KR102547329B1 - 셀룰로스 필라멘트 원사 또는 섬유로부터 액체를 제거하기 위한 방법 - Google Patents

셀룰로스 필라멘트 원사 또는 섬유로부터 액체를 제거하기 위한 방법 Download PDF

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크리스토프 쉬렘프
안드레아스 그레젠바우어
에른스트 라이터
마르틴 논토펠
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Abstract

본 발명은 매우 높은 생산 속도로 라이오셀 셀룰로스 연속 필라멘트 원사로부터 액체를 실질적으로 제거하는 방법을 제공한다.

Description

셀룰로스 필라멘트 원사 또는 섬유로부터 액체를 제거하기 위한 방법
본 발명은 셀룰로스 필라멘트 원사(filament yarn) 또는 섬유의 생성 방법, 즉 생산 공정 내의 탈수(예컨대, 세척액/응고조 잔류물 등의 제거) 관련 공정 단계에 관한 것이다.
배경
연속 필라멘트 원사는 스테이플 섬유를 사용하여 제조된 원사로부터 생성된 직물과 비교하여 구별되는 특성을 갖는 직물을 생산하기 위해 텍스타일 산업에서 널리 사용된다. 연속 필라멘트 원사는 모든 섬유가 원사의 임의의 길이에 걸쳐 연속적인 것이다. 연속 필라멘트 원사는 일반적으로 10 내지 300개 이상의 개별 필라멘트로 구성될 것이며, 이러한 개별 필라멘트는 생산 시 원사의 축과 서로에 대해 평행한다. 원사는, 폴리머 또는 폴리머 유도체의 용액 또는 용융물을 압출한 후 생성된 원사를 보빈 또는 릴에 권취시킴으로써 또는 원심 권취(centrifugal winding)에 의해 케이크를 형성함으로써 생성된다.
합성 폴리머 연속 필라멘트 원사가 일반적이다. 예를 들어, 나일론, 폴리에스테르 및 폴리프로필렌 연속 필라멘트 원사는 다양한 직물에 사용된다. 이들은 생성된 원사에 필요한 필라멘트 수에 해당하는 수의 구멍을 갖는 방사구를 통해 용융된 폴리머를 용융 방사하여 생성된다. 용융된 폴리머가 응고되기 시작한 후, 원사가 연신되어 폴리머 분자를 배향시키고 원사의 특성을 개선시킬 수 있다.
연속 필라멘트 원사는 또한 건식 방사에 의해 셀룰로스 디아세테이트 및 셀룰로스 트리아세테이트와 같은 셀룰로스 유도체로부터 방사될 수 있다. 폴리머는 적절한 용매에 용해된 후 방사구를 통해 압출된다. 용매는 압출 후 빠르게 증발하여 폴리머가 필라멘트 형태로 침전되어 원사를 형성한다. 새로 생성된 원사는 연신되어 폴리머 분자를 배향시킬 수 있다.
연속 필라멘트 원사는 또한 비스코스 공정을 이용하여 셀룰로스로부터 생성될 수 있다. 셀룰로스는 수산화나트륨과 이황화탄소의 반응에 의해 셀룰로스 크산테이트로 전환된 다음 수산화나트륨 용액에 용해된다. 일반적으로 비스코스라고 불리는 셀룰로스 용액은 방사구를 통해 산성 조로 압출된다. 수산화나트륨이 중화되어 셀룰로스가 침전된다. 동시에 셀룰로스 크산테이트는 산과의 반응에 의해 다시 셀룰로스로 전환된다. 새로 형성된 필라멘트가 연사되어 셀룰로스 분자를 배향시키고, 세척되어 필라멘트로부터 반응물을 제거한 다음 건조되고 보빈에 권취된다. 이 공정의 이전 버젼에서, 습식 원사는 원심 권취기(centrifugal winder)(Topham Box)를 사용하여 케이크로 수집되었다. 그 후, 원사 케이크는 오븐에서 건조된 후 보빈 상에 권취된다.
연속 필라멘트 셀룰로스 원사 또한 큐프로 공정을 사용하여 생성된다. 셀룰로스는 수산화구리암모늄 용액에 용해된다. 생성 용액은 수조 내로 압출되며, 여기에서 수산화구리암모늄은 희석되고 셀룰로스는 침전된다. 생성된 원사는 세척되고, 건조되고 보빈 상에 권취된다.
비스코스 또는 큐프로 공정에 의해 생성된 셀룰로스 연속 필라멘트 원사는 직조 또는 편직 또는 기타 직물 형성 공정에 의해 직물로 제조될 수 있다. 생성된 직물은 겉옷의 안감, 여성용 블라우스 및 상의, 란제리 및 기도용 깔개를 포함하는 다양한 적용 분야에 사용된다. 원사는 또한 타이어 및 기타 고무 제품의 보강용으로도 생산된다.
연속 필라멘트 셀룰로스 원사로부터 제조된 직물은 높은 광택을 가질 수 있다. 이들은 습기 처리가 우수하여 착용자의 편안함을 향상시킨다. 이들은 연속 필라멘트 합성사를 사용하여 제조된 직물만큼 쉽게 정전기를 발생시키지 않는다.
그러나, 현재 이용가능한 연속 필라멘트 셀룰로스 원사로부터 제조된 직물은 일반적으로 물리적 특성이 불량하다. 건조 강도 및 인열 강도는 폴리에스테르와 같은 합성 폴리머로부터 제조된 직물과 비교하여 불량하다. 습윤 강도는 셀룰로스와 물 사이의 상호 작용으로 인해 건조 강도보다 훨씬 낮다. 내마모성이 낮다. 물과의 상호작용은 또한 셀룰로스를 연화시켜 원사로부터 제조된 직물이 젖었을 대 불안정하게 만든다.
이러한 단점으로 인해, 원래 연속 필라멘트 셀룰로스 원사를 사용하여 제조된 제품은 현재 폴리에스테르 및 나일론과 같은 합성 폴리머 연속 필라멘트 원사를 사용하여 주로 생산된다.
그러나, 합성사는 특정 단점을 나타낸다. 이를 사용하여 제조된 직물은 셀룰로스 원사로부터 제조된 직물의 수분 취급 능력을 갖고 있지 않다. 합성 직물은 정전기를 발생시킬 수 있다. 어떤 사람들은 합성사로 제조된 의복이 셀룰로스 함유 직물과 비교하여 착용하기 훨씬 덜 편안하다고 여긴다.
따라서, 연속 필라멘트 셀룰로스 원사로부터 제조된 현재 이용가능한 직물의 긍적적인 특징을 갖지만, 일반적으로 연속 필라멘트 합성사를 사용하여 제조된 직물과 관련된 성능을 갖는 직물 및 다른 텍스타일 제품을 생산할 수 있는 연속 필라멘트 셀룰로스 원사에 대한 요구가 있다.
놀랍게도, 라이오셀 공정에 의해 생성된 연속 필라멘트 원사는 비스코스 공정에 의해 생성된 필라멘트 원사보다 인장 강도가 상당히 더 높은 것으로 밝혀졌다. 이는 더 우수한 강도, 인열 강도 및 내마모성을 갖는 직물을 생성할 수 있다. 라이오셀 필라멘트가 젖엇을 때 강도 손실은 비스코스 필라멘트보다 훨씬 더 적다. 이는 라이오셀 직물이 젖을 경우 변형되기 더 어려워 더욱 우수한 직물 안정성을 제공한다는 것을 의미한다. 라이오셀 직물은 또한 동등한 비스코스 직물과 비교하여 젖었을 경우 더욱 강하다.
또한, 놀랍게도 라이오셀 연속 필라멘트로부터 생성된 직물이 연속 필라멘트 비스코스 및 큐프로 직물의 바람직한 특성인 광택, 수분 취급 특성 및 낮은 정전기 발생을 가질 수 있음이 밝혀졌다.
라이오셀 기술은 셀룰로스 목재 펄프 또는 기타 셀룰로스-기반 공급원료를 극성 용매(예를 들어, n-메틸 모르폴린 n-옥사이드, 이하 '아민 옥사이드'로 지칭)에 직접 용해하여 점성의 고전단-희석액(thining solution)을 생성하고, 이러한 희석액은 다양한 유용한 셀룰로스-기반 물질 내로 형성될 수 있음을 기반으로 하는 기술이다. 상업적으로, 이 기술은 텍스타일 및 부직포 산업에서 널리 사용되는 셀룰로스 스테이플 섬유 계열(상표명 TENCEL®으로 Lenzing AG(Lenzing, Austria)로부터 시중에서 입수가능)을 생산하는데 이용된다. 라이오셀 기술로부터의 기타 셀룰로스 제품, 예컨대 필라멘트, 필름, 케이싱, 비드 및 부직포 웹이 또한 공개되었다.
EP 823945 B1은 셀룰로스 섬유를 제조하기 위한 방법으로서, 라이오셀 공정에 따라 셀룰로스 방사 용액을 압출 및 응고시키고, 필라멘트를 연신시키고, 필라멘트를 다양한 적용 분야에 사용될 수 있는 셀룰로스 섬유로 절단하는 것을 포함하는 방법을 개시한다.
EP 0 853 146 A2는 셀룰로스계 섬유의 제조 방법을 개시한다. 이 문헌의 교시에 따르면, 크게 상이한 분자량을 갖는 2개의 상이한 원료가 섬유를 수득하기 위해 혼합된다. WO 98/06754는 방사 용액을 얻기 위해 준비된 용액을 혼합하기 전에 2개의 상이한 원료를 먼저 별도로 용해시키는 것을 요구하는 유사한 방법을 개시하고 있다. DE 199 54 152 A1은 비교적 낮은 온도를 갖는 방사 용액이 사용되는 섬유 제조 방법을 개시하고 있다.
라이오셀 방사 용액에서 생성된 셀룰로스 필라멘트 원사의 이점은 설명되었다(
Figure 112021085578213-pct00001
, Lenzinger Berichte 9/94, S. 49 ff.). 그러나, 방사 효율에 대한 요구가 증가하기 때문에, 라이오셀 공정에서 방사 속도를 분당 수백 미터의 값으로 증가시키려는 시도가 있었다.
또한, 높은 생산 속도에서도 생산된 필라멘트/원사/섬유를 적절하게 세척하는 것이 중요하며, 즉, 생산된 물질에 잔류되어서는 안되는 용매 또는 기타 첨가제와 같은 원치 않는 잔여량의 처리 물질이 가능한 많이 제거되는 것이 중요하다. 이와 관련하여, 전형적인 라이오셀 공정은 잔여량의 응고조을 제거하는 초기 단계와 후속 세척 단계를 포함한다. 이러한 단계 동안 당업계에서 사용되는 필라멘트/원사/섬유로부터 액체를 제거하기 위한 다양한 옵션이 있다. 액체 제거를 위한 일반적인 수단은 종종 필라멘트/원사/섬유에 특정 기계적 힘을 가하는 장치, 예를 들어 액체를 닦아내거나 벗겨내거나 짜내기 위한 장치의 사용을 포함한다. 그러나, 높은 생산 속도에 대한 수요 증가로 인해 이러한 액체 제거 수단이 종종 더 이상 적합하지 않은 경우가 많은데, 이는 결함 비율이 높을 수 있기 때문이다. 따라서, 물론 필라멘트 품질이 유지되면서 필요한 높은 방사 및 생산 속도는 신뢰할 수 있고 일반적으로 사용가능하며 상업적으로 실행가능한 액체 제거 수단이 아직 알려지지 않았다는 결점을 제시하는데, 이는 다른 공정 기술로부터의 섬유 및 필라멘트 생산과 관련된 종래 기술(비스코스, 합성 필라멘트)이 압출 직후 고 폴리머의 확장에 이어서 액체 교환을 통한 제어된 용매 제거의 까다로운 요구 사항으로 인해 라이오셀 공정에 적용될 수 없기 때문이다.
따라서, 높은 속도로의 연속 필라멘트 라이오셀 원사의 제조는 주로 훨씬 더 높은 생산 속도, 필라멘트 균일성 요건 및 탁월한 공정 연속성에 대한 필요성으로 인해 새로운 공정 과제를 제시한다:
·스테이플 섬유 생산보다 10배 더 빠른 필라멘트 생산 속도가 전형적이며, 생산 속도를 추가로 증가시켜야 하는 최근의 요구는 공정 제어 문제를 증가시킨다.
·연속 필라멘트 원사 제품에서, 모든 개별 필라멘트의 특성은 예를 들어, 염료 흡수시 변동과 같은 문제를 방지하기 위해 매우 좁은 변동 범위 내에 있어야 한다. 예를 들어, 데니어 분포의 분산 계수는 5% 미만이어야 한다. 반면에, 스테이플 섬유 공정에서는 각 섬유 베일이 필요한 길이로 절단되고 블렌딩되는 필라멘트로부터 얻은 수백만개의 개별 섬유로 구성되기 때문에 개별 필라멘트 간의 사소한 변동을 '평균화'할 수 있는 범위가 훨씬 더 크다. 라이오셀 스테이플 섬유의 형성 예는 EP 823 945 B1에 개시되어 있다.
발명의 목적
따라서, 본 발명의 목적은 전체 공정을 상업적으로 실행가능하게 하는 공정 제어와 함께 매우 높은 생산 속도에서 고품질로 라이오셀 멀티필라멘트 원사 및 라이오셀 필라멘트로부터 신뢰할만한 액체 제거를 가능하게 하는 방법을 제공하는 것이다.
발명의 간략한 설명
따라서, 본 발명은 청구항 1항에 정의된 바와 같은 방법을 제공한다. 바람직한 구현예는 청구항 2 내지 10 및 명세서에 제공된다.
도 1은 본원에 개시된 공정 단계의 개략도를 보여준다.
발명의 상세한 설명
본원에 개시된 본 발명에 의해 최신 기술의 한계가 극복되었다. 즉, 본 발명은 청구항 1에 정의된 바와 같은 라이오셀 필라멘트 및 라이오셀 멀티필라멘트 원사로부터 액체를 제거하는 방법을 제공한다. 본 발명은 이용될 관련 공정 단계 및 파라미터와 관련하여 요구되는 공정 제어를 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 이들 공정 단계 및 이들 각각의 바람직한 구현예는 적절하게 조합될 수 있으며, 본 출원은 본원에 명시적으로 설명되지 않더라도 이러한 조합을 포함하고 이를 개시한다는 것을 이해해야 한다.
본 발명자들은 400 m/min 이상의 생산 속도에 있어서, 필라멘트 다발 또는 멀티필라멘트 원사가 특정 조건하에서 롤러 원주로 안내되는 경우 필라멘트 다발 또는 멀티필라멘트 원사로부터의 우수한 액체 제거를 가능하게 하는 요망되는 공정 제어가 와이핑, 압착 또는 스트립핑 장치를 사용할 필요 없이 달성될 수 있음을 결정하였다. 이러한 조건은 방대한 양의 액체가 다발/원사 내의 다른 필라멘트 사이 또는 필라멘트 자체 내부에 갇힌 경우에도 다발/원사로부터 제거되도록 한다. 이는 모든 세척 공정의 효율성을 위해 필라멘트의 표면뿐만 아니라 필라멘트 내부로부터도 원하지 않는 물질을 제거해야 하기 때문에 중요하다. 이는 응고조 액체의 초기 제거 내지 세척액(전형적으로 물)의 임의의 후속 제거를 위해 가능한 한 많은 액체를 우수하게 제거하는 것을 필요로 한다. 세척액과의 접촉 후 필라멘트 다발/원사에 남아 있는 매우 높은 비율의 세척액이 제거되는 경우에만, 후속 세척 단계가 제품의 필요한 추가 정제를 달성할 수 있다. 따라서, 액체 제거는 형성된 필라멘트에 영향을 미치지 않으면서 가능한 한 효율적이어야 한다.
즉, 요구되는 높은 생산 속도(400 m/min 이상)에 있어서, 본 발명은 40 dtex 당 적어도 296 m/s2로 롤러 둘레로 권취되는 필라멘트의 특정 가속도(a_sp)를 조정함으로써 적어도 40 dtex의 필라멘트 다발/원사에 대한 효율적인 액체 제거 방법을 제공한다. 이러한 특정 가속도는 다음 식(1)로 설명될 수 있다:
(1) a_sp = r x ω2 x 타이터(titer)/40
여기서 r은 롤러의 반경(m)이며, ω는 각속도(1/s)이며, 타이터(dtex)는 다발/원사 타이터이며, 단, 이는 적어도 20이다. 따라서, 임의의 주어진 타이터 및 생산 속도(각속도와 관련됨)에 대한 적합한 공정 조건은 상기 식을 만족시키는 조건 하에서 액체 제거 공정이 수행되도록 변수를 적절하게 선택함으로써 결정될 수 있다.
예상외로, 전술한 바와 같이 공정 파라미터를 조정함으로써, 고효율 액체 제거가 보장될 수 있음이 밝혀졌다. 이와 관련하여, 본원에 기술된 바와 같은 공정은 400 m/min 이상의 생산 속도, 특히 400 내지 2000 m/min의 생산 속도에 적용 가능함이 밝혀졌다. 액체 제거를 위해 롤러 둘레로 필라멘트 다발/원사의 고속 이동을 필요로 하는 이러한 높은 생산 속도에서도 생성된 필라멘트에 대한 해로운 영향은 제기되지 않는다. 그러나, 상기 식이 만족되는 한 요망되는 효율적인 액체 제거가 수득된다.
본 발명에 따르면, 필라멘트 다발/원사가 원주로 안내되는 롤러의 반경은 10 내지 200 mm, 바람직하게는 12.5 내지 150 mm 범위인 것이 바람직하다. 필라멘트 다발/원사의 타이터는 바람직하게는 20(필요한 최소 타이터) 내지 500 dtex의 범위, 더욱 바람직하게는 40 내지 400 dtex의 범위이다.
또한, 필라멘트 다발/원사가 롤러 둘레의 적어도 12.5% (45°), 더욱 바람직하게는 적어도 25%(90°)와 접촉하는 것이 유리한 것으로 결정되었다. 이는 필라멘트 다발/원사가 충분히 긴 시간 동안 롤러 표면과 접촉하여 필라멘트 또는 필라멘트 다발/원사의 내부로부터 이의 외부로 많은 양의 액체가 이동하여 회전(사출/원심력 작용) 제거되는 것을 보장한다
따라서, 본 발명은 효율적이고 간단한 액체 제거를 가능하게 하기 위해 생산 속도, 다발/원사 타이터 및 롤러 반경 사이의 상관관계를 제공함으로써 높은 생산 속도에서도 필라멘트 다발/원사로부터 액체를 제거하는 효율적인 방법을 제공한다.
본 발명의 교시는 응고조 액체의 초기 제거 및/또는 세척액의 임의의 후속 제거에 이용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 액체 제거를 위한 2개의 롤러 사이에 추가의 세척 단계(즉, 세척액과의 새로운 접촉)가 있거나 없는 라이오셀 멀티필라멘트 원사의 제조 공정에 본원에 기술된 바와 같은 액체 제거를 위한 하나 이상의 롤러가 존재할 수 있다.
롤러가 상기 설명된 바와 같이 주어진 생산 속도에서 롤러 둘레로 필라멘트 다발/원사의 안내를 가능하게 하는 한, 롤러의 유형은 표면 재료 등을 포함하여 중요하지 않다. 라이오셀 공정에 사용되는 일반적인 롤러가 사용될 수 있다. 롤러 속도는 전형적으로 필라멘트 다발/원사의 속도와 거의 동일하고, 롤러는 롤러 움직임(구동 롤러)을 생성하기 위한 수단을 포함하거나 필라멘트 움직임이 롤러 움직임을 발생시킨다. 롤러 속도 및 필라멘트 속도가 본 발명에 따라 실질적으로 동일하다는 용어는 속도가 서로의 ±10% 이내, 더욱 바람직하게는 ±5% 이내임을 의미한다. 필라멘트 장력과 관련하여, 2cN 이상이면 유리한 것으로 밝혀졌다. 또 다른 예로서, 필라멘트 장력은 0.4 cN/dtex 이하일 수 있다.
하기 실시예를 본 발명을 추가로 예시한다:
라이오셀 필라멘트 방사 공정으로부터의 멀티필라멘트 원사를 본 발명에 따라 세척수와 접촉시킨 후 액체 제거 단계로 처리하였다. 하기 표에는 관련 공정 파라미터가 요약되어 있다(v는 생산 속도임). 항목 "A"는 액체 제거 후 문제/결함이 검출되지 않았으며, 또한 실제로 높은 비율의 액체가 필라멘트 다발/원사로부터 제거되었음을 나타낸다.
Figure 112021085578213-pct00002

Claims (12)

  1. 수성 3차 아민 옥사이드 중 셀룰로스의 라이오셀 방사 용액으로부터의 라이오셀 유형-셀룰로스 필라멘트 다발 또는 원사로부터 액체를 제거하는 방법으로서, 라이오셀 유형 셀룰로스 필라멘트 다발 또는 원사는 하기 식 (1)을 충족시키는 조건 하에서 롤러 둘레로 안내되며, 단, a_sp는 적어도 296 m/s2인, 방법:
    (1) a_sp = r x ω2 x 타이터(titer)/40
    여기서 r은 롤러의 반경(m)이며, ω는 각속도(1/s)이며, 타이터(dtex)는 다발/원사 타이터이며, 단, 이는 적어도 20이다.
  2. 제1항에 있어서, r이 0.010 내지 0.200 m인, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 타이터가 20 내지 400 dtex인, 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 롤러가 구동 롤러인, 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 롤러가 필라멘트 이동에 의해 구동되는, 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 라이오셀 유형 셀룰로스 필라멘트 다발 또는 원사가 롤러의 원주 표면의 적어도 12.5%(45°)와 접촉되는, 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 액체 제거 동안 필라멘트 장력이 필라멘트당 2 cN 이상인, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 필라멘트 장력이 0.4 cN/dtex 이하인, 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, r이 0.0125 내지 0.150 m인, 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 라이오셀 유형 셀룰로스 필라멘트 다발 또는 원사가 롤러의 원주 표면의 적어도 25%(90°)와 접촉되는, 방법.
KR1020217023588A 2018-12-28 2019-12-20 셀룰로스 필라멘트 원사 또는 섬유로부터 액체를 제거하기 위한 방법 KR102547329B1 (ko)

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