그러므로 본 발명에 의하면, 폴리에틸렌테레프탈레이트를 주반복 단위로 하는 폴리에스테르 섬유에 있어서, 원료 폴리머 대비하여 고유점도 저하 0.1 이하, 분자량분포 2.5 이하, 내열강도 유지율 90이상, 크리이프 2.5이하, 150℃의 고온탄성율 40g/d 이상을 동시에 만족하는 것을 특징으로 하는 고온 탄성율이 우수한 폴리에스테르 섬유가 제공된다.
또한 본 발명에 의하면 상기한 특성의 폴리에스테르 섬유를 제조하기 위한 바람직한 방법의 하나로서, 폴리에틸렌테레프탈레이트를 주 반복 단위로 하는 고유점도 0.80∼1.20의 폴리에스테르를 구금을 통하여 2000mpm 이상으로 용융방사하여, 구금하부에 위치하며 온도가 320∼380℃인 가열통을 통과시킨 후, 냉각하고, 폴리에스테르의 고유점도 저하가 0.1 이하가 되도록 연신함을 특징으로 하는 고온 탄성율이 우수한 폴리에스테르 섬유의 제조방법이 제공된다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따라 상기한 특성을 만족하는 구조의 폴리에스테르 섬유는 저수축이면서도 취화에 의한 내열성의 저하가 극히 적고, 크리이프성이 낮으며, 내피로성이 우수하고, 강도 저하가 적고, 높은 초기 인장 계수를 갖는 저절신의 고강도의 물성을 발현함으로써 산업용 고무제품의 보강용 섬유로서 많은 장점을 갖는 것이다.
본 발명의 폴리에스테르 섬유는 기존의 저절신 저수축사를 생산하기 위한 기술로서 높은 분자량의 고분자의 압출시에 생기는 역학적 취화 및 열적 취화가 일어나게 하여 저수축화하는 기술을 이용하지 않고, 비교적 낮은 분자량의 고분자를 이용하여 고속방사하며 방사 후의 고분자의 고유점도가 원료 고분자의 고유점도에 비하여 상대차(이하, '고유점도 저하'라 칭하기도 함)가 작게함으로써 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현에 의하면 상기한 특성의 폴리에스테르 섬유는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 주 반복 단위로 하는 고유점도 0.80∼1.20의 폴리에스테르를 구금을 통하여 2000mpm 이상으로 용융방사하여, 구금하부에 위치하며 온도가 320∼380℃인 가열통을 통과시킨 후, 냉각하고, 폴리에스테르의 고유점도 저하가 0.1 이하가 되도록 연신하는 것에 의해 제조할 수 있다.
본 제조방법에서는 방사를 2000mpm 이상의 고속으로 수행하여 고분자 결정의 크기가 크게 되고 배향성이 증대되게 함으로써, 고분자의 결정성분이 고온에서도 반응이 쉽게 일어나지 않게 되고 소망하는 물성을 발현시킬 수 있도록 준비된다. 보통 2000mpm 정도는 고속방사라고 하지 않으나 방사속도의 정도는 고유점도에 의하여 달라질 수 있는데, 낮은 고유점도 보다 높은 고유점도 일때가 낮은 방사속도에서도 배향이 잘되기 때문에 이를 고속방사의 역할을 한 것으로 간주할 수 있다.
이는 섬유의 수축기구 중에서 비정부의 신장된 분자쇄의 열에 의한 무배향화의 개념을 고려할 때 섬유 전체의 부피중 수축할 수 있는 부분의 영역을 최소화해 주는 것을 이용한 것이다. 즉, 상대적으로 결정의 영역을 크게하여 비정부의 영역을 작게하며 결정의 크기를 크게함으로써 신장된 비정 분자쇄의 개수를 작게 해주는 것이다.
연신사의 구조 및 물성은 연신 공정 단계의 조건에 의한 것만은 아니고 고분자의 분자량, 방사 조건 등에 의하여도 복합적으로 변화하게 된다. 이에 본 발명에서는 최종 연신사의 물성 및 구조에 영향을 미치는 이전 공정 단계들에서의 조건들의 조합의 변화를 이용한다.
분자량이 연신가능정도와 신장된 비정 분자쇄의 개수 및 강도 등에 주요인으로 작용될수 있으며 방사조건 중 용융 토출된 고분자의 고화전의 배향 정도를 결정하는 방사온도, 가열통, 냉각부들의 조건들과 방사속도가 주요인으로 작용하며, 연신에서는 방사된 고분자의 상태에 맞게 연신 가능하게끔 조건을 맞춘후 연신 정도 및 열처리 정도에 따라 최종의 연신사의 구조 및 물성이 결정된다.
연신시 필라멘트 내부의 폴리에스테르 고분자쇄들이 나타내는 반응은 연신사의 고차구조를 결정하게 되는데 그 반응의 정도 즉, 발현되는 필라멘트들의 고차구조는 방사시 권취 장력 및 고화점의 위치에 따라 달라지게 된다. 이들은 또한 권취속도에 의하여 가장 크게 좌우가 되나 구금에서 토출된 용융 고분자의 재료특성 즉, 분자량 및 분자량 분포, 신장 점도 및 결정화 속도에도 의존하게 된다.
도 1에는 본 발명의 폴리에스테르 섬유를 제조하는데 이용될 수 있는 직접방사연신 방식의 원사제조장치가 제시된다. 도시되는 DSD 장치는 구금(1) 직하부에 용융 필라멘트들의 균일성을 확보하고 연신성을 돕기 위하여 고온으로 보온을 해주는 가열통(Heating hood: 2)이 있으며 그 하단에 비결정화 및 고화를 위한 냉각부(Quenching chamber: 3)가 있다. 그 후 고화된 멀티 필라멘트사의 균일한 연신성 및 연신사의 표면 윤활성을 부여하기 위한 방사유제공급장치(4)를 통과하고, 직렬로 연결된 다수개의 연신 롤(G/R)(5,6,7,8,9,10)을 통과하면서 다단으로 연신되며 열고정과 이완이 일어난 후 안정된 물성의 원사가 와인더(11)에 권취되게 된다.
위에 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 분자량 저하가 작은 방사법을 이용하여 방사 후의 고분자의 분자량 분포가 적게한 상태에서 최적의 연신 조건을 찾아 연신성이 확보되게 함으로써 DEG 증가가 작아 내열성이 우수하며 분자량 분포가 좁아 크리이프 및 내피로성이 우수하고 고온에서도 탄성률을 유지하는 저절신 저수축사를 제조하기 위하여 분자량과 방사조건을 설계하고 그에 상응하는 연신 조건에 따라 연신사의 미결정이 커지게 되고 연결 분자쇄의 개수가 작아져 저절신의 저수축사를 얻게 된다. 이 때의 연신 조건은 이완 열처리를 많이 하지 않은 것이기 때문에 저수축, 고강도의 연신사를 얻게 된다.
본 발명의 상기한 특징 및 기타의 장점은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이다. 단, 본 발명은 하기 실시예로 한정되는 것이 아니다.
상기한 설명 및 후술되는 실시예에서 제시되는 섬유의 물성들은 다음과 같은 방법을 측정된 것이다.
* 원사의 강도, 절신 및 탄성률: 만능재료 시험기(INSTRON)를 사용하여 측정.
* 수축율: 무장력하에서 190℃×15분의 조건으로 열수축시킨 원사의 수축 전, 후의 길이변화율로서, 열수축전의 길이에서 열수축후의 길이를 뺀 값을 열수축전의 길이로 나눈 값의 백분율로 나타냄.
* 분자량 분포: 원사를 헥사플루오로이소프로판올(HFIP)에 녹인 후 오르토-클로로페놀(OCP) 0.1wt의 회석용액을 겔투과 크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography)를 이용하여 수평균분자량과 중량평균분자량을 측정한 후 수평균 분자량에 대한 중량 평균 분자량의 상대값으로 나타냄.
* 내열강도 유지율(): 220℃에서 열처리 전후의 원사의 강도유지율로 열처리후의 원사강도를 열처리전의 원사강도로 나눈 값의 백분율로 나타냄.
* 크리이프(): 최대강도의 2∼20사이의 응력을 0.2Hz의 주기로 반복 부여하여 1,000회 동안의 응력부여 후의 영구 변형된 신도.
* 고온 탄성률: 레오비브론(Rheovibron)을 이용하여 상온에서 250℃까지의 온도 영역에서 110Hz, 25㎛의 반복 강제신장을 부여하여 응력을 측정하여 150℃에서의 동적탄성률을 구한 것임.
[실시예 및 비교예]
도 1의 DSD 장치에서 표 1에 나타낸 고유점도의 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중합체를 표 1에 제시한 제사 조건으로 방사, 연신하여 폴리에스테르 섬유를 제조하였다.
구분 |
실시예1 |
실시예2 |
실시예3 |
비교예1 |
비교예2 |
비교예3 |
비교예4 |
제사조건 |
원료 고분자 고유점도 |
0.8 |
0.9 |
1.0 |
0.8 |
1.2 |
1.2 |
0.8 |
방사온도(℃) |
300 |
305 |
310 |
300 |
315 |
300 |
310 |
가열통온도(℃) |
350 |
350 |
350 |
350 |
350 |
350 |
350 |
냉각풍 온도(℃) |
21 |
21 |
21 |
21 |
21 |
21 |
21 |
1G/R SPEED(mpm) |
2500 |
2500 |
3000 |
1800 |
2800 |
2500 |
600 |
권취속도(mpm) |
5000 |
5000 |
4500 |
5000 |
4800 |
5000 |
3000 |
연신사특성 |
고유점도 |
0.75 |
0.83 |
0.97 |
0.70 |
0.88 |
0.95 |
0.65 |
분자량분포 |
2.35 |
2.40 |
2.43 |
2.60 |
2.55 |
2.70 |
2.80 |
강도(g/d) |
8.5 |
8.6 |
8.8 |
8.2 |
8.8 |
9.0 |
7.6 |
파단신도() |
14.0 |
14.6 |
15.0 |
13.2 |
12.4 |
12.5 |
14.5 |
열수축률() |
5.0 |
5.8 |
6.4 |
7.4 |
8.5 |
8.8 |
9.0 |
탄성률(g/d) |
95 |
95 |
95 |
85 |
100 |
115 |
100 |
내열강도 유지율() |
92 |
90 |
90 |
86 |
86 |
84 |
80 |
크리이프() |
2.0 |
2.1 |
2.1 |
2.9 |
2.8 |
3.5 |
4.5 |
고온탄성률(g/d) |
50 |
50 |
45 |
35 |
35 |
35 |
30 |