KR20170109243A - 열가소성 섬유질 재료 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20170109243A
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마리야 유보넨
투오모 흐옐트
유카 케토야
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테크놀로지안 투트키무스케스쿠스 브이티티 오와이
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Abstract

본 발명은, 물 및 하나 이상의 발포제를 포함하는 하나 이상의 발포액을 형성하는 단계, 상기 물 및 하나 이상의 발포제를 포함하는 하나 이상의 발포액에, 장섬유를 포함하는 섬유를 분산시켜 분산물을 형성하는 단계, 상기 분산물을, 하나 이상의 열가소성 중합체를 포함하는 발포 가능한 액체 또는 분산물에 혼합하는 단계, 하나 이상의 발포 분산물을 형성하는 단계, 및 상기 발포 분산물 또는 분산물들을 다공성 지지체(foraminous support)로 옮기고, 상기 다공성 지지체를 통하여 액체를 배수하여 웹(web) 또는 시트를 형성하여, 열가소성 섬유질 재료를 얻는 단계를 포함하는 열가소성 섬유질 재료의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 상기 방법에 의해 얻을 수 있는 재료 및 제품(product), 및 이에 관련된 용도에 관한 것이기도 하다.

Description

열가소성 섬유질 재료 및 이의 제조방법
본 발명은, 열가소성 섬유질 재료 또는 제품(product), 상기 열가소성 섬유질 재료의 제조방법, 및 열가소성 섬유질 물품(article)을 제조하기 위한 상기 열가소성 섬유질 재료의 용도에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 열가소성 섬유질 재료의 신율(elongation)을 개선하기 위한 장섬유의 용도에 관한 것이다. 딥-드로잉(deep-drawing) 적용에 적합한 열가소성 섬유질 재료 또는 웹(web), 종이 웹 또는 판지 웹, 또는 종이 시트 또는 판지 시트 등이 얻어질 수 있다.
성형 가능한 열가소성 웹의 제조에 있어서, 섬유, 특히 목재 섬유의 활용이 제한되며, 그 이유는 일반적으로 웹 기반 섬유는 성형성 성질이 부족한 것으로 생각되기 때문이다. 특히, 이러한 섬유질 재료의 신율은 충분하지 않다. 목재 섬유로부터의 섬유질 네트워크의 신율은 일반적으로 매우 낮다(2 내지 4%). 이러한 수준의 신율은, 딥-드로잉 방법에 의해 웹이 3D 물체로 전환되는 적용을 위해서는 너무 낮다.
성형 가능한 섬유질 제품, 예를 들어 성형 가능한 펄프 재료는 일반적으로 계란 케이스, 소형 공작 기계 포장, 육묘 용기, 소형 전자 장치용 포장 등을 포함하는 소형 포장용 포장 재료로 사용된다. 이러한 성형 가능한 펄프 재료로 형성된 성형 제품은, 일반적으로 폐지, 예를 들어 신문으로부터 제조된 성형 가능한 펄프 슬러리를 다공성 금형 또는 메쉬 스크린을 갖는 금형에 적용한 후, 상기 성형 가능한 펄프 슬러리의 도포된 층을 다수의 단계로 탈수, 압착, 및 건조시켜서 제조된다. 이러한 성형 제품의 시각적 외관은, 이들이 웹 형태로 제조되지 않았고, 따라서 이들은 고품질의 다색 인쇄 장식을 갖기 위한 가능성이 부족하기 때문에 일반적으로 수수하다. 또한, 고성능 배리어층을 추가하기 위한 가능성이 제한된다. 예를 들어 식품 포장 적용에 있어 이는 매우 중요할 것이다.
US5785817 A는, 주된 구성 성분인 펄프, 전분 결합제, 및 상기 전분 결합제를 겔화시키기에 효과적인, 물을 포함하는 열적으로 확장 가능한 속빈 입자(hollow particle)를 포함하는 성형 가능한 펄프 재료를 혼합하는 단계, 상기 성형 가능한 펄프 재료를 물과 함께 금형 조립체(mold assembly)에 채우고 상기 성형 가능한 펄프 재료를 금형 조립체에서 압축시키는 단계, 및 상기 압축된 성형 가능한 펄프 재료를 적어도 상기 전분 결합제가 겔화되는 겔화 온도에서 가열하여 상기 전분 결합제를 겔화하여, 상기 성형 가능한 펄프 재료의 성형 펄프 제품을 생성하는 성형 펄프 제품의 제조방법을 개시한다.
다수의 추가적인 방법 및 제제, 예를 들어 효소가, 섬유질 제품, 특히 섬유질 웹의 성질들, 예를 들어 성형 가능성을 개질하기 위해 당해 기술 분야에서 제안되어 왔다. 습윤 웹은 건조 웹보다 쉽게 신축되고 조형(shaped)될 수 있지만, 일반적으로 상기 제품의 강도는 낮고, 표면 성질들은 열등하다.
FI 20061049는, 섬유질 웹이 화학적으로 개질된 중합체, 예를 들어 전분 유도체, 중합체성 리그닌 유도체 등의 분산물 또는 용액으로 함침되는 성형 가능한 섬유질 웹의 제조방법을 개시한다.
WO 2014080084는 발포-성형 섬유질 재료, 웹에 함침된 하나 이상의 중합체를 포함하는 성형 가능한 섬유질 제품, 및 이의 제조방법을 개시한다. 중합체는 웹 또는 시트의 형성 후 함침된다.
JP 2012041657는 천연 섬유 및 임의로 열가소성 합성 섬유 및/또는 비-열가소성 화학적 섬유를 함유하는 조성물을 제지(papermaking)하여 제공되는 강화 시트를 개시한다.
US 5308663은 용기 및 필터 성형된 생분해성 비직조 셀룰로오스 패브릭을 개시한다. 셀룰로오스 구조를 포함하는 섬유질 웹은, 섬유간 결합제 또는 물리적 결합 수단으로 교락된 섬유로서 미세한 셀룰로오스-키토산 복합체로 처리된다.
JP 2000136478은, 상이한 융점을 갖는 2개 유형의 중합체를 함께 용융 방사하여 시스-코어(sheath-core) 이성분 섬유를 형성하고, 상기 섬유를 응고시키고, 상기 섬유를 흡인하고 상기 섬유를 개방하여 섬유들의 웹을 형성하고, 상기 웹을 열처리하여 산란 형태(scattered form)의 섬유-대-섬유 용융 결합된 부분을 갖는 웹을 제공함으로써 제조된 생분해성 비직조 패브릭을 개시한다.
열성형된 플라스틱 재료는 포장 목적으로, 특히 개질된 대기에서의 포장 적용에서 폭넓게 사용된다. 약제학적 제품의 포장에서, PVC 및 알루미늄 호일로 제조된 블리스터 포장이 활용된다. 하지만, 이들은 소각할 수 없으며, 이들은 생분해성이 아니다. 높은 플라스틱 함량을 갖는 섬유 및 플라스틱으로 제조된 복합재 제품도 제안되어 왔다.
최신 기술에 따른 성형 가능한 제품과 관련하여 상당한 단점들이 존재한다. 보다 특히, 섬유질 재료의 종이 또는 보드와 관련된 분야에서 그러하다. 예를 들어, 낮은 신율로 인해, 제조된 모양(shape)의 디자인 및 기하학적 구조가, 상응하는 플라스틱 필름에 비해 매우 제한되며, 따라서 최종 제품 세그먼트가 제한된다.
따라서 본 발명의 목적은, 공지된 기술과 관련된 단점들의 적어도 일부를 제거하고, 섬유질 웹 또는 섬유 기반 재료를 활용하여 제조하는 종이 및 보드 분야에서 이전에 달성된 것에 비해 상당히 더 높은 신율 성질을 갖는 개선된 섬유질 재료를 제공하는 것이다.
발명의 목적
본 발명의 목적은 열가소성 섬유질 재료를 제공하는 것이다. 특히, 높은 신율 성질을 갖는 열가소성 발포-성형 섬유질 재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 열가소성 발포-성형 섬유질 재료를 포함하는 열가소성 섬유질 제품을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 상기 열가소성 섬유질 재료의 제조방법이다.
본 발명의 추가적인 목적은 성형 섬유질 물품을 제조하기 위한 딥-드로잉 적용에서 높은 신율을 갖는 열가소성 섬유질 재료의 용도에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 열가소성 발포-성형 섬유질 재료의 신율을 개선시키기 위한 장섬유의 용도에 관한 것이다.
정의
달리 특정하지 않는 한, 본원 명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어는 종이, 보드, 판지 및 박엽지(tissue) 산업에서, 특히, 종이 및 펄프 화학 및 산업 분야에서 일반적으로 사용되는 의미를 갖는다. 특히, 하기 용어들은 하기 나타내는 의미를 갖는다.
용어 "섬유질 재료"는 본원 명세서에서, 섬유질 웹, 섬유질 시트, 섬유질 매트, 또는 섬유를 포함하는 블랭킷을 나타낸다.
용어 "열가소성 섬유질 재료"는 섬유질 웹, 섬유질 시트, 섬유질 매트, 또는 섬유, 및 열가소성 중합체 물질, 예를 들어 폴리우레탄도 포함하는 블랭킷을 나타낸다.
용어 "성형 가능한 섬유질 제품"은 본원 명세서에서, 열 또는 습기의 도움으로 목적하는 모양, 크기 및 형태(form)로 성형될 수 있는 섬유질 재료를 나타낸다.
용어 "열가소성 섬유질 제품"은 본원 명세서에서, 성형 가능한 열가소성 섬유질 재료로부터 얻는 제품을 나타낸다.
표현 "발포-성형 섬유질 재료"는 본원 명세서에서, 발포체 형성 과정으로부터 얻는, 상기 정의된 바와 같은 섬유질 재료를 나타낸다.
본 발명의 요지
본 발명은, 양호한 신율 성질을 갖는 열가소성 발포-성형 섬유질 재료를, 장섬유의 활용에 의해 그리고 발포-성형 단계에서 이미 열가소성 중합체를 포함하는 액체 또는 분산물의 첨가에 의해 얻을 수 있다는 발상에 기초한다. 얻어진 열가소성 발포-성형 섬유질 재료는 개선된 신율 성질을 갖는 성형 가능한 섬유질 제품으로 변형될 수 있다. 본 발명의 방법에 의해 얻어지는 열가소성 섬유질 재료는 특히 사전 결정된 모양 및 크기의 성형 제품을 제공하기 위한 열성형에 적합하다.
도 1은, 실시예들에서 사용된 파단 변형률 측정 장치를 도시한다.
도 2는, 실시예들에 따른 열성형된 샘플들을 도시한다.
본 발명과 관련하여, 양호한 신율 성질을 갖는 열가소성 성형 가능한 섬유질 재료를, 장섬유, 낮은 양의 열가소성 중합체 및 신규한 제조방법을 활용하여 얻을 수 있음을 놀랍게도 발견했다. 본 발명의 섬유질 재료는 섬유질 웹, 네트워크 등이며, 이들은 열가소성 물질을 포함한다. 이러한 재료는, 사전 디자인된 모양, 형태(form) 및 크기를 갖는 성형된 섬유질 제품이 제조되는 딥-드로잉 적용에 대하여 특히 적합하다. 열가소성 섬유질 재료 및 제품은 다양한 분야, 예를 들어 포장에서의 적용에서의 용도를 찾을 수 있다.
목재 섬유로부터의 섬유질 네트워크의 신율은 일반적으로 2 내지 4% 범위 내이다. 본 발명은 완전히 신규한 수준으로의 섬유질 네트워크의 신율을 제공하고, 20% 이상의 신율값을 가능케 한다. 따라서, 본 발명의 방법에 의해 얻어지는 열가소성 섬유질 재료는, 딥-드로잉 방법에 의해 섬유질 웹이 3D 물체로 형성되는 적용에 대하여 적합하다.
섬유질 웹/네트워크 재료는 발포-성형 방법으로 형성된다. 본 발명의 발명자들은, 섬유 길이가 증가되면, 즉, 장섬유가 섬유질 재료에 활용되면, 섬유질 네트워크의 큰 평균 파단 변형률이 얻어지는 것을 발견했다. 이는 장섬유가 강도를 증가시키고 일반적으로 섬유질 및 종이 웹에서 재-강화 물질로 사용되기 때문에 놀랍다. 성형 과정 동안에 섬유간 결합의 밀도가 감소되는 것도 유익하다. 열가소성 중합체 액체 또는 분산물이 상기 방법에서 사용되고, 웹 형성 단계에 앞서 혼합 단계에서 이미 첨가된다.
본원 발명자들은 본 발명과 관련된 섬유질 네트워크 및 웹을 연구했다. 세가지 상이한 방식으로 장섬유가 섬유질 네트워크의 파단 변형률을 개선할 수 있음이 제안되었다: a) 섬유 길이보다 더 작은 초기 균열에 대해 재-강화제로서 작용, b) 보다 더 짧은 섬유에 비해 더 큰 파단 변형률을 갖는 것(섬유간 결합이 매우 강한 것으로 추정), c) 불균질한 국부 네트워크 변형률을 가능케 하는 것. 본 발명의 방법은 메커니즘 c)를 목적으로 하며, 종이 재료의 일반적인 재-강화를 목적으로 하지는 않는다. 따라서, 장섬유가 바람직하게는, 다른 섬유와의 직접적인 접촉을 최소화하는 원형 단면 모양을 가져야 하는 것을 발견했다. 게다가, 소량의 열가소성 물질이 섬유 표면을 고르게 뒤덮을 수 있고, 상승된 온도에서의 국부 네트워크 슬라이딩(sliding)을 개선할 수 있도록, 매끈한(smooth) 섬유 표면이 바람직한 것이 확인됐다.
하기 섹션에서, 섬유질 네트워크에 연관된 이론이, 본 발명자들에 의한 그리고 문헌으로부터의 화학식의 사용에 의한 관찰에 근거하여 제공된다.
섬유질 네트워크에서의 국부 변형률은 거시적 변형률과는 상당히 상이할 수 있다. 이러한 종류의 "비아핀(non-affine)" 거동은 일반적으로 결합된 랜덤 섬유질 네트워크에 대한 것이기도 하다. 비아핀 변형률 변동이 클 수록, 큰 거시적 변형률의 달성이 쉽게 이루어진다. 비아핀 거동은 국부 탄성 변형률에 대해서 확인될 뿐만 아니라, 크리프 변형률에 대해서도 확인된다.
국부 변형률 변화는 특히 낮은 네트워크 밀도에 있어서 두드러진다. 결합된 네트워크에 대한 문헌에서의 이론 연구는, (반경/길이로 정의되는) 섬유 종횡비 α에 따른 비아핀 탄성 거동에 대한 한계 밀도 ρNA를 보여준다.
[수학식 1]
Figure pct00001
상기 수학식 1에서,
L은 섬유 길이이다.
따라서, 섬유의 종횡비를 감소시킴으로써 비아핀 거동은 보다 높은 네트워크 밀도를 보인다. 이는 주로 네트워크의 국부 변형을 증가시키는 섬유의 휨 강성도를 보다 작게 함으로써 유발된다.
극히 낮은 밀도에서, 밀도 및 섬유 반경 r에 대한 네트워크 탄성 계수 E의 의존이 매우 강해진다:
[수학식 2]
Figure pct00002
상기 수학식 2에서,
ρth는 네트워크가 강성도를 얻을 때의 임계 밀도이다. 다시 말해, 우리는 네트워크의 밀도가 매우 낮아지는 경우 탄성 변형률이 급속히 증가할 것을 예상할 수 있다. 일반적인 목재 섬유질 네트워크(즉, 종이 유형 재료)에 대하여, 확실한 비선형 거동이 이미 약 350kg/m3의 밀도에서 확인된다. 밀도가 추가적으로 감소되는 경우 비아핀 거동은 보다 강해진다. 탄성 변형률은 탄성 계수에 대해 반비례하며, (일정 평균 응력에 대한) 평균 탄성 변형률은 낮은 네트워크 밀도에서 대단히 증가한다.
국부 탄성 변형률의 변화는 국부 응력 변화를 야기한다. 목재 섬유에 대해, 비탄성 크리프 변형률은 응력과 함께 기하급수적으로 증가하고, 따라서 응력 변화는 크리프를 가속화한다. 다시 말해, 비아핀 거동은 탄성뿐만 아니라 비탄성 크리프 변형률의 상당한 증가를 야기한다. 실제로, 크리프 변형률은 일반적으로 비아핀 영역의 탄성 변형률을 초과한다. 수분 함량 또는 온도를 증가시킴으로써, 플라스틱 크리프 변형률은 셀룰로오스 섬유질 네트워크에서 추가로 증가될 수 있다.
요약하자면, 큰 변형률은 저밀도 및 높은 섬유 종횡비에서 결합된 네트워크에서 달성 가능해진다. 이러한 조건들은 네트워크의 비아핀 거동을 제공할 수 있다. 비아핀 영역에서 탄성 및 크리프 변형률 둘 다는 증가할 수 있다. 하지만,
[수학식 3]
Figure pct00003
상기 수학식 3에서,
L은 섬유 길이이고,
r은 섬유 반경이다.
따라서, 일정한 결합 밀도(및 r)에서 섬유 길이 L만을 증가시키는 것은 ρNA를 감소시키고, 네트워크를 보다 아핀(affine)으로 만든다. 다시 말해, 큰 변형률을 달성하기 위해 (직접) 결합 밀도를 섬유 길이와 함께 감소시키는 것은 필수적이다.
섬유질 네트워크는 부분적으로 또는 전체적으로 비결합할 수 있다. 탄성 계수는, 섬유 밀도를 개질하지 않고 직접 결합 밀도만을 변경함으로써, 몇 배 이상 변화할 수 있다. 상기 설명한 바와 같이, 이러한 직접 결합의 감소는 특히 장섬유를 사용할 것을 요한다. 결합 밀도가 감소되지 않는 경우, 네트워크는 장섬유에 대하여 매우 아핀 및 강성이 될 것이다.
예로서, 섬유 길이는 섬유 반경을 일정하게 유지하고 인자 10을 곱한 값으로 상정한다. 이후, 네트워크의 비아핀 거동을 지속하기 위해, 직접 결합 밀도는 인자 1/100.65=4.45로 감소될 필요가 있다. 실제 경우는 2mm 길이의 크라프트(Kraft) 섬유를 20mm 길이의 비스코스 섬유로 대체할 수 있다. 본원 명세서에서, 섬유 직경도 대략적으로 인자 2로 나뉜다. 이러한 경우, 효과적인 결합 밀도는 비아핀 거동을 지속하기 위해 인자 3.5로 나뉜다. 다시 말해, 크라프트 섬유질 네트워크에 대해 밀도 350kg/m3에서 비아핀 거동이 확인되는 경우, 20mm 비스코스 섬유에 대해 100kg/m3 유효 결합 밀도에서 확인할 수 있다. 실제로, 이는 열 적용에 의해 섬유간 열가소성 연결을 약하게 함으로써 달성될 수도 있다.
결론적으로, 국부 비아핀 변형률 변화는 낮은 네트워크 밀도에 대해 그리고 낮은 섬유 휨 강성도(들, 작은 반경/길이)에 대해 특히 우세하다. 섬유 길이가 증가하는 경우, 비아핀 네트워크 거동 및 큰 평균 파단 변형률을 지속하기 위해 섬유간 직접 결합의 밀도는 열가소성에 의해 감소될 필요가 있는 것으로 이해된다. 동시에, 네트워크의 탄성 계수 및 휨 강성도 또한 감소될 수 있다. 이러한 감소는 섬유질 네트워크에 보다 짧은 강성 섬유 성분을 첨가함으로써 보상할 수 있다.
다음 섹션에서, 본 발명 및 본 발명의 양태는 보다 상세히 개시된다.
열가소성 섬유질 재료의 제조방법으로서, 상기 방법은
- 물 및 하나 이상의 발포제를 포함하는 하나 이상의 발포액을 형성하는 단계,
- 상기 물 및 하나 이상의 발포제를 포함하는 하나 이상의 발포액에, 장섬유를 포함하는 섬유를 분산시켜 분산물을 형성하는 단계,
- 상기 분산물을, 하나 이상의 열가소성 중합체를 포함하는 발포 가능한 액체 또는 분산물과 혼합하는 단계,
- 하나 이상의 발포 분산물을 형성하는 단계, 및
- 상기 발포 분산물 또는 분산물들을 다공성 지지체(foraminous support)로 옮기고, 상기 다공성 지지체를 통해 액체를 배수하여 웹 또는 시트를 형성하여, 열가소성 섬유질 재료를 얻는 단계들을 포함한다.
물 및 하나 이상의 발포제를 포함하는 하나 이상의 발포액을 형성하는 단계, 상기 물 및 하나 이상의 발포제를 포함하는 하나 이상의 발포액에 장섬유를 포함하는 섬유를 분산시켜 분산물을 형성하는 단계, 상기 분산물을 하나 이상의 열가소성 중합체를 포함하는 발포 가능한 액체 또는 분산물과 혼합하는 단계, 및 하나 이상의 발포 분산물을 형성하는 단계는 개별 단계로 실시될 수 있다. 다르게는, 둘 이상의 상기 단계들을 결합할 수 있다.
상기 방법은 웹 또는 시트를 건조하는 단계를 포함할 수 있다, 즉, 웹 또는 시트가 형성된 후 임의로 건조하는 단계가 실시될 수 있다. 형성된 웹 또는 시트의 건조는 적합한 수단, 예를 들어 비직조 종이 및 박엽지 제품 생산에서 일반적으로 사용하는 수단으로의 가열에 의해 적합하게 실시된다.
본 발명의 방법에서 사용되는 섬유는 장섬유를 포함한다. 본 발명에 일양태에 따라, 장섬유의 평균 길이는 6mm 이상이다. 적합하게는, 장섬유의 평균 길이는 8mm 이상, 10mm 이상, 또는 12mm 이상이다. 장섬유의 평균 길이는 예를 들어 15mm 이상, 20mm 이상, 또는 24mm 이상으로 보다 더 길 수 있다.
장섬유의 평균 폭은 일반적으로 500㎛ 미만이다. 적합하게는, 장섬유의 평균 폭은 5 내지 500㎛이다. 일양태에 따라, 장섬유의 평균 폭은 15 내지 250㎛이다.
적합하게는, 장섬유는 필수적으로 원형, 즉, 둥근 단면을 갖는다. 또한, 상기 섬유는 적합하게는 매끈한 섬유이다. 매끈한 섬유는, 평평하지 않은 외부 표면을 갖는 거친 섬유와는 대조적으로 평평한(매끈한) 외부 표면을 갖는다. 다른 섬유와의 직접적인 접촉이 감소되기 때문에, 필수적으로 원형 단면을 갖는 매끈한 섬유가 유리할 것으로 여겨진다. 게다가, 매끈한 섬유 표면은, 일반적으로 상승된 온도에서 실시되는 성형 동안 소량의 열가소성 물질이 섬유 표면을 평평하게 덮고, 국부 네트워크 슬라이딩을 개선하게 한다.
일양태에서, 상기 방법은, 물 및 하나 이상의 발포제를 포함하는 하나 이상의 발포액에 장섬유를 포함하는 섬유를 분산시켜 분산물을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서, 상기 장섬유의 양은 분산물의 전체 섬유량의 1 내지 50wt%이다. 장섬유의 양은, 예를 들어 분산물 중 전체 섬유량의 40wt%, 30wt%, 25wt%, 20wt%, 15wt%, 10wt% 또는 5wt%일 수 있다.
일반적으로, 얻어진 열가소성 섬유질 재료 중 열가소성 중합체의 양은 10wt% 이하이다. 얻어진 열가소성 섬유질 재료 중 열가소성 중합체의 양은 예를 들어 9wt 또는 8wt% 또는 그 이하일 수 있다. 일양태에 따라, 얻어진 열가소성 섬유질 재료 중 열가소성 중합체의 양은 7wt% 이하이다.
장섬유는 바람직하게는 비스코스 섬유를 포함한다. 장섬유는 다른 섬유, 예를 들어 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리락타이드, 레이온, 리오셀, 나일론, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 장섬유는 유리, 폴리아세테이트, 아라미드, 탄소, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 열가소성 물질에 사용된 섬유는 식물 유래(천연 섬유) 또는 합성 섬유, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
천연(식물 유래) 섬유는 화학적 펄프, 예를 들어 설페이트 및 설파이트 펄프, 오가노솔브 펄프, 재활용 섬유, 및/또는 예를 들어 리파이너 기계 펄프(RMP), 가압 리파이너 기계 펄프(PRMP), 전처리 리파이너 화학 알칼리성 과산화 기계 펄프(P-RC APMP), 열기계 펄프(TMP), 열기계 화학 펄프(TMCP), 고온 TMP(HT-TMP) RTS-TMP, 알칼리성 과산화 펄프(APP), 알칼리성 과산화 기계 펄프(APMP), 알칼리성 과산화 열기계 펄프(APTMP), 서모펄프(Thermopulp), 쇄목 펄프(GW), 석쇄목 펄프(SGW), 가압 쇄목 펄프(PGW), 초과 압력 쇄목 펄프(PGW-S), 열 쇄목 펄프(TGW), 열 석쇄목 펄프(TSGW), 화학 기계 펄프(CMP), 화학 리파이너 기계 펄프(CRMP), 화학 열 기계 펄프(CTMP), 고온 CTMP(HT-CTMP), 설파이트-개질 열기계 펄프(SMTMP), 리젝트(reject) CTMP (CTMPR), 쇄목 CTMP (G-CTMP), 반화학 펄프(SC), 중성 설파이트 반화학 펄프(NSSC), 고수율 설파이트 펄프(HYS), 생기계 펄프(BRMP), OPCO 공정, 폭발 펄핑 공정, Bi-Vis 공정, 희석수 설폰화 공정(DWS), 설폰화된 장섬유 공정(SLF), 화학적으로 처리된 장섬유 공정(CTLF), 장섬유 CMP 공정(LFCMP)에 따라 제조된 펄프, 크라프트 목재 펄프, mdf-섬유, 나노셀룰로오스, 1000nm 미만의 평균 입자 크기를 갖는 셀룰로오스 섬유를 포함하는 기계 펄프, 및 이들의 변형 및 조합으로부터 선택될 수 있다. 펄프는 표백 또는 비표백 펄프일 수 있다. 펄프는 자작나무, 너도밤나무, 사시나무, 예를 들어 유럽 사시나무, 오리나무, 유칼립투스, 단풍나무, 아카시아, 혼합 열대 경재, 소나무, 예를 들어 테다 소나무, 전나무, 솔송나무(hemlock), 잎갈나무, 가문비나무, 예를 들어 검은 가문비나무 또는 노르웨이 가문비나무를 포함하는 경재(hardwood) 또는 연재(softwood), 재생 펄프, 섬유를 포함하고 식품 및 펄프 및 종이 산업으로부터 유래하는 웨이스트 스트림(waste stream) 및 사이드 스트림(side stream), 및 이들의 임의의 조합으로부터 유래할 수 있다.
또한 예를 들어 곡물의 짚, 밀짚, 갈풀, 갈대, 아마, 대마, 케나프(kenaf), 황마, 모시, 씨앗, 사이잘, 마닐라삼, 코이어, 대나무, 버개스(bagasse), 목화 케이폭, 밀크위크(milkweed), 파인애플, 목화, 쌀, 갈대, 에스파르토 풀(esparto grass), 갈풀, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 제공될 수 있는 비목재 식물 원료, 예를 들어 종모(seed hair) 섬유, 잎 섬유, 인피 섬유, 식물 섬유가 사용될 수 있다.
합성 섬유는 비스코스, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리락타이드, 레이온, 리오셀, 나일론, 유리, 폴리아세테이트, 아라미드, 탄소, 및 이들의 임의의 조합의 섬유를 포함할 수 있다.
또한, 임의의 첨가제가 사용될 수 있다. 상기 첨가제는 습윤제, 습윤 강화제, 착색제, 방화제(예를 들어 보레이트, 포스페이트, 마그네슘 3수화물), 연화제, 무기 필터, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
다공성 지지체는 예를 들어 와이어이다. 다공성 지지체로서, 가공 산업, 예를 들어 제지에서 일반적으로 사용되는 모든 용액이 사용될 수 있다.
배수는 적합하게는 진공의 도움으로, 또는 중력 여과에 의해 실시된다. 진공을 제공하기 위해 진공 펌프가 사용될 수 있다.
본 발명에 일양태에 따라, 물 및 하나 이상의 발포제를 포함하는 발포액 중의 발포제의 양은 하나 이상의 발포제의 0.005 내지 5중량%, 바람직하게는 0.01 내지 2중량%, 특히 바람직하게는 0.01 내지 1중량%이다.
상기 방법의 일양태에 따라, 발포 분산물(또는 분산물들)은 0.1 내지 20중량%, 바람직하게는 0.5 내지 15중량%, 특히 바람직하게는 0.1 내지 10중량%의 장섬유를 포함하는 섬유, 및 임의로 합성 섬유, 천연 섬유, 및 이의 조합으로부터 선택되는 추가적인 섬유로 형성된다.
임의로 하나 이상의 추가적인 발포 분산물은, 천연 섬유 및 합성 섬유로부터 선택되는 섬유로서, 물 및 하나 이상의 발포제를 포함하는 발포 가능한 액체에 상기 섬유를 분산시켜 형성된다. 임의로 상기 발포 분산물은 개별 막으로서의 다공성 지지체로 옮겨지고, 배수된다. 추가적인 발포 분산물(들)은 상기 지지체에 개별적으로 옮겨지고, 둘 이상의 개별 섬유층을 포함하는 생성물이 얻어진다.
본 발명의 방법으로 형성되는 발포 분산물은 55 내지 75용적%, 또는 60 내지 70용적%의 공기를 포함한다. 본원 명세서에서 공기는, 대기로부터 유도된 대기 또는 대기 가스를 포함하여, 50용적%를 초과하는 질소 함량을 갖는 모든 기체를 나타낸다.
본 발명의 방법에 따라, 하나 이상의 열가소성 중합체를 포함하는 발포 가능한 액체 또는 분산물은, 섬유, 및 그 내부에 분산된 열가소성 중합체 입자를 포함하는 수성 분산물, 또는 그 내부에 현탁된 열가소성 중합체 입자를 포함하는 현탁액로 나타내는 물 및 하나 이상의 발포제를 포함하는 하나 이상의 발포액을 포함하는 분산물과 혼합된다. 상기 분산물 또는 현탁액은 20 내지 50wt%, 또는 예를 들어 30 내지 40wt%의 열가소성 중합체를 포함할 수 있다. 상기 액체는 용융된 액상 중합체일 수도 있거나, 이를 포함할 수 있다.
일측면에서, 하나 이상의 열가소성 중합체를 포함하는 발포 가능한 액체 또는 분산물은 분말, 과립, 또는 다른 조립질(coarse-grained) 물질 또는 혼합물이 아니다.
분산물 또는 현탁액 중의 입자 크기가 상당히 작기 때문에, 열가소성 중합체를 포함하는 분산물 또는 현탁액을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 하나 이상의 열가소성 중합체를 포함하는 액체 또는 분산물에 필름 형성 성질들을 제공할 수 있다. 열가소성 중합체를 함유하는 액체 또는 분산물에 대해 필름 형성 성질은, 섬유질 재료의 열성형 및 신율 성질에 대해 유리하다. 결과로, 예를 들어 딥-드로잉 적용 동안 개선된 성형성 성질을 갖는, 생성물은 상승된 온도에서 보다 높은 신율 성질을 갖는 생성물이 얻어진다.
발포제는 발포 형성할 수 있는 표면 활성제로 작용할 수 있으며, 또한 발포 구조에서 결합제로 작용할 수 있다.
발포제는 폴리비닐 알코올 및 발포 가능한 전분을 포함하여, 음이온성, 양이온성, 비이온성, 및 양쪽성 표면 활성제, 및 계면활성제, 단백질, 및 임의의 이들의 조합으로부터 선택된다. 적합하게는 상기 발포제는 음이온성 및 비이온성 표면 활성제, 폴리비닐 알코올 및 발포 가능한 전분으로부터 선택된다.
임의로 통상적인 첨가제, 예를 들어 결합제가 사용될 수 있다.
발포층(foam-laid) 방법에서, 박엽지 및 비직조 제조에서의 발포 형성 공정에서 사용되는 임의의 장비 및 장치는, 예를 들어 GB 1397378, EP 481746 및 US 3716449에 제안된 바와 같이 본 발명에서도 활용될 수 있다. 하나 이상의 발포 퇴적층(foam-deposited layer)을 포함하는 생성물이 얻어질 수 있다.
발포 형성 기술은, 예를 들어 습윤층 공정에 비해 상기 공정에서 요하는 물 및 에너지의 양을 감소시키는 것을 도우며, 완전히 닫힌 공정을 사용할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 열가소성 섬유질 재료는 열가소성 발포-성형 섬유질 재료이다. 상기 섬유질 재료는 섬유질 웹, 매트, 블랭킷, 종이 웹, 보드 웹, 박엽지 웹, 또는 상기 웹들 중 어느 것으로부터 커팅된 시트로부터 선택될 수 있다. 상기 섬유질 재료는 합성 섬유 및/또는 식물 유도된 섬유(천연 섬유), 또는 이들의 임의의 조합으로부터 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 열가소성 발포-성형 섬유질 재료는 본 발명에 따른 방법에 의해 얻을 수 있거나 얻어진다. 열가소성 발포-성형 섬유질 재료 중 하나 이상의 열가소성 중합체의 양은, 상기 재료의 전체 중량의 10wt% 이하이다. 상기 양은 예를 들어 9wt% 이하, 또는 8wt% 이하일 수 있다. 일양태에 따른 하나 이상의 열가소성 중합체의 양은 7wt% 이하이다.
본 발명에 따른 방법은, 얻어진 열가소성 섬유질 재료이 선행 기술 용액보다 열가소성 중합체를 적게 함유함에도 불구하고 양호한 신율 성질을 제공한다. 그 이유로는 상기 방법이, 열가소성 중합체가 평평하게 그리고 열가소성 섬유질 재료를 통하여 섬유에 근접하여 분산됨으로써 궁극적인 위치에 도달하게 하기 때문인 것으로 여겨진다. 원료가 값비싸고, 따라서 제조 비용이 감소될 수 있기 때문에, 감소된 열가소성 중합체의 양이 유리하다. 열가소성 발포-성형 섬유질 재료는 섬유질 웹, 종이 웹, 보드 웹, 및 상기 웹들 중 어느 것으로부터 커팅된 시트로부터 선택되는 섬유질 재료를 포함할 수 있다.
일반적으로, 열가소성 발포-성형 섬유질 재료는 80wt% 이상, 바람직하게는 85wt% 이상, 보다 바람직하게는 90wt% 이상인 섬유의 양을 포함한다. 퍼센티지는 상기 열가소성 발포-성형 섬유질 재료의 전체 중량을 기준으로 한다.
열가소성 발포-성형 섬유질 재료의 평량은 일반적으로 매우 낮지만, 양호한 신율 성질을 여전히 달성할 수 있다. 일양태에 따라, 열가소성 발포-성형 섬유질 재료의 평량은 400g/m2 이하, 예를 들어 10 내지 400g/m2이다. 바람직하게는 상기 평량은 50 내지 400g/m2이다. 상기 평량은 예를 들어 350g/m2 이하, 300g/m2 이하, 250g/m2 이하, 200g/m2 이하, 150g/m2 이하, 또는 100g/m2 이하일 수도 있다.
열가소성 중합체는 바람직하게는 폴리우레탄이다. 열가소성 중합체는 탄수화물 유도체, 폴리락트산, 폴리우레탄, 및 폴리올레핀으로부터 선택될 수 있다. 적합한 탄수화물 유도체의 예는 셀룰로오스 유도체, 전분 및 덱스트린 유도체 및 둘 이상의 유도체의 혼합물이다. 이러한 유도체의 예는: 셀룰로오스 C1-4 알킬 에스테르, 산화된 셀룰로오스 C1-4 알킬 에스테르, 전분 C1-4 알킬 에스테르, 산화된 전분 C1-4 저급 알킬 에스테르, 및 이에 상응하는 에테르 및 에스테르 및/또는 에테르의 혼합물이다. 적합한 유도체는 셀룰로오스 및 전분 에스테르 및 에테르, 특히, 저급 알킬 에스테르, 예를 들어 메틸, 에틸, 프로필, 및 부틸 에스테르(셀룰로오스 또는 전분 포르미에이트, -아세테이트, -프로피오네이트, 및 -부티레이트)이다.
본 발명에 따른 열가소성 발포-성형 섬유질 재료는, 열가소성 섬유질 제품 제조에 사용될 수도 있다. 따라서, 본 발명은, 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어지거나 얻을 수 있는 열가소성 발포-성형 섬유질 재료를 포함하는 열가소성 섬유질 제품에 관한 것이기도 하다.
본 발명에 따른 열가소성 섬유질 재료는 성형 섬유질 제품 또는 물품을 제조하기 위한 딥-드로잉 적용에 사용될 수도 있다.
본 발명에 따라, 열가소성 발포-성형 섬유질 재료의 신율을 개선하기 위해 장섬유가 사용된다.
열가소성 발포-성형 섬유질 재료는 일반적으로 하나 이상의 발포제를 0.001 내지 0.1중량% 포함한다.
열가소성 섬유질 제품은 1개 이상의 층을 포함하는 다층 제품일 수 있다. 다층 제품은 2개의 섬유층 사이에 1개 이상의 배리어층을 포함할 수 있다.
본 발명을 사용하여, 제지 또는 보드 제작 분야에 공지된 방법 및 재료에 비해 다음과 같은 상당한 이점을 달성할 수 있다
·이례적으로 높은 섬유 함량 및 이례적으로 낮은 열가소성 중합체 함량에도 불구하고 높은 신율이 달성된다.
·본 발명은, 이전에는 불가능했던 이례적으로 깊은 3D 모양의 생산이, 낮은 평량의 섬유질 웹 시트를 제조할 수 있게 한다.
사용 가능한 적용 분야는, 딥 드로잉 방법으로 최종 제품으로 전환되는 제품에 대한 원료로 현재 플라스틱을 사용하는 모든 산업 분야이다.
본 발명의 방법에 의해 얻을 수 있는 열가소성 섬유질 재료 및 제품은 1개 이상의 섬유질 재료층(단일층 제품), 또는 1개 이상의 섬유질 재료, 및 1개 이상의 열가소성 화합물을 포함하는 층을 포함할 수 있다. 상기 층은 접착제, 배리어층 등을 포함하는 적층에 의해 결합되어, 다층 구조를 얻을 수 있다. 상기 방법은 임의로 코팅 단계를 포함하여, 코팅 분산물을 사용하여 당해 기술 분야에 공지된 코팅 방법이 실시될 수 있다.
열가소성 섬유질 재료 및 제품이, 열 및 임의로 수분의 도움으로 절단, 진동(undulating), 성형 기구에서의 열성형 또는 성형으로부터 선택되는 단계들로 처리되어, 사전 결정된 형태 및 크기를 갖는 제품을 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명의 방법에 의해, 발포-성형 열가소성 섬유질 재료이 얻어질 수 있고, 다양한 성형 제품으로 가공될 수 있는 성형 가능한 섬유질 제품을 제조하기 위해 사용할 수 있다. 상기 성형 제품은 깨지기 쉽고 섬세한 제품을 위한 포장, 식품 포장, 소비자 포장, 블리스터 포장을 요하는 약제학적 제품 및 다른 제품의 블리스터 포장용으로 사용될 수 있다.
본 발명은, 섬유질 웹 분야에서 기존에 달성되던 것 보다 상당히 높은 신율 성질을 갖는 열가소성 단일층 또는 다층 열가소성 섬유질 제품을 제공한다.
열가소성 섬유질 재료 및 제품은 일반적으로 열을 사용하여 목적하는 형태 또는 구조로 쉽게 성형할 수 있다. 열가소성 섬유질 재료 또는 제품의 성형은, 열이 제품에 포함된 중함체를 활성화하고 쉽게 성형되게 함으로써, 적합하게는 상승된 온도에서 수분 없이 실시된다. 다르게는, 성형은 상승된 온도에서 수분의 존재하에 실시될 수도 있다.
다음 챕터에서 본 발명은 실시예에 의해 예시된다.
실시예
실시예 1 파단 시 변형률
시트 제조
열가소성 섬유질 재료의 시트는 발포 형성 방법에 의해 제조되고, 플레이트에 대한 제한된 조건하에 실온에서 건조됐다. 다양한 길이의 비스코스 섬유 및 비분쇄 표백 소나무 펄프를 섬유 원료로 사용했다. 폴리우레탄(PU) 분산물을 열가소성 첨가제로 사용했다. 상기 섬유를 함유하는 분산물을 열가소성 중합체 분산물과 혼합했다. 따라서, 모든 원료를 와이어상의 현탁액에 붓기에 앞서 함께 혼합하고, 진공의 도움으로 물을 제거했다. 건조된 시트의 평량은 240 내지 350g/m2로 다양했다.
성능 특성 확인
제조된 시트의 파단 시 변형률 값을 측정했다. 상기 측정을 곡면을 갖는 가열된 다이가 부착된 샘플 조각을 압착하는 장치를 사용하여 실시하고, 파단 시 신율값을 등록했다. 측정을 120℃에서 실시했다. 상기 장치를 도 1에 도시한다.
결과
파단 시 변형률을 도 1에 나타낸다. 효과적으로 결합된 소나무 섬유의 50%가 비스코스 섬유로 대체되는 경우, 신율값이 50% 증가했다. 파단 시 변형률에 대한 PU 첨가의 긍정적인 효과는, 특히 샘플 1 대 샘플 2, 및 샘플 4 대 샘플 6의 값을 비교하여 알아냈다.
Figure pct00004
실시예 2 열성형
시트 제조
열가소성 섬유질 재료의 시트를 실시예 1에 설명된 바와 같이 제조했다. 사용한 원료는 비스코스 및 PU였다.
성능 특성 확인
제조된 재료의 신율 성질에 대한 섬유 길이의 영향을 연구실 규모 열성형에 의해 평가했다. 샘플을 압착 플레이트 사이에 위치한 금형에 부착시켰다. 성형 동안의 온도는 100℃였고, 금형은 3cm 깊이였다.
결과
열성형 결과를 도면에 도시한다. 비스코스 섬유 길이의 증가는 결과를 명확하게 개선했다.
도 2는 비스코스 및 PU로 제조된 열성형된 샘플을 도시한다: 6mm 비스코스+PU(왼쪽) 및 12mm 비스코스+PU(오른쪽). 샘플의 평량은 약 240g/m2였고, PU양은 성형된 열가소성 섬유질 재료의 약 7중량%였다.

Claims (17)

  1. 열가소성 섬유질 재료의 제조방법으로서, 상기 방법은
    - 물 및 하나 이상의 발포제를 포함하는 하나 이상의 발포액을 형성하는 단계,
    - 상기 물 및 하나 이상의 발포제를 포함하는 하나 이상의 발포액에, 장섬유를 포함하는 섬유를 분산시켜 분산물을 형성하는 단계,
    - 상기 분산물을, 하나 이상의 열가소성 중합체를 포함하는 발포 가능한 액체 또는 분산물과 혼합하는 단계,
    - 하나 이상의 발포 분산물을 형성하는 단계, 및
    - 상기 발포 분산물 또는 분산물들을 다공성 지지체(foraminous support)로 옮기고, 상기 다공성 지지체를 통하여 액체를 배수하여 웹(web) 또는 시트를 형성하여, 열가소성 섬유질 재료를 얻는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 하는, 열가소성 섬유질 재료의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법이 상기 웹 또는 시트를 건조시켜서 열가소성 섬유질 재료를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 장섬유의 평균 길이가 6mm 이상, 바람직하게는 10mm 이상, 보다 바람직하게는 12mm 이상인 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장섬유의 평균 폭이 500㎛ 미만, 바람직하게는 5 내지 500㎛, 보다 바람직하게는 15 내지 250㎛인 것을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장섬유가 필수적으로 원형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법이, 물 및 하나 이상의 발포제를 포함하는 하나 이상의 발포액에, 장섬유를 포함하는 섬유를 분산시켜 분산물(여기서, 상기 장섬유의 양은 상기 분산물의 전체 섬유량의 1 내지 50wt%이다)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장섬유가 비스코스, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리락타이드, 레이온, 리오셀, 나일론, 유리, 폴리아세테이트, 아라미드, 탄소, 및 이들의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 물질의 장섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 웹 또는 시트가 건조되며, 상기 얻은 열가소성 섬유질 재료 중 열가소성 중합체의 양이 10wt% 이하, 바람직하게는 7wt% 이하인 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 얻을 수 있는 열가소성 발포-성형 섬유질 재료(thermoplastic foam-formed fibrous material)로서, 상기 하나 이상의 열가소성 중합체의 양이 상기 재료의 전체 중량의 10wt% 이하인 것을 특징으로 하는, 열가소성 발포-성형 섬유질 재료.
  10. 제9항에 있어서, 상기 열가소성 발포-성형 섬유질 재료가, 섬유질 웹, 종이 웹, 보드 웹, 및 상기 웹들 중 어느 것으로부터 커팅된 시트로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 섬유질 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열가소성 발포-성형 섬유질 재료.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 열가소성 중합체의 양이 7wt% 이하인 것을 특징으로 하는, 열가소성 발포-성형 섬유질 재료.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유의 양이, 상기 재료의 전체 중량의 80wt% 이상, 바람직하게는 85wt% 이상, 보다 바람직하게는 90wt% 이상인 것을 특징으로 하는, 열가소성 발포-성형 섬유질 재료.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유질 재료의 평량이 400g/m2 이하, 바람직하게는 10 내지 400g/m2, 보다 바람직하게는 50 내지 400g/m2인 것을 특징으로 하는, 열가소성 발포-성형 섬유질 재료.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 중합체가 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는, 열가소성 발포-성형 섬유질 재료.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 열가소성 발포-성형 섬유질 재료를 포함하는 열가소성 섬유질 제품(product).
  16. 성형 섬유질 제품 또는 물품(article)을 제조하기 위한 딥-드로잉(deep-drawing) 적용에서의, 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 열가소성 섬유질 재료의 용도.
  17. 열가소성 발포-성형 섬유질 재료의 신율(elongation)을 개선하기 위한 장섬유의 용도.
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