KR20020054266A - 방사구 - Google Patents

Abstract

습식 방사에 있어서, 방사원액 토출구멍형상이 환형이면서, 임의의 비원형 단면의 섬유를 얻을 수 있는 방사구.

습식 방사에 의한 비원형 단면섬유 제조용의 방사구로서, 1개의 섬유를 형성하기 위한 단위원액 토출구멍으로서 적어도 2개이상의 원형 토출구멍이, 목적으로하는 섬유단면의 형상에 대응한 일정한 배치로 뚫어 설치되어 이루어진다.

종래, 비원형 단면섬유를 제조하는 경우에는 섬유의 형상에 준한 토출구멍을 갖는 방사구를 사용하고 있고, 복잡한 단면형상의 섬유를 얻기 위한 방사구의 가공은 미세가공이 곤란하고 또한 고가, 또 이형가공분의 강도적인 제약으로부터 방출속도 즉 섬유생산성이 희생으로 되어 있었다. 본 발명에는 토출구멍단면 그 자체는 환형으로 하였으므로 제작비를 저감할 수 있고, 내압성의 향상, 나아가서는 생산속도의 향상에 기여할 수 있다. 또 구멍배치의 패턴에 의해 임의의 섬유단면형상이 얻어진다.

Description

방사구{SPINNING NOZZLE}

본 발명은 습식방사에 있어서, 비원형 단면섬유 제조에 사용되는 방사구에 관한 것이다.

종래, 습식 방사에 의한 화학섬유 제조공정에 있어서, 비원형 단면형상의 섬유를 제조할 경우는, 목적으로 하는 섬유단면형상에 준한 단면형상의 토출구멍을 갖는 방사구를 사용한다. 예를 들면, 편평형상단면의 섬유를 얻는 경우에는 동일하게 편평형상의 토출구멍을, 또 3각단면의 섬유를 얻는 경우에는 Y형단면 토출구멍을 구비한 방사구를 제작하여 사용하고 있다.

이것을 지금 조금 설명한다. 도 1은 비원형단면중, 가장 간단한 형상인 편평단면섬유 제조용의 방사구의 토출구멍 단면도이고, 도 2는 이것에 의해 얻게 되는 섬유단면도이다. 토출구멍에서 나온 방사용 원액은 응고, 연신 등의 공정을 거치는 동안에, 토출구멍 단면도 1에 비교해서 약간 둥근모양을 띠고, 최종적으로는 도 2 단면의 형태의 섬유로 된다. 또 3각단면 섬유용 노즐의 토출구멍 및 이것에 의해 얻게 되는 섬유단면은 도 3 및 도 4와 같다. 즉 제작하는 토출구멍의 단면은 얻고자하는 섬유단면형상을 예각화한 형상으로 설정하고 있는 것이 통예이다.

그렇지만, 이러한 종래방법으로 비원형 단면형상섬유용의 방사구를 제작할 경우, 복잡한 단면형상섬유를 제조하는데에는, 상응한 복잡한 단면형상의 토출구멍으로 하지 않으면 안된다. 예를 들면 종래방식으로 도 6과 같은 단면섬유를 얻기위해서는 도 5에 도시하는 바와 같은 단면의 토출구멍을 설정할 필요가 있다. 이와 같은 복잡한 단면의 토출구멍을 작성한 경우, 많은 경우에 도면중 a부에 도시하는 바와 같은 첨단부를 갖는 것으로 된다. 이 부분은 방사원액의 통과저항에 의한 전단응력이 집중하는 부분이고, 통과저항, 즉 원액통과량을 원형단면의 그것에 비하여 낮게 설정할 필요가 있고, 섬유의 생산성이 낮게 되어 있는 것이 현상이다. 또 섬유에 기능을 부여시키는 등을 목적으로 하는 고형성분을 포함하는 방사원액을 생산에 사용한 경우에는 이 a의 부분이 가장 마모하기 쉬운 부분으로 된다. 이 부분이 마모되면 원하는 단면의 섬유를 얻지 못하게 되기 때문에, 생산성뿐만 아니라, 노즐의 수명도 편평용 등이 간이한 형상의 것에 대하여 뒤떨어지는 것으로 된다. 또 편평용이라고 하더라도 예외는 아니고, 원형단면 토출구멍에 비하면 생산속도 및 수명은 뒤떨어지고 있다.

또, 현상의 비원형 단면섬유 제조용의 토출구멍가공은 와이어절단 등의 방전가공에서 대표가 되는 미세가공으로 행하고 있고, 단면이 복잡하게 될 수록 가공비도 상승하고, 노즐구입가격이 높게 된다. 한편, 환형 단면용의 토출구멍가공은 펀치나 드릴에 의한 것이며, 비원형의 것에 비하여 염가로 제조될 수 있다. 즉 복잡한 단면의 방사구는 섬유생산성, 운전수명, 구입가격 모두가 환형단면의 것에 비하여 뒤떨어지는 것이다.

본 발명자들은 상술한 바와 같은 종래방법의 비원형 단면섬유의 제조에 따른 문제점, 특히 생산성을 개선하도록 연구를 반복한 결과 본 발명에 이르게 된 것이다. 즉 본 발명의 목적으로 하는 바는, 비원형 단면섬유를 제조할 수 있는, 염가이고 수명이 길며, 또 생산성이 높은 방사구를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 사용되어 왔던 편평단면섬유 제조용 방사구의 토출구멍 단면도,

도 2는 도 1의 방사구로 얻은 섬유의 단면도,

도 3은 종래 사용되어 왔던 3각단면섬유 제조용 방사구의 토출구멍 단면도,

도 4는 도 3의 방사구로 얻은 섬유의 단면도,

도 5는 종래 사용되어 왔던 도 6과 같은 단면섬유 제조용 방사구의 토출구멍 단면도,

도 6은 도 5의 방사구로 얻어진 섬유의 단면도,

도 7은 본 발명을 설명하기 위한 Y자형상의 단면을 갖는 섬유의 단면모식도,

도 8은 도 7의 단면을 갖는 섬유를 제조하기 위한 방사구의 부분단면 모식도이고, 3개 단위의 원액토출 구멍을 나타내며, 및

도 9는 도 8의 3개의 단위원액 토출구멍을 방사구의 이면에서 본 확대모식도이고, 4개의 원형 토출구멍이 Y자형상으로 배치된 도면.

"도면의 주요부분에 대한 부호의 설명"

a : 첨단부 l : 토출구멍 피치 또는 구멍중심 사이의 거리

1 : 원형 토출구멍 2 : 캐필러리부

3 : 단위원액 토출구멍 4 : 원액 도입구멍

이러한 본 발명의 목적은 습식방사에 의한 비원형 단면섬유 제조용의 방사구로서, 1개의 섬유를 형성하기 위한 단위원액 토출구멍으로서 적어도 2개 이상의 원형 토출구멍이, 목적으로 하는 섬유단면의 형상에 대응한 일정한 배치에 뚫어 설치되어 이루어지는 방사구에 의해 달성된다. 더욱이 이 원형 토출구멍의 후배부(後背部)에는 1∼10 단위원액 토출구멍이 공용하는 1개의 원액 도입구멍이 설치되어 있을 것, 단위원액 토출구멍을 이루는 개개의 원형 토출구멍의 배치가, 가장 근접하는 각각의 구멍중심을 연결하는 선의 패턴으로, 직선형상, V자형상, 3각형상, Y자형상, X자형상, C자형상, 4각형상중 어느것이든지 또는 이들의 조합인 것이 바람직하다.

또 단위원액 토출구멍내에서, 각각으로부터 토출되는 원액이 상호 접합하는 것을 목적으로 하는 2개의 원형 토출구멍의 구멍중심 사이의 거리(접합토출구멍 피치)는, α×(√PR)×(원형 토출구멍 직경)의 적(단, α는 0.9∼1.3의 범위에서 택하게 되는 값이고, PR란 방사조건중, 본 방사구에서 채용되는 원형 토출구멍으로부터 토출되는 원액의 선속도를 응고욕(凝固浴) 인수속도로 나눈 값이다.)으로 얻어지는 값의 범위내에, 단위원액 토출구멍내 또는 사이에서, 각각에서 토출되는 원액이 상호 이반(離反)되는 목적에 있는 2개의 원형토출구멍의 구멍중심 사이의 거리(이반토출구멍의 피치)는, β×(√PR)×(원형 토출구멍 직경)의 적(단, β≥1.5)으로 얻어지는 값의 범위내로 한 것은 발명의 목적을 보다 잘 달성하는데 유효하다.

(실시형태)

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 먼저 본 발명의 방사구를, 3각단면섬유를 목적으로 하는 예에 관해서 도면으로 설명해 둔다. 도 7은 목적으로 하는 섬유의 단면모식도이다. 도 8은 이러한 단면의 섬유를 제조하기 위한 방사구의 부분단면모식도이고, 3단위의 원액 토출구멍이 1개의 원액 도입구멍을 공용하고 있는 예이다. 도 9는 3단위의 원액 토출구멍과 그것이 공용하는 원액 도입구멍을, 방사구의 이면에서 본 확대모식도이다.

본 예는 단위원액 토출구멍이 4개의 원형 토출구멍으로 구성되는 것을 도시하고 있다. 먼저 도 8에 있어서, 1은 개개의 원형 토출구멍이고, 2는 그들이 각각 구비하고 있는 캐필러리부, 3은 1의 집합한 단위원액 토출구멍이다. 4는 1단위 또는 복수의 단위원액 토출구멍이 공용하는 원액 도입구멍이다. 도 9에서 굵은 선은 가장 근접하는 구멍의 관계에 있는 구멍끼리의 중심 사이를 연결하는 선분이고, 1은 그 길이이다(후술). 본 발명의 방사구의 가장 큰 특징은, 습식방사에 의한 비원형 단면섬유 제조용이면서, 2개 이상 복수의 원형 토출구멍을 1단위의 원액 토출구멍으로 하고 있는 점이다. 즉 종래는 복잡하게 들어간 단면형상의 토출구멍 1개로 1개의 섬유에 대응시키고 있었는데, 이것을 극도로 단순한 원형 토출구멍의 복수개로 대체한 것과 같은 것이다. 원형 토출구멍으로 함으로써, 방사구제작도 용이하게 되고, 노즐가공시 및 방사시의 응력집중의 문제도 회피되는 것이다. 또, 이 원형 토출구멍 직경은 ø0.015∼0.40mm의 범위로 설정하는 것이 공업적으로 바람직하다.

본 발명에서 말하는 비원형 단면섬유란, 섬유의 섬유축에 수직인 면에서 절단했을 때의 단면형상이, 3각형이나 4각형, 편평형상, 덤벨형상, Y자형상, T자형상, C자형상, 별형상, 구부러진 구술형상 등에 근사하게 되도록 대개 원형이라고는 말하기 어려운 형상을 가리킨다. 타원형 등에 관해서는 굳이 말하면 장축/단축비로 1.3 이상의 것이 대상이다.

단위원액 토출구멍이란, 문자종류 1개의 비원형 단면섬유를 형성하기 위해 필요한 원형 토출구멍의 집합이고, 원형 토출구멍의 개수로서는 2개 이상이다. 이 개수는 복잡한 섬유단면을 갖는 것에 사용하는 경우나, 편평형상의 섬유단면이면서 얇은 리본형상에 가까운 단면을 갖는 것의 경우에는 필연적으로 많게 된다. 개구의 상한은 강제로 놓을 필요도 없으나, 방사구당의 생산성 즉 뚫어설치되어 있는 단위원액 토출구멍의 단위수 등을 감안하면 15개 이하, 바람직하게는 10개 이하일 것이다.

단위원액 토출구멍에 있어서, 2개 이상의 원형토출구멍을 뚫어 설치할 때의 배치에 관해서는, 2개의 경우에는 선택의 여지는 없으나, 일반적으로는 당해 방사구로 제조하고자 하는 섬유의 단면형상에 맞추어서, 대응하는 일정한 배치로 하는 것은 말할 필요도 없다. 이러한 배치를 나타내기 위하여, 본 발명에서는 1개의 원형 토출구멍에 주목했을 때의 이 원형 토출구멍의 중심과, 이 원형 토출구멍에 인접하는 다른 원형 토출구멍(복수존재하는 일도 있다)의 중심을 연결하는 선분을 고려해, 이 선분의 길이의 가장 짧은 조합을 가장 근접시키는 구멍으로 한다. 단위원액 토출구멍의 구성멤버로서 존재하는 외에 모든 원형 토출구멍에 관해서, 순차 가장 근접하는 구멍에 해당하는 것을 선으로 연결한다. 이 선분의 길이(도 9에서 1)를 접합구멍 중심사이 거리 또는 접합토출구멍 피치라 부른다.

그런데 뚫어 설치되는 원형 토출구멍의 배치는 이러한 선의 집합으로 그려지는 패턴으로 나타내고, 그중 본 발명에서는 직선형상, V자형상, 3각형상, Y자형상, X자형상, C자형상, 4각형상으로 간주할 수 있는 배치의 어느것 혹은 이들의 조합인 것이 바랍직하다. 물론 이외에도 정다각형상도 있을 수 있으나, 실제상 그들로부터 얻을 수 있는 비원형단면섬유에 특히 우수한 성질은 기대할 수 없다. 또한 이 패턴에 대응하는 섬유단면의 형상으로서는 방사원액특성이나 방사조건에도 달려 있으나, 대개 앞의 순번에 대하여 편평형상, 쐐기형상, 3각형상, 클로버잎사귀형상, ＋자 내지 4각형상, C형상 내지 곡옥형상, 4각형상으로 된다.

그런데 상기 최근접구멍끼리로부터의 토출방사원액 흐름은 접합구멍 중심 사이의 거리 또는 접합토출구멍 피치로 호칭되는 거리 만큼 격리된 위치로부터 개별로 토출되고 있음에도 불구하고, 개별의 섬유사조를 부여하는 것은 아니고 상호 접합하여 비원형 단면섬유를 부여하지 않으면 안된다. 최근접구멍끼리로부터의 원액흐름이 접합하는지 이반하는지는, 토출구멍 피치만으로는 결정되지 않는다. 즉, 토출구멍 피치라고 하는 하드웨어로 구비된 고정적인 거리외에, 동일하게 하드웨어인 이 토출구멍의 구멍직경이나 토출구멍의 캐필러리부 길이, 방사에 제공되는 방사원액의 점탄성적 특성이나 실제로 채용되는 방사조건 예를 들면 원액토출구멍에 공급되는 방사원액의 공급속도, 방사원액온도, 응고욕에 있어서 응고속도나 PR(후술하는데 제트연신비의 역수와 동일) 등의 소프트웨어 요인에 의존하는 것이다.

따라서 접합시키기 위하여 하드웨어적인 면만의 토출구멍 피치를 일의적으로 규정할 수 는 없다. 그러나 무제한으로 토출구멍 피치를 크게 하면 접합되지 않고(발명이 달성되지 않는다), 지나치게 작으면 의도하지 않는 접합이 생기는데 더하여, 방사구 자체의 제작의 곤란성의 증대, 내압성의 저하 등이 야기 되는 것은 명백하다. 이상과 같이, 일률적으로는 결정되지 않지만, 우리들은 방사구의 제작성, 방사원액특성이나 방사조건(소프트웨어)의 채용가능폭 등을 감안하고, 접합을 목적으로 하는 접합토출구멍 사이의 접합토출구멍 피치로서는, α×(√PR)×(원형토출구멍직경)의 적(단 α는 0. 9∼1.3의 범위에서 선택되는 값)으로 얻어지는 값의 범위내로 설정하는 것을 추장한다.

상기 식중의 PR란 「토출구멍으로부터의 원액의 토출선속도/섬유다발의 응고욕 인수속도」의 비로서 구해지는 것으로서, 제트연신비의 역수에 상당한다. 그러므로, PR란 속도 즉 단위시간당의 섬유의 길이의 축소배율을 나타내고 있으며, 그 근이란 개념적으로는 섬유직경의 팽창배율에 해당하는 것이고, 내압성 등과 나란히 방사구설계시의 중요한 요소의 하나이다. 따라서 상기 식중「(√PR)×(원형토출구멍직경)」의 부분은, 개념적으로 응고욕으로 토출된 액상의 실의 팽창후의 직경이라는 의미내용을 갖는다. 결국 0.9∼1.3의 값인 α를 다시 승산하는 상기의 식은, 팽창후의 직경을 α의 비로 수정한 값에 의해 접합토출구멍 피치를 정하는 것을 의미한다. α는 0.9∼1.3의 값을 취하는데, 1.3을 넘으면 이반사조가 생기거나, 방사구 1개에 뚫어설치할 수 있는 단위원액 토출구멍의 단위수가 감소하는 것을 통하여 소위 노즐당의 섬유생산성이 저하하거나, 채용할 수 있는 방사조건의 허용폭이 좁게 되는 등 문제가 생긴다. 0.9 미만에서는 방사구의 제작 그 자체의 한계에 근접하는 것외에 의도하지 않는 접합사조가 생기거나, 노즐강도를 저하시키는 원인으로 되기 때문에 추장할 수 없다.

다음에 본 발명의 방사구에 있어서, 토출방사 원액흐름이 접합하는 것을 회피하고, 역으로 이반하도록 하지 않으면 안된다는 상황은, 일단위원액 토출구멍의 구성멤버인 원형토출구멍 사이에서 가장 근접하는 구멍의 관계에 해당하지 않는 원형토출구멍 사이와, 인접하는 2개의 단위원액 토출구멍 사이에서, 하나의 단위에 속하는 원형 토출구멍중 어느것과 다른 단위에 속하는 원형 토출구멍중의 어느것으로 가장 근접하는 구멍의 관계에 해당하는 원형토출구멍 사이에 생긴다. 간단히 말하면 전자는 하나의 단위원액 토출구멍내에서, 임의의 원형 토출구멍에 관해서 가장 근접하는 구멍이외와는 이반하여 있지 않으면 안되고, 후자는 상이한 단위의 원액토출구멍 사이에서는 가장 가까운 위치에 있는 원형 토출구멍이라 하더라도 소속하는 단위가 상이하면 이반하여 있지 않으면 안된다는 것이다.

이와 같이 이반되어 있어야 할 원형 토출구멍 사이의 이반토출구멍 피치에 관해서도, 상기와 동일한 이유로 일률적으로는 결정되지 못한다. 그러나 이반이 확보되는 한 이 피치를 작게함으로써 방사구당의 섬유생산성이 높아지는 것이며, 이 피치는 β×(√PR)×(원형 토출구멍직경)의 적(단, β≥1.5)으로 얻어지는 값의 범위내로 설정하는 것을 추장한다. β값이 1.5 미만에서는 의도하지 않는 접합이 일어나서 제조된 섬유다발중에 이상한 단면을 갖는 섬유가 혼재되는 위험성이 증대되고, 이러한 비율을 크게 하면 할 수록 상기와 같은 문제는 없으나 섬유생산성이희생으로 되는 방향이다.

방사구에 있어서 원형 토출구멍은 그 후배부에 캐필러리부라고 칭하는 어느 길이를 갖는 부분 및 그 더욱 후배부에 대직경으로부터 캐필러리 일부직경을 향해서 대개 원추형으로 좁혀진 형이 일반적인 원액도입구멍이라고 칭함과 동시에 방사원액의 유로를 구비하는 것이 보통이다. 본 발명의 방사구에 있어서는, 하나의 섬유를 형성하기 위한 원형 토출구멍 각각이 개별로 원액도입구멍을 구비해도 관계 없으나, 1단위원액 토출구멍이 1개의 원액도입구멍을 구비하는, 즉 1개의 섬유를 형성하기 위한 복수의 원형 토출구멍이 합쳐서 1개의 원액도입구멍을 공용하는 것이 바람직하다. 또한 경우에 따라서는 10 단위 이하의 원액토출구멍이 합쳐져서 1개의 원액도입구멍을 공용하도록 해도 좋다.

이상 기술한 바와 같이 본 발명의 방사구로는, 기본적으로 어느 거리만큼 이반된 위치에 있는 복수의 원형 토출구멍으로부터의 토출방사 원액흐름이, 응고욕 안에서 상호 접합하고 토출구멍의 형상과는 상이한 원형 이외의 단면형상의 섬유를 부여하는 것이다. 이반된 위치의 2개의 토출구멍으로부터의 원액흐름은, 본래라면 따로따로의 2개의 사조를 형성하는 것이 통상이다. 본 발명에 있어서 이것이 접합하는 것은 이하의 이유에 의한다.

즉, 응고속도가 극단히 빠르지 않은 한, (통상의 습식방사는 이 조건을 충족한다), 원형 토출구멍에서 토출된 원액흐름은, 토출직후에 주로 원액자체의 점탄성적 성질이나 방사구로부터 토출될 때에 받은 스트레스 등의 결과로서, 그 직경은 크든 작든 토출구멍의 직경보다 굵은 미응고의 액상사를 부여한다. 이 현상을 배러스(barus)효과라고 부르는데, 이 결과로서 가장 근접하는 구멍끼리로부터의 액상사의 표면 사이 거리는 토출구멍끼리의 외연 사이 거리보다 짧게 된다, 즉 접근하는 것이다. 배러스효과가 큰 경에는 이 시점에서 양 액상사는 접합하여 1개의 섬유의 원형으로 되고, 응고의 진행을 적합시키므로써 비원형 단면섬유를 부여한다.

배러스효과가 클 때엔 물론, 그다지 크지 않은 경우에도, 방사원액 자체의 특성이나 채용하는 재조건의 결과로서 정해지는 응고욕에서의 응고프로세스의 진행에 따라, 상술한 액상사는 응고욕 인수부를 향하면서 서서히 그 물리적 성상을 변경하고, 선속도를 감한다. 이 선속도의 감소, 즉 상술한 (액상사가 성상을 변경한 결과로서의) 단위시간당의 섬유의 길이의 축소는, 성상의 변화가 극단이 아닌 한 대략 액상사의 직경의 증대(팽창)에 의해 상쇄된다. 이 액상사의 직경의 증대라는 것을, 직경이 팽창한다는 의미로「의사 배러스효과」라고 부른다. 이것에 의해 상기와 동일하게 액상사의 표면사이 거리는 더 접근하고, 드디어 접합에 이르게 되므로써, 비원형 단면섬유로 되는 것이다. 어쨌든 접합토출구멍 피치와, 액상사의 토출구멍으로부터 토출된 후의 변형정도에 의해 결정되는 것은 말할 것도 없다.

본원 발명의 방사구의 1단위의 원액 토출구멍을 구성하는 복수의 원형 토출구멍은, 동일구멍직경의 것이 보통인데, 극히 특별 케이스에는 상이한 구멍직경의 것도 채용할 수 있다. 또, 방사구의 재질로서는 특히 한정은 없고, 탄탈, 스테인리스, 백금-금합금, 유리, 세라믹스나 에폭시, 폴리카보네이트, 그밖의 엔플라수지 등이 채용된다.

또한 본원 발명의 방사구는 습식 방사에 있어서 효과를 발휘한다. 용융방사,건식방사, 반건반습식 방사와 같이, 원액 또는 융액이 고화섬유로 되기까지에 기체공간을 경우하는 것에 있어서는, 공간내에서 토출구멍 피치를 훨씬 넘는 형성도중 섬유의 요동을 피하지 못하고, 본 방식에 의한 정량적인 비원형 단면섬유의 형성에는 곤란이 있다.

그런데, 본원 발명의 방사구를 사용한 습식방사에 의한 비원형 단면섬유의 제조방법에 관해서 설명한다. 지금까지 설명해온 바와 같이 토출원액 흐름이 응고욕내에서 접합하기 위해서는 방사구의 각종 치수, 방사원액 자체의 특성, 응고요인의 밸런스를 도모하는 것이 중요하다. 그래서 치수가 용이하게 변경되지 못하는 방사구라고 하는 하드웨어가 고정된 경우에 관해서, 접합시키기 위한 수단을 정리한다.

먼저 어떤 조건에서 습식방사를 행했을 때, 접합이 일어나지 않는 경우이다. 접합토출구멍 피치가 부적정하게 과대인 경우 이외에, 이 접합이 일어나지 않는, 즉 각 사조가 이반하고 마는 이유로서는 이하의 것이 있다.

1. 응고가 급속히 끝나는 경우

2. 배러스효과가 불충분한 경우

3. 응고에 의해 의사배러스효과가 불충분한 경우

4. 응고욕으로부터의 인수속도가 과대한 경우

1은 노즐로부터 토출직후에 응고(중합체의 응집·침전의 형성)하고 소위 스킨을 형성하고 마는 경우이며, 응고속도를 완속화하는 수단을 채용해보아야 한다. 응고액으로서는 대개 중합체의 희박한 용제용액이 사용되고 있는 것이 많은데, 그농도를 상승시킨다든지, 용제의 확산계수를 작게 하는 수단을 채택하는 것 등을 들 수 있다. 2의 경우라면, 배러스효과가 더욱 발현하는 방향으로 조건을 선정하는 것이다. 배러스효과는 토출원액에 가해진 회복가능한 전단변형의 완화와 회복에 기인하는 현상으로 되므로, 원액중의 중합체 농도를 높게 하여 서로 뒤얽히는 점을 많게 하거나 서로 뒤얽히는 사이 분자량을 낮추든지, 캐필러리부 체류시간을 짧게 하여 응력완화를 작게 한다든지, 높은 전단응력이 걸리는 방사조건으로 토출하는, 등이 있다.

3의 경우, 일부 후술하는 4의 경우와 비슷하며, 인수속도를 저하시키든지. 응고의 진행을 완속화해 보는 것이 고려되고, 나아가서는 방사구의 설계요소, 특히 설계시의 가상의 PR을 변경할 필요도 생긴다. 4의 경우란, 적당한 조건이면 접합할 수 있는데, 인수속도가 크기 때문에 토출된 액상사에 접합가능한 상태로부터 연신이 부여되고, 그 결과 액상사의 직경의 감소(팽창의 저하)가 일어나서 접합의 기회를 놓치고 있는 경우이다. 이 경우이면, 인수속도를 서서히 저하시키면서 형성된 섬유단면을 관측함으로써, 용이하게 접합을 달성하는 점을 발견할 수 있다. 또한 일반적으로 방사구로부터 토출된 액상사는 토출된 그대로의 평행상태로 인수되는 일이 드물고, 어떤 형태로든 집속작용을 받아서 인수된다. 이것은 적어도 접합의 발생을 보조하는 것이다.

한편, 접합이 과도로 일어나는, 즉 1 단위내의 원액 토출구멍이나 극단한 경우는 상이한 단위에 속하는 원액토출구멍 사이 등, 이반을 예정하고 있던 토출구멍 사이에 접합이 일어나는 경우이다. 이 경우는 상술한 바와는 대개 반대의 방향으로조건을 움직여 보는 것이 추장된다.

이상은 방사구라고 하는 하드웨어를 고정한 경우에 관해서 기술했다. 방사원액특성, 응고요인 등 방사조건의 변경할 수 있는 범위내에서는 의도한 접합 혹은 이반이 얻어지지 않는 경우에는, 하드웨어를 수정하게 된다. 이것에 대해서는 이미 기술했으므로 대개 유추할 수 있는 것인데, 기본적으로 방사구는 상술한 배러스효과를, 응고조건은 의사배러스효과를 지배한다는 것이다. 즉, 원형 토출구멍의 구멍직경의 대소는 전단속도를 통하여, 구멍직경 및 토출구멍의 캐필러리부 길이는 전단응력을 통하여, 더욱이 캐필러리부 길이는 완화시간을 통하여 배러스효과의 발현에 영향을 미친다. 응고의 속도나 응고욕으로부터의 인수속도는 액상사의 그 이상의 팽창에 영향을 미친다. 따라서 이들의 결과 나타나는 양 배러스효과 아래, 접합하기 어려운 때는 접합토출구멍 피 치를 짧게, 필요이상으로 접합이 진행할 때는 접합토출구멍 피치를 길게 하면 된다.

(실시예)

이하 실시예에 의해 본 발명을 설명한다. 이들의 내용은 본 발명을 구체적으로 설명하는 것으로서, 본 발명이 이것에 의해 하등 한정을 받는 것은 아니다. 또한 실시예중, PR, α, β, 단면구성, 편평도, 방사 조업성은 다음의 계산식, 관찰법에 의해 구한 값, 특성이다.

(1) PR

토출구멍으로부터의 원액의 토출선속도를 섬유다발의 응고욕 인수속도로 나눈 값.

(2) α

α＝접합토출구멍 피치/((√PR)×토출구멍 직경)으로 유도되는 값.

(3) β

β＝이반토출구멍 피치/((√PR)×토출구멍 직경)으로 유도되는 값.

(4) 단면구성

측정 : 얻은 섬유를 섬유축에 대한 수직면으로 절단한 섬유단면을 현미경 관찰하고 무작위로 검출한 100개의 섬유를 이하의 기준에 의해 각 분류의 구성비율을 구했다.

본 기준은 편평단면섬유를 목적으로 할 경우에 관한 것인데, 이 분류는 다른 단면형상에 관해서도 응용적용할 수 있는 것이다.

분류 : 「비접합사」섬도가 목표섬도의 대략 [단위원액 토출구멍을 구성하는 원형 토출구멍의 수]분의 1 정도이고, 접합이 행해지고 있지 않은 섬유이고, 원형 토출구멍의 수를 단위로서 카운팅한다.

「적접합사」접합하고, 편평도가 1.3 이상이고 또한 섬도가 목표섬도의 2배 미만인 섬유.

「과접합사」접합하고 , 편평도가 1.3 미만이고, 또한 섬도가 목표섬도의 2배 미만인 섬유.

「이상접합사」 이반해야할 복수의 단위원액 토출구멍 사이에서의 접합이 일어난, 섬도가 목표섬도의 2배 이상인 섬유.

(5) 편평도

편평단면섬유에 관한 형상에 관한 일지수이고, 대상섬유 100개에 관한 애스펙트비(＝섬유단면의 외접원 직경/최대내접원 직경)의 평균치이다. 또한 이하의 실시예에 있어서 표시되는 본원의 방사구에 의한 섬유의 편평도는, 「적접합사」로 분류된 섬유에 관한 값이다.

(6) 노즐압력

비교대상의 각 방사구에 있어서, 비등수중 연신후의 속도를 130m/min 로 일정하게 한 경우의 방사구 압력측정치(MPa)이고, 이것이 낮을 수록 더욱 생산성의 향상도 될 수 있다는 점에서 우수하다.

판정 : ○ 0.5 MPa 이하의 경우.

△ 0.5 MPa를 넘고, 1.0 MPa 이하의 경우.

× 1.0 MPa를 넘는 경우.

(7) 사 절단

측정 : 응고욕조내의 노즐출구에서의 사조의 절단개수를 노즐의 전체 구멍수로 나눈 비율(%).

판정 : ○ 0.05％ 이하의 경우.

△ 0.05％를 넘고, 0.15％ 이하의 경우.

× 0.15％를 넘는 경우.

노즐압력과 사 절단은 방사조업성을 평가하는 지표이고, 어느것이나 낮은 쪽이 안정된 높은 생산성이 있는 것을 나타낸다.

(실시예 1)

먼저 아크릴로니트릴90 중량％, 아크릴산메틸에스테르9.5 중량％와 메타알릴술폰산소다0.5 중량％를 함유하는 [η] (30℃ DMF)＝1.5 의 공중합체를 로단소다48％의 수용액으로 용해하고, 공중합체 농도가 11중량%로 되도록 방사원액을 준비하였다.

방사구로서는 섬도 3dTex의 편평단면섬유를 목적으로 한 종래법의 방전가공에 의한 도 1에 도시하는 직사각형상 토출구멍(최협부×최대폭부×측면길이가 29㎛×35㎛×182㎛로 종횡비 5.2, 구멍단면적 0.0058mm²)15,500개를 갖는 것을 준비했다. 각 토출구멍은 길이180㎛의 캐필러리부와 그 후배부에 원액도입구멍을 설치하고 있고, 설계상의 방사 PR는 3이다(종래 노즐(A)이라고 한다). 동일하게 최협부×최대폭부×측면길이가 20㎛×24㎛×264㎛에서 종횡비 11, 구멍단면적 0.0058mm²의 토출구멍 10,500개(그외는 종래 노즐(A)과 동일)를 갖는 것을 준비하였다. 설계상의 방사 PR는 동일하게 3이다. 측면길이가 길기 때문에, 구멍수를 벌 수 없다(종래 노즐(B)). 더욱이 방사구의 압력의 저하를 목표로 하여, 최협부×최대폭부×측면길이가 50㎛×60㎛×310㎛로 종횡비 5.2, 구멍단면적 0.175mm²의 직사각형상의 토출구멍 10,000개, 설계 PR1의 것도 제작하였다(종래 노즐(C)).

본 발명의 방사구로서는 섬도 3dTex의 편평단면섬유를 목적으로하여, 펀치가공에 의해 구멍직경 50㎛의 원형 토출구멍 2개로 이루어지는 단위원액토출구멍 20,000단위를 구비하는 것을 제작했다. 각 토출구멍의 캐필러리부 길이는 50㎛, 접합 토출구멍 피치 100㎛, 이반토출구멍 피치 225㎛이고, 3단위 원액토출구멍에서 1개의 원액도입구멍을 공유하고 있다(발명의 노즐(D)).

본 발명의 노즐의 원형 토출구멍은 가공이 용이하기 때문에 1 단위 원액토출구멍당의 점유면적이 좁아지고, 동일한 구멍을 뚫을 수 있는 면적의 노즐에서도 상기와 같이 종래 노즐(A, B)과 비교하여 약 30∼100% 증대된 20,000단위가 뚫려 설치되었다. 노즐 1개당의 제작비도 각각 20∼40% 정도 염가이고, 섬유 1개당으로는 35~55% 정도로 되어, 노즐 자체로서의 우위성이 명백하다.

이상 4종류의 방사구에 관하여, 응고욕으로서 0℃로 유지된 10 중량% 로단소다수 용액중에 상기 방사원액을 토출시키고, 통상방법에 따라 응고·수세·비등수중 연신·열수축처리를 시행하는 습식방사를 행하고, 표 1에 표시하는 시료 No.1~4의 편평단면섬유를 얻었다. 또한 목표의 섬도는 3dTex이고, 끓는 물중 연신후의 속도 ; 130m/min, 연신후의 전수축율 ; 30%의 조건은 전시료에 공통이다. 다른 방사조건이나 방사조업성, 얻은 섬유의 특성 등을 표 1에 병기한다.

종래 노즐(A)을 사용한 시료 No. 1은 조업성의 면에서는 문제없는데, 긴요하게 얻은 섬유의 편평도가 낮고, 목표의 섬유가 얻어지고 있다고는 말하기 어렵다. 뚫린 구멍수가 감소(생산성 저하)하는 희생을 치르고 구멍면적을 종래 노즐(A)과 바꾸지 않고, 종횡비를 대략 배로 한 종래 노즐(B)에 의한 시료 No. 2는, 예상되는 바와 같이 노즐압력이 높아 사 절단도 있고, 편평도는 어느정도 개선되었으나, 구멍수의 감소에 의한 생산성의 저하 및 노즐압력이 높으므로 증속(增速)방사의 가능성이 없는 것이 치명적이다. 더욱이 시료 No. 3은 PR값을 낮게 방사함으로써 노즐압력의 저하, 편평도의 향상을 목표로 한 종래의 노즐(C)에 의한 것인데, 노즐압력은 낮으나 사 절단이 격심하고, 편평도의 평가도 ( )를 붙여서 표시하고 있는 바와같이 정상의 섬유는 높은 편평도를 표시하고 있으나, 응고욕조내에서의 사 절단이 원인으로 정상의 후 연신을 시행하지 않은 것이 많이 혼합되어, 상업용 생산에 채용될 수 있는 것이라고는 할 수 없다.

이것에 대하여 원형구멍 2개를 단위원액 토출구멍으로 하는 발명의 노즐(D)을 사용한 시료 No. 4는 조업성도 우수하고 편평도도 높아 상술한 노즐 자체의 우위성과 함께, 염가로 높은 생산성의 방사구를 제공한다는 목적을 달성하고 있다.

또한 본 발명의 노즐은 본질적으로 고립된 원형 토출구멍의 집합으로 이루어지므로 실험실적인 규모의 단위원액 토출구멍의 단위수라면 적접합사 100%도 있는데, 실용규모의 단위수로 되면 적접합사 이외도 단면구성의 분석에 표시하는 바와 같이 존재한다. 그런데 이들의 존재는 상이한 섬도 혼섬(混纖)이나 이형(異形) 섬유혼합 등으로 고려되는 효과를 표시하고, 단순한 비원형 단면섬유로부터는 예상외의 특징이다.

(실시예 2)

사용하는 방사구로서 섬도 3dTex의 편평단면섬유용으로, 원형 토출구멍직경 50㎛, 캐필러리부 길이 50㎛, 접합토출구멍 피치 100㎛, 이반토출구멍 피치 240㎛, 단위원액 토출구멍 20,000단위의 발명의 노즐(E)(기타 사양은 발명의 노즐(D)과 동일)을 사용하고, 목표섬도 3dTex로서 응고욕 인수속도를 변경해서 PR값을 변화시킨 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 표 2에 표시하는 시료 No. 5∼11의 7종류의 섬유를 얻었다. 방사조업성 등의 평가결과도 표 2에 병기한다.

표 2의 기재로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 시료 No. 5 및 6은 의사 배러스효과가 과대함으로, α값이 낮게 되고, 이상접합사까지는 발생하고 있지 않으나 과도로 접합한 「과접합사」의 비율이 높고, 사 편평도가 낮게 되었다. 또, 본 발명으로 이루어지는 시료 No.7∼10은, 조업성을 대개 충족시키면서 「적접합사」의 비율이 크게되고, α값이 크게 될 수록 접합의 정도가 낮고, 섬유편평도는 높게 된다. 한편 α값이 1.3을 넘는 시료 No. 11에서는 의사 배러스효과가 작고, 적접합사의 편평도는 높다고 하겠으나, 비접합사가 많게 됨과 동시에 응고욕조내에서의 실 절단이 증가하고, 방사 조업성이 뒤떨어져 상업적 생산에는 채용될 수 없다. 또, 본 실시예의 β값은 모두 1.7 이상인데, 이것이면 이반해야할 관계에 있는 단위원액 토출구멍끼리의 사조접합 즉 이상접합사는 인정되지 못하는 사실이 이해된다.

(실시예 3)

방사구로서 원형 토출구멍직경 75㎛, 캐필러리부 길이 75㎛, 접합토출구멍 피치 150㎛, 이반 토출구멍 피치 350㎛, 단위원액 토출구멍 11,000 단위의 발명의 노즐(F)을 사용하고, 실시예 2와는 대직경구멍의 노즐을 사용하고, 목표섬도를 7dTex로 한 이외는 실시예 2와 동일하게 하여 시료No. 12∼18의 섬유를 작성하였다. 이렇게 하여 얻은 섬유의 단면구성, 편평도 및 방사조업성은 표 3에 표시하는 바와 같은 특성이 있었다.

대직경구멍의 노즐에서도 실시예 2 와 동일하게 시료No.12, 및 13은 의사배러스효과가 과대함으로, 과도로 접합하고, 「과접합사」의 비율이 높고, 사 편평도가 낮게 되었다. 또, 본 발명으로 이루어지는 시료 No.14∼17은 「적접합사」의 비율이 크게 되고, α값이 크게 될수록 접합의 정도는 낮고, 섬유편평도는 높게 된다. 한편 α값이 1.3을 넘는 시료 No.18에서는 의사 배러스효과가 작고, 비접합사가 크게 됨과 동시에 응고욕조내에서의 사 절단이 증가하여, 상업적 생산에는 채용할 수 없다. 또 본 실시예의 β값은 모두 1.6 이상이고, 단위원액 토출구멍끼리의 사조접합은 인정될 수 없는 것이 이해된다. 동일하게 실시예 2와 겸해서 고려하면, 원형 토출구멍 직경이 1.5배로 변경되어도 사조의 접합에 관한 경향은 유지되는 것도 이해된다.

(실시예 4)

방사구로서, 원형 토출구멍 직경이 50㎛, 캐필러리부 길이50㎛, 접합토출구멍 피치 100㎛, 이반 토출구멍 피치 150㎛ 및 200㎛, 단위원액 토출구멍 10,000 단위의 것을 사용한 이외는 실시예 2와 동일하게 하여 시료 No. 19∼24의 섬유를 작성하였다. 이렇게 하여 얻어진 섬유의 단면구성 이외는 표 4에 표시하는 바와 같은 특성이었다.

표 4의 기재로부터, β값이 크게될 수록 단위원액 토출구멍 사이의 접합의 비율은 감소하고, 비교예의 β값이 1.5 미만인 시료 No. 19(α값은 0.9이지만), 22에서는 이상접합사가 발생하고 만다. 본 발명으로 이루지는 시료 No. 20, 21, 24에서는 이상접합사의 비율은 제로로 되는 것이 명백하고, 원액이 상호 이반하는 목적에 있는 2개의 원형 토출구멍의 구멍중심 사이의 거리는 β값을 1.5 이상으로 해야 하는 것이 이해된다. 또 β값은 1.5이지만, α값이 0.9미만의 시료 No.23은 이상접합사는 존재하지 않으나, 과접합사가 많기 때문에 단면구성의 면에서 뒤떨어지는 예이다.

(실시예 5)

실시예 2와 동일한 노즐을 사용하고, PR값 4에서 표 5와 같이 공중합체농도, 응고액농도 및 응고액온도를 변화시키는 것 이외는 실시예 2와 동일하게 하여 3dTex의 섬유(시료 No.25∼27)를 작성했다. 이 결과는 표 5에 표시하는 바와 같았었는데, 동일표에는 참고로, 실시예 2의 시료 No. 8의 결과도 병기하고 있다.

표 5의 기재로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 시료 No.8에 대하여, 공중합체농도를 낮춤으로써 배러스효과가 작게되는 시료 No. 25에서는 동일 PR값에서도 비접합사가 증가한다. 다음에 응고액농도를 올림으로써 의사배러스효과가 작게 되는 시료 No. 26에서도 비접합사가 증가하고, 편평도의 저하를 초래하고 있다. 또 응고액온도를 올린 시료 No. 27에서는 토출직후에 스킨층이 형성되기 때문에, 비접합사가 증가하는 것을 표시하고 있으므로, 비접합사 비율저하를 위해서는 응고속도의 적정화도 필요한 것을 알 수 있다. 이들의 방사조건은 단면구성비, 편평도를 컨트롤하는 수단으로서 임의로 채용할 수 있다.

종래의 비원형 단면섬유 제조용의 방사구는, 복잡한 토출구멍형상을 뚫고 있었기 때문에 천공가공 그자체가 어려운, 고가의 것으로 되는, 가공 및 방사시에 응력집중하는 부분의 존재를 피할 수 없고, 또 그 결과로서 노즐의 내압성이나 내구성이 부족하고, 노즐당의 섬유생산성이 낮은 것이었다. 본 발명의 노즐은, 가장 가공이 용이·염가하기 때문에, 뚫어 설치할 수 있는 단위원액 토출구멍수는 종래의 비원형 토출구멍보다도 많게 되고, 원형구멍 때문에 구멍에 걸리는 응력분포도 균일하게 되기 때문에, 위에 열거한 종래의 결점의 대부분이 개선된다.

Claims (4)

1. 습식 방사에 의한 비원형 단면섬유 제조용의 방사구로서, 1개의 섬유를 형성하기 위한 단위원액 토출구멍으로서 적어도 2개 이상의 원형 토출구멍이, 목적으로 하는 섬유단면의 형상에 대응한 일정한 배치에 뚫어 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방사구.
2. 제 1 항에 있어서, 원형 토출구멍의 후배부에는 1∼10 단위원액 토출구멍이 공용하는 1개의 원액도입구멍이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 방사구.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 단위원액 토출구멍을 이루는 개개의 원형 토출구멍의 배치가, 최근접하는 각각의 구멍중심을 연결하는 선의 패턴이고, 직선형상, V자형상, 3각형상, Y자형상, X자형상, C자형상, 4각형상중 어느 하나의 형상 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 방사구.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 단위원액 토출구멍내에서, 각각으로부터 토출되는 원액이 상호 접합하는 것을 목적으로 하는 2개의 원형 토출구멍의 구멍중심 사이의 거리(접합토출구멍 피치)는 α×(√PR)×(원형 토출구멍 직경)의 적(단, α는 0.9∼1.3의 범위에서 선택되는 값이고, PR란 방사조건중 본 방사구로 채용하는 원형 토출구멍으로부터 토출되는 원액의 선속도를 응고욕 인수속도로 나눈 값이다.)으로 얻어지는 값의 범위내로, 단위원액 토출구멍내 또는 사이에서 각각으로부터 토출되는 원액이 상호 이반하는 목적에 있는 2개의 원형 토출구멍의 구멍중심 사이의 거리(이반토출구멍 피치)는 β×(√PR)×(원형 토출구멍 직경)의 적(단, β≥1.5)으로 얻어지는 값의 범위내로 한 것을 특징으로 하는 방사구.