KR20170124293A

KR20170124293A - 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치

Info

Publication number: KR20170124293A
Application number: KR1020160054007A
Authority: KR
Inventors: 함완규; 남인우; 이승진; 임기섭
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2016-05-02
Publication date: 2017-11-10
Also published as: US11255025B2; CN109642344B; CN109642344A; WO2017191916A1; JP2019516027A; KR101798529B1; US20210238768A1; JP6721781B2

Abstract

본 발명은 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치에 관한 것이다.
본 발명은 방사노즐의 방사용 홀을 팩바디 외부에 위치시키고 별도의 가열체를 이용하여 팩바디 보다 높은 온도로 가열함으로써 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 열가소성 고분자 섬유의 강도 및 신도 등의 기계적 물성을 개선하고, 가열체의 고온이 팩바디에 열전달 되어 온도를 상승시키는 것을 최소화함으로써 팩바디 내 용융 고분자의 열화로 인한 물성저하를 방지할 수 있다. 또한 본 발명의 방사노즐장치는 실제 상용화되는 방사노즐 설계와 용융방사공정 및 연신공정의 기존 공정을 활용하면서 수지의 용융점도를 낮추고 섬유의 냉각속도를 지연함과 동시에 연신성을 개선하므로, 저비용으로 고성능의 섬유를 대량생산할 수 있다.

Description

고강도 섬유 제조용 방사노즐장치{SPINNING APPARATUS FOR MANUFACTURING OF HIGH STRENGTH FIBER}

본 발명은 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방사노즐을 통해 열가소성 수지를 용융방사하는 공정에서 방사부분에 대한 가열방식을 최적화하여, 방사 노즐에서 토출되는 용융상의 섬유 온도를 열분해가 일어나지 않는 짧은 시간 동안 팩바디 온도보다 고온으로 승온시켜 국부 가열함으로써, 순간 고온 가열에 의해 분자량 저하 없이 열가소성 수지의 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 섬유의 연신성을 향상시켜 강도 및 신도 등의 기계적 물성을 개선함과 동시에, 용융방사 공정 및 연신 공정의 기존 공정을 활용하면서 방사시 수지의 용융점도(노즐 전단압)를 낮추어 보다 고점도 수지의 방사가 가능하게 하며, 섬유의 냉각속도를 지연하여 방사 장력(배향)을 낮춤으로써 방사속도(생산속도)를 추가적으로 개선할 수 있게 하여, 저비용으로 고강도의 섬유를 대량생산할 수 있는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치에 관한 것이다.

상업화된 PET 섬유 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 극한 성능이 요구되는 산업용 섬유 소재로 적용하기에는 한계가 있다.

상기와 같이, 비액정 열가소성 고분자 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 작아 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 열가소성 고분자 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 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 2배 이상 상승하지 않는 범위 내에서 기존 섬유를 1.1GPa에서 2GPa의 강도로 고강도화하는 연구개발을 보고하고 있다.

나아가, 최종적으로 산업용 섬유로서 소비량이 가장 많은 타이어 코드에 빠른 시일 내에 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 하였다.

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

특히, 종래 용융방사 공정시 방사노즐장치 설계의 방법으로 고강도 PET 섬유를 제공하는데 방사노즐 부근을 국부가열하는 방법의 일례로서, 도 3은 방사노즐의 직하 보온법에 의한 국부가열의 실시형태를 나타낸다.

구체적으로는, 용융방사 공정에 있어서 방사노즐장치는, 100~350℃의 열원이 제공되는 팩바디 히터(Pack-Body Heater)(300)로부터 유지된 팩바디(Pack-Body)(200)에 방사노즐(100)이 고정되고, 방사노즐(100) 상부에 소류판(500)과 분배판(600)이 차례로 설치되어, 용융상태의 열가소성 수지는 분배판(600)과 소류판(500)을 통해 방사노즐(100)로 공급되어 방사노즐(100)의 방사용 홀(111)을 통해 방사된다.

방사 후 형성된 섬유(112)가 상온~400℃ 고온의 전기 히터를 일정한 거리에 균일하게 적용하도록 20~200㎜의 어닐링 히터(400)를 통과함으로써, 보다 저비용으로 고효율의 열전달이 가능하도록 되어 있다.

그러나, 상기 어닐링 히터(400)에 의한 섬유(112)의 국부 가열은 가열 목적이 아니라, 방사노즐(100) 하부의 방사용 홀(hole)(111)간 균일한 온도를 유지시키기 위한 보온용도로서 방사용 홀(111)간 온도 편차를 최소화함으로써 방사 작업성 및 품질 개선을 위해 적용될 뿐이고, 섬유(112)와 어닐링 히터(400)간의 거리가 멀어 섬유(112)에 균일한 가열이 적용되지 않는다.

종래 용융방사 공정내 방사노즐 부근을 국부가열하는 또 다른 방사노즐장치로서, 방사노즐의 방사용 홀 직경을 미세화하고 방사노즐 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 4는 방사노즐의 직하에 레이저조사에 의한 국부가열의 실시형태를 나타낸다.

구체적으로는, 방사 후 형성된 섬유(112)에 CO₂ 레이저 조사부(410)를 통해 조사된 CO₂ 레이저에 의해 직접 가열하는 방식으로 방사노즐(100) 하부가 팩바디(200) 하단으로 0~3㎜ 돌출되고, 방사 직후 1~10㎜ 위치에서 CO₂ 레이저가 조사된다.

그러나 방사노즐(100) 직하에서의 레이저 히팅은 특정한 섬유(112) 부위를 고온으로 가열하는 특징이 있으나, 수십에서 수만 개의 방사용 홀(111)이 있는 실제 상용화 방사노즐(100)에는 동시에 적용하기 어려운 한계가 있다.

이에, 본 발명자들은 종래 고강도 섬유의 제조공정에서 방사노즐 직하시 국부 가열방식의 문제점을 개선하고자 노력한 결과, 실제 상용화되는 방사노즐의 방사용 홀 부근을 가열하여 열전달 방식을 최적화함으로써, 방사 노즐에서 토출되는 용융상의 섬유 온도를 열분해가 일어나지 않는 짧은 시간 동안 팩바디 온도보다 고온으로 승온시켜 국부 가열함으로써, 순간 고온 가열에 의해 분자량 저하 없이 열가소성 수지의 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 섬유의 연신성을 향상시켜 강도 및 신도 등의 기계적 물성을 개선함과 동시에, 용융방사 공정 및 연신 공정의 기존 공정을 활용하면서 방사시 수지의 용융점도(노즐 전단압)를 낮추어 보다 고점도 수지의 방사가 가능하며, 섬유의 냉각속도를 지연하여 방사 장력(배향) 을 낮춤으로써 방사속도(생산속도)를 추가적으로 개선할 수 있게 되어, 저비용으로 고강도의 섬유를 대량생산할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 열가소성 수지의 용융방사공정에서 방사노즐의 방사용 홀부분을 팩바디 외부에 위치시키고, 방사용 홀 부분에 대한 가열방식을 최적화한 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 특징은, 팩바디와, 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터와, 상기 팩바디에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사하는 방사노즐과, 상기 팩바디 내에 설치되어 용융상태의 PET 수지를 방사노즐에 유입시키기 위한 분배판 및 소류판을 포함하며, 상기 방사노즐은, 상기 팩바디 내부에 위치하는 고정부와, 팩바디로부터 노출되어 외부에 위치하는 방사부로 이루어지고, 상기 방사부에는 열가소성 수지를 용융방사하여 섬유를 형성하는 다수개의 방사용 홀을 형성하여 상기 방사용 홀이 팩바디 외부에 위치되며, 상기 방사노즐의 방사부에는 팩바디 외부에 위치한 방사용 홀 부분을 상기 팩바디의 온도보다 높은 온도로 가열하기 위한 가열체가 구비된 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치에 있다.

또한, 상기 제1 특징에 있어서, 상기 방사노즐은, 상기 고정부와 방사부 사이를 이격시키기 위한 연장부를 구비하고, 연장부는 팩바디의 하단으로부터 100~300mm 연장 형성되어 방사부에 형성된 방사용 홀이 팩바디 외부에 위치한다.

또한, 상기 제1 특징에 있어서, 상기 가열체는 링형상으로 되어 방사부의 측벽 둘레를 둘러싸도록 설치되며, 상기 소류판의 하부는 방사노즐 내에 삽입되고, 소류판의 하단은 방사노즐의 연장부와 방사부의 경계지점까지 연장되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사용 홀의 입구까지 유도할 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 상기 방사노즐의 고정부 및 연장부의 내측벽과 이에 대향하는 소류판의 외측벽 사이에는 공간부를 형성하고, 방사노즐의 연장부에는 상기 공간부와 외부를 연통시키는 공기유통구멍을 형성한다.

또한 본 발명의 제2 특징은, 팩바디와, 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터와, 용융상태의 열가소성 수지를 방사하여 섬유를 형성하는 다수개의 방사용 홀이 형성된 방사노즐과, 상기 팩바디 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐에 유입시키는 분배판 및 소류판을 포함하며, 상기 소류판은, 상기 팩바디 내에 설치되는 제1 소류판과, 상기 팩바디 외부에 위치하여 상기 제1 소류판과 착탈가능하게 된 제2 소류판으로 이루어지고, 상기 방사노즐은 상기 제2 소류판 하부에 착탈가능하게 설치되어 상기 팩바디 외부에 위치하며, 상기 방사노즐에는 방사용 홀 부분을 상기 팩바디의 온도보다 높은 온도로 가열하기 위한 가열체가 구비된 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치에 있다.

상기 제2 특징에 있어서, 가열체는 상기 제2 소류판 및 방사노즐의 측면둘레와 상면을 감싸도록 설치되고, 팩바디 하단부와 상기 가열체 사이에는 공기가 유통하는 공간부를 형성하는 것이 바람직하다.

상기의 특징적 구성을 가지는 본 발명의 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치에 의하면, 용융방사 공정에서 방사노즐의 방사부분에 대한 가열방식을 최적화한 것으로서, 실제 상용화되는 방사노즐의 방사용 홀을 팩바디 직하의 외부에 위치시키고 방사용 홀 부분을 가열체로 가열함으로써 열전달 방식을 최적화하고, 또한 순간 고온 가열에 의해 용용상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 열가소성 수지의 연신성을 향상시킴으로써 강도, 신도 등의 기계적 물성을 개선하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 고강도 섬유 제조용 방사노즐은, 용융방사 공정 및 연신 공정의 기존 공정을 활용하면서 구조가 간단하고 에너지 효율이 높은 가열장치를 사용함으로써 방사선상에서 섬유의 냉각속도를 효과적으로 지연하며 방사속도 및 연신속도를 향상시킴으로써, 초기 투자비를 낮추고, 대량생산 및 저비용으로 고성능의 섬유 생산이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 고강도 섬유 제조용 방사노즐은, 용융방사 공정 및 연신 공정의 기존 공정을 활용하면서 구조가 간단하고 에너지 효율이 높은 가열장치를 사용함으로서 방사 홀내 용융상의 수지의 점도를 분자량 저하 없이 효과적으로낮춤으로서, 방사노즐의 사용주기가 길어지고, 보다 높은 전단속도 및 L/D의 홀 스펙(spec)을 갖는 방사노즐로 방사가 가능하여 방사 작업성 및 섬유 품질이 개선되며, 특히 이전에는 방사하지 못한 초고점도의 수지도 방사가 가능하여 초기 투자비를 낮추고, 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 적용가능함은 물론이고, 이를 이용한 필름, 시트, 성형, 용기 등의 제조 분야에도 활용 가능할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 나타낸 단면도.
도 3은 종래예의 방사노즐이 설치된 방사노즐장치의 방사부 단면도.
도 4는 다른 종래예의 방사노즐이 설치된 방사노즐장치의 방사부 단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 방사노즐장치를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 제1 실시형태의 방사노즐장치는, 팩바디(21)와, 상기 팩바디(21)의 외측에 설치되어 팩바디(21)에 열원을 제공하는 팩바디 히터(22)와, 상기 팩바디(21)에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사하는 방사노즐(23)과, 상기 팩바디(21) 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐(23)에 유입시키기 위한 분배판(24) 및 소류판(25)을 구비한다.

제1 실시형태에 있어서 방사노즐(23)은, 팩바디(21) 내부에 위치하는 고정부(23b)와, 팩바디(21)로부터 노출하여 외부에 위치하는 방사부(23c)와, 상기 고정부(23b)와 방사부(23c) 사이를 이격시키기 위한 연장부(23d)로 이루어진다.

상기 방사부(23c)에는 열가소성 수지를 용융방사하여 섬유(F)를 형성하는 다수개의 방사용 홀(23a)이 형성되어 있고, 상기 연장부(23d)는 팩바디(21)의 하단으로부터 100~300mm 연장 형성되어 방사부(23c) 및 방사용 홀(23a)이 팩바디(21) 외부에 위치하도록 되어 있다.

또한 상기 방사노즐(23)의 방사부(23c)에는 팩바디(21) 외부에 위치한 방사용 홀(23a) 부분을 가열하기 위한 가열체(26)가 구비되고, 가열체(26)는 링형태로 형성되어 방사부(23c)의 측벽 둘레를 둘러싸도록 설치된다.

또한, 방사노즐(23)의 상부에 위치한 소류판(25)의 하부는 방사노즐(23) 내에 삽입되고, 소류판(25)의 하단은 방사노즐(23)의 연장부(23d)와 방사부(23c)의 경계지점까지 연장되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사용 홀(23a)의 입구까지 유도할 수 있도록 되어 있다.

통상, 팩바디(21)는 팩바디 히터(22)로부터 50~350℃로 유지되는 것으로, 팩바디(21)의 온도가 50℃ 미만이면, 대부분의 수지가 용융되지 못하고 굳어 방사가 곤란하고, 350℃를 초과하면, 수지의 급격한 열분해로 인한 섬유의 물성저하가 발생하여 바람직하지 않다.

이에 대하여 가열체(26)에 의해 가열되는 방사노즐(23)의 방사부(23c) 온도는, 상기 팩바디(21)보다 높은 온도, 예를 들면 팩바디(21) 온도가 300℃라면 방사노즐의 방사부(23c) 온도는 350~700℃로 유지하는 것이 바람직한 것으로, 팩바디(21) 내의 용융 수지를 가열하는 온도보다 방사용 홀(23a) 부분을 가열하는 온도를 높게 설정한다.

가열체(26)의 온도는, 팩바디 히터(22)와 마찬가지로 통상의 전기 열선 또는 열매(熱媒)에 의해 조절될 수 있으며, 전기 열선의 일례로는, Cu계 및 Al계 주물히터, 전자기 유도 인덕션 히터, 근적외선 히터, 카본 히터, 세라믹 히터, PTC 히터, 석영관 히터, 할로겐 히터 등에서 선택된 어느 하나에 의해 제공될 수 있다.

한편, 팩바디(21)와 방사노즐(23) 사이에는 상호 열전달이 최소화되도록 구성된 것으로, 이를 위해 방사노즐(23)의 고정부(23b) 및 연장부(23d) 내측벽과 이에 대향하는 소류판(25)의 외측벽 사이에는 공간부(27)를 형성하고, 방사노즐(23)의 연장부(23d)에는 상기 공간부(27)와 외부를 연통시키는 공기유통구멍(28)을 형성한다.

이는 방사노즐(23)의 방사부(23c)를 팩바디(21) 외부에 위치시킴과 동시에, 방사노즐(23)과 소류판(25) 사이의 공간부(27)에 공기가 유통되도록 하여 가열체(26)에서 제공하는 고온이 방사노즐(23)을 통해 팩바디(21)에 전달되어 팩바디(21)의 온도가 상승하는 것에 의해 팩바디(21) 내의 열가소성 수지, 예를 들면 폴리에스테르계 고분자 수지로 이루어진 원료가 열화되어 물성이 저하되는 문제를 방지하기 위한 것이다.

이러한 제1 실시형태의 방사노즐장치에 의하면, 분배판(24) 및 소류판(25)을 통해 방사노즐(23)로 유입된 용융상태의 열가소성 수지는 방사용 홀(23a)을 통해 방사되어 섬유(F)를 형성하며, 방사 후 섬유(F)를 냉각시키고 상기 냉각된 섬유(F)를 가연기로 연신 후 권취하는 과정을 통해 고강도 열가소성 고분자 섬유를 제조하게 된다.

이때, 가열체(26)는 팩바디(21) 외부에 노출된 방사노즐(23)의 방사부(23c)를 팩바디(21)의 온도보다 50~400℃이상 높은 온도로 순간 가열함으로써, 방사용 홀(23a)을 통해 방사되는 용융상의 고분자 내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 열가소성 고분자 섬유의 강도 및 신도 등의 기계적 물성을 개선할 수 있다.

또한 방사노즐(23)의 방사부(23c)는 연장부(23d)에 의해 팩바디(21) 외부에 위치함과 동시에, 방사노즐(23)과 소류판(15) 사이에 구비된 공간부(27)로 외부의 공기가 유통하도록 한 구성에 의하여, 가열체(26)의 고온이 방사노즐(23)을 통해 팩바디(21) 내부로 전달되어 온도를 상승시키는 것을 최소화함으로써 팩바디(21) 내 용융 고분자의 열화로 인한 물성저하를 방지할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 방사노즐장치를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 제2 실시형태의 방사노즐장치는, 팩바디(31)와, 상기 팩바디(31)의 외측에 설치되어 팩바디(31)에 열원을 제공하는 팩바디 히터(32)와, 용융상태의 열가소성 수지를 방사하여 섬유(F)를 형성하는 다수개의 방사용 홀(33a)이 형성된 방사노즐(33)과, 상기 팩바디(31) 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐(33)에 유입시키기 위한 분배판(34) 및 소류판(35)을 구비한다.

상기 소류판(35)은, 상기 팩바디(31) 내에 설치되는 제1 소류판(35a)과, 상기 팩바디(31) 외부에 위치하여 상기 제1 소류판(35a)과 착탈가능하게 된 제2 소류판(35b)으로 이루어지고, 상기 방사노즐(33)은 상기 제2 소류판(35b) 하부에 착탈가능하게 설치되어 상기 팩바디(31) 외부에 위치하도록 되어 있다.

이때 상기 제1 소류판(35a)과 제2 소류판(35b)의 착탈구조는, 제1 소류판(35a)에 암나사부(38)를 형성하고, 제2 소류판(35b)에 수나사부(39)를 형성하여 이들의 나사결합에 의해 착탈 가능하고, 제2 소류판(35b)의 수나사부(39)에는 제2 소류판(35b)의 회전을 용이하게 하는 육각머리형상부(39a)를 형성하는 것이 바람직하다.

또한 상기 방사노즐(33)과 제2 소류판(35b)의 착탈구조는, 제2 소류판(35b) 저면에 방사노즐(33)의 상부를 삽입하고, 제2 소류판(35b)에 나사결합되는 고정테두리판(40)을 이용하여 방사노즐(33)의 가장자리부를 제2 소류판(35b)에 고정하며, 고정테두리판(40)에는 방사노즐(33)의 방사용 홀(33a)이 노출되도록 개구부(40a)를 형성함으로써 구성한다.

또한 상기 제2 소류판(35b)과 방사노즐(33)의 외측벽과 상면은 방사노즐(33)을 가열하기 위한 가열체(36)로 둘러싸여 있다.

통상, 팩바디(31)는 팩바디 히터(32)로부터 50~350℃로 유지되는 것으로, 팩바디(31)의 온도가 50℃ 미만이면, 대부분의 수지가 용융되지 못하고 굳어 방사가 곤란하고, 350℃를 초과하면, 수지의 급격한 열분해로 인한 섬유의 물성저하가 발생하여 바람직하지 않다.

이에 대하여 가열체(36)로부터 가열되는 방사노즐(33)의 방사용 홀(33a) 부분의 온도는, 상기 팩바디(31)보다 높은 온도, 예를 들면 팩바디(31) 온도가 300℃라면 방사노즐(33)의 방사용 홀(33a) 부분의 온도는 350~700℃로 유지하는 것이 바람직한 것으로, 팩바디(31) 내의 용융 수지를 가열하는 온도보다 방사용 홀(33a) 부분을 가열하는 온도를 높게 설정한다.

가열체(36)의 온도는, 팩바디 히터(32)와 마찬가지로 통상의 전기 열선 또는 열매(熱媒)에 의해 조절될 수 있으며, 전기 열선의 일례로는, Cu계 및 Al계 주물히터, 전자기 유도 인덕션 히터, 근적외선 히터, 카본 히터, 세라믹 히터, PTC 히터, 석영관 히터, 할로겐 히터 등에서 선택된 어느 하나에 의해 제공될 수 있다.

한편, 팩바디(31)와 가열체(36) 사이에는 상호 열전달이 최소화되도록 하는 것이 바람직한 것으로, 이를 위해 팩바디(31)와 가열체(36) 사이에 공간부(37)를 형성하여 공기가 흐를 수 있도록 하고, 또한 상기 공간부(37)를 통해 제2 소류판(35b)의 수나사부(39)가 외부에 노출되도록 한다.

이는 가열체(36)와 제2 소류판(35b)의 고온이 팩바디(31) 및 제1 소류판(35a)으로 열전달되어 팩바디(31) 및 제1 소류판(35a)의 온도를 상승시키는 것에 의해 팩바디(31) 및 제1 소류판(35a) 내의 열가소성 수지, 예를 들면 폴리에스테르계 고분자 수지로 이루어진 원료가 열화되어 물성이 저하되는 문제를 방지한다.

이러한 제2 실시형태의 방사노즐장치에 의하면, 분배판(34) 및 소류판(35)을 통해 팩바디(31) 외부에 설치된 방사노즐(33)로 유입된 용융상태의 열가소성 수지는 방사노즐(33)의 방사용 홀(33a)을 통해 방사되어 섬유(F)를 형성하며, 방사 후 섬유(F)를 냉각시키고 상기 냉각된 섬유(F)를 가연기로 연신 후 권취하는 과정을 통해 고강도 열가소성 고분자 섬유를 제조하게 된다.

이때, 가열체(36)는 팩바디(31) 외부에 위치된 방사노즐(33)을 팩바디(31)의 온도보다 50~400℃이상 높은 온도로 순간 가열함으로써, 방사용 홀(33a)을 통해 방사되는 용융상의 고분자 내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 열가소성 고분자 섬유의 강도 및 신도 등의 기계적 물성을 개선할 수 있다.

또한 가열체(36)와 팩바디(31) 사이의 공간부(37)로 외부의 공기가 유통하고, 제2 소류판(35b)의 수나사부(39)가 공간부(37)에 노출된 구성이므로, 가열체(36)의 고온이 팩바디(31) 및 제1 소류판(35a)으로 전달되어 온도를 상승시키는 것으로 최소화함으로써 용융 고분자의 열화로 인한 물성저하를 방지할 수 있다.

또한 제2 실시형태의 방사노즐장치는, 방사노즐(33)을 제2 소류판(35b)으로부터 착탈 가능하게 구성된 것이므로, 방사노즐(33)을 교체하고자 하는 경우, 제2 소류판(35b)로부터 분리교체하면 되므로, 교체 작업이 매우 신속하고 간편하게 이루어지며, 방사노즐(33)의 방사용 홀(33a)에 대한 청소 작업시에도 매우 편리한 이점이 있다.

이상의 제1 및 제2 실시형태의 방사노즐장치를 적용하여 섬유(F)를 형성할 때, 통상의 열가소성 수지가 제한 없이 적용가능하나, 더욱 바람직하게는 특히 열에 약한 고분자 수지 적용에 유리할 것이다. 또한, 실제 상용화되는 방사노즐장치에 최소의 설계변경으로 적용가능하므로 초기 투자비를 낮추고, 대량생산 및 저비용으로 고성능의 섬유를 생산할 수 있다.

열가소성 수지로는, 폴리에스테르계 고분자(PET및 PBT, PTT, PEN등) 외에 Nylon 및 PP, PE계 등도 사용할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 폴리에스테르계 섬유가 가장 바람직하고, PET 장섬유 및 단섬유, 부직포 등의 섬유 분야에도 적용가능하고, 이외에 필름, 시트, 성형, 용기 등의 제조 분야에도 접목이 가능할 것이다.

또한, 제1 및 제2 실시형태의 방사노즐장치에 있어서, 동일한 목적을 달성하기 위하여, 방사노즐(23,33)의 방사용 홀(23a,33a)을 통과하는 용융 고분자의 체류시간, 유량 및 전단속도의 최적화가 요구된다.

이에, 바람직한 용융 고분자의 방사용 홀(23a,33a) 체류시간은 3초 이하이고, 유량은 적어도 0.01 ㏄/min 이상으로 수행되는 것이다. 이때, 폴리에스테르계 고분자의 경우 체류시간이 3초를 초과하면, 용융 고분자가 과도한 열에 장시간 노출되어 열화 문제가 발생하고, 유량이 0.01 ㏄/min 미만이면, 이 또한 용융 고분자에 과도한 열이 노출되어 열화 문제가 발생하여 바람직하지 않다.

또한, 제1 및 제2 실시형태의 방사노즐장치에 있어서, 방사노즐(23,33)의 방사용 홀(23a,33a) 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 필름 외관 불량(melt fracture)이 발생하여 섬유 단면의 불균일을 초래한다.

이상의 제1 및 제2 실시형태의 방사노즐장치는 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, 제1 및 제2 실시형태의 방사노즐장치는 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/f이하의 섬유(F)(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/f이하의 섬유를 제공할 수 있고, 방사속도 100~6000 m/min 및 섬유직경 100 d/f이하를 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.

이상에서와 같이 본 발명의 방사노즐장치는 실제 상용화되는 방사노즐장치의 설계와, 용융방사공정 및 연신공정 등의 기존 공정을 활용하면서 물성을 개선함으로써, 초기 투자비를 낮추고, 대량생산 및 저비용으로 고성능의 섬유 생산이 가능하다.

이에, 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.

<실시예 1, 2> 본 발명에 따른 제1 실시 형태의 방사노즐장치에 의한 고강도 PET 섬유 제조

제1 실시 형태의 방사노즐장치를 이용한 국부 고온가열 방식을 수행하되, 표 1에서 제시된 바와 같이 PET 수지의 고유점도를 달리하고, 하기의 저속방사 및 오프라인 연신을 수행하여 고강도 PET 섬유를 제조하였다.

(1) 방사 조건

- 사용 수지: PET (I.V. 0.65 1.20)

- 방사온도(노즐온도): 280∼300℃

- 방사노즐 홀 직경: Ø 0.5

- 방사노즐 홀당 토출량: 3.3g/min

- 노즐 국부가열 히터 온도: Pack 바디온도 + 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: 3단이상

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

<표 1>

상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 고유점도 0.65 및 1.2의 PET 수지를 제1 실시 형태의 방사노즐장치를 이용하여 노즐 국부 고온가열을 통해 제조된 실시예 1, 2의 섬유와 노즐 국부 고온가열 없이(Pack 바디온도와 동일) 수행되는 것을 제외하고는 동일하게 수행된 비교예 1, 2의 섬유의 강도 및 신도의 물성분석 결과, 실시예 1, 2에서 제조된 미연신사(as-spun사) 및 연신사의 섬유 물성치가 노즐 국부 고온가열 없이 수행되는 것을 제외하고는 동일하게 수행된 비교예 1, 2의 섬유대비, 높은 결과를 보였다. 이러한 결과로부터, 저분자량 및 고분자량 PET 수지 모두 노즐 국부 고온가열 에 의한 분자쇄 얽힘 제어로 물성 향상을 확인하였다.

특히, 실시예 1, 2의 연신사의 경우, 저분자량 및 고분자량 PET 섬유 모두 기존 비교예 1, 2 대비 최대 연신 가능한 연신비가 10%이상 증가하였으며, 얻어진 섬유 또한 신도는 유사한반면 강도가 15% 이상 향상되었다.

<실시예 3, 4> 본 발명에 따른 제2 실시 형태의 방사노즐장치에 의한 고강도 PET 섬유 제조

제2 실시 형태의 방사노즐장치를 이용한 국부 고온가열 방식을 수행하되, 표 2에서 제시된 바와 같이 국부 가열온도를 달리하고, 하기의 저속방사 및 오프라인 연신을 수행하여 고강도 PET 섬유를 제조하였다.

(1) 방사 조건

- 사용 수지: PET (I.V. 1.20)

- 방사온도(노즐온도): 280∼300℃

- 방사노즐 홀 직경: Ø 0.5

- 방사노즐 홀당 토출량: 3.3g/min

- 노즐 국부가열 히터 온도: Pack 바디온도 + 100 ~ 150℃ 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: 3단이상

<표 2>

상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 고유점도 1.2의 PET 수지를 제2 실시 형태의 방사노즐장치를 이용하여 노즐 국부 고온가열을 통해 가열 온도를 변화시켜 제조된 실시예 3, 4의 섬유와 노즐 국부 고온가열 없이(Pack 바디온도와 동일) 수행되는 것을 제외하고는 동일하게 수행된 비교예 3의 섬유의 강도 및 신도의 물성분석 결과, 실시예 3, 4에서 제조된 미연신사(as-spun사) 및 연신사의 섬유 물성치가 노즐 국부 고온가열 없이 수행되는 것을 제외하고는 동일하게 수행된 비교예 3 섬유대비, 높은 결과를 보였다. 또한 국부가열 가열온도가 높을수록 섬유 물성치가 증가하는 것을 보였다. 이러한 결과로부터, 고분자량 PET 수지의 노즐 국부 고온가열에 의한 분자쇄 얽힘 제어로 물성 향상을 확인하였으며, 특히 가열온도를 증가할수록 물성이 보다 더 증가하는 것을 확인한 바, 향후 온도를 추가로 올릴 경우 물성도 추가로 개선될 가능성이 있음을 보였다.

실시예 3, 4의 PET 연신사의 경우 모두 기존 비교예 3 대비 최대 연신 가능한 연신비가 15%이상 증가하였으며, 얻어진 섬유 또한 신도는 유사한반면 강도가 20% 이상 향상되었다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치는, 용융복합 방사공정에서 방사노즐의 방사용 홀 부분을 팩바디 외부에 위치시킴과 동시에, 방사용 홀 부분의 가열방식을 최적화한 것으로서, 순간 고온 가열에 의해 용융상 고분자의 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 열가소성 고분자 섬유의 연신성을 향상시킴으로써, 강도 및 신도를 개선하였다.

본 발명의 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치는, 용융방사공정 및 연신공정 등의 기존 공정을 활용하면서 수지의 용융점도를 낮추고 섬유의 냉각속도를 지연하며 연신성을 개선함으로써, 초기 투자비를 낮추고, 대량생산 및 저비용으로 고성능의 섬유 생산이 가능하다.

이에, 열가소성 고분자 중 고강도의 폴리에스테르사를 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 수정 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

21,31 : 팩바디 22,32 : 팩바디 히터
23,33 : 방사노즐 23a,33a : 방사용 홀
23b : 고정부 23c : 방사부
24d : 연장부 24,34 : 분배판
25,35 : 소류판 26,36 : 가열체
27,37 : 공간부 28 : 공기유통구멍
F : 섬유

Claims

팩바디와, 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터와, 상기 팩바디에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사하는 방사노즐과, 상기 팩바디 내에 설치되어 용융상태의 PET 수지를 방사노즐에 유입시키기 위한 분배판 및 소류판을 포함하며,
상기 방사노즐은, 상기 팩바디 내부에 위치하는 고정부와, 팩바디로부터 노출되어 외부에 위치하는 방사부로 이루어지고, 상기 방사부에는 열가소성 수지를 용융방사하여 섬유를 형성하는 다수개의 방사용 홀을 형성하여 상기 방사용 홀이 팩바디 외부에 위치되며,
상기 방사노즐의 방사부에는 팩바디 외부에 위치한 방사용 홀 부분을 상기 팩바디의 온도보다 높은 온도로 가열하기 위한 가열체가 구비된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
제 1 항에 있어서, 상기 방사노즐은, 상기 고정부와 방사부 사이를 이격시키기 위한 연장부를 구비하는 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
제 2 항에 있어서, 상기 방사노즐의 연장부는 팩바디의 하단으로부터 10~500mm 연장 형성되어 방사부에 형성된 방사용 홀이 팩바디 외부에 위치하도록 된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가열체는 링형상으로 되어 방사부의 측벽 둘레를 둘러싸도록 설치된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
제 2 항에 있어서, 상기 소류판의 하부는 방사노즐 내에 삽입되고, 소류판의 하단은 방사노즐의 연장부와 방사부의 경계지점까지 연장되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사용 홀의 입구까지 유도할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
제 5 항에 있어서, 상기 방사노즐의 고정부 및 연장부의 내측벽과 이에 대향하는 소류판의 외측벽 사이에는 공간부를 형성하고, 방사노즐의 연장부에는 상기 공간부와 외부를 연통시키는 공기유통구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
팩바디와, 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터와, 용융상태의 열가소성 수지를 방사하여 섬유를 형성하는 다수개의 방사용 홀이 형성된 방사노즐과, 상기 팩바디 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐에 유입시키는 분배판 및 소류판을 포함하며,
상기 소류판은, 상기 팩바디 내에 설치되는 제1 소류판과, 상기 팩바디 외부에 위치하여 상기 제1 소류판과 착탈가능하게 된 제2 소류판으로 이루어지고,
상기 방사노즐은 상기 제2 소류판 하부에 착탈가능하게 설치되어 상기 팩바디 외부에 위치하며,
상기 방사노즐에는 방사용 홀 부분을 상기 팩바디의 온도보다 높은 온도로 가열하기 위한 가열체가 구비된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
제 7 항에 있어서, 상기 가열체는 상기 제2 소류판 및 방사노즐의 측면둘레와 상면을 감싸도록 설치된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
제 8 항에 있어서, 상기 팩바디 하단부와 상기 가열체 사이에 공기가 유통하는 공간부를 형성한 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.