KR20110057363A - 열접착성 공중합 폴리에스테르 및 바인더 섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

일반적으로 폴리에스테르는 디카르본산 성분("제1 성분"이라고도 함)과 디올 성분("제2 성분"이라고도 함)을 중합하여 제조되는데, 제1 성분으로 테레프탈산을 사용하고 제2성분으로 에틸렌글리콜을 사용하면 약 250 ℃ 정도의 높은 융점을 갖는 통상의 폴리에스테르가 제조된다. 본 발명에서는 제1성분인 디카르본산 성분이 테레프탈산 및/또는 그 에스테르 형성성 유도체 95~60 몰%와 이소프탈산 및/또는 그 에스테르 형성성 유도체 5~40 몰%로 구성되며, 제2 성분인 디올 성분이 에틸렌글리콜 95~30 몰%, 디에틸렌글리콜 0~20 몰% 및 1,2-프로판디올 5~50 몰%로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이렇게 함으로써, 본 발명의 폴리에스테르계 바인더 섬유는 고융점 성분과 저융점 성분으로 이루어지는데, 그 저융점 성분으로 인하여 열접착성이 양호한 섬유를 제조할 수 있다.

테레프탈산, 에틸렌글리콜, 폴리에스테르계 바인더 섬유, 고융점, 저융점, 열접착성

Description

열접착성 공중합 폴리에스테르 및 바인더 섬유의 제조방법 {Method for thermally adhesive co-polyester and binder fiber}

본 발명은 부직포 및 패딩(Padding) 제품의 제조에 사용되는 열접착성 폴리에스테르 바인더 섬유에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는 섬유를 열적으로 상호간 접착시 우수한 접착력과 높은 유리전이 온도를 나타내는 비결정성 공중합 폴리에스테르계 바인더 섬유에 관한 것이다.

일반적으로 의류용 부직포 및 패딩 제품은 단섬유를 카딩하여 기계 방향과 반기계 방향으로 몇겹의 카딩 웹 제품을 적층한 후 접착물질(바인더)로서 섬유간(inter-fiber) 접착성을 가지게 하는 방법이 널리 알려져 있다. 이와 같은 부직포를 제조하는 방법으로는 크게 2 가지로 분류할 수 있으며 그 첫째 방법은 아크릴 수지, 폴리비닐알코올 수지 등을 용제에 녹여 부직포 표면에 도포 접착하는 것이며, 둘째 방법은 매트릭스 섬유에 일정 비율의 융점이 낮은 동일계 또는 시스-코어(Sheath-Core)형으로 복합 방사하여 제조한 바인더 섬유를 카딩(carding)시 혼합한 후 열처리에 의해 구성 섬유들을 융착시키는 방법이다.

그러나 전자의 방법인 폴리비닐알코올 수지 또는 아크릴계 수지를 용제에 녹여 분사하는 방법은 웹(web)의 내부까지 바인더가 깊이 침투하지 못할 뿐만 아니라 용제에 의한 환경적인 오염 및 매트릭스가 되는 폴리에스테르와의 낮은 상용성 등으로 인하여 부직포의 표면만을 간단히 접착시키는 의류용 심지에만 사용이 국한되어 있으며, 접착성 또한 낮고 촉감이 거칠어 고강력을 요구하는 제품에는 적용하지 못하는 단점이 있다.

또한 사용되는 유기용제는 휘발성이 강하고 인체에 유해한 물질이 대부분이며, 몰딩용 부직포로 사용될 때는 금형에 용제 및 수지가 묻어나는 단점이 지적되고 있다. 후자의 방법은 용제를 사용하지 않는 방법으로 가열에 의해 접착이 순간적으로 완료되는 큰 이점을 가지고 있고, 섬유접착의 분야에 있어서도 접착공정의 합리화, 인원절감, 고속화에 기여하는 바가 크기 때문에 현재 다수의 제품이 개발, 상품화되고 있다. 그러나 기존의 매트릭스가 되는 폴리에스테르와 융점이 낮은 동일계 혹은 이종의 폴리머를 시스-코어형, 사이드-바이-사이드형으로 복합방사 하여 혼합한 후 열처리시 용융접착시키는 방법은 섬유 상호간의 상용성은 좋지만 폴리에스테르의 높은 융점 때문에 이종의 성분을 폴리에스테르에 공중합하여 융점을 저하시켜야 한다.

부직포 웹(web) 및 시이트(sheet)를 견고하게 만들기 위해 공중합 폴리에스테르 바인더 섬유를 이용하는 기술의 한 예가 미국특허 제3,989,788호 공보에 설명되어 있다. 여기서 공중합 폴리에스테르 바인더는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중의 약간의 테레프탈레이트 반복단위를 이소프탈레이트 단위로 바꿈으로써 바인더로서 의 특성을 얻는 방법이다.

미국특허 제4,129,675호에는 테레프탈산과 이소프탈산을 주성분으로 하는 저융점 폴리에스테르 섬유가 기술되어 있다. 그러나 이러한 섬유는 열접착시 190℃ 이상의 온도를 필요로 하기 때문에 경제적으로 불리한 결함이 있다.

미국특허 제4,166,896호에는 폴리에스테르를 해중합한 저분자물에 불포화 디카르본산 등을 공중합시켜서 제조한불포화 폴리에스테르로 되는 섬유가 기술되어 있다. 이 섬유 또한 경제성이 낮을 뿐만 아니라 접착제로 사용하기에는 지나치게 고융점, 고결정성인 단점이 있다.

다른 예로는 디카르본산으로서 테레프탈산 이외에 이소프탈산, 프탈산 등의 방향족 디카르본산 혹은 아디핀산, 세바신산과 같은 지방족 디카르본산을 사용하는 방법과 디올 성분으로 에틸렌 글리콜, 헥산디올 등을 적당한 비율로 사용하는 방법이 소개되어 있다. 예를 들어 미국특허 제4,129,675호에는 테레프탈산과 이소프탈산을 이용하여 저융점 공중합 폴리에스테르를 제조하는 방법이 설명되어 있다. 이 방법은 190℃ 이상의 고온에서 열융착됨으로써 경제적으로 불리한 단점이 있다.

또한 미국특허 제4,065,439호에는 테레프탈산/이소프탈산/아디핀산(또는 세바신산) 및 에틸렌글리콜/네오펜틸글리콜을 사용하여 저융점 폴리에스테르를 제조하는 방법이 설명되어 있다. 이 방법에 의한 폴리에스테르는 융점이 45-60℃로 너무 낮아 의류용 또는 산업용 심지로는 사용하기 곤란할 뿐만 아니라 강력 또한 약한 단점이 있다.

상기 열거된 선행기술들에 사용된 공중합 원료물질들은 공중합 후 폴리에스 테르 분자쇄 내에서 결점으로 작용하거나 일직선이 아닌 분자쇄의 구조로 작용하여 결정성 저하 및 강도 저하를 유발하는 단점이 있다.

이러한 공중합 폴리에스테르를 사용하는 경우 결정성이 떨어지는 관계로 부직포로 제조 후 연화점 이상의 온도에서는 바인더로서의 역할을 잃게 되므로 연화점 이상의 온도에서는 부직포의 인열특성이 현저하게 감소되고 웹(web)이나 시이트(sheet) 상태에서의 견고함(Hardness)이 떨어져서 산업용 패딩 제품 또는 몰딩용 부직포로는 용도가 적합하지 않다.

따라서 본 발명은 피접착물이 되는 폴리에스테르와의 접착력이 우수하고 접착 후 접착 부위의 견고함이 우수할 뿐만 아니라 유리전이 온도가 높아 웹이나 시트로의 열접착 성형 후에 높은 온도에서도 형태안정성이 우수한 폴리에스테르 부직포를 제조하는데 적합한 열접착성 공중합 폴리에스테르계 바인더 섬유를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명가들은 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 공중합시킬 때 특정의 공중합 물질을 사용하면 특정한 융점까지는 연화거동이 거의 나타나지 않아 그 이하의 온도에서는 변형이 거의 없고, 또한 유리전이 온도가 높아 열융착 후 견고한 특성을 가짐으로써 부직포 매트리스(mattress) 제조시 우수 품질을 제공하게 됨으로써 고온에서도 변형이 거의 없는 바인더 섬유를 제공할 수 있게 된다는 사실을 알게 되어 본 발명을 완성하게 된 것이다.

본 발명의 폴리에스테르계 바인더 섬유는 고융점 성분과 저융점 성분으로 이루어지는데, 저융점 성분이 존재하기 때문에 열접착성이 양호한 섬유를 제조할 수 있다. 다시 말해서, 고융점 성분은 종래의 통상의 폴리에틸렌 테레프탈레이트로서 이는 약 250 ℃ 정도의 융점을 갖는 반면, 저융점 성분은 본 발명에 따른 공중합 폴리에스테르로서 250 ℃ 이하 때로는 120∼130 ℃ 정도의 낮은 융점을 갖는 것을 의미한다.

일반적으로 폴리에스테르는 디카르본산 성분("제1 성분"이라고도 함)과 디올 성분("제2 성분"이라고도 함)을 중합하여 제조되는데, 제1 성분으로 테레프탈산을 사용하고 제2 성분으로 에틸렌글리콜을 사용하면 약 250 ℃ 정도의 높은 융점을 갖는 통상의 폴리에스테르가 제조된다.

본 발명에서는 제1 성분인 디카르본산 성분이 테레프탈산 및/또는 그 에스테르 형성성 유도체 95~60 몰%와 이소프탈산 및/또는 그 에스테르 형성성 유도체 5~40 몰%로 구성되며, 제2 성분인 디올 성분이 에틸렌글리콜 95~30 몰%, 디에틸렌글리콜 0~20 몰% 및 1,2-프로판디올 5~50 몰%로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이렇게 함으로써, 본 발명의 폴리에스테르계 바인더 섬유는 고융점 성분과 저융점 성분으로 이루어지는데, 그 저융점 성분으로 인하여 열접착성이 양호한 섬유를 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 따르는 공중합 폴리에스테르로 되는 열접착성 바인더 섬유는 비결정성으로 융점이 없이 연화거동만 나타내며 종래의 폴리에스테르계 바인더 섬유와 비교하여 부직포 제조시 접착력이 우수하고, 접착된 이후 접착력과 촉감도 우수할 뿐만 아니라, 유리전이 온도가 높아 강직성이 좋은 고품질의 폴리에스테르 산업용 부직포 및 산업용 견면을 제조하는데 매우 유용하다.

본 발명의 열접착성 공중합 폴리에스테르는 제1 성분인 디카르본산 성분으로 테레프탈산 및/또는 그 에스테르 형성성 유도체(이하, 테레프탈산은 그 에스테르 형성성 유도체를 포함하는 의미로 사용된다.) 95~60 몰%와 이소프탈산 및/또는 그 에스테르 형성성 유도체(이하, 이소프탈산은 그 에스테르 형성성 유도체를 포함하는 의미로 사용된다) 5~40몰%로 구성되다.

디카르본산 성분으로 테레프탈산과 이소프탈산의 조성비가 상기한 범위 내에 있을 때 얻어진 중합체가 소망하는 다양한 연화 온도와 접착 성능을 나타나게 된다.

일반적으로 이소프탈산의 함량이 40 몰% 수준에서는 제조된 공중합 폴리에스테르가 제2 성분의 추가 공중합 없이도 충분히 연화온도가 높아짐에 따라 적절한 가공온도의 조건에서 열융착이 가능한 공중합 폴리에스테르를 제조할 수 있으며, 함량이 40 몰%를 초과하게 되면 연화 온도 저하 효과는 미약해지면서 공중합 폴리에스테르의 물성이 저하하고 색상이 불량하게 된다.

공중합 폴리에스테르를 구성하는 제2 성분인 디올 성분으로 에틸렌글리콜을 단독으로 사용하지 않고 에틸렌글리콜 이외에 디카르본산 단위의 몰을 기준으로 하여 20 몰% 이하의 디에틸렌글리콜을 함께 사용할 수 있다. 하지만 디에틸렌글리콜의 함량이 20 몰%를 초과하게 되면 공중합 폴리에스테르의 연화시작온도가 50℃ 미만으로 너무 낮아져 산업용이나 의류용 심지 등으로 사용하는데 부적합하게 된다.

이러한 단점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 제2 성분인 디올 성분으로 에틸렌글리콜 95~30 몰%, 디에틸렌글리콜 0~20 몰, 및 1,2-프로판디올 5~50 몰% 로 구성되게 하여 공중합 폴리에스테르를 제조하게 되면 선형 구조인 디에틸렌글리콜 이 가지형 분자구조를 가진 1,2-프로판디올의 분자구조 특성상 고분자쇄의 유연성을 억제하여 고분자쇄의 경직성(Rigidity)이 높아져서 상기 범위 내에 있을 때 얻어진 중합체의 소망하는 연화 온도와 높은 유리전이온도를 갖게 되고 그 결과 우수한 접착 성능 및 가공성을 만족하게 된다.

또한 본 발명에 의하면, 공중합 폴리에스테르 축중합 반응촉매로 통상의 폴리에스테르 중합촉매인 삼산화안티몬이나 안티몬아세테이트가 아닌 티타늄(Ti)계 중합촉매를 사용하여야 하며 바람직한 티타늄계 촉매로는 테트라노말부톡시티타네이트, 테트라이소프로필티타네이트, 티탄옥사이드/실리카옥사이드마이크로코폴리머, 나노티타네이트 등이 있으며, 그 첨가량은 공중합 폴리에스테르 전체중량대비 촉매 함량이 20~500 ppm, 바람직하기로는 50~200 ppm 이다.

상기한 첨가량 범위 내에서 티타네이트 촉매를 사용하는 목적으로는 공중합 폴리에스테르의 축중합시 제2 성분으로 사용하는 1,2-프로판디올의 분자구조 특성상 반응성 하이드록시기가 1번 탄소의 가지상에 위치하여 중합반응성이 떨어져 축중합반응시 말단봉쇄의 역할을 할 수 있는 구조여서 통상의 안티몬 촉매를 사용하면 원하는 중합도를 얻을 수가 없고, 촉매 활성이 높은 티타네이트 중합촉매를 사용하여 원하는 수준의 중합도를 얻을 수 있고, 반응 시간의 단축을 가능케 한다.

만일 중합촉매의 첨가량을 20 ppm 미만으로 하는 경우에는 축중합반응이 불가하여 목적하는 중합도의 공중합폴리에스테를 얻을 수가 없고, 500 ppm을 초과하게 하는 경우에는 반응속도가 너무 빠르고 분지구조에 의한 급격한 가교 현상에 의하여 원하는 수준의 중합도에 도달하지 못하며 또한 황변현상이 발생하여 중합 및 방사, 연신시에 문제를 일으킬 수 있으므로 부적합하다.

본 발명에 따르는 열접착성 공중합 폴리에스테르는 바인더 섬유 원료의 일부 또는 전부로 사용할 수 있다. 본 발명의 공중합 폴리에스테르로 바인더 섬유를 제조하는 데에는 동일계 방사 또는 복합방사 방법을 이용할 수 있다. 즉, 본 발명의 공중합 폴리에스테르 단일성분으로 방사하여 바인더 섬유를 제조하거나 또는 다른 섬유형성성 성분과 복합방사하여 바인더 섬유를 제조할 수 있다. 복합 방사에 의한 섬유형태는 사이드-바이-사이드 형태로도 할 수 있고, 본 발명의 공중합 폴리에스테르를 시스성분으로 하는 시스-코어 형태로도 할 수 있다.

바람직하게 본 발명에 따르는 열접착성 공중합 폴리에스테르계 바인더 섬유는 융점이 없고 110~180 ℃ 범위의 접착 가공 온도에서 연화 거동을 보이며 접착력이 우수하고 접착후의 촉감이 강직한 특성이 있어서 특히 산업용 폴리에스테르계 부직포 또는 산업용 견면 제품의 제조에 효과적으로 적용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명의 특징 및 기타의 장점은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이다. 단, 본 발명은 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.

하기 실시예 및 비교예에서 나타난 평가 항목의 측정은 다음과 같이 하였다.

* 융점 및 연화거동 : 열시차주사열량계(Perkin Elmer, DSC-Diamond)를 이용하여 측정하였으며 열 흡수 피크가 존재하지않는 경우, 즉 융점이 존재하지 않는 경우 동적 열특성 측정기(Perkin Elmer, DMA-7; TMA 모드)를 이용하여 연화거동을 측정하였다.

* 극한 점도(IV) : 공중합 폴리에스테르를 페놀/테트라클로로에탄(중량비 50/50)에 녹여 0.5중량% 용액을 만든 후 우베로드 점도계로 35℃에서 측정하였다.

* 접착력 : 제조된 공중합 폴리에스테르 칩을 시스 성분으로 통상의 폴리에틸렌테레프탈레이트 칩을 코어 성분으로하여 제조한 단사섬도가 4 데니아인 시스-코어형 폴리에스테르 바인더 섬유를 섬유장 51 mm로 절단하고 또한 기계적 권축을 함께 부여한 후 로울러 카딩기에서 통상적인 폴리에틸렌테레프탈레이트와 50:50의 무게비로 혼면 카딩하여 2g/100㎠의 부직포를 제조하고 165℃의 온도에서 1분간 열접착 한 후 ASTM D1424의 방법으로 접착력을 측정하였다.

* 촉감 : 상기 접착력 측정용 시료를 손으로 만져서 상대적인 평가를 하였다.

◎(우수), ○(양호) , △(보통) , ×(불량)

[ 실시예 1]

테레프탈산과 에틸렌글리콜을 직접에스테르화 반응시켜 얻은 폴리에틸렌테레프탈레이트 올리고머가 들어 있는 에스테르 반응조에 표 1에 기재된 비율로 이소프탈산(이하, "IPA"라 약칭함)를 테레프탈산 90몰%, 이소프탈산 10몰%의 비율이 되도록 투입한 후, 제2 성분으로 디카르본산 성분 전체대비하여 디에틸렌글리콜을 20 몰%, 1,2-프로판디올을 10 몰%을 각각 투입한 후 통상의 에스테르 교환반응 촉매인 망간아세테이트 존재하에서 245 ℃에서 1시간 동안 에스테르 교환 반응을 완료하였다. 여기에 축중합 반응 촉매인 테트라노말부톡시티타네이트를 첨가한 후 최종 진공도가 1 mmHg 이하가 되도록 감압하면서 285 ℃까지 승온하여 축중합 반응을 행하 였다. 이때 얻어진 공중합 폴리에스테르의 물성을 측정하였다. 측정결과는 표 1에 제시된다.

얻어진 공중합 폴리에스테르 칩을 시스 성분으로 통상의 폴리에틸렌테레프탈레이트 칩을 코어 성분으로 하여 단사섬도 4 데니어의 시스-코어형 폴리에스테르 바인더 섬유를 제조하였다. 제조된 바인더 섬유를 섬유장 51 mm로 절단하고 또한 기계적 권축을 함께 부여한 후 로울러 카딩기에서 통상적인 폴리에틸렌테레프탈레이트와 50:50의 무게비로 혼면 카딩하여 웹을 적층하고 165 ℃의 온도에서 1 분간 열접착하여 2g/100㎠의 부직포를 제조하였다. 제조된 부직포의 접착력 및 촉감을 측정하였다. 측정결과는 표 1에 제시된다.

[ 실시예 2 내지 4 및 비교예 1 내지 5]

다음 표 1에 기재된 바와 같이 테레프탈산, 이소프탈산, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 1,2-프로판디올의 공중합 조성비를 달리하는 것 외에는 실시예 1과 동일한 절차를 반복하였다.

[표1]

상기한 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 4의 공중합 폴리에스테르와 비교예 1 및 3의 공중합폴리에스테르는 융점은 측정되지 않고 연화 거동만이 나타나며, 이들 중 본 발명에 따르는 실시예 1 내지 4의 경우는 접착력이 우수하고 촉감이 강직한 반면 비교예의 경우에는 접착력 및 촉감이 불량하고, 또한 공중합 성분의 사용량이 본 발명의 범위에 못미치는 비교예4 내지 5의 경우에는 융점이 나타나고, 접착력 및 촉감이 매우 불량하였고, 디올성분으로만 공중합한 비교예 2의 경우에는 융점이 측정되었고 접착력 및 촉감이 매우 불량하였다.

Claims (3)

1. 제1 성분인 디카르본산 성분이 테레프탈산 및/또는 그 에스테르 형성성 유도체 95~70 몰%와 이소프탈산 및/또는 그 에스테르 형성성 유도체 5~30몰%로 구성되고, 제2 성분인 디올 성분이 에틸렌글리콜 95~40 몰%, 디에틸렌글리콜 0~20 몰%, 및 1,2-프로판디올 5~40 몰%로 구성되어 융점이 없이 연화거동만을 보이는 것을 특징으로 하는 열접착성 공중합 폴리에스테르.
2. 상기 청구항 1의 열접착성 공중합 폴리에스테르와 종래의 일반적인 폴리에스테르를 복합방사하여 제조되는 것을 특징으로 하는 열접착성 공중합 폴리에스테르계 바인더 섬유.
3. 제2항에 있어서, 상기 열접착성 공중합 폴리에스테르 바인더 섬유가 시스-코아 또는 사이드-바이-사이드 형인 것을 특징으로 하는 열접착성 공중합 폴리에스테르계 바인더 섬유.