KR101769799B1 - 단섬유 제조를 위한 연속식 추출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단섬유 제조를 위한 연속식 추출방법에 있어서,방사된 단섬유 도프를 외부로 토출시키는 단계; 상기 토출된 도프를 응고시키는 단계; 상기 응고된 도프를 세정하는 단계; 상기 세정된 도프를 건조하는 단계 및 상기 건조된 도프를 수집하는 단계로 구성되는 연속식 추출방법에 관한 것이다.

Description

단섬유 제조를 위한 연속식 추출방법{Continuous Extraction Method For The Production Of Short Fiber}

본 발명은 단섬유 제조를 위한 연속식 추출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파라 아라미드계열의 단섬유 제조를 위한 연속식 추출방법에 관한 것이다.

일반적으로 폴리아미드계 합성수지는 지방족 폴리아미드와 방향족 폴리아미드로 분류된다.지방족 폴리아미드는 통상적으로 나이론이란 상표명으로, 방향족 폴리아미드는 아라미드라는 상표명으로 잘 알려져 있다.

1960년대 개발된 아라미드라는 방향족 폴리아미드는 지방족 폴리아미드인 나일론의 내열성을 개선시키기 위해 개발된 것으로 노멕스(Nomex), 케블라(Kevlar)와 같은 상품명으로 잘 알려져 있으며, 이러한 방향족 폴리아미드는 난연성 섬유직물, 타이어 코드 등의 섬유용도로 사용될 수 있는 뛰어난 내열성과 높은 인장강도를 갖는다.

일반적인 지방족 폴리아미드는 아미드기 사이에 지방족 탄화수소가 결합되어 있는 합성수지이나, 아라미드(aramid)는 아미드기 사이에 벤젠기가 85%의 아미드결합이 두 개의 방향족 고리에 결합되어 있는 합성수지를 말한다.

상기 지방족 폴리아미드의 지방족 탄화수소는 열을 가하면 쉽게 분자운동이 일어나는 데 반하여, 방향족 폴리아미드의 벤젠 환은 분자쇄가 강직하고 열을 가하여도 분자가 쉽게 움직이지 않으므로 열에 안정하고 탄성률이 높아 일반 지방족 폴리아미드와는 특성에 있어서 많은 차이를 나타낸다.

상기 방향족 폴리아미드는 파라계 아라미드(para-aramid)와 메타계 아라미드(meta-aramid)로 분류되며, 파라계아라미드는 듀폰사에서 개발된 케블라(Kevlar)가 대표적이다. 파라계아라미드는 벤젠 고리가 파라 위치에서 아미드기와 결합된 것이다.

파라 위치에서 아미드기와 결합되어 분자쇄가 매우 뻣뻣하고 선상구조를 가지므로 강도가 매우 높고 탄성률이 특히 높아 충격을 흡수하는 성능이 매우 우수하여 방탄복, 방탄 핼멧, 안전용 장갑이나 부츠, 소방복에 사용되며, 테니스 라켓, 보트, 하키용 스틱, 낚시 줄, 골프 클럽등의 스포츠 기구 재료로 또한 산업용으로는 FRP(Fiber Reinforced Plastic), 석면대체용 섬유 등에 사용되고 있다.

대한민국 등록특허 제924905호에서는 파라 아라미드 섬유의 제조방법에 대해서 단섬유가 아닌 필라멘트을 얻는 제조공정에서 응고액을 사용하여 최적의 응고상태를 얻는 방법을 소개하고 있다.

다만, 사용 용도에 따라서 단섬유가 필요한 경우 원사형태로 제조한 뒤 절단과정을 거쳐야 하는데 원사형태는 강도가 강해서 고강도의 칼날이 필요하며 실제로 절단하는 과정이 복잡해질 수 있다.

따라서, 응고 전에 단섬유 상태로 방사된 경우 응고과정에서 공정이 간소화 및 연속식 생산을 위해서는, 섬유용액인 도프상태에서 절단 및 토출된 단섬유 도프의 연속적인 정제과정이 필요하다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 단섬유 제조공정에서 도프상태에서 절단된 단섬유의 정제절차방법를 제공하는 데 있다.

또한 본 발명은 방사단계에서 절단된 단섬유의 원활한 토출을 위해서 감압절차을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명은 방사된 단섬유에서 용매를 제거하기 위한 응고액을 제공과 응고액의 농도를 일정하게 유지하는 데 목적이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 단섬유 제조를 위한 연속식 추출방법에 있어서, 방사된 단섬유 도프를 외부로 토출시키는 단계; 상기 토출된 도프를 응고시키는 단계; 상기 응고된 도프를 세정하는 단계; 상기 세정된 도프를 건조하는 단계 및 상기 건조된 도프를 수집하는 단계로 구성되는 연속식 추출방법을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 토출단계에는 토출관 하부을 감압하기 위해, 상기 토출관 하부에 적어도 하나 이상의 분사관을 연결하여 고속으로 응고액을 방출시키는 것에 특징이 있는 연속식 추출방법을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 도프를 응고시키는 단계는 도프 생성을 위해 사용된 용매를 희석한 응고액을 분사관을 통해 주입된 응고조를 사용하여,상기 토출되어 응고조에 혼합된 단섬유 도프와 응고액의 농도차이에 의해 상기 도프에 함유된 용매가 외부로 유출되어 응고되는 특징이 있는 연속식 추출방법을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 응고된 도프를 세정하는 단계는 응고된 도프의 외부오염원을 세정수를 이용하여 세정하는 것에 특징이 있는 연속식 추출방법을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 세정에 사용된 용액은 응고조 상부에서 유출된 용액과 담수조에 혼합되어 상기 담수조 용액을 농도조절부를 통해 응고조 유입구로 투입시킴으로써 응고액의 농도를 일정하게 유지시키는 것에 특징이 있는 연속식 추출방법을 제공한다.

본 발명은 단섬유 방사과정과 연속적인 정제과정을 통해서 응고되는 단섬유제조방법을 통해서 공정의 간소화 및 연속성으로 생산성이 향상되는 효과가 있다.

또한 본 발명은 방사후 단섬유의 토출속도와 응고액의 농도를 조절하여 단섬유의 정제정도를 조절할 수 있는 효과가 있다.

도1은 본 발명의 단섬유 제조를 위한 연속식 추출방법에 대한 순서도이다.
도2는 본 발명의 단섬유 제조를 위한 연속식 추출장치의 개념도이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 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.

도1은 본 발명의 단섬유 제조를 위한 연속식 추출방법에 대한 순서도이다.

본 발명은 단섬유 제조를 위한 연속식 추출방법에 관한 것으로 방사된 단섬유 도프(dope)를 외부로 토출시키는 단계; 상기 토출된 도프를 응고시키는 단계; 상기 응고된 도프를 세정하는 단계; 상기 세정된 도프를 건조하는 단계 및 상기 건조된 도프를 수집하는 단계로 구성될 수 있다.

첫째, 방사구금(111)을 통한 단섬유 도프(20)을 외부로 토출시키는 단계를 살펴보면, 본 발명에서는 먼저 방향족 폴리아미드 중합체를 용매에 용해시켜 방사된 단섬유 도프(20)를 준비한다. 상기 용매로 97 내지 100%의 농도를 갖는 농황산 용매를 이용할 수 있으며, 농황산 대신에 클로로황산이나 플루오로황산 등도 사용될 수 있다. 방사 도프(20) 내의 중합체 농도는 10 내지 25 중량%인 것이 방사를 하기 위한 섬유 물성에 바람직하다.

상기 토출단계에는 일반적으로 방사도프(20)는 방사압력으로 밀어내는데 한계가 있으며, 방사된 도프(20)가 응고액(10)과 만나기 전에 공기의 노출정도를 조절하기 위해서는 외부에서 아래로 당기는 힘이 필요하다.

상기 공기노출과정에서 주로 공기층이나 불활성 기체층도 사용될 수 있으며,공기층의 노출시간에 따라 응고과정에서 도프의 물성에 영향을 미칠 수 있다. 노출시간에 길어지면 방사도프(20)의 표면에서 급속하게 응고가 진행되어 내외부의 용매 함량의 차이에 따른 표면에 균열이 생길 수 있으며 따라서 방사도프(20)의 내외부의 균일한 응고가 어렵게 될 수 있다.

반면에, 방사도프(20)가 공기층에 노출없이 바로 응고액(10)과 만나면 단섬유도프의 형태유지가 어렵게 될 수도 있다. 공기층에 노출이 방사도프의 표면를 신속하게 응고시켜 일정정도 형태유지에 일정한 역할을 하기 때문이다.

따라서 상기 방사도프(20)의 공기층의 노출시간을 조절이 필요하며 이런 조절은 토출관(115) 하부 감압을 통해 이루어질 수 있다. 감압하기 위해 토출관(115) 하부에 적어도 하나 이상의 분사관(113)을 연결하여 고속으로 응고액을 방출시킨다.

고속으로 방출된 응고액(10)은 상기 토출관(115) 하부에 공기를 끌고 내려가 그 주위의 압력을 떨어뜨린다. 따라서 토출관(115)에 연결된 방사구금(111)에서 방사된 도프(20)가 분사관(113)에서 분사된 응고액(10)과 함께 응고조(121)로 이동된다.

또한 감압의 정도는 분사관(113) 응고액(10)의 유량(cm³/min) 및 응고액(10)의 분사각(d)에 영향을 받는다. 응고액의 유량이 많을수록, 분사각(d)이 작을수록 감압효과가 크다.

둘째, 토출된 방사도프(20)는 응고조(121)의 응고액(10)을 사용하여 도프 제조시 사용된 용매를 외부로 이탈시켜 응고키는 응고단계를 거친다.

보통 상기 응고액(10)은 방사도프(20)의 용매와 동일하거나 유사한 용매를 사용하며 본 발명에서는 황산용액, 바람직하게는 물, 에틸렌 글리콜, 글리세롤, 알코올, 또는 이들의 혼합물에 황산이 첨가된 용액을 이용할 수 있다.

상기 응고액(10)은 방사구금(111)을 통과한 방사도프(20)가 응고액(10)을 통과하는 과정에서 그 내부의 황산이 제거되면서 단섬유를 완성시킨다. 이때, 황산이 방사도프(20) 표면으로부터 급격히 제거되면 그 내부에 함유된 황산이 미처 빠져나가기 전에 표면이 응고되어 단섬유 도프(20) 균일도가 떨어지는 문제가 발생할 수 있기 때문에, 이와 같은 문제를 해결하기 위해서 황산을 첨가하여 응고액(22)을 형성하는 것이다.

토출되어 응고조에 혼합된 상기 단섬유의 도프와 응고액의 농도차이에 의해 상기 도프에 함유된 황산용매가 외부로 유출되어 응고된다. 상기 응고액의 황산의 농도는 5~15중량%인 것이 바람직하다. 황산의 농도가 5 중량% 미만인 경우는 필라멘트에서 황산이 급격히 제거될 수 있고 황산의 농도가 15중량%를 초과할 경우는 필라멘트에서 황산이 빠져나가는 것이 어려울 수 있기 때문이다.

또한 상기 응고액(22)의 온도는 1 내지 10℃ 범위인 것이 바람직하다. 응고액(22)의 온도가 1℃ 미만인 경우는 방사도프에서 황산이 빠져나가는 것이 어려울 수 있고, 응고액(22)의 온도가 10℃를 초과할 경우는 방사도프에서 황산이 급격히 빠져나갈 수 있기 때문이다.

셋째, 상기 응고된 단섬유 도프는 응고조(121)에서 세정부(130)로 이동시켜서 세정수(30)를 이용하여 도프 외부에 잔존된 황산용액을 제거시키는 세정단계를 거친다. 주로 세정수(30)로 물 또는 물과 알카리 용액의 혼합용액을 이용하여 제거할 수 있다.

상기 세정단계에서 특징적인 것은 세정단계에서 사용된 세정수(30)를 담수조(133)에 모은 다음 응고조(121)에서 넘친 응고액(10)과 혼합을 한 저농도의 응고액을 다시 응고조(121) 유입관(129)을 통해서 보낸다.

상기 응고조(121)의 응고액(10)은 방사 도프의 응고과정을 거치는 외부로 빠져나간 황산으로 점점 농도가 높아질 수 있다. 따라서 응고조(121)의 응고액(10)의 농도를 일정하게 유지시키기 위해서 외부에서 저농도의 응고액을 보충할 필요가 있다.

넷째, 상기 세정된 단섬유 도프는 건조단계를 거친다. 단섬유에 잔류하는 수분 함유량을 조절하기 위해서이다. 일반적으로 건조공정은 가열된 건조기(141)(drying roll)에 닿는 시간을 조절하거나, 상기 건조기(141)의 온도를 조절하고 송풍기(143)를 통해서 바람으로도 단섬유 도프의 수분 함유량을 조절할 수 있다.

마지막으로, 건조된 단섬유는 수집단계를 거쳐 수집조에 모이게 된다.

도2는 본 발명의 단섬유 제조를 위한 연속식 추출장치에 관한 개념도이다.

본 발명인 단섬유 제조를 위한 연속식 추출장치에 있어서, 방사된 단섬유 도프를 외부로 토출시키는 토출부(110); 상기 토출된 도프를 응고시키는 응고부(120); 상기 응고된 도프를 세정하는 세정부(130); 상기 세정된 도프를 건조 및 수집하는 건조수집부(140)로 구성될 수 있다.

상기 토출부(110)는 토출관(115) 하부을 감압하기 위해, 상기 토출관 하부에 적어도 하나 이상의 분사관(113)을 연결하여 고속으로 응고액(10)을 방출시키는 것에 특징이 있으며,

또한 상기 응고부(120)는 도프 생성을 위해 사용된 용매를 희석한 응고액을 분사관(113)을 통해 주입된 응고조(121); 응고된 도프를 세정부(130)로 이동시키기 위한 이송장치(125); 응고조(121)의 응고액(10)의 일정량을 조절하기 위해 외부로 유출시키는 유출관(127); 응고된 도프가 세정부(130)로 이송을 위해 확산을 방지하는 거름망(123) 및 상기 응고조(121)의 응고액(10)의 농도를 일정하게 유지하기 위해 외부로부터 저농도 응고액을 공급받기 위해 유입관(129)으로 구성될 수 있다.

또한 상기 응고조(121)는 단섬유의 도프와 응고액의 농도차이에 의해 상기 도프에 함유된 용매가 응고액으로 유출되어 응고되는 특징이 있으며,

상기 세정부(130)는 응고된 도프를 상기 건조부로 이동시키는 과정에서 응고된 도프의 외부에 오염원을 세정수를 이용하여 세정하는 것에 특징이 있다.

마지막으로 상기 세정에 사용된 용액은 응고조 상부에서 유출된 용액과 담수조에 혼합되어 상기 담수조 용액을 농도조절장치(135)를 이용하여 응고조(121) 유입관(129) 통해 응고조(121)의 응고액(10)의 농도를 일정하게 유지시키는 것에 특징이 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.

실시예 및 실시예

파라페닐렌디아민(p-Phenylne diamine: PPD)와 테라프탈로일 클로라이드(Terephthaloyl Chloride : TPC)로 제조되는 폴리 파라 페닐렌 테레프탈 아라미드 조성물에 황산(Sulfuric Acid : SA)를 용매로 사용하여 폴리 파라 페닐렌 테레프탈 아라미드 조성물이 20중량%함유하는 도프를 제조한다.

폴리 파라 페닐렌 테레프탈 아라미드 도프가 블레이드가 내장된 방사팩을 통과해 펠렛(pellet)형태의 방사된 단섬유 도프(20)로 생성되고, 발명장치인 응고액 분사기 및 응고조를 통과해 도프의 황산을 추출하여 폴리 파라 페닐렌 테레프탈 아미드 단섬유(Short cut fiber)를 제조한다.

단섬유 토프 방사압, 응고액의 분사관을 통한 유량, 분사관의 토출관 사이 각도(^。), 응고액의 농도(%)에 따른 응고된 단섬유의 황함량(%) 및 섬유장은 아래 표1에 정리되었다.

구분		도프 방사압 (Kg/cm2)	응고액 분사각(。)	응고액 유량 (cm3/min)	응고액 농도(%)	응고단섬유황함량(%)	응고단섬유 섬유장 (mm)
실시예	1	75	20	60	8	1.7	5.74
	2	75	30	60	8	1.3	2.93
	3	65	30	70	8	1.6	3.64
비교예	1	55	40	40	8	2.7	2.23
	2	75	20	80	8	4.5	20.25
	3	75	20	40	10	4.8	10.8
	4	75	30	60	15	5.2	4.25
	5	75	30	80	5	7.4	22.2
	6	95	30	70	13	5.1	16.96

실시예 1~3은 응고된 단섬유로서 황함량은 1.0~2.0%이고 섬유장은 2.5~6.0사이의 값을 갖는다.

실시예의 응고액 농도는 8%로 하며, 8%이하는 방사도프의 황함량의 차이가 커서 도프의 표면쪽에서 응고속도가 빨라 내부에 포함된 황이 미쳐 빠져나오지 못하고, 응고액 농도가 8% 초과는 황함량의 차이가 적어 추출속도가 낮아 전체적으로 황함량 큰 특징이 있다.

섬유장은 방사되어 일정한 시간간격으로 절단된 단섬유의 응고된 최종 길이로서 실시예의 섬유장은 2.5~6.0mm 정도이다. 섬유의 길이를 결정하는 인자는 토출관 하부의 감압정도에 따라 결정되며 감압이 크면 방사된 도프가 토출관하부로 장력을 받게 되어서 방사된 도프가 아랫방향으로 힘을 받게 되어서 결국 단섬유의 길이가 길어지게 된다. 즉 섬유장이 커지게 된다.

감압에 영향을 미치는 인자로 분사관에서 토출관 하부로 유입되는 응고액유량이 클수록, 응고액의 분사각(d)이 작을수록 감압효과가 뛰어나 섬유장이 길어지고 또한 도프의 방사압이 클수록 동일한 효과를 나타낸다.

또한 응고된 단섬유의 황 함량을 결정하는 인자는 응고액의 황산농도 이외에 토출관하부의 감압효과에 따른 공기층의 노출시간도 영향을 준다.

비교예 1은 실시예에 비해 도프 방사압과 응고액 유량이 작다. 따라서, 토프관하부의 감압효과가 작아서 응고액과 만나기 전 방사 후 공기층노출시간이 길어서 방사된 도프의 표면에 응고가 빨리 진행되어 응고액에서 도프 내부의 황 이탈을 저해하기 때문에 실시예의 응고된 단섬유의 황함량보다 1%정도 더 높다. 또한 감압효과가 적어서 섬유장의 길이가 2.23mm로 실시예보다 줄어든 것을 알 수 있다.

비교예 2는 실시예 1과 비교시 응고액 유량이 80(cm³/min)으로 20정도 더 크다. 따라서 감압효과가 커서 응고된 단섬유의 황함랴이 4.5%정도로 크고 섬유장은 20.25mm로 더 늘어남을 알 수 있다.

비교예 3은 실시예 1과 비교시 응고액 유량은 20(cm³/min) 정도 줄어들고 응고액 황산농도(%)는 2정도 증가함에 따라 감압효과가 줄어들어 섬유장은 10.8mm로 늘어나고 응고된 단섬유의 황함유량은 감압이 줄어들어 방사후 공기 노출시간이 늘어나고 응고액의 농도차가 줄어들어 응고효과가 줄어들어 황 함량이 4.8%정도 된다.

비교예 4 내지 6 마찬가지로 섬유장은 감압효과에 의해 응고된 단섬유의 황함량은 감압효과에 의한 방사후 공기노출시간 및 응고액의 황산 농도에 따라 결정됨을 알수 있다.

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.

100: 연속식 추출장치 110: 토출부
111: 방사구금 113: 분사관
115: 토출관 117: 공급관
120: 응고부 121: 응고조
123: 거름망 125: 이송장치
127: 유출관 129: 유입관
130: 세정부 131: 세정장치
133: 담수조 135: 농도조절장치
140: 건조수집부 141: 건조기
143: 송풍기 145: 수집조
10: 응고액 20: 도프
30: 세정수 40: 희석액
50: 응고된 단섬유 d: 분사각

Claims (5)

1. 단섬유 제조를 위한 연속식 추출방법에 있어서,
   방사된 단섬유 도프를 외부로 토출시키는 단계; 상기 토출된 도프를 응고시키는 단계; 상기 응고된 도프를 세정하는 단계; 상기 세정된 도프를 건조하는 단계 및 상기 건조된 도프를 수집하는 단계로 구성되되
   상기 세정하는 단계는 응고된 도프의 외부에 잔존하는 오염원을 세정수를 이용하여 세정하며, 상기 세정에 사용된 용액은 응고부의 응고조 상부에서 유출된 용액과 함께 담수조에 혼합되고,
   상기 담수조에 혼합된 용액을 농도조절장치를 통해 응고조 유입구로 투입시킴으로써 응고액의 농도를 일정하게 유지시키는 것에 특징이 있는 연속식 추출방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 토출단계는 토출관 하부을 감압하기 위해,
   상기 토출관 하부에 적어도 하나 이상의 분사관을 연결하여 고속으로 응고액을 방출시키는 것에 특징이 있는 연속식 추출방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 도프를 응고시키는 단계는 도프 생성을 위해 사용된 용매를 희석한 응고액을 분사관을 통해 주입한 응고조를 사용하여,
   상기 토출되어 응고조에 혼합된 단섬유 도프와 응고액의 농도차이에 의해 상기 도프에 함유된 용매가 외부로 유출되어 응고되는 특징이 있는 연속식 추출방법.
   
4. 삭제
5. 삭제

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