Filament)사는 일반적으로 제직이나 편직 공정을 거쳐 바로 산업용 재료로 사용하거나, 염색, 가공 공정을 거쳐 산업용 자재 혹은 의류제품의 원료로 사용하고 있다. 그러나, 필라멘트 고유의 광택과 질감 때문에 소비시장의 수요가 극히 제한적이며 의류 시장에서 차지하는 점유율도 그리 높지 않은 편이다.

이에 대한 대응책으로 개발된 것이 필라멘트사를 단섬유화 하여 부직포의 원료로 사용하거나 단섬유화 후에 크림프를 주어서 100% 원료물질로 방적 또는 다른 이성분의 섬유와 일정비율 조합하여 혼방사를 만들어 제.편직 후에 의류로 사용하고 있으며, 현재 유통되고 있는 대부분의 의류는 이와 같은 방식의 단섬유화 된 합섬섬유를 다른 섬유와 혼방하는 방식으로 제조된다.

이와 같은 혼방제품은 두 가지 서로 다른 성질의 섬유가 혼합되어 제조된 것이기 때문에 두 섬유의 장점을 고르게 가질 수 있어서 산업용 재료로 필라멘트 섬유 보다 더 많은 응용 범위를 제시할 수 있다.

이러한 이유로 필라멘트를 가공하여 고강도 단섬유화 하는 기술의 개발이 활발히 이루어져 왔다.

고강도 폴리에스터나 폴리프로필렌 섬유 제조 방법에 관한 특허는 대한민국특허출원 제10-1998-56947호 및 제10-1994-14308호에 개시되어 있다. 그러나, 상기 두 특허는 모두 연신욕을 사용하지 않고 모두 건열방식의 열원을 사용하여 다단연신하여 고강도 섬유를 얻는 방법을 제공하고 있다. 또한, 상기 두 특허의 기술은 2000m/min 이상의 방사속도에서 제조된 필라멘트를 다단연신하는 방식으로 2000m/min 이하의 방사속도로 제조된 필라멘트에는 적용이 불가능한 단점이 있다.

또한, 종래에는 수계연신욕을 사용하여 필라멘트를 연신하는 기술이 개발되어 사용되고 있으나, 이러한 수계연신욕을 사용한 단섬유의 제조는 대부분 물의 비등점 이하의 온도에서 물리적인 신장을 가하게됨으로 연신비의 한계가 있고, 이러한 한계로부터 생산된 섬유의 용도도 극히 제한적인 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 종래의 수계연신욕의 한계인 물의 비등점 이상에서의 물리적인 신장을 가하고, 종래의 연신비의 한계를 극복하는 유계(Oil-based) 연신욕을 적용하여 고연신율에 의한 필라멘트의 배향도를 높이고 궁극적으로 고강도의 단섬유를 생산하여 고강력, 고기능을 가진 경쟁력 있는 단섬유류의 생산이 가능하도록 하는 수계연신욕의 온도에 대한 한계를 극복할 수 있는 고강도 단섬유의 제조방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.

본 발명자들은 상기 유계연신욕을 적용하기 위하여 상기 유계연신에 사용될 수 있는 연신온도를 고온으로 유지하여 필라멘트를 신장시키고, 연신비를 높여 고강도, 고기능성의 단섬유를 생산하는데 유리한 오일(base oil)을 찾아 내는 작업을 선 수행하여 상기 오일과 첨가제를 적절히 혼합하여 본 발명의 제조방법에 적용가능한 유계연신제를 별도로 제조하여 본 발명을 완성하였다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 합성섬유원사를 2,000m/min 이하의 방사속도로 방사구금을 통하여 용융방사하여 미연신사를 제조하고, 상기 미연신사를 유계연신제가 충진되어 있는 유계연신욕에서 연신온도는 100 ~ 200℃의 온도조건으로 열처리하고, 연신비 4.5:1 내지 4.9:1의 조건하에 다단연신한 다음 크림퍼로 크림핑 후, 절단하는 공정으로 되는 것을 특징으로 하는 고강도 단섬유의 제조방법에 있어서, 상기 유계연신제는 실리콘계오일, 코코넛오일 또는 팜유중에서 선택된 1종에 첨가제를 혼합한 것을 사용하며, 상기 첨가제는 산화방지제:고속방사유제:연신유제:극세사용 계면활성제를 1:1:1.25:1의 비율로 혼합한 혼합물이고, 상기 합성섬유원사는 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고강도 단섬유의 제조방법에 의하여 달성된다.

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본 발명의 고강도 단섬유 제조방법은 연신온도를 상승시켜 강력이 개선된 단섬유를 이용하여 특수 건축용 보강재로 수요를 새로이 창출할 수 있었으며, 기존 강도의 제품의 경우 생산성을 향상 시킬 수 있어 단섬유 제조의 기술적 향상과 매출 증대를 동시에 이룰 수 있다.

또한, 본 발명은 연신온도의 상승으로 인한 연신비의 향상으로 종래의 단섬유에 비해 강도가 향상된 단섬유의 제조가 가능하며, 제조된 단섬유를 이용하여 특수용도의 단섬유 아이템을 다양화 할 수 있는 효과를 가진다.

특히, 본 발명의 기술은 설비의 보완 및 개선 없이 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 단섬유의 강도를 증진시킬 수 있다.

도 1 은 본 발명의 고강도 단섬유의 제조공정의 일예를 도시한 것이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

첨부도면 도 1은 본 발명의 고강도 단섬유의 제조공정의 일예를 도시한 것이다.

본 발명의 고강도 단섬유 제조방법은 합성섬유원사를 2,000m/min 이하의 방사속도로 방사구금을 통하여 용융방사하여 미연신사를 제조하고, 상기 미연신사를 유계연신제가 충진되어 있는 유계연신욕에서 연신온도는 100℃ ~ 200℃의 온도조건으로 열처리하고, 연신비 4.5:1 내지 4.9:1의 조건하에 다단연신한 다음 크림퍼로 크림핑 후, 절단하는 공정으로 이루어진다.

상기 유계연신제는 실리콘계오일, 코코넛오일 또는 팜유중에서 선택된 1종에 첨가제를 혼합한 것을 사용하며, 상기 첨가제는 유계연신제 총량에 대하여 3 내지 10중량% 첨가하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 4 내지 6중량%, 더욱 바람직하게는 5중량%를 혼합하는 것이 좋다.

만일 상기 첨가제가 3중량% 미만으로 혼합될 경우 유계연신제로서 연신효과를 얻기 어려운 단점이 있고, 10중량%를 초과할 경우에는 최종산물인 단섬유의 오일함량이 일반적인 단섬유의 기준치를 벗어나게 잔류하는 문제점이 있게 된다.

본 발명에 의하면, 상기 첨가제는 산화방지제:고속방사유제:연신유제:극세사용 계면활성제를 1:1:1.25:1의 비율로 혼합한 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 합성섬유원사는 특별히 한정하지 않으나, 특히 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)에 유계연신욕을 적용할 경우 종래의 제조방법에 비해 물성이 우수한 PP 단섬유 또는 PET 단섬유를 얻을 수 있다.

이상에 설명되는 본 발명의 고강도 단섬유의 제조방법을 첨부도면 도 1을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 합성섬유원사를 방사구금(10)을 통해 용융방사하여 미연신사(13)를 제조한다. 이때, 상기 미연신사(13)는 포집기(11)에 포집되고, 상기 포집기(11)에 포집된 미연신사(13)는 가이드로울러(12)에 의해 1차 연신기(20)로 이송되고, 상기 1차 연신기(20)의 1차 연신로울러(25)에 의해 이송되는 미연신사는 함침로울러(16)에 이송되어, 상기 함침로울러를 통해 유계연신제(60)가 충진되어 있는 유계연신욕(70)을 통과하게 된다.

상기 함침로울러(16)에 이송된 미연신사는 연신온도가 설정되어 있는 유계연신제가 충진되어 있는 유계연신욕에서 고온의 연신온도로 함침되고, 상기 유계연신제에 함침된 미연신사는 상기 함침로울러에 의해 가이드되어 2차 연신기(22)로 이송되어 연신되고, 상기 2차 연신기의 로울러(26)에 의해 연신된 미연신사는 3차 연신기(24)로 이송되어 다단연신시킨 다음, 상기 연신된 사는 크림퍼(30)로 이송되어 크림핑 한 다음 이송밸트가 구비된 이송장치(32)에 의해 절단기로 이송되게 된다. 이때, 연신된 사는 건조되게 된다.

상기 이송장치에 의해 절단기(40)로 이송된 연신사는 절단함으로써 고강도 단섬유(50)를 제조하게 된다.

여기서, 상기 2차 연신기(22)와 3차 연신기(24)의 사이에 필요에 따라 첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이 유계연신욕(70)에서 함침된 후, 잔존하는 유계연신제(60)를 세척하기 위한 세척장치(23)를 더 설치할 수 있다. 상기 세척장치는 연신욕에서 함침된 유계연신제의 잔존물을 세척하는 역할을 하게 된다.

상기 다단연신시 연신비는 1차 연신기와 2차 연신기를 구성하는 연신로울러(25, 26)의 회전속도의 차에 의하며, 그 연신비는 2차연신기의 연신로울러(26) 회전수:1차연신기의 연신로울러(25)는 4.5:1 ~ 4.9:1의 범주로 공급되는 함성섬유원사에 따라 다르게 설정하여 이루어진다.

여기서, 3차 연신기의 연신로울러(27)의 회전속도는 상기 2차 연신기의 연신로울러(26)와 동일하게 설정한다.

예로써, 상기 다단연신시 1차 연신기의 연신로울러(25)로울러의 회전속도가 40m/min일 경우, 2차 연신기(22)의 연신로울러(26)의 회전속도 180~196m/min으로 회전속도를 설정하여 연신하고, 상기 2차 연신 후, 3차 연신기(24)의 연신로울러(27)의 회전속도 180~196m/min의 속도로 3차 연신 하게 된다.

여기서, 상기 연신로울러의 회전속도는 연신비에 따라 달리 설정되며, 상기 1차 연신로울러의 설정 회전속도에 따라 2차 및 3차 로울러의 회전속도가 결정된다.

상기 유계연신욕에서 연신조건은 합성섬유원사의 종류에 따라 다르게 설정되며, 그 설정 연신온도 100 ~ 200℃, 연신비는 4.5:1 내지 4.9:1의 범위 내로 설정한다.

그 예로, 폴리프로필렌의 경우 연신비는 4.9:1로 설정하며, 그 연신비에 따라 로울러의 회전속도가 정해지는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 유계연신제는 오일(base oil)에 첨가제를 혼합하여 된 것을 사용한다. 상기 오일과 첨가제는 그 혼합비율이 유계연신제 총량에 대하여 첨가제가 5중량%가 포함되도록 혼합한다.

상기 오일은 실리콘계오일, 코코넛오일 또는 팜유로 이루어진 군에서 선택된 1종을 사용한다.

상기 첨가제는 산화방지제, 고속방사유제, 연신유제 및 극세사용 계면활성제를 혼합한 혼합물을 사용하며, 상기 혼합물은 산화방지제:고속방사유제:연신유제:극세사용 계면활성제 = 1:1:1.25:1의 비율로 혼합한 혼합물이다.

이상에서 개시된 본 발명의 고강도 단섬유의 제조방법에 따라 강도 4.5g/de 이상의 단섬유의 제조가 가능하게 된다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 보다 상세히 설명하기로 한다. 단 하기의 실시예로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

하기 표 1의 조건으로 종래기술과 본 발명 기술을 적용하여 폴리프로필렌 단섬유의 생산성을 비교시험하였으며, 생산된 단섬유의 강도를 측정하고 그 결과는 표 3에 도시하였다. 이때, 방사노즐의 방사속도는 종래기술의 적용에서는 500m/min의 속도로 용융방사하였고, 본 발명 기술의 적용에서는 종래기술과 동일하게 500m/min의 속도로 용융방사하였으며, 상기 종래기술에서는 수계연신욕을 적용하였다.

상기 유계연신욕의 유계연신제는 캠맥스사의 실리콘계오일 DL-350에 첨가제로 산화방지제:고속방사유제:연신유제:극세사용 계면활성제 = 1:1:1.25:1의 비율로 혼합한 혼합물을 유계연신제 총량에 대해 5중량%가 되도록 혼합한 것을 사용하였다.

이상에서 제조된 단섬유의 강도를 측정하였으며, 그 결과는 표 3에 개시하였다.

구 분		종래기술적용	본 발명 기술적용
작업조건	연신비	4.5:1	4.9:1
	Spec.	6D×51㎜	6D×51㎜
	연신욕 온도 (실제/세팅)	98℃/105℃	147℃/155℃
	크림프/로라	4.2/0.8	4.2/0.8
	1차로라	40rpm	40rpm
	2차로라	180rpm	196rpm
	3차로라	182rpm	196rpm
	크림퍼속도	182rpm	196rpm
	생산량	10,000㎏	13,000㎏
결 과		단위시간당 생산량 30% 증가

* 상기 크림프/로라는 압력설정값으로 그 단위는 ㎏f/㎠이다.

상기 로라의 압력설정값은 1차, 2차, 3차 및 크림퍼의 로라에 대한 설정 압력값이다.

[실시예 2]

하기 표 2의 조건으로 종래기술과 본 발명 기술을 적용하여 폴리에틸렌테레프탈레이트 단섬유의 생산성을 비교시험하였으며, 생산된 단섬유의 강도를 측정하고 그 결과는 표 3에 도시하였다.

이때, 방사노즐의 방사속도는 종래기술의 적용에서는 580m/min의 속도로 용융방사하였고, 본 발명 기술의 적용에서는 종래와 동일하게 580m/min의 속도로 용융방사하였으며, 상기 종래기술에서는 수계연신욕을 적용하였다.

상기 유계연신제는 실시예 1과 동일한 것을 사용하였다.

구 분		종래기술적용	본 발명 기술적용
작업조건	연신비	4.0:1	4.5:1
	Spec.	6D×51㎜	6D×51㎜
	연신욕 온도 (실제/세팅)	97℃/105℃	142℃/145℃
	크림프/로라	4.2/0.8	4.2/0.8
	1차로라	40rpm	40rpm
	2차로라	160rpm	180rpm
	3차로라	162rpm	180rpm
	크림퍼속도	162rpm	180rpm
	생산량	13,000㎏	17,000㎏
결 과		단위시간당 생산량 30% 증가

주요인자		종래	본 발명	평가방법
강 도	PP(실시예1)	0.044N/de	0.063N/de	KOTERI KS K 0412
강 도	PET(실시예2)	0.031N/de	0.049N/de	KOTERI KS K 0412

이상에서 보여지는 실시예에 따른 각각의 물성측정 및 설정조건들을 하기 표 4에 요약하였다.

주요인자		종래	본 발명	평가방법
강 도	PP	0.044N/de	0.063N/de	KOTERI KS K 0412
강 도	PET	0.031N/de	0.049N/de	KOTERI KS K 0412
생산성	PP	10,000㎏	13,000㎏	자체평가
생산성	PET	13,000㎏	17,000㎏	자체평가
연신비	PP	4.5:1	4.9:1	자체평가
연신비	PET	4.0:1	4.5:1	자체평가
잔지율(OPU)	PP	0.5%	0.47%	KOTERI
잔지율(OPU)	PET	0.2%	0.22%	KOTERI

상기 생산성은 동일한 작업조건(시간, 인원 등)에서 연신이 되어 생산된 제품의 수량을 비교하여 생산성을 평가하였다.

상기 연신비는 1차 연신기의 연신로울러대비 2차 연신기의 연신로울러의 속도의 차이로 연신비를 설정하였다.

상기 표 4의 결과로 보아, 종래 수계연신욕을 적용하였을 경우에 대비해 본 발명에 따른 유계연신욕을 적용하였을 때 강도는 40%이상 향상되었고, 생산성은 30% 이상 향상되었으며, 연신비는 15% 이상, 잔지율의 변화가 거의 없음을 보여줌을 알 수 있었다.

10: 방사노즐 11: 포집기
12: 가이드로울러 13: 미연신사
16, 16a, 16b: 함침로울러 20: 1차 연신기
22: 2차 연신기 24: 3차 연신기
25, 26, 27: 연신로울러 30: 크림퍼
32: 이송장치 40: 절단기
50: 단섬유 60: 유계연신제
70: 유계연신욕

Claims

합성섬유원사를 2,000m/min 이하의 방사속도로 방사구금을 통하여 용융방사하여 미연신사를 제조하고, 상기 미연신사를 유계연신제가 충진되어 있는 유계연신욕에서 연신온도는 100 ~ 200℃의 온도조건으로 열처리하고, 연신비 4.5:1 내지 4.9:1의 조건하에 다단연신한 다음 크림퍼로 크림핑 후, 절단하는 공정으로 되는 것을 특징으로 하는 고강도 단섬유의 제조방법에 있어서,
상기 유계연신제는 실리콘계오일, 코코넛오일 또는 팜유중에서 선택된 1종에 첨가제를 혼합한 것을 사용하며, 상기 첨가제는 산화방지제:고속방사유제:연신유제:극세사용 계면활성제를 1:1:1.25:1의 비율로 혼합한 혼합물이고,
상기 합성섬유원사는 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고강도 단섬유의 제조방법.
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