KR101282784B1 - 수직기류를 이용한 단섬유 공급장치 - Google Patents

수직기류를 이용한 단섬유 공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직기류를 이용한 단섬유 공급장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 멜트블로운 부직포를 제조하는 방사장치에서 멜트블로운 섬유 방사시 단섬유를 혼입하기 위한 단섬유 공급장치에 있어서, 상기 공급장치의 상부에 방사노즐을 수용하는 수용부; 상기 수용부의 측면 상부에 단섬유를 공급할 수 있는 공급부; 및 상기 공급부의 하부에 단섬유 공급장치 내의 기류를 외부로 배출할 수 있는 배출부로 구성된 것을 특징으로 하는 수직기류를 이용한 단섬유 공급장치를 제공한다.

Description

수직기류를 이용한 단섬유 공급장치 {Supplying equipment of staple fiber using perpendicular air current}
본 발명은 수직기류를 이용한 단섬유 공급 장치에 관한 것으로, 멜트블로운 부직포 제조시에 단섬유를 균일하게 공급하기 위한 장치에 관한 것이다.
멜트블로운 부직포는 직경이 10㎛이하의 미세섬유들이 상호결합하여 거미줄과 같은 구조형태(spider-web structure)를 가지는 3차원적 섬유집합체이다. 즉, 섬유를 형성할 수 있는 열가소성 고분자를 수 백개의 작은 오리피스로 형성된 방사구금을 통해 방사되는 공정이며, 방사노즐로부터 압출된 고분자는 용융상태에서 방사구금의 양옆에 고속으로 분사되는 열풍에 의해 초세화된 극세섬유가 콜렉터(collecter)에 적층되어 부직포를 제조한다.
기본적인 생산원리는 분사방사와 에어제트방사의 두가지 제조방법이 있다. 이러한 방법은 합성섬유의 용융방사를 응용한 것으로 고분자를 용융하여 고속의 공기나 가스와 함께 방사시켜 초극세섬유를 제조하는 데서 동일하다.
멜트블로운사(meltblown fiber)를 포함하는 웨브(web) 또는 부직포는 흡음, 차음, 단열, 미립자의 여과 및/또는 수/유 분리(water/oil separation) 등의 용도로 사용될 수 있음이 공지되어 있다. 특히, 서로 다른 중합체들로부터 동시에 합성수지들을 사용하는 것이 종종 유리한 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 페이지(Page)의 미국 특허 제3,981,650호는 2가지의 상이한 중합체로부터 동시에 플라스틱 필라멘트(plastic filament)를 생성할 수 있는 멜트블로잉 다이(die)를 설명한다.
멜트블로운사 웨브는 또한 서로 다른 직경의 섬유들로 제조될 수 있다. 예를 들어, 바르보자(Barboza) 등의 미국 특허 제5,783,011호는 서로 일체로 동일 위치에 배치된 부직(nonwoven) 멜트블로운 지지 및 여과 섬유들의 집합체(mass)로 형성된 여과 매체를 개시한다. 지지 섬유는 평균적으로, 여과 섬유에 비해 상대적으로 더 큰 직경을 갖는다.
또한, 토로빈(Torobin) 등의 미국 특허 제6,315,806호는 서브-마이크로미터(sub-micron) 및 서브-마이크로미터 초과 직경의 중합체 섬유들의 혼합물의 제어된 분산물을 함유하는 섬유들의 복합 여과 매체 웨브를 설명한다.
미까미(Mikami)의 미국 특허 제6,319,865호는 1 내지 10㎛ 범위 내의 직경을 갖는 미세 섬유로 구성된 멜트블로운 부직포(nonwoven fabric)를 하나의 단계에서 제공하는 노즐 피스(nozzle piece)를 설명한다.
소위 단섬유(staple fiber)가 또한 멜트블로운 부직 웨브에 첨가되기도 한다. 예를 들어, 스프링겟(Springett) 등의 미국 특허 제6,827,764호는 열접합된 스테이플 섬유 및 비-열접합되고 전기 대전된 멜트블로운 섬유를 함유하는 다공성 성형 웨브를 포함하는 필터 요소를 설명한다.
그러나 수득되는 부직포의 경우 단섬유가 멜트블로운 웨브에 첨가되는 경우 주변에서 발생하는 외부 기류에 의해 단섬유의 공급이 제어되지 않아 균일하게 공급되지 못해 멜트블로운 부직포의 구조체를 제어하거나 멜트블로운 섬유의 연신성이 나빠지는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 방사노즐에서부터 멜트블로운 섬유가 집적되는 콜렉터까지 주변의 공기 흐름을 제어할 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 멜트블로운 부직포 제조시에 폴리에스테르 등의 단섬유를 공급하는 데 있어 단섬유가 균일하게 공급되도록 제어할 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 멜트블로운 부직포를 제조하는 방사장치에서 멜트블로운 섬유 방사시 단섬유를 혼입하기 위한 단섬유 공급장치에 있어서, 상기 공급장치의 상부에 방사노즐을 수용하는 수용부; 상기 공급장치의 측면 상부에 단섬유를 공급할 수 있는 공급부; 및 상기 공급부의 하부에 단섬유 공급장치 내의 기류를 외부로 배출할 수 있는 배출부로 구성된 것을 특징으로 하는 수직기류를 이용한 단섬유 공급장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 수용부내의 유입된 공기의 흐름은 배출부를 통해 배출되어 하강 수직기류가 형성되는 것을 특징으로 하는 수직기류를 이용한 단섬유 공급장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 공급부가 복수개로 형성되어 2이상의 다른 종류의 단섬유를 공급하는 것을 특징으로 하는 수직기류를 이용한 단섬유 공급장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 단섬유 공급부를 통해 공기가 함께 유입되는 것을 특징으로 하는 수직기류를 이용한 단섬유 공급장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 단섬유 공급부를 통해 단섬유가 공급될 때 공급되는 방향은 수평방향을 기준으로 하향 30°내지 상향 30°인 것을 특징으로 하는 단섬유 공급장치를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 단섬유 공급장치는 상부와 하부가 관통되는 것을 특징으로 하는 단섬유 공급장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 배출부에 공기가 강제적으로 배출될 수 있도록 강제흡입관과 연결된 것을 특징으로 하는 단섬유 공급장치를 제공한다.
본 발명에 따른 단섬유 공급장치는 방사시에 방사노즐에서부터 멜트블로운 섬유가 집적되는 콜렉터까지 주변의 공기 흐름을 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 단섬유 공급장치를 이용해 제조된 멜트블로운 부직포는 방사노즐을 통해 섬유를 방사하는 경우 공기흐름을 제어하여 미세섬유와 단섬유가 균일하게 혼합될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 단섬유 공급장치를 이용해 제조된 멜트블로운 부직포는 미세섬유의 연신성 및 강도가 우수할 뿐만 아니라 공기 흐름에 의해 섬도를 더욱 미세화 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 단섬유 공급장치는 공급부를 통해 공기를 유입시킬 수 있으며, 유입된 공기를 방사노즐에서 방사되는 섬유와 접촉하게 하여 미세섬유가 서로 응집되는 현상을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 멜트블로운 제조공정을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 단섬유 공급장치의 사시도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 단섬유 공급장치와 멜트블로운 방사장치가 결합된 사시도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 단섬유 공급장치와 멜트블로운 방사장치가 결합된 단면도를 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6은 멜트블로운 부직포 제조시에 단섬유를 혼합할 경우 본 발명의 단섬유 공급장치를 통해 제조되는 부직포의 단면도를 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
도 1은 멜트블로운 방사장치의 개략도이다.
멜트블로운 제조공정의 원리를 살펴보면, 고분자수지가 용융방사 되면서 콜렉터에 적층됨으로써 제조되는 것이다.
즉 방사노즐에서 용융된 고분자 수지가 섬유로 방사된다. 섬유가 방사되면서 방사노즐에는 열풍(hot air)과 공급되는 데, 상기 열풍과 섬유는 방사노즐을 통해 외부로 방사되는 데, 이때 섬유와 열풍이 상호적으로 충돌하여 섬유에 부분연신을 만들게 되는 것이다. 방사된 섬유는 하부에 있는 콜렉터에 적층됨으로써 멜트블로운 부직포를 형성하는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 단섬유 공급장치의 사시도를 나타낸 것이며, 도 3 및 도4는 본 발명에 따른 단섬유 공급장치와 멜트블로운 방사장치가 결합된 사시도 및 단면도를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 단섬유 공급장치 100은 멜트블로운 부직포를 제조하는 방사장치 10에서 멜트블로운 섬유 방사시 단섬유를 혼입하기 위한 단섬유 공급장치로, 멜트블로운 방사장치 10의 방사노즐을 수용하는 수용부 110; 상기 공급장치의 측면 상부에 단섬유를 공급할 수 있는 단섬유 공급부 120; 및 상기 공급부의 하부에 단섬유 공급장치 내의 기류를 외부로 배출할 수 있는 배출부 130으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 단섬유 공급장치의 형상은 도 2에서 보는 바와 같이 육각형상인 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 단섬유 공급장치 100은 방사장치에서 섬유가 방사되는 방사노즐을 외부공기에 직접 노출되는 것을 방지하여 단섬유 공급장치 100 내부에 공기의 흐름을 제어할 수 있는 구조이다.
상기 단섬유 공급장치 100의 상부는 수용부 110이 존재하여 방사장치 10의 방사노즐을 수용하며 방사장치 10과 결합할 수 있도록 형성될 수 있으며, 상기 단섬유 공급장치 100의 하부에는 멜트블로운 섬유가 적층되는 콜렉터 20이 위치하여 부직포를 제조한다. 따라서, 상기 단섬유 공급장치 100은 방사장치 10의 방사노즐이 수용되어 하부로 멜트블로운 섬유가 이동할 수 있도록 수직관통되어 있다.
또한 상기 단섬유 공급장치 100의 측면 상단에는 단섬유가 공급될 수 있는 공급부 120이 형성된다. 상기 공급부 120에는 폴리에스테르 등의 고분자 수지로 제조되는 단섬유를 공급하여 멜트블로운 섬유인 미세섬유와 혼합될 수 있도록 한다. 즉, 방사노즐에서 방사되는 섬유가 콜렉터 20으로 이동하는 동안에 단섬유와 멜트블로운 섬유가 혼합되도록 하기 위함이다.
상기 공급부 120은 복수개로 형성되어 2이상의 다른 종류의 단섬유를 공급할 수도 있다. 즉, 단섬유를 공급하는 공급부 120을 복수개로 형성하여 공급하는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 단섬유 및 폴리에스테르 단섬유로 종류를 달리하거나 공급부마다 각각 단섬유의 길이를 달리 조절하여 다른 특성을 갖도록 하는 부직포를 제조할 수 있다.
또한, 상기 공급부 120에는 단섬유뿐만 아니라 공기가 추가적으로 공급될 수도 있다. 상기 공급부 120을 통해 공급되는 공기는 멜트블로운 섬유에 직접 부딪히게 되어 섬유가 고화되기 직전에 미세섬유가 되지 못하고 뭉치는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 상기 단섬유 공급부 120를 통해 공급되는 단섬유가 공급되는 경우 공급방향은 수평방향으로 공급되는 것이 바람직하나, 방사노즐의 위치에 따라 변경될 수 있으며, 수평방향을 기준으로 하향 30°내지 상향 30°로 공급될 수 있다. 상기에 언급된 방향으로 공급되는 경우 미세섬유와 단섬유의 혼합이 잘 이루어질 수 있다.
한편, 상기 공급부 120 하부에는 배출부 130가 형성되어 단섬유 공급장치 100 내부에 있는 공기를 배출시키는 역할을 한다. 즉, 공급부 120을 통해 단섬유가 공급되는 동안에 배출부 130를 통해 공기를 배출시킴으로써 단섬유 공급장치 100 내부에 수직 하강기류가 형성되도록 한다.
상기 배출부 130은 단섬유 공급장치 100 내부의 공기를 강제로 흡입하여 배출시킬 수 있도록 하는 강제흡입관 등을 연결하여 단섬유 공급장치 100 내부의 공기가 수직 하강기류를 유지할 수 있도록 할 수 있다.
이와같이 본 발명은 배출부 130이 형성되어 공기를 강제적으로 배출시킴으로써 수직 하강기류가 형성되어 공기의 흐름을 제어할 수 있으며, 공기의 흐름이 일정하게 형성됨으로 인해 멜트블로운 섬유와 단섬유는 의도한 대로 균일하게 혼합이 가능하게 된다. 기존에 단섬유를 공급하는 방식은 방사노즐을 통해 멜트블로운 섬유와 함께 나오는 공기가 제어되지 않고 외부공기와 노출된 상태에서 단섬유를 공급하므로 공기흐름을 제어할 수 없어 단섬유와 멜트블로운 섬유가 균일하게 혼합되지 못하게 되어 이에 따라 제조된 부직포는 품질이 저하되었다. 즉, 공기흐름의 제어가 힘들고 멜트블로운 설비 주변 환경에 따라 공기의 흐름이 다를 수 있으므로 균일 혼합이 어려웠다.
본 발명에 따른 단섬유 공급장치 100을 이용해 멜트블로운 부직포를 제조하는 경우에는 단섬유 공급장치 100 내부에서 공기의 흐름을 제어할 수 있게 됨으로써 멜트블로운의 미세섬유와 단섬유가 균일하게 혼합되고, 연신성이 좋아지게 된다.
도 5 및 도 6은 멜트블로운 부직포 제조시에 단섬유를 혼합할 경우 본 발명의 단섬유 공급장치를 통해 제조되는 부직포의 단면도를 나타낸 것이다.
도 5는 폴리에스테르 단섬유를 공급부를 통해 균일하게 공급하여 미세섬유와 단섬유가 균일하게 배치될 수 있다.
기존 방식으로 자연스럽게 생기는 공기흐름을 이용하여 단섬유를 혼합하는 경우 혼입되는 위치를 정할 수 없지만, 본 발명에 따른 단섬유 공급부를 통해 공급되는 위치를 정하여 혼합함으로써 원하는 간격으로 단섬유를 공급하여 도 6과 같이 부분적으로 단섬유가 혼합되도록 할 수 있다.
이렇게 된 부직포는 적은 양의 단섬유의 공급으로도 흡음 성능이 향상되고 무게가 감소되는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
실시예1
폴리프로필렌의 용융물을 다수의 오리피스를 통하여 구금온도 265℃에서 압출시킴과 동시에 열풍을 공급하고 다이부터 집속장치까지의 거리는 400㎜로 유지하여 2.5㎛의 평균직경을 갖는 폴리프로필렌 멜트블로운사을 방사하는 동시에, 폴리에스테르 단섬유를 공급하기 위하여 본 발명의 단섬유 공급장치를 이용한다. 폴리에스테르 단섬유의 공급 방향은 수평을 유지하며 수직하강하는 기류의 세기를 적절하게 맞추기 위하여 배출부의 강제흡입관으로 공기 배출량을 조절한다. 수직하강하는 기류 중에서 서로 혼합시키되, 여기에 38㎜의 평균길이를 갖는 폴리에스테르 단섬유 (6 데니어,중공사)를 폴리프로필렌 멜트블로운사 : 폴리에스테르 단섬유 = 65중량% : 35중량%가 되도록 하여 평량 300g/㎡의 웹을 제조하여 멜트블로운 부직포를 수득하였다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일한 조건으로 폴리프로필렌 멜트블로운사를 제조하되, 일반적으로 단섬유 혼입 방법인 수직하강기류를 이용, 38mm의 평균길이를 갖는 폴리에스테르 단섬유 (6 데니어, 중공사)를 폴리프로필렌 멜트블로운사 : 폴리에스테르 단섬유 = 65중량% : 35중량%가 되도록하여 평량 300g/㎡의 웹을 제조하여 그 단면 및 표면을 확인하였다.
상기 실시예 1에 따라 제조된 단섬유 공급장치를 이용한 샘플은 멜트블로운 웨브(Web) 전체에 폴리에스테르 단섬유가 고르게 분포함을 확인할 수 있었으며 벌키한 멜트블로운 웨브(Wdb)를 제조함으로써 본 발명으로 멜트블로운 웨브(Web)의 3차원적 구조 제어가 가능함을 확인 할 수 있었다. 또한 폴리프로필렌 멜트블로운 사가 본 발명 장치에 의해 잘 고화되어 세섬화가 되었음을 확인하였다.
실험방법
1. 단면 및 표면 : 실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 흡음성 부직포로부터 시료를 채취하고, 상기 시료를 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope,SEM)을 이용하여 단섬유 혼입 상태 및 멜트블로운 구조를 확인하였으며, 이는 표 1로 나타내었다.
Figure 112011105571263-pat00001

실시예 1 단면
Figure 112011105571263-pat00002

비교예 1 단면
Figure 112011105571263-pat00003

실시예 1 표면
Figure 112011105571263-pat00004

비교예 1 표면
실시예2
폴리프로필렌의 용융물을 다수의 오리피스를 통하여 구금온도 265℃에서 압출시킴과 동시에 열풍을 공급하고 다이부터 집속장치까지의 거리는 400㎜로 유지하여 2.5㎛의 평균직경을 갖는 폴리프로필렌 멜트블로운사를 방사하는 동시에, 폴리에스테르 단섬유를 공급하기 위하여 본 발명 장치를 이용한다. 폴리에스테르 단섬유를 벌키한 멜트블로운 웨브(Web)의 벌키성, 즉 두께를 지지하는 역할로써 혼입시키지만 반면에 세섬도인 폴리프로필렌 멜트블로운사의 흡음 성능을 저해하는 요인이다. 따라서 폴리에스트 단섬유를 멜트블로운 웨브(Web)의 두께 지지 역할을 할 정도로만 최소로 넣기 위해 본 발명 장치의 공급부의 적절한 위치에만 폴리에스테르 단섬유를 공급한다. 즉, 단섬유를 부분적으로만 공급하였다. 폴리에스테르 단섬유의 공급 방향은 수평을 유지하며 수직하강하는 기류의 세기를 적절하게 맞추기 위하여 배출부의 강제흡입관으로 공기 배출량을 조절하였다. 수직하강하는 기류 중에서 서로 단섬유와 웨브를 서로 혼합시키되, 여기에 40㎜의 평균길이를 갖는 폴리에스테르 단섬유 (6 데니어)를 폴리프로필렌 멜트블로운사 : 폴리에스테르 단섬유 = 65중량% : 35중량%가 되도록 하여 평량 300g/㎡의 웹을 제조하여 본 발명에 따른 멜트블로운 부직포를 수득하였다.
실시예 3
실시예2와 동일하게 멜트블로운사를 제조하며 모든 공급부에 폴리에스테르 단섬유를 공급하여 멜트블로운 웨브(Web) 전체에 폴리에스테르 단섬유가 전체에 혼입된 웨브(Web)를 제조하여 흡음성능과 두께를 확인하였다.
비교예 2
면밀도 300g/m2, 2.5㎛의 평균직경을 가지는 100% 폴리프로필렌 멜트블로운 웨브(Web)를 제조하여 흡음성능과 두께를 확인하였다.
실험방법
1. 두께: 실시예 2, 3 및 비교예 2에 의하여 제조된 흡음성 부직포로부터 시료를 채취하고, 상기 시료를 두께 게이지를 이용하여 전폭에 걸쳐 20회를 측정하였다.
2. 소음감소계수(NRC): 두께 실시와 같은 방법으로 시료를 채취하여 관내법을 이용하여 흡음율을 측정하였다.
상기와 같이 실시한 흡음부직포의 물성 테스트 결과를 하기 표 2(물성 및 흡음율 비교) 및 도 7에 나타내었다.
구 분
 두께
(mm)		 흡음율
250Hz 500Hz 1,000Hz 2,000Hz 3,000Hz 4,000Hz NRC
실시예 2 13.9 0.041 0.093 0.269 0.412 0.704 0.869 0.258
실시예 3 13.5 0.030 0.065 0.283 0.356 0.645 0.822 0.235
비교예 2 10.5 0.027 0.055 0.260 0.269 0.576 0.770 0.195
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (7)

  1. 멜트블로운 부직포를 제조하는 방사장치에서 멜트블로운 섬유 방사시 단섬유를 혼입하기 위한 단섬유 공급장치에 있어서,
    상기 공급장치의 상부에 방사노즐을 수용하는 수용부;
    상기 공급장치의 측면 상부에 단섬유를 공급할 수 있는 공급부; 및
    상기 공급부의 하부에 단섬유 공급장치 내의 기류를 외부로 배출할 수 있는 배출부로 구성된 것을 특징으로 하는 수직기류를 이용한 단섬유 공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수용부내의 유입된 공기의 흐름은 배출부를 통해 배출되어 하강 수직기류가 형성되는 것을 특징으로 하는 수직기류를 이용한 단섬유 공급장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공급부는 복수개로 형성되어 2이상의 다른 종류의 단섬유를 공급하는 것을 특징으로 하는 수직기류를 이용한 단섬유 공급장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단섬유 공급부를 통해 공기가 함께 유입되는 것을 특징으로 하는 수직기류를 이용한 단섬유 공급장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단섬유 공급부를 통해 단섬유가 공급될 때 공급되는 방향은 수평방향을 기준으로 하향 30°내지 상향 30°인 것을 특징으로 하는 단섬유 공급장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단섬유 공급장치는 상부와 하부가 관통되는 것을 특징으로 하는 단섬유 공급장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배출부는 공기가 강제적으로 배출될 수 있도록 강제흡입관과 연결된 것을 특징으로 하는 단섬유 공급장치.
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