KR102365855B1 - 중합섬유를 방사하기 위한 방사구 조립체 - Google Patents

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Abstract

중합체 섬유를 방사하기 위한 방사구 조립체로서, (a) 유입 포트 및 유동 방향으로 상기 유입 포트로부터 바깥쪽으로 벌어지는 벌어진(flared) 하부 표면을 구비한 캡; (b) 그 두께에 거쳐 다수의 방사 유동 채널을 갖는 방사구; (c) 상기 방사구 상에 자유롭게 놓여있는 필터; 및 (d) 상기 캡과 상기 방사구에 의해 한정된 공동 내에 장착된 테이퍼드된 기하학적 구조를 갖는 유동 가이드를 포함한다. 상기 유동 가이드는 상기 유입 포트를 향하는 꼭지점, 상기 필터를 향하는 기부 및 상기 꼭지점까지 테이퍼드되는 하나 이상의 측면을 갖는다. 발산 유동 통로는 상기 유동 가이드의 테이퍼드된 측면 및 상기 캡의 벌어진 하부면에 의해 한정된다. 상기 유동 가이드의 기부는 상기 방사구의 상부 표면으로부터 이격되어 상기 발산 유로와 유체 연통하는 공간을 생성한다.

Description

중합섬유를 방사하기 위한 방사구 조립체
섬유 방사에서, 액체 중합체 용액 또는 용융 중합체는 방사구의 작은 구멍을 통해 압출되어 얇은 필라멘트를 형성한다. 방사구를 떠나면 필라멘트가 고형화된다. 응고 후, 필라멘트는 인발 또는 연신되어(be drawn or stretched) 필라멘트의 성질을 변화시킬 수 있다.
전형적으로, 에어 갭 방사 다이(air gap spinning die) 디자인은 방사구 습윤 영역을 가로질러 폴리머 도프(dope)를 분배하기 위해 브레이커 플레이트 및 분배 필터를 포함한다. 작업자가 다이를 빠져 나오는 도프의 품질을 빠르고 쉽게 판단할 수 있도록 폴리머 도프를 분배하는 것에 대한 고려가 없으므로 공기 방울 및 폴리머 겔의 폴리머 전달 시스템을 퍼지(purge)하기 위한 충분한 시간이 제공된다. 또한, 통상적인 다이 디자인은 도프가 방사구 공동에 유입되도록 하여 방사구 공동에 공기가 갇힐 위험이 높기 때문에 기포가 파열되는 데 더 많은 시간이 걸리며 시동 후 수 시간 및 심지어 며칠 동안 방사 결함 시간을 초래한다.
본 명세서에서는 중합체 섬유를 방사하기 위한 장치, 보다 구체적으로는 방사구 조립체가 개시된다. 일부 실시예에서, 방사구는 방사구 설치 이전에 겔 또는 기포에 대한 육안 검사에 적합한 환형 필름으로서 폴리머 도프를 제공할 수 있고, 양호한 방사가 보다 신속하게 달성될 수 있도록 방사구 위의 공동 내의 공기가 생기는 것을 방지하기 위한 방법으로 방사구의 설치 후 방사구에 도프를 전달할 수 있다
본원에 개시된 방사구 조립체는 용융 방사, 습식 방사, 건식 방사 및 드라이-제트(dry-jet) 습식 방사를 포함하는 통상적인 섬유 방사 방법에 사용될 수 있다.
건식 방사에서는, "도프(dope)"로 불리는 중합체 용액이 방사구를 통해 용매가 증발되는 가열된 구역 내로 압출된다. 이는 용융 방사된 섬유의 냉각보다 느린 공정이며, 결과적으로 불균일한 특성 및 원형이 아닌 단면을 갖는 섬유를 생성하는 경향이 있다.
드라이-제트 습식 방사는 중합체 도프가 방사구를 통해 응고제라 불리는 용매/비-용매 혼합물을 함유하는 액체 응고 용기 내로 압출되는 것을 제외하고는 건식 방사와 동일하다. 용매는 거의 항상 도프에서 사용되는 것과 동일하며 비-용매는 보통 물이다.
일반적으로, 본 발명의 방사구 조립체는 다음을 포함한다: (a) 유입 포트 및 유동 방향으로 상기 유입 포트로부터 바깥쪽으로 벌어지는 벌어진(flared) 하부 표면을 구비한 캡; (b) 그 두께에 거쳐 다수의 방사 유동 채널을 갖는 방사구; 및 (c) 상기 캡과 상기 방사구에 의해 한정된 공동 내에 장착된 테이퍼된 기하학적 구조를 갖는 유동 가이드. 상기 유동 가이드는 유입 포트를 향하는 꼭지점, 방사구를 향하는 기부(base) 및 상기 꼭지점까지 테이퍼링(tapering)되는 하나 이상의 측면을 갖는다. 발산하는 유로는 유동 가이드의 테이퍼링 측면 및 캡의 벌어진 하부면에 의해 한정된다. 상기 유동 가이드의 기부는 상기 방사구의 상부 표면으로부터 이격되어 상기 발산 유로와 유체 연통하는 공간을 생성한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사구 조립체를 도시한다.
도 2A 및 도 2B는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 원추형 유동 가이드의 사시도 및 단면도를 도시한다.
도 3은 도 2A에 도시된 유동 가이드에 제거 가능하게 부착될 수 있는 대응 캡(cap)을 도시한다.
도 4는 도 3에 도시된 대응 캡에 부착되는 도 2A에 도시된 원추형 유동 가이드의 부분 조립체를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사구, 필터 및 O-링을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사구 내의 방사(spinning) 유동 채널의 부분 단면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사구 조립체를 도시한다.
도 8은 본 발명의 방사구 조립체를 통한 원료의 유동 통로를 도시한다.
도 9는 비교로서 유동 가이드가 없는 동일한 방사구 조립체를 통한 원료의 유동 통로를 도시한다.
도 1은 본 발명의 방사구 조립체의 일 실시예를 도시한다. 방사구 조립체의 주요 구성 요소는 유입 포트(11)를 갖는 캡(10), 상기 캡(10)에 제거 가능하게 고정되는 케이싱(12), 복수의 방사 유로를 갖는 방사구(13), 상기 방사구 상에 놓인 필터(14), 및 테이퍼 형상을 갖는 유동 가이드(15)를 포함한다. 상기 유입 포트(11)는 상기 캡(10)의 두께에 거쳐 연장되고, 일부 실시예에서는 중앙에 위치한다. 상기 유동 가이드(15)는 상기 캡(10) 및 상기 방사구(13)에 의해 한정된 공동 내에 장착된다. 상기 유동 가이드(15)는 스페이서(15a)를 통해 상기 캡(10)에 제거 가능하게 부착되지만, 방사구(13)에 기계적으로 부착되거나 연결되지 않는다.
도 1을 계속 참조하면, 상기 유동 가이드(15)는 유입 포트(11)의 출구 단부를 향하는 꼭지점(또는 피크), 상기 필터(14)를 향하는 기부, 및 꼭지점까지 테이퍼된 하나 이상의 측면을 갖는 테이퍼 형상을 갖는다. 상기 유동 가이드의 테이퍼 형상은 원추형 또는 피라미드형일 수 있다. 상기 캡(10)은 흐름 방향으로 상기 유입 포트(11)로부터 외측으로 넓어지며 흐름 가이드(15)의 테이퍼면(들)으로부터 이격되어 환형 갭을 생성하는 벌어진 하부면(10a)을 갖는다. 상기 환형 갭은 상기 유동 가이드(15)의 테이퍼된 표면(들)의 대부분을 따라 실질적으로 일정할 수 있다. 일부 실시예에서, 이 갭은 0.5 내지 10.0mm의 범위일 수 있다. 함께, 캡(10)의 벌어진 하부 표면(10a)과 유동 가이드(15)는 상기 유입 포트(11)와 유체 연통하는 발산 유로를 한정한다. 유동 가이드(15)의 기부는 발산 유로와 유체 연통하는 공간을 한정하고, 방사구(13)로부터 이격되어 있다. 일 실시예에서, 유동 가이드(15)의 기부는 편평하거나 실질적으로 편평하며, 또한 편평하거나 실질적으로 편평한 방사구(13)의 입구 표면에 평행하게 배향된다. 본 명세서에서 사용되는 "실질적으로 편평한"은 완전히 편평하지 않은 표면을 포함한다. 유동 가이드의 기부와 방사구의 입구 표면 사이의 공간은 1 내지 20mm의 갭 높이를 가질 수 있다. 대안적인 실시예에서, 유동 가이드의 베이스는 만곡된 표면, 예를 들어 볼록한 표면을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 캡(10)의 벌어진 하부 표면(10a)은 유동 가이드(15)의 형상에 상응한다. 예를 들어, 유동 가이드(15)는 원추형일 수 있고, 벌어진 하부면(10a)은 깔때기와 같은 원뿔대형일 수 있다. 예시적인 원추형 유동 가이드는 도 2A 및 도 2B(각각 투시 및 단면도)에 의해 도시되고, 대응하는 캡이 도 3에 도시된다. 도 2A 및 도 2B를 참고하면, 유동 가이드(15)는 벌어진 하부면(10a)과 유동 가이드(15) 사이에 필요한 갭을 제공하기 위해 원추형 면(15a) 상에 복수의 스페이서(spacer)(15a)를 갖는다. 이 실시예에서, 스페이서는 흐름 가이드(도 2B)의 나사 구멍과 축 방향으로 정렬된 짧은 관형 구조(도 2A)이다. 나사 구멍은 유동 가이드의 기부로부터 스페이서까지 연장된다. 4개의 스페이서가 도시되어 있지만, 스페이서의 수는 이에 한정되지 않는다. 블라인드(blind) 구멍은 유동 가이드(15)상의 스페이서에 대응하고 플로우 가이드로부터 연장되는 스크류를 수용하는 캡(10)(도 3)에 제공된다. 유동 가이드(15)를 캡(10)에 부착하기 위해, 나사는 유동 가이드(15)의 기부로부터 관형 스페이서를 통해 그리고 캡(10)의 블라인드 구멍 내로 나사 결합된다.
도 2B를 참조하면, 유동 가이드(15)의 원뿔형 표면(15b)은 기부에 대해 예각 θ(90도 미만)을 형성한다. 예각 θ는 10-90 도일 수 있고, 일부 실시예에서는 15-45 도일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 유동 가이드(15)는 다각형 바닥면 및 3개 이상의 삼각형 경사면을 갖는 피라미드 형상을 가질 수 있고, 각각은 기부와 예각을 형성하며, 캡(10)의 벌어진 하부면(10a)은 유로 가이드(15)의 경사면에 대응하는 다수의 연결 다각형 면을 갖는 절두형 피라미드형상을 가질 수 있다.
도 3의 캡(10)이 원형 둘레(또는 주변 에지)를 갖는 원형을 갖는 것으로 도시되었지만, 다른 형상 및 외부 구조가 가능하다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 캡(10)은 정사각형 또는 다른 다각형 둘레를 가질 수 있다. 또한, 케이싱(12)은 캡(10) 및 방사구(13)의 형상 및 외형을 수용하는한 형상이 변할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 케이싱(12)은 캡(10)에 제거 가능하게 고정되어 이들 2개의 구성 요소가 비교적 용이하게 서로로부터 분리될 수 있다. 이러한 분리 가능한 부착을 제공하는 한가지 방법은 분배 캡(10)과 케이싱(12)이 서로 맞물리는 상보적인 나사 표면을 제공하는 것이다. 이러한 방식으로, 케이싱(12)은 너트 및 볼트 체결구와 같이 캡(10)에 대해 또는 그로부터 나사 결합되거나 풀릴 수 있다. 대안적으로, 환형 케이싱(12)은 클램프, 접시볼트(countersunk bolt)의 배열 및 다른 종래의 체결 수단과 같은 종래의 체결구를 사용하여 분배 캡에 제거 가능하게 고정될 수 있다. 캡(10) 및 케이싱(12)은 금속, 세라믹 또는 합성물(예를 들어, 잘게 잘린 섬유 또는 연속 섬유로 강화된 수지 또는 플라스틱)로 제조될 수 있다. 방사구는 금속 또는 세라믹으로 제조될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 대응 캡(10)에 결합하는 도 2A에 도시된 원뿔형 유동 가이드(15)의 부분 조립체를 도시한다. 도 4에 도시된 부분 조립체는(탈착 가능한 케이싱(12) 및 방사구(13)가 없는) 섬유를 위한 방사 원료(예를 들어, 중합체 용액 또는 용융 중합체)가 압력하에 유입 포트(11)로 지속적으로 유입되어 원료가 캡(10)과 유동 가이드(15) 사이의 발산 유로를 통해 흐르게 하는 예비 정화(purging) 단계 동안 “있는 그대로” 작동 가능하다. 방출된 물질은 얇은 관형 필름의 형태이다. 이 예비 정화 단계는 방사구(13) 및 환형 케이싱(12)을 설치하기 전에 작업자가 원료를 육안으로 검사할 수 있도록 미리 결정된 시간 동안 수행될 수 있다, 예를 들어 15-90분. 투명한 중합체 용액 또는 용융 중합체는 중합체 섬유 필라멘트를 방사하는 데 바람직하다. 따라서, 중합체 용액 또는 용융된 중합체 내의 임의의 바람직하지 않은 기포, 중합체 겔 또는 다른 불순물이 쉽게 관찰될 수 있고, 그러한 불순물이 보이는 경우, 중합체 용액 또는 용융 중합체가 깨끗해지고 이질 성분으로부터 자유로워질 때까지 방사구 설치가 지연될 수 있다. 이 예비 정화 단계는 방사구가 조기에 설치되지 않도록 하고, 그렇게 하여 안정된 방사가 다른 경우가 가능할 때보다 빨리 달성될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 방사구(13)는 돌출 가장자리(13a)를 가지며, 케이싱(12)은 방사구(13)의 돌출 가장자리를 캡(10)의 주변 부분에 결합하도록 구성된다. 이를 위해, 환형 케이싱(12)의 하단부는 테두리(13a)가 놓이는 내부로 연장하는 플랜지부(12a)를 갖는다. 방사구(13)는 케이싱(12)에 의해 지지 및 고정되지만, 고정 메커니즘에 의해 영구적으로 또는 기계적으로 부착되지는 않는다. 필터(14)는 방사구(13)의 유체 유입면 상에 자유롭게 위치하여 방사 유동 채널을 덮는다. 선택적으로, 얇은 개스킷(gasket)(16)이 테두리(13a)와 플랜지 부분(12a) 사이에 배열되어 케이싱(12)의 바닥면에 대한 올바른 방사구 높이를 생성한다. 개스킷(16)은 플랜지부(12a)의 형상에 대응하고, 예를 들면 케이싱(12)이 원형의 방사구를 수용하도록 구성될 때 링 형상일 수 있다. 일부 실시예에서, 캡(10)과 방사구(13) 사이에 유체 씰(seal)을 형성하기 위해, O-링과 같은 탄성 씰(17)이 방사구(13)의 테두리(13a)와 캡(10)의 주변 하부 부분 사이에 한정되며, 이로 인해 방사구 조립체를 통해 유동할 폴리머 용액/용융물의 누출을 방지한다.
도 5는 실시예에 따른 방사구(13), 필터(14) 및 탄성 씰(17)을 별개의 구성 요소로 도시한다. 방사구(13)는 돌출 테두리(13a)에 의해 둘러싸인 중앙부를 가지며, 이 중앙부에는 두께를 통해 연장되는 많은 수의 방사 유로가 제공된다. 중앙 영역은 유동 가이드의 기부의 표면 영역보다 큰 표면 영역을 갖는다. 이 실시예에서, 방사구(13)는 돌출 테두리(13a)에 의해 둘러싸인 중앙부를 가지며 중앙부는 두께를 통해 연장되는 많은 수의 방사 유로를 구비한다. 탄성 씰(17)은 방사구(13)의 돌출 테두리(13a)의 형상에 대응한다. 이 실시예에서, 씰(17)은 O-링이다. 필터는 방사구(13)의 형상에 대응하도록 원형을 가질 수 있다. 방사구(13), 필터(14) 및 씰(17)은 도 5에 도시된 바와 같이 원형 이외의 다른 기하학적 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 구성 요소는 정사각형 또는 다각형 둘레를 가질 수 있다.
필터(14)는 방사구(13)에 영구적으로 부착되지 않고 쉽게 대체될 수 있다. 또한, 필터(14)는 액체, 특히 중합체 용액 및 저점도 용융 중합체를 투과시킬 수 있으며, 셀룰로오스, 중합체 또는 금속 섬유로 구성된 금속 메쉬, 부직물, 소결 입자 디스크 또는 직물의 형태 일 수 있다. 필터는 방사구 조립체를 통해 유동할 중합체 용액/용융물에 불활성인 임의의 불활성 물질로 제조될 수 있다. 이러한 불활성 물질의 예는 금속, 셀룰로오스 또는 중합체를 포함한다.
개스킷(16)은 알루미늄, 스테인레스 스틸, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌, 특히 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 및 방사 환경에 화학적 및 열적으로 불투과성인 임의의 다른 견고한 재료로 제조될 수 있다. 탄성 씰(17), 예를 들어. O-링은 EPDM(에틸렌 프로필렌 디엔 단량체 고무), 실리콘, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(PTFE) 또는 폴리에틸렌(PE), 연질 알루미늄 또는 중합체 용액/용융물과 양립 가능한 다른 압축 가능한 재료와 같은 탄성재료로 만들어진다.
도 6은 일 실시예에 따른 방사구에서 방사 유동 채널의 분해 단면도이다. 방사구의 유동 채널은 원형 단면 형상을 가질 수 있지만, 타원형, 정사각형, 삼각형, 오각형 및 다른 다각형과 같은 다른 형상을 갖는 것이 가능하다. 방사 유동 채널의 수는 방사 방법, 원료 및 섬유의 최종 시장에 따라 광범위하게 달라질 수 있다. 중합체 용액을 사용하는 습식 방사의 경우, 방사 유동 채널의 수는 적어도 1000개 이상, 예를 들어 3000 내지 75000개의 범위일 수 있다. 드라이-제트 습식 방사의 경우, 범위는 100 내지 10000개일 수 있다. 용융된 중합체를 사용하는 용융 방사의 경우, 방사 유동 채널의 수는 25 내지 100,000개일 수 있다. 원형 단면을 갖는 유동 채널의 경우, 방사구의 입구 측 개구("입구 개구")의 직경은 도 6에 도시된 출구("출구 개구") 측의 직경보다 크다. 일 실시예에서, 입구 개구의 직경은 출구 개구의 직경의 10 내지 100배일 수 있다. 예를 들어, 입구 개구는 1000 내지 15000㎛ 범위의 직경을 가질 수 있고 출구 개구는 40 내지 500㎛ 범위의 직경을 가질 수 있다. 방사 유동 채널의 길이(즉, 유동 채널이 위치하는 방사구의 중앙부의 두께)는 2 내지 50mm의 범위일 수 있다. 방사구(13)의 상부 표면 영역내의 입구 개구의 밀도는 5 내지 200 개구/cm2의 범위일 수 있다. 비-원형 개구에 대해서도 유사하게, 입구 개구의 크기(둘레에 의해 결정됨)는 출구 개구의 크기보다 클 수 있으며, 예를 들어, 10 내지 100배 더 클 수 있다.
도 7은 방사구 조립체에 대한 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 유입 포트(21)를 갖는 캡(20)은 방사구(22)에 직접 연결되고(도 1에 도시된 케이싱(12) 없이) 방사구(22)는 돌출된 테두리를 갖지 않는다. 캡을 방사구에 연결하기 위한 나사형 볼트(도시되지 않음)를 수용하도록 상보형 나사 구멍(캡(20) 내의 23a 및 방사구(22) 내의 23b)이 캡 및 방사구를 통해 제공된다. 테이퍼드된 유동 가이드(24)는 캡(20) 및 방사구(22)에 의해 한정된 공동 내에 장착된다. 유체 씰을 제공하기 위해 캡(20)과 방사구(22) 사이에 탄성 씰(25), 예를 들어 O-링이 끼워진다. 캡(20) 및 유동 가이드(24)는 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이 유입 포트(21)와 유체 연통하는 발산 유로를 한정하도록 구성된다. 또한, 유동 가이드(24)는 도 1, 도 2A 및 도 2B를 참조하여 상술한 바와 같이 스페이서(간략화를 위해 도시되지 않음)를 통해 캡(20)에 제거 가능하게 부착된다. 방사구(22)는 필터(간략화를 위해 도시되지 않음)가 배치될 수 있는 함몰된 표면을 갖는다. 필터는 도 5을 참조하여 상술한 바와 같다. 방사구의 함물된 표면(22a)은 유동 가이드(24)의 기부와 대면하고 방사구의 방사 유동 채널에 대응하는 다수의 개구를 포함한다. 방사구의 방사 유동 채널은 전술한 바와 같다. 방사구(22)가 캡(20)으로부터 분리될 때, 캡(20) 및 유동 가이드(24)의 부분 조립체는 도 4를 참조하여 기술된 예비 정화 단계에서 기능할 수 있다.
본 발명의 방사구 조립체를 통한 원료(이하, "중합체 도프")의 유동 통로가 도 8에 도시되어있다. 작동시, 중합체 도프는 가압 하에서 캡(31)의 유입 포트(30)로 연속적으로 유입된다. 작동 중에, 유입 포트(30)는 전형적으로 계량 펌프(도시되지 않음)로부터 나오는 중합체 공급원에 연결된다. 유입 포트(30)로부터, 중합체 도프는 유동 가이드(32)의 테이퍼드된 면(예를 들어, 원추면)을 감싸는 발산 유동 경로(F)를 통해 유동하고, 유동 가이드의 기부의 둘레 주위를 흘러 유동 가이드의 기부와 방사구(33) 사이의 공간(S)내로 유동하여, 이 공간(S)을 채운다. 중합체 도프는 공간(S)을 유동 가이드의 기부의 둘레로부터 방사상 내측으로 이 공간의 중심을 향해 채운다. 유로(F) 및 공간(S)에 포획된 공기는 우선 방사구(33) 내의 방해되지 않는 방사 유동 채널을 통해 압출된다. 공간(S)이 중합체 도프로 완전히 충전되고 그 내부의 압력이 일정 수준에 도달하면, 도프는 필터(도시되지 않음)를 통과하고 방사구(33) 내의 많은 방사 유동 채널을 통해 압출되어 방사구(33)의 출구에서 연속 중합체 필라멘트를 형성한다. 공간(S)은 중합체 도프가 방사구의 모든 유동 채널을 통과하는 것을 방지할 수 있는 중간 구조에 의해 방해받지 않는다는 것을 유의해야 한다.
도 9는 비교로서, 도 8에 도시된 동일한 방사구 조립체를 통해 유동 가이드(32) 없이 중합체 도프가 어떻게 흐를지를 도시한다. 이러한 상황에서, 중합체 도프는 중앙으로부터 공동(C)(캡(31) 및 방사구(33)에 의해 한정된)을 채우며, 공기 포켓은 방사 유동 채널을 빠져나오는 중합체 물질에 동반되는 것을 제외하고는 빠져 나갈 방법 없이 공동 내에 포획된다. 결과적으로, 재료 내의 공기 유입은 연속 필라멘트가 아닌 배출된 필라멘트 또는 폴리머 드립(drips)에서 파손을 일으킨다.
본원에 기술된 방사구 조립체는 폴리 아크릴로 니트릴(PAN) 전구체 섬유를 제조하기 위한 습식 방사 또는 드라이-제트 습식 방사("에어 갭 방사(air-gap spinning)"공정으로도 알려진) 공정에서 사용될 수 있으며, 이는 그 후에 탄소 섬유로 변환될 수 있다. PAN 전구체 섬유를 제조하기 위해, PAN 중합체 용액(스핀 "도프"라고 함)이 초기 단계로서 형성된다. 이 스핀 도프(spin dope)는 용액의 총 중량을 기준으로 5 내지 28 중량%(바람직하게는 15 내지 25 중량%) 범위의 중합체 농도를 함유할 수 있다. 습식 방사의 경우, 방사구 입구를 통해 압출된 도프는 액체 응집조로 직접 들어가 필라멘트를 형성한다. 방사구 구멍은 PAN 섬유의 원하는 필라멘트 수를 결정한다(예를 들어, 3K 탄소 섬유의 경우 3,000개의 구멍). 에어 갭 방사에서, 방사구와 응집조 사이에는 수직 에어 갭이 1 내지 50mm, 바람직하게는 2 내지 15mm로 유지된다. 에어 갭 방사에서, 방사구로부터 압출된 도프는 응집조에서 응고되기 전에 에어 갭으로 진입한다. 이러한 방사 공정에서 사용되는 응고액은 용매와 비-용매의 혼합물이다. 물 또는 알코올은 일반적으로 비-용매로 사용된다. 용매 및 비-용매의 비율 및 수조 온도는 응고시 압출된 필라멘트의 응고 속도를 조정하는데 사용된다.
일부 실시예에서, 방사된 필라멘트는 세척조를 통해 롤러에 의해 응집조로부터 회수되어 과량의 응고제를 제거하고 고온 수조에서 연신되어 섬유의 직경을 제어하는 제1 단계로서 필라멘트에 분자 배향을 부여한다. 그리고, 연신된 필라멘트는 예를 들어 건조롤 상에서 건조된다. 건조롤은 필라멘트가 롤에서 롤로 순차적으로 통과하고 필라멘트가 롤상에서 스트레치 또는 이완되도록 충분한 장력하에 직렬 및 구불구불한 배열로 배열된 복수의 회전 가능한 롤로 구성될 수 있다. 롤의 적어도 일부는 내부 또는 롤을 통해 순환되는 가압 증기 또는 롤 내부의 전기 가열 요소에 의해 가열된다. PAN 전구체 섬유를 탄소 섬유로 전환시키기 위해, PAN 전구체 섬유를 산화 및 탄화시킨다.
본 명세서에 개시된 방사구 조립체는 중합체가 열화없이 적절한 저점도로 용융될 수 있는 경우 용융 방사법에 사용될 수 있다. 이 방법은 폴리 프로필렌, 나일론 및 폴리 에스테르 섬유와 같은 중합체로부터 열가소성 섬유를 방사하는데 적합하다. 용융 방사에서, 가압된 용융 중합체가 유입 포트로 유입되고, 방사구를 통해, 압출된 섬유가 냉각되어 고체 연속 필라멘트를 생성하는 공기와 같은 가스 매체로 압출된다. 그 다음, 필라멘트는 중합체 분자를 배향시키고 결과 섬유의 인장 특성을 개선시키도록 뽑혀진다.
본 명세서에서 다양한 실시예가 설명되었지만, 본 명세서에 개시된 실시예의 변형, 구성 요소의 다양한 조합이 통상의 기술자에 의해 이루어질 수 있고 본 개시의 범위 내에 있음을 본 명세서로부터 알 수 있다. 또한, 본질적인 범위를 벗어나지 않으면서, 특정 상황 또는 재료를 본원에 개시된 실시예의 교시에 적응시키기 위해 많은 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 청구된 발명은 본 명세서에 개시된 특정 실시예들에 한정되지 않고, 청구된 발명은 첨부된 청구항들의 범위 내에 있는 모든 실시예들을 포함할 것이다.
10: 캡(cap) 14: 필터(filter)
11: 유입 포트(inlet port) 15: 유동 가이드(flow guide)
12: 케이싱 15a: 스페이서(spacer)
12a: 플랜지부 16: 개스킷(gasket)
13: 방사구(spinneret) 17: 탄성 씰(resilient seal)
13a: 방사구의 테두리

Claims (24)

  1. (a) 유입 포트(inlet port), 및 유동 방향으로 상기 유입 포트로부터 바깥쪽으로 벌어지는 벌어진(flared) 하부 표면을 구비한 캡;
    (b) 중앙부를 가지는 방사구(spinneret)로서, 상기 중앙부는 그 두께에 걸쳐 다수의 방사 유동 채널을 가지는 것인, 방사구; 및
    (c) 상기 캡과 상기 방사구에 의해 한정된 공동 내에 장착된 테이퍼드된 (tapered) 기하학적 구조를 갖는 유동 가이드로서, 상기 유동 가이드는 상기 유입 포트에 대면하는 꼭지점, 기부(base) 및 상기 꼭지점까지 테이퍼드되는 하나 이상의 측면을 구비하고, 상기 측면(들)은 상기 기부와 예각을 형성하는 것인, 유동 가이드
    를 포함하는, 중합체 섬유를 방사하기 위한 방사구 조립체로서,
    발산 유로가 상기 유동 가이드의 테이퍼드된 측면(들) 및 상기 캡의 벌어진 하부면에 의해 한정되며, 상기 발산 유로는 상기 유동 가이드의 테이퍼드된 측면(들)을 둘러싸고 상기 유입 포트와 유체 연통하는 것이고,
    상기 유동 가이드의 기부는 상기 방사구의 상부 표면으로부터 이격되어 상기 발산 유로와 직접 유체 연통하는 공간을 생성하는 것이고,
    상기 유동 가이드는 상기 캡의 벌어진 하부면으로부터 이격되어 있는 동안 상기 캡에 분리 가능하게 부착되는 것인,
    방사구 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방사구의 중앙부 상에 자유롭게 위치하는 필터를 더 포함하고,
    상기 필터는 액체를 투과시킬 수 있는 것인,
    방사구 조립체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다수의 방사 유동 채널이 위치되는 상기 방사구의 중앙부는 상기 유동 가이드의 기부의 표면적보다 큰 상부 표면 영역을 갖는 것인, 방사구 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유동 가이드는 원형 기부를 갖는 원추형상을 갖는 것인, 방사구 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 캡의 벌어진 하부 표면은 원뿔대 형상을 갖는 것인, 방사구 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유동 가이드는 다각형 기부와 상기 기부와 예각을 이루는 다수의 다각형의 측벽을 갖는 피라미드 형상을 갖는 것인, 방사구 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 캡의 벌어진 하부 표면은 절두형 피라미드 형상을 갖는 것인, 방사구 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 방사구의 상부 표면 영역은 상기 다수의 방사 유동 채널에 대응하는 다수의 입구 개구를 포함하는 것이고,
    상기 방사구는 상기 다수의 방사 유동 채널에 대응하는 다수의 출구 개구를 포함하는 하부 표면 영역을 포함하는 것이고,
    상기 입구 개구의 직경은 상기 출구 개구의 직경보다 큰 것인,
    방사구 조립체.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유동 가이드는 상기 테이퍼드된 측면(들)과 상기 캡의 벌어진 하부면 사이에 공간을 제공하기 위해 그것의 테이퍼드된 측면(들)상에 복수의 이격된 스페이서가 제공되는 것이고,
    상기 유동 가이드는 상기 스페이서를 통해 연장되는 스크류에 의해 상기 캡에 분리 가능하게 부착되는 것인,
    방사구 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 방사구의 중심부의 상부 표면은 편평하고,
    상기 유동 가이드의 기부는 편평하며 상기 상부 표면에 대해 평행하게 배향되는 것인,
    방사구 조립체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 방사구 내의 방사 유동 채널의 수는 100 내지 100,000의 범위인, 방사구 조립체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 방사구를 지지하고 상기 방사구를 상기 캡에 결합하도록 구성된 케이싱을 더 포함하고,
    상기 케이싱은 상기 캡에 제거 가능하게 고정되는 것인,
    방사구 조립체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 방사구는 그것의 중앙부를 둘러싸는 돌출 테두리를 갖는 것이고,
    상기 케이싱은 상기 돌출 테두리가 놓이는 내향 연장 플랜지부를 갖는 것이고,
    상기 방사구의 돌출 테두리와 상기 캡의 주변 하부 부분 사이에 한정되어 그 사이에 유체 씰(seal)을 형성하도록 하는 탄성 O-링을 더 포함하는, 방사구 조립체.
  15. 제13항에 있어서, 상기 방사구의 돌출 테두리와 상기 케이싱의 플랜지부 사이에 끼워지는 개스킷을 더 포함하는, 방사구 조립체.
  16. 제13항에 있어서, 상기 케이싱이 상기 캡과 회전 결합 또는 결합 해제될 수 있도록 상기 케이싱 및 상기 캡은 서로 맞물리는 상보적인 나사 표면을 포함하는 것인, 방사구 조립체.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 캡과 상기 방사구에는 나사 볼트를 수용하는 상보적인 나사 구멍이 제공되어 상기 나사 구멍을 통해 연장되는 나사 볼트에 의해 상기 방사구에 상기 캡이 결합되는 것이고,
    상기 캡으로부터 상기 볼트를 분리시킴으로써 상기 방사구는 상기 캡으로부터 분리될 수 있는 것인,
    방사구 조립체.
  18. 제1항에 기재된 방사구 조립체를 사용한 섬유 방사 방법으로서,
    상기 방사구 조립체의 유입 포트에 중합체 용액 또는 용융 중합체의 형태로 원료를 연속적으로 공급하는 단계; 및
    상기 방사구 내의 다수의 방사 유동 채널을 통해 상기 원료를 분출하여 다수의 연속 필라멘트를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 유입 포트로부터의 상기 원료는 상기 발산 유로를 통해 흘러 상기 유동 가이드의 기부와 상기 방사구의 상부 표면 사이의 공간 내로 반경 방향 내측으로 유동하여 상기 공간을 채우는 것인,
    섬유 방사 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 원료를 상기 유입 포트로 공급하기 전에 예비 정화 단계를 더 포함하고,
    상기 예비 정화 단계는,
    상기 캡에 부착되어 있지만 상기 방사구를 포함하지 않는 부분 조립체를 통해 일정시간 간격동안 폴리머 용액 또는 용융 폴리머의 형태로 원료를 연속적으로 공급하여, 상기 원료가 상기 발산 유로를 통해 흐르게 하는 단계; 및
    상기 발산 유로로부터 배출되는 상기 원료를 검사하는 단계
    를 포함하는 것이며,
    상기 예비 정화 단계는 상기 방사구를 포함하는 상기 완전한 방사구 조립체를 조립하기 전에 수행되는 것인,
    섬유 방사 방법.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
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