KR20160002603A - 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재 및 그 제조방법 - Google Patents

담배필터용 이형단면 라이오셀 소재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 담배필터용 라이오셀 소재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 라이오셀 섬유에 포함된 모노필라멘트의 단면 형상을 제어하여 섬유의 외부 표면적을 향상시킨 후 크림프를 형성함으로써, 적은 양을 사용하여도 종래 라이오셀 소재 대비 동등 수준 이상의 물성을 나타낼 수 있는 담배필터용 이형단면 라이오셀 섬유를 제공할 수 있다.

Description

담배필터용 이형단면 라이오셀 소재 및 그 제조방법{Lyocell Material with Noncircle Cross Section for Cigarette Filter And Manufacturing Method of the same}
본 발명은 담배필터용 섬유에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 종래보다 외부 표면적 및 공간점유율이 향상된 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
성인의 대표적 기호품인 담배(Tobacco)는 주로 잘게 썬 담배잎을 담뱃대에 넣고 피우는 파이프 담배와 종이에 말아 만든 지권련(cigarette), 말린 담배잎을 통째로 말아 만든 엽궐련(cigar)으로 크게 구분되며, 지역에 따라 또는 유행에 따라 코담배, 물담배, 씹는 담배, 전자 담배 등의 다양한 형태로도 존재한다. 특히, 이 가운데 지권련은 흔히 담배로 통칭되는 것으로서, 초창기 지권련은 담배양쪽 끝이 모두 노출된 양절 담배의 형태였으나, 점차 필터 담배 형태로 제조되고 있다.
담배 필터의 경우 초기에는 담뱃잎이 침에 묻어나오는 것을 방지하기 위한 목적으로 도입되었으나 현재는 타르 및 니코틴 등의 각종 연기성분을 걸러내는 중요한 역할을 하고 있다. 담배 필터의 재질로는 양모나 솜, 레이온 등의 섬유나 종이가 사용되기도 하였으나 최근에는 셀룰로오스 아세테이트 등의 물질이 주로 이용되고 있다. 셀룰로오스 아세테이트는 흡습성, 내구성, 통기성 등이 우수하여 필터 소재로 적합하게 사용되고 있으나, 최근 국제적으로 셀룰로오스 아세테이트 원사의 가격이 상승하고 있어 전량 수입에 의존하고 있는 국가에는 수급 불안정성을 초래하고 있다.
셀룰로오스 아세테이트 섬유는 먼저 원료인 셀룰로오스 아세테이트의 플레이크(Flake)를 아세톤 등의 용제로 용해하여 방사 원액(dope)을 제조하고, 이 방사 원액을 방사노즐장치로 공급한 후, 고온에서 토출하는 건식방사법에 의해 얻을 수 있다. 특히, 셀룰로오스 아세테이트 섬유를 담배필터용으로 사용하기 위하여 방사 이후 과정에서 섬유의 총 섬도를 적당하게 설정하고 크림프 밴드가 형성된 섬유 토우로서 완성한 다음, 플러그 권상장치(winding device)에 의해 개섬하고 가소제를 첨착한 후, 로드(rod)형상으로 형성하고 이를 소정의 길이로 절단한다.
한편, 담배는 필터부분을 포함하여 흡연과정에서 재로 되어버리는 부분을 제외한 나머지 부분이 쓰레기로 회수되고 있는데, 대부분은 그 처리를 위하여 매립하고 있다. 그러나 경우에 따라서는 쓰레기로 회수되지 않고 자연환경 중에 방치되는 경우도 있다. 이러한 점에서 셀룰로오스 아세테이트가 본질적으로는 생분해가 가능한 물질이라 하더라도 토양 중에 매설 시 1~2년 동안은 그 원형을 유지하고 있다는 점을 감안하면 반드시 그 생분해가 양호한 것이라 보장할 수는 없다. 실제로도 토양 중에 매설된 담배필터가 완전하게 생분해 될 때까지는 상당히 긴 시간이 요구된다.
이와 같은 상황에서, 생분해성 필터 토우의 제조에 대한 다양한 방법이 제안되고 있다. 일예로 국제공개특허 WO 2000-053832에서는 인산셀룰로오스 및 인산전분으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 화합물로 이루어진 생분해 촉진제를 셀룰로오스 아세테이트에 함유하여 생분해성 셀룰로오스 아세테이트 구조물 및 담배필터를 제공하고 있고, 미국 등록특허 제 8327856 에서는 매트릭스 물질로 캡슐화된 약한 유기산 및 8 이하로 pH가 조절된 무기 에스테르 염을 셀룰로오스 아세테이트 토우와 접촉하여 환경적으로 분해할 수 있는 담배필터를 제공하고 있다.
이외에도 셀룰로오스 아세테이트의 분해 속도를 증가시키기 위한 첨가제, 생분해성을 증가시키기 위한 낮은 치환도(DS)를 갖는 셀룰로오스 아세테이트, 및 필터 토우 원료로서 PHB(poly-hydroxybutyrate)/PVB(polyvinyl butyral) 및 전분과 같은 생분해성 폴리머의 복합재를 사용하는 기술들이 다양하게 제안되고 있다. 그럼에도 불구하고, 달성될 수 있는 생분해성의 속도와 필터 재료에 의해 나타나는 흡수 프로파일, 담배맛 특징 사이에 수용 가능한 절충을 달성하는 것이 쉽지 않기에 현재까지는 상업적 목적을 만족함과 동시에 쓰레기 문제를 근본적으로 극복할 수 있는 필터를 생산하기 위한 만족스러운 해결책은 미비한 실정이다.
이에 본 발명은 국제적으로 가격이 상승하여 수급에 불안정성이 존재하는 셀룰로오스 아세테이트 토우를 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 적은 양으로도 담배필터에서 요구되는 기본 물성을 동등 이상 구현하고 동시에 우수한 생분해 특성을 나타낼 수 있도록 외부 표면적이 향상된 담배필터 소재용 라이오셀 섬유를 제공하고자 한다.
본 발명자들은 기존의 물성을 유지하면서도 생분해성의 특성을 나타내는 담배필터용 소재를 개발하기위하여 예의 연구 노력한 결과, 라이오셀 섬유를 이용하되 섬유 외부 표면적과 공간 점유율이 큰 이형단면 형태를 갖는 라이오셀 섬유인 경우, 생분해성은 물론, 원형 단면의 섬유보다 적은 양으로도 종래 담배필터 대비 동등 이상의 물성을 나타낼 수 있다는 사실을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명에 따른 바람직한 제 1 구현예는 (S1) 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프를, 다수개의 홀을 갖는 단위홀이 다수 개 형성된 방사구금을 통해 방사하는 단계; (S2) 상기 (S1) 단계에서 방사된 라이오셀 방사 도프를 응고시켜 라이오셀 멀티필라멘트를 수득하는 단계; (S3) 상기 (S2) 단계에서 수득된 라이오셀 멀티필라멘트를 수세하는 단계; (S4) 상기 (S3) 단계에서 수세된 라이오셀 멀티필라멘트를 유제 처리하는 단계; 및 (S5) 상기 (S4) 단계에서 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트를 크림핑하여 크림프 토우(crimped tow)를 얻는 단계를 포함하되, 상기 라이오셀 멀티필라멘트는 그 단면이 이형 단면인 모노필라멘트로 이루어지며, 상기 이형 단면은 다수 개의 돌기를 포함하고, 상기 다수 개의 돌기는 가상의 제1원 및 상기 가상의 제1원의 내부에 포함된 가상의 제2원과 접하되, 상기 가상의 제2원을 중심부로 하여 일체형으로 형성되며 그 말단이 상기 가상의 제1원과 접하는 형상을 갖는 것으로, 가상의 제1원의 반지름(L1)과 가상의 제2원의 반지름(L2)의 비율(L1/L2)이 1.5 내지 5.0을 만족하는 것을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재의 제조방법이다.
이때, 상기 방사 구금은 홀의 개수가 3개인 단위홀이 다수개 형성된 것이며, 가상의 제1원 및 가상의 제2원은 상기 모노필라멘트 단면과 접하는 접점이 3개인 것이 바람직하다.
상기 제 1 구현예에 의한 단계 (S1)의 라이오셀 방사 도프는 방사도프 총 중량 기준 셀룰로오스 펄프 6 내지 16 중량%; 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드 수용액 84 내지 94 중량%를 포함하는 것일 수 있다.
이때, 상기 셀룰로오스 펄프는 펄프 총 중량 기준 알파-셀룰로오스 함량이 85 내지 97중량%이고 중합도(DPw)가 600 내지 1700인 것일 수 있다.
상기 제 1 구현예에 의한 (S2) 단계의 응고는 냉각공기를 방사 도프에 공급하여 응고시키는 에어퀀칭(air quenching, Q/A)에 의한 1차 응고단계; 및 1차 응고된 방사 도프를 응고액에 담그어 응고시키는 2차 응고단계를 포함하는 것일 수 있다.
이때, 상기 에어퀀칭은 4 내지 15℃의 온도 및 5 내지 50m/s의 풍속을 갖는 냉각 공기를 방사 도프에 공급하여 응고시키는 것일 수 있고, 응고액은 그 온도가 30℃ 이하인 것일 수 있다.
상기 제 1 구현예에 의한 (S5) 단계는 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트를 스터퍼 박스(stuffer box)를 이용하여 크림핑하여 인치당 15 내지 60개의 크림프가 부여된 크림프 토우를 얻는 단계인 것일 수 있다.
상기 제 1 구현예에 의한 (S5) 단계는 라이오셀 멀티필라멘트에 스팀을 공급하고 압력을 가하여 크림핑하는 것일 수 있다.
이 때, 상기 (S5) 단계는 스팀압력이 0.05 내지 2.0kgf/㎠ 이 되도록 스팀을 공급하고, 프레스롤러(Press roller)를 이용하여 라이오셀 멀티 필라멘트를 1.0 내지 4.0kgf/㎠ 압력으로 압착하여 크림핑하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 따른 바람직한 제 2 구현예는 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프를 방사하여 수득한 라이오셀 멀티필라멘트를 크림핑하여 제조되며, 상기 라이오셀 멀티필라멘트는 그 단면이 이형 단면인 모노필라멘트로 이루어지며, 상기 이형 단면은 다수 개의 돌기를 포함하고, 상기 다수 개의 돌기는 가상의 제1원 및 상기 가상의 제1원의 내부에 포함된 가상의 제2원과 접하되, 상기 가상의 제2원을 중심부로 하여 일체형으로 형성되며 그 말단이 상기 가상의 제1원과 접하는 형상을 갖는 것으로, 가상의 제1원의 반지름(L1)과 가상의 제2원의 반지름(L2)의 비율(L1/L2)이 1.5 내지 5.0을 만족하는 것을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재이다.
이때, 상기 가상의 제1원 및 가상의 제2원은 상기 모노필라멘트 단면과 접하는 접점이 3개인 것이 바람직하다.
상기 제 2 구현예에 의한 라이오셀 방사 도프는 방사도프 총 중량 기준 셀룰로오스 펄프 6 내지 16 중량%; 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드 수용액 84 내지 94 중량%를 포함하는 것일 수 있다.
이 때, 셀룰로오스 펄프는 펄프 총 중량 기준 알파-셀룰로오스 함량이 85 내지 97중량%이고 중합도(DPw)가 600 내지 1700인 것일 수 있다.
상기 제 2 구현예에 의한 라이오셀 소재는 하기 식 1로 정의되는 공간점유율이 150 내지 400%인 것일 수 있다.
(식 1) 공간점유율(%) = (가상의 제1원의 면적/라이오셀 섬유에 포함된 모노 필라멘트의 단면적) × 100
상기 제 2 구현예에 의한 가상의 제1원은 반지름(L1)이 8 내지 30㎛ 일 수 있고, 가상의 제2원은 반지름(L2)이 3 내지 12㎛ 일 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래 원형의 라이오셀 섬유에 비하여 이형단면을 갖는 라이오셀 섬유의 경우 외부 표면적 및 공간점유율이 향상됨으로써 생분해성이 보다 우수하고 친환경적일 뿐만 아니라, 담배필터로 제조될 경우 적은 양으로도 연기성분의 흡착이 용이하고 기존 담배필터 대비 동등 수준 이상의 물성을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 이형단면 라이오셀 섬유의 모노필라멘트 단면을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 라이오셀 섬유의 단면을 나타낸 사진으로, 각각 (a)는 실시예1, (b)는 실시예 2, 그리고 (b)는 실시예 3에 따라 제조된 라이오셀 섬유의 단면사진이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프를 방사하여 수득한 라이오셀 멀티 필라멘트를 크림핑하여 제조되는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 라이오셀 소재를 제조하는 하나의 방법으로서, (S1) 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프를 방사하는 단계; (S2) 상기 (S1) 단계에서 방사된 라이오셀 방사 도프를 응고시켜 라이오셀 멀티필라멘트를 수득하는 단계; (S3) 상기 (S2) 단계에서 수득된 라이오셀 멀티필라멘트를 수세하는 단계; (S4) 상기 (S3) 단계에서 수세된 라이오셀 멀티필라멘트를 유제 처리하는 단계; 및 (S5) 상기 (S4) 단계에서 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트를 크림핑하여 크림프 토우(crimped tow)를 얻는 단계를 포함하는, 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재의 제조방법을 제공한다.
특히, 본 발명에서 상기 멀티필라멘트는 그 단면이 이형 단면인 모노필라멘트로 이루어지며, 상기 이형 단면은 다수 개의 돌기를 포함하고, 상기 다수 개의 돌기는 가상의 제1원 및 상기 가상의 제1원의 내부에 포함된 가상의 제2원과 접하되, 상기 가상의 제2원을 중심부로 하여 일체형으로 형성되며 그 말단이 상기 가상의 제1원과 접하는 형상을 갖는 라이오셀 소재에 관한 것이다.
본 발명에서 이형 단면이란 다수 개의 돌기를 포함하는 형상을 의미하며, 구체적으로 도 1에 나타난 바와 같이, 하나의 중심부(1)를 중심으로 하여 일체형으로 형성된 다수 개의 돌기 형상을 갖는 단면을 의미한다.
구체적으로, 상기 이형 단면은 다수 개의 돌기 각각의 말단점을 잇는 가상의 제1원(11) 및 상기 가상의 제1원(11)의 내부에 포함된 가상의 제2원(12)의 범위 내에서 그 크기와 형상을 정의할 수 있다. 이때, 상기 가상의 제1원(11)은 상기 가상의 제2원(12)에 비해 그 반지름이 큰 원이고, 좋기로는 서로 그 중심이 동일한 것일 수 있으나 중심이 동일하지 않을 수도 있다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 이형단면의 형상은 가상의 제1원(돌기를 기준으로 할 때, 외접원)의 반지름(L1)과 가상의 제2원(돌기를 기준으로 할 때, 내접원)의 반지름(L2)의 비율(L1/L2)이 1.5 내지 5.0을 만족하는 형상인 것일 수 있다. 상기 반지름 비율(L1/L2)이 1.5 미만일 경우 단면이 원형에 가까워지므로 본 발명에서 구현하고자 하는 공간점유율이 현저하게 낮아지고, 반지름 비율이 5.0을 초과하는 것은 제조공정상 제어가 곤란할 수 있다.
상기 이형 단면은 다수 개의 돌기를 포함하는 것으로, 다수 개의 돌기는 상기 가상의 제2원(12)과 중첩되는 중심부(1)와 일체형으로 형성되어 있되 돌기 각각의 말단(5)은 상기 가상의 제1원(11)과 접하고, 돌기 사이에 형성된 오목부(4)는 가상의 제2원(12)과 접하는 형상을 갖는다.
또한, 상기 가상의 제1원 및 가상의 제2원은 상기 모노필라멘트 단면과 접하는 접점이 3개인 것이 공간점유율을 향상시키는 측면에서 가장 바람직할 수 있다.
나아가, 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 가상의 제1원은 반지름(L1)이 8 내지 30㎛이고, 가상의 제2원은 반지름(L2)이 3 내지 12㎛인 것일 수 있다. 상기 제1원의 반지름이 8㎛ 이상일 경우 이형단면 형태 구현이 가능하고, 30㎛ 이하일 경우 섬유제품으로서 적합한 섬도를 가지는 모노필라멘트를 형성할 수 있다. 또한, 상기 가상의 제2원의 반지름이 3㎛ 이상일 경우 이형단면 형태 구현이 가능하고, 12㎛ 이하일 경우 섬유제품으로서 적합한 섬도를 가지는 모노필라멘트를 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 라이오셀 섬유에 포함된 모노 필라멘트는 전술한 바와 같은 이형 단면을 가질 수 있으며, 상기 라이오셀 섬유는 하기 식 1로 정의되는 공간점유율이 150 내지 400%일 수 있다.
(식 1) 공간점유율(%) = (가상의 제1원의 면적/라이오셀 섬유에 포함된 모노 필라멘트의 단면적) × 100
여기서, 상기 공간점유율이라 함은 이형 단면의 돌기로 인해서 모노 필라멘트가 실질적으로 섬유 중에서 차지하게 되는 공간을 차지하는 비율을 의미한다. 즉, 라이오셀 섬유에 포함된 모노 필라멘트의 단면이 원형 단면일 경우는 실제 모노 필라멘트의 단면적과 가상의 제1원의 면적이 같으므로, 상기와 같이 정의되는 공간점유율이 100%이지만 돌기를 포함하는 이형 단면을 가지는 섬유의 경우는 그 돌기에 의해서 섬유가 차지하는 실제 면적은 커지게 된다. 따라서 공간점유율이 커질수록 섬유의 외부 표면적이 커짐을 알 수 있다.
본 발명에 있어서 라이오셀 섬유는 비표면적이 커진 효과로 부풀림 특성이나 계면 접착 특성, 속건성 특성 등 여러 특성들이 우수해지는 측면에서 상기 식 1로 정의되는 공간점유율이 150~400%, 좋기로는 300 ~ 400%를 갖는 것이다.
다만, 상기 라이오셀 섬유의 외부 표면적을 최대화하기 위하여, 본 발명에서는 상기 이형 단면의 돌기의 개수는 3개가 가장 바람직하다. 일반적으로는 돌기 수가 많을수록 외부 표면적이 비례하여 증가할 것으로 예상되나, 섬유 방사에 있어서는 다를 수 있다. 즉, 돌기수를 증가시키기 위하여 방사 구금 개수를 늘릴 경우, 오히려 점도를 갖는 방사 도프가 구금을 통과하면서 서로 응집되므로 뚜렷한 돌기가 형성되는 것이 아니라 완곡면을 형성하므로 오히려 원형단면에 가까워지는 것이다. 따라서 본 발명에서는 이형 단면의 돌기 개수가 3개일 경우 공간점유율 및 외부 표면적이 최대화 될 수 있는 것이다.
종래의 경우, 생분해성 속도를 향상시키고 담배맛 변화에 영향을 덜 미치는 천연의 셀룰로오스를 사용하여 제조하는 담배필터용 라이오셀 섬유 및 이를 이용한 담배필터용 토우가 연구되었으나 현재까지는 천연의 셀룰로오스를 이용한 라이오셀 섬유의 방사방식 및 원료 특성에 따른 요인 등에 의한 이형 단면을 갖는 담배필터용 라이오셀 섬유 및 이를 이용한 라이오셀 토우의 상용화 기술의 부재 등에 의하여 단면이 원형으로만 구현되어왔다.
섬유의 단면이 원형인 원통형의 담배필터용 라이오셀 섬유 및 토우는 기존의 이형 단면을 갖는 셀룰로오스 아세테이트 토우 대비 섬유의 구조상 흡연 시 담배필터를 통과하는 담배연기와의 충돌이 충분치 않아 담배연기에 대한 제거 효율이 떨어질 수 있으며 이에 따라 기존 셀룰로오스 아세테이트 필터와는 다른 담배맛의 변화를 나타낼 수 있다.
그러나 본 발명에 따른 이형단면 라이오셀 소재는 동일한 중량의 방사 도프를 사용하여서 원형단면 보다 외부 표면적이 큰 담배필터용 라이오셀 섬유 및 토우를 제조할 수 있음에 따라, 담배맛의 변화를 최소화 할 수 있으며, 특히 셀룰로오스 아세테이트 토우에 비하여 생분해성이 우수하여 흡연 후 버려지는 담배꽁초에 의한 쓰레기 발생에 대한 문제를 완화할 수 있다. 또한, 라이오셀 섬유의 단면 형태에 따라 다양한 물성을 나타낼 수 있으며, 적은 양으로도 종래의 담배 필터 대비 동등 이상의 물성을 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명의 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재의 제조방법에서 각각의 단계를 보다 구체적으로 설명한다.
[(S1) 단계]
(S1) 단계는 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프를 방사하는 단계이다.
상기 라이오셀 방사 도프는 도프 총 중량 기준 셀룰로오스 펄프 6 내지 16 중량%; 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드 수용액 84 내지 94 중량%를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 셀룰로오스 펄프는 펄프 총 중량 기준 알파-셀룰로오스 함량이 85 내지 97중량%이고, 중합도(DPw)가 600 내지 1700인 것일 수 있다. 상기 셀룰로오스 펄프의 함량이 6 중량% 미만일 경우 섬유적 특성을 구현하기 어렵고, 16 중량% 초과이면 수용액상에 용해하기 어려울 수 있다. 또한, 상기 N-메틸모폴린-N-옥사이드 수용액의 함량이 84 중량% 미만이면 용해 점도가 크게 높아져서 바람직하지 못하며, 94 중량% 초과할 경우에는 방사 점도가 크게 낮아져서 방사단계에서 균일한 섬유를 제조하기에 어려울 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 양태에 따르면 상기 N-메틸모폴린-N-옥사이드 수용액에서 N-메틸모폴린-N-옥사이드 및 물의 중량비가 93:7 내지 85:15일 수 있다. 상기 N-메틸모폴린-N-옥사이드 및 물의 중량비가 93:7을 초과하여 N-메틸모폴린-N-옥사이드 농도가 높아질 경우에는 용해 온도가 높아져서 셀룰로오스 용해 시 셀룰로오스의 분해가 발생할 수 있으며, 상기 중량비가 85:15 미만으로 N-메틸모폴린-N-옥사이드 농도가 낮아질 경우에는 용매의 용해 성능이 저하되어 셀룰로오스의 용해가 어려울 수 있다.
상술한 방사 도프를 사용하여 이를 방사 구금의 방사 노즐로부터 토출시킨다. 이때, 상기 방사 구금은 필라멘트 상의 방사 도프를 에어 갭 구간을 통해 응고조 내의 응고액으로 토출시키는 역할을 한다. 상기 방사 도프를 방사 구금으로부터 토출시키는 단계는 80 내지 130℃의 방사온도 하에서 이루어질 수 있다.
상기 방사 구금은 구금홀의 형상이 다수 개의 홀을 하나의 단위홀로 설정하였을 때, 상기 단위홀이 다수 개 형성된 방사구금일 수 있다. 이때, 상기 단위홀에 포함된 다수 개의 홀의 개수는 이형 단면의 돌기의 개수와 동일할 수 있다. 예를 들어, 3개의 돌기를 포함하는 이형 단면을 가지는 모노필라멘트를 포함하는 라이오셀 섬유를 제조하기 위해서, 단위홀에 포함된 홀의 개수는 3개일 수 있다.
[(S2) 단계]
(S2) 단계는 상기 (S1) 단계에서 방사된 라이오셀 방사 도프를 응고시켜 라이오셀 멀티필라멘트를 수득하는 단계로서, 상기 (S2) 단계의 응고는 냉각공기를 방사 도프에 공급하여 응고시키는 에어퀀칭(air quenching, Q/A)에 의한 1차 응고단계; 및 1차 응고된 방사 도프를 응고액에 담그어 응고시키는 2차 응고단계를 포함할 수 있다.
상기 (S1) 단계에서, 방사 구금을 통하여 방사 도프를 토출시킨 후에는 이를 상기 방사 구금과, 응고조 사이 공간의 에어 갭 구간으로 통과시킬 수 있다. 이러한 에어 갭 구간에는 도넛 형태의 구금의 안쪽에 위치한 공냉부로부터 구금의 안쪽에서 바깥쪽으로 냉각 공기가 공급되는데, 이러한 냉각 공기를 방사 도프에 공급하는 에어퀀칭에 의해 1차 응고될 수 있다.
이때, (S2) 단계에서 수득되는 라이오셀 멀티필라멘트의 물성에 영향을 미치는 요소는 에어 갭 구간에서의 냉각 공기의 온도 및 풍속이며, (S2) 단계의 응고는 4 내지 15℃의 온도 및 5 내지 50m/s의 풍속을 갖는 냉각 공기를 방사 도프에 공급하여 응고하는 것일 수 있다.
상기 1차 응고시 냉각 공기의 온도가 4℃ 미만이면 구금 표면이 식고, 라이오셀 멀티필라멘트의 단면이 불균일하게 되고 방사 공정성도 좋지 않게 되며, 15℃ 초과이면 냉각 공기에 의한 1차 응고가 충분히 되지 않아 방사 공정성이 좋지 않게 된다. 또한, 1차 응고시 냉각 공기의 풍속이 5m/s 미만이면 냉각 공기에 의한 1차 응고가 충분히 되지 않아서 방사 공정성이 좋지 않게 되어 사절이 발생하고, 50m/s 초과이면 구금에서 토출되는 방사 도프가 공기에 의해 흔들리면서 방사 공정성이 좋지 않게 된다.
에어퀀칭에 의한 1차 응고 후, 상기 방사 도프는 응고액이 담겨 있는 응고조에 공급되어 2차 응고가 진행될 수 있다. 한편, 적절한 2차 응고의 진행을 위해, 상기 응고액의 온도는 30℃ 이하, 좋기로는 5 내지 30℃일 수 있다. 이는 2차 응고 온도가 필요 이상으로 높지 않아 응고 속도가 적절히 유지되도록 하기 위한 것이다. 여기서 상기 응고액은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 조성으로 제조하여 사용할 수 있으므로 특별히 한정되지 않는다.
[(S3) 단계]
(S3) 단계는 상기 (S2) 단계에서 수득된 라이오셀 멀티필라멘트를 수세하는 단계이다. 구체적으로는, 상기 (S2) 단계에서 수득된 라이오셀 멀티필라멘트를 견인롤러에 도입한 후, 수세욕으로 도입하여 수세할 수 있다.
상기 필라멘트의 수세 단계에서는, 수세 후 용제의 회수 및 재사용의 용이성을 고려하여, 0 내지 100℃ 온도의 수세액을 사용할 수 있으며, 상기 수세액으로는 물을 이용할 수 있고, 필요에 따라 기타의 첨가 성분을 더욱 포함시킬 수도 있다.
[(S4) 단계]
(S4) 단계는 상기 (S3) 단계에서 수세된 라이오셀 멀티필라멘트를 유제 처리하는 단계이고 유제 처리는 멀티필라멘트가 유제 속에 완전히 잠겨서 묻혀지는 형태를 취하며 유제 처리 장치의 진입롤과 방출롤에 부착된 압착 롤러에 의해 유제가 필라멘트에 묻는 양을 일정하게 유지한다. 상기 유제는 필라멘트가 롤러 및 가이드, 크림프 단계에서의 접촉 시 발생하는 마찰을 줄여주는 역할을 한다. 이때, 상기 유제는 통상적으로 사용되는 것이라면 제한되지 않는다.
[(S5) 단계]
(S5) 단계는 상기 (S4) 단계에서 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트에 스팀을 공급하고 압력을 가하여 크림핑(crimping)함으로써 크림프 토우(crimped tow)를 얻는 단계로서, 비로소 담배필터 소재로서 적합한 라이오셀 토우가 완성되는 공정이다. 크림핑이란 멀티필라멘트에 크림프를 부여하는 공정으로서, 일반적으로 스터퍼 박스(stuffer box)를 이용하여 크림핑하여 인치당 15 내지 60 개의 크림프가 부여된 크림프 토우를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 (S5) 단계에서는 상기 라이오셀 멀티필라멘트를 스팀박스(Steam box)에 통과시켜, 스팀을 0.05 내지 2.0kgf/㎠으로 공급하여 온도를 올린 다음 1.0 내지 4.0kgf/㎠의 압력으로 프레스 롤러(Press Roller)를 이용하여 압착함으로써, 스토퍼 박스에서 크림프가 형성될 수 있다.
이때, 스팀의 공급량이 0.05 kgf/㎠ 미만이면 크림프가 원활하게 형성되지 않으며, 2.0 kgf/㎠ 초과이면 스토퍼 박스내의 온도가 130℃ 이상으로 상승하여 필라멘트가 서로 붙어서 스토퍼 박스를 통과하지 못한다. 또한, 압착 롤러를 눌러주는 압력이 1.0 kgf/㎠ 미만이면 원하는 크림프 수가 형성되지 않고, 4.0 kgf/㎠ 초과이면 눌러주는 힘이 너무 강하여 이 역시 필라멘트가 스토퍼 박스를 통과하지 못할 수가 있다.
담배필터의 요구 물성을 만족하기 위해서는 인치당 크림프 수가 중요하며, 본 발명의 바람직한 양태에 따르면 이형 단면 라이오셀 섬유의 크림프 수는 15 내지 60개/inch, 바람직하게는 25 내지 35개/inch일 수 있다. 이때, 크림프 수가 15개/inch 미만이면 담배필터 제조공정 중 토우 개섬이 용이하지 않아 공정 문제가 발생되며 요구 담배필터의 물성인 흡인저항, 필터경도, 연기 제거능 등을 만족시키지 못하며, 60개/inch 초과이면, 스터퍼 박스에서 불균일하게 짓눌리는 현상이 발생되고 토우가 원활하게 통과하지 못하여 크림핑된 토우 자체를 제조하기 어렵다.
전술한 바와 같은 담배필터용 이형단면 라이오셀 크림프 토우는 생분해성이므로 담배가 버려졌을 때 생분해되므로 친환경적이다. 또한, 모노필라멘트의 형상이 다수의 돌기를 포함하는 이형 단면의 형태를 나타내는바, 종래 원형 단면의 라이오셀 섬유 대비 외부 표면적이 향상되므로 적은 양을 사용하더라도 동등 이상의 물성을 나타낼 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명 하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
이형 단면 라이오셀 섬유를 제조하기 위해 먼저 중합도(DPw) 820, 알파 셀룰로오스 함량 93.9%인 셀룰로오스 펄프를 프로필갈레이트 함량 0.01 중량%인 NMMO/H20 혼합 용제(중량비 90/10)에 혼합하여, 혼합물 총 중량 대비 셀룰로오스 펄프 함량이 12 중량%(방사도프 농도 12% 라고도 할 수 있음)인 라이오셀 섬유 제조용 방사 도프를 제조하였다.
그 다음 상기 방사 도프를 3개의 홀을 포함하는 단위홀이 다수 개 형성되어 있는 방사 구금의 방사노즐에서 방사 온도를 110℃로 유지하면서, 필라멘트의 단섬도가 3.37 데니어가 되도록 방사 도프의 토출량과 방사속도를 조절하여 방사하였다. 방사노즐로부터 토출된 필라멘트 상의 방사 도프는 연속적으로 에어 갭 구간을 거쳐 응고조 내의 응고액에 공급되었다.
이때 상기 에어 갭 구간에서는 8℃ 의 냉각공기와 및 10m/s의 풍속을 가하여 방사 도프를 1차 응고시켰다. 또한, 상기 응고액은 온도가 25℃, 농도는 물 85중량% 및 NMMO 15중량%인 것을 사용하였으며, 상기 응고액 농도는 센서와 굴절계를 사용하여 지속적으로 모니터링하였다.
이어서, 견인롤러를 통과하면서 공기층에서 연신된 필라멘트는 수세장치에서 스프레이된 수세액에 의해 잔존하는 NMMO를 제거하고, 필라멘트에 유제가 균일하게 묻도록 한 뒤, 다시 압착하여 필라멘트에 대한 유제 함량이 0.2%를 유지하도록 하였으며 건조롤러에서 150℃로 건조시켜, 3개의 돌기를 포함하는 이형 단면을 갖는 모노필라멘트로 이루어진 라이오셀 멀티필라멘트를 제조하였다.
마지막으로, 상기 제조된 이형 단면 라이오셀 멀티필라멘트를 Steam Box(압력 조건 0.1kgf/㎠)에 통과시키면서 온도를 올린 다음 Press Roller(압력조건 1.5kgf/㎠)를 통하여 스터퍼 박스(stuffer box)에서 최종적으로 크림프 개수가 25개/inch인 이형 단면 라이오셀 크림프(crimp) 토우를 얻었다.
실시예 2
필라멘트의 단섬도가 3.58데니어가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일 한 방법으로, 3개의 돌기를 포함하는 이형 단면 라이오셀 크림프 토우를 제조하였다.
실시예 3
필라멘트의 단섬도가 14.82데니어가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일 한 방법으로, 3개의 돌기를 포함하는 이형 단면 라이오셀 크림프 토우를 제조하였다.
비교예 1
1개의 원형 홀을 단위홀로 하여, 상기 단위홀이 다수 개 형성된 방사 구금을 사용하고 필라멘트의 단섬도가 1.73데니어가 되도록 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 원형 단면을 가지는 라이오셀 크림프 토우를 제조하였다.
비교예 2
필라멘트의 단섬도가 2.97데니어가 되도록 한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로, 원형 단면을 가지는 라이오셀 크림프 토우를 제조하였다.
실험예
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 라이오셀 크림프 토우에 대하여, 상기 라이오셀 섬유에 포함된 모노필라멘트의 단면 형상, 섬도 및 공간점유율을 아래와 같은 방법으로 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(1) 라이오셀 섬유에 포함된 모노필라멘트의 단면 형상
소량의 섬유 다발을 샘플링하여 검은솜과 함께 말고 가늘게 만들어 단면을 컷팅할 수 있는 판의 구멍에 끼운 후 면도날로 단면이 밀리지 않도록 컷팅 한다. 이를 광학현미경을 사용하여 단면을 확대 관찰(×200)하고 디지털 카메라로 이미지를 저장한다. 상기 섬유의 단면 이미지는 Olympus soft imaging solution 프로그램을 사용하여 구하고자 하는 단면을 지정하고 반지름 및 면적을 분석하였다.
(2) 섬도
단면 분석을 통하여 얻은 실제 라이오셀 섬유 단면적과 섬유의 밀도로 계산하여 섬유의 섬도를 구한다.
- 라이오셀 섬유의 밀도 = 1.49 g/㎤
- 섬유의 섬도 = [섬유 단면적 (㎛2) × 밀도 (g/㎤) ×9000 (m)]/1000000
(3) 공간 점유율
하기 식 1에 의해 라이오셀 섬유의 공간점유율을 계산하였다.
(식 1) 공간점유율(%) = (가상의 제1원의 면적/라이오셀 섬유에 포함된 모노 필라멘트의 단면적) × 100
라이오셀 섬유에 포함된 모노필라멘트의 단면형상 섬도
(De)		 L1/L2 공간
점유율
(%)
가상의 제1원
반지름
(L1, ㎛)		 가상의 제2원
반지름
(L2, ㎛)		 가상의 제1원
면적(㎛2)		 이형 단면 라이오셀 섬유의 모노필라멘트 실 단면적(㎛2)
실시예 1 16.75 3.87 881 251.6 3.37 4.33 350
실시예 2 11.44 6.16 411 266.6 3.58 1.86 154
실시예 3 27.78 11.61 2423 1105 14.82 2.40 219
비교예 1 6.4 6.4 129 129 1.73 1 100
비교예 2 8.4 8.4 222 222 2.97 1 100
표 1에 나타난 바와 같이, 이형 단면을 가지는 모노필라멘트로 이루어진 실시예 1 내지 실시예 3의 라이오셀 섬유는 원형 단면을 가지는 모노필라멘트로 이루어진 비교예 1 및 비교예 2의 라이오셀 섬유에 비해 공간 점유율이 큰 것으로 나타났다. 이때, 실시예 1 내지 실시예 3의 이형 단면은 각각 도 2의 (a) 내지 (c)에 나타난 바와 같다.
이와 같은 결과로 인하여, 실시예 1 내지 실시예 3의 라이오셀 섬유는 외부 표면적이 큰 것을 알 수 있으며, 외부 표면적이 큰 섬유가 요구되는 분야에 광범위하게 적용할 수 있음을 알 수 있다.
1: 모노필라멘트 이형단면 형상
3: 돌기의 장축(가상의 제1원(외접원)의 반지름)
4: 돌기의 오목부(가상의 제1원(외접원)과의 접점)
5: 돌기의 말단(가상의 제2원(내접원)과의 접점)
11: 가상의 제1원(외접원) 12: 가상의 제2원(내접원)

Claims (18)

  1. (S1) 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프를, 다수 개의 홀을 갖는 단위홀이 다수 개 형성된 방사구금을 통해 방사하는 단계;
    (S2) 상기 (S1) 단계에서 방사된 라이오셀 방사 도프를 응고시켜 라이오셀 멀티필라멘트를 수득하는 단계;
    (S3) 상기 (S2) 단계에서 수득된 라이오셀 멀티필라멘트를 수세하는 단계;
    (S4) 상기 (S3) 단계에서 수세된 라이오셀 멀티필라멘트를 유제 처리하는 단계; 및
    (S5) 상기 (S4) 단계에서 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트를 크림핑하여 크림프 토우(crimped tow)를 얻는 단계를 포함하되,
    상기 라이오셀 멀티필라멘트는 그 단면이 이형 단면인 모노필라멘트로 이루어지며,
    상기 이형 단면은 다수 개의 돌기를 포함하고,
    상기 다수 개의 돌기는 가상의 제1원 및 상기 가상의 제1원의 내부에 포함된 가상의 제2원과 접하되, 상기 가상의 제2원을 중심부로 하여 일체형으로 형성되며 그 말단이 상기 가상의 제1원과 접하는 형상을 갖는 것으로,
    가상의 제1원의 반지름(L1)과 가상의 제2원의 반지름(L2)의 비율(L1/L2)이 1.5 내지 5.0을 만족하는 것을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (S1)에서 라이오셀 방사 도프는 방사도프 총 중량 기준 셀룰로오스 펄프 6 내지 16 중량%; 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드 수용액 84 내지 94 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 펄프는 펄프 총 중량 기준 알파-셀룰로오스 함량이 85 내지 97중량%이고 중합도(DPw)가 600 내지 1700인 것을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (S2) 단계의 응고는 냉각공기를 방사 도프에 공급하여 응고시키는 에어퀀칭(air quenching, Q/A)에 의한 1차 응고단계; 및 1차 응고된 방사 도프를 응고액에 담그어 응고시키는 2차 응고단계를 포함하는 것임을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 에어퀀칭은 4 내지 15℃의 온도 및 5 내지 50m/s의 풍속을 갖는 냉각 공기를 방사 도프에 공급하여 응고시키는 것임을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 응고액은 그 온도가 30℃ 이하인 것임을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 (S5) 단계는 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트를 스터퍼 박스(stuffer box)를 이용하여 크림핑하여 인치당 15 내지 60개의 크림프가 부여된 크림프 토우를 얻는 단계인 것임을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 (S5) 단계는 라이오셀 멀티필라멘트에 스팀을 공급하고 압력을 가하여 크림핑하는 것임을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (S5) 단계는 스팀압력이 0.05 내지 2.0kgf/㎠ 이 되도록 스팀을 공급하고, 프레스롤러(Press roller)를 이용하여 라이오셀 멀티필라멘트를 1.0 내지 4.0kgf/㎠ 압력으로 압착하여 크림핑하는 것임을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재의 제조방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사구금은 3개의 홀을 갖는 단위홀이 다수 개 형성된 방사구금이며, 상기 라이오셀 멀티필라멘트는 가상의 제1원 및 가상의 제2원과 상기 모노필라멘트 단면과 접하는 접점이 3개인 것을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재의 제조방법.
  11. 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프를 방사하여 수득한 라이오셀 멀티필라멘트를 크림핑하여 제조되며,
    상기 라이오셀 멀티필라멘트는 그 단면이 이형 단면인 모노필라멘트로 이루어지며,
    상기 이형 단면은 다수 개의 돌기를 포함하고,
    상기 다수 개의 돌기는 가상의 제1원 및 상기 가상의 제1원의 내부에 포함된 가상의 제2원과 접하되, 상기 가상의 제2원을 중심부로 하여 일체형으로 형성되며 그 말단이 상기 가상의 제1원과 접하는 형상을 갖는 것으로,
    가상의 제1원의 반지름(L1)과 가상의 제2원(L2)의 반지름의 비율(L1/L2)이 1.5 내지 5.0을 만족하는 것을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재,
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 라이오셀 방사 도프는 방사도프 총 중량 기준 셀룰로오스 펄프 6 내지 16 중량%; 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드 수용액 84 내지 94 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 펄프는 펄프 총 중량 기준 알파-셀룰로오스 함량이 85 내지 97중량%이고 중합도(DPw)가 600 내지 1700인 것을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 라이오셀 소재는 하기 식 1로 정의되는 공간점유율이 150 내지 400%인 것을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재:
    (식 1) 공간점유율(%) = (가상의 제1원의 면적/라이오셀 섬유에 포함된 모노 필라멘트의 단면적) × 100
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 가상의 제1원은 반지름(L1)이 8 내지 30㎛ 인 것을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 가상의 제2원은 반지름(L2)이 3 내지 12㎛ 인 것을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재.
  17. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가상의 제1원 및 가상의 제2원은 상기 모노필라멘트 단면과 접하는 접점이 3개인 것을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재.
  18. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가상의 제1원과 가상의 제2원은 그 중심이 동일한 것임을 특징으로 하는 담배필터용 이형단면 라이오셀 소재.
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