KR20170105746A - 고강도 합성섬유의 제조방법 및 그로부터 제조된 고강도 합성섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도 합성섬유의 제조방법 및 그로부터 제조된 고강도의 합성섬유에 관한 것이다.
본 발명은 용융방사공정에서 방사 시, 방사노즐 직하시 국부 가열방식을 최적화하되, 방사노즐 직하에서 방사되는 모든 섬유에 균일하게 고온의 열전달을 간접적으로 가열하고, 특히, 방사노즐의 홀 부근과 방사노즐의 직하에서 섬유를 이중으로 가열하여 열전달 방식을 최적화함으로써, 순각 국부고온가열에 의해 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 연신성을 향상시키고, 방사된 섬유의 연신성을 높임에 따라, 얻어진 섬유의 강도 및 신도등의 기계적 물성을 개선한다. 또한, 본 발명의 제조방법은 실제 상용화되는 방사노즐 설계와 용융방사공정 및 연신공정의 기존 공정을 활용하면서 기계적 물성을 개선하므로, 저비용으로 고성능의 섬유를 대량생산할 수 있다.

Description

고강도 합성섬유의 제조방법 및 그로부터 제조된 고강도 합성섬유{MANUFACTURING METHOD OF HIGH STRENGTH FIBER AND HIGH STRENGTH FIBER MANUFACTURED THEREBY}

본 발명은 고강도 합성섬유의 제조방법 및 그로부터 제조된 고강도 합성섬유에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용융방사공정에서 용융된 열가소성 고분자를 방사 시, 방사노즐 직하에 배치된 가열구역을 통해 용융상 섬유의 온도를 열분해가 일어나지 않는 짧은 시간 동안 팩바디 온도보다 고온으로 승온시켜 국부가열함으로써, 분자량 저하 없이 고분자 내 분자쇄 얽힘 구조를 효과적으로 제어하여 연신성을 향상시키고, 방사된 섬유의 연신성을 높임으로써, 강도 및 신도 등의 기계적 물성을 개선하고, 실제 상용화되는 방사노즐 설계와 용융방사공정 및 연신공정의 기존 공정을 활용하면서 기계적 물성을 개선하므로, 저비용으로 고성능의 섬유를 대량생산할 수 있는 고강도 합성섬유의 제조방법 및 그로부터 제조된 고강도 합성섬유에 관한 것이다.

상업화된 PET 제품 중 현재까지 알려진 최대강도는 1.1 GPa 정도이며, 이론적인 강도대비 최대 발현할 수 있는 강도가 다른 고강도 섬유(극한성능 파라계-아라미드(케블라, Kevlar) 섬유 약 2.9 GPa)대비, 1/3 수준인 3 내지 4%에 머물고 있다. 이에, 일반 의류나 생활용 또는 산업용 일부(타이어 코드) 섬유 소재를 제외한 극한성능이 요구되는 산업용 섬유 소재로 적용하기에는 한계가 있다.

상기와 같이, 비액정 열가소성 섬유인 PET와 나일론계 섬유는 액정 폴리머(LCP) 섬유인 PBO(자일론, Zylon), 파라계-아라미드(케블라)계 섬유보다 강도가 낮고, 이론대비 실제 강도를 극단적으로 올릴 수 없는데, 그 이유는 수지에서 섬유상으로 가공할 때 구조형성의 거동에서 차이가 있기 때문이다.

즉, 액정 폴리머(LCP)는 용액 상태에서 액정상의 구조를 이루고 있기 때문에 적절한 전단응력을 부여한다면, 방사 전후의 섬유구조 엔트로피 차이가 적어 대단히 높은 배향도 및 결정성을 가지는 섬유 구조로 형성하여 고강도 고성능 섬유로 제조할 수 있다.

반면에, PET와 나일론계 비액정 열가소성 폴리머는 용융 상태에서 고분자 사슬이 비결정의 랜덤 코일상으로 얽혀있는 복잡한 구조로 이루어져 있기 때문에, 방사노즐에서 고도의 전단응력 및 이후 연신비(드래프트 및 연신비율 등)를 부여하더라도, 랜덤 코일상으로 얽혀있는 구조로 인해, 완전한 배향 결정화(고강도화)가 상대적으로 어려운 문제가 있다. 이때, 방사 전후의 섬유구조 엔트로피간 큰 차이를 보인다.

한편, 범용 열가소성 고분자의 구조적으로 불리한 점에도 불구하고, 종래 대비 상대적으로 고강도의 PET 섬유를 개발할 수 있다면, 적용 시장 및 파급 효과가 대단히 크기 때문에, 최근 일본의 섬유업계를 중심으로 종래 범용 PET 섬유의 물성의 극대화 및 한계성능을 올리기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다.

그 일례로, 고강도 PET 섬유를 제조하는 연구로서, 초고분자량의 PET 수지를 이용하거나[Ziabicki, A., "Effect of Molecular Weight on Melt Spinning and Mechanical Properties of High-Performance Poly(ethylene terephthalate) Fibers", Text. Res. J., 1996, 66, 705-712; Sugimoto, M., et al., "Melt Rheology of Polypropylene Containing Small Amounts of High-Molucular-Weight Chain. 2. Uniaxial and Biaxial Extensional Flow", Macromol., 2001, 34, 6056-6063], 용융방사에 응고 욕조 기술을 적용하여 배향을 극대화하려는 연구[Ito M., et al., "Effect of Sample Geometry and Draw Conditions on the Mechanical Properties of Drawn Poly(ethylene terephthalate)", Polymer, 1990, 31, 58-63]가 보고되고 있다.

그러나, 상기 연구들은 고강도 PET 섬유를 개발하기 위한 실험실 규모의 접근방식인 점을 고려한다면, 물성향상의 효과에 비해 작업성 및 생산성의 한계로 인해 상용화는 이루어지지 않고 있다.

또한 최근 일본에서는 PET, 나일론 등의 범용 열가소성 고분자를 이용하여 용융방사 공정을 기반으로 제조비용이 2배이상 상승하지 않는 범위내에서 기존 섬유를 1.1GPa에서 2GPa의 강도로 고강도화하는 연구개발을 보고하고 있다.

나아가, 최종적으로 산업용 섬유로서 소비량이 가장 많은 타이어 코드에 빠른 시일내에 적용하고 실용화할 목적으로 추진되는 연구개발 분야로는 용융구조 제어기술, 분자량 제어기술, 연신/열처리기술 및 평가/분석기술이 있다.

특히, 이중에서 용융구조 제어기술은 종래 고화된 섬유의 분자배향 및 결정화를 통해 섬유구조의 형성 거동을 제어하여 섬유의 고강도화를 구현한 연구와는 달리, 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘(molecular entanglement) 구조를 제어하는 개념으로 접근하고 있으며, 비배향 무정형 섬유 내의 구조제어 및 거동을 규명함으로써, PET 섬유의 고강도화를 달성하고자 한다.

이에, 용융방사 공정에서 분자구조를 제어하기 위한 수단으로, 방사노즐 설계 및 레이저 히팅, 초임계 가스, 응고 욕조 등을 통해, 고강도 PET 섬유 개발을 보고하고 있다.

특히, 종래 용융방사공정시 방사노즐 설계의 방법으로 고강도 PET 섬유를 제공하는데 노즐 부근을 국부가열하는 방법의 일례로서, 도 7은 방사노즐의 직하 보온법에 의한 국부가열의 실시형태이고, 도 8은 상기 방사노즐의 직하 보온법의 실시형태 중 Ⅲ-Ⅲ선에 대한 절단 단면도를 나타낸다.

구체적으로는, 용융방사 공정에 있어서 방사노즐(100)은 100∼350℃의 열원이 제공되는 팩바디 히터(300)로부터 유지된 팩 바디(200)에 고정되고, 방사 후 멀티필라멘트가 상온∼400℃ 고온의 전기 히터를 일정한 거리에 균일하게 적용하도록 20∼200㎜의 어닐링 히터부(400)를 통과함으로써, 보다 저비용으로 고효율의 열전달이 가능하도록 한다.

그러나 상기 어닐링 히터(400)에 의한 섬유의 국부 가열은 가열 목적이 아니라, 노즐하부 홀(hole)간 균일한 온도를 유지시키기 위한 보온용도로서 홀간 온도 편차를 최소화함으로써 방사 작업성 및 품질 개선을 위해 적용될 뿐이고, 섬유와 히터 간의 거리가 멀고 섬유에 균일한 가열이 적용되지 않는다.

종래 용융방사 공정내 노즐 부근을 국부가열하는 또 다른 방법으로서, 방사 노즐의 홀 직경을 미세화하고 방사 노즐 직하에서 CO₂ 레이저를 조사함으로써, 연신 후 PET 섬유 강도가 1.68 GPa(13.7 g/den.)이고 신도 9.1%인 고성능 PET 섬유의 제조가 보고되어 있다[Masuda, M., "Effect of the Control of Polymer Flow in the Vicinity of Spinning Nozzle on Mechanical Properties of Poly(ethylene terephthalate) Fibers", Intern. Polymer Processing, 2010, 25, 159-169].

이에, 도 9는 방사노즐의 직하에 레이저조사에 의한 국부가열의 실시형태이고, 도 10은 상기 실시형태 중 Ⅳ-Ⅳ선에 대한 절단 단면도를 도시한 것이다.

구체적으로는, 방사 후 멀티필라멘트(112)에 CO₂ 레이저 조사부(410)을 통해 조사된 CO₂ 레이저에 의해 직접 가열하는 방식으로 방사노즐(100) 하부가 팩 바디(200) 하단으로 1∼3㎜ 돌출되고, 방사 직후 1∼10㎜ 위치에서 CO₂ 레이저가 조사된다.

그러나 방사노즐 직하에서의 레이저 히팅은 특정한 섬유 부위를 고온으로 가열하는 특징이 있으나, 수십에서 수만개의 홀이 있는 실제 상용화 방사 노즐에는 동시에 적용하기 어려운 한계가 있다.

이에, 본 발명자들은 고강도 합성섬유의 제조방법의 종래 문제점을 개선하고자 노력한 결과, 실제 상용화되는 방사노즐의 홀 부근과 방사노즐의 직하에서 섬유를 이중으로 가열하여 열전달 방식을 최적화함으로써, 용융상 섬유의 온도를 열분해가 일어나지 않는 짧은 시간 동안 팩바디 온도보다 고온으로 승온시켜 국부가열하여, 분자량 저하 없이 고분자 내 분자쇄 얽힘 구조를 효과적으로 제어하여 합성섬유의 강도 및 신도 등의 기계적 물성 개선을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 용융방사공정에서 방사 시, 방사노즐의 순간 국부가열방식을 최적화한 고강도 합성섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법을 통해 강도 및 신도를 개선한 고강도의 합성섬유를 제공하는 것이다.

열가소성 고분자를 적어도 하나 이상의 방사용 홀을 포함하는 방사구금을 통해 용융방사하여 섬유를 형성하고, 상기 용융상의 섬유가 방사노즐(10, 50) 직하에 배치된 가열구역(40, 80)에 통과되도록 하여 가열처리하고, 상기 가열처리된 섬유를 냉각시키고, 상기 냉각된 섬유를 연신 후 권취하되, 상기 가열구역(40, 80)이 방사노즐 홀 주변부에 홀형 타입(41a, 81a) 또는 띠형 타입(41b, 81b)으로 형성된 가열체에 의해 섬유를 국부가열하는 것으로 수행되는 고강도 합성섬유의 제조방법을 제공한다.

상기에서 본 발명에서 사용하는 바람직한 열가소성 고분자의 일례로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(PTT), 폴리사이클로헥산디메탄올 테레프탈레이트(PCT) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)으로 이루어진 군에서 선택되는 폴리에스테르계 고분자; 나일론 6, 나일론 6,6, 나일론 4 및 나일론 4,6에서 선택되는 폴리아미드계 고분자; 또는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌에서 선택되는 폴리올레핀계 고분자; 중에서 선택되는 어느 하나이다.

상기 제조방법에 있어서, 용융상의 섬유가 팩바디 온도(20, 60)보다 고온의 승온조건으로 유지된 가열체(41, 81)를 통과하되, 이때 가열체(41, 81)의 온도는 팩 바디 온도 대비 온도차가 0∼1,500℃ 이상으로 제공된다. 또한, 상기 팩 바디 (20, 60)의 온도는 50∼400℃로 유지된다.

상기 섬유가 방사노즐 홀 중심으로부터 1∼300㎜ 이내로 이격되도록 홀이 형성된 홀형 타입(41a, 81a)의 가열체에 통과되며, 이때, 홀형 타입(41a, 81a)의 가열체는 각 방사노즐 홀의 중심으로부터 360도 방향으로 동일한 거리에서 온도를 유지할 수 있다.

또한, 상기 섬유가 방사노즐 중심홀로부터 동일반경내에 복수개의 홀로 이루어진 홀층이 형성될 때, 이웃하는 홀층-홀층 사이에 삽입된 형태 또는 일렬 배열된 형태로 형성된 띠형 타입(41b, 81b)의 가열체에 통과되도록 한다. 이때, 띠형 타입(41b, 81b)의 가열체는 홀-홀이 180도 마주보고 상기 홀-홀간의 거리가 방사노즐의 홀 중심으로부터 1∼300m이내에서 대칭되도록 삽입된다.

본 발명의 바람직한 제1실시형태에 따른 가열구역(40)은 방사노즐 직하면에 1∼30㎜ 이내에 단열재층(43) 및 상기 가열체가 단열재층으로부터 1∼500㎜ 길이로 연장되며, 상기 단열재층의 두께와 가열체의 연장길이를 포함하여 섬유의 가열구역이 형성된 것이다. 이에, 방사 직후 고화전 용융상태의 열가소성 고분자를 간접(예: 복사) 가열하는 방식이다.

또한, 본 발명의 바람직한 제2실시형태의 가열구역(80)은 팩바디 하부를 기준으로 -50(팩바디 안으로 들어감)∼300mm(팩바디 안으로 나옴)로 위치한 노즐몸체(52) 하부와, 상기 노즐몸체(52)의 하부에, 접촉 또는 일부 삽입되는 가열체의 삽입깊이가 0∼50mm이고, 상기 노즐몸체(52)의 하부로부터 연장되는 가열체의 연장길이는 0∼500mm이며, 상기 노즐몸체의 하부에 일부 삽입된 가열체의 삽입깊이와, 상기 노즐몸체의 하부로부터 연장된 가열체의 연장길이를 포함하여 섬유의 가열구역이 형성된 것이다.

상기 제2실시형태의 가열구역(80)을 통해, 방사 전 방사노즐 내 홀 부근에서 용융된 고분자를 1차로 직접(예: 전도) 가열되도록 하고, 이어서 연장된 형성된 가열체에 의해, 방사후 노즐에서 토출된 고화전 용융상태의 열가소성 고분자를 2차로 간접(예: 복사) 가열하는 방식으로 수행된다.

또한, 상기 제2실시형태에서, 방사노즐의 하부에 홀 부근을 직간접 가열할 때, 노즐에 고온의 열 전달에 의해, 방사노즐(10, 50)의 홀(11, 51)내 용융 고분자의 열화를 방지하기 위하여, 팩바디 하부를 기준으로 -50(팩바디 안으로 들어감)∼300mm(팩바디 안으로 나옴)로 돌출된 구조로 설계된다.

이때, 상기 방사노즐에서 홀을 통과하는 폴리에스테르계 고분자의 체류시간을 3 초 이하, 유량을 적어도 0.01cc/min 이상, 방사노즐에서 홀 벽면의 전단속도(shear rate)를 500∼500,000/sec 로 최적화한다.

이때, 방사노즐(10, 50)의 홀(11, 51) 구조는 직경(D) 0.01∼5㎜, 길이(L) L/D 1이상, 피치(pitch) 1㎜ 이상이고, 원형단면 또는 이형단면인 것이다.

이상의 고강도 합성섬유의 제조방법에서 사용되는 방사노즐은 단독; 또는 시스코어형, 사이드바이사이드형 및 해도형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 복합방사용 노즐을 사용하여 섬유를 제조한다.

나아가 본 발명의 합성섬유의 제조방법으로부터 강도 및 신도의 기계적 물성이 개선된 고강도 합성섬유를 제공한다.

구체적으로는, 본 발명의 합성섬유의 제조방법으로부터 열가소성 고분자가 용융방사시 노즐직하에서 순간 국부 고온가열에 의해 팩바디 온도보다 높게 승온하여 가열한 이후 냉각 및 연신하되, 상기 국부 고온가열에도 불구하고 고분자의 열분해 문제가 발생하지 않고 물성고유의 점도를 유지하고, 강도 및 신도가 개선된 고강도 PET 섬유, 고강도 나일론 섬유 및 고강도 PP 섬유를 제공한다.

본 발명에 따른 고강도 합성섬유의 제조방법은 용융방사공정에서 방사 시, 방사노즐 직하시 가열방식을 최적화한 것으로서, 실제 상용화되는 방사노즐의 홀 부근과 방사노즐의 직하에서 고화전 용융상의 열가소성 고분자를 하나 또는 이중으로 가열하여 열전달 방식을 최적화함으로써, 용융상 섬유의 온도를 열분해가 일어나지 않는 짧은 시간 동안 팩바디 온도보다 고온으로 승온시켜 국부가열하여, 분자량 저하없이 고분자 내 분자쇄 얽힘 구조를 효과적으로 제어하여 연신성을 향상시킴으로써 강도, 신도 등의 기계적 물성 개선을 확인할 수 있다.

이에, 본 발명의 고강도 합성섬유의 제조방법은 용융방사공정 및 연신공정의 기존 공정을 활용하면서 기계적 물성을 개선함으로써, 초기 투자비를 낮추고, 대량생산 및 저비용으로 고성능의 섬유 생산이 가능하다.

따라서, 대량생산 및 저비용으로 인한 가격 경쟁력, 다양한 섬유 물성 제어를 바탕으로 타이어 코드, 자동차, 열차, 항공, 선박 등의 수송용 내장재, 토목 및 건축자재, 전자재료, 로프 및 그물 등의 해양용 및 군사용도에 유용하고 이외에, 경량 스포츠웨어 및 작업복, 군복, 가구 및 인테리어, 스포츠 용품 등의 의류 및 생활용도로도 유용하여, 광범위한 시장확보가 가능하다.

이외에도 PET 장섬유 및 단섬유, 부직포 등의 섬유 분야에도 적용 가능함은 물론이고, 이를 이용한 필름, 시트, 성형, 용기 등의 제조 분야에도 활용 가능할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 가열구역이 구비된 방사노즐의 확대도이고,
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이고,
도 3은 (a) 및 (b)는 제1실시형태의 변형예를 나타낸 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이고,
도 4는 본 발명의 제2실시형태에 따른 가열구역이 구비된 방사노즐의 확대도이고.
도 5는 도 4의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이고,
도 6은 (a) 및 (b)는 제2실시형태의 변형예를 나타낸 도 4의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이고,
도 7은 종래 방사노즐이 설치된 방사장치의 방사부 단면도이고,
도 8은 도 7의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이고,
도 9 는 다른 종래예의 방사노즐이 설치된 방사장치의 방사부 단면도이고,
도 10은 도 9의 Ⅳ-Ⅳ선에 대한 절단 단면도이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 열가소성 고분자를 적어도 하나 이상의의 방사용 홀을 포함하는 방사구금을 통해 용융방사하여 섬유를 형성하고,

상기 섬유가 방사노즐(10, 50) 직하에 배치된 가열구역(40, 80)에 통과되도록 하여 가열처리하고,

상기 가열처리된 섬유를 냉각시키고,

상기 냉각된 섬유를 연신 후 권취하되, 상기 가열구역(40, 80)이 방사노즐 홀 주변부에 홀형 타입(41a, 81a) 또는 띠형 타입(41b, 81b)으로 형성된 가열체에 의해 섬유를 국부가열하는 것으로 수행되는 고강도 합성섬유의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 제조방법은 원료 고분자는 범용의 열가소성 고분자 중에서 제한 없이 채용될 수 있으나, 더욱 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(PTT), 폴리사이클로헥산디메탄올 테레프탈레이트(PCT) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)으로 이루어진 군에서 선택되는 폴리에스테르계 고분자; 나일론 6, 나일론 6,6, 나일론 4 및 나일론 4,6에서 선택되는 폴리아미드계 고분자; 또는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌에서 선택되는 폴리올레핀계 고분자; 중에서 선택되는 어느 하나를 사용한다.

본 발명의 실시예에서는 바람직한 일례로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 나일론 6 및 폴리프로필렌에 대하여 설명하고 있으나, 이에 한정되지 아니할 것이다.

상기 방사 시, 섬유(F)가 방사노즐(10, 50) 직하에 배치된 가열구역(40, 80)을 통과하되, 방사노즐 홀에 직접적으로 열접촉(전달)이 되지 않도록, 홀 주변부에는 홀형 타입(41a, 81a) 또는 띠형 타입(41b, 81b)으로 형성된 가열체(nozzle-heating mantle)(41, 81)를 통과한다.

이하, 도면을 활용하여 설명하면, 도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 가열구역이 구비된 방사노즐의 확대도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서, 방사노즐(4)은 방사장치의 팩바디(20) 내에 설치되고, 팩바디(20)의 외측에는 팩바디 히터(30)가 설치되어 있다. 방사노즐(10)은 열가소성 수지를 용융방사하여 섬유(F)를 형성하는 다수개의 방사 홀(11)을 구비한 노즐몸체(12)와, 상기 노즐몸체(12)의 방사 홀(11) 하부에 배치되어 방사 후 섬유(F)를 가열하기 위한 가열수단을 포함한다.

노즐몸체(12)는 방사 홀(11)을 통해 용융상태의 열가소성 수지를 방사하여 섬유(F)를 형성하고, 상기 방사 후 섬유(F)가 가열수단을 통과하여 가열처리되며, 상기 가열처리된 섬유(F)를 냉각시키고 상기 냉각된 섬유(F)를 인라인(in-line) 연신기로 연신 후 권취하는 과정을 통해 열가소성 고분자 섬유를 제조하게 된다.

이때 상기 방사노즐(10) 직하의 가열수단은, 노즐몸체(12)의 방사 홀(11)과 동일한 구조와 개수로 이루어진 홀형 타입의 가열구멍(41a)을 형성한 가열체(41)로 이루어지고, 방사 후 섬유(F)는 상기 가열구멍(41a)을 각각 통과하도록 되어 있으며, 가열구멍(41a) 통과시 가열구멍(41a)에 직접적으로 접촉(예: 열전도) 하지 않도록 되어 있다.

이를 위해, 가열구멍(41a)의 안둘레면에서 섬유(F) 중심까지의 거리(a1)는 1∼300㎜ 이내, 더욱 바람직하게는 1∼100㎜ 범위로 설정하는 것이 바람직하고, 이러한 홀형 타입의 가열구멍(41a)은 가열구멍(41a)의 중심으로부터 360도 방향으로 동일한 거리에서 균일한 온도를 유지할 수 있다.

또한, 상기 가열구멍(41a)의 변형예로서, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 방사 홀(11)이 동심원상으로 배치된 방사노즐의 경우, 동심원상으로 배치된 복수개의 방사 홀(11)에서 방사되는 섬유(F)가 함께 통과하도록 원형으로 된 띠형 타입의 가열구멍(41b)을 형성하거나, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 방사 홀(11)이 일직선상으로 일렬로 배치된 방사노즐의 경우, 일렬로 배치된 복수개의 방사 홀(11)에서 방사되는 섬유(F)가 통과하도록 직선형으로 된 띠형 타입의 가열구멍(41b)으로 형성할 수 있다. 이외에도 도시하지는 않았지만, 노즐몸체(12)에 방사 홀(11)이 배치된 형태에 따라, 원호형, 산형 등 다양한 형태의 띠형 타입 가열구멍으로 설계하거나, 여러 형태의 가열구멍을 조합하여 설계할 수 있다.

띠형 타입의 가열구멍(41b)도 홀형 타입의 가열구멍(41a)과 마찬가지로, 안둘레면과 섬유(F) 중심까지의 거리(a1)를 1∼300㎜ 이내, 더욱 바람직하게는 1∼100㎜ 범위로 설정한다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 노즐몸체(12)와 가열체(41)는 상호 열전달 되지 않도록 하는 것이 바람직한 것으로, 이를 위해 상기 노즐몸체(12)와 가열체(41) 사이에 단열재층(43)을 구비한다.

노즐몸체(12)의 온도는 팩바디 히터(30)의 온도와 동일하다. 상기 단열재층(43)은 노즐몸체(12) 직하에 위치한 가열체(41)에서 제공하는 고온의 온도가 노즐몸체(12)에 전달되지 않도록 열 전달 차단의 기능을 수행하며, 이로써 열가소성 수지, 예를 들면 폴리에스테르계 고분자 수지로 이루어진 원료가 노즐몸체(12) 내에서 열화되어 물성이 저하되는 문제를 방지할 수 있다. 이때, 단열재층(43)에 대한 재질은 단열효과를 구현하는 공지된 단열재를 사용할 수 있고, 바람직하게는 유리 및 세라믹계 화합물을 포함하는 무기계의 고온내화 단열재를 사용한다.

단열재층(43)의 두께(a2)는, 노즐몸체(12)와 가열체(41) 사이의 거리가 1∼30㎜ 범위가 되도록 설정한다. 예를 들어 상기 두께(a2)가 30㎜를 초과하면, 노즐몸체(12)로부터 방사 후 형성되는 섬유(F)가 가열체(41)에 의해 열처리되기 전에 냉각되어 효과적인 용융구조 제어가 곤란하여 바람직하지 않다.

상기 가열체(41)의 연장길이(a3)는 단열재층(43)과의 접합면으로부터 1∼500㎜로 설정되며, 단열재층(43)의 두께(a2)와 가열체(41)의 연장길이(a3)를 포함하여 가열구역(40)이 형성된다.

즉, 제1실시형태의 가열구역(40)은 노즐몸체(12) 직하면에 1∼30㎜ 이내로 설정된 단열재층(43)의 두께(a2) 및 상기 단열재층(43)으로부터 1∼500㎜의 연장길이(a3)로 형성된 가열체(41)를 통과하면서, 방사 후 섬유(F)가 간접(예: 복사) 가열되는 방식이다.

이때, 노즐몸체(12) 직하에서부터 팩바디(20) 하단면까지의 거리(a4)를 1∼30㎜ 범위 이내로 설정함으로써, 상기 가열구역(40)에서 단열재층(43) 전체와 가열체(41)의 일부가 팩바디(20) 내에 위치하도록 한다. 이로써, 방사 직후 모든 섬유(F)에 간접(예: 복사) 가열되도록 함으로써, 생산성을 올릴 수 있다.

이상 설계된 제1실시형태에 도시된 가열체(41) 및 단열재층(43)을 포함하는 가열구역(40)은 실제 상용화되는 방사노즐(10)의 직하에 설계변경 없이 바로 적용 가능하므로 초기 투자비를 낮추고, 저비용으로 섬유의 생산성을 올릴 수 있다.

또한, 제1실시형태의 가열구역(40)은 방사 후 토출되는 섬유(F) 전체를 가열체(41)에 의해 일정 거리에서 균일하게 고온으로 순간 가열함으로써, 용융상의 고분자 내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하고, 단열재층(43)에 의해 고온의 열이 노즐몸체(12)의 방사 홀(11)에 전달되지 않도록 함으로써, 용융 고분자의 열화로 인한 물성저하를 방지할 수 있다. 이에, 이상의 제1실시형태의 가열구역(40)을 적용하여 섬유(F)를 형성할 때, 통상의 열가소성 수지가 제한 없이 적용가능하나, 더욱 바람직하게는 특히 열에 약한 고분자 수지 적용에 유리할 것이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 제2실시형태의 가열구역이 구비된 방사노즐의 확대도이고, 도 5는 도 4의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도로서, 도시된 바와 같이 제2실시형태에 따른 방사노즐(50)은 방사장치의 팩바디(60) 내에 설치되고, 팩바디(60)의 외측에는 팩바디 히터(70)가 설치되어 있다.

방사노즐(50)은 열가소성 수지를 용융방사하여 섬유(F)를 형성하는 다수개의 방사 홀(51)을 구비한 노즐몸체(52)와, 상기 노즐몸체(52)의 방사 홀(51) 하부에 배치되어 방사 후 섬유(F)를 가열하기 위한 가열수단을 포함한다.

제2실시형태에서의 상기 가열수단은, 노즐몸체(52)의 방사 홀(51)과 동일한 구조와 개수로 이루어진 홀형 타입의 가열구멍(81a) 또는 도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같은 띠형 타입의 가열구멍(81b)을 형성한 가열체(81)로 이루어지고, 방사 후 섬유(F)는 상기 가열구멍(81a 또는 81b)을 통과하도록 되어 있으며, 통과시 가열구멍(81a 또는 81b)에 직접적으로 접촉(예: 열전도)되지 않도록 되어 있다.

이러한 가열구멍(81a 또는 81b)은, 제1실시형태에서 설명된 가열구멍(41a 또는 41b)와 동일하므로, 구체적인 구성 설명을 생략한다.

다시 도 4를 참조하면, 제2실시형태에 따른 가열수단은 노즐몸체(52) 직하에 단열재층 없이 팩바디(60) 하부로부터 길이(b1)가 -50(팩내부)∼300(팩외부)mm로 위치한 노즐몸체(52)의 하부와, 상기 노즐몸체(52)의 하부 저면에 접촉 또는 삽입깊이(b2) 0∼50㎜로 삽입되고 노즐몸체(52)의 하부 저면으로부터 연장길이(b3) 0∼500mm의 길이로 연장된 가열체(81)로 이루어지며, 상기 노즐몸체(52)에 가열체(81)가 삽입된 삽입길이(b2)와, 노즐몸체(52)의 하부 저면으로부터 연장된 가열체(81)의 연장길이(b3)를 포함하여 가열구역(80)이 형성된다.

이때, 도 4의 부분확대도에서와 같이 노즐몸체(52)에 삽입된 가열체(81)의 상면과 이에 대향하는 노즐몸체(52)의 저면 사이에 0∼10mm의 틈새(b4)를 형성하여 가열체(81)부와 노즐몸체(52)의 표면이 직접 닿거나(틈새: 0mm) 최대 10mm의 틈새(b4)로 직간접(예: 전도 또는 복사)으로 가열되어 방사 전 노즐몸체(52) 내의 방사 홀(51) 부근에서 용융된 열가소성 수지를 1차로 직접(예: 전도) 가열되도록 한다.

따라서, 상기 가열구역(80)은, 방사 전 노즐몸체(52) 내 방사 홀(51) 부근에서 용융된 열가소성 수지를 방사노즐(52)의 하부에 삽입된 가열체(81)의 삽입길이(b2)와 틈새(b4)에 의해 1차로 직간접(예: 전도 또는 복사) 가열하고, 이어서 0∼500㎜ 길이로 연장된 가열체(81)의 연장길이(b3)에 의해, 방사 후 노즐몸체(52)에서 토출된 고화 전 용융상태의 섬유(F)를 2차로 간접(예: 복사) 가열하도록 되어 있다.

이상의 제2실시형태의 가열구역(80)은 실제 상용화되는 노즐몸체(52)에서 하단의 구조변경으로 인해 고온의 열을 노즐몸체(52)의 방사 홀(51) 부근에 직접 전달하고, 노즐몸체(52)의 직하에 형성된 가열체(81)에 의해 섬유(F)를 간접 가열하는 이중 가열의 열전달 방식으로 최적화함으로써, 순간 고온 가열에 의해 용융상의 고분자내 분자쇄 얽힘(molecular entanglement) 구조를 제어하여 얻어진 열가소성 고분자 섬유의 연신성을 향상시키고 냉각속도를 지연시킴으로써, 방사속도 및 연신속도를 증가시켜 생산성을 개선할 수 있다.

이에, 제2실시형태는 실제 상용화되는 노즐몸체(52) 하부 구조를 변경하고 바로 적용가능하므로 초기 투자비를 낮추고, 저비용으로 합성섬유의 생산성을 향상시킬 수 있다.

이상의 제1실시형태 및 제2실시형태의 가열수단에 있어서, 동일한 목적을 달성하기 위하여, 노즐몸체(12, 52)의 각 방사 홀(11, 51)을 통과하는 용융 고분자의 체류시간, 유량 및 전단속도의 최적화가 요구된다.

이에, 홀당 바람직한 용융 고분자의 체류시간은 3초 이하이고, 유량은 적어도 0.01cc/min 이상으로 수행되는 것이다. 이때, 폴리에스테르계 고분자의 경우 체류시간이 3초를 초과하면, 용융 고분자가 과도한 열에 장시간 노출되어 열화 문제가 발생하고, 유량이 0.01cc/min 미만이면, 이 또한 용융 고분자에 과도한 열이 노출되어 열화 문제가 발생하여 바람직하지 않다.

또한, 제1 및 제2실시형태의 노즐몸체(12, 52)에서 방사 홀(11, 51) 벽면의 전단속도(shear rate)는 500∼500,000/sec인 것이 바람직하며, 전단속도가 500/sec 미만이면, 낮은 전단응력에 의한 용융 고분자의 분자 배향 및 구조제어 효과가 감소하고, 500,000/sec를 초과하면, 용융 고분자의 점탄성 특성에 의한 용융파열(melt fracture)이 발생하여 섬유 단면의 불균일을 초래한다.

즉, 본 발명의 특징부인 가열체(41, 81)의 가열구멍(41a,41b,81a,81b)은 노즐몸체(12, 52)의 방사 홀(11, 51) 구조 및 개수와 동일하게 설계됨으로써, 방사 후 토출된 섬유(F)가 가열체(41, 81)를 그대로 통과하면서 국부 가열된다. 특히, 홀형 타입의 가열구멍(41a,81a)은 노즐몸체(12, 52)의 방사 홀(11, 51)의 구조를 유지하되, 그 안둘레면을 상기 노즐몸체(12, 52)의 방사 홀(11, 51) 중심으로부터 1∼300㎜이내로 이격시켜 형성함으로써, 각 노즐몸체(12, 52)의 방사 홀(11, 51) 중심으로부터 360도 방향으로 동일한 거리에서 온도를 유지한다[도 3 및 도 6 참조].

또한, 띠형 타입의 가열구멍(41b, 81b)은 노즐몸체(12, 52)의 방사 홀(11, 51)을 중심으로 180도 마주보는 선형 구조이고, 방사 홀(11, 51) 중심으로부터 1∼300m 이내에서 대칭되도록 형성한 구조이다[도 4 및 도 7 참조].

이때, 가열구멍(41a,41b,81a,81b)은 방사 후 통과되는 섬유(F)가 직접 열에 닿지 않는 간접 가열방식으로 설계되는 것으로, 가열구멍(41a,41b,81a,81b)의 크기가 노즐몸체(12, 52)의 방사 홀(11, 51) 중심으로부터 1㎜ 미만으로 근접하면, 가열체(41, 81)가 섬유(F)와 접촉될 가능성이 높아 가열체(41, 81)의 오염 및 섬유(F)의 사절이 발생하여 섬유 품질 및 작업성이 나빠지며 또한 과도한 열의 노출로 섬유(F)가 열화될 우려가 있으며, 300㎜를 초과하면, 섬유(F)에 충분한 열전달이 안되어 용용상 섬유 고분자 내 분자쇄 얽힘 구조 제어가 곤란하여 물성개선 효과가 낮아지므로 바람직하지 않다.

노즐몸체(12, 52)의 방사 홀(11, 51) 구조에 대하여 설명하면, 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 홀 직경(D)이 0.01∼5 mm이고, 홀 길이(L)가 L/D 1 이상이고, 노즐몸체 내의 홀(11, 51) 수는 1 이상이다.

또한, 방사 홀(11, 51)간 피치(pitch)는 1mm 이상이고, 방사 홀(11, 51) 단면은 본 발명의 실시예에서는 원형을 예시하고 있으나 이에 한정되지 않고 이형단면(Y, +, -, O 등)도 적용될 수 있다. 또한, 방사노즐(10, 50)을 포함하는 방사구금을 통해 시스-코어형, 사이드바이사이드형, 해도형 등, 2종 이상의 복합방사가 가능할 것이다.

본 발명의 가열체(41, 81)의 홀형 타입의 가열구멍(41a, 81a)은 노즐몸체(12, 52)의 방사 홀(11, 51) 구조와 개수가 동일하므로, 그에 따라 원형, 타원형, 사각형, 도넛형 등의 모든 형태의 홀 구조를 포함한다.

또한, 가열체(41, 81)는 통상의 전기 열선으로 적용될 수 있으며, 그 일례로, Cu계 및 Al계 주물히터, 전자기유도 인덕션 히터, 씨즈(sheath)히터, 플렌지(flange) 히터, 카트리지(cartridge) 히터, 코일(coil) 히터, 근적외선 히터, 카본 히터, 세라믹 히터, PTC 히터, 석영관 히터, 할로겐 히터, 니크롬선 히터 등에서 선택된 어느 하나에 의해 제공될 수 있다.

본 발명의 고강도 열가소성 섬유 제조용 방사노즐의 바람직한 제1, 2 실시형태에서 가열체(41, 81)는 팩바디(20, 60) 온도 대비 온도차가 0∼1,500℃로서, 팩바디(20, 60) 온도와 적어도 동일하거나 고온으로 제공된다.

또한, 노즐몸체(12, 52)는 팩바디 히터(30, 70) 열원으로부터 50∼400℃로 유지된 팩바디(20, 60)에 고정되며, 노즐몸체(12, 52)의 온도는 팩바디 히터(30, 70) 온도와 동일하거나 높다. 상기에서 팩바디(20, 60)의 온도가 50℃ 미만이면, 대부분의 수지가 용융되지 못하고 굳어 방사가 곤란하고, 400℃를 초과하면, 수지의 급격한 열분해로 인한 섬유의 물성저하가 발생하여 바람직하지 않다.

이때, 팩바디 히터(30, 70)의 온도는 전기 히터 또는 열매(熱媒)에 의해 조절될 수 있다.

이후, 용융된 폴리에스테르계 고분자가 방사노즐을 포함하는 방사구금을 통해 토출된 섬유를 형성한다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 가장 바람직한 일례로서, PET, Nylon 및 PP 섬유를 설명하고 있으나, 상기 소재에 제한되지 아니할 것이다. 또한, 상기 소재의 장섬유, 단섬유, 부직포 등의 섬유 분야에도 적용가능하고, 이외에 필름, 시트, 성형, 용기 등의 제조 분야에도 접목이 가능할 것이다.

이상의 제1, 2 실시형태의 방사노즐(10, 50)은 1종 이상의 열가소성 고분자를 원료로 적용한 용융방사공정에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 모노 필라멘트 단독 또는 복합방사 공정에 적용할 수 있으며, 방사속도 0.1∼200 m/min로 수행하여, 섬유직경 0.01∼3mm의 모노 필라멘트를 제공할 수 있다.

또한, 이상의 방사노즐 직하의 국부 가열방법은 용융 복합방사시 저속방사법(UDY, 100∼2000 m/min), 중저속방사법(POY, 2000∼4000 m/min), 고속방사법(HOY, 4000 m/min 이상), 방사 및 인라인(in-line) 연신공정(SDY)를 이용하여, 100 d/f 이하의 멀티필라멘트(장섬유) 단독 또는 복합방사 공정에 적용할 수 있다.

이외에도, 스테이플 파이버(단섬유) 단독 또는 복합방사 공정에 적용하여, 방사속도: 100∼3000 m/min로 수행하여 섬유직경 100 d/f 이하의 섬유를 제공할 수 있고, 방사속도 100∼6000 m/min 및 섬유직경 100 d/f 이하를 구현하는 부직포(Spun-bond 및 melt blown 등) 단독 및 복합방사 공정에 적용할 수 있다. 이외 고분자 수지 성형 및 압출 공정 등에도 적용할 수 있다.

이상의 본 발명의 용융방사공정에서 방사 시, 방사노즐 직하시 가열방식을 최적화한 고강도 합성섬유의 제조방법은 실제 상용화되는 방사노즐의 설계와, 용융방사공정 및 연신공정 등의 기존 공정을 활용하면서 물성을 개선함으로써, 초기 투자비를 낮추고, 대량생산 및 저비용으로 고성능의 섬유 생산이 가능하다.

이에, 본 발명은 열가소성 고분자가 원료로 사용하고 용융방사시 방사노즐 직하에 배치된 가열구역을 통해 용융상 섬유의 온도를 열분해가 일어나지 않는 짧은 시간 동안 팩바디 온도보다 고온으로 승온시켜 국부가열함으로써, 상기 고온가열에도 불구하고 분자량 저하없이 물성고유의 점도를 유지하고, 강도 및 신도가 개선된 고강도 합성섬유를 제공할 수 있다.

이에, 본 발명은 상기의 제조방법을 통해 제조되되, 강도가 11g/d이상을 충족하는 고강도 PET 섬유를 제조할 수 있다.

특히, 본 발명은 고유점도(I.V.)가 0.5 내지 3.0, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.5를 가지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 고분자가 용융방사시 노즐직하 순간 국부 고온가열방식에 의해 가열 후 방사, 연신 및 냉각됨으로써 얻어지는, 신도가 5% 이상이면서 하기 수학식 1에 의해 산출되는 강도 이상의 물성을 충족하는 고강도 PET 섬유를 제공한다[표 1 및 표 2].

수학식 1

강도(tensile strength, g/d)= 15.873 × PET 섬유의 고유점도(I.V.) - 3.841

상기 PET 섬유의 고유점도 (I.V.) 측정법은 페놀과 1,1,2,2-테트라클로로에탄을 6:4(무게비)로 혼합한 시약(90)에 시료 0.1g을 농도가 0.4g/100㎖ 되도록 90분간 용해시킨 후 우베로데(Ubbelohde) 점도계에 옮겨 담아 30 항온조에서 10분간 유지시키고, 점도계와 애스피레이터(Aspirator)를 이용하여 용액의 낙하초수를 구한다. 솔벤트의 낙하초수도 상기와 같은 방법으로 구한 아래의 R.V.값 및 I.V.값(빌메이어 근사식)의 산출식에 의해 계산하였다.

R.V. = 시료의 낙하초수/솔벤트 낙하초수

I.V. = (R.V.-1)/4C + 3ln(R.V.)/4C (상기 C: 농도(g/100㎖)임)

이에, 본 발명의 용융방사시 노즐직하 순간 국부 고온가열방식에 의해, 다양한 고유점도(I.V.)를 가지는 폴리에스테르 섬유군을 대상으로 기존의 각 섬유의 고유점도(I.V.)에서 얻을 수 없었던 상대적으로 높은 물성의 고강도 폴리에스테르 섬유들을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기의 제조방법을 통해 제조되되, 강도가 10.5g/d 이상을 충족하는 고강도 나일론 섬유를 제조할 수 있다.

특히, 본 발명은 상대점도(Rv) 2.0 내지 5.0, 더욱 바람직하게는 2.5 내지 3.5를 가지는 나일론(Nylon) 고분자가 용융방사시 노즐직하 순간 국부 고온가열방식에 의해 가열 후 방사, 연신 및 냉각됨으로써, 신도가 5% 이상이면서 하기 수학식 2 에 의해 산출되는 강도 이상의 물성을 충족하는 고강도 나일론 섬유를 제공한다[표 3].

수학식 2

강도(tensile strength, g/d)= 8.6 × Nylon 섬유의 상대점도(Rv) - 14.44

상기 Nylon 섬유의 상대점도(R.V.) 측정법은 황산 96%에 시료 0.1g을 농도가 0.4g/100ml로 되도록 90분 동안 용해시킨 후, 우베로드(Ubbelohde) 점도계에 옮겨담아 30 항온조에서 10분 동안 유지시키고, 점도계와 흡인장치(aspirator)를 이용하여 용액의 낙하초수를 구하였다. 용매의 낙하초수도 동일한 방법으로 구한 다음, 하기 R.V.값의 산출식에 의해 계산하였다.

R.V. = 시료의 낙하초수/용매의 낙하초수

이에, 본 발명의 용융방사시 노즐직하 순간 국부 고온가열방식에 의해, 다양한 상대점도(Rv)를 가지는 폴리아미드계 섬유군을 대상으로 기존의 각 섬유의 상대점도(Rv)에서 얻을 수 없었던 상대적으로 높은 물성의 고강도 폴리아미드계 섬유들을 제공할 수 있다.

나아가, 본 발명은 상기의 제조방법을 통해 제조되되, 강도가 10.0g/d 이상을 충족하는 고강도 PP 섬유를 제조할 수 있다.

특히, 본 발명은 용융점도(MFI) 3 내지 200, 바람직하게는 10 내지 35를 가지는 폴리프로필렌(PP) 고분자가 용융방사시 노즐직하 순간 국부가열방식에 의해 가열 후 방사, 연신 및 냉각됨으로써, 신도가 5% 이상이면서 하기 수학식 3 에 의해 산출되는 강도 이상의 물성을 충족하는 고강도 PP 섬유를 제공한다[표 4].

수학식 3

강도(tensile strength, g/d) = -0.225 × PP 섬유의 용융점도(MFI) + 12.925

상기 PP 수지 및 섬유 용융점도(MFI, Melt Flow Index) 측정법은 ASTM D1238 (MFI 230/2) 법에 따라 얻어지되, 구체적으로는 PP 수지를 230℃에서 6분정도 녹인 후, 직경 2mm의 노즐로 2.16kg의 추로 압력을 가하여 10분 동안 토출되어 나온 수지의 중량(g/10min)을 측정한다.

이에, 본 발명의 용융방사시 노즐직하 순간 국부 고온가열방식에 의해, 다양한 용융점도(MFI)를 가지는 폴리올레핀계 섬유군을 대상으로 기존의 각 섬유의 용융점도(MFI)에서 얻을 수 없었던 상대적으로 높은 물성의 고강도 폴리올레핀계 섬유들을 제공할 수 있다.

본 발명은 이상의 제조방법으로부터 고강도 합성섬유를 제공함으로써, 대량생산 및 저비용으로 인한 가격 경쟁력, 다양한 섬유 물성 제어를 바탕으로 타이어 코드, 자동차, 열차, 항공, 선박 등의 수송용 내장재, 토목 및 건축자재, 전자재료, 로프 및 그물 등의 해양용 및 군사용도에 유용하고, 이외에, 경량 스포츠웨어 및 작업복, 군복, 가구 및 인테리어, 스포츠 용품 등의 의류 및 생활용도로도 유용하여, 광범위한 시장확보가 가능하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1> 제1실시형태의 가열방식에 의한 고강도 PET 섬유 제조

폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지(고유점도 1.20 ㎗/g)를 압출기에 넣어 용융 압출하고 300℃ 온도의 방사노즐에 유입시켰다. 이때, 팩바디(pack-body heater) 열원으로부터 방사노즐과 동일온도로 유지된 팩바디에 감싸진 형태에서 방사하여 미연신 및 부분연신 PET 섬유를 제조하였다. 이때, 상기 방사노즐 직하에 단열재층(43) 및 상기 방사노즐와 동일 홀 구조와 개수로 제작된 히터를 노즐 하단부로부터 5mm 및 10㎜ 길이로 각각 배치하여, 토출 직후의 섬유를 간접 가열방식의 가열구역(40)을 형성하였다. 상기 단열재층(43) 및 히터로 이루어진 가열체(41)는 상기 방사노즐의 각 홀의 중심부에서 10㎜보다 큰 반경을 가지는 복수 개의 홀로 형성되어, 방사후 토출구로부터 토출된 섬유가 그대로 통과되면서 단열재층(43) 및 히터로 이루어진 가열체(41)에 직접 닿지 않으면서 열 전달될 수 있도록 설계되었다.

(1) 방사 조건

- 사용 수지: PET (I.V. 1.20)

- 방사온도(노즐온도): 300℃

- 방사노즐 홀 직경: Φ 0.5

- 방사노즐 홀당 토출량: 3.3g/min

- 노즐직하 국부가열 히터 온도: 노즐온도 + 100℃ 이상

- 방사속도: 0.5∼2 k/min

< 실시예 2> 제2실시형태의 가열방식에 의한 고강도 PET 섬유 제조

폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지(고유점도 1.20 ㎗/g)를 압출기에 넣어 용융 압출하고 297℃ 온도의 방사노즐에 유입시켰다. 이때, 팩바디(pack-body heater) 열원으로부터 방사노즐과 동일온도로 유지된 팩바디에 감싸진 형태에서 방사하여 미연신 및 부분연신 PET 섬유를 제조하였다. 상기 방사노즐 하부는 팩바디 하부로부터 2mm 돌출되었으며, 단열재 없이 노즐 하단부로부터 5mm 이내 거리에 상기 방사노즐과 동일 홀 구조와 개수로 제작된 히터로 이루어진 가열체(81)를 20㎜ 길이로 배치하여, 토출 직후의 섬유를 직/간접 가열방식의 가열구역(80)을 형성하였다. 상기 히터로 이루어진 가열체(81)는 방사노즐의 각 홀의 중심부에서 10㎜보다 큰 반경의 홀이 복수 개 형성되어, 각 방사노즐의 토출구로부터 토출된 섬유와 히터가 직접 닿지 않으면서 열전달될 수 있도록 설계되었으며, 상기 방사노즐의 하단부 5㎜ 이내 지점에 직접 열전달되도록 하였다. 이때, 방사조건은 상기 실시예 1과 동일하게 수행하고 그 결과를 표 1에 기재하였다.

상기 표 1의 결과, 노즐직하 국부 고온가열을 통해 제조된 실시예 1 및 실시예 2의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지는 방사공정 동안 섬유의 고유점도 변화가 없었으므로, 열분해 문제가 발생하지 않았음을 뒷받침한다.

또한, 상기의 실시예 1 및 실시예 2의 PET 수지는 강도 및 신도의 섬유 물성이 노즐직하 국부 고온가열 없이 수행되는 종래방법으로부터 얻은 섬유의 물성보다 높은 결과를 확인하였다. 이에, 노즐직하 국부 고온가열에 의한 분자쇄 얽힘 제어로 물성이 향상됨을 확인하였다.

특히, 강도 및 신도의 섬유 물성의 향상측면에서 제2실시형태의 경우가 더욱 향상되었으므로, 용융수지를 직간접으로 국부가열하는 방식이 바람직함을 확인하였다. 또한, 향후 보다 고온으로 가열시 강도가 추가적으로 개선될 수 있는 가능성도 확인하였다.

< 실시예 3∼4> 제2실시형태의 가열방식에 의한 고강도 PET 섬유 제조

제2실시형태의 노즐직하 국부 고온가열 방식을 수행하되, 표 2에서 제시된 바와 같이 PET 수지의 고유점도를 달리하고, 하기의 저속방사 및 오프라인 연신을 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 고강도 PET 섬유를 제조하였다.

(1) 방사 조건

- 사용 수지: PET (I.V. 0.65 및 1.20)

- 방사온도(노즐온도): 280∼300℃

- 방사노즐 홀 직경: Φ 0.5

- 방사노즐 홀당 토출량: 3.3g/min

- 노즐직하 국부가열 히터 온도: 노즐온도 + 100℃ 이상

- 방사속도: 1k/min

(2) 오프라인 연신 조건

- 미연신사: 상기 방사 조건에서 얻은 PET as-spun 섬유

- 1st 고뎃 롤(godet roll) 속도 (온도): 10m/min (85℃)

- 연신단수: 3단 이상

- 절사되지 않고 연속으로 연신 가능한 최대 연신비에서 연신사 샘플링 실시(열고정온도 130∼180℃)

상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 고유점도 0.65 및 1.2의 PET 수지를 노즐직하 순간 국부 고온가열을 통해 제조된 실시예 3∼4의 섬유와 노즐직하 국부 고온가열 없이 수행되는 것을 제외하고는 동일하게 수행된 비교예 2∼3의 섬유는 방사공정 동안 고유점도 변화가 관찰되지 않았다. 이에, 노즐직하 순간 국부 고온가열을 통해 열분해 문제가 발생되지 않았음을 뒷받침한다.

또한, 강도 및 신도의 섬유물성 결과, 실시예 3∼4에서 제조된 미연신사(as-spun사) 및 연신사의 섬유 물성치가 노즐직하 국부 고온가열 없이 수행되는 것을 제외하고는 동일하게 수행된 비교예 2∼3의 섬유대비, 높은 결과를 보였다. 이러한 결과로부터, 저분자량 및 고분자량 PET 수지 모두 노즐직하 국부 고온가열에 의한 분자쇄 얽힘 제어로 물성 향상을 확인하였다.

특히, 실시예 3∼4의 연신사의 경우, 저분자량 및 고분자량 PET 섬유 모두 기존 비교예 2∼3 대비 동일한 신도에서 강도가 10% 이상 향상되었다.

< 실시예 5∼6> 제2실시형태의 가열방식에 의한 고강도 Nylon 섬유 제조

상대점도 2.6 및 3.4의 Nylon 6 수지(Rv 3.4)를 압출기에 넣어 용융 압출하고 270℃ 온도의 방사노즐에 유입하고, 제2실시형태의 노즐직하 국부 고온가열 방식을 방사 시, 가열처리하고 아래의 저속방사 및 오프라인 연신을 수행하여 Nylon 6 섬유를 제조하였다. 다만, 노즐직하 국부 고온가열 방식을 수행하지 않는 것을 제외하고는, 동일한 방식으로 비교예 4∼5를 수행하였다. 그 결과를 표 3에 기재하였다.

(1) 방사 조건

- 사용 수지: Nylon 6 (Rv 2.6 및 3.4)

- 방사온도(노즐온도): 250∼270℃

- 방사노즐 홀 직경: Φ 0.5

- 방사노즐 홀당 토출량: 3.3g/min

- 노즐직하 국부가열 히터 온도: 노즐온도 + 100℃ 이상

- 방사속도: 1k/min

(2) 오프라인 연신 조건

- 미연신사: 상기 방사 조건에서 얻은 Nylon 6 as-spun 섬유

- 1st 고뎃 롤(godet roll) 속도 (온도): 10m/min (85℃)

- 연신단수: 3단 이상

- 절사되지 않고 연속으로 연신능한 최대 연신비에서 연신사 샘플링 실시(열고정온도 130∼180℃)

상기 표 3의 결과로부터, 상대점도(Rv) 2.6 및 3.4의 Nylon 6 수지를 이용하여 노즐직하 순간국부가열을 통해 제조된 실시예 5∼6의 섬유와 노즐직하 국부 고온가열 없이 수행되는 것을 제외하고는 동일하게 수행된 비교예 4∼5의 섬유는 방사공정동안 상대점도 차이가 없이 동일하게 관찰되었다. 이에, 노즐직하 순간 국부 고온가열을 통해 열분해 문제가 발생되지 않았음을 뒷받침한다.

또한, 강도 및 신도의 섬유물성 결과, 상대점도(Rv) 2.6 및 3.4의 Nylon 6 수지를 이용하여 노즐직하 국부 고온가열 하여 얻은 실시예 5∼6의 미연신사(as-spun사) 및 연신사의 섬유 물성치가 비교예 4∼5 섬유대비, 높은 결과를 보였다. 이러한 결과로부터, 저분자량 및 고분자량 Nylon 수지 모두 노즐직하 국부 고온가열 에 의한 분자쇄 얽힘 제어로 물성 향상을 확인하였다.

특히, 실시예 5∼6의 연신사의 경우, 저분자량 및 고분자량 Nylon 6 섬유 모두 기존 비교예 4∼5 대비 동일한 신도에서 강도가 10%이상 향상되었다.

< 실시예 7∼8> 제2실시형태의 가열방식에 의한 고강도 PP 섬유 제조

용융점도(MFI) 33 및 12의 PP 수지를 압출기에 넣어 용융 압출하고 270℃ 온도의 방사노즐에 유입하고, 제2실시형태의 노즐직하 국부 고온가열 방식을 방사 시, 가열처리하고 아래의 방사 및 연신조건에 따라 수행하여 PP 섬유를 제조하였다. 다만, 노즐직하 국부 고온가열 방식을 수행하지 않는 것을 제외하고는, 동일한 방식으로 비교예 6∼7를 수행하였다. 그 결과를 표 4에 기재하였다.

(1) 방사 조건

- 사용 수지: PP (MFI(190/5) 33 및 12)

- 방사온도(노즐온도): 210∼270℃

- 방사노즐 홀 직경: Φ 0.5

- 방사노즐 홀당 토출량: 3.3g/min

- 노즐직하 국부가열 히터 온도: 노즐온도 + 100℃ 이상

- 방사속도: 1k/min

(2) 오프라인 연신 조건

- 미연신사: 상기 방사 조건에서 얻은 PP 섬유

- 1st 고뎃 롤(godet roll) 속도 (온도): 10m/min (85)

- 연신단수: 3단이상

- 절사되지 않고 연속으로 연신 가능한 최대 연신비에서 연신사 샘플링 실시(열고정온도 130∼180℃)

상기 표 4의 결과로부터, 용융점도(MFI) 33 및 12의 PP 수지를 이용하여 노즐직하 순간 국부 고온가열을 통해 제조된 실시예 7∼8의 섬유와 노즐직하 국부 고온가열 없이 수행되는 것을 제외하고는 동일하게 수행된 비교예 6∼7의 섬유는 방사공정 동안 고유점도 변화가 관찰되지 않았다. 이에, 노즐직하 순간 국부 고온가열을 통해 열분해 문제가 발생되지 않았음을 뒷받침한다.

또한, 강도 및 신도의 섬유물성 결과, 용융점도(MFI) 33 및 12의 PP 수지를 이용하여 노즐직하 국부 고온가열 하여 얻은 실시예 7∼8의 미연신사(as-spun사) 및 연신사의 섬유 물성치가 비교예 6∼7 섬유대비, 높은 결과를 보였다. 이러한 결과로부터, 저분자량 및 고분자량 PP 수지 모두 노즐직하 국부 고온가열에 의한 분자쇄 얽힘 제어로 물성 향상을 확인하였다.

특히, 실시예 7∼8의 연신사의 경우, 저분자량 및 고분자량 PP 섬유 모두 기존 비교예 6∼7 대비 동일한 신도에서 강도가 10% 이상 향상되었다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 제조방법은 용융방사공정에서 방사 시, 방사노즐 직하시 가열방식을 최적화한 것으로서, 실제 상용화되는 방사노즐의 홀 부근과 방사노즐의 직하에서 멜티필라멘트를 이중으로 가열하여 열전달 방식을 최적화함으로써, 순간 고온 가열에 의해 용융상 고분자의 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 섬유의 연신성을 향상시킴으로써, 강도 및 신도를 개선하였다.

본 발명의 고강도 합성섬유의 제조방법은 용융방사공정 및 연신공정 등의 기존 공정을 활용하면서 물성을 개선함으로써, 초기 투자비를 낮추고, 대량생산 및 저비용으로 고성능의 섬유 생산이 가능하다.

이에, 열가소성 고분자 중 PET, Nylon및 PP 섬유를 포함하는 고강도의 합성섬유군을 제공함으로써, 타이어 코드, 자동차, 열차, 항공, 선박 등의 수송용 내장재, 토목 및 건축자재, 전자재료, 로프 및 그물 등의 해양용 및 군사용도에 유용하고 이외에, 경량 스포츠웨어 및 작업복, 군복, 가구 및 인테리어, 스포츠 용품 등의 의류 및 생활용도로도 유용하여, 광범위한 시장확보가 가능하다.

특히 고강도의 PET 섬유를 제공함으로써, PET 장섬유 및 단섬유, 부직포 등의 섬유 분야에 적용가능하고, 이를 이용한 필름, 시트, 성형, 용기 등의 제조 분야에도 활용될 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10,50: 방사노즐 11,51: 방사용 홀
12,52: 노즐몸체 20,60: 팩바디(Pack-Body)
30,70: 팩바디 히터(Pack-Body Heater)
40, 80: 가열구역 41,81: 가열체
41a, 41b, 81a, 81b: 가열구멍 43: 단열재층
F: 섬유

Claims (15)

1. 열가소성 고분자를 적어도 하나 이상의 방사용 홀을 포함하는 방사구금을 통해 용융방사하여 섬유를 형성하고,
   상기 용융상의 섬유가 방사시에 방사노즐(10, 50) 직하에 배치된 가열구역(40, 80)에 통과되도록 하여 가열처리하고,
   상기 가열처리된 섬유를 냉각시키고,
   상기 냉각된 섬유를 연신 후 권취하되,
   상기 가열구역(40, 80)이 방사노즐 홀 주변부에 홀형 타입(41a, 81a) 또는 띠형 타입(41b, 81b)으로 형성된 가열체(41, 81)에 의해 섬유를 국부가열하는 것을 특징으로 하는 고강도 합성섬유의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 고분자가 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(PTT), 폴리사이클로헥산디메탄올 테레프탈레이트(PCT) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)으로 이루어진 군에서 선택되는 폴리에스테르계 고분자; 나일론 6, 나일론 6,6, 나일론 4 및 나일론 4,6에서 선택되는 폴리아미드계 고분자; 또는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌에서 선택되는 폴리올레핀계 고분자; 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고강도 합성섬유의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 용융상의 섬유가 팩 바디(20, 60) 온도 대비 온도차가 0∼1,500℃인 가열체(41, 81)를 통과하여 순간 국부 고온가열된 것을 특징으로 하는 고강도 합성섬유의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 팩 바디(20, 60) 온도가 50∼400℃의 온도로 유지된 것을 특징으로 하는 고강도 합성섬유의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 섬유가 방사노즐 홀 중심으로부터 1∼300㎜이내로 이격되도록 홀이 형성된 홀형 타입(41a, 81a)의 가열체에 통과되도록 한 것을 특징으로 하는 고강도 합성섬유의 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 섬유가 방사노즐 중심홀로부터 동일반경내에 복수개의 홀로 이루어진 홀층이 형성될 때, 이웃하는 홀층-홀층 사이에 삽입된 형태 또는 일렬 배열된 형태로 형성된 띠형 타입(41b, 81b)의 가열체에 통과되도록 한 것을 특징으로 하는 고강도 합성섬유의 제조방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 가열구역(40)이 방사노즐 직하면에 1∼30㎜ 이내에 단열재층(43) 및 상기 가열체가 단열재층으로부터 1∼500㎜ 길이로 연장되며, 상기 단열재층의 두께와 가열체의 연장길이를 포함하여 섬유의 가열구역이 형성된 것을 특징으로 하는 고강도 합성섬유의 제조방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 가열구역(80)이 팩바디 하부를 기준으로 -50(팩바디 안으로 들어감)∼300mm(팩바디 안으로 나옴)로 위치한 노즐몸체(52) 하부와, 상기 노즐몸체(52)의 하부에, 접촉 또는 일부 삽입되는 가열체의 삽입깊이가 0∼50mm이고, 상기 노즐몸체(52)의 하부로부터 연장되는 가열체의 연장길이는 0∼500mm이며, 상기 노즐몸체의 하부에 일부 삽입된 가열체의 삽입깊이와, 상기 노즐몸체의 하부로부터 연장된 가열체의 연장길이를 포함하여 섬유의 가열구역이 형성된 것을 특징으로 하는 고강도 합성섬유의 제조방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 방사노즐(10, 50)에서 각 홀(11, 51)을 통과하는 용융된 열가소성 고분자의 체류시간이 3 초 이하이고, 유량이 적어도 0.01cc/min 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 합성섬유의 제조방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 방사노즐(10, 50)에서 홀(11, 51) 벽면의 전단속도(shear rate)가 500∼500,000/sec 인 것을 특징으로 하는 고강도 합성섬유의 제조방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 방사노즐(10, 50)의 홀(11, 51) 의 구조가
    직경(D) 0.01∼5㎜,
    길이(L) L/D 1이상,
    피치(pitch) 1㎜ 이상 및
    단면이 원형 또는 이형 단면인 것을 특징으로 하는 고강도 합성섬유의 제조방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 방사노즐(10, 50)이 단독; 또는 시스코어형, 사이드바이사이드형 및 해도형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 복합방사용 노즐;인 것을 특징으로 하는 고강도 합성섬유의 제조방법.
13. 고유점도(I.V.) 0.5 내지 3.0을 가지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 고분자가 용융방사시 노즐직하 국부가열 방식에 의해 가열 후 방사, 연신 및 냉각되어, 신도가 5% 이상이고 하기 수학식 1에 의해 산출되는 강도 이상의 물성을 충족하는 고강도 PET 섬유.
    수학식 1
    강도(tensile strength, g/d)= 15.873 × PET 섬유의 고유점도(I.V.) - 3.841
14. 상대점도(Rv) 2.0 내지 5.0을 가지는 나일론(Nylon) 고분자가 용융방사시 노즐직하 국부가열 방식에 의해 가열 후 방사, 연신 및 냉각되어, 신도가 5% 이상이고 하기 수학식 2에 의해 산출되는 강도 이상의 물성을 충족하는 고강도 나일론 섬유.
    수학식 2
    강도(tensile strength, g/d)= 8.6 × Nylon 섬유의 상대점도(Rv) - 14.44
15. 용융점도(MFI) 3 내지 200를 가지는 폴리프로필렌(PP) 고분자가 용융방사시 노즐직하 국부가열방식에 의해 가열 후 방사, 연신 및 냉각되어, 신도가 5% 이상이고 하기 수학식 3에 의해 산출되는 강도 이상의 물성을 충족하는 고강도 PP 섬유.
    수학식 3
    강도(tensile strength, g/d) = -0.225 × PP 섬유의 용융점도(MFI) + 12.925

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