KR20170080171A - 폴리에스테르 섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

고유점도(IV)가 1.0 dl/g 이상인 폴리에스테르 베이스 수지 및 난연제를 포함하는 마스터 배치 칩을 폴리에스테르 수지에 혼합하고, 이를 방사구금을 통해 용융 방사하여 미연신사를 형성하는 단계; 상기 미연신사에 방사유제를 공급하여 부착시키는 단계; 및 상기 유제가 부착된 미연신사를 연신 및 권취하는 단계를 포함하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법이 제시된다.

Description

폴리에스테르 섬유의 제조방법{A manufacturing method of polyester yarn}

본 발명은 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고강도 발현이 가능하고, 난연성이 매우 우수한 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

최근 폴리에스테르 섬유는 물리, 화학적 특성이 우수하여 산업용 섬유로서 그 용도가 계속해서 확대되어 가고 있다. 특히, 산업용 폴리에스테르 섬유는 건설 현장의 안전망 및 보호망, 대형 선박용 로프, 자동차용 호스, 재봉사, 안전벨트 등의 열악한 산업 환경에서 사용되는 제품들의 소재로 많이 사용될 뿐만 아니라, 텐트, 해먹, 등 다양한 레져·스포츠용품에 이르기까지 다양한 영역에서 사용이 되고 있다. 위와 같이 다양한 산업 및 레져 환경에서 사용시 일정 온도 이상에서 사용 가능한 내열 특성이 요구되며, 특히 화재발생시 불이 옮겨 붙어 큰 화재로 번지는 것을 미연에 방지하기 위한 난연 성능이 요구 된다. 이에 기본적으로 폴리에스테르 섬유는 약 200℃ 부근에서도 형태를 유지하는 내열성은 있으나, 약 500℃ 이상의 발화온도에서는 유독한 연기 발생과 동시에 불이 옮겨 붙는 가연성과 인화성이 있기 때문에, 폴리에스테르 섬유에 난연 특성을 부여하는 여러 가지 노력들이 시도되고 있다.

친환경의 폴리에스테르 난연 섬유를 제조하기 위해서는 중합 타입, 후방염 타입, 및 마스터배치 타입의 3가지 타입을 예를 들 수 있다. 먼저 중합 타입은 원료 중합단계에서 테레프탈산 또는 디메틸테레프탈레이트와 에틸렌글리콜 등과 함께 카르복시기 함유 인계 난연제가 중축합된 난연 폴리에스테르 수지 칩을 제조한 후, 이를 용융 방사하여 제조하는 방법이다. 하지만, 산업적 용도로 쓰기 위해서는 7.0 g/d 이상의 높은 강도가 요구됨으로 중합된 수지 칩을 다시 고상중합으로 거치는 과정이 필요한데, 이때 중합 시 함유된 인계 난연제의 영향으로 고상중합의 효율이 1/2 이상 떨어져 실질적으로 고강도의 산업용 난연 폴리에스테르 섬유를 제조하기에 적합하지 않는 문제가 있다.

후방염 타입은 용융방사 되어 나온 섬유 표면에 액상의 후방염제를 처리는 방법이다. 이 경우 섬유 표면에 난연제가 도포처리 되기 때문에 난연 내구성이 떨어지므로, 대부분 열악한 환경에서 사용되는 산업용도로는 적합하지 않다.

마지막으로 마스터배치 타입은 난연 마스터배치를 방사시 원료에 첨가하는 방법으로 세가지 방법 중 가장 경제적이고 효율적인 방법이나, 난연 성능을 발휘하기 위해서는 친환경이지 않은 할로겐 난연제를 사용하거나, 고농도의 친환경 인계 난연 마스터 배치를 첨가해야 하기 때문에 물성저하가 크게 되어 친환경적인 고강도 난연 섬유 제조가 어렵다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하여, 제조과정이 친환경적이며, 산업 및 레져·스포츠 용도에 적합한 강도 발현이 가능하고, 우수한 난연 특성을 갖는 폴리에스테르 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예 들의 폴리에스테르 섬유의 제조방법이 제공된다.

제1 구현예는, 고유점도(IV)가 1.0 dl/g 이상인 폴리에스테르 베이스 수지 및 난연제를 포함하는 마스터배치 칩을 폴리에스테르 수지에 혼합하고, 이를 방사구금을 통해 용융 방사하여 미연신사를 형성하는 단계;

상기 미연신사에 방사유제를 공급하여 부착시키는 단계; 및 상기 유제가 부착된 미연신사를 연신 및 권취하는 단계를 포함하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

제2 구현예는, 제1 구현예에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트 수지, 및 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

제3 구현예는, 제1 구현예 또는 제2 구현예에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지의 고유점도가 0.9 내지 1.0 dl/g인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

제4 구현예는, 제1 구현예 내지 제3 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서, 상기 마스터 배치 칩의 함량이 폴리에스테르 수지 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

제5 구현예는, 제1 구현예 내지 제4 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서, 상기 마스터 배치 칩에 포함되는 난연제가 인계 난연제인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

제6 구현예는, 제5 구현예에 있어서, 상기 인계 난연제가 인산 에스테르 화합물, 피로포스페이트계 난연제, 포스포네이트계 난연제, 포스피네이트계 난연제, 비할로겐 축합인계 난연제, 및 적인계 난연제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

제7 구현예는, 제5 구현예 또는 제6 구현예에 있어서, 상기 마스터 배치 칩 100 중량%에 대해서 상기 난연제 중 인의 함량이 10,000 내지 100,000 ppm인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

제8 구현예는, 제1 구현예 내지 제7 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서, 상기 폴리에스테르 섬유 100 중량%에 대해서 상기 난연제 중 인의 함량이 2,000 ppm 이상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

제9 구현예는, 제1 구현예 내지 제8 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서, 상기 폴리에스테르 섬유의 강도가 7.0 g/d 이상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

제10 구현예는, 제1 구현예 내지 제9 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서, 상기 마스터 배치 칩이 난연제 외에 자외선 안정제, 산화방지제, 대전방지제, 유기계 착색제 및 무기계 착색제 중 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 친환경적이며, 산업 및 레져·스포츠 용도에 적합한 강도 발현이 가능하고, 우수한 난연 특성을 갖는 폴리에스테르 섬유를 제공할 수 있다.

또한, 난연성이 요구되는 산업용 폴리에스테르 섬유 제조시 별도의 공중합 및 고상중합 공정을 거치지 않고서도, 제조공정 단축 및 제품특성에 따라 요구되는 인 함량을 자유롭게 조절이 가능하여 유연하게 생산공정을 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제조 방법에 사용되는 폴리에스테르 섬유 제조 장치의 개략도이다.

이하, 본 발명의 폴리에스테르 섬유 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.

산업적으로 우수한 난연성이 요구되는 폴리에스테르 섬유를 제조하기 위해선 제품 자체의 난연성능 뿐만 아니라, 제조 시 균일한 고품질의 제품생산과 고가의 난연제 사용에 따른 경제적 문제해결이 매우 중요하다. 하지만 현재까지의 제조방법으로는 앞서 설명한 바와 같이 강도 저하, 할로겐 난연제 사용시 환경유해성 등 여러 문제점을 갖고 있어 산업적 용도로 적합한 고강도의 난연성을 갖는 폴리에스테르 원사를 제조하는데 많은 어려움이 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 모두 해결할 수 있도록 고안한 방법으로 기존의 제조설비를 크게 변경하지 않은 상태에서 난연성이 요구되는 산업용 폴리에스테르 섬유를 매우 효과적인 방법으로 제조할 수 있는 방법이다.

본 발명의 일 측면에 따른 폴리에스테르 섬유의 제조방법은, 고유점도가 1.0 이상인 폴리에스테르 베이스 수지 및 난연제를 포함하는 마스터 배치 칩을 폴리에스테르 수지에 혼합하고, 이를 방사구금을 통해 용융 방사하여 미연신사를 형성하는 단계; 상기 미연신사에 방사유제를 공급하여 부착시키는 단계; 및 상기 유제가 부착된 미연신사를 연신 및 권취하는 단계를 포함한다.

먼저, 고유점도(IV)가 1.0 dl/g 이상인 폴리에스테르 베이스 수지 및 난연제를 포함하는 마스터 배치 칩을 폴리에스테르 수지에 혼합하고, 이를 방사구금을 통해 용융 방사하여 미연신사를 형성한다.

상기 폴리에스테르 베이스 수지 및 폴리에스테르 수지는 각각 독립적으로 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트 수지, 및 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 내열성, 기계적 강도 및 성형 가공성이 우수하고 경제적 측면에서 유리한 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지를 사용한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에스테르 수지는 적어도 하나의 디카르복실산 화합물과 적어도 하나의 글리콜 화합물을 축중합하여 제조된 것일 수 있다. 바람직하게, 상기 디카르복실산 화합물은 방향족, 지방족 또는 지환족 디카르복실산일 수 있고, 상기 글리콜 화합물은 지방족 또는 지환족 글리콜일 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 방향족 디카르복실산은 탄소수 6~20의 방향족 디카르복실산이고, 상기 지방족 또는 지환족 디카르복실산은 탄소수 3~20의 지방족 또는 지환족 디카르복실산이며, 상기 지방족 또는 지환족 글리콜은 탄소수 2~20의 지방족 또는 지환족 글리콜이다.

보다 구체적으로, 상기 디카르복실산 화합물로는 테레프탈산, 이소프탈산, 1,4-시클로헥산디카르복실산, 1,3-시클로헥산디카르복실산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 세바스산, (1,4-, 1,5-, 2,3-, 2,6- 또는 2,7-)나프탈렌디카르복실산, 4,4'-바이페닐디카르복실산, 4,4'-디벤질디카르복실산 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 테레프탈산, 이소프탈산 또는 이들의 혼합물을 사용한다. 상기 글리콜 화합물로는 에틸렌글리콜, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 1,2-시클로헥산디올, (1,2-, 1,3- 또는 1,4-)시클로헥산디메탄올, 네오펜틸글리콜, 2,2,4,4-테트라메틸-1,3-시클로부탄디올 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 에틸렌글리콜, 시클로헥산디메탄올 또는 이들의 혼합물을 사용한다.

상기 폴리에스테르 수지는 상기한 바와 같은 디카르복실산 화합물과 글리콜 화합물을 사용하여 합성할 수 있다. 디카르복실산 화합물과 글리콜 화합물을 사용한 폴리에스테르 수지의 제조는 보통 에스테르 반응과 중축합 반응의 2단계로 수행되며, 그 제조과정은 이미 당 업계에 잘 알려져 있다.

이때, 상기 폴리에스테르 베이스 수지는 제조공정 중에 열분해 및 전단응력에 의한 점도 강하 현상을 최소화하기 위해 고유점도(IV)가 1.0 dl/g 이상, 바람직하게는 1.0 내지 2.0dl/g, 더 바람직하게는 1.0 내지 1.4dl/g인 것이 사용된다.

상기 난연제는 비할로겐 난연제라면 적용될 수 있으나, 바람직하게는 인계 난연제일 수 있다.

인계 난연제는 수지 조성물의 가공 또는 성형 및 연소 시에 할로겐계 가스를 발생시키지 않아서 친환경적이며, 후술하는 질소계 난연제와 조합 사용됨으로써 조성물의 기계적, 열적 물성의 저하를 최소화할 수 있다.

본 발명에서 사용가능한 인계 난연제로 바람직하게는 인산 에스테르 화합물, 피로포스페이트계 난연제, 포스포네이트계 난연제, 포스피네이트계 난연제, 비할로겐 축합인계 난연제, 및 적인계 난연제 중에서 선택된 1종 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 인산에스테르 화합물의 예로는, 이에 제한되는 것은 아니나, 1종의 방향족기를 갖는 단량체 화합물, 예컨대 트리페닐 포스페이트(Triphenyl phosphate, TPP), 트리크실레닐 포스페이트(Trixylenyl phosphate, TXP) 또는 트리크레실 포스페이트(Tricresyl phosphate, TCP); 2종 이상의 방향족기를 갖는 단량체 화합물, 예컨대 레조르시닐 디페닐 포스페이트(Resorcinyl diphenyl phosphate, RDP), 페닐 디레조르시닐 포스페이트(Phenyl diresorcinyl phosphate), 크레실 디페닐 포스페이트(Cresyl diphenyl phosphate), 크실레닐 디페닐 포스페이트(Xylenyl diphenyl phosphate) 또는 페닐 디(이소프로필페닐)포스페이트(Phenyl di(isopropylphenyl) phosphate); 및 이량체 이상의 올리고머 또는 폴리포스페이트 등을 들 수 있다.

상기 포스포네이트계 난연제로는, 바람직하게 분자 내에 인산에스테르 결합을 도입하여 반응성이 있는 가교화된 폴리포스포네이트 구조를 가지며, 폴리카보네이트와 공중합된 난연제를 사용할 수 있다.

상기 포스피네이트계 난연제로는, 바람직하게 금속-치환된 모노포스피네이트 또는 다이포스피네이트 난연제를 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.

상기 난연제 중 인의 함량은 상기 마스터 배치 칩 100 중량%에 대해서 이 10,000 내지 100,000 ppm, 바람직하게는 40,000 내지 80,000ppm, 더 바람직하게는 60,000 내지 80,000ppm일 수 있다. 상기 인의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우 마스터 배치 칩 투입시 첨가량을 줄일 수 있는 장점이 있고, 열변형 온도 및 인장 강도와 같은 기계적 물성의 저하 없이 난연성이 효과적으로 부여될 수 있다.

상기 마스터 배치 칩은, 필요한 물성에 따라서, 난연제 외에 자외선 안정제, 산화방지제, 대전방지제, 유기계 착색제, 무기계 착색제 등을 1종 이상 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존 상용제품보다 우수한 난연 성능을 가지는 산업용 폴리에스테르 섬유를 제조하기 위해, 홀구경 0.4mm 이상, 바람직하게는 0.2 내지 1.2mm, 더 바람직하게는 0.4 내지 0.8mm인, 40 내지 400개, 바람직하게는 144 내지 192 개의 홀 수를 갖는 노즐을 팩에 조립하여 방사 구금(spin-block)으로 적용할 수 있다.

또한, 상기 폴리에스테르 수지로는 고강도의 섬유를 제조하기 위하여 고유점도(IV)가 0.9 내지 1.0 dl/g 일 수 있다.

이러한 고유점도를 갖는 폴리에스테르 수지는 공지의 방법에 따라 고유점도가 0.6 정도인 통상적인 폴리에스테르 칩을 고상중합하는 방법 등으로 용이하게 제조할 수 있다.

상기 마스터 배치 칩의 함량은 폴리에스테르 수지 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부, 바람직하게는 3 내지 15 중량부, 더 바람직하게는 5 내지 10 중량부일 수 있다. 상기 마스터 배치 칩의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우, 열변형 온도 및 인장 강도와 같은 기계적 물성의 저하 없이 난연성이 효과적으로 부여될 수 있고, 압출시 투입 및 성형에 있어 가공성 저하 문제가 발생하지 않고, 섬유상으로 제조할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 용융방사의 온도는 예를 들어 300℃, 바람직하게는 290 내지 310℃이며, 폴리에스테르 수지의 용융지수를 고려하여 적절히 방사온도를 정할 수 있다. 용융방사된 섬유는 냉각되어 미연신사를 형성한다.

상기 용융 방사된 미연신사의 단사 섬도(D.P.F., denier per filament)는 5 내지 120 데니어(denier), 바람직하게는 30 내지 60데니어로 조절할 수 있다.

이때, 방사구금의 홀 수는 40 내지 400개, 바람직하게는 144 내지 192 개일 수 있다.

상기 방사구금의 홀의 사이즈는 0.2 내지 1.2 mm, 더 바람직하게는 0.4 내지 0.8 mm 이고, 방사구금의 홀의 깊이는 0.8 내지 4.8 mm, 더 바람직하게는 1.6 내지 3.2 mm 로 적용할 수 있다.

이후, 방사구금을 통해 나온 미연신사는 켄칭존(quenching zone)을 통해 냉각과정을 거치게 되며, 냉각온도는 15 내지 30℃, 더 바람직하게는 20 내지 25℃의 온도로 조절할 수 있다.

또한, 냉각 시 풍속은 1.0 내지 2.0 m/sec, 더 바람직하게는 0.8 내지 1.5 m/sec으로 조절할 수 있다.

그런 다음, 상기 미연신사에 방사유제를 공급하여 부착시킨다.

이 단계에서, 폴리에스테르 미연신사의 주행시 선속도 및 방사유제는 통상의 방법에 따라서 적용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에스테르 미연신사를 200 내지 600 m/min의 선속도로 주행하도록 하고, 점도가 90 내지 1000 cps인 윤활제가 함유된 방사유제를 상기 미연신사에 공급하여 부착시킬 수 있다.

전술한 바와 같이 폴리에스테르 미연신사의 주행 속도를 200 내지 600 m/min의 범위로 제어함으로써, 유제의 비산을 억제할 수 있으다. 또한 유제에 함유된 윤활제는 점도가 90 내지 1000cps의 범위를 만족하게 되면, 윤활제가 방사유제와 혼합 시 온도조절을 통해 낮은 점도로 컨트롤이 가능하며, 내열성이 우수하며, 추후 연신공정에서 고온의 고뎃 롤러를 통과할 때 롤러 표면에 스컴이 유발되는 것을 방지할 수 있다.

이러한 고점도 윤활제로의 예로는 탄소수 24 내지 40의 파라핀계 왁스, 중량평균분자량 1,000 내지 8,000인 실리콘계 왁스 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

파라핀계 왁스의 구체예로는, 폴리메틸렌계, 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계 왁스 또는 이들을 혼합 사용할 수 있다.

이러한 윤활제는 점도가 높으므로 혼합된 방사유제 전체의 점도를 상승시키게 된다. 혼합된 방사유제의 점도가 지나치게 높으면 섬유에 대한 유제의 균일 부착성이 저하될 수 있으므로, 점도가 10 cps 이하로 유지되도록 방사유제를 가열하여 섬유에 공급할 수 있다.

상기 방사유제는 고점도 윤활제를 50 내지 80중량% 함유할 수 있고, 상기 고점도 윤활제의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우, 방사유제의 균일 부착성이 개선될 수 있다.

뿐만 아니라, 방사유제에는 고점도 윤활제 외에 미네랄 오일, 대전방지제, 계면활성제 등과 같은 통상적인 유제 첨가제 성분이 추가로 사용될 수 있으며, 고무접착성, 발수성 등 폴리에스테르 섬유에 다양한 특성을 부여하는 공지의 성분을 더 첨가할 수 있음은 물론이다.

상기 방사유제가 부착된 미연신사는 통상적인 폴리에스테르 섬유의 제조공정에 따라 연신공정에 공급하여 연신되며, 여기서 제조되는 폴리에스테르 섬유의 OPU는 0.7 내지 2.0%일 수 있다. 섬유의 OPU 치가 상기 범위를 만족하면, 내마모성 효과가 증진되고, 높은 OPU로 인해 연신 및 권취 공정상에 오염원이 증가되는 문제가 방지될 수 있다.

다음으로, 상기 유제가 부착된 미연신사를 연신한다.

연신공정의 열처리 조건 및 연신비는 원료 수지의 고유점도, 목적하는 폴리에스테르 섬유의 용도와 강도 등에 따라 당업자가 용이하게 조절할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전 공정에서 미연신사는 공급 롤러를 이용하여 초기공급 속도를 400 내지 700m/min로 하고, 80 내지 250℃의 온도로 제어된 연신 핫 롤러로 공급할 수 있다. 이때 연신비는 공급 롤러의 속도에 맞춰 약 4 내지 7배 가량 연신할 수 있다.

또한, 필요에 따라 연신한 폴리에스테르 섬유는 추가적으로 이완처리를 거칠 수 있다.

이어서, 상기 연신사를 권취하고, 권취 단계에서 기존의 필라멘트간의 교락을 시키기 위해 사용하는 인터레이스(interlace) 압력을 5.0 내지 9.0bar의 압력, 더 바람직하게는 6.0 내지 8.0bar의 압력으로 집속할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에스테르 섬유의 단사 섬도는 4 내지 10데니어, 바람직하게는 5 내지 7 데니어일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에스테르 섬유의 강도는 7.0g/d 이상, 바람직하게는 7.5 내지 8.5 g/d이며, 신도가 10 내지 30%, 바람직하게는 15 내지 25%일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에스테르 섬유 100 중량%에 대해서 상기 난연제 중 인의 함량은 2,000 ppm 이상, 바람직하게는 3,000 내지 90,000 ppm, 더 바람직하게는 3,000 내지 7,000 ppm 일 수 있다. 상기 인의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에스테르 섬유의 열변형 온도 및 인장 강도와 같은 기계적 물성의 저하 없이 난연성이 효과적으로 부여될 수 있다.

또한, 본 발명의 제조방법에 따른 폴리에스테르섬유는, 충분한 강도와 난연 특성이 필요로 하는 산업자재용, 및 레져, 스포츠 용도에 적용될 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

실시예 1

도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에스테르 섬유의 제조 장치를 이용하여 이하와 같이 폴리에스테르 섬유를 제조하였다.

먼저, 15,000ppm의 인이 함유된 고유점도 1.0의 폴리에틸렌테레프탈레이트 마스터 배치 칩을 주입 기계(dosing machine) (11)를 이용하여 고유점도가 0.9 내지 1.0인 폴리에스테르 수지 100 중량부 대비 20 중량부의 비율로 혼합하여 압출기(10)에 투입하였다. 이때 사용한 인계 난연제는 포스피네이트계로 clariant 사의 exolit op-950을 사용하였다. 방사온도는 300℃로 하고, 폴리머 기어펌프를 이용하여 분당 333g의 토출량으로 방사 구금(20)의 홀의 구경이 0.4mm이고, 홀의 개수가 192개인 노즐(30)을 통해 용융 중합체를 압출시켰다.

이후 압출물을 고성능의 냉각 장치(40)를 이용하여 20 내지 25℃의 급랭공기로 냉각시켜서 30 데니어의 미연신사를 제조하였다.

이어서, 상기 미연신사를 고르게 집속 시키면서 방사유제 부여 장치(50)를 를 공급하여 이용하여 방사유제를 부착하고, 유제가 부착된 미연신사를 500 m/분으로 일단 권취하며, 계속해서 박스(70)안의 온도 90 ℃, 130 ℃ 및 230 ℃로 각각 제어된 제1, 제2, 제3, 및 제4 고데트 롤러(godet roller)(60)를 거치면서 차례대로 연신 및 열처리를 행하였다. 이때, 제1, 제2, 및 제3 고데트 롤러의 속도는 각각 500 m/min, 1800m/min, 및 2500 m/min이었다. 제4 고데트 롤러는 250℃의 온도 및 3,000 m/min의 속도로 조절하였다.

이때, 교락 장치(80)에서는 공기 압력을 2.5bar로 조절하였다. 이후 교락된 연신사를 와인더(90)를 이용하여 권취하였다.

그 결과, 최종적으로 단사 섬도가 2.5 데니어이고, 전체 섬도가 1,000 데니어인 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유를 제조하였다.

실시예 2

60,000ppm의 인이 함유된 고유점도 1.0의 폴리에틸렌테레프탈레이트 베이스 수지 마스터 배치 칩을 10 중량부 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유를 제조하였다.

비교예 1

환류가 가능하도록 설계된 응축기와 교반장치가 설치된 스테인레스 스틸 반응기에 디메틸테레프탈레이트와 에틸렌글리콜을 1:1.5의 몰비가 되도록 하고 이어 2-카르복시에틸(페닐)포스핀산(2- Carboxylethyl(phenyl)phosphinic acid)을 더 첨가한 후, 가열교반하면서 온도를 220℃에서 230℃ 범위로 상승시켜 에스테르 교반반응을 행하고, 에스테르 교반반응 후 온도를 서서히 올려서 최종온도가 285℃가 되게 하며, 서서히 감압하여 최종 감압도가 0.2torr 이하가 되도록 하여 120분간 반응을 진행시켜 인함량 6,500 ppm이고 고유점도 0.70의 난연 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 전구체를 제조하였다. 이후 난연 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 전구체를 고상중합기에서 220℃에서 40 시간 고상시켜서 고유점도 0.90의 난연 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지를 제조하였다.

제조된 난연 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지는 동일 온도에서 용융점도가 3,000 poise로 약 1/2로 낮으므로, 방사온도를 290℃로 하고 나머지는 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리에스테르 섬유를 제조하였다.

비교예 2

고유점도 0.64의 폴리에틸렌테레프탈레이트 베이스 수지를 사용한 점을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유를 제조하였다.

물성 평가

1. 고유점도(I.V.)

페놀과 1,1,2,2-테트라클로로에탄올 6:4(무게비)로 혼합한 시약(90℃)에 시료0.1g을 90분 동안 용해시킨 후, 우베로데(Ubbelohde) 점도계에 옮겨 담아 30℃의 항온조에서 10분 동안 유지시키고, 점도계와 애스피레이터(Aspirator)를 이용하여 용액의 낙하초수를 구한다. 솔벤트의 낙하초수도 상기와 같은 방법으로 구한 다음 고유점도(I.V.) 값을 계산하였다.

2. 난연성평가 (UL94-VTM)

얇은 플라스틱 물질에 대한 방염성능 평가 방법으로 시료를 수직으로 위치시킨 후 버너를 이용하고, 각 샘플 당 2회의 착염을 통해 시료로부터 발생하는 잔염, 잔진의 시간, 면 배지에 낙화물에 의한 발화 유무를 총 3회에 걸쳐 평가하여, VTM-0, VTM-1, VTM-2, 등급 외의 4등급으로 평가한다.

3. 난연성 평가 (KS F 8081)

얇은 포에 대한 방염평가 규격으로 45도의 경사면에 위치한 시료 가운데에 마이크로 버너를 이용하여 착염하고, 잔진, 잔염, 및 탄화거리를 측정하여 불합판정을 하였다.

1개의 시료당 3회 측정하며 잔염시간 3초이내, 잔진시간 5초이내, 탄화거리 20cm 미만의 기준을 만족하는 경우 합격 판정하였다.

4. 원사의 강신도 측정방법

원사를 표준상태인 조건, 즉 온도 25℃ 와 상대습도 65%인 상태의 항온항습실에서 24시간 동안 방치한 후에 ASTM D-885의 방법으로 인장시험기를 통해 측정하였다.

실시예 1 및 2, 비교예 1 및 2에서 제조된 폴리에스테르 섬유, 및 상기 폴리에스테르 섬유를 표 2의 직물 밀도의 평직으로 제직한 직물을 전술한 방법으로 물성을 각각 평가하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2
MB칩 수지 고유점도 (I.V.)	1.0	1.0	-	0.64
원사내 인함량(ppm)	3,000	6,000	6,500	6,000
강도(g/d)	8.0	7.5	6.3	6.1
직물 밀도(inch)	13×13	20×20	20×20	20×20
난연성 UL94-VTM (총잔염시간비교)	90.5초	98.4초	102.0초	90.5초
난연성 KSF 8081	합격	합격	합격	합격

상기 표 1을 참조하면, 실시예 1 및 2의 폴리에스테르 섬유가 난연성도 우수하면서 높은 강도 특성을 가지는 것을 알 수 있다.

한편, 비교예 1에서는 공중합 첨가된 폴리인산이 고상중합에 불리하게 작용하여 고강도 발현에 충분한 고상중합이 이루어지지 않아서 섬유의 강도가 낮게 나왔다. 비교예 2의 경우는 난연성은 우수하지만 저점도의 마스터 배치 베이스 수지의 영향으로 최종 섬유의 강도가 낮음을 볼 수 있었다.

10: 압출기, 11: 주입 기계, 20: 방사구금, 30: 노즐, 40: 냉각 장치
50: 방사유제 부여 장치, 60: 고데트 롤러, 70: 박스
80: 교락 장치 90: 와인더

Claims (10)

1. 고유점도(IV)가 1.0 dl/g 이상인 폴리에스테르 베이스 수지 및 난연제를 포함하는 마스터 배치 칩을 폴리에스테르 수지에 혼합하고, 이를 방사구금을 통해 용융 방사하여 미연신사를 형성하는 단계;
   상기 미연신사에 방사유제를 공급하여 부착시키는 단계; 및
   상기 유제가 부착된 미연신사를 연신 및 권취하는 단계를 포함하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 폴리에스테르 수지가 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트 수지, 및 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 폴리에스테르 수지의 고유점도가 0.9 내지 1.0 dl/g인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 마스터 배치 칩의 함량이 폴리에스테르 수지 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 마스터 배치 칩에 포함되는 난연제가 인계 난연제인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 인계 난연제가 인산 에스테르 화합물, 피로포스페이트계 난연제, 포스포네이트계 난연제, 포스피네이트계 난연제, 비할로겐 축합인계 난연제, 및 적인계 난연제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
7. 제5항에 있어서,
   상기 마스터 배치 칩 100 중량%에 대해서 상기 난연제 중 인의 함량이 10,000 내지 100,000 ppm인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 폴리에스테르 섬유 100 중량%에 대해서 상기 난연제 중 인의 함량이 2,000 ppm 이상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 폴리에스테르 섬유의 강도가 7.0 g/d 이상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 배치 칩이 난연제 외에 자외선 안정제, 산화방지제, 대전방지제, 유기계 착색제 및 무기계 착색제 중 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 섬유의 제조방법.

Images