KR20130077476A - 폴리에스테르 섬유 및 이를 포함하는 섬유 로프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박의 정박이나 계류, 예인 등에 사용되는 로프용 고강력 고신율의 폴리에스테르 섬유에 관한 것으로, 특히 상온에서 측정된 최대 하중(MBL)의 50%에서 신장률이 6.8% 이상인 폴리에스테르 섬유 및 이를 포함하는 폴리에스테르 섬유 로프에 관한 것이다.
본 발명의 폴리에스테르 섬유는 고강력 및 고신율과 함께 우수한 형태안정성 및 기계적 물성, 내모성을 확보함에 따라, 해양이 거칠어지며 선박 등이 심하게 롤링하는 등의 외부환경 변화에서도 사 절단을 최소화하고, 충격 흡수 성능을 현저히 향상시키며, 장시간 변형에 노출시에도 로프의 성능을 유지할 수 있어, 우수한 로프 수명과 함께 충분한 안전성을 확보할 수 있는 섬유 로프를 제조할 수 있다.

Description

폴리에스테르 섬유 및 이를 포함하는 섬유 로프 {POLYESTER FIBER AND ROPE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 선박의 정박이나 계류, 예인 등에 사용되는 로프용 고강력 폴리에스테르 섬유 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우수한 기계적 물성 및 내마모성, 저수분흡수율, 내광성, 충격 흡수 성능 등을 갖는 형태안정성이 우수한 폴리에스테르 섬유 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

선박의 정박이나 계류, 예인 등에 사용되는 해양용 로프 또는 각종의 건설 현장 등에서 사용되는 산업 자재용 로프는 고강력의 우수한 기계적 물성을 확보하는 방향으로 개발되어 왔다.

특히, 많은 선박 분야에서는 고강력과 우수한 내피로성 등을 확보할 수 있어 와이어 로프(Wire Rope)를 많이 사용하고, 합성 섬유 로프를 사용하는 경우에도 고성능의 나일론 섬유나 폴리올레핀 섬유로 이루어진 섬유 로프가 주로 사용되었다. 그러나, 와이어 로프(Wire Rope)의 경우에는 물에 의한 부식이 발생하고 파도나 조수간만의 차에 의한 선박의 움직임을 잡아주기에는 너무 강직하여 선박의 손상으로 발현 될 가능성이 크며 로프 자체 무게에 의해 작업이 어려운 문제가 있다. 종래의 나일론 섬유 로프 등은 자외선(UV)에 대한 강력 저하율이 심하여 장시간 동안 사용시 로프의 강력이 현저히 떨어져 선박을 잡아주는 능력을 상실하므로 수시로 교체해줘야 하는 문제를 초래할 수도 있다. 또한, 나일론 섬유 로프 등은 높은 수분 흡수율로 인해 선박 계류용이나 정박용 등에 사용시 작업이 용이하지 않으며, 겨울철에는 흡습된 상태로 로프가 얼기 때문에 인사 사고를 초래하는 문제가 발생하기도 한다.

한편, 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, "PET"라 함)로 대표되는 폴리에스테르(Polyester)는 기계적 강도, 내약품성 등이 우수하기 때문에, 섬유, 필름 또는 수지 용도 등에 광범위하게 사용되고 있다. 예를 들면, 섬유의 경우에는 의류 용도뿐만 아니라, 예컨대, 타이어 코드(tire cord), 벨트(belt), 호스(hose), 로프(rope) 등의 다양한 산업 자재 용도에도 폭넓게 사용되고 있다. 그러나, 기존의 폴리에스테르 섬유의 경우에는 고모듈러스의 저절신 특성을 나타냄으로써, 선박 계류시 해양의 변화에 따라 선박의 움직임에 의한 변형에 충분한 대응을 하지 못하게 되어 사 절단 등이 발생하는 문제점이 있었다.

따라서, 선박의 정박이나 계류, 예인 등에 사용되는 해양용 로프 또는 산업 자재용 로프로 사용시, 외부 환경변화에 의한 충격 흡수 성능을 현저히 향상시키고 우수한 기계적 물성 및 작업 성능을 부여할 수 있는 고성능의 합성 섬유 개발에 대한 연구가 필요하다.

본 발명은 해양용 로프 또는 산업 자재용 로프에 사용 가능하도록 고강력 및 고신율과 함께 우수한 크리이프(Creep) 특성을 나타내며, 우수한 기계적 물성 및 내마모성, 저수분흡수율, 내광성, 우수한 형태 안정성 등을 갖는 폴리에스테르 섬유를 제공하고자 한다.

본 발명은 또한, 상기 폴리에스테르 섬유를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 또한, 상기 폴리에스테르 섬유를 포함하는 섬유 로프를 제공하고자 한다.

본 발명은 상온에서 측정된 최대 하중(MBL)의 50%에서 신율이 6.8% 이상인 폴리에스테르 섬유를 제공한다.

본 발명의 폴리에스테르 섬유는, 섬유의 절단 강력에 대하여 50%의 하중을 걸어 7일간 방치하였을 때, 하기 계산식 1로 정의되는 섬유의 크리이프율이 8.5% 이하가 될 수 있다.

[계산식 1]

섬유의 크리이프율 ＝ (L₁-L₂)/L₂ × 100

식 중, L₁은 7일간 하중을 가한 후에 측정한 원사의 길이이며, L₂는 원사의 초기 길이이다.

본 발명은 또한, 상기 폴리에스테르 섬유를 포함하는 폴리에스테르 섬유 로프를 제공한다.

본 발명의 폴리에스테르 섬유 로프는 상온에서 측정된 최대 하중(MBL)의 50%에서 신율이 9% 이상이 될 수 있다.

본 발명의 폴리에스테르 섬유 로프는 또한, 로프의 절단 강력에 대하여 50%의 하중을 걸어 7일간 방치하였을 때, 하기 계산식 2로 정의되는 로프의 크리이프율이 15% 이하가 될 수 있다.

[계산식 2]

로프의 크리이프율 ＝ (L₃-L₄)/L₄ × 100

식 중, L₃은 7일간 하중을 가한 후에 측정한 로프의 길이이며, L₄는 로프의 초기 길이이다.

이하, 발명의 구체적인 구현예에 따른 해양용 또는 산업 자재용 로프로 사용될 수 있는 폴리에스테르 섬유 및 그의 제조 방법, 이를 포함하는 섬유 로프에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 하나의 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 발명의 권리범위 내에서 구현예에 대한 다양한 변형이 가능함은 당업자에게 자명하다.

추가적으로, 본 명세서 전체에서 특별한 언급이 없는 한 "포함" 또는 "함유"라 함은 어떤 구성 요소(또는 구성 성분)를 별다른 제한 없이 포함함을 지칭하며, 다른 구성 요소(또는 구성 성분)의 부가를 제외하는 것으로 해석될 수 없다.

본 발명에서 '폴리에스테르 섬유'라 함은 통상적으로 디올 화합물과 테레프탈산 등의 디카르복실산과 반응시켜 에스테르화시킨 섬유상 폴리머를 칭하는 것으로, 본 발명의 '해양용 또는 산업 자재용 로프'를 제조하기 위한 기본적인 섬유 조성에 해당한다. 폴리에스테르는 특히, 습기에 우수한 내성을 가지고 있어 해양용 와이어 로프를 대체하는 섬유 로프의 제조에 더욱 바람직하다.

본 발명에서 폴리에스테르 섬유로는 통상적으로 사용되는 모든 폴리에스테르 섬유를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리사이클로헥산디메틸렌테레프탈레이트(PCT), 등의 폴리알킬렌테레프탈레이트, 또는 이를 주된 구성 성분으로 하는 코폴리에스테르 등을 사용할 수 있다. 특히, 폴리에틸렌테레프탈레이트가 강도 및 신도 등의 물성 측면에서 해양용 로프로 사용하기에 좀더 바람직하다.

다만, 폴리에스테르는 나일론에 비해 중합 효율이 떨어지고 열과 수분에 의한 가수분해가 심하여 원사로 제조시 많은 분자쇄의 분해가 발생하여 고분자량의 분자쇄 확보가 어렵다. 그리하여 짧은 분자쇄로 고강력을 발현하기 위해서는 방사시 고 연신을 부여하게 되고 그로 인해 고강력, 저절신, 고모듈러스의 물성을 갖게 된다. 이렇게 기존의 폴리에스테르는 짧은 분자쇄를 가짐으로써 우수한 형태안정성을 확보하기 어려웠다. 이같이 기존의 폴리에스테르 섬유처럼 형태안정성이 낮은 원사로 로프를 만들어 선박을 계류하게 되면 해양이 거칠어지거나 하는 외부의 환경의 반복적인 변형에 대하여 로프의 기존 기계적 물성을 잃어 사절단 및 외부 충격에 대한 완충 역할을 할 수 없어 외부 환경 충격이 선박에 바로 전달되어 선박 파손도 유발할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 폴리에스테르 섬유의 물성을 일반적으로 계류중인 선박이 로프에 변형을 유발시키는 영구 변형을 최소화할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다. 특히, 본 발명은 고점도의 칩(Chip)을 사용하고 저온 방사를 실시하여 장분자쇄를 많이 확보하여 비결정 영역에서 분자쇄간의 엉킴을 많이 유발함으로써, 외부에서 가해지는 힘에 의해 쉽게 영구 변형이 일어나지 않는 Creep 특성이 우수한 원사를 제공하고자 한다. 또한, 본 발명의 폴리에스테르 섬유는 로프로 제작시 극한 외부 환경 변화에 견딜 수 있게 충분한 강력과 신율을 부여하고, 장시간 변형에 기계적 물성을 계속적으로 유지할 수 있는 해양용 또는 산업 자재용 섬유 로프의 제조에 효과적으로 적용할 수 있다.

특히, 본 발명자들의 실험 결과, 소정의 특성을 갖는 폴리에스테르 섬유를 사용하여 해양용 또는 산업 자재용 섬유 로프 등을 제조함에 따라, 우수한 기계적 물성과 함께 보다 향상된 저수분흡수율 및 내광성 등을 확보할 수 있음이 밝혀졌다.

이에 발명의 일 구현예에 따라, 본 발명은 소정의 특성을 갖는 폴리에스테르 섬유가 제공된다. 상기 폴리에스테르 섬유는 상온에서 측정된 최대 하중(MBL)의 50%에서 신율이 6.8% 이상 또는 6.8% 내지 30%, 바람직하게는 7.0% 이상, 좀더 바람직하게는 7.2% 이상인 것이 될 수 있다.

이 때, 상기 폴리에스테르 섬유의 최대 하중이라 함은 미국재료시험협회규격 ASTM D 2256의 방법으로 상온에서 원사의 강신도 곡선을 측정하였을 때, 상기 섬유가 절단시 최대 하중을 지칭한다.

이러한 폴리에스테르 섬유는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 주성분으로 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 PET는 그 제조단계에서 여러 가지 첨가제가 첨가될 수 있는 것으로서, 폴리에스테르 섬유 로프로 제조시 우수한 기계적 물성을 확보하기 위해서는 적어도 70 몰% 이상, 더욱 바람직하게는 90 몰% 이상을 포함할 수 있다. 이하에서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)라는 용어는 특별한 설명 없이 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 고분자가 70 몰% 이상인 경우를 의미한다.

상기 발명의 일 구현예에 따른 폴리에스테르 섬유는 후술하는 용융 방사 및 연신 조건 하에서 제조되어, 상온에서 측정된 최대 하중(MBL)의 50%에서 신율이 6.8% 이상으로 우수한 강신도 및 모듈러스를 나타내게 된 것이다.

기존의 폴리에스테르는 일반적으로 짧은 분자쇄로 인해 섬유 로프로 제조시 장시간의 사용시 외부 변형에 의해 로프의 변형이 야기되어 본래 로프가 가지고 있는 기계적 특성을 상실하게 된다. 이렇게 기존의 폴리에스테르의 짧은 분자쇄 원사로 제조된 로프는 최대하중의 50%에서의 신율이 현저히 낮아, 선박이 일반적인 조수의 간만의 차에 오는 변화나 풍랑으로 인한 선박의 움직임으로 오는 외부 환경에 충분히 대응하지 못하여 선박 및 로프의 손상을 유발할 수 있다. 그런데, 본 발명에 따라 조절된 용융 방사 및 연신 공정을 통해 얻어진 상기 폴리에스테르 섬유는 우수한 형태 안정성을 가지며 이로 인한 섬유가 가지고 있는 고유의 기계적 특성을 유지할 수 있다. 특히, 본 발명의 폴리에스테르 섬유는 상온에서 측정된 최대 하중(MBL)의 50%에서 신율이 6.8% 이상으로 로프 제조시 우수한 강신도 및 형태안정성을 제공할 수 있다. 이로써, 본 발명에 따른 폴리에스테르 섬유를 사용하면 일반적인 조수의 간만의 차에 오는 변화나 풍랑으로 인한 선박의 움직임으로 오는 외부 환경에 충분히 대응하여 선박 및 로프의 손상을 방지할 수 있다.

본 발명의 폴리에스테르 섬유를 사용하여 로프를 제조하면, 섬유 로프의 최대 하중(MBL) 50%에서 우수한 신율값이 유지되어야 하므로, 연사를 하는 원사의 경우 신율과 함께 꼬임에 따른 연축율을 반영한 우수한 물성 확보가 필요하다. 예컨대, 섬유 로프의 최대 하중(MBL) 50%는 연사를 하기 때문에 원사의 50% 이상에서의 신율과 꼬임에 따른 연축율에 의해 결정지어지는데 보통 연축율이 35~40 TPM의 연을 주면 0.6~1.0%의 연축율이 발생하므로 이를 반영하여 원사의 최대 하중(MBL) 50%에서 신율은 원사의 50%와 꼬임에 발생되는 연축율의 합으로 나타낼 수 있다.

또한, 상기 폴리에스테르 섬유는 하기 계산식 1로 정의되는 크리이프율을 최적 범위로 확보할 수 있다. 본 발명에서 정의되는 섬유의 크리이프율은 원사 시료를 초기 길이 L₂가 되도록 걸어 고정시키고, 원사의 절단 강력에 대해 50%의 하중을 걸어 24 시간 동안 방치하였을 때, 하기 계산식 1로 정의되는 섬유의 크리이프율이 8.5% 이하가 되는 것이다.

[계산식 1]

섬유의 크리이프율 ＝ (L₁-L₂)/L₂ × 100

상기 계산식 1에서, L₁은 7일간 하중을 가한 후에 측정한 원사의 길이이며, L₂는 원사를 크리이프 시험기에 걸었을 때 원사의 초기 길이이다.

여기서, 상기 원사의 절단 강력은 ASTM 2256법에 따라 측정할 수 있으며, 13 kgf 이상 또는 13 kgf 내지 25 kgf, 바람직하게는 13.5 kgf 이상, 좀더 바람직하게는 14 kgf 이상이 될 수 있다. 특히, 원사가 2,000 데니어의 경우, 원사의 절단 강력에 50%가 되는 하중은 6 kg 내지 12 kg, 바람직하게는 8 kg 내지 10 kg, 좀더 바람직하게는 9 kg이 될 수 있다.

이러한 본 발명의 폴리에스테르 원사는 상기 크리이프율이 24시간 동안 방치하였을 때 8.5% 이하, 예를 들어 0 내지 8.5%, 바람직하게는 1% 내지 8%, 좀더 바람직하게는 2% 내지 6%, 더욱 바람직하게는 3% 내지 5%의 작은 값을 가짐에 따라, 하중 변화에 따른 변형이 작고 우수한 형태 안정성을 나타낸다. 따라서, 이러한 폴리에스테르 원사는 해수 중에 장기간 침적하여 조류의 이동 등에 의한 외부 환경 변화가 발생하여도 제품의 형태 변형이 거의 발생하지 않는다. 그러므로, 이러한 폴리에스테르 원사는 형태안정성이 우수하여 해양용 또는 선박 정박용 원사로서 적용시 강력 저하 등을 최소화하고 약 5~10년 정도의 장시간 동안에도 효과적으로 사용할 수 있다.

한편, 기존의 폴리에스테르는 일반적으로 강연성(stiffness)이 높은 분자 구조를 갖는 것으로, 이로 인해 높은 모듈러스의 특성을 나타내며 섬유 로프로 제조시 충격 흡수 성능 및 내마모성 등이 현저히 떨어지게 된다. 그런데, 조절된 용융 방사 및 연신 공정을 통해 얻어진 상기 폴리에스테르 섬유는 고강력 저모듈러스의 특성을 나타내며 이전에 알려진 폴리에스테르 산업용 원사보다 낮은 초기 모듈러스를 나타낸다.

특히, 본 발명의 폴리에스테르 섬유는 전술한 바와 같은 초기 모듈러스가 40 내지 100 g/d, 바람직하게는 50 내지 100 g/d, 좀더 바람직하게는 55 내지 100 g/d를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 폴리에스테르 섬유는 이러한 낮은 초기 모듈러스와 함께 연신이 최소화된 특징을 나타낼 수 있다. 즉, 상기 폴리에스테르 섬유는 상온 측정시 폴리에스테르 원사가 1.0 g/d의 응력에 처해졌을 때 0.5% 이상 또는 0.5% 내지 1.5%, 바람직하게는 0.7% 이상 또는 0.7% 내지 1.2% 신장하고, 4.0 g/d의 응력에 처해졌을 때는 4.3% 이상 또는 4.3% 내지 20%, 바람직하게는 4.5% 이상 또는 4.5% 내지 18% 신장하고, 7.0 g/d의 응력에 처해졌을 때는 7.5% 이상 또는 7.5% 내지 25%, 바람직하게는 7.8% 이상 또는 7.8% 내지 20% 신장하는 것이 될 수 있다. 이러한 낮은 초기 모듈러스 및 저연신 특성으로 인해, 상기 폴리에스테르 섬유는 기존의 고모듈러스 저절신 섬유를 포함하는 섬유 로프에서 낮은 내마모성 및 낮은 형태안정성으로 인한 장기간 사용시 기계적 물성이 떨어져 로프로써의 성능 저하 문제 등을 해결하고, 우수한 기계적 물성과 함께 보다 향상된 충격 흡수 성능 및 로프의 라이프 타임을 늘릴 수 있었다.

한편, 상기 폴리에스테르 섬유는 미국재료시험협회규격 ASTM D 885의 방법으로 측정한 모듈러스(Young's modulus)가 신도 1%에서 즉, 1% 신장된 지점에서 60 내지 100 g/de, 바람직하게는 75 내지 95 g/de이며, 신도 2%에서 즉, 2% 신장된 지점에서 20 내지 60 g/de, 바람직하게는 22 내지 55 g/de가 될 수 있다. 기존의 일반 산업용사로서 폴리에스테르 섬유의 경우, 1% 신장된 지점에서의 모듈러스(Young's modulus)가 110 g/de 이상이며, 2% 신장된 지점에서의 모듈러스가 80 g/de 이상인 것과 비교시, 본 발명의 폴리에스테르 원사는 현저히 낮은 모듈러스를 갖는 것이 될 수 있다.

이 때, 상기 폴리에스테르 섬유의 모듈러스는 인장시험시 얻어지는 응력-변형도 선도의 탄성 구간 기울기로부터 얻어지는 탄성계수의 물성값으로, 물체를 양쪽에서 잡아 늘일 때, 물체의 늘어나는 정도와 변형되는 정도를 나타내는 탄성률에 해당하는 값이다. 상기 섬유의 모듈러스가 높으면 탄성은 좋으나 변형이 적어 선박의 움직임을 잡아 줄 때 발생하는 힘이 로프에 집중되어 로프의 절단을 유발할 수 있다. 반면에, 상기 섬유의 모듈러스가 너무 낮을 경우에는, 로프에 집중되는 힘을 변형으로 줄일 수 있어 좋으나, 선박의 움직임이 심하여 선박 계류시 선박 파손을 유발 시킬 수 있다. 이같이, 기존에 비해 낮은 범위의 초기 모듈러스를 갖는 폴리에스테르 섬유로부터 제조된 섬유 로프는 기존의 폴리에스테르 섬유 로프에서 나타나는 충격 흡수 성능 및 내마모성이 떨어지는 등의 문제를 해결하고, 나일론 로프에서 나타나는 UV에 의한 강력 저하와 흡습에 의한 강력 저하 및 뻣뻣함 등의 문제점을 해결하여 우수한 기계적 물성 및 내마모성, 우수한 형태안정성, 저수분흡수율, 내광성, 충격 흡수 성능 등의 우수한 물성을 갖는다.

또한, 상기 폴리에스테르 섬유는 이전에 알려진 폴리에스테르 섬유에 비해 보다 향상된 고유점도, 즉, 0.8 dl/g 이상 또는 0.8 dl/g 내지 1.2 dl/g, 바람직하게는 0.85 dl/g 이상 또는 0.85 dl/g 내지 1.15 dl/g, 더욱 바람직하게는 0.90 dl/g 이상 또는 0.90 dl/g 내지 1.10 dl/g의 고유점도를 나타낼 수 있다. 상기 고유점도는 폴리에스테르 섬유를 사용하여 로프 제조시 높은 기계적 물성을 발현하고 우수한 내마모성을 갖기 위하여 이러한 범위로 확보되는 것이 바람직하다.

상기 원사의 고유점도는 0.8 dl/g 이상이 되어야 저연신으로 고강력을 발휘하여 해양용 또는 산업 자재용 섬유 로프로서의 요구 강력을 만족시킬 수 있어 바람직하고, 그렇지 못할 경우 고연신으로 물성 발현할 수 밖에 없게 될 수 있다. 이같이 저연신을 적용하여 긴 분자쇄를 확보함으로써 분자쇄간 엉킴 및 무질서도를 증가시켜 외부 변형에 의한 분자쇄간 미끄럼을 방지할 수 있게 된다. 그렇지 못할 경우 즉, 짧은 분자쇄를 확보했을 경우 외부 변형에 의해 분자쇄간의 미끄럼이 발생하여 형태변형이 일어나고 그로 인한 로프의 기계적, 물리적 성질이 변하게 되고 특히 탄성이 떨어져 외부 변형에 대한 완충 역할을 할 수 없게 된다. 따라서, 상기 원사의 고유점도를 0.8 dl/g 이상으로 유지하여 저연신을 적용하여 고강력 물성을 발현하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 폴리에스테르 섬유의 고유점도가 1.2 dl/g를 초과하는 경우에 연신 공정에서 연신 장력이 상승하여 공정상 문제를 발생시킬 수도 있으므로, 1.2 dl/g 이하가 좀더 바람직하다. 특히, 본 발명의 폴리에스테르 섬유는 이같이 높은 정도의 고유점도를 유지함으로써, 선박의 정박이나 계류, 예인 등에 효과적으로 사용되기에 충분한 고강력 특성을 확보할 수 있음과 동시에 외부 환경 변화에 따른 선박의 롤링 등에 대하여 보다 향상된 충격 흡수 특성이 더욱 부여될 수 있다.

따라서, 이러한 반복 변형의 사이클링 테스트에서 높은 신율, 바람직하게는 높은 고유점도를 나타내는 폴리에스테르 섬유를 이용하여 우수한 기계적 물성 및 내마모성, 충격 흡수 효과를 동시에 나타내는 해양용 또는 산업 자재용 섬유 로프를 제조하는 것이 가능해진다. 그러므로, 상기 폴리에스테르 섬유를 이용하면, 해양용 또는 산업 자재용 섬유 로프로서 적용시 수분 흡수율 및 자외선 등에 대한 강력 저하를 현저히 낮추어 우수한 기계적 물성 및 강력유지율을 확보함과 동시에 형태안정성이 우수한 원사 특성으로 조류 순환이나 대기 순환 등의 외부 변화에 따른 선박이나 지지체의 롤링 등에 대한 섬유 로프의 장시간 변형에 로프의 특성 저하를 방지하여 사 절단 등의 발생을 현저히 감소시킬 수 있다.

한편, 상기 발명의 일 구현예에 따른 폴리에스테르 섬유는 인장강도가 8.8 g/d 이상 또는 8.0 g/d 내지 32.0 g/d, 바람직하게는 9.0 g/d 이상을 나타낼 수 있고, 절단신도가 15% 이상 또는 15% 내지 30%, 바람직하게는 16% 이상 또는 16% 내지 30%를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 폴리에스테르 섬유는 건열 수축율이 1.0% 이상 또는 1.2% 내지 15%, 바람직하게는 1.2% 이상을 나타낼 수 있으며, 상기 섬유의 터프니스값은 25×10^-1 g/d 이상 또는 25×10^-1 g/d 내지 46×10^-1 g/d, 바람직하게는 31×10^-1 g/d 이상을 나타낼 수 있다. 이상과 같이, 본 발명의 폴리에스테르 섬유는 건열수축율 및 터프니스를 높은 수준으로 최적화하여 유지함으로써, 외부환경에 잘 견딜 수 있는 기계적 물성을 확보하였다.

이미 상술한 바와 같이, 고유점도 및 초기 모듈러스, 신율 등을 최적 범위로 확보함으로써 본 발명의 폴리에스테르 섬유는 우수한 정도로 강도 및 물성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 섬유 로프로 제조시 내마모성 및 UV 강력 유지율 등에서 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

상기 폴리에스테르 섬유는 단사섬도가 21 DPF 이하 또는 3 내지 21 DPF, 바람직하게는 20 DPF 이하 또는 4 내지 20 DPF인 것이 될 수 있다. 상기 폴리에스테르 섬유가 해양용 로프 또는 산업 자재용 로프 등에 효과적으로 사용되기 위해서는 생산성 측면에서 태 섬도로 생산해야 하며, 물성 발현을 위해서는 섬도가 낮을수록 좋으므로 적용 가능한 폴리에스테르 섬유의 총섬도는 900 데니어 이상 또는 900 내지 4,500 데니어, 바람직하게는 1,000 데니어 이상 또는 1,000 내지 4,000 데니어가 될 수 있다. 상기 원사의 필라멘트수는 많을수록 소프트한 촉감을 줄 수 있으나, 너무 많은 경우에는 방사성이 좋지 않고 내마모성이 좋지 않으므로, 필라멘트수는 110 내지 550, 바람직하게는 120 내지 550이 될 수 있다.

또한, 상기 폴리에스테르 섬유는 방사시 사손상을 방지하고, 원사의 내마찰성을 향상시키며, 강력 저하를 최소화할 수 있도록 필요에 따라 추가로 첨가제를 포함할 수 있다. 특히, 상기 폴리에스테르 섬유, 즉, 폴리에스테르 모노 필라멘트는 TiO₂, SiO₂, BaSO₄ 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기 첨가제를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 무기 첨가제는 상기 폴리에스테르 섬유, 즉, 폴리에스테르 모노 필라멘트에 대하여 100 내지 1,500 ppm, 바람직하게는 200 내지 1,200 ppm의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 무기 첨가제는 방사성 측면에서 100 ppm 이상, 바람직하게는 200 ppm으로 포함될 수 있으며, 우수한 강력 발현 측면에서 1,500 ppm 이하, 바람직하게는 1,200 ppm 이하로 포함될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같은 발명의 일 구현예에 따른 폴리에스테르 섬유는 폴리에스테르 중합체를 용융 방사하여 미연신사를 제조하고, 상기 미연신사를 연신하는 방법으로 제조될 수 있고, 상기한 바와 같이, 이들 각 단계의 구체적 조건이나 진행 방법이 폴리에스테르 섬유의 물성에 직/간접적으로 반영되어 상술한 물성을 가진 폴리에스테르 섬유가 제조될 수 있다.

특히, 상기와 같은 공정 최적화를 통해 외부에서 가해지는 힘에 의해 쉽게 영구 변형이 일어나지 않는 크리이프(Creep) 특성이 기존 폴리에스테르 원사 대비 월등히 우수하며 선박 계류시 해양의 변화에 따라 선박의 움직임에 의한 변형에 충분한 대응이 가능할 수 있는 고강력, 고절신 즉, 상온에서 측정된 최대 하중(MBL)의 50%에서 신율이 6.8% 이상인 폴리에스테르 섬유를 확보할 수 있음이 밝혀졌다. 따라서, 이러한 폴리에스테르 섬유는 높은 탄성회복률과 고강력, 고신율 범위를 동시에 나타내어 우수한 기계적 물성 및 내마모성, 충격 흡수 성능을 갖는 해양용 로프 또는 산업 자재용 로프에 바람직하게 적용될 수 있다.

이러한 폴리에스테르 섬유의 제조방법을 각 단계별로 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 폴리에스테르 섬유의 제조방법은 고유점도가 0.9 dl/g 이상인 폴리에스테르 중합체를 270 ℃ 내지 310 ℃에서 용융 방사하여 폴리에스테르 미연신사를 제조하는 단계, 및 상기 폴리에스테르 미연신사를 연신하는 단계를 포함한다.

먼저, 첨부한 도면을 참고로 하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 용융 방사 및 연신 공정의 실시 형태를 간략히 설명할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따라, 상기 용융 방사 및 연신 단계를 포함하는 폴리에스테르 섬유 제조공정을 모식적으로 나타낸 공정도이다. 도 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 로프용 폴리에스테르 섬유의 제조 방식은 전술한 바와 같은 방식으로 제조된 폴리에스테르 칩을 용융시켜, 구금을 통해 방사된 용융 고분자를 급냉 공기(quenching-air)로 냉각시키고, 유제 롤(120)(또는 오일-젯)을 이용하여 미연신사에 유제를 부여하고, 전-집속기(pre-interlacer)(130)를 사용하여 일정한 공기압력으로 미연신사에 부여된 유제를 원사의 표면에 균일하게 분산시킬 수 있다. 이후, 다단의 연신장치(141~146)를 통하여 연신과정을 거친 후, 최종적으로 세컨드 집속기(2^nd Interlacer, 150)에서 일정한 압력으로 원사를 인터밍글(intermingle)시켜 권취기(160)에서 권취하여 원사를 생산할 수 있다.

본 발명의 제조 방법은 먼저, 폴리에틸렌테레프탈레이트를 포함하는 고점도의 중합체를 용융 방사하여 폴리에스테르 미연신사를 제조한다.

이때, 낮은 초기 모듈러스 및 높은 신율 범위를 충족하는 폴리에스테르 미연신사를 얻기 위해서는, 상기 용융 방사 공정은 폴리에스테르 중합체의 열분해를 최소화할 수 있도록 낮은 온도 범위에서 수행하는 것이 바람직하다. 특히, 고점도의 폴리에스테르 중합체의 고유점도 및 CEG 함량 등에 대하여 공정에 따른 물성 저하를 최소화할 수 있도록, 즉, 폴리에스테르 중합체의 높은 고유점도 및 낮은 CEG 함량을 유지할 수 있도록 저온방사, 예를 들어, 270 내지 310 ℃, 바람직하게는 280내지 305 ℃, 좀더 바람직하게는 282 내지 298 ℃ 온도에서 수행할 수 있다. 여기서, 방사온도란 사출기(Extruder) 온도를 지칭하는 것이며, 상기 용융 방사 공정을 310 ℃를 초과하여 수행할 경우에는 폴리에스테르 중합체의 열분해가 다량으로 발생하여 고유점도의 저하로 분자량 감소 및 CEG 함량 증가가 커질 수 있으며, 원사의 표면 손상으로 전반적인 물성 저하를 초래할 수 있어 바람직하지 않다. 이에 반해, 상기 용융 방사 공정을 270 ℃ 미만에서 진행할 경우에는 폴리에스테르 중합체의 용융이 어려울 수 있으며, N/Z 표면 냉각으로 방사성이 떨어질 수도 있어, 상기 온도 범위 내에서 용융 방사 공정을 수행하는 것이 바람직하다.

상기 폴리에스테르 중합체는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 주성분으로 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)는 그 제조단계에서 여러 가지 첨가제가 첨가될 수 있는 것으로서, 섬유 로프로 제조시 우수한 기계적 물성을 확보하기 위해서는 적어도 70 몰% 이상, 더욱 바람직하게는 90 몰% 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 폴리에스테르 중합체는 필요에 따라 TiO₂, SiO₂, BaSO₄ 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 이 때, 상기 무기 첨가제는 상기 폴리에스테르 중합체에 대하여 100 내지 1,200 ppm, 바람직하게는 200 내지 1,000 ppm의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 무기 첨가제는 방사성 측면에서 100 ppm 이상, 바람직하게는 200 ppm 이상으로 포함될 수 있으며, 우수한 강력 발현 측면에서 1,500 ppm 이하, 바람직하게는 1,200 ppm 이하로 포함될 수 있다.

실험 결과, 이러한 낮은 온도 범위에서 PET의 용융 방사 공정을 진행함에 따라, 폴리에스테르 중합체의 분해 반응을 최소화하여 높은 고유점도를 유지하여 높은 분자량을 확보함으로써, 후속하는 연신 공정에서 높은 연신 비율을 적용하지 않고도 고강력의 원사를 얻을 수 있으며, 이같이 저연신 공정을 수행할 수 있음에 따라 모듈러스를 효과적으로 낮출 수 있어 상술한 물성을 충족하는 폴리에스테르 섬유가 얻어질 수 있음이 밝혀졌다.

또한, 상기 용융 방사 공정은 폴리에스테르 중합체 분해 반응을 최소화하는 측면에서, 보다 낮은 방사 장력 하에서 진행될 수 있도록, 즉 방사 장력을 최소화할 수 있도록, 예를 들어, 상기 폴리에스테르 중합체를 용융 방사하는 속도를 300 내지 1,000 m/min의 저속으로 조절할 수 있고, 바람직하게는 350 내지 700 m/min으로 조절할 수 있다. 이같이 선택적으로 낮은 방사 장력 및 낮은 방사 속도 하에 폴리에스테르 중합체의 용융 방사 공정을 진행함에 따라, 폴리에스테르 중합체의 분해 반응을 더욱 최소화할 수 있다.

한편, 이러한 용융 방사 공정을 거치고 얻어진 미연신사는 0.8 dl/g 이상 또는 0.8 dl/g 내지 1.2 dl/g, 바람직하게는 0.85 dl/g 이상 또는 0.85 dl/g 내지 1.2 dl/g, 더욱 바람직하게는 0.9 dl/g 이상 또는 0.9 dl/g 내지 1.2 dl/g의 고유점도를 나타낼 수 있다.

특히, 상술한 바와 같이, 고강력 저모듈러스의 폴리에스테르 섬유를 제조하기 위해서는, 미연신사 제조 공정에서 고점도 폴리에스테르 중합체, 예를 들어, 고유점도 0.9 dl/g 이상 폴리에스테르 중합체를 사용하여, 용융 방사 및 연신 공정을 통해 이러한 고점도 범위를 최대한 유지하여 저연신으로 고강력을 발휘할 수 있어 모듈러스를 효과적으로 낮추는 것이 바람직하다. 다만, 상기 폴리에스테르 중합체의 용융 온도 상승에 따른 분자쇄 절단과 방사팩에서의 토출량에 의한 압력 증가를 막기 위해서는 고유점도가 2.0 dl/g 이하인 것이 더욱 바람직하다.

그리고, 상기 PET 칩은 폴리에스테르의 단사섬도가 21 DPF 이하 또는 3 내지 21 DPF, 바람직하게는 20 DPF 이하 또는 4 내지 20 DPF 범위로 되도록 고안된 구금을 통하여 방사되는 것이 바람직하다. 즉, 방사 중 사절의 발생 및 냉각시 서로간의 간섭에 의하여 사절이 발생할 가능성을 낮추기 위해서는 상기 섬유의 단사섬도가 4.0 DPF 이상이 되도록 하는 것이 바람직하고, 냉각 효율을 높이기 위해서는 섬유의 단사섬도가 20 DPF 이하가 되도록 하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 PET를 용융 방사한 후에는 냉각 공정을 부가하여 상기 PET 미연신사를 제조할 수 있다. 이러한 냉각 공정은 15 내지 60 ℃의 냉각풍을 가하는 방법으로 진행함이 바람직하고, 각각의 냉각풍 온도 조건에 있어서 냉각 풍량을 0.4 내지 1.5 m/s로 조절하는 것이 바람직하다. 이로써, 발명의 일 구현예에 따른 제반 물성을 나타내는 PET 미연신사를 좀더 쉽게 제조할 수 있다.

한편, 이러한 방사 단계를 통해 폴리에스테르 미연신사를 제조한 후에는, 이러한 미연신사를 연신하여 연신사를 제조한다. 이때, 상기 연신 공정은 5.0 내지 6.5, 바람직하게는 5.0 내지 6.2의 총연신비 조건 하에서 수행할 수 있다. 상기 폴리에스테르 미연신사는 용융 방사 공정을 최적화하여 높은 고유점도와 낮은 초기 모듈러스를 유지하는 상태이다. 따라서, 6.5를 초과하여 높은 연신비 조건 하에서 상기 연신 공정을 진행하면, 과연신 수준이 되어 상기 연신사에 절사 또는 모우 등이 발생할 수 있고 높은 섬유의 배향도에 의해 저신율 고모듈러스의 원사가 제조될 수 있다. 특히, 이렇게 높은 연신비 조건 하에서 원사의 신율이 저하되고 모듈러스가 증가하게 되는 경우, 섬유 로프로서 적용시 내마모성 및 형태안정성 등이 좋지 않을 수 있다. 반면에, 비교적 낮은 연신비 하에서 연신 공정을 진행하면, 섬유 배향도가 낮아 이로부터 제조된 폴리에스테르 섬유의 강도가 일부 낮아질 수 있다. 다만, 물성 측면에서 5.0 이상의 연신비 하에서 연신 공정을 수행하면, 예를 들어, 해양용 또는 산업 자재용 섬유 로프 등에 적용되기에 적합한 고강력 저모듈러스의 폴리에스테르 섬유의 제조가 가능하므로, 상기 연신 공정은 5.0 내지 6.5의 연신비 조건 하에서 진행하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 직접 방사 연신 공정으로 고강도 및 저수축의 성질을 동시에 만족시키면서 낮은 모듈러스의 폴리에스테르 섬유를 제조하기 위하여 고점도의 폴리에틸렌테레프탈레이트 중합 칩을 사용하여 용융 방사한 다음, 와인더에 권취하기까지 다단 고뎃 롤러를 거치며 연신, 열고정, 이완, 권취하는 공정을 포함할 수 있다.

상기 연신 공정은 상기 미연신사를 오일 픽업량 0.2% 내지 2.0%의 조건 하에서 고뎃 롤러를 통과시킨 후에 수행할 수 있다.

상기 이완 과정에서 이완률은 1% 내지 14%가 바람직하며, 1% 미만일 경우에는 수축율의 발현이 어려우며 높은 연신비 조건 하에서와 마찬가지로 높은 섬유 배향도 형성에 따라 고신율 저모듈러스 섬유 제조가 어려워질 수 있으며, 14%를 초과할 경우에는 고뎃 롤러상에서 사떨림이 심해져서 작업성을 확보할 수가 없다.

또한, 상기 연신 공정에서는 상기 미연신사를 대략 170 내지 250 ℃의 온도 하에서 열처리하는 열고정 공정을 추가로 수행할 수 있으며, 바람직하게는 상기 연신 공정의 적절한 진행을 위해 175 내지 240 ℃, 좀더 바람직하게는 180 내지 245 ℃의 온도로 열처리할 수 있다. 여기서, 온도가 170 ℃ 미만일 경우에는 열적 효과가 충분하지 못하여 이완효율이 떨어져 수축률 달성이 어려우며, 250 ℃를 초과할 경우에는 열분해에 의한 원사강도 저하 및 롤러상 타르 발생이 증가하여 작업성이 저하될 수 있다.

이때, 권취속도는 2,000 내지 4,000 m/min, 바람직하게는 2,500 내지 3,700 m/min으로 수행할 수 있다.

한편, 본 발명의 폴리에스테르 섬유는 고강력, 고신율, 외부에서 가해지는 힘에 의해 쉽게 영구 변형이 일어나지 않는 크리이프(Creep) 특성이 기존 폴리에스테르 원사 대비 월등히 우수한 특성을 나타냄에 따라, 선박의 정박이나 계류, 예인 등에 사용되는 해양용 로프 또는 각종의 건설 현장 등에서 사용되는 산업 자재용 로프 등으로 여러 가지 용도의 산업용 자재에 적합하게 사용할 수 있다.

특히, 본 발명의 폴리에스테르 섬유는 합사 및 연사 등의 공정을 거쳐, 해양용 또는 산업 자재용 폴리에스테르 섬유 로프를 제조할 수 있다. 상기 섬유 로프는 합사 및 연사 등의 공정을 하나의 동일한 장치를 이용하여 제조할 수 있다.

본 발명은 상기 폴리에스테르 섬유를 포함하는 폴리에스테르 섬유 로프를 제공한다. 상기 폴리에스테르 섬유로 로프를 제작하여 상온에서 측정된 최대 하중(MBL)의 50%에서 신율이 9% 이상이 될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 상온에서 측정된 최대 하중(MBL)의 50%에서 신율이 6.8% 이상인 폴리에스테르 섬유를 사용하여 로프를 제조하면, 우수한 형태안정성과 함께 우수한 강신도 특성을 동시에 확보할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 폴리에스테를 섬유를 사용하면 로프의 최대 하중의 50%에서 신율이 9% 이상으로 우수하여, 일반적인 조수의 간만의 차에 오는 변화나 풍랑으로 인한 선박의 움직임으로 오는 외부 환경에 충분히 대응하여 선박 및 로프의 손상을 방지할 수 있다.

본 발명의 폴리에스테르 섬유 로프는 상온에서 측정된 최대 하중(MBL)의 50%에서 신율이 9% 이상 또는 9% 내지 30%, 바람직하게는 9.5% 이상, 좀더 바람직하게는 10% 이상이 될 수 있다. 이러한 우수한 형태 안정 특성과 우수한 최대 하중(MBL)의 50%에서 신율로 인해, 선박 계류시 해양의 변화에 따라 선박의 움직임에 의한 변형에 충분한 대응이 가능할 뿐만 아니라 장시간 사용후에는 기계적인 특성을 상실하지 않고 선박 계류시 선박을 잡아주는 성능을 최대한 유지할 수 있게 된다.

상기 폴리에스테르 섬유 로프는, 로프의 절단 강력에 대하여 50%의 하중을 걸어 7일간 방치하였을 때, 하기 계산식 2로 정의되는 로프의 크리이프율이 15.0% 이하가 될 수 있다.

[계산식 2]

로프의 크리이프율 ＝ (L₃-L₄)/L₄ × 100

식 중, L₃은 7일간 하중을 가한 후에 측정한 로프의 길이이며, L₄는 로프의 초기 길이이다.

상기 섬유의 절단 강력에 대하여 50%의 하중을 걸어 7일간 방치하였을 때 이미 상술한 방법으로 계산된 크리이프율이 15.0% 이하이며 바람직하게는 14% 이하, 좀더 바람직하게는 13% 이하가 될 수 있다.

또한, 본 발명의 폴리에스테르 섬유로 제조된 섬유 로프는 로프의 단위 직경(mm)당 절단 강력이 0.67 ton/mm 이상, 바람직하게는 0.69 ton/mm 이상, 좀더 바람직하게는 0.72 ton/mm 이상이 될 수 있다. 절단 신율이 15% 이상, 바람직하게는 17% 이상, 좀더 바람직하게는 20% 이상이 될 수 있다. 상기 섬유 로프는 수분흡수율이 2% 이하, 바람직하게는 1% 이하, 바람직하게는 0.5% 이하가 될 수 있으며, 상기 섬유 로프의 수분흡수율은 25 ℃, 상대습도 65%의 조건 하에서 측정한 결과를 나타낸 것이다.

본 발명의 폴리에스테르 섬유 로프는 이와 같이 고강력, 고신율 및 우수한 형태안정성을 나타냄과 동시에 수분흡수율이 최소화됨으로써, 선박의 정박이나 계류, 예인 등이나 각종의 건설 현장 등에서 우수한 기계적 물성과 함께 외부의 환경 변화에 대하여 효과적인 대응을 통해 로프의 수명을 연장하며 충분한 안전성을 확보할 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 기재된 내용 이외의 사항은 필요에 따라 가감이 가능한 것이므로, 본 발명에서는 특별히 한정하지 아니한다.

본 발명에 따르면, 실제 선박 계류시 해양 환경에 의해 발생 되는 선박의 롤링 등으로부터 올 수 있는 섬유 로프의 변형인 최대 하중을 기준으로, 상온에서 측정된 최대 하중(MBL)의 50%에서 신율 범위를 높은 수준으로 최적화되어, 우수한 기계적 물성과 함께 내마모성, 강력유지율 등이 우수한 폴리에스테르 섬유가 제공된다.

이러한 폴리에스테르 섬유는 고강력, 우수한 형태안정성, 고신율로 최적화됨으로써 충분한 강신도를 갖고 우수한 기계적 물성 및 충격 흡수 성능을 확보할 수 있어, 해양이 거칠어지며 선박 등이 심하게 롤링하는 등의 외부환경 변화에서도 사 절단을 최소화하고 고신율에 의해 충격 흡수 성능을 현저히 향상시키며 우수한 로프 수명과 함께 충분한 안전성을 확보할 수 있는 폴리에스테르 섬유 로프를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 폴리에스테르 섬유 제조공정을 모식적으로 나타낸 공정도이다.
도 2은 본 발명의 일 구현예에 따른 크리이프율 측정에 사용되는 크리이프 테스터의 개략적 모식도이다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1~5

소정의 고유점도를 갖는 폴리에스테르 중합체를 용융 방사하고 냉각하는 방법으로 폴리에스테르 미연신사를 제조한 후에, 상기 미연신사를 소정의 연신비로 연신하며 열처리를 수행하여 폴리에스테르 섬유를 제조하였다. 이때, 폴리에스테르 중합체의 고유점도와 용융 방사 공정시의 방사 속도 및 방사 장력, 방사 온도 조건, 연신비, 열처리 온도는 하기 표 1에 나타난 바와 같으며, 나머지 조건은 폴리에스테르 섬유 제조를 위한 통상적인 조건에 따랐다.

구 분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
PET 함량(몰%)	100	100	100	100	100
칩의 고유점도(dl/g)	1.05	1.11	1.18	1.21	1.25
방사온도(℃)	282	285	288	290	292
연신비	5.8	5.78	5.75	5.65	5.60
열처리온도(℃)	233	235	236	238	240

상기 실시예 1~ 5에 따라 제조된 폴리에스테르 섬유에 대하여 다음의 방법으로 물성을 측정하였으며, 측정된 물성은 하기 표 2에 정리하였다.

1) 인장강도 및 신도

섬유의 인장강도 및 신도는 미국재료시험규격 ASTM D 2256의 방법으로 만능재료 시험기(Instron)을 사용하여 측정하였으며, 시료장은 250 mm이고, 인장속도는 300 mm/min으로 하였으며, 초기 로드는 0.05 g/d로 설정하였다.

2) 초기 모듈러스

미국재료시험협회규격 ASTM D 885의 방법으로 모듈러스(Young's modulus) 및 강신도를 측정하고 하기 표 2에 나타내었다.

3) 최대 하중 50%에서 신율

미국재료시험협회규격 ASTM D 2256의 방법으로 상온에서 원사의 강신도 곡선을 측정하여 절단시 최대 하중을 확인하고, 상기 최대 하중의 50%에서 원사의 신율 (%)을 측정하였다.

4) 크리이프율

도 3에 도시된 바와 같은 크리이프 테스터기를 사용하여 크리이프율을 측정하였다. 이러한 크리이프 테스터기를 사용하여 상기 실시예 1 내지 5의 폴리에스테르 원사(초기 시료 길이 L₂ = 1,400 mm)에 초기 하중을 절단강력에 50%를 부여하여 길이 변화를 측정하였다. 특히, 하기 계산식 1에 나타낸 바와 같이, 크리이프 시험기에 섬유를 초기 길이 L₂가 1,400 mm가 되도록 걸어 고정시키고, 상기 섬유의 절단 강력에 대하여 50%의 하중을 걸어 7일간 방치한 후에 변형된 섬유의 총 길이(mm)를 측정하였다.

[계산식 1]

섬유의 크리이프율 ＝ (L₁-L₂)/L₂ × 100

식 중,

L₁은 7일간 하중을 가한 후에 측정된 원사의 길이(mm)이며, L₂는 시료를 크리이프 시험기에 걸었을 때 원사의 초기 길이(mm)이며, 여기서는 1,400 mm이다.

5) 건열수축율

영국 테스트라이트(Testrite)사의 Testrite MK-V 장비를 사용하여 180 ℃의 온도에서 2분 동안 초하중(0.05 g/d)을 부가하는 조건 하에서 건열수축율을 측정하였다.

6) 고유점도

사염화탄소를 이용하여 시료에서 유제를 추출하고, 160±2 ℃에서 OCP (Ortho Chloro Phenol)로 녹인 후, 25℃의 조건에서 자동점도 측정기(Skyvis-4000)를 이용하여 점도관에서의 시료 점도를 측정하여 하기 계산식 3에 따라 폴리에스테르 섬유의 고유점성도(intrinsic viscosity, IV)를 구하였다.

[계산식 3]

고유점성도(IV) ＝ {(0.0242 × Rel) ＋ 0.2634} × F

상기 식에서,

이고,

이다.

7) 단사 섬도

단사 섬도는 얼레를 이용하여 원사를 9,000 m만큼 취하고 그의 무게를 재어 원사의 총섬도(Denier)를 구한 후 필라멘트 수로 나누는 방법으로 측정하였다.

8) 섬유의 절단 강력

미국재료시험협회규격 ASTM D 2256 방법에 따라 만능재료 시험기(Instron)을 사용하여 측정하였으며, 시료장은 250 mm이고, 인장속도는 300 mm/min으로 하였으며, 초기 로드는 0.05 g/d로 설정하여 섬유의 절단 강력(kgf)을 측정하였다.

구 분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
원사의 고유점도(dl/g)	0.86	0.88	0.92	0.98	1.02
원사의 모듈러스(g/d)	98	94	90	83	76
원사의 절단강도(g/d)	9.3	9.2	9.2	9.0	9.2
원사의 절단신도(%)	15	16	18	18	20
원사의 절단강력(kgf)	14.0	18.4	23.0	27.0	36.8
최대하중50%에서신율(%)	7.3	7.6	7.9	8.0	8.4
원사의 건열수축율(%)	5.2	4.5	3.5	3.2	2.9
원사의 단사섬도(DPF)	12.5	10.4	13.0	12.5	10.4
원사의 총섬도(de)	1,500	2,000	2,500	3,000	4,000
크리이프율(%)	7.8	6.9	6.2	5.6	4.8

비교예 1~5

하기 표 3에 기재된 조건을 제외하고는 실시예 1~5과 동일한 방법에 따라 비교예 1~5의 폴리에스테르 섬유를 제조하였다.

구 분	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4	비교예5
PET 함량(몰%)	100	100	100	100	100
칩의 고유점도(dl/g)	0.75	0.78	0.82	0.85	0.88
방사온도(℃)	286	288	288	290	294
연신비	6.26	6.20	6.18	6.08	6.02
열처리온도(℃)	212	215	215	218	220

상기 비교예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 섬유의 물성을 상술한 바와 같이 동일한 방법으로 측정하여 하기 표 4에 정리하였다.

구 분	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4	비교예5
원사의 고유점도(dl/g)	0.64	0.66	0.71	0.74	0.76
원사의 모듈러스(g/d)	114	111	109	108	105
원사의 절단강도(g/d)	8.0	8.2	8.4	8.5	8.5
원사의 절단신도(%)	10.2	10.5	10.5	11.2	11.6
원사의 절단강력(kgf)	11.2	11.5	8.4	42.5	42.5
최대하중50%에서신율(%)	5.3	5.6	5.9	6.0	6.4
원사의 건열수축율(%)	9.9	9.5	9.1	9.3	9.2
원사의 단사섬도(DPF)	3.7	2.8	3.9	52	52
원사의 총섬도(de)	1,400	1,400	1,000	5,000	5,000
크리이프율(%)	10.2	9.9	9.5	9.1	8.8

제조예 1~5

실시예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 섬유를 사용하여, 1차 합사시 하연을 적용하고 2차 합사시 상연을 적용하여 섬유 로프를 제조하였다. 이때, 1차 합사 하연으로 7합, 2차 합사 상연으로 4합을 실시하였으며 이렇게 만들어진 합사물을 16가닥을 합하여 1개의 스트랜드(strand)를 만들고 이렇게 만들어진 스트랜드 8가닥으로 최종 로프를 제조하였다. 상기 섬유 로프는 최종 섬도를 동일하게 하여 로프의 직경(Diameter)는 36 mm가 되도록 하였다.

이렇게 만들어진 폴리에스테르 섬유 로프에 대하여 다음의 방법으로 물성을 측정하였다.

a) 절단 강력 및 절단 신율

로프의 양 말단을 고리에 고정하고 섬유 로프 시료의 길이는 5,000 mm로 하고 한쪽 고리를 속도를 1 분당 1 m로 이동하여, 즉, 1 m/min의 속도로 이동하는 방법으로 섬유 로프가 최종 파단될 때의 강력 및 신율을 측정하였다.

b) 최대 하중 50%에서 신율

로프의 절단 강력 및 절단 신율 측정 방법을 통하여 최대 하중을 확인 후, 상기 최대 하중의 50%에서 로프의 신율 (%)을 측정하였다.

c) 로프의 크리이프율

도 3에 도시된 바와 같은 크리이프 테스터기를 사용하여 섬유 로프의 크리이프율을 측정하였다. 이러한 크리이프 테스터기를 사용하여 제조예 1 내지 5의 폴리에스테르 섬유 로프(초기 시료 길이 L₄ = 3,000 mm)에 초기 하중을 절단강력에 50%를 부여하여 길이 변화를 측정하였다. 특히, 하기 계산식 2에 나타낸 바와 같이, 크리이프 시험기에 섬유 로프를 초기 길이 L₄가 3,000 mm가 되도록 걸어 고정시키고, 상기 로프의 절단 강력에 대하여 50%의 하중을 걸어 7일간 방치한 후에 변형된 로프의 총 길이(mm)를 측정하였다.

[계산식 2]

로프의 크리이프율 ＝ (L₃-L₄)/L₄ × 100

상기 계산식 2에서, L₃은 7일간 하중을 가한 후에 측정한 로프의 길이(mm)이며, L₄는 시료를 크리이프 시험기에 걸었을 때 로프의 초기 길이(mm)이며, 여기서는 3,000 mm이다.

실시예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 섬유를 사용하여 제조된 섬유 로프에 대한 물성 측정 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

구 분	제조예1	제조예2	제조예3	제조예4	제조예5
절단강력(ton)	26.5	27.7	27.8	28.6	28.4
절단신율(%)	24.6	25.5	25.8	27.5	29.6
최대하중 50%에서 신율(%)	10.2	11.0	11.6	12.8	13.2
크리이프율(%)	10.5	9.5	9.3	8.5	8.8

비교제조예 1~5

비교예 1~5에 따라 제조된 폴리에스테르 섬유를 사용한 것을 제외하고는 제조예 1~5과 동일한 방법에 따라 섬유 로프를 제조하고 로프의 물성을 측정하여 하기 표 6에 나타내었다.

구 분	비교제조예1	비교제조예2	비교제조예3	비교제조예4	비교제조예5
절단강력(ton)	22.4	22.6	22.6	22.9	23.3
절단신율(%)	14.1	14.5	15.6	16.3	16.8
최대하중 50%에서 신율(%)	7.1	7.4	8.1	8.3	8.5
크리이프율(%)	18.2	17.5	16.8	16.2	15.8

상기 표 5에서 보는 것과 같이, 실시예 1~5으로부터 제조되어 고강력, 고절신, 형태안정성이 우수한 폴리에스테르 섬유로부터 제조된 제조예 1~5의 섬유 로프는 절단 강력이 26.5 내지 28.6 ton이며, 절단 신율이 24.6% 내지 29.6%로 매우 우수한 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 이와 동시에, 제조예 1~5의 섬유 로프는 최대 하중 50%에서의 신율이 10.2% 내지 13.2%로 실제 선박 계류시 해양 환경에 의해 발생되는 선박의 롤링 등으로부터 올 수 있는 충격을 충분히 흡수할 수 있는 특징을 갖는다. 또한, 로프의 7일간 최대 하중의 50%에서의 크리이프성이 8.5% 내지 10.5%로 형태안정성이 우수한 폴리에스테르 섬유 로프를 제조할 수 있다.

이로써, 제조예 1~5의 섬유 로프는 우수한 기계적 특성과 함께 우수한 형태안정성, 저모듈러스, 고강력, 고신율, 충격 흡수 성능 등을 동시에 갖는 것임을 확인할 수 있다.

반면에, 상기 표 6에서 보는 것과 같이, 비교예 1~5의 폴리에스테르 섬유를 사용하여 제조된 비교제조예 1~5의 섬유 로프는 이러한 특성을 충족하지 못함이 확인되었다. 특히, 비교제조예 1~5의 섬유 로프는 절단 강력이 22.4 내지 23.3 ton이며, 절단 신율이 14.1% 내지 16.8%로 선박 계류용 및 일반 산업용 로프로서 요구되는 물성을 충족시키지 못함을 알 수 있다. 특히, 비교제조예 1~5의 섬유 로프는 실제 선박 계류시 해양 환경에 의해 발생 되는 선박의 롤링 등으로부터 올 수 있는 로프의 변형인 최대 하중 50%에서의 신율 값이 7.1%에서 8.5% 수준으로 미미하여 선박을 계류하거나 예인할 때 또는 건설 현장 등에 적용시 충분한 외부 변형으로부터 올 수 있는 충격 흡수가 용이하지 못할 수 있다.

또한, 로프의 7일간 최대 하중의 50%에서의 크리이프성이 15.8% 내지 18.2%으로 너무 높게 나타나며 우수한 형태안정성을 유지할 수 없음을 알 수 있다. 특히, 이렇게 로프의 크리이프율이 높게 나타나는 폴리에스테르 섬유 로프를 장기간 사용시, 로프의 초기 물성을 쉽게 상실하여 선박을 계류시키는 부둣가의 거친 환경 조건 등에서 요구되는 기계적 물성을 만족시키지 못하게 될 뿐만 아니라, 제대로 된 로프의 성능을 발휘하지 못하게 되는 문제가 발생할 수 있다.

Claims (11)

1. 상온에서 측정된 최대 하중(MBL)의 50%에서 신율이 6.8% 이상인 폴리에스테르 섬유.
2. 제1항에 있어서,
   상기 섬유의 절단 강력에 대하여 50%의 하중을 걸어 7일 동안 방치하였을 때, 하기 계산식 1로 정의되는 섬유의 크리이프율이 8.5% 이하인 폴리에스테르 섬유:
   [계산식 1]
   섬유의 크리이프율 ＝ (L₁-L₂)/L₂ × 100
   식 중,
   L₁은 7일간 하중을 가한 후에 측정한 원사의 길이이며,
   L₂는 원사의 초기 길이임.
3. 제1항에 있어서,
   상기 섬유의 절단 강력은 13 kgf 이상인 폴리에스테르 섬유.
4. 제1항에 있어서,
   인장강도가 8.8 g/d 이상이고, 절단신도가 15% 이상인 폴리에스테르 섬유.
5. 제1항에 있어서,
   총섬도가 900 데니어 이상인 폴리에스테르 섬유.
6. 제1항에 있어서,
   단사섬도가 21 DPF 이하이고, 110 내지 550 가닥의 필라멘트를 포함하는 폴리에스테르 섬유.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 섬유를 포함하는 폴리에스테르 섬유 로프.
8. 제7항에 있어서,
   상온에서 측정된 최대 하중(MBL)의 50%에서 신율이 9% 이상인 폴리에스테르 섬유 로프.
9. 제7항에 있어서,
   상기 로프의 절단 강력에 대하여 50%의 하중을 걸어 7일 동안 방치하였을 때, 하기 계산식 2로 정의되는 로프의 크리이프율이 15.0% 이하인 폴리에스테르 섬유 로프:
   [계산식 2]
   로프의 크리이프율 ＝ (L₃-L₄)/L₄ × 100
   식 중,
   L₃은 7일간 하중을 가한 후에 측정한 로프의 길이이며,
   L₄는 로프의 초기 길이임.
10. 제7항에 있어서,
    섬유 로프의 단위 직경(mm)당 절단 강력이 0.67 ton/mm 이상인 폴리에스테르 섬유 로프.
11. 제7항에 있어서,
    절단신율이 18% 이상인 폴리에스테르 섬유 로프.

Images