KR102241152B1 - 밀도의 분포가 균일함과 동시에 종방향과 횡방향의 인장강도가 유사한 장섬유 부직포를 제조하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 장섬유 부직포를 제조하는 장치에 관한 것으로, 복수의 연신 파이프와 각각 연결되어 상기 복수의 연신 파이프를 통해 연신된 필라멘트들을 토출하는 복수의 노즐 및 상기 필라멘트들을 포집하여 제1방향으로 이송시키는 컨베이어를 포함하고, 상기 복수의 노즐의 배열방향은 상기 제1방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기를 갖도록 배열된다.

Description

밀도의 분포가 균일함과 동시에 종방향과 횡방향의 인장강도가 유사한 장섬유 부직포를 제조하는 장치 및 방법{Apparatus and method for manufacturing spunbonded non-woven fabric having distribution of uniform density and similar tensile strength in longitudinal direction and transverse direction}
본 발명은 밀도의 분포가 균일함과 동시에 종방향과 횡방향의 인장강도가 유사한 장섬유 부직포를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 종방향 및 횡방향의 인장강도 비율이 상승하는 것을 억제함으로써 우수한 밀도 분포를 갖는 장섬유 부직포를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
장섬유 부직포의 제조기술은 상업적인 제조기술이 소개된 이후 꾸준히 발전하였다. 장섬유 필라멘트 또는 필라멘트 섬유의 방사기술을 접목하여 개발되기 시작한 산업적인 대규모 제조방법은 크게 도칸(Docan)과 커튼(Curtain) 프로세스라는 두 종류의 제조법으로 분류되고 있다. 이와 관련된 일반적인 내용은 "Introduction to Nonwoven Technology(by Subhash K. Batra, 2012, DEStech Publification Inc. North Carolina State Univ. U.S.A.)" P213∼P220에 기술되어 있다.
도칸 프로세스 또는 도칸법은 기본적으로 제조되는 장섬유 필라멘트의 강도를 상승시키기 위해 섬유를 고속으로 연신하는 장치로서, 압축공기를 이용한 원형의 파이프와 비슷한 장치를 이용한다. 이와 같은 방법은 비교적 간단한 장치를 이용해서 섬유를 5,000m/분 이상의 고속으로 연신할 수 있어서, 고강도의 섬유를 비교적 간단하게 제조할 수 있다. 그러나 고속으로 연신되는 섬유들이 도칸 파이프 내에 도입되면서 섬유 번들(Bundle)화 되어버리기 때문에 부직포로 사용하기 위해서는 반드시 번들화 된 섬유들을 서로 분리시켜서 균일하게 확산시켜야 한다.
커튼(Curtain) 프로세스 커튼법은 비교적 장치가 복잡하고 큰 장방형의 긴 슬릿(slit) 형태의 섬유 연신장치를 이용한다. 장섬유 부직포를 대량 제조하는데 유리하지만 넓은 폭 방향에 걸쳐 단일한 연신장치를 사용하기 때문에 연신용 압축공기의 균일 공급이 어려워질 수 있고, 이에 따라 필라멘트의 속도 분포가 국부적으로 서로 다를 수 있다. 또한, 연신된 필라멘트들이 서로 교락(entanglement)에 의해 부직포의 중량분포가 불량해지기 쉽다.
따라서 장섬유 부직포 제조법들은 도칸 프로세스이든 커튼 프로세스이든 모두 연신된 필라멘트들이 서로 뭉치지 않고 고르게 확산시키기 위한 방법들이 고안되고 있다. 또한, 분리 및 확산된 필라멘트들을 부직포의 길이방향과 횡방향으로 일정하게 재배열하여 동등한 인장강도 비율을 가지도록 여러 가지 방안과 기술들이 고안되고 있다. 상기에서 기술한 부직포의 중량(밀도)분포 및 인장강도의 균일성은 모든 부직포에서 요구되는 공통적인 특성들이며, 모든 요구 조건을 만족시키는 장섬유 부직포 제조방법을 고안하기 위해 여러 선행 발명가들에 의해 많은 기술들이 소개되어 왔다.
한편, 분할 형태의 커튼형 연신장치를 이용하여 필라멘트들을 연신시킨 다음, 연신된 섬유들을 코안다(Coanda) 장치를 이용하여 분산 및 확산시켜 부직포를 제조하는 방법도 있다.
이를 상세하게 살펴보면, 상기 특허에서는 도칸 및 커튼 프로세스의 기술을 조합하여, (1)일체형이 아닌 분리된 복수형의 커튼형 연신장치를 도입하였고, (2)분리된 복수개의 연신장치를 부직포 제조 진행방향에 대해 일정한 각도를 가지도록 배열하였으며, (3)연신장치의 하단에 코안다(Coanda)와 같은 필라멘트 확산장치를 개발 및 배치하여 필라멘트들을 분리하는 동시에 횡방향으로 섬유들을 배열시켜 부직포의 중량분포와 인장강도의 비율이 균일한 제품을 제조할 수 있는 방법을 제공하고 있다.
그러나 상기와 같은 기술들은 연신장치의 하단에 배치된 코안다(Coanda) 장치를 이용하기 때문에 기본적으로 공기류를 확산시키는 방법이며, 연신된 필라멘트들은 코안다(Coanda) 장치에 의해 확산된 공기가 흘러가는 방향으로 따라가서 흩어진다. 그러므로 확산되는 도중 공기류에 의해 필라멘트들끼리 엉키거나 교락이 발생되어 밀도분포가 균일한 부직포를 제조하는 것이 곤란하다. 이와 같은 현상은 필라멘트 개수가 증가할수록 또는 필라멘트의 데니어가 낮을수록 악화되기 쉽다. 즉, 3데니어 이하의 세섬도 필라멘트들은 공기류 속에서 움직임이 빠르며, 또한 생산성을 증가시키기 위해 많은 필라멘트들을 커튼형 연신장치에 도입할 수밖에 없다. 이런 복합작용에 의해 필라멘트들의 자유도(Degree of Freedom ≒ 필라멘트 간의 거리)는 더욱 낮아지게 되고 섬유간의 교락과 얽힘은 더욱 악화되어 사실상 세섬도 제품의 제조는 어렵다. 또한, 5데니어 이상의 중섬도 제품 및 8데니어 이상의 태섬도 제품을 제조할 경우에도, 부직포 중량 50gr/㎡ 이하의 저중량 제품 제조 시 섬유간의 분리 및 확산이 충분히 되지 않기 때문에 섬유간 꼬임(twist), 얽힘(entanglement)과 같은 결점들이 빈번하게 관측되는 실정이다. 따라서 해당 기술에 의한 제품은 현실적으로 8데니어 이상의 굵은 필라멘트로 구성되는 60gr/㎡ 이상의 고중량 제품에 국한해서 상업적으로 사용되고 있다.
커튼(Curtain) 프로세스에 적용되는 코안다(Coanda) 기술과 장치에 대해 EP0224435 및 US5045271에 도시되어 있다. 기본적인 원리와 장치들의 구조는 상기 독일 및 미국 특허에서 제공하는 기술들과 비슷하다.
이와 같은 현상을 개선하기 위해 미국공개특허 US20030030175에 도시된 기술을 고려해 볼 수 있다. 이 기술은 분리형 연신장치의 하단에 배치된 코안다(Coanda) 장치 대신에, 압축공기를 이용한 에어분사 기술을 제공하고 있다. 즉, 연신된 필라멘트 번들(Bundle)의 직하방 진행방향에 대해 수직방향으로 압축 공기를 교호로 분사시켜 필라멘트들을 분산 확산하는 방안을 제시하는 것이다.
그러나 본 방안은 연신장치에서 고속으로 연속 분출되는 대량의 고압 공기류와, 이에 대해서 수직방향으로 단속적으로 분사되는 고압 공기류가 서로 충돌하면서 발생하는 와류(turbulence)에 의해 필라멘트들이 서로 얽히고 꼬여버리는 현상이 빈발해서, 중량 분포가 불균일한 제품을 제조할 수밖에 없다. 기본적으로 코안다(Coanda)법이든 고압 공기분사법이든 공기의 흐름을 조정해서 필라멘트의 분산 및 확산을 부여한다는 원리적인 변화는 없는 것이다. 이와 같이 방법들은 각각의 필라멘트들을 두 균일하게 분리 및 확산시킬 수 없음이 자명하다. 따라서 밀도분포가 균일한 부직포, 즉 중량분포가 균일한 부직포를 제조하는데 있어서 명확한 한계를 가지고 있는 것이다.
이러한 기술적 한계를 극복하기 위해서 고속 이동하는 연속 필라멘트들을 효과적으로 분리하는 방법을 제공하는 기술의 예시가 US3338992에 도시되어 있다. 이 기술은 고속 이동하는 연속 필라멘트들의 표면에 고압의 직류 정전기를 마찰 또는 코로나 방전을 통해 부착시키는 방법이다. 잘 알려진 바와 같이 열가소성 합성섬유의 표면에 고압의 정전기를 부착시키면, 척력에 의해 필라멘트들끼리 서로 밀어내는 힘이 발생하여 섬유간의 꼬임(twist)이나 교락(entanglement)이 발생하지 않고 자연스럽게 분리되는 효과가 나타난다. 고속 주행하는 필라멘트들의 표면에 고압의 직류 정전기를 인가하는 방법은 도칸법이나, 커튼법에 따라 장치는 서로 다르지만 기본 원리는 동일하다.
즉, 연신이 완료된 필라멘트의 표면에 10KV∼30KV 수준의 직류 정전기를 발생시켜 코로나(Corona) 상태의 정전기 이온을 섬유 표면에 부착키는 것이다. US5225018을 보면 도칸법에 의한 직류 정전기 발생 및 부착 기술과 장치에 관해 잘 나타나 있다. 이 기술을 설명하면, (1)파이프(Pipe)를 통해 고속 연신된 필라멘트들을 경사진 반사판에 충돌시켜, 정전기가 각 섬유들의 표면에 고르게 부착될 수 있도록 플랫(Flat)한 상태로 만들어 준다. (2)경사진 반사판 하단에 배치된 고압 직류 정전기 부여장치에서 코로나(Corona) 상태의 직류 정전기가 섬유의 표면에 이동하여 부착되며, (3)섬유 표면에 부착된 정전기력에 의해 섬유들이 서로 밀어내고, 분리되어 확산한다.
커튼법에서의 정전기 필라멘트 분산기술에 관해서는 US5225018에 잘 개시되어 있다. 즉, 연신된 필라멘트들이 하방으로 토출되는 커튼(Curtain) 연신장치 하단에 장방형의 직류 정전기 인가장치를 배치하고, 코로나(Corona) 이온을 섬유 표면에 부착시키면, 섬유들 간의 정전기 척력에 의해 서로 분리, 확산된다.
이와 같이 정전기력에 의한 섬유 분산 방법은, 각 섬유들 간의 분리는 확실하게 작용하기 때문에 꼬임(twist), 교락(Entanglement)과 같은 미시적인 결점들은 잘 나타나지 않는 이점이 있다. 따라서 60gr/㎡ 이하의 저중량 부직포나 특히, 20gr/㎡ 이하의 초저중량 부직포를 제조할 경우, 제품상 나타날 수 있는 필라멘트 꼬임(twist)이나 뭉침에 의한 미세한 결점 발생을 개선할 수 있기 때문에 유리한 제조법이다. 또한, 섬유의 굵기에 따라 성능 발현이 크게 나타나지 않기 때문에 많이 사용되고 있다.
하지만 이와 같은 정전기 분리 기술은 필라멘트 섬유들을 횡(weft) 방향으로 강제 이동시켜 최종 부직포의 종방향 및 횡방향 인장강도를 균일하게 조정하는 방법을 제공하지 않는다. 즉, 정전기력에 의한 척력은 힘이 미약하므로, 필라멘트들 수준에서 분리력은 충분히 제공하지만, 횡방향으로 좀 더 먼 거리를 이동해야 하는 수준의 큰 힘은 발휘할 수 없는 것이다. 따라서 이와 같은 정전기 부여 기술을 이용하면, 저중량의 밀도분포가 우수한 부직포를 제조하는 데 있어서 유용하지만, 종방향 및 횡방향의 인장강도의 비율이 동등한 우수한 품질의 장섬유 부직포를 제조하기에는 부족하다.
도칸(Docan)법에서 종방향 및 횡방향의 강력비를 개선할 수 있는 방법을 제공하는 선행기술이 JP3106681에 개시되어 있다. 이 기술은 부직포 제조 길이방향(종방향)에 대해 수직(횡)방향으로 배열된 도칸 제트 파이프들 간의 간격을 조정해서, 필라멘트들을 가능한 횡방향으로 배열시키는 방안을 제공한다. 즉, 횡방향 인장강도를 상승시키고, 종방향의 인장강도 개선은 억제시켜 부직포의 종방향 및 횡방향의 인장강도를 균일하게 유지하는 방법이다.
상기 JP3106681의 부직포 중량 분포 개선에 관한 방법은 JP2988052 및 JP3269542에 나타나 있다. 상기의 JP3106681, JP2988052, JP3269542 모두 정전기를 이용해서 섬유들을 분리시키는 방법들로써, 고압 직류 정전기 발생장치를 이용하지 않고, 강제 마찰식 정전기 발생을 이용하는 방안들이다. 즉, 도칸법의 연신 파이프에서 고속으로 토출되는 필라멘트들을 하방에 배치된 충돌판에 마찰시키고, 이때 발생되는 정전기를 이용하여 섬유들 간의 꼬임(Twist), 교락(Entanglement)을 방지하는 동시에, 분산시켜 밀도 분포가 균일한 부직포를 연속 제조하는 방법이다.
이 방안들은 직접 직류 고전압을 발생시켜, 필라멘트들 표면을 대전시키는 방법들 보다 간단한 장치들을 사용할 수 있어서 유용하게 사용 될 수 있다. 그러나 (1)마찰체로서 납(Pb)을 주성분으로 이용하므로, 이때 섬유와 마찰, 마모되는 미량의 납(Pb) 미세 분말들이 제품인 부직포에 미량 함유되어 인체 및 환경에 유해할 수 있으며, (2)직류 고전압 발생장치(High Voltage Generator, HVG)를 이용하여 코로나(Corona) 방전을 발생시켜 직접 고전압을 섬유에 인가하지 않는 방법이어서, 정전기 대전량이 부족하여 많은 섬유들을 효과적으로 대전할 수 없다. 따라서 대량의 다수 섬유들을 마찰시켜 대전시킬 때 마찰체와 섬유들간의 마찰력을 균일하게 유지할 수 없기 때문에 대전 반발력의 불균일과 전체적인 마찰력이 부족하여 대전량을 충분히 확보할 수 없어 섬유 간 분리가 충분히 이루어지지 않을 수 있다.
즉, 생산성을 개선하기 위해 섬유 필라멘트 수를 증가시키면 정전기 대전의 불균일과 대전량의 부족해지는 현상이 나타날 수밖에 없다. 또한, 마찰체로서 납(Pb)을 주성분으로 하므로 위생용, 의료용, 필터용과 같은 수요가 많고 성장성과 수익률이 높은 시장에 접근하기 어려운 점도 단점이다.
이와 같이 종래의 기술들을 상세히 조사, 분석한 결과 장섬유 부직포의 중량 분포와 종방향 및 횡방향을 모두 만족시키는 우수한 기술은 찾아 볼 수 없었다. 특히, 60gr/㎡ 이하의 저중량 제품에서도 우수한 중량 분포와 종방향 및 횡방향의 강력비를 가지는 장섬유 부직포의 제조기술은 전무한 실정이다. 또한, 생산성과 인체친화 및 환경적인 측면을 모두 고려한 새로운 방안도 고려해야만 한다.
대한민국 등록특허 제10-0680373호
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 장섬유 부직포의 중량 분포와 종방향 및 횡방향의 강력비를 모두 만족시키는 우수한 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 60gr/㎡ 이하의 저중량 제품에서도 우수한 중량 분포와 종방향 및 횡방향의 인장강도를 가지는 장섬유 부직포의 제조기술을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
아울러, 생산성의 증대 및 인체의 친화적인 장섬유 부직포를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 장섬유 부직포를 제조하는 장치는 복수의 연신 파이프와 각각 연결되어 상기 복수의 연신 파이프를 통해 연신된 필라멘트들을 토출하는 복수의 노즐; 및 상기 필라멘트들을 포집하여 제1방향으로 이송시키는 컨베이어;를 포함하고, 상기 복수의 노즐은 상기 제1방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기로 배열되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 복수의 연신 파이프를 포함하고, 방사블록으로부터 방사된 장섬유의 필라멘트 번들을 상기 복수의 연신 파이프를 통해 연신시키는 연신부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 노즐은 상기 복수의 연신 파이프의 하부에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 복수의 연신 파이프와 연동되고, 열가소성 합성섬유를 고온에 녹여 상기 복수의 연신 파이프로 장섬유의 필라멘트 번들을 방사시키는 적어도 하나의 방사블록;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방사블록은 상기 제1방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기로 배열되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 방사블록이 0이 아닌 기울기로 배열되는 각도는 20도 내지 80도 사이인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방사블록은 복수로 구비되고, 상기 방사블록이 배열되는 간격은 0.5M 내지 2.0M 사이인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 복수의 노즐이 서로 배열되는 간격은 수평간격으로 40mm 내지 150mm 사이인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 복수의 노즐이 서로 배열되는 간격은 수직간격으로 적어도 30mm인 것을 특징으로 하는 한다.
또한, 상기 복수의 노즐이 0이 아닌 기울기로 배열되는 각도는 20도 내지 80도 사이인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 복수의 노즐이 0이 아닌 기울기로 배열되는 각도는 30도 내지 45도 사이인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 노즐의 상단 또는 하단에 구비되어, 상기 복수의 연신 파이프에 압축공기를 유입시키고, 상기 필라멘트들의 표면에 이온을 부착시켜 상기 필라멘트들을 대전시킴으로써, 상기 필라멘트들을 분리 및 확산시키는 코로나 대전부;를 포함하는 특징으로 한다.
또, 상기 복수의 노즐에 각각 대응하여 상기 복수의 노즐 각각으로부터 소정의 거리가 이격되어 형성되며, 상기 필라멘트들에 가해지는 공기의 흐름을 차단하는 복수의 기류간섭방지판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 복수의 기류간섭방지판 중 하나의 폭은 상기 복수의 노즐 중 하나의 수평간격에 20mm 내지 100mm 사이를 더한 수치이고, 세로길이는 50mm 내지 150mm 인 것을 특징으로 한다.
또, 기류간섭방지판 중 하나 및 상기 복수의 노즐 중 하나 사이의 이격된 간격은 6mm 내지 30mm 사이인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 기류간섭방지판 중 하나가 기울어지는 각도는 지면으로부터 수직인 상태를 기준으로 0도 내지 30도 사이인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 장섬유 부직포를 제조하는 장치는 복수의 연신 파이프와 각각 연결되어 상기 복수의 연신 파이프를 통해 연신된 필라멘트들을 토출하는 복수의 노즐; 및 상기 필라멘트들을 포집하여 제1방향으로 이송시키는 컨베이어;를 포함하고, 상기 제1방향으로부터 수직인 방향에 대해 상기 필라멘트들이 상기 컨베이어에 접촉하여 포집되는 지점은 각각 상이한 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 장섬유 부직포를 제조하는 방법은 방사블록이 열가소성 합성섬유를 고온에 녹여 장섬유의 필라멘트 번들로 방사시키는 단계; 복수의 연신 파이프를 통해 상기 방사된 필라멘트들을 연신시키는 단계; 상기 복수의 연신 파이프마다 연결된 복수의 노즐이 상기 필라멘트들을 토출하는 단계; 기류간섭방지판이 상기 필라멘트들에 가해지는 공기의 흐름을 차단하는 단계; 상기 복수의 노즐로부터 컨베이어로 상기 필라멘트들이 포집되어 배열되는 단계; 및 배열된 상기 필라멘트들을 제1방향으로 이송하여 결합시키는 단계;를 포함하되, 상기 복수의 노즐은 상기 제1방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기로 배열되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 장섬유 부직포는 방사블록이 열가소성 합성섬유를 고온에 녹여 장섬유의 필라멘트 번들로 방사시키는 단계; 복수의 연신 파이프를 통해 방사된 필라멘트들을 연신시키는 단계; 상기 복수의 연신 파이프마다 연결된 복수의 노즐이 상기 필라멘트들을 토출하는 단계; 기류간섭방지판이 상기 필라멘트들에 가해지는 공기의 흐름을 차단하는 단계; 상기 복수의 노즐로부터 컨베이어로 상기 필라멘트들이 포집되어 배열되는 단계; 및 배열된 상기 필라멘트들을 제1방향으로 이송하여 결합시키는 단계;를 포함하되, 상기 복수의 노즐은 상기 제1방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기로 배열되는 것을 특징으로 하는 방법으로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 장섬유 부직포를 제조하는 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 도칸법을 기반으로 필라멘트 연신용 제트 파이프(pipe)를 부직포 제조 진행방향의 수직방향에 대해 사선(Bias)으로 배치하기 때문에 횡방향으로의 섬유 이동을 효과적으로 추진할 수 있고, 같은 제조 폭으로 제조되는 종래 기술에 비하여 더 많은 파이프들을 밀집하여 배치할 수 있기 때문에 생산성과 중량분포 개선에 유리하다.
둘째, 파이프의 하단에 코로나 발생 장치를 구비하여 섬유들 간의 꼬임, 교락과 같은 문제점들을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 섬유들을 효율적으로 분산시키기 때문에 생산성이 우수하다.
도1은 종래의 장섬유 부직포를 제조하는 장치의 개략도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 장섬유 부직포를 제조하는 장치를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도3은 도2에 도시된 장섬유 부직포를 제조하는 장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도4는 도3에 도시된 방사블록의 배치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도5는 도2에 도시된 장섬유 부직포를 제조하는 장치에서 연신되어 배출된 필라멘트들을 대전시키는 구조를 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도6은 도5에 도시된 필라멘트들을 대전시키는 구조의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도7은 도5에 도시된 필라멘트들을 대전시키는 구조의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.
본 발명에서는 전술한 종래 기술의 단점들을 보완하고 품질과 결점 개선 면에서 완벽하면서도 생산성과 환경측면을 동시에 고려하며, 장섬유 부직포를 구성하는 섬유의 굵기와 제조되는 부직포의 중량에 관계없이 우수한 제품을 연속적으로 생산할 수 있는 방법을 발명하였다.
본 발명의 설명을 돕기 위해 도면을 예시하였으며, 도면을 활용하여 본 발명의 자세한 설명을 하고자 한다.
도1은 종래의 장섬유 부직포를 제조하는 장치의 개략도이고, 도2는 본 발명의 실시예에 따른 장섬유 부직포를 제조하는 장치를 개략적으로 나타낸 측면도이며, 도3은 도2에 도시된 장섬유 부직포를 제조하는 장치를 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도4는 도3에 도시된 방사블록의 배치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도1 내지 도4에 도시된 바와 같이, 밀도의 분포가 균일함과 동시에 종방향과 횡방향의 인장강도가 유사한 장섬유 부직포를 제조하는 장치(이하 "장섬유 부직포를 제조하는 장치"라 함)는 원료 저장 및 공급 탱크(110), 압출부(120), 용융 원료 공급 및 분배부, 방사블록(130), 배기부(140), 필라멘트 냉각부(150), 연신부(160), 코로나 대전부(170), 고전압 발생부(180), 노즐(190), 기류간섭방지판(200), 컨베이어(210), 흡입부(220), 캘린더롤(230), 냉각롤(240), 와인더(250)를 포함할 수 있다.
원료 저장 및 공급 탱크(110)는 열가소성 합성섬유의 원료가 저장되어 있고, 열가소성 합성섬유의 원료를 압출부(120)로 공급하는 구성이다.
압출부(120)는 수평적인 형태로 구비되어 공급된 열가소성 합성섬유의 원료를 용융시키고, 방사블록(130)으로 압출하는 구성이다.
방사블록(130)은 고온에 용융된 열가소성 합성섬유의 원료를 방사노즐을 통해 방사함으로써 장섬유를 제조하는 구성이다. 이러한 방사블록(130)은 컨베이어(210)가 필라멘트들을 이송시키는 진행 방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기로 배열될 수 있다. 방사블록(130)은 복수로 구비되어 컨베이어(210)의 수직방향으로 배열될 수 있고, 복수의 방사블록(130)은 서로 소정의 거리로 이격되어 배열될 수 있다.
배기부(140)는 고온으로 열가소성 합성섬유의 원료를 용융시킬 시 발생하는 가스를 외부로 배출하는 구성이다.
필라멘트 냉각부(150)는 방사블록(130)에 의해 장섬유로 제조된 필라멘트 번들(1)을 냉각시키는 구성이다. 이러한 방사블록(130)을 통해 제조된 필라멘트 번들(1)은 열이 가해진 상태이므로 고온을 유지하고 있다. 이 때 고온으로 유지된 필라멘트 번들(1)은 고온 상태에서 형태가 매우 유동적이기 때문에 이동 시에 필라멘트 번들(1) 형태에서 변화될 수 있다. 따라서 필라멘트 냉각부(150)는 장섬유로 제조되어 방사된 필라멘트 번들(1)에 냉각 공기를 제공하여 온도를 감소시킴으로써, 장섬유 형태를 유지시킨다.
연신부(160)는 방사블록(130)의 하단에 구비되어 방사된 필라멘트 번들(1)을 연신하는 구성이다. 이러한 연신부(160)는 연신 파이프(160')를 포함할 수 있고, 유입된 압축공기를 이용하여 고속으로 연신할 수 있다. 연신된 필라멘트들은 높은 인장강도와 낮은 열수축율을 가지므로 후속 공정에서 연속적으로 가해지는 높은 장력 및 높은 온도에도 불구하고 고유 물성을 잃지 않는다. 연신이 완료된 후에는 필라멘트가 연신 파이프(160')를 거쳐 노즐(190)로 이동된다. 연신부(160)는 방사블록(130)과 연동될 수 있고, 컨베이어(210)가 필라멘트들을 이송시키는 진행 방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기로 방사블록(130)이 배열되는 경사 각도에 따라 동일한 경사 각도로 복수의 연신 파이프(160')가 배열될 수 있다. 예를 들어, 방사블록(130)이 컨베이어(210)가 필라멘트를 이송시키는 진행 방향으로부터 수직인 방향에 대해 30도로 배열되는 경사 각도를 형성한다면, 복수의 연신 파이프(160') 또한 컨베이어(210)가 필라멘트를 이송시키는 진행 방향으로부터 수직인 방향에 대해 30도로 배열되는 경사 각도를 형성하는 것이다.
코로나 대전부(170)는 노즐(190)의 상단 또는 하단에 구비되어 상기 필라멘트들의 표면에 이온을 부착시켜 연신된 필라멘트들을 분리 및 확산시키는 구성이다. 이러한 코로나 대전부(170)에는 복수의 대전침(172)이 구비되어 있고, 대전침(172)이 대전전극(171)에 의해 대전되어 필라멘트를 대전시킬 수 있다. 또한, 대전전극(171) 표면에는 다수의 홀이 형성되어 있고, 코로나 대전부(170) 일측에서 압축공기가 유입되어 대전전극(171) 표면에 형성된 홀을 통해 필라멘트로 분출할 수 있다. 또, 보호커버(173)는 대전침(172)을 외부로부터 보호할 수 있다. 아울러, 접지전극(174)과 대전전극(171)은 접지를 형성한다. 예를 들어, 코로나 대전부(170)는 연신 파이프(160')를 통해 연신된 필라멘트가 중력에 의해 하단으로 이동될 시 필라멘트가 연신 파이프(160')에서 이동되는 부근에 위치할 수 있다. 이에 따라, 코로나 대전부(170)는 대전침(172)으로 필라멘트에 이온을 주입함으로써 필라멘트들이 모두 (+)극 또는 (-)극의 한쪽으로 극성을 띄도록 하는 것이다. 하나의 극성으로 대전된 필라멘트들은 서로 척력이 발생하고, 척력에 의해 필라멘트들은 연신된 상태를 유지하여 서로 번들화 되지 않으면서 노즐(190)에서 토출될 수 있다.
고전압 발생부(180)는 코로나 대전부(170)에 전압을 인가하여 코로나 대전부(170)의 대전침(172)을 (+)극, 또는 (-)극으로 대전시키는 구성이다.
노즐(190)은 연신 파이프(160')의 하부에 각각 연결되어 연신된 필라멘트를 외부로 토출시키는 구성이다. 이러한 노즐(190)은 연결되어 있는 연신 파이프(160')와 동일하게 컨베이어(210)가 필라멘트들을 이송시키는 진행 방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기로 경사 각도를 형성하여 배열될 수 있다. 이에 따라 노즐(190)에서 토출된 필라멘트들은 도2에 도시된 바와 같이, 컨베이어(210)에 경사를 이루어 포집될 수 있고, 이에 따라 각각의 필라멘트들은 컨베이어(210)에서 포집되는 지점이 서로 상이할 수 있다. 즉, 컨베이어(210)의 진행방향에서 수직을 이루는 어느 한 지점으로부터 각각의 필라멘트가 포집되는 지점의 거리가 모두 상이한 것이다. 예를 들어 복수의 노즐(190)이 컨베이어(210)가 필라멘트들을 이송시키는 진행 방향으로부터 수직인 방향에 대해 30도로 배열되어 있다면, 토출된 필라멘트 또한 컨베이어(210)에서 포집될 시 필라멘트가 포집되는 지점들이 이루는 직선이 컨베이어(210)의 수평방향에 대해 30도로 형성됨을 의미한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 포집되는 지점들 중 적어도 두 지점이 컨베이어(210)의 진행방향으로부터 수직방향의 영역으로부터 서로 다른 거리에 위치할 수 있다. 예컨대, 두 개 또는 세 개 지점 단위로 상기 수직방향에 대해 일정한 기울기를 가질 수도 있다.
기류간섭방지판(200)은 노즐(190)마다 소정의 거리가 이격된 위치에 구비되어, 필라멘트에 가해질 수 있는 공기흐름을 차단하는 구성이다. 이러한 기류간섭방지판(200)은 지면으로부터 수직방향으로 구비되어 있으며, 소정의 각도로 기울어지는 것이 가능하다. 예를 들어, 기류간섭방지판(200)은 지면의 수직방향으로부터 30도로 기울어져 노즐(190)로부터 토출된 필라멘트가 충돌할 수 있다.
컨베이어(210)는 기류간섭방지판(200) 및 노즐(190) 하부에 구비되어, 노즐(190)에서 토출된 필라멘트를 포집하고, 배열된 필라멘트를 이송시키는 구성이다.
흡입부(220)는 내부에 남아있는 압축공기를 외부로 배출시키는 구성이다.
캘린더롤(230)은 컨베이어(210)에 배열된 필라멘트를 압착 및 결합하여 부직포를 제조하는 구성이다.
냉각롤(240)은 제조된 부직포를 냉각시키는 구성이다.
와인더(250)는 제조 완료된 부직포를 소정의 길이로 권취하는 구성이다.
이하에서는 도면과 함께 구체적으로 본 발명의 구조를 설명하기로 한다. 장섬유 부직포 제조공정은 크게 세 부분으로 나누어질 수 있다.
첫 번째는 열가소성 합성섬유를 고온에 녹여 방사노즐을 통해 장섬유를 제조하는 방사(Spinning)공정으로써, 일반적인 장섬유 필라멘트 제조공정과 유사하다.
두 번째는 방사된 열가소성 필라멘트들을 고속으로 연신시켜 고강도섬유를 제조한 다음, 필라멘트들을 분산시키는 구성을 이용해서 각각의 필라멘트들을 분리한 후, 컨베이어(210) 상에 균일하게 배열하는 것이다. 이 공정을 웹(web) 제조공정이라고도 일컫는다.
마지막 세 번째는 복수의 필라멘트들로 이루어진 웹(web)을 결합시켜 인장강도를 포함한 물리적인 성질을 부여하는 결합(Bonding)공정이다. 이러한 결합공정에서는 다양한 기술들이 사용될 수 있으나, 일반적으로는 가장 범용적인 장치인 열접착법(Thermal Bonding) 중에서 캘린더롤(230)을 많이 사용한다. 따라서 본 발명에서도 캘린더롤(230)을 사용하여 부직포를 결합시키는 것으로 설명한다.
여기서, 필라멘트는 필라멘트 섬유를 간단히 줄인 말로써, 필라멘트는 필라멘트 섬유와 동일한 의미를 갖는다.
이와 같은 공정 중에서 두 번째인 웹(web) 제조공정은 부직포의 성능을 결정하는 핵심 공정이기 때문에 다양한 기술과 장치를 개발하여 사용하고 있다.
도3에서는 본 발명에서 목표로 하는 중량분포가 균일하면서 종방향 및 횡방향의 인장강도가 같은 장섬유 부직포를 제조하기 위해 방사블록(130), 연신파이프 및 노즐(190)의 경사진 배열을 통해 분할 경사(Bias) 배열법의 핵심적인 웹(web) 제조 배열방법이 나타나 있다.
또한, 본 발명의 분할 경사 배열법과 비교한 종래의 배열법은 도1에서 볼 수 있다.
도1을 보면 웹(web) 제조 진행방향에 대해 수직방향으로 배열 및 설치된 방사블록(40)과, 방사블록(40)의 하부로 평행하게 설치된 복수의 연신 파이프(30)를 포함하는 연신부(30) 및 복수의 노즐(20)이 구비되어 있으며, 복수의 노즐(20)과 일정한 거리를 유지하면서 일체형으로 평행하게 배열된 충돌판(10)이 설치되어 있다. 이러한 배열에서는 노즐(20)간의 간격이 부직포의 중량분포와 종방향 및 횡방향 인장강도 발현에 아주 중요한 역할을 수행한다.
도1에서와 같은 개념에 기초하여 종래에는 노즐(20)의 간격을 넓게 조정하여 필라멘트들을 횡방향으로 넓게 분산시키는 구조를 채택함으로써, 부직포의 종횡방향 인장강도를 균일하게 유지하는 방안을 제안했었다.
그러나 이와 같은 구조는 노즐(20)의 간격이 상대적으로 넓기 때문에 노즐(20)을 설치하는 개수가 줄어드는 단점이 있다. 즉, 생산성이 하락할 수 있는 것이다. 또한, 노즐(20)의 간격이 넓기 때문에 인장강도 비율은 개선되지만, 노즐(20)이 분산시켜야 하는 면적도 넓어지기 때문에 중량분포가 불량해질 수 있다.
본 발명은 도3에 보면 알 수 있듯이 본 발명은 방사블록(130)이 웹(web) 진행방향, 즉 컨베이어(210)가 진행하는 방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기로 배열되어 경사 각도를 형성하는 것이다. 여기서, 방사블록(130)은 복수의 연신 파이프(160') 및 복수의 노즐(190)과 연동되어 있다. 본 발명에서 복수의 노즐(190)은 각각 일정한 거리를 유지함으로써 본 발명에서 설명하는 효과가 발생한다. 즉, 노즐(190)의 수평간격(l1)과 수직거리(l2)는 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 결과적으로, 본 발명에서는 노즐(190)간 수평간격(l1)과 수직거리(l2)를 일정한 범위 내에서 유지하기 위해 복수의 노즐(190)과 연동되어 있는 방사블록(130)의 경사 각도를 형성하고, 이에 따라 복수의 연신 파이프(160') 및 복수의 노즐(190) 또한 방사블록(130)과 연동하여 컨베이어(210)가 진행하는 방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기로 배열되어 경사 각도가 형성되는 것이다.
따라서 본 발명에서 방사블록(130)의 경사 각도는 웹(web) 또는 필라멘트의 진행방향, 즉 컨베이어(210)의 진행방향으로부터 수직인 방향에 대해 20도 이상 유지하는 것이 좋다. 또, 최대 각도는 80도 이하로 유지시켜주는 것이 좋다. 더 좋기로는 25도∼50도 수준이 바람직하며, 30도∼45도 수준이 가장 바람직하다. 본 발명에서 노즐간격(l0)은 수평간격(l1)과 수직거리(l2)로 나누어지며, 각각의 노즐(190)은 일정한 거리를 유지함으로써 본 발명에서 설명하는 효과가 발생한다.
그러므로 본 발명에서 노즐(190)의 수평간격(l1)은 40mm 이상 유지하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하기는 70mm 이상이며, 150mm를 초과하면 바람직하지 않다. 가장 바람직한 것은 70∼120mm 범위가 바람직하다.
여기서, 노즐(190)의 수평간격(l1)이 40mm 미만이 되면 노즐(190)간 거리가 근거리이기 때문에 인접한 노즐(190)에서 분출되어 나오는 다량의 공기류에 의해 필라멘트들끼리 간섭이 발생하기 쉽다. 아울러, 수평간격(l1)이 150mm를 초과하면 노즐간격(l0)이 멀어져서 부직포의 중량분포가 불량해질 수 있다. 따라서 수평간격(l1)은 본 발명에서 제시하는 거리로 유지해야 한다.
본 발명에서 수직거리(l2)도 중요한 변수이다. 수직거리(l2)는 30mm 이상을 유지해야 하며, 넓을수록 인접한 노즐(190) 간의 간섭이 적기 때문에 바람직하다. 그러나 노즐(190) 간의 이격된 간격이 멀어지면, 즉 방사블록(130)의 경사각도가 너무 크면, 컨베이어(210)의 크기도 필요 이상으로 증가하기 때문에 제작 및 운전 유지에 많은 노력이 필요하게 된다. 따라서 수직거리(l2)는 일정한 간격 이하로 내려가지 않고, 안정적인 운전이 가능한 범위 내로 유지하는 것이 바람직하다.
방사블록(130)의 경사각도가 60도를 초과하게 되면, 제조되는 부직포의 폭이 일정할 때 더 많은 노즐(190)을 설치할 수 있게 되어 생산량을 증가시킬 수 있는 동시에 밀도 분포는 더욱 균일하면서 종방향 및 횡방향 인장강도가 우수한 부직포를 제조할 수 있는 이점이 있다.
그러나 앞서 설명하였듯이 경사 각도가 너무 크면 컨베이어(210)의 길이가 증가하게 되기 때문에 제작과 운전에서 어려운 점이 있다. 따라서 운전환경을 고려하여 방사블록(130)의 기울기 각도는 25도∼50도 범위 내에서 유지하는 것이 바람직하다. 그러나 제작환경에 따라 각도를 60도∼80도 수준으로 변경해서 부직포를 제조하는 것도 가능하다.
여기서, 복수개의 방사블록(130)과 복수의 연신 파이프(160') 및 복수의 노즐(190)이 컨베이어(210)의 진행방향으로부터 0이 아닌 기울기로 배열되어 경사 각도를 형성하는 것을 설명하였으나, 실시하기에 따라 방사블록(130)은 종래와 같이 컨베이어(210)의 진행방향에 대해 0의 기울기로 배치되더라도, 복수의 연신 파이프(160') 및 복수의 노즐(190)이 컨베이어(210)의 진행방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기로 배열되어 경사 각도를 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같이 본 발명은 노즐간격(l0) 거리를 150mm 이하로 좁혀서 우수한 품질의 부직포를 제조 가능한 방안을 제시하였다. 본 발명에 따르면, 더욱 많은 수의 노즐(190)을 설치할 수 있게 되어, 생산성이 증가하고 밀도 분포는 더욱 균일한 제품을 제조할 수 있게 된다. 즉, 종래기술에서는 종방향 및 횡방향의 인장강도 비율이 1.2 이상으로써 여전히 종방향 인장강도가 높게 나타나지만, 본 발명의 방법으로는 종방향 및 횡방향의 인장강도 비율이 1.0을 달성할 수 있다.
여기서, L1은 노즐(190)의 수평간격(l1)의 총합이고, L0은 노즐간격(l0)의 총합이다. 따라서 L0와 L1가 이루는 각도 또한 l0와 l1가 이루는 각도
Figure 112019021213249-pat00001
와 동일하다.
또한, 본 발명에서는 노즐(190) 하부에 설치된 기류간섭방지판(200)에 의해 밀도 분포가 균일한 장섬유 부직포가 제조될 수 있다.
종래기술에서는 마찰에 의한 정전기를 발생시키기 위해 충돌판(10)을 마련하여 필라멘트들이 충돌판(10)에 충돌함으로써, 마찰전기가 발생하도록 하였다. 따라서 보다 많은 정전기를 발생시키기 위해 연신 파이프(30)에 공급하는 압축공기량을 증가시킬 수밖에 없었으며, 마찰을 효과적으로 발생시키기 위해 합성섬유와의 대전서열이 높은 납(Pb)과 같은 중금속 물질을 충돌판(10)의 소재로 사용하였다. 또한, 노즐(20)을 배열할 시 노즐(20)이 일렬로 배치된 상태에서 충돌판(10)을 전방에 긴 일체형으로 제작하여 사용하는 한계가 있었다.
하지만 본 발명에서는 방사블록(130) 또는 복수의 연신 파이프(160') 및 복수의 노즐(190)이 컨베이어(210)의 진행방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기로 배열되어 경사 각도가 형성된다. 따라서 인접 노즐(190)간의 기류간섭을 최소화하기 위해 일체형의 긴 충돌판(10) 대신에 각 노즐(190) 전방 하부에 분할되어 충돌판보다 짧은 폭의 기류간섭방지판(200)이 구비된다. 기류간섭방지판(200)은 인접한 노즐(190)에서 토출된 대량의 공기류가 확산함에 따라 공기의 와류(Turbulence)가 발생되는 것을 방지하고, 공기흐름을 차단하다.
종래기술에서 채택된 긴 일체형의 충돌판(10)을 사용하면 폭의 양쪽 방향으로 기류가 흩어질 수 있기 때문에 노즐(20)간에 서로 간섭하는 현상을 방지하는 것이 불가능하다. 기류가 간섭하면 폭의 양쪽 방향으로 이동하는 필라멘트들의 진행을 방해할 뿐만 아니라, 와류도 발생하게 되어 부직포의 중량분포와 종방향 및 횡방향 인장강도의 비율 또한 불량해질 우려가 있다. 따라서 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 노즐(190)마다 분할된 폭이 짧은 기류간섭방지판(200)을 구비하여 공기의 와류가 발생되는 것을 방지하고, 공기흐름을 차단하는 것이다.
본 발명의 기류간섭방지판(200)의 폭(la)은 노즐(190)의 수평간격(l1)+(20mm 내지 100mm) 정도의 수치가 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 노즐(190)의 수평간격(l1)+(20mm 내지 60mm) 수준이 바람직하다.
여기서, 폭(la)이 너무 짧으면 횡 방향으로 이동하는 기류가 웹(web) 진행 방향으로 유출될 수 있고, 이에 따라 중량분포와 종방향 인장강도가 증가하는 상황이 발생할 수 있다. 반대로, 폭(la)이 너무 길면 설치와 운전이 어려운 문제점이 있다.
기류간섭방지판(200)의 소재는 세라믹과 같은 무정전 재료가 바람직하지만, 접지한 도전체를 사용해도 무방하다. 또한, 대전된 필라멘트들과 같은 극성으로 대전시킨 소재를 사용할 수도 있다. 결과적으로, 대전된 필라멘트들이 기류간섭방지판(200)에 달라붙지 않는 다면 어떤 소재를 사용해도 무방하다.
기류간섭방지판(200)의 세로길이(lb)는 50mm 내지 150mm 수준이 바람직하다. 여기서, 기류간섭방지판(200)의 세로길이(lb)가 너무 짧으면 하단 방향으로 이동하는 기류가 웹(web) 진행 방향, 즉 컨베이어(210)가 이송시키는 방향으로 유출될 수 있고, 이에 따라 중량분포와 종 방향 인장강도가 증가할 수 있다. 또한, 기류간섭방지판(200)의 세로길이(lb)가 너무 길면 필라멘트들이 노즐(190)에서 토출되는 속도가 하락하여 기류간섭방지판(200)에 섬유들이 부착되어 버리는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 기류간섭방지판(200)의 폭(la)과 세로길이(lb)는 앞서 설명한 바와 같이 유지하는 것이 바람직할 것이다.
기류간섭방지판(200)은 수직으로 유지하는 것이 바람직하지만, 노즐(190)에서 토출된 필라멘트들의 부착을 방지하기 위해 일정한 각도를 유지하여 형성될 수 있다. 즉, 기류간섭방지판(200)이 지면으로부터 수직방향에서 기울여지는 각도(β)는 너무 크면 웹(web) 진행 방향, 즉 컨베이어(210)가 이송시키는 방향으로 기류가 방출되기 때문에 중량분포가 나빠지고, 종 방향 인장강도가 증가질 수 있다. 따라서 30도 이하로 유지하며, 더욱 바람직하기로는 20도 이하로 유지한다.
기류간섭방지판(200)과 노즐(190) 사이의 간격(d)도 일정한 거리를 유지하는 것이 필요하다. 간격(d)이 좁으면 간헐적인 방사성 불량에 의해 나타나는 절사(Yarn Break), 드롭(Drop)과 같은 현상에 의해 노즐(190)이 막히는 경우가 발생한다. 또, 간격(d)이 넓으면 노즐(190)에서 토출된 필라멘트들의 주행속도가 하락하여 기류간섭방지판(200)에 필라멘트들이 부착되는 경우가 발생한다. 따라서 기류간섭방지판(200)과 노즐(190) 사이의 간격은 6mm 내지 30mm 수준을 유지하는 것이 바람직하다.
도3에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 생산성을 더욱 증가시키기 위해 방사블록(130)을 웹(web) 진행 방향으로 2개 이상 복수로 구비할 수 있다. 이 경우, 복수로 배치되는 방사블록(130) 간의 간격(W)이 중요하다. 즉, 방사블록(130) 간의 간격(W)이 좁으면 전열 및 후열에서 분사되는 공기류가 서로 간섭하여 필라멘트의 밀도 분포가 불균일해 지는 가능성이 있으며, 반대로 간격(W)이 넓어지면 공기 간섭의 가능성은 감소하지만, 컨베이어(210)의 크기가 필요 이상으로 증가되어 제작이 어렵고 비용이 많이 소요될 수 있다. 따라서 적당한 간격(W)을 유지할 필요가 있는데, 이는 0.5M 내지 2.0M 수준이 바람직하다.
본 발명에서는 도면에 도시된 바와 같이, 직류 코로나 대전부(170)를 구비할 수 있다. 이를 도5를 통해 설명하기로 한다.
도5는 도2에 도시된 장섬유 부직포를 제조하는 장치에서 연신되어 배출된 필라멘트들을 대전시키는 구조를 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도5에 도시된 바와 같이, 코로나 대전부(170)는 고전압 발생부(180)(High Voltage Generator, HVG)에서 발생시킨 직류 고전압을 대전침(172)에 연결하여 이온빔(Ion Beam)을 발산하는 코로나를 방사한다. 대전침(172)에서 발생된 직류 이온은 연속으로 이동하는 필라멘트들 표면에 부착 및 대전되면서 같은 극으로 대전된 이온의 반발력으로 섬유들을 분리 및 확산시킬 수 있다.
본 발명에서 코로나 대전부(170)는 섬유 표면에 부착되는 이온량을 증가시키기 위해 코로나 대전부(170)에 압축공기를 유입시킨다. 압축공기는 수분과 불순물이 함유하지 않은 깨끗한 공기를 사용해야 한다(Instrument Air, IA). 수분과 불순물이 포함되어 있는 공기를 사용하면, 고압으로 대전할 시 스파크(Spark)가 발생하거나 절연된 부분이 파괴될 수 있고, 대전침(172)이 오염되는 문제점들이 발생할 수 있다. 대전전극(171)은 전기가 통하는 것이 용이한 동(Copper)이나 황동(Brass) 소재를 사용하고, 대전침(172)은 우수한 강도와 인성을 지닌 스테인리스를 재료로 구비되며, 대전전극(171)의 표면에는 직경 0.3mm 내지 1.0mm 수준의 구멍이 형성된다. 압축공기의 공급량은 정해져 있지 않지만, 대전전극(171) 후단에 공급되는 압축공기의 압력이 0.05∼1.0kg/㎠G 수준이 되도록 조정한다.
코로나 대전부(170)에 유입된 압축공기는 대전전극(171)에 형성된 구멍을 통해 대전침(172) 주위로 분출될 수 있다. 분출된 압축공기는 대전침(172) 선단부에서 발생하는 이온의 양을 증가시키며, 대전된 공기의 이온이 보다 필라멘트들 쪽으로 용이하게 접촉되도록 하여 필라멘트들에 이온의 부착량을 증가시키는 동시에 균일하게 부착되도록 한다. 또한, 대전침(172) 표면에 오염물질이 부착되는 것을 방지하여 대전침(172)의 수명을 증가시키는 역할도 수행할 수 있다.
아울러, 대전침(172)의 앞에는 보호커버(173)가 구비되어 필라멘트들이나 기타 이물질들이 대전침(172)에 직접 접촉되지 않도록 보호한다. 보호커버(173)의 재질은 전기가 통하지 않는 절연물질로 구성된다.
대전전극(171)에 압축공기가 유입되는 통로의 크기는 대전침(172) 선단에 항상 공기가 유입될 수 있도록 형성하여 공기압력을 조정할 수 있다. 압축공기의 공급 압력이 높으면 수직 하방으로 토출되는 필라멘트 및 공기류와 접촉하게 되어 와류를 발생할 수 있다. 따라서 유입되는 압축공기의 압력을 낮게 유지하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 도6 및 도7을 통해 코로나 대전부(170)와 구조를 다양하게 실시할 수 있다.
도6은 도5에 도시된 필라멘트들을 대전시키는 구조의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도7은 도5에 도시된 필라멘트들을 대전시키는 구조의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도6 내지 도7에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 코로나 대전부(170)의 위치가 노즐(190)의 하부로 위치하는 것 또한 가능하다. 즉, 도6에서는 연신 파이프(160')를 통해 연신된 필라멘트들이 노즐(190)에서 토출될 시 기류간섭방지판(200)에 먼저 충돌한 후에 코로나 대전부(170)에 의해 대전되는 것이다. 이에 따라, 노즐(190)에서 토출될 시 필라멘트들이 대전되지 않더라도, 분출된 후에 필라멘트들이 코로나 대전부(170)에 의해 대전될 수 있고, 코로나 대전부(170)에 유입된 압축공기는 대전전극(171)에 형성된 구멍을 통해 대전침(172) 주위로 분출됨으로써, 대전침(172) 선단부에서 발생하는 이온의 양을 증가시키며, 대전된 공기의 이온이 보다 필라멘트들 쪽으로 용이하게 접촉되도록 하여 필라멘트들에 이온의 부착량을 증가시키는 동시에 균일하게 부착될 수 있다.
또한, 도7에서는 기류간섭방지판(200)이 지면으로부터 수직방향에서 기울여지는 각도(β)만큼 코로나 대전부(170) 또한 측면이 기울여져 형성될 수 있다. 이에 따라, 코로나 대전부(170) 내부에 구비된 대전침(172) 또한 하부로 갈수록 코로나 대전부(170)의 측면과 동일하게 길어짐으로써, 기류간섭방지판(200)이 지면으로부터 수직방향에서 기울여지는 각도(β)에서 대전되는 위치를 유지할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에서는 방사블록(130)이 열가소성 합성섬유를 고온에 녹여 장섬유의 필라멘트 번들(1)로 방사시키고, 복수의 연신 파이프(160')를 통해 방사된 필라멘트들을 연신시키며, 복수의 연신 파이프(160')마다 연결된 노즐(190)이 필라멘트들을 토출하고, 기류간섭방지판(200)이 필라멘트들에 가해지는 공기의 흐름을 차단하며, 컨베이어(210)로 필라멘트들이 포집되어 배열되고, 필라멘트들을 제1방향으로 이송하여 결합시킴으로써 장섬유 부직포를 제조할 수 있다.
본 발명에서 코로나 대전부(170)는 60gr/㎡ 이하의 저중량 부직포나 또는 필라멘트의 굵기가 3데니어 이하의 가는 필라멘트 및 생산성을 증대시키기 위해 필라멘트의 가닥수를 증가시킬 때 특히 유용한 방법이다. 예를 들면, 20gr/㎡ 이하의 저중량 부직포는 컨베이어(210)의 속도가 높으므로 밀도 분포가 불균일해지기 쉽고, 부직포를 구성하는 장섬유 필라멘트들이 제조되는 길이방향으로 배열되기 쉽다. 그러나 본 발명과 같이 코로나 대전부(170) 및 코로나 대전부(170)에 압축공기를 유입시키면 필라멘트들이 용이하게 대전되어 분리 및 분산되며, 필라멘트 간의 꼬임(Twist), 교락(Entanglement)과 같은 문제점들이 발생할 확률이 감소하여 중량분포가 우수한 부직포를 제조할 수 있다. 또, 필라멘트 굵기와 숫자에 관계없이 충분히 섬유 표면을 대전시켜 분산시킬 수 있다.
이는 종래의 마찰식 대전방식에서 불가능한 효과이며, 본 발명에서는 압축공기를 유입시켜 대전침(172)을 용이하게 대전시키고, 사용수명을 개선할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 코로나 대전부(170)를 구비하여 생산성과 품질을 모두 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라 다양한 제품군을 동일 설비에서 생산하도록 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명은 장섬유 부직포의 중량 분포와 종횡 강력비를 모두 만족시키는 우수한 기술을 제공한다. 특히, 60gr/㎡ 이하의 저중량, 20gr/㎡ 이하의 초저중량 제품에서도 우수한 중량 분포와 종횡방향 강력비가 동등한 새로운 장섬유 부직포의 제조기술은 제공한다. 또한, 제조되는 필라멘트의 굵기와 상관없이 생산성을 개선할 수 있고, 동시에 장섬유 부직포 제품의 제조 및 사용 시에도 인체에 친화적이고, 환경 친화적이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 대해 설명하기로 한다. 본 발명의 효과와 결과는 하기의 실시예에 국한되지 않는다. 본 실시예와 비교예에서 제조된 부직포의 물리적 성능은 JIS L 1906(장섬유부직포의 평가방법)을 이용하여 평가하였다. 본 실시예는 도2 내지 도7에 도시된 장치의 구조 및 이상의 설명을 기반으로 실시하였다.
[실시예 1∼3, 비교예 1∼2]
고유점도(IV) 0.655 인 폴리에스터 칩(Chip)을 방사온도 296℃에서 녹여 방사노즐을 통해 필라멘트들을 제조하였다. 이 때 연신 파이프(160')에 유입되는 압축공기의 압력을 조정하여 방사속도가 5,200m/분이 되도록 토출량을 설정하고, 제조되는 필라멘트들의 굵기를 9데니어로 제조하였다. 연신 파이프(160')에 도입되는 필라멘트들의 수는 20∼40개로 조정하면서 생산능력 변화와 함께 부직포의 중량분포와 종방향 및 횡방향 인장강도와 비율을 각각 조사하였다.
또한, 방사블록(130)의 경사 각도는 35도로, 노즐간격(l0)은 80mm로 고정하였다. 기류간섭방지판(200)의 폭(la)과 세로길이(lb)는 120mm로, 노즐(190)과 기류간섭방지판(200)의 거리 d=15mm, 각도는 수직으로 고정하였다. 코로나 대전부(170)에 도입되는 직류 고전압 발생부(180)의 대전압은 22KV로 고정하였고, 공기압력은 0.25Kg/㎠G 로 일정하게 공급하였다.
비교예는 도1의 장치를 사용하였고, 노즐(190) 수평간격(l1)은 80mm로 고정하였으며, 충돌판(10)의 재질은 마찰 대전에 유리한 납(Pb)을 사용하였다.
제조된 부직포의 폭은 1.0m이었고, 부직포 제조 시 사용한 열접착용 캘린더롤(230)의 표면온도는 254℃, 선압은 47Kg/cm로 고정하였다. 최종적으로 와인더(250)에 권취된 부직포의 중량은 80gr/㎡ 이었다.
제조된 부직포의 중량분포의 조사는 폭 방향 샘플을 채취하여 CV%를 평가하였다. 중량 평가용 부직포 샘플은 MD, CD를 각각 10cm로 고정하였고, 폭 방향으로 10개를 채취하여 1차 조사하고 또 길이방향으로 10M 이후에 같은 방법으로 샘플 10개를 다시 채취하여 CV%를 조사하였다. 아래의 표1에 2회의 평가 결과를 종합하여 기록하였다. 또, 이 샘플을 이용하여 부직포 표면의 나타나는 필라멘트의 꼬임(Twist), 뭉침(Roping), 교락(Entanglement)과 같은 결점들은 3인의 평가자들이 육안으로 관찰하여 5단계로 구분하여 기록하였다(1: 아주 나쁨, 2 : 나쁨, 3: 보통, 4: 좋음, 5: 아주 우수).
인장강도, 인열강도=MD/CD
구 분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
필라멘트 가닥수
(개/연신부)		 30 35 40 20 30
토출량
(gr/min/연신부)		 156 182 208 104 156


부
직
포
물
성		 중량분포
(CV%)		 4.1 4.6 4.8 6.2 7.5
인장강도
(Kg/5cm)		 13.7/
13.8		 13.3/
13.9		 13.2/
13.3		 16.5/8.2 16.1/7.9
인장강도 비율
(MD/CD)		 1.0 1.0 1.0 2.0 2.0
인열강도
(Kgf)		 1.1/1.3 1.2/1.2 1.2/1.1 0.8/1.4 0.7/1.2
결점평가
점수		 5 5 4 2 1
[실시예 4∼7, 비교예 3∼4]
멜트 인덱스(Melt Index, MI)가 26인 폴리프로필렌 칩(Chip)을 이용하여 방사온도 220℃에서 필라멘트들을 제조하였다. 이 때 방사속도는 3,600m/분으로서, 필라멘트들의 굵기는 2.2 데니어로 조정하였다. 연신 파이프(160')에 도입되는 필라멘트들의 가닥수는 200개로 고정하고, 코로나 대전부(170)의 직류 고압전기는 24KV, 공기압력은 0.40Kg/㎠ 로 일정하게 공급하였다. 최종 제조된 부직포의 중량은 24gr/㎡ 가 되도록 컨베이어(210)의 속도를 조정하였다. 열접착용 캘린더롤(230)의 온도는 164℃, 선압은 35Kg/cm 로 고정하였다. 이 때 노즐간격(l0)를 85mm로 고정하였고, 방사블록(130)의 경사 각도를 0도∼80도로 변경하면서 부직포의 물성을 조사하였다. 기타 제조 장치와 조건은 실시예 1과 같이 하였고, 제조된 부직포의 물성도 실시예 1과 같이 조사하였다. 그 결과를 표2에서와 같이 조사하여 나타내었다. 비교예 4는 비교예 1과 같은 장치를 사용하였으며 연신 파이프(160')에 도입되는 필라멘트들의 가닥수는 100개로 고정하였다.
인장강도, 인열강도=MD/CD
구 분 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 비교예 3 비교예 4
방사블록
각도(도)		 20 35 45 60 15 0
노즐간 수직거리(mm) 30 49 60 74 22 0
노즐간 수평거리(mm) 80 70 60 43 82 80

부
직
포
물
성		 중량분포
(CV%)		 4.8 4.1 3.6 3.5 6.9 7.3
인장강도
(Kg/5cm)		 6.6/5.6 5.9/5.7 5.8/5.9 5.4/6.1 6.4/3.9 7.8/2.6
인장강도 비율
(MD/CD)		 1.2 1.0 1.0 0.9 1.6 2.8
인열강도
(Kgf)		 0.2/0.2 0.2/0.2 0.2/0.3 0.2/0.2 0.1/0.3 0.1/0.3
결점평가
점수		 4 5 5 5 2 1
[실시예 8∼12, 비교예 5]
실시예 5와 같은 조건을 설정하여 시험을 실시하였다. 방사블록(130)의 경사 각도는 38도로 고정하였다. 이 때 노즐간격(l0)을 30mm∼200mm 까지 연속으로 변경하면서 시험을 실시하였다. 그 결과를 조사하여 표3에 나타내었다.
인장강도, 인열강도=MD/CD
구 분 실시예 8 실시예 9 실시예 10 실시예 11 실시예 12 비교예 5
노즐간 수직거리(mm) 30 40 80 120 150 200
노즐간 수평거리(mm) 23 31 63 94 117 156

부
직
포
물
성		 중량분포
(CV%)		 3.8 4.0 4.3 4.8 4.9 6.8
인장강도
(Kg/5cm)		 6.4/5.6 6.4/5.8 6.2/6.1 5.9/6.3 5.6/5.7 4.7/5.4
인장강도 비율(MD/CD) 1.1 1.1 1.0 0.9 1.0 0.9
인열강도
(Kgf)		 0.1/0.2 0.2/0.2 0.2/0.2 0.2/0.2 0.3/0.2 0.3/0.1
결점평가점수 4 5 5 4 3.5 1
[실시예 13∼15, 비교예 6∼8]
실시예 5와 같은 조건을 설정하여 시험을 실시하였다. 코로나 대전부(170)의 직류 고압전기와, 공기압력을 변경하면서 시험을 실시하였다. 이 때 제조한 부직포의 중량은 18gr/㎡으로 제조하였다. 고전압 발생부(180)는 사용 전류가 6mmA 이하가 되도록 조정하면서 최대 전압이 발생하도록 조정하였다. 그 결과를 조사하여 표4에 나타내었다.
인장강도, 인열강도=MD/CD
구 분 실시예 13 실시예 14 실시예 15 비교예 6 비교예 7 비교예 8
HVG 전압(KV) 15 20 24 30 22 0
코로나 대전부 공급 공기압력(Kg/㎠G) 0.15 0.15 0.15 0.15 0 0



부
직
포
물
성		 중량분포
(CV%)		 4.9 4.3 4.2 방전
발생
/샘플
제조
불가능		 5.8 중량
분포
불량함/
물성
측정
불가능
인장강도
(Kg/5cm)		 4.6/4.3 4.7/4.5 4.6/4.5 4.1/3.8
인장강도 비율
(MD/CD)		 1.0 1.0 1.0 1.0
인열강도
(Kgf)		 0.1/0.1 0.1/0.1 0.1/0.1 0.1/0.2
결점평가
점수		 4 5 5 3
[실시예 16, 비교예 9∼11]
실시예 2와 같이 시험을 진행하였다. 기류간섭방지판(200)과 노즐(190) 사이의 간격(d)과 기류간섭방지판(200)의 수직방향각도(β) 및 기류간섭방지판(200)의 폭(la)과 세로길이(lb)를 조정하면서 시험을 진행하였다. 부직포의 중량은 30gr/㎡ 로 제조하였다. 시험 평가한 결과를 조사하여 표5에 나타내었다.
인장강도, 인열강도=MD/CD
구 분 실시예 16 비교예 9 비교예 10 비교예 11
간격(mm) 15 15 15 30
폭(mm) 120 120 120 120
세로길이(mm) 100 100 50 120
각도(도) 20 30 20 10


부
직
포
물
성		 중량분포
(CV%)		 4.0 4.6 5.3 기류간섭
방지판
섬유 부착
발생
/샘플
제조
불가능
인장강도
(Kg/5cm)		 7.3/7.5 8.6/6.1 7.9/6.3
인장강도 비율
(MD/CD)		 1.0 1.4 1.3
인열강도
(Kgf)		 0.3/0.2 0.2/0.3 0.3/0.3
결점평가점수 5 4 3
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
1 : 필라멘트 섬유 번들
110 : 원료 저장 및 공급 탱크
120 : 압출부
130 : 방사블록
140 : 배기부
150 : 필라멘트 냉각부
160 : 연신부
160' : 연신 파이프
170 : 코로나 대전부
171 : 대전전극
172 : 대전침
173 : 보호커버
174 : 접지전극
180 : 고전압 발생부
190 : 노즐
200 : 기류간섭방지판
210 : 컨베이어
220 : 흡입부
230 : 캘린더롤
240 : 냉각롤
250 : 와인더
<종래기술>
10 : 충돌판
20 : 노즐
30 : 연신 파이프
40 : 방사블록
50 : 컨베이어

Claims (10)

  1. 복수의 연신 파이프와 연동되고, 열가소성 합성섬유를 용융시켜 상기 복수의 연신 파이프로 장섬유의 필라멘트 번들을 방사시키는 적어도 하나의 방사블록;
    상기 필라멘트 번들을 냉각시키는 필라멘트 냉각부;
    상기 복수의 연신 파이프를 포함하고, 상기 방사블록으로부터 방사된 상기 필라멘트 번들을 상기 복수의 연신 파이프를 통해 연신시키는 연신부;
    상기 복수의 연신 파이프의 하부에 각각 연결되어 상기 복수의 연신 파이프를 통해 연신된 필라멘트들을 토출하는 복수의 노즐; 및
    상기 필라멘트들을 포집하여 제1방향으로 이송시키는 컨베이어;를 포함하고,
    상기 복수의 노즐은 상기 제1방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기로 배열되는 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포를 제조하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 노즐이 0이 아닌 기울기로 배열되는 각도는 20도 내지 80도 사이인 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포를 제조하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 노즐이 0이 아닌 기울기로 배열되는 각도는 30도 내지 45도 사이인 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포를 제조하는 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 노즐이 서로 배열되는 간격은 수평간격으로 40mm 내지 150mm 사이이고, 수직간격으로 적어도 30mm인 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포를 제조하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 노즐에 각각 대응하여 상기 복수의 노즐 각각으로부터 소정의 거리가 이격되어 형성되며, 상기 필라멘트들에 가해지는 공기의 흐름을 차단하는 복수의 기류간섭방지판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포를 제조하는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 기류간섭방지판 중 하나가 기울어지는 각도는 지면으로부터 수직인 상태를 기준으로 0도 내지 30도 사이인 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포를 제조하는 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 기류간섭방지판 중 하나 및 상기 복수의 노즐 중 하나 사이의 이격된 간격은 6mm 내지 30mm 사이인 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포를 제조하는 장치.
  9. 복수의 연신 파이프와 연동되고, 열가소성 합성섬유를 용융시켜 상기 복수의 연신 파이프로 장섬유의 필라멘트 번들을 방사시키는 적어도 하나의 방사블록;
    상기 필라멘트 번들을 냉각시키는 필라멘트 냉각부;
    상기 복수의 연신 파이프를 포함하고, 상기 방사블록으로부터 방사된 상기 필라멘트 번들을 상기 복수의 연신 파이프를 통해 연신시키는 연신부;
    상기 복수의 연신 파이프의 하부에 각각 연결되어 상기 복수의 연신 파이프를 통해 연신된 필라멘트들을 토출하는 복수의 노즐; 및
    복수의 연신 파이프와 각각 연결되어 상기 복수의 연신 파이프를 통해 연신된 필라멘트들을 토출하는 복수의 노즐; 및
    상기 필라멘트들을 포집하여 제1방향으로 이송시키는 컨베이어;를 포함하고,
    상기 제1방향으로부터 수직인 방향에 대해 상기 필라멘트들이 상기 컨베이어에 접촉하여 포집되는 지점은 각각 상이한 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포를 제조하는 장치.
  10. 방사블록이 열가소성 합성섬유를 용융시켜 장섬유의 필라멘트 번들로 방사시키는 단계;
    방사된 상기 필라멘트 번들을 냉각시키는 단계;
    복수의 연신 파이프를 통해 방사된 상기 필라멘트들을 연신시키는 단계;
    상기 복수의 연신 파이프마다 연결된 복수의 노즐이 상기 필라멘트들을 토출하는 단계; 및
    기류간섭방지판이 상기 필라멘트들에 가해지는 공기의 흐름을 차단하는 단계;
    상기 복수의 노즐로부터 컨베이어로 상기 필라멘트들이 포집되어 배열되는 단계; 및
    배열된 상기 필라멘트들을 제1방향으로 이송하여 결합시키는 단계;를 포함하되,
    상기 복수의 노즐은 상기 제1방향으로부터 수직인 방향에 대해 0이 아닌 기울기로 배열되는 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포를 제조하는 방법.
KR1020190023841A 2019-02-28 2019-02-28 밀도의 분포가 균일함과 동시에 종방향과 횡방향의 인장강도가 유사한 장섬유 부직포를 제조하는 장치 및 방법 KR102241152B1 (ko)

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