KR101743302B1 - 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지, 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 포함하는 섬유, 상기 섬유를 포함하는 직물, 및 상기 직물을 구비하는 블레이드 - Google Patents

전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지, 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 포함하는 섬유, 상기 섬유를 포함하는 직물, 및 상기 직물을 구비하는 블레이드 Download PDF

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Abstract

전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지, 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 포함하는 섬유, 상기 섬유를 포함하는 직물, 및 상기 직물을 구비하는 블레이드가 개시된다.
상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지는 경량이면서도 탄성 및 강도가 개선되므로, 이를 사용하여 얻어진 섬유 및 직물은 그 물성이 우수하므로 블레이드와 같은 다양한 응용분야에 유용하게 사용할 수 있다.

Description

전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지, 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 포함하는 섬유, 상기 섬유를 포함하는 직물, 및 상기 직물을 구비하는 블레이드{Wholly aromatic polyester amide copolymer resin, fiber having the copolymer resin, fabrics having the fiber, and blade having the fabrics}
전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지, 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 포함하는 섬유, 상기 섬유를 포함하는 직물, 및 상기 직물을 구비하는 블레이드가 개시된다.
상세하게는, 탄성 및 강도가 개선된 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지, 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 포함하는 고강도 및 고탄성 섬유, 상기 섬유를 포함하여 경량이면서도 강도 및 탄성이 개선된 직물, 및 상기 직물을 구비하는 경량 및 고탄성의 블레이드가 개시된다.
에너지 소모가 적고 환경 오염의 우려가 없는 발전 방법으로서 풍력 발전을 예로 들 수 있으며, 대규모 및 소규모의 다양한 풍력 발전 설비가 다양하게 개발되고 있다.
이와 같은 풍력 발전에서는 바람 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위하여 날개 형태의 블레이드가 사용되고 있다. 상기 풍력 발전용 블레이드로서는 유리 직물이 널리 사용되고 있으나, 소재 특성상 경량화가 곤란한 문제를 갖는다. 경량화를 위하여 카본 직물이 일부 채용되나, 카본 직물은 고가의 소재이므로 풍력 발전의 경제성을 저해하는 요소로서 작용하게 된다.
따라서, 상기 블레이드에 채용하기 위하여 보다 경량이면서도 저가의 소재를 개발할 필요가 있다.
본 발명의 일 구현예는 히드록시 벤조산계 화합물에서 유도된 반복단위(A), 히드록시 나프토에산계 화합물에서 유도된 반복단위(B) 및 아미노 벤조산계 화합물에서 유도된 반복단위(C)를 소정 비율로 포함하는 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 포함하는 섬유를 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예는 상기 섬유를 포함하는 직물 및 상기 직물을 구비하는 블레이드를 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
히드록시 벤조산계 화합물에서 유도된 반복단위(A);
히드록시 나프토에산계 화합물에서 유도된 반복단위(B); 및
아미노 벤조산계 화합물에서 유도된 반복단위(C)를 포함하며,
상기 반복단위(A) 및 반복단위(B)의 합계 100몰부에 대하여, 상기 반복단위(A)의 함량이 50 내지 80몰부이고, 상기 반복단위(B)의 함량이 20 내지 50몰부이며,
상기 반복단위(C)의 함량이 상기 반복단위(A) 및 반복단위(B)의 합계 100몰부에 대하여 1 내지 10몰부인 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일측면은 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체를 포함하는 섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일측면은 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 섬유를 포함하는 직물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일측면은 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 직물을 구비하는 블레이드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예에 의하면 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지가 제공될 수 있으며, 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 포함함으로써, 일반적인 내화학성 및 난연성을 지니면서도 고탄성 및 고강도의 섬유를 제공할 수 있으며, 그에 따라 이를 채용한 직물 및 상기 직물을 구비한 블레이드를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 섬유로 이루어진 직물을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 직물로 제조된 블레이드를 구비한 풍력 발전기를 나타낸다.
이하에서는 본 발명의 일 구현예에 따른 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지, 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 포함하는 섬유 및 상기 섬유를 포함하는 직물 및 상기 직물을 구비하는 블레이드를 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면은,
히드록시 벤조산계 화합물에서 유도된 반복단위(A);
히드록시 나프토에산계 화합물에서 유도된 반복단위(B); 및
아미노 벤조산계 화합물에서 유도된 반복단위(C)를 포함하며,
상기 반복단위(A) 및 반복단위(B)의 합계 100몰부에 대하여, 상기 반복단위(A)의 함량이 50 내지 80몰부이고, 상기 반복단위(B)의 함량이 20 내지 50몰부이며,
상기 반복단위(C)의 함량이 상기 반복단위(A) 및 반복단위(B)의 합계 100몰부에 대하여 1 내지 10몰부인 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 제공한다.
상기 히드록시 벤조산계 화합물은 벤조산의 o-, m- 또는 p- 위치에서 히드록시기를 가질 수 있으며, p-히드록시 벤조산 등을 예시할 수 있다.
상기 히드록시 나프토에산계 화합물은 나프토에산에서 수소원자가 히드록시기로 치환된 방향족 화합물을 의미하며, 6-히드록시-2-나프토에산, 5-히드록시-2-나프토에산 등을 예시할 수 있다.
상기 아미노 벤조산계 화합물은 벤조산 화합물에서 수소원자가 아미노기로 치환된 방향족 화합물을 의미하며, o-, m- 또는 p- 위치에서 아미노기를 가질 수 있으며 p-아미노 벤조산 등을 예시할 수 있다.
상기 히드록시 벤조산계 화합물, 상기 히드록시 나프토에산계 화합물, 또는 상기 아미노 벤조산계 화합물에 존재하는 하나 이상의 수소 원자는 다양한 치환기로 치환될 수 있으며, 예를 들어 할로겐 원자, 니트로기, 시아노기, 치환 또는 비치환된 C1-C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1-C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C2-C20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2-C20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C1-C20 헤테로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C7-C30 아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C5-C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C5-C30 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3-C30 헤테로사이클로알킬기, 혹은 치환 또는 비치환된 C3-C30 헤테로아릴알킬기로 치환될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "알킬기"는 탄소수 1 내지 20, 또는 탄소수 1 내지 10, 또는 탄소수 1 내지 5의 직쇄형 또는 분지형사슬로서 메틸, 에틸, 프로필, 이소부틸, sec-부틸, tert-부틸, 펜틸, iso-아밀, 헥실 등을 그 예로 들 수 있다. 상기 알킬기에 포함되어 있는 하나 이상의 수소 원자는 다른 치환기로 치환될 수 있는데, 이러한 치환기로는 당업자가 용도 및 경우에 따라 적절히 결정하여 도입할 수 있으나, 비제한적인 예로는 C1-C10의 알킬기, C2-C10의 알케닐기, C2-C10의 알키닐기, C6-C12의 아릴기, C2-C12의 헤테로아릴기, C6-C12의 아릴알킬기, 할로겐 원자, 시아노기, 아미노기, 아미디노기, 니트로기, 아마이드기, 카보닐기, 히드록시기, 술포닐기, 카바메이트기, C1-C10의 알콕시기 등을 들 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "알케닐기" 또는 "알키닐기"는 상기 정의된 바와 같은 알킬기의 중간이나 맨 끝단에 탄소 이중결합이나 삼중결합을 각각 1개 이상 함유하고 있는 것을 의미하며, 그 구체적인 예로서는 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 헥실렌, 아세틸렌 등을 들 수 있다. 상기 알케닐기 또는 알키닐기 중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환 가능하다.
본 명세서에서 사용되는 "헤테로알킬기"는 상기 알킬기의 주쇄 중의 탄소원자 중 하나 이상, 바람직하게는 1 내지 5개의 탄소원자가 산소원자, 황원자, 질소원자, 인원자 등과 같은 헤테로 원자로 치환된 것을 의미하며, 상기 헤테로알킬기 중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환 가능하다.
본 명세서에서 사용되는 "아릴기"는 탄소수 6 내지 30의 하나 이상의 방향족 고리를 포함하는 카보사이클 방향족 시스템을 의미하며, 상기 고리들은 펜던트 방법으로 함께 부착되거나 또는 융합(fused)될 수 있다. 이와 같은 아릴기의 구체적인 예로는 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸 등과 같은 방향족 그룹을 들 수 있다. 이러한 아릴기 중 하나 이상의 수소 원자는 각각 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환 가능하다.
본 명세서에서 사용되는 "아릴알킬기"는 상기 정의된 바와 같은 알킬기에서 수소원자 중 일부가 상기 아릴기로 치환된 것을 의미한다. 예를 들어 벤질, 페닐에틸 등이 있다. 상기 아릴알킬기중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환 가능하다.
본 명세서에서 사용되는 "사이클로알킬기"는 탄소원자수 5 내지 30의 1가 모노사이클릭 시스템을 의미하며, "헤테로사이클로알킬기"는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 1, 2 또는 3개의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 고리원자가 C인 고리원자수 5 내지 30의 1가 모노사이클릭 시스템을 의미한다. 이러한 사이클로알킬기 또는 헤테로사이클로알킬기 중 하나 이상의 수소 원자는 각각 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환 가능하다.
본 명세서에서 사용되는 "헤테로아릴기"는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 1, 2 또는 3개의 헤테로 원자를 포함하고, 나머지 고리 원자가 C인 고리원자수 5 내지 30의 고리 방향족 시스템을 의미하며, 상기 고리들은 펜던트 방법으로 함께 부착되거나 또는 융합(fused)될 수 있다. 상기 헤테로아릴기 중 하나 이상의 수소 원자는 각각 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환 가능하다.
본 명세서에서 사용되는 "헤테로아릴알킬기"는 상기 정의된 바와 같은 알킬기의 수소 원자 일부가 상기 헤테로아릴기로 치환된 것을 의미하며, 상기 헤테로아릴알킬기 중 하나 이상의 수소 원자는 각각 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환 가능하다.
본 명세서에서 사용되는 "알콕시기"는 라디칼-O-알킬을 말하고, 이 때 알킬은 위에서 정의된 바와같다. 구체적인 예로는 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 이소부틸옥시, sec-부틸옥시, 펜틸옥시, iso-아밀옥시, 헥실옥시 등을 들 수 있다. 이러한 알콕시기 중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환 가능하다.
상기 히드록시 벤조산계 화합물, 상기 히드록시 나프토에산계 화합물 및 상기 아미노 벤조산계 화합물에서 유도된 각각의 반복단위는 자가중합되거나, 각각이 다른 단량체 또는 중합체와 중합하여 반복적인 단위구조를 형성한 것을 의미한다.
상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지에서 히드록시 벤조산계 화합물에서 유도된 반복단위(A)는 상기 공중합체 수지에 강성과 같은 물성을 부여하기 위하여 사용되며, 상기 반복단위 (A) 및 반복단위(B)의 합계 100몰부에 대하여 50 내지 80몰부의 함량으로 사용되는 바, 예를 들어 60 내지 75몰부의 함량을 사용할 수 있다. 상기 함량을 벗어나는 경우 강도 저하, 후가공 불가의 우려가 있다.
상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지에서, 상기 히드록시 나프토에산계 화합물에서 유도된 반복단위(B)는 상기 공중합체 수지에 내열성과 같은 물성을 부여하기 위하여 사용되며, 상기 반복단위 (A) 및 반복단위(B)의 합계 100몰에 대하여 20 내지 50몰부의 함량으로 사용되는 바, 예를 들어 25 내지 40몰부의 함량을 사용할 수 있다. 상기 함량을 벗어나는 경우 내열도 저하 및 후가공 불가의 우려가 있다.
상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지에서, 상기 아미노 벤조산계 화합물에서 유도된 반복단위(C)는 상기 공중합체 수지에 탄성과 같은 물성을 부여하기 위하여 사용되며, 상기 반복단위(A) 및 반복단위(B)의 합계 100몰부에 대하여 1 내지 10몰부의 함량으로 사용될 수 있는 바, 예를 들어 2 내지 9몰부의 함량을 사용할 수 있다. 상기 함량을 벗어나는 경우 탄성 저하 및 중합 불가의 우려가 있다.
상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지는 중량평균분자량이 1,000 내지 100,000이고, 유리전이온도는 200℃ 내지 300℃이며, 용융온도는 250℃ 내지 400℃ 범위의 값을 가질 수 있다.
또한, 상기와 같은 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지는 상기 각각의 반복단위를 소정 몰분율로 포함함으로써 원하는 물성을 나타내게 된다. 특히 각각의 반복단위가 갖는 물성이 복합적으로 어울어짐으로써 일반적인 내화학성 및 난연성을 지니면서도 고탄성 및 고강도의 특징을 갖게 된다.
상술한 바와 같은 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지는 하기 방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지는, 상기 반복단위 (A)에 대응하는 히드록시 벤조산계 화합물, 상기 반복단위 (B)에 대응하는 히드록시 나프토에산계 화합물, 및 상기 반복단위 (C)에 대응하는 아미노 벤조산계 화합물에 존재하는 히드록시 및/또는 아미노기를 산무수물(acid anhydride)에 의해 아실화하여 아실화물을 얻고, 이들 아실화물이 상기 화합물들에 존재하는 카르복실기와 에스테르 교환 및/또는 아미드 교환됨으로써 용융 중합하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
상기 아실화 반응에 있어서 상기 산무수물의 첨가량은 히드록시기 및 아미노기에 비해 과량으로 첨가할 수 있으며, 상기 히드록시기 및 아미노기에 대하여 1.0배 내지 1.2배 당량, 예를 들어, 1.04배 내지 1.07배 당량으로 사용할 수 있다. 상기 산무수물의 첨가량이 상기 범위 이내이면, 생성되는 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지의 착색이 줄어들고, 생성된 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지에서 원료 단량체 등의 승화가 일어나지 않으며, 페놀 가스의 발생량도 적어지게 된다. 이와 같은 아실화 반응은 130℃ 내지 170℃의 온도범위에서 30분 내지 8시간, 예를 들어, 140℃ 내지 160℃에서 2시간 내지 4시간 동안 진행될 수 있다.
상기 아실화 반응에 사용되는 산무수물은 아세트산 무수물, 무수 프로피온산, 무수 이소부티르산, 무수 길초산, 무수 피발산, 무수 부티르산 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 에스테르 교환 및/또는 아미드 교환반응은 130℃ 내지 400℃에서 0.1℃/분 내지 2℃/분의 승온속도, 예를 들어, 140 내지 350℃에서 0.3℃/분 내지 1℃/분의 승온속도로 수행할 수 있다.
또한, 상기 에스테르 교환 반응 및/또는 아미드 교환 반응 중에, 화학평형을 이동시켜 반응속도를 증가시키기 위해, 부생되는 지방산과 미반응 무수물을 증발 또는 증류에 의해 반응계 밖으로 배출시킬 수 있다.
또한, 상기 아실화 반응, 에스테르 교환 반응 및 아미드 교환 반응은 촉매의 존재하에 진행될 수 있다. 상기 촉매는 초산마그네슘, 초산 제1주석, 테트라부틸티타네이트, 초산납, 초산나트륨, 초산칼륨, 삼산화안티몬, N,N-디메틸아미노피리딘, N-메틸이미다졸 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 촉매는 단량체의 투입시 단량체와 동시에 투입될 수 있으며, 상기 촉매의 존재하에 아실화 반응 및 에스테르 교환 반응이 일어날 수 있다.
상기 에스테르 교환 및 아미드 교환반응에 의한 축중합은 용융 중합에 의해 실행될 수도 있고, 용융 중합과 고상 중합을 병용하여 실행될 수도 있다.
상기 용융 중합에 사용되는 중합기는 특별히 한정되는 것이 아니며, 고점도 반응에 일반적으로 사용되는 교반 설비를 장착한 반응기일 수 있다. 이때, 아실화 공정의 반응기 및 용융 중합 공정의 중합기로서 동일한 반응기가 사용될 수도 있고 각 공정에 서로 다른 반응기가 사용될 수도 있다.
상기 고상 중합은 용융 중합 공정에서 배출된 프리폴리머를 분쇄하여 플레이크상 또는 파우더 상으로 만든 후 중합을 진행시킴에 의해 실행될 수 있다. 이러한 고상 중합은, 예를 들어, 질소 등의 불활성 분위기에서 200℃ 내지 400℃에서 1시간 내지 30시간 동안 고상 상태에서 열처리함에 의해 진행될 수 있다. 또한, 상기 고상 중합은 교반하에 진행될 수도 있고, 무교반 상태로 진행될 수도 있다. 또한 적당한 교반 설비를 장착한 반응기를 용융 중합조와 고상 중합조로 병용할 수도 있다.
상기와 같이 제조된 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체는 200℃ 이상, 예를 들어 200 내지 300℃의 유리전이온도, 250℃ 내지 400℃의 용융온도를 가질 수 있다.
상기와 같이 제조된 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체는 공지의 방법에 의해 펠렛화된후 성형되거나, 또는 공지의 방법에 의해 섬유화될 수 있다. 예를 들어 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체의 용융온도보다 5℃ 내지 20℃가 높은 온도에서 압출 가공을 실시하여 펠렛 상태의 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 얻을 수 있다.
상기 펠렛 상태의 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지는 용융온도보다 5℃ 내지 20℃가 높은 온도에서 섬유화 가공을 실시하여 상기 공중합체 수지를 섬유상 구조체 형태로 얻을 수 있다. 상기 섬유화 가공은 당업계에서 알려져 있는 방법이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 용융방사, 습식방사 및 건식방사 등의 방법을 사용할 수 있다.
상기와 같이 얻어진 섬유상 구조체는 추가적인 열처리를 실시함으로써 물성을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 열처리는 상기 섬유상 구조체를 불활성 분위기 하에 150℃ 내지 310℃의 온도 구간에서 1℃ 내지 5℃/시간의 속도로 가열하고, 최종 온도에서 0.5시간 내지 20시간 동안 가열할 수 있다.
상기와 같이 추가적 열처리를 수행한 전방향족 폴리에스테르 아마이드 공중합체 섬유는 유리전이온도 200℃ 이상, 예를 들어 200℃ 내지 300℃, 용융온도 250℃ 이상, 예를 들어 250℃ 내지 400℃의 값을 나타내고, 일반적인 내화학성 및 난연성을 지니고 있으며, 특히, 고탄성, 고강도의 특성을 갖는다.
상기 방법으로 얻어진 전방향족 폴리에스테르 아마이드 공중합체 섬유는 통상의 제직방법에 의하여 도 1에 도시한 바와 같은 직물 형태로 가공할 수 있다. 이때 상기 전방향족 폴리에스테르 아마이드 공중합체 섬유의 굵기로서, 경사는 50데니어 내지 500데니어, 위사는 75데니어 내지 750데니어인 것을 사용할 수 있으며, 섬유의 굵기와 제직방법을 다양하게 변형시킴으로써 직물의 두께를 조절할 수 있는 바, 직물의 두께는 0.1mm 내지 0.8mm인 것을 얻을 수 있다.
상기 제직공정은 전방향족 폴리에스테르 아마이드 공중합체 섬유사로 직물을 제직하는 단계이다. 이때 사용되는 섬유사는 다수 개의 다발로 이루어지는 것이 물리적 물성을 만족시킬 수 있다는 점에서 바람직하다. 한편 용도에 따라 직물의 두께를 조절하여 제직을 하는데, 통상적인 직물의 두께는 0.1 내지 0.8 mm이다. 이때 직물의 두께는 실의 굵기와 기본 직조방식(예를 들어 평직, 능직, 주자직)의 변형을 통한 조직의 변화로 조정이 가능한데, 직물의 두께가 0.1mm인 경우에 실의 굵기는 위사와 경사 모두 50데니어 내지 75데니어인 것을 사용하며, 베이스 직물의 두께가 0.25mm인 경우에는 경사는 75데니어이고 위사는 150 데니어, 225 데니어, 300 데니어 중 어느 하나의 굵기를 가지는 것을 선택하여 사용할 수 있다. 직물의 두께가 0.5mm인 경우에는 경사는 150데니어이고 위사는 500데니어인 것을 사용할 수 있다. 한편 두께가 1mm으로서 상당히 두껍게 직조하는 경우에는 경사는 500데니어이고 위사는 750데니어인 것을 사용하게 된다. 이때 실의 굵기는 직조 방식을 어떤 방식을 선택하는지 여부에 따라 상기 위사와 경사로 사용되는 범위 내에서 선택적으로 선별하여 사용할 수 있다.
상기와 같이 얻어진 직물은 경량이면서도 강도 및 탄성이 높아 블레이드, 방탄소재, 항공소재 및 선박재료 등의 소재로서 사용할 수 있다.
상기 블레이드는 풍력발전기 등에 사용되며, 상기 풍력 발전기는 바람을 이용하여 발전기와 연렬된 블레이드를 회전시켜 전력을 생산하는 장치이다.
도 2는 본 발명의 블레이드를 구비한 풍력발전기의 일구현예를 도시한다.
도 2에서, 지상에 설치되는 포스트(1)와, 바람에 의하여 회전되는 블레이드(2)와, 블레이드의 회전력을 증속하는 증속기 및 전기를 생산하는 발전기(3a)와 같은 부품이 내장되는 나셀(3)과, 풍향이 바뀔 때 블레이드(2)의 회전면이 바람과 대향되도록 나셀(3)을 회전시키는 요잉장치(4)와, 바람의 방향을 감지하여 요잉장치(4)를 구동하기 위한 풍향신호를 발생하는 풍향센서를 포함하여 구현된다. 이러한 구조에 의하여, 풍향이 바뀌면 풍향센서가 이를 감지하여 풍향신호를 발생하고, 풍향신호는 요잉장치(4)가 나셀(3)을 회전시켜 블레이드(2)의 회전면이 풍향에 대향되도록 하며, 블레이드(2)가 회전되면 발전기(3a)가 작동되어 발전이 이루어진다.
이때 블레이드(2)는 발전기(3a)와 유기적으로 연결되어 있으므로, 블레이드(2)가 회전되기 위하여 발전기(3a)에 의하여 발생되는 정지 마찰력과, 블레이드(2) 자체 무게에 관련된 정지 관성모멘트를 극복하여야 한다. 따라서 이를 위해서는 상기 블레이드는 경량일 필요가 있으며, 외부에 그대로 노출되므로 높은 강도 및 탄성이 요구된다.
본 발명에 따른 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 섬유로 이루어진 직물은 이와 같은 블레이드의 각종 물성을 만족하므로 상기 풍력 발전기에 유용하게 사용할 수 있다.
상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 섬유로 이루어진 직물을 사용하여 상기 블레이드(2)를 제조하는 방법은 당업계에 알려져 있는 방법을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어 상기 블레이드를 가로로 이등분한 구조를 갖는 틀에 상기 직물을 도포한 후 여기에 에폭시 수지 등을 가하여 고형화시킨 후, 이들 구조체를 서로 합체하여 블레이드를 제조할 수 있다.
이하에서 본 발명을 실시예를 들어 보다 상세히 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
교반 장치, 질소가스 도입관, 온도계 및 환류 냉각기를 구비한 반응기에 6-히드록시-2-나프토에산 508.1g(2.7mol), p-아미노 벤조산 68.6g(0.5mol) 및 p-히드록시 벤조산 939.2g(6.8mol)을 투입하고 질소가스를 주입하여 상기 반응기의 내부 공간을 불활성 상태로 만든 다음, 상기 반응기에 아세트산 무수물(Ac2O) 1071.9g(10.5mol)을 더 첨가하였다. 이후, 반응기 온도를 1시간에 걸쳐 140℃까지 승온시키고 상기 온도에서 2시간 동안 환류시키면서 상기 단량체들의 히드록시기 및 아미노기를 아세틸화하였다. 이어서, 상기 아세틸화 반응에서 생성된 초산을 제거하면서 반응기 온도를 4시간에 걸쳐 300℃까지 승온시켜 단량체의 축중합 반응에 의해 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 프리폴리머를 제조하였다. 또한, 상기 프리폴리머 제조시 부산물로 초산이 더 생성되는데, 이 초산도 상기 아세틸화 반응에서 생성된 초산과 함께 상기 공중합체 제조 과정에서 연속적으로 제거하였다. 다음에, 상기 프리폴리머를 반응기로부터 회수하여 냉각 고화시켰다.
이후, 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 프리폴리머를 평균 입경 1mm로 분쇄한 후, 상기 분쇄된 전방향족 액정 폴리에스테르 프리폴리머 1.5kg을 100리터 용량의 로터리킬른 반응기에 투입하고, 질소를 1N㎥/시간의 유속으로 계속 흘려주면서 무게 감량 시작 온도인 200℃까지 1시간에 걸쳐 승온시킨 후, 다시 320℃까지 10시간에 걸쳐 승온시켜 3시간 동안 유지함으로써 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체를 제조하였다. 이어서, 상기 반응기를 상온으로 1시간에 걸쳐 냉각시킨 후 상기 반응기로부터 전방향족 액정 폴리에스테르 공중합체를 회수하였다.
이후 고상반응이 완료된 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체를 이축 압출기를 이용하여 펠렛을 제조하였다. 이축 압출기의 온도가 수지의 Tm+15℃의 조건하에서 용융혼련함으로써 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 펠렛을 제조하였다. 이때 이축 압출기에 진공을 가해 부산물을 제거하였다.
이후 상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 펠렛을 용융방사법을 이용하여 다음과 같이 섬유를 제조한다. 상기 펠렛을 Tm+15℃의 온도 조건하에서 용융시켜 방사구금을 통하여 압출하고, 이를 냉각, 고화시킴으로 섬유를 얻었다. 이렇게 얻어진 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 섬유는 해당 고분자 특성상 연신능이 떨어짐으로 추가 열처리를 하여 물성을 향상시켰다. 불활성 분위기 하의 오븐에 상기 섬유를 넣고 2℃/시간의 속도로 100~300℃까지 승온을 시켰다. 그리고 최종 온도에서 8시간 유지함으로 최종적으로 물성이 향상된 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 섬유를 얻었다. 상기 추가 열처리방법은 상기와 같은 배치타입뿐만 아니라 연속적으로도 가능하다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 아미노 벤조산을 사용하지 않은 것을 제외하고는 동일한 과정을 수행하여 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체를 제조하였다.
비교예 2
상기 실시예 1에서 아미노 벤조산의 함량을 205.7g(1.5mol) 으로 변경한 것을 제외하고는 동일한 과정을 수행하여 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체를 제조하고, 이어서 섬유사를 제조하였다.
비교예 3
시판 중인 E-글래스 파이버(Nittobo社)를 사용하였다.
평가예
<평가예 1: 수지의 물성 평가>
상기 실시예 1과 비교예 1에서 얻어진 각각의 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체의 유리전이온도, 용융온도 및 멜트 인덱스(melt index)를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
구분 유리전이온도(℃) 용융온도(℃) 멜트 인덱스
실시예 1 220 290 40
비교예 1 210 300 100
비교예 2 220 280 15
상기 표 1에서, 유리전이온도 및 용융온도는 DSC를 사용하여 20℃/min으로 승온하면서 측정하였으며, 멜트 인덱스는 Goettfert사의 MI-3을 이용하여 공중합체의 Tm+20℃에서 2.16kg의 하중으로 측정하였다. 멜트 인덱스는 수지의 흐름성을 나타내는 지표이다.
상기 표 1을 참조하면, 비교예 1 및 2의 경우 유리전이온도는 실시예 1에 비하여 동등 또는 이하의 수준을 보여주고 있다. 그리고 용융온도 및 멜트 인덱스는 실시예 1에 비하여 높거나 낮은 수준을 보여주고 있다. 실제 중합시 비교예 2의 경우 반응물의 점도가 급격히 상승하여 정상적인 진행이 어려웠으며, 그 결과 멜트 인덱스도 매우 낮은 값을 나타내고 있다. 또한 비교예 1 및 2의 멜트 인덱스 값은 섬유 가공하기에 어려운 수치이며 실제로 가공시에도 완전한 섬유를 얻을 수 없었다.
<평가예 2: 섬유의 물성 평가>
상기 실시예 1과 비교예 1 및 2에서 얻어진 섬유에 대하여 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
구분 실시예 1 비교예1 비교예2 비교예3 비고
Tg(℃) 230 235 195 - DSC
인장탄성율
(tensile modulus, GPa)		 90 - - 72 인스트론
(Instron)
비인장탄성율
(specific tensile modulus, GPa/(g/dl))		 62 - - 28 인장탄성율/밀도
인장강도
(tensile strength, GPa)		 2.40 - - 3.40 인스트론
비인장강도
(specific tensile strength, GPa/(g/dl))		 1.65 - - 1.30 인장강도/밀도
밀도(g/dl) 1.45 1.45 1.45 2.6
상기 표 2에서, 비교예 1 및 2에서 얻어진 공중합체는 섬유화 공정이 불가하여 인장탄성율, 인장강도 등을 측정할 수 없었다.
상기 표 2의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 섬유는 시판중인 E-글래스 파이버(비교예 3)와 비교하여 강도 및 탄성이 우수함을 알 수 있다.
본 발명은 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 히드록시 벤조산계 화합물에서 유도된 반복단위(A);
    히드록시 나프토에산계 화합물에서 유도된 반복단위(B); 및
    아미노 벤조산계 화합물에서 유도된 반복단위(C)를 포함하며,
    상기 반복단위(A) 및 반복단위(B)의 합계 100몰부에 대하여, 상기 반복단위(A)의 함량이 50 내지 80몰부이고,
    상기 반복단위(B)의 함량이 20 내지 50몰부이며,
    상기 반복단위(C)의 함량이 상기 반복단위(A) 및 반복단위(B)의 합계 100몰부에 대하여 1 내지 10몰부인 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 포함하는 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지가 200℃ 이상의 유리전이온도를 가지며, 250℃ 내지 400℃의 용융온도를 갖는 것인 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 수지를 포함하는 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 섬유.
  3. 삭제
  4. 제1항에 따른 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 섬유를 포함하는 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 직물.
  5. 제4항에 따른 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 직물을 포함하는 풍력발전기용 블레이드.
  6. 삭제
  7. 히드록시 벤조산계 화합물, 히드록시 나프토에산계 화합물 및 아미노 벤조산계 화합물을 산무수물로 아실화하여 아실화물을 얻는 단계;
    상기 아실화물을 에스테르 교환 또는 아미드 교환에 따른 중합으로 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체를 얻는 단계; 및
    상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체를 섬유화하는 단계;를 포함하고,
    상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체는,
    상기 히드록시 벤조산계 화합물에서 유도된 반복단위(A);
    상기 히드록시 나프토에산계 화합물에서 유도된 반복단위(B); 및
    상기 아미노 벤조산계 화합물에서 유도된 반복단위(C)를 포함하며,
    상기 반복단위(A) 및 반복단위(B)의 합계 100몰부에 대하여, 상기 반복단위(A)의 함량이 50 내지 80몰부이고,
    상기 반복단위(B)의 함량이 20 내지 50몰부이며,
    상기 반복단위(C)의 함량이 상기 반복단위(A) 및 반복단위(B)의 합계 100몰부에 대하여 1 내지 10몰부인, 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 섬유의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 섬유를 추가 열처리하는 단계를 더 포함하는 전방향족 폴리에스테르 아미드 공중합체 섬유의 제조방법.
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