KR20090028559A - 미립자 로딩된 중합체 섬유 및 압출 방법 - Google Patents

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브루스 비. 윌슨
로저 제이. 스투모
스탠리 씨. 에릭슨
윌리엄 제이. 코페키
제임스 씨. 브레이스터
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

미립자 로딩된 중합체 섬유 및 중합체 섬유를 압출하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 미립자 로딩된 중합체 섬유는 복수의 입자가 그 내부에 분포된 중합체 결합제를 포함하는 섬유 본체를 갖는다. 입자 중 일부는 중합체 결합제 내에서 완전하게 캡슐화되며, 다른 입자는 섬유 본체의 외부 표면 상에서 부분적으로 노출되도록 매립될 수 있다. 섬유 내에 사용되는 중합체는 고분자량의 것일 수 있으며, 캡슐화된 입자는 섬유의 외부 표면을 향해 우선적으로 분포될 수 있다.
미립자, 중합체 섬유, 압출, 캡슐화, 용융 유동 지수

Description

미립자 로딩된 중합체 섬유 및 압출 방법{PARTICULATE-LOADED POLYMER FIBERS AND EXTRUSION METHODS}
본 발명은 미립자 로딩된 중합체 섬유 및 이를 제조하기 위한 압출 처리 및 장치의 분야에 관한 것이다.
종래의 섬유 형성 방법 및 장치는 전형적으로 오리피스를 통한 중합체 물질의 압출을 수반한다. 전형적인 섬유 압출 공정의 속도, 압력 및 온도는 경제적 요건과 중합체 물질의 물리적 특징 사이를 절충한다. 예를 들어, 중합체 물질의 분자량은 용융 점도 및 중합체 물질 성능 둘 모두에 직접 관련된다. 불행하게도, 중합체 물질 성능의 개선은 종래에는 증가된 분자량 및 상응하는 상대적으로 높은 용융 점도에 관련된다. 더 높은 용융 점도는 전형적으로 섬유를 형성하는 공정을 더 느리고 경제적으로 덜 실용적이게 한다.
보다 큰 분자량의 중합체의 높은 용융 점도를 해결하기 위하여, 종래의 공정은 중합체 물질의 용융 점도를 낮추기 위한 노력으로 상대적으로 고온의 처리에 의존할 수 있다. 그러나, 공정 온도는 전형적으로 보다 높은 온도에서의 중합체 물질의 분해에 의해 제한될 수 있다. 증가된 공정 온도와 함께, 공정 압력, 즉 중합체가 압출되는 압력이 또한 공정 속도를 개선하기 위해 증가될 수 있다. 그러나, 공정 압력은 섬유를 압출하기 위해 이용되는 장비에 의해 제한될 수 있다. 그 결과, 종래의 공정에서의 처리 속도는 전형적으로 상기 논의된 인자들에 의해 제한된다.
상기 논의된 문제점에 비추어, 섬유 제조를 위한 용융 중합체의 압출에서의 종래의 전략은 중합체 물질의 분자량을 감소시켜서 경제적으로 실용적인 처리 속도를 얻는 것이다. 감소된 분자량은 압출된 중합체 섬유의 물질 특성에서의 상응하는 손상을 초래한다.
종래의 압출된 섬유의 물질 특성의 손상을 적어도 부분적으로 해결하기 위하여, 섬유 내의 중합체 물질을 배향시킴으로써 섬유 강도가 개선될 수 있다. 배향은 섬유가 압출 다이에서 배출된 후 섬유를 당기거나 신장시킴으로써 부여된다. 그 결과, 섬유에 사용된 중합체 물질은 전형적으로 중합체 물질이 다이에서 배출되는 반용융 상태에서 상당한 인장 응력 보유 능력을 가져야 한다(그렇지 않다면, 섬유는 당겨질 때 단지 파단될 것이다). 그러한 특성은 종래에는, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 및 폴리아미드와 같은 반결정성 중합체에서 이용가능하였다. 따라서, 종래의 섬유 압출 공정은 단지 제한된 수의 중합체 물질에 의해서만 수행될 수 있다.
발명의 개요
본 발명은 미립자 로딩된 중합체 섬유 및 중합체 섬유를 압출하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다.
미립자 로딩된 중합체 섬유는 복수의 입자가 그 내부에 분포된 중합체 결합 제를 포함하는 섬유 본체를 갖는다. 입자 중 일부는 중합체 결합제 내에서 완전하게 캡슐화되며, 다른 입자는 섬유 본체의 외부 표면 상에서 부분적으로 노출될 수 있다.
본 발명의 미립자 로딩된 섬유의 잠재적인 이점은 특히 중합체 섬유 본체가 상대적으로 낮은 용융 유동 지수(melt flow index) 또는 상대적으로 높은 용융 점도(및 본 명세서에 논의되는 바와 같은 상응하는 고분자량)를 가진 중합체로 형성될 수 있다는 것이다. 그 결과, 본 발명의 방법에서 그러한 중합체를 사용하여 제조된 섬유와 관련된 잠재적인 이득은 또한 미립자 로딩된 섬유에 이용가능하다는 것이다.
본 발명의 다른 잠재적인 이점은 바람직하게는 입자 밀도(즉, 섬유 본체의 단위부피 당 입자의 수)가 섬유의 외부 표면 부근에서 더 높도록 섬유 본체 내에서 입자가 분포될 수 있다는 것이다. 섬유 내에서의 그러한 입자 분포는 (예를 들어, 더 적은 입자를 포함하는 중앙 코어를 제공함으로써) 섬유 강도를 향상시키는 데 유리할 수 있다.
입자 분포 프로파일은 또한 입자가 섬유의 외부 표면 부근에서 캡슐화되거나 섬유의 외부 표면 상에서 부분적으로 노출되는 것이 요망되는 상황에서 유리할 수 있다. 이는 (예를 들어, 연마 용품 등에 사용되는 섬유에서 일어날 수 있는 바와 같이) 중합체 결합제의 일부가 사용하는 동안 제거됨에 따라 추가의 입자가 노출된다면 유리하게 되는 상황에서 특히 그러하다.
본 발명의 용융 압출된 섬유에서 보여지는 입자 분포의 다른 잠재적인 이점 은 입자가 섬유의 외부 표면 부근에 우선적으로 분포되기 때문에 섬유의 외부 표면 부근에서 선택된 입자 밀도를 제공하는 데 필요한 입자의 양이 감소될 수 있다는 것이다.
섬유를 제조하는 데 사용되는 압출 공정은 바람직하게는 중합체 용융 스트림과 별도로 윤활제를 압출 다이의 각각의 오리피스로 전달하여, 중합체 용융 스트림이 다이 오리피스를 통과함에 따라 윤활제가 바람직하게는 중합체 용융 스트림을 둘러싸도록 하는 것을 수반할 수 있다. 중합체 섬유 압출 공정에서 중합체 용융 스트림과 별도로 전달되는 윤활제의 사용은 많은 잠재적인 이점을 제공할 수 있다.
예를 들어, 별도로 전달되는 윤활제의 사용은 당김 없이 배향된 중합체 섬유를 제공할 수 있는데, 즉 몇몇 실시 형태에서 배향된 중합체 섬유를 얻기 위하여 섬유가 다이에서 배출된 후 섬유를 당기거나 신장시킬 필요가 없을 수도 있다. 중합체 섬유가 압출 후 당겨지지 않는 경우, 섬유는 다이에서 배출된 후의 반용융 상태에서 상당한 인장 응력 보유 능력을 나타낼 필요가 없다. 대신, 본 발명의 윤활식 압출 방법은 몇몇 경우에서 중합체 물질이 다이를 통해 이동할 때 중합체 물질에 배향을 부여할 수 있어서, 중합체 물질은 바람직하게는 다이에서 배출되기 전에 배향될 수 있다.
배향을 부여하기 위하여 당기거나 신장시킬 필요성을 감소시키거나 제거하는 것의 한 가지 잠재적인 이점은 중합체 섬유를 압출하기 위한 후보 중합체 물질이 그렇지 않은 경우 압출되는 섬유에 사용될 수 없는 중합체 물질을 포함하도록 상당히 넓어질 수 있다는 것이다. 이종상(heterophase) 중합체가 또한 제안된 방법을 통해 배향된 섬유로 압출될 수 있다. '시스/코어형'(sheath/core) 또는 '해도형'(islands-in-the-sea) 또는 '파이형'(pie) 또는 '중공 파이형'(hollow pie)과 같은 복합 섬유 구조가 또한 이러한 방법과 양립가능하다.
본 발명의 방법의 잠재적인 이점은, 예를 들어 상대적으로 낮은 압력에서 동시에 다수의 중합체 섬유를 압출하는 능력을 포함할 수 있다. 상대적으로 낮은 압력은 장비 및 공정 비용 면에서 비용 절감으로 이어질 수 있다.
본 발명의 목적에 있어서, "섬유"(및 그 변형)라는 용어는 그 폭에 비하여 사실상 연속적인 길이, 예를 들어 그 폭의 1000배 이상의 길이를 가진 가는 실과 유사한 구조 또는 필라멘트를 의미한다. 본 발명의 섬유의 폭은 5 밀리미터 이하, 바람직하게는 2 밀리미터 이하, 그리고 더욱 더 바람직하게는 1 밀리미터 이하의 최대 치수로 제한되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 섬유는 1성분 섬유(monocomponent fiber), 2성분 또는 복합 섬유(bicomponent or conjugate fiber)(편의상, "2성분"이라는 용어는 흔히 2개의 성분으로 이루어진 섬유뿐만 아니라 2개 초과의 성분으로 이루어진 섬유를 의미하도록 사용됨), 및 2성분 섬유의 섬유 부분, 즉 2성분 섬유의 단면의 일부를 점유하며 2성분 섬유의 길이에 걸쳐 연장하는 부분일 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시 형태의 다른 잠재적인 이점은 낮은 용융 유동 지수(Melt Flow Index, MFI)를 가진 중합체를 압출하는 능력에서 발견될 수 있다. 종래의 중합체 섬유 압출 공정에서, 압출된 중합체의 MFI는 약 35 이상이다. 본 발명의 방법을 사용하면, 중합체 섬유의 압출은 MFI가 30 이하, 몇몇 경우에는 10 이하, 다른 경우에는 1 이하, 그리고 또 다른 경우에는 0.1 이하인 중합체를 사용하여 달성될 수 있다. 본 발명 이전에는, 섬유를 형성하기 위한 그러한 고분자량(저 MFI) 중합체의 압출 처리는 전형적으로 중합체를 용해시키고 그럼으로써 중합체의 점도를 감소시키기 위하여 용매를 사용하여 수행되었다. 그러한 방법은 고분자량 중합체를 용해시키고 이어서 용매를 제거하는 것(폐기 또는 재활용 포함)에 관한 어려움을 갖고 있었다. 본 발명과 관련하여 잠재적으로 사용될 수 있는 낮은 용융 유동 지수의 중합체의 예에는 미국 미시간주 위안도트 소재의 바스프 코포레이션(BASF Corporation)으로부터 입수가능한 루란(LURAN) S 757 (ASA, 8.0 MFI), 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 헌츠만 폴리머즈(Huntsman Polymers)로부터 입수가능한 P4G2Z-026 (PP, 1.0 MFI), 미국 오하이오주 아본 레이크 소재의 폴리원 코포레이션(PolyOne Corporation)으로부터 입수가능한 FR PE 152 (HDPE, 0.1 MFI), 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 엑손모빌 케미칼(ExxonMobil Chemical)로부터 입수가능한 7960.13 (HDPE, 0.06 MFI), 및 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 엑손모빌 케미칼로부터 입수가능한 인게이지(ENGAGE) 8100 (ULDPE, 1.0 MFI)이 포함될 수 있다.
본 발명의 몇몇 방법의 다른 잠재적인 이점은 달성될 수 있는 상대적으로 높은 질량 유량을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 방법을 사용하여, 분 당 10 그램 이상, 몇몇 경우에서 분 당 100 그램 이상, 그리고 다른 경우에서 분 당 400 그램 이상의 유량으로 중합체 물질을 섬유로 압출하는 것이 가능할 수 있다. 이들 질량 유량은 면적이 0.2 제곱 밀리미터(㎟) 이하인 오리피스를 통해 달성될 수 있다.
본 발명의 몇몇 방법의 또 다른 잠재적인 이점은, 예를 들어 강도를 향상시키거나 다른 유리한 기계적, 광학적 등의 특성을 제공할 수 있는 분자 수준에서의 배향을 포함하는 중합체 섬유를 압출하는 능력을 포함할 수 있다. 중합체 섬유가 비결정성 중합체로 구성되는 경우, 비결정성 중합체 섬유는 선택적으로 강성 또는 규칙성의 비결정성 중합체 상 또는 배향된 비결정성 중합체 상의 부분(즉, 섬유 내의 분자 쇄가 일반적으로 섬유 축을 따라 다양한 각도로 배열된 부분)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
배향된 중합체 섬유가 공지되어 있지만, 배향은 종래에는 섬유가 다이 오리피스에서 배출될 때 당기거나 인발시킴으로써 달성된다. 그러나, 많은 중합체는 용융 또는 반용융 상태로 압출 직후 파단됨이 없이 당겨지기에 충분한 기계적 강도를 갖지 못하므로 압출 후 당겨질 수 없다. 그러나, 본 발명의 방법은 중합체 물질이 오리피스에서 배출되기 전에 다이 내에서 배향될 수 있기 때문에 배향을 달성하기 위하여 중합체 섬유를 인발시킬 필요성을 제거할 수 있다. 그 결과, 배향된 섬유는 상업적으로 실용적인 공정에서 종래에는 압출되고 인발될 수 없었던 중합체를 사용하여 압출될 수 있다.
본 발명의 몇몇 방법에서, 중합체 물질을 켄칭(quench)하여 다이 외측에서의 이완으로 인하여 배향이 손실되거나 유의하게 감소되지 않도록 윤활제, 다이, 또는 윤활제와 다이 둘 모두의 온도를 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 경우에서, 윤활제는 적어도 부분적으로 예컨대 증발에 의해 중합체 물질을 켄칭하는 그의 능력에 기초하여 선택될 수 있다.
일 태양에서, 본 발명은 중합체 결합제 및 중합체 결합제 내에 캡슐화된 복수의 입자를 포함하는 섬유 본체를 가지며, 상기 중합체 결합제가 본질적으로 하나 이상의 중합체로 이루어지고, 상기 캡슐화된 입자들이 캡슐화된 입자 밀도를 가지며, 상기 캡슐화된 입자 밀도가 섬유의 외부 표면 부근에서 더 높은, 미립자 로딩된 중합체 섬유를 제공한다.
다른 태양에서, 본 발명은 하나 이상의 중합체 - 여기서, 상기 하나 이상의 중합체 모두가 하나 이상의 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 10 이하의 용융 유동 지수를 가짐 - 를 포함하는 섬유 본체; 및 섬유 본체 내에 캡슐화된 복수의 제1 입자 및 섬유 본체의 외부 표면 내에 매립된 복수의 제2 입자 - 여기서, 상기 캡슐화된 복수의 제1 입자는 캡슐화된 입자 밀도를 갖고, 상기 복수의 제1 입자의 캡슐화된 입자 밀도는 섬유의 외부 표면 부근에서 가장 높음 - 를 갖는, 미립자 로딩된 중합체 섬유를 제공한다.
다른 태양에서, 본 발명은 복수의 입자를 중합체 용융 스트림 내에 혼입시키는 단계; 복수의 입자가 혼입된 중합체 용융 스트림을 다이 내에 배치된 오리피스로 통과시키는 단계 - 여기서, 상기 오리피스는 입구, 출구 및 입구로부터 출구로 연장하는 내부 표면을 가지며, 상기 오리피스는 반쌍곡선형으로 수렴하는 오리피스이고, 상기 중합체 용융 스트림은 입구에서 오리피스로 진입하고 출구에서 오리피스로부터 빠져 나옴 - ; 중합체 용융 스트림과 별도로 윤활제를 오리피스로 전달하는 단계 - 여기서, 상기 윤활제는 오리피스의 입구에서 도입됨 - ; 및 중합체 용융 스트림 및 중합체 용융 스트림 내에 캡슐화된 복수의 입자를 포함하는 미립자 로딩 된 중합체 섬유를 수집하는 단계 - 여기서 상기 캡슐화된 입자는 섬유 내에 캡슐화된 입자 밀도를 포함하며, 상기 캡슐화된 입자 밀도는 섬유의 외부 표면 부근에서 더 높음 - 에 의해, 미립자 로딩된 중합체 섬유를 제조하는 방법을 제공한다.
다른 태양에서, 본 발명은 중합체 용융 스트림을 다이 내에 배치된 오리피스로 통과시키는 단계 - 여기서, 상기 오리피스는 입구, 출구 및 입구로부터 출구로 연장하는 내부 표면을 가지며, 상기 오리피스는 반쌍곡선형으로 수렴하는 오리피스이고, 상기 중합체 용융 스트림은 입구에서 오리피스로 진입하고 출구에서 오리피스로부터 빠져 나옴 - ; 중합체 용융 스트림과 별도로 윤활제를 오리피스로 전달하는 단계 - 여기서, 상기 윤활제는 오리피스의 입구에서 도입됨 - ; 및 중합체 용융 스트림이 오리피스의 출구에서 빠져 나온 후에 중합체 용융 스트림을 포함하는 섬유를 수집하는 단계에 의해, 중합체 섬유를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 중합체 용융 스트림을 다이의 오리피스로 통과시키는 단계 - 여기서, 상기 오리피스는 입구, 출구 및 입구로부터 출구로 연장하는 내부 표면을 가지며, 상기 오리피스는 반쌍곡선형으로 수렴하는 오리피스이고, 상기 중합체 용융 스트림은 입구에서 오리피스로 진입하고 출구에서 오리피스로부터 빠져 나오며, 상기 중합체 용융 스트림은 벌크 중합체(bulk polymer)를 포함하고, 상기 벌크 중합체는 중합체 용융 스트림의 대부분이며, 상기 벌크 중합체는 ASTM D1238에서 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 1 이하의 용융 유동 지수를 갖는 중합체로 본질적으로 이루어짐 - ; 중합체 용융 스트림과 별도로 윤활제를 오리피스로 전달하는 단계; 및 중합체 용융 스트림이 오리피스의 출구에서 빠져 나온 후에 벌크 중합체를 포함하는 섬유를 수집하는 단계에 의해, 중합체 섬유를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 방법, 시스템 및 물품의 다양한 실시 형태의 이들 및 다른 특징 및 이점은 본 발명의 다양한 예시적 실시 형태와 관련하여 이하에서 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하나의 미립자 로딩된 섬유의 이상화된 확대 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 방법을 위한 공정 윈도우(process window)를 도시하는 개략도.
도 3은 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 하나의 예시적인 다이의 일부의 확대 단면도.
도 4는 도 3의 다이 내의 오리피스의 확대도.
도 5는 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 하나의 예시적인 압출 다이 플레이트의 일부의 평면도.
도 6은 본 발명에 따른 다이를 포함하는 하나의 시스템의 개략도.
도 7은 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 다른 압출 장치의 확대 단면도.
도 8은 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 다른 예시적인 다이 오리피스 및 윤활 채널의 확대 평면도.
도 9는 본 발명의 방법에 따라 다이 오리피스에서 배출되는 하나의 예시적인 중합체 섬유의 확대 단면도.
본 발명의 예시적인 실시 형태의 하기의 상세한 설명에서, 본 발명의 일부를 형성하며 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 형태가 예로서 도시되어 있는 첨부 도면을 참조한다. 다른 실시 형태가 이용될 수 있고 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 구조적 변화가 행해질 수 있음을 이해해야 한다.
상기 논의된 바와 같이, 본 발명은 윤활식 유동 압출 공정을 통해 중합체 섬유를 제조하는 방법 및 시스템을 제공한다. 본 발명은 또한 바람직하게는 그러한 시스템 및 방법을 사용하여 제조될 수 있는 미립자 로딩된 중합체 섬유를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 하나의 예시적인 미립자 로딩된 섬유(2)의 이상화된 단면도이다. 섬유(2)에는 그 길이를 따라 연장하는 종축(3)이 형성된다. 섬유(2)는 하나 이상의 중합체(때로는 본 명세서에서 중합체 결합제로 지칭됨)로 형성된 본체(4)를 포함한다. 본체(4)는 종축(3)의 길이를 따라 연장하며 외부 표면(5)을 포함한다. 도 1에 도시된 섬유 본체(4)는 대체로 원형의 단면 형상(종축(3)에 횡방향으로 취함)을 갖지만, 본 발명의 섬유는 임의의 적합한 단면 형상, 예컨대 타원형, 삼각형, 직사각형, 육각형, 불규칙한 형상 등을 취할 수도 있다.
섬유 본체(4)를 형성하는 데 사용되는 하나 이상의 중합체는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 임의의 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 섬유 본체(4)의 하나 이상의 중합체는 용융 유동 지수(MFI)가 30 이하, 10 이하, 1 이하, 0.1 이하 등인 것이 바람직할 수 있으며, 하나 이상의 중합체는 반결정성 중합체(예컨대, 나일론)인 것이 바람직할 수 있는 등이다.
도 1과 관련하여, 캡슐화된 입자(6)가 또한 도시되어 있다(여기서, "캡슐화된"은 그 입자가 섬유 본체(4)를 형성하는 중합체 내에 완전하게 포함되는 것을 의미함). 중합체 본체(4) 내에 캡슐화된 입자(6) 외에, 섬유(2)는 섬유 본체(4)를 형성하는 중합체 내에 단지 매립되어(또는 부분적으로 캡슐화되어) 입자의 일부가 섬유 본체(4)의 외부 표면(5) 상에서 노출되어 있는 입자(7)를 또한 포함할 수 있다.
본체(4) 내에 캡슐화된 입자(6) 중에서, 캡슐화된 입자(6)는 캡슐화된 입자 밀도가 섬유(2)의 외부 표면(5) 부근에서 더 높도록 섬유 내에 분포되는 것이 바람직할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "캡슐화 입자 밀도"는 섬유의 단위부피 당 캡슐화된 입자의 수를 지칭한다. 몇몇 실시 형태에서, 섬유 부피의 최외측 20％ 내의 캡슐화된 입자 밀도가 섬유 부피의 최내측 20％ 내의 입자 밀도의 2배 이상인 것이 바람직할 수 있다. 대안적으로, 캡슐화된 입자의 50％ 이상이 섬유의 최외측 20％ 내에 배치되는 것이 바람직할 수 있다. 다른 대안에서, 캡슐화된 입자의 90％가 섬유 부피의 최외측 10％ 내에 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
입자(6)(및 외부 표면(5) 상에 노출된 입자(7))는 바람직하게는 중합체 본체(4)와 쉽게 혼합되거나 그 내로 용융되지 않는 물질로 형성될 수 있다. 입자(6 및 7)는 비-중합체 물질로 형성되는 것이 바람직할 수 있다(하지만, 입자(6 및 7)가 주위의 섬유 본체(4)로부터 그들의 분리되고 구별되는 형태를 유지하도록 그 용융 처리 온도(본 명세서에서 정의되는 바와 같음)가 충분히 높은 경우 몇몇 입자가 본 발명과 관련하여 사용될 수 있음을 이해해야 한다). 본 발명의 미립자 로딩된 섬유에 사용될 수 있는 몇몇 잠재적으로 적합한 비-중합체 입자의 예에는, 예컨대 금속, 금속 산화물(예를 들어, 산화알루미늄), 세라믹, 유리, 광물 등이 포함될 수 있다.
몇몇 경우에서, 본 발명의 섬유에 부가되는 입자는, 예컨대 역반사체 등과 같이 광학적 기능성을 포함할 수 있다. 본 발명과 관련하여 입자로서 사용될 수 있는 몇몇 잠재적으로 적합한 광학 요소의 예에는, 예컨대 미국 특허 제4,367,919호(텅(Tung) 등), 제5,774,265호(매터스(Mathers) 등), 제5,835,271호(스텀프(Stump) 등), 제5,853,851호(모리스(Morris)) 등에 설명되어 있다.
본 발명의 미립자 로딩된 섬유와 관련하여 사용되는 입자는 그 크기에 기초하여 특징지을 수 있다. 예를 들어, 입자는 그들이 섬유 형성 또는 압출(압출이 섬유가 형성되는 공정인 경우)을 방해하지 않도록 충분히 작은 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 경우에서, 입자는 최대 직경이 1 밀리미터 이하, 500 마이크로미터 이하, 250 마이크로미터 이하, 100 마이크로미터 이하, 50 마이크로미터 이하, 또는 10 마이크로미터 이하인 것이 바람직할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 입자의 "최대 크기"는 입자를 그 입자 크기 이상의 크기의 개구를 갖는 스크린 또는 체(sieve)를 통과하도록 하는 스크리닝(screening) 또는 체분리(sieving)에 의해 결정된다. 예를 들어, 최대 크기가 100 마이크로미터 이하인 입자는 직경이 100 마이크로미터인 개구를 가진 스크린 또는 체를 통과할 것이다. 본 발명의 미립자 로딩된 중합체 섬유와 관련하여 입자 크기를 특징짓는 다른 방법에서는, 최대 크기가 섬유 직경의 함수로서 설명될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 미립자 로딩된 섬유 내의 입자의 최대 크기는 섬유 직경의 10％ 이하, 섬유 직경의 30％ 이하, 또는 섬유 직경의 50％ 이하인 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 미립자 로딩된 섬유는 바람직하게는 하나 이상의 오리피스를 가진 다이로부터 중합체 용융 스트림을 압출시키는 것을 수반하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 섬유 본체 내에서 캡슐화되는 입자는 바람직하게는 중합체 용융 스트림이 다이로 전달될 때 이 중합체 용융 스트림 내에 혼입된다.
윤활제는 바람직하게는 중합체 용융 스트림이 다이를 통과할 때 이 중합체 용융 스트림의 외부 표면 둘레에 윤활제가 우선적으로 배치되게 하는 방식으로 중합체 용융 스트림과 별도로 다이로 전달된다. 윤활제는 다른 중합체 또는 다른 물질, 예컨대 광유 등일 수 있다. 윤활제의 점도는 (윤활된 중합체가 압출되는 조건 하에서) 윤활된 중합체의 점도보다 사실상 더 낮은 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 예시적인 다이 및 그로부터 압출될 수 있는 섬유가 이하 설명된다.
본 발명의 방법 및 시스템에서 윤활제를 사용하는 것의 하나의 잠재적인 이점은 섬유가 제조될 수 있는 공정 윈도우가 종래의 중합체 섬유 압출 공정에 비하여 넓어질 수 있다는 것이다. 도 2는 이러한 잠재적인 이점을 예시하는 무차원 그래프를 도시한다. 중합체 용융 스트림의 유량은 x-축을 따라 우측으로 이동할수록 증가하며, 윤활제의 유량은 y-축을 따라 상향으로 이동할수록 증가한다. 점선(x-축에 가장 가깝게 도시됨)과 실선(점선 위에 배치됨) 사이의 영역은 중합체 용융 스트림과 윤활제의 유량이 서로에 대하여 정상 상태로 유지될 수 있는 영역을 나타낸다. 정상 상태 유동의 특징은 바람직하게는 중합체 용융 스트림과 윤활제 둘 모두에 대한 정상 압력이다. 또한, 정상 상태 유동은 또한 바람직하게는 윤활제 및/또는 중합체 용융 스트림에 대해 상대적으로 낮은 압력에서 일어날 수 있다.
(점선으로부터 실선의 반대편 상의) 실선 위의 영역은 과량의 윤활제가 다이를 통한 중합체 용융 스트림의 유동을 펄스화할 수 있는 영역을 나타낸다. 몇몇 경우에, 펄스는 중합체 용융 스트림 유동을 중단시키고 다이에서 배출되는 임의의 섬유를 파단시키거나 종결시키기에 충분하게 강할 수 있다.
점선 아래(즉, 점선과 x-축 사이)의 영역은 윤활제 유동이 지연되거나 0으로 가는 상태를 나타낸다. 그러한 상황에서, 중합체 용융 스트림의 유동은 더 이상 윤활되지 않으며, 중합체 용융 스트림과 윤활제의 압력은 전형적으로 급격하게 상승한다. 예를 들어, 중합체 용융 스트림의 압력은 그러한 조건 하에서는 순식간에 1.3 × 106 ㎩ (200 psi)에서 1.4 × 107 ㎩ (2400 psi)로 상승할 수 있다. 이 영역은 통상의 비윤활식 섬유 형성 다이에 대한 종래의 작동 윈도우로 간주될 것이며, 이때 중합체의 질량 유량은 주로 높은 작동 압력에 의해 제한된다.
도 2에 예시된 넓어진 공정 윈도우는 바람직하게는 중합체의 본질적으로 순수한 신장 유동을 형성하는 방식으로 오리피스가 수렴하는 다이를 사용하여 제공될 수 있다. 그렇게 하기 위하여, 다이 오리피스는 본 명세서에 논의된 바와 같이 그 길이(즉, 제 1 중합체가 유동하는 방향)를 따라 반쌍곡선형으로 수렴하는 프로파일을 갖는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 적어도 몇몇 실시 형태의 잠재적인 이점은 특히 전형적으로는 중합체 섬유로 압출되지 않는 중합체 물질의 중합체 섬유를 제조하는 능력이다. 용융 유동 지수는 중합체의 용융 점도와 관련된 통상의 산업계 용어이다. 미국 재료 시험 협회(American Society for Testing and Materials, ASTM)는 시험 방법(ASTM D1238)을 포함한다. 이러한 시험 방법은 특정 중합체 유형을 측정하는 데 사용되어야 하는 하중 및 온도를 지정한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용융 유동 지수 값은 주어진 중합체 유형에 대해 ASTM D1238에 의해 지정된 조건에서 얻어져야 한다. 용융 지수 시험의 일반적인 원리는 상부 상의 플런저 및 그 하부에 배치된 작은 모세관 또는 오리피스를 갖는 실린더 내에서 시험될 중합체를 가열하는 것을 수반한다. 열적으로 평형 상태가 된 때, 소정의 추를 플런저 상에 배치하고 압출물을 수집하여 소정의 시간 동안 칭량한다. 더 높은 용융 지수 값은 전형적으로 더 높은 유량 및 더 낮은 점도와 관련되며, 이 둘 모두는 더 낮은 분자량을 나타낼 수 있다. 역으로, 낮은 용융 지수 값은 전형적으로 더 낮은 유량 및 더 높은 점도와 관련되며, 이 둘 모두는 더 높은 분자량의 중합체를 나타낼 수 있다.
종래의 중합체 섬유 압출 공정에서, 압출된 중합체의 MFI는 약 35 이상이다. 본 발명의 방법을 사용하여, 압출된 중합체 섬유를 형성하는 데 사용되는 중합체 용융 스트림은 하나 이상의 중합체를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 중합체 모두는 30 이하, 몇몇 경우에는 10 이하, 다른 경우에는 1 이하, 그리고 또 다른 경우에는 0.1 이하의 MFI를 나타낸다. 몇몇 실시 형태에서, 중합체 용융 스트림은 바람직하게는 30 이하, 몇몇 경우에는 10 이하, 다른 경우에는 1 이하, 그리고 또 다른 경우에는 0.1 이하의 MFI를 나타내는 하나의 중합체로 본질적으로 이루어질 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 중합체 용융 스트림은 중합체 용융 스트림의 부피의 적어도 대부분을 형성하는 벌크 중합체(bulk polymer)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 몇몇 경우에서 벌크 중합체는 중합체 용융 스트림의 부피의 60％ 이상을 형성하는 것이 바람직할 수 있으며, 또는 다른 경우에서 벌크 중합체는 중합체 용융 스트림의 부피의 75％ 이상을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 이들 경우에서, 부피는 중합체 용융 스트림이 다이의 오리피스로 전달될 때 결정된다.
벌크 중합체는 바람직하게는 30 이하, 몇몇 경우에는 10 이하, 다른 경우에는 1 이하, 그리고 또 다른 경우에는 0.1 이하의 MFI를 나타낼 수 있다. 벌크 중합체를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있는 실시 형태에서, 중합체 용융 스트림은 벌크 중합체 외에 하나 이상의 이차 중합체를 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 이차 중합체는 바람직하게는 30 이하, 몇몇 경우에는 10 이하, 다른 경우에는 1 이하, 그리고 또 다른 경우에는 0.1 이하의 MFI를 나타낼 수 있다.
저 MFI 중합체일 수 있으며 본 발명과 관련하여 섬유로 압출될 수 있는 중합체의 몇몇 예에는, 예를 들어 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 에틸렌-프로필렌-다이엔-단량체(EPDM) 고무, 고분자량 폴리프로필렌, 폴리카르보네이트, ABS, AES, 폴리이미드, 노르보르넨, Z/N 및 메탈로센 공중합체(EAA, EMAA, EMMA, 등), 폴리페닐렌 설파이드, 이오노머, 폴리에스테르, 폴리아미드, 및 유도체(예컨대, PPS, PPO PPE)가 포함될 수 있다.
본 발명과 상용성일 수 있는 저 MFI 중합체의 다른 예는 통상의 "유리질" 중합체이다. 본 명세서에서 사용되는 "유리질"이라는 용어는 물질에서 밀도, 리올로지(rheology), 광학 및 유전성 변화에 특징적인 유리 전이 온도(Tg)를 나타내는 조밀 랜덤 형태(dense random morphology)와 통상적으로 동일하게 사용된다. 유리질 중합체의 예에는 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리카르보네이트, 폴리비닐클로라이드 등이 포함될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
본 발명과 상용성일 수 있는 저 MFI 중합체의 또 다른 예는 통상의 "고무질" 중합체이다. "고무질"이라는 용어는 통상의 명명법에서 사용되는 것과 동일한데, 즉 긴 이완 시간을 가진 물질을 생성하도록 상당한 얽힘을 형성하기에 충분한 분자량을 가진 랜덤 거대분자 물질이다. "고무질" 중합체의 예에는 폴리우레탄, 초저밀도 폴리에틸렌, 스티렌계 블록 공중합체, 예컨대 스티렌-아이소프렌-스티렌(SIS), 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS), 스티렌-에틸렌/부틸렌-스티렌(SEBS), 폴리아이소프렌, 폴리부타디엔, EPDM 고무, 및 그들의 유사체가 포함될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
전형적으로 MFI에 의해 특징지어지지 않는 중합체의 경우, 용융 점도에서 대안을 찾을 수 있다. MFI는 분자량에 역비례하는 반면, 용융 점도는 전형적으로 선택된 중합체의 분자량의 증가에 따라 증가한다. 더욱 전형적으로 용융 점도에 의해 특징지어질 수 있는 중합체의 예에는, 예컨대 폴리에스테르, 폴리아미드(예컨대, 나일론) 등이 포함된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 주어진 중합체의 용융 점도는 중합체가 다이 오리피스의 입구로 전달되는 온도에서 측정된다. 용융 점도에 의해 특징지어지는 중합체의 경우, 본 발명과 관련하여 사용되는 중합체의 용융 점도는 약 100 파스칼-초(㎩·s) 이상인 것이 바람직할 수 있다. 본 발명은 또한 200 파스칼-초 이상, 300 파스칼-초 이상, 또는 400 파스칼-초 이상의 용융 점도를 가진 중합체를 사용하여 섬유를 용융 압출시키는 데 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 비결정성 중합체를 섬유로 압출시키는 데 사용될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "비결정성 중합체"는 ASTM D3418에 따라 시차주사열량계(differential scanning calorimeter)에서 가열될 때 뚜렷한 융점 또는 일차 전이의 결여에 의해 대개 나타내어지는 결정성을 거의 갖지 않거나 전혀 갖지 않는 중합체이다.
또 다른 실시 형태에서, 본 발명의 잠재적인 이점은 중합체 용융 스트림으로서 다중상 중합체 및 윤활제를 사용하여 중합체 섬유를 압출하는 능력에서 찾을 수 있다. 다중상 중합체란, 예를 들어 그들 자신의 분리된 영역들 내로 유착되는 상이한 화학종들로 구성되는 유기 거대분자를 의미할 수 있다. 각각의 영역은 유리 전이 온도(Tg), 비중 밀도, 광학 밀도 등과 같은 그 자신의 뚜렷한 특성을 갖는다. 다중상 중합체의 하나의 그러한 특성은 분리된 중합체 상들이 온도에 대한 상이한 리올로지 반응을 나타낸다는 것이다. 더욱 구체적으로, 압출 공정 온도에서 그들의 용융 점도는 뚜렷하게 상이할 수 있다. 몇몇 다중상 중합체의 예는, 예를 들어 미국 특허 제4,444,841호(휠러(Wheeler)), 제4,202,948호(피스코(Peascoe)), 및 제5,306,548호(자브록키(Zabrocki) 등)에 개시된 것일 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "다중상"은 비혼화성 단량체들의 공중합체를 포함하는 거대분자의 배열을 지칭한다. 존재하는 공중합체들의 비상용성으로 인하여, 뚜렷하게 상이한 상 또는 "도메인"이 동일한 물질 매스 내에 존재할 수 있다. 본 발명에 따라 다중상 중합체 섬유를 압출하는 데 사용하기에 적합할 수 있는 열가소성 중합체의 예에는 하기 부류로부터의 물질이 포함되지만 이에 한정되지 않는다: 폴리에테르, 폴리에스테르, 또는 폴리아미드의 다중상 중합체; 배향된 신디오탁틱(syndiotactic) 폴리스티렌, 에틸렌-프로필렌-다이엔 단량체의 중합체("EPDM") - 스티렌 및 아크릴로니트릴의 혼합물로 그래프트된 에틸렌-프로필렌-비콘쥬게이션 다이엔 삼원 공중합체(아크릴로니트릴 EPDM 스티렌 또는 "AES"로도 알려짐) 포함 - ; "ASA" 또는 아크릴레이트-스티렌-아크릴로니트릴 공중합체로 알려진 스티렌 및 아크릴로니트릴 또는 그 유도체(예를 들어, 알파-메틸 스티렌 및 메타크릴로니트릴)로 그래프트된 가교결합된 아크릴레이트 고무 기재(예를 들어, 부틸 아크릴레이트)를 포함하는 것, 및 "ABS" 또는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체로 알려진 스티렌 또는 아크릴로니트릴 또는 그 유도체(예를 들어, 알파-메틸 스티렌 및 메타크릴로니트릴)로 그래프트된 부타디엔과 스티렌 또는 아크릴로니트릴의 공중합체 또는 부타디엔의 기재를 포함하는 것과 같은 그래프트 고무 조성물뿐만 아니라, 전형적으로 또한 "ABS" 중합체로 불리는 추출성 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체(즉, 비그래프트 공중합체)를 포함하는 스티렌-아크릴로니트릴("SAN") 공중합체; 및 그 조합 또는 블렌드. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "공중합체"라는 용어는 삼원공중합체, 사원공중합체 등을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
다중상 중합체 섬유를 압출하는 데 사용될 수 있는 중합체의 몇몇 예는 AES, ASA, 및 ABS로 상기 언급된 다중상 공중합체 수지(즉, 다중상 스티렌계 열가소성 공중합체)의 스티렌계 패밀리 및 그 조합 또는 블렌드에서 찾을 수 있다. 그러한 중합체는 미국 특허 제4,444,841호(휠러), 제4,202,948호(피스코), 및 제5,306,548호(자브록키 등)에 개시되어 있다. 블렌드는 각각의 층이 상이한 수지인 다층 섬유의 형태이거나, 후에 단일 섬유로 압출되는 중합체의 물리적 블렌드일 수 있다. 예를 들어, ASA 및/또는 AES 수지는 ABS 위에 공압출될 수 있다.
다중상 중합체 시스템은 상이한 상들이 처리에 대한 매우 상이한 리올로지 반응을 가질 수 있으므로 섬유 처리에서 주요한 문제를 제기할 수 있다. 예를 들어, 결과는 다중상 중합체의 열등한 인장 반응일 수 있다. 상이한 상들의 상이한 리올로지 반응은 압출된 섬유를 인발시키거나 당기는 것을 수반하는 종래의 섬유 형성 공정 동안의 인발 반응에서의 넓은 변동을 야기할 수 있다. 많은 경우에, 다중 중합체 상의 존재는 인발 공정의 인장 응력에 저항하기에 충분하지 못한 응집을 나타내어 섬유가 파단되거나 파열되게 한다.
본 발명에서, 다중상 중합체를 압출하는 것과 관련될 수 있는 특이한 문제는 섬유 형성 동안 물질이 어떻게 배향되는지에 기초하여 해결될 수 있다. 본 발명과 관련하여, 다중상 중합체 물질은 중합체 물질을 (당기거나 인발시키는 것과 반대로) 배향시키기 위해 다이 오리피스를 통해 압착되거나 '밀어 넣어진다'. 그 결과, 본 발명은 파쇄 가능성을 상당히 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 사용될 수 있는 몇몇 다중상 중합체는 다중상 AES 및 ASA 수지, 및 그 조합 또는 블렌드이다. 구매가능한 AES 및 ASA 수지, 또는 그 조합은, 예를 들어 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미칼 컴퍼니(Dow Chemical Company)로부터의 로벨(ROVEL), 및 독일 루드빅샤펜 소재의 바스프 악티엔게젤샤프트(BASF Aktiengesellschaft)로부터의 로란(LORAN) S 757 및 797, 미국 코네티컷주 스프링필드 소재의 바이엘 플라스틱스(Bayer Plastics)로부터의 센트렉스(CENTREX) 833 및 401, 미국 뉴욕주 셀커크 소재의 제너럴 일렉트릭 컴퍼니(General Electric Company)로부터의 겔로이(GELOY), 일본 도쿄 소재의 히타치 케미칼 컴퍼니(Hitachi Chemical Company)로부터의 비탁스(VITAX)라는 상표명으로 입수가능한 것을 포함한다. 몇몇 구매가능한 AES 및/또는 ASA 물질은 또한 블렌딩된 ABS를 갖는 것으로 여겨진다. 구매가능한 SAN 수지는 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미칼로부터 타이릴(TYRIL)이라는 상표명으로 입수가능한 것을 포함한다. 구매가능한 ABS 수지는 미국 매사추세츠주 피츠필드 소재의 제너럴 일렉트릭으로부터의 사이오락(CYOLAC) GPX 3800과 같은 사이오락이라는 상표명으로 입수가능한 것을 포함한다.
다중상 중합체 섬유는 또한 상기 열거한 물질 중 하나 이상과 하나 이상의 다른 열가소성 중합체의 블렌드로부터 제조될 수 있다. 상기 열거한 항복(yielding) 물질과 블렌딩될 수 있는 그러한 열가소성 중합체의 예에는 하기 부류로부터의 물질이 포함되지만 이에 제한되지 않는다: 이축 배향 폴리에테르; 이축 배향 폴리에스테르; 이축 배향 폴리아미드; 아크릴 중합체, 예컨대 폴리(메틸 메타크릴레이트); 폴리카르보네이트; 폴리이미드; 셀룰로오스계 물질, 예컨대 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 (아세테이트-코-부티레이트), 셀룰로오스 니트레이트; 폴리에스테르, 예컨대 폴리(부틸렌 테레프탈레이트), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트); 플루오로중합체, 예컨대 폴리(클로로플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드); 폴리아미드, 예컨대 폴리(카프로락탐), 폴리(아미노 카프로산), 폴리(헥사메틸렌 다이아민-코-아디프산), 폴리(아미드-코-이미드), 및 폴리(에스테르-코-이미드); 폴리에테르케톤; 폴리(에테르이미드); 폴리올레핀, 예컨대 폴리(메틸펜텐); 지방족 및 방향족 폴리우레탄; 폴리(페닐렌 에테르); 폴리(페닐렌 설파이드); 어탁틱(atactic) 폴리(스티렌); 주조 신디오탁틱 폴리스티렌; 폴리설폰; 실리콘 개질 중합체(즉, 작은 중량％(10 중량％ 미만)의 실리콘을 함유하는 중합체), 예컨대 실리콘 폴리아미드 및 실리콘 폴리카르보네이트; 미국 델라웨어주 윌밍톤 소재의 이.아이. 듀폰 디 네모아(E.I. duPont de Nemours)로부터 설린(SURLYN)-8920 및 설린-9910이라는 상표명으로 입수가능한 나트륨 또는 아연 이온을 가진 폴리(에틸렌-코-메타크릴산)과 같은 이오노머 에틸렌 공중합체; 산 작용성 폴리에틸렌 공중합체, 예컨대 폴리(에틸렌-코-아크릴산) 및 폴리(에틸렌-코-메타크릴산), 폴리(에틸렌-코-말레산), 및 폴리(에틸렌-코-푸마르산); 불소 개질 중합체, 예컨대 퍼플루오로폴리(에틸렌테레프탈레이트); 및 상기 중합체들의 혼합물, 예컨대 폴리이미드 및 아크릴 중합체 블렌드, 및 폴리(메틸메타크릴레이트) 및 플루오로중합체 블렌드.
본 발명과 관련하여 사용되는 중합체 조성물은 기타 성분, 예를 들어 UV 안정제 및 산화방지제, 예컨대 미국 뉴욕주 아드슬리 소재의 시바-가이기 코포레이션(Ciba-Geigy Corp.)으로부터 이르가녹스(IRGANOX)라는 상표명으로 입수가능한 것, 안료, 난연제, 정전기 방지제, 주형 이형제, 예컨대 미국 뉴저지주 호보켄 소재의 헨켈 코포레이션(Henkel Corp.)으로부터 록실(LOXIL) G-715 또는 록실 G-40이라는 상표명으로, 또는 미국 노스캐롤라이나주 샬롯 소재의 훽스트 셀라니즈 코포레이션(Hoechst Celanese Corp.)으로부터 왁스(WAX) E라는 상표명으로 입수가능한 지방산 에스테르를 포함할 수 있다. 안료 및 염료와 같은 착색제가 또한 중합체 조성물 내로 혼입될 수 있다. 착색제의 예에는 미국 델라웨어주 윌밍톤 소재의 듀폰 디 네모아로부터 R960이라는 상표명으로 입수가능한 금홍석 TiO2 안료, 산화철 안료, 카본 블랙, 황화카드뮴, 및 구리 프탈로사이아닌이 포함될 수 있다. 흔히, 상기 기재된 중합체는 이들 첨가제 중 하나 이상, 특히 안료 및 안정제와 함께 구매가능하다. 전형적으로, 그러한 첨가제는 원하는 특징을 부여하는 양으로 사용된다. 바람직하게는, 이들은 중합체 조성물의 총 중량을 기준으로 약 0.02-20 중량％, 그리고 더 바람직하게는 약 0.2-10 중량％의 양으로 사용된다.
본 발명의 적어도 몇몇 실시 형태의 다른 잠재적인 이점은 상대적으로 낮은 온도에서 중합체 용융 스트림을 압출하는 능력이다. 예를 들어, 반결정성 중합체의 경우, 다이 내의 각각의 오리피스의 입구를 통해 밀어 넣어질 때의 중합체 용융 스트림의 평균 온도가 중합체 용융 스트림의 용융 처리 온도보다 섭씨 10도 이하 이내만큼 높을 때 중합체 용융 스트림을 압출할 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 중합체 용융 스트림의 평균 온도는 바람직하게는 중합체 용융 스트림이 오리피스의 출구에서 빠져 나오기 전에 중합체 용융 스트림의 용융 처리 온도이거나 그보다 낮을 수 있다. 그렇게 하기 위하여, 다이 온도는 중합체 용융 스트림의 용융 처리 온도이거나 그보다 낮은 온도로 제어되는 것이 바람직할 수 있다.
이론에 의해 구애되고자 함은 없지만, 본 발명은 압출 동안 중합체를 처리하는 윤활제 특성의 우월성에 의존할 수 있으며, 이때 중합체 점도는 응력(압력 및 온도) 반응에서 상대적으로 중요하지 않은 인자로서 역할하는 것으로 이론화된다. 또한, 윤활제의 존재는 다이 내에서 중합체의 "켄칭"(예를 들어, 결정 또는 유리 "유리화"(vitrification) 형성)을 허용할 수 있다. 다이내 켄칭의 잠재적인 이점은, 예를 들어 압출물의 배향 및 치수 정밀성의 유지를 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 중합체 용융 스트림의 "용융 처리 온도"는 중합체 용융 스트림이 1초 이하의 기간 내에 다이의 오리피스를 통과할 수 있는 가장 낮은 온도이다. 몇몇 경우에, 용융 처리 온도는, 중합체 용융 스트림이 비결정성인 경우 유리 전이 온도이거나 또는 그보다 약간 높을 수 있으며, 또는 중합체 용융 스트림이 결정성 또는 반결정성인 경우 용융 온도이거나 그보다 약간 높을 수 있다. 중합체 용융 스트림이 하나 이상의 결정성 및 하나 이상의 반결정성 중합체 중 어느 하나 또는 둘 모두와 블렌딩된 하나 이상의 비결정성 중합체를 포함하는 경우, 용융 처리 온도는 비결정성 중합체의 가장 낮은 유리 전이 온도 또는 결정성 및 반결정성 중합체의 가장 낮은 용융 온도 중 더 낮은 온도이다.
본 발명에 따라 다이 내에 사용될 수 있는 하나의 예시적인 다이 오리피스는 도 3의 단면도에 도시되어 있으며, 여기서 다이 플레이트(10) 및 상보적인 다이 플레이트 커버(12)가 단면도로 도시도어 있다. 다이 플레이트(10) 및 다이 플레이트 커버(12)는 다이 플레이트(10) 내의 오리피스(22)와 유체 연통하는 중합체 전달 통로(20)를 형성한다. 다이 플레이트 커버(12) 내에 형성된 중합체 전달 통로(20)의 일부는 개구(16)에서 종결되며, 여기서 중합체 용융 스트림은 개구(14)를 통해 다이 플레이트(10) 내에 형성된 중합체 전달 통로(20)의 일부로 진입한다. 도시된 실시 형태에서, 다이 플레이트 커버(12) 내의 개구(16)는 일반적으로 다이 플레이트(10) 내의 개구(14)와 동일한 크기이다.
도 4는 오리피스(22)의 확대도를 도시하며, 오리피스(22)의 반경을 나타내는 참조 문자 "r" 및 축(11)을 따른 오리피스(22)의 길이를 나타내는 참조 문자 "z"가 추가되어 있다. 다이 플레이트(10) 내에 형성된 오리피스(22)는 바람직하게는 단면적(축(11)에 횡방향으로 측정됨)이 입구(24)의 단면적보다 작도록 수렴할 수 있다. 본 명세서에 논의된 바와 같이, 다이 오리피스(22)의 형상은 중합체 용융 스트림의 연신 변형 속도가 오리피스(22)의 길이를 따라(즉, 축(11)을 따라) 일정하도록 설계되는 것이 바람직할 수 있다.
본 명세서에 논의된 바와 같이, 다이 오리피스는 수렴하는 반쌍곡선형 프로파일을 갖는 것이 바람직할 수 있다. "반쌍곡선" 형상의 정의는 부피 유동, 채널 면적 및 유체 속도 간의 기본적 관계에서 시작한다. 오리피스(22)의 설명과 관련하여 원통 좌표가 사용되지만, 본 발명과 관련하여 사용되는 다이 오리피스는 원형의 원통형 프로파일을 갖지 않을 수도 있음을 이해해야 한다.
축(11)을 따른 오리피스(22)를 통한 유동은 하기 수학식에 의해 축(11)을 따른 각각의 위치에서 설명될 수 있다:
Q = V * A
여기서, Q는 오리피스를 통한 부피 유동의 측정치이며, V는 오리피스를 통한 유동 속도이고, A는 축(11)을 따른 선택된 위치에서의 오리피스(22)의 단면적이다.
수학식 1을 재배열하여 속도에 대해 풀면, 하기 수학식을 얻을 수 있다:
V = Q / A
수렴하는 오리피스의 단면적이 오리피스의 채널 길이를 따라 변화하기 때문에, 하기 수학식은 수학식 2의 변수들 사이의 다양한 관계를 설명하는 데 사용될 수 있다:
dVz/dz = (-Q/A2 )(dA/dz)
수학식 3에서, 오리피스의 길이 하방으로의 위치 변화에 따른 속도의 변화에 대한 표현은 또한 유체의 신장 유동(extensional flow)(ε)을 정의한다. 정상 또는 일정 신장 유동은 수렴하는 오리피스를 통한 유동의 바람직한 결과일 수 있다. 결과적으로, 오리피스의 단면적은 오리피스를 통한 일정 신장 유동을 생성하는 방식으로 변화하는 것이 바람직할 수 있다. 정상 또는 일정 신장 유동을 정의하는 수학식은 하기와 같이 표현될 수 있다:
dVz/dz = ε = 상수
오리피스 길이 하방으로의 위치 변화에 따른 면적의 변화를 대체할 수 있으며 일정 또는 정상 신장 유동을 생성할 표현은 하기와 같이 표현될 수 있다:
f(r,z) = 상수 = r2z
수학식 5의 표현의 총괄적 형태는 하기와 같을 수 있다:
f(r,z) = C1 + C2r2z
수학식 6은 본 발명과 관련하여 사용되는 바와 같은 오리피스(22)의 형상을 결정하는 데 사용될 수 있다. 오리피스의 형상을 설계하기 위하여, (출구 직경이 오리피스(22)로부터 압출되는 섬유 크기를 나타냄을 이해하면서) 오리피스(22)의 출구(26)의 직경의 기하학적 구속조건이 결정되는 것이 바람직할 수 있다. 대안적으로, 오리피스(22)의 입구(24)의 직경이 사용될 수 있다.
오리피스(22)의 입구(24) 또는 출구(26) 중 하나의 반경(및 그에 따른 상응하는 면적)이 선택되고, 이어서 다른 하나가 선택된 원하는 신장 변형을 선택함으로써 결정될 수 있다면, 다른 반경(즉, 입구(24) 또는 출구(26)의 반경)은 바람직하게는 오리피스(22)를 통과하는 유체(즉, 중합체 용융 스트림)가 겪게 되는 원하는 신장 변형을 선택함으로써 결정될 수 있다.
이러한 값, 즉 신장 변형은 때로는 "헨키 변형"(Hencky Strain)으로 지칭될 수 있다. 헨키 변형은 신장되는 재료의 신장 또는 공학적 변형에 기초한다. 이하 제시된 수학식은 채널, 예를 들어 본 발명의 오리피스를 통과하는 유체에 대한 헨키 변형을 설명한다:
유체에 대한 헨키 변형 = ln( ro 2 / rz 2) = ln(Ao/Az)
오리피스를 통과하는 유체가 겪게 되는 원하는 헨키 변형의 선택은 상기 논의된 바와 같이 오리피스의 다른 단부의 반경(및 그에 따른 면적)을 고정 또는 설정한다. 최종적으로 남아 있는 설계 특징은 윤활되는 오리피스의 길이를 확립하는 것이다. 오리피스(22)의 길이(도 4의 "z")가 선택되고 입구(24) 및 출구의 반경/면적이 알려지면, 수학식 6은 오리피스(22)의 길이 하방으로의("z" 방향을 따름) 위치 변화에 따른 반경(면적) 변화에 대해 회귀되어 상수 C1 및 C2가 얻어질 수 있다. 하기 수학식은 "z" 치수를 따른 각각의 위치에서의 오리피스의 반경(rz)을 제공한다:
rz = [((z)(es - 1) + 길이)/(r입구 2 * 길이)]-1/2
여기서, z는 오리피스의 입구에서부터 측정할 때 z 방향으로 종축을 따른 위 치이며, e = (r입구)2/(r출구)2이고, s = 헨키 변형이며, r입구는 오리피스로의 입구에서의 반경이고, r출구는 오리피스의 출구에서의 반경이며, 길이는 오리피스의 입구에서 출구까지 z 방향으로의 오리피스의 전체 길이이다. 헨키 변형 및 관련 원리의 논의에 대해서는, 문헌[C.W. Macosko "Rheology - Principles, Measurements and Applications," pp. 285-336 (Wiley-VCH Inc., New York, 1st Ed. 1994)]을 참조할 수 있다.
도 3으로 돌아가서, 다이 플레이트(10)는 또한 다이 플레이트(10)와 다이 플레이트 커버(12) 사이에 형성된 윤활제 플리넘(32)과 유체 연통하는 윤활제 통로(30)를 포함한다. 다이 플레이트(10)와 다이 플레이트 커버(12)는 바람직하게는 간극(34)을 형성하여, 윤활제 통로(30)를 통해 윤활제 플리넘(32) 내로 통과된 윤활제는 슬롯(36)으로부터 그리고 개구(14)를 통해 중합체 전달 통로(20)로 통과할 것이다. 따라서, 윤활제는 중합체 용융 스트림과 별도로 오리피스(22)로 전달될 수 있다.
슬롯(36)은 바람직하게는 중합체 전달 통로(20)의 주연부 둘레로 연장할 수 있다. 슬롯(36)은 바람직하게는 중합체 전달 통로(20)의 주연부 둘레에서 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 간극(34) 및 슬롯(36)을 형성하는 다이 플레이트(10)와 다이 플레이트 커버(12) 사이의 간격은 중합체 용융 스트림이 중합체 전달 통로(20)를 통과하는 압력, 중합체 용융 스트림과 윤활제의 상대 점도, 등과 같은 다 양한 인자에 기초하여 조절될 수 있다. 몇몇 경우에, 슬롯(36)은 간극(34)을 형성하는 2개의 거친(예를 들어, 모래분사된, 연마된, 등) 표면(또는 하나의 거친 표면과 반대편의 부드러운 표면)의 계면에 의해 형성된 개구 또는 개구들의 형태일 수 있다.
도 5는 다이 플레이트 커버(12)가 제거된 다이 플레이트(10)의 평면도이다. 다수의 개구(14), 중합체 전송 통로(20), 다이 오리피스(22), 및 윤활제 플리넘(32)이 도면에 도시되어 있다. 도시된 중합체 전달 통로(20)는 일정한 단면적(도 3에서 축(11)에 횡방향으로 측정됨)을 가지며, 도시된 실시 형태에서 원형의 원통이다. 그러나, 중합체 전달 통로(20) 및 연결된 다이 오리피스(22)는 임의의 적합한 단면 형상, 예컨대 직사각형, 달걀형, 타원형, 삼각형, 정사각형 등을 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다.
윤활제 플리넘(32)은 도 5에서 알 수 있는 바와 같이 중합체 전달 통로(20)의 주연부 둘레로 연장하여 윤활제가 중합체 전달 통로(20)의 주연부 둘레로 전달될 수 있도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 그렇게 함으로써, 윤활제는 바람직하게는 중합체 용융 스트림이 중합체 전달 통로(20)를 통해 다이 오리피스(22) 내로 통과할 때 중합체 용융 스트림의 주연부 둘레에 층을 형성한다. 도시된 실시 형태에서, 플리넘(32)은 도 5에서 알 수 있는 바와 같이 다이 플레이트(10)의 외부 에지로 연장하는 윤활제 통로(30)에 의해 공급된다.
각각의 플리넘(32)은 도 5에서 알 수 있는 바와 같이 독립적인 윤활제 통로(30)에 의해 공급되는 것이 바람직할 수 있다. 각각의 플리넘(32)(및 그의 연결 된 다이 오리피스(22))을 독립적으로 공급함으로써, 다양한 공정 변수에 대한 제어가 얻어질 수 있다. 이들 변수에는, 예를 들어 윤활제 압력, 윤활제 유량, 윤활제 온도, 윤활제 조성(즉, 상이한 윤활제가 상이한 오리피스(22)에 공급될 수 있음) 등이 포함될 수 있다.
그러나, 대안으로서, 몇몇 시스템에서, 각각의 윤활제 통로(30)에 윤활제를 공급하고 이어서 오리피스(22)와 연결된 각각의 플리넘(32)에 윤활제를 공급하도록 마스터 플리넘이 사용되는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 시스템에서, 각각의 오리피스로의 윤활제의 전달은 바람직하게는 모든 오리피스들 사이에 균형을 이룰 수 있다.
도 6은 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 하나의 시스템(90)의 개략도이다. 시스템(90)은 바람직하게는 중합체를 압출기(96)로 전달하는 중합체 공급원(92, 94)을 포함할 수 있다. 2개의 중합체 공급원이 도시되어 있지만, 몇몇 시스템에서는 단지 하나의 중합체 공급원만이 제공될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 다른 시스템은 3개 이상의 중합체 공급원을 포함할 수 있다. 또한, 단지 단일 압출기(96)만이 도시되어 있지만, 시스템(90)은 본 발명에 따라 원하는 중합체 또는 중합체들을 다이(98)로 전달할 수 있는 임의의 압출 시스템 또는 장치를 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
하나 이상의 중합체 공급원(92, 94) 외에, 시스템(90)은 또한 도시된 실시 형태에서 중합체 공급원(92)로부터의 중합체 내에 혼입되는 입자를 제공하는 입자 공급원(91)을 포함한다. 대안적으로, 입자 공급원(91)은 그의 입자를 압출기 (96)(또는 다수의 압출기가 사용되는 경우에는 압출기들) 내로 투입할 수 있다. 특정한 배열과 무관하게, 입자 공급원(91)으로부터의 입자는 중합체 용융 스트림이 다이(98)로 전달될 때 중합체 용융 스트림 내에 혼입되는 것이 바람직하다.
시스템(90)은 본 발명의 원리에 따라 윤활제를 다이로 전달하기 위해 다이(98)에 작동가능하게 부착된 윤활제 장치(97)를 추가로 포함한다. 몇몇 경우에, 윤활제 장치(97)는 윤활제 중합체 공급원 및 압출 장치의 형태일 수 있다.
시스템(90)과 관련하여, 다이(98)로부터 압출되는 2개의 섬유(40)가 또한 도시되어 있다. 2개의 섬유(40)가 도시되어 있지만, 몇몇 시스템에서는 단지 하나의 섬유만이 생성될 수 있으며, 한편 다른 시스템은 동시에 3개 이상의 중합체 섬유를 생성할 수 있음을 이해해야 한다.
도 7은 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 다이 오리피스의 다른 예시적인 실시 형태를 도시한다. 다이 플레이트(110)와 다이 플레이트 커버(112) 사이의 간극(134)을 통한 윤활제의 전달과 다이 오리피스(122)의 입구(114) 사이의 가능한 관계를 예시하기 위하여 장치의 일부만이 도 7에 도시되어 있다. 도시된 장치에서, 중합체 용융 스트림과 별도로 전달되는 윤활제는 간극(134)을 통해 오리피스(122)의 입구(116)에서 도입된다. 중합체 용융 스트림 자체는 다이 플레이트 커버(112) 내의 중합체 전달 통로(120)를 통해 다이 오리피스(122)의 입구(116)로 전달된다.
도 7의 예시적인 장치에 도시된 다른 선택적 관계는 중합체 전달 통로(120)로부터 입구(114)에 이르는 개구(116)의 크기와 비교되는 다이 오리피스(122)의 입 구(114)의 상대적 크기이다. 개구(116)의 단면적은 다이 오리피스(122)로의 입구(114)의 단면적보다 작은 것이 바람직할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 개구의 "단면적"은 종축(111)(바람직하게는, 중합체 용융 스트림이 중합체 전달 통로와 다이 오리피스(122)를 통해 이동하는 방향)에 대체로 횡방향인 평면 내에서 결정된다.
도 8은 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 또 다른 가능한 장치를 도시한다. 도 8은 (도 5에 도시된 것과 유사한 도면으로) 다이 플레이트(210) 위로부터 취한 하나의 다이 오리피스(222)의 확대 평면도이다. 다이 오리피스(222)로의 입구(216)가 다이 오리피스(222)의 출구(226)와 함께 도시되어 있다. 도 8에 도시된 설계와 이전 도면에 도시된 설계 사이의 한 가지 차이점은 채널(234a, 234b, 234c)의 단부에 형성된 다수의 개구를 통해 윤활제가 오리피스(222)로 전달된다는 것이다. 이는 전술한 실시 형태에서 다이 플레이트와 다이 플레이트 커버 사이의 간극에 의해 형성된 연속적인 슬롯과 대비된다. 윤활제를 전달하기 위한 3개의 개구가 도시되어 있지만, 단지 2개 및 3개 초과의 개구가 제공될 수 있음을 이해해야 한다.
도 9는 본 발명에 따른 다이의 출구(26)로부터의 중합체 용융 스트림(40) 및 윤활제(42)의 유동을 도시한다. 중합체 용융 스트림(40) 및 윤활제(42)는 단면으로 도시되어 있으며, 중합체 용융 스트림(40)의 외부 표면(41) 상에 윤활제(42)가 있음을 도시한다. 윤활제는 전체 외부 표면(41) 상에 제공되어 윤활제(42)가 중합체 용융 스트림(40)과 다이 오리피스의 내부 표면(23) 사이에 배치되도록 하는 것 이 바람직할 수 있다.
윤활제(42)는 중합체 용융 스트림(40)이 오리피스 출구(26)에서 빠져 나온 후에 중합체 용융 스트림(40)의 외부 표면(41) 상에 있는 것으로 도시되어 있지만, 몇몇 경우에서 윤활제(42)는 중합체 용융 스트림(40)과 윤활제(42)가 다이 출구(26)에서 빠져 나올 때 또는 빠져 나온 직후에 중합체 용융 스트림(40)의 외부 표면(41)으로부터 제거될 수 있음을 이해해야 한다.
윤활제(42)의 제거는 능동적 또는 수동적일 수 있다. 윤활제(42)의 수동적 제거는, 예를 들어 증발, 중력 또는 흡착제를 수반할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에서, 윤활제(42) 및/또는 중합체 용융 스트림(40)의 온도는 윤활제(42)가 다이 출구(26)에서 빠져 나온 후 어떠한 추가 작용 없이 증발되게 하기에 충분히 높을 수 있다. 다른 경우에서, 윤활제는, 예를 들어 물 또는 다른 용매, 에어 제트(air jet) 등을 사용하여 중합체 용융 스트림(40)으로부터 능동적으로 제거될 수 있다.
윤활제(42)의 조성에 따라, 윤활제(42)의 일부는 중합체 용융 스트림(40)의 외부 표면(41)에 남아 있을 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에서, 윤활제(42)는 하나 이상의 담체 및 하나 이상의 성분과 같은, 2개 이상의 성분의 조성물일 수 있다. 담체는, 예를 들어 능동적으로 또는 수동적으로 제거되는 용매(물, 광유 등)이어서, 중합체 용융 스트림(40)의 외부 표면(41) 상의 정위치에 하나 이상의 다른 성분을 남길 수 있다.
다른 상황에서, 윤활제(42)는 중합체 용융 스트림(40)의 외부 표면(41) 상에 보유될 수 있다. 예를 들어, 윤활제(42)는 압출 동안 윤활제로 작용할 수 있도록 중합체 용융 스트림(40)의 점도에 비하여 충분히 낮은 점도를 가진 중합체일 수 있다. 윤활제로서 작용할 수 있는 잠재적으로 적합한 중합체의 예에는, 예를 들어 폴리비닐 알코올, 고 용융 유동 지수 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등이 포함될 수 있다.
윤활제(42)가 중합체 용융 스트림(40)의 표면(41)으로부터 제거되는지의 여부와 무관하게, 윤활제(42)는 중합체 용융 스트림(40)이 냉각되는 속도를 증가시키기 위한 켄칭제(quenching agent)로서 작용할 수 있다. 그러한 켄칭 효과는 중합체 용융 스트림(40) 내의 배향과 같은 중합체 용융 스트림(40) 내의 특정한 원하는 구조를 보유시키는 것을 도울 수 있다. 켄칭을 보조하기 위하여, 예를 들어 켄칭 공정을 촉진하기에 충분히 낮은 온도에서 윤활제(42)를 다이 오리피스에 공급하는 것이 바람직할 수 있다. 다른 경우에서, 중합체 용융 스트림(40)의 켄칭을 향상시키기 위하여 몇몇 윤활제를 사용하여 제공될 수 있는 증발성 냉각에 의존할 수 있다. 예를 들어, 윤활제(42)로 사용되는 광유는 다이에서 배출된 후 폴리프로필렌(중합체 용융 스트림)의 표면으로부터 증발함에 따라 폴리프로필렌 섬유를 켄칭하는 역할을 할 수 있다.
본 발명은 바람직하게는 윤활제 물질과 압출된 중합체 사이의 점도 차이에 의존할 수 있다. 예를 들어, 40:1 이상, 또는 50:1 이상의 중합체 대 윤활제의 점도 비가 바람직하게는 본 발명의 방법과 관련하여 사용될 윤활제를 선택하는 데 있어서 중요한 인자일 수 있다. 윤활제의 화학적 성질은 그의 리올로지 거동에 대하 여 이차적일 수 있다. 본 명세서에서, SAE 20 웨이트 오일(weight oil), 백색 파라핀유, 및 폴리다이메틸 실록산(PDMS) 유체와 같은 물질은 잠재적으로 적합한 윤활제 물질의 모든 예이다. 하기 목록은 윤활제 후보를 제한하고자 하는 것이 아닌데, 즉, 다른 물질이 본 발명과 관련하여 윤활제로 사용될 수 있다.
무기 또는 합성 오일의 비제한적인 예에는 광유, 바셀린, 직쇄 및 분지쇄 탄화수소(및 그 유도체), 액체 파라핀 및 저 용융점 고형 파라핀 왁스, 글리세롤의 지방산 에스테르, 폴리에틸렌 왁스, 탄화수소 왁스, 몬탄 왁스, 아미드 왁스, 글리세롤 모노스테아레이트 등이 포함될 수 있다.
또한, 많은 종류의 오일 및 그의 지방산 유도체가 본 발명과 관련하여 적합한 윤활제일 수 있다. 올레산, 리놀레산, 및 라우르산과 같은 오일의 지방산 유도체가 이용될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 올레아미드, 프로필 올레에이트 및 올레일 알코올과 같은 오일의 치환된 지방산 유도체가 또한 이용될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다(그러한 물질의 휘발성은 압출 전에 증발할 정도로 그렇게 높지는 않은 것이 바람직할 수 있음). 일부의 잠재적으로 적합한 식물유의 예에는 살구씨유, 아보카도유, 바오밥유, 블랙커런트유(black currant oil), 칼렌듈라 오피시날리스유(calendula officinalis oil), 칸나비스 사티바유(cannabis sativa), 카놀라유, 대풍자유(chaulmoogra oil), 코코넛유, 옥수수유, 면실유, 포도씨유, 헤이즐넛유, 하이브리드 해바라기유(hybrid sunflower oil), 수소화된 코코넛유, 수소화된 면실유, 수소화된 팜핵유, 호호바유, 키위씨유, 쿠쿠이 너트유(kukui nut oil), 마카다미아 너트유, 망고씨유, 메도폼시드유(meadowfoam seed oil), 멕시코 양귀비유, 올리브유, 팜핵유, 부분 수소화된 대두유, 복숭아씨유, 땅콩유, 피칸유, 피스타치오 너트유, 호박씨유, 퀴노아유, 평지씨유, 미강유, 홍화유, 동백유, 바다 갈매나무유, 참기름, 시어 버터 프루트유(shea butter fruit oil), 시심브리움 이리오유(sisymbrium irio oil), 대두유, 해바라기씨유, 호두유, 및 밀배아유가 포함될 수 있다.
다른 잠재적으로 적합한 윤활제 물질에는 예를 들어, 헥산산, 카프릴산, 데칸산, 운데칸산, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산 및 스테아르산을 포함하는 포화 지방족 산, 올레산과 에루식산을 포함하는 불포화 지방족 산, 벤조산, 페닐 스테아르산, 폴리스테아르산 및 자일릴 베헨산을 포함하는 방향족 산 및 6, 9 및 11개 탄소의 평균 쇄 길이의 분지형 카르복실산, 톨유(toll oil) 산 및 로진산을 포함하는 다른 산, 1-옥탄올, 노닐 알코올, 데실 알코올, 1-데칸올, 1-도데칸올, 트라이데실 알코올, 세틸 알코올 및 1-헵타데칸올을 포함하는 일차 포화 알코올, 운데실레닐 알코올 및 올레일 알코올을 포함하는 일차 불포화 알코올, 2-옥탄올, 2-운데칸올, 다이노닐 카르비놀 및 다이운데실 카르비놀을 포함하는 이차 알코올 및 1-페닐 에탄올, 1-페닐-1-펜탄올, 노닐 페닐, 페닐스테아릴 알코올 및 1-나프톨을 포함하는 방향족 알코올이 포함될 수 있다. 다른 잠재적으로 유용한 하이드록실-함유 화합물에는 올레일 알코올의 폴리옥시에틸렌 에테르 및 약 400의 수평균 분자량을 갖는 폴리프로필렌 글리콜이 포함될 수 있다. 또 다른 잠재적으로 유용한 액체에는 4,t-부틸 사이클로헥산올과 메탄올과 같은 환형 알코올, 살리실 알데히드를 포함하는 알데히드, 옥틸아민, 테트라데실아민 및 헥사데실아민과 같은 일차 아민, 비스- (1-에틸-3-메틸 펜틸) 아민과 같은 이차 아민 및 N-라우릴 다이에탄올아민, N-탈로우 다이에탄올-아민, N-스테아릴 다이에탄올아민 및 N-코코 다이에탄올아민을 포함하는 에톡실화 아민이 포함될 수 있다.
추가의 잠재적인 유용한 윤활제 물질에는 N-sec-부틸아닐린, 도데실아닐린, N,N-다이메틸아닐린, N,N-다이에틸아닐린, p-톨루이딘, N-에틸-o-톨루이딘, 다이페닐아민 및 아미노다이페닐메탄과 같은 방향족 아민, N-에루실-1,3-프로판 다이아민 및 1,8-다이아미노-p-메탄을 포함하는 다이아민, 분지형 테트라아민 및 사이클로데실아민을 포함하는 다른 아민, 코코아미드, 수소화 탈로우 아미드, 옥타데실아미드, 에루시아미드, N,N-다이에틸 톨루아미드 및 N-트라이메틸로프로판 스테아르아미드를 포함하는 아미드, 메틸 카프릴레이트, 에틸 라우레이트, 아이소프로필 미리스테이트, 에틸 팔미테이트, 아이소프로필 팔미테이트, 메틸 스테아레이트, 아이소부틸 스테아레이트 및 트라이데실 스테아레이트를 포함하는 포화 지방족 에스테르, 스테아릴 아크릴레이트, 부틸 운데실레네이트 및 부틸 올레에이트를 포함하는 불포화 에스테르, 부톡시에틸 스테아레이트와 부톡시에틸 올레에이트를 포함하는 알콕시 에스테르, 비닐 페닐 스테아레이트, 아이소부틸 페닐 스테아레이트, 트라이데실 페닐 스테아레이트, 메틸 벤조에이트, 에틸 벤조에이트, 부틸 벤조에이트, 벤질 벤조에이트, 페닐 라우레이트, 페닐 살리실레이트, 메틸 살리실레이트, 및 벤질 아세테이트를 포함하는 방향족 에스테르, 및 다이메틸 페닐렌 다이스테아레이트, 다이에틸 프탈레이트, 다이부틸 프탈레이트, 다이-아이소-옥틸 프탈레이트, 다이카프릴 아디페이트, 다이부틸 세바케이트, 다이헥실 세바케이트, 다이-아이소-옥틸 세바케 이트, 다이카프릴 세바케이트 및 다이옥틸 말레에이트를 포함하는 다이에스테르가 포함된다. 또 다른 잠재적으로 유용한 윤활제 물질에는 폴리에틸렌 글리콜(바람직하게는 약 400의 수평균 분자량을 가질 수 있음)을 포함하는 폴리에틸렌 글리콜 에스테르, 다이페닐스테아레이트, 피마자유(트라이글리세라이드), 글리세롤 모노스테아레이트, 글리세롤 모노올레에이트, 글리콜 다이스테아레이트 글리세롤 다이올레에이트 및 트라이메틸올 프로판 모노페닐스테아레이트를 포함하는 폴리하이드록실릭 에스테르, 다이페닐 에테르 및 벤질 에테르를 포함하는 에테르, 헥사클로로사이클로펜타디엔, 옥타브로모바이페닐, 데카브로모다이페닐 옥사이드 및 4-브로모다이페닐 에테르를 포함하는 할로겐화 화합물, 1-노넨, 2-노넨, 2-운데센, 2-헵타데센, 2-노나데센, 3-에이코센, 9-노나데센, 다이페닐메탄, 트라이페닐메탄 및 트랜스-스틸벤을 포함하는 탄화수소, 2-헵타논, 메틸 노닐 케톤, 6-운데카논, 메틸운데실 케톤, 6-트라이데카논, 8-펜타데카논, 11-펜타데카논, 2-헵타데카논, 8-헵타데카논, 메틸 헵타데실케톤, 다이노닐 케톤 및 다이스테아릴 케톤을 포함하는 지방족 케톤, 아세토페논 및 벤조페논을 포함하는 방향족 케톤 및 잔톤을 포함하는 다른 케톤이 포함된다. 또 다른 잠재적으로 유용한 윤활제에는 트라이자일레닐 포스페이트, 폴리실록산, 무젯 히아신스(Muget hyacinth) (언 메리게나블러, 인크.(An Merigenaebler, Inc)), 테르핀올 프라임(Terpineol Prime) No. 1 (지바우단-델라완나, 인크.(Givaudan-Delawanna, Inc)), 배쓰 오일 프래그런스(Bath Oil Fragrance) #5864 K (인터내셔널 플레이버 앤드 프래그런스, 인크.(International Flavor & Fragrance, Inc)), 포스클레르(Phosclere) P315C (유기포스파이트), 포스클레르 P576 (유기포스파이트), 스티렌화 노닐 페놀, 퀴놀린 및 퀴날리딘이 포함될 수 있다.
니츠풋유(neatsfoot), 인도멀구슬나무(neem) 종자유, PEG-5 수소화 피마자유, PEG-40 수소화 피마자유, PEG-20 수소화 피마자유 아이소스테아레이트, PEG-40 수소화 피마자유 아이소스테아레이트, PEG-40 수소화 피마자유 라우레이트, PEG-50 수소화 피마자유 라우레이트, PEG-5 수소화 피마자유 트라이아이소스테아레이트, PEG-20 수소화 피마자유 트라이아이소스테아레이트, PEG-40 수소화 피마자유 트라이아이소스테아레이트, PEG-50 수소화 피마자유 트라이아이소스테아레이트, PEG-40 호호바유, PEG-7 올리브유, PPG-3 수소화 피마자유, PPG-12-PEG-65 라놀린유, 수소화 밍크유, 수소화 올리브유, 라놀린유, 말레에이트화 대두유, 사향 장미유, 캐슈너트유, 피마자유, 도그 로즈 힙스유(dog rose hips oil), 에뮤유(emu oil), 달맞이꽃유, 및 알구슬냉이유(gold of pleasure oil)와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 유화제 품질을 가진 오일이 윤활제 물질로서 사용될 수 있다.
시험 방법
모듈러스:
본 발명의 섬유의 모듈러스는 ASTM-D2653-01에 기술된 절차를 사용하여 측정하였다. 16 ㎜ 직경의 롤러 그립(MTS 100-034-764)을 14 ㎝의 그립 간격 및 25.4 ㎝/min의 크로스헤드 속도로 사용하였다. 500 N의 로드 셀을 사용하였다. 섬유의 직경은 오노 소키(Ono Sokki) 두께 게이지를 사용하여 측정하였다. 5회 반복하여 평균하였다.
질량 유량:
기본 중량 측정 방법(basic gravimetric method)에 의해 질량 유량을 측정하였다. 배출되는 압출물을 80초의 기간 동안 사전 칭량된 알루미늄 트레이 내에 포집하였다. 총 중량과 트레이의 중량 사이의 차이를 그램 또는 킬로그램 단위로 측정하였다.
용융 유동 지수 ( MFI ):
중합체의 용융 유동 지수는 주어진 중합체 유형에 대해 지정된 조건에서 ASTM D1238에 따라 측정하였다.
하기 비제한적 실시예는 본 발명의 원리를 설명하기 위하여 제공된다.
실시예 1:
도 6에 도시된 것과 유사한 장치를 사용하여 중합체 섬유를 생성하였다. 도 7에 도시된 바와 같은 단일 오리피스 다이를 사용하였다. 다이 오리피스는 원형이었으며, 1.68 ㎜의 입구 직경, 0.76 ㎜의 출구 직경, 12.7 ㎜의 길이 및 하기 수학식에 의해 정의된 반쌍곡선 형상을 가졌다:
rz = [0.00140625/((0.625*z)+0.0625)]^0.5
여기서, z는 입구로부터 측정되는 바와 같은 오리피스의 축을 따른 위치이 며, rz는 위치 z에서의 반경이다.
177℃ - 232℃ - 246℃의 배럴(barrel) 온도 프로파일 및 19.1 RPM으로 설정한 인라인(in-line) 제니스(ZENITH) 기어 펌프(1.6 입방 센티미터/회전(cc/rev))를 사용하는 3.175 ㎝의 단일 스크류 압출기(30:1 L/D)를 사용하여, 폴리프로필렌 단일중합체(피나프로(FINAPRO) 5660, 9.0 MFI, 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 아토피나 페트로케미칼 컴퍼니(Atofina Petrochemical Co.))를 압출하였다. 다이 온도 및 용융 온도는 대략 220℃였다. 30 RPM으로 설정한 제2 제니스 기어 펌프(0.16 cc/rev)를 사용하여, 다이의 입구에 윤활제로서 셰브론 수펄라(Chevron SUPERLA) 백색 광유 #31을 공급하였다.
용융 중합체 압력 및 압출물의 상응하는 질량 유량을 하기 표 1에 나타낸다. 중합체가 다이로 도입되는 지점에서 다이 바로 위의 이송 블록 내에 중합체를 위한 압력 변환기를 배치하였다. 다이로 도입되기 전의 윤활제 전달 이송 라인 내에 윤활제 압력 변환기를 배치하였다. 윤활제를 사용하지 않는 대조 샘플을 또한 시험하였다.
실시예 2:
도 3에 도시된 것과 유사한 다이를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같이 중합체 섬유를 생성하였다. 다이 오리피스는 6.35 ㎜의 입구 직경, 0.76 ㎜의 출구 직경, 10.16 ㎜의 길이 및 본 명세서에 설명된 바와 같은 수학식 8에 의해 정의된 반쌍곡선 형상을 갖는 원형 프로파일을 가졌다.
윤활제를 사용하는 경우와 사용하지 않는 경우에 대한 용융 중합체 압력 및 압출물의 질량 유량을 하기 표 1에 나타낸다.
실시예 3:
도 2에 도시된 바와 같은 다이를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같이 중합체 섬유를 생성하였다. 다이 오리피스는 6.35 ㎜의 입구 직경, 0.51 ㎜의 출구 직경, 12.7 ㎜의 길이 및 수학식 8에 의해 정의된 반쌍곡선 형상을 갖는 원형 프로파일을 가졌다.
폴리우레탄(PS440-200, 미국 유타주 솔트레이크시티 소재의 헌츠만 케미칼(Huntsman Chemical))을 사용하여 섬유를 형성하였다. 177℃ - 232℃ - 246℃의 배럴 온도 프로파일 및 19.1 RPM으로 설정한 인라인 제니스 기어 펌프(1.6 cc/rev)를 사용하는 3.81 ㎝의 단일 스크류 압출기(30:1 L/D)를 사용하여, 중합체를 전달하였다. 다이 온도 및 용융 온도는 대략 215℃였다. 각각 99 RPM 및 77 RPM으로 구동되는 2개의 직렬 기어 펌프를 통해, 다이의 입구에 윤활제로서 셰브론 수펄라 백색 광유 #31을 공급하였다. 용융 중합체 압력 및 압출물의 질량 유량을 하기 표 1에 나타낸다. 윤활제를 사용하지 않는 대조 샘플을 또한 시험하였다.
실시예 1-3에 대한 질량 유량:
Figure 112008089302093-PCT00001
표 1은 유사한 용융 압력에서, 본 발명의 공정을 사용하여 상당히 더 높은 질량 유량을 얻을 수 있으며(실시예 1), 유사한 질량 유량에서 중합체가 상당히 더 낮은 압력에서 압출될 수 있음(실시예 2)을 보여준다. 실시예 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 공정을 사용할 때 용융 압력은 상당히 감소될 수 있으며 동시에 질량 유량은 상당히 증가될 수 있다.
실시예 4:
실시예 1의 다이를 사용하여 중합체 섬유를 생성하였다. 177℃ - 200℃ - 218℃의 배럴 온도 프로파일 및 3.7 RPM으로 설정한 인라인 제니스 기어 펌프(1.6 입방 센티미터/회전(cc/rev))를 사용하는 38 ㎜의 단일 스크류 압출기(30:1 L/D, 9 RPM)를 사용하여, 고분자량 폴리에틸렌(타입 9640, 0.2 MI, 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 셰브론 필립스 케미칼 컴퍼니(Chevron Phillips Chemical Co.))을 압출하였다. 다이 온도 및 용융 온도는 대략 218℃였다. 80 RPM으로 설정한 제니스 이중 기어 단일 이송 기어 펌프(0.16 cc/rev)를 사용하여, 다이의 입구에 윤활제로서 셰브론 수펄라 백색 광유 #31(미국 텍사스주 휴스턴 소재의 셰브론 유에스에이 인크.(Chevron USA Inc.))을 공급하였다. 압출된 섬유를 다이 출구에서 수동으로 수집하여 손으로 감았다.
용융 중합체 압력은 2.0 - 2.5 ㎏/hr (4.5-5.5 lb/hr)의 질량 유량에서 241 N/㎠ (350 lb/in2) 내지 550 N/㎠ (798 lb/in2)로 변화하였다. 중합체가 다이로 도입되는 지점에서 다이 바로 위의 이송 블록 내에 중합체를 위한 압력 변환기를 배치하였다. 다이로 도입되기 전의 윤활제 전달 이송 라인 내에 윤활제 압력 변환기를 배치하였다.
실시예 5:
실시예 1에서와 같이 중합체 섬유를 생성하였다. 다이 오리피스는 6.35 ㎜의 입구 직경, 0.76 ㎜의 출구 직경, 127 ㎜의 길이 및 본 명세서에 설명된 바와 같은 수학식 8에 의해 정의된 반쌍곡선 형상을 갖는 원형 프로파일을 가졌다. 270℃ - 255℃ - 240℃의 배럴 온도 프로파일을 사용하고 6 RPM으로 작동하는 회전 당 0.16 입방 센티미터(0.16 cc/rev) 기어 펌프가 장착된 19 ㎜의 단일 스크류(30:1 L/D, 12 RPM) 압출기를 사용하여, 고분자량 분획 용융 지수 폴리에틸렌(HD7960.13, 0.06 MI, 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 엑손모빌 케미칼 인크.(ExxonMobil Chemical Inc.))을 압출하였다. 다이 온도 및 용융 온도는 대략 218℃였다. 로리머(Lorimer) "에어 오버 오일"(air over oil) 공압식 고압 펌프(미국 텍사스주 롱뷰 소재의 에이치. 로리머 코포레이션(H. Lorimer Corp.))를 사용하여, 다이의 입구에 윤활제로서 셰브론 수펄라 백색 광유 #31(미국 텍사스주 휴스턴 소재의 셰브론 유에스에이 인크.)을 공급하였다.
이어서, 압출된 섬유를 다이 출구의 대략 5 ㎝ 아래에 위치된 수조(대략 20℃) 내에서 15 미터/min의 속도로 켄칭하였다. 이어서, 대략 9:1의 2개의 당김 롤 사이에서의 인발 비(draw ration)로 고온 수조(79℃) 내에 섬유를 침지시킴으로써 2개의 당김 롤 사이에서 섬유를 인라인으로 길이 배향시켰다. 이어서, 배향된 섬유를 177℃로 설정한 가열된 평판 위로 굴려 섬유를 이완(열 고정)시키고, 그 후 코어 상으로 권취시켰다.
평균 섬유 직경은 0.305 ㎜였다. 섬유의 모듈러스는 46 kN의 파단 인장력으로 205 kN/㎠으로 측정되었다.
실시예 6:
고분자량 탄성중합체 폴리에틸렌(인게이지(ENGAGE) 8100, 1.0 MI, 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미칼 컴퍼니(Dow Chemical Co.))을 사용하여 섬유를 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같이 중합체 섬유를 생성하였다. 177℃ - 200℃ - 218℃의 배럴 온도 프로파일 및 8 RPM으로 설정한 인라인 제니스 기어 펌프(1.6 cc/rev)를 사용하여 대략 2.4 ㎏/hr의 중합체 유량을 형성하는 38 ㎜의 단일 스크류 압출기(32:1 L/D, 14 RPM)를 사용하여, 중합체를 전달하였다. 다이 온도 및 용융 온도는 대략 218℃였다. 75 RPM으로 설정한 제니스 이중 기어 단일 이송 기어 펌프(0.16 cc/rev)를 사용하여, 다이의 입구에 윤활제로서 셰브론 수펄라 백색 광유 #31을 공급하였다. 압출된 섬유를 다이 출구에서 수동으로 수집하여 손으로 감았다.
실시예 7:
비결정성 유리질 폴리카르보네이트(마크로론(MACROLON) 2407, 독일 레버쿠젠 소재의 바이엘 케미칼 컴퍼니(Bayer Chemical Co.))를 사용하여 섬유를 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같이 중합체 섬유를 생성하였다. 177℃ - 200℃ - 229℃의 배럴 온도 프로파일 및 8 RPM으로 설정한 인라인 제니스 기어 펌프(1.6 cc/rev)를 사용하여 대략 2.4 ㎏/hr의 중합체 유량을 형성하는 38 ㎜의 단일 스크류 압출기(32:1 L/D, 14 RPM)를 사용하여, 중합체를 전달하였다. 다이 온도 및 용융 온도는 대략 229℃였다. 75 RPM으로 설정한 제니스 이중 기어 단일 이송 기어 펌프(0.16 cc/rev)를 사용하여, 다이의 입구에 윤활제로서 셰브론 수펄라 백색 광유 #31을 공급하였다. 압출된 섬유를 다이 출구에서 수동으로 수집하여 손으로 감았다.
실시예 8:
250℃ - 300℃ - 300℃의 배럴 온도 프로파일을 사용하고 8 RPM으로 작동하는 회전 당 0.16 입방 센티미터(0.16 cc/rev) 기어 펌프가 장착된 19 ㎜의 단일 스크류(30:1 L/D, 18 RPM) 압출기를 사용하여, 나일론-6 폴리아미드(울트라미드(ULTRAMID) B4, 미국 미시간주 위안도트 소재의 바스프 코포레이션(BAST Corp.))를 압출한 것을 제외하고는, 실시예 5에서와 같이 중합체 섬유를 생성하였다. 다이 온도 및 용융 온도는 대략 260℃였다. 로리머 "에어 오버 오일" 공압식 고압 펌프(미국 텍사스주 롱뷰 소재의 에이치. 로리머 코포레이션)를 사용하여, 다이의 입구에 윤활제로서 셰브론 수펄라 백색 광유 #31(미국 텍사스주 휴스턴 소재의 셰브론 유에스에이 인크.)을 공급하였다. 3 ㎜ 직경(ID)의 구리 튜브를 사용하여, 펌프로부터 다이로 윤활제를 공급하였다. 다이 내로의 진입 포트 전에 7.6 ㎝ 직경의 다이 둘레로 튜브를 2.5회 감았다. 이는 윤활제의 온도를 다이의 온도까지 가열하기 위한 것이다.
이어서, 직경이 대략 1 밀리미터인 압출된 섬유를 다이 출구의 대략 2.5 ㎝ 아래에 위치된 수조(대략 20℃) 내에서 2.4 미터/min의 속도로 켄칭하였다. 이어서, 대략 약 4:1의 2개의 당김 롤 사이에서의 인발 비로 고온 수조(79℃) 내에 섬유를 침지시킴으로써 2개의 당김 롤 사이에서 섬유를 인라인으로 길이 배향시켰다. 이어서, 배향된 섬유를 177℃로 설정한 가열된 평판 위로 굴려 섬유를 이완(열 고정)시키고, 이어서 섬유를 어닐링(anneal)하기 위해 121℃로 설정한 가열된 제2 평판 위로 굴리고, 그 후 코어 상으로 권취시켰다. 섬유의 모듈러스는 226 kN/㎠으로 측정되었다.
실시예 9:
상당히 더 낮은 공정 온도를 사용하여 중합체 용융 온도(230℃)보다 약간 높은 용융 온도를 얻고 그 결과 상당히 더 높은 모듈러스의 섬유를 형성한 것을 제외하고는, 실시예 8에서와 같이 중합체 섬유를 생성하였다. 240℃ - 250℃ - 240℃의 배럴 온도 프로파일을 사용하여, 나일론을 압출하였다. 용융 펌프를 235℃로, 다이 이송 블록을 230℃로, 그리고 다이를 225℃로 설정하였다. 섬유의 모듈러스는 765 kN/㎠으로 측정되었다.
실시예 10:
2개의 압출기를 사용하여 시스/코어 이송 블록으로 2가지 물질을 공급하고 그 결과 2성분 공압출 섬유를 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같이 중합체 섬유를 생성하였다. 폴리프로필렌 단일중합체(피나프로(FINAPRO) 5660, 9.0 MFI, 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 아토피나 페트로케미칼 컴퍼니)를 사용하여 섬유의 코어를 형성하였다. 177℃ - 200℃ - 232℃의 배럴 온도 프로파일 및 24 RPM으로 설정한 인라인 제니스 기어 펌프(1.6 cc/rev)를 사용하는 25 ㎜의 단일 스크류 압출기(24:1 L/D)를 사용하여, 중합체를 전달하였다. 2％ 오렌지색 농축물(타입 66Y163, 미국 펜실베이니아주 도일스타운 소재의 펜 컬러 컴퍼니(Penn Color Co.))로 착색된 피나프로 5660을 사용하여 섬유의 시스를 형성하였다. 177℃ - 195℃ - 215℃ - 232℃의 배럴 온도 프로파일 및 24 RPM으로 설정한 인라인 제니스 기어 펌프(1.6 cc/rev)를 사용하는 19 ㎜의 단일 스크류 압출기를 사용하여, 중합체를 전달하였다. 용융 펌프를 232℃로, 다이 이송 블록을 232℃로, 그리고 다이를 232℃로 설정하였다. 다이 이송 블록은 공압출 섬유의 기술 분야에 잘 알려진 바와 같이 이중 이송 플레이트 다이를 제공하도록 적층된 일련의 0.5 ㎜ 두께의 기계가공된 플레이트들로 이루어졌다.
윤활제 도입 매니폴드를 플레이트 적층체 하부에 부착하였다. 유니버셜 트랜스 하이드럴릭 오일(Universal Trans Hydraulic oil)(미국 미네소타주 브레이너드 소재의 밀즈 플리트 팜 인크.(Mills Fleet Farm Inc.))을 윤활제로서 사용하였고, 80 RPM으로 설정한 제니스 이중 기어 단일 이송 기어 펌프(0.16 cc/rev)를 사용하여 다이의 입구에 공급하였다. 압출된 섬유를 다이 출구에서 수동으로 수집하여 손으로 감았다.
실시예 11:
다중상 아크릴로니트릴-스티렌-부틸아크릴레이트 중합체(센트렉스(CENTREX) 833, 마린 화이트(Marine White), 3 MFI, 독일 레버구젠 소재의 바이엘 코포레이션)를 사용하여 섬유를 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같이 중합체 섬유를 생성하였다. 177℃ - 200℃ - 218℃의 배럴 온도 프로파일 및 8 RPM으로 설정한 인라인 제니스 기어 펌프(1.6 cc/rev)를 사용하여 대략 2.4 ㎏/hr의 중합체 유량을 형성하는 38 ㎜의 단일 스크류 압출기(32:1 L/D, 14 RPM)를 사용하여, 중합체를 전달하였다. 다이 온도 및 용융 온도는 대략 218℃였다. 75 RPM으로 설정한 제니스 이중 기어 단일 이송 기어 펌프(0.16 cc/rev)를 사용하여, 다이의 입구에 윤활제로서 셰브론 수펄라 백색 광유 #31을 공급하였다. 압출된 섬유를 다이 출구에서 수동으로 수집하여 손으로 감았다.
실시예 12:
10 중량％ 산화알루미늄 연마재(P-2000, 400 그릿, 미국 일리노이주 시카고 소재의 후지미 코포레이션, 엘티디.(Fujimi Corp., Ltd.))로 충전된 나일론 12(그릴아미드(GRILAMID) G-12, 스위스 이엠에스 케미 아게(EMS Chemie AG))를 사용하여 섬유를 형성한 것을 제외하고는, 실시예 10에서와 같이 중합체 섬유를 생성하였다. 260℃ - 260℃ - 260℃의 배럴 온도 프로파일을 사용하는 25 ㎜의 단일 스크류 압출기(24:1 L/D)를 사용하여, 충전된 중합체를 전달하였다. 이송 블록 및 다이를 260℃로 설정하였다. 80 RPM으로 설정한 제니스 이중 기어 단일 이송 기어 펌프(0.16 cc/rev)를 사용하여, 다이의 입구에 윤활제로서 셰브론 수펄라 백색 광유 #31을 공급하였다. 압출된 섬유를 다이 출구에서 수동으로 수집하여 손으로 감았다. 섬유의 외부 표면은 섬유의 외부 표면에 또는 그 부근에 다량의 연마재가 있어서 매우 거칠었다.
본 명세서 및 첨부된 청구의 범위에 사용되는 바와 같이, 단수형은 그 내용이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "하나의 섬유"에 대한 언급은 복수의 섬유를 포함할 수 있으며, "오리피스"에 대한 언급은 하나 이상의 오리피스 및 당업자에게 알려진 그 등가물을 포괄할 수 있다.
본 명세서에 인용된 모든 참고 문헌 및 간행물은 본 발명에서 전체적으로 본 명세서에 참고로 명백하게 포함된다. 본 발명의 예시적인 실시 형태가 논의되어 있으며, 본 발명의 범주 내에서의 가능한 변경이 참조되었다. 본 발명에서의 이들 및 다른 변경 및 수정은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명은 본 명세서에 기술된 예시적인 실시 형태로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 이하에 제공되는 청구의 범위 및 그 등가물에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (41)

  1. 중합체 결합제 및 중합체 결합제 내에 캡슐화된 복수의 입자를 포함하는 섬유 본체를 포함하며, 상기 중합체 결합제가 본질적으로 하나 이상의 중합체로 이루어지고, 상기 캡슐화된 입자들이 캡슐화된 입자 밀도를 포함하며, 상기 캡슐화된 입자 밀도가 섬유의 외부 표면 부근에서 더 높은, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  2. 제1항에 있어서, 섬유 부피의 최외측 20％ 내의 캡슐화된 입자 밀도가 섬유 부피의 최내측 20％ 내의 캡슐화된 입자 밀도의 2배 이상인, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  3. 제1항에 있어서, 복수의 입자는 본질적으로 비-중합체 입자로 이루어지는, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  4. 제1항에 있어서, 복수의 입자는 최대 크기가 100 마이크로미터 이하인, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  5. 제1항에 있어서, 하나 이상의 중합체 모두가 하나 이상의 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 30 이하의 용융 유동 지수(melt flow index)를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  6. 제1항에 있어서, 하나 이상의 중합체 모두가 하나 이상의 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 10 이하의 용융 유동 지수를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  7. 제1항에 있어서, 하나 이상의 중합체 모두가 하나 이상의 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 1 이하의 용융 유동 지수를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  8. 제1항에 있어서, 하나 이상의 중합체 모두가 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 0.1 이하의 용융 유동 지수를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  9. 제1항에 있어서, 하나 이상의 중합체는 반결정성 중합체인, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  10. 제9항에 있어서, 반결정성 중합체는 나일론인, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  11. 하나 이상의 중합체 - 여기서, 상기 하나 이상의 중합체 모두가 하나 이상의 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 10 이하의 용융 유동 지수를 포함함 - 를 포함하는 섬유 본체; 및
    섬유 본체 내에 캡슐화된 복수의 제1 입자 및 섬유 본체의 외부 표면 내에 매립된 복수의 제2 입자 - 여기서, 상기 캡슐화된 복수의 제1 입자는 캡슐화된 입자 밀도를 포함하고, 상기 복수의 제1 입자의 캡슐화된 입자 밀도는 섬유의 외부 표면 부근에서 가장 높음 -
    를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  12. 제11항에 있어서, 섬유 부피의 최외측 20％ 내의 복수의 제1 입자의 캡슐화된 입자 밀도가 섬유 부피의 최내측 20％ 내의 복수의 제1 입자의 캡슐화된 입자 밀도의 2배 이상인, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  13. 제11항에 있어서, 복수의 제1 입자 및 복수의 제2 입자는 본질적으로 비-중합체 입자로 이루어지는, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  14. 제11항에 있어서, 복수의 제1 입자 및 복수의 제2 입자는 최대 크기가 100 마이크로미터 이하인, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  15. 제11항에 있어서, 하나 이상의 중합체 모두가 하나 이상의 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 30 이하의 용융 유동 지수를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  16. 제11항에 있어서, 하나 이상의 중합체 모두가 하나 이상의 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 10 이하의 용융 유동 지수를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  17. 제11항에 있어서, 하나 이상의 중합체 모두가 하나 이상의 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 1 이하의 용융 유동 지수를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  18. 제11항에 있어서, 하나 이상의 중합체 모두가 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 0.1 이하의 용융 유동 지수를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  19. 제11항에 있어서, 하나 이상의 중합체는 반결정성 중합체인, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  20. 제19항에 있어서, 반결정성 중합체는 나일론인, 미립자 로딩된 중합체 섬유.
  21. 복수의 입자를 중합체 용융 스트림 내에 혼입시키는 단계;
    복수의 입자가 혼입된 중합체 용융 스트림을 다이 내에 배치된 오리피스로 통과시키는 단계 - 여기서, 상기 오리피스는 입구, 출구 및 입구로부터 출구로 연장하는 내부 표면을 포함하며, 상기 오리피스는 반쌍곡선형으로 수렴하는 오리피스 를 포함하고, 상기 중합체 용융 스트림은 입구에서 오리피스로 진입하고 출구에서 오리피스로부터 빠져 나옴 - ;
    중합체 용융 스트림과 별도로 윤활제를 오리피스로 전달하는 단계 - 여기서, 상기 윤활제는 오리피스의 입구에서 도입됨 - ; 및
    중합체 용융 스트림 및 중합체 용융 스트림 내에 캡슐화된 복수의 입자를 포함하는 미립자 로딩된 중합체 섬유를 수집하는 단계 - 여기서 상기 캡슐화된 입자는 섬유 내에 캡슐화된 입자 밀도를 포함하며, 상기 캡슐화된 입자 밀도는 섬유의 외부 표면 부근에서 더 높음 -
    를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 섬유 부피의 최외측 20％ 내의 캡슐화된 입자 밀도가 섬유 부피의 최내측 20％ 내의 캡슐화된 입자 밀도의 2배 이상인, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  23. 제21항에 있어서, 복수의 입자는 본질적으로 비-중합체 입자로 이루어지는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  24. 제21항에 있어서, 중합체 용융 스트림은 하나 이상의 중합체를 포함하며, 하나 이상의 중합체 모두가 하나 이상의 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 30 이하의 용융 유동 지수를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  25. 제21항에 있어서, 중합체 용융 스트림은 하나 이상의 중합체를 포함하며, 하나 이상의 중합체 모두가 하나 이상의 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 10 이하의 용융 유동 지수를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  26. 제21항에 있어서, 중합체 용융 스트림은 하나 이상의 중합체를 포함하며, 하나 이상의 중합체 모두가 하나 이상의 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 1 이하의 용융 유동 지수를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  27. 제21항에 있어서, 하나 이상의 중합체 모두가 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 0.1 이하의 용융 유동 지수를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  28. 제21항에 있어서, 중합체 용융 스트림은 하나 이상의 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 30 이하의 용융 유동 지수를 갖는 하나의 중합체로 본질적으로 이루어지는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  29. 제21항에 있어서, 중합체 용융 스트림은 하나 이상의 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 10 이하의 용융 유동 지수를 갖는 하나의 중합체로 본질적으로 이루어지는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  30. 제21항에 있어서, 중합체 용융 스트림은 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 1 이하의 용융 유동 지수를 갖는 하나의 중합체로 본질적으로 이루어지는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  31. 제21항에 있어서, 중합체 용융 스트림은 중합체에 대해 지정된 조건에서 측정할 때 0.1 이하의 용융 유동 지수를 갖는 하나의 중합체로 본질적으로 이루어지는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  32. 제21항에 있어서, 중합체 용융 스트림은 본질적으로 하나 이상의 반결정성 중합체로 이루어지는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  33. 제33항에 있어서, 반결정성 중합체는 나일론인, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  34. 제21항에 있어서, 복수의 입자가 혼입된 중합체 용융 스트림은 오리피스의 입구의 단면적보다 작은 단면적을 포함하는 개구를 통해 오리피스의 입구로 전달되는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  35. 제21항에 있어서, 윤활제를 전달하는 단계는 오리피스의 입구 둘레에 형성된 연속적인 슬롯을 통해 윤활제를 전달하는 단계를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  36. 제21항에 있어서, 윤활제를 전달하는 단계는 오리피스의 입구 둘레에 배치된 복수의 개구를 통해 윤활제를 전달하는 단계를 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  37. 제21항에 있어서, 윤활제의 적어도 일부는 중합체 용융 스트림이 오리피스의 출구에서 빠져 나온 후에 중합체 용융 스트림으로부터 증발하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  38. 제21항에 있어서, 다이는 복수의 오리피스를 포함하며, 상기 방법은 윤활제를 복수의 오리피스의 각각의 오리피스에 독립적으로 전달하는 단계를 추가로 포함하는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  39. 제21항에 있어서, 섬유를 수집하는 단계는 섬유를 당기는 단계를 포함하며, 섬유는 당기는 동안 연신되는, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  40. 제21항에 있어서, 오리피스의 입구로 통과하는 중합체 용융 스트림의 평균 온도는 중합체 용융 스트림의 용융 처리 온도보다 섭씨 10도 이하 이내만큼 높은, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
  41. 제21항에 있어서, 중합체 용융 스트림의 평균 온도는 중합체 용융 스트림이 오리피스의 출구에서 빠져 나오기 전에 중합체 용융 스트림의 용융 처리 온도이거나 그보다 낮은, 미립자 로딩된 중합체 섬유의 제조 방법.
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