KR20120073963A - 라이오셀 섬유의 물성 개선을 위한 알코올계 응고액 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업용 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 Alcohol계 응고액을 이용하여 원사의 절신이 증가되며, 향후 타이어코드용으로 사용시 내피로도 향상에 관한 것이다. 본 발명은 알코올계 솔벤트와 물의 혼합비가 20-40:80-60일 때 섬유의 물성이 가장 잘 나타났으며, 특히 절신이 향상되는 효과를 보였다. 이 방법으로 섬유를 제조 시 기존대비 원사의 절신이 약 20-50% 의 향상을 보이며 향후 타이어코드용으로 사용시 내피로도가 증가된다.

Description

라이오셀 섬유의 물성 개선을 위한 알코올계 응고액 {Alcoholic Solvent for Improving Lyocell Filament Physical Properties}

본 발명은 산업용 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 Alcohol계 응고액을 이용하여 원사의 절신이 증가되며, 향후 타이어코드용으로 사용시 내피로도 향상에 관한 것이다.

셀룰로오스 섬유인 라이오셀은 여러 가지 고유 특성을 가지고 있으며, 특히 산업용으로 사용되는 타 섬유보다 우수한 모듈러스와 열안정성을 가지고 있어 형태 안정성이 크게 요구되는 산업용 소재의 보강재로서 매우 적합한 섬유이다. 특히 타이어, 벨트, 호스 등의 제조 분야의 경우 설계 단계에서부터 치수 안정성과 열안정성이 제품의 성능을 구현하는데 있어서 중요한 영향을 미친다. 이에 따라 라이오셀 멀티 필라멘트는 적용 제품의 종류 및 용도에 따라 보강재로 적합한 다양한 특성이 요구된다. 특히, 열안정성이 우수한 라이오셀 멀티 필라멘트의 보강재로서의 사용에 따른 요구 물성은 기본적으로 원사의 강력 외에 형태안정성 및 내피로성과 관련된 모듈러스와 파단신도로 대표될 수 있다. 그리고 적용 제품의 종류 및 용도에 맞게 보강재의 요구 물성의 범위가 결정된다.

라이오셀 섬유의 제조방법은 셀룰로오스/N-메틸모르폴린-N-옥사이드(NMMO)/물의 3성분으로 구성된 방사 도프를 제조한 후, 이를 방사하는 방법으로 진행되며, 비용매인 물을 포함하기 때문에 습식방사법에 따라 방사할 경우에 매우 빠른 응고작용을 일으켜 연신성능 및 물성을 확보하기 어렵다. 또한, 상기 방사 도프는 약 8,000 내지 15,000 포아즈(Poise)의 고 점도를 가질 뿐만 아니라, NMMO 용제가 염 화합물이므로 증발이 불가능하다. 따라서 라이오셀 섬유를 제조하기 위해서는 건식방사와 습식방사 공법이 적절히 조합된 건습식 방사공법이 가장 적절하게 사용되고 있다.

종래에는 라이오셀 방사 시에는 응고욕을 25% NMMO 수용액을 사용하여 방사용 도프를 응고시켜 섬유를 제조하였다. 위와 같은 방법을 사용하면 방사용 도프가 빨리 응고되어 비교적 빠른 시간에 섬유의 구조를 형성하는데 유리하나 섬유의 결정화도가 커져서 섬유의 절신을 개선하기에는 제약이 따르며 또한 타이어코드용으로 사용하면 내피로의 향상에도 불리하게 작용한다.

본 발명자는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조 방법에 있어서, 라이오셀 방사 시 응고욕에 NMMO 수용액 대신 알코올 (메탄올, 이소프로판올, 에탄올)계 솔벤트를 사용하여 방사용 도프의 응고 속도를 지연시키며 섬유의 구조를 변화시켜 섬유의 물성 개선한다는 점을 밝혀내고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 라이오셀 방사 시 응고욕에 NMMO 수용액 대신 알코올(메탄올, 이소프로판올, 에탄올)계 솔벤트을 사용하여 방사용 도프의 응고 속도를 지연시키며 섬유의 구조를 변화시켜 섬유의 물성을 개선하는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법에 있어서, 상기 방법은 라이오셀 방사용 도프를 방사 구금을 통해 방사하는 단계; 상기 방사구금을 통해 방사되는 필라멘트를 응고액에 통과시키는 단계; 및 상기 응고욕을 통과한 필라멘트를 수세, 예비건조 및 건조하는 단계를 포함하며, 상기 응고액은 알코올(메탄올, 이소프로판올, 에탄올)계 솔벤트를 사용하는 것을 특징으로 하는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 응고욕은 알코올계 및 물이 각각 20 내지 40중량% 및 80 내지 60 중량% 인 것을 특징으로 하는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 방법으로 라이오셀 필라멘트 섬유의 절신이 10 내지 18%인 것이 특징이다.

본 발명은 알코올계 솔벤트와 물의 혼합비가 20-40:80-60일 때 섬유의 물성이 가장 잘 나타났으며, 특히 절신이 향상되는 효과를 보였다. 이 방법으로 섬유를 제조 시 기존대비 원사의 절신이 약 20-50% 의 향상을 보이며 향후 타이어코드용으로 사용시 내피로도가 증가된다.

도 1은 라이오셀 멀티필라멘트의 제조 장치의 일예를 나타낸 간략 구성도이다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 산업용 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 방사되는 필라멘트를 응고시키는 응고액으로 알코올계 솔벤트와 물의 혼합비가 20-40:80-60인 응고액을 사용하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법을 통해 섬유를 제조 시 기존대비 원사의 절신이 약 20-50% 의 향상을 보이며 향후 타이어코드용으로 사용시 내피로도가 증가된다.

도 1은 라이오셀 멀티필라멘트의 제조 장치의 일예를 나타낸 간략 구성도이다. 도 1의 구성을 참조하면, 라이오셀 멀티 필라멘트 제조 장치는 방사 도프를 일정한 압력으로 공급하기 위한 기어 펌프(1), 상기 압출기로부터 공급받은 방사 도프를 섬유의 형태로 방사하는 방사 구금(2), 상기 방사구금으로부터 토출되는 미응고 섬유(3)를 응고시키기 위한 제1 응고욕(4) 및 제2 응고욕(8)을 구비한다. 제1 응고욕을 통과한 필라멘트는 견인롤러(9)의 구동에 의해 제 2 응고욕을 거치고, 수세장치에서 물에 의해 방사 도프 등에 포함된 용매 등을 제거한다. 이어서, 상기 수세장치를 거친 필라멘트는 건조장치에서 건조된 후 와인딩되어 최종 라이오셀 필라멘트를 얻을 수 있다.

본 발명에서 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법에 사용되는 방사용 도프는 라이오셀 필라멘트 섬유 제조공정에서 통상적으로 사용되는 방사 도프를 사용할 수 있으며, 셀룰로오스(cellulose), N-메틸모르폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 및 물을 포함하는 방사 도프를 사용할 수 있다. 본 발명에 따르면, 농축 N-메틸모르폴린-N-옥사이드/물/셀룰로오스로 구성된 용액으로부터 제조되는 셀룰로오스 멀티 필라멘트를 제조하는 공정에 있어서, 단사 섬도가 1.5 내지 3.0 데니어; 및 원사 섬도가 500내지 3000데니어의 범위를 갖는 산업용 라이오셀 멀티 필라멘트에 응고액으로 알코올계 솔벤트와 물의 중량비가 20-40:80-60인 응고액을 사용하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법을 통해 섬유를 제조 시 기존대비 원사의 절신이 약 20-50% 의 향상을 보이며 향후 타이어코드용으로 사용시 내피로도가 증가된다.

본 발명은 응고욕에 알코올계 솔벤트를 물과 일정량을 혼합하여 사용하며 중량비에 따라 섬유의 물성이 변화하는 특징을 보인다. 알코올계 수용액에서 알코올의 함량이 20 중량% 미만이면 섬유의 절단신도 증가가 미미하고, 40중량%를 초과하면 NMMO 잔존량이 증가한다.

또한, 알코올계 솔벤트중 이소프로판올의 경우 방사용 도프의 응고속도가 가장 지연되었으며 메탄올의 경우 응고속도가 가장 빠른 현상이 나타났다. 이러한 방법으로 제조된 섬유는 결정화도가 낮아지며 섬유의 물성 개선에 도움이 되었으며 특히 절신이 향상되는 경향을 보인다.

본 발명은 상기 방법으로 제조되고 라이오셀 필라멘트 섬유의 절신이 10 내지 18%인 것이 특징이다. 이때 절신이 10% 미만이면 섬유의 내피로도가 저하되며, 18% 초과하면 탄성률이 저하된다.

본 발명에 따른 제조 방법에 의하여 제조된 라이오셀 멀티 필라멘트의 물성은 아래와 같은 방법으로 측정이 되었다.

물성 평가 방법

(a) 멀티 필라멘트의 강도(g/d), 절단신도(%), 탄성률(g/d) 및 중간신도(%)

열풍 건조기로 120℃에서 30 동안 건조 후 즉시 측정하였다. 상기 측정을 위하여 인스트론(Instron) 사의 저속신장형 인장 시험기(Instron 4465)를 사용하였고, 이때 원사의 측정 조건은 80Tpm(80회 twist/m)의 꼬임을 부가한 후 시료장 250mm, 인장속도 300mm/min으로 측정하였다. 탄성률은 일정수준의 신장을 일으키기 위한 하중의 기울기로 표현되고, 강신도 시험에서의 신도-하중 곡선의 기울기를 말한다. 중간신도(Elongation at specific load)는 하중 4.5kg(필라멘트가 1500 데니어인 경우), 또는 6.8kg(필라멘트가 2000 데니어인 경우)인 지점의 신도를 나타내고, 그리고 중간신도가 낮을수록 탄성률이 크며 필라멘트의 변형이 적음을 나타낸다.

(b) 건열수축률 (%, Shrinkage)

25℃, 65%RH에서 24시간 방치한 후, 0.05g/d의 정하중에서 측정한 길이(L0)와 150℃로 30분간 0.05g/d의 정하중에서 처리한 후의 길이(L1)의 비를 이용하여 건열수축률을 나타낸다.

S(%) = [(L0 - L1) /L0] ×100

<실시예1~3, 비교예1~2>

액상 농축 NMMO에 중합도(DPw)가 1,200인 벅키(Buckeye)사 펄프(V-81)를 평균 입자 직경이 300㎛이하가 되도록 분쇄하여 분말 상태로 제조하여 연속적으로 펄프 공급용 쌍축압출기 내부로 강제 공급하였다. 상기 방법으로 제조된 셀룰로오스 용액을 표 1에 기재된 방사속도로 방사하였다. 상기 방사 과정에서 방사용 노즐의 오리피스(Orifice) 수는 900개; 오리피스 직경에 대한 길이의 비(L/D)는 4;외경이 100 mmΦ인 방사노즐이 사용되었다. 셀룰로오스 용액은 70mm이 길이로 조정된 공기층을 통하여 토출되었고, 그리고 토출된 용액의 셀룰로오스 농도는 11.5중량%였다. 또한 응고액의 온도 및 조성은 표 1에 기재하였다. 이후 응고욕을 빠져나온 원사의 물성을 표 1에 나타내었다.

응고액 조성에 따른 원사의 물성

		비교예 1	비교예 2	실시예 1	실시예 2	실시예 3
공정 조건	Dope 량(g/min)	680	680	680	680	680
	방사속도(m/min)	110	110	110	110	110
	응고액 종류	물	25%NMMO 수용액	(메탄올/물)	(이소프로판올 /물)	(에탄올/물)
	응고액 조성비(중량%) (알코올/물)			(30/70)	(30/70)	(30/70)
	De	1510	1512	1506	1512	1514
원사 물성	강도(g/d)	6.7	7.0	7.1	6.9	7.1
	절신(%)	8.6	9.1	10.6	11.5	10.4

이상 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나는 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 당업자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

방사 도프를 일정한 압력으로 공급하기 위한 기어 펌프(1), 방사 도프를 섬유의 형태로 방사하는 방사 구금(2), 상기 방사구금으로부터 토출되는 미응고 섬유(3), 제1 응고욕(4), 센서(5), 에어노즐(6), 센서(7), 제2 응고욕(8), 견인롤러(9), 응고액(10)

Claims (4)

1. 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법에 있어서,
   상기 방법은 라이오셀 방사용 도프를 방사 구금을 통해 방사하는 단계; 상기 방사구금을 통해 방사되는 필라멘트를 응고액에 통과시키는 단계; 및 상기 응고욕을 통과한 필라멘트를 수세, 예비건조 및 건조하는 단계를 포함하며, 상기 응고액은 알코올 수용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 응고액은 알코올 및 물이 각각 20 내지 40중량% 및 80 내지 60 중량% 인 것을 특징으로 하는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 알코올은 메탄올, 이소프로판올 또는 메탄올에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법.
4. 제 1항의 방법으로 제조되고 절신이 10 내지 18%인 라이오셀 필라멘트 섬유.
   

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