KR20020081956A - 고성능 무정형 토우와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고성능 무정형 토우에 관한 것으로 더욱 상세하게는 방사공정에서 방사구금의 수를 늘려 생산성을 향상시키며 방사속도를 저속으로 조절하여 급냉시켜 섬유의 결정화를 최대한 억제하여 무정형의 토우를 제조하고 연속된 연신공정에서 고연신 처리하여 제조되는 고성능 무정형 토우에 관한 것으로 물리적 강도와 균일성과 평활성을 극대화시키며 컷팅성(cutting ability), 집속성, 유연성이 획기적으로 개선된 고성능 무정형 토우와 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 무정형 토우는 평활성, 컷팅성, 균일성, 집속성, 유연성이 우수한 고성능 토우로서 고성능의 플러킹사, 복합재료, 스테이플 섬유, 시트, 종이, 충전물, 부직포, 필터, 보강제 등의 제조에 이용되는 원료물질로 사용할 수 있는 것이다.

Description

고성능 무정형 토우와 그 제조방법{High performance amorphse tow of melt spun filaments and process therefor}

본 발명은 고성능 무정형 토우에 관한 것으로 더욱 상세하게는 방사공정에서 방사구금의 수를 늘려 생산성을 향상시키며 방사속도를 저속으로 조절하며 급냉시켜 섬유의 결정화를 최대한 억제하여 무정형의 토우를 제조하고 연속된 연신공정에서 고연신처리하여 제조되는 고성능 무정형 토우에 관한 것으로 물리적 강도와 균일성과 평활성을 극대화시키며 컷팅성(cutting ability), 집속성, 유연성이 획기적으로 개선된 고성능 무정형 토우와 그 제조방법에 관한 것이다.

토우는 나일론, 아크릴, 아세테이트 또는 레이온 등과 같은 수천 가닥에서 수백만 가닥까지의 연속된 필라멘트를 가지런히 집속한 다발로서, 이들을 적절한 길이로 잘라 플러킹사 또는 스테이플 섬유, 복합재료, 시트, 종이, 충전물, 부직포, 필터, 보강제 등의 원료물질로 적용될 수 있는 것으로 산업적인 관점에서 그 용도가 매우 넓으며 각각의 용도에 적용되는 토우의 품질이 최종제품의 품질에 직접적인 영향을 미치므로 과거부터 고성능 토우 및 기능성 토우의 제조를 위한 연구와 토우의 생산성을 높이기 위한 연구가 도처에서 심도 있게 진행되고 있다.

미국특허 제5679300호에서는 용융방사된 고분자 필라멘트로 제조된 토우를 열처리하고 가공제를 스프레이법으로 부여한 후 압착하여 가공제의 픽업(pickup)율을 토우 전체무게에 대한 무게비로 0.7wt% 내지 7wt% 사이로 조절한 후 다단의 가열롤러로 토우를 열처리하여 수분율을 0.5% 내지 5%로 조절하여 후가공 할 때 균일성이 극대화된 토우의 제조가 가능하다고 소개하고 있다.

미국특허 제3898710호에서는 회전절단기를 이용하여 토우를 절단하여 생산성을 향상시키는 방법을 소개하고 있으며 미국특허 제3643416호에서는 토우의 섬유다발이 부풀어올라 단면적이 넓어지는 것을 방지하기 위해서 나선형으로 와인딩(winding)하여 집속성이 향상된 토우를 제조하는 방법을 제시하고 있다.

하지만 기존의 기술에서는 생산량의 향상만을 고려한 고속방사시스템에 주안점을 둔 후가공의 방법을 적용하거나 기존의 후가공공정을 개선하여 토우의 균일성을 증진시키려는 초보적인 기술 수준에 머무르고 있어 고성능토우의 제조에 한계가 있는 기술만을 제공하고 있으며 동일한 방사시스템에서 생산성을 유지시키며 냉각효율을 높여 무정형의 토우를 제조하고 이를 고연신비로 연신하여 고배향시킨 고성능 토우를 제공하는 기술은 아직 보고된 바 없다.

토우는 원료물질로 적용되기에 앞서 각각의 적용분야에 적합한 길이로 컷팅되어 사용되는 원료물질로 토우의 컷팅성을 개선하는 것이 가장 중요한 품질개선의 요소이다. 결정화도가 높은 결정성 토우는 고분자 결정영역의 강성이 높아 컷팅과정에서 토우와 나이프 사이에서 발생하는 기계적인 마모와 마찰열로 불량률이 높고 잦은 나이프 교체에 의한 생산성이 급격히 떨어진다. 따라서 고성능 토우를 제조하기 위해서는 제조과정에서 발생하는 고분자 결정의 생성을 최대로 억제시켜 주는 것이 필수적이다.

본 발명의 고성능 무정형 토우는 방사공정에서 방사속도를 고분자의 특성에 따라 20m/min 내지 500m/min 사이의 저속으로 방사하며 급속히 냉각시켜 방사된 섬유의 결정성장을 억제하며 응고시켜 무정형 토우를 제조하고 3배 이상의 고연신비로 연신하여 제조되는 고성능 토우로서 기존의 기술로는 제공할 수 없었던 평활성과 집속성, 컷팅성, 유연성이 획기적으로 개선되어 플러킹사, 복합재료, 스테이플 섬유, 시트, 종이, 충전물, 부직포, 필터, 보강제 등의 원료물질로 효과적으로 적용될 수 있는 것이다.

본 발명은 평활성과 집속성, 컷팅성, 유연성이 획기적으로 개선된 고성능 무정형 토우에 관한 것으로 저속방사와 동시에 급냉시켜 무정형의 토우를 제조하고 이를 3배 이상의 높은 연신비로 연신하여 고배향시킬 때 평활성과 집속성, 컷팅성, 유연성이 획기적으로 개선된 고성능 토우를 제조할 수 있음을 발견하여 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명은 토우를 제조할 수 있는 고분자물질 즉 나일론, 아크릴, 레이온, 아세테이트, 트리아세테이트 등을 이용한 토우의 제조과정에서 각각의 고분자물질의 결정형성을 억제하기에 충분한 냉각효율을 얻는데 적절한 방사속도와 냉각조건의 조절을 통한 토우의 결정성을 조절하고 이를 뛰어난 물리적인 물성을 나타내기에 충분한 연신비로 연신시켜 얻어지는 고배향 무정형 토우를 형성시키고 있으며 토우의 낮은 결정성과 높은 배향도에서 기인된 차별화된 높은 컷팅성과 평활성, 집속성, 유연성을 갖는 고성능 무정형토우를 제조하고 있다.

이와 같이 본 발명은 지금까지 제조된 적이 없는 분자단위의 새로운 형태와 내부구조에 의하여 만들어지고, 토우의 적용성을 획기적으로 증진시켜 고성능 무정형토우를 제공하는 진보된 기술을 제시하고 있다.

도면1은 본 발명의 고성능 무정형 토우를 광학현미경으로 분석한 사진으로 100만 데니어의 굵기를 가지는 나일론6 토우가 우수한 집속력으로 가지런하게 응집되어 있는 모습을 잘 보여주고 있다.

도면2는 본 발명의 고성능 무정형 토우를 제조하는 공정을 간략하게 도식한 것으로 블록(a), 방사기(b), 냉각쳄버(c), 고뎃롤러(d), 연신기(e), 텐션롤러(f)를 거쳐 제조된 토우(g)는 저장용 캔(h)에 임시 저장되며 여러 개의 저장용 캔(h)에 저장된 토우가 크릴(I)를 통하여 한 다발로 뭉쳐지고 딥핑(dipping)기(j)를 거쳐 패킹(k)되는 과정을 보인 것이다.

도면3은 나일론6를 이용하여 제조된 본 발명의 고성능 토우의 X-ray 회절도로 나일론6 분자의 배향결정화에 따른 γ상의 결정에 의해 유발된 결정화도가 53%인 미세구조를 가지는 것을 잘 보여주고 있다.

도면4는 결정구조의 비교를 위해 본 발명자에 의해 임의로 선정되어 제시되는 기존의 기술로 제조된 토우의 X-ray 회절도로 냉각결정화에 따른 α상의 결정만을 함유하는 것을 잘 보여주고 있다.

본 발명은 나일론6, 나일론66, 아크릴, 모다크릴 중 1가지 또는 2가지 이상 임의로 선택되어 진 것이 무게비로 90wt% 내지 99.9wt%사이로 조성되고 소광제, 안료, 유연제, 열안정제, 유화제 등 잔류물이 무게비로 0.1wt% 내지 10wt%로 조성된 것으로 고효율 냉각 후 고연신 처리를 통한 겉보기 배향도가 75% 내지 95% 사이이며 배향에 따른 결정화로 기인된 결정화도가 20% 내지 70% 사이의 값을 가져 컷팅성이 매우 우수하며 2,000,000개 내지 10,000,000개의 섬유가 균일하게 집속되어 가지런히 배열된 것으로 균일성의 시험법인 토우 30㎝ 당 곡사의 함량이 1% 내지 0.001% 사이의 값을 가지는 균일성이 매우 우수한 토우를 제공하는 것이다.

본 발명의 고성능 무정형토우는 방사기를 통하여 방사된 여러 다발의 필라멘트섬유를 냉각쳄버(chamber)를 이용하여 10℃ 내지 영하 10℃로 냉각시키며 냉각의 효율을 향상시키기 위해 1차 고뎃롤러(godet roller)에 걸리는 섬유의 이동 속도를 20m/min 내지 500m/min 사이로 저속으로 섬유를 방사하고 여러 개의 방사기에서 생산된 섬유를 가지런히 모아 3천개 내지 5만개의 섬유다발을 집속시켜 무정형 토우를 제조하고 연속적으로 연신기를 이용하여 3배 내지 8배 사이의 높은 연신비로 연신하여 제조된 고성능 무정형 토우는 저장용 캔으로 이송하여 저장하고, 50개 내지 300개 사이의 저장용 캔에 저장된 토우를 크릴(creel)을 통해서 가지런히 한 다발로 뭉친 후 열처리와 함께 가공제에 침지시키며 1배 내지 2배 사이의 연신비로 연신하여 최종적으로 굵기 2백만 데니어 또는 5백만 데니어 사이의 고성능 무정형토우가 얻어진다.

나일론6을 이용하여 제조되는 본 발명의 고성능 무정형토우는 방사에 뒤이어 급냉 후 여러 섬유다발이 집속되어 3배 내지 8배 사이의 높은 연신비로 연신시키는 것이 컷팅성의 향상을 위해서 필수적인데 이는 J. M. Samon과 그의 동료들(Polymer 41 (2000) 2167-2182)에 의해 밝혀진 나일론6는 γ상과 α상의 결정상이 존재하는데 1.3배 이상의 연신비에서는 배향결정화에 의한 α상의 결정의 성장이 독보적으로 일어나는 사실과 N. S. Murthy와 그의 동료들(Polymer 36 (1995) 3863-3873)에 의해 밝혀진 3 내지 3.5배 사이의 연신비에서 나일론6섬유의 분자배향이 급격히 일어나며 3배 이상의 연신비에서 α상의 결정성장이 두드러지게 일어난다는 사실이 본 발명의 결정학적 당위성을 뒷받침하고 있다.

도면3은 나일론6를 이용하여 제조된 본 발명의 고성능 무정형 토우를 X-ray를 이용하여 분석한 결과인데 기존의 기술로 제조된 나일론6 토우의 X-ray 분석결과를 보이는 도면4와 비교할 때 기존의 기술로 제조된 토우는 컷팅성을 떨어뜨리고 고성능을 발휘할 수 없는 γ상의 결정에 의해 유발된 결정화도가 53%인 미세구조를 가지는데 반하여 본 발명의 고성능 무정형 토우는 분자배향에 의해서만 유발된 컷팅성과 물리적 물성이 우수한 결정의 형태인 α상의 결정만을 함유하며 결정화도가 46%인 미세구조를 가지는 고성능 토우를 제공하고 있다.

이하 본 발명의 실시예는 본 발명의 일부분을 보다 구체적으로 설명하고 있으나 본 발명의 내용이 이에 국한된 것은 아니다.

실시예1

나일론6 토우의 제조

상대점도 2.4인 나일론6 칩을 압출기의 온도가 260℃, 방사기의 온도가 250℃인 조건에서 방사구금 350홀의 방사팩을 이용하여 분당 40m/min의 속도로 방사하며 냉각쳄버를 이용하여 5℃의 온도로 냉각하여 고화시켜 나일론6 무정형 토우를 제조한다.

연신과정을 통한 고배향 나일론6 토우의 제조

40개의 방사팩을 통하여 방사된 14,000 가닥의 무정형 토우를 연속적으로 연신기를 이용하여 연신비 6배로 연신하여 고배향시키고 240m/min의 속도로 저장용 켄에 이송하여 저장한다.

고성능 무정형 나일론6 토우의 제조

14,000가닥의 나일론6 토우가 저장된 켄 150개를 개봉하여 크릴(creel)을 통과하여 가지런히 집속시켜 집속성향상제 및 가공제에 침지시키면서 1.5배의 연신비로 연신과 동시에 열처리하여 컷팅성과 평활성, 집속성, 유연성이 획기적으로 개선된 3,000,000데니어의 고성능 무정형 나일론6 토우를 제조하였다.

본 발명의 고성능 무정형 토우는 평활성, 컷팅성, 균일성, 집속성, 유연성이 매우 우수한 고성능 토우로서 그 동안 단순히 섬유를 제조하고 이를 집속시켜 한 다발의 토우를 제조한 후 적절한 길이로 절단하여 플러킹사, 복합재료, 스테이플 섬유, 부직포 등의 제조에 이용하던 생산성과 품질이 떨어지는 초보적인 토우의 제조기술에서 탈피하여 고성능을 발휘할 수 있는 안정된 결정의 형태를 가지는 토우를 제공하며 동시에 컷팅성을 개선하여 생산성을 획기적으로 향상시켰으며 평활성, 균일성, 집속성이 개선된 토우를 제공하여 플러킹사, 복합재료, 스테이플 섬유, 시트, 종이, 충전물, 부직포, 필터, 보강제 등의 원료물질로 적용되어 고성능 제품의 제조를 가능하게 한다.

Claims (2)

1. 나일론6, 나일론66, 아크릴, 모다크릴 중 1가지 또는 2가지 이상 임의로 선택되어 진 것이 무게비로 90wt% 내지 99.9wt%사이로 조성되고 소광제, 안료, 유연제, 열안정제, 유화제 등 잔류물이 무게비로 0.1wt% 내지 10wt%로 조성되어 배향도가 75% 내지 95% 사이이며 결정화도가 20% 내지 70% 사이인 섬유 2,000,000개 내지 10,000,000개 사이의 갯수로 균일하게 집속되어 가지런히 배열되어 굵기가 2백만 데니어 내지 5백만 데니어 사이이며 길이 30㎝ 당 곡사의 함량이 1% 내지 0.001% 사이의 값을 가지는 고성능 무정형 토우
2. 방사기를 통하여 방사된 여러 다발의 필라멘트섬유를 냉각쳄버(chamber)를 이용하여 10℃ 내지 영하 10℃로 냉각시키며 이동 속도를 20m/min 내지 500m/min 사이로 저속으로 이동시켜 무정형섬유를 제조하고 여러 개의 방사기에서 생산된 섬유를 가지런히 모아 3천개 내지 5만개의 섬유다발을 집속시켜 무정형 토우를 제조하고 연속적으로 연신기를 이용하여 3배 내지 8배 사이의 연신비로 연신하여 토우의 물성을 개선시킨 후 저장용 캔에 이송하여 저장한 후 50개 내지 300개의 저장용 캔에 저장된 토우를 한 다발로 뭉친 후 집속성향상제와 가공제에 침지시키면서 1배 내지 2배 사이의 연신비로 연신하는 동시 60℃ 내지 100℃ 사이의 온도로 열처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고성능 무정형 토우의 제조방법