KR20030032165A - 용융파단 형성에 의한 셀룰로오스 크림프 섬유의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 N-메틸몰폴린-N-옥사이드(이하 "NMMO"라 한다)를 용매로 사용하여 연속적으로 셀룰로오스 섬유를 제조하는 방법에 있어서, 별도의 크림핑 공정 없이, 고생산성을 유지하면서, 발현성이 우수하고 유연한 크림프를 부여하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 셀룰로오스의 NMMO 용액 방사시에 방사 노즐을 통하여 압출되는 셀룰로오스 압출물의 흐름에 용융파단(melt fracture) 형성을 유도하여 압출되는 섬유에 크림프를 부여하는 방법으로서, 별도의 크림핑 공정 없이 셀룰로오스 섬유에 크림프를 효과적으로 부여하는 것이다. 용융파단 형성에 의하여 부여된 크림프를 공극 및 응고욕에서의 응고, 수세 및 습열건조로 구성되는 후가공 공정에서 고정시키는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 셀룰로오스 크림프 섬유의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 셀룰로오스의 NMMO 용액을 방사 용액으로 사용하여 셀룰로오스 섬유를 연속적으로 제조함에 있어서, 방사 용액을 방사 노즐을 통하여 압출할 때, 압출되는 셀룰로오스 압출물의 흐름에 용융파단 형성을 유도하여 섬유상에 크림프를 부여하고, 이어지는 공정에서 상기 크림프를 고정시키는 방법에 관한 것이다.
NMMO를 용매로 사용하는 공정에 의하여 셀룰로오스 섬유를 제조하는 종래의 방법은 셀룰로오스 용액을 방사 노즐을 통하여 압출시키고, 공극(air gap)에서 냉각·고화하고, 응고 욕조에서 응고시킨 다음, 수세욕조에서 수세하는 것이다. 이 방법은 수세 후에 건조 공정을 거친 다음, 일정한 길이를 갖는 섬유로 절단하거나, 또는 수세 공정 후 젖은 상태에서 절단한 다음, 건조 공정을 거쳐서 최종적으로 일정한 길이를 갖는 스테이플 섬유(staple fiber)를 얻는 공정으로 이루어져 있다. 이 때, 직물, 편물 또는 부직포 등의 용도에 적합하도록 방적성 및 마모특성을 부여한다. 또한 벌키(bulky)한 느낌 및 부드러운 느낌을 주기 위하여 섬유에 크림프를 부여하게 되는데, 건조 전 또는 후에 크림프를 부여하는 크림핑 공정을 거치는 것이 일반적이다.
미국특허 제 5,591,388 호 및 제 5,601,765 호, 국제공개공보 제 94/28220 호 및 제 94/27903 호에는 전형적인 크림핑 공정을 사용하는 방법 즉, 리오셀 섬유에 기계적인 방법으로 크림프를 부여하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 의하면, 용액 방사법으로 제조된 연속 셀룰로오스 필라멘트 다발(토우, tow)을 용매 제거를 위하여 수세하고, 유제 처리하고, 건조 공정에서 약 165℃로 건조시킨 다음, 건조된 토우를 적절한 조건하에서 닢 롤러(nip roller)를 사용하여 기계적인 방법으로 크림프를 부여하는 스터퍼 박스(stuffer box) 내로 공급하게 된다. 토우는 스터퍼 박스 내에서 접혀지고, 뜨거운 수증기로 처리되어 크림프 효과를 갖게 된다. 스터퍼 박스를 통과한 토우는 최종적으로 절단 공정에서 스테이플사의 길이로 절단된다. 이 방법은 스터퍼 박스를 통과시키는 크림핑 공정을 1차 건조 공정 이후에 별도로 두는 일반적인 방법으로서, 별도의 크림핑 공정으로 인하여 장치가 복잡하고, 에너지 소비 또한 크다는 단점을 갖는다. 기계적인 방법으로 크림프를 부여하는 상기의 방법은 또한 이후의 여러 단계의 가공 공정을 거치는 동안 토우에 크림프가 고정되지 못하고 사라지는 문제점을 나타낸다.
미국특허 제 6,117,378 호는 방사 노즐을 통하여 압출된 용액이 공극 및 응고 욕조를 통과하여, 물이 포함되어 있는 팽윤상태의 셀룰로오스 토우(celluose tow)로 변한 후, 이 토우를 스테이플사의 길이인 4㎝로 절단한다. 이 절단된 섬유를 물과 혼합하여 슬러리 상태로 만들어 주는 믹싱 과정을 거치고, 이를 1차 압착롤(squeezing roll)에서 약 0.1초당 106파스칼의 압력으로 압착시키고, 압착된 토우를 수세하고, 2차 압착롤을 통과시킨 다음, 최종적으로 건조시키는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 물을 포함하고 있는 건조 이전의 팽윤상태의 섬유를 압착하여 원형 단면이 아닌 이형 단면 리오셀 섬유를 제조함으로써, 카딩(carding) 시에 섬유 사이의 응집력을 높일 수 있고, 건조 후에도 크림프가 사라지지 않는 장점이 있는 것으로 보고되었다. 그러나, 이 방법은, 팽윤상태에서 압착하기 위하여, 스테이플사 길이로 절단한 섬유를 물과 혼합하여 슬러리 상태로 만드는 별도의 믹싱 공정 및 압착 롤러를 두 차례 통과시키는 공정 등의 추가 공정이 필요하다는 단점이 있다. 즉, 이 방법 역시 리오셀 섬유에 크림프를 부여하기 위하여 상기와 같은 추가 공정이 필요하며, 결과적으로 제조 장치가 복잡하여, 에너지 효율 면에서 불리하다.
이상과 같이, NMMO 용매계 셀룰로오스 섬유에 크림프를 부여하는 종래의 방법들은 섬유 제조 공정과는 별도의 크림핑 공정이 필요하므로, 제조 장치가 복잡하고, 에너지 소비 또한 커서 에너지 효율 면에서 불리하며, 별도의 공정에 의해 부여된 크림프가 크림핑 공정 이후의 후가공 공정에서 고정되지 못하고 사라지는 단점들을 갖는다.
본 발명의 목적은 NMMO를 용매로 사용하여 연속적으로 셀룰로오스 섬유를 제조함에 있어서, 고생산성을 유지하면서, 유연성 및 크림프 발현성이 우수한 셀룰로오스 크림프 스테이플 섬유(crimped cellulose staple fiber)를 종래의 크림핑 공정을 생략하면서 간단하게 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 셀룰로오스 크림프 섬유 제조 공정의 개략도이다.
도 2는 도 1의 공정에 의하여 제조된 셀룰로오스 크림프 섬유의 사진이다.
본 발명자들은 NMMO를 용매로 사용하여 연속적으로 셀룰로오스 섬유를 제조함에 있어서, 셀룰로오스 용액을 방사 노즐을 통하여 압출할 때, 방사 노즐에서 압출되는 셀룰로오스 압출물의 흐름에 용융파단 형성을 유도하여 압출되는 셀룰로오스 토우에 크림프 효과를 부여하여, 별도의 크림핑 공정 없이, 유연성 및 크림프 발현성이 우수한 셀룰로오스 스테이플 섬유를 제조함으로써 본 발명의 목적을 달성하였다.
고분자 용융체를 방사할 때, 방사 노즐에서 용융파단이 형성되는 것과 같은 방사 불안정성에 의해 야기되는 변형 압출물(distorted extrudates)은, 다이 벽면에서의 일정 임계 전단응력(critical-die-wall shear stress) 이상에서, 고분자 용융체의 넓은 범위에서 발생한다. 이러한 방사 시의 불안정성은 다이의 출구 영역 또는 다이 내부 벽면의 미끌림과 관련이 있으며, 변형 압출물은 다이 출구에서의 흐름의 불안정성(flow instability)에 그 원인이 있다. 크고 거친 변형을 갖는 압출물은 주로 높은 압출 속도에 의하여 형성되는데, 이는 용융유동(melt flow)이 깨지는데 기인하는 것이며, 그 메카니즘은 용융물질에 따라 용융의 파단(fracture ofmelts), 벽면 미끌림 현상(wall slippage phenomena), 점탄성과 관련된 유체 역학적 불안정성(hydrodynamic instabilities associated with viscoelasticity) 등으로 다양하다.
본 발명은, 방사 용액 압출시에, 적절한 크기의 영역 범위 내에서 방사 노즐에서의 전단률(shear rate)을 증가시키는 경우 즉, 방사 압출 속도를 증가시키는 경우, 이로부터 야기되는 용융파단의 탄성적 터뷸런스(elastic turbulance of melt fracture)로 알려져 있는 용융유동의 불안정성이 발생하고, 이로 인하여 변형된 압출물 즉, 접혀진 듯한 굴곡을 갖는 압출물이 형성되고, 이러한 압출물의 굴곡이 압출되는 셀룰로오스 토우에 크림프를 부여하는 효과를 이용하는 방법이다. 따라서, 섬유상에 크림프를 부여하기 위한 별도의 크림핑 공정이 필요없게 된다.
용융파단 형성을 이용하여 압출한 셀룰로오스 토우의 크림프를 고정하고, 고도의 유연성을 부여하기 위하여, 도 1에서 보여주는 것과 같이 공극(air gap)에서의 1차 응고, NMMO 수용액의 응고 욕조를 통과하는 2차 응고, 수세 및 습열건조 공정이 차례로 수행된다.
방사 노즐에서 압출되어 나온 뜨거운 토우는 1차 응고가 일어나는 공극에서 일정 견인비(draw ratio)에 의한 토우의 연신(drawing)이 일어나며, 불어주는 냉각 공기(quenching air)에 의하여 냉각되어 1차 응고가 이루어진다.
한편, 1차 응고 과정에서 냉각 공기를 사용하지 않고 그 대신 실온의 습한 탄산가스를 순환시켜 압출되어 나온 토우를 응고하는 것도 가능하다. 이는 약알칼리성을 띠는 NMMO 용매와 약산성을 띠는 습한 탄산가스 사이의 유사 중화반응을 이용한 것으로서, 이로 인하여 NMMO 용매에 대한 셀룰로오스의 용해도가 감소하게 되어 1차 응고가 이루어진다.
공극을 통과하면서 연신 및 1차 응고가 이루어진 셀룰로오스 크림프 토우는 2차 응고과정인 20% NMMO 수용액의 응고욕을 통과하면서 대부분 응고되고, 압출시에 형성된 크림프가 고정되어 셀룰로오스 크림프 섬유로서의 형태 안정성을 갖게된다. 따라서, 이어지는 수세 과정 및 뜨거운 수증기와 공기에 의한 습열건조 과정 등의 공정을 거치는 동안에도 크림프가 사라지지 않으며, 유연성 및 크림프 발현성이 우수하기 때문에 방적성이 좋은 셀룰로오스 스테이플 섬유가 된다.
다음으로는 본 발명에 따른 셀룰로오스 크림프 섬유의 제조방법을 실시하기 위한 구체적인 조건들을 설명하기로 한다.
본 발명에 따라 NMMO를 용매로 사용하여 연속적으로 셀룰로오스 크림프 섬유를 제조함에 있어서, 사용될 수 있는 셀룰로오스의 중량평균 중합도(DPw)는 600 - 1100, 용매로 사용되는 NMMO 수용액의 농도는 86 - 92 중량%, 상기 NMMO 수용액을 용매로 사용하여 제조한 방사용 셀룰로오스 용액 중의 셀룰로오스의 함량은 6 - 20 중량%이며, 방사온도는 90 - 135℃의 범위이다.
다이 또는 노즐로부터 셀룰로오스 용액을 압출시킬 때, 용융체가 방사될 때 용융파단이 형성되는 현상을 유도하기 위하여, 방사 노즐에서의 전단률을 13,000 - 30,000sec-1범위 내에서 증가시킨다. 종래 기술에서는 12,000sec-1이하에서 방사하는 것이 일반적이며, 전단률이 30,000sec-1이상인 경우 방사가 불가능하다. 방사노즐에서의 전단률은 Poiseuille의 식으로부터 다음의 식 (1)에 나타낸 것과 같이 표현된다.
γw= (8V0)/(60×dc)(1)
여기서, γw는 방사 노즐 벽면에서의 겉보기 전단률(apparent wall shear rate, sec-1), V0는 선속도(linear velocity, m/min), dc는 방사 노즐의 직경(capillary diameter, m)이며, 선속도는 노즐에서의 토출량(Q, g/min)을 토출물의 밀도(d, 106g/m3)로 나눈 값이다(John M. Dearly, Kurt F. Wissbrun,Melt Rheology and Its Role in Plastics Processing, Van Nostrand Reinhold, New York, 1989). 방사 노즐로는 대개 홀수가 36 - 60,000이고, 홀의 직경이 0.08 - 0.50 mm 범위인 것을 사용한다.
노즐로부터 압출되는 셀룰로오스 토우는 압출시 노즐에서의 높은 전단률 즉, 높은 압출 속도로 인하여 방사 노즐의 출구에서 터뷸런스를 갖게 되며, 압출되는 토우에 진동현상(oscillating)과 같은 접혀진 듯한 굴곡이 생기는 것이 관찰된다. 이는 용융파단에 의한 변형 압출물의 한 형태로서, 이것이 압출되는 토우에 크림프를 부여하는 효과를 갖게 한다. 이러한 현상은 압출시의 높은 전단률로 인하여 야기된 용융파단 형성에 기인하는 것으로서, 기존의 셀룰로오스 토우를 생산하는 정상유동(steady flow)의 방사조건과는 다른 것이다. 즉, 13,000 - 30,000sec-1의 전단률 범위 내에서 의도적으로 용융파단을 형성시켜 셀룰로오스 용액을 압출시킴으로써, 노즐로부터 방사되는 셀룰로오스 토우가 크림프를 갖도록 하는 것이다. 이때 토우에 형성되는 단위 길이당 크림프의 개수는 압출시의 전단률 및 그에 따른 방사 견인비에 의해 결정되며, 대개 7 - 13 points/2.54cm 정도이다.
높은 전단률 하에서 다이 또는 노즐을 통하여 압출된 셀룰로오스 크림프 토우는 이후의 응고, 수세 및 습열건조 등의 공정(도 1 참조)을 거쳐 셀룰로오스 섬유로 제조되는데, 이러한 공정을 거치는 동안에도 압출시에 형성된 크림프는 사라지지 않고 더욱 고정된다.
셀룰로오스 크림프 토우의 응고는 공극에서의 1차 응고 및 20% NMMO 수용액의 응고욕조에서의 2차 응고로 이루어진다. 공극에서의 1차 응고는 일반적으로 약 90℃ 이상의 방사 노즐에서 압출되는 뜨거운 셀룰로오스 토우에 일정한 각도를 유지하면서 공급되는 -5 내지 20℃ 온도 범위의 냉각공기에 의해 냉각되어 이루어진다. 일정 길이의 공극을 통과하는 셀룰로오스 토우는 이 영역에서 견인비에 따른 연신 및 냉각공기에 의한 1차 응고가 일어나게 된다. 공극의 길이는 방사 노즐로부터 응고욕조까지의 거리로서, 대개 1 - 30cm이다.
공극에서의 1차 응고 공정에서, 냉각공기에 의한 응고 대신, 실온의 습한 탄산가스를 순환공급시켜 응고시키는 경우에는 방사팩(spinning pack), 공극, 1차 응고욕조를 일체로 둘러싸고 있는 투명한 상자 및 부대 설비에 의한다. 순환 공급되는 습한 탄산가스 중의 수분 함량은 1kg의 건조 탄산가스당 8g 이하인 것이 바람직하다. 공급되는 습한 탄산가스의 압력은 15 - 100psi이며, 온도는 15 - 20℃의 범위이다.
일정 길이의 공극을 통과하면서 연신 및 1차 응고가 이루어진 셀룰로오스 크림프 토우는 실온의 20% NMMO 수용액의 응고욕을 통과하면서 NMMO 용매가 제거되고, 2차 응고가 이루어지게 된다. 이 과정을 거친 후의 토우는 셀룰로오스 크림프 섬유로서의 형태 안정성을 갖게 되고, 압출시 발현된 크림프가 고정된다.
크림프가 고정된 셀룰로오스 크림프 토우는 이동 스크린(traveling screen) 또는 롤러에 의하여 이후의 연속 공정인 수세 및 습열건조 공정으로 이동 및 공급된다. 이동 스크린에 의하여 수세공정으로 공급되는 경우에는 고르게 분사되는 수세액에 의하여 이동 스크린 위의 크림프 토우가 수세되고, 롤러에 의하여 수세공정으로 공급되는 경우에는 크림프 토우가 수세 욕조를 통과함으로써 수세 및 용매 제거과정을 거치게 된다. 수세공정을 거친 후의 셀룰로오스 크림프 토우 내의 수분 함량은 약 190% 정도이다. 이어서 오일링의 유제 처리과정을 거치고, 120℃의 수증기 및 150℃의 공기를 이용하여 습열건조 방식으로 건조시킨다. 이동 스크린으로 공급되는 경우에는 이동 스크린 위의 셀룰로오스 크림프 토우를 건조하고, 롤러에 의하여 공급되는 경우에는 드럼 건조기(drum dryer)에서 뜨거운 수증기와 공기로 습열건조한다. 건조 과정을 거친 후의 크림프 토우 내의 수분 함량은 약 11 - 25%이다. 압출시의 용융파단 형성에 의하여 발현된 토우의 크림프는 상기와 같은 일련의 과정을 거치는 동안 응고 및 열고정되어 후가공 공정에서도 사라지지 않으므로, 발현성이 우수한 셀룰로오스 크림프 섬유가 얻어진다.
건조 공정까지 마친 셀룰로오스 크림프 토우에 크림프를 추가로 부여하거나 또는 형성된 크림프의 고정 등을 위하여, 이후에 필요에 따라 선택적으로, 연속 공급되는 토우를 3 - 6 기압의 압축 공기 노즐이 부착된 원형 원추형 통(conic circle tube)을 통과시킨다. 상기 원형 원추형 통의 내부에는 통의 벽면에서 직경이 작은 출구 쪽을 향하여 압축공기가 공급되도록 압축공기 노즐이 설치되어 있어서, 원형 원추형 통 내부로 공급된 크림프 토우가 접혀진 채로 점점 좁아지는 출구를 압축공기의 압력에 의하여 빠져 나오도록 설계되어 있다. 원형 원추형 통의 출구 직경 및 통과하는 토우의 양에 따라 토우가 받는 압력이 조절되어, 토우에 크림프가 추가로 부여될 수 있다. 또한 이 과정에서, 습열건조 공정을 거쳐 공급된 뜨거운 토우가 차거운 압축공기로 인하여 급냉 및 건조되어 유연성이 우수한 크림프 토우로 고정된다. 상기 원형 원추형 통은 부가 크림핑 장치이며, 이와 같은 부가적인 공정을 전체 제조 공정에서 필요한 경우에 선택적으로 적용할 수 있으나, 생략 가능한 공정이다. 부가 크림핑 공정을 생략하는 경우, 건조 후의 셀룰로오스 크림프 토우 내의 수분 함량은 약 11%로 조절된다.
상기와 같은 과정을 모두 거친 다음, 용도에 따라 절단 공정을 거쳐 최종적으로 일정한 길이의 스테이플 섬유를 얻는다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명에 의한 셀룰로오스 크림프 섬유의 제조방법을 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.
실시예 1
DPw 850인 셀룰로오스 및 88 중량% 농도의 NMMO 수용액을 사용하여 셀룰로오스의 함량이 13 중량%인 셀룰로오스 NMMO 용액을 제조하여 방사 용액으로 사용하고, 홀수가 0.21 홀/㎟이고 홀의 직경이 0.10㎜인 방사 노즐을 사용하여 셀룰로오스 크림프 섬유를 제조하였다. 제조시에 용융파단으로 인한 셀룰로오스 토우의 크림프 형성을 위하여, 방사 노즐 압출시의 전단률을 약 15,000sec-1에서 22,000sec-1까지 변화시키면서, 약 104m/min의 속도로 권취(winding)하였다. 섬유제조는 도 1의 공정도를 따랐으며, 방사 온도는 110℃이었고, 공극에서의 1차 응고를 위하여 7℃의 냉각공기를 사용하였다. 압출시의 전단률, 선속도, 방사 견인비, 권취된 섬유의 직경 및 크림프 형성 유무 등은 표 1에 나타낸 것과 같다.
| 시료 | 전단률 (sec-1) | 방사용액의선속도 (m/min) | 방사 견인비 | 섬유직경(㎛) | 크림프 형성유무 |
| B1 | 15,160 | 11.37 | 9.20 | 10.66 | 형성 |
| B2 | 16.244 | 12.18 | 8.58 | 11.03 | 형성 |
| B3 | 17,327 | 12.99 | 8.05 | 11.40 | 형성 |
| B4 | 18,409 | 13.81 | 7.57 | 11.75 | 형성 |
| B5 | 19,492 | 14.62 | 7.15 | 12.09 | 형성 |
| B6 | 20,575 | 15.43 | 6.78 | 12.42 | 형성 |
| B7 | 21,658 | 16.24 | 6.44 | 12.74 | 형성 |
표 1에서 보여주는 바와 같이, 전단률이 약 15,000 - 22,000sec-1인 범위에서 압출시 방사 노즐에서 용융파단이 형성되었으며, 이에 따라 토우에 크림프가 형성되었다.
실시예 2
공극에서 냉각공기를 사용하지 않고 그 대신에 실온의 습한 탄산가스를 사용한 것 이외에는 실시예 1에서와 동일한 조건으로 셀룰로오스 크림프 섬유를 제조하였으며, 그 결과는 표 2에 나타낸 것과 같다. 실시예 1에서와 동일하게, 방사 노즐에서의 전단률이 약 15,000 - 22,000sec-1인 범위에서 용융파단이 형성되었으며, 이에 따라 토우에 크림프가 형성되었다.
| 시료 | 전단률(sec-1) | 방사용액의선속도(m/min) | 방사 견인비 | 섬유직경(㎛) | 크림프 형성유무 |
| C1 | 15,052 | 11.29 | 9.26 | 10.62 | 형성 |
| C2 | 16.135 | 12.10 | 8.64 | 11.00 | 형성 |
| C3 | 17,218 | 12.91 | 8.10 | 11.36 | 형성 |
| C4 | 18,301 | 13.73 | 7.62 | 11.71 | 형성 |
| C5 | 19,384 | 14.54 | 7.19 | 12.05 | 형성 |
| C6 | 20,466 | 15.35 | 6.81 | 12.39 | 형성 |
| C7 | 21,549 | 16.16 | 6.47 | 12.71 | 형성 |
실시예 3
DPw 1,000인 셀룰로오스 및 87 중량% 농도의 NMMO 수용액을 사용하여 셀룰로오스의 함량이 12 중량%인 셀룰로오스 NMMO 용액을 제조하여 방사 용액으로 사용하고, 홀수가 0.21 홀/㎟, 직경이 0.15mm이고, 홀의 L/D가 2.0인 방사 노즐을 사용하여 셀룰로오스 크림프 섬유를 제조하였다. 제조시에 용융파단 형성으로 인한 셀룰로오스 토우의 크림프 형성을 위하여, 방사 노즐 압출시의 전단력을 15,000sec-1에서 20,000sec-1까지 변화시켰다. 섬유제조의 순서는 도 1의 공정도를 따랐으며, 방사 온도는 110℃이었다. 압출시의 전단률 및 방사 견인비에 따른 압출 토우의 단위 길이당 크림프의 개수는 표 3에 나타낸 것과 같다.
| 방사 견인비전단률(sec-1) | 13.0 | 16.0 | 19.0 | 22.0 |
| 20,000 | 11 | 10 | 9 | 8 |
| 17,500 | 10 | 9 | 8 | 7 |
| 15,000 | 9 | 8 | 7 | 7 |
표 3에서 보여주는 것과 같이, 압출시 일정 범위 내에서 전단률이 높을수록 단위 길이당 형성되는 크림프의 개수가 많아지며, 방사 견인비가 높아질수록 압출속도에 대한 신장비가 커지므로 권취 후의 단위 길이당 크림프 개수가 줄어드는 것으로 나타났다.
실시예 4
DPw 1,000인 셀룰로오스 및 87 중량% 농도의 NMMO 수용액을 사용하여 셀룰로오스의 함량이 12 중량%인 셀룰로오스 NMMO 용액을 제조하여 방사 용액으로 사용하고, 홀수가 0.21홀/㎟, 홀의 직경이 0.15㎜ 및 홀의 L/D가 2.0인 방사 노즐을 사용하여 셀룰로오스 크림프 섬유를 제조하였다. 제조시에 방사 노즐의 전단률은 20,428sec-1(선속도 22.98m/min), 방사 온도는 110℃이었고, 섬유제조 순서는 도 1의 공정도를 따랐다. 제조된 셀룰로오스 토우 섬유의 단위 길이당 크림프의 개수 및 기본 물성은 표 4에 나타낸 것과 같다.
| 시료 | 방사 견인비 | 크림프 수(points/2.54cm) | 섬유 직경(㎛) | 강도(g/d) | 신도(%) |
| D1 | 10.31 | 11 | 15.1 | 3.2 | 12.1 |
| D2 | 13.35 | 10 | 13.3 | 3.6 | 11.3 |
| D3 | 16.38 | 9 | 11.9 | 3.75 | 9.9 |
| D4 | 19.41 | 8 | 11.0 | 3.9 | 8.4 |
표 4에서 보여주는 것과 같이, 방사 견인비가 커질수록 늘어나는 신장비로 인하여 권취 후 토우의 단위 길이당 형성된 크림프 개수는 줄어들고, 압출되는 토우의 섬도(fineness) 및 신도는 작아지는 것으로 나타났다. 방사 견인비가 커질수록 강도는 증가하는 경향으로 나타났다.
실시예 5
방사 노즐에서 압출시의 전단율이 17,347sec-1(선속도 19.52m/min)인 것을 제외하고는 실시예 4에서와 동일한 조건으로 셀룰로오스 크림프 섬유를 제조하였으며, 그 결과는 표 5에 나타낸 것과 같다.
| 시료 | 방사 견인비 | 크림프 수(points/2.54cm) | 섬유 직경(㎛) | 강도(g/d) | 신도(%) |
| E1 | 8.75 | 11 | 16.4 | 3.11 | 13.1 |
| E2 | 12.32 | 10 | 13.8 | 3.24 | 12.3 |
| E3 | 15.89 | 9 | 12.2 | 3.58 | 11.7 |
| E4 | 19.47 | 8 | 10.9 | 3.78 | 9.4 |
표 5에서 보여주는 것과 같이, 방사 견인비가 커질수록 늘어나는 신장비로 인하여 권취 후 토우의 단위 길이당 형성된 크림프의 개수는 줄어들고, 압출되는 토우의 섬도 및 신도는 작아지는 것으로 나타났다. 방사 견인비가 커질수록 강도는 증가하는 경향으로 나타났다.
실시예 6
방사 노즐에서 압출시의 전단률이 14,385sec-1(선속도 16.18m/min)인 것을 제외하고는 실시예 4에서와 동일한 조건으로 셀룰로오스 크림프 섬유를 제조하였으며, 그 결과는 표 6에 나타낸 것과 같다.
| 시료 | 방사 견인비 | 크림프 수(points/2.54cm) | 섬유 직경(㎛) | 강도(g/d) | 신도(%) |
| F1 | 6.63 | 11 | 18.8 | 2.89 | 14.2 |
| F2 | 10.94 | 10 | 14.7 | 3.18 | 13.0 |
| F3 | 15.25 | 9 | 12.4 | 3.33 | 12.1 |
| F4 | 19.56 | 8 | 10.9 | 3.66 | 10.8 |
표 6에서 보여주는 것과 같이, 방사 견인비가 커질수록 늘어나는 신장비로 인하여 권취 후 토우의 단위 길이당 형성된 크림프의 개수는 줄어들고, 압출되는 토우의 섬도 및 신도는 작아지는 것으로 나타났다. 방사 견인비가 커질수록 강도는 증가하는 경향으로 나타났다.
비교예
일반적인 정상 방사 상태의 조건에서 압출하는 경우에도 방사 노즐에서 용융파단이 형성되는가를 15,000sec-1이하의 범위에서 전단률을 변화시키면서 관찰하였으며, 그 결과는 표 7에 나타낸 것과 같다. DPw가 850인 셀룰로오스와 88 중량% 농도의 NMMO 수용액을 사용하여 셀룰로오스의 함량이 13 중량%인 셀룰로오스 용액을 제조하여 방사용액으로 사용하고, 홀수가 0.21 홀/㎟이고, 홀의 직경이 0.10㎜인 방사 노즐을 사용하였으며, 방사 온도는 110℃이었다.
| 시료 | 전단률(sec-1) | 방사용액의 선속도(m/min) | 용융파단 형성유무 |
| A1 | 7,700 | 5.81 | 형성 안함 |
| A2 | 9,300 | 6.97 | 형성 안함 |
| A3 | 10,000 | 7.55 | 형성 안함 |
| A4 | 10,800 | 8.13 | 형성 안함 |
| A5 | 11,600 | 8.71 | 형성 안함 |
표 7에서 보여주는 것과 같이, 압출시의 전단률이 7,700 - 11,600sec-1인 범위에서는 용융파단이 형성되지 않았다.
방사시의 용융파단 형성을 이용하는 본 발명의 셀룰로오스 크림프 섬유 제조방법은 별도의 크림핑 공정을 요하지 않으므로 종래의 크림프 부여 방법에 비하여 공정이 간단하며, 압출시 방사 노즐에서의 높은 전단률 즉, 높은 압출 속도를 이용하므로 동일시간 내의 생산량을 크게 늘릴 수 있어 생산성 및 에너지 효율 면에서 유리하다. 용융파단 형성을 이용하여 크림프가 부여된 셀룰로오스 섬유는 도 1의 가공 공정을 거치면서 크림프가 고정되고 유연성이 증가하므로, 본 발명에 따라 제조된 셀룰로오스 크림프 섬유는 크림프 발현성(도 2 참조) 및 유연성이 우수하다.
Claims (9)
- N-메틸몰폴린-N-옥사이드 수용액을 용매로 사용한 셀룰로오스 방사 용액을 방사 노즐을 통하여 압출할 때, 압출되는 셀룰로오스 압출물의 흐름에 용융파단 형성을 유도하여 섬유상에 크림프를 부여한 다음, 상기 섬유상에 형성된 크림프를 고정하여 셀룰로오스 크림프 섬유를 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 방사 노즐에서의 용융파단 형성을 유도하기 위하여 상기 방사 노즐에서의 전단률을 13,000 - 30,000sec-1인 범위로 조절하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 셀룰로오스 방사 용액에 함유되는 셀룰로오스의 중량평균 중합도의 범위가 600 - 1,100인 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 셀룰로오스 방사 용액에서 용매로 사용되는 N-메틸몰폴린-N-옥사이드 수용액의 농도가 86 - 92 중량%인 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 셀룰로오스 방사 용액 중의 셀룰로오스 함량이 6 - 20 중량%인 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 셀룰로오스 압출물에 용융파단을 형성하는 방사온도의 범위가 90 - 130℃인 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 용융파단에 의하여 크림프 섬유를 성형 및 고정하는 공정에서 건조 탄산가스 1kg당 8g 이하의 수분을 함유하는 실온의 습한 탄산가스를 사용하여 1차 응고 공정을 수행하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 섬유상에 형성된 크림프를 고정하는 공정에서 응고 및 수세된 섬유를 120℃의 수증기 및 150℃의 뜨거운 공기로 습열건조하는 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 셀룰로오스 크림프 섬유.
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