KR101183638B1 - 폴리에스테르 섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것으로서, (S1) 폴리에스테르 수지를 방사구금을 통해 용융방사하고 냉각시켜 미연신사를 제조하는 단계; (S2) 상기 미연신사를 200 내지 600 m/min의 선속도로 주행하도록 하고, 고점성 윤활제를 함유하는 방사유제를 상기 미연신사에 공급하여 부착시키는 단계; 및 (S3) 상기 유제가 부착된 미연신사를 연신하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제조방법에 따르면, 유제 부여를 위한 추가적인 후공정과 장치 없이도 내마모성이 우수한 유제를 균일하게 부착시킬 수 있다.

Description

폴리에스테르 섬유의 제조방법{A manufacturing method of polyester yarn}

본 발명은 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내마모성을 부여하는 유제를 폴리에스테르 섬유에 부여하는 공정을 포함하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

폴리에스테르 섬유는 물리, 화학적 특성이 우수하여 산업용 섬유로서 그 용도가 계속해서 확대되어 가고 있다. 특히, 산업용 폴리에스테르 섬유는 산악, 물류, 해양 등의 다양하고 열악한 환경에서 사용되는 제품들의 소재로 많이 사용된다. 이러한 열악한 환경에서는 마찰로 인해 폴리에스테르 섬유 제품의 내구성이 떨어지거나 성능이 제대로 발휘되지 않는 경우가 많이 있다. 따라서, 폴리에스테르 섬유에 내마모성을 부여하는 방법이 사용되고 있다.

내마모성을 부여하는 가장 효과적이고 기본적인 방법으로서, 내마모성을 부여하는 유제를 섬유에 부착시키는 다음 두 가지 방법이 사용되고 있다.

첫째, 폴리에스테르 수지를 용융방사한 다음 연신 및 권취 공정을 통해 제조한 폴리에스테르 섬유 완제품을, 별도의 재권취 공정을 통해 유제를 공급하여 부착시키는 방법이 있다. 통상 이를 Off-line over-finish 방법이라고 한다. 그러나, Off-line over-finish 방법은 재권취라는 추가적인 공정과 장치가 필요하며, 완제품인 폴리에스테르 섬유 원사를 재권취 공정은 낮은 속도로 이루어지게 되어 생산속도와 비용 면에서 문제점을 갖고 있다.

둘째, 폴리에스테르 수지를 용융방사 및 연신한 다음, 마지막 권취 공정에서 유제를 공급하여 부착시키는 방법이 있다. 통상 이를 On-line over-finish 방법이라고 한다. 그러나, On-line over-finish 방법은 고뎃 롤러와 와인더 사이에 유제 공급장치를 설치하여 3000m/min 이상의 빠른 속도로 권취되는 섬유에 유제를 부여해야 하므로, 다량의 유제가 비산(飛散)되는 문제점이 있다. 이로 인해, 작업환경이 악화되고, 유제의 탈락이 높아져서 섬유에 균일하게 부착되지 않게 되어 내마모성 부여능이 저하되는 문제점이 있다.

이와 같이, 유제를 부여하는 방법에 따라 공정성, 생산단가, 제품성능 등에 많은 영향을 주게 되므로, 내마모성이 요구되는 폴리에스테르 섬유의 제조시 유제의 부여방법은 매우 중요하다.

또한, 폴리에스테르 섬유의 내마모성을 향상시킬 유제의 선택도 매우 중요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하여, 유제 부여를 위한 추가적인 공정과 장치 없이도 내마모성이 우수한 유제를 균일하게 부착시킬 수 있는 폴리에스테르 섬유의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 폴리에스테르 섬유의 제조방법은,

(S1) 폴리에스테르 수지를 방사구금을 통해 용융방사하고 냉각시켜 미연신사를 제조하는 단계;

(S2) 상기 미연신사를 200 내지 600 m/min의 선속도로 주행하도록 하고, 20℃의 온도에서의 점도가 90 내지 1000 cps인 윤활제가 함유된 방사유제를 상기 미연신사에 공급하여 부착시키는 단계; 및

(S3) 상기 유제가 부착된 미연신사를 연신하는 단계를 포함하며, 상기 제조된 폴리에스테르 섬유의 OPU는 0.7 내지 2.0 %이다.

본 발명에 따른 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 있어서, 폴리에스테르 수지로는 고유점도가 0.9 내지 1.0인 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 있어서, (S1) 단계에 따라 얻어진 미연신사의 단사 섬도는 7 내지 15데니어(denier)인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 있어서, 상기 윤활제로는 탄소수 24 내지 40인 파라핀계 왁스, 중량평균분자량 1,000 내지 8,000인 실리콘계 왁스 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 있어서, 고점도 윤활제와 혼합된 방사유제는 점도가 10 cps 이하로 유지되도록 가열하여 적용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 있어서, 상기 방사유제는 고점도 윤활제를 50중량% 내지 80중량% 함유하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조방법에 따르면, Off-line over-finish 방법과 같이 유제 부여를 위한 추가적인 공정과 장치가 필요 없다. 또한, 유제가 비산되지 않도록 미연신사의 속도를 제어할 수 있으므로, 유제가 섬유에 균일하게 부착되며 유제 비산에 따른 작업 환경 악화 등의 문제가 개선된다.

더불어, 고점성의 윤활제를 방사유제에 혼합하여 사용함으로써 내마모성 우수한 폴리에스테르 섬유를 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 폴리에스테르 섬유 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

먼저, 폴리에스테르 수지를 방사구금을 통해 용융방사하고 냉각시켜 미연신사를 제조한다(S1 단계).

폴리에스테르 수지로는 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 수지를 들 수 있으며, 고강도의 섬유를 제조하기 위하여 고유점도가 0.9 내지 1.0인 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지를 사용할 수 있다. 이러한 고유점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지는 공지의 방법에 따라 고유점도가 0.6 정도인 통상적인 폴리에틸렌테레프탈레이트 칩을 고상중합하는 방법 등으로 용이하게 제조할 수 있다. 고유점도(IV)는 페놀/1,1,2,2-테트라클로로에탄의 6:4 혼합 용매로 0.4% 폴리에스테르/용매 용액을 준비한 다음, 캐논사의 Auto Visc II 자동점도계로 표준모세관을 통과하는 순수 용매의 유동시간에 대한 폴리에스테르/용매 용액의 유동시간을 측정한 후 잘 알려진 빌메이어 근사식으로 계산하였다.

용융방사의 온도는 예를 들어 300℃이며, 폴리에스테르 수지의 용융지수를 고려하여 적절히 방사온도를 정할 수 있다. 용융방사된 섬유는 냉각되어 미연신사를 형성한다.

미연신사의 단사 섬도(D.P.F., denier per filament)는 7 내지 15 denier인 것이 바람직한데, 이러한 범위에서 내마모성이 더욱 우수해지기 때문이다.

그런 다음, 폴리에스테르 미연신사를 200 내지 600 m/min의 선속도로 주행하도록 하고, 20℃의 온도에서의 점도가 90 내지 1000 cps인 윤활제가 함유된 방사유제를 상기 미연신사에 공급하여 부착시킨다(S2 단계).

본 발명에 따라 폴리에스테르 미연신사의 주행 속도를 200 내지 600 m/min의 범위로 제어함으로써, 유제의 비산을 억제할 수 있다. 또한 유제에 함유된 윤활제는 점도가 90cps 미만이면 내열성이 떨어지는 문제점이 있으며, 1000cps 초과이면 높은 점도로 인해 혼합된 방사유제의 균일 부착능이 떨어지는 문제점이 있다. 즉, 상기 범위 내의 윤활제가 방사유제와 혼합시 온도조절을 통해 낮은 점도로 컨트롤이 가능하며, 내열성이 우수하며, 추후 연신공정에서 고온의 고뎃 롤러를 통과할 때 롤러 표면에 스컴이 유발되는 것을 방지할 수 있다.

이러한 (S2) 단계에 따르면, 추가적인 공정과 장치가 필요 없이 기능성 유제 부여가 가능하며, 부여시 유제를 비산시키지 않고 섬유에 균일하게 부착시킬 수 있는 장점이 있다. 이에 따라 고품질의 내마모성을 갖는 폴리에스테르 섬유 생산이 가능하다.

본 발명에서 사용할 수 있는 고점도 윤활제로의 예로는 탄소수 24 내지 40의 파라핀계 왁스, 중량평균분자량 1,000 내지 8,000인 실리콘계 왁스 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

파라핀계 왁스의 구체예로는, 폴리메틸렌계, 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계 왁스 또는 이들을 혼합 사용할 수 있다.

이러한 윤활제는 점도가 높으므로 혼합된 방사유제 전체의 점도를 상승시키게 된다. 혼합된 방사유제의 점도가 지나치게 높으면 섬유에 대한 유제의 균일 부착성이 저하될 수 있으므로, 점도가 10 cps 이하로 유지되도록 방사유제를 가열하여 섬유에 공급하는 것이 바람직하다.

상기 방사유제는 고점도 윤활제를 50중량% 내지 80중량% 함유하는 것이 바람직하다. 고점도 윤활제의 함량이 50 내지 80중량% 범위를 벗어나면, 방사유제의 균일 부착성이 떨어지거나 내마모성 효과가 저하될 우려가 있다.

뿐만 아니라, 방사유제에는 고점도 윤활제 외에 미네랄 오일, 대전방지제, 계면활성제 등과 같은 통상적인 유제 첨가제 성분이 추가로 사용될 수 있으며, 고무접착성, 발수성 등 폴리에스테르 섬유에 다양한 특성을 부여하는 공지의 성분을 더 첨가할 수 있음은 물론이다.

상기 방사유제가 부착된 미연신사는 통상적인 폴리에스테르 섬유의 제조공정에 따라 연신공정에 공급하여 연신되며, 여기서 제조되는 폴리에스테르 섬유의 OPU는 0.7 내지 2.0%이다. 섬유의 OPU 치가 상기 범위를 벗어나면, 내마모성 효과가 저하되거나 높은 OPU로 인해 연신 및 권취 공정상에 오염원을 증가시키는 문제가 발생할 수 있다.

연신공정의 열처리 조건 및 연신비는 원료 수지의 고유점도, 목적하는 폴리에스테르 섬유의 용도와 강도 등에 따라 당업자가 용이하게 조절할 수 있다.

필요에 따라 연신한 폴리에스테르 섬유를 추가적으로 이완처리할 수 있으며, 최종적으로 제조한 섬유는 권취기에 권취된다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

하기 실시예에서 내마모성 및 강신도 평가는 다음과 같이 수행하였다.

1. 내마모성(원사-원사)평가

내마모성 측정은 산업용 제품에 적합한 원사-원사간의 마찰인 ASTM D-6611방법으로 평가하였으며, 측정방법은 건ㅇ습식의 두 가지 조건에서 실시하였다. 제조된 원사를 360도로 회전시켜 꼬임을 준 후 400 내지 1000g의 무게추를 달아 장력을 부여한 후 크랭크의 회전에 따른 상하운동을 통해 마찰을 발생시켜 원사가 끊어질 때까지의 횟수를 기록한다. 건식조건은 온도 16 내지 25℃, 상대습도 55 내지 75%에서 1시간 이상 방치 후 측정하였으며, 습식조건은 온도 16 내지 25℃ 물에 1시간 방치 후 측정하였다.

2. 원사의 강신도 측정방법

원사를 표준상태인 조건, 즉 온도 25℃ 와 상대습도 65%인 상태의 항온항습실에서 24시간 동안 방치한 후에 ASTM D-885의 방법으로 인장시험기를 통해 측정하였다.

3. OPU(Oil Pick Up) 측정방법

4g의 연신공정까지 완료된 최종원사를 Random sampling하여 유제 신속 축출 장치에서 MeOH(99.9%) 20ml X 2회로 수세 압착 축출한 후 건조하여 아래 식에 따라 계산하였다.

식 : OPU (%) = {(W2 x W1)W} x 100

(W: Sample 무게, W1: 증유전 증발접시 무게, W2: 증유후 증발접시 무게)

4. 유제부착율 측정방법

유제부착율은 동일한 양의 유제를 원사에 공급하였을 때 원사 주행속도에 따라 OPU 값을 상대 비교한 것으로 유제 부여시 원사 주행속도를 100m/min로 하였을 때 OPU를 100%로 기준하여 비교하였다.

<참고예>

단사 섬도에 따른 내마모성을 평가하기 위하여, 단사 섬도가 서로 다른 폴리에스테르 섬유를 제조하였다. I.V. 0.9의 고상중합된 폴리에스테르 칩을 두 종류(192, 259홀)의 노즐을 통해 토출량을 조절하여, 300도에서 용융 압출하여 분당 500m속도로 방사 및 냉각시켜 미연신사를 제조하였다. 미연신사에 폴리에스테르섬유 방사용 유제 (크로다우방㈜, SY-1000)을 OPU 값이 0.5중량% 비율로 부착한 후 계속해서 90℃, 130℃ 및 230℃의 고데트 롤러를 거쳐 차례대로 연신 및 열처리를 행하였다. 이때 연신비는 5.9 이상으로 하였고, 마지막 와인더를 거쳐 최종 9.5g/d이상의 강도를 가지며, 단사섬도 5 내지 10의 산업용 고강도 폴리에스테르 베이스(base) 원사를 제조하였다.

상기 제조된 원사를 이용하여 원사-원사간 마찰 시험법에 의해 D.P.F.에 따른 내마모 특성을 평가한 결과, 하기 표 1에서 볼 수 있듯이 D.P.F.가 높을수록 내마모성이 우수함을 알 수 있었다.

<비교예 1>

상기 참고예 3에 따라 제조 완료된 원사에 별도의 유제부착장치에서 점도 90cps인 파라핀계 윤활제(짐머 앤슈바르츠(Zschimmer & Schwarz, C8-121)를 최종단계 원사의 OPU가 1.0%이 되도록 추가로 공급하여 재권취하였다. 표 2에 공정조건 및 평가결과를 기재하였다.

비교예 1의 경우 작업환경과 유제 부착성은 양호하였으나, 추가적인 유제부여 공정에 따른 제조비용 증가와 유제부여 공정시 원사의 가이드 통과에 따른 강도 저하가 발생하였다.

<비교예 2>

상기 참고예 3에 따라 원사를 제조하는 과정에서 와인더에 권취하기 직전에 제트오일(jet oil) 급유장치를 통해 비교예 1과 동일한 성분의 윤활제를 추가로 공급, 부착시켰다. 표 2에 공정조건 및 평가결과를 기재하였다.

비교예 2의 경우 에어인터레이스 공정을 거치면서 고압의 에어에 의한 유제 탈락 및 비산으로 작업환경 오염이 심하였다. 또한 고속의 트래버스 가이드 왕복운동에 의한 와인더 기계부분에도 오염이 심하게 발생하여 잦은 기계고장이 발생하였다. 즉, 비교예 2는 생산성은 우수하나 높은 선속도를 가지는 원사에 유제를 부여함으로써 균일한 부착품질의 제품을 얻기 힘들었다.

<비교예 3>

비교예 3은 전술한 참고예 3에 따라 원사를 제조하는 과정인 (S2) 단계에서 고점성 윤활제(Zschimmer & Schwarz, C8-121)와 방사 유제(크로다우방㈜, SY-1000)를 50:50의 중량%로 혼합한 방사유제를 롤러 오일링(Roller Oiling)법으로 최종원사의 OPU가 0.5중량%가 되도록 변화시킨 것을 제외하고는 참고예 3과 동일하게 실시하였다. 표 2에 공정조건 및 평가결과를 기재하였다.

비교예 3의 경우 유제의 균일 부착성이 양호하였으나, 최종 원사의 OPU가 낮아서 충분한 내마모성 부여가 어려웠다.

<실시예 1 내지 3>

실시예 1 및 2는 비교예 3과 동일한 방법으로 제조하되, 유제공급장치의 rpm으로 미연신사에 공급되는 혼합방사유제의 양을 조절하여 표 2에 따라 OPU를 변화시켜 실시하였으며, 실시예 3의 경우 실시예 2와 동일한 방법으로 제조하였으나, 상기 비교예3, 실시예1 내지 2에서 사용된 C8-121 대신 1000 cps 점도의 실리콘계 윤활제(Matsumoto사, 3306(상품명))를 방사유제와 동일한 비율로 섞어 OPU 1.0 중량%으로 점도가 10 cps 이하가 되도록 가열하여 사용하였다.

실시예 1 내지 3은 모두 혼합된 방사유제를 사용한 방법으로 최종 원사의 OPU 치가 0.7% 이상으로 제조된 섬유의 내마모성은 양호하게 나타났으며, 환경오염도 적으면서 경제성 있게 제조할 수 있었다.

	비교예 1	비교예 2	비교예 3	실시예 1	실시예 2	실시예 3
구분	Two step (Off-line over- finish)	One step (분리2액형)	One step (혼합1액형)	One step (혼합1액형)	One step (혼합1액형)	One step (혼합1액형)
S2단계의섬유 주행속도 (m/min)	200	3000	500	500	500	500
권취속도 (m/min)	200	3000	3000	3000	3000	3000
최종원사 OPU(%)	1.0	1.0	0.5	0.7	1.0	1.0
강도(g/d)	9.3	9.5	9.5	9.5	9.5	9.5
신도(%)	12.5	12.5	12.5	12.5	12.5	12.5
내마모성 (건식테스트,1000g)	160	80	90	130	160	150
유제부착율(%)	95	50	90	90	90	90
작업환경	양호	유제 비산 심함	양호	양호	양호	양호

Claims (6)

1. (S1) 폴리에스테르 수지를 방사구금을 통해 용융방사하고 냉각시켜 미연신사를 제조하는 단계;
   (S2) 상기 미연신사를 200 내지 600 m/min의 선속도로 주행하도록 하고, 20℃의 온도에서의 점도가 90 내지 1000 cps인 고점성 윤활제가 함유된 방사유제를 상기 미연신사에 공급하여 부착시키는 단계; 및
   (S3) 상기 유제가 부착된 미연신사를 연신하는 단계를 포함하는,
   OPU가 0.7 내지 2.0%인 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지는 고유점도가 0.9 내지 1.0인 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 미연신사의 단사 섬도는 7 내지 15데니어(denier)인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 고점성 윤활제는 탄소수 24 내지 40의 파라핀계 왁스, 중량평균분자량 1,000 내지 8,000인 실리콘계 왁스 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 고점성 윤활제가 함유된 방사유제는 점도가 10 cps 이하로 유지되도록 가열되는 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 방사유제는 50 내지 80중량%의 고점성 윤활제를 함유하는 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.