KR101351314B1 - 폴리올레핀 섬유를 연신하기 위한 가열장치 및 방법 - Google Patents

폴리올레핀 섬유를 연신하기 위한 가열장치 및 방법 Download PDF

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허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
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    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
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    • D02J1/22—Stretching or tensioning, shrinking or relaxing, e.g. by use of overfeed and underfeed apparatus, or preventing stretch

Abstract

가열 장치 및 공정은 폴리에틸렌 섬유와 같은 초고분자량 폴리올레핀 섬유를 연신하는데 유용하다. 상기 가열 장치는 롤 제 1 세트 및 다수의 정렬된 오븐을 포함한다. 상기 장치는 상기 오븐의 배출구에 상기 폴리올레핀 섬유의 원하는 연신을 제공하기에 적합한 제 2 세트의 롤을 포함한다. 상기 장치 및 방법은 바람직하게 유용한 4개 또는 6개의 수평인 오븐의 사용과 더불어 가열된 조건에서 단일한 연신 단계를 제공한다.
Figure R1020087017071
초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 초고분자량 폴리올레핀 섬유, 연신

Description

폴리올레핀 섬유를 연신하기 위한 가열장치 및 방법{HEATING APPARATUS AND PROCESS FOR DRAWING POLYOLEFIN FIBERS}
본 출원은 2005년 12월 20일자로 제출된 미국 가출원(Provisional Application) 번호 60/751,895에 대한 이익을 청구한다.
본 발명은 폴리올레핀 섬유 연신을 위한 가열장치 및 이러한 섬유의 연신 방법에 관한 것이다.
겔-방사 폴리에틸렌 섬유(gel-spun polyethylene fiber)와 같은 고강도 폴리올레핀 섬유는 본 분야에서 알려져 있다. 초고분자량 폴리올레핀(ultra high molecular weight polyolefins)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(부텐-1), 폴리(4-메틸-펜텐-1), 이들의 공중합체, 혼합물 및 부가생성을 포함한다. 그들은 초고분자량 폴리올레핀으로부터 제조되고, 폴리에틸렌의 경우, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)으로부터 제조된다. 이러한 섬유의 제조 및 연신은 미국특허 4,413,110; 4,430,383; 4,436,689; 4,536,536; 4,545,950; 4,551,296; 4,612,148; 4,617,233; 4,663,101; 5,032,338; 5,246,657; 5,286,435; 5,342,567; 5,578,374; 5,736,244; 5,741,451; 5,958,582; 5,972,498; 6,448,359; 6,969,553 및 미국특허출원공보 2005/0093200를 포함하는 다양한 특허 공보에 기술되었고, 상기 개시는 여기에서 모순되지 않는 범위에서 참조로 본 명세서에 명백하게 병합된다. 섬유 연신용 오븐은 또한 미국특허출원공보 2004/0040176에 개시된다.
UHMWPE 야안(yarn)은 충격흡수 및 탄도저항 제품과 같은 많은 적용처에 유용하다. 이들은 방탄복, 헬멧, 항공기 차폐물(aircraft shields) 및 복합 스포츠 장비(composite sports equipment)를 포함한다. 이들은 낚싯줄(fishing line), 돛류(sails), 봉합 로프(ropes sutures) 및 직물에서도 또한 유용하다.
전형적인 연신 배치(configuration)에서, 상기 겔-방사 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌 용액을 방사하고, 상기 용액 필라멘트를 겔상태로 냉각한 후, 방사 용액을 제거함으로써 제조된다. 상기 방사 섬유는 그 후 고배향된 상태로 연신된다. 상기 연신 공정에 있어서, 전형적으로 상기 방사 섬유는 우선 제 1 적층 발열롤(first stack of heated rolls)로 공급되고, 그 후에 하나 또는 그 이상의 오븐(전형적으로 4개)을 통과되며, 그 다음 제 2 적층 발열롤로 공급되고, 그 다음 하나 또는 그 이상의 추가 오븐(전형적으로 2개)으로 공급되며, 마지막으로, 상기 섬유 또는 야안이 권취되기 전에 제 3 적층 발열롤로 공급된다. 상기 롤의 상기 속도 및 온도는 오븐에서의 온도 및 온도 프로파일(temperature profile)에 따라 조절되어, 섬유 또는 야안에서 원하는 연신율 및 생산물의 특성을 얻는다. 상기 섬유는 이 배치에 따라 두 단계의 연신 공정을 거치게 된다.
비록 이러한 배치는 우수한 품질의 섬유 및 야안을 제조하지만, 다수의 발열부 및 롤 세트 때문에 전반적으로 공정이 고비용이고, 재료 처리량이 제한된다. 공정을 하기에 덜 비싸고 더 빠른 속도로 연신 섬유 또는 야안을 제공할 수 있는 폴리에틸렌 섬유용의 오븐 배치를 제공하기에 바람직할 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 발열 장치는;
롤 제 1 세트;
상기 롤 제 1 세트와 인접한 하나의 끝단 및 반대쪽 끝단을 가진 다수의 정렬된 오븐; 및
상기 다수의 오븐의 반대쪽 단과 인접하는 롤 제 2 세트를 포함하되, 상기 롤의 제 1 및 제 2 세트가 폴리올레핀 섬유의 원하는 연신을 제공하기에 적합한 초고분자량 폴리올레핀 섬유를 연신하기 위한 유용한 발열 장치가 제공된다..
또한, 본 발명에 따르면,
섬유가 롤 제 1 세트와 인접하는 하나의 끝단 및 반대쪽 끝단을 가진 다수의 정렬된 오븐; 및 상기 다수의 오븐의 상기 반대쪽 끝단과 인접하는 롤 제 2 세트를 포함하되, 상기 롤의 제 1 및 제 2 세트가 상기 폴리올레핀 섬유의 원하는 연신를 제공하기 위한 조건하에서 작동되는 발열장치를 통과하는 단계; 및
상기 섬유를 롤 제 1 세트 및 롤 제 2 세트 사이에서 예정된 연신율로 연신하는 단계;를 포함하는 초고분자량 폴리올레핀 섬유를 연신하기 위한 방법이 제공된다.
롤 제 2 세트를 제거하고, 연속의 수평 오븐을 제공하여 이전의 연신 배치를 변경함으로써, 바람직한 특성을 가지는 폴리에틸렌 섬유와 같은 폴리올레핀 섬유가 더 낮은 투자비용(capital expense), 낮은 공정비용으로, 그리고, 더 많은 재료 처리량으로 얻어진다는 것을 발견하였다. 이러한 섬유는 또한 향상된 특성을 가진다.
다음의 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 대한 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조하면 본 발명이 보다 잘 이해될 것이며, 나아가 이점들이 명백해 질 것이다.
본 발명은 초고분자량 폴리올레핀 섬유를 연신하기 위한 가열장치 및 이러한 섬유를 연신하기 위한 방법을 포함한다.
본 발명의 목적을 위하여, 섬유는 길이 방향이 폭 및 두께의 횡방향(transverse dimensions)보다 훨씬 큰 길이 방향 신장체이다. 따라서, 상기 용어 "섬유(fiber)"는 균일 또는 불균일 단면을 가지는 하나 또는 다수의 모노필라멘트, 멀티필라멘트, 리본, 스트립, 스테플 및 잘게 썰어지거나(chopped), 잘라지거나 비연속적인 섬유 등, 기타 다른 형태를 포함한다. 상기 용어 "섬유"는 앞서 말한 것의 어느 하나의 복수 또는 이들의 조합을 포함한다. 야안은 많은 섬유 또는 필라멘트가 포함된 연속적인 스트랜드(strand)이다.
여기서 유용한 섬유의 단면(cross-sections)은 광범위하게 변형할 수 있다. 이들은 원형, 평면(flat) 또는 타원형일 수 있다. 이들은 또한 상기 섬유의 선축(linear axis) 또는 세로축(길이축, longitudinal axis)으로부터 돌출된 하나 이상의 규칙적인 또는 불규칙적인 로브(lobe)를 가지는 불규칙 또는 규칙 멀티-로브(multi-lobal) 단면일 수 있다. 상기 섬유는 실질적으로 원형, 평면 또는 타원형의 단면인 것이 바람직하고, 실질적으로 원형이 가장 바람직하다.
본 발명에서 유용한 초고분자량 폴리올레핀은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(부텐-1), 폴리(4-메틸-펜텐-1), 이들의 공중합체, 혼합물 및 부가물을 포함한다. 이러한 중합체는 135℃의 데칼린(decalin)에서 측정된 경우 전형적으로 약 5 내지 약 45㎗/g의 고유 점도를 갖는다.
바람직하게, 연신되는 상기 공급 야안은 데칼린에서 약 8 내지 40㎗/g, 보다 바람직하게는, 약 10 내지 30㎗/g, 그리고, 가장 바람직하게는, 약 12 내지 30㎗/g의 고유 점도를 가지는 폴리에틸렌을 포함한다. 바람직하게, 연신되는 상기 야안은 1,000개의 탄소 원자당 약 하나 미만의 메틸기, 보다 바람직하게는, 1,000개의 탄소 원자당 0.5 미만의 메틸기 그리고, 다른 성분의 약 1 중량% 미만의 폴리에틸렌을 포함한다. 상기 초고분자량 폴리올레핀은 항산화제, 열안정제, 착색제, 유동촉진제(flow promoters), 용매 등과 같은 첨가제를 소량, 일반적으로 약 5중량% 미만, 그리고, 바람직하게는, 약 3중량% 미만으로 포함할 수 있다.
본 발명의 공정에서 연신되는 상기 겔-방사 폴리에틸렌 섬유는 미리 연신될 수 있거나, 또는, 본질적 미연신 상태로 있을 수 있다. 상기 겔-방사 폴리에틸렌 공급 야안을 형성하기 위한 방법은 예를 들어, 미국 특허번호 4,551,296, 4,663,101, 5,741,451 및 6,448,659에 기재된 공정 중 어느 하나 일 수 있다.
폴리에틸렌의 경우, 적합한 섬유는 적어도 약 150,000, 바람직하게는 적어도 약 1,000,000, 보다 바람직하게는, 약 2,000,000 내지 약 5,000,000 사이의 중량평균분자량 섬유이다. 고분자량 폴리프로필렌섬유의 경우, 상기 섬유는 적어도 약 200,000, 바람직하게는 적어도 약 1,000,000, 그리고, 보다 바람직하게는, 적어도 약 2,000,000의 중량평균분자량을 가질 수 있다.
상기 공급 야안의 강도는, 게이지 길이 10 인치(25.4㎝) 및 연신율(strain rate) 100%/min에서 ASTM D2256-97로 측정된 것으로서, 약 2 내지 76, 바람직하게는, 약 5 내지 66, 보다 바람직하게는, 약 7 내지 51 데니어당 그램(g/d)의 범위 일 수 있다.
다음의 기재에서, 참조는 전형적으로 폴리에틸렌 섬유로 제조되지만, 이러한 개시는 또한 다른 폴리올레핀 섬유에도 적용할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 1을 참조하면, 초고분자량 폴리에틸렌 야안을 위한 전형적인 연신 공정(10)의 개략도를 보여준다. 야안(12)는 공급원(도시되지 않음)으로부터 공급되고, 롤(16) 제 1 세트(14)로 넘어간다. 이러한 롤들은 전형적으로 원하는 온도로 가열된다. 상기 롤을 나오는 야안(18)은 4개의 인접한 수평 오븐으로 공급되며, 이들 중 2개(20,22)만 도시된다. 이들 오븐은 열기 순환 오븐(hot air circulating ovens)일 수 있다. 상기 롤 제 1 세트의 오븐을 나오는 야안(24)은 그 후 롤(28) 제 2 세트(26)를 지나가고, 야안(30)으로 연신된다. 야안(30)은 그 후 열기 순환 오븐일 수 있는 2개 이상의 인접한 오븐(32, 34)으로 공급되고, 오븐(34)을 나오는 상기 야안(36)은 그 후 롤(40) 제 3 세트(38)로 공급되며, 다시 원하는 양으로 연신된다. 상기 종결된 야안(finished yarn)(42)는 그 후 권취부(wind up station)(도시되지 않음)로 공급된다. 3개의 롤 세트를 사용함으로써, 상기 섬유는 두 단계 연신 공정을 하게 된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 가열장치(110) 개략도를 보여준다. 초고분자량 폴리에틸렌 야안(112)는 공급원(도시되지 않음)으로부터 공급되고, 구동되는 롤(116) 제 1 세트(114)로 넘어간다. 비록 바람직하게는 제 1 롤들은 대부분 가열되고 남은 롤들도 연신에 앞서 섬유를 예열하기 위해 가열되지만, 이 롤들은 가열될 필요가 없다. 비록 전체 7개의 롤이 도 2에 도시되지만, 상기 롤들의 수는 원하는 배치에 따라 더 많거나 적을 수 있다. 상기 야안(118)은 모든 오븐들이 바람직하게 열기 순환 오븐인 6개의 인접 수평 오븐(120, 122, 124, 126, 128, 130)으로 공급된다. 상기 야안은 바람직하게 상기 오븐에 지지되지 않는다. 마지막 오븐(130)을 나오는 야안(132)은 그런 다음 구동되는 롤(136)의 제 2 세트(134)로 넘어가서, 종결 야안(138)으로 연신된다. 상기 롤(136) 제 2 세트(134)는 차가워야 하기 때문에, 상기 종결 야안은 이의 배향 및 모르폴로지(morphology)를 유지하는 인장하에서 적어도 약 90℃ 이하로 냉각된다. 상기 제 2 세트(134)에서의 롤들의 수는 도 2에 도시된 7개의 롤 수보다 많거나 적을 수 있고, 롤 제 1 세트(114)에서의 롤 들의 수와 같거나 다를 수도 있다. 롤 제 2 세트(134)를 나오는 야안(138)은 그 후 권취부(도시되지 않음)로 공급된다. 오로지 2개의 롤세트를 사용하여, 상기 섬유가 단일 단계 연신 공정을 하게 한다. 상기 섬유는 롤 제 1 세트(114)와 롤 제 2 세트(134) 사이에서 연신된다. 상기 인장이 적용되어서, 상기 섬유는 오븐에서 지지될 필요가 없다. 즉, 다양한 오븐 내에서 아이들러(idler) 롤 또는 기타 다른 지지 장치를 필요로 하지 않는다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 구현예에 있어서, 오로지 2개의 롤 세트가 필요한 더 단순한 디자인임을 알 수 있다. 전형적인 장치에서의 상기 중간 롤세트는 생략되었고, 2개의 추가적인 열기 오븐으로 교체되었다. 나아가, 주입 롤세트 전부가 가열되는 것을 필요로 하는 건 아니고, 오로지 상기 오븐 입구에 가장 가까운 롤만 가열될 수 있다. 예를 들어, 9개의 롤세트 배치를 지닌 하나의 구현예에서, 오로지 오븐 입구와 가장 가까운 마지막 3개의 롤 들만 바람직하게 가열된다.
선택적인 구현예에서, 상기 센터 오븐(124, 126)은 상기 가열장치에 포함되지 않고, 전형적인 배치에서 상기 중간 롤세트가 생략되고, 오로지 총 4개의 수평 오븐(120, 122, 128, 130)이 사용된다.
본 발명의 가열장치에서 사용된 오븐의 수와 사이즈는 변경할 수 있다. 바람직하게, 수평 방식으로 정렬된 4개 또는 6개의 오븐이다. 이들 오븐은 길이를 변경할 수 있다. 예를 들어, 각각의 오븐은 약 10 내지 약 16피트(3.05 내지 4.88 미터)로 길 수 있으며. 보다 바람직하게는, 약 11 내지 약 13피트(3.35 내지 3.96 미터)로 길 수 있다. 상기 오븐의 폭은 어떠한 적당한 폭으로 할 수 있다.
전형적인 연신 공정에서 상기 롤 제 1 세트에 의해 가열된 상기 야안이 제 1 세트 오븐(오븐 20, 22)에 이르기 전에 이미 냉각된 것을 열 화상 측정(thermal imaging measurements) 및 야안 속도 측정(yarn speed measurements)으로 발견하였다. 결과적으로, 제 1 오븐세트의 일부는 야안을 연신하기 보다는 오히려 상기 야안을 가열하는데 사용된다. 롤 제 2 세트(26)은 상기 야안을 다시 가열하는 반면, 상기 야안은 제 2 오븐 세트(오븐(32, 34))에 이르기 전에 이미 냉각하기 시작했다. 유사하게, 제 2 오븐 세트의 일부는 야안을 연신하기 보다는 오히려 상기 야안을 가열하는데 사용된다. 상기 야안이 가열, 냉각, 가열, 냉각 단계를 거치게 되는 상기 공정은 높은 최대인장강도(high ultimate tensile strength; UTS), 고강도 및 고모듈러스를 얻기 위해 필요한 고연신율을 달성하기 위해 원하는 만큼 효과적이지 않음을 발견하였다. 나아가, 상기 공정 수득율은 감소되고, 3개의 롤 세트를 필요로 하여 자본 코스트가 증가된다.
상기 중간 롤세트가 생략됨으로써 상기 야안이 전형적인 공정과정인 가열, 냉각, 가열, 냉각 공정 단계를 거치지 않는 것을 발견하였다. 오히려, 상기 야안은 상기 야안의 계속적인 연신을 위해 필요한 열을 유지한다. 그러므로, 야안이 더 빠른 속도로 제조될 수 있고, 상기 야안은 개선된 강도, 모듈러스 및 최대인장강도를 가질 수 있다. 상기 직선 오븐 배열은 또한 작업효율성을 증가시킨다.
상기 가열 장치는 오로지 두 세트의 롤들을 사용하여 가열하에서 상기 섬유 또는 야안의 연속적인 단일 단계 연신을 가능하게 함을 알 수 있다. 나아가, 상기 본 발명의 장치 및 방법은 끊어진 필라멘트에 대한 포텐셜을 감소시키 위해 최대 연신율로부터 벗어나 연신되도록 작동된다.
상기 가열 장치를 통과한 상기 야안의 온도 및 속도는 원하는 대로 변경될 수 있다. 예를 들어, 오븐 내에 하나 이상의 온도 제어 구역이 존재할 수 있으며, 약 125℃ 내지 약 160℃, 보다 바람직하게는, 약 130℃ 내지 약 150℃의 온도를 가진다. 바람직하게, 상기 구역내의 온도는 ±2℃미만(전체 4℃ 미만), 보다 바람직하게는, ±1℃미만(전체 2℃ 미만)으로 변경하도록 조절된다.
야안의 연신은 열을 생성한다. 상기 야안 및 상기 오븐 공기 사이에서 효율적인 열전달을 가질 것이 요구된다. 바람직하게, 상기 오븐내의 공기 순환은 난류 상태이다. 상기 야안 근처의 시간-평균공기속도는 바람직하게, 약 1 내지 약 200 미터/분이고, 보다 바람직하게는, 약 2 내지 약 100 미터/분, 그리고, 가장 바람직하게는 약 5 내지 약 100 미터/분이다.
상기에 지적한 바와 같이, 가열장치(110)에서 상기 야안의 경로는 바람직하게 다양한 오븐의 주입구에서 배출구까지 거의 일직선이다. 상기 야안 인장 프로파일은 상기 다양한 롤의 속도를 조절함으로써 또는 오븐 온도 프로파일을 조절함으로써 조절될 수 있다. 야안 인장은 상기 연속하여 구동되는 롤의 속도 간에 차이 증가시키거나 또는 상기 오븐내의 온도를 감소시킴으로써 증가시킬 수 있다. 바람직하게, 오븐내에서의 상기 야안 인장은 거의 일정하거나 상기 오븐에 의하여 증가한다.
전형적으로, 연신되기 위한 겔-방사 폴리에틸렌 야안의 멀티플 패키지(multiple packages)는 크릴(creel)상에 놓인다. 멀티플 야안의 끝단들은 공급 속도를 설정한 롤 제 1 세트를 통해 크릴로부터 평행하게 상기 연신 오븐으로 공급되고, 그곳에서부터 상기 오븐을 통과하고, 야안의 배출 속도를 설정하고 또한 인장하에서 상기 야안을 냉각하는 롤 제 2 세트로 나간다. 냉각되는 동안 열 수축을 무시하는 연신 길이로 상기 야안이 유지하기에 충분하도록 상기 야안에서의 인장이 지속된다.
상기 섬유의 전체 연신율은 상기 섬유에 요구되는 특성에 따라 변경할 수 있다. 예를 들어, 상기 연신율은 약 1.1:1 내지 약 15:1, 보다 바람직하게는, 약 1.2:1 내지 약 10:1, 및 가장 바람직하게는 약 1.5:1 내지 약 10:1의 범위일 수 있다.
본 발명의 상기 가열 장치를 통과한 상기 섬유의 속도도 또한 변경할 수 있다. 예를 들어, 상기 롤 제 2 세트의 속도에 의해 측정된 전형적인 선 속도는 약 20 내지 100미터/분, 보다 바람직하게는, 약 30 내지약 50 미터/분 일 수 있다. 상기 선속도는 또한 상기 섬유의 원하는 데니어에 의존한다.
본 발명의 상기 장치 및 공정은 고강도 섬유를 제조하기에 유용하다. 여기서 사용된 바와 같은 상기 용어 "고강도 섬유(high tenacity fiber)"는 약 7 g/d와 같거나 더 큰 강도를 가진 섬유를 말한다. 바람직하게, 이들 섬유는 ASTM D2256으로 측정된 것으로서 초기인장모듈러스가 적어도 약 150g/d이고, 파괴에너지(energies-to-break)가 적어도 약 8J/g이다. 여기서 사용된 바와 같은 상기 용어 "초기인장모듈러스(initial tensile modulus)", "인장모듈러스(tensile modulus)" 및 "모듈러스(modulus)"는 야안을 ASTM 2256으로 측정된 바에 따른 탄성 모듈러스를 말한다.
상기 형성 기술, 상기 연신율 및 온도 그리고, 기타 다른 조건들에 따라, 이들 섬유들에 다양한 특성들이 첨가될 수 있다. 상기 폴리에틸렌 섬유의 강도는 적어도 약 7g/d이고, 바람직하게는, 적어도 약 15g/d이며, 보다 바람직하게는, 적어도 약 20g/d이고, 보다 더 바람직하게는, 적어도 약 25g/d이며, 가장 바람직하게는, 약 30g/d이다. 이와 유사하게, 인스트론 인장 테스트 기계로 측정된 바에 따른 상기 섬유의 초기인장모듈러스는 바람직하게 적어도 약 300g/d이고, 보다 바람직하게는, 적어도 약 500g/d이며, 보다 더 바람직하게는, 적어도 약 1,000g/d이고, 가장 바람직하게는, 적어도 약 1,200g/d이다. 가장 바람직한 구현예에서, 연신 후의 상기 섬유는 적어도 약 35g/d 강도와 적어도 약 1,200g/d 모듈러스를 가진다. 많은 필라멘트는 상기 필라멘트를 형성하는 상기 중합체의 용융점보다 더 높은 용융점을 가진다. 그러므로, 예를 들어, 약 150,000, 약 1,000,000 및 약 2,000,000 분자량의 고분자량 폴리에틸렌은 일반적으로 벌크(bulk)에서 138℃ 용융점을 가진다. 이러한 재료로 만들어진 상기 고도로 배향된 폴리에틸렌 필라멘트는 약 7℃ 내지 약 13℃보다 높은 용융점을 가진다. 그러므로, 용융점에서 근소한 증가는 상기 벌크 중합체와 비교하여 상기 필라멘트의 결정 퍼펙션(crystalline perfection) 및 고결정 배향을 반영한다.
결과 야안은 어떠한 적합한 데니어, 예를 들어, 약 50 내지 약 3000데니어, 보다 바람직하게는, 약 75 내지 약 2000데니어를 가질 수 있다. 미세한(fine) 데니어 생성물의 예로는 75, 100, 130, 150, 180, 215, 375 및 435 데니어를 가지는 생성물을 포함한다. 높은 데니어 생성물의 예로는 900, 1100 및 1300 데니어를 포함한다. 상기 공급 야안 데니어는 상기 야안의 원하는 데니어에 따라 선택된다. 예를 들어, 1300 데니어 야안을 만들기 위해서는 공급 야안이 2400 데니어 일 수 있고, 그러므로, 연신율이 약 1.85:1이다. 375 데니어 생성물을 제조하기 위해서는, 상기 공급 야안은 연신율이 약 1.73임과 동시에 650 데니어 일 수 있다.
본 발명의 장치 및 방법에 의하여 제조되는 야안은 이러한 야안이 적합한 다양한 적용처에 사용될 수 있다. 상기 야안은 방호복(방탄조끼 등)과 같은 충격 흡수 및 탄도 저항성 생산품, 헬멧, 항공기 차폐물 및 좌석, 스포츠 복합 장비, 및 낚시줄, 돛, 로프, 봉합사 및 직물(즉, 직조, 편직, 브레이드 또는 부직)에서 유용하다. 전형적인 부직물은 배향된 야안의 단일방향 어레이를 포함한다. 이러한 야안으로 형성된 패브릭은 매트릭스 수지와 함께 사용될 수 있다. 이들 야안은 다른 타입의 야안, 고강도 및 종래의 고강도 야안과 함께 혼합될 수 있다.
다음의 비제한적인 예들은 본 발명의 보다 완전한 이해를 제공하기 위해 주어진다. 본 발명의 원리를 기술하기 위해 설정된 상기 특정한 기술(techiques), 조건, 물질, 비율 및 발표된 데이터 세트 등은 예시이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 폴리에틸렌 섬유의 연신에 사용된 전형적인 오븐 배치의 개략도이다.
도 2는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 연신에 유용한 본 발명의 오븐 배치의 개략도이다.
실시예 1(비교)
초고분자량 폴리에틸렌 섬유는 도 1에 도시된 바와 같은 방식의 롤 제 1 세트, 롤 중간 제 2 세트 및 롤 제 3 세트와 함께 4개의 오븐 제 1 세트 및 2개의 오븐 제 2 세트를 포함하는 오븐 배치의 두 단계 연신으로 연신된다.
오븐 각각의 길이는 12피트(3.66m)여서, 상기 4개의 제 1 오븐 세트는 전체 48피트(14.63m) 및 상기 2개의 제 2 오븐 세트는 전체 24피트(7.32m)가 된다.
상기 롤의 온도는 다음과 같다: 제 1 세트 = 125℃, 제 2 세트 = 125℃, 및 제 3 세트 = 25℃. 상기 제 1 및 제 2 세트 오븐의 온도는 150℃이다.
초기 데니어는 2400이고, 최종 데니어는 1100이다. 상기 연신율은 2:2:1이다. 상기 롤 제 1 세트의 속도는 16m/min이고, 상기 롤 제 2 세트의 속도는 26m/min이며, 상기 롤 제 3 세트의 속도는 34m/min이다.
상기 결과 섬유의 강도는 35 내지 37 g/d이고, 상기 초기인장모듈러스는 1150 내지 1200 g/d이다.
실시예 2
본 실시예에서, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유는 도 2에 도시된 바와 같은 방식으로, 6개의 수평으로 정렬된 오븐을 포함하는 오븐 배치에서 단일단계 연신으로 연신된다. 두 세트 롤, 즉 입구 세트(제 1 세트) 및 출구세트(제 2 세트)만이 사용된다.
오븐 각각의 길이는 12피트(3.66미터)여서, 상기 6개의 오븐의 전체 길이는 72피트(21.95미터)이다.
상기 롤 제 1 세트는 온도가 125℃이고, 상기 롤 제 2세트의 온도는 25℃이다. 상기 오븐 각각의 온도는 150℃이다.
초기 데니어는 2400이고, 최종 데니어는 1100임과 동시에 연신율은 2:1:1이다. 상기 롤 제 1 세트의 속도는 20m/min이고, 상기 제 2 세트의 속도는 44m/min이다.
상기 결과 섬유의 강도는 37 내지 39 g/d이고, 상기 초기인장모듈러스는 1250 내지 1300 g/d이다.
실시예 2에서 사용되고 실시예 2의 방식으로 작동된 상기 가열장치는 실시예 1에서의 오븐 배치의 섬유보다 고강도 및 고모듈러스의 섬유를 제공하는 것을 볼 수 있다. 또한, 상기 실시예 2의 선속도는 실시예 1에서보다 현저하게 높아서, 상기 공정의 생산성이 증가한다.
본 발명은 비용 효율적이고 조작하기에 익숙한 수단으로 폴리에틸렌 섬유 및 야안과 같은 연신된 초고분자량 폴리올레핀 섬유 및 야안을 형성하는 장치 및 방법을 제공한다. 상기 결과 야안은 다양한 필요 적용처에서 유용한 바람직한 특성을 가진다.
본 발명을 상당히 자세하게 기술하였는데, 이러한 기술은 엄격하게 고수되는 것을 필요로 하지 않지만, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 추가의 교체 및 변경을 제시할 수 있으며, 본 발명의 범위는 특허청구범위와 결합되어 모두 정의를 내릴 수 있는 것으로 이해될 것이다.

Claims (31)

  1. 롤 제 1 세트;
    상기 롤 제 1 세트와 인접한 하나의 끝단 및 반대쪽 끝단을 가지는 다수의 수평으로 정렬된 오븐으로서, 상기 오븐은 이들의 각 끝단이 인접 관계로 배열되어 상대적으로 긴 연속 오븐을 제공하여, 이에 따라 섬유들은 상기 연속 오븐의 하나의 끝단에서 상기 연속 오븐의 반대쪽 끝단으로 운송되는, 다수의 수평으로 정렬된 오븐; 및
    상기 다수의 오븐의 반대쪽 끝단과 인접하는 롤 제 2 세트;
    를 포함하되, 상기 롤 제 1 세트 및 롤 제 2 세트는 상기 섬유의 원하는 연신을 제공하고, 그리고 상기 연속 오븐을 통해 상기 섬유를 운송하는, 연속 가열로 단일 단계의 연신으로 초고분자량 폴리올레핀 섬유를 연신하기 위한 가열 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 롤 제 1 세트의 일부 롤들은 가열되고, 남은 롤들은 가열되지 않는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 오븐은 열기 순환 오븐인 것을 특징으로 하는 가열 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 적어도 4개의 수평으로 정렬된 오븐을 포함하는 것을 특 징으로 하는 가열 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 적어도 6개의 수평으로 정렬된 오븐을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
  7. 삭제
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 롤 제 1 세트 및 상기 롤 제 2 세트는 각각 7개의 롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 롤 제 1 세트 및 상기 롤 제 2 세트는 각각 9개의 롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 일직선으로 상기 오븐을 통해 상기 섬유를 운송하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 롤 제 1 세트 및 상기 롤 제 2 세트는 상기 가열 장치에 롤만을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
  12. 롤 제 1 세트;
    상기 롤 제 1 세트와 인접하는 하나의 끝단 및 반대쪽 끝단을 가진 다수의 수평으로 정렬된 오븐으로서, 상기 오븐은 이들의 각 끝단이 인접 관계로 배열되어 상대적으로 긴 연속 오븐을 제공하는, 다수의 수평으로 정렬된 오븐; 및
    상기 다수의 오븐의 상기 반대쪽 끝단과 인접하는 롤 제 2 세트
    를 포함하되, 상기 롤 제 1 세트 및 상기 롤 제 2 세트가 폴리올레핀 섬유의 원하는 연신을 제공하기 위한 조건하에서 작동되는 가열장치를 통해 섬유를 통과시키는 단계; 및
    상기 섬유를 연속 가열로 단일 단계의 연신으로 상기 롤 제 1 세트와 상기 롤 제 2 세트 사이에서 예정된 연신율로 연신하여, 상기 섬유들은 상기 연속 오븐의 하나의 끝단에서 상기 연속 오븐의 반대쪽 끝단으로 그리고 상기 연속 오븐을 통해 운송되는, 상기 섬유를 연신하는 단계;
    를 포함하는 초고분자량 폴리올레핀 섬유를 연신하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 섬유는 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 롤 제 1 세트의 일부 롤들은 가열되고, 남은 롤들은 가열되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 오븐은 열기 순환 오븐인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 장치는 적어도 4개의 수평으로 정렬된 오븐을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 장치는 적어도 6개의 수평으로 정렬된 오븐을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 삭제
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 롤 제 1 세트 및 상기 롤 제 2 세트는 각각 7개의 롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 13 항에 있어서, 상기 롤 제 1 세트 및 상기 롤 제 2 세트는 각각 9개의 롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 12 항에 있어서, 상기 섬유는 일직선으로 상기 오븐을 통해 운송되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 12 항에 있어서, 상기 섬유는 상기 오븐에서 어떠한 구조로도 지지되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 12 항에 있어서, 상기 섬유는 1.1:1 내지 15:1의 연신율로 연신되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 12 항에 있어서, 상기 섬유는 1.2:1 내지 10:1의 연신율로 연신되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 12 항에 있어서, 상기 방법은 20 내지 100미터/분의 선속도로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 12 항에 있어서, 상기 오븐의 온도는 125℃ 내지 160℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 12 항에 있어서, 상기 오븐의 온도는 130℃ 내지 150℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 12 항에 있어서, 상기 롤 제 1 및 제 2 세트는 상기 가열 장치 내에 롤만을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 12 항에 있어서, 상기 방법으로부터 기인한 섬유는 적어도 30g/d의 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 13 항에 있어서, 상기 방법으로부터 기인한 섬유는 적어도 35g/d 강도 및 적어도 1,200g/d의 초기 인장 모듈러스를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 12 항의 방법으로 형성된 생성물.
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