KR101924037B1 - 아라미드 페이퍼의 물성을 향상시키는 피브리드 제조장치 및 그 장치로부터 제조된 아라미드 피브리드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물 주입구, 고분자용액 주입구, 디스크 어셈블리, 회전 톱니 디스크, 콘타입 밀링장치, 배출구, 및 원료충진 공간으로 구성되되, 상기 물 주입구는 상기 원료충진 공간을 관통하여 상기 회전 톱니 디스크와 연결되고, 상기 디스크 어셈블리가 원통기둥과 원반 형태의 디스크로 이루어지고, 상기 디스크에는 상기 원통기둥으로부터 일정한 거리와 간격으로 세로가 0.1~2mm이고 가로가 5~10mm인 직사각형 노즐 형태의 복수 개의 방사형 슬릿이 형성되며, 상기 원통기둥의 내부에는 물이 통과하고, 상기 슬릿에는 아라미드 수지 용액이 통과하되, 상가 아라미드 수지 용액은 응고액 대 아리미드 용액의 중량비가 30 : 2~3이며, 상기 아라미드 용액은 상기 고분자용액 주입구에 6.5 Kg/hr ~ 7.5 Kg/hr의 속도로 투입되어 상기 원료충진공간에 일시적으로 저장되고, 상기 회전 톱니 디스크는 복수 개의 방사형 슬릿으로부터 토출되는 아라미드 피브리드를 균일한 전단응력을 가하면서 균일한 크기로 절단하기 위하여 5,000~15,000rpm의 속도로 회전하여 생성된 피브리드 섬유의 폭이 34.0~36.2㎛인 것을 특징으로 하는 아라미드 피브리드 제조장치에 관한 것이다.

Description

아라미드 페이퍼의 물성을 향상시키는 피브리드 제조장치 및 그 장치로부터 제조된 아라미드 피브리드{The Aramid Fibrids Manufacturing Device For Improving The Physical Properties Of The Aramid Paper And The Aramid Fibrids Made From The Manufacturing Device}

본 발명은 아라미드 피브리드에 관한 것으로 보다 자세하게는 아라미드 페이퍼의 물성을 향상시키는 피브리드 제조장치 및 그 장치로부터 제조된 아라미드 피브리드에 관한 것이다.

고분자는 일반적으로 금속에 비해서 내부식성, 전기절연성, 경량성 등이 우수하지만 내열성과 기계적 성질들이 상대적으로 매우 낮기 때문에 사용 범위에 한계가 있다. 하지만 다양한 연구개발을 통해 고성능 섬유들이 개발되고 있으며, 특히 초고강도, 초고탄성률, 고결정성 및 고배향성의 특성을 가진 아라미드 소재의 응용분야는 점차 증가하고 있다.

아라미드 소재는 최근 단섬유, 장섬유의 형태로 제지와 부직포 형태로 제조되어 방염재료 등 다양한 분야에 사용되고 있으며 절연성이 우수하여 고무 보강재, 전선피복 및 비행기 바닥재 등 기능성 복합재료로써 다양한 산업 분야에 사용되어 그 수요가 점차 증가하는 추세이다.

아라미드(aramid)는 방향족 폴리아미드(aromatic polyamide)섬유로, 1974년 U.S. FTC(Federal Trade Commission)로부터 2개의 방향족 고리에 아미드 결합(-CONH-)이 적어도 85% 이상 결합한 것으로 정의되어 종전의 지방족 폴리아미드인 나일론과 구별하기 위해 아라미드 섬유로 명명하였다.

아라미드 섬유는 크게 메타아라미드(meta-aramid), 파라아라미드(para-aramid)로 구분되며 특히 메타아라미드는 지난 수십 년간 내열성 또는 고강도 섬유로 많은 연구 및 개발이 이루어져 왔다. 이러한 메타아라미드는 기계적강도를 강하게 하는 약 6mm 이하 길이의 단섬유(floc)와 절연강도를 높이고 결합인자로 작용하는 피브리드(fibrid)가 혼합된 페이퍼로 제조되어 주로 응용된다.

피브리드는 비과립형(non-granular)의 섬유질(fibrous) 입자로, 딱딱하지(rigid) 않은 필름 형태의 물질로 섬유상 필름 형태의 고분자 바인더에서 나온 용어로 100% 합성섬유 페이퍼와 고강력 부직포를 제조할 때 사용할 목적으로 개발된 인조 스테이플 섬유와 유사한 물질이다.

피브리드는 원료 고분자 고유의 특성을 잃지 않고, 상대적으로 간단한 제조공정, 조성물 내에서 자체결합(self bonding)특성을 지니고 있어 특수한 성질을 요구하는 제품에 이용하고 있다.

피브리드를 이용한 페이퍼는 높은 화학적, 생물학적, 열적 저항 특성을 가지며, 내후성(weatherproof), 탄성(elasticity), 마모저항성(resist abrasion)을 지니고 있으며, 뛰어난 전기 절연체(electrical insulator)이다.

제조방법은 일반적으로 건식법과 습식법으로 분류되며, 그 중 습식법은 고분자의 상분리, 표면에서의 중축합, 침전조에서 유체역학적 현상에 의한 고분자의 침전을 이용하는 방법이 사용된다. 피브리드의 형성은 충격의 작용에 의한 파동과정(wave process)과 액체들의 합류에 의한 확산과정에 의해 이루어지며, 고분자의 유동성과 파열 패턴은 계면장력,고분자의 점도, 고분자와 침전제의 속도비에 의존하는 것으로 알려져 있다.

이와 관련하여, 종래의 메타아라미드 피브리드를 제조하는 방법은 미국 등록특허 제3,018,091호 및 대한민국 공개특허 제2013-0078587호의 제조장치를 이용하여 메타아라미드의 고화를 매우 천천히 진행하면서 칼날 형태의 디스크를 통해 전단력을 가하여 필름상의 섬유형태인 메타아라미드 피브리드로 제조하였다.

그러나, 상기와 같은 종래의 메타아라미드 피브리드 제조장치는 메타아라미드 도프와 응고액을 디스크의 중앙으로 공급하여 메타아라미드 도프가 충분히 분산되지 않아 제조되는 메타아라미드 피브리드는 섬유폭 및 섬유장이 균일하지 못하며, 열수축율이 낮은 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 아라미드 페이퍼의 물성을 향상시키기 위해 필름형상의 피브리드를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 균일한 필름형상의 아라미드 피브리드를 통해 품질이 우수한 아라미드 페이퍼를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 물 주입구, 고분자용액 주입구, 디스크 어셈블리, 회전 톱니 디스크, 콘타입 밀링장치, 배출구, 및 원료충진 공간으로 구성되되, 상기 물 주입구는 상기 원료충진 공간을 관통하여 상기 회전 톱니 디스크와 연결되고, 상기 디스크 어셈블리가 원통기둥과 원반 형태의 디스크로 이루어지고, 상기 디스크에는 상기 원통기둥으로부터 일정한 거리와 간격으로 세로가 0.1~2mm이고 가로가 5~10mm인 직사각형 노즐 형태의 복수 개의 방사형 슬릿이 형성되며, 상기 원통기둥의 내부에는 물이 통과하고, 상기 슬릿에는 아라미드 수지 용액이 통과하되, 상가 아라미드 수지 용액은 응고액 대 아리미드 용액의 중량비가 30 : 2~3이며,

상기 아라미드 용액은 상기 고분자용액 주입구에 6.5 Kg/hr ~ 7.5 Kg/hr의 속도로 투입되어 상기 원료충진공간에 일시적으로 저장되고, 상기 회전 톱니 디스크는 복수 개의 방사형 슬릿으로부터 토출되는 아라미드 피브리드를 균일한 전단응력을 가하면서 균일한 크기로 절단하기 위하여 5,000~15,000rpm의 속도로 회전하여 생성된 피브리드 섬유의 폭이 34.0~36.2㎛인 것을 특징으로 하는 아라미드 피브리드 제조장치를 제공한다.

본 발명은 균일한 필름형상의 아라미드 피브리드를 이용하여 제조된 페이퍼로 여수도 상승 및 지합 향상 효과로 인해 내전압강도가 향상된 효과가 있다.

또한 본 발명에 의해 제조된 아라미드 페이퍼는 인장강도가 향상된 특징이 있다.

도1은 본 발명에 따른 균일한 면적을 갖는 아라미드 피브리드를 제조할 수 있는 제조장치의 구성을 도시하기 위한 개략적인 단면도이다.
도2는 본 발명에 따른 아라미드 피브리드 제조장치의 내부에 조립되는 디스크 어셈블의 개략적인 사시도이다.
제3도는 본 발명에 따른 아라미드 피브리드 제조장치의 내부에 조립되는 디스크 어셈블리의 하부에 위치하여 일정한 속도로 회전하면서 디스크 어셈블리의 복수 개의 방사형 슬릿을 통하여 배출되는 피브리드를 일정한 길이로 절단하기 위한 회전 톱니 디스크를 개략도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 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.

본 발명은 균일한 넓이의 아라미드 피브리드를 제조할 수 있는 제조장치 및 그 장치로부터 제조된 아라미드 피브리드 및 페이퍼에 관한 것이다.

본 발명에 따른 아라미드 피브리드 제조장치는 물 주입구(1), 고분자용액 주입구(2), 디스크 어셈블리(3), 회전 톱니 디스크(4), 콘타입 밀링장치(5), 배출구(6), 및 원료충진 공간(7)으로 이루지되, 상기 디스크 어셈블리(3)가 원통기둥(31)과 상기 원통기둥으로부터 일정한 거리와 간격으로 복수개의 방사형 슬릿(33)이 형성된 원반 형태의 디스크(32)로 이루어지고, 상기 원통기둥의 내부에는 물이 통과하고, 상기 구멍에는 아라미드 수지 용액이 통과하는 것을 특징으로 한다.

도1은 본 발명에 따른 균일한 길이를 갖는 아라미드 펄프를 제조할 수 있는 제조장치의 구성을 도시하기 위한 개략적인 단면도이다. 도1은 디스크 어셈블리(3)를 제외하고는 종래에도 아라미드 펄프를 제조하기 위하여 사용되어 온 장치이다. 본 발명에서는 디스크 어셈블리(3)를 도2와 같이 개량함으로써 균일한 넓이의 아라미드 피브리드를 제조할 수 있다.

도2는 본 발명에 따른 아라미드 펄프 제조장치의 내부에 조립되는 디스크 어셈블리(3)의 개략적인 사시도이다.

도2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 디스크 어셈블리(3)는 원통기둥(31)과 원반 형태의 디스크(32)로 이루어지고, 상기 디스크(32)에는 원통기둥(31)으로부터 일정한 거리와 간격으로 복수개의 방사형 슬릿(33)이 형성되며, 상기 원통기둥(31)의 내부에는 물이 통과하고, 상기 슬릿(33)에는 아라미드 수지 용액이 통과한다.

고분자 용액 주입구(2)를 통하여 주입된 원료용액은 원료충진공간(7)에 충진되었다가 디스크(32)에 형성된 복수개의 슬릿(33)을 통하여 배출되고, 이때 원통기둥(31)을 통과한 물과 접촉하여 슬릿(33)을 통하여 배출된 용액을 고화시킨다.

고분자 용액 주입구(2)는 아라미드 중합물과 DMAc 용매의 혼합물이 투입되는 곳으로서 원료주입장치의 측부에 위치한다. 아라미드 용액의 투입은 동일량의 원료에 전단력이 작용될 수 있도록 일정속도로 이루어지는데, 바람직하게는 6.5 Kg/hr 내지 7.5 Kg/hr의 속도로 투입하는 것이 좋다. 투입된 용액은 원료주입장치의 원료충진공간(7)에 일시적으로 저장될 수 있다.

상기 디스크(32)의 하부에는 회전 톱니 디스크(4)가 설치되어 축을 중심으로 회전하면서 슬릿(33)을 통하여 배출되어 물에 의해 고화된 펄프를 일정한 길이로 절단한다.

도3은 회전 톱니 디스크(4)의 개략도로서, 디스크 어셈블리(3)의 하부에 위치하여 일정한 속도로 회전하면서 디스크 어셈블리(3)의 복수개의 슬릿(33)을 통하여 배출되는 펄프를 일정한 넓이로 절단한다. 회전 톱니 디스크(4)는 복수개의 구멍(33)으로 토출되는 아라미드 펄프를 균일한 전단응력을 가하면서 균일한 넓이로 절단하기 위하여 5,000～15,000 rpm의 속도로 회전시키는 것이 바람직하다. 회전 톱니 디스크(4)는 종래의 장치에서도 사용되고 있는 것으로 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의하여 용이하게 실시될 수 있다.

물은 수직방향에서 원통기둥(31)을 관통하도록 형성된 것으로, 투입된 응고액이 원료충진공간(7)에서 응고액(물)과 섞이지 않고 회전 톱니 디스크(4)를 통과할 수 있게 한다. 응고액의 투입은 시간당 일정한 속도로 이뤄지는 것이 좋은데, 특히 아라미드 용액과의 혼합비가 응고액 : 아라미드 용액이 30 : 2~3이 되도록 투입되는 것이 바람직하다.

상기 물 주입구(1)는 원료충진공간(7)을 관통하여 회전 톱니 디스크(4)와 연결되므로, 아라미드 용액과 응고액이 분쇄전에 미리 혼합되어 원료주입장치의 돔 공간 내에 고화상태로 정치되는 것을 방지할 수 있다. 물 주입구(1)를 거쳐 회전 톱니 디스크(4)를 통과한 응고액은 콘(cone) 타입 밀링장치(5)를 순환하며 전단력을 받게 된다.

콘타입 밀링장치(5)는 회전 톱니 디스크(4)와 연동 회전하면서 고화물에 전단력을 가하는 장치로, 회전속도는 회전 톱니 디스크와 동일하게 설정된다.

도2에는 모두 6개의 복수개의 방사형 슬릿(33)이 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 이보다 적거나 또는 더 많은 개수의 슬릿이 형성될 수 있다.

상기 복수 개의 슬릿(33)은 세로가 0.1~2.0mm이고 가로가 5~10mm인 직사각형 노즐 형태가 바람직하다. 상기 물 주입구(1)로 투입되는 물은 상기 복수개의 슬릿(33)으로 배출되는 아라미드 수지 용액을 응고시켜 펄프를 제조하기 위한 것으로, 응고액인 물 300 중량부에 대하여 20~30 중량부의 아라미드 수지 용액을 투입하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리 범위가 이들 실시예에 반드시 한정되는 것으로 해석되어 져서는 아니된다.

실시예 1

메타페닐렌디아민(m-phenylene diamine: MPD)와 이소프탈로일클로라이드(isophthaloyl chloride: IPC)로 제조되는 메타아라미드 조성물을 아미드계 용매인 디메틸 아세트 아미드(dimethyl acetamide :DMAc)에 용해하여, 메타아라미드 조성물이 10중량%함유하는 메타아라미드 도프를 제조하였다.

상기의 메타아라미드 도프와 응고액을 도 1의 본 발명에 따른 물성이 우수한 메타아라미드 피브리드 제조장치를 사용하여 메타아라미드 피브리드를 제조하였다.

디스크 어셈블리에서 일정한 간격의 6개의 방사형 슬릿을 이용하고, 슬릿의 규격은 1mm×5mm로 하였으며, 상기 피브리드 형성부에는 3개의 톱니형상의 디스크가 회전 선속도 1,900m/m로 회전시켜 98.5℃의 온수에서 3분간 온수열처리하여 섬유폭이 35.1 ㎛ 인 메타아라미드 피브리드를 얻었다.

상기 메타아라미드 도프와 응고액은 중량비는 1:10로 메타아라미드 피브리드 제조장치에 투입하였다.

또한 상기 메타아라미드 피브리드와 플락을 5대5의 중량비로 혼합하여 메타아라미드 페이퍼를 제조하였다.

실시예 2~4

실시예 1과 동일한 조건이되, 슬릿의 규격은 표1과 같다.

비교예 1,2

실시예 1과 동일한 조건이되, 슬릿의 규격은 표1과 같다

※여수도

펄프가 고해된 정도로 Schopper-Riegler형 시험기 또는 캐나다 표준형 시험기로 측정하며 0.3%의 펄프 현탁액이 시험기를 거쳐 나온 물의 양(ml)으로 표시한다.

※ 지합

펄프 및 고형 첨가물들이 분포된 정도, 즉 종이내 균열성을 나타나는 수치로 본 발명은 광학적 측정방법인 MK 지합측정기 (M/Ksystems Inc., Danvers, MA, USA)를 통해 MK지합도를 평가하였다.

※인장강도

ASTM D 828 측정법에 따라 L&W사의 Tensile Tester를 사용하여 측정하였다.이는 종이에 인장을 가하여 끊어질 때의 힘을 측정한 것이다.

※내전압강도

ASTM D419에 준하여 절연파괴가 일어 나는 전압(kV)을 절연재료로 두께(mm)로 나눈값이다.

구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예 1	비교예 2
슬릿 규격 (mm×mm)	1×5	1×7	0.5×7	0.5×6	2×6	2Ø (원형)	3Ø (원형)
Fibrid섬유폭(㎛)	35.1	34.2	34	34.5	36.2	31.3	30.2
여수도(ml)	245	240	220	200	250	100	120
지합(COV%)	10	11	10.5	10.2	10.7	14.9	15.1
Paper 인장강도 (MD,N/cm)	36.3	36.2	35.2	35.5	34.6	30.5	32.1
Paper 내전압강도 (kV/mm)	14.2	15	12.4	13	13.5	11	10

표1과 같이 실시예1~5의 방법으로 제조된 피브리드(Fibrid)는 일반적으로 제조된 원형인 피브리드(Fibrid)인 비교예1~2보다 넓은 섬유폭을 가지게 되고, 이러한 넓은 섬유폭으 인하여 여수도가 높아진다.

여수도가 높아짐으로써 수초 진행시 물빠짐을 용이하기 때문에 지합이 향상되게 된다. 또한 플락(Floc)과 상기 피브리드(Fibrid)를 5:5 비율로 제조하였을 때, 탈수성이 좋아져 지합이 균일지고 이는 높은 인장 강도 및 내전압 강도을 가질 수 있도록 영향을 미친다.

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.

1: 물 주입구 2: 고분자 용액 주입구
3: 디스크 어셈블리 4: 회전 톱니 디스크
5: 콘타입 밀링장치 6: 배출구
7: 원료 충진 공간 31: 원통기둥
32: 디스크 33: 슬릿

Claims (1)

1. 물 주입구, 고분자용액 주입구, 디스크 어셈블리, 회전 톱니 디스크, 콘타입 밀링장치, 배출구, 및 원료충진 공간으로 구성되되,
   상기 물 주입구는 상기 원료충진 공간을 관통하여 상기 회전 톱니 디스크와 연결되고,
   상기 디스크 어셈블리가 원통기둥과 원반 형태의 디스크로 이루어지고, 상기 디스크에는 상기 원통기둥으로부터 일정한 거리와 간격으로 세로가 0.1~2mm이고 가로가 5~10mm인 직사각형 노즐 형태의 복수 개의 방사형 슬릿이 형성되며,
   상기 원통기둥의 내부에는 물이 통과하고, 상기 슬릿에는 아라미드 수지 용액이 통과하되,
   상가 아라미드 수지 용액은 응고액 대 아라미드 용액의 중량비가 30 : 2~3이며,
   상기 아라미드 용액은 상기 고분자용액 주입구에 6.5 Kg/hr ~ 7.5 Kg/hr의 속도로 투입되어 상기 원료충진공간에 일시적으로 저장되고,
   상기 회전 톱니 디스크는 복수 개의 방사형 슬릿으로부터 토출되는 아라미드 피브리드를 균일한 전단응력을 가하면서 균일한 크기로 절단하기 위하여 5,000~15,000rpm의 속도로 회전하여 생성된 피브리드 섬유의 폭이 34.0~36.2㎛인 것을 특징으로 하는 아라미드 피브리드 제조장치.
   

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