KR20170090636A - 고강도 폴리에스테르 원사 제조를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

고강도 폴리에스테르 원사 제조를 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

기존의 폴리에스테르 원사 대비 높은 강도를 갖는 폴리에스테르 원사를 제조할 수 있는 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 장치는, 용융된 폴리에스테르 수지를 토출하기 위한 다수의 홀들을 갖는 구금; 상기 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금의 홀들로부터 토출되면서 형성되는 다수의 필라멘트들을 가열할 수 있는 가열부; 및 상기 가열된 필라멘트들을 냉각할 수 있는 냉각부를 포함하되, 상기 가열부는 다수의 열선들을 포함하고, 상기 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금의 홀들로부터 토출될 때, 상기 열선들은 상기 필라멘트들의 이동을 방해하지 않으면서 상기 필라멘트들 사이를 지나가도록 배열될 수 있다.

Description

고강도 폴리에스테르 원사 제조를 위한 장치 및 방법{Apparatus and Method for Manufacturing Polyester Yarn of High Strength}
본 발명은 폴리에스테르 원사 제조를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 기존의 폴리에스테르 원사 대비 높은 강도를 갖는 폴리에스테르 원사를 제조할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
타이어 코드, 에어백 등의 제조에 이용되는 산업용 폴리에스테르 원사의 기계적 물성(예를 들어, 강도, 신도 등)를 향상시키려는 연구가 지속적으로 수행되고 있다.
일반적으로, 폴리에스테르 원사의 제조방법은 폴리에스테르 칩을 용융시키는 단계, 상기 용융된 폴리에스테르를 구금을 통해 방사하는 단계, 상기 용융된 폴리에스테르가 상기 구금을 통해 배출되면서 형성되는 반고화 상태의 필라멘트들을 냉각시키는 단계, 상기 냉각된 필라멘트들을 집속시켜 멀티필라멘트를 형성시키는 단계, 상기 멀티필라멘트를 연신하는 단계, 및 상기 연신된 멀티필라멘트를 권취하는 단계를 포함한다.
폴리에스테르 원사의 기계적 물성을 향상시키기 위해서는 연신비 및 배향도를 극대화시킬 필요가 있다. 그러나, 연신비를 증가시키기 위해서는 저속 방사가 요구되는 반면, 저속 방사는 섬유의 배향도를 저하시킨다. 즉, 연신비와 배향도는 일종의 트레이드-오프(trade-off) 관계를 갖는다.
연신비 희생을 최소화하면서 섬유의 배향도를 극대화시키기 위한 노력의 일환으로, 구금으로부터 배출되는 필라멘트들의 냉각을 지연시킴으로써 미연신사의 배향도를 조금이나마 더 증가시키는 방안이 제시되었다.
예를 들어, 도 1에 예시된 바와 같이, 용융된 폴리에스테르가 구금을 통해 배출되면서 형성되는 반고화 상태의 필라멘트들(10)의 냉각을 지연시키기 위하여 구금(120)과 냉각부(140) 사이에 히팅 후드(130)를 배치하는 방안이 제시되었다.
상기 히팅 후드(130)는 개방된 상단 및 하단을 갖는 튜브형 하우징(131) 및 그 안에 내재된 열선(132)을 포함한다. 상기 하우징(121)은 높은 열전도율을 갖는 금속, 예를 들어 구리로 형성된다. 상기 열선(122)에 전류가 흐름에 따라 상기 하우징(121)이 가열되고, 상기 하우징(121)이 가열됨에 따라 그 내부 분위기(atmosphere)의 온도가 상승한다. 반고화 상태의 필라멘트들(10)이 상기 승온된 내부 분위기를 통과함으로써 그 냉각이 지연된다.
한편, 용융된 폴리에스테르 수지가 구금(120)으로 배출될 때 갑작스러운 엔트로피 증가로 인해 출구 팽창(extrudate swell)이라고도 지칭되는 다이 스엘(die swell) 현상이 발생한다. 이러한 다이 스웰 현성에 의해, 폴리에스테르 수지의 분자 사슬(molecular chains) 및 교락점(entanglement points)이 규칙적으로 정렬된다(aligned).
그러나, 용융된 폴리머가 구금(120)으로부터 배출되면서 형성되는 반고화 상태의 필라멘트들(10)이 히팅 후드(130) 및/또는 냉각부(140)를 통과하면서 이와 같은 규칙적 분자 배열 상태가 도 2에 예시된 바와 같이 다소 변형된다. 연신 직전의 필라멘트들(10)의 분자 배열이 불규칙할수록 그 연신성은 낮아질 수밖에 없다(즉, 소정 연신비 하에서 강도 발현 정도가 감소할 수밖에 없다).
고강도의 폴리에스테르 원사를 구현하기 위해서는 방사된 필라멘트들(10)의 연신성을 향상시켜야 한다. 이를 위해서는, 구금(120)으로부터 배출된 직후 다이 스웰 현상에 따라 정렬된 폴리에스테르 수지의 분자 배열을 그 상태로 바로 고정시켜 규칙적인 분자 배열이 연신 공정 직전까지 유지되도록 하여야 한다.
그러나, 폴리에스테르의 분자 배열을 정렬된 상태로 바로 고정시키기에는 상술한 히팅 후드(130)와 필라멘트들(10) 사이의 거리가 너무 멀기 때문에, 필라멘트들(10)의 연신성 향상 및 폴리에스테르 원사의 강도 향상은 미미한 수준에 그쳤다.
더욱이, 상기 히팅 후드(130)와 필라멘트들(10) 사이의 거리가 불균일하기 때문에(즉, 중앙에 위치한 필라멘트와 바깥 측에 위치한 필라멘트의 가열 정도가 다름), 필라멘트별로 배향도 및 연신성 면에서 차이가 야기될 수밖에 없었다.
한편, 구금으로부터 배출된 직후 다이 스웰 현상에 따라 정렬된 폴리에스테르 수지의 분자 배열을 그 상태로 바로 고정시키기 위한 또 다른 방법으로서, 레이저 조사(irradiation)가 제안된 바 있다.
구금으로부터 배출되는 폴리에스테르 수지의 분자 배열이 다이 스웰 현상에 의해 정렬된 직후에 상기 폴리에스테르 수지에 레이저를 강하게 조사함으로써(예를 들어, 구금으로부터 5 내지 15 mm 떨어진 지점을 통과하는 필라멘트 부분에 국부적으로 레이저를 조사함으로써), 상기 분자 배열을 정렬된 상태로(즉, 규칙적 배열 상태로) 고정시킬 수 있다.
그러나, 레이저를 위한 분자 배열 고정은 실험실 스케일에서 하나의 필라멘트에 대하여 수행될 수는 있지만 다수의 필라멘트들로 구성되는 원사의 대량생산에는 적합하지 않다는 단점이 있는데, 이것은 번들 형태의 필라멘트들에 레이저를 조사할 때 필라멘트 별로 레이저 가열 정도 편차가 발생할 수밖에 없기 때문이다.
더욱이, 고강도 폴리에스테르 원사의 제조를 위해서는 연신 전의 냉각 공정을 정밀하게 제어할 수 있는 폐쇄형 방사 시스템이 요구되는데, 레이저 조사 방식은 냉각 공정의 정밀 제어를 불가능하게 하는 개방형 방사 시스템으로 그 사용이 제한된다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 폴리에스테르 원사 제조를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 관점은, 기존의 폴리에스테르 원사 대비 높은 강도를 갖는 폴리에스테르 원사를 제조할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 관점은, 기존의 폴리에스테르 원사 대비 높은 강도를 갖는 폴리에스테르 원사를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
위에서 언급된 본 발명의 관점 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 설명되거나, 그러한 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
위와 같은 본 발명의 일 관점에 따라, 용융된 폴리에스테르 수지를 토출하기 위한 다수의 홀들을 갖는 구금; 상기 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금의 홀들로부터 토출되면서 형성되는 다수의 필라멘트들을 가열할 수 있는 가열부; 및 상기 가열된 필라멘트들을 냉각할 수 있는 냉각부를 포함하되, 상기 가열부는 다수의 열선들을 포함하고, 상기 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금의 홀들로부터 토출될 때, 상기 열선들은 상기 필라멘트들의 이동을 방해하지 않으면서 상기 필라멘트들 사이를 지나가도록 배열될 수 있는 것을 특징으로 하는, 폴리에스테르 원사의 제조장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금의 홀들로부터 토출될 때, 상기 열선들은 그 길이방향이 상기 용융된 폴리에스테르 수지의 토출 방향에 수직이 되도록 배열될 수 있다.
본 발명의 장치는 상기 구금의 적어도 일부를 감싸는 팩 바디(pack body)를 더 포함할 수 있고, 상기 용융된 폴리에스테르 수지가 토출되는 상기 구금의 하단부가 상기 팩 바디로부터 돌출되어 있을 수 있다.
본 발명의 장치는 상기 팩 바디를 감싸는 방사블록(spinning block)을 더 포함할 수 있고, 상기 가열부는 상기 방사블록의 하단부에 고정되어 있을 수 있다.
상기 열선들의 배열은 가변적(variable)일 수 있다.
본 발명의 장치는, 상기 냉각된 필라멘트들을 집속시켜 멀티필라멘트를 형성시킬 수 있는 집속부; 상기 멀티필라멘트를 연신할 수 있는 연신부; 및 상기 연신된 멀티필라멘트를 권취할 수 있는 와인더를 더 포함할 수 있다.
상기 집속부는 상기 멀티필라멘트에 유제를 부여할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 폴리에스테르 수지를 방사하는 단계; 상기 방사 단계에 의해 형성된 멀티필라멘트를 연신하는 단계; 및 상기 연신된 멀티필라멘트를 권취하는 단계를 포함하되, 상기 방사 단계는, 용융된 폴리에스테르 수지를 구금을 통해 토출시킴으로써 다수의 필라멘트들을 형성하는 단계; 상기 필라멘트들의 이동을 방해하지 않으면서 상기 필라멘트들 사이를 지나가도록 배열된 다수의 열선들로 상기 필라멘트들을 가열하는 단계; 및 상기 가열된 필라멘트들을 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 폴리에스테르 원사의 제조방법이 제공된다.
상기 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금의 홀들로부터 토출될 때, 상기 열선들은 그 길이방향이 상기 용융된 폴리에스테르 수지의 토출 방향에 수직이 되도록 배열될 수 있고, 상기 필라멘트들 각각은 상기 열선들 중 적어도 하나와 3 내지 10 mm 이격될 수 있다.
260 내지 320 ℃로 유지되는 팩 바디에 의해 상기 구금의 적어도 일부가 감싸질 수 있고, 상기 용융된 폴리에스테르 수지가 토출되는 상기 구금의 하단부의 바로 아래 공간은 상기 열선들에 의해 가열되어 상기 팩 바디의 온도보다 높은 온도로 유지될 수 있다.
상기 구금의 하단부의 바로 아래 공간은 350 내지 500 ℃로 유지될 수 있다.
상기 방사 단계에서 방사 속도는 500 내지 4000 m/min일 수 있고, 상기 연신 단계에서 연신비는 2 내지 4일 수 있다.
상기 방사 단계는 상기 냉각된 필라멘트들을 집속시켜 멀티필라멘트를 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방사 단계는 상기 멀티필라멘트에 유제를 부여하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 유제 부여 단계는 상기 멀티필라멘트 형성 단계와 동시에 수행될 수 있다.
위와 같은 본 발명에 대한 일반적 서술은 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다.
본 발명에 의하면, 용융된 폴리에스테르 수지가 구금으로부터 배출된 직후 다이 스웰 현상에 따라 정렬된 폴리에스테르 수지의 분자 배열을 그 상태로 고정시킴으로써, 소정 연신비 하에서의 폴리에스테르 원사의 강도 발현 정도를 극대화시킬 수 있다. 따라서, 다소 높은 방사속도를 적용함으로써 섬유의 배향도를 향상시킴과 동시에 폴리에스테르 원사의 강도를 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 폴리에스테르 원사를 구성하는 다수의 필라멘트들의 기계적 물성의 균일성이 향상될 수 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 종래기술의 폴리에스테르 원사의 제조장치를 개략적으로 보여주고,
도 2는 종래기술에 의해 형성된 폴리에스테르 멀티필라멘트의 연신 직전 및 직후의 분자 구조들을 개략적으로 각각 보여주고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에스테르 원사의 제조장치를 개략적으로 보여주고,
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가열부를 개략적으로 각각 보여주며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 형성된 폴리에스테르 멀티필라멘트의 연신 직전 및 직후의 분자 구조들을 개략적으로 각각 보여준다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다.
본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.
전술한 바와 같이, 고강도의 폴리에스테르 원사를 구현하기 위해서는 방사된 멀티필라멘트의 연신성을 향상시켜야 한다. 방사된 멀티필라멘트의 연신성을 향상시키기 위해서는, 구금으로부터 배출된 직후 다이 스웰 현상에 따라 정렬된 폴리에스테르 수지의 분자 배열을 그 상태로 바로 고정시켜 규칙적인 분자 배열이 연신 공정 직전까지 유지되도록 하여야 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 용융된 폴리에스테르 수지가 구금으로부터 토출되면서 형성되는 필라멘트들이, 그 사이를 지나가도록 배열된 다수의 열선들에 의해 상대적으로 짧은 시간 동안 가열됨으로써 폴리에스테르의 분자 배열이 정렬된 상태로 고정되고, 규칙적 분자 배열을 갖는 멀티필라멘트가 소정 연신비로 연신됨으로써 강력 발현이 극대화된다.
이와 같이 제조된 본 발명의 타이어 코드용 폴리에스테르 원사는 2 내지 5 데니어의 섬도를 각각 갖는 100 내지 500개의 필라멘트들을 포함하고, 8 g/d 이상의 강도를 갖는다.
선택적으로, 상기 폴리에스테르는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)일 수 있다.
이하에서는, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에스테르 원사의 제조를 위한 장치 및 방법을 구체적으로 설명한다.
도 3에 예시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 다수의 홀들을 갖는 구금(221), 가열부(230), 및 냉각부(240)를 포함한다.
상기 구금(221)은 익스트루더(210)로부터 용융된 폴리에스테르 수지를 전달받아 상기 다수의 홀들을 통해 토출한다.
용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금(221)의 홀들로부터 토출되면서 형성되는 다수의 반고형 상태의 필라멘트들은 상기 가열부(230)에 의해 가열된다.
본 발명의 가열부(230)는 다수의 열선들(231)을 포함한다. 상기 열선들(231)은 직선형일 수 있다. 상기 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금(221)의 홀들로부터 토출될 때, 상기 열선들(231)은 상기 필라멘트들(10)의 이동을 방해하지 않으면서 상기 필라멘트들(10) 사이를 지나가도록 배열되어 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 상기 열선들(231)이 필라멘트들(10)과 충분히 가깝기 때문에 폴리에스테르의 분자 배열을 정렬된 상태로 바로 고정시킬 수 있을 정도의 충분한 열로 상기 필라멘트들(10)을 순간적으로 가열할 수 있어 상기 필라멘트들(10)의 연신성을 향상시킬 수 있다.
또한, 각각의 상기 필라멘트들(10)은 상기 열선들(231)과 일정 거리(예를 들어, 3 내지 10 mm)로 균일하게 이격되어 있기 때문에 필라멘트들(21)간의 물성의 균일성이 향상될 수 있다.
도 3에 예시된 바와 같이, 본 발명의 장치는 상기 구금(221)의 적어도 일부를 감싸는 팩 바디(pack body)(222)를 더 포함할 수 있다. 상기 팩 바디(222)는 260 내지 320 ℃로 유지된다. 팩 바디(222)의 온도가 260℃ 미만이면 폴리에스테르 수지의 온도가 융점 이하로 떨어지면서 굳어지기 때문에 방사가 불가능해진다. 반면, 팩 바디(222)의 온도가 320℃를 초과하면, 구금(221) 내에 존재하는 폴리에스테르 수지의 급격한 열분해로 인해 섬유의 물성 저하가 야기된다.
종래 장치의 경우, 구금(221) 전체가 팩 바디(222) 내에 삽입되어 있었다. 뿐만 아니라, 용융된 폴리에스테르 수지가 구금(221)의 홀들로부터 토출된 직후에 급격한 온도 변화를 겪지 않도록 하기 위하여, 용융된 폴리에스테르 수지가 토출되는 구금(221)의 하단부 바로 아래 공간까지도 팩 바디(222)에 의해 둘러싸여 있었다.
위와 같은 종래 구조하에서는, 상기 팩 바디(222)보다 더 높은 온도의 열(예를 들어, 350 내지 500 ℃)을 제공하는 본 발명의 열선들(231)이 상기 구금(221)의 하단부에 가깝게 배열될 수 없기 때문에, 상기 열선들(231)로부터 방출되는 열이 상기 구금(221)의 홀들로부터 토출되는 폴리에스테르 수지에 바로 제공될 수 없고, 그 결과, 다이 스웰 현상에 의해 정렬된 폴리에스테르의 분자 배열이 바로 고정될 수 없다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 용융된 폴리에스테르 수지가 토출되는 상기 구금(221)의 하단부가 상기 팩 바디(222)로부터 5 내지 100 mm 돌출됨으로써 본 발명의 열선들(231)이 상기 구금(221)에 충분히 근접 배치될 수 있다.
예를 들어, 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금(221)의 홀들로부터 토출된 직후에 상기 열선들(231)에 의해 바로 가열될 수 있도록, 상기 열선들(231)은 상기 구금(221)의 하단부로부터 0 내지 20 mm 이격되도록 배열될 수 있다.
열선들(231)과 구금(221) 사이의 거리가 20mm를 초과하면, 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금(221)의 홀들로부터 토출된 직후에 상기 열선들(231)에 의해 바로 가열될 수 없고, 그 결과, 구금(221)으로부터 배출된 직후 다이 스웰 현상에 따라 정렬된 폴리에스테르 수지의 분자 배열을 그 상태로 바로 고정시킬 수 없다.
본 발명의 장치는 상기 팩 바디(222)를 감싸는 방사블록(spinning block)(223)을 더 포함할 수 있고, 상기 가열부(230)는 상기 방사블록(223)의 하단부에 고정되어 있을 수 있다.
도 3 및 도 4에 예시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 본 발명의 가열부(230)는, 상기 방사블록(223)의 하단부에 고정되어 있으며 상기 열선들(231)을 지지하는 지지부(232) 및 상기 열선들(231)에 전류를 공급하는 전선들(233)을 더 포함한다. 상기 열선들(231)은 그 길이방향이 상기 용융된 폴리에스테르 수지의 토출 방향에 수직이 되도록 배열되어 있다.
상기 열선들(231)의 배열은 가변적(variable)일 수 있다. 예를 들어, 가열부(230)의 작동이 중단된 경우 또는 종래 구조의 구금(221) 및 팩 바디(222)가 적용되어 본 발명의 가열부(230)를 더 이상 사용하지 않을 경우, 상기 열선들(231)은 도 5에 예시된 바와 같이 그 길이방향과 상기 용융된 폴리에스테르 수지의 토출 방향이 평행하게 되도록 배열될 수 있다.
본 발명의 가열부(230)에 의해 가열된 필라멘트들(10)은 상기 냉각부(240)에 의해 냉각된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는, 도 3에 예시된 바와 같이, 상기 냉각된 필라멘트들(10)을 집속시켜 멀티필라멘트(20)를 형성시킬 수 있는 집속부(250), 상기 멀티필라멘트(20)를 연신할 수 있는 연신부(260), 및 상기 연신된 멀티필라멘트(20)를 권취할 수 있는 와인더(270)를 더 포함한다.
상기 집속부(250)는 상기 멀티필라멘트(20)에 유제를 부여할 수도 있다.
본 발명의 장치 및 방법에 의해 제조된 폴리에스테르 원사는, 도 6에 예시된 바와 같이, 연신 전 및 연신 후 모두에 있어서 규칙적인 분자 배열을 갖는다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에스테르 원사의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 0.7 내지 2.1 dl/g의 고유점도를 갖는 폴리에스테르(예를 들어, PET) 칩을 익스트루더(210)에 투입하여 용융시킨다. 용융된 폴리에스테르 수지의 온도는 290 내지 310℃일 수 있다. 용융된 폴리에스테르 수지의 온도가 290℃ 미만일 경우 폴리에스테르 수지가 균일하게 녹지 않아 방사가 곤란하며, 310℃를 초과할 경우 폴리에스테르 수지의 점도가 지나치게 낮아질 뿐만 아니라 고온에 의한 열분해가 야기되어 고강도 발현이 어려워진다.
용융된 폴리에스테르 수지가 구금(220)을 통해 방사된다. 구금의 홀 길이(L)와 홀 직경(D)의 비율인 L/D는 2 내지 5일 수 있다. L/D가 2 미만이면 방사성이 좋지 못하고, L/D가 5를 초과하는 경우에도 팩압이 증가하여 방사성이 좋지 못하다.
구금(220)으로부터 배출되는 즉시 폴리에스테르 수지의 고화가 시작하면서 반고화 상태의 다수의 필라멘트들(10)이 형성된다. 이때, 전술한 바와 같이, 다이 스웰 현성에 의해 폴리에스테르 수지의 분자 배열이 규칙적으로 정렬된다.
본 발명에 의하면, 폴리에스테르의 분자 배열이 정렬된 상태로 고정되도록 하기 위하여, 상기 반고화 상태의 다수의 필라멘트들(10)이 가열부(230)의 열선들(231)에 의해 순간적으로 가열된다. 전술한 바와 같이, 상기 열선들(231)은 상기 필라멘트들(10)의 이동을 방해하지 않으면서 상기 필라멘트들(10) 사이를 지나가도록 배열되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금(221)의 홀들로부터 토출될 때, 상기 열선들(231)은 그 길이방향이 상기 용융된 폴리에스테르 수지의 토출 방향에 수직이 되도록 배열되어 있고, 상기 필라멘트들(10) 각각은 상기 열선들(231) 중 적어도 하나와 3 내지 10 mm 이격되어 있다.
상기 구금(221)은 260 내지 320 ℃로 유지되는 팩 바디(222)에 의해 감싸져 있되, 상기 구금(221)의 하단부는 상기 팩 바디(222)로부터 5 내지 100 mm 돌출되어 있다. 상기 용융된 폴리에스테르 수지가 토출되는 상기 구금(221)의 하단부의 바로 아래 공간은 상기 열선들(231)에 의해 가열되어 상기 팩 바디(222)의 온도보다 높은 온도, 예를 들어 350 내지 500 ℃로 유지될 수 있다.
상기 열선들(231) 사이를 통과하면서 가열된 필라멘트들(10)은 냉각부(240)에서 냉각됨으로써 완전 고화된다. 상기 냉각 공정의 제어를 위하여 적당한 온도 및 속도의 냉각풍을 상기 필라멘트들(10)에 불어준다. 필라멘트들(10)의 냉각 거동은 섬유의 최종 물성에 큰 영향을 미친다.
상기 냉각 및 완전 고화된 필라멘트들(10)은 집속부(250)에 의해 집속됨으로써 멀티필라멘트(20)를 형성한다. 상기 집속부(250)는 상기 멀티필라멘트(20)에 유제를 부여할 수 있다. 즉, 멀티필라멘트(20) 형성 단계와 상기 유제 부여 단계가 동시에 수행될 수 있다. 상기 유제 부여는 MO(Metered Oiling) 또는 RO(Roller Oiling) 방식을 통해 수행될 수 있다.
집속 공정을 통해 형성된 상기 멀티필라멘트(20)가 연신부(260)에서 연신된다. 상기 연신부(260)는 제1 및 제2 고뎃 롤러들(261, 262)을 포함할 수 있다.
제1 고뎃 롤러(261)는 방사 속도 및 방사 드래프트율(draft ratio)을 결정하고, 상기 제1 고뎃 롤러(261)의 속도와 제2 고뎃 롤러(262)의 속도의 비율로 연신비(draw ratio)가 결정된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 방사 속도[즉, 상기 제1 고뎃 롤러(261)의 속도]는 500 내지 4000 m/min이고, 연신비는 2 내지 4이다.
선택적 사항으로, 연신된 멀티필라멘트(20)의 열처리/열고정을 수행하기 위하여 상기 제2 고뎃 롤러(262)에 가열 수단이 제공될 수 있다. 제2 고뎃 롤러(262)에 감기는 횟수를 조절함으로써 멀티필라멘트(20)가 제2 고뎃 롤러(262)에 체류하는 시간을 조절할 수 있고, 이를 통해 연신사에 대한 적절한 열처리/열고정을 수행할 수 있다.
연신 및 열처리된 멀티필라멘트(20)가 와인더(270)에 의해 권취됨으로써 폴리에스테르 원사가 완성된다.
이하, 실시예들 및 비교예들을 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐으로 이것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안된다.
실시예 1-4 및 비교예 1-2
도 3에 예시된 장치를 이용하여 필라멘트 섬도가 4 데니어이고 총섬도가 1500 데니어인 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 원사들을 제조하였다. 구체적으로, 1.2의 고유점도를 갖는 PET 칩을 용융한 후, 용융된 폴리머를 구금(L/D = 4.0/1.0)을 통해 방사한 후, 연신 공정, 열처리 공정, 및 권취 공정을 차례로 수행하였다. 열선들의 온도, 방사속도, 연신비, 및 사질(◎: 매우 좋음, ○: 좋음, △: 보통, ×: 나쁨)은 아래의 표 1과 같았다.
열선들의 온도(℃) 방사속도(mpm) 연신비 사질
실시예 1 400 1700 3.5 ◎
실시예 2 400 3000 2.0 ◎
실시예 3 500 1700 3.5 ○
실시예 4 500 3000 2.0 ◎
비교예 1 열선 제거됨 1700 3.5 ×
비교예 2 열선 제거됨 3000 2.0 ○
사질이 매우 좋지 않아 생산이 실질적으로 불가능하였던 비교예 1의 경우를 제외하고, 실시예1-4 및 비교예 2에 의해 각각 제조된 PET 원사들의 인장강도, 중간신도(Elongation At Specific Load: EASL)(at 4 kgf), 및 절단신도를 아래의 방법들에 의해 각각 측정하였고, 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
PET 원사의 인장강도, 중간신도( EASL ) 및 절단신도
ASTM D885 방법에 따라, 인스트론사(Instron Engineering Corp, Canton, Mass)의 만능인장시험기를 이용하여 PET 원사의 강도(g/d), 4 kgf 하중에서의 중간신도(%), 및 절단신도(%)를 각각 측정하였다.
인장강도(g/d) 중간신도(at 4.5kgf)(%) 절단신도(%)
실시예 1 8.7 5.2 12.7
실시예 2 8.3 5.4 13.5
실시예 3 9.0 4.9 11.3
실시예 4 8.6 5.3 12.5
비교예 2 7.7 5.7 13.1
1700 mpm의 방사속도 하에서 3.5의 비교적 높은 연신비를 적용하였을 때(실시예 1, 실시예 3, 비교예 1), 열선을 제거한 상태에서 방사 공정을 수행하였던 비교예 1의 경우에는 생산이 불가능할 정도로 PET 원사의 사질이 불량하였음에 반해, PET 수지가 구금으로부터 토출된 직후에 열선을 통해 순간적으로 가열된 실시예 1 및 3의 경우에는 필라멘트들의 연신성이 향상되었기 때문에 3.5의 비교적 높은 연신비가 적용되었음에도 불구하고 비교적 우수한 사질을 가지면서도 8 g/d 이상의 높은 인장강도를 갖는 PET 원사가 제조되었다.
또한, 3000 mpm의 방사속도 및 2.0의 연신비를 적용하였을 때(실시예 2, 실시예 4, 비교예 2), 열선을 제거한 상태에서 방사 공정을 수행하였던 비교예 2의 경우에는 7.7 g/d의 낮은 인장강도를 갖는 PET 원사가 제조되었음에 반해, PET 수지가 구금으로부터 토출된 직후에 열선을 통해 순간적으로 가열된 실시예 2 및 4의 경우에는 2.0의 비교적 낮은 연신비가 적용되었음에도 불구하고 8 g/d 이상의 높은 인장강도를 갖는 PET 원사가 역시 제조되었다.
210: 익스트루더 220: 구금
230: 가열부 231: 열선
240: 냉각부 250: 집속부
260: 연신부 261: 제1 고뎃 롤러
262: 제2 고뎃 롤러 270: 와인더

Claims (15)

  1. 용융된 폴리에스테르 수지를 토출하기 위한 다수의 홀들을 갖는 구금;
    상기 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금의 홀들로부터 토출되면서 형성되는 다수의 필라멘트들을 가열할 수 있는 가열부; 및
    상기 가열된 필라멘트들을 냉각할 수 있는 냉각부를 포함하되,
    상기 가열부는 다수의 열선들을 포함하고,
    상기 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금의 홀들로부터 토출될 때, 상기 열선들은 상기 필라멘트들의 이동을 방해하지 않으면서 상기 필라멘트들 사이를 지나가도록 배열될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금의 홀들로부터 토출될 때, 상기 열선들은 그 길이방향이 상기 용융된 폴리에스테르 수지의 토출 방향에 수직이 되도록 배열될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구금의 적어도 일부를 감싸는 팩 바디(pack body)를 더 포함하고,
    상기 용융된 폴리에스테르 수지가 토출되는 상기 구금의 하단부가 상기 팩 바디로부터 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 팩 바디를 감싸는 방사블록(spinning block)을 더 포함하고,
    상기 가열부는 상기 방사블록의 하단부에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열선들의 배열은 가변적인(variable) 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각된 필라멘트들을 집속시켜 멀티필라멘트를 형성시킬 수 있는 집속부;
    상기 멀티필라멘트를 연신할 수 있는 연신부; 및
    상기 연신된 멀티필라멘트를 권취할 수 있는 와인더를 더 포함하는,
    폴리에스테르 원사의 제조장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 집속부는 상기 멀티필라멘트에 유제를 부여할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조장치.
  8. 폴리에스테르 수지를 방사하는 단계;
    상기 방사 단계에 의해 형성된 멀티필라멘트를 연신하는 단계; 및
    상기 연신된 멀티필라멘트를 권취하는 단계를 포함하되,
    상기 방사 단계는,
    용융된 폴리에스테르 수지를 구금을 통해 토출시킴으로써 다수의 필라멘트들을 형성하는 단계;
    상기 필라멘트들의 이동을 방해하지 않으면서 상기 필라멘트들 사이를 지나가도록 배열된 다수의 열선들로 상기 필라멘트들을 가열하는 단계; 및
    상기 가열된 필라멘트들을 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 용융된 폴리에스테르 수지가 상기 구금의 홀들로부터 토출될 때, 상기 열선들은 그 길이방향이 상기 용융된 폴리에스테르 수지의 토출 방향에 수직이 되도록 배열되고,
    상기 필라멘트들 각각은 상기 열선들 중 적어도 하나와 3 내지 10 mm 이격된 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    260 내지 320 ℃로 유지되는 팩 바디에 의해 상기 구금의 적어도 일부가 감싸지고,
    상기 용융된 폴리에스테르 수지가 토출되는 상기 구금의 하단부의 바로 아래 공간은 상기 열선들에 의해 가열되어 상기 팩 바디의 온도보다 높은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 구금의 하단부의 바로 아래 공간은 350 내지 500 ℃로 유지되는 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 방사 단계에서 방사 속도는 500 내지 4000 m/min이고,
    상기 연신 단계에서 연신비는 2 내지 4인 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 방사 단계는, 상기 냉각된 필라멘트들을 집속시켜 멀티필라멘트를 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 방사 단계는, 상기 멀티필라멘트에 유제를 부여하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 유제 부여 단계는 상기 멀티필라멘트 형성 단계와 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는,
    폴리에스테르 원사의 제조방법.
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