KR101347022B1 - 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멜트블로운 웹 제조과정에 에어로겔을 도입하여 멜트블로운 웹을 구성하는 미세섬유 사이 사이에 에어로겔이 고르고 균일하게 일체화되어 존재하는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면,
노즐로부터 수집체로 분사된 수지 섬유에 에어로겔이 분사되거나 및/또는 에어 또는 스팀 유체에 에어로겔이 투입되어 노즐로부터 수지 섬유와 에어로겔이 함께 분사되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법이 제공된다. 본 발명에 의한 멜트블로운 웹의 제조방법에 의하면, 수집체에 열가소성 수지 섬유와 소수성 에어로겔이 함께 적층되고 수지 섬유의 자기결합시 수지 섬유 사이 사이에 소수성 에어로겔이 균일하고 견고하게 결합된 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹이 얻어진다. 상기 에어로겔 함유 멜트블로운 웹은 미세한 섬유와 소수성 에어로겔이 균일하고 고르게 복합화되어 있으므로 멜트블로운 웹의 전반에서 균일한 물성, 예를들어, 단열성, 보온성, 흡착성, 및/또는 흠음성 등이 나타난다.

Description

에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹 제조방법{A METHOD FOR PREPARING MELTBLOWN WEB COMPRISING AEROGEL}
본 발명은 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 멜트블로운 웹 제조과정에 에어로겔을 도입하여 멜트블로운 웹을 구성하는 미세섬유 사이 사이에 에어로겔이 고르고 균일하게 일체화되어 존재하는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법에 관한 것이다.
멜트블로운 웹은 미세섬유들이 상호 결합하여 거미줄과 같은 구조를 가지는 3차원의 섬유 집합체이다. 멜트블로운 웹은 용융된 열가소성 수지 혹은 중합체를 다수의 작은 오리피스로 형성된 방사 구금(멜트블로잉 다이)을 통해 방사시켜서 제조된다. 용융되어 방사 노즐로 압출된 수지는 용융상태에서 방사구금의 양 옆에서 고속으로 분사되는 고온 및 고압의 에어에 의해 연신되어 초극세화된 섬유로 수집체에 적층되고 자기결합되어 멜트블로운 웹이 형성된다.
이와 같이 미세한 섬유들로 구성된 멜트블로운 웹은 비표면적이 매우 크고 가벼우므로 각종 고성능 필터의 재료, 와이퍼, 흡착재, 단열재 및 방음재 등의 다양한 용도에 사용된다.
한편, 에어로겔은 기공율이 90%이상이고, 비표면적이 수백~1000㎡/g정도이며, 비중이 0.1 내지 0.12 g/㎤인 투명 또는 반투명한 극저밀도의 첨단소재이다. 이러한 나노 다공성 구조를 갖는 에어로겔은 높은 투광성과 매우 낮은 열전도도 특성을 갖는 것으로 매우 효율적인 초단열 재료이다.
종래 한국공개특허 1999-44531은 에어로겔입자, 섬유재 및 결합제 등의 혼합물을 사용하여 에어로겔을 함유하는 섬유 복합재의 제조방법을 개시하고 있다. 그러나, 결합제는 최종 물품에서 불순물로 존재할 수 있을 뿐만 아니라, 에어로겔은 매우 가벼운 입자로서 결합제(바인더) 및 섬유재와 균일하게 혼합되기 어렵다. 에어로겔 입자, 섬유재 및 결합제가 균일하게 혼합되지 않은 경우에는, 얻어지는 섬유 복합재에서 균일한 물성을 기대하기 어렵다.
따라서, 별도의 결합제를 사용하지 않고, 에어로겔과 열가소성 수지 섬유를 균일하게 고르게 복합화하는 방법이 요구된다.
본 발명의 일 구현은 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 구현은 멜트블로운 웹의 미세 섬유 사이사이에 에어로겔이 고르고 균일하게 분포되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1견지에 의하면,
열가소성 수지를 용융 및 압출하는 단계;
용융압출된 열가소성 수지에 고속 및 고압의 에어 또는 스팀을 적용하여 열가소성 수지를 수지 분사 노즐로 부터 수집체로 열가소성 수지 섬유로 분사하는 단계; 및
상기 열가소성 수지 섬유가 수집체에 적층되어 멜트블로운 웹을 형성하는 단계를 포함하는 멜트블로운 웹의 제조방법에 있어서,
상기 열가소성 수지 섬유에 에어로겔이 분사되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 2 견지에 의하면,
열가소성 수지를 용융 및 압출하는 단계;
용융압출된 열가소성 수지에 고속 및 고압의 에어 또는 스팀을 적용하여 열가소성 수지를 수지 분사 노즐로 부터 수집체로 열가소성 수지 섬유로 분사하는 단계; 및
상기 열가소성 수지 섬유가 수집체에 적층되어 멜트블로운 웹을 형성하는 단계를 포함하는 멜트블로운 웹의 제조방법에 있어서,
상기 용융압출된 열가소성 수지에 적용되는 고속 및 고압의 에어 또는 스팀에 에어로겔이 투입되어 수지 분사 노즐로부터 열가소성 수지 섬유와 에어로겔이 함께 수집체로 분사되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 3견지에 의하면,
열가소성 수지를 용융 및 압출하는 단계;
용융압출된 열가소성 수지에 고속 및 고압의 에어 또는 스팀을 적용하여 열가소성 수지를 수지 분사 노즐로 부터 수집체로 열가소성 수지 섬유로 분사하는 단계; 및
상기 열가소성 수지 섬유가 수집체에 적층되어 멜트블로운 웹을 형성하는 단계를 포함하는 멜트블로운 웹의 제조방법에 있어서,
상기 용융압출된 열가소성 수지에 적용되는 고속 및 고압의 에어 또는 스팀에 제 1 에어로겔이 투입되어 수지 분사 노즐로부터 열가소성 수지 섬유와 제 1 에어로겔이 함께 수집체로 분사되고 상기 수지 분사 노즐로부터 수집체로 분사되는 열가소성 수지 섬유와 제 1 에어로겔에 제 2 에어로겔이 분사되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 4견지에 의하면,
상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리우레탄, 폴리아미드, 및 폴리에스테르로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종의 수지인 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 5견지에 의하면,
상기 에어 혹은 스팀은 온도가 200℃ 내지 380℃이고, 공급 압력은 0.1 kgf/㎠ 내지 10 kgf/㎠ 인 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 6견지에 의하면,
상기 수지 분사 노즐로부터 수집체 사이의 거리는 5㎝ 내지 150㎝인 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 7견지에 의하면,
상기 에어로겔은 상기 수지 분사 노즐로부터 50㎝ 이내의 거리에서 분사되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 8견지에 의하면,
상기 에어로겔 분사노즐은 수지 분자 노즐의 수평면을 기준으로 20㎝이내의 높이에 위치하는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 9견지에 의하면,
상기 멜트블로운 웹의 일면 또는 양면에 보호층을 구비하는 단계를 추가로 포함하는 멜트블로운 웹의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 10견지에 의하면,
상기 멜트블로운 웹에서 열가소성 수지 섬유와 에어로겔의 함량은 1:0.01 내지 1:1.5중량비인 멜트블로운 웹의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 의한 멜트블로운 웹의 제조방법에 의하면, 상기 수지 분사 노즐에서 수집체로 분사되는 열가소성 수지 섬유에 에어로겔이 분사되거나 및/또는 에어로겔이 에어 또는 스팀에 투입되어 열가소성 수지 섬유와 에어로겔이 수집체 상에 함께 분사되어 적층되므로, 열가소성 수지 섬유와 에어로겔이 균일하고 고르게 복합화된 에어로겔 함유 멜트블로운 웹이 얻어진다. 에어로겔은 비중이 0.1 내지 0.12 g/㎤인 매우 가벼운 물질이므로 일반적인 입자상 물질과 같이 멜트블로운 웹의 제조공정에 도입할 수 없는 문제가 있다. 그러나, 본 발명에 의한 방법에서는 수지 섬유가 방사되는 노즐 가까이에서 혹은 에어(혹은 스팀 공급라인)에 에어로겔을 투입하므로서 에어로겔의 비산이 방지되어, 수지 섬유와 함께 유동하는 고온 및 고압의 방사물로서 멜트블로운 웹에 에어로겔이 효율적으로 도입된다. 본 발명에 의한 방법으로 제조된 에어로겔 함유 멜트블로운 웹은 미세한 섬유와 에어로겔이 균일하고 고르게 복합화되어 있으므로 멜트블로운 웹의 전반에서 균일한 물성, 예를들어, 단열성, 보온성, 흡착성, 및/또는 흠음성 등을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 구현에 의한 수지분사 노즐로부터 수집체로 분사된 수지 섬유에 에어로겔이 분사되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조공정을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 에어 또는 스팀의 공급라인에 에어로겔 투입구가 연결된 본 발명의 일 구현에 의한 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조공정에 사용되는 장치의 구성을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 구현에 의한, 에어 또는 스팀에 에어로겔이 투입되어 수지 섬유 분사 노즐로부터 수지 섬유와 에어로겔이 함께 분사되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조공정을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 구현에 의한, 노즐로부터 수집체로 분사된 수지 섬유에 에어로겔이 분사되고 또한, 에어 또는 스팀에 에어로겔이 투입되어 수지 섬유 분사 노즐로부터 수지 섬유와 에어로겔이 함께 분사되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조공정을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 구현에 의한 방법으로 제조된 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 구현에 의한 방법으로 제조된 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 양면에 보호층이 구비된 형태를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 구현에 의한 방법에서는 열가소성 수지 섬유와 에어로겔이 일체화된 에어로겔 함유 멜트블로운 웹을 제조하기 위해, 수집체에 열가소성 수지 섬유와 에어로겔이 유동하는 유체로서 함께 적층된다. 이와 같이, 수집체상에 열가소성 수지 섬유와 에어로겔이 유동하는 유체로 함께 적층되므로써, 열가소성 수지 섬유의 자기 결합시, 에어로겔이 열가소성 수지 섬유와 복합화되어 열가소성 섬유 사이 사이에 에어로겔이 균일하고 견고하게 일체화된 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹이 얻어진다.
본 발명에 의한 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 제조방법은, 수집체에 열가소성 수지 섬유와 에어로겔이 함께 유동하여 적층되도록, (1) 노즐로부터 수집체로 분사된 수지 섬유에 에어로겔이 분사되거나 및/또는 (2) 에어 또는 스팀에 에어로겔이 투입되어 노즐로부터 수지 섬유와 에어로겔이 함께 분사됨을 특징으로 하다. 이러한 본 발명에 의한 멜트블로운 웹 제조 도중에 에어로겔을 적용하는 방법은 종래 일반적으로 알려져 있는 멜트블로운 웹의 어떠한 제조공정에도 적용될 수 있는 것으로, 본 명세서에 기재된 사항 이외에 멜트블로운 웹 제조방법의 장치, 공정 조건, 사용되는 수지, 섬유, 제조된 멜트블로운 웹의 특성 등을 한정하는 것은 아니다.
이하, 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 의한 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 노즐로부터 수집체로 분사되는 열가소성 수지 섬유에 에어로겔을 분사하여 수집체에 열가소성 수지 섬유와 에어로겔이 함께 적층되는 본 발명의 일 구현에 의한 방법을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 압출기(1)의 수지 투입부(5)에 열가소성 수지가 투입된다. 수지 투입부(5)에 투입되는 열가소성 수지로는 종래 멜트블로운 웹 제조에 사용되는 것으로 알려져 있는 어떠한 열가소성 수지가 사용될 수 있다.
상기 수지 투입부(5)에 투입된 열가소성 수지는 가열되어 용융된 상태로 압출된다. 압출된 열가소성 수지는 압출기 선단의 멜트블로잉 다이(2)로 밀려 들어간다. 용융된 수지는 다이 선단의 수지 분사노즐(3)에서 에어 매니플드(6)을 통해서 수지 분사노즐(3)으로 공급되는 고속, 고압의 에어 또는 스팀에 의해 초극세 섬유로 분사된다. 상기 수지 분사노즐(3)으로부터 분사된 열가소성 수지 섬유는 회전하는 수집체(4)상에 적층되어 멜트블로운 웹을 형성한다.
본 발명의 일 구현에 의한 방법에 의하면, 상기 수지 분사노즐(3)으로부터 수집체(4)로 고속, 고압의 에어 또는 스팀에 의해 분사되는 열가소성 수지 섬유에 에어로겔이 별도로 분사된다.
구체적으로 도 1에 나타낸 바와 같이, 분사노즐(3)로 부터 수집체(4)로 분사되는 열가소성 수지 섬유의 상부 및/또는 하부를 향하도록 구비된 별도의 에어로겔 공급 노즐(7a) 및/또는 (7b)를 통해 유동하는 수지 섬유 분사물에 에어로겔이 분사된다.
본 발명의 일 구현에 있어서, 상기 수지 분사 노즐(3)로부터 수집체(4) 사이의 거리는 5㎝ 내지 150㎝일 수 있다. 수지 분사 노즐(3)과 수집체(4)의 거리는 멜트블로운 웹의 균제도, 및 밀도와 관련되며, 노즐(3)과 수집체(4)의 거리가 너무 가까우면 수지 섬유의 충분한 냉각 없이 웹 형성이 되어 방사된 수지끼리의 접착이 강하게 되어 3차원 망상구조의 웹이 아닌 필름 형태의 최종물이 얻어진다. 거리가 너무 길어지면 완전히 냉각된 상태로 수집체에 도달하므로 자기 접착 강도가 낮아지게 되어 멜트블로운 웹의 물성, 구체적으로는 강도가 저하된다. 따라서, 최종적으로 얻어지는 멜트블로운 웹의 물성을 고려하여, 상기 수지 분사 노즐(3)로부터 수집체(4) 사이의 거리는 5㎝ 내지 150㎝, 예를들어, 10㎝ 내지 100㎝, 예를들어, 10㎝ 내지 50㎝, 예를들어, 20㎝ 내지 50㎝일 수 있다.
도 1에 에어로겔 공급 노즐(7a) 및 (7b)를 도시하였으나, 이들은 필요에 따라 선택적으로 하나가 사용되거나 혹은 둘 모두가 사용될 수 있다. 에어로겔 공급 노즐(7a) 및/또는 7(b)의 폭은 특히 한정하는 것은 아니며, 어떠한 가변적인 길이일 수 있으나, 분사되는 수지 분사물의 일면 또는 양면에 에어로겔이 고르게 분사되도록, 수지 분사노즐(3)의 폭에 해당하는 길이로 구비될 수 있다.
상기 에어로겔 공급 노즐(7a) 및/또는 (7b)는 에어로겔이 고온 및 고압의 수지 섬유 유체의 유동력에 따라 함께 수집체(4)를 향해 유동되어 적층되도록 가능한 한 수지 분사 노즐(3)에 가까이 위치하는 것이 좋다. 분사된 수지는 대략 30cm이내에서 연신이 이루어지며 급격한 냉각이 수반되므로 에어로겔은 뜨거운 상태의 수지에 자기 접착될 수 있는 거리 내에서 투입되는 것이 바람직하다. 이를 고려하여, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 상기 에어로겔 공급 노즐(7a) 및/또는 (7b)는 수지 분사 노즐(3)로부터 50cm이내의 거리, 바람직하게는 2㎝ 내지 50㎝이내의 거리, 바람직하게는 10㎝ 내지 20㎝의 거리에 위치할 수 있다. 예를들어, 수지 분사 노즐(3)으로부터 수집체(4)까지의 거리가 50㎝이내인 경우에는, 수지 분사 노즐(3)과 수집체(4) 사이의 어떠한 부분에서라도 에어로겔 공급 노즐(7a) 및/또는 (7b)가 구비될 수 있다.
에어로겔 공급노즐(7a) 및/또는 (7b)는 또한, 비산이 최대한 방지되도록 수지 섬유의 유체 흐름의 연속선상에서, 예를들어, 수지 공급노즐의 수평면에서, 최대 약 20㎝ 높이, 바람직하게는 1㎝ 내지 20㎝의 높이에 위치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 구현에서, 상기 에어로겔은 에어 또는 스팀에 투입되어 노즐로부터 수지 섬유와 에어로겔이 유체 분사물로서 함께 분사되어 수집체에 적층될 수 있다. 도 2에 에어 또는 스팀 공급라인(9)에 에어로겔 투입구(8a), (8b) 및 (8c)가 연결된 본 발명의 일 구현에 의한 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조공정에 사용되는 장치의 구성을 나타내는 개략적인 도면을 나타내었다. 또한, 도 3에, 본 발명의 다른 구현에 의한, 스팀 공급라인(9)에 에어로겔 투입구(8a), (8b) 및 (8c)를 통해 에어로겔이 에어 또는 스팀에 투입되어 수지 분사 노즐(3)로부터 수지 섬유와 에어로겔이 유체 분사물로서 수집체(4)로 함께 분사되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조공정을 나타내었다.
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 에어 (또는 스팀) 공급라인(9)에 에어로겔 공급 유니트 (8a), (8b) 및/또는 (8c)가 구비되고, 에어로겔은 에어로겔 공급 유니트 (8a), (8b) 및 (8c)중 최소 하나를 통해 에어 또는 스팀 공급라인(9)에 투입되고 유동하는 에어 또는 스팀과 함께 유동하여 에어 매니폴드(6)를 통해서 수지 분사노즐(3)로 에어 또는 스팀과 함께 공급된다. 따라서, 수지 분사노즐(3)을 통해 수지 섬유와 에어로겔이 함께 수집체(4)로 분사된다. 도 3에 에어로겔 공급 유니트 (8a), (8b) 및 (8c)를 도시하였으나, 이들 에어로겔 공급 유니트 (8a), (8b) 및 (8c)는 필요에 따라, 선택적으로 개방 혹은 폐쇄되어, 최소 하나 이상이 사용될 수 있다.
상기 에어로겔 공급 유니트 (8a), (8b) 및/또는 (8c)에 대한 에어로겔의 투입은 이 기술분야에 알려져 있는 어떠한 방법으로 투입될 수 있으며, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 정량공급 펌프 또는 스크루우(screw)를 이용한 공급, 또는 에어 혹은 스팀 유체와의 혼합투입 방법 등으로 투입될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현에 있어서, 에어로겔은 수지 분사 노즐(3)로부터 수집체(4)로 분사된 수지 섬유에 분사됨과 동시에 또한, 에어 또는 스팀에 에어로겔을 투입하는 두 가지 방식을 모두 적용하여 수지 섬유와 에어로겔이 함께 수집체(4)에 적용될 수 있다. 도 4에 에어로겔 공급 유니트 (8a), (8b) 및/또는 (8c)를 통해 에어 또는 스팀에 제 1 에어로겔이 공급되고 또한, 에어로겔 분사노즐 (7a) 및/또는 (7b)를 통해 수지분사노즐(3)로부터 수집체(4)로 분사된 수지섬유와 제 1 에어로겔에 제 2 에어로겔이 분사되는 본 발명의 또 다른 구현에 의한 에어로겔을 포함하는 멜트블로운 웹 제조공정을 나타내었다. 상기 구현에서는, 멜트 블로운 웹의 제조공정 중에 에어로겔이 2가지 방식으로 주입된다. 즉, 에어로겔 공급 유니트 (8a), (8b) 및/또는 (8c)를 통해 에어로겔이 에어 또는 스팀에 공급되고, 또한, 수지 분사 노즐(3)로 부터 분사된 섬유 및 에어로겔에 다시 별도의 에어로겔 분사노즐(7a) 및/또는 (7b)를 통해 분사된다. 이러한 2가지 방식으로 투입되는 에어로겔을 구별하기 위해, 편의상, 에어로겔 공급 유니트 (8a), (8b) 및/또는 (8c)를 통해 에어 또는 스팀에 공급되는 에어로겔을 제 1 에어로겔 그리고 수지 분사 노즐(3)로 부터 분사된 섬유 및 제 1 에어로겔에 별도의 에어로겔 분사노즐(7a) 및/또는 (7b)를 통해 분사되는 에어로겔을 제 2 에어로겔이라 한다.
에어 또는 스팀 공급라인(9)에 에어로겔이 투입되는 경우의 방법에 사용되는 멜트블로운 웹 장치에서 또한, 상기 수지 분사 노즐(3)로부터 수집체(4) 사이의 거리는 5㎝ 내지 150㎝, 예를들어, 10㎝ 내지 100㎝, 예를들어, 10㎝ 내지 50㎝, 예를들어, 20㎝ 내지 50㎝일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현에 의하면, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 상기 열가소성 수지 섬유는 0.01g/hole/min 내지 2.5g/hole/min로 토출될 수 있다. 수지의 토출량 및/또는 에어(또는 스팀)의 온도 등은 멜트블로운 웹을 구성하는 섬유의 굵기와 분포에 영향을 주는 인자로 이들에 따라서, 노즐의 오리피스를 통해 방사되는 섬유의 굵기가 달라진다. 그러므로, 이를 고려하여, 열가소성 수지 섬유는 0.01g/hole/min 내지 2.5g/hole/min로 토출되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현에 의하면, 후술하는 바와 같이, 수지 섬유에 부착될 수 있는 에어로겔의 함량을 고려하여 멜트블로운 웹에서 수지 섬유와 에어로겔의 함량비가 1:0.01 내지 1:1.5비율이 되도록, 구체적으로는 멜트블로운 웹의 총 중량을 기준으로 수지 섬유가 40중량% 내지 99중량%, 그리고 에어로겔이 1중량% 내지 60중량%이 되도록, 에어로겔이 투입되는 것이 바람직하다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 멜트블로운 웹에서 에어로겔의 함량은 상기 에어로겔 분사노즐 (7a) 및/또는 (7b)를 통해 토출되는 에어로겔의 토출량 또는 에어로겔 공급 유니트 (8a), (8b) 및/또는 (8c)로 투입되는 에어로겔의 투입량을 조절하여 조절할 수 있다.
본 발명에 다른 구현에 의하면, 상기 에어 혹은 스팀 유체는 온도 200℃ 내지 380℃ 그리고 공급 압력 0.1-10kgf/㎠ 으로 공급되는 것이 바람직하다. 초극세의 멜트블로운 웹의 제조 공정 변수는 수지의 압출 온도, 토출량, 공급되는 에어 (또는 스팀)의 온도와 압력 등이며, 토출되는 수지의 충분한 연신과 사절방지 측면에서, 에어 혹은 스팀의 온도가 200℃ 내지 380℃ 그리고 공급 압력이 0.1 kgf/㎠ 내지 10 kgf/㎠ 인 것이 바람직하다.
상기 열가소성 수지로는 종래 멜트블로운 웹 제조에 사용되는 것으로 알려져 있는 어떠한 수지가 사용될 수 있으며, 예를들어, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리우레탄, 폴리아미드, 및 폴리에스테르로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종의 수지일 수 있다.
상기 수지의 압출온도는 특히 한정하는 것은 아니며, 사용되는 수지의 용융지수 및 융점에 따라 달라질 수 있으며, 이 기술분야에서 수지의 종류에 따라, 사용되는 압출온도로 알려져 있는 범위로 적용될 수 있다.
상기 에어로겔은 일반적으로 알려져 있는 어떠한 에어로겔이 사용될 수 있으며, 특히 한정되지 않는다. 예를들어, 에어로겔로는 친수성 및/또는 소수성 에어로겔이 사용될 수 있다.
예를들어, 에어로겔의 제조방법은 일반적으로 알려져 있으며, R.K.Colloid Chemistry of Silica and Silicates 1954, chapter 6; C.J. Brinker, G.W. Scherer, Sol-Gel Science, 1990, Chaps 2 and 3 등에 기술되어 있는 방법으로 제조할 수 있다.
이로써 한정하는 것은 아니지만, 에어로겔의 전구체로는 물유리 또는 금속알콕사이드가 사용될 수 있다. 에어로겔 전구체로서 물유리가 사용되는 경우에는 염을 제거하기 위한 전처리 공정을 필요로 하며, 이는 일반적인 것이다. 금속 알콕사이드로는 각 알킬기가 1 내지 6개인 탄소원자, 바람직하게는 1 내지 4개의 탄소원자를 갖는 것이 사용될 수 있으며, 이러한 화합물로는 특별히 이로써 제한하는 것은 아니나, 테트라에톡시실란(TEOS), 테트라메톡시실란(TMOS), 테트라-n-프로폭시실란, 알루미늄 이소프로폭사이드, 알루미늄-sec-부톡사이드, 세륨 이소프로폭사이드, 하프늄 tert-부톡사이드, 마그네슘 알루미늄 이소프로폭사이드, 이트륨 이소프로폭사이드, 티타늄 이소프로폭사이드 및 지르코늄 이소프로폭사이드로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 최소 일종이 단독으로 혹은 혼합하여 사용될 수 있다. 특히, 실란을 포함하는 테트라에톡시실란(TEOS)이 가장 바람직한 금속 알콕사이드이다.
소수성 에어로겔은 공기 중의 수분 흡수가 방지되도록 소수성으로 표면처리된 에어로겔로서 소수성 표면처리는 종래 이 기술분야에 알려져 있는 어떠한 방법으로 행하여질 수 있다. 이로써 특히 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 실릴화 처리된 에어로겔 등이 사용될 수 있다.
에어로겔 표면의 소수화처리는 실릴화처리로서, 화학식 R1 4 -n-SiXn혹은 R3Si-O-SiR4(여기서, n은 1~3이고, R1은 C1-C10, 바람직하게는 C1-C5의 알킬 또는 C6또는 C10 방향족 그룹, 헤테로방향족 그룹 또는 수소이고, X는 F, Cl, Br, I로 부터 선택된 할로겐원소이며, 바람직하게는 Cl이며 혹은 C1-C10, 바람직하게는 C1-C5의 알콕시 그룹, 또는 방향족 알콕시 그룹, 헤테로 방향족 알콕시 그룹이며, R3 및 R4는 서로 같거나 다를 수 있으며, C1-C10알킬 또는 C6또는 C10 방향족 그룹, 헤테로 방향족 그룹 또는 수소로 구성되는 그룹으로부터 각각 독립적으로 선택될 수 있음) 등이 사용될 수 있다.
상기 실릴화제의 구체적인 예로는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 헥사메틸디실란, 에틸트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 트리에틸에톡시실란, 트리메틸에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메톡시트리메틸실란, 트리메틸클로로실란 및 트리에틸클로로실란 등을 들 수 있다.
상기 초극세 섬유는 일반적으로 굵기가 0.1 ㎛ 내지 20㎛, 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 10㎛이며, 이러한 초극세 섬유와의 복합 멜트블로운 웹 형성을 고려하여 에어로겔은 입자크기가 0.1㎛ 내지 200㎛인 것이 바람직하다.
에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹에서 열가소성 수지 섬유와 에어로겔의 함량은 열가소성 수지 섬유와 에어로겔의 분사속도 및/또는 분사량을 조절하여 조절할 수 있다. 최종적으로 얻어지는 멜트블로운 웹에서 에어로겔과 열가소성 수지 섬유의 함량은 섬유에 대한 에어로겔의 부착성 및 분진발생 감소 등의 이유로 멜트블로운 웹에서 열가소성 수지 섬유와 에어로겔의 함량은 1:0.01 내지 1:1.5중량비, 바람직하게는 1:0.01 내지 1:1중량비, 보다 바람직하게는 1:0.05 내지 1:1 중량비 범위일 수 있다.
에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 두께는 초극세 섬유 및/또는 에어로겔의 분사속도, 분사량 및/또는 수집체의 회전속도 등으로 조절할 수 있다. 상기 수집체(4)로는 회전드럼, 이동벨트 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 방법으로 얻어지는 멜트블로운 웹의 두께는 대략 0.1mm 내지 20mm 그리고 평량(기본중량)은 10-2000gsm(gram per square meter, g/㎡)이며, 용도에 따라 단열, 보온, 흡음재등으로 사용되는 경우 밀도와 두께, 적용방법에 따라 30-600gsm일 수 이지만, 이로써 한정하는 것은 아니다.
나아가, 본 발명의 다른 구현에서, 본 발명에 의한 멜트블로운 웹의 제조방법은 얻어지는 멜트블로운 웹의 일면 또는 양면에 보호층을 구비하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 보호층은 멜트블로운 웹의 인장강도 및/또는 마모강도의 향상 및/또는 에어로겔 입자의 탈락을 방지하기 위해, 멜트블로운 웹의 일면 또는 양면에 구비될 수 있다. 보호층은 부직포, 필름 또는 종이류일 수 있으며, 이들은 접착제 및/또는 수지에 의해 상기 멜트블로운 웹의 일면 또는 양면에 부착될 수 있다. 상기 보호층은 천연섬유 또는 합성섬유로된 부직포, 직물 또는 편성물일 수 있다. 상기 부직포는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 스펀본드, 스펀레이스, 플레시본드 니들펀칭, 케미칼 본딩, 습식 또는 건식, 멜트블로운법으로 제조된 것일 수 있다. 상기 천연섬유는 면, 마, 양모 또는 레이온 섬유 등일 수 있다. 상기 합성섬유는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리아라미드, 폴리벤지이미다졸(PBI), 폴리벤즈옥사졸(PBO)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종의 합성섬유일 수 있다. 상기 보호층으로 사용되는 부직포는 보호층에 의한 강도 보완 및/또는 에어로겔의 이탈방지 측면에서, 두께는 0.1㎜ 내지 2mm 및/또는 평량이 10 gsm 내지 1000gsm 정도 일 수 있다.
상기 필름은 열가소성 수지를 블로운 및 티다이법에 의해 제조된 단층 혹은 다층구조의 필름일 수 있다. 상기 필름은 예를들어, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리우레탄, 폴리아미드, 및 폴리에스테르로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종의 수지로된 필름일 수 있다. 상기 필름의 두께는 보호층에 의한 강도 보완 및/또는 에어로겔의 이탈방지 측면에서, 두께는 0.1㎜ 내지 2mm 일 수 있다.
상기 보호층은 이 기술분야에 일반적으로 알려져 있는 어떠한 방법으로 멜트블로운 웹의 일면 또는 양면에 적용될 수 있으며, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 보호층을 구비하고자 하는 멜트블로운 웹의 일면 또는 양면에 접착제를 도포하고 부직물, 필름 또는 종이류를 코팅하여 구비할 수 있다. 구체적으로는 롤투롤 코팅, 분사코팅 등 이 기술분야에 일반적으로 알려져 있는 코팅 방법이 사용될 수 있다. 접착제로는 아크릴계, 폴리비닐알코올계, 우레탄계, 또는 에틸렌비닐아세테이트계 접착제가 사용될 수 있다.
도 5에 본 발명의 일 구현에 의한 방법으로 제조되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 측면도를 나타내었다. 본 발명의 일 구현에 의한 방법으로 제조되는 멜트블로운 웹은 도 5에 나타낸 바와 같이, 섬유(31) 사이사이에 에어로겔(32)의 균일하고 견고하게 일체화된 상태로 존재한다.
도 6에는 멜트블로운 웹의 양면에 보호층(33)이 구비된 멜트블로운 웹의 측면도를 나타내었다. 상기 보호층(33)에 의해, 멜트블로운 웹의 강도가 향상될 뿐만 아니라, 잠재적인 에어로겔 입자의 이탈이 방지된다.
상기 본 발명의 일 구현에 의한 방법으로 제조된 멜트블로운 웹은 멜트블로운 웹 전반에서 우수한 단열성, 보온성, 흡착성, 및/또는 흠음성 등의 물성을 나타낸다. 따라서, 각종 고성능 필터의 재료, 와이퍼, 흡착재, 단열재 및 방음재 등의 다양한 용도에 사용하기에 적합하다.
이하, 실시예를 참고하여 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다. 하기 실시예는 단지 본 발명을 예시하는 것으로 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
도 1에 도시된 멜트블로운 부직포 제조설비를 사용하여 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹을 제조하였다. 용융지수(Melt Index, MI) 400인 폴리프로필렌(PP) 수지를 압출기(1)의 수지 투입부(5)에 공급하였다. 투입된 PP 수지는 압출기(1)를 통과하면서 약 290℃로 가열하여 용융시켰다. 용융된 PP 수지를 기어펌프(미도시)를 통해 수지 분사노즐(3)로 공급하였다. 수지 분사노즐(3)에 공급된 용융상태의 수지 섬유는 고속,고압의 에어(온도 300℃, 압력 2 kgf/㎠ 내지 4 kgf/㎠)를 통하여 수지 분사노즐(3)의 선단으로부터 약 50cm 거리에 위치하는 수집체(4)로 수지는 0.15-0.20g/hole/min의 토출량으로 분사되었다.
한편, 상기 수지 공급 노즐(3)로부터 약 5㎝의 거리 및 2cm 높이에 위치하는 에어로겔 분사노즐 (7a) 및 (7b)로부터 입자크기가 대략 60내지 80㎛인 소수성 에어로겔 분말을 약 13g/min 내지 18g/min의 양으로 분사하였다.
상기 PP수지 섬유와 에어로겔은 고속 및 고압 가스에 의해 수집체(4)에 적층되고 수집체(4)에서 자연 냉각됨에 따라, 도 5에 나타낸 바와 같이 에어로겔과 PP 섬유가 균일하고 견고하게 혼재하는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹이 형성되었다.
상기 제조된 멜트블로운 웹의 두께는 약 10㎜, 기본중량은 약 80 g/㎡(gsm) 섬유의 직경은 대략 1㎛ 내지 15㎛ 그리고 멜트블로운 웹에서 에어로겔의 함량은 15중량% 그리고 PP수지 섬유의 함량은 85중량%였다. 또한, 상기 제조된 멜트블로운 웹은 30mW/mK이하의 열전도도를 갖는 우수한 단열성을 나타내었다.
실시예 2
도 2 및 도 3에 도시된 멜트블로운 부직포 제조설비를 사용하여 멜트블로운 웹을 제조하였다. 용융지수(Melt Index, MI) 1500인 PP 수지를 압출기 (1)의 수지 투입부(5)에 공급하였다. 투입된 PP 수지는 압출기(1)를 통과하면서 약 250℃ 내지 280℃로 가열하여 용융시켰다. 용융된 수지를 기어펌프(미도시)를 통해 분사노즐(3)로 공급하였다. 한편, 에어로겔 공급 유니트 (8a), (8b) 및 (8c)를 통해 입자크기가 대략 60내지 80㎛인 친수성 에어로겔 분말을 에어 공급라인(9)에 공급하였으며, 따라서, 에어로겔 분말이 에어 매니폴드(6)에 에어와 함께 공급되었다. 에어로겔은 상기 에어로겔 공급 유니트에 18g/min 내지 24g/min으로 공급되었다.
상기 분사노즐(3)로 공급된 수지 섬유와 에어 공급라인(9)에 공급된 에어로겔 분말은 고속 및 고압의 에어(온도 320℃, 압력 5 kgf/㎠ 내지 8 kgf/㎠)를 통하여 수지 분사노즐(3)의 선단으로부터 약 50cm 거리에 위치하는 수집체(4)로 0.15-0.20g/hole/min의 토출량으로 분사되었다.
상기 PP수지 섬유와 에어로겔은 고속 및 고압 가스에 의해 수집체(4)에 적층되고 자연 냉각됨에 따라, 도 5에 나타낸 바와 같이 에어로겔(32)과 PP 섬유(31)가 균일하고 견고하게 혼재하는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹이 형성되었다.
상기 제조된 멜트블로원 웹의 양면에 아크릴 접착제를 사용하여, 스펀본드법으로 제조된 기본중량 20gsm 및 두께 0.19mm의 폴리프로필렌 부직포를 접착하였다.
본 실시예에 의해 도 6에 도시한 바와 같은 보호층(33)이 구비된 멜트블로운 웹이 얻어졌다. 상기 제조된 멜트블로운 웹의 두께는 약 1㎜, 기본중량은 약 120 g/㎡, 섬유의 직경은 대략 1㎛ 내지 15㎛ 그리고 멜트블로운 웹에서 에어로겔의 함량은 20 중량% 그리고 PP수지 섬유의 함량은 80중량%였다. 또한, 상기 제조된 멜트블로운 웹은 30mW/mK이하의 열전도도를 갖는 우수한 단열성을 나타내었다.
1... 압출기 2... 멜트 블로잉 다이
3... 수지 분사 노즐 4... 수집체
5... 수지 투입부 6... 에어(또는 스팀) 매니폴드
7a, 7b... 에어로겔 분사 노즐 8a, 8b, 8c... 에어로겔 공급 유니트
9... 에어(또는 스팀) 공급라인 10... 에어 (또는 스팀) 공급
31... 수지 섬유 32... 에어로겔
33... 보호층

Claims (10)

  1. 열가소성 수지를 용융 및 압출하는 단계;
    용융압출된 열가소성 수지에 고속 및 고압의 에어 또는 스팀을 적용하여 열가소성 수지를 수지 분사 노즐로 부터 수집체로 열가소성 수지 섬유로 분사하는 단계; 및
    상기 열가소성 수지 섬유가 수집체에 적층되어 멜트블로운 웹을 형성하는 단계를 포함하는 멜트블로운 웹의 제조방법에 있어서,
    상기 열가소성 수지 섬유에 에어로겔이 분사되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법.
  2. 열가소성 수지를 용융 및 압출하는 단계;
    용융압출된 열가소성 수지에 고속 및 고압의 에어 또는 스팀을 적용하여 열가소성 수지를 수지 분사 노즐로 부터 수집체로 열가소성 수지 섬유로 분사하는 단계; 및
    상기 열가소성 수지 섬유가 수집체에 적층되어 멜트블로운 웹을 형성하는 단계를 포함하는 멜트블로운 웹의 제조방법에 있어서,
    상기 용융압출된 열가소성 수지에 적용되는 고속 및 고압의 에어 또는 스팀에 에어로겔이 투입되어 수지 분사 노즐로부터 열가소성 수지 섬유와 에어로겔이 함께 수집체로 분사되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법.
  3. 열가소성 수지를 용융 및 압출하는 단계;
    용융압출된 열가소성 수지에 고속 및 고압의 에어 또는 스팀을 적용하여 열가소성 수지를 수지 분사 노즐로 부터 수집체로 열가소성 수지 섬유로 분사하는 단계; 및
    상기 열가소성 수지 섬유가 수집체에 적층되어 멜트블로운 웹을 형성하는 단계를 포함하는 멜트블로운 웹의 제조방법에 있어서,
    상기 용융압출된 열가소성 수지에 적용되는 고속 및 고압의 에어 또는 스팀에 제 1 에어로겔이 투입되어 수지 분사 노즐로부터 열가소성 수지 섬유와 제 1 에어로겔이 함께 수집체로 분사되고 상기 수지 분사 노즐로부터 수집체로 분사되는 열가소성 수지 섬유와 제 1 에어로겔에 제 2 에어로겔이 분사되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리우레탄, 폴리아미드, 및 폴리에스테르로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종의 수지인 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에어 혹은 스팀은 온도가 200℃ 내지 380℃이고, 공급 압력은 0.1 kgf/㎠ 내지 10 kgf/㎠ 인 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지 분사 노즐로부터 수집체 사이의 거리는 5㎝ 내지 150㎝인 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법.
  7. 제 1 항 또는 제 3항에 있어서, 상기 에어로겔은 상기 수지 분사 노즐로부터 50㎝ 이내의 거리에서 분사되는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법.
  8. 제 1 항 또는 제 3항에 있어서, 상기 에어로겔 분사노즐은 수지 분자 노즐의 수평면을 기준으로 20㎝이내의 높이에 위치하는 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹의 제조방법.
  9. 제 1 항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멜트블로운 웹의 일면 또는 양면에 보호층을 구비하는 단계를 추가로 포함하는 멜트블로운 웹의 제조방법.
  10. 제 1 항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멜트블로운 웹에서 열가소성 수지 섬유와 에어로겔의 함량은 1:0.01 내지 1:1.5중량비인 멜트블로운 웹의 제조방법.
KR1020120053889A 2012-05-21 2012-05-21 에어로겔을 함유하는 멜트블로운 웹 제조방법 KR101347022B1 (ko)

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