KR20190120347A - 폴리아미드의 겔 방적을 위한 조성물 및 방법 - Google Patents

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Abstract

섬유를 형성하기 위한 조성물은 적어도 하나의 폴리아미드 및 카프로락탐을 포함한다. 적어도 하나의 폴리아미드는 38,000 Da 내지 100,000 Da의 수 평균 분자량을 갖는다. 폴리아미드는 카프로락탐에 적어도 부분적으로 용해된다. 카프로락탐은 조성물의 20 중량% 내지 90 중량%를 차지한다.

Description

폴리아미드의 겔 방적을 위한 조성물 및 방법
본 발명은 폴리아미드 재료, 및 특히 폴리아미드로부터 섬유를 제조하기 위한 겔 방적 기술에 관한 것이다.
통상적인 폴리아미드, 또는 나일론, 직물은 용융 방적 기술을 사용하여 생산되며, 여기서 폴리아미드 수지는 방사구를 통해 수지를 압출시키기 전에 용융 상태로 가열되어 직물 섬유를 형성한다. 이러한 나일론 수지는 전형적으로 약 14,000 달톤 (Da) 내지 20,000 Da 범위의 분자량을 갖고, 약 6-10 그램/데니어의 강인도(tenacity)를 갖는 섬유를 생성한다. 이러한 기계적 강도는 일부 고성능 직물 섬유 적용에 충분하지 않다.
일부 예비-섬유(pre-fiber) 겔 조성물, 그의 제조 방법, 및 용도는, 예를 들어 미국 특허 제7,258,048호, 미국 특허 제8,106,116호, 및 국제 특허 공보 WO 2005/049694에 개시되어 있고, 이들의 개시내용은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
더 폭넓은 범위의 직물 적용에 적합한 기계적으로 더 강한 폴리아미드 직물 섬유를 제조하기 위해 상기 예비-섬유 겔 조성물 및 제조 방법에서 개선이 요구된다.
요약
본 개시내용은 폴리아미드 섬유의 겔 방적을 위한 조성물을 제공한다. 방적 섬유는 고성능 직물을 제조하는데 유용할 수 있다.
다양한 실시양태는 섬유를 형성하기 위한 조성물에 관한 것이다. 조성물은 적어도 하나의 폴리아미드 및 카프로락탐을 포함한다. 적어도 하나의 폴리아미드는 ASTM 789에 따라 결정된 바와 같은 포름산 점도 (FAV)로부터 유래된 38,000 Da 내지 100,000 Da의 수 평균 분자량을 갖는다. 폴리아미드는 카프로락탐에 적어도 부분적으로 용해된다. 카프로락탐은 조성물의 20 중량% 내지 90 중량%를 차지한다. 일부 실시양태에서, 조성물의 적어도 하나의 폴리아미드는 폴리아미드-6이다. 일부 실시양태에서, 카프로락탐은 조성물의 총 중량의 50 중량% 내지 90 중량%를 차지한다. 일부 실시양태에서, 폴리아미드는 ASTM 789에 따라 결정된 바와 같은 포름산 점도 (FAV)로부터 유래된 41,000 Da 내지 68,000 Da의 수 평균 분자량을 갖는다.
다양한 실시양태는 섬유의 제조 방법을 포함한다. 상기 방법은 적어도 하나의 폴리아미드를 카프로락탐에 용해시켜 방적성 용액을 형성하고 방사구를 통해 방적성 용액을 압출시킴으로써 방적성 용액을 방적하여 섬유를 형성하는 것을 포함한다. 적어도 하나의 폴리아미드는 ASTM 789에 따라 결정된 바와 같은 포름산 점도 (FAV)로부터 유래된 38,000 Da 내지 100,000 Da의 수 평균 분자량을 갖는다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 폴리아미드를 용해시키는 것은 150℃ 내지 270℃의 온도에서 수행한다. 추가 실시양태에서, 적어도 하나의 폴리아미드를 용해시키는 것은 150℃ 내지 200℃의 온도에서 수행한다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 폴리아미드는 폴리아미드-6이다. 일부 실시양태에서, 방적성 용액은 20 중량% 내지 90 중량% 카프로락탐을 포함한다. 추가 실시양태에서, 방적성 용액은 50 중량% 내지 90 중량% 카프로락탐을 포함한다. 일부 실시양태에서, 폴리아미드는 ASTM 789에 따라 결정된 바와 같은 포름산 점도 (FAV)로부터 유래된 41,000 Da 내지 68,000 Da의 수 평균 분자량을 갖는다. 일부 실시양태에서, 방법은 켄칭액을 함유하는 켄칭 욕조에서 방적 섬유를 켄칭하는 것을 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 에어 갭은 방사구와 켄칭 욕조 내의 켄칭액 사이로 규정되고, 에어 갭은 길이가 0.25 인치 내지 11 인치이다. 일부 실시양태에서, 에어 갭은 길이가 0.5 인치 내지 2 인치이다. 일부 실시양태에서, 방적 섬유를 켄칭하는 것은 켄칭 욕조를 통해 섬유를 제1 방향으로 당기고 켄칭액을 제2 방향으로 유동시키는 것을 포함한다. 제2 방향은 제1 방향과 실질적으로 반대이다. 일부 실시양태에서, 켄칭액은 1,000 내지 26,000 센티포아즈의 동적 점도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 켄칭액은 50℃ 내지 150℃의 온도에 있다.
다양한 실시양태는 폴리아미드 섬유를 포함한다. 폴리아미드 섬유는 복수의 폴리아미드 중합체 사슬을 포함한다. 폴리아미드 중합체 사슬은 ASTM 789에 따라 결정된 바와 같은 포름산 점도 (FAV)로부터 유래된 38,000 Da 내지 100,000 Da의 수 평균 분자량을 갖는다. 일부 실시양태에서, 폴리아미드 섬유의 강인도는 10 그램/데니어 초과이다.
본 발명의 상기 언급된 특징 및 다른 특징, 및 이들을 달성하는 방식은, 첨부 도면과 함께 본 발명의 실시양태의 이하의 설명을 참조함으로써 보다 명확해질 것이며 본 발명 자체가 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 실시양태에 따라, 섬유를 제조하기 위한 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 개시내용의 실시양태에 따라, 섬유를 제조하는 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 개시내용의 실시양태에 따른 실제 및 예상 가방성(spinnability)을 포함하는, 폴리아미드 및 카프로락탐의 다양한 조합의 가방성을 보여주는 차트이다.
도 4-7은 폴리아미드 섬유의 강인도에 미치는 폴리아미드 분자량, 켄칭액 온도, 방적 연신 비, 권취(take-up) 속도, 및 에어 갭의 효과를 보여주는 차트이다.
상세한 설명
본 개시내용의 실시양태는 고분자량 폴리아미드를 사용하여 더 강한 폴리아미드 섬유를 형성할 수 있다. 본 개시내용의 목적을 위해, 고분자량 폴리아미드는 약 38,000 Da 초과의 수 평균 분자량 (Mn)을 갖는다. 상기 언급된 바와 같이, 용융 방적에 사용된 폴리아미드의 분자량은 과거에는 일반적으로 약 20,000 Da 이하로 제한되었다. 압출 온도의 상당한 증가가 폴리아미드를 열적으로 분해할 수도 있지만, 더 높은 분자량의 폴리아미드는 압출 온도가 증가되지 않는 한 전형적인 산업용 압출기를 통해 가공하기에 너무 점성일 수 있다.
그러나, 이제 고분자량 폴리아미드는 겔화제에 부분적으로 용해되어 겔 형태의 방적성 용액을 형성할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 하기 기재된 바와 같이, 방적성 용액 또는 겔은 압출되어 폴리아미드 섬유를 형성할 수 있다. 겔에 사용된 폴리아미드의 수 평균 분자량이 증가함에 따라 폴리아미드 섬유의 강도는 증가하는 것으로 밝혀졌다. 임의의 이론에 의해 얽매이는 것을 원하진 않지만, 이러한 폴리아미드 섬유의 더 큰 강도는 더 적은 사슬 말단 결함의 결과일 수 있는 것으로 여겨진다.
일부 실시양태에서, 본 개시내용에 따라 제조된 폴리아미드 섬유는 10 그램/데니어 (gpd) 초과의 강인도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 폴리아미드 섬유는 10.5 gpd, 11 gpd, 또는 12 gpd 정도로 낮거나, 또는 14 gpd, 15 gpd, 또는 16 gpd 정도로 높거나, 또는, 예를 들어 10.5 gpd 내지 16 gpd, 11 gpd 내지 15 gpd, 또는 12 gpd 내지 14 gpd와 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이의 임의의 범위 내의 강인도를 가질 수 있다.
폴리아미드는 수지의 형태로 제공될 수 있다. 일부 실시양태에서, 폴리아미드는 폴리아미드-6 (PA-6), 폴리아미드-6,6 (PA-6,6), 및 폴리아미드-9,6 (PA-9,6) 중 적어도 하나를 포함한다. 한 실시양태에서 폴리아미드는 폴리아미드-6 또는 폴리아미드-6,6이다. 보다 특정한 실시양태에서, 폴리아미드는 폴리아미드-6이다.
폴리아미드는 약 38,000 Da 초과의 수 평균 분자량을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 폴리아미드는 38,000 Da, 41,000 Da, 46,000 Da, 또는 53,000 Da 정도로 낮거나, 또는 68,000 Da, 77,000 Da, 88,000 Da, 또는 100,000 Da 정도로 높거나, 또는 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내의 수 평균 분자량을 가질 수 있고, 예를 들어, 일부 실시양태에서, 폴리아미드는 38,000 Da 내지 100,000 Da, 41,000 Da 내지 88,000 Da, 46,000 Da 내지 77,000 Da, 및 53,000 Da 내지 68,000 Da 범위의 수 평균 분자량을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 폴리아미드는 약 60,000 Da의 수 평균 분자량을 가질 수 있다.
분자량은 전형적으로 수지의 점도와 관련이 있다. 점도는 포름산 점도 (FAV)로서 보고될 수 있다. FAV는 ASTM 789에 따라 90 부피% 포름산 중 10 부피% 용액의 점도이다. 수 평균 분자량 (Mn)은 관계에 따라 측정된 FAV로부터 추정될 수 있다:
방정식 1:
Figure pct00001
따라서, 205의 FAV는 약 36,000의 Mn에 상응하고, 230의 FAV는 약 38,000의 Mn에 상응하고, 280의 FAV는 약 41,000의 Mn에 상응하고, 365의 FAV는 약 46,000의 Mn에 상응하고, 520의 FAV는 약 53,000의 Mn에 상응하고, 725의 FAV는 약 60,000의 Mn에 상응하고, 1,030의 FAV는 약 68,000의 Mn에 상응하고, 1,500의 FAV는 약 77,000의 Mn에 상응하고, 2,260의 FAV는 약 88,000의 Mn에 상응하고, 3,440의 FAV는 약 100,000의 Mn에 상응한다.
이와 관련하여, 폴리아미드는 205, 230, 280, 365, 또는 520 정도로 적거나, 또는 725, 1,030, 또는 1,500, 2,260 또는 3,440 정도로 큰 FAV를 가질 수 있거나, 또는, 예를 들어 205 내지 3,440, 230 내지 2,260, 280 내지 1,500, 365 내지 1,030, 또는 520 내지 725와 같은, 상기 값 중 임의의 쌍 사이에 정의된 임의의 범위 내의 FAV를 가질 수 있다.
한 예시적인 실시양태에서, 폴리아미드는 0.2 중량%, 0.5 중량%, 또는 1 중량% 정도로 낮거나, 또는 2 중량%, 5 중량%, 또는 10 중량% 정도로 높은 ISO 6427에 따른 추출가능한 함량, 또는, 예를 들어 0.2 중량% 내지 10 중량%, 0.2 중량% 내지 2 중량%, 또는 0.2 중량% 내지 1 중량%와 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내의 추출가능한 함량을 갖는다. 추출가능한 함량은, 예를 들어 카프로락탐 및 다양한 올리고머를 포함할 수 있다.
겔화제는 폴리아미드를 적어도 부분적으로 용해시켜 방적될 수 있는 점성 용액 또는 겔을 형성할 수 있다. 전형적인 겔화제는 비교적 낮은 분자량을 갖고, 단량체 또는 올리고머일 수 있다. 일부 실시양태에서, 겔화제는 락탐을 포함한다. 일부 실시양태에서, 락탐은 카프로락탐, 카프로락탐-계 아미드, 예컨대 N-메틸 카프로락탐 및 N-에틸 카프로락탐, 및 다음과 같은 카프로락탐-계 아미드-에스테르를 포함할 수 있다:
화학식 1
Figure pct00002
화학식 2
Figure pct00003
, 및
화학식 3
Figure pct00004
카프로락탐은 폴리아미드의 겔화제로서 이점을 예시적으로 제공한다. 일부 실시양태에서, 이들 이점은 점성 용액 또는 겔의 방적성 용액을 형성하기 위한 폴리아미드의 부분 용매화, 저독성, 비교적 저비용, 저취성, 및 용매로서 물을 사용한 방적 섬유로부터의 비교적 용이한 추출 중 하나 이상을 포함한다.
방적성 용액은 폴리아미드 및 소정 범위의 농도의 겔화제, 예컨대 카프로락탐으로부터 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 방적성 용액은 20 중량%, 30 중량%, 40 중량%, 또는 50 중량% 정도로 낮거나, 또는 60 중량%, 70 중량%, 80 중량%, 또는 90 중량% 정도로 높거나, 또는 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내의 카프로락탐 농도를 갖고, 예를 들어, 일부 실시양태에서, 방적성 용액의 카프로락탐 농도는 20 중량% 내지 90 중량%, 30 중량% 내지 80 중량%, 40 중량% 내지 70 중량%, 50 중량% 내지 90 중량%, 50 중량% 내지 80 중량%, 50 중량% 내지 70 중량%, 또는 50 중량% 내지 60 중량%의 범위일 수 있다. 모든 카프로락탐 농도는 방적성 용액의 총 중량을 기준으로 한다.
일부 실시양태에서, 방적성 용액은 10 중량%, 20 중량%, 30 중량%, 또는 40 중량% 정도로 낮거나, 또는 50 중량%, 60 중량%, 70 중량%, 또는 80 중량% 정도로 높거나, 또는 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내의 폴리아미드 농도를 갖고, 예를 들어, 일부 실시양태에서, 방적성 용액의 폴리아미드 농도는 10 중량% 내지 80 중량%, 20 중량% 내지 70 중량%, 30 중량% 내지 60 중량%, 또는 40 중량% 내지 50 중량%의 범위일 수 있다. 모든 폴리아미드 농도는 방적성 용액의 총 중량을 기준으로 한다.
일부 실시양태에서, 방적성 용액은 하나 이상의 첨가제, 예컨대 열 안정화제, 산화방지제, 착색제, 또는 가공 보조제를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 모든 첨가제의 총 농도는 방적성 용액의 총 중량의 5 중량%를 초과하지 않는다.
더 높은 수 평균 분자량의 폴리아미드는 전형적인 산업용 압출기를 통해 가공하기에 너무 점성이 아닌 방적성 용액을 제조하기 위해 일반적으로 더 높은 농도의 카프로락탐을 필요로 한다. 또한 방적성 용액 중 카프로락탐의 농도가 높을수록 더 강한 섬유를 제조할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 임의의 이론에 의해 얽매이는 것을 원하진 않지만, 더 높은 카프로락탐 농도, 또는 로딩은 폴리아미드의 중합체 사슬의 얽힘 밀도를 감소시키는데 도움이 되는 것으로 여겨지고 (즉, 얽힘 사이의 분자량 (Me)을 증가시키고), 이는 섬유의 연신 능력, 또는 연신성(drawability), 및 중합체 사슬의 종방향 배향을 개선하여 더 강한 섬유를 제조할 수 있다. 예를 들어, 문헌 (R. Schaller et al., "High-Performance Polyethylene Fibers 'Al Dente': Improved Gel-Spinning of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Using Vegetable Oils," Macromolecules, 2015, 48 (24), pp 8877-8884)을 참조한다.
도 1은 본 개시내용의 실시양태에 따라, 섬유를 제조하기 위한 시스템의 개략도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 시스템(10)은 혼합기(12), 방적 블록(14), 섬유 연신 장치(16), 및, 임의적으로, 켄칭 시스템(18)을 포함할 수 있다. 혼합기(12)는 공급 포트(20)를 포함할 수 있다. 혼합기(12)는, 예를 들어, 기계식 교반기, 이축-스크류 압출기, 및 브라벤더(Brabender) 혼합기를 포함할 수 있다. 방적 블록(14)은 방사구(22)를 포함할 수 있다. 방사구(22)는 복수의 구멍 (미도시)을 포함하는 다이이다. 섬유 연신 장치(16)는 방향 변경 장치(24), 복수의 롤러(26), 하나 이상의 연신 롤러(28), 및 최종 롤러, 또는 와인더(30)를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 방향 변경 장치(24)는 회전 롤러이다. 다른 실시양태에서, 방향 변경 장치(24)는 비-회전 바이다. 롤러(26)는 회전 롤러이다. 일부 실시양태에서, 연신 롤러(28) 및 와인더(30)는 전동식 롤러이다. 켄칭 시스템(18)은 켄칭 욕조(32) 및 켄칭액(34)을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 켄칭액(34)은 켄칭 욕조(32)에 포함될 수 있다. 일부 실시양태에서, 켄칭액(34)은 물을 포함할 수 있다. 도 1에 나타낸 실시양태와 같은 일부 실시양태에서, 켄칭 시스템(18)은 임의적인 유동 순환 시스템(36)을 추가로 포함한다. 유동 순환 시스템(36)은 펌프(38) 및 배관(40)을 포함할 수 있다. 배관(40)은 펌프(38)의 어느 한 측면 및 켄칭 욕조(32)에 연결되어 켄칭 욕조(32)를 통해 켄칭액(34)을 순환시킨다.
도 2는 본 개시내용의 실시양태에 따라, 섬유를 제조하는 방법(100)을 보여주는 흐름도이다. 도 1 및 2를 함께 고려하면, 블록(102)에서, 상기 기재된 임의의 실시양태에 따라 폴리아미드(42) 및 겔화제(44)를 상기 기재된 임의의 중량 퍼센트에 따라 제공하고 공급 포트(20)로 공급한다. 블록(104)을 참조하면, 상기 기재된 임의의 실시양태에 따라 폴리아미드(42) 및 겔화제(44)를 혼합기(12)에서 혼합하여 겔화제(44)에 폴리아미드(42)를 용해시켜 방적성 용액(46)을 형성한다. 일부 실시양태에서, 폴리아미드(42) 및 겔화제(44)를 혼합기(12)에서 가열하여 방적성 용액(46)을 형성하는 것을 도울 수 있다.
일부 실시양태에서, 방적성 용액(46)은 150℃, 160℃, 170℃, 175℃, 180℃, 185℃, 또는 190℃ 정도로 낮거나, 또는 200℃, 225℃, 250℃, 255℃, 260℃, 270℃, 또는 275℃ 정도로 높거나, 또는, 예를 들어 150℃ 내지 200℃, 170℃ 내지 190℃, 175℃ 내지 185℃, 250℃ 내지 270℃, 또는 255℃ 내지 265℃와 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내의 온도에서 형성된다.
블록(106)을 참조하면, 방적성 용액(46)은 방적 블록(14)에 제공되며, 여기서 방사구(22)의 구멍을 통한 압출에 의해 방적되어 복수의 섬유(48)를 형성한다. 방사구(22)를 빠져 나가는 섬유(48)의 속도는 겔 속도로 지칭된다. 일부 실시양태에서, 겔 속도는 0.4 미터/분 (m/min.), 0.8 m/min., 1 m/min., 또는 3 m/min. 정도로 낮거나, 10 m/min., 14 m/min., 20 m/min., 또는 30 m/min. 정도로 높거나, 또는 0.4 m/min. 내지 30 m/min., 0.8 m/min. 내지 20 m/min, 또는 3 m/min. 내지 14 m/min.와 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내에 있을 수 있다.
일부 실시양태에서, 방적 블록(14)은 방적 동안 방적성 용액(46)을 가열할 수 있다. 일부 실시양태에서, 방적성 용액(46)은 150℃, 160℃, 180℃, 또는 200℃ 정도로 낮거나, 또는 220℃, 240℃, 260℃, 265℃, 또는 270℃ 정도로 높거나, 또는, 예를 들어 150℃ 내지 270℃, 180℃ 내지 265℃, 또는 200℃ 내지 265℃와 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내의 온도에서 방적된다.
상기 언급된 바와 같이, 더 높은 수 평균 분자량의 폴리아미드(42)는 전형적인 산업용 압출기를 통해 가공하기에 너무 점성이 아닌 방적성 용액(46)을 제조하기 위해 일반적으로 더 높은 농도의 겔화제(44), 예컨대 카프로락탐을 필요로 한다. 또한, 방적성 용액(46) 중 카프로락탐의 농도가 높을수록 더 강한 섬유를 제조할 수 있다.
그러나, 일부 실시양태에서, 높은 카프로락탐 로딩은 방사구(22)로부터 압출될 때 낮은 용융 강도를 갖는 섬유(48)를 초래할 수 있다. 너무 낮은 용융 강도를 갖는 섬유는 후속 연신 공정 동안에 섬유 형태로 당겨지는 동안 찢어질 수 있다. 따라서, 블록(108)에서, 섬유(48)는 켄칭 시스템(18)에 제공된다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 섬유(48)는 켄칭액(34) 내로 그리고 이를 통해 당겨진다. 켄칭액(34)은 방적 온도 미만의 온도에서 유지되어 섬유(48)의 용융 강도를 빠르게 증가시킬 수 있다.
일부 실시양태에서, 켄칭액(34)은 2℃, 4℃, 8℃, 15℃, 25℃ 또는 40℃ 정도로 낮거나, 또는 50℃, 75 ℃, 100℃, 120℃, 또는 150℃ 정도로 높거나, 또는, 예를 들어 2℃ 내지 150℃, 4℃ 내지 120℃, 8℃ 내지 100℃, 15℃ 내지 75℃, 25℃ 내지 50℃, 40℃ 내지 50℃, 50℃ 내지 75℃, 또는 25℃ 내지 75℃와 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내의 온도에서 유지된다. 일부 실시양태에서, 켄칭액(34)은 섬유(48)의 유리 전이 온도 초과의 온도, 예를 들어, 50℃ 내지 150℃에서 유지된다. 임의의 이론에 의해 얽매이는 것을 원하진 않지만, 켄칭액(34)의 온도가 높을수록 중합체 결정화를 지연시키고 결정화를 지연시키는 것은 약 38,000 Da 초과의 수 평균 분자량을 갖는 폴리아미드의 보다 성공적인 방적을 제공하는 것으로 여겨진다.
방사구(22)와 켄칭 욕조(32) 내의 켄칭액(34)의 표면(50) 사이의 거리는 도 1에 나타낸 바와 같이, 에어 갭(52)을 한정한다. 에어 갭(52)은 0.25 인치, 0.5 인치, 0.75 인치, 1 인치, 1.5 인치, 2 인치, 또는 2.5 인치 정도로 작거나, 또는 3 인치, 4 인치, 5 인치, 6 인치, 7 인치, 9 인치, 또는 11 인치 정도로 크거나, 또는, 예를 들어 0.25 인치 내지 11 인치, 또는 0.25 인치 내지 2.5 인치, 또는 0.25 인치 내지 2 인치와 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이의 임의의 범위 내에 있을 수 있다. 임의의 이론에 의해 얽매이는 것을 원하진 않지만, 일반적으로 더 작은 에어 갭(52)은 방사구(22)를 빠져 나갈 때 섬유(48)를 보다 빠르게 냉각시킴으로써 일반적으로 더 높은 농도의 카프로락탐을 갖는 방적성 용액(46)의 방적을 지지할 수 있는 것으로 여겨진다.
블록(110)을 참조하면, 켄칭을 시작한 후에, 섬유(48)는 섬유 연신 장치(16)에 제공되어 섬유(48)를 연신시킨다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 섬유(48)를 켄칭액(34) 내로 그리고 이를 통해 그리고 방향 변경 장치(24) 위로 당긴다. 일부 실시양태에서, 방향 변경 장치(24)를 떠나는 섬유(48)의 속도 대 겔 속도의 비는 1.0:1, 1.15:1, 또는 2.0:1 정도로 낮거나, 또는 100:1, 500:1, 또는 1000:1 정도로 높거나, 또는, 예를 들어 1.0:1 내지 1000:1, 1.5:1 내지 500:1, 또는 2.0:1 내지 100:1과 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내에 있을 수 있다.
섬유(48)가 후속적으로 연신 롤러(28)에 의해 복수의 롤러(26) 위로 당겨질 때, 섬유(48)의 속도는 증가하여, 섬유(48)를 추가로 연신시킬 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 켄칭액(34)을 떠나는 섬유(48)의 속도 대 겔 속도의 비는 15:1, 30:1, 50:1, 70:1, 또는 100:1 정도로 낮거나, 또는 160:1, 200:1, 250:1, 300:1, 또는 350:1 정도로 높거나, 또는, 예를 들어 15:1 내지 350:1, 30:1 내지 300:1, 50:1 내지 250:1, 70:1 내지 200:1, 또는 100:1 내지 160:1과 같은, 상기 값 중 임의의 2개에 의해 정의된 임의의 범위 내에 있을 수 있다. 켄칭액(34)을 떠나는 섬유(48)의 속도 대 겔 속도의 비는 방적 연신 비이다.
일부 실시양태에서, 켄칭액(34)을 떠나는 섬유(48)의 속도는 200 미터/분 (mpm), 300 mpm, 400 mpm, 500 mpm, 600 mpm, 700 mpm, 또는 800 mpm 정도로 낮거나, 또는 1,000 mpm, 1,100 mpm, 1,200 mpm, 1,300 mpm, 1,400 mpm, 1,500 mpm, 또는 1,600 mpm 정도로 높을 수 있거나, 또는, 예를 들어 200 mpm 내지 1,600 mpm, 300 mpm 내지 1,500 mpm, 400 mpm 내지 1,400 mpm, 500 mpm 내지 1,300 mpm, 600 mpm 내지 1,200 mpm, 700 mpm 내지 1,100 mpm, 및 800 mpm 내지 1,000 mpm과 같은, 임의의 2개의 상기 값에 의해 정의된 임의의 범위 내에 있을 수 있다. 켄칭액(34)을 떠나는 섬유(48)의 속도는 권취 속도 (T.U. 속도)로 부른다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 섬유(48)는 켄칭 욕조(32)를 통해 제1 방향(D1)으로 당겨질 수 있다. 켄칭 시스템(18)이 유동 순환 시스템(36)을 추가로 포함하는 것인 일부 실시양태에서, 유동 순환 시스템(36)은 켄칭 욕조(32)를 통해 켄칭액(34)을 제2 방향(D2)으로 순환시키도록 구성될 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 제2 방향(D2)은 제1 방향(D1)과 실질적으로 반대이다. 섬유(48)의 연신 방향의 반대 방향으로의 켄칭액(34)의 유동은 섬유(48)와 켄칭액(34) 사이의 항력에서의 증가를 초래하는 경향이 있을 것이다. 일부 실시양태에서, 켄칭액(34)은 섬유(48)의 길이 또는 정도에 의해 한정된 축에 평행한 축을 따라 유용할 수 있고 섬유(48)의 이동 방향과 일반적으로 반대인 방향으로 유동할 수 있다. 임의의 이론에 의해 얽매이는 것을 원하진 않지만, 증가된 항력은 중합체 사슬의 종방향 배향을 추가로 개선하여 보다 강한 섬유를 제조할 수 있는 것으로 여겨진다. 섬유(48) 상의 항력을 증가시킴으로써, 폴리아미드의 결정화도 및 알파 결정 상 형성이 증가되어, 보다 높은 강도 섬유를 초래할 수 있는 것으로 또한 여겨진다.
유동 순환 시스템(36)에 대안적으로, 또는 이에 더하여, 섬유(48) 상의 항력은 켄칭액(34)의 동적 점도를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 일부 실시양태에서, 켄칭액(34)의 동적 점도는 1,000 센티포아즈 (cp), 5,000 cp, 10,000 cp, 12,000 cp, 또는 14,000 cp 정도로 낮거나, 또는 18,000 cp, 20,000 cp, 22,000 cp, 24,000 cp, 또는 26,000 cp 정도로 높거나, 또는, 예를 들어 1,000 cp 내지 26,000 cp, 5,000 cp 내지 24,000 cp, 10,000 cp 내지 22,000 cp, 12,000 cp 내지 20,000 cp, 14,000 cp 내지 18,000 cp, 또는 18,000 cp 내지 24,000 cp와 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내에 있을 수 있다.
일부 실시양태에서, 켄칭액(34)의 동적 점도의 원하는 수준은 켄칭액(34)의 온도를 낮추거나 또는 켄칭액(34)에 증점제를 첨가함으로써 얻을 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 켄칭액(34)은 2℃, 4℃, 6℃, 또는 8℃ 정도로 낮거나, 또는 10℃, 12℃, 14℃, 또는 16℃ 정도로 높거나, 또는, 예를 들어 2℃ 내지 16℃, 4℃ 내지 14℃, 6℃ 내지 12℃, 또는 8℃ 내지 10℃와 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내의 온도에서 유지된다. 일부 실시양태에서, 켄칭액(34)은 약 4.4℃의 온도에서 유지된다. 추가로 또는 대안적으로, 일부 실시양태에서, 켄칭액(34)은 증점제, 예컨대 옥수수 전분 또는 중합체성 아크릴산 에스테르를 추가로 포함할 수 있다.
블록(112)에서, 섬유(48)는 와인더(30) 상에 권취된다. 일부 실시양태에서, 섬유(48)가 와인더(30) 상에 권취될 때 섬유의 속도 대 겔 속도의 비는 1.0:1, 1.5:1, 또는 2.0:1 정도로 낮거나, 또는 200:1, 1000:1, 또는 3000:1 정도로 높거나, 또는, 예를 들어 1.0:1 내지 200:1, 1.5:1 내지 1000:1, 또는 2.0:1 내지 3000:1과 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내에 있을 수 있다.
켄칭액(34)이 물로 본질적으로 이루어진 것인 일부 실시양태에서, 켄칭액(34)은 섬유(48)로부터 카프로락탐의 상당한 부분을 추출하여, 가능하게는 더 높은 카프로락탐 농도가 폴리아미드의 중합체 사슬의 얽힘 밀도를 감소시키고 중합체 사슬의 종방향 배향을 개선하여 더 강한 섬유를 제조할 수 있는 정도로 감소시킬 수 있다. 따라서, 일부 다른 실시양태에서, 켄칭액(34)은 물 이외에 카프로락탐을 포함할 수 있다. 켄칭액(34) 중 카프로락탐의 농도는 섬유(48)로부터 카프로락탐의 추출을 방지하거나, 또는 켄칭 동안 카프로락탐이 섬유(48)로부터 추출되는 정도로 제어가능하게 감소시키기 위해 원하는 대로 유지될 수 있다. 일부 실시양태에서, 켄칭액(34)은 10 중량%, 20 중량%, 30 중량%, 40 중량% 정도로 낮거나, 또는 60 중량%, 70 중량%, 80 중량%, 또는 90 중량% 정도로 높거나, 또는, 예를 들어 10 중량% 내지 90 중량%, 30 중량% 내지 70 중량%, 또는 40 중량% 내지 60 중량%와 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내의 카프로락탐 농도를 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 섬유(48)는 8 그램/데니어 (gpd), 9 gpd, 10, gpd, 또는 12 gpd 정도로 낮거나, 또는 14 gpd, 16 gpd, 18 gpd, 또는 20 gpd 정도로 높거나, 또는, 예를 들어 8 gpd 내지 20 gpd, 9 gpd 내지 18 gpd, 10 gpd 내지 16 gpd, 또는 12 gpd 내지 14 gpd와 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내의 ASTM D2256에 따른 강도를 갖는다.
일부 실시양태에서, 섬유(48)는 1%, 2,%, 또는 5% 정도로 적거나 또는 10%, 20%, 또는 50% 정도로 크거나, 또는, 예를 들어 1% 내지 50%, 2% 내지 50%, 또는 1% 내지 20%와 같은, 상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내의 ASTM D2256에 따른 최종 신율 UE (%)을 갖는다.
도 3은 다양한 퍼센트의 카프로락탐과 혼합된 다양한 수 평균 분자량 폴리아미드의 용액의 예상 가방성을 보여준다. 임의의 이론에 의해 얽매이는 것을 원하진 않지만, 주어진 수 평균 분자량의 폴리아미드의 경우, 용액 중 카프로락탐 농도가 너무 낮으면 압출기가 섬유를 방적하기 위해 너무 높은 압출 압력 (약간 음영처리된 영역)을 필요로 할 수 있는 것으로 여겨진다. 반대로, 용액 중 카프로락탐 농도가 너무 높으면, 용융 강도는 섬유를 방적하기에 너무 낮을 수 있다 (어둡게 음영처리된 영역). 도 3에 나타낸 바와 같이, 폴리아미드의 수 평균 분자량을 증가시키는 것은 용액이 방적될 수 있기 위해 조성물에서 카프로락탐의 중량 퍼센트를 증가시키는 것을 필요로 한다 (음영처리되지 않은 영역).
본원에서 사용된 바와 같이, 어구 "상기 값 중 임의의 둘 사이에 정의된 임의의 범위 내의"는 문자 그대로 값이 목록의 하위 부분에 있는지 또는 목록의 상위 부분에 있는지에 상관없이 임의의 범위가 이러한 어구 이전에 열거된 값 중 임의의 2개로부터 선택될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 한 쌍의 값은 2개의 하위 값, 2개의 상위 값, 또는 하위 값과 상위 값으로부터 선택될 수 있다.
본 개시내용은 주로 직물 방적과 같은 적용에 관한 것이지만, 본원에 개시된 특징은 카펫 섬유 방적, 종래의 방적, 및 고성능 섬유 적용에 사용되는 초-고분자량 폴리에틸렌에 사용된 것과 같은 겔 방적을 비롯하여, 다른 방적 및 압출 방법에 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명은 예시적인 디자인에 대하여 설명되었지만, 본 발명은 본 개시내용의 취지 및 범주 내에서 추가로 수정될 수 있다. 또한, 본 출원은 본 발명이 관련된 기술 분야에서 공지된 또는 통상적인 관행 내에 속하는 본 개시내용으로부터의 이러한 이탈을 포함하는 것으로 의도된다.
실시예
실시예 1 - 폴리아미드 PA-6 및 카프로락탐 용액
PA-6을 승온에서 카프로락탐에 용해시켜 점성 용액 또는 겔을 형성함으로써 다양한 양의 PA-6 및 카프로락탐의 조성물을 형성하였다. 이어서 조성물을 섬유로 방적하기 위해 복수의 출구 구멍을 포함하는 방사구를 포함하는 압출기에 조성물을 공급하였다.
비교 실시예 A의 경우, 280의 포름산 점도를 갖는 100% PA-6 (0% 카프로락탐)의 조성물을 각각 0.4 ㎜ 직경의 72 필라멘트 카운트를 갖는 방사구에 공급하였다. 팩 압력이 시간당 10-11 파운드의 처리량에서 시스템의 3000 psi 작동 한계를 초과했을 때 섬유는 형성될 수 없었다. 비교 실시예 A는 도 3의 약간 음영처리된 영역에 나타나 있다 (Ex. A).
실시예 B의 경우, PA-6을 255℃ 내지 265℃의 범위의 온도에서 카프로락탐에 용해시킴으로써 280의 포름산 점도를 갖는 20% 카프로락탐 및 80% PA-6의 조성물을 형성하였고, 이어서 비교 실시예 A와 동일한 방사구에 제공하였다. 섬유는 시간당 12 파운드의 처리량으로 성공적으로 방적되었다. 비교 실시예 B는 도 3의 음영처리되지 않는 영역에 나타나 있다 (Ex. B).
실시예 2 - 폴리아미드 섬유 강인도
도 4-7은 폴리아미드 섬유의 강인도에 미치는 폴리아미드 분자량, 켄칭액 온도, 방적 연신 비, 권취 속도, 및 방사구와 켄칭 욕조 내의 켄칭액의 표면 사이의 에어 갭의 효과를 보여준다. 각 경우에, PA-6은 상기 기재된 실시예 A에 대해서와 같이 제조하였다. 즉, PA-6은 카프로락탐에 의해 용해되지 않았다. 켄칭액은 물이었다.
도 4는 다양한 분자량의 PA-6으로부터 제조된 폴리아미드 섬유에 대한 강인도에 미치는 방적 연신 비의 효과를 보여주는 차트이다. 도 4-7의 경우, 분자량은 FAV에 의해 표시된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 섬유의 강인도는 방적 연신 비를 증가시킴에 따라 증가하고, 더 높은 분자량의 폴리아미드는 일반적으로 더 높은 비에서 더 많이 연신될 수 있다. 또한, 주어진 방적 연신 비에서, 더 높은 분자량의 폴리아미드는 일반적으로 더 높은 강인도를 갖는 섬유를 생성하였다.
도 5는 다양한 에어 갭에서 다양한 온도의 켄칭액을 사용하여 다양한 분자량의 PA-6으로부터 제조된 폴리아미드 섬유에 대한 강인도에 미치는 권취 속도의 효과를 보여주는 차트이다. 각 선에 대해, 분자량은 FAV로, 켄칭액 온도는 섭씨로, 그리고 에어 갭은 인치로 선에 의해 나타나 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 강인도는 일반적으로 권취 속도를 증가시킴에 따라 증가한다. 이것은 도 4에 나타낸 데이터와 일치하는데, 권취 속도 및 방적 연신 비가 일정한 겔 속도와 관련이 있기 때문이다. 또한, 도 5는 도 4에서와 같이, 폴리아미드 섬유를 제조하는데 사용된 폴리아미드의 폴리아미드 분자량을 증가시킴에 따라 강인도에서의 증가를 보여준다. 추가로 도 5에 나타낸 바와 같이, 에어 갭을 감소시키는 것은 또한 일반적으로 섬유의 강인도를 증가시킨다. 도 5는 또한 켄칭액의 온도를 증가시키는 것이 일반적으로 섬유의 강인도를 증가시킨다는 것을 보여준다.
도 5에서, 11 인치의 에어 갭에서 65℃의 켄칭액에서, 205의 FAV를 갖는 폴리아미드로부터 형성된 폴리아미드 섬유의 강도를 보여주는 선은 실시예 C이다. 11 인치의 에어 갭에서 65℃의 켄칭액에서, 230의 FAV를 갖는 폴리아미드로부터 형성된 폴리아미드 섬유의 강도를 보여주는 선은 실시예 D이다. 실시예 C는 약 1,200 mpm의 권취 속도까지 비교적 높은 강인도를 나타내고, 한편 실시예 D는 약 400 mpm의 낮은 권취 속도에서 다소 더 높은 강인도를 나타내지만, 더 높은 속도에서는 연신될 수 없다. 실시예 C는 도 3의 음영처리되지 않은 부분에 나타나 있고, 한편 실시예 D는 도 3의 약간 음영처리된 부분에 나타나 있다.
도 6은 다양한 에어 갭에서 다양한 온도의 켄칭액을 사용하여 약 32,000의 분자량 (FAV - 155)을 갖는 PA-6으로부터 제조된 폴리아미드 섬유에 대한 강인도에 미치는 권취 속도의 효과를 보여주는 차트이다. 각 선에 대해, 켄칭액 온도는 섭씨로 그리고 에어 갭은 인치로 선에 의해 나타나 있다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 강인도는 적어도 더 높은 켄칭액 온도에서, 권취 속도를 증가시키고, 켄칭액 온도를 높이고, 에어 갭을 감소시킴에 따라 일반적으로 증가한다.
도 7은 다양한 에어 갭에서 다양한 분자량의 PA-6으로부터 제조된 폴리아미드 섬유에 대한 강인도에 미치는 권취 속도의 효과를 보여주는 차트이다. 켄칭액 온도는 50℃이다. 각 선에 대해, 분자량은 FAV로 그리고 에어 갭은 인치로 선에 의해 나타나 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 강인도는 권취 속도를 증가시키고, 분자량을 증가시키고, 에어 갭을 감소시킴에 따라 일반적으로 증가한다 (FAV 135 선과 비교한다).

Claims (14)

  1. 섬유를 형성하기 위한 조성물이며,
    ASTM 789에 따라 결정된 바와 같은 포름산 점도 (FAV)로부터 유래된, 38,000 Da 내지 100,000 Da의 수 평균 분자량을 갖는 적어도 하나의 폴리아미드; 및
    카프로락탐을 포함하고, 여기서 폴리아미드는 카프로락탐에 적어도 부분적으로 용해되고, 카프로락탐은 조성물의 20 중량% 내지 90 중량%를 차지하는 것인 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 카프로락탐이 조성물의 50 중량% 내지 90 중량%를 차지하는 것인 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 폴리아미드가 ASTM 789에 따라 결정된 바와 같은 포름산 점도 (FAV)로부터 유래된, 41,000 Da 내지 68,000 Da의 수 평균 분자량을 갖는 것인 조성물.
  4. 섬유의 제조 방법이며,
    ASTM 789에 따라 결정된 바와 같은 포름산 점도 (FAV)로부터 유래된, 38,000 Da 내지 100,000 Da의 수 평균 분자량을 갖는 적어도 하나의 폴리아미드를 카프로락탐에 용해시켜 방적성 용액을 형성하는 것; 및
    방적성 용액을 방사구를 통해 압출시킴으로써 방적성 용액을 방적하여 섬유를 형성하는 것
    을 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 적어도 하나의 폴리아미드를 용해시키는 것을 150℃ 내지 270℃의 온도에서 수행하는 것인 방법.
  6. 제4항에 있어서, 방적성 용액이 20 중량% 내지 90 중량% 카프로락탐을 포함하는 것인 방법.
  7. 제4항에 있어서, 폴리아미드가 ASTM 789에 따라 결정된 바와 같은 포름산 점도 (FAV)로부터 유래된, 41,000 Da 내지 68,000 Da의 수 평균 분자량을 갖는 것인 방법.
  8. 제4항에 있어서, 켄칭액을 함유하는 켄칭 욕조에서 방적 섬유를 켄칭하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 에어 갭이 방사구와 켄칭 욕조 내의 켄칭액 사이로 규정되고, 에어 갭 길이가 0.25 인치 내지 11 인치인 방법.
  10. 제8항에 있어서, 방적 섬유를 켄칭하는 것이
    켄칭 욕조를 통해 섬유를 제1 방향으로 당기는 것; 및
    제1 방향과 실질적으로 반대인 제2 방향으로 켄칭액을 유동시키는 것
    을 포함하는 것인 방법.
  11. 제8항에 있어서, 켄칭액이 1,000 센티포아즈 내지 26,000 센티포아즈의 동적 점도를 갖는 것인 방법.
  12. 제8항에 있어서, 켄칭액이 50℃ 내지 150℃의 온도에 있는 것인 방법.
  13. 복수의 폴리아미드 중합체 사슬을 포함하는 폴리아미드 섬유이며,
    폴리아미드 중합체 사슬이 ASTM 789에 따라 결정된 바와 같은 포름산 점도 (FAV)로부터 유래된, 38,000 Da 내지 100,000 Da의 수 평균 분자량을 갖는 것인 폴리아미드 섬유.
  14. 제13항에 있어서, 폴리아미드 섬유의 강인도(tenacity)가 10 그램/데니어 초과인 폴리아미드 섬유.
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