KR20130085247A

KR20130085247A - 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 고분자량 폴리에틸렌 수지를 용융방사하여 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20130085247A
Application number: KR1020120006277A
Authority: KR
Inventors: 김성태
Original assignee: 주식회사 엑시아머티리얼스
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-07-29

Abstract

본 발명은 고분자량 폴리에틸렌 수지를 용융방사하여 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로서, (S1) 중량평균분자량(Mw)이 100,000 내지 180,000인 폴리에틸렌 수지를 준비하는 단계; (S2) 상기 폴리에틸렌 수지와, 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트를 균일하게 혼합하여 펠렛을 제조하는 단계; 및 (S3) 상기 펠렛을 260 내지 280 ℃의 온도로 용융방사하여 섬유를 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 용융방사시 고분자량의 폴리에틸렌 수지의 용융 흐름성을 개선함으로서, 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조할 수 있다.

Description

사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 고분자량 폴리에틸렌 수지를 용융방사하여 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하는 방법{A manufacturing method of polyethylene fiber having the high strength by melt spinning of high molecular weight polyethylene resin containing cyclic buthylene terephthalate}

본 발명은 고분자량 폴리에틸렌 수지를 용융방사하여 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 세계의 섬유 수요는 인구증가, 생활수준향상 등으로 일반 의류용 범용사 및 산업용 섬유에서 다양한 기능을 갖는 고기능성, 고성능화된 첨단 하이테크 섬유소재로 변하고 있다.

예를 들어, 우주 산업용으로 개발된 슈퍼 섬유는 그 후 용도를 비약적으로 확대하여 다른 산업용 섬유로 광범위하게 개발되었으며, 최근에는 21세기를 이끌어갈 산업용 섬유의 핵심으로 주목받고 있다. 일본 미국 독일 등 섬유 선진국들에 있어서 산업용 섬유의 비중은 80%를 넘어섰으며, 범용 섬유 시장은 중국이 주도권을 갖고 있으나 슈퍼섬유의 개발은 중국이 단기간에 따라올 수 없는 기술집약적 품목이다. 이와 같이, 고강도를 갖는 슈퍼섬유들은 그 용도와 사용량이 지속적으로 확대되고 있다.

슈퍼섬유의 제조방법은 용매를 사용하는 용액방사법이 대부분이다. 이로 인해 환경문제가 심각하게 대두되고 있으며, 제조 단가 또한 매우 높아서 슈퍼섬유의 사용장벽이 되고 있다.

슈퍼섬유의 주요 제품인 아라미드 섬유는 20g/d 수준의 고강도를 가지므로, 방검복, 방탄복 등의 용도로 꾸준히 사용되고 있다. 그러나 아라미드 섬유는 유연성이 떨어져 제직이 어렵고, 감촉이 좋지 않아 타 시장으로의 진입이 어렵다. 또한, 나일론이나 PET 섬유도 고강도 섬유로서 일부 시장을 차지하고 있으나, 모두 10g/d 이하의 강성으로 슈퍼섬유로서의 요구 수준에는 그 물성이 충분치 않다.

따라서, 아라미드 섬유와 유사한 강성을 부여할 수 있으면서 유연성, 내화학성, 내수성, 고감성 등을 부여할 수 있는 폴리에틸렌 섬유가 고강도 섬유 시장에 가장 적합한 소재로 급부상하고 있다. 그러나, 현재 상업화된 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE, Dyneema) 섬유 역시 겔 방사 및 다단 연신을 통해 제조된다. 따라서, 용매를 사용하지 않고, 고분자량 폴리에틸렌 수지를 용융방사하여 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하는 방법이 절실히 요구되고 있다.

일반적으로 고분자량 폴리에틸렌 수지를 용융방사하면 용융 유동성이 부족하여 멜트 프랙쳐(melt fracture) 현상과 표면에 요철이 생기는 현상이 발생하여 용융방사를 진행할 수 없다. 따라서, 용융 유동성을 높이기 위한 방법이 필요하다. 가장 쉬운 방법은 방사온도를 통상의 폴리에틸렌 수지보다 고온으로 높여 용융유동성을 향상시키는 방법이다. 그러나, 이 방법은 폴리에틸렌 수지의 열분해가 수반되기 때문에 분자량이 저하되어 우수한 물성을 가진 섬유를 제조할 수 없다.

따라서, 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하기 위해서는 고분자량 폴리에틸렌 수지를 용융방사할 때 용융 흐름성(유동성)을 향상시키는 것이 필수적이다.

본 발명의 기술적 과제는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 용융방사에 따른 고분자량의 폴리에틸렌 수지의 용융 흐름성을 극대화함으로서, 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라 고분자량 폴리에틸렌 수지를 용융방사하여 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하는 방법은,

(S1) 중량평균분자량(Mw)이 100,000 내지 180,000인 폴리에틸렌 수지를 준비하는 단계;

(S2) 상기 폴리에틸렌 수지와, 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트를 균일하게 혼합하여 펠렛을 제조하는 단계; 및

(S3) 상기 펠렛을 260 내지 280 ℃의 온도로 용융방사하여 섬유를 제조하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트는 하기 화학식 1 내지 4로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조방법에 있어서, 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트의 첨가량은 폴리에틸렌 수지 총 중량을 기준으로 0.3~1.5 중량%인 것이 바람직하다.

본 발명의 제조방법에 의하면 용제를 사용하는 겔 방사법과 같은 복잡한 공정 없이, 친환경적인 용융방사법을 이용하여 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조할 수 있다. 제조된 섬유는 고강도 섬유로서 다양한 용도로 유용하다.

도 1에 통상적인 용융방사 공정을 나타낸 개략도이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따라 고분자량 폴리에틸렌 수지를 용융방사하여 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하는 방법에 따르면, 먼저 중량평균분자량(Mw)이 100,000 내지 180,000인 폴리에틸렌 수지를 준비한다(S1 단계). 이러한 분자량 범위 내에서 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조할 수 있으면서도 용융방사가 용이해진다. 전술한 고분자량 폴리에틸렌 수지는 공지의 중합 방법으로 제조할 수 있는데, 중합 촉매로는 메탈로센계 촉매를 사용하여 분자량을 조절하므로서, 다분산도(polydispersity, Mw/Mn)가 2.8 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.

이어서, 상기 폴리에틸렌 수지와, 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트를 균일하게 혼합하여 펠렛을 제조한다(S2 단계). 그리고, 상기 펠렛을 260 내지 280 ℃의 온도로 용융방사하여 섬유를 제조한다(S3 단계).

전술한 중량평균분자량을 갖는 고분자량 폴리에틸렌 수지는 일반적으로 용융 흐름성이 좋지 않으므로, 일반적인 용융방사 공정에 따라 방사할 경우, 멜트 프랙쳐(melt fracture)가 발생하고 표면 요철이 심해서 방사공정을 진행 할 수 없다. 따라서, 용융 흐름성을 반드시 향상시킬 필요가 있다.

본 발명에서는 이를 위해 고분자량 폴리에틸렌 수지의 용융 흐름성을 향상시킬 수 있는 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트를 첨가하여 해결하였다.

본 발명에 따라 사용되는 고분자량 폴리에틸렌 수지의 용융 흐름 개선제는 고분자량 폴리에틸렌 수지보다 낮은 용융온도를 나타내는 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트이다. 이러한 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트가 고분자량 폴리에틸렌 수지와 혼합되어 용융될 때, 고분자량 폴리에틸렌 수지의 용융 흐름성이 좋아져서, 방사온도를 크게 높이지 않아도 용융방사가 가능해진다.

이러한 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트는 하기 화학식 1 내지 4로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

<화학식 1>

<화학식 2>

<화학식 3>

<화학식 4>

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되어 지는 것이다.

실시예 1

메탈로센계 촉매를 사용하여 중합한 중량평균분자량(Mw)이 15만인 PE 수지를 준비하였다. 이 수지에 화학식 1의 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트 0.3 wt% 를 첨가하고 twin extruder를 사용하여 용융혼합하였다. 용융 혼합 컴파운딩 공정조건은 hopper에서 노즐까지 170℃/180℃/190℃/200℃/220℃/220℃/220℃/230℃/230℃/230℃인 온도조건과 250RPM이었다.

균일하게 용융혼합된 두 성분을 펠렛으로 제조하였다. 제조된 펠렛을 용융압출 방사 공정을 사용하여 섬유를 제조하였으며, 온도 조건은 270℃ 이었다. 제조된 섬유의 강도는 15g/den를 나타내었다.

실시예 2

사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트의 첨가량을 1.0 wt%로 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.

Claims

(S1) 중량평균분자량(Mw)이 100,000 내지 180,000인 폴리에틸렌 수지를 준비하는 단계;
(S2) 상기 폴리에틸렌 수지와, 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트를 균일하게 혼합하여 펠렛을 제조하는 단계; 및
(S3) 상기 펠렛을 260 내지 280 ℃의 온도로 용융방사하여 섬유를 제조하는 단계를 포함하는,
고분자량 폴리에틸렌 수지를 용융방사하여 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트는 하기 화학식 1 내지 4로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
고분자량 폴리에틸렌 수지를 용융방사하여 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하는 방법.
<화학식 1>

<화학식 2>

<화학식 3>

<화학식 4>
제1항에 있어서, 상기 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트의 첨가량은 폴리에틸렌 수지 총 중량을 기준으로 0.3~1.5 중량% 인 것을 특징으로 하는,
고분자량 폴리에틸렌 수지를 용융방사하여 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하는 방법.