KR101535817B1 - 고강력 폴리케톤 섬유의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강력 폴리케톤 섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리케톤 용액을 압출 방사한 폴리케톤 압출 방사물을 공기층(air gap)에 통과시키고 응고조에서 응고시켜서 폴리케톤 멀티필라멘트를 형성하고, 상기 폴리케톤 멀티필라멘트를 세척조에서 세척하고 건조 및 유제 처리하고 연신기에서 연신하여 폴리케톤 연신사를 형성하는 단계를 포함하는 폴리케톤 섬유의 제조에 있어서, 상기 유제 처리된 폴리케톤 멀티필라멘트를 220∼280 ℃의 열풍 및 180∼240 ℃의 연신롤러에 의해 동시가열하면서 3단 이하로 연신하도록 구성되어 유제 처리 멀티필라멘트의 가열에 소요되는 길이가 감소되고, 이에 따라 연신기의 길이가 단축됨으로써 설비비용을 대폭 절감할 수 있는 고강력 폴리케톤 섬유의 제조 방법을 제공한다.

Description

고강력 폴리케톤 섬유의 제조 방법{METHOD OF PREPARING HIGH STRENGTH POLYKETONE PROCESS}

본 발명은 고강력 폴리케톤 섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상세하게는 유제 처리된 폴리케톤 멀티필라멘트를 220∼280 ℃의 열풍 및 180∼240 ℃의 연신롤러에 의해 동시가열하면서 3단 이하로 연신하도록 구성되어 유제 처리 멀티필라멘트의 가열에 소요되는 길이가 감소되고, 이에 따라 연신기의 길이가 단축됨으로써 설비비용을 대폭 절감할 수 있는 고강력 폴리케톤 섬유의 제조 방법에 관한 것이다.

케톤 화합물과 에틸렌, 프로필렌과 같은 올레핀을 팔라듐이나 니켈 등과 같은 전이 금속 착염을 촉매로 사용하여 중합시키면 케톤기와 올레핀이 교호하는 폴리케톤이 얻어진다는 것은 기 공지된 기실이다. 이러한 지방족 폴리케톤은 에틸렌 등의 올레핀과 케톤 화합물을 원료로 하는 고분자 화합물로서, 제품 특성이 범용 고성능 플라스틱에 적합하고 저온에서의 내충격성이나 내약품성 등이 탁월할 뿐만 아니라, 파라계 아라미드 섬유 같은 수준의 기계적 물성을 가지며 고무와의 친화성이 우수하다는 특성을 지닌다. 이와 같은 폴리케톤의 특성으로 인하여, 현재 파라 계 아라미드 섬유가 독점적으로 사용되는 타이어 코드나 고무 자재 용도로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

일반적으로 폴리케톤 섬유는 레조시놀을 함유하는 수용액에 폴리케톤을 용해시켜서 폴리케톤 용액을 형성하는 단계, 상기 폴리케톤 용액을 방사노즐로 압출 방사한 폴리케톤 압출 방사물을 공기층에 통과시키고 응고조에서 응고시켜서 폴리케톤 멀티필라멘트를 형성하는 단계, 및 상기 폴리케톤 멀티필라멘트를 세척조에서 세척하고 건조, 유제 처리하고 연신기에서 연신하여 폴리케톤 연신사를 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법에 의거하여 제조된다.

상기와 같은 폴리케톤 섬유의 제조 방법에서 유제 처리된 멀티필라멘트를 연신하는 공정은 폴리케톤 섬유에 강도 및 내열수성을 부여하기 위하여 매우 중요하며, 고강도의 폴리케톤 섬유를 저렴하게 제조하기 위한 핵심적인 구성요소이다.

유제 처리 멀티필라멘트를 연신하기 위하여 가열하는 방법은 유제 처리 멀티필라멘트를 연신롤러에 접촉시켜서 가열하는 방법 또는 유제 처리 멀티필라멘트에 열풍을 가하여 가열하는 방법이 있다.

유제 처리 멀티필라멘트를 연신롤러에 접촉시켜서 가열하는 방법은 연신롤러에 의해 유제 처리 멀티필라멘트의 표면이 손상되므로 고강력 폴리케톤 섬유의 제조에 부적합하고, 연신 중인 유제 처리 멀티필라멘트의 표면이 손상되는 것을 방지하기 위해서는 4단 이상의 다단계로 연신해야 하므로 연신기의 구조가 복잡해지며, 이에 따라 설비비용이 크게 증가되는 문제점이 있다. 또한, 유제 처리 멀티필라멘트에 열풍을 가하여 가열하는 방법은 연신 중인 유제 처리 멀티필라멘트의 표면이 손상되는 것을 방지할 수 있으나, 유제 처리 멀티필라멘트의 연신에 소요되는 길이가 100 m 이상이 되므로 연신기의 길이가 연장되고, 이에 따라 설비비용이 크게 증가되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 유제 처리된 폴리케톤 멀티필라멘트를 열풍 및 연신롤러에 의해 동시가열하면서 3단 이하로 연신하도록 구성되어 유제 처리 멀티필라멘트의 가열에 소요되는 길이가 감소되고, 이에 따라 연신기의 길이가 단축됨으로써 설비비용을 대폭 절감할 수 있는 고강력 폴리케톤 섬유의 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 (A) 레조시놀을 함유하는 수용액에 폴리케톤을 용해시켜서 폴리케톤 용액을 형성하는 단계; (B) 상기 폴리케톤 용액을 방사노즐로 압출 방사한 폴리케톤 압출 방사물을 공기층(air gap)에 통과시키고 응고조에서 응고시켜서 폴리케톤 멀티필라멘트를 형성하는 단계; 및 (C) 상기 폴리케톤 멀티필라멘트를 세척조에서 세척하고 건조, 유제 처리하고 연신기에서 연신하여 폴리케톤 연신사를 형성하는 단계를 포함하는 폴리케톤 섬유의 제조에 있어서, 상기 유제 처리된 폴리케톤 멀티필라멘트를 220∼280 ℃의 열풍 및 180∼240 ℃의 연신롤러에 의해 동시가열하면서 1∼3단으로 연신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고강력 폴리케톤 섬유의 제조 방법이 제공된다.

본 발명에 의한 고강력 폴리케톤 섬유의 제조 방법은 유제 처리 멀티필라멘트의 가열에 소요되는 길이가 감소되고, 이에 따라 연신기의 길이가 단축됨으로써 설비비용을 대폭 절감할 수 있는 효과를 지니고 있다.

본 발명은 유제 처리된 폴리케톤 멀티필라멘트를 열풍 및 연신롤러에 의해 동시가열하면서 3단 이하로 연신하도록 구성되는 고강력 폴리케톤 섬유의 제조 방법을 제공하는 것을 기술사상으로 하고 있다.

아래에서 본 발명은 제시된 실시예를 이용하여 상세하게 설명되고, 하기 실시예의 설명에서 공지된 사항이나 자명한 사항은 생략되거나 간략하게 설명된다. 그러나 하기 실시예에서 기술된 내용이 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.

이하, 첨부한 도면과 실시예를 참조하여 본 발명의 폴리케톤 섬유의 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 폴리케톤 섬유 제조에서의 제조 과정을 개략적으로 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 방사노즐(S1)로부터 압출 방사된 폴리케톤 압출 방사물은 수직 방향으로 에어 갭을 통과하고, 응고액이 담겨진 응고조(S2)에서 응고되어 폴리케톤 멀티필라멘트가 형성된다.

상기와 같이 응고 공정에서 형성된 폴리케톤 멀티필라멘트가 적어도 하나의 세척조(S3, S4)에서 물, 에탄올, 에탄올 수용액으로 이루어지는 군으로부터 선택되 는 세척액에 의해 세척된다.

상기 세척 공정에서 세척된 폴리케톤 멀티필라멘트를 건조기(S5)에서 건조하고, 1차 유제 처리 장치(S6)에서 유제 및 첨가제로 처리하는 공정을 실시하여 유제 처리 필라멘트를 형성한 후에, 편평성을 개선하여 집속성을 향상시키기 위하여 상기 유제 처리 필라멘트를 인터레이스 노즐에 통과시킨다.

상기 인터레이스 노즐을 통과한 유제 처리 필라멘트를 건조장치(S7)에서 다시 건조하고, 2차 유제 처리 장치에서 유제 및 첨가제로 처리하는 공정을 실시한 후에, 권취기(S8)에서 권취한다.

상기에서 기술된 폴리케톤 섬유의 제조 방법에서 유제 처리된 멀티필라멘트를 가열 및 연신하는 공정은 고강도의 폴리케톤 섬유를 저렴하게 제조하기 위한 핵심적인 구성요소이다.

유제 처리 필라멘트를 연신롤러에 의해서만 가열하여 연신하게 되면, 연신 중인 유제 처리 멀티필라멘트의 표면이 손상되는 것을 방지하기 위해서는 4단 이상의 다단계로 연신해야 하므로 연신기의 구조가 복잡해지며, 이에 따라 설비비용이 크게 증가된다. 또한, 유제 처리 필라멘트를 열풍에 의해서만 가열하여 연신하게 되면, 연신 중인 유제 처리 멀티필라멘트의 표면이 손상되는 것을 방지할 수 있으나, 유제 처리 멀티필라멘트의 연신에 소요되는 길이가 100 m 이상이어야 하므로 연신기의 길이가 연장되고, 이에 따라 설비비용이 크게 증가된다.

따라서 본 발명에서는 상기 권취된 유제 처리 필라멘트를 연신하여 강도 및 내열수성을 지닌 고강력 폴리케톤 섬유를 형성하되, 상기 유제 처리 필라멘트를 열 풍 및 연신롤러에 의해 동시가열하여 3단 이하로 연신함으로써 고강력 폴리케톤 섬유를 형성하는 것이다.

구체적으로, 유제 처리 필라멘트를 220∼280 ℃의 열풍 및 180∼240 ℃의 연신롤러에 의해 동시가열하여 1∼3단으로 연신함으로써 폴리케톤 연신사를 형성한다.

폴리케톤 연신사를 형성하기 위하여 유제 처리 필라멘트에 가해지는 열풍의 온도가 220 ℃ 미만이면 상기 유제 처리 필라멘트가 충분히 가열되지 않으며, 유제 처리 필라멘트에 가해지는 열풍의 온도가 280 ℃를 초과하면 열풍을 형성하기 위한 에너지 비용이 과다하게 발생하고 이것은 폴리케톤 섬유의 제조원가 상승으로 연결된다. 또한, 폴리케톤 연신사유를 형성하기 위하여 유제 처리 필라멘트에 접촉하는 연신롤러의 온도가 180 ℃ 미만이면 상기 유제 처리 필라멘트의 분자사슬이 충분히 거동하지 않기 때문에 고배율의 연신이 곤란하며, 유제 처리 필라멘트에 접촉하는 연신롤러의 온도가 240 ℃를 초과하면 상기 유제 처리 필라멘트의 분자구조가 분해되기 시작하고 이것은 폴리케톤 섬유의 물성 저하로 연결된다.

상기와 같이 유제 처리 필라멘트를 220∼280 ℃의 열풍 및 180∼240 ℃의 연신롤러에 의해 동시가열하므로 3단 이하로 연신해도 고강도 폴리케톤 섬유를 형성할 수 있다.

유제 처리 필라멘트를 2단 또는 3단으로 연신하는 경우에는, 열풍 및 연신롤러의 온도를 순차적으로 올리는 승온 연신을 실시하는 것이, 고배율의 연신을 실시할 수 있다는 측면에서 바람직하다. 구체적인 승온 연신의 조건으로는 예를 들면, 1단 연신은 열풍 온도 220∼240℃, 연신롤러 온도 180∼200℃, 2단 연신은 열풍 온도 240∼260℃, 연신롤러 온도 200∼220℃, 3단 연신은 열풍 온도 260∼280℃, 연신롤러 온도 220∼240℃로 순차적으로 승온하여 유제 처리 필라멘트의 연신을 실시한다.

본 발명에서는 유제 처리 필라멘트를 220∼280 ℃의 열풍 및 180∼240 ℃의 연신롤러에 의해 동시가열하여 1∼3단으로 연신함으로써, 총 연신비가 5∼40배인 고강도 폴리케톤 섬유를 형성할 수 있다.

또한, 고강도 폴리케톤 섬유를 형성하기 위하여 열풍 및 연신롤러에 의해 가열되는 유제 처리 멀티필라멘트의 1단 연신에 5∼10 m의 길이가 소요되고, 2단 연신에 10∼15 m의 길이가 소요되고, 3단 연신에 15∼20 m의 길이가 소요되므로, 열풍만으로 가열하는 유제 처리 멀티필라멘트의 연신에 소요되는 길이보다 훨씬 단축되는 것으로 나타났다.

상기에서 기술된 바와 같이 본 발명의 고강력 폴리케톤 섬유의 제조 방법은 유제 처리 멀티필라멘트의 가열에 소요되는 길이가 감소되고, 이에 따라 연신기의 길이가 단축됨으로써 설비비용을 대폭 절감할 수 있다.

이하, 구체적인 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다. 하기 실시예 및 비교예에 의한 폴리케톤 섬유의 물성을 아래와 같은 방법으로 평가하였다.

(a) 고유점도

ASTM D539-51T에 의거하여 폴리케톤 섬유를 0.5M 헥사플루오로 이소프로판올용액으로 용해하고 우베로드 점도계를 이용하여 25±0.01 ℃의 온도, 0.1∼0.6 g/dl의 농도범위에서 비점도를 측정하였다. 상기 비점도를 농도에 따라 외삽하여 고유점도(IV)를 산출하였다.

(b) 필라멘트 점착

폴리케톤 섬유를 1 m 단위로 절단하고, 그 중 0.1 m만 절취하여 5개의 시료를 형성하였다. 상기 시료를 107 ℃로 2 시간동안 무하중 상태에서 건조한 후에, 영상분석기(Image Analyser)를 통해 육안으로 필라멘트의 점착여부를 확인하였다. 이때 한 가닥이라도 점착된 경우에는 실패(‘fail(F)’), 그렇지 않은 경우에는 합격(‘pass(P)’)으로 판정하였다.

(c) 건열수축률(%, Shrinkage)

폴리케톤 섬유의 시료를 25 ℃, 65 %RH에서 24 시간동안 방치한 후에, 20 g의 초하중에서 측정한 길이(L0), 및 150 ℃로 30분간 20g의 정하중에서 처리한 후의 길이(L1)를 비교하여 건열수축률을 산출하였다.

S(%) = (L0 - L1) / L0 ×100

(d) 강력(kgf)

폴리케톤 섬유의 시료를 107 ℃로 2 시간동안 건조하고, 인스트롱사의 저속 신장형 인장시험기를 이용하여 80 Tpm(80회 twist/m)의 꼬임을 부가한 후에 시료장 250 mm, 인장속도 300 m/min으로 강력을 측정하였다.

< 실시예 1 >

1. 레조시놀 75 중량%, 프로필렌 카보네이트 25 중량%로 이루어진 혼합용액에 대하여, 고유점도 5.0 dl/g의 폴리케톤 중합체를 혼합하여 폴리케톤 중합체 함량 12.0 중량%인 폴리케톤 조성물을 형성하고, 상기 폴리케톤 조성물을 60 ℃에서 600 mmHg로 30분간 감압하여 기포를 제거하고, 상기 기포가 제거된 상태인 폴리케톤 조성물을 감압 상태에서 밀폐하고 80 ℃에서 3 시간동안 교반하여 투명한 폴리케톤 용액을 형성하였다.

2. 상기 폴리케톤 용액을 필터로 여과하여 불순물을 제거한 후에, 트렌지형 압출 방사기의 직경 0.2 ㎜, L/D 2.0, 200홀의 노즐(N/Z)을 통하여 80 ℃에서 20 m/min의 속도로 압출 방사하였다.

3. 상기 압출 방사된 폴리케톤 압출 방사물을 길이 10 ㎜의 공기층을 통과시켜서 메탄올 85 중량부, 물 10 중량부로 이루어진 응고액이 담겨진 응고조에서 응고시켜서 폴리케톤 멀티필라멘트를 형성하였다.

4. 상기 폴리케톤 멀티필라멘트를 물이 담겨진 세척조로 이송하여 수세하였다.

5. 상기 수세된 폴리케톤 멀티필라멘트를 열풍건조기에서 200 ℃로 건조하고, 1차 유제 처리 장치에서 유제 및 첨가제로 처리하여 유제 처리 필라멘트를 형성한 후에, 상기 유제 처리 필라멘트를 인터레이스 노즐에 통과시켰다.

6. 상기 인터레이스 노즐을 통과한 유제 처리 필라멘트를 건조장치에서 다시 200 ℃로 건조하고, 2차 유제 처리 장치에서 유제 및 첨가제로 처리하는 공정을 실시한 후에, 권취기에서 권취하였다.

7. 상기 권취된 유제 처리 필라멘트를 230 ℃의 열풍 및 190 ℃의 연신롤러에 의해 동시가열하여 5배의 연신비로 1단 연신을 실시하였다.

8. 상기 1단 연신된 유제 처리 필라멘트를 250 ℃의 열풍 및 210 ℃의 연신롤러에 의해 동시가열하여 2배의 연신비로 2단 연신을 실시하였다.

9. 상기 2단 연신된 유제 처리 필라멘트를 270 ℃의 열풍 및 230 ℃의 연신롤러에 의해 동시가열하여 1.5배의 연신비로 3단 연신을 실시하여 최종 필라멘트 섬도가 1,000 데니어인 폴리케톤 섬유를 제조하였다.

< 실시예 2 >

레조시놀 50 중량%, 프로필렌 카보네이트 50 중량%로 이루어진 혼합용액에 대하여, 고유점도 5.0 dl/g의 폴리케톤 중합체를 혼합하여 폴리케톤 중합체 함량 12.0 중량%인 폴리케톤 조성물을 형성하고, 상기 폴리케톤 조성물을 60 ℃에서 600 mmHg로 30분간 감압하여 기포를 제거하고, 상기 기포가 제거된 상태인 폴리케톤 조성물을 감압 상태에서 밀폐하고 80 ℃에서 3 시간동안 교반하여 투명한 폴리케톤 용액을 형성하는 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하다.

< 실시예 3 >

레조시놀 66.7 중량%, 프로필렌 카보네이트 33.3 중량%로 이루어진 혼합용액에 대하여, 고유점도 5.0 dl/g의 폴리케톤 중합체를 혼합하여 폴리케톤 중합체 함량 12.0 중량%인 폴리케톤 조성물을 형성하고, 상기 폴리케톤 조성물을 60 ℃에서 600 mmHg로 30분간 감압하여 기포를 제거하고, 상기 기포가 제거된 상태인 폴리케톤 조성물을 감압 상태에서 밀폐하고 80 ℃에서 3 시간동안 교반하여 투명한 폴리 케톤 용액을 형성하는 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하다.

< 비교예 >

상기 권취된 유제 처리 필라멘트를 190 ℃의 연신롤러에 의해 5배의 연신비로 1단 연신을 실시하는 것과, 상기 1단 연신된 유제 처리 필라멘트를 210 ℃의 연신롤러에 의해 2배의 연신비로 2단 연신을 실시하는 것과, 상기 2단 연신된 유제 처리 필라멘트를 230 ℃의 연신롤러에 의해 1.5배의 연신비로 3단 연신을 실시하여 최종 필라멘트 섬도가 1,000 데니어인 폴리케톤 섬유를 제조하는 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하다.

< 표 1 > 고강도 폴리케톤 섬유의 공정 조건 및 물성 비교

구 분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예
레조시놀 : 프로필렌 카보네이트 조성비(중량%)	75:25	50:50	66.7:33.3	75:25
열풍 온도(℃) 1단 2단 3단	230 250 270	230 250 270	230 250 270	- - -
연신롤러 온도(℃) 1단 2단 3단	190 210 230	190 210 230	190 210 230	190 210 230
연신비(배) 1단 2단 3단	5 2 1.5	5 2 1.5	5 2 1.5	5 2 1.5
강도(g/d)	19.3	17.4	17.9	16.8
신도(%)	4.9	4.2	4.2	4.3
건열수축률(%)	1.3	1.3	1.2	1.1

상기 표 1에서 실시예에 의하여 제조되는 폴리케톤 섬유가 비교예에 의한 폴리케톤 섬유에 비하여, 강도와 건열수축률이 우수한 것으로 나타났다.

도 1은 폴리케톤 섬유 제조에서의 제조 과정의 개략도.

Claims (1)

1. (A) 레조시놀을 함유하는 수용액에 폴리케톤을 용해시켜서 폴리케톤 용액을 형성하는 단계; (B) 상기 폴리케톤 용액을 방사노즐로 압출 방사한 폴리케톤 압출 방사물을 공기층(air gap)에 통과시키고 응고조에서 응고시켜서 폴리케톤 멀티필라멘트를 형성하는 단계; 및 (C) 상기 폴리케톤 멀티필라멘트를 세척조에서 세척하고 건조, 유제 처리하고 연신기에서 연신하여 폴리케톤 연신사를 형성하는 단계를 포함하는 폴리케톤 섬유의 제조에 있어서,

   상기 유제 처리된 폴리케톤 멀티필라멘트를 220∼280 ℃의 열풍 및 180∼240 ℃의 연신롤러에 의해 동시가열하면서 3단으로 연신하도록 구성되어지되,

   1단 연신은 열풍 온도 220∼240℃, 연신롤러 온도 180∼200℃ 및 5배의 연신비, 2단 연신은 열풍 온도 240∼260℃, 연신롤러 온도 200∼220℃ 및 2배의 연신비, 3단 연신은 열풍 온도 260∼280℃, 연신롤러 온도 220∼240℃ 및 1.5배의 연신비로 순차적으로 승온하여 유제 처리 필라멘트의 연신을 실시하는 것을 특징으로 하는 고강력 폴리케톤 섬유의 제조 방법.

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