KR20080096796A - 초-고분자량 폴리올레핀 필라멘트 및/또는 단섬유의 엔드리스 성형품 및 그의 제조 방법 - Google Patents

초-고분자량 폴리올레핀 필라멘트 및/또는 단섬유의 엔드리스 성형품 및 그의 제조 방법 Download PDF

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로엘로프 마리센
로지에르 우스테롬
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디에스엠 아이피 어셋츠 비.브이.
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Abstract

적어도 부분적으로 융합된 초-고분자량 폴리올레핀 필라멘트 및/또는 단섬유를 포함하는, 엔드리스 성형품이 청구된다. 또한, 초-고분자량 폴리올레핀의 섬유(1)를 한 쌍의 휠(2, 3) 둘레에 권취하여 루프를 형성하고, 상기 섬유를, 상기 섬유가 적어도 부분적으로 융합하는, 용융점 미만의 온도로 가열하고, 상기 루프를, 회전하는 상기 휠 간 거리를 증가시켜 연신함에 의해, 상기 엔드리스 성형품을 제조하는 방법이 청구된다.

Description

초-고분자량 폴리올레핀 필라멘트 및/또는 단섬유의 엔드리스 성형품 및 그의 제조 방법{ENDLESS SHAPED ARTICLE OF ULTRA-HIGH MOLECULAR WEIGHT POLYLEFIN FILAMENTS AND/OR STAPLE FIBRES AND A PROCESS FOR MAKING THE SAME}
본 발명은 엔드리스 성형품에 관한 것이다.
엔드리스 성형품은 일반적으로 공지되어 있고, 예를 들어 링(ring), 루프(loop) 및 라운드슬링(roundsling)을 포함한다.
링은 예를 들어 금속, 예컨대 알루미늄 및 스틸로부터 제조되거나 플라스틱, 예컨대 나일론으로부터 몰딩될 수도 있다. 루프 및 라운드슬링은 종종 섬유로부터 제조된다.
많은 경우, 엔드리스 성형품은 연결 요소로 사용된다. 예를 들어 두 개 이상의 로프 단부를 링에 부착함으로써 링을 상기 로프 단부의 연결 요소로 사용할 수 있다. 루프 또는 라운드슬링의 경우, 예를 들어 두 물체에 루프 또는 라운드슬링을 부착, 예컨대 물체 둘레를 루프로 묶거나 매듭을 지어 두 물체 사이를 연결할 수 있다.
엔드리스 성형품은 많은 경우 힘을 전달하는 데 사용하거나 힘에 저항할 수 있어야 한다. 이 성형품은 여러 조건하에서, 종종 장시간 동안, 어떻게든 끊어지거나 손상되지 않고 매우 잘 작동될 수 있어야 한다는 것이 매우 중요하다.
본 발명의 목적은 힘을 매우 잘 전달할 수 있는 엔드리스 성형품을 제공하는 것이다.
놀랍게도, 엔드리스 성형품이 적어도 부분적으로 융합된 초-고분자량 폴리올레핀 필라멘트 및/또는 단섬유(staple fibre)를 포함하는 경우에, 매우 적합한 엔드리스 성형품이 얻어진다.
초-고분자량 폴리올레핀의 융합은 장시간 동안 상기와 같이 공지되어 있고, 예를 들어 US-6,277,773, WO 2004/053212, US-6,148,597 및 US-4,876,774에 개시되어 있다. 그러나 이들 문헌들은 엔드리스 성형품에 관한 것이 아니라 낚시줄, 로드, 바 및 패브릭과 같은 물품에 관한 것이다. 상기 문헌들은 본 발명의 엔드리스 성형품에 대해서는 전혀 암시하고 있지 않다.
본 발명에 따른 엔드리스 성형품은 그 다기능성으로 인해 많은 용도에 적합하다. 예를 들어 저융합도 또는 고융합도 필라멘트 및/또는 단섬유 등으로 의도된 용도의 물품을 제작함에 있어서 여러 가지 직경 및 두께로 제조할 수 있다.
부분적으로 융합된 필라멘트 및/또는 단섬유의 경우, 필라멘트 및 단섬유 구조물이 여전히 본 발명에 따른 엔드리스 성형품에 부분적으로 존재하는데, 이는 상기 필라멘트 및 단섬유가 그들 표면의 일부에서만 함께 융합되기 때문이다. 저융합도의 경우, 엔드리스 성형품을 단순히 구부리거나 엔드리스 성형품 내에 부분적으로 융합된 필라멘트 및/또는 단섬유에 절단력을 가하여 절단함으로써 필라멘트 및 단섬유를 분리하는 것도 여전히 가능하다. 융합도가 증가하는 경우, 다른 필라멘트 또는 단섬유와 융합되는 필라멘트 또는 단섬유의 표면 비율은 증가하고, 마침내 필라멘트 및/또는 단섬유는 그들 표면 모두에 걸쳐 융합되어, 본 발명에 따른 엔드리스 성형품 내 필라멘트 및/또는 단섬유 구조물은 거의 또는 완전히 사라지게 된다. 융합도가 증가함에 따라, 본 발명에 따른 엔드리스 성형품의 밀도는 증가한다. 바람직하게는, 엔드리스 성형품의 밀도는 최대 도달 가능한 밀도의 70% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상, 더욱더 바람직하게는 90% 이상, 더욱더 바람직하게는 95% 이상, 더욱더 바람직하게는 98% 이상, 더욱더 바람직하게는 99% 이상, 더욱더 바람직하게는 99.5% 이상, 가장 바람직하게는 99.9% 이상이다. 상기 최대 도달 가능한 밀도는 엔드리스 성형품을 제조하는 데 사용된 재료의 밀도로서, 상기 물품이 필라멘트 및/또는 단섬유로 이루어지는 경우, 필라멘트 및/또는 단섬유의 중합성 재료의 밀도를 의미하거나, 또는 상기 물품이 필라멘트 및/또는 단섬유 및 하나 이상의 다른 재료들을 또한 포함하는 경우, 분율로부터 계산된 밀도 및 상이한 재료들의 밀도들을 의미한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 성형품은 90중량% 이상의 초-고분자량 폴리올레핀 필라멘트 및/또는 단섬유를 포함하며, 더욱 바람직하게는 95중량% 이상, 더욱더 바람직하게는 98중량% 이상, 더욱더 바람직하게는 99중량% 이상, 더욱더 바람직하게는 99.9중량% 이상이다. 가장 바람직하게는, 엔드리스 성형품은 적어도 부분적으로 융합된 필라멘트 및/또는 단섬유로 이루어진다.
엔드리스 성형품의 둘레는 예를 들어 10 mm 내지 10000 mm이다. 바람직하게는, 상기 둘레는 20 mm 이상, 더욱 바람직하게는 30 mm 이상이다. 바람직하게는, 둘레는 5000 mm 이하, 더욱 바람직하게는 1000 mm 이하이다. 엔드리스 성형품의 두께는 적어도 부분적으로 융합된 필라멘트 및/또는 단섬유의 몸체에서 측정하였을 때 예를 들어 0.1 mm 내지 30 mm이다. 바람직하게는, 상기 두께는 0.2 mm 이상, 더욱 바람직하게는 0.5 mm 이상, 더욱더 바람직하게는 0.5 mm 이상이다. 바람직하게는, 상기 두께는 20 mm 이하, 더욱 바람직하게는 10 mm 이하이다.
하나의 바람직한 실시양태에서, 두께는 3 mm 미만, 더욱 바람직하게는 2 mm 미만, 더욱더 바람직하게는 1.5 mm 미만으로 하여, 엔드리스 성형품이 다소 가요성이고 이식편 접합 장치(graft attachment device)에 사용될 수 있도록 한다.
다른 하나의 바람직한 실시양태에서, 두께는 10 mm 이상, 더욱 바람직하게는 15 mm 이상, 더욱더 바람직하게는 20 mm 이상으로 하여, 물품이 예를 들어 라운드슬링 또는 라운드슬링의 심재(core)로서 고하중을 들어올리는 데 매우 적합하도록 하며, 이때 상기 라운드슬링은 심재 및 상기 심재를 보호하는 외피(cover)를 포함한다.
본 발명에 따른 엔드리스 성형품의 제조에서는, 초-고분자량 폴리올레핀 필라멘트 및/또는 단섬유를 출발 물질로서 사용한다. 이러한 필라멘트 및/또는 단섬유는 당업자에게 공지되어 있다. 필라멘트는 길이 치수가 폭 및 두께의 횡 치수보다 크다. 필라멘트는 바람직하게는 1.2 GPa 이상의 인장 강도 및 40 GPa 이상의 인장 모듈러스를 갖는다. 단섬유는 필라멘트로부터 당업자에게 공지된 방법에 의해 제조될 수 있다.
폴리에틸렌 및 폴리프로필렌의 단일중합체 및 공중합체가 초-고분자량 필라멘트 및/또는 단섬유 제조용 폴리올레핀으로 특히 적합하다. 또한, 사용되는 폴리올레핀은 하나 이상의 다른 중합체들, 특히 다른 알켄-1-중합체들을 소량 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 엔드리스 성형품의 제조에 사용되는 초-고분자량 폴리올레핀 필라멘트 및/또는 단섬유로는 400,000 g/mol 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 고분자량 선형 폴리에틸렌이 바람직하다.
본원에서 선형 폴리에틸렌은 탄소수 100개당 1개 미만의 측쇄, 바람직하게는 탄소수 300개당 1개 미만의 측쇄를 갖는 폴리에틸렌을 의미한다.
바람직하게는, 예를 들어 GB-A-2042414, GB-A-2051667, EP 0205960 A 및 WO 01/73173 A1에 개시된 바와 같은 겔 방사(gell spinning) 공정으로 제조된 폴리에틸렌 필라멘트를 사용한다. 이 공정은 고유 점도가 높은 폴리올레핀 용액을 제조하는 단계, 상기 용액을 용해 온도 초과의 온도에서 필라멘트로 방사하는 단계, 상기 필라멘트를 겔화 온도 미만으로 냉각하여 겔화하는 단계 및 상기 필라멘트를 용매 제거 전, 도중 또는 후에 인발하는 단계를 포함한다.
본원에서 필라멘트의 단면 형태는 방사구(spinning aperture) 모양의 선택에 의해 채택될 수 있다.
바람직하게는, 다중필라멘트 얀(yarn)을 사용한다. 더욱 바람직하게는, 135℃에서 데칼린 중에서 결정하였을 때 5 dl/g 이상의 고유 점도를 갖고, 50 데니어 이상의 얀 역가(titre)를 갖는 초-고분자량 선형 폴리에틸렌의 다중필라멘트 얀을 사용하며, 상기 얀은 25 이상, 더욱 바람직하게는 30 이상, 더욱더 바람직하게는 32 이상, 더욱더 바람직하게는 34 cN/dtex 이상의 인장 강도 및 1000 cN/dtex 이상의 인장 모듈러스를 갖는다.
고유 점도는 PTC-179(허큘리스 인크(Hercules Inc.), 1982년 4월 29일 개정판)에 따라 135℃에서 결정되고, 이때 용해 시간은 16시간이고, 항산화제는 2 g/l 용액 양의 DPBC이며, 점도를 상이하게 측정하여 영(zero)의 농도로 외삽한다.
바람직하게는, 본 발명의 엔드리스 성형품용 출발 물질로 필라멘트를 단독으로 사용한다.
또한, 본 발명은 초-고분자량 폴리올레핀의 필라멘트 및/또는 단섬유를 함유하는 필라멘트 또는 하나 이상의 얀을 한 쌍의 휠(wheel) 둘레에 권취하여 루프를 형성하고, 상기 섬유를, 상기 필라멘트 및/또는 단섬유가 적어도 부분적으로 융합하는, 용융점 미만의 온도로 가열하고, 상기 루프를 회전하는 상기 휠 간 거리를 증가시켜 연신함으로써 본 발명에 따른 엔드리스 성형품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
바람직하게는, 상기 휠 각각은 필라멘트 또는 하나 이상의 얀을 수용하는 홈(groove)을 포함한다. 이 같이, 필라멘트 또는 하나 이상의 얀은 휠 상으로 안내된다. 휠의 양 축이 같은 방향이고, 휠과 루프가 같은 평면 내에 있는 경우에 우수한 결과가 얻어진다.
초-고분자량 폴리에틸렌 필라멘트 및/또는 단섬유의 경우, 필라멘트 및/또는 섬유의 온도는 145 내지 160℃일 수 있다. 필라멘트 및/또는 단섬유의 용융 위험이나 그 물성의 손실 위험 없이 고융합도의 필라멘트 및/또는 단섬유를 수득하기 위해, 온도는 148 내지 157℃, 더욱 바람직하게는 150 내지 154℃에서 선택되는 것이 바람직하다.
휠 간 거리가 증가됨에 따라, 필라멘트 또는 하나 이상의 얀이 인발된다. 바람직하게는, 필라멘트 또는 하나 이상의 얀의 인발비(drawing ratio)는 1.2 이상, 더욱 바람직하게는 1.4 이상, 가장 바람직하게는 1.6 이상이다. 인발비는 인발 전 휠 둘레에 권취된 루프의 둘레와 인발 후 성형품의 둘레 간 비율이다.
하나의 실시양태에서, 부분적으로 인발된 초-고분자량 폴리올레핀 필라멘트가 사용된다. 이 경우, 엔드리스 성형품의 제조 공정에 높은 인발비, 예를 들어 3.0 이상, 바람직하게는 4.0 이상을 적용하여 고 강도, 고 모듈러스이면서도 고 융합도의 필라멘트를 수득할 수 있다.
바람직하게는, 휠 간 거리는 상기 휠 중 하나 이상에 힘을 인가함으로써 증가된다. 휠에 대한 필라멘트 또는 하나 이상의 얀의 운송 속도는 10 mm의 둘레를 갖는 엔드리스 성형품의 경우의 5 mm/sec 내지 10000 mm 이상의 둘레를 갖는 엔드리스 성형품의 경우의 1000 mm/sec일 수 있다.
필라멘트 또는 하나 이상의 얀의 인발은 1 내지 10분, 바람직하게는 2 내지 4분 기간 동안에 일어날 수 있다.
필라멘트 및/또는 단섬유의 융합도는 예를 들어 온도를 증가시키거나 인발 기간 및/또는 인발비를 증가시킴으로써 증가될 수 있다.
본 발명에 따른 엔드리스 성형품의 추가의 바람직한 제조 공정은,
- 초-고분자량 폴리올레핀의 필라멘트 또는 하나 이상의 얀을 핀(pin) 둘레에 권취하고;
- 상기 핀을, 상기 핀을 수용하기 위한 홈 및 상기 핀 둘레에 바로 엔드리스 성형품을 제조하기 위한 공동(cavity)을 갖는 형틀(mold halve)을 포함하는 몰드에 위치시키고;
- 상기 필라멘트 또는 하나 이상의 얀을 가열하고;
- 상기 몰드를 밀폐시켜 상기 몰드의 상기 공동에 상기 성형품을 형성함을 포함한다.
본 발명에 따른 엔드리스 성형품의 용도는 예를 들어 낚시망의 일부로서의 링, 고하중을 들어올리기 위한 라운드슬링, 또는 의료 장치 예컨대 뼈 골절 고정, 흉골 봉합, 이식편 접합 등을 위한 정형외과적 장치를 포함한다.
바람직한 실시양태에서, 엔드리스 성형품은 이식편 접합 장치이거나 그의 일부이다. 이식편 접합 장치는 US 6,533,802 B2에 개시되어 있다. 상기 이식편 접합 장치는 예를 들어 무릎 관절에서의 전방십자인대 수술에 사용된다. 종종 사용되는 시술은 종종 구멍 뚫린 골 터널 내에서 이식편의 일 단부를 무릎 관절에 인접한 대퇴부에 고정하고, 역시 종종 구멍 뚫린 골 터널 내에서 이식편의 다른 단부를 무릎 관절에 인접한 정강이뼈에 고정하는 것이다. 이식편 접합 장치의 고정에 다른 방법도 사용된다. 공지된 이식편 접합 장치의 문제점은 장치 내 루프가 보통의 강성을 가지며, 수술 후 치유 과정이 늦춰지거나 심지어 중단된다는 점이다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 엔드리스 성형품이 사용되는 경우, 더욱 우수한 치유 과정을 얻는다. 또한, 루프의 두께는 그 강도 및 강성이 약해지지 않고도 매우 얇을 수 있어, 더욱 작은 직경을 갖는 구멍 뚫린 골 터널이 사용될 수도 있다. 더욱이, 상기 엔드리스 성형품은 헐거운 필라멘트로부터 제조된 공지의 장치에 비해 굽힘 강성이 상대적으로 높기 때문에, 이식편 접합 장치의 취급이 용이하다.
이 경우의 엔드리스 성형품은 0.5 내지 2.5 mm, 바람직하게는 1 내지 2 mm의 두께 및 20 내지 200 mm, 바람직하게는 40 내지 150 mm의 둘레를 가질 수 있다.
또 다른 바람직한 용도로, 본 발명에 따른 엔드리스 성형품은 항공 화물 용도의 화물 망에서의 부착 링이다. 이 경우, 상기 엔드리스 성형품은 4 내지 10 mm의 두께 및 50 내지 400 mm의 둘레를 가질 수 있다.
본 발명은 도면에 의해 추가로 설명된다.
도 1은 두 개의 방사 휠을 포함하는 본 발명에 따른 엔드리스 성형품의 제조 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 상이하게 형상화된 홈을 갖는 휠의 단면을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 몇몇 가능한 엔드리스 성형품을 나타낸 것이다.
도 1은 휠(2, 3)을 포함하는 본 발명에 따른 엔드리스 성형품의 제조 장치를 나타낸 개략도이며, 휠 중 하나는 전기 모터(7)에 의해 구동된다. 휠 둘레로, 초-고분자량 폴리에틸렌의 얀(1)은 예를 들어 다이니마(Dyneema™) SK 75, 1760 dtex로 10회 권취되며, 이때 상기 휠은 그 주변으로 상기 섬유를 수용하는 홈을 포함한다. 상기 장치는 오븐(6) 내에 위치시켜, 상기 섬유 내 필라멘트가 융합하기에 충분히 높은 온도에서 작동될 수 있도록 한다. 휠(2)은 고정된 지지체(4)에 장착되고, 휠(3)은 이동성 지지체(5)에 장착되며 힘 F에 의해 종이 면의 지시된 방향으로 당겨진다.
도 2는 상이하게 형상화된 홈을 갖는 휠의 단면을 나타낸 것이고, 도 2a의 선 A-A에 따른 단면을 취하였다. 도 2b는 편평형 또는 직사각형을 갖는, 엔드리스 성형품의 제조에 적합한 휠을 나타낸다. 도 2c는 예각의 삼각형 홈을 포함하는 휠을 나타낸다. 이 휠에 의해, 빠르고 높은 융합도의 필라멘트 및/또는 단섬유가 수득될 수 있다. 도 2d에서 유사한 홈의 각은 덜 예리하다.
도 3은 본 발명에 따른 몇몇 가능한 엔드리스 성형품을 나타낸 것이다. 도 3a는 루프를 나타낸 것이고, 도 3b는 링을 나타낸 것이다.

Claims (10)

  1. 적어도 부분적으로 융합된 초-고분자량 폴리올레핀 필라멘트 및/또는 단섬유를 포함하는, 엔드리스 성형품(endless shaped article).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형품이 링 또는 루프인, 엔드리스 성형품.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 엔드리스 성형품의 밀도가 최대 도달 가능한 밀도의 70% 이상인, 엔드리스 성형품.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형품의 둘레가 10 mm 내지 10000 mm인, 엔드리스 성형품.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형품의 두께가 0.1 mm 내지 30 mm인, 엔드리스 성형품.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리올레핀이 폴리에틸렌인, 엔드리스 성형품.
  7. 초-고분자량 폴리올레핀의 필라멘트 또는 하나 이상의 얀(yarn)을 한 쌍의 휠(wheel) 둘레에 권취하여 루프를 형성하고,
    상기 필라멘트 또는 하나 이상의 얀을, 상기 필라멘트 및/또는 단섬유가 적어도 부분적으로 융합하는, 용융점 미만의 온도로 가열하고,
    상기 루프를, 회전하는 상기 휠 간 거리를 증가시켜 연신함
    에 의한, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 엔드리스 성형품의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 필라멘트 또는 하나 이상의 얀이 145 내지 160℃의 온도로 가열되는, 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 섬유의 인발비가 1.2 이상인, 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 엔드리스 성형품을 포함하는 이식편 접합 장치(graft attachment device).
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