KR102413232B1

KR102413232B1 - 저분자량 폴리머의 제조 방법, 멜트블로운 부직포의 제조 장치 및 제조 방법

Info

Publication number: KR102413232B1
Application number: KR1020217019234A
Authority: KR
Inventors: 유야 사사이; 타카후미 사메시마; 요시오 이이즈카; 카호 오사다; 켄타로 타키
Original assignee: 시바우라 기카이 가부시키가이샤; 고쿠리츠다이가쿠호진 카나자와다이가쿠
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-06-27
Also published as: JP6949342B1; CN113348183B; WO2021132175A1; TW202128848A; TWI765493B; US20220325455A1; US11781254B2; KR20210087542A; US20230392308A1; CN113348183A; JPWO2021132175A1

Abstract

과산화물 등의 열분해 반응을 촉진하는 첨가제를 더하지 않고 고분자량 폴리머에 전단력을 가함으로써 고분자량 폴리머를 저분자량화하여 저분자량 폴리머를 효율적으로 제조할 수 있는, 멜트블로운 부직포용에 적합한 저분자량 폴리머의 제조 방법 및 멜트블로운 부직포의 제조 장치를 제공한다. 스크류 본체(37)의 회전에 의해 원료의 고분자량 폴리머에 전단력을 가하여 저분자량화하여 저분자량 폴리머로 함과 아울러 스크류 본체(37)의 내부의 축방향으로 설치된 통로(88)를 통과시킴으로써 저분자량 폴리머를 냉각하는 연속식 고전단 가공 장치를 이용하여 저분자량 폴리머 및 멜트블로운 부직포를 제조한다.

Description

저분자량 폴리머의 제조 방법, 멜트블로운 부직포의 제조 장치 및 제조 방법

본 발명은 고분자량 폴리머를 저분자량화하여 저분자량 폴리머로 하는 저분자량 폴리머의 제조 방법과, 범용 폴리머의 저분자량화와 멜트블로운 부직포의 형성을 연속하여 행할 수 있는 멜트블로운 부직포의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.

폴리프로필렌 수지나 나일론 6 등의 열가소성 수지는 여러 가지 용도에 따른 점도로 조정하여 이용되며, 예를 들어 미세 섬유, 부직포, 여재 등에 이용하는 경우 멜트블로운 제법에 적합한 점도로 할 필요가 있다. 그래서 점도가 낮은 저분자량의 폴리머(이하 적절히 저분자량 폴리머라고 함)를 제조하기 위해 특허문헌 1, 2에 기재된 중합 방법에서 이용되는 메탈로센 촉매 등의 첨가량이나 중합 시간을 조정하는 것이 행해지고 있다.

그러나 중합 조건에 따라 분자량을 조정하면 저분자량 폴리머의 제조 비용의 증가로 이어진다. 그래서 고분자량 폴리머의 저분자량화에 의해 저분자량 폴리머를 제조할 수 있으면 경제적이며 산업상 유용하다. 예를 들어 비특허문헌 1에는 폴리프로필렌에 과산화물을 이용하여 2축 혼련 압출 장치를 이용하여 분자량을 저하시키는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 1: 일본공표특허 2010-516858 특허문헌 2: 일본공개특허 2019-199506

비특허문헌 1: "Controlled peroxide-induced degradation of polypropylene in a twin-screw extruder: Change of molecular weight distribution under conditions controlled by micromixing" P.D. Iedema et al(Chemical Engineering Science 66 (2011) 5474-5486)

그러나 비특허문헌 1에 기재된 방법과 같이 과산화물을 이용하면 과산화물의 부근만 열화가 진행됨으로써 분자량에 공간적 비균일성이 발생하여 분자량의 분산이 커진다는 문제가 있다. 얻어지는 폴리머의 분자량 분포(다분산도)가 커지면 예를 들어 멜트블로운 제법에 의한 부직포의 원료로서 이용한 경우 웹형상의 섬유를 제조할 때에 섬유가 끊어지기 쉬워진다. 또한, 종래의 2축 혼련 압출 장치를 이용한 방법은 고온 조건하에서 장시간 연속하여 저분자량화하기 때문에 분자량을 줄일 때에 폴리머가 열 열화되는 정도가 크다는 문제가 있다.

본 발명은 과산화물 등의 열분해 반응을 촉진하는 첨가제를 더하지 않고 고분자량 폴리머에 전단력을 가함으로써 단시간에 고분자량 폴리머를 저분자량화하여 저분자량 폴리머를 효율적으로 제조할 수 있는 저분자량 폴리머의 제조 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 저분자량 폴리머의 제조 방법은 압출기를 이용한 저분자량 폴리머의 제조 방법으로서, 스크류 본체의 회전에 의해 원료의 고분자량 폴리머에 전단력을 가하여 저분자량화하여 저분자량 폴리머로 함과 아울러 상기 스크류 본체의 내부의 축방향으로 설치된 통로를 통과시킴으로써 상기 저분자량 폴리머를 냉각한다.

본 발명의 멜트블로운 부직포의 제조 장치는 폴리머를 압출하는 다이와, 상기 폴리머를 상기 다이에 공급하는 공급 수단과, 상기 다이로부터 압출되는 상기 폴리머에 열풍을 공급하여 섬유상으로 연신하는 열풍 공급 수단을 구비하고, 상기 공급 수단이 스크류의 회전에 의해 원료의 고분자량 폴리머에 전단력을 가하여 저분자량화하여 저분자량 폴리머로 하는 연속식 고전단 가공 장치로서, 원료 탱크부를 형성하는 장벽부와, 상기 스크류 내부의 축방향으로 상기 장벽부를 넘어 설치된 통로를 구비하고 있다.

본 발명의 멜트블로운 부직포의 제조 방법은 분자량 저감제를 함유하지 않는 고분자량 폴리머에 전단력을 가하여 저분자량화한 저분자량 폴리머로 하고, 다이로부터 압출한 상기 저분자량 폴리머에 열풍을 공급하여 섬유상으로 연신하여 부직포로 한다.

본 발명의 저분자량 폴리머의 제조 방법은 고분자량 폴리머를 저분자량화함으로써 중합 조건을 조정하여 저분자량 폴리머를 중합하는 방법에 비해 대량이며 저가로 저분자량 폴리머를 효율적으로 제조할 수 있다. 또한, 고분자량 폴리머에 전단력을 가함과 아울러 내부의 통로를 통과시켜 저분자량 폴리머를 냉각함으로써 전단력에 의한 발열을 억제하여 열 열화가 억제된 저분자량 폴리머를 얻을 수 있다.

본 발명의 멜트블로운 부직포의 제조 장치는 폴리머를 다이에 공급하는 공급 수단으로서 스크류의 회전에 의해 원료의 고분자량 폴리머에 전단력을 가하여 저분자량화하는 연속식 고전단 가공 장치를 구비하고 있다. 따라서, 범용 폴리머의 저분자량화와 멜트블로운 부직포의 형성을 연속하여 행할 수 있다. 또한, 범용 폴리머를 저분자량화할 때 과산화물 등의 분자량 저감제를 사용하지 않기 때문에 첨가물의 분해 생성물을 원인으로 하는 황변 착색이나 악취 문제가 발생하지 않는, 의료·위생용에 적합한 멜트블로운 부직포를 제조할 수 있다. 나아가 연속식 고전단 가공 장치를 사용하여 부직포를 제조하는 다이에 원료로서의 폴리머를 공급함으로써 널리 유통되고 있는 저가의 단일의 범용 폴리머(범용 수지)를 여러 가지 용도에 적합한 분자량의 저분자량 폴리머로 나누어 만들어 단일 원료와 단일 장치에 의해 다품종 소량 생산을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제조 방법에 이용하는 장치를 개략적으로 나타내는 사시도
도 2는 도 1에 도시된 제1 압출기의 단면도
도 3은 도 1에 도시된 제1 압출기의 2개의 스크류가 서로 맞물린 상태를 나타내는 사시도
도 4는 도 1에 도시된 제3 압출기의 단면도
도 5는 도 1에 도시된 제2 압출기의 단면도
도 6은 도 1에 도시된 제2 압출기에서 배럴 및 스크류를 모두 단면으로 나타내는 제2 압출기의 단면도
도 7은 도 6의 F15-F15선에 따른 단면도
도 8은 통체의 사시도
도 9는 스크류에 대한 원료의 유동 방향을 나타내는 측면도
도 10은 스크류가 회전하였을 때의 원료의 유동 방향을 개략적으로 나타내는 제2 압출기의 단면도
도 11은 복수의 통로가 평행하게 나란히 설치된 예를 나타내는, 도 7에 상당하는 부분의 단면도
도 12는 실시예에서 이용한 고전단 가공 장치에서의 제2 압출기의 내부 구조를 모식적으로 나타내는 도면
도 13은 실시예 4의 저분자량화에 의해 얻어진 저분자량 폴리머의 점도를 나타내는 그래프
도 14는 실시예 5의 저분자량화에 의해 얻어진 저분자량 폴리머의 점도를 나타내는 그래프
도 15는 비교예 2의 저분자량화에 의해 얻어진 저분자량 폴리머의 점도를 나타내는 그래프
도 16의 (a)는 FT-IR의 측정 결과를 나타내는 그래프, (b)는 C-O 신축에 귀속되는 피크의 부근을 확대하여 나타내는 그래프
도 17은 본 발명의 실시형태에 관한 제조 장치의 구성의 개략을 나타내는 모식도
도 18은 도 17의 제조 장치에서의 노즐 헤드의 부분 단면도
도 19의 (a)는 실시예 8의 멜트블로운 부직포의 외관을 나타내는 도면 대용 사진, (b)는 실시예 8의 멜트블로운 부직포의 전자 현미경 화상

(저분자량 폴리머의 제조 방법)

본 발명의 저분자량 폴리머의 제조 방법은 원료의 고분자량 폴리머에 전단력을 가하여 저분자량화함과 아울러 스크류 본체의 내부에 설치된 통로를 통과시켜 저분자량 폴리머를 냉각한다. 전단력을 가함과 아울러 통로를 통과시켜 냉각함으로써 저분자량화에서의 열 열화를 억제할 수 있다. 또한, 과산화물을 더하지 않고 저분자량화함으로써 다분산도(중량 평균 분자량/수평균 분자량)가 작은 저분자량 폴리머로 할 수 있다. 통로를 통과시켜 냉각하면서 단속적으로 전단력을 가함으로써 고분자량 폴리머의 저분자량화에 의해 얻어지는 저분자량 폴리머의 열 열화를 억제할 수 있다.

저분자량 폴리머의 열 열화는 저분자량화에 의해 C-O 결합이 생성된 정도에 따라 평가할 수 있다. C-O 결합이 생성된 정도는 예를 들어 FT-IR의 측정에 의해 얻어지는 C-O 신축에 귀속되는 피크의 강도를 이용하여 평가할 수 있다. 본 발명의 제조 방법에 의하면 C-O 신축에 귀속되는 파수 1000~1030cm^-1에 발생하는 피크의 강도가 원료로서 이용한 고분자량 폴리머의 3배 이하로 억제된, 열 열화가 적은 저분자량 폴리머를 제조할 수 있다.

[고분자량 폴리머]

본 발명은 원료로서 고분자량 폴리머를 이용한다. 본 발명에서 「고분자량 폴리머」란 중량 평균 분자량(Mw)이 200,000 이상인 폴리머를 말한다. 고분자량 폴리머로서는 폴리프로필렌(PP), 폴리술폰(PS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에테르술폰(PES), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 방향족 폴리아미드(PA), 방향족 폴리에스테르, 방향족 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리아릴렌옥시드, 열가소성 폴리이미드, 폴리아미드이미드 등의 열가소성 수지를 들 수 있다. 이들 수지는 1종류를 이용해도 되고 2종 이상을 병용해도 된다.

멜트블로운 제법에 의한 부직포 제조용의 저분자량 폴리머의 원료로서 바람직한 고분자량 폴리머로서 폴리프로필렌을 들 수 있다. 폴리프로필렌의 중량 평균 분자량(Mw)은 저분자량화에 의해 부직포의 제조에 적합한 멜트 플로 레이트(적절히 「MFR」이라고 함. JIS K7210-1(B법), 가중 2.16kg, 온도 230℃)의 저분자량 폴리머로 하는 관점에서 250,000~1,100,000이 바람직하고, 250,000~500,000이 보다 바람직하며, 250,000~400,000이 더욱 바람직하다.

[저분자량 폴리머]

본 발명의 제조 방법에 의해 고분자량 폴리머를 저분자량화함으로써 여러 가지 용도에 따른 성질을 구비한 저분자량 폴리머를 제조할 수 있다. 본 발명에서 「저분자량 폴리머」란 중량 평균 분자량(Mw)이 200,000 미만인 폴리머를 말한다. 멜트블로운 제법의 원료로서 저분자량 폴리머를 이용하는 경우, 그 MFR은 500~2000(g/10분간)이 바람직하고, 1000~2000(g/10분간)이 보다 바람직하다.

고분자량 폴리머를 저분자량화하는 본 발명의 제조 방법에 의해 분자량 분포가 작은 저분자량 폴리머를 얻을 수 있다. 분자량 분포가 작은 저분자량 폴리머는 멜트블로운 제법에 의해 실을 제조할 때에 절단을 발생시키기 어렵다. 멜트블로운 제법에 의해 부직포를 효율적으로 제조하는 관점에서 저분자량 폴리머의 다분산도(Mw/Mn)는 2~5가 바람직하고, 2~4가 보다 바람직하며, 2~3.5가 더욱 바람직하다.

상술한 본 발명의 저분자량 폴리머는 고분자량 폴리머를 포함한 원료를 용융 혼련하여 연속적으로 토출하는 연속식 고전단 가공 장치(압출기, 이하 적절히 고전단 가공 장치라고 함)를 이용하여 내부에 통로를 구비한 스크류 본체의 외주면을 따라 원료를 반송할 때 외주면에 설치된 장벽부에 의해 원료의 반송을 제한하여 스크류 본체에 의해 원료에 전단력을 가함과 아울러 외주면에 설치된 통로의 입구로부터 통로의 출구로 통과시켜 원료를 냉각함으로써 제조할 수 있다.

고전단 가공 장치를 이용함으로써 고분자량 폴리머에 과산화물 등의 열분해 반응을 촉진하는 첨가제를 첨가하지 않고 큰 전단력을 가하여 고분자량 폴리머를 저분자량화할 수 있다. 저분자량화에서의 열 열화를 억제하는 관점에서 저분자량화에 필요로 하는 시간이 짧은 것이 바람직하다. 예를 들어 합계 시간이 30초 이하가 바람직하고, 20초 이하가 보다 바람직하다. 저분자량화가 반복되는 경우 통로를 통과시킴으로써 분단된, 각 저분자량화의 시간은 15초 이하가 바람직하고, 10초 이하가 보다 바람직하다.

상술한 바와 같이 저분자량화의 시간을 짧게 함으로써 저분자량 폴리머의 열 열화를 억제할 수 있다. 이 때문에 배럴 설정 온도를 250~350℃로 해도 저분자량화할 때의 열 열화를 억제할 수 있다.

본 발명의 제조 방법에 대해 고전단 가공 장치를 참조하면서 이하에 설명한다.

도 1에는 고전단 가공 장치(1)의 구성이 개략적으로 나타나 있다. 도 1에 도시된 고전단 가공 장치(1)는 고분자량 폴리머를 저분자량화하는 제2 압출기(3)에 더하여 제1 압출기(처리기)(2) 및 제3 압출기(탈포기)(4)를 구비하고 있다. 제1 압출기(2), 제2 압출기(3) 및 제3 압출기(4)는 서로 직렬로 접속되어 있다.

제1 압출기(2)는 고분자량 폴리머를 포함한 원료를 예비적으로 혼련하고 용융하기 위한 처리기이다. 이들 원료는 예를 들어 펠렛이나 분말 등의 상태로 제1 압출기(2)에 공급된다.

본 실시형태에서는 원료의 혼련·용융 정도를 강화하기 위해 제1 압출기(2)로서 같은 방향 회전형의 2축 혼련기를 이용하고 있다. 도 2 및 도 3은 2축 혼련기의 일례를 개시하고 있다. 2축 혼련기는 배럴(6)과 배럴(6)의 내부에 수용된 2개의 스크류(7a, 7b)를 구비하고 있다. 배럴(6)은 2개의 원통을 조합한 형상을 갖는 실린더부(8)를 포함하고 있다. 원료로서의 고분자량 폴리머는 배럴(6)의 일단부에 마련한 공급구(9)로부터 실린더부(8)에 연속적으로 공급된다. 나아가 배럴(6)은 원료를 용융하기 위한 히터를 내장하고 있다.

스크류(7a, 7b)는 서로 맞물린 상태로 실린더부(8)에 수용되어 있다. 스크류(7a, 7b)는 도시하지 않은 모터로부터 전해지는 토크를 받아 서로 같은 방향으로 회전된다. 도 3에 도시된 바와 같이 스크류(7a, 7b)는 각각 피드부(11), 혼련부(12) 및 펌핑부(13)를 구비하고 있다. 피드부(11), 혼련부(12) 및 펌핑부(13)는 스크류(7a, 7b)의 축방향을 따라 일렬로 나열되어 있다.

피드부(11)는 나선형으로 비틀어진 플라이트(14)를 가지고 있다. 스크류(7a, 7b)의 플라이트(14)는 서로 맞물린 상태로 회전함과 아울러 공급구(9)로부터 공급된 고분자량 폴리머를 포함한 원료를 혼련부(12)를 향하여 반송한다.

혼련부(12)는 스크류(7a, 7b)의 축방향으로 나열된 복수의 디스크(15)를 가지고 있다. 스크류(7a, 7b)의 디스크(15)는 서로 마주본 상태로 회전함과 아울러 피드부(11)로부터 보내진 원료인 고분자량 폴리머를 예비적으로 혼련한다. 혼련된 원료는 스크류(7a, 7b)의 회전에 의해 펌핑부(13)에 이송된다.

펌핑부(13)는 나선형으로 비틀어진 플라이트(16)를 가지고 있다. 스크류(7a, 7b)의 플라이트(16)는 서로 맞물린 상태로 회전함과 아울러 예비적으로 혼련된 원료를 배럴(6)의 토출단으로부터 압출한다.

이러한 2축 혼련기에 의하면 스크류(7a, 7b)의 피드부(11)에 공급된 원료는 스크류(7a, 7b)의 회전에 따른 전단 발열 및 히터의 열을 받아 용융된다. 2축 혼련기에서의 예비적인 혼련에 의해 용융된 원료는 도 1에 화살표 A로 나타내는 바와 같이 배럴(6)의 토출단으로부터 제2 압출기(3)에 연속적으로 공급된다.

나아가 제1 압출기(2)를 2축 혼련기로서 구성함으로써 원료가 제2 압출기(3)에 공급되는 시점에서 원료는 제1 압출기(2)에서의 예비적인 혼련에 의해 용융되어 최적의 점도로 유지된다. 또한, 제1 압출기(2)를 2축 혼련기로서 구성함으로써 제2 압출기(3)에 연속하여 원료를 공급할 때 단위시간당 소정량의 원료를 안정적으로 공급할 수 있다. 따라서, 원료의 고분자량 폴리머를 저분자량화하는 제2 압출기(3)의 부담을 경감할 수 있다. 또, 제1 압출기(2)에서는 저분자량화가 아니라 원활하게 용융되는 것을 목적으로 하여 원료에 전단력이 가해진다.

제2 압출기(3)는 원료의 고분자량 폴리머를 저분자량화하여 저분자량 폴리머를 생성하기 위한 요소이다. 본 실시형태에서는 제2 압출기(3)로서 단축 압출기인 고전단 가공 장치를 이용하고 있다. 단축 압출기는 배럴(20)과 1개의 스크류(21)를 구비하고 있다. 스크류(21)는 용융된 원료에 전단 작용 및 냉각 작용을 부여하는 기능을 가지고 있다. 스크류(21)를 포함한 제2 압출기(3)의 구성에 관해서는 나중에 상세하게 설명한다.

제3 압출기(4)는 제2 압출기(3)로부터 토출된 저분자량 폴리머에 포함되는 가스 성분을 흡인·제거하기 위한 요소이다. 본 실시형태에서는 제3 압출기(4)로서 단축 압출기를 이용하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 단축 압출기는 배럴(22)과 배럴(22)에 수용된 1개의 벤트 스크류(23)를 구비하고 있다. 배럴(22)은 곧은 원통형의 실린더부(24)를 포함하고 있다. 제2 압출기(3)로부터 압출된 혼련물은 실린더부(24)의 축방향에 따른 일단부로부터 실린더부(24)에 연속적으로 공급된다.

배럴(22)은 벤트구(25)를 가지고 있다. 벤트구(25)는 실린더부(24)의 축방향에 따른 중간부에 개구되어 있음과 아울러 진공 펌프(26)에 접속되어 있다. 나아가 배럴(22)의 실린더부(24)의 타단부는 헤드부(27)로 폐색되어 있다. 헤드부(27)는 저분자량 폴리머를 토출시키는 토출구(28)를 가지고 있다.

벤트 스크류(23)는 실린더부(24)에 수용되어 있다. 벤트 스크류(23)는 도시하지 않은 모터로부터 전해지는 토크를 받아 일방향으로 회전된다. 벤트 스크류(23)는 나선형으로 비틀어진 플라이트(29)를 가지고 있다. 플라이트(29)는 벤트 스크류(23)와 일체적으로 회전함과 아울러 실린더부(24)에 공급된 혼련물을 헤드부(27)를 향하여 연속적으로 반송한다. 혼련물은 벤트구(25)에 대응하는 위치로 반송되었을 때에 진공 펌프(26)의 진공압을 받는다. 즉, 진공 펌프에 의해 실린더부(24) 내를 음압으로 뺌으로써 혼련물에 포함되는 가스형 물질이나 그 밖의 휘발 성분이 혼련물로부터 연속적으로 흡인·제거된다. 가스형 물질이나 그 밖의 휘발 성분이 제거된 혼련물은 헤드부(27)의 토출구(28)로부터 고전단 가공 장치(1) 밖으로 저분자량 폴리머로서 연속적으로 토출된다.

다음으로 저분자량 폴리머를 생성하기 위한 요소인 제2 압출기(3)에 대해 설명한다.

도 5, 도 6에 도시된 바와 같이 제2 압출기(3)의 배럴(20)은 곧은 통형이며, 수평으로 배치되어 있다. 배럴(20)은 복수의 배럴 엘리먼트(배럴)(31)로 분할되어 있다.

각 배럴 엘리먼트(31)는 원통형의 관통공(32)을 가지고 있다. 배럴 엘리먼트(31)는 각각의 관통공(32)이 동축(同軸)형으로 연속되도록 볼트 체결에 의해 일체적으로 결합되어 있다. 배럴 엘리먼트(31)의 관통공(32)은 서로 협동하여 배럴(20)의 내부에 원통형의 실린더부(33)를 규정하고 있다. 실린더부(33)는 배럴(20)의 축방향으로 연장되어 있다.

배럴(20)의 축방향에 따른 일단부에 공급구(34)가 형성되어 있다. 공급구(34)는 실린더부(33)에 연통함과 아울러 상기 공급구(34)에 제1 압출기(2)에서 용융된 원료가 연속적으로 공급된다.

배럴(20)은 도시하지 않은 히터를 구비하고 있다. 히터는 배럴(20)의 온도가 원료의 혼련에 최적의 값이 되도록 필요에 따라 배럴(20)의 온도를 조정한다. 나아가 배럴(20)은 예를 들어 물 혹은 기름과 같은 냉매가 흐르는 냉매 통로(35)를 구비하고 있다. 냉매 통로(35)는 실린더부(33)를 둘러싸도록 배치되어 있다. 냉매는 배럴(20)의 온도가 미리 정해진 상한값을 넘었을 때에 냉매 통로(35)를 따라 흘러 배럴(20)을 강제적으로 냉각한다.

배럴(20)의 축방향에 따른 타단부는 헤드부(36)로 폐색되어 있다. 헤드부(36)는 토출구(36a)를 가지고 있다. 토출구(36a)는 공급구(34)에 대해 배럴(20)의 축방향에 따른 반대측에 위치됨과 아울러 제3 압출기(4)에 접속되어 있다.

압출기용 스크류(21)는 원료의 반송 방향에 따른 직선형 축선을 가지며, 스크류 본체(37)를 구비하고 있다. 본 실시형태의 스크류 본체(37)는 1개의 회전축(38)과 복수의 원통형 통체(39)로 구성되어 있다.

회전축(38)은 제1 축부(40) 및 제2 축부(41)를 구비하고 있다. 제1 축부(40)는 배럴(20)의 일단부 측인 회전축(38)의 기단에 위치하고 있다. 제1 축부(40)는 조인트부(42) 및 스토퍼부(43)를 포함하고 있다. 조인트부(42)는 도시하지 않은 커플링을 통해 모터와 같은 구동원에 연결된다. 스토퍼부(43)는 조인트부(42)에 동축형으로 설치되어 있다. 스토퍼부(43)는 조인트부(42)보다 지름이 크다.

제2 축부(41)는 제1 축부(40)의 스토퍼부(43)의 단면으로부터 동축형으로 연장되어 있다. 제2 축부(41)는 배럴(20)의 거의 전체길이에 걸친 길이를 가짐과 아울러 헤드부(36)와 마주보는 끝단을 가지고 있다. 제1 축부(40) 및 제2 축부(41)를 동축형으로 관통하는 곧은 축선(O1)은 회전축(38)의 축방향으로 수평으로 연장되어 있다.

제2 축부(41)는 스토퍼부(43)보다 지름이 작은 솔리드한 원기둥형이다. 도 7에 도시된 바와 같이 제2 축부(41)의 외주면에 한 쌍의 키(45a, 45b)가 장착되어 있다. 키(45a, 45b)는 제2 축부(41)의 둘레방향으로 180° 벗어난 위치에서 제2 축부(41)의 축방향으로 연장되어 있다.

도 7, 도 8에 도시된 바와 같이 각 통체(39)는 제2 축부(41)가 동축형으로 관통하도록 구성되어 있다. 통체(39)의 내주면에 한 쌍의 키 홈(49a, 49b)이 형성되어 있다. 키 홈(49a, 49b)은 통체(39)의 둘레방향으로 180° 벗어난 위치에서 통체(39)의 축방향으로 연장되어 있다.

통체(39)는 키 홈(49a, 49b)을 제2 축부(41)의 키(45a, 45b)에 맞춘 상태로 제2 축부(41)의 끝단의 방향으로부터 제2 축부(41) 상에 삽입된다. 본 실시형태에서는 제2 축부(41) 상에 가장 처음으로 삽입된 통체(39)와 제1 축부(40)의 스토퍼부(43)의 단면의 사이에 제1 칼라(44)가 개재되어 있다. 나아가 모든 통체(39)를 제2 축부(41) 상에 삽입한 후 제2 축부(41)의 끝단면에 제2 칼라(51)를 통해 고정 나사(52)가 비틀어 넣어져 있다(도 5, 도 6 참조).

이 비틀어 넣음에 의해 모든 통체(39)가 제1 칼라(44)와 제2 칼라(51)의 사이에서 제2 축부(41)의 축방향으로 조여 인접하는 통체(39)의 단면이 간극 없이 밀착되어 있다.

스크류 본체(37)는 스크류 요소로서 원료를 반송하기 위한 복수의 반송부(81)와 원료의 유동을 제한하기 위한 복수의 장벽부(82)를 가지고 있다. 즉, 배럴(20)의 일단부에 대응하는 스크류 본체(37)의 기단에 복수의 반송부(81)가 배치되고, 배럴(20)의 타단부에 대응하는 스크류 본체(37)의 끝단에 복수의 반송부(81)가 배치되어 있다. 나아가 이들 반송부(81)의 사이에서 스크류 본체(37)의 기단으로부터 끝단을 향하여 반송부(81)와 장벽부(82)가 축방향으로 교대로 나란히 배치되어 있다. 반송부(81)와 장벽부(82)를 1세트로서 배치하는 수에 의해 고분자량 폴리머를 저분자량화하여 저분자량 폴리머로 하는 공정을 반복하는 횟수가 결정된다. 반송부(81)와 장벽부(82)는 1세트만 배치된 구성 또는 복수 세트가 배치된 구성 어느 쪽으로 해도 된다. 어떤 경우든 고분자량 폴리머를 저분자량화한 직후에 통로(88)(도 5, 도 6 참조)를 통과시켜 고분자량 폴리머 및 저분자량 폴리머(양자를 구별하지 않는 경우 적절히 「폴리머」라고 함)를 냉각함으로써 이들의 열 열화를 억제할 수 있다. 또, 배럴(20)의 공급구(34)는 스크류 본체(37)의 기단 측에 배치된 반송부(81)를 향하여 개구되어 있다.

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각 반송부(81)는 나선형으로 비틀어진 플라이트(84)를 가지고 있다. 플라이트(84)는 통체(39)의 둘레방향에 따른 외주면으로부터 반송로(53)를 향하여 돌출되어 있다. 플라이트(84)는 스크류 본체(37)의 기단에서 보아 스크류(21)가 반시계방향으로 좌회전하였을 때에 상기 스크류 본체(37)의 기단으로부터 끝단을 향하여 원료를 반송하도록 비틀어져 있다. 즉, 플라이트(84)는 이 플라이트(84)의 비틀림 방향이 우측 나사와 동일하도록 우측으로 비틀어져 있다.

각 장벽부(82)는 나선형으로 비틀어진 플라이트(86)를 가지고 있다. 플라이트(86)는 통체(39)의 둘레방향에 따른 외주면으로부터 반송로(53)를 향하여 돌출되어 있다. 플라이트(86)는 스크류 본체(37)의 기단에서 보아 스크류(21)가 반시계방향으로 좌회전하였을 때에 스크류 본체(37)의 끝단으로부터 기단을 향하여 원료를 반송하도록 비틀어져 있다. 즉, 플라이트(86)는 이 플라이트(86)의 비틀림 방향이 좌측 나사와 동일하도록 좌측으로 비틀어져 있고, 플라이트(84)와는 반대방향의 반대 스크류가 되어 있다.

각 장벽부(82)의 플라이트(86)의 비틀림 피치는 반송부(81)의 플라이트(84)의 비틀림 피치와 동일하거나 이보다 작게 설정되어 있다. 나아가 플라이트(84, 86)의 꼭대기부와 배럴(20)의 실린더부(33)의 내주면의 사이에는 약간의 간격(clearance)이 확보되어 있다.

도 5, 도 6, 도 9에 도시된 바와 같이 스크류 본체(37)는 스크류 요소로서 스크류 본체(37)의 축방향으로 연장되는 복수의 통로(88)를 가지고 있다. 통로(88)는 하나의 장벽부(82)와 이 장벽부(82)를 사이에 둔 2개의 반송부(81)를 하나의 유닛으로 하면 양쪽의 반송부(81)의 통체(39)에 각 유닛의 장벽부(82)를 넘어 형성되어 있다. 이 경우, 통로(88)는 스크류 본체(37)의 축방향에 따른 동일 직선상에서 소정의 간격(예를 들어 등간격)으로 일렬로 정렬되어 있다. 통로(88)는 반송부(81)에 끼워진 장벽부(82)에 설치되고, 반송부(81)에서의 저분자량화 동안에 폴리머를 냉각하여 열 열화를 억제한다.

나아가 통로(88)는 통체(39)의 내부에서 회전축(38)의 축선(O1)으로부터 편심한 위치에 설치되어 있다. 바꾸어 말하면 통로(88)는 축선(O1)으로부터 벗어나 있고, 스크류 본체(37)가 회전하였을 때에 축선(O1)의 주위를 공전하도록 되어 있다.

도 7에 도시된 바와 같이 통로(88)는 예를 들어 원형의 단면 형상을 갖는 구멍이다. 통로(88)는 원료의 유동만을 허용하는 중공(中空)의 공간으로서 구성되어 있다. 통로(88)의 벽면(89)은 스크류 본체(37)가 회전하였을 때에 축선(O1)을 중심으로 자전하지 않고 축선(O1)의 주위를 공전한다.

통로(88)를 원형의 단면 형상을 갖는 구멍으로 하는 경우, 원의 직경은 예를 들어 1~5mm 정도, 보다 바람직하게는 1~3mm 정도로 설정하면 된다. 또한, 통로(88)의 거리(길이)는 예를 들어 15~90mm 정도로 설정하면 된다. 원료의 폴리머를 원활하게 통과시키며 통과시킬 때에 이들을 냉각함과 아울러 이들의 반송부(81)에서의 충진율을 높게 하는 관점에서 통로(88)의 단면의 원의 직경은 1~3mm가 바람직하고, 통로(88)의 거리는 40~60mm가 바람직하다.

도 10에 도시된 바와 같이 각 통로(88)는 입구(91), 출구(92), 통로 본체(93)를 가지고 있다. 입구(91) 및 출구(92)는 통로 본체(93)에 의해 연통되어 있고, 하나의 장벽부(82)의 양측에 접근하여 설치되어 있다. 다른 파악 방법을 보면 인접하는 2개의 장벽부(82)의 사이에 인접한 하나의 반송부(81)에서 입구(91)는 상기 반송부(81)의 하류단 부근의 외주면에 개구되어 있음과 아울러 출구(92)는 상기 반송부(81)의 상류단 부근의 외주면에 개구되어 있다. 하나의 반송부(81)의 외주면에서 개구되어 있는 입구(91)와 출구(92)는 통로 본체(93)에 의해 연통되지 않는다. 입구(91)는 장벽부(82)를 통해 인접하는 하류측 반송부(81)의 출구(92)와 연통되어 있고, 출구(92)는 장벽부(82)를 통해 인접하는 상류측 반송부(81)의 입구(91)와 연통되어 있다.

통로(88)를 통과할 때는 스크류(21)에 의한 전단력이 폴리머에 인가되지 않는다. 이에 의해 폴리머에 대해 전단력이 단속적으로 가해지기 때문에 폴리머가 열 열화되는 것을 억제할 수 있다. 통로(88)를 통과시킬 때의 냉각 효과를 높이기 위해 회전축(38)의 축선(O1)을 따라 동축형으로 연장된 냉매 통로(도시생략)를 회전축(38)의 내부에 형성해도 된다. 냉매 통로를 형성하는 경우, 그 일단은 출구 배관에 이어져 있고, 타단은 회전축(38)의 끝단에서 액밀하게 막힌 구조로 할 수 있다. 냉매 도입관을 냉매 통로의 내부에 동축형으로 삽입해도 된다. 이에 의해 냉매가 회전축(38)의 축방향을 따라 순환하므로 냉매를 이용하여 통로(88)를 통과할 때에 폴리머를 효율적으로 냉각할 수 있다.

도 10에는 반송부(81) 중 스크류 본체(37)의 반송부(81)에 대응한 개소의 원료의 충진율이 그라데이션(농담)으로 나타나 있다. 즉, 상기 반송부(81)에서 색조가 진해질수록 원료의 충진율이 높아져 있다. 도 10에서 알 수 있는 바와 같이 반송부(81)에서 장벽부(82)에 가까워짐에 따라 원료의 충진율이 높아지며 장벽부(82) 직전에서 원료의 충진율이 100%가 되어 있다. 이와 같이 원료 탱크부(R)의 근방에서 충진율이 약 100%가 되어 있는 고분자량 폴리머에 스크류(21)의 회전에 의해 높은 전단력이 가해진다. 이에 의해 고분자량 폴리머를 저분자량화하여 멜트블로운법에 의한 부직포의 제조에 사용 가능한 멜트 플로 레이트를 구비한 저분자량 폴리머로 할 수 있다.

장벽부(82) 직전에서 원료의 충진율이 100%가 되는 「원료 탱크부(R)」가 형성된다. 원료 탱크부(R)에서는 원료의 유동이 막힘으로써 그 원료의 압력이 상승한다. 압력이 상승한 원료는 도 10에 점선의 화살표로 나타내는 바와 같이 반송부(81)의 외주면에 개구된 입구(91)로부터 통로(88)로 연속적으로 유입되어 그 통로(88) 내를 연속적으로 유동한다. 반송 방향을 따라 원료가 충진되는 길이인 충진 길이는 통로(88)와 장벽부(82)의 위치 관계에 의해 규정된다.

통로(88)의 구경(내경)에 의해 규정되는 통로 단면적은 실린더부(33)의 지름방향에 따른 반송부(81)의 원환 단면적보다 훨씬 작다. 다른 파악 방법을 보면 통로(88)의 구경에 기초한 확산 영역은 원환 형상의 반송로(53)의 확산 영역보다 훨씬 작다.

도 11에 도시된 바와 같이 스크류 본체(37)의 내부에 복수의 통로(88)가 병행하여 설치된 구성으로 하는 것이 바람직하다. 복수의 통로(88)를 설치하는 경우 스크류 본체(37)에 균등하게 배치하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해 냉각 효율을 향상시키는 것 및 MFR이 작은 저분자량 폴리머를 얻는 것이 가능하다. 이 경우, 통로(88)의 입구(91) 및 출구(92)(도 8 참조)도 각각 스크류 본체(37)의 외주면에 균등하게 설치된다.

도 11에는 스크류 본체(37)의 내부에 4개의 통로(88a, 88b, 88c, 88d)가 병행하여 설치된 예를 나타내고 있다. 도 11에 도시된 바와 같이 복수의 통로(88)가 균등하게 배치된다는 것은 스크류 본체(37)의 단면의 축선(중심점)(O1)과 인접하는 통로(88)를 연결하는 선의 각도가 동일한 것을 말한다. O1과 인접하는 통로(88)를 연결하는 선의 각도는 통로(88)가 4개인 경우 90°이며, 통로(88)가 2개인 경우 180°이다. 또, D1은 스크류 본체(37)의 외경을 나타내고 있다.

제2 압출기(3)에 공급된 원료는 도 9에 화살표 C로 나타내는 바와 같이 스크류 본체(37)의 기단 측에 위치된 반송부(81)의 외주면에 투입된다. 이 때, 스크류 본체(37)의 기단에서 보아 스크류(21)가 반시계방향으로 좌회전하면 반송부(81)의 플라이트(84)는 원료를 도 9에 실선의 화살표로 나타내는 바와 같이 스크류 본체(37)의 끝단을 향하여 연속적으로 반송한다.

본 실시형태에서는 복수의 반송부(81) 및 복수의 장벽부(82)가 스크류 본체(37)의 축방향으로 교대로 나열되어 있음과 아울러 복수의 통로(88)가 스크류 본체(37)의 축방향으로 간격을 두고 나열되어 있다. 이 때문에 공급구(34)로부터 스크류 본체(37)에 투입된 원료는 도 9 및 도 10에 화살표로 나타내는 바와 같이 전단 작용 및 냉각 작용을 교대로 반복하여 받으면서 스크류 본체(37)의 기단으로부터 끝단의 방향으로 연속적으로 반송된다.

저분자량화의 조건으로서 스크류 본체(37)의 회전수, 통로(88)의 내경, 거리, 전단 작용과 냉각 작용을 교대로 반복하는 횟수 등을 들 수 있다. 본 발명에서 반송을 제한하는 횟수는 제2 압출기(3)에 스크류 본체(37)에 끼워져 설치되어 있는 장벽부(82)의 수와 동일하고, 스크류 본체(37) 사이의 통로(88)가 설치되어 있는 장벽부(82)의 수에 의해 규정된다.

스크류(21)는 구동원으로부터의 토크를 받아 회전한다. 멜트블로운 제법에 적합한 저분자량 폴리머를 제조하기 위해 적합한 스크류(21)의 회전수는 스크류(21)의 외경에 따라 다르다. 일반적으로 스크류(21)의 외경이 작아짐에 따라 적합한 회전수가 커지는 경향이 있다. 외경이 30mm 이상 50mm 이하인 스크류(21)를 이용하는 경우 스크류(21)의 회전수는 2000~6000rpm이 바람직하고, 2000~4000rpm이 보다 바람직하다.

본 실시형태에서는 도 9에 도시된 바와 같이 실선의 화살표로 나타낸 반송부(81)에서의 원료의 반송 방향과 점선의 화살표로 나타낸 통로(88) 내에서의 원료의 유동 방향이 동일하다. 또한, 통로(88)의 입구(91)가 반송부(81)에서의 하류측(끝단측, 도 9를 향하여 좌측)의 단부 근방에 설치되고, 출구(92)는 장벽부(82)를 통해 인접하는 하류측 반송부(81)의 상류측의 단부 근방에 설치되어 있다. 이와 같이 장벽부(82)를 넘는 통로(88)의 길이(L2)가 짧게 구성되어 있기 때문에 원료가 통로(88)를 통과할 때의 유동 저항이 낮아진다. 따라서, 본 실시형태의 제조 방법은 점도가 높은 고분자량 폴리머를 저분자량화하는 제조 방법으로서 적합하다.

통로(88)의 길이(L2)는 그 통로(88)가 넘는 장벽부(82)의 길이(L1)보다 클 필요가 있지만, 원료가 통로(88)를 통과할 때의 유동 저항을 낮추는 관점에서 통로(88)가 넘고 있는 장벽부(82)의 길이(L1)의 2배 이하가 바람직하고, 1.5배 이하가 보다 바람직하며, 1.3배 이하가 더욱 바람직하다.

그리고 스크류 본체(37)의 끝단에 도달한 원료의 고분자량 폴리머는 충분히 저분자량화된 저분자량 폴리머가 되어 토출구(36a)로부터 제3 압출기(4)에 연속적으로 공급되고, 혼련물에 포함되는 가스형 물질이나 그 밖의 휘발 성분이 혼련물로부터 연속적으로 제거된다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시형태의 고전단 가공 장치(1)는 고속 회전 가능하게 구성된 단축의 스크류(21)의 일부에 폴리머를 막는 장벽부(82)가 설치되어 있다. 그리고 장벽부(82)에 막힌 원료 탱크부(R)의 고분자량 폴리머를 포함한 원료가 장벽부(82)를 넘어 설치된 통로(88)를 통과하는 구조를 갖는 단축 압출기이다. 고전단 가공 장치(1)의 상류에는 2축 압출기 등의 제1 압출기(2)가 접속되어 있고, 제1 압출기(2)에 의해 용융 혼합된 수지가 고전단 가공 장치(1)에 투입된다.

고전단 가공 장치(1)의 스크류(21)는 고속 회전 가능하게 구성되어 있기 때문에 원료 탱크부(R)의 고분자량 폴리머를 포함한 원료에 큰 전단력을 수지에 부여할 수 있다. 여기서 고속 회전 가능하다는 것은 예를 들어 5000rpm(회전/분간) 정도까지 회전 가능한 것을 말한다. 원료 탱크부(R)에서의 통로(88)의 입구(91) 부근에서 원료가 충진 상태에 있기 때문에 이 부분에서 고분자량 폴리머를 포함한 원료에 큰 전단력이 가해진다. 따라서, 고분자량 폴리머의 충분한 저분자량화를 실현하려면 장벽부(82)를 늘려 통로(88)의 내경을 작게 하는 것이 바람직하다. 단, 전단 발열에 의해 폴리머의 온도가 너무 상승하면 산화 반응이 과잉으로 진행되어 저분자량 폴리머의 물성에 악영향을 미칠 우려가 있다. 그래서 적당한 크기의 내경을 구비한 통로(88)를 통과시켜 수지를 냉각하여 발열을 억제하여 과잉의 산화 반응에 의한 저분자량 폴리머의 열 열화를 억제한다.

(멜트블로운 부직포의 제조 장치)

입수가 용이한 범용 폴리머는 통상 중합 반응기라고 불리는 큰 탱크에서 모노머와 촉매를 뒤섞어 모노머를 중합함으로써 제조된다. 이 제조 방법은 대량 생산에 적합하기 때문에 사출 성형이나 압출 성형 용도 등의 제조량이 많은 등급의 폴리머는 시장에서 저가로 입수할 수 있다.

그러나 멜트블로운 부직포의 제조에 이용되는 매우 저점도의 초저점도 폴리머는 범용 폴리머에 비해 수요가 작기 때문에 대량 생산용 중합 반응기를 이용하여 초저점도 폴리머를 제조한 경우 수요가 큰 범용 폴리머보다 제조에 필요로 하는 비용이 높아진다. 따라서, 멜트블로운 부직포의 원료로서 사용할 수 있는 등급의 초저점도 폴리머의 유통량은 작고, 또한 거래 가격도 범용 폴리머에 비해 고가이다. 그래서 저가로 입수할 수 있는 범용 폴리머를 저분자량화하여 멜트블로운 부직포의 제조에 이용되는 초저점도 폴리머로 하는 것이 검토되어 있다.

범용 폴리머를 저분자량화하는 방법으로서 유기 과산화물 등의 분자량 저감제를 폴리프로필렌 수지 등의 범용 폴리머에 첨가하여 가열한 압출기를 통과시켜 열분해하는 방법을 들 수 있다(예를 들어 비특허문헌 1).

그러나 과산화물 등의 분자량 저감제는 그 자체가 반응성이 높은 물질이기 때문에 분자량 저감제와 범용 폴리머를 신속하고 균일하게 혼련하는 것이 곤란하다. 이 때문에 압출기 내의 과산화물의 부근만 범용 폴리머의 분해가 진행되어 저분자량화한 후의 분자량 분포가 퍼지기 쉽다는 문제가 있다.

또한, 분자량 저감제를 이용하는 경우 저분자량화는 압출 조건뿐만 아니라 분자량 저감제의 첨가량이나 혼련도에도 영향을 받기 때문에 저분자량화 후의 폴리머의 분자량을 컨트롤하는 것이 기술적으로 용이하지 않다. 이와 같이 분자량의 컨트롤을 연속적으로 변경하는 것이 기술적으로 어렵기 때문에 지금까지 분자량의 조정에 의한 부직포의 물성 조정은 이루어지지 않았다.

나아가 범용 폴리머에 분자량 저감제를 첨가하여 저분자량화한 경우 열분해시에 분자량 저감제의 분해 생성물 등이 발생한다. 이 분해 생성물이 멜트블로운법에 의한 부직포의 제조시에 발연을 발생시켜 작업 환경을 악화시키는 원인이 되는 경우가 있다. 또한, 분해 생성물은 멜트블로운 부직포의 황변 착색이나 악취의 원인이 되기 때문에 분자량 저감제를 첨가한 원료는 마스크 등의 위생용품의 제조용으로서 적합하지 않다.

부직포는 용도에 따라 원료의 입수처가 크게 다르다. 예를 들어 농업용 부직포는 마스크만큼의 순도는 요구되지 않는 데다가 대량으로 사용되기 때문에 고분자량의 원료를 2축 압출기 내에서 과산화물에 의해 분해한 원료를 이용하여 제조된다. 이에 반해 마스크 등 사람의 피부에 닿는 부직포는 이취나 알레르기 반응을 피하기 위해 순도가 높은 원료를 사용할 필요가 있다. 이 때문에 화학 공장의 중합 반응기로 제조되고 있지만, 마스크용 원료는 생산량이 적기 때문에 비교적 고가인 데다가 예를 들어 꽃가루 비산량 등의 계절적인 영향을 받기 때문에 연간 수요 변동이 크다. 이와 같이 부직포는 계절적인 수요의 변동이 크기 때문에 동일한 원료를 이용하여 다른 용도에 적합한 부직포를 제조할 수 있는, 다품종 소량 생산에 적합한 부직포의 제조 장치가 요구되고 있다.

본 발명에 의하면 특수한 등급의 초저점도 폴리머가 아니라 입수가 용이한 범용 폴리머의 저분자량화와 멜트블로운 부직포의 형성을 연속하여 행할 수 있고 다품종 소량 생산에 적합한 멜트블로운 부직포의 제조 장치 및 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 17은 본 실시형태의 장치(100)의 구성의 개략을 나타내는 모식도이다. 장치(100)는 원료의 폴리머를 저분자량화하고 이 저분자량화한 저분자량 폴리머를 이용하여 멜트블로운법에 의해 부직포를 형성하는 멜트블로운 부직포의 제조 장치이다. 멜트블로운법이란 다이의 노즐 헤드로부터 압출되는 열가소성 수지를 열풍으로 분사함으로써 섬유상으로 연신하고 컨베이어 상에 집적하여 그 자기 융착성에 의해 웹을 형성시키는 용융 방사법이다. 이하에서는 멜트블로운법에 의해 형성된 부직포를 멜트블로운 부직포라고 하며 적절히 부직포라고 약기한다.

장치(100)는 상술한 고전단 가공 장치(1), 필터(102), 기어 펌프(103), 다이(멜트블로운 다이)(104), 노즐 헤드(105), 열풍 공급 수단(106), 벨트 컨베이어(107), 권취 장치(108) 및 점도 측정부(109)를 구비하고 있다.

고전단 가공 장치(1)(도 1, 도 4, 도 5 및 도 10 참조)의 제2 압출기(3)는 배럴(20)과 스크류(21)를 구비하고 있다. 배럴(20)은 곧은 통형이며, 수평으로 배치되어 있다. 스크류(21)의 회전에 의해 원료의 고분자량 폴리머에 전단력을 가하여 저분자량화하여 저분자량 폴리머로 하고, 제3 압출기(4)의 헤드부(27)의 토출구(28)로부터 필터(102) 및 기어 펌프(103)를 통해 다이(104)에 공급한다. 고전단 가공 장치(1)를 수지 공급 수단으로서 이용함으로써 고분자량 폴리머의 저분자량화와 저분자량 폴리머를 이용한 부직포의 형성을 일관되게 행할 수 있다.

고전단 가공 장치(1)를 이용함으로써 분자량 저감제 등의 첨가제를 첨가하지 않고 고분자량 폴리머를 저분자량화할 수 있다. 저분자량화를 위한 첨가제가 필요 없기 때문에 부직포의 황변 착색이나 악취의 원인이 되는 첨가제의 분해 생성물이 발생하지 않는다. 이 때문에 장치(100)를 이용하여 의료·위생용에 적합한 부직포를 제조할 수 있다.

또한, 저분자량화의 조건으로서의 첨가제의 첨가량, 혼련도 등을 조정할 필요가 없기 때문에 멜트블로운 부직포의 제조 비용을 억제할 수 있다. 나아가 고전단 가공 장치(1)는 배럴(20)의 설정 온도나 스크류(21)의 회전수를 변경함으로써 저분자량화를 제어하여 원하는 분자량의 저분자량 폴리머를 제조할 수 있기 때문에 다양한 부직포를 개발·제조하는 것이 가능하다.

필터(102)는 고전단 가공 장치(1)로부터 열가소성 수지 등의 저분자량 폴리머가 공급되고 기어 펌프(103)로 보내기 전에 저분자량 폴리머로부터 이물을 제거한다. 기어 펌프(103)는 저분자량 폴리머에 압력을 가하여 소정량의 저분자량 폴리머를 다이(104)에 대해 연속적으로 공급한다. 기어 펌프(103)로부터 공급된 저분자량 폴리머는 열풍 공급 수단(106)으로부터 공급된 고속 공기류 등의 열풍에 의해 다이(104)의 노즐 헤드(105)가 구비하는 세공(151)(도 18 참조)으로부터 부직포 회수용의 벨트 컨베이어(107)를 향하여 압출된다.

도 18은 노즐 헤드(105)의 부분 단면도이다. 노즐 헤드(105)의 세공(151)은 도 18의 헤드 단면에 직각인 방향(Z축 방향)으로 다수 나란히 배열되어 있고, 세공(151)의 양측(X축 방향 양측)에 열풍의 분출구인 슬릿(152)이 헤드 단면에 직각인 방향을 따라 설치되어 있다. 세공(151)으로부터 압출된 저분자량 폴리머는 양측의 슬릿(152)으로부터 세공(151)의 출구를 사이에 두도록 분출하는 고속의 열풍에 의해 연신되어, 가는 섬유상이 된다. 이와 같이 다수 나열된 세공(151)으로부터 나와 연신되어 섬유상이 된 수지는 일정 속도로 주행하는 벨트 컨베이어(107) 상에 집적·반송되어 부직포가 된다. 벨트 컨베이어(107) 상의 부직포는 권취 장치(108)에 의해 롤 형상으로 권취된다.

다이(104)의 노즐 헤드(105)로부터 압출한 저분자량 폴리머에 열풍을 공급하여 섬유상으로 연신하여 부직포로 할 때의 조건은 목적으로 하는 부직포의 성질에 따라 적절히 설정하면 되고, 예를 들어 다이의 온도 200~400℃, 열풍의 온도 200~400℃, 열풍의 풍량 50~300Nm³/hr를 들 수 있다.

고전단 가공 장치(1)의 스크류(21)(도 5, 6, 9 참조)는 고속 회전 가능하게 구성되어 있기 때문에 큰 전단력을 고분자량 폴리머에 부여할 수 있다. 여기서 수지는 통로(88)의 입구(91) 부근에서 충진 상태에 있기 때문에(도 10 참조) 이 부분에서 큰 전단력이 가해진다. 따라서, 고분자량 폴리머의 충분한 저분자량화를 실현하려면 통로(88)의 내경을 작게 하는 것이 바람직하다. 단, 전단 발열에 의해 폴리머의 온도가 너무 상승하면 산화 반응이 과잉으로 진행되어 폴리머의 물성에 악영향을 미칠 우려가 있다. 그래서 적당한 크기의 내경을 구비한 통로(88)를 통과시킴으로써 폴리머를 냉각하여 발열을 억제하고, 과잉의 산화 반응에 의한 폴리머의 물성의 악화를 막으면서 저분자량화를 제어한다.

원료 탱크부(R)에서 저분자량화된 저분자량 폴리머는 스크류(21)의 내부의 축방향으로 장벽부(82)를 넘어 설치된 통로(88)를 통과하여 제2 압출기(3) 내에서 제3 압출기(4) 측으로 이동한다. 이와 같이 원료 탱크부(R)의 근방에 통로(88)를 설치함으로써 저분자량화에 이어 통로(88)를 통과시켜 폴리머를 냉각하여 열에 의한 열화를 억제할 수 있다.

도 17에 도시된 바와 같이 고전단 가공 장치(1)를 제어하는 제어부(116)는 스크류(21)에서의 스크류 본체(37)의 회전수를 설정하는 회전수 설정부(117) 및 고전단 가공 장치(1) 내의 온도를 설정하는 온도 설정부(배럴 온도 설정부)(118)를 구비하고 있다. 이 때문에 스크류(21)의 구성을 정한 후 변경이 용이한 스크류(21)의 회전수 및 배럴(20)의 온도를 변경하여 분자량이 다른 저분자량 폴리머를 다이(104)에 공급하여 다양한 용도에 적합한 부직포를 제조할 수 있다.

또한, 장치(100)는 고전단 가공 장치(1)와 필터(102)의 사이에 점도 측정부(109)를 구비하고 있다. 점도 측정부(109)는 고전단 가공 장치(1)에 의해 저분자량화된 저분자량 폴리머의 점도를 측정하고 제어부(116)에 측정 결과를 송신하는 것이다. 이 때문에 점도 측정부(109)에 의해 측정한 저분자량 폴리머의 점도에 기초하여 스크류(21)의 회전수 및 배럴(20)의 온도를 조정할 수 있다. 또한, 측정한 점도에 기초하여 저분자량 폴리머의 MFR을 추정할 수 있다.

점도 측정부(109)는 예를 들어 단일관, 압력계 및 열전대를 이용하여 구성할 수 있다. 이 경우, 단일관의 저분자량 폴리머의 상류측 및 하류측의 단부에 각각 설치된 압력계에 의해 측정한 압력차, 열전대에 의해 측정한 온도 및 압출량에 기초하여 저분자량 폴리머의 점도를 측정할 수 있다. 또, 열전대는 단일관의 양단 중의 한쪽에 설치하면 된다. 단일관은 직선형, U자형 등의 형상의 것을 이용할 수 있고, 양측의 단부(입구, 출구)에 슬릿을 장착하여 점도를 측정할 때에 슬릿을 개방하는 구성으로 해도 된다. 또한, 점도 측정부(109)가 설치되는 위치는 도 17에 도시된 장소에 한정되지 않는다. 예를 들어 필터(102)와 기어 펌프(103)의 사이에 설치해도 된다.

이상 설명한 바와 같이 고전단 가공 장치(1)를 수지 공급 수단으로서 이용함으로써 분자량 저감제를 함유하지 않는 고분자량 폴리머에 전단력을 가하여 저분자량화한 저분자량 폴리머로 하고 다이로부터 압출한 저분자량 폴리머에 열풍을 공급하여 섬유상으로 연신하여 부직포로서 멜트블로운 부직포를 제조할 수 있다. 따라서, 과산화물의 첨가량, 혼련도, 분해 잔사 등을 신경 쓰지 않고 회전 속도나 배럴 온도라는 압출 조건만으로 범용 폴리머로부터 저분자량 폴리머를 제조할 수 있다. 이 때문에 멜트블로운 부직포의 제조 비용이 저가가 되며 과산화물 등을 첨가하여 열분해하는 방법과 달리 의료·위생 용도에도 사용 가능한 멜트블로운 부직포를 제조할 수 있다.

실시예

실시예의 저분자량 폴리머의 제조에서는 도 1~도 11을 참조하여 실시형태에서 설명한 장치를 이용하였다. 스크류 유효길이(스크류 길이/스크류 지름) 48에 대한 혼련부(12)의 스크류 유효길이를 8로 설정한 제1 압출기(2)에 공급하고 예비적으로 혼련함으로써 용융 상태의 원료를 생성하였다. 그리고 그 용융 상태의 원료를, 제2 압출기(3)의 원료로서의 고분자량 폴리머를 제1 압출기(2)로부터 제2 압출기(3)에 연속적으로 공급하고 저분자량화하여 저분자량 폴리머를 제조하였다.

실시예 1~5에서 이용한 고전단 가공 장치에 공통되는 제2 압출기(3)의 사양 및 제조 조건을 이하에 기입한다.

<고전단 가공 장치>

배럴 유닛의 스크류 지름(외경): 48mm

배럴 유닛의 스크류 유효길이(L/D): 6.25~18.75

통로 길이(L2, 도 9, 도 12 참조): 45mm

원료 공급량: 4.8kg/시간

댐 수: 1

실시예 1~5에서는 저분자량화에 필요로 하는 시간을 짧게 하여 폴리머가 열 열화에 의한 산화를 최대한 받지 않도록 하기 위해 2개의 스크류 본체(37)의 사이에 하나의 장벽부(82)를 넘어 통로(88)가 설치된, 즉 장벽부(82)(댐 수)가 하나인 고전단 가공 장치를 이용하여 저분자량 폴리머를 제조하였다.

도 12는 실시예 1~실시예 5에서 이용한 고전단 가공 장치에서의 제2 압출기(3)의 내부 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 12에 도시된 바와 같이 공급구(34)로부터 공급된 원료의 고분자량 폴리머는 스크류 본체(37)의 회전에 의해 저분자량화됨과 아울러 그 사이의 통로(88)를 통과할 때에 냉각된다. 이와 같이 스크류 본체(37)로부터의 전단력이 폴리머에 단속적으로 가해짐으로써 전단 발열에 의한 폴리머의 열 열화를 억제할 수 있다.

<실시예 1>

이하의 장치를 이용하여 고분자량 폴리머를 저분자량화하여 저분자량 폴리머를 제조하였다.

<원료>

고분자량 폴리머

J108M(상품명, 프라임 폴리머 제품, Mw 251,000, 저점도 폴리프로필렌)

F704NP(상품명, 프라임 폴리머 제품, Mw 451,000, 중점도 폴리프로필렌)

E105GM(상품명, 프라임 폴리머 제품, Mw 1,130,000, 고점도 폴리프로필렌)

<장치>

고전단 가공 장치

통로: 단면 원형, 직경(φ) 2mm·4개, 배럴 설정 온도 195℃

회전수: 100, 500, 1000, 1500, 2000, 3600rpm

제조된 저분자량 폴리머에 대해 고온 겔 침투 크로마토그래피(GPC)를 이용하여 측정한 단순 폴리스티렌 환산의 중량 평균 분자량(Mw) 및 멜트 플로 레이트(MFR, JIS K7210-1(B법), 가중 2.16kg, 온도 230℃, 이하 특기하지 않는 경우 이 방법에 의한 측정값을 나타냄)를 표 1에 나타낸다.

고전단 가공 장치를 이용하여 고분자량 폴리머를 저분자량화한 저분자량 폴리머를 제조할 수 있었다. 또한, 스크류의 회전수를 변화시킴으로써 MFR이 다른 저분자량 폴리머를 제조할 수 있었다. 스크류의 회전수를 3000rpm 이상으로 함으로써 멜트블로운 제법에 의한 부직포의 제조에 적합한 MFR 500(g/10분간)을 넘는 저분자량 폴리머를 얻을 수 있었다.

<실시예 2>

<원료>

고분자량 폴리머: J108M

<장치>

고전단 가공 장치

통로: 단면 원형, 직경(φ) 2mm·1개

배럴 설정 온도: 90, 130, 195, 230, 295℃

회전수: 2000rpm

제조된 저분자량 폴리머의 멜트 플로 레이트를 측정한 결과를 표 2에 나타낸다.

배럴 설정 온도를 높게 함으로써 얻어지는 저분자량 폴리머의 MFR이 커지는 것을 알 수 있었다. 단, 고전단 가공 장치를 이용한 경우 폴리머가 장치 내에 존재하는 체류 시간이 짧기 때문에 2축 혼련 압출 장치를 이용한 경우보다 폴리머에 대한 열의 영향을 억제할 수 있다.

<실시예 3>

<원료>

고분자량 폴리머: J108M

<장치>

고전단 가공 장치

통로: 단면 원형, 직경(φ) 4mm·1개, 직경(φ) 2mm·1개, 직경(φ) 2mm·4개

배럴 설정 온도: 90℃, 195℃

회전수: 100, 1000, 2000rpm

얻어진 저분자량 폴리머의 멜트 플로 레이트를 측정한 결과를 표 3에 나타낸다.

스크류의 회전수를 1000rpm 이상으로 한 경우, 통로의 직경(φ)은 2mm일 때에 4mm보다 MFR이 큰 저분자량 폴리머를 제조할 수 있었다. 이 결과로부터 통로의 단면을 원형으로 하는 경우 각 통로의 직경은 배럴 유닛의 스크류 지름(외경)의 1/32~1/16이 바람직하고, 1/28~1/20이 보다 바람직하다고 할 수 있다. 또한, 배럴 유닛의 스크류 지름(외경)을 45~55mm로 하는 경우 각 통로의 직경은 1~3mm 정도가 바람직하다고 할 수 있다.

또한, 스크류 본체의 내부에 직경(φ) 2mm의 통로를 병행하여 4개 균등하게 설치함으로써 더욱 MFR이 큰 저분자량 폴리머를 제조할 수 있었다. 직경(φ) 2mm의 통로를 4개 설치함으로써 통로의 단면적의 합계가 동일한 정도인 직경(φ) 4mm의 통로를 1개 설치한 경우와 비교하여 MFR이 현저하게 향상되었다. 이로부터 복수의 통로를 설치하는 것이 바람직하고, 3~5개의 통로를 병행하여 설치하는 것이 보다 바람직하다고 할 수 있다.

<실시예 4>

<원료>

고분자량 폴리머: J108M

<장치>

고전단 가공 장치

관통공: 원형, 직경(φ) 2mm·4개

회전수: 2000, 2500, 3000, 3600rpm(회전/분간)

배럴 설정 온도: 195℃

도 13은 고분자량 폴리머의 저분자량화에 의해 얻어진 저분자량 폴리머의 점도를 나타내는 그래프이다. 도 13에 도시된 바와 같이 스크류 회전수를 3600rpm으로 함으로써 MFR 560(g/10분간)의 저분자량 폴리머를 제조할 수 있었다. 본 발명의 제조 방법에 의해 멜트블로운 제법에 의한 부직포의 제조에 적합한 MFR 500 이상의 저분자량 폴리머를 효율적으로 제조할 수 있었다.

얻어진 저분자량 폴리머의 중량 평균 분자량(Mw), 수평균 분자량(Mn) 및 다분산도(Mw/Mn)를 이하의 표 4에 나타낸다.

표 4에 나타내는 바와 같이 고전단 가공 장치를 이용하여 제조된 저분자량 폴리머는 원료의 고분자량 폴리머보다 다분산도가 작아졌다. 다분산도가 작은 저분자량 폴리머는 분자량이 작은 저분자량 폴리머를 함유하는 비율이 낮기 때문에 제조 중에 실의 절단이 발생하기 어렵다. 따라서, 멜트블로운 제법에 의한 부직포의 제조용으로서 적합하다.

<실시예 5>

<원료>

고분자량 폴리머: E105GM

<장치>

고전단 가공 장치

관통공: 원형, 직경(φ) 2mm·4개

회전수: 2000, 2500, 3000, 3600rpm(회전/분간)

배럴 설정 온도: 195℃

도 14는 고전단 가공 장치를 이용한 저분자량화에 의해 얻어진 저분자량 폴리머의 점도를 나타내는 그래프이다. 얻어진 저분자량 폴리머의 중량 평균 분자량(Mw), 수평균 분자량(Mn) 및 다분산도(Mw/Mn)를 이하의 표에 나타낸다.

표 5에 나타내는 바와 같이 원료로서 고점도 폴리프로필렌(E105GM)을 이용한 실시예 2도 저점도 폴리프로필렌(J108M)을 이용한 실시예 4와 같이 다분산도가 작은 저분자량 폴리머를 제조할 수 있었다.

<비교예 1>

실시예 1의 고전단 가공 장치 대신에 2축 혼련 압출 장치를 이용하여 고분자량 폴리머를 저분자량화하였다.

<원료>

고분자량 폴리머: J108M, F704NP, E105GM

<장치>

2축 혼련 압출 장치(제품명; TEM26 2축 혼련 압출기, 토시바 기계(주) 제품)

스크류 회전수: 750rpm

원료 공급량: 10kg/시간

배럴 설정 온도: 195, 250, 300, 350℃

얻어진 폴리머의 멜트 플로 레이트를 측정한 결과를 표 6에 나타낸다. J108M을 350℃에서 처리한 것은 후술하는 실시예 6과 같이 교정 곡선에 기초하여 추정한 MFR을 나타낸다.

표 6에 나타내는 바와 같이 고전단 가공 장치 대신에 2축 혼련 압출 장치를 이용하여 배럴 설정 온도를 변화시킴으로써 MFR이 다른 저분자량 폴리머를 제조할 수 있었다. 그러나 2축 혼련 압출 장치를 이용한 경우 고전단 가공 장치보다 저분자량화에 필요로 하는 시간이 길어진다. 그리고 저분자량화의 때에 통로를 통과시켜 폴리머를 냉각하지 않고 연속적으로 저분자화가 행해진다. 따라서, 저분자량화에 의해 산화가 진행되어 저분자량 폴리머가 열 열화된다는 문제가 있다.

<비교예 2>

<원료>

고분자량 폴리머: J108M

<장치>

배럴 설정 온도: 350℃

원료 공급량: 10kg/시간

스크류 회전수: 750rpm

도 15는 2축 혼련 압출 장치를 이용한 저분자량화에 의해 얻어진 저분자량 폴리머의 점도를 나타내는 그래프이다. 도 15에 도시된 바와 같이 2축 혼련 압출 장치를 이용해도 고분자량 폴리머를 저분자량화할 수 있었다. 그러나 이하에 나타내는 바와 같이 종래의 2축 혼련 압출 장치를 이용한 경우 실시예의 저분자량 폴리머와 비교하여 저분자량화에서의 열 열화가 컸다.

<저분자량 폴리머의 산화도 측정>

도 16의 (a)는 원료로서 이용한 폴리프로필렌과, 실시예 4의 3600rpm으로 한 것 및 비교예 2의 저분자량 폴리머에 대해 FT-IR을 측정한 결과를 나타내는 그래프이며, 도 16의 (b)는 C-O 신축에 귀속되는 피크를 확대하여 나타내는 그래프이다. 산화의 진행 정도를 나타내는 C-O 신축 유래의 피크(1018.23, 1043.78, 997.50cm^-1)의 강도를 이용하여 저분자량 폴리머의 열 열화의 정도를 평가한 결과를 표 7 및 표 8에 나타낸다.

도 16의 (a), 도 16의 (b), 표 7 및 표 8에 나타나는 바와 같이 900부터 1,300cm^-1의 C-O 신축 유래의 피크의 비교에 의해 저분자량화에 의해 C-O 결합이 증가한 것을 알 수 있다. 비교예 4의 저분자량 폴리머에서는 C-O 신축에 유래하는 피크의 강도 증가가 현저하였다. 이에 반해 실시예 4의 저분자량 폴리머는 C-O 신축 유래의 피크의 강도가 원료보다 약간 커져는 있지만 비교예 2의 저분자량 폴리머보다 충분히 작았다. 이와 같이 실시예 4의 저분자량 폴리머는 비교예 2에 비해 컨트롤(원료의 고분자량 폴리머)에 대한 피크 높이의 비가 낮고 열 열화에 의한 C-O 결합의 생성이 억제된 것을 알 수 있다.

이상과 같이 고전단 가공 장치를 이용함으로써 저분자량화에서의 산화의 진행을 억제할 수 있는 것을 알 수 있었다. 이 결과는 저분자량화에 필요로 하는 시간이 짧은 것 및 전단력을 가함과 아울러 통로를 통과시켜 단속적인 전단력을 가하는 것에 의해 폴리머의 온도가 비교적 낮은 온도로 유지할 수 있었기 때문이라고 생각된다.

또, C-H의 신축 및 변각에 귀속되는 FT-IR의 피크는 실시예 4와 비교예 2에서 동일하게 증가하였다. 이 때문에 C-C 결합의 파단에 의한 새로운 C-H 결합의 생성은 동일한 정도 일어나고 있다고 할 수 있다. 또한, C=O 신축 유래의 1,850부터 1,650cm^-1의 피크가 인정되지 않았기 때문에 저분자량화에 의한 C=O 결합은 생성되지 않는다고 할 수 있다.

<실시예 6>

본 실시예에서는 장벽부(82)에 의한 막는 개소를 늘린 고전단 가공 장치를 이용하여 저분자량 폴리머를 제조하였다. 즉, 통로(88)가 설치된 장벽부(82)를 4개 갖는 스크류 본체(37)를 구비한 고전단 가공 장치 및 통로(88)가 설치된 장벽부(82)를 7개 갖는 스크류 본체(37)를 구비한 고전단 가공 장치를 이용하여 저분자량 폴리머를 제조하였다.

<원료>

고분자량 폴리머: J108M

<장치>

고전단 가공 장치

통로: 단면 원형, 직경(φ) 2mm·4개

배럴 설정 온도: 300℃

회전수: 3600rpm

원료 공급량: 10kg/시간

댐 수: 4, 7

본 실시예의 제조 방법에 의해 제조된 저분자량 폴리머는 점도가 낮아 멜트 플로 레이트(MFR)를 직접 측정할 수 없었다. 그래서 저분자량 폴리머의 멜트 플로 레이트는 폴리프로필렌의 점도(제로 전단 점도)와 그 멜트 플로 레이트의 이미 알려진 값에 관한 데이터로부터 작성한 교정 곡선에 기초하여 추정하였다. 고전단 가공 장치의 댐 수가 저분자량 폴리머의 제로 전단 점도와 멜트 플로 레이트에 주는 영향을 이하의 표에 나타낸다.

※실시예 2: 통로: 단면 원형, 직경(φ) 2mm·1개, 배럴 설정 온도: 295℃, 회전수: 2000rpm

본 실시예의 결과로부터 고전단 가공 장치의 막는 개소를 늘림으로써 제로 전단 점도가 낮은 저분자량 폴리머를 제조할 수 있는 것을 알 수 있었다. 이는 스크류 내부에서 폴리머를 막아 충진 상태를 만들어 냄으로써 회전 속도의 증가에 따른 비충진 상태가 되는 부분의 증가를 억제하여 폴리머에 큰 전단 응력을 가할 수 있었기 때문이라고 추정된다.

또한, 고전단 가공 장치를 이용하여 범용 폴리머를 원료로 하여 고분자량 폴리머의 저분자량화에 의해 멜트블로운 부직포의 제조에 요구되는, 멜트 플로 레이트 500[g/10분간] 이상, 나아가 멜트 플로 레이트가 1000[g/10분간]을 넘는 저분자량화가 가능한 것을 알 수 있었다.

<실시예 7>

본 실시예에서는 이하의 원료 및 장치를 이용하여 압출량의 영향을 조사하였다.

<원료>

고분자량 폴리머: J108M

<장치>

고전단 가공 장치

통로: 단면 원형, 직경(φ) 2mm·4개

배럴 설정 온도: 300℃

회전수: 3600rpm

원료 공급량: 10kg/시간, 50kg/시간, 100kg/시간

댐 수: 4

본 실시예의 저분자량 폴리머는 점도가 낮았기 때문에 실시예 6과 같이 교정 곡선에 기초하여 멜트 플로 레이트를 추정하였다. 고전단 가공 장치의 압출량이 제로 전단 점도와 멜트 플로 레이트에 주는 영향을 이하의 표에 나타낸다.

본 실시예의 결과로부터 고전단 가공 장치의 막는 개소의 수와는 달리 압출량을 늘림으로써 얻어지는 저분자량 폴리머의 제로 전단 점도 및 멜트 플로 레이트는 거의 변화하지 않았다.

<실시예 8>

고전단 가공 장치를 이용하여 범용의 폴리프로필렌인 J108M(상품명, 프라임 폴리머 제품, Mw 251,000)을 저분자량화하여 MFR이 1148인 저분자량 폴리머를 제조하였다. 이 저분자량 폴리머를 이용하여 멜트블로운 부직포를 제조하였다. 멜트블로운 부직포의 물성 목표는 평량(mass per unit area) 10~40g/㎡, 평균 섬유 지름 2μm 이하로 하였다.

<고전단 가공 장치>

배럴 유닛의 스크류 지름(외경): 48mm

배럴 유닛의 스크류 유효길이(L/D): 18.75

통로: 단면 원형, 직경(φ) 2mm·4개

통로 길이(L2, 도 9 참조): 45mm

댐 수(장벽부의 수): 4

<조건>

원료 공급량: 20kg/시간

배럴 설정 온도: 320℃

스크류 회전 속도: 3600회전/분간

도 19의 (a)는 J107G를 고전단 가공 장치로 저분자량화한 저분자량 폴리머를 원료로 하여 제조한 멜트블로운 부직포의 외관을 나타내는 도면 대용 사진이며, 도 19의 (b)는 전자 현미경 화상이다. 멜트블로운 부직포의 색은 양호하고 저분자량화에 의한 산화의 영향은 적었다. 또한, 멜트블로운 부직포를 만진 느낌은 까칠까칠하지 않고 부드러운 감촉이었기 때문에 수지 고임은 발생하지 않았다고 할 수 있다. 섬유는 밀집되어 있어 간극은 확인되지 않았다. 멜트블로운 성형시에서의 토출 얼룩이나 섬유 비산 등의 결함도 발생하지 않았다. 도 19의 (b)에 도시된 전자 현미경 화상을 보아도 섬유 지름에 큰 불균일은 확인되지 않았다. 제조한 멜트블로운 부직포의 물성값은 평량 30g/㎡, 평균 섬유 지름 1.6μm이었다.

<실시예 9>

실시예 8에서는 원료 공급량 20kg/시간으로 저분자량화한 저분자량 폴리머를 원료로 하여 멜트블로운 부직포를 제조할 수 있는 것을 확인하였다. 그러나 멜트블로운 부직포의 제조에는 2kg/시간 정도로의 원료 공급에 대응하는 멜트블로운 장치가 이용되는 경우가 있다. 그래서 본 실시예에서는 원료 공급을 2kg/시간으로 한 경우에 고전단 가공 장치의 조건의 조정에 의해 여러 가지의 저분자량 폴리머를 제조하였다.

멜트블로운 부직포의 제조에 적합한 MFR 500~2000[g/10분간]의 저분자량 폴리머를 제조할 수 있는 것을 확인하였다.

<원료>

고분자량 폴리머

J107G(상품명, 프라임 폴리머 제품, Mw 280,000, 저점도 폴리프로필렌, MFR 30[g/10분간])

<고전단 가공 장치>

배럴 유닛의 스크류 지름(외경): 48mm

배럴 유닛의 스크류 유효길이(L/D): 12.5

통로: 단면 원형, 직경(φ) 2mm·1개

통로 길이(L2, 도 9 참조): 45mm

댐 수(장벽부의 수): 4

<조건>

원료 공급량: 2kg/시간

배럴 설정 온도: 260~320℃

스크류 회전 속도: 3000~5000회전/분간

표 11에 나타내는 바와 같이 고전단 가공 장치의 조건(회전 속도 및 배럴 설정 온도)을 조정함으로써 멜트블로운 부직포의 제조에 적합한 MFR 500~2000[g/10분간]의 저분자량 폴리머를 제조할 수 있었다.

본 발명은 과산화물을 더하지 않고 고분자량 폴리머를 저분자량화하여 저분자량 폴리머로 할 수 있고, 예를 들어 멜트블로운 제법에 적합한 저분자량 폴리머의 제조에 이용할 수 있다.

1: 고전단 가공 장치 2: 제1 압출기 3: 제2 압출기 4: 제3 압출기 6: 배럴 7a, 7b: 스크류 8: 실린더부 9: 공급구 11: 피드부 12: 혼련부 13: 펌핑부 14: 플라이트 15: 디스크 16: 플라이트 20: 배럴 21: 스크류 22: 배럴 23: 벤트 스크류 24: 실린더부 25: 벤트구 26: 진공 펌프 27: 헤드부 28: 토출구 29: 플라이트 31: 배럴 엘리먼트(배럴) 32: 관통공 33: 실린더부 34: 공급구 35: 냉매 통로 36: 헤드부 36a: 토출구 37: 스크류 본체 38: 회전축 39: 통체 40: 제1 축부 41: 제2 축부 42: 조인트부 43: 스토퍼부 44: 제1 칼라 45a, 45b: 키 49a, 49b: 키 홈 51: 제2 칼라 52: 고정 나사 53: 반송로 81: 반송부(스크류 요소) 82: 장벽부(스크류 요소) 84, 86: 플라이트 88, 88a, 88b, 88c, 88d: 통로(스크류 요소) 89: 벽면 91: 입구 92: 출구 93: 통로 본체 O1: 축선 100: 장치 102: 필터 103: 기어 펌프 104: 다이 105: 노즐 헤드 106: 열풍 공급 수단 107: 벨트 컨베이어 108: 권취 장치 109: 점도 측정부 116: 제어부 117: 회전수 설정부 118: 온도 설정부(배럴 온도 설정부) 151: 세공 152: 슬릿

Claims

연속식 전단 가공 장치를 이용한 저분자량 폴리머의 제조 방법으로서,
나선형으로 비틀어진 플라이트를 갖는, 원료를 반송하는 반송부와, 상기 반송부의 상기 플라이트의 비틀림 피치보다 비틀림 피치가 작게 설정된 나선형으로 비틀어진 플라이트를 갖는 장벽부를 갖춘 스크류 본체를 2000~6000rpm으로 회전시키고,
상기 장벽부의 직전에서 원료의, 분자량 저감제를 함유하지 않는 고분자량 폴리머의 충진율이 100%가 되는 원료 탱크부를 형성하고, 250~350℃로 설정된 배럴 내부의 실린더부의 내주면과 상기 반송부의 상기 플라이트부의 꼭대기부와의 간격(clearance)에 의해 전단력을 가하여 중량 평균 분자량(Mw) 200,000 미만으로 저분자량화하여 저분자량 폴리머로 함과 아울러
상기 스크류 본체의 내부의 축방향으로 설치된 상기 장벽부를 넘어 형성되어 있는 통로를 통과시킴으로써 상기 저분자량 폴리머를 냉각하는 것을 특징으로 하는 저분자량 폴리머의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 저분자량 후, 저분자량 폴리머를 포함하는 폴리머의 다분산도가 2~5인 저분자량 폴리머의 제조 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 고분자량 폴리머는 중량 평균 분자량이 250,000~1,100,000인 폴리프로필렌이며,
상기 저분자량 폴리머는 멜트 플로 레이트가 500~2,000(g/10분간)인 저분자량 폴리머의 제조 방법.
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청구항 1에 있어서,
상기 통로의 단면이 원형이며, 상기 단면의 직경이 상기 스크류 본체의 외경의 1/16~1/32인 저분자량 폴리머의 제조 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 통로가 상기 스크류 본체의 내부에 병행하여 복수 설치되어 있는 저분자량 폴리머의 제조 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 통로가 상기 스크류 본체의 내부에 병행하여 4개 균등하게 설치되어 있는 저분자량 폴리머의 제조 방법.
연속식 전단 가공 장치에 있어서, 나선형으로 비틀어진 플라이트를 갖는, 원료를 반송하는 반송부와, 상기 반송부의 상기 플라이트의 비틀림 피치보다 비틀림 피치가 작게 설정된 나선형으로 비틀어진 플라이트를 갖는 장벽부를 갖춘 스크류 본체를 2000~6000rpm으로 회전시키고, 상기 장벽부의 직전에서 원료의, 분자량 저감제를 함유하지 않는 고분자량 폴리머의 충진율이 100%가 되는 원료 탱크부를 형성하고, 250~350℃로 설정된 배럴 내부의 실린더부의 내주면과 상기 반송부의 상기 플라이트부의 꼭대기부와의 간격(clearance)에 의해, 분자량 저감제를 함유하지 않는 고분자량 폴리머에 전단력을 가하여 중량 평균 분자량(Mw) 200,000 미만으로 저분자량화한 저분자량 폴리머로 하고,
다이로부터 압출한 상기 저분자량 폴리머에 열풍을 공급하여 섬유상으로 연신하여 부직포로 하는 멜트블로운 부직포의 제조 방법.
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