KR101983709B1 - 다단 용출법을 이용한 c형 중공섬유의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 c형 중공섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다단 용출법을 이용한 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 C형 중공섬유에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 C자형 단면을 가지는 중공섬유를 제조하기 위하여 원사의 제직 이후 1회 이상의 용출방법을 사용하는 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 C형 중공섬유에 관한 것으로서, 중공률이 우수하고 섬유 내 중공의 형성이 용이하며 깨끗한 단면을 형성하는 데에 유용하며, 중공섬유의 제조 시 C자 형태의 찌그러짐을 최소화할 수 있는 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유에 관한 것이다.

Description

다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 C형 중공섬유{Manufacturing method of C-type hollow fibers for multi-dissolution and C-type hollow fibers using thereof}

본 발명은 다단 용출법을 이용한 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 C형 중공섬유에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 C자형 단면을 가지는 중공섬유를 제조하기 위하여 용출공정을 단계에 걸쳐 1회 이상 수행하는 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 C형 중공섬유에 관한 것이다.

중공섬유(中空纖維, hollow fiber)라고 하는 것은 길 방향의 중심부 쪽으로 연속 또는 불연속의 구멍이 있는 것을 말하며 중공사라고도 한다. 중심부 쪽으로 구멍이 나 있는 부분을 중공부(中空部)라고 하여 방사를 할 때 방사구로 사용되는 노즐을 여러가지의 형태로 만들어 사용한다. 면섬유도 중공섬유라고 해도 틀리지는 않겠으나 중공섬유(중공사)는 여러가지 고분자를 인위적으로 중간에 공간을 두어 만든 인조섬유에만 해당한다고 볼 수 있다. 중공섬유를 만들게된 동기는 역시 면섬유의 루멘(lumen)이란 중공에서 착안하였다고 볼수 있습니다. 폴리에스테르 등 인조섬유 역시 가운데 중공부를 갖게 함으로서 강력이 떨어지는 단점은 있으나 면섬유와 동일한 효과를 노리면서 가벼움, 보온성, 흡습성 등의 효과를 볼 수 있고 부피를 증대시켜 이불 면 용 등 다양한 활용을 하고 있다.

현재 다양한 형태의 중공사가 개발되어 있으며 그 중 C자 형태의 단면을 갖는 중공사의 경우 제직이나 제품 제조 시 발생하는 C형태의 찌그러짐에 의해 보온성 등의 효과가 떨어지게 되는 문제점이 있다. 또한, C형태를 갖도록 용출하는 과정에서 미용출의 문제가 발생할 수 있다.

이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, C형태의 단면이 깨끗하고 형태를 온전하게 유지하여 중공사의 장점을 최대화할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 중공률이 우수하고 섬유 내 중공의 형성이 용이하며 깨끗한 단면을 형성하는 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 중공섬유의 제조 시 섬유의 C자형 단면의 찌그러짐을 최소화하는 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리올레핀 및 폴리페닐렌 설파이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 합성수지를 사용하는 시스부를 제조하는 단계와 테레프탈산 및 에틸렌글리콜을 주요 성분으로 사용하는 코어부를 제조하는 단계와 상기 코어부의 에스테르화 반응 및 중합반응을 실시하는 단계와 상기 시스부와 코어부를 각각 토출할 수 있는 방사장치를 이용하여 방사와 동시에 상기 코어부의 외주면 일부를 상기 시스부가 감싸고 있는 형태의 원사를 제조하는 복합방사단계와 저온 가연하여 복합방사 원사를 제조하는 단계와 상기 복합방사 원사를 제직하는 단계와 상기 복합방사 원사를 1차 용출하는 단계 및 상기 복합방사 원사를 2차 용출하는 단계를 포함하는 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 1차 용출하는 단계는, 상기 복합방사 원사를 NaOH에 침지하여 용출하는, 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 2차 용출하는 단계는, 상기 1차 용출하는 단계 이후 즉시 이루어지는, 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유는 중공률이 우수하고 섬유 내 중공의 형성이 용이하며 깨끗한 단면을 형성하는 데에 유용하다. 또한, 중공섬유의 제조 시 섬유의 C자형 단면의 찌그러짐을 최소화할 수 있는 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 복합방사 원사의 용출 전 형태를 보인 모식도이다.
도 3은 복합방사 원사의 용출전 모습을 촬영한 SEM 사진이다.
도 4는 1차 용출 및 2차 용출이 이루어지는 공정을 나타낸 모식도이다.
도 5는 코어부 용출이 완료된 C형 중공섬유를 촬영한 SEM 사진이다.

이하, 본 발명을 좀 더 상세히 설명하도록 한다.

본 발명은 시스부와 코어부를 각각 제조하고, 이를 복합방사한 후 코어부를 용출하여 C형 중공섬유를 제조한 후 저온가연 및 저압 인터레이스를 수행하는 것이다. 그 결과 중공률이 우수하면서도 제직 후 찌그러짐이 최소화되고 깨끗한 단면을 갖는 C형 중공섬유를 제조할 수 있음을 확인하였다.

본 발명에서는 먼저 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리올레핀 및 폴리페닐렌 설파이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 합성수지를 사용하는 시스(seath)부를 제조한다(S10). 구체적으로, 상기 쉬쓰부의 합성수지는 통상적으로 복합섬유에 사용되는 것이면 제한없이 사용될 수 있지만, 바람직하게는 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 등의 폴리에스테르와, 나일론 6, 나일론 66등의 폴리아미드, 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀 및 폴리페닐렌 설파이드로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET) 일 수 있다.

이와 같이 시스부를 제조한 후, 테레프탈산 및 에틸렌글리콜을 주요 성분으로 사용하는 코어부를 제조한다(S20). 코어부는 복합방사 시 시스부의 내측면에 위치하게 되는 것으로서 코어부의 외주면을 따라 외주면 일부를 시스부가 둘러싸는 형태가 된다.

코어부의 폴리에스테르 공중합체는 테레프탈산 및 에틸렌글리콜을 주요 성분으로 사용한다.

코어부를 제조한 후 상기 코어부에 Na²CO³ 용액을 첨가하여 에스테르화 반응을 수행하게 된다. 코어부 제조에 사용된 에틸렌글리콜에 대해 10% Na²CO³ 용액을 500~3000ppm을 첨가하여 에스테르화 반응을 수행한다.

에스테르화 반응 후, 상기 코어부에 안료를 첨가하여 중합반응을 실시한다(S30). 중합반응은 코어부에 트리에틸렌 글리콜-비스 [베타-3-(tert-부틸-4-히드록시-5-메틸페닐)]프로피오네이트를 코어부에 사용된 에틸렌글리콜에 대해 1000~5000 ppm, 안트라퀴논계 안료를 에틸렌글리콜에 대해 20~5000ppm 첨가하여 중합한 폴리에스테르 공중합체를 사용하는 것이 분자쇄의 분리가 용이하여 코어부의 상온에서의 용출이 가능해짐으로써 바람직하다.

구체적으로, 에틸렌글리콜을 혼합탱크에 주입한 후 혼합탱크에 테레프탈산을 첨가하여 코어부를 제조한다. 코어부에는 미반응을 최소화하기 위한 반응촉진제와 열안정제가 첨가될 수 있다. 이후 상기 혼합물을 에스테르화 반응관으로 이송한 후, 상기 10% Na²CO³ 용액은 상기 에틸렌글리콜에 대해 500~3000 ppm으로 첨가한 후 에스테르화 반응을 수행할 수 있다. 에스테르화 반응시 Na²CO³ 용액을 첨가하는 것은 중합공정에서 중합체의 응집을 최소화하여 방사성을 향상시키기 위함이다.

10% Na²CO³ 용액을 에틸렌글리콜에 대해 500 ppm 미만으로 첨가하는 경우 중합체의 응집으로 인해 입자의 크기가 커질 수 있으며, 10% Na²CO³ 용액을 상기 에틸렌글리콜에 대해 3000 ppm 초과하여 첨가하는 경우 과다한 Na²CO³ 용액 첨가로 인해 방사성이 저하될 수 있다.

상기 에스테르화는 255~265℃ 반응온도 및 반응압력 0.1~0.5kg/㎠ 하에서 수행되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 혼합물의 에스테르화 반응 후, 반응물에 트리에틸렌 글리콜-비스[베타-3-(tert-부틸-4-히드록시-5-메틸페닐)]프로피오네이트(상표명 IRGANOX)를 1000~5000ppm, 안트라퀴논계 안료를 상기 에틸렌글리콜에 대해 100~2000ppm 첨가하여 중합 반응을 수행한다.

이와 같이 본 발명에서는 코어성분의 중합반응시 글리콜-비스[베타-3-(tert-부틸-4-히드록시-5-메틸페닐)]프로 피오네이트를 첨가함으로써 용출공정에서 코어성분의 완벽한 용출이 가능하다. 상기 글리콜-비스[베타-3-(tert-부틸-4-히드록시-5-메틸페닐)]프로피오네이트가 1000ppm 미만으로 첨가하는 경우 용출되지 않고 남는 부분이 생길 수 있으며, 상기 글리콜-비스[베타-3-(tert-부틸-4-히드록시-5-메틸페 닐)]프로피오네이트가 5000ppm 초과하여 첨가하는 경우 방사공정에서 팩 압력이 상승할 수 있다. 상기 안트라퀴논계 안료는 첨가제로 작용을 하는데, 상기 에틸렌글리콜에 대해 100ppm 미만 함유되는 경우에는 용출개선의 효과가 미미하며, 2000ppm을 초과하는 경우에는 불순물로 작용하여 점도 및 물성이 저하될 수 있다. 코어부의 중합 반응은 온도 280~290℃ 및 반응압력 1.0~2.0 torr 에서 수행되는 것이 좋다.

코어부의 에스테르화 반응 및 중합반응이 완료된 후, 상기 시스부와 코어부를 각각 토출할 수 있는 방사장치를 이용하여 방사와 동시에 상기 코어부의 외주면 일부를 상기 시스부가 감싸고 있는 형태의 원사를 제조한다(S40).

본 발명에서 사용되는 복합방사는 소정의 방사공이 다수개 형성된 방사장치를 이용하여 이루어진다. 방사장치는 시스부를 방사하는 방사공과 코어부를 방사하는 방사공이 별도로 인접한 위치에 마련되어 시스부와 코어부 재료를 넣은 후 거의 동시에 토출하면서 내측에 시스부, 시스부의 외측면을 감싸는 형태로 코어부가 위치된 복합방사 원사를 제조하게 된다. 도 2는 복합방사 원사의 용출 전 형태를 보인 모식도이다. 도 2와 같이, 코어부의 일부는 외부로 드러난 형태가 되도록 복합방사하여 향후 코어부 용출 후 섬유의 형태가 C형이 되도록 하는 것이다.

이와 같이 복합방사 원사를 제조 한 이후에 원사를 저온 가연한다(S50).

일반적으로 중공섬유 제조 시 가연 공정에서는 180℃ 이상의 고온으로 가연하는데 이러한 가연 공정이 고온에서 수행하고 바로 코어부를 용출하기 때문에 C자 형태의 중공섬유가 열응력에 의하여 찌그러지는 현상이 발생하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 이를 방지하기 위하여 저온 가연 및 제직 공정을 모두 수행한 후 용출을 수행한다. 이때 저온 가연온도는 180℃ 이하인 것이 좋으며, 바람직하게는 160℃ 이하이다. 가연온도가 160℃를 초과하게 되면 앞서 설명한 바와 같이 온도의 영향으로 형성되는 섬유의 C형 구조가 찌그러지기 때문에 중공 섬유를 통해 얻을 수 있는 경량성 및 보온성 효과가 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 저온 가연을 실시하여 섬유의 C형 구조를 최대한 유지하고자 한다.

또한, 저온 가연 시 인터레이스 공기압을 3bar 이하로 하는 것이 바람직하다. 일반적인 가연 시 인터레이스 공기압을 3bar 이상으로 하게 되면 필라멘트 간 교락부분에 있는 코어부 미용출 분이 남아있을 수 있으므로, 인터레이스 공기압을 3bar 이하로 하여 필라멘트 교락 부분의 용출을 용이하게 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 저온가연 과정을 실시한 원사는 제직공정을 거친다(S60). 제직 공정을 통상 공지된 기술에 의하여 수행될 수 있다.

제직 공정을 거친 후 정련 및 수세 공정을 거친다. 이때 정련은 CPB 정련기 등을 사용하여 NaOH 50(wt/v%) 150g/l, 30~50℃에서 10~15시간 수행하는 것이 바람직하다.

정련 공정이후 수세 공정이 더 포함될 수 있다. 이때 수세 공정은 C형 중공 형태를 유지하기 위하여 수행될 수 있는데, 본 발명에서는 복합방사 원사의 형태로 도 2와 같은 형태를 유지하고 있는 원사에서 수세 공정을 통해 C형태의 시스부를 고정하고 코어부의 탈락을 용이하게 하는 조건을 만들어줌으로써 향후 수행되는 용출 공정이 보다 효과적으로 이루어지게 하는 것이다.

수세 이후 열고정 공정이 더 수행될 수 있다. 열고정 공정은 액류 염색기에서 수행될 수 있으며, 향후 코어부 용출을 완벽하게 수행하기 위하여 시스부를 열고정하여 복합방사 원사의 C형태를 고정하는 역할을 하는 것이다. 열고정하는 공정은 180~200℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 열고정을 수행한 이후의 SEM사진을 도 3에 도시하였다.

열고정 공정을 마친 복합방사 원사는 1차 용출한다(S70). 1차 용출은 저농도 NaOH에 침지하여 이송하는 형태로 수행하게 된다. 이때 NaOH의 농도는 4% 이하인 것이 좋으며 더 바람직하게는 3%인 것이 좋다. NaOH의 농도가 4%를 초과하게 되면 농도가 과도하게 높아 과량의 NaOH 용액 잔존물로 인하여 이들이 불순물로 작용할 수 있다. 이러한 불순물은 향후 수행되는 2차 용출에서 섬유 내 코어부의 완전한 용출을 방해할 수 있다. 이때 1차 용출 수행온도는 90~100℃인 것이 바람직하다. 온도가 90℃ 미만인 경우는 용출인 원활히 이루어지지 않을 수 있으며 100℃를 초과하면 용출 시 섬유가 찌그러지는 문제가 발생할 수 있다.

1차 용출이 완료된 원사는 바로 2차 용출한다(S80). 본 발명에서 2차 용출하는 단계는, 상기 1차 용출하는 단계 이후 즉시 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 1차 용출 단계에서 용출되고 남은 코어부를 2차 용출에서 즉시 탈락시켜 용출 효율을 최대화하기 위해서이다. 2차 용출은 음이온 계면활성제 용액에 1차 용출된 원사를 침지하여 이송하는 방법으로 수행된다. 본 발명의 1차 용출 및 2차 용출이 이루어지는 공정을 도 4에 모식도로 나타내었다. 도 4와 같이 1차 용출과 2차 용출이 연달아 이루어지기 때문에 코어부의 용출이 완전하게 이루어지게 되는 것이다. 이처럼 코어부 용출이 완전하게 이루어진 섬유의 SEM사진을 도 5에 나타냈다. 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법에 의하여 제조 완료 된 C형 중공섬유의 형태는 찌그러짐이 최소화되어 그 형태를 잘 유지하고 있으며 단면이 깨끗하여 코어부 용출이 효과적으로 수행되었음을 확인할 수 있다.

본 발명의 방법으로 제조된 C형 중공섬유는 중공률이 55~65%이며, 중공률은 복합방사 원사의 단면 대비 C형 부분의 비율이다. 이처럼 중공률이 높을 뿐 아니라, C형의 섬유 형태가 잘 유지된 섬유는 경량성이 우수하고 보온성이 높아 중공섬유의 장점을 최대로 살릴 수 있게 된다.

[실시예]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 시스부는 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 코어부 에틸렌글리콜을 사용하여 코어부를 에스테르화 및 중합반응 실시하고, 시스부와 코어부를 복합방사하여 원사 제조 후 160℃에서 저온 가연을 실시하였다. 이를 제직한 후 정련하고 보일오프하고 80℃×40m/min으로 수세한 후, 195℃에서 60분 열고정 후, 1차 용출은 액류 염색기에서 95~100℃에서 20분간 NaOH 3% 용액에 침지한 후, 바로 2차 용출(고압배수 장치에서 음이온계면활성제 처리)을 20분간 실시하고 건조하였다.

실시예에 의하여 제조된 C형 중공섬유를 SEM 사진 촬영하여 아래 그림1에 나타냈다. 그림 1에 보는 바와 같이 실시예에 의한 중공섬유는 C형태를 매우 잘 유지하고 있으며 그 단면 또한 깨끗한 것을 확인할 수 있다.

[그림 1] 실시예에 의한 중공섬유 사진

비교예: 시스부는 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 코어부 에틸렌글리콜을 사용하여 코어부를 에스테르화 및 중합반응 실시하고, 시스부와 코어부를 복합방사하여 원사 제조 후 180℃에서 가연한 후, 바로 NaOH 용액에 용출을 실시하였다. 용출을 완료한 후 제직하고 정련, 수세한 후 건조하였다.

비교예에 의해 제조된 섬유의 SEM사진은 아래 그림 2와 같으며, 실시예와 비교하여 C형태의 찌그러짐이 매우 심한 것을 확인할 수 있다.

[그림2] 비교예에 의한 중공섬유 사진

원사 단계에서 코어부 용출을 실시한 비교예는 중공섬유 단면이 찌그러짐이 심하기 때문에 중공섬유가 가지고 있는 장점 중 하나인 보온성이 저하될 수 있다. 그러나 실시예와 같이 제직 후 다단 용출을 실시하는 본 발명의 경우 섬유 제조가 완료된 후 C자 형태를 잘 유지하고 있어 경량성 및 보온성이 우수한 제품을 제조할 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다.

Claims (12)

1. 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리올레핀 및 폴리페닐렌 설파이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 합성수지를 사용하는 시스부를 제조하는 단계;
   테레프탈산 및 에틸렌글리콜을 주요 성분으로 사용하는 코어부를 제조하는 단계;
   상기 코어부의 에스테르화 반응 및 중합반응을 실시하는 단계;
   상기 시스부와 코어부를 각각 토출할 수 있는 방사장치를 이용하여 방사와 동시에 상기 코어부의 외주면 일부를 상기 시스부가 감싸고 있는 형태의 원사를 제조하는 복합방사단계;
   상기 복합방사 원사를 160℃ 이하의 온도로 가연하는 단계;
   상기 복합방사 원사를 제직하는 단계;
   상기 제직한 후 180~200℃의 온도에서 열고정하는 단계;
   상기 제직 및 열고정된 복합방사 원사를 NaOH 농도가 4% 이하인 용액에 침지하여 90~100℃의 온도에서 1차 용출하는 단계; 및
   상기 1차 용출하는 단계 이후 즉시 음이온 계면활성제에 상기 1차 용출된 상기 복합방사 원사를 침지하여 상기 1차 용출된 복합방사 원사를 2차 용출하는 단계;를 포함하는, 다단 용출법을 이용한 C형 중공섬유의 제조방법.
   
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