KR20010042136A - 치수적으로 안정한 부직 섬유 웹의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

치수적으로 안정한 부직 섬유 웹의 제조 방법 및 장치 Download PDF

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스프레이그 로버트 월터
미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니
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Abstract

어닐링하는 동안 부직 웹을 텐터링하는 방법 및 장치. 열가소성 섬유의 부직 웹을 가장자리를 따라서 만이 아니라 웹의 내부를 가로질러 분포된 다수의 텐터링 점에서 텐터링 구조물에 구속한다. 부직 웹을 텐터링 구조물에 구속한 채로 어닐링하여 적어도 열고정 온도까지 치수적으로 안정한 부직 섬유 웹을 형성한다. 이어서 어닐링한 부직 섬유 웹을 텐터링 구조물에서 제거한다. 한 실시태양에서는, 텐터링 구조물이 어닐링 과정 동안 비평면 구조에서 부직 섬유 웹을 구속한다. 텐터링 구조물은 텐터링 지지대 말단으로 돌출한 다수의 텐터링 점들을 포함한다. 텐터링 점들은 웹의 내부와 맞물리도록 위치하여 어닐링 동안 웹을 구속한다.

Description

치수적으로 안정한 부직 섬유 웹의 제조 방법 및 장치 {Method and Apparatus for Making Dimensionally Stable Nonwoven Fibrous Webs}
폴리올레핀과 같은 전형적인 용융 방사 중합체는 멜트블로운 섬유 압출시 반결정 상태로 되는 경우가 많다(시차 주사 열량 측정법(DSC)으로 측정한 결과). 폴리올레핀의 경우, 이러한 정렬된 상태는 부분적으로 비교적 높은 결정화 속도 및 압출물에서 중합체 사슬의 신장 배향에 기인한다. 멜트블로운 압출에서, 신장 배향은 신장 영역에서의 고속, 가열된 공기로 달성된다. 바람직하게는 무작위로 꼬인 배치 및 결정 구조로부터 중합체 사슬을 신장시키면 중합체에 내부 응력이 부여된다. 중합체가 그 유리 전이 온도(Tg)보다 높은 온도에 있다면, 이 응력은 발산될 것이다. 멜트블로운 폴리올레핀의 경우, 중합체의 Tg가 실온보다 훨씬 낮기 때문에 응력의 발산이 자발적으로 일어난다.
대조적으로, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 일부 용융 방사 중합체는 멜트블로운 섬유 압출시 거의 완전히 무정형 상태에 있는 경우가 많다. 이 특성은 비교적 낮은 결정화 속도, 비교적 높은 용융 온도(Tm), 및 실온보다 훨씬 높은 Tg에 기인한다. 신장 영역 내에서 무정형 배향으로부터의 내부 응력은 용융체가 급속히 냉각하므로 내부에서 고정되어 이완을 막고, 이어서 Tg이상으로 어닐링할 때까지 풀릴 수 없다. Tg와 Tm사이에서 충분한 시간동안 어닐링을 하게 되면, 중합체가 결정화함과 함께 신장 배향에 의해 발생한 내부 응력을 발산하게 된다. 이 응력 발산은 웹의 압출 치수의 50%를 넘는 값에 근접할 수 있는 수축의 형태로 발현된다.
섬유 및 필름 산업에서는 열고정 또는 어닐링 중 테두리 텐터링(edge tentering)을 이용하여 폴리에스테르 직물 및 필름의 치수 불안정을 성공적으로 다루어 왔다. 테두리 텐터링에서, 폴리에스테르 직물 또는 필름을 테두리를 따라 원하는 폭으로 고정하고 어닐링 오븐을 지나간다. 열고정 온도는 전형적으로 약 177℃ 내지 약 246℃(350℉ 내지 약 475℉) 범위이고, 체류 시간은 약 30초 내지 수분의 범위이다. 어닐링한 제품은 열고정 온도 이하에서는 치수적으로 안정하다. 테두리 텐터링이 필름 및 직물에서는 실용적이지만, 부직 섬유 웹은 전형적으로 통상적인 테두리 텐터링 과정을 견딜 만큼 충분한 인장 물성(즉, 섬유 및 웹 강도)이 결여되어, 웹에 손상이 가게 된다.
당해 기술 분야에서는 치수적으로 안정한 폴리에스테르 부직 섬유 웹을 달성하기 위한 여러 가지 시도를 해왔다. 미국 특허 제 3,823,210호(Hikaru Sjii 등)는 합성 결정성 중합체의 배향된 제품을 생산하는 방법을 기술하고 있다. 이 특허에서는 결정성 중합체를 연신하고, 가열 용매 속에서 연신 축 방향으로 신장 응력을 가하고, 이 조건에서 연신물의 가용 부분을 추출해 내는 것을 개시하고 있다.
미국 특허 제 5,010,165호(Pruett 등)는 멜트블로운 웹 조성물을 일정한 용해도 파라미터를 가진 용매로 처리하고, 멜트블로운 웹 조성물을 건조함으로써, 치수적으로 안정한 폴리에스테르 멜트블로운 웹을 얻는 것을 기술하고 있다.
미국 특허 제 5,364,694호(Okada 등)는 폴리프로필렌과 같은 다른 쉽게 결정화되는 중합체에 이용되는 멜트블로운 조건보다 더 높은 점도에서 및 더 높은 압력의 공기로 멜트블로운 공정을 수행하지 않으면, PET로는 열수축이 적은 멜트블로운 웹을 만들 수 없다는 것을 가르쳐준다. 이 특허에서는 그런 엄격한 조건 하에서 높은 생산성의 안정한 공정은 불가능하다고 가르쳐준다. 이 특허는 PET에 2 내지 25%의 폴리올레핀을 혼합하면 전체 블렌드의 용융 점도가 감소하여 1.0 kg/cm2이하의 저압 공기에 의해 생기는 비교적 약한 힘으로도 중합체 압출물이 섬유로 가늘게 만들어질 수 있다는 것을 개시하고 있다. 압출된 폴리올레핀은 높은 결정화 속도를 갖는다. 상기 블렌드에서, 폴리올레핀은 PET의 연속된 바다에서 미세한 섬을 형성한다. 다수의 결정성 폴리올레핀 섬은 웹이 가열될 때 PET의 무정형 분자들의 이동을 억제하는 제한점을 구성함으로써, 부직포가 크게 수축하는 것을 막는다.
미국 특허 제 5,609,808호(Joest 등)는 결정성 및 무정형 상태를 둘다 갖는 열가소성 중합체의 섬유 털 또는 매트를 만드는 방법을 기술하고 있다. 멜트블로운 두부는 긴 섬유를 제조하는 조건 하에 운전하고, 그 섬유를 시브 벨트(sieve belt) 위에 모아서 교차점에서 교차 용접을 형성한다. 얻어진 웹은 100 마이크로미터 미만의 직경과 45% 미만의 결정화도를 갖는 섬유로 구성된다. 상기 웹을 80℃ 내지 150℃의 신장 온도까지 가열한 다음 양방향으로 100% 내지 400% 만큼 신장한 후 더 높은 온도에서 열적으로 고정시킨다. 상기 신장 구역에는 일정한 속도로 돌아가는 아래 방향의 롤 쌍 및 더 높은 속도의 윗 방향 롤 쌍이 있어서 세로 방향의 신장이 일어난다. 가로 방향 신장은 갈라지는 사슬 쌍들 사이에서 일어난다.
본 발명은 치수적으로 안정한 또는 내수축성 중합체 섬유의 부직 웹을 제조하는 방법 및 장치를 제공한다. 얻어진 치수적으로 안정한 부직 섬유 웹은 통상적인 폴리올레핀 웹에 비하여 더 높은 온도에서 사용할 수 있으면서 섬유 직경, 크기, 또는 물성의 변화를 최소로 한다. 본 방법 및 장치를 이용하여 치수적으로 안정화된 부직 섬유 폴리에스테르 웹은 특히 열 및 음향 차단제로 유용하다.
부직 섬유 웹을 만드는 본 방법은 첨가제를 사용할 필요가 없는데, 첨가제를 사용하면 기재 중합체 물성에 바람직하지 못한 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, PET의 치수안정성을 증가시키기 위해 배합된 중합체 첨가제 및 중합체 블렌드는 전형적으로 PET의 융점 및 유리 전이 온도를 낮춘다. 이렇게 융점 및 유리 전이 온도가 낮아지면 PET를 자동차 엔진 부품 소음 감쇠기와 같은 고온 용도에 사용하는데 부정적인 영향을 준다.
한 실시태양에서는, 열가소성 섬유의 부직 웹을 텐터링 구조물에 구속하는데, 이때 다수의 텐터링 점들을 웹의 내부를 가로질러 배치하는 것이 단순히 웹의 가장자리를 따라 배치하는 것보다 낫다. 상기 부직 웹을 텐터링 구조물에 구속시킨 채로 어닐링하여 부직 섬유 웹을 형성하면, 이것은 적어도 열고정 온도 이하에서는 치수적으로 안정하다. 상기 어닐링한 부직 섬유 웹을 이어서 텐터링 구조물로부터 제거한다. 한 실시태양에서, 텐터링 구조물은 어닐링 과정 중에 부직 섬유 웹을 비평면 형상으로 구속시킨다.
본 발명은 또한 부직 섬유 웹을 어닐링하는 텐터링 구조물에 관한 것이다. 텐터링 구조물에는 텐터링 지지대로부터 말단으로 돌출된 다수의 텐터링 점들이 포함되어 있다. 텐터링 점은 웹을 2 또는 3차원으로 구속할 수 있다.
본원에서 사용한 바와 같은 용어들은 다음과 같은 의미를 나타낸다.
"결정화 온도(Tc)"란 중합체가 무정형 상에서 반결정 상으로 변화하는 온도이다.
"치수적으로 안정한"이란 부직 섬유 웹을 어닐링 온도로 상승시킬 때 주표면을 따라, 바람직하게는 20% 미만의 수축, 더욱 바람직하게는 10% 미만의 수축, 및 가장 바람직하게는 5% 미만의 수축을 일으키는 부직 섬유 웹을 말한다.
"유리 전이 온도(Tg)"란 중합체가 유리같은 상태로부터 점성 또는 고무같은 상태로 변화하는 온도이다.
"열고정" 또는 "어닐링"이란 Tg보다 높은 온도로 일정 시간동안 제품을 가열하고 냉각시키는 과정을 말한다.
"열고정 온도"란 부직 섬유 웹을 가열 또는 어닐링하는 최대 온도를 말한다.
"융점(Tm)"이란 중합체가 고상에서 액상으로 전이하는 온도이다.
"부직 섬유 웹"이란 중합체 섬유를 기계적, 화학적, 및(또는) 열적으로 결합 또는 맞물리게하여 제조한 섬유 구조물을 말한다.
"세섬유(microfiber)"란 섬유 유효 직경이 20 마이크로미터 미만인 섬유를 말한다.
"퍼센트 결정화도"란 결정성 배열을 가진 중합체의 비율을 말한다. 이 결정성 비율은 거의 완전한 결정성 영역 뿐만 아니라 여러 수준의 불규칙, 하지만 아직 무정형 물질 내에 존재하는 규칙의 결여와는 구분되는 불규칙을 가진 영역도 포함할 수 있다.
"중합체(polymeric)"란 무기질이 아니고 반복 단위를 가지는 물질로서 중합체, 공중합체, 및 올리고머를 포함한다.
"스테이플사(staple fiber)"란 일정한 길이로 절단된 섬유를 말하며, 전형적으로 길이가 약 0.64 센티미터 내지 약 20.3 센티미터의 범위이고 실제 섬유 직경이 적어도 20 마이크로미터이다.
"텐터링 점"이란 어닐링하는 동안에 부직 섬유 웹을 고정시키는 이산점을 말한다.
"열가소성"이란 열에 노출되면 가역적으로 연화되는 중합체 물질을 말한다.
"최종 퍼센트(%) 결정화도"란 실제로 얻을 수 있는 물질의 최대 퍼센트 결정화도를 말한다.
도 1은 본 발명에 따른 텐터링 장치 및 부직 섬유 웹 절단부의 투시도이다.
도 2A는 본 발명에 따라 부직 섬유 웹을 텐터링하는 또다른 장치의 부분 절단 측면도이다.
도 2B는 도 2A의 장치의 상부 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 상부 및 하부 텐터링 장치를 갖는 또다른 장치의 부분 절단 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 압축 텐터링 장치의 부분 절단 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 또다른 텐터링 핀 구성의 측단면도이다.
도 6은 본 발명에 따라 비평면 제품을 텐터링하는 텐터링 장치의 측면도이다.
도 7은 MDSC 열 도표의 예이다.
도 8은 도 7의 열 도표의 견본 열 유속 신호를 예시한다.
도 1은 어닐링 또는 열고정 동안 부직 섬유 웹(21)을 정지 상태로 다수의 텐터링 점에 고정시키도록 설계된 어닐링 장치(20)의 제 1 실시태양의 투시도이다. 다수의 철거 가능한 텐터링 핀(22)가 텐터링 핀 지지대(24)에 설치되어 있다. 도 1에 예시된 실시태양에서, 텐터링 핀(22)는 다수의 텐터링 핀 구멍(26)을 통해 받침판(28)에 삽입되어 있다. 도 1의 텐터링 장치(20)은 z축을 따라서가 아니고 주표면(x 및 y 축)을 따라 부직 웹(21)을 구속한다. 텐터링 핀 지지대(24) 및 받침판(28)은 다수의 통기 구멍(30)이 포함되어 어닐링 장치(20)과 맞물린 부직 웹(21)의 표면 사이로 공기가 흐르게 한다. 텐터링 장치(20)은 어닐링 동안 세섬유의 부직 웹(21)이 눌리는 것을 방지하여 음향 및 열 차단 특성을 보존한다.
필름 및 직물을 어닐링할 때 사용하는 통상의 테두리 텐터링과 달리, 도 1의 텐터링 핀(22)는 부직 섬유 웹(21)을 다수 위치에서 내부(36)에서 구속하도록 구성되어 있다. 테두리 부분(34)도 구속될 수 있다. 테두리 부분(34)는 웹의 주변부를 말하는데 전형적으로 필름 또는 직물의 통상적인 테두리 텐터링 동안 이 주변부는 구속된다. 대부분의 테두리 텐터링 분야에서 테두리 부분(34)가 차지하는 부분은 전형적으로 웹의 주표면의 약 5% 미만이다. 내부(36)은 웹의 주표면에서 테두리 표면(34)를 제외한 것을 말한다. 다시 말해, 내부(36)은 전형적으로 통상의 텐터링 기술에서는 구속이 되지 않는 웹의 표면 영역이다. 내부는 전형적으로 웹 표면의 적어도 95%를 차지한다. 텐터링 핀(22)를 웹(21)의 내부를 가로질러 분포시키면 어닐링하는 동안 이완 및 뒤이은 결정화의 수축력이 웹(21)을 가로질러 전체적으로 균일하게 분배되어 웹 수축이나 찢어짐이 최소화된다.
철거 가능한 텐터링 핀(22) 사이의 공간을 최적화하여 어닐링 동안 수축으로 인한 섬유에서 섬유로의 미끄러짐을 방지한다. 한 실시태양에서, 핀(22)는 격자를 형성하며, 각 핀(22)는 약 2.5 센티미터 내지 약 50 센티미터 떨어져 있다. 또다른 실시태양에서, 어닐링 장치(20)은 웹(21)의 내부(36)의 중심과 맞물리도록 배열된 한 줄의 핀(22)를 포함한다. 철거 가능한 텐터링 핀(22)의 길이는 부직 섬유 웹의 두께에 따라 조절할 수 있다. 도 1에 예시한 실시태양은 핀(22)가 어닐링 장치(20) 위에 균일하게 배열된 것을 보여주지만 텐터링 핀(22)를 임의로 배열하는 것도 가능하다.
핀(22)의 간격은 웹(21)의 벌크 밀도, 섬유의 유효 섬유 직경, 웹의 두께, 웹의 제작 원료 및 다른 요인들에 따라 좌우된다. 유효 섬유 직경(EFD)는 데이비스(Davis, C.N.)의 문헌 ["The Separation of Airborne Dust and Particles," Insitution of Mechanical Engineers, London, Proceedings 1B, 1952]에 개시된 방법에 따라 계산한다.
어닐링이 끝난 후에, 텐터링 핀 지지대(24)는 받침판(28)로부터 분리하여 텐터링 핀(22)를 섬유 웹(21)로부터 철거할 수 있다. 다른 방법으로, 부직 섬유 웹(21)을 텐터링 구조물(20)에서 위로 들어올릴 수 있다.
도 2A 및 2B는 부직 웹(32)가 텐터링 구조물(42)와 맞물린 연속 어닐링 장치(40)을 예시한다. 텐터링 구조물(42)는 벨트(44)로부터 밖으로 뻗은 다수의 텐터링 핀(46)이 있는 이동 벨트(44)를 포함한다. 텐터링 핀(46)은 폭 "w"의 벨트(44)를 가로질러 배열되어 웹(32)의 배부 속으로 관통하고 있다. 선택적으로 롤러(48)을 제공하여 부직 섬유 웹(32)를 텐터링 핀(46) 위로 밀어낼 수 있다. 이동 벨트(44)가 돌아가면서 부직 섬유 웹(32)를 어닐링 오븐(50)을 통하여 뽑아낸다. 어닐링 오븐(50)에 여러 가지 에너지원을 사용할 수 있다. 예를 들어, 스팀, 가열 공기, 적외선, x-선, 전자빔 등이 있다. 어닐링 후에, 어닐링한 부직 섬유 웹(32')를 텐터링 구조물(42)로부터 분리하여 적어도 오븐(50)의 열고정 온도 이하에서는 치수적으로 안정한 부직 섬유 웹을 제공한다.
도 2A 및 2B에서 예시한 실시태양에서, 텐터링 핀(46)은 실질적으로 부직 섬유 웹(32)의 두께(33)를 통해 뻗어 있다. 다른 방법으로는, 텐터링 핀(46)이 부직 섬유 웹(32) 속으로 일부만 뻗어 있을 수도 있다. 또다른 실시태양에서, 섬유 형성 기계부(52)가 오븐(50)의 위쪽에 위치하여 멜트블로운 섬유를 직접 텐터링 구조물(42) 위로 내릴 수 있다.
도 3은 하부 텐터링 구조물(64) 반대쪽에 상부 구조물(62)가 있는 다른 어닐링 장치(60)이다. 도 3에서 예시한 실시태양에서, 상부 텐터링 구조물(62)의 텐터링 핀(66)은 부직 섬유 웹(67)의 두께(65) 속으로 일부만 뻗어 있다. 마찬가지로, 하부 텐터링 구조물(64)의 텐터링 핀(68)도 부직 섬유 웹(67) 속으로 일부만 뻗어 있다. 상부 및 하부 구조물(62),(64)를 사용하면, 각각 보다 짧은 텐터링 핀(66),(68)을 사용할 수 있다. 짧은 텐터링 핀(66),(68)을 사용하면, 오븐(70)에서 어닐링한 후에 텐터링 구조물(62),(64)로부터 어닐링한 부직 섬유 웹(67')를 빼내기가 용이해진다. 텐터링 핀(66),(68)의 길이의 합은 부직 섬유 웹(67)의 두께(65)보다 작거나, 크거나 또는 그와 같을 수 있다. 한 실시태양에서, 어닐링하는 동안 상부 텐터링 핀(66)이 웹(67) 속에서 하부 텐터링 핀(68)과 맞물려 핀에 더 큰 측면 강도를 제공할 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 텐터링 핀(66),(68)은 텐터링 구조물(62),(64)의 폭을 가로질러 배열되어 부직 섬유 웹(67)의 내부 속으로 관통하고 있는데, 예를 들면 도 1에 예시한 바와 같다.
도 4는 다른 어닐링 장치(80)의 측단면도이며, 여기서는 부직 섬유 웹(81)이 상부 텐터링 구조물(82) 및 하부 텐터링 구조물(84) 사이에 압축할 수 있게 맞물려 있다. 텐터링 핀(86),(88)은 부직 섬유 웹(81) 속으로 관통하지 않고, 이산된 위치에서 압축에 의해 웹(81)을 구속한다. 텐터링 핀(86),(88)이 부직 섬유 웹(81)의 내부를 따라 압축 텐터링 점들을 한정하도록 배열되어 있으며, 예를 들면 도 1에 예시한 바와 같다. 예시한 실시태양에서, 텐터링 핀(86),(88)은 종횡비가 비교적 낮아서 휨 강도를 증가시키고 웹(81)의 섬유 사이에 핀(86),(88)이 관통하는 것을 감소시키거나 제거한다. 얻어진 어닐링한 부직 섬유 웹(81')는 텐터링 핀(86),(88)의 모양에 상응하는 울룩불룩한 표면을 갖는다. 도 4의 실시태양은 비교적 두꺼운, 바람직하게는 두께가 약 5 밀리미터 이상인 부직 섬유 웹에 특히 유용하다.
도 5는 텐터링 핀 지지대(104)에 끝이 점점 가늘어지는 텐터링 핀(102)가 설치된 견본 텐터링 구조물(100)의 측단면도이다. 끝이 점점 가늘어지는 텐터링 핀(102)는 어닐링 공정 후에 부직 섬유 웹(108)을 빼내기 쉽게 한다. 선택적으로 받침판(106)을 텐터링 핀(102) 위에 설치하여 어닐링 후에 핀(102)를 부직 섬유 웹(108)로부터 철거할 수 있다.
도 5에 예시한 다른 실시태양에서, 일련의 수평 방향의 텐터링 핀(109)를 텐터링 핀(102)에 수직으로 웹(108) 속에 삽입한다. 텐터링 핀(102)는 x-y 평면에서 웹(108)을 구속한다. 텐터링 핀(109)는 z-축을 따라 웹(108)을 구속한다. 어닐링하는 동안 3차원으로 웹(108)을 구속하면 윗부분 또는 두께가 보존된다.
텐터링 핀은 스테인레스 스틸 또는 알루미늄과 같은 금속으로 만드는 것이 바람직하다. 한 실시태양에서, 텐터링 핀을 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 고밀도 폴리올레핀과 같은 저점착 물질로 도포한다. 다르게는, 텐터링 핀 및(또는) 부직 섬유 웹을 연속적으로 또는 주기적으로 실리콘 또는 플루오로 화학 제품과 같은 저점착 물질로 처리하거나 분무하여 부직 섬유 웹을 빼내기 쉽게 한다.
도 6은 비평면 텐터링 구조물(110)을 예시하며, 이 구조물에는 오븐(116)에서 어닐링하는 동안 부직 섬유 웹(118)을 만들기 위한 다수의 형상 구조물(112)가 있다. 텐터링 핀(114)는 형상 구조물(112)를 포함하여 텐터링 구조물(110)의 전체 폭 및 길이를 따라 배열되어 있다. 어닐링 후에, 어닐링한 웹(124)는 형상 구조물(112)에 상응하는 형성 부분(122)를 갖는다. 형상 구조물(112)는 어닐링한 제품의 용도에 따라 다양한 모양으로 구성될 수 있다.
일반적으로, "단량체"란 용어는 같은 단량체 또는 다른 단량체와 결합하여 올리고머 또는 중합체를 형성할 수 있는 하나의 일단위 분자를 말한다. "올리고머"란 용어는 약 2 내지 약 20 개의 단량체가 결합한 화합물을 말한다. "중합체"란 용어는 약 21 개 이상의 단량체가 결합한 화합물을 말한다.
본 발명의 용도에 적당한 중합체에는 폴리아미드, 예를 들어 나일론 6, 나일론 6,6, 나일론 6,10; 폴리에스테르, 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트, 폴리시클로헥실렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트; 폴리우레탄; 아크릴 수지; 아크릴 공중합체; 폴리스티렌; 폴리비닐 클로라이드; 폴리스티렌-폴리부타디엔; 폴리스티렌 블록 공중합체; 폴리에테르케톤; 폴리카보네이트; 또는 이들의 혼합물이 있다. 섬유 웹의 섬유는 단일 열가소성 물질 또는 다수의 열가소성 물질의 블렌드, 예를 들어 1 이상의 상기 중합체의 블렌드 또는 상기 중합체 중 어느 하나와 폴리올레핀의 블렌드로부터 만들 수 있다. 한 실시태양에서는, 상이한 중합체 물질의 다중층을 갖도록 섬유를 압출한다. 상기 층들은 동심원 모양으로, 또는 섬유 길이를 따라 세로 방향으로 배열할 수 있다.
치수적으로 안정한 부직 섬유 웹을 만드는 본 방법 및 장치는 다양한 열가소성 물질에 적용할 수 있지만, 치수적으로 안정한 부직 섬유 웹은 자동차 엔진 부품, 기계 모터 부품, 및 다양한 다른 고온 환경 제품에서 음향 및 다른 차단 물성을 내는데 특히 유용하다. 폴리에스테르는 또한 내과용, 외과용, 여과, 열 및 음향 차단제(미국 특허 제 5,298,694호(톰슨(Thompson) 등) 참조), 보호복, 청결실 의류, 개인 위생 및 실금자용 제품, 토목 섬유, 산업용 걸레, 텐트 직물, 및 많은 다른 내구성의 일회용 합성물을 포함하는 용도에서 상당한 잇점을 제공한다.
폴리에스테르 멜트블로운 부직 섬유 웹은 폴리프로필렌 부직 웹과 같은 다른 부직 중합체 웹에 비하여, 높은 강도, 신장, 강인성, 그랩(grab) 강도, 및 인열 강도의 독특한 조합을 갖는다. 폴리에스테르 부직 웹은 올레핀계 웹에 비해 강성이 높게 만들 수 있다. 이 강성은 폴리에스테르에 고유한 것으로 주로 폴리에스테르의 보다 높은 모듈러스 값에 기인한다. 추가로, 올레핀계 섬유 웹에 비해 폴리에스테르 부직 섬유 웹에 난연 특성을 부여하기가 더 쉽다.
중합체 섬유는 전형적으로 열가소성 수지를 용융시켜서 압출 오리피스를 통하여 밀어냄으로써 만든다. 방사 공정에서, 섬유를 고속 기류 속으로 압출시키면 이 기류가 용융된 중합체를 효과적으로 신장시키거나 끝을 가늘게하여 섬유를 형성한다. 이어서 상기 섬유를(기류와는 따로) 냉각시키고 임의로 얽힌 또는 부직 웹으로 모은다. 예를 들어, 부직 섬유 웹은 벤테(Van A. Wente)의 문헌 ["Superfine Thermoplastic Fibers," Industrial Engineering Chemistry, vol. 48, pp. 1342-1346] 및 벤테 등에 의해 "극세 유기 섬유(Super Fine Organic Fibers)"란 제목으로 1954년 5월 25일 발간된 해양 연구소 보고서 제4364호에 기술된 형태의 멜트블로운 장치를 이용하여 만들 수 있다.
접합사(spun bond) 공정에서와 같이 고속 기류를 사용하지 않을 때에는, 섬유를 연속적으로 채집기에 내린다. 채집이 끝난 후에, 해당 기술 분야에서 공지된 다양한 방법, 예를 들어 돋을새김(embossing) 또는 물 분무 (hydro-entangling)에 의해 연속적으로 섬유를 엉키게 하여 부직 웹을 형성한다. 열 및 음향 차단 용도의 경우, 스테이플사를 상기 섬유와 결합하여 보다 부품성이 있고 밀도가 낮은 웹을 제공할 수 있다. 열 차단제로 사용되는 세섬유 및 부피가 큰 권축 스테이플사를 함유하는 부직웹은 미국 특허 제 4,118,531호(Hauser) 및 미국 방어 공개 제 T100,902호(Hauser)에 개시되어 있다.
본 발명의 용도에 적합한 분자 배향된 용용 방사 섬유, 및 특히 배향된 폴리에스테르 섬유를 만드는 방법 및 장치는 미국 특허 제 4,988,560호(Meyer 등) 및 제 5,141,699호(Meyer 등)에 개시되어 있다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 폴리에스테르 섬유는 통상의 용융 방사법으로 만들면 무정형 상태에 있는 경우가 많으며, 이는 시차 주사 열량 측정법(DSC)으로 알 수 있다. 압출하는 동안 섬유를 신장하고 가늘게 하면, 섬유내에 분자 배향이 증가된다. 이어서 배향된 무정형 상태에서 섬유를 냉각한다. 배향된 무정형 섬유는 강인성, 가요, 및 강도가 충분하여 본 발명의 텐터링 방법 및 장치를 이용하여 어닐링할 수 있는 웹을 형성한다. 추가로, 무정형 분자 배향을 유지하면 후속 어닐링 공정 중 신장 유발(핵이 있는) 결정화도에 도움이 된다. 얻어진 어닐링 웹은 열고정 온도에서 또는 그 이상의 온도에서 치수적으로 안정하다.
제한되길 바라지 않지만, 압출 동안 발생한 핵 또는 결정 "시드"는 무정형 폴리에스테르의 연속된 바다 안에 "보다 정렬된" 물질의 미세한 섬의 형태로 존재한다고 생각된다. 무정형 물질 안의 다수의 이런 정렬된 지점들은 어닐링 공정 중에 폴리에스테르 섬유의 결정화 핵으로 작용한다. 결정화는 어닐링하는 동안 물질의 온도가 유리 전이 온도(Tg)(PET의 경우 약 70℃ 내지 약 80℃)보다 높게 상승함으로써 최대화된다.
또한 물질 내의 분자 배향은 동시에 무정형 물질의 매트릭스 내에 제한점으로 작용한다고 믿어진다. 이 배향된 영역 또는 "분자 고리"는 무정형 물질의 수축을 억제하고, 그동안 결정화 과정이 진행된다. 어닐링 또는 열고정 후에, 이전에 분자 배향이 한 역할을 결정이 물려 받아 무정형 분자 및 그리하여 웹의 이동을 억제하는 물리적 가교 역할을 한다. 예를 들어, 아래에 설명하는 바와 같이 텐터링 동안에 13% 수준 이상의 결정화가 발생하면 PET의 부직 섬유 웹은 전형적으로 약 2% 이상 수축하지 않을 것이다.
무정형의 배향된 부직 세섬유 웹은 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 어닐링하더라도 구속하지 않는다면 치수적으로 불안정하다. 무정형의 배향된 세섬유가 어닐링하는 동안 수축할 때 생기는 치수적 변화는 섬유내에 결정 영역을 발생시킴으로써 안정화 될 수 있다. 결정은 각각의 용융 온도 이하에서 섬유내에 물리적 고리 역할을 한다. 치수적 변화는 세섬유 웹이 완전히 무정형일 때 가장 크다. 이에 비하여, 섬유의 결정성이 매우 높으면 치수 안정성이 가장 크다. 그러므로, 퍼센트 결정화도는 본 발명의 방법 및 장치를 이용하여 어닐링한 부직 섬유 웹의 치수적 안정성을 나타내는 하나의 척도로 사용할 수 있다.
과거에는 중합체내의 퍼센트 결정화도를 초기 결정화도가 거의 없거나 전혀 없는 경우에 표준 시차 주사 열량 측정법(DSC)으로 어림하였다. 흔히 하는 방법은 발열 피크 면적(Tc에서 냉각 결정화)을 흡열 피크(Tm에서 용융)에서 빼고 용융열 "나머지"를 이론 용융열로 나누어 실험 시작 전에 존재한 결정화도를 어림한다. 이 방법은 사용하는 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 무정형이거나 결정성이 미미할 경우에는 재생반복적으로 초기 퍼센트 결정화도를 어림하지 못한다. 오차는 Tc와 Tm사이의 바탕선에 있는데, 이것은 DSC를 사용하여 값을 구하면 부정확하게 된다. 표준 DSC의 열유속 신호는 흡열값과 발열값을 콘볼루션(convolution)한 것으로서 "계 평균"을 나타낸다. "계 평균" 열유속 신호는 안정되어 보이고(즉, Tc와 Tm사이의 바탕선이 평평해 보임), 인위적으로 높은 온도로 가져갈 때 까지는 결정화, 결정 완성, 또는 용융이 일어나지 않는 것을 암시한다. 이로 인해 전형적으로 실제로는 결정화도가 낮은 샘플인데도 부당하게 높은 값의 결정 함량을 나타낸다. 표준 DSC로 평가한 웹 샘플도 결정 함량을 잘못 측정하게 될 것이다. 표준 DSC 분석의 한계에 의해, 예를 들어 약 20%의 초기 결정화도를 가진 것으로 계산된 샘플이 실제로는 테스트 전에 본질적으로 무정형이고, 열고정 온도보다 높은 온도에 노출되면 수축하게 될 것이다. 이에 비하여, 조절(Modulated ) 시차 주사 열량 측정법 (MDSC) 및 아래 기술한 방법에 의해 약 20%의 초기 결정화도를 갖는 것으로 나타난 샘플은 열고정 온도 이상의 온도에서 치수적으로 안정할 것이다. MDSC는 믿을 만하게 퍼센트 결정 함량을 추정하는 방법을 제공하며, 이 결정 함량은 웹의 치수 안정성에 비례한다. 즉, 웹의 결정 함량이 증가함에 따라, 치수적 안정성도 증가한다.
시료를 티에이 인스트루먼트(TA Instruments; 델라웨어주 뉴캐슬에 소재함)의 2920 조절(Modulated) 시차 주사 열량 측정법(MDSC)를 이용하여 분석하였다. 매 60 초마다 약 ±0.636℃씩 그 세기를 요동시키면서 약 4 ℃/분의 선형 속도로 가열하였다. 샘플을 약 -10 내지 약 310℃의 범위에서 주기적으로 가열-냉각-가열 하도록 프로그램하였다. 유리 전이 온도 보고값(℃)은 계단 전이 중 나타나는 열용량 변화의 중간값이다. 계단 전이는 역전 신호 곡선(reversing signal curve)을 이용하여 분석한다. 흡열 및 발열 전이로부터 관찰한 전이 온도들은 최대값(Tpeak max or min)이다. 피크를 적분한 값은 HF(열유속), R(역전 또는 열용량 관련 열유속) 및 NR(비역전 열유속 또는 동적 효과)로 나타난다.
MDSC는 하드웨어 특징이 표준 DSC와 유사하지만, 분명히 다른 가열 프로파일(profile)을 이용한다. 구체적으로, 새 기술은 시료와 기준 샘프에 동시에 가해진 가열 프로파일의 차이를 프로그램한다. MDSC에 있어서는, 사인 곡선 모양의 요동(154)는 도 7에 예시적으로 나타낸 MDSC 가열 프로파일에서와 같이 표준 선형 가열 속도(152) 위에 놓여진다. 결과는 시간에 대한 가열 속도(150)을 계속적으로 변화하지만, 선형적인 것은 아니다. 이러한 복합 가열 프로그램을 적용한 결과로 나오는 열유속 데이타도 또한 조절된(modulated) 것이고, 신호의 y-축 크기는 열용량에 비례한다.
미가공 데이타를 모은 뒤에 이를 푸리에 수학을 이용하여 세 성분으로 역콘볼루션한다(도 8). 첫번째는 푸리에 평균 신호(HF)이고, 두번째는 열용량 함수(R)이고, 세번째(NR)는 위에 나타낸 첫번째와 두번째 곡선의 차이이다. 도 8에 나타낸 급냉 PET의 열유속 신호는 예시를 하기 위한 것에 지나지 않는다. 조절 미가공 신호의 크기는 보정 상수로 수정하여 열용량에 기초한 정보를 생성한다. 열용량 변화에서 기인한 물질 전이는 역콘볼루션하여 데이타 환원 후 역전 곡선으로 되고, 반면에 동적 효과(냉각 결정화 또는 결정 완성)는 분리되어 비역전 신호로 된다. 열유속 신호는 표준 DSC의 열유속 신호와 동등하고, 정량적이다. "역전 + 비역전" 신호 쌍도 세트로는 정량적이지만, 따로 보면 그렇지 않다.
PET처럼 적당히 빨리 결정화하는 물질을 표준 DSC에서 테스트하면, 이론 용융열로 스케일하기 전에 냉각 결정화 피크를 용융 피크에서 빼서 계산한 퍼센트 결정화도값은 그 물질이 이미 부분적으로 결정화된 것일 때만 무리없이 정확하고 재생반복적일 것이다. 시료를 충분히 어닐링하여 "어느 정도의" 결정화도가 발생한 후에는, 좀더 대표적인 바탕선이 Tc와 Tm사이의 표준 DSC 선에 나타나, 위에서 기술한 결정화도 추정 방법으로 중합체의 관찰 물성을 찾을 수 있을 것이다. 테스트 동안 공급되는 열은 전형적인 냉각 결정화 영역을 통해 가열되므로 더 이상 물질의 결정 함량에 큰 영향을 주지 않는다. MDSC를 사용하면 열유속 신호의 이 중간 영역을 올바로 평가함으로써 초기 또는 "웹" 퍼센트 결정화도를 결정하고 추정하는 범위를 결정 함량이 보다 낮은 수준 및 무정형 시료까지도 확장할 수 있다.
PET내의 초기 퍼센트 결정화도를 MDSC 비역전(NR) 신호 피크 면적 데이타를 이용하여 계산해서 열유속 신호에서 발열 결정화 기여분을 추정하고, 한편 역전(R) 신호 피크 면적을 이용하여 흡열 용융 기여분을 추정한다. 발열 결정화 성분과 흡열 용융 신호 피크 면적 사이의 차이를 통해 표준 DSC에서 한 것과 유사한 초기 퍼센트 결정화도값을 추정할 수 있지만, 바탕선의 부정확함은 없다. 하기 식을 이용하여 시료내에 존재하는 초기 결정화도를 추정한다:
[R(-) + NR(+)]/이론용융열 x 100 = %결정화도
상기식에서, R은 역전 신호 곡선에서 적분한 피크 면적이고, NR은 비역전 신호를 이용하여 적분한 피크 면적이다.
흡열 R 신호데이타를 음으로 하고, 발열 NR 신호 데이타를 양으로 하고, 퍼센트 결정화도도 양으로 하는 것이 여기서 사용하는 관례이다.
또한 제 1 가열 동안 열유속(HF) 또는 비역전 열유속(NR) 신호(도 8)에서 발열 피크(120℃)가 있는지 또는 없는지를 PET 텐터링 공정의 효율을 평가하는 도구로 사용할 수 있다. 비역전 곡선에서 상당한 발열선, 즉 무정형 시료(대조 실시예)가 결정화할 때 생기는 냉각 결정화 피크와 크기와 비슷한 발열선을 나타내는 시료는 치수적으로 불안정하다. 이에 비하여, 효과적으로 텐터링/어닐링한 시료는 약 200℃ 이하의 온도에서 전체 또는 비역전 신호 곡선에서 발열 활동이 거의 없거나 전혀 없을 것이다.
여기서 기술한 실험 조건하에서 테스트할 때, 발열 비역전 피크 면적과 흡열 역전 신호 피크 면적 사이의 차이는 웹의 퍼센트 결정화도에 상응할 것이다.
비역전 MDSC 신호에서 무정형 상이 반결정 상으로 변환하는 것을 추적함으로써, 어닐링후 섬유의 퍼센트 결정화도를 추정할 수 있다. MDSC 테스트 주기 동안 발생하고 완성된 결정화도는 비역전 신호 피크에 의해 추적된다. 2 개의 발열 피크 중에서 더 낮은 것이 물질의 냉각 결정화에 해당하고, 한편 더 높은 온도 영역(200℃ 이상)은 결정 완성에 기인한 것이다. 고도로 무정형인 PET 샘플은 200℃ 미만에서 상당히 큰 비역전 피크 응답을 생성하며, 이것은 웹의 치수적 불안정성을 나타내는 것이다.
이에 비하여, 반결정성 웹은 치수적으로 보다 안정해서 MDSC 테스트 동안 생성되는 결정화도가 비교적 적을 것이다. 이는 비역전 신호 피크 면적에 의해서도확인된다. 즉, 약 200℃ 미만의 발열 피크 면적이 없거나 표준 시료에서 보는 것보다 더 적을 것이다. 그러므로, MDSC는 세섬유 웹의 치수적 안정성을 평가하는 유용한 도구이다. 사실상, MDSC는 PET 결정이 분석 동안의 온도까지 얼마나 불안정한지 관찰함으로써 섬유의 치수적 안정성을 예측하는 것이다.
MDSC 결과는 어닐링한 웹의 초기 퍼센트 결정화도를 반복재생적으로 추정함으로써 부분적으로 결정화된 물질의 경우에 웹의 치수 안정성을 예측할 수 있게 한다. 웹을 분류하는데 있어 표준 DSC 데이타에서는 단순히 "좋음" 또는 "나쁨"으로 표시하는 것이 유효한 한계인 경우가 종종 있었으나 이 방법에서는 그보다 더 자세히 할 수 있다. MDSC 테스트의 강점은 초기 퍼센트 결정화도의 값을 효과적으로 구할 수 있으며, 따라서 세섬유 웹의 치수적 안정성을 평가할 수 있다는데 있다. 비역전 신호에서 결정화의 시작 또는 결정의 완성은 치수적으로 안정한 온도를 기초로 웹 물질의 최대 사용 온도를 근사적으로 설명한다. 이러한 추정은 표준 DSC 열유속 곡선을 이용해서는 정확히 가능하지는 않으며, 이는 관심을 갖는 중간(실제로 사용하는) 온도 영역에서 사실과 다른 평평한 신호가 나타나기 때문이다.
실시예 1-5 및 비교예 1
벤테(Wente, Van A.)의 문헌 ["Superfine Thermoplastic Fiber" in Industrial Engineering Chemistry, vol. 48, 1342쪽 이하 (1956)] 또는 벤테, 부네(Boone, C.D.) 및 플루하티(Fluharty, E.L.)에 의해 "극세 유기 섬유의 제조(Manufacture of Superfine Organic Fibers)"란 제목으로 1954년 5월 25일 발간된 해양 연구소 보고서 제 4364호에 기술된 대로 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 부직 멜트블로운 세섬유 웹을 제조하였다. 웹의 목표 기초 중량은 200 그램/미터2이었다. 웹의 기초 중량은 ASTM D3776-85에 따라 결정하였다. 부직 섬유 웹은 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩쳐링 컴퍼니(Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, MN)사에서 구할 수 있는 651000형, I.V. 0.60의 PET를 이용하여 제조하였다.
실시예 1-5의 샘플을 도 1에 개괄적으로 나타낸 텐터링 장치를 이용하여 어닐링하였다. 텐터링 장치는 58.4 센티미터 x 58.4 센티미터 x 0.635 센티미터(23 인치 x 23 인치 x 0.25 인치)의 알루미늄 판으로, 판 사이로 6.35 밀리미터(0.25 인치)의 구멍을 중심간 간격 9.53 밀리미터(0.375 인치)로 뚫어 판 사이로 및 웹 사이로 공기가 흐르게 하였다. 공기 구멍 줄과 4.76 밀리미터(0.188 인치)의 오프셋 사이에 핀들을 2.86 센티미터(1.125 인치) 떨어져 균일하게 배치하였다. 핀은 15 게이지 x 18 게이지 x 36 게이지 x 7.62 센티미터의 CB-A Foster 20(3-22-1.5B 니들 펀칭 핀이며, 포스터 니들(Foster Needle Co., Inc. Manitowoc, WI)사로부터 구할 수 있음)이다.
실시예 1-5에서 각 PET 웹은 느슨한 곳이 없도록 손으로 충분히 당긴 상태로 텐터링 장치에 각각 설치하였다. 웹을 텐터링 핀 위로 알루미늄 플랫폼의 바닥까지 눌러 핀이 웹을 고정되게 잡아주도록 하였다. 실시예 1-5에서 텐터링한 웹은 각각 오븐 위에 놓고 표 1에 나타낸 여러 가지 시간과 온도로 어닐링 또는 열고정하였다. 이어서 샘플을 오븐에서 제거하고 실온까지 식도록 하였다.
이어서 실시예 1-5의 샘플들을 약 25.4 센티미터 x 약 25.4 센티미터(10 인치 x 10 인치)의 격자선으로 표시하고 두번째로 오븐에 넣었다. 단, 이 때는 웹을 구속하지 않은 상태로 하였다. 웹을 약 190℃까지 10분 동안 가열하여 ASTM D 1204-84에 따라 웹의 퍼센트 수축율을 측정하였다.
비교예 C1은 위에서 기술한 대로 제조하되, 구속 테터링은 생략하였다. 샘플 C1을 약 25.4 센티미터 x 약 25.4 센티미터(10 인치 x 10 인치)의 격자선으로 표시하고 190℃에서 10분 동안 어닐링하였다. 어닐링한 웹은 식힌 후 ASTM D 1204-84에 따라 웹의 퍼센트 수축율을 평가하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
조절 시차 주사 열량 측정법 수축율 190℃/10분
실시예 번호 어닐링 용융 △Hf 냉각 결정화
시간 온도
(분) (℃) (J/g) (J/g) 피크 최대 ℃
1 0.72 176 53 9 118.8
2 2.24 176 52 0 -
3 7.0 176 53 0 -
4 2.24 111 53 34 121.9
5 2.24 240 51 0 -
C1 - - 53 35 121.9
조절 시차 주사 열량 측정법 수축율 190℃/10분
실시예 번호 비역전 △Hf 역전 △Hf 결정화도 계산 기계 방향 교차 방향
(J/g) (J/g) (%) (%) (%)
1 100 129 21 0.6 0.0
2 71 123 38 0.6 0.0
3 76 125 35 0.0 0.0
4 132 129 0 37.5 36.2
5 70 126 41 1.2 1.2
C1 127 132 4 57.3 50.4
표 1의 데이타는 텐터링 하지 않은 샘플 C1이 웹의 기계 방향과 교차 방향 모두에서 50%를 넘는 아주 높은 웹 수축을 한 것을 보여준다. 도 1의 장치를 이용하여 어닐링 또는 열고정한 것이 웹의 치수 안정성을 크게 향상시켰다. 하지만, 어닐링 효과는 시간과 온도에 따라 좌우되며, 조절 시차 주사 열량 측정법(MDSC)에 의한 상 변화를 통해 관찰할 수 있다. 실시예 1-3 및 실시예 5는 충분한 어닐링 시간 및 어닐링 온도를 제공하여 결정화를 유발하며 이는 섬유와 웹의 미끄러짐을 막는 텐터링 핀에 의해 수월해진다. 실시예 1-3, 5의 웹은 190℃, 10분 동안의 후속 어닐링에서 웹 수축이 아주 낮았다.
실시예 4는 어닐링 온도가 충분하지 못한 경우의 효과를 보여준다. 어닐링 온도가 중합체의 결정화 온도보다 낮으면, 웹은 후속 어닐링 또는 더 높은 온도에서의 어닐링에서 안정화되지 않을 것이다. 이 효과는 커다란 발열선에 의해 나타나며, 예를 들어 실시예 4 및 비교예 1에서 냉각 결정화의 MDSC 가열 프로파일에서 명백할 것이다. 후속 어닐링에서 웹이 치수적으로 안정화되는 것은 열고정 동안 결정화가 일어나기 때문인 것으로 보인다. 중합체 안에서 일어날 수 있는 결정화가 감소함에 따라, 웹의 치수 안정화는 증가하고 웹 수축은 감소한다.
중합체의 퍼센트 결정화도를 수축 테스트를 하기 전에 압출 웹에서 계산하였다. 계산 방법은 그램 당 역전 열유속 에너지와 그램 당 비역전 열유속 에너지의 차이를 구하고 이를 PET의 이론 용융 엔탈피(138 주울/그램)으로 나누는 것이다. 실시예 1-3 및 실시예 5의 샘플은 (20%를 넘는) 높은 초기 퍼센트 결정화도와 낮은 냉각 결정화 발열선(이는 MDSC 가열 프로파일에서 명백함)을 보여준다. 중합체의 결정화 온도 위에서 도 1의 장치로 텐터 어닐링을 하면 결정화가 일어났고 웹에 치수 안정성을 부여하였다. 실시예 4는 중합체의 피크 최대 결정화 온도 121.9℃ 위에서 텐터 어닐링하는 것의 중요성을 보여준다. 이 어닐링 온도 밑에서 텐터링 하면, 웹은 영에 가까운 퍼센트 결정화도를 가지며, 결과적으로 후속 어닐링 공정, 특히 121.9℃ 위에서 치수적으로 불안정하였다. 비교예 1은 어닐링 동안 텐터링하지 않는 것의 효과를 보여준다. 압출 멜트블로운 웹은 본질적으로 비결정질(13% 미만)이거나 무정형이다. PET 멜트블로운 웹에서는(20% 너머로) 신장 유발 결정화가 일어나기 어려운데, 이는 섬유 용융체가 공기로는 가늘어지기 어려우며 필요한 공기 유속이 전형적으로 중합체의 용융체 강도를 초과하여 실이 끊어지기 때문이다.
무정형 PET 웹은 비교예 C1에 나타난 바와 같이 일단 결정화 온도 위에서 구속 없이 어닐링하면 상당히 수축할 것이다. 끝으로, 웹을 구석이 없는 상태로 냉각 결정화시키면 얻어진 웹은 전형적으로 부러지기 쉬운데, 아마도 배향이 되지 않은 결정이 크게 성장하기 때문일 것이다. 중합체의 결정화 온도 위에서 도 1의 장치로 텐터 어닐링을 하면 신장 유발 결정화가 일어난다. 이 정렬된 구조는 유연하고 치수적으로 안정한 부직 섬유 웹을 제공한다.
실시예 6-10 및 비교예 2-6
목표 기초 중량 200 그램/미터2의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 부직 멜트블로운 세섬유 웹을 실시예 1-5 및 비교예 1에서 기술한 대로 제조하였다. 압출된 웹을 50.8 센티미터 x 50.8 센티미터(20 인치 x 20 인치)의 샘플로 잘랐다. 실시예 6-10의 웹을 실시예 1-5의 텐터링 장치 위에 놓고 구속한 상태로 표 2에 나타낸 여러 가지 온도에서 5분 동안 어닐링하였다. 이어서 샘플을 제거하고 실온까지 식힌 다음, 20.3 센티미터 x 20.3 센티미터(8 인치 x 8 인치)의 격자선으로 표시하고 다시 텐터링 하지 않은 상태로 170℃에서 5분 동안 어닐링하였다. 샘플의 크기를 제외하고 기계 방향 웹 수축율을 ASTM D 1204-84에 따라 측정하였다. 비교예 C2-C5를 위에서 기술한 대로 제조하되 웹은 텐터링하지 않았다. C2-C5의 웹을 20.3 센티미터 x 20.3 센티미터(8 인치 x 8 인치)의 격자선으로 표시하고 다시 텐터링 하지 않은 상태로(이완된 상태에서) 표 2에 나타낸 여러 가지 온도에서 5분 동안 어닐링하였다. 샘플의 크기를 제외하고 기계 방향 웹 수축율을 ASTM D 1204-84에 따라 측정하였다. 결과는 표 2에 나타내었다.
실시예 번호 텐터 어닐링 % 수축율 비구속 어닐링 % 수축율 비고
℃/5분 170℃/5분 ℃/5분
6 90 56.3 - - A
7 110 10.9 - - B
8 130 0.0 - - B
9 150 0.0 - - B
10 170 0.0 - - B
C2 - - 90 30.0 B
C3 - - 110 58.8 C
C4 - - 130 60.0 D
C5 - - 150 60.0 A
C6 - - 170 60.0 A
A: 잘 부러지고 딱딱함, B: 부드럽고 유연함, C: 딱딱함, D: 매우 딱딱함
실시예 6-10의 샘플은 도 1의 장치를 이용할 때 5분 동안의 텐터 어닐링 온도를 올리는 영향을 보여준다. PET의 경우 텐터 어닐링 동안 일단 약 122℃의 결정화점을 넘어가면, 웹이 적어도 열고정 온도까지는 치수적으로 안정하였다. 어닐링한 웹은 부드럽고 유연하였다. 중합체의 결정화 온도 위에서 이완된 어닐링을 한 경우 수축율이 매우 높고 딱딱하며 잘 부러지는 웹이 얻어졌는데, 이는 아마도 배향되지 않은 결정이 크게 성장하기 때문일 것이다.
실시예 11-14
목표 기초 중량 200 그램/미터2의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 부직 멜트블로운 세섬유 웹을 실시예 1-5에서 기술한 대로 제조하였다. PET 멜트블로운 세섬유 웹을 표 3에 나타낸 바와 같이 다양한 고유 점도를 가진 PET 수지(3M사(社) 및 이스트만사(社)(Eastman Chemical Products, Inc. of Kingsport, TN)로 제조하였다. 어닐링한 웹은 ASTM D 1204-84에 따라 비구속 웹 수축율에 대한 I.V.의 영향을 평가하였다.
실시예 번호 PET 수지 종류 I.V. 기계 방향 비구속 % 수축율 200℃/10분
11 3M 651000 0.60 57.1
12 Eastman 12440 0.74 58.3
13 Eastman 9663 0.80 58.3
14 Eastman 12822 0.95 57.1
표 3의 데이타는 0.60 내지 0.95 I.V. 범위 내에서 I.V.가 PET 웹의 치수 안정화에 영향을 주는 인자는 아닌 것으로 보였음을 나타낸다.
실시예 15 및 비교예 C7
부직 음향 차단 웹을 미국 특허 제 4,118,531호(Hauser)에 기술된 대로 제조하였다. 이 웹은 0.60 I.V.의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 제조한 멜트블로운 세섬유를 65% 포함하였다. 이 웹은 또한 주름지고 부품성이 있는 섬유를 35% 포함하였는데, 이 섬유는 3.8 센티미터(1.5 인치) 길이, 6 데니어(직경 25.1 마이크로미터 ), 3.9 주름/센티미터(인치당 10 주름) 형태의 폴리에스테르 스테이플사로서 훽스트-셀라니스사(社)(Hoechst-Celanese Co. of Somerville, N.J.)에서 T-295형 섬유로 구할 수 있다. 실시예 15의 얻어진 웹은 도 1에 기술한 장치를 이용하여 어닐링 또는 열고정 하였다.
텐터링 장치는 68.6 센티미터 x 25.4 센티미터 x 0.635 센티미터(27 인치 x 10 인치 x 0.25 인치)의 알루미늄 판으로, 판 사이로 6.35 밀리미터(0.25 인치)의 구멍을 중심간 간격 9.53 밀리미터(0.375 인치)로 뚫어 판 사이로 및 웹 사이로 공기가 흐르게 하였다. 공기 구멍 줄과 4.76 밀리미터(0.188 인치)의 오프셋 사이에 핀들을 2.86 센티미터(1.125 인치) 떨어져 균일하게 배치하였다. 핀은 15 게이지 x 18 게이지 x 36 게이지 x 7.62 센티미터(3 인치)의 CB-A Foster 20(3-22-1.5B 니들 펀칭 핀이며, 포스터 니들(Foster Needle Co., Inc. Manitowoc, WI)사로부터 구할 수 있음)이다. 실시예 15는 238℃에서 10분 동안 텐터 어닐링하였다. 샘플을 오븐에서 제거하여 실온까지 식히고, 텐터링 기구에서 제거하였다. 샘플의 크기를 제외하고 퍼센트 웹 수축율을 ASTM D 1204-84에 따라 측정하였다. 실시예 15 및 비교예 C7은 12.7 센티미터 x 50.8 센티미터(5 인치 x 20 인치)의 격자선으로 표시하고 238℃에서 10분 동안 어닐링하였다. 결과는 표 4에 나타내었다.
실시예 번호 웹 기초 중량(그램/미터2) 퍼센트 웹 수축율 238℃/10분
기계 방향 교차 방향
15 377 2.3 0.0
C7 366 18.6 9.9
표 4의 데이타는 콤보웹(comboweb)(즉, 세섬유 및 스테이플사)의 스테이플사가 치수 안정성을 향상시키지만 본 발명의 텐터링 장치 정도까지 안정화시키지는 못한다는 것을 보여준다.
실시예 16
PET 부직 음향 차단 웹을 미국 특허 제 4,118,531호(Hauser)에 기술된 대로 제조하였다. 이 웹은 3M사(3M Compnay of St. Paul, Minnesota)의 651000형 0.6 I.V.의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 제조한 멜트블로운 세섬유를 65% 포함하였다. 이 웹은 또한 주름지고 부품성이 있는 섬유를 35% 포함하였는데, 이 섬유는 3.8 센티미터(1.5 인치) 길이, 6 데니어(직경 25.1 마이크로미터 ), 3.9 주름/센티미터(인치당 10 주름) 형태의 폴리에스테르 스테이플사로서 훽스트-셀라니스사(社)(Hoechst-Celanese Co. of Somerville, N.J.)에서 T-295형 섬유로 구할 수 있다. 실시예 16의 얻어진 웹은 실시예 15의 텐터링 장치를 이용하여 텐터 어닐링 또는 열고정 하였다.
실시예 16의 샘플을 실시예 1-5에서 기술한 텐터링 장치를 이용하여 180℃에서 10분 동안 텐터 어닐링하였다. 샘플을 오븐에서 제거하여 실온까지 식히고, 텐터링 기구에서 제거하였다. 실시예 16의 샘플은 웹 두께가 3,4 센티미터였고 ASTM D1777-64에 따라 13.79 Pa(제곱 인치당 0.002 파운드) 및 30.5 센티미터 x 30.5 센티미터(12 인치 x 12 인치) 프레서 풋을 이용하여 측정하였다. 실시예 16은 웹 기초 중량이 418 그램/미터2이었고 ASTM D 3776-85에 따라 측정하였다. 실시예 16은 EFD가 12.5 마이크로미터였고 분당 32 리터의 공기가 흐르는 데서 ASTM F 778-88에 따라 측정하였다. 소음 흡수는 ASTM E1050에 따라 측정하였고 결과는 표 5에 나타내었다.
실시예번호 주파수(Hz)당 소음 흡수 계수
160 200 250 315 400 500 630 800
16 0 .07 .10 .12 .16 .20 .25 .33
실시예번호 주파수(Hz)당 소음 흡수 계수
1k 1.25k 1.6k 2k 2.5k 3.15k 4k 5k 6.3k
16 .41 .50 .62 .72 .79 .81 .79 .79 .82
표 5의 데이타는 치수적으로 안정한 콤보웹이 효과적인 소음 흡수체임을 나타낸다.
실시예 17 및 비교예 C8
목표 기초 중량이 53 그램/미터2인 폴리(1,4-시클로헥실렌디메틸렌 테레프탈레이트)(PCT) 부직 멜트블로운 세섬유 웹을 실시예 1-5에 기술된 대로 제조하였다. PCT 멜트블로운 세섬유 웹을 이스트만사(Eastman Chemical Company, Kingsport, TN)의 Ektar 10820이라고 칭하는 수지로 제조하였다. 실시예 17의 웹을 실시예 1-5에 기술된 장치로 180℃에서 2분 동안 텐터 어닐링하고 오븐에서 제거하여 실온까지 식힌 뒤 텐터링 장치에서 제거하였다. 실시예 17 및 비교예 C8을 20.3 센티미터 x 20.3 센티미터(8인치 x 8인치)의 격자로 표시하고 180℃에서 5분 동안 어닐링하였다. ASTM D1204-84에 따라 웹의 수축율을 측정하였다(셈플 크기는 제외). 결과를 표 6에 나타내었다.
실시예번호 웹 기초 중량(그램/미터2) 퍼센트 웹 수축율 180℃/5분
기계 방향 교차 방향
17 53 0.8 0.4
C8 53 36.7 35.2
표 6의 데이타는 다른 멜트블로운 폴리에스테르형 웹이 본 발명에 따른 텐터링 없이 어닐링 하면 상당한 수축을 나타냄을 보여준다.
배경 기술에서 인용한 것들을 포함하여 본원에서 인용한 특허 및 특허 출원은 전체로 참고 문헌으로 인용한다. 위에서 설명한 실시태양에서 발명의 범위를 벗어나지 않고 많은 변화를 수행할 수 있다는 것은 당업자에게 분명할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 본원에서 기술한 방법과 구조물에 제한되어서는 안되고, 청구항 및 그 균등물의 언어로 기술된 방법 및 구조물에만 제한된다.

Claims (10)

  1. 열가소성 섬유를 포함하는 부직 섬유 웹을 적어도 웹의 내부를 가로질러 분포된 다수의 텐터링 점들에서 텐터링 구조물에 구속하는 단계;
    웹을 텐터링 구조물에 구속한 상태로 부직 웹을 어닐링하는 단계; 및
    어닐링한 부직 섬유 웹을 텐터링 구조물에서 제거하는 단계를 포함하는
    치수적으로 안정한 부직 섬유 웹을 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 텐터링 구조물이 부직 섬유 웹 속으로 들어가도록 배열된 다수의 텐터링 핀을 포함하는 것인 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 텐터링 구조물이 부직 섬유 웹을 통하여 관통하도록 배열된 다수의 텐터링 핀을 포함하는 것인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 부직 섬유 웹을 텐터링 구조물에 구속하는 단계가 부직 섬유 웹을 다수의 텐터링 점에 압축시켜 맞물리도록 하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 텐터링 점이 부직 섬유 웹의 내부에 걸쳐 대체적으로 균일하게 분포된 것인 방법.
  6. 텐터링 지지대에서 말단으로 돌출한 다수의 텐터링 점을 포함하고, 이 텐터링 점은 웹의 내부와 맞물리도록 위치한, 부직 섬유 웹 어닐링용 텐터링 구조물.
  7. 제 6 항에 있어서, 다수의 텐터링 점이 부직 섬유 웹 속으로 들어가도록 배열된 다수의 텐터링 핀을 포함하는 것인 텐터링 구조물.
  8. 제 6 항에 있어서, 다수의 텐터링 점이 부직 섬유 웹을 통하여 관통하도록 배열된 다수의 텐터링 핀을 포함하는 것인 텐터링 구조물.
  9. 제 6 항에 있어서, 텐터링 점이 다수의 텐터링 점에서 부직 섬유 웹을 압축하여 맞물리도록 구성된 것인 텐터링 구조물.
  10. 제 6 항에 있어서, 텐터링 점이 텐터링 지지대를 가로질러 대체적으로 균일하게 분포된 것인 텐터링 구조물.
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