KR102297884B1 - 섬유 제조 시스템 및 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 섬유 상에 레이저를 적용함으로써 섬유 제조가 수행되는 동안 적용되는 열 처리가 가능한 섬유 제조 시스템(1) 및 제조 방법에 관련된다. 본 발명의 목적은 레이저 빔(L)을 통해 필라멘트(F) 상에 순간적인 열 처리 수행이 가능하며, 섬유 제조시 빠른 가열 및 연신에 의해 필라멘트 구조 내 결함 지점을 제거하는, 섬유 제조 시스템(1) 및 제조 방법을 제공하는 것이다.

Description

섬유 제조 시스템 및 제조 방법{A FIBER PRODUCTION SYSTEM AND PRODUCTION METHOD}
본 발명은 섬유 상에 레이저를 적용함으로써 섬유 제조가 수행되는 동안 적용되는 열 처리가 가능한 섬유 제조 시스템 및 제조 방법에 관련된다.
섬유 제조는 폴리에스터(예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 및 폴리락트산) 및 폴리아마이드(폴리아마이드 6, 폴리아마이드 66) 열가소성 수지를 가열하고 연신함으로써 구현된다. 섬유 제조 동안, 섬유 물질을 방사 형태로 연신하기 위해 적용되는 열 처리는 일반적으로 라인을 따라서 가열된 롤러 및 챔버를 통해 수행된다. 섬유 제조시 사용되는 물질의 가열에 사용되는 가열된 챔버에서, 고온 공기 또는 증기의 적용이 수행된다. 이런 방식으로, 방사가 소둔되며 주어진 형태가 보존될 수 있다. 가열에 있어서, 통상의 방법인 적외선 빔 및 증기가 현재로서 바람직하다. 열 처리는 섬유 제조 공정에서 열에 의한 섬유 물질의 가소화 및 연신을 가능하게 한다. 나아가, 결정화에 가까운 온도에서 소둔함(annealing)으로써 섬유의 결정화에 적용되는 열 처리가 상술한 방법을 통해 제공된다.
섬유 제조시 사용되는 중합체, 예를 들어 폴리에스터(폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 및 폴리락트산 등), 폴리아마이드(폴리아마이드 6, 폴리아마이드 66 등)의 열 전도율은 낮다. 이런 이유로, 열 처리 동안 열이 섬유를 따라 균질하게 분포되지 않는다. 공정 동안 열원까지의 거리는 열이 섬유에 규칙적으로, 연속적으로 도달하는 것을 방해할 수 있으며, 섬유의 표면 및 내부가 상이하게 냉각되(어 "스킨-코어" 구조를 형성하)게 할 수 있다.
본 발명의 목적은 레이저를 통해 필라멘트 위 순간적인 열 처리 수행이 가능하며, 섬유 제조시 연신에 의해 필라멘트 구조 내 결함 지점을 제거하는, 섬유 제조 시스템 및 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 개발된 섬유 제조 시스템 및 제조 방법이 첨부된 도면에 도시되며;
도 1은 본 발명의 섬유 제조 시스템의 개략도이다.
통상의 섬유 제조 시스템에서는, 적용되는 방법으로 인해 섬유 물질 상에 열이 균질하게 적용될 수 없으며, 열이 물질의 전체 구조 안으로 침투할 수 없다. 따라서; 본 발명의 섬유 제조 시스템(1)은 섬유 내 스킨-코어 구조의 형성을 방지하고 및/또는 이런 구조를 제거하며,
- 섬유 제조에 사용될 중합성 조 물질(polymeric crude material)이 가열되고 용융되게 하는, 적어도 하나의 용융 형성 부재(2),
- 용융 조 물질이 압출 부재의 단부에 있는 적어도 하나의 방사구를 관통하게 하는, 적어도 하나의 압출 부재(3),
- 압출 부재(3)에서 나가 방사구를 관통한 조 물질을 냉각시킴으로써 조 물질에 필라멘트 구조를 제공하는, 적어도 하나의 냉각 유닛(4),
- 조 물질이 유리 전이 온도 또는 결정화 온도까지 및/또는 그 이상 가열되게 하고 특정 장력으로 연신됨으로써 필라멘트 형태의 섬유 물질이 특정 결정도에 도달하게 하는, 롤러(5),
- 균형적인 열 분배를 형성할 수 있으며, 따라서 롤러(5)로 필라멘트(F)를 연신하는 동안 필라멘트(F) 상에 레이저 빔(L)을 적용하여 롤러와 열을 통해 연신함으로써 필라멘트 구조 내 결함이 제거되게 하는, 적어도 하나의 모바일 레이저 소자(6),
- 롤러(5)로 연신된 섬유 물질의 결정도를 증가시키기 위해 물질에 열을 적용하며, 물질에 제공된 필라멘트 구조의 연속성을 가능하게 하며, 임의의 2개의 롤러 사이, 바람직하게는 네 번째 롤러 앞에 위치되는, 적어도 하나의 가열된 챔버(7),
- 패키징(packaging) 동안, 필라멘트 구조로 만들어진 물질을 보빈(bobbin)의 형태로 패킹(packing)하는데 사용되는, 적어도 하나의 권선기(10)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 구현 예에서, 열가소성 물질이 섬유 조 물질로서 사용된다. 바람직하게, 상기 물질은 폴리에틸렌 테레프탈레이트일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현 예에서, 제어 부재(9)는 롤러(5)에 의해 필라멘트(F)가 연신되는 동안 필라멘트 구조 내 결함 지점(defected points)을 감지할 수 있는 카메라(8)로부터 수신하는 데이터에 따라 관련 부분으로 모바일 레이저 소자(6)를 인도하며, 필라멘트 구조에 레이저 빔(L)을 국부적으로 적용함으로써 롤러에 의한 연신에 의해 결함 지점을 갖는 부분이 가열되고 수정되게(corrected) 한다.
본 발명의 바람직한 구현 예에서, 섬유 물질에 레이저 빔(L)을 적용하는 레이저 소자(6)는 이산화탄소 레이저를 적용하는 소자이다.
본 발명의 바람직한 구현 예에서, 섬유 물질에 레이저 빔(L)을 적용하는 레이저 소자(6)는 10.6㎛ 파장 및 펄스 형태의 이산화탄소 레이저 소자이다.
본 발명의 다른 바람직한 구현 예에서, 섬유 물질에 레이저 빔(L)을 적용하는 레이저 소자(6)는 섬유 레이저 소자이다.
본 발명의 섬유 제조 시스템(1)의 작동 방법인 섬유 제조 방법은
- 가열에 의해 섬유 제조에 사용되는 조 물질을 용융시키는 단계,
- 방사구 또는 방사구들로 용융 조 물질을 관통시키는 단계,
- 방사구들을 관통한 조 물질을 냉각 유닛(4)으로 통과시킴으로써 필라멘트 구조로 만드는 단계,
- 유리전이 온도 초과의 온도로 조 물질을 가열하고 이를 연신하는 단계,
- 결정화 온도 이상으로 조 물질을 가열하고 이를 연신하는 단계,
- 가열된 조 물질을 가열된 롤러(5)로 필라멘트 형태로 연신하는 단계,
- 섬유 물질 내 결정도를 증가시키기 위해 모바일 레이저 빔(L)으로 가열하고 열 및 장력에 의해 결함 지점을 수정하는 단계,
- 필라멘트 구조를 고정시키기 위해 임의의 2개의 롤러 사이, 바람직하게는 네 번째 롤러 앞에 위치된 가열된 챔버(7)로 통과시킴으로써 필라멘트를 연신하는 단계,
- 최종 생성물을 획득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 구현 예에서, 가열된 롤러(5)로 필라멘트(F)를 연신하는 단계에서, 2개의 가열된 롤러(5) 사이에서 움직이는 동안 필라멘트 구조 상에 레이저 빔(L)이 적용되며, 균질한 열 분배가 가능해지고 가열 및 연신에 의해 결함 지점이 제거된다.
본 발명의 바람직한 구현 예에서, 냉각 유닛(4)과 권선기(11) 사이에서 필라멘트(F)를 연신하는 단계에서, 가열된 롤러(5)와 가열된 챔버(7) 사이에서 움직이는 동안 필라멘트 구조 상의 결함 지점에 레이저 빔이 적용되고, 균질한 열 분배가 가능해지며, 가열 및 연신에 의해 결함 지점이 제거된다.
본 발명의 바람직한 구현 예에서, 방사구 또는 방사구들로 용융 조 물질을 관통시키는 단계에서 조 물질이 270℃-300℃ 범위로 유지된다.
본 발명의 바람직한 구현 예에서, 유리전이 온도 초과의 온도로 조 물질을 가열하는 단계에서, 전송 방향(transmission direction)을 따라 제1 롤러(5)를 통해 80℃ 이상까지 조 물질이 가열된다.
본 발명의 바람직한 구현 예에서, 결정화 온도 초과의 온도로 조 물질을 가열하는 단계에서, 전송 방향을 따라 제2 롤러(5)를 통해 100℃ 이상까지 조 물질이 가열된다.
본 발명의 바람직한 구현 예에서, 가열된 조 물질을 가열된 롤러로 필라멘트 형태로 연신하는 단계에서, 전송 방향을 따라 제3 롤러(5)를 통해 200℃ 이상까지 조 물질이 가열된다.
본 발명의 바람직한 구현 예에서, 가열된 조 물질을 가열된 롤러로 필라멘트 형태로 연신하는 단계에서, 제4 롤러(5)는 조 물질의 전송 방향을 따라 상온으로 유지되고 제3 롤러(5)보다 느리게 회전하며, 섬유 상의 장력이 감소된다.
본 발명의 바람직한 구현 예에서, 필라멘트 구조를 고정시키기 위해 가열된 챔버(7)로 통과시킴으로써 필라멘트를 연신하는 단계에서 가열된 챔버(7)가 200℃ 이상까지 가열된다.
본 발명은 열가소성 수지로 만들어진 섬유의 제조에 사용될 수 있다. 먼저 열가소성 용융물이 방사구들(멀티필라멘트) 또는 단일의 방사구(모노필라멘트)를 관통한 다음, (얇은 방사에 대해) 공기 취입 냉각 유닛(4)으로 또는 (두꺼운 방사에 대해) 수조로 냉각된다. 이후, 냉각된 물질이 유리전이 온도, 이후 결정화 온도 초과의 온도로 가열되고, 가열된 롤러(5) 위를 지나, 가열된 챔버(7)를 통과함으로써 연신되며, 결정도는 증가되고 형성된 구조는 고정된다.
본 발명의 제조 시스템(1)에서, 레이저 빔(L)은 이동 방식에 변형을 갖는 점에 관련되며; 보다 낫게, 빠르게, 순간적으로 연신될 수 있으며 고온으로 처리함으로써, 보다 나은 배향이 제공될 수 있다.
필라멘트(F) 상에 레이저 빔(L)을 적용함으로써, 빠르고 순간적인 방식으로 필라멘트(F)에 열이 주어질 수 있고, 열이 두께를 따라 필라멘트로 침투할 수 있으며, 이는 오랜 시간 동안 다른 열원의 처리를 받을 수 있는 필라멘트 구조 내에서 일어날 수 있는 열적 분해를 방지한다. 특히 모노필라멘트의 제조 동안, 내부보다 빠르게 냉각하는 표면은 모노필라멘트 구조 내에 "스킨-코어"라 불리는 층상 구조의 형성을 일으킨다. 따라서, 특히 모노필라멘트 제조시 본 발명의 방법을 사용함으로써 이런 문제를 피할 수 있으며, 두께를 따라 빠르고 순간적인 가열 및 연신으로 균질한 구조가 제공될 수 있다. 레이저(L)로 생성된 열은 임의의 다른 열원과 달리 섬유 안으로 침투할 수 있으며, 원하지 않은 상이한 냉각(different cooling)에 의해 야기되는 "스킨-코어" 구조의 형성이 방지될 수 있다. 본 발명의 제조 방법은 열 전도성을 갖지 않거나 열전도성이 낮은 열가소성 섬유의 제조에 상당한 용도를 제공할 것이다. 모노 필라멘트 공정에는 단사가 있고 이는 멀티 필라멘트 공정보다 느리기 때문에, 레이저의 적용은 모노 필라멘트 제조에 더 효과적일 것으로 여겨진다. 본 발명의 제조 방법에서, 섬유 물질에 적용되는 레이저(L)는 새로운 기술인 섬유 레이저 또는 이산화탄소 레이저일 수 있다.
섬유 공정 동안 본 발명의 방법에 의해, 섬유는 외부뿐만 아니라 내부에서 직접적이고 빠르며 순간적인 열의 처리를 받게 될 것이다. 이러한 방법으로 섬유를 연신하는 동안, 고속 카메라로 검출될 수 있는 변형 점에 레이저가 향하며; 열의 영향으로 연화된 구역이 각화나 열화없이 연신될 수 있다. 매우 효과적이고 국부적이며 균질한 열을 적용함으로써 보다 짧은 시간 동안 섬유가 열 처리를 받을 것이며, 따라서 열적 분해가 감소될 것이다. 균질한 열 분배에 의해 결정화는 더욱 균일해진다. 나아가, 레이저 적용에 의해 중합성 섬유의 드로잉성(drawability)이 증가할 것으로 여겨진다.
도면에 도시된 구성 요소에 하기와 같이 각 참조 번호를 부여하였다:
1. 섬유 제조 시스템
2. 용융 형성 부재
3. 압출 부재
4. 냉각 유닛
5. 롤러
6. 모바일 레이저 소자
7. 가열된 챔버
8. 카메라
9. 제어 부재
10. 권선기
F. 필라멘트
L. 레이저 빔

Claims (14)

  1. 섬유 내 스킨-코어 구조의 형성 방지 및 이런 구조의 제거 중 적어도 하나를 수행하는 섬유 제조 시스템(1)으로서,
    - 섬유 제조에 사용될 중합성 조 물질이 가열되고 용융되게 하는, 적어도 하나의 용융 형성 부재(2),
    - 용융 조 물질이 압출 부재의 단부에 있는 적어도 하나의 방사구를 관통하게 하는, 적어도 하나의 압출 부재(3),
    - 압출 부재(3)에서 나가 방사구를 관통한 조 물질을 냉각시킴으로써 조 물질에 필라멘트 구조를 제공하는, 적어도 하나의 냉각 유닛(4),
    - 조 물질이 유리 전이 온도 또는 결정화 온도의 초과 온도로 가열되게 하며 특정 장력으로 연신됨으로써 필라멘트 형태의 섬유 물질이 특정 결정도에 도달하게 하는, 롤러(5),
    - 균형적인 열 분배를 형성할 수 있으며, 따라서 롤러(5)로 필라멘트(F)를 연신하는 동안 필라멘트(F) 상에 레이저 빔(L)을 적용하여 롤러와 열을 통해 연신함으로써 필라멘트 구조 내 결함이 제거되게 하는, 적어도 하나의 모바일 레이저 소자(6),
    - 롤러(5)로 연신된 섬유 물질의 결정도를 증가시키기 위해 물질에 열을 적용하며, 물질에 제공된 필라멘트 구조의 연속성을 가능하게 하며, 임의의 2개의 롤러 사이, 또는 네 번째 롤러 앞에 위치되는, 적어도 하나의 가열된 챔버(7),
    - 롤러(5)에 의해 필라멘트(F)가 연신되는 동안 필라멘트 구조 내 결함 지점을 감지할 수 있는 적어도 하나의 카메라(8)로부터 수신하는 데이터에 따라 관련 구역으로 모바일 레이저 소자(6)를 인도할 수 있으며, 필라멘트 구조에 레이저 빔(L)을 국부적으로 적용함으로써 연신 및 열로 결함 지점을 갖는 구역을 수정할 수 있는, 적어도 하나의 제어 부재(9),
    - 패키징 동안, 필라멘트 구조로 만들어진 물질을 보빈의 형태로 패킹하는데 사용되는, 적어도 하나의 권선기(10)
    를 특징으로 하는 섬유 제조 시스템(1).
  2. 제1항에 있어서,
    섬유 조 물질로서 폴리에틸렌 테레프탈레이트 물질인 것을 특징으로 하는, 섬유 제조 시스템(1).
  3. 제1항에 있어서,
    섬유 물질에 레이저 빔(L)을 적용하는 모바일 레이저 소자(6)는 이산화탄소 레이저를 적용하는 소자인 것을 특징으로 하는, 섬유 제조 시스템(1).
  4. 제3항에 있어서,
    섬유 물질에 레이저 빔(L)을 적용하는 모바일 레이저 소자(6)는 10.6㎛ 파장 및 펄스 형태의 이산화탄소 레이저 소자인 것을 특징으로 하는, 섬유 제조 시스템(1).
  5. 제1항에 있어서,
    섬유 물질에 레이저 빔(L)을 적용하는 모바일 레이저 소자(6)는 섬유 레이저 소자인 것을 특징으로 하는, 섬유 제조 시스템(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 섬유 제조 시스템(1)의 작동 방법인 섬유 제조 방법으로서,
    - 가열에 의해 섬유 제조에 사용되는 조 물질을 용융시키는 단계,
    - 방사구 또는 방사구들로 용융 조 물질을 관통시키는 단계,
    - 방사구들을 관통한 조 물질을 냉각 유닛(4)으로 통과시킴으로써 필라멘트 구조로 만드는 단계,
    - 유리전이 온도 초과의 온도로 조 물질을 가열하고 이를 연신하는 단계,
    - 결정화 온도 초과의 온도로 조 물질을 가열하고 이를 연신하는 단계,
    - 가열된 조 물질을 가열된 롤러(5)로 필라멘트 형태로 연신하는 단계,
    - 섬유 물질 내 결정도를 증가시키기 위해 모바일 레이저 빔(L)으로 가열하고 연신에 의해 열로 결함 지점을 수정하는 단계,
    - 필라멘트 구조를 고정시키기 위해 가열된 챔버(7)로 통과시킴으로써 필라멘트를 연신하는 단계,
    - 최종 생성물을 획득하는 단계
    를 특징으로 하는, 섬유 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    가열된 롤러(5)로 필라멘트(F)를 연신하는 단계에서, 균질한 열 분배가 제공되며, 2개의 가열된 롤러(5) 사이에서 움직이는 동안 필라멘트 구조 상의 결함 지점에 레이저 빔(L)을 적용함으로써 장력과 함께 결함 지점이 제거되는 것을 특징으로 하는, 섬유 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    냉각 유닛(4)과 권선기(10) 사이에서 필라멘트(F)를 연신하는 단계에서, 가열된 롤러(5)와 가열된 챔버(7) 사이에서 움직이는 동안 필라멘트 구조 상의 결함 지점에 레이저 빔이 적용되고, 균질한 열 분배가 가능해지며, 가열 및 연신에 의해 결함 지점이 제거되는 것을 특징으로 하는, 섬유 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    방사구 또는 방사구들로 용융 조 물질을 관통시키는 단계에서 조 물질이 270℃-300℃ 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는, 섬유 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    유리전이 온도 초과의 온도로 조 물질을 가열하는 단계에서 전송 방향을 따라 제1 롤러(5)를 통해 80℃ 이상까지 조 물질이 가열되는 것을 특징으로 하는, 섬유 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    결정화 온도 초과의 온도로 조 물질을 가열하는 단계에서 전송 방향을 따라 제2 롤러(5)를 통해 100℃ 이상까지 조 물질이 가열되는 것을 특징으로 하는, 섬유 제조 방법.
  12. 제6항에 있어서,
    필라멘트 형태의 가열된 조 물질이 전송 방향을 따라 제3 롤러(5)를 통해 200℃ 이상까지 가열되는 것을 특징으로 하는, 섬유 제조 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    필라멘트 구조를 고정시키기 위해 가열된 챔버(7)로 통과시킴으로써 필라멘트를 연신하는 단계에서 가열된 챔버(7)가 200℃ 이상까지 가열되는 것을 특징으로 하는, 섬유 제조 방법.
  14. 삭제
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