KR20090025720A - 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법, 라이오셀 필라멘트섬유, 및 타이어 코오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라이오셀 제조용 도프를 방사하는 단계, 상기 방사되는 도프를 응고시켜 필라멘트를 제조하는 단계, 상기 필라멘트를 수세하는 단계, 및 상기 수세된 필라멘트를 건조하는 단계를 포함하며, 상기 건조 단계는 105 ℃ 이하의 온도에서 수행하는 것인 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법, 라이오셀 필라멘트 섬유, 및 타이어 코오드에 관한 것이다.

본 발명은 라이오셀 필라멘트 섬유 제조시의 종래보다 온화한 조건으로 건조 공정을 수행하여, 원사의 손상을 방지하며 고품질의 제품 생산효율성을 향상시킬 수 있다.

타이어 코오드, 라이오셀, 방사, 건조 온도

Description

라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법, 라이오셀 필라멘트 섬유, 및 타이어 코오드 {PROCESS FOR PREPARING LYOCELL FILAMENT FIBER, LYOCELL FILAMENT FIBER AND TIRE CORD}

본 발명은 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법, 라이오셀 필라멘트 섬유, 및 타이어 코오드에 관한 것이다.

타이어는 섬유/강철/고무의 복합체이며, 도 1과 같은 구조를 갖는 것이 일반적이다. 즉, 강철과 섬유 코오드는 고무를 보강하는 역할을 하며, 타이어 내에서 기본 골격 구조를 형성한다. 즉, 사람 인체와 비교하면 뼈와 같은 역할이다.

타이어 보강재로써 코오드에 요구되는 성능은 내피로성, 전단강도, 내구성, 반발탄성 그리고 고무와의 접착력 등이다. 따라서, 타이어에 요구되는 성능에 따라 적절한 소재의 코오드를 사용하게 된다.

현재 일반적으로 사용되는 코오드용 소재는 레이온, 나일론, 폴리에스터, 스틸, 및 아라미드 등이 있으며, 레이온과 폴리에스테르는 보디 플라이(또는 카커스라고도 함) (도 1의 6)에, 나일론은 주로 캡플라이(도 1의 4)에, 그리고, 스틸과 아라미드는 주로 타이어 벨트부(도 1의 5)에 사용된다.

다음은 도 1에 나타낸 타이어 구조와 그 특성을 간략하게 나타내었다.

트레드 (Tread) (1): 노면과 접촉하는 부분으로 제동, 구동에 필요한 마찰력을 주고 내마모성이 양호 하여야 하며 외부 충격에 견딜 수 있어야 하고 발열이 적어야 한다.

보디 플라이(Body Ply) (또는 카커스(Carcass)) (6): 타이어 내부의 코오드 층으로, 하중을 지지하고 충격에 견디며 주행 중 굴신 운동에 대한　내피로성이 강해야 한다.

벨트 (Belt) (5): 보디플라이 사이에 위치하고 있으며, 대부분의 경우에 철사(Steel Wire)로 구성되며 외부의 충격을 완화시키는 것은 물론 트레드의 접지면을 넓게 유지하여 주행안정성을 우수하게 한다.

사이드 월(Side Wall) (3): 숄더(2) 아래 부분부터 비드(9) 사이의 고무층을 말하며 내부의 보디 플라이(6)를 보호하는 역할을 한다.

비드(BEAD) (9): 철사에 고무를 피복한 사각 또는 육각형태의 Wire Bundle로 타이어를 Rim에 안착하고 고정시키는 역할을 한다.

인너라이너(Inner Liner) (7): 튜브대신 타이어의 안쪽에 위치하고 있는 것으로 공기누출 방지하여 공기입 타이어를 가능케 한다.

캡 플라이(CAP PLY) (4): 일부 승용차용 래디얼 타이어의 벨트 위에 위치한 특수 코오드지로서, 주행 시 벨트의 움직임을 최소화 한다.

에이펙스(APEX) (8): 비드의 분산을 최소화하고 외부의 충격을 완화하여 비드를 보호하며 성형시 공기의 유입을 방지하기 위하여 사용하는 삼각형태의 고무 충진재이다.

일반적으로 사용되는 타이어 코오드용 소재로는 나일론, 폴리에스테르, 레이온 등이 사용되고 있다. 이러한 소재들은 각각의 장단점으로 인하여, 사용되는 타이어의 규격이나 용도 등이 한정되어 있다.

나일론 섬유는 인장신도와 강력이 높아서, 고중량의 하중이 가해지는 대형트럭 및 비포장 도로와 같은 굴곡이 많은 노면에 사용되는 타이어에 주로 사용된다. 그러나, 상기 나일론 섬유는 타이어 내부에 집중적인 열축적이 발생하고, 모듈러스가 낮아서 고속으로 주행되거나, 승차감이 요구되는 승용차용 타이어에는 적합하지 못하다.

폴리에스테르 섬유는 나일론에 비해 형태안정성과 가격경쟁력이 우수하며, 지속적인 연구로 인해 강도 및 접착력이 향상되고 있어서, 타이어 코오드 분야에서 그 사용량이 증가하고 있는 추세이다. 그러나, 아직까지는 내열성 및 접착력 등에 한계가 있어서 고속주행용 타이어에는 적합하지 못하다.

재생 셀룰로오스 섬유인 레이온 섬유는 고온에서 우수한 강력유지율과 형태안정성을 보인다. 따라서, 레이온 섬유는 최적의 타이어 코오드용 소재로 알려져 있다. 그러나 수분에 의한 강력저하가 심하기 때문에 타이어 제조시 철저한 수분관리가 요구되며, 원사 제조시의 불균일성으로 인해, 불량품 발생 비율이 높다. 무엇보다도 다른 소재에 비하여 가격대비 성능(가격대비 강력)이 매우 낮아 주로 초고속용 또는 고가의 타이어에만 적용되고 있다.

기존 방법에서는 물을 완전 건조시키는 데에 고온, 장시간 필요하나, 이 경 우, 결정화도 증가, 신도 저하, 에너지비용 많이 들고, 시간도 많이 걸리는 문제가 있어, 이를 개선하는 연구가 필요하다.

본 발명은 원사의 손상을 방지하고 고품질의 제품 생산효율성을 향상시킨 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 또한, 상기의 우수한 물성을 갖는 라이오셀 필라멘트 섬유 및 타이어 코오드를 제공하고자 한다.

본 발명은 라이오셀 제조용 도프를 방사하는 단계; 상기 방사되는 도프를 응고시켜 필라멘트를 제조하는 단계; 상기 필라멘트를 수세하는 단계; 및 상기 수세된 필라멘트를 건조하는 단계를 포함하며, 상기 건조 단계는 105 ℃ 이하의 온도에서 수행하는 것인 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한 라이오셀 필라멘트 섬유 및 타이어 코오드를 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에서 복수개의 필라멘트 섬유를 포함하는 필라멘트 다발을 '멀티 필라멘트'라 하고, 상기 멀티 필라멘트를 상연 및 하연(또는 하연 및 상연)하여 제조되는 로코오드(raw cord)를 '합연사'라 하고, 상기 합연사에 타이어 코오드용 접착제로 처리된 딥 코오드를 '타이어 코오드' 또는 '코오드'라 한다.

본 발명에서 개발하고자 하는 라이오셀 필라멘트 섬유는 타이어 코오드의 용도로 사용되기 위한 최적의 물성을 갖는 것이여, 특히 신도 및 강도가 개선된 특징을 갖는다.

본 발명자는 라이오셀 필라멘트의 방사 공정 중 건조 단계를 105 ℃ 이하로 수행함으로써, 기존의 고온 건조시 발생되는 원사의 손상을 방지하고 고품질의 제품 생산효율성을 향상시킬 수 있으며, 최종 생상되는 타이어 코오드의 손상을 방지할 수 있다는 사실을 밝혀내고, 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 일실시예에 따른 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법에 대하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

이때, 본 발명의 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법이 하기 바람직한 실시예에 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 권리 범위가 이에 특별히 한정되는 것은 아니고 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예 따른 라이오셀 필라멘트 섬유를 제조하기 위한 방사 장치의 일례를 간략히 도시한 구성도이다. 상기 도 2의 구성을 참조하면, 일반적인 형태의 라이오셀 멀티 필라멘트 제조 장치는 방사방사 도프를 일정한 압력으로 공급하기 위한 기어 펌프(11), 상기 압출기로부터 공급받은 방사 도프를 섬유의 형태로 방사하는 방사 구금(12), 상기 방사구금으로부터 토출되는 미응고 섬유(13)를 응고시키기 위한 제1 응고욕(14)를 구비하고, 필요한 경우에 추가로 제2 응고욕(15)을 구비한다. 상기 응고욕(14,15)을 통과한 필라멘트는 견인롤러(16)의 구동에 의해 수세장치(17)에서 물에 의해 방사 도프 등에 포함된 용매 등을 제거한다. 이어서, 상기 수세장치를 거친 필라멘트는 건조장치(18)에서 건조된 후 와인딩되어 최종 라이오셀 필라멘트를 얻을 수 있다.

이때, 본 발명의 라이오셀 필라멘트 섬유의 방사 방법이 도 2에 도시된 방법에 특별히 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 라이오셀 필라멘트 섬유는 상기 제조장치를 이용하여, 셀룰로오스를 N-메틸몰폴린-N-옥사이드(이하, NMMO) 및 물의 혼합용제에 용해시켜 방사 도프를 제조하는 단계; 방사노즐이 장착된 방사장치를 이용하여 상기 방사원액으로부터 셀룰로오스계 필라멘트를 방사하는 단계; 및 상기 방사된 셀룰로오스계 필라멘트를 수세 및 건조하는 단계를 포함하는 제조방법에 따라 제조될 수 있다.

본 발명에서 라이오셀 제조용 도프는 라이오셀 필라멘트 섬유 제조공정에서 통상적으로 사용되는 어떠한 방사 도프를 사용할 수 있으며, 셀룰로오스(cellulose), N-메틸몰포린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 및 물을 포함하는 방사 도프를 사용할 수 있다.

상기 방사 도프는 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으므로 특별히 한정되는 것은 아니나, N-메틸몰폴린-N-옥사이드(NMMO) 및 물을 중량비 93:7 내지 85:15로 포함하는 NMMO 수용액에 셀룰로오스를 7 내지 18 중량%로 용해시켜 제조하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 방사 도프의 점도는 8,000 내지 25,000 Poise의 유지되는 것이 바람직하다.

상기 방사 도프를 이용한 방사 공정은 일반적으로 알려진 방법에 따라 진행할 수 있으며, 바람직하게는 80℃ 내지 130℃ 범위의 온도로 방사 도프를 방사하고, 상기 방사 구금을 통해 방사된 필라멘트는 응고액에 통과시켜 응고를 실시하며, 이때 필라멘트의 응고 속도 조절 측면에서, 응고액의 온도는 -20℃ 내지 30℃일 수 있고, 0℃ 내지 30℃일 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 응고액은 이 기술분야에서 통상의 조성으로 제조하여 사용할 수 있으므로 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 N-메틸몰포린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide: NMMO)과 물을 포함하는 NMMO 수용액을 사용할 수 있으며, 상기 응고액에서 NMMO와 물의 중량비는용매의 용융점이 상승되거나 응고 온도가 적절하게 유지될 수 있도록 하며 필라멘트의 방사 효율을 최대화하기 위하여 5:95 내지 25:75로 사용할 수 있다.

본 발명에서는 상기 필라멘트를 응고액에 통과시킨 후 별도의 추가 응고욕 없이 이후 공정을 진행할 수도 있고, 필요에 따라 도 2에 나타낸 바와 같이 상기 필라멘트를 제1 응고액에 통과시킨 이후에 제2 응고액에 추가로 통과시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제2응고액의 온도 및 조성에 관한 사항은 앞서 기재한 응고욕의 온도 및 조성에 관한 사항과 동일하다.

이후, 상기 응고욕에서 응고된 필라멘트는 잔존하는 NMMO를 제거할 수 있도록 수세장치(17)에 적용되어, 수세 후 용제의 회수 및 재사용의 용이성을 고려하여, 수세액으로 NMMO를 제거할 수 있다. 이 때, 상기 수세액으로는 물을 이용할 수 있다.

이어서, 수세장치(17)를 거친 필라멘트는 건조장치(18)를 통해 건조된 후 와인딩되어 최종 라이오셀 필라멘트를 얻을 수 있다.

이때, 본 발명은 상기 수세공정을 통과하여 미건조된 필라멘트를 건조함에 있어서, 105 ℃ 이하, 바람직하게는 80 내지 100 ℃에서 건조단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 상기 건조 단계는 1단계 건조 공정으로 진행될 수 있으며, 또한 구간을 나누어 건조 공정 조건을 달리하는 다단의 건조 공정으로 진행될 수 있다. 이때에 상기 건조 공정에서 필라멘트 섬유에 이완율을 부여할 수 있다. 상기 이완율은 1 내지 5%가 될 수 있다. 건조공정에서 이완율을 부여하면, 섬유의 손상방지 및 코오드내에서 우수한 물성 발현이 가능하다. 상기 다단의 건조공정에 있어서 각 단계의 구체적인 건조 조건은 상기 온도범위 내에서 필요에 따라 임의로 선택할 수 있다.

또한, 라이오셀 필라멘트 섬유의 방사 후 수세, 후처리 기술은 일반적인 습식방사의 것을 사용하여 제조할 수 있다. 더불어, 셀룰로오스계 섬유인 레이온 필라멘트사의 제조에 사용되는 방사 방법을 라이오셀 공정에 수정하여 사용할 수도 있으며, 상기 조건 이외에는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 조건을 사용할 수 있다.

본 발명의 라이오셀 필라멘트 섬유는 또한, 인장강도가 5 g/d 이상, 바람직하게는 6 g/d 이상, 보다 바람직하게는 6 내지 9 g/d이고, 절단신도 변동율(CV%) 8% 이하이고, 절단신도가 7 내지 15%일 수 있고, 이러한 라이오셀 섬유는 타이어 코오드용 재료 등과 같은 산업용 섬유로서 사용될 수 있다.

본 발명의 타이어 코오드는 상기 라이오셀 필라멘트 섬유를 포함한다. 상기 타이어 코오드는 총 필라멘트 수가 400 내지 6000이고, 총 섬도가 400 내지 9000 데니어이며, 꼬임수가 200 내지 600 TPM인 2 내지 3 플라이의 합연사를 포함할 수 있다.

본 발명의 라이오셀 타이어 코오드는 형태안정성과 내구성이 우수하여 공기주입식 타이어의 보디 플라이 또는 캡플라이 등의 용도로 적용될 수 있다.

본 발명의 타이어 코오드는 상기 라이오셀 필라멘트 섬유를 연사하여 2 내지 3 플라이(ply)의 합연사를 제조하고, 상기 합연사를 통상적인 딥핑 방법에 따라 타이어 코오드용 접착제 용액으로 처리하고, 이를 건조 및 열처리함으로써 제조될 수 있다.

또한, 상기 접착제 용액으로는 통상적인 타이어 코오드용 함침 용액을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 레솔시놀-포름알데히드-라텍스(RFL) 접착제 용액을 사용할 수 있다.

상기 접착제 용액을 통과한 코오드는 건조공정과 열처리공정을 거쳐 타이어 코오드로 제조된다. 상기 건조공정은 105 내지 160℃에서 1분 내지 10분간 20 내지 2000 g/cord의 장력으로 실시하고, 상기 열처리공정은 105 내지 220℃에서 1분 내지 10분간 20 내지 2000 g/cord의 장력으로 실시할 수 있다.

상기 건조공정에서는 라이오셀 내에 존재하는 수분을 건조시키며, 상기 열처리공정에서는 함침용액을 반응시켜 타이어 코오드에 접착력을 부여하게 된다.

본 발명에 있어서 상기 기재된 내용 이외의 사항은 필요에 따라 가감이 가능한 것이므로, 본 발명에서는 특별히 한정하지 아니한다.

본 발명의 라이오셀 필라멘트 제조 공정은 전체 공정의 에너지 효율을 향상시키고 원사의 손상을 방지하며, 본 발명의 라이오셀 필라멘트 섬유 및 타이어 코오드는 우수한 신도 및 강도 특성을 나타낸다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

중합도(DPw) 1,200, α-셀룰로오스 함량 97%인 펄프를 프로필갈레이트 함량 0.01 중량%인 NMMO/H₂0 혼합 용제(중량비 90/10)에 혼합하여, 농도 11 중량%의 라이오셀 제조용 도프를 제조하였다.

상기 라이오셀 제조용 도프를 도 2와 같은 구성을 기본으로 한 방사 장치를 이용하여 방사, 응고, 수세, 및 건조하여 라이오셀 필라멘트 섬유를 제조하였다.

상기 제조용 도프는 방사 구금의 방사노즐에서 방사 온도는 110℃로 유지하였으며, 최종 필라멘트 섬도가 1,650 데니어가 되도록 토출량과 방사속도를 조절하 여 방사하였다.

상기 방사노즐로부터 토출된 미응고 섬유를 제 1 응고욕 및 제2 응고욕에 방사하였으며, 상기 응고액은 온도 25℃, 농도는 물 85 중량%, NMMO 15 중량%인 것을 사용하였다. 이 때, 상기 응고욕의 응고액 농도는 센서와 굴절계를 사용하여 연속적으로 모니터링하였다.

상기 응고액을 통과한 필라멘트는 수세 장치에서 스프레이된 수세액에서 의해서 잔존하는 NMMO를 제거하였으며, 함수율이 함수율이 170%로 조절된 미건조 멀티필라멘트사를 건조롤에서 건조하여 라이오셀 멀티필라멘트 섬유를 얻었다. 이때, 건조롤의 온도는 80℃로 조절하여, 60초 동안 건조시킨 후 권취하여 라이오셀 필라멘트 섬유를 제조하였다. 상기 건조단계를 통해 필라멘트 섬유에 1%의 이완율을 부여하였다.

실시예 2

상기 건조 단계에서 건조롤의 온도를 95℃로 조절하고, 필라멘트 섬유에 3%의 이완율을 부여한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 절차를 반복하여 라이오셀 필라멘트 섬유를 제조하였다.

실시예 3

상기 건조 단계에서 건조롤의 온도를 105℃로 조절하고, 필라멘트 섬유에 5%의 이완율을 부여한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 절차를 반복하여 라이오셀 필라멘트 섬유를 제조하였다.

비교예 1

상기 건조단계에서 건조롤의 온도를 110℃ 이상으로 조절하여 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 절차를 반복하여 라이오셀 필라멘트 섬유를 제조하였다.

상기 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1에 따라 제조된 라이오셀 제조용 도프, 필라멘트 섬유의 물성을 아래와 같은 방법으로 평가하였다.

(a) 강도(g/d) 및 신도(%)

시험편을 110℃ 온도 하에서 2시간 건조하여 공정 수분율 이하로 예비건조시킨 후, KSK 0901(섬유시험실 표준상태)의 표준상태(25℃, 65RH%)에서 24시간 이상 방치하여 수분평형상태에 도달하게 한 후, 105℃ 2시간 건조하였다.

상기 건조된 시험편을 인스트롱사의 저속 신장형 인장시험기를 이용하여 시료 장 250mm, 인장 속도 300 m/min으로 KSK 0412 규격에 따라 측정하였다.

상기 방법에 따라 측정한 섬유 물성을 하기 표 1에 정리하였다.

구 분	실시예1	실시예2	실시예3	비교예1
건조온도(℃)	80	95	105	110
절단강도(g/d)	6.5	6.6	6.8	6.8
절단신도(%)	7.2	6.9	6.3	5.6

상기 표 1에서 보는 것과 같이, 본 발명의 제조방법에 따라 건조 온도를 105℃ 이하로 조절하여 라이오셀 섬유는 기존의 고온 건조에 의해 제조된 비교예 1의 라이오셀 섬유에 비하여 원사의 절단 신도 등이 향상되는 것을 알 수 있다.

본 발명은 라이오셀 필라멘트 섬유 제조시의 온화한 조건으로 건조 공정을 수행함으로써, 원사의 절단 신도를 향상시켜 연사공정에서 발생하는 모우를 감소시켜 생산성이 우수한 타이어 코오드 제조에 적용할 수 있다.

도 1은 일반적인 타이어의 구성을 나타낸 부분 절개 사시도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 라이오셀 필라멘트 섬유를 제조하기 위한 방사 장치의 일례를 간략히 도시한 구성도.

Claims (5)

1. 라이오셀 제조용 도프를 방사하는 단계;

   상기 방사되는 도프를 응고시켜 필라멘트를 제조하는 단계;

   상기 필라멘트를 수세하는 단계; 및

   상기 수세된 필라멘트를 건조하는 단계

   를 포함하며,

   상기 건조 단계는 105 ℃ 이하의 온도에서 수행하는 것인 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 건조 단계는 80 내지 100 ℃의 온도에서 실시하는 것인 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 건조단계에서 필라멘트에 이완율 1 내지 5%를 부여하는 것인 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 방법에 따라 제조되는 라이오셀 필라멘트 섬유.
5. 제4항에 따른 라이오셀 필라멘트 섬유를 포함하는 타이어 코오드.

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