KR20120028033A

KR20120028033A - 탈기 장치 및 이를 이용한 중합체의 탈기 방법

Info

Publication number: KR20120028033A
Application number: KR1020100089985A
Authority: KR
Inventors: 한인식
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2012-03-22
Also published as: KR101403218B1

Abstract

본 발명은 진공 탱크 내부에서 중합체의 표면적을 최대화시킴으로써 중합체 내의 기포를 효율적으로 제거함에 따라 단시간 내에 중합체 내의 기포를 제거할 수 있기 때문에 경제성이 향상되고, 진공 탱크 내부에 중합체의 체류 시간을 최소화할 수 있기 때문에 중합체의 물성 저하를 방지할 수 있는 중합체의 탈기 장치 및 이를 이용한 중합체의 탈기 방법에 관한 것이다. 본 발명의 중합체의 탈기 장치는, 탱크 용기; 상기 탱크 용기 내부에 설치되고 중합체를 박막 형태로 분산시키기 위해 회전 가능한 분산판; 및 상기 탱크 용기 내부를 진공으로 유지시키기 위한 진공 펌프를 포함한다.

Description

탈기 장치 및 이를 이용한 중합체의 탈기 방법{Deaerating apparatus and Deaerating method of polymer using the same}

본 발명은 탈기 장치 및 이를 이용한 중합체의 탈기 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기포 제거 효율을 향상시키기 위한 탈기 장치 및 이를 이용한 중합체의 탈기 방법에 관한 것이다.

고분자량의 중합체를 이용하여 다양한 제품을 제조하고 있다. 특히, 중합체를 용매에 녹인 후 이를 성형시켜 제품을 제조하는 습식 공정을 통해 중합체로부터 필름, 또는 필라멘트와 같은 다양한 성형품이 제조될 수 있다.

그러나, 이러한 용매에 녹인 중합체 내에 기포가 존재할 경우 습식공정이 원활하게 진행되지 않을 수 있다. 즉, 기포를 포함하는 중합체를 이용하여 방사구금을 통해 필라멘트를 제조할 경우 제조된 필라멘트는 물성이 떨어지거나 심할 경우 제조 공정 중에 절단됨에 따라 생산성이 저하되는 문제가 발생한다. 또한, 기포를 포함하는 중합체를 이용하여 필름을 제조할 경우 핀홀과 같은 표면 결함이 발생함에 따라 품질이 떨어지는 문제가 발생한다.

이러한, 중합체 내의 기포를 제거하기 위해서 다양한 방법을 사용할 수 있는데, 예를 들어 중합체에 소포제 등을 첨가하는 화학적 방법이 있을 수 있다. 그러나, 이러한 화학적 방법은 소포제를 사용함에 따라 생산비용이 증가하고 소포제가 최종 제품의 물성에 악영향을 주는 문제가 있다.

또한, 진공 상태의 탱크에 중합체 용액을 투입하여 기포를 제거하는 물리적 방법이 있을 수 있다. 종래 진공 공정은 중합체 용액을 미세 구멍이 형성된 파이프를 통해 진공 내부로 분사하거나, 중합체 용액을 진공 내부의 벽면을 흐르게 하거나, 또는 중합체를 교반함으로써 중합체의 표면적을 증가시켜 기포를 제거하는 방법을 통해 수행되었다.

그러나, 중합체가 높은 점도를 갖거나 큰 용량을 처리할 경우 종래 방법만으로는 표면적을 증대시키는데 한계가 있기 때문에 원활하게 중합체 내의 기포를 제거하지 못하는 문제가 있다.

이와 같이 중합체 내의 기포가 완벽하게 제거되지 못할 경우 이러한 중합체를 이용하여 제조된 성형품은 물성이 떨어짐에 따라 고객의 신뢰성이 저하될 수 있고, 공정이 원활하게 작동되지 않음에 따라 생산성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명은, 진공 탱크 내부에서 중합체의 표면적을 최대화시킴으로써 중합체 내의 기포를 효율적으로 제거함에 따라 단시간 내에 중합체 내의 기포를 제거할 수 있기 때문에 경제성이 향상되고, 진공 탱크 내부에 중합체의 체류 시간을 최소화할 수 있기 때문에 중합체의 물성 저하를 방지할 수 있는 탈기 장치 및 이를 이용한 중합체의 탈기 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 측면으로는, 탱크 용기; 상기 탱크 용기 내부에 설치되고 중합체를 박막 형태로 분산시키기 위해 회전 가능한 분산판; 및 상기 탱크 용기 내부를 진공으로 유지시키기 위한 진공 펌프를 포함하는 탈기 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 측면으로는, 용매에 용해된 중합체를 준비하는 공정; 및 상기 탈기 장치를 이용하여 용매에 용해된 중합체 내에 존재하는 기포를 제거하는 탈기 공정을 포함하는 중합체의 탈기 방법을 제공한다.

본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명에 따른 탈기 장치는 회전 가능한 분산판 및 분산바를 포함함에 따라 중합체의 표면적을 최대화시키는 효과가 있다.

둘째, 본 발명에 따른 탈기 장치는 중합체의 표면적을 최대화시킴에 따라 원활하게 중합체 내의 기포를 제거할 수 있는 효과가 있다.

셋째, 본 발명에 따른 탈기 장치는 단시간 내에 대용량의 중합체를 탈기할 수 있기 때문에 생산성이 향상되는 효과가 있다.

넷째, 본 발명에 따른 탈기 장치를 이용하여 중합체를 탈기할 경우 탈기 시간, 즉 체류시간이 짧기 때문에 중합체의 점도 저하를 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.

이와 같은 중합체를 이용하여 성형품을 제조할 경우 우수한 물성을 갖는 성형품을 제조할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈기 장치의 개략도이다.

본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 탈기 장치에 대해 상세하게 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이 본 발명의 탈기 장치는 탱크 용기(100)를 포함하고 있다. 상기 탱크 용기(100)는 중합체(1) 내부에 존재하는 기포를 제거하기 위한 공간에 해당한다.

탱크 용기(100)에 투입되는 상기 중합체(1)는 용매에 용해된 용액 형태이고, 이에 따라 소정의 점도를 갖는다.

상기 탱크 용기(100)는 특별히 형태를 한정하는 것은 아니나, 원통의 형상을 하는 것이 원활한 공정제어를 위해 바람직할 수 있다. 또한, 상기 탱크 용기(100)는 특별히 재료를 한정하는 것은 아니나, 20 토르(torr) 정도의 진공 및 황산과 같은 용매에 장시간 견딜 수 있는 특수 코팅된 합금 또는 복합재료를 사용하여 제조된 것이 바람직할 수 있다.

상기 탱크 용기(100)는 대용량일수록 생산량이 증대될 수 있으나, 상기 탱크 용기(100)의 용량이 커질수록 중합체(1) 내부의 기포가 용이하게 빠져나오지 못함에 따라 상기 중합체(1)가 상기 탱크 용기(100) 내부에 머무는 체류 시간이 길어지게 된다.

이와 같이 중합체(1)의 체류 시간이 길어질 경우 생산성이 떨어질 수 있다. 또한 황산과 같은 가혹한 용매에 용해된 중합체(1)의 경우 장시간 탱크 용기(100) 내부에 체류할 경우, 용매에 의해 분자 사슬이 절단됨에 따라 분자량이 감소하고, 이에 따라 중합체(1)의 점도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

이러한, 상기 문제점을 해결하기 위해서 탱크 용기(100) 내부에 투입된 중합체(1)의 표면적을 최대화시켜 중합체(1) 내부에 존재하는 기포를 원활하게 제거하는 다양한 방법이 제안되어 왔다. 예를 들어, 중합체(1)를 탱크 용기(100)의 내부 벽면을 따라 흐르게 하여 얇은 막의 형태를 가지게 하거나, 중합체(1)를 미세 구멍이 형성된 관에 유입시켜 토출하여 미세한 입자 형태를 가지게 하거나, 또는 회전 날개를 사용하여 중합체(1)를 교반하여 진공계와 접촉하는 확률을 높이는 방법이 있을 수 있다.

그러나, 이러한 종래의 기포 제거 방법은 소량의 중합체(1)를 처리할 경우에는 체류 시간이 길지 않아 큰 문제가 없으나, 대용량의 중합체(1)를 처리할 경우에는 기포가 원활하게 제거되지 못함에 따라 체류 시간이 길어지는 문제가 발생한다. 또한, 중합체(1)의 점도가 높을 경우 종래 기포 제거 방법으로는 중합체(1)의 표면적을 최대화시키는데 한계가 있는 실정이다.

이와 같이 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 보다 효율적이고 원활하게 기포를 제거하는 탈기 장치를 제공한다.

본 발명의 탈기 장치는 탱크 내부에 투입된 중합체(1)의 표면적이 최대화되도록 상기 탱크 내부에 장착된 분산판(10)을 포함한다. 상기 분산판(10)은 탱크 내부에 투입된 중합체(1)가 분산판(10) 상부 표면에 위치되도록 중합체(1) 투입구(30) 하부에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 분산판(10)은 회전이 가능하도록 회전수단인 제1 모터(11)와 연결된다. 상기 회전판은 형태를 특별히 한정하는 것은 아니나, 중합체(1)가 고르고 넓게 퍼질 수 있도록 판 형상을 갖는 것이 바람직하다.

이와 같이 상기 분산판(10)은 회전이 가능함에 따라 분산판(10) 상부 표면에 공급된 중합체(1)는 상기 분산판(10) 상부 표면에 얇고 고르게 분산될 수 있고, 이와 같이 중합체(1)가 박막 형태로 분산됨에 따라 표면적이 극대화되기 때문에 기포가 원활하게 제거될 수 있게 된다.

한편, 상기 분산판(10)의 회전속도를 조절하여 상기 분산판(10)에 형성된 중합체(1)의 박막 두께를 조절함에 따라 일정 크기 이하의 미세 기포, 예를 들어 20㎛ 이하의 미세 기포가 용이하게 제거될 수 있다.

상기 분산판(10)은 분산된 중합체(1)가 원활하게 탱크 용기(100)의 하부로 떨어지도록 경사진 형태를 가질 수 있다. 그러나, 상기 분산판(10)의 경사가 지나치게 급한 경우 중합체(1)가 충분히 분산되기 전에 탱크 용기(100)의 하부로 떨어질 수 있기 때문에 상기 분산판(10)은 적절한 수준의 경사 각도를 가지는 것이 바람직할 수 있다.

상기 분산판(10)은 단위시간당 중합체(1)의 분산량을 극대화시키기 위해 되도록 큰 크기를 가지는 것이 바람직할 수 있다.

이와 같이 상기 분산판(10)에 의해 중합체(1)가 강제적으로 박막 형태로 분산됨에 따라 중합체(1)의 탈기 효율이 크게 향상된다. 따라서, 본 발명의 탈기 장치는 종래 탈기 장치 대비 3배 이상의 효율, 즉 동일한 크기의 탱크 용기(100)를 사용할 경우 3배 이상의 중합체(1)를 처리할 수 있는 이점을 갖는다.

상기 분산판(10)과 인접된 상부에는 분산바(20)가 설치될 수 있다. 상기 분산바(20)는 나이프와 같은 형태를 가짐에 따라 상기 분산판(10) 상부 표면에 분산된 중합체(1)를 서로 뒤집어서 섞어주는 역할을 수행한다. 즉, 분산바(20)는 상기 분산판(10) 상부 표면에 형성된 중합체(1)를 긁어줌에 따라 상기 분산판(10)과 접착된 중합체(1) 부분이 뒤집어져 진공계와 접촉한다.

이와 같이 분산바(20)에 의해 중합체(1) 뒤집혀서 섞임에 따라 중합체(1)의 표면적이 넓어짐으로써 탈기 효율이 더욱 증대된다. 한편, 탈기 효율을 보다 향상시키기 위해 중합체(1)와 접촉하는 상기 분산바(20)의 접촉부는 요철 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 분산바(20)의 접촉부는 톱니 모양과 같은 요철 형성을 가짐에 따라 더 원활하게 중합체(1)를 섞어주게 된다.

상기 분산바(20)는 회전 수단(미도시)에 의해 강제적으로 회전될 수 있거나, 탱크 용기(100)의 벽면에 고정될 수 있다.

상기 분산바(20)는 탱크 용기(100) 내부에 다수의 개수로 설치될 수 있다. 즉, 상기 탱크 용기(100)의 용량 및 탈기 효율을 고려하여 상기 분산바(20)는 적절한 개수로 설치될 수 있다.

상기 탈기 장치는 탱크 용기(100) 내부에 중합체(1)를 공급하기 위한 투입구(30)를 포함한다. 상기 투입구(30)는 특별히 형태를 제한하지 않는다. 예를 들어, 단순한 파이프 형태이거나, 미세 구멍을 갖는 파이프일 수도 있다. 상기 투입구(30)는 중합체(1)를 원활하게 탱크 용기(100) 내부로 공급하기 위해 제1 펌프(31)와 연결될 수 있다. 또한, 상기 투입구(30)는 중합체(1)의 종류, 농도 및 탱크 용기(100)의 크기 드에 따라 중합체(1)의 처리 용량이 다르기 때문에 상기 중합체(1)의 공급량을 조절하기 위한 제1 밸브(32)가 설치될 수 있다. 상기 투입구(30)는 중합체(1)를 원활하게 분산시키기 위해 분산판(10) 상부에 인접하여 설치하고 탱크 용기(100) 상부에 형성될 수 있다.

상기 탈기 장치는 탱크 용기(100) 내부에 진공 펌프(41)와 연결된 진공구(40)가 형성되어 있다. 상기 진공 펌프(41)는 탱크 용기(100) 내부에 존재하는 기체를 외부로 배출하고, 상기 진공구(40)는 이러한 탱크 용기(100) 내부의 기체를 외부로 배출하는 통로 역할을 수행한다. 상기 탱크 용기(100) 내부는 탈기 효율 및 경제성을 고려하여 적절한 진공 정도를 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 상기 탱크 용기(100) 내부의 진공 정도가 떨어지면 진공 유지 비용은 감소하나 탈기 성능이 떨어질 수 있고, 반면 진공 정도가 증가하면 탈기 성능은 향상되나 진공 유지 비용이 증가할 수 있다. 따라서, 이를 모두 고려하여 상기 탱크 용기(100) 내부가 진공 정도는 10 내지 50 토르(torr) 범위에서 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 진공구(40)는 원활하게 기체를 외부로 배출시키기 위해 탱크 용기(100) 상부에 설치될 수 있다.

상기 탈기 장치는 탈기된 중합체(1)를 외부로 배출시키는 토출구(50)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 분산판(10) 및 분산바(20)에 의해 분산되어 탈기된 중합체(1)는 탱크 용기(100) 벽면을 타고 흐르고 탱크 하부에 모여서 저장되고 다음 공정을 위해 토출구(50)를 통해 외부로 배출된다. 상기 토출구(50)는 중합체(1)의 배출량을 조절하기 위해 제2 밸브(52)를 설치할 수 있고, 원활하게 중합체(1)를 배출하기 위해 제2 펌프(51)를 설치할 수 있다. 상기 토출구(50)는 원활하게 탈기된 중합체(1)를 배출시키기 위해 탱크 용기(100) 하부에 설치될 수 있다.

이와 같이 배출된 중합체(1)는 성형체를 제조하기 위해 다음 공정 장치에 보내지는데, 즉 필라멘트를 제조하기 위해 방사구금에 보내지거나, 필름을 제조하기 위해 다이 캐스팅(die casting)에 보내질 수 있다.

상기 탈기 장치는 중합체(1)의 탈기 효율을 보다 증가시키기 위해 탱크 용기(100) 하부에 회전 부재(60)가 설치될 수 있다. 상기 회전 부재(60)는 회전날개일 수 있고, 상기 회전날개는 제2 모토와 같은 회전수단에 의해 회전할 수 있다. 이와 같은 회전 부재(60)에 의해 탱크 하부에 모여 저장된 중합체(1)는 교반되고, 이에 따라 중합체(1) 내부에 잔존된 기포가 제거됨으로써 고도로 탈기된 중합체(1)가 얻어지게 된다.

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 탈기 장치의 작동 원리를 구체적으로 설명한다.

먼저, 진공 펌프(41)를 통해 탱크 용기(100) 내부를 일정 정도의 진공 상태로 유지한다. 이어서, 중합체(1)를 제1 펌프(31) 및 제1 밸브(32)를 이용하여 일정한 용량으로 투입구(30)를 통해 진공상태의 탱크 용기(100)에 투입한다. 이어서, 투입된 중합체(1)는 상기 투입구(30)의 하부에 인접하여 설치된 분산판(10) 상부에 떨어져서 박막을 형성한다. 즉, 상기 분산판(10)은 고속으로 회전함에 따라 상기 중합체(1)는 분산판(10) 전체에 걸쳐 박막 형태로 고르게 퍼지면서 분산한다.

한편, 분산판(10)의 회전 속도와 공급된 중합체(1)의 용량에 따라 분산판(10)에 분산되는 중합체(1)의 두께가 결정되고, 이러한 분산판(10)에 분산된 중합체(1)의 두께에 따라 제거되는 기포의 크기가 결정된다. 즉, 상기 중합체(1)의 두께가 얇을수록 작은 크기의 기포가 원활하게 제거될 수 있고, 반면 상기 중합체(1)의 두께가 두꺼울수록 작은 크기의 기포가 원활하게 제거되기가 곤란할 수 있다.

이어서, 상기 분산판(10)에 분산된 중합체(1)는 상기 분산판(10) 상부에 근접해서 설치된 분산바(20)에 의해 긁히고 뒤집어져 섞이게 된다. 이와 같이 중합체(1)가 상기 분산바(20)에 의해 뒤섞임에 따라 상기 분산판(10)과 접촉하는 중합체(1) 부분이 진공계에 노출됨으로써 탈기 효율을 크게 증진시킬 수 있다.

이와 같이 상기 중합체(1)로부터 제거된 기포는 진공 펌프(41)와 연결된 진공구(40)를 통해 외부로 배출된다. 상기 진공구(40)는 탱크 용기(100)의 상부에 설치되는 것이 바람직하고, 상기 진공 펌프(41)는 탱크 용기(100)의 크기에 맞게 적절한 용량을 갖는 것을 선택할 수 있다.

이와 같이 분산판(10)에서 분산된 후 분산바(20)에 의해 뒤섞인 중합체(1)는 탱크 용기(100)의 하부로 떨어진다. 한편, 탈기 효율을 증진시키기 위해 상기 중합체(1)를 탱크 용기(100) 내부 벽면을 따라 흐르게 하는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 중합체(1)가 탱크 용기(100) 벽면을 흐름에 따라 상기 중합체(1)는 얇은 막 형태로 미끄러지고, 이에 따라 중합체(1)의 내부에 잔존할 수 있는 기포가 다시 한번 제거될 수 있다.

이어서, 상기 탱크 용기(100) 벽면을 따라 흐른 중합체(1)는 탱크 용기(100) 하부에 모여서 저장된다. 선택적으로, 상기 탱크 용기(100) 하부의 내부에는 제2 모터(61)와 연결된 회전 날개와 같은 회전 부재(60)가 설치될 수 있다. 상기 회전 부재(60)는 상기 탱크 용기(100) 하부에 저장된 중합체(1)를 교반시켜 잔존하는 기포를 다시금 제거하는 역할을 수행한다.

이후, 저장된 중합체(1)는 제2 펌프(51) 및 제2 밸브(52)와 연결된 토출구(50)를 통해 일정한 용량만큼 다음 공정을 수행하기 위해 배출된다.

이하에서는, 본 발명에 의한 탈기 장치를 이용한 중합체(1)의 탈기 방법을 구체적으로 살펴본다.

상기 중합체(1)의 탈기 방법은, 용매에 용해된 중합체(1)를 준비하는 공정 및 상술한 탈기 장치를 이용하여 용매에 용해된 중합체(1) 내에 존재하는 기포를 제거하는 탈기 공정을 포함한다.

상기 중합체(1)는 아라미드 중합체(1)일 수 있다. 이하 본 발명의 일 실시예인 상기 아라미드 중합체(1)의 탈기 방법을 설명하도록 한다.

먼저, 아라미드 중합체(1)의 제조방법을 설명한다.

유기용매에 무기염을 첨가하여 중합용매를 제조한다. 상기 유기용매로는 아미드계 유기용매, 우레아계 유기용매, 또는 이들의 혼합 유기용매를 이용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N, N‘-디메틸아세트아미드(DMAc), 헥사메틸포스포아미드(HMPA), N, N, N', N'-테트라메틸 우레아(TMU), N, N-디메틸포름아미드(DMF) 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.

상기 무기염은 방향족 폴리아미드의 중합도를 증가시키기 위하여 첨가하는 것으로서, 그 구체적인 예로는 CaCl₂, LiCl, NaCl, KCl, LiBr 및 KBr 등과 같은 할로겐화 알칼리 금속염 또는 할로겐화 알칼리 토금속염을 들 수 있으며, 이들 무기염은 단독으로 또는 2종 이상의 혼합물의 형태로 첨가될 수 있다. 상기 무기염의 첨가양이 증가할수록 방향족 폴리아미드의 중합도는 증가되지만 상기 무기염이 과량으로 첨가되면 미처 용해되지 않는 무기염이 존재할 수 있기 때문에, 상기 무기염은 중합용매 전체량에 대해 10 중량% 이하의 범위인 것이 바람직하다. 상기 무기염은 유기용매에 대한 용해도가 좋지 않기 때문에 물을 첨가하여 무기염을 완전히 용해시키고, 그 후에 탈수공정을 통해 물을 제거함으로써 최종적인 중합용매를 제조할 수 있다.

다음, 상기 제조된 중합용매에 방향족 디아민을 용해시켜 혼합용액을 제조한다. 방향족 디아민의 구체적인 예는 파라-페닐렌디아민, 4,4'-디아미노비페닐, 2,6-나프탈렌디아민, 1,5-나프탈렌디아민 또는 4,4'-디아미노벤즈아닐라이드를 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이어서, 상기 혼합용액을 교반하면서 상기 혼합용액에 방향족 디에시드 할라이드를 소정량 첨가하여 예비중합시킨다. 방향족 디에시드 할라이드의 구체적인 예로는 테레프탈로일 디클로라이드, 4,4'-벤조일 디클로라이드, 2,6-나프탈렌디카복실산 디클로라이드 또는 1,5-나프탈렌디카복실산 디클로라이드를 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

방향족 디아민과 방향족 디에시드 할라이드의 중합은 발열과 함께 빠른 속도로 반응이 진행하게 되는데, 이와 같이 중합속도가 빠르게 되면 최종적으로 얻어지는 중합체들 사이에서 중합도 차이가 커지는 문제가 발생한다. 보다 구체적으로 설명하면, 중합반응은 혼합용액 전체에서 동시에 진행하는 것이 아니기 때문에, 먼저 중합반응이 시작된 중합체는 빠르게 중합반응을 진행하여 긴 분자사슬을 형성하는 반면, 나중에 중합반응이 시작된 중합체는 먼저 중합반응이 시작된 중합체보다 짧은 분자사슬을 형성할 수밖에 없게 되고, 중합속도가 빠르게 되면 그 차이가 훨씬 커지게 된다. 이와 같이, 최종적으로 얻어지는 중합체들 사이에 중합도 차이가 커지게 되면 물성 편차 또한 커지게 되어 원하는 특성구현이 어렵게 된다. 따라서, 예비중합공정을 통해 일단 소정 길이의 분자사슬을 갖는 예비중합체를 미리 형성하고, 그 후에 중합공정을 수행함으로써 최종적으로 얻어지는 중합체들 사이의 중합도 차이를 최소화하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 예비중합공정은 반응기 내에서 0 ~ 60℃로 반응 온도를 유지하며 수행하고, 반응시간은 3 ~ 15분 정도로 충분한 중합 시간을 부여하며, 전방향족 폴리아미드 중합체(1)의 제조에 필요한 방향족 디에시드 할라이드의 전체량 중 20 ~ 40%만을 예비중합공정 중에 첨가하는 것이 바람직하다.

예비중합공정을 완료한 후, 0 ~ 30℃ 상태로 온도를 낮추고 상기 예비 중합체에 방향족 디에시드 할라이드를 추가로 첨가하여 최종 중합체(1)를 제조한다.

중합공정에 의해 얻어지는 방향족 폴리아미드 중합체(1)의 구체적인 예는, 폴리(파라페닐렌테레프탈-아미드: PPD-T), 폴리(4,4'-벤즈아닐라이드 테레프탈아미드), 폴리(파라페닐렌-4,4'-비페닐렌-디카복실산 아미드) 또는 폴리(파라페닐렌-2,6-나프탈렌디카복실산 아미드)를 들 수 있다.

이어서, 중합반응 중에 생성된 산을 알칼리 화합물을 이용하여 중화시킨다.

중합반응을 거쳐 얻어진 방향족 폴리아미드 중합체(1)는 빵가루같은 형태로 존재하기 때문에 상기 방향족 폴리아미드 용액의 유동성이 좋지 못하다. 따라서, 그 유동성 향상을 위해서 상기 방향족 폴리아미드 용액에 물을 첨가하여 슬러리로 만든 상태에서 이후 공정을 진행하는 것이 바람직하다. 한편, 방향족 폴리아미드 중합체(1) 슬러리를 만들 때 알칼리 화합물을 용해시킨 물을 사용함으로써 상기 중화공정을 동시에 진행할 수도 있다.

상기 무기 알칼리 화합물는 NaOH, Li₂CO₃, CaCO3, LiH, CaH₂, LiOH, Ca(OH)₂, Li₂O 또는 CaO의 알칼리 금속, 알칼리 토금속의 탄산염, 알칼리 토금속의 수소화물, 알칼리 토금속의 수산화물, 또는 알칼리 토금속의 산화물로 이루어지는 군에서 선택된다.

염산을 다량 포함하고 있는 강산 상태의 방향족 폴리아미드 용액에 무기 알칼리 화합물을 첨가하면 염산과 신속히 반응하여 중화가 빠르게 진행하지만, 일단 중화가 상당히 진행되어 pH가 7에 접근하면 무기 알칼리 화합물과 염산과의 반응속도가 급격히 감소하여 무기 알칼리 화합물이 미반응 상태로 중화용액에 남게 되며, 이로 인해 중화 완료 후 불용성 무기 알칼리 화합물을 필터로 여과해야 하는 문제가 발생한다. 따라서, 방향족 폴리아미드 용액 중에 불용성 이물의 생성을 방지하기 위해서, 중화 공정을 여러 번에 나누어 수행할 수 있다.

이어서, 중화공정에 의해 산이 제거된 방향족 폴리아미드 중합체(1)를 분쇄한다.

후술하는 추출 공정시 중합체(1)의 입자크기가 너무 크면 중합용매 추출공정에 많은 시간이 소요되며 중합용매 추출효율이 저하되기 때문에, 추출공정 전에 중합체(1)의 입자크기를 작게 하기 위해서 분쇄공정을 수행하는 것이다.

이어서, 분쇄된 방향족 폴리아미드 중합체(1)로부터 중합용매를 추출한다. 중합에 의해 얻어진 방향족 폴리아미드 중합체(1) 내에는 중합 공정을 위해 사용한 중합용매가 함유되어 있기 때문에, 이와 같은 중합용매를 중합체(1)로부터 추출해야 하며, 추출된 중합용매는 중합공정에 재사용할 수 있다. 이와 같은 추출공정은 물을 이용하여 수행하는 것이 가장 효과적이고 경제적이다. 추출공정은 배출구가 구비된 욕조에 필터를 설치하고 상기 필터 위에 크럼 형태의 중합체(1)를 위치시킨 후 물을 부어, 중합체(1) 내에 함유된 중합용매를 물과 함께 상기 배출구로 배출시키는 공정으로 이루어질 수 있다.

이어서, 추출공정 후 잔류하는 물을 탈수하고, 그 후 건조 공정을 거쳐 방향족 폴리아미드 중합체(1) 제조를 완성한다.

다음으로, 제조된 방향족 폴리아미드 중합체(1)를 용매에 용해시켜 아라미드 중합체(1)를 준비한다. 즉, 위와 같이 제조된 방향족 폴리아미드 중합체(1)를 97 내지 100%의 농도를 갖는 농황산 용매에 용해시켜 아라미드 중합체(1)를 준비한다.

다음으로, 상술한 바와 같은 탈기 장치를 이용하여 준비된 아라미드 중합체(1)에서 기포를 제거한다. 즉, 기포를 포함하는 아라미드 중합체(1)가 진공의 탱크 용기(100)에 투입구(30)를 통해 공급되고, 이어서 회전하는 분산판(10)에 분산되어 박막을 형성하고 분산바(20)에 의해 뒤섞인 용기(100) 내부 벽면을 따라 흘러내려 탱크 용기(100) 하부에 저장된 후, 회전부재(60)에 의해 교반되어 탈기된 후 토출구(50)를 통해 외부로 유출된다.

상기 탈기 공정은 탱크 용량(㎥)당 5 내지 40 분의 체류 시간 범위에서 수행할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 탈기 장치를 이용할 경우 종래 탈기 장치를 이용할 경우보다 3배 이상 더 빠르게 탈기 공정이 수행될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 탈기 장치를 이용하여 탈기 공정을 수행할 경우 탈기 시간, 즉 체류 시간을 최소화함으로써 상기 아라미드 중합체(1)의 점도 저하를 크게 낮출 수 있다. 즉, 탈기 공정 전후의 아라미드 중합체(1)의 점도 저하는 500 poise 이하가 될 수 있다. 이와 같이 점도의 저하가 최소화된 아라미드 중합체(1)를 이용하여 제품을 제조할 경우 우수한 물성을 갖는 제품을 얻을 수 있는 이점이 있다.

한편, 본 발명에 따른 탈기 장치를 이용하여 탈기 공정을 수행할 경우 시간당 500 내지 2000 ㎏/㎤의 탈기된 아라미드 중합체(1)를 얻을 수 있다. 이는 종래 동일한 크기의 탈기 장치를 이용할 경우보다 수 배 이상의 탈기된 아라미드 중합체(1)를 얻을 수 있고, 이에 따라 경제성이 크게 향상될 수 있다.

다음, 탈기된 아라미드 중합체(1)는 성형품을 제조하기 위한 다음 공정으로 보내진다. 즉, 아라미드 필라멘트를 제조하기 위해 탈기된 아라미드 중합체(1)는 방사구금으로 공급될 수 있다.

이하, 실시예 및 비교예들을 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐으로 이것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안 된다.

실시예 1 : 탈기된 아라미드 중합체 제조

N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 CaCl₂을 첨가하여 중합용매를 제조한 후, 파라-페닐렌디아민을 상기 중합용매에 용해시켜 혼합용액을 제조하였다.

그 후, 상기 혼합용액을 교반하면서, 상기 혼합용액에 상기 파라-페닐렌디아민과 동일한 몰의 테레프탈로일 디클로라이드를 두 번에 나누어 첨가하여 폴리(파라페닐렌테레프탈아미드) 중합체(1)를 생성시켰다.

그 후, 상기 중합용액에 물과 NaOH를 첨가하여 산을 중화시켰다. 그 후, 물을 이용하여 중합용매를 추출하고, 탈수 및 건조 공정을 통해 방향족 폴리아미드 중합체(1)를 얻었다.

그 후, 얻어진 방향족 폴리아미드 중합체(1)를 100%의 황산용매에 용해시켜 25%의 농도를 갖는 아라미드 중합체(1)를 준비한 후, 도 1에 도시한 바와 같은 탈기 장치를 이용하여 탈기된 아라미드 중합체(1)를 제조하였다. 구체적으로 설명하면, 상기 25%의 농도를 갖는 아라미드 중합체(1)를 제1 펌프(31)를 이용하여 상기 투입구(30)를 통해 20 토르의 진공 상태인 1000ℓ 용량의 탱크 용기(100) 내부에 투입하였다. 이어서, 투입된 아라미드 중합체(1)는 상기 탱크 용기(100) 상부에 설치된 20 rpm의 회전 속도로 회전하는 분산판(10) 상부에 공급되어 상기 분산판(10)에 분산된다. 그 후, 분산된 아라미드 중합체(1)는 상기 분산판(10) 상부에 설치된 톱니 형상을 한 분산바(20)에 의해 뒤섞인 후 상기 탱크 용기(100) 내부를 따라 흘러내려 상기 탱크 용기(100) 하부에 모인 후 제2 펌프(51)를 이용하여 토출구(50)를 통해 배출시켰다. 이때 탈기 시간, 즉 체류 시간은 5분이었다.

실시예 2 내지 4

전술한 실시예 1에서, 상기 아라미드 중합체(1)의 체류 시간을 10분, 20분, 및 30분으로 각각 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 탈기된 아라미드 중합체(1)를 제조하였다.

비교예 1

전술한 실시예 1에서, 상기 아라미드 중합체(1)를 분산판(10)에 공급하지 않고 상기 탱크 용기(100) 내부 벽면에 공급하여 흘러내리도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 탈기된 아라미드 중합체(1)를 제조하였다.

비교예 2 내지 4

전술한 비교예 1에서, 상기 아라미드 중합체(1)의 체류 시간을 10분, 20분, 및 30분으로 각각 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법에 의해 탈기된 아라미드 중합체(1)를 제조하였다.

위 실시예들 및 비교예들에 의해 탈기 공정 전후의 아라미드 중합체(1)의 점도는 다음의 방법으로 측정하고 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.

아라미드 중합체의 점도 측정

96% 황산 100㎖ 중에 아라미드 중합체(1) 0.5g을 용해시켜 시료를 준비한다. 준비된 시료 및 96% 황산의 유동 시간은 모세관 점도계를 이용하여 30℃에서 각각 측정하고, 이렇게 측정된 유동 시간을 이용하여 다음 식 1에 따라 고유 점도(㎗/g)를 측정한다.

[식 1]

고유점도(㎗/g) = ln(T/T0)/C

이때, T는 시료의 유동시간이고, T0는 황산의 유동시간이며, C는 시료의 농도이다.

구분	탈기전 점도(poise)	탈기후 점도(poise)
실시예 1	3000	2800
실시예 2	3000	2800
실시예 3	3000	2700
실시예 4	3000	2600
비교예 1	3000	2700
비교예 2	3000	2500
비교예 3	3000	2400
비교예 4	3000	2400

실시예 5 내지 8 : 아라미드 섬유 제조

전술한 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 탈기된 아라미드 중합체(1)를 이용하여 방사구금을 통해 방사한 후 에어 갭을 거쳐 응고조 내에서 응고시킴으로써 필라멘트를 제조하였다. 상기 에어 갭은 공기층으로서 그 길이는 15 ㎜이었다. 상기 응고조에 담겨있는 응고액은 증류수에 황산이 10% 첨가된 것으로서, 방사공정이 진행되는 동안 약 10 ℃ 이하로 유지되었다.

그 후, 필라멘트를 수세하여 잔존하는 황산을 제거하고, 건조시킨 후 권취하여 1500 데니어(denier)의 아라미드 섬유를 얻었다.

비교예 5 내지 8

전술한 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 탈기된 아라미드 중합체(1)를 이용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법에 의해 아라미드 섬유를 제조하였다.

위 실시예들 및 비교예들에 의해 제조된 아라미드 섬유의 인장 강도는 다음의 방법으로 측정하고 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.

아라미드 섬유의 인장 강도 측정

각각의 실시예 및 비교예에 따른 아라미드 섬유를 25㎝로 잘라 각각의 샘플을 준비한 후, ASTM D-885 시험방법에 따라 인장 강도를 측정하였다. 구체적으로는, 인스트론 시험기(Instron Engineering Corp, Canton, Mass)를 이용하여 인장속도 300 ㎜/분에서 각각의 샘플이 파단될 때의 강력(g)을 측정하고 측정값을 샘플의 데니어(denier)로 나누어 인장 강도(g/d)를 구하였다.

아라미드 섬유의 풀드럼율 측정

각각의 실시예 및 비교예에 따른 아라미드 섬유의 조업성을 간접적으로 확인하기 위해 아라미드 섬유의 풀드럼율을 측정하였다. 이때, 상기 풀드럼율은 아라미드 섬유가 설정된 수량만큼 공정 중간에 절단됨이 없이 와인더(winder)에 장착된 드럼(drum)에 완전히 감긴 드럼 개수의 비율로부터 계산하였다. 즉, 상기 풀드럼율은 하기 식 2에 따라 측정하였다.

[식 2]

풀드럼율(%) = [F/(P+F)]×100

이때, F는 절사됨이 없이 5 ㎏까지 권취된 드럼 개수이고, P는 공정 중에 절사되어 5 ㎏ 미만으로 권취된 드럼 개수이며, 전체 F와 P를 더한 드럼 개수는 100이었다.

구분	인장 강도(g/d)	풀드럼율(%)
실시예 1	22.8	90
실시예 2	23.0	92
실시예 3	24.5	95
실시예 4	23.5	93
비교예 1	19.8	85
비교예 2	20.1	87
비교예 3	20.5	87
비교예 4	21.0	83

1 : 중합체 10 : 분산판
20 : 분산바 30 : 투입구
40 : 진공구 50 : 토출구
60 : 회전 부재 100 : 탱크 용기

Claims

탱크 용기;
상기 탱크 용기 내부에 설치되고 중합체를 박막 형태로 분산시키기 위해 회전 가능한 분산판; 및
상기 탱크 용기 내부를 진공으로 유지시키기 위한 진공 펌프를 포함하는 중합체의 탈기 장치.
제1항에 있어서,
상기 분산판 상부에 설치되고 상기 분산판에 분산된 중합체를 섞어주기 위한 분산바를 더 포함하는 중합체의 탈기 장치.
제2항에 있어서,
상기 분산바는 상기 중합체와 접촉하는 면이 요철 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 중합체의 탈기 장치.
제2항에 있어서,
상기 분산바는 2개 이상 설치된 것을 특징으로 하는 중합체의 탈기 장치.
제1항에 있어서,
상기 탱크 용기 내부에 상기 중합체를 공급하기 위한 투입구를 더 포함하는 중합체의 탈기 장치.
제1항에 있어서,
탈기된 중합체를 상기 탱크 용기 내부로부터 배출하기 위한 토출구를 더 포함하는 중합체의 탈기 장치.
제1항에 있어서,
상기 탱크 용기 내부에 설치되고 상기 중합체를 교반하기 위한 회전 부재를 더 포함하는 중합체의 탈기 장치.
제1항에 있어서,
상기 분산판은 경사진 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 중합체의 탈기 장치.
용매에 용해된 중합체를 준비하는 공정; 및
제1항 내지 제 8항에 따른 탈기 장치를 이용하여 용매에 용해된 중합체 내에 존재하는 기포를 제거하는 탈기 공정을 포함하는 중합체의 탈기 방법.
제9항에 있어서,
상기 중합체는 아라미드 중합체인 것을 특징으로 하는 중합체의 탈기 방법.
제10항에 있어서,
상기 탈기 공정은 탱크 용량(㎥)당 5 내지 40 분의 체류시간 범위 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 중합체의 탈기 방법.
제10항에 있어서,
상기 아라미드 중합체는 탈기 전후의 고유 점도의 차이가 500 poise 이하인 것을 특징으로 하는 중합체의 탈기 방법.