KR20190033544A - 모노필라멘트 얀 제조 시스템 및 방법 - Google Patents

모노필라멘트 얀 제조 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모노필라멘트 유동 방향을 따라 다음의 순차적인 공정 유닛을 포함하는 멀티-엔드 모노필라멘트 제조 장치를 제안한다: 방사구금(11) 및 상기 방사구금 아래 분배판(12)을 포함하는 수직 방적기(1); 방사된 모노필라멘트를 담금질(quenching)하기 위한 수조(2); 수조로부터 모노필라멘트를 옮기기 위한 진공 제트 디바이스(3); 300℃ 내지 380℃ 범위 내의 온도 및 4bar 내지 5bar 범위 내의 압력에서 과열된 스팀을 제공할 수 있는 스팀 제트(4); 인발 유닛(5); 500m/분을 초과하는 속도로 모노필라멘트를 권취하는 모노필라멘트 와인더(6). 본 발명은 멀티-엔드 모노필라멘트 얀 제조를 위한 방법을 더 제안한다.

Description

멀티필라멘트 얀 제조 장치 및 방법
본 발명은 얀의 제조, 보다 구체적으로, 높은 강도(tenacity)의 모노필라멘트 얀의 제조를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
통상적인 상업용 모노필라멘트 제조 라인은 압출, 수조를 통한 압출된 필라멘트의 냉각, 제1 인발 영역, 추가의(제2) 인발 영역, 열처리, 및 제조된 모노필라멘트 얀의 권취의 순차적인 공정 단계/부분을 포함한다. 그러한 상업용 모노필라멘트 제조 라인은 일반적으로 타이어급(tire-grade) 모노필라멘트에 대해 약 150 내지 300m/분(mpm으로 알려짐: 분 당 얀의 미터)의 귄취 속도를 달성하고, 이들은 대체로 제조 시스템을 위한 넓은 풋프린트 면적(약 25m에서 35m의 길이로)의 할당에 대응하는 수평 방향으로 진행된다.
US5240772A는 7.5gpd(데니어 당 그램-포스(gram-force))보다 큰 강도로 1000데니어 보다 높은 선밀도를 갖는 폴리아미드 모노필라멘트를 제조하는 방법을 개시한다. 50을 초과하는 (포름산의 점도에 대한) 상대 점도의 폴리머, 및 모노필라멘트의 코어 온도를 55℃ 아래로 유지하기 위한 수조가 사용된다. 인발 포인트 로컬라이저 및 스티머(steamer)는 권취 또는 사용 중에 발생하는 장력을 견딜 수 있는 강도와 같은 제품에 필요한 기계적 특성을 유지하기 위해 사용된다. 이 공정에서, 제1 스테이지 인발 롤은 제2 인발 영역에 들어가기 전에 모노필라멘트를 가열하기 위해 140℃로 가열되었고; 인발율(drawing rate)를 향상시키기 위해 인발 포인트 로컬라이저 및 스티머를 피드 롤(feed roll) 이후에 위치시켰다. 나아가, 열처리 시스템에서 복사 가열기 역시 사용되었다.
US3963678A는 10gpd로 1000데니어 보다 높은 선밀도의 폴리아미드 모노필라멘트의 또 다른 제조 방법을 개시하며, 여기서 모노필라멘트는 13kg/h 내지 20kg/h(시간 당 킬로그램)의 처리량으로 방사된다. 그러나 이러한 처리량을 달성하기 위해 제조된 모노필라멘트의 엔드 수는 개시되어 있지 않다. 모노필라멘트의 고속 방사에서, 4개보다 많은 엔드를 갖는 모노필라멘트의 연속적인 제조를 해내는 것이 큰 과제이다. 이러한 과제는 새로운 공정, 장치 및 방법의 설계를 필요로 한다.
인발 포인트 로컬라이저 및 스티머의 순차적인 사용은 상기 문헌에 개시되어 있다. 모노필라멘트는 95℃ 내지 98℃ 범위의 온도에서 물로 코팅된다. 또한, 상기 문헌에 개시된 스티머는 180℃의 스팀 온도로 80 내지 140psig(5.51bar 내지 9.65bar) 사이의 압력을 적용한다. 여전히 모노필라멘트 엔드의 수 개시 없이, 최대 와인더 속도는 516.7m/분으로 개시되어 있다.
모노필라멘트 얀 제조에서 고속(예를 들어 500m/분 또는 그 이상)을 달성하는 것은 매우 큰 과제이며, 얀에서 적은 수의 엔드가 목적일 경우 특히 그러하다. 모노필라멘트 얀 제조에서 높은 데니어 값 및 많은 수의 엔드를 목표로 할 때, 압출 시 물 탱크의 불충분한 냉각, 석션 건에 의한 필라멘트 포획의 어려움, 및 고데(godets)에서 필라멘트의 개별적인 포장과 같은, 여러 가지 문제가 광범위하게 발생한다. 또한, 상업용 모노필라멘트 라인은 제품의 손상 방지를 위해 요구되는 낮은 권취 속도로 인해 낮은 제조 용량을 가지고 있다.
본 발명의 주요 목적은 상기 언급된 종래 기술의 결점을 극복하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 향상된 제조 속도에서, 적은 수의 엔드를 가진 높은 데니어의 모노필라멘트 얀을 획득하는 방법을 제공한다.
본 발명의 추가적인 목적은 투자 및 운영 비용이 감소된 모노필라멘트 얀의 제조 방법 및 공정을 제공한다.
본 발명은 모노필라멘트 유동 방향에 따라 다음의 순차적인 공정 유닛을 포함하는 멀티-엔드 모노필라멘트 제조 장치를 제안한다: 방사구금 및 상기 방사구금 아래 분배판을 포함하는 수직 방적기; 방사된 모노필라멘트를 담금질하기 위한 수조; 수조로부터 모노필라멘트를 옮기기 위한 진공 제트 디바이스; 300℃ 내지 380℃ 범위 내의 온도 및 4bar 내지 5bar 범위 내의 압력에서 과열된 스팀을 제공할 수 있는 스팀 제트; 인발 유닛; 및 500m/분을 초과하는 속도로 모노필라멘트를 권취하는 모노필라멘트 와인더(6). 본 발명은 멀티-엔드 모노필라멘트 얀 제조 방법을 추가로 제안한다.
본 명세서에서 간략한 설명이 제공된 도면은 단지 본 발명의 보다 나은 이해를 제공하기 위한 것이고, 보호의 범위 또는 설명의 부재 시 상기 범위가 해석되는 문맥을 한정하려는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 장치 및 방법에 따른 여러 실험적인 실행에서 제품의 공정 변수(parameter) 및 결과적인 물리적 특성을 요약한 표이다.
도 2는 본 발명의 방법에 따른 제조 라인을 따라 공정 단계에 대응하는 장치의 공정 유닛들을 나타내는 개요이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 버전에 대응하는, 본 발명에 따른 장치의 일 구현예의 개략도를 나타낸다.
이전까지 개략적으로 요약된 도면을 참조하여, 본 발명은 모노필라멘트 얀 제조를 위한 장치 및 방법을 제안한다.
본 발명에 따른 방법은 폴리에스테르 또는 폴리아미드 조각(즉, 폴리아미드 6.6, 폴리아미드 6, 폴리아미드 6.6/폴리아미드 6 공중합체 또는 이들의 혼합물)의 고상 폴리머화, 멀티-엔드 모노필라멘트 방사, 물에 담금질, 제품으로 모노필라멘트 얀의 인발 및 고속 권취의 순차적인 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 장치의 개략도는 도 2에 주어지며, 여기서 장치 내의 공정 유닛들 사이의 순서는 화살표로 강조되고, 또한 장치 전체에 걸친 압출물의(따라서 필라멘트의) 유동 방향에 대응한다. 도 3에도 동일하게 적용되며, 장치의 바람직한 구현예 및 제조 시 유동 방향이 개략화되어 있다.
장치는 주로 수직 방향(주로 중력 벡터와 평행하고 동일방향, 즉, 아래쪽, 즉, 지구의 무게중심 쪽으로, 평형 상태에서 정지된 추의 로프로부터 최대 5°(360°이상)로 사용)으로 압출물을 내보내는 압출 출구를 갖는 방적기(1)를 포함한다. 따라서, 그러한 방적기는 수직 방적기로 한정될 수 있게 간주된다. 장치는 방적기(1)를 빠져 나갈 때 섬유의 결정화도 최적화 및 담금질을 위한 수조(2)(담금질 탱크로도 칭하여질 수 있음)를 더 포함한다. 수조(2) 다음에는 필라멘트를 수직 방향(아래쪽)으로 옮기기 위한 진공 제트 디바이스(3)가 뒤따른다. 진공 제트 디바이스 다음에는 300℃ 내지 380℃의 범위 내, 바람직하게는 345℃ 내지 355℃ 범위 내의 온도에서 과열된 스팀을 제공하는 스팀 제트(4)가 뒤따른다. 스팀의 압력은 바람직하게 4bar 내지 5bar의 범위 내이다.
모노필라멘트를 물로 균일하게 코팅하는 것은, 그렇지 않으면 모노필라멘트가 부서지기 쉽고, 파단 시 신장(elongation)이 낮으며, 강도가 낮기 때문에, 매우 중요하다.
본 발명에 따른 장치 및 방법은 통상적인 상업용 방사 라인에 비교할 경우, 3 내지 4배 높은 용량에 대응하는 공정을 통해 향상된 속도 및, 향상된 모듈러스(modulus)를 제공한다. 감소된 제품 비용에 대응하여 증가된 용량은 제품(즉, 모노필라멘트 얀)의 단위(unit) 부피 당 낮은 작동 비용 덕분이다. 주로 수직인 제조 라인은 공간 사용의 관점에서 절감된 투자 비용에 대응하여, 최소화된 풋프린트(footprint)를 요구하는 장치를 제공한다. 쉽게 입수 가능한 상업용 모노필라멘트 방사 시스템과 비교할 때 비용 절감은 대략 50%로 계산된다. 또한, 수직으로 방사하는 것은 공지된 상업용 폴리아미드 모노필라멘트 제조 라인과 비교하여 3 내지 4배 빠른 방사를 가능하게 한다.
실시예
본 발명에 따른 방법 및 장치의 예시적인 시험에서, 12-엔드 모노필라멘트 얀 제조를 위해 1300m/분의 권취 속도를 달성하였다. 필라멘트는 0.1mm의 필라멘트 직경에서 100dtex, 내지 0.6mm의 필라멘트 직경에서 3000dtex 범위의 선 질량 밀도 값을 가지며; 여기서 dtex는 데시텍스(decitex)의 약자(즉, 10000미터 당 그램 단위의 필라멘트 질량)이다. 높이 평가되는 제품(respected products)의 기계적 특성 및 공정 변수는 표 1에 정리하였다(도 1 참조). 신장율 3%에서 하중(load at 3% of elongation)(3% LASE로 알려짐) 및 4.5kgf에서 신장율(%)(E 4.5로 알려짐)은 모듈러스를 나타내는 것으로 간주하였다. 획득된 제품의 모듈러스는 통상적인 상업용 모노필라멘트와 비교하였을 때, 30 내지 35% 높았다.'타이어 코드(tire cord)' 적용의 경우, 7.5gpd(데이어 당 그램-포스(gram-force)의 약자)의 강도 값이 충분하다고 간주된다. 높은 모듈러스 값의 모노필라멘트 얀은 타이어에서 증가된 단단함을 달성하고 그에 따라 이의 회전 저항을 감소시키는 데 유리하다.
예시적인 실행(도 3 참조)에 사용된, 본 발명에 따른 장치는, 방사구금(11) 및 모노필라멘트 얀을 형성하기 위해 압출물 유동(방사구금으로부터 수직 방향으로 이동)을 수용하는 후자(latter) 아래의 분배판(12)을 포함하는 수직 방적기(1)를 포함한다. 유동(화살표로 나타냄)은 수조(2)로 계속된다. 실험에서 사용된 장치에서, 방적기(1)와 수조(2) 사이에 에어갭(13)을 유지하는 것이 바람직하다. 수조(2) 다음에는 물 제거 디바이스(31)가 우선적으로 더 제공되는 진공 제트 디바이스(3)가 뒤따른다. 진공 제트 디바이스(3)를 통과한 필라멘트는 석션 건(32)(석션 제트로도 칭하여질 수 있음)에 의해 포획되고, 제1 인발 영역(33)으로 향하게 되고, 그 다음 필라멘트는 스팀 제트(4) 다음으로 주 인발 유닛(5)으로서 추가적인(제2) 인발 영역을 거친다. 스팀 제트(4)에서, 스팀은 필라멘트 상에 4.5bar의 압력으로 적용된다. 그 다음 필라멘트는 릴랙싱(51) 단계를 거치고, 와인더(6)에서 고속 권취로 끝난다.'고속'이라는 용어는 500m/분을 초과하는 속도, 보다 바람직하게는 1000m/분을 초과하는 속도, 더욱 더 바람직하게는 1200m/분 보다 높은 속도로 사용된다. 1300m/분의 권취 속도는 실험적인 실행에서 사용되었다.
실험적인 실행에서, 포름산의 점도에 대하여 88 내지 100 범위 내의 자유낙하 상대 점도가 사용되었고, 더욱 바람직하게 자유낙하 상대 점도는 93 내지 97 범위 내였다. 자유낙하 폴리머의 포름산 상대 점도가 75 내지 100(ASTM D 789) 범위 내일 때, 1300m/분의 와인더 속도에서 9.0gpd의 강도 및 5.7GPa(기가파스칼, 109N/m2)의 모듈러스(2% 당김 시)를 달성하였다. 이 상대 점도에서의 폴리아미드를 용융시키고 방사된 모노필라멘트의 담금질을 위해 12-구멍 방적구금을 통해 수조로 압출시켰다. 수조와 방적구금 구멍 사이에 20cm 내지 80cm 범위 내의 에어 갭(방사된 모노필라멘트가 새로이 방사된 필라멘트의 바람직한 예비 냉각을 위해 공기와 접촉할 수 있는 거리)이 존재한다. 상기 거리는 또한 수조에 들어가지 전에 모노필라멘트 물질의 결정화 수준을 증가시킨다.
(모노)필라멘트의 강도, 모듈러스 및 수축 거동은 수조를 통과하는 동안 이의 결정화 수준을 더욱 증가시킴으로써 발달하기 시작한다. 이 때문에, 수조의 온도는 바람직하게 7℃ 내지 20℃ 범위 내로 유지하는 것이 바람직하다.
모노필라멘트는 우선적으로 수조의 출구(exit) 상에서 풀러 롤에 의해 당겨졌으며, 여기서 풀러 롤은 진공 제트로 필라멘트를 처리하기 전, 필라멘트를 던짐으로써(예를 들어, 물 탱크의 출구 앞의 바닥에) 작용한다. 각각의 실험적인 실행에서, 필라멘트와 접촉하는 풀러 롤 표면 상의 선 속도는 모노필라멘트의 dtex 값 및 와인더의 속도에 따라, 100m/분 내지 300m/분 범위 내의 값으로 조절되었다.
모노필라멘트는 바람직하게 풀러 롤과 접촉하기 전에 탈수된다. 모노필라멘트(바닥에 떨어질 수 있는)는 작동자(operator)에 의해 진공 제트로 향할 수 있다. 모노필라멘트를 인발 유닛으로 내던지고, 예를 들어 1300m/분의 고속으로 (예를 들어, 12-엔드의 멀티플-엔드)모노 필라멘트를 옮기는데 진공 제트 장치가 중요하다.
인발 유닛으로 옮겨진 모노필라멘트는 바람직하게 TR 2014/03829에 기재된 방법에 따라 포획될 수 있다. 그 다음 모노필라멘트는 피드 롤(feed roll) 주변에서 감싸진다. 여기서, 풀러 롤과 피드 롤 사이의 인발을 원하지 않으므로, 피드 롤 측면에서의 선 속도는 풀러 롤의 그것에 가깝다. 이 경우, 피드 롤 및 풀러 롤 측면에서의 선 속도 비는 바람직하게 0.95 내지 1.05의 범위 내이다.
피드 롤과 제1 스테이지 롤 사이에서, 인발 포인트 위치 및 인발 비율 증가를 위해 모노필라멘트를 스팀을 적용하였다. 300℃ 내지 380℃, 더욱 바람직하게는 300℃ 내지 340℃, 더욱 더 바람직하게는 310℃ 내지 330℃ 범위 내의 온도에서 개구부(opening)을 통해 스팀을 적용하였다. 실험적인 실행에서, 스팀의 온도는 320℃이였다. 스팀의 압력은 4bar 내지 5bar 범위 내로 유지하였다.
그 다음, 고속(실험적인 실행에서, 속도는 최대 1400m/분)으로, 모노필라멘트 상에 최대 인발 비율이 적용되는 (주)인발 유닛(제2 스테이지 롤이라고도 칭하여질 수 있음)으로 모노필라멘트를 옮겼다. 강도는 주로 이 스테이지에서 발달된다. 최적의(optimal) 강도 값을 위해, 바람직하게는, 주 인발 유닛에서 롤의 모노필라멘트 접촉 표면을 225℃ 내지 250℃, 더욱 바람직하게는 235℃ 내지 245℃ 범위 내의 온도로 유지하여야 한다. 실험적인 실행에서, 주 인발 유닛에서 롤의 표면 온도를 240℃로 유지하였다. 12 엔드 모노필라멘트를 위한 1300m/분의 권취 속도에서, 본 발명에 따른 방법으로 약 5.05x의 총 인발 비율을 달성하였다.
실험적인 실행에서, 주 인발 유닛을 떠나 릴랙싱 롤(relaxing roll)로 모노필라멘트를 옮겼다. 그 후, 석션 건(석션 제트)을 갖춘 와인더 상의 플랜지 목관(flanged bobbins)으로 모노필라멘트를 옮겼다. 향상된 생산성을 제공하기 위해, 롤을 통해 개별적으로 모노필라멘트를 옮겼다. 본 발명에 따른 방법 및 장치는 모노필라멘트의 선 질량 밀도에 따라 16 내지 67kg/h 범위의 폴리머 처리 속도를 가능하게 한다. 또한, 실험적인 실행에서, 제품의 단면 형상에도 불구하고; 공지된 상업용 제조 라인과 비교하여 3 내지 4배 높은 방사 속도를 달성하였다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는, 본 발명에 따른 방법 및 장치로 12개 이상의 엔드 모노필라멘트의 무-손실(lossless) 고속 제조가 크게 향상되기 때문에, 4-엔드 모노필라멘트보다 높고, 더욱 바람직하게는 12개 이상의 엔드를 갖는 모노필라멘트에 대응하는 높은 수의 엔드를 갖는 모노필라멘트의 제조에 특히 적합하다.

Claims (13)

  1. 모노필라멘트 유동 방향을 따라 다음의 순차적인 공정 유닛을 포함하는 멀티-엔드 모노필라멘트 제조 장치:
    a) 방사구금(11) 및 상기 방사구금 아래 분배판(12)을 포함하는 수직 방적기(1),
    b) 방사된 모노필라멘트를 담금질(quenching)하기 위한 수조(2),
    c) 수조로부터 모노필라멘트를 옮기기 위한 진공 제트 디바이스(3),
    d) 300℃ 내지 380℃ 범위 내의 온도 및 4bar 내지 5bar 범위 내의 압력에서 과열된 스팀을 제공할 수 있는 스팀 제트(4),
    e) 인발 유닛(5),
    f) 500m/분을 초과하는 속도로 모노필라멘트를 권취하는 모노필라멘트 와인더(6).
  2. 제1항에 있어서,
    속도는 1000m/분 초과, 더욱 바람직하게는 1200m/분 보다 빠른, 멀티-엔드 모노필라멘트 제조 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    방적기(1)와 수조(2) 사이에 에어갭(13)이 존재하고, 상기 에어갭은 수조(2)와 방사구금(11)의 압출물 출구 구멍 사이의 20cm 내지 80cm 범위 내인 거리와 대응하는, 멀티-엔드 모노필라멘트 제조 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    진공 제트 디바이스(3)와 스팀 제트(4) 사이에 제1 인발 영역(33) 및 석션 건(32)을 더 포함하는, 멀티-엔드 모노필라멘트 제조 장치.
  5. 다음의 순차적인 단계를 포함하는 멀티-엔드 모노필라멘트 얀(yarn) 제조 방법:
    i) 폴리에스테르 또는 폴리아미드 조각을 고상 중합하는 단계로서, 상기 폴리아미드는 폴리아미드 6.6, 폴리아미드 6, 폴리아미드 6.6/폴리아미드 6의 코폴리머 또는 이들의 혼합물을 포함하는 리스트로부터 선택되는, 단계,
    ii) 방사구금 및 상기 방사구금 아래 분배판을 포함하는 수직 방적기를 사용하여, 멀티-엔드 모노필라멘트를 방사하는 단계,
    iii) 방사된 모노필라멘트를 물로 담금질하는 단계,
    iv) 모노필라멘트를 인발하는 단계,
    v) 500m/분을 초과하는 속도에서 모노필라멘트 얀을 제품으로서 권취하는 단계.
  6. 제5항에 있어서,
    속도는 1000m/분 초과, 더욱 바람직하게는 1200m/분 보다 빠른, 멀티-엔드 모노필라멘트 얀 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    방사된 모노필라멘트가 단계 (ii)를 빠져 나갈 때 포름산의 점도에 대한 자유 낙하 상대 점도는 88 내지 100 범위 내, 바람직하게는 93 내지 97 범위 내인, 멀티-엔드 모노필라멘트 얀 제조 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계(ii)를 떠나는 방사된 모노필라멘트는 물에 담금질하는 단계 (iii)로 들어가기 전에 20cm 내지 80cm 범위 내의 거리를 따라 공기와 접촉하고, 물에 담금질하는 단계는 7℃ 내지 20℃ 범위 내의 온도에서 수조를 사용하여 수행되는, 멀티-엔드 모노필라멘트 얀 제조 방법.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    모노필라멘트는 물 담금질의 출구(exit)에서 풀러 롤(puller roll)에 의해 당겨지고, 필라멘트와 접촉되는 풀러 롤의 표면 상의 선 속도는 100m/분 내지 300m/분 범위 내의 값으로 조절되는, 멀티-엔드 모노필라멘트 얀 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    모노필라멘트는 풀러 롤에 접촉하기 전에 탈수되는, 멀티-엔드 모노필라멘트 얀 제조 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    모노필라멘트가 피드 롤을 떠나면서 스팀을 받기 전, 모노필라멘트는 제1 스테이지 롤로 옮겨지며, 스팀은 300℃ 내지 380℃, 바람직하게는 300℃ 내지 340℃, 더욱 바람직하게는 310℃ 내지 330℃ 범위 내의 온도 및 4bar 내지 5bar 범위 내의 압력에 있는, 멀티-엔드 모노필라멘트 얀 제조 방법.
  12. 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계(iv)에서, 모노필라멘트는 인발 유닛의 롤러 표면에 적용되며, 상기 표면의 온도는 225℃ 내지 250℃, 바람직하게는 235℃ 내지 245℃ 범위 내인, 멀티-엔드 모노필라멘트 얀 제조 방법.
  13. 제5항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    모노필라멘트는 12개 이상의 엔드를 갖는, 멀티-엔드 모노필라멘트 얀 제조 방법.

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