KR20090102111A - 라이오셀 필라멘트 섬유용 방사구금 및 이를 이용한라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라이오셀 필라멘트 섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 노즐의 직경(D)에 대한 길이(L)의 비(L/D)가 1 이하인 라이오셀 필라멘트 섬유용 방사구금 및 이를 이용한 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 L/D가 1이하인 방사구금을 이용하여 라이오셀 필라멘트 섬유를 제조하므로, 방사 공정에서 토출압력이 감소되고 방사도프 농도를 높일 수 있어 방사속도를 증가시킬 수 있다.

Description

라이오셀 필라멘트 섬유용 방사구금 및 이를 이용한 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법{Spinneret for Lyocell filament fiber and a preparation method of Lyocell filament fiber using the same}

본 발명은 라이오셀 필라멘트 섬유용 방사구금 및 이를 이용한 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

타이어는 섬유/강철/고무의 복합체이며, 도 1과 같은 구조를 가지는 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.

따라서, 최근에는 레이온 섬유보다 우수한 건강도, 습윤강도 및 모듈러스, 신도를 가지는 라이오셀 섬유를 이용한 타이어 코오드에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나, 기존 라이오셀 필라멘트 섬유 제조시 방사공정의 방사구금은 노즐의 직경(D)에 대한 길이(L)의 비(L/D)가 높기 때문에 자체(self) 배향이 일어난다. 상기 자체 배향에 의해, 응고 및 수세 공정에서도 상당한 배향성을 가지는 섬유가 형성되고, 건조시 높은 결정화와 배향성을 갖는 섬유가 형성되기 때문에 모듈러스가 높고, 신도가 현저히 낮은 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 방사 공정에서의 토출압력을 줄이고 도프 농도를 높이며 방사속도를 증가시킴으로써 신도를 개선할 수 있는 라이오셀 필라멘트 섬유용 방사구금 및 이를 이용한 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 노즐의 직경(D)에 대한 길이(L)의 비(L/D)가 1 이하인 라이오셀 필라멘트 섬유용 방사구금을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 방사구금을 이용하여 방사하는 단계를 포함하는, 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조되며, 신율이 9 내지 16%인, 라이오셀 필라멘트 섬유를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 라이오셀 필라멘트 섬유를 이용하여 제조된 타이어 코오드를 제공한다.

이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 종래 라이오셀 필라멘트 섬유 제조공정의 방사공정에서, 노즐 직경(D)에 대한 길이(L)의 비가 높아 발생된 모듈러스 상승 및 신도 저하를 방지하기 위하여, 방사구금의 L/D의 비를 기존보다 현저히 낮추어 필라멘트 섬유의 토출압력을 감소시키고 방사도프의 농도를 높이고 방사속도를 증가시켜 라이오셀 필라멘트 섬유의 신도를 개선할 수 있음을 확인하여, 본 발명을 완성하였다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방사구금 단면을 부분 확대하여 나타낸 구성도이며, 도 3은 상기 도 2의 방사구금의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2 및 3에서와 같이, 본 발명의 라이오셀 필라멘트 섬유용 방사구금(20)은 방사도프를 주입한 후 토출하기 위한 복수개의 노즐(22)을 구비하며, 상기 노즐(22)은 라이오셀 필라멘트 섬유를 토출하는 토출구(24)을 포함한다. 즉, 방사구금은 노즐 도입부와 도입부보다 개구면적이 작은 토출구(24)를 구비하고, 상기 방사구금당 적어도 250 개 이상의 오리피스를 구비한 것을 의미한다. 또한, 본 발명에서 사용하는 방사 구금 및 노즐의 형태는 통상 원형이나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 방사구금은 노즐 직경(D)에 대한 길이(L)의 비(L/D)가 1이하인 것을 특징으로 하며, 상기 L/D는 0.5 내지 1일 수 있다. 상기 L/D 가 1 이상이 되면, 섬유 자체 배향으로 인해 섬유의 모듈러스를 높이고 신도를 저하시키는 문제가 있다.

또한, 상기 방사구금의 평균 직경은 0.05~0.2mm일 수 있으며, 그 직경이 0.05 mm 미만이면 방사 토출압에 의한 내구성에 문제가 있고, 0.2mm를 초과하면 방사 견인비가 높아 섬유의 신도가 저하하여 본 발명의 목적에 부합하지 않는 문제가 있다.

또한, 본 발명은 상기 방사구금을 라이오셀 필라멘트 섬유 제조에 이용할 수 있다.

따라서, 본 발명의 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법은 라이오셀 필라멘트 섬유 방사용 도프를 제조하고, 상기 방사노즐이 장착된 방사장치를 이용하여 방사도프(방사원액)로부터 셀룰로오스계 필라멘트를 방사하는 단계; 및 상기 방사된 셀룰로오스계 필라멘트를 수세 및 건조하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명은 방사공정에서 상기 방사구금을 이용하기 때문에, 도프 농도를 높여 용매 사용량을 줄일 수 있다. 따라서, 상기 방사용 도프에서 셀룰로오스 농도는 5 내지 35 중량%인 것을 사용할 수 있다.

또한, 상기 방사구금 사용시 필라멘트 섬유 토출구의 토출압력은 30 내지 80 kg/㎠ 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 방사공정에서 최대 방사속도는 100 내지 500 m/min일 수 있다.

상기 방사용 도프는 라이오셀 필라멘트 섬유 제조공정에서 통상적으로 사용되는 어떠한 방사 원액을 사용할 수 있어 특별히 한정되는 것은 아니다. 방사용 도프의 예를 들면 셀룰로오스(cellulose), N-메틸몰포린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 및 물을 혼합 용제에 용해시켜 방사 원액을 사용할 수 있다.

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 4는 본 발명의 방사구금이 적용된 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조 장치의 일실시예에 따른 구성을 간략히 도시하여 나타낸 것이다.

도 4의 구성을 참조하면, 라이오셀 멀티 필라멘트 제조 장치는 방사 원액을 일정한 압력으로 공급하기 위한 기어 펌프(10), 상기 압출기로부터 공급받은 방사 원액을 섬유의 형태로 방사하는 상기 특징을 가지는 방사 구금(20), 상기 방사구금으로부터 토출되는 미응고 섬유(30)를 응고시키기 위한 제1 응고욕(40), 및 제2 응고욕(42)을 구비한다. 제1 응고욕(40)을 통과한 필라멘트는 견인롤러(50)의 구동에 의해 제 2 응고욕(42)을 거치고, 수세장치(60)에서 물에 의해 방사 도프 등에 포함된 용매 등을 제거한다. 이어서, 상기 수세장치를 거친 필라멘트는 건조장치(70)에서 건조된 후 권취롤에 와인딩되어 최종 라이오셀 필라멘트를 얻을 수 있다.

이때, 본 발명의 라이오셀 필라멘트 섬유의 방사 방법이 도 4에 도시된 방법에 특별히 한정되는 것은 아니며, 비연속식과 연속식이 모두 사용될 수 있다.

비연속식인 경우 원심식 방사법과 보빈식 방사법으로 나누어지고, 연속식인 경우 대표적인 방법으로 넬슨식, 오스카 코오혼식, 커디언식, 인더스트리얼 레이온식 등이 사용될 수 있다. 또한, 셀룰로오스계 섬유인 레이온 필라멘트사의 제조에 사용되는 방사 방법을 라이오셀 공정에 수정하여 사용할 수도 있다. 또한, 응고욕(40, 42)은 방사구금에서 토출된 라이오셀 필라멘트 섬유를 응고시키는 것으로 이 역시 통상의 장치가 사용될 수 있는 것이다.

또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 본 발명은 셀룰로오스 시트를 스크린 필터가 장착된 분쇄기에 넣어 분말 상태로 만들어 펄프 분말 저장탱크에 저장하고, 이어서 방사구금(20)에 연결 설치된 쌍축 압출기의 피딩부(feeding part)에 상기 셀룰로오스 분말과 액상 방사용액의 혼합물을 주입할 수 있다.

상기 방사용액으로는 N-메틸몰폴린-N-옥사이드(NMMO):물을 중량비 93:7 내지 85:15로 포함하는 혼합용매에 셀룰로오스가 7 내지 18 중량%로 용해되어 있는 것을 이용할 수 있으며, 상기 방사원액은 N-메틸몰폴린-N-옥사이드(NMMO):물을 중량비 90:10 내지 50:50로 포함하는 혼합용매에 셀룰로오스를 팽윤시킨 후, N-메틸몰폴린-N-옥사이드(NMMO):물의 중량비가 93:7 내지 85:15, 셀룰로오스의 최종 함량이 5 내지 35 중량%, 보다 바람직하게는 7 내지 18 중량%가 되도록 물을 제거하는 공정에 따라 제조될 수 있다. 상기 혼합용매의 함량비와 셀룰로오스의 함량은 최적의 조건으로 라이오셀 필라멘트 섬유를 제조하기 위한 범위를 임의로 설정한 것일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 필라멘트의 건조 단계에서 0.1 내지 2 g/d, 또는 0.3 내지 1 g/d의 장력을 필라멘트에 부여하고, 건조 온도는 90 내지 200℃, 또는 100 내지 150℃로 조절할 수 있다. 상기 건조 단계는 1단계 건조 공정으로 진행될 수 있으며, 또한 구간을 나누어 건조 공정 조건을 달리하는 다단의 건조 공정으로 진행될 수 있다. 상기 다단의 건조공정에 있어서 구체적인 건조 조건은 상기 장력 및 온도 범위 내에서 필요에 따라 임의로 선택할 수 있다.

또한, 라이오셀 필라멘트 섬유의 방사 후 수세, 건조, 후처리 기술은 일반적인 습식방사의 것을 사용하여 제조할 수 있다. 또한, 셀룰로오스계 섬유인 레이온 필라멘트사의 제조에 사용되는 방사 방법을 라이오셀 공정에 수정하여 사용할 수도 있다.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 라이오셀 필라멘트 섬유 및 이로부터 제조되는 타이어 코오드를 제공할 수 있다.

상기 방법을 통해 제조된 라이오셀 필라멘트 섬유는 종래보다 모듈러스가 낮으며, 신율이 9 내지 16%이므로, 타이어 코오드용 재료 등과 같은 산업용 섬유로서 사용될 수 있다.

상기 라이오셀 필라멘트 섬유는 통상의 연사 공정을 수행할 수 있는데, 연사 공정에 있어서, 도 5와 같이 꼬임의 방향이 시계방향인 경우를 하연(또는 S연)이라 하고, 꼬임의 방향이 반시계 방향인 경우를 상연(또는 Z연)이라 한다("섬유공학개론", 형설출판사, 1991.02.25, page 216).

본 발명의 타이어 코오드는 상기 제조된 라이오셀 원사 2 내지 3 플라이(ply)를 합연사 한 후, 통상적인 딥핑 방법에 따라 타이어 코오드용 접착제 용액을 처리하고, 이를 건조 및 열처리 함으로써 제조될 수 있다.

본 발명에서 '원사'라 함은 라이오셀 필라멘트 섬유 다발을 연사하여 제조되는 1 플라이 상태의 연사물을 의미한다. 또한, 라이오셀 타이어 코오드는 상기 원사 2 내지 3 플라이를 합연사한 후, 통상의 타이어 코오드용 접착제로 처리된 완제품 상태를 의미하며, '딥 코오드(dipped cord)'라 한다. 본 발명의 라이오셀 타이어 코오드는 라이오셀 원사를 이용하여 제조된다.

또한, 본 발명의 라이오셀 타이어 코오드의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 통상적인 타이어 코오드와 동등한 구성으로 제조될 수 있다. 일례를 들면, 본 발명의 라이오셀 타이어 코오드는 총 필라멘트 수가 200 내지 2000이고, 총 섬도가 200 내지 3000 데니어이며, 꼬임수가 200 내지 600 TPM인 라이오셀 원사 2 내지 3 플라이를 다시 200 내지 600 TPM 으로 합연사한 형태로서, 상기 타이어 코오드는 총 필라멘트 수가 400 내지 6000이고, 총 섬도 가 400 내지 9000 데니어이며, 합연사시의 꼬임수가 200 내지 600 TPM일 수 있다.

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 연사물은 건조공정과 열처리공정을 거쳐 타이어 코오드로 제조된다. 상기 건조공정은 105 내지 160℃에서 30초 내지 10분간 20 내지 1000 g/cord의 장력으로 실시하고, 상기 열처리공정은 105 내지 220℃에서 30초 내지 10분간 20 내지 1000 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 발명은 노즐의 L/D가 1 이하인 방사구금을 이용하므로, 방사공정에서 토출압력이 줄어들고 방사도프 농도를 높일 수 있어 제조된 라이오셀 필라멘트 섬유의 신율을 개선할 수 있다.

도 1은 일반적인 타이어의 구성을 나타낸 부분 절개 사시도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방사구금 단면을 부분 확대하여 나타낸 구성도.

도 3은 상기 도 2의 방사구금의 구성을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조장치의 일실시예에 따른 간략 구성도.

도 5는 상연과 하연의 정의를 나타낸 도면.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 기어펌프

20: 방사구금 22: 노즐

24: 섬유 토출구

30: 미응고 섬유

40: 제1 응고욕 42: 제2 응고욕

50: 견인롤러

60: 수세장치 70: 건조장치

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

도 4의 방사기 장치를 이용하여 라이오셀 필라멘트 섬유를 제조하였다.

셀룰로오스 시트(buckeye사 V-81)를 100 메쉬 필터가 장착된 분쇄기에 넣어 직경이 1700㎛이하인 셀룰로오스 분말을 제조하고 펄프 분말 저장조에 저장하였다. 이어서, 쌍축 압출기(스크류 직경(D) = 48mm, L/D = 52)에 상기 셀룰로오스 분말(공급속도 = 561g/h)과 셀룰로오스 팽윤을 위한 액상 NMMO(89℃, 수분 함량 13%, 공급속도 = 6,000g/h)을 스크류 회전 속도가 120rpm 이고, 온도가 80 ℃인 쌍축압출기의 피딩부에 주입하였다.

상기 혼합물은 혼련부 및 용해부를 거쳐 방사도프가 되도록 하였고, 이어서 도 2에 도시된 바와 같이 방사노즐(L/D=0.9, 직경 0.1mm, 오리피스 1000개)이 장착된 방사구금을 통해 필라멘트 섬유를 토출하였다.

상기 방사노즐로부터 토출된 미응고 섬유는 노즐과 제 1 응고욕 사이의 30 mm의 에어갭(또는 공기층)을 통과시킨 후, 제1 응고욕과 제2 응고욕을 통과하도록 하였다.

이어서, 상기 응고욕을 통과한 섬유는 수세장치(50)를 통해 잔존 NMMO를 제거하고, 건조장치(60)를 통과시켜 원사의 수분이 제거되도록 가열건조한 후, 권취롤에 와인딩하여 라이오셀 필라멘트 섬유를 얻었다.

이때, 최종 필라멘트 총 섬도가 1,650 데니어가 되도록 방사구금에서 토출압력은 40 kg/㎠이고, 최대 방사속도는 200m/min가 되도록 하였다.

[비교예]

방사구금의 노즐의 L/D가 5이고, 직경이 0.1 mm인 것을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 라이오셀 필라멘트 섬유를 제조하였다.

[실험예]

상기 실시예 및 비교예에서 얻은 섬유를 각각 취하여, KSK 0901에 따른 표준상태(25?, 65 RH%)에서 1일 동안 방치하여 수분평형상태에 도달하게 하였다.

그런 다음, 각 시험편을 인스트롱을 이용하여 인장강도, 모듈러스 및 신율을 측정하였고, 그 결과는 표 1에 나타내었다.

[표 1]

	비교예	실시예
신율(%)	8	15
인장강도(g/d)	7.4	7.1
모듈러스(g/d)	271	260

본 발명에 따른 라이오셀 필라멘트 섬유용 방사구금은 신율이 향상된 라이오셀 필라멘트 섬유 제조에 적용할 수 있다.

Claims (7)

1. 노즐의 직경(D)에 대한 길이(L)의 비(L/D)가 1 이하인 라이오셀 필라멘트 섬유용 방사구금.
2. 제1항에 있어서, 상기 방사구금의 직경이 0.05~0.1mm인 방사구금.
3. 제1항에 있어서, 상기 L/D는 0.5 내지 1인 방사구금.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 방사구금을 이용하여 방사하는 단계를 포함하는, 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 제조방법은 셀룰로오스 농도가 5 내지 35 중량%인 방사도프를 이용하는 것인 제조방법.
6. 제4항의 방법으로 제조되며, 신율이 9 내지 16%인, 라이오셀 필라멘트 섬유.
7. 제 6 항의 라이오셀 필라멘트 섬유를 이용하여 제조된 타이어 코오드.